[논문]IEEE 802.15.6 WBAN 환경에서 QoS를 고려한 실시간 트래픽 성능향상에 관한 연구

노승민; 김정호; 강철호

IEEE 802.15.6 WBAN 환경에서 QoS를 고려한 실시간 트래픽 성능향상에 관한 연구
A Study on Real Time Traffic Performance Improvement Considering QoS in IEEE 802.15.6 WBAN Environments 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. TC, 통신, v.48 no.4 = no.406, 2011년, pp.84 - 91

노승민 (광운대학교 전자통신공학과) , 김정호 (광운대학교 전자통신공학과) , 강철호 (광운대학교 전자통신공학과)

초록
AI-Helper

최근 IEEE 802.15.6 을 중심으로 표준화가 진행중인 WBAN (Wireless Body Area Network) 은 인체 내부 혹은 인체로부터 3 미터 이내의 주변에서 일어나는 근거리 무선통신을 목적으로 하는 네트워크이다. 근거리 무선네트워크에서 효과적인 QoS 조절기법과 오디오 및 비디오 데이터를 한정된 대역폭에서의 효율적인 관리는 사용자 뿐 아니라, 통신네트워크의 부하측면에서도 중요한 요소이다. 본 논문에서는 IEEE 802.15.6 고속 WBAN 표준에서, 한정된 데이터에 대해 수퍼프레임의 조정을 통해 효율적인 대역관리를 해주는 동적 할당 알고리즘과 가중치 공평 큐잉(WFQ:Weighted Fair Queueing) 알고리즘을 제안한다. 이것은 Quality of Service (QoS)를 기준으로 한 큐잉 알고리즘을 바탕으로 QoS의 질적인 요소에 대해 robust한 성능을 나타내며 공평성을 유지하고 시스템 성능을 최대화하는 효율적인 알고리즘이다. 제안한 알고리즘에 대한 성능평가 결과, 동적 할당을 적용한 경우 전송대역폭은 최대 5배가 확장되었으며, 가중치 공평큐잉을 적용한 경우 throughput은 최대 24.3%가 개선되고, delay bound 문제가 해결됨을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, WBAN(Wireless Body Area Network) which has progressed standardization based on IEEE 802.15.6 standardization is a network for the purpose of the short-range wireless communications within around 3 meters from the inner or outer human body. Effective QoS control technique and data efficient management in limited bandwidth such as audio and video are important elements in terms of users and loads in short-range wireless networks. In this paper, for high-speed WBAN IEEE 802.15.6 standard, the dynamic allocation to give an efficient bandwidth management and weighted fair queueing algorithm have been proposed through the adjustment of the super-frame about limited data and Quality of Service (QoS) based on the queuing algorithm. Weighted Fair Queueing(WFQ) Algorithm represents the robust performance about elements to qualitative aspects as well as maintaining fairness and maximization of system performance. The performance results show that the dynamic allocation expanded transmission bandwidth five times and the weighted fair queueing increased maximum 24.3 % throughput and also resolved delay bound problem.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

데이터를 전송하는 과정에서 GTS에 포함되는 Time Slot의 할당부분을 고정할 경우, 공유하는 GTS 슬롯의 보장된 대역폭보다 전송하고자 하는 대역폭이 클 경우에는 효과적인 QoS를 보장할 수 없다. 본 논문에서는 QoS를 보장하기 위해서 전송하려는 데이터의 크기에 따라 GTS를 동적으로 할당하는 방법을 제안한다
영상 및 음성 실시간 트래픽의 경우에는 전송과정에서 데이터 손실이 아주 약간이라도 발생하게 되면 문제점이 야기된다. 본 논문에서는 WBAN 고속통신 환경에서 전송품질을 저하시키는 데이터 손실 등의 문제점을 최소화하는 방식으로 QoS와 관련된 문제점을 극복할 수 있는 동적 CFP구간 할당 기반의 가중치 공정큐잉 알고리즘을 제안한다.
QoS란 다른 응용 프로그램이나 데이터 흐름의 우선순위를 정하거나 데이트 전송에 특정 수준의 성능을 보장하기 위한 능력을 의미하는 것으로 만일 QoS를 만족시키지 못한다면 어떤 서비스도 정상적으로 이루어질 수 없다. 본 논문에서는 데이터를 전송하는 과정에서 패킷을 효율적으로 정렬함으로써 QoS를 개선하기 위한 방법을 제안하였다.
본 논문은 AV Stream을 전송하는 IEEE 802.15.6 WBAN 네트워크에서 다양한 트래픽간의 유연성을 제공하는 가중치 공정 큐잉 알고리즘을 적용한 슈퍼프레임 구조의 WBAN MAC 프로토콜을 제안하였다. 성능평가 결과 GTS를 동적으로 할당함으로써 비교적 적은 수의 타임 슬롯으로 효율적인 전송을 보장할 수 있었고, CFP 구간의 최소 1.

제안 방법

본 논문에서 WBAN Mac Protocol의 성능평가를 위해 무선통신 환경에서 제안한 Mac Protocol과 성능 비교 대상으로 CFP의 GTS를 고정시킨 형태의 수퍼프레임과 QoS를 고려하지 않은 FIFO Queueing을 선정하였다. 시뮬레이션 환경의 PHY 모델은 그림 2에서 UWB 주파수 대역으로, 전송속도는 10Mbps로 설정하였다.
6 환경의 CFP 구간에는 할당 스케줄링 기법이 적용되어 있지 않다. 본 논문에서는 IEEE 8902.15.6 WBAN 표준에 가중치 공평 큐잉을 적용함으로써 아래와 같은 3단계 구현 알고리즘을 제안하였다.
그림 11의 좌측에 있는 FIFO Queueing을 적용한 그래프의 경우, 전체 전송하려는 Time Slot중 다채널 오디오데이터에 해당하는 Time Slot은 부분적으로 Drop 된다. 전송하고자 하는 오디오 노드가 2개일 경우 총 14개의 Time Slot중에서 8개, 오디오 노드가 3개일 경우 총 16개의 Time Slot 중에서 12개, 오디오 노드가 4개일 경우 총 18개의 Time Slot 중에서 16개가 폐기되는 것을 그림 20의 좌측에서 상단의 적색 부분으로 구별하였다. 반면 우측에 있는 WFQ 적용 그래프는 전송하고자 하는 Time Slot이 모두 성공적으로 전송되는 것을 확인하였다.

이론/모형

CAP는 명령 메세지나 전송률이 낮은 데이터를 전송하기 위한 구간으로 Beacon에서 허용하는 종류의 메시지만을 전송할 수 있다. 이 구간은 충돌 위험이 있는 CSMA/CA 방식을 사용하면서 충돌 확률을 줄이기 위해 Back-Off 알고리즘을 사용한다. CSMA/CA 방식을 사용하는 동안 DEV들은 채널타임 요청명령을 비롯하여 피코넷 가입/탈퇴, PN 핸드오버, PNC 정보, DEV 정보 등의 요청 명령을 전송하고 PNC는 각 명령에 대한 응답 메시지를 전송한다.

성능/효과

3% 정도 개선된 Throughput 결과를 얻을 수 있었으며 시간지연에 민감한 음성신호를 전송하는 데에 있어서도 Delay Bound 문제를 해결할 수 있다. 따라서 제안한 기법은 이동환경에서 트래픽을 효과적으로 처리함에 따라 실시간성을 요구하는 스트리밍서비스에 적합하다. 향후 계속 발전하고 있는 근거리 무선통신 표준 뿐만 아니라, 실시간처리가 중요시되는 지역에서 QoS의 효율성을 증대시킬 수 있는 연구가 필요하다.
4배, 최대 5배정도의 대역폭을 확장할 수 있을 뿐 아니라 GTS의 Time Slot 부족으로 인하여 데이터가 폐기되는 것을 막을 수 있다. 또한 WFQ를 이용함으로써 기존의 FIFO 방식보다 최소 13.5%, 최대 24.3% 정도 개선된 Throughput 결과를 얻을 수 있었으며 시간지연에 민감한 음성신호를 전송하는 데에 있어서도 Delay Bound 문제를 해결할 수 있다. 따라서 제안한 기법은 이동환경에서 트래픽을 효과적으로 처리함에 따라 실시간성을 요구하는 스트리밍서비스에 적합하다.
전송하고자 하는 오디오 노드가 2개일 경우 총 14개의 Time Slot중에서 8개, 오디오 노드가 3개일 경우 총 16개의 Time Slot 중에서 12개, 오디오 노드가 4개일 경우 총 18개의 Time Slot 중에서 16개가 폐기되는 것을 그림 20의 좌측에서 상단의 적색 부분으로 구별하였다. 반면 우측에 있는 WFQ 적용 그래프는 전송하고자 하는 Time Slot이 모두 성공적으로 전송되는 것을 확인하였다.
향후 계속 발전하고 있는 근거리 무선통신 표준 뿐만 아니라, 실시간처리가 중요시되는 지역에서 QoS의 효율성을 증대시킬 수 있는 연구가 필요하다. 본 논문에서 제안한 방식을 활용하면 인체 주변 영역에서의 통신서비스를 제공하는 WBAN의 효율적인 QoS 성능을 기대할 수 있다. 요즈음 스마트폰과 같은 컨버전스 기기의 등장과 함께 다양한 멀티미디어 트래픽의 무선전송이 증가하고 있는 시점에서, 본 논문을 기반으로 하는 큐잉 알고리즘의 접목 및 하드웨어 구현을 위한 연구가 앞으로 요구된다.
TDMA방식의 GTS를 통하여 데이터를 전송하는 경우에는 Packet Loss가 일어나지 않지만, 시간지연에 민감한 음성신호의 경우에는 전송시간이 30ms 이상이 일어나게 되면 손실이 생기게 되어 재생이 불가능하다^[9～10]. 본 논문에서 제안한 알고리즘은 용량이 큰 음성데이터에 대하여 패킷을 분배하여 전송함으로서 Delay Bound에 Robust한 성능을 보인다. 데이터처리를 하지 않은 FIFO는 30ms 이상의 오디오데이터에 대해 패킷을 분배하지 않았고 그 결과 Packet Drop이 일어나게 된다.
그림 10은 Throughput 측정 결과이다. 본 시뮬레이션 결과는 WFQ 알고리즘을 QoS가 필요한 Traffic에 적용하였을 때, QoS를 전혀 고려하지 않은 FIFO Throughput에 비하여 더 높은 수치를 나타낸다. WFQ 알고리즘을 적용한 경우, 트래픽 용량에 맞게 적절히 가중치를 분배하여 전송함으로써 시간대비 트래픽 처리량인 Throughput의 성능이 최소 13.
6 WBAN 네트워크에서 다양한 트래픽간의 유연성을 제공하는 가중치 공정 큐잉 알고리즘을 적용한 슈퍼프레임 구조의 WBAN MAC 프로토콜을 제안하였다. 성능평가 결과 GTS를 동적으로 할당함으로써 비교적 적은 수의 타임 슬롯으로 효율적인 전송을 보장할 수 있었고, CFP 구간의 최소 1.4배, 최대 5배정도의 대역폭을 확장할 수 있을 뿐 아니라 GTS의 Time Slot 부족으로 인하여 데이터가 폐기되는 것을 막을 수 있다. 또한 WFQ를 이용함으로써 기존의 FIFO 방식보다 최소 13.

후속연구

본 논문에서 제안한 방식을 활용하면 인체 주변 영역에서의 통신서비스를 제공하는 WBAN의 효율적인 QoS 성능을 기대할 수 있다. 요즈음 스마트폰과 같은 컨버전스 기기의 등장과 함께 다양한 멀티미디어 트래픽의 무선전송이 증가하고 있는 시점에서, 본 논문을 기반으로 하는 큐잉 알고리즘의 접목 및 하드웨어 구현을 위한 연구가 앞으로 요구된다.
따라서 제안한 기법은 이동환경에서 트래픽을 효과적으로 처리함에 따라 실시간성을 요구하는 스트리밍서비스에 적합하다. 향후 계속 발전하고 있는 근거리 무선통신 표준 뿐만 아니라, 실시간처리가 중요시되는 지역에서 QoS의 효율성을 증대시킬 수 있는 연구가 필요하다. 본 논문에서 제안한 방식을 활용하면 인체 주변 영역에서의 통신서비스를 제공하는 WBAN의 효율적인 QoS 성능을 기대할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TG 3의 HR-WPAN과 TG 4의 ZigBee는 어떤 특징을 갖는가?	TG 1의 블루투스가 가장 먼저 표준화 작업을 완료하였으며, 뒤 이어 TG 3의 HR-WPAN과 TG 4의 ZigBee가 표준화 되었다. 위 두개의 표준은 모두 여러개의 독립된 DEV(Device)가 애드혹 네트워크 기반의 피코넷(Piconet)을 형성한다. 피코넷은 네트워크 관리자 역할을 하는 PNC(Piconet Coordinator)가 나머지 DEV에게 TDMA 방식으로 채널타임을 할당함으로써 이루어진다[1]. HR-WPAN이 대용량의 멀티미디어 트래픽을 고속으로 서비스하기 위한 표준이라면 TG4의 ZigBee는 낮은 데이터 전송률을 지원하며 적은 양의 배터리를 갖는 단말이 전력 소모를 최소화 하도록 설계되었다. 인체 내 혹은 인체의 주변에서 일어나는 근거리 통신에 대해 센서, 통신, 구동체 등의 다양한 기술이 복합적으로 적용되는 WBAN은 HR-WPAN의 광범위한 전송 속도와 ZigBee의 초저전력 전력 소비 요구를 만족할 수 있어야 한다.
	근거리 무선네트워크에서는 무엇이 중요한 요소가 되는가?	6 을 중심으로 표준화가 진행중인 WBAN (Wireless Body Area Network) 은 인체 내부 혹은 인체로부터 3 미터 이내의 주변에서 일어나는 근거리 무선통신을 목적으로 하는 네트워크이다. 근거리 무선네트워크에서 효과적인 QoS 조절기법과 오디오 및 비디오 데이터를 한정된 대역폭에서의 효율적인 관리는 사용자 뿐 아니라, 통신네트워크의 부하측면에서도 중요한 요소이다. 본 논문에서는 IEEE 802.
	WBAN이란?	15.6 을 중심으로 표준화가 진행중인 WBAN (Wireless Body Area Network) 은 인체 내부 혹은 인체로부터 3 미터 이내의 주변에서 일어나는 근거리 무선통신을 목적으로 하는 네트워크이다. 근거리 무선네트워크에서 효과적인 QoS 조절기법과 오디오 및 비디오 데이터를 한정된 대역폭에서의 효율적인 관리는 사용자 뿐 아니라, 통신네트워크의 부하측면에서도 중요한 요소이다.

참고문헌 (10)

한국정보통신기술협회, "인체통신망 매체접근제어계층구조", 2009.
최영우, 김유진, 이형수, 김재영, "IT/BT 융합분야에서의 WBAN 개발동향," IT기획시리즈, August, 2008.
Jae Myeong Choi, Heau Jo Kang, and Yong Seok Choi, "A Study on the Wireless Body Area Network Applications and Channel," 2008 Second International Conference on Future Generation Networking and Communication, 2008.
IEEE 802 TG BAN homepage, http://www.ieee80 2.org/15/pub/TG6.html, May, 2009.
Jeffrey S. Beasley, Networking, Prentice Hall, January, 2004.
이용석, 한진우, 최웅철, 이승형, 정광수, "HR-WPAN 에서의 Weighted Fairness를 이용한 Channel Time 스케줄링 기법 연구" 한국정보과학회 가을학술발표논문집 제31권 제2호, October, 2004.
Cisco Homegage, http://www.cisco.com/en/US/tech/tk39/tk824/technologies_tech_note09186a00800 c9699.shtml.
최원석, 김영용, "IEEE 802.11 무선랜에서 음성신호의 딜레이 바운드에 관한 분석," 한국정보처리학회 춘계학술발표대회 논문집 제 10권 제 1호, May, 2003.
Anis Koubaa, Mario Alives, and Eduardo Tovar, "GTS Allocation Analysis in IEEE 802.15.4 for Real-Time Wireless Sensor Networks," WPDRTS'06, April, 2006.
Hossam Fattah, Cyril Leung "An Overview of Scheduling Algorithm in Wireless Multimedia Networks," IEEE Communication, October, 2002.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증