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(An) energy-efficient and low-latency duty cycle MAC protocol for wireless sensor networks = 센서 네트워크를 위한 듀티 사이클 맥 프로토콜에 관한 연구
서명 / 저자 (An) energy-efficient and low-latency duty cycle MAC protocol for wireless sensor networks = 센서 네트워크를 위한 듀티 사이클 맥 프로토콜에 관한 연구 / Ki-Suk Kweon.
저자명 Kweon, Ki-Suk ; 권기석
발행사항 [대전 : 한국과학기술원, 2010].
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DCS 10026

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초록정보

As an advance in wireless communication and electronics technology has enabled the development of low-cost sensor nodes, wireless sensor networks have been pervasive in a variety of applications. A wireless sensor networks(WSNs) consist of a large number of spatially distributed autonomous devices using sensor to cooperatively monitor physical or environmental conditions at different locations. The sensor node has abilities to sense an interesting event, process data, and communicate with each other through a wireless channel and is powered by a limited battery power. One of the most critical issues on WSNs is efficient energy consumption. In most application scenarios, the replacement of the battery might be impossible due to a large number of sensor nodes and the difficulty of accessing the sensing area, so the lifetime of the sensor node shows the strong dependence on the battery life. Especially, the battery power in the sensor node is mostly consumed by the radio module. One of the largest sources of energy consumption in wireless node is idle listening which is listening the channel while nothing is transmitted. Over 50% of the energy consumption for receiving is consumed for idle listening. The \emph{idle:receive:send} ratios are measured as $1:1.05:1.4$. Unlike the conventional wireless networks, a typical sensor network application usually generates very light traffic on the network. Thus, sensor nodes mostly waste their energy power on idle listening. In order to reduce the energy consumption caused by idle listening, duty-cycle MAC protocols have been proposed for WSNs. In duty cycling, each node periodically alternates between an active state and a sleep state while turning on and off the transceiver. These protocols successfully diminish the energy consumption, but introduce significant end-to-end delivery latency because in a single duty-cycle operation, a packet is able to be forwarded over a single hop only. RMAC was proposed to handle the latency problem exploiting cross-layer routing information. It efficiently reduces the end-to-end delivery latency without increasing the energy consumption, but it does not handle the packet loss. If a data or an ACK gets dropped, no retransmission is made in the current operation cycle. Therefore, the current operation cycle is wasted and the sender retransmits the packet in the next operation cycle. As there is high packet rate in WSNs, without considering the lost packet, the delivery latency will be dramatically increased and the battery power will be wasted setting up the new transmission in the next operation cycle. In order to mitigate the above problem, in this paper, we present a novel duty cycle MAC protocol, called REMAC(Retransmission-Enhanced Duty-Cycle MAC), that takes advantage of both the network layer and the physical layer information. Like RMAC, REMAC exploits routing information to forward data over multiple hops along the path to the sink. Similar to the PION in RMAC, a control frame, called an RES(Reservation Control Frame), is used to schedule the wake up time of intermediate relaying nodes. More importantly, the RES reserves the proper amount of wireless channel depending on the quality of the link between a transmitter and a receiver. The reserved wireless channel is used to retransmit data in the current operation cycle when a packet gets dropped. Efficiently handling the packet loss, REMAC can reduce the end-to-end packet delivery latency and also the energy consumption. The simulation results show that REMAC reduces the packet delivery latency and the energy consumption over RMAC by about 27% and 12%, respectively.

센서 네트워크에서 맥 프로토콜 기술은 센서 노드들이 노드들간의 충돌 없이 패킷을 전송하기 위해 필요한 기술 중의 하나다. 센서 노드들은 주로 사람들이 접근하기 힘든 지역에서 전개되고 또한 수가 너무 많기 때문에 센서 노드에 내장되어 있는 배터리를 모두 소모하게 되면 배터리를 교체하기 어렵다. 그렇기 때문에 배터리를 다 소모한 노드는 노드의 수명도 다하게 된다. 그러므로 센서 네트워크를 디자인 하는데 가장 중요하게 고려될 사항은 에너지 효율성이다. 센서 네트워크는 센서 노드가 관심 사건을 센싱 했을 때 이를 사용자에게 보고 하기위해서 패킷을 전송하게 된다. 만약 관심 사건이 발생 하지 않는다면 네트워크에 아무런 트래픽도 발생하지 않는다. 즉, 대부분의 노드들은 전송 되지도 않은 패킷을 수신하기 위해서 항상 무선 채널을 듣고 있는 것이다. 이는 센서 노드의 배터리 파워를 대부분 소모시킨다. 이런 에너지 소모를 줄이기 위해서 듀티 사이클 맥프로토콜이 제안되었다. 듀티 사이클 맥 프로토콜은 통신 모듈을 주기적으로 껐다 켜서 에너지 소모를 줄인다. 이러한 맥 프로토콜들은 효과적으로 배터리 파워 소모를 줄였으나 하나의 듀티 사이클 안에 한 홉만 데이터를 전송 할 수 있기 때문에 양 끝 단말간의 심각한 패킷 전송 지연을 초래하였다. 이런 패킷 전송 지연 문제를 해결하기 위해서 RMAC이 제안되었다. RMAC은 라우팅 정보를 이용하여 하나의 듀티사이클 안에 패킷을 여러 홉에 걸쳐 전송 할 수 있다. 하지만 센서 네트워크에서 빈번하게 발생하는 패킷 손실에 대한 고려를 하지 않아 그에 따른 패킷 전송 지연 문제와 에너지 소모 문제를 가지고 있다. 무선 네트워크는 주로 숲이나 빌딩과 같은 장애물이 많은 곳에 전개된다. 또한 센서 노드는 저전력 통신 모듈을 사용한다. 이러한 이유 때문에 센서 네트워크의 무선 채널은 높은 패킷 손실 비율을 보여준다. 즉, 무선 센서 네트워크에서 패킷 손실에 대한 고려를 하지 않는다면 이는 곧 패킷 전송 지연 뿐만 아니라 불필요한 배터리 소모를 야기한다. 따라서, 본 논문에서는 패킷 손실을 고려한 듀티 사이클 맥 프로토콜을 제안한다. 제안한 프로토콜은 네트워크 계층과 물리 계층의 정보를 이용한다. 무선 채널을 쉐도윙 라디오 전송 모델을 기반한 데이타 재전송 함수를 이용, 평가하여 적절한 무선 채널을 미리 예약한다. 미리 예약된 채널은 패킷이 손실 되었을 때 다음 듀티 사이클로 데이터의 재전송을 미루지 않고 현재 듀티 사이클에서 바로 재전송 하는데 사용된다. 시물레이션 결과는 제안한 프로토콜이 RMAC보다 약 27%의 짧은 패킷 전송 지연과 12%의 효율적인 배터리 파워 소모를 보여준다.

서지기타정보

서지기타정보
청구기호 {DCS 10026
형태사항 viii, 59 p. : 삽도 ; 26 cm
언어 영어
일반주기 저자명의 한글표기 : 권기석
지도교수의 영문표기 : Hyun-Soo Yoon
지도교수의 한글표기 : 윤현수
수록잡지명 : "A Retransmission-Enhanced Duty-Cycle MAC Protocol based on the Channel Quality for Wireless Sensor Networks". IEICE Transaction on Communications,
학위논문 학위논문(박사) - 한국과학기술원 : 전산학과,
서지주기 References: p. 56-59
주제 Wireless Sensor Networks
Duty Cycle MAC
Medium Access Control
Energy Efficiency
Low Latency
무선 센서네트워크
듀티 사이클 맥
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