无线体域网-穿戴式装置
问题描述
无线体域网络中的连接节点。
无线体域网 (WBAN) 由无线连接的传感器或执行器节点组成，这些节点通常通过数据处理得到增强。这些节点被放置在人体内部、人体上和周围/人体周围，形成一个网络，用于对生理和/或环境信号进行连续和不显眼的监测，以支持医疗、生活方式和娱乐应用。医疗 WBAN 提供了从疾病到健康管理的范式转变，重点是早期疾病检测，有望节省美国每年 4 万亿美元的医疗保健支出。然而，由于应用程序的物理 (PHY) 层必须满足严格的要求，WBAN 的设计和高效运行带来了一些技术挑战。
适用标准
关于无线体域网的 IEEE 标准 802.15.6。
大多数 WBAN 都是围绕无线体域网络的 IEEE 802.15.6 标准构建的，该标准还包括基于测量的信道模型。然而，这些模型没有考虑节点移动性和人机交互效应。 ETSI 标准 EN 301 839 (402-405MHz)、EN 303 203 (2483.5-2500MHz) 和技术建议 TR 101 557 (1785-2500MHz) 中描述了在欧洲运行的 WBAN 的技术规范。在所有情况下都提到，应根据当地法规检查特定吸收率的基本限制（SAR；根据 IEC/TR 62630、FCC OET 65c 或 IEC62704-1）是否符合人体暴露指南。
方法
1. 技术要求
在 Sim4Life 中模拟无线体域网络。
WBAN 最关键的功能是有效地提供与其节点之间的信息交换。高效的信息交换转化为可靠、安全、快速、容错和抗干扰的低功耗通信。虽然功耗超出了本文档的范围，但要实现所需效率的所有其他方面都必须考虑与人体密切相关的许多重要问题。植入节点和表面节点之间的通信（体内和体外通信）可能会经历高信号衰减。携带 WBAN 节点的身体部位的运动甚至可能通过改变通信链路预算或阻塞信号来影响网络拓扑。信号传播非常复杂，因为自由空间传播结合了衍射波、蠕变波和表面波，这取决于源的特性（频率、极化、入射角、身体姿势和形状等）。 ZMT 开发了所有必要的工具来帮助设计人员应对评估和优化 WBAN 性能的挑战。
2. 体内和体外射频通信
无线身体的节点还可以包括流行的小工具，如智能眼镜和智能手表。在这里，它们被安装在我们姊妹公司 SPEAG 的用于测量的物理模型上。仿真允许在设计阶段早期针对性能和监管方面进行优化。
虽然有设计自由空间通信的简单公式，但无法精确表征体内射频传播。后者取决于使用的频率、设备的位置和个人的解剖结构。由于患者的运动、体重变化和老化，组织不均匀性会产生一个复杂的电磁环境，该环境会随着时间而变化。因此，虚拟家族 (ViP) 模型的使用是这项具有挑战性的任务的推荐解决方案。它们允许将 BAN 节点快速放置在覆盖患者群体的任何解剖学详细模型中。这些功能化模型自然地模仿患者运动（POSER 模块），并且很容易变形以扩展患者群体或重现某些病症。此外，使用 DISFIT 模块可以直接分配任何频率的组织。 P-EM-FDTD 物理模型用于评估窄带或超宽带 (UWB) 应用的体内和体外通信性能。
3. 天线设计
Sim4Life 能够应对使用复杂全身模型模拟高分辨率 CAD 模型的挑战。
无论是在体内还是在体内，由于尺寸限制，在 WBAN 体节点处使用的天线通常是非谐振的。因此，MATCH 模块是优化天线性能的宝贵工具。由于在大多数情况下此类天线都是小型化的，因此能够准确地对其几何形状进行建模（使用 P-EM-FDTD 模型中的亚网格引擎）以研究尺寸和材料特性的影响非常重要。患者运动、节点位置和设备方向对天线特性（阻抗、辐射方向图）的影响很容易使用可摆姿势的人体模型进行评估。最后，使用 MIMOS 模块，用户可以更清楚地了解信号可用性，因为越来越多的集线器或基站使用天线分集来提高 WBAN 中链路的质量和可靠性。
4. 通讯连结预算
人体区域网络节点在人体内部和周围产生的电磁场。
使用 P-EM-FDTD 模型计算节点处的接收信号强度，用于体内和体内节点。在大型问题（医院或家庭房间）的情况下，高性能计算 (HPC) 框架允许对现实环境进行全波分析，并估计身体节点和集线器/基站之间的连结预算。如果传播数据可从其他数值技术获得，用于复杂室内环境中的源，惠更斯模块提供了建立链路预算的快速解决方案。任何 ViP3.0 模型的身体定位和姿势都可以在空间中轻松定义，以涵盖逼真的患者活动。最后，可以采用类似的方法来调查因 WBAN 与其他技术共存而产生的干扰问题，或解决畅通信道评估 (CCA) 协议的能量检测阈值 (EDT)。
5. 合规性
我们姊妹公司 SPEAG 佩戴智能手表的体模 CAD 模型，在 Sim4Life 中模拟。
WBAN 设备的监管合规性因患者可以在世界不同司法管辖区自由漫游而变得复杂。但是，使用 P-EM-FDTD 模型以最高确定性估计达到所需接收信号强度 (RSS) 水平的最大等效全向辐射功率 (EIRP)，然后与 ETSI 或 FCC 规定进行比较。此外，按下按钮即可根据 IEC62704-1 草案标准生成峰值空间 SAR 分布，以便与曝光指南进行比较。 MBSAR 模块可以结合不同频段模拟的 SAR 模式，计算/可视化总 SAR 分布的峰值空间 SAR。在 WBAN 节点使用各种频段的情况下，此工具非常有用。
参考文献
- W. Scanlon, G. Conway, and S. Cotton, “Antennas and propagation considerations for robust wireless communications in medical body area networks,” in IET Seminar on Antennas and Propagation for Body- Centric Wireless Communications, p. 37, IET, 2007.
- G. A. Conway and W. G. Scanlon, “Antennas for over-body-surface communication at 2.45 GHz,” IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 57, no. 4, pt. 1, pp. 844–855, Apr. 2009.
- D. Kurup, W. Joseph, G. Vermeeren, and L. Martens “In-body Path Loss Model for Homogeneous Human Tissues,” IEEE Trans. Electromagnetic Compatibility, vol.54, no.3, pp. 556-564, June 2012