一种场路结合的穿戴式设备电流型人体信道建模方法技术

本发明专利技术涉及一种场路结合的穿戴式设备电流型人体信道建模方法，采用电流耦合信号传输方式，先建立人体通信的电场模型，在此基础上，将穿戴式设备的通信部分、电极间的寄生容性阻抗、实际测量中外部环境的耦合容性阻抗等等效成外部电路模型，加入到电场模型中得到场路结合的模型。本发明专利技术改善了现有的信道建模方法忽略各电极间的寄生容性阻抗、外界环境耦合容性阻抗以及穿戴式设备电路等的不足，完善了建模的完整性，采用场路结合的穿戴式设备电流型人体信道方法进行人体信道估计，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。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及。
技术介绍
人体通信是以人体为传输媒介的电信号传播技术，在体域网尤其是医疗检测、运 动监护、消费电子、士兵监测等短距离无线通信领域具有广泛的应用前景和市场潜力。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。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。 上述专利中人体信道建模主要以电路模型和有限元模型为主，以等效阻抗来描述 人体信道模型，阐述人体通信的信号传输机制，对人体通信设备参数(包括电极的配置、电 极的位置和载波频率等）的优化是不可或缺的，但是电路模型并不能形象的揭示外加激励 信号在人体内的传播方式、电流或者电压信号在人体各层组织中的分布情况，更不能区分 不同身体部位的传输作用。而针对人体信道的有限元建模虽然能够很好的重建由发送电信 号引起的体内电位分布情况，实现信号传输的可视化，但在人体信道实际测量环境中，往往 忽略了各电极间的寄生容性阻抗以及穿戴式设备电路，如穿戴式设备内部信号源、接收器 等的输入输出阻抗对信号传输的影响，导致建模的不完整，不能全面反映实测环境的真实 情况，使测量得到的人体信道特性不够准确。 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。电极是由经过一定处理的金属板或金属丝的金属材料和具有电解质溶液的导电 胶形成，直接与人体接触，电极之间存在寄生容性阻抗。电极间的寄生容性阻抗是影响信号 传输特性的重要因素之一。当输入人体的信号频率足够高时，电极之间的寄生容性阻抗不 可忽略。由于测试仪器和被测仪器之间的能量交换，会在一定程度上改变被测对象的工作 状态，因此连接信号源、接收器等仪器时，要考虑仪器输入输出阻抗对测量准确度的影响。 现有的人体信道模型往往忽略了各电极间的寄生容性阻抗以及穿戴式设备电路， 如穿戴式设备内部信号源、接收器等的输入输出阻抗对信号传输的影响，为了克服这些不 足，本专利技术设计了，将穿戴式设备通 信部分(包含发送模块和接收模块)、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，再结合构造的人体电场模型，通过场路接口单元构建 得到场路结合的穿戴式设备电流型人体信道模型。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供，在 相应软件中建立场路结合的人体信道模型，进行人体信道估计、有限元仿真等研究，能全面 反映实测环境的真实情况，准确性更高；为人体信道特性的研究提供更为精确的建模方法， 对人体通信理论（载波频率、编码方式、传输速率等）的丰富和发展提供依据。 为实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种场路结合的穿戴式设备电流型人体 信道建模方法，包括如下步骤， 步骤S1 :根据人体外观特征及内部组织间的分层规律，建立全身人体或局部人体的几 何特征模型，而后对全身人体或局部人体的几何特征模型各组织设置相应的电磁参数，包 括电导率、相对介电常数、磁导率； 步骤S2:穿戴式设备的通信部分包含发送模块与接收模块，其中发送模块由信号源、 输入阻抗组成，接收模块由接收器、输出阻抗组成，并且在此基础上考虑电极间寄生容性阻 抗、外界环境的耦合容性阻抗影响，将穿戴式设备的通信部分、电极间的寄生容性阻抗、外 界环境的耦合容性阻抗等效成电路模型； 步骤S3 :采用电流耦合信号传输方式，通过等效的电流型场路接口单元将步骤S1建立 的人体电场模型与步骤S2建立的电路模型相结合构成场路结合的穿戴式设备电流型人体 信道模型； 步骤S4 :以Maxwell方程或者相应的简化形式作为步骤S3建立的场路结合的穿戴式 设备电流型人体信道模型的控制方程；并以步骤S1建立的全身人体或局部人体的几何特 征模型作为人体信道模型的边界条件，以各组织相应的电磁特性作为人体信道模型的本构 关系；采用电磁场的解析法、半解析法或数值求解方法，获得电信号由发送端传输至接收端 的传输方程，计算出路径损耗、相位偏移、估计信道容量、传输速率、误码率，进而获得场路 结合的穿戴式设备电流型人体信道模型。 在本专利技术一实施例中，所述全身人体或局部人体的几何特征模型包括圆柱体、椭 球体、长方体或真实人体的几何模型。 在本专利技术一实施例中，在步骤S3中，所述的电流型场路接口单元包括接触电阻、 极化电压、接触电容，所述接触电阻与极化电压串联连接后与所述接触电容并联连接。在本 专利技术一实施例中，在步骤S4中，所述Maxwell方程：式中，震議为磁场强度；:_麵|#为自由电流密度；:圓_?^为电位移矢量； 为电场强度；_0?#^3(为磁感应强度；为电荷密度。 在本专利技术一实施例中，在步骤S4中，所述Maxwell方程的相应简化形式为Laplace 方程其中，βτ表示电导率，ω表示角频率，⑷代表真空介电常 数肩:代表相对介电常数屬为标量电位。 相较于现有技术，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术改善了现有的信道建模方法 忽略各电极间的寄生容性阻抗、外界环境耦合容性阻抗以及穿戴式设备电路等的不足，完 善了建模的完整性，采用场路结合的穿戴式设备电流型人体信道方法进行人体信道估计， 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。【附图说明】 图1为本专利技术场路结合的穿戴式设备电流型人体信道模型示意图。图2为本专利技术以人体手臂为例的场路结合的穿戴式设备电流型人体信道模型示 意图。 图3为本专利技术的实验结果图。 图中：1-穿戴式设备A的通信部分，2-电流型场路接口单元，3、6_人体电场模型， 4_外界环境的耦合容性阻抗，5-穿戴式设备B的通信部分，7-寄生容性阻抗。【具体实施方式】[001当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种场路结合的穿戴式设备电流型人体信道建模方法，其特征在于：包括如下步骤，步骤S1：根据人体外观特征及内部组织间的分层规律，建立全身人体或局部人体的几何特征模型，而后对全身人体或局部人体的几何特征模型各组织设置相应的电磁参数，包括电导率、相对介电常数、磁导率；步骤S2：穿戴式设备的通信部分包含发送模块与接收模块，其中发送模块由信号源、输入阻抗组成，接收模块由接收器、输出阻抗组成，并且在此基础上考虑电极间寄生容性阻抗、外界环境的耦合容性阻抗影响，将穿戴式设备的通信部分、电极间的寄生容性阻抗、外界环境的耦合容性阻抗等效成电路模型；步骤S3：采用电流耦合信号传输方式，通过等效的电流型场路接口单元将步骤S1建立的人体电场模型与步骤S2建立的电路模型相结合构成场路结合的穿戴式设备电流型人体信道模型；步骤S4：以Maxwell方程或者相应的简化形式作为步骤S3建立的场路结合的穿戴式设备电流型人体信道模型的控制方程；并以步骤S1建立的全身人体或局部人体的几何特征模型作为人体信道模型的边界条件，以各组织相应的电磁特性作为人体信道模型的本构关系；采用电磁场的解析法、半解析法或数值求解方法，获得电信号由发送端传输至接收端的传输方程，计算出路径损耗、相位偏移、估计信道容量、传输速率、误码率，进而获得场路结合的穿戴式设备电流型人体信道模型。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：高跃明，杜民，韦孟宇，叶燕婷，吴珠梅，
申请(专利权)人：福州大学，
类型：发明
国别省市：福建;35