[논문]무선 센서 네트워크에서 센서 노드의 잔여 에너지 기반 Wake-up 제어 메커니즘

전준헌; 김성철

doi:10.6109/jkiice.2017.21.1.187

무선 센서 네트워크에서 센서 노드의 잔여 에너지 기반 Wake-up 제어 메커니즘
A Sensor nodes' Residual Energy based Wake-up Control Mechanism in Wireless Sensor Networks 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.21 no.1, 2017년, pp.187 - 192

전준헌 (Department of Electrical Engineering, Hanbat University) , 김성철 (Department of Computer Science, Sangmyung University)

초록
AI-Helper

무선 센서 네트워크에서 전송 지연 및 에너지 소모의 문제들을 해결하는 것이 전체 네트워크의 수명을 연장하고 효율적인 데이터 패킷 전송을 위해 해결해야할 문제들이다. 이러한 문제들을 해결하기 위하여 다양한 MAC 프로토콜들이 제안되었다. 본 논문에서 제한하는 방식은 센서 노드의 잔여 에너지에 기반하여 노드의 wake-up 주기를 조절함으로 불필요한 idle listening을 줄여 에너지 소모를 줄인다. 제안된 제어 메커니즘은 수신자 기반의 MAC 프로토콜 중의 하나인 RI-MAC 프로토콜의 단점을 보안하여 수정하였다. 제안된 제어 메커니즘에서 수신 노드는 주기적으로 wake up하고 노드 자신의 에너지 상태에 따라서 비콘 신호를 전송한다. 뿐 만 아니라 수신 노드는 데이터 트래픽에 따라서 wake up 주기를 조절한다. 성능분석을 통하여 제안한 MAC 프로토콜이 RI-MAC 프로토콜에 비해 에너지 소모에 대하여 더 효율적임을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In dense deployments of sensor nodes in Wireless Sensor Networks, the MAC protocol has challenges to solve problems such as reducing delivery delay and reducing energy consumption. To solve these problems lots of protocols are suggested. This paper proposed a sensor nodes' residual energy based wake-up control mechanism, in which each node decides whether it wakes up or stays in sleep mode to save energy consumption by reducing unnecessary idle listening. The main idea of the wake-up control mechanism is to save node's energy consumption. The proposed wake-up control mechanism is based on the RI-MAC protocol, which is one of the receiver-initiated MAC protocols. A receiver node in the proposed mechanism periodically wakes up and broadcasts a beacon signal based on the energy status of the node. A receiver node also adjusts wake-up period based on the traffics. Results have shown that the proposed MAC protocol outperformed RI-MAC protocol in the terms of energy consumption.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

수신 노드는 일정한 주기를 가지고 wake up 한다. wake up 한 수신 노드는 채널이 사용 중인지 여부를 확인한다. 사용 중이라면 sleep 하고, 사용 중이 아니라면 비콘(Beacon) 신호를 전송(broadcasting)한다.
또한 본 논문에서는 수신 노드의 에너지를 절약하기 위하여 수신 노드의 wake up 시간을 전송 환경에 따라 적응적으로 변화시키는 메커니즘을 제안한다. 무선 센서 네트워크의 환경에 따라서는 평상시 데이터 전송이 발생하지 않고 어떠한 사건(event)이 발생할 경우 데이터 전송이 증가 하는 경우가 있다.
본 논문에서는 RI-MAC 프로토콜처럼 수신 노드에서 전송이 시작되는 MAC 프로토콜이다. 제안한 MAC 프로토콜은 수신 노드의 에너지 소모를 줄이기 위하여 2가지 메커니즘을 제안한다.
본 논문에서는 기존의 RI-MAC 프로토콜을 단점을 보완한 방법으로 수신 노드의 에너지 소모를 줄이는 새로운 메커니즘을 제안하였다. 성능 분석을 통하여 기존의 RI-MAC 프로토콜에 비해 에너지 소모가 적음을 확인하였다.
기존의 RI-MAC 관련 논문에서는 송신 노드의 에너지 소모를 줄이는 방식들이 제안되었다. 제안한 논문에서는 수신 노드의 에너지 소모를 줄이는 메커니즘이다. 수신 노드의 에너지 소모를 줄이기 위하여 수신 노드의 에너지 레벨을 구분하여 레벨에 따라 통신에 참여하는 방식과 데이터 트래픽에 적응적으로 wake up 시간을 조절하는 방식을 제안한다.

가설 설정

제안한 MAC 프로토콜은 수신 노드의 에너지 소모를 줄이기 위하여 2가지 메커니즘을 제안한다. 첫째, 수신 노드의 에너지 상태에 따른 데이터 전송의 참여이다. 둘째, 네트워크상의 데이터 트래픽에 적응적인 수신 노드의 wake up 주기 시간의 조절이다.

제안 방법

첫 번째는 데이터 트래픽이 증가하는 환경에서 RI-MAC 프로토콜과 제안한 MAC 프로토콜의 에너지 소모를 비교한다. 두 번째는 데이터 트래픽의 발생 빈도의 변화에 따른 에너지 소모를 비교하였다. 2개의 환경은 서로 독립적으로 수행하였다.
성능 분석을 위하여 2개의 환경으로 나누어 분석하였다. 첫 번째는 데이터 트래픽이 증가하는 환경에서 RI-MAC 프로토콜과 제안한 MAC 프로토콜의 에너지 소모를 비교한다.
제안한 논문에서는 수신 노드의 에너지 소모를 줄이는 메커니즘이다. 수신 노드의 에너지 소모를 줄이기 위하여 수신 노드의 에너지 레벨을 구분하여 레벨에 따라 통신에 참여하는 방식과 데이터 트래픽에 적응적으로 wake up 시간을 조절하는 방식을 제안한다.
무선 센서 네트워크에서 센서 노드는 한정된 지역에 랜덤하게 배포된다. 제안하는 논문에서 센서 노드의 분포 형태는 일반적인 무선 센서 네트워크와 동일하게 하나의 송신 노드 주위에 2개 이상의 수신 노드가 존재하는 형태이다. 그림 1은 하나의 송신 노드(S)와 3개의 수신 노드(B,C,D)가 존재하는 경우를 보여주고 있다.
또한 데이터 트래픽의 발생 빈도가 커질수록 에너지 소모가 더 적음을 알 수 있다. 제안한 MAC 프로토콜은 멀티미디어 무선 센서 네트워크 환경에서 센서 노드의 수명을 연장시키기 위한 방법으로 에너지 소모를 줄이는 메커니즘으로 한정하였다. 또한 제안한 MAC 프로토콜은 하나의 송신 노드와 인접한 다수의 수신 노드에 한정되어 있다.
본 논문에서는 RI-MAC 프로토콜처럼 수신 노드에서 전송이 시작되는 MAC 프로토콜이다. 제안한 MAC 프로토콜은 수신 노드의 에너지 소모를 줄이기 위하여 2가지 메커니즘을 제안한다. 첫째, 수신 노드의 에너지 상태에 따른 데이터 전송의 참여이다.
성능 분석을 위하여 2개의 환경으로 나누어 분석하였다. 첫 번째는 데이터 트래픽이 증가하는 환경에서 RI-MAC 프로토콜과 제안한 MAC 프로토콜의 에너지 소모를 비교한다. 두 번째는 데이터 트래픽의 발생 빈도의 변화에 따른 에너지 소모를 비교하였다.

성능/효과

그림 6의 (a)는 데이터 트래픽이 증가에 따른 에너지 소모를 나타낸다. 분석 결과에서 보듯이 데이터 트래픽의 수가 높을수록 제안한 MAC 프로토콜이 더 효율적임을 알 수 있다. 그림 6의 (b)는 데이터 트래픽의 발생 빈도수의 증가에 따른 에너지 소모를 보여주고 있다.
그림 6의 (b)는 데이터 트래픽의 발생 빈도수의 증가에 따른 에너지 소모를 보여주고 있다. 분석 결과에서 알듯이 데이터 발생 이후 다음 데이터 발생까지의 빈도가 증가할수록 RI-MAC 프로토콜이 많은 에너지가 소모 되고 있음을 알 수 있다. 이는 제안한 MAC 프로토콜은 데이터가 발생하지 않았을 때 수신 노드의 wake up 시간을 늘려 주기 때문에 수신 노드들의 에너지가 절약되고 있기 때문이다.
본 논문에서는 기존의 RI-MAC 프로토콜을 단점을 보완한 방법으로 수신 노드의 에너지 소모를 줄이는 새로운 메커니즘을 제안하였다. 성능 분석을 통하여 기존의 RI-MAC 프로토콜에 비해 에너지 소모가 적음을 확인하였다. 특히 데이터 트래픽의 수가 증가할수록 에너지 소모가 더 적음을 알 수 있다.
반대로 사건이 감지되면 데이터 전송이 자주 발생 할 수 있다. 제안한 MAC 프로토콜에서는 수신 노드가 데이터를 수신하기 위하여 wake up 하고 데이터 수신이 발생하지 않을 경우 수신 노드의 주기를 2배 증가 시킨다. 다음 주기에 수신 노드가 wake up 하고 또 데이터를 수신하지 않을 경우 수신 노드의 wake up 시간에 3배 증가 시킨다.

후속연구

그러므로 다수의 송신 노드가 있는 멀티-홉 네트워크에서는 효율성은 다르게 나타날 수 있다. 추후 멀티-홉 네트워크에서 효율성은 높일 수 있는 방법 및 데이터 전송 지연도 고려한 방법에 대하여 연구를 진행 할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	무선 센서 네트워크에서 센서 노드의 특징은 무엇인가?	데이터의 크기와 종류가 다양해질수록 센서 노드에서 소모되는 에너지는 증가하기 때문에, 무선 센서 네트워크에서 중요한 이슈 중 하나는 에너지 절약이라 할 수 있다. 무선 센서 네트워크에서 센서 노드는 무선으로 되어 있기 때문에 센서에 장착되어 있는 배터리에 동작이 의존된다. 배터리의 소모는 센서 노드의 수명을 좌우하고, 센서 노드의 수명은 무선 센서 네트워크 전체의 수명을 좌우한다[1].
	무선 센서 네트워크에서 에너지 절약이 중요한 이유는 무엇인가?	이런 데이터들은 소리, 그림뿐만 아니라 영상까지도 전송되어 지는 환경으로 변화하고 있다. 데이터의 크기와 종류가 다양해질수록 센서 노드에서 소모되는 에너지는 증가하기 때문에, 무선 센서 네트워크에서 중요한 이슈 중 하나는 에너지 절약이라 할 수 있다. 무선 센서 네트워크에서 센서 노드는 무선으로 되어 있기 때문에 센서에 장착되어 있는 배터리에 동작이 의존된다.
	수신 노드의 에너지 소모를 줄이기 위한 MAC 프로토콜의 2가지 메커니즘은 무엇인가?	제안한 MAC 프로토콜은 수신 노드의 에너지 소모를 줄이기 위하여 2가지 메커니즘을 제안한다. 첫째, 수신 노드의 에너지 상태에 따른 데이터 전송의 참여이다. 둘째, 네트워크상의 데이터 트래픽에 적응적인 수신 노드의 wake up 주기 시간의 조절이다.

참고문헌 (10)

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W. Ye, J. Heidemann, and D. Estrin, "An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks," in Proceedings of the 21st Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies(INFOCOM '02), vol. 3, pp. 1567-1576, June 2002.
T. van Dam and K. Langendoen, "An adaptive energy efficient MAC protocol for wireless sensor networks," in Proceedings of the 1st International Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys'03), pp. 171-180, Nov. 2003.
J. Polastre, J. Hill, and D. Culler, "Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks," in Proceedings of the 2nd International Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys'04), Baltimore, Maryland, USA, pp. 95-107, Nov. 2004.
M. Buettner, G. V. Yee, E. Anderson, and R. Han, "X-MAC: a short preamble MAC protocol for duty-cycled wireless sensor networks," in Proceedings of the 4th International Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys '06), pp. 307-320, Oct. 2006..
H. C. Le, H. Guyennet, V. Felea, "OBMAC: An Overhearing Based MAC Protocol for Wireless Sensor Networks," International Conference on Sensor Technologies and Applications IEEE, pp. 547-553, 2007.
S. C. Kim, J.H. Jeon, H.J. Park, "Energy Efficient Data transmission Mechanism in Wireless Sensor Networks," Lecture Notes in Electrical Engineering(LNEE) 235, vol. II, pp. 845-852, Springer, June 2013.
J. H. Jeon, S.C. Kim, "Efficient Packet Transmission Mechanism for Multi-hop Wireless Sensor Networks," Journal of Korea Multimedia Society, vol. 18, no. 4, pp 492-498, April 2015.

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Y. Sun, O. Gurewitz, D. B. Johnson, "RI-MAC: a receiver-initiated asynchronous duty cycle MAC protocol for dynamic traffic loads in wireless sensor networks," in Proceedings of the 6th International Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys '08), pp. 1-14, Nov. 2008.
J. Y. Oak, Y. J. Choi, and W. G. 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, Nov. 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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