无线体域网络

应对医疗体域网络设计的挑战

无线体域网（WBAN）由无线连接的传感器或执行器节点组成，通常还配有数据处理功能。这些节点被放置在人体内部、内部和周围/外部，形成一个网络，对生理和/或环境信号进行连续、无干扰的监测，以支持医疗、生活和娱乐应用。医疗无线局域网实现了从疾病管理到健康管理的模式转变，其重点是早期疾病检测，有望节省美国每年 4 万亿美元的医疗开支。然而，由于应用的物理（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。

方法

1.技术要求

WBAN 最关键的功能是在节点之间有效地进行信息交换。高效的信息交换意味着可靠、安全、快速、容错和抗干扰的低功耗通信。虽然功耗不在本文讨论范围之内，但要达到理想的效率，所有其他方面都必须考虑到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）可能会出现信号衰减。携带 WBAN 节点的身体部位的移动甚至会改变通信链路预算或阻塞信号，从而影响网络拓扑结构。信号传播非常复杂，因为自由空间传播与衍射波、爬行波和表面波相结合，这取决于信号源的特性（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，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

虽然有设计自由空间通信的简单公式，但要精确描述射频在体内的传播是不可能的。后者取决于所使用的频率、设备的位置和个人的解剖结构。

由于患者的运动、体重变化和衰老，组织的不均匀性造成了复杂的电磁环境，并随着时间的推移而变化。因此，使用虚拟人口（Virtual Population (ViP模型是解决这一难题的推荐方案。这些模型可以将 BAN 节点快速放置在覆盖患者群体的任何解剖详细模型中。这些功能化的模型可以自然地模拟病人的运动（例如，在病人的身体上放置 "POSER "模块）。POSER 模块），并可轻松变形，以扩展病人群体或再现某些病症。

此外，利用 DISFIT 模块.P-EM-FDTD模块 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

由于尺寸限制，WBAN 体节点使用的天线无论是在体内还是在体外，通常都是非谐振天线。因此 MATCH 模块是优化天线性能的重要工具。由于在大多数情况下，此类天线都是小型化的，因此必须能够对其几何形状进行精确建模（使用 P-EM-FDTD 模型中的子网格引擎），以便研究尺寸和材料特性的影响。

病人运动、节点位置和设备方向对天线特性（阻抗、辐射模式）的影响很容易通过可摆放的人体模型进行评估。最后，通过 MIMOS 模块，用户可以更清楚地了解信号的可用性，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.通信链路预算

节点上的接收信号强度是通过 P-EM-FDTD 模型对体内和体外节点进行计算得出的。对于大型问题（医院或家庭房间），高性能计算 (HPC框架可对现实环境进行全波分析，并估算体节点与集线器/基站之间的链路预算。如果可以通过其他数值技术获得复杂室内环境中信号源的传播数据，则可以使用模块模块可为建立链路预算提供快速解决方案。

任何一个 ViP3.0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，还可以采用类似的方法来研究 WBAN 与其他技术共存时产生的干扰问题，或解决清晰信道评估 (CCA) 协议的能量检测阈值 (EDT)。

5.监管合规

由于患者可在全球不同辖区自由漫游，因此 WBAN 设备的合规性变得复杂。不过，使用 P-EM-FDTD 模型可以最准确地估算出达到理想接收信号强度 (RSS) 水平的最大等效各向同性辐射功率 (EIRP)，然后与 ETSI 或 FCC 法规进行比较。

此外，还可根据 IEC62704-1 标准草案按键生成空间 SAR 分布峰值，以便与暴露指南进行比较。MBSAR 模块可以将不同频段的模拟 SAR 模式结合起来，并计算/显示总 SAR 分布的空间 SAR 峰值。在 WBAN 节点使用不同频段的情况下，这一工具非常有用。