In sensor networks with mobile access points (SENMA), sensor nodes should operate for very long time and send sensed information to the mobile access points efficiently. Hence, in this thesis, we study on the enhancement of SENMA, considering the different characteristic from conventional sensor networks. We focus on throughput enhancement and energy efficiency in SENMA.
First, we propose a permission-based access scheme to enhance throughput in SENMA. With the permission-based access, only the sensor nodes which obtain permission can access to the mobile access point and collisions can be reduced by the transmission of orthogonal signatures in random access phase. For performance evaluation, we suggest a discrete-time Markov chain, which can be used widely in the performance analysis of SENMA. In dense and large scale networks, this analysis method can be used for the performance estimation and optimal parameters selection.
Second, we propose a sentinel node operation for energy-efficient and robust operation, which greatly reduces the energy consumption in idle listening. The proposed scheme does not require any election procedure, which is used in the previous algorithms of sensor networks. We also present a role-exchange scheme in addition to the sentinel node operation to ensure that energy load is fairly distributed among nodes. Consequently, the lifetime of sensor network increases so much that sensor nodes can continue performing mission for very long time. In addition, we propose a sentinel-minimization scheme to prolong lifetime more, especially when event rate is low.
Third, we propose an enhanced power-saving scheme for broadcast packet delivery in interactive SENMA applications. Since sensor nodes are extremely dependent on battery life in SENMA, we focus on the low-battery nodes to which more energy-efficient schemes are necessary. The double-buffering of broadcast packets is proposed to guarantee longer sleep time without loss of broadcast packets out of delayed wake-up. Energy consumption is greatly reduced without any increase of packet errors.
무선 센서 네트워크 환경에서는 각 센서 노드들이 오랜 기간동안 주어진 역할을 수행하여야 하므로 전력 효율을 최소화 하는 프로토콜 동작이 필수적이다. 이동 엑세스 포인트를 사용하여 센서 노드로부터 데이터를 수집하는 네트워크인 SENMA(Sensor Networks with Mobile Access points)의 경우, 기존의 센서 네트워크와는 다른 특징이 존재한다. 먼저, SENMA에서는 수율이 성능의 주요한 척도가 되며, 엑세스 포인트의 이동으로 인해 센서 노드가 대기상태에서 많은 에너지를 소모하게 되는 문제가 발생한다. 본 논문에서는 이러한 SENMA의 특성을 고려하여 수율과 전력 효율을 개선하기 위한 방안을 제안한다.
첫째, 센서 노드들이 이동 엑세스 포인트가 접근해 있는 짧은 시간동안 모든 정보들을 동시에 효율적으로 전달하게 하기 위한 허가 기반의 접속 방식을 제안한다. 제안하는 방식은 직교 코드를 이용한 예약 기반 방식으로서, 단말간의 충돌 확률을 줄여서 전체적으로 수율이 향상됨을 보인다. 또한, 네트워크의 동작을 이산시간 마르코프 체인으로 모델링하여 이동 엑세스 포인트의 움직임을 고려한 상황에서 시스템의 특징을 분석하는 효과적인 방안을 제시한다.
둘째, SENMA 환경에서 전력 소모를 줄이고 센서 노드의 동작시간을 늘일 수 있는 센티넬 노드 동작을 제안한다. 이동 엑세스 포인트가 언제 도착할지 예측할 수 없는 환경에서, 센서 노드의 동작 모드를 통신 모듈을 켠 상태로 대기하는 센티넬 모드와 통신 모듈을 끈 상태로 센서 역할 만을 수행하는 노말 모드로 구분을 하고, SENMA 환경에 적합하게 동작을 정의한다. 추가적으로, 전력소모를 노드별로 균등하게 분배하는 방식을 제시하고 전체적인 네트워크의 생존 기간을 크게 증가 시킴을 보인다. 또한, 이벤트의 발생 빈도가 매우 낮은 특별한 환경에서 좀 더 개선된 전력 효율을 얻을 수 있는 센티넬 노드수 최소화 방식을 제안하고 성능을 비교 분석한다.
셋째, 센서 노드의 임무가 시간에 따라 계속 변하는 환경에서 양방향으로 데이터 전달이 모두 이루어지는 경우, 브로드캐스트 패킷 수신에 소모되는 전력을 최소화 할 수 있는 전력 소모 개선 방안을 제안한다. 기존의 방식에서는 브로드캐스트 패킷을 한번만 전달 하는데 반해, 제안하는 방식에서는 긴 주기로 패킷을 중복적으로 재전송함으로써 배터리 레밸이 낮은 단말에게 좀 더 긴 주기로 깨어날 수 있는 기회를 부여하고 결과적으로 전력 소모가 줄어들게 됨을 보인다.
