基于中國醫(yī)用體域網(wǎng)頻段的物理層方案設(shè)計(jì)及干擾分析

鄒衛(wèi)霞康峰源*杜光龍張春青

①(北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100876)

②(國家食品藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)管理中心 北京 100050)

基于中國醫(yī)用體域網(wǎng)頻段的物理層方案設(shè)計(jì)及干擾分析

鄒衛(wèi)霞①康峰源*①杜光龍①張春青②

①(北京郵電大學(xué)泛網(wǎng)無線通信教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 北京 100876)

②(國家食品藥品監(jiān)督管理局醫(yī)療器械標(biāo)準(zhǔn)管理中心 北京 100050)

該文基于中國醫(yī)療體域網(wǎng)的專用頻段提出了采用擴(kuò)頻的OQPSK調(diào)制方案，并在多種干擾的背景下進(jìn)行分析，仿真結(jié)果表明該方案對(duì)寬帶干擾具有較好的抑制性能，但是由于接收端幀檢測(cè)算法虛警率較高而對(duì)窄帶干擾較為敏感。為此提出基于兩次延遲自相關(guān)的幀檢測(cè)算法，并驗(yàn)證該算法對(duì)寬帶和窄帶干擾都有較好的抑制性能。該文的研究成果可以為我國無線體域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)制定提供技術(shù)參考，目前該調(diào)制方案已被IEEE802.15.4n采納。

無線體域網(wǎng)；干擾分析；OQPSK；幀檢測(cè)；可靠性

1 引言

隨著中國人口的不斷增多以及老齡化步伐的加快，醫(yī)療資源日益緊缺，迫切需要可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)人體征數(shù)據(jù)的網(wǎng)絡(luò)出現(xiàn)以替代傳統(tǒng)的人工采集數(shù)據(jù)的方法。早期的監(jiān)測(cè)網(wǎng)絡(luò)多為有線網(wǎng)絡(luò)，由線纜上傳傳感器采集的數(shù)據(jù)。這種方式不但造成用戶的舒適性差，而且限制了設(shè)備的移動(dòng)性，不利于遠(yuǎn)程醫(yī)療的應(yīng)用。于是，以人為中心的無線體域網(wǎng)(Wireless Body Area Network, WBAN)應(yīng)運(yùn)而生，這使得用戶具有更好的移動(dòng)性，并具備無線定位的功能，使得其在醫(yī)療支持、人體健康狀況的監(jiān)控和消費(fèi)電子等領(lǐng)域有著越來越廣泛的應(yīng)用前景。

目前，無線體域網(wǎng)相關(guān)國際標(biāo)準(zhǔn)有IEEE 802.15.6和IEEE 802.15.4j，其中前者已于2012年3月正式頒布，它是使用工科醫(yī)頻段以及國家醫(yī)療和/或監(jiān)管局授權(quán)的頻段針對(duì)人體(但不局限于人體)而制定的短距離無線通信標(biāo)準(zhǔn)。IEEE 802.15.4j則是基于美國新近頒布的2360～2400 MHz頻段的標(biāo)準(zhǔn)，已于2013年2月開始實(shí)施。由于頻譜劃分差異性及醫(yī)療/保健習(xí)慣的不同，將現(xiàn)有國際標(biāo)準(zhǔn)完全照搬至中國顯然不可行，因此有必要建立一套中國醫(yī)用物聯(lián)網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)以適應(yīng)國內(nèi)的頻段及場(chǎng)景的差異，同時(shí)保護(hù)國內(nèi)企業(yè)自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)。在北京威訊紫晶、北京郵電大學(xué)及華為技術(shù)有限公司等發(fā)起下，電氣和電子工程師協(xié)會(huì)(Institute of Electrical and Electronics Engineers, IEEE)組織于2012年成立了IEEE802.15.4n工作組，研究適用于中國醫(yī)療頻段的新標(biāo)準(zhǔn)。

為了節(jié)約成本便于無線體域網(wǎng)的推廣，本文提出了與802.15.4c[1]和802.15.4g[2]相兼容的基于OQPSK調(diào)制的物理層方案[3]，該物理層方案作為IEEE802.15.4n其中之一的調(diào)制方案已被標(biāo)準(zhǔn)組采納，目前IEEE802.15.4n處于文本編輯階段。鑒于無線體域網(wǎng)用于監(jiān)護(hù)病人的生命體征參數(shù)，其對(duì)可靠性的要求比較高，因此，除了建議在醫(yī)學(xué)專用頻段依照無線體域網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)開發(fā)相關(guān)產(chǎn)品之外，還需研究該方案在醫(yī)療頻段(174～216 MHz, 407～425 MHz, 608～630 MHz)上的抗干擾性能，文中通過大量仿真驗(yàn)證了該方案的可行性。

2 物理層模型

2.1 OQPSK調(diào)制的物理層方案設(shè)計(jì)

首先，根據(jù)不同的速率要求選擇擴(kuò)頻方式，(16,4)-DS/(8,4)-DS分別對(duì)應(yīng)250 kbit/s與500 kbit/s兩種速率，其中(8,4)擴(kuò)頻碼由于擴(kuò)頻倍數(shù)較小，擴(kuò)頻后會(huì)出現(xiàn)連續(xù)相同的碼片，所以針對(duì)500 kbit/s模式加入了白化模塊。然后按照表1中的幀格式對(duì)負(fù)載進(jìn)行封裝組幀，再經(jīng)過OQPSK調(diào)制、脈沖成型后得到基帶信號(hào)。該方案考慮了與已有標(biāo)準(zhǔn)的兼容性，采用了相似的物理層結(jié)構(gòu)，可以有效地降低企業(yè)的芯片研發(fā)成本，有利于WBAN在中國快速推廣。

物理層方案信號(hào)碼片速率Rcu=1 Mchip/s ，碼片周期Tcu=1/Rcu=1 ms 。設(shè)擴(kuò)頻后的數(shù)據(jù)為Icu(m)=±1，脈沖成型濾波器采用升余弦滾降信號(hào)：

其中r為升余弦系數(shù)，r=0.8，則基帶發(fā)射信號(hào)為

2.2 仿真系統(tǒng)模型

該物理層方案的通信系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖1所示。其接收到信號(hào)為

其中r(t)為接收信號(hào)，s(t)為有用信號(hào)，u(t)為干擾信號(hào)，n為高斯噪聲信號(hào)。干擾信號(hào)在經(jīng)過自由空間衰落后得到u(t)。所用自由空間衰落模型[4]為

其中

PL(d)為衰減倍數(shù)(單位dB)，f為載波頻率，c為光速，γ1, γ8為常數(shù)，分別為γ1=2.0, γ8=3.0。

802.1 5.4n接收機(jī)接收到r(t)后，依次經(jīng)過幀檢測(cè)、頻偏估計(jì)、定時(shí)同步、解調(diào)解擴(kuò)得到原始信息。這里的幀檢測(cè)采用延遲自相關(guān)算法，如式(6)所示。其中d為延遲長度，k為延遲自相關(guān)起始位置，P為累加長度，r為接收數(shù)據(jù)，Ck為信號(hào)延遲d的自相關(guān)值，Pk為信號(hào)能量值。

表1 IEEE802.15.4n OQPSK提案物理層幀結(jié)構(gòu)

圖1 IEEE802.15.4n信號(hào)在其他無線信號(hào)干擾下的基帶仿真模型

接收機(jī)收到信號(hào)后進(jìn)行延遲相關(guān)運(yùn)算和能量計(jì)算后得到判決值mk。比較判決值mk與門限g，若mk≥g，則說明接收機(jī)端有數(shù)據(jù)到達(dá)，啟動(dòng)后續(xù)模塊，否則繼續(xù)檢測(cè)。

2.3 干擾信號(hào)模型

通過查閱中國無線電管理相關(guān)規(guī)定[5,6]，得到干擾設(shè)備詳細(xì)參數(shù)如表2所示。本文將大于802.15.4n帶寬的干擾歸類為寬帶干擾，小于802.15.4n帶寬的干擾歸類為窄帶干擾。

2.3.1 公眾對(duì)講機(jī) 采用調(diào)制方式為F3E(F為調(diào)頻，3為模擬調(diào)制，E為語音)，發(fā)射信號(hào)模型為

表2 醫(yī)療頻段干擾設(shè)備詳細(xì)參數(shù)

其中，A為信號(hào)幅度，A=1; Δf為頻率偏移常數(shù)，Δf =±15 kHz ; m(τ)為語音信號(hào)，帶寬3.9 kHz；載頻409.75 MHz。

2.3.2 無線汽車防盜報(bào)警裝置、數(shù)字對(duì)講機(jī) 無線汽車防盜報(bào)警裝置、數(shù)字對(duì)講機(jī)調(diào)制方式為F2D(F為調(diào)頻，2為數(shù)字調(diào)制，D為數(shù)據(jù)，遙測(cè)和遙控指令)，仿真中采用4FSK調(diào)制；發(fā)射信號(hào)模型為

其中，A為信號(hào)幅度，A=1; Δf為頻偏，Δf= 1.296 kHz；比特速率Rb=10 kbit/s ；無線汽車防盜報(bào)警裝置載頻409.75 MHz，數(shù)字對(duì)講機(jī)載頻409.50 MHz。

2.3.3 通用無線遙控設(shè)備 該類設(shè)備帶寬和調(diào)制方式?jīng)]有相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，市面上產(chǎn)品一般使用FSK/ASK調(diào)制，仿真選取ASK調(diào)制方式，基帶發(fā)射信號(hào)模型為

其中A為信號(hào)幅度，A=1; gT為升余弦滾降信號(hào)，系數(shù)為0.8；比特速率為Rb=100 kbit/s ；載頻為614 MHz。

2.3.4 IEEE802.15.6 IEEE802.15.6[7]與IEEE802. 15.4n重疊的頻段為420～425MHz。按照802.15.6物理層標(biāo)準(zhǔn)的要求組幀，數(shù)據(jù)幀包括前導(dǎo)、數(shù)據(jù)包頭、數(shù)據(jù)包負(fù)載3個(gè)部分。然后對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行BCH編碼，采用重復(fù)碼、比特交織、加擾來提高信息傳輸?shù)目煽啃浴Ｗ詈蟛捎肎MSK調(diào)制得到基帶信號(hào)：

其中，an為加擾后的二進(jìn)制信息；q(t)=∫g(τ)dτ, g(t)為BTb=0.5的高斯濾波器矩形脈沖響應(yīng)；比特速率為Rb=75.9 kbit/s ；載波頻率為420 MHz。

2.3.5 中國無線多媒體廣播 中國無線多媒體廣播(China Mobile Multimedia Broadcasting, CMMB)行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)[8]中規(guī)定了兩種帶寬結(jié)構(gòu)，2 MHz和8 MHz帶寬。目前，國內(nèi)的無線廣播頻道帶寬均為8 MHz，因此本文僅針對(duì)8 MHz帶寬下的CMMB進(jìn)行分析。CMMB采用OFDM調(diào)制，共有4096個(gè)子載波，有用信號(hào)僅占用其中3076個(gè)子載波，子載波間隔為2.44140625 kHz，此時(shí)信號(hào)帶寬為7.512 MHz。上層傳輸下來的數(shù)據(jù)流首先經(jīng)過RS編碼和字節(jié)交織后再經(jīng)過LDPC編碼、比特交織、QPSK調(diào)制；然后與連續(xù)導(dǎo)頻、離散導(dǎo)頻組成OFDM頻率信號(hào)；為降低峰均比還需要對(duì)OFDM頻域符號(hào)進(jìn)行擾碼。擾碼后信號(hào)在添加循環(huán)前綴，波形成型等操作后得到基帶信號(hào)。仿真中載頻選擇618 MHz。

3 仿真實(shí)驗(yàn)

3.1 仿真參數(shù)

仿真中，802.15.4n信號(hào)功率設(shè)置為-82 dBm (500 kbit/s模式下接收機(jī)靈敏度)，其基帶信號(hào)采樣間隔為0.25 ms；采用高斯白噪聲信道，信噪比設(shè)置為15 dB；干擾設(shè)備與802.15.4n接收機(jī)之間距離為1 m[9]；晶振頻偏最大值為40 ppm；數(shù)據(jù)包長度為2040 bit，每個(gè)數(shù)據(jù)包前添加1000個(gè)采樣點(diǎn)高斯噪聲數(shù)據(jù)；共統(tǒng)計(jì)2000個(gè)數(shù)據(jù)包的誤包率，其中802.15.4n正常工作的誤包率需要小于1%。

3.2 仿真結(jié)果與性能分析

當(dāng)信道中存在寬帶干擾CMMB時(shí)，仿真結(jié)果如圖2所示。圖中(1)表示250 kbit/s，圖中(2)表示500 kbit/s模式。在這兩種速率模式下，鏈路的誤包率隨著CMMB發(fā)射功率的增加有所下降，且下降趨勢(shì)與信道中僅存在AWGN噪聲相似。

在250 kbit/s模式下，當(dāng)CMMB信號(hào)的發(fā)射功率低于-50 dBm時(shí)，802.15.4n的接收機(jī)可以正常工作；在500 kbit/s模式下，當(dāng)CMMB信號(hào)的發(fā)射功率低于-52.5 dBm時(shí)，802.15.4n的接收機(jī)可以正常工作。由圖2知，802.15.4n接收機(jī)解調(diào)性能在存在CMMB干擾時(shí)比存在高斯白噪聲情況下的要好0.3 dB，究其原因是CMMB信號(hào)為OFDM調(diào)制，信號(hào)頻域由3076個(gè)子載波組成，在經(jīng)過802.15.4n接收機(jī)匹配濾波后，OFDM信號(hào)會(huì)由于其頻域結(jié)構(gòu)損失更多的能量，導(dǎo)致其影響小于高斯白噪聲。表3給出了250 kbit/s模式下，不同信噪比/信干比時(shí)，CMMB信號(hào)、AWGN噪聲單獨(dú)通過匹配濾波器后的功率值，這里的802.15.4n信號(hào)采用歸一化功率。由此可見，該物理層結(jié)構(gòu)的確對(duì)CMMB干擾有更好的抑制效果。

當(dāng)信道中存在窄帶干擾時(shí)，仿真結(jié)果如圖3所示。其中，窄帶干擾的性能曲線分布比較集中。雖然窄帶干擾調(diào)制方式以及傳輸速率各不相同，但是在250 kbit/s與500 kbit/s模式下，干擾對(duì)802.15.4n影響幾乎相同，且相對(duì)于CMMB干擾時(shí)的性能惡化了約10 dB。這說明802.15.4n接收機(jī)對(duì)窄帶干擾信號(hào)較為敏感，究其原因是幀檢測(cè)中所采用的延遲自相關(guān)算法[10,11]虛警率較高。該算法主要是利用幀前導(dǎo)的周期性和噪聲數(shù)據(jù)相關(guān)性較低的特點(diǎn)，但是當(dāng)信道中存在窄帶干擾時(shí)，由于窄帶信號(hào)碼率較低，在使用802.15.4n的采樣速率對(duì)窄帶干擾信號(hào)進(jìn)行上采樣后，導(dǎo)致每個(gè)相鄰采樣點(diǎn)之間相關(guān)性較大，延遲相關(guān)計(jì)算后在非幀起始位置會(huì)出現(xiàn)峰值，從而超過判決門限，造成虛警。所以，延遲自相關(guān)幀檢測(cè)算法不是很適用于存在窄帶干擾的情況。

4 基于兩次延遲自相關(guān)的幀檢測(cè)算法

針對(duì)窄帶干擾，一般在變換域內(nèi)對(duì)其進(jìn)行抑制[12,13]，以消除其對(duì)有用信號(hào)的影響。文獻(xiàn)[14]則采用濾波器組的方法檢測(cè)并抑制干擾，該方法復(fù)雜度較高，且窄帶干擾屬于突發(fā)干擾，為此會(huì)增加過多的功耗。文獻(xiàn)[15]提出針對(duì)窄帶干擾重新設(shè)計(jì)前導(dǎo)序列的方法，但是802.15.4n屬于低速率網(wǎng)，前導(dǎo)過長會(huì)造成過多的資源浪費(fèi)，所以該方法同樣不適用802.15.4n。

本文提出了基于兩次延遲自相關(guān)的改進(jìn)算法，如圖4所示。幀檢測(cè)分兩路進(jìn)行：第1路與原來的幀檢測(cè)算法相同，接收信號(hào)延遲d后進(jìn)行相關(guān)；第2路，接收信號(hào)僅延遲3/4d后進(jìn)行相關(guān)，然后將兩路相關(guān)器的差值作為輸出，其他與原算法相同。

表3 IEEE802.15.4n接收機(jī)匹配濾波后功率比較

圖2 802.15.4n在CMMB干擾影響下仿真結(jié)果

圖3 802.15.4n在窄帶干擾影響下仿真結(jié)果

圖4 改進(jìn)的延遲自相關(guān)算法幀檢測(cè)流程圖

改進(jìn)算法利用了窄帶信號(hào)碼率低，波形變化緩慢的特點(diǎn)。窄帶信號(hào)延遲d的相關(guān)值與延遲3/4d的相關(guān)值近似相等，而802.15.4n只有延遲d時(shí)會(huì)有相關(guān)峰值，兩路數(shù)據(jù)作差，可以削弱窄帶干擾的影響，同時(shí)不影響 802.15.4n的檢測(cè)。改進(jìn)算法的Ck值推導(dǎo)如式(11)所示。其中，第1項(xiàng)為802.15.4n延遲d的相關(guān)值；由于窄帶信號(hào)波形變化緩慢，所以第2項(xiàng)與第3項(xiàng)近似相等，差值消去后減少了窄帶的影響；第4項(xiàng)為噪聲，該算法會(huì)使噪聲功率增大，但當(dāng)信噪比較高時(shí)，該項(xiàng)影響較小；最后的余項(xiàng)Rk為信號(hào)之間互相關(guān)值，例如信號(hào)與噪聲、噪聲與干擾、干擾與信號(hào)等互相關(guān)值，因?yàn)樾盘?hào)之間具有較高的獨(dú)立性，所以互相關(guān)值也較小。

圖5 802.15.4n(250 kbit/s)幀檢測(cè)算法虛警率

以數(shù)字對(duì)講機(jī)干擾為例，對(duì)改進(jìn)幀檢測(cè)算法進(jìn)行仿真，設(shè)置SNR=15 dB。圖5為幀檢測(cè)虛警率的仿真結(jié)果。其中，在SIR＞3 dB時(shí)改進(jìn)算法的虛警率降為零，具有較高的幀檢測(cè)成功率。該方法復(fù)雜度較低，與常用的延遲自相關(guān)算法相比，無需設(shè)計(jì)新的模塊。同時(shí)，根據(jù)第2路的相關(guān)值大小，可以判斷信道是否存在窄帶干擾，為干擾檢測(cè)提供依據(jù)。

圖6為采用新的幀檢測(cè)算法后窄帶干擾的仿真結(jié)果。在250 kbit/s模式下，當(dāng)窄帶信號(hào)的發(fā)射功率低于-55 dBm時(shí)，802.15.4n的接收機(jī)可以正常工作；在500 kbit/s模式下，當(dāng)窄帶信號(hào)的發(fā)射功率低于-57.5 dBm時(shí)，802.15.4n的接收機(jī)可以正常工作，窄帶信號(hào)的影響與高斯白噪聲近似相同。由此可見，該幀檢測(cè)算法能很好地抑制窄帶干擾。

5 結(jié)束語

本文提出了與802.15.4c和802.15.4g相兼容的基于OQPSK調(diào)制的物理層結(jié)構(gòu)；并深入研究了其在醫(yī)療頻段上的抗干擾性能。通過仿真發(fā)現(xiàn)該物理層結(jié)構(gòu)對(duì)CMMB干擾有較好的抑制作用，但對(duì)窄帶干擾信號(hào)較為敏感。本文針對(duì)該問題提出了基于兩次延遲自相關(guān)的幀檢測(cè)算法，通過仿真驗(yàn)證了該算法的確提高了幀檢測(cè)成功概率。本文設(shè)計(jì)的物理層方案對(duì)窄帶干擾、寬帶干擾都具有較好抑制作用。

圖6 802.15.4n在窄帶干擾影響下仿真結(jié)果

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鄒衛(wèi)霞： 女，1972年生，副教授，研究方向?yàn)橥ㄐ判录夹g(shù)、信息理論.

康峰源： 男，1990年生，碩士，研究方向?yàn)槎叹嚯x無線通信.

杜光龍： 男，1988年生，博士，研究方向?yàn)槎叹嚯x無線通信.

張春青： 女，1971年生，博士，研究方向?yàn)樯镝t(yī)學(xué)信息的智能處理、射頻識(shí)別.

Physical Layer Proposal Design and Interference Analysis Based on Chinese Medical Band in Wireless Body Area Network

Zou Wei-xia①Kang Feng-yuan①Du Guang-long①Zhang Chun-qing②

①(Wireless Network Laboratory, Beijing University of Posts and Telecommunication, Beijing 100876, China)
②(Center for Medical Device Standardization Administration, China Food and Drug Administration, Beijing 100050, China)

An OQPSK modulation scheme used spread spectrum is proposed which is based on the Chinese medical band. The analysis is done under variety of interference, the simulation results indicate that this scheme has good performance of the broadband interference suppression, but is sensitive to the narrowband interference because of high false alarm rates of frame detection. A new frame detection algorithm based on twice delayed-autocorrelation is proposed, and it is verified that the algorithm exhibits better performance for narrowband and wideband interferences. The recording results of this paper can provide technical reference for standards development of wireless body area network standards. Currently, this scheme has been adopted in IEEE802.15.4n.

Wireless Body Area Network (WBAN); Interference analysis; OQPSK; Frame detection; Reliability

TP393

A

1009-5896(2015)02-0429-06

10.11999/JEIT140901

2014-07-09收到，2014-12-03改回

國家自然科學(xué)基金(61171104)資助課題

*通信作者：康峰源 kangfengyuan@aliyun.com