基于超声波反向散射的人体内通信装置及方法

1.本发明涉及超声波通信技术领域和人体通信技术领域，具体涉及一种基于超声波反向散射的人体内通信装置及方法。


背景技术：

2.无线医疗技术近年来在医疗设备方面取得飞速发展，结合第五代及未来移动通信技术和智能感知设备有望实现实时监测人体各项生理信号，如血压、血糖、心电信号和肌电信号等；结合医疗智能物联网有望实现无线胶囊内窥镜和智能给药等。实时广泛的健康监测对于预防和治疗各种慢性疾病，如糖尿病、癫痫等，具有显著研究价值，也可以缓解人口老龄化面临的医疗监护问题。
3.目前的科学研究和工业应用主要集中在可穿戴医疗设备，面临设备损坏和丢失造成的监测数据不连续、不准确问题；并且长期的佩戴会造成行动受限、佩戴不舒适等问题。随着超微型化技术的发展和纳米级医疗植入设备的产生，植入式医疗设备可实现实时、连续、准确、长期的人体健康数据监测。相比无线通信采用的射频波，其在体内环境中信号衰减迅速，且具有长期辐射的潜在危害，超声波在临床治疗和诊断中广泛应用，迄今未对人体产生有害副作用。因此，采用超声波用于医疗植入物的无线体内通信是实现未来医疗物联网的可靠方案。
4.人体内超声波通信必须满足功率限制和设备尺寸限制，以避免对人体组织产生过热伤害和手术植入风险。无线通信设备的尺寸主要受到各种有源器件的影响，如波形发生器、放大器、微处理器等。反向散射通信首先应用于射频识别中，由阅读器发送询问信号，标签作为无源器件对阅读器询问信号进行反向散射通信，利用阅读器询问信号作为载波传输标签所采集的信息。反向散射通信可以通过去除有源器件实现超低功耗微型标签。然而由于阅读器询问信号需要经过“阅读器
‑
标签
‑
阅读器”的双重路径传输，相比传统的单向通信，信号衰减更加严重。现有的射频反向散射通信技术还面临射频信号在人体中进一步被严重衰减的问题，无法适用于人体内通信。此外，人体内存在多种器官和组织，多径效应产生的散射信号会对标签的反向散射信号造成严重干扰。


技术实现要素：

5.为了解决上述现有技术的不足，实现低功耗的可靠的超声波人体内通信，本发明提供了一种基于超声波反向散射的人体内通信装置及方法，该方法通过标签的压电材料的阻抗匹配进行反向散射通信，实现了超微型化标签用于采集传输人体内信号；利用标签的信息比特映射单元对人体信息比特进行码映射，并通过增加码序列的长度提高信号信噪比，有效克服信号衰减；同时，由于标签码序列为平衡正交码序列，有效克服了其他散射信号产生的干扰。
6.本发明的第一个目的在于提供一种基于超声波反向散射的人体内通信装置。
7.本发明的第二个目的在于提供一种基于超声波反向散射的人体内通信方法。
8.本发明的第一个目的可以通过采取如下技术方案达到：
9.发送模块，用于产生超声波询问信号；
10.标签，用于采集人体信息和接收所述超声波询问信号，并将所述人体信息通过所述超声波询问信号进行反向散射，得到反向散射信号；
11.接收模块，用于接收所述反向散射信号，并对所述反向散射信号进行匹配、检测和解映射，得到人体信息比特；
12.所述超声波询问信号和所述反向散射信号均为超声波信号；
13.所述阅读器和所述标签均位于以人体为传输介质的无线通信网络中，且均通过各自的压电材料进行发送和接收超声波信号。
14.进一步的，所述发送模块包括询问信号发生单元、数字调制单元和信号成形单元，其中：
15.所述询问信号发生单元，用于产生询问比特序列；
16.所述数字调制单元，用于对所述询问比特序列进行数字调制产生阅读器码序列；
17.所述信号成形单元，用于对所述阅读器码序列进行信号成形，得到超声波询问信号，并控制阅读器的压电材料发送超声波询问信号；
18.所述标签的压电材料接收所述超声波询问信号；
19.所述标签包括人体信息采集单元、信息比特映射单元、反向散射通信单元和能量收集单元，其中：
20.所述人体信息采集单元，用于采集人体信息，获得人体信息比特；
21.所述信息比特映射单元，用于将所述人体信息比特映射为标签码书的标签码序列；
22.所述反向散射通信单元，用于根据所述标签的压电材料的阻抗匹配，将所述标签码书的标签码序列通过所述超声波询问信号进行反向散射，得到反向散射信号；
23.所述能量收集单元，用于收集所述超声波询问信号，以控制所述标签的压电材料的阻抗匹配；
24.所述阅读器的压电材料接收所述反向散射信号；
25.所述接收模块包括匹配单元、检测单元和解映射单元，其中：
26.所述匹配单元，用于将所述反向散射信号与所述阅读器码序列和所述标签码书中的所有标签码序列进行匹配，得到匹配信号；
27.所述检测单元，用于对所述匹配信号进行检测，得到估计的标签码序列；
28.所述解映射单元，用于将所述估计的标签码序列解映射为人体信息比特；
29.所述超声波信号为超声波脉冲信号或超声波连续波信号。
30.进一步的，所述能量收集单元为无源能量存储电路或有源能量存储电路。
31.本发明的第二个目的可以通过采取如下技术方案达到：
32.通过发送模块产生超声波询问信号；
33.标签采集人体信息和接收所述超声波询问信号，并将所述人体信息通过所述超声波询问信号进行反向散射，得到反向散射信号；
34.接收模块接收所述反向散射信号，并对所述反向散射信号进行匹配、检测和解映射，得到人体信息比特。
35.进一步的，所述通过发送模块产生超声波询问信号，具体包括：
36.通过询问信号发生单元，产生询问比特序列；
37.通过数字调制单元，对所述询问比特序列进行数字调制，产生阅读器码序列；
38.通过信号成形单元，对所述阅读器码序列进行信号成形，得到超声波询问信号；并控制所述阅读器的压电材料发送所述超声波询问信号；
39.所述标签采集人体信息和接收所述超声波询问信号，并将所述人体信息通过所述超声波询问信号进行反向散射，得到反向散射信号，具体包括：
40.通过人体信息采集单元，采集人体信息，得到人体信息比特；
41.通过信息比特映射单元，将所述人体信息比特映射为标签码书的标签码序列；
42.通过所述标签的压电材料，接收所述超声波询问信号；
43.通过反向散射通信单元，根据所述标签的压电材料的阻抗匹配，将所述标签码书的标签码序列通过所述超声波询问信号进行反向散射，得到反向散射信号。
44.进一步的，所述通过信息比特映射单元，将所述人体信息比特映射为标签码书的标签码序列，具体包括：
45.通过信息比特映射单元，将所述人体信息比特映射为标签码书a的第k个标签码序列a
k
；
46.其中，k＝1,...,n
bc
，标签码书a共有n
bc
个标签码序列，n
bc
为大于1的正整数；每个标签码序列长度为设定阈值n
f
，n
f
为大于1的正整数；所述标签码序列为正交码序列；
47.所述通过反向散射通信单元，根据所述标签的压电材料的阻抗匹配，将所述标签码书的标签码序列通过所述超声波询问信号进行反向散射，得到反向散射信号，具体包括：
48.根据所述标签的压电材料的阻抗匹配，若不进行反向散射时，将超声波询问信号收集至能量收集单元；否则，将标签码书的标签码序列通过超声波询问信号进行反向散射，得到反向散射信号；
49.所述反向散射是通过能量收集单元控制所述标签的压电材料的阻抗匹配，改变所述超声波询问信号反向散射的相位、幅度或位置。
50.进一步的，所述正交码序列为平衡正交码序列a
m
，且
51.其中，a
m
为标签码书a的第m个标签码序列，a
m,j
为标签码书的标签码序列a
m
的第j个元素。
52.进一步的，所述接收模块接收所述反向散射信号，并对所述反向散射信号进行匹配、检测和解映射，得到人体信息比特，具体包括：
53.通过所述阅读器的压电材料，接收反向散射信号；所述反向散射信号包括标签发送的反向散射信号和干扰信号；
54.通过匹配单元，将所述反向散射信号与所述阅读器码序列和所述标签码书中的所有标签码序列进行匹配，得到匹配信号；
55.通过检测单元，对所述匹配信号进行检测，得到估计的标签码序列；
56.通过解映射单元，将所述估计的标签码序列解映射为人体信息比特。
57.进一步的，所述通过检测单元，对所述匹配信号进行检测，得到估计的标签码序列，具体为：
58.通过检测单元对所述匹配信号进行检测，判决选择出最大的检测值，将所述最大的检测值对应的标签码序列作为估计的标签码序列。
59.进一步的，所述检测为相干检测、非相干检测或者是相干检测和非相干检测联合进行检测；
60.所述判决采用的判决准则为最大似然准则或最大后验概率准则。
61.本发明相对于现有技术具有如下的有益效果：
62.1、本发明采用超声波信号可实现信号在人体内传输的低衰减。
63.2、本发明通过标签的压电材料的阻抗匹配进行反向散射通信，无需信号发生器、放大器等有源器件，可实现超微型化标签用于采集传输人体内信号，克服手术植入对人体组织造成的伤害。
64.3、本发明通过标签的信息比特映射单元对人体信息比特进行码映射，并通过增加码序列的长度，提高信号信噪比，有效克服信号衰减；由于采用标签码序列为平衡正交码，可以有效克服其他散射信号产生的干扰，从而实现低功耗的可靠超声波人体内通信。
附图说明
65.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
66.图1为本发明实施例的基于超声波反向散射的人体内通信装置的结构示意图。
67.图2为本发明实施例的基于超声波反向散射的人体内通信方法的流程图。
68.图3为本发明实施例的基于超声波反向散射的人体内通信方法的过程示意图。
具体实施方式
69.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。应当理解，描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。此外，下面所描述的本发明各个实施方案中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
70.实施例：
71.如图1所示，本实施例提供了一种基于超声波反向散射的人体内通信装置，包括阅读器和标签，阅读器包括发送模块和接收模块，其中：
72.发送模块包括询问信号发生单元、数字调制单元和信号成形单元，其中：
73.询问信号发生单元，用于产生询问比特序列；
74.数字调制单元，用于对询问比特序列进行数字调制产生阅读器码序列；
75.信号成形单元，用于对阅读器码序列进行信号成形，得到超声波询问信号，并控制阅读器的压电材料发送超声波询问信号。
76.标签的压电材料接收超声波询问信号，标签包括人体信息采集单元、信息比特映
射单元、反向散射通信单元和能量收集单元，其中：
77.人体信息采集单元，用于采集人体信息，获得人体信息比特；
78.人体信息采集单元可以为具有采集功能的设备，人体信息包括血糖、血压等数据。
79.信息比特映射单元，用于将人体信息比特映射为标签码书的标签码序列；
80.反向散射通信单元，用于根据标签的压电材料的阻抗匹配，将标签码序列通过超声波询问信号进行反向散射，得到反向散射信号；
81.若不进行反向散射时，将超声波询问信号收集至能量收集单元；
82.若进行反向散射时，将标签码序列通过超声波询问信号进行反向散射，得到反向散射信号。
83.能量收集单元，用于收集超声波询问信号以控制标签的反向散射通信；
84.标签通过能量收集单元存储能量，以控制标签的压电材料的阻抗匹配，从而对信号进行反向散射。
85.能量收集单元为无源能量存储电路或有源能量存储电路。
86.本实施例中，能量收集单元为有源能量存储电路，不需要进行能量收集。
87.阅读器的压电材料接收反向散射信号，接收模块包括匹配单元、检测单元和解映射单元，其中：
88.匹配单元，用于将反向散射信号与阅读器码序列和不同的标签码序列进行匹配；
89.检测单元，用于检测判决出最大匹配值对应的标签码序列；
90.解映射单元，用于将最大匹配值对应的标签码序列解映射为人体信息比特。
91.超声波询问信号和反向散射信号均为超声波信号。
92.本实施例中，阅读器和标签均位于以人体为传输介质的无线通信网络中，阅读器和标签均通过压电材料进行发送和接收超声波信号。
93.超声波信号为超声波脉冲信号或超声波连续波信号。
94.本实施例提供的人体内通信装置架构简单，可用于实现超微型化低功耗超声波人体内通信。
95.如图2和图3所示，本实施例还提供了一种基于超声波反向散射的人体内通信方法，该方法应用于上述的人体内通信装置的人体内通信系统中，具体包括以下步骤：
96.s201、通过发送模块产生超声波询问信号。
97.进一步的，步骤s201具体包括：
98.(1)通过询问信号发生单元，产生长度为n
f
的询问比特序列，每个比特的取值为{0,1}。
99.(2)通过数字调制单元，对询问比特序列进行数字调制，产生长度为n
f
的阅读器码序列d，d中元素取值为{1,
‑
1}。
100.数字调制为脉冲相位调制、脉冲幅度调制、脉冲位置调制或脉冲波形调制。
101.本实施例中，数字调制为脉冲相位调制，阅读器比特序列长度n
f
取值为4，询问比特序列为[1 0 1 0]，阅读器码序列d为[1
ꢀ‑
1 1
ꢀ‑
1]。
[0102]
(3)通过信号成形单元，对阅读器码序列进行信号成形，得到超声波询问信号，并控制阅读器的压电材料发送超声波询问信号。
[0103]
超声波询问信号s(t)为：
[0104][0105]
其中，t为时间，τ
i
为信号开始发送的时间，j为发送时间帧的序号，d
j
为阅读器码序列d中的第j个元素，p(t)是单周期脉冲信号，p(t)的脉冲宽度小于时间帧的宽度；t
f
是一个时间帧的时间长度。
[0106]
本实施例中，τ
i
取值为0。
[0107]
s202、标签采集人体信息和接收超声波询问信号，并将人体信息通过超声波询问信号进行反向散射，得到反向散射信号。
[0108]
采集人体信号，并对人体信息比特进行映射；用于接收超声波询问信号，并对超声波询问信号进行反向散射，得到反向散射信号；
[0109]
进一步的，步骤s202具体包括：
[0110]
(1)通过人体信息采集单元，采集人体信息，得到人体信息比特。
[0111]
(2)通过信息比特映射单元，将人体信息比特映射为标签码书的标签码序列a
k
。
[0112]
信息比特映射单元将人体信息比特映射为标签码书a的第k个标签码序列a
k
，其中k＝1,...,n
bc
；标签码书共有n
bc
个标签码序列，每个标签码序列长度为n
f
；每个标签码序列为正交码序列，可采用哈达玛矩阵、沃尔什矩阵产生。
[0113]
优选的，正交码序列为平衡正交码序列，且a
k,j
为标签码书的标签码序列a
k
的第j个元素；平衡正交码序列具有相同数量的“+1”和
“‑
1”；一个标签码序列携带的人体信息比特数为个，为向下取整函数。
[0114]
本实施例中，标签码书a共有2个长度为4的正交标签码序列，一个码序列携带1个人体信息比特；正交码序列由哈达玛矩阵产生，分别为a1＝[1
ꢀ‑
1 1
ꢀ‑
1]，a2＝[1 1
ꢀ‑1ꢀ‑
1]；人体信息比特“0”映射为标签码书的标签码序列a1，比特“1”映射为标签码书的标签码序列a2。
[0115]
利用平衡正交码映射标签所传输的人体信息比特，有效克服人体多径效应，实现超低功耗的可靠超声波人体内通信。
[0116]
(3)通过标签的压电材料，接收超声波询问信号s(t)。
[0117]
(4)通过反向散射通信单元，根据标签的压电材料的阻抗匹配，将标签码书的标签码序列通过超声波询问信号进行反向散射，得到反向散射信号。
[0118]
反向散射信号为：
[0119][0120]
其中，α为信号从阅读器传输到标签的衰减系数，a
k,j
为标签码书的标签码序列a
k
的第j个元素，d
j
为阅读器码序列d中的第j个元素，p(t)是单周期脉冲信号，n0(t)为阅读器到标签的信道噪声。
[0121]
反向散射通信的实现原理是标签通过控制压电材料的阻抗匹配，改变超声波询问信号反向散射的相位、幅度或位置，具体包括：
[0122]
阻抗匹配电路短路时，标签的压电材料反向散射超声波询问信号；
[0123]
阻抗匹配电路开路时，标签的压电材料对超声波询问信号进行180度反转并反向散射；
[0124]
阻抗匹配电路具有时间延迟电路时，标签的压电材料对超声波询问信号延时后进行反向散射；
[0125]
阻抗匹配电路具有可调阻抗时，控制阻抗可控制标签压电材料对超声波询问信号进行反向散射的信号幅度，当阻抗与标签的压电材料匹配时，标签压电材料吸收超声波询问信号，标签的能量收集单元收集超声波询问信号，不进行反向散射。
[0126]
具体来说，反向散射通信的原理是标签通过控制压电材料的阻抗匹配，改变阅读器询问信号反向散射的相位：
[0127]
当发送标签码序列元素a
k,j
为“+1”时，阻抗匹配电路短路，标签的压电材料反向散射超声波询问信号；
[0128]
当发送标签码序列元素a
k,j
为
“‑
1”时，阻抗匹配电路开路，标签的压电材料对超声波询问信号进行180度反转并反向散射。
[0129]
当标签不发送信号时，阻抗匹配电路的阻抗与标签的压电材料匹配，标签压电材料吸收超声波询问信号，标签的能量收集单元收集能量，不进行反向散射。
[0130]
本实施例利用压电材料特性，实现超低功耗标签用于超声波反向散射通信以传输人体信号，有效避免有源器件应用于超声波人体内通信的高功耗问题。
[0131]
s203、接收模块接收反向散射信号，并对反向散射信号进行匹配、检测和解映射，得到人体信息比特。
[0132]
进一步的，步骤s203具体包括：
[0133]
(1)通过阅读器的压电材料，接收反向散射信号。
[0134]
阅读器的压电材料接收的反向散射信号，包括标签发送的反向散射信号和其他干扰信号。
[0135]
接收模块接收的反向散射信号为：
[0136][0137]
其中，α2为信号经历“阅读器
‑
标签
‑
阅读器”的双重路径衰减系数，a
k,j
为标签码书的标签码序列a
k
的第j个元素，d
j
为阅读器码序列d中的第j个元素，p(t)是单周期脉冲信号，β2为信号被人体内其他干扰物，包括器官、粒子，进行反向散射的干扰信号的衰落系数，n(t)为“阅读器
‑
标签
‑
阅读器”的信道噪声。
[0138]
(2)通过匹配单元，将反向散射信号与阅读器码序列和标签码书中的所有标签码序列进行匹配，得到匹配信号。
[0139]
匹配单元将反向散射信号与阅读器码序列d和标签码书a中的所有标签码序列进行匹配，与第m个标签码序列产生的匹配信号为：
[0140][0141]
其中，a
m
为标签码书a的第m个标签码序列，m＝1,2；d为阅读器码序列；α2为信号经历“阅读器
‑
标签
‑
阅读器”的双重路径衰减系数；a
k,j
为标签码书的标签码序列a
k
的第j个元
素；a
m,j
为标签码书的标签码序列a
m
的第j个元素；β2为信号被人体内其他干扰物，包括器官、粒子等，进行反向散射的干扰信号的衰落系数；d
j
为阅读器码序列d中的第j个元素；p(t)是单周期脉冲信号；n(t)为“阅读器
‑
标签
‑
阅读器”的信道噪声；y
m1
(t)为标签信号，y
m2
(t)为干扰信号，n
m
(t)为噪声信号。
[0142]
由于a
m
为平衡正交码序列且从而匹配信号中的干扰信号y
m2
(t)＝0，因此采用平衡正交码可有效克服干扰信号。
[0143]
(3)通过检测单元，对匹配信号进行检测，得到估计的标签码序列。
[0144]
检测方式可以为相干检测、非相干检测或者是相干检测和非相干检测联合进行检测。
[0145]
优选的，本实施例中，检测方式为非相干检测。
[0146]
(3
‑
1)检测单元对匹配信号进行非相干检测，检测信号为：
[0147][0148]
其中，m＝1,2，y
m1
(t)为标签信号，n
m
(t)为噪声信号，t
f
是一个时间帧的时间长度。
[0149]
(3
‑
2)判决选择出检测最大值，将最大的检测值对应的标签码序列作为估计的标签码序列。
[0150]
采用的判决准则为最大似然准则或最大后验概率准则。
[0151]
优选的，本实施例中采用的判决准则为最大似然准则，公式如下：
[0152][0153]
其中，为估计的标签码序列。
[0154]
(4)通过解映射单元，将估计的标签码序列解映射为人体信息比特。
[0155]
将估计的标签码序列解映射为人体信息比特，具体包括：
[0156]
当能量最大值为j1，估计的标签码序列为解映射得到人体信息比特为“0”；
[0157]
当能量最大值为j2，估计的标签码序列为解映射得到人体信息比特为“1”。
[0158]
由此可见，利用本实施例方法可克服人体内多径干扰，并正确恢复标签采集的人体信息比特，实现低功耗人体内通信。
[0159]
本领域技术人员可以理解，实现上述实施例的方法中的全部或部分步骤可以通过程序来指令相关的硬件来完成，相应的程序可以存储于计算机可读存储介质中。
[0160]
应当注意，尽管在附图中以特定顺序描述了上述实施例的方法操作，但是这并非要求或者暗示必须按照该特定顺序来执行这些操作，或是必须执行全部所示的操作才能实现期望的结果。相反，描绘的步骤可以改变执行顺序。附加地或备选地，可以省略某些步骤，将多个步骤合并为一个步骤执行，和/或将一个步骤分解为多个步骤执行。
[0161]
综上所述，本发明通过阅读器的发送模块产生询问信号，并对询问信号依次进行数字调制、脉冲成形后，生成超声波信号，通过阅读器的压电材料发送超声波信号；标签采
集人体信息并通过标签的压电材料接收超声波信号，通过人体信息得到人体信息比特，并将人体信息比特进行正交码序列映射为标签码书的标签码序列；标签通过控制压电材料的阻抗匹配进行能量收集和将标签码书的标签码序列通过超声波询问信号进行反向散射，得到反向散射信号；阅读器的接收模块对反向散射信号依次进行正交码匹配、检测、解映射，恢复出标签传输的人体信息比特。本发明利用压电材料特性实现超低功耗标签用于超声波反向散射通信以传输人体信号，有效避免有源器件应用于超声波人体内通信的高功耗问题；利用平衡正交码映射标签所传输的人体信息比特，有效克服人体多径效应，实现超低功耗的可靠超声波人体内通信。
[0162]
以上所述，仅为本发明专利较佳的实施例，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利所公开的范围内，根据本发明专利的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都属于本发明专利的保护范围。