[논문]무선 인체 통신 네트워크를 위한 응급데이터 전송기법

최원석; 조성래

[국내논문] 무선 인체 통신 네트워크를 위한 응급데이터 전송기법
A Life-Critical Data Transmission Scheme for Wireless Body Area Networks 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 네트워크 및 서비스, v.34 no.12B, 2009년, pp.1329 - 1335

초록
AI-Helper

본 논문에서는 무선 인체 통신 네트워크에서 응급 데이터를 전송할 때 전송 지연시간을 보장하는 DCTW(Dual Channel Transmission Scheme for WBAN)기법을 제안한다. 무선 인체 통신 네트워크에서는 의학적인 응용을 고려하고 개발되었기 때문에, 의학적 데이터의 중요도에 따른 차등 전송 기법이 필요하다. DCTW에서는 응급 데이터 프레임의 전송을 위하여 협대역 채널을 사용하며 일반 데이터 프레임 전송을 위하여 광대역 채널을 사용한다. 협대역 채널을 통하여 응급데이터를 전송하기 때문에 긴급한 데이터를 보내고자 하는 노드가 데이터를 신속히 전송할 수 있도록 하여 전송 지연시간을 효과적으로 감소시켰다. 본 논문은 다양한 성능 분석을 통해 DCTW 기법이 다른 기법에 비해 우수함을 증명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a new medium access control protocol referred to as DCTW (Dual Channel Transmission Scheme for wireless body area networks). Wireless body area networks (WBANs) requires prioritization mechanism for life-critical data to transmit the data as early as possible. The proposed DCTW exploits a narrow band for transmitting life-critical data while it uses a broadband channel to transmit normal data. Since the narrow band is dedicated to life-critical data, the DCTW can effectively reduce the delay of life-critical data transmission. Through extensive simulation, we show the DCTW outperforms other existing schemes.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 다양한 분야의 무선 인체 통신 네트워크 기술 중 의료용 무선 인체 통신 네트워크 기술의 개발 현황을 살펴보고 실시간성 보장과 관련된 문제점을 제시한다. 2장에서는 전송 지연 시간을 고려한 MAC 계층 설계 기법을 제시한다.
본 실험에서는 대용량 데이터(그림 4)를 전송하는 경우에 한하여 프레임 크기의 변화에 따른 전송 지연시간을 관찰하였다. 실험 결과 프레임의 크기가 증가함에 따라 전송 지연 시간 역시 큰 폭으로 증가함을 볼 수 있다.

제안 방법

무선 인체 통신 네트워크의 응용 분야 중, 의학적 응용의 경우에는 환자의 응급 상태나, 급박한 상태 변화를 신속하게 알려야 하기 때문에 데이터의 긴급성에 따라 프레임을 신속하게 전송해 주어야 한다. 이를 위해 본 논문에서는 하나의 채널을 이용하여 데이터를 전송하는 기존의 무선 기술을 벗어나 응급데이터를 전송하기 위한 별도의 채널을 유지함으로써 응급데이터 발생 시 응급데이터를 전송하는 DCTW (Dual Channel Transmission Scheme for WBAN) 기법을 제안한다. 일반적으로 대용량이 데이터 전송이 발생하거나 다수의 이벤트가 발생하는 경우 응급데이터의 전송 지연시간을 보장할 수 없다.
본 논문에서 제안하는 알고리즘인 DCTW의 전송 지연 시간 및 전송 효율(Throughput)을 살펴보기 위하여 네트워크 시뮬레이터 상에서 각각의 전송 모듈을 구현하고 실험하였다. 실험은 CSMA/CA MAC 기반 모듈에서 이루어 졌으며, DCTW 알고리즘을 적용한 경우와 그렇지 않은 경우를 실험하였다.
본 논문에서 제안하는 알고리즘인 DCTW의 전송 지연 시간 및 전송 효율(Throughput)을 살펴보기 위하여 네트워크 시뮬레이터 상에서 각각의 전송 모듈을 구현하고 실험하였다. 실험은 CSMA/CA MAC 기반 모듈에서 이루어 졌으며, DCTW 알고리즘을 적용한 경우와 그렇지 않은 경우를 실험하였다. 전송 지연 시간의 변화를 관찰하기 위해, 각각의 실험은 상위 계층에서의 프레임 수신 시각과, 그 프레임이 전송되는 시각, 그리고 프레임이 수신 노드에게 수신되는 시각을 기록하고 그 차이를 구해 관찰하였다.
실험은 CSMA/CA MAC 기반 모듈에서 이루어 졌으며, DCTW 알고리즘을 적용한 경우와 그렇지 않은 경우를 실험하였다. 전송 지연 시간의 변화를 관찰하기 위해, 각각의 실험은 상위 계층에서의 프레임 수신 시각과, 그 프레임이 전송되는 시각, 그리고 프레임이 수신 노드에게 수신되는 시각을 기록하고 그 차이를 구해 관찰하였다. 또한, 데이터 전송 효율(Throughput)의 변화를 관찰하기 위하여 두 개의 채널을 이용하는 경우와 단일 채널을 이용하는 경우의 전송 효율(Throughput)을 측정하여 성능 차이를 관찰하였다.
전송 지연 시간의 변화를 관찰하기 위해, 각각의 실험은 상위 계층에서의 프레임 수신 시각과, 그 프레임이 전송되는 시각, 그리고 프레임이 수신 노드에게 수신되는 시각을 기록하고 그 차이를 구해 관찰하였다. 또한, 데이터 전송 효율(Throughput)의 변화를 관찰하기 위하여 두 개의 채널을 이용하는 경우와 단일 채널을 이용하는 경우의 전송 효율(Throughput)을 측정하여 성능 차이를 관찰하였다.
실험 모두 노드의 수는 모두 30개로 동일한 환경에서 실험이 이루어졌다. DCTW의 구현은 NS-2 네트워크 시뮬레이터를 이용하여 구현되었는데, CSMA/CA 모듈은 UCLA에서 개발된 모듈을 기반으로 개발 하였다. 응용 계층에서의 트래픽의 생성은 CBR 트래픽을 기본으로 하였다.
DCTW의 구현은 NS-2 네트워크 시뮬레이터를 이용하여 구현되었는데, CSMA/CA 모듈은 UCLA에서 개발된 모듈을 기반으로 개발 하였다. 응용 계층에서의 트래픽의 생성은 CBR 트래픽을 기본으로 하였다.
첫 번째 실험은 DCTW 알고리즘이 적용되지 않은 CSMA/CA 모듈과 DCTW 알고리즘이 적용된 모듈을 통해 실험하였다. DCTW 알고리즘이 적용되지 않은 CSMA/CA 모듈의 경우 전송 대역폭(Bandwidth)를 11Mbps로 설정 하여 실험하였으며, DCTW 알고리즘이 적용된 CSMA/CA모듈의 경우 대용량 데이터를 위한 넓은 대역폭(Wide Band)의 경우 10Mbps로 설정 하였다.
첫 번째 실험은 DCTW 알고리즘이 적용되지 않은 CSMA/CA 모듈과 DCTW 알고리즘이 적용된 모듈을 통해 실험하였다. DCTW 알고리즘이 적용되지 않은 CSMA/CA 모듈의 경우 전송 대역폭(Bandwidth)를 11Mbps로 설정 하여 실험하였으며, DCTW 알고리즘이 적용된 CSMA/CA모듈의 경우 대용량 데이터를 위한 넓은 대역폭(Wide Band)의 경우 10Mbps로 설정 하였다. 응급성이 높은 데이터를 위한 DCTW의 좁은 대역폭(Narrow Band)의 경우 1Mbps로 설정하여 실험이 이루어졌다.
두 번째 실험 역시 DCTW 알고리즘이 적용되지 않은 CSMA/CA 모듈과 DCTW 알고리즘이 적용된 모듈을 통해 실험하였다. DCTW 알고리즘이 적용되지 않은 CSMA/CA 모듈의 경우 전송 대역폭(Bandwidth)은 위의 실험과 동일하게 설정하여 실험하였다.
DCTW 알고리즘이 적용되지 않은 CSMA/CA 모듈의 경우 전송 대역폭(Bandwidth)은 위의 실험과 동일하게 설정하여 실험하였다. 본 실험의 경우 응급 데이터를 전송하는 경우에 한하여 프레임 크기의 변화에 따른 전송 지연시간을 관찰하였다 (그림 5). 응급 데이터의 경우 프레임의 크기가 대용량 데이터에 비하여 작기 때문에, 프레임의 크기가 500bytes 이하인 경우에 대해 실험이 이루어졌다.
본 실험의 경우 응급 데이터를 전송하는 경우에 한하여 프레임 크기의 변화에 따른 전송 지연시간을 관찰하였다 (그림 5). 응급 데이터의 경우 프레임의 크기가 대용량 데이터에 비하여 작기 때문에, 프레임의 크기가 500bytes 이하인 경우에 대해 실험이 이루어졌다. 실험 결과 전송 지연시간의 차이는 평균 0.
세 번째 실험은 데이터가 혼합되어 있는 경우(그림 6-10)를 DCTW 알고리즘이 적용된 모듈을 가지고 실험하였다. DCTW 알고리즘이 적용된 CSMA/CA모듈의 경우 첫 번째 실험과 동일하게 대용량 데이터를 위한 넓은 대역폭(Wide Band)의 경우 10Mbps로 설정 하고 응급 데이터를 위한 좁은 대역폭(Narrow Band) 역시 첫 번째 실험과 동일하게 1Mbps로 설정 하였다.
DCTW 알고리즘이 적용된 CSMA/CA모듈의 경우 첫 번째 실험과 동일하게 대용량 데이터를 위한 넓은 대역폭(Wide Band)의 경우 10Mbps로 설정 하고 응급 데이터를 위한 좁은 대역폭(Narrow Band) 역시 첫 번째 실험과 동일하게 1Mbps로 설정 하였다. 본 실험은 대용량 데이터 전송과 응급 데이터 전송을 동시에 CBR 트래픽 생성기로 생성하여 전송하여 전송 지연시간을 관찰하였다. 프레임의 크기는 대용량 데이터의 경우 100-1000bytes까지 가변적으로 변화 시켰으며, 응급 데이터의 경우 프레임의 크기는 100-500bytes까지 가변적으로 변화 시켰다.

이론/모형

본 논문에서 제안한 DCTW 알고리즘은 무선 인체 통신 네트워크를 위한 데이터의 QoS 보장을 위한 기법으로 사용할 수 있다. DCTW 알고리즘은 응급 데이터 전송을 위한 좁은 대역폭(Narrow Band)과 넓은 대역폭(Wide Band)의 채널을 이용하여 최적의 지연시간을 보장한다.

성능/효과

본 실험에서는 대용량 데이터(그림 4)를 전송하는 경우에 한하여 프레임 크기의 변화에 따른 전송 지연시간을 관찰하였다. 실험 결과 프레임의 크기가 증가함에 따라 전송 지연 시간 역시 큰 폭으로 증가함을 볼 수 있다. 특히 프레임의 크기가 3000bytes를 넘어서는 시점에서는 지연시간이 급속도로 증가하였다.
응급 데이터의 경우 프레임의 크기가 대용량 데이터에 비하여 작기 때문에, 프레임의 크기가 500bytes 이하인 경우에 대해 실험이 이루어졌다. 실험 결과 전송 지연시간의 차이는 평균 0.147ms 정도로 매우 작았으며, 프레임의 크기가 변함에 따라 두 경우 모두 전송 지연 시간은 2-3ms 사이의 결과를 보였다. 이 결과는 단순히 대용량 데이터의 전송이 전혀 없는 경우 응급 프레임의 크기의 차이에 따른 전송 지연시간의 차이를 보였다.
이 결과는 단순히 대용량 데이터의 전송이 전혀 없는 경우 응급 프레임의 크기의 차이에 따른 전송 지연시간의 차이를 보였다. 결과에서 알 수 있듯이 DCTW 알고리즘이 적용된 경우 변화의 정도는 작지만, 프레임의 크기가 작아짐에 따라 전송 지연시간이 작아지고 있음을 알 수 있었다.
그림 6은 DCTW가 적용된 CSMA/CA 모듈에서의 대용량 프레임의 크기에 따른 전송 지연시간의 변화를 관찰할 그래프이다. 위 실험에서 응급 데이터의 프레임 크기는 100bytes로 고정하여 전송 지연시간을 관찰한 결과, 대용량 데이터의 전송 지연시간은 기하급수적으로 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다. 대용량 데이터 프레임의 크기가 100bytes인 경우 비응급 데이터 프레임의 전송 지연시간은 2.
48ms의 전송 지연시간을 보여 주었다. 대용량 데이터 프레임의 크기가 증가함에 따라 대용량 프레임이 4000bytes에 이르렀을 때는, 비응급 데이터 프레임 180ms에 이르는 전송 지연시간을 보여 주었다. 하지만, 그림 6에서처럼 응급데이터의 지연시간은 비응급 데이터의 전송지연과 확연하게 적음을 볼 수 있었다.
위 실험에서 응급 데이터의 프레임 크기는 200bytes로 고정하여 전송 지연시간을 관찰한 결과, 응급 데이터 역시 대용량 데이터의 전송 지연시간과 유사하게 증가하였다. 위의 실험과 동일하게 본 실험에서도 대용량 데이터와 응급 데이터가 함께 트래픽으로 작용하기 때문에 단일 데이터인 경우보다는 전송 지연시간이 증가하였다. 응급 데이터 프레임의 크기가 200bytes 이면서, 대용량 데이터 프레임의 크기가 100bytes인 경우 대용량 데이터 프레임의 전송 지연시간은 2.
85ms의 결과가 나타났다. 이 실험에서도 역시 대용량 데이터 프레임의 크기가 증가함에 따라 대용량 프레임의 크기가 4000bytes에 이르렀을 때는, 비응급 대용량 데이터 프레임은 198ms에 이르는 반면 응급데이터의 전송 지연시간은 증하지 않음을 보여 주었다.
본 논문에서 제안한 DCTW 알고리즘은 이러한 대용량 데이터 프레임의 영향을 최소화 시키는 다른 채널을 사용함으로서 응급 데이터 프레임의 전송 지연을 방지한다. 실험 결과를 통하여 알 수 있듯이 DCTW 알고리즘은 기존의 CSMA/CA에 비하여 응급 데이터에 대한 전송 지연시간 성능이 월등히 좋으며, 이러한 점은 대용량 데이터 트래픽이 증가할수록 더욱 두드러진다.
본 논문에서 제안한 DCTW 알고리즘은 이러한 대용량 데이터 프레임의 영향을 최소화 시키는 다른 채널을 사용함으로서 응급 데이터 프레임의 전송 지연을 방지한다. 실험 결과를 통하여 알 수 있듯이 DCTW 알고리즘은 기존의 CSMA/CA에 비하여 응급 데이터에 대한 전송 지연시간 성능이 월등히 좋으며, 이러한 점은 대용량 데이터 트래픽이 증가할수록 더욱 두드러진다. 이는 심실 세동이나 긴급한 데이터 전송이 필요한 무선 인체 통신 네트워크에 적용이 가능하며 IEEE 802.

후속연구

단일 채널을 사용하는 CSMA/CA 기법의 경우에는 대용량 데이터 프레임 크기가 커지는 경우 최고 500ms 이상의 전송 지연 시간을 보이고 있기 때문에 인체 무선 통신 네트워크의 응용별 요구사항에 부합하지 않는 결과를 보여주고 있다. 이에 비하여 DCTW 알고리즘은 매우 좋은 전송 효율(Throughput)과 전송 지연시간을 보여주고 있어 인체 무선 통신에 광범위 하게 사용할 수 있으리라 기대한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선 인체 통신 네트워크에 반드시 필요한 기술은 무엇인가?	프레임의 신속한 전송은 무선 인체 통신 네트워크에 반드시 필요한 기술이다. 무선 인체 통신 네트워크의 응용 분야 중, 의학적 응용의 경우에는 환자의 응급 상태나, 급박한 상태 변화를 신속하게 알려야 하기 때문에 데이터의 긴급성에 따라 프레임을 신속하게 전송해 주어야 한다.
	응급 데이터 발생 시 비응급 데이터의 길이가 상당히 긴 경우 생기는 문제점을 해결하기 위해 사용하는 방법은 무엇인가?	따라서 DCTW에서는 하나의 채널을 비대칭적인 대역폭을 갖는 두 개의 채널로 나누고, 좁은 대역폭(Narrow Band)의 채널은 응급 데이터를 전송하기위한 용도로 사용하고 비 응급 데이터는 넓은 대역폭 (Broad Band)의 채널로 전송함으로써 데이터가 효과적으로 전송될 수 있도록 구성한다.
	WBAN이란 무엇인가?	최근 이러한 요구에 부합하여 무선 인체 통신 네트워크 (WBAN: Wireless Body Area Network) 기술이 활발하게 연구되고 있다. WBAN은 인체 내부 혹은 외부에서 인체로부터 반경 3미터 이내의 무선 통신 기술로 정의된다. 최근 미국의 Alabama 대학교와 메이요 클리닉, SmartWorld 등 연구기관에서 인체의 활동 상태와 건강 상태를 모니터링 하기 위한 기술을 개발하여 테스트 베드를 통한 실험을 수행하였고, 하버드 대학교에서는 CodeBlue 프로젝트로 Mica2 보드 상에 작동하는 ECG 센서를 가지고 실험을 진행 중에 있다.

참고문헌 (13)

IEEE 802.15 WPAN WG homepage, 'http//www.ieee.org/15'
Use cases, Applications, and Requirements for BANs, IEEE 802.15-07-0546-00ban
SG BAN closing report for San Francisco July 2007, IEEE 802.15-07-0806-01-0ban
BAN project Authorization Request (PAR) draft, IEEE P802.15-07-0575-06
BAN application matrix, IEEE 802.15-07-0735-00-0ban
'Medical BAN 표준화 동향 및 주요 Issue,' 주간 기술동향 통권 1310호, 2007. 08. 22
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상세보기
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상세보기
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C. Lu, B. M. Blum, T. F. Abdelzaher, J. A. Stankovic, and T. He, 'RAP: A Real-Time Communication Architecture for Large-Scale Wireless Sensor Networks,' In IEEE RTAS. 2002
H. Bengtsson, E. Uhlemann and P.-A. Wiberg, 'Protocol for wireless real-time systems,' in Proc. Euromicro Conference on Real-Time Systems, York, England, UK
Victor Shnayder, Bor-rong Chen, Konrad Lorincz, Thaddeus R. F. Fulford-Jones, and Matt Welsh., 'Sensor Networks for Medical Care', Harvard University Technical Report TR-08-05, April 2005

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표제어: PCR

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용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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