In February 2012, the IEEE Standards Association established the WBAN standard [1] to accommo-date increasing demands on the near body communication technology for many bi-omedical applications. They standardized 3 PHYs, a HBC, a narrow band (NB) and an ultra-wide band (UWB). Above all, the HBC is considered as the most energy efficient PHY with a wide coverage of data-rates compared to NB or UWB. The HBC uses only the electrodes on the body to communicate, not the antenna, without any body shadowing effect. Therefore, it is a new convenient solution for the medical services among humans, sen-sors and mobile devices with low energy wireless connections.
HBC TRXs in the previous studies achieved high energy efficiency when it is operated in-dependently and separately, but their energy efficiency in the WBAN system applications were not analyzed in detail. Previous TRXs did not take into consideration that WBAN sys-tems are usually composed of multiple nodes, and the transactions among nodes and a hub should comply with network protocol such as the frame protocol. That is, the TRX should achieve low energy consumption in a system with multiple nodes rather than in a single node system. When they designed TRXs, only PHY circuits and its operations were paid attention, and LINK and TRANSPORT layers for the seamless data transaction were not.
This is especially critical to the HBC WBAN standard because the HBC uses only one communication channel, centered at 21MHz with 5.25MHz bandwidth, and it should support up to 64 sensor nodes. If multiple nodes try to access to the hub simultaneously, a probability of the collision increases, causing 1) the failure of a packet transmission, 2) the data loss and 3) the QoS degradation from the network delay. Even though the designed HBC TRX con-sumes low power, a time domain scheduling is essential to realize the low energy network by optimally arranging the communications among 64 nodes.
First of all, the fully standard compatible HBC TRX will be considered for medical appli-cations. The WBAN standard requires both the stiff TX spectrum mask restriction and the high RX sensitivity. To satis-fy these requirements, an adaptive digital filter and a RX sensi-tivity dual-enhanced structure were pro-posed with 5.5mW power consumption.
In addition, a HBC TRX is proposed to optimize the network system operation rather than just the TRX circuit operation. With the proposed HBC TRX, the hub can coordinate each access of the nodes to support the optimized active period of the network. As a result, the network system with the proposed TRX demonstrates the ultralow energy operation which will be useful in the medical BAN system.
2012년 2월, IEEE 표준화 그룹은 인체 주변에서의 통신에 대한 사람들의 관심을 반영하여 무선 인체 영역 네트워크의 표준을 새로이 제정하였다. 새로운 표준에는 기존의 협대역 통신, 초광대역 통신과 더불어 인체 매질 통신에 대한 물리 계층에 대한 표준 정의가 새로이 추가되었다. 인체 매질 통신은 다른 2개의 물리 계층과 비교하여 보다 넓은 데이터 전송 속도를 저전력으로 주고 받는 것이 가능하여 의료 공학 및 센서 네트워크 응용에 보다 적합한 물리 계층으로 인정받고 있다.
기존 인체 매질 통신용 송수신기는 무선 인체 영역 네트워크 표준의 일반적인 요구 조건을 만족시키는 방향으로 표준 없이 연구 되었으며, 네트워크를 형성하였을 때 발생할 수 있는 프로토콜 및 시간 영역 사용률 조절 기능에 대한 연구를 진행하지 않았다. 그렇기 때문에, 단일 송수신기의 저전력 구현 및 동작에 대해서는 충분한 연구가 진행되었지만 이는 표준에서 요구하는 조건을 만족시키지 못할뿐더러 실제 네트워크를 형성하였을 때 높은 통신 서비스 품질과 적은 에너지를 소모하는 동작을 보장할 수 없었다.
표준에서는 1) 송신기에서 다른 통신 영역에 영향을 최소화하기 위한 송신 스펙트럼 마스크 조건을 만족해야 하며, 2) 수신기에서 신호를 받아들이는 민감도를 최소한 만족해야 하는 조건을 지켜야 하며, 3) 변복조 방식 및 데이터 패킷의 구조를 정해진 방식을 따르도록 규정하고 있다.
이러한 표준과 더불어 인체 매질 통신을 네트워크에 적용할 때에는 특히 주파수 영역에서의 채널을 하나만 갖기 때문에, 시간 영역에서의 효과적인 프로토콜로 노드들과 허브 사이의 데이터 송수신을 관리하는 것이 필요하다. 이러한 프로토콜로 인체 영역 통신 표준에서 중요시 하는 통신 서비스 품질을 최대한으로 제공하면서도 최대한 저전력 동작이 가능하도록 시간 영역 사용률 조절 기능을 제공하는 것을 목표로 한다.
이를 위하여 본 연구에서는 IEEE에서 제정한 인체 영역 통신 표준의 물리계층을 만족하는 송수신기를 개발하고, 매체 접근 계층을 만족하는 데이터 송수신 관리 기능을 함께 제공하여 높은 서비스 품질을 제공하는 저전력 동작 네트워크를 설계하고자 한다. 실제 설계된 송수신기는 수신기로 동작할 때 최대 5.5 밀리와트의 전력 소모를 하며, 네트워크를 형성할 경우 64개의 노드들과 하나의 허브가 형성하는 데이터 송수신의 빈도와 에너지 소모가 가장 많은 경우에 대하여, 96.6%의 통신 서비스 품질을 보장하며 38%의 평균 활성화 시간 영역 사용률의 결과를 보였다.
