Программно-аппаратный комплекс для исследования и оптимизации параметров системы беспроводной передачи данных через тело человека тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Павлов, Константин Александрович

• Павлов, Константин Александрович
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Павлов, Константин Александрович

Список и обозначение аббревиатур.

Введение.

Цель работы.

Научная новизна.

Практическая значимость работы.

Основные результаты работы.

Достоверность полученных результатов.

Апробации работы.

Глава 1. Персональные беспроводные сети связи (PAN).

1.1. Способы реализации PAN.

1.1.1. Оптическая связь.

1.1.2. Связь с помощью магнитного поля.

1.1.3. Квазиэлектростатическая связь.

1.1.4. Связь с помощью электромагнитного поля.

1.2. Использование тела человека в качестве передающей среды.

1.2.1. Предпосылки к созданию технологии BAN.

1.2.2. Развитие технологии BAN.

1.2.3. Состояние и перспективы технологии BAN.

1.3. Технологии ближней радиосвязи.

1.3.1. Технология Bluetooth.

1.3.2. Технология Bluetooth с низким энергопотреблением.

1.3.3. Технология ZigBee.

1.3.4. Технология UWB.

1.3.5. Другие технологии.

1.4. Моделирование канала связи между устройствами BAN.

1.4.1. Моделирование канала связи НЧ-системы BAN.

1.4.2. Моделирование канала связи ВЧ-системы BAN.

1.5. Диэлектрические свойства биологических тканей при взаимодействии с электрическим полем.

Глава 2. Моделирование распределения электромагнитных полей в системе BAN.

2.1. Методика расчёта электромагнитных полей методом FDTD.

2.2. Граничные условия.

2.3. Математическая модель системы BAN.

2.4. Результаты моделирования системы BAN.

2.5. Моделирование распределения электрического поля при выполнении человеком действий.

2.6. Оценка параметров системы BAN для последующей разработки.

2.7. Оценка удельной поглощённой мощности (SAR).

Глава 3. Реализация программно-аппаратного комплекса BAN.

3.1. Функциональное назначение программно-аппаратного комплекса BAN.

3.1.1. Описание НЧ программно-аппаратного комплекса.

3.1.2. Описание ВЧ программно-аппаратного комплекса.

3.2. Описание прототипа беспроводной аудиогарнитуры на основе системы

3.3. Пример реализации системы связи через тело человека для телемониторига функциональных показателей организма.

3.4. Физический уровень системы связи BAN.

3.5. Протокол связи BAN.

3.6. Основные проблемы и задачи технологии BAN.

Глава 4. Экспериментальное исследование параметров программно-аппаратного комплекса BAN.

4.1. Результаты экспериментального исследования НЧ системы BAN.

4.2. Результаты экспериментального исследования ВЧ системы BAN.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Программно-аппаратный комплекс для исследования и оптимизации параметров системы беспроводной передачи данных через тело человека»

Актуальным направлением развития приборостроения является исследование и совершенствование способов информационного обмена цифровыми данными в беспроводных системах портативных электронных устройств, носимых на теле человека, с целью повышения эффективности их функционирования. Для обмена данными между элементами этих систем обычно используются либо проводные каналы связи, либо беспроводные с передачей электромагнитных сигналов через окружающее свободное пространство. Первый способ дискомфортен для человека, второй - подвержен влиянию помех от других систем, использующих тот же частотный ресурс.

В ноябре 2007 г. Институтом инженеров в области электроники и электротехники (IEEE) была сформирована рабочая группа 802.15.6 по разработке стандарта для технологии передачи цифровых данных через тело человека Body Area Network (BAN). Технология BAN предназначена для ближней беспроводной связи между различными электронными устройствами одного или нескольких пользователей.

В данной работе исследуются проблемы разработки и практического применения перспективной технологии передачи данных через тело человека. По сравнению с технологиями ближней радиосвязи Bluetooth, ZigBee и др., широко применяемыми в различных сферах медицины и техники, технология BAN позволяет значительно снизить энергопотребление, мощность излучения устройств и, соответственно, уменьшить влияние излучения на здоровье человека.

Несмотря на большой интерес к технологии BAN, механизмы передачи электромагнитных сигналов через тело человека остаются не достаточно изученными. В диссертационной работе исследованы особенности прохождения электромагнитных сигналов, создаваемых передающим устройством BAN, через тело человека, с целью повышения эффективности функционирования систем BAN.

В ходе диссертационной работы исследованы диэлектрические параметры тела человека с точки зрения взаимодействия с электромагнитными волнами. С помощью компьютерного моделирования методом FDTD определены частотные диапазоны, обеспечивающие минимальное затухание сигнала, передаваемого через тело человека. Экспериментально исследованы параметры канала передачи данных через тело человека с помощью разработанного программно-аппаратного комплекса при низких (455 кГц) и высоких (433 МГц) частотах сигнала.

Наиболее актуально и перспективно применение технологии BAN в сфере медицины и здравоохранения. В частности для непрерывного мониторинга и сбора данных параметров жизнедеятельности пациентов, страдающих хроническими заболеваниями, такими как диабет, астма и сердечная недостаточность. Таким образом, пациента можно освободить от частых посещений лечащего врача и приблизить его качество жизни к уровню здорового человека. Также технология BAN актуальна в сфере развлечений (интерактивные игры), безопасности (идентификация и контроль доступа) и других сферах жизни человека.

Цель работы

Целью данной диссертационной работы являлась разработка программно-аппаратного комплекса для исследования и оптимизации параметров системы беспроводной передачи данных через тело человека.

Научная новизна

В ходе выполнения диссертационной работы получены следующие научные результаты.

1. Исследован способ беспроводной передачи данных через тело человека, позволяющий повысить эффективность функционирования б систем связи между носимыми портативными устройствами по сравнению с системами на базе существующих технологий ближней радиосвязи за счёт использования особенностей прохождения электромагнитных волн через тело человека.

2. На основе компьютерного моделирования исследованы закономерности распространения электромагнитных сигналов, создаваемых передающим устройством, на поверхности и вблизи тела человека при различных параметрах системы беспроводной передачи данных в широком диапазоне частот. Установлено, что при частотах сигнала передающего устройства в диапазоне от сотен кГц до нескольких десятков МГц электрическое поле более равномерно распределено по поверхности тела человека и экспоненциально затухает при удалении от тела человека. При частотах сигнала передающего устройства порядка нескольких сотен МГц достигается минимальное затухание напряжённости электрического поля вблизи тела человека.

3. Определены параметры системы беспроводной связи между портативными электронными устройствами через тело человека, обеспечивающие минимальные потери в канале передачи данных и низкую мощность излучения устройств. Установлено, что при определённых параметрах системы миниатюрных устройств с малыми значениями выходной мощности (порядка нескольких десятков мкВт) может быть обеспечена высокая надёжность связи через тело человека с учётом различных отрицательно влияющих факторов, таких как движения человека, изменение окружающей обстановки и др.

4. Разработан программно-аппаратный комплекс для экспериментального исследования и оптимизации параметров системы беспроводной передачи данных через тело человека.

Научная новизна технического решения по повышению эффективности функционирования систем беспроводной передачи данных через тело человека подтверждена патентом РФ на полезную модель № 94784.

Практическая значимость работы

1. На основе компьютерного моделирования определены параметры системы беспроводной передачи данных через тело человека, обеспечивающие повышение эффективности её функционирования.

2. Разработаны программно-аппаратные средства для исследования системы беспроводной передачи данных через тело человека на частотах 455 кГц и 433 МГц.

3. Разработаны прототипы систем беспроводной передачи аудиосигналов (речи) и сигнально-кодовых сообщений через тело человека.

4. Выработаны рекомендации по разработке систем беспроводной передачи данных через тело человека для различных областей применения.

Основные результаты работы

1. Проведено исследование возможности реализации системы беспроводной передачи данных через тело человека. Проведён анализ существующих технологий беспроводной передачи данных применительно к сети носимых портативных электронных устройств.

2. С помощью компьютерного моделирования исследовано распределение электрического поля, создаваемого носимым портативным передающим устройством, в теле и вблизи тела человека в диапазоне частот от 500 кГц до 2,4 ГГц. По результатам моделирования были определены особенности распространения сигналов различной частоты через тело человека. Выделены частоты, обеспечивающие наилучшие параметры канала связи при передаче данных через тело человека.

3. Разработан программно-аппаратный комплекс для экспериментального исследования параметров систем беспроводной передачи-данных через тело человека на частотах 455 кГц и 433 МГц. Системы связи с указанными несущими частотами: имеют свои достоинства для различных применений. При использовании частоты 455 кГц характерно быстрое затухание сигнала при удалении от тела человека^ такая система связи подходит для приложений с требованием конфиденциальности передаваемой информации. Для приложений с требованием высокой скорости передачи данных подходит система связи с частотой несущей 433 МГц.

4. Экспериментально исследованы особенности распределения; электрического потенциала вблизи тела человека на частотах 455 кГц и 433 МГц. Установлено, что при частоте сигнала передающего устройства 455 кГц электрический потенциал более равномерно ' распределен по поверхности тела человека и экспоненциально затухает при удалении от тела человека. При частоте сигнала передающего устройства 433 МГц достигается малое затухание электрического потенциала: вблизи: тела человека. Экспериментальные данные коррелируют с результатами компьютерного моделирования;

5. Определены параметры; системы, беспроводной связи между портативными электронными- устройствами через тело человека, позволяющие повысить эффективность её функционирования. Выработаны рекомендации по разработке систем? беспроводной передачи данных через тело человека для различных областей применения.

Достоверность полученных результатов

Достоверность полученных результатов обусловлена использованиемапробированных методов компьютерного моделирования, типовых способов и поверенных приборов для регистрации физических величин, подтверждается положительными результатами лабораторных испытаний, а также согласием эксперимента с результатами моделирования и теорией.

Апробации работы

Приведенные в диссертации результаты представлялись автором на:

• XIV, XV, XVI Всероссийских межвузовских научно-технических конференциях «Микроэлектроника и информатика» (Москва, 2007, 2008, 2009);

• VII Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых учёных «Молодёжь и современные информационные технологии», Томск, 2009;

• VI Всероссийской межвузовской конференции молодых ученых, Санкт-Петербург, 2009;

• Всероссийской научно-технической конференции молодых учёных и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники», Красноярск, 2009;

• 5th, 6th Russian-Bavarian Conference on Bio-Medical Engineering (Munich, 2009, Moscow, 2010);

• II окружной Научно-технической конференции молодых учёных и специалистов, Москва, 2010.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Павлов, Константин Александрович

Результаты исследования линейного распределения электрического потенциала на теле человека для НЧ системы BAN представлены на рисунке 49. Показаны графики зависимости коэффициента затухания сигнала от расстояния до передающего устройства. Коэффициент затухания рассчитывался по следующей формуле:

Кзат = 20 • lg

U пт п¡'л j

34) где иПРд - амплитуда напряжения передаваемого сигнала, иПРМ — электрический потенциал в точке измерения. Кривая 1 показывает результат измерения стационарным измерительным устройством, кривая 2 - портативным измерительным устройством. Также на рисунке отмечены части тела, на которых производилось измерение электрического потенциала.

Результаты измерения распределения электрического потенциала на всей поверхности тела человека для НЧ системы BAN представлены на рисунке 50. Как видно из рисунка, поверхность тела была разделена на пять областей с различными коэффициентами затухания сигнала. Область с наименьшим затуханием отмечена зелёным цветом, с наибольшим - красным.

I !срс дающее

-65 дБ -67 дБ -69 дБ -71 дБ -73 дБ

Затухание

-51 дБ -53 дБ -55 дБ а) (6)

Портативное приёмное устройство Стационарное приемное устройство

Рисунок 50. Распределение электрического потенциала на поверхности тела человека, измеренное портативным приёмным устройством - (а) и измеренное стационарным приёмным устройством — (б)

Как видно из рисунков 49 и 50, коэффициент затухания при передаче сигнала частотой 455 кГц через тело человека при стационарном приёмном устройстве остаётся практически постоянным на всей поверхности тела человека. Малое изменение затухания связано, прежде всего, с тем, что стационарное приёмное устройство имеет довольно большие габариты, и его корпус заземлён.

Для создания системы BAN с оптимальными параметрами необходимо иметь полное представление о механизмах распространения электрического сигнала, создаваемого передатчиком на поверхности тела человека. В зарубежной литературе предлагаются несколько моделей распространения сигнала. Выше была упомянута модель электрической цепи с ёмкостной связью, предложенная в [6]. Действительно, эта модель объясняет некоторые особенности распространения сигналов через тело человека. Например, разницу между результатами экспериментов по распределению потенциала на теле человека со стационарным и портативным приёмниками можно объяснить с помощью модели с ёмкостной связью. То есть потенциал в точке приёма зависит от изменяющихся ёмкостей между заземлёнными поверхностями портативных устройств и лабораторным заземлением. Таким образом, в случае портативного приёмника и передатчика затухание сигнала в значительной степени зависит от положения устройств относительно друг друга и лабораторного заземления. В случае же со стационарным приёмником, ввиду того, что он имеет достаточно крупные размеры, и корпус прибора заземлён, расположение передатчика на теле не существенно влияет на измеряемый потенциал.

Тем не менее, считается, что модель с ёмкостной связью служит для упрощённого объяснения распространения сигнала через тело человека. В последние годы во многих публикациях для объяснения используется модель распространения электромагнитных волн вблизи тела человека. В пользу этой модели свидетельствуют результаты компьютерного моделирования. Далее результаты моделирования и экспериментов будут рассмотрены с точки зрения модели распространения электромагнитных волн вблизи тела человека.

При частоте 455 кГц длина волны составляет 659 м, следовательно, описанные выше измерения и расчёты произведены в ближней волновой зоне (г < Х/2ж). Разница между экспериментами со стационарным и портативным приёмными устройствами (рис. 45 и 50), вероятно, связана с неэффективной приёмной антенной портативного устройства вследствие её малого размера Я).

Из теории электромагнитного поля известно, что при малых расстояниях от источника наибольший вклад вносят члены обратно пропорциональные г3, а. при больших расстояниях г» X доминирует компонента обратно пропорциональная расстоянию г. Как видно из рисунков 456 и 476, спад потенциала при передаче сигнала по воздуху имеет пологий характер и обратно пропорционален г3, что хорошо согласуется с теорией [10]. При передаче сигнала через тело (кривая 3 на рис. 45а) характерен более резкий спад электрического потенциала.

Из рисунка 46 видно, что большая часть электрического поля расположена -у поверхности тела человека. Затухание сигнала по поверхности тела человека в случае использования стационарного приёмного устройства изменяется не значительно.

Наблюдаемые на рисунке 45а (кривые 1,2) "провал" и максимум могут объясняться сложением сигналов, распространяющихся через тело человека и по воздуху и находящихся в противофазе [8]. Эффект "провала" исчезает при расстоянии между передающим устройством и приёмной антенной большем 50 см, так как на этом расстоянии составляющая сигнала, переданного по воздуху, не существенна (рис. 456). Следовательно, сигнал, распространяющийся по телу человека, затухает гораздо медленнее сигнала, распространяющегося-по воздуху.

При расположении передающего устройства и приёмной антенны на теле человека, когда вклад переданного по воздуху сигнала достаточно мал (расстояние между устройствами больше 50 см), измеряемый потенциал не зависит от того, находятся передающее и приёмное устройства в прямой видимости или нет, то есть сигнал следует за кривизной поверхности тела.

4.2. Результаты экспериментального исследования ВЧ системы BAN

С использованием ВЧ системы BAN исследовано распределение электрического потенциала на теле и вблизи тела человека. На рисунке 51а представлена схема эксперимента по исследованию распространения сигнала вокруг туловища человека. Заземляющие электроды передающего и приёмного устройств имели контакт с телом человека, использовались нательные спиральные антенны. Измерялись значения электрического потенциала на 8-ми различных высотах установки передающего и приёмного передающих устройств с шагом 10 см. Передающее устройство располагалось на фронтальной стороне туловища, а приёмное устройство перемещалось радиально по поверхности тела с шагом 12° относительно вертикальной центральной оси тела человека. г4 а\

Передающее устройство

Ц Приёмное устройство vtz/tai

Передающее устройс гво

Приемное устройство

00 б)

Рисунок 51. Схема эксперимента по исследованию распределения электрического потенциала вокруг туловища человека (а) — с устройствами, имеющими контакт с телом человека, (б) — с устройствами, оторванными от тела человека на 3 см

Такой же эксперимент был проведён для передающего и приёмного устройств, оторванных от поверхности тела человека на 3 см. При этом использовались спиральные антенны, настроенные в свободном пространстве. Схема эксперимента представлены на рисунке 516.

Кзаг. дБ + О

-5

-10 -15 -20 -25 -30 -35 -40

-45 х\\ 1

-i^l 3KL I i I I стронствт DAN па теле усфоиства BAN ua расстоянии 3 см от 1 enj epe шсквлпрпти тсская ПОфСШНОСТЬ f4= 4 1

0 10 20 .40 40 50 60 70 80 90 100 ПО 120 130 140 150 160 170 180 a, градусы

Рисунок 52. Графики зависимостей коэффициента затухания сигнала от угла между передающим и приёмным устройствами относительно вертикальной центральной оси тела человека

Результаты экспериментов представлены на рисунке 52. Как видно из рисунка, графики зависимостей коэффициента затухания сигнала от угла между передающим и приёмным устройствами отличаются не значительно. Однако, при больших значениях угла затухание сигнала на несколько дБ ниже в случае когда передающее и приёмное устройства имеют контакт с телом человека (кривая 1). Отметим, что эксперименты проводились в условиях неэкранированного помещения, то есть сигнал, излучаемый передатчиком, достигает точки приёма не только путём прямого прохождения через тело человека и по поверхности тела, но и путём отражения от стен, различных предметов мебели и оборудования лаборатории. Необходимо учесть, что на полученный результат оказывала влияние интерференция сигналов, распространяющихся от передающего до приёмного устройства различными путями, например, огибающих тело по часовой и против часовой стрелки. Теоретически, используя средние значения диэлектрической проницаемости и проводимости тела человека, можно вычислить затухание при прямом прохождении сигнала от груди до спины человека, и оно составит около 90 дБ при частоте 400 МГц [14]. В реальности значение затухания должно быть больше из-за множества границ раздела между различными тканями тела человека. По сравнению с экспериментально полученным значением затухания 40 дБ (см. рис. 52) вкладом прямого прохождения сигнала через тело человека можно пренебречь.

Аналогично описанным экспериментам было проведено компьютерное моделирование с целью сопоставления результатов с экспериментальными данными. На рисунке 53 представлены результаты моделирования распределения электрического поля вокруг туловища модели тела человека для устройств, имеющих контакт с телом (кривая 1), и для устройств, оторванных на 3 см от тела (кривая 2).

Кнт. дБ А

0---------------------,-----------------------

I ! !

5 L. '„. 1- - '. . „.--о— устройства LJAN на теле

Жч! | ! .у 1 }стронстпа BAN па расстоянии 3 см от тела

15 I-Чйч.-— ------'■ Т срелтгсчидратмечл! ' | погрешность

20----------1 —L.—1—— i--------, .,— —

I i i ' +''""sL Г ■ ! !

25 - . .I nr - -1 -.i- - -----------4

J5--------^-J--,----,-—j—|—!-[j-i-П f I i I ± \ ::

-r-4 : 1 1 I I | I ' ' ; 1 I 1-

45--1--!—!—!—!—--!—!—:--:—I---►

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 120 130 140 150 160 170 180 a, градусы

Рисунок 53. Графики зависимостей коэффициента затухания сигнала от угла между передающим и приёмным устройствами относительно вертикальной центральной оси модели тела человека

Как видно из сопоставления экспериментальных данных и моделирования, результаты совпадают в части, касающейся характера спада коэффициента затухания" сигнала при перемещении устройств BAN вокруг тела человека: затухание сигнала изменяется в среднем на 30 дБ. По результатам моделирования при больших значениях угла затухание сигнала между нательными устройствами (кривая 1) на несколько дБ ниже по сравнению с затуханием сигнала между оторванными от поверхности тела устройствами (кривая 2), что хорошо согласуется с экспериментальными данными. Отличия экспериментальных данных и результатов моделирования связаны с i I I | — 1 жг

-4V.

I 1

• -о— устройства LJAN на теле

Т. стронстпа BAN на рассп ояиип J см от тела среднек над ратичес ка я погрешность

4><L х- . xj ijJL.

2 ! hi.I t ± ! многолучевой интерференцией в условиях помещения, неидеальностью согласования антенн с передающим и приёмном устройствами и настройки антенн на несущую частоту сигнала.

Исследовано распределение электрического потенциала вдоль тела человека. На рисунке 54 представлена схема эксперимента. Заземляющие электроды передающего и приёмного устройств имели контакт с телом человека, использовались нательные спиральные антенны. Передающее устройство располагалось на груди человека, измерялись значения электрического потенциала при линейном удалении приёмного устройства вниз по туловищу и далее по ноге человека. электрического потенциала вдоль тела человека

Такой же эксперимент был проведён для передающего и приёмного устройств, оторванных от поверхности тела человека на 3 см. При этом использовались спиральные антенны для свободного пространства.

Результаты экспериментов представлены на рисунке 55. Как видно из рисунка, в случае когда передающее и приёмное устройства имеют контакт с телом человека (кривая 1), затухание в канале связи немного меньше по сравнению со случаем когда передающее и приёмное устройства оторваны от тела на расстояние 3 см (кривая 2). Результаты компьютерного моделирования аналогичного эксперимента представлены на рисунке 56. КЗАТ» дБ А

-5

10 •

•15

-20

-25

-30

---ч Ж

С-. I устройства BAN на теле устройства BAN в свободном пространстве среднекнадрагическаи погрешность -

•J-.

0 ОД 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 г, м Рисунок 55. Графики зависимостей электрического потенциала от расстояния меяеду передающим и приёмным устройствами на поверхности тела человека (кривая 1) и на расстоянии 3 см от поверхности тела кривая 2)

Кзат, дБ 0

-5 -10 -15 -20 -25 -30 ь \ - -О— ycipoiicTBa BAN па геле устройства RAN в свободном пространстве

X \ "••у

N '••Оо •х ч. А О-.

•N 8:

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1 1,1 1,2 г, м Рисунок 56. Графики зависимостей электрического потенциала от расстояния между передающим и приёмным устройствами на поверхности модели тела человека (кривая 1) и на расстоянии 3 см от поверхности тела кривая 2)

123

Из полученных экспериментальных' данных и результатов моделирования видно, что тело человека способствует распространению сигнала по поверхности. Этот эффект можно объяснить с точки зрения поляризации электропроводящих тканей тела человека и последующего переизлучения ими электромагнитной энергии. В некоторых литературных источниках эффект объясняется возникновением так называемых поверхностных электромагнитных волн (в зарубежной литературе их иногда называют «creeping waves» - ползущие, скользящие волны) распространяющихся по границе раздела диэлектрической и проводящей среды. Поверхностных волны хорошо изучены на примерах распространения электромагнитных волн над земной поверхностью и морем [107, 108], а диэлектрические параметры тела как уже отмечалось, очень близки к параметрам солёной воды.

Как известно [9], при движении электромагнитной волны вдоль горизонтальной проводящей поверхности с потерями наряду с вертикальной составляющей напряжённости электрического поля Ев появляется горизонтальная составляющая поля Ег, направленная в сторону движения волны. Величина горизонтальной составляющей поля уменьшается с увеличением проводимости материала поверхности и длины волны, а также с увеличением диэлектрической проницаемости. Вероятно, определённый ранее (см. § 2.4) диапазон оптимальных частот обеспечивает наибольшую величину горизонтальной составляющей напряжённости электрического поля.

Результаты измерения распределения электрического потенциала на всей поверхности тела человека для ВЧ системы BAN представлены на рисунке 57. Как видно из рисунка, поверхность тела была разделена на пять областей с различными коэффициентами затухания сигнала. Область с наименьшим затуханием отмечена зелёным цветом, с наибольшим - красным.

Перед устрс

Затухание

-35 дБ

-30 дБ

-45 дБ

-25 дБ

-40 дБ

Рисунок 57. Распределение электрического потенциала на поверхности тела человека, измеренное портативным приёмным устройством

Как видно из рисунка 57, структура распределения электрического потенциала по поверхности тела человека имеет сложный характер и обусловлена множеством факторов, в том числе позой человека, рельефом тела, многолучевой интерференцией сигнала и т.д. Затухание сигнала в ВЧ системе BAN при расположении приёмопередающих устройств в пределах прямой видимости не превышает 45 дБ.

Заключение

BAN является перспективной технологией, которая может существенным образом повлиять на следующее поколение систем передачи данных применительно к областям здравоохранения, спорта, безопасности, развлечений и др. В то же время, исследование технологии BAN выявило ряд сложных вопросов и задач, например, касающихся особенностей взаимодействия электромагнитного излучения и тела человека, эффективности энергопотребления устройств системы, конструкции антенны, совместимости оборудования, взаимного влияния систем, безопасности и конфиденциальности передачи данных и др.

Существующие технологии и стандарты ближней беспроводной связи, как правило, не удовлетворяют требованиям технологии BAN. Они не обеспечивают необходимое сочетание надёжности- связи, низкого энергопотребления, скорости передачи данных и помехозащищённости для широкого внедрения технологии BAN в различные сферы медицины, спорта;, безопасности, развлечений и т.д.

Ключевым моментом в разработке технологии BAN является сверхнизкое энергопотребление устройств связи. Стандартным решением данной проблемы в настоящее время является применение протоколов связи, обеспечивающих высокую энергетическую эффективность по сравнению с традиционными стандартами ближней радиосвязи. Как правило, это достигается путём максимально эффективного использования режима экономии энергии (спящего режима) с возможностью пассивного прослушивания эфира.

Представлено состояние современных технологий и стандартов, имеющих отношение к системам BAN, отмечены их достоинства и недостатки. Применение технологии BAN рассмотрено на примере перспективной архитектуры сети связи для телемониторинга состояния здоровья человека. Рассмотрены особенности протокола связи, присущие технологии BAN, для оптимизации параметров системы. Отмечена проблема источников энергии для устройств системы BAN, предложены современные подходы к её решению.

В ходе выполнения диссертационной работы с помощью компьютерного моделирования исследовано распределение электрического поля, создаваемого носимым портативным передающим устройством, в теле и вблизи тела человека в диапазоне частот от 500 кГц до 2,4 ГГц. В результате предложен принципиально иной подход к решению проблемы снижения энергопотребления - применение частотных диапазонов, позволяющих использовать тело человека в качестве части излучающей системы и таким образом обеспечивающих минимальное затухание сигнала в канале связи между носимыми устройствами BAN. Иными словами, предложен способ улучшения энергетической эффективности системы BAN путём оптимизации параметров канала связи.

Экспериментально исследованы особенности распределения электрического потенциала вблизи тела человека на частотах 455 кГц и 433 МГц. Установлено, что при частоте сигнала передающего устройства 455 кГц электрический потенциал более равномерно распределен по поверхности тела человека и экспоненциально затухает при удалении от тела человека. При частоте сигнала передающего устройства 433 МГц достигается малое затухание электрического потенциала вблизи тела человека. Оба диапазона имеют свои преимущества. Для высокого частотного диапазона характерны: высокая скорость передачи данных, высокая чувствительность приёмного устройства за счёт двойного преобразования частоты и возможность применения малогабаритных высокоэффективных антенн. Для низкого - малое энергопотребление устройств, отсутствие антенн (простая конструкция) и конфиденциальность связи, подразумевающая, что посторонние лица не могут несанкционированно перехватить передаваемую информацию без непосредственного контакта с кожей человека. В то же время, возможна комбинированная двухчастотная система связи, объединяющая преимущества обоих частотных диапазонов.

127

Данные могут передаваться исключительно при контакте с кожей человека (т.е. при наличии устойчивого НЧ канала связи), но с высокой скоростью по ВЧ каналу связи.

Определены параметры системы беспроводной связи между портативными электронными устройствами через тело человека, позволяющие повысить эффективность её функционирования. Выработаны рекомендации по разработке систем беспроводной передачи данных через тело человека для различных областей применения. Полученные в результате компьютерного моделирования и экспериментального исследования параметры канала связи системы BAN позволяют сократить излучаемую мощность передающих устройств и, как следствие, уменьшить вредное влияние излучения на здоровье человека.