基于路徑損耗模型的人體通信信道研究

余曉杰

【摘要】 建立基于路徑損耗模型的人體通信信道，研究人體通信信道的衰落因素，探究頻率對(duì)信道路徑損耗的影響和不同收發(fā)機(jī)位置下路徑損耗的變化。本文采用時(shí)域有限差分方法將麥克斯韋方程轉(zhuǎn)化為差分方程，求解人體模型的空間電磁場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行體內(nèi)信道建模并分析影響因素。

【關(guān)鍵詞】 無(wú)線體域網(wǎng) 路徑損耗 信道模型 MATLAB

Research on Human Body Channel Based on Path Loss Model

Yu Xiaojie （Nangjing University of Posts and Telecommunications，Nanjing China 210003）

Abstract： The establishment of the human communication channel path loss model based on human factors， fading channel， explore the effect of frequency on the channel path loss and path loss under different transceiver position changes. In this paper， the finite difference time domain method is used to transform the Maxwell equations into difference equations， and to solve the electromagnetic field of the human body model.

Key words： Wireless Body Area Network； Path Loss； Channel Model；MATLB

引言

Zimmerman提出的人類通信相比，與射頻無(wú)線通信[ 2 ]，人類的通信在人體傳感器網(wǎng)絡(luò)中的應(yīng)用有很大的優(yōu)勢(shì)，首先，它是以“人”為中心，建立了一個(gè)網(wǎng)絡(luò)和通信范圍有限的每個(gè)人，使每個(gè)網(wǎng)絡(luò)屬于每個(gè)人，網(wǎng)絡(luò)安全和通信的穩(wěn)定性，以及低功耗使得系統(tǒng)可以在較長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)工作。

在本文中，WBAN信道特性進(jìn)行了研究，并影響體內(nèi)和體外的通道的主要因素進(jìn)行了分析。本文分析了人體信道的路徑損耗模型的傳輸特性，并進(jìn)行了不同頻率下的路徑損耗模型的仿真分析。

一、信道模型統(tǒng)計(jì)特性

基在無(wú)線通信系統(tǒng)中，尤其是在WBAN信道的，且與位置和位置有關(guān)，而下降的速度取決于人體的速度。對(duì)數(shù)正態(tài)分布的概率密度函數(shù)和累積分布函數(shù)的分布是：

通過(guò)對(duì)數(shù)正態(tài)分布的分析，為下一章WBAN信道統(tǒng)計(jì)建模提供理論依據(jù)。

二、多人體信道模型

電磁波在人體內(nèi)的傳播特性是非常復(fù)雜的。電磁波被人體吸收，這是由于有損的介電特性和人體的異質(zhì)性，這使得傳輸信號(hào)大大衰減。由于人體和頻率的介電性能，在不同的工作頻段，如UWB，MICS和HBC，其信道特性是不一樣的。因此，人體區(qū)域的信道建模，需要對(duì)不同的信道類型和不同的頻率條件，將電磁波在人體區(qū)域內(nèi)的不同的通信特性考慮進(jìn)去。

不同于傳統(tǒng)的無(wú)線通信，WBAN信道路徑損耗是由接收天線的距離和通信頻率的確定。從對(duì)人體本身，分析4.1部分的形狀、結(jié)構(gòu)和周圍環(huán)境和傳播環(huán)境的運(yùn)動(dòng)也會(huì)影響WBAN信道。一般來(lái)說(shuō)，信道的路徑損耗會(huì)隨著距離的增加，增加的頻率；其次，由于人體的運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)致在無(wú)線體域網(wǎng)的拓?fù)洳灰?guī)則變化，人體和周圍環(huán)境也會(huì)發(fā)生變化，所以在通信距離和頻率的確定，路徑損耗由瞬時(shí)值與平均路徑損耗值的波動(dòng)，這種現(xiàn)象可以被稱為陰影衰落，并在人體靜態(tài)和運(yùn)動(dòng)必須考慮其影響。路徑損耗模型是用來(lái)定義的功率衰減的相對(duì)值，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)類型的冪函數(shù)衰減規(guī)律，以適應(yīng)，如下：

三、仿真結(jié)果

本節(jié)對(duì)路徑損耗模型在不同頻率，不同接收機(jī)位置，不同發(fā)射機(jī)位置進(jìn)行仿真，路徑算好公式采用包含陰影衰落的3-1，主要針對(duì)B信道，即體內(nèi)到體表信道進(jìn)行仿真，仿真分為四類：4GHz（暫時(shí)忽略高頻率對(duì)人體傷害）下B信道接收機(jī)位置為Rx1，B信道接收機(jī)位置為Rx2，400MHz下B信道發(fā)射機(jī)位置在人體深層組織，B信道發(fā)射機(jī)位置在人體淺層組織。

MATLAB下仿真，并得出不同情況下的路徑損耗圖如下：

四、結(jié)論

本文通過(guò)MATLAB對(duì)人體信道的體內(nèi)到體表部分信道進(jìn)行仿真，驗(yàn)證了UWB頻段和MICS頻段的信道特性，結(jié)果表明：

在MICS頻段下，體內(nèi)到體表信道，由于人體組織的不同幾乎不會(huì)影響路徑損耗，在UWB頻段下路徑損耗要比MICS頻段下大，并且，只有UWB頻率情況下人體組織對(duì)路徑損耗也會(huì)產(chǎn)生一定的影響，因此選擇合適的頻率和合適的接收機(jī)位置會(huì)大大提高人體通信的效率。

參 考 文 獻(xiàn)

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