一種室內智慧醫療環境中無線傳播特性測量與仿真方法與流程

本發明涉及無線通信的技術領域，尤其涉及一種室內智慧醫療環境中無線傳播特性測量與仿真方法。

背景技術：

隨著寬帶無線通信、可穿戴設備、無線傳感器網絡、機器學習等理論的迅速發展，人們的日常生活的方方面面正被科技進步影響著。從互聯網到物聯網、車聯網再到將來的萬物互聯，所有人都享受到了科技發展帶來的便利。未來的無線通信系統將向更高頻段演進，通過廣泛分布、互聯互通的傳感器(如體域網)和接入點可以構造一種無處不在、無所不能、透明的智能環境。

隨著人口老齡化的趨勢加重，醫院擁擠看病難、床位少的問題越發嚴重。智慧醫療可以很大程度上緩解上述問題，更重要的是，在體域網和接入點的協同作用下，對于很多疾病都可做到防范于未然，省去定期體檢費用，也讓老年人對自己的身體狀況有了更清晰的認識。

構筑未來智能環境網絡首要關鍵問題就是保證體域網和接入點之間的可靠傳輸。然而按照我國IMT-2020(5G)推進組的規劃，未來無線通信系統將采用密集蜂窩組網方式并向6GHz以上頻段演進，傳播損耗將明顯增加，密集蜂窩應用場景中的人和隨機散射體所構成的復雜傳播環境，以及缺少可用的通用體域傳播特性模型，無線信號的有效覆蓋和可靠傳輸將面臨極大困難。現有的無線信道仿真方法主要是通過假設信道的衰落特性，人為設定相關的參數，實現信道仿真的功能，導致所得的信道環境與實際信道環境有較大差別，并且不能表征特定室內場景的傳播特性。因此，一種基于實際測量數據建模，可應用室內智慧醫療環境中無線傳播特性測量與仿真方法，有著重要的實際價值。

本發明提供一種測量并建立體域網與接入點之間的通用無線傳播特性和信道參數模型的方法。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是針對背景技術中所涉及到的缺陷，提供一種在智慧醫療環境中進行無線傳播測量與仿真方法。

本發明為解決上述技術問題采用以下技術方案：

一種室內智慧醫療環境中無線傳播特性測量與仿真方法，包含以下步驟：

步驟1)，對室內智慧醫療環境中穿戴式節點天線和接入點天線之間的信道進行測量，通過掃頻測得實測信道頻率響應；

步驟2)，對得到的實測信道頻率響應進行IFFT，獲得實測信道單位脈沖響應；

步驟3)，分離所得實測信道單位脈沖響應中的多徑數、時延、幅度和相位，并分別進行建模獲得其各自的模型；

步驟4)，采用極大似然估計法提取幅度模型和相位模型中的參數；

步驟5)，將多徑數模型、時延模型、幅度模型和相位模型的參數存入數據庫；

步驟6)，從數據庫讀取多徑數模型、時延模型、幅度模型和相位模型的參數，生成仿真信道的單位脈沖響應；

步驟7)，根據仿真信道的單位脈沖響應對信道傳輸過程進行仿真，計算接收信號在實測信道單位脈沖響應和仿真的信道單位脈沖響應下傳輸的誤比特率，獲得仿真通信過程的性能，完成信道仿真。

作為本發明一種室內智慧醫療環境中無線傳播特性測量與仿真方法進一步的優化方案，步驟3)中的多徑數模型、時延模型、幅度模型和相位模型分別按照以下公式進行建模：

多徑數模型：N＝T0/τ0，其中，T0為觀察窗口的時間長度，τ0為信道測量系統的時間分辨率；

時延模型：τk＝τ0(k-1),其中，k＝1,2,…,N；

幅度模型：其中，α_k表示信道幅度的尺度參數，β_k表示信道幅度的形狀參數；

相位模型：其中，u_k表示信道的相位的均勻分布上界，l_k表示信道的相位的均勻分布下界。

作為本發明一種室內智慧醫療環境中無線傳播特性測量與仿真方法進一步的優化方案，步驟1)中對信道進行測量時采用型號為AGILENT 8720ET的矢量網絡分析儀，矢量網絡分析儀一端與發射天線相連，另一端與接收天線相連，通過與計算機相連實時地記錄實驗數據。

作為本發明一種室內智慧醫療環境中無線傳播特性測量與仿真方法進一步的優化方案，步驟7)中信道仿真采用的是正交頻分復用系統通信，正交頻分復用系統基本參數為：

導頻形狀為塊狀導頻，導頻間隔為5個碼元周期；

信道估計算法為Least Square；

OFDM符號數為50，子載波數為64；

FFT/IFFT點數為64；循環前綴長度為12；

OFDM系統的傳輸帶寬，信噪比和星座圖映射方式可調。

本發明采用以上技術方案與現有技術相比，具有以下技術效果：

本發明提出的室內智慧醫療環境中無線傳播特性測量與仿真方法，其仿真過程的模型是根據實際測量數據得出的，可以分析不同通信過程的誤比特性能，結果比傳統信道仿真更可靠、更符合實際。傳統的測量與仿真通常是通過硬件來實現的，需要的成本較高。本發明提供的測量與仿真方法可以搭建一個信道仿真器，具有易于操作，使用成本低，可擴展性強等特點。

與理想的無線傳播模型相比，該模型能更精確地描述醫療環境中體域網和接入點之間的無線傳播特性，有助解決未來智慧醫療系統中無線鏈路預算、信號覆蓋、物理層算法開發等后續問題。

附圖說明

圖1是本發明的信道仿真流程圖；

圖2是本發明的軟件主界面圖；

圖3是本發明的路徑損耗圖；

圖4(a)、圖4(b)、圖4(c)分別是根據本發明得到的64QAM情況下腳踝、肩部、手腕的星座圖及誤碼率。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明的技術方案做進一步的詳細說明：

本發明公開了一種室內智慧醫療環境中無線傳播特性測量與仿真方法，包含以下步驟：

步驟1)，對室內智慧醫療環境中穿戴式節點天線和接入點天線之間的信道進行測量，通過掃頻測得實測信道頻率響應；

步驟2)，對得到的實測信道頻率響應進行IFFT，獲得實測信道單位脈沖響應；

步驟3)，分離所得實測信道單位脈沖響應中的多徑數、時延、幅度和相位，并分別進行建模獲得其各自的模型；

步驟4)，采用極大似然估計法提取幅度模型和相位模型中的參數；

步驟5)，將多徑數模型、時延模型、幅度模型和相位模型的參數存入數據庫；

步驟6)，從數據庫讀取多徑數模型、時延模型、幅度模型和相位模型的參數，生成仿真信道的單位脈沖響應；

步驟7)，根據仿真信道的單位脈沖響應對信道傳輸過程進行仿真，計算接收信號在實測信道單位脈沖響應和仿真的信道單位脈沖響應下傳輸的誤比特率，如附圖1所示，在不同信噪比(SNR)條件下，計算出誤比特率，從而獲得通信過程的性能，通過誤比特率驗證實際環境下的信道得到仿真，完成信道仿真的功能。

步驟3)中的多徑數模型、時延模型、幅度模型和相位模型分別按照以下公式進行建模：

多徑數模型：N＝T0/τ0，其中，T0為觀察窗口的時間長度，τ0為信道測量系統的時間分辨率；

時延模型：τk＝τ0(k-1),其中，k＝1,2,…,N；

幅度模型：其中，α_k表示信道幅度的尺度參數，β_k表示信道幅度的形狀參數；

相位模型：其中，u_k表示信道的相位的均勻分布上界，l_k表示信道的相位的均勻分布下界。

本發明中的實測數據是通過頻域測量系統得到的，該測試系統將發送天線和接收天線分別通過低損耗電纜連接至矢量網絡分析儀的兩端，通過掃頻的方法，可以測得信道的頻率響應。

在測量信道時使用型號為AGILENT 8720ET的矢量網絡分析儀，網絡分析儀一端與發射天線相連，另一端與接收天線相連，通過與計算機相連實時地記錄實驗數據。

步驟7)中信道仿真采用的是正交頻分復用(OFDM)通信，OFDM系統基本參數為：導頻形狀為塊狀導頻，導頻間隔為5個碼元周期；信道估計算法為Least Square；OFDM符號數為50，子載波數為64；FFT/IFFT點數為64；循環前綴長度為12；OFDM系統的傳輸帶寬，信噪比和星座圖映射方式可調。

圖2是本發明的軟件主界面圖，圖3是本發明的路徑損耗圖。

在智慧醫療環境下，假定傳輸信號的調制方式為64QAM，在信噪比為30dB，帶寬為48MHz的無線信道中傳輸信號，根據對于不同的測試者分別穿戴天線于人體不同部位即手腕、腰部和腳踝所測得的數據，通過本方法所得仿真器的星座圖及誤碼率如附圖4(a)、(b)、(c)所示。

本技術領域技術人員可以理解的是，除非另外定義，這里使用的所有術語(包括技術術語和科學術語)具有與本發明所屬領域中的普通技術人員的一般理解相同的意義。還應該理解的是，諸如通用字典中定義的那些術語應該被理解為具有與現有技術的上下文中的意義一致的意義，并且除非像這里一樣定義，不會用理想化或過于正式的含義來解釋。

以上所述的具體實施方式，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施方式而已，并不用于限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。