[논문]전력 효율을 위한 수신자 기반 비동기 센서 MAC 프로토콜 설계

박인혜; 이형근

doi:10.7840/kics.2014.39b.12.873

전력 효율을 위한 수신자 기반 비동기 센서 MAC 프로토콜 설계
Design of Receiver-Initiated Asynchronous MAC Protocol for Energy-Efficiency in WSNs 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 네트워크 및 서비스, v.39B no.12, 2014년, pp.873 - 875

박인혜 (Kwangwoon University Department of Computer Engineering) , 이형근 (Kwangwoon University Department of Computer Engineering)

초록
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본 논문은 네트워크 전체의 전력 소모를 줄이기 위해 제어 패킷의 소모를 줄이는 비동기 센서 MAC 프로토콜을 설계한다. 기존 비동기 방식의 X-MAC은 너무 많은 제어 패킷을 보낸다는 단점, PW-MAC은 다중 송신자와 단일 수신자 상황에서 데이터 패킷이 충돌한다는 단점이 있다. 본 논문에서는 두 프로토콜의 단점을 보완하여 수신자 기반(Receiver-Initiated)으로 동작하며, 송신자에 의해 제어 패킷을 생성하는 MAC 프로토콜을 제안한다. 본 문에서 NS2를 이용한 실험의 결과를 통해 전력 소모, 전달 지연, 평균 처리량이 기존 연구에 비해 향상됨을 확인했다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper we describe an asynchronous MAC protocol with receiver-initiated duty cycling for energy-efficiency in wireless sensor networks(WSN). Legacy asynchronous MAC protocols, X-MAC and PW-MAC, has weaknesses which generates too many control packets and has data collision problem between multiple transmitters, respectively. Therefore, we propose a receiver-initiated asynchronous MAC protocol which generates control packets from transmitter to complement these disadvantages. Compared to the prior asynchronous duty cycling approaches of X-MAC and PW-MAC, the proposed protocol shows a improvement in energy-efficiency, throughput and latency from simulation results.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 논문에서는 기존 MAC 프로토콜의 단점을 보완하여 무선 센서 네트워크의 전력 소모를 줄이는 MAC 프로토콜을 설계한다. 제안하는 프로토콜은 수신자 기반으로 동작하며, X-MAC과 같이 송신자에서 송신 데이터가 존재할 경우에만 제어 패킷을 생성한다.
본 논문에서는 전력 소모를 줄이기 위한 비동기 센서 MAC 프로토콜을 설계하고 실험을 통해 그 성능을 확인했다. 제안된 MAC 프로토콜은 X-MAC의 많은 제어 패킷 송신 문제와 PW-MAC의 패킷 충돌 문제를 보완하기 위하여 수신자 기반 웨이크 업 방법과 2쌍 단위 백오프 기법을 적용했다.

제안 방법

특히 송신자가 서로의 존재를 모르는 경우에는 이 충돌 문제의 해결이 더욱 어렵다. 따라서 제안하는 MAC 프로토콜은 데이터 충돌에 의한 전력 낭비를 방지하기 위하여 CSMA/CA의 무작위 백오프(Random Backoff)와 NAV(Network Allocation Vector) 방식을 적용하여 경쟁적으로 무선 매체를 접근시켰다.
본 장에서는 제안한 MAC 프로토콜의 성능 평가를 위해 네트워크 실험 도구인 NS2(v.2.32)를 이용해 X-MAC과 PW-MAC 그리고 제안하는 MAC 프로토콜을 각각 구현하여 그 성능을 비교한다. 총 15개의 노드를 무작위로 배치하고 가운데에 수집(Sink) 노드로 데이터를 수집토록 했다.
제안하는 MAC 프로토콜은 X-MAC 기반으로 동작하며, 다만 데이터를 보내려는 송신자가 데이터를 받을 수신자의 웨이크업 스케줄에 맞춰 일시적으로 일어나 데이터를 보낸다. 이 동작을 통해 송신자는 자신과 수신자의 웨이크 업 스케줄 차이만큼의 비활성 상태를 유지함으로써 전력 낭비를 줄일 수 있다.
이 경우 데이터를 그대로 큐에서 삭제하여 수신자에게로의 전달이 이뤄지지 않는 단점이 발생한다. 제안하는 프로토콜에서는 이러한 상황을 방지하기 위해 시간 슬롯을 2쌍 단위로 백오프를 진행하였다. 즉, 홀수 슬롯은 프리앰블 그리고 짝수 슬롯은 이른 확인 패킷 전용 슬롯으로 구분한 것이다.
제안하는 프로토콜에서는 제어 패킷을 엿듣는 주변 노드들이 데이터 패킷의 길이 정보가 삽입된 프리앰 블과 이른 확인 패킷을 통해 전송을 연기(Pending)하는 NAV를 설정하게 했다. 일시적으로 일어난 한 송신자가 무작위 백오프 도중에 다른 노드의 제어 패킷을 수신하면 노드 ID를 해석하여 자신이 보내려는 수신자의 ID와 동일한 경우에만 NAV를 설정한다.
따라서 본 논문에서는 기존 MAC 프로토콜의 단점을 보완하여 무선 센서 네트워크의 전력 소모를 줄이는 MAC 프로토콜을 설계한다. 제안하는 프로토콜은 수신자 기반으로 동작하며, X-MAC과 같이 송신자에서 송신 데이터가 존재할 경우에만 제어 패킷을 생성한다. 또한 프리앰블과 이른 확인 패킷의 충돌을 피하기 위해 2쌍(2-pair) 시간 슬롯 접근 방식을 사용하였다.

대상 데이터

32)를 이용해 X-MAC과 PW-MAC 그리고 제안하는 MAC 프로토콜을 각각 구현하여 그 성능을 비교한다. 총 15개의 노드를 무작위로 배치하고 가운데에 수집(Sink) 노드로 데이터를 수집토록 했다. 다음 표 1에는 실험에 사용된 네트워크 파라미터 값을 표현했다.

이론/모형

제안하는 프로토콜은 수신자 기반으로 동작하며, X-MAC과 같이 송신자에서 송신 데이터가 존재할 경우에만 제어 패킷을 생성한다. 또한 프리앰블과 이른 확인 패킷의 충돌을 피하기 위해 2쌍(2-pair) 시간 슬롯 접근 방식을 사용하였다. 해당 방식의 사용으로 기존의 프로토콜에 비해 높은 전력 효율성, 높은 처리량, 짧은 지연의 결과를 냄을 실험으로 검증했다.
본 논문에서는 전력 소모를 줄이기 위한 비동기 센서 MAC 프로토콜을 설계하고 실험을 통해 그 성능을 확인했다. 제안된 MAC 프로토콜은 X-MAC의 많은 제어 패킷 송신 문제와 PW-MAC의 패킷 충돌 문제를 보완하기 위하여 수신자 기반 웨이크 업 방법과 2쌍 단위 백오프 기법을 적용했다. 이를 통해 제어 패킷간의 충돌 회수를 크게 줄일 수 있었다.

성능/효과

그림 3에 수집노드까지 성공적으로 수신된 패킷 당 소모된 모든 전력량, 성공적으로 전달된 3홉 데이터의 평균 지연시간, 평균 처리량을 나타냈다. 모든 결과에서 공통적으로 X-MAC이 모든 트래픽 종류에서 가장 낮은 성능을 보이고, 제안된 MAC 프로토콜이 가장 좋은 성능을 나타냄을 알 수 있다. 이는 X-MAC에서 낭비되는 제어 패킷이 가장 많기 때문이고 제안하는 MAC의 제어 패킷이 가장 적기 때문이다.
이를 통해 제어 패킷간의 충돌 회수를 크게 줄일 수 있었다. 본문에서 실행한 실험의 결과를 통해 전력 소모, 전달 지연, 평균 처리량이 기존 MAC 프로토콜에 비해 향상됨을 확인 했다. 추후 연구로 본 논문에서 제안한 프로토콜을 해석적 방법을 통해 성능 평가를 진행할 계획이다.
또한 프리앰블과 이른 확인 패킷의 충돌을 피하기 위해 2쌍(2-pair) 시간 슬롯 접근 방식을 사용하였다. 해당 방식의 사용으로 기존의 프로토콜에 비해 높은 전력 효율성, 높은 처리량, 짧은 지연의 결과를 냄을 실험으로 검증했다.

후속연구

본문에서 실행한 실험의 결과를 통해 전력 소모, 전달 지연, 평균 처리량이 기존 MAC 프로토콜에 비해 향상됨을 확인 했다. 추후 연구로 본 논문에서 제안한 프로토콜을 해석적 방법을 통해 성능 평가를 진행할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선 센서 네트워크의 노드들은 어떻게 동작하는가?	무선 센서 네트워크(Wireless Sensor Networks)의 노드들은 전력 소모를 줄이기 위해 활성과 비활성 구간을 반복하는 듀티 사이클로 동작한다 [1] . 그 중에서 특히 주변 노드와 동기를 맞추지 않는 비동기 MAC 프로토콜인 X-MAC [2] 은 기존의 동기식 프로토콜에 비해 제어 패킷의 수를 줄임으로써 전력 손실을 줄일 수 있었다.
	RI-MAC, PW-MAC의 단점은 무엇인가?	이에 송신자에서 발생되는 제어 패킷 오버헤드를 크게 줄일 수 있는 수신자 기반(Receiver-Initiated)의 스케줄로 동작하는 RI-MAC [3] , PW-MAC [4] 가 등장했다. 하지만두 프로토콜은 수신자에서 발생되는 제어 패킷이 매체 효율성(Utilization)을 감소시킨다는 단점이 있다.
	비동기식 프로토콜의 단점은 무엇인가?	그 중에서 특히 주변 노드와 동기를 맞추지 않는 비동기 MAC 프로토콜인 X-MAC [2] 은 기존의 동기식 프로토콜에 비해 제어 패킷의 수를 줄임으로써 전력 손실을 줄일 수 있었다. 그러나 비동기식 프로토콜은 송수신 노드 간의 웨이크 업(Wakeup) 스케줄의 차이만큼 제어 패킷 오버헤드가 증가된다는 단점을 갖는다. 이에 송신자에서 발생되는 제어 패킷 오버헤드를 크게 줄일 수 있는 수신자 기반(Receiver-Initiated)의 스케줄로 동작하는 RI-MAC [3] , PW-MAC [4] 가 등장했다.

참고문헌 (4)

K. H. Jung and Y. J. Seo, "An efficient collision resolution method in wireless sensor networks based on IEEE 802.15.4 slotted CSMA/CA," J. Commun. Networks(JCN), vol. 37, no. 9, pp. 750-759, Sept. 2012.

원문보기 상세보기
M. Buettner, G. V. Yee, E. Anderson, and R. Han, "X-MAC: A short preamble MAC protocol for duty-cycled wireless sensor networks," in Proc. ACM Int. Conf. SenSys, 2006 (ACM SenSys 2006) pp. 307-320, Boulder, USA, Nov. 2006.
Y. Sun, O. Gurewitz, and D. B. Johnson, "RI-MAC: A receiver-initiated asynchronous duty cycle MAC protocol for dynamic traffic loads in wireless sensor networks," in Proc. ACM Int. Conf. SenSys 2008 (ACM SenSys 2008), pp. 1-14, Raleigh, USA, Jun. 2008.
L. Tang, Y. Sun, O. Gurewitz, and D. B. Johnson, "PW-MAC: An energy-efficient predictive wakeup MAC protocol for wireless sensor networks," in Proc. IEEE Int. Conf. INFOCOM 2011 (IEEE INFOCOM 2011), pp. 1305-1313, Shanghai, China, Apr. 2011.

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