【摘 要】
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体域网技术可实现体表与体内传感器间的连接以及生理数据的采集与监测,是构建医学物联网系统的必要组成部分。其中,体内节点可采用电磁波、超声波和光波等多种信号进行通信,实现植入式传感器的互连。超声波因为在体内传输衰减小、辐射小和频谱资源分配灵活等优点,较传统的射频通信而言更适合在含水量高的人体软组织中进行传输,在体内通信和组网中具有明显优势。然而超声波人体通信处于起步阶段,面临许多难题。因人体组织的异构
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体域网技术可实现体表与体内传感器间的连接以及生理数据的采集与监测,是构建医学物联网系统的必要组成部分。其中,体内节点可采用电磁波、超声波和光波等多种信号进行通信,实现植入式传感器的互连。超声波因为在体内传输衰减小、辐射小和频谱资源分配灵活等优点,较传统的射频通信而言更适合在含水量高的人体软组织中进行传输,在体内通信和组网中具有明显优势。然而超声波人体通信处于起步阶段,面临许多难题。因人体组织的异构性,超声波在体内传播时会产生反射、折射等现象,因此超声波在体内传输时存在多条路径,并未按照唯一路径传播,导致最终接收信号是多个路径信号的叠加。同时,超声波在体内传播速度仅有1500m/s。慢速传播和短距离通信使得体内多径呈现出密集的特点。为了深入研究多径干扰对超声人体通信产生的影响及抗多径干扰的通信方法,有必要针对体内多径时延的统计特性、多径干扰对通信性能的影响和多点接入的自适应速率调整进行了相关研究。直接序列扩频超声波宽带通信技术（Direct Sequence Ultrasonic Wideband,DS-UsWB）采用超短脉冲可有效减少多径交叠程度和多径干扰,在多点接入时能通过改变帧长和码长适应信道干扰变化,根据最大速率或者最小能耗的要求自适应调整速率。因此,本文主要研究内容和取得的成果包括:（1）对超声人体通信信道进行数学建模,通过多次人体信道仿真获取多径时延数据及其统计特性,采用理论推导分析DS-UsWB通信性能。多次蒙特卡罗实验证明经密集多径信道的DS-UsWB通信可通过调节码长将误码率降至1×10-4以下甚至更低水平,比未扩频时的误码率降低了5×10~3。蒙特卡罗实验也验证了推导结果是多径信道通信误比特率（Bit Error Rate,BER）的下界;（2）针对超声体域网的多点接入,分别采用速率最大和能耗最小作为优化目标,根据其它并发接入节点的通信干扰设计一种自适应速率调整方法,并通过凸优化理论和拉格朗日函数法求出显式解。目标链路的有效通信速率在速率最大化的优化下可达到2.6kbit/s,是其他方案的3倍,且不易受其他干扰节点的影响。在能耗最小化方案下,目标链路的能耗最低可达38n J,远低于其他两种方案。（3）基于协商对策论对多节点接入的竞争与合作关系进行数学建模,采用自适应速率调整的策略保证网络吞吐量达到最优。引入协商对策论的调整方案则改善了网络总吞吐量,使得网络总吞吐量维持在33kbit/s。在通信链路数为6时,基于协商对策论的速率调整方案则令目标节点的有效通信速率稳定在6.2kbit/s,分别是其他三种方案的10-3、10-7、10-11倍。基于协商对策论的速率调整方案的目标链路能耗从最初的5n J增加到13n J,比能耗最小化方案高3n J,链路平均能耗最高也仅有13n J。
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