极化体表通信在医用体域网中的建模与应用研究

The emerging of wireless body area newtorks (WBANs) and wearable medical sensor technologies is bringing low-powered, minaturized, and distributed multi-sensing physiological signal detection and tranmssion services to the end-users of mobile health (mHealth) systems. These technologies will greatly enhance the capability of current stand-alone mobile medical devices. The propagation channels of on-body communications, being the primary communication mechanism in WBANs, are impacted by the time-variant interferences from both the body scattering and antenna coupling effects, which in turn form distinct near-field propagation and dynamic fading/shadowing characteristics of on-body channels over time, space, and polarizations. Consequently, proper description and modeling on the polarized on-body channels is the key to continuosly optimize the stability of on-body communications in low-power mode system design. In this project, our work will be focused on the simulating, measuring, and modeling of the narrowband co-polarized and cross-polarized on-body channels at 900 MHz, 2.4 GHz, and 5 GHz. The polarization matrix characterization of near-field propagation channels will be studied. The physical mechanism of polarized on-body channels will be modeled. The dynamic body-antenna coupling effects will also be analyzed. Statistical channel models will be proposed on critical regions of the body. With a precise statistical model of dynamic polarized on-body channels and a better description of on-body antenna radiation patterns, the research will further evaluate and optimize the performance of current low-power communication protocols in low-speed on-body communication scenarios, and will further realize a continuous miniaturization design of wearable medical sensors.

无线体域网与穿戴式医疗传感器技术可为移动医疗终端用户提供低功耗，小型化，分布式的多体征信号联合检测与传输服务，将极大提升现有移动医疗设备的检测能力。体表通信作为无线体域网的主要通信机制，其传播信道受到来自人体与体表天线的近场时变电磁影响，在时间，空间，与极化分布上表现出独特的近场传播与动态特征。准确描述极化体表信道，是在低功耗系统设计中持续优化体表通信稳定性的关键。本项目将在典型医疗场景与人体运动模式下，针对900 MHz，2.4 GHz与5GHz频段的窄带同极化与交叉极化体表信道进行模拟，测量与建模。研究近场传播信道极化矩阵描述方法，探索极化体表信道的物理机制，分析人体与天线动态耦合效应，建立基于关键体征区域的体表信道统计模型。通过体表信道动态统计特性和体表天线辐射特性的准确描述，项目将进一步评估与优化现有低功耗通信协议在低速体表通信场景下的性能，实现传感设备持持续小型化的目标。

无线体域网与穿戴式医疗传感器技术可为移动医疗终端用户提供低功耗，小型化，分布式的多体征信号联合检测与传输服务，将极大提升现有移动医疗设备的检测能力。体表通信作为无线体域网的主要通信机制，其传播信道受到来自人体与体表天线的近场时变电磁影响，在时间，空间，与极化分布上表现出独特的近场传播与动态特征。准确描述极化体表信道，是在低功耗系统设计中持续优化体表通信稳定性的关键。本研究项目在典型人体姿态中，针对 900 MHz， 2.4 GHz 与 5GHz 频段的窄带静态体表信道进行了仿真，测量，与建模。通过分析体表信道的物理机制，深入分析体表信道的空间极化分布与极化矩阵的拓展描述方法。研究发现，体表信道存在沿体表传播方向的极化分布，并且不同的极化源均表现出明显的极化聚合与去极化趋势。在此基础上，研究团队首次提出了3*3扩展极化矩阵描述模型，并且在仿真与测量数据中获得了一致的观测结果。同时，研究团队通过简化人体模型下线极化天线的电磁仿真，分析了体表天线极化分布性能受人体的影响。基于分析结果，研究团队重点开展了可重构三极化体表天线的设计，优化，与测试。研究团队通过创新性地在天线设计过程中引入人体模型作为设计的一部分，更好的解决了人体对天线的耦合影响，其测试性能达到了设计预期。进一步的，研究团队还展开了分布式体表极化中继信道建模与中继算法设计与优化工作。研究结果表明，优化的中继算法可有效的提高中继链路的强度，从而提升系统的通信容量。本研究项目首次通过实测的方式，获取了人体13个关键区域2常见人体姿态下的体表信道全极化测量数据，该部分数据作为核心数据，是设计与优化分布式体表中继通信系统的基础依据。而所提出的分布式极化中继通信，是持续提升WBAN通信性能的有效手段之一。