[論文レビュー] Peak Transmission Rate Resilient Crosslayer Broadcast for Body Area Networks

Wafa Badreddine, Maria Potop-Butucaru|arXiv (Cornell University)|Feb 16, 2017

Wireless Body Area Networks被引用数 7

ひとこと要約

本稿では、人体の移動性および姿勢に基づいて動的に送信スケジューリングを最適化することで、信頼性の高い因果的順序付け済みパケット配信を保証する、ワイヤレスボディエリアネットワーク（WBANs）向けの最初のクロスレイヤーMACネットワークブロードキャストプロトコルであるCLBPを提案する。このプロトコルは190 Kb/sの送信レートまで高い性能を維持し、11 Kb/sを超えると急激に性能が低下するフラットブロードキャスト戦略を上回る。

ABSTRACT

Wireless Body Area Networks (WBAN) open an interdisciplinary area within Wireless Sensor Networks (WSN) research, with a tremendous impact in healthcare area where sensors are used to monitor, collect and transmit biological parameters of the human body. We propose the rst network-MAC cross-layer broadcast protocol in WBAN. Our protocol, evaluated in the OMNET++ simulator enriched with realistic human body mobility models and channel models issued from the recent research on biomedical and health informatics, outperforms existing at broadcast strategies in terms of percentage of covered nodes, energy consumption and correct reception of causally-ordered packets (i.e. packets are received in the same order as they were sent by the sink). Furthermore, we investigate the resilience of both existing at broadcast strategies and our new protocol face to various transmission rates and human body mobility. Existing at broadcast strategies without exception start to have a drastic drop of performances for transmission rates above 11Kb/s while our cross-layer protocol performances maintains its good performances for transmission rates up to 190Kb/s.

研究の動機と目的

• 高レート送信（11 Kb/s以上）における既存のフラットブロードキャスト戦略の性能低下を解消すること。
• 動的な人体の姿勢および移動パターンに適応可能なクロスレイヤーMAC-ネットワークプロトコルを設計すること。
• 重い同期メカニズムに依存せずに、因果的順序付け済みのパケット受信を保証すること。
• スロットベースの送信スケジューリングにより、エネルギー消費、衝突、無駄なリスニングを低減すること。
• 複数の送信レートおよび姿勢条件下で、現実的なチャネルおよび移動モデルにおけるプロトコルの耐障害性を評価すること。

提案手法

• 生体医療研究から得られた現実的な人体移動性およびチャネルモデルをOMNeT++シミュレータに統合する。
• 身体の姿勢に基づいて通信グラフを構築し、パケット転送に適した信頼性の高いマルチホップ経路を同定する。
• 1回のタイムスロットごとに1つのノードのみが送信するスロット割り当て機構を実装し、衝突を排除する。
• シンクに準拠したノードのリアルタイム再同期を可能にする同期方式を採用する。
• 各ノードが1スロットあたり1回だけパケットを転送することを制限することで、中継の冗長性を最小限に抑える。
• ネットワーク層のブロードキャスト論理とMAC層のスケジューリングを統合し、クロスレイヤー最適化を実現する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 現実的なWBAN移動シナリオ下で、高レート送信（11 Kb/s以上）における既存のフラットブロードキャスト戦略の性能はいかがなものか？
• RQ2 クロスレイヤーMAC-ネットワークプロトコルは、動的な人体の姿勢下で、信頼性およびエネルギー効率を向上させることができるか？
• RQ3 スロットベースの送信方式は、WBANブロードキャストにおいて、衝突、無駄なリスニング、エネルギー消費をどの程度低減できるか？
• RQ4 提案されたプロトコルは、外部の同期メカニズムに依存せずに、因果的順序付け済みのパケット受信を維持できるか？
• RQ5 既存戦略と比較して、プロトコルが高パフォーマンスを維持する最大送信レートは何か？

主な発見

• 既存のフラットブロードキャスト戦略は、送信レートが11 Kb/sを超えると、特にカバレッジおよびエンドツーエンド遅延の観点で著しく性能が低下する。
• CLBPは、テストされたすべての送信レートで高いパフォーマンスを維持し、190 Kb/sまで安定したカバレッジと低エンドツーエンド遅延を実現する。
• CLBPは、すべての姿勢において、ノードのカバレッジ率がほぼ100％に達し、すべてのフラット戦略を上回る。
• プロトコルは、1パケットあたりノード1回分の送信および受信に制限することで、エネルギー消費を顕著に低減する。
• スロットの排他割り当てにより、衝突はゼロにまで低下し、シミュレーションでは干渉やフレーム損失は観測されなかった。
• CLBPは、追加の同期オーバーヘッドを必要とせず、ネイティブに因果的順序付け済みのパケット受信を実現する。これに対して、フラット戦略は複雑なメカニズムを要する。