毛剛　龔成仙

摘要：當(dāng)今世界，老齡化問(wèn)題變得越來(lái)越嚴(yán)重，如何有效地對(duì)老年人口的健康進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，成為人們普遍關(guān)注的問(wèn)題。無(wú)線體域網(wǎng)（Wireless Body Area Network）的提出則有望緩解這一問(wèn)題。該文采用基于頻域的無(wú)線信道測(cè)量平臺(tái)對(duì)2-6GHz頻率范圍的無(wú)線體域網(wǎng)信道進(jìn)行測(cè)量，包括6種不同的測(cè)試位置。最后獲得2-6GHz無(wú)線體域網(wǎng)信道的功率延遲分布、平均時(shí)延、均方根延時(shí)擴(kuò)展、顯著路徑數(shù)以及功率譜等特性。

關(guān)鍵詞：無(wú)線體域網(wǎng)；超寬帶信道；信道測(cè)量；數(shù)據(jù)處理

中圖分類號(hào)：TP393 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2015）15-0018-03

近年來(lái)世界老齡化問(wèn)題日趨嚴(yán)重，老年人口數(shù)量龐大且增長(zhǎng)速度快。據(jù)官方統(tǒng)計(jì)，截止到2012年世界60歲以上的老年人口達(dá)到8.2億，預(yù)計(jì)2050年這一數(shù)字將達(dá)到20億。隨著人口老齡化，醫(yī)療和其他費(fèi)用成為一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。無(wú)線體域網(wǎng)作為解決這一問(wèn)題的潛在技術(shù)受到了廣泛的關(guān)注[1-4]。無(wú)線體域網(wǎng)主要是用來(lái)連續(xù)監(jiān)視和記錄慢性?。ㄈ缣悄虿?、哮喘病和心臟病等）患者的健康參數(shù)，有時(shí)還可以提供某種方式的自動(dòng)療法控制。無(wú)線體域網(wǎng)信道相對(duì)于傳統(tǒng)移動(dòng)通信信道呈現(xiàn)出一些新的特性。首先，無(wú)線體域網(wǎng)中傳感器一般是在人體上，人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的變化以及不同場(chǎng)合的切換就會(huì)引起無(wú)線體域網(wǎng)信道處于不斷的變化中，故傳統(tǒng)的室內(nèi)或室外移動(dòng)衰落信道模型就很難適用于體域網(wǎng)；再者，與移動(dòng)通信信道不同的是，無(wú)線體域網(wǎng)是人體身上或者人體附近的通信網(wǎng)絡(luò)，要求較高的醫(yī)療數(shù)據(jù)精度的同時(shí)，不同的個(gè)體特征會(huì)影響信道，無(wú)線信號(hào)的衰落就呈現(xiàn)出復(fù)雜的、沒(méi)有規(guī)律的變化狀態(tài)。但是接收信號(hào)的衰落情況能夠如實(shí)反映通信的好壞，因此無(wú)線體域網(wǎng)信道特性研究就變得相當(dāng)重要。

本文通過(guò)搭建完整的無(wú)線體域網(wǎng)信道測(cè)量平臺(tái)獲取了靜態(tài)室內(nèi)環(huán)境下超寬帶信道測(cè)試數(shù)據(jù)，并且通過(guò)頻域數(shù)據(jù)加窗、傅里葉反變換、調(diào)整分辨率、去除噪聲等步驟提取出信道的沖激響應(yīng)。最后根據(jù)信道的沖激響應(yīng)，利用matlab仿真軟件計(jì)算出信道的歸一化功率延遲分布、顯著路徑數(shù)、均方根延時(shí)、平均時(shí)延。

1信道測(cè)量

本次測(cè)量在室內(nèi)進(jìn)行，采用兩個(gè)完全相同的單極子超寬帶全向天線作為發(fā)射天線和接收天線，天線工作頻率在2-6GHz。發(fā)射天線固定在人體的腹部，接收天線分別固定在人體的肩部、胸部、膝蓋、腳腕、手臂以及手腕，如圖1所示。所用的測(cè)量?jī)x器是AV3629A一體化矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，通過(guò)將接收天線固定腹部，發(fā)射天線固定在6個(gè)不同的位置，每個(gè)位置測(cè)試4次，每次測(cè)試數(shù)據(jù)個(gè)數(shù)為2000個(gè)，獲得24組不同的數(shù)據(jù)。

2數(shù)據(jù)處理

由測(cè)量獲得的數(shù)據(jù)每組2000個(gè)，根據(jù)超寬帶信號(hào)處理技術(shù)對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。數(shù)據(jù)處理流程圖如圖2所示。

2.1 去除天線響應(yīng)

天線的特性對(duì)接收信號(hào)有一定的影響，不同的天線可能會(huì)導(dǎo)致不同的信道模型，為了更加精確地為信道建模，去除天線的響應(yīng)是有必要的。去除天線響應(yīng)時(shí)需要用到暗室數(shù)據(jù)，由于條件限制，本文沒(méi)有去除天線響應(yīng)。

2.2 頻域數(shù)據(jù)加窗

超寬帶信道測(cè)試獲得的頻域數(shù)據(jù)，由于頻率是帶限的，故在頻率的兩端，測(cè)試數(shù)據(jù)會(huì)出現(xiàn)明顯的跳變，如果直接將該數(shù)據(jù)進(jìn)行IFFT傅里葉反變換，旁瓣就會(huì)很大。因此就要想方設(shè)法在不影響數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性的前提下，能夠最大限度地減弱旁瓣的大小。實(shí)驗(yàn)證明，通過(guò)對(duì)數(shù)據(jù)加窗不但能夠增加時(shí)域脈沖的主辯寬度，同時(shí)還能減弱旁瓣。在圖像處理中，使用的最頻繁的是海明（Hamming）窗、漢寧（Hanning）窗、凱瑟（Kaiser）窗。分別對(duì)頻域數(shù)據(jù)加Hamming窗、Hanning窗、Kaiser窗以對(duì)比加窗對(duì)測(cè)試數(shù)據(jù)的影響。圖3為肩膀-腹部區(qū)域測(cè)試數(shù)據(jù)加不同窗后的結(jié)果。

2.3 傅里葉反變換（IFFT）和調(diào)整分辨率

從頻域數(shù)據(jù)中獲得時(shí)域沖激響應(yīng)，最關(guān)鍵的技術(shù)就是傅里葉反變換，通常傅里葉反變換有兩種方法：復(fù)數(shù)基帶的傅里葉反變換和實(shí)數(shù)通帶傅里葉反變換。復(fù)數(shù)基帶傅里葉反變換是直接把帶通信號(hào)當(dāng)成低通信號(hào)處理。通過(guò)復(fù)數(shù)基帶傅里葉反變換獲得的時(shí)域數(shù)據(jù)是一組復(fù)數(shù)序列，這就增加了后期數(shù)據(jù)處理的難度。而實(shí)數(shù)通帶傅里葉反變換結(jié)果是一組實(shí)數(shù)序列，所以該方法使用得最頻繁。采用實(shí)數(shù)通帶傅里葉反變換處理數(shù)據(jù)時(shí)，通常先通過(guò)補(bǔ)零，然后以零為中心作對(duì)稱共軛頻譜，再進(jìn)行傅里葉反變換。實(shí)數(shù)通帶傅里葉反變換可以降低后期的數(shù)據(jù)處理難度，同時(shí)系統(tǒng)的時(shí)間分辨率會(huì)變高，為了保證信道建模的準(zhǔn)確性，需要把分辨率調(diào)整到實(shí)際的系統(tǒng)分辨率。

本文中選擇實(shí)數(shù)通帶傅里葉反變換，圖4是肩膀-腹部所測(cè)原始信號(hào)加Kaiser窗，并經(jīng)實(shí)數(shù)通帶傅里葉反變換和調(diào)整分辨率所獲得的時(shí)域圖，如圖4所示。

2.4 去除噪聲

設(shè)備器件材料、開(kāi)關(guān)接觸等都會(huì)引起噪聲，信道中存在的噪聲是雜亂無(wú)章的，保留這些分量會(huì)增加系統(tǒng)建模的難度，故去除這些分量是很有必要的。通常采用小波變換法去除噪聲，其基本思想是根據(jù)噪聲與信號(hào)在不同頻帶上的小波分解系數(shù)具有不同強(qiáng)度分布的特點(diǎn)，將各頻帶上的噪聲對(duì)應(yīng)的小波系數(shù)去除，保留原始信號(hào)的小波分解系數(shù)，然后對(duì)處理后的系數(shù)進(jìn)行小波重構(gòu)，得到純凈信號(hào)。圖5為去除噪聲后的時(shí)域圖形。

2.5 設(shè)置時(shí)間零點(diǎn)

通過(guò)傅里葉反變換原理得，變換后的數(shù)據(jù)是周期性的，因此調(diào)整時(shí)域數(shù)據(jù)的時(shí)間零點(diǎn)變得必不可少。在LOS環(huán)境中，將第一條到達(dá)的具有顯著幅度的多徑分量的到達(dá)時(shí)間設(shè)置為時(shí)間零點(diǎn)，將此分量之前的多徑分量平移到最后。在NLOS環(huán)境中，將幅度大于峰值多徑的十分之一的最開(kāi)始到達(dá)的多徑的時(shí)間設(shè)置為時(shí)間零點(diǎn)，同樣將此分量之前的多徑分量平移到最后，圖6為調(diào)整時(shí)間零點(diǎn)后的時(shí)域圖形即信道的時(shí)域沖激響應(yīng)。

3信道相關(guān)特性提取

3.1 功率延遲分布

功率延遲分布（PDP）是一個(gè)以附加時(shí)延為自變量的函數(shù)，該附加時(shí)延是基于一個(gè)固定的時(shí)延參考量獲得的。通常用圖來(lái)表示功率延遲分布，其橫坐標(biāo)為附加時(shí)延，縱坐標(biāo)為歸一化的接收功率[5]。在實(shí)際的寬帶數(shù)據(jù)處理中，既可以從頻域數(shù)據(jù)中計(jì)算功率延遲分布，也可以從時(shí)域沖激響應(yīng)中計(jì)算功率延遲分布。基于頻域數(shù)據(jù)的功率延遲分布計(jì)算法是將到達(dá)的多徑按頻率分辨率分為多段，然后計(jì)算每段的平均接收功率即可獲得功率延遲分布。基于時(shí)域沖激響應(yīng)的功率延遲分布計(jì)算法是直接將數(shù)據(jù)平方。本文采用時(shí)域沖激響應(yīng)計(jì)算功率延遲分布。圖7為肩膀-腹部的歸一化功率延遲分布。

3.4 顯著路徑數(shù)

在移動(dòng)衰落信道中，通常歸一化信道的沖激響應(yīng)，然后把峰值10dB范圍的多徑數(shù)量或者不超過(guò)總能量85%的多徑數(shù)量作為顯著路徑數(shù)。本文中以不超過(guò)總能量的85%為閥值計(jì)算顯著路徑數(shù)。

4結(jié)束語(yǔ)

本論文根據(jù)2-6GHz無(wú)線體域網(wǎng)信道的測(cè)量數(shù)據(jù)，經(jīng)過(guò)一系列的數(shù)據(jù)處理技術(shù)提取出了信道的時(shí)域沖激響應(yīng)。然后基于信道的時(shí)域沖激響應(yīng)獲得信道的功率延遲分布、均方根延時(shí)擴(kuò)展、平均時(shí)延和顯著路徑數(shù)。在以后的研究中將對(duì)信道特特性進(jìn)行深入的研究。

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