基于非均匀介质的人体通信信道建模方法和系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种基于非均匀介质的人体通信信道建模方法和系统。所述方法包括以下步骤：将人体按结构划分为多个结构模型；将所述多个结构模型抽象成规则几何体；对各个结构模型内部进行介质层划分，设置各介质层的厚度，并计算各个结构模型的等效的电学参数；将具有不同电学参数的均匀介质结构模型重新组合，并恢复人体轮廓，构建多个不同电学参数的均匀介质结构模型的非均匀介质人体电磁模型。上述基于非均匀介质的人体通信信道建模方法和系统，构成了不同电学参数的均匀介质结构模型的非均匀介质人体电磁模型，相对于统一均匀介质的人体模型，准确性高；将各个结构模型等效为均匀介质的结构模型，简化了后续的计算，节省了计算空间。
【专利说明】基于非均匀介质的人体通信信道建模方法和系统
【技术领域】
[0001] 本发明涉及人体通信领域，特别是涉及一种基于非均匀介质的人体通信信道建模 方法和系统。
【背景技术】
[0002] 人体通信是一种以人体为传输媒介进行信号传输的通信方式。为了基于数值计算 仿真的研究，研究者都采用了人体是一个均匀介质的假设来简化模型，然而，人体是一个复 杂的非均匀介质体，均匀介质人体模型不符合实际情况，计算出的信道特性与实际值相差 较大，所建人体电磁模型准确性较差。
【发明内容】
[0003] 基于此，有必要针对传统的均匀介质人体电磁模型准确性较差的问题，提供一种 准确性较高的基于非均匀介质的人体通信信道建模方法和系统。
[0004] 一种基于非均匀介质的人体通信信道建模方法，包括以下步骤：
[0005] 将人体按结构划分为多个结构模型；
[0006] 将所述多个结构模型抽象成规则几何体；
[0007] 对各个结构模型内部进行介质层划分，设置各介质层的厚度，并计算各个结构模 型的等效的电学参数；
[0008] 将具有不同电学参数的均匀介质结构模型重新组合，并恢复人体轮廓，构建多个 不同电学参数的均匀介质结构模型的非均匀介质人体电磁模型。
[0009] 在其中一个实施例中，所述将人体按结构划分为多个结构模型的步骤包括：
[0010] 将人体划分为头、躯干、上臂、前臂、大腿、小腿。
[0011] 在其中一个实施例中，将所述多个结构模型抽象成规则几何体的步骤包括：
[0012] 将头抽象成球体，躯干抽象成长方体，上臂前臂、大腿、小腿抽象成相应的圆柱体。
[0013] 在其中一个实施例中，所述对各个结构模型内部进行介质层划分的步骤包括：
[0014] 将各个结构模型内部划分成三层介质层或四层介质层。
[0015] 在其中一个实施例中，所述等效的电学参数包括介电常数和/或电导率。
[0016] 一种基于非均匀介质的人体通信信道建模系统，包括：
[0017] 划分模块，用于将人体按结构划分为多个结构模型；
[0018] 预处理模块，用于将所述多个结构模型抽象成规则几何体；
[0019] 电学参数等效模块，用于对各个结构模型内部进行介质层划分，设置各介质层的 厚度，并计算各个结构模型的等效的电学参数；
[0020] 构建模块，用于将具有不同电学参数的均匀介质结构模型重新组合，并恢复人体 轮廓，构建多个不同电学参数的均匀介质结构模型的非均匀介质人体电磁模型。
[0021] 在其中一个实施例中，所述划分模块还用于将人体划分为头、躯干、上臂、前臂、大 腿、小腿。
[0022] 在其中一个实施例中，所述预处理模块还用于将头抽象成球体，躯干抽象成长方 体，上臂前臂、大腿、小腿抽象成相应的圆柱体。
[0023] 在其中一个实施例中，所述预处理模块还用于将各个结构模型内部划分成三层介 质层或四层介质层。
[0024] 在其中一个实施例中，所述等效的电学参数包括介电常数和/或电导率。
[0025] 上述基于非均匀介质的人体通信信道建模方法和系统，通过将人体划分为多个结 构模型，并对各个结构模型内部进行划分多个介质层，再计算各结构模型的等效电学参数， 得到等效的均匀介质的结构模型，然后将各个结构模型组合，构成了不同电学参数的均匀 介质结构模型的非均匀介质人体电磁模型，相对于统一均匀介质的人体模型，准确性高；将 各个结构模型等效为均匀介质的结构模型，简化了后续的计算，节省了计算空间。
[0026] 此外，采用三层介质层既能简化计算又能保持计算精度。
【专利附图】
【附图说明】
[0027] 图1为一个实施例中基于非均匀介质的人体通信信道建模方法的流程图；
[0028] 图2为一个实施例中人体结构模型划分示意图及每个结构模型对应的三层组织 等效图；
[0029] 图3为一个实施例中基于非均匀介质的人体通信信道建模系统的结构框图。
【具体实施方式】
[0030] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对 本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并 不用于限定本发明。
[0031] 图1为一个实施例中基于非均匀介质的人体通信信道建模方法的流程图。该基于 非均匀介质的人体通信信道建模方法，包括以下步骤：
[0032] 步骤102,将人体按结构划分为多个结构模型。
[0033] 本实施例中，步骤102包括：将人体划分为头、躯干、上臂、前臂、大腿、小腿。
[0034] 具体的，根据人体轮廓和运动大关节将人体划分为上述多个结构模型。针对所划 分的人体结构进行不同的组织划分，可划分为皮肤、脂肪、肌肉、血管、骨骼、骨髓、器官。
[0035] 步骤104,将该多个结构模型抽象成规则几何体。
[0036] 本实施例中，步骤104包括：将头抽象成球体，躯干抽象成长方体，上臂前臂、大 腿、小腿抽象成相应的圆柱体。
[0037] 步骤106,对各个结构模型内部进行介质层划分，设置各介质层的厚度，并计算各 个结构模型的等效的电学参数。
[0038] 该对各个结构模型内部进行介质层划分的步骤包括：将各个结构模型内部划分成 三层介质层。三层同轴介质既能简化计算又能保持计算精度，由于电磁波在人体信道传播 时具有趋肤效应，人体较深层的组织对信号传输的影响较小。此外也可将各个结构模型内 部划分为四层、五层等多层介质层。
[0039] 该等效的电学参数包括介电常数和/或电导率。根据麦克斯韦边界条件，介质分 界面的电通量密度法向分量连续，电场强度切向分量连续，从而计算得到介电常数和电导 率。此外，所有生物组织都是非磁性的，相对磁导率为1。
[0040] 通过计算各个结构模型的等效的电学参数，将各个结构模型等效为均匀介质的结 构模型，简化了后续的计算，节省了计算空间。
[0041] 步骤108,将具有不同电学参数的均匀介质结构模型重新组合，并恢复人体轮廓， 构建多个不同电学参数的均匀介质结构模型的非均匀介质人体电磁模型。
[0042] 具体的，每个模块等效为均匀介质的结构模型，各个结构模型等效后的电学参数 不同。不同电学参数的结构模型组合后的人体即为非均匀介质的人体电磁模型。
[0043] 上述基于非均匀介质的人体通信信道建模方法，通过将人体划分为多个结构模 型，并对各个结构模型内部进行划分多个介质层，再计算各结构模型的等效电学参数，得到 等效的均匀介质的结构模型，然后将各个结构模型组合，构成了不同电学参数的均匀介质 结构模型的非均匀介质人体电磁模型，相对于统一均匀介质的人体模型，准确性高。
[0044] 图2为一个实施例中人体结构模型划分示意图及每个结构模型对应的三层组织 等效图。如图2所示，不同的结构模型按照不同的组织划分，如皮肤、脂肪、肌肉、脑脊髓、骨 骼等。例如，头等效为球头22,其所对应的三层组织包括皮肤222、骨骼224和脑脊髓226 ; 四肢等效为圆柱体24,其所对应的三层组织包括皮肤242、脂肪244和肌肉246 ;躯干等效 为长方体26,其所对应的三层组织包括皮肤262、脂肪264和肌肉266。
[0045] 图3为一个实施例中基于非均匀介质的人体通信信道建模系统的结构框图。如图 3所示，该基于非均匀介质的人体通信信道建模系统，包括划分模块320、预处理模块340、 电学参数等效模块360和构建模块380。其中：
[0046] 划分模块320用于将人体按结构划分为多个模块。该划分模块320还用于将人体 划分为头、躯干、上臂、前臂、大腿、小腿。
[0047] 具体的，根据人体轮廓和运动大关节将人体划分为上述多个结构模型。针对所划 分的人体结构进行不同的组织划分，可划分为皮肤、脂肪、肌肉、血管、骨骼、骨髓、器官。
[0048] 预处理模块340用于将该多个模块抽象成规则几何体。具体的，该预处理模块340 还用于将头抽象成球体，躯干抽象成长方体，上臂前臂、大腿、小腿抽象成相应的圆柱体。
[0049] 电学参数等效模块360用于对各个模块内部进行介质层划分，设置各介质层的厚 度，并计算各个模块的等效的电学参数。
[0050] 电学参数等效模块360用于将各个结构模型内部划分成三层介质层。三层同轴介 质既能简化计算又能保持计算精度，由于电磁波在人体信道传播时具有趋肤效应，人体较 深层的组织对信号传输的影响较小。此外也可将各个结构模型内部划分为四层、五层等多 层介质层。
[0051] 该等效的电学参数包括介电常数和/或电导率。
[0052] 构建模块380用于将具有不同电学参数的均匀介质模块重新组合，并恢复人体轮 廓，构建多个不同参数的均匀介质模块的非均匀介质人体电磁模型。
[0053] 上述基于非均匀介质的人体通信信道建模系统，通过将人体划分为多个结构模 型，并对各个结构模型内部进行划分多个介质层，再计算各结构模型的等效电学参数，得到 等效的均匀介质的结构模型，然后将各个结构模型组合，构成了不同电学参数的均匀介质 结构模型的非均匀介质人体电磁模型，相对于统一均匀介质的人体模型，准确性高。
[0054] 以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并 不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员 来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保 护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
【权利要求】
1. 一种基于非均匀介质的人体通信信道建模方法，包括以下步骤： 将人体按结构划分为多个结构模型； 将所述多个结构模型抽象成规则几何体； 对各个结构模型内部进行介质层划分，设置各介质层的厚度，并计算各个结构模型的 等效的电学参数； 将具有不同电学参数的均匀介质结构模型重新组合，并恢复人体轮廓，构建多个不同 电学参数的均匀介质结构模型的非均匀介质人体电磁模型。
2. 根据权利要求1所述的基于非均匀介质的人体通信信道建模方法，其特征在于，所 述将人体按结构划分为多个结构模型的步骤包括： 将人体划分为头、躯干、上臂、前臂、大腿、小腿。
3. 根据权利要求2所述的基于非均匀介质的人体通信信道建模方法，其特征在于，将 所述多个结构模型抽象成规则几何体的步骤包括： 将头抽象成球体，躯干抽象成长方体，上臂前臂、大腿、小腿抽象成相应的圆柱体。
4. 根据权利要求1所述的基于非均匀介质的人体通信信道建模方法，其特征在于，所 述对各个结构模型内部进行介质层划分的步骤包括： 将各个结构模型内部划分成三层介质层或四层介质层。
5. 根据权利要求1所述的基于非均匀介质的人体通信信道建模方法，其特征在于，所 述等效的电学参数包括介电常数和/或电导率。
6. -种基于非均匀介质的人体通信信道建模系统，其特征在于，包括： 划分模块，用于将人体按结构划分为多个结构模型； 预处理模块，用于将所述多个结构模型抽象成规则几何体； 电学参数等效模块，用于对各个结构模型内部进行介质层划分，设置各介质层的厚度， 并计算各个结构模型的等效的电学参数； 构建模块，用于将具有不同电学参数的均匀介质结构模型重新组合，并恢复人体轮廓， 构建多个不同电学参数的均匀介质结构模型的非均匀介质人体电磁模型。
7. 根据权利要求6所述的基于非均匀介质的人体通信信道建模系统，其特征在于，所 述划分模块还用于将人体划分为头、躯干、上臂、前臂、大腿、小腿。
8. 根据权利要求7所述的基于非均匀介质的人体通信信道建模系统，其特征在于，所 述预处理模块还用于将头抽象成球体，躯干抽象成长方体，上臂前臂、大腿、小腿抽象成相 应的圆柱体。
9. 根据权利要求6所述的基于非均匀介质的人体通信信道建模系统，其特征在于，所 述预处理模块还用于将各个结构模型内部划分成三层介质层或四层介质层。
10. 根据权利要求6所述的基于非均匀介质的人体通信信道建模系统，其特征在于，所 述等效的电学参数包括介电常数和/或电导率。
【文档编号】H04B13/00GK104104450SQ201410281066
【公开日】2014年10月15日 申请日期:2014年6月20日 优先权日:2014年6月20日
【发明者】刘宇航, 聂泽东, 段长江, 杜雷雷, 贾利亚, 王晓辉 申请人:中国科学院深圳先进技术研究院