基于多姿势人体模型的信道研究*

王紫阳，廖 薇

(上海工程技术大学 电子电子工程学院，上海 201620)

0 引 言

人体通信技术利用人体为传输媒介，可以实现医生与病患间的相对隔离，同时具备较高的通信效率，可以满足医疗测量的精确度而受到人们的广泛关注。保证体表周围通信状态的稳定及速度上的高效率成为该技术的研究热点。在医疗健康领域，无线体域网在不影响人的正常生活、学习和工作的情况下，收集身体生理参数及周边的环境信息[1]。

在体域网范围内，IEEE 802.15.6协会建立了完整的短距离、低功耗及传输速率为10 Mb/s的无线通信国际标准，该标准为人体邻近区域短距离无线通信标准,将传输技术分为超宽带(UWB)、NB[2]、人体通信(human body communication,HBC)三种。通常来说，UWB及NB通信方法采用天线以射频的方式实现功能，存在多种通信方式兼容性问题，同时发射极的设计问题也成为制约该方向发展的困扰。而HBC作为近几年研究的热点，可以通过在简单电极片间传递信号，采用极小的成本即可在体表实现通信功能。HBC频段即10～50 MHz段的研究，文献[3]发现在该频段下的电磁波，沿着体表的衰减情况远小于电磁波向空气中扩散衰减的幅度。文献[4]通过人体模型得出了发射极在手指出的路径损耗模型。在体表电磁传播中，包含电磁分量[5]、表面波分量及感应场三部分分量。文献[6]将发射路径与接收路径分别进行了研究，在电容耦合下从大地到电极片的返回路径的信道特性会受到电极片类型、人体姿势及外部环境等因素的影响[7]，同时后一部分链路的路径损耗较大，其性能也几乎决定了该频段的路径损耗特性。鉴于人体活动的不规律性，生活中人体姿势也存在着多种可能性，因而需要对通信中人体姿势带来的电磁变化进行研究，同时也为了人体通信技术的进一步应用，需要对人体的多种姿势进行电磁分析。

本文对于人体的29种姿势进行了电磁仿真，并提取仿真中的关键参数，以分析姿势变化对于人体信道的影响。

1 人体介电特性

人体的介电特性，主要为电磁特性随着频率变化的特殊现象，这种现象源自于人体介电谱中的色散现象，用一个独特的松弛时间常数τ来表示，下面首先给出介电特性参数与频率间关系式,即生物电磁性最常用的德拜(Debye)公式为

(1)

式中 Δε为色散长度，ε∞为频率趋于无穷大的介电常数。人体的介电特性参数可以表示为各个色散机理对应Debye型表达式的集合，以此可以对大部分人体组织进行建模。

对于本文所用人体模型，内部包含51种人体不同组织器官，各组织相对介电常数及电导率取自于[8]，该人体参数为亚洲成年男性的平均统计数据，该模型的空间分辨率为2 mm。对于人体姿势的变化，改变人体手臂、腿部的相对位置，对于头部、颈椎等部分进行细微的调整，得到如下29种不同类型姿势：1)奔跑9种;2)坐姿6种;3)站姿9种;4)走姿5种。

将所设发射极置于心脏前端，为了与已有人体通信ECG检测设备相结合[9]，发射极与接收极设置为(3×3)cm的两片电极片的行使，间隔5 cm，在两电极片间设置点对点式发射信号。接收极设置在人体胸前、腰部周围、头部周围等三处主要位置。后文为了结果的统一观察，将所有得到结果归一化到50 Ω。本文所用人体多姿势模型如下图1所示。

图1 人体多姿势原理及部分模型

2 多姿势人体模型仿真

在人体周围实际的移动通信系统中，发射极的信号会通过多种方式和路径到达接收端即多径效应。由身体活动带来的体表的多径效应，往往集中于身体部位对直射电磁波产生的短暂遮挡效应过程。故而引起接收信号的幅值及相位发生波动，导致不同程度的路径间延迟。式(2)所示为本文对得到仿真信号的处理过程

(2)

对于得到的时域脉冲信号，将得到的输入、输出电压进行傅里叶变换，在频域范围内得到信号的延迟效应，再进行反傅里叶变换将信号转换到时域，得到时域范围内的冲激响应曲线。接收器放置在右胸、左腰、右腰，以及双耳5个位置，以此形成5条通信传输链路，这五条链路不会随着跑步姿势的变化产生距离上及空间相对位置的变化，同时这五条典型链路可以代表体表上的所有直射链路。5条链路具有完全不同的传输路径，左胸—右胸链路传输链路为直线路径，而左胸—腰部链路，则包含多种路径的叠加，双耳链路还会存在空气链路的叠加，图2,图3为不同动作姿势下得到的左胸—右胸链路以及左胸—右腰链路的归一化S参数曲线。

图2，图3所示为左—右胸及左胸—右腰两链路随着人体姿势的不同带来的路径损耗的变化。保证每一不同动作下，每一链路的接收极在人体表相对位置不发生变化，以减少额外干扰因素。图2,图3的姿势为每一类姿势中随机的两种，在其他姿势中也可以发现相同的特性。图2,图3可以发现，静坐、站立等静态姿势相较于跑步、步行等动态姿势会产生额外5 dB以内的路径损耗。也就是，在人体活动时，路径损耗会产生部分衰减。为了研究这种变化，需要提取其中的核心参数，以研究人体姿势变化带来的影响。

图2 左胸—右胸链路动作变化

图3 左胸—右腰动作变化

3 仿真所得数据与特性分析

此处将得到的接收极输出信号进行数学计算，从接收极接收的能量变化角度分析特性。通过式(2)得到时域下的冲激响应h(t)后，通过式(3)计算得到用于描述能量的功率延迟分布

(3)

功率延迟分布是对信道传输特性的一种统计表示，可以将冲激响应电信号进行平方及积分的运算得到，描述了不同多径分量到达时间与接收到的平均功率之间的关系，在CST软件中进行计算后，得到输出信号如图4所示。

图4 左胸—右胸单姿势下功率延迟分布

图4为左胸—右胸单链路在不同姿势下的功率延迟分布图。图中每一尖峰为一分量到达的结果，观察可以发现不同姿势下，单一链路的传输特性基本是一致的，几乎具有相同的停止时间及峰值路径时间，姿势的变化对于链路整体稳定性没有产生明显的影响。提取其中尖峰的幅值也就是每一路径的路径增益，及各路径的出现时间进行统计学分析。

将单一姿势下功率延迟分布中的峰值进行统计，同时将29个姿势的功率增益值汇集到一起。此处忽略了低于峰值30 dB以下的路径尖峰值。实务中该部分信号已衰减为幅值的0.1 %，很难被观测到。对于所有路径幅值的概率分布参数(probability distribution parameter)在MATLAB中进行统计学拟合，得到拟合图如图5所示。结果表明功率增益遵循正态分布，其物理意义也符合预期。即电磁波在人体表面传播过程中，人体多姿势变化，带来不同身体部位本身的反射及非直射带来的衍射效应等影响，可以认为是一种乘性影响，为电磁波所乘的是按统计变化的随机量[10]。

图5 幅值的概率分布参数特性

路径的依次到达时间也是重要的考量参数。在体表的电磁波通信层，不同位置的接收极形成不同传输路径，而同一发射极接收极条件下，由于体表的多径效应则导致不同路径中每一径传播距离不同，路径到达时间不同。需要对路径到达时间。图6所示为信号的第一径到达时间。对于人体表面，传播链路在人体表面距离约为0.5 m左右。根据空气中电磁波在体表直线路径的传播，第一路径到达时间在1.67 ns左右，故而图6中所得参数是符合预期的。从图6中还可以看到信号的依次到达，不同传播距离下的不同电磁信号也是按照右胸、两侧腰、双耳链路的顺序，也就是传播距离的大小依次由接收极接收得到。

图6 信号到达时间图

从图4中还可以看到峰值路径的存在，该峰值路径在不同姿势中出现时间为120 ns左右。众所周知，从接收极接收的信号中，往往直射路径也就是第一路径到达时间最早，其信号幅值最强，衰减最弱。而在120 ns出现的该峰值，需要对其进行分析。

此处，将五条链路的不同姿势下得到的峰值到达时间汇集到一起，以此计算分析该参数的误差线观察特性，如图7所示。图中标注出了不同链路的中性点。可以发现，同一链路在不同姿势下的信号峰值变化范围较大，峰值变化范围在50 ns以上，但是不同链路的峰值中性点仍按照路径的到达顺序，也就是传播距离的幅值顺序依次分布。峰值的变化虽然受到姿势变化产生波动，但仍与体表距离相关。

图7 峰值到达时间误差线

信号在传输的过程中会产生不断的衰减，而电磁波多径效应的存在会导致不同路径信号在衰减的过程中，在同一个接收端产生幅值及相位上的相互叠加。对比第一路径的到达时间可知，峰值的出现是由于高频分量不断叠加的结果，实际应用中须对高频分量进行滤波处理，否则可能会损坏人体通信设备。

此外，通过电磁仿真发现，不同身高、不同体重、及不同性别的人体模型对于体表信道的幅值及信号到达时间并不会产生明显的差别，在电磁参数的区别也在很小的范围内。因此，本文的结论虽然是在亚洲平均男性模型的基础上得到的，生活中对于人们是普遍适用的。

4 结束语

本文通过对29种人体姿势进行电磁仿真，提取其中的关键参数以进行统计学分析及特性研究。结果表明：人体的动态姿势相较于静态姿势具有更好的传输性能，其路径损耗降低范围在5 dB以内，姿势的变化对信道稳定性并不会表现出明显的影响。对于信号能量的变化，功率延迟分布的路径增益遵循正态分布，人体姿势的变化对于信道幅值是一种乘性影响，所乘系数为按统计变化的随机量。而第一路径到达时间和峰值路径到达时间都与路径传输距离密切相关，姿势的变化会使峰值的出现产生波动。此外，峰值的出现为不同路径衰减过程中的相互叠加导致的，实际应用中须对此加以考虑。