• 簡述

無線體域網-穿戴式裝置

問題描述

無線體域網絡中的連接節點。

無線體域網 (WBAN) 由無線連接的傳感器或執行器節點組成,這些節點通常通過數據處理得到增強。 這些節點被放置在人體內部、人體上和周圍/人體周圍,形成一個網絡,用於對生理和/或環境信號進行連續和不顯眼的監測,以支持醫療、生活方式和娛樂應用。 醫療 WBAN 提供了從疾病到健康管理的範式轉變,重點是早期疾病檢測,有望節省美國每年 4 萬億美元的醫療保健支出。 然而,由於應用程序的物理 (PHY) 層必須滿足嚴格的要求,WBAN 的設計和高效運行帶來了一些技術挑戰。

適用標準

關於無線體域網的 IEEE 標準 802.15.6。

大多數 WBAN 都是圍繞無線體域網絡的 IEEE 802.15.6 標準構建的,該標準還包括基於測量的信道模型。 然而,這些模型沒有考慮節點移動性和人機交互效應。 ETSI 標準 EN 301 839 (402-405MHz)、EN 303 203 (2483.5-2500MHz) 和技術建議 TR 101 557 (1785-2500MHz) 中描述了在歐洲運行的 WBAN 的技術規範。 在所有情況下都提到,應根據當地法規檢查特定吸收率的基本限制(SAR;根據 IEC/TR 62630、FCC OET 65c 或 IEC62704-1)是否符合人體暴露指南。

方法

1. 技術要求

在 Sim4Life 中模擬無線體域網絡。

WBAN 最關鍵的功能是有效地提供與其節點之間的信息交換。高效的信息交換轉化為可靠、安全、快速、容錯和抗干擾的低功耗通信。雖然功耗超出了本文檔的範圍,但要實現所需效率的所有其他方面都必須考慮與人體密切相關的許多重要問題。植入節點和表面節點之間的通信(體內和體外通信)可能會經歷高信號衰減。攜帶 WBAN 節點的身體部位的運動甚至可能通過改變通信鏈路預算或阻塞信號來影響網絡拓撲。信號傳播非常複雜,因為自由空間傳播結合了衍射波、蠕變波和表面波,這取決於源的特性(頻率、極化、入射角、身體姿勢和形狀等)。 ZMT 開發了所有必要的工具來幫助設計人員應對評估和優化 WBAN 性能的挑戰。

2. 體內和體外射頻通信

無線身體的節點還可以包括流行的小工具,如智能眼鏡和智能手錶。 在這裡,它們被安裝在我們姊妹公司 SPEAG 的用於測量的物理模型上。 仿真允許在設計階段早期針對性能和監管方面進行優化。

雖然有設計自由空間通信的簡單公式,但無法精確表徵體內射頻傳播。後者取決於使用的頻率、設備的位置和個人的解剖結構。由於患者的運動、體重變化和老化,組織不均勻性會產生一個複雜的電磁環境,該環境會隨著時間而變化。因此,虛擬家族 (ViP) 模型的使用是這項具有挑戰性的任務的推薦解決方案。它們允許將 BAN 節點快速放置在覆蓋患者群體的任何解剖學詳細模型中。這些功能化模型自然地模仿患者運動(POSER 模塊),並且很容易變形以擴展患者群體或重現某些病症。此外,使用 DISFIT 模塊可以直接分配任何頻率的組織。 P-EM-FDTD 物理模型用於評估窄帶或超寬帶 (UWB) 應用的體內和體外通信性能。

3. 天線設計

Sim4Life 能夠應對使用複雜全身模型模擬高分辨率 CAD 模型的挑戰。

無論是在體內還是在體內,由於尺寸限制,在 WBAN 體節點處使用的天線通常是非諧振的。 因此,MATCH 模塊是優化天線性能的寶貴工具。 由於在大多數情況下此類天線都是小型化的,因此能夠準確地對其幾何形狀進行建模(使用 P-EM-FDTD 模型中的亞網格引擎)以研究尺寸和材料特性的影響非常重要。 患者運動、節點位置和設備方向對天線特性(阻抗、輻射方向圖)的影響很容易使用可擺姿勢的人體模型進行評估。 最後,使用 MIMOS 模塊,用戶可以更清楚地了解信號可用性,因為越來越多的集線器或基站使用天線分集來提高 WBAN 中鏈路的質量和可靠性。

4. 通訊連結預算

人體區域網絡節點在人體內部和周圍產生的電磁場。

使用 P-EM-FDTD 模型計算節點處的接收信號強度,用於體內和體內節點。 在大型問題(醫院或家庭房間)的情況下,高性能計算 (HPC) 框架允許對現實環境進行全波分析,並估計身體節點和集線器/基站之間的連結預算。 如果傳播數據可從其他數值技術獲得,用於復雜室內環境中的源,惠更斯模塊提供了建立鏈路預算的快速解決方案。 任何 ViP3.0 模型的身體定位和姿勢都可以在空間中輕鬆定義,以涵蓋逼真的患者活動。 最後,可以採用類似的方法來調查因 WBAN 與其他技術共存而產生的干擾問題,或解決暢通信道評估 (CCA) 協議的能量檢測閾值 (EDT)。

5. 合規性

我們姊妹公司 SPEAG 佩戴智能手錶的體模 CAD 模型,在 Sim4Life 中模擬。

WBAN 設備的監管合規性因患者可以在世界不同司法管轄區自由漫遊而變得複雜。 但是,使用 P-EM-FDTD 模型以最高確定性估計達到所需接收信號強度 (RSS) 水平的最大等效全向輻射功率 (EIRP),然後與 ETSI 或 FCC 規定進行比較。 此外,按下按鈕即可根據 IEC62704-1 草案標準生成峰值空間 SAR 分佈,以便與曝光指南進行比較。 MBSAR 模塊可以結合不同頻段模擬的 SAR 模式,計算/可視化總 SAR 分佈的峰值空間 SAR。 在 WBAN 節點使用各種頻段的情況下,此工具非常有用。

參考文獻

  1. 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.
  2.  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.
  3. 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
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