In recent days, many MAC protocols in sensor networks use the asynchronous duty cycling technique. Although the use of asynchronous duty cycling can significantly save the energy consumption and does not require time synchronization, supporting network wide broadcast is not easy due to the distinct characteristics. Therefore, designing an efficient broadcast protocol in asynchronous duty cycled networks is challenging issue. In this work, we propose an Efficient Network wide Broadcast protocol for Asynchronous duty cycled networks (ENBA). In ENBA, nodes forward a broadcast packet to neighbors only in the responsible set. With forwarder`s guidance for receivers and overhearing broadcast packets and acknowledgements, nodes can quickly downsize the responsible set to finish the broadcast mode as soon as possible. By suppressing unnecessary redundant transmissions and voiding collisions among multiple forwarders, ENBA archives the closely optimal message cost and significantly saves the energy consumption. The ns-2 simulation result shows the good performance of ENBA in terms of energy efficiency, delivery latency, and reliability.
무선 센서 네트워크에서는 노드의 배터리 용량이 적고, 수동으로 배터리를 교체하기 힘든 특성 때문에 에너지 소모를 줄이는 것이 매우 중요하다. 이 때문에, 대부분의 무선 센서 네트워크에서는 듀티 사이클링(duty cycling)기법을 사용하고 있다. 이 기술을 사용하는 네트워크에서 노드는 대부분의 시간에는 라디오 모듈을 꺼놓고 자는 상태를 유지하고, 아주 짧은 시간에만 통신을 위해 깨기 때문에 에너지 소모를 크게 줄일 수 있다. 특히, 노드 간 클럭 동기화(clock synchronization)를 위한 오버헤드가 없다는 장점 때문에 비동기적 듀티 사이클링(asynchronous duty cycling)을 사용하는 MAC 프로토콜이 최근 많이 제안되고 있다. 하지만, 환경의 특성 때문에 비동기적 듀티 사이클링을 사용하는 네트워크에서 네트워크 규모의 브로드캐스트(network wide broadcast)는 도전적인 이슈이다. 이런 환경에서의 브로드캐스트는 다수 송신자가 공통의 이웃을 커버하려는 경쟁 때문에 발생되는 충돌, 긴 유휴 시간(idle listening), 필요 업슨 중복 전송 등의 문제에 직면한다. 이는 근본적으로 센서 노드 간에 깨어 있는 스케쥴이 다르기 때문에, 어떤 노드가 메시지를 보내려 할 때 주변에 있는 노드가 모두 깨어 있지 않기 때문이다. 따라서, 이런 새로운 환경에서 효율적인 브로드캐스트 프로토콜이 요구된다.
본 연구에서는 비동기적 듀티 사이클링을 가지는 센서 네트워크를 위해 ENBA라는 효율적인 브로드캐스트 기법을 제안한다. ENBA에서 브로드캐스트 패킷을 생성하거나 다른 노드로부터 수신한 노드는 브로드캐스트 모드로 전환한다. 이 때부터 노드는 크게 두 가지 노력을 한다. 첫째, 노드는 책임 집합(responsible set)을 유지하고 이 집합을 최대한 빨리 공집합으로 만들기 위해 노력한다. 책임 집합은 이웃 노드 중 자신이 꼭 커버해야 하는 노드로 구성된 집합이며, 노드는 이 집합에 포함된 노드만 커버한다. 노드는 자신에게 향하지 않은 브로드캐스트 패킷이다 ACK를 오버히어링 하여 책임 집합을 줄이는데 사용한다. 꼭 커버해야 하는 이웃만을 빠르게 커버하고 브로드캐스트 모드를 종료함으로써 브로드캐스트 모드 동안 유휴 청취를 위한 에너지 소모를 줄일 수 있다. 둘째, 송신자는 수신자에게 안내를 해준다. 송신자로서 노드는 수신자에게 보내는 브로드캐스트 패킷에 임무 리스트(mission list)를 포함하여 수신자 노드가 커버해야할 이웃과 그렇지 않은 이웃을 알려준다. 이를 통해 수신자 노드는 브로드캐스트 모드로 전환하면서 책임 집합의 크기를 최소화함으로써 이미 커버된 노드에 대한 의미 없는 중복 전송을 억제할 수 있다. 다수 노드가 한 노드에게 동시에 브로드캐스트 메시지를 보냄으로써 발생되는 충돌을 방지함에 따라 에너지 소모와 지연 시간도 줄일 수 있다. 또, 가급적 좋은 퀄리티를 가진 링크를 사용함으로써 한 노드를 커버하기 위해 기대되는 전송 횟수를 줄인다. 기대되는 전송 횟수를 줄일 수 있기 때문에 반복적인 재전송 시도로 인해 발생되는 에너지 소모와 링크 점유(medium occupancy)를 줄일 수 있다.
Ns-2 시뮬레이션을 통한 실험 결과, ENBA는 신뢰성을 보장하면서도 ADB에 비해 에너지 효율성, 메시지 비용, 시간 비용, 신뢰성 측면에서 좋은 성능을 보인다. 따라서, ENBA는 최근에 주목 받고 있는 비동기적 듀티 사이클링을 가지는 센서 네트워크를 위해 효율적으로 브로드캐스트를 지원할 수 있는 프로토콜이라고 할 수 있다.
