個(gè)體差異性對(duì)人體通信信道特性的影響研究*

周靈麗, 廖 薇, 車克龍, 李啟行, 劉海寬

(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

由人體自身和周邊設(shè)備組成的無(wú)線人體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)可分為穿戴性區(qū)域網(wǎng)絡(luò)和植入性區(qū)域網(wǎng)絡(luò)。例如，用于監(jiān)測(cè)老年人身體健康的可穿戴設(shè)備是可穿戴性區(qū)域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用，膠囊內(nèi)窺鏡是一種典型的植入性區(qū)域網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用[1～3]。人體通信(human body communication，HBC)技術(shù)是一種在無(wú)線人體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中以人體生物組織為傳輸媒介的新興通信方式[4]。人體生物組織自身具有的電磁導(dǎo)電特性為HBC技術(shù)提供了應(yīng)用基礎(chǔ)。用于通信的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)以貼附、植入的方式放置在人體表面或人體內(nèi)部。發(fā)射機(jī)發(fā)出的電磁波信號(hào)以人體組織為通信媒介，沿著人體表面或透過(guò)人體組織傳輸至接收機(jī)接收[5～7]。

人體作為傳輸媒介在個(gè)人體域網(wǎng)中進(jìn)行通信這一技術(shù)，在1996年首次被IBM研究部的Zimmerma T G團(tuán)隊(duì)[8]研究，團(tuán)隊(duì)認(rèn)為該技術(shù)具有很好的抗干擾性與保密性。人體通信技術(shù)自2012年被接受為可穿戴式國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)IEEE 802.15.6后，引起越來(lái)越多的學(xué)者及科研機(jī)構(gòu)的重視。清華大學(xué)Mao J等人[9]基于5種人體組織的生理特性提出了一種綜合的HBC電路模型，并驗(yàn)證了該模型的準(zhǔn)確性。東北大學(xué)Han F等人[10]基于HBC—超寬帶(ultra wideband,UWB)信號(hào)的通信特性，在體內(nèi)—體表通信鏈路中推導(dǎo)了一個(gè)全面的路徑損耗模型。美國(guó)普渡大學(xué)電氣與計(jì)算機(jī)工程學(xué)院Maity S等人[11]在HBC頻段下分析了激勵(lì)方式、電極面積和壓力等多種因素對(duì)HBC路徑損耗的影響?？肆_地亞Filipovic＇ L等人[12]分析了人體運(yùn)動(dòng)對(duì)HBC信道上差分混沌鍵控調(diào)制性能的影響，并討論了雙人運(yùn)動(dòng)對(duì)該調(diào)制性能的影響。研究者們對(duì)影響HBC的多種因素都進(jìn)行了研究，但忽略了人體具有差異性。性別不同、體質(zhì)不同的人體模型對(duì)HBC信道特性存在一定影響。

本文主要研究了體表通信鏈路在可穿戴性區(qū)域網(wǎng)絡(luò)中的信道特性[13]。根據(jù)體質(zhì)指數(shù)(body mass index,BMI)指數(shù)建立了超重、標(biāo)準(zhǔn)、偏瘦3種體質(zhì)下的人體模型，并根據(jù)性別的不同研究了HBC頻段(10～50 MHz)下男女3種體質(zhì)對(duì)HBC信道特性的影響[14]。使用時(shí)域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)方法分析了相同條件下，電磁波信號(hào)在這6種人體模型中的傳輸特性。研究結(jié)果表明,電磁波在不同體質(zhì)和性別人體模型中的傳輸特性存在較大差異[15]。

1 模型建立

不同人體存在明顯的差異性，因此將HBC技術(shù)應(yīng)用于不同的人體模型，會(huì)產(chǎn)生不同的效果。BMI是國(guó)際最常用來(lái)度量體重和身高比例的工具。本文根據(jù)不同的BMI建立偏瘦、標(biāo)準(zhǔn)和超重3種體質(zhì)的人體模型，且每個(gè)體質(zhì)都分為男、女2個(gè)性別。BMI的計(jì)算公式為BMI=體重(kg)/身高2(m2)。參考本實(shí)驗(yàn)室人員的身高和體重，通過(guò)計(jì)算公式得到6種模型的BMI參數(shù)，如表1所示。按照國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)將模型分為偏瘦、標(biāo)準(zhǔn)和超重3種體質(zhì)。

表1 模型建立參數(shù)

本文以電極片模擬發(fā)射機(jī)與接收機(jī)，研究可穿戴式設(shè)備在人體體表鏈路通信的信道特性。將發(fā)射機(jī)放置在左胸，接收機(jī)放置在右胸、左腰、右腰、左手和右手處，形成5條體表通信鏈路。圖1表示男、女兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)體質(zhì)的人體模型，左邊的人體模型為男性，右邊的人體模型為女性。由于高斯脈沖函數(shù)的微分具有零直流偏移的特點(diǎn)，有利于脈沖被高效地輻射出去，因此，本文選用二階微分高斯脈沖作為發(fā)射激勵(lì)源。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)體質(zhì)的人體模型

2 傳輸特性研究

2.1 路徑損耗分析

本文主要研究了男、女在不同體質(zhì)和不同通信鏈路的平均路徑損耗。路徑損耗以分貝(dB)為單位，本文通過(guò)計(jì)算頻域接收電壓與發(fā)送電壓的積分比值得到路徑損耗，采用的路徑損耗模型如式(1)所示

(1)

式中vt(t)為發(fā)射信號(hào)電壓，vr(t)為通過(guò)FDTD數(shù)值模擬計(jì)算得到的接收信號(hào)電壓，F(xiàn)[·]為傅里葉變換。

HBC頻段下不同體質(zhì)的男、女人體模型在5條通信鏈路的路徑損耗均值及其標(biāo)準(zhǔn)偏差存在不同。由圖2可知，標(biāo)準(zhǔn)體質(zhì)人體模型的通信路徑損耗最低，模型超重或偏瘦都會(huì)影響電磁波信號(hào)傳輸?shù)穆窂綋p耗。男、女在不同體質(zhì)、相同鏈路人體模型下的路徑損耗變化趨勢(shì)類似，這說(shuō)明性別對(duì)各條通信鏈路的路徑損耗影響較小。

圖2 HBC頻段下路徑損耗的誤差棒

2.2 多徑數(shù)目分析

本文利用FDTD方法研究了HBC頻段下6種人體模型在5條通信鏈路的信道特性。HBC頻段下，標(biāo)準(zhǔn)體質(zhì)的女性模型在5條通信鏈路中，左胸—右腰通信鏈路的多徑數(shù)目是最少的，標(biāo)準(zhǔn)體質(zhì)的男性模型在左胸—右胸鏈路的多徑數(shù)目最少，如圖3所示。當(dāng)發(fā)射信號(hào)從左胸出發(fā)，到達(dá)右腰時(shí)，電磁波信號(hào)僅在人體上半身軀體上傳輸。上半身軀體表面相對(duì)平滑，信號(hào)反射和衍射的少。女性由于胸部脂肪較多，電磁波信號(hào)在左胸—右胸鏈路傳輸時(shí)，沿著人體表面經(jīng)過(guò)多次反射和衍射，此條通信鏈路的多徑數(shù)目比左胸—右腰多。電磁波在左胸—左腰鏈路通信時(shí)，信號(hào)在人體側(cè)面會(huì)產(chǎn)生大量反射和衍射，導(dǎo)致多徑數(shù)目增加。電磁波信號(hào)在左胸與手臂之間通信時(shí)，傳播路徑較為復(fù)雜。因此女性左胸—右腰通信鏈路的多徑數(shù)目最少。男性模型中左胸—右胸鏈路的通信距離最短，且發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處在相同水平線上，電磁波信號(hào)在此鏈路傳播時(shí)，遇到的阻礙少，多徑數(shù)目較少。

圖3 不同性別人體模型在5條通信鏈路的多徑數(shù)目

由圖3可知，女性模型在5條通信鏈路的多徑數(shù)目都比男性多。在女性模型中，超重的模型多徑數(shù)目比偏瘦模型的少，如圖4所示。超重的人體模型有贅肉產(chǎn)生，人體表面較為光滑平順，偏瘦的人體表面肌肉較少，骨頭凸起明顯，影響了電磁波信號(hào)在人體表面的直接傳輸。

圖4 女性不同體質(zhì)模型在5條通信鏈路的多徑數(shù)目

本文還分析了超重和偏瘦體質(zhì)的男性模型在5條通信鏈路的多徑數(shù)目，發(fā)現(xiàn)5條鏈路中信道最佳的是左胸—右腰鏈路。此鏈路中的電磁波信號(hào)在人體表面受到衍射現(xiàn)象影響的可能性最小，多徑數(shù)目整體最少，如圖5所示。在超重和偏瘦體質(zhì)的男性模型中，不同通信鏈路的多徑數(shù)目變化趨勢(shì)類似，多徑數(shù)目最少的都在左胸—右腰鏈路。圖5中的折線圖表示了偏瘦男性人體模型的多徑數(shù)目在5條通信鏈路中的變化趨勢(shì)。

圖5 男性不同體質(zhì)模型在5條通信鏈路的多徑數(shù)目

3 SAR研究

根據(jù)現(xiàn)有的研究成果，當(dāng)頻率超過(guò)100 kHz后，細(xì)胞膜近似處于短路狀態(tài)，人體對(duì)電磁能量的吸收顯著增加，導(dǎo)致人體溫度明顯升高[14]。本文通過(guò)量化人體吸收的電磁能量研究人體區(qū)域通信可能導(dǎo)致的生物效應(yīng)。比吸收率(specific absorption rate,SAR)是人體組織吸收發(fā)射能量的量度。它是電導(dǎo)率σ(r)、輻射能感應(yīng)的電場(chǎng)E及組織質(zhì)量密度ρ的函數(shù)，計(jì)算公式如

(2)

式中σ(r)為電導(dǎo)率，E(r)為感應(yīng)電場(chǎng)，ρ(r)為組織質(zhì)量密度。

本文分析的SAR為10 g單位質(zhì)量人體所吸收的電磁輻射功率。如圖6所示，左邊是超重體質(zhì)男性人體模型的SAR分布圖，右邊是超重體質(zhì)女性人體模型的SAR分布圖。由圖6可知，在人體區(qū)域通信中，SAR數(shù)值較高的區(qū)域集中在發(fā)射機(jī)附近，發(fā)射機(jī)引起的電磁暴露具有高度局部化特征。相對(duì)于全身平均SAR，局部空間的峰值SAR對(duì)于人體區(qū)域通信更有意義。

圖6 不同性別超重體質(zhì)人體模型的SAR

統(tǒng)計(jì)不同人體模型在發(fā)射機(jī)附近的SAR峰值。由圖7(a)可知HBC頻段下超重體質(zhì)女性模型的SAR最低，偏瘦女性模型的SAR最高。男性在不同體質(zhì)下的SAR變化與女性相反，超重男性模型的SAR最高，偏瘦男性模型的SAR最低。HBC低頻段和UWB高頻段(3.1～10.6 GHz)都適合體表通信，為了研究人體通信在兩個(gè)頻段下的生物效應(yīng)，本文對(duì)比了6種人體模型在不同頻段下的SAR。在UWB頻段下，不同體質(zhì)男性和女性的SAR變化趨勢(shì)一致，如圖7(b)。人體在UWB高頻段下吸收的電磁能量比HBC頻段多，因此人體區(qū)域通信在UWB頻段下產(chǎn)生生物效應(yīng)的可能性更大。

圖7 HBC和UWB頻段下不同體質(zhì)人體模型的SAR

參考不同地區(qū)SAR的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)限值，本文以2 W/kg為人體區(qū)域通信的SAR限值。比較圖7中不同體質(zhì)在不同頻段下的SAR，HBC頻段下不同體質(zhì)女性模型的SAR均在限值以內(nèi)。但隨著頻段的升高，標(biāo)準(zhǔn)體質(zhì)的女性模型在UWB頻段的SAR超出了2 W/kg。偏瘦的男性模型在不同頻段下的SAR均在限值附近，超重和標(biāo)準(zhǔn)體質(zhì)的男性SAR數(shù)值都超出了2 W/kg。根據(jù)上述研究結(jié)果，不同性別的人群對(duì)電磁能量吸收的能力不同。為了減少電磁波對(duì)人體的輻射，可以根據(jù)男女對(duì)電磁能量吸收的不同設(shè)計(jì)不同規(guī)格的發(fā)射天線。

4 結(jié) 論

本文參照磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)數(shù)據(jù)和BMI標(biāo)準(zhǔn)建立了6種人體模型，主要從路徑損耗、多徑數(shù)目、SAR等方面研究了個(gè)體差異性對(duì)HBC信道特性的影響。相對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)體質(zhì)模型，偏瘦和超重人體模型的路徑損耗較大；性別對(duì)路徑損耗的影響較小；由于男、女的身體構(gòu)造存在差異性，不同性別的人體模型在相同通信鏈路的多徑數(shù)目存在差異。為了研究HBC技術(shù)對(duì)人體產(chǎn)生的生物效應(yīng)，本文研究了發(fā)射機(jī)局部SAR峰值。SAR的研究結(jié)果表明不同性別的人體模型對(duì)電磁能的吸收能力不同。通過(guò)比較HBC頻段和UWB頻段下各個(gè)人體模型的SAR峰值，得出了HBC頻段更適合人體體表通信。