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(duì)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(duì)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(hào)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(duì)人體通信數(shù)據(jù)傳輸速率的影響及對(duì)人體的安全性評(píng)估；研究信號(hào)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(shì)信道建模與特性檢測,以及多徑信道模型研究等。針對(duì)信號(hào)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(hào)傳輸檢測只是對(duì)鏈路路徑長度與信號(hào)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(hào)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(duì)路徑長度對(duì)信號(hào)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(hào)在人體表面?zhèn)鞑r(shí)并不都是直線傳播,傳播的過程中會(huì)發(fā)生反射和繞射等效應(yīng),這些都是人體通信中信號(hào)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(hào)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(duì)信號(hào)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(duì)上述問題,本文提出對(duì)通信路徑長度與信號(hào)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(hào)發(fā)射端和接收端體表位置相對(duì)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(hào)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(hào)發(fā)射端和接收端位置相對(duì)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(hào)具有相似的多徑效應(yīng)。這種分析方法排除了信號(hào)沿人體傳播時(shí)多徑效應(yīng)對(duì)信號(hào)傳輸特性檢測的干擾,即是研究信號(hào)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(duì)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(hào)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(píng)估相差不超過5 %。

表1 15 MHz下人體組織電導(dǎo)率與相對(duì)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(duì)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(hào)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(hào)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(hào)耦合到人體,信號(hào)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(hào)和發(fā)射信號(hào)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(lì)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(hào)的能量譜密度(energy spectral density,ESD)[12],本文使用的HBC信號(hào)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(huì)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(hào)傳輸情況來研究人體通信中信號(hào)傳輸特性與傳輸路徑長度的關(guān)系。本文分別對(duì)六組等間隔身高模型下的五條典型鏈路信號(hào)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(duì)照組,在對(duì)比的基礎(chǔ)上對(duì)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(duì)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(duì)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(hào)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(hào)發(fā)射端和五個(gè)接收端均位于人體的正面,信號(hào)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(hào)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(lì)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(hào)傳輸路徑損耗的歸一化S參數(shù)可以反映信號(hào)損耗情況,即隨著信道長度增加,信號(hào)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(duì)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(duì)不同人體模型中信號(hào)發(fā)射端和接收端位置相對(duì)一致的鏈路(同名鏈路)信號(hào)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(hào)傳輸路徑上人體表面特性基本一致,這樣可以將信號(hào)沿人體表面非直線傳播產(chǎn)生的效應(yīng)對(duì)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(hào)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(hào)傳輸路徑的長度。其中各身高條件下由激勵(lì)源端口1到接收端口3的信號(hào)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(duì)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(hào)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(duì)一致的鏈路得到：信號(hào)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(duì)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(hào)傳輸路徑長度的增大,路徑損耗隨之增大。本文結(jié)果將對(duì)可穿戴設(shè)備的研發(fā)和改進(jìn)有指導(dǎo)價(jià)值,對(duì)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(duì)可能對(duì)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。