人體通信技術(shù)的應(yīng)用分析

趙雪茹 陶文晶

【摘要】新一代信息通信技術(shù)日漸興起，但是仍存在一些發(fā)展空間。人體通信技術(shù)是有顛覆性意義的通信技術(shù)，被普遍認(rèn)為是未來構(gòu)建人體無線傳感網(wǎng)絡(luò)理想的通信方式。本文基于國內(nèi)外人體通信的研究成果，重點(diǎn)分析了人體通信需求和基本原理，探索了人體通信在醫(yī)療衛(wèi)生、信息采集、信息識別等行業(yè)實(shí)際生產(chǎn)生活中的應(yīng)用，最后指出廣泛地使用人體通信可以達(dá)到多維度地利用資源的目的，同時人體通信技術(shù)是未來通信行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向，對我國通信行業(yè)發(fā)展具有舉足輕重的價(jià)值。

【關(guān)鍵詞】人體通信技術(shù);信息采集;信息識別

人體通信技術(shù)以利用人體作為信息通道傳輸信號的通信方式，由于人體器官組織具有導(dǎo)電功能，因此可以完成這一通信過程。人體通信可以完成無線人體域網(wǎng)的相互安全連接，對實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的雙向交換有著很大意義。這種通信方式對人體的傷害性較低，可大規(guī)模地在人體中應(yīng)用。由于每個人的生物密碼都是獨(dú)一無二的，使得人體通信在身份認(rèn)證和信息傳輸?shù)倪^程更加安全可靠。人體通信作為新興的通信技術(shù)，在這個領(lǐng)域近些年來蓬勃發(fā)展，出現(xiàn)大量的研究成果。本文將首先介紹人體通信技術(shù)的研究背景和國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，然后介紹人體通信過程中的基本原理，分析電容耦合式和電流耦合式的優(yōu)缺點(diǎn)，并展望這一領(lǐng)城未來的發(fā)展方向。

1. 人體通信技術(shù)的概述

1.1 人體通信技術(shù)的研究背景

隨著科技的發(fā)展，人們迫切需要一種方式來進(jìn)行體內(nèi)的通信，以此來了解自身的健康狀況或者用于生物信息的識別。因此人體通信技術(shù)的應(yīng)用將成為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的重要方式。人體通信是指建立在個人所攜帶電子設(shè)備之間的信息網(wǎng)絡(luò)，利用體內(nèi)或可穿戴設(shè)備的傳感器進(jìn)行信息交互，并通過無線通信的方式將我們所需要的人體信息所提取出來，發(fā)送到基站，用于數(shù)據(jù)的保存或者生物信息的識別，上述過程如圖1所示：

為了實(shí)現(xiàn)無線體網(wǎng)的快速發(fā)展，無線體域標(biāo)準(zhǔn)網(wǎng)IEEE802.15.6在2012年確立。標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了用于進(jìn)行人體通信的信號頻段：人體通信（human body communication、HBC）頻段。人體通信是將人的身體視為導(dǎo)體，屬于一種非射頻無線電通信方式。與傳統(tǒng)的射頻通信方式進(jìn)行比較，人體通信不會在信號傳播過程中產(chǎn)生對信號的陰影效應(yīng)，并且將通信過程限制于人體表面非常有限的空間區(qū)域之中。由于在通信過程中無需天線的參與，人體通信設(shè)備的大小也可以近似忽略，因此人體通信的設(shè)備也是進(jìn)行集成化設(shè)計(jì)。上述的變更和設(shè)備的優(yōu)點(diǎn)都大大促進(jìn)了人體通信的蓬勃發(fā)展，人體通信技術(shù)也是日新月異。

1.2 人體通信技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

國外的人體通信起步較早，取得的成就較為突出。2012年，Baskourelos K采取了MOM-FDTD的研究方法來對900MHz手機(jī)基站天線與人之間耦合效應(yīng)進(jìn)行探究。2019年，貝勒大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將人體模型應(yīng)用于人體域網(wǎng)，并對其進(jìn)行了建模，Alberto Fazzi教授課題組設(shè)計(jì)了一種適用于人體通信的收發(fā)芯片。

國內(nèi)相較于國外人體通信起步較晚，大部分研究還處于理論階段。2012年，中國科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院的人體通信課題組在人體通信技術(shù)領(lǐng)域的研究取得了很大進(jìn)展，團(tuán)隊(duì)在人體通信傳輸機(jī)理研究、基于人體通信理論的身份識別研究等方向上均取得了重要研究成果。因此我們更加需要關(guān)注人體通信技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用，才能更加快速地發(fā)展人體通信。

2. 人體通信技術(shù)的基本原理

在人體通信技術(shù)中，目前有電流耦合和電容耦合兩種信號進(jìn)入人體的方式。兩種耦合方式各有優(yōu)點(diǎn)和不足，在不同的通信網(wǎng)絡(luò)和人體活動方式的研究也有不同的側(cè)重點(diǎn)。

2.1 電容式耦合人體通信

電容式耦合人體通信在1995年被齊默爾曼教授提出，由發(fā)送端、人體、接收端聯(lián)合構(gòu)成一個系統(tǒng)。發(fā)送端需要將編碼器和耦合器集成，相應(yīng)地，接收端將需要將檢測器和解碼器集成。發(fā)送/接收器的表面覆蓋著用于檢測信號的涂層，涂層參與構(gòu)成對地的回路，因此必不可少。電容式耦合人體通信的系統(tǒng)如圖2所示：

2.2 電流式耦合人體通信

電流式耦合人體通信于1997年由Handa教授提出，與電容耦合人體通信不同的是，發(fā)送端和接收端的電極與人體直接接觸，不需要與地面進(jìn)行對地耦合，拓寬了設(shè)備放置條件，并且功耗也比電容耦合式低得多。其系統(tǒng)如圖3所示：2.3 總結(jié)比較

電流耦合與電容耦合比較起來，電流耦合的穩(wěn)定性與抗電磁干擾的能力更優(yōu)良。但在電流耦合方式中，對穿戴設(shè)備的使用方式具有一定限制，通信設(shè)備元件必須與人體直接接觸。在電容耦合的模式下，通過發(fā)射端電極板的振蕩產(chǎn)生電勢差，這個電勢差會使人體近端產(chǎn)生電場的變化，接收端通過檢測到這個電場的變化來完成人體通信過程。人體作為信息傳輸?shù)慕橘|(zhì)，在人體完全被這個電極板振蕩所產(chǎn)生的電場包圍時，通信設(shè)備就可以在不與人體直接接觸的情況下傳輸信息。

3. 人體通信技術(shù)的前景展望

新一代信息通信技術(shù)在當(dāng)今社會起到了舉足輕重的作用，但在醫(yī)療衛(wèi)生、信息采集、信息識別等方面，人體通信技術(shù)的研究和應(yīng)用仍有很大的發(fā)展空間。人體通信技術(shù)實(shí)現(xiàn)個人信息的準(zhǔn)確收集，5G技術(shù)實(shí)現(xiàn)個人信息高速傳輸、大數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)個人信息的價(jià)值化處理。將人體通信系統(tǒng)技術(shù)與5G通信技術(shù)、大數(shù)據(jù)技術(shù)等統(tǒng)籌利用，我們就會在信息化道路上加速發(fā)展，形成多個新技術(shù)融合發(fā)展的新局面。

3.1 人體通信技術(shù)在醫(yī)療方面的潛在應(yīng)用

近年來，近距離無線通信技術(shù)在醫(yī)療行業(yè)中的應(yīng)用越發(fā)廣泛，例如：ZigBee、紅外無線數(shù)據(jù)通信技術(shù)。但這些無線通信技術(shù)存在局限性較大、輻射較高、安全性低和保密性低等問題，而人體通信恰好彌補(bǔ)了這些無線通信技術(shù)的不足。

當(dāng)醫(yī)務(wù)人員進(jìn)行病情診斷時，大多數(shù)情況是需要進(jìn)行直接接觸的。當(dāng)患者攜帶傳染病時，為了避免醫(yī)務(wù)人員被感染，同時確保醫(yī)務(wù)人員能夠正常工作，我們通常采用以醫(yī)用防護(hù)服和醫(yī)護(hù)面罩等物理保護(hù)的方式間接接觸，這樣的傳統(tǒng)做法不僅妨礙了醫(yī)務(wù)人員的行動，而且仍有一定被感染的風(fēng)險(xiǎn)。若我們采用人體通信技術(shù)，同時結(jié)合超低功率射頻技術(shù)，利用雙向RF鏈路，醫(yī)生能夠遠(yuǎn)程監(jiān)控患者的健康狀態(tài)，并無線調(diào)節(jié)人體設(shè)備的性能。可使醫(yī)務(wù)人員實(shí)時監(jiān)測到患者的身體指標(biāo)的同時，減少醫(yī)護(hù)人員與患者的接觸次數(shù)，增強(qiáng)了醫(yī)務(wù)人員的安全保障。

未來的遠(yuǎn)程醫(yī)療也將廣泛應(yīng)用人體通信技術(shù)。例如，在人體的不同部位放置多個穿戴式設(shè)備（也可采用可植入設(shè)備），采集生理參數(shù)，通過人體通信技術(shù)，把這些生理參數(shù)傳輸?shù)骄哂羞h(yuǎn)程通信功能的信息收集設(shè)備上，再把生理參數(shù)遠(yuǎn)程傳輸，使醫(yī)生可實(shí)時監(jiān)測遠(yuǎn)在家中的患者的生理參數(shù)，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程醫(yī)療和健康監(jiān)護(hù)。

3.2 人體通信技術(shù)在人員信息采集和識別方面的潛在應(yīng)用

人體安裝通信元件之后，通過直接接觸或間接接觸的方式，通信元件與信息收集裝置完成自動連接，就能傳輸個人的信息資料，并且會儲存到信息收集裝置的通信終端。人體作為傳輸媒介，可以滿足通信所需要的穩(wěn)定性和正確率。在當(dāng)今這個信息化的時代，高效率的信息采集對于各個行業(yè)都顯得十分重要。傳統(tǒng)的信息采集使用不同的體外傳感器，如紅外溫度傳感器等，這種傳統(tǒng)模式效率十分低下，如果使用人體通信技術(shù)，每個人將自己的信息上傳到基站，就不必進(jìn)行低效率的信息采集。與此同時，傳統(tǒng)的生物識別技術(shù)也十分低效和低精度，如：我們可以通過指紋手套等工具進(jìn)行破解指紋識別，可以通過照片等帶有肖像的資料進(jìn)行破解人臉識別。高精度的傳統(tǒng)生物識別方法是視網(wǎng)膜識別，每個人的視網(wǎng)膜都是獨(dú)一無二的，但這種識別技術(shù)十分低效且相關(guān)技術(shù)的發(fā)展比較緩慢，而每個人的生物密碼也是獨(dú)一無二的，與視網(wǎng)膜有異曲同工之妙，但所采取的信息收集方式十分簡單易行，因此使用人體通信技術(shù)可以提高生物識別的效率，廣泛地使用人體通信技術(shù)可以使得身份認(rèn)證和信息傳輸?shù)倪^程更加高效和安全可靠。

3.3 人體通信技術(shù)在無人操作領(lǐng)域中的潛在應(yīng)用

無人操作領(lǐng)域近幾年來頗受關(guān)注，人體通信技術(shù)可進(jìn)一步優(yōu)化無人管理系統(tǒng)。但無人操作領(lǐng)域的難題就是身份識別問題和安全問題。上文提到每個人的生物密碼是獨(dú)一無二的，人體通信技術(shù)也就給無人操作帶來新的方向。當(dāng)我們需要在無人零售和無人餐飲等零售行業(yè)進(jìn)行操作時，我們著重需要關(guān)注的就是身份識別的問題，近些年來，盜取他人身份的問題也十分嚴(yán)重，傳統(tǒng)的二維碼支付已經(jīng)不再足夠的安全，而使用人體通信技術(shù)可以使我們和收銀機(jī)器的身份確認(rèn)得到保證，大大提高了支付的安全性。

3.4 人體通信技術(shù)在智能家居中的潛在應(yīng)用

當(dāng)今時代，人口老齡化是每個國家都不得不關(guān)注的一個問題。人們對于醫(yī)療資源的需求大幅提高，由此衍生出許多智能家居，如智能手表可以監(jiān)控人們的心率和脈搏，而血糖、血壓等體內(nèi)數(shù)據(jù)尤為重要，人體通信技術(shù)允許我們通過植入式設(shè)備（體內(nèi)血糖血壓傳感器等）來獲取信息，來幫助我們更加直接快速地判斷人體健康，并將其傳輸?shù)郊抑械幕?，而呼吸機(jī)等設(shè)備可以與基站進(jìn)行通信，調(diào)節(jié)進(jìn)氧量，使人體的健康程度達(dá)到預(yù)期的標(biāo)準(zhǔn)。因此人體通信技術(shù)在智能家居中有廣闊的應(yīng)用前景，是我們需要著重關(guān)注的一個方向。

4. 結(jié)語

在快速發(fā)展的信息時代，我國在信息通信技術(shù)取得了巨大成就。但在新一代通信技術(shù)中，特別是人體通信技術(shù)仍有需要完善的地方。人體通信技術(shù)前景廣闊，潛力巨大，值得深入研究。放眼未來，開發(fā)人體通信技術(shù)可以更加系統(tǒng)地、更加迅速地、更加精確地收集數(shù)據(jù)，充分利用信息通信技術(shù)帶來的新能力。

參考文獻(xiàn)：

[1]汪嘯塵.人體通信技術(shù)研究進(jìn)展[J].中國生物醫(yī)學(xué)工程學(xué)報(bào)，2015，（3）：345-353

[2]曉晨.人體通信未來應(yīng)用模式[J].信息網(wǎng)絡(luò)，2008，（11）：60-61.

[3]劉益和，張雙，秦雨萍，張紹祥，譚立文.植入式人體通信技術(shù)發(fā)展與未來[J].中國科技論文，2014，9（01）：16-23.

[4]徐望婷.人體通信無線傳輸關(guān)鍵技術(shù)研究[D].南昌航空大學(xué)，2014.

[5]萬建峰.疫情過后商業(yè)市場的十大變化[J].中國商論，2020，（12）：23-24.

作者簡介：趙雪茹;民族：漢;籍貫：安徽宿州;研究方向：人體通信、物聯(lián)網(wǎng);陶文晶籍貫：安徽樅陽;學(xué)歷：研究生;職稱：講師;職務(wù)：專職輔導(dǎo)員;研究方向：課程與教學(xué)論（數(shù)學(xué)）