This dissertation presents a low energy wireless body-area-network (WBAN) transceiver system based on the fundamental studies on body channel communication (BCC), which uses human body as a communication medium. Previous BCC transceivers were not optimized for WBAN because the only phenomenological circuit/behavior models were used for the body channel analysis, which means there was not a clear understanding of the on-body electric signal transmission mechanism and the electrode interface on the human body. Moreover, they were unable to satisfy WBAN requirements such as energy efficiency, scalability of quality of service (QoS), interference mitigation, and network co-existence, simultaneously.
To provide a clear understanding of the transmission mechanism on the human body, from Maxwell’s equations, the complete equation of electric field on the human body is developed to obtain a general BCC model. The mechanism of BCC consists of three parts according to the operation frequencies and channel distances: the quasi-static near-field coupling part, the reactive induction-field radiation part, and the surface wave far-field propagation part. The general BCC model by means of the near-field and far-field approximation is developed to be valid in the frequency range from 100 kHz to 100 MHz and distance up to 1.3 m based on the measurements of the body channel characteristics. The path loss characteristics of BCC are formulated for the design of BCC systems and many potential applications. In addition, the BCC characteristics via various electrode configurations are theoretically studied by means of polarization property of the electric field, and compare the theoretical analysis with the measurement results. Furthermore, the noise characteristics of the electrode interface on the human body are investigated with power spectral density (PSD) measurement. Based on it, the sensitivity analysis in BCC transceiver is obtained with noise matching condition which gives optimized noise property in CMOS amplifiers. It is found that the common gate (CG) configuration provides optimal noise characteristics in the case of high impedance electrode interface.
After the fundamental studies on the BCC, an energy-efficient WBAN transceiver system is imple-mented with dedicated base station node transceiver and sensor node transceiver in 0.18-um CMOS tech-nology. The base station transceiver adopts double-FSK modulation with high scalability to fulfill the WBAN requirements. The resonance matching (RM) and contact impedance sensing (CIS) techniques are proposed to enhance the quality of the body channel. In addition, a low-power double-FSK transceiver is implemented by four circuit techniques: 1) a reconfigurable LNA and driver with CIS and RM; 2) a cur-rent-reuse wideband demodulator; 3) a divider-based local oscillator (LO) generation with duty-cycle cor-rection; and 4) a divider-based digital double-FSK modulator. As a result, fully WBAN compatible base band receiver and transmitter consume 2.4 and 2 mW, respectively, at a data rate of 10 Mb/s, corresponding to energy consumption of 0.24nJ per received bit and 0.2 nJ per transmitted bit. For the energy-efficient crystal-less sensor node transceiver, dedicated ultra-low power fully integrated FSK wake-up receiver is proposed in order to employ the efficient duty cycle operation and eliminate the bulky external components. An injection-locking digitally-controlled oscillator (IL-DCO) enables power-efficient front end amplification and demodulation, and auto-calibration of DCO by successive approximation resister (SAR) algorithm. The 1mm2 single chip wake-up receiver consumes 45 uW with a data rate of 312kb/s, providing an 80 MHz reference frequency with 0.25 % stability to the double-FSK transceiver for crystal-less WBAN sensor nodes.
본 논문은 인체를 통신 매질로 사용하는 인체 통신 기술의 기반연구를 바탕으로 하여 구현된 저 에너지 인체 영역 네트워크 송수신기 시스템에 대한 것이다. 기존의 인체 통신 송수신기는 인체 영역 네트워크에 최적화 되지 않았는데 현상학적인 회로 모델에 의존하여 인체 통신 분석을 진행하였기 때문이다. 이는 기존의 연구는 인체 상에서의 전기적 신호의 전송 메커니즘과 인체 상에서의 전극 인터페이스에 대한 확실한 이해가 없었음을 의미한다. 게다가 기존의 인체통신 송수신기는 에너지 효율, QoS 확장성, 간섭 신호 제거, 그리고 네트워크 동시 동작과 같은 인체 영역 네트워크 요구 조건을 완전하게 만족하지 않는다.
우선, 인체 상에서의 명확한 신호 전송 메커니즘을 규명하고 일반적인 인체통신 모델을 얻기 위하여, Maxwell 수식의 해를 통해 인체 상에서의 전기 장의 세기를 구하였다. 구해진 해에 의하면 인체통신의 메커니즘은 사용하는 주파수 및 통신 거리에 따라 세 가지 부분으로 이루어 지는데 이는 다음과 같다: 1) quasi-static 니어 필드 커플링, 2) reactive 인덕션 필드 방사, 그리고 3) 표면파 파 필드 전파 이다. 이를 통해 니어 필드와 파 필드 근사를 통해 일반적인 인체통신 모델을 제안하였고, 인체 통신 측정을 통해100kHz에서 100MHz에 해당하는 주파수 대역과 1.3m 까지의 통신 거리에 대해서 적합성을 판단 하였다. 그리고 실제 인체통신 시스템 및 다른 가능한 응용을 위해 인체 통신의 신호 감쇄 특성을 수식화 하였다. 추가로, 전기장의 분극 특성을 이용하여 다양한 전극 구성에 따른 인체 통신의 특성을 이론적인 수식을 통해 분석 하였고, 실제 측정과 비교 하였다. 또한, 인체 상에서의 전극 인터페이스에서의 잡음 특성을 구하기 위하여 인체와 전극 사이에서의PSD (power spectral density) 측정을 하였고, 인체 통신 수신기에서의 수신 감도 분석을 진행하여, CMOS 증폭기에서 최적의 노이즈 특성을 주는 잡음 매칭 조건을 유도하였다. 잡음 매칭 조건에 따르면, 공통 게이트 구성의 증폭기가 높은 임피던스 특성을 갖는 전극 인터페이스에서 가장 최적화된 수신 감도를 제공한다.
이러한 인체 통신에 대한 기반 연구를 진행한 뒤, 에너지 효율적인 인체 영역 네트워크 송수신기 시스템을 CMOS 0.18 um 공정을 통해 반도체 칩으로 제작하였다. 인체 영역 네트워크는 기지 노드와 센서 노드용 송수신기를 통해 구성되어 있는데, 기지 노드용 송수신기는 인체 영역 네트워크에서의 요구 조건을 모두 만족 시키기 위하여 높은 확장성을 갖는 이중 주파수 변조 기법을 채용하였다. 특히 공진 매칭과 접합 임피던스 센싱 기술은 인체 통신 채널 특성을 향상 시켜주어 저 에너지를 가능하게 하고, 다음의 네 가지 회로 기술을 통해 저전력 송수신기를 구현 하였다: 1) 모드 변경이 가능한 저잡음 증폭기와 드라이버; 2) 전류 재사용 광대역 주파수 복조기; 3) 듀티 사이클 보정기를 이용한 주파수 분배기를 통한 국부 발진기 구성; 그리고 4) 주파수 분배기를 통한 디지털 이중 주파수 변조기 이다. 그 결과, 인체 영역 네트워크 표준과 호환 가능한 기지 노드용 수신기와 송신기는 10Mb/s의 전송률에 각각 2.4, 2.0mW의 전력을 소모하고, 이는 한 비트를 수신하고 전송하는데 각각 0.24nJ과 0.2nJ의 에너지가 소모되는 것이다. 이에 추가로, 더욱 더 에너지 효율성이 높고 크리스탈 발진기가 없는 센서 노드용 송수신기의 구성을 위하여, 듀티 사이클 동작과 외부 소자의 사용을 제거 하기 위한 초 저전력 wakeup 수신기가 제안 되었다. Injection locking digitally-controlled oscillator (IL-DCO)는 저전력이고 효율적인 신호 증폭과 주파수 복조를 가능하게 하고, successive approximation register (SAR) 알고리즘을 통해 DCO의 주파수를 자동으로 원하는 주파수로 맞춰준다. 1mm2의 크기로 집적된 wakeup 수신기는 312kb/s의 데이터 전송률과 함께45 uW의 전력 소모를 한다. 크리스탈 발진기를 사용하지 않는 센서용 인체 영역 네트워크 송수신기를 위하여, wakeup 수신기는0.25%의 주파수 안정성을 갖는 80MHz의 주파수 원을 생성 한다.
