논문 11-36-08-04 DF(Dynamic and Flexible)-MAC : WBAN을위한유연한 MAC 프로토콜 정회원서영선 *, 김대영 **, 준회원김범석 ***, 종신회원조진성 *** DF(Dynamic and Flexible)-MAC : A Flexible MAC Protocol for WBAN Young-Sun Seo*, Dae-Young Kim** Regular Members, BeomSeok Kim*** Associate Member, Jinsung Cho*** Lifelong Member 요 약 Wireless body area network (WBAN) 은인체주변영역에서의통신서비스를제공한다. WBAN 서비스는인체내부에이식된의료응용을위한 MICS 주파수대역과의료응용과 consumer electronics (CE) 응용분야모두를제공할수있는 ISM 주파수대역에서의서비스로이루어지기때문에 WBAN을위한 MAC 프로토콜은의료응용과 CE 응용간의상이한특징과유연성 (flexibility) 을고려하여설계되어야한다. 본논문에서는 WBAN MAC 프로토콜의요구사항을확인하고, WBAN의요구사항을만족하는 WBAN MAC 프로토콜을제안한다. WBAN의다양한응용을위한전송유연성을제공하기위해서동적 CFP(Contention Free Period) 할당 (Dynamic CFP Allocation) 을제안한다. 또한, 경쟁기반의긴급의료데이터를발생하는의료응용과때때로대량의데이터를발생하는 CE 응용을지원하기위해서 OCDP(opportunistic contention decision period) 구간과 4-mode Opportunity period를제안하고, 제안한방안을이용하여 Inactive period와 Opportunity period를일시적으로전환하여사용할수있는기법을제안한다. 다양한시뮬레이션결과 IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜과제안하는 WBAN MAC 프로토콜을비교하였을때, WBAN 환경에서의전송처리량, CFP 이용율, 전송지연측면에서증가된성능결과를얻을수있었다. Key Words : wireless body area network, MAC, hybrid MAC, CFP allocation, contention-based protocol ABSTRACT Wireless body area network(wban) provide communication service in the vicinity of the body. Since WBANs utilize both MICS frequency band for implant medical applications and ISM frequency band for medical and consumer electronics(ce) applications. Therefore, MAC protocols in WBAN should be designed considering flexibility between medical and CE applications. In this paper, we identify the requirements of WBAN MAC protocols and propose a WBAN MAC protocol which satisfies the requirements. In other to provide transmission flexibility for various applications, we present the dynamic CFP allocation and opportunity period. Extensive simulation result show that the proposed protocol achieves improved throughput and latency in WBAN environment cimpared with IEEE 802.15.4. 이논문은지식경제부및정보통신산업진흥원의대학 IT 연구센터지원사업 (NIPA-2011-(C1090-1121-0003)) 및교육과학기술부및한국과학재단의중견연구자사업 (No. 2011-0015744) 의지원으로수행된연구결과임. * ( 주 ) 미디어코러스 (seoys@mediachorus.com), ** ( 주 )LIG Nex1 (daeyoung.kim81@lignex1.com) *** 경희대학교컴퓨터공학과모바일임베디드시스템연구실 (passion0822; chojs@khu.ac.kr), ( : 교신저자 ) 논문번호 :KICS2010-12-577, 접수일자 :2010 년 12 월 1 일, 최종논문접수일자 : 2011 년 8 월 9 일 712
논문 / DF(Dynamic and Flexible)-MAC : WBAN 을위한유연한 MAC 프로토콜 Ⅰ. 서론 Wireless body area network (WBAN) [1] 은인체내부 (implant), 피부표면 (on-body, wearable), 인체영역 3m 이내에서의인체외부 (external) 에위치하여통신을수행하는 WPAN의차세대무선통신기술이다. WBAN은코디네이터 (coordinator), 의료용디바이스 (medical device), 개인소비자용전자제품 (CE ; consumer electronics) 으로구성되며, 다양한유비쿼터스서비스를제공할수있다. IEEE 802.15 Working Group은 Wireless Next Generation (WNG) 에서의관심을시작으로 IG-BAN(interest group-ban), SG-BAN (study group-ban) 을거쳐 2007년 11월부터 WBAN 의표준화를위해 IEEE 802.15.6 Task Group을구성하여현재 WBAN을위한표준화작업을진행중에있다. [1,2] 일반적으로의료응용은저속 (low data rate) 의주기적으로데이터를발생하는특징을가지며, CE 응용은동영상, 오디오스트리밍데이터와같은고속 (high data rate) 의 event-driven 방식으로데이터를발생하는특징을가진다. 그러므로 WBAN은의료서비스와 CE 서비스를동시에제공할수있어야한다. 그러나의료용센서디바이스의네트워크구성에사용된기존의무선센서네트워크를위한 MAC 프로토콜 (i.e., TDMA [3,4] 또는 IEEE 802.15.4 MAC [5] ) 은 IEEE 802.15.6의다양한응용분야를제공하기위한요구사항을만족하지못한다. 그림 1과같이 IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜 [5] 은비콘을사용하는하이브리드슈퍼프레임구조를사용한다. 크게통신을수행하는 Active period와수면상태가되는 Inactive period로나뉘며, Active period는균등하게 16 슬롯으로분할된다. 이 Active period는 CAP(contention access period) 와 CFP(contention free period) 구간의역할을수행하는 GTS(guaranteed time slot) 로구성되어경쟁과비경쟁을모두지원하는하이브리드슈퍼프레임구조로이루어진다. 균등하게 16등분으로이루어진슬롯으로 Active period가분할되므로, GTS를할당받은디바이스가증가할수록 CAP 구간은줄어들게된다. 게다가 IEEE 802.15.4 MAC은코디네이터가최대 7개의디바이스에게만 GTS를할당할수있다. 따라서 GTS를요청한순서대로 7개의디바이스에게 GTS가할당되면, 이후에 GTS 를요청하는디바이스는 GTS를할당받을수없다. 만약, 더욱많은 CAP 구간이필요하다면, 코디네이터는일반적으로 superframe order(so) 값을증가 그림 1. IEEE 802.15.4 MAC 슈퍼프레임구조 시켜 CAP duration을확장시킬수있으며, SO는비콘 (beacon) 에의해결정된다. 그러나 SO가증가하면그림 1 하단과같이 GTS 슬롯도불필요하게증가하게된다. 이것은 Active period가균등하게 16 등분의슬롯으로나누어지기때문에발생하는불필요한슬롯크기의증가가발생하게된다. 위와같은 GTS에서발생하는문제들을해결하기위하여 GTS를개선한논문이있다. [6,7] 그러나, GTS 개선논문도일정범위의주기를가진디바이스들간의 GTS 공유또는작은슬롯으로의압축방법으로 GTS의개수를늘리는방식으로개선되어고정적인 GTS 할당으로인한문제를해결하기위하여디바이스의주기성에제약을가정하고있거나슬롯의크기만축소하는형태의개선하는형태로센서디바이스만이고려되었다. 위와같은연구는 WBAN 환경에서때때로 CE 디바이스가네트워크에편입되어대량의데이터를폭발적 (bursty) 으로발생하거나때때로 (sporadically) 발생시킬때, 센서디바이스의배터리수명을위해설계된 Inactive period로인한전송지연이발생한다. IEEE 802.15.6 TG WBAN은표준화를진행하는동안다수의 MAC 기고문 (proposal) 을제안받았으나, 표준화의결과정에서다시다수의기고문이제외되었다. 현재까지는 NICT [8,9], Samsung [10,11], ETRI [11,12], Fujitsu [9,13], CEA-FT-Thales [14], GE [15] 등이기고문통합 (merge proposals) 작업에참여하고있다. 기고문통합작업은현재계속이루어지고있으며, 기고문통합으로인한충돌을해결하기위한기고문수정과정도함께진행되고있다. 기고문을제안하는각기관에서는기고문통합과정에서결정된기본틀 (baseline selection) 을 IEEE 802.15.6 TG에제안하고있고, 이러한과정은 IEEE 802.15.6 TG 일정에따라진행되며, 아직기고문통합과정을통한기본표준안 (baseline draft) 작성이완료되지않았다. 713
본논문은상이한특성을가진다양한디바이스를지원하기위한유연성 (flexibility) 을가장중점요구사항으로하여크게 2가지방안을제안한다. 첫째는, CFP의효율성을증대시켜다수의 WBAN 의료분야응용서비스에유연하게 CFP를할당해주고주파수대역을효과적으로사용할수있는 demand-driven 기법으로 CFP 슬롯을동적으로할당하는동적 CFP 할당 (dynamic CFP allocation) 을제안한다. 둘째, 이따금씩 (sporadically) 폭발적 (bursty) 으로데이터를 event-driven 방식으로발생하는 CE 응용서비스가 WBAN 요구사항을만족하는적은지연으로데이터를전송할수있도록일시적으로 Inactive period를 Opportunity period로전환하여기회경쟁을할수있도록제공하는 Opportunity period를제공한다. 제안하는방안은현재 WBAN 연구에많이사용되는 IEEE 802.15.4 MAC과비교해보았을때, 전송처리율, CFP 이용율, 전송지연의성능향상을보였다. 본논문의구성은다음과같다. 2장에서는 WBAN 의요구사항을기술한다. 3장에서는본논문에서제안하는의료분야와 CE 분야의유연성을고려한 WBAN MAC 프로토콜의주요기법인동적 CFP 할당 (dynamic CFP allocation) 과기회구간 (Opportunity period) 을기술하고, 4장에서는성능을평가하고분석한다. 마지막으로 5장에서는결론을기술한다. Ⅱ. WBAN 요구사항 WBAN은인체내외부를포함하는인체주변영역에서서로상이한특징을가진다양한디바이스들로네트워크가구성되며, 통신서비스를제공한다 (i.e., medical or CE device). 그러므로 WBAN MAC 프로토콜은다양한디바이스또는응용간에충분히유연성을제공해야한다. 유연성을제공하기위해서 WBAN MAC 프로토콜은다음의요구사항을만족해야한다. [15,16] 1) 저전력 (power consumption) : WBAN 디바이스는인체내부에이식되거나배터리기반으로휴대할수있는의료센서디바이스또는휴대형 (potable) 디바이스로대부분구성되기때문에에너지사용효율성이가장은중요한이슈이다. 2) 듀티사이클 (duty cycle) : 듀티사이클에대한요구사항은매우광범위하다. 특히의료디바이스는듀티사이클에대한요구사항이매우중요하다 (e.g., <1% or <10%). 듀티사이클은저전력요구사항과매우밀접한관계를가지므로요구사항을만족하는것 이저전력요구사항을만족하는방안중에하나가될수있다. 반면에 CE 디바이스는듀티사이클을크게요구받지않는다.(e.g., low, medium or high) 3) 전송지연 (latency) : 긴급 (emergency) 의료상황, QoS 보장을요구하는의료응용은낮은전송지연이요구된다.(i.e., 의료응용 ; 125ms). CE 응용도 QoS 보장을요구하거나실시간서비스를제공해야하는서비스의경우낮은전송지연을요구한다 (i.e., CE 응용 ; 250ms) 4) 주기성과비주기성 (periodic and non- periodic) : 대체로의료분야의 WBAN 디바이스는인체의정보를주기적으로수집하고취합된정보를분석할수있도록모니터링시스템과같은응용서비스로의전달을수행한다. 따라서일반적인의료분야의 WBAN 디바이스는 WBAN 네트워크에항상연결되어있으며, 주기적인 sleep과 wakeup을반복하는듀티사이클을통해에너지소비효율을높이고주기성을가지고데이터전송을시도한다. 이러한데이터생성주기는 1ms부터 1000s까지광범위하게다양한주기를가질수있다. 반면에 CE 디바이스는때때로네트워크에연결되며, 데이터전송도 event-driven 기법에의하여때때로 (sporadically) 대량의데이터가폭발적 (bursty) 으로발생하는특징을일반적으로가진다. 요약하면, 앞서기술된요구사항과같이 WBAN MAC protocol은상이한특징을가진다양한디바이스가네트워크에혼재되어있는 WBAN 환경을충분히지원할수있는유연성 (flexibility) 이요구된다. Ⅲ. 제안하는 WBAN MAC 프로토콜 WBAN MAC 프로토콜은저전력뿐만아니라상이한특징을가진다양한디바이스가네트워크에혼재되어있는 WBAN 환경을충분히고려해야하므로, 유연성있는 WBAN MAC 프로토콜설계를주요목표로하여다음의 2가지사항을제안하였다. 첫째, 동적 CFP 할당 (Dynamic CFP allocation) 을제안한다. 기존의무선센서네트워크를위한표준인 IEEE 802.15.4는 CFP 구간인 GTS 구간이최대할당개수의제약을가지며, 코디네이터에의하여 GTS를디바이스에할당하면고정할당방식에의하여독점적으로슬롯을할당하므로전송할데이터의유무와상관없이 GTS가고정적으로할당되어주파수대역의낭비를발생시킨다. 만약 GTS를할당받은디바이스의데이터발생주기가길어진다면, 주파수대역낭비의증가를피할수없게된다. 2절에서언급한것처럼 714
논문 / DF(Dynamic and Flexible)-MAC : WBAN 을위한유연한 MAC 프로토콜 WBAN의데이터는다양한주기 (1ms ~ 1000s) 를가지고발생하기때문에, 고정할당에의한방식은주파수대역을효율적으로사용할수있는방법이될수없다. 또한, WBAN의의료응용은다수의인체내부및표면에서사용되는센서디바이스들을요구할수있다. 그러나, GTS를최대 7개까지할당하는방식에따라 CFP 슬롯을이용한데이터전송을요구하는 8번째디바이스부터는 CFP를할당받을수없으므로이들디바이스는상대적으로 CAP를사용할수밖에없다. 따라서본논문에서는 CFP 슬롯을사용하여데이터를전송하기를요구하는 WBAN 메디컬디바이스에게충분하게 CFP 슬롯을할당을제공하고, 고정적인 CFP 슬롯할당기법을피하고주파수대역의효율적인사용을위해서 demand-driven 기법의동적 CFP 할당 (Dynamic CFP allocation) 방안을제안한다. 둘째, 기회구간 (Opportunity period) 를제공한다. 메디컬센서디바이스와코디네이터의저전력을제공하기위해서모든디바이스가일정시간 sleep 모드를유지할수있도록설계된일반적인무선센서네트워크의 Inactive period 기법은메디컬디바이스의긴급 (emergency) 데이터, QoS 지원을요구하는데이터의전송과 CE 디바이스의파일전송, 동영상 오디오스트리밍전송과같은연속적이면서대량으로발생하는데이터에는전송지연을유발시킨다. 본논문에서는상시적으로네트워크를구성하고있는메디컬센서디바이스를위해평소에 Inactive period를유지하지만, 위와같은상황의경우 demand-driven 기법에의해일시적으로채널을활성화시키고, 경쟁기법에의해채널을획득할수있도록 Opportunity period 방안을제안한다. 그림 2는제안하는 WBAN MAC 프로토콜의슈퍼프레임구조를나타낸다. IEEE 802.15.4 MAC과비교하였을때, BP (beacon period), CAP, CFP, Inactive로구성된하이브리드슈퍼프레임구조를동일하게가지고있으며추가적으로앞서설명된제안방안인 Dynamic CFP allocation과 Opportunity period를제공하기위한 CFP allocation period와 OCDP (opporunity contention decision period) 구간이적용되어있다. 3.1 Dynamic CFP Allocation 제안하는 Dynamic CFP allocation은제안하는 CFP allocation period는 CFP를요구하는디바이스가 7개이내일경우에는기존의 IEEE 802.15.4와같이동작하지만, CFP를요구하는디바이스가늘어날경우코디네이터의비콘정보에의해슈퍼프레임의비콘전송이후 CFP allocation period가수행되며, 이구간에의해동적으동적으로 CFP 슬롯을할당할수있다. 그림 2, 3과같이 CFP allocation period는다시 Fixed CFP REQ와 Random CFP REQ의서브구간 (subperiod) 로나누어진다. 나누어진각서브구간은 CFP를요청할수있는컨트롤프레임 (CFP request frmae) 을전송할수있는작은미니슬롯 (mini-slot) 으로구성된다. 또한, 2개의서브구간이후코디네이터는최종적으로 CFP REQ ACK 서브구간에서 REQ ACK frame을브로드캐스트함으로써 Dynamic CFP allocation이완료된다. 그림 3은 CFP 슬롯이비콘에의해고정할당되는과정과제안하는 Dynamic CFP allocation 기법에의하여동적으로할당되는과정을나타낸다. 앞서기술한바와같이 CFP 사용권한을요청하고코디네이터에의해 CFP 사용권한을획득한디바이스가 7개이하일경우, 비콘에서 CFP 슬롯을모두할당한다. 그이후에 8번째이상의 CFP 사용권한을요청하는디바이스수가발생하고증가하면, WBAN 코디네이터는 CFP allocation period를슈퍼프레임구간상의 그림 2. 제안하는 WBAN 슈퍼프레임구조 715
그림 3. Dynamic CFP allocation 기법 beacon period 바로뒤에생성하고주기에의한그룹화를수행한다. 그림 3에서비콘전송이후시작되는 CFP allocation period의서브구간의하나인 Fixed CFP REQ 서브구간은기존의 IEEE 802.15.4 MAC GTS와유사하게각각의디바이스와각각의미니슬롯간의일대일맵핑 (1:1 mapping) 에의한고정할당이이루어진다. 이와같이 CFP 슬롯을요청할수있는컨트롤프레임전송이일대일맵핑에의해보장된미니슬롯을본논문에서는 GMS (guaranteed mini-slot) 라부르며 Fixed CFP REQ 서브구간에서제공한다. 따라서코디네이터에게 CFP 사용권한을요청할때, Fixed CFP REQ 구간을할당받고자신만의 GMS를가진디바이스는전송할데이터가발생하면고정할당된자신의 GMS를이용하여 CFP request frame을전송하는방법을통해코디네이터에게 CFP 슬롯을요청할수있다. Fixed CFP REQ 서브구간은고정적으로미니슬롯을할당해주는기법이므로 CFP 사용권한을요청하는디바이스가많아질수록계속늘어나게된다. 따라서무한하게늘어나는 Fixed CFP REQ 서브구간을방지하기위해데이터발생주기가큰디바이스부터 Random CFP REQ를사용하여 CFP 슬롯을요청할수있게된다. Fixed CFP REQ의 GMS (guaranteed mini-slot) 는디바이스와미니슬롯간의일대일맵핑에의한보장된미니슬롯인반면에 Random CFP REQ 서브구간에서는 Random CFP REQ 서브구간에서의요청을코디네이터에의해승인받은 CFP 사용권한을획득한디바이스가 Random CFP REQ 서브구간의미니슬롯중무작위 (randomly) 로 1개미니슬롯을선택하여 CFP 슬롯을요청할수있다. 이를 Fixed CFP REQ의 GMS와구분하여 NGMS (non-guaranteed mini-slot) 으로정의한다. 앞서기술한바와같이 GMS와 NGMS를사용할수있는 Fixed CFP REQ 서브구간과 Random CFP REQ 서브구간은비콘과함께 3개의그룹에의해분류되며, 3개의그룹은다음의표 1과같이디바이스의주기성에의해결정된다. 디바이스의주기는로정의된다. 는슈퍼프레임 1 주기인 BI(Beacon Interval) 시간의정수화된배수형태로표현된다. 따라서만약일경우디바이스는슈퍼프레임 5번마다한번씩데이터를전송한다는의미를나타낸다. 디바이스는코디네이터에게 CFP 사용권한을획득하기위해서 CFP association frame을전송할때, 비콘으로얻을수있는정보인 BO (beacon order) 값을이용하여 BI (beacon interval) 을계산하고, 계산된슈퍼프레임주기와디바이스자신의주기가몇배수인지정수화하여정보를코디네이터에전송한다. 코디네이터는이주기를기반으로 3개의그룹으로분류한다. Group 1에속한디바이스는비콘에서코디네이터에의해 CFP 슬롯할당을관리받는그룹으로코디네이터가 CFP 슬롯을매슈퍼프레임마다고정적으로할당하는그룹이다. 따라서 Group 1 디바이스는 CFP 슬롯을요청할필요가없다. Group 2에속하는디바이스는 Fixed CFP REQ 서브구간에서일대일로맵핑된 GMS를할당받은디바이스가 CFP 슬롯을요청하여동적으로 CFP 슬롯을요청하여할당받을수있다. 마지막으로 Group 3에속하는디바이스는 GMS가아닌 NGMS를통해 CFP 슬롯을요청할수있는 Random CFP REQ 서브구간을사용할수있도록코디네이터에의해그룹이정해진다. 따라서이를정리하면표 2와같이표 1의그룹이각구간에서 CFP 슬표 1. 디바이스주기에따른그룹화. Group 1 : 주기가다음과같을때, Group 2 : 주기가다음과같을때, Group 3 : 주기가다음과같을때, 716
논문 / DF(Dynamic and Flexible)-MAC : WBAN 을위한유연한 MAC 프로토콜 롯을할당받거나 CFP 슬롯을요청하여동적할당받을수있다. 또한, 그림 3 하단의화살표가이와같은그룹화에의한 CFP 슬롯할당기법을나타낸다. Group 1에속하는디바이스는비콘에의해매주기마다고정적으로 CFP 슬롯을할당한다. Dynamic CFP allocation에속하는 Group 2와 Group 3는 CFP allocation period 에서 CFP 슬롯을동적으로요청하고비콘이할당한 CFP 슬롯바로이전슬롯부터 CFP 슬롯을추가적으로역시간방향으로동적할당을수행한다. 코디네이터는미니슬롯의개수가일정이상을넘어가지않도록표 1의값을조절하여 Group 2와 Group 3의조정을수행하고이미할당되었으나조정이이루어진디바이스는브로드캐스트를통해해당그룹이바뀌었음을디바이스에게알려준다. 의값은기존의 IEEE 802.15.4 MAC에서균등하게 16등분된슬롯에서 3번슬롯이내로 CFP allocation period가유지되도록조정된다. 따라서코디네이터에의해정해지는의값은초기에는큰수를가지고있으나, CFP 사용권한을획득한디바이스가늘어날수록값은작게조절된다. 이러한 Group 2와 Group 3간의의초기값은 10으로설정되어분배된다. 이는 CFP allocation period에서 4번째슬롯이내에 CFP REQ ACK이끝날수있도록하기위해서이다. 또한 Random CFP REQ의 minislot도최소 3개의 minislot을유지하도록코디네이터가최소기준값을가지게된다. Random CFP REQ의 minislot은 CFP REQ ACK이 3번째슬롯초기에끝난다면 CAP가 Slotted CSMA/CA 기법에따라다음슬롯시작지점에서경쟁할것이므로그여유 symbol만큼 Random minislot이증가하게될것이다. 그러므로 Beacon, + Fixed CFP REQ + Random CFP REQ + CFP REQ ACK에해당되는슬롯이 4번째슬롯을넘지않으면서유동적으로변할수있는값인 Fixed CFP REQ와 Random CFP REQ 가값에따라동시에할당, 증가하다가 CFP REQ ACK이종료되는시점이 4번째슬롯에다다르면첫번째로, Random minislot을 3개까지줄여가며 Fixed minislot에영향이없도록확보하며두번째로, Random minislot이 3개까지다다르면값이줄어들며 Group 2, Group 3간의값에따른재조정이일어난다. Dynamic CFP allocation은 Group 1에의해비콘의크기가크게증가하지못하도록 7번째이후 CFP 사용권한을요청하는디바이스는최우선적으로 Group 2 에할당한다. 이는비콘의최대사이즈를넘지않고, 비콘경량화를통해매슈퍼프레임주기마다비콘을 수신해야하는주기가긴 WBAN 디바이스또는 CE 디바이스가큰사이즈의비콘을수신해야하는부담을줄여준다. 또한위와같이동적으로 CFP 슬롯이할당됨에따라 Active period에서의데이터전송영역이 CAP + CFP로이루어지기때문에제안하는 Dynamcin CFP allocation 기법에서는각미니슬롯 (GMS, NGMS) 에요청된 CFP request frame을기반으로 dynamic CFP allocation을수행할때 CAP 영역을전부침범할수있다. 따라서네트워크유지를위한최소한의 CAP 영역을보호하기위한장치로 Maginot line을제공한다. Maginot line의값은 IEEE 802.15.4를상속받으면서변경되지않는다. 즉, Maginot line은유동적으로비콘에의해 Group 할당이되면서결정되면 CFP REQ ACK이끝나는시점에서최소 CAP symbol인 440symbol을더값이된다. CFP REQ ACK이정확히슬롯의끝에이루어지지않는경우는 CFP REQ ACK + 440symbol 번째슬롯을시작으로 Maginot line이결정된다. 이처럼정수단위로 Maginot line을결정하는것은 Beacon에 4비트조합으로적은필드를사용할수있는값을명시해야하기때문이다. 또한 Maginot line을보장함과동시에추가 CFP 할당을최대로하기위한 CFP allocation period, CAP, CFP의길이는각각 1 slot, 1 slot, 14 slot이된다. 즉, CFP allocation period의길이는 7개의추가요청과 ACK 메시지를고려하여 1 slot으로결정되며, 이는최대동적 CFP 할당과 Maginot line을모두만족할수있다. 디바이스측면에서슈퍼프레임구간을고려해볼때, 제안하는 Dynamic CFP allocation에의해비콘이후에 CFP 슬롯이동적으로할당되고 CAP 영역도 CFP 슬롯할당과함께영역이동적으로감소하게된다. 따라서 CAP를이용해채널을획득하고데이터를전송하는 WBAN 디바이스는비콘을통해서 CAP의시작슬롯의정보를알수있지만, CAP 슬롯이끝나는정보를알수없다. 따라서본논문에서는 slotted CSMA-CA 이전에 CCA (clear channel assessment) 를통해채널의상태를우선적으로판단하고, 그이후에 slotted CSMA- CA를수행하는 Early CCA를수행하도록한다. slotted CSMA-CA가수행되기전에동작하는 Early CCA는다음의두조건을만족하면수행한다. 첫째, 최소한의 CAP 영역을보장하기위한한계선인 Maginot line 슬롯을넘어야한다. Maginot line으로설정된슬롯보다시간흐름상이전의 CAP 슬롯은 CFP 영역일수없는안전한 CAP 구간이므로 Early 717
CCA를수행할필요가없다. 둘째, backoff period boundary에위치해야한다. slotted CSMA-CA를동일하게사용하므로 slotted CSMA-CA 기법에따라데이터가발생하자마자채널경쟁을하는것이아니라 backoff period boundary에서상대디바이스들과함께동일하게경쟁을시작해야한다. 이처럼 Early CCA 미리채널의상태를판단하고채널이혼잡하거나 CFP 영역이접근했다고판단하면, 안전한다음의 CAP 영역에서채널경쟁을수행하도록유도한다. 3.2 Opportunity period Opportunity period는 3.2 절에서언급된바와같이 Inactive period를일시적으로활성화시켜경쟁기법을이용하여채널을획득및사용할수있도록제공하는방안이다. Inactive period를일시적으로전환하여사용하기위해서본논문에서는그림 4와같이 OCDP (opportunistic contention decision period) 를 Active period와inactive period 사이에제공한다. OCDP를통해 Opportunity period를요청하기위해서본논문에서는 2개의컨트롤프레임을제공한다. 첫째는, Opportunity period를요청하기위한컨트롤프레임인 OCM (opportunity contention message) frame이며, 두번째는코디네이터에의한응답컨트롤프레임인 OCM ACK frame이제공된다. 또한, 그림 4와같이 Opportunity period를요구하는디바이스의특성에따라 opportunity period를제공하기위해서 3개의서브구간으로구성된 RO (request of opportunity) 와코디네이터에의한응답구간인 AO (acknowledgement of opportunity) 서브 구간으로 OCDP는이루어져있다. RO 서브구간은 demand-driven 기법을제공하기위한구간으로 Opportunity period를사용하길요구하는 WBAN 디바이스는앞서언급된본논문에서제공된 OCM frame을전송하여코디네이터에게요청할수있다. RO 1부터 RO 3로이루어진 RO 서브구간은 WBAN 디바이스의특성에따라 OCM을전송할수있는구간이정해져있다. 노드들의기회구간사용요청을위해 RO 1, RO 2, RO 3 구간은요청메시지를경쟁을통해전송할수있는길이인 140 symbol씩나누어지며, AO구간은코디네이터의 broadcast가이루어지는구간으로최소의 frame을전송하므로 60 symbol만큼의길이를가지게된다. 따라서 OCDP의총길이는 superframe의 1 slot만큼이된다. 표 2와같이 RO 1은의료용디바이스를위하여제공되는서브구간이며, RO 2는연속적인데이터또는대량의데이터를발생하는 CE 디바이스를위한서브구간이다. RO 1과 RO 2는동일하게각구간에서 OCM frame을통해 Opportunity period를요청할수있다. RO 3는애드혹 (ad-hoc) 모드를요구하는디바이스통신을위해제공되는서브구간이다. RO 3의가장큰목적은 uplink이다. slotted CSMA/CA 방식은 IEEE 802.15.4의경쟁방식과같고, WBAN에서의주목적은의료데이터의수집이므로일반적으로 slotted CSMA/CA가적합하다. 하지만 Ad-hoc mode, 코디네이터를제외한디바이스간의통신에는적합하지않다. 따라서코디네이터에게 RO 3를이용해서 AO 로허락을받으면 Ad-hoc mode에적합한 DCF 모듈을일시적으로사용하여디바이스간의통신을할수있게된다. 이는선택적으로사용할수있도록제공되어코디네이터를제외하고는모든디바이스가다모 그림 4. 제안하는 OCDP 구간 718
논문 / DF(Dynamic and Flexible)-MAC : WBAN 을위한유연한 MAC 프로토콜 표 2. Group 에따른구간 RO 1 : 의료용디바이스, 센서디바이스 RO 2 : CE (slotted CSMA-CA) RO 3 : CE (DCF) 듈을사용하지않을수있다. 따라서 RO 3를사용하기위해서는코디네이터에게해당모듈을가지고있음을네트워크에편입될때 WBAN 디바이스가알려주어야하고, RO 3가제공될때에는 AO 구간이시작될때해당모듈을가진디바이스들이 AO 컨트롤메시지를수신하고, Opportunity period 구간동안애드혹모드로 wakeup 상태를유지해야한다. 그림 4의 AO 서브구간은코디네이터가 RO 1부터 RO 3까지서브구간동안수신한 OCM frame의조합을분석하고, 요청한 WBAN 디바이스의특성을고려하여 Opportunity period를선택하고해당정보를 OCM ACK frame에포함하여요청한디바이스에브로드캐스트한다. 제안하는 OCDP는대리요청 (delegate request) 방식을사용한다. 따라서만약 2개이상의의료디바이스가 RO 1 구간에서 OCM frame을경쟁을통해전송하려고시도할때채널을획득한 1개의디바이스가 OCM frame을전송하면, 뒤이어백오프를완료한나머지디바이스는 CCA를통해자신을대신하여이미 OCM frame 전송이이루어지고있음을판단하고 sleep 모드로전환되었다가 AO 서브구간이시작될때함께 OCM ACK frame을수신하여 Opportunity period의정보를알수있다. 이러한대리요청방식이가능한이유는코디네이터가각그림 5과같이이미디자인된 4개의 Opportunity period 중에 1개를 RO 서브구간을통해수신된 OCM frame에따라조합하여선택할수있기때문이다. 또한대리요청방식을사용하기때문에 OCDP의길이는짧아질수있다. 그림 5는제안하는 Opportunity period가 OCDP의 RO 서브구간에 OCM frame으로요청된메시지를표 4를이용해선택된 Mode A부터 Mode D까지를나타낸다. 표 4와그림 4, 그림 5에따라 Mode A는 RO 1을통해저속의작은크기로발생하는의료데이터를발생시키는메디컬디바이스가 OCM frame을생성하고코디네이터에게 Opportunity period를요청한경우이다. 대체로 Active period에서전송을완료하고완료하지못한센싱데이터는일정시간이지나거나최대백오프회수를넘기면버리게되는데, Mode A를 그림 5. 4-mode Opprtunity period 로 Opportunity period를사용하게된다. Mode A는 Inactive의전체시간을모두활성화시키지않고, wake up 모드와 sleep 모드를반복하여채널을획득할수있도록제공하고, 코디네이터가불필요하게전체슈퍼프레임동안계속깨어있지않도록지원한다. Mode B는대체로 CE 디바이스로부터의연속적인대용량의데이터가발생했을때, Inactive period로인한전송지연이증가하지않도록빠르게데이터전송을할수있도록제공한다. RO 2 서브구간에서 OCM frame이생성되고요청되면, Mode B와같이현재슈퍼프레임의끝까지 Opportunity period를활성화시킨다. 이러한특성을가지고발생한데이터를빠르게전송해주지않으면다음슈퍼프레임의 Active period에서메디컬디바이스와함께 CAP 구간경쟁을할수도있으므로메디컬디바이스의안정적인전송을위해서도 Mode B와같이 Opportunity period를제공하는것이효율적이다. Mode C는오직애드혹모드만을요구하는디바이스가 RO 3 서브구간을통해 Opportunity period를요청했을때제공된다. 앞서언급된바와같이 DCF 모드는디바이스의개발목적과특성에맞게선택적으로탑재되며, 네트워크에편입될때코디네이터에게해당모듈을소유하고있음을전송한다. RO 3는이러한디바이스가 2개이상인경우생성되며그에따라 Mode C와 Mode D도이용가능할수있게된다. Mode D는 slotted CSMA-CA와 DCF 방식의 CSMA-CA를사용하는디바이스가모두 OCM frame 을전송했을때선택되는 Opportunity period의모드이다. 이는슬롯단위로각각의 CSMA-CA 경쟁방식 719
이서로교차되어사용될수있도록제공된다. Ⅳ. 성능평가제안하는 WBAN MAC 프로토콜의성능평가를위해본논문은제안하는 WBAN MAC 프로토콜과동일하게 beacon enable 슈퍼프레임구조를사용하는현재 WBAN 구현에많이사용되는무선센서네트워크표준의 IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜을선택하여성능분석을수행하였다. 시뮬레이션환경의 PHY모델은 ISM 주파수대역으로가정하며, 250kbps data rate 등 IEEE 802.15.4 표준을따른다.[4] 동등한비교를위해슈퍼프레임의전체길이인 BI를결정하는 BO값과 Active period의길이를결정하는 SO를동일하게정해야한다. 본논문에서는 BO=4 (245.76ms 슈퍼프레임길이 ), SO=3 (122.88ms Active period 길이 ) 로값을정하였다. 만약, BO=5, SO=4로증가할경우 Inactive 구간은 2배로증가하기때문에 245.76ms의 Inactive period를가진다. 이는 2절에언급된요구사항의전송지연에서의료분야를충족시킬수없다. 시뮬레이션의트래픽모델은다음과같다. 5개부터 50개까지의주기성을가진메디컬디바이스가다음과같은주기를 100ms (20%), 400ms (20%), 800ms (20%), 1s (20%), 10s (20%) 를각각가지고데이터를발생시키며, 매주기마다 40 Bytes를발생시킨다. 그룹 2와그룹 3을분류하는 α (aplha) 의초기값은 10으로설정된다. CE 디바이스는 5000 Bytes의데이터를일시적으로발생시키며, 이데이터는 MAC layer 최대크기인 127 Bytes로분할되며, 마지막분할데이터는남은 Bytes가된다. 성능평가를위한시뮬레이션은 C++ 를이용해구현되었다. 그림 6은 Dynamic CFP allocation과 Opportunity period가적용된제안하는 MAC과 IEEE 802.15.4 MAC의성능을비교한결과이다. 성능분석결과전송처리율 (throughput), CFP 이용률 (CFP utilization), 전송지연 (latency) 에서더나은성능을보이는결과를얻을수있었다. 그림 6의 (a) 는메디컬디바이스가 5개부터 50까지동일비율로증가할때의전송처리율을나타낸다. 이러한전송처리율의성능증가는제안된 2가지요소인dynamic CFP allocation과 Opportunity period에의한결과이다. 그림 6의 (b), (c) 의 CFP 이용률은전송성공데이터가어느구간을통해전송을완료했는지를나타낸다. 성능향상은 dynamic CFP allocation에의해 CFP 슬롯을효율적으로할당한방안에의한결과이며, 그림 6의 (d), (e) 의전송지연성능결과는 Opportunity period가낮은전송지연을요구하는디바이스에게적절하게활성화 (a) 전송처리율비교 ( 의료디바이스 ) (b) CFP 이용률 (IEEE 802.15.4) (c) CFP 이용률 ( 제안하는 MAC) 그림 6. 시뮬레이션결과 720 (d) 전송지연 ( 의료디바이스 ) (e) 전송지연 (CE 디바이스 )
논문 / DF(Dynamic and Flexible)-MAC : WBAN 을위한유연한 MAC 프로토콜 된채널을일시적으로제공했기때문이다. 제안하는 2 가지방안은 superframe의 6.25%(2 slot) 에해당되는 CFP allocation period와 OCDP의사용을통해에의해상이한특징을가지는다양한디바이스간의유연성이제공되어향상된성능을발휘하는것을확인할수있다. 그러나, superframe의 6.25%(2 slot) 만큼의추가전력이발생함을밝힌다. Ⅴ. 결론본논문에서는 WBAN의요구사항을분석하고, WBAN의요구사항을만족하는다양한디바이스간의유연성을제공하는하이브리드슈퍼프레임구조의 WBAN MAC 프로토콜을제안한다. 제안하는 MAC 프로토콜은최소한의 control frame을전송할수있는 CFP allocation period와 OCDP를통해 Dynamic CFP allocation과 Opportunity period를제공함으로써 CFP 슬롯을요구하는다수의디바이스에게동적으로 CFP 슬롯을할당하여효율을높이고, OCDP와 4-mode Opportunity period를제공하여일시적으로 Inactive period를활성화하여전송지연의유연성을제공한다. 제안하는 WBAN MAC 프로토콜은다양한시뮬레이션성능분석결과 IEEE 802.15.4 MAC과비교했을때전송효율성, CFP 이용률, 전송지연에서 WBAN 환경과디바이스의특징에따라유연성있게동작하여높은성능을나타내는성능분석결과를얻을수있었다. 참고문헌 [1] IEEE 802.15 WPAN Task Group 6 BAN: http:// www.ieee802.org/15/pub/tg6.html. [2] H. B. Li and R. Kohno, Introduction of SG-BAN in IEEE 802.15 with related discussion, Proc. IEEE International Conference on Ultra Wideband, pp.134-139, 2007. [3] O. Omeni, A. Wong, A. J. Burdett, and C. Toumazou, Energy efficient medium access protocol for wireless medical body area sensor networks," IEEE Trans. Biomedical Circuits and Systems., Vol.2, issue. 4, pp.251-259, Dec. 2008. [4] C. Min, P. Chenglin, G. Xingming, L. Jianmei, A novel MAC protocol for wireless physiological information sensor network, Medical Devices and Biosensors, 2007. 4th IEEE/EMBS International Summer School and Symposium on, pp.79-81, August 2007. [5] IEEE 802.15.4 Standard-2003, Part 15.4: Wireless Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), 2003 [6] A. Koubaa, M. Alves, and E. Tovar, i-game: An Implicit GTS Allocation Mechanism in IEEE 802.15.4 for Time-Sensitive Wireless Sensor Networks, Proc. 18th Euromicro Conf. Real-Time Systems (ECRTS 06), July 2006. [7] L. Cheng, A. G. Bourgeois, and X. Zhang, A new GTS allocation scheme for IEEE 802.15.4 networks with improved bandwidth utilization, Proc. ISCIT 2007, pp.1143-1148, Oct. 2007. [8] NICT's MAC proposal to IEEE 802.15.6 - document, IEEE P802-15-0814-01-0006. [9] Super-merged BAN Baseline for TG6, IEEE 80.15-09-0781-0006. [10] Samsung MAC proposal for IEEE 802.15 TG6 -Body Area Networks, IEEE P802.15-09-0344-01-0006 [11] Samsung-ETRI-CUNY-KETI-KORPA-Inha- CNU merged baseline Proposal for TG6, IEEE 802.15-09.0765-02-0006. [12] Preliminary WBAN proposal using IR-UWB (ETRI), IEEE 802.15-09-141-01-0006. [13] Proposal for Partial PHY and MAC including emergency management in IEEE 802.15.6, IEEE P802.15-09-0286-00-0006. [14] France Telecom / CEA / Thales final proposal, IEEE 802.15-09-0324.-02-0006 [15] MedWiN MAC and Security Proposal - Documentation, IEEE 802.15-09-0327-01-0006 [15] 802.15.6 Call for Applications - Response Summary, IEEE 802.15-08-0407-05-0006. [16] TG6 Technical Requirements Document (TRD), IEEE 802.15-08-0664-09-0006. 721
서영선 (Young-Sun Seo) 정회원 2008년 2월용인대학교컴퓨터공학과졸업 2010년 2월경희대학교컴퓨터공학과 ( 석사 ) 2010년 3월~현재 ( 주 ) 미디어코러스연구원 < 관심분야 > 임베디드시스템, 무선센서네트워크 김범석 (BeomSeok Kim) 준회원 2010년 2월경희대학교컴퓨터공학과졸업 2010년 3월~현재경희대학교컴퓨터공학과석사과정 < 관심분야 > 임베디드시스템, 무선센서네트워크 김대영 (Dae-Young Kim) 정회원 2004년 2월경희대학교컴퓨터공학과졸업 2006년 2월경희대학교컴퓨터공학과 ( 석사 ) 2010년 8월경희대학교컴퓨터공학과 ( 박사 ) 2010년 9월 현재 ( 주 ) LIG Nex1 선임연구원 < 관심분야 > 모바일네트워크, 센서네트워크, 임베디드시스템 조진성 (Jinsung Cho) 종신회원 1992년 2월서울대학교컴퓨터공학과졸업 1994년 2월서울대학교컴퓨터공학과 ( 석사 ) 2000년 2월서울대학교컴퓨터공학과 ( 박사 ) 1997년 4월~8 월 IBM T.J. Watson Research Center Visiting Researcher 1999년 9월 2003년 2월삼성전자책임연구원 2003년 3월 현재경희대학교컴퓨터공학과부교수 < 관심분야 > 모바일네트워크, 센서네트워크, 임베디드시스템 722