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Design of Time Synchronization Mechanism of Wireless USB over IEEE 802.15.6
Design of Time Synchronization Mechanism of Wireless USB over IEEE 802.15.6
Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering. 2014. Jul, 18(7): 1619-1627
Copyright © 2014, The Korea Institute of Information and Commucation Engineering
This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License(http://creativecommons.org/li-censes/by-nc/3.0/) which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.
  • Received : February 24, 2014
  • Accepted : March 25, 2014
  • Published : July 31, 2014
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경 허
khur@ginue.ac.kr

Abstract
웨어러블 컴퓨터 시스템은 WiMedia PHY/MAC 기술과 결합된 USB 기술로 WUSB (wireless universal serial bus) 기술을 사용하여 구성할 수 있다. 본 논문은 U-Health 기능을 지원하는 무선 웨어러블 컴퓨터시스템을 구성하기 위해 WUSB기술과 IEEE 802.15.6 WBAN (wireless body area networks) 기술을 결합한 통신시스템 구조에 초점을 맞추었다. 그리고 IEEE 802.15.6 기반 WUSB 통신 구조에서 시각동기 통신 기술을 제안하였다. 제안하는 시각동기 구조는 WBAN Polling Access 구조를 활용하고 Time Stamp를 사용한 시각동기 미들웨어를 결합한다. 성능 평가에서는 WBAN Polling Access를 적용한 시각동기 성능 및 시각동기 미들웨어를 추가한 성능을 비교분석하여, WUSB over IEEE 802.15.6 통신구조에서 제안한 시각동기 방식의 효율성을 평가하였다.
Keywords
Ⅰ. 서 론
일반적으로 센서네트워크를 구성하는 노드들은 자체적으로 타이머(클럭)를 보유하고 있으며 MAC(Medium Access Control) 계층, 네트워크(Network) 계층, 응용 (Application) 계층에서의 요구로 인해 일부 또는 전체 노드의 타이머가 동기화되는 것이 필요하다. 예를 들어, TDMA를 사용하는 MAC 알고리즘에서는 타임 슬롯을 나누고 할당하는 데에 있어 정확한 시각동기가 요구된다. 그리고 네트워크 계층에서 라우팅을 하는 데에 있어, 시각동기화가 되어 있다면 좀 더 빠르고 효율적으로 라우팅을 처리할 수 있게 된다. 또한 센서노드들에 의해 감지된 이벤트 정보가 싱크노드(sink node) 또는 서버로 보고될 때, 이 이벤트를 감지한 시각 정보가 해당 메시지에 포함되어 함께 전달된다면 싱크노드 또는 서버의 어플리케이션에서는 좀 더 고차원적인 처리가 가능해진다. 전달되는 이벤트가 다수의 센서노드에 의해 감지된 것이라면 시각 정보를 통해 동일 이벤트인지 또는 다른 시점에 발생한 이벤트인지를 판단할 수 있으며, 또한 침입 감지 이벤트가 발생했을 경우라면 감지된 시각 정보들을 바탕으로 침입된 물체의 추적이 가능하게 된다 [1 , 2] .
USB (Universal Serial Bus)기술은 PC와 주변장치를 쉽게 연결해주는 대표적인 Host to Devices 통신 버스 기술로 현재까지 20억 개 이상의 디바이스들이 사용되고 있다 [3] . USB는 사용자에게 PC와 디지털 캠, 하드 드라이브, 스캐너, 프린트, 카메라, 마우스 등 다양한 주변장치를 드라이버 설치와 재부팅 등의 번거로움 없이 연결시켜주는 편리한 버스 프로토콜이다. 하지만 기존의 유선 USB는 각 장치와 Host를 연결하는데 유선 케이블이 필요하기 때문에, USB 호스트와 연결된 디바이스와의 거리에 대한 제약, 복잡하게 연결된 케이블의 외관, 그리고 USB 허브에 부착된 슬롯 개수에 따른 설치의 복잡성과 같은 단점들을 가지고 있다.
이러한 문제점들을 해결하고자 Intel 등의 기업들을 중심으로 형성된 WiMedia Alliance는 WiMedia MAC의 무선 기술을 이용한 Wireless USB (WUSB) 규격을 개발하였다 [4] . WiMedia MAC은 WiMedia Alliance에서 개발한 UWB 기반의 분산화된 D-MAC (Distributed MAC) 프로토콜이며, WUSB는 유선 USB와 동일한 기능을 제공하도록 설계되었으며 호스트와 디바이스간 3m이내 거리에서 최대 480bps의 전송대역폭를 제공하며 최대 거리 10m이내까지 동작되도록 설계되었다 [5 - 7] .
WBAN (Wireless Body Area Networks) 표준은 근거리, 저전력, 고신뢰성 무선통신을 목표로 하고 있으며, 용도에 따라 전송속도가 10Kbps~10Mbps 범위로 의료용 또는 비의료용 서비스에 활용된다. 의료용의 경우 인체 내부에 이식되는 이식형과 인체 외부에 부착되는 부착형 장치로 나누어지며, 비의료용은 실시간 오디오/비디오 스트림, 데이터 파일 전달, 엔터테인먼트 등의 분야에 활용된다. 미래 사회에는 다양한 무선 장치들이 인체에 구성되어 네트워크를 형성할 것이다. 이때 전파가 인체에 미치는 영향, 통신에 사용되는 소모전력, 응용 서비스에 요구되는 다양한 특성 등을 만족하는 WBAN 기술이 필요하다. WBAN의 공통적인 목표는 처리량 향상, 지연시간 최소화, 소모전력 최소화를 지원하는 것이다 [8] .
웨어러블 컴퓨터 (Wearable Computer)는 인간 중심의 기술 경향과 유비쿼터스 컴퓨팅 환경을 근간으로 하는 차세대 컴퓨팅 분야에서 그 중심에 위치한다고 말할 수 있다. 이것은 사용자 중심의 인터페이스와 유비쿼터스 인프라에서 무선 통신 기술과 시스템을 소형화ㆍ의류화ㆍ내장화ㆍ자유 변형화하여 사람ㆍ기기ㆍ미디어 간의 경계를 허무는 하드웨어 플랫폼 기술을 지향하기 때문이다 [9 , 10] .
웨어러블 컴퓨터 시스템은 WiMedia PHY/MAC 기술과 결합된 USB 기술로 WUSB 기술을 사용하여 구성할 수 있다. 본 논문은 U-Health 기능을 지원하는 무선 웨어러블 컴퓨터시스템을 구성하기 위해 WUSB기술과 WBAN 기술을 결합한 통신시스템 구조에 초점을 맞추었다 [11] . 그리고 IEEE 802.15.6 기반 WUSB 통신 구조에서 시각동기 통신 기술을 제안하였다. 제안하는 시각동기 구조는 WBAN Polling Access 구조를 활용하고 Time Stamp를 사용한 시각동기 미들웨어를 결합한다. 성능 평가에서는 WBAN Polling Access를 적용한 시각동기 성능 및 시각동기 미들웨어를 추가한 성능을 비교분석하여, WUSB over IEEE 802.15.6 통신구조에서 제안한 시각동기 방식의 효율성을 평가하였다.
Ⅱ. 웨어러블 컴퓨터 시스템을 위한 WUSB over WBAN 프로토콜
WUSB는 기존의 USB와 마찬가지로 PC를 WUSB Host로 하고 무선 USB 규격을 적용한 주변 WUSB Device가 중앙집중방식으로 접속하는 형태이다 [3 , 4] . WUSB 채널은 특정 MAC 수퍼프레임에서 Private 구간들의 집합으로 형성된다. Private 구간은 특정 어플리케이션 그룹 멤버 디바이스들만 예약 전송 가능한 구간으로, 다른 어플리케이션의 디바이스들의 이 Private 구간에 대한 정보를 얻을 수 없다. 이러한 Private 구간들의 설정은 MMC(Micro-scheduled Management Commands) 제어 패킷이 담당하게 된다. MMC는 WUSB 호스트가 자신의 클러스터에 속한 디바이스들에게 방송하는 제어 패킷으로 다음 MMC 패킷이 전송될 시간정보, I/O control 시간정보, 호스트와 디바이스들간 통신 스케줄 정보 등을 포함하고 있다. 하나의 MMC는 다음 MMC 전까지 이루어질 USB 트랜잭션에 대한 스케줄링 정보를 포함하며 모든 WUSB 호스트와 WUSB 디바이스간 통신은 MMC에서 스케줄 된 순서와 시간에 맞추어 통신하게 된다 [3 , 4] .
IEEE 802.15.6은 하나의 허브와 여러 개의 노드가 스타 토폴로지를 구성하여 하나의 독립적인 네트워크를 형성한다. IEEE 802.15.6 MAC 프로토콜은 수퍼프레임 구간 내 Beacon Period를 설정하여 허브 디바이스가 비컨을 전송하는 Beacon mode로 동작한다. Beacon mode의 Active Beacon Period는 그림 1 과 같이 Exclusive Access Phase 1 (EAP1), Random Access Phase 1 (RAP1), Type-I/II Access Phase, EAP2, RAP2, Type-I/II Access Phase, Contention Access Phase (CAP)로 나누어 진다. EAP1과 EAP2는 높은 우선순위를 갖는 데이터를 보내기 위해 할당된 구간이고 RAP1, RAP2, CAP는 나머지 데이터를 전송하기 위해 할당된 구간으로 경쟁 기반의 접속 방식이다. 여기서 각 구간의 접속을 위해, CSMA/ CA 또는 Slotted Aloha 방식을 이용한다. Type-I/II Access Phase은 비경쟁 기반의 접근방식으로 허브와 노드는 미리 할당된 구간을 이용한다. 본 논문에서는 그림 1 과 같이 WUSB 호스트와 디바이스들 간 통신을 위해 Type-I/II Access Phase 구간을 할당하여 MMC 스케쥴링 기능을 지원한다.
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WUSB over IEEE 802.15.6 MAC 구성 Fig. 1 Configuration of WUSB over IEEE 802.15.6 MAC
Ⅲ. WUSB over IEEE 802.15.6 통합 프로토콜 의 시각동기 MAC 기능 설계
- 3.1. WBAN과 WUSB 공유 프로토콜
WBAN 환경에 맞는 새로운 MAC 프로토콜을 제안하기 위해 본 절에서는 호스트와 디바이스 간에 시각동기화가 이루어 졌다고 가정한다. 시각 동기화 방법에 대한 내용은 3.2절에서 자세히 소개한다. IEEE 802.15.6 MAC에서는 세 가지 모드로 동작한다. 세 가지 모드는 슈퍼프레임 구조를 갖는 비컨 모드, 슈퍼프레임 구조를 갖는 비컨이 없는 모드, 슈퍼프레임 구조를 갖지 않는 비컨이 없는 모드로 나누어진다.
슈퍼프레임 구조를 갖는 비컨 모드는 비컨을 통해 시각 동기화가 이루어지며 호스트에 의해 슬롯이 스케줄 되는 방식이다. 이 방식은 네트워크 내에 주기적으로 발생하는 트래픽이 많은 경우 장점을 얻을 수 있다. 슈퍼프레임 구조를 갖는 비컨이 없는 모드는 그림 2 와 같이 슈퍼프레임이 구성된다. 이 모드는 시각 동기화가 이루어 졌다고 가정을 하고 시각동기화 알고리즘에 의해 호스트와 디바이스는 동일한 슈퍼프레임 구간을 공유한다. 따라서 시각동기화 알고리즘의 성능에 따라 MAC의 성능이 결정된다. 마지막으로 슈퍼프레임 구조를 갖지 않는 비컨이 없는 모드는 호스트와 디바이스 사이에 시각 동기화가 이루어지지 않고 서로 독립적으로 동작하는 환경을 말한다. 즉, 무선 센서네트워크의 비동기 MAC에서 동작하는 환경과 유사한 형태를 띤다고 할 수 있다. 본 절에서는 호스트와 디바이스가 시각 동기화가 이루어 졌다는 가정에서 출발한다. 따라서 슈퍼프레임 구조를 갖는 비컨이 없는 모드에서 WBAN과 WUSB 공유를 위한 MAC 프로토콜을 제안한다.
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비컨이 없는 모드에서 IEEE 802.15.6 슈퍼프레임 구조 Fig. 2 Structure of superframe in IEEE 802.15.6 non-beacon mode
비컨 송수신 없이 액세스 구간을 할당받기 위해 Improvised access를 사용한다. Improvised access는 독립적인 액세스 방법으로 Poll을 이용하여, Connection Request와 Connection Assignment 프레임을 통해 미리 예약 없이 즉시 채널에 액세스 가능한 방법이다. 여기서 Poll은 프레임 페이로드를 포함하지 않으며 디바이스가 액세스 가능하도록 허브에 의해 전송되는 패킷이다
Poll을 이용하여 슬롯을 할당하기 위해 호스트와 디바이스가 마지막으로 교환한 MAC Capability 필드의 Type-I or Type-II Polling Access 비트를 그림 3 그림 4 와 같이 1로 설정해야 한다. 호스트가 디바이스에게 Polled Allocation을 할당하기 위해 호스트는 디바이스에게 미리 정해진 시간에 Poll을 전달한다. Poll을 수신한 디바이스는 pSIFS 이후 그리고 계속 Polled Allocation을 할당할지 말지는 IEEE 802.15.6의 정해진 규칙에 따른다. 그림 4 에서 M은 전송할 데이터가 더 있는 경우 1로 설정하고 없는 경우 0으로 설정한다. 그리고 L이 1인 경우 새로운 프레임 트랜잭션이 시작되고 0이면 시작되지 않는다. P는 Polled Allocation의 끝나는 길이를 나타낸다. 마지막으로 N은 Polled Allocation이 현재의 슈퍼프레임에서 끝날지 다음 슈퍼프레임에서 끝날지를 알려준다.
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Improvised Access를 위한 MAC Capability 포맷 Fig. 3 Format of MAC Capability for Improvised Access
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Polled Allocation 예제 Fig. 4 Example of Polled Allocations
제안하는 시각동기 기반의 MAC 프로토콜은 슈퍼프레임 구조를 갖는 비컨이 없는 모드에 기반을 둔다. 그림 5 와 같이 WUSB 디바이스에 의해 WBAN의 슈퍼프레임의 일부 구간이 점유된 경우 호스트는 슈퍼프레임 내에 어느 구간이 WUSB에 의해 점유되었는지 알 수 있다. 따라서 호스트는 미리 정해진 Polling 구간 중 WUSB에 의해 점유된 구간을 제외한 곳에서 Poll을 전송한다. 미리 정해진 구간에서 디바이스는 깨어나서 Poll을 수신하고 송신할 WBAN 트래픽이 있는 경우 Polled Allocation을 이용해 트래픽을 전송한다.
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시각동기 MAC의 슈퍼프레임 구조 Fig. 5 Structure of superframe in time-synchronization MAC
시각동기 MAC 프로토콜에서는 주기적인 비컨 송수신이 발생하지 않기 때문에 비컨 송수신으로 인한 전력 낭비를 줄일 수 있다. 하지만 부수적으로 이루어지는 시각동기 절차에 의한 오버헤드가 발생하기 때문에 시각동기 알고리즘에 의해 성능이 결정된다. 그리고 Poll 방식을 사용하여 데이터 전달이 필요할 때 즉시 데이터 전달이 가능하기 때문에 기존의 방식에 비해 지연시간도 줄일 수 있다.
- 3.2. WBAN과 WUSB디바이스간 시각동기 미들웨어
각 무선 디바이스의 타이머는 동일한 주파수의 크리스털 오실레이터에 의해 동작하지만, 에이징(Aging) 또는 온도 차이에 의해 같은 주파수의 오실레이터라 할지라도 서로 간에 표류(Drift)하는 현상이 발생하게 된다. 시각동기를 유지하기 위해 2단계의 시각소인(Time Stamp) 메시지 교환을 사용하는 경우, 타이머 오프셋만을 보정하여 시각동기를 유지하므로, 오실레이터 간 주파수 차이가 있게 되면, 클럭 스큐로 인해 동기의 정확도가 떨어지게 되고 동기화 수행을 빈번하게 해주어야 한다. 디바이스와 디바이스 1:1 간에 동기화를 바탕으로 하기 때문에 다수의 디바이스로 구성된 멀티홉 네트워크 환경에서는 많은 메시지 송수신이 이뤄져야 한다. 무선 웨어러블 네트워크의 특성상, 각 디바이스는 한정된 자원으로 동작하므로 잦은 동기화 수행과 잦은 메시지 송수신은 전체 네트워크의 수명을 짧아지게 한다.
본 논문에서는 3단계(three way)의 시각소인 메시지 교환 작업을 통해 디바이스들 간 동기 정확도를 높이고, 또한 1:N 동기화 환경에서 메시지 송수신 횟수를 줄일 수 있는 시각동기화 방법을 제안한다. 1:1 상황에서의 3단계 시각소인 메시지 교환을 통한 시각동기 방법은 다음과 같다. 디바이스 B가 디바이스 A의 타이머에 동기화를 맞추는 과정으로 그림 6 과 같이, 먼저 디바이스 A는 InitSync 메시지를 B에게 송신한다. 이 InitSync 메시지에는 A가 송신한 시점의 시각소인 정보인 T 1 이 포함되어 있으며, B가 이 메시지를 수신하게 되면 수신한 시점의 시각소인 정보 T 2 를 저장한다. B는 SyncPulse 메시지를 A에게 송신하며, 이 메시지에는 B가 송신한 시점의 시각소인 정보 T 3 가 포함되어 있다. A가 이 메시지를 수신하게 되면 수신 시점의 시각소인 정보 T 4 를 저장하고, SyncAck 메시지에 T4 정보를 포함하여 B에 다시 전송한다. 이 SyncAck 메시지에는 T 4 정보뿐만 아니라 송신 시점의 시각소인 정보 T 5 가 포함되어 있다. SyncAck 메시지를 받은 B는 수신한 시점의 시각소인 정보인 T 6 를 저장하게 되고, 이 시점에서 B는 총 6개 (T 1 ~T 6 )의 시각소인 정보를 보유하게 된다. 디바이스 A와 B의 타이머가 식 (1)와 같은 함수에 의해 동작한다고 하면 T 1 과 T 2 의 관계, T 3 와 T 4 의 관계, T 5 와 T 6 의 관계는 식 (2)와 같이 표현될 수 있다.
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3단계 시각소인(Time Stamp) 메시지 교환 과정 Fig. 6 Exchange of three-step Time Stamp messages
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식 (2)에서의 변수는 b/a, d, Δ의 3개라 할 수 있으며 3원 1차 연립방정식을 통해 각 변수값을 구하면 식 (3)과 같다. 식(3)의 결과를 통해 B는 자신의 클럭 주파수와 A의 클럭 주파수와의 비율값(b/a), 그리고 A와의 타이머 오프셋 값(Δ)을 알 수 있게 된다. 따라서 B는 자신의 타이머 값에서 Δ만큼 빼주어서 보정을 취하고, 주파수 차이에 의해 발생하는 스큐를 b/a 값에 의해 주기적으로 갱신을 시켜주게 되면 A의 타이머와 동기를 맞출 수 있게 된다.
그림 7 은 1:N 상황에서의 3단계 시각소인 메시지 교환을 통해 디바이스 B, C, D, E가 디바이스 A의 클럭에 동기화를 맞추는 과정을 나타낸다. 처음에 A는 InitSync를 메시지를 브로드캐스트하며, 이 메시지에는 송신 시각소인 정보 T 1 과 SyncPulse 메시지의 전송 순서(여기에서는 B, C, D, E 순)가 포함되어 있다. 디바이스 B, C, D, E가 이 메시지를 받게 되면 각 디바이스는 수신 시각소인 정보 T 2 를 저장하고 곧이어 SyncPulse 메시지를 전송 순서에 맞게 송신하게 된다. SyncPulse 메시지를 받은 디바이스 A는 수신 시각소인 정보 T 4B , T 4C , T 4D , T 4E 를 저장하고, 이 값들을 SyncAck 메시지에 포함하여 T 5 에 브로드캐스트한다. 디바이스 B, C, D, E가 SyncAck 메시지를 받게 되면 각 디바이스는 총 6개의 시각소인 정보를 보유하게 되며 식 (1), (2), (3)에 의해 A의 타이머와 동기화를 이룰 수 있게 된다.
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1:N 상황에서의 3단계 시각소인 메시지 교환 Fig. 7 Exchange of three-step Time Stamp messages at 1 to N devices
Ⅳ. 시뮬레이션 결과 분석
앞에서 제시한 3단계의 시각소인(Time Stamp) 메시지 교환을 통해 1:N의 네트워크 상황에서 기존의 방법에 비해 시각동기 수행에 따른 메시지 전송 횟수를 줄여 통신 오버헤드와 에너지 소모를 감소시킬 수 있다. 2단계 시각소인 메시지 교환을 사용하는 경우 일대일 간 동기화를 바탕으로 하고 있기 때문에 1:N 상황에서의 시각소인 정보 메시지 교환 횟수는 2N회가 된다. 그러나 제시한 방식의 경우, 브로드캐스트 메시지와 상위노드에서 데이터 취합을 통해 1:N 상황에서 총 (N+2)회의 시각소인 메시지 교환을 통해 동기화 수행이 가능하다.
따라서 N이 3이상인 경우, 즉 이웃 디바이스의 개수가 3개 이상인 토폴로지에서는 제시한 시각동기 방법을 통해 통신 오버헤드를 줄일 수 있으며 네트워크 전체의 수명을 증대시키는 효과가 있다.
시각동기 정확도를 확인하기 위해 OMNeT++ 시뮬레이터을 이용하여 시뮬레이션을 수행하였으며 2단계 시각소인 메시지 교환 방식과 3단계 시각소인 메시지 교환 방식을 구현하여 서로의 동기 정확도를 비교하였다. 홉 수(레벨 수)에 따른 동기 정확도를 여러 디바이스에 걸쳐 평균 내어 산출하고자 총 63개의 디바이스를 사용하여 10m * 10m 크기의 필드에 그림 8 과 같은 트리 형태의 네트워크 토폴로지를 구성하였다. 본 논문에서는 표준 WBAN 변수 값들을 적용하였다 [8] . 디바이스의 클럭 주파수는 4㎒, 클럭의 주파수 정확도는 ±20ppm으로 가정하여, 각 디바이스의 클럭은 식 (4)와 같이 모델링하였다.
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동기 정확도를 검증하기 위한 시뮬레이션 토폴로지 Fig. 8 Simulation topology to check accuracy of synchronization
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여기에서 t는 10㎲ 단위의 이상적인 시각값, y는 1 count(tick)당 0.25㎲의 로컬 클럭값을 의미한다. 또한 α 는 주파수 차이에 따른 스큐를 반영한 값으로서 디바이스마다 [−0.0008, 0.0008] 사이의 값으로 랜덤하게 적용하였으며, β는 초기 시작 시각의 차이를 나타내기 위한 오프셋으로서 0~2초 사이의 값으로 랜덤하게 적용하였다. 그림 9 는 루트 디바이스로부터의 홉 수에 따른 2단계 방식과 3단계 시각소인 메시지 교환 방식의 동기 정확도를 나타낸 것이며, 이를 통해 루트 디바이스로부터의 홉 수(레벨 수)가 증가함에 따라 동기 오차는 점점 증가함을 확인할 수 있으며, 또한 3단계 시각소인 메시지 교환 방식의 동기 오차가 2단계 방식의 동기 오차의 약 30% 수준임을 확인할 수 있다.
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루트 디바이스로부터의 홉 수에 따른 시각동기 오차 Fig. 9 Synchronization error at each level of nodes
네트워크 내에는 1개의 WUSB/WBAN 호스트와 4개의 WBAN 디바이스가 존재하고, 10초마다 WUSB 디바이스가 네트워크 내로 들어와 트래픽을 전송하는 상황을 실험하였다. 이때 각 WUSB 디바이스는 슈퍼프레임의 5%에 해당하는 구간을 점유한다고 가정한다. 시뮬레이션을 통해 제안하는 시각동기 MAC 프로토콜의 에너지 소모량과 지연시간을 측정했다.
그림 10 그림 11 은 2단계 방식과 3단계 시각소인 메시지 교환 방식에서 WUSB/WBAN 디바이스의 평균 에너지 소모량 변화를 측정한 결과이다. 두 결과 그래프에서 n은 한 슈퍼프레임 내에 정해진 Polling을 위한 구간의 수를 나타낸다. n의 개수가 늘어날수록 평균 에너지 소모량은 조금 증가하는데 이것은 Poll을 수신하기 위해 디바이스가 깨어나는 구간이 늘어나기 때문이다. 하지만 Poll을 수신하기 위해 깨어나는 시간이 짧기 때문에 오버헤드는 크지 않다. 10초마다 5%의 슈퍼프레임 구간을 차지하는 WUSB 디바이스가 네트워크 내로 들어와 슈퍼프레임을 점유하기 때문에 기존에 있던 WBAN 디바이스가 사용 가능한 슈퍼프레임 구간은 시간이 지날수록 점점 감소한다. 따라서 시간이 지날수록 디바이스가 Poll을 위해 Idle listening하는 시간이 늘어나기 때문에 에너지 소모량은 시간이 지남에 따라 증가한다. 그리고 두 결과 그래프에서 공통적으로 100초 이 후, 즉 WUSB에 의해 점유된 슈퍼프레임이 50% 이상인 경우 에너지 소모량의 증가는 거의 포화상태가 되어 거의 증가하지 않게 된다. 이러한 결과는 Polling을 위해 정해진 구간들의 대부분이 WUSB에 의해 점유되었기 때문에 나타나는 결과이다. 3단계 시각소인 메시지 교환 방식을 적용한 결과, 전체적인 에너지 소모는 2단계 시각소인 메시지 교환 방식에 비해 약 18% 감소함을 확인할 수 있다. 그림 12 그림 13 은 WUSB/WBAN 디바이스의 평균 지연시간 변화를 측정한 결과이다. n이 늘어날수록 에너지 소모량과 다르게 지연시간은 감소하게 된다. 이는 Polling을 위한 인터벌이 짧아져서 디바이스가 Poll을 기다리는 시간이 짧아졌기 때문에 나타나는 결과다. 시간이 지남에 따라 WUSB에 의한 채널 점유율이 높아지기 때문에 지연시간 또한 증가하게 된다. WBAN 디바이스가 전송할 데이터가 있는 경우 정해진 Poll을 수신하는 구간에서 Poll을 수신하지 못하게 되면 다음 Poll을 수신하는 구간까지 기다렸다가 데이터를 전송해야 한다. 따라서 WUSB에 의한 채널 점유율이 높아질수록 지연시간은 기하급수적으로 증가하게 된다. 에너지 소모량의 결과와 마찬가지로, 3단계 시각소인 메시지 교환 방식을 적용한 결과, 평균 지연시간은 2단계 시각소인 메시지 교환 방식에 비해 약 15% 정도 감소함을 확인할 수 있다.
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2단계 시각소인 방식에서 WUSB/WBAN 디바이스 의 평균 에너지 소모량 Fig. 10 Energy consumption per WUSB/WBAN device at two way time stamp exchange scheme
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3단계 시각소인 방식에서 WUSB/WBAN 디바이스 의 평균 에너지 소모량 Fig. 11 Energy consumption per WUSB/WBAN device at three way time stamp exchange scheme
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2단계 시각소인 방식에서 WUSB/WBAN 디바이스 의 평균 지연시간 Fig. 12 Average delay per WUSB/WBAN device at two way time stamp exchange scheme
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3단계 시각소인 방식에서 WUSB/WBAN 디바이스 의 평균 지연시간 Fig. 13 Average delay per WUSB/WBAN device at three way time stamp exchange scheme
Ⅴ. 결 론
본 논문에서는 IEEE 802.15.6 기반 WUSB 통신 구조에서 시각동기 통신 기술을 제안하였다. 제안하는 시각동기 구조는 WBAN Polling Access 구조를 활용하고 Time Stamp를 사용한 시각동기 미들웨어를 결합하였다. 제안하는 기술은 WUSB over WBAN 프로토콜 기반 센서 노드에서, 계층적인 구조를 구성하고 Time Stamp 패킷을 송수신하는 방식으로 빠르게 실행되어 전력소모를 감소시키며, 동기화 메시지의 발생량을 줄이면서도 정확도에서도 떨어지지 않는 기술이다. 그러나, WUSB에 의해 점유된 슈퍼프레임 비율이 50% 이상일 경우, 에너지 소모량 및 지연시간이 최고값에 이르게 되어, 향후 우선순위에 따라 WUSB와 WBAN의 채널 점유율을 조절하는 방법에 대한 연구가 필요하다고 사료된다.
BIO
허 경(Kyeong Hur)
1998년고려대전자공학과 학사
2000년고려대전자공학과 석사
2004년 8월 고려대 전자공학과 통신공학 박사
2004년 8월 ~ 2005년 8월 삼성종합기술원(SAIT)전문연구원
2005년 9월 ~ 현재 경인교대 컴퓨터교육과 부교수
※관심분야 : 통신시스템설계, 상황인지기술, 컴퓨터교육
References
Sundararaman B. , Buy U. , Kshemkalyani A. D. 2005 “Clock Synchronization for Wireless Sensor Networks: a Survey,” Ad-Hoc Networks 3 (3) 281 - 323
Noh K. , Chaudhari Q. M. , Serpedin E. , Suter B. W. 2007 “Novel Clock Phase Offset and Skew Estimation Using Two-Way Timing Message Exchanges for Wireless Sensor Networks,” IEEE Transactions on Communications 55 (4) 766 - 777    DOI : 10.1109/TCOMM.2007.894102
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