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    人體通信的研究進展綜述

    時間:2015-07-02 來源:未知 作者:傻傻地魚 本文字數:7954字
    摘要

      引言

      隨著世界人口的持續增長及人均壽命的顯著提高,人口老齡化逐漸成為每一個國家都需要面對的問題。由美國人口咨詢局( Population ReferenceBureau) 公布的 2014 年世界人口數據顯示[1],我國65 歲以上的老年人口比例已達到 10% ,而在發達國家這一數字平均為 17%,并仍處在逐年增加的狀態中。可以預見在未來十幾年內,人們對于醫療資源的需求會大幅提高,實時、持續地監測并診斷健康狀況將成為未來醫療發展的重要任務,也是緩解日后醫療壓力的主要手段之一。

      無線 體 域 網 ( wireless body area networks,WBAN) 的應用成為了實現這一目標的可靠方式[2].

      無線體域網是指建立在個人所攜帶電子設備之間的信息網絡,在網絡分級中比局域網更低一級。在醫療健康應用中,利用該網絡結合傳感器技術,可以及時、準確地反應出個人健康狀況,在慢性疾病監護、突發疾病報警方面有廣闊的應用前景。其主要原理是通過分布于人體表面或植入人體內部的傳感器收集到的各種生理參數( 如血壓、血糖、心電等) ,經由無線體域網匯總在同一人體基站完成分析,給出當前的健康狀況或診療建議,并可將數據傳送至醫療服務機構備份[3],如圖 1 所示。無線體域網的通信范圍一般在 2 m 以內,如何在這一區域內進行安全、穩定、高效的信號傳輸是其技術研究的核心內容。

      為了促進無線體域網的發展,盡快建立全球性的醫療保障體系,無線體域網標準 IEEE802. 15. 6于 2012 年正式確立[4].標準中規定了三類用以進行無線體域網通信的信號頻段: 窄帶( narrowband,NB) 、超寬帶 ( ultra wideband,UWB) 以及人體通信( human body communication,HBC) 頻段。其中,窄帶和超寬帶均屬于射頻通信的方式,而人體通信則是將人的身體視為導體,利用人體作為信道完成信號的傳導,是一種非射頻的通信方式。與射頻通信方式相比,人體通信避免了人體對信號遮擋時產生的陰影效應,且將通信限制于人體表面十分有限的空間區域內,將不同網絡之間干擾的可能性降至最低[5].由于在通信過程中不需要天線,人體通信設備的體積也相對較小,方便進行小型化、集成化設計,同時其低功耗的特點也使之十分適合在醫療無線體域網中應用[6].

      人體通信作為一項新興的通信技術,近年來受到了越來越多的學者及研究機構的重視,各種科技成果與研發論文不斷涌現,本文選取其中較為重要的部分對這一領域當前的發展情況進行闡述。文章接下來的部分將首先結合人體通信技術的產生解釋其基本原理,進而介紹人體通信發展過程中的重要成果及最新的研究進展,隨后通過人體通信技術與其他無線通信技術的對比總結其優缺點,最后展望這一領域未來的發展方向。

      1 人體通信的基本原理

      人體通信是指利用人體作為信息通道傳輸信號的通信方式,其可行性是建立在人體組織的導電能力基礎之上,與組織的電學特性息息相關。有關生物組織導電能力的研究表明隨著信號頻率的上升,大部分活組織或器官的介電常數大幅下降,同時電導率顯著提高[7],意味著人體通信應在較高的頻率上進行,以減小通信過程中信號的衰減。然而,頻率提高時,信號的波長會相應變短,當波長接近人的身高時,人體會作為射頻天線向周圍發射電磁波,造成通信信號的耗散[8],甚至導致通過空氣耦合的信號逐漸超過通過人體耦合的信號[9],過高頻率的信號也不適宜用來進行人體通信。因此,在大多數關于人體通信的研究中,信號頻率往往選取在 10 kHz ~100 MHz 這一范圍內。

      依照耦合方式的不同,人體通信又可分為電容耦合( 也稱電場耦合) 人體通信和電流耦合( 也稱波導耦合) 人體通信兩種。其中,電容耦合方式是通過發射端或接收端的兩個電極分別與人體和地進行電容耦合來確立通信回路,進而實現信號的傳導; 電流耦合方式則是由信號發送端的一對電極向人體注入一個微弱的電流信號,再由接收端的一對電極檢測經過人體傳輸后的信號[10].無論是電容耦合方式還是電流耦合方式,在其信號發送端和接收端均需兩個電極以建立信號通路,兩種方式間最直觀的區別則在于其電極是否與人體接觸: 電容耦合方式中,發送端和接收端只需各有一個電極接觸人體,甚至可以都不接觸; 而電流耦合方式中的所有電極均應附著于人體上,如圖 2 所示。

      電容耦合式人體通信最初由美國麻省理工學院的 Zimmerman 于 1995 年提出[11],說明了該方式中信號收發端的不同電極分別與人體和地進行電容耦合形成回路的基本原理,計算了電極與人體和地面耦合電容的大小約分別為 10 pF 和 10 fF,并將人體視作通信節點建立了等效電路模型,如圖 3( a)所示。之后,其測試了在開關鍵控( on-off keying,OOK) 及 直 接 序 列 擴 頻 ( direct sequence spreadspectrum,DSSS) 兩種調制方法下人體通信的效果,得出了前者較佳的結論。最終,Zimmerman 制作了載波 330 kHz 的電容耦合人體通信設備,傳輸速率2. 4 kb / s,通信功耗 1. 5 mW.

      在電容耦合式人體通信提出兩年后,1997 年,日本早稻田大學的 Handa 等通過電流耦合方式完成了人體通信[12].他們在人的胸部放置了 4 個電極,3 個用以收集心電信號,兩個將調制放大后的信號電流注入人體( 其中地電極是兩者共用的) ,之后在手腕處用 3 個電極檢測電流的變化實現通信。在考慮了人體組織之間的電阻電容后,文章提出了一個簡單電路模型描述信號在人體中的傳導過程,如圖 3( b) 所示。Handa 實現的人體通信使用了采樣頻率為 900 Hz 的脈寬調制( pulse width modulation,PWM) ,通信中載波頻率 70 kHz,成功傳輸了人體心電的模擬信號。

      無論是 Zimmerman 還是 Handa,在其文章中均未提及其人體通信系統具體的耦合方式,電容耦合和電流( 波導) 耦合這一分類是后人在研究中總結了不同的人體通信方式后提出的[13].從現在的觀點來看,兩種方式最初的理論模型均有其不足之處: Zimmerman 的模型中將人體視為通信節點,忽略了人體內部阻抗對于通信的影響; Handa 的模型則未計算同側電極之間的阻抗。

      2 人體通信的研究進展

      得益于集成電子電路技術的進步和計算機仿真能力的發展,人體通信研究自產生以來發生了質的飛躍。目前已經可以制作出的人體通信的芯片電路,電路面積不足 1 mm2,通信功耗僅為幾十μW[14]; 有限元模型( finite-element models,FEM) 、時域有限差分法( finite-difference time-domain,FDTD)的應用更是極大地豐富了人體通信的研究手段。

      近些年來有關人體通信的研究呈現出越來越多的趨勢,對于電容耦合和電流耦合式人體通信的研究也有著不同的重點。

      2. 1 電容耦合式人體通信

      自 Zimmerman 提出電容耦合式人體通信后,美國麻省理工學院的 Post 等于 1997 年對其系統進行了改進,設計了基于頻移鍵控調制的半雙工數字通信系統,將通信速率提高到 9. 6 kb/s,并指出了該方式在能量傳遞方面的潛力[15].2001 年,華盛頓大學的 Partridge 等為人體通信系統添加了濾波器和放大器,對誤碼率、信號強度等參數在不同通信距離的情況下進行了定量測量,設計了通信速率可達38. 4 kb / s 的人體通信系統,并得出當系統整體靠近地面時信號強度會顯著提高的結論[16].

      然而,信號衰減大、通信距離短的問題一直以來都是電容耦合人體通信中所難以避免的。直至2003 年,日本 NTT 公司 Shinagawa 等將光電調制技術應用到人體通信中,大大提高了接收端的輸入阻抗,將傳輸速率提高到 10 Mb/s,從而使得電容耦合人體通信方式發展到了一個新的高度[17].2007年,韓國科學技術院 Cho 等建立了整個人體的分布式 RC 模型( 見圖 4) ,并對通信頻率在 100 kHz 至150 MHz、通信距離在 10 ~ 120 cm 之間的信號衰減進行了模擬計算和實際測量,所得結果基本吻合[18].同年,日本南山大學的 Fujii 等用時域有限差分法計算了人體通信中電場分布,研究表明信號發送端的地電極的存在可增強傳輸信號,而接收端的地電極則對信號有抑制作用[19].而我國香港科技大學的 Xu 等則在 2011 年首次建立了電容耦合人體通信的有限元模型,為進一步分析人體通信的傳導特性以及外環境對于耦合回路的影響提供了可靠手段[20].

      2012 年,無線體域網標準 IEEE802. 15. 6 正式公布[4],隨后在國內外陸續出現了許多這一領域優秀的研究論文。其中,北京理工大學的 Song 等于2012 年提出了一種基于 Mach-Zehnder 光電調制的人體通信方法,證明了該方法要比傳統光電耦合方法具有更好的溫度特性[21],并于 2014 年再次驗證了這一結論[22].韓國科學技術院的 Cho 則在 2013年公布了其最新的超低功耗人體通信設備,設備中使用了注入鎖定環形振蕩器( injection-locking ringoscillator,ILRO ) 并 實 現 了 自 動 頻 率 校 準 ( autofrequency calibration,AFC) ,最終完成了傳輸速率200 kb / s、通信功耗 37. 5 μW 的人體通信[14].2014年,新加坡 A* STAR 的 Kulkarni 等用多級信號的方式搭建了人體通信系統,以 65 nm 的 CMOS 工藝制作了通信芯片,將人體通信的傳輸速率推至 160Mb / s,而 其 核 心 芯 片 的 輸 出 功 率 也 僅 為0. 84 mW[23].

      2. 2 電流耦合式人體通信

      由于在電流耦合式人體通信中使用的載波頻率一般較低[10],通信速率往往不及電容耦合方式,其研究更偏重于基礎方面。2003 年,繼 Handa 之后,日本東京大學的 Hachisuka 等設計并制作了載波頻率為 10. 7 MHz 的電流耦合通信系統,通過調頻方式成功完成了在同一人兩手臂之間的模擬信號傳輸,獲得了良好的信噪比[13].隨后,他們改進了人體通信的簡單電路模型,給出了四電極和兩電極兩種等效電路模式,并分析得出兩電極模式下信號衰減更小的結論[24].2005 年,瑞士蘇黎世理工學院的 Wegmueller 等測試了基于頻移鍵控和二進制相移鍵控兩種不同調制方法下的電流耦合人體通信,通信速率分別達到了 128 和 255 kb/s[25].

      2007 年他們建立了電流耦合人體通信的人體組織分層有限元模型,計算了不同的電極大小、間距和通信距離對信號衰減的影響,并分析了不同的人體組織成分在通信過程中的不同特點[26].而在 2010年 Wegmueller 又對 Hachisuka 等的四電極電路模型進行了改進,增加了電極與人體間的接觸阻抗參數,得到了一個較為符合實際情況的電流耦合通信電路模型,如圖 5 所示[27].北京理工大學的 Song等也于 2011 年進行了電路模型分析,計算了通信系統的傳遞函數,并對整個人體建立了有限元模型,得出了通信頻率和信號衰減之間的關系[28].

      在這些工作的基礎上,2014 年,西班牙塞維利亞大學的 Callejon 等人通過建立三維有限元模型,分析了電流耦合型人體通信中不同組織的電場分布和電流密度,模擬了不同通信頻率、電極分布等因素對于通信的影響[29].同年,澳大利亞維多利亞大學的 Kibret 等人對頻率在 200 kHz 至 10 MHz 的電流耦合人體通信建立了等效電路模型,并提出了一種基于手臂阻抗測量確定電極與皮膚間阻抗的新方法[30].

      2. 3 總結比較

      通過以上對于電容耦合和電流耦合人體通信相關研究的分類不難看出,電容耦合方式的研究方向主要是通信設備的設計制作,以獲得體積更小、功耗更低的通信系統; 而電流耦合方式的研究更多是對通信中人體作為信道所具有的特性進行分析,很少涉及具體設備的研制。這樣的結果一方面是由于電流耦合方式的載波頻率低,通信速率不及電容耦合方式,因而應用范圍較窄; 同時也因為電流耦合方式中信號的衰減相對較大。在一篇對兩種方式進行綜合比較分析的文章中,作者對不同頻率、不同通信距離下電流耦合和電容耦合中的通信衰減進行了測量[10].測量中為了避免地回路的干擾,在信號發生器和示波器的輸出輸入端都連接了平衡 - 不平衡變換器( Balun) .測量結果顯示電流耦合方式的信號衰減受通信距離的影響十分大,有效通信距離在 25 cm 以內,15 cm 距離下的最小通信衰減要高于電容方式的最小衰減 20 dB 以上,電容耦合方式的通信距離則可覆蓋全部人體。然而,該研究中對于電流耦合的測試頻率取值在 10 kHz~ 20 MHz 之間,對于電容耦合的測試頻率則為 1 ~100 MHz,在此頻率之外是否會有其他的情況并沒有說明。

      然而,這也并不意味著電容耦合人體通信方式要全面優于電流耦合方式。由于需要通過外界環境進行地回路的耦合,電容耦合方式受周圍環境變化以及附近相同的人體通信網絡干擾很大,不如電流耦合方式在通信時表現穩定。研究表明,不同環境對于電容耦合通信信號衰減的影響可達 5 dB 以上; 而在相距 80 cm 的情況下,通信中接收到鄰近網絡干擾信號的大小僅比正常信號小 8 dB[31].相比之下電流耦合方式則不會受到這些問題的影響,因而適用于對通信穩定性要求較高的一些場合。兩種耦合方式的對比在表 1 中給出。

      3 人體通信的優勢與不足

      人體通信作為一種非射頻的通信方式,與傳統的射頻通信在各方面都有所區別。我國福州大學的 Gao 等于 2012 年通過模型分析了電流耦合型人體通信的信號衰減與通信距離的關系,證明其要優于相同距離下的射頻通信方式[32].同期,又有學者總結了在 IEEE802. 15. 6 標準中規定的 3 種無線體域網通信方式的相關研究,對比了各個研究中系統的通信速率和能量消耗,如圖 6 所示[33].從圖中不難看出,人體通信方式從通信速率和能量消耗兩方面要全面優于窄帶通信; 與超寬帶通信相比,人體通信的能量利用率( 由發送每比特數據所需能量決定) 略高于超寬帶通信,但超寬帶通信能達到的通信速率遠遠超過人體通信。不過仍需指出,射頻方式通信中會由于人身體對信號的遮擋而使衰減增大,受通信設備在人體不同位置的影響很大,不如人體通信的表現穩定[34].

      IEEE802. 15. 6 標準中關于 3 種通信方式則有著更為細致的說明和解釋,對物理層及媒體訪問控制層都有詳細的要求[4].其中,用于無線體域網窄帶通信頻帶為( 402 ~ 2483. 5) MHz 中的 7 段,滿足植入式設備、可穿戴設備及醫療通信需求; 超寬帶通信頻帶則在( 3 ~5) GHz 及( 6 ~10) GHz 間給出了11 個中心頻率,每個帶寬為 499. 2 MHz; 人體通信的中心頻率在標準中被規定為21 MHz,帶寬為5. 25MHz.通信速率方面,窄帶通信為 100 ~ 1 000 kb / s,超寬帶通信為 395 kb/s ~12. 636 Mb/s,人體通信為( 164 ~1312. 5) kb/s.3 種通信方式的其他區別在表 2 中給出。

      此外,基于人體通信技術的相關產品也曾被開發出來,但并未大范圍占領市場。2000 年,日本Sony 公司設計了一種可穿戴數字鑰匙,使計算機可以通過接觸識別用戶[35].他們將設備外觀做成手表的樣子,佩戴于手腕處,內部儲存用戶的身份信息,當使用者用手接觸位于計算機的識別端時,計算機便可通過人體通信方式獲取用戶信息。然而,由于該設備需要供電,使用起來并不方便,便攜性不如基于射頻識別的 ID 卡,安全性又比不過指紋識別技術,產品定位較為尷尬。而曾提出人體通信中重要的光電耦合技術的 NTT 公司也于 2005 年開發出了被稱為 RedTacton 的人體通信設備,同樣主要應用于安全識別領域[36].這一設備采用了電容耦合的方式,不需直接接觸人體便可進行信號傳輸,可攜帶于口袋之內,工作時也無需取出,從一定程度上解決了便攜性的問題,但設備需要電池驅動這一點依然是制約其應用的主要因素。

      4 人體通信的未來發展

      人體通信自產生至今經歷了 20 年左右的發展,其信號質量、通信距離、能量利用率等都產生了飛躍性的提高,在醫學、安全、娛樂、軍事等領域有著很大的應用前景[37],中國科學院深圳先進技術研究院研制的人體通信信道測試系統[38]及應用在人體傳感器網絡的低功耗 VCO[39]均對人體通信的進一步發展有著很大的幫助。目前對于人體通信的研究,除了繼續致力于減小設備體積、降低傳輸功耗、探索信道特性外,也陸續出現了一些較為新穎的方向。其中,植入式設備的人體通信、人體通信無線供能以及磁場耦合式人體通信將是未來在這一領域內最有創新性的課題。

      4. 1 植入式設備的人體通信

      在搭建無線體域網的過程中,不僅要建立穿戴設備與人體基站之間的通信,植入式設備與人體基站之間的通信也是非常重要的。由于人體通信設備的體積小、功耗低,十分適合在對體積及能量都有很大限制的植入式設備中使用,進行植入式設備的人體通信研究很有必要。然而,由于要將設備植入人體內部進行探究,這一方面的實驗較難進行,以至于該領域在很長一段時間內都處于空白。目前,對植入式設備的人體通信方法研究主要是在模擬體內環境的電解質溶液中進行的。瑞士蘇黎世理工學院的 Wegmueller 及北京理工大學的 Zhang 等通過這一方法分別驗證了電流耦合和電容耦合人體通信方式在體內至體內通信中的有效性[40 -41].

      日本東京理科大學的 Shiba 等則對體內外人體通信進行了探究,證實了電容耦合人體通信可將信號由體內傳至體外[42].另有研究將人體通信應用至腦成像中,設計了將腦內圖像傳輸至體外的芯片系統[43 -44].而美國麻省理工學院的 Anderson 等則在實驗分析后提出了體內外人體通信的阻抗網絡模型,如圖 7 所示[45].有學者相信電流耦合人體通信方式更適用于植入設備,但相比于體外通信,植入式設備的人體通信研究依然有很大的不足[46].目前對于跨皮膚通信時的信道特性缺乏探索,關于將信號從體外傳至體內的研究也鮮有涉足,這一領域的進一步完善將使利用人體通信方式搭建完整的無線體域網成為可能。

      4. 2 人體通信無線供能

      人體通信作為一種傳遞信息的方式,同時也是一種傳遞能量的方式,當通信衰減足夠小,能量傳遞效率足夠高時,利用人體通信方式為設備無線供能也將成為可能。特別是對于植入式設備來講,無線供能的實現將會避免因設備需要更換電池而為病人帶來的痛苦,而基于人體通信進行無線供能這一新方式的提出,則有希望克服在傳統的電感耦合或射頻無線供能方式中身體組織對電磁波吸收率較高的問題。重慶大學的 Tang、美國匹茲堡大學的Hackworth 等人先后分析了在植入設備中利用電流耦合進行能量傳輸的可行性,并設計了可進行經皮無線充電的原型電路[47 -48].KN 圖什理工大學的Sodagar 等則制作了電容耦合方式下的無線供能系統,成功驅動了測試電路進行了信號的編碼與傳輸[49].而一項有關生物安全性的研究則表明,使用電容耦合方式進行無線供能會比傳統的電感方式帶來更小的熱效應,同時在長距離供能方面有更好的表現[50].然而,供能距離短,能量傳遞效率低是所有無線供能技術所面臨的共同問題,人體通信的發展雖然為這一領域帶來了新的選擇,卻同樣需要在未來進行大量的科研投入。

      4. 3 磁場耦合式人體通信

      如上文所述,傳統的人體通信方式分為電容耦合方式和電流耦合方式兩種,目前的大部分研究也都圍繞著這兩種方式進行。然而,日本 NTT 公司的Ogasawara 等卻于 2014 年跳出這一框架,提出了一種全新的人體通信方式: 磁場耦合式人體通信[51].

      該方式的基本原理是將人體作為接收線圈的一部分而與發射端的線圈形成信號通路,通過磁場耦合的方式傳輸信號,如圖 8 所示。這一方式的提出主要是針對在電容耦合式人體通信中通信信號質量受外界環境影響較大的問題。在其研究中,磁場耦合方式表現出了很強的抗干擾性,實驗場所中模擬的環境變化以及手持的金屬物體基本沒有對通信產生影響。而與射頻方式相比,該方法可以通過手部是否與電極接觸決定是否形成接收線圈,從而對通信進行控制。可以預見,這一新型的人體通信方式的應用價值將會主要集中于安全識別產品,也是NTT 公司一直致力于將人體通信加以應用的領域。

      雖然尚無法確定這一技術是否會在未來取得重大進展,不過,作為一種被新提出的人體通信方式,磁場耦合式人體通信定會在未來一段時間內吸引許多研究人員的目光。

      5 結語

      自無線體域網標準 IEEE802. 15. 6 提出以來,人體通信作為搭建無線體域網的重要技術之一,正被越來越多的學者及科研機構加以重視。本文從人體通信技術的產生開始,較為全面地介紹了其基本原理、發展歷程、研究現狀,通過不同技術間的對比總結了電容耦合及電流耦合人體通信方式的優勢和不足,并指出了未來人體通信發展的 3 個重要方向: 植入式設備的人體通信、人體通信無線供能及磁場耦合式人體通信。相信隨著通信技術發展和醫療信息化的需求增加,人體通信會在將來有更大的舞臺發揮其作用。

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