Ασύρματα Συστήματα Πολλαπλών Κεραιών Για Επικοινωνίες Με Επίκεντρο Το Ανθρώπινο Σώμα (body-centric Communications): Ανάπτυξη, Αξιολόγηση Επιδόσεων Και Μοντελοποίηση

Abstract

Τα τελευταία χρόνια, με την εξάπλωση των φορετών συσκευών και τη συνεχή μείωση του μεγέθους τους, πληθαίνουν οι εφαρμογές που περιλαμβάνουν φορετά συστήματα επικοινωνιών. Εξαιτίας της ανάπτυξης αυτής, έχουν δημιουργηθεί νέες τάσεις στις επικοινωνίες που οδήγησαν σε μια νέα και ενδιαφέρουσα περιοχή έρευνας, τις επικοινωνίες με επίκεντρο το ανθρώπινο σώμα (body-centric wireless communications). Οι επικοινωνίες με επίκεντρο το ανθρώπινο σώμα χρησιμοποιούν το σώμα του χρήστη ως περιβάλλον επικοινωνίας μεταξύ δύο ή περισσότερων συσκευών που λειτουργούν κοντά σε αυτό και επικοινωνούν μεταξύ τους μέσω ασύρματων τεχνολογιών. Τα φορετά συστήματα λειτουργούν σε ένα διαρκώς μεταβαλλόμενο περιβάλλον, γεγονός που προκαλεί διαλείψεις. Πιο συγκεκριμένα, οι διαλείψεις συμβαίνουν εξαιτίας της παρουσίας του σώματος του χρήστη και της κίνησής του, καθώς και του γύρω περιβάλλοντος. Επιπλέον, σε αντίθεση με τις κινητές επικοινωνίες, στα κανάλια πάνω στο σώμα (on-body channels), τόσο ο πομπός όσο και ο δέκτης κινούνται και αλλάζουν θέσεις σε σχέση με το περιβάλλον διάδοσης αλλά και μεταξύ τους. Εκτός από τις διαλείψεις, άλλο ένα πολύ σημαντικό θέμα, που αφορά στις ασύρματες συσκευές πάνω στο σώμα, είναι η εκπεμπόμενη ισχύς, η οποία πρέπει να διατηρείται όσο το δυνατόν χαμηλότερη, για να αυξηθεί η διάρκεια ζωής της μπαταρίας και ταυτόχρονα να μειωθεί η τιμή της απορροφώμενης από το σώμα του χρήστη Η/Μ ισχύος, ο ειδικός ρυθμός απορρόφησης (Specific Absorption Rate - SAR).Εκτός από τα προαναφερθέντα θέματα, η συνεχώς αυξανόμενη χρήση των ασύρματων συσκευών στους τομείς της υγείας, της διασκέδασης, της ασφάλειας, της ταυτοποίησης μέσω ραδιοσυχνοτήτων κ.α. οδηγεί την έρευνα στο να υλοποιήσει πιο αξιόπιστες και αποδοτικές ζεύξεις μεταξύ των ασύρματων συσκευών που βρίσκονται πάνω στο σώμα. Για το λόγο αυτό, παρατηρείται ραγδαία αύξηση των εφαρμογών που περιλαμβάνουν πολλαπλές κεραίες σε συστήματα που λειτουργούν με επίκεντρο το ανθρώπινο σώμα.Κατά συνέπεια, είναι πολύ σημαντικό για τα κανάλια πάνω στο σώμα να περιοριστούν οι διαλείψεις όσο το δυνατόν περισσότερο, καθώς επηρεάζουν την αξιοπιστία και την ποιότητα των υπηρεσιών και να αυξηθεί ο σηματοθορυβικός λόγος (SNR), χωρίς να αυξηθεί αντίστοιχα η ισχύς εκπομπής. Ο διαφορισμός χώρου (spatial diversity) είναι μια πολύ διαδεδομένη τεχνική για την αντιμετώπιση των διαλείψεων και την επίτευξη μιας αποδοτικής ζεύξης στις κινητές επικοινωνίες. Από την άλλη, τα συστήματα πολλαπλών-εισόδων πολλαπλών-εξόδων (ΜΙΜΟ) μπορούν να χρησιμοποιηθούν για την αύξηση του ρυθμού μετάδοσης δεδομένων. Για τους λόγους αυτούς, η μελέτη των ασύρματων δικτύων με επίκεντρο το ανθρώπινο σώμα και η μοντελοποίηση του ασύρματου καναλιού, στην περίπτωση όπου και οι κεραίες του πομπού, αλλά και οι κεραίες του δέκτη βρίσκονται πάνω στο σώμα του χρήστη (on body channel), παρουσιάζουν τεράστιο ερευνητικό ενδιαφέρον.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.