KR101509224B1 - 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템 - Google Patents

무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템 Download PDF

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조진성
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김자룡
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경희대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 무선 인체 영역 네트워크에 대한 것으로서, 특히 스타 토폴로지와 메시 토폴로지가 결합된 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜에 관한 것이다. 본 발명은 메쉬 토폴로지 형태로 접속된 데이터 집계 노드 및 싱크 노드와, 상기 데이터 집계 노드에 데이터를 전송하며, 스타 토폴로지 형태로 데이터 집계 노드에 접속된 리프 노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템을 제공한다. 또한, 이에 따라서, 본 발명은 스타 토폴로지와 메시 토폴로지를 결합하고 싱글-라디오에 기반을 두고 설계하여 데이터 대기 시간을 감소시킬 수 있는 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜을 제공할 수 있다.

Description

무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템{MAC PROTOCOL SYSTEM BASED ON STAR TOPOLOGY AND MESH TOPOLOGY IN WIRELESS BODY AREA NETWORK}
본 발명은 무선 인체 영역 네트워크에 대한 것으로서, 특히 스타 토폴로지와 메시 토폴로지가 결합된 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜에 관한 것이다.
최근 고령화 사회에 접어들면서 건강관리에 대한 관심이 높아지고 있다. 또한 초소형 센서를 내장한 통신장비들이 개발되면서 개인의 건강관리를 위한 연구에 사용되고 있다. 건강에 관한 관심으로 인해 2007년부터 WBAN이라는 IEEE 802.15.6 표준화 작업이 진행되었고 2012년에 완료되었다. WBAN은 초소형 장비를 이용하여 인체 내부와 외부에서 신체의 변화나 현재 상태를 검사하고, 실시간으로 신뢰성 있는 의료용 서비스 제공을 목적으로 하는 무선 통신 기술이다. 하지만, 인체를 실시간으로 검사하기 위해 초소형 장비가 사람의 몸에 부착되거나 몸 안에 내장되기 때문에 저전력을 요구한다. 또한, 의료용 데이터 제공을 목적으로 하기 때문에 낮은 전송지연이 요구된다.
기존의 WBAN은 싱글 채널을 이용한 맥 프로토콜을 사용하였다. 하지만, 싱글 채널은 채널 효율성을 낮추기 때문에 전송지연이 길어지는 문제가 발생하여 이를 해결하기 위한 방안들이 다양하게 제안되고 있다. 한편, WSN 환경에서는 낮은 전송지연을 제공하기 위해 단일/다중 라디오를 활용한 멀티 채널 맥 프로토콜들이 제안되고 있다. 하지만, WBAN에서 많이 활용되는 ZigBee 장비는 단일 라디오를 사용하기 때문에 다중 라디오 멀티 채널 맥 프로토콜은 적용하기 힘든 문제점이 있다.
대한민국 등록특허 제1003173호(2010.06.22. 공개)
본 발명의 목적은 데이터 대기 시간을 감소시킬 수 있는 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위해 본 발명은 메쉬 토폴로지 형태로 접속된 데이터 집계 노드 및 싱크 노드와, 상기 데이터 집계 노드에 데이터를 전송하며, 스타 토폴로지 형태로 데이터 집계 노드에 접속된 리프 노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템을 제공한다.
상기 데이터 집계 노드는 채널수가 자신의 GTS(Guaranteed Time Slot) 시작 슬롯과 상이한 경우, 데이터를 집계한다. 상기 데이터 집계 노드는 채널수가 자신의 시작 슬롯과 동일한 경우, 하나의 GTS 슬롯을 이용하여 집계된 데이터를 전송한다. 상기 싱크 노드는 채널수가 0일 때, 데이터 집계 노드와 리프 노드에 비콘 신호를 전송하고, 상기 채널수가 0을 초과하며, 채널수가 GTS 시작 슬롯과, GTS 시작 슬롯을 GTS 길이와 합한 값의 사이일 때 싱크 노드를 제외한 모든 노드는 자신의 목적지로 데이터를 전송한다.
상기 비콘 신호는 상기 리프 노드와 상기 데이터 집계 노드가 사용하는 고유 번호 정보를 포함하며, 상기 리프 노드와 상기 데이터 집계 노드의 GTS 시작 슬롯은 상기 고유 번호에 대응한다.
본 발명은 스타 토폴로지와 메시 토폴로지를 결합하고 싱글-라디오에 기반을 두고 설계하여 데이터 대기 시간을 감소시킬 수 있는 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템의 개념도.
도 2는 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에 따른 의사코드 알고리즘.
도 3은 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에 따른 신호 프레임 구조.
도 4는 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에서 GTS 시작 슬롯을 할당하는데 사용되는 알고리즘.
도 5는 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에서 통신하는 각 노드의 흐름 알고리즘.
도 6은 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템의 데이터 집계 프로세스.
도 7은 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에서 사용된 트랜시버.
도 8은 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에 따른 슈퍼프레임 구조도.
도 9는 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에서 데이터 지연 방정식에 따른 데이터 지연 그래프.
도 10은 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에서 데이터 크기 방정식으로 세팅된 슈퍼프레임의 비콘 순서와 슈퍼프레임 순서에 대한 실험 결과 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에서 데이터 크기 방정식에 따른 데이터 크기의 추이 그래프.
도 12는 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템과 기준 MAC에 따른 데이터 크기의 실험 결과 그래프이다.
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 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템의 개념도이다.
본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템은 도 1에 도시된 바와 같이, 메쉬 토폴로지 형태로 접속된 데이터 집계 노드(DA-node, 100) 및 싱크 노드(Sink node, 200)와, 데이터 집계 노드(100)에 데이터를 전송하며 스타 토폴로지 형태로 데이터 집계 노드(100)에 접속된 리프 노드(L-node, 300)를 포함한다.
리프 노드(300)는 데이터 집계 노드(100)에 접속되어 데이터 집계 노드(100)에 데이터를 전송한다. 이러한 리프 노드(300)는 데이터 집계 노드(100)에 적어도 하나 이상이 접속된다. 본 실시예는 리프 노드(300)로 제 4 내지 제 14 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00001
)를 예시한다.
데이터 집계 노드(100)는 리프 노드(300)에서 전송되는 데이터를 수집한다. 또한, 데이터 집계 노드(100)는 다수개가 서로 메쉬 형태로 연결되며, 다수개의 데이터 집계 노드 각각에 적어도 하나 이상의 리프 노드(300)가 나뭇잎처럼 연결된다. 본 실시예는 데이터 집계 노드(100)로 3개의 데이터 집계 노드, 즉, 제 1 데이터 집계 노드(
Figure 112014035288229-pat00002
)와 제 2 데이터 집계 노드(
Figure 112014035288229-pat00003
) 및 제 3 데이터 집계 노드(
Figure 112014035288229-pat00004
)를 예시한다. 또한, 싱크 노드(200)에는 제 4 및 제 8 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00005
)가 접속되며, 제 1 데이터 집계 노드(
Figure 112014035288229-pat00006
)에는 제 5 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00007
)와 제 9 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00008
), 제 12 및 제 14 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00009
가 접속되는 것을 예시한다. 제 2 데이터 집계 노드(
Figure 112014035288229-pat00010
)에는 제 6 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00011
)와 제 10 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00012
) 및 제 13 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00013
)가 접속되며, 제 3 데이터 집계 노드(
Figure 112014035288229-pat00014
)에는 제 7 및 제 11 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00015
,
Figure 112014035288229-pat00016
)가 접속되는 것을 예시한다.
여기서, 데이터 집계 노드(100)의 개수는 아래의 수학식 1에 의해 정의된다.
Figure 112014035288229-pat00017
수학식 1에서
Figure 112014035288229-pat00018
는 채널의 개수를 의미하며, 채널의 개수-1에 해당하는 개수의 노드들이 데이터 집계 노드(
Figure 112014035288229-pat00019
)로 지정된다.
또한, 리프 노드(300)의 개수는 아래의 수학식 2에 의해 정의된다.
Figure 112014035288229-pat00020
여기서,
Figure 112014035288229-pat00021
은 싱크 노드(200)를 제외한 노드의 개수이며,
Figure 112014035288229-pat00022
는
Figure 112014035288229-pat00023
보다 작은 가장 큰 정수를 의미한다. 즉, 수학식 2에 해당하는 개수의 노드들은 싱크 노드(200)와 데이터 집계 노드(100)들의 스타 토폴로지에 순차적으로 한 개씩 참여한다. 예를 들어,
Figure 112014035288229-pat00024
가 4일 경우 제 4 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00025
)는 싱크 노드(200)에 참여하고, 제 5 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00026
)는 제 1 데이터 집계 노드(
Figure 112014035288229-pat00027
)에 참여한다. 또한, 제 6 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00028
)는 제 2 데이터 집계 노드(
Figure 112014035288229-pat00029
)에 참여하며, 제 7 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00030
)는 제 3 데이터 집계 노드(
Figure 112014035288229-pat00031
)에 참여한다. 또한, 이러한 프로세스를 반복한다.
남은 리프 노드들은 마지막 데이터 집계 노드(
Figure 112014035288229-pat00032
)를 제외한 데이터 집계 노드에 순차적으로 참여하며, 데이터 집계 노드에 참여한 노드들은
Figure 112014035288229-pat00033
에서
Figure 112014035288229-pat00034
사이에서
Figure 112014035288229-pat00035
(노드
Figure 112014035288229-pat00036
의 고유번호)를 가진다. 이러한 작업이 끝나면, 싱크 노드(200)와 데이터 집계 노드(100)는 메쉬 토폴로지를 구성한다.
도 2는 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에 따른 의사코드 알고리즘이다.
본 발명에 따른 의사코드(pseudo-code)의 알고리듬은 도2와 같다. 전술된 구성이 완료되면 데이터 전송은 아래와 같이 수행된다.
먼저, 스타 토폴로지의 각 코디네이터인 싱크 노드(200)와 데이터 집계 노드(100)는 리프 노드(300)로부터 데이터를 수신한다. 이때, 몇몇의 리프 노드는 각 리프 노드에 할당한 다른 채널이며 동일한 시간 보장 슬롯(Guaranteed Time Slot, GTS)을 사용한다. 도 2를 참조하면, 제 4 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00037
), 제 5 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00038
), 제 6 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00039
), 제 7 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00040
)는 처음으로 전송되는 데이터이며, 동일한 시간 보장 슬롯과 상이한 채널을 사용한다. 또한, 제 8 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00041
), 제 9 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00042
), 제 10 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00043
), 제 11 리프 노드(
Figure 112014035288229-pat00044
)는 두 번째로 전송되는 데이터이며 이 역시 동일한 시간 보장 슬롯과 상이한 채널을 사용한다.
데이터 집계 노드(100)는 그룹화된 리프 노드(300)로부터 데이터를 수집한다. 데이터 집계 노드(100)는 그룹화된 리프 노드(300)로부터 데이터를 완전히 수집한다. 다음 GTS 슬롯과 동일한 GTS 슬롯에서 싱크 노드(200)로 데이터를 전송하는 그룹에서 최대 데이터 크기를 가지는 데이터 집계 노드(100) 중 하나, 데이터 집계 노드(100)에 최소 크기의 데이터를 전송하는 데이터 집계 노드(100) 중 하나는 나머지에 따라 최대 데이터 크기를 가진다. 모든 데이터 집계 노드(100)가 송수신 작업을 할 때 이 과정을 반복한다.
도 3은 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에 따른 신호 프레임 구조이다.
각 노드, 즉, 리프 노드(300)와 데이터 집계 노드(100)는 고유 번호(
Figure 112014035288229-pat00045
)를 알고 있는 경우 자동으로 알고리즘에 따라 통신 처리를 한다. 따라서 싱크 노드(200)는 슈퍼 프레임 구조의 첫 번째 슬롯을 사용하는 모든 노드에 비콘 신호를 전송한다. 비콘 신호는 각 노드가 사용하는 고유 번호(
Figure 112014035288229-pat00046
)에 대한 정보를 포함한다. 도 3에 도시된 바와 같이, 헤더에는 메시지 유형, 일련번호와 원래 주소가 포함되어 있다. 슈퍼 프레임 사양 필드에 BO(비콘 순서) 및 SO(슈퍼 프레임 순서)가 포함되어 있다. 나머지는 각 노드에 할당되는 사용가능한 채널의 고유 번호(
Figure 112014035288229-pat00047
)를 보여주고 있다. 노드가 비콘 신호를 받아, 그들은 주소 필드를 확인한다. 자신의 주소와 주소 필드와 같은 경우 노드는 자신의 고유 번호에 체크 표시가 된 주소 필드의 다음 필드에 숫자 필드를 설정한다.
도 4는 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에서 GTS 시작 슬롯을 할당하는데 사용되는 알고리즘이다.
본 발명에서 모든 노드는 자신의 GTS 시작 슬롯(
Figure 112014035288229-pat00048
)에 기반하여 다른 노드와 통신한다. 노드 자신의 GTS 시작 슬롯(
Figure 112014035288229-pat00049
)은 자신의 고유 번호(
Figure 112014035288229-pat00050
)에 따라 변화된다. 그림 5는 Si를 할당하는 데 사용되는 알고리즘을 나타낸다. 모든 노드는 비콘 신호에 의해 자신의 고유 번호(
Figure 112014035288229-pat00051
)를 가진다. 많은 노드가 동일한 슬롯을 가지면 각 노드는 다른 채널을 사용한다.
채널수(
Figure 112014035288229-pat00052
)가 자신의 GTS 시작 슬롯(
Figure 112014035288229-pat00053
)과, GTS 시작 슬롯을 GTS 길이에 더한 값(
Figure 112014035288229-pat00054
) 사이에 포함될 때,
Figure 112014035288229-pat00055
는 전송 채널로 변경된다. 이 채널은 현재 사용중인 목적 노드의 채널과 동일하다. 이와는 대조적으로, 채널수(
Figure 112014035288229-pat00056
)는 자신의 GTS 시작 슬롯(
Figure 112014035288229-pat00057
)과, GTS 시작 슬롯을 GTS 길이에 더한 값(
Figure 112014035288229-pat00058
) 사이에 포함되지 않으면,
Figure 112014035288229-pat00059
는 수신 채널로 변경된다. 이 방법은 충돌을 줄이고 안정적인 통신을 보장할 수 있다. 또한 불필요한 CCA(명확한 채널 평가)가 감소되므로, 에너지 비효율성을 보완하는데 효율적이다.
도 5는 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에서 통신하는 각 노드의 흐름 알고리즘이다.
도 5를 참조하면, 모든 노드는 IEEE 802.15.6의 슈퍼 프레임 구조를 기반으로 시간 동기화를 사용한다. 도 5에서 aNumSuperframeSlots는 타임 슬롯의 최대 개수를 의미하며, 채널수(
Figure 112014035288229-pat00060
)는 프로그램이 사용하는 현재 슬롯 번호를 의미한다. 채널수(
Figure 112014035288229-pat00061
)가 0일 때, 비콘 신호는 싱크 노드(200)에 의해 신호를 전송한다. 그리고, 데이터 집계 노드(100)와 리프 노드(300)는 비콘 신호, 고유 번호(
Figure 112014035288229-pat00062
)와 노드의 형식(
Figure 112014035288229-pat00063
), 자신의 GTS 시작 슬롯(
Figure 112014035288229-pat00064
), 노드의 목적지(
Figure 112014035288229-pat00065
), 노드의 GTS 길이(
Figure 112014035288229-pat00066
)와 같은 자신의 정보에 대한 알림을 가진다. 채널수(
Figure 112014035288229-pat00067
)가 0보다 커진 이후, 채널수(
Figure 112014035288229-pat00068
)가
Figure 112014035288229-pat00069
와 (
Figure 112014035288229-pat00070
) 사이일 때 싱크 노드(200)를 제외한 모든 노드는 자신의 목적지(
Figure 112014035288229-pat00071
)로 데이터를 전송한다. 다른 타임 슬롯에서 데이터 집계 노드(100)는 다른 노드로부터 데이터를 전송받고, 리프 노드는 슬립 상태(절전 모드)에 들어간다. 채널수(
Figure 112014035288229-pat00072
)가 aNumSuperframeSlots보다 클 때, 모든 노드는 다음 비콘 신호를 기다린다.
도 6은 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템의 데이터 집계 프로세스이다.
데이터 집계 노드(100)는 리프 노드(300) 또는 다른 데이터 집계 노드(100)로부터 데이터를 수집할 때 기본적으로 데이터 집계 프로세스를 사용한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 리프 노드(300)가 데이터 2, 3, 4를 전송하고 데이터 집계 노드(100)가 데이터 1을 전송할 경우, 데이터 집계 프로세스가 완료되면 데이터 집계 노드(100)는 데이터 1, 2, 3, 4를 가진다. 이때, 데이터 집계 노드(100)에 집계된 데이터 1, 2, 3, 4는 하나의 GTS 슬롯을 이용하여 전송된다. 따라서, 본 발명은 GTS 슬롯의 개수를 감소시킬 수 있으며, 데이터 대기 시간을 최소화할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에서 사용된 트랜시버이다.
먼저, HyMAC, MuChMAC, 기준 MAC 프로토콜을 비교한 수학적 결과를 제시한다. 채널(C)의 개수는 4로 고정되고, 노드(N)의 개수는 고정되지 않았다. 또한, 노드(N)는 1에서 64까지 변화된다. 두 번째, 기준 MAC 프로토콜과 비교한 실험 결과를 제시한다. 수학적 결과에 나타난 바와 같이, 채널(C)은 4로 고정되었고, 노드(N)는 고정되지 않았다. 본 발명에서는 도 7과 같은 CC2420 RF 트랜시버를 사용하는 것에 의해 멀티채널 통신을 지원하는 ZigbeX-I와 ZigbeX-II 모듈을 사용한다.
도 8은 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에 따른 슈퍼프레임 구조도이다.
모든 노드는 IEEE 802.15.4에 의한 표준 슈퍼프레임 구조를 사용한다. 도 8에 도시된 바와 같이, 슈퍼프레임은 활성 영역과 비활성 영역으로 나누어진다. 활성 영역은 CAP와 CFP로 세분된다. CAP는 경쟁 구간이며, CFP는 비경쟁 구간이다. 본 실험에서는 단지 CFP 구간만 사용한다. 또한, 노드가 충돌 없이 통신할 수 있는 GTS 슬롯을 포함하고, 하나의 슈퍼프레임에서 GTS 슬롯의 최대 개수는 7이다.
실험의 지표는 데이터 길이와 데이터 크기이다. 노드(N)가 서서히 증가하면 지표의 변화를 관찰하였다.
기준 MAC 프로토콜은 순차적 데이터 전송으로 많은 GTS 슬롯을 필요로 하기 때문에 높은 데이터 지연을 발생시킨다. GTS 슬롯의 개수가 7보다 많을 경우, 하나의 슈퍼프레임이 최대 7개의 GTS 슬롯을 사용할 수 있기 때문에 노드는 하나 이상의 슈퍼프레임을 사용할 수 있다. 하지만, 본 발명의 토폴로지와 멀티 채널에 기반한 제안된 MAC 프로토콜과, HyMAC, NuChMAC는 GTS의 개수를 감소시킨다.
표 1은 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템과 기존의 기준 MAC, MuChMAC 및 HyMAC의 데이터 지연에 대한 수학식을 표현한 것이다. 또한, 도 9는 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에서 데이터 지연 방정식에 따른 데이터 지연 그래프이다.
프로토콜 데이터 지연(# of GTS slot)
기준 MAC
Figure 112014035288229-pat00073
,
Figure 112014035288229-pat00074
MuChMAC
Figure 112014035288229-pat00075
,
Figure 112014035288229-pat00076
HyMAC
Figure 112014035288229-pat00077
,
Figure 112014035288229-pat00078

Figure 112014035288229-pat00079
,
Figure 112014035288229-pat00080
본 발명
Figure 112014035288229-pat00081
,
Figure 112014035288229-pat00082

Figure 112014035288229-pat00083
,
Figure 112014035288229-pat00084
표 1에서 GN은 노드(N)의 개수에 따라 얼마나 많은 GTS 슬롯이 필요한지를 의미한다. 그림 10은 표 1의 방정식에 따른 데이터 지연의 그래프를 나타낸다. 도 9와 같이, 제안된 MAC 프로토콜의 데이터 지연은 다른 것들보다 작다.
도 10은 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에서 데이터 크기 방정식으로 세팅된 슈퍼프레임의 비콘 순서와 슈퍼프레임 순서에 대한 실험 결과 그래프이다.
도 10은 10으로 셋팅된 슈퍼프레임의 BO(비콘 순서)와 SO(슈퍼프레임 순서)에 대한 실험 결과를 나타낸다. 이 상태에서, 비활성 구간은 사용되지 않았으며, 한 슬롯의 시간은 62ms이다. 기준 MAC 프로토콜과 제안된 MAC 프로토콜 사이의 차이는 수학적 결과와 비슷하다. 이는 제안된 MAC 프로토콜이 실제 환경에서 데이터 지연을 감소시키는 것을 확인할 수 있다.
싱크 노드(200)로 데이터를 직접 전송하지 않기 때문에 기준 MAC 프로토콜은 이러한 문제를 가지고 있지 않다. 하지만, 트리 기반의 토폴로지를 사용하고 멀티 홉을 통해 싱크 노드(200)로 패킷을 전송하는 HyMAC와 MuChMAC는 이 문제를 여전히 가지고 있다. 그 이유는 부모 노드가 자식 노드로부터 온 데이터를 반복적으로 전송하기 때문이다. 따라서, 스타 토폴로지와 메쉬 토폴로지가 결합된 것에 기반한 본 발명은 데이터 지연을 감소시킬 수 있다. 또한, 본 발명은 모든 노드에서 원-홉 또는 투-홉 전송 프로세스를 보장한다.
표 2는 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템의 데이터 크기에 대한 수학식을 표현한 것이다. 또한, 도 11은 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템에서 데이터 크기 방정식에 따른 데이터 크기의 추이 그래프이다.
프로토콜 데이터 크기(# of duplicated data)
기준 MAC
Figure 112014035288229-pat00085
,
Figure 112014035288229-pat00086
MuChMAC
Figure 112014035288229-pat00087

Figure 112014035288229-pat00088
,
Figure 112014035288229-pat00089
HyMAC
Figure 112014035288229-pat00090

Figure 112014035288229-pat00091
,
Figure 112014035288229-pat00092
본 발명
Figure 112014035288229-pat00093
,
Figure 112014035288229-pat00094

Figure 112014035288229-pat00095
,
Figure 112014035288229-pat00096
Dn은 노드(N)의 개수에 따라 얼마나 많은 중복이 발생되었는지를 의미한다. 도 11은 표 2의 방정식에 따른 데이터 크기의 추이를 보여준다. 도 11과 같이, 본 발명은 HyMAC와 MuChMAC보다 데이터 크기를 철저히 감소시킨다. 기존의 싱글-라디오 멀티-채널 MAC 프로토콜은 데이터 중복에 의해 에너지 비효율성을 가지고 있다. 하지만, 본 발명은 토폴로지와 알고리즘에 기반하여 이 문제를 보완할 수 있다.
도 12는 본 발명에 따른 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템과 기준 MAC에 따른 데이터 크기의 실험 결과 그래프이다. 도 12에 대한 실험에서 각 노드는 10 바이트를 전송한다.
도 12를 참조하면, 기준 MAC 프로토콜과 본 발명 사이의 차이는 수학적 결과와 비슷하다. 따라서, 본 발명이 기준 MAC 프로토콜보다 에너지 비효율성을 보완하는 것을 확인할 수 있다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 스타 토폴로지와 메시 토폴로지를 결합하고 싱글-라디오에 기반을 두고 설계하여 데이터 대기 시간을 감소시킬 수 있다.
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.

Claims (5)

  1. 삭제
  2. 메쉬 토폴로지 형태로 접속된 데이터 집계 노드 및 싱크 노드와,
    상기 데이터 집계 노드에 데이터를 전송하며, 스타 토폴로지 형태로 데이터 집계 노드에 접속된 리프 노드를 포함하며,
    상기 데이터 집계 노드는 채널수가 자신의 GTS(Guaranteed Time Slot) 시작 슬롯과 상이한 경우, 데이터를 집계하는 것을 특징으로 하는 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 데이터 집계 노드는 채널수가 자신의 시작 슬롯과 동일한 경우, 하나의 GTS 슬롯을 이용하여 집계된 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 싱크 노드는 채널수가 0일 때, 데이터 집계 노드와 리프 노드에 비콘 신호를 전송하고,
    상기 채널수가 0을 초과하며, 채널수가 GTS 시작 슬롯과, GTS 시작 슬롯을 GTS 길이와 합한 값의 사이일 때 싱크 노드를 제외한 모든 노드는 자신의 목적지로 데이터를 전송하는 것을 특징으로 하는 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 비콘 신호는 상기 리프 노드와 상기 데이터 집계 노드가 사용하는 고유 번호 정보를 포함하며,
    상기 리프 노드와 상기 데이터 집계 노드의 GTS 시작 슬롯은 상기 고유 번호에 대응하는 것을 특징으로 하는 무선 인체 영역 네트워크에서 스타와 메시 토폴로지를 기반으로 한 싱글 라디오 멀티채널 맥 프로토콜 시스템.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20130077422A (ko) * 2011-12-29 2013-07-09 삼성전자주식회사 서로 다른 무선 신체 영역 네트워크(ｗｂａｎ) 간의 임시 연결에 의해 통신을 수행하는 제1 허브, 제2 허브 및 그 통신 방법들

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Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
‘WBAN 환경에서 효율적인 데이터 전송을 위한 모바일 싱크기반의 클러스터 토폴로지 알고리즘’, 전자공학회논문지 제49권 12호(2012.12)*
'WBAN 환경에서 효율적인 데이터 전송을 위한 모바일 싱크기반의 클러스터 토폴로지 알고리즘', 전자공학회논문지 제49권 12호(2012.12) *

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