Recently, body area network (BAN) is getting more and more attention because it provides the wireless communication among the portable devices working around the human body. Body channel communication (BCC) which uses the human body as a communication channel has been concerned as the most power and efficient communication PHY because of the good body conductivity. There were several BCC transceiver studies for healthcare applications which requires high speed communication and entertainment application which requires low power and low speed communication, but those works only focused on either healthcare application or entertainment application. In this dissertation, two BCC transceivers working for both applications are designed while optimizing the energy consumption, power consumption and data rate.
In the first transceiver whose code name is Biocle-A, the body channel bandwidth is newly defined by the channel measurement results. Compared with the previous 30 - 120MHz channel, we found that the available body channel bandwidth for portable devices is 20 - 200MHz, so that we can efficiently increase the data rate of the transceiver. The Biocle-A includes two transceivers, healthcare-mode (HC-mode) transceiver and entertainment-mode (ET-mode) transceiver. The HC-mode transceiver adopt the 13.56MHz ISM band with 100kbps data-rate. The R-C oscillator-based super-regenerative transceiver is adopted for ultra-low-power consumption while achieving high selectivity. The ET-mode transceiver has two communication band located at 40MHz and 160MHz, and both bands have 40MHz bandwidth. The following three key building blocks are adopted: 1) sine & rectangular wave modulation dual-band transmitter for high speed communication 2) shared-loop dual-band receiver for low power consumption and 3) on-chip R-C duplexer for full-duplex communication. As a result, we finally achieve 79pJ/b, 80Mb/s, full-duplex ET-mode transceiver and 42.5 $\mu$W power consuming HC-mode transceiver with the Q-factor over 1000. Those two transceivers are implemented in a single chip fabricated in 65nm CMOS process.
The second transceiver, Biocle-A2, focuses on improving the pervious transceiver, Biocle-A. The HCmode transceiver adopts the IEEE 802.15.6 standard which was standardized at Feb. 2012 for healthcare application. The cosine wave modulation in the transmitter, the DLL-based BPSK demodulator in receiver and current reusing technique in the received signal strength indicator (RSSI) are adopted for low-power consumption. The ET-mode transceiver adopts the QPSK modulation for better spectrum efficiency. The Biocle-A2 achieves 3.8nJ/b for standard compatible HC-mode transceiver and 90pJ/b, 105Mb/s full-duplex ET-mode transceiver. Those two transceivers are implemented in a Single chip fabricated in 180nm CMOs process.
Body area network (BAN)은 인체주위에서 동작하는 휴대용 기기들의 통신을 제공한다. 휴대용 기기들의 동작시간을 향상시키기 위해선 전력 효율적인 통신방식이 필요한데, 인체매질통신은 1995 년 처음 발표된 이후로 전력효율적인 통신방식으로 각광받아왔다. BAN 의 경우 Healthcare 와 Entertainment application 으로 구별이 가능한데 기존의 연구는 이 두가지를 동시에 만족시키지 못하였다. 본 학위논문에서는 채널특성 분석을 통해서 인체매질의 bandwidth 를 향상시키고 두가지 application 을 모두 만족시키는 송수신기를 하나의 칩에 집적시켰다.
기존에 보고되어왔던 인체매질 bandwidth 의 경우 30 - 120MHz 였으나 채널특성이 민감하게 변하는 것이 문제였다. 실험적 변인들을 통제하면서 실험한 결과 기기와 전극을 연결하는 케이블이 큰 영향을 미치는 것을 확인하였으며 결과적으로 인체매질은 20 - 200MHz의 bandwidth 를 가지는 것을 확인하였다. 이를 바탕으로 두 application 을 모두 만족하는 송수신기를 설계하였다.
첫 번째 송수신기는 (Biocle-A) 13.56MHz 의 ISM band 를 사용하여 healthcare 를 위한 송수신기와 40MHz 와 160MHz 의 두가지 대역을 사용하는 Entertainment 를 위한 송수신기로 구성되어있다. Healthcare 송수신기의 경우, R-C 공진기를 도입한 Super-regenerative 송수신기 구조를 도입하여 42.5 $\mu$W 의 초저전력 성능을 가지면서 Q-factor 가 1000 이상인 높은 selectivity 성능도 얻을 수 있었다. 또한 Entertainment 를 위한 송수신기의 경우 사인파와 사각파를 이용한 송신기, Costas loop 을 이용한 수신기 그리고 저항과 캐패시터로 구성된 Duplexer 로 구성되었으며 이를 통해서 79pJ/b, 80Mb/s full-duplex communication 의 성능을 얻을 수 있었다.
두 번째 송수신기는 (Biocle-A2) 첫 번째 송수신기의 단점을 개선하는 방향으로 설계하였다. Healthcare 송수신기의 경우 IEEE 802.15.6 표준을 만족하도록 설계하였다. Cosine 모듈레이션과 DLL 구조의 Receiver 그리고 전류를 재활용하는 방식의 RSSI 를 도입하여 3.8nJ/b 의 에너지 소모를 가지며 모든 표준조건을 만족하도록 하였다. Entertainment 송수신기의 경우 Spectrum 효율을 증가시키기 위해서 QPSK 모듈레이션을 사용하였다. Dualband 구조를 도입하였으며 R-C duplexer 를 사용하여 full-duplex 통신이 가능하도록 하였다. 결과적으로 최대 105Mb/s 의 속도와 90pJ/b 의 에너지 소모를 하는 송수신기를 설계할 수 있었다.
본 연구에서 설계된 Biocle-A 와 Biocle-A2 의 경우 Healthcare application 과 Entertainment application 을 만족하는 송수신기를 설계하였으며 application 에 적합한 스펙을 갖도록 하였다. 두 가지 송수신기는 모두 한 칩에 집적이 되어 BAN 을 위한 송수신기로 적합하도록 하였다.
