Università degli studi di Pisa – Facoltà di Ingegneria delle Telecomunicazioni
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In questo lavoro di tesi abbiamo affrontato le problematiche relative ai sistemi On-Body, riguardanti l’antenna e il canale di propagazione. Considerando infatti la sempre crescente miniaturizzazione dei componenti elettronici e il continuo progresso sui computer indossabili, i dispositivi Wireless On-Body richiedono un grande sviluppo relativamente ai consumi di potenza, strettamente legati al funzionamento dell’antenna e alle caratteristiche del canale di propagazione.
La potenza necessaria al funzionamento rappresenta un nodo fondamentale nella progettazione di questi sistemi, in quanto incide sulle dimensioni delle batterie (e quindi sulle dimensioni effettive dei moduli indossati), che devono essere il più possibile contenute. Il problema di non sprecare potenza in trasmissione, ma di avere potenze sufficientemente elevate da non abbattere le prestazioni del sistema, richiede la conoscenza del canale e quindi una stima dell’attenuazione di potenza sul tratto che collega il modulo Tx a quello Rx.
La stima del Path Loss rappresenta (insieme alla stima del Delay Spread, non affrontata in questa tesi) un metodo per il dimensionamento del sistema di comunicazione On-Body. In questo lavoro si è visto che le caratteristiche del canale e quindi gli andamenti del Path Loss, dipendono da innumerevoli fattori quali:
• Tipo di antenne utilizzate e posizionamento.
• Frequenze di lavoro.
• Geometrie del corpo umano (es. le curvature delle superfici, dimensioni).
• Movimenti del corpo.
• Proprietà dei tessuti biologici ( tipo di tessuto, profondità degli strati, parametri dielettrici)
• Ambiente di funzionamento
Considerando la grande diversità strutturale degli individui è quindi impresa ardua vedere gli effetti di ogni singolo fattore sull’attenuazione complessiva e quindi è impossibile definire un modello unico di Path Loss che valga per tutti i sistemi On-Body.
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Un fattore però molto importante per la stima del Path Loss è il posizionamento delle antenne sul corpo che ci permette di considerare il problema del canale limitatamente alle parti del corpo interessate al collegamento. Il problema della stima del Path Loss infatti deve essere affrontato caso per caso (es. antenne Tx e Rx sul braccio, antenna Tx sul braccio e Rx sul petto e così via..) così come la progettazione del sistema.
Partendo da questo concetto abbiamo effettuato simulazioni di Path Loss (in condizioni di staticità) solo su alcune parti del corpo (es. antenna Tx e Rx sul braccio e sul torso) utilizzando antenne
“standard” (ossia monopoli a /4 con pani di massa metallici, posti ortogonalmente al corpo) e modelli semplificati del corpo (phantom numerici) quali il modello cilindrico per il braccio o i modelli planari (Flat), sferici ed ellissoidali per il torso.
Confrontando i parametri di Path Loss, ottenuti tramite simulazioni numerica, con le misure effettuate utilizzando dei sensori wireless (MicaZ) alla stessa frequenza, abbiamo riscontrato che alcuni modelli numerici semplificati possono essere una buona approssimazione dei modelli reali.
Bisogna precisare che nel confronto, i valori assoluti del Path Loss delle simulazioni differiscono di qualche dB dalle misure, sia a causa di una stima approssimata del link badget (i valori dei guadagni delle antenne e dei blocchi interni al Transceiver RF sono infatti delle approssimazioni e non sono quelli reali) sia a causa della diversa altezza delle antenne dal corpo (simulazioni: d=0, misure d 2cm).
Nel caso di Arm model in entrambe le situazioni il Path Loss è caratterizzato da un andamento logaritmico e quindi da una attenuazione algebrica tipica dello spazio libero; il cilindro a strati grasso-muscolo presenta un Path Loss Exponent leggermente inferiore a quello misurato, e sembra quindi essere un buon modello per il braccio.
Anche nel caso di Path Loss sul petto (Chest model) e sulla cintura (Waist model) si sono riscontrati risultati concordi tra i parametri delle simulazioni e quelli delle misure, sia per i dati LOS, Non- LOS e Transient. Per queste due situazioni si sono riscontrati andamenti lineari del Path Loss (in dB) soprattutto in condizioni di “non visibilità delle antenne”; ciò dimostra la presenza di onde che si propagano sulla superficie del corpo e che si attenuano con legge esponenziale.
