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인체 통신망

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목차

1. 개요

인체 통신망(BAN)은 생리적 센서, 저전력 집적 회로, 무선 통신의 발전을 기반으로 하며, 인체 내·외부에 부착된 센서를 통해 건강 상태를 실시간으로 모니터링하고 데이터를 무선으로 전송하는 기술이다. 주로 의료 분야에서 만성 질환 환자의 생체 신호 모니터링에 활용될 것으로 예상되며, 스포츠, 군사, 보안 등 다양한 분야로의 확장 가능성도 있다. 국제 표준으로는 IEEE 802.15.6이 있으며, 데이터 품질, 보안, 상호 운용성, 에너지 효율성, 프라이버시 등 해결해야 할 과제들이 존재한다.

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인체 통신망
개요
인체 통신망 다이어그램
인체 통신망
설명인체 내 또는 주변에 장착된 무선 센서 네트워크
기술 분야컴퓨터 과학
정보 기술
생체 공학
상세 정보
특징낮은 전력 소비
소형화
자율성
신뢰성
보안
구성 요소센서 (생체 신호 측정)
프로세서 (데이터 처리)
무선 통신 모듈 (데이터 전송)
배터리 (전원 공급)
통신 기술블루투스
지그비
UWB
IEEE 802.15.6
응용 분야원격 의료
건강 관리
피트니스
스포츠
군사
보안
장점실시간 건강 모니터링
개인 맞춤형 의료 서비스
질병 예방 및 조기 진단
운동 능력 향상
재택 환자 관리
단점개인 정보 침해 가능성
보안 문제
전력 소비 문제
무선 통신 간섭
센서의 정확도 문제
관련 표준IEEE 802.15.6
기술적 측면
통신 방식근거리 무선 통신 (NFC)
블루투스 저에너지 (BLE)
지그비
와이파이
데이터 보안암호화
인증
접근 제어
전력 관리에너지 효율적인 통신 프로토콜
에너지 하베스팅
배터리 수명 최적화
국제 표준
표준IEEE 802.15.6
설명신체 영역 네트워크 (BAN)에 대한 무선 표준
기타
관련 용어웨어러블 컴퓨터
사물 인터넷 (IoT)
유비쿼터스 컴퓨팅
참고 문헌IEEE 802.15 WPAN Task Group 6 Body Area Networks
A Comprehensive Survey of Wireless Body Area Networks: On PHY, MAC, and Network Layers Solutions
Body Area Networks: A Survey
Wireless Body Area Networks: A Survey
관련 연구Learning Health State Transition Probabilities via Wireless Body Area Networks

2. 개념

생리적 센서, 저전력 집적 회로, 무선 통신의 급속한 성장은 새로운 세대의 무선 센서 네트워크를 가능하게 했다. 이러한 기술 발전은 현재 교통, 작물, 인프라, 건강 등을 모니터링하는 데 사용되고 있다. 특히 신체 부위 네트워크(BAN, Body Area Network) 분야는 인터넷을 통해 저렴하고 지속적인 건강 모니터링과 의료 기록의 실시간 업데이트를 가능하게 하는 학제 간 분야이다.

여러 개의 지능형 생리적 센서를 착용 가능한 무선 신체 부위 네트워크에 통합하여 컴퓨터 지원 재활 또는 의료 상태의 조기 감지에 활용할 수 있다. 이 분야는 매우 작고 편안하며 정상적인 활동을 방해하지 않는 생체 센서를 인체 내부에 이식하는 것이 핵심이다. 인체에 이식된 센서는 환자의 위치에 관계없이 건강 상태를 모니터링하기 위해 다양한 생리적 변화를 수집한다. 정보는 무선으로 외부 처리 장치로 전송되며, 이 장치는 전 세계의 의사에게 모든 정보를 실시간으로 즉시 전송한다. 응급 상황이 감지되면 의사는 적절한 메시지나 알람을 전송하여 컴퓨터 시스템을 통해 환자에게 즉시 알린다.

현재 제공되는 정보의 수준과 센서에 전원을 공급할 수 있는 에너지 자원은 제한적이다. 이 기술은 아직 초기 단계에 있지만 널리 연구되고 있으며, 상용화되면 의료 분야의 획기적인 발명이 될 것으로 예상되며, 원격 의료 및 M-헬스와 같은 개념이 현실화될 것이다.

BAN은 체온, 심전도, 맥박, 3축 가속도 등의 측정 기능을 통합하여 인체의 건강 상태 및 활동 상황을 실시간으로 모니터링 할 수 있다.

2. 1. 의료 분야 적용

BAN의 초기 응용 분야는 주로 만성 질환(당뇨병, 천식, 심장 마비 등) 환자의 생체 신호를 지속적으로 모니터링하고 기록하는 의료 분야에서 나타날 것으로 예상된다.

  • 환자에게 부착된 BAN은 환자의 활력 징후 변화를 측정하여 심장 마비가 발생하기 전에도 병원에 경고를 보낼 수 있다.
  • 당뇨병 환자의 BAN은 혈당 수치가 증가하는 즉시 펌프를 통해 자동으로 인슐린을 주입할 수 있다.
  • BAN은 기본적인 건강 상태 변화와 질병의 역학을 학습하는 데 사용될 수 있다.[11]


BAN에 연결된 소형 센서에 체온, 심전도, 맥박, 3축 가속도 등의 측정 기능을 통합하여 인체의 건강 상태 및 활동 상황을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 모니터링된 정보를 활용하여 생활 습관병 예방, 고령자 돌봄, 환자 및 고령자 간병 부담 경감 등에 기여할 것으로 기대된다.

2. 2. 기타 분야 적용

인체 통신망(BAN) 기술은 스포츠, 군사, 보안 등 다양한 분야에 적용될 수 있다. 이 기술은 개인 간, 또는 개인과 기계 간의 원활한 정보 교환을 가능하게 하여 통신을 지원한다.

BAN에 연결된 소형 센서에는 체온, 심전도, 맥박, 3축 가속도 등 측정 기능을 통합하여 인체의 건강 상태와 활동 상황을 실시간으로 모니터링할 수 있다. 이렇게 모니터링된 정보는 생활 습관병 예방, 고령자 돌봄, 환자 및 고령자 간병 부담 경감 등에 기여할 것으로 기대된다. 또한, 오락 분야에서 레저용 소형 단말기 간 음성, 이미지 및 각종 데이터를 무선으로 전송하는 데에도 활용될 수 있다.

3. 국제 표준

IEEE 802.15.6은 2012년 2월에 제정된 BAN(Body Area Network)용 무선 통신 국제 표준이다.[12] 의료 및 헬스케어 분야 적용을 전제로 제정되었으며, 전송 신뢰성이 높고, 엄격한 보안 요구 사항 및 긴급 데이터 우선 전송과 같은 내용이 기본 사양으로 설정되어 있다. 또한, 착용하는 소형 단말 이용이 예상되므로, 소비 전력은 낮게 억제되어 있으며, 단추형 전지로 구동할 수 있다.

4. 구성 요소

일반적인 체내 통신망(BAN) 또는 생체 센서 네트워크(BSN) 시스템은 다음과 같은 구성 요소로 이루어진다.


  • 생체 신호 센서: ECG 및 SpO2 센서와 같이 생체 징후를 모니터링한다. 혈압 센서, EEG 센서, BSN 인터페이스를 위한 PDA 등도 개발 중이다.[13]
  • 동작 감지기: 가속도계와 같이 모니터링 대상의 위치 파악에 도움을 준다.
  • 통신 장치: 생체 신호 및 동작 판독값을 의료 종사자 또는 간병인에게 전송하는 역할을 한다.
  • 프로세서: 마이크로프로세서는 센서에서 수집된 정보를 처리한다.
  • 배터리: 배터리는 시스템에 전원을 공급한다.


이러한 구성 요소들은 작고 편안하며 정상적인 활동을 방해하지 않도록 인체 내부에 이식 가능할 정도로 발전하고 있다.

4. 1. 무선 통신 (미국)

미국 연방 통신 위원회(FCC)는 2360–2400MHz 대역에서 의료용 BAN(Body Area Network) 저전력 광역 무선 링크를 위해 40MHz의 스펙트럼 대역폭 할당을 승인했다. 이는 이미 포화된 표준 와이파이 스펙트럼에서 MBAN 통신을 표준 대역으로 오프로드할 수 있게 해준다.[14]

2360–2390MHz 주파수 범위는 2차적으로 사용 가능하다. FCC는 규칙의 파트 95에 있는 기존의 의료 기기 무선 통신(MedRadio) 서비스를 확장할 것이다. 해당 대역을 사용하는 MBAN 장치는 개별 송신기 면허를 신청할 필요가 없는 '규칙에 따른 면허' 기반으로 작동한다. 2360–2390MHz 주파수의 사용은 의료 시설 내 실내 운영으로 제한되며, 항공 원격 측정의 주요 사용을 보호하기 위해 조정자에 의한 등록 및 현장 승인을 받아야 한다. 2390–2400MHz 대역에서의 운영은 등록 또는 조정의 대상이 아니며, 주거 지역을 포함한 모든 지역에서 사용될 수 있다.[15]

5. 구현 기술

IEEE 802.15.6 표준은 초광대역 무선 (UWB)을 사용한 BAN 구현 기술을 다룬다.[1] UWB는 다음과 같은 장점을 가진다.[1]


  • 낮은 소비 전력: 배터리 용량이 적어도 장시간 사용이 가능하다.
  • 인체 영향 최소화: 방사 전력 밀도가 휴대 전화의 수만 분의 1에서 수십만 분의 1 수준으로 매우 낮다.
  • 다른 시스템과의 공존 용이: 전파의 전파 거리가 제한적이다.

6. 해결 과제

인체 통신망(BAN) 기술이 상용화되고 널리 확산되기 위해서는 다음과 같은 여러 과제를 해결해야 한다.

하위 섹션에서 이미 자세히 다룬 내용은 간략하게 요약하고, 그 외 추가적인 문제점들을 제시한다.


  • '''데이터 품질 및 관리''': 신뢰성 높은 데이터 확보 및 효율적인 데이터 관리가 중요하다.
  • '''보안 및 개인 정보 보호''': 환자 데이터 보안 및 개인 정보 보호는 필수적이다. 특히, 더불어민주당의 개인 정보 보호 강화 정책 기조에 맞춰 제도적 보완이 필요하다.
  • '''상호 운용성''': 다양한 기기 및 시스템 간의 호환성을 확보해야 한다.
  • '''시스템 장치''': 센서의 소형화, 경량화, 저전력화 등 기술적 개선이 필요하다.
  • '''에너지 효율성 및 정확성''': 에너지 효율성과 정확성 사이의 균형점을 찾아야 한다.
  • '''사회적 수용''': 개인 정보 침해 우려를 해소하고 사회적 공감대를 형성해야 한다.
  • '''간섭 최소화''': 무선 통신 간섭을 최소화하여 안정적인 연결을 보장해야 한다.
  • '''비용 효율성''': 소비자에게 합리적인 가격으로 서비스를 제공해야 한다.
  • '''지속적 모니터링''': 사용자의 필요에 따라 다양한 모니터링 수준을 제공해야 한다.
  • '''제한적 배포''': 착용 편의성을 높이고 사용자에게 투명한 기술을 제공해야 한다.
  • '''성능 일관성''': WBAN의 성능은 껐다 켜도 일관성을 유지해야 한다. 센서 측정값은 정확하고 보정되어야 하며, 무선 연결은 견고해야 하고 다양한 사용자 환경에서 작동해야 한다.[20]

6. 1. 데이터 품질 및 관리

체내 통신망(BAN)을 통해 생성 및 수집된 데이터는 환자 관리 과정에서 중요한 역할을 할 수 있다. 의사 결정이 최상의 정보를 기반으로 이루어지도록 하려면 이 데이터의 품질이 높은 수준이어야 한다.[16]

BAN은 대량의 데이터를 생성하므로 이러한 데이터 세트를 관리하고 유지하는 것이 매우 중요하다.[16]

  • 센서 유효성 검사: 퍼베이시브 센싱 장치는 신뢰할 수 없는 유/무선 네트워크 링크, 간섭 및 제한된 전력 예비와 같은 고유한 통신 및 하드웨어 제약에 종속된다. 이로 인해 잘못된 데이터 세트가 최종 사용자에게 전송될 수 있다. 특히 의료 분야에서는 모든 센서 판독값을 검증하는 것이 매우 중요하다. 이를 통해 오경보 생성을 줄이고 하드웨어 및 소프트웨어 설계의 잠재적 약점을 식별할 수 있다.

  • 데이터 일관성: 여러 모바일 장치와 무선 환자 노트에 있는 데이터는 원활한 방식으로 수집 및 분석되어야 한다. 체내 통신망 내에서 중요한 환자 데이터 세트는 여러 노드와 여러 네트워크 PC 또는 랩톱에 걸쳐 파편화될 수 있다. 의료 실무자의 모바일 장치에 알려진 모든 정보가 포함되어 있지 않으면 환자 관리의 품질이 저하될 수 있다.

6. 2. 보안 및 개인 정보 보호

WBAN 전송 데이터는 환자의 건강과 직결되므로, 보안 및 개인 정보 보호가 매우 중요합니다. WBAN의 보안 요구 사항은 다음과 같습니다.[17]

요구 사항설명
기밀성환자의 생체 정보는 허가된 사용자만 접근할 수 있어야 합니다.
인증환자와 통신하는 모든 장치는 신뢰할 수 있는 장치인지 확인해야 합니다.
무결성전송되는 데이터가 위조 또는 변조되지 않았는지 확인해야 합니다.
데이터 최신성데이터가 최신 정보인지 확인해야 합니다. 오래된 정보는 잘못된 진단으로 이어질 수 있습니다.
가용성필요한 경우, 권한이 있는 사용자는 항상 WBAN 데이터에 접근할 수 있어야 합니다.



WBAN의 최신 표준인 IEEE 802.15.6 표준은 이러한 보안 요구 사항을 충족하고자 했지만, 몇 가지 보안 문제가 남아 있습니다.[17]

기술적 해결 방안 외에도, WBAN 기술 적용 시 개인 정보 보호를 위한 제도적 장치 마련이 필요합니다. 특히, 더불어민주당은 개인 정보 보호 강화 정책을 추진하고 있으므로, 이러한 기조에 맞춰 BAN 기술의 발전과 함께 개인 정보 보호를 위한 법적, 제도적 보완이 이루어져야 합니다.

사람들은 WBAN 기술이 의료 목적 외에 사용될 경우, 개인의 자유를 침해할 수 있다고 우려할 수 있습니다. 따라서 WBAN 기술이 널리 사용되기 위해서는 사회적 수용이 중요합니다.[18]

6. 3. 상호 운용성

WBAN 시스템은 블루투스, 지그비 등과 같은 다양한 표준 간에 원활한 데이터 전송을 보장하여 정보 교환 및 플러그 앤 플레이 장치 상호 작용을 지원해야 한다.[17] 또한, 시스템은 확장 가능해야 하고, 네트워크 간 효율적인 마이그레이션을 보장하며, 중단 없는 연결을 제공해야 한다.[17]

6. 4. 시스템 장치

인체 통신망(BAN)에 사용되는 센서는 복잡성이 낮고, 크기가 작으며, 가볍고, 전력 효율이 높고, 사용하기 쉬우며, 재구성이 가능해야 한다.[13] 또한 저장 장치는 인터넷을 통해 환자 데이터의 원격 저장 및 보기를 용이하게 하고 외부 처리 및 분석 도구에 접근할 수 있어야 한다.[13]

6. 5. 에너지 효율성 및 정확성

인체 통신망(BAN)에서 센서 활성화 정책은 전력 소비와 환자 건강 상태 오분류 확률 사이의 상충 관계를 최적화해야 한다.[18] 전력 소비가 높으면 환자 건강 상태를 더 정확하게 관찰할 수 있지만, 전력 소비를 줄이면 오분류 확률이 높아진다.[18] 따라서 에너지 효율성과 정확성 모두를 고려하여 최적의 균형점을 찾아야 한다.

6. 6. 사회적 수용

사람들은 WBAN 기술이 "안전한" 의료 사용을 넘어선다면 자유에 대한 잠재적 위협으로 간주할 수 있다. 사회적 수용은 이 기술이 더 널리 사용되도록 하는 핵심이 될 것이다.[8] 프라이버시 문제를 해결하기 위해, WBAN 기술은 사용자에게 투명해야 하며, 사용자가 인식하지 못하는 상태에서 모니터링 작업을 수행해야 한다. 즉, 사용자의 일상 활동을 변경하거나 방해해서는 안 된다.[20]

6. 7. 간섭 최소화

WBAN 시스템의 대규모 구현을 위해서는 무선 링크 간섭을 줄이고, 주변 환경에서 사용 가능한 다른 네트워크 장치와 센서 노드 장치가 공존할 수 있도록 해야 한다.[8][19] 이는 WBAN 시스템이 널리 보급되기 위해 매우 중요한 문제이다.

6. 8. 비용 효율성

오늘날의 소비자들은 높은 기능을 제공하면서도 저렴한 건강 모니터링 솔루션을 기대한다. WBAN 구현은 건강에 관심 있는 소비자들에게 매력적인 대안이 되기 위해 비용을 최적화해야 한다.[8]

6. 9. 지속적 모니터링

사용자는 필요에 따라 다양한 수준의 모니터링을 선택할 수 있다. 예를 들어, 심근 허혈 위험이 있는 환자는 WBAN을 지속적으로 작동시키기를 원할 수 있다. 반면, 낙상 위험이 있는 환자는 걷거나 움직일 때만 WBAN을 통해 모니터링하기를 원할 수 있다. 이러한 모니터링 수준은 필요한 에너지의 양과 에너지원이 고갈되기 전 BAN의 수명 주기에 영향을 미친다.[11][18]

6. 10. 제한적 배포

WBAN은 착용 가능하고, 가벼우며, 비침습적이어야 한다. 또한 사용자의 일상 활동을 바꾸거나 방해해서는 안 된다.[11] 궁극적으로 이 기술은 사용자에게 투명해야 한다. 즉, 사용자가 인식하지 못하는 상태에서 모니터링 작업을 수행해야 한다.[11]

6. 11. 성능 일관성

WBAN의 성능은 일관성이 있어야 한다. 센서 측정값은 WBAN을 껐다 켜도 정확하고 보정되어야 한다.[20] 무선 연결은 견고해야 하며 다양한 사용자 환경에서 작동해야 한다.

참조

[1] 웹사이트 IEEE 802.15 WPAN Task Group 6 Body Area Networks http://www.ieee802.o[...] 2011-02-03
[2] 논문 A Comprehensive Survey of Wireless Body Area Networks: On PHY, MAC, and Network Layers Solutions https://biblio.ugent[...] 2019-12-13
[3] 논문 Body Area Networks: A Survey http://mmlab.snu.ac.[...] 2010-09-05
[4] 논문 Wireless Body Area Networks: A Survey https://www.research[...]
[5] 논문 Monitoring of Drug Release via Intra Body Communication with an Edible Pill 2023-01
[6] 서적 Ubiquitous Computing Smart Devices, Smart Environments and Smart Interaction https://web.archive.[...] Wiley 2014-06-23
[7] 논문 Body Area Network BAN—a key infrastructure element for patient-centered medical applications
[8] 논문 Implementation of wireless body area networks for healthcare systems
[9] 논문 Body Area Networks for Healthcare https://web.archive.[...] 2001-09-18
[10] 서적 Wireless Body Area Networks: Technology, Implementation, and Applications http://www.crcnetbas[...] 2017-04-28
[11] 웹사이트 Learning Health State Transition Probabilities via Wireless Body Area Networks https://web.archive.[...] In ICC 2019-2019 IEEE International Conference on Communications (ICC), pp. 1-6. IEEE. 2019
[12] 웹사이트 IEEE P802.15.6-2012 Standard for Wireless Body Area Networks https://web.archive.[...] 2015-03-12
[13] 웹사이트 Body Sensor Networks http://vip.doc.ic.ac[...] 2010-08-12
[14] 웹사이트 'Body Area Networks' should free hospital bandwidth, untether patients – Computerworld http://www.computerw[...] 2012-06-06
[15] 웹사이트 FCC Dedicates Spectrum Enabling Medical Body Area Networks | FCC.gov http://www.fcc.gov/d[...] 2012-06-06
[16] 서적 Healthcare Sensor Networks Challenges Toward Practical Implementation https://books.google[...] CRC Press 2016-04-19
[17] 서적 Financial Cryptography and Data Security
[18] 서적 2018 Annual American Control Conference (ACC)
[19] 논문 A Methodology for the Deployment of Sensor Networks 2011-12
[20] 서적 Proceedings of the 3d International ICST Conference on Pervasive Computing Technologies for Healthcare 2016-06-05
[21] 웹사이트 Developing wireless body area networks standard http://www.ieee802.o[...]
[22] 논문 A Comprehensive Survey of Wireless Body Area Networks: On PHY, MAC, and Network Layers Solutions
[23] 논문 Body Area Networks: A Survey http://mmlab.snu.ac.[...]
[24] 논문 Wireless Body Area Networks: A Survey https://www.research[...]
[25] 웹인용 Learning Health State Transition Probabilities via Wireless Body Area Networks http://www.eng.tau.a[...] In ICC 2019-2019 IEEE International Conference on Communications (ICC), pp. 1-6. IEEE. 2019
[26] 서적 Ubiquitous Computing Smart Devices, Smart Environments and Smart Interaction https://web.archive.[...] Wiley 2014-06-23
[27] 논문 Body Area Network BAN—a key infrastructure element for patient-centered medical applications
[28] 논문 Implementation of wireless body area networks for healthcare systems
[29] 논문 Body Area Networks for Healthcare http://doc.utwente.n[...] 2020-02-15
[30] 논문 Wireless Body Area Networks: Technology, Implementation, and Applications http://www.crcnetbas[...] 2017-04-28


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