دانلود تحقیق علمی فارسی -پایان نامه

متن کامل پایان نامه را در سایت منبع fuka.ir می توانید ببینید

هزینه پایین: بایستی سیستم نهایی از نظر اقتصادی مقرون به صرفه باشد. چون تعداد گرهها خیلی زیاد بوده و برآورد هزینه هر گره در تعداد زیادی(بالغ بر چند هزار) ضرب میگردد. بنابراین هر چه از هزینه هر گره کاسته شود، در سطح کلی شبکه صرفهجویی زیادی صورت خواهد گرفت و سعی میشودهزینه هر گره به کمتر از یک دلار برسد.
حجم کوچک: گرهها به نسبت محدودهای که زیر نظر دارند، بخشی را به حجم خود اختصاص میدهند. لذا هر چه این نسبت کمتر باشد به همان نسبت کارایی بالاتر میرود و از طرفی در اکثر موارد برای اینکه گرهها جلب توجه نکند و یا بتوانند در برخی مکانها قرار بگیرند نیازمند داشتن حجم بسیار کوچک میباشند.
توان مصرفی پایین: منبع تغذیه در گرهها محدود میباشد و در عمل، امکان تعویض یا شارژ مجدد آن مقدور نیست، لذا بایستی از انرژی موجود به بهترین نحو ممکن استفاده گردد.
نرخ بیت پایین: به خاطر وجود سایر محدودیتها، ملا میزان نرخ انتقال و پردازش اطلاعات در گرهها، نسبتا پایین میباشد.
خودمختار بودن: هر گرهای بایستی از سایر گرهها مستقل باشد و بتواند وظایف خود را طبق تشخیص و شرایط خود، به انجام برساند.
قابلیت انطباق: در طول انجام نظارت بر محیط، ممکن است شرایط در هر زمانی دچار تغییر و تحول شود. مثلا بعضی از گرهها خراب گردند. لذا هر گره بایستی بتواند وضعیت خود را با شرایط به وجود آمده جدید تطبیق دهد.
چگالی بالا: در توزیع گرهها در ناحیه عملیاتی
وجود استعداد خرابی در گرهها
تغییرات توپولوژی به صورت پویا و احیانا متناوب
10- استفاده از روش پخش همگانی در ارتباط بین گرهها در ارتباط نقطه به نقطه
داده محور بودن شبکه به این معنی که گرهها کد شناسایی ندارند.
انواع حسگرهای بدنیحسگرها عمل اصلی درشبکههای حسگر بدنی یعنی عمل جمعآوری اطلاعات را برعهده دارند .انواع گوناگونی از حسگرها برای شبکههای بدنی طراحی شده که در جدول 2 به بخشی از آنها اشاره شده است]10[.
جدول (2) انواع حسگرهای بدنی]10[
زمینهی کاربرد بیماری حسگرها نقش WBAN
بیماریهای قلبی 30% کل مرگ و میر
5/17 میلیون نفر در سال و در سال 2015 به 20 میلیون نفر خواهد رسید حسگر ضربان قلب
حسگر(ECG) کادر پزشکی اگر اطلاعات حیاتی مثل ضربان قلب یا بینظمی قلب، بیماران را داشته باشند میتوانند درمان مناسبی را برای وی در نظر بگیرند
سرطان
5/12 میلیون سرطانی در جهان وجود دارد و تخمین زده میشودکه 6/7 میلیون نفر آنها به مرگ منجر خواهد شد حسگر اکسید نیتریک حسگر میتواند در محل مشکوک قرار بگیرد و پزشک میتواند درمان را با تشخیص سلولهای سرطانی هر چه سریعتر آغاز کند
آلزایمر، افسردگی، فشار خون
375 میلیون نفر در سال 1990 و پیشبینی میشود در سال 2025 به 761میلیون نفر برسد WBAN میتواند در صورت مشاهدهی هر گونه وضعیت غیر معمول افراد تنها و مسن، هشداری را به خانواده، همسایه یا نزدیکترین بیمارستان برساند
بیماری قند (دیابت)
246 میلیون نفر در جهان به این بیماری مبتلا میباشند یک حسگر برای اندازهگیری قند خون /
یک عمل کننده به منظور تزریق انسولین اگر حسگر افت ناگهانی قند را مشاهده کرد یک سیگنال به عمل کننده جهت تزریق انسولین میفرستد
آسم
300 میلیون نفر در جهان به این بیماری مبتلا هستند حسگرهای حساسیت حسگرهایی که میتوانند عوامل آلرژیزا در هوا حس کنند و مرتبا بیمار را از این موضوع آگاه سازند
نظارتهای بعد از عمل حسگرهای درجه حرارت
حسگرهای فشار خون
حسگرهای ضربان قلب بیمار دیگر نیازی نیست به مدت طولانی در تخت بیمارستان بماند
فشار خون
باعث بروز سکته در 12/7 میلیون نفر در جهان میشود. حسگر فشار خون همراه با یک عمل کننده اگر حسگری تغییری در فشار خون احساس کند و این تغییر بیش از حد مجاز باشد، به عمل کننده سیگنالی ارسال و تزریق دارو در بدن صورت میگیرد در نتیجه شانس کمتری برای بروز سکته وجود دارد
معماری در WBANدر این قسمت به بررسی زیرساختهای WBAN و معماری سه لایه WBAN میپردازیم.
زیر ساخت WBANهمانطور که در شکل 1 مشاهده میکنید، یک WBAN متشکل از تعدادی گره حسگر و یک هماهنگ کننده میباشد، هر گره از باتری، حسگر، عملگر، پردازشگر، حافظه و فرستنده-گیرنده تشکیل شده است]11[. وظیفه هر حسگر دریافت علائم حیاتی بیمار و ارسال آن برای هماهنگ کننده میباشد. دو نوع مختلف از حسگرها از لحاظ محل قرارگیری آنها مطرح است:
حسگرهای کاشتنی که در زیر بدن انسان کار گذاشته میشوند. مثل کپسولهای آندسکپی
حسگرهای پوشیدنیکه اساسا بر روی بدن نصب میشوند. مثل حسگرهای اندازهگیری درجه حرارت بدن.
از جمله حسگرهای موجود میتوان به حسگرهای ثبت امواج الکتریکی مغز (EEG)، ثبت ضربان قلب (ECG)، آنالیز خون، تعیین درجه حرارت بدن، اندازهگیری قند خون و... اشاره کرد. هماهنگ کننده که به آن دستیار دیجیتال شخصی (PDA) هم گفته میشود. اطلاعات دریافت شده از حسگرها را ذخیره و آن را در صورت لزوم برای متخصصان، مراکز درمانی، اورژانس، پرستاران و سرورهای پزشکی ارسال میکند. PDA از راههای مختلفی مثل استانداردهای 802.11، بلوتوث یا شبکههای سلولی اقدام به ارسال اطلاعات میکند. مراکز و افراد مربوطه پس از دریافت، بر حسب نوع اطلاعات دریافتی (اورژانسی بودن یا نبودن) تصمیماتی را اتخاذ مینمایند. از نقطه نظر اینکه WBAN چگونه تصمیمی را عملی میکند سه نوع زیر ساخت مطرح شده که در ادامه به آن میپردازیم]11[.
شبکههای بدنی بیسیم مدیریت شدهMWBAN) ): PDAپس از دریافت اطلاعات، آنالیزهایی بر روی آن انجام میدهد و در صورت تشخیص مشکل، پیام هشداری به نزدیکترین بیمارستان یا متخصص ارسال میکند. متخصص یا سازمان مربوطه تصمیمی را اتخاذ کرده و به PDA بر میگرداند.PDA بر اساس تصمیم گرفته شده عملی را بر روی بدن انسان انجام میدهد. برای این کار، شبکه لازم است تا از طریق ارتباطات در محدودهی وسیعی مثل شبکههای سلولی یا استانداردهای 802.11 به اینترنت وصل شود. مزیت این نوع ساختار، نظارت مستقیم متخصص مربوطه بر روال انجام کار است. علت نامگذاری این نوع زیر ساخت به این دلیل است که شخص سومی مدیریت عملکرد شبکهی WBAN را بر عهده دارد.
شبکههای بدنی بیسیم خود مختار (AWBAN): در این حالت PDA به شبکههایی با محدودهی وسیع ارتباط برقرار نمیکند.PDA در واقع دستگاهی با هوش بالاتری است و طوری برنامهریزی شده است که خودش میتواند تصمیماتی را بگیرد. بنابراین اگر مشکلی رخ دهد، PDA قادر خواهد بود ورودیهای مختلف را آنالیز کند، تشخیصی را انجام دهد و به عمل کنندهها دستور دهد به منظور حل کردن مشکل عملی را بر روی بدن انسان انجام دهند. به عنوان مثال PDA قند خون را اندازهگیری میکند و اگر از حد خاصی بالاتر بود به عمل کنندهها دستور میدهد تا مقداری انسولین در بدن فرد تزریق کنند. از جمله مزایای این نوع شبکهها ، استقلال شبکه و عدم نیاز به شبکههایی با محدودهی وسیع است. به هر حال تشخیص و درمان یک بیماری توسط کامپیوتر به خوبی این کار توسط پزشک نخواهد بود.
شبکههای بدنی بیسیم هوشمند (IWBAN): در این شبکهها هر دو روش مدیریت شده و خود مختار با یکدیگر ترکیب میشوند. در حالت های ساده خود WBAN میتواند عملی را بر روی بدن انجام دهد (AWBAN) اما زمانی که با وضعیتهای پیچیدهتری مواجه میشویم که نیاز به مهارت انسانی است،WBAN هشداری را برای پزشک ارسال میکند و وی بهترین تصمیم را میگیرد.
معماری سه لایهای سیستم نظارت بر سلامتی بیمارمعماری شبکه، سازماندهی منطقی دستگاههای ارتباطی در یک سیستم میباشد]9[.در این بخش سیستم نظارت بر سلامتی بیمار که متشکل از سه لایه است، بررسی میشود. 1- ارتباطات درونBAN( لایه شبکه حسگر)، 2- ارتباطات بین BAN(لایه شبکه محاسبات)، 3- ارتباطات فراتر از BAN(لایه شبکه نظارت از راه دور)]12[.
شکل(2)یک معماری عمومی از یک سیستم نظارت بر سلامتی مبتنی بر BAN را نشان میدهد.ECG،EEG،EMG،سنسورهای حرکتی و سنسورهای فشار خون داده های خود را به دستگاه سرورشخصی (PS) ارسال میکنند. سپس این داده ها برای تشخیص بیماری از طریق ارتباط بلوتوث یا WLAN به سایت یک پزشک یا به یک پایگاه داده پزشکی برای نگهداری سوابق یا به یک سیستم هشداردهنده، فرستاده میشود.

شکل(2) معماری سه لایه سیستم ارتباطی BAN ]12[.
معماری ارتباطات داخلBANاین معماری بر اساس ویژگیهای سیستم در شرایط خاصی انجام میشود و این میتواند بر روی کارایی سیستم از طرق مختلفی همچون مصرف انرژی، توانایی در رفتار کردن با انواع بارهای ترافیکی، پایداری شبکه، انتخاب پروتکل MAC،تاخیر انتقال و تداخل کاربران تاثیر بگذارد.
مصرف انرژی
انتخاب معماری باید به گونهای صورت پذیرد که در شرایط ایدهآل مصرف انرژی را برروی کل شبکه به طور یکنواخت توزیع کند.
سازگاری با انواع بارهای الکتریکی
شبکه باید انواع بارهای ترافیکی را پشتیبانی کند که این مساله تا حدودی به معماری شبکه بستگی دارد.تعدادی از معماریها صرفا جهت پشتیبانی از ترافیکها با نرخ دادهای کم طراحی شدهاند.
پایداری شبکه
در برخی از معماریها عملکرد کل شبکه ممکن است به یک یا چند گره خاص بستگی داشته باشد. در این شرایط خرابی گره باعث از کار افتادن شبکه میشود.
انتخاب پروتکل MAC
انتخاب پروتکل MAC و معماری شبکه به شدت به یکدیگر وابسته هستند به طوری که معمولا انتخاب یک معاری خاص ، چروتکل MAC مخصوصی را میپذیرد یا بالعکس.
تاخیر انتقال
جدای شرایط ترافیکی ، برخی از معماریها تاخیر زیادی را نتیجه میدهند و این به دلیل تعداد پرشهایی است که داده برای رسیدن به سینک طی میکند.
تداخل کاربران
حضور کاربران در یک مکان باعث تداخل سیگنالهای انتقالی آنها میشود. برخی از معماریها که زمینه را برای انتقال با توان بالا فراهم میکنند، باعث افزایش تداخل سیگنالهای انتقالی کاربران میشود.
-1130304569460ما اصطلاح "ارتباطات درون BAN" را در اشاره به ارتباطات رادیویی حدود 2 متر در اطراف بدن انسان تعریف میکنیم ،که میتواند به دو زیر گروه: 1- ارتباط بین سنسورهای بدنی با هم 2- ارتباط بین سنسورهای بدنی وPS قابلحمل تقسیم شود. یکی از ویژگیهای این نوع ارتباط ذات باطری و نرخ بیتی پایین حسگرهای بدنی موجود میباشد که به عنوان یک چالش مطرح است. برای اجتناب از این نوع چالشها بین حسگرها و PS
طرحهایی مانند MITHril و SMART معرفی شده است که از کابل به طور مستقیم برای اتصال حسگرها با یک PS استفاده میشود که در شکل(3) نشان داده شده است.
شکل(3) : معماری SMART برای ارتباط درونBAN ]12[.
95256410325
روش بعدی روشی به نام CODE BLUE میباشد که در آن حسگرهابدون استفاده از PS، به طور مستقیم به صورت بیسیم با Aps در ارتباط هستند. که در شکل 4 نشان داده شده است.
شکل(4) : معماری CODE BLUE برای ارتباط درون BAN ]12[.

-51498547625در مقایسه با دو روش قبل شکل (5) یک نوع معماری با توپولوژی استار را نمایش میدهد که به موجب آن چند حسگر بدنی بیسیم با یک PS به صورت بیسیم ارتباط برقرار کردهاند و از طریق آن اطلاعات خود را به یک اکسس پوینت میفرستند.
شکل(5) : استفاده از توپولوژی ستاره برای ارتباط درون BAN ]12[.

شکل (6) نسبت به دو سطح قبل پیشرفتهتر هستند و در آنها حسگرها به دلیل کاهش مقدار داده های خام و صرفهجویی در انرژی به صورت سیمی یا بیسیم به یک پردازنده مرکزی متصل هستند .پس از هجوم دادهها حجم دادههایی که از پردازنده مرکزی به PS منتقل میشوند کاهش مییابد. با این حال این راهحلها با چالشهای بیشتری روبرو هستند. یکی از این چالشها این است که پیچیدگی سیستم افزایش مییابد.

شکل(6) : استفاده از گره مرکزی برای شبکه درون BAN
در مقایسه با شبکه های حسگر بیسیم که به منظور مشاهدات محیطی به کار میروند، WBAN دارای محدودیتهای مضاعفی در برقراری ارتباطات و دریافت داده از بدن انسان میباشد به عنوان مثال به دلیل محدودیت های بدن انسان تعداد کمی حسگر میتواند روی بدن پخش شود، با توجه به این محدودیتها و به دلیل مقیاس کوچک WBAN و فاصله کوتاه بین لینکها (ارتباط بین گره و سینک) توپولوژی ستاره به عنوان یک انتخاب طبیعی و پیش فرض برای WBAN محسوب میشود. از سوی دیگر به دلیل حرکت کاربر و ماهیت بدن انسان ، کانالهای ارتباطی بیسیم روی بدن دائما تغییر میکند. در نتیجه نیاز به برقراری ارتباط بیسیم مطمئن که انرژی را به طور موثر بگیرد احساس میشود. به همین دلیل معماری دیگری به عنوان چند پرشی مطرح میشود که در آن حسگرها ممکن است به عنوان گره رله استفاده شوند تا کارایی انتقال را افزایش دهند.
در آزمایشی به عنوان تحلیل کارایی معماری ستاره صورت گرفته است.نتایج به دست آمده در این مقاله تایید میکند که معماری چند پرشی در مقایسه با معماری ستاره کاراتر میباشد و در کاربردهای پزشکی، معیارهای قابلیت اطمینان و مصرف انرژی به طور موثر را فراهم میکند. همچنین در معماریهای ستاره و چند پرشی مورد بررسی قرار گرفته است. در این مقاله دو نمونه از شبکههای چند پرشی مطرح شده است. شبکهای با معماری چند پرشی به منظور بهینه کردن حداکثر نرخ تحویل دادن بسته(PDR) و شبکهای با معماری چند پرشی به منظور بهینه کردن حداقل میانگین تعداد انتقال دوباره(ANR). نتایج به دست آمده از این مقاله در زیر آمده است.
معماری ستاره برای محیط پویا نا مناسب است. معماری چند پرشی چون از گره رله استفاده میکند میتواند خود را با تغییرات وفق دهد.
اگر یک شبکه به PDR بالایی نیاز داشته باشد و در محیط پویایی قرار داشته باشد آنگاه باید معماری چند پرشی با حداثر PDR به کار گرفته شود.
اگر طراح WBAN بخواهد شبکهای طراحی کند که حداقل انرژی را مصرف کند و کمترین تاخیر را هم داشته باشد،معماری چند پرشی با حداقل ANR بهترین انتخاب است.
از نقطه نظر تداخل کاربران ، معماری ستاره نباید در محیطهای باز استفاده شود.چون در این محیطها تنها راه افزایش قابلیت اطمینان، افزایش توان است و این افزایش توان به شدت بر تداخل کاربران تاثیر میگذارد.
معماری ارتباط بین BANدر این قسمت ارتباط بین BAN را به عنوان ارتباط بین PS و یک یا چند (Aps)تعریف میکنیم.ما الگوهای ارتباط بین BAN را به دو دسته تقسیم میکنیم:1- معماری مبتنی بر زیر ساخت(شکل 7) 2- معماری مبتنی برad hoc(شکل8)
-598805812801.2.2.4. معماری مبتنی بر زیر ساخت
شکل(7) معماری مبتنی بر زیر ساخت ]12[
اکثر برنامههای کاربردی BAN از معماری مبتنی بر زیر ساخت استفاده میکنند. در ارتباط بین BAN فرض بر این میشود که یک محیط زیست با فضای محدود وجود دارد. به عنوان مثال یک اتاق انتظار در بیمارستان،خانه و دفتر و ... در مقایسه با شبکه ad hocشبکه مبتنی بر زیرساخت از مدیریت متمرکز و کنترل امنیت استفاده میکند. با توجه به این ساختار متمرکز AP به عنوان سرور پایگاه داده در برخی ازبرنامههای کاربردی کار میکند. به عنوان مثال(SMART, CareNet).
معماری مبتنی بر ad hoc
شکل(8) معماری مبتنی بر AD HOC ]12[
-6832603395345در معماری مبتنی بر ad hoc ، چندین Aps برای کمک به انتقال اطلاعات حسگرهای بدنی به مراکز پزشکی مستقر هستند. بنابراین پوشش خدمات نسبت به معماری مبتنی بر ساختار بزرگتر میباشد، کار کاربران را برای حرکت در اطراف یک ساختمان، زمین بازی و یا در یک نقطه از امداد اورژانس راحتتر میکند. دو دسته از گرهها در این معماری وجود دارد: گرههای نصب به عنوان مثال،حسگر/گرههای فعال در یا اطراف بدن و گرههای روتر اطراف یک BAN که هر دو مشابه سختافزار رادیو هستند برای آسان کردن مسیریابی چند پرشی معماری نصب شبیه به WSN سنتی میباشد. و هر دو آنها اغلب از دروازه به عنوان رابط با جهان خارج استفاده میکنند.
ارتباط فراتر از BANلایه سوم که بالاترین لایه در این معماری است شامل تلفن هوشمند پزشکان و مراکز مشاهدهی از راه دور مستقر در بیمارستان یا اورژانس میباشد. این مراکز دادههای بدست آمده را ذخیره و دستهبندی میکنند و از این دادهها جهت انجام عملیات خاصی استفاده میشود. در این لایه همچنین امکان به کارگیری GSM و GPS جهت پیدا کردن موقعیت بیمار در نظر گرفته شده است. این امکان برای بیماریهای ناگهانی مثل سکته های قلبی و مغزی بسیار مناسب است.
امنیت در شبکههای بدنی بیسیماز آنجایی که گرههای WBAN اطلاعات حساسی (علائم حیاتی بدن) را جمعآوری میکنند و ممکن است که در محیطهای خصمانه قرار بگیرند، به کارگیری مکانیسمهای قوی امنیتی امری ضروری است. در کاربردهای پزشکی تهدیدهای امنیتی ممکن است شرایط خطرناکی را برای بیمار ایجاد کند و در گاهی اوقات باعث مرگ وی شود. فرض کنید بر روی یک سیگنالی که حاوی اطلاعات مبنی بر بالا بودن قند خون بیمار است، حملهای صورت پذیرد. عدم رسیدن این سیگنال به پزشک یا مراکز درمانی باعث بروز تشنج و در صورت عدم تزریق انسولین به موقع باعث مرگ وی میشود. امنیت یکی از مهمترین چالشهای شبکههای بیسیم محسوب میشود]13[. امنیت در شبکههای WBAN در سه مرحله ارائه شده است:
رمزنگاری: اطلاعات حیاتی انسان نباید توسط افراد مختلف مورد استفاده قرار گرفته و خوانده شود. پس لزوم رمز نگاریهایی منطبق بر شبکهی WBAN امری ضروری است. استفاده از رمزنگاری متقارن کاراتر میباشد. زیرا رمز نگاری کلید عمومی به دلیل محاسبات سنگینش و بالطبع مصرف انرژی زیاد برای گرههایی که انرژی محدودی دارند مناسب نیست]14[.
احراز هویت: برخی از حسگرها با توجه به عاملهایی که برای آنها در نظر گرفته شده است قادرند تا عملی را بر روی بدن انسان انجام دهند. دسترسی هر کس جهت اقدام بر روی بدن انسان بدون هیچ مرزی ، خطرات بسیاری را پدید میآورد. پس احراز هویت باید انجام شود.
تشخیص صحیح خطای انتقال: محافظت در برابر خطای انتقال باید حتما در نظر گرفته شود. فرض کنید خطایی در انتقال دادههای اورژانسی صورت پذیرد آنگاه ممکن است جان انسانی به دلیل نرسیدن اطلاعات به پزشک یا مرکز مربوطه به خطر بیافتد.
نیازمندیهای امنیتینیازهای امنیتی برنامههای مراقبت پزشکی و بهداشتی با استفاده از شبکههای حسگر سطح بدن به شرح زیر است:
محرمانه بودن اطلاعات: اطلاعات سلامت بیمار باید محرمانه باشد و تنها در دسترس پزشکان مجاز و مراقبین قرار گیرد. بنابراین لازم است اطلاعات سلامت فرد به صورت محرمانه حفظ شود به طوری که نفوذگر نتواند این اطلاعات را استراق سمع کند. استراق سمع دادهها ممکن است به بیمار آسیب برساند زیرا دشمن میتواند اطلاعات مربوط به بیمار را برای اهداف غیر قانونی استفاده کرده و حریم خصوصی بیمار نقض شود. بنابراین محرمانگی دادهها یک نیاز بسیار ضروری در برنامههای مراقبت پزشکی با استفاده از WBAN میباشد.
احراز هویت اطلاعات: سرویس تایید و ارائه مجوز برای برنامههای کاربردی پزشکی و غیر پزشکی ضروری است. در کاربردهای مراقبت پزشکیWBAN احراز هویت باید برای هر سنسور و ایستگاه پایه به منظور بررسی اینکه دادههای ارسالی توسط یک سنسور مورد اعتماد است یا نه استفاده شود.
احراز هویت قوی کاربر: مهمترین مساله در مراقبتهای پزشکی بیسیم آسیبپذیری پیامها توسط کاربران غیر مجاز است. بنابرین تایید هویت قوی کاربران باید در نظر گرفته شود. به موجب آن هر کاربر باید صحت خود را قبل از دسترسی به هرگونه اطلاعات فیزیولوژیک بیمار اثبات کند.
جامعیت و یکپارچگی دادهها: جامعیت دادهها تضمین میکند که دادهها در هنگام انتقال توسط دشمن دستکاری نشده و تغییر پیدا نکردهاند. با توجه به ماهیت پخش شبکههای حسگر بیسیم اطلاعات بیمار میتواند توسط دشمن تغییر یافته و برای رویدادهای حیاتی زندگی بیمار خطرناک باشد. به منظور بررسی یکپارچگی دادهها باید توانایی شناسایی هر گونه دستکاری دادهها وجود داشته باشد. بنابراین مکانیزمهای بررسی یکپارچگی دادهها باید اطمینان حاصل کنند که دادههای دریافتی توسط دشمن تغییر نیافتهاند.
دسترسی پذیری دادهها: در دسترس بودن تضمین میکند که خدمات و اطلاعات در زمانی که به آنها نیاز است در دسترس هستند. بنابراین در دسترس پذیری گرههای حسگر پزشکی اطمینان میدهد که دادههای سلامت به طور مداوم برای مراقبتهای پزشکی در دسترس هستند. اگر یک گره حسگر توسط دشمن اسیر شده باشد دسترس پذیری دادهها از بین رفته است. بنابراین لازم است در کاربردهای مراقبت پزشکی دسترسی پذیری همیشه حفظ شود.
تازگی دادهها: در برنامههای مراقبت پزشکی حفظ محرمانگی و جامعیت دادهها به تنهایی کافی نیست بلکه تازگی دادهها نیز باید در نظر گرفته شود. تازگی دادهها نشان دهنده این است که اطلاعات فیزیولوژیک ارسالی جدید هستند و تضمین میکند هیچ دشمنی نمیتواند پیامهای قدیم را دوباره پخش کند.
مکان یابی امن: در برنامههای مراقبت پزشکی تشخیص مکان بیمار بسیار مهم است. در کاربردهای بلادرنگ فقدان ردیابی هوشمند بیمار به یک مهاجم اجازه میدهد تا مکان نادرست بیمار را با استفاده از سیگنالهای کاذب ارسال کند
توزیع کلید: اگر لازم است دو طرف تبادل اطلاعات یک کلید نشست را به اشتراک بگذارند این کلید باید از افراد غیر مجاز حفاظت شود. یک کلید نشست امن به ارتباطات و تدابیر حفاظتی دادهها در برابر حملات مختلف امنیتی کمک میکند. بنابراین به منظور حفظ حریم خصوصی بیمار طرح توزیع کارآمد کلید یک نیاز اساسی در کاربردهای مراقبت پزشکی است]15 [.
محرمانگی رو به جلو و عقب: هنگامی که حسگرهای جدید مستقر شدهاند و حسگرهای قدیمی از کار افتادهاند، ما پیشنهاد میکنیم که محرمانه بودن بعد و قبل بهتر است در نظر گرفته شود. محرمانه بودن رو به جلو: یک حسگر نباید قادر به خواندن هر پیامی بعد از ترک شبکه باشد. محرمانه بودن رو به عقب: یک حسگر ملحق شده نباید قادر به خواندن هر پیام منتشر شده قبل باشد]16 [.
تهدیدات امنیتیدر این بخش به تهدیدات امنیتی که ممکن است برای مراقبتهای پزشکی مضر باشد میپردازیم:
حملات بر روی WBAN به سه دسته اصلی تقسیم میشوند: (الف) حملات بر روی محرمانه بودن و احراز هویت، متخاصم از طریق استراق سمع و جعل و ارسال دوباره بسته این نوع حملات را انجام میدهد، (ب) حملات بر روی یکپارچگی سرویس، شبکه مجبور به دریافت اطلاعات غلطی میشود. (پ) حملات جلوگیری از سرویس، قابلیت دسترسی به شبکه را مختل میکند.
نظارت و استراق سمع علائم حیاتی بیمار: رایجترین تهدید برای حریم خصوصی بیمار است و از طریق تجسس بر روی علائم حیاتی بیمار دشمن به راحتی میتواند اطلاعات بیمار را از کانالهای ارتباطی کشف کند. علاوه بر این اگر دشمن یک آنتن گیرنده قوی داشته باشد میتواند به راحتی پیامها را از شبکه به دست آورد. اگر پیام تصرف شده حاوی مکان فیزیکی بیمار باشد به مهاجم اجازه میدهد که مکان بیمار را به صورت نادرست جایگزین کند و از نظر جسمی بر او آسیب بزند. به علاوه مهاجم میتواند محتویات پیام شامل شناسه پیام، برچسبهای زمانی، آدرس مبدا و مقصد و غیره را به دست آورد. بنابراین استراق سمع یک تهدید جدی برای حریم خصوصی بیمار است
تهدید اطلاعات در هنگام انتقال: همانطور که میدانید محدوده ارتباطی شبکههای بیسیم محدود نیست و به راحتی آسیبپذیر است. در برنامههای کاربردی مراقبت پزشکی، حسگر اطلاعات بیمار و محیط را بدست آورده و آن را برای پزشک و سرور بیمارستان ارسال میکند. در هنگام ارسال این اطلاعات ممکن است به آنها حمله شود، به عنوان مثال یک مهاجم میتواند اطلاعات فیزیولوژیک را به دست آورده و تغییر دهد سپس آنها را به سمت سرور هدایت کرده و از این طریق بیمار را به خطر بیندازد. انواع مختلفی از حمله ارسال وجود دارد. رهگیری: فرض کنید یک شبکه حسگر سطح بدن توسط یک مهاجم هوشمند به خطر بیافتد. بنابراین میتواند به صورت غیرقانونی به دادههای حسگر از جمله (کلیدهای رمزنگاری، شناسه سنسور، و غیره) دسترسی داشته باشد. تغییر پیغام: مهاجم ددههای پزشکی بیمار را استخراج کرده، آنها را تغییر داده و کاربران درگیر مانند پزشک، پرستار و خانواده بیمار را گمراه میکند. به عنوان مثال یک سنسور اطلاعات ضربان قلب نرمال را ارسال میکند در حالی که مهاجم آن را تغییر داده و به کاربران ارسال میکند که ممکن است باعث شود دارویی بیش از اندازه مورد نیاز تجویز شده وسلامت بیمار به خطر بیفتد. علاوه بر این دادههای دستکاری شده میتواند سبب تولید هشدار اشتباه شود، و یا شرایط بیمار را در حالی که غیر طبیعی است مخفی کند. حمله تغییر پیام جامعیت دادهها را تهدید میکند.
تهدیدات مسیریابی در شبکه حسگر بیسیم: یک کاربر بدخواه میتواند به لایه شبکه حمله کند. او میتواند بستهها را سرقت کرده و یا تغییر دهد و آنها را به مراکز کنترل راه دور به جلو هدایت کند که باعث یک هشدار اشتباه شود. مهاجم میتواند فیلد آدرس بسته تسخیر شده را قبل از ارسال به گره بعدی تغییر داده و باعث انحراف آن از مسیر درست و حتی ایجاد یک حلقه بیپایان مسیریابی شود.
انواع حملات در WBANدر قسمت زیر به انواع حملاتی که ممکن است در شبکههای بیسیم WBAN اتفاق بیفتد میپردازیم.
حملات مسیریابی به شرح زیر است:
حمله ارسال انتخابیشکل(9) حمله ارسال انتخابی ]17[
-238760142240 برخی گرههای مخرب از هدایت و ارسال پیامهای خاص سرباز زده و آنها را دور میاندازند. بنابراین این بستهها نمیتواند پخش شود. به عنوان مثال فرض کنید یک حسگر ECG بستههای 1و2و3 الی 10 را به هاپ بعدی ارسال میکند اما اگر یک مهاجم عمدا بعضی از بستهها را ضبط و حذف کرده و تنها تعدادی از بستهها مثل 4و5و6و8 را ارسال کند میتواند اورژانسی برای بیمار ایجاد کند.
-76200609600
حمله حفرهشکل(10) حمله حفره ]17[
شکل(10) حمله حفره ]17[
هدف نفوذ تقریبا جذب همه ترافیک توسط یک گره مخرب است و سعی میکند گرههای همسایه بستههای خود را از مسیری عبور دهد که گره مخرب وجود دارد. این حمله میتواند وسیلهای برای حملات دیگر مانند حمله ارسال انتخابی باشد]17[.
-514353295650حمله سایبلشکل(11) حمله سایبل ]17[
یک گره مخرب آدرسهای شناسایی مختلف را به دیگر گرهها در شبکه ارائه میدهد. در بسیاری موارد حسگرها در شبکههای بیسیم ممکن است برای انجام یک وظیفه به همکاری یکدیگر نیاز داشته باشند بنابراین آنها میتوانند از توزیع زیر وظایف و افزونگی اطلاعات استفاده کنند. در چنین موقعیتی یک گره میتواند با استفاده از هویت سایر گرهها وانمود کند که بیش از یک گره است و هویت چند گره را جعل کند.
حمله تهدید مکان بیمارشبکههای حسگر پزشکی از تحرک و جابهجایی بیمار پشتیبانی میکنند. در این شبکهها تشخیص مکان فیزیکی بیمار مورد نیاز است تا کادر پزشکی بتواند در شرایط اضطراری، در کوتاهترین زمان ممکن به بیمار خدمات ارائه کند. به طور کلی سیستمهای ردیابی مکان مبتنی بر فرکانس رادیویی]18 [ بوده و بر اساس قدرت سیگنال دریافتی مکان را شناسایی میکنند و یا از تکنولوژیهای دیگر بهره میبرند]19[. اگر یک نفوذگر به طور دائم سیگنالهای رادیویی را دریافت و آنها را تجزیه و تحلیل کند، با کشف جزئیات مکان افراد به طور مستقیم میتواند حریم خصوصی فرد را نقض کند.
حمله رهگیری فعالیت مهاجم میتواند بر اساس دادههایی که از یک گره بدست میآورد فعالیت و تمرینات ورزشی فرد را بدست آورده و راهنماییها و حرکات ورزشی نادرستی به بیمار ارائه کند که باعث درد شدید بیمار شود.
حمله انکار سرویسسادهترین نوع حمله انکار سرویس برای تخلیه منابع موجود در یک گره تلاش میکند. مهاجم با ارسال بیش از حد بستههای غیر ضروری، از دسترسی کاربران مشروع شبکه به سرویسها و منابع مشخص جلوگیری میکند. حملات انکار سرویس ممکن است به شبکههای بیسیم مراقبتهای پزشکی آسیب رسانده و منجر به از دست رفتن زندگی بیمار شود. برای بررسی جزییات حملات انکار سرویس، خوانندگان میتوانند به ]20,21 [مراجعه کنند.
مکانیسمهای امنیتیمکانیسمهای امنیتی فرایندهایی هستند که به منظور شناسایی و پیشگیری از حملات امنیتی استفاده میشوند. اگرچه مکانیزمهای امنیتی شبکههای سنتی وجود دارد (به عنوان مثال، شبکههای سیمی موردی) ولی به طور مستقیم برای شبکههای حسگر بیسیم پزشکی با توجه به منابع محدود قابل استفاده نیست. بنابراین در این بخش به بحث و بررسی مسائل مربوط به مکانیزمهای امنیتی موجود، به شرح زیر میپردازیم:
رمزنگاری: شبکههای بیسیم حسگر پزشکی با اطلاعات حساس فیزولوژیکی سروکار دارند، بنابراین توابع رمزنگاری قوی یکی از الزامات اساسی این شبکهها میباشد. این توابع رمز نگاری امنیت و حریم خصوصی بیمار را در برابر حملات مخرب حفظ میکند. رمزنگاری قوی نیاز به محاسبات گسترده و منابع زیاد دارد، بنابراین انتخاب یک رمزنگاری مناسب ، کار چالشبرانگیزی برای منابع گرسنه گرههای حسگر پزشکی است که بتواند حداکثر امنیت را با استفاده از حداقل منابع فراهم کند. علاوه بر این، انتخاب سیستم رمز نگاری مناسب به قابلیتهای ارتباطی و محاسباتی گرههای حسگر بستگی دارد. برخی استدلال میکنند که سیستمهای رمزنگاری نامتقارن برای سنسورهای پزشکی اغلب بیش از حد گران است و سیستمهای رمزنگاری متقارن به اندازه کافی فراگیر نیستند]22 [. با این حال استفاده از مکانیزمهای امنیتی با توجه به منابع محدود حسگرهای پزشکی باید بر اساس ملاحظات زیر انتخاب شود: انرژی: چه مقدار انرژی برای انجام توابع رمزنگاری مورد نیاز است. حافظه: چقدر حافظه(به عنوان مثال، حافظه فقط خواندنی و حافظه دسترسی تصادفی) مورد نیاز است. زمان اجرا: چه میزان زمان برای اجرای مکانیسمهای امنیتی مورد نیاز است.
مدیریت کلید: در واقع مدیریت کلیدهای نهفته در یک سیستم رمزنگاری میباشد و این شامل تولد، مبادله، ذخیره، و استفاده کلیدها میشود. با توجه به اینکه در صورت غیر قابل شکست بودن الگوریتمهای رمزنگاری و پرتوکلهای مورد استفاده، بکارگیری کلیدهای ضعیف و یا استفاده نامناسب از کلیدهای مورد نیاز میتواند نقاط ضعف بسیاری را برای تحلیل امنیت باقی بگذارد. در دنیای واقعی مدیریت کلید سختترین قسمت رمزنگاری محسوب میشود. طراحی الگوریتمهای رمزنگاری امن ساده نیست اما با تکیه بر تحقیقات آکادمیک بسیار میتوان به نتایج قابل اطمینان رسید. اما از آنجا که امنیت تمامی ارتباطات باید تنها به کلیدهای به کار رفته داشته باشد، نگاه داشتن سری کلیدها بسیار سختتر خواهد بود. بطوری که بسیاری از تحلیلگرها و رمزشکنها به سیستمهای رمز همگانی و الگریتمهای متقارن از طریق مدیریت کلید آنها حمله مینمایند. از اینرو طراحی مطمئن و قدرتمند روند مدیریت کلید نقش بسزایی در امنیت تبادلها دارد.
مسیریابی امن: گرههای حسگر نیاز به ارسال دادهها به گرههای خارج از محدوده رادیویی خود نیاز دارند]18 [. بنابراین مسیریابی و انتقال اطلاعات بسیار مهم است. تا کنون پروتکلهای مسیریابی بسیاری پیشنهاد شده است اما هیپ یک از آنها با اهداف امنیتی بالا طراحی نشدهاند]23 [. پروتکلهای مسیریابی از حملات انکار سرویس رنج میبرند. همچنین یک مهاجم میتواند اطلاعات مسیریابی مخربی را به شبکه تزریق کند و منجر به ناسازگاری و تناقض در مسیریابی شود. علاوه بر این بسیاری از پروتکلهای مسیریابی برای شبکههای بیسیم ایستا طراحی شدهاند در حالی که در کاربردهای مراقبت پزشکی این پروتکلها باید از تحرک و پویایی پشتیبانی کنند. همچنین نیازمندیهای امنیتی برنامههای پزشکی بلادرنگ ممکن است این پروتکلها را پیچیدهتر کند.
مکانیابی امن: شبکههای حسگر پزشکی جابهجایی و تحرک بیمار را سهولت میبخشد. بنابراین برآورد موقعیت بیمار برای برنامههای پزشکی ضروری است. از آنجا که حسگرهای پزشکی دادههای فیزیولوژیکی بیمار را حس میکنند نیاز دارند که مکان بیمار را به سرور راه دور گزارش کنند] 24[.
مدیریت اعتماد: اعتماد نشاندهنده ارتباط متقابل دو گره مورد اعتماد است که دادههای خود را به اشتراک گذاشتهاند. اعتماد درجهای از قابلیت اطمینان ایمنی و قابلیت اعتمادی است که یک گره در ارتباط با گره دیگر دارد. برنامههای پزشکی به همکاری توزیع شده بین گرههای حسگر بستگی داراد. بنابراین یکی از جنبههای کلیدی این برنامهها ارزیابی اعتماد برای شناسایی درجه اعتماد یک گره مفید میباشد]25 [.
مروری بر استاندارد 802.15.6به منظور پیادهسازی موفق WBAN نیاز به یک استاندارد جامع به شدت احساس میشد. به همین منظور IEEE892 یک گروه کاری به نام IEEE802.15.6 را برای استاندارد کردن WBAN در سال 2007 مشخص کرد. هدف این گروه فراهم کردن یک استاندارد بینالمللی به منظور برقراری یک ارتباط بیسیم برای یک محدودهی کوتاه با توان کم و قابلیت اطمینان بالا بود که در نزدیکی یا داخل بدن انسان بتواند کار کند]18[. از جمله ویژگی دیگری که در این استاندارد باید لحاظ میشد، نرخ دادهی بالایی بود که در برخی کاربردهای سرگرمی و سیستم نظارت بر سلامت بیمار نیاز است ( تا 10 مگایت بر ثانیه). استاندارد شبکههای شخصی موجود(PAN) پارامترهای پزشکی همچون خطر نداشتن برای انسان را در نظر نمیگیرند همچنین PAN ترکیبی از قابلیت اطمینان بالا،کیفیت سرویس(QoS)، توان پایین، انواع نرخ داده و عدم تداخل مورد نیاز را پشتیبانی نمیکند]26 [.
هدف اصلی 802.15.6 تعریف لایهی فیزیکی و MAC جدید برای شبکههای بدنی بیسیم است. انتخاب باند فرکانسی مناسب برای این استاندارد یکی از مهمترین مسائل بود که باید به آن توجه میشد. شکل(12) به طور مختصر برخی از باندهای فرکانسی قابل دسترس برای WBAN برای کشورهای مختلف را نشان میدهد. باند خدماتی ارتباطی ایمپلنت پزشکی(MICS) یک باند دارای مجوز است که برای ارتباطات ایمپلنت پزشکی استفاده میشود و در بیشتر کشورها دارای محدوده فرکانسی (420-405 مگا هرتز) یکسانی است. باند خدمات تله متری پزشکی بیسیم (WMTS) نیز یک باند دارای مجوز است که برای سیستمهای تله متری پزشکی به کار میرود. پهنای باند کم WMTS و MICS برای کاربردهایی که نرخ دادهای بالایی نیاز دارند مناسب نیست. باند پزشکی،علمی، صنعتی (ISM) نیاز به مجوز ندارد و در کل جهان در دسترس است. برای کاربردهایی بانرخ دادهای بالا نیز مناسب است ولی به دلیل وجود دستگاههای بیسیم زیادی همچون بلوتوث احتمال تداخل در آن وجود ندارد.
برای ارتباط امن 802.15.6 سه سطح را تعریف کرده است: 1) سطح 0- ارتباط نا امن 2) سطح 1- فقط اهراز هویت ، 3) سطح 2- هم هاراز هویت و هم رمزنگاری . هر کاربر با توجه به شرایطش هر کدام از این سطوح را که برایش بهترین باشد انتخاب میکند. زمانی که یک گره به شبکه ملحق میشود، سطح امنیتی خود را انتخاب میکند.
دو نوع توپولوژی در این استاندارد در نظر گرفته شده است: توپولوژی ستاره-تک پرشی و توپولوژی ستاره-دو پرشی. در حالت دوم بین گرهها و گره سینک از طریق گره رله صورت میپذیرد. در ادامه به دلیل اهمیت لایه فیزیکی و MAC بیشتر به آن میپردازیم.

متن کامل در سایت امید فایل 

شکل(12) باند فرکانسی برای WBAN ]6[
مشخصات لایه فیزیکیاستاندارد 802.15.6 سه لایه فیزیکی مختلف را پشتیبانی میکند. NB، UWB، HBC]27[.
NBشکل(13) قالب واحد دادهای لایه فیزیکی (PPDU) در NB را نشان میدهد که از سه مولفه اصلی تشکیل شده است. مقدمهی PLCP ، هدر PLCP و PSDU . مقدمه به گیرنده در سنکرون شدن و بازیابی افست فرکانس حامل کمک میکند. هدر PLCP شامل دادههای ضروری برای دیکد کردن بسته در گیرنده است. PSDU هم در واقع قاب دادهای است که از لایه MAC دریافت کرده است. حداکثر نرخ داده در NB 485 کیلو بیت بر ثانیه است. در نتیجه NB برای کاربردهایی که نیاز به نرخ دادهای بالاتری دارند مناسب نیست.

شکل(13) ساختارPPDU درNB ]6[
UWBUWB به دلیل پهنای باند زیادی که به کار میگیرد، دامنهی وسیعی از پیاده سازیها با کارایی بالا، استحکام، پیچیدگی کم و توان مصرفی فوقالعاده پایین را فراهم کرده است. علاوه بر این ، مزیت UWB در این واقعیت نهفته است که مقدار توانی که UWB به کار میگیرد منطبق بر باند MICS است. بنابراین توان ارسالی به قدری است که نه برای انسان ضرر دارد و نه برای دیگر دستگاهها تداخل پیدا میکند. ساختار قاب داده لایه فیزیکی در شکل(14) نشان داده شده است. PPDU از SHR ، PHR و PSDU تشکیل شده است .SHR به در قسمت تقسیم میشود. قسمت اول مفدمه به منظور سنکرون کردن زمانبندی، تشخیص بسته و بازیابی آفست فرکانس حامل در نظر گرفته میشود. قسمت دوم SFD برای سنکرون کردن قاب استفاده میشود. PHR اطلاعاتی در مورد نرخ داده PSDU ، طول قاب لایه MAC را ارسال میکند.PSDU که هم شامل داده اصلی است که از لایه MAC میآید.UWB در دو باند فرکانسی کار میکند. بان کوتاه و باند بلند . جدول (3) باندهای فرکانسی که در UWB به کار گرفته میشود را نشان میدهد.

شکل(14) ساختارPPDU در UWB ]6[
جدول(3) : باند فرکانسی UWB ]6[
نوع باند شماره کانال فرکانس مرکزی پهنای باند
(مگا هرتز) خصوصیت کانال
باند پایین 0 4/3494 2/499 اختیاری

پاسخ دهید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *