무선인체센서네트워크(WBSN: Wireless Body Sensor Network)은 일반적으로 무선인체네트워크(WBAN: Wireless Body Area Networks)라고도 불리는데, 일종의 무선센서네트워크(WSN: Wireless Sensor Network)의 응용 중에 하나로, 인간의 신체에 이식되거나 착용하는 형태의 감지노드들로 인체 가까이에 설치된다. WBSN에 설치된 각 노드로부터 측정된 데이터는 싱크 노드에서 인체 상태를 분석하기 위하여 사용되는데, 다른 무선센서네트워크 응용과 마찬가지로 노드와 싱크 노드는 서로 동기화되어야 한다. 무선센터네트워크에서 동작하는 여러시각 동기화 프로토콜이 제안되어왔으나 WBSN에 적용하기에는 부적합하다. 이 논문에서는 WBSN의 특성을 고려하여 새로운 시각 동기화 프로토콜을 제안한다. 제안한 프로토콜은 간단할뿐만 아니라 전력 소모가 작아 네트워크의 수명을 오랫동안 유지할 수 있게 한다. 제안 방안의 성능을 시뮬레이션을 통해 평가하였으며, WBSN에서 구현하기에 적합함을 보였다.
무선인체센서네트워크(WBSN: Wireless Body Sensor Network)은 일반적으로 무선인체네트워크(WBAN: Wireless Body Area Networks)라고도 불리는데, 일종의 무선센서네트워크(WSN: Wireless Sensor Network)의 응용 중에 하나로, 인간의 신체에 이식되거나 착용하는 형태의 감지노드들로 인체 가까이에 설치된다. WBSN에 설치된 각 노드로부터 측정된 데이터는 싱크 노드에서 인체 상태를 분석하기 위하여 사용되는데, 다른 무선센서네트워크 응용과 마찬가지로 노드와 싱크 노드는 서로 동기화되어야 한다. 무선센터네트워크에서 동작하는 여러시각 동기화 프로토콜이 제안되어왔으나 WBSN에 적용하기에는 부적합하다. 이 논문에서는 WBSN의 특성을 고려하여 새로운 시각 동기화 프로토콜을 제안한다. 제안한 프로토콜은 간단할뿐만 아니라 전력 소모가 작아 네트워크의 수명을 오랫동안 유지할 수 있게 한다. 제안 방안의 성능을 시뮬레이션을 통해 평가하였으며, WBSN에서 구현하기에 적합함을 보였다.
WBSN (Wireless Body Sensor Network), also called WBAN (Wireless Body Area Networks) generally, is a kind of WSN (Wireless Sensor Network) applications, which is composed of the various sensor nodes residing in human body embodied or in wearable way. The measured data at each sensor node in WBSN requ...
WBSN (Wireless Body Sensor Network), also called WBAN (Wireless Body Area Networks) generally, is a kind of WSN (Wireless Sensor Network) applications, which is composed of the various sensor nodes residing in human body embodied or in wearable way. The measured data at each sensor node in WBSN requires being synchronized at sink node for exact analysis for status of human body, which is like WSN. Although many time synchronization protocols for WSN has been already developed, they are not appropriate to WBSN. In this paper, a new time synchronization protocol for WBSN considering the characteristics of WBSN is proposed. The proposed scheme is not only simple, but also consumes less power, leading to increasing network life time. We will show that the proposed scheme is appropriate to WBSN by evaluating its performance by simulation.
WBSN (Wireless Body Sensor Network), also called WBAN (Wireless Body Area Networks) generally, is a kind of WSN (Wireless Sensor Network) applications, which is composed of the various sensor nodes residing in human body embodied or in wearable way. The measured data at each sensor node in WBSN requires being synchronized at sink node for exact analysis for status of human body, which is like WSN. Although many time synchronization protocols for WSN has been already developed, they are not appropriate to WBSN. In this paper, a new time synchronization protocol for WBSN considering the characteristics of WBSN is proposed. The proposed scheme is not only simple, but also consumes less power, leading to increasing network life time. We will show that the proposed scheme is appropriate to WBSN by evaluating its performance by simulation.
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문제 정의
본 논문에서는 WBSN의 특성을 고려하여 기존의 방안들을 검토한 후 새로운 동기화 방안을 제안하였다. 시뮬레이션을 사용하여 제안된 방안의 성능을 검증하고 기존의 다른 방안과 비교하여, 더 우수한 성능 결과를 확인하였다.
WBSN은 WSN과 공통점이 있지만 서로 다른 특징들을 많이 가지고 있으므로 WSN용으로 개발된 시각 동기화 프로토콜을 그대로 적용할 수가 없다. 이 논문에서는 WBSN의 동작 환경을 검토한 후 이에 적합하고 효율적인 시각 동기화 방식을 제안한다.
가설 설정
5m 간격으로 배열하여 신체 조건과 유사하게 하였다. 노드의 역할은 노드 #1을 싱크 노드로, 노드 #4를 소스 노드로(예, ECG 센서)를 가정하였고, 나머지 노드는 성능과 역할이 다른 여러 센서 노드로 구성하였다. 사용된 MAC은 WSN용으로 제안된 Sensor-MAC(S-MAC)[13] 그리고 라우팅 프로토콜은 DSDV(Destination-Sequenced Distance Vector)[14]이다.
싱크노드와 여러 센서 노드들은 멀티 홉으로 구성할 수 있으나 이렇게 하려면 중간에 위치한 센서 노드가 게이트웨이 역할을 하기 위해서 항상 켜져 있어야 하므로 노드의 동작이 복잡해지고 전력 소모가 커진다. 따라서 이 논문에서는 싱크 노드와 여러 센서 노드들은 단일 홉으로 연결이 되며 소스 노드와 싱크 노드가 전송하는 신호는 다른 센서 노드에서 모두 수신이 가능한 정도의 송신 전력을 사용하는 것으로 가정한다. 싱크 노드에 보고된 데이터는 취합이 되어 인터넷을 통하여 전문가나 분석 기기로 전송이 이루어진다.
제안 방법
NS-2[12]에서 1비트를 전송하는데 필요한 전송 전력(Pt_=8.0e-6W), 노드에서 소비되는 송신전력(txPower=2.0e-6W), 수신전력(rxPower=1.0e-6W), 대기전력(idlePower=5.0e-8W)으로 설정하였다.
2장에서 기존의 WSN용 시각 동기화 프로토콜의 동작을 살펴본다. 다음 WBSN의 동작 환경이나 특징을 분석한 다음 이에 효율적인 시각 동기화 방안을 제안한다. 4장에서 제안한 방안을 적용하여 성능을 분석하고 기존의 다른 방식과 비교하며, 마지막으로 5장에서 결론을 다룬다.
동기화 라운드 당 소비 전력은 아주 미세하므로, 24시간 동안(288 동기화 라운드) 동기화를 실행한 후 각 노드별 소비 전력을 측정하였으며, Fig. 3에 나타내었다. 소스 노드(노드 #4)의 소비 전력이 가장 크므로 초기 충전 용량을 충분히 하여 전체 네트워크의 수명에 지장을 주지 않도록 고려하여야 할 것이다.
본 제안 방안은 BAN을 구성하는 노드가 항상 동작할 필요가 없으며 정기적인 데이터 전송이 필요없이 노드가 켜져있는 동안 동기화가 이루어진다.
알고리즘의 동작을 검증하기 위하여 NS-2(Network Simulator)-2.35[12]을 사용하여 Fig. 2와 같이 무선 노드를 배치하고 실험하였으며, 2m*3m 크기의 영역에 15개의 노드를 0.5m 간격으로 배열하여 신체 조건과 유사하게 하였다.
이 논문에서 제안한 방안은 Fig. 1의 네트워크 모델을 설정하였으므로 단일 홉에서 동작하며, 싱크 노드와 소스 노드가 전송하는 신호는 다른 모든 노드에게 전달될 수 있도록 충분히 전송 전력을 설정하였다.
제안 방안을 동기화를 수행한 후 싱크 노드를 기준으로 각 노드의 클럭 오프셋 차이를 측정하였다. 클럭 오프셋은 패킷이 전달되는 동안의 지연 시간에 영향을 받으므로 측정할 마다 달라지므로 3회를 실시하여 평균값을 Fig.
대상 데이터
노드의 역할은 노드 #1을 싱크 노드로, 노드 #4를 소스 노드로(예, ECG 센서)를 가정하였고, 나머지 노드는 성능과 역할이 다른 여러 센서 노드로 구성하였다. 사용된 MAC은 WSN용으로 제안된 Sensor-MAC(S-MAC)[13] 그리고 라우팅 프로토콜은 DSDV(Destination-Sequenced Distance Vector)[14]이다.
데이터처리
본 논문에서는 WBSN의 특성을 고려하여 기존의 방안들을 검토한 후 새로운 동기화 방안을 제안하였다. 시뮬레이션을 사용하여 제안된 방안의 성능을 검증하고 기존의 다른 방안과 비교하여, 더 우수한 성능 결과를 확인하였다.
성능/효과
3) 싱크 노드에서는 소스 노드가 보낸 메시지의 내용을 수집하여 본연의 작업을 하는 동시에 수신 시각과 일련번호를 기록한다. 동기화 주기마다 최근에 기록된 참고 시각 정보를 다른 모든 센서 노드에게 전송한다.
앞에서 설명한 것처럼 소스 노드의 소비 전력을 포함한 것이 셋째 줄이고, 소스 노드의 소비 전력을 제외한 전체 소비 전력을 나타낸 것이 넷째 줄이다. 역시 제안 방안이 다른 두 방안보다 동기화라운드 당 에너지 효율이 우수함을 알 수 있다.
제안한 방안은 다양한 종류의 노드들로 구성되는 BAN 환경에서 메시지 교환 횟수를 줄여 전력을 절감하면서 응용 계층에서 구현하여 비교적 만족할 만한 동기화 정확도를 얻을 수 있다.
각 패킷의 크기는 6 바이트로 설정하였으므로 실제 전송된 데이터의 크기는 각 횟수에 6을 곱한 것이다. 첫째 줄에서는 1 동기화 라운드동안 발생한 전송 메시지 수를 측정하였으며 제안 방안이 다른 두 방식보다 적은 데이터를 전송하여 더 효율적임을 알 수 있다. 여기서 소스 노드로부터 생성되는 데이터는 싱크 노드에게 유용한 데이터를 전달하는 것이 본연의 목적이므로 엄밀한 의미에서는 동기화를 위해서만 사용한 것이 아니다.
측정한 결과는 최소 163us, 최대 369us이며, 전체 노드 평균은 266us로 나타났다. 허용 가능한 클럭 오프셋 범위는 응용이나 센서 노드에 따라 다르다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
WBSN는 무엇인가?
WBAN을 구성하는 노드가 주로 소형의 센서 노드일 때 이를 WBSN(Wireless Body Sensor Network)라고 부르며, [1]에서는 인간의 일상생활을 모니터하기 위한 자동화된 네트워크로 정의하였다. WBSN은 인간의 신체에 다양한 형태의 센서 노드를 설치하여 데이터를 측정하고 수집하는 특수한 형태의 네트워크로서, 신체의 변화나 건강 상태를 측정하여 의료전문가에게 전달하거나 적절한 조치를 취하도록 할 수 있는 응용 분야 (Health-care 응용)이다. 이 논문에서 언급하는 WBAN은 주로 WBSN에 초점을 맞춘다.
수신-수신형 동기화 방식의 대표적인 프로토콜은 무엇인가?
이와 대조적으로 수신-수신형 동기화에서는 참조 노드가 특정한 패킷을 한 번 전송하면, 이 후에는 전송한 노드를 제외한 다른 노드들이 서로 협력하여 동기화를 이루는 방식을 갖는다. 이 종류에 해당하는 대표적인 프로토콜이 RBS(Reference Broadcast Synchronization)[7]로써, 한 노드(송신자)가 다른 수신 노드들이 동시에 수신하도록 비이컨(beacon) 메시지를 방송하면, 송신자를 제외한 다른 수신자들이 이 비이컨 메시지를 수신한 각각의 로컬 클럭 값을 서로 교환하여 상호간의 클럭 오프셋을 기록한다. 이 RBS 프로토콜은 가까운 거리에 위치한 여러 노드 간에 상대적인 클럭 오프셋을 비교적 정확하게 파악할 수 있지만, 글로벌 클럭으로 네트워크 전체를 동기화 할 수는 없다.
컴퓨터네트워크를 네트워크 크기에 따라 분류하면 어떻게 나누어지는가?
컴퓨터네트워크를 네트워크의 크기(또는 노드간의 거리)에 따라 분류하면 WAN(Wide Area Network), MAN (Metropolitan Area Network), LAN(Local Area Nerwork), PAN(Personal Area Network), BAN(Body Area Network) 등이 있다. 이 중 BAN은 신체에 부착하거나 이식할 수 있는 장치나 노드로 구성되는 가까운 거리의 네트워크이다.
참고문헌 (14)
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C. Perkins and P. Bhagwat, "Highly Dynamic Destination-Sequenced Distance-Vector Routing (DSDV) for mobile computers," ACM SIGCOMM, 1994.
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