一种场路结合的穿戴式设备电容型人体信道建模方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种场路结合的穿戴式设备电容型人体信道建模方法。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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。
[0004] 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。
[0005] 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，本发明设计了一种场路结合的穿戴式设备电容型人体信道建模方法，将穿戴式设备的 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容型人体信道模型。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的在于提供一种场路结合的穿戴式设备电容型人体信道建模方法，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。
[0007] 为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种场路结合的穿戴式设备电容型人体 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 :采用电容耦合信号传输方式，通过等效的电容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容型人体 信道模型； 步骤S4 :以Maxwell方程作为步骤S3建立的场路结合的穿戴式设备电容型人体信道 模型的控制方程；并以步骤S1建立的分层几何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容型人体信道模型。
[0008] 在本发明一实施例中，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。
[0009] 在本发明一实施例中，在步骤S4中，所述Maxwell方程：
式中，为磁场强度；为自由电流密度^:为电位移矢量； 为电场强度；为磁感应强度为电荷密度。
[0010] 在本发明一实施例中，在步骤S3中，根据电容型场路接口单元与人体皮肤接触与 否，将所述的电容型场路接口单元分为非接触型场路接口单元和接触型场路接口单元。
[0011] 在本发明一实施例中，将所述穿戴式设备分为穿戴式设备A、穿戴式设备B，则所 述穿戴式设备的通信部分与人体电场模型的连接方式包括：（1)穿戴式设备A的通信部分 与穿戴式设备B的通信部分各自通过非接触型场路接口单元与人体电场模型相结合；（2) 穿戴式设备A的通信部分与穿戴式设备B的通信部分各自通过接触型场路接口单元与人体 电场模型相结合；（3)穿戴式设备A的通信部分与穿戴式设备B的通信部分分别通过非接 触型场路接口单元、接触型场路接口单元与人体电场模型相结合。
[0012] 相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明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容型人体信道建模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】
[0013] 图1为本发明穿戴式设备A的通信部分与穿戴式设备B的通信部分各自通过非接 触型场路接口单元与人体电场模型相结合示意图。
[0014] 图2为本发明穿戴式设备A的通信部分与穿戴式设备B的通信部分各自通过接触 型场路接口单元与人体电场模型相结合示意图。
[0015] 图3为本发明穿戴式设备A的通信部分通过非接触型场路接口单元、穿戴式设备 B的通信部分通过接触型场路接口单元与人体电