Published August 11, 2021 | Version v1
Publication Open

Integrating ultra-wideband and free space optical communication for realizing a secure and high-throughput body area network architecture based on optical code division multiple access

Creators

  • 1. National University of Sciences and Technology
  • 2. University of Engineering and Technology Peshawar
  • 3. King Fahd University of Petroleum and Minerals

Description

Nodes in a body area network (BAN) are miniature wearable or implantable battery-powered wireless sensors which continuously transmit real-time vital physiological data of a patient to remote health-care center while remaining in close proximity to the human body. Therefore, BAN nodes should have the features of high data rates and low transmit powers to protect the human body, environment and bio-medical equipment from harmful exposure of electromagnetic radiations and electromagnetic interference (EMI). Ultra-wideband (UWB) signals have low allowable transmission power and high data rates. Therefore, we propose a low cost, low powered and secure optical body area network (OBAN) composed of four UWB-BAN nodes each transmitting at a data rate of 30 Mbps. At the control node, UWB signals from UWB-BAN nodes are encoded using spectral amplitude coding-optical code division multiple access (SAC-OCDMA) scheme and the combined signal is transmitted over free space optics (FSO) channel towards remote health-care center. At the health-care center, the combined signal is decoded and UWB signal of each UWB-BAN node is photo-detected for analysis of patient's data. Log-normal channel model is considered between control node and the health-care center. The signal received from each UWB-BAN after propagation through the FSO channel is analyzed through Bit error rate (BER) results. Similarly, cost efficiency of the proposed architecture is also evaluated through a detailed cost analysis. It was observed that the proposed architecture requires the UWB-BAN nodes to have low receiver sensitivities with the added benefits of cost-efficiency and data security.

⚠️ This is an automatic machine translation with an accuracy of 90-95%

Translated Description (Arabic)

العقد في شبكة منطقة الجسم (BAN) هي مستشعرات لاسلكية مصغرة قابلة للارتداء أو قابلة للزرع تعمل بالبطارية والتي تنقل باستمرار البيانات الفسيولوجية الحيوية في الوقت الفعلي للمريض إلى مركز الرعاية الصحية عن بعد مع البقاء على مقربة من جسم الإنسان. لذلك، يجب أن تتمتع عقد الحظر بميزات معدلات البيانات العالية وقوى الإرسال المنخفضة لحماية جسم الإنسان والبيئة والمعدات الطبية الحيوية من التعرض الضار للإشعاعات الكهرومغناطيسية والتداخل الكهرومغناطيسي (EMI). تتميز إشارات النطاق العريض الفائق (UWB) بقدرة نقل منخفضة مسموح بها ومعدلات بيانات عالية. لذلك، نقترح شبكة منطقة جسم بصري منخفضة التكلفة ومنخفضة الطاقة وآمنة (OBAN) تتكون من أربع عقد UWB - BAN كل منها يرسل بمعدل بيانات 30 ميغابت في الثانية. في عقدة التحكم، يتم ترميز إشارات UWB من عقد UWB - BAN باستخدام ترميز السعة الطيفية - مخطط الوصول المتعدد لتقسيم الشفرة الضوئية (SAC - OCDMA) ويتم إرسال الإشارة المجمعة عبر قناة بصريات المساحة الحرة (FSO) نحو مركز الرعاية الصحية عن بعد. في مركز الرعاية الصحية، يتم فك تشفير الإشارة المجمعة ويتم الكشف عن إشارة UWB لكل عقدة UWB - BAN ضوئيًا لتحليل بيانات المريض. يتم النظر في نموذج القناة الطبيعية للسجل بين عقدة التحكم ومركز الرعاية الصحية. يتم تحليل الإشارة المستلمة من كل UWB - BAN بعد الانتشار عبر قناة FSO من خلال نتائج معدل خطأ البت (BER). وبالمثل، يتم تقييم كفاءة تكلفة البنية المقترحة أيضًا من خلال تحليل مفصل للتكلفة. ولوحظ أن البنية المقترحة تتطلب أن تتمتع عقد UWB - BAN بحساسيات استقبال منخفضة مع الفوائد الإضافية المتمثلة في كفاءة التكلفة وأمن البيانات.

Translated Description (French)

Les nœuds d'un réseau corporel (BAN) sont des capteurs sans fil miniatures portables ou implantables alimentés par batterie qui transmettent en continu des données physiologiques vitales en temps réel d'un patient à un centre de soins de santé distant tout en restant à proximité du corps humain. Par conséquent, les nœuds d'INTERDICTION devraient avoir les caractéristiques de débits de données élevés et de faibles puissances de transmission pour protéger le corps humain, l'environnement et les équipements biomédicaux contre l'exposition nocive aux rayonnements électromagnétiques et aux interférences électromagnétiques (EMI). Les signaux à bande ultra-large (UWB) ont une faible puissance de transmission admissible et des débits de données élevés. Par conséquent, nous proposons un réseau optique à faible coût, faible puissance et sécurisé (OBAN) composé de quatre nœuds UWB-BAN transmettant chacun à un débit de données de 30 Mbps. Au niveau du nœud de contrôle, les signaux UWB provenant des nœuds UWB-BAN sont codés à l'aide d'un schéma d'accès multiple par répartition en code optique à codage d'amplitude spectrale (SAC-OCDMA) et le signal combiné est transmis sur un canal d'optique en espace libre (FSO) vers un centre de soins de santé distant. Au centre de santé, le signal combiné est décodé et le signal UWB de chaque nœud UWB-BAN est photodétecté pour l'analyse des données du patient. Le modèle de canal log-normal est considéré entre le nœud de contrôle et le centre de soins de santé. Le signal reçu de chaque UWB-BAN après propagation à travers le canal FSO est analysé à travers les résultats du taux d'erreur sur les bits (ber). De même, la rentabilité de l'architecture proposée est également évaluée au moyen d'une analyse détaillée des coûts. Il a été observé que l'architecture proposée exige que les nœuds UWB-BAN aient de faibles sensibilités de récepteur avec les avantages supplémentaires de rentabilité et de sécurité des données.

Translated Description (Spanish)

Los nodos en una red de área corporal (BAN) son sensores inalámbricos portátiles o implantables en miniatura que transmiten continuamente datos fisiológicos vitales en tiempo real de un paciente a un centro de atención médica remoto mientras permanecen muy cerca del cuerpo humano. Por lo tanto, los nodos BAN deben tener las características de altas velocidades de datos y bajas potencias de transmisión para proteger el cuerpo humano, el medio ambiente y los equipos biomédicos de la exposición nociva a las radiaciones electromagnéticas y las interferencias electromagnéticas (EMI). Las señales de banda ultraancha (UWB) tienen baja potencia de transmisión permitida y altas velocidades de datos. Por lo tanto, proponemos una red óptica de área corporal (OBAN) de bajo coste, baja potencia y segura compuesta por cuatro nodos UWB-BAN, cada uno de los cuales transmite a una velocidad de datos de 30 Mbps. En el nodo de control, las señales UWB de los nodos UWB-BAN se codifican utilizando el esquema de acceso múltiple por división de código óptico de codificación de amplitud espectral (SAC-OCDMA) y la señal combinada se transmite a través del canal de óptica de espacio libre (FSO) hacia el centro de atención médica remoto. En el centro de atención médica, la señal combinada se decodifica y la señal UWB de cada nodo UWB-BAN se fotodetecta para el análisis de los datos del paciente. Se considera el modelo de canal log-normal entre el nodo de control y el centro de salud. La señal recibida de cada UWB-BAN después de la propagación a través del canal FSO se analiza a través de los resultados de la tasa de error de bits (Ber). Del mismo modo, la rentabilidad de la arquitectura propuesta también se evalúa a través de un análisis de costes detallado. Se observó que la arquitectura propuesta requiere que los nodos UWB-BAN tengan bajas sensibilidades del receptor con los beneficios adicionales de rentabilidad y seguridad de los datos.

Files

latest.pdf.pdf

Files (1.3 MB)

⚠️ Please wait a few minutes before your translated files are ready ⚠️ Note: Some files might be protected thus translations might not work.
Name Size Download all
md5:96c451bf6b3760baa4bc856562f34456
1.3 MB
Preview Download

Additional details

Additional titles

Translated title (Arabic)
دمج الاتصالات البصرية فائقة الاتساع والمساحة الحرة لتحقيق بنية شبكة منطقة جسم آمنة وعالية الإنتاجية تعتمد على الوصول المتعدد لتقسيم الشفرة الضوئية
Translated title (French)
Intégration de la communication optique ultra-large bande et de l'espace libre pour réaliser une architecture de réseau corporel sécurisée et à haut débit basée sur l'accès multiple par répartition de code optique
Translated title (Spanish)
Integración de comunicación óptica de banda ultraancha y espacio libre para realizar una arquitectura de red de área corporal segura y de alto rendimiento basada en acceso múltiple por división óptica de código

Identifiers

Other
https://openalex.org/W3132045892
DOI
10.1007/s10043-021-00683-3

Is supplement to
https://openalex.org/W3089663803 (Other)
https://openalex.org/W3086285302 (Other)
https://openalex.org/W27922817 (Other)
https://openalex.org/W2473184990 (Other)
https://openalex.org/W2354034738 (Other)
https://openalex.org/W2164800633 (Other)
https://openalex.org/W2126947002 (Other)
https://openalex.org/W2122713479 (Other)
https://openalex.org/W1976985527 (Other)
https://openalex.org/W1963716487 (Other)

GreSIS Basics Section

Is Global South Knowledge
Yes
Country
Pakistan

References

  • https://openalex.org/W1480844783
  • https://openalex.org/W1532155590
  • https://openalex.org/W1554247277
  • https://openalex.org/W1556909464
  • https://openalex.org/W1691333601
  • https://openalex.org/W2040876394
  • https://openalex.org/W2097548040
  • https://openalex.org/W2110303107
  • https://openalex.org/W2114008681
  • https://openalex.org/W2119321652
  • https://openalex.org/W2130831359
  • https://openalex.org/W2186615563
  • https://openalex.org/W2473053155
  • https://openalex.org/W2741988388
  • https://openalex.org/W2755654324
  • https://openalex.org/W2765546355
  • https://openalex.org/W2890206149
  • https://openalex.org/W2910941133
  • https://openalex.org/W2944366715
  • https://openalex.org/W2946161434
  • https://openalex.org/W2983063321
  • https://openalex.org/W3034940264
  • https://openalex.org/W3140879510