人体通信简介

1、人体通信简介人体通信简介概念 人体通信( intra-body communication, IBC)是一种新兴的短距离无线通信方式。IBC是一种适用于人体表面、内部、周围等一切可与人体接触的医疗传感装置的新兴通信手段 最大的特点在于利用人体作为信息传输的媒质。由于人体具有较好的导电性能,使得IBC较之现有短距离无线通信技术(诸如蓝牙、Zigbee、射频、红外等) ,有着联接方便、不易受外界噪声干扰、对外辐射较小、没有频段限制、低功耗等诸多优点。尤其适用于需要长期、多参数监测生理信号的情况,诸如慢性疾病、老年性疾病和残疾人监护等用于人体数据的测量的人体通信 所谓人体通信，就是把人的身体当作线缆

2、，利用通信装置进行双向数据通信。NTT的实验标志着，人类不仅是共享信息的受众，同时也将成为信息传输的载体。将人体作为通信网络的一部分使用。这项技术可向体内输入微弱的电信号，从而实现6至10Mbps的通信。 人体通信是将距离人体3米以内的范围作为对象的近距离无线通信“WBAN（wireless body area network）”的一种，其特点在于耗电量较低以及安全性较高。问题提出 人体是一个电磁兼容体系，具有导电率、介电常数。人体介电性质，电导率和相对介电常数，分别决定电流大小以及极化幅度的影响。 Zimm erman最早提出了基于人体通信的PAN系统Personal AreaNetwork

3、s: Near-Field Intra-Body Communication ，IBC Human body communication ，HBC现状实例日韩欧美研究领先。成果：爱立信人体通信，传输速度高达10MHz 。我们都有触摸东西的天性，但是“触摸”这一功能似乎还没有被利用到极致。爱立信发明了一项名为“Connected me”的新通信技术，通过该技术，人体可以成为网络的一部分，人们只需要触摸东西便可进行信息的发送和接收。 Connected me 其实这一项技术是利用电容耦合和人体本身具有的电性来传输信号数据的。这意味着，智能手机可以通过人体将数据传输到打印机，音箱、屏幕或者是电子锁这

4、些设备上。这项把人体当成连接线的技术将会改变人类同网络或者其他数据服务交互的模式。一只手拿着智能手机，另外一只手放在设备上，人们就可以轻松实现信息传送接收了，传输速度为610Mbps，研究显示，在不久的将来，这项技术的传输速度还将进一步加快。Connected me 通过这项技术，我们可以重新定义触摸的方式，创造一种更加安全更具个性的触摸连接方式。比如说，你要打开一个有密码的门，这时候你只要触摸在手机上存有的密码，然后将另一只手放在门把手上就可以进行解锁了。或者当你想要打印文件时，你只要将另外一只手放在打印机上就可以了，非常简单快速。 成功演示案例：智能手机的流媒体音乐传输、手机拍摄的照片传输

5、、从设备上获取网页链接，以及触摸门把手就可开启门禁。电场耦合 利用“电场耦合”技术可通过人体之类的有机体传输信息。如果将这种方法与目前数字通信中所有的常规通信方式结合起来，便可以得到一种超强组合体，它不仅有利于技术创新，还能实现目前技术很难、或者根本无法实现的交互性。技术基础 先进的超低功率射频(RF)技术 计算机技术 智能传感器技术 无线传感器网络技术 无线网络技术等的飞速发展 材料技术 软件技术 计算智能三种形式 人体通信方式依据不同的传输方式可以划分为3 种类型 简单线路方式 电容耦合方式：利用发射器端的振荡让人体产生电场，并由接收器检测电场的变化，从而实现通信 电流耦合方式方式 ：把人

6、体作为波导三种形式三种速率 一是低速案例，如通过穿戴进行配对使用，如蓝牙 二是中速案例，如通过触摸随时以电视或更大的屏幕快速浏览手机的信息、打印文件，还有人与人之间交换名片，通过穿戴或内部信号进行保健等 三是高速案例，将音乐传输至耳机中、视频传输、利用多媒体增强效果等。关键问题 人体通信频带问题 人体通信信道模型问题 人体通信设备的功耗和问题 人体特征信号的提取问题应用 人体局域网 医疗领域 智能家居 ID验证：不需要人体内置芯片，即可以识别个人信息并解锁：门禁系统，超市购物，汽车上的无钥进入系统，医院的监护室； 数码产品：电子卡片、数据测量 娱乐领域 其它：商业、工业、军用、舰船和飞机舱内等

7、在人体局域网技术中的应用 伴随着微电子技术的发展，可穿戴、可植入、可侵入的服务于人的健康监护设备和各种病症监视设备已经出现，像穿戴于指尖的血氧传感器、腕表型血糖传感器、腕表型睡眠品质测量器、睡眠生理检查器、可植入型的身份识别组件等。这些传感器和促动器只能独立工作，要自带各自的通信部件，因此，系统资源的有效利用率不高。借助人体通信技术将这些传感器整合为一个系统，极大地提高了系统资源的利用率。智能家居中的应用 携带有人体通信装置的业主回到家时，只要用手触摸一下自家的大门，物业管理中心的计算机系统便会立即登录其个人信息，门锁便会自动打开；跨进家门，室内地板安装有固定接收信号的感知装置，发信装置所发出

8、的信息可以通过人体传送到地板或地面的接收装置，房屋中央的空调系统会开始工作；用手触摸一下电视机或音响柜，便知道主人想欣赏碟片还是想听经典音乐；可按照个人的喜好控制电视，自动选择节目；橱柜只有获得授权的人才可以打开；如果主人把手放在桌面上，桌上的台式个人电脑便会自动开启人体通信在医疗领域规模应用 移动医疗 监护 诊断 介入式治疗 数据通信ID识别 目前，生物识别技术最可靠的是指纹和虹膜识别，已开始应用于机场、银行和各种电子设备。但两项技术并非无懈可击，仍有漏洞。如指纹识别容易磨损和被盗取，虹膜识别虽是当前应用最方便和精确的一种识别技术，但弊端在于眼睛极难读取，而且识别设备成本高昂。ID识别 相比

9、之下，人体通信得天独厚，每个人体内的“生物密码”都不相同，而且绝对不可伪造，因而更可靠更安全。再从信息传输的速度看，人体通信交换数据更为便捷。所以爱立信也把这项技术按照数据传输速率进行了低、中、高三档划分。优势 从信息传输的速度看，人体通信交换数据更便捷 从信息安全的角度看，人体通信识别技术更可靠人体五官利用 感官通信系统：说、听、看、闻、触 主要通过人体识别传感器，把人体内的气味和手的触觉进行数字化处理，利用宽带网传输数据。补充 人体通道通信HBC 是一种很有前途的数据传输方法有效地在人体近端进行通信。以人体作为传输介质 人体通信在人体传感器网络和远程医疗应用潜力很大。人体通信的最佳信道带宽

10、从10MHz到50MHz 实验结果表明，二进制本元BCH码的信道编码和BPSK调制方法非常合适人体通信系统模型u 仿真模型结构u 人体通信信道传输特性 频率对人体通信的影响 发射机信号电极和人体表面距离(H )对人体通信的影响 收发机结构对人体通信的影响u人体通信传输方式研究 电流耦合 电容耦合Illustration of galvanic coupling type IBCSimplified model for human limb IBC problem with boneThe human body acts as thetransmission mediumCapacitive c

11、oupling for data transmission between transmitterand receiver unitsElectrical fields produced by PAN transmitterConcept of galvanic couplingEquivalent circuit that models the Cole-Cole equationDIELECTRIC PROPERTIES OF THE HUMAN TISSUESimplified view of a human arm with the three tissue-layers skin,m

12、uscle, and bone.Simplified circuit model of the human body modelingEquivalent circuit for electrode-skin contactThe entire transfer function includes the coupling electrode impedancescoupler and detector unitsthe most frequently used model for total body impedanceSystem overview of intra-body commun

13、ication transceiverDistributed implanted sensorsNumerical modelModel of multi-layered tissue with the galvanic coupling setupModern hospital monitoring network: Sensors record and transmit their data to monitoring devices强化人机交流功能的机器人，通过与之握手就可以交换信息将手指放到此处就能检测出血管图案，相当方便、快捷强化人机交流功能的机器人，通过与之握手就可以交换信息人体生

14、物学特征提取原则 普遍性：即必须每个人都具备这种特征。 唯一性：即任何两个人提取的生物特征是有很大区别的。 可测量性：即特征是可以用医学仪器测量的，特别地，在躯域传感器中，还要求该生物学特征能方便地由生物传感器所测得。 隐秘性：需要一定的特殊测量设备并在特定的环境下才能测量获得，且对于潜在的攻击者是不可见的。 鲁棒性：即特征在一段时间内保持稳定。因为在生物传感器中，无法存储实时从生命特征中提取出来的密钥。Propagation methodCurrent method (Monopole to monopole)Block diagram of measurement systemThree

15、methods of data transmission through the human body人体通信系统主要组成部分人体通信电容产生的电场电流式人体通信典型无线肌电图系统IBC无线肌电图系统人体局域网 人体局域网是附着在人体上的一种网络， 由一套小巧、可移动、具有通信功能的传感器和一个身体主站(或协调器)组成。每个传感器既可佩戴在身上，也可植入体内。协调器是网络的管理器，也是人体局域网和外部网络之间的网关，使数据能够安全地传送和交换。人体局域网 作为作为WSN 的分支和物联网的重要组成部分的分支和物联网的重要组成部分,BSN 通过应用泛在计算、智能信息处理和新通过应用泛在计算、智能信

16、息处理和新型网型网络化等技术来提高人民医疗保健的水平BSN面临的技术挑战、研究现面临的技术挑战、研究现状和发展趋势状和发展趋势 信号采集及数据融合信号采集及数据融合 节点信号处理. 生理感知数据特征提取. 轻量级数据融合算法 情景感知情景感知 人工神经网络 贝叶斯网络 Markov 模型面临挑战 分类学习及推理 情景感知架构建立 自组织映射SOM 的不稳定性和训练数据依赖性.系统技术系统技术 网络架构 传感器节点和网关 无线通信技术 无线通信协议 管理系统及数据库BSN未来研究展望未来研究展望 可穿戴可移动BSN 网络 可靠和安全的BSN 网络 低成本和高性能的BSN 进一步与物联网相融合将是

17、BSN 未来的应用方向 智能化、传感器节点微型化、可移动、可穿戴,可植入和强交互性BSN应用前景应用前景 BSN 对人体生理参数的检测 社区医疗 偏远山区医疗保健 学龄前儿童致命危险预防和监控 紧急或突发的公共事件预防和报警方面 娱乐、体育运动,军事和工业应用技术发展趋势 异质网络互联技术 协同机制及分类学习技术. 人体生物信道通信技术Research SubjectWhat can we know by using multiple sensorsBAN ApplicationsOther Application ExamplesBAN Scope Distance: 3 m min. De

18、nsity: 10 nodes max. in 666 m3 space Devices per network: max. 256 Net network throughput: 10 kbps - 10 Mbps (PHY-SAP) Encryption: AES 128 bits (FIPS-197), or more Low SAR: According to regulation of each country Low power consumption: w/o concrete numerical valueFeatures of BANTargets of UKARI Proj

19、ectA Vital Sensing ApplicationExperimental StudySensor Arrangement in UbiquitousHomedecomposition of the BAN in functional building blocksMobile Monitoring at HomeWireless Body Area NetworkBody area network System structure application Wireless Body Area NetworkExample of two clustered BAN networksA

20、n example of a 3 tier BAN systemArchitecture ofintra-BAN communicationInter-BAN communication architecture: infrastructurebasedmodeInter-BAN communication architecture: ad hocbasedmodePhotograph of PPG Ring Biosensor PrototypeWireless Body Area Network (WBAN)Cooperative Network Coding Model for WBAN

21、s (R=3)(a) network viewpoint, and (b) source viewpointThe overview of a remote medical system with WBANApplications: Patient Monitoring Monitoring of patient vitalsECG, EEG, PulseOx, blood sugar, temperature etc. Different environmentsHome, Hospital, Ambulance etc. Wearable sensorsPatient mobility,

22、comfort, infection controlMonitoring flexibility and scalabilityApplications: Patient MonitoringOther Applications Wireless Capsule endoscopy Patient takes a pill with digital camera Wireless transmission of endoscopydata to a gateway device Health and Fitness Heart rate monitor, Weighing scale, The

23、rmometer, Cardiovascular fitness and activity monitor, Strength fitness equipment Independent Living for Aged Disease management devices, Medication monitorOther Applications2nd TinyOS Technology Exchange108Ubiquitous Health Monitoring3-tier Hierarchical Organization3-tier Hierarchical Organization2

24、nd TinyOS Technology Exchange111ActiS: Activity SensorADXL202AccelerometerADXL202AccelerometerECG SignalConditioningTI MSP430F1232CC2420(ZigBee)FlashUSB InterfaceTI MSP430F149TelosISPMECG electrodesActiS asMotion SensorThree-tier KNOWME architectureWBAN ArchitectureBAN Configurationcover FEATUREcove

25、r FEATUREWearable Physiological Signal DevicesUbiquitous Healthcare System InfrastructureUbiquitous Healthcare ApplicationBody Area Networks (BAN)A BAN on an AthleteDataflow in computer assisted physical rehabilitation systemA medical sensor network application一种典型的人体局域网Stroke patient rehabilitation

26、 monitoring systemBetween wearable WBAN and implanted WBANQuatech Airborne (TM) and AirborneDirectWireless vital signs monitoring system UVa/AID-N wireless blood pressure cuffUVa/AID-N eTag wireless triage tags with pulse oximetersN M di l BAN dM di Non-Medical and Medical BANIEEE 802.15.6 STANDARD

27、该IEEE 802.15.6标准定义了一种传输速率最高可达10Mbps、最长距离约3公尺的连接技术。不同于其他短距离、低功耗无线技术，新标准特别考量在人体上或人体内的应用 预期可广泛应用在人体穿戴式传感器、植入装置，以及健身医疗设备中；高频宽的版本可支持视网膜植入装置的数据传输，低频宽的版本则可运用于追踪义肢上的压力数据或是连接测量心律等数据的传感器。Body Sensor Network（WBAN）q WBAN是以人体为中心，使用生物传感器等和人体相关的网络元是以人体为中心，使用生物传感器等和人体相关的网络元素作为网络节点的通信网络素作为网络节点的通信网络q 主要用于人体健康监控、可穿戴的媒

28、体播放、远程控制等主要用于人体健康监控、可穿戴的媒体播放、远程控制等 q 特点特点 网络节点的功耗、存储与计算能力均有严格的限制 超短距离通信的小规模网络 简单的网络拓扑 (通常为树状拓扑)securitybiomedicalsensorsBASNLAN/WAN医疗腕表系统部分设备医疗腕表系统部分设备系统功能：实现对医院、社区中到个人的无线传感实时监控系统功能：实现对医院、社区中到个人的无线传感实时监控Interconnections between different networksArchitecture of a wireless medical communication netwo

29、rkAntenna positionElectrostatic coupling techniqueSystem architectureArchitecture of BSN（WBAN）q WBAN是以人体为中心，使用生物传感器等和人体相关的网络元是以人体为中心，使用生物传感器等和人体相关的网络元素作为网络节点的通信网络素作为网络节点的通信网络q 主要用于人体健康监控、可穿戴的媒体播放、远程控制等主要用于人体健康监控、可穿戴的媒体播放、远程控制等 q 特点特点 网络节点的功耗、存储与计算能力均有严格的限制 超短距离通信的小规模网络 简单的网络拓扑 (通常为树状拓扑)securitybiomedicalsensorsBASNLAN/WAN1. 基于蓝牙技术的电话网接入设备及其终端基于蓝牙技术的电话网接入设备及其终端u 接入设备（网关）接入设备（网关）使蓝牙语音终端以无使蓝牙语音终端以无绳电话方式访问市话绳电话方式访问市话网网u 终端设备间可实现终端设备间可实现免费互通免费互通u 语音终端可在多网语音终端可在多网间无缝切换间无缝切换u 将市话网、移动网、将市话网、移动网、内部网融于一体内部网融于一体u 将是替代将是替代“小灵通小灵通”的新技术的新技术2. 部队车辆无线管控系统部队车辆无线管控系统系统功能：网上派车，出入验证，运行监控，军车识别，