무선 근거리 통신망
의료용 신체 영역 네트워크 설계의 과제에 대처하기
무선 신체 영역 네트워크(WBAN)는 무선으로 연결된 센서 또는 액추에이터 노드로 구성되며, 데이터 처리를 통해 성능이 향상되는 경우가 많습니다. 노드는 인체 안팎에 배치되어 생리적 및/또는 환경 신호를 방해받지 않고 지속적으로 모니터링하는 네트워크를 형성하여 의료, 라이프스타일 및 엔터테인먼트 애플리케이션을 지원합니다. 의료용 WBAN은 질병에서 건강 관리로 패러다임을 전환하여 조기 질병 발견에 중점을 두어 미국의 연간 의료비 지출 4조 달러 중 일부를 절감할 수 있습니다. 그러나 WBAN의 설계와 효율적인 운영은 애플리케이션의 물리적(PHY) 계층에서 충족해야 하는 엄격한 요구 사항으로 인해 몇 가지 기술적 과제를 안고 있습니다.
방법론
1. 기술 요구 사항
WBAN의 가장 중요한 기능은 노드 간 정보 교환을 효율적으로 제공하는 것입니다. 효율적인 정보 교환은 낮은 전력 소비로 안정적이고, 안전하며, 빠르고, 내결함성 및 간섭에 영향을 받지 않는 통신을 의미합니다. 전력 소비는 이 문서의 범위를 벗어나지만, 원하는 효율성을 달성하기 위한 다른 모든 측면은 인체와 밀접하게 관련된 많은 중요한 문제를 고려해야 합니다.
이식된 노드와 표면 노드 간의 통신(인바디 및 인아웃 통신)은 높은 신호 감쇠를 경험할 수 있습니다. WBAN 노드를 운반하는 신체 부위의 움직임은 통신 링크 예산을 변경하거나 신호를 차단하여 네트워크 토폴로지에 영향을 미칠 수도 있습니다. 신호 전파는 소스의 특성(주파수, 편광, 입사각, 신체 자세 및 모양 등)에 따라 자유 공간 전파가 회절파, 크리핑파, 표면파와 결합되기 때문에 매우 복잡합니다. ZMT는 설계자가 WBAN의 성능을 평가하고 최적화하는 문제에 대처하는 데 필요한 모든 도구를 개발했습니다.
2. 인바디 및 인-아웃바디 RF 통신
자유 공간 통신을 설계하는 간단한 공식이 있지만, 체내 RF 전파를 정확하게 특성화하는 것은 불가능합니다. 후자는 사용되는 주파수, 디바이스의 위치, 개인의 해부학적 구조에 따라 달라집니다.
조직의 불균일성은 환자의 움직임, 체중 변화 및 노화로 인해 시간에 따라 변화하는 전자기적으로 복잡한 환경을 조성합니다. 따라서 가상 모집단(ViP) 모델을 사용하는 것이 이 까다로운 작업에 권장되는 솔루션입니다. 이 모델을 사용하면 환자 집단을 포함하는 해부학적으로 상세한 모델 내에 BAN 노드를 빠르게 배치할 수 있습니다. 이러한 기능화된 모델은 환자의 움직임을 자연스럽게 모방합니다(POSER 모듈)을 자연스럽게 모방하고 환자 집단을 확장하거나 특정 병리를 재현하도록 쉽게 변형할 수 있습니다.
또한, 어떤 주파수에서든 조직을 할당하는 것은 DISFIT 모듈. 또한 P-EM-FDTD 물리 모델은 협대역 또는 초광대역(UWB) 애플리케이션의 인-바디 및 인-아웃 바디 통신 성능을 평가하는 데 사용됩니다.
3. 안테나 디자인
본체 내부에 있든 본체에 있든, WBAN 바디 노드에 사용되는 안테나는 크기 제약으로 인해 일반적으로 비공진형입니다. 따라서 MATCH 모듈 은 안테나 성능을 최적화하는 데 유용한 도구입니다. 대부분의 경우 이러한 안테나는 소형화되므로 치수 및 재료 특성의 영향을 연구하기 위해서는 형상을 정확하게 모델링할 수 있어야 합니다(P-EM-FDTD 모델의 서브그리드 엔진 사용).
환자의 움직임, 노드 위치, 디바이스 방향이 안테나 특성(임피던스, 방사 패턴)에 미치는 영향은 포즈 가능한 인체 팬텀을 통해 쉽게 평가할 수 있습니다. 마지막으로, 점점 더 많은 허브 또는 기지국이 안테나 다이버시티를 사용하여 WBAN에서 링크의 품질과 안정성을 개선하기 때문에 MIMOS 모듈을 사용하면 신호 가용성에 대해 더 명확한 그림을 얻을 수 있습니다.
4. 통신 링크 예산
노드에서 수신된 신호 강도는 인-바디 및 온-바디 노드에 대해 P-EM-FDTD 모델을 사용하여 계산됩니다. 큰 문제(병원 또는 가정집)의 경우 고성능 컴퓨팅(HPC) 프레임워크를 사용하면 실제 환경에 대한 전파 분석과 바디 노드와 허브/기지국 간의 링크 예산을 추정할 수 있습니다. 복잡한 실내 환경의 소스에 대해 다른 수치 기법을 통해 전파 데이터를 사용할 수 있는 경우, 복잡한 실내 환경에서는 HUYGENS 모듈 은 링크 버짓을 설정하는 빠른 솔루션을 제공합니다.
바디 포지셔닝과 자세는 ViP3.0 팬텀의 신체 위치와 자세를 공간에서 쉽게 정의하여 실제와 같은 환자 활동을 커버할 수 있습니다. 마지막으로, 유사한 접근 방식을 따라 WBAN과 다른 기술의 공존으로 인해 발생하는 간섭 문제를 조사하거나 명확한 채널 평가(CCA) 프로토콜을 위한 에너지 감지 임계값(EDT)을 해결할 수 있습니다.
5. 규정 준수
환자가 전 세계 여러 관할 구역을 자유롭게 돌아다닐 수 있기 때문에 WBAN 디바이스의 규제 준수는 복잡합니다. 그러나 원하는 수신 신호 강도(RSS) 수준을 달성하기 위한 최대 등가 등방성 방사 전력(EIRP)은 P-EM-FDTD 모델을 사용하여 가장 확실하게 추정하고, 그 후 ETSI 또는 FCC 규정과 비교합니다.
또한 버튼 하나만 누르면 IEC62704-1 초안 표준에 따라 피크 공간 SAR 분포가 생성되어 노출 가이드라인과 비교할 수 있습니다. MBSAR 모듈은 다양한 주파수 대역의 시뮬레이션에서 얻은 SAR 패턴을 결합하여 전체 SAR 분포의 피크 공간 SAR을 계산/시각화할 수 있습니다. 이 도구는 WBAN 노드가 다양한 주파수 대역을 사용하는 경우에 매우 유용합니다.