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1WHBC的理論與模型

依據(jù)耦合方式的不同WHBC可分為：①電流耦合，發(fā)射端輸入人體的信號(hào)為電流信號(hào)，接收器、發(fā)射器的兩個(gè)電極均需與人體直接接觸；②電容耦合，發(fā)射端輸入人體的信號(hào)為電壓信號(hào)，接收、發(fā)射端的兩個(gè)電極可不與人體直接接觸。當(dāng)前大部分的研究都集中于后者，因此本論文主要介紹電容耦合WHBC系統(tǒng)。當(dāng)前被認(rèn)可的基于電容耦合的人體通信機(jī)制主要有兩種：靜電耦合機(jī)制和把人體作為波導(dǎo)的電磁波傳播機(jī)制，大多數(shù)WHBC模型基于這兩種傳輸機(jī)制建立。另外還有一些WHBC模型是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)得到的，下面我們簡(jiǎn)單介紹一下當(dāng)今主要的WHBC理論和模型。

1．1靜電耦合機(jī)制及其物理模型

首先我們來(lái)介紹WHBC的靜電耦合傳輸機(jī)制。發(fā)射接收信號(hào)的電路、放在人體上或者人體附近的電極、導(dǎo)電的人體（相當(dāng)于一個(gè)電阻）、電極和大地之間的耦合電容可構(gòu)成一個(gè)閉合回路。整個(gè)閉合回路可被看作為一個(gè)二端口網(wǎng)絡(luò)，發(fā)射端的信號(hào)電極和地電極是其信號(hào)輸入端，接收端的信號(hào)電極和地電極是其信號(hào)輸出端，已知電路中的各電阻及電容的值，就可根據(jù)電路知識(shí)求出信號(hào)的路徑損失。由于靜電耦合作用（即二端口網(wǎng)絡(luò)電路中的耦合電容）是該傳輸原理中的關(guān)鍵所在，因此稱該原理為靜電耦合原理。其中發(fā)送端和接收端信號(hào)電極可以直接貼在人體皮膚上或者靠近人體皮膚的鄰近區(qū)域（例如緊貼衣服上），發(fā)送端和接收端的地電極懸空或者貼在皮膚上。但Luˇcev等證明信號(hào)電極直接與皮膚接觸、地電極懸空的電極結(jié)構(gòu)可以得到最小的路徑損失。Xu等根據(jù)靜電耦合機(jī)制設(shè)計(jì)了一個(gè)WHBC通信系統(tǒng)，其系統(tǒng)模型使用了有限元件建模方案。該系統(tǒng)模型包含了大氣、人體、發(fā)射端電路和接收端電路。其中大氣分為三個(gè)區(qū)：近域區(qū)、過(guò)渡區(qū)和遠(yuǎn)域區(qū)；人體模型則由手臂、胸部、腹部和腳組成，而各器官分別由對(duì)應(yīng)的皮膚、脂肪、肌肉層組成。模型的仿真結(jié)果在低頻和實(shí)際測(cè)得的數(shù)據(jù)相差不大，但在高頻段差別就有些大，還需要仔細(xì)研究。

1．2人體作為波導(dǎo)的傳播原理及其物理模型

有些研究人員把人體看作波導(dǎo)，從電磁波傳播的相關(guān)原理方面建立人體信道的計(jì)算模型。發(fā)射機(jī)的信號(hào)電極與其地電極是電磁波的發(fā)射源，人體表面是人體與空氣之間的邊界面，信號(hào)的傳輸過(guò)程可看作一種特殊情況的表面波傳輸。已知人體表面的電介參數(shù)，根據(jù)麥克斯韋方程和人體空氣邊界條件可求出在人體表面各點(diǎn)的電場(chǎng)強(qiáng)度、磁場(chǎng)強(qiáng)度以及路徑損失。Fujii等用有限差分時(shí)域方法（finitediffer－encetimedomain，F(xiàn)DTD）建立WHBC模型。在FDTD計(jì)算方法中，使用了日本成年男性和女性的高精度身體模型。實(shí)驗(yàn)中用生物組織固體人體等效模型驗(yàn)證文中提到的理論模型，結(jié)果雖還不錯(cuò)，但模型跟真實(shí)的人體畢竟不一樣，該方法的有效性還需通過(guò)真實(shí)的人體加以驗(yàn)證。

1．3其它的WHBC傳輸原理和模型

近期Bae等提出了新的WHBC傳輸原理，該原理同樣把發(fā)射端的信號(hào)電極和地電極看作電磁波的發(fā)射源，但認(rèn)為僅電磁波的電場(chǎng)可傳播信息，電磁波的磁場(chǎng)不起傳遞信息的作用，同1．2一樣利用麥克斯韋方程組可得到人體表面的電強(qiáng)度和路徑損失。論文提出的理論很新穎，能夠綜合現(xiàn)有的兩套理論，但其仿真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)結(jié)果在低頻處卻有較大的誤差，還需進(jìn)一步完善。Ruiz等利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)建立了一個(gè)WHBC分析模型。方法是從現(xiàn)有的各種分布函數(shù)中選擇一個(gè)與實(shí)際測(cè)得的路徑損失的累積概率分布最接近的一個(gè)分布類型，然后用數(shù)學(xué)方法估計(jì)在某一確定距離下該分布類型的參數(shù)，接著求出該分布函數(shù)的參數(shù)與（發(fā)射接收）距離之間的關(guān)系，從而得到想要的模型。這種方法對(duì)硬件設(shè)計(jì)有一定的指導(dǎo)意義，但由于缺乏內(nèi)在的物理原理的支撐，有很大的局限性。

2WHBC中的數(shù)字基帶傳輸機(jī)

除了WHBC的傳輸理論有諸多進(jìn)展，WHBC傳輸機(jī)也頗有些碩果。Lont等設(shè)計(jì)了一個(gè)數(shù)據(jù)速率可調(diào)的基于移頻鍵控（frequencyshiftkeying，F(xiàn)SK）的超低功耗數(shù)字接收機(jī)。Song等則利用0．25μm標(biāo)準(zhǔn)CMOS工藝設(shè)計(jì)了一個(gè)功耗為0．2mW、速率為2Mb／s的數(shù)字傳輸機(jī)，其原理圖。圖中上半部分為發(fā)射機(jī)，下半部分為接收機(jī)。發(fā)射機(jī)由偽隨機(jī)二進(jìn)制序列（pseudo－ran－dombinarysequence，PRBS）產(chǎn)生器、二選一多路復(fù)用器和驅(qū)動(dòng)器組成。PRBS是芯片測(cè)試時(shí)需要用到的功能部件。數(shù)字信號(hào)可直接通過(guò)二選一多路復(fù)用器、驅(qū)動(dòng)器傳到人體。接收機(jī)由接收AFE模塊、CDR電路和位錯(cuò)誤探測(cè)器組成。接收AFE模塊用于放大、觸發(fā)、反向從電極接收到的寬帶信號(hào)，以恢復(fù)二進(jìn)制數(shù)據(jù)。CDR電路模塊從恢復(fù)的二進(jìn)制模塊中提取時(shí)鐘信號(hào)并鎖存數(shù)據(jù)。位錯(cuò)誤探測(cè)器是芯片測(cè)試時(shí)需要用到的功能模塊。當(dāng)反向不歸零制（non－return－to－zero，NRZ）數(shù)據(jù)直接輸入到人體后，發(fā)射端電極產(chǎn)生對(duì)稱的靜電場(chǎng)（分別對(duì)應(yīng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)1和0），在該靜電場(chǎng)的激發(fā)下接收端的電極感受到一個(gè)由正負(fù)脈沖組成的微弱寬帶脈沖信號(hào)，對(duì)這些信號(hào)進(jìn)行放大、觸發(fā)、反向的操作就可在接收端恢復(fù)輸入人體的二進(jìn)制數(shù)據(jù)。Song等改進(jìn)了TX的結(jié)構(gòu)，使用了脈沖位置調(diào)節(jié)模塊，把NRZ數(shù)據(jù)的頻帶移到10～70MHz。Fazzi等則在RX中增加了相關(guān)電路，抑制噪聲的能力更強(qiáng)。然而即便如此，這樣的通信系統(tǒng)還是很容易受到外界的干擾，需要其它的技術(shù)抑制這種干擾，我們將在第3部分中進(jìn)行討論。

3WHBC中的干擾及AFH技術(shù)

3．1WHBC中的干擾

人體可被看作天線，漂浮的和接地的人體在電磁場(chǎng)中的諧振波長(zhǎng)分別為人體身高的2倍和4倍，同時(shí)人體的諧振頻率峰值不是尖銳的，而是寬廣分布的，因此人體天線效應(yīng)能夠?qū)㈩l帶分布寬廣的射頻信號(hào)注入到WHBC通信系統(tǒng)中。根據(jù)Cho等的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，這些干擾信號(hào)在一些環(huán)境下（調(diào)幅射頻塔或者無(wú)繩電話附近等）能夠把有用的信號(hào)淹沒(méi)，一般的數(shù)字傳輸機(jī)不能在這種變換的環(huán)境下穩(wěn)定地工作，需要新的傳輸機(jī)來(lái)抑制這些干擾。

3．2AFH原理

WHBC中的干擾隨環(huán)境變化而變化，但均只占某一有限的帶寬。為了增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力，我們把可用的WHBC總帶寬根據(jù)具體的應(yīng)用（數(shù)據(jù)傳輸速率的要求）平均分成N個(gè)不重疊的子帶寬，每一個(gè)子帶寬可看作一個(gè)通信頻道。最開(kāi)始所有的通信頻道均參與信息的傳輸，它們均處于跳頻序列之中。WHBC設(shè)備節(jié)點(diǎn)每隔一段時(shí)間根據(jù)一定的評(píng)判原則將跳頻序列中所有的頻道分為好頻道和壞頻道。好頻道繼續(xù)使用并等待下一次評(píng)判；壞頻道從跳頻序列中剔除，但一段時(shí)間之后系統(tǒng)會(huì)重新檢查上次被評(píng)為“壞頻道”的頻道的通信質(zhì)量，只要被評(píng)定為好頻道，系統(tǒng)又會(huì)將其納入跳頻序列之中。其中頻道評(píng)價(jià)準(zhǔn)則可以使用接收的信號(hào)強(qiáng)度指示（re－ceicedsignalstrengthindicator，RSSI）、分組錯(cuò)誤率（packeterrorrate，PER）和載波敏感度（carriersensing，CS）準(zhǔn)則。使用的是PER信道評(píng)判準(zhǔn)則，其中PSR（packetsuccessratio）為分組成功率，Ps為合格頻道的PSR閾值。AFH技術(shù)源自藍(lán)牙，但AFH在WHBC中的適應(yīng)性強(qiáng)過(guò)藍(lán)牙，因?yàn)橐话闱闆r下WHBC的覆蓋范圍僅限于穿戴者的本身，不會(huì)產(chǎn)生不同WHBC之間的串?dāng)_，而藍(lán)牙ZigBee等則會(huì)因?yàn)椴煌O(shè)備之間使用相同的通信頻道而產(chǎn)生動(dòng)態(tài)頻率干擾。Cho等就利用AFH技術(shù)設(shè)計(jì)了適用于人體通信的傳輸機(jī)，達(dá)到了很好的抗干擾效果。

4結(jié)束語(yǔ)

本篇綜述從WHBC的理論模型到WHBC的數(shù)字傳輸機(jī)的角度介紹了WHBC相關(guān)方面的研究?jī)?nèi)容及研究進(jìn)展，現(xiàn)有的大多數(shù)模型是基于靜電耦合和人體作為波導(dǎo)的原理建立的，但為什么這兩種不同的物理機(jī)制對(duì)于信號(hào)在人體上的傳輸能夠較好地預(yù)測(cè)，其中必定有一個(gè)紐帶聯(lián)系著它們，尋找這個(gè)紐帶是個(gè)很好的研究方向。雖然現(xiàn)在已有不少WHBC數(shù)字傳輸機(jī)，但大多數(shù)相關(guān)研究的芯片或者功耗過(guò)高，或者面積過(guò)大，而穿戴式傳感系統(tǒng)需要低功耗、面積小的WHBC傳輸機(jī)，因此低功耗、高速WHBC數(shù)字傳輸機(jī)是硬件方面很值得去研究的一個(gè)方向。

作者：孫雷 張小娟 單位：中國(guó)民航大學(xué)理學(xué)院