毫米波頻段人體電波傳播特性綜述*

趙紅梅，王 潛，郭淑婷

(1. 山東大學(xué) 信息科學(xué)與通信工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100； 2. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

毫米波頻段人體電波傳播特性綜述*

趙紅梅1,2，王 潛2，郭淑婷2

(1. 山東大學(xué) 信息科學(xué)與通信工程學(xué)院，山東 濟(jì)南 250100； 2. 鄭州輕工業(yè)學(xué)院 電氣信息工程學(xué)院，河南 鄭州 450002)

毫米波頻段可提供數(shù)GHz的頻譜，成為第5代無(wú)線蜂窩網(wǎng)絡(luò)極具吸引力的選擇。其目前測(cè)試場(chǎng)景往往不能忽略人體的存在。文中詳細(xì)介紹了電波傳播的信道建模方法、測(cè)試環(huán)境和仿真模型。在測(cè)試環(huán)境和方法中主要講述了人體模型的建立和天線的類(lèi)型、位置等。并介紹了基于入射反彈法(SBR)和時(shí)域有限差分法(FDTD)兩種仿真模型。最后對(duì)人體阻擋影響、散射特性、基站方位影響等性能進(jìn)行了分析。

毫米波；電波傳播；人體模型；信道建模

0 引言

隨著科技的發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)的覆蓋化，人們對(duì)通信質(zhì)量的要求也在不斷提高。在醫(yī)學(xué)影像方面，要求從患者的醫(yī)療圖像中得到較高的清晰度，需要非常高的數(shù)據(jù)傳輸速率。在軍事方面更加需要高的傳輸速率，以最短的時(shí)間接收到最有效的信息，從而進(jìn)行最有利的進(jìn)攻和防守，這在信息化的戰(zhàn)爭(zhēng)中是不可或缺的。因此需要采用新的頻段。目前毫米波頻段(30 GHz～300 GHz)的使用是較少的。此頻譜帶寬較輕松，傳輸速率也得到巨大的提升，這是實(shí)現(xiàn)5G移動(dòng)通信高傳輸速率關(guān)鍵技術(shù)之一。

毫米波頻段由于波長(zhǎng)較短，人體相對(duì)于毫米波[1]波長(zhǎng)成為電大尺寸目標(biāo)，對(duì)毫米波信號(hào)的傳播特性會(huì)產(chǎn)生影響。國(guó)內(nèi)外對(duì)在毫米波頻段人體傳播特性的研究也是熱度不減[1]。

本文從基礎(chǔ)理論、測(cè)試環(huán)境和方法及人體模型、兩種仿真模型等角度對(duì)國(guó)內(nèi)外關(guān)于毫米波頻段人體傳播特性進(jìn)行了分析和比較，為進(jìn)一步研究其特性做了參考。

1 基礎(chǔ)理論

在研究人體電波傳播時(shí)，通過(guò)建立信道模型來(lái)分析其特性[2]。

1.1射線追蹤法

射線追蹤法有鏡像法和入射反彈發(fā)射法，入射反彈發(fā)射法較適用于復(fù)雜的電磁環(huán)境，基于鏡像理論的確定性方法是虛擬源方法[3]。文獻(xiàn)[3-5]中采用射線追蹤法研究了毫米波在微蜂窩中的傳播特性，在28 GHz下可視距路徑有效半徑300～400 m，在非可視距路徑下有效半徑小于200 m?？梢暰嗦窂较孪鄬?duì)接收功率在0～40 dB。

1.2基于物理傳播建模法

基于物理傳播建模法是將抽象的物理現(xiàn)象等效為簡(jiǎn)單的模型對(duì)電波傳播進(jìn)行測(cè)量。文獻(xiàn)[6]對(duì)73 GHz頻段在紐約城市密集環(huán)境中的電波傳播進(jìn)行了測(cè)量。文獻(xiàn)[7-8]中采用物理傳播建模法建立28 GHz下信道路徑損耗模型，并且得出定向天線在毫米波通信的重要性。

表1對(duì)三種建模方法進(jìn)行了比較，射線追蹤法常用于室內(nèi)外傳播。時(shí)域有限差分法一般多用于尺寸較小和室內(nèi)傳播?；谖锢韨鞑サ慕Ｒ话愣鄳?yīng)用于MIMO研究，在測(cè)試時(shí)也容易受到測(cè)試環(huán)境的影響。

表1 三種建模法比較

1.3時(shí)域有限差分法(FDTD)

時(shí)域有限差分法是對(duì)微分形式的麥克斯韋方程進(jìn)行差分求解的技術(shù)[9]。Yee網(wǎng)格單元如圖1所示，把帶時(shí)間變量的麥克斯韋旋度方程轉(zhuǎn)化為差分格式[10]。

圖1 Yee網(wǎng)格單元

FDTD計(jì)算人體對(duì)毫米波傳播的影響時(shí)，將人體看作是一個(gè)散射體，將人體分成一個(gè)個(gè)的網(wǎng)格，分別計(jì)算網(wǎng)格的電場(chǎng)特性和磁場(chǎng)特性。FDTD需要對(duì)晶格尺寸做出精確的要求，F(xiàn)DTD里晶格不能大于最小激發(fā)波長(zhǎng)的1/10。晶格最大尺寸為:

其中c為光速，f是受激頻率。

文獻(xiàn)[11]利用FDTD計(jì)算手機(jī)對(duì)頭部輻射下的SAR，文獻(xiàn)[12]中手機(jī)輻射對(duì)人體影響進(jìn)行了分析，當(dāng)手機(jī)距離人體頭部較近時(shí)，SAR值會(huì)達(dá)到最大。利用FDTD法計(jì)算更加精確，但是網(wǎng)格的劃分也會(huì)使精確度發(fā)生變化。

2 測(cè)試環(huán)境及人體模型

2.1室內(nèi)測(cè)試環(huán)境

在一個(gè)12.5 m×6 m的辦公室內(nèi)，如圖2所示，左邊放置發(fā)射機(jī)，在距離發(fā)射機(jī)分別為2 m、4 m、6、m、10m處放置接收機(jī)。人體沿平行發(fā)射、接收機(jī)處行走，再分別從距離發(fā)射機(jī)0.5 m、1 m、5 m、9 m、9.5 m處穿過(guò)。發(fā)射機(jī)天線用全向天線，接收機(jī)用定向天線[13]。

圖2 辦公室室內(nèi)測(cè)試圖

2.2室外測(cè)試環(huán)境

在戶(hù)外通常選擇大學(xué)校園進(jìn)行測(cè)試，如圖3所示。

在一個(gè)大學(xué)校園里，將毫米波基站分別放在校園中心和四個(gè)角落里，這樣共有5個(gè)基站進(jìn)行性能分析?；咎炀€為12×12均勻矩形陣列天線，接收天線是4×4平面相控陣列天線[14-18]。

2.3刀刃衍射模型和圓柱模型

文獻(xiàn)[13-17]中分別利用刀刃衍射模型或者圓柱體模型。在射線追蹤法中，刀刃衍射模型是其中的一部分，圓柱體模型也是在UTD中常用的人體模型。雙刀刃衍射模型基于兩個(gè)垂直的刀刃，即沿身體的主軸線的兩個(gè)刀刃。多刀刃衍射模型是將人體看作是一個(gè)立方體。文獻(xiàn)[13]中利用分段線性擬合分析可視距路徑下的衰減情況時(shí)發(fā)現(xiàn)刀刃衍射模型會(huì)比實(shí)際值略小，而基于UTD的導(dǎo)電圓柱體略大。

文獻(xiàn)[14]和[17]中利用理想的導(dǎo)電圓柱體和人體進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，兩者在10.5 GHz的可視距路徑下的衰落、周期性和相對(duì)功率都是相似的。

2.4生物電磁模型

文獻(xiàn)[19]中介紹了一種關(guān)于人體的生物電磁模型。 人體是一個(gè)非常復(fù)雜的電磁系統(tǒng)，不同的生物組織有著不同的電磁特性。 生物電磁模型的建立主要分兩個(gè)步驟，一是建立人體結(jié)構(gòu)模型，二是建立人體電磁模型。

人體結(jié)構(gòu)模型的建立主要通過(guò)醫(yī)學(xué)設(shè)備來(lái)實(shí)現(xiàn)。主要用核磁共振成像技術(shù)、Photoshop、MATLAB及MESHLAB軟件對(duì)人體結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行三維建模，這樣得到的人體模型就更加的逼真[20]。在文獻(xiàn)[21-23]中發(fā)現(xiàn)人體手臂、手腕和前臂的介電常數(shù)。

建立人體電磁模型主要是得到人體組織的電磁參數(shù)，其中介電常數(shù)在分析人體對(duì)毫米波傳播特性的影響是至關(guān)重要的，不同的測(cè)量方法、不同頻率下、不同的皮膚組織的介電常數(shù)是不一樣的。介電常數(shù)的公式為：

ε*=ε′-jε″

在60 GHz下人體單一皮膚組織的相對(duì)介電常數(shù)為7.98，電導(dǎo)率為36.4 s/m。

2.5 3D模型

在文獻(xiàn)[24]中講述了一種三維動(dòng)畫(huà)人體模型的建立，用三維動(dòng)畫(huà)形式來(lái)描述人體行走的模型，最初人體模型是使用真實(shí)的個(gè)人照片，以確保正確的比例。通過(guò)三維激光掃描人體模型。指定每個(gè)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的網(wǎng)格到適當(dāng)?shù)墓趋牢恢?，一個(gè)特定的點(diǎn)需要來(lái)自多個(gè)骨骼的影響。三維模型最終是以許多獨(dú)立的三角形組成，將它們放在一起形成一個(gè)曲面。根據(jù)這種模型可以建立不同的人體模型，對(duì)于人體行走過(guò)程中身體形狀的變化也可以進(jìn)行隨時(shí)跟蹤[25]。

基于上述實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景建模方法，對(duì)人體模型和天線類(lèi)型提出進(jìn)一步的研究建議：

(1) 將人體分為身體主干部分和頭部，兩部分為大小不一的圓柱體，分別賦予不同的電磁特性以測(cè)試其傳播特性。

(2) 人體身著的衣物可以簡(jiǎn)單地分為皮革、棉紡和滌綸三種材料。

(3) 測(cè)試環(huán)境應(yīng)盡量選擇遮擋物少的場(chǎng)景，減少其他遮擋物的吸收，以充分體現(xiàn)毫米波頻段人體傳播的特性。

(4) 考慮基站天線高度、基站密度等參數(shù)帶來(lái)的影響，收發(fā)天線采用MIMO形式，垂直極化。

3 仿真模型

3.1基于FDTD仿真模型

改進(jìn)的人體模型主要分為物理結(jié)構(gòu)模型和設(shè)置電磁參數(shù)兩部分[26-27]。

用戶(hù)手持通信設(shè)備，在可視距路徑(LOS)下接收信號(hào)時(shí)會(huì)因?yàn)橛脩?hù)的手部和頭部的遮擋造成一定的衰減。如圖4所示為室內(nèi)LOS下用戶(hù)通信仿真模型。用定向喇叭天線作為發(fā)射和接收天線，發(fā)射機(jī)距離人體1 m，接收機(jī)位于人體頭部，相當(dāng)于人手持手機(jī)，并且背對(duì)著發(fā)射機(jī)，主要考慮頭部帶來(lái)的影響。設(shè)置最大仿真時(shí)間為10 000×?xí)r間步長(zhǎng)，閾值為-30 dB。

3.2基于SBR仿真模型

利用刀刃模型建立由兩個(gè)多邊體組成的人體，實(shí)驗(yàn)仿真如圖5所示，人體手持通信設(shè)備，考慮頭部帶來(lái)的影響，同時(shí)也考慮人體手部對(duì)其影響。

在類(lèi)似校園的室外場(chǎng)景中，基站高度大約在25 m～30 m，為了研究接收機(jī)方位性帶來(lái)的影響，讓人體分別站

圖4 基于FDTD仿真模型 圖5 基于SBR仿真模型

在發(fā)射機(jī)的8個(gè)方向，距離發(fā)射機(jī)分別為10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、100 m、150 m、200 m處，發(fā)射和接收天線參數(shù)如表2所示。

表2 發(fā)射/接收天線參數(shù)

4 性能分析

4.1人體遮擋影響

文獻(xiàn)[22]利用射線追蹤法對(duì)室內(nèi)人體遮擋進(jìn)行電波傳播的分析。在圖2辦公室測(cè)試環(huán)境中，人體阻擋造成的最差的影響就是讓一個(gè)人直接站在發(fā)射和接收器的中間。在這種情況下，人體阻擋對(duì)數(shù)據(jù)傳輸?shù)挠绊懯请p重的。由于額外的衰減和人體阻擋導(dǎo)致了信道從可視距路徑轉(zhuǎn)向了非可視距路徑(NLOS)，時(shí)延擴(kuò)展和頻率選擇性增加。這兩種效應(yīng)導(dǎo)致在數(shù)據(jù)傳輸過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生更高的錯(cuò)誤。人體存在著自我阻擋，在低密度環(huán)境中，自我阻擋和阻擋幾乎沒(méi)有，所以系統(tǒng)的性能基本是保持不變的。

4.2人體散射特性

利用FDTD得到圖6， 28 GHz～38 GHz不考慮人體所穿衣服帶來(lái)影響下經(jīng)人體散射得到的S21折線圖。

圖6 28 GHz～38 GHz人體散射S21折線圖

從圖6明顯可以看出，在28 GHz和38 GHz下的損耗是最小的，38 GHz和32 GHz兩個(gè)頻率的損耗相差約80 dB。在30 GHz、34 GHz、36 GHz時(shí)的結(jié)果相差不大，均在幾dB。結(jié)果表明在38 GHz下人體自遮擋對(duì)毫米波傳播的影響遠(yuǎn)小于在32 GHz。并且在30 GHz、34 GHz和36 GHz頻率下，三種不同織物的介電常數(shù)和電導(dǎo)率相差很小，因此可以推斷出在這三個(gè)頻率下接收到經(jīng)人體散射的電波傳播特性的差別也是微乎其微。所以這對(duì)5G移動(dòng)通信頻段的確定有很好的借鑒性。

4.3基站方位影響

根據(jù)圍繞人體的8個(gè)方向進(jìn)行仿真得到路徑損耗如圖7所示。從圖中可以看出，28 GHz時(shí)，在距離接收機(jī)20 m～100 m時(shí)的路徑損耗較小，在100 dB左右。tx3處的路徑損耗較其他基站方位大，tx7和tx8路徑損耗較小。因此可以推斷出，由人體頭部帶來(lái)的影響比人體手部帶來(lái)的影響大。隨著距離的增大，路徑損耗也在增大，在無(wú)線通信里，基站覆蓋最大距離為200 m，由圖看出200 m處的路徑損耗較100 m處的大10 dB左右。

5 結(jié)論

毫米波頻段是研究下一代移動(dòng)通信的主要頻段，人體本身具有復(fù)雜的電磁特性，對(duì)毫米波頻段的傳播具有一定的影響。本文從測(cè)試環(huán)境和方法、兩種仿真模型進(jìn)行分析，得到人體遮擋、散射特性及基站方位對(duì)傳播的影響。在60 GHz時(shí)，由人體遮擋帶來(lái)的衰減達(dá)到40～50 dB。主要介紹了單一人體的傳播特性，對(duì)接下來(lái)研究密集人口環(huán)境的傳播特性有一定的借鑒作用。

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A review for radio wave propagation characteristics on human body in millimeter wave band

Zhao Hongmei1,2, Wang Qian2, Guo Shuting2

(1. College of Science Technology and Communication Engineering, Shandong University, Jinan 250100, China;2. College of Electric and Information Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China)

Millimeter wave (mmW)band can provide several GHz, it becomes an attractive option for the fifth generation wireless cellular network. At present, the test scene often cannot ignore human body(HB) existence. In this paper, it introduces channel modeling method in mmW band, test environment and simulation model. In the test environment and method, it mainly gives account of HB modeling and antenna type, position etc. In simulation modeling, mainly introduces two style modeling of SBR and finite difference time domain method(FDTD). Finally, it analyzes the impact of the human body blockage, scatter, base station azimuth and other performance.

millimeter wave; radio wave propagation; HB model; channel modeling

國(guó)家自然科學(xué)基金(U1504604)

TN928

：A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.17.003

趙紅梅，王潛，郭淑婷.毫米波頻段人體電波傳播特性綜述[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(17)：8-11,20.

2017-03-13)

趙紅梅(1976-)，女，副教授，主要研究方向：微波射頻天線、超寬帶無(wú)線通信技術(shù)方面的研究。王潛(1992-)，通信作者，女，碩士研究生，主要研究方向：毫米波傳播。E-mail：1002818773@qq.com。郭舒婷(1980-)女，碩士，主要研究方向：超寬帶無(wú)線信道建模。