Human body communications (HBC), where the human body is used as a transmission medium, is a promising candidate for a ubiquitous network and has been standardized by the IEEE 802.15.6 as one of the physical layer for body area networks (BAN). An improved analog front-end with a sensitivity of -95.6 dBm for HBC was presented whereby a spread signal with a group of 64 Walsh code is directly transferred through a human body at a data rate of 2 Mbps. A prototype capsule endoscope has been implemented to evaluate a feasibility on the adoption of HBC for medical services while electrical specifications of as a medical device using HBC was derived from the basic restrictions of international standard and regulations.
Accurate channel model is an essential prerequisite for developing the reliable and efficient transmission method. A human body channel model was investigated in terms of signal transmission through the human body and interference induced on the human body from outside sources. Frequency response that corresponds to fingertips of the one hand to the other and the deviation of 10 dB were presented in the range of 0 - 55 MHz with steps of 5 MHz using measurement-based time domain method. Furthermore, reflection of the isolation between the transmitter and the receiver increased the average magnitude of signal loss. Statistical characteristics of interference induced on the human body due to the radiated electromagnetic fields (EMF) from the outside sources was defined as noise with a Gaussian distribution that has the zero mean and variance values of $2.55 \times 10^{-5}$ respectively.
Based on comprehensive understanding on channel environment including propagation loss as well as interference, a novel transmission technique named frequency selective digital transmission (FSDT) in which a group of spread code is directly transmitted through the human body was proposed. From the study on interference, there is the frequency band between 10 MHz and 20 MHz in which the interference power is relatively low compared to the other band, hence signal-to-noise ratio is expected to be high. By using 32 MHz as system clock frequency, the selected 16 codes occupied mainly frequency band between at 12 MHz and 16 MHz. The proposed FSDT has maximum data rate of 2 Mbps and the transmitted signal has chip rate of 32 Mcps. A time dispersion in the human body channel was investigated based on the RMS delay spread and coherence bandwidth. Time dispersion of human body channel degrades the performance by 3.78 dB, hence the required $E_b/N_0$ increases to 8 dB for achieving BER of $10^{-6}$.
An analog front-end with minimum circuit complexity was developed based on the measured received signal. The proposed receiver for frequency selective digital transmission separates the wanted signal from all other signals induced on the channel, amplifies it to a level suitable for further processing, and decides it in a binary state using a comparator. A clock and data recovery circuit can be used to align the binary date to the clock. Design process to specify each stage of an amplifier, a high-pass filter, a comparator, and a CDR was introduced. The gain of the amplifier was decided to be 40 dB based on the relationship between the minimum drive voltage of the comparator and the minimum received voltage. A 4th order active high-pass filter was designed with an 8 MHz cutoff frequency. Performance of the high-pass filter was evaluated using an eye diagram. Adoption of hysteresis on the comparator, together with finite gain bandwidth product of the amplifier stage, removed high frequency noise. The CDR extracts the timing information and the frequency information and provides time and frequency synchronization between a master and a slave. The proposed analog front-end had high sensitivity of -78 dBm and a wide dynamic range of 82 dB. The digital circuit board contained a microprocessor and an HBC modem implemented in a Virtex-II Field Programmable Gate Array (FPGA).
A demonstration in which multimedia data was successfully transferred through a human body between two terminals in opposite hands was given. Health monitoring service was implemented where bio-signals were measured using the bio-shirt and transmitted using human body communications through the human body. Contents vending service was introduced to provide the effective and fast way to deliver the various contents to user or an user’s device. Various contents is delivered from a fingertip on contents vending machine to the user’s device on the other hand through user’s body. Use of the conductive transparent films made it possible to adopt the human body communications to the various display device including an outdoor advertising board, a monitor, a contents vending machine, a bus station as well as a mobile phone.
Finally, electrical specifications of human body communications for medical service was derived from the basic restrictions of international standard and regulations. A maximum ratio of the leakage current into the heart to the output driving current of the transmitter was to be -41.74 dB at 100 kHz and the propagation loss in-body to on-body -64.2 dB at 16 MHz were simulated using an anatomical body model. The differential input port for the receiving electrodes was used for the analysis considering rejection of interference from the electronic devices to the human body. An analog front-end with the improved sensitivity of $37 \muV_{pp}$ was proposed based on the analysis of the substrate noise, which is improved by 21 dB against the best report. The maximum transmitted power was derived to be -2.5 dBm and the proposed receiver structure had a sensitivity of -95.6 dBm. The capsule endoscope system using the two electrodes for HBC had a link margin of 17.0 dB under the worst channel loss of -76.1 dB. The prototype capsule endoscope has been implemented with the diameter of 14 mm and a length 26 mm and evaluated a feasibility using a pig. We conducted a feasibility study to adopt human body communications for medical services using capsule endoscope system that has no packet error with the distance of approximately 90 cm at data rate of 2 Mbps.
인체를 통신 채널로 인체 주변에 존재하는 다양한 전자기기들을 연결하는 인체통신 기술은 유비쿼터스 네트워크를 위한 유력한 후보 기술로 IEEE 802.15.6에서 인체영역 네트워크 구현을 위한 물리 계층의 하나로 표준화가 이루어졌다. -95.6 dBm의 개선된 수신 감도를 갖는 인체통신용 수신기가 제안되었으며, 64 Walsh 코드 중 일부 그룹으로 확산된 신호가 2 Mbps의 속도로 인체를 통해 직접 전달된다. 국제 표준과 규정의 기본 제한으로부터 인체통신을 이용한 의료기기의 전기적 신호 사양을 유도하고, 인체통신을 적용한 캡슐 타입 시제품을 이용하여 의료 서비스 적용 타당성을 평가하였다.
정확한 인체 채널 모델은 신뢰성 있고 효율적인 전송 방법을 개발하기 위해 필수적 전제 조건이다. 인체 채널 모델은 인체를 통한 신호 전달 뿐만 아니라 외부 신호원으로부터 인체로 유기되는 간섭 신호 관점에서 연구되었다. 한 쪽 손끝에서 다른 손끝으로 전달되는 신호의 주파수 응답은 측정 기반의 시간 영역 방법을 사용하여 0에서 55 MHz까지 5 MHz 간격으로 모델링 되었으며, 10 dB의 편차 범위를 갖는다. 또한, 실제 환경과 유사하도록 송신기와 수신기 사이의 전기적 신호의 분리를 반영하여 평균 신호 손실이 증가된 채널 모델을 얻었다. 외부 신호원으로부터 방사되는 전자기파로 인해 인체로 유기되는 간섭 신호를 통계적 접근 방법을 통해 평균이 0이며, $2.55 \times 10^{-5}$의 분산 값을 갖는 Gaussian 분포 함수를 갖는 잡음으로 정의하였다.
채널 내의 신호 전파 손실뿐만 아니라 간섭 신호를 포함한 인체 채널 환경에 대한 포괄적 이해를 바탕으로 주파수 선택적 디지털 전송(frequency selective digital transmission: FSDT) 방식이라는 이름의 새로운 전송 기술을 제안하였다. 인체 유기 간섭 전력이 10 MHz에서 20 MHz 사이에 상대적으로 낮은 점을 이용하여 32 MHz 클록 주파수를 이용함으로써 선택적 확산 코드의 기본 주파수가 12 MHz에서 16MHz 사이에 위치하여 높은 신호 대 잡음비를 얻을 수 있도록 설계하였다. 제안된 주파수 선택적 디지털 전송 방식은 최대 2 Mbps의 전송 속도를 가지며, 이 때 출력되는 신호는 32 Mcps의 칩 전송률을 가진다. 인체 채널의 실효 지연확산 및 상관 대역폭을 조사하였으며, 인체 채널의 시간 분산으로 인해 BER 성능이 3.78 dB 열화 되어, $10^6$의 BER 성능을 위해 필요한 $E_b/N_0$는 8 dB로 증가되었다.
회로 구성의 복잡도를 최소화한 아날로드 프론트엔드를 제안하였다. 주파수 선택적 디지털 확산 방식을 위한 수신기는 채널과 연결된 전극을 통해 수신된 신호로부터 원하지 않는 신호를 분리하기 위해, 일정한 크기를 갖도록 증폭하고, 능동 소자로 구성된 필터를 통해 간섭 및 잡음 신호를 제거하고, 비교기를 이용하여 이진 신호로 만든다. 클록 및 데이터 복원 회로(clock and data recovery: CDR)는 이진 신호를 클록 신호에 맞춰 정렬시킨다. 각 회로의 설계 사양을 결정하는 방법을 제시하였다. 증폭기의 이득은 비교기의 최소 구동 전압과 송신 신호가 채널을 통과하여 수신기에 입력되는 최소 전압과의 관계로부터 유도되며, 필터는 측정된 수신 신호로부터 시뮬레이션을 통해 결정된다. 클록 및 데이터 복원 회로는 수신된 신호로부터 마스터와 슬레이브 사이에 시간 및 주파수 동기화를 수행한다. 제안된 수신기는 -78 dBm의 수신 감도와 82 dB의 넓은 동적 범위를 가진다. 마이크로 컨트롤러와 FPGA를 이용하여 인체통신의 디지털 모뎀을 구현하였으며, FPGA의 3상 출력 단자를 이용하여 일반적으로 TDD 방식에서 사용되는 스위치를 필요로 하지 않게 되었다.
제작된 인체통신 시제품을 이용하여 한 손 끝에 위치한 단말에서 다른 한 손 끝에 있는 단말사이에 2 Mbps의 전송 속도로 성공적으로 동영상을 전달하였다. 인체로부터 발생하는 다양한 생체 정보를 취득하는 바이오 셔츠와 연결하여 측정된 생체 정보를 인체를 통해 사용자의 단말로 전달하는 서비스도 시연하였다. 또한 접촉을 통해 사용자의 단말로 다양한 콘텐츠를 전달하기 위한 서비스로 콘텐츠 자판기(contents vending machine)을 소개하였다. 투명한 전극 이용함으로써 디스플레이를 가진 다양한 제품 및 장소에 적용 가능함을 제시하였다.
마지막으로, 인체통신의 의료 서비스 적용 타당성 검토를 위해 국제 표준 및 규약으로부터 의료기기로써의 인체통신 전기적 사양을 도출하였다. 또한 캡슐형 내시경 시제품을 제작하였으며, 의료 서비스에 필요한 낮은 출력 전력을 보상할 수 있도록, 기존 성능 대비 21 dB 향상된 -95.6 dBm의 우수한 수신 감도를 갖는 수신기를 제작하였다. 국제 규격을 만족하는 최대 출력 신호로 -2.5 dBm을 도출하고, 전자기적 분석을 통해 얻은 -76.1 dB의 신호 감쇄를 통해 캡슐형 내시경 시스템 17 dB의 마진을 가짐을 제시하였다. 인체통신의 의료 서비스 적용 타당성 검토를 위해 돼지를 대상으로 동물 실험을 수행하였으며, 최대 90 cm의 이격 거리에서 패킷 에러가 발생하지 않음을 확인하였다.
