摘要随着通信技术的发展，人体周围的无线通信设备如手机、笔记本等无线设备越来越多。
为更有效地在人体周围的无线设备间实现计算资源和传输带宽的共享，无线体域网的概念开始被提出。
同时，随着生物电子学的进一步发展，应用于医学领域的无线体域网技术也开始被提出。
该类应用旨在通过人体周围的无线设备检测生理信息并把这些生理信息传输到远程监控设备。
IEEE802.15 TG6 工作组在充分考虑上述两种主要应用领域技术特点的基础上提出了无线体域网的规范。
无线体域网特殊的应用场景为在体域网中应用传统通信技术带来了新的考验。
本文以无线体域环境频谱检测算法作为主轴，对体域网中包括传输信道建模、单点频谱检测算法设计与性能分析以及各无线传输设备的硬件实现等问题进行广泛而深入的讨论。
无线通信技术的很多研究都是从通信信道建模开始的，无线体域网作为无线通信技术的重要分支也不例外。
本文将先根据已有的研究成果对无线体域网中体内人体信道和体外无线信道的建模进行讨论。
但是，由于体域网中信道建模受到人体或者人体不同部位运动的影响，所以体域网中的信道建模存在很多不确定性。
信道模型的不确定性就需要采用有效感知技术对信道环境的状况进行动态感知以提高算法的性能。
本文主要对信道环境感知中的单点频谱检测算法进行讨论。
这些讨论先根据无线体域网信道模型设计出体域网内的频谱检测算法，再对比自由空间与无线体域网频谱检测算法,找出无线体域网中存在的制约算法性能的因素，为更有效的实现体域网中的频谱检测算法提供指导。
最后,本文将根据无线体域网中不同传输节点的功能差异，对这些节点的硬件实现方案进行具体讨论。
在结论部分，本文将对取得的成果和未尽之处进行讨论，便于后续学者对该领域的深入研究。
关键字：无线体域网，人体信道，频谱检测，协作频谱检测, 物理层实现。
目录摘要 (I)ABSTRACT (IV)目录 (V)英文缩语表 (VII)表格目录 (VIII)插目录 (IX)第一章绪论 (1)1.1. 无线体域网的发展现状 (1)1.2. 无线体域网分类 (2)1.3. 无线体域网的传输技术和工作频段 (3)1.4. 本课题的研究意义 (4)1.5. 本课题的研究内容 (5)1.6. 本文的组织结构 (6)第二章无线体域网信道建模 (7)2.1 引言 (7)2.2 无线体域网体表传输信道模型 (8)2.2.1 基于路径损耗的信道模型 (8)2.2.2 基于阴影效应的信道模型 (8)2.2.3 基于信号衰落的信道模型 (9)2.3 无线体域网体内信道建模 (9)2.3.1 信道建模思路 (9)2.3.2 信道特性分析 (13)2.4 信道建模混合使用模型 (16)2.5 信道模型的进一步讨论 (21)2.6 本章小结 (22)第三章频谱感知算法介绍 (23)3.1. 引言 (23)3.2. 感知无线电发展 (23)3.3. 感知无线电的关键技术 (24)3.4. 基本检测算法 (25)3.4.1. 匹配滤波 (25)3.4.2. 能量检测 (25)3.4.3. 循环平稳检测 (26)3.5. 本章小结 (26)第四章无线体域网频谱检测算法性能分析 (28)4.1. 无线体域网中采用频谱检测算法的必要性 (28)4.2. 无线体域网中采用协作式频谱检测的必要性 (29)4.3. 基于人体信道的能量检测算法设计和分析 (29)4.3.1. 基于人体信道的能量检测算法仿真 (31)4.3.2. 基于混合信道的能量检测算法设计和分析 (35)4.4. 改善体域网内频谱检测算法的进一步考虑 (39)4.5. 本章小结 (40)第五章无线体域网算法实现 (41)5.1. 无线体域网频谱检测算法的实现场景 (41)5.1.1 无线体域网频谱检测场景介绍 (41)5.1.2 无线体域网传输节点放置讨论 (43)5.2. 无线体域网频谱检测算法实现 (44)5.3. 无线体域网网内基于人体信道的数据传输方案设计 (46)5.4. 无线体域网传输节点设计 (50)5.4.1. 控制节点 (50)5.4.2. 边缘节点和中继节点 (56)5.5. 本章小结 (58)第六章总结 (59)6.1. 本文所做的工作 (59)6.2. 下一步工作展望 (60)参考文献 (61)致谢 (64)攻读硕士学位期间发表或录用的学术论文和专利 (65)英文缩略语表ARM Advanced RICS Machines 高级精简指令处理器BAN Body Area Networks 体域网CPLD Complex Programmable Logic Device 复杂可编程逻辑器件ECG Electro Cardio Gram 心电图EEG Electro Encephalo Gram 脑电图FCC Federal Communication Committee 联邦通信委员会FDTD Finite Difference Time Domain 时域有限差分法HBC Human Body Communication 人体通信IBC Intra-Body Communication 体内通信ISM Industry Science and Medical frequency 工业、科学和医学频段JTAG Join Test Action Group 边界测试协议LOS Length Of Sight 视距传输LU Licensed User 授权用户MICS Medical Implant Communication Service 医学植入通信服务频段PAN Personal Area Networks 个域网PCB Printed Circuit Board 印刷电路板PWM Pulse Width Modulation 脉宽调制QOS Quality of Service 服务质量RC Resistor and capacitor 电阻电容RF Radio Frequency 射频SAR Special Absorb Ratio 特定吸收率SDR Software Defined Radio 软件无线电SG-BAN Study Group Body Area Networks 体域网工作组SNR Signal Noise Ratio 信噪比TG Task Group 工作组WBAN Wireless Body Area Networks 无线体域网WMTS Wireless Medical Telemetry Service 无线医学遥感频段表格目录表2-1 人体不同组织电阻率测试值 (10)表5-1 数据处理板主要接口资源 (52)表5-2 数据处理板计算资源 (53)表5-3 数据传输板系统计算资源 (55)表5-4 数据传输板主要接口资源 (55)表5-5 中继节点和边缘节点系统计算资源 (57)表5-6 数据传输板主要接口资源 (57)插图目录图2-1体域网数据传输抽象图 (10)图2-2人体简化传输模型 (11)图2-3 传输模型的等效RC电路 (11)图2-4 基于分布式RC电路的等效人体模型 (12)图2-5 分布式RC人体模型的验证环境 (13)图2-6给定信号频率下，人体信道幅度响应随着信道长度的变化 (14)图2-7给定信道长度时，人体幅度响应随着频率的变化关系 (15)图2-8电极与人体接触面积与信号频率的关系 (16)图2-9无线体域网节点相对位置变化图 (17)图2-10人体信道传输频率在100MHz与无线2.4G天线传输特性对比 (19)图3-1感知无线电基本感知周期示意图 (24)图3-2能量谱检测框图 (25)图4-1能量检测算法图 (31)图4-2频谱检测场景图 (32)图4-3基于理想信道的能量检测检测概率和检测时间的关系 (32)图4-4基于人体信道的能量检测，人体信道长度为0.15m，调制频率为131MHz33图4-5信号频率为131MHz时，不同信号能量值时，频谱检测概率随着人体信道长度的变系 (34)图4-6 人体信道长度为0.15m 时，不同信号能量，频谱检测概率随信号频率的变化 (35)图4-7 理想信道情况下，信号检测概率随着人体信道长度的变化 (36)图4-8无线信道利用率20%时，频谱检测概率随着人体信道长度的变化 (36)图4-9 在不同混合信道变化速率,人体信道长为0.3m 时频谱检测概率随着信号能量的变化关系 (37)图4-10在不同混合信道变化速率,人体信道长为0.15m时,频谱检测概率随着信号能量变化关系 (38)图5-1无线体域网中所有节点分布场景 (41)图5-2无线体域网频谱感知粗检测方法流程图 (44)图5-3无线体域网频谱感知细检测方法流程图 (45)图5-4无线体域网内信道感知参数传输线路图 (46)图5-5无线体域网内边缘节点信息发送框图 (47)图5-6无线体域网数据帧结构 (47)图5-7无线体域网中间节点信息处理模块框图 (48)图5-8无线体域网利用频谱空洞传输数据框图 (49)图5-9中心控制节点模块处理框图 (50)图5-10数据处理板系统结构 (52)图5-11中心控制节点数据收发板设计 (54)图5-12边缘节点和中继节点的系统结构 (56)图5-13中继节点和边缘节点的板级结构 (57)第一章绪论1.1. 无线体域网的发展现状无线通信技术发展极大得改变了人和人之间,人和多媒体设备之间以及人和各种娱乐服务提供商之间的通信。
无线通信技术的迅速发展也为人类提供了遍布世界的通信网络，使得人们能够时时刻刻的享受到网络服务。
正是在无线通信技术高速发展的背景下，无线体域网的概念开始被提出。
无线体域网中的技术主要被用于改善传统医学治疗手段、方便患者或者残疾人员接收医疗监护和为电子消费者提供更便捷、更高速率、更好的服务质量的娱乐体验[1]。
但是在体域网概念被提出的初期，不同国家和地区的研究机构和企业对该领域的存在很多差异。
为此，2006年11月旨在为无线体域网领域制定统一规范的IEEE 802.15 SG-BAN正式成立。
从此，无线体域网的很多技术的研究开始朝着统一的概念和标准迈进。
无线体域网技术虽然是无线通信技术的进一步发展和延伸，但是由于无线体域网中的很多设备主要应用于人体周围使得无线体域网较传统的无线通信有很多独特的特点：首先，无线体域网的传输范围小。
定位于时时刻刻，无处不在的传统通信技术的传输范围最大的特点就是广。
相比之下，无线体域网定位于将人体周围的无线传输设备组成网络以便于与外界进行数据交换。
因此，无线体域网解决的主要人体周围小范围的数据传输。
其次，无线体域网传输技术对人体的影响必须被放在很高的位置来考虑[2]。