一种基于多层传输线模型的穿戴式设备人体信道建模方法与流程

本发明涉及一种基于多层传输线模型的穿戴式设备人体信道建模方法。

背景技术：

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。专利(申请号201510736412.6)提出了一种场路结合的穿戴式设备多耦合型人体信道建模方法。将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，再结合构造人体的电场模型形成一种场路结合的穿戴式设备多耦合人体信道模型。

人体通信是以人体为传输媒介的电信号传播技术，在穿戴式设备、人体体域网等短距离无线通信领域具有广泛的应用前景和市场潜力，如医疗检测、运动监护、消费电子、士兵监测等。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，特别对人体通信收发器的应用设计尤为重要。已有的人体信道建模主要以电路模型和有限元模型为主，但这些模型多集中在低频人体信道特性的研究上(一般小于10mhz)，当信号频率上升到一定值，电磁场传播效应不能忽略，信号将以电磁波形式传输，采用集总参数建立的电路模型与采用准静电场建立的有限元模型均不再适用于人体信道特性分析。另外，在电流耦合人体通信信道特性研究中，已有电路模型和有限元模型存在一个至今还未得到较好解决的问题：模型计算或仿真结果与实际环境实验测量结果相差较大。电流耦合人体通信实验测量结果显示，载波频率为1khz-1mhz时，人体信道的中心频率大约为几十khz，在100khz-1mhz频段信道的电压增益呈衰减趋势。但已有电路模型与有限元模型计算结果显示，人体信道的电压增益变化规律是随频率增高而增大，与实验呈现的带通特性不吻合。因此，已有的建模方法不能完全正确地模拟真实的人体信道传输特性。

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。电信号注入人体后，会沿着人体信道进行传输，但由于人体信道比较特殊，它由多种生物组织构成，且不同组织的介电特性不同，因此信号传输时沿着信道方向具有相位特性与指数衰减特性，相位与衰减系数由人体组织的介电参数决定。

人体信道表现出的相位与衰减特性与传输线理论非常相似，因此可尝试将传输线理论应用到人体信道建模。但传统的传输线理论是利用金属导体引导信号传输，所涉及的媒质主要是某种金属导体与空气，电流只分布在金属导体中，不会扩散到导体外。而人体信道与单一金属导体不同，它含有多层生物组织，每层生物组织电磁特性也不同，电流不是只分布在某单一组织中，而是扩散分布在所有生物组织中，因此不能简单地把现有的通用型传输线模型理论运用到人体信道建模。

为了更加形象、准确地描述人体信道特性，考虑人体信道含有多层生物组织的特殊性，本发明提出一种基于多层传输线模型的穿戴式设备人体信道建模方法。它以人体手臂为例，将人体手臂等效为皮肤、脂肪、肌肉、骨骼4层组织构成，按层结构将信号在每层生物组织中的传输构建为单层传输线模型，层与层传输线之间利用层间阻抗(不同组织间的分布阻抗)连接成为一个完整的多层传输线模型。这种多层传输线模型充分考虑了人体组织阻抗的分布特性，较已有的模型能更为精确的反映人体信道特性。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于多层传输线模型的穿戴式设备人体信道建模方法，该方法充分考虑了多层人体组织对信号传输特性的影响，改善了现有的建模方法忽略人体阻抗分布特性、只适合低频建模等不足，利用分布阻抗代替集总阻抗，比基于集总阻抗的电路模型方法更加精确，比基于电磁场数值计算的建模方法简单、运算量小，完善了建模的完整性，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。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于多层传输线模型的穿戴式设备人体信道建模方法，首先，构造人体或人体组织部位的分层几何模型；其次，按电流密度在人体或人体组织部位中的分布情况将电流密度分解为轴向、环向与径向三个方向，由此将人体或人体组织部位阻抗分割为每层组织中轴向传输阻抗、环向传输阻抗及不同组织层间的径向传输阻抗；然后，将每层组织的轴向传输等效为平行传输线，则轴向阻抗为传输线上的阻抗，环向阻抗为传输线间的阻抗，径向阻抗为层间传输线阻抗，并依此建立多层传输线电路模型；再根据多层传输线电路模型推导多层传输线电路方程，获得多层传输线的数学模型；最后，计算每层组织的轴向分布阻抗、环向分布阻抗及层间径向分布阻抗，求解多层传输线数学方程，获得多层传输线的电压、电流表达式，从而获得人体或人体组织部位的信道特性。

在本发明一实施例中，该方法具体实现如下，

s1、构造人体或人体组织部位的几何模型：

以人体手臂为例，建立人体手臂分层几何模型，包括皮肤、脂肪、肌肉、骨骼；其中，ra、ds、df、dm、dcb分别为人体手臂圆柱半径、皮肤厚度、脂肪厚度、肌肉厚度与骨质厚度；de为发送电极、接收电极间的距离；larm为手臂长度；ls为信道长度；发送电极、接收电极均粘贴在人体皮肤上；

同理，构造人体其他组织部位的几何模型；

s2、构建人体信道多层传输线电路模型：

以皮肤层为例，将每层组织中的电流分解为轴向、环向与径向三个方向，由此将人体手臂皮肤层分割为轴向传输区域、环向传输区域、不同组织层间的径向传输区域；将轴向传输区域等效为皮肤层的两根平行传输线上的分布阻抗，环向传输区域等效为皮肤层平行传输线间的分布阻抗，由此获得皮肤层平行传输线结构，其中rsz、lsz分别为皮肤层轴向等效分布电阻、电感，gsh、csh分别为皮肤层环向等效分布电导、电容；

同理，可获得脂肪层、肌肉层的平行传输线电路结构；

利用皮肤层与脂肪层间的径向分布阻抗及脂肪层与肌肉层间的径向分布阻抗将皮肤层、脂肪层、肌肉层的平行传输线电路进行串行连接，形成多层传输线电路模型；其中，rsz、lsz、rfz、lfz、rmz、lmz分别为皮肤层、脂肪层、肌肉层的等效轴向分布电阻、电感；gsh、csh、gfh、cfh、gmh、cmh分别为皮肤层、脂肪层、肌肉层的等效环向分布电导、电容；gsf、csf、gfm、cfm分别为皮肤脂肪层间、脂肪肌肉层间的等效径向分布电导、电容；在此忽略了信号在骨骼中的传播，因为骨骼的电导率比肌肉低得多，且骨骼两端的等效电路为对称电路，骨骼中几乎没有电流流过；

s3、推导多层传输线电路方程，建立基于多层传输线的人体信道数学模型：

根据多层传输线电路模型，定义信号轴向传输方向为方向，假设z坐标处各层传输线上的电压、电流分别为u(z,t)、i(z,t)，z+△z处的电压、电流分别为u(z+△z,t)、i(z+△z,t)，则可用电压u、电流参数写出其电路关系方程为：

其中：

s4、求解多层传输线电路方程，获得描述人体信道特性的电压、电流数学表达式：

利用拉普拉斯变换：l(f')＝sf(s)-f(0)，将式(1)进行拉普拉斯变换：

定义z＝0处为发送电极所在位置，则，u(0)、i(0)为z＝0处的电压、电流初始值：

其中vi是发送电极两端电压幅值；

由式(2)及电压电流初始值可求解出多层传输线电路模型电压、电流的拉普拉斯表达式为：

将上式进行拉普拉斯反变换，得到多层传输线电路模型沿z轴传播的电压、电流表达式：

其中，l^-1表示求拉普拉斯逆变换；

s5、计算每层组织中的轴向、环向、径向分布阻抗，获得阻抗矩阵a、b，再利用式(3)、(4)计算出具体的多层传输线电压、电流沿z轴传输的数学表达式：

利用人体皮肤、脂肪、肌肉相应的电磁参数，包括电导率、相对介电常数、相对磁导率，按照分割区域分别计算皮肤、脂肪、肌肉的轴向、环向、径向分布阻抗，获得矩阵a、b；将矩阵a、b代入式(3)、(4)，得出电压、电流沿z轴传输的数学表达式；

s6：根据多层传输线电压、电流的数学表达式，可获得任意接收端电信号电压、电流的幅值、相位，从而计算出由发送端至接收端信道的包括路径损耗、相位偏移，估计信道容量、传输速率、误码率的参数，最终获得基于多层传输线模型的穿戴式设备人体信道特性。

相较于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明充分考虑了多层人体组织对信号传输特性的影响，改善了现有的建模方法忽略人体阻抗分布特性、只适合低频建模等不足，利用分布阻抗代替集总阻抗，比基于集总阻抗的电路模型方法更加精确，比基于电磁场数值计算的建模方法简单、运算量小，完善了建模的完整性，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为本发明人体手臂分层几何模型图。

图2为本发明人体手臂皮肤层电流传输区域分布图。

图3为本发明人体手臂皮肤层平行传输线结构图。

图4为本发明人体手臂多层传输线电路型图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的技术方案进行具体说明。

本发明的一种基于多层传输线模型的穿戴式设备人体信道建模方法，首先，构造人体或人体组织部位的分层几何模型；其次，按电流密度在人体或人体组织部位中的分布情况将电流密度分解为轴向、环向与径向三个方向，由此将人体或人体组织部位阻抗分割为每层组织中轴向传输阻抗、环向传输阻抗及不同组织层间的径向传输阻抗；然后，将每层组织的轴向传输等效为平行传输线，则轴向阻抗为传输线上的阻抗，环向阻抗为传输线间的阻抗，径向阻抗为层间传输线阻抗，并依此建立多层传输线电路模型；再根据多层传输线电路模型推导多层传输线电路方程，获得多层传输线的数学模型；最后，计算每层组织的轴向分布阻抗、环向分布阻抗及层间径向分布阻抗，求解多层传输线数学方程，获得多层传输线的电压、电流表达式，从而获得人体或人体组织部位的信道特性；该方法具体实现如下，

s1、构造人体或人体组织部位的几何模型：

以人体手臂为例，建立人体手臂分层几何模型，包括皮肤、脂肪、肌肉、骨骼；其中，ra、ds、df、dm、dcb分别为人体手臂圆柱半径、皮肤厚度、脂肪厚度、肌肉厚度与骨质厚度；de为发送电极、接收电极间的距离；larm为手臂长度；ls为信道长度；发送电极、接收电极均粘贴在人体皮肤上；

同理，构造人体其他组织部位的几何模型；

s2、构建人体信道多层传输线电路模型：

以皮肤层为例，将每层组织中的电流分解为轴向、环向与径向三个方向，由此将人体手臂皮肤层分割为轴向传输区域、环向传输区域、不同组织层间的径向传输区域；将轴向传输区域等效为皮肤层的两根平行传输线上的分布阻抗，环向传输区域等效为皮肤层平行传输线间的分布阻抗，由此获得皮肤层平行传输线结构，其中rsz、lsz分别为皮肤层轴向等效分布电阻、电感，gsh、csh分别为皮肤层环向等效分布电导、电容；

同理，可获得脂肪层、肌肉层的平行传输线电路结构；

利用皮肤层与脂肪层间的径向分布阻抗及脂肪层与肌肉层间的径向分布阻抗将皮肤层、脂肪层、肌肉层的平行传输线电路进行串行连接，形成多层传输线电路模型；其中，rsz、lsz、rfz、lfz、rmz、lmz分别为皮肤层、脂肪层、肌肉层的等效轴向分布电阻、电感；gsh、csh、gfh、cfh、gmh、cmh分别为皮肤层、脂肪层、肌肉层的等效环向分布电导、电容；gsf、csf、gfm、cfm分别为皮肤脂肪层间、脂肪肌肉层间的等效径向分布电导、电容；在此忽略了信号在骨骼中的传播，因为骨骼的电导率比肌肉低得多，且骨骼两端的等效电路为对称电路，骨骼中几乎没有电流流过；

s3、推导多层传输线电路方程，建立基于多层传输线的人体信道数学模型：

根据多层传输线电路模型，定义信号轴向传输方向为方向，假设z坐标处各层传输线上的电压、电流分别为u(z,t)、i(z,t)，z+△z处的电压、电流分别为u(z+△z,t)、i(z+△z,t)，则可用电压u、电流参数写出其电路关系方程为：

其中：

s4、求解多层传输线电路方程，获得描述人体信道特性的电压、电流数学表达式：

利用拉普拉斯变换：l(f')＝sf(s)-f(0)，将式(1)进行拉普拉斯变换：

定义z＝0处为发送电极所在位置，则，u(0)、i(0)为z＝0处的电压、电流初始值：

其中vi是发送电极两端电压幅值；

由式(2)及电压电流初始值可求解出多层传输线电路模型电压、电流的拉普拉斯表达式为：

将上式进行拉普拉斯反变换，得到多层传输线电路模型沿z轴传播的电压、电流表达式：

其中，l^-1表示求拉普拉斯逆变换；

s5、计算每层组织中的轴向、环向、径向分布阻抗，获得阻抗矩阵a、b，再利用式(3)、(4)计算出具体的多层传输线电压、电流沿z轴传输的数学表达式：

利用人体皮肤、脂肪、肌肉相应的电磁参数，包括电导率、相对介电常数、相对磁导率，按照分割区域分别计算皮肤、脂肪、肌肉的轴向、环向、径向分布阻抗，获得矩阵a、b；将矩阵a、b代入式(3)、(4)，得出电压、电流沿z轴传输的数学表达式；

s6：根据多层传输线电压、电流的数学表达式，可获得任意接收端电信号电压、电流的幅值、相位，从而计算出由发送端至接收端信道的包括路径损耗、相位偏移，估计信道容量、传输速率、误码率的参数，最终获得基于多层传输线模型的穿戴式设备人体信道特性。

以下为本发明的具体实现过程。

一种基于多层传输线模型的穿戴式设备人体信道建模方法。以人体手臂为例，首先建立人体手臂几何模型，忽略其内部血管等组织，将人体手臂等效为一个包括皮肤、脂肪、肌肉、骨骼的4层圆柱结构。其次按电流密度在人体手臂中的分布情况将电流密度分解为轴向、环向与径向三个方向，由此可将人体手臂阻抗分割为每层组织中轴向传输阻抗、环向传输阻抗及不同组织层间的径向传输阻抗。然后将每层组织的轴向传输等效为平行传输线，则轴向阻抗为传输线上的阻抗，环向阻抗为传输线间的阻抗，径向阻抗为层间传输线阻抗，由此可建立多层传输线电路模型。再根据多层传输线电路模型推导多层传输线电路方程，获得多层传输线的数学模型。最后，计算每层组织的轴向分布阻抗、环向分布阻抗及层间径向分布阻抗，求解多层传输线数学方程，获得多层传输线的电压、电流表达式，从而获得人体手臂的信道特性。

一种基于多层传输线模型的穿戴式设备人体信道建模方法。包括以下步骤：

s1：构造人体或人体组织部位的几何模型。

以人体手臂为例，建立图1人体手臂分层几何模型，包括皮肤、脂肪、肌肉、骨骼；其中，ra、ds、df、dm、dcb分别为人体手臂圆柱半径、皮肤厚度、脂肪厚度、肌肉厚度与骨质厚度；de为发送电极、接收电极间的距离；larm为手臂长度；ls为信道长度；发送电极、接收电极均粘贴在人体皮肤上，它可以是任意形状、任意尺寸。

s2：构建人体信道多层传输线电路模型。

以皮肤层为例，将每层组织中的电流如图2分解为轴向、环向与径向三个方向，由此可将人体手臂皮肤层分割为轴向传输区域①、环向传输区域②、不同组织层间的径向传输区域③。将区域①等效为皮肤层的两根平行传输线上的分布阻抗，区域②等效为皮肤层平行传输线间的分布阻抗，由此可获得皮肤层平行传输线结构如图3，其中rsz、lsz分别为皮肤层轴向等效分布电阻、电感，gsh、csh分别为皮肤层环向等效分布电导、电容；

同理，可获得脂肪层、肌肉层的平行传输线电路结构。

利用皮肤层与脂肪层间的径向分布阻抗(图2区域③)及脂肪层与肌肉层间的径向分布阻抗可将皮肤层、脂肪层、肌肉层的平行传输线电路进行串行连接，形成多层传输线电路模型，如图4所示。其中，rsz、lsz、rfz、lfz、rmz、lmz分别为皮肤层、脂肪层、肌肉层的等效轴向分布电阻、电感；gsh、csh、gfh、cfh、gmh、cmh分别为皮肤层、脂肪层、肌肉层的等效环向分布电导、电容；gsf、csf、gfm、cfm分别为皮肤脂肪层间、脂肪肌肉层间的等效径向分布电导、电容。在此忽略了信号在骨骼中的传播，因为骨骼的电导率比肌肉低得多，且骨骼两端的等效电路为对称电路，骨骼中几乎没有电流流过。

s3：推导多层传输线电路方程，建立基于多层传输线的人体信道数学模型。

根据图4的多层传输线电路模型，定义信号轴向传输方向为方向，假设z坐标处各层传输线上的电压、电流分别为u(z,t)、i(z,t)，z+△z处的电压、电流分别为u(z+△z,t)、i(z+△z,t)，则可用电压u、电流参数写出其电路关系方程为：

其中：

s4、求解多层传输线电路方程，获得描述人体信道特性的电压、电流数学表达式：

利用拉普拉斯变换：l(f')＝sf(s)-f(0)，将式(1)进行拉普拉斯变换：

其中，u(0)、i(0)为z＝0处(定义该处为发送电极所在位置)的电压、电流初始值：

其中vi是发送电极两端电压幅值；

由式(2)及电压电流初始值可求解出多层传输线电路模型电压、电流的拉普拉斯表达式为：

将上式进行拉普拉斯反变换，得到多层传输线电路模型沿z轴传播的电压、电流表达式：

其中，l^-1表示求拉普拉斯逆变换；

s5：计算每层组织中的轴向、环向、径向分布阻抗，获得阻抗矩阵a、b，再利用式(3)、(4)计算出具体的多层传输线电压、电流沿z轴传输的数学表达式。

利用人体皮肤、脂肪、肌肉相应的电磁参数，包括电导率、相对介电常数、相对磁导率，按照图2分割区域分别计算皮肤、脂肪、肌肉的轴向、环向、径向分布阻抗(单位长度的电阻、电感、电容值)，获得矩阵a、b。将矩阵a、b代入式(3)、(4)，得出电压、电流沿z轴传输的数学表达式。

s6：根据多层传输线电压、电流的数学表达式，可获得任意接收端电信号电压、电流的幅值、相位，从而计算出由发送端至接收端信道的路径损耗、相位偏移，估计信道容量、传输速率、误码率等参数，最终获得基于多层传输线模型的穿戴式设备人体信道特性。

以上是本发明的较佳实施例，凡依本发明技术方案所作的改变，所产生的功能作用未超出本发明技术方案的范围时，均属于本发明的保护范围。