基于多姿勢人體模型的信道研究*

王紫陽，廖 薇

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

0 引 言

人體通信技術(shù)利用人體為傳輸媒介，可以實(shí)現(xiàn)醫(yī)生與病患間的相對隔離，同時(shí)具備較高的通信效率，可以滿足醫(yī)療測量的精確度而受到人們的廣泛關(guān)注。保證體表周圍通信狀態(tài)的穩(wěn)定及速度上的高效率成為該技術(shù)的研究熱點(diǎn)。在醫(yī)療健康領(lǐng)域，無線體域網(wǎng)在不影響人的正常生活、學(xué)習(xí)和工作的情況下，收集身體生理參數(shù)及周邊的環(huán)境信息[1]。

在體域網(wǎng)范圍內(nèi)，IEEE 802.15.6協(xié)會(huì)建立了完整的短距離、低功耗及傳輸速率為10 Mb/s的無線通信國際標(biāo)準(zhǔn)，該標(biāo)準(zhǔn)為人體鄰近區(qū)域短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn),將傳輸技術(shù)分為超寬帶(UWB)、NB[2]、人體通信(human body communication,HBC)三種。通常來說，UWB及NB通信方法采用天線以射頻的方式實(shí)現(xiàn)功能，存在多種通信方式兼容性問題，同時(shí)發(fā)射極的設(shè)計(jì)問題也成為制約該方向發(fā)展的困擾。而HBC作為近幾年研究的熱點(diǎn)，可以通過在簡單電極片間傳遞信號，采用極小的成本即可在體表實(shí)現(xiàn)通信功能。HBC頻段即10～50 MHz段的研究，文獻(xiàn)[3]發(fā)現(xiàn)在該頻段下的電磁波，沿著體表的衰減情況遠(yuǎn)小于電磁波向空氣中擴(kuò)散衰減的幅度。文獻(xiàn)[4]通過人體模型得出了發(fā)射極在手指出的路徑損耗模型。在體表電磁傳播中，包含電磁分量[5]、表面波分量及感應(yīng)場三部分分量。文獻(xiàn)[6]將發(fā)射路徑與接收路徑分別進(jìn)行了研究，在電容耦合下從大地到電極片的返回路徑的信道特性會(huì)受到電極片類型、人體姿勢及外部環(huán)境等因素的影響[7]，同時(shí)后一部分鏈路的路徑損耗較大，其性能也幾乎決定了該頻段的路徑損耗特性。鑒于人體活動(dòng)的不規(guī)律性，生活中人體姿勢也存在著多種可能性，因而需要對通信中人體姿勢帶來的電磁變化進(jìn)行研究，同時(shí)也為了人體通信技術(shù)的進(jìn)一步應(yīng)用，需要對人體的多種姿勢進(jìn)行電磁分析。

本文對于人體的29種姿勢進(jìn)行了電磁仿真，并提取仿真中的關(guān)鍵參數(shù)，以分析姿勢變化對于人體信道的影響。

1 人體介電特性

人體的介電特性，主要為電磁特性隨著頻率變化的特殊現(xiàn)象，這種現(xiàn)象源自于人體介電譜中的色散現(xiàn)象，用一個(gè)獨(dú)特的松弛時(shí)間常數(shù)τ來表示，下面首先給出介電特性參數(shù)與頻率間關(guān)系式,即生物電磁性最常用的德拜(Debye)公式為

(1)

式中 Δε為色散長度，ε∞為頻率趨于無窮大的介電常數(shù)。人體的介電特性參數(shù)可以表示為各個(gè)色散機(jī)理對應(yīng)Debye型表達(dá)式的集合，以此可以對大部分人體組織進(jìn)行建模。

對于本文所用人體模型，內(nèi)部包含51種人體不同組織器官，各組織相對介電常數(shù)及電導(dǎo)率取自于[8]，該人體參數(shù)為亞洲成年男性的平均統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，該模型的空間分辨率為2 mm。對于人體姿勢的變化，改變?nèi)梭w手臂、腿部的相對位置，對于頭部、頸椎等部分進(jìn)行細(xì)微的調(diào)整，得到如下29種不同類型姿勢：1)奔跑9種;2)坐姿6種;3)站姿9種;4)走姿5種。

將所設(shè)發(fā)射極置于心臟前端，為了與已有人體通信ECG檢測設(shè)備相結(jié)合[9]，發(fā)射極與接收極設(shè)置為(3×3)cm的兩片電極片的行使，間隔5 cm，在兩電極片間設(shè)置點(diǎn)對點(diǎn)式發(fā)射信號。接收極設(shè)置在人體胸前、腰部周圍、頭部周圍等三處主要位置。后文為了結(jié)果的統(tǒng)一觀察，將所有得到結(jié)果歸一化到50 Ω。本文所用人體多姿勢模型如下圖1所示。

圖1 人體多姿勢原理及部分模型

2 多姿勢人體模型仿真

在人體周圍實(shí)際的移動(dòng)通信系統(tǒng)中，發(fā)射極的信號會(huì)通過多種方式和路徑到達(dá)接收端即多徑效應(yīng)。由身體活動(dòng)帶來的體表的多徑效應(yīng)，往往集中于身體部位對直射電磁波產(chǎn)生的短暫遮擋效應(yīng)過程。故而引起接收信號的幅值及相位發(fā)生波動(dòng)，導(dǎo)致不同程度的路徑間延遲。式(2)所示為本文對得到仿真信號的處理過程

(2)

對于得到的時(shí)域脈沖信號，將得到的輸入、輸出電壓進(jìn)行傅里葉變換，在頻域范圍內(nèi)得到信號的延遲效應(yīng)，再進(jìn)行反傅里葉變換將信號轉(zhuǎn)換到時(shí)域，得到時(shí)域范圍內(nèi)的沖激響應(yīng)曲線。接收器放置在右胸、左腰、右腰，以及雙耳5個(gè)位置，以此形成5條通信傳輸鏈路，這五條鏈路不會(huì)隨著跑步姿勢的變化產(chǎn)生距離上及空間相對位置的變化，同時(shí)這五條典型鏈路可以代表體表上的所有直射鏈路。5條鏈路具有完全不同的傳輸路徑，左胸—右胸鏈路傳輸鏈路為直線路徑，而左胸—腰部鏈路，則包含多種路徑的疊加，雙耳鏈路還會(huì)存在空氣鏈路的疊加，圖2,圖3為不同動(dòng)作姿勢下得到的左胸—右胸鏈路以及左胸—右腰鏈路的歸一化S參數(shù)曲線。

圖2，圖3所示為左—右胸及左胸—右腰兩鏈路隨著人體姿勢的不同帶來的路徑損耗的變化。保證每一不同動(dòng)作下，每一鏈路的接收極在人體表相對位置不發(fā)生變化，以減少額外干擾因素。圖2,圖3的姿勢為每一類姿勢中隨機(jī)的兩種，在其他姿勢中也可以發(fā)現(xiàn)相同的特性。圖2,圖3可以發(fā)現(xiàn)，靜坐、站立等靜態(tài)姿勢相較于跑步、步行等動(dòng)態(tài)姿勢會(huì)產(chǎn)生額外5 dB以內(nèi)的路徑損耗。也就是，在人體活動(dòng)時(shí)，路徑損耗會(huì)產(chǎn)生部分衰減。為了研究這種變化，需要提取其中的核心參數(shù)，以研究人體姿勢變化帶來的影響。

圖2 左胸—右胸鏈路動(dòng)作變化

圖3 左胸—右腰動(dòng)作變化

3 仿真所得數(shù)據(jù)與特性分析

此處將得到的接收極輸出信號進(jìn)行數(shù)學(xué)計(jì)算，從接收極接收的能量變化角度分析特性。通過式(2)得到時(shí)域下的沖激響應(yīng)h(t)后，通過式(3)計(jì)算得到用于描述能量的功率延遲分布

(3)

功率延遲分布是對信道傳輸特性的一種統(tǒng)計(jì)表示，可以將沖激響應(yīng)電信號進(jìn)行平方及積分的運(yùn)算得到，描述了不同多徑分量到達(dá)時(shí)間與接收到的平均功率之間的關(guān)系，在CST軟件中進(jìn)行計(jì)算后，得到輸出信號如圖4所示。

圖4 左胸—右胸單姿勢下功率延遲分布

圖4為左胸—右胸單鏈路在不同姿勢下的功率延遲分布圖。圖中每一尖峰為一分量到達(dá)的結(jié)果，觀察可以發(fā)現(xiàn)不同姿勢下，單一鏈路的傳輸特性基本是一致的，幾乎具有相同的停止時(shí)間及峰值路徑時(shí)間，姿勢的變化對于鏈路整體穩(wěn)定性沒有產(chǎn)生明顯的影響。提取其中尖峰的幅值也就是每一路徑的路徑增益，及各路徑的出現(xiàn)時(shí)間進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析。

將單一姿勢下功率延遲分布中的峰值進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，同時(shí)將29個(gè)姿勢的功率增益值匯集到一起。此處忽略了低于峰值30 dB以下的路徑尖峰值。實(shí)務(wù)中該部分信號已衰減為幅值的0.1 %，很難被觀測到。對于所有路徑幅值的概率分布參數(shù)(probability distribution parameter)在MATLAB中進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)擬合，得到擬合圖如圖5所示。結(jié)果表明功率增益遵循正態(tài)分布，其物理意義也符合預(yù)期。即電磁波在人體表面?zhèn)鞑ミ^程中，人體多姿勢變化，帶來不同身體部位本身的反射及非直射帶來的衍射效應(yīng)等影響，可以認(rèn)為是一種乘性影響，為電磁波所乘的是按統(tǒng)計(jì)變化的隨機(jī)量[10]。

圖5 幅值的概率分布參數(shù)特性

路徑的依次到達(dá)時(shí)間也是重要的考量參數(shù)。在體表的電磁波通信層，不同位置的接收極形成不同傳輸路徑，而同一發(fā)射極接收極條件下，由于體表的多徑效應(yīng)則導(dǎo)致不同路徑中每一徑傳播距離不同，路徑到達(dá)時(shí)間不同。需要對路徑到達(dá)時(shí)間。圖6所示為信號的第一徑到達(dá)時(shí)間。對于人體表面，傳播鏈路在人體表面距離約為0.5 m左右。根據(jù)空氣中電磁波在體表直線路徑的傳播，第一路徑到達(dá)時(shí)間在1.67 ns左右，故而圖6中所得參數(shù)是符合預(yù)期的。從圖6中還可以看到信號的依次到達(dá)，不同傳播距離下的不同電磁信號也是按照右胸、兩側(cè)腰、雙耳鏈路的順序，也就是傳播距離的大小依次由接收極接收得到。

圖6 信號到達(dá)時(shí)間圖

從圖4中還可以看到峰值路徑的存在，該峰值路徑在不同姿勢中出現(xiàn)時(shí)間為120 ns左右。眾所周知，從接收極接收的信號中，往往直射路徑也就是第一路徑到達(dá)時(shí)間最早，其信號幅值最強(qiáng)，衰減最弱。而在120 ns出現(xiàn)的該峰值，需要對其進(jìn)行分析。

此處，將五條鏈路的不同姿勢下得到的峰值到達(dá)時(shí)間匯集到一起，以此計(jì)算分析該參數(shù)的誤差線觀察特性，如圖7所示。圖中標(biāo)注出了不同鏈路的中性點(diǎn)。可以發(fā)現(xiàn)，同一鏈路在不同姿勢下的信號峰值變化范圍較大，峰值變化范圍在50 ns以上，但是不同鏈路的峰值中性點(diǎn)仍按照路徑的到達(dá)順序，也就是傳播距離的幅值順序依次分布。峰值的變化雖然受到姿勢變化產(chǎn)生波動(dòng)，但仍與體表距離相關(guān)。

圖7 峰值到達(dá)時(shí)間誤差線

信號在傳輸?shù)倪^程中會(huì)產(chǎn)生不斷的衰減，而電磁波多徑效應(yīng)的存在會(huì)導(dǎo)致不同路徑信號在衰減的過程中，在同一個(gè)接收端產(chǎn)生幅值及相位上的相互疊加。對比第一路徑的到達(dá)時(shí)間可知，峰值的出現(xiàn)是由于高頻分量不斷疊加的結(jié)果，實(shí)際應(yīng)用中須對高頻分量進(jìn)行濾波處理，否則可能會(huì)損壞人體通信設(shè)備。

此外，通過電磁仿真發(fā)現(xiàn)，不同身高、不同體重、及不同性別的人體模型對于體表信道的幅值及信號到達(dá)時(shí)間并不會(huì)產(chǎn)生明顯的差別，在電磁參數(shù)的區(qū)別也在很小的范圍內(nèi)。因此，本文的結(jié)論雖然是在亞洲平均男性模型的基礎(chǔ)上得到的，生活中對于人們是普遍適用的。

4 結(jié)束語

本文通過對29種人體姿勢進(jìn)行電磁仿真，提取其中的關(guān)鍵參數(shù)以進(jìn)行統(tǒng)計(jì)學(xué)分析及特性研究。結(jié)果表明：人體的動(dòng)態(tài)姿勢相較于靜態(tài)姿勢具有更好的傳輸性能，其路徑損耗降低范圍在5 dB以內(nèi)，姿勢的變化對信道穩(wěn)定性并不會(huì)表現(xiàn)出明顯的影響。對于信號能量的變化，功率延遲分布的路徑增益遵循正態(tài)分布，人體姿勢的變化對于信道幅值是一種乘性影響，所乘系數(shù)為按統(tǒng)計(jì)變化的隨機(jī)量。而第一路徑到達(dá)時(shí)間和峰值路徑到達(dá)時(shí)間都與路徑傳輸距離密切相關(guān)，姿勢的變化會(huì)使峰值的出現(xiàn)產(chǎn)生波動(dòng)。此外，峰值的出現(xiàn)為不同路徑衰減過程中的相互疊加導(dǎo)致的，實(shí)際應(yīng)用中須對此加以考慮。