人体通信简介

技术基础
• • • • • • • • 先进的超低功率射频(RF)技术 计算机技术 智能传感器技术 无线传感器网络技术 无线网络技术等的飞速发展 材料技术 软件技术 计算智能
三种形式
• 人体通信方式依据不同的传输方式可以划分为3 种类型 • 简单线路方式 • 电容耦合方式：利用发射器端的振荡让人体产生 电场，并由接收器检测电场的变化，从而实现通 信 • 电流耦合方式方式 ：把人体作为波导
用于人体数据的测量的人体通信
• 所谓人体通信，就是把人的身体当作线缆，利用 通信装置进行双向数据通信。NTT的实验标志着， 人类不仅是共享信息的受众，同时也将成为信息 传输的载体。将人体作为通信网络的一部分使用。 这项技术可向体内输入微弱的电信号，从而实现 6至10Mbps的通信。 • 人体通信是将距离人体3米以内的范围作为对象 的近距离无线通信“WBAN（wireless body area network）”的一种，其特点在于耗电量较低以及 安全性较高。
三种形式
三种速率
• 一是低速案例，如通过穿戴进行配对使用，如 蓝牙
• 二是中速案例，如通过触摸随时以电视或更大 的屏幕快速浏览手机的信息、打印文件，还有 人与人之间交换名片，通过穿戴或内部信号进 行保健等 • 三是高速案例，将音乐传输至耳机中、视频传 输、利用多媒体增强效果等。
关键问题
• • • • 人体通信频带问题 人体通信信道模型问题 人体通信设备的功耗和问题 人体特征信号的提取问题
人体局域网
• 作为WSN 的分支和物联网的重要组成部分 ,BSN 通过应用泛在计算、智能信息处理和新 型网络化等和发展趋势
• • • • • • • • 信号采集及数据融合 节点信号处理. 生理感知数据特征提取. 轻量级数据融合算法 情景感知 人工神经网络 贝叶斯网络 Markov 模型
Connected me
• 其实这一项技术是利用电容耦合和人体本身具有的 电性来传输信号数据的。这意味着，智能手机可以 通过人体将数据传输到打印机，音箱、屏幕或者是 电子锁这些设备上。这项把人体当成连接线的技术 将会改变人类同网络或者其他数据服务交互的模式。 一只手拿着智能手机，另外一只手放在设备上，人 们就可以轻松实现信息传送接收了，传输速度为6— 10Mbps，研究显示，在不久的将来，这项技术的传 输速度还将进一步加快。
Simplified model for human limb IBC problem with bone
The human body acts as the transmission medium
Capacitive coupling for data transmission between transmitter and receiver units
• 成功演示案例：智能手机的流媒体音乐传输、手 机拍摄的照片传输、从设备上获取网页链接，以 及触摸门把手就可开启门禁。
电场耦合
• 利用“电场耦合”技术可通过人体之类的有机体 传输信息。如果将这种方法与目前数字通信中所 有的常规通信方式结合起来，便可以得到一种超 强组合体，它不仅有利于技术创新，还能实现目 前技术很难、或者根本无法实现的交互性。
强化人机交流功能的机器人，通 过与之握手就可以交换信息
人体生物学特征提取原则
• 普遍性：即必须每个人都具备这种特征。 • 唯一性：即任何两个人提取的生物特征是有很大区别的。 • 可测量性：即特征是可以用医学仪器测量的，特别地，在 躯域传感器中，还要求该生物学特征能方便地由生物传感 器所测得。 • 隐秘性：需要一定的特殊测量设备并在特定的环境下才能 测量获得，且对于潜在的攻击者是不可见的。 • 鲁棒性：即特征在一段时间内保持稳定。因为在生物传感 器中，无法存储实时从生命特征中提取出来的密钥。
Modern hospital monitoring network: Sensors record and transmit their data to monitoring devices
强化人机交流功能的机器人，通 过与之握手就可以交换信息
将手指放到此处就能检测出血管 图案，相当方便、快捷
ID识别
• 相比之下，人体通信得天独厚，每个人体内的“ 生物密码”都不相同，而且绝对不可伪造，因而 更可靠更安全。再从信息传输的速度看，人体通 信交换数据更为便捷。所以爱立信也把这项技术 按照数据传输速率进行了低、中、高三档划分。
优势
• 从信息传输的速度看，人体通信交换数据 更便捷
• 从信息安全的角度看，人体通信识别技术 更可靠
应用
• • • • 人体局域网 医疗领域 智能家居 ID验证：不需要人体内置芯片，即可以识别个人 信息并解锁：门禁系统，超市购物，汽车上的无 钥进入系统，医院的监护室； • 数码产品：电子卡片、数据测量 • 娱乐领域 • 其它：商业、工业、军用、舰船和飞机舱内等
在人体局域网技术中的应用
• 伴随着微电子技术的发展，可穿戴、可植入、 可侵入的服务于人的健康监护设备和各种病症 监视设备已经出现，像穿戴于指尖的血氧传感 器、腕表型血糖传感器、腕表型睡眠品质测量 器、睡眠生理检查器、可植入型的身份识别组 件等。这些传感器和促动器只能独立工作，要 自带各自的通信部件，因此，系统资源的有效 利用率不高。借助人体通信技术将这些传感器 整合为一个系统，极大地提高了系统资源的利 用率。
现状实例
日韩欧美研究领先。成果：爱立信人体通信，传输 速度高达10MHz 。我们都有触摸东西的天性，但 是“触摸”这一功能似乎还没有被利用到极致。 爱立信发明了一项名为“Connected me”的新通 信技术，通过该技术，人体可以成为网络的一部 分，人们只需要触摸东西便可进行信息的发送和 接收。
人体通信简介
概念
• 人体通信( intra-body communication, IBC)是一种新兴 的短距离无线通信方式。IBC是一种适用于人体表面、 内部、周围等一切可与人体接触的医疗传感装置的 新兴通信手段
• 最大的特点在于利用人体作为信息传输的媒质。由 于人体具有较好的导电性能,使得IBC较之现有短距离 无线通信技术(诸如蓝牙、Zigbee、射频、红外等) , 有着联接方便、不易受外界噪声干扰、对外辐射较 小、没有频段限制、低功耗等诸多优点。尤其适用 于需要长期、多参数监测生理信号的情况,诸如慢性 疾病、老年性疾病和残疾人监护等
系统模型
仿真模型结构 人体通信信道传输特性 • 频率对人体通信的影响 • 发射机信号电极和人体表面距离(H )对人体通信 的影响 • 收发机结构对人体通信的影响 人体通信传输方式研究 • 电流耦合 • 电容耦合
Illustration of galvanic coupling type IBC
人体通信在医疗领域规模应用
• • • • • 移动医疗 监护 诊断 介入式治疗 数据通信
ID识别
• 目前，生物识别技术最可靠的是指纹和虹膜识 别，已开始应用于机场、银行和各种电子设备 。但两项技术并非无懈可击，仍有漏洞。如指 纹识别容易磨损和被盗取，虹膜识别虽是当前 应用最方便和精确的一种识别技术，但弊端在 于眼睛极难读取，而且识别设备成本高昂。
The entire transfer function includes the coupling electrode impedances
coupler and detector units
the most frequently used model for total body impedance
人体通信系统主要组成部分
人体通信电容产生的电场
电流式人体通信
典型无线肌电图系统
IBC无线肌电图系统
人体局域网
• 人体局域网是附着在人体上的一种网络， 由一套小巧、可移动、具有通信功能的传 感器和一个身体主站(或协调器)组成。每个 传感器既可佩戴在身上，也可植入体内。 协调器是网络的管理器，也是人体局域网 和外部网络之间的网关，使数据能够安全 地传送和交换。
面临挑战
• 分类学习及推理 • 情景感知架构建立 • 自组织映射SOM 的不稳定性和训练数据依 赖性.
系统技术
• • • • • 网络架构 传感器节点和网关 无线通信技术 无线通信协议 管理系统及数据库
BSN未来研究展望
• • • • 可穿戴可移动BSN 网络 可靠和安全的BSN 网络 低成本和高性能的BSN 进一步与物联网相融合将是BSN 未来的应用 方向
Propagation method
Current method (Monopole to monopole)
Block diagram of measurement system
Three methods of data transmission through the human body
智能家居中的应用
• 携带有人体通信装置的业主回到家时，只要用手 触摸一下自家的大门，物业管理中心的计算机系 统便会立即登录其个人信息，门锁便会自动打开 ；跨进家门，室内地板安装有固定接收信号的感 知装置，发信装置所发出的信息可以通过人体传 送到地板或地面的接收装置，房屋中央的空调系 统会开始工作；用手触摸一下电视机或音响柜， 便知道主人想欣赏碟片还是想听经典音乐；可按 照个人的喜好控制电视，自动选择节目；橱柜只 有获得授权的人才可以打开；如果主人把手放在 桌面上，桌上的台式个人电脑便会自动开启……
Connected me
• 通过这项技术，我们可以重新定义触摸的方式， 创造一种更加安全更具个性的触摸连接方式。比 如说，你要打开一个有密码的门，这时候你只要 触摸在手机上存有的密码，然后将另一只手放在 门把手上就可以进行解锁了。或者当你想要打印 文件时，你只要将另外一只手放在打印机上就可 以了，非常简单快速。
System overview of intra-body communication transceiver
Distributed implanted sensors
Numerical model
Model of multi-layered tissue with the galvanic coupling setup
Simplified view of a human arm with the three tissue-layers skin, muscle, and bone.
Simplified circuit model of the human body modeling
Equivalent circuit for electrode-skin contact
人体五官利用
• 感官通信系统：说、听、看、闻、触
• 主要通过人体识别传感器，把人体内的气 味和手的触觉进行数字化处理，利用宽带 网传输数据。
补充
• 人体通道通信HBC 是一种很有前途的数据传 输方法有效地在人体近端进行通信。以人 体作为传输介质 人体通信在人体传感器网 络和远程医疗应用潜力很大。人体通信的 最佳信道带宽从10MHz到50MHz • 实验结果表明，二进制本元BCH码的信道编 码和BPSK调制方法非常合适人体通信
问题提出
• 人体是一个电磁兼容体系，具有导电率、介电常 数。人体介电性质，电导率和相对介电常数，分 别决定电流大小以及极化幅度的影响。 • Zimm erman最早提出了基于人体通信的PAN系统 Personal AreaNetworks: Near-Field Intra-Body Communication ，IBC • Human body communication ，HBC
Electrical fields produced by PAN transmitter
Concept of galvanic coupling
Equivalent circuit that models the Cole-Cole equation
DIELECTRIC PROPERTIES OF THE HUMAN TISSUE