[논문 리뷰] BioPhysical Modeling, Characterization and Optimization of Electro-Quasistatic Human Body Communication

Shovan Maity, Mingxuan He외 4명|arXiv (Cornell University)|2018. 05. 14.

Wireless Body Area Networks참고 문헌 15인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 이전 채널 측정치 간의 모순을 해결하기 위해 전기-준정적 인간 신체 통신(HBC)에 대한 집합된 생물물리 모델을 개발한다. 수신기 종단 임피던스가 채널 손실에 결정적인 영향을 미친다는 것을 입증하며, 용량성 종단이 저주파 손실을 감소시키고 13 kHz까지 평탄한 전송 함수를 가능하게 한다. 이는 적절히 종단된 경우 인간 신체가 웨어러블 및 이식 가능한 장치를 위한 실현 가능한 밴드폭 통신 채널임을 확인한다.

ABSTRACT

Human Body Communication (HBC) has emerged as an alternative to radio wave communication for connecting low power, miniaturized wearable and implantable devices in, on and around the human body which uses the human body as the communication channel. Previous studies characterizing the human body channel has reported widely varying channel response much of which has been attributed to the variation in measurement setup. This calls for the development of a unifying bio physical model of HBC supported by in depth analysis and an understanding of the effect of excitation, termination modality on HBC measurements. This paper characterizes the human body channel up to 1MHz frequency to evaluate it as a medium for broadband communication. A lumped bio physical model of HBC is developed, supported by experimental validations that provides insight into some of the key discrepancies found in previous studies. Voltage loss measurements are carried out both with an oscilloscope and a miniaturized wearable prototype to capture the effects of non common ground. Results show that the channel loss is strongly dependent on the termination impedance at the receiver end, with up to 4dB variation in average loss for different termination in an oscilloscope and an additional 9 dB channel loss with wearable prototype compared to an oscilloscope measurement. The measured channel response with capacitive termination reduces low frequency loss and allows flat band transfer function down to 13 KHz, establishing the human body as a broadband communication channel. Analysis of the measured results and the simulation model shows that (1) high impedance (2) capacitive termination should be used at the receiver end for accurate voltage mode loss measurements of the HBC channel at low frequencies.

연구 동기 및 목표

• 다양한 자극 및 종단 설정으로 인해 발생하는 이전 HBC 채널 측정치 간의 모순을 해결하기 위해.
• 전기-준정적 HBC를 위한 인간 신체를 통신 채널로 간주하는 통합 생물물리 모델을 개발하기 위해.
• 1 MHz까지 HBC 성능을 특성화하고 밴드폭 통신 잠재력을 평가하기 위해.
• 정확한 저주파 전압 손실 측정을 위한 최적의 수신기 종단 조건을 규명하기 위해.
• 오scilloscope 및 소형 웨어러블 프로토타입을 사용하여 모델을 실험적으로 검증하기 위해.

제안 방법

• 생리적 및 전기적 특성을 기반으로 한 집합된 요소 생물물리 모델을 인간 신체 채널에 적용하였다.
• 수신기 종단 효과를 비교하기 위해 오scilloscope 및 고유의 소형 웨어러블 프로토타입을 사용하여 전압 손실 측정을 수행하였다.
• 저주파 채널 응답에 대한 영향을 분석하기 위해 수신기에서 용량성 종단을 적용하였다.
• 다양한 종단 임피던스 및 측정 플랫폼에서 실험적 검증을 수행하였다.
• 시뮬레이션 및 측정 데이터를 활용하여 종단 조건과 채널 손실 변동 간의 상관관계를 분석하였다.
• 대역폭 평탄성과 저주파 성능을 평가하기 위해 전송 함수를 분석하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 수신기 종단 임피던스가 저주파에서 측정된 HBC 채널 손실에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ2 측정 설정에서 공통 접지 없음의 영향이 HBC 채널 특성화에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 용량성 종단이 HBC 전송 함수를 평탄하게 만들고 저주파로의 사용 가능한 대역폭을 연장할 수 있는가?
• RQ4 측정 플랫폼(예: 오scilloscope 대비 웨어러블 프로토타입)이 관측된 채널 응답에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ5 통합 생물물리 모델은 어떻게 이전 HBC 측정치의 모순을 설명할 수 있는가?

주요 결과

• 오scilloscope를 사용할 경우 종단 임피던스에 따라 채널 손실이 최대 4 dB 변동한다.
• 공통 접지 없음의 영향으로 인해 웨어러블 프로토타입을 사용할 경우 오scilloscope 측정치 대비 추가로 최대 9 dB의 채널 손실이 관찰된다.
• 용량성 종단이 저주파 손실을 감소시키고 13 kHz까지 평탄한 전송 함수를 가능하게 한다.
• 정확한 저주파 전압 모드 손실 측정을 위해서는 고임피던스의 용량성 종단이 필수적이다.
• 집합된 생물물리 모델은 종단 및 자극 효과를 정확하게 표현함으로써 이전 HBC 연구에서의 핵심 모순을 성공적으로 설명한다.
• 적절히 종단된 경우 인간 신체는 1 MHz까지 밴드폭 통신을 지원하며, 13 kHz 이하에서도 평탄한 주파수 응답을 달성할 수 있다.