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1111
UHF 帯における狭帯域BAN（Body Area Network）チャネル測定
寺尾 優輝金 ミンソク 高田 潤一
東京工業大学
国際開発工学専攻
2009年4月23日 医療通信技術研究会
2222
発表の概要
• BANとはなにか
• BANチャネルモデルのカテゴリ
• BANチャネルモデルの特徴
• 本研究の目標
• 新しい測定法の紹介
• パスロスモデル
• 3D Fitting
• シャドーイング特性
• まとめと今後の課題
3333
BANとはなにか?
• BANとはBody Area Networkの略
• 現在、IEEE802.15 Task Group6で,ボディネットワークの標準化を進められている
• 人体内部または人体表面近傍での短距離無線通信であり、IEEE802.15で標準化されている他のパーソナルエリアネットワーク規格より小さい領域をカバーする（IEEE 802.15.6 ）
• 近年、人体周りの近距離通信の需要が高まっている
BANの応用分野
1-医療
2-ヘルスケア
3-エンタテイメント
4444
医療/ヘルスケアへの応用• 近年、高齢者の増加に伴い医療機関の利用者および要介護者が増加
• 医師、看護師なども不足している
• センサを付ける事により患者の様々な医療データを
ワイヤレスで送信
-脳波
-心電図
-筋電図
-心拍数
5
エンタテイメント分野への応用
デバイス間を有線通信するとケーブルがとても邪魔 BAＮシステムならコー
ドレスで見た目もすっきり!!
<Chunhui Zhu>
doc.IEEE802.15<0169r01>
6666
BANチャネルモデルのカテゴリ
• (I) アクセスポイントから人体表面
• (II) 人体表面から人体表面
• (III) 人体表面から人体内部
• (IV) 人体内部から人体内部
(I)は PAN (Personal Area Network)
(I),(II) :ウェアラブルBAN
(III),(IV) :インプラントBAN
7
人体とアンテナとの間での相互作用
・アンテナの指向性のヌルが形成され通信が遮断・人体による遮蔽、吸収による大きな伝搬損失・アンテナのインピーダンス不整合・人体の動きによるアンテナ間距離の変化・偏波面の不一致
人体表面上で測定されたチャネル応答からアンテナの特性を分離することは容易ではない
BANではアンテナ特性を伝搬チャネルの一部として扱われる
BANチャネルモデルの特徴
8888
本研究の目標
これまでの標準化に対する取り組みの中には人体の動きが受信レベルに影響を与えるメカニズムの議論が十分に検討されていなかった
本研究でのターゲット人体の動きと対応した受信レベル変動のメカニズムを究明する事
今回のメイントピック構築した2名の被験者による静止状態でのパスロスモデルの紹介
999
新しいBAN測定の方法
これまでは・・・
動的なチャネル測定には高速なスウィープ
タイムが必要でVNAを用いて測定する事は困難
周波数
400 MHz
600 MHz
900 MHz
2400 MHz
UWB
BANの標準化のために考えられている周波数
[1] 金 ミンソク,寺尾 優輝、高田 潤一 “BAN チャネルにおけるパスゲインの動的特性”電子情報通信学会 医療情報通信技術研究会 MICT2008-19 jan. 2009.
前回の測定[1] 今回の測定
測定機器 リアルタイム
チャネルサウンダ
ネットワークアナライザ
周波数 4.5GHz 444.5MHz, 611MHz,
953MHz
周波数帯域 120MHz ゼロスパンモード
狭帯域伝送を目的
ゼロスパンでの
狭帯域で十分
よって
101010
測定システムの概略図
111111
測定状況
ＬＥＤ
121212
測定に使用した機器
• ベクトルネットワークアナライザ(Model:8720ES)
• 三菱マテリアル製のチップアンテナ
AMD1103-ST01
• 444.5MHz, 611MHz, 953MHz
アンテナのサイズ(86.0 x 54.0 x 1.0 mm)
アンテナのサイズ
ネットワークアナライザ
131313
測定の概要
動的チャネル特性を取得するために
• 人体表面上の10ヶ所での伝達関数(S21)を取得• 各測定場所で3種類の動作：立位静止、徒歩、立ち座り• 各人体表面上の測定場所では801 点のスナップショット (8.01 秒)
• 周波数：444.5MHz, 611MHz, 953MHz
• 一つの周波数、場所、動作につき3回の測定
被験者 2
周波数 3
場所 10
動作 3
合計測定回数 =被験者の数×測定した周波数の数×測定場所の数×動作の数× 3
=540
141414
アンテナの場所
: 送信アンテナ
： 受信アンテナ
受信アンテナの場所
アンテナ間距離 [cm]被験者A
アンテナ間距離 [cm]被験者B
a wrist 40 40.5
b upper arm 38.5 40.8
c ear 64.7 64
d head 68 61.6
e shoulder 25.2 24.7
f chest 22.3 24.8
g rib 20 20.1
h waist 26.5 17
i thigh 26 29.1
j ankle 101.5 98.0
151515
被験者のデータ
身長 162.0cm
胸囲 95.0 cm
ウエスト 88.0 cm
被験者B
被験者A
身長 175.0cm
胸囲 85.0cm
ウエスト 75.0 cm
人体とアンテナとの間隔は1.5ｃｍ（発泡スチロール）
161616
測定環境
• オフィス環境を想定して測定
被験者２名分のデータを足し合わせた周波数毎のパスロスモデル
アンテナ間距離特性（パスロスモデル）
17
2 2.2 2.4 2.6 2.8 335
40
45
50
55
60
65
70
Distance [log10
(distance[mm])]
Pat
h l
oss
[d
B]
Distance characteristic
Measurement dataApproximation
2 2.2 2.4 2.6 2.8 335
40
45
50
55
60
65
Distance [log10
(distance[mm])]
Pat
h l
oss
[d
B]
Distance characteristic
Measurement dataApproximation
2 2.2 2.4 2.6 2.8 340
45
50
55
60
65
70
75
Distance [log10
(distance[mm])]
Pat
h l
oss
[d
B]
Distance characteristic
Measurement dataApproximation
444.5MHz 611MHz 953MHz
)(][ 0 シャドーイング特性SPLdBPL
64.05)(log-4.01)( 10 xxPL 36.09)(log5.82)( 10 xxPL 28.75)(log11.52)( 10 xxPL
))(log)(log( 10100 γβα fxPL
周波数、アンテナ間距離に対する受信レベルの変化（3D Fitting）
18
(444.5MHz) (611MHz)
(953MHz)
2
2.5
3
3.5 2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 2.85 2.9 2.95 3
35
40
45
50
55
60
65
70
75
Freq [log10
([MHz])]
Distance [log10
([mm])]
Pat
h l
oss
[d
B]
92.2)(log96.3)(log71.41 10100 fxPL
シャドーイング特性
19
-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Average Level [dB]
CD
F
Measured valueLognormal fit
-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Average Level [dB]
CD
FMeasured valueLognormal fit
-8 -6 -4 -2 0 2 4 60
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Average Level [dB]
CD
F
Measured valueLognormal fit
444.5MHz 953MHz611MHz
C =0.9984 C =0.9983 C =0.9970
測定結果を対数正規分布でフィッティング
σ =0.2860
μ=-0.0314
σ =0.1014
μ-0.0116
σ =0.4368
μ -0.0476
まとめ
今回はオフィス環境での被験者2名によるパスロスモデルを構築した（立位静止状態）
今後の課題１．チャネルモデルの正確さ改善（増やす）ために、被験者数を増やして同様の実験を行う
２．また、今回のメインは静的状況（立位静止状態のみ）であったが、今後は徒歩、立ち座りなどの動的な動作でも解析を行う
202020
まとめと今後の課題
21212121
ありがとうございました
22
アンテナの特性
