WBAN信道的路徑損耗模型

李 暢 龐 宇 雷 倩

（重慶郵電大學(xué)光電學(xué)院 400065）

人體局域網(wǎng)是附著在人體身上的一種網(wǎng)絡(luò)，由一套小巧的可移動、具有通信功能的傳感器和一個身體主站(或稱WBAN協(xié)調(diào)器)組成。每個傳感器既可佩戴在身上，也可植入體內(nèi)。協(xié)調(diào)器是網(wǎng)絡(luò)的管理器，也是WBAN和外部網(wǎng)絡(luò)之間的網(wǎng)關(guān)，使數(shù)據(jù)能夠得以安全地傳送和交換。WBAN是一種可長期監(jiān)視和記錄人體健康信號的基本技術(shù)，早期應(yīng)用主要是用來連續(xù)監(jiān)視和記錄慢性病(如糖尿病、哮喘病和心臟病等)患者的健康參數(shù)，提供某種方式的自動療法控制。WBAN未來還可廣泛應(yīng)用于消費(fèi)者電子、娛樂、運(yùn)動、環(huán)境智能、畜牧、泛在計算、軍事或安全等領(lǐng)域。

在WBAN開發(fā)中比較重要的一點(diǎn)就是人體附近或者在人體內(nèi)部的設(shè)備的電磁波傳播特性。由于人體組織結(jié)構(gòu)和體型相對復(fù)雜，這樣使建立一個簡單的WBAN的路徑損耗模型變得比較困難。WBAN應(yīng)用中的天線放置在人體表面或者內(nèi)部，因而WBAN信道模型需要考慮人體對無線傳播的影響。可以將WBAN使用的傳感器節(jié)點(diǎn)分為3種類型：可植入節(jié)點(diǎn)（放置在人體體內(nèi)的節(jié)點(diǎn)）、體表節(jié)點(diǎn)（放置在人體皮膚表面的節(jié)點(diǎn)）、外部節(jié)點(diǎn)(放置在人體皮膚外部節(jié)點(diǎn))。WBAN信道模型被分為四種：CM1-CM4，如圖1。CM1是體內(nèi)到體內(nèi)傳輸?shù)男诺滥Ｐ停珻M2是體內(nèi)到體表傳輸?shù)男诺滥Ｐ停珻M3是體表到體表傳輸?shù)男诺滥Ｐ停珻M4是體表到體外傳輸?shù)男诺滥Ｐ汀Ｔ诒疚闹?我們主要研究這四種模型在不同頻段下的信道特性，這將有助于我們建立研究無線人體局域網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)和協(xié)議的基礎(chǔ)。

圖1 WBAN四種通信鏈路

1 WBAN信道模型

人體體表組織的復(fù)雜性和外界環(huán)境的影響都增加了建立信道模型的難度。影響信道特性有三個主要因素：頻率因素（WBAN的頻段包括400MHz、600MHz、2.4GHz、UWB）、環(huán)境因素（消聲室、室外、醫(yī)院）、天線放置位置和人體所處的狀態(tài)。在人體不同位置的傳感器將導(dǎo)致信道有不同的電磁波，由此我們建立的信道模型也就不一樣。根據(jù)不同的路徑損耗公式，我們建立了WBAN路徑損耗的多種特性。

1.1 路徑損耗模型CM1和CM2

因?yàn)閷τ隗w內(nèi)到體內(nèi)傳輸和體內(nèi)到體表傳輸?shù)男诺滥Ｐ偷挠绊懸蛩厥且粯拥摹＞C合考慮各方面因素，路徑損耗公式為：

其中，d為傳播天線到接收天線的距離，GR為接收天線增益，PT為發(fā)射功率，PR為接收功率。路徑損耗包括了發(fā)射天線增益，這通常不存在于無線系統(tǒng)的信道模型中，但是在WBAN中，發(fā)射天線是信道模型的一部分[2]。通常研究中，我們更多的用到簡化后的路徑損耗公式：

其中d0為參考距離其距離為50mm，n為路徑損耗指數(shù)取決于無線傳播路徑，通常取n=2在自由空間中。S代表不同物質(zhì)（如骨頭、肌肉等）和天線增益引起的dB偏差。CM1和CM2的參數(shù)如表1和表2所示。

表1 體內(nèi)到體內(nèi)CM1(402MHz-405MHz)

通過這些參數(shù)，我們建立路徑損耗模型如下所示：

圖2 路徑損耗CM1和CM2模塊

路徑損耗的計算值由圖2灰色所示，將其展開為圖3所示。其中50為參考距離。變量“Sigma-s” 和“s-rnd”用于計算公式（2）中的S參數(shù)。

由圖2信道模型得出CM1和CM2在不同距離下的路徑損耗值如表3所示。

圖3 CM1和CM2的路徑損耗值的計算模塊

1.2 人體信道模型的頻率響應(yīng)

人體信道模型由頻率響應(yīng)和噪音特性組成。具體的測量過程我們可以從文獻(xiàn)[5]中得到。圖4為設(shè)計的信道模型，我們能得到電磁波振幅和相變的值。圖4灰色部分我們將其擴(kuò)展為圖5。

表3 CM1和CM2的路徑損耗值

其中，輸入項(xiàng)“in1”和“in2”為發(fā)射信號的電壓和編碼信號值。輸出項(xiàng)“out1”為輸入信號的長度，輸入項(xiàng)“in2”輸入信號的最大值，輸入項(xiàng)“in3”為傳遞函數(shù)h的最大值，輸入項(xiàng)“in4”和“in5”為信道時延，輸入項(xiàng)“in6”計算信道噪聲。

圖4 CM3信道模塊

1.3 路徑損耗模型CM3在400MHz、600MHz、900MHz、2.4GHz、3.1-10.6GHz

路徑損耗dB在不同頻率下以距離d為參數(shù)簡化為如下公式：

其中，a和b為線性系數(shù)，d為發(fā)射端到接收端的距離，N為標(biāo)準(zhǔn)偏差(Nσ)變量，信道模型描述如圖6所示。

圖5 CM3時延和噪聲的計算模塊

圖6 CM3的路徑損耗模塊

根據(jù)圖6能計算出在在人體表面不同距離不同頻率下的路徑損耗，得出路徑損耗值如表4所示。

表4 CM3的路徑損耗值

1.4 信道CM4在UWB下功率譜PDP模型

考慮到?jīng)_激響應(yīng)在延遲域的稀疏性，選取泊松過程模型對信道建模；對沖激響應(yīng)的幅值分布，采用單簇模型進(jìn)行描述。在這個模型中，h為多路徑振幅響應(yīng)，t為多路徑到達(dá)時間，n-p為信道實(shí)現(xiàn)數(shù)目。功率譜PDP模型為：

其中，lα為l路徑的路徑增益，lt為l路徑的到達(dá)時間，lφ為相位偏移，l為路徑序號，L為到達(dá)路徑的數(shù)目，()tδ為Dirac函數(shù)，Γ為帶有Ricean因子0γ的指數(shù)衰減因子，S為標(biāo)準(zhǔn)偏差為sσ的正態(tài)分布，λ為路徑到達(dá)比率。從這個公式能建立PDP模型如圖7所示。t和h的值如表5所示。

表5 t和h的值

圖7 CM4時延模塊

2 結(jié)論

WBAN在遠(yuǎn)程醫(yī)療應(yīng)用中有著重要的意義，為了更好的研究WBAN系統(tǒng)的性能，我們需要建立適當(dāng)?shù)男诺滥Ｐ汀Ｓ捎谌梭w組織結(jié)構(gòu)和體型相對復(fù)雜，建立一個簡單的BAN的路徑損耗模型變得比較困難。本文著重從四種信道模型的路徑損耗、路徑傳輸時間和多路徑振幅進(jìn)行分析，根據(jù)國內(nèi)外的WBAN信道研究成果和數(shù)據(jù)進(jìn)行了一系列的仿真。根據(jù)影響WBAN信道的因素如頻率、環(huán)境、天線位置，建立了四種信道模型并計算出不同距離不同頻率下的路徑損耗值，這對制定WBAN的標(biāo)準(zhǔn)和協(xié)議有著重要的意義。

[1] Cao Huasong，Leung V，Chow C，et a1．Enabling technologies for wireless body area networks： A survey and outlook． IEEE Communications Magazine．2009．47(12)：84-93.

[2] T.Zimmerman,” Personal Area Networks (PAN): Near Field Intra Body Communication”, [D], MIT Media Laboratory, Cambridge, MA (September 1995).

[3] Kamran Sayrafian-Pour, Wen-Bin Yang, John Hagedorn, Judith Terrill “A Statistical Path Loss Model for Medical Implant Communication Channels”.

[4] K.Y.Yazdandoost, R. Kohno,“An Antenna for Medical Implant Communication Systems”, Proceedings of the 37th European Microwave Conference, Oct. 2007,Munich, Germany.

[5] Jung-Hwan Hwang, Il-Hyoung Park, and Sung-Weon Kang, “Channel model for humanbody communication,”IEEE802.15-08-0577- 00-0006, August 2008.

[6] 許波，賀鵬飛，段嗣妍 “無線體域網(wǎng)信道特性研究”，電信科學(xué)，2011年第3期

[7] Takehiko Kobayashi,Kamya Yekeh Yazdandoost, Huanbang Li and Ryuji Kohno, “Channel model for wearable and implantable WBANs,”IEEE 802.15-08-0416-04-0006, November 2008.