Abstract The value of wearable market is booming, especially in the healthcare application segment. This segment is driven by an increasing need for regular monitoring and early diagnosis of patients with growing prevalence of chronic diseases. Wireless communications worn in the close proximity of the body, the variety of applications, and their requirements set design considerations and challenges. In addition to the technical requirements, coexistence with adjacent wireless body area networks (WBANs) and other wireless systems need to be taken into account. A WBAN system needs to be highly reliable, low power, fast, and interference-immune. This thesis studies the performance of two different PHY layer implementations in interfered fading channels. The systems are the frequency modulated ultra wideband (FM-UWB), defined in the IEEE 802.15.6 standard, and narrowband SmartBAN physical layer. The performance of the systems was analyzed by using software simulators developed in Matlab. The author developed the SmartBAN simulator for the ETSI Technical Committee (TC) SmartBAN to study the performance of the new SmartBAN system. This is the first physical layer performance study of the SmartBAN system. In addition, the open literature does not offer similar results on the FM-UWB as presented in this thesis. Based on the results, it can be concluded that the FM-UWB is performing well in situations where high reliability and high interference tolerance is needed. In addition, the simplicity of the FM-UWB transceiver makes it more suitable than the direct sequence UWB (DS-UWB) for applications with data rates of hundreds of kbps. SmartBAN has the best performance in cases where more relaxed requirements for reliability and interference tolerance can be applied. Nevertheless, it became obvious that both systems need proper coexistence and interference mitigation mechanisms to ensure reliability in all scenarios. / Tiivistelmä Puettavien laitteiden markkina-arvo on voimakkaassa kasvussa erityisesti terveydenhuollon sovellusalueella. Tämän sovellusalueen kiihdyttimenä toimii yhä suurempi tarve potilaiden kunnon jatkuvalle tarkkailulle sekä kroonisille taudeille alttiimpien potilaiden varhaiselle diagnosoinnille. Langattoman kehoverkon (WBAN) suunnittelun suurimpia haasteita ovat langaton tiedonsiirto kehon läheisyydessä, erilaiset sovellustyypit sekä niiden vaatimukset. Teknisten vaatimusten lisäksi on myös huomioitava rinnakkaiset kehoverkot sekä muut langattomat järjestelmät. Kehoverkkojärjestelmän on oltava todella luotettava, matalatehoinen, nopea ja häiriösietoinen. Väitöskirjassa tutkitaan kahta kehoverkon fyysisen kerroksen toteutusta häipyvissä ja häirityissä kanavissa. Nämä toteutukset ovat IEEE 802.15.6 -standardissa määritelty taajuusmoduloitu ultralaajakaista (FM-UWB) sekä kapeakaistainen SmartBAN. Järjestelmien suorituskykyä analysoitiin Matlab-ohjelmistosimulaattoreiden avulla. Työssä kehitettiin SmartBAN-simulaattori ETSI Technical Committee (TC) SmartBAN -työryhmälle järjestelmän suorityskykytutkimukseen. Tässä työssä esitetään SmartBAN-järjestelmän fyysisen kerroksen suorituskykytulokset, jotka ovat ensimmäiset laatuaan. Lisäksi kirjallisuudesta ei löydy vastaavia tuloksia FM-UWB:n osalta, kuten tässä työssä on esitetty. Tuloksien pohjalta voidaan päätellä, että FM-UWB suoriutuu hyvin tilanteissa, joissa vaaditaan suurta luotettavuutta sekä suurta häiriönsietokykyä. Lisäksi yksinkertainen lähetin-vastaanotinrakenne tekee siitä kiinnostavamman vaihtoehdon kuin suorahajotettu UWB (DS-UWB) sovelluksille, jotka vaativat satojen kbps:n tiedonsiirtonopeutta. SmartBAN toimii hyvin tilanteissa, joissa näistä vaatimuksista voidaan hieman joustaa. Kuitenkin on selvää, että molemmat järjestelmät tarvitsevat sopivan rinnakkais- ja häiriönvaimennustekniikan taatakseen luotettavuuden kaikissa tapauksissa.

Abstract Impulse radio ultra-wideband (IR-UWB) technology, due to its baseband signaling, potentially offers a low cost, low complexity and low power consumption option for different short range sensor network applications. These sensor networks can be applied to many kinds of future implementations, including the Internet of Things (IoT) applications. In the medical and healthcare context, the term wireless body area network (WBAN) is often used, but, as mentioned, the wireless technology itself can be applied to any kind of body, e.g., to car or robot body networks. This thesis studies IR-UWB receivers’ performances in different hospital environment channel models by means of computer simulation. The main focus is on receivers that are capable of detecting the signals specified either in the IEEE 802.15.4-2015 or in the IEEE 802.15.6-2012 standards. The used channel models from two independent research groups include both on-body to on-body and on-body to off-body scenarios in different hospital environments. The evaluations and comparisons of various receivers include energy detector (ED) and rake receivers, the latter with both selective- and partial-rake structures. One of the studied receiver structures is further analyzed as it was noticed that the simulation results did not correspond to the assumed theoretical bit error probability (BEP) curves. Along the standards based studies, some modifications are also suggested for the two existing IR-UWB standards for increased compatibility and improved performance. One of the propositions resulted a Patent Cooperation Treaty (PCT) patent application. Additionally, an extensive survey is provided offering a compilation which includes presentations of IR-UWB research by other researchers, existing standards’ IR-UWB physical layer (PHY) specifications and the main global regulations concerning UWB. / Tiivistelmä Erittäin laajakaistainen impulssiradioteknologia (IR-UWB) tarjoaa potentiaalisen vaihtoehdon yksinkertaisille, edullisille ja matalan tehonkulutuksen omaaville lähetin-vastaanotin-ratkaisuille, jotka soveltuvat lyhyen kantaman sensoriverkkoihin. Nämä sensoriverkot ovat monikäyttöisiä soveltuen esimerkiksi tulevaisuuden esineiden internetin (IoT) tiedonsiirtoratkaisuiksi. Esimerkiksi sairaanhoidon ja terveydenhuollon asiayhteyksissä käytetään monesti termiä langaton kehoverkko (WBAN), joka voidaan asentaa monenlaisiin eri sovelluskohteisiin kuten autoon tai vaikkapa robotin "keholle". Tässä väitöskirjassa on tutkittu tietokonesimulaatioiden avulla erilaisten IR-UWB vastaanotinrakenteiden suorituskykyä sairaalaympäristöä mallintavissa radiokanavissa. Tutkimuksen painopiste on vastaanottimissa, jotka kykenevät vastaanottamaan joko IEEE 802.15.4-2015- tai IEEE 802.15.6-2012-standardeissa määritellyn signaalin. Sairaalaympäristöä mallintavat radiokanavat perustuvat kahden toisistaan riippumattoman tutkijaryhmän mallinnuksiin, jotka sisältävät sekä keholta-keholle että keholta-kehon ulkopuolelle -radiokanavamallit. Energiailmaisin (ED) ja erilaiset harava-vastaanottimet ovat niitä vastaanotinrakenteita, joita tähän väitöskirjaan kuuluvissa artikkeleissa on arvioitu ja vertailtu. Yhtä vastaanotinrakennetta on myös analysoitu tarkemmin, kun havaittiin, etteivät kyseistä rakennetta koskevat simulaatiotulokset vastanneet oletettuja teoreettisia bittivirhetodennäköisyyksiä. Tutkimuksessa kehitettiin lisäksi olemassa olevien standardien ratkaisuihin liittyviä parannusehdotuksia, joita esitettiin muutamissa tähän väitöskirjaan sisällytetyissä artikkeleissa. Yhdestä ehdotuksesta tehtiin myös PCT-sopimuksen alainen patentointihakemus. Lisäksi yhdessä tähän väitöskirjaan sisällytetyssä artikkelissa on paitsi laaja kirjallisuuskatsaus sisältäen katsauksen muiden tekemiin IR-UWB- tutkimuksiin, myös olemassa olevien standardien fyysisten kerroksien määritykset koskien IR-UWB-teknologiaa ja tärkeimmät maailmanlaajuiset UWB-tekniikkaa koskevat signaalin tehotiheysmääräykset.