Battery-Dynamics Driven TDMA MAC Protocols for Wireless Body-Area Monitoring Networks in Healthcare Applications Hang Su, Student Member, IEEE, and Xi.

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1 Battery-Dynamics Driven TDMA MAC Protocols for Wireless Body-Area Monitoring Networks in Healthcare Applications Hang Su, Student Member, IEEE, and Xi Zhang, Senior Member, IEEE424 IEEE JOURNAL ON SELECTED AREAS IN COMMUNICATIONS, VOL. 27, NO. 4, MAY 2009

2 Summary Take battery recovery dynamics
Time-varying wireless channel at the physical layer Queuing management at the data link layer Increase the battery lifespan while satisfying the delay QoS requirement 이논문의 목표는 베터리 사용 시간을 늘리고 딜레이 Qos를 만족시키는 것입니다.

3 Introduction 센서 노드들은 다양한 생체정보를 받지만
그 자체로서 다른 노드들과 통신하거나 디스플레이기능을 할 수 없기 때문에 코디네이터가 필요하게 됩니다., 코디네이터는 데이터를 모으고 분석해서 인터넷 게이트웨이로 보내게 됩니다. 그러므로 신뢰성을 보장하고 적절하게 데이터를 보내는 것이 가장 큰 목표가 됩니다

4 2. System model- Basic frameworks
Sensor nodes which is powered by a battery with limited capacity. Sensor nodes transmit the sensed information at a constant power to their coordinator in a time-division manner 비콘 신호는 코디네티터가 프레임 기간 길이와 채널 스테이트 인포메이션 (C S I)을 예측할 수 있도록 브로드캐스트합니다.. 자기가 보낼 것이 있을 때만 active 합니다. 그렇지 않으면 sleep state 입니다.

5 2. System model- The battery discharge dynamics
Battery’s recovery capacity effect: Batteries are capable of recovering the initial value of voltage when they remain idle for certain period 1. Theoretical capacity : decided by the amount of active materials contained in the cell(ampere-hours) 2. Nominal capacity : capacity actually available when the battery is discharged at a specific constant current Due to recovery capacity effect , nominal capacity increase. 여기에서 이용하는 배터리 특성은

6 2. System model- The battery discharge dynamics
We set the theoretical capacity to be ET charge units and the nominal capacity to be EN charge units. Let ER (ER < EN ) be the remaining battery capacity.

7 2. System model- The battery discharge dynamics
The dynamics of the batteries i) If the sensor node sends packets during a time slot, one unit of the charge is consumed ii) If the sensor node remains idle during a period of time, the battery can recover one unit of the charge at a probability of e−c(EN −ER), where c is a real-valued number depending on the battery’s electrochemical properties. The smaller the value of c, the larger the recovery capability. 그리고 WBAN 환경에 맞는 fading 모델을 위해 나카가미-m 모델을 사용했다고합니다.

8 2. Proposed shemes –protocol overview
propose the battery-aware TDMA scheduling based MAC protocols 앞서말씀드린 배터리 특성을 이용하면 쉬는 시간을 늘리면 배터리 사용시간이 증가한다는 사실을 알수있습니다. 그래서 propose the battery-aware TDMA scheduling based MAC protocols FIFO방식의 buffer에 데이터가 차고 센서 노드는 비콘 신호의 강도를 통해 채널정보를 예측합니다. 그래서 채널정보와 버퍼의 큐 길이를 통해서 패킷전송을 위한 modulatin을 control 합니다. 배터리 시간과 packet delay와 loss Qos간의 traedoff가 됩니다. The sensor nodes transmit the packets in the buffer only if the channel is good and the buffer size is large enough holding more packets in the buffer introduces larger packet delay and packet drop rate of the sensor nodes,.

9 2. Proposed shemes –protocol overview
Algorithm 1 Our proposed TDMA scheduling based MAC protocols For each sensor node in its assigned time slot of the t-th frame period estimate the CSI by analyzing the beacon packet n := number of packets in the buffer m := estimated number of pkts it can transmit based on the CSI if n > θc or (m > θa and n > θb) ,( θc > max{θa, θb}.) transmit packets in the buffer else 각 노드는 각자 할당된 타임슬롯에서 비콘정보를 통해 채널정보를 파악하고 버퍼안의 패킷수와 전송가능한 패킷수가 뜨래숄드를 넘으면 전송합니다. 이런식으로 배터리 사용을 증가시킵니다. 세타c는 그들이 제안한 알고리즘이 기존의 버퍼사이즈가 클때 TDMA방식으로 동작하기 위해서 사용합니다.

10 3. Performance Evaluation
In this paper, (θa, θb, θc) is set to (1, 1, 2), (1, 2, 5), (3, 3, 15), (3, 4, 20) for different cases in the order of lower to higher delay-QoS requirements. The Case of Poisson Packet Arrival 첫번째 그래프는 노드가 죽을때까지 보내진 패킷의 양. 당연히 배터리가 오래 살아남을수록 많이 보낼수 잇으므로 이들이 제안한 알고리즘이 더 많이 보냈다. 두번째는 패킷 어리벌 레이트를 올려감에 따라 딜레이를 측저한 것입니다. 당연히 이들이 제안한 알고리즘 (가장 위의 ) 딜레이가 가장컷다. 하지만 일반적인 TDMA는 monotonically 증가 하고 있습니다. (가장 밑에 그래프) 이것은 패킷 드랍 레이트 때문입니다.

11 3. Performance Evaluation
Example Study of Constant Packet Arrival Case: ECG Monitoring Application -Generates signal samples at constant rate: Packet arrival rate per node :10, 20.(the sample per lead per second is set to 200 and 400) -ECG delay should be less than 300ms.[15] Average packet delay against the number of sensor nodes ECG의 경우에는 이들이 제안한 방법들은 일정한 딜레이를 보였으며 requirement 인 300ms을 넘지 않았습니다,. 하지만 기존의 는 upper bounded 되지 않았는데 CAP모드에서 많은 수의 노드들이 충동을 발생시키고 큰 딜레이를 발생시키기 때문입니다. [15] P. Zhou, B. Lock, and T. A. Kuiken, “Real time ECG artifact removal for myoelectric prosthesis control,” Physiological Measurement, vol. 28, pp. 397–413, 2007

12 4. Conclusion Proposed schemes is based on the cross-layer design technique, which takes battery recovery dynamics, time- varying wireless channels at the physical layer, and queuing management at the data link layer into account. Proposed schemes can highly increase the battery lifespan while satisfying the delay QoS ECG의 경우에는 이들이 제안한 방법들은 일정한 딜레이를 보였으며 requirement 인 300ms을 넘지 않았습니다,. 하지만 기존의 는 upper bounded 되지 않았는데 CAP모드에서 많은 수의 노드들이 충동을 발생시키고 큰 딜레이를 발생시키기 때문입니다.

13 4. Our Proposed schemes Battery-aware WBAN monitoring 2-hop Networks
Coordinator가 노드들의 배터리상태를 예측해서 스케줄링해주는 Medical 2-hop network. Battery-aware WBAN monitoring 2-hop Networks collect data From sensor Portable Device Transmit to the internet WBAN WLAN 단일 셀에서 배터리 방전은 회복효과와 단위 시간당 방전 전류량에 따라서 시스템에서 끌어 쓸 수 있는 에너지 총량이 달라진다. Coordinator는 노드들이 몇 번 전송을 했고 언제부터 시작했는지 알 수 있으므로 배터리가 얼마나 소모되었는지 추측이 가능 추측된 정보를 가지고 노드들의 버퍼 길이를 Adaptive하게 증가시켜서 idle 시간을 늘려준다. (ex 50프로 남았을때 버퍼사이즈를 2로 증가 30프로 남았을때 버퍼사이즈를 3으로 증가) 각 노드는 각자 할당된 타임슬롯에서 비콘정보를 통해 채널정보를 파악하고 버퍼안의 패킷수와 전송가능한 패킷수가 뜨래숄드를 넘으면 전송합니다. 이런식으로 배터리 사용을 증가시킵니다. 세타c는 그들이 제안한 알고리즘이 기존의 버퍼사이즈가 클때의 TDMA방식으로 동작하기 위해서 사용합니다.

14 4. Our Proposed shemes Coordinator 데이터가공구간 (zigbee 데이터 -> wifi 데이터)
WiFi transmission (CSMA/CA) 데이터가공구간 (zigbee 데이터 -> wifi 데이터)

15 4. Our Proposed shemes 장점 Two Hop 구조이므로 One-hop 보다 노드들은 적은 파워로 통신하므로 파워소모를 줄일 수 있음 코디네이터가 센서들의 배터리를 Control하므로 센서들이 각자알아서 조절하는 것보다 효율적 구현 이슈: 주파수 선택 (한 기기 안에 zigbee와 Wifi 간 간섭을 없애기 위해 Canceller 사용 가능) 전기로 변화는 에너지양은 배터리의 방전패턴, 단위 시간당 전류 방전량, 주변온도에 영향받음 배터리 측정을 위한 기술에 대한 탐색 Delay를 고려 각 노드는 각자 할당된 타임슬롯에서 비콘정보를 통해 채널정보를 파악하고 버퍼안의 패킷수와 전송가능한 패킷수가 뜨래숄드를 넘으면 전송합니다. 이런식으로 배터리 사용을 증가시킵니다. 세타c는 그들이 제안한 알고리즘이 기존의 버퍼사이즈가 클때의 TDMA방식으로 동작하기 위해서 사용합니다.