[논문]사물인터넷을 위한 라우팅과 매체접근제어의 상호작용

박판근

doi:10.6109/jkiice.2015.19.10.2465

사물인터넷을 위한 라우팅과 매체접근제어의 상호작용
Routing and Medium Access Control Interactions for Internet of Things 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.19 no.10, 2015년, pp.2465 - 2472

박판근 (Department of Information and Communication Engineering, Gyeongsang National University)

초록
AI-Helper

무선 MAC (Medium Access Control)과 라우팅 기술은 사물인터넷의 핵심 네트워크 기술 요소로서. 최근 이와 관련된 집중적인 연구가 진행 되고 있다. 그러나 사물인터넷을 위한 새로운 표준이 제안되고, 다른 네트워크 관련 기술들이 패치되면서, 이러한 네트워크의 성능을 평가하는 방식은 명확하지 않다. 본 연구에서는 사물인터넷을 위한 최근의 MAC과 라우팅 프로토콜 기술을 분석 정리하고, 이들 간의 상호작용에 대하여 설명하였다. 특히, 현재 많은 사물인터넷 관련 분야에서 고려되고 있는 IEEE 802.15.4 MAC 과 RPL (Routing Protocol for Low-power Lossy Network) 라우팅 프로토콜의 기술을 설명하고 이들 간의 상호 작용에 대하여 설명하였다. 이러한 분석에 따라 경쟁기반의 MAC 프로토콜의 경우 라우팅의 성능에 치명적인 영향을 줄 수 있으므로 MAC과 라우팅 관련 시스템 파라미터를 최적화 할 수 있는 모델링을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Wireless Medium Access Control (MAC) and routing technologies are the basic building blocks making it possible the Internet of Things (IoT). These technologies have been the focus of substantial research in the last decade. Nevertheless, as new networking standards for IoT are being proposed and different solutions are patched together, evaluating the performance of the network becomes unclear. In this paper, a new overview of MAC and routing protocols for IoT and new interactions are given. The IEEE 802.15.4 MAC and Routing Protocol for Low-power Lossy Network (RPL) routing protocols are taken as reference to exemplify and illustrate the discussion. Experimental results show that contention-based access MACs may hurt the routing, unless these two are carefully designed together.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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

문제 정의

본 연구에서는 사물인터넷에 적용 가능한 최근의 MAC과 라우팅 프로토콜을 분석 정리하고, 상호작용모델을 제시하였다. 특히, IEEE 802.
본 절에서는 사물인터넷의 네트워크 라우팅에 적용될 RPL에 대하여 설명한다. RPL의 가장 큰 특징은 라우팅 프로토콜의 최적화 메트릭에 따른 DODAGs(Destination Oriented Directed Acyclic Graphs)이라 불리는 그래프의 생성이라고 할 수 있다.
본 절에서는 저전력과 저전송률을 필요로 하는 사물인터넷 응용의 무선 네트워크에서 물리 계층와 MAC 계층을 포함하는 IEEE 802.15.4 표준의 경쟁 기반 slotted CSMA/CA 방식에 대하여 설명하고자 한다. 참고로, IEEE 802.

가설 설정

.두 노드 사이의 링크 문제와 같이 부분적인 문제로 인하여 전체 네트워크에 브로드케스트 메시지가 플러딩 되어서는 안된다.

제안 방법

본 연구는 3가지 핵심 내용을 포함한다. (1) 사물인터넷을 위한 무선 MAC과 라우팅 프로토콜 의 장/단점과 특징에 따른 고려 요소 검토 (2) 사물인터넷의 무선 네트워크로 최근 많이 고려중인 IEEE 802.15.4 MAC 표준과 IETF RPL (Routing Protocol for Low Power and Lossy Networks) 프로토콜 기술 설명, (3) MAC 과 라우팅 계층의 상호작용에 관한 분석 방안을 제시한다.
Slotted CSMA/CA 방식으로 패킷을 전송하려고 할 때, 각 노드는 MAC 계층의 backoffs의 수 NB, 경쟁 window 길이 CW, backoff exponent BE와 재전송 수 RT와 같은 4가지 파라미터를 초기화 한다.
성능 모델링 기법을 제시하였다. 경쟁 기반의 MAC 프로토콜의 경우 라우팅의 성능에 치명적인 영향을 줄 수 있으므로 성능 파라미터를 최적화 할 수 있는 수학적 모델링 기법을 사용하였다.
라우팅 프로토콜을 대표적인 예로 분석하였으며, 이에 기반한 성능 모델링 기법을 제시하였다. 경쟁 기반의 MAC 프로토콜의 경우 라우팅의 성능에 치명적인 영향을 줄 수 있으므로 성능 파라미터를 최적화 할 수 있는 수학적 모델링 기법을 사용하였다.
만약 RT 값이 macMaxFrameRetries 보다 작으면, MAC 은 BE=macMinBE 로 초기화 하고, 채널 재접근을 위하여 CSMA/CA를 반복한다. 본 연구에서는 IEEE 802.15.4 파라미터를 _macMinBE,  macMaxBE,  macMaxCSMABackoffs,  mac MaxFrameRetries로 표현한다.
시간, 주파수 등을 관리한다. 본 연구에서는 사물인터넷을 위하여 다양한 MAC 프로토콜을 접근 방식에 따라 크게 3가지 방식: 스케줄링 기반, 경쟁 기반, 하이브리드 기반 방식으로 분류 하였다.
3 절에서 확인할 수 있듯이 경쟁 기반의 MAC 파라미터는 각 링크의 신뢰도 및 지연 성능에 막대한 영향을 줄 수 있다. 이러한 링크의 성능은 결국 라우팅 계층의 단대단 성능과 직결되므로 계층별 성능 파라미터를 제안된 모델을 통하여 최적화 한다. 주요 최적화 문제는 주어진 지연 요구 조건을 만족 시키면서 신뢰성을 최대화하는 제약 조건 최적화를 고려할 수 있다.
4 프로토콜은 Contiki OS를 통하여 TelosB에 구현 되었다. 전체적인 시스템은 N개의 노드가 coordinator에 데이터 패킷을 전송하는 스타 토폴로지 형태로 성능치를 측정하였다. 각각의 노드는 패킷을 성공적으로 전송하거나, 폐기 또는 샘플링 주기가 끝날 때 마다  확률로 새로운 패킷을 생성한다.
그러나 간섭을 최소화 할 수 있는 스케줄링 기법은 전체적인 네트워크 토폴로지 정보에 기반하기 때문에 설계 및 구현의 복잡도가 높다고 할 수 있다. 표 1에서는 사물인터넷을 위한 다양한 MAC 프로토콜의 장/단점을 비교 검토하였다.

이론/모형

비교하고 있다. 제시된 이론적 모델은 3차원 Markov Chain을 통하여 신뢰성, 지연, 전력 소모 모델을 제공한다. 3.

성능/효과

스케줄링 MAC 프로토콜의 가장 큰 장점은 스케줄링이 정해지면 패킷 충돌, overlistening 등의 문제를 최소화 할 수 있다는 것이다. 또한, 높은 트래픽의 상황 하에서 경쟁 기반의 MAC 프로토콜보다 향상된 전송 지연, 공평도, 전송률을 보인다. 그러나 간섭을 최소화 할 수 있는 스케줄링 기법은 전체적인 네트워크 토폴로지 정보에 기반하기 때문에 설계 및 구현의 복잡도가 높다고 할 수 있다.
155%를 보이고 있다. 또한, 신뢰도는 MAC 파라미터 가 증가할수록 빠르게 향상 되는 것을 확인할 수 있다. 그림 3에서 평균 지연 시간은 트래픽이 높아질수록 거의 선형적으로 증가하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 패킷 전송 충돌 확률이 상승하기 때문이다.
기존의 신뢰성 모델[9]을 식(4)에 대입 했을 때, 네트워크 상에서의 트래픽 분산 모델을 확인할 수 있다. 마지막으로, 단대단 신뢰성은 관련된 모든 패스의 링크 신뢰도의 곱으로 표현 가능하며, 단대단 지연은 송신기부터 루트 노드까지의 모든 패스와 관련된 지연의 합으로 정의 될 수 있다. 3.
먼저, 제시된 이론적인 모델은 실험 데이터 값을 잘 예측하고있다. 신뢰도와 평균 지연 시간의 오차는 약 0.

참고문헌 (9)

WSN for Smart Industries: A Market Dynamics Report, OnWorld, 2007, http://www.onworld.com/smartindustries/index.html.
Routing Over Low power and Lossy networks, Internet Engineering Task Force (IETF), http://www.ietf.org/dyn/wg/charter/roll-charter.html.
IEEE 802.15.4 standard: Wireless Medium Access Control and Physical Layer Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks, IEEE, 2006, http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html.
P. Park, H. Khadilkar, H. Balakrishnan, and C. Tomlin, High Confidence Networked Control for Next Generation Air Transportation Systems, IEEE Transactions on Automatic Control, vol. 59, no. 12, pp. 3357-3372, 2014.

상세보기
P. Park, "Traffic Generation Rate Control of Wireless Sensor and Actuator Networks," IEEE Communications Letters, vol.19, no.5, pp.827-830, 2015.

상세보기
J. L. Hill and D. Culler, “Mica: a wireless platform for deeply embedded networks,” IEEE Micro, vol. 22, no. 6, pp. 12–24, 2002.

상세보기
P. Park, P. Di Marco, C. Fischione, and K. H. Johansson, Modeling and Optimization of the IEEE 802.15.4 Protocol for Reliable and Timely Communications, IEEE Transactions on Parallel and Distributed Systems, vol. 24, no. 3, pp. 550-564, 2013.

상세보기
P. Park, P. Di Marco, P. Soldati, C. Fischione, and K. H. Johansson, "A Generalized Markov Chain Model For Effective Analysis of Slotted IEEE 802.15.4," IEEE International Conference on Mobile Ad Hoc and Sensor Systems, 2009.
P. Di Marco, P. Park, C. Fischione, and K. H. Johansson, Analytical Modelling of Multi-hop IEEE 802.15.4 Networks, IEEE Transactions on Vehicular Technology, vol. 61, no. 7, pp. 3191-3208, 2012.

상세보기

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