[논문]비동기식 MAC프로토콜 기반의 무선 센서 네트워크에서 단대단 시간 지연 성능 향상을 위한 멀티 홉 예약 기법의 제안

홍성화; 정석용

doi:10.5762/kais.2010.11.7.2638

문제 정의

본 논문에서는 EDR 을 사용하여 하나의 센서 노드에서 연속적으로 일어나는 이벤트 데이터의 단대단 전송지연 성능을 향상시켰다. 하지만 EDR 은 각 센서 노드의 첫 이벤트 데이터 전송에서 경로 노드의 주기 예약 수행과정이 필요하다.
본 논문에서는 X-MAC 의 문제점을 해결하기 위하여 EX-MAC(Express-MAC) 이라는 새로운 MAC 프로토콜을 제안하였다. 무선 센서 네트워크는 주로 이벤트 데이터나 상황 정보를 인지하는 목적에 많이 사용된다.
본 논문에서는 duty-cycle 을 사용하는 X-MAC 의 긴 단대단 지연 문제를 개선하였다. 제안하는 프로토콜은 멀티 홉 환경의 무선 센서 네트워크에서 전송 경로의 채널 예약 방식을 사용하여 빠른 이벤트 데이터를 수집하도록 하였으며, 침입감지와 같이 이벤트 발생 원인이 이동하더라도 기존 예약 경로를 이용하는 전송 경로 변경 방식으로 빠른 데이터 전송을 가능하도록 하였다.
본 논문에서는 기존 센서 네트워크 duty-cycle 을 사용한 MAC 프로토콜의 높은 단대단 지연 문제 해결을 위한 EX-MAC 프로토콜을 제안하였다. 이벤트는 지역적, 시간적으로 높은 상관관계를 가지고 발생되기 때문에 이를 고려하여 EX-MAC 은 첫 이벤트 데이터 전송에서 경로 노드의 주기 변경 방식을 사용하였다.
특히 침입 감지와 같은 위치 추적 시스템에서 대상의 이동마다 나타나는 높은 단대단 전송 지연은 센싱 지역의 실시간 상황 보고에 적합하지 못하다. 이와 같은 이동성 이벤트의 높은 전송 지연 문제를 해결하기 위하여 본 논문에서는 Event Data Overhearing Process (EDOP) 과 Event Data Stealing Process (EDSP) 두 가지 기법을 제시하여 기존예약 경로를 이용하는 방식으로 사용자로의 빠른 전송이 가능하다.

제안 방법

이는 노드의 참조 모델에서 권하는 권장 사항이다 [6, 7]. 각 노드는 이벤트 발생 시 싱크 노드로 멀티 홉 데이터 전송을 수행하고, 라우팅 방법은 시뮬레이션 초기에싱크 방향으로 랜덤하게 설정하였다. 참조 모델은 Chipcon 의 RF 모듈인 CC₁₁00 을 사용하였으며 소모 에너지와 전송 속도, 패킷 종류별 크기는 표 1에 나타내었다 [6, 7].
이벤트 표적은 한번의 이동범위를 1홉 범위로 하였으며 싱크 방향으로 랜덤하게 이동시켰다. 네 번째 시뮬레이션은 랜덤하게 이동하는 이벤트 표적을 3개로 증가시킨 후 세 번째 시뮬레이션과 같은 환경에서 수행하였다. 마지막 시뮬레이션은 10x10 네트워크에서 노드의 sleep 시간을 1000msec 로 하였을 때, 패킷의 업 링크/다운링크의 단대단 지연 성능을 측정하였다.
노드의 sleep 시간은 1000msec 이고, 이벤트는 (10, 10) 지점의 노드에서 발생시켰다. 두 번째 시뮬레이션은 10x10네트워크에서 sleep 구간을 200msec~ 1000msec 로 변화시키며 패킷의 단대단 지연을 측정하였다. 세 번째 시뮬레이션은 10x10 네트워크에서 이벤트 표적을 이동시켰을 때 단대단 지연성능을 측정하였다.
X-MAC 은 아iort preamble 에 수신 노드의 ID 를 포함시켜 수신 노드가 아닌 노드가 preamble 을 수신할 경우 자신이 전송에 참여하지 않는다는 것을 알게 함으로써 빠른 sleep 상태로의 전환을 가능하게 하였다. 또한 early ACK 사용으로 송신 노드가 수신 노드의 awake 상태를 빠르게 파악하여 필요 없는 preamble 송수신을 제거시켰다. 또한 early ACK 의 사용은 홉당 전송 지연을 줄이는 효과를 가져왔다
이는 연속적인 이벤트 데이터 전송에서 낮은 단대단 지연을 보장하였다. 또한 감시 정찰 등의 표적 이동 상황에서 낮은 단대단지 연을 보장하고자 EDOP 와 EDSP 의 두 가지 경로 변경알고리즘을 적용하였다. EDOP 와 EDSP 는 네트워크의 오버헤드를 증가 시키지 않으면서도 기존 예약 경로 사용이 가능하게 함으로써 보다 효율적인 단대단 지연 성능을 보장하였다.
네 번째 시뮬레이션은 랜덤하게 이동하는 이벤트 표적을 3개로 증가시킨 후 세 번째 시뮬레이션과 같은 환경에서 수행하였다. 마지막 시뮬레이션은 10x10 네트워크에서 노드의 sleep 시간을 1000msec 로 하였을 때, 패킷의 업 링크/다운링크의 단대단 지연 성능을 측정하였다.
본 절에서는 제안한 프로토콜에 대한 성능평가를 위한 시뮬레이션을 통하여 그 결과를 분석한다. 시뮬레이션은 Matlab 을 이용하여 분석하였고 S-MAC 과 X-MAC 을 그 비교 대상으로 하였다.
이동시켰을 때 나온 결과이다. 세 개의 이벤트를 일정 시간 간격으로 1홉 범위 안에서 이동 발생시켰으며, 이벤트 발생 후 세 이벤트의 데이터 모두 싱크로 전송 되었을 때의 단대단 지연을 측정하였다. 세 개의 이동성 이벤트 발생 시 EX-MAC 은 첫 이벤트 발생 지역에서 약 2 홉 범위에서 X-MAC 보다 약간의 시간 지연이 줄어 들었으며 그 이상에서는 상당량의 지연이 줄어들었다.
두 번째 시뮬레이션은 10x10네트워크에서 sleep 구간을 200msec~ 1000msec 로 변화시키며 패킷의 단대단 지연을 측정하였다. 세 번째 시뮬레이션은 10x10 네트워크에서 이벤트 표적을 이동시켰을 때 단대단 지연성능을 측정하였다. 노드의 sleep 시간은 1000msec, 첫 이벤트 발생은 (10, 10) 지점이다.
시뮬레이션 수행 방식은 다음과 같다 첫째 네트워크 사이즈를 2x2~10x10 으로 노드의 수를 증가 시키면서 전송 패킷의 단대단 지연과 단위시간 당 노드의 소모 에너지를 측정하였다. 노드의 sleep 시간은 1000msec 이고, 이벤트는 (10, 10) 지점의 노드에서 발생시켰다.
노드의 sleep 시간은 1000msec, 첫 이벤트 발생은 (10, 10) 지점이다. 이벤트 표적은 한번의 이동범위를 1홉 범위로 하였으며 싱크 방향으로 랜덤하게 이동시켰다. 네 번째 시뮬레이션은 랜덤하게 이동하는 이벤트 표적을 3개로 증가시킨 후 세 번째 시뮬레이션과 같은 환경에서 수행하였다.
프로토콜을 제안하였다. 이벤트는 지역적, 시간적으로 높은 상관관계를 가지고 발생되기 때문에 이를 고려하여 EX-MAC 은 첫 이벤트 데이터 전송에서 경로 노드의 주기 변경 방식을 사용하였다. 이는 연속적인 이벤트 데이터 전송에서 낮은 단대단 지연을 보장하였다.
이때 이웃의 누드 N₁₂가 awake 상태로 전환되어 N₁₁ 의 preamble 을 수신하게 되는 경우 자신의 부모 노드를 N₇ 에서 N₁₁ 로 변경한다. 이와 같은 부모 노드의 변경은 추후 발생 가능성이 있는 이벤트 대상의 이동에서 기존의 예약 경로를 사용하게 함으로써 표적 이동에 의한 이벤트 데이터의 빠른 단대단 전송이 가능하다 EDOP 과정을 통한 부모 노드의 변경은 임의 시간 동안 유지되고 그 이후에는 부모 노드를 다시 N₇ 로변경시킨다. N₁₁ 의 부모 노드 N₆를 제외한 이웃 노드 N₇ 과 N₁₀에서도 EDOP 과정이 수행 가능하다.
지연 문제를 개선하였다. 제안하는 프로토콜은 멀티 홉 환경의 무선 센서 네트워크에서 전송 경로의 채널 예약 방식을 사용하여 빠른 이벤트 데이터를 수집하도록 하였으며, 침입감지와 같이 이벤트 발생 원인이 이동하더라도 기존 예약 경로를 이용하는 전송 경로 변경 방식으로 빠른 데이터 전송을 가능하도록 하였다.

대상 데이터

시뮬레이션 실행 환경은 다음과 같다. 네트워크 크기는 4~100개의 노드로 구성하였으며 각 노드의 센싱 범위는 25m 로 하였다. 노드 배치는 그림 9와 같이 센싱 범위당 균일하게 배치하였고, 통신 범위는 70m 로 설정하였다.

데이터처리

시뮬레이션은 Matlab 을 이용하여 분석하였고 S-MAC 과 X-MAC 을 그 비교 대상으로 하였다.

이론/모형

EX-MAC 의 전송 채널 충돌 예방은 기본적으로 Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance (CSMA/CA) 의 랜덤 백오프 방식을 사용한다. 하지만 그림 3의 네트워크 환경과 같이 예약된 경로의 노드가 데이터 전송을 시도할 때, 예약 되어 있지 않는 노드의 데이터 전송으로 인하여 채널이 사용 중이라면 단대단 전송에 추가적인 지연이 발생된다.
각 노드는 이벤트 발생 시 싱크 노드로 멀티 홉 데이터 전송을 수행하고, 라우팅 방법은 시뮬레이션 초기에싱크 방향으로 랜덤하게 설정하였다. 참조 모델은 Chipcon 의 RF 모듈인 CC₁₁00 을 사용하였으며 소모 에너지와 전송 속도, 패킷 종류별 크기는 표 1에 나타내었다 [6, 7].

성능/효과

또한 감시 정찰 등의 표적 이동 상황에서 낮은 단대단지 연을 보장하고자 EDOP 와 EDSP 의 두 가지 경로 변경알고리즘을 적용하였다. EDOP 와 EDSP 는 네트워크의 오버헤드를 증가 시키지 않으면서도 기존 예약 경로 사용이 가능하게 함으로써 보다 효율적인 단대단 지연 성능을 보장하였다. 이와 같은 EX-MAC 의 우수한 단대단 지연 성능은 시뮬레이션 과정을 통하여 확인 하였으며, 에너지 효율성 측면에서도 성능이 향상 되었음을 확인되었다.
S-MACe sleep 구간과 비례하게, X-MACe sleep 구간의 절반에 비례하여, 단대단 전송 지연이 증가하였다. EX-MAC 은 첫 데이터 전송에서 X-MAC 과 같은단대단 지연을 보였지만, 두 번째 전송 이후 이eep 구간에 따라 데이터 전송에 필요한 시간 만큼의 아주 적은 전송지연 증가를 보였다. 따라서 첫 이벤트 데이터가 중요하지 않은 센서 네트워크 응용 분야에서는 좀 더 긴 sleep 구간 사용으로 에너지 효율성 증대가 가능하다
X-MAC 은 S-MAC 보다 작은 네트워크 사이즈에서는 높고 큰 네트워크 사이즈에서는 비슷한 수준의 에너지 소비를 보였다. EX-MAC 은 첫 번째 데이터 전송에서 추가적인 오버헤드로 인하여 X-MAC 보다 약간의 높은 에너지 소비를 보였지만, 두 번째 전송부터 네트워크 사이즈와 상관없는 적은 에너지 소비를 보였다. EX-MAC 은 5x5 네트워크에서 X-MAC 의 약 20%, 10x10 네트워크에서 약 40% 수준의 에너지 소비를 보인다.
또한 X-MAC 은 S-MAC 의 절반 정도의 단대 단 전송 지연이 발생한다. EX-MACe 첫 데이터 전송에서 X-MAC 과 비슷한 단대단 전송 지연이 발생하였으며, 두 번째 데이터 전송에서 단대단 전송 지연이 네트워크 사이즈에 상관없이 1홉 수준의 지연으로 감소되었다. 같은 환경에서 패킷 전송에 따른 노드 당 에너지 소비는 그림 11에 나와있다.
이벤트 표적의 이동경로는 그림 13와 같다. S-MAC 은 표적 이동에 따른 평균 단대단 지연이 약 9초 X-MAC 은 약 5초 정도의 평균 지연 시간을 보였다. EX-MAC 은 (10, 10) 지점의 첫 이벤트에서 X-MAC 과 같은 평균 지연 시간이 소요되었지만, 이어지는 표적 이동이벤트에서 약 1.
X-MAC 은 기존의 긴 preamble 대신 단시간의 preamble 을 사용하여 전송 지연과 에너지 소비를 감소시키는 효과를 가져왔다. X-MAC 은 아iort preamble 에 수신 노드의 ID 를 포함시켜 수신 노드가 아닌 노드가 preamble 을 수신할 경우 자신이 전송에 참여하지 않는다는 것을 알게 함으로써 빠른 sleep 상태로의 전환을 가능하게 하였다.
세 개의 이벤트를 일정 시간 간격으로 1홉 범위 안에서 이동 발생시켰으며, 이벤트 발생 후 세 이벤트의 데이터 모두 싱크로 전송 되었을 때의 단대단 지연을 측정하였다. 세 개의 이동성 이벤트 발생 시 EX-MAC 은 첫 이벤트 발생 지역에서 약 2 홉 범위에서 X-MAC 보다 약간의 시간 지연이 줄어 들었으며 그 이상에서는 상당량의 지연이 줄어들었다. 약 2홉 범위까지 전송지연이 높은 이유는 3개의 이벤트 발생으로 인한 채널 점유에 따른 전송 지연 및 EDCR 수행에 의한 것으로 여겨진다.
EDOP 와 EDSP 는 네트워크의 오버헤드를 증가 시키지 않으면서도 기존 예약 경로 사용이 가능하게 함으로써 보다 효율적인 단대단 지연 성능을 보장하였다. 이와 같은 EX-MAC 의 우수한 단대단 지연 성능은 시뮬레이션 과정을 통하여 확인 하였으며, 에너지 효율성 측면에서도 성능이 향상 되었음을 확인되었다. 유비쿼터스의 관심도가 높아짐에 따라 센서 네트워크는 각광받는 통신 분야로 성장하고 있다.

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