一種場路結合的穿戴式設備電容型人體信道建模方法
【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種場路結合的穿戴式設備電容型人體信道建模方法。
【背景技術】
[0002] 人體通信是以人體為傳輸媒介的電信號傳播技術，在體域網尤其是醫療檢測、運 動監護、消費電子、士兵監測等短距離無線通信領域具有廣泛的應用前景和市場潛力。人體 信道模型的建立為后續研究人體信道容量、人體信道估計、設計編碼方式、優化調制方式等 應用開發提供基礎。專利（申請號200910081416.X)提出了一種面向人體通信的有限元人 體建模方法。將人體各部位根據外形特性進行幾何抽象，定義人體各部位的內部幾何結構， 設置人體各部位介質層的電磁特性參數，連接人體各部位形成完整的有限元人體模型。專 利（申請號201410281066. 2)提出一種基于非均勻介質的人體通信信道建模方法和系統。將 人體按結構分成多個結構模型并將結構模型抽象成規則幾何體，對結構模型內部進行介質 層劃分，設置各介質層的厚度，并計算模型的等效電學參數。
[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，以等效阻抗來描述 人體信道模型，闡述人體通信的信號傳輸機制，對人體通信設備參數(包括電極的配置、電 極的位置和載波頻率等）的優化是不可或缺的，但是電路模型并不能形象的揭示外加激勵 信號在人體內的傳播方式、電流或者電壓信號在人體各層組織中的分布情況，更不能區分 不同身體部位的傳輸作用。而針對人體信道的有限元建模雖然能夠很好的重建由發送電信 號引起的體內電位分布情況，實現信號傳輸的可視化，但在人體信道實際測量環境中，往往 忽略了各電極間的寄生容性阻抗以及穿戴式設備電路，如穿戴式設備內部信號源、接收器 等的輸入輸出阻抗對信號傳輸的影響，導致建模的不完整，不能全面反映實測環境的真實 情況，使測量得到的人體信道特性不夠準確。
[0004] 在實際測量環境中，一個完整的人體通信系統主要由信號源、發送和接收電極，人 體模型，接收器組成。信號源產生的電信號經發送電極注入人體，在接收端，通過接收電極 接收信號。電極是由經過一定處理的金屬板或金屬絲的金屬材料和具有電解質溶液的導電 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 傳輸特性的重要因素之一。當輸入人體的信號頻率足夠高時，電極之間的寄生容性阻抗不 可忽略。由于測試儀器和被測儀器之間的能量交換，會在一定程度上改變被測對象的工作 狀態，因此連接信號源、接收器等儀器時，要考慮儀器輸入輸出阻抗對測量準確度的影響。
[0005] 現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備電路， 如穿戴式設備內部信號源、接收器等的輸入輸出阻抗對信號傳輸的影響，為了克服這些不 足，本發明設計了一種場路結合的穿戴式設備電容型人體信道建模方法，將穿戴式設備的 通信部分(包含發送模塊和接收模塊)、電極間的寄生容性阻抗、外界環境的耦合容性阻抗 等人體外部因素等效成外部電路模型，再結合構造的人體電場模型，通過場路接口單元構 建得到場路結合的穿戴式設備電容型人體信道模型。
【發明內容】
[0006] 本發明的目的在于提供一種場路結合的穿戴式設備電容型人體信道建模方法，在 相應軟件中建立場路結合的人體信道模型，進行人體信道估計、有限元仿真等研究，能全面 反映實測環境的真實情況，準確性更高；為人體信道特性的研究提供更為精確的建模方法， 對人體通信理論（載波頻率、編碼方式、傳輸速率等）的豐富和發展提供依據。
[0007] 為實現上述目的，本發明的技術方案是：一種場路結合的穿戴式設備電容型人體 信道建模方法，包括如下步驟， 步驟S1 :根據人體外觀特征及內部組織間的分層規律，建立全身人體或局部人體的幾 何特征模型，而后對全身人體或局部人體的幾何特征模型各組織設置相應的電磁參數，包 括電導率、相對介電常數、磁導率； 步驟S2:穿戴式設備的通信部分包含發送模塊與接收模塊，其中發送模塊由信號源、 輸入阻抗組成，接收模塊由接收器、輸出阻抗組成，并且在此基礎上考慮電極間寄生容性阻 抗、外界環境的耦合容性阻抗影響，將穿戴式設備的通信部分、電極間的寄生容性阻抗、外 界環境的耦合容性阻抗等效成電路模型； 步驟S3 :采用電容耦合信號傳輸方式，通過等效的電容型場路接口單元將步驟S1建立 的人體電場模型與步驟S2建立的電路模型相結合構成場路結合的穿戴式設備電容型人體 信道模型； 步驟S4 :以Maxwell方程作為步驟S3建立的場路結合的穿戴式設備電容型人體信道 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 織相應的電磁特性作為人體信道模型的本構關系；采用電磁場的解析法、半解析法或數值 求解方法，獲得電信號由發送端傳輸至接收端的傳輸方程，計算出路徑損耗、相位偏移、估 計信道容量、傳輸速率、誤碼率，進而獲得場路結合的穿戴式設備電容型人體信道模型。
[0008] 在本發明一實施例中，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、長方體或真實人體的幾何模型。
[0009] 在本發明一實施例中，在步驟S4中，所述Maxwell方程：
式中，為磁場強度；為自由電流密度^:為電位移矢量； 為電場強度；為磁感應強度為電荷密度。
[0010] 在本發明一實施例中，在步驟S3中，根據電容型場路接口單元與人體皮膚接觸與 否，將所述的電容型場路接口單元分為非接觸型場路接口單元和接觸型場路接口單元。
[0011] 在本發明一實施例中，將所述穿戴式設備分為穿戴式設備A、穿戴式設備B，則所 述穿戴式設備的通信部分與人體電場模型的連接方式包括：（1)穿戴式設備A的通信部分 與穿戴式設備B的通信部分各自通過非接觸型場路接口單元與人體電場模型相結合；（2) 穿戴式設備A的通信部分與穿戴式設備B的通信部分各自通過接觸型場路接口單元與人體 電場模型相結合；（3)穿戴式設備A的通信部分與穿戴式設備B的通信部分分別通過非接 觸型場路接口單元、接觸型場路接口單元與人體電場模型相結合。
[0012] 相較于現有技術，本發明具有以下有益效果：本發明改善了現有的信道建模方法 忽略各電極間的寄生容性阻抗、外界環境耦合容性阻抗以及穿戴式設備電路等的不足，完 善了建模的完整性，采用場路結合的穿戴式設備電容型人體信道建模方法進行人體信道估 計，能全面反映實測環境的真實情況，與真實人體的信道特性吻合度更高。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本發明穿戴式設備A的通信部分與穿戴式設備B的通信部分各自通過非接 觸型場路接口單元與人體電場模型相結合示意圖。
[0014] 圖2為本發明穿戴式設備A的通信部分與穿戴式設備B的通信部分各自通過接觸 型場路接口單元與人體電場模型相結合示意圖。
[0015] 圖3為本發明穿戴式設備A的通信部分通過非接觸型場路接口單元、穿戴式設備 B的通信部分通過接觸型場路接口單元與人體電