[发明专利]一种基于扩频技术实现体内超声波通信的速率控制方法

说明书

本发明公开了一种基于扩频技术实现体内超声波通信的速率控制方法。该方法包括：发送节点以最大帧长和码长对信源信息进行信道编码、扩频、BPSK调制后发送超声波短脉冲；根据发送节点的噪声情况选择扩频方式，发送节点的干扰节点产生总干扰噪声小于信道噪声时采用直接序列扩频降低通信误码率，提高通信速率，干扰节点产生总干扰噪声大于信道噪声时选择跳时扩频方式。接收节点根据干扰节点情况和信道情况计算最佳帧长和码长，对通信速率的优化问题进行建模和求解并确定最佳帧长和码长，达到满足误码率要求的最大传输速率，并通知发送节点以最佳帧长和码长进行发送，达到全局速率最优。本发明采用超声波短脉冲信号实现体内节点通信，功耗低，并结合信道编码和不同扩频方式，降低信道噪声和多址干扰的影响，达到传输速率最优。

技术领域

本发明属于人体局域网和超声无线通信领域，具体涉及一种基于扩频技术实现体内超声波通信的速率控制方法。

背景技术

近年来，体域网在无线医疗和健康监测领域发展迅速，利用植入式医疗设备能够采集人体的各种生理数据，监测人体的健康状况，如对血糖、心电信号、肌电信号等进行长时间的监测。通过无线技术实现体表，体内和体外的节点互联，可以构建人体局域网络，简称体域网。现有体域网大都采用射频技术，众多研究表明将射频技术用于体内和体表的通信并不是最佳选择，主要存在以下问题：首先，由于人体的含水量高于65％，电磁波在人体内迅速衰减，很难传输，简单提高发射功率来提升传输距离不利于人体健康；其次，对于人长期暴露于射频辐射的危险，医学界始终存在分歧，世界卫生组织将射频波归类为“对人类可能致癌”；最后，射频波段拥挤，环境中已有射频通信或者恶意干扰会影响体内通信，给患者的隐私和安全带来了危险。

与射频相比，超声波应用于无线体域网通信优势明显，与工业、科学、医疗(ISM)和医疗植入通信服务(MICS)频带中通常用于连接医疗植入设备的射频波相比，超声波在人体组织中的吸收明显较低，在医疗上已广泛应用，如超声诊断，超声成像和超声治疗等，且研究文献表明超声波自1960年应用于人体内的临床治疗和诊断并未产生已知的有害影响。超声波信号不会和射频信号产生干扰，信号的监听需要相对专业的设备，这在安全性和隐私性方面是很好的保障。

但是超声波应用于体内通信时仍面临一些问题，其中最主要的问题是多径问题，人体内存在着微小的器官和粒子，体内环境的特殊性会造成超声波信号产生反射和散射信号，与发射信号混叠在一起产生严重的多径效应，如何恢复发射信号成为研究的难点。针对体内通信的多径问题，国外学者率先提出了一种针对人体信道特性的超声波传输方案，其主要思想是在跳时扩频后发送短脉冲信号，这种方案的优点是：极窄的短脉冲在产生反射和散射时，由于脉冲宽度非常小，不会和原始的信号脉冲产生混叠，因此在接收端容易分离出原始信号，有效克服多径问题。此外，跳时扩频可以实现多节点同时通信，跳时产生的低占空比，还有脉冲信号自身极小的能量保证了传输的低功耗，因此在体内通信的应用中基本是安全的。

然而，体内超声波信号平均功率很小，在体内的节点较少时，现有方案局限于跳时扩频，信噪比小，传输误码率高，为了满足误码率要求，现有方案采用增加发送信号帧长和码长的方式，结果导致通信速率降低，通信效率并不是最好。为此，本发明提出一种基于扩频技术实现体内超声波通信的速率控制方法，该方法根据误码率要求，采用不同的扩频通信技术，发送节点的干扰节点产生总干扰噪声小于信道噪声时，此时通信噪声能量主要来自于热噪声，采用直接序列扩频方式提高信噪比、降低误码率、提升传输速率；发送节点的干扰节点产生总干扰噪声大于信道噪声时，此时噪声能量主要来自于多节点干扰，采用跳时扩频方式，从而使通信系统保持低功耗和最大传输速率。

发明内容