Ultra Low Power Personal Communication Technologies For Remote Medical Systems

Abstract

원격 의료 시스템에 대한 사회적 관심으로 증대로 관련 연구들이 활발히 진행되고 있다. 원격 의료 시스템에서 정확한 신체 정보의 수집을 위해 가장 중요한 것은 의료 센서 노드 내에 의료 센서의 정확성과 원격 의료 시스템이 일정 성능을 유지하는 상태에서 의료 센서 노드의 지속 시간을 최대화 하는 것이다. 의료 센서에서 가장 파워 소모량이 높은 것은 무선통신 모듈이므로, 무선 통신 모듈을 저전력화하는 것이 중요하다. 본 논문은 WBAN환경에서 의료 센서 노드을 위한 저전력 통신 기술에 대한 연구 결과를 정리하였다. 기존 범용 목적으로 사용하는 무선 통신 기술을 위한 저전력 기술을 각 계층별로 많이 연구되어왔다. 기존 저전력 기술과 비교하여 이 논문에서 제안하는 기술의 가장 큰 차이점은 초 저전력 트렌시버 (transceiver) 구조가 갖는 고유의 특징을 반영하여 저전력 기술을 도출했다는 것이다. 초 저전력 트렌시버의 특성은 다음 2가지로 정리할 수 있다. 첫 째는, 초 저전력 트렌시버 구조에서 PLL의 동작 특성과 전력 사용 특성에 대한 것이다. 초 저전력 트렌시버에서는 기존 트렌시버에 비해서 전체 전력 사용량에서 PLL (Phase Loop Lock)의 소모전력 비중이 높다. 그래서, 기존 PLL보다 주파수 유지 시간을 줄어들지만 소모전력을 낮출 수 있는 controllable PLL 구조를 제안하였다. 이 기술을 통해서 초 저전력 트렌시버에서 frame 전송 에 필요한 에너지 양을 감소시켰다. 그러나, Controllable PLL은 패킷을 송/수신하는 에너지를 감소시켰으나, PLL을 설정하기 위한 frequency locking의 전력 사용은 그대로 유지되었다. 이러한 문제를 해결하기 위해서, 블록 ACK (acknowledge) 기술과 PLL의 ON/OFF 제어를 결합한 MAC (Medium Access Control) 프로토콜을 제안하였다. 제안된 MAC 프로토콜은 PLL의 frequency locking 회수를 줄임으로써, 통신 모듈의 전체 활성 구간의 길이를 줄이고, PLL locking을 위한 에너지를 감소시킬 수 있다. 또한 PLL의 제어를 위해 추가되는 프로토콜 오버헤드가 작기 때문에 효과적이다. 시뮬레이션을 통해서 제안 기술은 CPLL의 전력 소모량이 낮을수록, CPLL의 주파수 유지 구간이 길수록 사용 전력 감소 효과가 높다. 둘 째는, 초 저전력 트렌시버를 사용할 경우 간섭에 더욱 취약해 진다는 점이다. 2.4GHz 대역에서는 CS(carrier sensing)기술을 사용하여 간섭 신호를 피해갈 수 있었다. 그러나, WLAN이나 Zigbee와 같은 기존 범용 기술에 비해 초 저전력 트렌시버의 전송 전력이 너무 작기 때문에 CS 기술을 이용하여 간섭 신호를 인지할 확률이 작아진다. 따라서, 기존 범용 기술과 동일한 제어방식을 사용할 경우, 초 저전력 트렌시버에서 전송한 패킷이 간섭 신호에 의한 손실될 확률이 기존 기술에 비해 높아진다. 제안하는 기술은 기존 TDMA(Time division Multiple Access) MAC 프로토콜에서 연속 frame을 전송할 때, 한 frame전송 후에 CS를 통해서 무선 채널이 비어있음을 확인하고 전송한다. 이 기술은 통신 모듈의 전체 활성 구간을 증가 시킬 수 있으나, 기존 TDMA보다 패킷 재전송 확률의 감소로 인한 에너지 소모를 감소시키는 장점이 있다.;Recently, the interest in the remote medical system using multiple medical sensors has been continually increasing. An important requirement for developing such remote medical system is to enhance the accuracy of bio information and maximize the life time of the medical sensor while maintaining its performance in gathering and delivering bio information at the right time. Since wireless communication modules are usually power hungry, the amount of the energy consumed in wireless communication module needs to be decreased. The low power technology for general purpose wireless communications has been studied in all layers. Compare with previous researches, low power technologies studied in this thesis are more focused on power consumption features in ultra low power transceivers. First of all, we study the power consumption in Phase Locked Loop (PLL). The power consumption ratio of the PLL in ultra low power transceivers is higher than that of a general transceiver. Here, a controllable PLL (CPLL) with lower power is proposed as a new concept of PLL. The CPLL saves energy for transmitting/receiving frames using frequency compensation block. But, the power consumption during the frequency locking of PLL still remains. To solve this problem, a new method, p-ARQ, is proposed which combines Block ACK and ON/OFF control of CPLL. The active time of the radio module can be shorter and the energy consumption in the PLL can be saved by reducing the number of locking operations in the PLL. The p-ARQ can conserve more energy by reducing the power consumption in the CPLL and increasing the frequency hold time of the CPLL Secondly, we note that ultra low power radio is more sensitive to interference. A transmitter can avoid the interference using carrier sensing (CS) in 2.4GHz band. Since ultra low power radio consumes lower transmission power compared with general radio, such as WLAN and Zigbee. The general radio can barely detect the signal from the ultra low power radio, whereas the ultra low power radio can detect the general radio with high probability. Consequently, when the ultra low power radio and the general radio use the same protocol, the packet loss probability of the ultra low power radio is much higher than the general radio. Our proposed method performs CS to determine when to transmit consecutive frames in Time division Multiple Access (TDMA) system. This allows transmitting the next frame only after confirming that the channel is idle. The proposed method has advantage of conserving energy by reducing frame retransmissions due to the interference although it somewhat extends the active time of radio module due to CS.