[논문]멀티 홉 무선센서네트워크에서 에너지와 지연에 효율적인 하이브리드 MAC 프로토콜

전준헌; 김성철

doi:10.6109/jkiice.2015.19.2.471

멀티 홉 무선센서네트워크에서 에너지와 지연에 효율적인 하이브리드 MAC 프로토콜
An Energy and Delay Efficient Hybrid MAC Protocol for Multi-Hop Wireless Sensor Networks 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.19 no.2, 2015년, pp.471 - 476

전준헌 (Department of Computer Science, Sangmyung University) , 김성철 (Department of Computer Science, Sangmyung University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 멀티 홉 무선 센서 네트워크에서 에너지 효율적인 하이브리드(hybrid) MAC 프로토콜을 제안한다. 제안하는 MAC 프로토콜은 경쟁방식(CSMA) 방식과 비경쟁방식(TDMA) 방식을 혼합하여 사용한다. 싱크 노드로부터 멀리 떨어진 센서 노드들은 주로 데이터 측정 임무를 담당하기 때문에 데이터 발생 및 전송 트래픽이 적어 구현이 간단한 경쟁방식을 사용하는 것이 유리하다. 그러나 싱크 노드와 가까운 노드들은 데이터 측정 뿐 만 아니라 relay 노드로 동작하기 때문에 많은 데이터를 전송할 필요가 있으므로 경쟁방식을 사용하면 데이터 패킷의 충돌 및 전송지연이 증가하게 된다. 본 논문에서는 싱크 노드와 1홉 거리의 센서 노드들은 마치 비경쟁방식처럼 슬롯을 할당하여 데이터 패킷을 전송하는 메커니즘을 제안한다. 제안하는 메커니즘은 에너지 및 지연에 효율적인 장점을 가진다. 제안된 MAC 프로토콜은 유사한 다른 프로토콜에 비해 데이터 패킷 전송 지연에서 더 좋은 성능을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose an energy efficient hybrid MAC protocol for multi-hop wireless sensor networks. The proposed MAC protocol used a hybrid mechanism, in which contention-based MAC protocol and contention free MAC protocol are combined. The sensor nodes located far from the sink node usually send few data packet since they try to send measured data by themselves. So contention-based MAC protocol is useful among them. But other nodes located near sink node usually have lots of data packets since they plays as a relay node. Contention-based MAC protocol among them is not suitable. Using contention-based MAC protocol in heavy data traffic environment, packet collisions and transmission delay may increase. In this paper, slot assignment between sender nodes by sink node is used. The proposed mechanism is efficient in energy and latency. Results showed that our MAC protocol outperformed other protocol in terms of data packet delivery delay and energy consumption.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

무선 센서 네트워크에서는 싱크 노드에 인접할수록 데이터 트래픽 부하가 증가한다. 본 논문에서는 싱크 노드와 1홉 거리의 센서 노드들의 전송방식을 마치 스케줄 방식처럼 전송하는 메커니즘을 제안하였다. 성능분석을 통하여 에너지 및 전송에 효율적임을 보였다.
본 논문에서는 싱크 노드와 1홉의 인접한 센서 노드들을 위한 MAC 프로토콜을 제안하였다. 무선 센서 네트워크에서는 싱크 노드에 인접할수록 데이터 트래픽 부하가 증가한다.
그러나 데이터 트래픽이 적은 환경에서의 비경쟁 방식은 필요 없는 슬롯을 할당하여 에너지 손실 및 지연 이 발생하는 문제점을 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 경쟁 방식의 장점과 비경쟁방식의 장점을 융합한 하이브리드 (hybrid) 전송방식을 제안하였다. Z-MAC [8] 은 전송할 데이터 트래픽이 적을 경우 CSMA 방식으로 전송하다가 트래픽이 증가할 경우 마치 TDMA 방식처럼 전송하는 방식이다.

제안 방법

또한 Funneling-MAC[9]에서는 funneling effect를 고려하여 intensity region을 설정하여 이 영역 밖에서는 pure CSMA 방식을 사용하고, 이 영역 안에서는 하이브리드로 TDMA 및 CSMA 방식의 사용을 제안하였다.
이는 이전에 제안된 QAEEMAC 프로토콜[10]의 비콘 프레임과 유사한 기능을 가진다. 본 논문에서 싱크 노드는 송신 노드들로부터 일정 샘플링 기간 동안 Tx-beacon 프레임을 수신하고, 그에 대한 Rx-beacon 프레임을 broadcast 한다. 송신 노드들은 Tx-beacon 프레임 전송 시간과 Rx-beacon 프레임 수신시간을 사용하여 송신 노드의 전송 시간을 결정한다.
본 논문에서 제안하는 MAC 프로토콜에서는 앞서 설명한 것처럼 센서 노드들은 매핑 함수를 통해 전송에 참여할 시간을 계산한다. 이를 통해 센서 노드들은 데이터 패킷을 전송하기 때문에 X-MAC 프로토콜에 비해 약 12%의 지연이 감소되었다.
본 논문에서 제안하는 메커니즘은 효율적인 데이터 패킷 전송을 위하여 싱크 노드와 1홉 거리의 인접한 센서 노드들 간에는 비경쟁방식처럼 데이터 패킷을 전송하고, 나머지 센서 노드들 간에는 기존의 경쟁방식을 통하여 데이터 패킷을 전송한다. 이는 싱크 노드와 멀리 떨어진 센서 노드들은 데이터 패킷 생성 및 전달에 있어서 충돌 발생 확률이 줄어들기 때문이다.
본 논문에서는 싱크 노드와 1홉 거리 밖에 존재하는 센서 노드들은 기존의 경쟁방식으로 전송하고, 1홉 거리 안의 싱크 노드와 인접한 센서 노드들은 비경쟁방식처럼 전송함으로서 데이터 패킷의 충돌, 지연 및 손실을 감소시킬 수 있는 하이브리드 방식을 제안한다.
앞서 설명한 것처럼, 제안하는 전송 메커니즘은 active 주기 동안의 Tx-beacon 및 Rx-beacon 프레임을 이용하여 sleep 주기 동안 데이터 패킷을 전송하는 방식이다.
싱크 노드는 항상 전원이 공급되는 노드이기 때문에 sleep 구간이 필요 없다. 제안하는 MAC 프로토콜에서는 sampling 구간에서 송신 노드들로부터 Tx-beacon 프레임을 수신 받고, Rx-beacon 프레임을 송신한다. sleep 구간에서 송신 노드들로부터 데이터 패킷을 전송받고 이에 대한 응답을 한다.

대상 데이터

성능 분석은 싱크 노드와 1홉 거리의 센서 노드와의 데이터 패킷 통신만으로 한정한다. 이는 제안하는 메커니즘에서 싱크 노드와 1홉 거리 이상의 노드들은 기존의 경쟁방식을 사용하므로 성능평가에서 제외한다.
그림 3은 싱크 노드로부터 1홉 떨어진 송신노드들의 효율적인 데이터 패킷 프레임 전송 방법을 보여준다. 이를 위해 송신 노드는 Tx-beacon을 사용하고, 싱크 노드는 Rx-beacon을 사용한다. 이는 이전에 제안된 QAEEMAC 프로토콜[10]의 비콘 프레임과 유사한 기능을 가진다.

데이터처리

본 장에서는 제안하는 메커니즘과 기존의 X-MAC 프로토콜과 성능을 시뮬레이션을 통해 비교 분석한다. 본 논문의 성능 분석을 위해 다음과 같이 가정한다.

성능/효과

그림 6는 송신 노드의 데이터 패킷의 수에 따른 평균 에너지 소모를 보여준다. 그림에서 보듯이 본 논문에서 제안된 메커니즘은 데이터 패킷을 증가함에 따라 X-MAC 프로토콜에 비해 약 18% 에너지가 절약되었다.
본 논문에서는 싱크 노드와 1홉 거리의 센서 노드들의 전송방식을 마치 스케줄 방식처럼 전송하는 메커니즘을 제안하였다. 성능분석을 통하여 에너지 및 전송에 효율적임을 보였다. 제안하는 MAC 프로토콜은 트래픽 부하가 높은 환경일수록 더 효율적이다.
본 논문에서 제안하는 MAC 프로토콜에서는 앞서 설명한 것처럼 센서 노드들은 매핑 함수를 통해 전송에 참여할 시간을 계산한다. 이를 통해 센서 노드들은 데이터 패킷을 전송하기 때문에 X-MAC 프로토콜에 비해 약 12%의 지연이 감소되었다.
성능분석을 통하여 에너지 및 전송에 효율적임을 보였다. 제안하는 MAC 프로토콜은 트래픽 부하가 높은 환경일수록 더 효율적이다. 추후 싱크 노드와 1홉 거리 이상의 센서 노드들과 결합하는 환경에서 적합하고 효율적인 연구가 지속적으로 이루어질 예정이다.
이는 경쟁기반의 MAC 프로토콜에서는 센서 노드들은 데이터 패킷 전송을 위해 wake up 모드로 대기를 하여야 하기 때문에 에너지 소모가 증가한다. 제안하는 메커니즘은 센서 노드들에게 데이터 패킷 전송 시간을 할당함으로서 대기 시간을 줄여 이에 소모하는 에너지를 절약할 수 있다. 그림 7는 데이터 패킷 증가에 따른 지연을 보여준다.

후속연구

제안하는 MAC 프로토콜은 트래픽 부하가 높은 환경일수록 더 효율적이다. 추후 싱크 노드와 1홉 거리 이상의 센서 노드들과 결합하는 환경에서 적합하고 효율적인 연구가 지속적으로 이루어질 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 논문에서 제안하는 하이브리드 MAC 프로토콜은 어떤 방식을 사용하는가?	본 논문에서는 멀티 홉 무선 센서 네트워크에서 에너지 효율적인 하이브리드(hybrid) MAC 프로토콜을 제안한다. 제안하는 MAC 프로토콜은 경쟁방식(CSMA) 방식과 비경쟁방식(TDMA) 방식을 혼합하여 사용한다. 싱크 노드로부터 멀리 떨어진 센서 노드들은 주로 데이터 측정 임무를 담당하기 때문에 데이터 발생 및 전송 트래픽이 적어 구현이 간단한 경쟁방식을 사용하는 것이 유리하다.
	T-MAC 프로토콜이란 무엇인가?	S-MAC 프로토콜은 고정적인 듀티 사이클로 sleep 구간을 두어 에너지 소모를 줄이는 방식이다. T-MAC 프로토콜은 S-MAC 프로토콜의 고정적인 듀티사이클의 단점을 해결하기 위해 time out를 사용하여 일정시간동안 데이터 패킷 전송이 없을 경우 sleeping 하여 에너지를 절약하는 방식이다. 대표적인 비동기식 전송방식으로는 B-MAC[6] 및 X-MAC[7] 프로토콜이 있다.
	비경쟁방식(TDMA)은 어떠한 문제점을 가지고 있는가?	정해진 스케줄 또는 슬롯에 데이터 패킷을 전송하기 때문에 경쟁방식에 비해 충돌 및 손실이 적다. 그러나 데이터 트래픽이 적은 환경에서의 비경쟁 방식은 필요 없는 슬롯을 할당하여 에너지 손실 및 지연이 발생하는 문제점을 가지고 있다. 본 논문에서는 이러한 경쟁 방식의 장점과 비경쟁방식의 장점을 융합한 하이브리드 (hybrid) 전송방식을 제안하였다.

참고문헌 (12)

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Jeong-Yeob. Oak, Young-June Choi, and Wooguil Pak, "EP-MAC: Early Preamble MAC To Achieve Low Delay And Energy Consumption In Duty Cycle Based Asynchronous Wireless Sensor Networks," KSII Transactions on Internet and Information Systems (TIIS) vol. 6, no. 11, pp. 2980-2991, 2012.

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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].

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