인체 채널에서 전자기파 전송 지연 특성을 고려한 다중 매체 제어 프로토콜 설계

Transmission Latency-Aware MAC Protocol Design for Intra-Body Communications

Abstract

인체 통신은 인체를 매질로 통신하는 기술로, BAN (Body-Area Network) 환경에서, 무선 통신에 비해 신호 감쇠 측면에서 큰 이점이 있어 배터리로 동작하는 웨어러블 기기 간 통신 시 저전력 통신을 지원할 수 있다. 하지만, 인체 통신은 그 이점에 비해 안전성 등의 문제가 있어 채널 특성에 대한 연구가 미비하였다. 이에 본 논문은 인체 채널 특성에 있어 통신 성능에 영향을 주는 MAC 파라미터를 제시하고, 이를 이용한 새로운 인체 통신 용 MAC 프로토콜을 제안하고, 또한, 각기 다른 가드 인터벌을 설정하여 성능을 분석하였다. 결과로, IEEE 802.15.6 표준 기반 Slotted aloha 프로토콜에 비해 약 300kbps의 Goodput 이득을 가졌으며, Duty cycle 또한 약 7.07%로, 표준의 최소 duty cycle이 약 5%이지만, Goodput을 고려했을 때, 인정할 수 있는 성능이라 볼 수 있다.

Intra-Body Communication (IBC) is a communication method using the human body as a communication medium. The fact that our human body consists of water and electrolyte allow such communication method could work and have strength in low-power. However, because the IBC directly affects to human body by using it as a medium, there was a lack of research in communication protocols of each communication layer. In this paper, we suggests MAC parameters which affects the performance of communication in human body channel, and propose new MAC protocol. Our results shows that our MAC is suitable for supporting high data rate applications with comparable radio duty cycle performance.

Fig. 1. Two Types of Coupling Methods for Intra-Body Communications

Fig. 2. Proposed Superframe Architecture

Fig. 3. Physical Layer Frame Format

Fig. 4. Packet Structure for the Scheduling Phase

Fig. 5. Packet Format for the Join Phase(Left) and Data(Right)

Fig. 6. MAC Header Frame Format

Fig. 7. State Diagram for the Sink Node

Fig. 8. State Diagram for the Client Nodes

Fig. 9. Goodput for IEEE 802.15.6 Slotted Aloha with Different Data Requests

Fig. 10. Goodput for Phang et al.[12] with Different Data Requests

Fig. 11. Goodput for Proposed Scheme with Different Data Requests

Fig. 12. Duty Cycle Results for IEEE 802.15.6 Slotted Aloha

Fig. 13. Duty Cycle Results for Phang et al.[12]

Fig. 14. Duty Cycle Results for the Proposed Scheme

Fig. 15. Latency Result of IEEE 802.15.6 Slotted Aloha

Fig. 16. Transmission Latency for Phang et al.[12]

Fig. 17. Transmission Latency for the Proposed Scheme

Fig. 18. Maximum Achieved Goodput for Varying Guard Intervals

Table 1. Requirements of MAC Protocol Design for Intra-Body Communications

Table 2. Parameters Used for the IEEE 802.15.6 Slotted Aloha, Phang et al. [12], and the Proposed Scheme. All Parameters Assume a 1Mbps Channel Throughput

Table 3. Contention Probability by Each User Priority(UP)