基于不同路徑長度的人體通信信號傳輸檢測方法研究*

侯宋躍, 廖 薇, 周靈麗

(上海工程技術(shù)大學(xué) 電子電氣工程學(xué)院,上海 201620)

0 引 言

近年來,傳感器和檢測技術(shù)的進(jìn)步帶來了一系列新的應(yīng)用。人們對健康的需求越來越高,使得技術(shù)越來越多地聚焦于人體自身。微型化和便捷化的特點(diǎn),使得結(jié)合傳感器和無線通信技術(shù)的可穿戴設(shè)備被越來越多地用于人體同外部環(huán)境的信息交換中。在人體區(qū)域內(nèi)構(gòu)建傳感器檢測網(wǎng)絡(luò),以實(shí)現(xiàn)人體通信(human body communication,HBC)成為了極具發(fā)展前景的技術(shù)。該技術(shù)的作用區(qū)域是體域網(wǎng),這個(gè)網(wǎng)絡(luò)指緊鄰人體的周圍環(huán)境,包含人體周圍最近的物體,也可能是人體本身組織的一部分?；贗EEE 802.15.6標(biāo)準(zhǔn),將10～50 MHz的無線電波頻段稱作HBC頻段。如此低的通信頻率保證了對人體的電磁輻射滿足安全性這一重要要求,同時(shí)這一頻段未被占用,也使得在該頻段下的人體通信不易受到其他無線通信設(shè)備的干擾[1]。另外,檢測表明,在這些頻率上的信號沿人體傳播的損耗小于在空氣中傳播的損耗,這樣低的傳播損耗使其能耗極低,功率低至20 mW,能夠保證人體通信的穩(wěn)定性與有效性。并且由于向人體外輻射較低,也為人體通信帶來了更高的數(shù)據(jù)安全性[2]。

人體通信技術(shù)的研究主要集中在以下幾個(gè)方面：檢測不同通信頻段電磁波對人體通信數(shù)據(jù)傳輸速率的影響及對人體的安全性評估；研究信號檢測技術(shù)與可穿戴設(shè)備的交互方式以改進(jìn)當(dāng)前的可穿戴設(shè)備,提高用戶體驗(yàn)度；基于人體通信的多姿勢信道建模與特性檢測,以及多徑信道模型研究等。針對信號傳輸特性與路徑特征間關(guān)系的研究,以往的人體通信信號傳輸檢測只是對鏈路路徑長度與信號傳輸特性間關(guān)系進(jìn)行了橫向的檢測分析,即在同一通信模型下進(jìn)行不同鏈路傳輸特性的分析。由于在同一人體模型下信號的發(fā)射端與接收端位置的不同,造成通信鏈路路徑長度的差異,從而對路徑長度對信號傳輸特性檢測的影響進(jìn)行分析[3]。這樣做存在一定的局限性,電磁波信號在人體表面?zhèn)鞑r(shí)并不都是直線傳播,傳播的過程中會發(fā)生反射和繞射等效應(yīng),這些都是人體通信中信號傳輸特性研究必須考慮的因素[4]。

1 路徑長度有關(guān)的傳輸特性檢測

1.1 人體傳感器檢測環(huán)境建立

信號檢測時(shí)電磁波在人體表面?zhèn)鞑サ亩鄰叫?yīng)雖然難以避免,但可以通過控制變量法將這些效應(yīng)對信號傳輸特性與路徑長度間關(guān)系研究的影響盡可能減小到幾乎可以忽略。針對上述問題,本文提出對通信路徑長度與信號傳輸特性間關(guān)系進(jìn)行縱向比較分析的方法,即研究了不同身高人體模型中,信號發(fā)射端和接收端體表位置相對一致的情況下,同名鏈路的傳輸特性。人體模型都是健康成年男性標(biāo)準(zhǔn)模型,在這些人體模型的信號傳輸鏈路中,相同的路徑除了長度不同外(身高不同所致),其它特征基本相同(由于信號發(fā)射端和接收端位置相對一致)。這樣的通信條件下,在不同人體模型中相同鏈路的電磁波信號具有相似的多徑效應(yīng)。這種分析方法排除了信號沿人體傳播時(shí)多徑效應(yīng)對信號傳輸特性檢測的干擾,即是研究信號傳輸特性與路徑長度的關(guān)系。

計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)(computer simulation technology,CST)采用時(shí)域有限差分(finite difference time domain,FDTD)法建立起精確的信道模型?；贔DTD法的人體模型被離散化為很多元胞,分辨率極高。通過為每一個(gè)元胞賦以對應(yīng)的介電常數(shù)及電導(dǎo)率,可以精確仿真人體的各種不同組織,并準(zhǔn)確計(jì)算人體內(nèi)部電磁場。電場分量E與磁場分量H在空間上隔半個(gè)元胞交錯(cuò)分布,這種模型符合電磁波的傳播規(guī)律[5]。本文選擇使用最廣泛的三維體素模型,精度可高達(dá)2 mm。CST能夠提供生成不同性別、年齡、身高、體重的人體模型,模型的細(xì)節(jié)幾何特性參數(shù)都是可調(diào)的[6]。相比傳統(tǒng)的多層組織人體模型,三維體素模型通信環(huán)境更接近實(shí)際人體,仿真結(jié)果準(zhǔn)確性更高,這里采用了均質(zhì)人體模型以縮短仿真時(shí)間[7]。在HBC頻段,電磁波只透入皮膚下幾厘米(cm),主要沿著人體表面?zhèn)鞑?表現(xiàn)為表面波的形式,因此皮膚的電磁特性將大大影響信號的傳播特性。本文采用的均質(zhì)人體模型,電磁特性參數(shù)取干燥條件下肌肉的電磁特性參數(shù)的2/3,這樣的模型與包含51種不同人體組織的人體模型在人體通信中的整體特性量化評估相差不超過5 %。

表1 15 MHz下人體組織電導(dǎo)率與相對介電常數(shù)[8]

人體組織的介電常數(shù)和電導(dǎo)率與頻率相關(guān),通過用表示生物組織復(fù)介電常數(shù)的德拜(Debye)公式將其納入FDTD的計(jì)算方法中[9,10]

εr(ω)=ε∞+χ(ω)+σ0/jωε0

(1)

根據(jù)式中前兩項(xiàng)與生物組織頻率彌散性相關(guān),第二項(xiàng)代表頻率域磁化系數(shù),第三項(xiàng)與電流密度相關(guān)聯(lián),將其分解成兩部分

D(ω)=ε0[ε∞+χ(ω)]E(ω)

(2)

J0(ω)=σ0E(ω)

(3)

因?yàn)镕DTD數(shù)值分析方法計(jì)算麥克斯韋方程組時(shí),是在時(shí)域中以迭代的方式進(jìn)行,需要對上述公式進(jìn)行傅里葉反變換

D(t)=ε0ε∞E(t)+ε0χ(t)*E(t)

(4)

J0(t)=σ0E(t)

(5)

為了檢測人體信號沿人體表面?zhèn)鞑ヌ匦耘c傳輸路徑長度的關(guān)系,在人體模型表面設(shè)置發(fā)射機(jī)和接收機(jī)。模型中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別是兩個(gè)阻抗匹配的離散信號端口,由兩個(gè)電極片組成。發(fā)射端通過容性耦合將電信號耦合到人體,信號在人體皮膚表面以電磁波的形式傳播到接收端,比較接收信號和發(fā)射信號可以分析路徑損耗特性。每個(gè)人體模型中選取5條典型的體表通信鏈路進(jìn)行檢測,其中發(fā)射端設(shè)置在人體模型的左胸位置,定義為端口1,其它5個(gè)端口傳感器分別設(shè)置在人體模型的右胸、左右腰部和左右耳部,將它們依次定義為端口2～端口6,各端口電極到皮膚表面的距離為3 mm。模型中只把端口1設(shè)置為激勵源端口,其它5個(gè)端口作為接收端口[11]。這樣做的目的是讓每一條鏈路都是從端口1發(fā)出,而分別終止于其它5個(gè)端口,可以減少計(jì)算機(jī)運(yùn)算時(shí)的計(jì)算量。其中人體模型以及傳感器檢測環(huán)境設(shè)置情況見圖1。

圖1 三維體素模型及端口分布

1.2 發(fā)射脈沖的選取

發(fā)射脈沖的選取應(yīng)考慮發(fā)射信號的能量譜密度(energy spectral density,ESD)[12],本文使用的HBC信號都是基于高斯脈沖,其表達(dá)式為

(6)

高斯脈沖函數(shù)的微分具有零直流偏移的特點(diǎn),這種特性使得脈沖能被高效地輻射出去。另外,高斯脈沖可以無限次求微分,具有很好的平滑性[13,14]。

面前一杯咖啡已經(jīng)冰涼了，車子還沒來。上次接了她去，又還在公寓里等了快一個(gè)鐘頭他才到。說中國人不守時(shí)刻，到了官場才登峰造極了。再照這樣等下去，去買東西店都要打烊了。

2 信道傳輸特性檢測

2.1 同一人體模型下不同鏈路傳輸特性比較

在同一人體模型下,各條鏈路的通信環(huán)境不會因模型的差異有太大不同,通過在同一人體模型下檢測五條典型鏈路的信號傳輸情況來研究人體通信中信號傳輸特性與傳輸路徑長度的關(guān)系。本文分別對六組等間隔身高模型下的五條典型鏈路信號傳輸特性進(jìn)行檢測,這六組人體模型的身高呈5 cm遞增,它們分別是161,166,171,176,181,186 cm。這樣做的目的是設(shè)置對照組,在對比的基礎(chǔ)上對各人體模型中鏈路的傳輸特性進(jìn)行檢測分析。這六組人體模型均是標(biāo)準(zhǔn)的成年男性,無過胖過瘦或者畸形[15]。在這六組不同身高的模型中,對應(yīng)五條鏈路的收發(fā)傳感器位置完全一致。王瓊等人采用的人體模型是基于亞洲男性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫,取身高168.76 cm,體重65 kg的成年男性為研究對象。本文基于上述六組正常身高模型,取中考慮,選取身高176 cm下的人體模型仿真的信道傳輸特性在HBC頻段的路徑損耗特性曲線為例進(jìn)行分析。仿真得到176 cm身高條件下的五條鏈路路徑損耗曲線如圖2所示。其中S21,S31,S41,S51,S61分別表示端口1到端口2～端口6的信號傳輸路徑損耗歸一化S參數(shù)曲線。

圖2 176 cm模型下路徑損耗歸一化S參數(shù)曲線

在人體模型中,信號發(fā)射端和五個(gè)接收端均位于人體的正面,信號的傳輸路徑是這樣的,到右胸部和左右腰部的鏈路近似直線,到左右耳朵的傳輸是沿著肩膀爬升,并無較大的反射和繞射發(fā)生,可視為直視傳播。所以在測量五條典型鏈路的長度時(shí),可以直接以端口傳感器幾何中心之間的直線距離作為信號傳輸路徑的長度。在176 cm身高人體模型中,通過選取端口中心測得的激勵源到各接收端的直線距離分別用d21,d31,d41,d51,d61表示,分別表示端口1到端口2～端口6的距離,它們分別為145,302,350,386,430 mm。

由圖2可以看出,在HBC頻段10～50 MHz內(nèi),人體通信信號傳輸路徑損耗的歸一化S參數(shù)可以反映信號損耗情況,即隨著信道長度增加,信號的路徑損耗增大。

經(jīng)測量,在各組模型中的五條鏈路長度都是由d21到d61逐漸增大。這里在六組身高下的模型中HBC頻段內(nèi)選取30 MHz中心頻率點(diǎn)的路徑損耗歸一化S參數(shù)(單位：dB)列入表2所示。

表2 30MHz下不同身高模型下路徑損耗歸一化S參數(shù)

如表2,隨著不同身高模型下的五條傳輸路徑(d21,d31,d41,d51,d61)長度的依次增加,對應(yīng)的歸一化路徑損耗特性S參數(shù)(S21,S31,S41,S51,S61)依次減小,表明隨著信道長度的增大,路徑損耗也增大。

2.2 不同人體模型下相同鏈路傳輸特性分析

縱向檢測分析,即對不同人體模型中信號發(fā)射端和接收端位置相對一致的鏈路(同名鏈路)信號傳輸特性與路徑長度的關(guān)系進(jìn)行研究。比如,將6組不同身高條件下的左胸到右胸的鏈路單獨(dú)提取出來做研究,即構(gòu)成了5組同名鏈路的研究。發(fā)射端和接收端在各個(gè)模型中位置一致使得信號傳輸路徑上人體表面特性基本一致,這樣可以將信號沿人體表面非直線傳播產(chǎn)生的效應(yīng)對傳輸特性結(jié)果分析造成的影響降到最小。

這里取從左胸發(fā)射端到左腰接收端的鏈路(即端口1到端口3的傳輸鏈路)路徑損耗特性曲線做分析。其中，6組身高下檢測到的路徑損耗特性的歸一化S參數(shù)S31與頻率的關(guān)系如圖3所示。

圖3 不同身高模型下路徑損耗歸一化S參數(shù)曲線

同樣,由于發(fā)射端和接收端傳感器都位于人體模型的正面,信號傳輸可以認(rèn)為是直線傳播,取發(fā)射端口幾何中心和接收端口幾何中心的直線距離作為信號傳輸路徑的長度。其中各身高條件下由激勵源端口1到接收端口3的信號傳輸路徑長度(單位：mm)如圖4所示。

圖4 各模型下左胸—左腰鏈路長度

在HBC頻段,人體通信在十幾兆赫茲(MHz)這一段通信性能最佳,因此,特選取15 MHz頻率點(diǎn)處的路徑損耗歸一化S參數(shù)(單位：dB)列入表3。

表3 15 MHz下路徑損耗特性歸一化S參數(shù)

如圖4和表3,隨著模型身高的增高,每個(gè)模型中測得的對應(yīng)同名鏈路路徑長度(如各個(gè)模型中的d21)也相應(yīng)增大。通過縱向分析不同模型下同名鏈路的信道傳輸特性可知,隨著傳輸路徑長度的增大,每組同名鏈路的路徑損耗特性歸一化S參數(shù)逐漸減小,表明路徑損耗逐漸增大。

3 結(jié)束語

通過分析相同人體模型下不同的通信鏈路傳輸特性,可以看出：人體通信中,信號傳輸路徑損耗隨著路徑長度的增大而增大。進(jìn)一步分析不同人體模型下發(fā)射端和接收端位置相對一致的鏈路得到：信號傳輸路徑損耗隨著傳輸路徑的變長而變大。由于在標(biāo)準(zhǔn)人體模型下,發(fā)射端和接收端位置相對一致的鏈路人體表面幾何特性相似,這里得出的路徑損耗特性與路徑長度的關(guān)系可以推廣到表面波在人體表面非直線傳播的情形。最終,得到在HBC頻段人體通信中,隨著信號傳輸路徑長度的增大,路徑損耗隨之增大。本文結(jié)果將對可穿戴設(shè)備的研發(fā)和改進(jìn)有指導(dǎo)價(jià)值,對體域網(wǎng)傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展具有一定的借鑒意義。

在下一步的工作中,將對可能對通信產(chǎn)生影響的人體周圍環(huán)境因素(如大地和佩戴的電子設(shè)備等)加以考慮,進(jìn)行仿真數(shù)值分析,以達(dá)到更好地貼近實(shí)際的效果。