Yes / A modified indoor path loss prediction model is presented, namely Effective Wall Loss Model (EWLM). The modified model is compared to other indoor path loss prediction models using simulation data and real-time measurements. Different operating frequencies and antenna polarizations are considered to verify the observations. In the simulation part, EWLM shows the best performance among other models as it outperforms two times the dual slope model which is the second-best performance. Similar observations were recorded from the experimental results. Linear attenuation and one slope models have similar behaviour, the two models parameters show dependency on operating frequency and antenna polarization.

Στις σύγχρονες τηλεπικοινωνίες, χρησιμοποιείται μια μεγάλη γκάμα από RF μοντέλα, για τον υπολογισμό την μέσης τιμής ισχύος του σήματος εκπομπής για δεδομένη απόσταση από τον πομπό και για δεδομένη συχνότητα. Στις διεργασίες αυτές , επιδρούν στο δικό τους βαθμό διάφορες παράμετροι τοπολογικού (πληθυσμός , τύπος εμποδίων, πυκνότητα εμποδίων) και γεωγραφικού (μορφολογία εδάφους, υγρασία, διαμόρφωση χώρου) χαρακτήρα, αλλά και χαρακτηριστικά των πομποδεκτών ( συνήθως το ύψος και το κέρδος των κεραιών). Στις περισσότερες περιπτώσεις οι απώλειες όδευσης (Path Loss όπως είναι γνωστές στη διεθνή βιβλιογραφία) , εκφράζονται σε dB , σα συνάρτηση της συχνότητας λειτουργίας του υπό μελέτη συστήματος και της απόστασης ανάμεσα στον πομπό και το δέκτη ( πάντα για δεδομένα χαρακτηριστικά κεραιών και τύπο περιβάλλοντος). Έτσι μια ντετερμινιστική γνώση του μέσου path loss, που σε συνδυασμό με άλλες πιθανές απώλειες μας δίνει το σύνολο των απωλειών είναι εφικτή. O περιορισμός όσον αφορά στη συχνότητα και στις αποστάσεις , έχουν οδηγήσει τη σύγχρονη έρευνα στην επέκταση των υπαρχόντων μοντέλων , τόσο εξωτερικού όσο και εσωτερικού χώρου. Μια βασική παράμετρος της έρευνας στηρίζεται στην παραδοχή πως ο νόμος του αντιστρόφου τετραγώνου , ο οποίος περιγράφεται από την εξίσωση του Friis δε βρίσκει εφαρμογή, παρά μόνο σε περιβάλλοντα όπου επιτυγχάνεται LOS( Line of Sight) όδευση. Η τροποποίηση της παραπάνω εξίσωσης με δυναμικό ως προς το εκάστοτε περιβάλλον τρόπο , επιτρέπει πλέον τον υπολογισμό της μέσης ισχύος του σήματος σε σχετικά ρεαλιστικό βαθμό. Για παράδειγμα έχει προταθεί τροποποίηση με την τρίτη δύναμη της απόστασης για ένα σύνολο εφαρμογών , που αφορούν συστήματα ασυρμάτων τηλεπικοινωνιών εξωτερικού περιβάλλοντος.Ένα εσωτερικό περιβάλλον απαιτεί μια πολύ πιο ντετερμινιστική φόρμουλα υπολογισμού των απωλειών ώστε να μπορέσει ο μελετητής να υπολογίσει με αξιοπιστία την ισχύ του σήματος σε μια δεδομένη θέση. Η ακρίβεια λοιπόν των μοντέλων εξαρτάται άμεσα από την ικανότητά τους να απεικονίσουν και να αποδώσουν με τη σειρά τους , μέσω των υπολογισμών, όλα αυτά τα σύνθετα φαινόμενα με τον καλύτερο δυνατό τρόπο. Η πλειοψηφία των RF μοντέλων που αναπτύσσονται στα πλαίσια ακόλουθων παραγράφων, έχει αναπτυχθεί και αξιολογηθεί για συστήματα κυτταρικής κινητής τηλεφωνίας (GSM, PCS-1800, GPRS, UMTS). Προκειμένου να ξεπεραστούν διάφοροι περιορισμοί των αρχικών μοντέλων ως προς την συχνότητα λειτουργίας του συστήματος και την απόσταση πομπού-δέκτη (ουσιαστικά την εμβέλεια του μοντέλου), ορισμένες προεκτάσεις έχουν παρουσιαστεί σε διάφορες ερευνητικές εργασίες και χρησιμοποιούνται ευρέως . Ορισμένα νέα μοντέλα έχουν επίσης προστεθεί στα ήδη υπάρχοντα για τις συχνότητες συστημάτων κινητής τηλεφωνίας . Για άλλες περιοχές συχνοτήτων με έντονο ενδιαφέρον, πχ στα 5,2 GHz, διάφορες προτάσεις έχουν πραγματοποιηθεί, συχνά υποστηριζόμενες από μετρήσεις. Λαμβάνοντας υπόψη την συχνότητα των 2,4 GHz, δεν μπορούμε παρά να συμπεράνουμε ότι η όσο το δυνατόν πιο ακριβής και επιστημονικά αξιόπιστη μοντελοποίηση του ασύρματου διαύλου, ιδιαίτερα – άλλα όχι αποκλειστικά – για τοπολογίες εσωτερικών χώρων, είναι πολύ σημαντική για τον σχεδιασμό και την εύρυθμη λειτουργία των Wi-Fi συστημάτων και των WLAN δικτύων. Παρόλα αυτά, αν και στην υπάρχουσα βιβλιογραφία και στην διεθνή επιστημονική και ερευνητική κοινότητα υπάρχουν αρκετά σημαντικές εργασίες για την μοντελοποίηση του ασύρματου διαύλου στα 2,4 GHz , εντούτοις απουσίαζε, για πολύ καιρό, μία ολοκληρωμένη συγκριτική αντιπαραβολή και αξιολόγηση των βασικών θεωρητικών μοντέλων για τον υπολογισμό της μέσης απώλειας οδεύσεως στη συγκεκριμένη συχνότητα. Στα πλαίσια της εργασίας αυτής , θα προσπαθήσουμε να αξιοποιήσουμε το σύνολο των μετρήσεων και των δεδομένων που συλλέξαμε , σε ρεαλιστικές συνθήκες και για πραγματικά συστήματα μετάδοσης , τόσο να αξιολογήσουμε τα ήδη υπάρχοντα RF μοντέλα , όσο και να προβούμε στις απαραίτητες προτάσεις και τροποποιήσεις όπου αυτό κριθεί σκόπιμο. Επίσης για τη σκίαση επιχειρούμε εδώ μια προσέγγιση υπολογισμού μέσω της χρήσης των RF μοντέλων και την ενσωμάτωση όλων των χαρακτηριστικών διάδοσης , που αφορούν και στα δύο στοιχεία των μεγάλης κλίμακας διαλείψεων. Οι μετρήσεις μέσης λαμβανόμενης ισχύος πραγματοποιήθηκαν σε πέντε διαφορετικές τοπολογίες. Σε κάθε μία από αυτές τις τοπολογίες ελήφθησαν μετρήσεις της μέσης λαμβανόμενης ισχύος σε διάφορες δειγματοληπτικές αποστάσεις πομπού-δέκτη ούτως ώστε να είναι εφικτή, με έναν υψηλό βαθμό αξιοπιστίας, η αξιολόγηση των βασικών μοντέλων απωλειών οδεύσεως. Ταυτόχρονα, μέσα από αυτή την διαδικασία, αξιολογήθηκε η αξιοπιστία των μοντέλων αναφορικά με τις ιδιαιτερότητες της κάθε τοπολογίας, που αποτυπώνονται ποιοτικά και ποσοτικά στους μηχανισμούς διάδοσης του ραδιοσήματος σε κάθε περίπτωση. / In modern wireless communications, a wide range of RF models are used to provide the median (average) value of the signal strength at a given distance from the transmitter and for a given frequency spectrum. In this procedure, certain geographical (ground, humidity, terrain irregularities), topological (heavy or scattered population, type of obstacles, density of the buildings) characteristics of the area, as well as certain specifications of the transmitter and receiver antennas (most notably antenna height and antenna gain) have to be taken into consideration. In most cases, the mean value of the path loss is expressed in dB in dependence with the frequency of the operating system and the distance between the transmitter and the receiver (for given antenna characteristics and a certain type of environment where the system operates). Thus, a deterministic knowledge of the average path loss (which along with the average rain loss and diffraction loss provides the overall propagation loss in dB) is available. However, distance and frequency limitations have led research to a further study and expanding of the existing empirical and semi-empirical models , for both outdoor and indoor scenarios. A fundamental parameter-based study of the path loss models is based on the concept that the second power law that is predicted by the Friis equation does not apply in real-life scenarios except for standard LOS paths. The modified power law research allows engineers and scholars to calculate the mean received power of a signal transmitted over a wireless link in a more realistic approach. It has been suggested that the third-power law is more suitable for a plethora of applications based on wireless communications for an outdoor environment.The indoor propagation channel, in particular, demands a lot more than a deterministic formula of calculating the average signal strength as a function of distance and frequency. The increased impact of multipath and other propagation phenomena such as reflection and scattering, as well as the existence of many objects whose proportions are comparatively close to the wavelength of the operating wireless systems, render the propagation of a signal and its arrival at a receiver (mobile or fixed) a rather complex procedure. The precision of the path loss models depends heavily on their ability to demonstrate and reflect, in the calculations, these complex phenomena to the best possible way .The majority of these models have been developed and validated for mobile telephony systems in both outdoor and indoor schemes (GSM, PCS-1800, GPRS, UMTS). Certain extensions of many of these models were conducted in order to expand the frequency and distance limitation of the original formulas. New empirical models have also been suggested for these certain frequencies .Taking into account the very sensitive and subject to many different factors nature of the indoor propagation channel, it is easily concluded that both researchers in academia and engineers in industry need to have reliable models that will predict precisely the average path loss over the indoor 2.4 GHz channel which is of utter importance as the de facto frequency of Wi-Fi and WLAN systems. A gap in aforementioned research, however, is that it either concentrates on multipath parameters or does not feature a full comparative validation of most well-known indoor path loss models.The purpose of this work is to present, all the data collected through experiments in realistic conditions and real telecom systems, in order to validate and modify (where necessary) the existing RF models. Furthermore an empirical formula to measure attenuation due to shadowing is derived through these RF models.Measurements took part in five different topologies. In each of them the mean received power was recorded, for various distances between the transmitter and the receiver, in order for our endeavor to validate the RF models in question to be reliable. Through this procedure, RF models where examined towards each topology’s distinctive characteristics that reflect in quality and quantity all the attenuation mechanisms that affect the propagated signal.

[ES] La población mundial en países desarrollados está envejeciendo y con ello existe un aumento de enfermedades en gran medida causadas por la edad. Las nuevas tecnologías médicas pueden ayudar a detectar, diagnosticar y tratar estas enfermedades y con ello ahorrar dinero, tiempo y recursos de los sistemas sanitarios. Las tecnologías inalámbricas implantables han abierto un nuevo panorama para la próxima generación de tecnologías médicas. Frecuencias como la Ultra Wide-Band (UWB) de 3.1 a 10.6 GHz están siendo consideradas para la nueva generación de dispositivos inalámbricos para dentro del cuerpo humano. Las características como el reducido tamaño de las antenas, la baja potencia de transmisión y la alta velocidad de datos son las más buscadas en este tipo de dispositivos. El problema surge porque el cuerpo humano depende de la frecuencia de modo que a mayores frecuencias, mayores son las pérdidas por propagación. Conociendo el canal de transmisión se puede solventar el problema de las altas pérdidas. Esta tesis tiene como objetivo caracterizar el canal de radio frecuencia (RF) para la nueva generación de dispositivos médicos implantables. Para caracterizar el canal se han empleado tres diferentes metodologías: simulaciones numéricas, medidas en phantom y experimentos en animales vivos. Las medidas en phantom fueron realizadas en un nuevo sistema de medidas expresamente disen¿ados para medidas de dentro a fuera del cuerpo humano en la banda de frecuencias UWB. Además, se utilizó un novedoso recipiente con dos capas de phantom imitando la zona gastrointestinal del cuerpo. Estos phantoms fueron creados para este tipo de medidas y son extremadamente precisos a las frecuencias UWB. Para los experimentos en animales se utilizaron cerdos y se intentó reproducir en ellos las medidas previamente realizadas en phantom. Las simulaciones software se realizaron con la intención de replicar ambas metodologías. Una vez realizados los experimentos se realizó un extensivo estudio del canal en dominio frecuencial y temporal. Mas en detalle, se compararon las antenas usadas en la recepción y transmisión, el efecto de la grasa en el canal, la formas del recipiente contenedor de phantom y las componentesmulticamino. Como resultado se ha propuesto un modelo de propagación del canal para la banda baja de las frecuencias UWB (3.1 -5.1 GHz) para la zona gastrointestinal del cuerpo humano. Este modelo de propagación ha sido validado utilizando las tres metodologías previamente descritas y comparada con otros estudios existentes en literatura. Finalmente, se midió el canal de propagación para una determinada aplicación a bajas frecuencias con señales UWB. También se realizaron medidas del canal de propagación en la zona cardíaca del cuerpo humano desde un punto de vista de seguridad de datos. Los resultados obtenidos en esta tesis confirman los beneficios que tendría la utilización de frecuencias UWB para las futuras generaciones de dispositivos médicos implantables. / [CA] La població mundial a països desenvolupats està envellint-se i enfrontant-se a un augment d'infermetats principalment causades per la edat. Les noves tecnologies mèdiques poden ajudar a detectar, diagnosticar i tractar aquestes malalties, estalviant diners, temps i recursos sanitaris. Els dispositius implantables sense fils han generat un nou panorama per a les noves generacions de dispositius mèdics. Les freqüències com la banda de UWB estan sent considerades per a les futures tecnologies implantables. La reduïda grandària de les antenes, la baixa potència de transmissió i les altes velocitats de dades son característiques buscades per als dispositius implantables. Per contra, els éssers humans depenen de la freqüència en el sentit que a majors freqüències, majors les pèrdues per propagació quan el senyal travessa el cos humà d'interior a exterior. Per solventar aquestes pèrdues el canal de propagació s'ha d'entendre i conèixer de la millor manera possible. Aquesta tesi doctoral te com a objectiu caracteritzar el canal de radio freqüència (RF) per a la nova generació de dispositius mèdics implantables. S'han emprat tres metodologies diferents per a realitzar aquesta caracterització: simulacions software, mesures amb fantomes i experiments amb animals vius. Els experiments amb fantomes es van realitzar a un sistema de mesures dissenyat expressament per a les transmissions de dins a fora del cos humà a les freqüències UWB. També es van utilitzar un contenidor per als fantomes de dues capes, imitant l'area gastrointestinal dels humans. Per als experiments a animals es van emprar porcs, replicant els experiments al laboratori en fantomes de la forma més semblant possible. Les simulacions software foren dissenyades per a imitar les experiments amb fantomes i animals. Després dels experiments el canal de propagació es va investigar exhaustivament des del domini freqüèncial i temporal. S'ha observat com les antenes en transmissió i recepció afecten al senyal, la influència de la grassa, la forma del contenidor de fantoma i les possibles contribucions multicamí. Finalment es proposa un nou model de propagació per a les baixes freqüències UWB (3.1 a 5.1 GHz) per a la zona GI del cos humà. El model es va validar utilitzant les tres metodologies abans esmentades i també foren comparades amb model ja existents a la literature. Finalment des d'un punt de vista aplicat, el canal es va avaluar per al senyal UWB a baixes freqüències (60 MHz). A més a més, per a la nova generació de marcapassos sense fil es va investigar el canal des d'un punt de vista de seguretat de dades. Els resultats obtinguts a aquesta tesi confirmen els avantatges d'emprar la banda de freqüències UWB per a la nova generació de dispositius médics implantables. / [EN] The current global population in developed countries is becoming older and facing an increase in diseases mainly caused by age. New medical technologies can help to detect, diagnose and treat illness, saving money, time, and resources of physicians. Wireless in-body devices opened a new scenario for the next generation of medical devices. Frequencies like the Ultra Wide-band (UWB) frequency band (3.1 - 10.6 GHz) are being considered for the next generation of in-body wireless devices. The small size of the antennas, the low power transmission, and the higher data rate are desirable characteristics for in-body devices. However, the human body is frequency ependent, which means higher losses of the radio frequency (RF) signal from in- to out-side the body as the frequency increases. To overcome this, the propagation channel has to be understood and known as much possible to process the signal accordingly. This dissertation aims to characterize the (RF) channel for the future of in-body medical devices. Three different methodologies have been used to characterize the channel: numerical simulations, phantom measurements, and living animals experiments. The phantom measurements were performed in a novel testbed designed for the purpose of in-body measurements at the UWB frequency band. Moreover, multi-layer high accurate phantoms mimicking the gastrointesintal (GI) area were employed. The animal experiments were conducted in living pigs, replicating in the fairest way as possible the phantom measurement campaigns. Lastly, the software simulations were designed to replicate the experimental measurements. An in-depth and detail analysis of the channel was performed in both, frequency and time domain. Concretely, the performance of the receiving and transmitting antennas, the effect of the fat, the shape of the phantom container, and the multipath components were evaluated. Finally, a novel path loss model was obtained for the low UWB frequency band (3.1 - 5.1 GHz) at GI scenarios. The model was validated using the three methodologies and compared with previous models in literature. Finally, from a practical case point of view, the channel was also evaluated for UWB signals at lower frequencies (60 MHz) for the GI area. In addition, for the next generation of leadless pacemakers the security link between the heart and an external device was also evaluated. The results obtained in this dissertation reaffirm the benefits of using the UWB frequency band for the next generation of wireless in-body medical devices. / Pérez Simbor, S. (2019). In-body to On-body Experimental UWB Channel Characterization for the Human Gastrointestinal Area [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/133034