[发明专利]一种基于多层传输线模型的穿戴式设备人体信道建模方法

权利要求书

1.一种基于多层传输线模型的穿戴式设备人体信道建模方法，其特征在于：首先，构造人体或人体组织部位的分层几何模型；其次，按电流密度在人体或人体组织部位中的分布情况将电流密度分解为轴向、环向与径向三个方向，由此将人体或人体组织部位阻抗分割为每层组织中轴向传输阻抗、环向传输阻抗及不同组织层间的径向传输阻抗；然后，将每层组织的轴向传输等效为平行传输线，则轴向阻抗为传输线上的阻抗，环向阻抗为传输线间的阻抗，径向阻抗为层间传输线阻抗，并依此建立多层传输线电路模型；再根据多层传输线电路模型推导多层传输线电路方程，获得多层传输线的数学模型；最后，计算每层组织的轴向分布阻抗、环向分布阻抗及层间径向分布阻抗，求解多层传输线数学方程，获得多层传输线的电压、电流表达式，从而获得人体或人体组织部位的信道特性；该方法具体实现如下，

S1、构造人体或人体组织部位的几何模型：

对于人体手臂，建立人体手臂分层几何模型，包括皮肤、脂肪、肌肉、骨骼；其中，r_a、d_s、d_f、d_m、d_cb分别为人体手臂圆柱半径、皮肤厚度、脂肪厚度、肌肉厚度与骨质厚度；d_e为发送电极、接收电极间的距离；l_arm为手臂长度；l_s为信道长度；发送电极、接收电极均粘贴在人体皮肤上；

同理，构造人体其他组织部位的几何模型；

S2、构建人体信道多层传输线电路模型：

对于皮肤层，将每层组织中的电流分解为轴向、环向与径向三个方向，由此将人体手臂皮肤层分割为轴向传输区域、环向传输区域、不同组织层间的径向传输区域；将轴向传输区域等效为皮肤层的两根平行传输线上的分布阻抗，环向传输区域等效为皮肤层平行传输线间的分布阻抗，由此获得皮肤层平行传输线结构，其中R_sz、L_sz分别为皮肤层轴向等效分布电阻、电感，G_sh、C_sh分别为皮肤层环向等效分布电导、电容；

同理，可获得脂肪层、肌肉层的平行传输线电路结构；

利用皮肤层与脂肪层间的径向分布阻抗及脂肪层与肌肉层间的径向分布阻抗将皮肤层、脂肪层、肌肉层的平行传输线电路进行串行连接，形成多层传输线电路模型；其中，R_sz、L_sz、R_fz、L_fz、R_mz、L_mz分别为皮肤层、脂肪层、肌肉层的等效轴向分布电阻、电感；G_sh、C_sh、G_fh、C_fh、G_mh、C_mh分别为皮肤层、脂肪层、肌肉层的等效环向分布电导、电容；G_sf、C_sf、G_fm、C_fm分别为皮肤脂肪层间、脂肪肌肉层间的等效径向分布电导、电容；在此忽略了信号在骨骼中的传播，因为骨骼的电导率比肌肉低得多，且骨骼两端的等效电路为对称电路，骨骼中几乎没有电流流过；

S3、推导多层传输线电路方程，建立基于多层传输线的人体信道数学模型：

根据多层传输线电路模型，定义信号轴向传输方向为方向，假设z坐标处各层传输线上的电压、电流分别为u(z,t)、i(z,t)，z+Δz处的电压、电流分别为u(z+Δz,t)、i(z+Δz,t)，则可用电压u、电流参数写出其电路关系方程为：

其中：

S4、求解多层传输线电路方程，获得描述人体信道特性的电压、电流数学表达式：

利用拉普拉斯变换：L(F')＝sF(s)-F(0)，将式(1)进行拉普拉斯变换：

定义z＝0处为发送电极所在位置，则，U(0)、I(0)为z＝0处的电压、电流初始值：

其中V_i是发送电极两端电压幅值；

由式(2)及电压电流初始值可求解出多层传输线电路模型电压、电流的拉普拉斯表达式为：

将上式进行拉普拉斯反变换，得到多层传输线电路模型沿z轴传播的电压、电流表达式：

其中，L^-1表示求拉普拉斯逆变换；

S5、计算每层组织中的轴向、环向、径向分布阻抗，获得阻抗矩阵A、B，再利用式(3)、(4)计算出具体的多层传输线电压、电流沿z轴传输的数学表达式：

利用人体皮肤、脂肪、肌肉相应的电磁参数，包括电导率、相对介电常数、相对磁导率，按照分割区域分别计算皮肤、脂肪、肌肉的轴向、环向、径向分布阻抗，获得矩阵A、B；将矩阵A、B代入式(3)、(4)，得出电压、电流沿z轴传输的数学表达式；

S6：根据多层传输线电压、电流的数学表达式，可获得任意接收端电信号电压、电流的幅值、相位，从而计算出由发送端至接收端信道的包括路径损耗、相位偏移，估计信道容量、传输速率、误码率的参数，最终获得基于多层传输线模型的穿戴式设备人体信道特性。