文摘

实验对身体的广播频道的描述超宽频无线主动标签(UWB)报道。本研究的目的是探讨商用无线标签的性能描述超宽频对身体的广播频道。测量活动执行室和一个室内环境。统计九个不同的路径损耗参数对身体广播频道的静态和动态情况下显示和分析。结果表明,对数正态分布提供了对身体的最适合传播渠道路径损耗模型。路径损耗被建模为一个函数为34个不同的接收机位置距离的传播沿身体的前部。减少11.46%的路径损耗指数是注意到在室内环境的情况下而消声室。此外,路径损耗指数也提取不同身体部位(躯干、胳膊和腿)。二阶通道参数消失概率(FP),平交路口率(LCR)和平均消退时间(变频器)也调查。

1。介绍

超宽频通信(UWB)是一个令人兴奋的和创新的技术,吸引了大量关注和经历了相当大的增长在过去的几年中由于其独特的特征。这是一个低功耗、高数据速率技术,最大限度地减少多路径干扰由于晚到场时间。由于其低功耗要求控制工作周期允许更长的电池续航时间和还引入了绿色的无线电系统。最潜在的超宽频应用领域之一是各单位的body-centric无线网络/传感器分布在人体附近测量生理数据,指定病人监测医疗应用程序(1- - - - - -3]。

在过去几年里研究人员已经彻底调查窄带和超宽频对身体广播频道。在[4- - - - - -7),对身体的广播频道描述是2.45 GHz的未经授权的频段。超宽频对身体的广播频道描述和系统级建模body-centric广泛介绍了无线网络在公开文献[2,8- - - - - -20.]。在[8- - - - - -20.),超宽频对身体传播渠道的特点,和他们的行为一直在研究室内和室停滞,各种装模作样和动态人体基于不同的天线。大多数超宽频对身体通道测量执行使用两个独立的天线和电缆连接到一个向量网络或频谱分析仪更环境和严格的控制;然而,在真实的生活场景中潜在的超宽频body-centric无线网络需要与紧凑的传感器和集成提供了高效、可靠的沟通渠道。关键问题仍然是关于室内传播,无线电信道特性和人体的影响,他们需要解决之前的概念可以为商业应用程序部署。

本文测量室和室内环境中的运动进行了使用商用超宽频可穿戴主动标签和阅读器。本研究的主要目的是探讨商用无线标签性能的超宽频对身体无线信道特性。九个不同对身体广播频道调查和身体动作的影响路径损耗进行了分析。二阶统计研究了三种不同的对身体链接。研究结果提供最佳信息传感器位置对身体考虑高效、可靠的通信链路为各种应用程序,例如,医疗和性能监控。

剩下的纸是组织如下:部分2说明了测量设置,简要介绍了超宽频标签,部分3和4目前的测量结果和对身体的广播频道参数和造型方面,最后一节5提出了研究的主要结论。

2。测量设置

测量运动进行使用超宽频可穿戴主动标签和阅读器提供时域+ (21]。对于这个测量的目的,一个真正的人类使用。测试主题是质量90公斤的成年男性,身高1.68米,胸围114厘米。九种不同的超宽频无线活跃发射机标签附着在人体上的不同位置:左/右胸部、左/右大腿,左腕,左/右脚踝,左肘,左耳,如图1,而超宽频天线与读者放在左侧腰人类主题的标签的信号接收。两个测量场景被认为:人体静态和动态。静态情况下,主题是静止一段60秒穿九标签对身体和运动的情况下,主题是步行5步骤之前和5步骤,从左腿和右臂正常步行速度。动态情况下,测量时间再次60秒,而主题是做同样的行走运动测量持续时间。定位软件被用来保存标签ID传输,接收信号强度(RSSI),从读者和到达时间数据。超宽频标签是电池供电,电池寿命的持续时间是4年标签每一秒才超宽频脉冲传输。标签的传输能量−13.01 dBm大约40 dB不到手机传输能量。标签用于此的工作频率测量是5.9 ~ 7.25 GHz的中心频率为6.6 GHz。超宽频标签是小,耐用,附带一个塑料外壳,允许它是资产或人。标签的尺寸(13毫米×36毫米×33毫米)和重量是0.74盎司(22 g)。 Figures2(一个),2 (b),2 (c)显示了超宽频标记包裹在塑料外壳内,底部的标签没有塑料外壳,和顶部视图的标签显示标签天线21]。自由空间和对身体辐射模式标签天线的6.6 GHz消声室的测量。对身体辐射测量模式通过将标签天线在同一测试主题如前所述。数据3(一个)和3 (b)显示比较的自由空间和对身体辐射模式(XY和YZ飞机在6.6 GHz的标签天线)。标签天线monopole-like辐射模式。当标签安装在身体,在表面(全向的辐射模式XZ身体的平面)(测试对象)和高程平面(YZ)辐射模式是针对身体方向的零主光束。

是第一次做这样的测量在消声室来消除多路径反射从周围的环境,然后重复Body-Centric无线传感器实验室伦敦大学玛丽皇后要考虑室内环境对身体的影响无线电传播渠道。图4显示的尺寸和几何Body-Centric无线传感器实验室。实验室的总面积是45米²包括一个会议区域,跑步机、工作站、医疗应用程序和医院的床上。测量接收信号强度指示(RSSI)水平为每个发射机标签是在为每个不同的位置测量持续时间60秒。

3所示。超宽频对身体的广播频道参数

3.1。对身体的广播频道描述

在这部作品中,路径损耗的九个不同对身体通道计算每个发射机的RSSI测量标记。累积分布函数(CDF)室和路径损耗变化的室内环境为静态和动态场景的九个不同对身体正常广播频道是比较著名的分布、对数正态,Nakagami,瑞利,威布尔,γ,和Rician采用Akaike标准和测试结果的基础上,对数正态分布提供了最适合这些测量结果(图5)。Akaike信息标准方法广泛用于评估统计适合[的美好3,22]。二阶AIC ()被定义为 在哪里是最大化的可能性,是分布参数估计的数量,然后呢实验样本的数量。上述七个发行版都是两个参数分布()除了瑞利()。在这个测量,样本量是()。

MATLAB的取得最大化对数似然估计。Akaike信息标准可以作为一个相对测量,模型AIC意味着更好的统计模型和最低的标准是用于分类模型从最好到更糟;促进这个过程,相对AIC被认为是和结果归一化到最小值 一个零值表示最好的健身。比较不同的分布采用雅佳信息标准如表所示1。

数据6和7显示的比较测量平均路径损耗和标准偏差()符合对数正态分布应用于模型的路径损耗变化九对身体广播频道,分别为静态和行走的场景。

室,站和行走的情况下,最高的路径损耗是注意到接收器的左耳链接,而最低的是左大腿的接收机链接(图6)。为读者左耳链接阅读器天线与发射机之间的沟通距离标记比较大;此外,由于不同取向的标签位于左耳,视线范围(仿真结果通信存在,导致该通道路径损耗值最高。对于这种情况(接收者左耳链接)由于不同取向的标签位于左耳,极化失配标签和阅读器之间也发生原因为这个链接路径损耗值就越高。左大腿的链接,有一个清晰的视线(LOS)沟通和最低的读者之间的沟通距离,发射机标签。

在室内环境中由于反射区和贡献的多路径反射正确的胸部和左耳(静态)和右大腿和胸部渠道(运动情况下)经验最高的路径损耗值,而左大腿渠道经验最低。对身体的大部分渠道经验更高的路径损耗价值室测量时,由于nonreflecting环境。所有九个频道的平均路径损耗,对静态和行走的情况下,81.44 dB和80.68分贝,而79.22 dB和80.00 dB在室内环境,分别。

九个不同的路径损耗的变化对身体渠道也比较站立和行走的情况下,研究了路径损耗的变化趋势为每个通道在这两个不同的场景。(即为两个不同的场景。,standing and walking) a maximum of 8.23 dB and 6.88 dB variation of average path loss of a channel is noticed, which occurred for the left wrist channel both in indoor environment and chamber, respectively (Figure6)。在散步的场景,标签位于洛杉矶和仿真结果通信场景之间的手腕动作,和通信接收机和发射机之间的距离也发生了巨大的变化,导致了路径损耗数据变化最对站这个通道。

最高的标准偏差值动态情况下注意到左边手腕和右脚踝频道,这被认为是最不稳定的(数据传播最平均路径损耗)频道,而最低的是注意到左大腿和胸部的渠道;这些通道被认为是最稳定的(见图7)。人体运动的影响最高的手腕和脚踝渠道和至少在胸部和左大腿频道。商会相比,标准偏差值发现较高的室内环境由于室内反射的影响多路径环境。

3.2。路径损耗与距离

测量也为了研究传播沿着前面执行的整个身体的一部分;参见图8。相同的测试是用于这种情况下用于前面的情况。接收机天线连接到读者被左边的腰,当发射机标签放置在34个不同的位置在前面身体的一部分(躯干、胳膊、腿和头部)。在这种情况下,测量期间,60秒的主题是静止的,和,数据保存时间为每个发射机标签的位置。

众所周知,随着距离的平均接收信号减少对数(室内和室外环境)。

路径损耗可以建模为一个线性函数的对数发射机和接收机之间的距离作为解释(23), 在哪里发射机和接收机之间的距离,是一组参考距离测量(在本研究中设置为10厘米),路径损耗值在参考距离,然后呢阴影衰落。的参数的路径损耗指数表示的速率路径损耗随距离。这个参数取决于环境的结构(室或室内),但同样类型的轨迹(躯干和腿)。

最小二乘匹配技术进行的测量路径损耗34个不同的发射机的位置,(图8)提取路径损耗指数。图9显示了对身体的测量值和模拟路径损失渠道与对数Tx-Rx分离距离。路径损耗指数是2.52在美国商会和在室内(表2.242)。在室内环境中,路径损耗指数被发现更低。当室内,执行测量环境的反射散射增加接收功率,导致减少路径损耗指数。减少11.46%的注意到在室内室相比。

是一个零均值,正常的分布统计变量,介绍考虑偏差的测量计算平均路径损耗。图10显示测量数据的偏差的平均路径损耗测量情况下安装在一个正态分布。在这种情况下,正态分布的标准偏差发现更低的室内环境。

传播的路径损耗指数在不同的身体部位,包括躯干、手臂、腿,提取两个测量情况下,列于表2。不同的身体部位显示不同的路径损耗指数的值。腿的找到最小值(2.89),而最高的树干(3.48)被发现。树干,传播机制主要是蠕动波,这经验更高的信号衰减,导致更高的指数价值(19]。此外,在树干,有更高的衍射和反射从人体部分也增加了路径损耗指数。武器的情况下,路径损耗指数较高,一些标签位于武器支持仿真结果通信。腿,主要是自由空间波传播机制,引导波和视距(LOS),体验降低信号衰减,导致较低的路径损耗指数。意味着路径损耗最低的参考距离发现腿部分在两个测量情况。

4所示。二阶统计数据不同对身体的链接

交叉率(LCR)水平,平均消退时间(儿),和褪色(PF)的概率一般应用在无线电频道分析描述和调查衰退的严重性24]。在这项研究中,应用二阶统计变异的RSSI由于运动引起的行走在测量期间(如图(11日)和11 (b))。三个不同的对身体电台被认为是链接,即左腰左腕,左腰左脚踝,左腰左耳。

4.1。消失的概率(FP)

消失的概率的概率是一个衰落的信号仍低于褪色水平或某些阈值水平24]。图12显示了衰落概率的比较左腕,左脚踝,和左耳对身体渠道走的情况下,测量室和室内。在图所示的褪色的水平12步行和规范化的RSSI值的相应的中位数,和总水平0.01 dB的增加被认为是消退。的最大褪色级别是注意到手腕和脚踝频道,而最低的是耳朵的链接。比较这两个环境中,室内褪色程度更高的左耳为手腕和脚踝渠道但更低的通道,可在室内多径散射的影响环境。衰落概率−3 dB褪色水平发现高三个不同的对身体所有链接在室内。−3 dB褪色深度,褪色这三个通道的概率是7%到27%,而在室内,在12%和33%之间。这三个频道,消失概率−3 dB为左腕”频道注意到更高价值的33%以室内,而最低的是左耳频道,测量值的7%。改变测量环境不会改变消失概率左耳链接−3 dB褪色深度,但这对脚踝和手腕渠道有更高的效果。

4.2。平交路口率(LCR)

平交路口率(LCR)信号是过境点的数量的信号对给定阈值或指定的褪色程度正向的方向在单位时间内(24]。图13显示了一个比较平交路口率的三个考虑链接主题时散步。在指定的褪色的深度−3 dB对于行走的情况,LCR这三个对身体渠道主要是在室内发现要高。−3 dB褪色深度、LCR室的这三个频道在0.05秒的范围⁻¹-0.25秒⁻¹虽然是0.07秒⁻¹-28年代⁻¹在室内环境中。室和室内环境中,最高的电感电容电阻测量值−3 dB褪色深度是注意到手腕通道而最低的是耳朵通道。LCR脚踝链接室之间的波动很大,室内环境。

4.3。平均消退时间(儿)

平均衰落持续时间的平均持续时间在此期间衰落信号仍低于指定的褪色程度(24]。图14显示了三个不同的对身体比较平均消退时间通道,也就是说,手腕,脚踝,和耳朵测量室和人类主体在室内行走。儿典型增加与减少褪色的深度。

的情况下,左脚踝通道发展署和最高的价值1.9秒在−3 dB的衰落深度室。−3 dB褪色深度,法国发展署较高的室内环境的手腕和耳朵频道,而低的脚踝。所有三个通道的情况是在1.1 - -1.9秒。

5。结论

超宽频对身体无线传播信道测量进行使用超宽频无线标签和阅读器(UWB)室和室内环境。研究了九种不同的超宽频对身体广播频道静态和运动场景。结果表明,对数正态分布提供了对身体的最适合传播渠道路径损耗模型。在这项研究中,左大腿链接显示了路径损耗最低,而左耳和右胸部显示最高的。研究表明,由于不同的场景(即。,standing and walking) an on-body link experiences up to 8.23 dB variations in path loss. Path loss exponent for individual body parts is extracted, where the lowest path loss exponent and the path loss at the reference distance are noticed for the legs part. Second-order channel parameters as (LCR), (FP), and (AFD) for three on-body links are investigated. Results and analysis showed that at a specified fade depth of −3 dB, the fade probability, level crossing rate, and average fade duration are found mostly higher in the indoor as compared to chamber.

确认

作者要感谢约翰Dupuy称:"现在和Sanjoy Mazumdar与测量他们的帮助和协助。感谢尤里Nechayev(伯明翰大学)为他的富有成果的讨论。