[논문]무선 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 비동기 방식의 센서 MAC 프로토콜 설계

박인혜; 이형근; 강석중

doi:10.7471/ikeee.2012.16.2.086

무선 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 비동기 방식의 센서 MAC 프로토콜 설계
An Energy-Efficient Asynchronous Sensor MAC Protocol Design for Wireless Sensor Networks 원문보기

전기전자학회논문지 = Journal of IKEEE, v.16 no.2, 2012년, pp.86 - 94

박인혜 (광운대학교 전자정보공과대학 컴퓨터공학과) , 이형근 (광운대학교 전자정보공과대학 컴퓨터공학과) , 강석중 (광운대학교 전자정보공과대학 컴퓨터공학과)

초록
AI-Helper

초기의 동기식 프로토콜의 대표적인 S-MAC 과 T-MAC은 듀티사이클 기법을 사용으로 주기적인 활성과 비활성을 반복함으로써 기존의 무선 MAC 프로토콜에 비하여 에너지 소모를 줄였음을 보였다. 하지만 동기식 프로토콜은 동기화를 위한 별도의 제어패킷이 사용됨으로써 에너지 효율성이 떨어지고 설계 면으로서도 복잡하다는 단점을 갖는다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 비동기 프로토콜인 B-MAC과 X-MAC은 CSMA매체 접근 방식과 프리엠블을 통한 전송을 하는 LPL(Low Power Listeing)기법을 사용하여 별도의 제어패킷의 사용 없이 독립적인 듀티사이클 스케줄을 가지고도 통신이 가능하도록 설계됐다. 본 논문에서는 이러한 비동기 프로토콜인 X-MAC을 기반으로 보다 높은 에너지 효율성을 갖는 무선 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 비동기 방식의 센서 MAC 프로토콜을 설계한다. 이를 위하여서 송신노드와 수신노드에 프리엠블 넘버링 기법과 가상동기화기법을 설계 및 적용하였으며 대표적인 센서 노드인 TelosB센서모트를 이용하여 기존의 X-MAC 프로토콜과 에너지 효율성을 비교 및 검증한다.

Abstract ▼ AI-Helper

Synchronization MAC Protocol such as S-MAC and T-MAC utilize duty cycling technique which peroidically operate wake-up and sleep state for reducing energy consumption. But synchronization MAC showed low energy efficiency because of additional control packets. For better energy consumption, Asychronization MAC protocols are suggested. For example, B-MAC, and X-MAC protocol adopt Low Power Listening (LPL) technique with CSMA algorithm. All nodes in these protocols joining a network with independent duty cycle schedules without additional synchronization control packets. For this reason, asynchronous MAC protocol improve energy efficiency. In this study, a low-power MAC protocol which is based on X-MAC protocol for wireless sensor network is proposed for better energy efficiency. For this protocol, we suggest preamble numbering, and virtual-synchronization technique between sender and receive node. Using TelosB mote for evaluate energy efficiency.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

에너지 효율성이 좋은 X-MAC 프로토콜은 비동기 방식의 MAC 프로토콜이 노드 각각의 듀티사이클을 가지고 동작한다는 한계성 때문에 이에 따른 프리엠블 전송 횟수 증가에 따른 에너지 효율성 감소가 일어난다. 따라서 본 논문에서는 기존의 X-MAC 프로토콜의 에너지 효율성을 더욱 개선하기 위하여 가상 동기화(Virtual Synchronization) 기법을 추가하여 프리엠블의 전송 횟수를 줄여 무선 센서 네트워크의 에너지 효용성을 높이는 MAC 프로토콜을 설계하였고, 해당 프로토콜을 TinyOS 기반 TelosB mote에 구현하여 기존의 X-MAC 프로토콜에 비해 에너지 효율성이 증가되었음을 검증한다.
본 논문에서는 에너지 효율성이 높은 센서 MAC 프로토콜을 설계하고 성능분석을 위하여 Chipcon사의 CC2420 라디오를 사용하는 TelosB 센서 모트를 이용하여 실내에 구축한 테스트 베드에서 실험하였다. TelosB 센서 모트 플랫폼은 802.
본 논문에서는 저속 센서 네트워크에서 가장 중요한 요소인 에너지 효율성을 높이고자 기존보다 높은 에너지 효율을 가지는 센서 MAC 프로토콜을 설계하였다. 이를 위해서 추가적인 컨트롤 패킷 오버헤드와 스케줄링 오버헤드를 가지는 동기식 방식에서 사용되는 동기화를 위한 오버헤드가 제거된 비동기 방식을 채택하였으며, 프리엠블내에 아주 적은 오버헤드(2byte)만을 추가하여 에너지 소비의 가장 큰 영향을 미치는 아이들 리스닝을 가상동기화 기법을 적용했다.

제안 방법

MLA는 LPL(Low Power Listening) listener, channel poller와 같은 하드웨어에 독립적은 컴포넌트들과 Radio power control, CCA(Clear Channel Assesment) control과 같은 하드웨어에 종속적인 컴포넌트들로 구분된다. MLA 구조를 사용하면 새로운 플랫폼에 대한 MAC 구현에 있어서 하드웨어 종속적인 부분만 변경하면 되고 다양한 MAC 프로토콜에 대한 편리한 지원과 같은 이점이 있기 때문에 본 논문에서는 가상동기화를 추가하여 에너지 효율성을 높인 X-MAC 구현을 위하여 MLA구조를 사용하였다.
본 논문에서 제안하는 가상동기화 기법을 추가한 에너지 효율적인 MAC 프로토콜의 성능 분석을 위하여서 센서용 OS인 TinyOS를 사용 하였으며, 에너지 소비 효율 비교를 위하여서 실험에서는 3장에서 언급한 MLA(MAC Layer Architecture) 방식의 X-MAC 프로토콜과 본 논문에서 제안하는 가상동기화 기법을 비교하여 에너지를 측정하였다. 먼저 단일 홉 전송 상에서의 X-MAC 프로토콜과 가상동기화 기법을 추가한 프로토콜의 에너지 소비량을 측정하였다. 에너지 소모는 표 3을 기준으로 측정하였으며 실험환경은 초당 1개의 패킷을 3초의 간격으로 20개의 패킷을 보냈을 때 에너지 소비량을 측정했다.
본 논문에서 제안하는 가상동기화 기법을 추가한 에너지 효율적인 MAC 프로토콜의 성능 분석을 위하여서 센서용 OS인 TinyOS를 사용 하였으며, 에너지 소비 효율 비교를 위하여서 실험에서는 3장에서 언급한 MLA(MAC Layer Architecture) 방식의 X-MAC 프로토콜과 본 논문에서 제안하는 가상동기화 기법을 비교하여 에너지를 측정하였다. 먼저 단일 홉 전송 상에서의 X-MAC 프로토콜과 가상동기화 기법을 추가한 프로토콜의 에너지 소비량을 측정하였다.
따라서 기존의 CC1000과 같은 바이트 라디오 기반의 칩이 바이트별로 나누어서 전송을 할 수 있었지만 패킷 기반의 CC2420은 패킷 단위로만 전송을 하기 때문이다. 본 논문에서는 제안하는 MAC 프로토콜의 구현을 위하여 CC2420 라디오칩을 사용하는 TelosB 모트를 사용하였으며 이에 따라서 MLA X-MAC 구조를 사용하여 구현하였다.
본 연구에서는 본 논문에서 제안한 가상동기화 기법을 추가한 X-MAC을 구현하기위하여 오픈소스 기반의 센서 네트워크를 위한 운영체제인 TinyOS를 기반으로 하여서 센서 플랫폼인 TelosB 센서 모트를 이용하여 구현하였으며 TinyOS의 특징은 아래의 표 1과 같다.
먼저 단일 홉 전송 상에서의 X-MAC 프로토콜과 가상동기화 기법을 추가한 프로토콜의 에너지 소비량을 측정하였다. 에너지 소모는 표 3을 기준으로 측정하였으며 실험환경은 초당 1개의 패킷을 3초의 간격으로 20개의 패킷을 보냈을 때 에너지 소비량을 측정했다.
본 논문에서는 저속 센서 네트워크에서 가장 중요한 요소인 에너지 효율성을 높이고자 기존보다 높은 에너지 효율을 가지는 센서 MAC 프로토콜을 설계하였다. 이를 위해서 추가적인 컨트롤 패킷 오버헤드와 스케줄링 오버헤드를 가지는 동기식 방식에서 사용되는 동기화를 위한 오버헤드가 제거된 비동기 방식을 채택하였으며, 프리엠블내에 아주 적은 오버헤드(2byte)만을 추가하여 에너지 소비의 가장 큰 영향을 미치는 아이들 리스닝을 가상동기화 기법을 적용했다. 이를 통하여 비동기 방식의 X-MAC을 기반으로 송수신 노드간의 가상 동기화를 이루어 송신되는 프리엠블의 횟수를 줄여 에너지 효율성을 높이도록 하였고, 이를 실험을 통하여 확인하였다.
이를 위해서 추가적인 컨트롤 패킷 오버헤드와 스케줄링 오버헤드를 가지는 동기식 방식에서 사용되는 동기화를 위한 오버헤드가 제거된 비동기 방식을 채택하였으며, 프리엠블내에 아주 적은 오버헤드(2byte)만을 추가하여 에너지 소비의 가장 큰 영향을 미치는 아이들 리스닝을 가상동기화 기법을 적용했다. 이를 통하여 비동기 방식의 X-MAC을 기반으로 송수신 노드간의 가상 동기화를 이루어 송신되는 프리엠블의 횟수를 줄여 에너지 효율성을 높이도록 하였고, 이를 실험을 통하여 확인하였다. 하지만 X-MAC을 기반으로 설계하였기 때문에 네트워크의데이터 발생률이 높은 상황에서는 문제가 되는 것을 고려해야한다.
이와 같은 문제점을 해결하고자 송신 노드와 수신 노드의 듀티사이클 스케줄을 데이터 전송 주기와 프리엠블 넘버를 통하여 동기화 시키는 가상동기화 기법을 제안한다.

대상 데이터

4GHz ISM 밴드 대역에서 동작한다. 센서 모트는 8MHz TI MSP430을 사용하며, 1 MB의 외부 플래시 메모리를 가진다. 에너지 효율 측정을 위하여 실험에 사용된 Chipcon사의 CC2420 라디오는 에너지 소비 표는 다음과 같다.

이론/모형

가상동기화 기법을 위하여 송신 노드에서는 프리엠블 넘버링 기법을 사용하였다. 프리엠블 넘버링 기법을 구현하기 위하여 먼저 MLA X-MAC 프로토콜의 전송 구조를 알아야한다.
가상동기화 기법을 위하여서 먼저 송신 노드는 프리엠블을 전송할 시에 각각의 프리엠블에 번호를 부여하는 프리엠블 넘버링(Preamble Numbering) 기법을 이용한다. 프리엠블 넘버링 기법은 프리엠블을 전송하기 전에 각각의 프리엠블에 순서대로 번호를 부여하여 전송함으로써 수신 노드가 이 번호를 이용하여 송신 노드가 전송받은 프리엠블이 최초의 프리엠블 전송에서 얼마나 시간이 걸렸는지 유추 할 수 있으며 이를 이용하여서 송신 노드와 수신 노드의 듀티 사이클 스케줄을 동기화 시킬 수 있는 역할을 한다.
본 논문에서 사용되는 X-MAC 프로토콜은 TinyOS contribution 소스인 MLA(MAC Layer Architecture) X-MAC 프로토콜을 이용하여 구현하였다. MLA(MAC Layer Architecture) 방식은 워싱턴 대학에서 제안한 TinyOS contributing 소스로써 기존의 TinyOS의 MAC 프로토콜은 그림 6과 같은 단일 방식의 구조를 가지는 반면에 MLA MAC 프로토콜은 그림 7과 같은 컴포넌트 기반의 구조를 가진다.

성능/효과

T-MAC[5]에서 동작하는 모든 노드들은 S-MAC과 마찬가지로 이웃 노드와의통신을 위하여 주기적으로 활성화되어 데이터를 전송하며 데이터가 없을 시에는 다음 활성화까지 슬립 상태로 전환된다. 각 노드들은 통신을 위해 CSMA/CA 메커니즘 기반의 RTS, CTS, DATA, ACK를 사용하여 충돌을 회피하고, 데이터 전송에 있어서 신뢰성을 보장한다. 이러한 방식은 활성 시간동안 데이터를 한꺼번에 전송하고, 송수신 데이터가 없다면 일정한 시간의 타이머(TA)를 동작시켜 S-MAC보다 일찍 슬립 상태로 전환함으로써 불필요한 아이들 리스닝 에너지를 줄일 수 있다.
그림 12는 각 프로토콜에 따른 에너지 소비량을 나타낸 것으로써 가장 왼쪽이 기존의 X-MAC이고 가운데가 본 논문에서 제안한 기법, 그리고 마지막이 가장 이상적인 상태(Perfect Synchronization), 즉 완벽한 동기화가 맞은 상태이다. 그림에서 확인 할 수 있듯이 기존의 X-MAC 프로토콜보다 가상동기화 기법을 적용한 MAC프로토콜이 에너지 소모가 더 적은 것을 확인 할 수 있었다. 그래프에서 동기가 완벽하게 일치 하였을 때의 값은 가상동기화 기법을 통하여서 송신노드와 수신노드의 동기가 완벽하게 일치했을 때의 값을 분석적으로 나타낸 것이다.
자신이 수신 대상이 아니라면 슬립 상태로 전환하여 이후에 전송되는 짧은 프리앰블이나 데이터를 수신하지 않는다. 따라서 X-MAC 프로토콜을 사용하는 송신 노드들은 B-MAC에서와 같이 긴 프리앰블을 전송하지 않고, 얼리애크가 수신될 때까지 짧은 프리앰블을 나누어 전송함으로써 에너지 효율성을 향상시켰으며, 수신 노드들도 긴 프리앰블을 수신하지 않고 짧은 프리앰블 하나만 수신하게 함으로써 통신에 관여하는 노드 모드에게 있어서 불필요한 에너지 낭비를 제거하였다. 그림 3은 B-MAC과 X-MAC의 동작 과정에 따른 시간과 에너지 소모를 비교한 것으로써 긴 프리엠블을 사용하는 B-MAC 프로토콜에 비하여서 짧은 프리엠블과 얼리애크를 사용하는 X-MAC 프로토콜이 보다 낮은 에너지 소비와 데이터 전송에 걸리는 시간이 줄어드는 것을 볼 수 있다.
수신노드는 송신노드에서 전송한 프리엠블 안에 있는 전송 인터벌과 프리엠블 번호 정보를 기반으로 송신노드의 전송 스케줄에 가상동기화 기법을 통하여 동기를 맞춘다. 이때의 동기화 즉 가상동기화는 동기화 방식에서 동기화 패킷을 이용한 센서 네트워크 전체적인 동기화처럼 정확한 동기화를 이룰 수는 없지만 대략적인 동기화를 이루게 됨으로써 동기화 기능이 없는 기존의 X-MAC 프로토콜에 비하여 프리엠블의 전송 횟수를 줄일 수 있으며 이에 따라서 에너지 효율을 증가 시킬 수 있다.
수신노드는 긴 프리엠블을 수신한 후에 프리엠블에 뒤따르는 패킷헤더, 즉 현재 전송되는 데이터의 수신노드 주소 등을 확인한 후에 자신에게 오는 데이터이면 계속해서 데이터를 전송 받고 자신에게 오는 데이터가 아니면 다시 비활성화 된다. 이러한 B-MAC 프로토콜은 노드들 간에 동기를 위한 절차가 없어 간단하고 컨트롤 패킷 오버헤드를 없앰으로써 기존의 동기방식의 프로토콜보다 에너지 효율성을 향상시켰다. 하지만 데이터 전송을 위하여 체크 인터벌보다 긴 프리앰블을 사용해야 함으로써 수신노드가 아닌 노드들 또한 이 프리엠블을 데이터 헤더까지 모두 들어야 하는 단점이 있다.

후속연구

하지만 X-MAC을 기반으로 설계하였기 때문에 네트워크의데이터 발생률이 높은 상황에서는 문제가 되는 것을 고려해야한다. 또한 실질적인 SYNC 패킷을 사용하지 않는 문제점 때문에 전송상의 홉 수가 늘어날수록 동기화의 효율이 낮아짐으로 인하여 에너지 낭비의 요인이 될 수 있기 때문에 이에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선 센서 네트워크가 전원의 교환이나 충전이 어려운 점을 고려할 때 센서 네트워크 설계 시 주의할 점은 무엇인가?	4 LR-WPAN의 특성을 이용한 무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Networks)는 기본적으로 센서노드들이 배터리로 동작하기 때문에 전원의 교환이나 충전이 어렵다. 따라서 각 센서 노드들은 배터리의 수명이 다할 때까지 데이터를 전송 할 수있어야 하며 단-대-단(end-to-end)전송 시의 데이터를 전달하는데 소모되는 에너지를 줄이는 것이 센서 네트워크 설계에 가장 고려해야할 점이다. 또한 센서 네트워크의 특성상 센서 노드에서 수집된 정보를 제한된 시간 안에 정보 수집기(data collector) 즉 Sink 노드에게 전달해야함으로 최대 단-대-단 지연(maximum end-to-end delay) 조건을 배터리 수명을 고려하여 최소화해야 한다.
	B-MAC이란?	B-MAC(Berkeley-MAC)[6]은 비동기 방식으로 동작하는 대표적인 무선 센서 네트워크 MAC 프로토콜로서 CSMA 메커니즘을 사용하여 채널접근 사용되는 제어 패킷 오버헤드를 제거하였다. B-MAC으로 동작하는 노드들은 각각의 듀티사이클 스케줄에 따라 활성화된 후, 매체에 유효한 신호가 있는지 여부를 확인하는 LPL(Low Power Listening)을 수행한다.
	센서네트워크의 주요 에너지 소모요인은 무엇인가?	따라서 에너지 효율성을 높이는 것이 가장 중요한 이슈이다.[1] 센서네트워크에서 주요 에너지 소모요인으로는 패킷 충돌(Packet Collision), 오버히어링(Overhearing), 컨트롤 패킷 오버헤드(Control Packet Overhead), 아이들 리스닝(Idle Listening)을 들 수 있으며[2] 이 중에서 아이들 리스닝은 노드가 전송되는 데이터가 없는 상태에서도 계속해서 라디오를 온 상태로 기다리기 때문에 에너지 소모에 가장 큰 영향을 미친다.[3] 아이들 리스닝을 해결하기 위하여 많은 프로토콜들이 듀티사이클링(duty cycling) 기법을 채용하였다.

참고문헌 (8)

황호영 외. "무선 센서 네트워크에서의 에너지 효율적인 MAC 프로토콜에 대한 동향 및 분석", Telecommunications Review, 제 14권 6호, pp.918-935, 2004.

상세보기
Ilker Demirkol, Cem Ersoy, and Fatih Alagoz, "MAC Protocol for Wireless Sensor Network: A Survey", IEEE Communications Magazine, pp.115-121, April 2006.
Yanjun Sun, Omer Gurewitz, and David B. Johnson, "RI-MAC: A Receiver-Initiated Asynchronous Duty Cycle MAC Protocol for Dynamic Traffic Loads in Wireless Sensor Networks", In The 6th ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys), November, 2008.
Wei. Ye, J. Heidemann, and D. Estrin, "Medimu Access Control With Coordinated Adaptive Sleeping for Wireless Sensor Networks", IEEE/ACM Transactions on Networking (TON), Volume12, pp.493-506, June 2004.

상세보기
Tijs van Dam,. "An Adaptive Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks", Conference On Embedded Networked Sensor Systems, pp.171-180, 2003.
J. Polastre, J. Hill, and D. Culler. Versatile low power media access for wireless sensor networks. In The Second ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys'02), pages 95-107, November 2004.
Michael Buettner, Gary V Yee, Eric Anderson, Richard Han. "X-MAC: A Short Preamble MAC Protocol For Duty-Cycled Wireless Sensor Networks", Conference On Embedded Networked Sensor Systems, pp.308-320, 2006.
변강호,. "무선 센서 네트워크를 위한 효율적인 프리엠블 샘플링 기법을 사용하는 비동기 MAC의 성능 분석", 전자공학회논문지, pp70-77, 2007.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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