一种无线体域网通信系统的制作方法

本发明实施例涉及无线体域网技术领域，尤其涉及一种无线体域网通信系统。

背景技术：

无线体域网(wirelessbodyareanetworks，wban)，是指建立在个人所携带的电子设备之间的信息网络。为了促进无线体域网的发展，无线体域网标准ieee802.15.6于2012年正式确立。标准中规定了三类用以进行无线体域网通信的信号频段：窄带(narrowband，nb)、超宽带(ultrawideband，uwb)和人体通信(humanbodycommunication，hbc)频段。其中，窄带和超宽带均属于射频通信的方式，而人体通信则是将人的身体视为导体，利用人体作为信道完成信号的传导，是一种非射频的通信方式。与射频通信的方式相比，人体通信由于利用人体低损耗的特性，且无需天线、线圈，有望真正实现无线体域网的低功耗和小型化。

对于基于人体通信的无线体域网通信系统，依照耦合方式的不同，又可分为基于电容耦合的无线体域网通信系统和基于电流耦合的无线体域网通信系统。其中，基于电容耦合的无线体域网通信系统是通过发射端或接收端的两个电极分别与人体和空气进行电容耦合来确立通信回路，进而实现信号的传导。

图1为现有技术中无线体域网通信系统的结构示意图，如图1所示，该系统为基于电容耦合的无线体域网通信系统，包括发射端和接收端，其中，发射端包括一个信号电极setx、一个交流信号源和一个地电极getx，接收端包括一个信号电极serx和一个地电极gerx。其中，信号电极setx和信号电极serx均贴于人体表面，此时，信号电极setx-人体-信号电极serx间构成了前向路径，地电极getx-空气-地电极gerx间构成了反向路径。由于空气中的耦合电容的导电率远低于人体的导电率，从而使得反向路径损耗远高于前向路径损耗。

为了保持无线体域网通信系统的低功耗，需要对反向路径损耗进行补偿。图2为现有技术中具有补偿功能的无线体域网通信系统的结构示意图，如图2所示，通常通过在接收端的信号电极serx和地电极gerx间串联一个固定电感，以实现对反向路径损耗进行补偿。但是，反向路径损耗随人体姿态的变化而变化，现有技术无法在人体姿态的动态变化过程中对反向路径损耗进行有效的补偿，因此，无法保持该系统的低功耗。因此，提出一种能够在人体姿态动态变化过程中对反向路径损耗进行有效补偿的无线体域网通信系统成为了亟待解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术中存在的技术问题，本发明实施例提供一种无线体域网通信系统。

第一方面，本发明实施例提供一种无线体域网通信系统，包括：发射端和接收端；其中，所述接收端包括：

负载电阻、数控电感阵列和补偿电感值计算器；其中，

所述负载电阻和所述数控电感阵列依次串联于信号电极和地电极间，所述补偿电感值计算器与所述负载电阻和所述数控电感阵列并联；

所述负载电阻，用于根据所述发射端发射的激励信号，生成电压信号；

所述补偿电感值计算器，用于根据所述电压信号，计算得到补偿电感值；

所述数控电感阵列，用于根据所述补偿电感值，从所述数控电感阵列的多个电感中确定若干个电感作为补偿电感，并通过所述补偿电感对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。

本发明实施例提供的一种无线体域网通信系统，通过在接收端的信号电极和地电极中串联负载电阻和数控电感阵列，并将补偿电感值计算器与负载电阻和数控电感阵列并联，使得负载电阻能够根据发射端的交流信号源发射的激励信号生成电压信号并传递至补偿电感值计算器，进一步使得补偿电感值计算器根据电压信号计算得到补偿电感值并传递至数控电感阵列，进一步使得数控电感阵列从自身所包括的多个电感中确定补偿电感，进而通过补偿电感对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。由于发射端的交流信号源能够在人体姿态变化过程中周期或非周期性地发射激励信号，因此，发射端每发射一个激励信号，接收端都能相应地生成一个电压信号，进而基于该电压信号在数控电感阵列中确定补偿电感，从而通过补偿电感对系统中的反向路径损耗进行补偿，从而能够在人体姿态变化过程中动态且有效的对系统中的反向路径损耗进行补偿，使得系统的功耗大幅降低。

附图说明

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一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图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获得其他的附图。

图1为现有技术中无线体域网通信系统的结构示意图；

图2为现有技术中具有补偿功能的无线体域网通信系统的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种无线体域网通信系统的结构示意图；

图4为本发明一实施例提供的一种无线体域网通信系统的具体结构示意图；

图5为本发明另一实施例提供的一种无线体域网通信系统的具体结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种补偿电感值计算器的结构示意图；

图7为本发明实施例提供的一种测试系统的结构示意图。

具体实施方式

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。

图3为本发明实施例提供的一种无线体域网通信系统的结构示意图，如图3所示，该系统包括：发射端31和接收端32；其中，所述接收端32包括：

负载电阻321、数控电感阵列322和补偿电感值计算器323；其中，

所述负载电阻321和所述数控电感阵列322依次串联于信号电极serx和地电极gerx间，所述补偿电感值计算器323与所述负载电阻321和所述数控电感阵列322并联；

所述负载电阻321，用于根据所述发射端31发射的激励信号，生成电压信号；

所述补偿电感值计算器323，用于根据所述电压信号，计算得到补偿电感值；

所述数控电感阵列322，用于根据所述补偿电感值，从所述数控电感阵列322的多个电感中确定若干个电感作为补偿电感，并通过所述补偿电感对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。

首先，结合图3对发射端31进行具体说明：

发射端31包括：依次串联的信号电极setx、交流信号源311和地电极getx。其中，交流信号源311周期或非周期性的产生激励信号，该激励信号可以使得信号电极setx和地电极getx间产生交流电压，该交流电压通过人体和空气中的耦合电容传递到接收端32，使得接收端32的信号电极serx和地电极gerx间产生交流电压，该交流电压使得负载电阻321生成电压信号。其中，负载电阻为通常在大型电源设备、医疗设备和电力仪器设备等产品中使用的用于吸收多余功率的大功率耗能电阻。

其次，结合图3对接收端32进行具体说明：

接收端32包括：依次串联的信号电极serx、负载电阻321、数控电感阵列322和地电极gerx，以及，与负载电阻321和数控电感阵列322并联的补偿电感值计算器323。

其中，补偿电感值计算器323的第一端电连接至信号电极serx和负载电阻321间的导线处，用来获取负载电阻321生成的电压信号，以根据该电压信号计算得到补偿电感值，需要说明的是，补偿电感值为对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿的电感的最优电感值，即，通过具有补偿电感值的电感对反向路径损耗进行补偿时，补偿效果最优；补偿电感值计算器323的第二端电连接至数控电感阵列322，以将该计算得到的补偿电感值发送至数控电感阵列322。

需要说明的是，数控电感阵列322包括一个电感控制器和多个电感，电感控制器可以根据接收到的补偿电感值，从这多个电感中确定部分电感或全部电感作为补偿电感，从而将补偿电感作为一个整体串联至地电极gerx和负载电阻321间，以实现对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。

本发明实施例提供的系统，通过在接收端的信号电极和地电极中串联负载电阻和数控电感阵列，并将补偿电感值计算器与负载电阻和数控电感阵列并联，使得负载电阻能够根据发射端的交流信号源发射的激励信号生成电压信号并传递至补偿电感值计算器，进一步使得补偿电感值计算器根据电压信号计算得到补偿电感值并传递至数控电感阵列，进一步使得数控电感阵列根据补偿电感值从自身所包括的多个电感中确定补偿电感，进而通过补偿电感对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。由于发射端的交流信号源能够在人体姿态变化过程中周期或非周期性地发射激励信号，因此，发射端每发射一个激励信号，接收端都能相应地生成一个电压信号，进而基于该电压信号在数控电感阵列中确定补偿电感，从而通过补偿电感对系统中的反向路径损耗进行补偿，从而能够在人体姿态变化过程中动态且有效的对系统中的反向路径损耗进行补偿，使得系统的功耗大幅降低。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例结合图4，对上述实施例中的数控电感阵列322进行进一步说明，图4为本发明一实施例提供的一种无线体域网通信系统的具体结构示意图，如图4所示，该系统中的数控电感阵列322，包括：

第一补偿电感确定模块3221、多个电感和多个开关；其中，

所述多个电感中的各电感并联，所述多个开关与所述多个电感一一对应，每一开关与对应的电感串联；

所述第一补偿电感确定模块3221，与所述多个开关电连接，用于根据所述补偿电感值，从所述多个电感中确定若干个电感作为补偿电感，并根据所述补偿电感生成控制信号并发送至所述多个开关；

所述多个开关，用于根据所述控制信号进行断开或闭合，以将处于闭合状态的开关所对应的电感作为补偿电感，以通过所述补偿电感对所述无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。

具体地，在上述实施例中已经提及，数控电感阵列322包括一个电感控制器和多个电感。在本发明实施例中，将电感控制器优选为一个第一补偿电感确定模块3221和多个开关，即，电感控制器包括一个第一补偿电感确定模块3221和多个开关。需要说明的是，这多个电感中的各电感均为并联关系，多个开关和多个电感一一对应，每一开关与对应的电感串联。

第一补偿电感确定模块3221与多个开关电连接，用于根据接收到的补偿电感值，从这多个电感中确定部分电感或全部电感作为补偿电感，且基于所确定的补偿电感生成控制信号并发送至多个开关。这多个开关能够根据接收到的控制信号进行断开或闭合，以实现将处于闭合状态的开关对应的电感作为补偿电感，从而直接通过补偿电感对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。

为了更清楚地说明本发明实施例，对多个电感进行说明：

多个并联的电感的电感值依次增大，且相邻电感的电感值具有2倍或近似2倍的关系。

可以理解的是，对于图4中的系统，若电感的个数n，则开关的个数也为n，若n为5，则电感的个数为5，开关的个数也为5，且，这5个电感的电感值从上至下依次增大。若按照从上至下的顺序，将这5个电感依次称为电感1、电感2、电感3、电感4和电感5，则，电感2的电感值为电感1的电感值的2倍或近似2倍，电感3的电感值为电感2的电感值的2倍或近似2倍，依次类推，此处不再赘述。

对第一补偿电感确定模块进行说明：

为了更好地说明第一补偿电感确定模块的功能，首先，作出如下定义：对于数控电感阵列322中的多个电感，将这多个电感中的任意一个或多个所并联形成组合称为电感子集，可以理解的是，这多个电感存在多个电感子集。例如，对于上述例子中的电感1、电感2、电感3、电感4和电感5，电感1可称为一个电感子集，电感1、电感2所并联形成的组合可称为一个电感子集，电感1、电感2、电感3、电感4和电感5所并联形成的组合也可称为一个电感子集，本发明实施例对电感子集的列举不再赘述。

第一补偿电感确定模块中已预先存储有每一电感子集的总电感值，当其接收到补偿电感值之后，会将每一电感子集的总电感值与补偿电感值进行大小对比，并将与补偿电感值的大小最接近的电感子集中的电感确定为补偿电感。

第一补偿电感确定模块确定了补偿电感后，生成控制信号并发送给多个开关。例如，对于上述例子，控制信号为5bit的二进制数字信号，例如10001、00111等，其中，1控制开关闭合，0控制开关断开。若第一补偿电感确定模块确定的补偿电感为电感1和电感5，则生成的控制信号为10001，其中，最高位1和最低位1分别用来控制电感1对应的开关和电感5对应的开关，中间位从左至右的三个0，分别用来控制电感2对应的开关、电感3对应的开关和电感4对应的开关。此时，电感1对应的开关和电感5对应的开关均闭合，电感2对应的开关、电感3对应的开关和电感4对应的开关均断开，此时，电感1和电感5并联所形成的组合作为补偿电感串联至地电极gerx和负载电阻间，对无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例结合图5，对上述实施例中的数控电感阵列进行进一步说明，图5为本发明另一实施例提供的一种无线体域网通信系统的具体结构示意图，如图5所示，该系统中的数控电感阵列322，包括：

第二补偿电感确定模块3222、多个电感和多个开关；其中，

所述多个电感中的各电感串联，所述多个开关与所述多个电感一一对应，每一开关与对应的电感并联；

所述第二补偿电感确定模块3222，与所述多个开关电连接，用于根据所述补偿电感值，从所述多个电感中确定若干个电感作为补偿电感，并根据所述补偿电感生成控制信号并发送至所述多个开关；

所述多个开关，用于根据所述控制信号进行断开或闭合，以将处于断开状态的开关所对应的电感作为补偿电感，以通过所述补偿电感对所述无线体域网通信系统中的反向路径损耗进行补偿。

需要说明的是，本发明实施例中的数控电感阵列322为上述实施例中的数控电感阵列322的一种变形。本实施例的数控电感阵列322所包括的各部件与上述实施例中的数控电感阵列322所包括的各部件功能类似，此处不再赘述。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例对上述实施例中的补偿电感值计算器进行具体说明，即，所述补偿电感值计算器包括：

反向路径损耗值计算模块，用于根据所述电压信号，计算得到所述无线体域网通信系统中的反向路径损耗值；

反向路径距离计算模块，用于根据所述反向路径损耗值，计算得到所述无线体域网通信系统中的反向路径距离；

反向耦合电容值计算模块，用于根据所述反向路径距离，计算得到所述无线体域网通信系统中的反向耦合电容值；

补偿电感值计算模块，用于根据所述反向耦合电容值，计算得到所述补偿电感值。

具体地，结合图6对本发明实施例提供的补偿电感值计算器进行具体说明，图6为本发明实施例提供的一种补偿电感值计算器的结构示意图，如图6所示，补偿电感值计算器包括：依次电连接的反向路径损耗值计算模块3231、反向路径距离计算模块3232、反向耦合电容值计算模块3233和补偿电感值计算模块3234。

其中，反向路径损耗值计算模块3231的输入端电连接至负载电阻与信号电极serx间的导线处，用于获取负载电阻生成的电压信号，并根据获取到的电压信号，计算得到无线体域网通信系统中的反向路径损耗值并输出。

反向路径距离计算模块3232的输入端电连接至反向路径损耗值计算模块3231的输出端，用于获取反向路径损耗值，并根据获取到的反向路径损耗值，计算得到无线体域网通信系统中的反向路径距离并输出。

反向耦合电容值计算模块3233的输入端电连接至反向路径距离计算模块3232的输出端，用于获取反向路径距离，并根据获取到的反向路径距离，计算得到无线体域网通信系统中的反向耦合电容值并输出。

补偿电感值计算模块3234的输入端电连接至反向耦合电容值计算模块3233的输出端，用于获取反向耦合电容值，并根据获取到的反向耦合电容值，计算得到补偿电感值。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例对上述实施例中的反向路径损耗值计算模块进行具体说明，即，所述反向路径损耗值计算模块，进一步用于：

根据所述激励信号的强度和所述电压信号的强度，计算得到所述无线体域网通信系统中的总路径损耗值，并根据所述总路径损耗值和所述无线体域网通信系统中的前向路径损耗值，计算得到所述反向路径损耗值。

具体地，无线体域网通信系统中的总路径损耗包括前向路径损耗和反向路径损耗，为了计算得到反向路径损耗值，需要知晓无线体域网通信系统中的总路径损耗值和前向路径损耗值。

其中，计算总路径损耗值的方法为：获取发射端交流信号源发射的激励信号的强度，并获取接收端负载电阻生成的电压信号的强度，将激励信号的强度与电压信号的强度相减，即可得到无线体域网通信系统中的总路径损耗值。

结合图4，说明获取前向路径损耗值的方法：将发射端的地电极getx和接收端的地电极gerx短路，短路之后，按照从上至下或从左至右的顺序依次关闭每一开关，每关闭一个开关，计算一次激励信号的强度与电压信号的强度的差值，将所有差值中的最小值作为前向路径损耗值。

例如，对于电感1、电感2、电感3、电感4、电感5，首先，将发射端的地电极getx和接收端的地电极gerx短路，短路之后，关闭电感1对应的开关，计算一次激励信号的强度与电压信号的强度的差值；然后，关闭电感2对应的开关，计算一次激励信号的强度与电压信号的强度的差值，依次类推，可以获得5个差值，将5个差值中的最小值作为前向路径损耗值。

需要说明的是，通常，前向路径损耗值在该系统投入使用之前就已计算得出。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例对上述实施例中的反向路径距离计算模块进行具体说明，即，所述反向路径距离计算模块，进一步用于：

根据所述反向路径损耗值，并通过以下公式计算得到所述无线体域网通信系统中的反向路径距离：

其中，dtr为反向路径距离，pbl为反向路径损耗值，f为所述激励信号的频率。

本发明实施例对上述公式的由来进行说明：

由于反向路径损耗pbl仅依赖于反向路径距离dtr的变化而变化，所以可以通过具体的测试来建立反向路径距离dtr和反向路径损耗值pbl的关系。

测试步骤如下：

首先，建立一测试系统，系统如图7所示，其中，图7为本发明实施例提供的一种测试系统的结构示意图，如图7所示，该测试系统包括：

信号电极setx、信号电极serx、地电极getx、地电极gerx、第一巴伦71、第二巴伦72和矢量网络分析仪73。

其中，第一巴伦71的第一端电连接至信号电极setx和地电极getx间的导线处，第一巴伦71的第二端电连接至矢量网络分析仪73。

第二巴伦72的第一端电连接至信号电极serx和地电极gerx间的导线处，第二巴伦72的第二端电连接至矢量网络分析仪73。

第一巴伦71用于隔离地电极getx与矢量网络分析仪73的地，第二巴伦72用于隔离地电极gerx与矢量网络分析仪73的地。为了减少线缆间的耦合作用，第一巴伦71和第二巴伦72均直接连接到测试仪器上。

然后，开始正式进行测试：

将信号电极setx和信号电极serx贴于人体表面；

将地电极getx和地电极gerx直接相连，通过短路反向路径来获得前向路径损耗值。

改变地电极getx和地电极gerx间的距离，测试不同反向路径距离dtr下的总路径损耗值，这个总路径损耗值减去前向路径损耗值即可得到对应反向路径距离dtr下的反向路径损耗值。

根据大量的测试结果，可得到反向路径损耗pbl随反向路径距离dtr的变化规律，并基于最小二乘法，拟合得到反向路径损耗值pbl与反向路径距离dtr以及之间的关系式：

在上述各实施例的基础上，本发明实施例对上述实施例中的反向耦合电容值计算模块进行具体说明，即，所述反向耦合电容值计算模块，进一步用于：

根据所述反向路径距离，并通过以下公式计算得到所述无线体域网通信系统中的反向耦合电容值：

其中，cair为反向耦合电容值，dtr为反向路径距离，s为地电极的面积，l为地电极的周长，k为校正因子，ε0为真空中的介电常数，εr为人体组织的相对介电常数。

具体地，通常的平行板电容的计算公式并不适用与反向耦合电容的计算。这是因为平行板电容的计算公式的只在平行板间距远小于平行板尺寸时适用，此时板上的电荷密度可以认为是均匀的，且边缘场可以忽略不计。但是在无线体域网通信系统中，两个地电极间的距离通常大于电极的尺寸，此时边缘场不能忽略，同时人体的存在也会对反向耦合电容带来影响。

基于此，利用电磁仿真软件建立了一个反向耦合电容仿真平台，具体步骤为：首先在电磁仿真软件中建立一个人体模型，将人体划分为胳膊，腿，胸腔和腹部四个部分。每个部分包含多个组织层。建立人体模型后，将介电常数和导电率导入各组织层。测量不同人体的组织层厚度，并将其测量值导入模型中。在仿真软件中，建立两个铜片作为地电极，放在人体模型上方0.5cm，两个铜片间的距离即是反向路径距离dtr。

改变两个铜片间的距离，仿真对应反向路径距离dtr下的反向耦合电容值，可以得到一系列的结果。同时，也可以研究反向耦合电容值随地电极的不同形状、尺寸的影响。根据这些仿真结果，可以计算得出反向路径距离dtr和反向耦合电容值cair的关系：

其中，cair为反向耦合电容值，dtr为反向路径距离，s为地电极的面积，l为地电极的周长，k为校正因子，ε0为真空中的介电常数，εr为人体组织的相对介电常数。在地形状为圆形、三角形、正方形和六边形时，参数k分别为0.89、0.95、1和1.03。

在上述各实施例的基础上，本发明实施例对上述实施例中的补偿电感值计算模块进行具体说明，即，所述补偿电感值计算模块，进一步用于：

根据所述反向耦合电容值，并通过以下公式计算得到所述补偿电感值：

其中，l为补偿电感值，cair为反向耦合电容值，cgd,tx为发射端的地电极对地的电容，cgd,rx为接收端的地电极对地的电容，f为所述激励信号的频率。通常，cgd,tx和cgd,rx均为2pf。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。