Channel modelling and characterization for VLC-based medical body sensor networks

Abstract

Optical Wireless Communication (OWC) refers to transmission in unguided propagation media through the use of optical carriers, i.e., visible, Infrared (IR), and Ultraviolet (UV) bands. In this thesis, we focus on indoor Visible Light Communication (VLC)-based Medical Body Sensor Networks (MBSNs) which allow the Light Emitting Diodes (LEDs) to communicate between on-body sensors/subdermal implants and on-body central hubs/monitoring devices while also serving as a luminaire. Since the Quality-of-Service (QoS) of the communication systems depends heavily on realistic channel modeling and characterization, this thesis aims at presenting an up-to-date survey of works on channel modeling activities for MBSNs. After the introduction chapter, the second chapter presents the literature survey and the first section reviews existing IR-based MBSNs channel models based on which VLC channel models are derived. The final section of this chapter provides comprehensive details on existing VLC-based MBSNs channel models. Third chapter presents a realistic channel modeling approach called site-specific ray tracing that considers the skin tissue for the MBSNs channel modeling for realistic hospital scenarios. In addition, channel characteristics which are the channel DC gain and RMS delay spread values that are extracted from the sample Channel Impulse Responses (CIRs) among extensive amount of static channel modelling simulations are demonstrated. Fourth chapter proposes a random trajectory generator and implements it in mobile channel modelling and characterization for the two of the aforementioned real-life based scenarios. Then, the CIRs and channel characteristics are obtained then by utilizing the simulation results data, the spatial distribution of channel characteristics and curve fitting on histograms of these are illustrated with explanations.

Optik Kablosuz iIletişim (OWC), optik taşıyıcılar vasıtasıyla Görünür Işık iletişimi (VLC), Kızılötesi(IR), Morötesi(UV) bantlarında gerçekleşen iletimi ifade etmektedir. Bu tezde, ortam aydınlatan Işık Yayan Diyotlar (LEDs) vasıtasıyla vücut üzerindeki/deri altındaki sensörler ile vücuttaki ana sensör/tıbbi ölçüm cihazları arasındaki iletişimin sağlandığı kapalı alan görünür ışık iletişimi (VLC) tabanlı medikal vücut sensör ağlarına (MBSNs) odaklanmaktayız. İletişim sistemlerinin Servis Kalitesi (QoS) ağırlıklı olarak gerçekçi kanal modellemeleri ve karakterizasyonuna bağlı olduğundan dolayı bu tez en güncel literatür taramasını barındırmaktadır. Giriş bölümünün ardından başlayan literatür taraması bölümünde, ilk olarak VLC tabanlı MBSNs sistemlerinin kanal modellerinin türediği IR tabanlı MBSNs sistemlerinin kanal modelleriyle ilgili çalışmalar ve ikinci kısımda ise ana konumuz olan VLC tabanlı MBSNs sistemleriyle ilgili mevcut çalışmalar oldukça kapsamlı olarak tartışılmıştır. Üçüncü bölümde ise, gerçeğe uygun hastahane senaryolarındaki VLC tabanlı MBSNs sistemlerinin gerçekçi kanal modellemelerinin yapılabilmesi için insan derisi de, mekana özgü ışın izleme metodunu kullanılarak kanal kabul edilerek modellenmiş ve kanal dürtü tepkileri (CIRs) sunulmuştur. Buna ilave olarak, bahsi geçen hastahane senaryolarından simülasyonlar sonucu elde edilen CIRs, Doğru Akım (DC) kanal kazancı ve Karekök Ortalama (RMS) gecikme yayılımı kanal karakterleri de sayıca çok olmasından dolayı tarafımızca seçilen örnekleriyle sunulup tartışılmıştır. Dördüncü bölümde ise, rastlantısal yörünge üreteci önerilmiş ve hastahane senaryolarından en uygun ikisi seçilerek hareketli kanal modellemesi ve karakterizyonu yapılmıştır. Bu simülasyon sonuçları kullanılarak bahsi geçen kanal karakteristiklerinin uzaysal dağılımları, çubuk grafikler üzerindeki eğri uydurmaları sunulmuş ve tartışılmıştır.