人体通信的研究进展综述
引言
随着世界人口的持续增长及人均寿命的显着提高，人口老龄化逐渐成为每一个国家都需要面对的问题。由美国人口咨询局（ Population ReferenceBureau） 公布的 2014 年世界人口数据显示[1],我国65 岁以上的老年人口比例已达到 10% ,而在发达国家这一数字平均为 17%,并仍处在逐年增加的状态中。可以预见在未来十几年内，人们对于医疗资源的需求会大幅提高，实时、持续地监测并诊断健康状况将成为未来医疗发展的重要任务，也是缓解日后医疗压力的主要手段之一。
无线 体 域 网 （ wireless body area networks,WBAN） 的应用成为了实现这一目标的可靠方式[2].
无线体域网是指建立在个人所携带电子设备之间的信息网络，在网络分级中比局域网更低一级。在医疗健康应用中，利用该网络结合传感器技术，可以及时、准确地反应出个人健康状况，在慢性疾病监护、突发疾病报警方面有广阔的应用前景。其主要原理是通过分布于人体表面或植入人体内部的传感器收集到的各种生理参数（ 如血压、血糖、心电等） ,经由无线体域网汇总在同一人体基站完成分析，给出当前的健康状况或诊疗建议，并可将数据传送至医疗服务机构备份[3],如图 1 所示。无线体域网的通信范围一般在 2 m 以内，如何在这一区域内进行安全、稳定、高效的信号传输是其技术研究的核心内容。
为了促进无线体域网的发展，尽快建立全球性的医疗保障体系，无线体域网标准 IEEE802. 15. 6于 2012 年正式确立[4].标准中规定了三类用以进行无线体域网通信的信号频段： 窄带（ narrowband,NB） 、超宽带 （ ultra wideband,UWB） 以及人体通信（ human body communication,HBC） 频段。其中，窄带和超宽带均属于射频通信的方式，而人体通信则是将人的身体视为导体，利用人体作为信道完成信号的传导，是一种非射频的通信方式。与射频通信方式相比，人体通信避免了人体对信号遮挡时产生的阴影效应，且将通信限制于人体表面十分有限的空间区域内，将不同网络之间干扰的可能性降至最低[5].由于在通信过程中不需要天线，人体通信设备的体积也相对较小，方便进行小型化、集成化设计，同时其低功耗的特点也使之十分适合在医疗无线体域网中应用[6].
人体通信作为一项新兴的通信技术，近年来受到了越来越多的学者及研究机构的重视，各种科技成果与研发论文不断涌现，本文选取其中较为重要的部分对这一领域当前的发展情况进行阐述。文章接下来的部分将首先结合人体通信技术的产生解释其基本原理，进而介绍人体通信发展过程中的重要成果及最新的研究进展，随后通过人体通信技术与其他无线通信技术的对比总结其优缺点，最后展望这一领域未来的发展方向。
1 人体通信的基本原理
人体通信是指利用人体作为信息通道传输信号的通信方式，其可行性是建立在人体组织的导电能力基础之上，与组织的电学特性息息相关。有关生物组织导电能力的研究表明随着信号频率的上升，大部分活组织或器官的介电常数大幅下降，同时电导率显着提高[7],意味着人体通信应在较高的频率上进行，以减小通信过程中信号的衰减。然而，频率提高时，信号的波长会相应变短，当波长接近人的身高时，人体会作为射频天线向周围发射电磁波，造成通信信号的耗散[8],甚至导致通过空气耦合的信号逐渐超过通过人体耦合的信号[9],过高频率的信号也不适宜用来进行人体通信。因此，在大多数关于人体通信的研究中，信号频率往往选取在 10 kHz ~100 MHz 这一范围内。
依照耦合方式的不同，人体通信又可分为电容耦合（ 也称电场耦合） 人体通信和电流耦合（ 也称波导耦合） 人体通信两种。其中，电容耦合方式是通过发射端或接收端的两个电极分别与人体和地进行电容耦合来确立通信回路，进而实现信号的传导； 电流耦合方式则是由信号发送端的一对电极向人体注入一个微弱的电流信号，再由接收端的一对电极检测经过人体传输后的信号[10].无论是电容耦合方式还是电流耦合方式，在其信号发送端和接收端均需两个电极以建立信号通路，两种方式间最直观的区别则在于其电极是否与人体接触： 电容耦合方式中，发送端和接收端只需各有一个电极接触人体，甚至可以都不接触； 而电流耦合方式中的所有电极均应附着于人体上，如图 2 所示。
电容耦合式人体通信最初由美国麻省理工学院的 Zimmerman 于 1995 年提出[11],说明了该方式中信号收发端的不同电极分别与人体和地进行电容耦合形成回路的基本原理，计算了电极与人体和地面耦合电容的大小约分别为 10 pF 和 10 fF,并将人体视作通信节点建立了等效电路模型，如图 3（ a）所示。之后，其测试了在开关键控（ on-off keying,OOK） 及 直 接 序 列 扩 频 （ direct sequence spreadspectrum,DSSS） 两种调制方法下人体通信的效果，得出了前者较佳的结论。最终，Zimmerman 制作了载波 330 kHz 的电容耦合人体通信设备，传输速率2. 4 kb / s,通信功耗 1. 5 mW.
在电容耦合式人体通信提出两年后，1997 年，日本早稻田大学的 Handa 等通过电流耦合方式完成了人体通信[12].他们在人的胸部放置了 4 个电极，3 个用以收集心电信号，两个将调制放大后的信号电流注入人体（ 其中地电极是两者共用的） ,之后在手腕处用 3 个电极检测电流的变化实现通信。在考虑了人体组织之间的电阻电容后，文章提出了一个简单电路模型描述信号在人体中的传导过程，如图 3（ b） 所示。Handa 实现的人体通信使用了采样频率为 900 Hz 的脉宽调制（ pulse width modulation,PWM） ,通信中载波频率 70 kHz,成功传输了人体心电的模拟信号。
无论是 Zimmerman 还是 Handa,在其文章中均未提及其人体通信系统具体的耦合方式，电容耦合和电流（ 波导） 耦合这一分类是后人在研究中总结了不同的人体通信方式后提出的[13].从现在的观点来看，两种方式最初的理论模型均有其不足之处： Zimmerman 的模型中将人体视为通信节点，忽略了人体内部阻抗对于通信的影响； Handa 的模型则未计算同侧电极之间的阻抗。
2 人体通信的研究进展
得益于集成电子电路技术的进步和计算机仿真能力的发展，人体通信研究自产生以来发生了质的飞跃。目前已经可以制作出的人体通信的芯片电路，电路面积不足 1 mm2,通信功耗仅为几十μW[14]; 有限元模型（ finite-element models,FEM） 、时域有限差分法（ finite-difference time-domain,FDTD）的应用更是极大地丰富了人体通信的研究手段。
近些年来有关人体通信的研究呈现出越来越多的趋势，对于电容耦合和电流耦合式人体通信的研究也有着不同的重点。
2. 1 电容耦合式人体通信
自 Zimmerman 提出电容耦合式人体通信后，美国麻省理工学院的 Post 等于 1997 年对其系统进行了改进，设计了基于频移键控调制的半双工数字通信系统，将通信速率提高到 9. 6 kb/s,并指出了该方式在能量传递方面的潜力[15].2001 年，华盛顿大学的 Partridge 等为人体通信系统添加了滤波器和放大器，对误码率、信号强度等参数在不同通信距离的情况下进行了定量测量，设计了通信速率可达38. 4 kb / s 的人体通信系统，并得出当系统整体靠近地面时信号强度会显着提高的结论[16].
然而，信号衰减大、通信距离短的问题一直以来都是电容耦合人体通信中所难以避免的。直至2003 年，日本 NTT 公司 Shinagawa 等将光电调制技术应用到人体通信中，大大提高了接收端的输入阻抗，将传输速率提高到 10 Mb/s,从而使得电容耦合人体通信方式发展到了一个新的高度[17].2007年，韩国科学技术院 Cho 等建立了整个人体的分布式 RC 模型（ 见图 4） ,并对通信频率在 100 kHz 至150 MHz、通信距离在 10 ~ 120 cm 之间的信号衰减进行了模拟计算和实际测量，所得结果基本吻合[18].同年，日本南山大学的 Fujii 等用时域有限差分法计算了人体通信中电场分布，研究表明信号发送端的地电极的存在可增强传输信号，而接收端的地电极则对信号有抑制作用[19].而我国香港科技大学的 Xu 等则在 2011 年首次建立了电容耦合人体通信的有限元模型，为进一步分析人体通信的传导特性以及外环境对于耦合回路的影响提供了可靠手段[20].
2012 年，无线体域网标准 IEEE802. 15. 6 正式公布[4],随后在国内外陆续出现了许多这一领域优秀的研究论文。其中，北京理工大学的 Song 等于2012 年提出了一种基于 Mach-Zehnder 光电调制的人体通信方法，证明了该方法要比传统光电耦合方法具有更好的温度特性[21],并于 2014 年再次验证了这一结论[22].韩国科学技术院的 Cho 则在 2013年公布了其最新的超低功耗人体通信设备，设备中使用了注入锁定环形振荡器（ injection-locking ringoscillator,ILRO ） 并 实 现 了 自 动 频 率 校 准 （ autofrequency calibration,AFC） ,最终完成了传输速率200 kb / s、通信功耗 37. 5 μW 的人体通信[14].2014年，新加坡 A* STAR 的 Kulkarni 等用多级信号的方式搭建了人体通信系统，以 65 nm 的 CMOS 工艺制作了通信芯片，将人体通信的传输速率推至 160Mb / s,而 其 核 心 芯 片 的 输 出 功 率 也 仅 为0. 84 mW[23].
2. 2 电流耦合式人体通信
由于在电流耦合式人体通信中使用的载波频率一般较低[10],通信速率往往不及电容耦合方式，其研究更偏重于基础方面。2003 年，继 Handa 之后，日本东京大学的 Hachisuka 等设计并制作了载波频率为 10. 7 MHz 的电流耦合通信系统，通过调频方式成功完成了在同一人两手臂之间的模拟信号传输，获得了良好的信噪比[13].随后，他们改进了人体通信的简单电路模型，给出了四电极和两电极两种等效电路模式，并分析得出两电极模式下信号衰减更小的结论[24].2005 年，瑞士苏黎世理工学院的 Wegmueller 等测试了基于频移键控和二进制相移键控两种不同调制方法下的电流耦合人体通信，通信速率分别达到了 128 和 255 kb/s[25].
2007 年他们建立了电流耦合人体通信的人体组织分层有限元模型，计算了不同的电极大小、间距和通信距离对信号衰减的影响，并分析了不同的人体组织成分在通信过程中的不同特点[26].而在 2010年 Wegmueller 又对 Hachisuka 等的四电极电路模型进行了改进，增加了电极与人体间的接触阻抗参数，得到了一个较为符合实际情况的电流耦合通信电路模型，如图 5 所示[27].北京理工大学的 Song等也于 2011 年进行了电路模型分析，计算了通信系统的传递函数，并对整个人体建立了有限元模型，得出了通信频率和信号衰减之间的关系[28].
在这些工作的基础上，2014 年，西班牙塞文利亚大学的 Callejon 等人通过建立三文有限元模型，分析了电流耦合型人体通信中不同组织的电场分布和电流密度，模拟了不同通信频率、电极分布等因素对于通信的影响[29].同年，澳大利亚文多利亚大学的 Kibret 等人对频率在 200 kHz 至 10 MHz 的电流耦合人体通信建立了等效电路模型，并提出了一种基于手臂阻抗测量确定电极与皮肤间阻抗的新方法[30].
2. 3 总结比较
通过以上对于电容耦合和电流耦合人体通信相关研究的分类不难看出，电容耦合方式的研究方向主要是通信设备的设计制作，以获得体积更小、功耗更低的通信系统； 而电流耦合方式的研究更多是对通信中人体作为信道所具有的特性进行分析，很少涉及具体设备的研制。这样的结果一方面是由于电流耦合方式的载波频率低，通信速率不及电容耦合方式，因而应用范围较窄； 同时也因为电流耦合方式中信号的衰减相对较大。在一篇对两种方式进行综合比较分析的文章中，作者对不同频率、不同通信距离下电流耦合和电容耦合中的通信衰减进行了测量[10].测量中为了避免地回路的干扰，在信号发生器和示波器的输出输入端都连接了平衡 - 不平衡变换器（ Balun） .测量结果显示电流耦合方式的信号衰减受通信距离的影响十分大，有效通信距离在 25 cm 以内，15 cm 距离下的最小通信衰减要高于电容方式的最小衰减 20 dB 以上，电容耦合方式的通信距离则可覆盖全部人体。然而，该研究中对于电流耦合的测试频率取值在 10 kHz~ 20 MHz 之间，对于电容耦合的测试频率则为 1 ~100 MHz,在此频率之外是否会有其他的情况并没有说明。
然而，这也并不意味着电容耦合人体通信方式要全面优于电流耦合方式。由于需要通过外界环境进行地回路的耦合，电容耦合方式受周围环境变化以及附近相同的人体通信网络干扰很大，不如电流耦合方式在通信时表现稳定。研究表明，不同环境对于电容耦合通信信号衰减的影响可达 5 dB 以上； 而在相距 80 cm 的情况下，通信中接收到邻近网络干扰信号的大小仅比正常信号小 8 dB[31].相比之下电流耦合方式则不会受到这些问题的影响，因而适用于对通信稳定性要求较高的一些场合。两种耦合方式的对比在表 1 中给出。
3 人体通信的优势与不足
人体通信作为一种非射频的通信方式，与传统的射频通信在各方面都有所区别。我国福州大学的 Gao 等于 2012 年通过模型分析了电流耦合型人体通信的信号衰减与通信距离的关系，证明其要优于相同距离下的射频通信方式[32].同期，又有学者总结了在 IEEE802. 15. 6 标准中规定的 3 种无线体域网通信方式的相关研究，对比了各个研究中系统的通信速率和能量消耗，如图 6 所示[33].从图中不难看出，人体通信方式从通信速率和能量消耗两方面要全面优于窄带通信； 与超宽带通信相比，人体通信的能量利用率（ 由发送每比特数据所需能量决定） 略高于超宽带通信，但超宽带通信能达到的通信速率远远超过人体通信。不过仍需指出，射频方式通信中会由于人身体对信号的遮挡而使衰减增大，受通信设备在人体不同位置的影响很大，不如人体通信的表现稳定[34].
IEEE802. 15. 6 标准中关于 3 种通信方式则有着更为细致的说明和解释，对物理层及媒体访问控制层都有详细的要求[4].其中，用于无线体域网窄带通信频带为（ 402 ~ 2483. 5） MHz 中的 7 段，满足植入式设备、可穿戴设备及医疗通信需求； 超宽带通信频带则在（ 3 ~5） GHz 及（ 6 ~10） GHz 间给出了11 个中心频率，每个带宽为 499. 2 MHz; 人体通信的中心频率在标准中被规定为21 MHz,带宽为5. 25MHz.通信速率方面，窄带通信为 100 ~ 1 000 kb / s,超宽带通信为 395 kb/s ~12. 636 Mb/s,人体通信为（ 164 ~1312. 5） kb/s.3 种通信方式的其他区别在表 2 中给出。
此外，基于人体通信技术的相关产品也曾被开发出来，但并未大范围占领市场。2000 年，日本Sony 公司设计了一种可穿戴数字钥匙，使计算机可以通过接触识别用户[35].他们将设备外观做成手表的样子，佩戴于手腕处，内部储存用户的身份信息，当使用者用手接触位于计算机的识别端时，计算机便可通过人体通信方式获取用户信息。然而，由于该设备需要供电，使用起来并不方便，便携性不如基于射频识别的 ID 卡，安全性又比不过指纹识别技术，产品定位较为尴尬。而曾提出人体通信中重要的光电耦合技术的 NTT 公司也于 2005 年开发出了被称为 RedTacton 的人体通信设备，同样主要应用于安全识别领域[36].这一设备采用了电容耦合的方式，不需直接接触人体便可进行信号传输，可携带于口袋之内，工作时也无需取出，从一定程度上解决了便携性的问题，但设备需要电池驱动这一点依然是制约其应用的主要因素。
4 人体通信的未来发展
人体通信自产生至今经历了 20 年左右的发展，其信号质量、通信距离、能量利用率等都产生了飞跃性的提高，在医学、安全、娱乐、军事等领域有着很大的应用前景[37],中国科学院深圳先进技术研究院研制的人体通信信道测试系统[38]及应用在人体传感器网络的低功耗 VCO[39]均对人体通信的进一步发展有着很大的帮助。目前对于人体通信的研究，除了继续致力于减小设备体积、降低传输功耗、探索信道特性外，也陆续出现了一些较为新颖的方向。其中，植入式设备的人体通信、人体通信无线供能以及磁场耦合式人体通信将是未来在这一领域内最有创新性的课题。
4. 1 植入式设备的人体通信
在搭建无线体域网的过程中，不仅要建立穿戴设备与人体基站之间的通信，植入式设备与人体基站之间的通信也是非常重要的。由于人体通信设备的体积小、功耗低，十分适合在对体积及能量都有很大限制的植入式设备中使用，进行植入式设备的人体通信研究很有必要。然而，由于要将设备植入人体内部进行探究，这一方面的实验较难进行，以至于该领域在很长一段时间内都处于空白。目前，对植入式设备的人体通信方法研究主要是在模拟体内环境的电解质溶液中进行的。瑞士苏黎世理工学院的 Wegmueller 及北京理工大学的 Zhang 等通过这一方法分别验证了电流耦合和电容耦合人体通信方式在体内至体内通信中的有效性[40 -41].
日本东京理科大学的 Shiba 等则对体内外人体通信进行了探究，证实了电容耦合人体通信可将信号由体内传至体外[42].另有研究将人体通信应用至脑成像中，设计了将脑内图像传输至体外的芯片系统[43 -44].而美国麻省理工学院的 Anderson 等则在实验分析后提出了体内外人体通信的阻抗网络模型，如图 7 所示[45].有学者相信电流耦合人体通信方式更适用于植入设备，但相比于体外通信，植入式设备的人体通信研究依然有很大的不足[46].目前对于跨皮肤通信时的信道特性缺乏探索，关于将信号从体外传至体内的研究也鲜有涉足，这一领域的进一步完善将使利用人体通信方式搭建完整的无线体域网成为可能。
4. 2 人体通信无线供能
人体通信作为一种传递信息的方式，同时也是一种传递能量的方式，当通信衰减足够小，能量传递效率足够高时，利用人体通信方式为设备无线供能也将成为可能。特别是对于植入式设备来讲，无线供能的实现将会避免因设备需要更换电池而为病人带来的痛苦，而基于人体通信进行无线供能这一新方式的提出，则有希望克服在传统的电感耦合或射频无线供能方式中身体组织对电磁波吸收率较高的问题。重庆大学的 Tang、美国匹兹堡大学的Hackworth 等人先后分析了在植入设备中利用电流耦合进行能量传输的可行性，并设计了可进行经皮无线充电的原型电路[47 -48].KN 图什理工大学的Sodagar 等则制作了电容耦合方式下的无线供能系统，成功驱动了测试电路进行了信号的编码与传输[49].而一项有关生物安全性的研究则表明，使用电容耦合方式进行无线供能会比传统的电感方式带来更小的热效应，同时在长距离供能方面有更好的表现[50].然而，供能距离短，能量传递效率低是所有无线供能技术所面临的共同问题，人体通信的发展虽然为这一领域带来了新的选择，却同样需要在未来进行大量的科研投入。http://www.751com.cn
4. 3 磁场耦合式人体通信
如上文所述，传统的人体通信方式分为电容耦合方式和电流耦合方式两种，目前的大部分研究也都围绕着这两种方式进行。然而，日本 NTT 公司的Ogasawara 等却于 2014 年跳出这一框架，提出了一种全新的人体通信方式： 磁场耦合式人体通信[51].
该方式的基本原理是将人体作为接收线圈的一部分而与发射端的线圈形成信号通路，通过磁场耦合的方式传输信号，如图 8 所示。这一方式的提出主要是针对在电容耦合式人体通信中通信信号质量受外界环境影响较大的问题。在其研究中，磁场耦合方式表现出了很强的抗干扰性，实验场所中模拟的环境变化以及手持的金属物体基本没有对通信产生影响。而与射频方式相比，该方法可以通过手部是否与电极接触决定是否形成接收线圈，从而对通信进行控制。可以预见，这一新型的人体通信方式的应用价值将会主要集中于安全识别产品，也是NTT 公司一直致力于将人体通信加以应用的领域。
虽然尚无法确定这一技术是否会在未来取得重大进展，不过，作为一种被新提出的人体通信方式，磁场耦合式人体通信定会在未来一段时间内吸引许多研究人员的目光。
5 结语
自无线体域网标准 IEEE802. 15. 6 提出以来，人体通信作为搭建无线体域网的重要技术之一，正被越来越多的学者及科研机构加以重视。本文从人体通信技术的产生开始，较为全面地介绍了其基本原理、发展历程、研究现状，通过不同技术间的对比总结了电容耦合及电流耦合人体通信方式的优势和不足，并指出了未来人体通信发展的 3 个重要方向： 植入式设备的人体通信、人体通信无线供能及磁场耦合式人体通信。相信随着通信技术发展和医疗信息化的需求增加，人体通信会在将来有更大的舞台发挥其作用。