How To Improve Network Performance

Transcription

1 Betrouwbare en energie-efficiënte netwerkprotocollen voor draadloze Body Area Networks Reliable and Energy Efficient Network Protocols for Wireless Body Area Networks Benoît Latré Promotoren: prof. dr. ir. I. Moerman, prof. dr. ir. P. Demeester Proefschrift ingediend tot het behalen van de graad van Doctor in de Ingenieurswetenschappen: Elektrotechniek Vakgroep Informatietechnologie Voorzitter: prof. dr. ir. P. Lagasse Faculteit Ingenieurswetenschappen Academiejaar

2 ISBN NUR 986 Wettelijk depot: D/2008/10.500/36

3 Universiteit Gent Faculteit Ingenieurswetenschappen Vakgroep Informatietechnologie Promotoren: Prof. Dr. Ir. Ingrid Moerman Prof. Dr. Ir. Piet Demeester Universiteit Gent Faculteit Ingenieurswetenschappen Vakgroep Informatietechnologie Gaston Crommenlaan 8 bus 201, B-9050 Gent, België Tel.: Fax.: Dit werk kwam tot stand in het kader van een specialisatiebeurs van het IWT-Vlaanderen (Instituut voor de aanmoediging van Innovatie door Wetenschap en Technologie in Vlaanderen) Proefschrift tot het behalen van de graad van Doctor in de Ingenieurswetenschappen: Elektrotechniek Academiejaar

4

5 Dankwoord Doctoreren, wat houdt dit nu precies in? Dat is ook de vraag die ik me stelde nu bijna vijf jaar geleden. Ik zat in mijn laatste jaar en deed hier op IBCN mijn thesis. Ergens in het tweede semester polste men Of ik geen zin had om te doctoreren? Niet goed wetende wat dit allemaal precies betekende, ging ik er op in. Een keuze die ik me nooit beklaagd heb. Volgens de site van UGent is het behalen van een doctoraat een bewijs van zelfstandig, origineel wetenschappelijk onderzoek. Dit kan ik alleen maar onderschrijven. Even verder staat echter nog een zeer belangrijke opmerking: Je staat er zeker niet alleen voor!. Als er iets is dat ik de voorbije jaren geleerd heb, is het dat een doctoraat inderdaad geen solowerk is. Veel mensen hebben immers direct of indirect bijgedragen aan de totstandkoming van dit proefschrift. Zij verdienen het hier vermeld te worden. Aangezien het schier onmogelijk is om iedereen in dit dankwoord op te nemen, wil ik alvast hen bedanken die hier niet vermeld worden. Als eerste bedank ik onze vakgroepvoorzitter, Prof. Lagasse, voor het ter beschikking stellen van de uitgebreide faciliteiten. Verder wil ik Prof. Demeester, de drijvende kracht achter de explosief groeiende IBCN onderzoeksgroep en copromotor van onderliggend werk, bedanken voor de kansen en de steun die hij me geboden heeft om mijn onderzoek in deze onderzoeksgroep te kunnen uitvoeren. Daarnaast mag ik natuurlijk mijn promotor, Prof. Moerman, niet vergeten voor de ondersteuning, de nodige discussies en vragen waardoor ik mijn werk steeds weer kritisch kon bekijken en nieuwe invalshoeken kon vinden. Een groot gedeelte van dit werk is tot stand gekomen in samenwerking met Bart Braem van de Universiteit Antwerpen, aan wie ik dan ook grote dank verschuldigd ben. Zonder onze talrijke discussies, ons gezamenlijk programmeeren publiceerwerk zou het resultaat nooit hetzelfde zijn geweest. Daarnaast mogen ook de mensen niet ontbreken die de propagatie rond het menselijk lichaam bestuderen: Laurens Roelens en later ook Elisabeth Reusens. Mijn interesse voor draadloze netwerken zou nooit hetzelfde geweest zijn zonder de Mobile-medewerkers van het eerste uur: Liesbeth Peters, Jeroen Hoebeke en Tom Van Leeuwen. Reeds als mijn thesisbegeleiders en later als collega s werkte hun enthousiasme aanstekelijk. Ik was de vierde man in de Mobile groep, die ondertussen uitgegroeid is tot meer dan 10 personen. Een nieuw en uiterst boeiend facet van deze groep is het onderzoek naar sensornetwerken, wat heel nauw aansluit bij onderliggend onderzoek. Ik wil hierbij dan ook de sensormensen bedanken voor de goede samenwerking en natuurlijk ook omdat het toffe collega s zijn: Pieter De Mil, Tim Allemeersch, Eli De Poorter, Evy Troublyn en

6 ii Lieven Tytgat. Verder nog een speciale vermelding voor Bart Jooris en zijn onvermoeibare inspanningen om het WiLab.t op te starten. Ook de overige Mobile collega s wil ik bij deze bedanken. Het naarstig werken aan het doctoraat werd een stuk aangenamer door de prettige sfeer onder de bureaugenoten. Waar is de tijd dat we ons eigen appartement hadden in het Zuid, waarvan we op een passende manier afscheid genomen hebben. Bedankt voor de leuke tijd: Didier Colle, Jan Coppens, Philippe De Neve, Andy Van Maele, Jeroen Hoebeke, Matthias Priem, Tom Van Leeuwen en Frederic Van Quickenborne. In de Zuiderpoort kregen we als hechte groep een van de felbegeerde hoekbureaus toegewezen. Zo konden we dankzij ons zicht op het viaduct en op Ledeberg de nodige inspiratie vinden indien nodig. In de loop der jaren werd ons bureau aangevuld met Dries Naudts, Stefan Bouckaert, Nicolas Staelens en sinds kort ook met Irina Ballan, David Carels en Willem Vereecken. Ook zij zijn bij deze bedankt! Gedurende de voorbije jaren heb ik altijd kunnen rekenen op de technische support van ons onovertroffen admin-team: Wouter Adem, Bert De Vuyst, Pascal Vandeputte en Brecht Vermeulen. Voor de ondersteuning bij de practica stond Andy Van Maele altijd paraat. Dankzij de mensen van de administratie raakte ik niet bedolven onder al het papierwerk, werden mijn vliegtickets en hotels keurig geboekt en werden mijn reisonkosten correct terugbetaald: bedankt Martine, Ilse, Davinia, Karien, Marleen en Bernadette. Gedurende de zware inspanningen, frustraties van lastige implementaties en naderende deadlines, werd er ook gezorgd voor de nodige ontspanning. Hierbij denk ik aan de BBQ s, de spelletjesavonden, de vrijdagavond apero s, de fuiven die we onveilig gemaakt hebben, de IBCN- (mini) weekendjes waar te luid Vlaamse schlagers zingen blijkbaar niet door iedereen geapprecieerd werd, de quizzen de maandagavond,... Bedankt voor de vele leuke momenten en de vriendschap van de voorbije jaren: Bart D., Bart L., Bert, Bruno, Erik, Jan VO, Jurgen, Koert, Masha, Niels, Pieter, Sarah, Sofie DM, Sofie VH, Stefan en Stijn. Daarnaast waren er ook de mensen buiten het werk die voor de nodige ontspanning hebben gezorgd tijdens de weekendjes in Vlessart, de zoektocht naar oliebollen in Zwijnaarde, de oudejaarsavonden, de verjaardagsdrinks,... De bende stond altijd paraat! Bedankt Annelies & Joost, Evelyne & Jody, Karen & Bert en Katrien, Kurt, Liam &?. Verder zou ik ook graag mijn ouders en broer bedanken voor de hun onvoorwaardelijke steun van de laatste jaren. Ook een bedankje voor mijn toekomstige schoonzus Joke die de moed heeft gehad mijn thesis na te lezen op spellingsfoutjes. Nu rest me slechts nog 1 speciaal iemand te bedanken die me zeer na aan het hart ligt: Lisa. Bedankt voor de lieve steun en het luisterend oor het voorbije anderhalf jaar en zeker op de momenten dat het me allemaal wat teveel werd. Je gaf me de steun die ik nodig had. Zonder jou zou ik nooit staan waar ik nu sta. Samen komen we er wel! Gent, juni 2008 Benoît Latré

7 Table of Contents Dankwoord Nederlandse samenvatting English Summary i xxiii xxvii 1 Introduction Wireless Body Area Networks A Motivating Application: Patient Monitoring Existing Projects Problems and Challenges Main Research Contributions and Outline Publications Publications in International Journals Chapters in Books Publications in International Conferences Publications in National Conferences References Research Context Taxonomy and Requirements Different Types of Devices Data Rates Energy Quality of Service and Reliability Usability Computing Place and Mobility Security and Privacy Conclusion Networking in Body Area Networks Wireless Sensor Networks Communication in Body Area Networks Physical Layer Propagation in Body Area Networks

8 iv Propagation in the Body Propagation along the Body Path Loss Model Modeling Link Connectivity Energy Model of the Radio Existing Models The Model We Used Conclusion References Network Topologies for Wireless Body Area Networks Introduction Energy Efficiency Aggregation Reliability Multi-hop Network Versus a Star Network Line Topology Tree Topology Cooperation Example Network Model Constraints Objectives Analysis Setup Discussion Relaying Line Topology Tree Topology Relaying and Cooperation Adding Relaying to the ILP Network Model Evaluation Reliability Connection Probability in Multi-hop Networking Reliability in ILP Collision Probability Conclusion References MOFBAN: a Network Architecture for Wireless Body Area Networks Introduction Cross-layering in Wireless Networks Building an Architecture A Modular Approach

9 v Using a Modular Approach Challenges when Designing Modular Protocols A Modular Framework for WBANs Modules Controller Module Mandatory Modules Optional Modules Communication Communication within the Framework Communication between Nodes Working of the Framework Conclusion References Network Protocols for Wireless Body Area Networks Medium Access Control Related Work IEEE Throughput and Delay IEEE on the Body? Routing Wireless Autonomous Spanning Tree Protocol Description WASP-schemes Calculation of the Duration of the Silent Period Contention Slots Building and Maintaining the Spanning Tree Routing and Addressing Acknowledgments Heterogeneous Data Rates Synchronization Performance Analysis Maximum Overall Throughput Efficiency Delay Limits Sleep Ratio Scalability Interference Implementation and Validation Implementation Example Scenario Discussion Conclusion References

10 vi 6 CICADA: Energy Efficient and Reliable Networking Protocol Description General Principles Control Subcycle Data Subcycle Joining the Network Detection of Connection Loss Supporting Bidirectional Traffic Traffic Awareness Using a Data Gathering Tree Data Aggregation Using Relay Devices Packet Format Differences with WASP Performance Analysis Energy Efficiency Throughput Efficiency Mobility Support and Delay Implementation and Validation Implementation Example Scenario Example Scenario: Mobility Real World Implementation Increasing the Reliability Acknowledgments Randomization of the Schemes Overhearing Analysis Improved Parent Selection Adding Security Mapping of CICADA on MOFBAN Conclusion References Overall Conclusions 165 A Throughput and Delay Analysis of Unslotted IEEE A.1 Introduction A.2 Description of IEEE A.3 Related Work A.4 Calculations A.4.1 Assumptions A.4.2 Calculations A.5 Analysis A.5.1 Bandwidth Efficiency

11 vii A.5.2 Delay A.5.3 Influence of Back Off Window A.6 Experimental Results A.7 Conclusion References B The Need for Cooperation and Relaying in Short-Range High Path Loss Sensor Networks 189 B.1 Introduction B.2 Related Work B.2.1 Path Loss Models for the Human Body B.2.2 Radio Models B.2.3 Multi-hop Communication in BASNs B.3 Propagation and Radio Model B.4 Single-hop versus Multi-hop B.4.1 Line Topology B.4.2 Tree Topology B.5 Improving the Energy Efficiency B.5.1 Relaying B.5.2 Cooperation B.6 Future Work B.7 Conclusions B.8 Acknowledgments References C A Secure Cross-layer Protocol for Multi-hop WBANs 205 C.1 Introduction C.2 Related Work C.3 Architecture C.3.1 General Overview C.3.2 Security Assumptions C.4 Protocol Design C.4.1 CICADA C.4.2 CICADA-S C Secure Initialization Phase: C Sensor (re)joining the WBAN: C Key Update Procedure in the WBAN: C Sensor Leaving the WBAN: C.5 Analysis C.5.1 Performance Evaluation C.5.2 Security Claims C.6 Conclusion References

12

13 List of Figures 1.1 Positioning of a Wireless Body Area Network Example of patient monitoring in a Body Area Network Characteristics of a Wireless Body Area Network Traffic analysis in a WBAN Example of intra-body and extra-body communication in a WBAN Propagation in Body Area Networks Path loss in Body Area Networks Link probability First order energy model for radios Finding the parameters of the radio model Reducing energy consumption Aggregation in WBANs Communication paths on the body Energy usage ratio in a line topology Data Aggregation in a line topology Balanced tree topology with ζ = Energy usage ratio in a line topology Data Aggregation Data Aggregation for varying ζ Energy comparison of single-hop and multi-hop for tree topology Tree topology with cooperation and resulting energy usage Maximum energy consumption Average number of hops per node Energy usage when relaying in a line topology Balanced tree topology with a relaydevice and ζ = Energy usage when relaying in a binary tree topology Energy usage when relaying in a tree topology with aggregation Energy consumption of a binary tree topology using relay and cooperation ILP with relaying Reliability in multi-hop Reliability when the ILP-formulation is used ILP with reliability

14 x 3.23 Probability of collision of node i Overview of different cross-layer approaches Overview of MOFBAN Modular packet structure of MOFBAN Overview of the working of MOFBAN Useful bitrate in IEEE for 2.4 GHz Minimum delay in IEEE for 2.4 GHz Example network. The full lines indicate the tree structure, the dotted lines the nodes that can reach each other Throughput efficiency of WASP Sleep ratio of the nodes below the sink in WASP Overview of different click elements and interconnections Simulated network End-to-end delay comparison Time usage in a node for WASP Example network in a WBAN Communication in the example network Adaptive Duty cyle Packet format in CICADA State diagram in CICADA Sleep ratio in CICADA Sleep ratio in CICADA and WASP Influence of duty cycle on the sleep ratio Throughput efficiency in CICADA Differences in throughput for varying sizes of control slot length Total throughput efficiency in CICADA Network topology for simulation Time usage in the nodes for CICADA Packet loss in CICADA example Sleep ratio in CICADA example End-to-end delays on different layers in the example scenario Delay of CICADA in a mobile network Improving reliability in CICADA Improving reliability in CICADA (2) A.1 Superframe structure of IEEE [5] A.2 Frame structure of IEEE A.3 Frame sequence of IEEE A.4 Useful bitrate for 2.4 GHz A.5 Bandwidth efficiency for 2.4 GHz A.6 Bandwidth efficiency for 2.4 GHz A.7 Minimum delay for 2.4 GHz

15 xi A.8 The bandwidth efficiency for varying macminbe in the 2.4 GHz and 915 MHz band A.9 Comparison between analytic result and experiment B.1 Examples of topology B.2 Energy usage ratio in a line scenario with 4 nodes B.3 Energy usage ratio in a line scenario with 5 and 6 nodes B.4 Energy usage ratio in a tree scenario with 4,5 and 6 levels B.5 Energy usage when relaying with inter-node distance 20 cm B.6 Energy usage when relaying with inter-node distance 30 cm B.7 Energy usage when cooperating with inter-node distance 20 cm C.1 General overview of the IM3 health care architecture C.2 Communication in CICADA for a sample network of 5 nodes C.3 Secure JOIN-REQUEST originating from sensor A C.4 Secure key transport to all the sensors in the WBAN

16

17 List of Tables 2.1 Examples of medical WBAN applications [5 8] Schematic overview of differences between Wireless Sensor Networks and Wireless Body Area Networks [23] Parameter values for the path loss model (2.3) Data sheet values for the Nordic nrf2401, the Chipcon CC2420 and ATMEL RF230 transceivers Parameter values for the Nordic nrf2401, the Chipcon CC2420 and ATMEL RF 230 transceivers Steady-state WASP cycle for the example network Steady-state control subcycle for the example network of Fig Control subcycle information of the nodes. NA indicates that no control scheme is available (i.e. the node has no children) Steady-state data subcycle for the example network ChildTables Overhead induced by CICADA A.1 Modulation parameters of IEEE A.2 Values for parameters a and b in equations (A.6) and (A.7) A.3 Maximum bitrate and bandwidth efficiency of IEEE A.4 Minimum and maximum delay of IEEE B.1 Parameter values for the path loss model B.2 Parameter values for the Nordic nrf2401 and Chipcon CC2420 transceivers

18

19 List of Symbols and Acronyms Symbols α i αi A β i βi A γ(i) δ i ɛ ζ η κ i λ φ ρ i σ A i Ch n CP i,j d 0 d char E amp E RXelec E T Xelec E MH E SH E R k L Receiving period for node i, expressed in slots α i when aggregation is used Waiting period for child node i, expressed in slots β i when aggregation is used Total waiting period for a node i Slots needed by node i to send own data in one cycle Duty cycle Ratio between slot length in data subcycle and control subcycle Number of children in each branch of the tree Path loss exponent Length of a packet from node i in bits wave-length Aggregation factor Sleep ratio of node i Standard deviation of the path loss The set of edges on the path from node i to the personal device Set of children of node n Connection probability of the path (i,j) Reference distance Characteristic distance Dynamic transmitter energy Static receiver energy Static transmitter energy Energy consumption in multi-hop topology Energy consumption in single-hop topology Energy consumption by a relay device Number of bits transmitted Number of levels in the tree

20 xvi log 10 Logarithm in base 10 N Number of nodes in the network p Probability for link connectivity Received signal strength from node j P j r,db P j s,db P L db P L 0,dB S t arrival T CC T cycle T on T off T W C T S i V V n V r Transmitted signal strength from node j Path loss, expressed in db Path loss at reference distance d 0, expressed in db Sink or personal device Packet inter arrival rate Length of the control cycle Length of one cycle Time the radio is on Time the radio is switched off Length of a WASP-cycle Number of time slots needed by node i Set of all nodes Set of nodes in the tree below node n Set of relay devices in the network A ACK API Acknowledgment Application Programming Interface B BAN BASN BCC BCU BE BER BFS BPSK BO BSN BWE Body Area Network Body Area Sensor Network Body-Coupled Communication Body Control Unit Back off Exponent Bit Error Rate breadth-first search Binary Phase Shift Keying Back Off Body Sensor Network BandWidth Efficiency

21 xvii C CAP CBR CDMA CFP CICADA CICADA-S CP CPU CSMA/CA CVD CTR Contention Access Period Constant Bit Rate Code Division Multiple Access Contention Free Period Cascading Information Retrieval by Controlling Access with Distributed Slot Assignment CICADA with Security Connection Probability Control Processing Unit Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance Cardiovascular Disease Counter D DC Duty Cycle E ECG EEG EM EMG Electrocardiogram Electroencephalogram Elektromagnetic Electromyogram F FCC FTR Federal Communications Commission Footer G GP General Practitioner

22 xviii GPRS GTS General Packet Radio Service Guaranteed Time Slot H HDR HF Header High Frequency I ID IEEE IFS ILP IM3 IP ISM IDentity Institute of Electrical and Electronics Engineers, Inc. Inter Frame Space Integer Linear Programming Interactive Mobile Medical Monitoring Internet Protocol Industrial Scientific Medical band L L2 L3 LAN LEACH LF LIFS LOS LTR Layer 2 (MAC layer) Layer 3 (Network layer) Local Area Network Low Energy Adaptive Clustering Hierarchy Low Frequency Long IFS Line Of Sight Least Temperature Routing M MAC MH MOFBAN MPDU Medium Access Control Multi-hop Modular Framework for BAN Mac Protocol Data Unit

23 xix N NLOS Non Line Of Sight NS-2 Network Similator 2 O OSI ISO reference model for Open Systems Interconnection P PAN PD PDA PDU PEGASIS PER PHY PL PLL Personal Area Network Personal Device Personal Digital Assistant Protocol Data Unit Power Efficient Gathering in Sensor Information System Packet Error rate PHYsical layer Path Loss Phase Locked Loop Q QoE QoL QoS Quality of Experience Quality of Life Quality of Service R RF RTP Radio Frequency Real-time Transport Protocol

24 xx RTT Rx Round Trip Time Receiver S S-MAC SAR SH SIFS SNA SNR SP Sensor MAC Specific Absorption Rate Single-hop Short IFS Sensor Network Architecture Signal to Noise Ratio Silence Period T T TARA TCP TDMA TEG TP TPE TR Tx Time Thermal Aware Routing Algorithm Transport Control Protocol Time Division Multiple Access Thermoelectric Generator Throughput Throughput Efficiency Technical Report Transmitter U UDP UMTS UWB User Datagram Protocol Universal Mobile Telecommunications System Ultra Wide Band V VCO Voltage Controlled Oscillator

25 xxi W WAN WASP WiMax WiFi WLAN WMAN WSN WSAN Wide Area Network Wireless Autonomous Spanning Tree Worldwide interoperability for Microwave ACCess Wireless Fidelity Wireless Local Area Network Wireless Metropolitan Area Network Wireless Sensor Network Wireless Sensor and Actuator Network

26

27 Nederlandse samenvatting Summary in Dutch De voorbije jaren zijn elektronische apparaten alsmaar kleiner geworden terwijl ze steeds complexere taken aankunnen. Het is nu zelfs mogelijk om sensoren te ontwikkelen die zo klein zijn dat ze gemakkelijk en zonder veel hinder in de kledij, op het lichaam of onder de huid van een persoon geplaatst kunnen worden. Deze sensoren zijn bovendien uitgerust met een radio waardoor ze draadloos met elkaar kunnen communiceren. Op deze manier wordt een draadloos netwerk gecreëerd dat een Wireless Body Area Network (WBAN) wordt genoemd. Het draadloze karakter en de grote verscheidenheid aan sensoren bieden uitzicht op een brede waaier van praktische en innovatieve toepassingen. Het meest voor de hand liggend zijn de medische toepassingen, waarbij bepaalde lichaamsfuncties (EKG, EEG, bloeddruk, temperatuur,...) van een patiënt kunnen gemonitord worden terwijl de patiënt over zijn volledige bewegingsvrijheid blijft beschikken. Dit bevordert niet alleen de levenskwaliteit van de patiënt, maar laat ook een nauwkeurigere diagnose toe. Zo kan een sensor bijvoorbeeld het glucosegehalte in het bloed meten. Deze informatie wordt dan draadloos verzonden naar een ander apparaatje dat insuline toedient indien nodig. Daarnaast is ook de sportwereld geïnteresseerd om atleten zowel op technisch als op conditioneel vlak beter te kunnen begeleiden. Een WBAN heeft ook veel te bieden voor multimediatoepassingen. Denken we maar aan draadloze MP3-spelers, camera s, minibeeldschermen en bewegingssensoren voor een virtual reality omgeving. In een WBAN worden verschillende soorten apparaten (ook wel nodes genoemd) gebruikt die allemaal uitgerust zijn met een radio. De meest voorkomende zijn de sensoren en actuatoren. Dit zijn apparaten die respectievelijk fysische parameters meten ofwel één of andere actie ondernemen, zoals het toedienen van medicijnen. Deze apparaten staan via een WBAN draadloos in verbinding met een intelligent apparaat, zoals een PDA of een mobiele telefoon. Dit apparaat wordt een centrale node genoemd en staat in voor de communicatie met de buitenwereld. Zo kunnen de verkregen metingen worden doorgestuurd naar een arts of het ziekenhuis. Als laatste type zijn er nog de relay-apparaten. Deze beschikken niet over een sensor of een actuator, maar bestaan enkel uit een radio met netwerkfunctionaliteit. Zij ontvangen de data afkomstig van de ene node en sturen die door naar de andere node. Op deze manier wordt communicatie mogelijk tussen twee nodes die elkaar niet kunnen bereiken. De nodes in een WBAN zijn bovendien heterogeen van nature. Ze hebben verschillende eigenschappen zoals onder