KR101437470B1 - Ｗｂａｎ ｍａｃ 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템 및 그 방법 - Google Patents

Ｗｂａｎ ｍａｃ 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템 및 그 방법 Download PDF

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KR101437470B1 KR1020120063398A KR20120063398A KR101437470B1 KR 101437470 B1 KR101437470 B1 KR 101437470B1 KR 1020120063398 A KR1020120063398 A KR 1020120063398A KR 20120063398 A KR20120063398 A KR 20120063398A KR 101437470 B1 KR101437470 B1 KR 101437470B1
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Abstract

본 발명은 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템 및 그 방법에 대한 것으로서, 특히 데이터의 중요도에 따라 레벨을 부여하고 이전 비콘 구간에서 전송이 지연된 데이터의 레벨 이상을 다음 비콘 구간에서 우선적으로 전송하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명은 경쟁구간을 우선순위 기반의 서브 구간으로 나누고, 각 서브 구간에서 채널 접근 할 수 있는 우선순위를 둠으로써, 동일한 시간에 채널에 접근하고자 하는 노드의 분산을 유도하여 전송지연, 전력소모량, 충돌률을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 경쟁 기반 채널 접근 방법을 사용하는 무선 네트워크로의 이식성을 높일 수 있다.

Description

ＷＢＡＮ ＭＡＣ 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템 및 그 방법{CONTROL SYSTEM OF THE PRIORITY-BASED CONTENTION PERIOD CHANNEL ACCESS FOR THE COMPLEXITY REDUCTION IN WIRELESS BODY AREA NETWORK MAC PROTOCOL AND METHOD THEREOF}
본 발명은 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템 및 그 방법에 대한 것으로서, 특히 데이터의 중요도에 따라 레벨을 부여하고 이전 비콘 구간에서 전송이 지연된 데이터의 레벨 이상을 다음 비콘 구간에서 우선적으로 전송하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
최근, 헬스케어와 라이프케어 등과 같은 서비스들이 각광받고 있다. 의료와 가전제품(Consumer Electronics, CE; 이하 CE라 함) 양쪽 서비스를 지원하는 무선 인체 영역 네트워크(Wireless Body Area Network, WBAN; 이하 WBAN이라 함)는 무선 사설망(WPAN)을 위한 차세대 무선 기술이 되었다. 코디네이터와 의료 장비들 및 CE 장치들로 구성된 WBAN은 의료와 비 의료 영역에서 다양한 서비스를 제공할 수 있다. WBAN 개발의 초기 단계에서, WPAN을 위한 전형적인 저 전원 프로토콜인 IEEE 802.15.4 프로토콜은 WBAN 서비스를 위해 고려되었다. IEEE 802.15.4가 WBAN을 위해서 고려된 이유는 낮은 데이터 전송률, 짧은 전송 범위 및 저 전력 소모를 제공하고 IEEE 802.15.6의 요구사항과 유사하기 때문이다. IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜은 비콘-가능 슈퍼프레임(beacon-enable superframe), 비콘-가능 논-슈퍼프레임(beacon-enable non-superframe), 및 논-비콘(non-beacon) 모드와 같은 프레임 구조의 3가지 모드를 제공한다. 비콘-가능 슈퍼프레임(beacon-enable superframe), 비콘-가능 논-슈퍼프레임(beacon-enable non-superframe)을 가진 IEEE 802.15.4와 논-비콘(non-beacon) 모드 양쪽 모두는 단지 경쟁 기반에서 작동된다. 한편, 비콘-가능 슈퍼프레임(beacon-enable superframe) 모드를 가진 IEEE 802.15.4는 활성 구간과 비활성 구간으로 구성된다. 활성 구간은 16개의 등가 크기 슬롯으로 나누어지고, CFP와 CAP로 구성된다. 게다가, 비활성 구간은 소비 전력을 감소시키는데 사용된다. 하지만, 비콘-가능 슈퍼프레임(beacon-enable superframe) 모드를 포함하는 IEEE 802.15.4는 추가적인 시간 동기화 부담을 필요로 하기 때문에, 비콘-가능 슈퍼프레임(beacon-enable superframe)과 논-비콘(non-beacon) 모드 양쪽을 가진 IEEE 802.15.4는 단지 실제에서만 사용된다.
한편, IEEE 802.15.6 태스크 그룹은 WBAN 표준으로 인정받았다. IEEE 802.15.6 태스크 그룹의 목적은 다양한 유비쿼터스 서비스를 제공할 수 있는 WBAN을 위해 PHY와 MAC(media access control) 프로토콜을 표준화하는 것이다. IEEE 802.15.6 태스크 그룹이 2011년 3월에 발표한 문서 초안은 PHY를 제공하기 위해, WBAN MAC 프로토콜은 CAPs와 CFPs로 구성된 혼성 슈퍼 프레임 기반 구조체를 가지고 있다. 우리는 현실에서 유일한 경쟁 기반형 채널 접근을 IEEE 802.15.4에서 사용하는 것과 유사하기 때문에 CAP에 채널 접근에 초점을 맞춘다.
일반적으로, CAP는 노드가 경쟁을 기반으로 작동하기 때문에 CFP보다 더 많은 에너지를 소모한다. 그러나, 상기에 언급된 CFP는 실 필드에서 사용되지 않는다. CAP의 초점에서, 우리는 후속 시나리오를 고려할 수 있다. 많은 노드가 좁은 영역에 빽빽하게 전개될 때, 경쟁 복잡성은 증가되고 그것은 높은 전력 소모와 충돌로 이어질 수 있다. 극단적-저전력을 요구한 WBAN 환경에서, 한편, 낮은 경쟁 복잡성은 소비 전력을 줄이는 것을 도울 수 있다. WBAN 네트워크는 인체의 3-5m 주변에서 최대 256 노드로 구성될 수 있어야 하고, 10개의 WBAN 네트워크의 최대는 공정한 대역 공유의 6×6×6㎥ 영역에서 공존해야 한다. 이러한 의미에서, 경쟁 복잡성, 충돌의 수와 소비 전력은 증가되어야 한다. 그러므로, WBAN의 경쟁 복잡성은 WBAN의 요구사항을 충족시키기 위한 가장 중요한 키 중 하나이다.
한편, WBAN 문서 초안은 백그라운드, 최선의 노력, 우수한 노력, 비디오, 음성, 의학 데이터 또는 네트워크 통제, 상위 우선순위 의학 데이터 또는 네트워크 통제, 응급 상황 또는 의료 사건 보고와 같은 다양한 패킷을 위한 8개 우선순위를 규정한다. 각각 우선순위는 WBANs의 서비스품질(QoS) 요구사항을 충족시키기 위해 우선순위 기반 채널 접근을 제공하기 위해 최대/최소 경쟁 윈도우와 경쟁 확률값을 구별했다.
IEEE 802.11도 마찬가지이다, 그러나, WBAN의 경쟁 복잡성은 최대 256 노드가 WBAN에 합류할 수 있고 노드가 좁은 영역에서 빽빽하게 활용되기 때문에 많은 충돌과 더 많은 소비 전력의 원인이 될 수 있다. 그러므로, WBAN 문서 초안에 규정된 우선순위 기반 채널 접근 정책은 또한 기본적 경쟁 복잡계(complex system)문제를 해결할 수 없다.
본 발명의 목적은 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 비콘을 사용하여 경쟁을 통해 통신을 수행하는 MAC 프로토콜에서, 상기 통신을 수행하는 장치에서 전송되는 패킷의 우선순위를 분류하고, 이전 비콘 구간에서 전송된 패킷의 지연을 검출하여 지연된 패킷 이상의 우선순위를 가진 장치(device)에 다음 비콘 구간에서의 패킷 전송 우선권을 부여하는 코디네이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템을 제공한다.
상기 코디네이터는, 상기 패킷의 우선순위를 분류하는 레벨 분류 모듈과, 상기 이전 비콘 구간에서 패킷 전송이 지연되었는지 확인하는 지연 확인 모듈과, 서브 구간으로 나누어진 전체 경쟁 구간에서 각 서브 구간 채널에 접근할 수 있는 패킷의 우선순위를 부여하는 우선순위 부여 모듈, 및 나누어진 각 서브 구간의 종료 시점을 정의하는 오프셋 모듈을 포함한다.
상기 패킷은 응급 패킷, 의료 패킷, 의료/CE 패킷, 및 CE 패킷을 포함하고, 상기 레벨 분류 모델은 상기 응급 패킷의 레벨을 0, 상기 의료 패킷의 레벨을 1, 상기 의료/CE 패킷의 레벨을 2, 상기 CE 패킷의 레벨을 3으로 분류하며, 상기 레벨의 우선순위는 0>1>2>3인 것이 바람직하다.
상기 지연 확인 모듈은 패킷의 평균 지연시간(
Figure 112012047125938-pat00001
)을 연산하여 패킷 전송이 지연되었는지 확인하며, 상기 평균 지연시간(
Figure 112012047125938-pat00002
)은,
Figure 112012047125938-pat00003
이고, 상기
Figure 112012047125938-pat00004
은 패킷의 레벨, 상기
Figure 112012047125938-pat00005
은 패킷 각각의 지연, 상기
Figure 112012047125938-pat00006
은 지연
Figure 112012047125938-pat00007
인 패킷의 개수이다.
상기 지연 확인 모듈은 구해진 평균 지연시간을 임계값(
Figure 112012047125938-pat00008
)과 비교하여 전송 지연을 판단하며, 상기 임계값(
Figure 112012047125938-pat00009
)은 상기 레벨 0, 1, 2는 125ms이며, 상기 레벨 3는 250ms인 것이 바람직하다.
상기 우선순위 부여 모듈은 상기 임계값(
Figure 112012047125938-pat00010
)을 넘어선 레벨의 패킷에 우선순위를 부여하여 서브 구간을 할당받도록 하며, 상기 서브 구간은 서브 구간의 레벨과 그 보다 높은 우선순위를 가지는 레벨만이 채널 접근할 수 있으며, 각 서브 구간은 우선순위가 높은 순서대로 정렬된다.
상기 오프셋 모듈은 오프셋(
Figure 112012047125938-pat00011
)을 연산하여 우선순위 부여 모듈에서 나누어진 각 서브 구간의 종료 시점을 정의하며, 상기 오프셋(
Figure 112012047125938-pat00012
)은
Figure 112012047125938-pat00013
이고, 상기
Figure 112012047125938-pat00014
은
Figure 112012047125938-pat00015
의 길이, 상기
Figure 112012047125938-pat00016
은 지연
Figure 112012047125938-pat00017
인 패킷의 개수, 상기
Figure 112012047125938-pat00018
은 슈퍼프레임의 전체 패킷 개수이다.
또한, 본 발명은 코디네이터에 포함된 레벨 분류 모듈로 패킷의 우선순위에 따라 레벨을 분류하는 단계와, 상기 코디네이터에 포함된 지연 확인 모듈로 하나의 비콘 주기에서 각 레벨의 패킷에 대한 평균 지연시간을 연산하여 패킷의 전송 지연을 확인하는 단계와, 우선순위 부여 모듈로 전체 경쟁 구간을 서브 구간으로 나누고, 전송이 지연된 패킷에 할당된 레벨 이상의 패킷에 다음 비콘의 서브 구간에서의 전송 우선순위를 부여하는 단계, 및 오프셋 모듈로 우선순위 부여 모듈에서 나누어진 각 서브 구간의 종료 시점을 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 방법을 제공한다.
상기 패킷은 응급 패킷, 의료 패킷, 의료/CE 패킷, 및 CE 패킷을 포함하고, 상기 레벨 분류 모델은 상기 응급 패킷의 레벨을 0, 상기 의료 패킷의 레벨을 1, 상기 의료/CE 패킷의 레벨을 2, 상기 CE 패킷의 레벨을 3으로 분류하며, 상기 레벨의 우선순위는 0>1>2>3인 것이 바람직하다.
상기 평균 지연시간(
Figure 112012047125938-pat00019
)은,
Figure 112012047125938-pat00020
이고, 상기
Figure 112012047125938-pat00021
은 패킷의 레벨, 상기
Figure 112012047125938-pat00022
은 패킷 각각의 지연, 상기
Figure 112012047125938-pat00023
은 지연
Figure 112012047125938-pat00024
인 패킷의 개수이다.
상기 코디네이터에 포함된 지연 확인 모듈로 하나의 비콘 주기에서 각 레벨의 패킷에 대한 평균 지연시간을 연산하여 패킷의 전송 지연을 확인하는 단계에서, 상기 지연 확인 모듈은 구해진 평균 지연시간을 임계값(
Figure 112012047125938-pat00025
)과 비교하여 전송 지연을 판단하며, 상기 임계값(
Figure 112012047125938-pat00026
)은 상기 레벨 0, 1, 2는 125ms이며, 상기 레벨 3는 250ms인 것이 바람직하다.
상기 우선순위 부여 모듈로 전체 경쟁 구간을 서브 구간으로 나누고, 전송이 지연된 패킷에 할당된 레벨 이상의 패킷에 다음 비콘의 서브 구간에서의 전송 우선순위를 부여하는 단계에서, 상기 우선순위 부여 모듈은 상기 임계값(
Figure 112012047125938-pat00027
)을 넘어선 레벨의 패킷에 우선순위를 부여하여 서브 구간을 할당받도록 하며, 상기 서브 구간은 서브 구간의 레벨과 그 보다 높은 우선순위를 가지는 레벨만이 채널 접근할 수 있으며, 각 서브 구간은 우선순위가 높은 순서대로 정렬된다.
상기 오프셋 모듈로 우선순위 부여 모듈에서 나누어진 각 서브 구간의 종료 시점을 정의하는 단계에서, 상기 오프셋 모듈은 오프셋(
Figure 112012047125938-pat00028
)을 연산하여 우선순위 부여 모듈에서 나누어진 각 서브 구간의 종료 시점을 정의하며, 상기 오프셋(
Figure 112012047125938-pat00029
)은
Figure 112012047125938-pat00030
이고, 상기
Figure 112012047125938-pat00031
은
Figure 112012047125938-pat00032
의 길이, 상기
Figure 112012047125938-pat00033
은 지연
Figure 112012047125938-pat00034
인 패킷의 개수, 상기
Figure 112012047125938-pat00035
은 슈퍼프레임의 전체 패킷 개수이다.
본 발명은 경쟁구간을 우선순위 기반의 서브 구간으로 나누고, 각 서브 구간에서 채널 접근 할 수 있는 우선순위를 둠으로써, 동일한 시간에 채널에 접근하고자 하는 노드의 분산을 유도하여 전송지연, 전력소모량, 충돌률을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 경쟁 기반 채널 접근 방법을 사용하는 무선 네트워크로의 이식성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템의 일 실시예.
도 3은 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템의 코디네이터의 pshuedo 코드.
도 4는 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템의 노드의 pshuedo 코드이다.
도 5는 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템과 기존의 IEEE 802.15.4 및 IEEE 802.15.6의 평균 지연을 비교한 그래프.
도 6은 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템과 기존의 IEEE 802.15.4 및 IEEE 802.15.6의 충돌률을 비교한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템과 기존의 IEEE 802.15.4 및 IEEE 802.15.6의 소비 전력을 비교한 그래프.
도 8은 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 방법의 순서도.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명하기로 한다.
그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 도면상의 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 1은 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템의 개념도이고, 도 2는 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템의 일 실시예이다.
본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 의료 장치와 의료/CE 혼합 장치 및 CE 장치 등의 통신을 수행하는 장치에서 전송되는 패킷의 우선순위를 분류하고, 이전 비콘 구간에서 전송된 패킷의 지연을 검출하여 지연된 패킷 이상의 우선순위를 가진 장치(device)에 다음 비콘 구간에서의 패킷 전송 우선권을 부여하는 코디네이터(100)를 포함한다.
코디네이터(100)는 패킷의 우선순위를 분류하는 레벨 분류 모듈(120)과, 이전 구간의 패킷 전송 시간에 따라 전송이 지연되었는지 확인하는 지연 확인 모듈(140)과, 서브 구간으로 나누어진 전체 경쟁 구간에서 각 서브 구간 채널에 접근할 수 있는 패킷의 우선순위를 부여하는 우선순위 부여 모듈(160), 및 나누어진 각 서브 구간의 종료 시점을 정의하는 오프셋 모듈(180)을 포함한다.
레벨 분류 모듈(120)은 MAC 프로토콜에서 통신에 의해 전송되는 패킷의 우선순위에 따라 레벨을 분류한다. 여기서 우선순위는 의료용 서비스, 일반적인 건강 서비스, 낮은 우선순위의 의료/비의료 혼재 서비스, 비의료 서비스로 분류할 수 있다. 본 실시예에서는 MAC 프로토콜 내에서 의료 장비와 비 의료 장비들이 코디네이터(100)(coordinator)를 통해 통신을 수행할 때 전송되는 패킷을 응급 데이터, 의료 데이터, 의료/CE 데이터, CE 데이터로 분류한다. 또한, 이에 따라 의료 장비에서 전송되는 패킷 중 응급 데이터의 경우는 레벨0(Level 0), 일반적인 의료 데이터는 레벨1(Level 1), 의료 데이터와 CE 데이터가 혼합된 의료/CE 데이터는 레벨2(Level 2), CE 데이터는 레벨3(Level 3)을 부여할 수 있다.
지연 확인 모듈(140)은 하나의 비콘 주기에서 각 레벨의 평균 지연시간인
Figure 112012047125938-pat00036
을 연산하여 지연(Delay)을 확인한다. 여기서 평균 지연시간(
Figure 112012047125938-pat00037
)은 아래의 수학식 1과 같이 표현된다.
Figure 112012047125938-pat00038
수학식 1에서,
Figure 112012047125938-pat00039
은 패킷의 레벨을 의미하고,
Figure 112012047125938-pat00040
은 패킷 각각의 지연을 의미한다. 또한,
Figure 112012047125938-pat00041
은 지연
Figure 112012047125938-pat00042
인 패킷의 개수를 의미한다.
지연 확인 모듈(140)에서 패킷의 전송 지연을 확인하기 위해서는 복잡도 감소를 위해 전체 경갠 구간을 서브 구간으로 나누는 기준이 되는 전송지연 임계값(
Figure 112012047125938-pat00043
)을 정의해야 한다. 이는 WBAN TRD(Technical Requirement Document)에서 의료 및 비의료 서비스에서의 최대 전송 지연 요구사항을 각각 125ms, 250ms로 정의하고 있으므로, 본 발명 역시 의료 서비스를 포함하는 레벨0, 레벨1 및 레벨2는 125ms, 비의료 서비스만을 포함하는 레벨3은 250ms로 전송 지연 임계값(
Figure 112012047125938-pat00044
)을 정의한다. 물론, 이는 WBAN TRD에서의 최대 전송 지연 요구사항이 변경될 경우 이에 대응하여 변경될 수 있다.
우선순위 부여 모듈(160)은 경쟁 복잡도를 감소시키기 위해 전체 경쟁 구간을 서브 구간으로 나누고 각 서브 구간에서 채널에 접근할 수 있는 패킷 우선순위를 부여한다. 즉, 전송 지연 임계값(
Figure 112012047125938-pat00045
)을 넘어선 각 레벨은 서브 구간을 할당받으며, 각 서브 구간은 서브 구간의 레벨과 그보다 높은 우선순위를 가지는 레벨만이 채널 접근을 할 수 있다. 또한, 각 서브 구간은 우선순위가 높은 순서대로 정렬되며, 이는 동일 시간에 채널에 접근하고자 하는 노드의 수를 분산시킨다.
오프셋 모듈(180)은 우선순위 부여 모듈(160)에서 나누어진 각 서브 구간의 종료 시점을 정의하며, 이는 오프셋(
Figure 112012047125938-pat00046
)으로 정의된다. 또한, 각 레벨의 오프셋은 코디네이터(100)가 직전의 비콘 간격(beacon interval) 동안 받은 전체 패킷 수 대비 각 레벨의 패킷 수만큼으로 계산되며, 해당 서브 구간보다 한 단계 더 높은 우선순위를 가지는 서브 구간인
Figure 112012047125938-pat00047
을 더한다. 여기서, 오프셋(
Figure 112012047125938-pat00048
)은 아래의 수학식 2와 같이 구할 수 있다.
Figure 112012047125938-pat00049
수학식 2에서,
Figure 112012047125938-pat00050
은
Figure 112012047125938-pat00051
의 길이를 의미하고,
Figure 112012047125938-pat00052
은 지연
Figure 112012047125938-pat00053
인 패킷의 개수이다. 또한,
Figure 112012047125938-pat00054
은 슈퍼프레임의 전체 패킷 개수이다.
도 3은 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템의 코디네이터(100)의 pshuedo 코드이고, 도 4는 노드의 pshuedo 코드이다.
도 3과 도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제안된 알고리듬을 사용하는 것에 의해, 경쟁 복잡성과 소비 전력을 감소시킬 것으로 기대할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 경쟁구간을 우선순위 기반의 서브 구간으로 나누고, 각 서브 구간에서 채널 접근 할 수 있는 우선순위를 둠으로써, 동일한 시간에 채널에 접근하고자 하는 노드의 분산을 유도하여 전송지연, 전력소모량, 충돌률을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 경쟁 기반 채널 접근 방법을 사용하는 무선 네트워크로의 이식성을 높일 수 있다.
다음은 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템을 적용한 시뮬레이션에 대해 도면을 참조하여 설명한다.
본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템의 성능을 평가하는데 IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜과 WBAN 베이스라인 MAC 프로토콜과 비교하였다. 시뮬레이터는 OMNeT++으로 시행하였다.
우선, PHY 모델을 위해, ISM 대역, O-QPSK 변조, 2,000kcps 칩 레이트와 250kbps 데이터 레이트를 가정한다. 이러한 조건은 비교대상인 IEEE 802.15.4 역시 동일하다. 비교를 위해 이용된 프로토콜은 모두 비콘-가능 논-슈퍼프레임(beacon-enable non-superframe) 구조 모드에 기반을 두고 BO와 SO 값은 각각 슈퍼프레임 길이와 활동적 주기 길이를 결정하고 페어를 위해 WBAN 서비스의 요구사항을 평가하고 충족시킨다. 각 라운드 시간은 122.88ms를 의미하는 BO=3으로 놓았다. 그리고 1,000 라운드의 시뮬레이션을 수행하였다.
트래픽 모형에서, 12채널 심전도검사(심전도)(250Hz), 호흡 비율(50Hz), 동맥 압력(120Hz) 그리고 호흡 비율(20Hz)을 위한 의료 기기의 4가지 타입이 존재한다. 이러한 장치는 주기적으로 40 바이트의 패킷을 보낸다. 응급 패킷은 무작위로 발생하고, 이러한 패킷 크기는 일반적인 의료 데이터와 같다. 대조적으로, CE 장치는 산발적으로 2500bytes의 메시지를 보낸다. 메시지는 IEEE 802.15.4에서 최대 사이즈인 127bytes의 MAC 계층 패킷으로 나누어진다.
네트워크 토폴로지의 모델에서, 본 시뮬레이션은 모든 노드가 무작위로 코디네이터의 주위에 있는 5m의 내부에 배치된다고 가정한다. 네트워크 토폴로지는 스타-토폴로지고 데이터는 원홉(one-hop)으로 전송되며 모든 노드는 무한한 배터리를 가지고 있다고 가정한다. 그리고, 싱글 WBAN은 단지 네트워크 수준의 이동성을 가지고 있기 때문에 노드의 이동성이 존재하지 않는다고 가정한다. 랜덤 백오프 지수와 경쟁 윈도 값은 IEEE 802.15.4에서 우선되지 않는다. 그러나, WBAN 베이스라인 MAC 프로토콜과 본 발명에 따른 알고리즘은 IEEE 802.15.6 초안에서 규정된 우선순위 기반 경쟁 윈도우값을 이용한다.
이하에서는 본 시뮬레이션에서 평균 지연, 충돌률과 소비 전력의 비교 인자를 고려한 결과와 분석에 대해 살펴본다.
도 5는 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템과 기존의 IEEE 802.15.4 및 IEEE 802.15.6의 평균 지연을 비교한 그래프이다.
도 5를 참조하면, IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜에서 우선순위 기반 채널 접근 정책 없이 슬롯 CSMA/ca를 작동시킨다. 따라서, 도 5에 나타난 바와 같이, IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜의 평균 지연은 가장 큰 지연을 가지고 있다. 그러나, 802.15.6 베이스라인 MAC 프로토콜이 수행한 제안된 알고리즘과 IEEE 802.15.6이 채널에 접근하기 위한 우선순위 기반 채널 접근 정책을 가진 CSMA/CA를 기반으로 하기 때문에 IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜보다 더 낮은 평균 지연을 획득할 수 있다. 한편, 본 발명은 4-레벨로 패킷의 우선순위를 분류한다. 4-레벨로 패킷의 우선순위를 분류하는 것이 경쟁 복잡성을 감소시킬 수 있기 때문에, MAC 프로토콜을 기반으로 한 IEEE 802.15.6보다 낮은 평균 지연을 보여준다.
도 6은 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템과 기존의 IEEE 802.15.4 및 IEEE 802.15.6의 충돌률을 비교한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 각 노드는 slotted CSMA/CA 매커니즘과 경쟁한다. 일반적으로, 두 개 이상의 노드가 동일한 시간에 데이터를 전송할 때, 충돌이 발생한다. 네트워크가 다수의 노드를 포함하면, 충돌의 수는 증가된다. 노드가 우선적 경쟁 윈도우(Contention Window, CW)의 정책 없이 채널에 접근하기 때문에, IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜은 각각 수많은 충돌을 보여준다. 특히, 네트워크가 30개 노드를 포함할 때, 충돌률은 우선적 정책 없이 slotted-CSMA/CA가 경쟁 복잡계(complex system) 문제를 해결하지 않기 때문에 급격하게 증가한다. 다른 한편, IEEE 802.15.6 베이스라인 MAC 프로토콜과 제안된 알고리즘의 충돌수는 우선적 CCA(clear channel assessment)와 랜덤 백 오프 때문에 IEEE 802.15.4보다 낮다. 하지만, IEEE 802.15.6 베이스라인 MAC 프로토콜은 높은 경쟁 복잡성의 문제를 다룰 수 없다. 네트워크가 50개 노드를 포함할 때, 충돌률은 IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜과 같이 급격하게 증가한다. 그러나, 본 발명은 우선순위 기반 분류된 채널 액세스가 채널 복잡성을 분산시킬 수 있으며, 이에 따라 충돌률을 감소시킬 수 있기 때문에 낮은 충돌률을 제공한다.
도 7은 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템과 기존의 IEEE 802.15.4 및 IEEE 802.15.6의 소비 전력을 비교한 그래프이다.
도 7을 참조하면, 일반적으로, 소비 전력은 충돌과 재전송에 의해 증가된다. IEEE 802.15.4는 모든 노드가 경쟁 윈도우와 지연 지수 값과 같은 경쟁을 위한 동일 조건으로 작동하기 때문에 높은 전력 소모를 보여준다. 더욱이, 높은 경쟁 복잡성은 동시에 수많은 충돌된 노드를 증가시키에 손해를 끼치고 그것은 수많은 재전송을 만든다. 그러므로, IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜의 소비 전력은 급격하게 증가된다. 한편, IEEE 802.15.6 베이스라인 MAC 프로토콜과 제안된 알고리즘은 소비 전력이 더 적다. IEEE 802.15.6 베이스라인 MAC 프로토콜과 본 발명을 비교한 결과의 이유는 그들은 구분된 경쟁 윈도와 백오프 지수 값을 가진 우선된 채널 접근을 제공하기 때문이다. 더욱이, 본 발명에서 제안된 알고리즘은 채널 복잡성을 분산시키고 경쟁 복잡성을 감소시킬 수 있고 그것은 수많은 충돌과 재전송을 감소시키는 것을 돕는다. 그 결과, 본 발명에서 제안된 알고리즘은 IEEE 802.15.4와 IEEE 802.15.6 베이스라인 MAC 프로토콜과의 비교에 의해 가장 낮은 소비 전력을 보여준다.
다음은 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 방법에 대해 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 후술할 내용 중 전술된 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템의 설명과 중복되는 내용은 생략하거나 간략히 설명하기로 한다.
도 8은 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 방법의 순서도이다.
본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 방법은 도 8에 도시된 바와 같이, 레벨을 분류하는 단계(S1)와, 패킷의 전송 지연을 확인하는 단계(S2)와, 패킷의 우선순위를 부여하는 단계(S3), 및 서브 구간의 종료 시점을 정의하는 단계(S4)를 포함한다.
레벨을 분류하는 단계(S1)는 코디네이터에 포함된 레벨 분류 모듈로 MAC 프로토콜에서 통신에 의해 전송되는 패킷의 우선순위에 따라 레벨을 분류한다. 이는 전술된 본 발명에 따른 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템에서 언급된 바와 같이, 응급 데이터의 경우는 레벨0(Level 0), 일반적인 의료 데이터는 레벨1(Level 1), 의료 데이터와 CE 데이터가 혼합된 의료/CE 데이터는 레벨2(Level 2), CE 데이터는 레벨3(Level 3)을 부여할 수 있다.
패킷의 전송 지연을 확인하는 단계(S2)는 코디네이터에 포함된 지연 확인 모듈로 하나의 비콘 주기에서 각 레벨의 평균 지연시간인
Figure 112012047125938-pat00055
을 연산하여 지연(Delay)을 확인한다. 평균 지연시간은 전술된 수학식 1과 같다. 또한, 패킷의 전송 지연을 확인하기 위해서 지연 확인 모듈은 전송지연 임계값(
Figure 112012047125938-pat00056
)을 정의하며, 이는 전술된 바와 같이 역시 의료 서비스를 포함하는 레벨0, 레벨1 및 레벨2는 125ms, 비의료 서비스만을 포함하는 레벨3은 250ms로 전송 지연 임계값(
Figure 112012047125938-pat00057
)을 정의한다.
패킷의 우선순위를 부여하는 단계(S3)는 코디네이터에 포함된 우선순위 부여 모듈로 전체 경쟁 구간을 서브 구간으로 나누고 각 서브 구간에서 채널에 접근할 수 있는 패킷 우선순위를 부여한다. 이때, 우선순위의 부여는 전송 지연 임계값(
Figure 112012047125938-pat00058
)을 초과한 레벨이 다음 비콘 서브 구간에서의 전송 우선권을 갖게 되며, 각 서브 구간은 서브 구간의 레벨과 그보다 높은 우선순위를 가지는 레벨만이 채널 접근을 할 수 있다. 즉, 전송 지연 임계값(
Figure 112012047125938-pat00059
)을 초과한 레벨 이상의 레벨을 보유한 패킷만이 다음 비콘 서브 구간에서의 전송 우선권을 해당 레벨 순으로 갖게 된다.
서브 구간의 종료 시점을 정의하는 단계(S4)는 오프셋 모듈로 우선순위 부여 모듈에서 나누어진 각 서브 구간의 종료 시점을 정의한다. 이는 오프셋(
Figure 112012047125938-pat00060
)으로 정의되며, 전술된 수학식 2와 같다.
이상에서는 도면 및 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허청구범위에 기재된 본 발명의 기술적 사상으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
100: 코디네이터 120: 레벨 분류 모듈
140: 지연 확인 모듈 160: 우선순위 부여 모듈
180: 오프셋 모듈

Claims (13)

  1. 비콘을 사용하여 경쟁을 통해 통신을 수행하는 MAC 프로토콜에서,
    상기 통신을 수행하는 장치에서 전송되는 패킷의 우선순위를 분류하는 레벨 분류 모듈과, 이전 비콘 구간에서 전송된 패킷의 전송이 지연되었는지 확인하는 지연 확인 모듈과, 상기 지연 확인 모듈에서 지연이 확인된 패킷 이상의 우선순위를 가진 장치(device)에 다음 비콘 구간의 서브 구간으로 나누어진 전체 경쟁 구간에서 각 서브 구간 채널에 접근할 수 있는 패킷의 우선순위를 부여하는 우선순위 부여 모듈, 및 나누어진 각 서브 구간의 종료 시점을 정의하는 오프셋 모듈을 가지는 코디네이터를 포함하는 것을 특징으로 하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템.
  2. 삭제
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 패킷은 응급 패킷, 의료 패킷, 의료/CE 패킷, 및 CE 패킷을 포함하고,
    상기 레벨 분류 모델은 상기 응급 패킷의 레벨을 0, 상기 의료 패킷의 레벨을 1, 상기 의료/CE 패킷의 레벨을 2, 상기 CE 패킷의 레벨을 3으로 분류하며,
    상기 레벨의 우선순위는 0>1>2>3인 것을 특징으로 하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 지연 확인 모듈은 패킷의 평균 지연시간(
    Figure 112012047125938-pat00061
    )을 연산하여 패킷 전송이 지연되었는지 확인하며,
    상기 평균 지연시간(
    Figure 112012047125938-pat00062
    )은,
    Figure 112012047125938-pat00063

    이고,
    상기
    Figure 112012047125938-pat00064
    은 패킷의 레벨,
    상기
    Figure 112012047125938-pat00065
    은 패킷 각각의 지연,
    상기
    Figure 112012047125938-pat00066
    은 지연
    Figure 112012047125938-pat00067
    인 패킷의 개수인 것을 특징으로 하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 지연 확인 모듈은 구해진 평균 지연시간을 임계값(
    Figure 112012047125938-pat00068
    )과 비교하여 전송 지연을 판단하며,
    상기 임계값(
    Figure 112012047125938-pat00069
    )은 상기 레벨 0, 1, 2는 125ms이며, 상기 레벨 3는 250ms인 것을 특징으로 하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템.
  6. 청구항 5에 있어서,
    상기 우선순위 부여 모듈은 상기 임계값(
    Figure 112014042757217-pat00070
    )을 넘어선 레벨의 패킷에 우선순위를 부여하여 서브 구간을 할당받도록 하며,
    상기 서브 구간은 서브 구간의 레벨과 그 보다 높은 우선순위를 가지는 레벨만이 채널 접근할 수 있으며, 각 서브 구간은 우선순위가 높은 순서대로 정렬되는 것을 특징으로 하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 오프셋 모듈은 오프셋(
    Figure 112012047125938-pat00071
    )을 연산하여 우선순위 부여 모듈에서 나누어진 각 서브 구간의 종료 시점을 정의하며,
    상기 오프셋(
    Figure 112012047125938-pat00072
    )은,
    Figure 112012047125938-pat00073

    이고,
    상기
    Figure 112012047125938-pat00074
    은
    Figure 112012047125938-pat00075
    의 길이,
    상기
    Figure 112012047125938-pat00076
    은 지연
    Figure 112012047125938-pat00077
    인 패킷의 개수,
    상기
    Figure 112012047125938-pat00078
    은 슈퍼프레임의 전체 패킷 개수인 것을 특징으로 하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 시스템.
  8. 코디네이터에 포함된 레벨 분류 모듈로 패킷의 우선순위에 따라 레벨을 분류하는 단계와,
    상기 코디네이터에 포함된 지연 확인 모듈로 하나의 비콘 주기에서 각 레벨의 패킷에 대한 평균 지연시간을 연산하여 패킷의 전송 지연을 확인하는 단계와,
    우선순위 부여 모듈로 전체 경쟁 구간을 서브 구간으로 나누고, 전송이 지연된 패킷에 할당된 레벨 이상의 패킷에 다음 비콘의 서브 구간에서의 전송 우선순위를 부여하는 단계, 및
    오프셋 모듈로 우선순위 부여 모듈에서 나누어진 각 서브 구간의 종료 시점을 정의하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 방법.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 패킷은 응급 패킷, 의료 패킷, 의료/CE 패킷, 및 CE 패킷을 포함하고,
    상기 레벨 분류 모델은 상기 응급 패킷의 레벨을 0, 상기 의료 패킷의 레벨을 1, 상기 의료/CE 패킷의 레벨을 2, 상기 CE 패킷의 레벨을 3으로 분류하며,
    상기 레벨의 우선순위는 0>1>2>3인 것을 특징으로 하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 방법.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 평균 지연시간(
    Figure 112012047125938-pat00079
    )은,
    Figure 112012047125938-pat00080

    이고,
    상기
    Figure 112012047125938-pat00081
    은 패킷의 레벨,
    상기
    Figure 112012047125938-pat00082
    은 패킷 각각의 지연,
    상기
    Figure 112012047125938-pat00083
    은 지연
    Figure 112012047125938-pat00084
    인 패킷의 개수인 것을 특징으로 하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 방법.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 코디네이터에 포함된 지연 확인 모듈로 하나의 비콘 주기에서 각 레벨의 패킷에 대한 평균 지연시간을 연산하여 패킷의 전송 지연을 확인하는 단계에서,
    상기 지연 확인 모듈은 구해진 평균 지연시간을 임계값(
    Figure 112012047125938-pat00085
    )과 비교하여 전송 지연을 판단하며,
    상기 임계값(
    Figure 112012047125938-pat00086
    )은 상기 레벨 0, 1, 2는 125ms이며, 상기 레벨 3는 250ms인 것을 특징으로 하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 방법.
  12. 청구항 11에 있어서,
    상기 우선순위 부여 모듈로 전체 경쟁 구간을 서브 구간으로 나누고, 전송이 지연된 패킷에 할당된 레벨 이상의 패킷에 다음 비콘의 서브 구간에서의 전송 우선순위를 부여하는 단계에서,
    상기 우선순위 부여 모듈은 상기 임계값(
    Figure 112014042757217-pat00087
    )을 넘어선 레벨의 패킷에 우선순위를 부여하여 서브 구간을 할당받도록 하며,
    상기 서브 구간은 서브 구간의 레벨과 그 보다 높은 우선순위를 가지는 레벨만이 채널 접근할 수 있으며, 각 서브 구간은 우선순위가 높은 순서대로 정렬되는 것을 특징으로 하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 방법.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 오프셋 모듈로 우선순위 부여 모듈에서 나누어진 각 서브 구간의 종료 시점을 정의하는 단계에서,
    상기 오프셋 모듈은 오프셋(
    Figure 112012047125938-pat00088
    )을 연산하여 우선순위 부여 모듈에서 나누어진 각 서브 구간의 종료 시점을 정의하며,
    상기 오프셋(
    Figure 112012047125938-pat00089
    )은,
    Figure 112012047125938-pat00090

    이고,
    상기
    Figure 112012047125938-pat00091
    은
    Figure 112012047125938-pat00092
    의 길이,
    상기
    Figure 112012047125938-pat00093
    은 지연
    Figure 112012047125938-pat00094
    인 패킷의 개수,
    상기
    Figure 112012047125938-pat00095
    은 슈퍼프레임의 전체 패킷 개수인 것을 특징으로 하는 WBAN MAC 프로토콜에서 복잡도 감소를 위한 우선순위 기반 경쟁구간 채널 접근 제어 방법.
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