WBAN 인체통신 기술동향 분석

인체통신 기술이란 전도성을 갖는 인체를 통신 채널로 이용하여 데이터를 전송하는 기술이다. 인체통신을 이용하면 인체에 근접한 다양한 정보 단말기간에 정보를 인체를 통해서 주고받을 수 있게 된다[1][2]. 즉, 일상생활에서 사용하는 스마트폰, 스마트 패드 및 스마트 시계를 포함한 다양한 휴대 단말기들이 인체 접촉을 기반으로 Body Area Network(BAN)을 구성할 수 있게 된다[3][4].

몸 위에 있는 기기와 10m 거리에 떨어져 있는 다른 기기와 통신을 목적으로 하는 Personal Area Network (PAN)과는 달리 BAN은 인체 주위 3m 이내에 기기 간의 통신을 목적으로 하며 몸 자체를 주요 통신환경으로 채택한 것이 그 특징이다. 이러한 BAN 환경에서는 기존 PAN에서 활용되는 블루투스(Bluetooth)나 지그비(ZigBee)와 같은 무선 통신 기술이 바로 적용되기 어렵고 BAN에 최적화된 무선 통신 기술이 필요하다. 이를 위하여 저비용, 저전력, 고속 통신의 특징을 가지는 인체통신 기술이 Wireless Body Area Network(WBAN)의 주요 통신 기술로 주목받게 되었다[5]-[7].

지금까지 개발된 인체통신 기술 중에서는 한국전자통신연구원이 개발한 Frequency Selective Digital Transmission(FSDT) 방식의 인체통신 기술이 30Mbps로 가장 높은 전송속도를 가지며 20mW로 가장 적은 전력을 소비한다[<표 1> 참조]. 각종 전시회에서 인체를 통한 고화질 멀티미디어 데이터의 전송을 선보이며 그 가능성을 증명하였다. 하지만 이러한 노력에도 불구하고 고속 데이터를 전송하는 인체통신 기술은 적합한 응용분야를 찾지 못하고 시장 진입에 어려움을 겪었다. 많은 양의 정보 전달을 요구하는 응용분야에서는 접촉을 반드시 유지해야 하는 인체통신 기술보다 기존의 RF 무선통신 기술이 더 선호되고 있으며 BAN에 부착되는 센서들은 많은 양의 데이터 전송을 요구하지 않고 있다. 이러한 문제점을 바탕으로 현재의 인체통신 기술은 RF 무선통신과 높은 전송 속도 경쟁보다는 WBAN 환경에서 적합한 구조를 채택하여 센서네트워크 및 캡슐내시경을 포함한 헬스케어 분야에서 높은 보안성 및 신뢰성을 제공하는 쪽으로 개발 방향 선회하고 있다.

<표 1>

인체통신 기술 개발 현황

Zimmerman에 의해 처음 제안된 인체통신 기술은 최근 WBAN과 연계되면서 WBAN에서 발생하는 기존 통신 기술의 문제점을 극복하기 위한 해결책으로 주목받고 있다[1]. 하지만, 여전히 인체를 통한 데이터의 전송 품질 향상 및 인체채널 특성에 관한 많은 연구가 진행 중이기도 하다.

그 중 WBAN에 적용되기 적합한 인체 신호 전송 방법에 관하여 살펴보도록 하겠다. (그림 1)과 같이 WBAN 환경에서 인체통신 기술을 활용하여 송신단에서 수신단으로 신호를 전송하는 방법은 크게 capacitive coupling 방식과 galvanic coupling 방식으로 분류된다[8][9]. 전송 방식에 따라서 신호의 사용 가능 주파수 대역 및 적용 가능한 신체 부위가 변하게 되므로 응용 분야의 요구사항을 정확히 파악하고 이에 적합한 신호 전송 방식을 채택할 필요가 있다. Coupling방식 외에도 waveguide 방식을 포함한 다양한 인체통신 방법이 시도되었으나 인체 외부로 유출되는 신호의 크기가 작지 않아 무선통신과 유사한 특성을 보이며 인체통신 기술의 특징인 보안성 및 신뢰성에 취약점을 보여 WBAN에서의 인체 신호 전송 방법으로는 선호되고 있지 않다.

(그림 1)

HBC 전송 방법[8]

* Human Body Communication(HBC)

Galvanic coupling 방식의 경우 송수신단에 한 쌍의 전극(신호 전극, ground 전극)이 동시에 인체에 접촉되어야 한다. 이는 별도의 가상 ground plane이 필요하지 않으나 전송되는 신호의 특성이 인체 조직의 특성에 영향을 많이 받는 점을 주의해야 한다. -20dB의 경로 손실이 항상 존재하며 전송 거리가 5cm 늘어날 때마다 경로 손실이 10~15dB 정도 변하게 되므로 비교적 짧은 거리(25cm 이하)에 신호를 안정적으로 전송하기에 적합한 전송 방식이다. 다만 전극과 피부와의 부착 상태에 따라서 송수신 신호가 많은 영향을 받으므로 전해 젤을 활용하여 전극과 피부의 임피던스 정합을 시도하여 신호 품질을 개선할 필요가 있다.

Capacitive coupling 방식의 경우 송수신단의 ground 전극은 개방된 상태로 신호 전극만이 인체에 접촉되어 신호를 전송하게 된다. 이럴 경우 별도의 가상 ground plane이 요구되며, ground 전극의 크기가 클수록 경로 손실이 줄어들기도 한다. 45cm의 거리에서 -15dB의 손실만이 존재하며 인체 전체(약 150cm)에 모두 신호를 전송할 수 있을 만큼 긴 거리 데이터 전송이 가능하다. 하지만 인체 내부 및 외부 노이즈에 취약한 방식이라 수신 신호 필터링 등 추후 데이터 복원 작업을 반드시 거쳐야 한다.

Capacitive coupling 방법의 가장 큰 특징은 전극이 반드시 인체와 접촉할 필요 없이 근처에만 있어도 인체로 신호를 전송하는 비접촉 인체통신 기술이 가능하다는 점이다. 예를 들어, 개인 인증 단말의 경우 capacitive coupling 방식을 활용하면 단말기가 반드시 인체에 접촉될 필요 없이 주머니에 있어도 인체를 통한 인증 정보 송수신이 가능해지는 장점이 있다.

결과적으로 WBAN에서의 인체 신호 전송 방법은 짧은 전송 거리에 비교적 낮은 데이터 전송속도를 가지지만 안정적으로 신호를 전송하는 galvanic coupling 방식과 노이즈에 취약하나 인체 전체에 신호 전송이 가능하며 비교적 높은 데이터 전송 속도로 비접촉 인체통신이 가능한 capacitive coupling 방식 중 응용서비스의 요구사항에 적합한 방식을 선택하여야 한다. 선정된 인체 신호 전송 방법을 바탕으로 신호 변조 방법 및 전송 속도 달성을 위한 frame synchronization 작업 거쳐 최종 인체통신 PHY 모듈을 구현할 수 있게 된다.

BAN에서는 인체 주위(off-body), 인체 위(on-body), 혹은 인체 속(in-body)에 다양한 센서 및 정보기기들이 위치한다. BAN은 이 센서 및 정보기기들이 데이터를 주고받는 환경에 따라서 웨어러블 BAN link와 임플란트 BAN link 두 가지로 분류될 수 있다[(그림 2) 참조]. 웨어러블 BAN link는 인체 외부에 있는 기기끼리 서로 통신을 주고받는 형태를 나타내며 임플란트 BAN link는 인체 내부에서 외부로 혹은 외부에서 내부로 신호를 전송하는 경우를 일컫는다.

WBAN 인체통신 기술은 응용 분야가 웨어러블 BAN link인지 임플란트 BAN link인지에 따라서 전혀 다른 동작 환경에서 개발되어야 한다. 적용 분야에 따라서 인체채널에 적합한 사용 주파수 대역, 전극의 구성 방법, 신호 변조 방법, 목표 전송 거리, 허용 전력의 세기 등이 다양하게 변하며, 이에 따라 그 응용분야에 최적화된 인체통신 기술 개발이 요구된다. 최근 웨어러블 BAN link의 대표적인 응용분야인 웨어러블 센서 네트워크와 임플란트 BAN link의 대표적인 응용분야인 캡슐내시경에 최적화된 WBAN용 인체통신 기술이 개발되고 있어 이를 살펴보도록 하겠다.

(그림 2)

BAN-Wearable BAN, Implant BAN

1. 웨어러블 센서 네트워크(WSN)

(그림 3)과 같이 국내외에 수많은 업체가 웨어러블 기기와 관련하여 다양한 제품을 연구개발하고 있으며 이 중 많은 제품들이 통신의 편의성을 위하여 블루투스와 같은 무선 데이터 통신 기술을 채용하여 시판되고 있다. 하지만 다수의 웨어러블 센서들을 통합하여 네트워크를 구축하는 Wearable Sensor Network(WSN)에 있어서는 기존의 무선 통신방식만으로는 해결책을 찾는데 어려움을 겪고 있다.

(그림 3)

웨어러블 기술 관련 회사 및 관련 분야

<출처>: IDTechEx 리서치

인체통신 기술을 WSN에서 활용할 경우 기존의 무선 전송 방식 대비 통신 모듈의 소형화 및 저전력화가 가능하다. 웨어러블 기기의 특성상 센서 및 모듈이 오랜 시간 동안 인체에 부착되어야 하는데, 큰 사이즈의 모듈이나 무거운 모듈은 사용자에게 의도치 않은 불편을 주게 된다. 이에 인체통신 기술을 적용하여 웨어러블 센서 및 기기들의 배터리 혹은 모듈의 사이즈나 무게 개선이 가능하다. 더불어 센서에서 측정된 개인 생체 데이터를 공기 중으로 송신하는 무선 통신 방식 대비 인체 내로 데이터를 송신하는 인체통신 기술은 우수한 보안성을 확보할 수 있으며 접촉기반의 직관적인 서비스가 가능하여 간단히 인체에 웨어러블 센서를 부착하는 것만으로 웨어러블 센서 간의 네트워크를 구성할 수 있게 된다.

(그림 4)와 같이 신체나 의복에 착용된 다양한 종류의 센서들이(심전도 센서, 체중 센서, 운동량 센서, 체온, 혈압 이상 센서 등) 부위별 신체 기능을 측정하며, 개별 센서에서 측정된 데이터는 인체통신 기술을 이용하여 손목에 착용된 스마트 시계로 전송된다. 스마트 시계에서는 센서로부터 수집된 데이터를 바탕으로 사용자의 상태를 파악할 수 있으며, 추가적인 조치가 필요할 경우 각종 센서를 제어하는 제어 신호를 송신하여 인체에 자극을 줄 수도 있다. 또한, 새로운 센서를 추가할 경우 인체에 접촉만으로 새로운 네트워크를 구성할 수도 있다. 이처럼 인체통신을 활용한 WSN 기술은 그 편리성을 바탕으로 헬스케어를 포함한 다양한 응용 분야에 활용될 것으로 예상된다.

(그림 4)

WSN용 인체통신 기술 적용 예

한국전자통신연구원에서는 웨어러블 센서 네트워크에 적용할 수 있는 인체통신 기술을 2015년부터 본격적으로 개발하기 시작하였으며 이는 최대 1Mbps의 속도로 최대 8개의 웨어러블 디바이스를 연결할 수 있도록 설계되고 있다. 이 기술의 경우 1개의 송수신 전극을 활용하는 Capacitive coupling 방식을 채택하였고 기존의 FSDT 방식을 개선하여 사용 주파수 폭을 최소화하는 방식을 채택하고 IEEE 802.15.6 MAC 규격인 star topology를 채용하여 현재 프로토타입 개발 중에 있다. WSN에 적용 가능한 인체통신 기술이 성공적으로 개발될 경우 웨어러블 기기 분야의 시장 성장 속도는 한층 가속화될 것으로 예상된다.

2. 캡슐내시경

알약처럼 삼켜 소화관 내부를 촬영하는 의료기기인 캡슐내시경은 2000년 5월 Given Imaging사에서 최초로 발표하였다. 현재는 이스라엘의 Given Imaging, 일본의 Olympus, 한국의 인트로메딕 등에서 관련 제품을 상용화하여 판매 중이다. 캡슐내시경은 주로 기존의 유선 내시경으로 검사가 어려운 소장 진단에 많이 활용되고 있으나 최근에는 시장 규모가 큰 대장 진단용 캡슐내시경으로 그 활용 범위를 확장하고 있다. 이처럼 캡슐내시경의 활용 범위가 넓어짐에 따라 다양한 부위에 질병을 진단하기 위하여 고화질 고속의 이미지 촬영이 가능한 캡슐내시경에 관한 요구가 증가되고 있다.

(그림 5)는 캡슐내시경에 저장된 이미지 데이터를 외부로 전송하는 방법을 나타낸다. 전송 방법으로는 RF 전송방식, 인체통신 방식, 내부 메모리 방식으로 나누어진다. RF 전송방식 및 인체통신 방식은 인체 내에서 촬영한 이미지를 무선으로 바로 송신하므로 사용 후 캡슐내시경의 회수가 필요 없으며 결과를 빠른 시간 내에 확인할 수 있는 장점이 있다. 반면 내부 메모리 방식은 메모리에 저장된 이미지 데이터를 얻기 위해서 캡슐내시경을 회수해야 하는 번거로운 과정을 거쳐야 하며 이로 인해 결과를 확인하는데도 더 많은 시간이 걸린다는 단점이 있다. 따라서 캡슐내시경 시장은 통신 모듈을 탑재한 캡슐내시경이 95% 이상의 점유율을 차지하고 있다.

(그림 5)

캡슐내시경 전송 방식별 분류

하지만 통신 모듈을 탑재한 캡슐내시경의 경우 캡슐 사이즈 문제와 전송 속도 문제에서 자유로울 수 없다. 캡슐내시경은 원활한 복용을 위하여 그 사이즈에 제약이 많은 분야이다. 통신 모듈 탑재로 인하여 제품 사이즈가 커진다면, 그 제품은 시장에서 도태될 수밖에 없다. 따라서 캡슐내시경의 소형화를 위해서는 통신 모듈의 소형화 및 모듈 저전력화를 통한 배터리 사이즈 최소화 등의 연구를 통해서 관련 문제를 해결해야 한다. 또한, 고화질 고속 촬영으로 점점 커지는 이미지 데이터 전송을 위해서는 통신 모듈의 전송 속도 개선도 반드시 풀어야 될 문제이다.

통신 모듈의 소형화, 저전력화, 고속화를 위해 한국의 인트로메딕사에서는 인체통신 기술을 적용한 캡슐내시경 미로캠(MiroCam)을 2007년 5월에 생산하였다[<표 2> 참조]. 미로캠은 2007년 유럽CE 인증을 시작으로 2012년 6월 미국 FDA 승인을 완료하였으며 경쟁사의 RF 전송 방식 캡슐내시경보다 소모전력이 작아 더 많은 촬영이 가능하고 더 긴 시간 동작할 수 있으며 더 좋은 화질의 사진을 촬영할 수 있다. 더불어 인트로메딕은 2015년부터 저전력 고속전송이 가능한 세계최고 수준의 차세대 캡슐내시경 개발을 위해 한국전자통신연구원과 함께 6Mbps 전송속도로 데이터를 전송할 수 있는 캡슐내시경용 인체통신 기술을 개발하고 있다. 이 기술이 성공적으로 개발될 경우, 초 당 3장의 480×480(VGA급) 해상도의 이미지를 전송하는 캡슐내시경이 시장에 선보일 것으로 예상되며 관련 업체는 이러한 기술 경쟁력을 바탕으로 세계 시장 점유율을 높여 갈 수 있을 것으로 기대된다.

<표 2>

각종 캡슐내시경 분석

1. 표준화 동향

인체통신 기술의 표준화 쟁점은 인체채널 환경, PHY 계층의 설계, MAC 계층의 설계 및 관련 응용 시나리오 정의 등에 있다. 국제 표준을 위해서는 세계 각국에서 정의되어있는 전파 환경을 고려하여 어느 나라에서나 사용할 수 있는 인체 주파수 대역을 확정하는 인체채널 주파수 대역 표준화가 우선 이루어져야 한다. 이후 다양한 통신 방식 중 인체통신에 가장 적합한 변조 방식 및 프레임 구조를 찾는 PHY 계층의 설계 표준화, PHY 계층에 대응 가능한 MAC 계층의 설계 표준화 등이 이루어져야 하며 마지막으로 응용 시나리오와 연계된 통신 프로파일 개발 및 응용 시나리오에서 발생할 수 있는 문제에 관한 규약을 제정해야 한다[10].

(그림 6)과 같이, 인체통신 관련 표준화는 2006년도부터 IEEE 802.15.6(BAN)에서 수행해왔으며 2012년 2월 인체통신을 위한 PHY 계층 구조가 표준으로 채택되었다. 채택된 BAN 인체통신 표준은 한국전자통신연구원이 제안한 FSDT 방식에 기초하여 전송 주파수 대역을 선택할 수 있으며 이로 인하여 적은 소비전력으로 우수한 통신 성능을 확보할 수 있게 된다. 최근에는 서비스 애플리케이션 및 인터페이스에 대한 내용으로 그 표준 범위를 확대하고 있다. 특히 2015년부터 IEC TC47에서 인체통신 인터페이스에 대한 표준화가 활발히 진행되었으며 JTC1, SC6 등에서 캡슐내시경과 연계한 인체통신 PHY 계층 프로토콜 표준화가 현재 진행 중이다. 이를 바탕으로 추후 센서 네트워크를 포함한 다양한 응용 시나리오와 연계된 인체통신 기술의 표준화 확대가 기대되고 있다.

(그림 6)

표준화 동향

2. 특허 동향

인체통신 기술은 웨어러블 BAN 및 임플란트 BAN 구성에 최적화된 통신 기술로써 개인 인증, 헬스 케어를 포함하여 다양한 응용 분야에 적용되어 사용자에게 기존의 유선 및 무선 통신 기술에서 제공하지 못하였던 차별화된 편리함과 서비스를 제공할 수 있을 것으로 예상된다.

개인 인증 분야에서는 별도의 부가적인 절차 없이 간단한 접촉을 바탕으로 개인 인증을 받을 수 있으므로 누구나 쉽게 이용할 수 있는 간소화된 개인 인증 절차를 제공받을 수 있다. 이는 스마트키, 전자지불, 금융거래, 환자관리에 적용될 수 있으며, 기존의 지문인식, 홍채인식과 같은 생체 정보 인식 방법과 결합하여 보다 간편하고 강화된 보안 서비스를 제공할 수 있게 된다.

헬스케어 분야에서는 인체에 부착된 다양한 센서들을 통합 관리하는 네트워크를 구성하여 만성환자, 아기, 노인, 장애인, 애완동물의 생체 데이터를 확보하여 사용자의 상태를 관찰, 관리할 수 있으며, 캡슐내시경과 같은 초소형 저전력 통신 모듈을 제공함으로써 더 나은 품질의 서비스를 제공할 수 있게 된다.

이러한 인체통신 기술은 IT산업과 연계하여 사용자의 편의를 증대시킬 수 있는 기술로서 선도적 상용화를 통해 IT강국을 이끄는 차세대 성장 동력원으로 활용됨과 동시에 다양한 기기들에 적용되어 기술적 우위를 바탕으로 차별화된 서비스와 고부가가치 상품을 창출할 수 있을 것으로 기대된다.

Body Area Network 인간의 신체 주변 3m 이내에서 신체에 장착되거나 휴대된 단말기 및 센서 사이의 제정된 표준화된 통신 기술로 in/on/off body의 3가지 영역으로 구분