1.1. 計畫背景及目的
無線通訊的系統與技術蓬勃發展，近年來由2 G、3 G、3.5 G 已邁向到 未來的 LTE，各項創新技術不斷的被開發。目前無線通訊的發展趨勢，除 了傳統的基本要求-通訊容量、通訊價格與通訊品質外，傳輸資料的內容多 樣化，應用的普遍化也是現在與未來的發展重點。而應用場所也從都會 (WWAN，WMAN)到室內(WLAN)，以至於個人(WPAN)及人體區域網路 (Wireless Body Area Network, WBAN 或 BAN)。近幾年來，由於上述通訊與 微電子技術進步的成果，以人體為中心的通訊系統 (Body-Centric Wireless Communication Systems, BWCS)之技術[1]應運而生，為此 IET(The Institution of Engineering and Technology)於 2007 年，在英國倫敦舉辦第一屆的 Antennas and Propagation for Body-Centric Wireless Communications IET Seminar，聚集 BWCS 領域主要的領導學者發表論文[1~3]，共同推動 BWCS 的研究發展。BWCS 的發展目標，是希望未來使用者能以身上的無線通訊 元件，可以隨時隨地進行通訊、查詢資訊與控制遠端電子設備等等，另一 方面，使用者的位置與生理狀況等等資訊，也可以隨時隨地被偵測，科幻 式的生活即將成為現實。
BWCS 可以連結環繞人體的元件，如各式感測器、生理監測器或是可 攜式的電子設備等等，BWCS 可以透過身上的個人通訊中心(Personal Communication Center)，與外界通訊。若依通訊元件在人體的位置，還可以 將BWCS 區分為 off-body(身上與身外通訊元件間之通訊)、on-body(身上通 訊元件之間的通訊)以及 in-body(植入體內之感測元件與體外元件之通訊)三 類[4]，如圖 1 所示。BWCS 潛在的應用包括個人醫療照護、智慧家庭、個 人娛樂與識別系統等。另外有些非商業應用，比如太空探測與軍事等，實 際上已經實現。以圖 1 為例，使用者可以利用腰間佩帶的行動電話與基地 台 進 行 通 訊(off-body) ， 同 時 行 動 電 話 也 可 以 和 身 上 佩 帶 的 元 件 通 訊 (on-body)，內容可以包括音訊、視訊與感測訊號等等；而手腕可以佩帶人 機介面元件，使用者可以輸入資料與指令，與遠端做雙向的溝通。因此藉 由BWCS 的通訊，在醫療應用上，未來可以遠端即時監測病人或是特殊環 境的工作人員的生理狀態，比如消防隊員或是戰士等等；也可以將晶片植 入人體的血管或器官，感測生理資訊，並以外部的天線與之通訊(in-body)，
圖1. BWCS 及其應用
由於off-body 相關的研究已經很多[4]，in-body 需要植入人體，不適合 於電信工程系所進行，因此本計畫專注在on-body 的研究範圍。另外，若以 無線網路技術區分，BWCS 在實際應用上涵蓋 WPAN、BAN 以及無線感測 網路(Wireless Sensor Networks, WSNs)，WPAN 技術較成熟，WSN 屬於感測 技術領域，所以本計畫僅針對BAN 做研究。
在使用頻率的選擇上，由於BAN 的元件需要長期佩帶在身上，在眾多 通訊技術中，超寬頻(UWB)具有低功率與高傳輸速率的優點，最適合 BAN 的應用情境，因此本計畫選擇使用UWB 進行 BAN 的通道研究。
基於以上的分析，本計畫的主題為探討BWCS on-body 系統中的 UWB BAN 無線電通道量測與模型建立，因為在進行 BAN 通訊系統的設計之前，
必須先建立BAN 的通道模型。因此，本計畫的目的為進行 BAN 的通道研 究，內容包括UWB 天線之製作與測試、通道量測與通道模型分析等研究。
1.2. 人體區域網路的發展
在BAN 標準的制定上，IEEE 於 2007 年 11 月成立 802.15.6 工作小組，
目標為發展一套BAN 的通訊標準，未來應用包括醫療及非醫療(消費電子、
個人娛樂及其他)。標準的內容將包括範圍在 3 公尺以內 on-body 及 in-body 通訊。目前各個主要廠商與單位在實體層的提案中[5]，在使用頻率上可以 分為窄頻(Narrowband)與 UWB 兩大陣營，基本的提案內容如表 1 與 2 所列。
On-body Communications
Reader
Video Device Audio Device
Interface Device
Personal Communication Center
Body Sensor Off-body Communications
In-body Communications
Antenna
擇 MICS (Medical Implant Communication Service) 及 WMTS(Wireless Medical Telemetry Service)兩種頻段，表示該提案為醫療應用，其中 MICS 是屬於in-body 通訊。窄頻技術的優點是在某些應用有較好的傳輸效果，但 因頻寬較窄，其傳輸速率難以達到10 Mbps 以上的速率。相對而言，UWB 的提案比較一致，IR UWB 應會成為主流。在頻段的選擇上，UWB 的定義 是頻寬大於500 MHz 或是大於中心頻率的 20%，都可以稱為 UWB，由於 美國FCC 在 2002 年核准了 3.1 ~10.6 GHz 做為 UWB 的使用(不需執照)，因 此表 2 中各個單位選擇的頻段皆落於此一範圍。從表中可以看出，各家選 擇的頻段並不一致，雖然頻段越寬理論上傳輸速率越快，然而卻也會衍生 其他缺點，以BAN 而言，訊號沿著身體表面傳輸時，較高的頻率會有較大 的路徑損耗，因此頻段的選擇仍應視應用的特性來決定，不一定全頻段的 UWB 就是最佳的選擇。UWB 的提案乃修改自 IEEE 802.15.4a[6]而來。如前 所述，UWB 的優點主要有低消耗功率以及高傳輸速率等等，其相關的應用 研究已有多年，之前的IEEE 標準將 UWB 區分為高傳輸速率以及低傳輸速 率，前者的相關標準為IEEE 802.15.3a，後者的相關標準為 IEEE 802.15.4a，
但 即 使 IEEE 802.15.6 的 UWB 提 案 ， 乃 修 改 自 低 傳 輸 速 率 的 IEEE 802.15.4a，其傳輸速率仍舊高於窄頻技術。如前所述，UWB 應用於 BAN 有其突出的優點，因此本計畫選擇UWB 做 BAN 的通道研究。
表1. IEEE 802.15.6 中的窄頻技術提案
Company Modulation Data rate Frequency band*(MHz) IMEC OOF/GFSK
(h=0.3, BT=0.5) 16 k ~16 Mbps ISM, 2360 ~ 2400 KETIKORPA GFSK
(h=1, BT=0.25)
500 kbps MICS
NICT GFSK
(h=1, BT=0.5) 12.5 k~2 Mbps
MICS,
ISM_Japan,ISM_USA, ISM_EU,WMTS Zarlink GMSK (h=0.5) 120/180 kbps ISM_EU, ISM_USA Inha University (G)MSK 200~600 kbps MICS
MedWin (GE, Philips, TI, Toumaz)
Rotated-DPSK 100 k~
1 Mbps
MICS, ISM_USA,
ISM_Japan, ISM_EU,ISM, 2360 ~ 2400
Motorola
OQPSK 10 k~10 Mbps ISM_USA, ISM,2360 ~ 2400
ETRI PSSK 10/20 Mbps 270 ~ 310
*MICS: 402~405 MHz
ISM : 2400~2483 MHz
ISM_USA :902~928 MHz
ISM_EU : 873~870 MHz
ISM_Japan : 950~956 MHz
WMTS : 608~614 MHz
表2. IEEE 802.15.6 中的 UWB 技術提案 Company Signal
Source
Modulation Data rate Frequency band
ETRI-Samsung IR/
Chaos
GPPM 100 k ~ 10 Mbps 3.1 ~ 4.6 GHz, 7.25 ~ 8.5 GHz FT-CEA-Thales IR PPM, DBPSK 1.95 ~ 27.24 Mbps 3.1 ~ 10.6 GHz
IMEC IR BPM, OOK,
DBPSK
100 k ~ 27.2 Mbps 3 ~ 10 GHz
TI IR PPM 500 kbps 6.4 ~ 8.9 GHz NICT-Meiji-YNU IR/
Chirp
BPM/DMPSK 200 k ~ 10 Mbps 3.1 ~ 10.6 GHz
CSEM FM FSK-FM 30 ~ 250 kbps 6 ~ 9 GHz