KR20100075353A - 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템 및 방법 - Google Patents

인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템 및 방법 Download PDF

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황정환
김경수
김정범
임인기
형창희
박형일
김성은
강태욱
명혜진
박경환
현석봉
최병건
강태영
강성원
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Abstract

본 발명은 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 송신측 통신장치가 송신측 커플러를 통해 인체에 전기적 신호를 인가하여 인체의 일부가 안테나로 동작하도록 하고, 전파 신호에 의해 인체의 다른 부분에 야기된 전기적 신호를 수신측 커플러를 통해 수신측 통신장치로 전달함으로써, 저주파 대역을 이용하면서도 부피가 큰 안테나를 사용하지 않고 무선통신을 수행할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
인체 안테나, 인체영역 네트워크, 커플러, 임피던스 정합기

Description

인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템 및 방법 {COMMUNICATION SYSTEM AND MEHTOD USING A PART OF HUMAN BODY AS AN ANTENNA IN THE BODY AREA NETWORK}
본 발명은 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 송신측 통신장치가 송신측 커플러를 통해 인체에 전기적 신호를 인가하여 인체의 일부가 안테나로 동작하도록 하고, 전파 신호에 의해 인체의 다른 부분에 야기된 전기적 신호를 수신측 커플러를 통해 수신측 통신장치로 전달함으로써, 저주파 대역을 이용하면서도 부피가 큰 안테나를 사용하지 않고 무선통신을 수행할 수 있도록 하는 기술에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2006-S-072-03, 과제명: 인체통신 컨트롤러 SoC].
현대 사회에서 많은 사람들이 PDA, 핸드폰, 의료 기기 등과 같은 장치들을 항상 휴대하고 있다. 이러한 휴대용 기기들 간에 각종 데이터를 송수신하기 위해서 인체를 둘러싼 공간 영역에서 네트워크가 구성되는데, 이를 인체영역 네트워 크(Body Area Network)라 정의한다.
이러한 인체영역 네트워크에 사용되는 데이터 전송방식으로는 케이블을 이용한 유선 전송방식과 전파를 이용한 무선 전송방식이 있다. 유선 전송방식은 전송 데이터의 보안이나 전송 속도가 빠르다는 장점이 있으나 케이블 등의 유선 장치를 항상 휴대해야 하는 단점이 있다. 이에 반해, 무선 전송방식은 데이터 전송이 편리하나 인체 자체 혹은 인체의 움직임에 의해 무선채널이 매우 큰 영향을 받는다는 단점이 있다. 즉, 인체영역 네트워크에서 통신장치들간의 무선채널에는 전파의 손실이 매우 큰 손실 유전체인 인체가 위치하기 때문에 신호 손실이 매우 크다. 또한, 인체의 움직임에 따라 통신장치들 사이에는 직접경로(Line of sight)와 간접경로(Non-line of sight)의 무선채널이 반복적으로 형성되는데, 이로 인해 무선채널의 신호 손실 변화가 매우 커서 안정적인 채널구성이 어렵다.
이러한 무선 전송방식의 문제점을 해결하기 위해서는 저주파 대역을 사용하여야 한다. 저주파 대역은 고주파 대역에 비해 인체에 의한 전파의 손실이 적고 전파의 직진성이 약해 인체의 움직임에 의한 신호 손실 변화가 적다는 장점이 있다. 그러나 무선 전송을 위해 필요한 안테나의 크기는 사용주파수의 파장에 비례하는 경향이 있어 저주파 대역을 사용하는 경우 안테나의 크기가 매우 커진다는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 송신측 통신장치가 커플러를 통해 인체에 전기적 신호를 인가하여 인체의 일부가 안테나로 동작하도록 하고, 전파 신호에 의해 인체의 다른 부분에 야기된 전기적 신호를 커플러를 통해 수신측 통신장치로 전달함으로써, 저주파 대역을 이용하면서도 부피가 큰 안테나를 사용하지 않고 무선통신을 수행할 수 있도록 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 의한 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템은, 무선 전송방식에 의해 데이터 신호를 송수신하는 송신측 및 수신측 통신장치; 상기 송신측 및 수신측 통신장치와 인체 사이에서 상기 데이터 신호를 전달하는 송신측 및 수신측 커플러; 및 상기 송신측 및 수신측 통신장치와 상기 송신측 및 수신측 커플러 사이의 임피던스 정합을 위한 송신측 및 수신측 임피던스 정합기를 포함한다.
여기서, 상기 송신측 통신장치는 상기 송신측 커플러를 통해 전기적 신호 형태의 송신 데이터 신호를 인체로 인가함으로써 인체의 일측를 통해 전기적 신호가 흐르도록 하여 인체의 일측으로부터 공기중으로 전파가 방사되도록 한다.
이에 따라, 상기 수신측 통신장치는 상기 수신측 커플러를 통해 상기 인체의 일측으로부터 방사된 전파에 의해 인체의 타측에 야기된 전기적 신호를 전달받는다.
상기 송신측 및 수신측 커플러는 데이터 신호를 전달하기 위한 신호전극으로 구현될 수 있다. 또한, 상기 송신측 및 수신측 커플러는 상기 송신측 및 수신측 통신장치의 접지에 각각 연결되는 접지전극을 더 포함할 수도 있다.
상기 송신측 및 수신측 커플러는 인체에 접촉하거나 접촉하지 않을 수 있다.
상기 송신측 및 수신측 커플러는 인체에 접촉하는 경우 상기 송신측 및 수신측 통신장치의 외부에 별도로 형성되어 인체와 직접 접촉하고, 인체에 접촉하지 않는 경우 상기 송신측 및 수신측 통신장치의 내부에 각각 포함된다.
또한, 상기 송신측 및 수신측 임피던스 정합기는 상기 송신측 및 수신측 커플러가 인체에 접촉하거나 접촉하지 않음에 따라 변화하는 임피던스에 따라 상이하게 설계된다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 의한 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 방법은, 인체의 일측을 통해 전기적 신호가 흐르도록, 송신측 통신장치가 송신측 커플러를 통해 전기적 신호 형태의 송신 데이터 신호를 인체로 인가하는 단계; 전기적 신호가 흐르는 인체의 일측으로부터 공기중으로 전파가 방사되는 단계; 및 수신측 통신장치가 수신측 커플러를 통해 상기 인체의 일측으로부터 방사된 전파에 의해 인체의 타측에 야기된 전기적 신호를 전달받 는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 인체영역 네트워크에서 송신측 및 수신측 통신장치들 사이의 무선통신시 인체의 일부를 안테나로 사용함으로써, 부피가 큰 안테나를 사용하지 않고서도 저주파 대역을 이용하여 안정적인 무선채널을 구성할 수 있도록 한다.
또한, 송신측 및 수신측 통신장치와 송신측 및 수신측 커플러 사이에 임피던스 정합기를 구비함으로써, 송신측 및 수신측 커플러가 인체에 접촉하거나 그렇지 않음에 따라 변화하는 임피던스를 정합시켜 신호 손실을 줄일 수 있다.
또한, 통신장치의 접지와 연결되는 접지전극을 더 구비함으로써, 보다 강한 신호를 인체로 인가하거나 인체로부터 전달받을 수 있게 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.
덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 '연결'되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 '간접적으로 연결'되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 '포함'한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의해 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템의 개략도이다.
인체는 그 정도는 약하지만 도체성질을 지니고 있는데, 이러한 인체의 도체성질을 이용하면 인체를 무선 전송을 위한 안테나로 사용할 수 있다.
구체적으로, 송신측 통신장치(10)가 인체(30)의 일측에 전기적 신호를 인가하면 인체(30)를 통해 전기적 신호(1)가 흐르게 되고, 이에 따라 인체(30)의 일부는 공기 중으로 전파(2)를 방사하게 되어 송신 안테나로서 동작하게 된다.
또한, 인체(30)의 타측이 공기 중으로 방사된 전파(2)에 노출되면 인체(30)를 통해 전기적 신호(3)가 흐르게 되고 상기 전기적 신호(3)가 수신측 통신장치(20)로 전달됨으로써 인체(30)의 일부가 수신 안테나로서 동작하게 된다.
이처럼 인체영역 네트워크를 구성하는 송신측 및 수신측 통신장치(10, 20)는 인체(30)의 일부를 안테나로 동작시킴으로써 별도의 안테나 장치를 구비하지 않고 무선 통신을 수행할 수 있게 된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의해 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템의 상세 구성도로서, 상기 통신 시스템은 송신측 및 수신측 통신장치(10, 20)와, 상기 송신측 및 수신측 통신장치(10, 20)에 각각 구비되는 송신측 및 수신측 커플러(11, 21)와, 상기 송신측 및 수신측 커플러(11, 21)와 송신측 및 수신측 통신장치(10, 20)사이의 임피던스 정합을 위한 임피던스 정합기(12, 22)를 포함하여 구성된다.
여기서, 통신장치(10, 20)는 무선 전송방식에 의해 데이터를 송수신하는 무선 통신장치로서, 예를 들어 PDA, 휴대폰, 의료기기 등과 같이 인체영역 네트워크를 구성할 수 있는 통신 장치라면 종류에 무관하게 사용될 수 있다. 통신장치(10, 20)는 설명의 편의를 위해 송신측 및 수신측 통신장치(10, 20)로 구분하나 데이터 전송 측면에서는 동일한 기능을 갖는다.
또한, 커플러(11, 12) 는 통신장치(10, 20)와 인체(30) 사이에서 전기적 신호 형태의 송수신 데이터 신호를 전달하기 위한 것으로, 설명의 편의를 위해 송신측 및 수신측 통신장치 (11, 21)로 구분하나 동일한 기능을 갖는다.
송신측 통신장치(10)는 송신측 커플러(11)를 통해 전기적 신호 형태의 송신 데이터 신호를 인체(30)로 인가한다.
수신측 통신장치(20)는 수신측 커플러(21)를 통해 인체(30)에 흐르는 전기적 신호 형태의 수신 데이터 신호를 전달 받는다.
송신측 및 수신측 커플러(11, 21)는 전극(Electrode)될 수 있으며, 인체에 접촉하거나 접촉하지 않을 수 있다.
도 3은 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템에서 커플러가 인체에 접촉할 경우와 그렇지 않을 경우의 커플러의 입력 임피던스를 도시하는 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 송신측 및 수신측 커플러(11, 21)가 인체에 접촉할 경우 인체의 높은 유전율 특성으로 인해 인체에 접촉하지 않을 경우보다 낮은 임피던스 값을 갖는다.
따라서, 본 발명에서는, 송신측 및 수신측 통신장치(10, 20)와 송신측 및 수신측 커플러(11, 21)사이에 임피던스 정합기(12, 22)를 구비하고, 예를 들어 도 3에 도시된 바와 같은 각각의 임피던스에 맞게 임피던스 정합기(12, 22)를 설계하여 줌으로써 송신측 및 수신측 커플러(11, 21)가 인체에 접촉하는 경우뿐만 아니라 그렇지 않은 경우에도 보다 강한 신호를 인체(30)로 인가하거나 인체(30)로부터 전달받을 수 있도록 한다.
한편, 커플러(11, 21)가 인체에 접촉하는 경우, 커플러(11, 21)는 데이터 신호를 전달하기 위한 신호전극에 통신장치(10, 20)의 접지와 연결되는 접지전극(12, 22)이 추가된 형태로 구현될 수 있다. 이 경우, 신호전극과 접지전극 사이에는 인체를 통해 강한 신호가 흐르게 된다. 즉, 커플러(11, 21)를 신호전극만으로 구현하는 경우보다 신호의 세기가 커진다. 따라서, 보다 강한 신호를 인체(30)로 인가하거나 인체 (30)로부터 전달받을 수 있다.
반면, 커플러(11, 21)가 인체에 접촉하지 않는 경우, 즉 커플러(11, 21)와 인체(30) 사이에 공기층, 의복 등과 같은 다른 물질이 존재하는 경우, 임피던스 부 정합에 의한 신호 손실이 추가로 발생하게 되나, 상술한 바와 같은 임피던스 정합기(12, 22)에 의해 이와 같은 신호 손실을 줄여 줄 수 있다. 따라서, 커플러(11, 21)가 인체(30)에 접촉되지 않더라도 인체(30)에 전기적 신호를 인가하여 인체(30)의 일부를 안테나로 사용할 수 있게 된다. 이 경우, 커플러(11, 21)는 인체(30)에 접촉하지 않아도 되어 사용상 편의를 도모할 수 있다.
또한, 커플러(11, 21)가 인체에 접촉되어야 하는 경우 커플러(11, 21)는 통신장치(10, 20)의 외부에 별도로 형성된다. 그러나, 커플러(11, 21)가 인체에 접촉될 필요가 없는 경우에는 통신장치(10, 20)의 내부에 형성되어도 무방하다.
본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명에 따른 구성요소를 치환, 변형 및 변경할 수 있다는 것이 명백할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 의해 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템의 개략도,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의해 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템의 상세 구성도, 그리고
도3은 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템에서 커플러가 인체에 접촉할 경우와 그렇지 않을 경우의 커플러의 입력 임피던스를 도시하는 도면이다.
*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*
10: 송신측 통신장치 11: 송신측 커플러
12: 송신측 임피던스 정합기 13: 접지전극
20: 수신측 통신장치 21: 수신측 커플러
22: 수신측 임피던스 정합기 23: 접지전극

Claims (17)

  1. 무선 전송방식에 의해 데이터 신호를 송수신하는 송신측 및 수신측 통신장치;
    상기 송신측 및 수신측 통신장치와 인체 사이에서 상기 데이터 신호를 전달하는 송신측 및 수신측 커플러; 및
    상기 송신측 및 수신측 통신장치와 상기 송신측 및 수신측 커플러 사이의 임피던스 정합을 위한 송신측 및 수신측 임피던스 정합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신측 통신장치는 상기 송신측 커플러를 통해 전기적 신호 형태의 송신 데이터 신호를 인체로 인가함으로써 인체의 일측를 통해 전기적 신호가 흐르도록 하여 인체의 일측으로부터 공기중으로 전파가 방사되도록 하는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 수신측 통신장치는 상기 수신측 커플러를 통해 상기 인체의 일측으로부 터 방사된 전파에 의해 인체의 타측에 야기된 전기적 신호를 전달받는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신측 및 수신측 커플러는 데이터 신호를 전달하기 위한 신호전극으로 구현되는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 송신측 및 수신측 커플러는 상기 송신측 및 수신측 통신장치의 접지에 각각 연결되는 접지전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 송신측 및 수신측 커플러는 인체에 접촉하거나 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 송신측 및 수신측 커플러는 인체에 접촉하는 경우 상기 송신측 및 수신측 통신장치의 외부에 별도로 형성되어 인체와 직접 접촉하고, 인체에 접촉하지 않는 경우 상기 송신측 및 수신측 통신장치의 내부에 각각 포함되는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 송신측 및 수신측 임피던스 정합기는 상기 송신측 및 수신측 커플러가 인체에 접촉하거나 접촉하지 않음에 따라 변화하는 임피던스에 따라 상이하게 설계되는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  9. 무선 전송방식에 의해 데이터 신호를 송수신하는 통신장치;
    상기 통신장치와 인체 사이에서 상기 데이터 신호를 전달하는 커플러; 및
    상기 통신장치와 상기 커플러 사이의 임피던스 정합을 위한 임피던스 정합기를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 통신장치는 상기 커플러를 통해 전기적 신호 형태의 송신 데이터 신호를 인체로 인가함으로써 인체의 일측를 통해 전기적 신호가 흐르도록 하여 인체의 일측으로부터 공기중으로 전파가 방사되도록 하는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 통신장치는 상기 커플러를 통해 인체의 일측으로부터 방사된 전파에 의해 인체의 타측에 야기된 전기적 신호를 전달받는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 커플러는 데이터 신호를 전달하기 위한 신호전극으로 구현되는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 커플러는 상기 통신장치의 접지에 연결되는 접지전극을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  14. 제 9 항에 있어서,
    상기 커플러는 인체에 접촉하거나 접촉하지 않는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 커플러는 인체에 접촉하는 경우 상기 통신장치의 외부에 별도로 형성되어 인체와 직접 접촉하고, 인체에 접촉하지 않는 경우 상기 통신장치의 내부에 포함되는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  16. 제 14 항에 있어서,
    상기 임피던스 정합기는 상기 커플러가 인체에 접촉하거나 접촉하지 않음에 따라 변화하는 임피던스에 따라 상이하게 설계되는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 시스템.
  17. 인체의 일측을 통해 전기적 신호가 흐르도록, 송신측 통신장치가 송신측 커플러를 통해 전기적 신호 형태의 송신 데이터 신호를 인체로 인가하는 단계;
    전기적 신호가 흐르는 인체의 일측으로부터 공기중으로 전파가 방사되는 단계; 및
    수신측 통신장치가 수신측 커플러를 통해 상기 인체의 일측으로부터 방사된 전파에 의해 인체의 타측에 야기된 전기적 신호를 전달받는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 인체영역 네트워크에서 인체의 일부를 안테나로 이용하는 통신 방법.
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