1) 채널 모델을 이용한 인체 채널 특성 분석
가) 생체 채널에 대한 주파수 응답 특성 분석
- 아래 그림은 측정으로 얻은 78가지 측정 경우에 대한 임펄스응답 신호의 주파수 특성들과 상기 주파수 특성들을 기반으로 채널의 상관 대역폭 분석을 수행한 결과를 제시함. 임펄스응답 신호 의 신호크기에 대한 power spectral density (PSD)의 분포는 약 –20 dB에서 –80 dB까지 분포하지 만 실제 신호가 위치하는 대역은 약 30 MHz 미만이기 때문에 신호 크기 분포의 최소값은 약 – 40 dB ~ 45 dB 정도로 예상됨.
- 주파수의 상관도 0.9, 0.7, 0.5에 따른 상관 대역폭의 확률적 분포를 확인해 보면, 상관도 0.9의 높은 상관성을 갖는 주파수의 분포는 대부분 약 0.5 MHz 이하에 분포하고, 각 상관도 0.7과 0.5 에 해당하는 주파수 대역은 최대 약 1.8 MHz, 3.3 MHz이하에 분포하는 것을 확인할 수 있음.
그림 151. 임펄스응답 신호에 대한 주파수 특성 분석
나) 생체 채널에 대한 잡음 및 간섭 신호 분석
- 아래 그림은 수신기의 커패시터와 저항 값의 변화에 따른 생체 채널에 더해지는 잡음 및 간섭 신호의 전력 분포를 제시함. 왼쪽 그림은 전 신호 수신 대역에 분포하는 잡음 신호에 대한 전력 을 나타내고, 오른 쪽 그림은 바이너리 검출에 큰 영향을 주는 base-line을 불안정하게 하는 3 MHz 이하의 저대역 잡음을 나타냄.
- 본 결과를 통해, 수신 신호의 SNR을 결정하는 잡음 전력은 신호가 수신기에 입력될 때의 커패 시턴스와 저항 값에 큰 영향을 받는 것을 확인 할 수 있음. 또한 필터 사용 시, 잡음 전력을 최 소화 할 수 있는 커패시터와 저항 값에 대한 레퍼런스를 제공 함.
그림 152. 생체 채널에 대한 잡음 전력 분포
2) 생체통신 송수신 상위설계 및 성능평가 및 프리앰블 성능분석 수행 가) 측정 결과 기반 생체 채널 적용 상위 BER 성능 평가
- 아래 그림은 생체 송수신 측정신호를 기반으로 인체 채널에 대한 전달함수 모델링 과정을 제시 함. 입력 펄스신호와 출력 임펄스응답 간의 mean squired error (MSE)를 최소화 하는 함수로 계 산함.
그림 153. 생체 채널 상위 모델링
- 아래 그림은 측정 데이터에 대한 신호 처리 과정을 통해 얻은 생체 채널에서 제안한 알고리즘 을 사용한 생체통신 1 Mbps에 대한 BER (bit error rate)에 대한 시뮬레이션 결과를 제시함. 이 때 예를 들어 송신 신호의 동작 주파수는 각 80 MHz, 40 MHz, 20 MHz 로하고 생체 채널은 앞 에서 제시된 채널 모델을 사용, frame 동기는 완벽히 수행된다고 가정함.
- 생체 채널에서도 플로우가 발생하지 않으면서 BER 10-10을 만족하는 것을 확인할 수 있음.
AWGN 채널과 비교하여 생체 채널의 딜레이특성 영향으로 발생한 inter-symbol interference (ISI)에 의해 성능 열화가 관찰이 되는데, 여기서 발생한 성능열화를 최소화하기 위해서 하드웨 어 구현 시, 수신기 필터를 통해 원하는 신호 대역 외의 잡음을 최소화하여 수신기에서 달성할 수 있는 SNR을 최대화하는 작업이 필요함
그림 154. 생체 채널 BER 성능 시뮬레이션
나) 측정 결과 기반 생체 채널 적용 프리앰블 성능 시뮬레이션
- 아래 그림은 생체 송수신 측정 신호를 기반으로 인체 채널에 대한 제안한 프리앰블 구조에서 달성 가능한 동기 성능을 제시함. 성능 지표는 프리앰블의 종료 비트를 정확히 검출한 detection 확률, 프리앰블의 종료 비트를 잘못 검출한 false alarm 확률, 프리앰블의 존재를 놓친 missing 확률로 하였으며, SNR –10 dB부터 0 dB 까지의 검출 확률에 대한 성능 시뮬레이션을 수행함.
- 아래 결과에서 제시하는 것과 같이 낮은 SNR에서도 약 100 이상의 상관값 범위에서 완벽한 동 기가 수행되고 있음을 확인할 수 있고, 높은 SNR에서는 프리앰블 길이에 근접한 값에 해당하는 임계값까지 완벽한 동기 검출이 가능함을 확인할 수 있음.
- 제안한 방법에 의하면, 검출에 실패하였을 경우 false alarm이 아닌 missing으로 시스템이 동기 가 검출되지 않았는데 검출된 것으로 오판하는 이상 상태에 빠질 확률이 매우 낮음.
그림 155. 생체 채널 동기 성능 시뮬레이션