修改的兩種人體通信電耦合模型的探討與比較

1、兩種人體通信電耦合模型的探討與比較PUN Siohang, GAO Yueming, WONG Kuokkitl, MAK Pengun（長(zhǎng)沙理工大學(xué)計(jì)算機(jī)與通信工程學(xué)院，湖南長(zhǎng)沙410000）摘要：人體通信(IBC)是一種新興的，短距離和人體基礎(chǔ)的通訊方法。這是一 個(gè)對(duì)人體網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備的技術(shù)，利用人體組織的導(dǎo)電性能，對(duì)于目前迅速發(fā)展 的人體區(qū)域網(wǎng)絡(luò)(BAN)/身體傳感器網(wǎng)絡(luò)(BSN)合適。人體通信被認(rèn)為在功 耗，電磁輻射，干擾有優(yōu)點(diǎn)，這些是來(lái)自外部的電磁噪聲，安全性和頻譜資源的 限制。在這篇文章中，作者提出了兩種模型，這是分析和實(shí)證方法，用于比較在 人類肢體上通信的性能準(zhǔn)確性。通過(guò)在五個(gè)志

2、愿者體內(nèi)實(shí)驗(yàn)中，兩個(gè)模型基本上 與實(shí)驗(yàn)結(jié)果匹配，等效電路模型比電磁模型的最大誤差項(xiàng)優(yōu)越。關(guān)鍵詞：人體通信，分析模型，實(shí)證電路模型Investigation and Comparison of Two Models inGalvanic Coupling Intra-body Communications(Li Yanni ,PUN Siohang, GAO Yueming, WONG Kuokkit, MAK Pengun, VAIMangi, DU min)(Department of CSUST,Changsha 410000)Abstract: Intra-body communicat

3、ion (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

4、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

5、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 circui

6、t modelI引言:人體通信（IBC）的是一個(gè)新的，新興的，短距離和人體基礎(chǔ)的通訊方法。 這是一個(gè)對(duì)人體網(wǎng)絡(luò)中各種設(shè)備的技術(shù)，利用人體組織的導(dǎo)電性能。一個(gè)典型的 人體通信是通過(guò)耦合到人體很小的數(shù)目電流實(shí)現(xiàn)的，低于人體安全閾值。然后， 接收機(jī)鑒別出人體另一個(gè)位置的電信號(hào)。如今，在快速發(fā)展的特定人體區(qū)域網(wǎng)絡(luò) （BAN）和身體傳感器網(wǎng)絡(luò)（BSN）,人體通信被認(rèn)為是自己在低功耗上有優(yōu)勢(shì)， 減少電磁輻射，減少?gòu)耐獠侩姶旁肼暩蓴_，提高安全性，提高頻譜效率。自從人體通信在1995年出現(xiàn)以來(lái)，已經(jīng)制定了兩個(gè)實(shí)施方法：電容耦合技 術(shù)是兩個(gè)電極與普通耦合和電偶與四個(gè)電極耦合技術(shù)的方法。有很多關(guān)于人體通信的應(yīng)用，

7、例如，交換名片的原型，心電圖監(jiān)測(cè)，虛擬輸 入系統(tǒng)和植入裝置溝通。對(duì)于理論研究，人體通信模型方向是多種多樣的。最近，K. Hachisuka etal. 進(jìn)行比較電偶耦合技術(shù)和電容耦合技術(shù)之間的性能實(shí)驗(yàn)。在2009年，Ryoyu徐 等人。報(bào)告了人體通信通道測(cè)量實(shí)驗(yàn)裝置。他們發(fā)現(xiàn)，電容耦合技術(shù)的特點(diǎn)顯示 了中心頻率大約在42MHz周圍的帶通輪廓。等效電路的發(fā)展是另一種流行的人體通信模型。在人體通信的整個(gè)研究，提 出了許多人體通信的等效電路。最新開發(fā)的是N. Cho等.。通過(guò)使用三個(gè)圓柱體 代替人體，對(duì)身體的通道電路模型形成滿意的結(jié)果與實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的比較中獲得。數(shù)值模擬也是人體通信分析的一個(gè)強(qiáng)有力工具，

8、有代表性的是K. Fujii等的 工作報(bào)告。他們模擬了人體通信對(duì)全身使用時(shí)域有限差分法（FDTD ）的人體模 型。有趣的是，他們的結(jié)論是一個(gè)簡(jiǎn)單的計(jì)算模型，均勻的電容耦合人體通信就 足夠了。值得一提的是T. Sasmori等。在2009年報(bào)告了高頻率的電容耦合人體 通信的建模分析方法。在這篇文章中，提出了電磁理論和等效電路模型為基礎(chǔ)的模型。與其他方法 相比，分析模型表現(xiàn)出了在人體各種參數(shù)的靈活性。所開發(fā)的模型還考慮了在一 定程度上對(duì)人體不均勻的財(cái)產(chǎn)。在第2節(jié)，描述了電磁模型的細(xì)節(jié)。第3節(jié)描述 的等效電路模型。第4節(jié)描述了比較兩種模型性能的試驗(yàn)，可以發(fā)現(xiàn)在第5節(jié)， 描述了實(shí)驗(yàn)討論的結(jié)果和結(jié)論。I

9、I電磁模型人體通信第一次把人類肢體近似為圓柱體，形成了肢體模型的基礎(chǔ)。這項(xiàng)安 排使一個(gè)人的肢體復(fù)雜的結(jié)構(gòu)可以用數(shù)學(xué)來(lái)描述。用一系列同心層來(lái)表達(dá)人類肢 體組成，如圖所示。其中h描繪了肢體的長(zhǎng)度中，R1 . Rn的代表各組織半徑和 ol.on代表組織的電導(dǎo)率，從內(nèi)到外分別開始。0Transmitter假設(shè)準(zhǔn)靜態(tài)近似和限制工作頻率小于1MHz，電場(chǎng)和磁場(chǎng)會(huì)減弱。人類的組 織指揮下，體積理論被認(rèn)為是作為媒體的。因此，肢體模型可以被視為源自由， 多層，圓柱形的媒介和控制方程可以簡(jiǎn)化為式。V-DsVV = 0 s = 1DN 其中V描述的是肢模型的電壓，強(qiáng)度as描繪導(dǎo)電組織，而N表示層的總數(shù)。 再加上邊界

10、條件（Eq.2, Eq.3和Eq.4）,形成了人體通信的肢體數(shù)學(xué)模型。在此模型中，Eq.4代表在肢體電極表面發(fā)射信號(hào)耦合和電流密度。Jn被定義為 普通電極形狀，可以通過(guò)引入模型中Eq.4、Eq.5和Eq.6中相鄰組織之間的接口 連續(xù)性定義的屬性。（翻譯引言和電子模型1,2,3段）參考文獻(xiàn):Zimmerman T G, Smith J R, Paradiso J A, Allport D, and GershenfeldN. Applying electric field sensing to Human-ComputerInterfacesC Proceedings of CHI95 Mosa

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