Annual Review No.24

人体通信技術を用いたシームレスな自動改札システム実現に向けた研究調査（その 3）【2021 年度

KR-083】

電気通信大学 大学院情報理工学研究科 機械知能システム学専攻

准教授 村松 大陸（前 東京理科大学 研究推進機構 総合研究院 プロジェクト研究員）

１．調査研究の背景な通信が可能となる。本システムの実現には、①ウェ
アラブルタグを駆動するための人体を介した電力給

Felica に代表される非接触 IC カードは 2001 年

電、②既存の非接触 IC カード技術におけるバックに Suica として利用が開始されて以来、鉄道改札のスキャッタ通信同様にタグのインピーダンス変化を業務効率を劇的に改善し、自動販売機や店舗におけリーダ側で検出、③改札での運用に耐えうる超低遅る電子マネー決済の普及にも貢献してきた。このシ

延通信かつ超高速処理（通信開始から全処理完了まステムでは、IC カードをリーダ端末にかざすというで 200 ms 以下）、④安定した通信を実現するアン

動作を「入出場や決済の意思表示」と関連付けるこテナ電極の設計、⑤電力給電の媒体となる人体へのとで、セキュアな通信と利便性を両立している。一電磁曝露の最小化、等が必要となる。これらを実現

方で、情報読取時に利用者は鞄やポケットからカーする要素技術を、申請者が専門とする生体電磁環境、ドを取り出す必要があり、混雑時は改札付近での流アンテナ伝搬、無線通信方式といった分野で調査す動を阻害し業務効率を低下させる一因となっている。

る。同テーマで 2019 年度および 2020 年度調査研

本研究の目的は、改札業務のさらなる効率化に向け、究助成を受け、①は解析実験の両面から十分な調査対象に「触れる」という自然な動作のみで通信するを完了、②はインピーダンス変化量とユーザ個人差「人体通信」技術 1) を用いたシームレスな自動改札の見積もりを完了、④は人体周辺の電界分布の解析システムの実現を目指し、要求される仕様および必を完了した。2021 年度は③④⑤を実現する通信方要となる要素技術について調査および研究すること式およびアンテナ電極について調査した。以下に主である。

な調査結果の概要を示す。

２．調査研究の概要(1) 想定するアプリケーション
現在 Suica 等の非接触 IC カードで運用される自本研究で提案するシステムは、手首等に既存シ動改札システムでは、情報読取時にユーザは鞄やポステムの非接触 IC カードに相当するバッテリレスケットからカードを取り出しセンサ部にタッチする- ウェアラブルタグを装着した状態で改札のリーダ必要がある。一方で、機器を身につけていれば「触電極部に触れることで、人体を介してからリーダからタグに電力給電すると同時に決済情報や入出場の記録を送信する。このとき、図 1 に示すようにリーダ（送信側）から指先へ入力された電気信号はユーザの周囲に電界としてオーラのように分布するため、ウェアラブルタグ（受信側）の装着位置やリーダ機器に触れる部位に制限がないことが特長である。一方で、ユーザの指がリーダ機器からわずかでも離れると電界は伝搬せず、従来システム同様にセキュア

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図117

人体周囲に分布する電界の数値電磁界解析例

れる」だけで通信可能な人体通信を自動改札システ時間に起因した伝送遅延が課題となるため、チャネムへ適用することで、ユーザの利便性や改札の業務

ル復号前情報 ( 信号対雑音比など ) を用いて、チャ効率が劇的に改善されると考えられる。具体的には

ネル復号完了を待たずに早期の再送要求を行う手法

図 2 に示すように、バッテリレスのウェアラブル機を提案し評価した。計算機シミュレーションの結器をユーザが装着し、手のひらで改札機の電極に触果、提案法では若干のスループットの劣化を許容すれることで、設置機器からユーザの体を介してウェることで従来のチャネル復号後の再送要求に基づくアラブル機器に電力と情報を伝送するパッシブ方式

HARQ に比較し、伝送遅延時間を大幅に低減できる人体通信を想定し評価する。

ことがわかった。図 3 に示すように、本手法を人体通信による自動改札システムに適用することで、入バッテリレス
ウェアラブル機器退場のタグ読み取りを高速化することが可能と考えられる。具体的な遅延 - スループット特性について

電極も、これまでに得られた人体のチャネル特性を用い自動改札機

人体経由で電力/情報を伝送て今後評価する予定である。
改札機筐体

送信情報ビット系列

図 2 パッシブ方式人体通信による自動改札システム

誤り検出
符号化

(2) 改札での運用に耐えうる超低遅延通信

誤り訂正
符号化

変調

通信路(人体チャネル)

鉄道改札を通過するユーザの流動を阻害しないた
めに、入退場のタグ読み取りには高速低遅延の通信（通信開始から全処理完了まで 200 ms 以下）が求め復調られる。このため、人体通信と組み合わせが可能な提案法
誤り訂正復号前に再送判断

無線通信方式について調査を行った。スマートフォンや各種のセンサなどの普及にともない爆発的に増図3大する無線トラヒックを収容するため、第 5 世代移誤り訂正
復号

誤り検出
復号

従来法
誤り訂正復号後に再送判断

人体通信における HARQ の構成

動通信システム (5G) の研究開発が行われ、一部は(3) 安定した通信を実現するアンテナ電極の設計実用化されている。モバイルブロードバンド伝送に主眼をおいた LTE, LTE-Advanced のような第 4 世代

安定した人体通信の実現には、生体と電磁波の相移動通信システム (4G) に比較し、5G では、(i) 拡張互作用を考慮した上で人体に装着するタグ電極をされたモバイルブロードバンド (eMBB： enhanced設計することが重要である。2019 年度の調査では、

mobile broadband)、(ii) 非常に高い同時接続性を有

人体全身を均質な電気定数を持つ角柱の組みあわせ

す る マ シ ン 型 通 信 (mMTC： massive machine-typeで構成して伝送特性や電界分布を計算した。2020

communications)、(iii) 超高品質低遅延通信 (URLLC：

年度は、独立行政法人 情報通信研究機構から提供

ultra-reliable low latency communications) など各種を受けた詳細人体モデル 3) の各組織に周波数依存すの無線通信サービスの提供が想定されている。この生体組織の電気定数 4) を割り当て、手首に装着したなかでも、(iii) URLLC のような伝送遅延を極限までタグ電極の入力インピーダンスを数値電磁界解析に低減する方式が、鉄道改札における通信方式としてよって計算し、性別 ( で異なる組織構造 ) の影響おふさわしいと考えられる。著者は過去に、移動無線

よび皮膚の水分状態の影響を見積もった。さらに被システムにおける URLLC への適用を想定した検討

験者実験によりタグ電極の入力インピーダンスを被2)を行っている 。特に、高信頼の通信を実現するた

験者実験によって測定し、ユーザの個人差が入力イめに必要となるハイブリッド自動再送要求 (HARQ：ンピーダンスに与える影響を見積もった ( 図 4)。 本

hybrid automatic repeat request) を用いた場合に増年度は、得られた特性に基づき図 5 に示すウェアラ大する伝送遅延を低減する手法について検討した。

ブルタグ電極を試作した。本アンテナはフレキシブ

具体的には、HARQ では主にチャネル復号に要する

ル基板と生体適合メッキ処理した導体箔で構成され、Annual Review 2022.5 No.2418手首だけでなく人体の様々な部位に密着して配置でる、このとき、人体通信により生じる電界が生体にき、繰り返し使用も可能である。試作タグ電極の入与える影響を確認するため比吸収率 (SAR： specific

力インピーダンス特性を図 6 に示す測定系を用いたabsorption rate) を計算した。SAR は体重 1 kg あた被験者実験で評価した。その結果、歩行時の腕振りりで 1 秒間に吸収されるエネルギーとして定義され、を想定してタグ電極を装着した被験者の腕を動かし高周波電磁界が生体に及ぼす熱作用の指標として用た場合、2021 年度の入力インピーダンス特性評価いられる。SAR は電界強度 E [V/m]、導電率σ [S/m]、に用いた板状電極に比較して、入力インピーダンス生体組織の密度ρ [kg/m3] を用いて、次式 (1) のよの変動を 1/10 以下に抑制することが可能であった。

うに表される。

インピーダンス整合により伝送効率を向上すること

σE 2
SAR =
ρ

を考慮した場合、入力インピーダンスが安定する試
作タグ電極は極めて有用であると考えられる。

また、図 7 に詳細腕部モデル断面の SAR 分布を 2(4) 生体安全性の評価

W/kg を 0 dB として規格化して示す。SAR が最大と人体通信ではユーザの体そのものを伝送路としてなったのは送信機の電極間の皮膚部分であり、腕部利用するため、電磁曝露の点で生体への安全性を担

組織 10 g あたりの局所 SAR の最大値は 0.35 W/kg保することが極めて重要となる。Bluetooth や Wi-Fiとなった。これは総務省の電波防護指針 5) に示されなどの一般的な無線通信システムで使用される受信る局所吸収制限である、任意の組織 10 g 当たりのモジュールの受信限界感度である -70 dBm を想定

局所 SAR が職業的曝露で 10 W/kg、公衆の曝露でした場合、今回提案するタグ電極では 2 V 入力時に2 W/kg 以下であることを十分に満たしている。こしたときに受信抵抗において受信限界感度を満足す

0600

Male model (dry skin)-100

Male model (dry skin)

Input impedance Im(Zin) [Ω]Input impedance Re(Zin) [Ω]500(1)

400300200
100-200-300-400

Male model (wet skin)-500

Male model (wet skin)
0-600

110Frequency [MHz]図4110010Frequency [MHz]

被験者実験によるタグ電極入力インピーダンスの測定結果
Impedance analyzer

Circuit board(cupper plate)
Coaxial cable
Wearable antenna

Human arm

図5試作したウェアラブルタグ電極

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図619

SMA connector

Electrodes

入力インピーダンスの測定系

100

Shoulder
0x-100--75

10-25--50Finger[cm]0z図7

腕モデル断面の SAR 分布参考文献・引用文献のことから、電磁波の熱作用という点で、本技術は生体に対して十分に安全な通信技術といえることが

1) T.G. Zimmerman： “Personal Area Networks：

明らかとなった。

Near-Field Intra-Body Communication,” IBM Sys.
Jour., Vol.35, No.3&4, pp.609-617, 1996.

3．調査を終えて

2) Y. Imamura, et al.：“Low latency hybrid ARQ

第 5 世代移動通信システム ( いわゆる 5G) や人

method using channelstate information be-

工知能など高性能かつ多機能な技術が次々に登場し、fore channel decoding,” in Proc. APCC2017,

人類社会に多大な影響を及ぼしている。一方その進

Perth,Australia, 11-13 Dec. 2017.

歩の速さに比べ、これらの技術を利用する主体たる

3) T. Nagaoka, et al.： “Development of realistic

べき人間からみた「使いやすさ」は後れをとっては

high-resolution whole-body voxel models of Jap-

いないか ? 本研究調査で対象とした自動改札、そのanese adult males and females of average height

他多くのシステムにおいて最終的なユーザはもちろand weight, and application of models to ra-ん人間である。その人間の原初的な行動や動作 ( 例dio-frequency electromagnetic-field dosimetry”,

えば今回の自動改札であれば「触れる」という動作 )Phy. Med. Biol, Vol.49, pp.1-15, 2004.

を入力情報とし、様々なシステムを無意識にストレ

4) S. Gabriel, R.W. Lau, and C. Gabriel： “The Di-

スなく利用できたら素晴らしい、こうした思想が私electric Properties of Biological Tissues： II.の研究の根底にある。今回の調査研究が自動改札シMeasurements in the Frequency Range 10 Hz to

ステムのみならず、広い意味で人間と技術のシーム

20 GHz,” Phys. Med. Biol. Vol.41, pp.2251-2269,

レスな融合にわずかでも資するものとなれば幸いで1996.

ある。□

5) 総 務 省 電 波 防 護 指 針 (http：//www.tele.soumu.
go.jp/)

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