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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為電流信號，接收器、發(fā)射器的兩個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為電壓信號，接收、發(fā)射端的兩個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模型是基于實驗數(shù)據(jù)得到的，下面我們簡單介紹一下當(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

首先我們來介紹WHBC的靜電耦合傳輸機(jī)制。發(fā)射接收信號的電路、放在人體上或者人體附近的電極、導(dǎo)電的人體（相當(dāng)于一個電阻）、電極和大地之間的耦合電容可構(gòu)成一個閉合回路。整個閉合回路可被看作為一個二端口網(wǎng)絡(luò)，發(fā)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(jù)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(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)計了一個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。其中大氣分為三個區(qū)：近域區(qū)、過渡區(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)果在低頻和實際測得的數(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算模型。發(fā)射機(jī)的信號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，信號的傳輸過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的電場強(qiáng)度、磁場強(qiáng)度以及路徑損失。Fujii等用有限差分時域方法（finitediffer－encetimedomain，F(xiàn)DTD）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(jié)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等提出了新的WHBC傳輸原理，該原理同樣把發(fā)射端的信號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(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)果和實驗結(jié)果在低頻處卻有較大的誤差，還需進(jìn)一步完善。Ruiz等利用實驗數(shù)據(jù)建立了一個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(shù)學(xué)方法估計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。這種方法對硬件設(shè)計有一定的指導(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)計了一個數(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)計了一個功耗為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)動器組成。PRBS是芯片測試時需要用到的功能部件。數(shù)字信號可直接通過二選一多路復(fù)用器、驅(qū)動器傳到人體。接收機(jī)由接收AFE模塊、CDR電路和位錯誤探測器組成。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，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)制模塊中提取時鐘信號并鎖存數(shù)據(jù)。位錯誤探測器是芯片測試時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)生對稱的靜電場（分別對應(yīng)二進(jìn)制數(shù)據(jù)1和0），在該靜電場的激發(fā)下接收端的電極感受到一個由正負(fù)脈沖組成的微弱寬帶脈沖信號，對這些信號進(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(yīng)能夠?qū)㈩l帶分布寬廣的射頻信號注入到WHBC通信系統(tǒng)中。根據(jù)Cho等的實驗結(jié)果，這些干擾信號在一些環(huán)境下（調(diào)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(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(shè)備節(jié)點每隔一段時間根據(jù)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(xù)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(tǒng)會重新檢查上次被評為“壞頻道”的頻道的通信質(zhì)量，只要被評定為好頻道，系統(tǒng)又會將其納入跳頻序列之中。其中頻道評價準(zhǔn)則可以使用接收的信號強(qiáng)度指示（re－ceicedsignalstrengthindicator，RSSI）、分組錯誤率（packeterrorrate，PER）和載波敏感度（carriersensing，CS）準(zhǔn)則。使用的是PER信道評判準(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)過藍(lán)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(chǎn)生不同WHBC之間的串?dāng)_，而藍(lán)牙ZigBee等則會因為不同設(shè)備之間使用相同的通信頻道而產(chǎn)生動態(tài)頻率干擾。Cho等就利用AFH技術(shù)設(shè)計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

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)方面的研究內(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)制對于信號在人體上的傳輸能夠較好地預(yù)測，其中必定有一個紐帶聯(lián)系著它們，尋找這個紐帶是個很好的研究方向。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高，或者面積過大，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方向。

作者：孫雷 張小娟 單位：中國民航大學(xué)理學(xué)院