[논문]Hardwired Low-MAC 기능을 이용한 IEEE 802.15.4 PHY/MAC 프로토콜 최적화

황태호; 김동순; 원광호

[국내논문] Hardwired Low-MAC 기능을 이용한 IEEE 802.15.4 PHY/MAC 프로토콜 최적화
The Optimization of IEEE 802.15.4 PHY/MAC with Hardwired Low-MAC 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 네트워크 및 서비스, v.35 no.1B, 2010년, pp.95 - 105

황태호 (전자부품연구원 멀티미디어IP 연구센터) , 김동순 (전자부품연구원 멀티미디어IP 연구센터) , 원광호 (전자부품연구원 u임베디드연구센터)

초록
AI-Helper

IEEE 802.15.4는 물리 계층(PHY)과 매체 접근 계층(MAC)을 정의하는 표준으로서, 저속도 무선 개인 통신망(Low Rate Wireless Personal Area Networks, LR-WPANs)을 위한 표준 중 하나이다. IEEE 802.15.4 프로토콜은 장치간의 저가격, 저속도 유비쿼터스 통신을 지향하기 때문에 PHY/MAC의 구현에 있어서 고도화된 최적화가 중요한 요구사항이라 할 수 있다. 최근 IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜의 성능 분석에 대한 많은 연구가 진행되었으며, 이를 반영하여 송수신기는 가격 및 성능의 장점이 있는 SoC로 구현되는 추세이다. 이러한 구현 과정에서 CSMA-CA 및 MAC 프레임의 처리와 같은 표준에서 명시한 MAC의 세부 기능들은 성능의 향상을 위해 하드웨어 지향의 Low-MAC과 이를 이용한 소프트웨어 기반의 상위 MAC으로 구현된다. 본 논문은 IEEE 802.15.4 LR-WPAN의 물리계층과 매체 접근 계층 간의 최적화를 위해 Hardwired Low-MAC (HL-MAC)과 상태 기계 (State Machine)를 통해 작은 코드 사이즈와 향상된 에너지 효율을 갖는 최적화 프로토콜을 구현방법을 제안하고자 한다.

Abstract ▼ AI-Helper

IEEE 802.15.4 is the one of the protocols for radio communication in a personal area network. Since it aims to provide low cost and low power communication for ubiquitous communication, it requires high level of optimization in implementation. Recently, there have been many studies on the performance evaluation of IEEE 802.15.4 MAC protocol. According to the results of the studies, it is tendency that the transceiver is implemented to SoC type. On the implementation, the specific functions of MAC like CSMA-CA and MAC frame handling is designed to hardwired functions. In this paper, we implemented the protocol with hardwired low MAC (HL-MAC) and its state machine for the optimization from the physical layer and MAC layer. it has the characteristics of the small code size and the enhanced power consumption.

Keyword

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 SoC의 하드웨어로 구현 가능한 MAC의 세부 기능들을 이용한 IEEE 802.15.4 PHY/MAC 프로토콜의 최적화 구조 및 구현에 대해 설명한다. II 장에서는 이와 관련된 IEEE 802.

가설 설정

7) _IFS : IEEE 802.15.4 표준에서는 interframe spacing을 명시하고 있다. 프레임의 길이 따라서로 다른 시간을 설정하여 타이머가 종료되길 기다린 다음 E_EXPIRED_TIMER 이벤트를 받아서 _IDLE 상태로 전환하고 데이터의 송신을 마친다

제안 방법

본 연구세서는 앞서 언급한 기능들을 중심으로 구현된 HL-MAC 기능을 이용하여 공통의 상태 기계에 기반한 단일 PHY/MAC 레이어를 설계하고 구현하였다. 구현한 프로토콜은 표준안에서 명시한 PHY, MAC 프로토콜과 등가의 기능을 갖는다.
MAC 프로토콜의 성능 평가를 위해 FFD(full function device) 의 기능을 갖는 소프트웨어 PHY/MAC 스텍을 구현하였다. 또한, 간단한 예제 SNF(sense and forward)"를 구현하여 기능을 검증하였다.
스텍을 구현하였다. 또한, 간단한 예제 SNF(sense and forward)"를 구현하여 기능을 검증하였다. SNF는 주기적으로 장착된 온도 센서에서 데이터를 센싱하여 코디네이터로 약 20bytes의 데이터를 전송하는 응용이다.
본 논문에서는 IEEE802.15.4 MAC 프로토콜의 분석과 성능 평가의 기존 연구들을 바탕으로 SoC의 구현에 있어서 MAC 의 세부 기능을 주줄하여 HL-MAC 으로 설계하고 구현하였다. 구현한 HL-MAC을 이용하여 PHY와 MAC 레이어의 소프트웨어 프로토콜을 최적화 할 수 있었다.
5) CSMA-CA : 채널에 접근을 위한 방법으로서 IEEE802.15.4 표준의 목적에 맞게 간단한 구조로 설계 되었다. beacon-enabled 모드에서는 slotted CSMA-CA를 사용하여 코디네이터와 동기화된 슬롯 구간 내에 backoff boundary (20 symbols) 에서 CCA를 수행한다.

대상 데이터

SoC는 8051 코어의 MCU를 가지고 있으며, . 128K 플래시 메모리와 8Kbytes의 데이터 메모리에, BB/Modem 및 RF 블럭을 포함한다. 또한 앞서 설명한 HL-MAC 의 주요 기능 구현되었으며, 타이머, UART 및 GPIO등의 주병 장치들을 포함하고 있다.

성능/효과

4 MAC 프로토콜의 성능을 분석한 연구들에서 작은 네트워크상1기에서 그리고, 노드들이 밀집된 상태国에서의 MAC 프로토콜을 수학적으로 모델링하고 시뮬레이션한 연구들과 실험적으로 성능 평가"的한 연구들이 있어왔다. 이러한 연구 결과들에서는 프로토콜의 구조적인 특성상 낮은 duty-cycle에서 IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜은 확실한 저전력, 저가격 통신의 성능을 보여준 반면 많은 전송 지연과 낮은 전송속도를 갖는다. 이러한 전송지연의 문제는 IEEE 802.
Auto address recognition을 통해 MCU가 자신의 데이터가 왔을 때에만 깨어나 동작 흐】며, 'CCA with Tx, 의 기능 또한 PHY에서 구현하여 CCA 이후, 채널이 비어있을 경우 지연 없이 바로 데이터를 송신하는 기능을 제공 한다. 이렇듯 성능향상을 위해 표준안에서 명시한 PHY/MAC간의 서비스의 구분 보다는 HL-MAC을 이용한 설계를 통해 단일 프로토콜컴포넌트로 프로토콜을 구현하는 것이 보다 효율적일 수 있다
5) CCA with Tx: HL-MACe CCA가 끝남과 동시에 채널이 비어 있을 경우, 송신을 시작하는 기능을 제공한다. 이때, NB(num of backoff), CW(contention window) 그리고, macMaxCSMABackoff 와 같은 CSMA-CA 파라미터 값을 입력 받아, CCA의 결과에 이를 반영한 인터럽트를 띄운다.
2와 같다. HL-MAC을 사용하지 않았을 때와 사용하여 같은 기능의 FFD를 구현했을 때를 비교하면 MAC 의 코드 사이즈는 약 40%가까이 줄었으며, 전체 노드의 관점에서 봤을 때, 코드에서 약 30% 이상 사이즈가 줄었음을 보여준다.
4 MAC 프로토콜의 분석과 성능 평가의 기존 연구들을 바탕으로 SoC의 구현에 있어서 MAC 의 세부 기능을 주줄하여 HL-MAC 으로 설계하고 구현하였다. 구현한 HL-MAC을 이용하여 PHY와 MAC 레이어의 소프트웨어 프로토콜을 최적화 할 수 있었다. 실험적으로 측정한 구현의 결과는 하드웨어 구현으로 인한 복잡도 및 가격 상승에 비해 소프트웨어의 메모리 효율을 향상 시킬 수 있었으며, MCU의 전원 소모를 최소화 할 수 있었고, MAC 프로토콜의 타이밍 동작에서 빠른 응답시간을 확보 할 수 있었다.
구현한 HL-MAC을 이용하여 PHY와 MAC 레이어의 소프트웨어 프로토콜을 최적화 할 수 있었다. 실험적으로 측정한 구현의 결과는 하드웨어 구현으로 인한 복잡도 및 가격 상승에 비해 소프트웨어의 메모리 효율을 향상 시킬 수 있었으며, MCU의 전원 소모를 최소화 할 수 있었고, MAC 프로토콜의 타이밍 동작에서 빠른 응답시간을 확보 할 수 있었다.

참고문헌 (13)

IEEE Std 802.15.4-2006, IEEE Standard for Information technology ？. Telecommunications and information exchange between systems ？. Local metropolitan area networks ？. Specific requirements, Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs), 2006.3
G. Lu, B. Krishnamachari, and C. S. Raghavendra, "Performance evaluation of the IEEE 802.15.4 MAC for low-rate low-power wireless networks," in Proc. Workshop EWCN, pp. 701？706, Apr. 2004.
B. Bougard, F. Catthoor, D. C. Daly, A. Chandrakasan, and W. Dehaene, "Energy efficiency of the IEEE 802.15.4 standard in dense wireless microsensor networks: Modeling and improvement perspectives," in Proc. Des. Autom. Test Eur., pp.196？201, Mar. 2005.
J.-S. Lee, "An experiment on performance study of IEEE 802.15.4 wirelessnetworks," in Proc. IEEE Conf. ETFA, pp.458？466, Sep. 2005.
A. Kouba, A. Cunha, and M. Alves, "A time division beacon scheduling mechanism for IEEE 802.15.4/zigbee cluster-tree wireless sensor networks," in Proc. 20th Euromicro Conf. Real-Time Syst. ETFA, pp.125？135, Jul. 2007.
A. Koubaa, M. Alves, and E. Tovar, "A comprehensive simulation study of slotted CSMA/CA for IEEE 802.15.4 wireless sensor networks," in Proc. IEEE Int. WFCS, pp. 183？192, Jun. 2006.
T. O. Kim, H. Kim, J. Lee, J. S. Park, and B. D. Choi, "Performance analysis of the IEEE 802.15.4 with non beacon-enabled CSMA/CA in nonsaturated condition," in Proc. Int. Conf. EUC, pp.884？893, Aug. 2006.
Lo Bello, L.; Toscano, E., "Coexistence Issues of Multiple Co-Located IEEE 802.15.4/ZigBee Networks Running on Adjacent Radio Channels in Industrial Environments", Industrial Informatics, IEEE Transactions on Volume 5, Issue 2, pp.157-167, May 2009.

상세보기
S. Shin, et al, "Packet error rate analysis of IEEE IEEE 802.15.4 under between IEEE 802.15.4 and IEEE 802.11b interference," Proc. WWIC'05, pp.279-288
TI, "CC2420 2.4 GHz IEEE 802.15.4 / ZigBee-ready RF Transceiver," http://www.chipcon.com.
S. Bhatti, J. Carlson, H. Dai, J. Deng, J. Rose, A. Sheth, B. Shucker, C. Gruenwald, A. Torgerson, R. Han, "MANTIS OS: An Embedded Multithreaded Operating System for Wireless Micro Sensor Platforms", ACM/Kluwer Mobile Networks & Applications (MONET). Special Issue on Wireless Sensor Networks Vol. 10. No. 4, 2005, pp. 563-579.

상세보기
A. Mainwaring, J.Polastre, R. Szewczyk, D. Culler, J. Anderson, "Wireless Sensor Networks for Habitat Monitoring", First ACM Workshop on Wireless Sensor Networks and applications, 2002, pp.88-97.
uCOS-II, http://www.micrium.com/

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증