웨어러블 컴퓨터 (Wearable Computer)는 인간 중심의 기술 경향과 유비쿼터스 컴퓨팅 환경을 근간으로 하는 차세대 컴퓨팅 분야에서 그 중심에 위치한다고 말할 수 있다. 이것은 사용자와 컴퓨팅 기기간의 상호교감을 극대화시키는 사용자 중심의 인터페이스와 유비쿼터스 인프라에서 정보이용의 시공간적 제약을 극복하는 사용자의 정보 접근성 및 이동성을 증대시키는 무선 통신 기술과 시스템을 소형화ㆍ의류화ㆍ내장화ㆍ자유 변형화하여 사람ㆍ기기ㆍ미디어 간의 경계를 허무는 하드웨어 플랫폼 기술을 지향하기 때문이다[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 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[9-13]. 이를 위해 WBAN 망에서 WUSB 통신 구간 을 할당하는 통신 구조를 제안한다. 제안하는 통신구조에서 WUSB 통신 구간은 WBAN Privated Period를 사용한다. 성능 평가에서는 WBAN 통신 점유율에 따른 WUSB 통신 수율을 이론적인 분석과 시뮬레이션을 통해 비교 분석하여 WUSB over WBAN 통신의 효율성을 평가하였다.

WUSB는 기존의 USB와 마찬가지로 PC를 WUSB Host로 하고 무선 USB 규격을 적용한 주변 WUSB Device가 중앙집중방식으로 접속하는 형태이다[3,4]. WUSB는 WiMedia D-MAC 상에서 동작하는데, WUSB 채널은 WiMedia D-MAC 수퍼프레임에서 Private 구간들의 집합으로 형성된다. Private 구간은 특정 어플리케 이션 그룹 멤버 디바이스들만 예약 전송 가능한 구간으로, 다른 어플리케이션의 디바이스들의 이 Private 구간 에 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 스케줄된 순서와 시간에 맞추어 통신하게 된다[3,4].

IEEE 802.15.6 WBAN의 연구 범위는 움직이거나, 정지 상태에서 3m 범위까지 사람의 활동 공간에서 무선 접속을 제공할 수 있는 물리 계층과 데이터 링크계층을 표준화하고, 저전력, 소형화에 초점을 맞추고 있다[8]. 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 mode는 비교적 많은 양의 트래픽이 발생하는 Non-Medical 환경에서 사용된다. Beacon mode의 Active Beacon Period는 그림 1과 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 2와과 같이 WUSB 호스트와 디바이스들 간 통신을 위해 Type-I/II Access Phase 구간을 할당하여 MMC 스케쥴링 기능을 지원한다.

그림 3은 사용자가 WUSB 호스트과 WBAN 허브 호스트의 기능을 동시에 수행하는 웨어러블 스마트 컴퓨터를 갖는 경우, 하나의 WUSB 클러스터와 하나의 WBAN 클러스터가 결합되어 웨어러블 컴퓨터 시스템을 구성한 사례를 나타낸다.

본 절에서는 IEEE 802.15.6 WBAN MAC의 비컨 구조에 대해서 분석하고, WUSB의 MMC 스케쥴링을 지원할 수 있도록 비컨 구조를 설계한다. IEEE 802.15.6에서 호스트는 주기적인 비컨 브로드 캐스트를 통해 Active Beacon Period를 사용 가능한 구간으로 나눈다. 그리고 비컨을 통해 디바이스와 동기화하여 타임슬롯들을 스케줄링하고, 다음 Active Beacon Period와 비컨 전송 시간을 알려준다. 비컨을 수신한 디바이스들은 비컨에 있는 정보에 따라 송수신을 스케줄링 한다. 따라서, 비컨은 네트워크의 스케쥴링을 위해 많은 정보를 담고 있는 매우 중요한 패킷이라 할 수 있다.

비컨 프레임 포맷은 그림 4와 같다. 비컨 프레임은 MAC Payload 부분에 들어가며, 기본적으로 Sender Address, Beacon Period Length, Allocation Slot Length, RAP1 Length, RAP2 Length, MAC Capability, PHY Capability로 구성된다. Sender Address 필드는 비컨을 보내는 호스트의 IEEE MAC 주소를 말하고, 이를 통해 디바이스는 자신의 호스트 주소를 알 수 있다. Beacon Period Length 필드는 비컨이 전송되는 간격을 나타내는 것으로 타임슬롯 단위로 정해진다. 이것은 0부터 256까지 응용에 따라 다양하게 선택 가능하다. Allocation Slot Length 필드는 하나의 타임슬롯이 차지하는 시간을 나타내기 위한 필드이다. 사용하는 물리계 층의 특성에 따라 달라질 수 있다. RAP1 Length와 RAP2 Length 필드는 그림 1과 같이 Active Beacon Period 내에서 RAP1과 RAP2의 길이를 나타내기 위한 것이고 타임슬롯 단위로 표기된다. RAP1 Length 필드 는 호스트로부터 Connection Assignment Frame을 받을수 있는 최소한의 길이 이상이어야 하고, RAP2 Length 필드는 0 이상의 값을 가질 수 있다. MAC Capability 필드는 아래 단락에서 소개할 것이고, PHY Capability 필드는 본 연구와 관련된 부분이 없기 때문에 생략한다. 그리고 Beacon Shifting Sequence, Channel Hopping State, Next Channel Hop, Inactive Duration 필드는 간섭 회피를 위해 사용되는 선택적인 필드다.

호스트와 디바이스들은 제공하는 기능에 따라 각각 다른 기능적 요구사항들을 갖는다. 각각의 요구사항을 만족시키기 위해 그림 5와 같이 MAC Capability에 나열된 여러 필드들이 사용된다. MAC Capability는 CSMA/CA, Slotted Aloha Access, Type-I Polling Access, Type-II Polling Access, Scheduled Access, Delayed-Polling Access, G-Ack, L-Ack/B-Ack, Group Connection, Multinode Connection Assignment, Relaying Node, Relayed Hub/Node, Always Active, Battery Level Indication으로 구성된다. CSMA/CA와 Slotted Aloha Access 필드에서는 RAP1, RAP2, CAP에서 사용할 경쟁 기반의 접근 방식을 결정한다. Type-I Polling Access와 Type-II Polling Access 필드는 Type-I polled allocation과 Type-II polled allocation의 지원 여부를 결정한다. Scheduled Access 필드는 Type-I Access Phase 와 Type-II Access Phase에서 비경쟁 접근 방식의 지원 여부를 결정한다. Delayed-Polling Access 필드는 지연 시간을 갖는 Type-I polled allocation과 Type-II polled allocation의 지원 여부를 결정한다.

G-Ack와 L-Ack/ B-Ack 필드는 그룹단위로 전송하는 group acknowledgement와 차후에 전송하는 late acknowledgement 그리고 데이터의 블록 단위로 전송하는 block acknowledgement를 정하기 위한 필드다. Group Connection과 Multinode Connection Assignment 필드는 호스트와 디바이스의 연결 방법을 결정하기 위한 필드이고, Relaying Node와 Relayed Hub/Node 필드는 two-hop을 갖는 확장된 스타토폴로지를 지원하기 위해 사용된다. Always Active 필드는 호스트의 자원의 제약이 상대적으로 낮은 것을 이용하여 항상 Active 상태로 둘지 결정한다. 마지막으로 Battery Level Indication 필드는 배터리 정보를 제공할지 결정하기 위한 필드다.

IEEE 802.15.6 WBAN MAC에서 WUSB의 MMC 스케쥴링을 지원하기 위해서는 WUSB를 위한 전용구간이 필요하다. 현재 IEEE 802.15.6에서는 이종의 네트워크를 위해 사용 가능한 구간이 없다. 본 연구에서는 이종의 네트워크를 위해 전용구간을 할당하기 위한 비컨 구조를 설계한다. 그림 6은 WUSB 전용구간을 할당 하기 위한 MAC Capability 포맷을 나타낸다. 기존 MAC Capability에서 Reserved 필드 중 1 비트를 Private Period Allocation 필드로 정한다. 그리고 이 필드 값이 1인 경우에는 슈퍼프레임 구간에서 WUSB를 위한 전용구간이 할당되고, 0인 경우에는 WUSB를 위한 전용 구간이 할당되지 않는다. Private Period Allocation 필드 값이 1로 할당되면, 비컨 프레임 포맷의 RAP2 Length 부분은 WUSB 전용구간의 길이를 나타내게 된다. 따라서, 이 비컨을 수신한 WBAN 디바이스들은 RAP2 구간을 이종의 네트워크를 위해 할당된 구간임을 알고 그 구간을 사용하지 않는다. Private Period Allocation 필드를 추가한 IEEE 802.15.6 비컨을 통해 WUSB 전용구간 할당이 가능해지고, 두 이종 네트워크간의 간섭을 줄일 수 있다.

그림 7은 WUSB 전용구간을 지원하는 IEEE 802.15.6 슈퍼프레임 구조를 나타낸다. WUSB와 WBAN의 호스트는 WUSB 클러스터 내에 데이터가 발생하는 경우 WBAN 데이터와 간섭이 발생하지 않고 데이터를 전송할 수 있어야 한다. 그러기 위해서 호스트는 WUSB 데이터 전송을 위한 전용구간을 할당해야 한다. IEEE 802.15.6의 슈퍼프레임은 기본적으로 EAP1, RAP1, Type-I access phase, EAP2, RAP2, Type-II access phase, CAP로 나누어 진다. 하지만, RAP1을 제외하고 나머지 구간들의 길이를 0으로 설정 가능하다. 이러한 특성에 착안하여 WUSB 데이터가 발생하는 경우 RAP2 구간을 WUSB를 위한 전용구간으로 사용한다.

그림 8은 IEEE 802.15.6 슈퍼프레임 내에 WUSB 전용구간을 할당하기 위한 WUSB&WBAN 호스트에서의 동작알고리즘을 나타낸다. WUSB 호스트 또는 디바이스들이 WUSB 클러스터 내에서 데이터 송수신이 필요하면, 호스트는 Private Period Allocation 필드를 1로 설정하고 RAP2 Length 필드를 WUSB가 데이터 송수신을 위해 필요한 길이만큼 설정한다. 그리고 호스트는 그 비컨을 전송하게 된다. 비컨을 수신한 WBAN 디바이스들은 RAP2 구간에서 슬립 모드로 들어가게 된다. 이때, RAP2의 길이는 최소 0에서 최대 슈퍼프레임 길이 - 비컨 전송시간 - 최소 RAP1 길이가 된다.

RAP2의 길이 설정은 WUSB&WBAN 호스트가 WBAN과 WUSB 데이터의 우선순위를 고려하여 결정 한다.

OMNet++ 시뮬레이션을 통해 제안된 기술의 성능을 평가한다. 표 1은 본 연구에서 사용된 시뮬레이션 변수 값을 나타낸다. 네트워크 크기는 20m*20m 이고, 최대 40개의 디바이스들이 이 영역에서 랜덤하게 분포한다.

WUSB 프로토콜은 WBAN MAC 내 Private period 상에서만 동작하기 때문에, Private period에서의 수율만 고려되었다. 이론적인 분석을 위해 제안된 Private period의 Theoretical Maximum Throughput (TMT) 값은 식 (1)과 같다 [7].

식 (1)에서, NMSDU는 Private period 예약 블록에서 완전하게 전송 가능한 MSDU의 전체 수를 나타내고, LMSDU는 최대 4096 바이트에 이르는 MSDU(MAC Service Data Unit)의 길이를 나타낸다. 그리고 T_PP는 그러한 MSDU들을 성공적으로 전송하기 위해 필요한 실 제 Private period 시간을 나타낸다. LDTP는 DTP(Data Transmission Period)의 길이이며, mSuperframeLength는 IEEE 802.15.6 기술규격에서 정의된 수퍼프레임의 길이를 나타낸다. 데이터 프레임들은 BP (Beacon Period), B2P (Beacon2 Period)에서 전송될 수 없기 때문에, 슈퍼프레임에서 BP 길이의 비율을 고려해야한다. BP와 B2P는 디바이스의 수에 관계없이 일정하다. 따라서, LDTP는 식 (2)와 같이 계산된다.

식 (2)에서 mBeaconSlotLength는 비컨을 전송하는데 필요한 슬롯의 길이를 나타내고, mBPExtension은 비컨을 전송하기 위해 필요한 여분의 비컨 슬롯의 수를 나타낸다. 그리고 mBeacon2SlotLength는 B2를 전송하는데 필요한 슬롯의 길이를 나타내고, mB2PExtension 은 B2를 전송하기 위해 필요한 여분의 비컨 슬롯의 수를 나타낸다.

하나의 Private Period에서 MSDU의 개수는 ACK 정책에 따라 결정된다. N-ACK (No Acknowledgement) 또는 B-ACK (Block Acknowledgement) 정책에서는 마지막 프레임을 제외한 버스트에서 프레임들 사이에 MIFS (Minimum Inter-frame Space) 구간들이 있다. 또한, 모든 프레임들은 SIFS (Short Inter-frame Space) 구간에 의해 구분된다. MIFS와 SIFS의 길이는 pMIFS와 pSIFS 값들에 의해 결정된다. 그리고 그 값들은 IEEE 802.15.6 기술 규격에 정의되어 있다. 따라서, NMSDU 는 아래와 같이 ACK 정책에 따라 서로 다르게 계산된다. N-ACK 정책에서는 하나의 Private Period에서 MSDU의 개수는 식 (3)과 같이 계산된다. 식 (3)에서 Tframe은 PSDU의 구간 길이와 같고 식 (4)로부터 유도 된다

여기서 L_Preamble은 PLCP 프리앰블의 길이고, L_{PHY_Hdr}는 PHY 헤더의 길이, L_{MAC_Hdr}는 MAC 헤더의 길이, L_FCS는 FCS의 길이를 나타낸다. I-ACK 정책에서는, 하나의 Private Period 내 MSDU의 개수는 식 (5)와 같이 나타난다. 식 (6)에서 T_I-ACK는 I-ACK 프레임에 대한 시간 구간 길이와 같다. I-ACK 프레임은 데이터 페이로드 없이 MAC 헤더만 포함된다. 따라서, T_I-ACK는 식 (6)와 같이 나타낼 수 있다.

B-ACK 정책에서 하나의 Private Period 내 MSDU의 개수는 식 (7)과 같이 계산된다. 식 (8)에서 T_B-ACK는 B-ACK 프레임의 길이를 나타내고, 식 (8)로 도출된다.

그림 9는 UWB PHY 전송률에 따른 WUSB 디바이스의 수율을 나타낸다. 이 결과는 같은 채널 내에 WUSB와 WBAN 디바이스가 동시에 존재하는 경우에 대한 결과다.

여기서 n_In은 WBAN 디바이스들에 의해 점유된 채널을 나타낸다. WBAN 디바이스들에 의해 채널이 많이 점유될수록 WUSB의 수율은 떨어지는 것을 볼 수 있다.

그림 10은 각 프레임 크기에 따른 WUSB 디바이스의 수율을 나타낸다. 그림 9와 마찬가지로 WBAN의 Private Period를 사용한 경우에 대한 수율을 나타낸다. WUSB 디바이스가 WBAN MAC으로부터 전송 가능한 Private Period를 할당받는 경우 WUSB 디바이스들의 수율은 프레임 크기가 어느 문턱값을 초과한 이후로는 프레임 크기에 따라 크게 변화하지 않는 것을 볼 수 있다. Private Period 또한 데이터 전송이 경쟁 없이 실행되기 때문에, 프레임 크기의 증가는 프레임 충돌 확률의 증가를 발생시키지 않는다.

본 논문은 U-Health 기능을 지원하는 무선 컴퓨터시스템을 구성하기 위해 WBAN 망에서 WUSB 통신 구간을 할당하는 통신 구조를 제안하였다. 제안하는 통신 구조에서 WUSB 통신 구간은 WBAN Privated Period를 사용한다. 이를 통해 WUSB통신은 WBAN과 독립 적으로 실행가능하다. 성능 평가에서는 WBAN 통신 점유율에 따른 WUSB 통신 수율을 TMT기반 수식적 분석과 시뮬레이션을 통해 비교 분석하여 WUSB over WBAN 통신의 효율성을 UWB 전송속도와 프레임길이 측면에서 평가하였다. 성능평가를 통해, WUSB통신구조를 기존 WiMedia Distributed MAC의 Private Period 를 사용한 경우와 대등하게 WBAN MAC에서 Private Period를 사용하여 지원할 수 있음을 확인하였으며, 추후 저전력 소모를 지원하는 기술을 연구하고자 한다.