UWB-IR for biomedisinske sensornettverk

• Main Author: Lande, Håvard
• Format: Others
• Language: Norwegian
• Published: Norges teknisk-naturvitenskapelige universitet, Institutt for elektronikk og telekommunikasjon 2007
• Subjects: ntnudaim; SIE6 elektronikk; Signalbehandling og kommunikasjon
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:no:ntnu:diva-10381

Ved behandling og restitusjon av pasienter må pasientenes kroppsfunksjoner overvåkes. Typiske funksjoner som må overvåkes er blodtrykk, elektrokardiogram og akselerometerdata. Dette er til nå stort sett gjort ved å benytte kabelbaserte løsninger og en overgang til en trådløs teknologi vil kunne føre til større bevegelsesfrihet hos pasientene. En trådløs teknologi gir også mulighet for å overvåke pasientene utenfor sykehuset fire vegger. Et større velvære og et kortere opphold på sykehuset vil kunne bidra til en kortere restitusjonstid for pasientene. Ultra-Wide-Band Impulse Radio (UWB-IR) er en teknologi som har fått stor oppmerksomhet de siste årene på grunn av en rekke unike egenskaper som god gjennomtrengning av objekter, sikker overføring, lite støy, gode flerveisegenskaper, mulighet for nøyaktig posisjonering, og lavt energiforbruk sammenliknet med andre trådløse kommunikasjonsteknologier. Fokuset på UWB-IR teknologien startet i 2002 da Federal Communications Commission (FCC) i USA frigjorde en stor båndbredde (3.1-10.6 $GHz$) til bruk ved lave sendereffekter (-41.3 $dBm/MHz$ EIRP). UWB-IR teknologien benytter seg av en teknikk som baserer seg på å sende veldig korte pulser(i størrelsesorden nanosekunder) med høy rate. Båndbredden til signalet vil da være begrenset av pulsen som benyttes. Ofte benyttes ulike ordens deriverte gaussiske pulser da effektspekteret til disse pulsene vil lett kunne tilpasses for å oppfylle FCC kravet. Da trådløse biomedisinske sensornettverk benyttes til overvåkning av vitale kroppsfunksjoner, stiller dette strenge krav til transmisjonssystemet både med hensyn til stabilitet, robusthet og energiforbruk. Når sensornodene er montert så tett på kroppen vil dette gjør det vesentlig mer krevende å oppfylle disse kravene på grunn av den direktive effekten som vil oppstå når små antenner er montert så tett på kroppen, og på grunn av skjermingen som vil oppstå når nodene er montert på ulike sider av kroppen. Lite forskning er i dag gjort rundt ytelsen til et UWB-IR basert transmisjonssystem når signalet forplanter seg rundt kroppen. I oppgaven er det derfor først ved simulering sett på ytelsen til det fysiske laget når trådløse sensornoder er montert rundt på kroppen. Det er i simuleringen både blitt benyttet en vanlig 2-PPM-TH korrelasjonsmottaker, og en RAKE mottaker som utnytter multi-path (MP) forplantningen til signalet. Det er også blitt sett på muligheten for å øke antall pulser per bit for å redusere BER uten å øke sendereffekten. Nodene er blitt plassert rundt på ulike steder på kroppen for å se hvordan dette vil påvirke ytelsen til systemet. Simuleringene er basert på en meget avansert kanalmodell som er utviklet av IMEC som er en belgisk forskningsinstitusjon. Denne modellen har også blitt godkjent som test modell for den nye 802.15.4a lav-rate UWB standarden. Modellen tar både hensyn til komponenter som skyldes diffraksjon rundt kroppen, og refleksjoner fra rommet rundt. Da FCC har satt strenge begrensninger på sendereffekten, vil det være viktig å utnytte den tilgjenglige båndbredden best mulig. Det er derfor sett på ulike metoder som kan benyttes for å få et spekter som best mulig fyller FCC emisjons masken. Dette inkluderer blant annet tilpassning av spredekoden, og bifasekoding av pulsene. Basert på simuleringene er det kommet frem til en rekke faktorer som vil være viktig for å kunne tilby et mest mulig effektivt og optimalt transmisjonssystem både med hensyn på robusthet, kompleksitet og energiforbruk. Bifasekoding har vist seg å være ekstremt effektivt for å unngå topper i spektert, og dermed kunne øke sendereffekten. Dersom det benyttes en lang nok sekvens på bifasekoden, vil effektspektraltettheten (PSD) til det utsendte signalet tilsvare PSD til en enkelt puls. Noe som gjør det vesentlig enklere å konstruere et transmisjonssystem som oppfyller FCC kravene, for det vil da ikke være nødvendig å ta hensyn til modulasjonen av pulsene. Korreksjon for forvrengningen og MP forplantningen til signalet har vist seg å være helt avgjørende for å kunne få tilfredsstillende prestasjon på transmisjonssystemet. Dette gjelder spesielt noder som er plassert på ulik side av kroppen. Når en RAKE mottaker benyttes vil det på grunn av kompleksiteten være fordelaktig å tilpasse antall fingre i mottakeren basert på posisjonen til noden. Når mottakeren er plassert på fremsiden av kroppen, vil henholdsvis 1,4, og 8 fingre i mottakeren være optimalt når sendernodene er montert på fremsiden, siden, og baksiden av kroppen. Den store spredningen av MP komponenter har vist seg å gi opphav til vesentlig intersymbolinterferens dersom dette ikke tas hensyn til i transmisjonssystemet. Når 2-PPM-TH benyttes vil dette kunne gjøres ved å tilpasse TH koden for å sikre tilstrekkelig avstand mellom etterfølgende pulser. For å få tilfredsstillende BER vil det også være nødvendig å benytte flere pulser per bit. Når en RAKE mottakeren plassert på fremsiden av kroppen benyttes, har henholdsvis 1-2, 5-6, og 11-15 vist seg å gi tilfredsstillende ytelse for mottak fra noder som befinner seg på fremsiden, siden, og baksiden av kroppen. Det er også blitt sett på ulike metoder for krysslagsoptimering, og resultatene fra BAN simuleringen er blitt benyttet for å kunne vurdere deler av disse. Krysslagsoptimering går i hovedsak ut på å utveksle informasjon på tvers av lagene som ellers ikke vil være tilgjenglig i tradisjonell laginndeling som for eksempel i OSI-modellen. I stede for å se på lagene individuelt vil det ved å åpne mellom lagene kunne konstruere en mer optimal totalløsning. Det er blitt sett på 3 mulige krysslagsmetoder. Dette inkluderer forenklet ruting ved kryssoptimering mellom nettverk- og MAC laget, kryssoptimering som utnytter posisjonering og kryssoptimering mellom det fysiske laget og MAC laget. Til slutt er det blitt sett på en MAC protokoll med navnet DCC-MAC som utnytter kryssoptimering mot det fysiske laget. Det er kommet frem til at kryssoptimering som utnytter posisjonering vil kunne benyttes for tilpassning av TH koden, og dermed unngå ISI. DCC-MAC har også en del egenskaper som trolig vil kunne gi økt ytelse i et biomedisinsk sensornettverk. Dette inkluderer blant annet dynamisk kanalkoding, og Interference Mitigation som er en metode for å bedre kunne håndtere pulskollisjoner. Derimot vil det trolig være nødvendig å gjøre noen tilpassninger av protokollen for å bedre kunne håndtere effekten av ISI.