王紫陽，廖 薇，孫 悅

(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

隨著電子產(chǎn)品在微型化、便民化方向的不斷發(fā)展，智能可穿戴設(shè)備為人體周圍發(fā)送和傳遞信息提供便利，它可以利用傳感器、無線通信網(wǎng)絡(luò)等技術(shù)實(shí)現(xiàn)人與物隨時(shí)隨地的信息交流，短距離無線通信也向低功耗、高傳輸速率和低干擾的方向發(fā)展，保證小范圍內(nèi)信息的穩(wěn)定傳輸成為至關(guān)重要的一環(huán)。人體通信(Human Body Communication ,HBC)技術(shù)以其高安全性及低損耗等優(yōu)點(diǎn)為智能可穿戴設(shè)備的發(fā)展提供了一種新的通信手段[1～2]。

HBC技術(shù)從出現(xiàn)以來受到了許多學(xué)者的研究與青睞[3-5]。在10～50 MHz HBC頻段，電磁波在體表傳播形式分為準(zhǔn)靜態(tài)近場耦合部分，表面波部分以及感應(yīng)場部分[6]。文獻(xiàn)[7]通過構(gòu)筑圓柱體模型模擬人體手臂，以研究人體周圍表面波傳播機(jī)理。文獻(xiàn)[8]研究了發(fā)射與接收極電路板尺寸、電路板距離及大小對于通信效率的影響。文獻(xiàn)[9]通過多層手臂模型，考慮了發(fā)射極與大地間距離對于路徑損耗的影響，文獻(xiàn)[10-11]以此建立了電路模型模擬了HBC的傳輸。通過有限元法，文獻(xiàn)[12]研究了接地電極的形狀及角度等因素對于信道的影響，文獻(xiàn)[13]研究了人體周圍環(huán)境對于信道的影響。文獻(xiàn)[14]通過測量HBC頻段傳輸特性，建立了脈沖響應(yīng)模型。上述文獻(xiàn)都是通過仿真模擬人體組織的一部分，而沒有采取完整的人體模型得出結(jié)論。雖然已有很多通過人體等效模型、人體傳輸?shù)膶?shí)驗(yàn)及體域傳感器網(wǎng)絡(luò)的研究，但是都沒有采用完整人體模型，對人體表面的路徑損耗等特性、關(guān)于體表距離等關(guān)系進(jìn)行大量的仿真研究。同時(shí)與ECG監(jiān)測的HBC設(shè)備進(jìn)行結(jié)合[15]，方便未來的實(shí)際應(yīng)用。對于人體周圍信道特性，僅有身體前端直射鏈路的信道特性是不夠的，而對于人體背部、頭部等非直射鏈路的信道特性，關(guān)于未來會出現(xiàn)的腦電及頸椎等監(jiān)測設(shè)備也十分重要，據(jù)作者所知，還很少有人做過相關(guān)的研究。

本文從實(shí)際應(yīng)用的角度出發(fā)，采用更貼近實(shí)際的完整人體模型，將發(fā)射端置于心臟前端，利用時(shí)域有限差分方法(Finite Difference Timedomain,FDTD)，研究包括人體體表胸部、腰部等各處及背部、頭部等非直射鏈路關(guān)于HBC的路徑損耗模型。

1 電磁方法

人體組織是一種復(fù)雜的介電材料，人體組織的相對介電常數(shù)及電導(dǎo)率與頻率密切相關(guān),導(dǎo)致無線信號在體域網(wǎng)內(nèi)的傳播受人體組織影響十分明顯[16-17]。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。

(1)

式中，前2項(xiàng)與生物組織頻率彌散性相關(guān)，第2項(xiàng)表示頻域磁化系數(shù)，第3項(xiàng)與電流密度相關(guān)聯(lián)。

本文使用人體模型基于以亞洲男性統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)庫為基礎(chǔ)，體重65 kg，身高168.76 cm，為33歲成年男性，空間分辨率2 mm。根據(jù)人體組織的頻率色散特性，隨著頻率的變化，人體組織的介電特性也會發(fā)生變化，截取30 MHz時(shí)人體相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率，如表1所示[18]。

將電極片放于人體表面2 cm處，將發(fā)射極設(shè)置在人體左胸心臟前，方便與已有HBC的心電監(jiān)測設(shè)備結(jié)合[15]，接收極放置于人體的5個(gè)位置，設(shè)置發(fā)射極與接收極為2片3 cm *3 cm的電極片，間隔為5 cm。圖1為各電極片位置示意圖。

圖1 發(fā)射極與接收極位置圖

在HBC的信號傳輸中，表面波為信號的主要傳播形式[19]，在HBC頻段，信號只深入到表層幾厘米的部分，表示身體表皮層的電導(dǎo)特性決定了人體表面大部分的傳播特性。對于本文所用人體模型，采用內(nèi)部包括51種不同人體組織的人體模型與人體均質(zhì)模型。2種情況下，接收電壓與所得S參數(shù)特性曲線結(jié)果相差不到5%，為了縮短計(jì)算時(shí)間，采用人體均質(zhì)模型。將德拜公式應(yīng)用于該均質(zhì)模型，使相對介電常數(shù)及電導(dǎo)率符合該頻段下人體信道特性。

表1 30 MHz時(shí)人體組織電導(dǎo)率與相對介電常數(shù)

人體組織參數(shù)電導(dǎo)率/(S/m)相對介電常數(shù)干燥皮膚0.341 6152.947 4脂肪0.033 28.109 6肌肉0.710 288.298 8血液1.164 0119.511 1心臟0.597 8150.436 2腦膜0.639 6114.284 3骨頭0.144 040.158 8

2 HBC信道特性及路徑損耗模型

2.1 HBC沖激響應(yīng)模型

為了觀察該頻段下人體信道的響應(yīng)特性，將發(fā)射信號設(shè)置為幅值為1 V的離散電壓信號，信號為沖激響應(yīng)，將頻率范圍拓寬至0～50 MHz，求取離散端口下的電壓響應(yīng)。

為離散端口實(shí)部輸出電壓與頻率間關(guān)系如圖2所示，在10 MHz以前，輸出端口信號幾乎為0，10～50 MHz開始輸出端口接收到的信號能量逐漸增強(qiáng)，其中左胸-右胸鏈路表現(xiàn)出了較好的傳輸特性，左胸到雙耳的鏈路由于人體體表距離及空氣傳輸?shù)拇嬖趯?dǎo)致接收電壓的畸變。

圖2 離散端口實(shí)部輸出電壓圖

圖3為對數(shù)表示下接收端等效電壓與頻率關(guān)系圖，不同鏈路表現(xiàn)出相同的衰減幅度是由于CST軟件本身在時(shí)域仿真計(jì)算時(shí)，頻域衰減到固定的幅度時(shí)計(jì)算停止，同時(shí)也表明不同位置的接收器代表的人體表面不同鏈路具有相同的傳輸特性。在HBC頻段，隨著頻率的增加，路徑損耗逐漸降低。根據(jù)圖中縱坐標(biāo)可以觀察路徑損耗與距離間存在關(guān)聯(lián)，左胸-右胸鏈路的路徑損耗明顯低于其他鏈路，而右胸-左耳及右胸-右耳鏈路的路徑損耗因?yàn)榫嚯x較大，且路徑中存在空氣部分而明顯高于其他鏈路。

圖3 等效電壓與頻率關(guān)系圖

2.2 直射路徑損耗模型

為了得到路徑損耗與距離間的特性關(guān)系，同樣在左胸放置發(fā)射極，在全身的胸、手臂及大腿等與發(fā)射極不同距離的各個(gè)位置放置50余個(gè)接收端口模擬身體前端的各處傳感器，各接收極與發(fā)射極間直視可見，并無遮擋物，將各個(gè)點(diǎn)繪制于圖4中，利用曲線擬合工具擬合參數(shù)特性得到路徑損耗與距離間的特性關(guān)系。

圖4 路徑損耗與距離間關(guān)系

(2)

圖中，兩擬合曲線交叉點(diǎn)為100 mm時(shí)路徑損耗為89.682 dB，在距離小于100 mm時(shí)，距離與路徑損耗為正比關(guān)系，a0約為0.886 8 dB/mm。在距離大于100 mm時(shí)，PL0為89.682 dB，a1為0.133 2 dB/mm。圖中選取整個(gè)頻段下路徑損耗數(shù)值的均值，橫坐標(biāo)為發(fā)射極與接收極間的絕對距離。根據(jù)文獻(xiàn)[6]可知，無線電在體表以表面波為主要形式進(jìn)行傳播，在距離100～400 mm間數(shù)據(jù)高于擬合曲線,在該距離下，絕對距離大于體表距離。而在500 mm以上，擬合曲線高于數(shù)據(jù)，因?yàn)檫@一部分接收端口位于人體腿上及耳朵處的位置，傳播信道上受衍射及繞射的影響，從空氣中傳播與體表傳播的疊加導(dǎo)致多徑效應(yīng)的存在使損耗有所減少[4]。從橫坐標(biāo)的絕對距離大于100 mm開始，路徑損耗隨著距離的增加呈線性增長。公式(6)引于文獻(xiàn)[7]，不同的是發(fā)射極與接收極的位置不同，文獻(xiàn)[7]中將發(fā)射極置于全身各處，將接收極置于手指，而本文將發(fā)射極置于左胸前，而接收極位于全身各處。對于HBC路徑損耗特性，得出一致的結(jié)論，該結(jié)果對已有研究結(jié)果進(jìn)行了補(bǔ)充。對于幅值上的差別是由于軟件中將路徑損耗歸一化到50 Ω導(dǎo)致的。

2.3 非直射路徑損耗模型

上述特性在發(fā)射極與接收極間直射路徑并無遮擋物的情況下得到，鑒于體表傳感器可將位置放置于背部及腦后部用于收集腦電信號及運(yùn)動信號等，僅研究體前部路徑損耗是不夠的，仍舊保持發(fā)射極位置不變，位于左胸前，將接收極放置于人體背部各處包括頭部后側(cè)及頸部后側(cè)4個(gè)位置、人體背部的4個(gè)位置。研究非直視路徑下體表路徑損耗特性如圖5所示。觀察在傳播路徑上人體作為遮擋物時(shí)，電磁波的繞射特性。所有端口為了方便觀察，歸一化到50 Ω。

圖5 非直射路徑接收極位置圖

由于頭部與背部鏈路不同，進(jìn)行單獨(dú)分析。依舊采用FDTD方法，頭部4處接收端口間距離為10 cm，首先得出頭部4處接收極的歸一化S參數(shù)特性曲線如圖6所示。從頸部到頭頂，隨著體表距離的逐漸增加，路徑損耗逐漸升高，即在頭部的非直視鏈路，路徑損耗仍體表距離間存在正比關(guān)系，這一特性與直視鏈路特性相同。

圖6 頭部接收端S參數(shù)曲線圖

從左胸到背部4處位置S特性曲線如圖7所示，左胸-左背及左胸-右背兩鏈路路徑損耗顯著低于左右后腰鏈路，由于在10～50 MHz頻段，電磁波在人體周圍的傳播集中在人體表面，對于前后鏈路幾乎沒有穿透的電磁波[6],電磁波主要是從肩部傳播到身后的各個(gè)位置，從圖6與圖7的路徑損耗幅值上可以驗(yàn)證這一點(diǎn)，從肩部傳播過來的電磁波信號到達(dá)端口3與端口8，9的路徑損耗基本相同，到達(dá)端口4與端口6，7的路徑損耗基本相同，上述端接口到達(dá)肩部的表面距離相同。

圖7 背部接收端S參數(shù)曲線

對于非直視路徑鏈路傳播的穩(wěn)定性，觀察接收端口信號曲線如圖8所示，接收端口仍可以穩(wěn)定收到發(fā)射極的高斯脈沖信號，幅值間的強(qiáng)弱變化與圖8相同。結(jié)果表明在實(shí)際應(yīng)用中，將接收極放置于人體背后可行。觀察到峰值到達(dá)時(shí)間4條鏈路有細(xì)微差別，將其匯總于表2。

圖8 背部接收端口信號圖

從表2中可看出，對于接收端口6，7，8，9峰值信號也是依次到達(dá)，體表距離決定了信號到達(dá)的前后順序，體表距離越小，信號到達(dá)得越快，這一結(jié)論對于體表的非直視鏈路依然適用。

表2 背部鏈路峰值到達(dá)時(shí)間

接收端口峰值到達(dá)時(shí)間/ns端口676.099端口776.352端口876.511端口976.542

3 結(jié)束語

通過FDTD方法在CST軟件中仿真HBC頻段10～50 MHz，采用更完整的人體模型，得到人體信道的路徑損耗特性,同時(shí)對非直射鏈路進(jìn)行了仿真分析。首先通過沖激響應(yīng)，表明左胸-右胸及左胸-腰部鏈路的傳播特性顯著優(yōu)于左胸-雙耳鏈路。隨后通過構(gòu)造路徑損耗模型，得出路徑損耗隨著頻率的增加逐漸衰減，擬合得到人體表面路徑損耗特性與距離間的數(shù)學(xué)關(guān)系，對于已有的研究進(jìn)行了補(bǔ)充。而對于體表非直視鏈路，路徑損耗仍與體表距離存在正比關(guān)系，在人體周圍(包括人體背部及頭部)信道的到達(dá)、路徑損耗的強(qiáng)弱仍與體表距離密切相關(guān)。結(jié)果可為智能傳感器網(wǎng)絡(luò)及體域傳感器在醫(yī)療領(lǐng)域的發(fā)展提供理論指導(dǎo)，為體域網(wǎng)絡(luò)電子設(shè)備的設(shè)計(jì)提供理論支持。由于人體信道特性還受到人體不同姿勢及周圍不同環(huán)境的影響，未來將對此進(jìn)行研究分析。