[논문]WBAN에서 신체 내부 센서의 라이프타임 향상을 위한 LI 프로토콜

박진철; 이정규

doi:10.5573/ieie.2014.51.6.018

WBAN에서 신체 내부 센서의 라이프타임 향상을 위한 LI 프로토콜
WBAN LI Protocol for Improving Lifetime of Implant Sensor in Body 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.51 no.6, 2014년, pp.18 - 25

박진철 (한양대학교 컴퓨터공학과) , 이정규 (한양대학교 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

WBAN(Wireless body area network)에서 신체에 삽입된 센서는 신체의 생물학적인 특성에 의해 일반 센서보다 프레임의 오류가 발생 할 확률이 높아진다. 본 논문에서는 신체에 삽입된 센서의 라이프타임을 향상시키기 위해 삽입 된 센서의 재전송을 외부 센서에서 대신 전송해주는 방법으로 삽입된 센서의 전송을 줄이는 방법을 제시한다. 제시된 LI(Lifetime Increment) 프로토콜은 기존의 CSMA/CA 전송방식에서 데이터 프레임에 외부 센서의 ID를 추가하고, 내부 센서가 전송한 프레임이 재전송이 요구 될 시에는 추가 되어있던 ID의 외부 센서에서 재전송을 책임지는 방법이다. 제안하는 프로토콜의 성능 비교를 위해 WBAN CSMA/CA 전송 방식과 비교한 결과 에너지 소모량이 적어져 라이프 타임이 향상되는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

A implanted sensor's error probability is more likely to external sensor's error probability by biological characteristic in WBAN. In this paper, we present method that external sensor transmits frame instead of doing implanted sensor's retransmission for improving lifetime of implanted sensors in WBAN. The proposed method, LI(Lifetime Increment) protocol is to add external sensor's id in transmission data frame of a implanted sensor. When the retransmission is required, external sensor that have to registered id in data frame retransmits frame instead of implanted sensors' retransmission. The comparison result shows that the proposed protocol reduces power consumption and improves life time.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 논문은 CSMA/CA를 사용하는 WBAN에서 체내에 이식하는 센서의 에너지 사용량을 줄이기 위해 체내에 이식된 센서의 재전송을 외부의 센서에게 맡기는 방법을 사용한다. 기존의 CSMA/CA를 사용하는 센서가 프레임을 전송했을 때 오류가 발생하면 전송을 한 노드가 재전송을 담당했지만, 제안하는 방법은 재전송을 위한 외부 센서 ID를 내부 센서에서 참조하고 삽입된 센서의 기본 데이터 프레임을 전송할 때 외부 센서 ID를 포함하여 전송 하는 방법을 제안한다.

가설 설정

기본 모델은 WBAN에서 정의하고 있는 내용을 기반으로 설정 하였으며, 성능 평가를 수행하기 위하여 다음의 가정들을 사용하였다. 첫째, 스테이션들은 동일한 전송범위를 가지고 있다.
셋째, 새로운 센서가 네트워크에 들어오지 않는다. 넷째, 각 내부 센서에서 허브로의 BER은 모두 같다.
둘째, 스테이션들은 성능평가 도중 통신 불가능한 외부로 이동하지 않고, 고정되어 있으며 무선으로 통신한다. 셋째, 새로운 센서가 네트워크에 들어오지 않는다. 넷째, 각 내부 센서에서 허브로의 BER은 모두 같다.
기본 모델은 WBAN에서 정의하고 있는 내용을 기반으로 설정 하였으며, 성능 평가를 수행하기 위하여 다음의 가정들을 사용하였다. 첫째, 스테이션들은 동일한 전송범위를 가지고 있다. 둘째, 스테이션들은 성능평가 도중 통신 불가능한 외부로 이동하지 않고, 고정되어 있으며 무선으로 통신한다.

제안 방법

. BER은 신뢰도가 있다고 믿어지는 환경인 1.0 * 10^-6을 기준으로 변화하는 것과 신체 내부에 삽입 된 환경을 감안하여 높은 에러율인 1.0 * 10^-5을 기준으로 변화하는 시뮬레이션을 하였다.
sensor2가 재전송을 대신하기 위해서 SIFS보다는 길고 EIFS보다는 짧은 WBAN용 WIFS를 만들어 sensor1이 재전송하기 위하여 기다리는 시간보다 짧은 IFS를 기다리게 하여 sensor2가 재전송을 하게끔 한다. 이번에 에러가 났던 프레임에 대해서는 프레임이 성공적으로 보내지기까지 전송 책임을 sensor2에게 맡긴다.
각 노드들은 주기적으로 의료 데이터를 생성하며 채널을 사용하기 위해 경쟁을 한다. 경쟁에서 성공한 센서는 채널을 통해 데이터를 전송하는데, BER에 따라 확률적으로 데이터에 오류를 발생시키고 재전송을 하도록 하였다. 이 재전송을 위해 기존 방식을 사용하는 것과 제안한 프로토콜을 사용하는 것을 시뮬레이션 하였다.
본 논문은 CSMA/CA를 사용하는 WBAN에서 체내에 이식하는 센서의 에너지 사용량을 줄이기 위해 체내에 이식된 센서의 재전송을 외부의 센서에게 맡기는 방법을 사용한다. 기존의 CSMA/CA를 사용하는 센서가 프레임을 전송했을 때 오류가 발생하면 전송을 한 노드가 재전송을 담당했지만, 제안하는 방법은 재전송을 위한 외부 센서 ID를 내부 센서에서 참조하고 삽입된 센서의 기본 데이터 프레임을 전송할 때 외부 센서 ID를 포함하여 전송 하는 방법을 제안한다.
경쟁에서 성공한 센서는 채널을 통해 데이터를 전송하는데, BER에 따라 확률적으로 데이터에 오류를 발생시키고 재전송을 하도록 하였다. 이 재전송을 위해 기존 방식을 사용하는 것과 제안한 프로토콜을 사용하는 것을 시뮬레이션 하였다.

데이터처리

이 장에서는 제안된 프로토콜의 성능을 평가하기 위해 실험 환경을 정의하고, 제안한 프로토콜과 WBAN 표준의 성능비교 결과를 기술한다. 본 논문에서 제안하는 LI 프로토콜과 WBAN 표준의 CSMA/CA 방식과의 비교를 위해서 동일한 환경을 기준으로 Visual C++ 6.0 을 이용하여 시뮬레이션을 하였다.
그림 8과 그림 9는 BER의 변화에 따른 라이프 타임, 그림 10과 그림 11은 average delay를 측정하였다. 시뮬레이션의 결과 값은 내부 센서 중 하나의 센서라도 에너지를 다 사용했을 때 까지를 기준으로 반복하여 평균을 계산하였다. 그림 8과 그림 10은 BER이 1 * 10^–6을 기준으로 배수로 증가 하는 경우의 시뮬레이션이며 그림 9와 그림 11은 BER이 1 * 10^-5를 기준으로 배수로 증가 하는 경우의 시뮬레이션이다.

이론/모형

시뮬레이션에서 전송 할 때와 전송 받을 때의 에너지 소모 공식으로 E_Tx(k, d)와 E_Rx(k)를 사용하였다. E_Tx(k, d)는 거리 d상에서 하나의 k비트 패킷을 전송할 때 측정된 에너지 소모량이며 E_Rx(k)는 다른 센서로 부터 하나의 k비트 패킷을 받을 때 소모되는 에너지량이다.

성능/효과

그림 10과 그림 11의 average delay를 살펴보면 BER이 커질수록 WBAN 기본 프로토콜의 delay가 커지는 것에 비해 제안한 LI 프로토콜의 delay는 상대적으로 적은 증가폭을 보이고 있었다. 기존 방식은 재전송을 위해 다시 경쟁을 하고 채널 획득을 하는 방법을 사용하였지만 제안한 프로토콜에서는 외부 센서가 재전송을 해주는 경우에는 경쟁을 하지 않고 빠르게 재전송을 시도하고 또한 다시 오류가 날 확률도 적기에 average delay가 기존 방식보다 LI 프로토콜이 더 작은 것을 확인 할 수 있었다.
그림 10과 그림 11의 average delay를 살펴보면 BER이 커질수록 WBAN 기본 프로토콜의 delay가 커지는 것에 비해 제안한 LI 프로토콜의 delay는 상대적으로 적은 증가폭을 보이고 있었다. 기존 방식은 재전송을 위해 다시 경쟁을 하고 채널 획득을 하는 방법을 사용하였지만 제안한 프로토콜에서는 외부 센서가 재전송을 해주는 경우에는 경쟁을 하지 않고 빠르게 재전송을 시도하고 또한 다시 오류가 날 확률도 적기에 average delay가 기존 방식보다 LI 프로토콜이 더 작은 것을 확인 할 수 있었다.
우리는 외부 센서의 ID를 추가하여 삽입된 센서의 재전송을 대신 해주는 LI 프로토콜을 제안하고, 시뮬레이션을 통해 신체 내부에 삽입된 센서의 라이프 타임이 향상되는 것을 검증해 보였다. 논문에서 제안한 방법은 이론상 삽입된 센서들의 라이프타임에 있어서 향상 될 수 있을 거라고 예측 할 수 있었고, 이론에 따라 시뮬레이션을 해본 결과 실제로 삽입된 센서들의 라이프 타임에 있어서 향상 됨을 알 수 있었다.
첫째, 스테이션들은 동일한 전송범위를 가지고 있다. 둘째, 스테이션들은 성능평가 도중 통신 불가능한 외부로 이동하지 않고, 고정되어 있으며 무선으로 통신한다. 셋째, 새로운 센서가 네트워크에 들어오지 않는다.
우리는 외부 센서의 ID를 추가하여 삽입된 센서의 재전송을 대신 해주는 LI 프로토콜을 제안하고, 시뮬레이션을 통해 신체 내부에 삽입된 센서의 라이프 타임이 향상되는 것을 검증해 보였다. 논문에서 제안한 방법은 이론상 삽입된 센서들의 라이프타임에 있어서 향상 될 수 있을 거라고 예측 할 수 있었고, 이론에 따라 시뮬레이션을 해본 결과 실제로 삽입된 센서들의 라이프 타임에 있어서 향상 됨을 알 수 있었다.
제안하는 방식은 외부 센서에서 재전송을 대신 해주기 때문에 재전송하는 프레임들이 다시 오류가 발생할 확률이 기존 방식 보다는 낮아진다. 이런 이유로 제안하는 방식보다 WBAN 기본 프로토콜의 오류가 더 많이 발생하고 재전송을 더 많이 하기에 라이프 타임이 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.
하지만 BER의 값이 커질수록 내부 센서에서 전송하는 프레임에 오류가 많이 발생하기 때문에 재전송이 많아지게 되고, 이 재전송하는 프레임들에 대해서도 기존 방식은 내부 센서에서 재전송을 다시 하기 때문에 프레임에 오류가 발생할 확률이 여전히 높은 상태이다. 제안하는 방식은 외부 센서에서 재전송을 대신 해주기 때문에 재전송하는 프레임들이 다시 오류가 발생할 확률이 기존 방식 보다는 낮아진다. 이런 이유로 제안하는 방식보다 WBAN 기본 프로토콜의 오류가 더 많이 발생하고 재전송을 더 많이 하기에 라이프 타임이 현저히 줄어드는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

향후에는 삽입 된 센서 및 외부 센서의 라이프 타임을 같이 향상 시키는 방법을 연구할 것이며, WBAN에서의 삽입 센서의 라이프 타임 향상 연구에 본 논문이 도움이 되길 바란다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	WBAN 기술은 무엇으로 구성되는가?	이러한 u-Health 및 IT-BT 융합기술의 발달로 근거리 무선 통신 기술인 WBAN 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. WBAN 기술은 인체의 내부 및 외부 약 3m 이내에 부착되는 센서들을 무선 네트워크로 연결하여 센서들 간 상호 통신을 제공하는 근거리 무선 통신 기술로써 허브, 의료 디바이스, 개인 소비자용 전자 제품 등으로 구성되며 다양한 유비쿼터스 서비스를 제공한다[1].
	삽입형 센서의 전력 소모는 무엇에 영향을 미치는가?	삽입형 센서는 신체정보를 수집하고 전송하기에 패킷 손실이나 오류가 발생했다면 재전송을 해야 하고, 결국 삽입형 센서의 전력 소모로 이어지게 된다. 이는 신체에 센서를 삽입 하는 과정이 사람에게 큰 부담이 되는 상황에서 내부 센서의 라이프 타임에 영향을 미치게 된다.
	LI(Lifetime Increment) 프로토콜이란?	본 논문에서는 신체에 삽입된 센서의 라이프타임을 향상시키기 위해 삽입 된 센서의 재전송을 외부 센서에서 대신 전송해주는 방법으로 삽입된 센서의 전송을 줄이는 방법을 제시한다. 제시된 LI(Lifetime Increment) 프로토콜은 기존의 CSMA/CA 전송방식에서 데이터 프레임에 외부 센서의 ID를 추가하고, 내부 센서가 전송한 프레임이 재전송이 요구 될 시에는 추가 되어있던 ID의 외부 센서에서 재전송을 책임지는 방법이다. 제안하는 프로토콜의 성능 비교를 위해 WBAN CSMA/CA 전송 방식과 비교한 결과 에너지 소모량이 적어져 라이프 타임이 향상되는 것을 확인하였다.

참고문헌 (9)

Body Area Network(BAN) Technical Requirements, IEEE 802.15-07-0867-03-0ban.
S. Drude, "Requirements and application scenarios for body area networks", in Proc. Mobile Wireless Commun. Summit, 16th IST, pp.1-5, Jul 2007
BAN application matrix, IEEE 802.15-07-0735-00-ban.
Open issues on the BAN, IEEE 802.15-07-0534-00-0ban.
The MAC Protocol Requirements for BAN, IEEE 802.15-08-0053-01-0006.
TG6 Draft, IEEE P802. 15-10-0245-04-0006.
D. Kurup, W. Joseph, G. Vermeeren, and L. Martens, "Path loss model for in-body communication in homogeneous human muscle tissue," Electron. Lett., 45, pp. 453-454, 2009.

상세보기
W. R. Heinzelman, A. Chandrakasan, and H. Balakrishnan, "Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks," in Proc. 33th Annu. Hawaii Int'l. Conf., System Sciences, vol. 2, pp. 10-19, Jan. 2000.
Hyunsuk Yang, Dohyung Kim, Joonyeol Park, and Taebong Lee, "A New Routing Algorithm for Performance improvement of Wireless Sensor Networks", Journal of The Institute of Electronics Engineers of Korea, Vol. 49-CI, No. 1, pp. 39-45, January 2012.

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].

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