一种基于人体通信的路径损耗模型

王紫阳，廖 薇，孙 悦

(上海工程技术大学 电子电子工程学院，上海 201620)

0 引言

随着电子产品在微型化、便民化方向的不断发展，智能可穿戴设备为人体周围发送和传递信息提供便利，它可以利用传感器、无线通信网络等技术实现人与物随时随地的信息交流，短距离无线通信也向低功耗、高传输速率和低干扰的方向发展，保证小范围内信息的稳定传输成为至关重要的一环。人体通信(Human Body Communication ,HBC)技术以其高安全性及低损耗等优点为智能可穿戴设备的发展提供了一种新的通信手段[1～2]。

HBC技术从出现以来受到了许多学者的研究与青睐[3-5]。在10～50 MHz HBC频段，电磁波在体表传播形式分为准静态近场耦合部分，表面波部分以及感应场部分[6]。文献[7]通过构筑圆柱体模型模拟人体手臂，以研究人体周围表面波传播机理。文献[8]研究了发射与接收极电路板尺寸、电路板距离及大小对于通信效率的影响。文献[9]通过多层手臂模型，考虑了发射极与大地间距离对于路径损耗的影响，文献[10-11]以此建立了电路模型模拟了HBC的传输。通过有限元法，文献[12]研究了接地电极的形状及角度等因素对于信道的影响，文献[13]研究了人体周围环境对于信道的影响。文献[14]通过测量HBC频段传输特性，建立了脉冲响应模型。上述文献都是通过仿真模拟人体组织的一部分，而没有采取完整的人体模型得出结论。虽然已有很多通过人体等效模型、人体传输的实验及体域传感器网络的研究，但是都没有采用完整人体模型，对人体表面的路径损耗等特性、关于体表距离等关系进行大量的仿真研究。同时与ECG监测的HBC设备进行结合[15]，方便未来的实际应用。对于人体周围信道特性，仅有身体前端直射链路的信道特性是不够的，而对于人体背部、头部等非直射链路的信道特性，关于未来会出现的脑电及颈椎等监测设备也十分重要，据作者所知，还很少有人做过相关的研究。

本文从实际应用的角度出发，采用更贴近实际的完整人体模型，将发射端置于心脏前端，利用时域有限差分方法(Finite Difference Timedomain,FDTD)，研究包括人体体表胸部、腰部等各处及背部、头部等非直射链路关于HBC的路径损耗模型。

1 电磁方法

人体组织是一种复杂的介电材料，人体组织的相对介电常数及电导率与频率密切相关,导致无线信号在体域网内的传播受人体组织影响十分明显[16-17]。用表示生物组织复介电常数的德拜(Debye)公式将其纳入FDTD的计算方法。

(1)

式中，前2项与生物组织频率弥散性相关，第2项表示频域磁化系数，第3项与电流密度相关联。

本文使用人体模型基于以亚洲男性统计数据库为基础，体重65 kg，身高168.76 cm，为33岁成年男性，空间分辨率2 mm。根据人体组织的频率色散特性，随着频率的变化，人体组织的介电特性也会发生变化，截取30 MHz时人体相对介电常数和电导率，如表1所示[18]。

将电极片放于人体表面2 cm处，将发射极设置在人体左胸心脏前，方便与已有HBC的心电监测设备结合[15]，接收极放置于人体的5个位置，设置发射极与接收极为2片3 cm *3 cm的电极片，间隔为5 cm。图1为各电极片位置示意图。

图1 发射极与接收极位置图

在HBC的信号传输中，表面波为信号的主要传播形式[19]，在HBC频段，信号只深入到表层几厘米的部分，表示身体表皮层的电导特性决定了人体表面大部分的传播特性。对于本文所用人体模型，采用内部包括51种不同人体组织的人体模型与人体均质模型。2种情况下，接收电压与所得S参数特性曲线结果相差不到5%，为了缩短计算时间，采用人体均质模型。将德拜公式应用于该均质模型，使相对介电常数及电导率符合该频段下人体信道特性。

表1 30 MHz时人体组织电导率与相对介电常数

人体组织参数电导率/(S/m)相对介电常数干燥皮肤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心脏0.597 8150.436 2脑膜0.639 6114.284 3骨头0.144 040.158 8

2 HBC信道特性及路径损耗模型

2.1 HBC冲激响应模型

为了观察该频段下人体信道的响应特性，将发射信号设置为幅值为1 V的离散电压信号，信号为冲激响应，将频率范围拓宽至0～50 MHz，求取离散端口下的电压响应。

为离散端口实部输出电压与频率间关系如图2所示，在10 MHz以前，输出端口信号几乎为0，10～50 MHz开始输出端口接收到的信号能量逐渐增强，其中左胸-右胸链路表现出了较好的传输特性，左胸到双耳的链路由于人体体表距离及空气传输的存在导致接收电压的畸变。

图2 离散端口实部输出电压图

图3为对数表示下接收端等效电压与频率关系图，不同链路表现出相同的衰减幅度是由于CST软件本身在时域仿真计算时，频域衰减到固定的幅度时计算停止，同时也表明不同位置的接收器代表的人体表面不同链路具有相同的传输特性。在HBC频段，随着频率的增加，路径损耗逐渐降低。根据图中纵坐标可以观察路径损耗与距离间存在关联，左胸-右胸链路的路径损耗明显低于其他链路，而右胸-左耳及右胸-右耳链路的路径损耗因为距离较大，且路径中存在空气部分而明显高于其他链路。

图3 等效电压与频率关系图

2.2 直射路径损耗模型

为了得到路径损耗与距离间的特性关系，同样在左胸放置发射极，在全身的胸、手臂及大腿等与发射极不同距离的各个位置放置50余个接收端口模拟身体前端的各处传感器，各接收极与发射极间直视可见，并无遮挡物，将各个点绘制于图4中，利用曲线拟合工具拟合参数特性得到路径损耗与距离间的特性关系。

图4 路径损耗与距离间关系

(2)

图中，两拟合曲线交叉点为100 mm时路径损耗为89.682 dB，在距离小于100 mm时，距离与路径损耗为正比关系，a0约为0.886 8 dB/mm。在距离大于100 mm时，PL0为89.682 dB，a1为0.133 2 dB/mm。图中选取整个频段下路径损耗数值的均值，横坐标为发射极与接收极间的绝对距离。根据文献[6]可知，无线电在体表以表面波为主要形式进行传播，在距离100～400 mm间数据高于拟合曲线,在该距离下，绝对距离大于体表距离。而在500 mm以上，拟合曲线高于数据，因为这一部分接收端口位于人体腿上及耳朵处的位置，传播信道上受衍射及绕射的影响，从空气中传播与体表传播的叠加导致多径效应的存在使损耗有所减少[4]。从横坐标的绝对距离大于100 mm开始，路径损耗随着距离的增加呈线性增长。公式(6)引于文献[7]，不同的是发射极与接收极的位置不同，文献[7]中将发射极置于全身各处，将接收极置于手指，而本文将发射极置于左胸前，而接收极位于全身各处。对于HBC路径损耗特性，得出一致的结论，该结果对已有研究结果进行了补充。对于幅值上的差别是由于软件中将路径损耗归一化到50 Ω导致的。

2.3 非直射路径损耗模型

上述特性在发射极与接收极间直射路径并无遮挡物的情况下得到，鉴于体表传感器可将位置放置于背部及脑后部用于收集脑电信号及运动信号等，仅研究体前部路径损耗是不够的，仍旧保持发射极位置不变，位于左胸前，将接收极放置于人体背部各处包括头部后侧及颈部后侧4个位置、人体背部的4个位置。研究非直视路径下体表路径损耗特性如图5所示。观察在传播路径上人体作为遮挡物时，电磁波的绕射特性。所有端口为了方便观察，归一化到50 Ω。

图5 非直射路径接收极位置图

由于头部与背部链路不同，进行单独分析。依旧采用FDTD方法，头部4处接收端口间距离为10 cm，首先得出头部4处接收极的归一化S参数特性曲线如图6所示。从颈部到头顶，随着体表距离的逐渐增加，路径损耗逐渐升高，即在头部的非直视链路，路径损耗仍体表距离间存在正比关系，这一特性与直视链路特性相同。

图6 头部接收端S参数曲线图

从左胸到背部4处位置S特性曲线如图7所示，左胸-左背及左胸-右背两链路路径损耗显著低于左右后腰链路，由于在10～50 MHz频段，电磁波在人体周围的传播集中在人体表面，对于前后链路几乎没有穿透的电磁波[6],电磁波主要是从肩部传播到身后的各个位置，从图6与图7的路径损耗幅值上可以验证这一点，从肩部传播过来的电磁波信号到达端口3与端口8，9的路径损耗基本相同，到达端口4与端口6，7的路径损耗基本相同，上述端接口到达肩部的表面距离相同。

图7 背部接收端S参数曲线

对于非直视路径链路传播的稳定性，观察接收端口信号曲线如图8所示，接收端口仍可以稳定收到发射极的高斯脉冲信号，幅值间的强弱变化与图8相同。结果表明在实际应用中，将接收极放置于人体背后可行。观察到峰值到达时间4条链路有细微差别，将其汇总于表2。

图8 背部接收端口信号图

从表2中可看出，对于接收端口6，7，8，9峰值信号也是依次到达，体表距离决定了信号到达的前后顺序，体表距离越小，信号到达得越快，这一结论对于体表的非直视链路依然适用。

表2 背部链路峰值到达时间

接收端口峰值到达时间/ns端口676.099端口776.352端口876.511端口976.542

3 结束语

通过FDTD方法在CST软件中仿真HBC频段10～50 MHz，采用更完整的人体模型，得到人体信道的路径损耗特性,同时对非直射链路进行了仿真分析。首先通过冲激响应，表明左胸-右胸及左胸-腰部链路的传播特性显著优于左胸-双耳链路。随后通过构造路径损耗模型，得出路径损耗随着频率的增加逐渐衰减，拟合得到人体表面路径损耗特性与距离间的数学关系，对于已有的研究进行了补充。而对于体表非直视链路，路径损耗仍与体表距离存在正比关系，在人体周围(包括人体背部及头部)信道的到达、路径损耗的强弱仍与体表距离密切相关。结果可为智能传感器网络及体域传感器在医疗领域的发展提供理论指导，为体域网络电子设备的设计提供理论支持。由于人体信道特性还受到人体不同姿势及周围不同环境的影响，未来将对此进行研究分析。