一種場(chǎng)路結(jié)合的穿戴式設(shè)備電容型人體信道建模方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種場(chǎng)路結(jié)合的穿戴式設(shè)備電容型人體信道建模方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 人體通信是以人體為傳輸媒介的電信號(hào)傳播技術(shù)，在體域網(wǎng)尤其是醫(yī)療檢測(cè)、運(yùn) 動(dòng)監(jiān)護(hù)、消費(fèi)電子、士兵監(jiān)測(cè)等短距離無(wú)線通信領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景和市場(chǎng)潛力。人體 信道模型的建立為后續(xù)研究人體信道容量、人體信道估計(jì)、設(shè)計(jì)編碼方式、優(yōu)化調(diào)制方式等 應(yīng)用開(kāi)發(fā)提供基礎(chǔ)。專利（申請(qǐng)?zhí)?00910081416.X)提出了一種面向人體通信的有限元人 體建模方法。將人體各部位根據(jù)外形特性進(jìn)行幾何抽象，定義人體各部位的內(nèi)部幾何結(jié)構(gòu)， 設(shè)置人體各部位介質(zhì)層的電磁特性參數(shù)，連接人體各部位形成完整的有限元人體模型。專 利（申請(qǐng)?zhí)?01410281066. 2)提出一種基于非均勻介質(zhì)的人體通信信道建模方法和系統(tǒng)。將 人體按結(jié)構(gòu)分成多個(gè)結(jié)構(gòu)模型并將結(jié)構(gòu)模型抽象成規(guī)則幾何體，對(duì)結(jié)構(gòu)模型內(nèi)部進(jìn)行介質(zhì) 層劃分，設(shè)置各介質(zhì)層的厚度，并計(jì)算模型的等效電學(xué)參數(shù)。
[0003] 上述專利中人體信道建模主要以電路模型和有限元模型為主，以等效阻抗來(lái)描述 人體信道模型，闡述人體通信的信號(hào)傳輸機(jī)制，對(duì)人體通信設(shè)備參數(shù)(包括電極的配置、電 極的位置和載波頻率等）的優(yōu)化是不可或缺的，但是電路模型并不能形象的揭示外加激勵(lì) 信號(hào)在人體內(nèi)的傳播方式、電流或者電壓信號(hào)在人體各層組織中的分布情況，更不能區(qū)分 不同身體部位的傳輸作用。而針對(duì)人體信道的有限元建模雖然能夠很好的重建由發(fā)送電信 號(hào)引起的體內(nèi)電位分布情況，實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳輸?shù)目梢暬?，但在人體信道實(shí)際測(cè)量環(huán)境中，往往 忽略了各電極間的寄生容性阻抗以及穿戴式設(shè)備電路，如穿戴式設(shè)備內(nèi)部信號(hào)源、接收器 等的輸入輸出阻抗對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊?，?dǎo)致建模的不完整，不能全面反映實(shí)測(cè)環(huán)境的真實(shí) 情況，使測(cè)量得到的人體信道特性不夠準(zhǔn)確。
[0004] 在實(shí)際測(cè)量環(huán)境中，一個(gè)完整的人體通信系統(tǒng)主要由信號(hào)源、發(fā)送和接收電極，人 體模型，接收器組成。信號(hào)源產(chǎn)生的電信號(hào)經(jīng)發(fā)送電極注入人體，在接收端，通過(guò)接收電極 接收信號(hào)。電極是由經(jīng)過(guò)一定處理的金屬板或金屬絲的金屬材料和具有電解質(zhì)溶液的導(dǎo)電 膠形成，直接與人體接觸，電極之間存在寄生容性阻抗。電極間的寄生容性阻抗是影響信號(hào) 傳輸特性的重要因素之一。當(dāng)輸入人體的信號(hào)頻率足夠高時(shí)，電極之間的寄生容性阻抗不 可忽略。由于測(cè)試儀器和被測(cè)儀器之間的能量交換，會(huì)在一定程度上改變被測(cè)對(duì)象的工作 狀態(tài)，因此連接信號(hào)源、接收器等儀器時(shí)，要考慮儀器輸入輸出阻抗對(duì)測(cè)量準(zhǔn)確度的影響。
[0005] 現(xiàn)有的人體信道模型往往忽略了各電極間的寄生容性阻抗以及穿戴式設(shè)備電路， 如穿戴式設(shè)備內(nèi)部信號(hào)源、接收器等的輸入輸出阻抗對(duì)信號(hào)傳輸?shù)挠绊懀瑸榱丝朔@些不 足，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種場(chǎng)路結(jié)合的穿戴式設(shè)備電容型人體信道建模方法，將穿戴式設(shè)備的 通信部分(包含發(fā)送模塊和接收模塊)、電極間的寄生容性阻抗、外界環(huán)境的耦合容性阻抗 等人體外部因素等效成外部電路模型，再結(jié)合構(gòu)造的人體電場(chǎng)模型，通過(guò)場(chǎng)路接口單元構(gòu) 建得到場(chǎng)路結(jié)合的穿戴式設(shè)備電容型人體信道模型。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提供一種場(chǎng)路結(jié)合的穿戴式設(shè)備電容型人體信道建模方法，在 相應(yīng)軟件中建立場(chǎng)路結(jié)合的人體信道模型，進(jìn)行人體信道估計(jì)、有限元仿真等研究，能全面 反映實(shí)測(cè)環(huán)境的真實(shí)情況，準(zhǔn)確性更高；為人體信道特性的研究提供更為精確的建模方法， 對(duì)人體通信理論（載波頻率、編碼方式、傳輸速率等）的豐富和發(fā)展提供依據(jù)。
[0007] 為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種場(chǎng)路結(jié)合的穿戴式設(shè)備電容型人體 信道建模方法，包括如下步驟， 步驟S1 :根據(jù)人體外觀特征及內(nèi)部組織間的分層規(guī)律，建立全身人體或局部人體的幾 何特征模型，而后對(duì)全身人體或局部人體的幾何特征模型各組織設(shè)置相應(yīng)的電磁參數(shù)，包 括電導(dǎo)率、相對(duì)介電常數(shù)、磁導(dǎo)率； 步驟S2:穿戴式設(shè)備的通信部分包含發(fā)送模塊與接收模塊，其中發(fā)送模塊由信號(hào)源、 輸入阻抗組成，接收模塊由接收器、輸出阻抗組成，并且在此基礎(chǔ)上考慮電極間寄生容性阻 抗、外界環(huán)境的耦合容性阻抗影響，將穿戴式設(shè)備的通信部分、電極間的寄生容性阻抗、外 界環(huán)境的耦合容性阻抗等效成電路模型； 步驟S3 :采用電容耦合信號(hào)傳輸方式，通過(guò)等效的電容型場(chǎng)路接口單元將步驟S1建立 的人體電場(chǎng)模型與步驟S2建立的電路模型相結(jié)合構(gòu)成場(chǎng)路結(jié)合的穿戴式設(shè)備電容型人體 信道模型； 步驟S4 :以Maxwell方程作為步驟S3建立的場(chǎng)路結(jié)合的穿戴式設(shè)備電容型人體信道 模型的控制方程；并以步驟S1建立的分層幾何模型作為人體信道模型的邊界條件，以各組 織相應(yīng)的電磁特性作為人體信道模型的本構(gòu)關(guān)系；采用電磁場(chǎng)的解析法、半解析法或數(shù)值 求解方法，獲得電信號(hào)由發(fā)送端傳輸至接收端的傳輸方程，計(jì)算出路徑損耗、相位偏移、估 計(jì)信道容量、傳輸速率、誤碼率，進(jìn)而獲得場(chǎng)路結(jié)合的穿戴式設(shè)備電容型人體信道模型。
[0008] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，所述全身人體或局部人體的幾何特征模型包括圓柱體、橢 球體、長(zhǎng)方體或真實(shí)人體的幾何模型。
[0009] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，在步驟S4中，所述Maxwell方程：
式中，為磁場(chǎng)強(qiáng)度；為自由電流密度^:為電位移矢量； 為電場(chǎng)強(qiáng)度；為磁感應(yīng)強(qiáng)度為電荷密度。
[0010] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，在步驟S3中，根據(jù)電容型場(chǎng)路接口單元與人體皮膚接觸與 否，將所述的電容型場(chǎng)路接口單元分為非接觸型場(chǎng)路接口單元和接觸型場(chǎng)路接口單元。
[0011] 在本發(fā)明一實(shí)施例中，將所述穿戴式設(shè)備分為穿戴式設(shè)備A、穿戴式設(shè)備B，則所 述穿戴式設(shè)備的通信部分與人體電場(chǎng)模型的連接方式包括：（1)穿戴式設(shè)備A的通信部分 與穿戴式設(shè)備B的通信部分各自通過(guò)非接觸型場(chǎng)路接口單元與人體電場(chǎng)模型相結(jié)合；（2) 穿戴式設(shè)備A的通信部分與穿戴式設(shè)備B的通信部分各自通過(guò)接觸型場(chǎng)路接口單元與人體 電場(chǎng)模型相結(jié)合；（3)穿戴式設(shè)備A的通信部分與穿戴式設(shè)備B的通信部分分別通過(guò)非接 觸型場(chǎng)路接口單元、接觸型場(chǎng)路接口單元與人體電場(chǎng)模型相結(jié)合。
[0012] 相較于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益效果：本發(fā)明改善了現(xiàn)有的信道建模方法 忽略各電極間的寄生容性阻抗、外界環(huán)境耦合容性阻抗以及穿戴式設(shè)備電路等的不足，完 善了建模的完整性，采用場(chǎng)路結(jié)合的穿戴式設(shè)備電容型人體信道建模方法進(jìn)行人體信道估 計(jì)，能全面反映實(shí)測(cè)環(huán)境的真實(shí)情況，與真實(shí)人體的信道特性吻合度更高。
【附圖說(shuō)明】
[0013] 圖1為本發(fā)明穿戴式設(shè)備A的通信部分與穿戴式設(shè)備B的通信部分各自通過(guò)非接 觸型場(chǎng)路接口單元與人體電場(chǎng)模型相結(jié)合示意圖。
[0014] 圖2為本發(fā)明穿戴式設(shè)備A的通信部分與穿戴式設(shè)備B的通信部分各自通過(guò)接觸 型場(chǎng)路接口單元與人體電場(chǎng)模型相結(jié)合示意圖。
[0015] 圖3為本發(fā)明穿戴式設(shè)備A的通信部分通過(guò)非接觸型場(chǎng)路接口單元、穿戴式設(shè)備 B的通信部分通過(guò)接觸型場(chǎng)路接口單元與人體電