毫米波频段人体电波传播特性综述*

赵红梅，王 潜，郭淑婷

(1. 山东大学 信息科学与通信工程学院，山东 济南 250100； 2. 郑州轻工业学院 电气信息工程学院，河南 郑州 450002)

毫米波频段人体电波传播特性综述*

赵红梅1,2，王 潜2，郭淑婷2

(1. 山东大学 信息科学与通信工程学院，山东 济南 250100； 2. 郑州轻工业学院 电气信息工程学院，河南 郑州 450002)

毫米波频段可提供数GHz的频谱，成为第5代无线蜂窝网络极具吸引力的选择。其目前测试场景往往不能忽略人体的存在。文中详细介绍了电波传播的信道建模方法、测试环境和仿真模型。在测试环境和方法中主要讲述了人体模型的建立和天线的类型、位置等。并介绍了基于入射反弹法(SBR)和时域有限差分法(FDTD)两种仿真模型。最后对人体阻挡影响、散射特性、基站方位影响等性能进行了分析。

毫米波；电波传播；人体模型；信道建模

0 引言

随着科技的发展，网络的覆盖化，人们对通信质量的要求也在不断提高。在医学影像方面，要求从患者的医疗图像中得到较高的清晰度，需要非常高的数据传输速率。在军事方面更加需要高的传输速率，以最短的时间接收到最有效的信息，从而进行最有利的进攻和防守，这在信息化的战争中是不可或缺的。因此需要采用新的频段。目前毫米波频段(30 GHz～300 GHz)的使用是较少的。此频谱带宽较轻松，传输速率也得到巨大的提升，这是实现5G移动通信高传输速率关键技术之一。

毫米波频段由于波长较短，人体相对于毫米波[1]波长成为电大尺寸目标，对毫米波信号的传播特性会产生影响。国内外对在毫米波频段人体传播特性的研究也是热度不减[1]。

本文从基础理论、测试环境和方法及人体模型、两种仿真模型等角度对国内外关于毫米波频段人体传播特性进行了分析和比较，为进一步研究其特性做了参考。

1 基础理论

在研究人体电波传播时，通过建立信道模型来分析其特性[2]。

1.1射线追踪法

射线追踪法有镜像法和入射反弹发射法，入射反弹发射法较适用于复杂的电磁环境，基于镜像理论的确定性方法是虚拟源方法[3]。文献[3-5]中采用射线追踪法研究了毫米波在微蜂窝中的传播特性，在28 GHz下可视距路径有效半径300～400 m，在非可视距路径下有效半径小于200 m。可视距路径下相对接收功率在0～40 dB。

1.2基于物理传播建模法

基于物理传播建模法是将抽象的物理现象等效为简单的模型对电波传播进行测量。文献[6]对73 GHz频段在纽约城市密集环境中的电波传播进行了测量。文献[7-8]中采用物理传播建模法建立28 GHz下信道路径损耗模型，并且得出定向天线在毫米波通信的重要性。

表1对三种建模方法进行了比较，射线追踪法常用于室内外传播。时域有限差分法一般多用于尺寸较小和室内传播。基于物理传播的建模一般多应用于MIMO研究，在测试时也容易受到测试环境的影响。

表1 三种建模法比较

1.3时域有限差分法(FDTD)

时域有限差分法是对微分形式的麦克斯韦方程进行差分求解的技术[9]。Yee网格单元如图1所示，把带时间变量的麦克斯韦旋度方程转化为差分格式[10]。

图1 Yee网格单元

FDTD计算人体对毫米波传播的影响时，将人体看作是一个散射体，将人体分成一个个的网格，分别计算网格的电场特性和磁场特性。FDTD需要对晶格尺寸做出精确的要求，FDTD里晶格不能大于最小激发波长的1/10。晶格最大尺寸为:

其中c为光速，f是受激频率。

文献[11]利用FDTD计算手机对头部辐射下的SAR，文献[12]中手机辐射对人体影响进行了分析，当手机距离人体头部较近时，SAR值会达到最大。利用FDTD法计算更加精确，但是网格的划分也会使精确度发生变化。

2 测试环境及人体模型

2.1室内测试环境

在一个12.5 m×6 m的办公室内，如图2所示，左边放置发射机，在距离发射机分别为2 m、4 m、6、m、10m处放置接收机。人体沿平行发射、接收机处行走，再分别从距离发射机0.5 m、1 m、5 m、9 m、9.5 m处穿过。发射机天线用全向天线，接收机用定向天线[13]。

图2 办公室室内测试图

2.2室外测试环境

在户外通常选择大学校园进行测试，如图3所示。

在一个大学校园里，将毫米波基站分别放在校园中心和四个角落里，这样共有5个基站进行性能分析。基站天线为12×12均匀矩形阵列天线，接收天线是4×4平面相控阵列天线[14-18]。

2.3刀刃衍射模型和圆柱模型

文献[13-17]中分别利用刀刃衍射模型或者圆柱体模型。在射线追踪法中，刀刃衍射模型是其中的一部分，圆柱体模型也是在UTD中常用的人体模型。双刀刃衍射模型基于两个垂直的刀刃，即沿身体的主轴线的两个刀刃。多刀刃衍射模型是将人体看作是一个立方体。文献[13]中利用分段线性拟合分析可视距路径下的衰减情况时发现刀刃衍射模型会比实际值略小，而基于UTD的导电圆柱体略大。

文献[14]和[17]中利用理想的导电圆柱体和人体进行比较发现，两者在10.5 GHz的可视距路径下的衰落、周期性和相对功率都是相似的。

2.4生物电磁模型

文献[19]中介绍了一种关于人体的生物电磁模型。 人体是一个非常复杂的电磁系统，不同的生物组织有着不同的电磁特性。 生物电磁模型的建立主要分两个步骤，一是建立人体结构模型，二是建立人体电磁模型。

人体结构模型的建立主要通过医学设备来实现。主要用核磁共振成像技术、Photoshop、MATLAB及MESHLAB软件对人体结构模型进行三维建模，这样得到的人体模型就更加的逼真[20]。在文献[21-23]中发现人体手臂、手腕和前臂的介电常数。

建立人体电磁模型主要是得到人体组织的电磁参数，其中介电常数在分析人体对毫米波传播特性的影响是至关重要的，不同的测量方法、不同频率下、不同的皮肤组织的介电常数是不一样的。介电常数的公式为：

ε*=ε′-jε″

在60 GHz下人体单一皮肤组织的相对介电常数为7.98，电导率为36.4 s/m。

2.5 3D模型

在文献[24]中讲述了一种三维动画人体模型的建立，用三维动画形式来描述人体行走的模型，最初人体模型是使用真实的个人照片，以确保正确的比例。通过三维激光扫描人体模型。指定每个点对点的网格到适当的骨骼位置，一个特定的点需要来自多个骨骼的影响。三维模型最终是以许多独立的三角形组成，将它们放在一起形成一个曲面。根据这种模型可以建立不同的人体模型，对于人体行走过程中身体形状的变化也可以进行随时跟踪[25]。

基于上述实验场景建模方法，对人体模型和天线类型提出进一步的研究建议：

(1) 将人体分为身体主干部分和头部，两部分为大小不一的圆柱体，分别赋予不同的电磁特性以测试其传播特性。

(2) 人体身着的衣物可以简单地分为皮革、棉纺和涤纶三种材料。

(3) 测试环境应尽量选择遮挡物少的场景，减少其他遮挡物的吸收，以充分体现毫米波频段人体传播的特性。

(4) 考虑基站天线高度、基站密度等参数带来的影响，收发天线采用MIMO形式，垂直极化。

3 仿真模型

3.1基于FDTD仿真模型

改进的人体模型主要分为物理结构模型和设置电磁参数两部分[26-27]。

用户手持通信设备，在可视距路径(LOS)下接收信号时会因为用户的手部和头部的遮挡造成一定的衰减。如图4所示为室内LOS下用户通信仿真模型。用定向喇叭天线作为发射和接收天线，发射机距离人体1 m，接收机位于人体头部，相当于人手持手机，并且背对着发射机，主要考虑头部带来的影响。设置最大仿真时间为10 000×时间步长，阈值为-30 dB。

3.2基于SBR仿真模型

利用刀刃模型建立由两个多边体组成的人体，实验仿真如图5所示，人体手持通信设备，考虑头部带来的影响，同时也考虑人体手部对其影响。

在类似校园的室外场景中，基站高度大约在25 m～30 m，为了研究接收机方位性带来的影响，让人体分别站

图4 基于FDTD仿真模型 图5 基于SBR仿真模型

在发射机的8个方向，距离发射机分别为10 m、20 m、30 m、40 m、50 m、100 m、150 m、200 m处，发射和接收天线参数如表2所示。

表2 发射/接收天线参数

4 性能分析

4.1人体遮挡影响

文献[22]利用射线追踪法对室内人体遮挡进行电波传播的分析。在图2办公室测试环境中，人体阻挡造成的最差的影响就是让一个人直接站在发射和接收器的中间。在这种情况下，人体阻挡对数据传输的影响是双重的。由于额外的衰减和人体阻挡导致了信道从可视距路径转向了非可视距路径(NLOS)，时延扩展和频率选择性增加。这两种效应导致在数据传输过程中会产生更高的错误。人体存在着自我阻挡，在低密度环境中，自我阻挡和阻挡几乎没有，所以系统的性能基本是保持不变的。

4.2人体散射特性

利用FDTD得到图6， 28 GHz～38 GHz不考虑人体所穿衣服带来影响下经人体散射得到的S21折线图。

图6 28 GHz～38 GHz人体散射S21折线图

从图6明显可以看出，在28 GHz和38 GHz下的损耗是最小的，38 GHz和32 GHz两个频率的损耗相差约80 dB。在30 GHz、34 GHz、36 GHz时的结果相差不大，均在几dB。结果表明在38 GHz下人体自遮挡对毫米波传播的影响远小于在32 GHz。并且在30 GHz、34 GHz和36 GHz频率下，三种不同织物的介电常数和电导率相差很小，因此可以推断出在这三个频率下接收到经人体散射的电波传播特性的差别也是微乎其微。所以这对5G移动通信频段的确定有很好的借鉴性。

4.3基站方位影响

根据围绕人体的8个方向进行仿真得到路径损耗如图7所示。从图中可以看出，28 GHz时，在距离接收机20 m～100 m时的路径损耗较小，在100 dB左右。tx3处的路径损耗较其他基站方位大，tx7和tx8路径损耗较小。因此可以推断出，由人体头部带来的影响比人体手部带来的影响大。随着距离的增大，路径损耗也在增大，在无线通信里，基站覆盖最大距离为200 m，由图看出200 m处的路径损耗较100 m处的大10 dB左右。

5 结论

毫米波频段是研究下一代移动通信的主要频段，人体本身具有复杂的电磁特性，对毫米波频段的传播具有一定的影响。本文从测试环境和方法、两种仿真模型进行分析，得到人体遮挡、散射特性及基站方位对传播的影响。在60 GHz时，由人体遮挡带来的衰减达到40～50 dB。主要介绍了单一人体的传播特性，对接下来研究密集人口环境的传播特性有一定的借鉴作用。

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A review for radio wave propagation characteristics on human body in millimeter wave band

Zhao Hongmei1,2, Wang Qian2, Guo Shuting2

(1. College of Science Technology and Communication Engineering, Shandong University, Jinan 250100, China;2. College of Electric and Information Engineering, Zhengzhou University of Light Industry, Zhengzhou 450002, China)

Millimeter wave (mmW)band can provide several GHz, it becomes an attractive option for the fifth generation wireless cellular network. At present, the test scene often cannot ignore human body(HB) existence. In this paper, it introduces channel modeling method in mmW band, test environment and simulation model. In the test environment and method, it mainly gives account of HB modeling and antenna type, position etc. In simulation modeling, mainly introduces two style modeling of SBR and finite difference time domain method(FDTD). Finally, it analyzes the impact of the human body blockage, scatter, base station azimuth and other performance.

millimeter wave; radio wave propagation; HB model; channel modeling

国家自然科学基金(U1504604)

TN928

：A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.17.003

赵红梅，王潜，郭淑婷.毫米波频段人体电波传播特性综述[J].微型机与应用，2017,36(17)：8-11,20.

2017-03-13)

赵红梅(1976-)，女，副教授，主要研究方向：微波射频天线、超宽带无线通信技术方面的研究。王潜(1992-)，通信作者，女，硕士研究生，主要研究方向：毫米波传播。E-mail：1002818773@qq.com。郭舒婷(1980-)女，硕士，主要研究方向：超宽带无线信道建模。