KR101632173B1

KR101632173B1 - WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 시스템 및 그 방법

Info

Publication number: KR101632173B1
Application number: KR1020150063722A
Authority: KR
Inventors: 나인호; 황동대
Original assignee: 군산대학교산학협력단; 주식회사 주영전기
Priority date: 2015-05-07
Filing date: 2015-05-07
Publication date: 2016-06-21

Abstract

본 발명은 WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 WBAN에 있어 센서 노드에서 전달자 노드를 거쳐 코디네이터 노드로 패킷을 링크하여 전달하는 Two-Hop 방식을 사용한 에너지 전달 방식으로서, 센서 노드들의 남은 에너지 및 코디네이터 노드와의 거리에 기초한 비용함수계산을 통해 전달자 노드를 선택함으로써 최소의 에너지를 소비하고 낮은 에너지 조건에서 중요도 높은 패킷의 전달을 보장하는 결정 방식으로, 임계값이 낮은 에너지 상황에서도 특정 센서 노드에게 무거운 페이로드(payload)를 부과하는 것을 막을 수 있는 WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명은 전달자 노드 선택 단계와 결정 규칙에 의한 패킷 전송 단계로 구성된 WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 방법에 있어서, 상기 전달자 노드 선택 단계는, 센서 노드는 비용 평가 함수 계산을 위해 아이디(Broad ID), 위치(cast location), 잔여 에너지 정보를 송출하는 단계; 아이디(Broad ID), 위치(cast location), 잔여 에너지 정보를 전달받아 하기 수학식 1에 의해 비용함수를 계산하는 단계; 비용 평가 함수 계산을 통해 최저 비용을 가진 센서 노드를 전달자 노드로 선택하는 단계; 상기 결정 규칙에 의한 패킷 전송 단계는, 50 % 이상 에너지 레벨의 센서 노드는 모든 우선 순위의 패킷을 받아들이고, 50 % 미만 ~ 25% 에너지 레벨의 노드는 중요도에 따라 미리 설정된 순위 랭킹이 중간이거나 보다 높은 패킷을 받아들이고, 25% 미만 에너지 레벨의 노드들은 중요도에 따라 미리 설정된 순위 랭킹이 중간보다 높은 패킷만 받는 단계; 선택된 전달자 노드의 잔존 에너지가 소정의 임계값보다 낮으면 코디네이터 노드는 직접 송신으로 메시지를 보내는 단계;를 포함하여 구성된다.

Description

WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 시스템 및 그 방법{Energy-efficient Two-Hop Message Transmission Prioritization System for Wireless Body Area Networks and the method therof}

본 발명은 WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 시스템 및 그 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 WBAN에 있어 센서 노드에서 전달자 노드를 거쳐 코디네이터 노드로 패킷을 링크하여 전달하는 Two-Hop 방식을 사용한 에너지 전달 방식으로서, 센서 노드들의 남은 에너지 및 코디네이터 노드와의 거리에 기초한 비용함수계산을 통해 전달자 노드를 선택함으로써 최소의 에너지를 소비하고 낮은 에너지 조건에서 중요도 높은 패킷의 전달을 보장하는 결정 방식으로, 임계값이 낮은 에너지 상황에서도 특정 센서 노드에게 무거운 페이로드를 부과하는 것을 막을 수 있는 WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.

일반적으로 Wireless body area Network(WBAN)는 의료, 의학, 환자 모니터링, 스포츠, 심지어 멀티미디어 등 다양한 영역에서 많은 유망한 응용 가능성을 보이며 연구 분야에서 인기를 얻고 있다.

WBAN에는 일반적으로 신체 기능이나 주위 환경을 모니터링 할 수 있는 지능적, 저전력, 침습/비침습적 센서 노드 등이 있다. WBAN에서 각 센서 노드의 수명은 주로 제한된 에너지 공급에 의존하기 때문에 대부분의 노드들은 엄격한 에너지 소비 제한 상황에서 동작하도록 제어된다.

WBAN의 에너지 효율은 안정적이고 견고하며 수명이 긴 WBAN 프로토콜 설계에 있어 중요한 점 중 하나이다.

WBAN 프로토콜 설계에서 멀티 홉(multi-hop) 송신 방식의 구현은 종래 무선 센서 네트워크와 같은 다양한 네트워크 또는 웨어러블 센서 네트워크에서 직접 송신하는 방법과 비교했을 때 더 효과적인 것으로 입증되었다.

WBAN에서 양호한 MAC 프로토콜 설계를 위한 가장 중요한 특성 중 하나가 에너지 효율성이라 하면, 에너지 효율은 얼마나 효과적으로 코디네이터 노드(coordinator node)로 데이터를 전송, 수신, 싱크하는지 의미한다. 이는 또한 유휴 상태나 비활성 상태에 있는 동안 전송 노드가 에너지를 저장할 수 있도록 효과적인 슬립 스케줄링 메커니즘을 포함 할 수 있다.

종래 발명에서, WBAN에서 노드의 에너지 낭비의 원인에 대한 몇 가지 문제점이 확인되었으며, 그 예로는 패킷 충돌, 유휴 듣기, 도청 및 제어 패킷 오버 헤드 등이 있다.

종래 발명들이 제안한 여러 에너지 효율적인 프로토콜이 있지만 대부분 종래 문헌에서 패킷의 우선순위 선정 및 차별화에 대해 다뤄지지는 않았다. 예를 들어, 환자 모니터링에 기술 적용 시에는 정상적인 에너지 조건일 경우 환자의 생리학적 상태를 분석하고 의미 있는 건강 상태를 도출하기 위해 통상 센서 데이터(예, 정상 체온 값)가 중요하지만, 낮은 에너지 상태에서는 통상 센서 데이터는 중요한 우선 패킷으로 처리되지 않을 수도 있다.

게다가 추가적인 지연과 전송 시 오버헤드가 발생하는 경우 환자가 위험에 빠질 가능성도 있다. 그래서 패킷 우선순위 선정을 통한 전송 방식은 낮은 에너지 조건일 때에도 중요 센서 판독이 항상 최우선임이 바람직하다.

그러나 종래의 멀티 홉(multihop) 방식은 패킷 전송에 있어 단순히 더 적은 에너지를 소비하는 것으로 알려졌을 뿐이고, 어떠한 프로토콜 설계 방식을 통해 에너지 소비를 최소화하고 각 노드의 수명을 연장시킬 수 있으며, 낮은 에너지 상황 시 수신 능력을 판독하고 중요 패킷의 전송을 보장할 수 있는지 잘 알려져 있지 않은 실정이다.

따라서 상술한 문제점을 해결할 수 있는 새로운 프로토콜 설계가 필요하게 되었다.

한국등록특허 제1043762호 미국공개특허 제2009-0003267호 미국공개특허 제2004-0203787호 한국공개특허 제2005-0025052호 한국공개특허 제2008-0054589호

[1]I. Jeong, "Compensation of the Error Rate for the Non-invasive Sphygmomanometer System Using a Tactile Sensor," Journal of Electrical Engineering and Technology, vol. 2, no. 1, pp. 136-141, 2007, 3. [2]H. Jung, "Slope Movement Detection using Ubiquitous Sensor Network," Journal of Electrical Engineering and Technology, vol. 4, no. 1, pp. 143-148, 2009, 3. [3]R. Cavallari, F. Martelli, R. Rosini, C. Buratti, and R. Verdone, "A Survey on Wireless Body Area Networks: Technologies and Design Challenges," IEEE Communications Surveys & Tutorials, pp. 1-23, 2014. [4]N. Encarnacion and H. Yang, "Transmission Priority Decision Scheme Based on Remaining Energy for Body Sensor Networks," Masters Thesis, Kunsan National University, 2013, 8. [5]C.H.W. Oey and S. Moh, "A Comparative Survey on Energy-efficient Protocols for Routing in Wireless Body Area Networks," Journal of Communications and Information Sciences, vol. 3, no. 1, pp. 18-26, 2013. [6]E. Reusens, W. Joseph, B. Latre, B. Braem, G. Vermeeren, E. Tanghe, L. Martens, I. Moerman, and C. Blondia, C., "Characterization of On-Body Communication Channel and Energy Efficient Topology Design for Wireless Body Area Networks," IEEE Transactions on Information Technology in Biomedicine, vol. 13, no. 6, pp. 933-945, 2009. [7]L. Hughes, X. Wang, and T. Chen, "A Review of Protocol Implementations and Energy Efficient Cross-Layer Design for Wireless Body Area Networks, Body Sensor Networks for Healthcare and Pervasive Applications" Sensors, vol. 12, no. 11, pp. 14730-14773, 2013. [8]D. Bang and J. Park, "Bulk Micromachined Vibration Driven Electromagnetic Energy Harvesters for Self-sustainable Wireless Sensor Node Applications," Journal of Electrical Engineering and Technology, vol. 8, no. 6, pp. 1320-1327, 2013, 11. [9]X. Feng, "The study of MAC protocol fairness for WBANs," International Conference on Computer Science and Network Technology, pp. 795 -799, 2011. [10]G. R. Tsouri, A. Prieto, and N. Argade, "On Increasing Network Lifetime in Body Area Networks Using Global Routing with Energy Consumption Balancing" Sensors, vol. 12, no. 10, 2012. [11]J. Elias and A. Mehaoua, "Energy-aware topology design for wireless body area networks," IEEE International Conference on Communications, pp. 3409-3410, 2010. [12]Y. Tselishchev, L. Libman, and A. Boulis, "Reducing transmission losses in body area networks using variable TDMA scheduling," IEEE International Symposium on a World of Wireless, Mobile and Multimedia Networks, pp. 1-10, 2011. [13]Availableathttps://www.medtronicdiabetes.com/customer-support/insertion-site-management/sensor-placement [14] W.R Heinzelman, A. Chandrakasan, and H. Balakrishnan, "Energy-efficient communication protocol for wireless microsensor networks," Proceedings of the 33rd Annual Hawaii International Conference on System Sciences, vol. 2, pp. 4-7, 2000. [15]Availableathttp://www.alldatasheet.com/datasheet/ pdf/pdf/144035/ETC1/NRF2401A.html

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 최소의 에너지를 소비하고 낮은 에너지 조건에서 중요도 높은 패킷의 전달을 보장하기 위해 높은 에너지 상태에서는 센서 노드들 중에서 정상 우선순위 패킷을 전달하고 반대로 낮은 에너지상태일 때는 중간 및 높은 우선순위의 패킷을 전달 할 수 있는 two-hop 전달 방식을 사용하는 전송 우선순위 방식(transmission prioritization scheme)의 WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

본 발명은 선택된 전달자 노드의 잔존 에너지가 소정의 임계값보다 낮으면 코디네이터 노드는 직접 송신으로 메시지를 보내어 임계값이 낮은 에너지 상황에서 특정 센서 노드에게 무거운 페이로드(payload)를 부과하는 것을 막고, 각 센서 노드에서 코디네이터 노드까지 거리가 전달자 노드보다 가깝다고 인식 하는 경우 코디네이터 노드로 직접전송을 실행하여 네트워크의 수명을 연장하고 네트워크 안정성을 향상시킬 수 있는 WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 목적이 있다.

상기 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 전달자 노드 선택 단계와 결정 규칙에 의한 패킷 전송 단계로 구성된 WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 방법에 있어서, 상기 전달자 노드 선택 단계는, 센서 노드는 비용 평가 함수 계산을 위해 아이디(Broad ID), 위치(cast location), 잔여 에너지 정보를 송출하는 단계; 아이디(Broad ID), 위치(cast location), 잔여 에너지 정보를 전달받아 하기 수학식 1에 의해 비용함수를 계산하는 단계; 비용 평가 함수 계산을 통해 최저 비용을 가진 센서 노드를 전달자 노드로 선택하는 단계; 상기 결정 규칙에 의한 패킷 전송 단계는 50 % 이상 에너지 레벨의 센서 노드는 모든 우선 순위의 패킷을 받아들이고, 50 % 미만 ~ 25% 에너지 레벨의 노드는 중요도에 따라 미리 설정된 순위 랭킹이 중간이거나 보다 높은 패킷을 받아들이고, 25% 미만 에너지 레벨의 노드들은 중요도에 따라 미리 설정된 순위 랭킹이 중간보다 높은 패킷만 받는 단계; 선택된 전달자 노드의 잔존 에너지가 소정의 임계값보다 낮으면 코디네이터 노드는 직접 송신으로 메시지를 보내는 단계;를 포함하여 구성된다.

[수학식 1]

(여기서 CF_i는 센서 노드 i의 비용 함수이며, Energy_i는 센서 노드 i에 남은 에너지이며, Distance_c는 센서 노드 i로부터 코디네이터 노드까지의 거리이다.)

본 발명의 각 센서 노드는 Two-hop 전송방식을 사용할지 직접 전송방식을 사용할 지를 결정하기 위해 각 센서 노드에서 코디네이터 노드까지 거리가 전달자 노드보다 가깝다고 인식 하면, 인식한 센서 노드는 낮은 전력 소비를 위해 코디네이터 노드로 직접전송을 실행하는 단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 인체의 외부에 설치되고, 전달자(forwarder) 노드를 포함하는 다수개의 센서 노드; 센서 노드에서 아이디(Broad ID), 위치(cast location), 잔여 에너지를 전송받는 코디네이터 노드;로 구성되되, 하기 수학식 1의 비용함수계산을 통해 최저 비용을 가진 센서 노드를 전달자 노드로 선택하고, 50 % 이상 에너지 레벨의 센서 노드는 모든 우선 순위의 패킷을 받아들이고, 50 % 미만 ~ 25% 에너지 레벨의 노드는 중요도에 따라 미리 설정된 순위 랭킹이 중간이거나 보다 높은 패킷을 받아들이고, 25% 미만 에너지 레벨의 노드들은 중요도에 따라 미리 설정된 순위 랭킹이 중간보다 높은 패킷만 받는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 각 센서 노드는 Two-hop 전송방식을 사용할지 직접전송방식을 사용할 지를 결정하기 위해, 각 센서 노드에서 코디네이터 노드까지 거리가 전달자 노드보다 가깝다고 인식 하면, 인식한 센서 노드는 낮은 전력 소비를 위해 코디네이터 노드로 직접전송을 실행하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 이루어지는 본 발명은 높은 에너지 상태에서는 정상 우선순위 패킷을 전달하고 반대로 낮은 에너지상태일 때는 중간 및 높은 우선순위의 패킷을 전달 할 수 있어, 최소의 에너지를 소비하고 낮은 에너지 조건에서도 중요도 높은 패킷의 전달을 보장할 수 있는 현저한 효과가 있다.

또한 본 발명은 선택된 전달자 노드의 잔존 에너지가 소정의 임계값보다 낮으면 코디네이터 노드는 직접 송신으로 메시지를 보내어 임계값은 낮은 에너지 상황에서 특정 센서 노드에게 무거운 페이로드(payload)를 부과하는 것을 막아 네트워크의 수명을 연장하고 네트워크 안정성을 향상시킬 수 있는 특별한 효과가 있다.

도 1은 본 발명에 따른 WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 시스템에 신체에 부착된 모습을 보여주는 도면이다.
도 2는 본 발명에 따른 전달자 노드의 선택 과정을 설명하는 흐름도이다.
도 3 본 발명에 따른 결정 규칙에 의한 패킷 전송 단계 과정 흐름도이다.
도 4는 (a) 작동정지 노드(dead node)의 수로 보는 각 라우팅 방식의 결과 비교표, (b) 잔류 에너지로 보는 각 라우팅 방식의 결과 비교표를 보여주는 도면이다.
도 5는 (a)다른 라우팅 방식을 사용하였을 때 코디네이터 노드에서 전송받은 패킷 수 비교표, (b)시작 에너지 2.5J에 대한 우선순위 당 패킷 총 수, (c)시작에너지 1.5J에 대한 우선순위 당 패킷 총 수, (d)시작 에너지 2.5J에서 노드의 남은 에너지, (e)시작에너지를 1.5J 시뮬레이션에서 노드의 남은 에너지를 보여주는 도면이다.
도 6은 (a) 작동정지 노드(dead node)의 수로 보는 각 라우팅 방식의 결과 비교표, (b)잔류 에너지로 보는 각 라우팅 방식의 결과 비교표를 보여주는 도면이다.
도 7은 (a)다른 라우팅 방식을 사용하였을 때 코디네이터 노드에서 전송받은 패킷 수 비교, (b) 시작 에너지 2.5J에 대한 우선순위 당 패킷 총 수, (c) 시작에너지 1.5J에 대한 우선순위 당 패킷 총 수, (d) 시작 에너지 2.5J에서 노드의 남은 에너지, (e) 시작에너지를 1.5J 시뮬레이션에서 노드의 남은 에너지를 보여주는 도면이다.

본 발명을 충분히 이해하기 위해서 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명의 실시예는 여러 가지 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 아래에서 상세히 설명하는 실시예로 한정되는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 실시예는 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공되는 것이다. 따라서 도면에서의 요소의 형상 등은 보다 명확한 설명을 강조하기 위해서 과장되어 표현될 수 있다. 각 도면에서 동일한 부재는 동일한 참조부호로 도시한 경우가 있음을 유의하여야 한다.

또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 기술은 생략된다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 환자 모니터링을 위해 인체의 외부에 설치되는 다수개의 센서 노드(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)와 다수개의 센서 노드(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) 중에서 최저 비용함수를 가진 전달자(forwarder) 노드와, 센서 노드와 전달자 노드에서 아이디(Broad ID), 위치(cast location), 잔여 에너지 정보 패킷을 전송받는 코디네이터 노드(9)로 구성된다.

최저 비용함수를 가진 센서 노드(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)는 전달자(forwarder) 노드이고, 노드가 높은 에너지 수준에서도 기본 패킷을 전달하기 위해 비용 함수에 기초하여 전달자 노드를 이용하는 Two-Hop 라우팅 방식을 통해 매 라운드마다 에너지 레벨 패킷 정보를 전송함으로써 노드의 위치 또는 이동에 대해 실시간 반응할 수 있다.

본 발명에서는 각 센서 노드(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)가 수신된 패킷의 정보에 기초하여 싱크와의 거리나 다른 센서 노드와의 거리를 계산할 수 있다고 가정한다.

또한, 전송 성공을 보장하기 위해, 패킷 충돌을 막고 휴지 기간 동안 에너지를 저장할 수 있는 TDMA 기반 스케줄링을 이용한다.

예를 들어 총 아홉개의 노드가 있다고 가정할 경우, 각 노드들은 여덟 개의 센서 노드(Sensor Node; 1 ~ 8)와 중계 지점(relay point) 및 패킷의 기지국(base station) 역할을 하는 하나의 코디네이터 노드(9)를 포함한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 센서 노드들은 인체의 외부에 분산되어 있고 코디네이터 노드(9) 또는 다른 노드들과 직접적으로 연결된다. 여기에서 9개 중의 2개의 노드는 환자 모니터링에 있어서 ECG나 혈당 같이 매우 중요한 노드들로 가정된다.

각 센서 노드들은 코디네이터 노드(9) 근처에 배치되고 직접 전송만 수행한다. 나머지 센서 노드(1 ~ 8)는 온도, 락트산, 맥박, 산소측정기, 혈압계, 가속도계로 이용되는 기본 센서 노드들로 간주된다. 또한 모든 센서 노드들은 상대적으로 환자의 몸 또는 의복에 위치하게 된다.

본 발명은 전달자 노드 선택 단계와 결정 규칙에 의한 패킷 전송 단계로 나누어 작동된다.

1. 전달자 선택 단계

도 2에 도시된 바와 같이 전달자 선택 단계는 비용함수계산을 위한 비용 평가 함수를 기반으로 노드 전달자를 선택하는 단계이다.

비용함수계산을 위한 정보를 얻기 위해서, 코디네이터 노드(9) 및 기본 센서 노드(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)는 위치와 남은 에너지를 에너지 레벨 패킷 정보를 통해 송출하기 위해, 먼저 코디네이터 노드(9)가 위치 정보 확인을 요청하고(S102), 센서 노드들이 정보 확인 요청을 받은 후(S109), 센서 노드가 코디네이터 노드(9)로 아이디(Broad ID), 위치(cast location), 잔여 에너지 정보를 전송한다(S110, S103).

그리고, 수학식 1에 의해 비용함수를 계산한다(S104).

1 라운드(Round) 동안 비용 평가 함수 계산을 통해 최저 비용을 가진 센서 노드를 전달자 노드로 선택한다(S105).

선택된 전달자 노드의 잔존 에너지가 소정의 임계값보다 낮으면(S106), 코디네이터 노드(9)는 직접 송신으로 전달자 노드 ID와 센서 노드의 타임 슬롯 정보를 포함하는 비콘 메시지를 보낸다(S108).

여기에서 임계값은 낮은 에너지 상황에서 특정 센서 노드 또는 전달자 노드에게 무거운 페이로드(payload)를 부과하는 것을 막는다.

이 후, 센서 노드는 비콘 메시지를 받고, 전달자 노드와의 거리를 계산한 후 싱크 상태(sink)에서 데이터를 보내고 샌드 모드(send mode) 또는 슬립 모드(slip mode)로 전환한다(S111, S112, S113, S114, S115).

수학식 1은 비용 함수 계산을 위한 수식을 보여준다. 여기서 CF_i는 센서 노드 i의 비용 함수이며, Energy_i는 센서 노드 i에 남은 에너지이며, Distance_c는 센서 노드 i로부터 코디네이터 노드(9)까지의 거리이다.

2. 전송 단계

도 3에 도시된 바와 같이 전송 단계는 센서 노드의 에너지 레벨을 평가하고 어느 에너지 레벨 패킷이 우선적으로 코디네이터 노드(9)로 송신 허가되어야 하는지를 결정한다.

50 % 이상 에너지 레벨의 센서 노드는 모든 우선 순위의 패킷을 받아들이고, 50 % 미만 ~ 25% 에너지 레벨의 노드는 중요도에 따라 미리 설정된 순위 랭킹이 중간이거나 보다 높은 패킷을 받아들이고, 25% 미만 에너지 레벨의 노드들은 중요도에 따라 미리 설정된 순위 랭킹이 중간보다 높은 패킷만 받는다(S202 ~ S207).

이 때 S202의 경우, 모든 우선 순위의 패킷 중 일반적인 순위의 패킷으로 판단되는 경우 S203과 S204의 경우처럼 바로 코디네이터 노드(9)에 패킷을 전송할 수 있다.

이러한 MAC 프로토콜 설계는 낮은 에너지 레벨에서도 센서 노드가 환자에게 일어날 수 있는 사고를 WBAN 어플리케이션에 여전히 통지 할 수 있다는 것을 보장한다.

일반 우선순위 에너지 레벨 패킷은 모니터링되고 있는 환자가 정상적인 상황이므로 폐기된다.

센서 노드는 전달자 노드와의 거리와 코디네이터 노드(9)와의 거리가 계산되어 각각 비교된다(S209). 여기에서 각 센서 노드는 전달자 노드를 이용하는 Two-hop 전송방식을 사용할지 직접전송방식을 사용할 지를 효과적으로 결정하기 위해 거리 계산을 패킷을 전달하기 전에 수행한다.

즉, 센서 노드가 코디네이터 노드(9)까지 거리가 전달자 노드보다 가깝다고 인식 하면, 센서 노드는 낮은 전력 소비를 위해 코디네이터 노드(9)에 직접전송을 실행하고(S211), 센서 노드가 코디네이터 노드(9)까지 거리가 전달자 노드보다 가깝지 않으면 전달자 노드에 패킷을 전달하고(S210), 전달자 노드는 다른 노드로 부터도 패킷을 전달받아 코디네이터 노드(9)에 전송해 준다(S212, S213).

코디네이터 노드(9)는 센서 노드로부터 패킷 데이터를 전달 받으면 전용 BSN(body sensor network) Application에 전송하고(S214, S215), BSN Application은 BSN data를 전송받은 후 결과를 추출하여 시각화한다(S216, S217, S218).

3. 시뮬레이션

본 발명에서 본 발명의 성능을 평가하기 위한 시뮬레이터로서, 직접 전송방식과 남은 에너지 레벨(TPDS) 기반으로 하는 전송 우선순위 방식을 본 발명의 !과 비교하였다.

직접 전송방식은 패킷의 우선순위 정도에 관계없이 패킷을 코디네이터 노드(9)로 전송하는 반면, TPDS는 송신할 수 있는 패킷의 우선순위를 결정하기 위해 노드의 에너지레벨도 이용한다.

직접 전송방식과 남은 에너지 레벨(TPDS) 기반으로 하는 전송 우선순위 방식과 본 발명의 노드 배열 방식은 공정한 비교를 위해 모두 동일하게 적용된다.

하기 표 1에 나온 단일 칩 송수신기(모델명 : nrf2401A)의 에너지 매개변수는 시뮬레이션에서 사용된다. ETx와 ERx는 각각 데이터 전송과 수신에 소비된 에너지 양을 나타내고, Eamp는 센서 노드의 송수신기 회로를 시작할 때 사용된 에너지를 뜻한다.

시뮬레이션 1 : 모든 노드는 5J의 에너지로 시작하고 표 1에 나온 에너지 매개변수(=파라미터,parameter)에 따라 고갈시킨다. 한 회의 시뮬레이션은 8000라운드이며, 총 다섯 번의 시뮬레이션을 실행한다.

시뮬레이션 2 : 모든 노드는 2.5J(초기 시작에너지의 50 %)로 시작하며 각 회당 2000라운드씩, 총 다섯 번 시뮬레이션을 실행한다.

시뮬레이션 3 : 모든 노드는 1.5J(초기 시작에너지의 30 %)로 시작하며, 각 회당 2000라운드씩, 총 다섯 번 시뮬레이션을 실행한다.

시뮬레이션 4 : 모든 노드는 0.5J의 에너지로 시작하고 상기 표 1에 나온 에너지 매개변수(=파라미터,parameter)에 따라 고갈시킨다. 한 회의 시뮬레이션은 8000라운드이며, 총 다섯 번의 시뮬레이션을 실행한다.

시뮬레이션 5 : 모든 노드는 0.25J(초기 시작에너지의 의 에너지의 50 %)로 시작하며 각 회당 2000라운드씩, 총 다섯 번 시뮬레이션을 실행한다.

시뮬레이션 6 : 모든 노드는 0.15J(초기 시작에너지의 의 에너지의 30 %)로 시작하며, 각 회당 2000라운드씩, 총 다섯 번 시뮬레이션을 실행한다.

WBAN에서 에너지 효율적인 전송 프로토콜의 효율성은 노드의 수명을 연장하기 위하여 에너지를 절약하는 관점에서 패킷 송신을 손상시키지 않고 어떻게 이를 수행하는가로 측정할 수 있다. 게다가, 강력한 프로토콜은 특정한 상황(예를 들면 에너지 레벨이 낮은)에서도 여전히 정상 기능할수 있다는 점에서 구별된다.

시뮬레이션 성능 평가지표(Performance metric)로서, 네트워크 수명은 모든 노드가 시뮬레이션을 시작해서 작동을 정지할 때까지의 시간을 나타내고, 네트워크 안정성은 하나의 센서 노드가 먼저 작동 정지할 때까지 시간을 나타내며, 정지된 노드는 전송과정에 더 이상 기여하지 않기에 전체 WBAN 응용 프로그램을 중단시킬 수도 있고, 평균 잔여 에너지는 전체 시뮬레이션을 위한 매 라운드에서 평균적으로 남은 에너지를 측정하는 것이고, 패킷의 수는 코디네이터 노드(9)로 전송된 각 우선순위(보통, 중간, 높은)의 패킷들의 총 수를 명시하며, 총 남은 에너지는 시뮬레이션 이후 남은 노드들의 총 에너지 레벨을 나타낸다.

시뮬레이션 1 내지 시뮬레이션 3의 결과 및 분석

도 4는 (a) 작동정지 노드(dead node)의 수로 보는 각 라우팅 방식의 결과 비교표, (b) 잔류 에너지로 보는 각 라우팅 방식의 결과 비교표를 보여주는 도면이다.

도 4(a)는 세 가지 전송 방식의 수명의 차이를 나타낸다. 결과는 본 발명이 직접 송신방식 및 TPDS방식에 비해 각각 상대적으로 75%와 60% 네트워크 수명을 연장하는 것을 보여준다. 본 발명에서 새로운 노드전달자가 매 전송시마다 선택되기 때문에, 대부분의 시간 동안 에너지 부담이 한 노드에게만 집중 부과 되지 않는다. 그러므로 다른 두 전송방식에 비해 이 방식이 노드의 수명을 연장한다고 할 수 있다. 여기에서 X 축은 Round 수이고, Y 축은 (a) Number of Dead Nodes (b) Average Residual Energy, 그리고 색깔별로 청색은 직접 송신방식, 회색은 TPDS방식, 주황색은 본 발명이다.

네트워크의 안정성은 처음으로 작동 정지한 노드(dead node)가 생기기 시작할 때부터 감소하기 시작한다. 직접 전송방식에서는 코디네이터 노드(9)로부터 거리가 먼 노드는 훨씬 많은 에너지를 소모하고 결과적으로 일찍 수명을 다한다.

본 발명과 직접전송과 TPDS를 비교했을 때 직접전송과 TPDS에서는 다른 노드의 연속적인 작동정지 현상 또한 나타나는 반면에, 본 발명은 도 4(a)에서 보듯 직접전송방식과 TPDS방식보다 각각 50%, 10% 더 나은 안정성을 보여준다.

왜냐하면 선택된 전달자 노드들이 대개 코디네이터 근처에 있기 때문에 전송 시에 더 적은 에너지를 소모하기 때문이다. 게다가 전달자 노드가 패킷을 전송할 더 많은 에너지를 가진다는 사실 또한 작동 정지한 노드의 수가 제안된 방법에서는 적은 이유가 된다.

또한 각 노드들의 평균 잔류에너지는 직접전송방식과 TPDS에서는 점차적으로 감소한 반면 본 발명에서는 도 4(b)에서 보여 주듯 전체 시뮬레이션 시간 동안 확연한 차이를 보인다. 본 발명에 비교해 살펴보면, 직접전송방식에서는 모든 노드들이 정지했을 때 평균 3J의 에너지가 여전히 이용 가능하고 TPDS에서는 1.5J이 가능하다. 본 발명을 통해서는 심지어 시뮬레이션 시간이 종료된 후에도 0.4J이 이용 가능하다.

도 5는 (a)다른 라우팅 방식을 사용하였을 때 코디네이터 노드(9)에서 전송받은 패킷 수 비교표, (b)시작 에너지 2.5J에 대한 우선순위 당 패킷 총 수, (c)시작에너지 1.5J에 대한 우선순위 당 패킷 총 수, (d)시작 에너지 2.5J에서 노드의 남은 에너지, (e)시작에너지를 1.5J 시뮬레이션에서 노드의 남은 에너지를 보여주는 도면이다.

도 5(a)는 시뮬레이션 후 코디네이터 노드(9)에 의해 수신된 각각의 우선순위 당 패킷 수를 나타낸다. 직접전달방식은 메시지 우선순위에 대한 결정규칙이 없기 때문에 결과적으로 도 5(a)에서의 패킷 전송의 모든 우선순위레벨에 대해 정규 분포를 보여준다. TPDS 방식과 본 발명은 낮은 에너지 레벨에서는 중간 및 높은 순위 패킷 전송에 우선순위를 두어 전송한다. 도 5(b)는 본 발명이 각 레벨에서 TPDS방식보다 더 많은 패킷을 수신하고 있음을 보여준다. TPDS의 노드들은 이미 수신을 멈췄지만 제시된 기법은 8000 라운드 종료 후에도 더 많은 잔류에너지를 가진 동시에 패킷을 여전히 수신하고 있다. 여기에서 X 축은 좌측부터 직접 송신방식, TPDS방식, 본 발명 순이고, Y 축은 (a) (b) (c) Number of Packets,(d) (e) Total Energy 이다.

도 5 (b) 내지 (e)는 낮은 에너지 시뮬레이션에서 네트워크 내의 노드들의 결과를 보여준다. 직접전송방식을 사용하여 수신된 패킷의 수는 여전히 균일하게 분포되어 있는 반면, 나머지 두 방식에서는 도 5 (b), (c)에서 보듯 중간 및 높은 우선순위의 패킷에 더 많이 분포되어 있다.

TPDS방식은 높은 우선순위레벨의 패킷을 우선적으로 두는 데에 성공했고, 제안된 방법은 TPDS방식보다 중간순위의 패킷을 25% 더 수신할 수 있었다.

도 5 (d)와 (e)에서, 본 발명은 여전히 28%의 총에너지를 가지고 있는 반면, TPDS는 12%를 가지며, 직접전송방식의 노드는 모두 작동을 멈췄다. 이 도 은 WBAN이 낮은 에너지 수준에서도 좀 더 오래 의사들에게 주목할 만한 판독거리를 확실히 통보하도록 하는 이 실험의 목적을 지지해준다.

시뮬레이션 4 내지 시뮬레이션 6의 결과 및 분석

도 6은 (a) 작동정지 노드(dead node)의 수로 보는 각 라우팅 방식의 결과 비교표, (b)잔류 에너지로 보는 각 라우팅 방식의 결과 비교표를 보여주는 도면이다.

도 6(a)는 세 가지 전송 방식의 수명의 차이를 나타낸다. 결과는 제안된 방식이 직접 송신방식 및 TPDS방식에 비해 각각 상대적으로 75%와 60% 네트워크 수명을 연장하는 것을 보여준다. 제안된 방식에서 새로운 노드전달자가 매 전송시마다 선택되기 때문에, 대부분의 시간 동안 에너지 부담이 한 노드에게만 집중 부과 되지 않는다. 그러므로, 다른 두 전송방식에 비해 본 발명이 노드의 수명을 연장한다고 할 수 있다.

네트워크의 안정성은 처음으로 작동 정지한 노드(dead node)가 생기기 시작할 때부터 감소하기 시작한다. 직접전송방식에서는 코디네이터 노드(9)로부터 거리가 먼 노드는 훨씬 많은 에너지를 소모하고 결과적으로 일찍 수명을 다한다.

직접전송과 TPDS에서는 다른 노드의 연속적인 작동정지 현상 또한 나타나는 반면에, 본 발명은 직접전송방식과 TPDS방식보다 각각 50%, 10% 더 나은 안정성을 보여준다. 이는 선택된 전달자 노드들이 대개 코디네이터 근처에 있기 때문에 전송 시에 더 적은 에너지를 소모하기 때문이다. 게다가 전달자 노드가 패킷을 전송할 더 많은 에너지를 가진다는 사실 또한 작동 정지한 노드의 수가 제안된 방법에서는 적은 이유가 된다.

또한, 각 노드들의 평균 잔류에너지는 직접전송방식과 TPDS에서는 점차적으로 감소한 반면 제안된 방식에서는 도 6(b)에서 보여 주듯 전체 시뮬레이션 시간 동안 확연한 차이를 보인다. 제안된 방식에 비교해 살펴보면, 직접전송방식에서는 모든 노드들이 정지했을 때 평균 3J의 에너지가 여전히 이용 가능하고 TPDS에서는 1.5J이 가능하다. 제안된 방식을 통해서는 심지어 시뮬레이션 시간이 종료된 후에도 0.4J이 이용 가능하다.

도 7은 (a)다른 라우팅 방식을 사용하였을 때 코디네이터 노드(9)에서 전송받은 패킷 수 비교, (b) 시작 에너지 2.5J에 대한 우선순위 당 패킷 총 수, (c) 시작에너지 1.5J에 대한 우선순위 당 패킷 총 수, (d) 시작 에너지 2.5J에서 노드의 남은 에너지, (e) 시작에너지를 1.5J 시뮬레이션에서 노드의 남은 에너지를 보여주는 도면이다.

도 7(a)는 시뮬레이션 후 코디네이터 노드(9)에 의해 수신된 각각의 우선순위 당 패킷 수를 나타낸다. 직접전달방식은 메시지 우선순위에 대한 결정규칙이 없기 때문에 결과적으로 도 7(a)에서의 패킷 전송은의 모든 우선순위레벨에 대해 정규 분포를 보여준다.

TPDS 방식과 제안된 방식은 낮은 에너지 레벨에서는 중간 및 높은 순위 패킷 전송에 우선순위를 두어 전송한다. 도 7(b)는 제안된 방식이 각 레벨에서 TPDS방식보다 더 많은 패킷을 수신하고 있음을 보여준다. TPDS의 노드들은 이미 수신을 멈췄지만 제시된 기법은 8000 라운드 종료 후에도 더 많은 잔류에너지를 가진 동시에 패킷을 여전히 수신하고 있다.

도 7(b) 내지 (e)는 낮은 에너지 시뮬레이션에서 네트워크 내의 노드들의 결과를 보여준다. 직접전송방식을 사용하여 수신된 패킷의 수는 여전히 균일하게 분포되어 있는 반면, 나머지 두 방식에서는 도 7(b), (c)에서 보듯 중간 및 높은 우선순위의 패킷에 더 많이 분포되어 있다.

TPDS방식은 높은 우선순위레벨의 패킷을 우선적으로 두는 데에 성공했고, 제안된 방법은 TPDS방식보다 중간순위의 패킷을 25% 더 수신할 수 있었다. 도 7(d), (e)에서, 제안된 방식은 여전히 28%의 총에너지를 가지고 있는 반면, TPDS는 12%를 가지며, 직접전송방식의 노드는 모두 작동을 멈췄다. 이 도 은 WBAN이 낮은 에너지 수준에서도 좀 더 오래 의사들에게 주목할 만한 판독거리를 확실히 통보하도록 하는 이 실험의 목적을 지지해준다.

이상 설명된 발명의 다수개의 센서 노드(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8)와 다수개의 센서 노드(1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8) 중에서 최저 비용함수를 가진 전달자(forwarder) 노드와, 센서 노드와 전달자 노드에서 아이디(Broad ID), 위치(cast location), 잔여 에너지 정보 패킷을 전송받는 코디네이터 노드(9) 구성과 이에 대한 시뮬레이션을 통해, 본 발명은 각 노드가 높은 에너지 상태에서는 정상 우선순위 패킷을 전달하고 반대로 낮은 에너지상태일 때는 중간 및 높은 우선순위의 패킷을 전달 할 수 있도록 구분되어 프로토콜 설계가 되어 있어, 최소의 에너지를 소비하고 낮은 에너지 조건에서도 중요도 높은 패킷의 전달을 보장할 수 있다.

또한, 본 발명은 선택된 센서 노드들로부터 비용 평가 함수를 통해 선택된 전달자 노드의 잔존 에너지가 소정의 임계값보다 낮으면 코디네이터 노드는 직접 송신으로 메시지를 보내어 임계값은 낮은 에너지 상황에서 특정 센서 노드에게 무거운 페이로드(payload)를 부과하는 것을 막아 네트워크의 수명을 연장하고 네트워크 안정성을 향상시킬 수 있다.

1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 : 센서 노드
9 : 코디네이터 노드

Claims

전달자 노드 선택 단계와 결정 규칙에 의한 패킷 전송 단계로 구성된 WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 방법에 있어서,
상기 전달자 노드 선택 단계는,
센서 노드로부터 비용 평가 함수 계산을 위해 아이디(Broad ID), 위치(cast location), 잔여 에너지 정보를 송출하는 단계;
아이디(Broad ID), 위치(cast location), 잔여 에너지 정보를 전달받아 하기 수학식 1에 의해 비용함수를 계산하는 단계;
비용 평가 함수 계산을 통해 최저 비용을 가진 센서 노드를 전달자 노드로 선택하는 단계;
상기 결정 규칙에 의한 패킷 전송 단계는,
50 % 이상 에너지 레벨의 센서 노드를 모든 우선 순위의 패킷을 받아들이고, 50 % 미만 ~ 25% 에너지 레벨의 센서 노드는 중요도에 따라 미리 설정된 순위 랭킹이 중간이거나 순위 랭킹이 중간보다 높은 패킷을 받아들이고, 25% 미만 에너지 레벨의 센서 노드들은 중요도에 따라 미리 설정된 순위 랭킹이 중간보다 높은 패킷만 받는 단계;
선택된 전달자 노드의 잔존 에너지가 소정의 임계값보다 낮으면 코디네이터 노드는 직접 송신으로 메시지를 보내는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 방법.
[수학식 1]

(여기서 CF_i는 센서 노드 i의 비용 함수이며, Energy_i는 센서 노드 i에 남은 에너지이며, Distance_c는 센서 노드 i로부터 코디네이터 노드까지의 거리이다.)
제1항에 있어서,
각 센서 노드는 Two-hop 전송방식을 사용할지 직접 전송방식을 사용할 지를 결정하기 위해, 각 센서 노드에서 코디네이터 노드까지 거리가 전달자 노드보다 가깝다고 인식 하면, 인식한 센서 노드는 낮은 전력 소비를 위해 코디네이터 노드로 직접전송을 실행하는 단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 방법.
인체의 외부에 설치되고, 전달자(forwarder) 노드를 포함하는 다수개의 센서 노드;
센서 노드에서 아이디(Broad ID), 위치(cast location), 잔여 에너지를 전송받는 코디네이터 노드;로 구성되되,
하기 수학식 1의 비용함수계산을 통해 최저 비용을 가진 센서 노드를 전달자 노드로 선택하고, 50 % 이상 에너지 레벨의 센서 노드는 모든 우선 순위의 패킷을 받아들이고, 50 % 미만 ~ 25% 에너지 레벨의 노드는 중요도에 따라 미리 설정된 순위 랭킹이 중간이거나 보다 높은 패킷을 받아들이고, 25% 미만 에너지 레벨의 노드들은 중요도에 따라 미리 설정된 순위 랭킹이 중간보다 높은 패킷만 받는 것을 특징으로 하는 WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 시스템.
[수학식 1]

(여기서 CF_i는 센서 노드 i의 비용 함수이며, Energy_i는 센서 노드 i에 남은 에너지이며, Distance_c는 센서 노드 i로부터 코디네이터 노드 까지의 거리이다.)
제3항에 있어서,
각 센서 노드는 Two-hop 전송방식을 사용할지 직접 전송방식을 사용할 지를 결정하기 위해, 각 센서 노드에서 코디네이터 노드까지 거리가 전달자 노드보다 가깝다고 인식 하면, 인식한 센서 노드는 낮은 전력 소비를 위해 코디네이터 노드로 직접전송을 실행하는 것을 특징으로 하는 WBAN에서 에너지 효율을 위한 Two-Hop 우선순위 메시지 전송 시스템.