WBAN信道的路径损耗模型

李 畅 庞 宇 雷 倩

（重庆邮电大学光电学院 400065）

人体局域网是附着在人体身上的一种网络，由一套小巧的可移动、具有通信功能的传感器和一个身体主站(或称WBAN协调器)组成。每个传感器既可佩戴在身上，也可植入体内。协调器是网络的管理器，也是WBAN和外部网络之间的网关，使数据能够得以安全地传送和交换。WBAN是一种可长期监视和记录人体健康信号的基本技术，早期应用主要是用来连续监视和记录慢性病(如糖尿病、哮喘病和心脏病等)患者的健康参数，提供某种方式的自动疗法控制。WBAN未来还可广泛应用于消费者电子、娱乐、运动、环境智能、畜牧、泛在计算、军事或安全等领域。

在WBAN开发中比较重要的一点就是人体附近或者在人体内部的设备的电磁波传播特性。由于人体组织结构和体型相对复杂，这样使建立一个简单的WBAN的路径损耗模型变得比较困难。WBAN应用中的天线放置在人体表面或者内部，因而WBAN信道模型需要考虑人体对无线传播的影响。可以将WBAN使用的传感器节点分为3种类型：可植入节点（放置在人体体内的节点）、体表节点（放置在人体皮肤表面的节点）、外部节点(放置在人体皮肤外部节点)。WBAN信道模型被分为四种：CM1-CM4，如图1。CM1是体内到体内传输的信道模型，CM2是体内到体表传输的信道模型，CM3是体表到体表传输的信道模型，CM4是体表到体外传输的信道模型。在本文中,我们主要研究这四种模型在不同频段下的信道特性，这将有助于我们建立研究无线人体局域网网络系统和协议的基础。

图1 WBAN四种通信链路

1 WBAN信道模型

人体体表组织的复杂性和外界环境的影响都增加了建立信道模型的难度。影响信道特性有三个主要因素：频率因素（WBAN的频段包括400MHz、600MHz、2.4GHz、UWB）、环境因素（消声室、室外、医院）、天线放置位置和人体所处的状态。在人体不同位置的传感器将导致信道有不同的电磁波，由此我们建立的信道模型也就不一样。根据不同的路径损耗公式，我们建立了WBAN路径损耗的多种特性。

1.1 路径损耗模型CM1和CM2

因为对于体内到体内传输和体内到体表传输的信道模型的影响因素是一样的。综合考虑各方面因素，路径损耗公式为：

其中，d为传播天线到接收天线的距离，GR为接收天线增益，PT为发射功率，PR为接收功率。路径损耗包括了发射天线增益，这通常不存在于无线系统的信道模型中，但是在WBAN中，发射天线是信道模型的一部分[2]。通常研究中，我们更多的用到简化后的路径损耗公式：

其中d0为参考距离其距离为50mm，n为路径损耗指数取决于无线传播路径，通常取n=2在自由空间中。S代表不同物质（如骨头、肌肉等）和天线增益引起的dB偏差。CM1和CM2的参数如表1和表2所示。

表1 体内到体内CM1(402MHz-405MHz)

通过这些参数，我们建立路径损耗模型如下所示：

图2 路径损耗CM1和CM2模块

路径损耗的计算值由图2灰色所示，将其展开为图3所示。其中50为参考距离。变量“Sigma-s” 和“s-rnd”用于计算公式（2）中的S参数。

由图2信道模型得出CM1和CM2在不同距离下的路径损耗值如表3所示。

图3 CM1和CM2的路径损耗值的计算模块

1.2 人体信道模型的频率响应

人体信道模型由频率响应和噪音特性组成。具体的测量过程我们可以从文献[5]中得到。图4为设计的信道模型，我们能得到电磁波振幅和相变的值。图4灰色部分我们将其扩展为图5。

表3 CM1和CM2的路径损耗值

其中，输入项“in1”和“in2”为发射信号的电压和编码信号值。输出项“out1”为输入信号的长度，输入项“in2”输入信号的最大值，输入项“in3”为传递函数h的最大值，输入项“in4”和“in5”为信道时延，输入项“in6”计算信道噪声。

图4 CM3信道模块

1.3 路径损耗模型CM3在400MHz、600MHz、900MHz、2.4GHz、3.1-10.6GHz

路径损耗dB在不同频率下以距离d为参数简化为如下公式：

其中，a和b为线性系数，d为发射端到接收端的距离，N为标准偏差(Nσ)变量，信道模型描述如图6所示。

图5 CM3时延和噪声的计算模块

图6 CM3的路径损耗模块

根据图6能计算出在在人体表面不同距离不同频率下的路径损耗，得出路径损耗值如表4所示。

表4 CM3的路径损耗值

1.4 信道CM4在UWB下功率谱PDP模型

考虑到冲激响应在延迟域的稀疏性，选取泊松过程模型对信道建模；对冲激响应的幅值分布，采用单簇模型进行描述。在这个模型中，h为多路径振幅响应，t为多路径到达时间，n-p为信道实现数目。功率谱PDP模型为：

其中，lα为l路径的路径增益，lt为l路径的到达时间，lφ为相位偏移，l为路径序号，L为到达路径的数目，()tδ为Dirac函数，Γ为带有Ricean因子0γ的指数衰减因子，S为标准偏差为sσ的正态分布，λ为路径到达比率。从这个公式能建立PDP模型如图7所示。t和h的值如表5所示。

表5 t和h的值

图7 CM4时延模块

2 结论

WBAN在远程医疗应用中有着重要的意义，为了更好的研究WBAN系统的性能，我们需要建立适当的信道模型。由于人体组织结构和体型相对复杂，建立一个简单的BAN的路径损耗模型变得比较困难。本文着重从四种信道模型的路径损耗、路径传输时间和多路径振幅进行分析，根据国内外的WBAN信道研究成果和数据进行了一系列的仿真。根据影响WBAN信道的因素如频率、环境、天线位置，建立了四种信道模型并计算出不同距离不同频率下的路径损耗值，这对制定WBAN的标准和协议有着重要的意义。

[1] Cao Huasong，Leung V，Chow C，et a1．Enabling technologies for wireless body area networks： A survey and outlook． IEEE Communications Magazine．2009．47(12)：84-93.

[2] T.Zimmerman,” Personal Area Networks (PAN): Near Field Intra Body Communication”, [D], MIT Media Laboratory, Cambridge, MA (September 1995).

[3] Kamran Sayrafian-Pour, Wen-Bin Yang, John Hagedorn, Judith Terrill “A Statistical Path Loss Model for Medical Implant Communication Channels”.

[4] K.Y.Yazdandoost, R. Kohno,“An Antenna for Medical Implant Communication Systems”, Proceedings of the 37th European Microwave Conference, Oct. 2007,Munich, Germany.

[5] Jung-Hwan Hwang, Il-Hyoung Park, and Sung-Weon Kang, “Channel model for humanbody communication,”IEEE802.15-08-0577- 00-0006, August 2008.

[6] 许波，贺鹏飞，段嗣妍 “无线体域网信道特性研究”，电信科学，2011年第3期

[7] Takehiko Kobayashi,Kamya Yekeh Yazdandoost, Huanbang Li and Ryuji Kohno, “Channel model for wearable and implantable WBANs,”IEEE 802.15-08-0416-04-0006, November 2008.