Contribuições às redes de comunicação pelo corpo humano: Modelagem de canal e projeto de um transceptor integrado

Tese (doutorado) - Universidade Federal de Santa Catarina, Centro Tecnológico, Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica, Florianópolis, 2017.As redes de sensores sem fio (WSN) são uma tecnologia importante e consolidada em diversas áreas, desde monitoramento industrial à assistência médica, contudo, muitos desafios ainda persistem. Um destes desafios é o consumo de potência dos nós da rede, que é um fator limitante para criação de nós duráveis, desejáveis sobretudo em nós vestíveis e implantáveis. Em geral, em um nó sem fio, o bloco de comunicação apresenta o maior consumo do dispositivo. Para reduzir o consumo e aumentar a vida útil dos nós, além da otimização do projeto dos circuitos e da rede, novos métodos de comunicação podem ser utilizados. Neste sentido, a comunicação pelo corpo humano (HBC) tem atraído interesse tanto da academia quando da indústria como uma alternativa para implementar um subtipo das WSN, as redes sem fio corporais (WBAN). No HBC, o corpo humano é utilizado como o canal de comunicação. Um aspecto importante do desenvolvimento desta tecnologia é a caracterização do canal para permitir o projeto adequado dos transceptores. Com este objetivo, neste trabalho foram realizadas várias medições do canal HBC. A análise dos resultados experimentais, contudo, permitiu identificar uma influência não desprezível no perfil de frequência do canal e nos níveis de atenuação medidos. Estes efeitos, em geral, não são reconhecidos ou corrigidos por outros trabalhos encontrados na bibliografia, principalmente poque não podem ser removidos por métodos comuns de calibração ou de-embedding. Para entender e explicar os resultados de medição, são propostas uma metodologia para identificação das partes que compõem o canal e um modelo estendido para o canal, que inclui modelos para os acessórios de testes. A metodologia de identificação auxilia a diferenciação e a modelagem dos componentes essenciais do canal, que é feita por meio de modelos baseados em circuitos concentrados e distribuídos e permite identificar o comportamento esperado do canal primário real. O modelo estendido proposto é verificado com medições do canal e apresenta uma boa correlação com as medições. Este modelo é então utilizado no projeto de um transceptor HBC integrado, que buscou o baixo consumo e a capacidade de operação em banda larga, com múltiplos canais cobrindo a faixa de frequências entre 10-100 MHz do canal de comunicação. Com estes objetivos, projetou-se um transmissor BFSK de modulação direta, composto por um oscilador current starved controlado por tensão e um driver de saída, para acoplamento do sinal ao canal. O receptor é baseado na técnica de injection locking e emprega a conversão frequência-fase para demodulação banda larga do sinal, sendo composto por um amplificador de entrada push-pull, um oscilador current starved com injection locking controlado por tensão, um detector de fase tristate, um filtro RC e um conversor analógico digital. O transceptor foi projetado e fabricado em tecnologia CMOS 130 nm e possui cinco canais de comunicação na faixa entre 10-100 MHz, apresenta uma taxa de dados de 2 Mbps e uma taxa de erro de bit de 0,5.10-3 para sinais de -35,8 dBm no canal HBC. O consumo do transmissor é 6,6 mW e do receptor é 1,68 mW, alcançando a eficiência de comunicação de 3,3 nJ/bit e 0,84 nJ/bit, respectivamente, para uma tensão de alimentação de 1,2 V.Abstract : Wireless sensor networks (WSN) are a consolidated and important technology in several areas, from industrial monitoring to health care, however, many issues are open to be solved. One of the greatest challenges lies on the power consumption of the network nodes, which is a limiting factor for durable wearable and implantable devices. In most cases the communication block is the most power hungry section in the wireless node. To reduce power consumption and increase the node's lifetime, besides optimizing the transceiver hardware and network design, alternative communication methods can be employed. In this regard, Human body communication (HBC) has attracted growing interest from both academy and industry as an alternative to implement Wireless Body Area Networks (WBAN). In HBC the human body is used as the communication channel. A very important aspect concerning the development of the HBC technology is the characterization of the channel for proper transceiver design. With this in mind, this work presents various channel measurements performed in the HBC channel to evaluate its behavior. From the measurement results, it is identified that the test fixtures affect the HBC measurements, changing the channel frequency profile and the channel attenuation levels. These issues were not identified or corrected in the literature studied, mostly because they cannot be removed by common calibration and de-embedding methods. To understand and explain the measured channel response, an channel identification methodology and an extended channel model, which includes the test fixtures models are proposed. The channel identification methodology aides the correct identification and modeling of the essential channel components using distributed and lumped circuit representations that provide a useful insight into the expected primary channel behavior. The proposed extended channel model is tested against channel measurement results and good correlation with experiments is obtained. The proposed primary channel model is then used for a more reliable transceiver design, which focused in lower power consumption and multi-band operation in the 10-100 MHz range of the channel. With these requirements, in the integrated HBC transmitter a direct modulation BFSk architecture is used, consisting of a voltage controlled current starved oscillator and an output driver, for coupling the signal to the channel. The HBC receiver is based on injection locking technique and does broadband demodulation with frequency-to-phase conversion. The receiver consists of a push-pull input amplifier, a voltage-controlled current starved oscillator, a tristate phase detector, a RC filter and analog to digital converter. The transceiver was designed and fabricated in CMOS 130 nm technology and has five communication channels in the range of 10-100 MHz, a data rate of 2 Mbps and a bit error rate of 0.5x10-3 for -35,8 dBm signals on the HBC channel. The transmitter and receiver power consumption are 6.6 mW and 1.68 mW, respectivelly, which enables a communication efficiency of 3.3 nJ/bit and 0.84 nJ/bit with a 1.2 V supply voltage