[논문]인체 영역 통신 환경에서의 초광대역 방사 측정

이준용; 김창경; 하동우

doi:10.5573/ieek.2012.49.11.036

인체 영역 통신 환경에서의 초광대역 방사 측정
UWB Propagation Measurements in Body Area Network Scenarios 원문보기

Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea = 전자공학회논문지, v.49 no.11, 2012년, pp.36 - 43

이준용 (한동대학교 정보통신공학과) , 김창경 (한동대학교 정보통신공학과) , 하동우 (KT G&E 부문)

초록
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본 논문에서는 인체 영역 통신 환경에서의 초광대역 방사측정 결과를 개시한다. 인체 주변 통신 및 인체 표면 통신 환경에서의 다양한 시나리오를 고려하였으며, 시간 영역 및 주파수 영역에서 측정을 진행하였다. 인체 주변 통신 환경의 경우, 인체의 특정 부위가 가시선을 가로막을 경우 발생하는 회절 현상에 대한 분석을 수행하였다. 인체 표면 통신 환경에서의 측정 결과는 인체 주변 통신 환경에 비해 더 복잡한 방사 형태가 나타나며 안테나 특성도 영향을 받게 됨을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Ultra-wideband propagation measurement results for body area network scenarios are presented. We assumed several different scenarios for around-body and on-body propagations, and for each scenario, we conducted both time domain and frequency domain measurements in an anechoic chamber. For the around-body case, we investigated the effects of human body parts blocking line-of-sight, which could be accounted for by diffraction. On-body measurement results indicate a more complicated propagation mechanism exists in on-body propagation than in around-body propagation and antenna characteristics are affected.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 다양한 인체 영역 통신 환경에서 진행된 채널 방사 특성을 개시하였다. 모든 측정이 무반향 실에서 수행되었기 때문에, 인체에 의해 형성된 방사 경로 이외의 다른 경로는 존재하지 않는다고 가정하였다.
본 논문에서는 인체 주변 (around-body) 및 인체 표면 (on-body) 환경에서 수행된 채널 방사 측정 결과를 소개한다. 인체 주변 통신 환경에서의 채널 방사의 경우, 기하학적 회절 현상 (geometric diffraction) 분석을 통하여 펄스의 왜곡현상 (distortion) 및 거리추정 (ranging)에 미치는 영향을 분석하였다.

가설 설정

각 경로의 타원상으로의 접점은 각각 P1(a,Π–η0), Q1(a,η0), P2(a,Π+η0), Q2(a,–η0)로 표시하며, #를 만족한다고 가정한다.
본 논문에서는 다양한 인체 영역 통신 환경에서 진행된 채널 방사 특성을 개시하였다. 모든 측정이 무반향 실에서 수행되었기 때문에, 인체에 의해 형성된 방사 경로 이외의 다른 경로는 존재하지 않는다고 가정하였다. 인체 주변에서의 방사의 경우, 신호의 왜곡현상과 거리 추정 결과가 인체 부위의 기하학적 요소에 의해 크게 영향 받음을 알 수 있었다.
이때, 점 P에서 점 Q로 가는 두 개의 회절 경로 (ray)가 존재하며, 이 두 경로는 수평축에 대하여 대칭이라고 가정한다.
인체부위를 나타내는 타원은 ξ=α로 나타낼 수 있으며, 송수신 안테나는 각각 점 P(ξ0,Π)와 점 Q(ξ0,0)에 위치해 있다고 가정한다.

제안 방법

6. Reconstructed and measured waveforms at 3 ft in head (upper), chest (middle), and belly (lower) measurements.
각 인체 부위의 치수는 각 부위의 폭, 깊이, 둘레를 측정함으로써 근사하였다.
피복이나 피부가 직접 안테나와 접촉하는 것을 방지하기 위하여 약 5 mm 가량의 스틸로폼 재질의 패드 (padding)를 안테나에 부착하였다. 그리고 다음과 같은 네 가지 시나리오에서 실험을 진행하였다: 가슴-등, 가슴-복부, 가슴-손목, 가슴-무릎. 시간 영역 및 주파수 영역에서 측정을 진행하였으며, 각 경우의 장비의 구성은 Ⅱ-1절에 제시된 바와 유사하다.
우선 채널의 전달함수를 계산한 후, 역퓨리에변환 (inverse fast Fourier transform)을 구함으로써 채널의 임펄스 반응 (impulse response)를 얻었다. 그리고 얻어진 채널의 임펄스 반응과 기준 신호 (template waveform)를 중첩적분 (convolution)을 취함으로써 수신된 신호의 파형을 재구성하였다. 이때 기준 신호는 같은 거리의 가시선 환경에서 측정된 신호의 직선경로 신호 (direct path signal) 성분을 취하여 사용하였다.
를 우리의 실험 환경에 적용하였다. 머리, 가슴, 복부를 각각 타원형 실린더로 모델링하고, 팔을 원형 실린더로 모델링하여 2차원 평면상에서 회절파에 관한 분석을 수행하였다. 각 인체 부위의 치수는 각 부위의 폭, 깊이, 둘레를 측정함으로써 근사하였다.
인체 주변 통신 환경에서의 방사 특성 조사를 위하여 시간 영역과 주파수 영역에서 실험을 진행하였다. 모든 측정은 다중경로 (multipath)의 영향을 최소화하기 위하여 무반향실 (anechoic chamber) 환경에서 시행되었다. 측정을 위하여 Time Domain 사에서 제작한 PulsOn 안테나를 사용하였다.
본 연구에서는 Levy에 의해 제시된 타원형 실린더에서의 회절파에 관한 기하학적 분석 결과[6]를 우리의 실험 환경에 적용하였다.
인체 표면 통신 환경에서의 채널 특성을 조사하기 위해 또 다른 세트의 측정을 진행하였다. 송수신 안테나를 인체의 다른 부위에 각각 부착한 후 측정을 수행 하였다. 피복이나 피부가 직접 안테나와 접촉하는 것을 방지하기 위하여 약 5 mm 가량의 스틸로폼 재질의 패드 (padding)를 안테나에 부착하였다.
시간영역에서의 측정을 위하여 Avtech 사에서 제작된 임펄스 생성기를 이용하여 매 1 μsec 마다 초광대역 펄스를 송신하였다. 수신 안테나를 통하여 수신된 신호는 저잡음 증폭기 (low noise amplifier)를 통과한 후 디지털 샘플링스코프 (digital sampling scope)를 사용하여 측정되었다. 신호대잡음비를 높이기 위하여 512 개의 측정 신호의 평균을 취하였다.
그리고 다음과 같은 네 가지 시나리오에서 실험을 진행하였다: 가슴-등, 가슴-복부, 가슴-손목, 가슴-무릎. 시간 영역 및 주파수 영역에서 측정을 진행하였으며, 각 경우의 장비의 구성은 Ⅱ-1절에 제시된 바와 유사하다. 주파수 영역에서의 측정 결과가 그림 8에 나타난 있다.
신호대잡음비를 높이기 위하여 512 개의 측정 신호의 평균을 취하였다. 실험은 가시선 (line-of-sight) 환경 뿐 아니라, 머리, 가슴, 복부 등, 다양한 인체의 부위가 송수신 안테나를 가로 막고 있는 비가시선 (non-line-of-sight) 환경에서도 이루어졌다. 이때 인체의 부위는 송수신 안테나의 중간 지점에 위치하도록 하였다.
팔의 의한 회절파 분석을 위해 Keller가 제시한 원형 실린더에 의한 회절 모델^[5]을 적용하였다. 우선 채널의 전달함수를 계산한 후, 역퓨리에변환 (inverse fast Fourier transform)을 구함으로써 채널의 임펄스 반응 (impulse response)를 얻었다. 그리고 얻어진 채널의 임펄스 반응과 기준 신호 (template waveform)를 중첩적분 (convolution)을 취함으로써 수신된 신호의 파형을 재구성하였다.
인체 주변 통신 환경에서의 방사 특성 조사를 위하여 시간 영역과 주파수 영역에서 실험을 진행하였다. 모든 측정은 다중경로 (multipath)의 영향을 최소화하기 위하여 무반향실 (anechoic chamber) 환경에서 시행되었다.
본 논문에서는 인체 주변 (around-body) 및 인체 표면 (on-body) 환경에서 수행된 채널 방사 측정 결과를 소개한다. 인체 주변 통신 환경에서의 채널 방사의 경우, 기하학적 회절 현상 (geometric diffraction) 분석을 통하여 펄스의 왜곡현상 (distortion) 및 거리추정 (ranging)에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 인체 표면 통신 환경에서의 방사 측정 결과는 커플링 (coupling) 등과 같은 전자기학적 현상 때문에, 인체 주변 통신 환경에 비해 복잡한 방사형태가 나타난다는 것을 보여주었다.
주파수 영역에서의 측정은 송수진 안테나를 vector network analyzer (VNA)의 두 채널에 연결하여 이루어졌다. 50 MHz에서 1,450 MHz 대역에 걸쳐 S₂₁ 파라미터를 측정하였으며 32 회의 측정 결과의 평균을 취하여 신호의 질을 높였다.

데이터처리

또한 신호의 왜곡(distortion) 정도를 측정하기 위하여 가시선 및 비가시선 환경에서 측정된 신호의 직선 경로 신호성분만을 취하여 그 상관계수 (correlation coefficient)를 계산하였다. 계산된 상관계수가 표 1에 나타나 있다.

이론/모형

인체통신 환경에서의 거리추정의 성능을 평가하기 위해, 시간영역에서 측정된 신호에 거리추정 알고리듬^[24]을 적용하였다. 거리 추정 알고리듬은 측정된 파형뿐 아니라 이론적으로 재구성된 파형에도 적용되었다.
그리고 복부 실험의 경우, 팔이 송신안테나에서 몸통으로의 접선을 가로막고 있기 때문에, 신호가 팔의 안쪽부위에서 한번 회절된 뒤 몸통의 바깥쪽으로 다시 한번 회절되게 된다. 팔의 의한 회절파 분석을 위해 Keller가 제시한 원형 실린더에 의한 회절 모델^[5]을 적용하였다. 우선 채널의 전달함수를 계산한 후, 역퓨리에변환 (inverse fast Fourier transform)을 구함으로써 채널의 임펄스 반응 (impulse response)를 얻었다.

성능/효과

주파수 영역에서의 측정은 송수진 안테나를 vector network analyzer (VNA)의 두 채널에 연결하여 이루어졌다. 50 MHz에서 1,450 MHz 대역에 걸쳐 S₂₁ 파라미터를 측정하였으며 32 회의 측정 결과의 평균을 취하여 신호의 질을 높였다. 측정된 주파수 응답은 채널 및 송수신 안테나의 전달함수 (transfer function)들이 cascade로 연결된 것과 동일하다.
인체 주변 통신 환경에서의 채널 방사의 경우, 기하학적 회절 현상 (geometric diffraction) 분석을 통하여 펄스의 왜곡현상 (distortion) 및 거리추정 (ranging)에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 인체 표면 통신 환경에서의 방사 측정 결과는 커플링 (coupling) 등과 같은 전자기학적 현상 때문에, 인체 주변 통신 환경에 비해 복잡한 방사형태가 나타난다는 것을 보여주었다.
회절파의 분석을 위해 Levy에 의해 제안된 회절파 모델을 실험 환경에 적용하였으며, 분석 결과는 측정된 파형과 매우 근사하게 나타났다. 인체 표면에서의 측정의 경우, 인체에 의한 커플링 현상에 의해 예측하기 힘든 신호의 형태가 관찰되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	인체 영역 통신은 무엇과 관련된 분야인가?	인체 영역 통신은 다양한 응용 시나리오를 포함하는 분야이다. 이 분야는 인체에 직접 부착되거나 혹은 인체 주변에 포진한 기기들 간의 통신과 관련된 분야이다. 초광대역 시스템의 장점인 저전력 특성, 정확한 거리추정 능력 등은 인체 영역 통신 시스템의 요구 조건과 잘부합된다.
	인체 영역 통신 환경에서의 채널 특성 관련 연구는 어떤 주제로 진행되었는가?	인체 영역 통신 환경에서의 채널 특성과 관련하여 최근까지 다양한 연구결과가 발표된 바있다. 이러한 연구들은 방사 형태[1～9], 채널 특성 분석[9～20], 통신 링크의 성능평가19～23]등 다양한 주제들에 걸쳐 진행되었다.
	인체 주변 통신 환경에서의 채널 방사의 경우, 본 논문에서는 어떠한 분석을 통하여 펄스의 왜곡현상 및 거리추정에 미치는 영향을 분석하였는가?	본 논문에서는 인체 주변 (around-body) 및 인체 표면 (on-body) 환경에서 수행된 채널 방사 측정 결과를 소개한다. 인체 주변 통신 환경에서의 채널 방사의 경우, 기하학적 회절 현상 (geometric diffraction) 분석을 통하여 펄스의 왜곡현상 (distortion) 및 거리추정 (ranging)에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 인체 표면 통신 환경에서의 방사 측정 결과는 커플링 (coupling) 등과 같은 전자기학적 현상 때문에, 인체 주변 통신 환경에 비해 복잡한 방사형태가 나타난다는 것을 보여주었다.

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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