별도의 RF 소스가 센서 노드에게 에너지를 공급하는 무선 수동형 센서 망은 배터리 없이 영원히 동작할 수 있는 망이다. 그러나 영원한 수명에 대한 기대와 달리 무선 수동형 센서 망은 아직 에너지의 희소성, 에너지 수신과 데이타 전송의 동시불가성, 자원 활용의 비효율성 등 많은 문제를 안고 있다. 본 논문에서는 패킷 상실에는 관대하지만 패킷의 적시 전달을 요구하는 서비스를 제공하는 무선 수동형 센서 망을 다룬다. 이러한 망에서 여러 센서 노드들이 하나의 싱크 노드에게 패킷들을 전달하도록 현실적 제약을 인식하여 framed and slotted ALOHA에 기초한 경합형 MAC 방식을 고려한다. 이어서 지리적으로 흩어져있는 센서 노드들이 전송한 패킷들이 경로 손실을 겪어 결국 capture 현상이 빚어질 때 MAC 방식이 얻을 수 있는 망전체 throughput을 조사한다. 특히 두 센서 노드만이 망에 있을 때 망 전체 throughput의 정확한 공식을 closed form으로 도출한다. 마지막으로 설계 parameter들을 조절하여 최대의 망 전체 throughput을 취하도록 경합형 MAC 방식을 최적화한다.
별도의 RF 소스가 센서 노드에게 에너지를 공급하는 무선 수동형 센서 망은 배터리 없이 영원히 동작할 수 있는 망이다. 그러나 영원한 수명에 대한 기대와 달리 무선 수동형 센서 망은 아직 에너지의 희소성, 에너지 수신과 데이타 전송의 동시불가성, 자원 활용의 비효율성 등 많은 문제를 안고 있다. 본 논문에서는 패킷 상실에는 관대하지만 패킷의 적시 전달을 요구하는 서비스를 제공하는 무선 수동형 센서 망을 다룬다. 이러한 망에서 여러 센서 노드들이 하나의 싱크 노드에게 패킷들을 전달하도록 현실적 제약을 인식하여 framed and slotted ALOHA에 기초한 경합형 MAC 방식을 고려한다. 이어서 지리적으로 흩어져있는 센서 노드들이 전송한 패킷들이 경로 손실을 겪어 결국 capture 현상이 빚어질 때 MAC 방식이 얻을 수 있는 망전체 throughput을 조사한다. 특히 두 센서 노드만이 망에 있을 때 망 전체 throughput의 정확한 공식을 closed form으로 도출한다. 마지막으로 설계 parameter들을 조절하여 최대의 망 전체 throughput을 취하도록 경합형 MAC 방식을 최적화한다.
A wireless passive sensor network is a network which, by letting separate RF sources supply energy to sensor nodes, is able to live an eternal life without batteries. Against expectations about an eternal life, however, a wireless passive sensor network still has many problems; scarcity of energy, n...
A wireless passive sensor network is a network which, by letting separate RF sources supply energy to sensor nodes, is able to live an eternal life without batteries. Against expectations about an eternal life, however, a wireless passive sensor network still has many problems; scarcity of energy, non-simultaneity of energy reception and data transmission and inefficiency in resource allocation. In this paper, we focus on a wireless passive sensor network providing a packet service which is tolerable to packet losses but requires timely delivery of packets. Perceiving the practical constraints, we then consider a contending-type MAC scheme, rooted in framed and slotted ALOHA, for supporting many sensor nodes to deliver packets to a sink node. Next, we investigate the network-wide throughput achieved by the MAC scheme when the packets transmitted by geographically scattered sensor nodes experience path losses hence capture phenomena. Especially, we derive an exact formula of network-wide throughput in a closed form when 2 sensor nodes reside in the network. By controlling design parameters, we finally optimize the contending-type MAC scheme as to attain the maximum network-wide throughput.
A wireless passive sensor network is a network which, by letting separate RF sources supply energy to sensor nodes, is able to live an eternal life without batteries. Against expectations about an eternal life, however, a wireless passive sensor network still has many problems; scarcity of energy, non-simultaneity of energy reception and data transmission and inefficiency in resource allocation. In this paper, we focus on a wireless passive sensor network providing a packet service which is tolerable to packet losses but requires timely delivery of packets. Perceiving the practical constraints, we then consider a contending-type MAC scheme, rooted in framed and slotted ALOHA, for supporting many sensor nodes to deliver packets to a sink node. Next, we investigate the network-wide throughput achieved by the MAC scheme when the packets transmitted by geographically scattered sensor nodes experience path losses hence capture phenomena. Especially, we derive an exact formula of network-wide throughput in a closed form when 2 sensor nodes reside in the network. By controlling design parameters, we finally optimize the contending-type MAC scheme as to attain the maximum network-wide throughput.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 논문에서는 무선 수동형 센서 망에서 패킷의 상실(loss)에는 비교적 관대하지만 패킷의 적시(timely) 전달을 요구하는 서비스를 제공하기 위한 MAC 방식으로 framed and slotted ALOHA[5]에 기초한 경합형 MAC 방식을 고려한다. 다음 지리적으로 흩어져있는 센서 노드들이 전송한 패킷들이 경로 손실(path loss)를 겪고 마침내 capture 현상[6]이 빚어질 때 망 전체 throughput을 조사한다.
본 논문에서는 여러 센서 노드들이 무선 매체(wireless medium)를 공유하여 싱크 노드에게 패킷들을 전달하도록 지원하는 경합형 MAC 방식을 고려한다. 그림 2에 나타난 바와 같이 고려하는 MAC 방식에서 시간은 프레임(frame)으로 나뉘고 프레임은 다시 충전 구간(charging interval)과 활동 구간(acting interval)으로 나뉜다.
그러나 현실에서 무선 수동형 센서 망은 에너지의 희소성, 에너지 수신과 데이타 전송의 동시 불가성, 자원 할당의 비효율성 등 많은 문제를 안고 있다. 본 논문은 하나의 싱크 노드, 싱크 노드와 공재하는 하나의 RF 소스 그리고 싱크 노드 주변에 산재한 여러 센서 노드로 구성된 무선 수동형 센서 망이 packet 상실에는 관대하지만 패킷의 적시 전달을 요구하는 서비스를 제공하는 상황을 다루었다. 이러한 망에서 센서 노드들이 싱크 노드에게 패킷들을 전달하도록 현실적 제약을 인식하여 framed and slotted ALOHA에 기초한 경합형 MAC 방식을 고려하였다.
가설 설정
더욱이 충돌이 발생하더라도 만약 SIR Rm이 threshold 값 τ보다 크면 싱크 노드는 센서 노드 sm이 보낸 패킷을 올바르게 수신할 수 있는 capture 현상이 일어난다고 가정한다.
또한 Dm과 Θm은 서로 독립이라고 가정한다.
본 장에서 (D1, Θ1), ⋯, (DM, ΘM)은 서로 독립(independent)이고 동일하게 분포되어(identically distributed) 있다고 가정한다.
본 장에서 센서 노드 sm이 패킷을 전송했을 때 충돌이 일어나지 않으면 싱크 노드는 센서 노드 sm이 보낸 패킷을 올바르게 수신할 수 있다고 가정한다. 더욱이 충돌이 발생하더라도 만약 SIR Rm이 threshold 값 τ보다 크면 싱크 노드는 센서 노드 sm이 보낸 패킷을 올바르게 수신할 수 있는 capture 현상이 일어난다고 가정한다.
한편 D1과 D2가 동일하게 [r1 ,r2]에서 균일 분포(uniform distribution)를 따른다고 가정하자.
제안 방법
에 기초한 경합형 MAC 방식을 고려한다. 다음 지리적으로 흩어져있는 센서 노드들이 전송한 패킷들이 경로 손실(path loss)를 겪고 마침내 capture 현상[6]이 빚어질 때 망 전체 throughput을 조사한다. 특히 두 개의 센서 노드가 포진한 경우 정확한(exact) 망 전체(network-wide) throughput의 공식을 closed form으로 유도한다.
특히 두 센서 노드가 망에 있는 경우 정확한 망 전체 throughput의 공식을 closed form으로 도출하였다. 마지막으로 throughput 공식과 모의 실험 방법을 통해 최대의 망 전체 throughput을 얻을 수 있도록 경합형 MAC 방식의 최적화를 시도하였다. 폭넓은 수치적 검토를 통해 감지 구간의 길이를 조절하여 최대의 망 전체 throughput을 취하도록 MAC 방식을 최적화할 수 있음을 확인하였다.
특히 두 개의 센서 노드가 포진한 경우 정확한(exact) 망 전체(network-wide) throughput의 공식을 closed form으로 유도한다. 마지막으로 throughput 공식과 모의 실험(simulation) 방법을 통해 설계 parameters의 값을 조절하여 최대의 망 전체 throughput을 취할 수 있도록 경합형 MAC 방식을 최적화(optimization)한다.
가 있는 경우를 고려하자. 망 전체 throughput을 구하기 위해 우선 싱크 노드와 두 센서 노드 사이의 거리인 (D1, D2)와 싱크 노드가 올바르게 수신하는 패킷의 수와의 관계를 조사한다. 싱크 노드가 센서 노드 sm이 보낸 패킷을 올바르게 수신하기 위해서는 다른 센서 노드가 같은 슬롯 동안 패킷을 보내지 않거나 패킷을 보내더라도 SIR Rm이 τ보다 커야한다.
본 논문에서 고려하는 무선 수동형 센서 망은 그림 1에 나타난 바와 같이 하나의 싱크 노드, 하나의 RF 소스 그리고 여러 센서 노드들로 구성되어 있다. RF 소스는 싱크 노드와 공재하고 센서 노드들은 싱크 노드 주위에 산재해 있다.
본 장에서는 3 장에서 구한 throughput 공식과 모의 실험 방법을 이용하여 고려하는 MAC 방식이 취할 수 있는 throughput을 조사한다. 이어서 망 전체 throughput을 최대화하는 설계 parameter의 최적 값을 구한다.
본 논문은 하나의 싱크 노드, 싱크 노드와 공재하는 하나의 RF 소스 그리고 싱크 노드 주변에 산재한 여러 센서 노드로 구성된 무선 수동형 센서 망이 packet 상실에는 관대하지만 패킷의 적시 전달을 요구하는 서비스를 제공하는 상황을 다루었다. 이러한 망에서 센서 노드들이 싱크 노드에게 패킷들을 전달하도록 현실적 제약을 인식하여 framed and slotted ALOHA에 기초한 경합형 MAC 방식을 고려하였다. 이어서 지리적으로 흩어져 있는 센서 노드들이 전송한 패킷들이 경로 손실을 겪고 결국 capture 현상이 빚어질 때 MAC 방식이 취할 수 있는 망 전체 throughput을 조사하였다.
이러한 망에서 센서 노드들이 싱크 노드에게 패킷들을 전달하도록 현실적 제약을 인식하여 framed and slotted ALOHA에 기초한 경합형 MAC 방식을 고려하였다. 이어서 지리적으로 흩어져 있는 센서 노드들이 전송한 패킷들이 경로 손실을 겪고 결국 capture 현상이 빚어질 때 MAC 방식이 취할 수 있는 망 전체 throughput을 조사하였다. 특히 두 센서 노드가 망에 있는 경우 정확한 망 전체 throughput의 공식을 closed form으로 도출하였다.
정확한(exact) 망 전체 throughput을 closed form으로 구하기 위해 싱크 노드 주위에 오직 2 개의 센서 노드 s1과 s2가 있는 경우를 고려하자. 망 전체 throughput을 구하기 위해 우선 싱크 노드와 두 센서 노드 사이의 거리인 (D1, D2)와 싱크 노드가 올바르게 수신하는 패킷의 수와의 관계를 조사한다.
이어서 지리적으로 흩어져 있는 센서 노드들이 전송한 패킷들이 경로 손실을 겪고 결국 capture 현상이 빚어질 때 MAC 방식이 취할 수 있는 망 전체 throughput을 조사하였다. 특히 두 센서 노드가 망에 있는 경우 정확한 망 전체 throughput의 공식을 closed form으로 도출하였다. 마지막으로 throughput 공식과 모의 실험 방법을 통해 최대의 망 전체 throughput을 얻을 수 있도록 경합형 MAC 방식의 최적화를 시도하였다.
성능/효과
이 그림으로부터 보다 많은 센서 노드를 설치할수록 더 높은 망 전체 throughput을 얻을 수 있음을 알 수 있다. 그러나 센서 노드의 수가 늘어남에 따라 감소하는 센서 노드 당 최대의 throughput 곡선으로부터 투입한 센서 노드만큼 망 전체 throughput이 늘어나지는 않음을 또한 확인할수 있다.
폭넓은 수치적 검토를 통해 감지 구간의 길이를 조절하여 최대의 망 전체 throughput을 취하도록 MAC 방식을 최적화할 수 있음을 확인하였다. 추가로 경로 손실 지수와 SIR threshold는 상대적으로 값이 작을수록 감지 구간의 최적의 길이에 더 큰 영향을 미침을 확인하였다.
마지막으로 throughput 공식과 모의 실험 방법을 통해 최대의 망 전체 throughput을 얻을 수 있도록 경합형 MAC 방식의 최적화를 시도하였다. 폭넓은 수치적 검토를 통해 감지 구간의 길이를 조절하여 최대의 망 전체 throughput을 취하도록 MAC 방식을 최적화할 수 있음을 확인하였다. 추가로 경로 손실 지수와 SIR threshold는 상대적으로 값이 작을수록 감지 구간의 최적의 길이에 더 큰 영향을 미침을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선 센서 망의 설계에 주요 제약 요소는 무엇인가?
그러나 무선 센서 망이 흔히 구축되는 환경에서 배터리의 충전이나 교체가 용이하지 않고 따라서 무선 센서 망의 수명은 한정된다. 이러한 이유로 에너지 절감(energy saving)은 무선 센서 망의 설계에서 주요 제약 요소였다[1].
무선 수동형 센서 망은 어떠한 방법으로 에너지를 충당하는가?
무선 전력 전송(wireless power transfer)에 대한 관심이 커지면서 무선 전력 전송 기술이 적용된 무선 센서 망인 무선 수동형 센서 망(wireless passive sensor network)이 등장하였다. 무선 수동형 센서 망은 싱크 노드와 센서 노드 외에 별도의 radio frequency 소스(radio frequency source: RF 소스)를 갖고 있고 RF 소스가 방사한 RF 파(wave)를 수신하여 센서 노드가 자신을 구동하기 위한 에너지를 충당토록 한다. 이와 같이 무선 수동형 센서 망은 배터리 없이 영원히 동작할 수 있다[2∼3].
무선 수동형 센서 망은 동시불가성으로 인해 어떠한 문제점이 생기는가?
두 번째 문제는 센서 노드가 에너지의 수신과 데이타의 전송을 동시에 수행할 수 없다는 동시불가성 (non-simultaneity)이다. 이로 인해 센서 노드는 일정 시간 동안 RF 소스로부터 수신한 전력으로 캐패시터를 충전한 후에야 싱크 노드와 통신할 수 있고 이러한 충전과 통신을 주기적으로 반복해야 한다. 세 번째 문제는 자원 할당의 비효율성(inefficiency)이다.
참고문헌 (9)
C. Choi and H. Seo, "Elementary MAC Scheme Based on Slotted ALOHA for Wireless Passive Sensor Networks," Journal of IEIE. vol. 53, no. 4, pp. 500-506, April 2016.
A. Bereketli and O. Akan, "Communication Coverage in Wireless Passive Sensor Networks," IEEE Communications Letters, vol. 13, no. 2, pp. 133-135, February 2009.
R. Rom and M. Sidi, Multiple Access Protocols-Performance and Analysis. Springer-Verlag, 1990.
D. Agrawal and Q. Zeng, Introduction to Wireless and Mobile Systems. 4th edition, CL Engineering, 2015.
T. Ferguson, A Course in Large Sample Theory. Chapman and Hall, 1996.
H. Seo, J. Park, J. Ha, and C. Choi, "Method for Approximately Calculating Charging and Acting Times in Wireless Passive Sensor Networks," Proceedings of IEIE Fall Conference 2015, Wonju, Korea, pp. 863-865, November 2015.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.