Uma tecnologia com potencial para ultrapassar os problemas das BAN descritos anteri- ormente ´e a comunica¸c˜ao acoplada ao corpo humano, Body Coupled Communication (BCC), tamb´em referida como Intra-body Communication (IBC) ou Human Body Communication (HBC).
BCC ´e uma tecnologia de comunica¸c˜ao que utiliza o corpo humano como canal de comu- nica¸c˜ao. Atrav´es de el´ectrodos colocados em contacto com o corpo humano, ou nas imedia¸c˜oes deste, ´e poss´ıvel a transmiss˜ao de sinais el´ectricos. Uma vantagem associada a este tipo de co- munica¸c˜ao, ´e o facto de que em quase toda a ´area do corpo humano, as perdas de propaga¸c˜ao, path loss, encontram-se abaixo dos 80 dB, mesmo quando os el´ectrodos encontram-se afastados do corpo humano [20].
2.5.1 M´etodos para comunica¸c˜ao atrav´es do corpo humano
Existem dois m´etodos para a transmiss˜ao de sinais utilizando o corpo humano, usualmente designadas por acoplamento galvˆanico e acoplamento capacitivo.
No m´etodo por acoplamento galvˆanico, s˜ao aplicados sinais diferenciais a um par de el´ectrodos transmissores, que necessitam de estar em contacto directo com o corpo. O corpo humano ´e tratado, neste caso, como um tipo especial de linha de transmiss˜ao [21], em que uma
2.5. Comunica¸c˜ao acoplada ao corpo humano
corrente propaga-se ao longo do corpo, e a diferen¸ca de potencial ´e detectada pelos el´ectrodos receptores, como mostra a figura2.9[22].
Figura 2.9: Acoplamento galvˆanico. Retirado de [21]
No m´etodo por acoplamento capacitivo, os el´ectrodos n˜ao necessitam de estar em contacto directo com o corpo humano, bastando encontrarem-se pr´oximos deste, como mostra a figura 2.10(a). Os el´ectrodos transmissores geram campos el´ectricos na superf´ıcie do corpo humano, sendo as varia¸c˜oes no campo detectadas pelo receptor. Portanto, esta m´etodo n˜ao gera radia¸c˜oes electromagn´eticas significativas, n˜ao interferindo assim com outros sistemas BCC ou RF. De modo a um sinal n˜ao radiante atravessar do transmissor para o receptor, um caminho de retorno (referˆencia) tem de ser fornecido [2]. Este m´etodo utiliza o ambiente externo como referˆencia como exemplifica a figura 2.10(b)[23] [21].
(a) (b)
Figura 2.10: Acoplamento capacitivo. (a) Distribui¸c˜ao do campo-el´ectrico (b) Modelo equi- valente el´ectrico. Retirado de [24]
e aplicacional. Tecnicamente, o m´etodo de acoplamento galvˆanico ´e vantajoso pois n˜ao ´e afectado pelas condi¸c˜oes externas, mas pelas condi¸c˜oes internas ao corpo. No entanto, ´e necess´ario que os el´ectrodos estejam em contacto directo com o corpo humano, sobre a pele ou no interior, enquanto que no m´etodo por acoplamento capacitivo podem estar sobre a roupa, ou no interior de um bolso.
Para aplica¸c˜oes de monitoriza¸c˜ao a longo termo, o m´etodo de acoplamento capacitivo parece ser a melhor solu¸c˜ao. Como este ´e o m´etodo adaptado, daqui em diante, o acr´onimo BCC ´e tamb´em utilizado para referir este m´etodo.
2.5.2 Near-field e far-field
O sistema BCC ´e por natureza, mais seguro que as tecnologias RF tradicionais, e tem uma maior eficiˆencia energ´etica. Devido ao alcance reduzido deste sistema, que se encontra confinado ao corpo humano, ou a imedia¸c˜oes deste, ´e pouco prov´avel que a comunica¸c˜ao seja interceptada pelo exterior. O alcance reduzido deste sistema de comunica¸c˜ao, deve-se ao facto da regi˜ao de trabalho ser o near-field. Para todos os efeitos, existem apenas duas regi˜oes de trabalho, relativamente `as comunica¸c˜oes sem fios, a regi˜ao utilizada em RF, far- field, e a utilizada neste tipo de sistema, a near-field. A diferen¸ca entre estas duas regi˜oes de trabalho, centra-se na distˆancia de comunica¸c˜ao, em que a regi˜ao far-field ´e caracterizada pelas grandes distˆancias de trabalho relativamente ao comprimento de onda do sinal transmitido, ao contr´ario da regi˜ao near-field, como mostra a figura 2.11.
Figura 2.11: As diferentes regi˜oes de acordo com o comprimento de onda de uma fonte EM. Retirado de [25]
A diferen¸ca fundamental das regi˜oes near-field e far-field centra-se no projecto da antena. Na regi˜ao near-field, o acoplamento electrost´atico ´e proporcional `a ´area da superf´ıcie do el´ectrodo. Para a regi˜ao far-field, a eficiˆencia de transmiss˜ao ´e maximizada pela adapta¸c˜ao da impedˆancia do transmissor com a impedˆancia do ar, free-space, onde s˜ao tipicamente utilizadas antenas com meio comprimento de onda [1].
Considerando um dip´olo est´atico, o campo el´ectrico apresenta um decaimento proporcional a r−3 na regi˜ao near-field, enquanto que na regi˜ao far-field, ´e apresentado um decaimento proporcional a r−1, onde r ´e a distˆancia da fonte ao ponto de observa¸c˜ao [26] [27]. A tabela na figura2.12descreve as regi˜oes de uma fonte electromagn´etica.
2.5. Comunica¸c˜ao acoplada ao corpo humano
Figura 2.12: Tabela descritiva das regi˜oes near-field e far-field. Retirado de [27]
A seguran¸ca do sistema BCC deve-se ao decaimento abrupto que o campo el´ectrico sofre na regi˜ao near-field. Os sistemas de comunica¸c˜ao utilizando as tecnologias RF tradicionais lidam com este problema implementando mecanismos de seguran¸ca, como encripta¸c˜ao das mensagens. No entanto, no sistema BCC, este problema ´e minimizado, uma vez que a partir de alguns dec´ımetros do corpo humano, n˜ao ´e poss´ıvel interceptar a comunica¸c˜ao.
A n´ıvel energ´etico, o sistema BCC ´e mais eficiente que as tecnologias RF. Enquanto que nas tecnologias RF, toda a energia radiada ´e perdida, mesmo que n˜ao existam receptores, no sistema BCC, apenas uma pequena parte da energia ´e perdida na comunica¸c˜ao entre o transmissor e receptor [26], devido `a natureza reactiva da regi˜ao de trabalho.
N˜ao tendo sido feito qualquer tipo de estudo relativamente aos efeitos deste tipo de tec- nologia no corpo humano, ´e esperado n˜ao haver efeitos nefastos para a sa´ude, uma vez que a energia envolvida na comunica¸c˜ao ´e significativamente menor que nas tecnologias RF.
2.5.3 Distribui¸c˜ao do campo el´ectrico
Em [28], ´e realizado um estudo da comunica¸c˜ao atrav´es do corpo humano, e a sua de- pendˆencia com a frequˆencia.
Os modelos assumidos, da antena e corpo humano, para este estudo s˜ao apresentados na figura2.13.
As distribui¸c˜oes do campo el´ectrico devido `a transmiss˜ao, no interior e exterior do corpo humano s˜ao analisadas `as seguintes frequˆencias de trabalho: 3 MHz, 30MHz, 300 MHz e 3GHz, como mostra a figura 2.14. A potˆencia de transmiss˜ao foi ajustada para 1 mW, e 0 dB corresponde a 500 V/m. A eficiˆencia de radia¸c˜ao para os casos analisados ´e apresentada na tabela2.1.
As distribui¸c˜oes a 3 MHz e a 30MHz s˜ao idˆenticas, sendo que a 30 MHz os n´ıveis est˜ao 20 dB abaixo. A 300 MHz, os n´ıveis da distribui¸c˜ao do campo el´ectrico s˜ao semelhantes aos de a 30 MHz. Devido `a redu¸c˜ao do comprimento de onda (1 m), as linhas do campo el´ectrico deixam de ser cont´ınuas, e a eficiˆencia de transmiss˜ao aumenta. Quando a frequˆencia ´e 3 GHz, os n´ıveis na retaguarda do corpo s˜ao relativamente baixos, e a eficiˆencia de radia¸c˜ao aumenta drasticamente. Adicionalmente, s˜ao geradas ondas (ripples) ao longo do corpo como se pode ver na figura2.14 (d).
Verifica-se ent˜ao que a implementa¸c˜ao deste sistema est´a limitada pela frequˆencia de trabalho utilizada. O comprimento de onda deve ser suficientemente maior que o corpo humano, para permitir que o campo el´ectrico criado pelo transmissor cubra a totalidade do
(a) (b)
Figura 2.13: Modelos utilizados neste estudo. (a) Caracter´ısticas da antena (b) Carac- ter´ısticas do corpo humano
Frequˆencia Eficiˆencia de radia¸c˜ao
3 MHz 0.0014%
30 fMHz 0.081%
300 MHz 6%
3 GHz 49%
Tabela 2.1: Eficiˆencia de radia¸c˜ao da antena a diferentes frequˆencias. corpo, e tamb´em de modo a reduzir a eficiˆencia de radia¸c˜ao.