인체 채널 특성 및 흥·착 모드에 따른 분류 연구

초록

본 논문은 인체를 전송 매체로 이용한 인간 몸통신(HBC)의 채널 손실을 14가지 시나리오(웨어러블‑웨어러블, 웨어러블‑머신, 머신‑머신)와 두 가지 흥·착 방식(단일‑엔드, 차동)으로 측정·분석한다. 웨어러블‑웨어러블 조합이 가장 큰 손실(‑50 dB)을 보이며, 큰 접지면을 가진 머신‑머신은 거의 손실이 없고, 차동 흥·착은 짧은 거리에서, 단일‑엔드 흥·착은 긴 거리에서 유리함을 확인한다.

상세 분석

이 연구는 인체를 전도성 매체로 활용하는 HBC의 채널 모델을 전압‑모드(VM) 방식으로 접근한다. 저임피던스 신호원과 고임피던스 로드(오실로스코프)를 이용해 전압 전송 비율을 채널 손실로 정의하고, 전극‑피부 접촉 저항(ZS)과 조직 임피던스(ZT), 로드 저항(RL)·정전용량(CL) 등을 포함한 등가 회로를 제시한다. 특히, 단일‑엔드(SE) 방식에서는 송신기와 수신기 사이에 지면과의 정전용량(Cret)이 반환 경로를 형성해 정전용량 분배에 의해 주파수에 무관한 평탄한 손실 특성을 만든다. 반면 차동(DE) 방식은 신호·그라운드 전극을 모두 인체에 연결해 폐쇄 루프 전기장을 형성하고, 수신 전극 간 전위 차를 이용한다. 실험에서는 Texas Instruments TM4C123G 보드와 오실로스코프를 이용해 13.3 kHz–784 kHz 범위에서 신호를 전송하고, 14가지 조합을 측정하였다. 결과는 다음과 같다. ① 웨어러블‑웨어러블(두 장치 모두 작은 접지면)에서는 접지면이 작아 반환 정전용량이 작아지므로 손실이 크게 나타나며, 거리 증가에 따라 차동 방식의 손실이 급격히 상승한다. ② 웨어러블‑머신(머신은 큰 접지면을 갖음)에서는 반환 정전용량이 커져 SE 방식에서 손실이 현저히 감소하고, 차동 방식은 여전히 높은 손실을 보인다. ③ 머신‑머신(특히 전원망에 연결된 경우)에서는 접지가 거의 무한대에 가까워 반환 경로가 거의 저항이 없으며, SE 방식에서 손실이 0 dB에 근접한다. ④ 차동 방식은 채널 길이가 짧거나 수신 전극이 송신 전극 사이에 위치할 때만 유리하며, 그 외 상황에서는 SE 방식이 전반적으로 우수하다. 이러한 결과는 기존 문헌에서 보고된 손실 차이를 접지 면적과 흥·착 방식 차이로 설명한다는 점에서 의미가 크다. 또한, 채널 손실이 크게 변동하는 경우 전력 효율을 극대화하기 위해 적절한 흥·착 방식을 선택하고, 필요 시 접지 면적을 확대하거나 반환 정전용량을 인위적으로 조정하는 설계 전략이 필요함을 시사한다.