基于fdd的人體通信信道仿真研究

人體通信的發(fā)展隨著信息技術(shù)的到來，人們可以隨時訪問數(shù)據(jù)。短距離無線通信網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為實現(xiàn)這種無處不在的網(wǎng)絡(luò)連接提供方便性和可能性。目前已提出用藍(lán)牙、紅外通信(IrDA)、射頻識別(RFID)、Wi-Fi、ZigBee等技術(shù)來解決個人區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(personalareanetwork,PAN)通信問題,但每項技術(shù)只有被用于特定的用途、應(yīng)用程序或領(lǐng)域才能發(fā)揮最佳的作用。人體通信(humanbodycommunication,HBC)技術(shù)是一項全新的技術(shù),其基本功能是使用人的身體代替通信線纜,通信元件貼在人的身體上,通過用手去觸摸配備了同樣通信元件的機(jī)器或人,就能夠迅速地傳輸數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)無線通信相比,該技術(shù)具有低功耗、高保密性,以及更低的人體損害等優(yōu)點,而且不存在多人通信時效率降低的問題。因此,使用人體通信實現(xiàn)日趨龐大的人體區(qū)域網(wǎng)絡(luò),將徹底顛覆傳統(tǒng)的通信方式。研究以人體自身作為傳輸信道的通信系統(tǒng),是一項非常有意義、具有很大市場潛力的工作。Zimmerman最早提出了基于人體通信的PAN系統(tǒng),近些年日本NTT公司提出采用光電接收的人體通信系統(tǒng)RedTacton,大幅度提高了接收靈敏度,從而進(jìn)一步降低了功耗。雖然已有很多基于人體傳輸通道的實驗和可穿戴設(shè)備的研究,但卻很少有從電磁波與人體相互作用的角度研究人體通信信道以及人體通信中電場的傳輸機(jī)制。KatsuyukiFujii等人曾研究了基于人體通信可穿戴裝備的電場分布,但其研究只采用簡化的單層人體模型。本文基于更貼近實際的多層結(jié)構(gòu)人體組織模型,建立人體通信的系統(tǒng)模型,采用有限時域差分法(FDTD)電磁仿真,研究了人體通信信道的特性。重點討論了信號頻率,收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)、尺寸等對人體通信傳輸效率的影響,最后探索分析了人體通信的通信機(jī)制。1人體通信的仿真模型人體通信與傳統(tǒng)無線通信的傳輸媒介不同,前者通過電磁特性復(fù)雜的各種組織構(gòu)成的人體信道進(jìn)行信號傳輸,而后者通過空氣傳輸信號。因此,實現(xiàn)人體通信最根本的問題就是如何將信號耦合進(jìn)人體信道并使之在人體信道中高效傳輸。目前人體通信系統(tǒng)通過三種方式耦合信號:①簡單電路耦合;②靜電耦合,又稱為電場型耦合;③波導(dǎo)型或者電磁波型耦合。簡單電路型耦合將人體當(dāng)作導(dǎo)體,但需要從人體接導(dǎo)線引出信號。靜電耦合不需要導(dǎo)線,但易受到外界環(huán)境波動的影響,且通信頻率也較低。本文仿真工作基于波導(dǎo)型耦合,利用人體的波導(dǎo)效應(yīng),直接將電磁信號耦合到人體,不需要引出導(dǎo)線,且不受外界環(huán)境因素的影響,可進(jìn)行通信的頻段也比較高。圖1是人體通信的仿真模型,人體通信信道采用尺寸為60cm×5cm×5cm的多層長方體手臂模型。圖1右端為手臂模型的剖面圖,人體組織由外及里分別為皮膚、脂肪、肌肉、骨質(zhì)和骨髓,各層的典型厚度為:皮膚0.75mm,脂肪4.25mm,肌肉13.75mm,骨質(zhì)3mm,骨髓6.5mm(縱長),其對應(yīng)的電磁特性參數(shù)可通過文獻(xiàn)獲得。信號通過發(fā)射機(jī)的信號電極(端口1)耦合進(jìn)人體信道,在接收端通過接收機(jī)信號電極(端口2)接收信號。收發(fā)機(jī)各部分采用完純導(dǎo)體,發(fā)射機(jī)由發(fā)射電路板和電極組成,其中電極包括信號電極和接地電極,兩電極均貼在人體手臂表面。發(fā)射電路板通過導(dǎo)線和接地電極相連實現(xiàn)共地,電路板與信號電極之間加端口1實現(xiàn)不同的信號發(fā)射。發(fā)射機(jī)各部分尺寸為:電路板8cm×3cm×0.1cm,電極2cm×3cm×0.1cm,電極之間的距離為4cm。接收機(jī)由接收電路板和信號電極組成。接收端的接地電極會降低信號的接收效率,因此接收端采用單電極結(jié)構(gòu)。在接收電路板與接收機(jī)信號電極之間加端口2,探測經(jīng)過人體傳輸后的信號。接收機(jī)各部分的尺寸為:電路板13cm×7cm×0.1cm,電極2cm×3cm×0.1cm。發(fā)射機(jī)和接收機(jī)分別置于手臂的上下側(cè),其水平間距17cm。2人體通信信道的傳輸特性2.1人體電場傳感接收系統(tǒng)在圖1所示模型中的端口1上加載類似高斯脈沖的時域激勵信號,通過端口2接收,得到人體通信信道在0～5GHz頻段的S21仿真曲線,如圖2所示。可以看到,隨著頻率的不斷增大,傳輸信號的衰減加劇。在450～750MHz和1～1.2GHz兩個頻段內(nèi)信號的損耗較小。在600MHz頻率附近有最大的S21,約為-18dB。采用光電探測的接收機(jī)系統(tǒng)具有極高的靈敏度和抗干擾性,目前采用基于電光晶體的高靈敏度的電場傳感接收系統(tǒng)已實現(xiàn)了-27dBm(50Ω)級功率的探測,因此,利用該頻段的通帶特性可以進(jìn)行高效的數(shù)據(jù)通信。圖3示出了信號頻率為0.2GHz,0.6GHz,1GHz以及2GHz4個頻點的歸一化電場分布圖(手臂縱截面)。可見,電場均不通過人體內(nèi)部傳輸。在0.2GHz時,電場只集中在發(fā)射機(jī)附近,接收機(jī)處幾乎沒有電場。在0.6GHz時接收機(jī)電路板和電極之間分布的電場強(qiáng)度最強(qiáng),1GHz次之。而且,在這兩個頻率點上,可明顯看出電場沿著人體表面?zhèn)鬏?人體表面附近的電場較強(qiáng),遠(yuǎn)離人體表面以及人體內(nèi)部的場強(qiáng)均較弱。當(dāng)信號頻率為2GHz時,電場分布圖顯示發(fā)射機(jī)發(fā)射的信號大部分向四周輻射,沿著人體表面的定向傳輸很少,因此接收機(jī)處的電場也很微弱。圖3的電場分布圖與圖2中的曲線均表明:600MHz及1GHz附近是人體通信的最佳頻段。在這兩個頻段,耦合進(jìn)人體信道的信號功率較大。隨著通信頻率的繼續(xù)升高,信號不再沿著人體表面?zhèn)鬏?而是向空氣中輻射,頻率越高輻射越強(qiáng),接收到的信號越弱。本文后面的分析著重考慮0～2GHz頻段內(nèi)和最佳頻率點處的傳輸特性。2.2h對s111.3gh的影響把發(fā)射機(jī)的信號電極搬離人體表面一定距離,得到在不同H下,人體通信系統(tǒng)的S21曲線,如圖4。在低頻附近,隨著發(fā)射機(jī)信號電極和人體表面距離H的增加,S21降低,表明損耗增加。但在2.1節(jié)得到的最佳頻段附近,即670MHz和1～1.3GHz頻段附近,系統(tǒng)的S21隨H變化的最大差異不超過1dB。該結(jié)果表明:在這兩個頻段內(nèi),即使人體通信的發(fā)射裝置不與人體皮膚直接接觸,當(dāng)收發(fā)機(jī)電極和人體之間存在介質(zhì)時,如隔著衣服,或者當(dāng)人體表面靠近收發(fā)機(jī)電極時,依然可實現(xiàn)良好通信。這個特點使得人體通信在保證安全的同時,又具有很大的便利性。2.3發(fā)射電極間距對通信效率的影響人體通信的效率不僅和信道自身特性有關(guān),還可能與收發(fā)機(jī)的結(jié)構(gòu)、尺寸等有關(guān)系。圖5是發(fā)射機(jī)電路板不同尺寸時系統(tǒng)的S21曲線。可見,在0～1GHz頻段內(nèi),發(fā)射機(jī)電路板尺寸越大,同一頻點的S21越大。當(dāng)工作頻率大于1GHz,隨著電路板面積的增加,S21減小。這是因為在小于1GHz的較低頻段范圍內(nèi),當(dāng)電路板面積增大時,向空氣中的輻射降低,更多能量耦合進(jìn)人體信道。因此當(dāng)電路板面積增大時人體通信信道的S21隨之增大。而在1GHz以上的頻段內(nèi),信號向空氣中的輻射隨著頻率的增大而增大,S21受電路板面積的影響減弱。人體通信系統(tǒng)中,發(fā)射機(jī)的信號電極將發(fā)射電路中的信號耦合進(jìn)人體信道,發(fā)射機(jī)的接地電極在人體和發(fā)射電路之間起到阻抗匹配的作用,減小人體和發(fā)射電路之間的電納,促使更多的信號功率耦合進(jìn)人體信道,保障信號在人體表面?zhèn)鞑ァＮ覀兎抡媪瞬煌姌O長度和寬度情況下系統(tǒng)的S21曲線,發(fā)現(xiàn),S21幾乎不變,差異小于1dB。可見收發(fā)機(jī)電極尺寸對通信效率的影響較小。發(fā)射機(jī)兩電極間距受電路板尺寸L限制,在8cm×3cm,10cm×3cm和16cm×3cm3種電路板尺寸下,改變發(fā)射機(jī)兩電極間距,仿真系統(tǒng)的S21曲線,結(jié)果如圖6。可見,發(fā)射機(jī)電極距離在不同電路板尺寸下,對通信效率的影響比較復(fù)雜。在450～750MHz頻段內(nèi),當(dāng)電路板尺寸為8cm×3cm時,系統(tǒng)S21隨電極間距d增大而增大;當(dāng)電路板尺寸增大為10cm×3cm時,在550MHz以下的頻率范圍內(nèi),S21參數(shù)依然隨著d的增大而增大。但當(dāng)頻率大于550MHz時單調(diào)性消失,當(dāng)d大于2.5cm時S21隨著d的增大而減小;電路板尺寸為16cm×3cm,S21隨d增大而減小。當(dāng)信號大于1GHz時,3種電路板尺寸情況下,增大電極距離對S21的影響均不存在單調(diào)性。分析人體通信模型發(fā)射機(jī)端的等效電路,可以進(jìn)一步分析發(fā)射機(jī)電極距離對通信效率的影響。圖7示出了發(fā)射機(jī)端的等效電路圖,其中C1、R、L是接地電極與人體間的等效電容、電阻和電感,C2是電路板與人體間的等效電容,與電路板尺寸有關(guān)。改變兩電極間距時,并聯(lián)阻抗在信號源端的等效阻抗改變,從而耦合進(jìn)人體的信號能量改變。假設(shè)接地電極端的等效阻抗為Zg,信號電極端的等效阻抗為Zs,傳輸線的特征阻抗為Zc。則Zg=(1jωC1+jωL+R)×C2(1)Zs=ZcZg+jZctankdZc+jZgtankd(2)Ζg=(1jωC1+jωL+R)×C2(1)Ζs=ΖcΖg+jΖctankdΖc+jΖgtankd(2)由(2)式可見,在信號端的等效電阻除了和電極間距d及電路板尺寸有關(guān),還和頻率有關(guān)(k=2πλ=2πfc)(k=2πλ=2πfc)。所以在不同電路尺寸下,不同的頻率范圍內(nèi)Zs隨著d的變化并不是完全單調(diào)變化的。2.4縱向電場分析從前面分析可知,人體通信中,信號不直接通過人體內(nèi)部傳輸,在頻率不是很高時,也不以電場空間輻射的方式傳輸,而是沿著人體表面?zhèn)鬏敗＿@種沿著人體表面?zhèn)鬏數(shù)男盘栯妶鍪且环N繞射場,又稱爬行波。為了驗證該爬行波的傳播模式,我們在與收發(fā)機(jī)相垂直的手臂兩側(cè)放置完純導(dǎo)體擋板,仿真有無擋板兩種情況下系統(tǒng)的S21曲線,如圖8所示。可見,有擋板時的S21與沒有擋板的情況相比有很大的衰減,在450～750MHz和1～1.2GHz的最佳通信頻段內(nèi)其衰減超過18dB。為了驗證信號電場傳輸時是否通過手臂的端面繞到手臂下側(cè),從而被接收機(jī)探測。在手臂兩側(cè)沒有擋板的情況下,在手臂的右端面放置PEC擋板進(jìn)行仿真,其結(jié)果示于圖8中的短直線。在450～750MHz和1～1.2GHz兩個頻段內(nèi)其S21和手臂右端面無擋板的情況幾乎一致。可見,當(dāng)收發(fā)機(jī)在手臂異側(cè)時,人體通信主要傳輸通道是沿著手臂兩側(cè)繞行的爬行波,信號通過手臂的側(cè)面爬行到接收機(jī)端;雖然有小部分信號沿著手臂的上表面爬行到手臂端面,然后繞到下表面到達(dá)接收機(jī),但該傳輸通道并不是收發(fā)機(jī)異側(cè)時的主要傳輸通道,且由于端面的存在信號傳輸損耗較大。根據(jù)上述仿真的縱向電場分布圖,也可發(fā)現(xiàn)電場集中分布在手臂四周,而在手臂內(nèi)部和遠(yuǎn)離手臂端信號場強(qiáng)衰減劇烈。因此人體通信時,信號沿著人體表面向四周爬行,接收機(jī)放在人體表面的任何一個位置均可接收通信信號,實現(xiàn)通信。3收發(fā)機(jī)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)本文通過FDTD仿真驗證了0～5GHz頻段內(nèi)人體通信的可行