[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

说明书

本发明涉及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。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，并建立多层传输线电路模型，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。本发明充分考虑了多层人体组织对信号传输特性的影响，能全面反映实测环境的真实情况，与真实人体的信道特性吻合度更高。

技术领域

本发明涉及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。

背景技术

专利(申请号200910081416.X)提出了一种面向人体通信的有限元人体建模方法。将人体各部位根据外形特性进行几何抽象，定义人体各部位的内部几何结构，设置人体各部位介质层的电磁特性参数，连接人体各部位形成完整的有限元人体模型。专利(申请号201410281066.2)提出一种基于非均匀介质的人体通信信道建模方法和系统。将人体按结构分成多个结构模型并将结构模型抽象成规则几何体，对结构模型内部进行介质层划分，设置各介质层的厚度，并计算模型的等效电学参数。专利(申请号201510736412.6)提出了一种场路结合的穿戴式设备多耦合型人体信道建模方法。将电极间的寄生容性阻抗、外界环境的耦合容性阻抗等人体外部因素等效成外部电路模型，再结合构造人体的电场模型形成一种场路结合的穿戴式设备多耦合人体信道模型。

人体通信是以人体为传输媒介的电信号传播技术，在穿戴式设备、人体体域网等短距离无线通信领域具有广泛的应用前景和市场潜力，如医疗检测、运动监护、消费电子、士兵监测等。人体信道模型的建立为后续研究人体信道容量、人体信道估计、设计编码方式、优化调制方式等应用开发提供基础，特别对人体通信收发器的应用设计尤为重要。已有的人体信道建模主要以电路模型和有限元模型为主，但这些模型多集中在低频人体信道特性的研究上(一般小于10MHz)，当信号频率上升到一定值，电磁场传播效应不能忽略，信号将以电磁波形式传输，采用集总参数建立的电路模型与采用准静电场建立的有限元模型均不再适用于人体信道特性分析。另外，在电流耦合人体通信信道特性研究中，已有电路模型和有限元模型存在一个至今还未得到较好解决的问题：模型计算或仿真结果与实际环境实验测量结果相差较大。电流耦合人体通信实验测量结果显示，载波频率为1kHz-1MHz时，人体信道的中心频率大约为几十kHz，在100kHz-1MHz频段信道的电压增益呈衰减趋势。但已有电路模型与有限元模型计算结果显示，人体信道的电压增益变化规律是随频率增高而增大，与实验呈现的带通特性不吻合。因此，已有的建模方法不能完全正确地模拟真实的人体信道传输特性。

在实际测量环境中，一个完整的人体通信系统主要由信号源、发送和接收电极，人体模型，接收器组成。信号源产生的电信号经发送电极注入人体，在接收端，通过接收电极接收信号。电信号注入人体后，会沿着人体信道进行传输，但由于人体信道比较特殊，它由多种生物组织构成，且不同组织的介电特性不同，因此信号传输时沿着信道方向具有相位特性与指数衰减特性，相位与衰减系数由人体组织的介电参数决定。

人体信道表现出的相位与衰减特性与传输线理论非常相似，因此可尝试将传输线理论应用到人体信道建模。但传统的传输线理论是利用金属导体引导信号传输，所涉及的媒质主要是某种金属导体与空气，电流只分布在金属导体中，不会扩散到导体外。而人体信道与单一金属导体不同，它含有多层生物组织，每层生物组织电磁特性也不同，电流不是只分布在某单一组织中，而是扩散分布在所有生物组织中，因此不能简单地把现有的通用型传输线模型理论运用到人体信道建模。