[논문]IEEE 802.15.4 슬롯 기반 CSMA/CA에서 시스템 처리율 향상을 위한 단말 수 추정을 통한 백오프 기간 튜닝 기법

이원형; 황호영

doi:10.6109/jkiice.2018.22.9.1243

IEEE 802.15.4 슬롯 기반 CSMA/CA에서 시스템 처리율 향상을 위한 단말 수 추정을 통한 백오프 기간 튜닝 기법
Tuning Backoff Period for Enhancing System Throughput with Estimating Number of Devices in IEEE 802.15.4 Slotted CSMA/CA 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.22 no.9, 2018년, pp.1243 - 1249

이원형 (Department of Computer Engineering, Kwangwoon University) , 황호영 (School of Computer and Information Engineering, Kwangwoon University)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 IEEE 802.15.4 슬롯 기반 CSMA/CA(Slotted Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 네트워크에서 시스템 처리율 향상을 위해 동작 중인 단말 수 추정을 통한 백오프 기간 튜닝 기법을 제안한다. IEEE 802.15.4 슬롯 기반 CSMA/CA 네트워크에서는 각 단말이 채널을 항상 센싱하지는 않으므로, 제안하는 기법에서는 채널을 항상 센싱할 수 있는 PAN(Personal Area Network) 코디네이터를 사용하여 동작 중인 단말 수를 추정한다. 이 때, 실시간 단말 수 추정을 위해 단순 이동 평균 필터를 사용한다. PAN 코디네이터는 추정한 단말 수에 따라 튜닝한 최적의 백오프 기간을 비콘 프레임에 담아 PAN 코디네이터에 연결된 단말들에게 전달한다. 시뮬레이션을 통해 제안하는 기법의 단말 수 추정에 대한 성능과 시스템 처리율에 대한 성능을 평가한다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안하는 기법이 IEEE 802.15.4 표준보다 더 높은 시스템 처리율을 얻을 수 있음을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a scheme that tunes the backoff period for enhancing the system throughput with estimating the number of devices in IEEE 802.15.4 slotted carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA) networks. Since each device does not sense the channel always in IEEE 802.15.4 slotted CSMA/CA networks, a personal area network (PAN) coordinator is used to estimate the number of active devices. The PAN coordinator broadcasts an optimal backoff period for the estimated number of devices through a beacon frame. In order to estimate the number of devices in run time, a simple moving average filter is utilized. We show the performance of our proposed scheme in terms of the estimated number of devices and the system throughput. The simulation results show that our proposed scheme can obtain higher system throughput than the IEEE 802.15.4 standard.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 IEEE 802.15.4 슬롯 기반 CSMA/CA네트워크에서 각 단말들의 추가적인 채널 센싱 없이 시스템 처리율을 향상시키는 기법을 제안한다. IEEE802.
본 논문에서는 IEEE 802.15.4 슬롯 기반 CSMA/CA에서 PAN 코디네이터를 사용하여 추정한 동작 중인 단말 수에 따라 백오프 기간을 튜닝하는 기법을 제안하였다. 제안하는 기법에서는 단말 수의 실시간 추정을 위해서 단순 이동 평균 필터를 사용하였다.
한편, 본 논문에서는 IEEE 802.15.4 슬롯 기반CSMA/CA 네트워크에서 실시간으로 단말 수를 추정하기 위하여 단순 이동 평균(Simple Moving Average) 필터를 사용하는 단말 수 추정 기법을 제안한다. 제안하는 단말 수 추정에 대한 단순 이동 평균 필터는 다음과 같이 나타낼 수 있다.

가설 설정

본 논문에서는 각 단말의 데이터 프레임의 AR 필드 값은 0인 상황, 즉, Ack 메커니즘은 사용하지 않는 상황을 가정한다. 또한 각 단말은 데이터 프레임만을 전송하고 PAN 코디네이터는 비콘 프레임만을 방송하는 상황을 가정한다. IEEE 802.
4 표준에서 Ack(Acknowledgment) 메커니즘은 필수가 아니고, 수신한 프레임의 AR(Acknowledgment Request) 필드의 값에 따라 PAN 코디네이터가 Ack 프레임을 전송할지를 결정하게 된다 [1]. 본 논문에서는 각 단말의 데이터 프레임의 AR 필드 값은 0인 상황, 즉, Ack 메커니즘은 사용하지 않는 상황을 가정한다. 또한 각 단말은 데이터 프레임만을 전송하고 PAN 코디네이터는 비콘 프레임만을 방송하는 상황을 가정한다.
(k)는 k번째 슈퍼프레임에서 동작한 단말수 n(k)에 대한 추정 값이다. 본 논문에서는 단말 수 추정에 있어서 각 단말이 항상 전송할 데이터 프레임이 있다고 가정하였으나, 이러한 단말 수 추정 방식은 각 단말이 항상 전송할 데이터 프레임을 가지지는 않는 경우에도 유효하다 [10,11].
4 슬롯 기반 CSMA/CA 네트워크에서 실시간으로 동작 중인 단말 수를 추정하고, 추정한 단말 수에 따라 백오프 기간을 튜닝하는 기법을 제안한다. 본 논문에서는 하나의 PAN 코디네이터에 다수의 단말이 연결되어 있는 스타 토폴로지(Star Topology)네트워크에서 각 단말의 데이터 프레임 길이가 동일한 상황을 가정한다. 한편, IEEE 802.

제안 방법

4 슬롯 기반 CSMA/CA의 성능 향상을 위한 연구들이 진행되어 왔다. 논문[5]에서는 IEEE802.15.4 슬롯 기반 CSMA/CA의 단점을 보완하기 위해CSMA와 TDMA(Time Division Medium AccessProtocol)를 같이 사용하는 채널 접속 방법을 제안하고, 시스템 처리율과 에너지 소비량에 대하여 비교 분석하였다. 논문[6]에서는 WLAN(Wireless Local AreaNetwork) 단말의 간섭이 존재하는 상황에서 지그비 동작에 대한 DTMC를 제안하고, WLAN 단말의 간섭이 존재할 때 시스템 처리율을 향상시키고 에너지 소비량을 줄이기 위한 최적의 지그비 수와 데이터 프레임의 길이를 구하는 방법을 제안하고 그 성능을 보였다.
그러나 단말들이 독립적으로 추정한 단말 수에 따라 각 단말이 백오프 기간을 튜닝하면 추정 오차에 의하여 단말들의 백오프 기간이 서로 달라져 단말들의 전송 확률이 서로 달라질 수 있다. 따라서 본 논문에서는 하나의 PAN코디네이터(Coordinator)가 단말 수를 추정하고, 추정한단말 수에 따라 튜닝한 백오프 기간을 비콘(Beacon) 프레임에 담아 방송한다. 한편, 전송에 참여하지 않는 PAN 코디네이터는 조건부 충돌 확률을 계산하기 어려울 수 있으므로, 본 논문에서는 조건부 충돌 확률 대신단말들의 CCA 수행 확률을 이용하여 단말수 추정을 수행한다.
4 슬롯 기반CSMA/CA 네트워크에서, 단말은 에너지 절약을 위하여 채널을 항상 센싱하지는 않는다. 본 논문에서 제안하는 기법은 채널을 항상 센싱할 수 있는 PAN 코디네이터를 사용하여 단말 수를 추정한다. 또한, PAN 코디네이터는 추정한 단말 수에 따라 튜닝한 최적의 백오프 기간을 비콘 프레임에 담아 PAN 코디네이터에 연결된 단말들에게 전달한다.
본 장에서는 IEEE 802.15.4 슬롯 기반 CSMA/CA 네트워크에서 실시간으로 동작 중인 단말 수를 추정하고, 추정한 단말 수에 따라 백오프 기간을 튜닝하는 기법을 제안한다. 본 논문에서는 하나의 PAN 코디네이터에 다수의 단말이 연결되어 있는 스타 토폴로지(Star Topology)네트워크에서 각 단말의 데이터 프레임 길이가 동일한 상황을 가정한다.
본 장에서는 본 논문에서 제안하는 기법의 성능 평가 및 분석을 위하여 시뮬레이션을 통해 실시간 단말 수 추정에 대한 성능과 시스템 처리율에 대한 성능을 평가한다. 시뮬레이션은 Python 3.
4 슬롯 기반 CSMA/CA에서 PAN 코디네이터를 사용하여 추정한 동작 중인 단말 수에 따라 백오프 기간을 튜닝하는 기법을 제안하였다. 제안하는 기법에서는 단말 수의 실시간 추정을 위해서 단순 이동 평균 필터를 사용하였다. 제안하는 기법에 대하여, 시뮬레이션을 통해 실시간 단말 수 추정에 대한성능과 시스템 처리율에 대한 성능을 평가하였다.
한편, 본 논문에서는 시스템 처리율을 최대로 만드는 최적의 백오프 기간 W*를 n과L 에 대하여 실험적으로 구하였다. 여기서 L은 데이터 프레임의 길이이다.
따라서 본 논문에서는 하나의 PAN코디네이터(Coordinator)가 단말 수를 추정하고, 추정한단말 수에 따라 튜닝한 백오프 기간을 비콘(Beacon) 프레임에 담아 방송한다. 한편, 전송에 참여하지 않는 PAN 코디네이터는 조건부 충돌 확률을 계산하기 어려울 수 있으므로, 본 논문에서는 조건부 충돌 확률 대신단말들의 CCA 수행 확률을 이용하여 단말수 추정을 수행한다. PAN 코디네이터에 연결된 단말들은 수신한 비콘 프레임에 담긴 튜닝된 백오프 기간을 이용하여 랜덤백오프를 수행한다.

대상 데이터

시뮬레이션에 사용한 파라미터는 표 2와 같다. 데이터 프레임의 길이는 3 백오프 슬롯, 비콘 프레임의 길이는 3 백오프 슬롯으로 한다. 백오프 기간의 초기 값은 10으로 한다.
그림 4는 제안하는 기법을 사용하여 추정한 단말 수에 대하여 매핑 표를 통해 얻어진 백오프 기간과 실제 단말 수에 대하여 매핑 표를 통해 얻어진 백오프 기간을 비교한다. 시뮬레이션은 그림 3과 그림 4 각각에 대하여 총 800 슈퍼프레임동안 진행되었고, 단말 수가 10인 경우와 20인 경우에 대하여 400 슈퍼프레임씩 독립적으로 수행되었다. 그림 3에서 실제단말 수가 10인 초반 400 슈퍼프레임 시뮬레이션 구간동안 PAN 코디네이터가 추정한 평균 단말 수는 9.

데이터처리

제안하는 기법에서는 단말 수의 실시간 추정을 위해서 단순 이동 평균 필터를 사용하였다. 제안하는 기법에 대하여, 시뮬레이션을 통해 실시간 단말 수 추정에 대한성능과 시스템 처리율에 대한 성능을 평가하였다. 제안하는 기법의 시스템 처리율에 대한 성능 평가를 위해 IEEE 802.
5 언어를 이용하여 구현한 시뮬레이터를 통해 수행한다. 제안하는 기법의 시스템 처리율 향상에 대한 성능 평가를 위하여 IEEE 802.15.4슬롯 기반 CSMA/CA 표준을 사용하는 경우의 시스템처리율과 비교한다. 시뮬레이션에 사용한 파라미터는 표 2와 같다.
제안하는 기법에 대하여, 시뮬레이션을 통해 실시간 단말 수 추정에 대한성능과 시스템 처리율에 대한 성능을 평가하였다. 제안하는 기법의 시스템 처리율에 대한 성능 평가를 위해 IEEE 802.15.4 슬롯 기반 CSMA/CA 표준 기법의 시스템 처리율과 비교하였다. IEEE 802.

이론/모형

단말 수를 추정하여 네트워크 성능을 향상시키기 위한 연구들도 진행되어 왔다. 논문[10]에서는 IEEE802.11 WLAN에서 조건부 충돌 확률을 사용하는 단말수 추정 기법을 제안하였고, 단말 수를 실시간으로 추정하기 위해 ARMA(Auto-Regressive Moving Average)필터와 확장 칼만(Extended Kalman) 필터를 사용하였다. 논문[11]에서는 IEEE 802.

성능/효과

4 슬롯 기반 CSMA/CA 표준 기법의 시스템 처리율과 비교하였다. IEEE 802.15.4 슬롯 기반CSMA/CA 표준 기법의 경우, 단말 수가 증가하면서 시스템 처리율이 크게 감소하지만, 제안하는 기법의 경우 단말 수가 증가하여도 0.35 내외의 시스템 처리율을 유지하는 것을 보였다. 또한, 제안하는 기법은 단말 수가 주기적으로 변하는 환경에서도 0.
35 내외의 시스템 처리율을 유지하는 것을 보였다. 또한, 제안하는 기법은 단말 수가 주기적으로 변하는 환경에서도 0.35 내외의 시스템 처리율을 유지함을 보였다.
4 슬롯 기반CSMA/CA 표준 기법을 사용하는 경우에 단말 수가 증가하면서 시스템 처리율이 급격히 감소하는 것을 볼 수 있다. 반면 제안하는 단순 이동 평균 필터를 사용하여 실시간으로 추정한 단말 수에 따른 최적의 백오프 기간으로 튜닝하는 기법의 경우, 단말 수가 많아져도 0.35 정도의 시스템 처리율을 유지하는 것을 볼 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IEEE 802.15.4LR-WPAN의 특징은?	15.4LR-WPAN(Low-Rate Wireless Personal Area Network)표준 프로토콜은 저전력 통신을 위한 지그비(ZigBee)같은 센서와 사물인터넷(Internet of Things, IoT)에서 사용될 수 있는 프로토콜이다 [1-4]. IEEE 802.
	IEEE 802.15.4 슬롯기반 CSMA/CA의 단점은?	CCA의수행 결과 다른 단말이 채널을 사용 중이면, CCA를 수행한 단말은 백오프 기간(Backoff Period)을 두 배 늘려서 랜덤 백오프를 다시 수행한다. 이로 인해 채널 센싱에 소비되는 전력은 줄어들 수 있지만, 시스템 처리율(Throughput)은 낮아질 수도 있다. 한편, 남아있는 슈퍼프레임(Superframe)의 길이동안 데이터 전송을 끝낼 수없을 때에는 전송을 시도하지 않는다.
	스타 토폴로지(Star Topology)네트워크란?	4 슬롯 기반 CSMA/CA 네트워크에서 실시간으로 동작 중인 단말 수를 추정하고, 추정한 단말 수에 따라 백오프 기간을 튜닝하는 기법을 제안한다. 본 논문에서는 하나의 PAN 코디네이터에 다수의 단말이 연결되어 있는 스타 토폴로지(Star Topology)네트워크에서 각 단말의 데이터 프레임 길이가 동일한 상황을 가정한다. 한편, IEEE 802.

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원문보기 상세보기
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표제어: PCR

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