基于非均匀介质模型的人体通信动态信道传播特性研究

The modeling of the dynamic propagation channel for human body communication (HBC) will give more advantageous in transceiver design, such as reducing the energy consumption, extending the working hours, minimizing the volume and simplifying the complexity of the design. However, the recent researches have not precisely clarify the dynamic HBC propagation mechanism. Based on our previous working on the characteristics of HBC propagation channel, in this proposal, we will firstly analyze the physical geometrical structure of human body and the electromagnetic characteristic of tissues, and considering the body movement, so as to model the inhomogeneous medium model for human body; secondly, we will investigate the response of different signal sources in aforementioned inhomogeneous medium model, and then will adopt FDTD to study the HBC propagation characteristics; finally, we will investigate the simulate method for the time series of continuous movement frame based on the inhomogeneous medium model, by adopting the experimental verification, we will establish the dynamic propagation channel for HBC based on inhomogeneous human medium model. This research will not only comprehensive model the dynamic HBC channel, but only provide important theoretical guidance and academic value for analyzing the dynamic channel propagation in wearable communications .

构建运动状态下的人体通信信道传播模型，对人体通信收发器进一步降低功耗、延长工作时间、缩小体积、降低设计复杂度都具有重要意义。而现有的研究都未能精确地揭示人体通信动态信道传播机理。本项目拟在前期人体通信传播信道建模及应用研究的基础上，通过分析人体物理几何结构及组织的电磁学特性，结合人体的运动特征，建立非均匀介质人体模型；基于上述模型，研究非均匀介质人体环境中多种信号源的激励响应特性，并采用时域有限差分算法解析基于非均匀介质的人体通信传播特性；进一步研究对高分辨率连续运动帧时间序列的非均匀介质仿真分析方法，结合实验统计分析，最终建立非均匀介质人体环境中的人体通信动态信道传播模型。本研究不仅对人体通信动态信道进行了全面深入的数值建模，还为穿戴式计算应用中的无线通信动态信道分析提供了重要的理论基础和学术价值。

在人体传感器网络的快速发展过程中，设计一种低功耗、安全和不受人自身影响的无线通信系统来实现穿戴式设备之间的互联互通是其关键技术之一。人体通信是一种以“人”为通信媒介的近端通信技术，其被认为是未来最有前景的适用于穿戴式应用的通信技术之一。对信道的传播特性研究是目前人体通信研究的热点，这些研究为设计低功耗，高可靠性的人体通信系统提供有力的理论支撑和工程指导。在本项目中，通过采用数值仿真和实验统计相结合的方法，对人体通信传播机制进行了深入的研究，研究内容包括建立了基于非均匀介质模型的人体电磁仿真模型，探索人体通信信道传播特性，以及研究人体通信动态传播特性。研究发现，人体通信信号主要是通过人体表面的信道进行传输。随着频率的增加，传输增益发生衰减，人体通信信道显示出低通特性。人体通信信道的群延迟与信道的长度无关，然而，群延迟与频率相关，且随着频率的增大，群延迟的波动幅度逐渐减小。在电极影响方面，项目组发现：电极尺寸以及电极的属性(金属电极、绝缘电极)对信道传输增益影响几乎可以忽略。在人体通信动态信道传播特性研究方面，研究结果表明：人体运动引起的阴影效应会引起较大的信道传输增益的波动，而地平面则有利于减小多径效应的影响。此外，与医学植入频段403.5MHz和工业，科学、医学频段2.45GHz相比，人体通信具有运动不敏感性。因此，人体通信在可穿戴技术和人体传感器网络领域具有广泛的发展前景。在项目执行期内，发表学术论文15篇，其中SCI论文4篇，EI论文8篇，中文核心及其他3篇；申请发明专利15项，已培养研究生3名，正在培养研究生3名；4个相关专利被授权且实现成功转让；开发了基于人体通信的智能门锁，并获得第十七届中国国际高新技术成果交易会优秀产品奖。本项目的顺利实施有利于促进人体通信技术和穿戴式设备的发展，具有显著的社会和经济效益。