CN110784268A - 基于分组索引调制的超声波人体内通信方法及装置 - Google Patents

基于分组索引调制的超声波人体内通信方法及装置 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于分组索引调制的超声波人体内通信方法及装置，方法包括在发送节点上对串行信息进行分块，每个信息块包括调制比特和索引比特；将每个发送帧划分成多个分组；对每个发送帧的分组进行索引调制，根据索引比特确定出分组所对应的激活组序号；对每个信息块的调制比特进行数字调制，并将数字调制后的调制比特映射到激活组序号所对应的激活组中；对并行处理的多个信息块依次进行并/串转换、脉冲成形和超声波转换得到传输信号，并通过发送帧在人体内传送传输信号；在接收节点上接收由人体传送到的传输信号，并解调传输信号，得到索引比特和调制比特。本发明能够有效克服人体多径效应，实现高速节能的超声波人体通信。

Description

基于分组索引调制的超声波人体内通信方法及装置
技术领域
本发明涉及物理层调制、人体通信和超声波无线通信技术领域，特别涉及一种基于分组索引调制的超声波人体内通信方法及装置。
背景技术
近年来，随着医疗技术的进步、医疗设备的微型化、个体化医疗的需求发展，人体通信研究取得显著进展。人体通信研究在移动医疗、健康监护中有着重要的作用，植入式人体通信是人体通信的重要组成部分。而现有射频通信技术应用在人体通信中吸收率高，长期辐射危害大；电容耦合型人体通信的发送节点和接收节点需形成对地回路，不适合植入式人体通信；电流耦合型人体通信受到体内通信频率的限制，通信速度较低。
超声波自1960年应用于临床治疗和诊断，未产生已知有害影响，被证明在功率受限时对人体基本安全。超声波应用于人体通信的研究中，国外学者提出以跳时模式发送窄脉冲信号，从而克服人体的多径效应。研究者对跳时模式发送窄脉冲信号的方案提出速率优化和误码率优化等算法，均未能考虑能耗的需求。而植入式设备的电池寿命对设备的使用、治疗作用和效果有着极大的影响。
索引调制首先由国外学者提出，应用在多天线无线通信中，通过天线的位置索引携带信息。近年来，研究者提出将索引调制应用在直接扩频的扩频码索引，正交频分复用(OFDM)的子载波索引等，通过索引调制提高信息速率和降低能耗。然而将索引调制直接应用在时隙索引，并不适合于人体通信。由于人体中存在严重的多径效应，一个发送帧内发送多个脉冲时，相邻脉冲会产生严重的干扰，导致严重误码。
发明内容
本发明的第一目的在于克服现有技术的缺点与不足，提供一种基于分组索引调制的超声波人体内通信方法，该方法能够有效克服人体多径效应，实现高速节能的超声波人体通信。
本发明的第二目的在于提供一种基于分组索引调制的超声波人体内通信装置。
本发明第一目的通过下述技术方案实现：一种基于分组索引调制的超声波人体内通信方法，步骤如下：
S1、在发送节点上，将串行信息进行串/并转换，分成多个信息块，每个信息块包括Y个调制比特和M个索引比特；
S2、针对于每个发送帧，将其划分成多个分组；
S3、对每个发送帧的分组进行索引调制，根据每个信息块的索引比特确定出分组所对应的激活组序号；
针对于每个信息块，对信息块的调制比特进行数字调制，并将数字调制后的调制比特映射到激活组序号所对应的激活组中；
S4、针对于在步骤S3中并行处理的多个信息块，依次进行并/串转换、脉冲成形和超声波转换，得到传输信号s(t)，并通过发送帧在人体内传送传输信号s(t)；
S5、在接收节点上，接收由人体传送到的传输信号s'(t)，并对接收到的传输信号s'(t)进行解调，最终得到索引比特和调制比特。
优选的，发送节点和接收节点均位于以人体作为传输介质的无线通信网络中；
在步骤S2中，根据接入节点的数量，将发送帧的时隙对应划分成N个分组，每个分组的时隙数量不小于接入节点的个数，每个接入节点对应分配一个分组内的单个时隙；
接入节点是无线通信网络中可用于发送信息块的发送节点。
更进一步的，在步骤S3中，数字调制后的调制比特映射到激活组序号所对应的激活组中的发送时隙，其中，发送时隙由发送节点确定，不同的发送节点采用不同的时隙作为携带调制比特的发送时隙。
更进一步的，对发送帧的分组进行索引调制，根据每个信息块的索引比特确定出分组中对应的激活组序号，具体为：
在N个分组中激活其中的K个分组，被激活的K个分组作为激活组，K个激活组的组合种类为种；
由不同的激活组的组合对应得出不同的激活组序号；
根据每个信息块的索引比特确定出所对应的激活组序号，以此得到对应的激活组组合；
索引比特的个数M与激活组的组合种类
Figure BDA0002251980450000032
之间的关系式为：
Figure BDA0002251980450000033
其中，
Figure BDA0002251980450000034
为向下取整函数；
调制比特的个数Y与激活组的个数K之间的关系式为：
Y＝Klog2R；
关系式表示在K个激活组分别发送log2R个比特，其中，R为数字调制的阶数，R为2x，x为正整数。
优选的，数字调制为脉冲相位调制、脉冲位置调制、脉冲幅度调制、脉冲宽度调制或者脉冲波形调制。
更进一步的，传输信号s(t)为超声波脉冲信号；
当数字调制为脉冲幅度调制时，传输信号s(t)具体如下：
其中，t是时间，j是发送帧的序号；k是激活组的序号；p(t)是单周期脉冲信号，p(t)的脉冲宽度小于时隙宽度；Ts是一个发送帧的时间长度；Tg是一个分组的时间长度；Tc是一个时隙的时间长度；Pj,k是第j帧中第k个激活组；cj是第j个发送帧的分组中的时隙序号；aj,k是第j个发送帧第k个激活组第cj个时隙发送的调制比特。
优选的，采用最大似然法对接收到的传输信号s'(t)进行解调，得到索引比特和调制比特，过程如下：
S51、将传输信号s'(t)与多种模板信号ml(t)分别进行相关运算，其中，模板信号的种类为
Figure BDA0002251980450000041
种，l为模板信号的序号，1≤l≤L；N为分组的个数；K为激活组的个数；
Figure BDA0002251980450000042
为在N个分组中的K个激活组的组合种类；RK为Y个调制比特的所有组合种类，Y＝Klog2R表示在K个激活组分别发送log2R个比特，R为数字调制的阶数，R为2x，x为正整数；
S52、将相关运算后所得的多个信号分别在一帧时间Ts内进行积分，得到积分后的信号Zl，具体如下；
Figure BDA0002251980450000043
其中，τ为一个发送帧开始的时间；
S53、按照最大似然准则，从积分后的信号Zl选择出最大值信号
Figure BDA0002251980450000044
具体如下：
Figure BDA0002251980450000045
根据最大值信号
Figure BDA0002251980450000046
确定相应的模板信号
Figure BDA0002251980450000047
所确定的模板信号为相关值最大的模板信号；
S54、根据相关值最大的模板信号
Figure BDA0002251980450000048
确定出激活组的组合，并由确定出的激活组的组合解调出传输信号的索引比特；
根据相关值最大的模板信号中K个激活组所携带的调制比特，解调出传输信号的调制比特。
本发明第二目的通过下述技术方案实现：一种基于分组索引调制的超声波人体内通信装置，包括：发送端模块和接收端模块，发送端模块通过人体无线连接接收端模块，其中，发送端模块包括第一转换器、分组模块、索引调制器、数字调制器、第二转换器和第一通信模块，
第一转换器，用于将串行信息进行串/并转换，分成多个信息块，并将信息块并向传输至索引调制器和数字调制器，其中，每个信息块包括Y个调制比特和M个索引比特；
分组模块，用于针对于每个发送帧，将其划分成多个分组；
索引调制器，用于对每个发送帧的分组进行索引调制，根据每个信息块的索引比特确定出分组所对应的激活组序号；
数字调制器，用于针对于每个信息块，对信息块的调制比特进行数字调制，并将数字调制后的调制比特映射到激活组序号所对应的激活组中；
第二转换器，包括并/串转换器、脉冲成形模块和超声波换能器，
并/串转换器用于对在数字调制器中并行处理的多个信息块进行并/串转换；
脉冲成形模块用于将并/串转换器输出的信号进行脉冲成形；
超声波换能器用于将脉冲成形模块输出的信号进行超声波转换，得到传输信号s(t)；
第一通信模块，用于通过发送帧将传输信号s(t)传送至人体；
接收端模块包括第二通信模块和解调器，其中，
第二通信模块用于接收由人体传送到的传输信号s'(t)；
解调器用于对接收到的传输信号s'(t)进行解调，得到索引比特和调制比特。
优选的，所述数字调制器所进行的数字调制为脉冲相位调制、脉冲位置调制、脉冲幅度调制、脉冲宽度调制或者脉冲波形调制；
传输信号s(t)为超声波脉冲信号，当数字调制为脉冲幅度调制时，传输信号s(t)具体如下：
Figure BDA0002251980450000051
其中，t是时间，j是发送帧的序号；k是激活组的序号；p(t)是单周期脉冲信号，p(t)的脉冲宽度小于时隙宽度；Ts是一个发送帧的时间长度；Tg是一个分组的时间长度；Tc是一个时隙的时间长度；Pj,k是第j帧中第k个激活组；cj是第j个发送帧的分组中的时隙序号；aj,k是第j个发送帧第k个激活组第cj个时隙发送的调制比特。
优选的，所述解调器包括相关运算器、积分器、最大值选择器、索引比特解调器和调制比特解调器，其中，
相关运算器，用于将传输信号s'(t)与多种模板信号ml(t)分别进行相关运算，其中，模板信号的种类为
Figure BDA0002251980450000061
种，l为模板信号的序号，1≤l≤L；N为分组的个数；K为激活组的个数；
Figure BDA0002251980450000062
为在N个分组中的K个激活组的组合种类；RK为Y个调制比特的所有组合种类，Y＝Klog2R表示在K个激活组分别发送log2R个比特，R为数字调制的阶数，R为2x，x为正整数；
积分器，用于将相关运算后所得的多个信号分别在一帧时间Ts内进行积分，得到积分后的信号Zl，具体如下；
Figure BDA0002251980450000063
其中，τ为一个发送帧开始的时间；
最大值选择器，用于按照最大似然准则，从积分后的信号Zl选择出最大值信号
Figure BDA0002251980450000064
根据最大值信号确定相应的模板信号，所确定的模板信号为相关值最大的模板信号
Figure BDA0002251980450000065
最大值信号具体如下：
Figure BDA0002251980450000067
索引比特解调器，用于根据相关值最大的模板信号
Figure BDA0002251980450000068
确定出激活组的组合，并由确定出的激活组的组合解调出传输信号的索引比特；
调制比特解调器，用于根据相关值最大的模板信号
Figure BDA0002251980450000069
中K个激活组的调制比特，解调出传输信号的调制比特。
本发明相对于现有技术具有如下的优点及效果：
(1)本发明基于分组索引调制的超声波人体内通信方法，首先在发送节点上将串行信息进行串/并转换，分成多个信息块以及对每个发送帧进行分组、对分组进行索引调制和对每个信息块的调制比特进行数字调制；然后对并行处理的多个信息块依次进行并/串转换、脉冲成形和超声波转换得到传输信号，并通过发送帧在人体内传送传输信号；在接收节点上接收由人体传送到的传输信号，并采用最大似然法解调传输信号，最终得到索引比特和调制比特。本发明通过由索引比特确定出激活组以及将调制比特映射在激活组内，使得发送帧不仅能通过传输信号携带信息，还能通过不需要脉冲能量的发送帧位置，即激活组序号携带信息，实现在不增加脉冲能量的情况下就能够提升发送帧所传输的信息比特，有利于提高信息传输速率和降低能耗。并且，多个传输信号通过不同的激活组分别进行传输，保证了传输信号之间不会相互干扰，克服了多径效应。此外，本发明传输信号为超声波脉冲信号，在进行人体通信时能够对人体基本安全，因此能够实现高速率、低功耗的可靠超声波人体内通信。
(2)本发明基于分组索引调制的超声波人体内通信方法中，根据接入节点的数量，将发送帧的时隙对应划分成N个分组，每个分组的时隙数量不小于接入节点的个数，每个接入节点对应分配一个分组内的单个时隙；同时，发送节点确定出发送时隙，不同的发送节点采用不同的时隙作为携带调制比特的发送时隙，因此，多个发送节点要发送传输信号时，就能通过不同的时隙进行发送，通过不同的时隙同时进行发送多个信息比特，有序高效地实现人体内通信。
(3)本发明基于分组索引调制的超声波人体内通信方法中，考虑到人体传送传输信号时可能存在的噪声影响到传输信号，使得接收节点所接收到的传输信号与发送节点所发送的传输信号不相同，本发明方法采用最大似然法进行解调，先将传输信号与多种模板信号分别进行相关运算以及积分，再按照最大似然准则，从中选择出最大值信号并根据最大值信号得到相关值最大的模板信号，以此将相关值最大的模板信号作为用于解调的信号，使得解调出的索引比特和调制比特能够还原为发送节点所发送的序列，实现可靠的人体内通信。
附图说明
图1是本发明基于分组索引调制的超声波人体内通信方法的过程示意图。
图2是本发明一个发送帧的发送波形示意图。
图3是本发明基于分组索引调制的超声波人体内通信装置的结构框图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例公开了一种基于分组索引调制的超声波人体内通信方法，如图1所示，步骤如下：
S1、在发送节点上，将串行信息进行串/并转换，分成多个信息块，每个信息块包括Y个调制比特和M个索引比特。在本实施例中，每5个比特为一个信息块，其中，前3个比特为调制比特，后2个比特为索引比特。
在本实施例中，发送节点例如可以是植入人体内的医疗设备，也可以是可穿戴的感应设备。发送节点位于以人体作为传输介质的无线通信网络，发送节点的个数可以设置为一个或者多个。无线通信网络还具有接收节点，接收节点例如可以是植入人体内的医疗设备，也可以是可穿戴的感应设备，接收节点的个数也可以设置为一个或者多个，发送节点和接收节点通过人体实现无线通信。
S2、针对于每个发送帧，将其划分成多个分组，具体是根据接入节点的数量，将发送帧的时隙对应划分成N个分组，每个分组的时隙数量不小于接入节点的个数，每个接入节点对应分配一个分组内的单个时隙；其中，接入节点是指无线通信网络中可用于发送信息块的发送节点，包括正在发送数据的发送节点和处于休眠状态的发送节点。
本实施例的每个发送帧具有16个时隙，有4个接入节点，因此，将每4个时隙分为1组，得到4个不同的分组，每个接入节点各分配到一个分组内的不同的单个时隙。
S3、对每个发送帧的分组进行索引调制，根据每个信息块的索引比特确定出分组所对应的激活组序号，具体为：
步骤1、在N个分组中激活其中的K个分组，被激活的K个分组作为激活组，K个激活组的组合种类为种；
在本实施例中，具体是在4个分组中激活3个分组，因此激活组的组合种类为
Figure BDA0002251980450000091
种，具体如下：
Figure BDA0002251980450000092
在每个组合中，1表示为激活组，0表示为未激活的组；
步骤2、由不同的激活组的组合对应得出不同的激活组序号；
在本实施例中，对应如上的激活组组合，激活组序号具体如下：
也即是：激活组组合[0 1 1 1]对应的激活组序号为[1 2 3]；激活组组合[1 0 11]对应的激活组序号为[0 2 3]，激活组组合[1 1 0 1]对应的激活组序号为[0 1 3]，激活组组合[1 1 1 0]对应的激活组序号为[0 1 2]。
步骤3、根据每个信息块的索引比特确定出所对应的激活组序号，以此得到对应的激活组组合；
索引比特的个数M与激活组的组合种类
Figure BDA0002251980450000094
之间的关系式为：
其中，为向下取整函数。
在本实施中，索引比特具体如下四种：
{[0 0],[0 1],[1 0],[1 1]}；
当索引比特为[0 0]，对应的激活组序号为[1 2 3]；
当索引比特为[0 1]，对应的激活组序号为[0 2 3]；
当索引比特为[1 0]，对应的激活组序号为[0 1 3]；
当索引比特为[1 1]，对应的激活组序号为[0 1 2]。
调制比特的个数Y与激活组的个数K之间的关系式为：
Y＝Klog2R；
关系式表示在K个激活组分别发送log2R个比特，其中，R为数字调制的阶数，R为2x，x为正整数。
在本实施例中，x等于1，数字调制的阶数R等于2，调制比特的个数Y等于激活组的个数K，即为3；每个调制比特a∈{0,1}。
针对于每个信息块，对信息块的调制比特进行数字调制，并将数字调制后的调制比特映射到激活组序号所对应的激活组中，具体是映射到激活组序号所对应的激活组中的发送时隙。
其中，发送时隙由发送节点确定，不同的发送节点采用不同的时隙作为携带调制比特的发送时隙。例如，本实施例中其中一个发送节点确定的发送时隙序号为{1,1,1}，同时有另一个发送节点也发送传输信号，为了避免和当前发送节点冲突，这一个发送可以选择其他未被使用的时隙作为发送时隙，例如选择第2个时隙作为发送时隙，发送时隙序号为{2,2,2}。
数字调制为脉冲相位调制、脉冲位置调制、脉冲幅度调制、脉冲宽度调制或者脉冲波形调制。在本实施例中，数字调制具体是脉冲幅度调制，通过二进制幅度调制法将信息块的调制比特a∈{0,1}调制成a∈{-1,1}。
S4、针对于在步骤S3中并行处理的多个信息块，依次进行并/串转换、脉冲成形和超声波转换得到传输信号s(t)，并通过发送帧在人体内传送传输信号s(t)。
如图2所示，传输信号s(t)为超声波脉冲信号，且发送帧在单个的时隙携带超声波脉冲信号，也即是超声波脉冲信号通过发送时隙进行发送。
在本实施例中，由于数字调制为脉冲幅度调制，对应的传输信号s(t)的表达式具体如下：
Figure BDA0002251980450000101
其中，t是时间，j是发送帧的序号；k是激活组的序号；p(t)是脉冲成形得到单周期脉冲信号，具体可以是高斯脉冲信号，也可以是高阶高斯微分脉冲信号，例如高斯信号的二阶导数脉冲；p(t)的脉冲宽度小于时隙宽度；Ts是一个发送帧的时间长度；Tg是一个分组的时间长度；Tc是一个时隙的时间长度，具体可参见图2；Pj,k是第j帧中第k个激活组；cj是第j个发送帧的分组中的时隙序号；aj,k是第j个发送帧第k个激活组第cj个时隙发送的调制比特，也即是p(t)的脉冲幅值。
在本实施例中，若信息块的发送序列为10110，发送时隙序号为{1,1,1}。如图2表示的是发送序列对应的发送帧Ts和脉冲波形，从图2可以看出，在从左到右的方向上，三个超声波脉冲信号均位于第二个时隙，也即是时隙序号为1的时隙作为发送时隙，因此发送时隙序号为{1,1,1}。
在从左到右的方向上，四个分组中的第一、第二和第四个分组用于携带超声波脉冲信号，由此可得，激活组序号为{0,1,3}，也即是激活组的组合为[1 1 0 1]，因此，索引比特为{1,0}。在从左到右的方向上，三个超声波脉冲信号中的第一个超声波脉冲信号和第三个超声波脉冲信号的幅值为正，第二个超声波脉冲信号的的幅值为负，因此，调制比特为{1,0,1}。
因此，发送帧所携带的信息为10110，由此可见，发送帧能够通过激活组的序号和组内时隙的脉冲携带完整的调制比特和索引比特。
S5、在接收节点上，接收由人体传送到的传输信号s'(t)，并对接收到的传输信号s'(t)进行解调，最终得到索引比特和调制比特。
在本实施例中，由于人体传送的过程中可能存在噪声对传输信号造成影响，使得接收节点所接收到的传输信号与发送节点所发送的传输信号不相同，因此，传输信号s(t)经过人体传送到达接收节点时，接收节点所接收到的是传输信号s'(t)。
本实施例具体是采用最大似然法进行解调，过程如下：
S51、将传输信号s'(t)与多种模板信号ml(t)分别进行相关运算，其中，模板信号的种类为种，l为模板信号的序号，1≤l≤L；RK为Y＝Klog2R个调制比特的所有组合种类。
由于本实施例的数字调制为脉冲幅度调制，对应的模板信号ml(t)的表达式具体如下：
Figure BDA0002251980450000112
在表达式中，t是时间，j是发送帧的序号；k是激活组的序号；p(t)是单周期脉冲信号，具体可以是高斯脉冲信号，也可以是高阶高斯微分脉冲信号，例如高斯信号的二阶导数脉冲；p(t)的脉冲宽度小于时隙宽度；Ts是一个发送帧的时间长度；Tg是一个分组的时间长度；Tc是一个时隙的时间长度；Pj,k是第j帧中第k个激活组；cj是第j个发送帧的分组中的时隙序号；bj,k是第j个发送帧第k个激活组第cj个时隙发送的调制比特，也即是p(t)的脉冲幅值。
在本实施例中，调制比特个数Y为3，索引比特个数M为2，x等于1，数字调制的阶数R等于2，分组个数N为4，激活组的个数K为3，因此，模板信号的种类为
Figure BDA0002251980450000121
种。
当发送节点确定的组内时隙序号为{1,1,1}时，第j个发送帧3个激活组脉冲幅度全为1的模板信号表示为：
Figure BDA0002251980450000122
S52、将相关运算后所得的多个信号分别在一帧时间Ts内进行积分，得到积分后的信号Zl，具体如下；
Figure BDA0002251980450000123
其中，τ为一个发送帧开始的时间；
S53、按照最大似然准则，从积分后的信号Zl选择出最大值信号具体如下：
Figure BDA0002251980450000125
根据最大值信号确定相应的模板信号
Figure BDA0002251980450000127
所确定的模板信号为相关值最大的模板信号。
相关值最大是指：脉冲信号的波形幅值与传输信号的波形幅值、脉冲信号所在的时隙位置与传输信号的时隙位置相似度最高。
S54、根据相关值最大的模板信号
Figure BDA0002251980450000128
确定出激活组的组合，并由确定出的激活组的组合解调出传输信号的索引比特
Figure BDA0002251980450000131
根据相关值最大的模板信号
Figure BDA0002251980450000132
中K个激活组所携带的调制比特，解调出传输信号的调制比特
实施例2
本实施例公开了一种基于分组索引调制的超声波人体内通信装置，如图3所示，包括：发送端模块和接收端模块，发送端模块通过人体无线连接接收端模块，发送端模块和接收端模块例如可以是植入人体内的医疗设备，也可以是可穿戴的感应设备。
其中，发送端模块包括第一转换器、分组模块、索引调制器、数字调制器、第二转换器和第一通信模块：
第一转换器，用于将串行信息进行串/并转换，分成多个信息块，并将信息块并向传输至索引调制器和数字调制器，其中，每个信息块包括Y个调制比特和M个索引比特。
分组模块，用于针对于每个发送帧，将其分成多个分组，本实施例具体是根据接入节点的数量，将发送帧的时隙对应划分成N个分组，每个分组的时隙数量不小于接入节点的个数，每个接入节点对应分配一个分组内的单个时隙。
其中，接入节点是指超声波人体内通信装置中可用于发送信息块的发送端模块。
索引调制器，用于对每个发送帧的N个分组进行索引调制，根据每个信息块的索引比特确定出对应的激活组序号。
数字调制器，用于针对于每个信息块，对信息块的调制比特进行数字调制，并将数字调制后的调制比特映射到激活组序号所对应的激活组中。
第二转换器，包括并/串转换器、脉冲成形模块和超声波换能器，具体如下：
并/串转换器用于对在数字调制器中并行处理的多个信息块进行并/串转换；
脉冲成形模块用于将并/串转换器输出的信号进行脉冲成形；
超声波换能器用于将脉冲成形模块输出的信号进行超声波转换，得到传输信号。
所述数字调制器所进行的数字调制为脉冲相位调制、脉冲位置调制、脉冲幅度调制、脉冲宽度调制或者脉冲波形调制，传输信号s(t)为超声波脉冲信号。在本实施例中，数字调制器所进行的数字调制为脉冲幅度调制，传输信号s(t)具体如下：
其中，t是时间，j是发送帧的序号；k是激活组的序号；p(t)是单周期脉冲信号，具体可以是高斯脉冲信号，也可以是高阶高斯微分脉冲信号，例如高斯信号的二阶导数脉冲；p(t)的脉冲宽度小于时隙宽度；Ts是一个发送帧的时间长度；Tg是一个分组的时间长度；Tc是一个时隙的时间长度；Pj,k是第j帧中第k个激活组；cj是第j个发送帧的分组中的时隙序号；aj,k是第j个发送帧第k个激活组第cj个时隙发送的调制比特。
第一通信模块，用于通过发送帧将传输信号传送至人体。
接收端模块包括第二通信模块和解调器，其中，
第二通信模块用于接收由人体传送到的传输信号。
解调器用于对接收到的传输信号进行解调，得到索引比特和调制比特。解调器进一步包括相关运算器、积分器、最大值选择器、索引比特解调器和调制比特解调器，具体如下：
相关运算器，用于将传输信号s'(t)与多种模板信号ml(t)分别进行相关运算，其中，模板信号的种类为
Figure BDA0002251980450000142
种，l为模板信号的序号，1≤l≤L；N为分组的个数；K为激活组的个数；
Figure BDA0002251980450000143
为在N个分组中的K个激活组的组合种类；RK为Y个调制比特的所有组合种类，Y＝Klog2R表示在K个激活组分别发送log2R个比特，R为数字调制的阶数，R为2x，x为正整数。
由于本实施例的数字调制为脉冲幅度调制，对应的模板信号ml(t)的表达式具体如下：
Figure BDA0002251980450000151
在表达式中，t是时间，j是发送帧的序号；k是激活组的序号；p(t)是单周期脉冲信号，具体可以是高斯脉冲信号，也可以是高阶高斯微分脉冲信号，例如高斯信号的二阶导数脉冲；p(t)的脉冲宽度小于时隙宽度；Ts是一个发送帧的时间长度；Tg是一个分组的时间长度；Tc是一个时隙的时间长度；Pj,k是第j帧中第k个激活组；cj是第j个发送帧的分组中的时隙序号；bj,k是第j个发送帧第k个激活组第cj个时隙发送的调制比特，也即是p(t)的脉冲幅值。
积分器，用于将相关运算后所得的多个信号分别在一帧时间Ts内进行积分，得到积分后的信号Zl，具体如下；
Figure BDA0002251980450000152
其中，τ为一个发送帧开始的时间；
最大值选择器，用于按照最大似然准则，从积分后的信号Zl选择出最大值信号
Figure BDA0002251980450000153
根据最大值信号确定相应的模板信号，所确定的模板信号为相关值最大的模板信号
Figure BDA0002251980450000154
最大值信号
Figure BDA0002251980450000155
具体如下：
Figure BDA0002251980450000156
索引比特解调器，用于根据相关值最大的模板信号
Figure BDA0002251980450000157
确定出激活组的组合，并由确定出的激活组的组合解调出传输信号的索引比特。
调制比特解调器，用于根据相关值最大的模板信号
Figure BDA0002251980450000158
中K个激活组的调制比特，解调出传输信号的调制比特。
在此需要说明的是，本实施例的装置仅以上述各功能模块的划分进行举例说明，在实际应用中，可以根据需要而将上述功能分配由不同的功能模块完成，即将内部结构划分成不同的功能模块，以完成以上描述的全部或者部分功能。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于分组索引调制的超声波人体内通信方法，其特征在于，步骤如下：
S1、在发送节点上，将串行信息进行串/并转换，分成多个信息块，每个信息块包括Y个调制比特和M个索引比特；
S2、针对于每个发送帧，将其划分成多个分组；
S3、对每个发送帧的分组进行索引调制，根据每个信息块的索引比特确定出分组所对应的激活组序号；
针对于每个信息块，对信息块的调制比特进行数字调制，并将数字调制后的调制比特映射到激活组序号所对应的激活组中；
S4、针对于在步骤S3中并行处理的多个信息块，依次进行并/串转换、脉冲成形和超声波转换，得到传输信号s(t)，并通过发送帧在人体内传送传输信号s(t)；
S5、在接收节点上，接收由人体传送到的传输信号s'(t)，并对接收到的传输信号s'(t)进行解调，最终得到索引比特和调制比特。
2.根据权利要求1所述的基于分组索引调制的超声波人体内通信方法，其特征在于，发送节点和接收节点均位于以人体作为传输介质的无线通信网络中；
在步骤S2中，根据接入节点的数量，将发送帧的时隙对应划分成N个分组，每个分组的时隙数量不小于接入节点的个数，每个接入节点对应分配一个分组内的单个时隙；
接入节点是无线通信网络中可用于发送信息块的发送节点。
3.根据权利要求2所述的基于分组索引调制的超声波人体内通信方法，其特征在于，在步骤S3中，数字调制后的调制比特映射到激活组序号所对应的激活组中的发送时隙，其中，发送时隙由发送节点确定，不同的发送节点采用不同的时隙作为携带调制比特的发送时隙。
4.根据权利要求2所述的基于分组索引调制的超声波人体内通信方法，其特征在于，对发送帧的分组进行索引调制，根据每个信息块的索引比特确定出分组中对应的激活组序号，具体为：
在N个分组中激活其中的K个分组，被激活的K个分组作为激活组，K个激活组的组合种类为
Figure FDA0002251980440000021
种；
由不同的激活组的组合对应得出不同的激活组序号；
根据每个信息块的索引比特确定出所对应的激活组序号，以此得到对应的激活组组合；
索引比特的个数M与激活组的组合种类
Figure FDA0002251980440000022
之间的关系式为：
Figure FDA0002251980440000023
其中，为向下取整函数；
调制比特的个数Y与激活组的个数K之间的关系式为：
Y＝K log2 R；
关系式表示在K个激活组分别发送log2R个比特，其中，R为数字调制的阶数，R为2x，x为正整数。
5.根据权利要求1所述的基于分组索引调制的超声波人体内通信方法，其特征在于，数字调制为脉冲相位调制、脉冲位置调制、脉冲幅度调制、脉冲宽度调制或者脉冲波形调制。
6.根据权利要求5所述的基于分组索引调制的超声波人体内通信方法，其特征在于，传输信号s(t)为超声波脉冲信号；
当数字调制为脉冲幅度调制时，传输信号s(t)具体如下：
Figure FDA0002251980440000025
其中，t是时间，j是发送帧的序号；k是激活组的序号；p(t)是单周期脉冲信号，p(t)的脉冲宽度小于时隙宽度；Ts是一个发送帧的时间长度；Tg是一个分组的时间长度；Tc是一个时隙的时间长度；Pj,k是第j帧中第k个激活组；cj是第j个发送帧的分组中的时隙序号；aj,k是第j个发送帧第k个激活组第cj个时隙发送的调制比特。
7.根据权利要求1所述的基于分组索引调制的超声波人体内通信方法，其特征在于，采用最大似然法对接收到的传输信号s'(t)进行解调，得到索引比特和调制比特，过程如下：
S51、将传输信号s'(t)与多种模板信号ml(t)分别进行相关运算，其中，模板信号的种类为
Figure FDA0002251980440000031
种，l为模板信号的序号，1≤l≤L；N为分组的个数；K为激活组的个数；为在N个分组中的K个激活组的组合种类；RK为Y个调制比特的所有组合种类，Y＝K log2 R表示在K个激活组分别发送log2 R个比特，R为数字调制的阶数，R为2x，x为正整数；
S52、将相关运算后所得的多个信号分别在一帧时间Ts内进行积分，得到积分后的信号Zl，具体如下；
其中，τ为一个发送帧开始的时间；
S53、按照最大似然准则，从积分后的信号Zl选择出最大值信号具体如下：
Figure FDA0002251980440000035
根据最大值信号
Figure FDA0002251980440000036
确定相应的模板信号
Figure FDA0002251980440000037
所确定的模板信号为相关值最大的模板信号；
S54、根据相关值最大的模板信号
Figure FDA0002251980440000038
确定出激活组的组合，并由确定出的激活组的组合解调出传输信号的索引比特；
根据相关值最大的模板信号中K个激活组所携带的调制比特，解调出传输信号的调制比特。
8.一种基于分组索引调制的超声波人体内通信装置，其特征在于，包括：发送端模块和接收端模块，发送端模块通过人体无线连接接收端模块，其中，发送端模块包括第一转换器、分组模块、索引调制器、数字调制器、第二转换器和第一通信模块，
第一转换器，用于将串行信息进行串/并转换，分成多个信息块，并将信息块并向传输至索引调制器和数字调制器，其中，每个信息块包括Y个调制比特和M个索引比特；
分组模块，用于针对于每个发送帧，将其划分成多个分组；
索引调制器，用于对每个发送帧的分组进行索引调制，根据每个信息块的索引比特确定出分组所对应的激活组序号；
数字调制器，用于针对于每个信息块，对信息块的调制比特进行数字调制，并将数字调制后的调制比特映射到激活组序号所对应的激活组中；
第二转换器，包括并/串转换器、脉冲成形模块和超声波换能器，
并/串转换器用于对在数字调制器中并行处理的多个信息块进行并/串转换；
脉冲成形模块用于将并/串转换器输出的信号进行脉冲成形；
超声波换能器用于将脉冲成形模块输出的信号进行超声波转换，得到传输信号s(t)；
第一通信模块，用于通过发送帧将传输信号s(t)传送至人体；
接收端模块包括第二通信模块和解调器，其中，
第二通信模块用于接收由人体传送到的传输信号s'(t)；
解调器用于对接收到的传输信号s'(t)进行解调，得到索引比特和调制比特。
9.根据权利要求8所述的基于分组索引调制的超声波人体内通信装置，其特征在于，所述数字调制器所进行的数字调制为脉冲相位调制、脉冲位置调制、脉冲幅度调制、脉冲宽度调制或者脉冲波形调制；
传输信号s(t)为超声波脉冲信号，当数字调制为脉冲幅度调制时，传输信号s(t)具体如下：
其中，t是时间，j是发送帧的序号；k是激活组的序号；p(t)是单周期脉冲信号，p(t)的脉冲宽度小于时隙宽度；Ts是一个发送帧的时间长度；Tg是一个分组的时间长度；Tc是一个时隙的时间长度；Pj,k是第j帧中第k个激活组；cj是第j个发送帧的分组中的时隙序号；aj,k是第j个发送帧第k个激活组第cj个时隙发送的调制比特。
10.根据权利要求8所述的基于分组索引调制的超声波人体内通信装置，其特征在于，所述解调器包括相关运算器、积分器、最大值选择器、索引比特解调器和调制比特解调器，其中，
相关运算器，用于将传输信号s'(t)与多种模板信号ml(t)分别进行相关运算，其中，模板信号的种类为
Figure FDA0002251980440000051
种，l为模板信号的序号，1≤l≤L；N为分组的个数；K为激活组的个数；
Figure FDA0002251980440000052
为在N个分组中的K个激活组的组合种类；RK为Y个调制比特的所有组合种类，Y＝K log2 R表示在K个激活组分别发送log2R个比特，R为数字调制的阶数，R为2x，x为正整数；
积分器，用于将相关运算后所得的多个信号分别在一帧时间Ts内进行积分，得到积分后的信号Zl，具体如下；
Figure FDA0002251980440000053
其中，τ为一个发送帧开始的时间；
最大值选择器，用于按照最大似然准则，从积分后的信号Zl选择出最大值信号
Figure FDA0002251980440000059
根据最大值信号确定相应的模板信号，所确定的模板信号为相关值最大的模板信号
Figure FDA0002251980440000054
最大值信号
Figure FDA0002251980440000055
具体如下：
索引比特解调器，用于根据相关值最大的模板信号
Figure FDA0002251980440000057
确定出激活组的组合，并由确定出的激活组的组合解调出传输信号的索引比特；
调制比特解调器，用于根据相关值最大的模板信号
Figure FDA0002251980440000058
中K个激活组的调制比特，解调出传输信号的调制比特。
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