SkinSense: Efficient Vibration-based Communications Over Human Body Using Motion Sensors
计 算 机 与 大 数 据 学 院 Fuzhou University SkinSense: Efficient Vibration-based Communications Over Human Body Using Motion Sensors 论 文 出 处 ： Internet of Things 发 表 时 间 ： 2023.10 作 者 ： Raveen Wijewickrama 、 Sameer Anis Dohadwalla 、 Anindya Maiti 、 Murtuza Jadliwala 、 Sashank Narain 作 者 单 位 ： 德 克 萨 斯 大 学 圣 安 东 尼 奥 分 校 、 印 度 理 工 学 院 达 尔 瓦 德 分 校 、 俄 克 拉 荷 马 大 学 、 马 萨 诸 塞 大 学 洛 厄 尔 分 校 SkinSense ： 一 种 利 用 运 动 传 感 器 通 过 人 体 进 行 高 效 振 动 通 信 的 技 术
1.摘要
1. 摘 要 研 究 动 机 目 前 ， 移 动 设 备 与 配 对 的 智 能 可 穿 戴 设 备 之 间 的 通 信 主 要 通 过 短 程 无 线 射 频 技 术 实 现 ， 如 蓝 牙 和 NFC ， 这 存 在 信 号 在 空 中 广 播 、 易 被 窃 听 、 干 扰 或 阻 塞 的 安 全 隐 患 。 本 文 方 案 提 出 SkinSense ， 一 种 利 用 人 体 皮 肤 作 为 物 理 信 道 进 行 隐 蔽 设 备 间 通 信 的 系 统 ， 发 送 设 备 （ 如 手 机 ） 通 过 振 动 马 达 产 生 编 码 的 机 械 振 动 ， 经 皮 肤 组 织 传 导 至 接 收 设 备 （ 如 手 表 ） 的 加 速 度 计 并 解 码 。
2.相关工作
2. 相 关 工 作 基 于 振 动 的 通 信 技 术 ， 采 用 振 动 电 机 和 运 动 传 感 器 （ 特 别 是 加 速 度 计 ） ， 先 前 已 针 对 各 种 形 式 的 底 层 通 信 介 质 （ 或 信 道 ） 进 行 了 研 究 ， 例 如 硬 表 面 、 直 接 设 备 到 设 备 接 触 等 。 Yonezawa 等 人 提 出 了 一 种 从 智 能 手 机 向 笔 记 本 电 脑 发 送 信 息 的 机 制 ， 智 能 手 机 需 要 与 笔 记 本 电 脑 保 持 物 理 接 触 ， 笔 记 本 电 脑 通 过 嵌 入 的 或 板 载 的 加 速 度 计 检 测 振 动 。 Roy 等 人 提 出 Ripple ， 通 过 使 用 定 制 的 现 成 振 动 电 机 和 加 速 度 计 芯 片 ， 实 现 了 高 达 200 bps 的 数 据 速 率 ， 使 用 消 费 级 智 能 手 机 则 高 达 80 bps ， 在 方 案 中 采 用 了 固 体 表 面 （ 如 木 桌 子 ） 作 为 通 信 介 质 。 Ma 等 人 提 出 Skin-MIMO ， 探 索 了 在 人 体 皮 肤 上 使 用 多 个 振 动 电 机 和 压 电 传 感 器 实 现 多 输 入 多 输 出 通 信 ， 但 仅 使 用 了 两 名 参 与 者 进 行 评 估 ， 普 适 性 和 实 用 性 有 待 验 证 。
3.符号定义
3. 符 号 定 义 参 数 作 用 PWM PWM 值 直 接 控 制 振 动 电 机 的 驱 动 电 压 ， 从 而 决 定 其 振 动 频 率 和 幅 度 。 值 越 大 ， 频 率 越 高 。 不 同 的 PWM 值 代 表 不 同 的 二 进 制 编 码 。 例 如 ， SkinSense 选 用 20 、 30 、 60 、 100 四 个 档 位 ， 可 编 码 2 比 特 数 据 。 ON time 指 振 动 电 机 被 打 开 的 毫 秒 （ ms ） 数 ， SkinSense 选 用 250 ms 和 500 ms ， 编 码 1 比 特 数 据 。 OFF time 指 两 个 连 续 振 动 脉 冲 之 间 的 毫 秒 数 ， SkinSense 选 用 150 ms 和 300 ms ， 编 码 1 比 特 数 据 。
4.模型
4. 模 型 发 送 端 将 要 传 输 的 数 据 转 换 为 二 进 制 比 特 流 。 将 比 特 流 按 4 比 特 为 单 位 进 行 分 组 ， 形 成 多 个 “ 码 字 ” 。 根 据 预 设 的 编 码 规 则 （ 2 比 特 PWM 值 ， 1 比 特 开 启 时 间 ， 1 比 特 关 闭 时 间 ） ， 将 每 个 码 字 编 码 为 一 组 具 体 的 PWM 、 开 启 、 关 闭 参 数 。 接 着 ， 将 编 码 后 的 参 数 序 列 发 送 给 振 动 电 机 驱 动 模 块 ， 执 行 振 动 操 作 。 生 成 上 述 频 率 的 振 动 。 振 动 通 过 人 体 皮 肤 传 播 。
4.模型
4. 模 型 接 收 端 对 原 始 加 速 度 计 数 据 进 行 短 时 傅 里 叶 变 换 ， 得 到 信 号 在 时 频 域 的 表 示 ， 即 频 谱 图 。 PWM 值 ： 在 频 谱 图 中 ， 通 过 峰 值 检 测 算 法 识 别 出 信 号 的 主 要 频 率 成 分 ， 从 而 推 断 出 发 送 端 使 用 的 PWM 值 。 ON time 和 OFF time ： 通 过 检 测 频 率 从 有 到 无 或 从 无 到 有 的 转 折 点 ， 来 界 定 每 个 振 动 符 号 的 起 止 时 间 。 利 用 预 先 发 送 的 导 频 序 列 校 准 参 数 偏 差 ， 将 分 离 出 的 符 号 映 射 回 对 应 的 比 特 信 息 。
4.模型-一个PIN传输示例
4. 模 型 - 一 个 PIN 传 输 示 例 一 个 4 位 的 PIN 首 先 被 编 码 成 振 动 模 式 （ 由 开 启 、 关 闭 和 PWM 参 数 组 成 ） ， 然 后 被 传 输 。 然 后 ， 从 接 收 到 的 加 速 度 计 信 号 组 成 的 频 谱 图 用 于 基 于 振 动 脉 冲 检 测 相 关 的 开 启 、 关 闭 和 PWM 参 数 ， 然 后 这 些 参 数 被 用 来 成 功 解 码 并 输 出 原 始 PIN 。
5.实验-设置与数据集
5. 实 验 - 设 置 与 数 据 集 定 制 硬 件 平 台 ： 发 送 端 ： 使 用 Arduino Uno 板 控 制 一 个 ERM 振 动 电 机 ， 电 机 安 装 在 一 个 智 能 手 机 保 护 套 上 以 模 拟 手 持 设 备 。 接 收 端 ： 使 用 Arduino Nano 板 连 接 MPU6050 MEMS 运 动 传 感 器 （ 含 三 轴 加 速 度 计 和 陀 螺 仪 ） ， 传 感 器 安 装 在 Sony 智 能 手 表 的 表 带 上 以 模 拟 腕 戴 设 备 。 数 据 集 ： 13 名 年 龄 在 18-29 岁 的 参 与 者 。 让 参 与 者 手 握 定 制 发 射 端 ， 同 手 佩 戴 定 制 接 收 端 ， 测 试 不 同 距 离 、 设 备 方 向 、 运 动 状 态 （ 静 止 / 行 走 ） 下 的 通 信 。 主 要 评 估 指 标 为 误 码 率 （ BER ， 错 误 解 释 的 比 特 数 的 比 例 ） 、 比 特 率 （ BR ， 每 单 位 时 间 传 输 的 比 特 数 ） 。
5.实验-结果对比
5. 实 验 - 结 果 对 比
5.实验-结果分析
5. 实 验 - 结 果 分 析 图 8a 看 出 ， 当 电 机 位 于 中 部 位 置 时 ， 性 能 略 有 下 降 ， 而 对 于 顶 部 和 底 部 位 置 ， 得 到 的 平 均 误 码 率 相 当 。 图 8b 看 出 ， 在 中 部 电 机 位 置 ， 对 于 一 半 的 参 与 者 ， 得 到 的 误 码 率 低 于 0.15 ， 当 电 机 位 于 手 持 设 备 的 顶 部 时 ， 尽 管 离 接 收 器 （ 加 速 度 计 ） 最 远 ， 但 振 动 使 得 整 个 手 持 设 备 更 活 跃 。 这 反 过 来 导 致 更 强 的 振 动 信 号 到 达 接 收 器 的 加 速 度 计 。 当 电 机 安 装 在 手 持 设 备 的 底 部 时 ， 也 观 察 到 了 类 似 的 效 果 。 图 8 f 描 绘 了 每 个 发 射 器 - 接 收 器 距 离 的 误 码 率 累 积 概 率 分 布 ， 我 们 可 以 看 到 ， 在 顶 部 和 底 部 位 置 ， 接 近 70% 的 情 况 下 ， 可 实 现 的 误 码 率 低 于 0.15 。
5.实验-与相关工作对比
5. 实 验 - 与 相 关 工 作 对 比 • VibeRing 中 智 能 戒 指 发 射 器 需 要 与 接 收 器 IoT 设 备 直 接 接 触 才 能 进 行 可 靠 通 信 ， 同 Vib-Connect 和 SYNCVIBE 。 Ripples 是 在 木 板 这 类 刚 性 介 质 下 传 播 通 信 的 ， 因 此 数 据 速 率 相 对 较 高 。 • 尽 管 SecureVibe 实 现 了 20 bps 的 比 特 率 ， 但 他 们 的 设 置 要 求 智 能 手 机 直 接 放 在 植 入 设 备 上 方 ， 运 动 传 感 器 和 智 能 手 机 之 间 的 距 离 仅 为 1 厘 米 。 而 SkinSense 框 架 在 手 持 智 能 手 机 （ 振 动 电 机 ） 和 腕 戴 设 备 （ 运 动 传 感 器 ） 之 间 距 离 达 15 厘 米 时 仍 然 有 效 。
6.结论
6. 结 论 本 文 提 出 并 验 证 了 SkinSense ， 一 种 利 用 人 体 皮 肤 作 为 物 理 信 道 进 行 隐 蔽 设 备 间 通 信 的 系 统 。 在 理 论 和 实 验 上 证 明 了 利 用 皮 肤 振 动 信 道 实 现 高 物 理 安 全 性 设 备 间 通 信 的 可 行 性 。 未 来 展 望 • 提 升 带 宽 ： 探 索 更 高 效 的 编 码 与 调 制 方 案 ， 在 相 同 硬 件 上 提 升 数 据 速 率 。 • 增 强 鲁 棒 性 ： 研 究 更 先 进 的 自 适 应 滤 波 和 机 器 学 习 算 法 ， 以 应 对 更 复 杂 的 运 动 场 景 。 • 扩 展 应 用 ： 研 究 在 更 多 设 备 对 （ 如 戒 指 - 手 机 、 耳 机 - 眼 镜 ） 间 的 通 信 ， 并 探 索 与 生 物 特 征 结 合 的 增 强 认 证 方 案 。
谢谢！
计 算 机 与 大 数 据 学 院 Fuzhou University 谢 谢 ！