[论文解读] 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 6

一句话总结

本文分析了无线体域网（WBANs）中三种异构多跳无线路径的端到端传输延迟，采用ZigBee作为与WLAN、WiMAX或UMTS连接的公共链路，随后通过IP-cloud将数据传输至医疗中心。研究评估了各跳的延迟分量，发现由于数据速率低和冲突引起的退避，ZigBee引入了最高的累积延迟；而UMTS和WiMAX虽然初始接入延迟较高，但随时间推移趋于稳定。

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.

研究动机与目标

• 评估多跳、异构无线体域网在实时医疗数据传输中的端到端传输延迟。
• 基于环境与结构适用性，比较三种不同路径（ZigBee-WLAN、ZigBee-WiMAX、ZigBee-UMTS）的延迟性能。
• 量化在三跳传输模型中，各网络层（ZigBee、中间网络、IP-cloud）对延迟的贡献。
• 识别主要延迟源，如介质访问控制（MAC）竞争、切换（handover）以及蜂窝与宽带网络中的压缩/解压缩延迟。

提出的方法

• 模拟三种不同的三跳传输路径：传感器 → ZigBee → WLAN/WiMAX/UMTS → IP-cloud → 医疗中心。
• 在ZigBee中使用CSMA/CA MAC协议，退避指数范围为2至3，以模拟冲突解决延迟。
• 采用不同的调制与接入方案：ZigBee和WLAN使用DSSS，WiMAX使用QAM，UMTS使用WCDMA。
• 使用公式（12）将端到端延迟建模为网络延迟、编码延迟、解码延迟、压缩延迟和解压缩延迟之和。
• 在ns-2（NS）和GOMACS（GS）环境中进行仿真，以比较延迟随时间的变化趋势。
• 分析UMTS中的接入延迟，定义为从冲突开始到成功传输的时间，反映网络接入延迟。

实验结果

研究问题

• RQ1 当数据通过WLAN、WiMAX或UMTS经由异构多跳路径传输时，WBAN的端到端延迟性能如何？
• RQ2 在三跳WBAN架构中，各网络层（ZigBee、WLAN、WiMAX、UMTS）如何对总传输延迟产生贡献？
• RQ3 各路径中的主要延迟来源是什么，特别是ZigBee因数据速率低和MAC层竞争导致的延迟？
• RQ4 延迟在各路径中如何随时间演变，尤其与数据量和网络接入过程的关系如何？
• RQ5 网络特定限制（如WiMAX的视距要求或UMTS的切换问题）如何影响延迟性能？

主要发现

• 由于数据速率低和冲突引起的退避，ZigBee引入了最高的累积延迟，仿真中端到端延迟随时间线性增加。
• UMTS在某一时间点后出现端到端延迟的突然上升，表明UMTS网络内部存在数据路由变更导致的处理瓶颈。
• WiMAX的端到端延迟随时间呈现下降趋势，归因于传输完成后的数据负载减少。
• 在ns-2仿真中，UMTS的接入延迟初始上升，随后下降，再次上升，表明在冲突期间网络接入行为具有动态特性。
• UMTS的端到端延迟显著受切换问题影响，导致性能下降和延迟增加。
• 根据公式（12），压缩和解压缩延迟是总延迟中不可忽视的贡献因素，尤其在UMTS中更为显著。