[論文レビュー] BioPhysical Modeling, Characterization and Optimization of Electro-Quasistatic Human Body Communication

Shovan Maity, Mingxuan He+4 more|arXiv (Cornell University)|May 14, 2018

Wireless Body Area Networks参考文献 15被引用数 10

ひとこと要約

この論文は、以前のチャネル測定における不一致を解消するために、電気的準静的人体通信（HBC）の集中定数生物物理学的モデルを開発した。受信機の終端インピーダンスがチャネル損失に顕著な影響を及ぼすことが示され、容量性終端によって低周波数域の損失が低減され、13 kHzまで平坦な転送関数が達成可能である。これは、適切に終端された場合、人体がウェアラブルおよびインプラント可能なデバイス向けに実用的な広帯域チャネルであることを確認するものである。

ABSTRACT

Human Body Communication (HBC) has emerged as an alternative to radio wave communication for connecting low power, miniaturized wearable and implantable devices in, on and around the human body which uses the human body as the communication channel. Previous studies characterizing the human body channel has reported widely varying channel response much of which has been attributed to the variation in measurement setup. This calls for the development of a unifying bio physical model of HBC supported by in depth analysis and an understanding of the effect of excitation, termination modality on HBC measurements. This paper characterizes the human body channel up to 1MHz frequency to evaluate it as a medium for broadband communication. A lumped bio physical model of HBC is developed, supported by experimental validations that provides insight into some of the key discrepancies found in previous studies. Voltage loss measurements are carried out both with an oscilloscope and a miniaturized wearable prototype to capture the effects of non common ground. Results show that the channel loss is strongly dependent on the termination impedance at the receiver end, with up to 4dB variation in average loss for different termination in an oscilloscope and an additional 9 dB channel loss with wearable prototype compared to an oscilloscope measurement. The measured channel response with capacitive termination reduces low frequency loss and allows flat band transfer function down to 13 KHz, establishing the human body as a broadband communication channel. Analysis of the measured results and the simulation model shows that (1) high impedance (2) capacitive termination should be used at the receiver end for accurate voltage mode loss measurements of the HBC channel at low frequencies.

研究の動機と目的

• 異なる励起および終端設定によって生じる以前のHBCチャネル測定における不一致を解消すること。
• 電気的準静的HBCのための人体を通信チャネルとして統一的な生物物理学的モデルを構築すること。
• 1 MHzまでHBCの性能を特徴づけ、広帯域通信への可能性を評価すること。
• 正確な低周波数電圧損失測定に最適な受信機終端条件を同定すること。
• オシロスコープおよび小型化されたウェアラブルプロトタイプを用いた実験的妥当性検証

提案手法

• 生理的および電気的特性に基づいて、人体チャネルの集中定数生物物理学的モデルを構築した。
• オシロスコープおよび独自に開発した小型化されたウェアラブルプロトタイプを用いて、終端効果を比較するための電圧損失測定を実施した。
• 受信機に容量性終端を適用し、低周波数帯域におけるチャネル応答に与える影響を分析した。
• 異なる終端インピーダンスおよび測定プラットフォームを用いた実験的妥当性検証を実施した。
• シミュレーションと測定データを統合し、終端条件とチャネル損失の変動との相関を分析した。
• 帯域幅の平坦性および低周波数性能を評価するため、転送関数を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 受信機の終端インピーダンスが、低周波数帯域における測定HBCチャネル損失にどのように影響を与えるか？
• RQ2 測定設定における共通グランドでない状態が、HBCチャネル特性に与える影響は何か？
• RQ3 容量性終端によりHBCの転送関数が平坦化され、使用可能な帯域が低周波数にまで拡張可能か？
• RQ4 測定プラットフォーム（例：オシロスコープ対ウェアラブルプロトタイプ）が観測されるチャネル応答にどの程度影響を与えるか？
• RQ5 統一的な生物物理学的モデルは、過去のHBC測定における不一致をどのように説明できるか？

主な発見

• オシロスコープを用いた測定において、終端インピーダンスの違いによりチャネル損失が最大4 dB変動した。
• ウェアラブルプロトタイプを用いた測定では、オシロスコープ測定と比較して追加で9 dBのチャネル損失が観測された。これは、非共通グランド効果に起因する。
• 容量性終端により低周波数域の損失が低減され、13 kHzまで平坦な転送関数が達成可能である。
• 正確な低周波数電圧モード損失測定には、高インピーダンスの容量性終端が受信機に不可欠である。
• 集中定数生物物理学的モデルは、終端および励起効果の正確な再現を通じて、過去のHBC研究における主要な不一致を効果的に説明できた。
• 適切に終端された場合、人体は1 MHzまでの広帯域通信を可能とし、13 kHz未満でも平坦な周波数応答を実現可能である。