This dissertation presents an energy-efficient dual-band transceiver for a unified body sensor network (BSN) controller. The transceiver communicates with implanted medical devices using 402 - 405MHz MICS band. For on-body communication, the body channel communication (BCC) using the human body itself as a transmission medium is adopted for low power.
To optimize operation of the dual-band transceiver in body area, the characteristics of the in and on-body channels are studied. The path loss of the human body channel is measured at frequencies from 100kHz to 150MHz and distances up to 1.2m. A distributed RC model is developed to analyze large variation of the channel properties according to the frequency and channel length. The radiation and interference issues related with body antenna effect are also examined. From the body channel analysis, 30 - 70MHz guarantees BER less than $10^{-8}$ in BCC. The attenuation of an electromagnetic wave is studied when it passes through the conductive human tissue, and the results are used to set the sensitivity of implanted radios.
The in-band interferences in the BCC and MICS are avoided by an adaptive frequency hopping (AFH) and a listen-before-talk (LBT) protocol, respectively. The 40MHz BCC band is divided into sub-channels for AFH. The bandwidth, and hence the number of the sub-channels is scalable according to interference condition. The 3MHz MICS band is divided into 10 channels by following the FCC regulation.
In contrast to typical dual-band transceivers, the proposed one receives BCC and MICS band signals concurrently. Low energy of the transceiver is achieved by sharing the front end circuits of the BCC and MICS RXs during the concurrent operation. As a result, 30% of the overall energy is saved. The dual-band front-end circuits consist of a cascaded LC tank LNA and a current-recycling concurrent-down conversion mixer. The proposed LNA provides constant 23dB gains both in the BCC and MICS bands and suppresses interferences coupled through the human body by more than 10dB. The dual-band mixer recycles half of the current biasing its MICS part to activate its BCC part. The transceiver fabricated with $0.18 \mu m$ CMOS is fully compatible with the FCC regulations for MICS and consumes 10.8mW and 8.2mW in its RX and TX modes, respectively. The AFH rejects interferences in BCC band by 32dB and The LBT protocol complemented with a complex band pass filter suppresses interferences by 39dB.
본 논문은 통합 인체 영역 센서 네트워크를 위해 에너지 효율적인 이중 대역 송수신 장치를 제안했다. 제안된 송수신기는 체 내 이식된 의료 장치들과의 무선 통신을 위해 402 - 405MHz의 MICS (Medical Implant Communication Service) 대역을 이용한다. 그리고, 사용자 몸 위에 부착된 센서들과의 데이터 송수신을 위해서는 30 - 70MHz 대역에서 사람의 몸을 신호 전송의 매질로 사용하는 인체 통신 기법을 이용한다.
인체 영역 내에서 송수신기의 동작을 최적화 하기 위해 인체 내외 채널에 대한 분석과 모델링이 선행되었다. 전기 신호가 사람의 몸을 통해 전파될 때의 감쇄 정도 (path loss)를 주파수 100kHz - 150MHz와 채널 길이 10 - 120cm에 대해 측정했다. 그리고, 측정 결과를 설명할 수 있는 인체 채널에 대한 Distributed RC 회로 모델을 제안했다. 인체 통신 시 인체의 안테나 효과로 인해 나타나는 외부 장치와의 간섭 문제도 연구되었으며, 간섭의 회피을 위해 적응형 주파수 도약 기법 (Adaptive Frequency Hopping)을 인체 통신에 적용했다.
인체 통신과 MICS를 통합한 이중 대역 송수신기의 설계에 있어서는, 에너지 효율의 극대화를 위해 하나의 프런트 엔드 회로가 두 대역의 수신 신호를 동시에 처리할 수 있도록 했다. 이를 지원하기 위해 MICS대역 수신 안테나는 동시에 인체통신을 위한 수신전극으로도 동작할 수 있도록 설계되었다. 저잡은 앰프에서는 2개의 LC tank를 부하단에 쌓아올림으로써 2개 공진점에서 23dB의 전압 이득을 제공하게 했다. 마지막으로 이중 대역 주파수 혼합기에는 전류 재사용 기법 (Current-recycling scheme)이 적용되었다. MICS 대역 주파수 혼합기를 구동하는 데에 필요한 bias 전류의 일부를 인체 통신용 주파수 혼합기를 위해 재 사용함으로써 추가로 전력을 소모하는 것 없이 동시에 MICS, 인체통신 대역의 신호를 기저대역으로 내릴 수 있게 하였다. 결과적으로 인체통신과 MICS의 동시 동작은 송수신 장치의 에너지 소모를 30% 감소시킬 수 있었다.
제안된 송수신기는 $0.18 \mu m$ CMOS 공정을 이용해 제작되었으며 1.8V 전원 전압 하에서 동작한다. 송수신기는 FCC에서 제정한 모든 MICS 규제 사항들을 만족시키고 수신 모드에서는 10.8mW, 송신 모드에서는 8.2mW의 전력을 각각 소모한다.
