JP5324601B2 - 人体結合通信システムに対する電極の多様性 - Google Patents

Description

本発明は、カプラーデバイス、処理装置、及び、複数の人体結合通信（ｂｏｄｙ−ｃｏｕｐｌｅｄ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）信号を処理する方法に関する。

人体結合通信（ＢＣＣ）又は人体ベースの通信は、人体通信（ｂｏｄｙ ａｒｅａ ｎｅｔｗｏｒｋ）の基礎としての無線周波数（ＲＦ）通信に代わる将来有望なものとして提案されてきた。ＢＣＣは、ヒト又は動物の体にあるか又はそこに近接してある複数の装置間での情報の交換を可能にする。これは、体表面上への低エネルギー電場の容量結合又はガルバーニ電気結合によって達成することができる。従って、人体が通信チャネルとして利用されるため、人体通信（例えば、ＺｉｇＢｅｅ又はＢｌｕｅｔｏｏｔｈシステム等のＢＡＮ）に対して一般的に使用されるスタンダードな無線システムよりもはるかに低い電力消費で通信することができる。ＢＣＣは、通常、人体に近接して適用されるため、ＢＣＣを使用して、接触又は近接に基づいた新しく使いやすいボディデバイスインタフェースを実現することができる。

ＢＣＣは、例えば、体に取り付けられたか若しくは体に近接して身につけられたクレジットカード、又は、別の適した装置内に統合される小型の装着式タグにより生じる電場によって技術的に実現することができる。このタグは、低電力信号を体に容量又はガルバーニ電気結合させる。この人体結合通信は「近接場体内通信（ｎｅａｒ−ｆｉｅｌｄ ｉｎｔｒａ−ｂｏｄｙ ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）」と呼ばれる場合がある。ＢＣＣは、人体上及び人体付近の電子デバイスが容量又はガルバーニ電気結合を介してデジタル情報を交換するのを可能にする無線技術である。情報は、電場を調節すること、及び、ピコアンペア範囲内のごく小さい電流を体の上に容量又はガルバーニ電気結合することによって送られる。体は、そのごく小さい電流（例えば５０ｐＡ）を体に取り付けられた受信機まで導く。環境（空気及び／又はアース）により、送信された信号に対するリターンパスが提供される。

図１Ａ及び１Ｂは、Ｔｈｏｍａｓ Ｇｕｔｈｒｉｅ ＺｉｍｍｅｒｍａｎによるＰｅｒｓｏｎａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋｓ（ＰＡＮ）：Ｎｅａｒ−Ｆｉｅｌｄ Ｉｎｔｒａ−Ｂｏｄｙ Ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ．Ｍａｓｔｅｒ ｏｆ Ｔｈｅｓｉｓ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，Ｓｅｐｔｅｍｂｅｒ １９９５において記載された、一般的な容量性ＢＣＣの送受信機モデルを示している。ＴＸ要素もＲＸ要素も電子バッテリー式デバイスであり、電気的に隔てられ、参照及び信号電極として作用する一対の電極Ａ及びＢを有している。送受信機の電極Ａ、Ｂは、コンデンサ極板として設計することができる。そのような容量性ＢＣＣは、いわゆるパーソナル・エリア・ネットワーク（ＰＡＮ）又は人体通信（ＢＡＮ）における装置間でのデータの交換に使用することができる。３３０ｋＨｚで作動するＰＡＮプロトタイプは、体を介したデジタルなデータの交換を実証するよう開発された。そのような通信システムの例は、例えば、米国特許第６，９９２，５６５号、米国特許第６，７７７，９９２号、米国特許第６，２２３，０１８号、及び、米国特許第５，９１４，７０１号に開示されている。

電極Ａ、Ｂは、一般的な銅の表面を有したプリント回路基板（ＰＣＢ）材料から作製することができる。そのサイズは、約３ｃｍ×５ｃｍ×１ｃｍであり得る。ＴＸ装置及びＲＸ装置どちらの位置にも関わらず、測定値によって、人体全体上での信頼できる通信が示されてきた。

図１Ａ及び１Ｂの装置は、ＴＸ装置及びＲＸ装置が体の上の離れた位置に存在する場合であっても、優れた感度を有し、強い信号を与えるけれども、人体に対するＲＸ／ＴＸ装置の向きは重大であり、通信能力に大きく影響を与える。容量性ＢＣＣに対しては、理論的に言えば、ＴＸ装置及びＲＸ装置は体表面上に水平に置かれ、１つの電極が体に密着して置かれ、もう一方の電極は、周りの環境に対して「自由な視界（ｆｒｅｅ ｓｉｇｈｔ）」を有している。

容量性ＢＣＣの能力が、送信（ＴＸ）装置及び受信（ＲＸ）装置と人体と周囲の全伝導体との容量結合の影響を受けるため、こういった場合がある。この筋書きにおいて、最も重大な態様は、体に対する装置の向きによって表される。信号の減衰は、人体に対する信号電極及び参照電極の容量結合の比に強く依存する。結合の値が近いほど、受信／送信された信号は弱い。この問題に対する解決策は、可能な筋書きの大部分においてそうであるように、人体に固定されてはいないが、人体の周りに緩く配置することもできるＢＣＣ装置間に信頼できる通信を有するため重大である。

図１Ａでは、ＴＸ装置もＲＸ装置も、人体に対して水平な角度である。電極Ｂは、従って、周囲の環境に対する（静電容量Ｃ_１ｂ）よりも人体に対してはるかに強い静電容量Ｃ_２ｂを有し、電極Ａは、周囲の環境に対してより優れて結合され（静電容量Ｃ_１ａ）、人体に対しては小さな結合のみを有する（静電容量Ｃ_２ａ）。このように、ＴＸ電極間に適用される信号は、受信機における電極間で電圧差を生じ、その結果、データ伝送を可能にする。

しかし、図１Ｂでは、ＲＸ装置は９０度回転されており、ＲＸ装置の電極ＡもＢも、人体に対して（静電容量Ｃ_２ａ＝Ｃ_２ｂ）及び周囲の環境に対して（静電容量Ｃ_１ａ＝Ｃ_１ｂ）同等の結合を有していることを意味する。結果として、（例えば、ＴＸ装置によって生じる信号としての）人体によって伝導されるいかなる信号も、ＲＸ装置における電極Ａ及びＢに対して共通のモードである。言い換えると、電極ＡもＢも、同じ電位を示し、電圧差は生じない。同じことが、ＴＸ装置が９０度回転された状況においても当てはまる。その場合、人体に提供される信号はなく、信号伝送は不可能である。当然のことながら、９０度という角度は限定条件であるが、（理想的な水平角度に対する）いかなる他の回転も、受信される信号の力を減少させるということが明らかである。

人体に対する密着性及び水平な角度を提供するために、（例えばステッカー又はゴムバンドによって）電極を体に固定することが提案されてきたが、大部分の筋書きにおいて、（例えば、携帯電話等の、ポケットに配置することができるか、又は、布地に統合することができるいかなる装置等）ＴＸ／ＲＸ装置は単に体に近接して置かれ、緩く結合されることが期待されるため、上記の提案は、可能な用途に多大な制限を設けてしまう。さらに、（例えば、医療センサ等）人体に縫いつけることができる装置の場合においても、日常生活中の使用者の動きが、信頼できる通信を保証することができない様式で送／受信装置の容量構成に影響を与えてしまう恐れがある。

ＢＣＣを使用した通信は、従って、体に対するカプラーの向きに敏感である。このカプラーの向きに対する敏感度のため、使用者は、ＢＣＣ装置を明確な向きに配置し維持することが要求される。これは、使用者に不便及び信頼できない伝達を生じる。従って、体のどこにでも配置することができる装置間のＢＣＣ通信を信頼できるものにし、これらの装置に対する通信範囲を体全体にすることが所望される。

本発明の目的は、人体結合又は人体ベースの通信システムにおいて、頑強性及び使用者の便宜を向上することである。

この目的は、請求項１に係るカプラーデバイス、請求項５に係る装置、及び、請求項１６に係る方法によって達成される。

従って、電極の群の中で、（例えば、人体に対する平均的な結合よりも優れた結合を有するもの等）信号電極として作用するのに最も適した電極、及び、（例えば、人体に対する平均的な結合よりも低い結合を有するもの等）参照電極として作用するのに最も適した電極を選択することができるように、適応性のある構成システムが提供される。この方法で、人体に対する送／受信装置の位置又は向きに関係なく、通信システムが作動する状態を実質的に改善することが可能である。従って、人体結合通信の向きの敏感度は減らすことができ、頑強性及び使用者の便宜を向上することができる。相互の向きの差を有した多数の又は分割された電極が、体の上又は体の付近に提供される。従って、この電極の多様性を適用して、特定の伝達に対する電極を選択する、又は、異なるカプラーからの信号を合成することができる。特定の実施形態において、重み付け合計を使用して異なるカプラーからの信号を合成することができる。

従って、電極多様性の概念、異なる電極からの信号を合成するか又は選択する技術、選択又は合成パラメータを決定するための種々の方法及び結合部の伝達を可能にする信号伝達方法、並びに、受信カプラー多様性を提供することができる。

電極は、いかなる数でも、いかなる形状でも構成することができるか、又は、いかなる幾何学的構成でも配置することができる。その結果、当該システムは、信号電極として又は参照電極として使用されることになる所望の電極の組を選択する能力を有する。同様に、合成パラメータを決定して、異なる電極からの信号を合成することができる。従って、これらの方法で、高められた受信力又は質を有した電極構成を、体に対する所与の位置及び向きに対して得ることができるため、最適化され信頼できる通信を達成することができる。

電極構成は、用途の筋書きに従って、（始動時のみ）静的に、又は、（継続的又は周期的に）動的に選択することができる。前記構成の選択は、例えば、静電容量の推定値に基づくことができ、ハードウェア又はソフトウェアによって制御することができる。当該システム及び通信は、従って、ヒト又は動物の体に対する位置、向き、又は移動によって影響を受けることははるかに少ない。

さらに、参照又は信号カプラーとして使用される電極の数は、最適化することができる。例えば、人体に対する信号の正確な結合を可能にするのに少数の電極で十分な場合、その他全ての電極を参照電極として選択することができる。これは、周囲の伝導体（アース）に対する１又は複数の参照電極の容量結合が信号強度を決定するパラメータの１つであるため、さらなる最適化を提供する。容量結合が強固であるほど、信号も強くなる。

電極配置における複数の電極又は電極の分割部分は、前記人体結合通信中に、ヒト又は動物の体の表面に対する信号電極と参照電極との、又は、電極の分割部分間での水平向き、ヒト又は動物の体の表面に対する信号電極と参照電極との、又は、電極の分割部分間での垂直向き、及び、前記電極配置が信号電極からのみ成る信号だけの向きのうち少なくとも１つを提供するよう配置することができ、前記複数の電極又は電極の分割部分は、前記カプラーの多様性を達成するのに十分な程度まで向き及び位置のうち少なくとも１つによって異なる。その結果、個々の電極又は電極の分割部分の非常に多様な向きを提供することができるため、少なくとも１つの強い信号の受信が十分に可能である。

特定の例において、前記複数の電極又は電極の分割部分は、３次元配置で配置することができ、多様性の利得をさらに上げることができる。

さらに、前記複数の電極又は電極の分割部分は、第１の伝導領域を有した第１の電極、及び、第２の伝導領域を有した第２の電極を含むことができ、前記第１の伝導領域は、前記伝導領域よりも大きなサイズを有している。この配置によって、より小さな伝導領域を有した電極を、コンデンサ測定電極として使用することができる。

第１の選択肢によると、人体結合通信信号が受信されるカプラー電極間の静電容量又は抵抗のうち少なくとも１つを決定することによって局所的に推定を行うことができる。

第２の選択肢によると、人体結合通信信号によって受信されたトレーニングシーケンスに基づき推定を行うことができる。特定の例において、推定は、人体結合通信信号のパケットのプレアンブルにおいてトレーニングシーケンスを受信するよう適応させることができる。

第３の選択肢によると、受信した人体結合通信信号のデータ信号に基づき推定を行うことができる。より明確には、受信したデータ信号のエラーチェックに基づき、伝達パラメータ、選択パラメータ、又は、重み付けパラメータを推定するよう推定量を適応させることができる。

伝達パラメータは、選択処理を利用することによって、複数の人体結合通信信号のそれぞれに連続して適応させることができる。

さらに、そこから複数の人体結合通信信号が受信されてきた人体結合装置の推定された伝達パラメータを記憶するためにルックアップテーブルを提供することができる。

さらに、そこから複数の人体結合通信信号が受信されてきた人体結合装置に、推定された伝達パラメータを信号で伝え返すことができる。

上記装置の信号処理ユニットは、前記複数の受信された人体結合通信信号を選択的に重み付けする掛け算器、及び、重み付けされた人体結合通信信号を加算する加算器を複数含み得る。

代替物として、信号処理ユニットは、複数の人体結合通信信号のそれぞれの強度を平均強度又は他の閾値レベルと比較する比較器を複数、及び、出力信号を生じるよう合成されることになる、信号強度が平均強度又は他の閾値よりも高い人体結合通信信号を選択するスイッチを複数含み得る。

さらなる有利な実施形態は、以下で規定される。

本発明は、次に、例えば付随の図面を参考にして実施形態に基づき記述される。

概略的な人体及び結合コンデンサ上の装置の向きの影響を示している。 概略的な人体及び結合コンデンサ上の装置の向きの影響を示している。 異なる参照及び信号電極の向きを有した電極結合の機構を示している。 異なる参照及び信号電極の向きを有した電極結合の機構を示している。 異なる参照及び信号電極の向きを有した電極結合の機構を示している。 一実施形態による電極の多様性を有した電極配置を示している。 一実施形態による多様性コンバイナーの機能的な実行を示している。 トレーニングベースの重み付けパラメータの推定に対する概略的なデータパケットを示している。 一実施形態による推定手順の流れ図を示している。 一実施形態による多重電極配置の例を示している。 一実施形態による分割された電極の例を示している。 一実施形態による分割された電極の例を示している。 一実施形態による電極配置を制御する制御回路の概略図を示している。

本発明における種々の実施形態が、次に、ＰＡＮ及びＢＡＮに対する無線周波数（ＲＦ）通信の代替案としてのＢＣＣシステムに基づき記述される。すでに前述したように、ＢＣＣ信号は、空気中を通る代わりに体の上で運ばれる。それ自体では、通信は、はるかに大きな領域が覆われるＲＦ通信とは対照的に、体に近い領域に制限される。従って、ＴＸ及びＲＸ装置は、体の上に置かれるか、体に接続されるか、又は、体の近くに配置される。これにより、身元確認及び警備の分野において多くの用途に対する可能性が生じる。さらに、ＲＦ通信よりも低い周波数を適用することができるため、低コスト及び低電力でのＢＡＮ／ＰＡＮの実行への扉が開く。データ信号は、アンテナによっては伝達されないが、例えば電極から成る「カプラー」を使用して伝達される。これらのカプラーは、例えばガルバーニ電気又は容量性のデータ信号を体に結合するよう構成される。

図２Ａ乃至２Ｃは、ＴＸ装置とＲＸ装置との間のＢＣＣ通信に対する可能な電極構成を示している。より明確には、情報がＴＸ装置からＲＸ装置まで伝達されている、腕の上での通信機構が例示されている。

図２Ａは、信号レベル（Ｓ）も参照又は基底レベル（ＧＮＤ）も体の近く又は体の上に配置され、この方法でどちらも体に結合される第１の結合機構を示している。対応するカプラーの電極は、水平の場の向きを得るよう構成され、ガルバーニ電気結合に最も多く使用される。図２Ｂは、信号レベル（Ｓ）又は参照若しくは基底レベル（ＧＮＤ）が体に結合され、それぞれ他のレベルが「空気」、「周囲の環境」、又は、「アース」に結合される第２の結合機構を示している。この第２の結合機構は、垂直な場の向きを提供し、容量結合に最も多く使用される。体に接続される構造体は、２つの離れた結合電極から成り、１つは体に向けられなければならず、それに対してもう一方の電極は平行に積み重ねられる。図２Ｃは、１つのカプラーのみが体に接続されるか又は体の近くに配置されるが、ＲＸ／ＴＸ装置のＰＣＢの接地板（ＧＮＤ）が参照又は接地電極として作用し得る第３の結合機構を示している。後者の構成は、容量性ＢＣＣに最も多く使用される。

一対の電極板又は電極Ａ及びＢとして図１Ａ及び１Ｂで示されている、通信システムに対して２つの電極（例えば、１つは信号を体に結合させ、１つは参照として使用される）のみを使用する代わりに、（いかなる数又は形状でもあり得る）一組の電極板又は電極が、種々の実施形態において提供される。前記電極の組は、どの電極が人体に結合されて信号電極として（例えば並列で）それらのうち少なくとも一部を使用し、残りの電極のうち少なくとも一部を、次に、参照電極として（例えばここでも並列で）使用するかを選択する能動的な構成の装置又はシステムに接続される。

以下で記述される実施形態によると、異なる向きの電極、異なる電極若しくは群で信号を合成する、及び／又は、電極の多様性を生じるようそれら（のサブセット）を選択するための種々の技術、並びに、所望の多様性の設定、すなわち、基準若しくは１又は複数のパラメータを、どの多様性の設定（例えば、カプラーの選択）を制御することができるかに基づき決定するための異なる手順のうち少なくとも１つを有した電極の多様性を適用することによって、ＢＣＣシステムの信頼度、頑強性、及び、使用し易さを改善することが示唆されている。さらなる選択肢として、特定のシグナル伝達を受信機（ＲＸ装置）から送信機（ＴＸ装置）まで適用して、受信機での測定又は決定に基づき、送信機がその多様性設定を適用又は制御することを可能にすることができる。

図２Ａ乃至２Ｃに示されている結合構成は、その能力がカプラーの向きの影響を受けやすいことにおいて不利である。Ｋ．Ｆｕｊｉｉ等による“Ｓｔｕｄｙ ｏｎ ｔｈｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｓｍ ｆｏｒ Ｗｅａｒａｂｌｅ Ｄｅｖｉｃｅ Ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ Ｈｕｍａｎ Ｂｏｄｙ ａｓ ａ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｃｈａｎｎｅｌ”ＩＥＩＣＥ Ｔｒａｎｓ Ｃｏｍｍｕｎ Ｅ８８−Ｂ，ｐｐ．２４０１−２４１０において、図２Ａに示されている向きは、電極が９０度回転された場合よりも２０ｄＢ高い損失を有していることが示されている。類似のことが、図２Ｂ及び２Ｃに示された結合構成に対して示されている。図２Ｂには、図１Ｂに対する上記記載において説明したように、カプラー、すなわち一対の電極が体と比較して傾けられた場合に、受信する信号レベルは大きく減ることが示されている。ＧＮＤ参照電極がアースに面している場合に能力が最も良いことも示されてきた。

本発明の実施形態によると、向きの敏感度は、図２Ａ乃至２Ｃで示されている機構と比較して、電極をより小さい別々の電極に細分すること、又は、同様に、さらなる電極を提供することによって減少される。異なる電極上の信号は、次に、所与の人体の向き又は電極構成に対して最大の能力が達成されるように合成される、及び／又は、選択される。

図３は、図２Ａの水平向きに対する可能な多様性の機構を例示している。この機構では、受信機（ＲＸ）１０は、元々の機構と比較して３つのさらなる信号電極４０（例えば電極板等）を含み、信号電極４０及び（黒色をつけられ、ＧＮＤ信号を提供する）参照電極４２は、（ハードウェア回路若しくは要素、又は、ソフトウェアルーチンでありえ、別々のユニットとして、又は、受信機１０の一部として配置することができる）選択及び／又は合成ユニット３０に接続されている。いくつか得られた能力又はパラメータの測定値に基づき、後に記述されるように、受信機１０は、どの電極４０をデータ信号の受信に使用するかを決定し（すなわち選択）、及び／又は、送信機（ＴＸ）２０から生じ、異なる電極４０によって受信される信号をどのようにして合成させるかを決定し（すなわち合成）、さらに、その決定に基づき選択及び／又は合成ユニット３０を制御する。図３の例証の解釈上、参照電極４２が固定されるよう選ばれることが注目される。しかし、選択の多様性のケースにおいて、一対の電極を選択することもできる。従って、５つの電極４０を有するこの例証的なケースは、固定されたＧＮＤ参照電極４２を用いた４つの合成の代わりに、１０個の可能な合成を生じる。あるいは、参照としての異なる電極の組のグループ分け及び信号電極としての別の電極の組も、この機構を使用して達成することができる。

さらに、送信機２０は、必ずしも図２の固定された電極配置でなければいけないわけではない。正しくは、受信機１０と類似の多様性機構を備えることもできる。この場合、データ信号の伝達前に、一部の能力又はパラメータ測定に基づき一対の送信機電極を選択することができる。一部のカプラー構成において、送信機２０及び受信機１０の設定を同時最適化することが有利であり得る。

図２Ｂ及び２Ｃのその他のカプラー構成に対して、図３の機構に類似の特性を有した、異なる多様性機構を作製することができる。図２Ｂの垂直の向きに対しては、信号電極４０もＧＮＤ電極４２も、選択及び／又は合成ユニット３０に別々に接続される多数の個々の電極に分割することができる。さらに、そのような電極は、異なる角度に配置することができ、装置全体の特定の向きによる衝撃を減らす。その例は、異なる電極の対から成る分割されたブレスレットであり得る。そのような構成では、常に少なくとも１つのＧＮＤ電極が、周囲又はアースに面しており、選択することができる。

測定値及び特徴も他の筋書きに適用可能であるけれども、以下において、明確性のため、図３のカプラー機構が例証目的で考慮される。

図４は、選択及び／又は合成ユニット３０における可能な実行の概略的な機能図を示している。合成及び／又は選択ユニット３０の出力で得られた受信信号ｙは、

として表すことができ、ｘ_ｉ及びα_ｉは、それぞれｉ番目の電極の電圧及び重み付け値を意味している。変数のｇはＧＮＤ参照電圧を意味し、対応する重みα_ｇはその他の電極とは反対のサインを有するはずである。選択合成法では、α_ｉは、選択された信号電極ｉ_{ｓｅｌｅｃｔ}に対して１に等しく、その他全ての信号電極に対しては０に等しく、その結果、α_ｇ＝−１である。部分集合も、設定｛ｉ_{ｓｅｌｅｃｔ、１}，ｉ_{ｓｅｌｅｃｔ、２}，．．．｝に対してα_ｉ＝１及びα_ｇ＝−１を設定することによって選択することができるということに留意されたい。信号ｘ_ｉ及びｇは、出力ｙを得るために、それぞれの掛け算器４４によって重み付けされ、次に、加算器４６によって合計される。

図３では、４つの信号電極４０及び１つのＧＮＤ電極又は参照カプラー４２が提供されている。選択合成に対して掛け算器４４のうち少なくとも一部がスイッチに置き換えることができるということに留意されたい。参照電極４２も選択される場合に対して、受信された信号に対する表現は、以下の式

になり、α_ｉは選択された信号電極に対して「１」に等しく、α_ｉは選択された参照電極に対して「−１」に等しく、その他全ての電極に対しては「０」である。

選択に対してｉを決定する手順は、受信した電圧を最大にする、すなわち、以下の式、

に基づいている。

同様に、信号電極４０も参照電極４２も一組の電極から選択することができる場合に対しても、設定された指標は、以下の式、

に等しい。

別の方法は、例えば、メッセージが何も伝達されない時間に受信電力を推定することによって、異なる信号電極４０からの信号の妨害レベルに選択の決定を基づかせることであり得る。

当然ながら、通信範囲を最小限にすることが提案された解決策の目的である場合、プライバシー及びセキュリティーの理由に対して、最も可能な信号の質を有するものでなく、所望又は標的の信号の質（例えば、信号対雑音比（ＳＮＲ））を生じる電極又は電極の対を選択することができる。

さらに、信号電極４０のうち１つ（又は２つ）を選択する代わりに、異なる電極板からの信号を選択することができ、電極機構の領域全体が適用されるという利点を提供する。その場合、数式１及び２の重みは、異なる電圧寄与における関連する重みである。解決策を実行するための要素は、全てのｉに対して等しい重み、すなわち、α_ｉ＝１を信号全てに加算することである。より最適な解決策は、α_ｉ＝１／ＳＮＲ_ｉであり、ＳＮＲ_ｉはｉ番目の電極接続に対する瞬間の信号対雑音比を意味している。

複合信号（Ｉ及びＱ）が人体結合伝達に使用される場合、ｉ番目の電極で受信された信号は、以下の式、

として書くことができ、
ｊは複合ユニットを意味し、ｔは伝達された（複合）信号を意味し、β_ｉ及びθ_ｉは、それぞれ、ＴＸ電極とｉ番目のＲＸ電極との間のチャネルの振幅及びフェーズを意味している。この場合、重みを決定するための優れた方法は、最大比の合成、すなわち、α_ｉ＝β_ｉｅｘｐ（jθ_ｉ）に基づく。より単純な方法は、α_ｉ＝ｅｘｐ（jθ_ｉ）を生じる等しい利得の合成に基づき、すなわち、異なる電極４０、４２からの信号は首尾一貫して加算される。

異なる電極４０、４２からの信号（電圧）を合成する及び選択するための異なる方法が記述されてきた。以下においては、重み付けパラメータα_ｉ又は他のパラメータを推定するための可能な方法が示される。これらの方法は、例えば、オフライン推定、トレーニングベースの推定、及び、データ支援のパラメータ推定を含む。

オフライン推定に対して、パラメータを送信機及び／又は受信機において局所的に推定して、重み付け係数｛α_ｉ｝の組を決定することができる。データの伝達又は１又は複数のトレーニング信号も必要とされない。いくつかのオフライン推定の方法が後に記述され、その方法においては、人体への容量結合の場合に、電極の対間の効果的な静電容量が実験的に決定される。あるいは、電極が人体に対してガルバーニ電気結合される場合には、電極間の抵抗を決定することができる。

選択合成に対して、数式１及び２と同様に、静電容量が最も低く、抵抗が最も高い場合にα_ｉｊ＝１が設定される。他の多様性案に対しては、関数ｆ（．）が存在し、静電容量値及び抵抗値Ｃ_ｉ，ｊ及びＲ_ｉ，ｊを重み付け値α_ｉ，ｊに変換し、すなわち、以下の式

になる。

その例は、α_ｉ，ｊ＝Ｃ_ｉ，ｊ ^−ｎ、又は、α_ｉ，ｊ＝Ｒ_ｉ，ｊ ^ｎでありえ、ｎ＝１又は２である。

オフライン推定の利点は、システムがデータを伝達又は受信しない、従って、処理電力が利用可能である間に適用することができるということである。また、送信機及び受信機が通信範囲にない場合でさえも適用することができる。

トレーニングベースの推定に対しては、既知のシーケンス又はトレーニングシーケンスが、重み付けパラメータの推定を可能にするよう伝達される。これは、体のチャネルを評価するのに伝達される別のパケットでありえ、「音声パケット（ｓｏｕｎｄｉｎｇ ｐａｃｋｅｔ）」とも呼ばれる。しかし、パケット伝達のプレアンブル部分も使用することができる。

図５は、重み付け又は選択パラメータのトレーニングベースの推定に対する概略的なデータパケットを示している。プレアンブル５０は、とにかく、同期化を可能にするためにデータ部分５２を有したパケット伝達に含まれており、それ自体は、大きな追加のオーバーヘッドを強要しない。プレアンブル５０は、繰り返しシンボルから成る場合が多くあり、この実施形態において使用し、トレーニングシーケンスを運ぶことができる。そのような手順で推定される典型的なパラメータは、β_ｉ、θ_ｉ、及び、ＳＮＲ_ｉである。

図６は、一実施形態によるＲＸパラメータを推定するための手順の流れ図を示している。

ステップＳ１１０において、受信機１０は、プレアンブル５０の第１のシンボルを使用して、同期化を始める。後に、ステップＳ１２０において、推定された能力パラメータを得るために、能力パラメータが、例えば１つずつ、異なる電極４０上で測定される。これは、たった１つのｉに対してα_ｉ＝１を設定することによって可能にされ得る。シンボル境界にて、受信機１０は、α_ｉ＋１＝１及びα_ｉ＝０を設定することによって、次の電極に切り替わる。それ自体では、異なる電極に対応するパラメータは、連続して推定される。ステップＳ１３０では、データが受信されるすぐ前に、例えばβ_ｉ及びθ_ｉ等の推定されたパラメータを使用して、データを受信するための正確な値に重み付けパラメータα_ｉを設定する。

多くのｉ値又は多数の（ｉ，ｊ）に対しては、全パラメータを推定するのに大きなオーバーヘッド（すなわち、長いプレアンブル）が必要とされることに留意されたい。このオーバーヘッドは、しかし、前のパケットのパラメータを記憶することによってかなり減らすことができる。従って、チャネルの時定数がパケット反復率と比較して低い場合には、ＲＸ電極４０のサブセットに対するパラメータのみが、パケットあたりに推定されなければならない。

データ支援のパラメータ推定に対しては、受信及び／又は検出されたデータ信号が、パラメータを推定するために使用される。検出されたシンボルに基づき、チャネルの振幅β_ｉ及びフェーズθ_ｉを、例えば以下の式、

に基づき決定することができ、

は、検出データに由来する伝達信号の推定である。別の方法によって、１又は複数の選択された電極を、パケットの周期冗長検査（ＣＲＣ）に基づかせることができる。この検査によって、パケットが誤って検出されたことが示された場合に、受信機１０は別の電極に切り替わることができる。この方法の利点は、余分なオーバーヘッドが必要とされないことである。

この送信機側でのカプラー多様性の場合において、２つのシグナル伝達法を単独又は組み合わせて適用する、すなわち、体のチャネルの相互作用性を使用するか、又は、チャネルパラメータのフィードバックを使用することができる。

第１のシグナル伝達法では、全てのＢＣＣ装置がトランシーバとして作用し、すなわち、送信機の機能も受信機の機能も有する。さらに、体のチャネルの相互作用性が使用され、それは、第１の装置から第２の装置までのチャネルが、第２の装置から第１の装置までのチャネルに等しいことを意味する。送信機は、従って、（同じ装置からの）受信フェーズ中に推定された、例えばβ_ｉ、θ_ｉ、及び、ＳＮＲ_ｉ等のパラメータを使用して、重み付けパラメータα_ｉの値を決定することができる。これらのパラメータは、上記の推定法の１つに基づき得る。

この第１のシグナル伝達法に対して、他の全ての装置に対して前に推定されたパラメータを記憶するルックアップテーブルをトランシーバに備えることができる。この数は、しかし、ヒト又は動物の体の上のノードの数が制限されるため、ＢＡＮに対して低くなるであろう。

第２のシグナル伝達法では、受信機によってチャネルのパラメータが推定され、そのパケットのデータ部分の検出後、これらの推定値を供給源（すなわち、送信機側）に送り返し、続く伝達のためにそれらを適用することができる。あるいは、受信機は、送信機に対するα_ｉの値を決定し、それらをフィードバックすることができる。この方法で、受信機は、ＴＸ及びＲＸを共同で最適化することができ、その能力を改善する。この推定プロセスを異なるＴＸ構成に対して可能にするために、例えば、全てのプレアンブルシンボルが別の電極によって伝達される等、プレアンブル期間において送信機をカプラーの電極板間で切り替えることができる。

提案された伝達システムは、従って、信号電極として又は参照電極として使用されることになる一組の電極を選択する能力を有する。提案されたシステムは、ＢＣＣ装置に接続されることになっている一組の電極、以下の異なる原理が１つの電極と残りの世界との静電容量に関する情報を提供するセンシング回路又は機能性、センシング回路又は機能性によって提供された情報に基づき、どの電極が人体へのカプラーとして考慮されるべきであるか、及び、どの電極が伝達電極（例えばアース等の外部環境へのカプラー）として考慮されるべきであるかを決定する構成制御装置又は機能性から成り得る。図３の例証的な配置において、センシング及び構成の機能性は、選択及び／又は合成ユニット３０によって提供することができる。

図７は、一実施形態による多重電極配置の例を示している。一般に、電極は、いかなる形状、いかなるサイズのものでもありえ、いかなる幾何学的な構成においても配置することができる。しかし、図７の配置等の電極の３次元（３Ｄ）分布を提供する幾何学的配置は、容量ベースのＢＣＣに有利である、大きく異なる集計された人体に対する静電容量を有した二組の電極を選択する高い可能性を提供する。

最適な配置を見つける解決策は、単に、全て（又は一組）の異なる電極配置を試し、どの電極配置がベストであるのかを決定することであり得る。前述のように、これは、別の受信機若しくは送信機との通信を介して、又は、装置を伝達モードに切り替え、出力駆動バッファにおける電流消費を測定することによって達成することができる。体に対して大きな静電容量を有した全ての電極が共にグループ分けされて、人体に対する優れた結合を提供することを確実にするため、最も低い電流消費を与える電極構成が最適な構成である。他の全ての電極が人体に対して小さい静電容量を有し、それは、それらの電極が、合成された伝達表面として共にグループ分けすることができるように周囲の環境に対して「自由な視界」を有さなければならないと意味していることは明らかである。例えば、装置の向きが変わる等、状況が変わる場合、伝達が消失した時でさえも、全ての異なる電極配置を通した新たな掃引が行われるまで古い構成を使用することができる。そのような掃引は、従って、定期的に行うことができる。

図８Ａ及び８Ｂは、他の実施形態による電極配置の例を示しており、各電極Ａ１乃至Ａ４は、例えば、ＢＣＣ通信に対してＢＣＣ電極４０として使用されることになる１つの大きな伝導体、及び、静電容量測定に対して測定ノード４３として使用されることになる１つの小さな伝導体等、２つの伝導体に分割されている。伝導体は、いかなる形状及びサイズのものでもあり得る。

この配置で、ＢＣＣ電極４０とその対応するセンシング又は測定電極４３との容量結合は、環境における伝導体表面の存在によって強く影響される。隔てられた（人体としての）伝導体表面が電極の近くにある場合、ＢＣＣ電極４０と測定電極４３との静電容量は増加する。この差は、既知の信号をＢＣＣ電極４０に適用し、測定電極４３での信号の振幅を評価することによって容易に検知することができる。この動作は、ＢＣＣ信号に属する全ての電極に対して並列又は直列で行うことができる。さらに、シグナル伝達に使用される周波数帯に対する周波数帯の差を使用することによって、スタンダードな動作中に測定を行うことができるか、伝達若しくは受信フェーズが開始されるすぐ前に測定を行うことができるか、又は、（所望の用途によって決定される）周期的ベースで測定を行うことができる。

静電容量測定が行われると、電極をグループに分類することは容易であり、例えば、外部の伝導体に対してより高い静電容量を示す電極は、人体へのカプラー、すなわち、信号電極として選択されるものであり、その他の電極は、参照電極として選択されるものである。

このトポロジーでは、種々のグループに属する電極の数を適応させることも容易である。人体に対する平均静電容量値を推定することができ、例えば、平均値よりも大きい静電容量を示す各電極を、人体への電極として選択することができる一方で、１又は複数のその他の電極は、環境への電極として選択されるべきである。この場合、数は少ないけれども、人体への容量結合に対して主に寄与する電極のみが、信号電極として選択される。

図９は、一実施形態による電極配置を制御するための制御回路トポロジーの概略図を示している。

ＢＣＣ電極とその対応する測定電極との静電容量は、その電極２２０と導電体（例えば人体）との距離に対する測定値である。静電容量は、既知の信号を電極に適用し、所定の負荷を有した測定電極にて結果として生じる信号の振幅を測定することによって測定することができる。この負荷は、共通の電圧Ｖ_ｃに対する抵抗器として図９に示されているが、原則として、例えばコンデンサ等のいかなるインピーダンス、コイル、又は、その組合せも使用することができる。さらに、図９の実施形態において、既知の信号が、非反転及び反転出力を有した緩衝増幅器２１０に供給された変調入力伝達信号に直接由来している。これは、反転出力での反転された伝達信号の振幅が元の伝達信号の振幅に等しいという事実により可能であり、各振幅検出器２３０の出力が対応する入力スイッチＳ_ｉの位置とは関係ないということを意味している。当然ながら、帯域外周波数にて、追加の独立した信号供給源を使用して、既知の測定信号を提供することも可能である。信号強度を表し且つ等しい抵抗器Ｒ_ｉからＲ_ｉ＋ｎを介して加算ノードに接続されるＤＣ電圧Ｖ_ｉを得るために、各振幅検出器２３０の出力はバッファ２４０にて緩衝され、個々のＶ_ｉ電圧全ての平均電圧Ｖ_ａｖｇを与える。各分枝は、個々の電圧Ｖ_ｉが平均電圧Ｖ_ａｖｇよりも高いか又は低いかを決定する比較器２５０を有し、この決定に基づき、対応する電極がスイッチＳ_ｉを介して伝達信号又は反転された伝達信号に接続される。その結果、（体に近い）平均よりも高い静電容量を示す全ての電極がグループ分けされて、１つのフェーズの伝達信号に接続される一方で、他の全ての電極が、反対のフェーズの伝達信号に接続される。

しかし、図９の構成は、どのようにして当該システムを組み立てることができるかということの単なる例であることに留意されたい。同等の機構も、異なる基本構成要素を用いて、又は、アナログ／デジタル（Ａ／Ｄ）変換後に、デジタル領域において、従って、ソフトウェアルーチンにも基づいて得ることができる。

伝達中、（例えば装置の向き等の）状態が変化した場合、提案された構成は、直ちに且つ継続して変更される。受信モードの間、前の伝達モードの最後の構成を使用することができるか、又は、帯域外信号を全ての電極に適用することができ、帯域内で受信された信号に影響を与えるべきではないが、電極配置の継続的適応を可能にする。

上記の実施形態は、適応性のある人体結合又は人体ベースのシステムとして多くの領域において実行することができる。大衆消費電子製品の分野では、無線接続をより容易に設定することができる。利用可能な電子装置（家庭用パソコン、ノート型パソコン、ポケットｐｃ、携帯電話等）の数が増えるに従い、これらの装置間の相互作用は、ますます、一般の使用者のために設定するのが困難になる。補助ツールとして、ＢＣＣシステムは、異種のプラットフォーム及びプロトコルを使用して、いくつかの異なる装置を接続するのに寄与し得る。例えば、ＢＣＣを用いて、ノート型パソコンと携帯電話とのＢｌｕｅｔｏｏｔｈ接続を２つの装置の簡単な接触によって設定することができ、例えば写真交換アプリケーションを可能にする。

ＢＣＣを使用して、自動車関係の領域に便利さをより提供する用途を実現化することもできる。その例は、触るだけで車を開けることができるカーエントリー、特定の使用者に対してのみ車の操作を可能にする盗難保護、現品票の取り付け、使用者から負担をぬぐい去って、車の設定を使用者の個人的な好みに調整し、車に乗り込んだ時に使用者がただちに認識される車の構成／個性化である。

さらに、自動商品識別は、患者の安全も作業の流れの能率も改善するために、医療用途においてますます必要とされる。人体結合通信に基づく患者識別子は、健康診断中の患者の自動認識、安全且つ自動の装置のつながり、個々の患者へのセンサ及び無線の測定を可能にする。

上記分野の用途全てにおいて、上記の実施形態で記述された解決策は、人体チャネル通信の信頼度を有意に上げる。

要約すると、カプラーデバイス、処理装置、及び、複数の電極又は電極の分割部分を有した電極配置を使用することによって検出された複数の人体結合通信信号を処理する方法が記述されてきた。人体結合通信信号のそれぞれの伝達パラメータが推定され、選択、グループ分け、及び、重み付けの処理のうち少なくとも１つが、推定された伝達パラメータに基づき、検出された人体結合通信信号に適用される。次に、処理された人体結合通信信号は合成され、多様性出力信号を生じる。

本発明は、図面及び前述の説明において詳細に例示及び記述されてきたけれども、そのような例示及び記述は、例証となるか又は好例であるとみなされ、限定されない。本発明は、開示された実施形態に限定されない。本開示を読むと、他の変更が当業者に対して明らかになるであろう。そのような変更は、当技術分野においてすでに既知であり、本明細書においてすでに記述された特徴の代わりに、又は、該特徴に加えて使用することができる他の特徴を含む場合がある。

開示された実施形態に対する変形は、図面、開示、及び付随の特許請求の範囲の検討から、当業者によって理解され得る、及び、影響を受け得る。特許請求の範囲において、「含む」という用語は、他の要素又はステップを除外せず、単数形の不定冠詞は、複数の要素又はステップを除外しない。例えば、図４及び６に関して記述されているように、対応するソフトウェアルーチンに基づき、１つの処理装置又は他のユニットが、選択及び／又は合成ユニット３０の機能を満たす場合がある。コンピュータプログラムを、他のハードウェアと共に、又は、他のハードウェアの一部として供給された光メモリ媒体又は固体記憶媒体等の適した媒体上に記憶／配信することができるが、インターネット又は他の有線若しくは無線テレコミュニケーションシステムによって等、他の形状でも配信することができる。特定の測定が相互に異なる従属項に記載されているという単なる事実は、これらの測定の組合せが役に立つよう使用することができないとは示さない。特許請求の範囲におけるいかなる参照番号も、その範囲を限定するとして解釈されるべきではない。

Claims (18)

1. 複数の人体結合通信信号を処理するための装置であって：
   （ａ）前記複数の人体結合通信信号を受信するための複数の入力端子；
   （ｂ）前記人体結合通信信号のそれぞれの伝達パラメータを推定するための推定手段；及び、
   （ｃ）選択処理及び重み付け処理のうち少なくとも１つを前記受信された人体結合通信信号に適用するための、並びに、前記処理された人体結合通信信号を合成して、多様性出力信号を生じるための信号処理ユニットであって、前記選択処理及び重み付け処理が、前記推定された伝達パラメータに基づき制御される、信号処理ユニット；
   を含む、装置。
2. 前記推定手段が、前記人体結合通信信号が受信されたカプラー電極間の静電容量又は抵抗のうち少なくとも１つを決定することによって前記伝達パラメータを局所的に推定するようにされる、請求項１に記載の装置。
3. 前記推定手段が、人体結合通信信号を介して受信されたトレーニングシーケンスに基づき前記伝達パラメータを推定するようにされる、請求項１に記載の装置。
4. 前記推定手段が、前記人体結合通信信号のパケットのプレアンブルにおいて前記トレーニングシーケンスを受信するようにされる、請求項３に記載の装置。
5. 前記推定手段が、前記人体結合通信信号の受信されたデータ信号に基づき前記伝達パラメータを推定するようにされる、請求項１に記載の装置。
6. 前記推定手段が、前記受信されたデータ信号のエラーチェックに基づき前記伝達パラメータを推定するようにされる、請求項５に記載の装置。
7. 前記推定手段が、前記選択処理を利用することによって、前記複数の人体結合通信信号のそれぞれに対して連続して前記伝達パラメータを推定するようにされる、請求項１に記載の装置。
8. 前記複数の人体結合通信信号が人体結合装置から受信されたものであり、前記人体結合装置の推定された伝達パラメータを記憶するためのルックアップテーブルを含む、請求項１に記載の装置。
9. 前記複数の人体結合通信信号が人体結合装置から受信されたものであり、前記推定された伝達パラメータを前記人体結合装置まで送り返すための送信機を含む、請求項１に記載の装置。
10. 前記信号処理ユニットが、前記複数の受信された人体結合通信信号を選択的に重み付けするための複数の掛け算器、及び、前記重み付けされた人体結合通信信号を加算するための加算器を含む、請求項１に記載の装置。
11. 前記信号処理ユニットが、前記複数の人体結合通信信号のそれぞれの強度を所定の閾値と比較するための複数の比較器、及び、前記多様性出力信号を生じるよう合成されることになる、信号強度が前記所定の閾値よりも高い人体結合通信信号を選択するための複数のスイッチを含む、請求項１に記載の装置。
12. 複数の人体結合通信信号を処理する方法であって：
    （ａ）複数の電極又は電極の分割部分を有した電極配置を使用することによって、人体結合通信信号を検出するステップ；
    （ｂ）前記人体結合通信信号のそれぞれの伝達パラメータを推定するステップ；及び、
    （ｃ）前記推定された伝達パラメータに基づき、選択処理及び重み付け処理のうち少なくとも１つを前記の検出された人体結合通信信号に適用し、前記処理された人体結合通信信号を合成して、多様性出力信号を生じるステップ；
    を含む方法。
13. 前記人体結合通信信号を検出した前記複数の電極又は電極の分割部分のそれぞれの間の静電容量又は抵抗のうち少なくとも１つを決定するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
14. 前記人体結合通信信号を介して受信されたトレーニングシーケンスに基づき伝達パラメータを推定するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 前記人体結合通信信号の受信されたデータ信号に基づき前記伝達パラメータを推定するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記選択処理を利用することによって、前記複数の人体結合通信信号のそれぞれに対して連続して前記伝達パラメータを推定するステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
17. 前記人体結合通信信号が人体結合装置から検出されたものであり、前記推定された伝達パラメータを前記人体結合装置へとシグナル伝達し返すステップをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
18. 請求項１２乃至１７のいずれか一項に記載の方法のステップを実行するためのコード化手段を含むコンピュータプログラム。

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