WBAN信道的路徑損耗模型

李 暢 龐 宇 雷 倩

（重慶郵電大學光電學院 400065）

人體局域網是附著在人體身上的一種網絡，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協調器)組成。每個傳感器既可佩戴在身上，也可植入體內。協調器是網絡的管理器，也是WBAN和外部網絡之間的網關，使數據能夠得以安全地傳送和交換。WBAN是一種可長期監視和記錄人體健康信號的基本技術，早期應用主要是用來連續監視和記錄慢性病(如糖尿病、哮喘病和心臟病等)患者的健康參數，提供某種方式的自動療法控制。WBAN未來還可廣泛應用于消費者電子、娛樂、運動、環境智能、畜牧、泛在計算、軍事或安全等領域。

在WBAN開發中比較重要的一點就是人體附近或者在人體內部的設備的電磁波傳播特性。由于人體組織結構和體型相對復雜，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應用中的天線放置在人體表面或者內部，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使用的傳感器節點分為3種類型：可植入節點（放置在人體體內的節點）、體表節點（放置在人體皮膚表面的節點）、外部節點(放置在人體皮膚外部節點)。WBAN信道模型被分為四種：CM1-CM4，如圖1。CM1是體內到體內傳輸的信道模型，CM2是體內到體表傳輸的信道模型，CM3是體表到體表傳輸的信道模型，CM4是體表到體外傳輸的信道模型。在本文中,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網絡系統和協議的基礎。

圖1 WBAN四種通信鏈路

1 WBAN信道模型

人體體表組織的復雜性和外界環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）、環境因素（消聲室、室外、醫院）、天線放置位置和人體所處的狀態。在人體不同位置的傳感器將導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

因為對于體內到體內傳輸和體內到體表傳輸的信道模型的影響因素是一樣的。綜合考慮各方面因素，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為發射功率，PR為接收功率。路徑損耗包括了發射天線增益，這通常不存在于無線系統的信道模型中，但是在WBAN中，發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（如骨頭、肌肉等）和天線增益引起的dB偏差。CM1和CM2的參數如表1和表2所示。

表1 體內到體內CM1(402MHz-405MHz)

通過這些參數，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。

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

人體信道模型由頻率響應和噪音特性組成。具體的測量過程我們可以從文獻[5]中得到。圖4為設計的信道模型，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展為圖5。

表3 CM1和CM2的路徑損耗值

其中，輸入項“in1”和“in2”為發射信號的電壓和編碼信號值。輸出項“out1”為輸入信號的長度，輸入項“in2”輸入信號的最大值，輸入項“in3”為傳遞函數h的最大值，輸入項“in4”和“in5”為信道時延，輸入項“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為參數簡化為如下公式：

其中，a和b為線性系數，d為發射端到接收端的距離，N為標準偏差(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

考慮到沖激響應在延遲域的稀疏性，選取泊松過程模型對信道建模；對沖激響應的幅值分布，采用單簇模型進行描述。在這個模型中，h為多路徑振幅響應，t為多路徑到達時間，n-p為信道實現數目。功率譜PDP模型為：

其中，lα為l路徑的路徑增益，lt為l路徑的到達時間，lφ為相位偏移，l為路徑序號，L為到達路徑的數目，()tδ為Dirac函數，Γ為帶有Ricean因子0γ的指數衰減因子，S為標準偏差為sσ的正態分布，λ為路徑到達比率。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 結論

WBAN在遠程醫療應用中有著重要的意義，為了更好的研究WBAN系統的性能，我們需要建立適當的信道模型。由于人體組織結構和體型相對復雜，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行分析，根據國內外的WBAN信道研究成果和數據進行了一系列的仿真。根據影響WBAN信道的因素如頻率、環境、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的標準和協議有著重要的意義。

[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 “無線體域網信道特性研究”，電信科學，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.