Ασύρματα συστήματα πολλαπλών κεραιών για επικοινωνίες με επίκεντρο το ανθρώπινο σώμα (Body-centric communications): Ανάπτυξη, αξιολόγηση επιδόσεων και μοντελοποίηση

Abstract

Η διατριβή αυτή, έχοντας ως κύριο άξονα τα ασύρματα συστήματα επικοινωνιών πολλαπλών κεραιών που λειτουργούν με επίκεντρο το σώμα του χρήστη, πραγματεύεται την αξιολόγηση και τη μοντελοποίηση των συστημάτων αυτών. Αρχικά, μελετά την αξιολόγηση επιδόσεων συστημάτων που περιλαμβάνουν πολλαπλές κεραίες και στα δύο άκρα της ζεύξης, εστιάζοντας στην επίδραση του ανθρώπινου σώματος στην απόδοση του συστήματος. Η αξιολόγηση αυτή είναι πολύ σημαντική από την άποψη του σχεδιασμού και της μοντελοποίησης τέτοιων συστημάτων. Ειδικότερα, πραγματοποιείται μελέτη επιδόσεων ενός συστήματος MIMO που είναι εξοπλισμένο με ένα ασύρματο τερματικό στην πλευρά του χρήστη, για δύο χαρακτηριστικές περιπτώσεις επίδρασης του ανθρώπινου σώματος στην απόδοση του συστήματος. Η πρώτη περίπτωση αφορά στην επίδραση του χεριού καθώς ο χρήστης κρατάει το τερματικό ΜΙΜΟ, ενώ στη δεύτερη περίπτωση μελετάται η επίδραση του ανθρώπινου σώματος, καθώς το τερματικό βρίσκεται στην τσέπη του χρήστη σε κατάσταση αναμονής. Από την ανάλυση των αποτελεσμάτων, προκύπτει ότι η απόδοση του συστήματος μπορεί να υποβιβαστεί από 10% μέχρι 60% εξαιτίας του ανθρώπινου σώματος. Επιπλέον, πραγματοποιείται μελέτη των επιδόσεων ενός συστήματος MIMO που περιλαμβάνει πολλαπλές κεραίες ενσωματωμένες στο ρουχισμό του χρήστη (φορετές κεραίες – bodyworn antennas). Τέλος, πραγματοποιείται μια συγκριτική μελέτη επιδόσεων των προαναφερθέντων συστημάτων. Στη συνέχεια, μελετά τη μοντελοποίηση του καναλιού ενός ασύρματου συστήματος επικοινωνιών με επίκεντρο το ανθρώπινο σώμα, εξετάζοντας αφενός το απλό κανάλι και αφετέρου μελετώντας τις επιδόσεις και τη μοντελοποίηση του καναλιού διαφορισμού. Στα πλαίσια αυτά, πραγματοποιήθηκαν εκτεταμένες σειρές μετρήσεων στα 2.45 GHz, για διάφορα σενάρια, χρησιμοποιώντας φορετές κεραίες. Για την πραγματοποίηση των μετρήσεων σχεδιάστηκε και κατασκευάστηκε φορετή κεραία με υφασμάτινο υπόστρωμα από τσόχα, η οποία λειτουργεί στη ζώνη συχνοτήτων ISM 2.45 GHz. Τα περιβάλλοντα διεξαγωγής των μετρήσεων είναι ένα ρεαλιστικό περιβάλλον λειτουργίας, όπου είναι έντονο το φαινόμενο των πολλαπλών διαδρομών (περιβάλλον γραφείου) και ένα περιβάλλον χωρίς εξωτερικές ανακλάσεις και πολλαπλές διαδρομές, όπου οι διαλείψεις παράγονται αποκλειστικά από τις κινήσεις του σώματος (ανηχωικός θάλαμος). Μέσω διεξοδικής στατιστικής ανάλυσης των δεδομένων των μετρήσεων, εξετάστηκε η επίδραση της θέσης των κεραιών και της κίνησης του χρήστη στα χαρακτηριστικά της διάδοσης του απλού καναλιού και του καναλιού διαφορισμού του σώματος. Επιπλέον, αξιολογήθηκε η απόδοση του καναλιού διαφορισμού του σώματος. Όπως προκύπτει από τη μελέτη, το θεωρητικό μοντέλο που προσεγγίζει καλύτερα, τόσο το απλό κανάλι, όσο και το κανάλι διαφορισμού σε περιβάλλον χωρίς ανακλάσεις είναι η κατανομή lognormal. Από την άλλη, σε περιβάλλον πολλαπλών διαδρομών, η καλύτερη κατανομή είναι η Weibull για το απλό κανάλι και η α-μ για το κανάλι διαφορισμού.

This doctoral thesis, having as a main subject the wireless body-centric communication systems including multiple antennas, addresses two relating issues, the evaluation and modeling of these systems. At first, studies the performance evaluation of MIMO antenna systems focusing on the impact of the human body on the channel performance. This evaluation is very important from the antenna design and system modeling point of view. Particularly, we perform a performance study of a MIMO system which is equipped with a wireless terminal at the user’s side, for two typical cases of showing the impact of the human body on the system performance. The first case regards the impact of the user’s hand in “multimedia viewing position” while the user holds the MIMO terminal, whereas in the second case the impact of the full human body is studied, while the terminal is in the user’s pocket in operating mode. The analysis of the results shows that the human body can cause degradation of the system performance that ranges between 10% and 60%. Moreover the performance of a MIMO system that includes multiple wearable antennas at the user’s side is investigated. Finally a comparative study is performed between the previously mentioned systems. Secondly, the modeling of the on-body channel of a wireless body-centric communication system is studied, in terms of the single branch channel modeling and the performance analysis and modeling of the on-body diversity channel. In this context, an extensive measurement campaign has been conducted at 2.45 GHz, for various scenarios using wearable antennas. In order to perform measurements, a textile substrate wearable antenna was designed and manufactured, that operates in the ISM frequency band of 2.45 GHz. The measurement environments were a realistic propagation environment that includes the multipath effect (office) and a reflectionless environment where fading are caused alone by the body movements (anechoic chamber). Through extensive statistical analysis of the measurements data the impact of the antenna position and the user movement on the propagation characteristics of the on-body channel and the on-body diversity channel was investigated. Moreover the on-body channel diversity performance was evaluated. As resulted, the theoretical model that best fits, both the single branch and the diversity channels, in a reflectionless environment is lognormal distribution. On the other side, in a multipath environment, best fit is provided by Weibull distribution for single branch channel and α-μ for the diversity channel.