[논문]신체 외부 고속 통신에서 Noncoherent 수신기 기반의 안테나 선택 기법

박종석; 황재호; 장성진; 김재명; 이형수

초록
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WBAN은 인체 내부 혹은 인체로부터 3미터 이내의 주변에서 일어나는 근거리 무선 통신을 목적으로 하는 네트워크이며 운전자의 생체 정보를 분석하여 보다 안전한 차량 운전이 가능하도록 하는 차량 산업에 적용할 수 있다. 본 논문에서는 고속 WBAN 시스템의 요구 조건을 만족하기 위한 UWB 기술과 다중 안테나 기법에 대해 논하고 Noncoherent UWB 수신기를 이용한 수신 안테나 선택 기법을 제안한다. 제안된 방식은 Noncoherent 수신기를 이용하여 BPPM 구간의 에너지 비율을 비교하여 수신 신호를 선택하는 기법으로 2~4개의 수신 안테나 환경에서의 성능을 비교 하였고, 시스템의 요구조건인 10-3 BER을 만족하는 경우에는 수신 신호의 에너지 크기를 비교하여 안테나를 선택하는 방식에 비해 4dB 이상의 성능 향상을 보였다.

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As the development of wireless techniques, transmission technology of body area network plays an important role in realizing a welfare society by combining IT and BT when applying to vehicles. Off-body WBAN (Wireless Body Area Network) systems for video data transmission require low battery consumpt...

As the development of wireless techniques, transmission technology of body area network plays an important role in realizing a welfare society by combining IT and BT when applying to vehicles. Off-body WBAN (Wireless Body Area Network) systems for video data transmission require low battery consumption and high data rate. To satisfy the requirement, UWB has been considered as a promising candidate for high rate WBAN. This paper introduces an antenna selection technique for ultra-wideband based off-body WBAN system with low complexity. In this paper, we propose an antenna selection scheme using non-coherent receiver for off-body high data rate WBAN system. The proposed receiver antenna selection method takes advantage of the characteristic of BPPM (Binary Pulse Position Modulation). With the property of BPPM, this scheme calculates the approximate SNR of the received signal with non-coherent receiver.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 LOS 전파 경로를 확보하기 위한 다중 수신 안테나 기법을 고려하였으며 다중 수신기의 안테나 선택 기법에 대해 논한다.
인체 뒷면 방향에서 성능 열화의 원인은 인체에 의한 차단(shadowing) 효과 때문이므로 이를 극복하기 위해서는 송수신기 간에 새로운 전파경로 확보가 필요하다. 본 논문에서는 다중 안테나를 사용함으로써 다중 통신 링크를 확보하는 방법을 고려한다.
본 논문에서는 인체 외부 고속 통신을 위한 물리층 심벌 구조를 바탕으로 인체 외부 고속 통신을 위한 안테나 선택 기법을 제안하고 성능을 비교 분석한다. 제안하는 기법은 SIMO(Single Input Multi Output) 구조를 갖는 WBAN에서 PPM 구조의 특성을 이용하여 효과적으로 신호를 선택한다.

가설 설정

외부에 위치한 수신 안테나와 인체와의 방향은 90° 단위로 가정한다.
CM4의 송수신기 안테나는 전방향성 안테나를 사용하며 인체 외부의 안테나 위치는 인체 표면으로부터의 각도에 따라 앞면(0°), 옆면(90°, 270°), 뒷면(180°) 4가지로 구분된다. 인체 표면에 위치한 안테나는 인체의 정면(앞면)에 위치한다고 가정한다. 다음 그림 3은 인체 위치에 따른 다중 경로 지연 임펄스 응답을 보여준다.

제안 방법

채널 추정 과정 없이 에너지 디텍터를 이용하여 대략적인 SNR 값을 측정하며 이 값을 바탕으로 수신 안테나를 선택하는 방식이다. WBAN 채널 모델을 바탕으로 2~4개의 수신 안테나 환경에서 각각 시뮬레이션을 수행하였다. 3개의 수신 안테나를 사용할 경우 8~13 dB에서 동영상, 의료용 영상등을 위한 최소 요구사항인 10^-3 BER 을 만족하고 4개의 수신 안테나를 사용할 경우 약 13 dB에서 10^-4 BER 성능을 만족하였다.
신호의 에너지 값을 비교하여 수신 안테나를 선택하는 안테나 선택 방식을 본 논문에서 제안하는 선택기와의 성능 비교를 위해 사용하였다.
외부에 위치한 수신 안테나와 인체와의 방향은 앞면(0°), 옆면(90°, 270°), 뒷면(180°) 이라 가정하고 성능을 비교 하였다.
이러한 요구사항을 만족하기 위하여 UWB 기술을 적용시킨 물리층 심벌 구조가 [7]에서 소개되었고, 채널 코딩보다 심벌 길이를 늘인 경우가 다중경로 채널에 더 강인하며 연집 구간에 적은 수의 칩을 사용하는 것이 성능 향상에 효과적임을 보여주었다. 이를 바탕으로 본 논문에서는 15 Mbps 의 전송속도를 만족하면서 WBAN 채널 상황에서 효과적인 성능을 나타내는 그림 1의 심벌 구조를 사용한다.
본 논문에서는 인체 외부 고속 통신을 위한 물리층 심벌 구조를 바탕으로 인체 외부 고속 통신을 위한 안테나 선택 기법을 제안하고 성능을 비교 분석한다. 제안하는 기법은 SIMO(Single Input Multi Output) 구조를 갖는 WBAN에서 PPM 구조의 특성을 이용하여 효과적으로 신호를 선택한다. 2장에서는 고속전송을 위한 WBAN 심벌 구조를 소개하고 3장에서는 Off-Body WBAN 통신에서 성능 저하가 생기는 요인과 이를 극복하기 위한 다중 안테나 기법과 안테나 선택 기법을 설명한다.
그림 6은 본 논문에서 제안하는 안테나 선택 기법을 이용하는 고속 WBAN 수신기의 구조이다. 제안하는 안테나 선택 기법은 수신된 신호의 BPPM 구간에서의 에너지의 크기를 비교하여 그 비율값을 바탕으로 수신 안테나를 선택하다. 수신 신호의 에너지를 비교하여 선택하는 기존의 방식에 비해 복잡도의 큰 증가 없이 성능을 향상 시킬 수 있으므로 인체통신이 요구하는 저전력, 고신뢰성을 만족시킬 수 있는 수신 안테나 선택 기법이다.
반송파를 이용하지 않는 UWB-IR을 위한 변조 방식으로는 펄스의 위치에 따라 비트 정보를 전송하는 이진 PPM 방식인 BPPM을 사용하였고 검출 방식으로는 에너지 디텍션 방식을 사용하였다. 채널 코딩을 고려하지 않았으며 채널 모델로는 AWGN과 UWB 대역인 3.1~10.6 GHz 에서의 인체 외부 통신 환경인 WBAN CM4를 적용하였다. 외부에 위치한 수신 안테나와 인체와의 방향은 90° 단위로 가정한다.

대상 데이터

CM4는 3.1-10.6 GHz 의 UWB 주파수 대역에서 LOS, NLOS 를 고려한 채널 모델이며 [11]에서 측정한 데이터를 기반으로 한다.
본 논문에서 고속전송 WBAN의 성능 분석을 위해 사용한 채널 모델은 인체 표면과 인체 외부 사이의 통신 링크 모델인 CM4 이다.

이론/모형

성능 검증을 위해 사용된 시뮬레이션 환경은 표 3과 같다. 반송파를 이용하지 않는 UWB-IR을 위한 변조 방식으로는 펄스의 위치에 따라 비트 정보를 전송하는 이진 PPM 방식인 BPPM을 사용하였고 검출 방식으로는 에너지 디텍션 방식을 사용하였다. 채널 코딩을 고려하지 않았으며 채널 모델로는 AWGN과 UWB 대역인 3.
그림 1은 고속 WBAN의 물리층 심벌 구조를 나타낸다. 변조 방식은 펄스의 위치에 정보를 실어 보내는 이진 PPM 방식인 BPPM 을 사용한다. 동일한 전송속도를 위해서는 심벌 길이를 줄여야 하는 채널 코딩은 고려하지 않은 심벌 구조이다.
제안된 안테나 선택 기법은 BPPM 방식의 특성을 이용한다. 채널 추정 과정 없이 에너지 디텍터를 이용하여 대략적인 SNR 값을 측정하며 이 값을 바탕으로 수신 안테나를 선택하는 방식이다.

성능/효과

WBAN 채널 모델을 바탕으로 2~4개의 수신 안테나 환경에서 각각 시뮬레이션을 수행하였다. 3개의 수신 안테나를 사용할 경우 8~13 dB에서 동영상, 의료용 영상등을 위한 최소 요구사항인 10^-3 BER 을 만족하고 4개의 수신 안테나를 사용할 경우 약 13 dB에서 10^-4 BER 성능을 만족하였다. 수신 신호의 에너지 크기를 비교하여 신호를 선택하는 안테나 선택 기법과 비교하여 복잡도의 큰 증가 없이 성능을 향상 시킬 수 있었다.
외부에 위치한 수신 안테나와 인체와의 방향은 앞면(0°), 옆면(90°, 270°), 뒷면(180°) 이라 가정하고 성능을 비교 하였다. 모든 경우에서 본 논문에서 제안한 선택 기법이 수신 신호의 에너지를 비교하여 선택하는 방식보다 뛰어난 성능을 보였다.
본 논문에서 사용하는 고속 WBAN PHY 심벌 구조를 살펴보면, 15 Mbps의 전송률을 얻기 위해 심벌 길이가 줄어들었고 그로 인하여 T_BPM이 채널의 최대 지연 확산 시간 이하가 되어 다중 경로에 의한 간섭에 취약하게 된다. 그림 3은 [10]에서 제안한 채널모델 CM4 에서의 고속 WBAN 시스템의 성능을 보여준다.
3개의 수신 안테나를 사용할 경우 8~13 dB에서 동영상, 의료용 영상등을 위한 최소 요구사항인 10^-3 BER 을 만족하고 4개의 수신 안테나를 사용할 경우 약 13 dB에서 10^-4 BER 성능을 만족하였다. 수신 신호의 에너지 크기를 비교하여 신호를 선택하는 안테나 선택 기법과 비교하여 복잡도의 큰 증가 없이 성능을 향상 시킬 수 있었다.
앞면(0°), 옆면(90°, 270°), 뒷면(180°) 4 방향에 수신 안테나가 위치하며 본 논문에서 제안한 선택 기법이 수신 신호의 에너지를 비교하여 선택하는 방식보다 뛰어난 성능을 보였다.
실선은 본 논문에서 제안한 선택 기법을 사용한 수신기의 성능을 나타내며 점선은 신호의 에너지를 비교하여 선택하는 방식을 적용한 수신기의 성능을 나타낸다. 인체 외부에 2개의 안테나가 배치된 모든 경우마다 본 논문에서 제안한 선택 기법이 수신 신호의 에너지를 비교하여 선택하는 방식보다 뛰어난 성능을 보였다. 앞면과 옆면에 외부 안테나가 위치한 경우에 20 dB 근처에서 10^-4 BER 성능을 만족한다.

후속연구

이와 같은 결과를 바탕으로 제안된 방식이 다수의 다중 경로 지연이 발생하는 채널 환경에서 저전력, 고신뢰성 을 요구하는 인체통신에 적합한 안테나 선택 기법이라 고려된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	WBAN 시스템을 전송속도에 따라 저속, 중속 및 고속으로 나누기도 하는데, 이 중 고속은 무엇에 응용할 수 있나?	저속은 모니터링을 위한 제어 신호 전송에 응용할 수 있으며, 중속은 헤드폰 및 EEG 등 음성신호 전송에 응용할 수 있다. 그리고 고속은 무선 캡슐내시경과 같은 동영상 데이터 전송에 응용할 수 있다.
	WBAN은 무엇인가?	이를 위해서는 차량 내부에서의 정보 전송이 수반 되어야 하므로 인체 영역에서의 통신 기술인 WBAN의 응용이 필요하다 [1, 2]. WBAN은 인체 내부 혹은 인체로부터 3미터 이내의 주변에서 일어나는 근거리 무선 통신을 목적으로 하는 네트워크이며 IEEE 802.15.
	WBAN은 응용 분야에 따라서 어떻게 구분될 수 있나?	WBAN은 응용 분야에 따라서 MP3 플레이어와 헤드셋 등의 무선을 이용하여 다양한 미디어 정보를 줄길 수 있는 비의료분야와 심전도, 근전도 등의 생체 신호를 측정하여 무선으로 데이터를 전송하는 의료분야로 구분될 수 있으며 장치의 위치에 따라 인체 내부 (In-Body) 통신, 인체 표면 (On-Body) 통신과 인체 외부 (Off-Body) 통신으로 구분 된다 [5]. 또한 WBAN 시스템을 전송속도에 따라 저속, 중속 및 고속으로 나누기도 한다.

참고문헌 (13)

오주택, 조준희, 이상용, 김영삼, "위험운전 유형 분류 및 데이터 로거 개발", 한국ITS학회논문지, 제7권, 제3호, pp. 15-28, 2008. 6.

원문보기 상세보기
Y. H. Jeon, E. Kim, and D. Shim, Useful applications for IG-BAN, IEEE P802.15-BAN-0457-01, Nov. 2006.
IEEE 802.15 WPAN WG homepage, http://www.ieee802.org/15
이성협, 윤양문, 김도현, "IEEE 802.15.6 중심의 WBAN 국내외 표준화 동향," 한국통신학회지, 제25권, 제2호, pp. 26-31, 2008. 2.
이형수, "WBAN주파수 분배동향 및 주파수 대역 제안," 한국통신학회지, 제25권, 제2호, pp. 6-10, 2008. 2.
L. Yang and G. B. Giannakis, "Ultra-wideband communications: an idea whose time has come," IEEE Signal Processing Magazine, vol. 21, no. 6, pp. 26-54, Nov. 2004.
최낙현, 황재호, 장성진, 김재명, "WBAN에서 신체 외 고속통신을 위한 UWB 전송 방식의 링크 버짓 및 성능 분석," 한국ITS학회 논문지, 제8권, 제1호, pp. 53-64, 2009. 2.
IEEE P802.15.4a/D7, PART 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs): Amendment to add alternate PHY, TG 4a drafting, doc., Jan. 2007.
M. Z. Win, and R. A. Scholtz, "Ultra-wide bandwidth time-hopping spread-spectrum impulse radio for wireless multiple-access communications," IEEE Trans. Communications, vol. 48, no.4, pp. 679-689, Apr. 2000.

상세보기
K. Y. Yazdandoost and K. Sayrafian-Pour, Channel model for body area network (BAN), IEEE P802.15-08-0780-09-0006, April. 2009.
H. Sawada, T. Aoyagi, J. Takada, K. Yazdandoost, and R. Kohno, Channel model between body surface and wireless access point for UWB band, IEEE P802.15-08-0576-00-0006, Aug. 2008.
S. Sanayei and A. Nosratinia, "Antenna selection in MIMO systems," IEEE Commun. Mag., vol. 42, no. 10, pp. 68-73, Oct. 2004.
A. F. Molisch and M. Z. Win, "MIMO systems with antenna selection," IEEE Microw. Mag., vol. 5, no. 1, pp. 46-56, Mar. 2004.

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