[論文レビュー] Analyzing Delay in Wireless Multi-hop Heterogeneous Body Area Networks

Nadeem Javaid, Muhammad Mateen Yaqoob+4 more|arXiv (Cornell University)|Apr 3, 2013

Wireless Body Area Networks参考文献 6被引用数 6

ひとこと要約

本稿は、無線身体領域ネットワーク（WBANs）における3つの異種マルチホップ無線経路（ZigBeeを共通リンクとしてWLAN、WiMAX、またはUMTSに接続し、その後IPクラウドへ）を用いたエンドツーエンド伝送遅延を分析している。各ホップにおける遅延要因を評価した結果、ZigBeeは低データレートと衝突によるバックオフのため、最も高い累積遅延を引き起こすことが判明した。一方、UMTSおよびWiMAXは初期アクセス遅延が高めであるが、時間経過とともに安定化する。

ABSTRACT

With increase in ageing population, health care market keeps growing. There is a need for monitoring of health issues. Wireless Body Area Network (WBAN) consists of wireless sensors attached on or inside human body for monitoring vital health related problems e.g, Electro Cardiogram (ECG), Electro Encephalogram (EEG), ElectronyStagmography (ENG) etc. Due to life threatening situations, timely sending of data is essential. For data to reach health care center, there must be a proper way of sending data through reliable connection and with minimum delay. In this paper transmission delay of different paths, through which data is sent from sensor to health care center over heterogeneous multi-hop wireless channel is analyzed. Data of medical related diseases is sent through three different paths. In all three paths, data from sensors first reaches ZigBee, which is the common link in all three paths. Wireless Local Area Network (WLAN), Worldwide Interoperability for Microwave Access (WiMAX), Universal Mobile Telecommunication System (UMTS) are connected with ZigBee. Each network (WLAN, WiMAX, UMTS) is setup according to environmental conditions, suitability of device and availability of structure for that device. Data from these networks is sent to IP-Cloud, which is further connected to health care center. Delay of data reaching each device is calculated and represented graphically. Main aim of this paper is to calculate delay of each link in each path over multi-hop wireless channel.

研究の動機と目的

• リアルタイム医療データ伝送を目的とした、マルチホップで異種の無線身体領域ネットワークにおけるエンドツーエンド伝送遅延を評価すること。
• 環境的・構造的適合性に基づき、ZigBee-WLAN、ZigBee-WiMAX、ZigBee-UMTSの3つの異なる経路における遅延性能を比較すること。
• 3ホップ伝送モデルにおける各ネットワーク層（ZigBee、中間ネットワーク、IPクラウド）の遅延寄与度を定量化すること。
• 中間アクセス制御（MAC）の競合、ハンドオーバー、およびセルラー・ブロードバンドネットワークにおける圧縮/解処理が主な遅延要因であることを特定すること。

提案手法

• センサー → ZigBee → WLAN/WiMAX/UMTS → IPクラウド → 医療センターという3つの異なる3ホップ伝送経路をシミュレーション。
• ZigBeeのCSMA/CA MACプロトコルを用い、衝突解消遅延をモデル化するため、バックオフ指数を2から3の範囲で変更。
• 各ネットワークに特徴的な変調方式およびアクセス方式を適用：ZigBeeおよびWLANにはDSSS、WiMAXにはQAM、UMTSにはWCDMAを採用。
• 式（12）を用いて、ネットワーク遅延、符号化遅延、復号遅延、圧縮遅延、解処理遅延の合計としてエンドツーエンド遅延をモデル化。
• ns-2（NS）およびGOMACS（GS）の両環境でシミュレーションを実施し、時間経過に伴う遅延トレンドを比較。
• UMTSのアクセス遅延を、競合開始から正常な送信が成功するまでの時間として定義し、ネットワークアクセスの遅延を反映する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 WLAN、WiMAX、またはUMTS経由でデータが通過する異種マルチホップ経路を経たWBANにおけるエンドツーエンド遅延性能は何か？
• RQ2 3ホップWBANアーキテクチャにおいて、各ネットワーク層（ZigBee、WLAN、WiMAX、UMTS）が総伝送遅延にどのように寄与しているか？
• RQ3 特にZigBeeの低データレートおよびMACレベルの競合による遅延の主な要因は何か？
• RQ4 各経路における遅延は時間経過とともにどのように変化するか。特にデータ量およびネットワークアクセス手順との関係で。
• RQ5 WiMAXの視線要求やUMTSのハンドオーバー問題といったネットワーク固有の制限が、遅延性能に与える影響は何か？

主な発見

• ZigBeeは低データレートと衝突によるバックオフのため、最も高い累積遅延を示し、シミュレーションではエンドツーエンド遅延が時間経過とともに線形に増加する。
• UMTSでは、特定の時間後にデータルーティングの変更が生じ、内部処理のボトルネックを示唆するため、エンドツーエンド遅延が急激に上昇する。
• WiMAXでは、送信が完了するに従いデータ負荷が減少するため、エンドツーエンド遅延が時間経過とともに減少する傾向を示す。
• ns-2シミュレーションにおいて、UMTSのアクセス遅延は初期に上昇し、一時的に低下した後 再度上昇する傾向を示し、競合状態下での動的ネットワークアクセス行動を反映している。
• UMTSのエンドツーエンド遅延は、ハンドオーバー問題の影響を強く受け、性能劣化および遅延増加を引き起こす。
• 圧縮および解処理遅延は、式（12）に基づくと、特にUMTSにおいて無視できない遅延要因である。