1WHBC的理论与模型
依据耦合方式的不同WHBC可分为：①电流耦合，发射端输入人体的信号为电流信号，接收器、发射器的两个电极均需与人体直接接触；②电容耦合，发射端输入人体的信号为电压信号，接收、发射端的两个电极可不与人体直接接触。当前大部分的研究都集中于后者，因此本论文主要介绍电容耦合WHBC系统。当前被认可的基于电容耦合的人体通信机制主要有两种：静电耦合机制和把人体作为波导的电磁波传播机制，大多数WHBC模型基于这两种传输机制建立。另外还有一些WHBC模型是基于实验数据得到的，下面我们简单介绍一下当今主要的WHBC理论和模型。
1．1静电耦合机制及其物理模型
首先我们来介绍WHBC的静电耦合传输机制。发射接收信号的电路、放在人体上或者人体附近的电极、导电的人体（相当于一个电阻）、电极和大地之间的耦合电容可构成一个闭合回路。整个闭合回路可被看作为一个二端口网络，发射端的信号电极和地电极是其信号输入端，接收端的信号电极和地电极是其信号输出端，已知电路中的各电阻及电容的值，就可根据电路知识求出信号的路径损失。由于静电耦合作用（即二端口网络电路中的耦合电容）是该传输原理中的关键所在，因此称该原理为静电耦合原理。其中发送端和接收端信号电极可以直接贴在人体皮肤上或者靠近人体皮肤的邻近区域（例如紧贴衣服上），发送端和接收端的地电极悬空或者贴在皮肤上。但Luˇcev等证明信号电极直接与皮肤接触、地电极悬空的电极结构可以得到最小的路径损失。Xu等根据静电耦合机制设计了一个WHBC通信系统，其系统模型使用了有限元件建模方案。该系统模型包含了大气、人体、发射端电路和接收端电路。其中大气分为三个区：近域区、过渡区和远域区；人体模型则由手臂、胸部、腹部和脚组成，而各器官分别由对应的皮肤、脂肪、肌肉层组成。模型的仿真结果在低频和实际测得的数据相差不大，但在高频段差别就有些大，还需要仔细研究。
1．2人体作为波导的传播原理及其物理模型
有些研究人员把人体看作波导，从电磁波传播的相关原理方面建立人体信道的计算模型。发射机的信号电极与其地电极是电磁波的发射源，人体表面是人体与空气之间的边界面，信号的传输过程可看作一种特殊情况的表面波传输。已知人体表面的电介参数，根据麦克斯韦方程和人体空气边界条件可求出在人体表面各点的电场强度、磁场强度以及路径损失。Fujii等用有限差分时域方法（finitediffer－encetimedomain，FDTD）建立WHBC模型。在FDTD计算方法中，使用了日本成年男性和女性的高精度身体模型。实验中用生物组织固体人体等效模型验证文中提到的理论模型，结果虽还不错，但模型跟真实的人体毕竟不一样，该方法的有效性还需通过真实的人体加以验证。
1．3其它的WHBC传输原理和模型
近期Bae等提出了新的WHBC传输原理，该原理同样把发射端的信号电极和地电极看作电磁波的发射源，但认为仅电磁波的电场可传播信息，电磁波的磁场不起传递信息的作用，同1．2一样利用麦克斯韦方程组可得到人体表面的电强度和路径损失。论文提出的理论很新颖，能够综合现有的两套理论，但其仿真结果和实验结果在低频处却有较大的误差，还需进一步完善。Ruiz等利用实验数据建立了一个WHBC分析模型。方法是从现有的各种分布函数中选择一个与实际测得的路径损失的累积概率分布最接近的一个分布类型，然后用数学方法估计在某一确定距离下该分布类型的参数，接着求出该分布函数的参数与（发射接收）距离之间的关系，从而得到想要的模型。这种方法对硬件设计有一定的指导意义，但由于缺乏内在的物理原理的支撑，有很大的局限性。
2WHBC中的数字基带传输机
除了WHBC的传输理论有诸多进展，WHBC传输机也颇有些硕果。Lont等设计了一个数据速率可调的基于移频键控（frequencyshiftkeying，FSK）的超低功耗数字接收机。Song等则利用0．25μm标准CMOS工艺设计了一个功耗为0．2mW、速率为2Mb／s的数字传输机，其原理图。图中上半部分为发射机，下半部分为接收机。发射机由伪随机二进制序列（pseudo－ran－dombinarysequence，PRBS）产生器、二选一多路复用器和驱动器组成。PRBS是芯片测试时需要用到的功能部件。数字信号可直接通过二选一多路复用器、驱动器传到人体。接收机由接收AFE模块、CDR电路和位错误探测器组成。接收AFE模块用于放大、触发、反向从电极接收到的宽带信号，以恢复二进制数据。CDR电路模块从恢复的二进制模块中提取时钟信号并锁存数据。位错误探测器是芯片测试时需要用到的功能模块。当反向不归零制（non－return－to－zero，NRZ）数据直接输入到人体后，发射端电极产生对称的静电场（分别对应二进制数据1和0），在该静电场的激发下接收端的电极感受到一个由正负脉冲组成的微弱宽带脉冲信号，对这些信号进行放大、触发、反向的操作就可在接收端恢复输入人体的二进制数据。Song等改进了TX的结构，使用了脉冲位置调节模块，把NRZ数据的频带移到10～70MHz。Fazzi等则在RX中增加了相关电路，抑制噪声的能力更强。然而即便如此，这样的通信系统还是很容易受到外界的干扰，需要其它的技术抑制这种干扰，我们将在第3部分中进行讨论。
3WHBC中的干扰及AFH技术
3．1WHBC中的干扰
人体可被看作天线，漂浮的和接地的人体在电磁场中的谐振波长分别为人体身高的2倍和4倍，同时人体的谐振频率峰值不是尖锐的，而是宽广分布的，因此人体天线效应能够将频带分布宽广的射频信号注入到WHBC通信系统中。根据Cho等的实验结果，这些干扰信号在一些环境下（调幅射频塔或者无绳电话附近等）能够把有用的信号淹没，一般的数字传输机不能在这种变换的环境下稳定地工作，需要新的传输机来抑制这些干扰。
3．2AFH原理
WHBC中的干扰随环境变化而变化，但均只占某一有限的带宽。为了增强系统的抗干扰能力，我们把可用的WHBC总带宽根据具体的应用（数据传输速率的要求）平均分成N个不重叠的子带宽，每一个子带宽可看作一个通信频道。最开始所有的通信频道均参与信息的传输，它们均处于跳频序列之中。WHBC设备节点每隔一段时间根据一定的评判原则将跳频序列中所有的频道分为好频道和坏频道。好频道继续使用并等待下一次评判；坏频道从跳频序列中剔除，但一段时间之后系统会重新检查上次被评为“坏频道”的频道的通信质量，只要被评定为好频道，系统又会将其纳入跳频序列之中。其中频道评价准则可以使用接收的信号强度指示（re－ceicedsignalstrengthindicator，RSSI）、分组错误率（packeterrorrate，PER）和载波敏感度（carriersensing，CS）准则。使用的是PER信道评判准则，其中PSR（packetsuccessratio）为分组成功率，Ps为合格频道的PSR阈值。AFH技术源自蓝牙，但AFH在WHBC中的适应性强过蓝牙，因为一般情况下WHBC的覆盖范围仅限于穿戴者的本身，不会产生不同WHBC之间的串扰，而蓝牙ZigBee等则会因为不同设备之间使用相同的通信频道而产生动态频率干扰。Cho等就利用AFH技术设计了适用于人体通信的传输机，达到了很好的抗干扰效果。
4结束语
本篇综述从WHBC的理论模型到WHBC的数字传输机的角度介绍了WHBC相关方面的研究内容及研究进展，现有的大多数模型是基于静电耦合和人体作为波导的原理建立的，但为什么这两种不同的物理机制对于信号在人体上的传输能够较好地预测，其中必定有一个纽带联系着它们，寻找这个纽带是个很好的研究方向。虽然现在已有不少WHBC数字传输机，但大多数相关研究的芯片或者功耗过高，或者面积过大，而穿戴式传感系统需要低功耗、面积小的WHBC传输机，因此低功耗、高速WHBC数字传输机是硬件方面很值得去研究的一个方向。
作者：孙雷 张小娟 单位：中国民航大学理学院
