Body-centric wireless communications
Authors: Παρασκευόπουλος Αναστάσιος 
Published: March 2024

Αυτή η διατριβή παρέχει μια πρωτότυπη συμβολή στον τομέα των ασυρμάτων επικοινωνιών με επίκεντρο το ανθρώπινο σώμα με την ανάπτυξη μιας νέας μεθοδολογίας μετρήσεων για τον χαρακτηρισμό κεραιών πάνω στο ανθρώπινο σώμα,. Παράλληλα, πρσφέρει νέα δεδομένα ως προς την υλοποίηση πλήρως υφασμάτινων κεραιών και τη μοντελοποίηση ασύρματων καναλιών επικοινωνίας πάνω στο σώμα λαμβάνοντας υπόψη τους διαφορετικούς τύπους κεραιών και τα αποτελέσματα της δυναμικής κίνησης του χρήστη.Πιο συγκεκριμένα, αναπτύσσεται μια μεθοδολογία μέτρησης για τον χαρακτηρισμό φορετών (wearable) κεραιών σε διαφορετικές θέσεις του ανθρώπινου σώματος. Αυτή η μεθοδολογία βασίζεται στη τεχνική μετρήσεων κεραιών στο κοντινό πεδίο σε κυλινδρικές συντεταγμένες (Cylindrical Near Field, CNF), η οποία διευκολύνει τις μετρήσεις φορετών κεραιών όταν χρησιμοποιείται ένα ολόσωμο συμπαγές ανθρωπόμορφο μανεκέν (SAM human body model). Αυτή η τεχνική επιτρέπει τη γρήγορη εξαγωγή του τρισδιάστατου (3D) σφαιρικού διαγράμματος ακτινοβολίας (full spherical radiation pattern) και την αντίστοιχη απόδοση ακτινοβολίας, που είναι μια σημαντική παράμετρος για τη βελτιστοποίηση του σχεδιασμού των φορετών συστημάτων κεραιών. Εμφανίζεται ως οικονομικά αποδοτική και εύκολη στην εφαρμογή λύση που δεν απαιτεί ακριβή συστήματα τοποθέτησης και περιστροφής (positioners) του ανθρωπίνου σώματος, σε αντίθεση με το συμβατικό σύστημα χαρακτηρισμού κεραιών στο μακρινό πεδίο.Η μέθοδος μέτρησης CNF αξιολογείται χρησιμοποιώντας μια τυπωμένη κεραία διπόλου σε κάθετη και οριζόντια πόλωση σε τρεις θέσεις πάνω στο σώμα, συγκεκριμένα στο στήθος, το κεφάλι και τον ώμο, στη ζώνη συχνοτήτων ISM 2,4 και 5,8 GHz. Επιπλέον, δύο πλήρως υφασμάτινες φορετές κεραίες τύπου patch με διακριτά χαρακτηριστικά ακτινοβολίας εξετάζονται ξεχωριστά, οι οποίες είναι κατάλληλες για επικοινωνίες πάνω (on-body) και έξω (off-body) από το ανθρωπίνο σώμα αντίστοιχα. Εκτός από τα αποτελέσματα μετρήσεων των κεραιών και πιο συγκεκριμένα το 3D διάγραμμα ακτινοβολίας μακρινού πεδίου, το πεδίο στο κοντινό πεδίο (near-field) αποτυπώνεται γραφικά πάνω στο περίγραμμα του ανθρώπινου σώματος, το οποίο δίνει μια εικόνα της κατανομής του ηλεκτρικού πεδίου πάνω στο σώμα. Η ακρίβεια των διαθέσιμων αποτελεσμάτων μετρήσεων επιβεβαιώνεται με ηλεκτρομαγνητικές προσομοιώσεις χρησιμοποιώντας ένα ισοδύναμο αριθμητικό ανθρώπινο μοντέλο. Ως εκ τούτου, αυτό το σύστημα μέτρησης μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως πρότυπο για την αξιολόγηση της απόδοσης φορετών κεραιών πάνω στο ανθρώπινο σώμα. Επιπλέον, σχεδιάζεται και κατασκευάζεται μια εύκαμπτη πλήρως υφασμάτινη φορετή κεραία η οποία χαρακτηρίζεται στα 2,4 GHz που μπορεί εύκολα να ενσωματωθεί σε έξυπνα ρούχα. Υποστηρίζει τη διάδοση επιφανειακών κυμάτων και παρουσιάζει μια ομοιοκατευθυντική ακτινοβολία (omnidirectional) που την καθιστά κατάλληλη για επικοινωνίες πάνω στο σώμα. Βασίζεται σε σχεδίαση κεραίας πολλαπλών στρωμάτων και χαμηλού προφίλ (HMMPA) με κεντημένες οπές βραχυκυκλωματος (conductive vias). Έμφαση δίνεται στη διαδικασία κατασκευής των υφασμάτικων οπών με αγώγιμη κλωστή που παίζουν σημαντικό ρόλο δημιουργώντας τη βέλτιστη λειτουργία για ακτινοβολία στο σώμα. Το χαρακτηριστικά ακτινοβολίας της προτεινόμενης πλήρως υφασμάτινης κεραίας βρέθηκαν παρόμοια με αυτά μιας συμπαγούς άκαμπτη χάλκινης κεραίας, που παρουσιάζει υψηλή απόδοση ακτινοβολίας πάνω στο σώμα ≈ 50%.Παράλληλα κατασκευάστηκε και μια πλήρως υφασμάτινη σπειροειδής κεραία με κυκλική πόλωση που επιτυγχάνει ευρυζωνική λειτουργία από 0.9-3 GHz, η οποία είναι κατάλληλη για επικοινωνίες εκτός σώματος. Μετρώντας την υφασμάτινη σπειροειδή κεραία πάνω στο SAM ανθρωπόμορφο μοντέλο, η αλληλεπίδραση κεραίας-σώματος εξετάζεται σε ένα ευρύ φάσμα συχνοτήτων. Τέλος, πραγματοποιείται ένας στατιστικός χαρακτηρισμός των καναλιών επικοινωνίας πάνω στο σώμα τόσο με προσομοιώσεις EM όσο και με μετρήσεις καναλιιού συμπεριλαμβανομένης της δυναμικής κίνησης του χρήστη (περπάτημα και τρέξιμο). Με τη χρήση τύπων κεραιών διαφορετικής πόλωση, τα κανάλια στο σώμα εξετάζονται για διαφορετικές συνθήκες διάδοσης. Τέσσερα κανάλια πάνω στο σώμα εξετάζονται με το ένα μέρος σταθερό στη μέση του ανθρώπινου σώματος ενώ το άλλο μέρος βρίσκεται στο στήθος, πλάτη, καρπός και πόδι. Το κέρδος διαδρομής καναλιού (channel path gain) καθώς και οι διαλείψεις μικρής και μεγάλης κλιμακας εξάγονται μετα από μια διαδικασία μετρήσεων με αναλυτη κυκλωμάτων (vector network analyzer VNA), και μοντελοποιούνται από στατιστικές κατανομές με την καλύτερη προσαρμογή (best-fit).