[논문 리뷰] Analyzing Delay in Wireless Multi-hop Heterogeneous Body Area Networks

Nadeem Javaid, Muhammad Mateen Yaqoob외 4명|arXiv (Cornell University)|2013. 04. 03.

Wireless Body Area Networks참고 문헌 6인용 수 6

한 줄 요약

이 논문은 무선 신체망(WBANs)을 위한 세 가지 이질적인 다중호프 무선 경로에서 종단 간 전송 지연을 분석한다. ZigBee를 공통 링크로 사용하여 WLAN, WiMAX 또는 UMTS로 연결하고, 이후 IP-클라우드를 통해 의료 센터로 전송한다. 연구는 각 호프의 지연 구성 요소를 평가하며, 저속 데이터 전송률과 충돌 유도 백오프로 인해 ZigBee가 가장 높은 누적 지연을 유발하는 것으로 밝혀졌다. 반면 UMTS와 WiMAX는 초기 액세스 지연이 높지만 시간이 지남에 따라 안정화된다.

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.

연구 동기 및 목표

• 실시간 의료 데이터 전송을 위한 다중호프, 이질적 무선 신체망에서 종단 간 전송 지연을 평가하기 위해.
• 환경적 및 구조적 적합성 기반으로 세 가지 별개 경로인 ZigBee-WLAN, ZigBee-WiMAX, ZigBee-UMTS 간의 지연 성능을 비교하기 위해.
• 세 호프 전송 모델에서 각 네트워크 계층(ZigBee, 중간 네트워크, IP-클라우드)의 지연 기여도를 정량화하기 위해.
• 매체 접근 제어(MAC) 경쟁, 핸드오버, 셀룰러 및 밴드폭 네트워크에서의 압축/해제압 압축 등의 주요 지연 원인을 특정하기 위해.

제안 방법

• 센서 → ZigBee → WLAN/WiMAX/UMTS → IP-클라우드 → 의료 센터로 이르는 세 가지 별개의 세 호프 전송 경로를 시뮬레이션한다.
• 충돌 해결 지연을 모델링하기 위해 배경 지연 지수를 2에서 3로 설정한 CSMA/CA MAC 프로토콜을 ZigBee에 적용한다.
• 다른 변조 및 액세스 방식을 적용한다: ZigBee와 WLAN에는 DSSS를, WiMAX에는 QAM을, UMTS에는 WCDMA를 사용한다.
• 식 (12)를 사용하여 네트워크 지연, 인코딩 지연, 디코딩 지연, 압축 지연, 해제압 지연의 합으로 종단 간 지연을 모델링한다.
• ns-2(NS) 및 GOMACS(GS) 환경에서 시뮬레이션을 수행하여 시간에 따른 지연 추세를 비교한다.
• UMTS의 액세스 지연을 컨텐션 시작 시점에서 성공적 전송 시점까지의 시간으로 분석하여 네트워크 액세스 지연을 반영한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 WLAN, WiMAX 또는 UMTS를 통해 이종 다중호프 경로를 따라 데이터가 통과할 때 WBAN의 종단 간 지연 성능은 어떠한가?
• RQ2 세 호프 WBAN 아키텍처에서 각 네트워크 계층(ZigBee, WLAN, WiMAX, UMTS)이 총 전송 지연에 어떻게 기여하는가?
• RQ3 특히 저속 데이터 전송률과 MAC 수준의 경쟁으로 인해 ZigBee에서 발생하는 주요 지연 원인은 무엇인가?
• RQ4 각 경로에서 지연은 시간이 지남에 따라 어떻게 변화하는가? 특히 데이터 양과 네트워크 액세스 절차와의 관계에서 말이다?
• RQ5 WiMAX의 시야 요구 조건이나 UMTS의 핸드오버 문제와 같은 네트워크 고유의 제약이 지연 성능에 어떻게 영향을 미치는가?

주요 결과

• ZigBee는 저속 데이터 전송률과 충돌 유도 백오프로 인해 가장 높은 누적 지연을 유발하며, 시뮬레이션에서 종단 간 지연이 시간에 따라 선형적으로 증가한다.
• UMTS는 특정 시간 이후 데이터 라우팅 변경으로 인해 종단 간 지연이 급격히 증가하며, 내부 처리 병목 현상을 시사한다.
• WiMAX는 전송 완료로 인한 데이터 부하 감소로 인해 종단 간 지연이 시간이 지남에 따라 감소하는 경향을 보인다.
• ns-2 시뮬레이션에서 UMTS의 액세스 지연은 처음에는 증가하다가 떨어졌다가 다시 증가하는 경향을 보이며, 컨텐션 기간 동안 동적 네트워크 액세스 행동을 반영한다.
• UMTS의 종단 간 지연은 핸드오버 문제로 인해 크게 영향을 받으며, 이는 성능 저하와 지연 증가를 초래한다.
• 압축 및 해제압 지연은 특히 Equation (12)에 따르면 UMTS에서 무시할 수 없는 기여도를 가지며 총 지연에 기여한다.