无线体域网信道特性研究*

许 波，贺鹏飞，段嗣妍

（烟台大学光电信息科学技术学院 烟台 264005）

1 引言

无线体域网（wireless body area network）通过连接多个传感器节点，实现人体周边、体表以及体内范围的高可靠性通信，支持远程医疗、保健服务、娱乐等功能。WBAN把人体变成通信网络的一部分，从而真正实现了网络的泛在化，具有广泛的应用前景和巨大的市场潜能[1,2]。

WBAN可以分为穿戴型和植入型两种，穿戴型WBAN可以完成体表或身体周边传感器节点之间的通信，而植入型WBAN则实现了体内节点间、体内节点与体外节点间的通信。两种WBAN的通信链路不同，穿戴型WBAN通过自由空间传播信号，而植入型WBAN的传播信道主要是人体组织，其信道特性显然不同[3]。人体组织和形态的复杂性、各异性以及工作环境多样性，增加了WBAN信道建模的难度。信道特性分析和建模成为WBAN研究的热点和难点[4～6]，低功耗穿戴型和植入型WBAN标准工作组IEEE 802.15 TG6的主要任务之一就是给出WBAN的信道模型。

本文使用路径损耗模型和冲击响应模型研究了WBAN信道建模的过程以及信道特性。针对影响WBAN信道模型的3个主要因素进行了综合分析研究：（1）频点因素，WBAN的工作频段，如 400 MHz、600 MHz、2.4 GHz等；（2）环境因素，WBAN所处环境，如消声室内、室外、医院环境等；（3）天线位置、人体状态因素。

2 WBAN信道在不同频点的特性

WBAN信道频点的研究，主要集中于以下频段：400 MHz，600 MHz，900 MHz，2.4 GHz和 UWB 频段（3.1～10.6 GHz）。在研究方法和信道特性方面，不同频段之间存在区别和联系。为了准确、全面地描述WBAN信道，本文采用两种不同的信道模型：路径损耗模型和冲激响应模型[7～9]。其中，仅在UWB频段进行冲激响应模型的研究，而路径损耗模型则适用于所有频段。

2.1 路径损耗模型

WBAN的路径损耗(path loss)由通信距离和通信频率共同决定，人体本身也会对它产生影响。首先，路径损耗会随距离、频率的增大而增加[4]；其次，由于身体周围环境会有变化，身体各个部位也会不断活动，所以在通信距离和频率确定情况下，得到的路径损耗值将不同于路径损耗平均值（这种现象也称为阴影衰落）。阴影衰落反映了路径损耗值围绕均值的波动，研究表明，它较好地符合对数正态分布，而且在人体静止或运动时都必须考虑它的影响。

综合考虑各方面的因素，最终WBAN的路径损耗信道模型为[3]：

其中，d为发射天线与接收天线间的距离，收发天线均位于体表时，它是绕体距离，而非直线距离；f为所使用的频率；阴影衰落因子 Nd,f～log-normal(0,δ)；a，b 为系数。

通常研究中，因为所处频段已知，所以更多地用到取决于d的路径损耗模型：

其中，PL0为在参考距离处d0的路径损耗；n为路径损耗指数，与环境有关，在自由空间时取值为2；a,b为系数；S～log-normal(0,δs)；N～log-normal(0,δN)。在具体情况下，式（2）、（3）可以任选一个计算路径损耗。

在消声室的实验环境中，人体保持静止状态，则WBAN处于不同频段时会有不同的信道参数。由于目前只有400 MHz频段被用于植入型WBAN，所以对此频段进行单独研究。其余频段均被用于穿戴型WBAN。它们的信道参数见表1和表2[3]，根据上述参数数值模拟结果如图 1和图2所示。

图1 400 MHz频段的路径损耗

图2 600 MHz,900 MHz,2.4 GHz,UWB频段的路径损耗

表1 600 MHz、900 MHz、2.4 GHz、UWB 频段的信道参数

表2 400 MHz频段（402～405 MHz）的信道参数

由图1和图2可以看出植入式WBAN的路径损耗明显大于穿戴型WBAN的路径损耗，前者的信道主要表现为严重衰落特性，而后者则主要表现为多径特性，但两种类型WBAN的信道路径损耗都随距离、频点的增大而增加。

2.2 冲激响应模型

为准确描述WBAN信道，仅使用路径损耗模型是不够的。特别是在宽带和UWB WBAN通信中，不同的多径成份可被精确地区分。而由于频带较宽，会有高频率选择性的信道存在，此时需要有专门的冲激响应模型（又称功率谱PDP模型）与之对应[10]。

冲激响应的特性由信道中的多径成份决定，包括：路径增益 al，路径到达时间 tl，相位偏移 Φl∈[0,2π)，l为路径序号。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[7]。UWB频段WBAN的冲激响应信道模型为：

其中，L 为路径总数，δ(·)是 Dirac 函数。

目前，UWB WBAN的研究主要集中在可穿戴型网络，对体表—体表、体表—体外两种信道，都可以用冲激响应模型进行描述，其中，多径成份tl、L均服从泊松分布。

路径增益al在体表—体表信道和体表—体外信道有不同的表示方法。在体表—体表信道，al由带有Rician因子γ0的指数衰减因子Γ表示：

其中，S～log-normal(0,δ)。

在体表—体外信道中，有

其中，k 为受 K 因子影响的变量，β～log-normal(0,δβ)。

虽然路径增益al的表示方法不同，但在两种信道中都较好地服从对数正态分布，均值为0，标准差为δ。在实验室环境中，人体保持静止状态时，WBAN在UWB频段的冲激响应信道模型的具体参数[3]见表3，数值模拟结果如图3和图4所示。

图3 U WB频段体表—体表信道的冲激响应

图4 U WB频段体表—体外信道的冲激响应

图3和图4说明受周围环境的影响，体表—体表信道中的多径效应没有体表—体外信道中的多径效应强，但两者都基本服从对数正态分布。

至今，并没有UWB在植入型WBAN信道中的应用，这是一个很有挑战性的课题。

3 环境因素对WBAN信道的影响

对于穿戴型WBAN，信号在体外自由空间传输，周围环境的不同会对信号传输产生很大影响，进而改变WBAN信道特性。这种影响主要体现在周围复杂环境所造成的多径传播[11，12]。本节对各种环境中WBAN的信道特性进行分析研究。

3.1 户外环境

WBAN用户处于户外环境中，使用2.45 GHz频段进行通信。用户处于静止状态时，体表信道的衰落较小。WBAN的信道特性主要受人体本身的影响，其次是周围建筑物和地面反射的影响。此时，除去在WBAN系统的最边缘位置，WBAN信道的衰落特性可以通过对数正态分布和Nakagami分布统计描述[13]。

表3 UWB频段冲激响应信道模型的信道参数

经实验对比，户外环境的信道衰落比室内环境中的衰落稍微小一些。

3.2 室内居住环境

在室内居住环境中，对使用900 MHz、2.4 GHz、UWB 3种频段的WBAN信道特性进行研究。

（1）900 MHz和 2.4 GHz频段

由于受周围环境的影响（地面、墙壁、天花板、物体对信号的反射），900 MHz、2.4 GHz频段的WBAN信道模型发生变化。此时，身体周边的路径损耗服从指数衰减分布[3]：

其中，P0为天线附近的平均损耗；m0为沿体表传播信号的衰减速率，单位为dB/cm；P1为由多径成份引起的平均损耗，δp为对数—正态方差，np～N(0,1)。

路径损耗受室内环境中多径成份影响，随距离的增大而逐渐趋于平坦，如图5所示。

在900 MHz、2.4 GHz频段，受周围环境影响产生的多径传播，其均方根时延扩展trms服从正态分布。在收、发天线间距分别为15 cm和45 cm时，研究两个频段多径传播的均方根时延扩展，如图6所示。900 MHz频段的均方根时延明显要小于2.4 GHz频段。

（2）UWB 频段

在UWB频段，WBAN信道的路径损耗主要受身体形态和天线位置的影响。传播信号会沿着身体衍射传播，而不是直接穿过身体传播。收发天线位于不同体侧时，会产生较大的路径损耗[14]。

图5 900 MHz、2.4 GHz频段的路径损耗

在室内环境中，信号以多径波的形式传播，会产生小尺度衰落。小尺度衰落主要描述接收信号的幅度、能量在短时间内的快速波动，它主要受周围环境的影响。因为信号沿身体表面衍射传播时，仅产生少数的多径成份，所以对数正态分布与传统的Rayleigh分布和Rice分布相比，可以更好地描述小尺度衰落。另外，相邻两个延迟仓（delay bins）有较强的关联性，这说明 Nakagami分布的参数会随附加时延的增加而变化，它能够较好地表示小尺度衰落的幅度变化。

3.3 医院环境

在真实的医院环境中，对UWB（3.1～10 GHz）频段的WBAN信道进行研究，并且将人体的影响和周围环境的影响分别单独研究[15]。

图6 900 MHz、2.4 GHz频段均方根时延扩展

当病人平躺于普通病房时，受人体影响而产生的信道冲激响应会在最初的15～20 ns的短时间内迅速衰退，随后对信道冲激响应的影响主要来自病房环境反射而产生的大量多径成份。而且，当医疗器械工作时，多径成份会更加快速地波动。此时的WBAN信道与消声室环境和教室环境中的信道相比，有更多的散射和反射因素影响信道的特性。

与普通病房环境不同，病人站立于医院走廊中，因为走廊的反射，会产生更多的多径成份，而且多径成份的波动速度也更快。

当病人平躺于急诊室中时，多径成份的波动会更快，并且当医疗器械工作时，接收信号会有更高的幅值。

3.4 消声室、教室、小房间3种环境的对比

在消声室、教室和小房间这3种环境中，研究WBAN体表信道不同节点间的路径损耗特性。发现小房间比大房间的接收功率高，特别是对于非视距路径情形。消声室内的路径损耗最大，小房间的路径损耗最小，教室环境中的路径损耗居中[16]。这是因为在小房间和教室中，个体附近的地板、墙壁和天花板会产生丰富的多径。而在消声室内，传播路径只能是直射波和衍射波，因此接收功率低。在小房间内的多径产生的路径损耗最小，是因为小房间里的信号传播路径长度要比教室内的路径长度短，所以接收功率高。

从上面的分析可以看出，临近人体范围的WBAN无线传播环境，与WPAN和WSN的传播环境并不相同。因此，需要新的无线通信标准被提出，以适用于WBAN。UWB是一种适合WBAN的传输技术，UWB技术因为它低功耗和抗多径的特性，允许使用低功耗发射机组成小型网络，简化系统设计，并满足功率限制的要求。目前，UWB技术被广泛研究用于穿戴型WBAN的体表信道和体表—体外信道，特别是在医疗监护方面，UWB技术有自己的优势。

4 人体对WBAN信道的影响

WBAN应用于人体，与传统无线通信不同，人体本身和收发天线都是WBAN信道构成的一部分，因而天线放置位置、人体所处的状态均是影响WBAN信道的主要因素。下面从天线放置位置、人体运动状态两个方面分析其对WBAN信道特性的影响。

4.1 天线放置位置的影响

由于WBAN系统中的收发天线位于人体周围，因此天线放置的位置不同，信号围绕人体的传播路径和传播方式也会不同，而且受人体本身的影响比较大[17]。

以下几种情况详细说明了不同天线位置对WBAN信道特性的影响。

（1）收发天线均位于前胸。此时信号主要通过爬行波传播。由于躯干较大的体积，对信号有较大程度的吸收，所以此时产生的路径损耗比较大。而且前胸的表面不够平坦，天线间距改变时，所产生的路径损耗会有明显的波动[18]。

（2）收发天线均位于腹部。此时信道的路径损耗与（1）相比要小，而且波动也并不明显。

（3）收发天线均位于手臂。此种情况下，由于伸直的手臂比前胸表面平坦，所以产生的路径损耗及其波动均比较小[19]。

（4）手臂位置的影响。当收发天线位于身体表面的间距比较大时，手臂的位置是一个重要因素。收发天线均位于体前，且分别位于躯干、臀部高度的位置，此时若手臂位于体前，则手臂的反射会显著地影响总的接收功率，进而影响路径损耗的计算。当手臂位于体侧时，影响没那么大。但收发天线分别位于体前、体后时，若手臂位于体侧，则会有较大影响。而当收发天线分别位于手臂和背部时，会产生非常大的周期性信号接收功率的波动[17]。

（5）身体空间位置的影响。通过研究发现，沿身体垂直方向上下移动天线的过程中，路径损耗有明显的波动；而沿身体水平方向左右移动天线时，波动没有那么明显。

综上，从信道路径损耗的变化，分析了天线放置位置的不同对WBAN信道特性的直接影响。然而，目前的研究主要针对于体表信道，对于体内信道，由于受技术条件的限制，研究较少。

4.2 人体运动状态的影响

除了人体的衰减效应以外，人体本身的运动也会使WBAN信道建模复杂化。运动是影响信道衰落的最主要因素，运动下的WBAN信道建模是目前的研究难点。人体运动会对WBAN无线信道产生强烈的影响：①运动会改变收发天线之间的位置分布，进而影响天线间的匹配；②运动过程中会向收发天线间引进障碍物，对视距传输（line-of-sight,LOS）路径产生遮蔽。所以运动在很大程度上改变了天线间的传播环境[19]。

（1）在 900 MHz、2.4 GHz频段研究人体运动对 WBAN信道的影响

时域内研究传输信号的功率谱密度（PSD），发现人体的不自觉运动会造成信号PSD的大幅变动，引起慢衰落、平坦衰落。而有多径引起的频率选择性衰落较小，因为它主要取决于多径传输的最大时延，所以信道的频域特性受人体运动的影响很小。信号PSD的变动与人体的运动状态保持一致，运动幅度越大，动作越多，则传输信号PSD的波动越明显[20]。

通过分析人体运动所引起的接收信号功率的变化，发现2.4 GHz频段的路径损耗大于900 MHz频段的路径损耗。而且两种频段中，身体周围的路径损耗会随人体的运动而波动，运动幅度越大，路径损耗的波动也就越大。当收发天线也随着身体运动而被移动时，会导致LOS路径被阻挡，此时的路径损耗波动特别大。另外，路径损耗的波动具有周期性，它与运动的速率保持一致。

将接收信号的功率归一化，对其进行概率分析。发现，当人体站立不动时，并没有一种很精确的概率分布对其进行描述，但大多数情况Normal分布是最佳的选择。而当人体开始运动时，较好地符合对数正态分布或Gamma分布。

（2）在UWB频段研究人体运动对WBAN信道特性的影响

在UWB频段，当人体处于静止或较弱的运动状态时，信道冲激响应的幅度服从对数正态分布；当人体有较强的运动（如跑步）时，信道冲激响应的幅度服从Weibull分布[3]。

在一个行走周期内，手臂的运动会对传播链路产生显著影响（发射天线位于左手腕，接收天线位于前胸中间）。例如，当左手处于最高位置时，由于收发天线间距离最小，所以最强路径到达时间比其他情况下短，而且此时由于手臂和肩膀的反射，会有更多的多径成份。当左手处于最低位置时，会受到身体阻挡而产生较强的阴影效应。

另外，通过均方根时延扩展（trms）可研究延迟分布随运动的变化。发现trms值的大小由身体阻挡和收发天线间距决定。以上面的行走周期为例，手臂从体后转到体前，做循环转动，会引起LOS与非视距传播（none-line-of-sight,NLOS）路径之间的交替变换。在NLOS信道中，trms的值更大，有更强的时间扩展效应；当有LOS信道存在时，trms的值会变得很小。

充分考虑个体运动因素的影响可以提高WBAN系统的性能。由于目前技术条件的限制，很难在数GHz频段内实时研究无线信道的变化特性，所以当前大多数的研究都是在准运动状态下进行的[21]。此外，人体持续性动作对WBAN无线信道的影响需要进一步的研究分析。

通过上述对天线放置位置、人体运动状态影响的分析，可以得出人体对WBAN信道的影响主要是通过改变信号传播路径和传播方式实现的，另外，人体组织的吸收也会引起衰减。人体姿势的不同会对WBAN信道产生类似的影响。通过路径损耗和延迟分布分析可知，LOS模型下与NLOS模型下的区别非常明显。

5 结束语

研究WBAN系统的性能，需要建立恰当的信道模型。本文通过对国内外WBAN信道研究成果的综合分析，从更全面的角度对WBAN的信道特性进行了研究。在工作频点、工作环境和人体状态3个方面，深入分析了WBAN信道特性。工作频点越高，收发天线间距越大，信道路径损耗值越大。UWB技术具有低功耗和抗多径的特性，适用于WBAN，UWB频段WBAN的研究是当前的一个热点。环境因素主要通过复杂的多径效应，对WBAN信道产生影响。多径成份丰富，信道接收功率较高，路径损耗较少，但波动比较大。人体运动是影响信道衰落的主要因素，运动状态下WBAN信道特性的研究，有待进一步研究完善。

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