Análisis experimental de la propagación en redes de área corporal para la banda de Ultra Wideband

Abstract

[SPA] La posibilidad de monitorizar la actividad del cuerpo humano, ya sea desde la perspectiva médica, del deporte o del entretenimiento, utilizando dispositivos de diversa índole desplegados en el interior o sobre el cuerpo es en la actualidad un tema que está despertando un enorme interés tanto en el ámbito científico como social. Desde implantes inteligentes a elementos capaces de registrar nuestras constantes vitales o cuantificar nuestra actividad física, multitud de dispositivos son susceptibles de organizarse formando una red de elementos interconectados de manera inalámbrica con el objetivo de transmitir la información que sus respectivos sensores han recogido. A esta estructura de red centrada en el cuerpo se le denomina de manera genérica red de área corporal inalámbrica (WBAN, Wireless Body Area Network). La interacción con el cuerpo hace que la propagación de señales entre dispositivos de una WBAN presente características diferenciadoras respecto a las encontradas en otros canales radio tradicionales. Además, debido a que los tejidos biológicos presentan características dieléctricas (permitividad relativa y conductividad) dependientes de la frecuencia, el diseño de sistemas que operen de manera eficiente en este entorno requiere el desarrollo de modelos que describan, según la frecuencia de operación, los fenómenos que afectan a la propagación en los distintos canales radio entre dispositivos ubicados en el interior, la superficie o en la proximidad del cuerpo. Entre las diferentes bandas de frecuencias propuestas para redes WBAN, la banda de Ultra Wideband (UWB) de 3.1 GHz a 10.6 GHz ha captado un gran interés en los últimos años debido a que, características tales como el alto ancho de banda, baja potencia de emisión, alto nivel de seguridad, reducidas dimensiones de los dispositivos y alta resolución temporal, la hacen especialmente adecuada en su aplicación a este tipo de redes. Con el objetivo de caracterizar la propagación entre dispositivos de una WBAN operando a frecuencias dentro de la banda de UWB, la presente tesis recoge los resultados de los estudios realizados, destinados por un lado a la caracterización del canal de propagación off-body entre un dispositivo colocado sobre la superficie del cuerpo y un punto de acceso externo considerando el canal estacionario en el tiempo (o estático) y condiciones de visión directa, y por otro lado la caracterización de los efectos sobre el canal radio derivados del movimiento relativo entre dos dispositivos en una WBAN debido a la respiración, considerando al menos uno de ellos ubicado en el interior del cuerpo. En el primer caso el canal off-body estático se ha modelado a partir de las medidas sobre sujetos reales considerando diferentes posiciones de colocación de una antena receptora sobre el cuerpo y dos posturas: de pie y tumbado. En el segundo caso, el canal de propagación in-body se ha modelado empleando un phantom líquido para emular las condiciones de propagación en el interior del cuerpo en la banda de UWB y se han analizado los escenarios de propagación correspondientes a considerar un dispositivo en el interior del cuerpo y otro ubicado sobre la superficie del mismo (canal in-body a on-body), fuera de este a una cierta distancia (canal inbody a off-body) y, también en el interior conjuntamente con el primer dispositivo (canal inbody a in-body). [ENG] Monitoring the body activity from the health, sport or entertainment point of view, by means of smart devices deployed in, on or around the human body is one of the most appealing topics from the last years in the scientific research and social areas. From smart implants to electronic devices designed to register our vital signs or to quantify our every day activity, a plethora of devices with sensing capabilities can be able to arrange into an interconnected wireless network topology in order to transmit the collected data. This kind of network where the human (or even animal) body is the main interaction element is called wireless body area network (WBAN). The electromagnetic interaction among the devices and the body makes the signal propagation phenomenon in a WBAN exhibits unique characteristics compared to the ones shown in traditional radio channels. Due to the frequency dependence of the dielectrical properties (relative permittivity and conductivity) of biological tissues, there is a need of new models describing the propagation among network nodes placed inside the human body, on the surface or in an external (around the body) position at several frequencies. From the group of proposed frequency bands to establish wireless connections among nodes in a WBAN, the Ultra Wideband (UWB) band from 3.1 GHz to 10.6 GHz is getting great attention during the last years because special characteristics like the high available bandwidth, low transmission power, high security level, low profile devices and high temporal and spatial resolution, just to name a few, make this band particularly appropriate to this kind of networks. With the aim of fulfilling the lack of models describing the UWB radio channel in WBAN, this thesis presents the results of the experimental channel characterization research activity performed on the one hand, from the time invariant (or static) off-body channel point of view between a node placed on the body surface and an external access point considering line of sight conditions, and from the other hand, from the dynamic point of view considering the effects of the relative movement between two WBAN nodes due to breathing on the radio channel, considering at least one of them placed inside the human body. The off-body radio channel has been modeled from the measurements performed on real subjects considering different attachment positions of a receiver antenna on the body and two body postures: standing and lying down. The dynamic channel has been modeled using a liquid phantom to emulate the propagation inside the body at UWB frequencies and the propagation channel has been studied considering one device inside the body and another placed on the body surface (in-body to on-body channel), off the body at some separation distances (in-body to off-body channel) and both devices inside the body (in-body to in-body channel).