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윤진 왕
5 years ago
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1 32 정보과학회논문지 : 정보통신제 41 권제 1 호 (2014.2) WBAN 환경의 IEEE 기반부분적손실재전송기법 (A Partial Loss Retransmission Scheme in IEEE based WBAN) 김병선 김범석 조진성 (Byoungseon Kim) (Beomseok Kim) (Jinsung Cho) 요약 WBAN (Wireless Body Area Network) 은인체를중심으로동작하는통신기술로써근거리영역에서의다양한전송률, 높은신뢰성, 저전력을요구한다. WBAN 환경을구성하는 IEEE 기기의데이터통신은이기종기기간통신으로인해빈번한프레임손실이발생한다. 이러한프레임손실을복구하기위해 IEEE 표준에서는재전송방안을사용하고있지만, 초기전송프레임을재전송하는기존의기법은불필요한전력소모를유발한다. 이는결과적으로네트워크수명단축의주요한원인이되며 WBAN 의저전력요구사항을만족시킬수없다. 본논문에서는 WBAN 환경의 IEEE 데이터통신에있어데이터의신뢰성향상과낮은전력소모를보장하기위한부분적손실재전송기법을제안한다. 제안하는기법은재전송과정에서재전송프레임의축소와전송전력소모를감소시키는것을목표로기존의기법과시뮬레이션을통해제안하는방안의우수성을검증하였다. 키워드 : 무선인체통신, MAC, 재전송, ARQ, IEEE Abstract WBAN (Wireless Body Area Network) is a wireless communication technology which operates around the human body and requires various data rate, short-range, high data reliability and low-power consumption. Due to the interference from heterogeneous communication devices, the wireless data communication in IEEE devices causes frame errors frequently. Although IEEE exists retransmission method to recovery frame loss, the existing method which retransmits whole frame may increase unnecessary power consumption. As a result, it can not satisfy the WBAN requirements and reduce WBAN lifetime. In this paper, we propose a partial loss retransmission scheme in IEEE to ensure data reliability and low power consumption in WBAN. The proposed scheme focuses on reduction of retransmission energy compared with existing ARQ on IEEE Extensive simulations were performed and the reduction of retransmission energy was validated. Keywords: wireless body area network, MAC, retransmission, ARQ, IEEE 이논문은미래창조과학부및정보통신산업진흥원의대학 IT 연구센터지원사업 (NIPA-2013-(H )) 및교육과학기술부및한국과학재단의중견연구자사업 (No ) 의지원으로수행된연구결과임 비회원 : 경희대학교컴퓨터공학과 ykbs0903@khu.ac.kr 학생회원 : 경희대학교컴퓨터공학과 passion0822@khu.ac.kr 종신회원 : 경희대학교컴퓨터공학과교수 chojs@khu.ac.kr (Corresponding author 임 ) 논문접수 : 2013년 6월 17일심사완료 : 2013년 9월 4일 CopyrightC2014 한국정보과학회ː 개인목적이나교육목적인경우, 이저작물의전체또는일부에대한복사본혹은디지털사본의제작을허가합니다. 이때, 사본은상업적수단으로사용할수없으며첫페이지에본문구와출처를반드시명시해야합니다. 이외의목적으로복제, 배포, 출판, 전송등모든유형의사용행위를하는경우에대하여는사전에허가를얻고비용을지불해야합니다. 정보과학회논문지 : 정보통신제41권제1호 (2014.2)

2 WBAN 환경의 IEEE 기반부분적손실재전송기법 서론 WBAN (Wireless body area network) 은인체내부, 외부, 그리고인체를중심으로 3-5m 이내에존재하는의료기기및 CE (Consumer Electronics) 장치간통신을정의하며, 의료및비의료서비스를동시에제공하는것을목표로한다 [1]. 의료서비스는체내이식형 (implant) 디바이스와피부표면에부착하는부착형 (on-body) 의료기기로구분할수있으며, 이식형디바이스의경우배터리충전및교체가어렵고낮은전력소모 (low-power consumption) 를요구한다. 코디네이터를중심으로데이터교환시발생되는트래픽은종류에따라응급상황에따른 event-driven 방식의비주기적트래픽과주기적으로사람의혈당이나심전도등의소량의생체정보를측정하여발생시키는주기적트래픽으로분류된다. 반면, 비의료서비스는 3~5m 이내의인체주변에존재하는 CE (Consumer Electronic) 와기타모바일기기등으로구성되어있으며, 주로오디오, 게임, 비디오스트리밍전송과같은고속 event-driven 방식의엔터테인먼트를제공한다. 이러한서비스들을제공하는 WBAN은 MICS (Medical Implant Communication System), WMTS (Wireless Medical Telemetry Service), ISM (Industrial Scientific and Medical band), UWB (Ultra Wide Band) 와같은주파수대역을사용한다. 다양한주파수대역에서발생하는통신오류는데이터신뢰성에직접적인영향을줄뿐만아니라, WBAN 사용자의생명에치명적인위험을줄수있다. 따라서 WBAN에서의저전력과높은신뢰성은가장중요한요구사항이라정의할수있다. 한편, IEEE 표준은 ISM 대역을기반으로저전력과낮은전송률을특징으로하는 WPAN (Wireless Personal Area Network) 의대표적인통신기술로써 WBAN의표준화및연구에많이이용되어온기술중하나이다 [1-4]. 하지만 IEEE 통신기술이사용하는 ISM 대역은 IEEE , IEEE 등과같은이기종통신기술의사용을용인하고있으며, 이로인한전파간섭및혼신문제는 IEEE 통신기술을사용하는디바이스의안정성을저하시키고프레임손실을유발할수있다. 최근에는허가가불필요한전파응용설비및새로운소출력무선기기들의상당수가이주파수대역을목표로개발, 운영되고있어 IEEE 데이터통신에상당한간섭을발생시키고있으며, 전자레인지등과같이높은주파수를사용하는가전기기또한프레임손실에주요한원인이되고있다 [5,6]. 또한, 무선통신에서발생하는이러한손실은일반적으로버스트오류의특징을가지고있다 [7]. 이렇게다양한원인으로발생하는프레임손실을해결하기위해 IEEE 표준에서는프레임을재전송하는 ARQ (Automatic Repeat & Request) 방안을사용한다. ARQ는정상프레임수신을송신측기기에알리기위해 ACK (Acknowledgement) 메시지를전송하고, 오류가발생한경우최초전송된프레임을재전송하여정상적으로프레임을수신할때까지위과정을반복하는대표적인오류보정기법이다. 하지만기존의 ARQ 방식은프레임손실처리에대한재전송과정에서불필요한오버헤드와추가적인전송전력소모가발생한다. 즉, 프레임내부에손실이발생한페이로드구간과손실이발생하지않은구간을포함한최초전송프레임을반복적으로재전송하기때문에 WBAN 기기에장착된 RF 모듈에는불필요한데이터처리와추가적인전송전력소모가발생한다. 또한, 최초전송프레임과동일한크기의재전송프레임역시버스트오류에노출되어프레임손실이발생될확률이높다는문제점이있다. 이러한기존의기법을 WBAN 환경의저전력 IEEE 기기에적용하였을경우, 빈번한프레임손실과반복적인재전송처리로인한네트워크의수명단축과더불어데이터의신뢰성을감소시키는주요한원인이될것이다. 이와같은문제를해결하기위해본논문에서는 WBAN 환경의 IEEE 기반부분적손실재전송기법을제안한다. 제안하는기법은 WBAN 환경에서 IEEE 기기의채널에지속적인프레임손실상황을판단하고페이로드분할프레임을초기프레임으로전송한다. 이를통해재전송과정에사용되는재전송프레임을축소하여전송전력소모를감소시키고프레임의전송성공률을향상시킨다 [8]. 본논문의구성은다음과같다. 2절에서는관련연구로써 ISM 대역을사용하는 IEEE 통신기술의프레임손실을처리하기위한기존의방안에대해서소개하고, 3절에서는본논문에서제안하는기법에대한상세한설명을제공한다. 4절에서는 IEEE 표준의기존 ARQ 방안과제안하는기법에대한시뮬레이션성능평가및분석을수행하며, 5절에서는결론을기술한다. 2. IEEE 의프레임손실처리본장에서는 IEEE 통신환경에서발생하는프레임손실에대해이를복구하기위한기존의손실처리방안에대해설명한다. 프레임손실에대한처리는 IEEE 표준에서정의한 Acknowledgement requested 와 No acknowledgement requested 전송방식에따라구분될수있으며, 각방식에대한동작은그림 1과같다. 먼저, No acknowledgement requested 전송은데이

3 34 정보과학회논문지 : 정보통신제 41 권제 1 호 (2014.2) (a) No acknowledgement requested (b) Acknowledgement requested 그림 1 IEEE 의데이터전송 Fig. 1 Data transfer of IEEE 터송신후, 수신노드에정상수신여부를확인하지않는전송방식으로써 IEEE 표준에서는 Beacon 프레임과 Acknowledgement 프레임전송에사용하도록권고한다. 본방식을사용하는송신노드는수신측노드의응답을받기위한지연시간 (macackwaitduration) 과대기전력소모를발생시키지않는장점이있지만, 프레임손실에대한적절한처리를지원하지않기때문에데이터의신뢰성을보장하지않는문제점이있다. Acknowledgment requested 전송은송신한프레임의수신여부를확인하는방식으로표준에서는 Command 프레임과 Data 프레임에본방식을사용하도록권고한다. 프레임송신을완료한 MAC Protocol은표 1에정의된 macackwaitduration 동안수신노드의응답프 표 1 IEEE 의파라메터 Table 1 Parameter in IEEE Attribute macackwaitduration Value aunitbackoffperiod 20 aturnaroundtime 12 physhrduration the UWBPreamble SymbolRepetitions the number of delimiter symbols ceiling() a function that returns the smallest integer value physymbolsperoctet 0.4, 1.3, 1.6, 2, 5.3, 8 레임을대기한다. 프레임을수신한수신노드는프레임손실검출방법중하나인 16-bit ITU-T CRC 검사방식을통해프레임손실의유무를판별한다. 이방식은 IEEE 표준에서기본적으로사용하고있는오류검출방식으로써생성다항식과송신노드측으로부터생성된 CRC 코드를통해오류를검출한다. CRC 코드는그림 2와같이 IEEE 표준프레임내부의 FCS (Frame Check Sequence) 필드에포함되며, 본방식을통해프레임내부의 MHR (MAC Header) 와 Payload 구간의손실을검출할수있다. 이러한손실검출과정을거쳐정상프레임을확인한수신노드는수신프레임의 sequence number를포함하는 ACK 프레임을생성하여브로드캐스팅전송을수행한다. macackwait- Duration 동안 ACK 프레임을수신한송신노드는 ACK 프레임내포함된 sequence number 와초기전송프레임의 sequence number 를비교하여전송성공여부를판단한다. macackwaitduration 의만료또는수신된 ACK 프레임이손실되었을경우, 송신노드는초기전송프레임을재전송시도한다. 이러한재전송작업에대해 IEEE 표준은 macmaxframeretries 을통한최대 3회까지의재전송을허용하고있으며, 이값은 0부터 7까지변경이가능하다. 한편, 무선환경에서발생하는프레임손실은일반적으로불규칙한버스트오류의형태를보인다. 이러한버스트오류가프레임내부페이로드영역에전반적으로분포되었을경우, IEEE 의 ARQ 방식은초기프레임을재전송시도하여프레임을복구한다. 하지만이러한기존의재전송방식은페이로드영역에발생한부분적인오류에대해서도최초전송된프레임을그대로

4 WBAN 환경의 IEEE 기반부분적손실재전송기법 35 그림 2 IEEE 의일반프레임구조 Fig. 2 General frame format in IEEE 재전송하기때문에 RF 모듈에서는불필요한전송전력소모가발생한다. 이처럼 IEEE 의기존 ARQ 방식은빈번한간섭환경에서전력소모낭비의문제점이있으며, 본방식을적용한 WBAN 환경에서는네트워크수명을단축시키게되는주요한원인이될수있다. 이러한문제를해결하기위해본논문에서는 WBAN 을구성하는 IEEE 데이터통신에적합한부분적손실재전송기법을제안한다. 제안하는기법은지속적인간섭으로발생하는버스트오류의특징을활용하여재전송과정에서발생하는전송전력소모를줄이고네트워크의수명을연장시키는것을목표로한다. 3. 제안하는기법 WBAN 환경의 IEEE 데이터통신에서반복되는재전송처리는 WBAN 기기의추가적인전송전 력소모와네트워크의수명을단축시키는주요한원인이된다. 또한, 무선환경에서발생하는프레임손실은일반적으로불규칙한버스트오류의특징을나타낸다. 제안하는기법은이러한버스트오류의특징을활용하여프레임내부의페이로드구간을분할한프레임을초기전송하며, 이후의재전송과정에서축소된재전송프레임을사용하여 RF 모듈의전송전력소모를줄인다. 제안하는기법에대한구체적인동작흐름은그림 3과같으며, 이에대한상세한설명은아래와같다. 그림 3(a) 는제안하는기법의분할결정모델을통한분할프레임전송과분할프레임에대한부분적복구과정을나타낸다. 먼저, 분할결정모델은 IEEE 기기가사용하는주파수채널의지속적인프레임손실률을계산한다. 계산결과가분할결정조건에만족되는경우, 프레임내부의페이로드구간을분할한 PDATA (a) Split frame transmission and partial retransmission process (b) Non-split transmission process 그림 3 제안하는기법의동작흐름도 Fig. 3 Operation flow of the proposed scheme

5 36 정보과학회논문지 : 정보통신제 41 권제 1 호 (2014.2) (Partitioned Data) 프레임을생성한다. 반면, 조건에만족되지않는경우는분할과정에서발생하는오버헤드를방지하기위해그림 3(b) 와같이 IEEE 에서기본적으로정의한 DATA(Data) 프레임을사용하여일반적인재전송기법을따른다. PDATA 프레임은총 3 개의분할된페이로드구간으로구성되어있으며, 각분할된페이로드구간의마지막 byte 에는각구간의오류를검출하기위한 8-bit CRC 코드를추가한다. 제안하는기법의송신노드는 IEEE 표준에서정의된총 3회의재전송사이클을수행하며, 분할결정모델을통해생성된 PDATA 프레임은총전송사이클중최초사이클 (1-cycle trans) 을통해전송된다. PDATA 프레임을수신한수신노드는 IEEE 표준의 CRC-16 검사를통해프레임내부의 MHR과 payload 의손실을검사한다. 손실이없는 PDATA 또는 DATA 프레임에대해수신노드는수신프레임의 Sequence number를포함한 ACK 프레임을생성하여브로드캐스트전송하며, 이를수신한송신노드는자신의 Sequence number 와비교하여전송성공여부를확인한다. 반대로, CRC-16 검사를통해프레임손실이검출된경우, PDATA 프레임내부의페이로드분할구간에포함된 CRC 코드를통해각구간에대한손실여부를확인한다. 손실페이로드구간의정보는 NACK (Negative ACK) 프레임을통해송신측노드에전달되며, 이를수신한송신노드는 NACK 프레임에포함되어있는분할된각페이로드구간의손실정보를기반으로 RDATA (Recovery data) 프레임을생성한다. RDATA 프레임은 PDATA 프레임의분할된페이로드구간중손실구간만으로구성된재전송프레임으로써남은재전송사이클을통해부분적복구프레임으로사용된다. 이러한과정을통해제안하는기법은지속적인프레임손실이발생하는 WBAN 환경에서 IEEE 기기의재전송프레임의크기를최대 1/3까지축소시킬수있으며, 축소된재전송프레임으로향상된 PRR (Packet Reception Ratio) 와전송에사용되는불필요한전력소비를감소시킬수있다. 또한, 분할결정모델의조건이만족하지않는경우, 기존의전송기법과동일하게동작함으로써페이로드분할프레임생성에대한오버헤드를방지하여채널의상태에따라프레임의부분적손실에대한유연한재전송처리가가능하다. 이러한과정을통해 WBAN 환경에서의제안하는기법은기존의기법보다데이터의신뢰성을향상과저전력요구조건을만족시킬수있다. 또한, IEEE 표준프레임구조를기반으로설계하였기때문에표준에서지원하는 beacon enabled superframe, beacon enabled non-superframe, non beacon 모드에역시적용이가능하다는장점을가진다. 제안하는기법의세부적인사항은다음절을통해설명한다. 1절에서는제안하는기법의분할결정모델에대해설명하며, 2절에서는분할페이로드로구성된 PDATA 프레임의오류검출기법과마지막절에서는제안하는기법의프레임정의에대해상세히기술한다. 3.1 분할결정모델본절에서는주파수채널에대한프레임손실률을계산하고, 이결과를통해제안하는기법의 PDATA 프레임또는 DATA 프레임을전송을결정하는분할결정모델에대해설명한다. 분할결정모델은기본적으로그림 4와같은길버트프로세스모델을사용한다 [9]. Two-state Markov state 모델을기반으로한길버트프로세스모델은프레임손실의여부를크게정상 (G) 과손실 (B) 상태로표현할수있다. 송신측프레임이수신측노드에정상수신이되었을경우와프레임손실이발생한경우를각각 G 상태와 B 상태로보며, 프레임손실에대한각각의상태전이확률은 p와 q로표현한다. 그림 4 길버트프로세스모델 Fig. 4 Gilbert process model N 번째프레임이수신된경우, (N+1) 번째프레임이손실되는것은 G 상태에서 B 상태로상태전이를의미하고, 그확률은 p로표현한다. 반대로, (N+1) 번째프레임이정상적으로수신된경우는 1-p로표현할수있다. 동일한방식으로, N 번째수신된프레임이손실될경우 (N+1) 번째프레임이정상수신될확률과손실될확률은각각 q와 1-q가된다. 또한, 수신된프레임이길버트프로세스모델의같은상태를유지할확률은기하분포의특성에따라식 (1) 과같이계산된다. Pr Pr 전이확률 p와 q는상태전이에대한경우의수를이용하여구할수있다. 길버트프로세스의각전이확률 p, q, 1-p, 1-q에대응하는경우의수 는식 (2) 로표현될수있다. (1) (2)

6 WBAN 환경의 IEEE 기반부분적손실재전송기법 37 각경우의수는이전전송상태를기반으로현재전송에대한횟수를의미한다. 는전송성공에대한현재전송의실패횟수를나타낸다. 즉, 이전의 (t-1) PDATA 또는 RDATA 프레임의전송성공에대해, 현재 (t) PDATA 또는 RDATA 프레임에대한전송실패횟수를의미한다. 프레임전송성공과실패여부는수신측으로부터돌아오는 ACK 프레임으로구분한다. 반대로, 는 t-1 전송의실패에대한 t 전송이실패한횟수로써연속적인프레임전송실패에대한경우의수를의미한다. 마찬가지로이전전송의실패와성공에대한현재전송성공의경우의수를각각, 로표현할수있다. 이러한경우의수들을이용하여전이확률 p와 q 는식 (3) 을통해구한다. (3) 이를기반으로식 (1) 의상태유지확률을계산하고, 길버트프로세스모델의연속적인프레임손실률은식 (4) 와같이계산할수있다. Pr Pr Pr Pr (4) 이결과를 IEEE 표준에서정의한최대허용 PER (Packet Error Rate) 과비교한다. 비교조건이만족하는경우, WBAN 기기간통신에서지속적인프레임이손실이발생하고있는상황으로판단하며제안하는기법은데이터를분할한 PDATA를생성한다. 조건이만족하지않는경우, 안정적인채널상태로간주하며제안하는기법은기존전송방안과동일한 DATA 프레임을사용한다 부분적손실검사방법송신노드의분할결정모델을통해생성된 PDATA 프레임은분할된페이로드구간마다손실검출을위한코드가포함된다. 수신노드는 IEEE 표준의 CRC-16 검사를통해 PDATA의프레임손실이확인된경우, 분할된각페이로드구간의손실을검출한다. 본절에서는이러한페이로드구간의손실을검출하기위한부분적손실검사방법에대해설명한다. 무선환경에서의프레임의손실은대부분버스트비트오류형태로발생하며, 이러한버스트비트오류를검출에강한특성을가진검사방법중하나인 CRC (Cyclic Redundancy Check) 검사가있다. 이방법은 CRC 다항식을기반으로송신측의 CRC Code를통해수신측의오류를검출하는방식으로 CRC-5, CRC-8, CRC-16 등의다양한종류의 CRC 방식이존재한다 [10]. CRC 방식의구현은크게하드웨어와소프트웨어적구현방식이 그림 5 Table-driven CRC-8 코드생성예 Fig. 5 An example of table-driven CRC-8 code generation 존재하며, 소프트웨어방식은 Direct-calculation 방식과 Table-driven 방식으로분류된다. Direct-calculation 방식은 CRC 다항식만을이용한오류검출과효율적인메모리사용의장점을가지고있지만, bitwise 동작으로인한지연시간이발생한다는단점이있다. 이러한문제는수신노드로부터 ACK 또는 NACK 응답프레임을받기위한대기시간을초과시킬수있으며, 본방법을 WBAN 환경에적용하였을경우 WBAN의사용자에게치명적인위험을초래할수있다. 따라서제안하는기법은부분적손실검사로발생되는지연시간의최소화와복잡도감소를위한 Table-driven 방식기반의 CRC-8 을사용한다. Table-driven 기반 CRC 방식은미리계산된 256 개의 CRC 코드를테이블화 (lookup table) 하여, 참조와 XOR 연산만으로 CRC 코드를생성한다. 또한, 이방식은 Direct-calculation 방식의 bitwise 연산에비해 byte 단위연산을수행함으로향상된 CRC 속도를가진다는장점이있다. 그림 5는제안하는기법이사용하는 Table-driven 기반 CRC-8 코드생성의한예로써, 상세한설명은아래와같다. 먼저, CRC 코드를저장및반환하기위한 8-bit 크기의 CRC 레지스터를 0으로초기화한다. 초기화된레지스터 (00h) 를기반으로 data string의 MSB의 8-bit 값 (20h) 과 XOR 연산을수행한다. 연산된결과 (E0h) 를바탕으로 lookup table 이참조하는번지 (20h) 에해당하는엔트리를 CRC 레지스터에반환 (E0h) 한다. 이후, 다음 8-bit 쉬프트한 data string 의값 (03h) 과 CRC 레지스터의 XOR 결과를 lookup table 번지가참조하는엔트리로서 CRC 레지스터에반환한다. 마지막으로 8-bit 쉬프트 data string의값 (A3h) 과 CRC 레지스터의 XOR 연산결과를 CRC lookup table의엔트리로반환하며, 최종적으로생성된반환값을 CRC-8 코드로사용한다. 3.3 프레임정의제안하는기법은총 5개의 DATA, PDATA, RDATA, NACK, ACK 프레임을사용하고있으며, 각프레임들

38 정보과학회논문지 : 정보통신제 41 권제 1 호 (2014.2) 은 IEEE 802.15.4 표준의일반프레임형식을기반으로설계되었다. 본절에서는제안하는기법의프레임구조에대해설명하며, 이에대한형식은그림 6과같다. PDATA 프레임은 3개의분할된페이로드구간과각구간마다 8-bit CRC 코드를포함한다.

7 38 정보과학회논문지 : 정보통신제 41 권제 1 호 (2014.2) 은 IEEE 표준의일반프레임형식을기반으로설계되었다. 본절에서는제안하는기법의프레임구조에대해설명하며, 이에대한형식은그림 6과같다. PDATA 프레임은 3개의분할된페이로드구간과각구간마다 8-bit CRC 코드를포함한다. 분할된페이로드의각구간은 Frame Control Field의 reserved 구간 (3bit) 에맵핑이되어있으며, NACK 프레임과 RDATA 프레임의손실또는복구구간을확인하기위한영역으로활용된다. 또한, PDATA 프레임은각분할구간마다 CRC 코드를포함하기때문에기존 DATA 프레임길이에 3-byte가추가되는특징을갖는다. DATA 프레임은 IEEE 표준의기존의재전송기법에서사용되는일반적인프레임을의미한다. PDATA와 DATA 프레임은동일한 Frame Type Value (001b) 을사용하고있으며, 각프레임은 Frame Control Field 에포함된 Partitioned Payload 필드를통해서로구분될수있다. NACK 프레임은 ACK 프레임과동일한프레임구조로구성되어있으며, 두프레임은 Frame Control Field의 7-9 bit 구간을통해구분될수있다. 즉, 수신된 PDATA 프레임의손실페이로드구간을 Frame Control Field의 7-9 bit 의각영역에세트하여송신노드에 NACK 프레임을통해부분적재전송을요청한다. 이후재전송과정에서사용되는 RDATA 프레임은 PDATA 프레임의손실페이로드구간을복구하기위해사용된다. 즉, RDATA 프레임은 PDATA 프레임의손실된페이로드구간만을포함하고있으며, 각구간은 CRC 코드를제외한데이터로구성되어있다. 이와같이제안하는기법은 IEEE 표준의일반프레임형식을기반으로초기전송프레임과재전송프레임을구분및설계하였으며, 이를통해재전송과정에서전체프레임을재전송하는문제점을해결하였다. 또한, 제안하는기법은 IEEE 표준프레임의 reserved 구간을손실및복구표시구간으로재사용함으로써분할정보를저장하기위한추가적인공간을요구하지않는다. 4. 성능평가제안하는기법의성능평가를위해본장에서는 IEEE 표준의 ARQ 기법과제안하는부분적재전송기법과성능분석을수행하였다. 먼저, 성능분석을위한시뮬레이션환경에서는프레임손실을발생시키기위한손실모델이필요하다. 또한, 무선환경에서발생하는프레임손실은일반적으로버스트오류형태로불규칙하게발생한다. 따라서본논문에서는실제 WBAN 환경을구성하여 IEEE 통신노드에서발생하는버스트오류에대한트레이닝데이터샘플을추출하여시뮬레이션성능평가에적용한다. 실제 WBAN 환경에서사용될노드는한백전자에서개발된 ZigbeX-II 모트를사용하며, 특징은표 2와같다. 실험모트는각각송신과수신을수행할센서노드와코디네이터로구성하였으며, 코디네이터는에너지제약사항이없는조건으로송신측프레임에대한응답프레임 (NACK 또는 ACK) 만을 -3 dbm의송신출력으로브로드캐스팅한다. 한편, 개인건강기기별표준을정의하고있는 IEEE 11073에서는주기적으로발생하는혈압모니터링데이터의크기를 64byte로정의하고있다. 이를기반으로센서노드는 64byte의데이터를 500ms 주기로코디네이터에게전송하도록구성한다. 또한, 센서노드는 WBAN이요구하는에너지제약특성을고려하여약 6미터 LOS(Line of Sight) 커버리지를갖는 15 dbm 저출력을유지한다. 이렇게센서노드와코디네이터는서로 4 미터의거리를유지한다. IEEE g 그림 6 제안하는기법의프레임정의 Fig. 6 Frame type definition of proposed scheme

WBAN 환경의 IEEE 802.15.4 기반 부분적 손실 재전송 기법 표 2 ZigbeX-II 특징 용되어 프레임 손실을 발생하며, 이를 기반으로 기존 Fig.

8 WBAN 환경의 IEEE 기반 부분적 손실 재전송 기법 표 2 ZigbeX-II 특징 용되어 프레임 손실을 발생하며, 이를 기반으로 기존 Fig. 2 ZigbeX-II features ZigbeX-II Sensor Coordinator 39 ARQ 기법과 제안하는 기법의 전송 횟수, 전송 성공률, Feature Type MCU Atmel Atmega128A RF module Chipcon CC2420 TX power -15 dbm Payload size 64 byte 에너지 소모에 대한 시뮬레이션 성능평가 결과를 측정 하였으며, 이에 대한 결과는 그림 8과 같다. 그림 8(a)는 센서가 코디네이터에게 프레임을 전송한 총 횟수로써, 최초 전송과 재전송을 모두 포함한 횟수를 TX period 500ms 의미한다. BER 수치가 0.005일 경우, 제안하는 기법은 MCU Atmel Atmega128A 기존 ARQ 기법과 동일한 성능을 보여주는 것을 확인할 RF module Chipcon CC2420 수 있다. 이러한 이유는 제안하는 기법의 분할결정 모델 TX power -3 dbm 의 분할결정 조건을 만족하지 않아 분할 전송을 수행하 지 않아 IEEE 기존 ARQ 기법과 동일하게 동 작하였기 때문이다. 하지만, BER 수치가 상승할수록 기 존의 ARQ 기법과 제안하는 기법 모두 프레임 손실에 대한 전송 횟수가 증가하는 것을 볼 수 있다. 기존의 ARQ 기법은 수신 프레임의 단 1 bit 라도 손실이 발생 할 경우, 최초 프레임을 그대로 재전송하기 때문에 총 전송회수가 급격히 증가하는 결과를 보인다. 반면, 제안 하는 기법은 분할결정 모델과 불규칙한 버스트 비트 오 류의 특성을 활용하여 손실된 프레임 구간만을 부분적 재전송하기 때문에, 축소된 프레임으로 인해 향상된 전 그림 7 실험을 통해 추출된 트레이닝 데이터 샘플 (BER 0.047) Fig. 7 Training data sample extracted from the actual experiment 송 성공률과 전송 횟수가 감소하는 것을 볼 수 있다. 그림 8(b)는 센서가 전송하는 프레임에 대한 전송 성 공률을 나타내며, 수신 측의 ACK 응답을 받는 경우를 전송 성공으로 간주하였다. 기존 기법과 제안하는 기법 기반 간섭 기기는 총 AP와 2대의 디바이스를 사용하였 으며, AP와 디바이스 간 거리는 7미터를 유지한다. 각 디바이스는 서로 다른 주기의 트래픽으로 WBAN 환경 모두 BER 수치가 상승할수록 전송 성공률이 감소되는 결과를 확인할 수 있었다. 이는 상승하는 BER 수치와 반복되는 프레임 손실로 재전송 프레임과 응답 프레임 의 IEEE 기기 간 통신에 프레임 손실을 발생 에 손실이 발생하였기 때문이다. 기존의 ARQ 기법은 한다. 최초 전송 프레임을 그대로 재전송 프레임으로 사용하 본 환경을 기반으로 추출된 트레이닝 데이터 샘플의 기 때문에 BER이 상승할수록 전송 성공률을 급격히 감 일부 결과는 그림 7과 같다 의 BER을 수치를 소시킨다. 하지만 제안하는 기법은 프레임 크기에 따라 보이는 WBAN 환경에서 데이터 샘플은 센서 노드로부 PRR(Packet receiption ratio)이 의존적인 특성을 고려 터 코디네이터에게 전송된 정상 프레임과 손실 프레임 하여, 축소된 프레임 크기에 따라 기존의 기법보다 향상 을 모두 수집하였다. 프레임 내부 정상 bit와 오류 bit를 된 전송 성공률을 확인할 수 있었다. 각각 0과 1로 나타내었으며, 페이딩, 간섭 등으로 상당 그림 8(c)는 센서와 코디네이터의 전송에 수행된 총 한 버스트 비트 오류가 발생한 결과를 확인할 수 있었 에너지 소모량을 나타낸다. 이는 최초 전송을 시작으로 다. 본 논문에서는 성능평가를 위해 0.005, 0.017, 0.047, 재전송, 응답 프레임 전송에 사용되는 에너지 소모를 고 의 BER 환경에서 각각 8,000개의 트레이닝 데이 려하여 측정하였다. 본 결과도 마찬가지로 BER 수치에 터 샘플을 추출하였다. 의존적인 추가적인 에너지 소모가 발생하는 것을 볼 수 이러한 데이터 샘플을 기반으로 IEEE 표준 있다. 기존의 ARQ 기법은 BER의 증가에 따라 최초 전 의 기존 ARQ 기법과 제안하는 기법에 성능평가 시뮬레 송 프레임을 재전송하기 때문에 상당한 에너지 소모가 이션을 수행한다. SMPL을 기반으로 구성된 시뮬레이션 발생함을 보이고 있다. 반면, 제안하는 기법은 부분적인 환경은 위의 실험의 트레이닝 데이터 추출 환경과 동일 손실에 대해 최대 1/3까지 축소된 재전송 프레임을 사 한 총 2대의 센서 노드와 코디네이터를 기반으로, 센서 용하므로 감소된 전송 에너지와 향상된 전송 성공률로 는 64-byte 데이터를 500ms 주기로 총 3,600개의 프레 결과적으로 네트워크의 추가적인 에너지 감소를 확인할 임을 전송한다. 트레이닝 데이터 샘플은 매 전송 시 적 수 있었다.

40 정보과학회논문지 : 정보통신제 41 권제 1 호 (2014.2) (a) The total number of frames transmitted 비트오류의형태를보인다. 이를기반으로본논문에서는 WBAN 환경의 IEEE 802.15.4 기반부분적손실재전송기법을제안한다.

15.4 표준의기존재전송방안과성능분석결과를통해전송성공률, 총전송횟수, 그리고에너지소모측면에서높은성능을보여줌으로써, 제안하는기법은기존재전송방안에비해 WBAN 요구사항을만족시킬수있는결과를얻을수있었다. References (b) Successful transfer rate (c) Energy consumption 그림 8 시뮬레이션결과 Fig.

9 40 정보과학회논문지 : 정보통신제 41 권제 1 호 (2014.2) (a) The total number of frames transmitted 비트오류의형태를보인다. 이를기반으로본논문에서는 WBAN 환경의 IEEE 기반부분적손실재전송기법을제안한다. 제안하는기법은분할결정모델을통해지속적인프레임손실률을계산하고, 최초전송시분할프레임을전송하여이후재전송프레임을재구성한다. 이를통해재전송프레임의크기를최대 1/3 까지축소시킬수있으며, WBAN 기기의 RF 모듈의전송전력소모를감소시킬수있다. 또한, IEEE 표준프레임을기반으로설계된본기법은다양한전송모드와호환성을제공한다. 시뮬레이션에서는 IEEE 표준의기존재전송방안과성능분석결과를통해전송성공률, 총전송횟수, 그리고에너지소모측면에서높은성능을보여줌으로써, 제안하는기법은기존재전송방안에비해 WBAN 요구사항을만족시킬수있는결과를얻을수있었다. References (b) Successful transfer rate (c) Energy consumption 그림 8 시뮬레이션결과 Fig. 8 Simulation result 5. 결론의료 / 비의료서비스동시제공을목적으로하는 WBAN 환경에서 IEEE 통신기술은페이딩, 노이즈, 이기종통신기술과의간섭등과같은이유로데이터전송에상당한프레임손실이발생한다. 또한, 무선환경에서프레임손실은대부분불규칙한버스트 [1] IEEE Standard-2012, "IEEE Standard for Local and metropolitan area networks-part 15.6: Wireless Body Area Networks," [2] IEEE Standard-2011, "IEEE Standard for Local and metropolitan area networks-part 15.4: Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR- WPANs)," [3] Flavia Martelli, Chiara Buratti, Roberto Verdone, "On the performance of an IEEE Wireless Body Area Network," Wireless Conference-Sustainable Wireless Technologies (European Wireless), Apr [ 4 ] BeomSeok Kim, Jinsung Cho, Dae-Young Kim, "An Emergency Handling Scheme for Superframe- Structured MAC Protocols in WBANs," IEICE TRANSACTIONS on Communications, vol.e94-b, no.9, pp , Feb [5] Soo Young Shin, Hong Seong Park, Sunghyun Choi, Wook Hyun Kwon, "Packet error rate analysis of IEEE under IEEE b interference," Vehicular Technology Conference, vol.3, May, [6] Axel Sikora, Voicu F. Groza, "Coexistence of IEEE with other Systems in the 2.4 GHz- ISM-Band," Instrumentation and Measurement Technology Conference, vol.3, pp , May, [7] M. Roshanzadeh and S. Saqaeeyan, "Error Detection & Correction in Wireless Sensor Networks By Using Residue Number Systems," I. J. Computer Network and Information Security, pp.29-35, Mar [8] Yin Chen and Andreas Terzis, "On the mechanisms and effects of calibrating RSSI measurements for radios," European conference on Wireless Sensor Networks, vol.5970, pp , 2010.

of the 27th Annual IEEE Conference on Local Computer Networks, pp.534-541, Nov. 2002. [10] Dilip V.

1988. 김병선 2011 년백석대학교정보통신학부 ( 학사 ) 2013 년경희대학교컴퓨터공학과 ( 석사 ) 2013 년 ~ 현재경희대학교컴퓨터공학과박사과정.

10 WBAN 환경의 IEEE 기반부분적손실재전송기법 41 [9] Changli Jiao, Loren Schwiebert and Bin Xu, "On Modeling the Packet Error Statistics in Bursty Channels," Proc. of the 27th Annual IEEE Conference on Local Computer Networks, pp , Nov [10] Dilip V. Sarwate, "Computation of cyclic redundancy checks via table look-up," Communication of the ACM, vol.31, Issue. 8, pp , Aug 김병선 2011 년백석대학교정보통신학부 ( 학사 ) 2013 년경희대학교컴퓨터공학과 ( 석사 ) 2013 년 ~ 현재경희대학교컴퓨터공학과박사과정. 관심분야는임베디드시스템, 센서및인체네트워크 김범석 2010년경희대학교컴퓨터공학과 ( 학사 ) 2012년경희대학교컴퓨터공학과 ( 석사 ) 2012년~현재경희대학교컴퓨터공학과박사과정. 관심분야는무선센서네트워크및인체네트워크 조진성 1992년서울대학교컴퓨터공학과 ( 학사 ) 1994년서울대학교컴퓨터공학과 ( 석사 ) 2000년서울대학교컴퓨터공학과 ( 박사 ) 1998년 IBM T.J. Watson Research Center Visiting Researcher. 1999년~ 2003년삼성전자책임연구원. 2003년~ 현재경희대학교컴퓨터공학과부교수. 관심분야는모바일네트워크, 임베디드시스템, 센서및인체네트워크

이도경, 최덕재 Dokyeong Lee, Deokjai Choi 1. 서론

이도경, 최덕재 Dokyeong Lee, Deokjai Choi 1. 서론 2. 관련연구 2.1 MQTT 프로토콜 Fig. 1. Topic-based Publish/Subscribe Communication Model. Table 1. Delivery and Guarantee by MQTT QoS Level 2.1 MQTT-SN 프로토콜 Fig. 2. MQTT-SN