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1/76 Département COMELEC Groupe RFM Séminaire COMELEC WBAN channel 20 juin 2013 Les réseaux corporels sans fil (WBAN) : un canal radio très particulier Christophe Roblin [email protected] Special thanks to L. Ouvry & R. D’Errico (CEA-Leti), J.-M. Laheurte & T. Alves (UMLV) and Movea, Ela Medical (Sorin group), within ANR BANET project

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Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

Les réseaux corporels sans fil (WBAN) :

un canal radio très particulier

Christophe Roblin

[email protected]

Special thanks to L. Ouvry & R. D’Errico (CEA-Leti), J.-M. Laheurte & T. Alves (UMLV)

and Movea, Ela Medical (Sorin group), within ANR BANET project

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OutlineOutline

Introduction

Market context

WBAN definition and applications

Regulation

Why UWB ? Context ─ Motivation

WBANs nodes and radio link types

EM Field – Body Interaction

Electric properties of human tissues

Models and phantoms

Propagation mechanisms around the body

Channel models

Review of Path Loss (PL) models

IEEE 802.15.4a

IEEE 802.15.6…

… and others

What should be a “good” channel model?

Scenario-based models

Antennas and channel...

Antenna – body interaction

UWB specificities – Comparison to narrowband

Variability due to antennas

Measurement issues – Methodology

Problematics

Principles of the approach and methodology for a better reproducibility

On-on statistical approach

Parametric analyses and modelling – involved parameters

Antenna categorization

Influence of the movement

Conclusions on antenna

Right polarization

Desensitization techniques...

Conclusions & perspectives

Bibliography

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IINTRODUCTIONNTRODUCTION

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Market context Market context –– Professionals/consumers needsProfessionals/consumers needs

Upcoming applications for the wireless and semiconductor markets… [1]

Health monitoring, ambient assisted living

Gaming, “wearable computing”, fitness and sport

New mobile terminal peripherals

... introduced the WBAN terminology in the scientific community…

“Wireless Body Area Networks”

… and led to new standardization activities

… and led to new standardization activities [2]

Ultra low power extension of Bluetooth [3]

Creation of the Continua Health Alliance [4]

[1] The Promise of Body Area Networks, A. Astrin, ISMICT 2007, Oulu [2] http://ieee802.org/15/ [3] http://www.bluetooth.com/bluetooth/ [4] http://www.continuaalliance.org/home

IEEE 802.15.6

applications

Wearable only BAN

Real time video

streaming

Medical

applications

Non Medical

applications

Implant BAN

Disability assistance

Human performance

management

Remote control of

medical devices

Real time audio

streaming

Data file transfer

Stream transfer

Entertainment

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WBANs: what is this ? And what for ?WBANs: what is this ? And what for ?

From IEEE 802.15 TG 6: “[...] a communication standard optimized for low power devices and operation on, in or around the human body (but not limited to humans) to serve a variety of applications including medical, consumer electronics/personal entertainment and other”.

Applications

Health monitoring, surveillance, ambient assisted living, Physiological parameters measurement (heart rate, ECG, EEG

blood pressure…), WBSN type (wearable) or implantable Data logging from implants (pacemaker, defibrillator…) Body motion, gait, activity analysis (Parkinson, Alzheimer)

Telemedicine, “distributed & at-home hospital“, Gaming, “Wearable computing”, Fitness and sport Motion analysis (goniometry, accelerometry, gyroscope...) Vital signs, Performance …

IEEE 802.15.6

applications

Wearable only BAN

Real time video

streaming

Medical

applications

Non Medical

applications

Implant BAN

Disability assistance

Human performance

management

Remote control of

medical devices

Real time audio

streaming

Data file transfer

Stream transfer

Entertainment

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(Wireless) Body Area (Sensor) Networks(Wireless) Body Area (Sensor) Networks

BAN

Interconnected nodes

on/within human body

Sensing and communication

capabilities

Applications

Healthcare

Fitness

Entertainment

M.A. Hanson, H.C. Powell, A.T. Barth, K. Ringgenberg, B.H. Calhoun, J.H. Aylor, et J. Lach, “Body Area

Sensor Networks:Challenges and Opportunities,” Computer, vol. 42, Jan. 2009, pp. 58-65.

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Standardisation à l’IEEE 802Standardisation à l’IEEE 802

802.15.7

Visible light comm.

IEEE 802 LAN/MAN Standards Committee (wireless areas)

WLAN

IEEE 802.11

WPAN

IEEE 802.15

WMAN

IEEE 802.16

MBWA

IEEE 802.20

Regulatory TAG

IEEE 802.18

Coexistence TAG

IEEE 802.19

802.15.1

"Bluetooth"

802.15.2

Coexistence

802.15.3

High data rate 2.4GHz

802.15.4

« ZigBee » PHY/MAC

802.15.5

Mesh Networking

WRAN

IEEE 802.22

802.15.6

Body area networks

TG3c

60 GHz

TG4c

China

TG4d

Japan subGHz

TG4e

Enhanced MAC

TG4a

Alt PHY (UWB)

TG4b

Alt PHY, MAC

TG4f

RFID

TG4g

Smart Utility

Neighborhood

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BAN applications in IEEE 802.15.6 BAN applications in IEEE 802.15.6

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Medical monitoringMedical monitoring

source: IEEE 802.15-08-0158-01-0000, Toumaz

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Medical monitoringMedical monitoring

Monitoring of parameters

Ex: Glucose

Ex: Sleep analysis

Biofeedback

Ex: Emotion control

Source: IEEE 802.15-15-08-0163-00-0006, IMEC

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Medical « implants »Medical « implants »

Implants

Pacemaker

Defibrillators

Earring aids

Swallowable cameras

Source: Sorin Group, Guidant, IEEE 802.15-08-0162-00, Zarlink

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Sport, Biocinetics, BiomechanicsSport, Biocinetics, Biomechanics

Biocinetics – Biomechanics

Physiological analysis

Rehabilitation after accidents

Control of rehabilitation efficiency

Motion capture

Source: Movea

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MultimediaMultimedia ApplicationsApplications

“ON THE ROAD”

A application of BAN

is to connect all wireless

portable devices locally to

form a selfcontained network

around human body

Devices within a BAN can

then share resources such as

processing power, storage

space and Internet connectivity

“IN THE CAR”, e.g.

Connect portable devices to car stereo and control system

Monitor your health condition for a safe drive, e.g. sleeping, drunk…

Transmit personal profile to the car; such as seat, mirror and steering wheel positions.

source: IEEE 802.15-08-0169-01-0006, Samsung

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Fashion and Wearable ApplicationsFashion and Wearable Applications

One of the major trends in the fashion

industry is clearly the convergence of

fashion and wearable electronic device,

the so called "Wearable Technologies”.

It was predicted that within the next 10

years we could see 20% of garments with

electronic components in them (prediction

made in 2003).

The ISPO 2007 Summer show in Munich,

Germany, was a good demonstration of the

trend. The event is the world's biggest trade

This trend strongly indicates the advent of

the “wearable era” and BAN can play a big

role connecting these devices wirelessly.

source: IEEE 802.15-08-0169-01-0006, Samsung

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Intelligent clothes / Professional garmentsIntelligent clothes / Professional garments

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Regulation (spectrum access)Regulation (spectrum access)

Medical Implant Communication Systems (MICS)

source: IEEE 802.15-08-0348-01-0006, NICT

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Regulation (spectrum access)Regulation (spectrum access)

Ultra Wide Band (> 500 MHz bandwidth)

source: IEEE 802.15-08-0348-01-0006, NICT

Interférences

Coexistence

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Regulation (spectrum access)Regulation (spectrum access)

Ultra Wide Band (> 500 MHz bandwidth)

source: IEEE 802.15-08-0348-01-0006, NICT

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RegulationRegulation ((spectrumspectrum accessaccess))

Ultra Wide Band (> 500 MHz bandwidth)

source: IEEE 802.15-08-0348-01-0006, NICT

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RegulationRegulation ((spectrumspectrum accessaccess))

Bands & Bands & emissionemission levelslevels

License-free bands

Instrumentation, Scientific and Medical (ISM bands)

433.05-434.79 MHz

Power: 10 mW with 10% duty cycle

Short Range Device (SRD) Band:

Frequency: 868 to 870 MHz in Europe

Power: 7 dBm (5mW) to 500 mW

Industrial Scientific Medical (ISM) Band:

Frequency: 902 to 928 MHz in US

Power: -1.25 dBm = 0.75 mW (part 15.249)

2.400 – 2.485 GHz

Power: 10 mW EIRP

5.725-5.875 GHz

Power: 25 mW EIRP

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Regulation summaryRegulation summary

source: IEEE 802.15-08-0348-01-0006, NICT; IEEE 802.15-08-0158-00-0000, Toumaz

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Why UWB? Context Why UWB? Context –– MotivationMotivation

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Why UWB? Context Why UWB? Context –– MotivationMotivation

Source: Source: PulsersPulsers I ISTI IST--FP6 projectFP6 project

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WBANs nodes and radio link typesWBANs nodes and radio link types

«« onon--on, onon, on--off, inoff, in--onon »»

3 types of nodes with distinct propagation features can be defined

Implant nodes, placed inside the body

Surface nodes, placed on the skin surface or at most 2 centimetres away

External nodes: between a few centimetres and up to 5 meters away from the body

3 types of radio links

In-on implants or swallowable (+ in-in, in-off, but...)

On-on sensor to worn central node (gateway)

On-off sensor or gateway to external access point

In-on

Difficult – 1. Antenna miniaturization & matching

2. Channel mainly governed by the strong attenuation

On-on (& partly On-off )

Antenna/body near field coupling

Difficult channels : PL, Slow fading (shadowing),

Numerous sources of variability, Special Doppler

« on » BAN

gateway

« on » BAN

node for

hearing

« on » BAN node

(Pacemaker

gateway)

« on »BAN node

for activity

« in » BAN node

(Pacemaker

implant)

in-on

on-on

on-body

in-body

on/on-body link

in/on-body link

BAN gateway

« on » BAN

gateway

« on » BAN

node for

hearing

« on » BAN node

(Pacemaker

gateway)

« on »BAN node

for activity

« in » BAN node

(Pacemaker

implant)

in-on

on-on

on-body

in-body

on/on-body link

in/on-body link

BAN gateway

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Propriétés électriques des tissus des… mammifèresPropriétés électriques des tissus des… mammifères

Eh oui, nous avons plus de 95 % de gènes en commun avec le…Eh oui, nous avons plus de 95 % de gènes en commun avec le…

Expérimentations in vivo (rat) et in vitro (la plupart)

Gabriel & Gabriel, "Compilation of the Dielectric Properties of

Body Tissues at RF and Microwave Frequencies". Brooks Air

Force Technical Report AL/OE-TR-1996-0037

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Propriétés électriques des tissusPropriétés électriques des tissus

Modèles pour la simulationModèles pour la simulation

Modèle Cole-Cole (inhomogène, tissus, organes)

Polarisation dipolaire (temps de relaxation tm), conductivité ionique (si)

10

( )1 ( ) m

m i

mmjj

s

t

10 -3

10 -2

10 -1

10 0

10 1

10 -2

10 -1

10 0

10 1

10 2

10 3

f (GHz)

' a

nd s

(S

/m)

Skin (dry), Fat, Muscle, Brain (White and Grey matter) Relative Permittivity and Conductivity

Skin ( ')

Fat

Muscle

Brain (White matter)

Brain (Grey matter)

Skin ( s )

Fat

Muscle

Brain (White matter)

Brain (Grey matter)

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UWB UWB characteristicscharacteristics of body tissues: of body tissues: HomogeneousHomogeneous

and 2and 2ndnd orderorder modelsmodels –– dispersiondispersion

Note: 4-Cole-Cole model

is

(important for

such

The point

general

accurate WBANs

Note: 4-Cole-Cole model

is better but more complex

(important for internal problem

such as dosimetry (SAR).

The point here is to show the

general trend, not to be very

accurate on-on, on-off WBANs

210

0)(

j

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Fantômes numériques et expérimentauxFantômes numériques et expérimentaux

Fantômes inhomogènes Fantômes inhomogènes –– Modèles «Modèles « VoxelVoxel »»

~20 Modèles « morphologiques » inhomogènes (IRM) réalistes, précis

Virtu

al F

am

ily (IT

’IS F

ou

nd

atio

n)

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Fantômes numériques et expérimentauxFantômes numériques et expérimentaux

Fantômes homogènes morphologiques & «Fantômes homogènes morphologiques & « canoniquescanoniques »»

Specific Anthropomorphic Mannequin (SAM) : géométrie numérique/réel id.

Modèles « canoniques » : sphères, cylindres, ellipsoïdes

IdemIdem

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Un peu de physique Un peu de physique

Mécanismes de propagation le long du corpsMécanismes de propagation le long du corps

Aucune propagation à travers le corps (~>2 GHz)

Propagation autour, le long du corps

Ondes rampantes (diffraction), vj = c !

Modes de surfaces (~LOS, ex. torse)

Propagation en espace libre

Hanche/poignet, réflexions sur le corps

Environnement (réflexions du sol, des murs)

Preuves théoriques & expérimentales

AA > 200 dB !> 200 dB !

PLmes ~ 40 – 70 dB

22--waves waves

interferencesinterferences

at the antipodeat the antipode

T. Alves et al., “Analytical Propagation

Modeling of BAN Channels Based on the

Creeping-Wave Theory,” IEEE Trans. AP, Apr. 2011

T. Zasowski et al., “UWB Signal Propagation at the Human Head,” IEEE Trans. AP, Apr. 2006

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WBAN: Review of PL measurements and modelsWBAN: Review of PL measurements and models

Power law model

Exponential model (anechoic chamber)

« Saturation » model (Indoor, 915 MHz, 2.45 GHz)

« Scenario-based » models

“Hybrid” approach considering scenarios,

but still modelling PL as PL(d)

A promising approach: application-dependent

radio link “scenarios”, e.g. belt to chest for ECG, etc.

NbdadPL )log()( [mm][dB][mm]

NddPdPL )()( 00[dB]

PPPdMP

nedPL s

)1010log(10)(10/343.4/)(10/

[dB][cm]1]cm[00

a & b depend on the:

- Frequency band

- Environment

Main drawback of PL(d): completely Main drawback of PL(d): completely

different radio links are merged

very different PL for same d

Very high variances

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WBAN: Review of PL measurements and modelsWBAN: Review of PL measurements and models

Anechoic

cham

ber

Anechoic

cham

ber

100 200 300 400 500 600 700 800 900 100030

40

50

60

70

80

90

100

d (mm)

PL (

dB

)

Comparison of IEEE802.15.6 models and others - Anechoic chamber or equivalent

950-956 MHz - NICT

2.4-2.5 GHz - NICT

3.1-10.6 GHz - NICT

2-6 GHz - 802.15.4a

3-10 GHz - IMEC "front"

2-12 GHz - ENSTA

4-5 GHz - ENSTA

6-9 GHz - ENSTA

3.1-5.1 Ghz - Samsung "Standing"

3.1-5.1 Ghz - Samsung "Sitting"

7.25-8.5 Ghz - Samsung "Standing"

7.25-8.5 Ghz - Samsung "Sitting"

2-8 GHz - Zasowski, JSAC Jan 2009

2.45 GHz LOS - UB & QMUL

2.45 GHz NLOS - UB & QMUL

2005

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WBAN: Review of PL measurements and modelsWBAN: Review of PL measurements and models

In

door

Indoor

100 200 300 400 500 600 700 800 900 100020

30

40

50

60

70

80

90

d (mm)

PL (

dB

)IEEE802.15.6 - Indoor

950-956 MHz - NICT

2.4-2.5 GHz - NICT

3.1-10.6 GHz - NICT

915 MHz - IMEC

2.45 GHz - IMEC

820 MHz - NICTA

2.36 GHz - NICTA

3.1-5.1 Ghz - Samsung "Standing"

3.1-5.1 Ghz - Samsung "Sitting"

7.25-8.5 Ghz - Samsung "Standing"

7.25-8.5 Ghz - Samsung "Sitting"

20 dB !20 dB !

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34/76 Département COMELEC Groupe RFM

Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

WBAN: Review of PL measurements and modelsWBAN: Review of PL measurements and models Mainly IEEE802.15.4a & 802.15.6Mainly IEEE802.15.4a & 802.15.6

General remark: large dispersion of results >> each s

Anechoic chamber

For low distances (< 60 cm) 15.4a exp model compatible with others

Samsung over [3.1-5.1] Ghz close to « IMEC-front »

Close PL exponents for NICT & IMEC-front but with different PL0 Antennas…

UWB Samsung & ENSTA: same trend with regard to frequency behaviour

Indoor

Excellent agreement IMEC/NICTA at ~900 MHz & 2.45 GHz

NICT seems « underestimated » w.r.t. IMEC/NICTA 900 & 2.45

Samsung [3.1-5.1] coherent with IMEC/NICTA 2.45 GHz

NICT (hospital room, « layered ») data could be as well (better ?) represented by

a « saturarion » model

Particularly true at 400 MHz : PL almost constant (off reflections probably the

dominant mechanism)

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WBAN channel – 20 juin 2013

Small scale statistics Small scale statistics –– IR IR –– PDPPDP

IEEE 802.15.4a

Amplitude distribution Lognormal, bin to bin correlated (adjacent mainly) ( conventional Rayleigh or Ricean)

Number of clusters fixed to 2 (on-body diffraction + ground)

Inter-cluster arrival time fixed (0.5 ns)

Inter-path arrival time fixed (7-8 ns)

3 « scenarios » : «front», «side», «back» different parameters

Improvements to account for the environment

On-body + modified SV

Extracted after time gating the 1st cluster (on-body paths)

Dual-slope inter-cluster PDP decay; intra-cluster unchanged

Small-scale fading: Nakagami-m or lognormal

Cluster arrival time: Weibull instead of Poisson (or mixed Poisson)

« Large scale » statistics of energy reflected from env.: lognormal

UW

B B

AN

Ch

an

ne

l IEEE 802.15.6

From NICT

Tapped delay line

Single cluster

Path amplitude exp. decay

with Ricean factor

Path arrival time: Poisson

Number of paths: Poisson

(<L> ~5-6 in anechoic

chamber and ~38 for Hospital

room)

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WBAN channel – 20 juin 2013

Qu’estQu’est--ce qu’un «ce qu’un « bonbon » modèle statistique de canal ?» modèle statistique de canal ?

Bon compromis entre précision, représentativité et complexité

précision : dispersion "raisonnable" compatible avec les besoins applicatif, systèmes, etc.

représentativité : "général" vs "spécifique", environnement dépendant ("site-specific") ou

non, etc.

Crédibilité (pour les 2)

complexité : l'un des points les + importants ; un modèle doit être suffisamment simple pour

être utilisable efficacement dans les simulations "système" (couche PHY, lien radio, etc.)

Les premiers modèles

Approche « classique » en distance

Dispersion très importante : agrégation

de liens radio très différents

802.15.6 --> multiplication des modèles

("mosaïque"...)

Mais, ont contribué à la compréhension

des mécanismes H. Ghannoum and C. Roblin, “Investigation of the UWB Body Area

Propagation Channel,” ICUWB, Waltham, MA, USA, Sept. 2006

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Conclusions on IEEE802.15.6 channel modelsConclusions on IEEE802.15.6 channel models

Large dispersion of path loss results and models

Lack of standardization of measurement protocols ?

Too specific measurements ?

Lack of comparisons of the models with each other

Variability sources were not really studied

Population: morphology (heigth, corpulence, etc.), internal factors (tissues proportion, skin

fat, muscles, etc.)

Antennas (types, distance to body, polarisation, orientation, sensitivity to proximity effects)

Influence of movements (breathing, walking, running)

Influence of the environment (anechoic chamber, indoor premises)

A path loss law depending on distance is meaningless

Distance is NOT the dominant factor

Shadowing is the essential contributor

Temporal dependency due to movements

A scenario based approach is suitable

Roblin C., D'Errico R., Gorce J.M., Laheurte J.M, Ouvry L., « Propagation channel models

for BANs: an overview », COST 2100, 16/02/2009 - 18/02/2009, Braunschweig , Germany

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Channel characterisation: A scenarioChannel characterisation: A scenario--based approachbased approach

A scenario identifies

The transmitting antenna on-body position

The receiving antenna on-body position

The movement condition

Still (but breathing...)

Walking

Running

The environment

Anechoic chamber

Indoor

Band of interest

ISM 2.4 GHz

UWB 3-5 GHz

0 1

4

3

2

. .

B NE T . .

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OnOn--onon channelchannel measurementmeasurement campaigncampaign (CEA(CEA--LetiLeti))

TX on Hip (left)

Chest

Right Thigh

Right Wrist

Right Foot

TX on Left Ear

Right Ear

Hip (left)

Right Wrist

Right Foot

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OnOn--onon channelchannel measurementmeasurement campaigncampaign (CEA(CEA--LetiLeti))

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Séminaire COMELEC

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Mean channel gainMean channel gain

A great variability given

by discrepancies of diffe-

rent human bodies

A great variability on

Hip-Chest, Ear-Hip

Propagation mainly on

human body: no “on-air”

Higher gain in Indoor

Propagations by the

surrounding environment

Up to +10 dB in Hip-Foot

Up to +15 dB in Ear-Foot

Generally smaller (or

equal) dispersion in

UWB (vs NB)

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Fading componentsFading components

One can distinguish a slow fading component S(tn) and a fast one F(tn) in the

time dependent power transfer function:

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TimeTime--variant channel modellingvariant channel modelling

A great variability given

by discrepancies of

different human bodies

Statistics on human bodies

(only 7 subjects here...)

For a specific scenario

shadowing is modelled

by a log-normal distribution

Fast fading → Rice

R. D’Errico & L. Ouvry, “Time-variant BAN channel

characterization,” PIMRC 2009, Best Paper Award

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Shadowing correlation and human movementShadowing correlation and human movement

Correlation is slightly higher

in anechoic chamber than

in indoor

Shadowing correlation is

relatively high when the

human body does not move

The scenarios which

present high shadowing

(generally when one

antenna is on a limb)

present the highest

correlation

Thigh and Foot experience

“synchronous” shadowing,

but inverted with respect to

Wrist R. D’Errico & L. Ouvry, “Time-variant BAN channel characterization,” PIMRC 2009, Best Paper Award

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Antennas in (for?) WBANsAntennas in (for?) WBANs

Framework Framework –– Perimeter Perimeter –– ObjectivesObjectives

UWB antennas (for communications mainly)

On-body antennas: body proximity effects – comparison to NB

Parametric analysis

Numerous sources of variabilities plaid for a statistical approach

How to get models?

Which guidelines for antenna design?

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OnOn--body Antennas: body Antennas: problematic of some conceptsproblematic of some concepts

How to found the conceptual definitions of :

Energy transfer

Time spreading, etc.

... for (UWB) antennas which are: Isolated (“free” space)

On-body to off-body

Both on-body

For the field is measured (probed) on any

circumscribing sphere (enclosing the antenna)

clear definitions of ATF, AIR, Time spreading, etc.

For antenna body new antenna same concepts

For it’s more complicated: how to define the sphere ?...

If you want to probe the field on “the” relevant sphere, the probe is perturbed by near field effects due to the body proximity measurement depends on the probe/body coupling not intrinsic!...

analyse directly the radio link, i.e. the 2-antenna/body system

The controversy about the “intrinsic channel”...

O

r E

r

E

O

r

E

O

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UWB Antenna UWB Antenna –– Body InteractionBody Interaction UWB specificities UWB specificities –– Comparison to narrowbandComparison to narrowband

UWB versus Narrowband (or moderate band) Main issues:

Narrowband Input matching (strong « detuning ») sensitivty to the body

proximity effects should be reduced desensitization techniques are required

Widening of the BW

EM Screening with: a ground plane, ferrite sheets

UWB Energy transfer performance

(although input matching remains important)

Classes of UWB antennas

Balanced, grounded (low profile NP), small (quasi-)planar (nor balanced nor

grounded), chip antennas, magnetic (quasi-)planar (« slot-like »), loops (low profile NP)

Tangent (« Horizontal » or « Vertical ») or Normal Polarization (NP)

Conclusion: Antenna « categorization » (wide sense) is mandatory

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Narrowband Narrowband AntennaAntenna –– DetuningDetuning//DesensitizationDesensitization

IIFA detuning CPWA desensitization technique

Courtesy of J. M. Laheurte & T. Alves, UMLV/ESYCOM, France

1 1.5 2 2.5 3-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

Frequency (GHz)

S1

1

Free Space

10 mm

6 mm

3 mm

2 3 4 5 6 7 8 9 10-40

-30

-20

-10

0

10

20

Antenna distance from arm in mmR

ela

tive f

req

ue

ncy s

hift

in %

CWPA without ferriteCWPA with ferrite

ff0 0 ~ 2.4 GHz~ 2.4 GHz

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UWB UWB AntennaAntenna: : EffectEffect on the input matchingon the input matching

Input matching (usual) trend (small (quasi-) planar unbalanced antennas)

2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12

x 109

-50

-45

-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

f (Ghz)

S1

1 (dB

)

DFMM Matching: Isolated & On-body (Torso, Hip, Ear)

versus distances to the body (mm) and human subjects

=10 Torso S1

=6 Torso S1

=6 Torso S3

=6 Torso S2

=6 Torso S4

=0 Torso S1

=10 Ear S1

=6 Ear S1

=6 Ear S2

=6 Ear S3

=6 Ear S4

=0 Ear S1

=10 Hip S1

=6 Hip S1

=6 Hip S2

=6 Hip S3

=6 Hip S4

=0 Hip S1

Isolated

DFMM

Losses (absorption due to r”) improve

matching “as a whole” (in general)

Frequency down shift due to high r’

(mm)

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WBAN: variability due to antennas (1)WBAN: variability due to antennas (1)

Scenario-based approach

DFMM

DFMS

40

DFMM-DL

0 2 4 6 8 10 12-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

f(GHz)

|S21| d

B

|S21

|dB

: head to hip BAN scenario

DFMM

DFMS

DFMM-DL

Monopole

Tayo Yuden

Wisair

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WBAN: variability due to antennas (2)WBAN: variability due to antennas (2)

“Classical” approach (PL(d ))

A. Alomainy, Y. Hao, C. G. Parini, and P. S. Hall: UWB on-body

radio propagation and system modelling for wireless body-centric

networks, IEE Proc.-Comm., vol. 153, n° 1, Feb. 2006.

Horn shaped self-

complementary antenna (HSCA)

Planar inverted cone antenna (PICA)

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WBAN: variability due to antennas (3)WBAN: variability due to antennas (3)

Comparison with narrowband (2.45 GHz): (time) varying postures context

P. S. Hall, Y. Hao, Y. I. Nechayev, C. Constantinou, C. Parini, M. R. Kamarudin, T. Z. Salim, D. T. M. Hee,

R. Dubrovka, A. S. Owadally, W. Song, A. Serra, P. Nepa, M. Gallo, and M. Bozzetti:

Antennas and Propagation for On-Body Communication Systems, IEEE AP Mag., vol. 49, n° 3, June 2007.

Belt-to-wrist Belt-to-chest

> > 15 dB15 dB

~ 3

0 d

B~

30

dB

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Measurement issues Measurement issues –– MethodologyMethodology

Impact of the measurement methodology and protocols

Importance of the measurement methodology

Balanced/Unbalanced antennas

« Cable effects »

Parasitic environmental effects: residual MPCs

Reproducibility clearly defined measurement protocols

Taking care of the « effective dynamic range »

A Scenario-based approach: a bridge from measurement protocols,

processing and modelling and eventually relevant applications

This allows a better…

Statistical & parametric Channel analysis

Antenna «effects» in a controlled environment (Anechoic Chamber)

Quasi-deterministic parametric behaviour & scenarios

Indoor environments contribution (not presented today)

0 1

4

3

2

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Effect of feed cables: common current modeEffect of feed cables: common current mode

Unbalanced feed line Balanced feed line

Th. W. Hertel: Cable-Current Effects of Miniature UWB

Antennas, IEEE AP Symp., vol. 3A, pp. 524-527, July 2005.

CONCLUSION

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Another balanced planar antenna designed for WBANsAnother balanced planar antenna designed for WBANs

Atiqur Rahman, Akram Alomainy and Yang Hao: Compact Body-Worn Coplanar

Waveguide Fed Antenna for UWB Body-Centric Wireless Communications, EuCAP 2007.

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Measurement methodologyMeasurement methodology

2 ferrite beads

Absorber sleeve

bend Antenna

horizontal

polarization

0 2 4 6 8 10 12 -120

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

f (GHz)

DFMM - Phantom ear to ear V polar. - Cable effects

front cables (coupling), no ferrite, cables // and // to co-pol. idem, 1 ferrite/cable idem, 2 ferrites/cable (1 bend) side cables, 2 ferrites/cable (1 bend) side cables (outside absorbers), 2 ferrites/cable (2 bends) side cables (outside absorbers), 3 ferrites/cable (1 bend) side cables (surrounded by absorbers), 3 ferrites/cable (1 bend)

S21 (dB)

DFMM

DFMM-DL

0 20 40 60 80 100-150

-140

-130

-120

-110

-100

-90

-80

-70

-60

-50Average PDP (dB) - Hip-to-Chest, DFMM-DL

t (ns)

TxH-RxH-TowardsDoorAbsorb

TxH-RxH-BackTowardsDoorAbsorb

TxV-RxV-TowardsDoorAbsorb

TxV-RxV-BackTowardsDoorAbsorb

TxV-RxV-TowardsDoorNoAbsorb

TxV-RxV-BackTowardsDoorNoAbsorb

TxH-RxH-TowardsDoorNoAbsorb

TxH-RxH-BackTowardsDoorNoAbsorb

On-body

cluster

Doorknob spe-

cular reflection

Specular reflections

on opposite spotlights

Diffuse scattering of the door

Diffuse scattering of chamber opposite side

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Measurement methodology Measurement methodology improved reproducibility improved reproducibility

and cohesionand cohesion

100 200 300 400 500 600 700 800 900 100030

40

50

60

70

80

90

100

d (mm)

PL (

dB

)

Comparison of IEEE802.15.6 models and others - Anechoic chamber or equivalent

950-956 MHz - NICT

2.4-2.5 GHz - NICT

3.1-10.6 GHz - NICT

2-6 GHz - 802.15.4a

3-10 GHz - IMEC "front"

2-12 GHz - ENSTA

4-5 GHz - ENSTA

6-9 GHz - ENSTA

3.1-5.1 Ghz - Samsung "Standing"

3.1-5.1 Ghz - Samsung "Sitting"

7.25-8.5 Ghz - Samsung "Standing"

7.25-8.5 Ghz - Samsung "Sitting"

2-8 GHz - Zasowski, JSAC Jan 2009

2.45 GHz LOS - UB & QMUL

2.45 GHz NLOS - UB & QMUL

ENSTA-ParisTech 2009, Hip-to-Chest, [3.1, 4.8] GHz

1 s

ENSTA-ParisTech 2009, Hip-to-Chest, [6, 8.5] GHz

ENSTA-ParisTech 2009, Hip-to-Chest, [3.1, 10.6] GHz

ENSTA-ParisTech 2009, Hip-to-Wrist, [3.1, 4.8] GHz ENSTA-ParisTech 2009, Hip-to-Wrist, [6, 8.5] GHz

ENSTA-ParisTech 2009, Hip-to-Wrist, LOS (+ 30°), [3.1, 4.8] GHz

ENSTA-ParisTech 2009, Hip-to-Wrist, NLOS (- 30°), [3.1, 4.8] GHz ENSTA-ParisTech 2009, Hip-to-Wrist, NLOS (- 30°), [6, 8.5] GHz

ENSTA-ParisTech 2009, Hip-to-Wrist, LOS (+30°), [6, 8.5] GHz

2005

CEA-Leti 2009, Hip-to-Chest, [3, 5] GHz

CEA-Leti 2009, Hip-to-Writ, [3, 5] GHz

Approx. distance

excursion

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Transmission measurement setup (in the FD)Transmission measurement setup (in the FD)

Simultaneous measurement of 3 channels with post-calibration

3 independent receivers used

H

C

W

ZVA 40 - 10 MH – 40 GHz

T

a1

b1

a2

b2

Navel

H

T

W

C

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OONN--ONON STATISTICALSTATISTICAL APPROACHAPPROACH

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WBAN channel – 20 juin 2013

A parametric analysisA parametric analysis

For various scenarios (H2C & H2W as examples)

Comparison of various antenna types

Varying geometrical parameters:

Distance to the body

Walking/running postures arm angle

For 1 or 2 Human Subjects S

First in a well controlled environment: anechoic chamber

Statistics over:

Micro-positioning m (10 for H2C and 3 for H2W)

Repetitive frequency sweeps s (10 here)

),,,,,,(21 sSfScSa m

DFMS

24 40

DFMM DFMM-DL

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Statistical sampling for two scenariosStatistical sampling for two scenarios

Hip-to-Chest (H2C) Hip-to-Wrist (H2W)

wrist

q = 30°

q = 0 q = 30°

q = 60°

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Comparison of onComparison of on--body antennas: input matching (1)body antennas: input matching (1)

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

f (GHz)

S11 (

dB)

DFMS - Input matching (on sternum, isolated & hip - 20 mm)

= 3 mm

= 5 mm

= 7 mm

= 10 mm

= 12 mm

= 15 mm

= 20 mm

Isolated

Hip = 20 mm

DFMS

24

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

f (GHz)

S11 (

dB)

DFMM - Input matching (on sternum, isolated & hip - 20 mm)

= 3 mm

= 5 mm

= 7 mm

= 10 mm

= 12 mm

= 15 mm

= 20 mm

Isolated

Hip = 20 mm

DFMM

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20-40

-35

-30

-25

-20

-15

-10

-5

0

f (GHz)

|S11

| (dB

)

UWB Planar Balanced Dipole - Input Matching

CST, Isolated

PBD4, Isolated

Sternum, 20mm

Sternum, 10mm

Sternum, 7mm

Sternum, 5mm

Sternum, 3mm

40

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15-20

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0Stripline-fed Staircase Monopole - Isolated & on-body

f (GHz)

S11 (

dB)

Isolated

Sternum

Page 63: Les réseaux corporels sans fil (WBAN) : un canal radio ... · Département COMELEC 1/76 Groupe RFM Séminaire COMELEC WBAN channel – 20 juin 2013 Les réseaux corporels sans fil

63/76 Département COMELEC Groupe RFM

Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

MRG of isolated antennasMRG of isolated antennas

180

270

0

180

90

0

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

0

90

0

180

270

180

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

180

270

0

180

90

0

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

180

270

0

180

90

0

-18

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

0

90

0

180

270

180

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

180

270

0

180

90

0

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

4

0

90

180

0

270

180

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

PBD4 : MRG ([3,9]

GHz)

180

270

0

180

90

0

-16

-14

-12

-10

-8

-6

-4

-2

0

2

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64/76 Département COMELEC Groupe RFM

Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

H2C: averaged PG for 2 human subjects H2C: averaged PG for 2 human subjects PGPG(())

4 6 8 10 12 14 16 18 20-60

-55

-50

-45

-40

-35

-30

(mm)

PG

(d

B)

H2C: PG( ) for various antennas and bands (Subject 2)

DFMM-DL 3.1-4.8 GHz

DFMM-DL 6-8.5 GHz

DFMM-DL 3.1-10.6 GHz

PBD 3.1-4.8 GHz

PBD 6-8.5 GHz

PBD 3.1-10.6 GHz

SkyCross 3.1-4.8 GHz

SkyCross 6-8.5 GHz

SkyCross 3.1-10.6 GHz

Staircase Monop 3.1-4.8 GHz

Staircase Monop 6-8.5 GHz

Staircase Monop 3.1-10.6 GHz

All but Strc M. 3.1-4.8 GHz

All but Strc M. 6-8.5 GHz

All but Strc M. 3.1-10.6 GHz

Population is a strong source of

variability (typically a few dB, but up to

15–20 dB for some cases)...

... Antennas as well, are even

a stronger source of variability:

up to more than 30 dB !...

The PL depends also significantly on the frequency (generally )

4 6 8 10 12 14 16 18 20-80

-75

-70

-65

-60

-55

-50

-45

-40

-35

H2C: PG( ) for various antennas and bands (Subject 1)

(mm)

PG

(d

B)

DFMM-DL 3.1-4.8 GHz

DFMM-DL 6-8.5 GHz

DFMM-DL 3.1-10.6 GHz

PBD 3.1-4.8 GHz

PBD 6-8.5 GHz

PBD 3.1-10.6 GHz

SkyCross 3.1-4.8 GHz

SkyCross 6-8.5 GHz

SkyCross 3.1-10.6 GHz

Taiyo Yuden 3.1-4.8 GHz

Taiyo Yuden 6-8.5 GHz

Taiyo Yuden 3.1-10.6 GHz

DFMM 3.1-4.8 GHz

DFMM 6-8.5 GHz

DFMM 3.1-10.6 GHz

DFMS 3.1-4.8 GHz

DFMS 6-8.5 GHz

DFMS 3.1-10.6 GHz

PLPDA 3.1-4.8 GHz

PLPDA 6-8.5 GHz

PLPDA 3.1-10.6 GHz

Staircase Monop 3.1-4.8 GHz

Staircase Monop 6-8.5 GHz

Staircase Monop 3.1-10.6 GHz

ALVA 3.1-4.8 GHz

ALVA 6-8.5 GHz

ALVA 3.1-10.6 GHz

All but Strc M. 3.1-4.8 GHz

All but Strc M. 6-8.5 GHz

All but Strc M. 3.1-10.6 GHz

General trend: PG()

Except for the Staircase Monopole...

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65/76 Département COMELEC Groupe RFM

Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

H2C: PG empirical statistics and models (3.1 H2C: PG empirical statistics and models (3.1 –– 4.8 GHz)4.8 GHz) Tangent Tangent polarizationpolarization

-70 -65 -60 -55 -500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ula

tive

pro

ba

bilit

y"Shadowing" statistics: PG averaged over 3.1-4.8 GHz, for DFMS, DFMM,

Skycross and Taiyo Yuden antennas, and = [3, 5, 7, 11, 16, 20] mm

3 mm

Normal fit

5 mm

Normal fit

7 mm

Normal fit

11 mm

Normal fit

16 mm

Normal fit

20 mm

Normal fit

all delta

Normal fit

-64 -62 -60 -58 -56 -54 -52 -50 -48 -460

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ula

tive

pro

ba

bilit

y

"Shadowing" statistics: PG averaged over 3.1-4.8 GHz,for PBD antenna, = [3, 5, 7, 9, 11, 16, 20] mm and all

3 mm

Normal fit

5 mm

Normal fit

7 mm

Normal fit

9 mm

Normal fit

11 mm

Normal fit

16 mm

Normal fit

20 mm

Normal fit

all delta

Normal fit

-70 -65 -60 -55 -50 -45 -400

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ula

tive

pro

ba

bilit

y

"Shadowing" statistics: PG averaged over 3.1-4.8 GHz,for PLPDA antenna, = [3, 5, 7, 9, 11, 16, 20] mm and all

3 mm

Normal fit

5 mm

Normal fit

7 mm

Normal fit

9 mm

Normal fit

11 mm

Normal fit

16 mm

Normal fit

20 mm

Normal fit

all delta

Normal fit

-70 -65 -60 -55 -500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

"Shadowing" statistics: PG averaged over 3.1-4.8 GHz,for ALVA antenna, = [3, 5, 7, 9, 11, 16, 20] mm and all

Cum

ula

tive

pro

ba

bilit

y

3 mm

Normal fit

5 mm

Normal fit

7 mm

Normal fit

9 mm

Normal fit

11 mm

Normal fit

16 mm

Normal fit

20 mm

Normal fit

all delta

Normal fit

DFMS

40

DFMM

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66/76 Département COMELEC Groupe RFM

Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

H2C: PG empirical statistics and models (6 H2C: PG empirical statistics and models (6 –– 8.5 GHz)8.5 GHz) Tangent Tangent polarizationpolarization

-75 -70 -65 -60 -55 -500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ula

tive

pro

ba

bilit

y"Shadowing" statistics: PG averaged over 6-8.5 GHz, for DFMS, DFMM,

Skycross and Taiyo Yuden antennas, = [3, 5, 7, 9, 11, 16, 20] mm and all

3 mm

Normal fit

3 mm

Normal fit

3 mm

Normal fit

3 mm

Normal fit

3 mm

Normal fit

3 mm

Normal fit

3 mm

Normal fit

all delta

Normal fit

-62 -60 -58 -56 -54 -52 -50 -48 -46 -44 -42 -400

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ula

tive

pro

ba

bilit

y

"Shadowing" statistics: PG averaged over 6-8.5 GHz,for PBD antenna, = [3, 5, 7, 9, 11, 16, 20] mm and all

3 mm

Normal fit

5 mm

Normal fit

7 mm

Normal fit

9 mm

Normal fit

11 mm

Normal fit

16 mm

Normal fit

20 mm

Normal fit

all delta

Normal fit

-75 -70 -65 -60 -55 -50 -45 -400

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ula

tive

pro

ba

bilit

y

"Shadowing" statistics: PG averaged over 6-8.5 GHz,for PLPDA antenna, = [3, 5, 7, 9, 11, 16, 20] mm and all

3 mm

Normal fit

5 mm

Normal fit

7 mm

Normal fit

9 mm

Normal fit

11 mm

Normal fit

16 mm

Normal fit

20 mm

Normal fit

all delta

Normal fit

-66 -64 -62 -60 -58 -56 -54 -520

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ula

tive

pro

ba

bilit

y

"Shadowing" statistics: PG averaged over 6-8.5 GHz,for ALVA antenna, = [3, 5, 7, 9, 11, 16, 20] mm and all

3 mm

Normal fit

5 mm

Normal fit

7 mm

Normal fit

9 mm

Normal fit

11 mm

Normal fit

16 mm

Normal fit

20 mm

Normal fit

all delta

Normal fit

DFMMDFMS

24

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67/76 Département COMELEC Groupe RFM

Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

H2C: PG empirical statistics and models H2C: PG empirical statistics and models Normal Normal polarizationpolarization

-41 -40 -39 -38 -37 -36 -35 -340

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ula

tive

pro

ba

bilit

y"Shadowing" statistics: PG averaged over 3.1-4.8 GHz,

for Staircase Monopole antenna, = [3, 5, 7, 9, 11, 16, 20] mm and all

3 mm

Normal fit

5 mm

Normal fit

7 mm

Normal fit

9 mm

Normal fit

11 mm

Normal fit

16 mm

Normal fit

20 mm

Normal fit

all delta

Normal fit

-52 -51 -50 -49 -48 -47 -46 -45 -44 -43 -420

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ula

tive

pro

ba

bilit

y

"Shadowing" statistics: PG averaged over 6-8.5 GHz,for Staircase Monopole antenna, = [3, 5, 7, 9, 11, 16, 20] mm and all

3 mm

Normal fit

5 mm

Normal fit

7 mm

Normal fit

9 mm

Normal fit

11 mm

Normal fit

16 mm

Normal fit

20 mm

Normal fit

all delta

Normal fit

-46 -45 -44 -43 -42 -41 -40 -390

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ula

tive

pro

ba

bilit

y

"Shadowing" statistics: PG averaged over 3.1-10.6 GHz,for Staircase Monopole antenna, = [3, 5, 7, 9, 11, 16, 20] mm and all

3 mm

Normal fit

5 mm

Normal fit

7 mm

Normal fit

9 mm

Normal fit

11 mm

Normal fit

16 mm

Normal fit

20 mm

Normal fit

all delta

Normal fit

PG() but almost constant and low s

Screening effect of the ground plane...

Single model for all satisfying

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68/76 Département COMELEC Groupe RFM

Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

H2C: PG empirical statistics and modelsH2C: PG empirical statistics and models

Hip-to-Chest ("Shadowing", Normal fits)

Subject1† Monopole-like‡ PBD ALVA PLPDA Staircase M.

GHz (mm) Mean s Mean s Mean s Mean s Mean s

3.1

- 4

.8

3 -63.51 3.77 -59.83 1.08 -59.71 6.43 -59.05 3.25 -36.70 0.47

5 -62.28 3.42 -58.60 1.12 -59.63 6.24 -59.07 4.64 -37.32 0.22

7 -62.26 3.62 -57.00 2.47 -61.79 5.17 -56.22 4.79 -37.36 0.90

9 -63.05 2.68 -56.20 2.09 -61.44 4.22 -53.64 4.10 -38.25 0.77

11 -60.93 3.93 -55.39 3.48 -59.49 4.61 -52.03 4.83 -38.22 0.66

16 -59.53 4.37 -54.20 3.44 -59.23 4.99 -51.34 5.10 -38.39 0.48

20 -59.02 4.49 -51.90 2.69 -58.42 4.43 -48.87 4.50 -39.18 0.89

all -61.21 4.02 -55.45 3.32 -59.82 5.40 -52.91 5.65 -37.85 1.03

6 -

8.5

3 -64.10 6.81 -57.47 1.76 -60.65 2.78 -61.36 4.89 -45.49 0.72

5 -62.90 7.23 -55.21 2.34 -61.03 2.44 -63.04 5.42 -45.81 0.34

7 -62.70 7.44 -54.63 2.53 -60.90 1.88 -60.59 5.94 -45.97 1.02

9 -62.46 7.12 -53.31 2.25 -60.60 1.43 -58.56 5.60 -46.56 0.67

11 -61.22 6.39 -51.77 3.96 -59.92 1.50 -56.87 6.47 -46.98 0.47

16 -60.26 6.05 -50.90 3.98 -59.38 1.84 -55.19 6.53 -47.54 1.10

20 -60.33 5.22 -48.22 4.02 -58.69 2.38 -52.32 5.87 -49.48 0.96

all -61.79 6.92 -52.14 3.87 -60.09 2.25 -56.86 6.79 -46.67 1.51

3.1

-10

.6

3 -64.45 3.61 -59.57 1.42 -61.43 3.51 -60.32 4.17 -41.33 0.47

5 -62.91 4.05 -57.46 1.74 -61.31 3.27 -60.78 5.11 -41.96 0.30

7 -62.88 4.21 -56.69 2.57 -62.16 2.67 -58.17 5.36 -41.97 0.99

9 -63.05 4.04 -55.45 2.01 -61.72 2.37 -56.46 4.72 -42.93 0.46

11 -61.53 3.99 -53.69 3.85 -60.50 2.66 -54.81 5.56 -43.09 0.41

16 -60.40 3.97 -52.82 3.79 -59.96 3.09 -53.69 5.71 -43.27 0.35

20 -59.96 3.69 -50.11 3.50 -59.82 2.84 -51.08 5.17 -44.22 0.61

all -61.91 4.25 -54.11 3.79 -60.91 3.07 -55.24 6.05 -42.59 1.06

† Male: h = 1.68 m, m = 65 kg, BMI = 23.03 kg/m². ‡ "Monopole-like" = {DFMS, DFMM, Skycross, Taiyo Yuden}

Good PG Directivity

although badly matched

Almost constant PG

Ground plane screening

& correct PG balanced

although poorly matched

Good PG balanced

(and well matched)

Page 69: Les réseaux corporels sans fil (WBAN) : un canal radio ... · Département COMELEC 1/76 Groupe RFM Séminaire COMELEC WBAN channel – 20 juin 2013 Les réseaux corporels sans fil

69/76 Département COMELEC Groupe RFM

Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

H2C: PG empirical statistics and modelsH2C: PG empirical statistics and models

PG0() = PG00 + k

Hip-to-Chest: Mean Path Gain linear fits (PG0() = PG00 + k) Subject1† Monopole-like‡ PBD ALVA PLPDA Staircase M.

Band (GHz) PG00 k (mm-1) PG00 k (mm-1) PG00 k (mm-1) PG00 k (mm-1) PG00 k (mm-1)

3.1 - 4.8 -64.26 0.2706 -60.66 0.4434 -61.08 0.1110 -60.79 0.6385 -36.56 -0.1339

6 - 8.5 -64.31 0.2288 -58.23 0.509 -61.58 0.1388 -64.49 0.6128 -44.56 -0.2238

3.1-10.6 -64.78 0.2577 -60.47 0.5280 -62.26 0.1259 -62.41 0.5859 -41.06 -0.1601

† Male: h = 1.68 m, m = 65 kg, BMI = 23.03 kg/m². ‡ "Monopole-like" = {DFMS, DFMM, Skycross, Taiyo Yuden}

4 6 8 10 12 14 16 18 20-65

-60

-55

-50

-45

-40

-35

(mm)

PG

0 (

dB

)

H2C: Linear models of mean PG( ) for several antenna "categories" and bands (Subject 1)

Monopole-like 3.1-4.8 GHz

Lin. Fit (-64.3,0.27)

PBD 3.1-4.8 GHz

Lin. Fit (-60.7,0.44)

ALVA 3.1-4.8 GHz

Lin. Fit (-61.1,0.11)

PLPDA 3.1-4.8 GHz

Lin. Fit (-60.8,0.64)

Strc Monopole 3.1-4.8 GHz

Lin. Fit (-36.6,-0.13)

Constant fit (-37.85)

Monopole-like 6-8.5 GHz

Lin. Fit (-64.3,-0.23)

PBD 6-8.5 GHz

Lin. Fit (-58.2,0.51)

ALVA 6-8.5 GHz

Lin. Fit (-61.6,0.14)

PLPDA 6-8.5 GHz

Lin. Fit (-64.5,0.61)

Strc Monopole 6-8.5 GHz

Lin. Fit (-44.6,-0.22)

Monopole-like 3.1-10.6 GHz

Lin. Fit (-64.8,0.26)

PBD 3.1-10.6 GHz

Lin. Fit (-60.5,0.53)

ALVA 3.1-10.6 GHz

Lin. Fit (-62.3,0.13)

PLPDA 3.1-10.6 GHz

Lin. Fit (-62.4,0.59)

Strc Monopole 3.1-10.6 GHz

Lin. Fit (-41.0,-0.16)

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70/76 Département COMELEC Groupe RFM

Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

H2W: averaged PG for human subject 1 H2W: averaged PG for human subject 1 PGPG((,,pp))

4 6 8 10 12 14 16 18 20-74

-72

-70

-68

-66

-64

-62

-60

-58

-56

(mm)

PG

(d

B)

H2W: PG( , p) for 3 bands (DFMM-DL, Subject 1)

= -30°, 3.1-4.8 GHz

= -30°, 6-8.5 GHz

= -30°, 3.1-10.6 GHz

= 0, 3.1-4.8 GHz

= 0, 6-8.5 GHz

= 0, 3.1-10.6 GHz

= 30°, 3.1-4.8 GHz

= 30°, 6-8.5 GHz

= 30°, 3.1-10.6 GHz

= 60, 3.1-4.8 GHz

= 60, 6-8.5 GHz

= 60, 3.1-10.6 GHz

4 6 8 10 12 14 16 18 20-85

-80

-75

-70

-65

-60

-55

(mm)

PG

(d

B)

H2W: PG( , p) for 3 bands (PBD, Subject 1)

= -30°, 3.1-4.8 GHz

= -30°, 6-8.5 GHz

= -30°, 3.1-10.6 GHz

= 0, 3.1-4.8 GHz

= 0, 6-8.5 GHz

= 0, 3.1-10.6 GHz

= 30°, 3.1-4.8 GHz

= 30°, 6-8.5 GHz

= 30°, 3.1-10.6 GHz

= 60, 3.1-4.8 GHz

= 60, 6-8.5 GHz

= 60, 3.1-10.6 GHz

4 6 8 10 12 14 16 18 20-80

-75

-70

-65

-60

-55

H2W: PG( , p) for 3 bands (Skycross, Subject 1)

(mm)

PG

(d

B)

= -30°, 3.1-4.8 GHz

= -30°, 6-8.5 GHz

= -30°, 3.1-10.6 GHz

= 0, 3.1-4.8 GHz

= 0, 6-8.5 GHz

= 0, 3.1-10.6 GHz

= 30°, 3.1-4.8 GHz

= 30°, 6-8.5 GHz

= 30°, 3.1-10.6 GHz

= 60, 3.1-4.8 GHz

= 60, 6-8.5 GHz

= 60, 3.1-10.6 GHz

4 6 8 10 12 14 16 18 20-64

-62

-60

-58

-56

-54

-52

-50

-48

-46

-44

H2W: PG( , p) for 3 bands (Staircase Monopole, Subject 1)

(mm)

PG

(d

B)

= -30°, 3.1-4.8 GHz

= -30°, 6-8.5 GHz

= -30°, 3.1-10.6 GHz

= 0, 3.1-4.8 GHz

= 0, 6-8.5 GHz

= 0, 3.1-10.6 GHz

= 30°, 3.1-4.8 GHz

= 30°, 6-8.5 GHz

= 30°, 3.1-10.6 GHz

= 60, 3.1-4.8 GHz

= 60, 6-8.5 GHz

= 60, 3.1-10.6 GHz

““ effect” effect” dominateddominated by the shadowing for the H2Wby the shadowing for the H2W

(“posture effect” of arms (“posture effect” of arms walking mimic) walking mimic)

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71/76 Département COMELEC Groupe RFM

Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

H2W: PG empirical statistics and models (3.1 H2W: PG empirical statistics and models (3.1 –– 4.8 GHz)4.8 GHz) Tangent Tangent polarizationpolarization

-80 -75 -70 -65 -60 -550

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ulat

ive

prob

abili

ty

H2W "Shadowing" statistics: PG averaged over 3.1-4.8 GHz, forPBD antenna, = [-30, 0, 30, 60] deg and "OLOS" (excluding = -30 deg )

-30 deg

Normal fit

0 deg

Normal fit

30 deg

Normal fit

60 deg

Normal fit

"OLOS"

Normal fit

-80 -75 -70 -65 -60 -550

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ulat

ive

prob

abili

ty

H2W "Shadowing" statistics: PG averaged over 3.1-4.8 GHz, forPBD antenna, = [-30, 0, 30, 60] deg and "OLOS" (excluding = -30 deg )

-30 deg

Normal fit

0 deg

Normal fit

30 deg

Normal fit

60 deg

Normal fit

"OLOS"

Normal fit

-70 -65 -60 -55 -500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ulat

ive

prob

abili

ty

H2W "Shadowing" statistics: PG averaged over 3.1-4.8 GHz, forSkycross antenna, = [-30, 0, 30, 60] deg and "OLOS" (excluding = -30 deg )

-30 deg

Normal fit

0 deg

Normal fit

30 deg

Normal fit

60 deg

Normal fit

"OLOS"

Normal fit

-80 -75 -70 -65 -60 -55 -500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ulat

ive

prob

abili

ty

H2W "Shadowing" statistics: PG averaged over 3.1-4.8 GHz, forTaiyo Yuden antenna, = [-30, 0, 30, 60] deg and "OLOS" (excluding = -30 deg

-30 deg

Normal fit

0 deg

Normal fit

30 deg

Normal fit

60 deg

Normal fit

"OLOS"

Normal fit

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72/76 Département COMELEC Groupe RFM

Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

H2W: PG empirical statistics and models (3.1 H2W: PG empirical statistics and models (3.1 –– 4.8 GHz)4.8 GHz) Normal Normal polarizationpolarization (and (and comparisoncomparison withwith othersothers))

-60 -58 -56 -54 -52 -50 -48 -46 -44 -420

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ula

tive p

rob

abilit

y

H2W "Shadowing" statistics: PG averaged over 3.1-4.8 GHz, for StaircaseMonopole antenna, = [-30, 0, 30, 60] deg and "OLOS" (excluding = -30 deg )

-30 deg

Normal fit

0 deg

Normal fit

30 deg

Normal fit

60 deg

Normal fit

"OLOS"

Normal fit

-80 -75 -70 -65 -60 -55 -500

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1

PG (dB)

Cum

ula

tive p

rob

abilit

y

H2W "Shadowing" statistics: PG averaged over 3.1-4.8 GHz, for all butStaircase antenna, = [-30, 0, 30, 60] deg and "OLOS" (excluding = -30 deg )

-30 deg

Normal fit

-30 deg

Normal fit

-30 deg

Normal fit

-30 deg

Normal fit

"OLOS"

Normal fit

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73/76 Département COMELEC Groupe RFM

Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

H2W: PG empirical statistics and modelsH2W: PG empirical statistics and models

Hip-to-Wrist ("Shadowing", Normal fits) Subject 1† DFMM-DL PBD Skycross Taiyo Yuden All but StrcM. Staircase M.

GHz (deg) Mean s Mean s Mean s Mean s Mean s Mean s

3.1

- 4

.8

–30 -71.26 1.79 -75.97 3.25 -67.53 3.39 -79.45 1.23 -71.43 5.04 -57.30 1.50

0 -64.31 2.18 -67.49 2.40 -60.06 3.05 -69.17 1.86 -63.83 4.06 -45.65 1.12

30 -62.89 1.59 -63.59 2.04 -61.09 4.49 -63.99 2.81 -62.74 3.03 -45.20 1.27

60 -65.54 2.10 -61.17 3.07 -59.09 4.97 -59.18 3.09 -60.60 4.10 -47.62 1.84

OLOS -64.17 2.45 -63.37 3.59 -60.00 4.32 -62.39 4.62 -62.18 4.02 -46.04 1.85

all -65.09 3.68 -64.55 6.45 -61.00 5.09 -63.61 7.57 -63.26 6.19 -47.18 5.15

6 -

8.5

–30 -69.81 1.58 -77.59 3.37 -72.45 4.85 -87.21 1.53 -73.45 7.09 -62.60 1.48

0 -60.26 2.03 -63.80 4.87 -67.52 3.81 -78.32 2.36 -64.12 7.46 -55.19 1.46

30 -60.62 2.71 -61.98 4.83 -59.77 2.69 -66.75 3.96 -61.60 4.73 -53.23 1.72

60 -64.10 3.56 -60.15 2.15 -62.80 2.83 -68.98 1.79 -62.99 4.13 -56.97 2.06

OLOS -61.35 3.48 -61.72 4.73 -62.33 4.65 -69.30 5.58 -62.78 6.03 -54.87 2.38

all -62.40 4.53 -62.93 7.90 -63.44 6.56 -70.53 8.23 -63.91 8.21 -55.88 3.87

3.1

-10

.6

–30 -70.60 1.69 -77.34 3.07 -70.49 4.18 -83.46 0.98 -73.02 5.76 -60.89 1.20

0 -61.42 2.13 -65.17 3.48 -63.31 2.42 -74.27 1.73 -64.18 5.43 -50.67 1.18

30 -60.40 2.73 -62.62 2.68 -59.10 2.58 -65.76 2.85 -61.32 3.73 -49.79 1.20

60 -63.93 2.95 -60.49 1.82 -61.45 3.44 -62.94 2.71 -62.00 3.17 -52.50 1.78

OLOS -61.68 3.06 -62.35 3.59 -60.95 3.32 -65.68 5.20 -62.34 4.59 -50.85 1.87

all -62.75 4.53 -63.56 7.28 -62.04 5.65 -66.90 7.99 -63.46 7.18 -51.95 4.60

† Male: h = 1.83 m, m = 83 kg, BMI = 24.77 kg/m².

"OLOS" {0,30,60}

Remains the winner!

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74/76 Département COMELEC Groupe RFM

Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

H2W: PG empirical statistics and modelsH2W: PG empirical statistics and models

-30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60

-85

-80

-75

-70

-65

-60

-55

-50

-45

H2W: Quadratic models of mean PG( ) for several antenna types and bands (Subject 1)

(deg)

PG

(d

B)

DFMM-DL 3.1-4.8 GHz

Quadratic fit

PBD 3.1-4.8 GHz

Quadratic fit

SkyCross 3.1-4.8 GHz

Quadratic fit

Strc Monop 3.1-4.8 GHz

Quadratic fit

Taiyo Yuden 3.1-4.8 GHz

Quadratic fit

All but Strc M. 3.1-4.8 GHz

Quadratic fit

DFMM-DL 6-8.5 GHz

Quadratic fit

PBD 6-8.5 GHz

Quadratic fit

SkyCross 6-8.5 GHz

Quadratic fit

Strc Monop 6-8.5 GHz

Quadratic fit

Taiyo Yuden 6-8.5 GHz

Quadratic fit

All but Strc M. 6-8.5 GHz

Quadratic fit

DFMM-DL 3.1-10.6 GHz

Quadratic fit

PBD 3.1-10.6 GHz

Quadratic fit

SkyCross 3.1-10.6 GHz

Quadratic fit

Strc Monop 3.1-10.6 GHz

Quadratic fit

Taiyo Yuden 3.1-10.6 GHz

Quadratic fit

All but Strc M. 3.1-10.6 GHz

Quadratic fit

Hip-to-Wrist: Mean Path Gain quadratic fits (PG0() = PG00 + z1 z22)

Subject 1† DFMM-DL PBD Skycross Taiyo Yuden All but Staircase M. Staircase M.

Band

(GHz) PG00

z1

(deg-1)

z2

(deg-2) PG00

z1

(deg-1)

z2

(deg-2) PG00

z1

(deg-1)

z2

(deg-2) PG00

z1

(deg-1)

z2

(deg-2) PG00

z1

(deg-1)

z2

(deg-2) PG00

z1

(deg-1)

z2

(deg-2)

3.1 - 4.8 -64.53 0.1420 -0.0027 -67.95 0.2115 -0.0017 -61.79 0.1266 -0.0015 -69.88 0.2657 -0.0015 -64.96 0.1574 -0.0015 -46.90 0.2156 -0.0039

6 - 8.5 -61.28 0.1644 -0.0036 -65.60 0.2801 -0.003 -65.48 0.1886 -0.002 -75.85 0.3134 -0.003 -64.55 0.2023 -0.003 -55.16 0.1557 -0.003

3.1-10.6 -61.96 0.1759 -0.0035 -66.55 0.2607 -0.0028 -62.77 0.1839 -0.0026 -73.52 0.2866 -0.0018 -64.54 0.1992 -0.0026 -51.53 0.1945 -0.0036

† Male: h = 1.83 m, m = 83 kg, BMI = 24.77 kg/m².

PG0() = PG00 + z1 z22

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75/76 Département COMELEC Groupe RFM

Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

Conclusions: Antenna design objectivesConclusions: Antenna design objectives

Economic and/or acceptability constraints

Small size, integrated/integrable, chip (quasi-)planar or low profile

Maybe flexible (fabric antennas...)

Electromagnetic and/or system constraints

Polarization “matched” to propagation modes

(e.g. Creeping waves TE)

On-on: “end-fire” pattern (along the body)

On-off: boresight pattern (off the body)

Low sensitivity to body proximity

(detuning – mainly narrowband –, efficiency)

2 2.5 3 3.5 4 4.5 5

x 109

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

f [Hz]

H

(f)

2 [

dB

]

Normal

TV

TH

BAEE

EE .E

E.BA

EEBA BA

EEEE EE ..E

E..

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Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives

Les caractéristiques du canal WBAN on-on sont essentiellement liées :

Au type de lien radio (Hip to Chest, etc.)

Aux effets de masquage

Au mouvement (et à la posture)

Aux nombreuses sources de variabilité

Morphologiques (Taille, corpulence, âge, proportions des tissus de surface)

Des antennes (types, distance ua corps, polarisation, orientation, résilience/sensibilité aux effet de

proximité

De l’environnement (extérieur, intérieur – types de pièces, volume, réverbération, etc.)

A un spectre Doppler centré en 0 (n ~ 15 Hz)

Les modèles doivent rendre compte de la statistique…

De l’atténuation moyenne

Des évanouissement lents

Des évanouissements rapides

… Mais aussi des nombreuses sources de variabilité

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Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

Conclusion et perspectivesConclusion et perspectives

Les (« bons ») modèles disponibles doivent être généralisés, étendus:

Pour mieux rendre compte de la dispersion de population

En intégrant des modèles caractérisant la variabilité d’antenne

En modélisant réellement les effet de l’environnement, intérieur notamment

« Room electromagnetics »…

Globalement, ils devraient être moins « environnement dépendants » c’est-à-dire plus

aspécifiques, donc plus « paramétriques »

Statistique de population insuffisante : nombre de sujets faible et non nécessairement représentatifs

Modèles fondés sur des mesures avec en général un seul type d’antenne

Dans un environnement donné

Les modèles doivent rendre compte des corrélations spatiales

Pour les systèmes multi-antennes (« colocalisées »)

Pour les techniques d’accès et réseau alternatives et innovantes

Techniques de relayage, multi-sauts, etc.

Travaux menés en ce sens (corrélations), mais le développement des modèles reste

inachevé…

Antennes résilientes techniques de désensibilisation

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Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

References (1)References (1)

UWB THEORY, SYSTEMS & COMMUNICATIONS [1] Ian Oppermann, Matti Hämäläinen and Jari Iinatti, Ed.: UWB Theory and Applications, Wiley, 2004

[2] Maria-Gabriella Di Benedetto, Thomas Kaiser, Andreas F. Molisch, Ian Oppermann, Christian Politano, and Domenico Porcino:

UWB Communication Systems – A Comprehensive Overview , EURASIP Book Series on Signal Processing and Communications,

Volume 5, Hindawi Publishing Corporation, 2006

[3] Roberto Aiello and Anuj Batra, Ed. : Ultra Wideband Systems, Elsevier, 2006

[4] M. Ghavami, L. B. Michael and R. Kohno: Ultra Wideband Signals and Systems in Communication Engineering, Wiley, 2004

[5] D. D. Wentzloff, R. Blázquez, F. S. Lee, B. P. Ginsburg, J. Powell, and A. P. Chandrakasan: System Design Considerations for Ultra-

Wideband Communication, IEEE Communications Magazine, August 2005

[6] E. Faussurier (Chairman CEPT/ECC TG3): Generic regulation for UWB applications in Europe, 2nd Congress of Portu-guese

Committee of URSI “Electromagnetic Compatibility and New Radiocommunications Services” , Nov. 2008

UWB ANTENNAS [7] H. Schantz: The Art & Science of Ultrawideband Antennas, Artech House, 2005

[8] Zhi Ning Chen, Max J. Ammann, Xianming Qing, Xuan Hui Wu, Terence S.P. See, and Ailian Cai: Planar Antennas, IEEE

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[8] Ch. Roblin, S. Bories and A. Sibille: Characterization tools of antennas in the Time Domain, IWUWBS, Oulu, June 2003

[9] A. Shlivinski & E. Heyman: Antenna Characterization in the Time Domain, IEEE AP, Vol. 45, n° 7, July 1997

[10] S. Bories, H. Ghannoum & Ch. Roblin: Robust Planar Stripline Monopole for UWB Terminal Applications, ICU’05, Zurich, Sept. 2005

[11] Ch. Roblin: UWB Antennas: From Characteristics to Performance, Workshop on UWB for Wireless Communications, Local

Positioning & Sensing, IEEE MTT-S, San Francisco, June 2006

[12] A. C. Lepage & X. Begaud : A compact Ultrawideband Triangular Patch Antenna , Microwave and Optical Technology Letters, Vol.

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79/76 Département COMELEC Groupe RFM

Séminaire COMELEC

WBAN channel – 20 juin 2013

References(2)References(2)

WBAN ANTENNAS & CHANNEL

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[14] IEEE 802.15.4a channel model – Final report, Nov. 2006.

[15] IEEE P802.15-08-0780-09-0006 (K. Y. Yazdandoost and K. Sayrafian-Pour): Channel Model for Body Area Network (BAN), IEEE 802.15 Working Group

Document, April 2009.

[16] Molisch A. F., Cassioli D., Chong C., Emami S., Fort, B. Kannan A., Karedal J., Kunish J. and Schantz H. G.: A Comprehensive Standardized Model for

Ultrawideband Propagation Channels, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. 54, n° 11, Nov. 2006.

[17] A. Fort, C. Desset, P. De Doncker, P. Wambacq and L. Van Biessen: An Ultra-Wideband Body Area Propagation Channel Model–From Statistics to

Implementation, IEEE transactions on MTT, vol. 54, n° 4, April 2006.

[18] Ch. Roblin, R. D’Errico, J.M. Gorce, J.M. Laheurte, L. Ouvry: Propagation channel models for BANs: an overview; COST 2100 TD(09) 760 Braunschweig,

Germany 2009/Feb/16-18.

[19] P. S. Hall, Y. Hao, Y. I. Nechayev, C. Constantinou, C. Parini, M. R. Kamarudin, T. Z. Salim, D. T. M. Hee, R. Dubrovka, A. S. Owadally, W. Song, A. Serra, P.

Nepa, M. Gallo, and M. Bozzetti: Antennas and Propagation for On-Body Communication Systems, IEEE AP Mag., vol. 49, n° 3, June 2007

[20] P. S. Hall and Y Hao, Ed.: Antennas and Propagation for Body-Centric Wireless Communications, Artech House, 2006.

[21] T. Zasowski, G. Meyer, F. Althaus, A. Wittneben : Propagation Effects in UWB Body Area Networks, 2005 IEEE International Conference on Ultra-Wideband,

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[22] A. Alomainy, Y. Hao, C. G. Parini, P. S. Hall: Comparison between two different antennas for UWB on-body propagation measurements, IEEE Antennas and

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[23] H. Ghannoum, R. D'Errico, Ch. Roblin and X. Begaud: CHARACTERIZATION OF THE UWB ON-BODY PROPAGATION CHANNEL, Proceedings of the 1st

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[24] H. Ghannoum, C. Roblin and S. Bories : Effects of Antennas Characteristics on UWB Body Area Propagation Channel, International Journal on Wireless &

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[24] L. Ouvry, R. D’Errico, F. Dehmas, M. Maman, Ch. Roblin:

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WBAN channel – 20 juin 2013

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