[論文レビュー] Broadcast Strategies and Performance Evaluation of IEEE 802.15.4 in Wireless Body Area Networks WBAN

Wafa Badreddine, Claude Chaudet+2 more|arXiv (Cornell University)|Sep 6, 2016

Wireless Body Area Networks参考文献 36被引用数 11

ひとこと要約

本稿では、現実的な人体移動およびチャネルモデルを用いたOMNET++を用いて、無線ボディエリアネットワーク（WBANs）における新しいブロードキャスト戦略の提案と評価を行う。MBP（ミックスドブロードキャストプロトコル）を導入し、安定したネットワーク中心部では能動的なリブロードキャスト、エッジ部では慎重な送信を採用する適応戦略を採用することで、従来のDTNベースの手法と比較して、エンドツーエンド遅延、カバレッジ、エネルギー効率の面で優れた性能を達成する。

ABSTRACT

The rapid advances in sensors and ultra-low power wireless communication has enabled a new generation of wireless sensor networks: Wireless Body Area Networks (WBAN). To the best of our knowledge the current paper is the first to address broadcast in WBAN. We first analyze several broadcast strategies inspired from the area of Delay Tolerant Networks (DTN). The proposed strategies are evaluated via the OMNET++ simulator that we enriched with realistic human body mobility models and channel models issued from the recent research on biomedical and health informatics. Contrary to the common expectation, our results show that existing research in DTN cannot be transposed without significant modifications in WBANs area. That is, existing broadcast strategies for DTNs do not perform well with human body mobility. However, our extensive simulations give valuable insights and directions for designing efficient broadcast in WBAN. Furthermore, we propose a novel broadcast strategy that outperforms the existing ones in terms of end-to-end delay, network coverage and energy consumption. Additionally, we performed investigations of independent interest related to the ability of all the studied strategies to ensure the total order delivery property when stressed with various packet rates. These investigations open new and challenging research directions.

研究の動機と目的

• 無線ボディエリアネットワーク（WBANs）に特化したブロードキャストプロトコルの欠如に応えること。WBANsは特有の移動特性およびチャネル特性を有する。
• 従来のDTN仮定とは顕著に異なる人体移動を想定した文脈において、既存の遅延耐性ネットワーク（DTN）ブロードキャスト戦略の評価を行うこと。
• WBANsに特有の動的かつ準周期的接続パターンに適合した、新たな適応型ブロードキャストプロトコル（MBP）の設計および検証を行うこと。
• MAC層キュー長およびタイマー設定パラメータがプロトコル性能に与える影響、特にカバレッジおよび順序の不整合（desequencing）の観点から調査すること。
• さまざまなパケットレートにおける全順序配信特性を調査し、WBANにおける信頼性の高いブロードキャストに関する新たな研究的課題を同定すること。

提案手法

• 生物学的研究から得られた人体固有のパスロスおよびシャドウイングモデルを用い、OMNET++シミュレータに現実的な人体移動トレースおよび人体特有の伝搬損失モデルを拡張して実装した。
• 標準的なDTNアプローチ（例：フラッディング、確率的フラッディング）および新規の適応型プロトコル（例：MBP）を含む9種類のブロードキャスト戦略を実装した。
• MBP（ミックスドブロードキャストプロトコル）を設計し、送信元からのホップ数に応じてリブロードキャスト行動を動的に調整する：送信元中心部では能動的、エッジ部では慎重な戦略を採用する。
• MBPの性能向上を図るため、最適化フラッディングプロトコルを導入し、リブロードキャストタイミングの洗練を実現した。
• エンドツーエンド遅延、カバレッジ、エネルギー消費、順序の不整合の評価を目的として、送信レート、MACキュー長、タイマー値を変化させた広範なシミュレーションを実施した。
• さまざまな負荷条件における順序の不整合率の測定を通じて、全順序配信特性を分析した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 従来のDTNブロードキャスト戦略は、人体移動を伴うWBANsにそのまま適用可能であるか、それとも顕著な適合性の必要があるか？
• RQ2 人体ノードの準周期的だが不規則な移動特性が、ストアアンドフォワード型ブロードキャストプロトコルの性能にどのように影響を与えるか？
• RQ3 動的リンク条件下において、WBANブロードキャストプロトコルで能動的リブロードキャストとエネルギー節約の最適なバランスをどのように達成できるか？
• RQ4 MAC層バッファサイズおよびタイマー設定が、WBANにおけるブロードキャストプロトコルの信頼性および効率に与える影響はどの程度か？
• RQ5 高レートのWBAN環境下で、既存のブロードキャスト戦略がどの程度まで全順序配信を保証できるか？

主な発見

• 従来のDTNブロードキャスト戦略は、短距離かつ極めて変動が激しいリンクと人体移動の組み合わせにより、性能が著しく劣化する。これは、完全またはランダム移動を仮定する従来のDTN仮定が成立しないためである。
• MBPは、評価されたすべての戦略の中で最高のネットワークカバレッジ（最適設定時で最大98％）と最小のエンドツーエンド遅延（最良ケース：0.005秒）を達成した。
• 0.005秒のタイマーを用いたMBP戦略がエンドツーエンド遅延で最良の性能を示した。一方、長いタイマーは送信回数を減らすが遅延を増加させるため、速度とエネルギー効率のトレードオフが明確に示された。
• MACキュー長は、送信レート未満の状態では性能に顕著な影響を及ぼすが、10パケットを超えると性能が安定化する（10 ppsの場合）。
• 確率的フラッディングは、フラッディングに比べて高レート環境に強く、性能劣化が少ないが、MBPは全テスト設定において最高のカバレッジと最小の順序の不整合を維持した。
• 本研究では、リーフノード（葉ノード）がブロードキャストの主なボトル neck であることが判明した。これは、エッジ部への配信に特化した適応型戦略の導入が、性能向上に不可欠であることを示唆している。