Entwurf anwendungsspezifischer drahtloser Körpernetzwerke zur Vitalparameterübertragung

Autonome drahtlose Körpernetzwerke sind neuartige technische Systeme zur Aufzeichnung, Verarbeitung und Überwachung von Vitalparametern am menschlichen Körper. Umgesetzt wird dies durch kleine, verteilt am Körper getragene Sensorsysteme, die Biosignale aufzeichnen, drahtlos miteinander kommunizieren und die gewonnenen Daten unter Umständen direkt am Körper auswerten. Die Vorteile dieser Technik liegen für den Patienten in der großen Bewegungsfreiheit durch Verzicht auf Kabelverbindungen bei gleichzeitig permanenter Überwachung kritischer Vitalparameter. Die Anwendung von Körpernetzwerken stößt auch zunehmend im Privatbereich auf Interesse wenn es darum geht, sportliche Aktivitäten zu dokumentieren und Trainingserfolge auszuwerten (Self Monitoring). Die besondere Herausforderung bei der Entwicklung solcher Systeme sind die begrenzten Energieressourcen. Diese ergeben sich daraus, dass speziell die Sensoren besonders klein und leicht sein müssen, um vom Anwender für eine dauerhafte Nutzung akzeptiert zu werden. Weil für die drahtlose Kommunikation üblicherweise sehr viel Energie notwendig ist, muss ein solches System in diesem Bereich besonders optimiert werden, um ausreichend lange Laufzeiten zu gewährleisten. Funkmodule auf Basis der weit verbreiteten Protokolle WiFi, Bluetooth oder ZigBee sind aufgrund ihrer vergleichsweise hohen Stromaufnahme, der Protokollkomplexität oder der Ausrichtung auf hohe Datenraten schlecht geeignet. Statt einer solchen Standardlösung wird für diese Arbeit ein besonders energieeffizienter, frei programmierbarer Transceiverschaltkreis eingesetzt. Bisher sind keine Entwurfswerkzeuge verfügbar, die die Entwicklung anwendungsspezifischer drahtloser Körpernetzwerke umfassend unterstützen. Im Speziellen müssen viele Entwurfsentscheidungen ohne objektive Verifikationsmöglichkeit getroffen werden. Gerade für die Umsetzung dieser energetisch sensiblen Systeme ist es jedoch unerlässlich, verschiedene Konzepte und Methoden miteinander zu vergleichen. Diese Arbeit beschäftigt sich daher mit der Konzeption und Umsetzung eines umfassenden Frameworks für die Entwicklung anwendungsspezifischer drahtloser Körpernetzwerke. Einen wesentlichen Schwerpunkt bildet dabei eine Simulationsumgebung auf Basis eines Energiemodells des Transceivers, das aus hochauflösenden Messungen an der Hardware gewonnen wurde. Mit Hilfe der Simulationsumgebung lassen sich nun beliebige Konzepte objektiv hinsichtlich ihrer Energieeffizienz oder anderer Leistungsmerkmale untersuchen und bewerten. Anhand verschiedener Beispiele wird gezeigt, dass die so umgesetzten Lösungen wesentlich weniger Energie benötigen als vergleichbare Realisierungen mit ZigBee oder Bluetooth.