Study on the IEEE 802.15.4 MAC Protocols for Emergency Handling in Wireless Body Area Networks

Abstract

Recent developments in the field of communication deploy self-organizing miniature hardware which has features like high computational capability, low cost and energy efficient, focusing on specific applications and task. One of most promising technologies that can be used in the application of various spectrums is Wireless Sensor Networks (WSNs). Wireless Body Area Network (WBAN) is special purpose sensor application network which can be applied for an applications relating to health care. However, fundamental wireless networking issues must be addressed and resolved for designing a robust WBAN system. In addition to these fundamental issues, another most significant issue in WBAN system is emergency handling. It is necessary to process critical medical data with the highest priority. These data should be transmitted as soon as they are reported within the specified delay margin.

Existing researches have favored IEEE 802.15.4 as the most appropriate technology for WBAN application due to the characteristics such as low energy consumption, lower cost, and reliable data transmission features. However, to achieve an effective WBAN application service on the existing WSN based on IEEE 802.15.4 is still a challenging task. In particular, time-sensitive emergency event message cannot be delivered effectively within the delay margin, because IEEE 802.15.4 doesn’t differentiate the time criticality of the monitored events and hence doesn’t provide any preferential access to medical devices at the time of emergency while accessing the shared wireless channel. As, a result the reporting latency of the medical events may significantly increase.

This thesis defines the requirements for the WBAN MAC and proposes a new WBAN MAC protocol, based on the integrated superframe structure of IEEE 802.15.4 to satisfy these requirements: The proposed WBAN MAC provides an Emergency Contention Period (ECP) for emergency data and DTS allocation in inactive period for medical data when emergency happens in order to reduce delay. The performance of the proposed scheme is evaluated through analytical results and computer simulation using Castalia 3.2, which is a network simulator specifically designed for the sensor and body area networks which is based on OMNeT++ platform. Both the numerical analysis and simulation result shows a lower latency and increased throughput of the proposed MAC when compared with conventional IEEE 802.15.4 MAC. |컴퓨팅 기술과 통신 기술의 빠른 발전은 저전력, 저비용, 그리고 소형 이면서 자기 구성 (self-organizing) 특성을 갖는 디바이스를 통해 특정 응용분야 및 임무에 특화된 다양한 하드웨어 형태로의 구현을 가능하게 한다. 이와 관련된 다양한 스펙트럼의 응용 분야에서 사용될 수 있는 유망한 기술 중 하나는 무선 센서 네트워크 (WSN) 이다. 무선 인체 영역 네트워크 (WBAN)는 헬스케어와 관련된 응용분야에 적용될 수 있는 특별한 목적의 센서 응용 네트워크 기술이다. 헬스케어 등의 응용에 있어서, 무선 채널 환경 등 무선망에서 다루어지는 문제들에 대한 적절한 해결 방안을 통해 강건한 WBAN 시스템을 디자인할 수 있다. 이러한 근본적 이슈들 이외에 WBAN과 관련된 중요한 이슈 중 하나는 긴급 상황에 대한 데이터 처리이다. 중요한 메디컬 데이터 (medical data)는 가장 높은 우선순위로 처리되어야 하며 이러한 데이터는 특별히 정의된 지연 한계값 이내에서 전송될 수 있도록 제어되어야 한다.

저전력 소비, 저비용, 신뢰적 데이터 전송 특성 등을 고려하여 WBAN 응용 분야에 대한 통신 표준 중 IEEE802.15.4가 가장 적절한 대안으로 많은 연구가 수행되었다. 그러나, IEEE802.15.4를 기반으로 하는 기존의 WSN 상에서 효과적인 WBAN 응용 서비스를 실현하는 것은 아직은 도전적인 과제이다. 특히 공유된 무선 채널에 접속을 시도할 때 긴급 데이터를 발생하는 메디컬 디바이스에 대한 우선화 정책이 IEEE802.15.4에 명시 되어 있지 않기 때문에 시간 지연에 민감한 긴급 이벤트 메시지가 효과적으로 전달되지 못한다는 문제점이 여러 연구에서 지적되어왔다. 이러한 우선순위 정책의 부재로 인해 긴급 이벤트 데이터의 리포팅까지 걸리는 지연이 상당히 클 수 도 있다.

본 논문에서는 WBAN MAC에 대한 요구사항을 정의하고 이러한 요구조건을 만족시키기 위해 IEEE802.15.4의 수퍼프레임 구조를 기반으로 한 새로운 WBAN MAC 프로토콜 제안 및 성능평가 연구를 수행하였다. 제안된 WBAN MAC은 긴급 데이터 전송의 지연을 감소시키기 위해 긴급 데이터가 발생한 경우 이를 전송하기 위한 ECAP 구간을 정의하고 메티컬 데이터를 위한 DTS를 할당하는 메커니즘을 제공한다. 수리적 분석의 결과는 제안된 기법과 기존의 IEEE802.15.4 MAC 과 비교하였을 때 기존의 방식에 비해 더 낮은 지연과 향상된 처리률을 보여준다.