KR100842259B1

KR100842259B1 - 다중 반송파 변조 방식을 이용한 인체 통신 방법

Info

Publication number: KR100842259B1
Application number: KR1020060108364A
Authority: KR
Inventors: 형창희; 강성원; 황정환; 박덕근; 김진경; 성진봉
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2006-04-21
Filing date: 2006-11-03
Publication date: 2008-06-30
Also published as: WO2007123343A1; EP2011259A1; JP2009534911A; US8165236B2; EP2011259B1; US20090103643A1; EP2011259A4; CN101467370A; KR20070104198A

Abstract

다중 반송파 변조 방식을 이용한 인체 통신 방법에 있어서 다수의 사용자가 있는 환경에서 사용자 서로에게 간섭을 주지 않을 뿐만 아니라 다른 전자기기로부터 유기되는 강한 간섭이 있을 때 안정적인 통신을 구성할 수 있는 방법을 제공한다.

인체를 통신 채널로 인체와 연결된 통신 장치들 간에 데이터를 다수의 하위 채널로 나누어 각각의 하위 반송파 신호에 실어 보내는 다중 반송파 변조 방식 및 이를 이용한 다중 접속 방법에 관한 것이다. 특정한 대역폭을 가지는 복수개의 부채널(sub-channel)에 여러 하위 반송파가 있고 반송파에 적용되는 변조 방식을 변화함으로써 안정적인 통신을 구성할 수 있는 방법이다.

다중 반송파, 부채널 (sub-channel), 인체, 전극

Description

다중 반송파 변조 방식을 이용한 인체 통신 방법{Human body communication method using multi-carrier modulation}

도 1은 기존 발명의 실시 예에 따른 인체에 NRZ 신호를 직접 인가하고 이를 전기적으로 복원하는 통신 장치의 예시도이다.

도 2는 기존 발명의 실시 예에 따른 인체에 NRZ 신호를 직접 인가하고 이를 전광 효과를 이용하여 복원하는 통신 장치의 예시도이다.

도 3은 사용자가 다른 전자기기로부터 유기되는 강한 간섭이 있을 때의 통신을 보여주는 도면이다.

도 4는 다수의 사용자가 있는 환경에서 사용자간의 간섭뿐만 아니라 다른 전자기기로부터 유기되는 강한 간섭이 있을 때의 통신을 보여주는 도면이다.

도 5는 도 3 또는 도 4의 환경 하에서의 본 발명에 따른 주파수별 다른 특성을 갖는 채널에서 다중 반송파 변조 방식이 갖는 특징을 나타내는 그래프이다.

도 6은 도 3 또는 도 4의 환경 하에서의 본 발명에 따른 실제 통신 환경에서 안정된 통신을 구현하는 실시 예이다.

도 7은 본 발명에 따른 다중 반송파 변조 방식을 이용한 인체 통신 방법의 구성 단계를 보여주는 도면이다.

도 8 은 본 발명에 따른 다중 반송파 변조 방식을 이용한 인체 통신 방법의 구성 단계로 기 설정된 채널 특성에 맞추어 부채널의 변조 방식을 결정하는 단계를 보여주는 도면이다.

본 발명은 다중반송파 변조 방식을 이용한 인체 통신에 관한 것으로, 보다 상세하게는 다중 반송파 변조 방식을 이용한 통신 및 이를 이용한 다중 접속 방식에 관한 것이다.

인체 통신이란 전도성을 갖는 인체를 통신 채널로 이용하여 인체와 연결되어 있는 기기들 간에 신호를 전달하는 기술을 말하는 것으로, 개인 휴대 정보 단말기(PDA, personal digital assistant), 휴대형 퍼스널 컴퓨터(portable personal computer), 디지털 카메라(digital camera), MP3 플레이어(MP3 player), 휴대폰 등의 다양한 휴대 기기간의 통신 및 프린터, TV, 출입 시스템 등 고정된 기기와의 통신이 사용자의 간단한 접촉만으로 네트워크가 구성되는 기술이다.

기존의 인체통신 기술은 주파수 편이 방식 (Frequency shift keying : FSK)나 진폭 편이 방식 (Amplitude shift keying : ASK)등 특정한 주파수를 이용하여 최대 수십 Kbps 정도의 저속 데이터 통신을 구현하였으며, 그 응용 분야는 간단한 데이터 전송만을 필요로 하는 분야에 한정되었다.

디지털 신호(NRZ : non return zero)를 직접 인체에 인가하고 이를 광전 효과 를 이용하여 수신된 신호를 복원하는 기술은 그동안의 전송 속도를 획기적으로 개선하여 10Mbps의 통신을 구현하였다.

NRZ 데이터 송신기(100)와 CDR(Clock & Data Recovery)기반의 수신기(110)로 구성되어 있다.

인체 채널을 통하여 수신된 Wideband pulse signal은 전치증폭기에 의하여 증폭되고, Trigger에 의하여 0과 1 상태가 복원된다.

복원된 신호는 level shifter에 의하여 진폭 값이 ground level로 조정되어 CDR에 입력되는 과정을 거친다.

인체에 의하여 발생된 전기장은 도 2 (b)의 도시된 전광(Electro-optic : EO ) 크리스털(210)의 굴절률을 변화시킨다.

이 굴절율의 변화는 LD(Laser Diode)(220)에서 발생되어 EO크리스털을 통과하는 빛의 편광 변화로 이어진다.

이 편광의 변화는 편광 분할기(Polarizing beam splitter)(230)와 두개의 PD(Photo detector)(240)에 의해서 전기 신호의 전력 변화로 나타난다.

이러한 고속의 데이터 전송은 지금까지 한정적일 수밖에 없었던 응용 분야를 생활 주변에 폭 넓게 적용 할 수 있는 장을 열었다.

이러한 통신 속도의 개선에도 불구하고 광전 효과를 이용한 기술은 모듈의 크기, 소비 전력 등의 기술적 문제로 소형기기 적용에 어려움이 있었다.

이러한 문제를 해결하는 방법으로 전기적 복원 방식을 이용한 기술들이 소개되었으며, 이러한 기술들은 현재 2Mbps의 통신을 구현하였을 뿐만 아니라 단일 칩 구현이 가능하여 생활 주변의 다양한 전자 기기에 적용 가능성을 보여주고 있다.

이러한 기술은 심전도(ECG, electrocardiograph), 비관혈식 혈압(NIBP, non-invasive blood pressure), 심장 박동계(heart monitor) 등 인체에 적용 가능한 다양한 센서들간의 네트워크는 물론, 그 동안 구현상에 많은 어려움을 겪고 있던 웨어러블 컴퓨터와 같은 인체 기반의 네트워크 구현에 있어 최적의 기술이 될 수 있다.

인체는 아주 다양한 물질과 형태로 구성되어 있고, 전도성과 높은 유전율로 인해 넓은 주파수 영역에서 안테나와 같은 역할을 하게 된다.

이러한 특성은 인체를 안테나로 이용하여 통신을 구성할 수도 있으나 외부 전자기기로부터 원하지 않은 신호가 인체로 유기될 수 있다.

주파수 편이 방식 (Frequency shift keying : FSK)나 진폭 편이 방식 (Amplitude shift keying : ASK), 위상 편이 방식 (Phase shift keying : PSK) 등의 주파수 변조 방식은 이러한 외부 간섭이 적은 영역을 선택하여 사용할 수 있다.

통신 구현에 있어 비교적 낮은 신호 대 잡음비를 요구하나, 간섭이 발생할 때 해결에 어려움이 있다.

또한 디지털 신호를 직접 전송하는 방식은 매우 넓은 대역을 필요로 하며, 수 신 신호의 특성을 살펴보면 송신기로부터 송신된 신호 외에 주변 기기로부터 유기되는 강한 간섭들과 함께 입력된다.

신호 대역 내에 간섭이 발생할 경우 수신기의 감도가 아무리 좋아도 원하는 신호를 제대로 분리해 낼 수 없다.

또한 수 Mbps이상의 디지털 신호를 직접 보내기 위해서는 수십 MHz 이상의 대역폭을 필요로 하며, 이러한 신호들이 인체에 인가되면 특정 주파수 이상의 신호는 방사됨으로써 여러 사용자가 있을 경우 접촉을 하지 않았음에도 다른 사용자들에게 간섭을 일으켜 안정된 네트워크 구성이 어려운 점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다수의 사용자가 있는 환경에서 사용자 서로에게 간섭을 주지 않을 뿐만 아니라 다른 전자기기로부터 유기되는 강한 간섭이 있을 때 안정적인 통신을 구성할 수 있는 방법을 제공하는데 있다.

상기의 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명에 따른 다중 반송파 변조 방식을 이용한 인체 통신의 일 실시 예는, 인체를 채널로 하여 복수개의 주변기기들과 통신하는 인체 통신에 있어서, (a) 채널의 사용 여부를 판별하는 단계; (b) 소정의 대역폭을 가지는 복수개의 부채널(sub-channel)을 형성하는 단계; (c) 상기 주변기기들로부터 받는 간섭 신호가 상기 부채널의 대역폭 내에 존재하는지를 파악하는 단계; (d) 상기 간섭 신호의 유/무에 따라 상기 부채널의 변조 방식을 결정하는 단계; (e) 상기 결정된 변조 방식을 기초로 데이터를 심볼 데이터로 맵핑하는 단 계; 및 (f) 상기 맵핑된 심볼 데이터를 부반송파에 싣는 단계;를 포함한다.

이하 첨부된 도면들을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하도록한다.

단일의 사용자나 다수의 사용자가 있는 환경 하에서 통신기기,음향기기,영상표시기기,연산처리기기 및 의료용 센서와 같은 주변기기들 동시에 사용하고자 할 때에는 인체를 통과하는 신호는 주변기기에서 발생되는 강한 RF(Radio Frequency) 간섭 신호들에 의하여 왜곡된다.

본 발명에서는 인접한 사용자간에 서로 간섭을 주지 않기 위해서 각 인체에 인가될 수 있는 신호의 주파수 대역을 제한한다.

제한된 주파수에서 데이터의 전송 속도를 높이기 위한 통신 방식 및 이을 이용한 다중 접속 방법을 제공한다.

인접해 있는 다수의 사용자가 서로 간섭 없이 안정된 통신을 구현하기 위해서 인체를 통해 보내는 신호의 점유 주파수를 인접해 있는 사람에게 영향을 주지 않는 주파수 이하로 제한한다.

인체를 채널로 사용할 때 가용한 주파수가 제한됨으로써 디지털 신호를 직접 전송하는 방식으로 구현할 수 있는 통신 속도는 상당한 제약이 따른다.

현재 이러한 방식으로 구현된 최고의 통신 속도는 10Mbps이며, 이 신호는 많은 고조파 신호를 포함하고 있어 점유 주파수 대역을 고려할 때, 최소 수십 MHz의 신호가 인체에 인가되고 이런 성분들은 인체에 한정되지 않고 방사를 통해 근접한 사용자에게 간섭을 일으키게 된다.

즉 현재까지의 기술은 다수의 사용자가 한정된 공간에 존재할 때 상호간에 간섭을 일으키게 되어 안정된 통신의 구현이 어렵다.

본 발명은 기존 방식의 이러한 문제점을 해결하기 위해 제한된 주파수를 사용하고 할당된 주파수 이용 효율을 높이고, 다양한 전자기기로부터 인체에 유기되는 전자기적 간섭이 있는 환경에서 안정된 통신을 구현하기 위한 통신 방법을 제공한다.

먼저 주파수의 이용 효율을 높이기 위해서 심볼 당 표현할 수 있는 비트 수를 증가시키는 변조 방식을 사용한다.

주파수 효율을 높이기 위한 가장 간단한 변조 방식은 기존 위상 편이 방식 (Phase shift keying : PSK)을 확장한 직교 위상 편이 변조 (Quadrature phase shift keying : QPSK)를 들 수 있다.

기존 인체통신에 사용된 위상 편이 방식 (Phase shift keying : PSK)의 경우 하나의 반송파를 이용하여 2개의 정보의 표현이 가능하지만, 직교 위상 편이 변조 (Quadrature phase shift keying : QPSK)는 반송파의 위상을 4개의 상태로 나누어 각각 지정된 정보를 표현함으로써 심볼 당 비트 수를 두 배 증가시킬 수 있다.

또한 동시에 반송파의 진폭과 함께 정보를 표현하는 직교 진폭 변조 (Quadrature amplitude modulation : QAM )방식을 적용하여 반송파의 위상과 진폭에 부여된 레벨에 따라 표현 할 수 있는 심볼 당 비트 수를 더욱 더 증가 시킬 수 있다.

이러한 방식을 적용할 경우, 인체의 방사 특성에 의해 제한된 대역 내에서 고속의 데이터를 전송할 수 있는 통신의 구현이 가능하다.

이렇게 구현된 통신 방식은 다수의 사용자가 인접해 있을 때 상호 간의 간섭을 일으키지 않으나 통신에 사용되고 있는 신호의 주파수 대역 내로 외부기기로부터 인체에 유기되는 강력한 신호 간섭을 해결할 수는 없다.

인체는 주파수 별 전송 특성이 다르기 때문에 직교 진폭 변조 (Quadrature amplitude modulation : QAM )방식을 적용하기 위해서는 수신회로에 채널의 특성을 보상해주기 위한 등화기가 필요하며, 임펄스 잡음 및 점유 주파수 내 간섭에 취약한 단점을 갖는다.

주파수의 이용 효율을 유지하고 주파수 별 신호 대 잡음비가 다른 채널 환경에서 사용하는 통신 방식으로 다중 반송파 변조 방식이 있다.

다중 반송파 변조 방식은 그림 5와 같이 부채널의 사용 가능한 주파수를 여러 개의 하위 반송파(sub-carrier)로 나누어 사용함으로써 주파수 별 신호 대 잡음비가 다른 채널에 적합한 통신 방식이다.

그림 6(a)에서와 같이 부채널(sub-channel) 특성이 주파수에 따라 변화하지 않을 경우 각각의 하위 반송파는 동일한 심볼 당 비트를 갖는 변조 방식을 사용한다.

하지만 실제 환경에서는 대부분 그림 5 혹은 그림6의 (b)와 같은 채널 특성을 가지며, 각각의 부채널 (sub-channel)의 특성을 고려하여 서로 다른 변조 방식을 사용할 수 있는 장점을 갖는다.

그림 6의 (c)에서와 같이 사용 주파수 내 강한 RF 간섭이 존재할 때, 다중반송파 변조 방식은 선택적으로 주파수를 정밀하게 제어할 수 있어, 특정한 하위 주파수를 사용하지 않거나 PSK나, QPSK와 같이 심볼 당 비트수가 낮은 변조 방식들을 이용하여 신호 대 잡음비가 상대적으로 나쁜 환경에서 통신을 구현할 수 있는 변조 방식을 사용할 수 있다.

또한, 모든 하위 반송파의 변조 방식은 매 수간 달라질 수 있으며, 이러한 특성으로 인해 시간에 따라 채널 특성이 변한다 하더라도 부채널 (sub-channel)에 심볼 당 비트 수를 자동으로 조절하는 다이내믹 할당(dynamic allocation) 방식을 이용하여 시간적으로 변화하는 특정한 in-band 대역에 존재하는 강한 RF 간섭에도 통신의 구현이 가능하다.

다중 반송파 변조 방식에 있어 많은 하위 반송파들은 다른 하위 반송파 사이에 직교성을 가짐으로써 상호간에 영향을 주지 않는다.

지금까지는 다수의 사용자들 간에 상호 간섭 없이 제한적 주파수를 효율적으로 이용하는 방법에 대하여 제시하였으며, 사용자가 다수의 기기 간에 네트워크를 구성하기 위해서는 다중 접속 방식이 필요로 하다.

기본적으로 다중 반송파 방식은 제한된 대역폭을 가짐으로 정보를 주고 받는 기기들 간에 같은 주파수 대역을 사용함으로써 인체를 통해 접촉되어 있는 기기들 간에 시간을 나누어 사용하는 네트워크 구성도 가능하다.

채널이 사용 가능한지를 판단한다(S710).

인체를 통하여 전달되는 신호를 소정의 대역폭을 가지는 복수개의 부채널(sub-channel)을 형성한다(S720).

통신기기,음향기기,영상표시기기,연산처리기기 및 의료용 센서주변기기들로부터 받는 간섭 신호가 부채널의 대역폭 내에 존재하는지를 파악한다(S730). 즉 부채널의 채널상태를 파악한다.

간섭 신호의 유/무에 따라 부채널의 변조 방식을 결정한다(S740).

결정된 변조 방식을 기초로 데이터를 심볼 데이터로 맵핑한다(S750).

심볼 데이터를 부반송파에 실어 통신한다(S760).

채널이 사용 가능한지를 판단한다(S810).

인체를 통하여 전달되는 신호를 소정의 대역폭을 가지는 복수개의 부채널(sub-channel)을 형성한다(S820).

통신기기,음향기기,영상표시기기,연산처리기기 및 의료용 센서주변기기등과 같은 외부기기로부터의 간섭을 고려하여 기 설정된 채널 특성에 맞추어 상기 부채 널의 변조 방식을 결정한다(S830).

결정된 변조 방식을 기초로 데이터를 심볼 데이터로 맵핑한다(S840).

맵핑된 심볼 데이터를 부반송파에 실어 통신한다(S850).

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀 질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다.

컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브 (예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시 예들을 중심으로 살펴보았다.

본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시 예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허 청구 범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의한 다중 반송파 변조 방식을 이용한 인체 통신에 의하면 인체를 이용한 기존 고속 통신 방식이 갖고 있던 사용자 상호 간의 간섭을 줄이기 위해 특정한 주파수 이내로 사용을 제한하고, 고속 디지털 신호를 직접 전송하는 대신 제한된 주파수 내에서 QPSK 혹은 QAM 계열의 변조 방식을 사용함으로써 주파수 이용 효율을 높일 수 있다.

또한 다중 반송파 변조 방식을 이용하여 주파수 별 채널 특성이 다른 환경에서 안정적이 통신이 가능하여, 신호 대역 내에 존재하는 강력한 RF 간섭 환경에서도 네트워크 구성이 가능하다.

또한 이러한 통신 방식들을 이용하여 사용자가 접해 있는 다양한 기기들 간에 다중 접속이 가능함으로써 효과적인 통신을 이룰 수 있다.

Claims

인체를 채널로 하여 복수개의 주변기기들과 통신하는 인체 통신에 있어서,

(a) 채널의 사용 여부를 판별하는 단계;

(b) 소정의 대역폭을 가지는 복수개의 부채널(sub-channel)을 형성하는 단계;

(c) 상기 주변기기들로부터 받는 간섭 신호가 상기 부채널의 대역폭 내에 존재하는지를 파악하는 단계;

(d) 상기 간섭 신호의 유/무에 따라 상기 부채널의 변조 방식을 결정하는 단계;

(e) 상기 결정된 변조 방식을 기초로 데이터를 심볼 데이터로 맵핑하는 단계; 및

(f) 상기 맵핑된 심볼 데이터를 부반송파에 싣는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체를 채널로 하는 인체 통신 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 주변기기들은 통신기기,음향기기,영상표시기기,연산처리기기 및 의료용 센서 중 적어도 어느 하나로 이루어진 것을 특징으로 하는 인체를 채널로 하는 인체 통신 방법.
제 1 항에 있어서,

(g) 인접한 사용자들 간의 간섭을 최소화할 수 있도록 인체에 인가되는 주파수를 제한하여 시간을 나누어 동일한 채널을 서로 다른 상기 주변기기들에 할당하는 단계;를 더 포함하여 인체를 채널로 하여 복수개의 주변기기들과 통신하는 인체 통신 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 (c) 단계 및 (d) 단계에서 상기 주변기기로부터의 간섭을 고려하여 기 설정된 채널 특성에 맞추어 상기 부채널의 변조 방식을 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체를 채널로 하는 인체 통신 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 (d)단계에서의 상기 부채널 변조 방식은 직교 위상 편이 변조 (QPSK), 직교 진폭 변조 방식(QAM)중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 인체를 채널로 하는 인체 통신 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 직교 진폭 변조 방식(QAM)에서 변조되는 진폭과 위상 값이 4, 16, 32, 64중 적어도 어느 하나인 것을 특징으로 하는 인체를 채널로 하는 인체 통신 방법.