表面波導人體通信建模理論與應用研究.pdf

1、人體通信是一種依托人體作為信號傳輸通道的新型近場通信方式，其作為實現(xiàn)普適計算的關鍵技術之一，因低功耗、結構簡單和安全性好的優(yōu)勢將在眾多領域中得到廣泛應用。而表面波導人體通信憑借其在高速通信方面的優(yōu)勢，迅速成為了人體通信研究領域中的熱點。但是當前的表面波導人體通信研究存在兩個問題:首先是研究中對人體的建模并不精確，因而人體通信信號內(nèi)在的傳輸機制尚不明確。同時研究中通常使用基于經(jīng)驗的人工參數(shù)調(diào)節(jié)方法來對通信裝置進行優(yōu)化，未將建模研究的成果應

2、用于優(yōu)化問題中。以上問題限制了人體通信系統(tǒng)性能的提升。為了解決這些的問題，本文利用電磁場正問題和逆問題的分析方法，從理論與應用兩方面對表面波導人體通信建模問題進行了深入的研究，主要包括以下四個方面:
　　1)表面波導人體通信電磁場求解方法分析（建模理論研究）
　　為了有效分析表面波導人體通信的建模問題，本文首先建立了一套系統(tǒng)的人體通信信號傳輸機制的求解方法。其中圓柱坐標系下的分層介質表面波導理論被選擇為本文中的電磁場解析求解

3、方法，而四面體棱邊有限元法和基于Helmholtz方程弱形式的Galerkin加權余量法被選擇為本文中的電磁場數(shù)值求解方法。這些求解方法構成了對人體通信建模問題進行研究的理論基礎和分析手段，這也是在人體通信研究領域對電磁場求解方法首次系統(tǒng)性地總結。
　　2)表面波導人體通信模型研究（建模理論研究）
　　為了解決現(xiàn)有人體通信理論模型存在的建模不精確和通信機理不明確的問題，本文根據(jù)人體的實際情況，使用電磁場的解析求解方法提出了一

4、種基于分層介質圓柱表面波導理論新型的人體通信理論模型。同時，與理論模型對應的人體數(shù)值模型的計算結果被用來佐證理論模型計算結果的正確性。通過計算結果可知，本文提出的新型人體通信理論模型無論從預測變化趨勢方面還是計算精度方面均明顯優(yōu)于現(xiàn)有理論模型。該模型是目前表面波導人體通信研究領域最為精確的理論模型，能夠完整的刻畫電磁波在人體表面的傳輸機制，可為優(yōu)化表面波導人體人體通信信號分布和提高系統(tǒng)性能提供理論依據(jù)。
　　3)人體通信模型簡化問

5、題研究（建模理論研究）
　　人體通信裝置的逆優(yōu)化問題需要大規(guī)模的人體模型計算，而前一部分提出的人體通信理論模型和數(shù)值模型的計算復雜度較大，這成為了將模型研究的結論應用于人體通信裝置優(yōu)化問題的瓶頸之一。為了解決這一問題，本文對人體通信模型的簡化問題進行了詳細的研究，提出了一種簡化人體通信數(shù)值模型。相比于標準的表面波導人體通信數(shù)值模型，該簡化人體數(shù)值模型可在保持88％的計算精度的前提下將計算時間減少2/3，非常適合用于對人體通信信號的

6、傳輸特性進行快速估計。模型簡化研究的結論將被應用于對人體通信信號發(fā)射器的優(yōu)化中，使得計算時間從原來的62.5天，減少到20.8天，大大提高了計算效率。
　　4)人體通信發(fā)射器設計與逆優(yōu)化研究（建模應用研究）
　　現(xiàn)有的表面波導人體通信信號發(fā)射器一般是通過基于經(jīng)驗的人工參數(shù)調(diào)整方法來實現(xiàn)性能優(yōu)化，因而存在集成性差和信號強度低、發(fā)射效率差兩方面的缺陷。為了解決以上問題，本文首次將電磁場逆優(yōu)化問題和人體數(shù)值模型引入人體通信裝置設計