From Radio Channel Modeling to a System Level Perspective in Body-Centric Communications

Body-centric communications are emerging as a new paradigm in the panorama of personal communications. Being concerned with human behaviour, they are suitable for a wide variety of applications. The advances in the miniaturization of portable devices to be placed on or around the body, foster the diffusion of these systems, where the human body is the key element defining communication characteristics. This thesis investigates the human impact on body-centric communications under its distinctive aspects. First of all, the unique propagation environment defined by the body is described through a scenario-based channel modeling approach, according to the communication scenario considered, i.e., on- or on- to off-body. The novelty introduced pertains to the description of radio channel features accounting for multiple sources of variability at the same time. Secondly, the importance of a proper channel characterisation is shown integrating the on-body channel model in a system level simulator, allowing a more realistic comparison of different Physical and Medium Access Control layer solutions. Finally, the structure of a comprehensive simulation framework for system performance evaluation is proposed. It aims at merging in one tool, mobility and social features typical of the human being, together with the propagation aspects, in a scenario where multiple users interact sharing space and resources

In-body to On-body Experimental UWB Channel Characterization for the Human Gastrointestinal Area

[ES] La población mundial en países desarrollados está envejeciendo y con ello existe un aumento de enfermedades en gran medida causadas por la edad. Las nuevas tecnologías médicas pueden ayudar a detectar, diagnosticar y tratar estas enfermedades y con ello ahorrar dinero, tiempo y recursos de los sistemas sanitarios. Las tecnologías inalámbricas implantables han abierto un nuevo panorama para la próxima generación de tecnologías médicas. Frecuencias como la Ultra Wide-Band (UWB) de 3.1 a 10.6 GHz están siendo consideradas para la nueva generación de dispositivos inalámbricos para dentro del cuerpo humano. Las características como el reducido tamaño de las antenas, la baja potencia de transmisión y la alta velocidad de datos son las más buscadas en este tipo de dispositivos. El problema surge porque el cuerpo humano depende de la frecuencia de modo que a mayores frecuencias, mayores son las pérdidas por propagación. Conociendo el canal de transmisión se puede solventar el problema de las altas pérdidas. Esta tesis tiene como objetivo caracterizar el canal de radio frecuencia (RF) para la nueva generación de dispositivos médicos implantables. Para caracterizar el canal se han empleado tres diferentes metodologías: simulaciones numéricas, medidas en phantom y experimentos en animales vivos. Las medidas en phantom fueron realizadas en un nuevo sistema de medidas expresamente disen¿ados para medidas de dentro a fuera del cuerpo humano en la banda de frecuencias UWB. Además, se utilizó un novedoso recipiente con dos capas de phantom imitando la zona gastrointestinal del cuerpo. Estos phantoms fueron creados para este tipo de medidas y son extremadamente precisos a las frecuencias UWB. Para los experimentos en animales se utilizaron cerdos y se intentó reproducir en ellos las medidas previamente realizadas en phantom. Las simulaciones software se realizaron con la intención de replicar ambas metodologías. Una vez realizados los experimentos se realizó un extensivo estudio del canal en dominio frecuencial y temporal. Mas en detalle, se compararon las antenas usadas en la recepción y transmisión, el efecto de la grasa en el canal, la formas del recipiente contenedor de phantom y las componentesmulticamino. Como resultado se ha propuesto un modelo de propagación del canal para la banda baja de las frecuencias UWB (3.1 -5.1 GHz) para la zona gastrointestinal del cuerpo humano. Este modelo de propagación ha sido validado utilizando las tres metodologías previamente descritas y comparada con otros estudios existentes en literatura. Finalmente, se midió el canal de propagación para una determinada aplicación a bajas frecuencias con señales UWB. También se realizaron medidas del canal de propagación en la zona cardíaca del cuerpo humano desde un punto de vista de seguridad de datos. Los resultados obtenidos en esta tesis confirman los beneficios que tendría la utilización de frecuencias UWB para las futuras generaciones de dispositivos médicos implantables.[CA] La població mundial a països desenvolupats està envellint-se i enfrontant-se a un augment d'infermetats principalment causades per la edat. Les noves tecnologies mèdiques poden ajudar a detectar, diagnosticar i tractar aquestes malalties, estalviant diners, temps i recursos sanitaris. Els dispositius implantables sense fils han generat un nou panorama per a les noves generacions de dispositius mèdics. Les freqüències com la banda de UWB estan sent considerades per a les futures tecnologies implantables. La reduïda grandària de les antenes, la baixa potència de transmissió i les altes velocitats de dades son característiques buscades per als dispositius implantables. Per contra, els éssers humans depenen de la freqüència en el sentit que a majors freqüències, majors les pèrdues per propagació quan el senyal travessa el cos humà d'interior a exterior. Per solventar aquestes pèrdues el canal de propagació s'ha d'entendre i conèixer de la millor manera possible. Aquesta tesi doctoral te com a objectiu caracteritzar el canal de radio freqüència (RF) per a la nova generació de dispositius mèdics implantables. S'han emprat tres metodologies diferents per a realitzar aquesta caracterització: simulacions software, mesures amb fantomes i experiments amb animals vius. Els experiments amb fantomes es van realitzar a un sistema de mesures dissenyat expressament per a les transmissions de dins a fora del cos humà a les freqüències UWB. També es van utilitzar un contenidor per als fantomes de dues capes, imitant l'area gastrointestinal dels humans. Per als experiments a animals es van emprar porcs, replicant els experiments al laboratori en fantomes de la forma més semblant possible. Les simulacions software foren dissenyades per a imitar les experiments amb fantomes i animals. Després dels experiments el canal de propagació es va investigar exhaustivament des del domini freqüèncial i temporal. S'ha observat com les antenes en transmissió i recepció afecten al senyal, la influència de la grassa, la forma del contenidor de fantoma i les possibles contribucions multicamí. Finalment es proposa un nou model de propagació per a les baixes freqüències UWB (3.1 a 5.1 GHz) per a la zona GI del cos humà. El model es va validar utilitzant les tres metodologies abans esmentades i també foren comparades amb model ja existents a la literature. Finalment des d'un punt de vista aplicat, el canal es va avaluar per al senyal UWB a baixes freqüències (60 MHz). A més a més, per a la nova generació de marcapassos sense fil es va investigar el canal des d'un punt de vista de seguretat de dades. Els resultats obtinguts a aquesta tesi confirmen els avantatges d'emprar la banda de freqüències UWB per a la nova generació de dispositius médics implantables.[EN] The current global population in developed countries is becoming older and facing an increase in diseases mainly caused by age. New medical technologies can help to detect, diagnose and treat illness, saving money, time, and resources of physicians. Wireless in-body devices opened a new scenario for the next generation of medical devices. Frequencies like the Ultra Wide-band (UWB) frequency band (3.1 - 10.6 GHz) are being considered for the next generation of in-body wireless devices. The small size of the antennas, the low power transmission, and the higher data rate are desirable characteristics for in-body devices. However, the human body is frequency ependent, which means higher losses of the radio frequency (RF) signal from in- to out-side the body as the frequency increases. To overcome this, the propagation channel has to be understood and known as much possible to process the signal accordingly. This dissertation aims to characterize the (RF) channel for the future of in-body medical devices. Three different methodologies have been used to characterize the channel: numerical simulations, phantom measurements, and living animals experiments. The phantom measurements were performed in a novel testbed designed for the purpose of in-body measurements at the UWB frequency band. Moreover, multi-layer high accurate phantoms mimicking the gastrointesintal (GI) area were employed. The animal experiments were conducted in living pigs, replicating in the fairest way as possible the phantom measurement campaigns. Lastly, the software simulations were designed to replicate the experimental measurements. An in-depth and detail analysis of the channel was performed in both, frequency and time domain. Concretely, the performance of the receiving and transmitting antennas, the effect of the fat, the shape of the phantom container, and the multipath components were evaluated. Finally, a novel path loss model was obtained for the low UWB frequency band (3.1 - 5.1 GHz) at GI scenarios. The model was validated using the three methodologies and compared with previous models in literature. Finally, from a practical case point of view, the channel was also evaluated for UWB signals at lower frequencies (60 MHz) for the GI area. In addition, for the next generation of leadless pacemakers the security link between the heart and an external device was also evaluated. The results obtained in this dissertation reaffirm the benefits of using the UWB frequency band for the next generation of wireless in-body medical devices.Pérez Simbor, S. (2019). In-body to On-body Experimental UWB Channel Characterization for the Human Gastrointestinal Area [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/133034TESI

Towards reliable communication in low-power wireless body area networks

Es wird zunehmend die Ansicht vertreten, dass tragbare Computer und Sensoren neue Anwendungen in den Bereichen Gesundheitswesen, personalisierte Fitness oder erweiterte Realität ermöglichen werden. Die am Körper getragenen Geräte sind dabei mithilfe eines Wireless Body Area Network (WBAN) verbunden, d.h. es wird drahtlose Kommunikation statt eines drahtgebundenen Kanals eingesetzt. Der drahtlose Kanal ist jedoch typischerweise ein eher instabiles Kommunikationsmedium und die Einsatzbedingungen von WBANs sind besonders schwierig: Einerseits wird die Kanalqualität stark von den physischen Bewegungen der Person beeinflusst, andererseits werden WBANs häufig in lizenzfreien Funkbändern eingesetzt und sind daher Störungen von anderen drahtlosen Geräten ausgesetzt. Oft benötigen WBAN Anwendungen aber eine zuverlässige Datenübertragung. Das erste Ziel dieser Arbeit ist es, ein besseres Verständnis dafür zu schaffen, wie sich die spezifischen Einsatzbedingungen von WBANs auf die intra-WBAN Kommunikation auswirken. So wird zum Beispiel analysiert, welchen Einfluss die Platzierung der Geräte auf der Oberfläche des menschlichen Körpers und die Mobilität des Benutzers haben. Es wird nachgewiesen, dass während regelmäßiger Aktivitäten wie Laufen die empfangene Signalstärke stark schwankt, gleichzeitig aber Signalstärke-Spitzen oft einem regulären Muster folgen. Außerdem wird gezeigt, dass in urbanen Umgebungen die Effekte von 2.4 GHz Radio Frequency (RF) Interferenz im Vergleich zu den Auswirkungen von fading (Schwankungen der empfangenen Signalstärke) eher gering sind. Allerdings führt RF Interferenz dazu, dass häufiger Bündelfehler auftreten, d.h. Fehler zeitlich korrelieren. Dies kann insbesondere in Anwendungen, die eine geringe Übertragungslatenz benötigen, problematisch sein. Der zweite Teil dieser Arbeit beschäftigt sich mit der Analyse von Verfahren, die potentiell die Zuverlässigkeit der Kommunikation in WBANs erhöhen, ohne dass wesentlich mehr Energie verbraucht wird. Zunächst wird der Trade-off zwischen Übertragungslatenz und der Zuverlässigkeit der Kommunikation analysiert. Diese Analyse basiert auf einem neuen Paket-Scheduling Algorithmus, der einen Beschleunigungssensor nutzt, um die WBAN Kommunikation auf die physischen Bewegungen der Person abzustimmen. Die Analyse zeigt, dass unzuverlässige Kommunikationsverbindungen oft zuverlässig werden, wenn Pakete während vorhergesagter Signalstärke-Spitzen gesendet werden. Ferner wird analysiert, inwiefern die Robustheit gegen 2.4 GHz RF Interferenz verbessert werden kann. Dazu werden zwei Verfahren betrachtet: Ein bereits existierendes Verfahren, das periodisch einen Wechsel der Übertragungsfrequenz durchführt (channel hopping) und ein neues Verfahren, das durch RF Interferenz entstandene Bitfehler reparieren kann, indem der Inhalt mehrerer fehlerhafter Pakete kombiniert wird (packet combining). Eine Schlussfolgerung ist, dass Frequenzdiversität zwar das Auftreten von Bündelfehlern reduzieren kann, dass jedoch die statische Auswahl eines Kanals am oberen Ende des 2.4 GHz Bandes häufig schon eine akzeptable Abhilfe gegen RF Interferenz darstellt.There is a growing belief that wearable computers and sensors will enable new applications in areas such as healthcare, personal fitness or augmented reality. The devices are attached to a person and connected through a Wireless Body Area Network (WBAN), which replaces the wires of traditional monitoring systems by wireless communication. This comes, however, at the cost of turning a reliable communication channel into an unreliable one. The wireless channel is typically a rather unstable medium for communication and the conditions under which WBANs have to operate are particularly harsh: not only is the channel strongly influenced by the movements of the person, but WBANs also often operate in unlicensed frequency bands and may therefore be exposed to a significant amount of interference from other wireless devices. Yet, many envisioned WBAN applications require reliable data transmission. The goals of this thesis are twofold: first, we aim at establishing a better understanding of how the specific WBAN operating conditions, such as node placement on the human body surface and user mobility, impact intra-WBAN communication. We show that during periodic activities like walking the received signal strength on an on-body communication link fluctuates strongly, but signal strength peaks often follow a regular pattern. Furthermore, we find that in comparison to the effects of fading 2.4 GHz Radio Frequency (RF) interference causes relatively little packet loss - however, urban 2.4 GHz RF noise is bursty (correlated in time), which may be problematic for applications with low latency bounds. The second goal of this thesis is to analyze how communication reliability in WBANs can be improved without sacrificing a significant amount of additional energy. To this end, we first explore the trade-off between communication latency and communication reliability. This analysis is based on a novel packet scheduling algorithm, which makes use of an accelerometer to couple WBAN communication with the movement patterns of the user. The analysis shows that unreliable links can often be made reliable if packets are transmitted at predicted signal strength peaks. In addition, we analyze to what extent two mechanisms can improve robustness against 2.4 GHz RF interference when adopted in a WBAN context: we analyze the benefits of channel hopping, and we examine how the packet retransmission process can be made more efficient by using a novel packet combining algorithm that allows to repair packets corrupted by RF interference. One of the conclusions is that while frequency agility may decrease "burstiness" of errors the static selection of a channel at the upper end of the 2.4 GHz band often already represents a good remedy against RF interference

Contribuciones a la caracterización del cuerpo humano como medio de transmisión en las técnicas de comunicaciones intracorporales.

Falta palabras claveLa necesidad de bio-dispositivos de reducido consumo, tamaño y costo ha motivado la investigación de nuevas tecnologías de comunicaciones inalámbricas de corto alcance, entre las que se encuentran las técnicas de comunicaciones intracorporales (IBC). Estas utilizan el cuerpo humano como medio de transmisión de señales eléctricas para la conexión de dispositivos colocados sobre la superficie corporal, cercanos a esta e implantados. Las ventajas de esta técnica residen en el uso de señales de baja frecuencia y amplitud que se acoplan mediante pequeños electrodos al cuerpo, favoreciendo la disminución del consumo y la minimización de las interferencias con otros dispositivos. Sin embargo, aún existen importantes retos científico-técnicos a solventar con el fin de obtener una metodología de diseño de los sistemas IBC sistemática y precisa. Para ello es fundamental avanzar en el conocimiento de los verdaderos mecanismos de transmisión del cuerpo humano como canal de comunicación. El objetivo de esta tesis doctoral es profundizar en la caracterización del cuerpo humano como medio de transmisión de señales tanto desde una perspectiva teórica como experimental. De esta forma, se han propuesto diferentes modelos de canal: un modelo de la piel como símil de línea de transmisión, un modelo computacional 3D del brazo humano y un modelo físico circuital phantom. También se han implementado montajes de medida armonizados para la determinación de la atenuación corporal para ambos tipos de acoplamiento galvánico y capacitivo, así como para analizar diferentes cuestiones técnicas de interés como estrategias de aislamiento de tierras, influencia de la resistencia de carga y efectos de cables y conectores. Los resultados abarcan la simulación y validación de los modelos propuestos, incluyendo atenuación, dispersión, tasa binaria y de error para diferentes esquemas de modulación digitales. Se han simulado también variables eléctricas como bioimpedancia, campo eléctrico y corriente a través de los tejidos. Por último, se ha realizado un conjunto exhaustivo de medidas de atenuación estudiándose variables como longitud de canal, distancia inter-electrodo, tipo de electrodo, diferentes partes del cuerpo, etc. Como principales conclusiones, se ha avanzado en el entendimiento de algunos de los mecanismos de transmisión a través del cuerpo humano y la piel, lo que a su vez nos ha permitido identificar el rango de operación de cada uno de los tipos de acoplamiento, así como definir un conjunto de especificaciones prácticas para la implementación de esquemas de medida IBC más precisos

An Empirical Measurement of Signal Attenuation and BER of IEEE 802.15.6 HBC using a phantom solution

The implementation of an IEEE 802.15.6 section 10 com- pliant human body communications (HBC) transceiver re- quires an understanding of the signal integrity expected at the receiver. This paper focuses on the reception of IEEE 802.15.6 compliant data packets through the human body. The experiment used a phantom solution to model the elec- trical characteristics of muscle tissue in a controlled envi- ronment. The prototype transmitter was able to achieve a power consumption of 4.5nJ per bit using FPGA technology at the minimum spreading factor, while a minimum chan- nel attenuation of 11.4dB was measured at 21MHz. Further characterisation of the human body communications channel will be possible with the future development of a portable prototype, optimising the receiver design using the empirical results presented here