智能醫療監控系統出現重大設計突破。隨著人體區域網路技術規范IEEE 802.15.6底定，新一代醫療照護系統將可以無線方式，將人體各部位穿戴式傳感器所測量到的生理信號，傳送至醫院伺服器并儲存，從而提供即時遠端監控與病患生理狀態分析等智能功能。

　　隨著全球人口老化及慢性病患人口增加，遠端居家照護成為先進國家醫療發展的重要議題。現階段，生理參數量測技術已出現重大進步，透過結合可攜式傳感裝置與人體區域網路（Body Area Network， BAN），醫療人員將可持續性監控與分析病患生理信號，給予病患正確健康指導、諮詢與追蹤；同時有效降低醫療資源浪費，并改善醫療品質。

　　人體區域網路技術助力　現代醫療系統功能升級

　　傳統醫療照護需要醫護人員不定時監察病患傳感器的生理信號，使得護理人員疲于奔命。現代醫療照護系統透過人體區域網路技術，能讓護理人員即時遠端監控與分析病患的生理信號，假若病患出現病危狀況，醫護人員也可即時得知并做出危急處理。

　　人體區域網路由多個傳感器（EEG、ECG等）組成，分布在病患身體上收集和傳送生理信號（圖1）。所有傳感器的生理信號由連結傳感器（手錶或其他攜帶式裝置）匯集，并透過外部無線網路（WLAN、WWAN）將病患的生理信號傳送至醫院伺服器并儲存。讓醫護人員能即時監控與分析病患的生理信號，達到降低醫療資源使用的目的。

　　圖1 人體醫療監控網路示意圖

　　人體區域網路可應用于人體生理信號監測或多媒體娛樂等近身無線傳感技術，目前IEEE 802.15.6 Task Group已著手制定人體區域網路規范，并定義叁種實體層方式，包括窄頻（Narrow Band）、超寬頻（Ultra Wideband， UWB）及人體通訊（HBC）。

　　其中，人體通訊使用人體通道傳輸做為實體層媒介，可降低傳輸功耗，因而其能源效率較窄頻及超寬頻更具優勢。為增加可攜帶性和節省電源替換成本，必須使用輕薄短小的薄膜電池，或利用能源收集再生（Energy Harvesting）方式提供電力，甚至以回收接收無線信號的能量進一步供給電力。因此，超低能源消耗是無線人體通訊系統設計上的關鍵重點，以延長電池生命周期。

　　然而，人體通訊的通道響應具電容特性，會隨著穿戴者的年齡、身高體重、姿勢、電極幾何設計有所差異，及人體周遭環境而影響通道變化。

　　由于人體通訊係以人體為通訊媒介，藉由靜電耦合（Electrostatic Coupling）的方式傳輸，因此，其系統僅需復雜度低的數字電路與電極片（取代天線）來實現。其中，傳送端以數字電壓信號輸入至電極片，在體表上轉化為電場傳導；當接收端電極片感應到電場，就能轉化為電壓信號進行接收，要注意的是，人體與傳感器皆須接地才能產生回路。

　　數字電路打造人體通訊系統

　　人體通訊機制運作流程中，首先係以IEEE 802.15.6規范，定義人體通訊實體層協議數據單元（Physical-layer Protocol Data Unit， PPDU）的幀結構，由前導序列（Preamble）、幀起始符號（Start Frame Delimiter， SFD）/速率指標（Rate Indicator， RI）、實體層標頭（PHY Header），以及實體層資料負載（PHY Payload）所組成。實體層資料負載則是由媒體存取控制標頭（MAC Header）、媒體存取控制資料負載（MAC Payload）和幀檢查順序（Frame　Check　Sequence， FCS）所組成（圖2）。

　　圖2 人體通訊幀結構圖

　　人體通訊系統以數字電路實現，實體層協議數據皆是Gold序列編碼產生。再經過頻率位移碼（Frequency Shift Code， FSC）升頻后，輸入至電極片傳送；而頻率位移碼使用重復［0 1］編碼，其中展頻因子（Spreading Factor， SF）決定重復的次數。假設頻率位移碼使用［0 1］，則SF為2；依此類推，頻率位移碼使用［0 1 0 1］，SF即為4。

　　如圖3所示，人體通訊傳送端由傳送端暫存器、前導序列產生器、幀起始符號產生器、標頭產生器、攪散器（Scrambler）、串行轉并行（Serial-to-Parallel， S2P）、頻率選擇性展頻器（Frequency-selective Spreader）、領航產生器及多工器所組成。所有產生的傳送信號依序經由多工器切換輸入至電極。

　　圖3 人體通訊傳送端架構圖

　　前導序列做為接收端同步使用，每一個前導序列由四個64位元Gold序列，經過頻率位移碼展頻為四個長度512位元的序列（圖4）；其中SFD/RI與PHY Header也須藉由頻率位移碼進行調變。當接收封包時，接收端靠著前導序列偵測封包，再利用幀起始符號偵測幀起始點。

　　圖4 前導序列產生器運作示意圖

　　如表1所示，透過不同時序位移顯示傳送封包資料速率，接收端不須參考實體層標頭，即得知封包資料速率，幀起始符號與速率指標架構則根據資料封包速率決定幀起始符號的時序位移，將24位元填滿時序位移。

　　另一方面，實體層標頭資料以32位元表示資料傳輸率、領航配置資訊、同步形式、資料負載長度，及CRC8等封包相關資訊。為防止因時鐘偏移（Clock Drift）影響同步，領航序列插入于實體層資料負載結構，而領航序列周期會以3位顯示在實體層標頭的領航資訊中（表2）。

　　實體層資料負載須經過傳輸資料串行轉并行與頻率選擇性展頻器處理產生，且頻率選擇性展頻器處理由正交碼與頻率位移碼組成，如圖5所示。其中S2P方塊是以4位元為一個符元轉換成并行資料。

　　圖5 實體層資料負載處理流程圖

　　建立人體通訊通道模型　掌握頻率響應與信噪比

　　在人體通訊系統中，資料透過電極以電壓信號感應人體方式傳送，因而產生頻率響應與噪音。尤其人體為非導體，電壓信號振幅將依此衰減，且電壓信號還會因人體具有電容特性而產生相位差，所以每位使用者身高體重有所差異，就擁有各自不同的頻率響應。

　　許多電器裝置產生的電磁波輻射干擾人體通訊，亦將于人體中產生噪聲，統計特性成高斯分布。也因此，建立人體通訊通道模型，從而掌握資訊傳導特性，對人體通訊系統而言相當重要。人體通訊使用近場耦合，兩耦合媒介介于傳送端與接收端之間（空氣與身體），兩個媒介距離定義表示如圖1所示；人體通道響應方程式（1）、（2）、（3）分別表示為：

　　。。。。。。。。（1）

　　其中，hR（t）表示為參考通道脈沖響應，Ch表示為系數，相關于接地平面大小與傳送端和接收端之間距離。

　　。。。。。。。。（2）

　　Av表示為信號損失波動系數，成高斯分布表示為Av N（1， 0.162）。A、tr、t0、xc為常數（表3），Ch如方程式（3）所示：

　　。。。。。。。。（3）

　　其中，GT和GR分別表示為傳送端與接收端之接地平面大小，dair和dbody分別表示為空氣媒介與身體媒介中傳送端至接收端之最短距離，單位皆為平方公分（cm2）。參數于此通道模型限制如方程式（4）：

　　。。。。。。。。（4）

　　實際人體通道量測架構如圖1所示，傳接收電極各放于左右手掌，并發送脈沖訊號，經過人體傳導后接收。圖6為量測結果，顯示人體通道脈沖響應因人體為非導體特性造成信號振幅衰減。而通道傳輸延遲極小，因此多重路徑傳播效應之干擾也幾乎可以忽略。

　　圖6 人體實際量測通道脈衝響應分析

　　利用先進演算法　優化人體通訊接收機設計

　　由于人體通訊資料傳輸系統採用非同調編碼技術（Non-coherent Modulation），再加上操作頻段極低，因此接收端不須進行頻率同步。人體通訊資料傳輸基本上為封包傳輸，如何有效利用前導序列進行時間同步，將是設計關鍵。

　　封包偵測演算法基于封包傳輸架構，由于接收端不知道何時會收到封包，因此進行初始化同步的程序前，須先進行封包偵測，進而將人體通訊系統的訊號封包分辨出來。

　　封包偵測演算法主要利用第一個前導序列進行，為讓接收端藉由量測接收信號的能量，以判斷是否有收到資料封包，首先須計算接收信號能量，如方程式（5）所示：

　　。。。。。。。。（5）

　　其中r代表接收信號、k為累加器指標、K則為觀察區間。當C大于一個事前設定的門檻值T，則表示此觀察區間內的信號功率滿足人體通訊系統的封包功率特性，因此判斷為一個人體通訊系統的封包。

　　符元時序同步則是當接收端判斷為收到一個資料封包后，進一步利用剩余的前導序列進行符元時序估測。此時，接收端將接收信號與已知的前導序列Gold碼做互相關運算，最大值的偏移量即為符元時序的估測點，如方程式（6）所示：

　　。。。。。。。。（6）

　　其中為符元時序估測，c為前導序列Gold碼，n為搜尋的指標，m是累加器的指標。

　　接著，利用以下系統參數進行人體通訊系統效能模擬；包括人體通訊系統設計中心頻率為32MHz、時脈頻率為64MHz、頻寬為8MHz、資料傳輸率為2Mbit/s、實體層資料負載為128Byte、FSC和Wash碼調變、SNR從-6d至-1dB。通道模型透過方程式（1）產生振幅與相位變化。

　　圖7為人體通訊系統模擬的范例，表示進行符元時序同步時反相關運算的輸出值，如方程式（7）所示，而使得P（n）有最大值的n即為符元時序的同步點。

　　圖7 符元時序同步模擬分析

　　。。。。。。。。（7）

　　根據IEEE 802.15.6規范的接收目標，于傳輸負載為128Byte情況下，封包錯誤率（Packet Error Rate， PER）須小于1%。在考慮封包偵測與符元時序同步后，當SNR大于-2.6dB就能符合預想達到錯誤率小于1%的目標，如圖8的系統封包錯誤率模擬結果。

　　圖8 封包錯誤率模擬分析

　　IEEE 802.15.6開路　人體區域網路發展更完備

　　IEEE 802.15.6已說明人體通訊訊框結構、傳送端架構與通道模型，并據此開發出接收機演算法，有效進行封包偵測與符元時序估測。從模擬結果中，發現人體通訊系統在低SNR的條件下進行資料傳輸，仍可實現低錯誤率的效能，達到低功率、高資料傳輸率的人體通訊網路。

　　現階段，人體區域網路已可即時且準確提供多種病患的生醫傳感器信號予醫療人員，從而達到正確的健康指導、咨詢與追蹤，大幅提升醫療照護品質，并降低醫療資源的使用。