[논문]에너지 하베스팅 센서네트워크에서 데이터의 긴급성을 고려한 QoS기반 MAC프로코콜 설계

박관호; 박형근

doi:10.6109/jkiice.2019.23.8.1004

에너지 하베스팅 센서네트워크에서 데이터의 긴급성을 고려한 QoS기반 MAC프로코콜 설계
Design of QoS based MAC protocol considering data urgency for Energy harvesting wireless sensor networks 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.23 no.8, 2019년, pp.1004 - 1010

박관호 (School of Electrical Electronic and Communication Engineering, KOREATECH) , 박형근 (School of Electrical Electronic and Communication Engineering, KOREATECH)

초록
AI-Helper

에너지 하베스팅 센서네트워크에서는 노드의 전력상황을 고려하여 중계노드를 선택하는 매체접근제어 프로토콜이 요구된다. 기존의 EH-WSN (Energy harvesting wireless sensor network)의 연구들은 전력측면을 강조하다보니 센싱된 데이터의 긴급성과 같은 QoS (Quality of Service)를 크게 고려하지 못했다. 데이터의 긴급성에 따라 요구되는 전력 상황과 전송지연이 달라지도록 하여 데이터의 QoS에 맞는 매체접근이 이루어질 수 있도록 해야 한다. 중계노드의 경우 긴급하지 않은 상황에서 전력에 상관없이 모든 데이터를 중계하게 되면 막상 긴급 데이터가 발생할 경우 전력문제로 인해 지연이 크게 발생하는 상황이 생길 수 있다. 본 논문에서는 데이터의 긴급성에 따라 중계노드에 요구되는 전력상황을 다르게 설정함으로써 긴급데이터 발생 시에 발생할 수 있는 전력부족상황을 최소화하는 매체접근제어프로토콜을 설계하고 시뮬레이션을 통해 그 성능을 분석하였다. 성능분석결과 긴급데이터의 시간지연 및 신뢰성 성능이 향상됨을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In the EH-WSN (Energy harvesting wireless sensor network), a MAC (medium access control) protocol is required to select a relay node considering the power status of a node. Existing EH-WSN studies emphasize the power aspect, so it does not consider the QoS like the urgency of the sensed data. The required power and transmission delay must be changed according to the urgency so that the medium access control according to the data QoS can be performed. In case of relay node, relaying data without consideration of data urgency and node power may cause delay due to power shortage in case of urgent data. In this paper, we designed a MAC protocol that minimizes the power shortage that can occur during emergency data generation. For this, relay node requirements are set differently according to the urgency of data. The performance was analyzed through simulation. Simulation results show the reduced latency and improved reliability of urgent data transmission.

주제어

표/그림 (7)

그림 Fig. 1 An example of pipelined forwarding after grade division
그림 Fig. 2 Data sensing and contention window for urgent data.
그림 Fig. 3 medium access first relaying node.
그림 Fig. 4 Relay node selection according to data urgency
그림 Fig. 5 Power depletion rate according to occurrence rate of urgency data.
표 Table. 1 Networking parameters for simulation
그림 Fig. 6 Packet delivery latency rate according to energy harvesting rate.

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

에너지 하베스팅 센서네트워크에서 QoS기반의 매체접근제어 프로토콜은 센싱된 데이터의 긴급성에 따른 패킷전송을 지원하는 중요한 프로토콜이다. 본 논문에서는 데이터의 긴급성에 따라 중계노드의 선택방식을 다르게 함으로써 긴급상황 발생 시 중계노드의 전력고갈 문제로 인해 데이터 전송이 지연되는 상황을 최소화하도록 하였다. 중계노드를 선택할 때 데이터의 긴급성과 함께 노드의 에너지 수집능력 및 잔여전력을 함께 고려하였다.
중계 노드들의 전력 상황을 고려하지 않고 모든 노드들이 경쟁에 참여하게 된다면, 중계노드들은 빈번한 전력 고갈로 인해 전송 지연 시간이 늘어나고, 안정적인 데이터 전송을 보장할 수 없게 된다. 본 논문에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위해서 중계 노드들의 전력 상황에 따라 노드들의 타입을 구분해서 상황에 따라 전송 가능한 노드의 타입을 제한하여 전력이 고갈되는 상황을 줄이고자 한다. 노드들의 전력 상황은 식(1) 과 같이 다음 전송주기 T_o 후의 잔여전력 E_To으로 정의하였으며 이는 노드의 현재 잔여전력 E_r과 에너지 수집율 E_h에 의해 결정된다.
본 논문에서는 파이프라인드 포워딩 방식으로 데이터를 중계하는 EH-WSN을 대상으로 하여 데이터의 긴급성에 기반한 MAC프로토콜을 설계하였다. 파이프라인드 포워딩방식에서 각 grade에서 중계노드를 선택해야하는데 이때 데이터의 긴급성을 구별하고 긴급성에 따라 중계노드의 전력조건을 달리하도록 하였다.
제안된 MAC 프로토콜은 중계노드들이 현재 상황에 대한 긴급성을 상위 레벨 중계노드의 ACK 패킷을 보고 알 수 있도록 되어있다. 최초 중계노드에서 ACK패킷을 수신하지 못하는 상황에서의 중계노드를 선택하는 방안이다. 최초의 중계노드는 해당 상황에 대한 정보를 미리 파악하기 어렵기 때문에 처음에 모든 상황이 긴급한 상황이라고 가정하고 송수신 가능한 모든 노드들이 경쟁에 참여하게 된다.

가설 설정

만약 여러 노드에서 센싱된 데이터가 발생하는 경우 각 노드들은 데이터의 크기값과 데이터의 변화율 등을 통해 데이터의 긴급성을 판단할 수 있다[11][12]. 본 논문에서는 데이터를 긴급데이터와 일반데이터의 두 가지로 구분할 경우를 가정한다. 여러 소스 노드들로 부터 전송시도가 발생할 경우 기존과 같이 경쟁 윈도우를 가지고 경장하는 상황에서는 긴급 데이터와 일반적인 데이터가 서로 충돌하는 상황이 발생할 수 있으며 긴급데이터의 우선권이 보장되지 않는다.
본 논문에서에서 제안하는 QoS기반의 MAC프로토콜의 성능을 분석하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 위해 중계노드가 3개일 경우를 가정하였으며 데이터의 긴급성을 고려하지 않고 동일한 채널접속기회를 제공하는 기존의 MAC프로토콜과 성능을 비교하였다. 에너지 수집율 E_h는 0.
시뮬레이션을 위해 중계노드가 3개일 경우를 가정하였으며 데이터의 긴급성을 고려하지 않고 동일한 채널접속기회를 제공하는 기존의 MAC프로토콜과 성능을 비교하였다. 에너지 수집율 E_h는 0.1~0.7mW 로 가정하였으며 잔여전력은 에너지 수집과 송수신 전력으로 인한 에너지 소모에 의해 결정된다. 표1은 시뮬레이션을 위한 파라미터를 정리한 것이다 [13].

제안 방법

여러 소스 노드들로 부터 전송시도가 발생할 경우 기존과 같이 경쟁 윈도우를 가지고 경장하는 상황에서는 긴급 데이터와 일반적인 데이터가 서로 충돌하는 상황이 발생할 수 있으며 긴급데이터의 우선권이 보장되지 않는다. 본 논문에서는 긴급데이터의 우선권을 보장하기 위해서 그림2와 같이 경쟁 윈도를 CW_u 와 CW_n의 2개로 나누고 긴급 데이터를 전송하고자하는 노드들은 CW_u에서 랜덤 백오프 후에 먼저 데이터를 전송할 수 있도록 하고 일반 데이터를 가지는 모든 노드들은 CW_n에서 경쟁하도록 하여 긴급 데이터를 갖는 노드가 일반 데이터를 갖는 노드보다 우선적으로 채널에 접속할 수 있게 된다. CW의 종류를 늘리기 되면 전송지연이 커지게 되므로 본 논문에서는 긴급과 일반데이터 두 종류에 한정하였다.
본 논문에서에서 제안하는 QoS기반의 MAC프로토콜의 성능을 분석하기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션을 위해 중계노드가 3개일 경우를 가정하였으며 데이터의 긴급성을 고려하지 않고 동일한 채널접속기회를 제공하는 기존의 MAC프로토콜과 성능을 비교하였다.
중계노드를 선택할 때 데이터의 긴급성과 함께 노드의 에너지 수집능력 및 잔여전력을 함께 고려하였다. 센서네트워크는 분산적 네트워크 구조를 가지므로 인접 노드들의 전력상황을 알 수 없어 경쟁구간을 나눠서 채널에 접속하도록 하였다. 시뮬레이션 결과 제안된 방식이 일반데이터의 경우 지연이 증가하나 긴급데이터의 경우는 지연을 현저히 감소시켜 다양한 데이터 전송이 요구되는 센서네트워크에서 서로 다른 데이터 QoS를 지원할 수 있음을 확인하였다.
파이프라인드 포워딩방식에서 각 grade에서 중계노드를 선택해야하는데 이때 데이터의 긴급성을 구별하고 긴급성에 따라 중계노드의 전력조건을 달리하도록 하였다. 이를 통해 긴급한 상황이 발생할 시에 중계노드들이 전력부족상태에 놓이지 않도록 하여 전송지연이 증가하는 것을 방지하도록 하였다.
이렇게 노드타입을 분류에 따라 상황에 따라 경쟁에 참여할 수 있는 노드들을 결정한다. 제안된 MAC 프로토콜에서는 긴급 상황이 아닐 경우 전력 상황이 타입 1의 노드들만 경쟁에 참여할 수 있도록 하고, 긴급 상황일 경우에만, 타입 2까지 경쟁에 참여할 수 있도록 한다. 만약 데이터가 긴급하지 않은 일반적인 상황에서 모든 노드들이 전송에 참여하게 되어 타입 2의 노드가 선출된 후에 데이터 전송을 하게 된다면 해당 노드는 다음주기에는 전송 불능 상태가 되기 때문에 결론적으로 전송 가능한 노드들의 수는 줄어들게 된다.
본 논문에서는 데이터의 긴급성에 따라 중계노드의 선택방식을 다르게 함으로써 긴급상황 발생 시 중계노드의 전력고갈 문제로 인해 데이터 전송이 지연되는 상황을 최소화하도록 하였다. 중계노드를 선택할 때 데이터의 긴급성과 함께 노드의 에너지 수집능력 및 잔여전력을 함께 고려하였다. 센서네트워크는 분산적 네트워크 구조를 가지므로 인접 노드들의 전력상황을 알 수 없어 경쟁구간을 나눠서 채널에 접속하도록 하였다.
본 논문에서는 파이프라인드 포워딩 방식으로 데이터를 중계하는 EH-WSN을 대상으로 하여 데이터의 긴급성에 기반한 MAC프로토콜을 설계하였다. 파이프라인드 포워딩방식에서 각 grade에서 중계노드를 선택해야하는데 이때 데이터의 긴급성을 구별하고 긴급성에 따라 중계노드의 전력조건을 달리하도록 하였다. 이를 통해 긴급한 상황이 발생할 시에 중계노드들이 전력부족상태에 놓이지 않도록 하여 전송지연이 증가하는 것을 방지하도록 하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 긴급데이터의 우선권을 보장하기 위해서 그림2와 같이 경쟁 윈도를 CW_u 와 CW_n의 2개로 나누고 긴급 데이터를 전송하고자하는 노드들은 CW_u에서 랜덤 백오프 후에 먼저 데이터를 전송할 수 있도록 하고 일반 데이터를 가지는 모든 노드들은 CW_n에서 경쟁하도록 하여 긴급 데이터를 갖는 노드가 일반 데이터를 갖는 노드보다 우선적으로 채널에 접속할 수 있게 된다. CW의 종류를 늘리기 되면 전송지연이 커지게 되므로 본 논문에서는 긴급과 일반데이터 두 종류에 한정하였다.

성능/효과

하지만 일반적인 상황에서 전력 상황이 좋은 타입 1의 노드들만 경쟁에 참여하도록 한다면, 선출된 해당 노드는 다음 주기에서도 데이터를 전송하기에 충분한 잔여전력을 가지기 때문에 전송 가능한 노드들의 수가 줄어들지 않으며, 일반적인 상황에서는 전력 상황이 좋지 못한 타입 2의 노드들이 해당 사이클 동안 에너지 소모 없이 에너지 수집이 가능하기 때문에 결론적으로 중계 가능한 노드들의 수는 늘어나게 될 것이다. 따라서 제안된 MAC프로토콜은 긴급한 데이터의 전송에 있어서 안정적인 중계가 가능하며, 전송 불능 상태로 인한 긴급 데이터의 지연 시간이 줄어들게 된다.
센서네트워크는 분산적 네트워크 구조를 가지므로 인접 노드들의 전력상황을 알 수 없어 경쟁구간을 나눠서 채널에 접속하도록 하였다. 시뮬레이션 결과 제안된 방식이 일반데이터의 경우 지연이 증가하나 긴급데이터의 경우는 지연을 현저히 감소시켜 다양한 데이터 전송이 요구되는 센서네트워크에서 서로 다른 데이터 QoS를 지원할 수 있음을 확인하였다.
기존의 방식은 긴급데이터와 일반데이터를 구분하지 않으므로 동일한 패킷지연이 발생하게 된다. 제안된 방식에서는 긴급데이터와 일반데이터를 구별하여 매체접근기회를 제한하므로 긴급데이터의 경우는 매우 낮은 전송지연시간을 갖게 되나 일반데이터는 상대적으로 높은 지연시간을 갖게 된다. 즉 일반데이터의 경우는 기존의 MAC방식에 비하여 지연시간이 약간 증가하게 되나 긴급데이터의 경우는 지연시간이 크게 줄어들게 되어 위급상황에서의 네트워크성능을 크게 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	매체접근제어 프로토콜이란 무엇인가?	에너지 하베스팅 센서네트워크에서는 노드의 전력상황을 고려하여 중계노드를 선택하는 매체접근제어 프로토콜이 요구된다. 기존의 EH-WSN (Energy harvesting wireless sensor network)의 연구들은 전력측면을 강조하다보니 센싱된 데이터의 긴급성과 같은 QoS (Quality of Service)를 크게 고려하지 못했다.
	기존의 대부분의 매체접근제어 프로토콜의 문제점은 무엇인가?	전력문제와 더불어 센서네트워크에서 중요한 요구사항인 멀티홉 라우팅에 의한 endto-end delay를 줄이기 위해 파이프라인 포워딩 기법을 적용한 R-MAC[7]과 PRI-MAC[8]와 같은 매체접근제어 프로토콜이 제안되었다. 그러나 기존의 대부분의 MAC프로토콜은 데이터의 긴급성과 같은 데이터의 QoS문제를 고려하지 않고 설계되었다. 메시지를 relay하는데 있어서 그 메시지의 긴급성을 고려하지 않게 되면 산불감지 센서네트워크의 경우 산불발생과 같은 긴급 상황에서 전력부족으로 인해 데이터를 전송하지 못하거나 데이터를 전송하는데 지연이 커질 가능성이 발생한다. 따라서 데이터를 그 긴급성에 따라 구별하고 차별적인 매체접근기회를 제공함으로써 긴급데이터에 대한 보다 안정적이고 지연이 적은 전송을 보장할 수 있어야 한다.
	무선 네트워크에서 센서노드의 문제점은 무엇인가?	최근 들어 센서노드를 이용한 다양한 응용 서비스의 개발로 인해 이를 지원하는 무선 센서네트워크에 대한 중요성이 더욱 증가하고 있다. 무선 센서네트워크에서 센서노드는 크기, 가격 등의 제한으로 인해 외부로부터 전원을 공급받지 못하고 제한된 에너지 및 수명을 갖게 되는 문제점이 존재한다. 이를 해결하기 위한 대한 다양한 연구들이 진행되었으며 에너지 부족문제를 해결하기 위한 하나의 방안으로 노드 주변의 빛, 열, 바람 등의 외부 에너지원으로부터 에너지를 수집할 수 있는 에너지 수집형 무선 센서네트워크 기술에 대한 관심이 더욱 커지고 있다[1-3].

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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