基于fdd的人体通信信道仿真研究

基于fdd的人体通信信道仿真研究

人体通信的发展随着信息技术的到来，人们可以随时访问数据。短距离无线通信网络技术为实现这种无处不在的网络连接提供方便性和可能性。目前已提出用蓝牙、红外通信(IrDA)、射频识别(RFID)、Wi-Fi、ZigBee等技术来解决个人区域网络(personalareanetwork,PAN)通信问题,但每项技术只有被用于特定的用途、应用程序或领域才能发挥最佳的作用。人体通信(humanbodycommunication,HBC)技术是一项全新的技术,其基本功能是使用人的身体代替通信线缆,通信元件贴在人的身体上,通过用手去触摸配备了同样通信元件的机器或人,就能够迅速地传输数据。与传统无线通信相比,该技术具有低功耗、高保密性,以及更低的人体损害等优点,而且不存在多人通信时效率降低的问题。因此,使用人体通信实现日趋庞大的人体区域网络,将彻底颠覆传统的通信方式。研究以人体自身作为传输信道的通信系统,是一项非常有意义、具有很大市场潜力的工作。Zimmerman最早提出了基于人体通信的PAN系统,近些年日本NTT公司提出采用光电接收的人体通信系统RedTacton,大幅度提高了接收灵敏度,从而进一步降低了功耗。虽然已有很多基于人体传输通道的实验和可穿戴设备的研究,但却很少有从电磁波与人体相互作用的角度研究人体通信信道以及人体通信中电场的传输机制。KatsuyukiFujii等人曾研究了基于人体通信可穿戴装备的电场分布,但其研究只采用简化的单层人体模型。本文基于更贴近实际的多层结构人体组织模型,建立人体通信的系统模型,采用有限时域差分法(FDTD)电磁仿真,研究了人体通信信道的特性。重点讨论了信号频率,收发机结构、尺寸等对人体通信传输效率的影响,最后探索分析了人体通信的通信机制。1人体通信的仿真模型人体通信与传统无线通信的传输媒介不同,前者通过电磁特性复杂的各种组织构成的人体信道进行信号传输,而后者通过空气传输信号。因此,实现人体通信最根本的问题就是如何将信号耦合进人体信道并使之在人体信道中高效传输。目前人体通信系统通过三种方式耦合信号:①简单电路耦合;②静电耦合,又称为电场型耦合;③波导型或者电磁波型耦合。简单电路型耦合将人体当作导体,但需要从人体接导线引出信号。静电耦合不需要导线,但易受到外界环境波动的影响,且通信频率也较低。本文仿真工作基于波导型耦合,利用人体的波导效应,直接将电磁信号耦合到人体,不需要引出导线,且不受外界环境因素的影响,可进行通信的频段也比较高。图1是人体通信的仿真模型,人体通信信道采用尺寸为60cm×5cm×5cm的多层长方体手臂模型。图1右端为手臂模型的剖面图,人体组织由外及里分别为皮肤、脂肪、肌肉、骨质和骨髓,各层的典型厚度为:皮肤0.75mm,脂肪4.25mm,肌肉13.75mm,骨质3mm,骨髓6.5mm(纵长),其对应的电磁特性参数可通过文献获得。信号通过发射机的信号电极(端口1)耦合进人体信道,在接收端通过接收机信号电极(端口2)接收信号。收发机各部分采用完纯导体,发射机由发射电路板和电极组成,其中电极包括信号电极和接地电极,两电极均贴在人体手臂表面。发射电路板通过导线和接地电极相连实现共地,电路板与信号电极之间加端口1实现不同的信号发射。发射机各部分尺寸为:电路板8cm×3cm×0.1cm,电极2cm×3cm×0.1cm,电极之间的距离为4cm。接收机由接收电路板和信号电极组成。接收端的接地电极会降低信号的接收效率,因此接收端采用单电极结构。在接收电路板与接收机信号电极之间加端口2,探测经过人体传输后的信号。接收机各部分的尺寸为:电路板13cm×7cm×0.1cm,电极2cm×3cm×0.1cm。发射机和接收机分别置于手臂的上下侧,其水平间距17cm。2人体通信信道的传输特性2.1人体电场传感接收系统在图1所示模型中的端口1上加载类似高斯脉冲的时域激励信号,通过端口2接收,得到人体通信信道在0～5GHz频段的S21仿真曲线,如图2所示。可以看到,随着频率的不断增大,传输信号的衰减加剧。在450～750MHz和1～1.2GHz两个频段内信号的损耗较小。在600MHz频率附近有最大的S21,约为-18dB。采用光电探测的接收机系统具有极高的灵敏度和抗干扰性,目前采用基于电光晶体的高灵敏度的电场传感接收系统已实现了-27dBm(50Ω)级功率的探测,因此,利用该频段的通带特性可以进行高效的数据通信。图3示出了信号频率为0.2GHz,0.6GHz,1GHz以及2GHz4个频点的归一化电场分布图(手臂纵截面)。可见,电场均不通过人体内部传输。在0.2GHz时,电场只集中在发射机附近,接收机处几乎没有电场。在0.6GHz时接收机电路板和电极之间分布的电场强度最强,1GHz次之。而且,在这两个频率点上,可明显看出电场沿着人体表面传输,人体表面附近的电场较强,远离人体表面以及人体内部的场强均较弱。当信号频率为2GHz时,电场分布图显示发射机发射的信号大部分向四周辐射,沿着人体表面的定向传输很少,因此接收机处的电场也很微弱。图3的电场分布图与图2中的曲线均表明:600MHz及1GHz附近是人体通信的最佳频段。在这两个频段,耦合进人体信道的信号功率较大。随着通信频率的继续升高,信号不再沿着人体表面传输,而是向空气中辐射,频率越高辐射越强,接收到的信号越弱。本文后面的分析着重考虑0～2GHz频段内和最佳频率点处的传输特性。2.2h对s111.3gh的影响把发射机的信号电极搬离人体表面一定距离,得到在不同H下,人体通信系统的S21曲线,如图4。在低频附近,随着发射机信号电极和人体表面距离H的增加,S21降低,表明损耗增加。但在2.1节得到的最佳频段附近,即670MHz和1～1.3GHz频段附近,系统的S21随H变化的最大差异不超过1dB。该结果表明:在这两个频段内,即使人体通信的发射装置不与人体皮肤直接接触,当收发机电极和人体之间存在介质时,如隔着衣服,或者当人体表面靠近收发机电极时,依然可实现良好通信。这个特点使得人体通信在保证安全的同时,又具有很大的便利性。2.3发射电极间距对通信效率的影响人体通信的效率不仅和信道自身特性有关,还可能与收发机的结构、尺寸等有关系。图5是发射机电路板不同尺寸时系统的S21曲线。可见,在0～1GHz频段内,发射机电路板尺寸越大,同一频点的S21越大。当工作频率大于1GHz,随着电路板面积的增加,S21减小。这是因为在小于1GHz的较低频段范围内,当电路板面积增大时,向空气中的辐射降低,更多能量耦合进人体信道。因此当电路板面积增大时人体通信信道的S21随之增大。而在1GHz以上的频段内,信号向空气中的辐射随着频率的增大而增大,S21受电路板面积的影响减弱。人体通信系统中,发射机的信号电极将发射电路中的信号耦合进人体信道,发射机的接地电极在人体和发射电路之间起到阻抗匹配的作用,减小人体和发射电路之间的电纳,促使更多的信号功率耦合进人体信道,保障信号在人体表面传播。我们仿真了不同电极长度和宽度情况下系统的S21曲线,发现,S21几乎不变,差异小于1dB。可见收发机电极尺寸对通信效率的影响较小。发射机两电极间距受电路板尺寸L限制,在8cm×3cm,10cm×3cm和16cm×3cm3种电路板尺寸下,改变发射机两电极间距,仿真系统的S21曲线,结果如图6。可见,发射机电极距离在不同电路板尺寸下,对通信效率的影响比较复杂。在450～750MHz频段内,当电路板尺寸为8cm×3cm时,系统S21随电极间距d增大而增大;当电路板尺寸增大为10cm×3cm时,在550MHz以下的频率范围内,S21参数依然随着d的增大而增大。但当频率大于550MHz时单调性消失,当d大于2.5cm时S21随着d的增大而减小;电路板尺寸为16cm×3cm,S21随d增大而减小。当信号大于1GHz时,3种电路板尺寸情况下,增大电极距离对S21的影响均不存在单调性。分析人体通信模型发射机端的等效电路,可以进一步分析发射机电极距离对通信效率的影响。图7示出了发射机端的等效电路图,其中C1、R、L是接地电极与人体间的等效电容、电阻和电感,C2是电路板与人体间的等效电容,与电路板尺寸有关。改变两电极间距时,并联阻抗在信号源端的等效阻抗改变,从而耦合进人体的信号能量改变。假设接地电极端的等效阻抗为Zg,信号电极端的等效阻抗为Zs,传输线的特征阻抗为Zc。则Zg=(1jωC1+jωL+R)×C2(1)Zs=ZcZg+jZctankdZc+jZgtankd(2)Ζg=(1jωC1+jωL+R)×C2(1)Ζs=ΖcΖg+jΖctankdΖc+jΖgtankd(2)由(2)式可见,在信号端的等效电阻除了和电极间距d及电路板尺寸有关,还和频率有关(k=2πλ=2πfc)(k=2πλ=2πfc)。所以在不同电路尺寸下,不同的频率范围内Zs随着d的变化并不是完全单调变化的。2.4纵向电场分析从前面分析可知,人体通信中,信号不直接通过人体内部传输,在频率不是很高时,也不以电场空间辐射的方式传输,而是沿着人体表面传输。这种沿着人体表面传输的信号电场是一种绕射场,又称爬行波。为了验证该爬行波的传播模式,我们在与收发机相垂直的手臂两侧放置完纯导体挡板,仿真有无挡板两种情况下系统的S21曲线,如图8所示。可见,有挡板时的S21与没有挡板的情况相比有很大的衰减,在450～750MHz和1～1.2GHz的最佳通信频段内其衰减超过18dB。为了验证信号电场传输时是否通过手臂的端面绕到手臂下侧,从而被接收机探测。在手臂两侧没有挡板的情况下,在手臂的右端面放置PEC挡板进行仿真,其结果示于图8中的短直线。在450～750MHz和1～1.2GHz两个频段内其S21和手臂右端面无挡板的情况几乎一致。可见,当收发机在手臂异侧时,人体通信主要传输通道是沿着手臂两侧绕行的爬行波,信号通过手臂的侧面爬行到接收机端;虽然有小部分信号沿着手臂的上表面爬行到手臂端面,然后绕到下表面到达接收机,但该传输通道并不是收发机异侧时的主要传输通道,且由于端面的存在信号传输损耗较大。根据上述仿真的纵向电场分布图,也可发现电场集中分布在手臂四周,而在手臂内部和远离手臂端信号场强衰减剧烈。因此人体通信时,信号沿着人体表面向四周爬行,接收机放在人体表面的任何一个位置均可接收通信信号,实现通信。3收发机结构的改进本文通过FDTD仿真验证了0～5GHz频段内人体通信的可行