Diseño e implementación de un tranceptor UWB para redes de sensores corporales

Abstract

Las nuevas tecnologías han sufrido un gran auge en la última década en todos los ámbitos de nuestra vida diaria. La utilización de las TIC (Tecnologías de Información y Comunicación) en el área de la salud, denominado e-Salud, proveerá numerosos beneficios a los pacientes, mejorando su calidad de vida y comodidad, y al personal sanitario haciendo más eficaces y rápidos los análisis y diagnósticos. En la Unión Europea la importancia de la e-Salud está generando un incremento anual de su valor de mercado de un 18,3% desde el año 2010, situándose por encima de los 25.000 millones de € en el año 2016. Una aplicación de la e-Salud consiste en el uso de las redes de sensores corporales para la monitorización remota de los pacientes y la detección precoz de situaciones anómalas relacionadas con la salud. El uso de estas redes reduciría la dependencia de los usuarios de los centros sanitarios, pudiendo ser monitorizados desde su hogar. Sin embargo, estas redes de sensores corporales deben superar ciertos retos para mejorar su eficacia y su uso: bajo consumo, conseguir una alta fiabilidad de la red sobre el cuerpo humano, un coste reducido, baja complejidad… Este trabajo presenta a la tecnología UWB (Ultra Wide Band) como una posible tecnología a utilizar para resolver algunos de los problemas mencionados en las redes de sensores corporales. La tecnología UWB de pulsos consiste en la transmisión de pulsos estrechos, del orden de nanosegundos. Con ello se consigue la tansmisión de un gran ancho de banda (mayor de 500 MHz). La tecnología UWB presenta una baja complejidad al no usar señal portadora (se evita el uso de mezcladores y osciladores), además, se obtiene una velocidad de transmisión elevada al usar un ancho de banda extenso. Otra característica es la baja creación de interferencias con otras comunicaciones existentes en el ambiente debido a la baja densidad espectral que presenta. Para analizar esta tecnología y su uso en las redes de sensores corporales se ha realizado una primera propuesta de transceptor UWB. En este trabajo se ha dividido el transceptor en tres partes diferenciadas: transmisor, antenas y receptor. Dicho diseño modular permite analizar los resultados por separado, pudiendo así corregir errores de una manera más eficaz. Además, se consigue una mayor facilidad de implementación. Tras la validación del transceptor UWB implementado en este trabajo se ha concluido que: se ha podido implementar un transmisor de baja complejidad y bajo coste capaz de generar y transmitir pulsos estrechos, se ha implementado una antena que es capaz de transmitir y recibir un gran ancho de banda y que, además, obtiene un buen funcionamiento situada sobre el cuerpo humano. Además, se diseñado y simulado un receptor que presenta un buen comportamiento ante una señal de entrada compuesta por pulsos estrechos y de baja energía, consiguiendo así una alta velocidad de recepción permitiendo al transceptor alcanzar una alta tasa binaria en su comunicación. En este trabajo se ha logrado una primera aproximación a la implementación de un transceptor UWB para redes de sensores corporales. Los resultados obtenidos animan a seguir investigando y utilizando la tecnología UWB para este tipo de redes vistas las prestaciones obtenidas, mejorando en un futuro los resultados obtenidos del receptor y consiguiendo un diseño más eficaz del transceptor.

New technologies have undergone a boom over the last decade in all areas of our daily life. The use of ICT (Information and Communication) in the area of health, called e-Health, will provide many benefits to patients, improving their quality of life and comfort, and health workers making more effective and rapid analysis and diagnostics. In the European Union the importance of e-Health is generating an annual increase in market value of 18.3% since 2010, reaching over 25,000 million € in 2016. An application of e-Health is the use of wireless body sensor networks for remote monitoring of patients and early detection of anomalous situations related to health sensors. The use of these networks would reduce dependence on users of health centers, they can be monitored from home. However, these body sensor networks must overcome certain challenges to improve efficiency and usage: low power consumption, achieve high reliability of the network on the human body, a low cost, low complexity ... This paper presents a UWB technology (Ultra Wide Band) as a possible technology to be used to solve some of the problems mentioned in body sensor networks. UWB pulse transmission technology consists of narrow pulses, on the order of nanoseconds. Thus the transmission components of a high bandwidth (greater than 500 MHz) is achieved. UWB technology has low complexity by not using carrier signal (the use of mixers and oscillators is avoided) plus a high transmission rate is obtained by using a wide band width. Another feature is the creation of low interference with existing communications in the environment due to the low spectral density presented. To analyze this technology and its use in body sensor networks has made an initial proposal for UWB transceiver. This paper has divided the transceiver into three separate parts: transmitter, antenna and receiver. This modular design allows analyze the results separately, and can correct errors more efficiently. In addition, ease of implementation is achieved. After validation of the transceiver UWB implemented in this work has been concluded that: has been able to implement a transmitter low complexity and low cost can generate and transmit narrow pulses, it has implemented an antenna that can transmit and receive a large width band and also obtained a good operation located on the human body. In addition, he designed and simulated a receiver that has a good response to an input signal composed of narrow, low energy pulses, thus achieving high speed reception allowing the transceiver to achieve high bit rate in its communication. This paper has made an initial approach to the implementation of a UWB transceiver for body sensor networks. The results encourage further research and using UWB technology for this type of network views the benefits obtained, improving in the future the results of the receiver and achieving a more efficient transceiver design.