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Nikkei X-TECH_2021.5.21

움직이는 수백 명의 생체 정보를 무선으로 취득
OKI, 교육 현장용 시스템 개발

OKI(오키전기공업)는 학교 운동장 등 넓은 장소에서 흩어져 움직이는 많은 사람의 생체 정보를 무선 센서 네트워크를 이용해 실시간으로 취득하는 데 성공했다. 실증 실험에서는 야외 운동장에서 운동 중인 다수의 사람들의 체온 및 맥박 등 생체 정보를 90% 이상의 데이터 수집률로 취득할 수 있다는 것을 확인했다.

이 기술은 OKI가 정보통신연구기구(NICT)의 위탁 연구인 '미래를 창조하는 새로운 네트워크 기반 기술에 관한 연구개발'을 바탕으로 오사카(大阪)시립대학, 간사이(関西)대학, 메이지(明治)대학, 솔리톤시스템즈(Soliton Systems)와 공동으로 개발했다.

수 백 명 규모의 운동회나 소풍 등의 교육 현장에서 고속 이동(최대 10m/초)하는 모든 학생들의 컨디션을 10초 이하의 저(低)지연으로 거의 실시간 모니터링하는 컨디션 관리 시스템 구축이 가능하다고 한다.

-- 920MHz 멀티홉 무선 채택 --
요즘 심각해지는 여름철 폭염의 영향으로 교육 현장에서 열사병 등 학생들의 컨디션 난조가 큰 문제가 되고 있다. 운동 중에 사람의 생체정보를 계측하고 모니터링하는 시스템은 최고 수준의 선수용으로 상품화되어 있지만 운용 비용이 비싸고, 통신 거리에 제약이 있으며, 인원 수도 수십 명 규모로 한정되어 있는 등, 교육 현장으로의 적용에는 적합하지 않다.

이에 따라 수백 명 규모의 이동체에 대한 데이터를 높은 빈도, 저지연으로 손실 없이 수집할 수 있고, 한층 더 저렴하고 용이하게 시스템을 구축할 수 있는 기술이 요구되고 있다. 무선통신 기술로는 LTE나 5G, Wi-Fi나 Bluetooth 등 2.4GHz대가 선택지이지만, LTE나 5G는 기기가 고가이며 이용료가 드는데다 소비전력이 높다. 2.4GHz대는 운동장에서 사용하기에는 통신 거리가 짧고 기지국이 여러 개 필요하게 되는 등의 단점이 있다.

OKI는 라이선스가 불필요한 920MHz대의 특정 저전력 무선의 멀티홉 무선 ‘SmartHop’에서 쌓아 온 기술을 바탕으로 바이탈센서 무선 네트워크를 개발했다. OKI가 이미 상품화하고 있는 920MHz의 무선 기술의 경우, 1,520cm 크기의 안테나를 사용해 1km의 통신을 할 수 있다고 예측된다. 하지만 이번 실증 실험에서는 초∙중학생이 주요 대상이기 때문에 팔에 장착하는 센서 내장 무선 장치(노드)를 소형화할 필요가 있어 안테나의 크기를 엄지 손톱보다 조금 큰 정도로까지 줄였다. 이로 인해 통신 거리가 100m까지 짧아져 운동장에서의 데이터 취득 요건을 채울 수 없게 되었다.

이 문제를 해결하기 위해 OKI는 복수의 노드를 경유해 버킷 릴레이처럼 데이터를 전송하는 멀티홉 기술을 도입해 광범위하게 커버했다. 뿐만 아니라 높은 빈도로 센서 간의 네트워크를 재구성하는 ‘클러스터링(Clustering)’ 센서를 착용한 사람의 고속 이동에 대응, 센서 간 무선 대역을 효율적으로 공유해 데이터 수집률을 높였다. 1개의 기지국과 다수의 센서 노드로 네트워크를 구성함으로써 데이터 중계기가 필요하지 않아 저비용으로 쉽게 시스템을 구축할 수 있게 했다. 대역은 100k비트/초, 송신 출력은 20mW이다.

이번 실증 실험에서는 당초, 운동장에서 움직이는 150명에 대한 생체 정보 수집을 계획했지만, “코로나19로 인해 피험자 150명을 모을 수 없어, 센서를 피험자 68명과 스탭 5명의 양팔에 착용하고 이와 동시에, 책상 위에 4대를 배치해 모의적으로 총 150명이 되도록 설정했다”(이노베이션추진센터 비즈니스추진부의 가와키타(川北) 씨). 입장 행진, 축구, 달리기 등 다양한 운동을 하는 피험자로부터 심박수, 신체 표면 온도, 산소 소비량(가속도 센서의 정보에서 산출)과 같은 생체 정보 및 위치 정보를 90% 이상의 데이터 수집률로 취득할 수 있음을 확인했다.

-- 멀티채널로 대규모화 --
OKI는 마라톤 등의 모니터링에서 앞서 연구되고 있던 ‘Flooding/TDMA 프로토콜’을 이번에 도입하고 개선했다. Flooding/TDMA 프로토콜을 사용한 연구에서는 20명 등 소규모가 대상이었지만, OKI는 “품질을 저하시키지 않고 최대 1,000명을 목표로 정했다”(가와키타 씨)라고 한다.

Flooding/TDMA 프로토콜은 통신으로 데이터를 주고받는 단위의 프레임에 대해 플러딩을 통해 멀티홉 통신으로 경로를 구축하는 '경로 구축 기간'과 TDMA(시분할다중접속)를 통해 실시간으로 다수의 노드로부터 데이터를 수집하는 '데이터 수집 기간'으로 구성된 '슈퍼프레임'을 단시간에 반복한다.

하지만 이번처럼 노드 수가 대규모일 경우, 단순히 슈퍼프레임을 길게 만들어 많은 노드를 수용하려고 하면 노드 이동에 대응할 수 없게 된다. 통신 경로를 구축하고 데이터를 전송하는 사이에 운동하는 사람이 이동해 경로 정보를 사용할 수 없게 되기 때문이다.

이를 해결하기 위해 OKI는 1개의 슈퍼프레임 길이는 그대로 두고, 다른 노드를 수용한 복수의 슈퍼프레임을 시간축 상으로 병렬하고(확장 슈퍼프레임), 이와 함께 주파수를 다중화해 멀티채널화 했다. 구체적으로 실증 실험에서는 1초의 슈퍼프레임으로 구성되는 합계 2초의 확장 슈퍼프레임을 채택해 그것들을 3개의 채널로 설정했다.

각 슈퍼프레임에 노드를 할당하는 클러스터링은 확장 슈퍼프레임이 완료될 때마다 기지국에서 노드의 위치 정보와 네트워크 토폴로지를 통해 갱신 처리를 시행. 이를 통해 다수의 노드를 최적의 그룹으로 나눈 후에 각 그룹에서 버킷 릴레이를 통해 통신할 수 있게 되었다.

OKI는 향후 센서가 내장된 무선 장치를 초등 학생도 장착할 수 있는 사이즈까지 소형화해 지속적으로 실증 실험을 실시해나갈 방침이다. 사업화에 대해서는 교육현장용으로 컨디션 관리 솔루션 제공을 목표로 하고 있지만, 현시점에서 자세한 것은 미정이다.

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