[논문 리뷰] Coexistence and Interference Mitigation for Wireless Body Area Networks: Improvements using On-Body Opportunistic Relaying

Jie Dong, David B. Smith|arXiv (Cornell University)|2013. 05. 30.

Wireless Body Area NetworksEngineering참고 문헌 12인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 조밀한 무선 신체망(WBAN) 환경에서 공존성 향상과 간섭 완화를 위해 신체에 장착된 기회적 릴레이를 제안한다. TDMA와 고정된 릴레이를 허벅지에 설치한 3단계 기회적 릴레이를 사용하여, 단일 홉 시스템과 비교해 극저신호대간섭비(SINR) 임계값에서 약 8 dB의 아웃지 전환 확률 향상을 달성하고, 특히 낮은 SINR 임계값에서 레벨 크로스링 레이트(LCR)가 크게 감소한다. 그러나 평균 아웃지 지속시간(AOD)은 변화가 없다.

ABSTRACT

Coexistence, and hence interference mitigation, across multiple wireless body area networks (WBANs) is an important problem as WBANs become more pervasive. Here, two-hop relay-assisted cooperative communications using opportunistic relaying (OR) is proposed for enhancement of coexistence for WBANs. Suitable time division multiple access (TDMA) schemes are employed for both intra-WBAN and inter-WBANs access protocols. To emulate actual conditions of WBAN use, extensive on-body and inter-body "everyday" channel measurements are employed. In addition, a realistic inter-WBAN channel model is simulated to investigate the effect of body shadowing and hub location on WBAN performance in enabling coexistence. When compared with single-link communications, it is found that opportunistic relaying can provide significant improvement, in terms of signal-to-interference+noise ratio (SINR), to outage probability and level crossing rate (LCR) into outages. However, average outage duration (AOD) is not affected. In addition a lognormal distribution shows a better fit to received SINR when the channel coherence time is small, and a Nakagami-m distribution is a more common fit when the channel is more stable. According to the estimated SINR distributions, theoretical outage probability, LCR and AOD are shown to match the empirical results well.

연구 동기 및 목표

• 여러 네트워크가 가까이 근접해 운영되는 조밀한 WBAN 환경에서 공존성 및 간섭 완화 문제를 해결한다.
• 실제 신체 및 상호신체 채널 조건에서 기회적 릴레이를 사용한 이중 홉 협동 통신의 성능 향상을 조사한다.
• 고정된 릴레이 위치(좌우 허벅지)와 동적 릴레이 선택 간의 비교를 통해 SINR 기반 신뢰성 지표 향상 효과를 평가한다.
• 실증된 SINR 분포를 기반으로 이론적 아웃지 전환 확률, 레벨 크로스링 레이트(LCR), 평균 아웃지 지속시간(AOD)을 유도한다.
• 채널의 일관성 시간이 변화할 경우에 적합한 통계적 분포(로그노멀 또는 나카가미-m)를 식별하여 정확한 성능 모델링을 지원한다.

제안 방법

• 실제 인체에서의 광범위한 신체 내 및 상호신체 채널 측정을 통해 내 WBAN 및 외 WBAN 링크 이득을 모델링한다.
• 신체 내 및 외 WBAN 액세스에 시간 분할 다중접근(TDMA)을 사용하여 전송 스케줄링을 조율한다.
• 3단계 기회적 릴레이(OR)를 적용하여 각 홉에서 3개 후보 중 최선의 릴레이가 패킷을 전달함으로써 복잡성과 전력 소모를 최소화한다.
• 신체 그림자 효과에 중점을 두고, 실증적인 상호 WBAN 간섭을 위해 상호신체 경로 손실, 그림자 효과 및 근접한 다이내믹 편향을 모델링한다.
• 최대우도(ML) 추정을 적용하여 수신된 SINR에 대한 최적의 통계적 분포를 결정한다: 채널 일관성 시간이 짧을 경우(빠른 편향) 로그노멀, 길어질 경우(느린 편향) 나카가미-m.
• 추정된 SINR 분포에서 이론적 1차 및 2차 통계(아웃지 전환 확률, LCR, AOD)를 유도하고 실측 데이터와의 일치성을 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 기회적 릴레이가 공존하는 WBAN 환경에서 아웃지 전환 확률 및 레벨 크로스링 레이트와 같은 SINR 기반 신뢰성 지표에 얼마나 기여하는가?
• RQ2 예를 들어 좌우 허벅지에 고정된 릴레이의 배치가 단일 홉 전송 대비 간섭 완화 및 공존 성능에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 채널 일관성 시간이 변화할 경우 WBAN 내 SINR을 가장 잘 설명하는 통계적 분포는 로그노멀인지, 나카가미-m인지?
• RQ4 협동 릴레이가 평균 아웃지 지속시간(AOD)을 줄이는가? 이는 실시간 WBAN 응용에서 핵심 지표이다.
• RQ5 신체 그림자 효과가 상호 WBAN 간섭 및 실용적 상황에서 협동 릴레이의 효과성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• 기회적 릴레이를 통해 단일 홉 전송 대비 1% 아웃지 전환 확률 기준으로 아웃지 전환 확률이 최대 8 dB 향상되었으며, 허브 위치와 관계없이 일관된 성능 향상을 보였다.
• 채널이 상대적으로 불안정한 Subject 1의 경우, 1 Hz LCR에서 4 dB, 0.1 Hz LCR에서 7.5 dB의 SINR 임계값 향상이 관찰되어 낮은 SINR 수준에서 강력한 간섭 완화 효과를 입증했다.
• 채널이 더 안정적인 Subject 2의 경우, 1 Hz LCR에서 2.5 dB, 0.1 Hz LCR에서 3 dB의 향상이 관찰되어 다양한 채널 조건에서도 뛰어난 안정성을 입증했다.
• 채널 일관성 시간이 짧을 경우(SINR가 빠르게 변할 경우) 로그노말 분포가 가장 적합했고, 채널이 매우 안정적일 경우(큰 일관성 시간) 나카가미-m 분포가 더 잘 맞는 것으로 확인되었다.
• 추정된 SINR 분포에서 유도된 이론적 아웃지 전환 확률, LCR, AOD는 실측 결과와 밀도 있게 일치하여 분석 모델의 타당성을 검증했다.
• 단일 홉과 협동 방식 간 평균 아웃지 지속시간(AOD)은 변화가 없었으며, 이는 다른 통계 지표의 향상에도 불구하고 이 지표에서는 성능 향상이 없다는 것을 의미한다.