Mathematical modeling and characteristics analysis of ultra-wideband ın vivo radio channel

Abstract

Bu araştırmada Ultra Geniş Bant (UWB) üzerindeki in vivo kablosuz kanal cevabının deneysel analizini 3.1 - 10.6 GHz frekanslarında sunuyoruz. Analiz, in vivo kanalın lokasyona bağlı temel özelliklerini kanıtlar. Sonuçlar açıkça çok yollu senaryoyu göstermektedir. Kanalın çok yollu etkisinin daha yoğun bölgelerde, yani bağırsak bölgesinde veya midenin içine yerleştirilmiş bir antende çok daha yüksek olduğu da gözlemlenebilir. yoğun deneyler veya simülasyonlar yapmadan in vivo kanal yanıtı için referans modeli olarak kullanılır. Deneysel ve önerilen model arasındaki hata tahmin istatistikleri, önerilen modelin yüksek doğruluğunu gösteren RMSE = 5.29'dur. Ek olarak, önerilen model kör verilere uygulanmıştır ve hata tahmin istatistikleri RMSE = 7.76'dır ve bu da modelin makul bir doğruluğunu göstermektedir. Bu model, simülasyonlar, deneyler için zamandan ve maliyetten tasarruf sağlayacak ve gelecekteki gelişmiş sistem için doğru bir bağlantı bütçesi hesaplamasının tasarlanmasında yardımcı olacaktır.Bu çalışma aynı zamanda bir in vivo radyo kanalı için ekolayzırları kullanarak bit hata oranı (BER) performans analizi ve iyileştirme de sunmaktadır. 50 MHz bant genişliği (BW) kullanarak simülasyonlar gerçekleştirerek, in vivo radyo kanalının küçük ölçekli solmadan etkilendiğini gözlemledik. Bu solma, yaklaşmakta olan sembol aktarımını etkileyen semboller arası parazitlenme (ISI) ile sonuçlanır, sembollerin geciktirilmiş versiyonlarının alıcı tarafına ulaşmasına ve BER'in artmasına neden olur. Bir insan kadavrası kullanılarak deneysel olarak ölçülen verilerden 29 musluklu bir kanal gözlendi ve ideal katkı beyaz Gauss gürültüsü (AWGN) ve Rayleigh kanal modelleri ile birlikte ölçülen in vivo kanal tepkisi için BER hesaplandı. Doğrusal ve doğrusal olmayan uyarlanabilir ekolayzırlar, yani, in vivo radyo kanalının BER performansını arttırmak için karar geri bildirim ekolayzır (DFE) ve en küçük ortalama kare (LMS) kullanılmıştır. Hem ekolayzırların BER'i iyileştirdiği, ancak DFE'nin LMS'ye kıyasla daha iyi BER'e sahip olduğu ve Eb / No = 12 dB'de ve Eb / No = 14 dB'de LMS'den 2 dB ve 4 dB performans kazancı gösterdiği, sırasıyla.

In this research, we present the experimental analysis of in vivo wireless channel response on Ultra-Wideband (UWB) with the frequencies between 3.1 – 10.6 GHz. The analysis proves the location-dependent based characteristics of in vivo channel. The results clearly show the highly multipath scenario. It can also be observed that the multipath effect of the channel is much higher in the denser areas, i.e. an antenna placed within the intestine area or inside the stomach. which is used as a reference model for in vivo channel response without performing intensive experiments or simulations. The statistics of error prediction between experimental and proposed model is RMSE = 5.29, which show the high accuracy of the proposed model. In addition, the proposed model was applied on the blind data and the statistics of error prediction is RMSE = 7.76, which also shows a reasonable accuracy of the model. This model will save the time and cost on simulations, experiments and will help in designing an accurate link budget calculation for future enhanced system.This study also presents bit error rate (BER) performance analysis and improvement using equalizers for an in vivo radio channel. By conducting simulations using a bandwidth (BW) of 50 MHz, we observed that the in vivo radio channel is affected by small-scale fading. This fading results in inter-symbol interference (ISI) affecting upcoming symbol transmission, causing delayed versions of the symbols to arrive at the receiver side and causes increase in BER. A 29 taps channel was observed from the experimentally measured data using a human cadaver and BER was calculated for the measured in vivo channel response along with the ideal additive white Gaussian noise (AWGN) and Rayleigh channel models. Linear and non-linear adaptive equalizers i.e., decision feedback equalizer (DFE) and least mean square (LMS) were used to improve the BER performance of the in vivo radio channel. It is noticed that both the equalizers improve the BER, but DFE has better BER compared to LMS and shows a 2 dB and 4 dB performance gain of DFE over the LMS at Eb/No = 12 dB and at Eb/No = 14 dB, respectively.