Opis
Monografia poświęcona modelowaniu kanałów radiowych w sieciach WBAN, czyli sieciach
radiokomunikacyjnych krótkiego zasięgu, obejmujących swoim działaniem ciało
człowieka (lub zwierzęcia) i jego bezpośrednie otoczenie. Podano definicję sieci WBAN
i ich klasyfikację. Opisano podstawowe
zagadnienia związane z tymi sieciami z uwzględnieniem problematyki
radiokomunikacyjnej, narzędzia statystyczne najczęściej stosowane do analizy
wyników eksperymentalnych badań propagacji fal radiowych, modele i metody umożliwiające
oszacowanie wartości parametrów kanału radiowego w sieciach WBAN różnego typu
oraz wyniki badań eksperymentalnych prowadzonych przez autora, stanowiących
istotny wkład w rozwój telekomunikacji.
Odbiorcy:
pracownicy naukowi, inżynierowie oraz studenci telekomunikacji, elektroniki i
informatyki, jak również specjaliści z zakresu inżynierii biomedycznej.
Spis treści
Wykaz ważniejszych oznaczeń 9
Wykaz ważniejszych skrótów 15
Przedmowa 18
Wstęp 20
Rozdział 1. Sieci WBAN –
zagadnienia podstawowe 23
1.1. Definicja i klasyfikacja 23
1.2. Właściwości elektryczne
ciała ludzkiego 26
1.3. Źródła zasilania 33
1.4. Bezpieczeństwo człowieka w
sieciach WBAN 40
1.5. Zastosowania sieci WBAN 43
1.5.1. Zastosowania medyczne 44
1.5.1.1. Sieci nasobne 45
1.5.1.2. Sieci wszczepione 46
1.5.1.3. Zdalnie sterowane urządzenia medyczne 46
1.5.2. Zastosowania niemedyczne 46
Rozdział 2. Sieci WBAN – zagadnienia
radiokomunikacyjne 48
2.1. Podstawowe zjawiska
propagacji fal radiowych 48
2.1.1. Wolna przestrzeń
propagacyjna i łącze radiowe 49
2.1.2. Odbicie, dyfrakcja i
rozpraszanie 55
2.1.3. Absorpcja, wnikanie i
tłumienie fal radiowych w ośrodkach stratnych 58
2.1.4. Zjawisko wielodrogowości
i depolaryzacja 64
2.1.5. Efekt falowodowy 65
2.2. Pasma częstotliwości 66
2.3. Wybrane zagadnienia
niższych warstw modelu OSI 69
2.4. Zagadnienia antenowe 72
2.5. Zagadnienia bezpieczeństwa
danych 75
2.6. Sieci WBAN jako systemy
cyberfizyczne 77
2.7. Uwarunkowania prawne i
standaryzacyjne 78
2.7.1. Uwarunkowania prawne na
świecie 79
2.7.1.1. Regulacje dotyczące UWB 79
2.7.1.2. Regulacje dotyczące ISM 82
2.7.1.3. Regulacje dotyczące MICS 84
2.7.1.4. Regulacje dotyczące WMTS 85
2.7.1.5. Regulacje dotyczące LP-AMI 85
2.7.1.6. Regulacje dotyczące SRD 86
2.7.2. Standardy możliwe do
wykorzystania w sieciach WBAN 87
Rozdział 3. Analiza
statystyczna wyników badań propagacyjnych 90
3.1. Wielowymiarowa analiza
regresji liniowej 90
3.1.1. Procedura analizy
regresji 90
3.1.2. Przypadek regresji z
jedną zmienną niezależną 91
3.1.3. Model wielorakiej
regresji liniowej 95
3.2. Rozkłady gęstości
prawdopodobieństwa stosowane do opisu zjawisk propagacyjnych 99
3.2.1. Rozkład normalny
(Gaussa) 99
3.2.2. Rozkład
logarytmiczno-normalny 100
3.2.3. Rozkład Rayleigha 102
3.2.4. Rozkład Rice’a (Nakagamiego-n) 103
3.2.5. Rozkład Nakagamiego-m 104
3.2.6. Rozkład Weibulla 105
3.2.7. Rozkład χ2 106
3.2.8. Połączony rozkład
logarytmiczno-normalny i Rayleigha 107
3.3. Metody statystycznej oceny
wyników badań eksperymentalnych 108
3.3.1. Badanie istotności różnicy
pomiędzy dwiema próbami 108
3.3.2. Badanie istotności
regresji liniowej i jej współczynników 109
3.3.3. Badanie przystawalności
wyników eksperymentalnych do modelu 110
3.3.4. Test zgodności chi-kwadrat
(χ2) 112
3.3.5. Kryterium informacyjne
Akaikego (AIC) 113
Rozdział 4. Modelowanie kanału
radiowego w sieciach WBAN 114
4.1. Charakterystyka kanału
radiowego 115
4.1.1. Tłumienie kanału
radiowego 115
4.1.2. Unormowany profil
opóźnienia 116
4.1.3. Współczynnik dyskryminacji
polaryzacji skrośnej 117
4.1.4. Częstość i średni czas
trwania zaników 118
4.1.5. Intensywność zaników 118
4.2. Rodzina modeli IEEE
802.15.6 118
4.2.1. Modele dla łączy radiowych
typu in-body (CM1 i CM2) 120
4.2.2. Modele dla łączy
radiowych typu on-body (CM3) 121
4.2.3. Modele dla łączy
radiowych typu off-body (CM4) 131
4.3. Wybrane modele tłumienia
systemowego 134
4.3.1. Model tłumienia
systemowego dla szerokopasmowych łączy radiowych typu in-body 134
4.3.2. Model tłumienia
systemowego dla łączy radiowych typu in-body
dla różnych tkanek ciała ludzkiego 136
4.3.3. Model tłumienia
systemowego dla łączy radiowych typu on-body
dla bydła domowego 137
4.3.4. Model tłumienia
propagacyjnego dla szerokopasmowych łączy radiowych typu off-body dla środowiska szpitalnego 138
4.4. Modelowanie kanału
radiowego w zakresie fal milimetrowych 139
4.4.1. Łącza radiowe typu on-body 141
4.4.2. Łącza radiowe typu off-body 143
4.5. Symulacyjne modelowanie
kanału radiowego 144
4.5.1. Metody pełnofalowe 145
4.5.1.1. Metoda momentów – MoM 145
4.5.1.2. Metoda elementów skończonych – FEM 145
4.5.1.3. Metoda różnic skończonych w dziedzinie czasu – FDTD 146
4.5.1.4. Technika całek brzegowych – FIT 147
4.5.2. Metody asymptotyczne 147
4.5.2.1. Metoda śledzenia promieni – RT 147
4.5.2.2. Jednolita teoria dyfrakcji – UTD 148
4.5.3. Metody hybrydowe 148
4.5.4. Porównanie symulacyjnych
metod modelowania kanału radiowego pod kątem ich zastosowania do projektowania
sieci WBAN 149
Rozdział 5. Wyniki badań
eksperymentalnych 151
5.1. Metodyka badań pomiarowych
właściwości kanałów radiowych w sieciach WBAN 152
5.1.1. Uniwersalne stanowisko
pomiarowe do badania kanałów radiowych w sieciach WBAN 152
5.1.2. Metodyka badań
pomiarowych kanałów radiowych w sieciach WBAN 155
5.1.3. Szacowanie niepewności
pomiarowej 158
5.2. Model kanału radiowego dla
sieci WBAN typu off-body pracujących
w środowisku biurowym 161
5.3. Analiza polaryzacyjna fal
radiowych w sieciach WBAN typu off-body
w środowisku biurowym 165
5.4. Charakterystyka zaników
wolnozmiennych i szybkozmiennych w sieciach WBAN typu off-body z przestrzennym odbiorem zbiorczym 169
5.5. Model kanału radiowego dla
wąskopasmowych i szerokopasmowych sieci WBAN typu off-body pracujących w środowisku promu pasażerskiego 171
5.6. Charakterystyka kanału
radiowego w sieciach WBAN typu body-to-body
w środowisku zamkniętym i otwartym 174
5.7. Model cienia radiowego
powodowanego przez ciało ludzkie w sieciach WBAN typu off-body i body-to-body 182
5.8. Analiza odpowiedzi impulsowej
kanału radiowego w szerokopasmowych sieciach WBAN typu off-body z polaryzacyjnym odbiorem zbiorczym 185
5.9. Analiza zaników
szybkozmiennych w wąskopasmowych sieciach WBAN pracujących w rewerberacyjnym
środowisku propagacyjnym 191
5.9.1. Propagacja fal radiowych
wewnątrz metalowych struktur kolistych 191
5.9.2. Wyniki badań pomiarowych
194
5.9.3. Wpływ krotności odbić na
zaniki szybkozmienne 196
5.9.4. Wpływ promienia
struktury kołowej i obszaru katakaustycznego na zaniki szybkozmienne 198
Podsumowanie 201
Literatura 203
O autorach / z książki
Dr hab. inż. Sławomir J. Ambroziak (profesor Politechniki Gdańskiej) jest specjalistą w dziedzinie radiokomunikacji,
a główne kierunki jego badań dotyczą propagacji fal radiowych, zwłaszcza
modelowania kanałów radiowych w sieciach WBAN. Jest pracownikiem badawczo-dydaktycznym
Katedry Systemów i Sieci Radiokomunikacyjnych Wydziału Elektroniki,
Telekomunikacji i Informatyki Politechniki Gdańskiej oraz autorem bądź
współautorem licznych publikacji naukowych. Realizuje projekty badawcze dotyczące
specjalnych zastosowań technik radiowych oraz prowadzi zajęcia dydaktyczne. Członek
IEEE (Senior Member), URSI (Senior Member), EurACoN i EurAAP, zarządu grupy
roboczej WG Propagation w ramach EurAAP, wiceprzewodniczący Komisji F PKN URSI
oraz sekretarz Wydziału IV Gdańskiego Towarzystwa Naukowego. W latach 2016-2020
członek komitetu sterującego Akcji COST CA15104 i przewodniczący grupy roboczej
SEWG-IoT: Internet-of-Things for Health działającej w ramach tej akcji.
