修改的两种人体通信电耦合模型的探讨与比较.doc

两种人体通信电耦合模型的探讨与比较 PUN Siohang, GAO Yueming, WONG Kuokkit1, MAK Pengun（长沙理工大学计算机与通信工程学院，湖南长沙 410000）摘要：人体通信（IBC）是一种新兴的，短距离和人体基础的通讯方法。这是一个对人体网络中各种设备的技术，利用人体组织的导电性能，对于目前迅速发展的人体区域网络（BAN）/身体传感器网络（BSN）合适。 人体通信被认为在功耗，电磁辐射，干扰有优点，这些是来自外部的电磁噪声，安全性和频谱资源的限制。在这篇文章中，作者提出了两种模型，这是分析和实证方法，用于比较在人类肢体上通信的性能准确性。通过在五个志愿者体内实验中，两个模型基本上与实验结果匹配，等效电路模型比电磁模型的最大误差项优越。关键词：人体通信，分析模型，实证电路模型Investigation and Comparison of Two Models inGalvanic Coupling Intra-body Communications（Li Yanni ,PUN Siohang, GAO Yueming, WONG Kuokkit, MAK Pengun, VAI Mangi, DU min）(Department of CSUST,Changsha 410000)Abstract: Intra-body communication (IBC) is anew, emerging, short-range and human body basedcommunication methodology. It is a technique tonetwork various devices on human body, by utilizingthe conducting properties of human tissues, suitable for currently fast developing Body area network (BAN)/Body sensor network (BSN). IBC is believed to have advantages in power consumption, electromagnetic radiation, interference from external electromagnetic noise, security, and restriction in spectrum resource.In this article, the authors develop two models, which are analytical and empirical approaches, for comparing the performance and accuracy of IBC on a human limb. Through in vivo experiment of five volunteers,both models basically match with the experimental result with equivalent circuit model superior than electromagnetic model in term of maximum error.Keywords: Intra-body Communication，Analytical Mode， Empirical circuit modelI引言：人体通信（IBC）的是一个新的，新兴的，短距离和人体基础的通讯方法。这是一个对人体网络中各种设备的技术，利用人体组织的导电性能。一个典型的人体通信是通过耦合到人体很小的数目电流实现的，低于人体安全阈值。然后，接收机鉴别出人体另一个位置的电信号。如今，在快速发展的特定人体区域网络（BAN）和身体传感器网络（BSN），人体通信被认为是自己在低功耗上有优势，减少电磁辐射，减少从外部电磁噪声干扰，提高安全性，提高频谱效率。自从人体通信在1995年出现以来，已经制定了两个实施方法：电容耦合技术是两个电极与普通耦合和电偶与四个电极耦合技术的方法。有很多关于人体通信的应用，例如，交换名片的原型，心电图监测，虚拟输入系统和植入装置沟通。对于理论研究，人体通信模型方向是多种多样的。最近，K. Hachisuka etal.进行比较电偶耦合技术和电容耦合技术之间的性能实验。在 2009年，Ryoyu徐等人。报告了人体通信通道测量实验装置。他们发现，电容耦合技术的特点显示了中心频率大约在42MHz周围的带通轮廓。等效电路的发展是另一种流行的人体通信模型。在人体通信的整个研究，提出了许多人体通信的等效电路。最新开发的是N. Cho 等.。通过使用三个圆柱体代替人体，对身体的通道电路模型形成满意的结果与实测数据的比较中获得。 数值模拟也是人体通信分析的一个强有力工具，有代表性的是K. Fujii等的工作报告。他们模拟了人体通信对全身使用时域有限差分法（FDTD）的人体模型。有趣的是，他们的结论是一个简单的计算模型，均匀的电容耦合人体通信就足够了。值得一提的是T. Sasmori等。在2009年报告了高频率的电容耦合人体通信的建模分析方法。在这篇文章中，提出了电磁理论和等效电路模型为基础的模型。与其他方法相比，分析模型表现出了在人体各种参数的灵活性。所开发的模型还考虑了在一定程度上对人体不均匀的财产。在第2节，描述了电磁模型的细节。第3节描述的等效电路模型。第4节描述了比较两种模型性能的试验，可以发现在第5节，描述了实验讨论的结果和结论。 电磁模型人体通信第一次把人类肢体近似为圆柱体，形成了肢体模型的基础。这项安排使一个人的肢体复杂的结构可以用数学来描述。用一系列同心层来表达人类肢体组成，如图所示。其中h描绘了肢体的长度中，R1 . Rn的代表各组织半径和1.n代表组织的电导率，从内到外分别开始。假设准静态近似和限制工作频率小于1MHz，电场和磁场会减弱。人类的组织指挥下，体积理论被认为是作为媒体的。因此，肢体模型可以被视为源自由，多层，圆柱形的媒介和控制方程可以简化为式。sV = 0 s = 1KN (1)其中V描述的是肢模型的电压，强度s描绘导电组织，而N表示层的总数。再加上边界条件（Eq.2，Eq.3和Eq.4），形成了人体通信的肢体数学模型。在此模型中，Eq.4代表在肢体电极表面发射信号耦合和电流密度。Jn被定义为普通电极形状，可以通过引入模型中Eq.4、 Eq.5和Eq.6中相邻组织之间的接口连续性定义的属性。(翻译引言和电子模型1,2,3段)参考文献：1 Zimmerman T G, Smith J R, Paradiso J A, Allport D, and GershenfeldN. Applying electric field sensing to Human-ComputerInterfacesC/ Proceedings of CHI95 Mosaic of Creativity, 1995:280-287.2 Hachisuka K, Terauchi Y, Kishi Y, Sasaki K, Hirota T, Hosaka H,Fujii K, Takahashi M, and Ito K Simplified circuit modeling and fabricationof intrabody communication devices, Sensors and Actuators A:Physical (Selected Papers from TRANSDUCERS 05C/Proceesings ofthe 13th International Conference on Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems), 2006(130-131): 322-330.3 Wegmueller M S, Kuhn A, Froehlich J, Oberle M, Felber N,Kuster K, and Fichtner W An attempt to model the human body as a communication channelJ. IEEE transactions on Biomedical Engineering, 2007, 54: 1851-1857.4 Zimmerman T G, Personal Area Networks: Near-field intrabody communicationJ. IBM Systems Journals, 1996, 35: 609-617.5 I. S.-. 1996, IEEE Guide for the Measurement of Quasi-Static Magnetic and Electric FieldsS. IEEE Standard, 1996.6 I. S. C95.3-2002. IEEE Recommended Practice for Measurements and Computations of Radio Frequency Electromagnetic Fields With Respect to Human Exposure to Such Fields, 100 kHz300 GHzS,IEEE Standard, 2002.7 Lindsey D P, Mckee E L, Hull M L, and Howell S M, A new technique for transmission of signals from implantable transducersJ. IEEE Transactions on Biomedical Engineering