无线体域网中复杂室内环境信道建模方法及装置

1.本发明涉及无线通信技术，尤其涉及一种无线体域网中复杂室内环境信道建模方法、及装置。


背景技术：

2.近年来，无线体域网(wireless body area network，wban)一直是通信领域的重点研究对象，智慧城市、厂区活动监测和电力巡检作业等复杂环境的体域网部署需求进一步驱动了可穿戴设备的发展，在未来小范围内激增的终端数量和网络数据场景下，现有的信道模型将不再适用，所以对复杂环境下的无线体域网进行精确建模是很必要的。为满足日后穿戴设备终端的数据高速传输，需要尽可能的建立精准的体域网信道模型，然而在这方面没有公认的一般化结论，例如对人体的穿透损耗与频率或距离的关系上，现有的一些文献中往往有不同的测量结果，甚至得出了相悖的结论。
3.论文《无线体域网体表信道模型研究进展》对当前的离体信道建模做了总结和简单的介绍，其中包含单一路径损耗模型、混合路径损耗模型、小尺度衰落等，研究频段在低频段、2.4ghz频段、uwb(3.1～10.6)ghz超带宽频段，但是使用这些频段容易产生干扰，该文中还公开了一种单一路径损耗模型：
[0004][0005]
pl0表示参考距离d0处的路径损耗，n为损耗指数，s为阴影衰落项。
[0006]
但是该模型最大的问题是：没有考虑人体的遮挡损耗，在非视距链路下的实际路径损耗将远超于本模型的损耗预算，其次是本模型只能将人体看作是一个整体，不能细致的做出体表不同部位的路径损耗模型，准确性不够高，不能很好的适应未来的多穿戴设备复杂体域网。


技术实现要素：

[0007]
发明目的：本发明针对现有技术存在的问题，提供一种准确性更高的无线体域网中复杂室内环境信道建模方法及装置。
[0008]
技术方案：本发明所述的无线体域网中复杂室内环境信道建模方法包括：
[0009]
(1)选取收发天线之间的参考距离d0，获取人体高度hi以及发射天线高度h
tx
与接收天线高度h
rx
的差值δh；
[0010]
(2)建立信道平均路径损耗模型为：
[0011][0012]
[0013][0014][0015]htx
＝a
·hi
+δh
[0016]
式中，d表示收发天线之间的距离，p表示发射天线所位于的人体部位，pl(d，p)表示平均路径损耗，β
0，p
表示路径损耗模型的截距，n
p
表示对数衰落指数，bpaf(p)、ψ(p)分别表示阴影效应、穿透损耗随p变化的概率密度分布函数，σ
p，1
和μ
p，1
是bpaf(p)分布函数方差和均值，σ
p，2
和μ
p，2
是ψ(p)分布函数方差和均值，表示天线高度h
tx
对平均路径损耗产生的影响值，a
p
、b
p
、c
p
、d
p
为中系数，a表示人体重心位置比例，β
0，p
、n
p
、σ
p，1
、μ
p，1
、σ
p，2
、μ
p，2
、a
p
、b
p
、c
p
、d
p
为待拟合参数；
[0017]
(3)在x频段采集测试点不同d、不同p时的路径损耗测量值；
[0018]
(4)将步骤(3)中所得到的数据对步骤(2)中建立的模型进行拟合，拟合得到的参数代入步骤(2)中模型，即为室内环境信道模型。
[0019]
进一步的，还包括步骤：
[0020]
(5)按照拟合得到的室内环境信道模型，计算不同d、不同p时的路径损耗计算值，并与路径损耗测量值进行决定系数评估，若决定系数大于预设阈值，则判定当前路径损耗测量值拟合成功，否则返回步骤(3)和(4)重新测量和拟合。
[0021]
进一步的，步骤(1)具体包括：
[0022]
(1-1)根据以下规则选取收发天线之间的参考距离d0：
[0023][0024]
式中，d表示天线的直径大小，λ表示无线载波信号波长；
[0025]
(1-2)获取人体高度hi以及发射天线高度h
tx
与接收天线高度h
rx
的差值δh。
[0026]
进一步的，步骤(3)具体包括：
[0027]
(3-1)设置收发天线距离d的取值序列{d1，d2，...，d
nd
}，发射天线所位于的人体部位p的取值序列{p1，p2，...，p
np
}，nd表示d的取值数目，np表示p的取值数目；
[0028]
(3-2)设置收发天线距离d为d1、发射天线所位于的人体部位p为p1，将采样的x频段划分为频点序列{f1，f2，...，f
nf
}，将当前接收天线的位置划分为h*h的空间网格阵列，网格间距为无线载波信号半波长，在频点序列的每个频点上对每个网格的频域响应幅值进行采集，每个网格采集m次，根据采集的数据按照下式计算得到路径损耗测量值
[0029][0030]
式中，表示指在距离为d、人体部位p为p1时、采样频率为f在第i个网格上第j次测量得到的频域响应衰减比值，即发射端到接收端的能量衰落比值，nf表示x频段划分的频点数目；
[0031]
(3-3)按照步骤(3-2)将d分别遍历取值序列{d1，d2，...，d
nd
}、p分别遍历取值序列{p1，p2，...，p
np
}，从而得到不同d、不同p时的路径损耗测量值。
[0032]
进一步的，步骤(5)具体包括：
[0033]
(5-1)按照拟合得到的室内环境信道模型，计算不同d、不同p时的路径损耗计算值y(d，p)；
[0034]
(5-2)选取n个不同d、不同p时的路径损耗测量值和路径损耗计算值y(d，p)，并按照下式计算决定系数r2：
[0035][0036][0037]
(5-3)判断决定系数是否大于预设阈值，若是则判定当前路径损耗测量值拟合成功，否则返回步骤(3)和(4)重新测量和拟合。
[0038]
本发明所述的无线体域网中复杂室内环境信道建模装置包括：
[0039]
参数选取模块，用于选取收发天线之间的参考距离d0，获取人体高度hi以及发射天线高度h
tx
与接收天线高度h
rx
的差值δh；
[0040]
模型建立模块，用于建立信道平均路径损耗模型为：
[0041][0042][0043][0044][0045]htx
＝a
·hi
+δh
[0046]
式中，d表示收发天线之间的距离，p表示发射天线所位于的人体部位，pl(d，p)表示平均路径损耗，β
0，p
表示路径损耗模型的截距，n
p
表示对数衰落指数，bpaf(p)、ψ(p)分别表示阴影效应、穿透损耗随p变化的概率密度分布函数，σ
p，1
和μ
p，1
是bpaf(p)分布函数方差和均值，σ
p，2
和μ
p，2
是ψ(p)分布函数方差和均值，表示天线高度h
tx
对平均路径损耗产生的影响值，a
p
、b
p
、c
p
、d
p
为中系数，a表示人体重心位置比例，β
0，p
、n
p
、σ
p，1
、μ
p，1
、σ
p，2
、μ
p，2
、a
p
、b
p
、c
p
、d
p
为待拟合参数；
[0047]
数据采集模块，用于在x频段采集测试点不同d、不同p时的路径损耗测量值；
[0048]
模拟拟合模块，用于将所述数据采集模块所得到的数据对所述模型建立模块建立的模型进行拟合，拟合得到的参数代入建立的模型，即为室内环境信道模型。
[0049]
进一步的，还包括：
[0050]
评估模块，用于按照拟合得到的室内环境信道模型，计算不同d、不同p时的路径损
耗计算值，并与路径损耗测量值进行决定系数评估，若决定系数大于预设阈值，则判定当前路径损耗测量值拟合成功，否则重新测量和拟合。
[0051]
进一步的，所述参数选取模块具体包括：
[0052]
参考距离选取单元，用于根据以下规则选取收发天线之间的参考距离d0：
[0053][0054]
式中，d表示天线的直径大小，λ表示无线载波信号波长；
[0055]
天线高度差获取单元，用于获取人体高度hi以及发射天线高度h
tx
与接收天线高度h
rx
的差值δh。
[0056]
进一步的，所述数据采集模块具体包括：
[0057]
取值序列设置单元，用于设置收发天线距离d的取值序列{d1，d2，...，d
nd
}，发射天线所位于的人体部位p的取值序列{p1，p2，...，p
np
}，nd表示d的取值数目，np表示p的取值数目；
[0058]
数据测量单元，用于设置收发天线距离d为d1、发射天线所位于的人体部位p为p1，将采样的x频段划分为频点序列{f1，f2，...，f
nf
}，将当前接收天线的位置划分为h*h的空间网格阵列，网格间距为无线载波信号半波长，在频点序列的每个频点上对每个网格的频域响应幅值进行采集，每个网格采集m次，根据采集的数据按照下式计算得到路径损耗测量值
[0059][0060]
式中，表示指在距离为d、人体部位p为p1时、采样频率为f在第i个网格上第j次测量得到的频域响应衰减比值，即发射端到接收端的能量衰落比值，nf表示x频段划分的频点数目；
[0061]
遍历单元，用于将d分别遍历取值序列{d1，d2，...，d
nd
}、p分别遍历取值序列{p1，p2，...，p
np
}并执行数据测量单元，从而得到不同d、不同p时的路径损耗测量值。
[0062]
进一步的，所述评估模块具体包括：
[0063]
第一计算单元，用于按照拟合得到的室内环境信道模型，计算不同d、不同p时的路径损耗计算值y(d，p)；
[0064]
第二计算单元，用于选取n个不同d、不同p时的路径损耗测量值和路径损耗计算值y(d，p)，并按照下式计算决定系数r2：
[0065][0066][0067]
判断单元，用于判断决定系数是否大于预设阈值，若是则判定当前路径损耗测量值拟合成功，否则重新测量和拟合。
[0068]
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点是：准确性更高，可以精确的给出
人体每个部位的离体信道损耗值，这对链路预算来说，可以精确控制信道功率的大小，在保证传输质量的同时尽可能的降低发射功率，节约资源。
附图说明
[0069]
图1是本发明提供的无线体域网中复杂室内环境信道建模方法的一个实施例的流程示意图。
具体实施方式
[0070]
本实施例提供了一种无线体域网中复杂室内环境信道建模方法，如图1所示，包括：
[0071]
(1)选取收发天线之间的参考距离d0，获取人体高度hi以及发射天线高度h
tx
与接收天线高度h
rx
的差值δh。
[0072]
该步骤具体包括：
[0073]
(1-1)根据以下规则选取收发天线之间的参考距离d0：
[0074][0075]
式中，d表示天线的直径大小，λ表示无线载波信号波长。
[0076]
根据天线特性，远场测试是指直接测量待测天线的远场数据，由于近场天线测量中，会由于多径效应和外界干扰等原因造成误差因此，在测量中远场数据往往更加可靠，因此定义选取规则为：这里采用微带天线作为本发明的穿戴天线进行测量，天线尺寸小(最大尺寸2.5cm)，据此d0理论最小值约为4.1667cm，但在实际情况中受测试者姿态、体型、不必要的动作等诸多因素会带来误差，本实施例选取d0＝1m。
[0077]
(1-2)获取人体高度hi以及发射天线高度h
tx
与接收天线高度h
rx
的差值δh。
[0078]
把人体的腹部位置高度作为接收端的参考高度，根据人体的差异性，接收端天线高度h
rx
随着人的身高hi变化为：h
rx
＝a
·hi
，发射天线高度h
tx
为：h
tx
＝h
rx
+δh，δh根据不同的无线网络物理信道配置环境做出调整，δh为正时则表示发射天线在腹部以上，δh为负时则表示发射天线在腹部以下；对于同一人体模型，h
rx
是定值，所以在本发明中基本对数距离模型的衰落指数受到人体不同部位p的影响；同样人体不同部位测量值因为接收天线的高度发生变化，传播环境的改变造成了p与阴影效应、穿透损耗产生了相互关联的影响。
[0079]
(2)建立信道平均路径损耗模型为：
[0080][0081][0082]
[0083][0084]htx
＝a
·hi
+δh
[0085]
式中，d表示收发天线之间的距离，p表示发射天线所位于的人体部位，pl(d，p)表示平均路径损耗，β
0，p
表示路径损耗模型的截距，n
p
表示对数衰落指数，bpaf(p)、ψ(p)分别表示阴影效应、穿透损耗随p变化的概率密度分布函数，σ
p，1
和μ
p，1
是bpaf(p)分布函数方差和均值，σ
p，2
和μ
p，2
是ψ(p)分布函数方差和均值，表示天线高度h
tx
对平均路径损耗产生的影响值，a
p
、b
p
、c
p
、d
p
为中系数，a表示人体重心位置比例，β
0，p
、n
p
、σ
p，1
、μ
p，1
、σ
p，2
、μ
p，2
、a
p
、b
p
、c
p
、d
p
为待拟合参数。
[0086]
(3)在x频段采集测试点不同d、不同p时的路径损耗测量值。
[0087]
该步骤具体包括：
[0088]
(3-1)设置收发天线距离d的取值序列{d1，d2，...，d
nd
}，发射天线所位于的人体部位p的取值序列{p1，p2，...，p
np
}，nd表示d的取值数目，np表示p的取值数目；
[0089]
(3-2)设置收发天线距离d为d1、发射天线所位于的人体部位p为p1，将采样的x频段划分为频点序列{f1，f2，...，f
nf
}，将当前接收天线的位置划分为h*h的空间网格阵列(本实施例中为3*3)，网格间距为无线载波信号半波长(λ/2)，在频点序列的每个频点上对每个网格的频域响应幅值进行采集，每个网格采集m次，根据采集的数据按照下式计算得到路径损耗测量值
[0090][0091]
式中，表示指在距离为d、人体部位p为p1时、采样频率为f在第i个网格上第j次测量得到的频域响应衰减比值，即发射端到接收端的能量衰落比值，nf表示x频段划分的频点数目；
[0092]
(3-3)按照步骤(3-2)将d分别遍历取值序列{d1，d2，...，d
nd
}、p分别遍历取值序列{p1，p2，...，p
np
}，从而得到不同d、不同p时的路径损耗测量值。
[0093]
(4)将步骤(3)中所得到的数据对步骤(2)中建立的模型进行拟合，拟合得到的参数代入步骤(2)中模型，即为室内环境信道模型。
[0094]
(5)按照拟合得到的室内环境信道模型，计算不同d、不同p时的路径损耗计算值，并与路径损耗测量值进行决定系数评估，若决定系数大于预设阈值，则判定当前路径损耗测量值拟合成功，否则返回步骤(3)和(4)重新测量和拟合。
[0095]
该步骤具体包括：
[0096]
(5-1)按照拟合得到的室内环境信道模型，计算不同d、不同p时的路径损耗计算值y(d，p)；
[0097]
(5-2)选取n个不同d、不同p时的路径损耗测量值和路长损耗计算值y(d，p)，并按照下式计算决定系数r2：
[0098][0099][0100]
(5-3)判断决定系数是否大于预设阈值，若是则判定当前路径损耗测量值拟合成功，否则返回步骤(3)和(4)重新测量和拟合。
[0101]
本实施例还提供了一种无线体域网中复杂室内环境信道建模装置，包括：
[0102]
参数选取模块，用于选取收发天线之间的参考距离d0，获取人体高度hi以及发射天线高度h
tx
与接收天线高度h
rx
的差值δh；
[0103]
模型建立模块，用于建立信道平均路径损耗模型为：
[0104][0105][0106][0107][0108]htx
＝a
·hi
+δh
[0109]
式中，d表示收发天线之间的距离，p表示发射天线所位于的人体部位，pl(d，p)表示平均路径损耗，β
0，p
表示路径损耗模型的截距，n
p
表示对数衰落指数，bpaf(p)、ψ(p)分别表示阴影效应、穿透损耗随p变化的概率密度分布函数，σ
p，1
和μ
p，1
是bpaf(p)分布函数方差和均值，σ
p，2
和μ
p，2
是ψ(p)分布函数方差和均值，表示天线高度h
tx
对平均路径损耗产生的影响值，a
p
、b
p
、c
p
、d
p
为中系数，a表示人体重心位置比例，β
0，p
、n
p
、σ
p，1
、μ
p，1
、σ
p，2
、μ
p，2
、a
p
、b
p
、c
p
、d
p
为待拟合参数；
[0110]
数据采集模块，用于在x频段采集测试点不同d、不同p时的路径损耗测量值；
[0111]
模拟拟合模块，用于将所述数据采集模块所得到的数据对所述模型建立模块建立的模型进行拟合，拟合得到的参数代入建立的模型，即为室内环境信道模型；
[0112]
评估模块，用于按照拟合得到的室内环境信道模型，计算不同d、不同p时的路径损耗计算值，并与路径损耗测量值进行决定系数评估，若决定系数大于预设阈值，则判定当前路径损耗测量值拟合成功，否则重新测量和拟合。
[0113]
其中，所述参数选取模块具体包括：
[0114]
参考距离选取单元，用于根据以下规则选取收发天线之间的参考距离d0：
[0115][0116]
式中，d表示天线的直径大小，λ表示无线载波信号波长；
[0117]
天线高度差获取单元，用于获取人体高度hi以及发射天线高度h
tx
与接收天线高度hrx
的差值δh。
[0118]
其中，所述数据采集模块具体包括：
[0119]
取值序列设置单元，用于设置收发天线距离d的取值序列{d1，d2，...，d
nd
}，发射天线所位于的人体部位p的取值序列{p1，p2，...，p
np
}，nd表示d的取值数目，np表示p的取值数目；
[0120]
数据测量单元，用于设置收发天线距离d为d1、发射天线所位于的人体部位p为p1，将采样的x频段划分为频点序列{f1，f2，...，f
nf
}，将当前接收天线的位置划分为h*h的空间网格阵列，网格间距为无线载波信号半波长，在频点序列的每个频点上对每个网格的频域响应幅值进行采集，每个网格采集m次，根据采集的数据按照下式计算得到路径损耗测量值
[0121][0122]
式中，表示指在距离为d、人体部位p为p1时、采样频率为f在第i个网格上第j次测量得到的频域响应衰减比值，即发射端到接收端的能量衰落比值，nf表示x频段划分的频点数目；
[0123]
遍历单元，用于将d分别遍历取值序列{d1，d2，...，d
nd
}、p分别遍历取值序列{p1，p2，...，p
np
}并执行数据测量单元，从而得到不同d、不同p时的路径损耗测量值。
[0124]
其中，所述评估模块具体包括：
[0125]
第一计算单元，用于按照拟合得到的室内环境信道模型，计算不同d、不同p时的路径损耗计算值y(d，p)；
[0126]
第二计算单元，用于选取n个不同d、不同p时的路径损耗测量值和路径损耗计算值y(d，p)，并按照下式计算决定系数r2：
[0127][0128][0129]
判断单元，用于判断决定系数是否大于预设阈值，若是则判定当前路径损耗测量值拟合成功，否则重新测量和拟合。
[0130]
本装置与上述方法一一对应，未详尽之处请参照方法，不再赘述。
[0131]
以上所揭露的仅为本发明一种较佳实施例而已，不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明权利要求所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。