無線體域網(WBAN)是穿戴式監測技術中關鍵的一環,當前有著諸多的通信技術可供選擇,像藍牙、ZigBee、超寬帶(UWB)、無線人體通信(WHBC)等。其中WHBC是最近幾年才興起的技術,有著強勁的增長勢頭,在組建WBAN這一方面有著天然的優勢,值得我們去深入研究。本篇論文先簡單介紹了WHBC的技術背景,然后講述了WHBC的理論模型和基于WHBC的數字傳輸機,最后分析了WHBC中的各種干擾并闡述了能有效應對干擾的自適應跳頻(AFH)技術。
引用本文： 孫雷, 張小娟. 無線人體通信技術. 生物醫學工程學雜志, 2014, 31(6): 1389-1393. doi: 10.7507/1001-5515.20140263 復制
引言
個人生活中24小時監測人體的呼吸速率、心率、血壓等生理參數的需求正逐漸增加，這就刺激了穿戴式生理信號監測技術的發展，而無線體域網(Wireless Body Area Network,WBAN)是穿戴式監測技術中的關鍵一環，因此吸引了很多研究人員從事相關方面的研究。 Rhee等[1]研發了一款基于超寬帶(Ultra Wideband,UWB)技術的WBAN；Aryo等[2]設計了一個基于ZigBee技術的WBAN；高原等[3]設計了一個基于藍牙技術的智能手機穿戴式監測系統；Mercier等[4]設計了一個基于新穎的織物域(Fabric Area Network,FAN)的WBAN。由于WBAN系統需要接發射機貼近人體，而前三種解決方案都是基于傳統的短距離射頻技術，會受到人體遮蓋效應的影響，從而增加了系統的功耗[5]。不同的體域網之間也會產生動態干擾，降低了系統的可靠性及信道容量[6-7]。第四種方案是基于導電織物的有線通信技術,雖然功耗很低，但織物導線太細且易斷裂，可靠性較差。
還有一種無線解決方案是將人體作為傳輸媒介的無線人體通信(Wireless Human Body Communication,WHBC)技術。它是近幾年興起的，不受人體遮蓋效應的影響，不需要天線，能實現較高的傳輸速率，容易組網，功耗低，是WBAN中一個有潛力的候選者[8-10]。2007年電氣電子工程師學會(Institute of Electrical and Electronics Engineer，IEEE)成立了IEEE802.15.6工作組，該工作組旨在開發適用WBAN的低功耗通信標準。2012年初IEEE 802.15.6協議[11]已經正式公布，其中第三種通信模式即為WHBC，該標準對WHBC的信道的傳輸特點、數據率、糾錯編碼方案、MAC層協議等都做了比較嚴格的規定。
1 WHBC的理論與模型
依據耦合方式的不同WHBC可分為：① 電流耦合，發射端輸入人體的信號為電流信號，接收器、發射器的兩個電極均需與人體直接接觸；② 電容耦合，發射端輸入人體的信號為電壓信號，接收、發射端的兩個電極可不與人體直接接觸。當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。當前被認可的基于電容耦合的人體通信機制主要有兩種：靜電耦合機制和把人體作為波導的電磁波傳播機制，大多數WHBC模型基于這兩種傳輸機制建立。另外還有一些WHBC模型是基于實驗數據得到的，下面我們簡單介紹一下當今主要的WHBC理論和模型。
1.1 靜電耦合機制及其物理模型
首先我們來介紹WHBC的靜電耦合傳輸機制。如圖 1所示，發射接收信號的電路、放在人體上或者人體附近的電極、導電的人體(相當于一個電阻)、電極和大地之間的耦合電容可構成一個閉合回路[12]。整個閉合回路可被看作為一個二端口網絡，發射端的信號電極和地電極是其信號輸入端，接收端的信號電極和地電極是其信號輸出端，已知電路中的各電阻及電容的值，就可根據電路知識求出信號的路徑損失。由于靜電耦合作用(即二端口網絡電路中的耦合電容)是該傳輸原理中的關鍵所在，因此稱該原理為靜電耦合原理。其中發送端和接收端信號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域(例如緊貼衣服上)，發送端和接收端的地電極懸空或者貼在皮膚上。但Lu AcˇG ev等[13]證明信號電極直接與皮膚接觸、地電極懸空的電極結構可以得到最小的路徑損失。
圖1
信號電極直接與人體接觸的WHBC系統
(a)應用；(b)電路模型
Figure1. WHBC system of the signal electrodes directly in contact with the human body(a) application; (b) circuit model
Xu等[14-15]根據靜電耦合機制設計了一個WHBC通信系統，其系統模型使用了有限元件建模方案。該系統模型包含了大氣、人體、發射端電路和接收端電路。其中大氣分為三個區：近域區、過渡區和遠域區；人體模型則由手臂、胸部、腹部和腳組成，而各器官分別由對應的皮膚、脂肪、肌肉層組成。模型的仿真結果在低頻和實際測得的數據相差不大，但在高頻段差別就有些大，還需要仔細研究。
1.2 人體作為波導的傳播原理及其物理模型
有些研究人員把人體看作波導，從電磁波傳播的相關原理方面建立人體信道的計算模型[16]。發射機的信號電極與其地電極是電磁波的發射源，人體表面是人體與空氣之間的邊界面，信號的傳輸過程可看作一種特殊情況的表面波傳輸[17]。已知人體表面的電介參數，根據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的電場強度、磁場強度以及路徑損失。
Fujii等[17]用有限差分時域方法(finite difference time domain,FDTD)建立WHBC模型。在FDTD計算方法中，使用了日本成年男性和女性的高精度身體模型。實驗中用生物組織固體人體等效模型驗證文中提到的理論模型，結果雖還不錯，但模型跟真實的人體畢竟不一樣，該方法的有效性還需通過真實的人體加以驗證。
1.3 其它的WHBC傳輸原理和模型
近期Bae等[18]提出了新的WHBC傳輸原理，該原理同樣把發射端的信號電極和地電極看作電磁波的發射源，但認為僅電磁波的電場可傳播信息，電磁波的磁場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度和路徑損失。論文提出的理論很新穎，能夠綜合現有的兩套理論，但其仿真結果和實驗結果在低頻處卻有較大的誤差，還需進一步完善。
Ruiz等[19]利用實驗數據建立了一個WHBC分析模型。方法是從現有的各種分布函數中選擇一個與實際測得的路徑損失的累積概率分布最接近的一個分布類型，然后用數學方法估計在某一確定距離下該分布類型的參數，接著求出該分布函數的參數與(發射接收)距離之間的關系，從而得到想要的模型。這種方法對硬件設計有一定的指導意義，但由于缺乏內在的物理原理的支撐，有很大的局限性。
2 WHBC中的數字基帶傳輸機
除了WHBC的傳輸理論有諸多進展，WHBC傳輸機也頗有些碩果。Lont等[20]設計了一個數據速率可調的基于移頻鍵控(frequency shift keying,FSK)的超低功耗數字接收機。Song等[9]則利用0.25 μm標準CMOS工藝設計了一個功耗為0.2 mW、速率為2 Mb/s的數字傳輸機，其原理圖如圖 2所示。圖中上半部分為發射機，下半部分為接收機。發射機由偽隨機二進制序列(pseudo-random binary sequence,PRBS)產生器、二選一多路復用器和驅動器組成。PRBS是芯片測試時需要用到的功能部件。數字信號可直接通過二選一多路復用器、驅動器傳到人體。接收機由接收AFE模塊(見圖 2)、CDR電路(見圖 2)和位錯誤探測器組成。接收AFE模塊用于放大、觸發、反向從電極接收到的寬帶信號，以恢復二進制數據。CDR電路模塊從恢復的二進制模塊中提取時鐘信號并鎖存數據。位錯誤探測器是芯片測試時需要用到的功能模塊。
圖2
基于近域電場耦合的直接數字傳輸機
Figure2.
Direct digital transfer machine based on near-domain-couple of the electric field
當反向不歸零制(non-return-to-zero，NRZ)數據直接輸入到人體后，發射端電極產生對稱的靜電場(分別對應二進制數據1和0)，在該靜電場的激發下接收端的電極感受到一個由正負脈沖組成的微弱寬帶脈沖信號，對這些信號進行放大、觸發、反向的操作就可在接收端恢復輸入人體的二進制數據。
Song等[21]改進了TX的結構，使用了脈沖位置調節模塊，把NRZ數據的頻帶移到10~70 MHz。Fazzi等[22]則在RX中增加了相關電路，抑制噪聲的能力更強。然而即便如此，這樣的通信系統還是很容易受到外界的干擾，需要其它的技術抑制這種干擾，我們將在第3部分中進行討論。
3 WHBC中的干擾及AFH技術
3.1 WHBC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中的諧振波長分別為人體身高的2倍和4倍，同時人體的諧振頻率峰值不是尖銳的，而是寬廣分布的，因此人體天線效應能夠將頻帶分布寬廣的射頻信號注入到WHBC通信系統中[23-24]。根據Cho等[8]的實驗結果，這些干擾信號在一些環境下(調幅射頻塔或者無繩電話附近等)能夠把有用的信號淹沒，一般的數字傳輸機不能在這種變換的環境下穩定地工作，需要新的傳輸機來抑制這些干擾。
3.2 AFH原理
WHBC中的干擾隨環境變化而變化，但均只占某一有限的帶寬。為了增強系統的抗干擾能力，我們把可用的WHBC總帶寬根據具體的應用(數據傳輸速率的要求)平均分成N個不重疊的子帶寬，每一個子帶寬可看作一個通信頻道。最開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設備節點每隔一段時間根據一定的評判原則將跳頻序列中所有的頻道分為好頻道和壞頻道。好頻道繼續使用并等待下一次評判；壞頻道從跳頻序列中剔除，但一段時間之后系統會重新檢查上次被評為“壞頻道”的頻道的通信質量，只要被評定為好頻道，系統又會將其納入跳頻序列之中。其中頻道評價準則可以使用接收的信號強度指示(receiced signal strength indicator，RSSI)、分組錯誤率(packet error rate，PER)和載波敏感度(carrier sensing，CS)準則。AFH原理的軟件實現可參考圖 3，圖中使用的是PER信道評判準則，其中PSR(packet success ratio)為分組成功率，Ps為合格頻道的PSR閾值。
圖3
AFH工作原理
Figure3.
Operational diagram of the AFH
AFH技術源自藍牙，但AFH在WHBC中的適應性強過藍牙，因為一般情況下WHBC的覆蓋范圍僅限于穿戴者的本身，不會產生不同WHBC之間的串擾，而藍牙ZigBee等則會因為不同設備之間使用相同的通信頻道而產生動態頻率干擾[5]。Cho等[8]就利用AFH技術設計了適用于人體通信的傳輸機，達到了很好的抗干擾效果。
4 結束語
本篇綜述從WHBC的理論模型到WHBC的數字傳輸機的角度介紹了WHBC相關方面的研究內容及研究進展，現有的大多數模型是基于靜電耦合和人體作為波導的原理建立的，但為什么這兩種不同的物理機制對于信號在人體上的傳輸能夠較好地預測，其中必定有一個紐帶聯系著它們，尋找這個紐帶是個很好的研究方向。雖然現在已有不少WHBC數字傳輸機，但大多數相關研究的芯片或者功耗過高，或者面積過大，而穿戴式傳感系統需要低功耗、面積小的WHBC傳輸機，因此低功耗、高速WHBC數字傳輸機是硬件方面很值得去研究的一個方向。
引言
個人生活中24小時監測人體的呼吸速率、心率、血壓等生理參數的需求正逐漸增加，這就刺激了穿戴式生理信號監測技術的發展，而無線體域網(Wireless Body Area Network,WBAN)是穿戴式監測技術中的關鍵一環，因此吸引了很多研究人員從事相關方面的研究。 Rhee等[1]研發了一款基于超寬帶(Ultra Wideband,UWB)技術的WBAN；Aryo等[2]設計了一個基于ZigBee技術的WBAN；高原等[3]設計了一個基于藍牙技術的智能手機穿戴式監測系統；Mercier等[4]設計了一個基于新穎的織物域(Fabric Area Network,FAN)的WBAN。由于WBAN系統需要接發射機貼近人體，而前三種解決方案都是基于傳統的短距離射頻技術，會受到人體遮蓋效應的影響，從而增加了系統的功耗[5]。不同的體域網之間也會產生動態干擾，降低了系統的可靠性及信道容量[6-7]。第四種方案是基于導電織物的有線通信技術,雖然功耗很低，但織物導線太細且易斷裂，可靠性較差。
還有一種無線解決方案是將人體作為傳輸媒介的無線人體通信(Wireless Human Body Communication,WHBC)技術。它是近幾年興起的，不受人體遮蓋效應的影響，不需要天線，能實現較高的傳輸速率，容易組網，功耗低，是WBAN中一個有潛力的候選者[8-10]。2007年電氣電子工程師學會(Institute of Electrical and Electronics Engineer，IEEE)成立了IEEE802.15.6工作組，該工作組旨在開發適用WBAN的低功耗通信標準。2012年初IEEE 802.15.6協議[11]已經正式公布，其中第三種通信模式即為WHBC，該標準對WHBC的信道的傳輸特點、數據率、糾錯編碼方案、MAC層協議等都做了比較嚴格的規定。
1 WHBC的理論與模型
依據耦合方式的不同WHBC可分為：① 電流耦合，發射端輸入人體的信號為電流信號，接收器、發射器的兩個電極均需與人體直接接觸；② 電容耦合，發射端輸入人體的信號為電壓信號，接收、發射端的兩個電極可不與人體直接接觸。當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。當前被認可的基于電容耦合的人體通信機制主要有兩種：靜電耦合機制和把人體作為波導的電磁波傳播機制，大多數WHBC模型基于這兩種傳輸機制建立。另外還有一些WHBC模型是基于實驗數據得到的，下面我們簡單介紹一下當今主要的WHBC理論和模型。
1.1 靜電耦合機制及其物理模型
首先我們來介紹WHBC的靜電耦合傳輸機制。如圖 1所示，發射接收信號的電路、放在人體上或者人體附近的電極、導電的人體(相當于一個電阻)、電極和大地之間的耦合電容可構成一個閉合回路[12]。整個閉合回路可被看作為一個二端口網絡，發射端的信號電極和地電極是其信號輸入端，接收端的信號電極和地電極是其信號輸出端，已知電路中的各電阻及電容的值，就可根據電路知識求出信號的路徑損失。由于靜電耦合作用(即二端口網絡電路中的耦合電容)是該傳輸原理中的關鍵所在，因此稱該原理為靜電耦合原理。其中發送端和接收端信號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域(例如緊貼衣服上)，發送端和接收端的地電極懸空或者貼在皮膚上。但Lu AcˇG ev等[13]證明信號電極直接與皮膚接觸、地電極懸空的電極結構可以得到最小的路徑損失。
圖1
信號電極直接與人體接觸的WHBC系統
(a)應用；(b)電路模型
Figure1. WHBC system of the signal electrodes directly in contact with the human body(a) application; (b) circuit model
Xu等[14-15]根據靜電耦合機制設計了一個WHBC通信系統，其系統模型使用了有限元件建模方案。該系統模型包含了大氣、人體、發射端電路和接收端電路。其中大氣分為三個區：近域區、過渡區和遠域區；人體模型則由手臂、胸部、腹部和腳組成，而各器官分別由對應的皮膚、脂肪、肌肉層組成。模型的仿真結果在低頻和實際測得的數據相差不大，但在高頻段差別就有些大，還需要仔細研究。
1.2 人體作為波導的傳播原理及其物理模型
有些研究人員把人體看作波導，從電磁波傳播的相關原理方面建立人體信道的計算模型[16]。發射機的信號電極與其地電極是電磁波的發射源，人體表面是人體與空氣之間的邊界面，信號的傳輸過程可看作一種特殊情況的表面波傳輸[17]。已知人體表面的電介參數，根據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的電場強度、磁場強度以及路徑損失。
Fujii等[17]用有限差分時域方法(finite difference time domain,FDTD)建立WHBC模型。在FDTD計算方法中，使用了日本成年男性和女性的高精度身體模型。實驗中用生物組織固體人體等效模型驗證文中提到的理論模型，結果雖還不錯，但模型跟真實的人體畢竟不一樣，該方法的有效性還需通過真實的人體加以驗證。
1.3 其它的WHBC傳輸原理和模型
近期Bae等[18]提出了新的WHBC傳輸原理，該原理同樣把發射端的信號電極和地電極看作電磁波的發射源，但認為僅電磁波的電場可傳播信息，電磁波的磁場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度和路徑損失。論文提出的理論很新穎，能夠綜合現有的兩套理論，但其仿真結果和實驗結果在低頻處卻有較大的誤差，還需進一步完善。
Ruiz等[19]利用實驗數據建立了一個WHBC分析模型。方法是從現有的各種分布函數中選擇一個與實際測得的路徑損失的累積概率分布最接近的一個分布類型，然后用數學方法估計在某一確定距離下該分布類型的參數，接著求出該分布函數的參數與(發射接收)距離之間的關系，從而得到想要的模型。這種方法對硬件設計有一定的指導意義，但由于缺乏內在的物理原理的支撐，有很大的局限性。
2 WHBC中的數字基帶傳輸機
除了WHBC的傳輸理論有諸多進展，WHBC傳輸機也頗有些碩果。Lont等[20]設計了一個數據速率可調的基于移頻鍵控(frequency shift keying,FSK)的超低功耗數字接收機。Song等[9]則利用0.25 μm標準CMOS工藝設計了一個功耗為0.2 mW、速率為2 Mb/s的數字傳輸機，其原理圖如圖 2所示。圖中上半部分為發射機，下半部分為接收機。發射機由偽隨機二進制序列(pseudo-random binary sequence,PRBS)產生器、二選一多路復用器和驅動器組成。PRBS是芯片測試時需要用到的功能部件。數字信號可直接通過二選一多路復用器、驅動器傳到人體。接收機由接收AFE模塊(見圖 2)、CDR電路(見圖 2)和位錯誤探測器組成。接收AFE模塊用于放大、觸發、反向從電極接收到的寬帶信號，以恢復二進制數據。CDR電路模塊從恢復的二進制模塊中提取時鐘信號并鎖存數據。位錯誤探測器是芯片測試時需要用到的功能模塊。
圖2
基于近域電場耦合的直接數字傳輸機
Figure2.
Direct digital transfer machine based on near-domain-couple of the electric field
當反向不歸零制(non-return-to-zero，NRZ)數據直接輸入到人體后，發射端電極產生對稱的靜電場(分別對應二進制數據1和0)，在該靜電場的激發下接收端的電極感受到一個由正負脈沖組成的微弱寬帶脈沖信號，對這些信號進行放大、觸發、反向的操作就可在接收端恢復輸入人體的二進制數據。
Song等[21]改進了TX的結構，使用了脈沖位置調節模塊，把NRZ數據的頻帶移到10~70 MHz。Fazzi等[22]則在RX中增加了相關電路，抑制噪聲的能力更強。然而即便如此，這樣的通信系統還是很容易受到外界的干擾，需要其它的技術抑制這種干擾，我們將在第3部分中進行討論。
3 WHBC中的干擾及AFH技術
3.1 WHBC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中的諧振波長分別為人體身高的2倍和4倍，同時人體的諧振頻率峰值不是尖銳的，而是寬廣分布的，因此人體天線效應能夠將頻帶分布寬廣的射頻信號注入到WHBC通信系統中[23-24]。根據Cho等[8]的實驗結果，這些干擾信號在一些環境下(調幅射頻塔或者無繩電話附近等)能夠把有用的信號淹沒，一般的數字傳輸機不能在這種變換的環境下穩定地工作，需要新的傳輸機來抑制這些干擾。
3.2 AFH原理
WHBC中的干擾隨環境變化而變化，但均只占某一有限的帶寬。為了增強系統的抗干擾能力，我們把可用的WHBC總帶寬根據具體的應用(數據傳輸速率的要求)平均分成N個不重疊的子帶寬，每一個子帶寬可看作一個通信頻道。最開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設備節點每隔一段時間根據一定的評判原則將跳頻序列中所有的頻道分為好頻道和壞頻道。好頻道繼續使用并等待下一次評判；壞頻道從跳頻序列中剔除，但一段時間之后系統會重新檢查上次被評為“壞頻道”的頻道的通信質量，只要被評定為好頻道，系統又會將其納入跳頻序列之中。其中頻道評價準則可以使用接收的信號強度指示(receiced signal strength indicator，RSSI)、分組錯誤率(packet error rate，PER)和載波敏感度(carrier sensing，CS)準則。AFH原理的軟件實現可參考圖 3，圖中使用的是PER信道評判準則，其中PSR(packet success ratio)為分組成功率，Ps為合格頻道的PSR閾值。
圖3
AFH工作原理
Figure3.
Operational diagram of the AFH
AFH技術源自藍牙，但AFH在WHBC中的適應性強過藍牙，因為一般情況下WHBC的覆蓋范圍僅限于穿戴者的本身，不會產生不同WHBC之間的串擾，而藍牙ZigBee等則會因為不同設備之間使用相同的通信頻道而產生動態頻率干擾[5]。Cho等[8]就利用AFH技術設計了適用于人體通信的傳輸機，達到了很好的抗干擾效果。
4 結束語
本篇綜述從WHBC的理論模型到WHBC的數字傳輸機的角度介紹了WHBC相關方面的研究內容及研究進展，現有的大多數模型是基于靜電耦合和人體作為波導的原理建立的，但為什么這兩種不同的物理機制對于信號在人體上的傳輸能夠較好地預測，其中必定有一個紐帶聯系著它們，尋找這個紐帶是個很好的研究方向。雖然現在已有不少WHBC數字傳輸機，但大多數相關研究的芯片或者功耗過高，或者面積過大，而穿戴式傳感系統需要低功耗、面積小的WHBC傳輸機，因此低功耗、高速WHBC數字傳輸機是硬件方面很值得去研究的一個方向。
