基于不同路径长度的人体通信信号传输检测方法研究*

侯宋跃, 廖 薇, 周灵丽

(上海工程技术大学 电子电气工程学院,上海 201620)

0 引 言

近年来,传感器和检测技术的进步带来了一系列新的应用。人们对健康的需求越来越高,使得技术越来越多地聚焦于人体自身。微型化和便捷化的特点,使得结合传感器和无线通信技术的可穿戴设备被越来越多地用于人体同外部环境的信息交换中。在人体区域内构建传感器检测网络,以实现人体通信(human body communication,HBC)成为了极具发展前景的技术。该技术的作用区域是体域网,这个网络指紧邻人体的周围环境,包含人体周围最近的物体,也可能是人体本身组织的一部分。基于IEEE 802.15.6标准,将10～50 MHz的无线电波频段称作HBC频段。如此低的通信频率保证了对人体的电磁辐射满足安全性这一重要要求,同时这一频段未被占用,也使得在该频段下的人体通信不易受到其他无线通信设备的干扰[1]。另外,检测表明,在这些频率上的信号沿人体传播的损耗小于在空气中传播的损耗,这样低的传播损耗使其能耗极低,功率低至20 mW,能够保证人体通信的稳定性与有效性。并且由于向人体外辐射较低,也为人体通信带来了更高的数据安全性[2]。

人体通信技术的研究主要集中在以下几个方面：检测不同通信频段电磁波对人体通信数据传输速率的影响及对人体的安全性评估；研究信号检测技术与可穿戴设备的交互方式以改进当前的可穿戴设备,提高用户体验度；基于人体通信的多姿势信道建模与特性检测,以及多径信道模型研究等。针对信号传输特性与路径特征间关系的研究,以往的人体通信信号传输检测只是对链路路径长度与信号传输特性间关系进行了横向的检测分析,即在同一通信模型下进行不同链路传输特性的分析。由于在同一人体模型下信号的发射端与接收端位置的不同,造成通信链路路径长度的差异,从而对路径长度对信号传输特性检测的影响进行分析[3]。这样做存在一定的局限性,电磁波信号在人体表面传播时并不都是直线传播,传播的过程中会发生反射和绕射等效应,这些都是人体通信中信号传输特性研究必须考虑的因素[4]。

1 路径长度有关的传输特性检测

1.1 人体传感器检测环境建立

信号检测时电磁波在人体表面传播的多径效应虽然难以避免,但可以通过控制变量法将这些效应对信号传输特性与路径长度间关系研究的影响尽可能减小到几乎可以忽略。针对上述问题,本文提出对通信路径长度与信号传输特性间关系进行纵向比较分析的方法,即研究了不同身高人体模型中,信号发射端和接收端体表位置相对一致的情况下,同名链路的传输特性。人体模型都是健康成年男性标准模型,在这些人体模型的信号传输链路中,相同的路径除了长度不同外(身高不同所致),其它特征基本相同(由于信号发射端和接收端位置相对一致)。这样的通信条件下,在不同人体模型中相同链路的电磁波信号具有相似的多径效应。这种分析方法排除了信号沿人体传播时多径效应对信号传输特性检测的干扰,即是研究信号传输特性与路径长度的关系。

计算机仿真技术(computer simulation technology,CST)采用时域有限差分(finite difference time domain,FDTD)法建立起精确的信道模型。基于FDTD法的人体模型被离散化为很多元胞,分辨率极高。通过为每一个元胞赋以对应的介电常数及电导率,可以精确仿真人体的各种不同组织,并准确计算人体内部电磁场。电场分量E与磁场分量H在空间上隔半个元胞交错分布,这种模型符合电磁波的传播规律[5]。本文选择使用最广泛的三维体素模型,精度可高达2 mm。CST能够提供生成不同性别、年龄、身高、体重的人体模型,模型的细节几何特性参数都是可调的[6]。相比传统的多层组织人体模型,三维体素模型通信环境更接近实际人体,仿真结果准确性更高,这里采用了均质人体模型以缩短仿真时间[7]。在HBC频段,电磁波只透入皮肤下几厘米(cm),主要沿着人体表面传播,表现为表面波的形式,因此皮肤的电磁特性将大大影响信号的传播特性。本文采用的均质人体模型,电磁特性参数取干燥条件下肌肉的电磁特性参数的2/3,这样的模型与包含51种不同人体组织的人体模型在人体通信中的整体特性量化评估相差不超过5 %。

表1 15 MHz下人体组织电导率与相对介电常数[8]

人体组织的介电常数和电导率与频率相关,通过用表示生物组织复介电常数的德拜(Debye)公式将其纳入FDTD的计算方法中[9,10]

εr(ω)=ε∞+χ(ω)+σ0/jωε0

(1)

根据式中前两项与生物组织频率弥散性相关,第二项代表频率域磁化系数,第三项与电流密度相关联,将其分解成两部分

D(ω)=ε0[ε∞+χ(ω)]E(ω)

(2)

J0(ω)=σ0E(ω)

(3)

因为FDTD数值分析方法计算麦克斯韦方程组时,是在时域中以迭代的方式进行,需要对上述公式进行傅里叶反变换

D(t)=ε0ε∞E(t)+ε0χ(t)*E(t)

(4)

J0(t)=σ0E(t)

(5)

为了检测人体信号沿人体表面传播特性与传输路径长度的关系,在人体模型表面设置发射机和接收机。模型中的发射机和接收机分别是两个阻抗匹配的离散信号端口,由两个电极片组成。发射端通过容性耦合将电信号耦合到人体,信号在人体皮肤表面以电磁波的形式传播到接收端,比较接收信号和发射信号可以分析路径损耗特性。每个人体模型中选取5条典型的体表通信链路进行检测,其中发射端设置在人体模型的左胸位置,定义为端口1,其它5个端口传感器分别设置在人体模型的右胸、左右腰部和左右耳部,将它们依次定义为端口2～端口6,各端口电极到皮肤表面的距离为3 mm。模型中只把端口1设置为激励源端口,其它5个端口作为接收端口[11]。这样做的目的是让每一条链路都是从端口1发出,而分别终止于其它5个端口,可以减少计算机运算时的计算量。其中人体模型以及传感器检测环境设置情况见图1。

图1 三维体素模型及端口分布

1.2 发射脉冲的选取

发射脉冲的选取应考虑发射信号的能量谱密度(energy spectral density,ESD)[12],本文使用的HBC信号都是基于高斯脉冲,其表达式为

(6)

高斯脉冲函数的微分具有零直流偏移的特点,这种特性使得脉冲能被高效地辐射出去。另外,高斯脉冲可以无限次求微分,具有很好的平滑性[13,14]。

面前一杯咖啡已经冰凉了，车子还没来。上次接了她去，又还在公寓里等了快一个钟头他才到。说中国人不守时刻，到了官场才登峰造极了。再照这样等下去，去买东西店都要打烊了。

2 信道传输特性检测

2.1 同一人体模型下不同链路传输特性比较

在同一人体模型下,各条链路的通信环境不会因模型的差异有太大不同,通过在同一人体模型下检测五条典型链路的信号传输情况来研究人体通信中信号传输特性与传输路径长度的关系。本文分别对六组等间隔身高模型下的五条典型链路信号传输特性进行检测,这六组人体模型的身高呈5 cm递增,它们分别是161,166,171,176,181,186 cm。这样做的目的是设置对照组,在对比的基础上对各人体模型中链路的传输特性进行检测分析。这六组人体模型均是标准的成年男性,无过胖过瘦或者畸形[15]。在这六组不同身高的模型中,对应五条链路的收发传感器位置完全一致。王琼等人采用的人体模型是基于亚洲男性统计数据库,取身高168.76 cm,体重65 kg的成年男性为研究对象。本文基于上述六组正常身高模型,取中考虑,选取身高176 cm下的人体模型仿真的信道传输特性在HBC频段的路径损耗特性曲线为例进行分析。仿真得到176 cm身高条件下的五条链路路径损耗曲线如图2所示。其中S21,S31,S41,S51,S61分别表示端口1到端口2～端口6的信号传输路径损耗归一化S参数曲线。

图2 176 cm模型下路径损耗归一化S参数曲线

在人体模型中,信号发射端和五个接收端均位于人体的正面,信号的传输路径是这样的,到右胸部和左右腰部的链路近似直线,到左右耳朵的传输是沿着肩膀爬升,并无较大的反射和绕射发生,可视为直视传播。所以在测量五条典型链路的长度时,可以直接以端口传感器几何中心之间的直线距离作为信号传输路径的长度。在176 cm身高人体模型中,通过选取端口中心测得的激励源到各接收端的直线距离分别用d21,d31,d41,d51,d61表示,分别表示端口1到端口2～端口6的距离,它们分别为145,302,350,386,430 mm。

由图2可以看出,在HBC频段10～50 MHz内,人体通信信号传输路径损耗的归一化S参数可以反映信号损耗情况,即随着信道长度增加,信号的路径损耗增大。

经测量,在各组模型中的五条链路长度都是由d21到d61逐渐增大。这里在六组身高下的模型中HBC频段内选取30 MHz中心频率点的路径损耗归一化S参数(单位：dB)列入表2所示。

表2 30MHz下不同身高模型下路径损耗归一化S参数

如表2,随着不同身高模型下的五条传输路径(d21,d31,d41,d51,d61)长度的依次增加,对应的归一化路径损耗特性S参数(S21,S31,S41,S51,S61)依次减小,表明随着信道长度的增大,路径损耗也增大。

2.2 不同人体模型下相同链路传输特性分析

纵向检测分析,即对不同人体模型中信号发射端和接收端位置相对一致的链路(同名链路)信号传输特性与路径长度的关系进行研究。比如,将6组不同身高条件下的左胸到右胸的链路单独提取出来做研究,即构成了5组同名链路的研究。发射端和接收端在各个模型中位置一致使得信号传输路径上人体表面特性基本一致,这样可以将信号沿人体表面非直线传播产生的效应对传输特性结果分析造成的影响降到最小。

这里取从左胸发射端到左腰接收端的链路(即端口1到端口3的传输链路)路径损耗特性曲线做分析。其中，6组身高下检测到的路径损耗特性的归一化S参数S31与频率的关系如图3所示。

图3 不同身高模型下路径损耗归一化S参数曲线

同样,由于发射端和接收端传感器都位于人体模型的正面,信号传输可以认为是直线传播,取发射端口几何中心和接收端口几何中心的直线距离作为信号传输路径的长度。其中各身高条件下由激励源端口1到接收端口3的信号传输路径长度(单位：mm)如图4所示。

图4 各模型下左胸—左腰链路长度

在HBC频段,人体通信在十几兆赫兹(MHz)这一段通信性能最佳,因此,特选取15 MHz频率点处的路径损耗归一化S参数(单位：dB)列入表3。

表3 15 MHz下路径损耗特性归一化S参数

如图4和表3,随着模型身高的增高,每个模型中测得的对应同名链路路径长度(如各个模型中的d21)也相应增大。通过纵向分析不同模型下同名链路的信道传输特性可知,随着传输路径长度的增大,每组同名链路的路径损耗特性归一化S参数逐渐减小,表明路径损耗逐渐增大。

3 结束语

通过分析相同人体模型下不同的通信链路传输特性,可以看出：人体通信中,信号传输路径损耗随着路径长度的增大而增大。进一步分析不同人体模型下发射端和接收端位置相对一致的链路得到：信号传输路径损耗随着传输路径的变长而变大。由于在标准人体模型下,发射端和接收端位置相对一致的链路人体表面几何特性相似,这里得出的路径损耗特性与路径长度的关系可以推广到表面波在人体表面非直线传播的情形。最终,得到在HBC频段人体通信中,随着信号传输路径长度的增大,路径损耗随之增大。本文结果将对可穿戴设备的研发和改进有指导价值,对体域网传感器在医疗领域的发展具有一定的借鉴意义。

在下一步的工作中,将对可能对通信产生影响的人体周围环境因素(如大地和佩戴的电子设备等)加以考虑,进行仿真数值分析,以达到更好地贴近实际的效果。