Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών

Transcript

1 ΠΑΝΕΠΙΣΤΗΜΙΟ ΠΑΤΡΩΝ ΤΜΗΜΑ ΗΛΕΚΤΡΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΥΠΟΛΟΓΙΣΤΩΝ ΤΟΜΕΑΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΩΝ ΚΑΙ ΤΕΧΝΟΛΟΓΙΑΣ ΠΛΗΡΟΦΟΡΙΑΣ ΕΡΓΑΣΤΗΡΙΟ ΑΣΥΡΜΑΤΗΣ ΤΗΛΕΠΙΚΟΙΝΩΝΙΑΣ Διπλωματική Εργασία της φοιτήτριας του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών της Πολυτεχνικής Σχολής του Πανεπιστημίου Πατρών ΖΗΣΗ ΗΛΙΑΝΑΣ Αριθμός Μητρώου: 7781 Θέμα «Χαρακτηρισμός ασύρματου καναλιού για εφαρμογές στα ενδοσωματικά δίκτυα (in-body area networks)» Επιβλέπων Καθηγητής Σταύρος Κωτσόπουλος Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Πάτρα, Μάιος 2016

2

3 Αριθμός Διπλωματικής Εργασίας: Θέμα: «Χαρακτηρισμός ασύρματου καναλιού για εφαρμογές στα ενδοσωματικά δίκτυα (in-body area networks)» Φοιτητής: Ζήση Ηλιάνα του Ιωάννη Επιβλέπων: Καθηγητής Σταύρος Κωτσόπουλος

4

5 ABSTRACT The new scientific era brought forth a brand new reality for the human body area networks (BAN) and the medical implants. These systems offer a more secure, accurate and less invasive method for continuous monitoring of vital levels in a human body, such as glucose levels. A frequency band available for these applications is the MHz MICS band (Medical Implant Communications Service), which has the clear advantage that it is mainly used for medical applications. Additionally, there is the 2.45 ISM (Industrial, Scientific, Medical) band, but has the disadvantage that it is used by other applications, such as the wireless computer networks. This dissertation presents a study of in-body signal propagation and subsequent channel characterization. More precisely, the potential application of this study relates to an implant placed in the pancreas tissue, that controls blood glucose levels and transmits the signal to an external receiver which is located on the skin surface. The receiver will receive and evaluate the appropriate levels and send new data back to the implant. However, in order to make this feasible, a complete study of the wireless channel must be performed so as to ensure proper communication and transfer of these important parameters. This study is mainly based on FDTD-modelling technique for both MHz and 2.45 GHz bands. More specifically, a half-wave dipole has been considered to be located in the pancreas of a male and a female phantom respectively. The phantom is a representation of a human body, which includes all the necessary features, such as dielectric constants of the human organs for precise experimental study of the signal that travels through the different organs. Moreover, the computation of the electric field and the power density fluctuations as the signal traverses within the human body and the investigation of the path loss modelling and signal absorption have been carried out. Results demonstrate the particular behavior of signal attenuation for an in-body scenario where the antenna is planted deeper in the human phantom than in most published works. Our findings provide the basis for further research on the validation of channel modelling for body implants. The analysis technique of signal propagation that we recommended as well as the results we obtained from this dissertation were published and presented to the Wireless Telecommunications Symposium that was held in London on of April 2016.

6 ΠΕΡΙΛΗΨΗ Η νέα επιστημονική εποχή έφερε στο προσκήνιο μία νέα πραγματικότητα για τα δίκτυα ανθρώπινου σώματος (Body Area Networks) και για τα ιατρικά εμφυτεύματα. Τα συγκεκριμένα συστήματα προσφέρουν μία πιο ασφαλή, ακριβή και λιγότερο επεμβατική μέθοδο για τη συνεχή παρακολούθηση σημαντικών ζωτικών επιπέδων σε ένα ανθρώπινο σώμα, όπως τα επίπεδα γλυκόζης. Μία μπάντα συχνοτήτων που είναι διαθέσιμη για τις συγκεκριμένες εφαρμογές είναι η μπάντα ΜΗz MICS (Medical Implant Communications Service), η οποία έχει το σαφές πλεονέκτημα ότι χρησιμοποιείται κυρίως για ιατρικές εφαρμογές. Επιπρόσθετα υπάρχει και η μπάντα 2.45 GHZ ISM (Industrial, Scientific, Medical), αλλά έχει το μειονέκτημα ότι χρησιμοποιείται από άλλες εφαρμογές, όπως τα ασύρματα δίκτυα υπολογιστών. Η παρούσα διπλωματική εργασία παρουσιάζει μία μελέτη της διάδοσης του σήματος μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό και παρέχει τον χαρακτηρισμό του ασύρματου καναλιού. Συγκεκριμένα, η πιθανή εφαρμογή της μελέτης αφορά ένα εμφύτευμα στο πάγκρεας που θα ελέγχει τα επίπεδα γλυκόζης και θα μεταβιβάζει το σήμα σε έναν εξωτερικό αποδέκτη που θα βρίσκεται στην επιφάνεια του δέρματος στο ύψος της ζώνης. Ο αποδέκτης θα λαμβάνει και θα αξιολογεί κατάλληλα τα επίπεδα και θα αποστέλλει νέα δεδομένα πίσω στο εμφύτευμα. Για να γίνει όμως κάτι τέτοιο εφικτό, πρέπει να πραγματοποιηθεί πλήρης μελέτη του ασύρματου καναλιού, ώστε να διασφαλιστεί η σωστή επικοινωνία και η μεταβίβαση των σημαντικών αυτών παραμέτρων. Η μελέτη μας βασίζεται σε προσομοιώσεις που χρησιμοποιούν την FDTD (Finite Difference Time Domain) τεχνική μοντελοποίησης για τις μπάντες συχνοτήτων 402.5MHz και 2.45GHz. Πιο αναλυτικά, μία κεραία δίπολο τοποθετείται στο πάγκρεας ενός γυναικείου και ενός ανδρικού phantom. Το phantom είναι μία αναπαράσταση του ανθρώπινου οργανισμού, η οποία περιλαμβάνει όλα τα απαραίτητα χαρακτηριστικά, όπως διηλεκτρικές σταθερές οργάνων, για ακριβή πειραματική μελέτη της συμπεριφοράς του σήματος που διαπερνά τα όργανα. Επιπρόσθετα, πραγματοποιείται ο υπολογισμός του ηλεκτρικού πεδίου και των διακυμάνσεων της πυκνότητας της ενέργειας, καθώς το σήμα ταξιδεύει μέσα από το ανθρώπινο σώμα. Ακόμη, εξετάζεται η μοντελοποίηση των απωλειών όδευσης και η απορρόφηση του σήματος από τα διάφορα ανθρώπινα όργανα.

7 Τα αποτελέσματα αναδεικνύουν την ιδιαίτερη συμπεριφορά της εξασθένησης του σήματος για ένα σενάριο μέσα στο ανθρώπινο σώμα, όπου η κεραία έχει εμφυτευθεί βαθύτερα από κάθε άλλη δημοσιευμένη εργασία. Τα υποσχόμενα αποτελέσματα μας παρέχουν την βάση για περαιτέρω έρευνα που επρόκειτο να πραγματοποιήσουμε στην μοντελοποίηση των καναλιών επικοινωνίας για εφαρμογές σε ενδοσωματικά δίκτυα (in-body area networks). H ανάλυση της διάδοσης του σήματος με την τεχνική που προτείνουμε και τα αποτελέσματα που λάβαμε από τη διπλωματική αυτή εργασία δημοσιεύτηκαν και παρουσιάστηκαν στο Wireless Telecommunications Symposium που πραγματοποιήθηκε στο Λονδίνο στις Απριλίου 2016.

8

9 ΕΥΧΑΡΙΣΤΙΕΣ Θα ήθελα πρωτίστως να ευχαριστήσω τους γονείς μου και την οικογένειά μου, για την ηθική, οικονομική και ψυχική υποστήριξη κατά την διάρκεια των σπουδών μου, καθώς τίποτα δεν θα ήταν εφικτό χωρίς την πολύτιμη συμπαράστασή τους. Επίσης θα ήθελα να ευχαριστήσω ιδιαίτερα τον Καθηγητή μου κ. Σταύρο Κωτσόπουλο, Καθηγητή του Τμήματος Ηλεκτρολόγων Μηχανικών και Τεχνολογίας Υπολογιστών, για τις πολύτιμες γνώσεις που μου προσέφερε και την συνεχή βοήθεια του καθόλη τη διάρκεια της παρούσας διπλωματικής. Επίσης ένα μεγάλο ευχαριστώ για την ευκαιρία που μου έδωσε για την συμμετοχή και παρουσίαση του paper που φτιάξαμε μαζί με τον ίδιο και τον διδάκτορα και ερευνητή κύριο Θεόφιλο Χρυσικό στο Λονδίνο τον Απρίλιο του Δεν θα μπορούσα φυσικά να παραλείψω τον Δόκτορα Θεόφιλο Χρυσικό για την εξαιρετική βοήθεια και καθοδήγηση τόσο στην παρούσα διπλωματική όσο και στην εργασία που παρουσιάσαμε στο συνέδριο. Οι συζητήσεις και με τους δύο, ήταν πολύτιμες και μου έμαθαν πολλά για την ουσιαστική έρευνα και μου έδωσαν το έναυσμα να θέλω να συνεχίσω την προσπάθεια μου πάνω στο συγκεκριμένο αντικείμενο. Τέλος ένα μεγάλο ευχαριστώ στους φίλους μου και στον Απόστολο Κοκόλη, που ήταν πάντα εκεί για να μου φτιάχνουν το κέφι και να με εμψυχώνουν. Μάιος,2016 9

10 ΠΕΡΙΕΧΟΜΕΝΑ ΛΙΣΤΑ ΕΙΚΟΝΩΝ ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: «BODY AREA NETWORKS» : «ΕΙΣΑΓΩΓΗ» : «ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ» : «ΒΑΣΙΚΗ ΙΔΕΑ» : «ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ» : «IEEE » : «ΒΑΣΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ WBAN» : «ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΠΟΥ ΘΑ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΟΥΝ ΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ» : «ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΕΝΟΣ BAN» : «ΣΗΜΑΝΤΙΚΕΣ ΔΙΑΦΟΡΕΣ BAN ΚΑΙ PAN (personal area networks)» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2: «ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΣΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ» : «ΕΙΣΑΓΩΓΗ» : «ΔΙΕΥΚΡΙΝΙΣΕΙΣ ΚΑΙ ΓΕΝΙΚΗ ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ» : «ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΑ ΣΕΝΑΡΙΑ ΜΟΝΤΕΛΩΝ» : «ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΕΡΑΙΑΣ» : «ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΤΩΝ ΙΣΤΩΝ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ» : «ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ» : Μοντέλα περιγραφής : Fading : Path Loss : Σκίαση : Προφίλ καθυστέρησης ενέργειας :Probability Density Function (PDF) : «Cumulative Distribution Function(CDF)» : «ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3: «IN-BODY AREA NETWORKS AND PRIOR ART» : «ΕΙΣΑΓΩΓΗ» : «ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΓΛΥΚΟΖΗΣ» :«ΕΜΦΥΤΕΥΜΑΤΑ» : «ΕΠΙΠΕΔΑ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ» : «ΕΠΙΛΟΓΗ ΚΑΤΑΛΛΗΛΟΥ ΤΥΠΟΥ ΚΕΡΑΙΑΣ»

11 3.6: «ΕΠΙΛΟΓΗ ΚΑΤΑΛΛΗΛΗΣ ΜΠΑΝΤΑΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ» : MICS standard : ISM band : 900MHz band : «ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4: «ΕΦΑΡΜΟΓΗ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΕΜΦΥΤΕΥΜΕΝΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑ ΣΤΟ ΠΑΓΚΡΕΑΣ-ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ» : «ΕΙΣΑΓΩΓΗ» : «ΜΟΝΤΕΛΟ ΜΕΛΕΤΗΣ ΓΙΑ ΔΙΑΔΟΣΗ ΜΕΣΑ ΣΤΟ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟ ΣΩΜΑ» : «FDFD METHOD» : Συνοριακές συνθήκες : Διαδικασία προσομοίωσης προγράμματος : Μία 3D απεικόνιση του συστήματος των ιατρικών εμφυτευμάτων : «CASE STUDY» :Human Phantoms : Επιλογή Κεραίας : Διαδικασία λήψης μετρήσεων : «ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: «ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ» :«ΕΙΣΑΓΩΓΗ» : «FAR-FIELD GAIN PATTERNS» : «SPECIFIC ABSORPTION RATE» : «KATANOMH ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΥ ΠΕΔΙΟΥ» : «ΔΙΑΚΥΜΑΝΣΕΙΣ ΛΑΜΒΑΝΟΜΕΝΗΣ ΕΝΕΡΓΕΙΑΣ» : «ΜΟΝΤΕΛΟΠΟΙΗΣΗ ΑΠΩΛΕΙΩΝ ΟΔΕΥΣΕΩΣ» : «ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ» ΚΕΦΑΛΑΙΟ 6:«ΓΕΝΙΚΑ ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ» : «ΑΝΑΚΕΦΑΛΑΙΩΣΗ» : «ΜΕΛΛΟΝΤΙΚΕΣ ΠΡΟΕΚΤΑΣΕΙΣ» ΒΙΒΛΙΟΓΡΑΦΙΑ

12 ΛΙΣΤΑ ΕΙΚΟΝΩΝ Σχήμα 1-1 Βασική δομή ενός Body Area Network Σχήμα 1-2 Αρχιτεκτονική ΒΑΝ με διάφορες εφαρμογές βίο-σενσόρων Σχήμα 1-3 Αρχές λειτουργίας ΒΑΝ Σχήμα 1-4 Κατανάλωση ενέργειας σε σχέση με τον ρυθμό μετάδοσης Σχήμα 3-1 Εφαρμογή In-Body Area Networks Σχήμα 3-2 Παραδείγματα εφαρμογών εμφυτευμάτων στην ιατρική Σχήμα 3-3 Χρησιμοποιούμενες μπάντες συχνοτήτων παγκοσμίως Σχήμα 4-1 Block διάγραμμα συστήματος προσομοίωσης Σχήμα 4-2 Αναπαράσταση ανδρικού phantom που χρησιμοποιήθηκε στην προσομοίωση Σχήμα 4-3 Αναπαράσταση γυναικείου phantom που χρησιμοποιήθηκε στην προσομοίωση Σχήμα 4-4 Αναπαράσταση γυναικείου phantom με εμφυτευμένη κεραία δίπολο Σχήμα 4-5 Αναπαράσταση ανδρικού phantom με εμφυτευμένη κεραία δίπολο 59 Σχήμα 4-6 Ενέργεια ηλεκτρικού πεδίου για το γυναικείο phantom στα 402.5MHz Σχήμα 4-7 Ενέργεια ηλεκτρικού πεδίου για το γυναικείο phantom στα 2.45 GHz Σχήμα 4-8 Ενέργεια ηλεκτρικού πεδίου για το ανδρικό phantom στα 402.5MHz Σχήμα 4-9 Ενέργεια ηλεκτρικού πεδίου για το ανδρικό phantom στα 2.45GHz Σχήμα 5-1 Far-field gain pattern για το σενάριο με το ανδρικό phantom Σχήμα 5-2 Far- filed gain pattern για το σενάριο με το γυναικείο phantom Σχήμα 5-3 Διακυμάνσεις του ηλεκτρικού πεδίου για την δεξιά πλευρά του οριζόντιου άξονα χ (MICS band) Σχήμα 5-4 Διακυμάνσεις του ηλεκτρικού πεδίου για την αριστερή πλευρά του οριζόντιου άξονα χ (MICS band) Σχήμα 5-5 Διακυμάνσεις του ηλεκτρικού πεδίου στην δεξιά πλευρά του άξονα χ (ISM band) Σχήμα 5-6 Διακυμάνσεις ηλεκτρικού πεδίου για την αριστερή πλευρά του οριζόντιου άξονα χ (ISM band) Σχήμα 5-7 Εμπειρική και Γκαουσιανή CDF για το γυναικείο σενάριο στα 402.5MΗz (λογαριθμικές τιμές) Σχήμα 5-8 Εμπειρική και Γκαουσιανή CDF για το ανδρικό σενάριο στα MHz (λογαριθμικές τιμές)

13 Σχήμα 5-9 Εμπειρική και Γκαουσιανή CDF για το γυναικείο σενάριο στα 2.45 GHz (λογαριθμικές τιμές) Σχήμα 5-10 Εμπειρική και Γκαουσιανή CDF για το ανδρικό σενάριο στα 2.45 GHz (λογαριθμικές τιμές) Σχήμα 5-11 Path loss fit για το γυναικείο σενάριο στα MHz (λογαριθμικές τιμές) Σχήμα 5-12 Path loss fit για το ανδρικό σενάριο στα MHz (λογαριθμικές τιμές) Σχήμα 5-13 Path loss fit για το γυναικείο σενάριο στα 2.45 GHz (λογαριθμικές τιμές) Σχήμα 5-14 Path loss fit για το ανδρικό σενάριο στα 2.45 GHz (λογαριθμικές τιμές)

14 ΛΙΣΤΑ ΠΙΝΑΚΩΝ Πίνακας 1 Data rates at specific frequency bands used in BANs Πίνακας 2 Συγκεντρωτικά στοιχεία για σημαντικές παραμέτρους ΒΑΝ σε διάφορα είδη εφαρμογών Πίνακας 3 Χρησιμοποιούμενες μπάντες συχνοτήτων για εφαρμογές ΒΑΝ Πίνακας 4 Ομαδοποίηση σεναρίων σε κλάσεις σύμφωνα με το ΙΕΕΕ Πίνακας 5 Μέγεθος ανθρώπινου phantom Πίνακας 6 Σχετική διαπερατότητα ιστού παγκρέατος για τις δύο μελετούμενες συχνότητες Πίνακας 7 Συντεταγμένες τοποθέτησης κεραίας διπόλου μέσα στο phantom Πίνακας 8 Απόσταση από το πάγκρεας στο δέρμα από την αριστερή πλευρά.. 61 Πίνακας 9 Απόσταση από το πάγκρεας από την δεξιά πλευρά Πίνακας 10 Μεταδιδόμενη ενέργεια και ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς για 402.5MHz συχνότητα Πίνακας 11 Μεταδιδόμενη ενέργεια και ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς για 2.45GHz συχνότητα Πίνακας 12 Τιμές του δείκτη SAR για όλα τα πιθανά εξεταζόμενα σενάρια Πίνακας 13 Τοπικές μέσες τιμές και τυπική απόκλιση της λαμβανόμενης ενέργειας για όλα τα εξεταζόμενα σενάρια Πίνακας 14 Path loss fit για όλα τα εξεταζόμενα σενάρια Πίνακας 15 Path loss fit errors

15 ΑΚΡΩΝΥΜΙΑ BAN Body Area Network CDF Cumulative Distribution Function EIRP Effective Isotropic Radiated Power FCC Federal Communication Commission FDTD Finite Difference Time Domain FSL Free Space Loss ISM Industrial Scientific and Medical LOS Line-of-Sight MICS Medical Implanted Communications Services NLOS Non-Light-of-Sight PDF Probability Density Function PEC Perfect Electric Conductor PL Path Loss QoS Quality of Services RF Radio Frequency SAR Specific Absorption Rate UHF Ultra High Frequency WBAN Wireless Body Area Network WSN Wireless Sensor Network 15

16 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 1: «BODY AREA NETWORKS» 1.1 : «ΕΙΣΑΓΩΓΗ» Ένα ασύρματο δίκτυο ανθρωπίνου σώματος (wireless body area network or body sensor network) καλείται ένα ασύρματο δίκτυο το οποίο αποτελείται από ηλεκτρονικές συσκευές οι οποίες μπορούν είτε να εμφυτευθούν εσωτερικά του ανθρώπινου οργανισμού είτε να φορεθούν πάνω στο ανθρώπινο σώμα εξωτερικά ή υποδόρια. Οι συσκευές οι οποίες εμφυτεύονται εσωτερικά του ανθρώπινου σώματος ονομάζονται εμφυτεύματα (implants). Σε αντίθεση οι συσκευές οι οποίες είναι τοποθετημένες σε ένα σταθερό σημείο πάνω στο δέρμα ή μερικά χιλιοστά κάτω από το δέρμα καλούνται wearable technology. Επιπρόσθετα υπάρχει και η κατηγορία στην οποία συγκαταλέγονται οι συσκευές οι οποίες μπορούν να μεταφερθούν σε διαφορετικά σημεία, μέσα σε τσέπες ρούχων, στο χέρι ή ακόμη και μέσα σε τσάντες. Τον τελευταίο καιρό παρατηρείται τεράστια ανάπτυξη στην περιοχή των body area networks, η οποία αφορά κυρίως την σμίκρυνση αυτών των συσκευών και ιδιαίτερα των εμφυτευμάτων τα οποία χρειάζεται να είναι σε μέγεθος χιλιοστών. Άλλη μία ανάπτυξη είναι αυτές οι μικρές συσκευές που μπορεί να είναι πάνω από μία ή δύο κατά περίπτωση, να αποτελούν κόμβους (body sensor units) οι οποίοι ελέγχονται από ένα κεντρικό σημείο κόμβο (single body central unit). Μεγαλύτερες συσκευές, το μέγεθος των οποίων φτάνει τα μερικά δέκατα του μέτρου, παίζουν και αυτές σημαντικό ρόλο για ένα τέτοιου είδους δίκτυο και λειτουργούν ως data hubs, data gateways και προσφέρουν μία διεπαφή στον χρήστη για να βλέπει και να διαχειρίζεται ΒΑΝ applications,in situ. 16

17 Σχήμα 1-1 Βασική δομή ενός Body Area Network 1.2: «ΙΣΤΟΡΙΚΗ ΑΝΑΔΡΟΜΗ» Η ανάπτυξη της WBAN τεχνολογίας άρχισε γύρω στο 1995 και υπήρξε μία επέκταση της ιδέας να χρησιμοποιηθούν τα ήδη υπάρχοντα wireless personal networks (WPAN) για να εξυπηρετήσουν επικοινωνίες πάνω,κοντά και γύρω από το ανθρώπινο σώμα. Έξι χρόνια αργότερα, ο όρος BAN, χρησιμοποιείτο για να αναφερθεί σε συστήματα τα οποία ήταν εξολοκλήρου πάνω είτε μέσα στο ανθρώπινο σώμα. Το WBAN δίκτυο μπορεί να χρησιμοποιήσει WPAN τεχνολογίες ως gateways για να έχει ευρύτερο φάσμα εμβέλειας. Διαμέσω αυτών των gateways, είναι εφικτό να συνδέονται αυτές οι wearable συσκευές που βρίσκονται πάνω στο σώμα στο internet. Με αυτό τον τρόπο, οι ειδικοί ιατρικών υποθέσεων μπορούν να έχουν πρόσβαση σε δεδομένα ασθενών online χρησιμοποιώντας το διαδίκτυο και ανεξαρτήτως από την φυσική θέση του ασθενούς. 17

18 1.3: «ΒΑΣΙΚΗ ΙΔΕΑ» Η αλματώδης εξάπλωση των σενσόρων (physiological sensors), των χαμηλής κατανάλωσης ολοκληρωμένων κυκλωμάτων και των ασύρματων τηλεπικοινωνιών οδήγησε στην ανάπτυξη μιας νέας γενιάς ασύρματων δικτύων αποτελούμενων από σένσορες (wireless sensor networks), οι οποίοι χρησιμοποιούνται σε μία πληθώρα εφαρμογών όπως την παρακολούθηση της κυκλοφορίας, των διαφόρων υποδομών και την υγεία. Η περιοχή των δικτύων του ανθρώπινου σώματος είναι μια διεπιστημονική περιοχή η οποία θα μπορεί μεταξύ άλλων να εξυπηρετήσει χαμηλού κόστους και συνεχή παρακολούθηση της υγείας ενός ασθενούς και να υποστηρίξει updates πραγματικού χρόνου για το ιατρικό ιστορικό και για την πορεία της κατάστασης διαμέσω του internet. Ένας αριθμός από έξυπνους σένσορες μπορούν να ενσωματωθούν σε ένα ασύρματο δίκτυο ανθρώπινου σώματος, το οποίο μπορεί να χρησιμοποιηθεί είτε για ανάρρωση με την βοήθεια υπολογιστή είτε για την έγκαιρη διάγνωση της ιατρικής κατάστασης του ασθενούς. Αυτή η ευρεία περιοχή εφαρμογών βασίζεται στο ότι είναι δυνατόν να εμφυτευθούν πολύ μικροί σε μέγεθος βίο-σένσορες μέσα στο ανθρώπινο σώμα, οι οποίοι είναι βολικοί και δεν επηρεάζουν τις καθημερινές δραστηριότητες. Οι εμφυτευμένοι αυτοί σένσορες θα συλλέγουν τις διάφορες φυσιολογικές αλλαγές με σκοπό να παρακολουθείται η κατάσταση υγείας του ασθενούς ανεξάρτητα από την τοποθεσία στην οποία βρίσκεται ο καθένας. Οι πληροφορίες που θα συλλέγονται θα μεταδίδονται ασύρματα σε μία εξωτερική μονάδα επεξεργασίας. Αυτή η συσκευή με την σειρά της θα μεταδίδει άμεσα όλες τις πληροφορίες σε πραγματικό χρόνο στους γιατρούς. Εάν εντοπιστεί μία έκτακτη ανάγκη, όπως παραδείγματος χάριν ένας δείκτης σε επικίνδυνη ένδειξη, οι ειδικοί θα ειδοποιούν άμεσα τους ασθενείς στέλνοντας κατάλληλα μηνύματα ή συναγερμούς. Αυτή την περίοδο τα επίπεδα της πληροφορίας η οποία παρέχεται καθώς και οι συσκευές που παρέχουν την απαραίτητη ενέργεια στους σένσορες είναι ακόμα αρκετά περιορισμένα. Ωστόσο, παρόλο που η συγκεκριμένη τεχνολογία είναι ακόμα σε πρώιμο στάδιο, δεν παύει να είναι ένας τομέας ο οποίος ερευνάται σε τεράστιο βαθμό και στο μέλλον θα αποτελέσει μία καινοτομία και συναρπαστική αλλαγή στον τομέα της παγκόσμιας υγείας, βοηθώντας παράλληλα την ανάπτυξη και εδραίωση ιδεών όπως η τηλεϊατρική και η κινητή ιατρική (mobile health). 18

19 Σχήμα 1-2 Αρχιτεκτονική ΒΑΝ με διάφορες εφαρμογές βίο-σενσόρων 1.4: «ΕΦΑΡΜΟΓΕΣ» Διάφορες εφαρμογές των BAN αναμένονται να εμφανιστούν κυρίως στον τομέα της υγείας, κυρίως για συνεχή παρακολούθηση ασθενών καθώς και για συνεχή παρακολούθηση καίριων ζωτικών παραμέτρων ασθενών που πάσχουν από χρόνιες παθήσεις, όπως διαβήτης, άσθμα και καρδιακά προβλήματα. Ένα BAN δίκτυο στην θέση του ασθενούς θα μπορεί να ενημερώσει το νοσοκομείο, ακόμα και για μία καρδιακή προσβολή πριν καν ακόμα αυτή συμβεί, από την μέτρηση κατάλληλων σημάτων και την παρακολούθηση μεταβολών αυτών. Ακόμα, είναι δυνατόν να χορηγεί μέσω κατάλληλα εμφυτευμένου implant ινσουλίνη σε διαβητικούς ασθενείς, όταν διαπιστώνεται πως τα επίπεδα γλυκόζης έχουν πέσει. Αυτή η συγκεκριμένη εφαρμογή θα παρουσιαστεί και θα μελετηθεί στα πλαίσια της παρούσας διπλωματικής εργασίας. Άλλες εφαρμογές περιλαμβάνουν, συστήματα για χρήση σε αθλήματα, στον στρατό καθώς και σε συστήματα ασφαλείας. 19

20 Σχήμα 1-3 Αρχές λειτουργίας ΒΑΝ 1.5 : «IEEE » Τα ΙΕΕΕ standards χρησιμοποιούνται παγκοσμίως για να βοηθήσουν τις εταιρίες και τα industries να επεκτείνουν τις επιχειρηματικές τους δραστηριότητες, να μεγιστοποιήσουν τις ερευνητικές τους προσπάθειες, να δημιουργήσουν εμπιστοσύνη στους καταναλωτές και να αυξήσουν τα επίπεδα ασφαλείας.to standard της IEEE είναι η νεότερη έκδοση των standard για τα body area networks (WBAN). Tα WBAN υποστηρίζουν μία πληθώρα εφαρμογών όπως η παρακολούθηση σε πραγματικό χρόνο της υγείας ενός ασθενούς. Η νεότερη έκδοση του standard στοχεύει στο να παρέχει ένα διεθνές πρότυπο για χαμηλής ενέργειας, περιορισμένου εύρους και υψηλής εμπιστοσύνης ασύρματες επικοινωνίες μέσα στο κοντινό εύρος του ανθρώπινου σώματος, υποστηρίζοντας ταυτόχρονα μία πληθώρα από εύρη ρυθμών μετάδοσης δεδομένων ανάλογα με την εφαρμογή. Περιορισμένης εμβέλειας ασύρματες επικοινωνίες στο κοντινό περιβάλλον ή μέσα στο ανθρώπινο σώμα αλλά όχι μόνο και αποκλειστικά σε ανθρώπινο οργανισμό καθορίζονται από το συγκεκριμένο πρότυπο. Το πρότυπο χρησιμοποιεί μπάντες συχνοτήτων από την ISM band καθώς και από άλλες μπάντες συχνοτήτων που εγκρίνονται από διάφορους οργανισμούς υγείας. 20

21 Για την υποστήριξη της ποιότητας παρεχόμενων υπηρεσιών, χαμηλής ενέργειας και σταθερούς ρυθμούς μετάδοσης πάνω από 10Mbps είναι απαραίτητη η προστασία από διαφόρων ειδών παρεμβολές. Το συγκεκριμένο πρότυπο λαμβάνει επίσης υπόψιν και επιδράσεις από κεραίες εξαιτίας της παρουσίας του ανθρώπινου σώματος, καθώς και το διάγραμμα ακτινοβολίας της κάθε κεραίας προσαρμόζεται κατάλληλα ώστε να ελαχιστοποιήσει το δείκτη ειδικής απορρόφησης (SAR). Τέλος λαμβάνεται υπόψιν και αλλαγές στα χαρακτηριστικά της κεραίας λόγω κίνησης του χρήστη. Το ΙΕΕΕ στοχεύει στο να παρέχει εμπιστοσύνη, πιστοποίηση, ακεραιότητα, προστασία προσωπικών δεδομένων. Όλοι οι κόμβοι και διανομείς (hubs) έχουν την δυνατότητα επιλογής 3 επιπέδων ασφαλείας. Πρώτη περίπτωση είναι η επικοινωνία χωρίς ασφάλεια (level 0). H δεύτερη περίπτωση είναι η πιστοποίηση χωρίς κρυπτογράφηση (level 1) και η τρίτη είναι η πιστοποίηση με κρυπτογράφηση (level 2). Κατά τη διάρκεια της διαδικασίας παροχής ασφάλειας πρέπει ο κόμβος ή ο διανομέας να διαλέξει ένα κατάλληλο επίπεδο ασφάλειας. Σε περίπτωση επικοινωνίας ένα προς ένα (ένας αποστολέας στο δίκτυο στέλνει σε έναν παραλήπτη) ένα προ διαμοιρασμένο ή καινούργιο κλειδί (ΜΚ, master key) ενεργοποιείται. Ένα κλειδί τύπου pairwise temporal key (PTK) παράγεται και χρησιμοποιείται για κάθε session. Σε επικοινωνία με πολλούς κόμβους, δίνεται ένα κλειδί τύπου group temporal key(gtk) και χρησιμοποιείται από όλα τα μέλη του group. Όλοι οι κόμβοι και οι διανομείς σε ένα WBAN πρέπει να περάσουν από συγκεκριμένα στάδια στο επίπεδο MAC πριν ξεκινήσουν να ανταλλάσσουν δεδομένα. Η παροχή ασφάλειας είναι μια διαδικασία για να αναγνωρίσει ένας κόμβος του δικτύου έναν άλλο κόμβο του δικτύου προκειμένου να αρχίσουν την επικοινωνία. Για να γίνει αυτό απαιτείται και η δημιουργία ενός MK το οποίο μοιράζονται, ή η ενεργοποίηση ενός ήδη προ υπάρχοντος ΜΚ. 21

22 Frequency Band Information Data Rate (MHz) (kbps) Πίνακας 1 Data rates at specific frequency bands used in BANs 22

23 1.6: «ΒΑΣΙΚΑ ΣΥΣΤΑΤΙΚΑ ΣΤΟΙΧΕΙΑ WBAN» Ένα τυπικό ΒΑΝ χρειάζεται σένσορες που παρέχουν συνεχώς πληροφορίες για διάφορες ζωτικές συνθήκες και εντοπιστές κίνησης (accelerometers) που βοηθούν στην εύρεση της θέσης αυτού που παρακολουθείται. Επίσης χρειάζεται κάποιου είδους επικοινωνία ώστε να μεταδίδει τα σήματα σε ειδικούς που παρακολουθούν την κατάσταση υγείας ενός ασθενούς. Ένα τυπικό λοιπόν δίκτυο θα περιλάμβανε τα εξής: Σένσορες Έναν επεξεργαστή Έναν πομποδέκτη Μία μπαταρία Μέχρι στιγμής έχουν αναπτυχθεί σένσορες για ηλεκτροκαρδιογράφημα και για τον κορεσμό οξυγόνου. Άλλοι σένσορες όπως ο σένσορας για την μέτρηση της πίεσης του αίματος, για ηλεκτροεγκεφαλογράφημα καθώς και για PDA(personal digital assistant ) είναι ακόμη υπό ανάπτυξη. 1.7: «ΠΡΟΚΛΗΣΕΙΣ ΠΟΥ ΘΑ ΑΝΤΙΜΕΤΩΠΙΣΟΥΝ ΤΑ ΔΙΚΤΥΑ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ» Τα βασικά προβλήματα που είναι πιθανόν να δημιουργηθούν από την χρήση της συγκεκριμένης τεχνολογίας περιγράφονται συνοπτικά παρακάτω: 1)ΑΣΦΑΛΕΙΑ: Θα πρέπει αρχικά να προσπαθήσει η επιστημονική κοινότητα να προσφέρει όσο το δυνατόν πιο αξιόπιστες μεταδόσεις στα δίκτυα ανθρωπίνου σώματος, ώστε η επικοινωνία να γίνεται με ασφαλή και ακριβή τρόπο. Αυτό σημαίνει ότι τα δεδομένα ενός συγκεκριμένου χρήστη-ασθενή πρέπει να παραμένουν στα όρια του δικού του δικτύου και να μην εμπλέκονται με τα δεδομένα ενός δικτύου άλλου ασθενή. Επιπρόσθετα, τα δεδομένα του δικτύου θα πρέπει να είναι προστατευμένα και να έχουν περιορισμένη πρόσβαση. Η ασφάλεια τέτοιου είδους δικτύων ωστόσο, είναι ένας τομέας που δεν έχει μελετηθεί επαρκώς και θέλει περαιτέρω διερεύνηση. Αυτό πρωτίστως συμβαίνει επειδή τα συγκεκριμένα δίκτυα δεν μπορούν να χρησιμοποιήσουν κρυπτογράφηση που χρησιμοποιείται σε άλλου είδους δίκτυα, καθώς έχουν συγκεκριμένες απαιτήσεις όπως χαμηλές απαιτήσεις σε ενέργεια, μνήμη ρυθμό μεταφοράς δεδομένων και υπολογιστικής πολυπλοκότητας. Για αυτό το λόγο πρέπει να βρεθεί ένα είδος ασφάλειας που να εξασφαλίζει ακεραιότητα, συνεχή ανανέωση των δεδομένων και πιστοποίηση. Το πρότυπο της ΙΕΕΕ , προσπαθεί να παρέχει ασφάλεια, ωστόσο ακόμη τίθενται πολλά θέματα που πρέπει να αναλυθούν. 23

24 2)ΔΙΑΣΥΝΔΕΣΙΜΟΤΗΤΑ: Τα WBAN θα πρέπει να εξασφαλίσουν μεταφορά δεδομένων χωρίς λάθη με πρότυπα όπως το BLUETOOTH ή το ZIGBEE, ώστε να προωθήσουν την ανταλλαγή δεδομένων και την επικοινωνία συσκευών με τρόπο plug and play. Ακόμη τα συγκεκριμένα συστήματα θα πρέπει να είναι έτοιμα να αντιμετωπίσουν πιθανή επέκταση του όγκου δεδομένων και χρήσης του δικτύου στο μέλλον, καθώς επίσης και την διασύνδεση με άλλα δίκτυα. Τέλος θα πρέπει να εξασφαλιστεί η σύνδεση χωρίς διακοπές λειτουργίας. 3)ΣΥΣΚΕΥΕΣ ΣΥΣΤΗΜΑΤΟΣ: Οι σένσορες που χρησιμοποιούνται στα WBAN πρέπει να είναι αρκετά απλοί σε κατασκευή, ελαφροί, με χαμηλή κατανάλωση ενέργειας και απλοί στην χρήση. Επιπλέον οι συσκευές που χρησιμοποιούνται για αποθήκευση πρέπει να παρέχουν την δυνατότητα απομακρυσμένης αποθήκευσης (remote storage) και να παρακολουθούν την κατάσταση του ασθενούς, καθώς και να έχουν πρόσβαση σε εξωτερική επεξεργασία δεδομένων και αναλυτικών εργαλείων διαμέσω του διαδικτύου. 4)ΠΙΣΤΟΠΟΙΗΣΗ ΣΕΝΣΟΡΩΝ: Οι σένσορες πολλές φορές υπόκεινται σε περιορισμούς του hardware τους που περιλαμβάνουν αναξιόπιστη μεταφορά ασύρματων δεδομένων, παρεμβολές και περιορισμένα αποθέματα ισχύος. Αυτό συχνά συνεπάγεται λανθασμένα δεδομένα που μεταδίδονται από τον ένα χρήστη στον άλλο. Είναι επομένως υψίστης σημασίας να εξασφαλιστεί η πιστοποίηση των δεδομένων που μεταφέρουν οι σένσορες ειδικά στους χώρους της υγείας και της ιατρικής περίθαλψης. Αυτό βοηθάει στο να μειωθούν οι λανθασμένοι συναγερμοί στο δίκτυο και στο γίνει πιο εύκολη η εύρεση πιθανών αδυναμιών στον σχεδιασμό του hardware και του software. 5) ΠΑΡΑΒΙΑΣΗ ΤΗΣ ΙΔΙΩΤΙΚΟΤΗΤΑΣ: Κάποιοι άνθρωποι μπορεί να θεωρήσουν την τεχνολογία των WBAN δικτύων πιθανή απειλή της ελευθερίας τους, εάν οι εφαρμογές ξεπερνούν τα όρια της ιατρικής χρήσης. Για αυτό το λόγο η εξάπλωση της συγκεκριμένης τεχνολογίας θα κριθεί σε μεγάλο βαθμό από την κοινωνική αποδοχή. 6)ΣΥΝΟΧΗ ΤΩΝ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ: Τα δεδομένα από πολλαπλές συσκευές και ασθενείς θα πρέπει να μεταφερθούν ασύρματα και να συγκεντρωθούν και να αναλυθούν με αδιάλειπτο τρόπο. Μέσα στα WBAN μπορούν να μεταφερθούν πολύ σημαντικά δεδομένα ασθενών τα οποία μπορούν να τεμαχιστούν σε ένα μεγάλο αριθμό κόμβων μέσα σε πολλούς διασυνδεδεμένους υπολογιστές ή Laptops. Για αυτό τον λόγο, εάν η ασύρματη συσκευή ενός γιατρού δεν λάβει όλη την απαραίτητη πληροφορία χωρίς λάθη, η θεραπεία που πιθανώς να δοθεί στον ασθενή θα είναι κάτω από τα ενδεδειγμένα όρια. 24

25 7)ΠΑΡΕΜΒΟΛΗ: Το ασύρματο κανάλι που χρησιμοποιείται για να διασυνδέσει τους σένσορες σε ένα WBAN θα πρέπει να μειώσει τις παρεμβολές από γειτονικά κανάλια και να αυξήσει την επιτυχία συνύπαρξης με άλλους σένσορες που βρίσκονται στο ίδιο περιβάλλον δικτύου. Κάτι τέτοιο, είναι πολύ σημαντικό όταν επρόκειτο να εξασφαλιστεί η διασύνδεση πολλών τέτοιων δικτύων σε μεγαλύτερη κλίμακα. 8)ΔΙΑΧΕΙΡΙΣΗ ΔΕΔΟΜΕΝΩΝ: Καθώς τα WBAN γεννούν μεγάλους όγκους δεδομένων, η ανάγκη για διαχείριση και διατήρηση αυτών των δεδομένων είναι υψίστης σημασίας. 9)ΚΟΣΤΟΣ: Οι σημερινοί καταναλωτές απαιτούν την παροχή υπηρεσιών υγείας με όσο το δυνατόν χαμηλότερο κόστος και υψηλή παροχή υπηρεσιών. Οι υπηρεσίες λοιπόν που παρέχονται στα πλαίσια της ανάπτυξης των WBAN θα πρέπει να βελτιστοποιηθούν σε κόστος, ώστε να γίνουν ανταγωνιστικές για τους πιθανούς καταναλωτές. 10)ΣΥΝΕΧΗΣ ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ: Διαφορετικοί χρήστες είναι δυνατόν να χρειάζονται και διαφορετικά επίπεδα παρακολούθησης, για παράδειγμα κάποιος ασθενής με υψηλή επικινδυνότητα για καρδιακό ισχαιμικό επεισόδιο, χρειάζονται το WBAN τους να λειτουργεί συνεχόμενα, ενώ αυτοί που φοβούνται πιθανό πέσιμο μπορούν να παρακολουθούνται μόνο σε περιπτώσεις που περπατούν ή κινούνται. Τα διαφορετικά επίπεδα παρακολούθησης καθορίζουν και την πιθανή διάρκεια ζωής σε ενέργεια ενός δικτύου, πριν τελειώσει δηλαδή η παροχή ενέργειας. 11)ΠΕΡΙΟΡΙΣΜΕΝΗ ΑΝΑΠΤΥΞΗ: Το WBAN χρειάζεται να είναι wearable, ελαφρύ και μη παρεμβατικό. Δεν θα πρέπει να επηρεάζει τις καθημερινές δραστηριότητες των ασθενών και θα πρέπει η συγκεκριμένη τεχνολογία να μπορεί να εφαρμοστεί χωρίς ο χρήστης να το καταλαβαίνει. 12)ΣΥΝΕΧΗΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ: Η λειτουργία ενός WBAN πρέπει να είναι συνεχής. Οι μετρήσεις και οι ενδείξεις των σενσόρων πρέπει να είναι ακριβείς και σωστά βαθμονομημένες, ακόμη και όταν το δίκτυο βρίσκεται εκτός λειτουργίας ή τεθεί ξανά σε λειτουργία. Οι ασύρματες ζεύξεις πρέπει να είναι ισχυρές και να δουλεύουν σε διαφορετικά περιβάλλοντα. 25

26 1.8: «ΒΑΣΙΚΕΣ ΑΠΑΙΤΗΣΕΙΣ ΕΝΟΣ BAN» Ανομοιογενείς συσκευές: κόμβοι από σένσορες (sensor nodes) για συλλογή δεδομένων, κόμβος ενεργοποίησης (actuator node) για να αντιδρά κατάλληλα σύμφωνα με τα ληφθέντα δεδομένα και ένας κόμβος συντονισμού (coordinator node) ο οποίος έχει τον ρόλο της πύλης (gateway) για διασύνδεση με εξωτερικά δίκτυα. Πολλαπλοί ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων: Επειδή υπάρχει μία ανομοιομορφία στις διαθέσιμες εφαρμογές των συγκεκριμένων δικτύων, οι ρυθμοί μετάδοσης δεδομένων κυμαίνονται μεταξύ μερικών Kbit/s μέχρι μερικά Mbit/s. Χαμηλή κατανάλωση ενέργειας : για sensing, ασύρματη επικοινωνία και επεξεργασία δεδομένων. Ποιότητα παρεχόμενων υπηρεσιών (QOS) και αξιοπιστία: Στοιχεία όπως ο ρυθμός μετάδοσης, η καθυστέρηση είναι πολύ κρίσιμα για ιατρικές εφαρμογές Λειτουργικότητα και εργονομία: το μέγεθος των συσκευών, η διαμόρφωση των πρωτοκόλλων για BAN και η δια λειτουργικότητα συγκαταλέγονται στα πολύ σημαντικά χαρακτηριστικά ενός δικτύου ΒΑΝ. Σημαντικές παράμετροι για την σχεδίαση ενός ΒΑΝ είναι επίσης η ακριβής τοποθέτηση των ασύρματων συσκευών πάνω ή μέσα στο σώμα, η ενέργεια εκπομπής και οι στρατηγικές δρομολόγησης. Σχήμα 1-4 Κατανάλωση ενέργειας σε σχέση με τον ρυθμό μετάδοσης 26

27 Application Type Sensor Node Date Rate Duty Cycle (per Power Consump- QoS (Sensitive to Privacy device)% per tion Latency) time In-body Applications Glucose Sensor Few Kbps <1% Extremely Low Yes High Pacemaker Few Kbps <1% Low Yes High Endoscope Cap- > 2Mbps <50% Low Yes Medium sule On-body Medical Applications ECG 3 Kbps <10% Low Yes High SpO2 32 bps <1% Low Yes High Blood Pressure <10 bps <1% High Yes High On-body Non-Medical Applications Music for Head- 1.4 Mbps High Relatively High Yes Low sets Forgotten Things 256 Kbps Medium Low No Low Monitor Social Network- <200 Kbps <1% Low No High ing Πίνακας 2 Συγκεντρωτικά στοιχεία για σημαντικές παραμέτρους ΒΑΝ σε διάφορα είδη εφαρμογών 1.9: «ΣΗΜΑΝΤΙΚΕΣ ΔΙΑΦΟΡΕΣ BAN ΚΑΙ PAN (personal area networks)» Ένα είδος δικτύων που μπορεί συχνά να μπερδευτεί με τα ΒΑΝ είναι τα PAN, καθώς κάποια στοιχεία των PAN χρησιμοποιούνται και υιοθετούνται και στα ΒΑΝ, όπως το Bluetooth και το ZigBee, ωστόσο με κάποιους περιορισμούς που κυρίως έχουν να κάνουν με την κατανάλωση ενέργειας και το μέγεθος των συσκευών. Βασικά στοιχεία που διαφοροποιούν τα 2 δίκτυα είναι τα εξής. 1) Οι συσκευές των PAN είναι πολύ μεγάλες για να χωρέσουν σε πολύ μικρό περιβάλλον όπως αυτό των εμφυτευμάτων που χρησιμοποιείται στο ΒΑΝ για παράδειγμα. 2) Οι συσκευές των PAN έχουν μεγάλη κατανάλωση ενέργειας και περιορίζουν με αυτόν τον τρόπο την διάρκεια ζωής του δικτύου. 3) Οι λύσεις που έχουν βρεθεί για τα PAN δεν περιλαμβάνουν στοιχεία της RF διάδοσης των ΒΑΝ όπως η απορρόφηση από τους ιστούς του ανθρώπινου σώματος, η σκίαση που οφείλεται στο ανθρώπινο σώμα η κίνηση των οργάνων και άλλα. 4) Η αρχιτεκτονική πρωτοκόλλων των PAN δεν μπορεί να υιοθετηθεί άμεσα από τα δίκτυα ΒΑΝ. 27

28 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 2:«ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΠΟΙΗΣΗ ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΥ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ» 2.1: «ΕΙΣΑΓΩΓΗ» Στο παρόν κεφάλαιο επιχειρείται η ανάλυση των βασικών παραμέτρων που χρειάζονται για τον χαρακτηρισμό ενός ασύρματου καναλιού. Περιγράφονται οι βασικές εξισώσεις που διέπουν τα κύρια φαινόμενα που πρέπει να λαμβάνονται υπόψιν και να ενσωματώνονται στα πλαίσια του RF σχεδιασμού (Radio Frequency planning) ενός ασύρματου δικτύου ανθρωπίνου σώματος. Τα μοντέλα που θα παρουσιαστούν χαρακτηρίζουν τις απώλειες οδεύσεως (path loss) των BAN συσκευών λαμβάνοντας υπόψιν την πιθανή σκίαση (shadowing) που επιφέρει το ανθρώπινο σώμα ή τα εμπόδια που βρίσκονται μέσα στο ανθρώπινο σώμα, δηλαδή τα ανθρώπινα όργανα, είτε εμπόδια κοντά στον άνθρωπο είτε διάφορες κινήσεις που πραγματοποιεί το ανθρώπινο σώμα. Ένα μοντέλο ασύρματου καναλιού χρειάζεται για την αξιολόγηση της αποδοτικότητας των διαφόρων φυσικών στρωμάτων του δικτύου που προτείνονται. Ο κύριος ρόλος των μοντέλων αυτών είναι μία σύγκριση μεταξύ αυτών των προτάσεων. Παρακάτω φαίνεται μία λίστα με την μπάντα συχνοτήτων και μία περιγραφή για την διαθέσιμη εφαρμογή σε κάθε μπάντα στην οποία μπορεί να βασιστεί ένα μοντέλο. Description Frequency Band Implant On-Body 13.5 MHz On-Body 5-50 MHz (HBC) On-Body 400 MHz On-Body 600 MHz On-Body 900 MHz On-Body 2.4 GHz On-Body GHz Πίνακας 3 Χρησιμοποιούμενες μπάντες συχνοτήτων για εφαρμογές ΒΑΝ 28

29 2.2: «ΔΙΕΥΚΡΙΝΙΣΕΙΣ ΚΑΙ ΓΕΝΙΚΗ ΕΠΙΣΚΟΠΗΣΗ» Μία από τις σημαντικότερες ανάγκες στην ανάπτυξη των ασύρματων ανθρωπίνων δικτύων είναι ο χαρακτηρισμός της διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος από συσκευές που βρίσκονται είτε κοντά είτε μέσα στο ανθρώπινο σώμα. Η πολυπλοκότητα της δομής των ανθρώπινων ιστών και της μορφής του σώματος κάνουν πολύ δύσκολη την υιοθέτηση ενός απλού μοντέλου απωλειών διάδοσης (path loss modeling) για ένα BAN δίκτυο. Καθώς οι κεραίες για τις BAN εφαρμογές τοποθετούνται πάνω ή μέσα στο ανθρώπινο σώμα, το μοντέλο του BAN καναλιού πρέπει να λάβει υπόψιν του την επιρροή του σώματος στην ράδιο-διάδοση. Γενικά μπορούμε στα μοντέλα για τα BAN να ορίσουμε τριών ειδών κόμβους. 1) Κόμβος Εμφύτευμα (implant node) : Ένας κόμβος ο οποίος τοποθετείται μέσα στο ανθρώπινο σώμα. Αυτό περιλαμβάνει είτε τοποθέτηση κάτω αλλά πολύ κοντά στην επιφάνεια του δέρματος είτε τοποθέτηση σε βαθύτερους ιστούς. 2) Κόμβος Επιφανειακός (body surface node) : Ένας κόμβος ο οποίος τοποθετείται πάνω στην επιφάνεια του ανθρώπινου δέρματος είτε έως 2cm μακριά. 3) Εξωτερικός κόμβος (external code): Ένας κόμβος ο οποίος δεν βρίσκεται σε επαφή με το ανθρώπινο δέρμα (συγκεκριμένα μεταξύ μερικών cm έως πάνω από 5m μακριά από το σώμα). Για επικοινωνίες στην επιφάνεια του σώματος, η απόσταση μεταξύ των κόμβων που στέλνουν και των κόμβων που λαμβάνουν πρέπει να θεωρηθεί σαν μια απόσταση καλύτερα περιφερειακά του σώματος, εάν οι πομποδέκτες δεν είναι τοποθετημένοι στην ίδια πλευρά, παρά μία απόσταση που να διασχίζει το σώμα. Μία τέτοια τεχνική επιτρέπει στην περίθλαση του διερχόμενου κύματος να μην ληφθεί υπόψιν. Για την επικοινωνία των εξωτερικών κόμβων, η απόσταση μεταξύ του πομπού και του δέκτη πρέπει να είναι από την γειτονιά του σώματος ή μέσα στο σώμα έως 3m μακριά. Σε μερικές περιπτώσεις, η μεγαλύτερη απόσταση πρέπει να είναι για κάποιες ιατρικές συσκευές έως 5m. Οι περιορισμοί για την μέγιστη ενέργεια για τις on-body ιατρικές συσκευές πρέπει να αποφασιστούν τόσο από κανονισμούς της κάθε περιοχής όσο και από διεθνείς κανονισμούς. 29

30 Η μέγιστη ενέργεια για το MICS (medical implanted communication services) πρέπει να είναι σύμφωνα με τους κανονισμούς: ETSI (European Telecommunications Standards Institute): H μέγιστη ενέργεια εξόδου πρέπει κατά μέγιστο να είναι 25uW ERP (ideal halfway dipole antenna) FCC & ITU-R: Η μέγιστη ενέργεια καθορίζεται κατά μέγιστο στα 25uW EIPR, το οποίο είναι περίπου 2.2dB πιο κάτω σε σχέση με το ERP level. Συγκεκριμένα η εξίσωση που περιγράφει την μεταξύ τους σχέση είναι : ΕRPdb= EIRPdb- 2.15db Εδώ πρέπει να σημειωθεί πως το όριο για τα 25uW εφαρμόζεται στο σήμα έξω από το σώμα (total radiating system), το οποίο επιτρέπει στα επίπεδα ενέργειας των εμφυτευμάτων να είναι υψηλότερα ώστε να μπορούν να αντιμετωπιστούν οι απώλειες μέσα στο ανθρώπινο σώμα. Η μπάντα συχνοτήτων για τις εμφυτευμένες συσκευές (MICS) πρέπει να είναι στα MHz όπως έχει καθοριστεί από το regulation subcommittee report της ΙΕΕΕ H δόμηση των μοντέλων καναλιού για τα διάφορα σενάρια συμπεριλαμβανομένων των σεναρίων που αφορούν την επιφάνεια του σώματος αλλά και των σεναρίων που αφορούν τα εμφυτεύματα, δεν είναι ίδια αλλά απεναντίας διαφέρουν πολύ. Συγκεκριμένα το μοντέλο καναλιού για τα εμφυτεύματα είναι θεμελιωδώς διαφορετικό. 2.3: «ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΑ ΣΕΝΑΡΙΑ ΜΟΝΤΕΛΩΝ» Μπορεί να αναγνωρισθεί μία λίστα από διαφορετικά σενάρια στα οποία μπορούν να λειτουργούν οι διάφορες συσκευές που δουλεύουν στα πλαίσια του Αυτά τα σενάρια καθώς και μία περιγραφή για το καθένα αλλά και η μπάντα συχνοτήτων που υλοποιείται το καθένα παρουσιάζονται στον παρακάτω πίνακα. Τα σενάρια έχουν προσδιοριστεί βάσει των σημείων που έχουν τοποθετηθεί οι επικοινωνούντες κόμβοι (συγκεκριμένα τα εμφυτεύματα, οι κόμβοι στην επιφάνεια του σώματος αλλά και οι εξωτερικοί κόμβοι. Τα σενάρια έχουν ομαδοποιηθεί σε κλάσεις οι οποίες αντιπροσωπεύονται από τα ίδιο μοντέλο καναλιού (channel model or CM). 30

31 Scenario Description Frequency Band Channel Model S1 Implant to Implant MHz CM1 S2 Implant to Body Surface MHz CM2 S3 Implant to External MHz CM2 S4 Body Surface to Body 13.5, 50, 400, 600, 900 MHz Surface (LOS) 2.4, GHZ CM3 S5 Body Surface to Body 13.5, 50, 400, 600, 900 MHz Surface (NLOS) 2.4, GHZ CM3 S6 Body Surface to External 900 MHz (LOS) 2.4, GHZ CM4 S7 Body Surface to External 900 MHz (NLOS) 2.4, GHZ CM4 Πίνακας 4 Ομαδοποίηση σεναρίων σε κλάσεις σύμφωνα με το ΙΕΕΕ H απόσταση των εξωτερικών συσκευών θεωρείται κατά μέγιστο ίση με 5m. Κάποιοι πιθανοί σύνδεσμοι περιγράφονται γραφικά παρακάτω στο σχήμα. Σχήμα 2-1 Γραφική αποτύπωση σεναρίων 31

32 2.4: «ΕΠΙΔΡΑΣΗ ΚΕΡΑΙΑΣ» Η λειτουργίας μιας κεραίας που τοποθετείται πάνω στην επιφάνεια είτε μέσα στο ανθρώπινο σώμα θα επηρεαστεί σε πολύ μεγάλο βαθμό από τον περιβάλλον χώρο λειτουργίας της. Oι αλλαγές που προκύπτουν στο διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας και άλλα χαρακτηριστικά της κεραίας πρέπει να κατανοηθούν πλήρως και να ληφθούν υπόψιν κατά την διάρκεια των μετρήσεων για την διάδοση του σήματος. Η μορφή μιας κεραίας θα εξαρτάται σε μεγάλο βαθμό από τις απαιτήσεις της εκάστοτε εφαρμογής. Για τις εφαρμογές MICS, για παράδειγμα, μία κυκλική κεραία μπορεί να είναι η κατάλληλη επιλογή για ένα εμφυτευμένο πιεσόμετρο, ενώ μία ελικοειδής κεραία μπορεί να χρειάζεται για ένα στεφανιαίο stent ή για ένα εμφύτευμα στο ουροποιητικό σύστημα. Η μορφή της κεραίας θα επηρεάσει και την απόδοση της κεραίας, ενώ η απόδοση της κεραίας θα είναι ένας σημαντικός παράγοντας που ενδέχεται να επηρεάσει συνεπακόλουθα και την απόδοση όλου του συστήματος. Για αυτό τον λόγο η κεραία η οποία έχει σχεδιαστεί χωρίς να βλάπτει τους ανθρώπινους ιστούς (έχοντας λάβει υπόψιν στην σχεδίασή της και την επίδραση του ανθρώπινου σώματος) πρέπει να χρησιμοποιηθεί για τις μετρήσεις σε ένα μοντέλο καναλιού. Οι κεραίες που χρησιμοποιούνται στα BAN μπορούν να κατηγοριοποιηθούν σε δύο κύριες κατηγορίες: Ηλεκτρικές κεραίες, όπως το δίπολο Μία ηλεκτρική κεραία κυρίως παράγει μεγάλες συνιστώσες του ηλεκτρικού πεδίου κάθετες στην διαχωριστική επιφάνεια των ιστών, οι οποίες θερμαίνουν τον λιπώδη ιστό. Αυτό συμβαίνει επειδή οι συνοριακές συνθήκες απαιτούν το κάθετο διάνυσμα του ηλεκτρικού πεδίου στην διαχωριστική επιφάνεια να είναι ασυνεχές(discontinuous) εξαιτίας του λόγου των διηλεκτρικών σταθερών και εφόσον το λίπος έχει μικρότερη διαπερατότητα από τον μυ, το ηλεκτρικό πεδίο στον λιπώδη ιστό θα είναι μεγαλύτερο. Μαγνητικές κεραίες, όπως το loop Μία μαγνητική κεραία παράγει ένα ηλεκτρικό πεδίο κατά κύριο λόγο εφαπτόμενο στην διαχωριστική επιφάνεια των ιστών, το οποίο μοιάζει να μην κάνει τόσο ισχυρό coupling με το σώμα όπως οι ηλεκτρικές κεραίες. Για αυτό το λόγο δεν θερμαίνονται σε τόσο μεγάλο βαθμό οι λιπώδεις ιστοί. 32

33 Υπάρχουν κεραίες όπως η ελικοειδής-σπείρα, η οποία είναι παρόμοια κατά κάποιο τρόπο με μία μαγνητική κεραία, αλλά τα χαρακτηριστικά που προκαλούν αύξηση της θερμοκρασίας στους ιστούς μοιάζουν να είναι πιο κοντά στα χαρακτηριστικά μιας ηλεκτρικής κεραίας. Το ισχυρό ηλεκτρικό πεδίο το οποίο παράγεται μεταξύ των στροφών της σπείρας είναι κυρίως υπεύθυνο για την θέρμανση των ιστών. Πρέπει εδώ να σημειωθεί ότι πολύ σημαντική παράμετρος για να κριθεί η καταλληλότητα της κεραίας για οποιαδήποτε εφαρμογή BAN, αλλά κυρίως για εφαρμογές MICS είναι ο ρυθμός ειδικής απορρόφησης (ευρέως γνωστό ως SAR). Το SAR είναι ένα μέγεθος που εκφράζει τον ρυθμό απορρόφησης της ακτινοβολίας ραδιοσυχνοτήτων από τους ιστούς του ανθρώπινου σώματος και μετριέται σε W/kg. Σε αυτό το σημείο πρέπει να σημειωθεί ότι το SAR στο κοντινό πεδίο της κεραίας μετάδοσης εξαρτάται κυρίως από το μαγνητικό πεδίο. Σε αντίθεση το SAR στο μακρινό πεδίο της κεραίας μετάδοσης εξαρτάται κυρίως από το ηλεκτρικό πεδίο. 2.5: «ΗΛΕΚΤΡΙΚΟΙ ΠΑΡΑΜΕΤΡΟΙ ΤΩΝ ΙΣΤΩΝ ΤΟΥ ΣΩΜΑΤΟΣ» Το ανθρώπινο σώμα δεν είναι το ιδανικό μέσο για μετάδοση κύματος ραδιοσυχνοτήτων. Είναι μερικώς αγώγιμο και αποτελείται από υλικά με διαφορετικές διηλεκτρικές σταθερές το καθένα, διαφορετικά πάχη και χαρακτηριστικές αντιστάσεις. Για αυτό το λόγο, ανάλογα με την συχνότητα λειτουργίας, το ανθρώπινο σώμα μπορεί να οδηγήσει σε μεγάλες απώλειες που οφείλονται στην απορρόφηση ενέργειας, στην ολίσθηση της κεντρικής συχνότητας λειτουργίας και στην αλλοίωση του διαγράμματος ακτινοβολίας της κεραίας. Τα φαινόμενα απορρόφησης διαφέρουν σε μέγεθος τόσο εξαιτίας της συχνότητας του εφαρμοζόμενου πεδίου όσο και από τα χαρακτηριστικά των ιστών. 33

34 2.6: «ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ» 2.6.1: Μοντέλα περιγραφής Σε όλες τις περιπτώσεις μελέτης μπορούν να χρησιμοποιηθούν δύο τύποι μοντέλων: 1. Το θεωρητικό ή μαθηματικό μοντέλο 2. Το εμπειρικό μοντέλο Ένα θεωρητικό μοντέλο βασίζεται στις θεμελιώδεις αρχές της ηλεκτρομαγνητικής διάδοσης και επιτρέπει την ακριβή μοντελοποίηση μιας συγκεκριμένης κατάστασης στο επίπεδο ράδιο-ζεύξης. Έχει ως πρόθεση να συμβάλλει στην λεπτομερή εξερεύνηση της επίδρασης των δομών του σώματος στο διάγραμμα ακτινοβολίας της κεραίας, παραδείγματος χάριν. Το συγκεκριμένο μοντέλο χρειάζεται λοιπόν μία λεπτομερή περιγραφή του περιβάλλοντος διάδοσης και για αυτό τον λόγο πιθανώς ένα τέτοιο μοντέλο είναι ακατάλληλο για μοντελοποίηση σε μάκρο-περιβάλλοντα. Ένα εμπειρικό μοντέλο από την άλλη, βασίζεται σε μία προκαθορισμένη διεξαγωγή μετρήσεων διάδοσης και έχει ως στόχο να αποτελέσει μία βολική βάση για την στατιστική μοντελοποίηση του καναλιού. Συγκρινόμενο με το θεωρητικό μοντέλο, το εμπειρικό θα χρησιμοποιήσει μία απλοποιημένη περιγραφή του περιβάλλοντος, και παρόλο που θα είναι στατιστικά έγκυρη στο επίπεδο δικτύου, δεν θα είναι ακριβής στο επίπεδο ζεύξης. Ωστόσο έχουν γίνει αρκετές προσπάθειες για να εξασφαλιστεί ότι και τα δύο μοντέλα θα δίνουν σε ικανοποιητικό βαθμό παρόμοια αποτελέσματα : Fading Σε διάφορες περιπτώσεις επικοινωνίας BAN, οι διαδρομές διάδοσης (propagation paths) μπορούν να υφίστανται διαλείψεις εξαιτίας διαφορετικών αιτιών, όπως η απορρόφηση ενέργειας, η ανάκλαση, η διάθλαση, η σκίαση που προκαλεί το σώμα καθώς και οι κινήσεις που κάνει το ανθρώπινο σώμα. Μία άλλη πιθανή αιτία διαλείψεων είναι η πολύ-όδευση, η οποία οφείλεται στο περιβάλλον γύρω από το ανθρώπινο σώμα. Οι διαλείψεις μπορούν να διαχωριστούν σε δύο βασικές κατηγορίες: μικρής και μεγάλης κλίμακας διαλείψεις (small and large scale fading). 34

35 Channel Fading Large Scale Fading Small Scale Fading Σχήμα 2-2 Βασική κατηγοριοποίηση διαλείψεων SMALL SCALE FADING Οι μικρής κλίμακας διαλείψεις αναφέρονται στις ραγδαίες μεταβολές του πλάτους και της φάσης του λαμβανόμενου σήματος μέσα σε μία μικρή τοπική περιοχή εξαιτίας των μικρών μεταβολών της θέσης των συσκευών που φοριούνται πάνω στο σώμα είτε οφείλονται σε κινήσεις του σώματος σε μία δεδομένη μικρή χρονική περίοδο. Οι μικρής κλίμακας διαλείψεις χωρίζονται περαιτέρω σε επίπεδες διαλείψεις (flat fading) και σε διαλείψεις επιλεκτικής συχνότητας (frequency selective fading). Υπολογίζοντας κατά μέσο όρο την εξασθένηση (attenuation) μεταξύ κάθε θέσης της κεραίας πάνω στο σώμα και κάθε θέσης της κεραίας μέσα στο δωμάτιο θα εξαλειφθεί ο παράγοντας των μικρής κλίμακας διαλείψεων που οφείλεται σε μικρό-αλλαγές της θέσης του σώματος. LARGE SCALE FADING Οι διαλείψεις μεγάλης κλίμακας οφείλονται σε διαλείψεις εξαιτίας της κίνησης σε μεγαλύτερες περιοχές. Συγκεκριμένα σε αποστάσεις μεταξύ θέσεων της κεραίας πάνω στο σώμα και σε εξωτερικό κόμβο (σπίτι, γραφείο ή νοσοκομείο) παραδείγματος χάριν : Path Loss Σε αντίθεση με τις παραδοσιακές ασύρματες τηλεπικοινωνίες, η απώλεια οδεύσεως για τα δίκτυα ανθρώπινου σώματος (on-body εφαρμογές), είναι εξαρτώμενη και από την απόσταση και από την συχνότητα. Η εξάρτηση από την συχνότητα των ανθρώπινων ιστών πρέπει επίσης να ληφθεί υπόψιν. Το μοντέλο της απώλειας οδεύσεως σε db μεταξύ της κεραίας μετάδοσης και της κεραίας λήψης σαν συνάρτηση της απόστασης d βασισμένη στην εξίσωση του Friis για τον ελεύθερο χώρο περιγράφεται παρακάτω: 35

36 PL(d) = PLo + 10 n log10 ( d do ) (2.1) Όπου, PLo είναι η απώλεια όδευσης σε μία απόσταση αναφοράς do, και n είναι ο εκθέτης απώλειας οδεύσεως (path loss exponent). H απώλεια οδεύσεως κοντά στην κεραία εξαρτάται από τον διαχωρισμό μεταξύ της κεραίας και του σώματος εξαιτίας του mismatch της κεραίας. Το mismatch προϋποθέτει ότι μία σχεδίαση κεραίας που θα λαμβάνει υπόψιν το σώμα θα βελτιώσει την απόδοση του συνολικού συστήματος : Σκίαση Εξαιτίας της μεταβολής στο περιβάλλον γύρω από το σώμα, ή ακόμα και στην κίνηση των μελών του σώματος, η απώλεια οδεύσεως θα είναι διαφορετική από την μέση τιμή για μια δεδομένη απόσταση έτσι όπως προκύπτει από την εξίσωση (2.1). Αυτό το φαινόμενο καλείται σκίαση και αντικατοπτρίζει την μεταβολή της απώλειας οδεύσεως γύρω από τη μέση τιμή. Η σκίαση θα πρέπει να θεωρηθεί τόσο στην περίπτωση ακίνητης όσο και στην περίπτωση κινούμενης στάσης του σώματος. Όταν λαμβάνεται υπόψιν και η σκίαση η συνολική απώλεια οδεύσεως (total path loss PL) μπορεί να εκφραστεί ως εξής: PL = PL(d) + S (2.2) Όπου, το PL(d) υπολογίζεται από την εξίσωση (2.1), ενώ το S αντιπροσωπεύει τον παράγοντα σκίασης, μία Gaussian τυχαία μεταβλητή με μηδενική μέση τιμή μ και κανονική απόκλιση ίση με σ. Τα n και σ υπολογίζονται από εμπειρικά δεδομένα (μετρήσεις). 36

37 2.6.5: Προφίλ καθυστέρησης ενέργειας Εξαιτίας των ανακλάσεων από τις πολύ-οδεύσεις, η απόκριση ενός καναλιού ενός BAN καναλιού μοιάζει σαν μία σειρά από παλμούς. Πρακτικά, ο αριθμός των παλμών που μπορούν να διακριθούν είναι πολύ μεγάλος και εξαρτάται από την ανάλυση χρόνου του συστήματος μετρήσεων. Το προφίλ καθυστέρησης ενέργειας ενός καναλιού είναι η μέση ενέργεια του σήματος ως συνάρτηση της καθυστέρησης και λαμβάνοντας υπόψιν το πρώτο μονοπάτι που φτάνει στον δέκτη :Probability Density Function (PDF) Όπως προαναφέρθηκε και παραπάνω, σε πραγματικές συνθήκες ράδιο-διάδοσης συναντώνται φαινόμενα διαλείψεων. Οι διαλείψεις αυτές αφορούν την μεταβολή της στιγμιαίας τιμής του πλάτους του σήματος γύρω από την μέση τιμή. Ως αποτέλεσμα αυτών των φαινομένων, η πραγματική στιγμιαία τιμή του πλάτους του σήματος δεν μπορεί να υπολογιστεί με ακρίβεια παρά μόνο σε ένα διάστημα τιμών που ορίζει η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας (probability density function) που περιγράφει την κατανομή του πλάτους του σήματος γύρω από την εκάστοτε τοπική μέση τιμή (local mean value). Οι κατανομές που περιγράφουν στα φαινόμενα διαλείψεων μικρής κλίμακας λόγω πολύ-όδευσης εκφράζουν μια πιο ταχεία μεταβολή στο πλάτος του σήματος (κλίμακα ms) από ότι οι κατανομές για τα φαινόμενα διαλείψεων μεγάλης κλίμακας λόγω σκίασης (κλίμακα sec ). Οι διαλείψεις μεγάλης κλίμακας της λαμβανόμενης ισχύος, δηλαδή το σύνολο των τοπικών μέσων τιμών της λαμβανόμενης ισχύος, σε μία δεδομένη περιοχή ράδιο-διάδοσης, ακολουθούν την log-normal κατανομή, η συνάρτηση πυκνότητας πιθανότητας της οποίας είναι : 1 )2 p(x) = ( ) e (x x 2 σ 2 (2.3) σ 2 π Όπου x είναι η λογαριθμική τιμή της λαμβανόμενης ισχύος σε κάθε σημείο μέτρησης (τοπική μέση ισχύς), x είναι η μέση λαμβανόμενη ισχύς (λογαριθμική τιμή) για το σύνολο των σημείων μετρήσεων (ολική μέση ισχύς, area-mean value), και σ είναι η κανονική απόκλιση (standard deviation) των απωλειών σκίασης (shadowing losses) σε db. 37

38 Η μέση τιμή και η κανονική απόκλιση των τοπικών μεταβολών της μέσης λαμβανόμενης ισχύος μπορούν να υπολογιστούν από ένα σύνολο πειραματικά καταγεγραμμένων τιμών από τις παρακάτω σχέσεις: x = 1 n xi n i=1 (2.4) n σ 2 = 1 (xi x n i=1 )2 (2.5) Ένας μεγάλος αριθμός δειγμάτων είναι αναγκαίος για αξιόπιστα αποτελέσματα. Οι διαλείψεις μεγάλης κλίμακας της λαμβανόμενης ισχύος αποδίδονται σε απώλειες λόγω εμποδίων οι διαστάσεις των οποίων είναι σημαντικά μεγαλύτερες από το μήκος κύματος της μεταδιδόμενης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας. Η κανονική απόκλιση γνωστή και ως απόκλιση σκίασης ή βάθος σκίασης ορίζεται ως η διαφορά (σε decibels) ανάμεσα στην υπολογισθείσα τιμή της λαμβανόμενης έντασης του σήματος στον ελεύθερο χώρο και την πραγματική μετρηθείσα τιμή της τοπικής μέσης τιμής του λαμβανόμενου σήματος : «Cumulative Distribution Function(CDF)» Από τις συλλεχθείσες τιμές των μετρήσεων μπορεί να σχεδιαστεί η εμπειρική CDF (αθροιστική συνάρτηση κατανομής) για κάθε τοπολογία και να συγκριθεί με την Gaussian CDF που προκύπτει από την μέση τιμή (σε dbm) και την κανονική απόκλιση (σε db) για τα σενάρια ράδιο-διάδοσης ώστε το μοντέλο μας να θεωρηθεί αξιόπιστο. Σκοπός της σύγκρισης είναι να διερευνηθεί κατά πόσο οι πραγματικές μετρήσεις της τοπικής μέσης ισχύος ακολουθούν την log-normal κατανομή, σύμφωνα και με την κλασική αντίληψη για την φύση του φαινομένου διαλείψεων μεγάλης κλίμακας. 38

39 2.7: «ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ» Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάστηκαν οι κύριες παράμετροι που λαμβάνονται υπόψιν στον σχεδιασμό και την μελέτη ενός μοντέλου ασύρματου καναλιού. Οι παράμετροι και η παρουσίαση έγιναν έχοντας ως κεντρικό άξονα τα δίκτυα ανθρώπινου σώματος και τις συγκεκριμένες εξισώσεις και φαινόμενα που συναντώνται σε τέτοιου είδους εφαρμογές. Όπως είδαμε, τα φαινόμενα που λαμβάνουν χώρα είναι αρκετά διαφορετικά από τα υπόλοιπα ασύρματα κανάλια εξαιτίας της ιδιαίτερης συμπεριφοράς του ανθρώπινου σώματος. Το ανθρώπινο σώμα περιλαμβάνει πολλά όργανα και ιστούς με διηλεκτρικές σταθερές που εξαρτώνται από την συχνότητα και εισάγουν ισχυρή εξασθένηση στο σήμα. Τέλος παρουσιάζεται η μελέτη του εμπειρικού μοντέλου καθώς η στατιστική διαδικασία που ακολουθείται για την περιγραφή ενός μοντέλου ασύρματου καναλιού με τον συγκεκριμένο τρόπο. 39

40 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 3:«IN-BODY AREA NETWORKS AND PRIOR ART» 3.1: «ΕΙΣΑΓΩΓΗ» Οι ασύρματες τηλεπικοινωνίες έχουν αλλάξει άρδην το τοπίο των μοντέρνων εφαρμογών, όχι μόνο στην κινητή τηλεφωνία και στην ραδιοφωνία, αλλά και στο πεδίο των ιατρικών εφαρμογών. Τις τελευταίες δεκαετίες, διάφορες έρευνες που πραγματοποιήθηκαν στο συγκεκριμένο πεδίο, έδωσαν την δυνατότητα στους επιστήμονες και στην βιομηχανία να ανακαλύψουν ενδιαφέροντα ευρήματα, τα οποία άνοιξαν τον δρόμο για ανάπτυξη της μοντέρνας τηλεϊατρικής [1]-[7]. Η νέα τάση στο συγκεκριμένο πεδίο ερευνών, τόσο του παρόντος όσο και του μέλλοντος, είναι η θεμελίωση θεωρητικών και πειραματικών ευρημάτων που θα επιτρέπουν την παρακολούθηση των ανθρώπινων οργάνων και γενικότερα της φυσικής κατάστασης του ανθρώπου-ασθενούς με εμφυτεύματα τα οποία θα τοποθετούνται μέσα στο ανθρώπινο σώμα. Δηλαδή περνάμε από την γενική κατάσταση δικτύων ανθρώπινου σώματος σε δίκτυα που βρίσκονται μέσα στο σώμα του ανθρώπου και περιλαμβάνουν είτε εμφυτεύματα είτε σένσορες. Φυσικά, για την ανάπτυξη της συγκεκριμένης τεχνολογίας, πρέπει να διερευνηθούν πολλοί παράμετροι των ασύρματων τηλεπικοινωνιών, από την παρεμβολή στην σχεδίαση κεραιών και από την μοντελοποίηση απωλειών διάδοσης στην βελτιστοποίηση των διαφόρων συσκευών που τοποθετούνται μέσα στο σώμα. Στο παρόν κεφάλαιο επιχειρείται η παρουσίαση των βασικών παραμέτρων που αφορούν τα δίκτυα μέσα στο ανθρώπινο σώμα καθώς και η συνοπτική ανάλυση των προηγούμενων εργασιών που έχουν διεξαχθεί πάνω στο συγκεκριμένο αντικείμενο μελέτης. Πρωταρχικά όμως θα παρουσιαστεί μία σπουδαία εφαρμογή των in-body area networks που είναι το εμφύτευμα για την παρακολούθηση των επιπέδων γλυκόζης, ενώ στην συνέχεια θα περάσουμε στα πιο γενικά χαρακτηριστικά που διέπουν όλες τις αντίστοιχες εφαρμογές μέσα στο ανθρώπινο σώμα. 40

41 Σχήμα Εφαρμογή In-Body Area Networks 3.2: «ΠΑΡΑΚΟΛΟΥΘΗΣΗ ΕΠΙΠΕΔΩΝ ΓΛΥΚΟΖΗΣ» Η εθνική υπηρεσία υγείας των Ηνωμένων Πολιτειών Αμερικής (national institute of health, NIH) σε μία έρευνα που διεξήγαγε ανακοίνωσε στα αποτελέσματα πως 15.7 εκατομμύρια πάσχουν από την σοβαρή ασθένεια του διαβήτη στις Ηνωμένες Πολιτείες το έτος Ο διαβήτης μπορεί να προκαλέσει και άλλα σοβαρά συνεπακόλουθα προβλήματα υγείας όπως προβλήματα στην καρδιά, εγκεφαλικό επεισόδιο, υψηλή αρτηριακή πίεση, τύφλωση, πρόβλημα στα νεφρά καθώς και ακρωτηριασμούς. Ένας βίο-σένσορας εμφυτευμένος στον ασθενή θα μπορούσε να παρέχει μία συνεχόμενη, πιο ακριβή και λιγότερο επεμβατική μέθοδο παρακολούθησης των επιπέδων γλυκόζης, μεταδίδοντας τα συγκεκριμένα δεδομένα σε ένα ασύρματο PDA ή σε ένα terminal και να εκχύνει ινσουλίνη αυτόματα όταν τα επίπεδα γλυκόζης είναι κάτω από το προκαθορισμένο όριο [41]. Κάποιες βασικές παράμετροι για έναν σένσορα γλυκόζης πάντως είναι ότι απαιτεί μερικά Kbps για μεταφορά δεδομένων, πολύ χαμηλή κατανάλωση ενέργειας, υψηλό quality of service και υψηλή παροχή ασφαλούς μεταφοράς δεδομένων. 41

42 3.3:«ΕΜΦΥΤΕΥΜΑΤΑ» Σήμερα υπάρχει ένας μεγάλος αριθμός από εμφυτεύματα που είτε χρησιμοποιούνται είτε είναι υπό ανάπτυξη. Κοινά παραδείγματα είναι o βηματοδότης εγκεφάλου για την ασθένεια του Πάρκινσον [42], εμφυτεύματα που εκχύουν φάρμακο [43], εμφυτεύματα cochlea[42], τεχνητά μάτια [42], διεγέρτες μυών (muscle stimulators) [42] και καταγραφείς σημάτων από τα νεύρα για χρήση σε προσθετική ρομποτική [44]. Όλα αυτά τα εμφυτεύματα μεταφέρουν δεδομένα, είτε προς την μία είτε και προς τις δύο κατευθύνσεις. H ταχύτητα μεταφοράς των δεδομένων διαφέρει ωστόσο από εφαρμογή σε εφαρμογή. Σχήμα Παραδείγματα εφαρμογών εμφυτευμάτων στην ιατρική στην ιατρική 42

43 3.4: «ΕΠΙΠΕΔΑ ΑΣΦΑΛΕΙΑΣ ΗΛΕΚΤΡΟΜΑΓΝΗΤΙΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ» Ένας από τους πολύ βασικούς παράγοντες όταν μελετάμε δίκτυα εντός του ανθρώπινου οργανισμού, αν όχι ίσως ο σημαντικότερος είναι ο δείκτης SAR (specific absorption rate). O δείκτης SAR είναι ένας τρόπος μέτρησης της Ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που απορροφάται από τους βιολογικούς ιστούς όταν εκτίθενται σε συσκευές που εκπέμπουν ακτινοβολία. Ο συγκεκριμένος δείκτης μπορεί να εκφραστεί ως εξής: SAR = P ρ = σ Ε2 2 ρ = J 2 2 ρ σ (3.1) Όπου, το Ρ είναι η πυκνότητα απώλειας της ενέργειας και μετριέται σε W m3, E είναι η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου και μετριέται σε V, J είναι η πυκνότητα του m Α ηλεκτρικού ρεύματος και μετριέται σε 2, ρ είναι η πυκνότητα μάζας και μετριέται σε Kg m 3 και το σ που είναι η αγωγιμότητα και μετριέται σε S m. O SAR μπορεί να βρεθεί σε διάφορες μορφές οι οποίες απεικονίζονται στην παρακάτω εικόνα και παρουσιάζονται συνοπτικά παρακάτω: SAR ανά σημείο: πρόκειται για τοπική τιμή του δείκτη χωρίς υπολογισμό μάζας ή όγκου. Συνολικό SAR: πρόκειται για την συνολική απώλεια ενέργειας σε μία συνολική δομή με απώλειες διαιρεμένη με την συνολική μάζα της συγκεκριμένης δομής. SAR με αναγωγή στην μάζα (mass averaged SAR): Για κάθε σημείο SAR, ορίζεται ένας κύβος με μάζα 1g ή 10g, υπολογίζεται η συνολική απώλεια ενέργειας μέσα στα όρια του συγκεκριμένου κύβου και μετά η απώλεια ενέργειας διαιρείται με την μάζα του κύβου. SAR με αναγωγή στον όγκο (volume averaged SAR): Ακολουθείται η ίδια διαδικασία με την αναγωγή στην μάζα, αλλά για ένα συγκεκριμένο όγκο. Σύμφωνα με την FCC και την ERC, τα μέγιστα επιτρεπτά όρια για τον δείκτη SAR στα 1g και 10g μάζας ιστού είναι 1.6 και 2 W/Kg αντιστοίχως. Σαφώς λοιπόν, πρέπει να δίνεται ιδιαίτερη προσοχή στις διάφορες εφαρμογές και να γίνεται εξακρίβωση πληρότητας των συγκεκριμένων ορίων. Στα δύο standards που αφορούν το συγκεκριμένο θέμα [8], [9], τα standard καθορίζουν επακριβώς τα αποδεκτά όρια για την μετάδοση του σήματος και για την λήψη σε συχνότητες που αφορούν τις ασύρματες επικοινωνίες. m 43

44 Πρέπει να δίνεται ιδιαίτερος σεβασμός στο ανθρώπινο σώμα και στους ανθρώπινους ιστούς αλλά και στον γενικό πληθυσμό και το εργαζόμενο προσωπικό. 3.5: «ΕΠΙΛΟΓΗ ΚΑΤΑΛΛΗΛΟΥ ΤΥΠΟΥ ΚΕΡΑΙΑΣ» Η επιλογή της κατάλληλης κεραίας είναι ένας ευρύς τομέας μελέτης πολύ σημαντικός για την επίδοση είτε ολόκληρου του συστήματος είτε της κατάλληλης εφαρμογής στα in-body δίκτυα. Πάνω στο συγκεκριμένο θέμα έχουν γίνει και συνεχίζουν να γίνονται πολλές μελέτες όπως φαίνεται από την πληθώρα εργασιών [11]-[16]. Η κύρια τάση για τις κεραίες που υπάρχουν στα εμφυτεύματα συγκεντρώνεται σε δύο κύρια είδη κεραιών. Οι ερευνητές έχουν κάνει διάφορες δοκιμές τόσο σε ηλεκτρικές κεραίες (όπως είναι τα δίπολα), όσο και σε μαγνητικού τύπου κεραίες (όπως είναι η patch και οι loop κεραίες). Έχει διαπιστωθεί πως γενικά οι ηλεκτρικές κεραίες είναι πιο αποδοτικές όσον αφορά την μετάδοση του σήματος αλλά έχουν το αρνητικό χαρακτηριστικό ότι θερμαίνουν τον ιστό γύρω από την περιοχή λειτουργίας τους. Παραδείγματος χάριν θερμαίνεται το λίπος ή ο ιστός ενός οργάνου. Σε αντίθεση οι μαγνητικές κεραίες δεν έχει διαπιστωθεί πως θερμαίνουν το ίδιο τον ανθρώπινο ιστό. Γενικά όμως, εφόσον πάντοτε υπάρχει η πιστοποίηση και η διαβεβαίωση για τα επίπεδα του δείκτη SAR και οι δύο τύποι κεραιών μπορούν να χρησιμοποιηθούν στις εφαρμογές για εμφυτεύματα και σένσορες μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό. Συγκεκριμένα κάποιοι τύποι εφαρμογών ενδέχεται να απαιτούν την χρήση ηλεκτρικών κεραιών όπως το απλό δίπολο, ενώ άλλες εφαρμογές την χρήση μαγνητικού τύπου κεραιών όπως η loop και η patch κεραία. Μία άλλη σημαντική παράμετρος για τον σχεδιασμό της κεραίας είναι και η συχνότητα λειτουργίας της συγκεκριμένης κεραίας. Αυτό επακόλουθα επηρεάζει και το μέγεθος της κεραίας το οποίο κρίνεται ιδιαίτερα σημαντικό. Ειδικά σε περιπτώσεις που η κεραία πρέπει να τοποθετηθεί μέσα στον ανθρώπινο οργανισμό και μέσα σε διάφορα όργανα οι διαστάσεις θα πρέπει να είναι από μερικά mm έως λίγα cm. Ένα παράδειγμα, όπως ξεκάθαρα διαφαίνεται από την εργασία [23] και αντικατοπτρίζει το συγκεκριμένο πρόβλημα είναι το ακόλουθο. Η εργασία αναφέρει πως γενικά σε πολλές εφαρμογές χρησιμοποιείται η κεραία τύπου PIFA για τα καρδιακά πιεσόμετρα, ωστόσο η συγκεκριμένη κεραία λόγω διαστάσεων είναι δύσκολο να χωρέσει σε ένα χάπι που θα εμφυτευθεί στην καρδιά. Για αυτό το λόγο επιλέγεται η spiral κεραία που είναι η πιο μικρή ανάμεσα στις διαφορετικές επιλογές. Διαφαίνεται έτσι ξεκάθαρα, πως το μέγεθος της κεραίας παίζει σημαντικό ρόλο στην εφαρμογή. 44

45 Τέλος σημαντική παράμετρος είναι και η μπάντα συχνοτήτων καθαυτή στην οποία πραγματοποιείται η διάδοση του σήματος. Έχουν προταθεί αξιόλογοι σχεδιασμοί κεραιών, όπως στο [17], με κεραία η οποία λειτουργεί σε δύο μπάντες συχνοτήτων, ώστε να προσφέρει λύσεις για μεταφορά δεδομένων σε παραπάνω από ένα κανάλια. 3.6: «ΕΠΙΛΟΓΗ ΚΑΤΑΛΛΗΛΗΣ ΜΠΑΝΤΑΣ ΣΥΧΝΟΤΗΤΑΣ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑΣ» Διαφορετικές ζεύξεις καναλιών οδηγούν σε διαφορετική συμπεριφορά της εξασθένησης του σήματος όταν διαδίδεται μέσα στο ανθρώπινο σώμα ή πάνω στο δέρμα. Ένας όλο και αυξανόμενος αριθμός από δημοσιευμένες εργασίες έρχονται να επιβεβαιώσουν τα μοντέλα της απώλειας σήματος σε τέτοια σενάρια [18]-[25]. Ανάμεσα στις συχνότητες που έχουν συγκεντρώσει ερευνητικό και ακαδημαϊκό ενδιαφέρον είναι η μπάντα MICS (medical implant communication service) στα MHz, η μπάντα των 900 MHz καθώς και η βιομηχανική, επιστημονική και ιατρική μπάντα (ISM) στα 2.45 GHz. Παρόλο που όλες οι προαναφερθείσες συχνότητες ανήκουν στην ευρύτερη κατηγορία των εξαιρετικά υψηλών συχνοτήτων (UHF) band, η συμπεριφορά των συγκεκριμένων συχνοτικών καναλιών,σε ότι αφορά την εξαρτώμενη από την απόσταση εξασθένηση του σήματος και τις γενικότερες απώλειες εξαιτίας της απορρόφησης και της ανάκλασης από διάφορα υλικά διαφόρων τύπων και μεγεθών, διαφέρει σημαντικά. Παρακάτω θα παρουσιαστούν αναλυτικά οι συγκεκριμένες μπάντες συχνοτήτων ώστε να φανεί και να αναδειχτεί σε μεγαλύτερο βαθμό γιατί είναι κατάλληλες και σε τι υπερτερούν έναντι άλλων συχνοτήτων στις εφαρμογές για δίκτυα μέσα στο ανθρώπινο σώμα. 45

46 3.6.1: MICS standard To ευρωπαϊκό ινστιτούτο τηλεπικοινωνιών για τα standards (European Telecommunications Standards Institute (ETSI) έχει δημιουργήσει το standard για το MICS. To έγγραφο του ETSI παραθέτει δύο βασικά πεδία εφαρμογών για το συγκεκριμένο πρότυπο. Το πρώτο είναι για την επικοινωνία μεταξύ ενός σταθμού βάσης και μιας εμφυτευμένης συσκευής. Το δεύτερο αφορά την επικοινωνία μεταξύ εμφυτευμάτων που βρίσκονται μέσα στο ανθρώπινο σώμα. Ωστόσο το συγκεκριμένο πρότυπο δεν αναφέρει τίποτα για μία άλλη ενδεχόμενη εφαρμογή που είναι η επικοινωνία μεταξύ εμφυτευμάτων που βρίσκονται σε διαφορετικούς οργανισμούς. Αυτή η εφαρμογή βρίσκεται προς το παρόν υπό πειραματικό στάδιο. Παρόλα αυτά τοπολογίες mesh δικτύων που εφαρμόζονται επιτρέπουν την αύξηση της εμβέλειας της επικοινωνίας. Η συγκεκριμένη μπάντα βρίσκεται μεταξύ των 402 MHz έως τα 405 MHz. Το μέγιστο bandwidth είναι τα 300 khz και αφορά την πλήρη δέσμευση του καναλιού. Εάν ωστόσο το σύστημα χρησιμοποιεί δύο κανάλια, ένα για το uplink και ένα για το downlink, τότε το bandwidth των δύο ζεύξεων όταν προστεθούν δεν πρέπει να ξεπερνάει τα 300 khz. Κάτι τέτοιο φυσικά σημαίνει ότι εάν μία εφαρμογή απαιτεί μεγάλη μεταφορά δεδομένων, τότε πρέπει να υιοθετηθεί η λογική της ημι-αμφίδρομης επικοινωνίας, το οποίο σημαίνει ότι μόνο μία συσκευή θα εκπέμπει κάθε φορά. Εάν ωστόσο είναι απαραίτητη η αμφίδρομη επικοινωνία, τότε το διαθέσιμο bandwidth για κάθε κατεύθυνση θα είναι μικρότερο, με αποτέλεσμα χαμηλότερος ρυθμός μεταφοράς δεδομένων για κάθε κατεύθυνση. Κάτι το οποίο πρέπει να σημειωθεί είναι ότι, σε μία ημι-αμφίδρομη λύση η άνω και η κάτω ζεύξη δεν πρέπει απαραίτητα να μοιράζονται την ίδια μπάντα συχνοτήτων. Ξεχωριστή μπάντα για μετάδοση και ξεχωριστή για λήψη δεδομένων, κάθε μία με μέγεθος bandwidth 300 khz μπορεί να χρησιμοποιηθεί εφόσον δεν χρησιμοποιείται το ίδιο κανάλι ταυτόχρονα. Τα 300 khz bandwidth αποτελούν ένα όριο για μετάδοση. Η ενέργεια στις άκρες της μπάντας πρέπει να είναι 20 db πιο κάτω από το μέγιστο όριο της διαμορφωμένης εξόδου. Η μέγιστη επιτρεπόμενη ενέργεια έχει καθοριστεί να είναι 25μW ERP, το οποίο σημαίνει ότι η μέγιστη ένταση πεδίου προς κάθε κατεύθυνση πρέπει να είναι ίση ή μικρότερη από την ενέργεια που θα έδινε ένα δίπολο στην μέγιστη κατεύθυνση και για την ίδια απόσταση εάν το τροφοδοτούσαμε με σήμα 25μW. Παρόλα αυτά υπάρχει μια σύγχυση ανάμεσα στην παγκόσμια επιστημονική κοινότητα για τα επίπεδα επιτρεπόμενης ενέργειας. Η πρόταση της ITU-R θέτει ένα όριο ενέργειας στα 25μW EIRP, το οποίο είναι 2.2dB κάτω από όριο που θέτει για το MICS ο ETSI. Η FCC στην Αμερική θέτει το αντίστοιχο όριο στα EIRP=25μW. Το ίδιο όριο χρησιμοποιείται και στην Αυστραλία. 46

47 H μπάντα συχνοτήτων που έχει προταθεί για το MICS είναι ήδη σε χρήση. Η μετεωρολογική υπηρεσία (METAIDS), η οποία χρησιμοποιείται από weather balloons που μεταδίδουν δεδομένα στην γη, χρησιμοποιεί το ίδιο φάσμα συχνοτήτων. Για αυτό το λόγο στο σύστημα του MICS καλό είναι να χρησιμοποιείται μόνο σε εσωτερικούς χώρους. Η μπάντα MICS έχει επίσης χαμηλές απώλειες οδεύσεως μέσα στο ανθρώπινο σώμα και είναι ικανή να μεταδώσει με χαμηλή απόδοση δεδομένα παρόλο που χρειάζεται σχετικά μεγάλο μέγεθος κεραίας. Ωστόσο επειδή τα επιτρεπόμενα όρια ενέργειας μετάδοσης είναι σχετικά χαμηλά, και στα περισσότερα δίκτυα που αφορούν εφαρμογές υγείας πρέπει να καλυφθεί απόσταση έως 10m γύρω από τον ασθενή, αυτό αποτελεί ένα βασικό μειονέκτημα της συγκεκριμένης μπάντας : ISM band H μπάντα 2.4GHz ISM είναι μία πιθανή μπάντα, η οποία μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε επικοινωνία μεταξύ ιατρικών εμφυτευμάτων. Είναι η ίδια μπάντα, η οποία χρησιμοποιείται σήμερα από μία πληθώρα υπηρεσιών, συμπεριλαμβανομένων των WI-FI και των Bluetooth τα οποία και τα δύο χρησιμοποιούνται από εξοπλισμό των ηλεκτρονικών υπολογιστών. Επιπρόσθετα η ίδια συχνοτική μπάντα χρησιμοποιείται και από ασύρματα τηλέφωνα και φούρνους μικροκυμάτων οικιακής χρήσης. Σύμφωνα με το ETSI EN , η μέγιστη EIRP (ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς) πρέπει να είναι -10dBW (100mW). To σύστημα πρέπει να χρησιμοποιήσει δύο τεχνικές spread spectrum, είτε Frequency Hoping Spread Spectrum (FHSS) είτε Direct Sequence Spread Spectrum (DHSS). Στην περίπτωση του FHSS θα χρησιμοποιηθούν τουλάχιστον 15 ανεξάρτητα μη επικαλυπτόμενα κανάλια. Στην περίπτωση του DHSS η μέγιστη πυκνότητα ενέργειας πρέπει να είναι - 20dBW/MHz EIRP. Η διαθέσιμη μπάντα συχνοτήτων βρίσκεται από GHz έως GHz. Ένα μειονέκτημα της συγκεκριμένης μπάντας είναι ότι διαμοιράζεται σε πολλούς διαφορετικούς χρήστες στην ίδια μπάντα. Αυτό κατ επέκταση δημιουργεί πολλές απαιτήσεις στην δια λειτουργικότητα και στην ασφάλεια. Ακόμα η διείσδυση στο ανθρώπινο σώμα είναι λιγότερη από ότι είναι στα 400 MHz. Συγκεκριμένα το βάθος δέρματος είναι μόνο 22mm, συγκρινόμενο με τα 52mm που είναι στα 400 MHz. To βάθος δέρματος ορίζεται ως το βάθος στο οποίο το ηλεκτρικό πεδίο έχει εξασθενήσει κατά ένα παράγοντα ίσο με e 1 ή Αυτό συχνά υπολογίζεται από την σχέση: 47

48 2 δ = ω μ σ (3.2) Όπου σ είναι η αγωγιμότητα ενός υλικού και μ η διαπερατότητα. Η συγκεκριμένη εξίσωση ωστόσο ισχύει μόνο για πολύ καλούς αγωγούς : 900MHz band H συγκεκριμένη μπάντα αποτελεί ένα μέρος του UHF (ultra-high frequency) ράδιο-φάσματος το οποίο χρησιμοποιείται για διάφορες ερασιτεχνικές εφαρμογές. Κυμαίνεται από 902 έως 928 MHz. Χρησιμοποιείται κυρίως για τοπικές επικοινωνίες όπως εξάλλου και άλλες μπάντες με σχετικά χαμηλή συχνότητα. Παρόλα αυτά πολύ ψηλές κεραίες με υψηλό κέρδος έδειξαν πως η συγκεκριμένη μπάντα μπορεί να πετύχει μία αρκετά καλή κάλυψη. Η μπάντα χρησιμοποιείται επίσης από τον ISM εξοπλισμό καθώς και από συσκευές χαμηλής ενέργειας χωρίς άδεια λειτουργίας. Σχήμα 3-3 Χρησιμοποιούμενες μπάντες συχνοτήτων παγκοσμίως 48

49 3.7: «ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ» Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάστηκαν τα βασικά χαρακτηριστικά που πρέπει να ληφθούν υπόψιν και να μελετηθούν όταν διερευνάται ένα δίκτυο το οποίο περιλαμβάνει δίκτυα εσωτερικά του ανθρώπινου οργανισμού. Τέτοιες εφαρμογές έχουν να κάνουν κυρίως με σένσορες ή με εμφυτεύματα τα οποία τοποθετούνται μέσα σε διάφορα όργανα του ανθρώπινου σώματος. Μία πολύ σημαντική παράμετρος είναι σαφώς η επιλογή της κεραίας που θα εμφυτευθεί καθώς παίζει σημαντικό ρόλο για την απόδοση όλου του συστήματος. Ακόμη μία σημαντική παράμετρος είναι η μπάντα συχνοτήτων λειτουργίας που πρέπει να καλύπτει συγκεκριμένα standard και χαρακτηριστικά. Οι δύο επικρατέστερες μπάντες για τις συγκεκριμένες εφαρμογές είναι η MICS και η ISM μπάντες. Τέλος γίνεται μία προσπάθεια για αναφορά των σημαντικότερων μελετών που έχουν γίνει έως τώρα πάνω σε in-body area networks και η παρουσίαση μιας εφαρμογής που χρήζει ιδιαίτερης σημασίας και δεν είναι άλλη από την ανίχνευση επιπέδων γλυκόζης. Η συγκεκριμένη εφαρμογή θα αποτελέσει και έναυσμα της παρούσας διπλωματικής, καθώς χρησιμοποιείται σαν case study για την μελέτη του ασύρματου καναλιού του ανθρώπινου σώματος από το πάγκρεας σε ένα τερματικό κοντά στο δέρμα. Η παρουσίαση του case study της διπλωματικής εργασίας ακολουθεί στο επόμενο κεφάλαιο. 49

50 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 4:«ΕΦΑΡΜΟΓΗ-ΧΑΡΑΚΤΗΡΙΣΜΟΣ ΑΣΥΡΜΑΤΟΥ ΚΑΝΑΛΙΟΥ ΜΕ ΧΡΗΣΗ ΕΜΦΥΤΕΥΜΕΝΟΥ ΑΙΣΘΗΤΗΡΑ ΣΤΟ ΠΑΓΚΡΕΑΣ- ΔΙΑΔΙΚΑΣΙΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ» 4.1: «ΕΙΣΑΓΩΓΗ» Μία από τις σημαντικότερες εφαρμογές στα in-body area networks αποτελεί η εμφύτευση αισθητήρα στο πάγκρεας για την συνεχή παρακολούθηση των επιπέδων γλυκόζης και η αποστολή των αποτελεσμάτων σε μία εξωτερική του σώματος, και ίσως ευρισκόμενη στην ζώνη του ασθενούς, συσκευή η οποία με την σειρά της θα επικοινωνεί μέσω του διαδικτύου με μία συσκευή που θα έχει ο θεράποντας ιατρός και θα αποστέλλει την κατάλληλη απόφαση πίσω στον αισθητήρα για την σωστή ρύθμιση των επιπέδων γλυκόζης. Η συγκεκριμένη εφαρμογή θα είναι σωτήρια καθώς ο σακχαρώδης διαβήτης αποτελεί μία διαδεδομένη ασθένεια η οποία ταλαιπωρεί πολλούς ανθρώπους ανά τον κόσμο και έχει ιδιαίτερα σοβαρές συνέπειες. Στόχος βασικός της παρούσας διπλωματικής είναι η μελέτη του ασύρματου καναλιού από μία εμφυτευμένη κεραία στο πάγκρεας έως ένα δέκτη ο οποίος βρίσκεται στην επιφάνεια του δέρματος κάπου κοντά στην περιοχή της ζώνης. Για την πραγματοποίηση της μελέτης απαιτείται η προσομοίωση του ανθρώπινου σώματος με όλες τις διηλεκτρικές σταθερές των εσωτερικών οργάνων, ώστε να μελετηθεί με πλήρη ακρίβεια το μοντέλο μας. Στο παρόν κεφάλαιο, θα αναλυθεί σε μεγαλύτερη έκταση το μοντέλο του ανθρώπινου οργανισμού που χρησιμοποιήθηκε για τις προσομοιώσεις διάδοσης μέσα στο σώμα καθώς και η μέθοδος Finite Difference Time Domain (FDTD), η οποία χρησιμοποιείται από το λογισμικό που χρησιμοποιήσαμε για τους υπολογισμούς των ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων που αλλάζουν με τον χρόνο μέσα στο ανθρώπινο σώμα. Ακόμη, αναλύεται το case study μας, δηλαδή το σενάριο που χρησιμοποιήσαμε για την προσομοίωση το οποίο επιλέχθηκε για την παρούσα εργασία. 50

51 4.2: «ΜΟΝΤΕΛΟ ΜΕΛΕΤΗΣ ΓΙΑ ΔΙΑΔΟΣΗ ΜΕΣΑ ΣΤΟ ΑΝΘΡΩΠΙΝΟ ΣΩΜΑ» Οι προσομοιώσεις διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος μέσα στο ανθρώπινο σώμα και η έρευνα των BAN μπόρεσαν να πραγματοποιηθούν εξαιτίας της ανάπτυξης των ανθρώπινων phantoms, μέσω των οποίων είναι δυνατή η προσομοίωση σε ένα εικονικό περιβάλλον της δομής του ανθρώπινου σώματος καθώς και των εσωτερικών οργάνων [28]-[33]. Κάτι τέτοιο καθιστά εφικτή μία διεξοδική και λεπτομερή ανακατασκευή όχι μόνο του σκελετού αλλά και των οργάνων συμπεριλαμβανομένων των τιμών των ηλεκτρικών αγωγιμοτήτων και διαπερατοτήτων των συγκεκριμένων οργάνων καθώς και γενικά των ηλεκτρικών και μαγνητικών ιδιοτήτων που είναι απαραίτητα στοιχεία για μία ακριβή και έγκυρη προσομοίωση [34]-[35]. Πάνω στην βάση των συγκεκριμένων ιδιοτήτων, οι διακυμάνσεις των μεταβαλλόμενων με τον χρόνο ηλεκτρικών και μαγνητικών πεδίων μπορούν να υπολογιστούν σε συνθήκες πραγματικού χρόνου χρησιμοποιώντας την τεχνική FDTD σε ένα ρεαλιστικό περιβάλλον προσομοίωσης. Η τεχνική FDTD είναι μία ακριβής και γρήγορη μέθοδος για την επίλυση περίπλοκων ηλεκτρομαγνητικών εξισώσεων στο πεδίο του χρόνου, η οποία παρέχει έγκυρα αποτελέσματα. Ειδικά στην περίπτωση μελέτης του συγκεκριμένου καναλιού, είναι ιδιαίτερα δύσκολη και επίπονη διαδικασία η παραδοσιακή επίλυση των ηλεκτρομαγνητικών εξισώσεων του Maxwell καθώς το κανάλι λόγω της ύπαρξης των εσωτερικών οργάνων είναι ιδιαίτερα περίπλοκο. Επιπρόσθετα, προγράμματα σαν αυτό που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική, τα οποία χρησιμοποιούν την τεχνική FDTD, είναι ιδιαίτερα χρήσιμα και αποτελεσματικά καθώς είναι πολύ δύσκολο να πραγματοποιηθούν μετρήσεις οι οποίες θα συλλεχθούν από τον ανθρώπινο οργανισμό, καθώς ακόμα δεν πραγματοποιούνται πειράματα σε ανθρώπους. Μία εναλλακτική λύση είναι η χρήση κάποιων ζώων και ιδιαίτερα γουρουνιών και ποντικιών των οποίων τα εσωτερικά όργανα έχουν παρόμοιες διηλεκτρικές σταθερές με αυτά των ανθρωπίνων οργάνων. Αυτή η λύση όμως πολλές φορές δεν είναι πρακτικά εφικτή και εύκολα υλοποιήσιμη σε εργαστηριακό περιβάλλον. Συνεπώς η προσομοίωση μέσω υπολογιστή αποτελεί την πιο καλή και σίγουρη μέθοδο για ακριβή και ρεαλιστικά αποτελέσματα. Για πιο έγκυρη μελέτη και αξιολόγηση των αποτελεσμάτων, πρέπει να χρησιμοποιηθούν διαφορετικοί τύποι και μεγέθη phantoms (ενήλικες ή παιδιά, άνδρας ή γυναίκα) τα οποία επιτρέπουν μία ευρεία γκάμα για on-body και inbody σενάρια. Επιπρόσθετα, το ανθρώπινο σώμα μπορεί να διερευνηθεί είτε ως ένα ενιαίο σύνολο, είτε να επιλεχθούν ξεχωριστά κομμάτια ή/και όργανα, τα 51

52 οποία θα επιτρέπουν μία εστιασμένη μελέτη συγκεκριμένου εύρους και ενδιαφέροντος, η οποία θα οδηγήσει σε επιβεβαίωση των BAN καναλιών για διάφορες ιατρικές εφαρμογές. Η τεχνική FDTD μοντελοποίησης χρησιμοποιείται στην παρούσα μελέτη για να διεξαχθεί μία αριθμητική ανάλυση του εσωτερικά του ανθρώπινου σώματος ασύρματου καναλιού, μεταξύ μίας πηγής που είναι τοποθετημένη στο πάγκρεας και ενός probe δέκτη ο οποίος είναι τοποθετημένος σε διάφορα σημεία μέσα στο ανθρώπινο mesh. 4.3: «FDFD METHOD» H μέθοδος Finite Difference Time Domain ή εν συντομογραφία FDTD είναι μία πολύ ισχυρή μέθοδος για επίλυση των εξισώσεων του Maxwell στις τρεις διαστάσεις και στον χρόνο. Πρώτη φορά παρουσιάστηκε από τον Yee το 1966 και περιεγράφηκαν σε έναν αριθμό από δημοσιεύσεις. Η συγκεκριμένη μέθοδος, διαιρεί τον όγκο που θέλουμε να εξεταστεί σε μικρούς κύβους, καθένας από τους οποίους καλείται voxel μία συντομογραφία για το volume pixel. Σε κάθε voxel, επιλύονται οι εξισώσεις του Maxwell επαναληπτικά καθώς ο χρόνος παρέρχεται. Το κόλπο στην μέθοδο είναι η ανανέωση των E και Η components στο πλέγμα χρησιμοποιώντας την μέθοδο finite difference των curl operators των πεδίων που περιβάλλουν την συνιστώσα. Η χρονική εξέλιξη των ηλεκτρομαγνητικών πεδίων είναι η εξής : xh = θt εe + σ E E (4.1) xε = θt μη σ Η Η (4.2) Όπου σ Η είναι ο όρος για τις μαγνητικές απώλειες του υλικού. Οι εξισώσεις γίνονται διακριτές χρησιμοποιώντας finite-difference προσεγγίσεις τόσο στο χρόνο όσο και στον χώρο. Η πρώτη χρονική και χωρική παράγωγος είναι οι εξής: F(i, j, k, n) = x F(i, j, k, n) t F(i + 1/2, j, k, n) F(i 1/2, j, k, n) Δx = F (i, j, k, n ) F (i, j, k, n 1 2 ) Δt + O[(Δ x) 2 ] (4.3) + O[(Δ t) 2 ] (4.4) Όπου F(i,j,k,n) είναι το ηλεκτρικό ή το μαγνητικό πεδίο σε χρόνο n* Δt και τα i,j,k είναι δείκτες για το τρισδιάστατο πλέγμα. Οι όροι O[(Δ x) 2 ] και O[(Δ t) 2 ] είναι όροι για σφάλματα. Εφαρμόζουμε αυτό το μετασχηματισμό στις εξισώσεις 52

53 Maxwell. Μπορούμε έτσι να υπολογίσουμε τα παροδικά κυματικά φαινόμενα καθώς ο χρόνος μεταβάλλεται σε ένα τρισδιάστατο πλέγμα. Ένα σημαντικό στοιχείο για την μέθοδο είναι ότι τα αποτελέσματα έχουν μία σταθερότητα. Το χρονικό βήμα περιορίζεται από την παρακάτω εξίσωση. Δt 1 C 1 (Δx) (Δy) (Δz) 2 (4.5) Κάτι τέτοιο ουσιαστικά θέτει ένα όριο στο μήκος των σημάτων που μπορούν να εξεταστούν. Επιπρόσθετα βάζει ένα όριο στο ενεργό μέγεθος του πλέγματος. Μία μείωση του μεγέθους του πλέγματος στο μισό έχει σαν αποτέλεσμα την αύξηση της μνήμης στο οχταπλάσιο και του χρόνου στο δεκαεξαπλάσιο : Συνοριακές συνθήκες Στα όρια των περιοχών προσομοίωσης, η ηλεκτρομαγνητική ενέργεια πρέπει να απορροφάται για να μπορέσει να προσομοιωθεί ένας χώρος άπειρων διαστάσεων. Αυτό επιτυγχάνεται προσθέτοντας ένα absorbing boundary condition στο εξωτερικό του χώρου προσομοίωσης. Μία τέτοιου είδους συνοριακή συνθήκη είναι η PML (perfectly matched layer). Αυτό συμπεριφέρεται ουσιαστικά σαν ένα υλικό που απορροφά και ηλεκτρική και μαγνητική ενέργεια, έχοντας ταυτόχρονα και ηλεκτρική αγωγιμότητα σ και μαγνητική διαπερατότητα σ M. Στο εξωτερικό του layer PML βρίσκεται ένα τέλειος ηλεκτρικός αγωγός (PEC). Αυτός αντανακλά όλη την ενέργεια πίσω στην περιοχή προσομοίωσης, αλλά καθώς η ενέργεια διαπερνά το επίπεδο PML δύο φορές λίγη ενέργεια θα έχει απομείνει και θα μπορεί να εισέλθει στην περιοχή προσομοίωσης. Οι εξισώσεις που περιγράφουν το παραπάνω είναι οι ακόλουθες: ε 0 E θt + σe = xh (4.6) μ θh θt + σ ΜH = xe (4.7) 1 μ +σ /jω z PML = ( ) 2 (4.8) ε 0 +σ/jω 53

54 4.3.2: Διαδικασία προσομοίωσης προγράμματος Για να τρέξουμε με επιτυχία ένα πρόγραμμα προσομοίωσης της μεθόδου FDTD πρέπει να ακολουθήσουμε τα παρακάτω βήματα. Μία τέτοια διαδικασία ακολουθήσαμε και εμείς για να εξάγουμε τα συμπεράσματά μας και να κάνουμε την προσομοίωση μας. 1) Ορισμός φυσικής γεωμετρίας Αρχικά πρέπει να ορίσουμε την γεωμετρία στην οποία θα γίνει η προσομοίωση. Στην δική μας περίπτωση η γεωμετρία ήταν το phantom ανδρικό και γυναικείο. 2) Materials Σε αυτό το στάδιο πρέπει να βάλουμε τα κατάλληλα υλικά στην γεωμετρία που έχουμε φτιάξει. Εμείς ουσιαστικά βάλαμε χρησιμοποιώντας μία βάση δεδομένων στον άνθρωπο όλα τα υλικά των οργάνων και των ιστών του ανθρώπου με τις κατάλληλες ηλεκτρικές και μαγνητικές σταθερές. 3) Grid Εν συνεχεία ορίζεται το πλέγμα μέσα στο οποίο θέλουμε να κάνουμε τον μετασχηματισμό FDTD. 4) Meshing Σε αυτό το βήμα κάνουμε meshing το πλέγμα που θέλουμε να χρησιμοποιήσουμε 5) Συνοριακές συνθήκες Καθορίζουμε τις συνοριακές συνθήκες, ώστε να ικανοποιούνται κάποια στοιχεία τα οποία περιεγράφηκαν παραπάνω. 6) Sensor objects Βάζουμε την κατάλληλη τροφοδοσία στην πηγή μας και τους κατάλληλους σένσορες στα σημεία που θέλουμε να πάρουμε μετρήσεις 7) Simulation Πραγματοποιείται η προσομοίωση 8) Results Παίρνουμε τα αποτελέσματα, ώστε να τα μελετήσουμε και να επεξεργαστούμε κατάλληλα. 54

55 4.3.3: Μία 3D απεικόνιση του συστήματος των ιατρικών εμφυτευμάτων Η εικόνα που ακολουθεί περιγράφει συνοπτικά το block διάγραμμα του συστήματος προσομοίωσης που χρησιμοποιείται στην εργασία. Όπως μπορεί κανείς να παρατηρήσει, τα κύρια στοιχεία του συστήματος περιλαμβάνουν ένα τρισδιάστατο μοντέλο ανθρώπινου σώματος, το λεγόμενο human phantom, μία μηχανή διάδοσης, η οποία ουσιαστικά είναι ένας προσομοιωτής ενός τρισδιάστατου ηλεκτρομαγνητικού πεδίου, μία πλατφόρμα για να δούμε την όλη δομή και τέλος μία εμφυτευμένη κεραία. HUMAN BODY MODEL PROPAGATION ENGINE 3D IMMERSIVE PLATFORM Σχήμα 4-1 Block διάγραμμα συστήματος προσομοίωσης 4.4: «CASE STUDY» Στην παρούσα διπλωματική εργασία, μελετάται ένα ανθρώπινο phantom ενός άνδρα και μίας γυναίκας, με σκοπό να εξαχθεί το gain pattern, να μελετηθεί η συμπεριφορά του ηλεκτρικού πεδίου και οι διακυμάνσεις που γίνονται στην πυκνότητα της ενέργειας. Όλα τα παραπάνω συμπεράσματα θα οδηγήσουν στην επαλήθευση του μοντέλου απωλειών οδεύσεως και θα βοηθήσουν στην εκτίμηση της διάδοσης του σήματος για μία κεραία η οποία είναι εμφυτευμένη στο ανθρώπινο πάγκρεας και λειτουργεί σε δύο συχνότητες. Στην MICS μπάντα και στην ISM μπάντα, αντιστοίχως. Παρόμοια μελέτη, από ότι γνωρίζουμε, δεν έχει δημοσιευτεί μέχρι στιγμής. 55

56 4.4.1:Human Phantoms Στα ανθρώπινα phantoms από το πρόγραμμα προσομοίωσης που χρησιμοποιήσαμε, πρέπει να οριστούν κάποιες βασικές αρχικοποιήσεις. Αυτές οι αρχικοποιήσεις αφορούν κυρίως κάποιες βασικές παραμέτρους, όπως το μέγεθος της βασικής μονάδας πλέγματος, για την μέθοδο FDTD που αναλύσαμε παραπάνω. Σε κάθε ανθρώπινο phantom, επιλέχθηκε ως μέγεθος κυττάρου του πλέγματος τα 5mm, ενώ το χρονικό βήμα ορίστηκε στα 9.4ps με σκοπό να ικανοποιούνται κάποιες συγκεκριμένες απαιτήσεις, συμπεριλαμβανομένου του μήκους κύματος (το μέγιστο μέγεθος του κυττάρου δεν πρέπει να ξεπερνά το 1/10 του μήκους κύματος), γεωμετρικών παραμέτρων και ακρίβειας. Για τον σκοπό της συγκεκριμένης εργασίας χρησιμοποιήσαμε ένα ανδρικό ορατό phantom με ανάλυση 5mm (dx=dy=dz=5mm) και ένα γυναικείο ορατό phantom με ανάλυση επίσης 5mm (dx=dy=dz=5mm). Το μέγεθος του ανδρικού phantom είναι ΔΧ=570mm ( κατά μήκος της διεύθυνσης του στήθους), ΔΥ= 325mm (βάθος) και ΔΖ=1875mm (ύψος). Για το γυναικείο phantom, οι αντίστοιχες τιμές είναι ΔΧ=530mm ( κατά μήκος της διεύθυνσης του στήθους), ΔΥ= 285mm (βάθος) και ΔΖ=1725mm (ύψος). Όλες οι ηλεκτρικές αγωγιμότητες και οι μαγνητικές διαπερατότητες που χρησιμοποιούνται για τα διάφορα όργανα και τους διάφορους ιστούς, βρίσκονται σε μία βάση δεδομένων. Για την συγκεκριμένη εφαρμογή η αγωγιμότητα και η διαπερατότητα για τον ιστό του παγκρέατος στα MHz και στα 2.45 GHz που χρησιμοποιήθηκε στην προσομοίωση προέρχεται από την βάση δεδομένων του IT IS foundation [36]. Συγκεντρωτικά τα παραπάνω νούμερα βρίσκονται στους πίνακες που ακολουθούν. Human Phantoms ΔΧ ΔΥ ΔΖ MALE 570mm 325mm 1875mm FEMALE 530mm 285mm 1725mm Πίνακας 5 Μέγεθος ανθρώπινου phantom FREQUENCY RELATIVE PERMITTIVITY 2.45GHz MHz Πίνακας 6 Σχετική διαπερατότητα ιστού παγκρέατος για τις δύο μελετούμενες συχνότητες 56

57 Σχήμα 4-2 Αναπαράσταση ανδρικού phantom που χρησιμοποιήθηκε στην προσομοίωση Σχήμα 4-3 Αναπαράσταση γυναικείου phantom που χρησιμοποιήθηκε στην προσομοίωση 57

58 4.4.2: Επιλογή Κεραίας Αναπτύξαμε δύο κεραίες για την προσομοίωση μας, μία για κάθε συχνότητα. Ο τύπος της κεραίας που χρησιμοποιήθηκε ήταν δίπολο (half-wave dipole). Για τα MHz είχε μήκος 47.5mm, ενώ για τα 2.45 GHz είχε μήκος 8.09mm. Και τα δύο είχαν 1 mm απόσταση κενό (separation gap). Τα μήκη των κεραιών υπολογίστηκαν λαμβάνοντας υπόψιν το μήκος κύματος μέσα στο πάγκρεας και την κατάλληλη συχνότητα. Τα δίπολα χρησιμοποιήθηκαν ως κεραίες για το πείραμα μας, για μία πληθώρα λόγων. Συγκεκριμένα, είναι ο τύπος κεραιών που χρησιμοποιείται ευρέως και πολύ συχνά σε διάφορες εφαρμογές έχει απλή δόμηση και είναι χαμηλού κόστους. Επιπρόσθετα, η χρήση μαγνητικού τύπου κεραίας, και πιο συγκεκριμένα η patch antenna και η serpentine antenna, δοκιμάστηκε σε κάποια προκαταρκτικά test που τρέξαμε στον συγκεκριμένο βάθος μέσα στο ανθρώπινο σώμα (πάγκρεας) αλλά τα αποτελέσματα που λάβαμε τόσο σε επίπεδα πυκνότητας ενέργειας όσο και στην γενικότερη συμπεριφορά διάδοσης του σήματος δεν ήταν ικανοποιητικά. Εξάλλου τα δίπολα έχουν χρησιμοποιηθεί ήδη σε διάφορες άλλες δημοσιευμένες εργασίες τόσο για την MICS μπάντα συχνοτήτων όσο και για την ISM μπάντα και έχει συζητηθεί η επιρροή τους στην θέρμανση των ιστών αλλά και στην διάδοση του σήματος στην βιβλιογραφία. Η πηγή τροφοδοσίας των κεραιών είναι μία απλή διακριτή πηγή τάσης με μία αντίσταση 50 ohm εν σειρά και ημιτονοειδές σήμα τροφοδοσίας για τις κατάλληλες μελετώμενες συχνότητες. Η πηγή οριοθετήθηκε στον z άξονα και πρακτικά τοποθετήθηκε στο 1mm διάκενο μεταξύ των δύο κομματιών του δίπολου. Σε όλα τα σενάρια η θέση αρχής της πηγής σε καρτεσιανές συντεταγμένες είναι για το ανδρικό phantom x: mm, y:177mm, z: mm. Αντίστοιχα για το γυναικείο phantom οι τιμές είναι x: mm, y:172mm, z: Για να βρεθεί ο ιστός του παγκρέατος με σκοπό να τοποθετηθούν οι κεραίες και οι πηγές έπρεπε να γίνει τομή στο νοητό σώμα και με τον κέρσορα που διαπερνούσε όλα τα όργανα να βρεθεί ο ιστός του παγκρέατος στον τρισδιάστατο χώρο. Human Phantoms x y z MALE mm 177mm mm FEMALE mm 172mm mm Πίνακας 7 Συντεταγμένες τοποθέτησης κεραίας διπόλου μέσα στο phantom 58

59 Σχήμα 4-4 Αναπαράσταση γυναικείου phantom με εμφυτευμένη κεραία δίπολο Σχήμα 4-5 Αναπαράσταση ανδρικού phantom με εμφυτευμένη κεραία δίπολο 59

60 4.4.3: Διαδικασία λήψης μετρήσεων Για να εκτιμήσουμε την επίδραση των ιστών του ανθρώπινου σώματος στην εξασθένηση του σήματος διάδοσης, αναλύουμε την απώλεια οδεύσεως (path loss) και υπολογίζουμε τον εκθέτη απωλειών (path loss exponent) για όλα τα σενάρια μετρήσεων, αφού τοποθετήσουμε σε διάφορα σημεία επιλεγμένα στα οποία θα πραγματοποιήσουμε τις μετρήσεις ένα probe. Για αυτό το σκοπό, υπολογίζουμε το μακρινό πεδίο της κάθε κεραίας δίπολου. Για τα ΜΗz το μακρινό πεδίο της κεραίας ξεκινάει σε μία κρίσιμη απόσταση των 47.5mm από την πηγή, ενώ για τα 2.45 GHz η αντίστοιχη απόσταση είναι 8.09mm. Για αυτό το λόγο η απόσταση αναφοράς do για την μπάντα MICS καθορίζεται στα 50mm ενώ για την ISM μπάντα ορίζεται στα 10mm. Για να υπολογιστεί το μακρινό πεδίο της κάθε κεραίας ακολουθείται η εξής διαδικασία. Η κρίσιμη απόσταση δίνεται από τον παρακάτω τύπο: R > 2D2 λ 60 (4.9) Όπου D, είναι το μήκος της κεραίας και λ το μήκος κύματος για την συγκεκριμένη συχνότητα. Εάν βάλουμε στον παραπάνω τύπο τις διαστάσεις των κεραιών και το μήκος κύματος τότε θα πάρουμε τις παραπάνω κρίσιμες αποστάσεις για το κάθε δίπολο, από τις οποίες ξεκινάει το μακρινό πεδίο των κεραιών. Ακόμα πρέπει να προστεθεί ότι για το δίπολο το power gain είναι 1.64 και η ενεργός επιφάνεια είναι λ 2. Το βήμα των μετρήσεων καθώς κινούταν το probe από την αρχική απόσταση do που βρισκόταν μέσα στο πάγκρεας έως να φτάσει στο δέρμα στο ύψος του παγκρέατος, δηλαδή περίπου στην ζώνη, τέθηκε στα 5mm. Συνεπώς οι μετρήσεις παίρνονταν ανά 5mm. Σε κάθε περιοχή μετρήσεων, καταγράφηκαν ένα σύνολο από 70 τιμές για το χρονικά μεταβαλλόμενο ηλεκτρικό πεδίο και για το διάνυσμα poynting, σε έναν οριζόντιο άξονα κίνησης προς το δέρμα. Η διαδικασία επαναλήφθηκε τόσο για την δεξιά όσο και για την αριστερή πλευρά καθώς προχωράμε από το πάγκρεας προς το δέρμα. Καθώς το γυναικείο και το ανδρικό σώμα διαφέρουν, η πηγή του σήματος μετάδοσης βρίσκεται στα mm για το γυναικείο phantom και στα mm για το ανδρικό. Η συνολική απόσταση dtotal που καλύπτεται μέχρι την επιφάνεια του δέρματος είναι για την αριστερή πλευρά στα 142mm για την γυναίκα ενώ για τον άνδρα στα 145mm. Σε αντίθεση, για την δεξιά πλευρά οι αντίστοιχες τιμές είναι 186.5mm για την γυναίκα και mm για τον άνδρα. Αυτό σαφώς οφείλεται στο γεγονός ότι το πάγκρεας είναι πιο κοντά στην αριστερή πλευρά του σώματος παρά στην δεξιά όπως κοιτάζουμε το ανθρώπινο phantom από την μπροστινή όψη.

61 PHANTOM TOTAL DISTANCE(dtotal) MALE 145mm FEMALE 142mm Πίνακας 8 Απόσταση από το πάγκρεας στο δέρμα από την αριστερή πλευρά PHANTOM TOTAL DISTANCE(dtotal) MALE mm FEMALE 186.5mm Πίνακας 9 Απόσταση από το πάγκρεας από την δεξιά πλευρά Επιπρόσθετα, χρησιμοποιήθηκαν διαφορετικές τιμές για την μεταδιδόμενη ενέργεια για αυτά τα σενάρια. Για την μπάντα συχνοτήτων των 402.5MHz, η μεταδιδόμενη ενέργεια ήταν W για το ανδρικό phantom, ενώ η αντίστοιχη τιμή για το γυναικείο ήταν W. Λαμβάνοντας υπόψιν και το κέρδος της κεραίας του δίπολου που είναι 2.14dB, χρησιμοποιήθηκε τελικά ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς EIRP (effective isotropic radiated power) ίση με dBm για τον άνδρα και dBm για την γυναίκα. Οι αντίστοιχες τιμές για την μπάντα 2.45GHz ήταν W και dBm για τον άνδρα και W και dBm για την γυναίκα. Human Phantoms Tx POWER EIRP MALE W dBm FEMALE W dBm Πίνακας 10 Μεταδιδόμενη ενέργεια και ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς για 402.5MHz συχνότητα Human Phantoms Tx POWER EIRP MALE W dBm FEMALE W dBm Πίνακας 11 Μεταδιδόμενη ενέργεια και ενεργός ακτινοβολούμενη ισχύς για 2.45GHz συχνότητα 61

62 Σχήμα 4-6 Ενέργεια ηλεκτρικού πεδίου για το γυναικείο phantom στα 402.5MHz Σχήμα 4-7 Ενέργεια ηλεκτρικού πεδίου για το γυναικείο phantom στα 2.45 GHz 62

63 Σχήμα 4-8 Ενέργεια ηλεκτρικού πεδίου για το ανδρικό phantom στα 402.5MHz Σχήμα 4-9 Ενέργεια ηλεκτρικού πεδίου για το ανδρικό phantom στα 2.45GHz 63

64 4.5: «ΣΥΜΠΕΡΑΣΜΑΤΑ» Στο παρόν κεφάλαιο παρουσιάστηκε η μέθοδος που χρησιμοποιήθηκε στην παρούσα διπλωματική για τον υπολογισμό των βασικών παραμέτρων που είναι απαραίτητες για τον χαρακτηρισμό ενός ασύρματου καναλιού μέσα στο ανθρώπινο σώμα. Συγκεκριμένα η μέθοδος προσομοίωσης του ηλεκτρομαγνητικού πεδίου και της εξασθένησης αυτού όταν περνάει μέσα από τους ιστούς και τα όργανα του ανθρώπινου σώματος είναι η λεγόμενη μέθοδος FDTD. Για την ακριβή αναπαράσταση και λήψη σωστών αποτελεσμάτων χρησιμοποιήθηκαν δύο ανθρώπινα phantom με σταθερές ηλεκτρικές και μαγνητικές για το κάθε όργανο και ιστό, ένα γυναικείο και ένα ανδρικό. Επιπρόσθετα, αναλύθηκε η διαδικασία αρχικοποιήσεων, το πώς στήθηκε το πείραμα μας αλλά και πως πάρθηκαν οι μετρήσεις μας. Στο επόμενο κεφάλαιο, θα παρουσιαστούν αναλυτικά τα αποτελέσματα που προέκυψαν από τις μετρήσεις μας. 64

65 ΚΕΦΑΛΑΙΟ 5: «ΑΠΟΤΕΛΕΣΜΑΤΑ ΠΡΟΣΟΜΟΙΩΣΗΣ» 5.1:«ΕΙΣΑΓΩΓΗ» Στην παρούσα ενότητα παρουσιάζονται τα αποτελέσματα της προσομοίωσης που πραγματοποιήθηκε για την μοντελοποίηση του ασύρματου καναλιού από το πάγκρεας σε ένα εξωτερικό σημείο του δέρματος στο ύψος της ζώνης. Ακόμη επιχειρείται επεξεργασία και αξιολόγηση των ευρημάτων. Τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν διαγράμματα απολαβής μακρινών πεδίων (far-field gain patterns), μελέτη και καταγραφή του δείκτη SAR, κατανομή του ηλεκτρικού πεδίου, διακυμάνσεις της ενέργειας λήψης καθώς και μοντελοποίηση των απωλειών οδεύσεως και εύρεση του εκθέτη απωλειών διάδοσης. Μέσα από τα συγκεκριμένα αποτελέσματα, προσπαθούμε να κατανοήσουμε πως συμπεριφέρεται το συγκεκριμένο κανάλι που μελετάμε, τόσο ως προς την συμπεριφορά του αλλά και ως προς τις απώλειες που επιφέρουν τα διάφορα όργανα που διαπερνά το σήμα για να φτάσει από το πάγκρεας στο δέρμα. Τα ευρήματα ήταν αρκετά ενδιαφέροντα και επιδέχονται περαιτέρω διερεύνηση σε μελλοντική εργασία ή δημοσίευση. 5.2: «FAR-FIELD GAIN PATTERNS» Τα απόλυτα διαγράμματα κέρδους(absolute gain patterns) ως συνάρτηση της αζιμουθιακής γωνίας για το σενάριο για το ανδρικό και το γυναικείο phantom και για την MICS και την ISM μπάντα συχνοτήτων παρουσιάζονται στα δύο παρακάτω διαγράμματα αντιστοίχως. Οι συγκεκριμένες τιμές αφορούν το μακρινό πεδίο της κεραίας δίπολου. Το κοντινό πεδίο δεν έχει μελετηθεί στην παρούσα εργασία καθώς υπάρχουν ενεργά πεδία κοντά στην πηγή. 65

66 Σχήμα 5-1 Far-field gain pattern για το σενάριο με το ανδρικό phantom 66