人体通信 - 副本

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摘要 (1)
Abstract (2)
引言 (3)
1 人体通信与无线体域网 (3)
1.1无线体域网简介 (3)
1.2短距离无线通信技术分析对比 (3)
1.3人体通信信号耦合方式 (5)
2仿真系统模型建立 (7)
2.1仿真环境介绍 (7)
2.2功能简介 (7)
2.3仿真系统模型 (8)
3仿真实验与结果分析 (8)
3.1电场分布 (9)
3.2频率对人体通信的影响 (9)
结束语 (9)
参考文献 (10)
人体通信
摘要: 便携式消费电子产品和医疗卫生保健市场的迅速发展，推动着新兴信息技术的变
革。

人体通信技术以人体作为数据传输通道，为便携式电子设备建立起无线网络，降低了监测系统的复杂度，具有新的历史意义以及广阔的应用前景。

本文首先回顾了人体通信技术在国内外的研究现状，对比了人体通信中信号的三种耦合方式，详细分析了人体通信研究使用的组织结构模型和通信信道模型。

在此基础上，本文建立了更为贴近实际的多层组织结构人体通信系统模型，从电磁场与人体相互作用的角度探讨了人体通信的信号传输机制和特性。

通过仿真实验，本文分析了人体通信信道在不同方向上的信号衰减率，获取了人体通信的最佳通信频段，并对人体通信的其他影响因素，如收发器与人体表面的间距、电极尺寸、电极间距等进行了分析，为人体通信技术的进一步发展提供指导依据。

仿真结果表明，在人体通信中，电磁波信号在人体表面的传播具有表面波的特征，沿人体表面，场强衰减缓慢，远离人体表面，场强衰减迅速；电场在平行和垂直于人体表面的方向上具有不同的衰减常数，垂直于人体表面的场强分量强于平行分量；在0～1000MHz的频率范围内，500--600MHz是最佳的人体通信频段；在收发器与人体表面相隔一定距离的情况下，同样可以实现良好的通信，信号传输主要集中在人体表面5mm的距离范围内；设计的收发器应适于接收垂直于人体表面的电场分量，考虑到随收发器和人体表面之间距离的增加，信号损耗增大，需考虑改进收发器结构以提高信号接收效率。

关键词：人体通信；多层结构组织模型；表面波；衰减常数
The human body communication
Abstract:The rapid development of portable consumer electronics products and health care
market promotes the reformation technologies.Human body communication(HBC) technology takes human body as data channel to reduce the complexity of monitor systems,which has new historical meanings and wide application prospects. This thesis firstly reviews the research status of HBC，compares three coupling ways and analyzes tissue structure and channel model．On this basis，a more practical multiple layer tissue structure HBC system model is built，and mechanism& characteristic of sigum transmission ale explored from the angle of interaction between EMF and human body．With simulation,this thesis analyzes the sigual decay rate in different directions，obtains the best commtmication frequency band,and analyzes various influence factors，like distance between transceiver and body surface，electrode size and space，etc，providing guidelines further development of HBC．The simulation results show that in HBC，electromagnetic signal transmission possesses the characteristics of surface wave，field strength decays slowly along body surface while rapidly away；electrical field has different decay attenuation constants when parallel and perpendicular to body surface and perpendicular component is stronger than parallel one；500--600MHz is the best frequency band in O～I000MHz；good communication Can be achieved with transceiver separated from body surface and signal mainly propagates in 5mm range from body surface；transceiver should be suitable for receiving perpendicular component and its structure needs improvement for higher sigum receiving efficiency．
Key word: human body communication,multiple layer tissue structure，surface
wave，attenuation constant
引言
随着人体传感器网络技术的发展，通过在人体近端放置各种穿戴式或植入式医疗设备，采集人体多种生理信号( 例如: 心电，体温，呼吸等) ，从而实现对患病者的健康状态的实时监控，做到疾病的早预防、早诊断、早治疗，是目前解决人口老龄化健康问题的一种有效途径。

在人体传感器网络中，有线通信方式由于线的缠绕，使用不方便。

而基于RF 的无线通信方式中，如蓝牙和Zig Bee 由于通信范围比较远，容易造成网络的重叠，且安全性不高; RFID 和NFC通信功耗低，但数据率低且不能组网。

同时，以上通信方式都不可避免地面临着阴影效应的影响，使得通信质量得不到保障[1]。

针对以上问题，Zimmerman T G 提出一种新的通信方式——人体通信，即将“人体”作为传输媒介，通过电容耦合或者电流耦合的方式在人体近端通信，是未来人体传感器网络理想的通信方式[2]，具有低功耗、高速率、高安全性等优点[3]。

1 人体通信与无线体域网
无线体域(Wireless Body Area Network，WBAN)是以人体为中心，由和人体相关的网络元素组成的通信网络。

这些网络元素包括个人终端，分布在人体表面、人体周围一定距离范围以及人体内部的传感器和组网设备等[4]。

通过WBAN，人体所携带的个人电子设备相互之间可以进行信息通讯和数据同步。

WBAN和其它通信网络连接，可以组成更为广阔的通信网络，从而实现和网络上的任何终端的通信。

WBAN技术通过把人体变成通信网络的一部分，真正实现了网络的泛在化和穿戴式计算[5-6]。

1.1无线体域网简介
根据通信距离的不同，无线网络可以分为无线广域网(WWAN)、无线局域网(WLAN)和无线个人区域网(WPAN)三类。

三类网络的有机结合，构成了完整的互连通信网络。

其中，无线广域网以蜂窝移动通信为代表，无线连接距离以公里计，可以漫游到不同的国家和地区；无线局域网以802．11和HomeRF为代表，无线连接距离为50m．100m，数据传输速率高于无线广域网；无线个人区域网以蓝牙(Bluetooth)和ZigBee为代表，无线连接距离为10m左右，数据
传输速率介于无线广域网和无线局域网。

无线体域网以远程医疗监控、娱乐以及军事应用为代表，主要指位于人体表面或植入人体内部的传感器之间的通信。

无线体域网和无线个人区域网有着紧密的联系，通常认为无线体域网是无线个人区域网的一种延伸。

无线个人区域网以个人为中心，泛指个人相关电子设备之间的数据通信，是一个低功耗、低速率、小范围和低成本的电缆替代技术；无线体域网扩展到了位于人体表面或植入人体内部各类传感器，通信距离更短。

无线体域网是一个交叉技术领域[7]。

图2．1显示了WBAN与WPAN、传感器网络(WSN)，泛在传感器网络(USN)、无线短距离通信、传感器技术之间的关系。

1.2短距离无线通信技术分析对比
目前主流的短距离无线通信技术包括蓝牙技术、ZigBee、超宽带、红外数据通讯等。

下面将简单介绍上述常见的短距离无线通信技术并与人体信道通信进行对比分析。

①蓝牙技术
1998年5月，蓝牙技术由爱立信、IBM、英特尔、诺基亚、东芝5家公司联合制定，是一种开放的短距离无线通信技术标准[8]。

利用蓝牙技术，可以实现便携式电子设备之间的无线连接，允许用户方便快捷地与周边的电子设备进行通讯。

蓝牙技术工作范围可从10．．50m 扩展至100m；工作在2．4GHz的工业科学医疗(Industry Science Medicine，ISM)频段上[9]，使用抗干扰能力极强的跳频序列扩频(Frequency Hopping Spread Spectrum，FHSS)技术，
可穿透墙壁等阻碍，实现安全保密的全向传播；支持下行速率732．6kb／s和上行速率57．6kb ／s的非对称异步数据传输或433．9kb／s的对称异步数据传输；同时支持三路速率为64kb ／s的同步话音传输。

蓝牙技术不是唯一的短距离无线通信解决方案，与其他几种无线连接方式相比，蓝牙技术的传输速度虽然不是最快，但在其他方面却具有不可忽视的优势：蓝牙技术可以很好的完成影音类数据的传输；蓝牙技术可以穿透障碍物传输，且传送数据时不必对准接收方向。

○2)ZigBee
尽管蓝牙技术有许多优点，但也存在许多缺陷。

对工业自动化和工业遥测遥控领域来说，蓝牙技术显得太复杂，组网小、功耗大。

与此同时，工业自动化对无线通信的需求越来越迫切，工业现场又要求通信必须是稳定可靠的，能抵抗工业环境中的各种电磁干扰。

经过人们长期不懈的努力，2003年，ZigBee协议正式问世，满足了以上需求。

ZigBee是基于IEEE802．15．4标准的短距离无线通信技术。

ZigBee的特点是低功耗、低复杂度、低数据传输率和低成本，主要适用于自动控制和遥测遥控领域。

ZigBee是一个可由多达65000个传输模块组成的无线数据网络平台。

在网络平台范围内，每一个数据传输模块之间都可以进行通信，网络节点间的距离可以从75m无限扩展。

③超宽带
超宽带(UltraWideband，UWB)是一种利用纳秒乃至微微秒级的非正弦波窄脉冲来传输数据的无载波通信技术。

超宽带技术的工作原理是发送和接收脉冲间隔严格受控的超短时脉冲，信号带宽很宽，接收机直接用一级前端交叉相关器把脉冲序列转换成基带信号。

超宽带设备具有复杂性低的特点。

超宽带将低功率信号传送到较宽频谱上，可以在10米左右的范围内实现高数据传输速率。

虽然超宽带信号几乎不干扰工作于同一频率的其他无线设备，但频带内的所有电磁信号都是对超宽带信号的干扰。

超宽带技术可以综合运用各种技术来解决这一问题。

④红外数据通讯
1993年，由HI'、COMPAQ、1NTEL等二十多家公司发起成立了红外数据协会(Infrared DataAssociation，IrDA)，建立了红外数据通讯标准。

红外数据通讯传输角度1200，距离在5m以内，传输速度由115．2Kbps到16Mbps。

红外数据通讯具有连接方便、成本低廉、结构紧凑等特点。

但由于红外线波长较短，衍射能力差，红外数据传输无法适用于点对多点的通信。

又由于红外数据通讯属于视距传输，光信号的反射、散射及背景光噪声的影响使得红外通信信道存在各种干扰及噪声。

这些缺陷都限制了红外技术的应用场合和使用距离。

⑤人体通信
目前已提出用蓝牙、ZigBee、超宽带、红外通信等技术来解决无线体域网的通信问题，但每项技术都只有在特定的用途或领域中才能发挥最佳的效果。

蓝牙系统虽然有较高的传输速度，但是功耗较大；Zigbee虽然功耗较小，但是传输速度没法满足要求。

1996年，美国麻省理工学院的T．GZimmerman发表了一篇阐述人体通信的论文，详细叙述了人体通信的原理及应用。

作者认为可将人体组织作为穿戴式电子设备之间的连接手段。

人体通信技术最大特点是使用人的身体代替通信线缆，利用人体的电磁特性来实现信号在人体表面／内部的传递。

人体通信技术具有低功耗，连接方便、信号稳定，对外辐射小等优点，特别适用于穿戴式、植入式电子设备间的信息交互。

近几年，不论其在医疗卫生保健领域，还是在人们日常娱乐生活中，人体通信技术都受到越来越多的关注。

人体通信技术在无线体域网中展现出了广阔的应用前景。

因此，研究以人体为数据传输信道的无线通信系统是一项意义重大且具有巨大市场潜力的工作。

1.3人体通信信号耦合方式
与传统无线通信通过空气进行数据传输不同，人体通信信道是电磁特性复杂的人体组织结构。

如何采取有效方式将信号耦合进人体信道并实现信号在人体信道中的高效传输是实现人体通信最为关键的问题。

目前主要认为人体通信系统通过三种方式将信号耦合到人体信道：电流耦合[10]、静电场耦合[11]和电磁波耦合[12]。

电流耦合将人体当作导体，需要从人体接导线引出信号，不适于高频传输；静电场耦合不需要导线，却易受外界环境的干扰；电磁波耦合利用波导效应将电磁信号耦合到人体，利用人体完成电磁信号的传导。

一、电流耦合
电流耦合方式的电路结构比较简单。

采用电流耦合，人体和接地面是电容耦合，和静电场耦合一样受到共模噪声的影响。

但由于电流直接流经人体，电流耦合方式抗干扰能力比较强，比静电场耦合方式更稳定[13]在电流耦合方式中，信号收发器与人体直接接触。

在信号发射器端(TX)，差分信号加载到发射器两个电极之间。

电极之间产生感应次生电流到人体组织。

在信号接收器端(RX)，该感应次生电流在接收器两个电极间产生差分信号，从而可以被接收机探测到。

电流耦合方式利用了人体组织的电介质特性，人体内的电离子流充当信息的载体。

在电流耦合方式下，人体等效于一种特殊的传输线，电流耦合方式的通信原理和有线通信相同，通信受到人体物理参数的影响。

电流耦合方式的缺点是电极必须和人体接触才能实现通信，电子设备的结构、装配方式以及使用方法由此受到限制。

但另一方面，采用电流耦合方式，使用者需要主动接触电极，因此其防止信息泄漏的能力更强。

二、静电场耦合
在静电场耦合方式下，作为电介质的人体由于附近产生的电场而发生介质极化，整个身体都笼罩在电场下，将电场的变化作为信号检测。

采用静电场耦合方式，信号收发器不需和人体直接接触，即使在信号传输路径上有绝缘体也可以实现通信。

因此，静电场耦合方式对电子设备的结构和装配方式要求不高，在使用方法上的也限制很少，信号收发器器放置在人体一定距离范围内都可以实现通信。

在静电场耦合方式中，差分电极用于发射和接收信号。

在人体通信信号传输与特性研究信号发射器端，信号加载到两个电极之间，两个电极有不同的电容耦合到人体，电场感应到人体并通过人体传播。

在信号接收器端，两个电极与人体相隔距离不同，从而可以探测到它们之间的差分信号，该差分信号是人体附近变化电势的函数。

在静电场耦合方式中，信号发射器和信号接收器容性耦合到人体，人体充当信号收发的桥梁，通信受到周围环境的影响。

静电场耦合方式的缺点是信号检测困难。

这是因为人体感应电场中的大部分都会从人体向信号发射器和接地面逸出，接收机检测到的电场极其微弱；同时，由于不能和地面直接耦合，共模噪声很大，信号难以稳定；另外，静电场耦合方式对周围环境中的电磁干扰很敏感，因此不适合在电磁干扰很大的环境中使用。

综上，静电场耦合方式需要设法减少外部电磁干扰并提高检测出微弱且不稳定信号的精度。

三、电磁波耦合
与电流耦合和静电场耦合方式相比，电磁波耦合方式不需要引出导线，且受外界环境因素的影响较小，可进行通信的频段也比较高。

波导由一组物质边界或构件制成，用来在微波或可见光波段中约束或引导电磁波的传播，常用于无线电通讯、雷达、导航等无线电领域。

波导包括各种形状的空心金属波导管和表面波波导，前者将引导的电磁波完全限制在波导管内，又称封闭波导；后者把引导的电磁波约束在波导结构周围，又称开波导。

电磁波在波导管中的传播受到波导内壁的限制并发生反射。

波导管壁的导电率很高，可假定波导壁是理想导体，波导管内的电磁场分布可由麦克斯韦方程组结合波导的边界条件来求解。

表面波波导的特征是在介质分界面附近有电磁场存在。

在毫米波与亚毫米波波段，金属波导管的尺寸太小导致损耗加大且制造困难。

在这种情况下使用表面波波导，除具有良好传输性外，更重要的好处是结构简单，容易制作。

表面波沿着不同介质或在不同折射率梯度的分界面传播，其
电磁场分布主要集中在分界面附近区域中，表面波的场分量随着离开分界面距离的增加而呈指数衰减[14]。

表面波是电磁波的一种特殊传播形式。

目前，已有研究指出，在人体通信中，表面波是电磁场的主要传播方式。

在光纤传输中，倏逝波是表面波；在无线电传输中，地球和大气有不同的折射率，构成交界面，地波靠近地球表面传播，也是表面波。

表面波的研究分析和在远程遥感的使用可以追溯到20世纪初，至今已有很长的历史。

1907年，J．Zermeek 首次分析了具有表面波特性的麦克斯韦方程的求解[15]。

所谓的Zenneck波是具有有限电导率的平面边界分隔自由空间下麦克斯韦方程的垂直极化平面波解。

对高电导率(依赖于频率和介电常数)，这样的波具有近似平行与平面边界的坡印亭矢量。

电磁波的幅值在平行和垂直边界的方向上以不同的衰减常数以指数形式衰减。

2仿真系统模型建立
文章首先对仿真环境进行简单介绍，继而以人体手臂为载体，在仿真软件中构建了人体通信模型。

2.1仿真环境介绍
本文采用的仿真实验软件为CST微波工作室。

CST微波工作室是由德国CST公司开发，面向3D电磁场、微波电路和温度场设计工程师的一款最有效、最精确的专业仿真软件包。

2.2功能简介
CST微波工作室包含四种不同的求解器——瞬态求解器、频域求解器、本征模求解器、模式分析求解器。

其中，瞬态求解器最为灵活，能有效计算无耗及有耗结构。

瞬态求解器对时域信号使用离散傅里叶变换(DFT)，可以通过一次计算得到仿真器件在整个宽频带上的S 参量、整个时域或多个选定频率的场分布。

瞬态求解器内含最新的多级子网(MSS)技术和3D 自适应网格加密技术，能提高网格划分的效率，极大地加快仿真速度，特别适用于复杂器件。

瞬态求解器在一台PC上可支持32个CPU的并行计算；支持各向同性和各向异性的材料、色散材料、旋磁材料；对支持TEM波的多导体传输结构可定义多芯端口，支持多端口多模式激励(分别或同时)、平面波激励(线极化、圆极化或椭圆极化)；通过2D本证模式求解器可计算端口模式；通过选择S参量的对称性可以减少求解时间，指定端口阻抗可实现重归一化S参量，通过去嵌入功能可以得到高精度的S参量；可以设置高性能的辐射／吸收边界条件、非理想导体边界条件和零相移周期性边界条件；可以计算时域和频域下的各种电磁场量(如电场、磁场、表面电流、功率流、电能密度、磁能密度等)；可进行有或无远场近似下的天线远场计算(包括增益、主瓣方向、旁瓣抑制度等)、雷达反射截面(RCS)计算、电磁热沉积(SAR)计算；用户可自定义激励信号和激励信号库；不同的端口可同时采用不同激励信号进行并行激励仿真，可对任意拓扑结构自动提取SPICE网络模型；使用内建的参量扫描工具可以自动进行参量扫描，使用内建的优化器可以对任意目标进行结构优化，在进行优化、参量扫描和多端口／多模式激励时，可以使用分布式网络计算。

对于仿真器件结构尺寸远小于最短波长的低频问题，瞬态求解器效率不高，可使用频域求解器，这种方法在对少数频点感兴趣时最为有效。

频域求解器能有效计算无耗及有耗结构，包括波导端口；支持各向同性和各向异性的材料、色散材料；可以实现自动快速宽带自适应扫频和用户自定义扫频模式；采用收敛加速技术的直接法和迭代法求解器；可以设置非零相位或扫描角的周期性边界条件；可以设置Floquet模式端口(周期性波导端口)；可以自动提取级联的SPICE(＆L，C，G)网络模型，运行SPICE可校验结果。

然而，在设计滤波器时，常常需要计算工作模式而不是S参量。

针对这种情况，CST微波工作室提供了本征模求解器，用以求解封闭电磁场器件的有限模式。

本征模求解器可计算封闭、无耗或有耗结构的模式场分布；支持各向同性和各向异性的材料；在一台PC上可支持两CPU的并行计算；可设置非零相位的周期性边界条件；可以采用直接法或微扰法计算每个模式的损耗和Q值。

CST微波工作室还包含与本征模求解器相结合的模式分析求解器。

模式分析求解器通过使用本征模求解器求得的模式场分布可以高效的计算出宽带S参量；支持各向同性和各向异性的材料；在一台PC上可支持两CPU的并行计算；通过制定端口阻抗可以实现重归一化S 参量；可以采用微扰法计算每个模式的损耗和Q值；可以自动提取级联的SPICE(R L，C，G)网络模型，运行SPICE可校验结果。

需要注意的是，目前尚无一种算法能在所有的应用领域中都做到最好，因此四种求解器应在各自最适合的应用领域内使用，方可得到最好的求解结果。

所有求解器的仿真结果都能以不同方式显示，可以帮助用户快速获取所需器件特性。

数据导入、仿真结果显示和后处理包括：可以将外部二维XY数据导入并显示，可以拷贝/粘贴二维XY数据集；端口模式显示(包括传播常数，阻抗等)；直接坐标显示S参量(线性或
对数刻度)；史密斯圆图(Smith Chart)和极坐标显示S参量；动态显示仿真状态和结果；各种2D和3D显示方式(电场、磁场、功率流、表面电流等)；可以动态显示场分布；可以沿任意空间曲线对2D和3D场求解线积分并显示结果；可以沿任意曲线对3D场求解面积分；可以将不同端IXl激励的结果合并；可以TOUCHSTONE文件格式导出S参量，以ASCII文件式导出场、曲线等结果，可以导出结果场图的屏幕拷贝。

CST微波工作室还包含有编辑器和调试器，可实现功能强大、兼容VBA(Visual Basic for Application)的宏语言；通过OLE 的自动操作可以实现与W'mdows环境(如Microsoft Office，MATLAB，AutoCAD，MathCAD，WindowsScripting Host等)的无缝集成。

2.3仿真系统模型
本节介绍了在CST微波工作室中建立的以人体手臂为实验载体的人体通信仿真系统模型。

一、手臂系统模型
组织结构模型和通信信道模型
在人体通信技术的研究中，目前提出的组织结构模型主要包括：经典容积导体模型、单层组织结构模型和多层组织结构模型。

下面将对这三类人体组织结构模型进行简单的介绍。

经典容积导体理论将人体视为各向同性、呈阻性的良导体。

电流耦合方式的人体通信关注外加微弱交变电流在人体表面及内部传播及分布。

由于生物源频率较低，且人体所有的组织与器官都处于组织液的包围之中，生物电磁学中常用的方法是将人体组织(心脏，大脑)等效成一个容积导体，在此基础上，描述电刺激信号以及生物电信号在人体内部钧传播。

Fujii等人把人体简化为由腿、躯干、手臂、肩和头组成的模型，并将每部分设置为长方体。

该模型使用了肌肉组织的相对介电常数和电导率等电磁特性参数。

通过比较、分析简化人体模型和真实人体周围的电场分布情况，Fujii等人验证了简化人体模型的合理性。

使用简化人体模型，可以节省计算资源，从而在一定程度上有助于降低人体通信系统的开发成本。

二、信号收发系统
总体上，人体通信信道模型可以分为两类：理论模型和实验模型。

理论模型来自于电磁传播的基本原理，可得到限定条件下的精确模型。

理论模型适用于详细深入的探讨，但要求对传播环境的详尽描述。

实验模型来自于基于实验研究，为人体通信信道的统计模型提供基础。

与理论模型相比，实验模型只需简化的环境描述。

3仿真实验与结果分析
本章利用构建好的人体通信仿真系统模型展开实验，对人体通信的传输机制和信道特性进行了探讨。

构建好人体通信仿真系统模型后，可以设计仿真实验以研究人体通信的传输机。