In Wireless Sensor Networks, MAC protocols are usually energy-efficient. There is much research in energy-efficient schedule-based sensor MAC protocols. However, sensor networks which transmit important and urgent data have to consider quality of service such as reliable transmission and stable end-to-end latency. As such, reservation-based MAC protocol is proposed in this paper. It is assumed that routing protocol is already established such as AODV or DSDV routing protocols.
Wireless Sensor Networks (WSNs) are applied various applications. Wireless sensor node is very resource constrained such as limited computational capability, small memory, and limited batter power. Sensor node is mostly installed in location is difficult to access, so that it is not easy to change or recharge battery. Then, there is much research to reduce energy consumption.
Since sensor node in WSNs does not always transmit and receive data, most research gets energy efficiency by means of turning its transceiver off except when transmit data. Sensor MAC [1] as known as S-MAC is representative of Wake up/Sleep schedule-based MAC protocols. In a multi-hop network, this protocol has to wait until next wake-up time in the case sensor node cannot transmit its data in one wake-up period, so that it can increase latency to reach its destination node. In order to reduce latency, several MAC protocols [2]-[3] are proposed. However, to reduce transmit latency is still difficult comparing to always wake-up MAC protocols.
Also, sensor nodes in WSNs gather and transmit general periodic data such as temperature, humidity, and the velocity of wind, on the other hand, it sends urgent event like fire detection or invasions. In this case, priority can be applied to the urgent event.
In this paper, Reservation-based power-efficient MAC protocol for Quality of Service in WSNs is proposed. The duration is divided into two parts as reservation period and data transmission period, this is repeated then. A data transmit time is reserved during reservation period and node starts to transmit data in data transmission period, while sensor nodes go to sleep mode to get energy efficiency during its unreserved time. This protocol can prevent to increase transmission latency, since data transmission is completed in one cycle. Also, since each data has its priority, urgent event can update existing reservation and reserve its transmission even though all transmission period has already reserved. The experimental results show that this proposed MAC protocol has energy-efficiency and stable-lower latency.
무선 센서 네트워크는 다양한 응용 분야에 이용될 수 있다. 무선 센서 노드는 한정된 CPU, 메모리, 그리고 작은 배터리 용량을 가지고 있다. 이것은 주변 환경을 감지하는 역할을 하는데, 주로 접근이 쉽지 않은 장소에 설치가 되므로 배터리의 교체가 어렵다. 이 때문에 에너지 소모를 줄이려는 많은 연구가 이루어져왔다. 무선 센서 네트워크 내의 센서 노드는 항상 정보를 주고 받는 것은 아니기 때문에 정보를 주고 받는 시간을 제외한 나머지 시간에는 송수신기를 꺼 놓음으로써 에너지 효율을 얻으려는 연구들이 대표적이다. 그 중에서도 S-MAC으로 알려진 Sensor-MAC이 대표적인 MAC 프로토콜이다. 이와 같은 Wake up/Sleep 스케줄 기반의 MAC 프로토콜은 정해진 멀티 홉 네트워크에서는 활동 구간 내에서 정보를 전송하지 못하면 다음 깨어나는 구간까지 기다려야 함으로써, 목적지까지 도달하는데 시간 지연이 발생한다. 이를 보완하기 위해 구간의 폭을 최적화 하는 여러 알고리즘이 제안되기도 했지만 항상 깨어있는 MAC 프로토콜의 경우에 비하면 여전히 전송 지연을 줄이기는 어려웠다.
또한, 무선 센서 네트워크에는 주기적으로 일상적인 온도, 풍속 등의 정보를 수집하여 전송하기도 하지만, 화재 발생이나 침입 등의 긴급한 사건의 발생을 전송하는 경우도 발생한다. 이런 경우에는 우선 순위로 구분을 두어서 주기적인 정보 전송보다 우선적으로 전달되도록 하는 시스템이 필요하다.
이 논문에서는 에너지 효율과 QoS지원하기 위한 예약 기반의 무선 센서 네트워크에서의 MAC 프로토콜을 제안한다. 예약 구간과 정보 전송구간으로 구분한 것을 한 주기로 반복으로 하고, 예약 구간 동안 정보가 전송될 시간을 예약을 하면, 정보 전송 구간에 정보 전송을 시작하고, 전송이 예약되지 않은 구간에서는 Sleep 모드로 들어감으로써 에너지 효율을 얻을 수 있다. S-MAC과 같은 Wake up/Sleep 스케줄 기반의 MAC 프로토콜과는 달리 정보 전송이 한 주기 내에서 이루어지므로 전송 지연의 경우를 방지할 수 있다. 또한 정보에 우선 순위를 둠으로써, 모든 정보 전송 구간이 예약이 되더라도 긴급한 사건의 경우에는 이미 다른 전송을 위해 예약된 구간을 갱신하여 자신의 정보를 전송하도록 예약할 수 있다. 여기에서는 한 정보 구간 예약 외에도 다중 예약이 가능하도록 각 노드가 분산적으로 예약 테이블을 보유하고 있다. 또 정보 전달 구간이 시작되었을 때, 이웃 노드 간의 전송 시 충돌을 방지하기 위해서 동일한 시간에 전송이 이루어지지 않도록 예약 확정시 예약 보호 패킷을 전송해서 한 슬롯에서는 한 노드만 전송이 가능하도록 하는 장치를 했다.
단일 예약 알고리즘의 실험에서는 S-MAC과 비교하여 에너지 효율과 전송 지연 부분에서 우수함을 입증하였고, 다중 예약 알고리즘은 예약 구간의 길이와 예약 시도의 횟수를 변경하면서 예약률, 에너지 소모, 그리고 전송 지연 시간을 측정해 보았다. 이로써 트레이드 오프 관계에 있는 에너지 소모와 전송 지연간의 효율적인 값을 얻기 위한 예약 구간과 예약 시도 횟수를 얻을 수 있었다.
