An Approach to Reduce Reporting Emergency Delay of Emergency Events in IEEE 802.15.4 Networks considering Human Body Monitoring Applications

Abstract

무선 통신 시스템 및 반도체 기술 분야에 있어서의 최근의 기술 발전은 무선 센서 영역을 넘어서는 무선 통신의 새로운 패러다임을 이끌고 있다. 인체 모니터링(HBM)은 특수 목적용 센서 응용의 하나로써 인체 내부나 외부에 부착된 다양한 센서 노드들이 관찰대상의 생리현상들을 감지하여 지정된 위치(싱크 노드)로 이를 보고하는 어플리케이션을 의미한다. 낮은 에너지 소비, 저비용, 신뢰적 데이터 전송의 특징으로 인하여 IEEE 802.15.4 표준이 HBM 어플리케이션에 대표적으로 사용될 수 있다. 그러나, IEEE 802.15.4 기반의 WSN 시스템에 HBM 어플리케이션을 직접 적용하는 것에는 어려움이 있다. 이는 15.4 표준이 모니터링 이벤트의 지연 특성에 대한 차별 서비스를 제공하지 않기 때문에 긴급 메시지를 공유 접속 채널을 통해 신속히 관찰자에게 전송하기에 부적절한 구조로 되어 있기 때문이다. IEEE 802.15.4매체 접근 제어 (MAC) 부계층은 노드 동기화를 위한 비활성 구간, 제어 프레임 교환을 위한 경합 액세스 구간, 데이터 전송을 위한 무경합 구간 그리고 낮은 듀티 사이클을 위한 비활성화 구간을 포함 하는 superframe 구조로 구성된다. 무경합 구간 동안 일부 센서 노드들은 정보 전송을 위해 할당된 보장 시간 슬롯(GTS)으로 패킷 전송을 수행한다. 이러한 GTS는 최대 7 슬롯까지 할당될 수 있으며 한 노드는 오직 하나의 GTS만을 가질 수 있다. 그러나 하나의 GTS는 하나 이상의 전송 슬롯으로 확장 가능하다. 그래서 이러한 GTS들이 최대로 할당되면 무경합 구간의 비율이 상대적으로 증가하게 된다. 무경합 구간 뒤 데이터 전송이 발생하지 않는 비활성화구간이 이어지게 되고, 이에 따라 긴급 데이터 전송이 필요한 센싱 노드가 무경쟁 구간에서 발생하였다면, 무경쟁 구간 및 비활성 구간을 기다린 후 다음 프레임의 경쟁 구간에 전송시도를 할 수 있기 때문에 심각한 지연을 겪어야 한다. 따라서 본 논문에서는IEEE 802.15.4 MAC의 이러한 비효율성을 완화하기 위해서, 비활성화 구간 동안 긴급 데이터의 기회주의적 전송을 허용하는 효율적인 긴급 메시지 처리 기법을 제안한다. 비활성화 구간에서 긴급 메시지 처리를 위한 세 가지 새로운 구간들을 정의하였다. 즉, 긴급 메시지 전송 노드들이 코디네이터에게 긴급 메시지 전송을 하기 위해 예약할 수 있는 전용 데이터 전송 슬롯(DTS)과 이러한 DTS를 경쟁 기반으로 예약할 수 있는 긴급 보고 구간(ERP), 긴급 노드들의 DTSs 스케줄 정보 등을 포함하는 비상 비컨(EB) 등이 그것이다. 이러한 추가적인 새로운 구간들은 긴급 메시지를 전송하는 목적으로 사용되며 긴급 메시지 전송 노드가 없는 경우에는 이 구간은 기존 표준에서와 같이 비활성화 구간으로 인식된다. Castalia 3.2 즉, OMNeT++ 플랫폼을 기반으로 센서 및 BAN 네트워크용으로 특별히 설계된 네트워크 시뮬레이터를 사용하여 컴퓨터 시뮬레이션 수행하였으며 시뮬레이션 결과를 통해 제안된 기법의 성능을 평가하였다. 결과로부터 제안된 방식은 긴급 메시지 전송의 지연을 기존의 IEEE 802.15.4 MAC보다 최대 28%로 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라, 긴급 데이터가 아닌 일반 데이터 전송 지연도 소폭 감소됨을 확인하였다. 또한, 긴급 데이터 전송에 대한 패킷 전달율도 기존 표준 방식보다 성능이 우수함을 확인하였다. 결론적으로, 제안된 방식이 기존의 IEEE 802.15.4MAC과 비교하여 생체 센서 노드의 긴급 데이터 전송에 대해 낮은 지연률과 높은 패킷 전달율을 제공할 수 있음을 확인하였으며, 기존 IEEE 802.15.4MAC표준 프로토콜을 쉽게 변형하여 이 표준이HBM 어플리케이션 사용되는 경우 더 좋은 성능을 제공할 수 있음을 증명하였다.|The recent advancements in wireless communication system and semiconductor technologies are paving the way for new paradigms over wireless sensor area networks. Human body monitoring (HBM) is one of such special purpose sensor application in which diverse sensor devices employed in, or on a human body sense the physiological phenomena of interests and report them to a designated authority (sink device). Due to the low energy consumption, lower cost, and reliable data transmission features, IEEE 802.15.4 is widely used for HBM application. But, realizing an effective HBM application over the conventional WSN based on IEEE 802.15.4 is challenging, especially when the time critical emergency events are to be reported, because IEEE 802.15.4 doesn’t differentiate the time criticality of the monitored events and hence doesn’t provide any preferential access opportunity for emergency devices while accessing the shared wireless channel. As a result, the reporting latency of the emergency events may significantly increase. IEEE 802.15.4 medium access control (MAC) sub-layer defines a superframe structure that contains a beacon period for devices synchronization, the contention access period for command frame exchange, the contention free period for data transmission and inactive period for low duty cycle. During the contention free access period, some sensor devices are allocated with scheduled time slots known as guaranteed time slot (GTSs). There may be a maximum of seven such GTSs exists, but a device can have only one GTS. However, a GTS can expand to more than one transmission slots. So, whenever the maximum of such GTSs is allocated, then the contention free period becomes long and continuous as the GTSs are aligned contiguously. The contention free period is followed by an inactive period where no data transmission takes place. As such, any sensor device with emergency data during the contention free access period is bound to suffer from severe delay because of the contention free period and inactive period. To alleviate this inefficiency of IEEE 802.15.4 MAC, we propose an efficient emergency handling scheme that allows opportunistic transmission of emergency data during the inactive period. The inactive period is modified into three new periods for emergency handling viz. emergency reporting period (ERP) where the emergency devices can request for dedicated data transmission slots (DTSs) for reporting the emergencies to the coordinator, emergency beacon (EB) frame that contains the DTSs schedule for the emergency nodes, and in the emergency transmission period (ETP) which is divided in DTSs for emergency data transmission. These additional new periods are used only for emergency reporting purposes and in case of no emergencies the EB and ETP act as inactive period. The performance of the proposed scheme is evaluated through the results of computer simulation using Castalia3.2, i.e. a network simulator specifically designed for the sensor and body area networks which is based on OMNeT++ platform. The results showed that the proposed scheme reduces the emergency event reporting delay up to 28% than in the conventional IEEE 802.15.4 MAC. The normal data transmission delay is also reduced marginally. Similarly, the packet delivery ratio for emergency traffics is observed to be higher than the conventional one. We believe, the proposed scheme is beneficial in HBM applications due to its ability to handle emergency events with low delay and high packet delivery ratio than the conventional IEEE 802.15.4 MAC. And due to its simplicity, it also can be implemented with the IEEE 802.15.4 MAC for better performance in HBM applications.