Kanał radiowy w sieciach WBAN.

 Monografia poświęcona modelowaniu kanałów radiowych w sieciach WBAN, czyli sieciach radiokomunikacyjnych krótkiego zasięgu, obejmujących swoim działaniem ciało człowieka (lub zwierzęcia) i jego bezpośrednie otoczenie. Podano definicję sieci WBAN i ich klasyfikację. Opisano podstawowe zagadnienia związane z tymi sieciami z uwzględnieniem problematyki radiokomunikacyjnej, narzędzia statystyczne najczęściej stosowane do analizy wyników eksperymentalnych badań propagacji fal radiowych, modele i metody umożliwiające oszacowanie wartości parametrów kanału radiowego w sieciach WBAN różnego typu oraz wyniki badań eksperymentalnych prowadzonych przez autora, stanowiących istotny wkład w rozwój telekomunikacji.
Odbiorcy: pracownicy naukowi, inżynierowie oraz studenci telekomunikacji, elektroniki i informatyki, jak również specjaliści z zakresu inżynierii biomedycznej.

Spis treści
Wykaz ważniejszych oznaczeń 9

Wykaz ważniejszych skrótów 15

Przedmowa 18

Wstęp 20

Rozdział 1. Sieci WBAN – zagadnienia podstawowe 23

1.1. Definicja i klasyfikacja 23

1.2. Właściwości elektryczne ciała ludzkiego 26

1.3. Źródła zasilania 33

1.4. Bezpieczeństwo człowieka w sieciach WBAN 40

1.5. Zastosowania sieci WBAN 43

1.5.1. Zastosowania medyczne 44

1.5.1.1. Sieci nasobne 45

1.5.1.2. Sieci wszczepione 46

1.5.1.3. Zdalnie sterowane urządzenia medyczne 46

1.5.2.   Zastosowania niemedyczne 46

Rozdział 2. Sieci WBAN – zagadnienia radiokomunikacyjne 48

2.1. Podstawowe zjawiska propagacji fal radiowych 48

2.1.1. Wolna przestrzeń propagacyjna i łącze radiowe 49

2.1.2. Odbicie, dyfrakcja i rozpraszanie 55

2.1.3. Absorpcja, wnikanie i tłumienie fal radiowych w ośrodkach stratnych 58

2.1.4. Zjawisko wielodrogowości i depolaryzacja 64

2.1.5. Efekt falowodowy 65

2.2. Pasma częstotliwości 66

2.3. Wybrane zagadnienia niższych warstw modelu OSI 69

2.4. Zagadnienia antenowe 72

2.5. Zagadnienia bezpieczeństwa danych 75

2.6. Sieci WBAN jako systemy cyberfizyczne 77

2.7. Uwarunkowania prawne i standaryzacyjne 78

2.7.1. Uwarunkowania prawne na świecie 79

2.7.1.1. Regulacje dotyczące UWB 79

2.7.1.2. Regulacje dotyczące ISM 82

2.7.1.3. Regulacje dotyczące MICS 84

2.7.1.4. Regulacje dotyczące WMTS 85

2.7.1.5. Regulacje dotyczące LP-AMI 85

2.7.1.6. Regulacje dotyczące SRD 86

2.7.2. Standardy możliwe do wykorzystania w sieciach WBAN 87

Rozdział 3. Analiza statystyczna wyników badań propagacyjnych 90

3.1. Wielowymiarowa analiza regresji liniowej 90

3.1.1. Procedura analizy regresji 90

3.1.2. Przypadek regresji z jedną zmienną niezależną 91

3.1.3. Model wielorakiej regresji liniowej 95

3.2. Rozkłady gęstości prawdopodobieństwa stosowane do opisu zjawisk propagacyjnych 99

3.2.1. Rozkład normalny (Gaussa) 99

3.2.2. Rozkład logarytmiczno-normalny 100

3.2.3. Rozkład Rayleigha 102

3.2.4. Rozkład Rice’a (Nakagamiego-
n) 103

3.2.5. Rozkład Nakagamiego-
m 104

3.2.6. Rozkład Weibulla 105

3.2.7. Rozkład χ2 106

3.2.8. Połączony rozkład logarytmiczno-normalny i Rayleigha 107

3.3. Metody statystycznej oceny wyników badań eksperymentalnych 108

3.3.1. Badanie istotności różnicy pomiędzy dwiema próbami 108

3.3.2. Badanie istotności regresji liniowej i jej współczynników 109

3.3.3. Badanie przystawalności wyników eksperymentalnych do modelu 110

3.3.4. Test zgodności chi-kwadrat (χ2) 112

3.3.5. Kryterium informacyjne Akaikego (AIC) 113

Rozdział 4. Modelowanie kanału radiowego w sieciach WBAN 114

4.1. Charakterystyka kanału radiowego 115

4.1.1. Tłumienie kanału radiowego 115

4.1.2. Unormowany profil opóźnienia 116

4.1.3. Współczynnik dyskryminacji polaryzacji skrośnej 117

4.1.4. Częstość i średni czas trwania zaników 118

4.1.5. Intensywność zaników 118

4.2. Rodzina modeli IEEE 802.15.6 118

4.2.1. Modele dla łączy radiowych typu
in-body (CM1 i CM2) 120

4.2.2. Modele dla łączy radiowych typu
on-body (CM3) 121

4.2.3. Modele dla łączy radiowych typu
off-body (CM4) 131

4.3. Wybrane modele tłumienia systemowego 134

4.3.1. Model tłumienia systemowego dla szerokopasmowych łączy radiowych typu
in-body 134

4.3.2. Model tłumienia systemowego dla łączy radiowych typu
in-body dla różnych tkanek ciała ludzkiego 136

4.3.3. Model tłumienia systemowego dla łączy radiowych typu
on-body dla bydła domowego 137

4.3.4. Model tłumienia propagacyjnego dla szerokopasmowych łączy radiowych typu
off-body dla środowiska szpitalnego 138

4.4. Modelowanie kanału radiowego w zakresie fal milimetrowych 139

4.4.1. Łącza radiowe typu
on-body 141

4.4.2. Łącza radiowe typu
off-body 143

4.5. Symulacyjne modelowanie kanału radiowego 144

4.5.1. Metody pełnofalowe 145

4.5.1.1. Metoda momentów – MoM 145

4.5.1.2. Metoda elementów skończonych – FEM 145

4.5.1.3. Metoda różnic skończonych w dziedzinie czasu – FDTD 146

4.5.1.4. Technika całek brzegowych – FIT 147

4.5.2. Metody asymptotyczne 147

4.5.2.1. Metoda śledzenia promieni – RT 147

4.5.2.2. Jednolita teoria dyfrakcji – UTD 148

4.5.3. Metody hybrydowe 148

4.5.4. Porównanie symulacyjnych metod modelowania kanału radiowego pod kątem ich zastosowania do projektowania sieci WBAN 149

Rozdział 5. Wyniki badań eksperymentalnych 151

5.1. Metodyka badań pomiarowych właściwości kanałów radiowych w sieciach WBAN 152

5.1.1. Uniwersalne stanowisko pomiarowe do badania kanałów radiowych w sieciach WBAN 152

5.1.2. Metodyka badań pomiarowych kanałów radiowych w sieciach WBAN 155

5.1.3. Szacowanie niepewności pomiarowej 158

5.2. Model kanału radiowego dla sieci WBAN typu
off-body pracujących w środowisku biurowym 161

5.3. Analiza polaryzacyjna fal radiowych w sieciach WBAN typu
off-body w środowisku biurowym 165

5.4. Charakterystyka zaników wolnozmiennych i szybkozmiennych w sieciach WBAN typu
off-body z przestrzennym odbiorem zbiorczym 169

5.5. Model kanału radiowego dla wąskopasmowych i szerokopasmowych sieci WBAN typu
off-body pracujących w środowisku promu pasażerskiego 171

5.6. Charakterystyka kanału radiowego w sieciach WBAN typu
body-to-body w środowisku zamkniętym i otwartym 174

5.7. Model cienia radiowego powodowanego przez ciało ludzkie w sieciach WBAN typu
off-body i
body-to-body 182

5.8. Analiza odpowiedzi impulsowej kanału radiowego w szerokopasmowych sieciach WBAN typu
off-body z polaryzacyjnym odbiorem zbiorczym 185

5.9. Analiza zaników szybkozmiennych w wąskopasmowych sieciach WBAN pracujących w rewerberacyjnym środowisku propagacyjnym 191

5.9.1. Propagacja fal radiowych wewnątrz metalowych struktur kolistych 191

5.9.2. Wyniki badań pomiarowych 194

5.9.3. Wpływ krotności odbić na zaniki szybkozmienne 196

5.9.4. Wpływ promienia struktury kołowej i obszaru katakaustycznego na zaniki szybkozmienne 198

Podsumowanie 201

Literatura 203

O autorach / z książki

Dr hab. inż. Sławomir J. Ambroziak (profesor Politechniki Gdańskiej) jest specjalistą w dziedzinie radiokomunikacji, a główne kierunki jego badań dotyczą propagacji fal radiowych, zwłaszcza modelowania kanałów radiowych w sieciach WBAN. Jest pracownikiem badawczo-dydaktycznym Katedry Systemów i Sieci Radiokomunikacyjnych Wydziału Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej oraz autorem bądź współautorem licznych publikacji naukowych. Realizuje projekty badawcze dotyczące specjalnych zastosowań technik radiowych oraz prowadzi zajęcia dydaktyczne. Członek IEEE (Senior Member), URSI (Senior Member), EurACoN i EurAAP, zarządu grupy roboczej WG Propagation w ramach EurAAP, wiceprzewodniczący Komisji F PKN URSI oraz sekretarz Wydziału IV Gdańskiego Towarzystwa Naukowego. W latach 2016-2020 członek komitetu sterującego Akcji COST CA15104 i przewodniczący grupy roboczej SEWG-IoT: Internet-of-Things for Health działającej w ramach tej akcji.