In this dissertation, we are concerned with new MAC protocols of impulse radio based UWB (IR-UWB) in low rate wireless personal area networks (LR-WPANs) or wireless sensor networks (WSNs). We investigate the requirements of IR-UWB based MAC protocols by characterizing the features of IR-UWB and applying IR-UWB to the conventional MAC protocols.
First, in order to investigate how an IR-UWB system affects the performance of the CSMA/CA MAC protocol, we apply the IR-UWB system to the slotted CSMA/CA of the IEEE 802.15.4 MAC protocol, which was adopted by IEEE 802.15.4a. We propose a new analytical model of the slotted CSMA/CA under the assumption of perfect carrier sensing. The proposed analytical model reflects the features of IEEE 802.15.4 MAC protocols, such as a superframe structure, acknowledgements, and retransmissions under unsaturated traffic conditions. We investigate the performance of CCA in the IR-UWB system to show the effect of clear channel assessment (CCA) for the CSMA/CA.
Second, we evaluate the performance of the THMA based on the IR-UWB system at the physical and MAC layers in order to investigate the feasibility of the IR-UWB for LR-WPANs or WSNs. We here need a cross-layer approach to evaluate the performance. To mitigate the effect of IR-UWB interference, we propose a new THMA based multiple access scheme, which is called `orthogonal time hopping multiple access (OTHMA)` and compare the performance of the proposed scheme and the conventional THMA in terms of SER and FER at the physical layer. Based on the symbol error rate (SER) and frame error rate (FER) results at the physical layer, we develop an analytical discrete-time Markov chain (DTMC) model to investigate the MAC performance of the OTHMA and the THMA, and evaluate the performance of the proposed OTHMA and the THMA in terms of system throughput, average delay, and bits per energy at the MAC layer. We also compare the performance with the OTHMA, the THMA, and the CSMA/CA at the MAC layer. From this investigation, the low duty cycle, allowable concurrent transmissions, and mitigating collisions of the OTHMA yield better performance than those of the THMA and the CSMA/CA at the MAC layer. Therefore, we have to reflect these characteristics of the OTHMA when designing the MAC protocols for IR-UWB.
Third, we set up new requirements of MAC protocols for LR-WPANs or WSNs based on IR-UWB. New MAC protocols require methods to efficiently manage a large number of nodes and they must be designed to be suitable for very low user activity environment. For low power consumption, they need efficient power saving algorithms. To reduce power consumption and eliminate a difficulty in synchronization of IR-UWB, they need a common timing reference and the centralized control. They should adopt low duty cycles, allowable concurrent transmissions, and mitigating collisions of the OTHMA which enhance the MAC performance, also. Therefore, we proposed a new IR-UWB MAC protocol, which is called a `pre-arbitrated slot allocation (PASA)` MAC prtocol. The proposed scheme has a centralized control mechanism, slotted timing reference, energy-efficient power management, and group management to satisfy the above requirements of MAC protocols for IR-UWB in LR-WPANs or WSNs. We also develop an analytical DTMC model for the PASA MAC protocols and investigate the performance of the PASA and the CSMA/CA in terms of the system throughput, bits per energy, and the average delay. The analytical and simulation results show that the PASA performs much better than the CSMA/CA for the system throughput and bits per energy. However, the PASA performs worse than the CSMA/CA in terms of average delay. It means that the PASA is an energy-efficient protocol at the cost of delay. In addition, we also investigated the effect of concurrent transmissions of IR-UWB to the MAC performance. As the number of allowable concurrent transmissions increases, the MAC performance is much better. Therefore, the PASA MAC protocol can be a good candidate for a MAC protocol based on IR-UWB for LR-WPANs or sensor networks.
본 박사학위 논문에서는 저속 무선 개인 통신망 또는 무선 센서망에서 임펄스 방식 기반의 초광대역 기술 (IR-UWB) 에 알맞는 매체 액세스 제어 (MAC) 프로토콜에 대하여 다루었다. 이를 위하여 임펄스 방식 기반의 초광대역 기술의 특성을 정확하게 이해하고, 기존의 MAC 프로토콜 방식에 적용하여 실제 임펄스 방식 기반의 초광대역 기술 기반의 MAC 프로토콜에 대한 요구사항들을 살펴본 후, 이에 적합한 새로운 MAC 프로토콜을 제시하였다.
우선, 임펄스 방식 기반의 초광대역 시스템을 기존의 MAC 프로토콜에 적용시 어떠한 효과가 있는 알아보기 위해, IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜에서 사용하는 슬롯 기반의 CSMA/CA 방식에 임펄스 방식 기반의 초광대역 기술을 적용해 본다. 이를 위해서, 에러없는 반송파 감지를 가정으로 하여 슬롯 기반의 CSMA/CA MAC 프로토콜에 대한 새로운 해석 모델을 제안하였다. 상기 모델은 IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜의 수퍼프레임 구조, 데이터 전송에 대한 답신, 재전송 기법 등의 특징을 포함하고 있으며, 비포화 트래픽 상황에서도 적용할 수 있도록 제안되었다. 그리고, 반송파 감지를 위한 물리계층의 CCA 기능에 대하여 임펄스 방식 기반의 초광대역 시스템 성능에의 영향을 살펴보았다.
다음으로, 저속 무선개인망 및 무선센서망에서 임펄스 방식 기반의 초광대역 기술을 알맞게 적용하기 위해, 물리 및 MAC 계층에서 임펄스 방식 기반의 초광대역 기술을 기반으로 하는, 시간도약다중접속 (THMA) 방식에 대한 성능평가를 실시하였다. 여기서, 물리계층의 성능 평가가 결과가 MAC 계층에서 한 요소로 포함되어 같이 성능 평가가 이루어지기 때문에, 교차 계층적 접근 기법이 본 성능 평가에 필요로 하게 된다. 임펄스 방식 기반의 초광대역 기술의 간섭을 완화하기 위해 새로운 다중접속 방식인 OTHMA 방식을 제안하고, 기존의 THMA 방식과 물리계층에서 심볼에러율 및 프레임 에러율의 성능 지표를 하여 성능 평가를 수행하였다. 그리고, OTHMA 와 THMA 의 MAC 계층에서의 성능 평가를 위해 마르코프 체인기반의 해석적 모델을 제시하고, 시스템 처리량(throughput), 성공지연시간, 단위에너지당 성공 비트수의 성능 지표를 통하여 성능 평가를 수행하였다. 또한, 기존 CSMA/CA 방식과도 같은 성능평가 구조상에서 성능을 비교하였다. 성능 평가결과, OTHMA의 동시전송을 허용하는 특성 및 충돌에 대한 완화 특성등으로 인해 OTHMA 의 성능이 물리계층에서나, MAC 계층에서 기존의 OTHMA 성능보다 월등히 높음을 보일 수 있었고, 마찬가지로, MAC 계층에서 기존 CSMA/CA 방식 보다 OTHMA가 높은 성능을 나타냄을 알 수 있었다. 따라서, 임펄스 방식 기반의 초광대역 기술에 알맞은 MAC 프로토콜 설계시, 이런 OTHMA의 특성을 제대로 반영을 해야한다는 결과를 얻을 수 있었다.
지금까지 살펴본 성능 평가들을 토대로, 저속 무선개인통신망 또는 무선센서망에서 임펄스 방식 기반의 초광대역 기술에 알맞은 MAC 프로토콜에 대한 요구사항들을 정리하였다. 우선, 망의 특성상 수많은 노드들을 효율적으로 관리할 수 있는 방법이 필요하고, 각 노드들의 낮은 활성도에 알맞도록 설계되어야 한다. 대부분의 노드들이 작은 배터리로 동작하게 됨으로, 낮은 전력 소비를 위해 효율적인 전력관리가 필요로 한다. 그리고, 전력소모를 줄이고, 임펄스 방식 기반의 초광대역 기술의 결정적인 문제인 동기화에 대한 어려움을 해결하기 위해, 발신자 및 수신자 사이에서 공통의 시간기준하에 송수신이 이루어 지도록 설계가 되어야하고, 에드혹 기반이 아닌 중앙통제적 프로토콜 방식이 필요로 한다. 그리고, OTHMA 성능평가에서도 살펴보았다시피, 동시 전송을 허용하고, 충돌을 완화시키는 특성을 포함하여 MAC 프로토콜의 성능을 향상하도록 해야 한다. 이에 임펄스 방식 기반의 초광대역 기술에 알맞은 MAC 프로토콜 로써 PASA MAC 프로토콜을 제안하였다. 제안한 PASA MAC 프로토콜은 상기 살펴본 요구사항을 충족시키기 위해 코디네이터의 제어 하에 송수신하는 중앙통제적 특성을 갖고 있으며, 공통 시간 정보를 미리 공유하고, 노드들이 송수신시에만 활성화되고, 그 외에는 비활성화하도록 하여 전력소모를 극소화 시켰으며, 프로토콜 오버헤드를 줄이고자 비콘을 통해 그룹으로 전송에 대한 답신을 보내도록 하였다. 이에 대한 성능 평가를 위해 마르코프 체인 기반의 해석적 모델을 제시하고, 이를 바탕으로 시스템 처리량, 성공지연시간, 단위에너지당 성공 비트수의 성능 지표에 대해 성능 평가를 수행하였다. 성능 평가 결과, 기존의 CSMA/CA 방식에 비해 시스템 처리량 및 단위 에너지 당 성공 비트 수 지표들에 대하여 월등한 성능 우위를 보였고, 성공지연시간에 대해서는 다소 낮은 성능을 보였다. 이는 무선개인통신망 및 무선센서망 의 특성상 성공지연시간의 성능 지표보다는 시스템 처리량 및 단위에너지당 성공 비트수의 성능 지표가 더 중요하기 때문에, 제안된 PASA 방식은 성공지연시간의 비용으로 에너지 효율을 추구하는 MAC 프로토콜임을 보였다. 그리고, 동시전송을 허용하는 특성을 이용하여 성능 평가를 추가로 수행한 결과, 허용하는 동시 전송수를 증가에 따라 MAC 성능이 월등히 높아짐을 확인하였다. 따라서, 제안된 PASA 방식은 저속 무선개인통신망 또는 무선센서망에서 임펄스 방식 기반의 초광대역 기술에 알맞은 MAC 프로토콜의 좋은 후보가 될 수 있음을 알 수 있다.
