전장용 착용형 지문 인증·인체통신 기반 에너지 효율 솔루션

초록

전장에서 군인이 안전하게 정보를 교환하기 위해, 착용형 지문 센서와 인체 전도 통신(HBC)을 이용해 온-바디 데이터 전송을 수행하고, 허브에서 템플릿 추출(TE) 알고리즘을 실행한다. 에너지 제약을 고려한 자원 할당 최적화를 통해 센서 수명을 극대화하고, COTS 기반 프로토타입으로 실현 가능성을 입증하였다.

상세 분석

본 논문은 전술 환경에서 요구되는 실시간·원격 인증을 구현하기 위해 하드웨어·알고리즘·통신 세 층을 통합 설계하였다. 첫 번째는 초소형 착용형 지문 센서로, 전력 소모를 최소화하기 위해 저전압 아날로그 전류 측정 회로와 저전력 MCU를 채택하였다. 두 번째는 템플릿 추출(TE) 알고리즘을 센서가 아닌 중앙 허브에서 수행하도록 배치함으로써, 센서 측의 연산 부하와 메모리 요구량을 크게 감소시켰다. 이는 에너지 효율성뿐 아니라 보안 측면에서도 템플릿이 전송 중에 노출되는 위험을 줄인다. 세 번째는 인체 전도 통신(HBC)을 이용한 온-바디 전송이다. HBC는 전파 기반 무선 통신에 비해 전력 소모가 10배 이상 낮으며, 전자기 간섭에 강하고 신체 내부 경로를 이용해 전송 거리를 수십 센티미터까지 확보한다. 논문은 HBC 채널 모델링을 통해 전송 손실, 잡음, 변조 방식(QPSK·OOK) 등을 분석하고, 최적의 전송 파라미터를 도출하였다. 또한, 장거리(수백 미터) 전송을 위해 저전력 BLE와 병행 사용하여 센서에서 허브까지는 HBC, 허브에서 중앙 서버까지는 BLE를 활용하는 이중 전송 구조를 제안한다. 자원 할당 최적화는 센서 전력, HBC 전송 전력, 허브 연산 전력, 그리고 데이터 암호화 비용을 다변수 선형 계획법으로 모델링하고, 목표 함수는 전체 시스템 수명을 최대화하는 것이다. 시뮬레이션 결과, 기존 온-바디 전송만을 사용한 경우 대비 45% 이상의 배터리 수명 연장을 달성했으며, 인증 지연도 120 ms 이하로 유지한다. 최종적으로 COTS 부품(ADXL345 가속도계, Nordic nRF52840, 맞춤형 HBC 변조기)으로 구현한 프로토타입이 실험실 및 야외 환경에서 98% 이상의 인증 성공률을 보이며, 전력 소비가 3 mW 수준임을 입증하였다. 이러한 설계는 전술 현장의 가변 전력 공급 상황에 강인하게 대응하면서, 높은 보안 수준을 유지하는 실용적인 인증 솔루션을 제공한다.