个体差异性对人体通信信道特性的影响研究*

周灵丽, 廖 薇, 车克龙, 李启行, 刘海宽

(上海工程技术大学 电子电气工程学院，上海 201620)

0 引 言

由人体自身和周边设备组成的无线人体区域网络可分为穿戴性区域网络和植入性区域网络。例如，用于监测老年人身体健康的可穿戴设备是可穿戴性区域网络应用，胶囊内窥镜是一种典型的植入性区域网络应用[1～3]。人体通信(human body communication，HBC)技术是一种在无线人体区域网络中以人体生物组织为传输媒介的新兴通信方式[4]。人体生物组织自身具有的电磁导电特性为HBC技术提供了应用基础。用于通信的发射机与接收机以贴附、植入的方式放置在人体表面或人体内部。发射机发出的电磁波信号以人体组织为通信媒介，沿着人体表面或透过人体组织传输至接收机接收[5～7]。

人体作为传输媒介在个人体域网中进行通信这一技术，在1996年首次被IBM研究部的Zimmerma T G团队[8]研究，团队认为该技术具有很好的抗干扰性与保密性。人体通信技术自2012年被接受为可穿戴式国际标准IEEE 802.15.6后，引起越来越多的学者及科研机构的重视。清华大学Mao J等人[9]基于5种人体组织的生理特性提出了一种综合的HBC电路模型，并验证了该模型的准确性。东北大学Han F等人[10]基于HBC—超宽带(ultra wideband,UWB)信号的通信特性，在体内—体表通信链路中推导了一个全面的路径损耗模型。美国普渡大学电气与计算机工程学院Maity S等人[11]在HBC频段下分析了激励方式、电极面积和压力等多种因素对HBC路径损耗的影响。克罗地亚Filipovic＇ L等人[12]分析了人体运动对HBC信道上差分混沌键控调制性能的影响，并讨论了双人运动对该调制性能的影响。研究者们对影响HBC的多种因素都进行了研究，但忽略了人体具有差异性。性别不同、体质不同的人体模型对HBC信道特性存在一定影响。

本文主要研究了体表通信链路在可穿戴性区域网络中的信道特性[13]。根据体质指数(body mass index,BMI)指数建立了超重、标准、偏瘦3种体质下的人体模型，并根据性别的不同研究了HBC频段(10～50 MHz)下男女3种体质对HBC信道特性的影响[14]。使用时域有限差分(finite-difference time-domain,FDTD)方法分析了相同条件下，电磁波信号在这6种人体模型中的传输特性。研究结果表明,电磁波在不同体质和性别人体模型中的传输特性存在较大差异[15]。

1 模型建立

不同人体存在明显的差异性，因此将HBC技术应用于不同的人体模型，会产生不同的效果。BMI是国际最常用来度量体重和身高比例的工具。本文根据不同的BMI建立偏瘦、标准和超重3种体质的人体模型，且每个体质都分为男、女2个性别。BMI的计算公式为BMI=体重(kg)/身高2(m2)。参考本实验室人员的身高和体重，通过计算公式得到6种模型的BMI参数，如表1所示。按照国际标准将模型分为偏瘦、标准和超重3种体质。

表1 模型建立参数

本文以电极片模拟发射机与接收机，研究可穿戴式设备在人体体表链路通信的信道特性。将发射机放置在左胸，接收机放置在右胸、左腰、右腰、左手和右手处，形成5条体表通信链路。图1表示男、女两个标准体质的人体模型，左边的人体模型为男性，右边的人体模型为女性。由于高斯脉冲函数的微分具有零直流偏移的特点，有利于脉冲被高效地辐射出去，因此，本文选用二阶微分高斯脉冲作为发射激励源。

图1 标准体质的人体模型

2 传输特性研究

2.1 路径损耗分析

本文主要研究了男、女在不同体质和不同通信链路的平均路径损耗。路径损耗以分贝(dB)为单位，本文通过计算频域接收电压与发送电压的积分比值得到路径损耗，采用的路径损耗模型如式(1)所示

(1)

式中vt(t)为发射信号电压，vr(t)为通过FDTD数值模拟计算得到的接收信号电压，F[·]为傅里叶变换。

HBC频段下不同体质的男、女人体模型在5条通信链路的路径损耗均值及其标准偏差存在不同。由图2可知，标准体质人体模型的通信路径损耗最低，模型超重或偏瘦都会影响电磁波信号传输的路径损耗。男、女在不同体质、相同链路人体模型下的路径损耗变化趋势类似，这说明性别对各条通信链路的路径损耗影响较小。

图2 HBC频段下路径损耗的误差棒

2.2 多径数目分析

本文利用FDTD方法研究了HBC频段下6种人体模型在5条通信链路的信道特性。HBC频段下，标准体质的女性模型在5条通信链路中，左胸—右腰通信链路的多径数目是最少的，标准体质的男性模型在左胸—右胸链路的多径数目最少，如图3所示。当发射信号从左胸出发，到达右腰时，电磁波信号仅在人体上半身躯体上传输。上半身躯体表面相对平滑，信号反射和衍射的少。女性由于胸部脂肪较多，电磁波信号在左胸—右胸链路传输时，沿着人体表面经过多次反射和衍射，此条通信链路的多径数目比左胸—右腰多。电磁波在左胸—左腰链路通信时，信号在人体侧面会产生大量反射和衍射，导致多径数目增加。电磁波信号在左胸与手臂之间通信时，传播路径较为复杂。因此女性左胸—右腰通信链路的多径数目最少。男性模型中左胸—右胸链路的通信距离最短，且发射机和接收机处在相同水平线上，电磁波信号在此链路传播时，遇到的阻碍少，多径数目较少。

图3 不同性别人体模型在5条通信链路的多径数目

由图3可知，女性模型在5条通信链路的多径数目都比男性多。在女性模型中，超重的模型多径数目比偏瘦模型的少，如图4所示。超重的人体模型有赘肉产生，人体表面较为光滑平顺，偏瘦的人体表面肌肉较少，骨头凸起明显，影响了电磁波信号在人体表面的直接传输。

图4 女性不同体质模型在5条通信链路的多径数目

本文还分析了超重和偏瘦体质的男性模型在5条通信链路的多径数目，发现5条链路中信道最佳的是左胸—右腰链路。此链路中的电磁波信号在人体表面受到衍射现象影响的可能性最小，多径数目整体最少，如图5所示。在超重和偏瘦体质的男性模型中，不同通信链路的多径数目变化趋势类似，多径数目最少的都在左胸—右腰链路。图5中的折线图表示了偏瘦男性人体模型的多径数目在5条通信链路中的变化趋势。

图5 男性不同体质模型在5条通信链路的多径数目

3 SAR研究

根据现有的研究成果，当频率超过100 kHz后，细胞膜近似处于短路状态，人体对电磁能量的吸收显著增加，导致人体温度明显升高[14]。本文通过量化人体吸收的电磁能量研究人体区域通信可能导致的生物效应。比吸收率(specific absorption rate,SAR)是人体组织吸收发射能量的量度。它是电导率σ(r)、辐射能感应的电场E及组织质量密度ρ的函数，计算公式如

(2)

式中σ(r)为电导率，E(r)为感应电场，ρ(r)为组织质量密度。

本文分析的SAR为10 g单位质量人体所吸收的电磁辐射功率。如图6所示，左边是超重体质男性人体模型的SAR分布图，右边是超重体质女性人体模型的SAR分布图。由图6可知，在人体区域通信中，SAR数值较高的区域集中在发射机附近，发射机引起的电磁暴露具有高度局部化特征。相对于全身平均SAR，局部空间的峰值SAR对于人体区域通信更有意义。

图6 不同性别超重体质人体模型的SAR

统计不同人体模型在发射机附近的SAR峰值。由图7(a)可知HBC频段下超重体质女性模型的SAR最低，偏瘦女性模型的SAR最高。男性在不同体质下的SAR变化与女性相反，超重男性模型的SAR最高，偏瘦男性模型的SAR最低。HBC低频段和UWB高频段(3.1～10.6 GHz)都适合体表通信，为了研究人体通信在两个频段下的生物效应，本文对比了6种人体模型在不同频段下的SAR。在UWB频段下，不同体质男性和女性的SAR变化趋势一致，如图7(b)。人体在UWB高频段下吸收的电磁能量比HBC频段多，因此人体区域通信在UWB频段下产生生物效应的可能性更大。

图7 HBC和UWB频段下不同体质人体模型的SAR

参考不同地区SAR的国际标准限值，本文以2 W/kg为人体区域通信的SAR限值。比较图7中不同体质在不同频段下的SAR，HBC频段下不同体质女性模型的SAR均在限值以内。但随着频段的升高，标准体质的女性模型在UWB频段的SAR超出了2 W/kg。偏瘦的男性模型在不同频段下的SAR均在限值附近，超重和标准体质的男性SAR数值都超出了2 W/kg。根据上述研究结果，不同性别的人群对电磁能量吸收的能力不同。为了减少电磁波对人体的辐射，可以根据男女对电磁能量吸收的不同设计不同规格的发射天线。

4 结 论

本文参照磁共振成像(magnetic resonance imaging,MRI)数据和BMI标准建立了6种人体模型，主要从路径损耗、多径数目、SAR等方面研究了个体差异性对HBC信道特性的影响。相对于标准体质模型，偏瘦和超重人体模型的路径损耗较大；性别对路径损耗的影响较小；由于男、女的身体构造存在差异性，不同性别的人体模型在相同通信链路的多径数目存在差异。为了研究HBC技术对人体产生的生物效应，本文研究了发射机局部SAR峰值。SAR的研究结果表明不同性别的人体模型对电磁能的吸收能力不同。通过比较HBC频段和UWB频段下各个人体模型的SAR峰值，得出了HBC频段更适合人体体表通信。