IP-based Wireless Sensor Networks (IP-WSN) are popularly recognized as a global sensor networks infrastructure by combining IPv6 technology with wireless sensor networks (WSN). Currently in a WSN research field, supporting mobility is recognized as an important technology. Compared to the traditional WSN, in these days IP-WSN is applied to the real-time applications. Surveillance systems, autonomous patrol robot, healthcare system, and fire detecting system are representative real-time applications of IP-WSN. As real-time applications are introduced in IP-WSN, fast, seamless, and lightweight handover becomes more important than before.
Currently IP-WSN does not provide mobility management protocol yet. Even though a mobility protocol was proposed, it assumed that every sensor node knows the location of other nodes. Also, the protocol only supports intra-PAN handover. In addition to this, the protocol increased the burden laid on the gateway.
MIPv6 and Network Mobility (NEMO) Basic Support Protocol are standard protocols to support mobility in The Internet. However, if they are applied to USN with no modification, handoff performance decreases due to the size of their binding message. Existing lightweight protocols for MIPv6 and NEMO Basic Support Protocol defined the header compression method to support mobility in 6LoWPAN. However, they did not optimally compress binding messages considering 6LoWPAN network structure and they had compatibility problems of sequence number.
In this thesis, we propose a new mobility protocol called MARIO for 6LoWPAN to support intra-mobility and inter-mobility with route optimization which is based on make-before-break model. The MARIO protocol can be divided into several parts. First, MARIO protocol suggests 6LoWPAN network scheme to support mobility. Second, MARIO protocol proposes an enhanced HiLoW addressing and routing protocol (M-HiLoW). Third, MARIO protocol defines intra-PAN handover procedure. Fourth, MARIO protocol defines inter-PAN handover procedure. Fifth, MARIO protocol suggests how to support network mobility in 6LoWPAN and how to solve route optimization problem. Finally, MARIO protocol defines mobility packet formats and suggests header compression method for binding messages. The proposed mobility protocol is analyzed mathematically. As a result, MARIO protocol provides optimal header compression for mobility protocol. It compresses 32 bytes MIPv6 BU into 13 bytes and 12 bytes MIPv6 BA into 3 bytes. It also compresses 40 bytes NEMO BU into 13 bytes and 12 bytes NEMO BA into 3 bytes. Therefore, MARIO protocol reduces signaling costs and binding message exchange delay. Then, MARIO protocol is evaluated in Qualnet, a well known network simulator. In the simulation, intra-PAN handover takes less than 20ms, and inter-PAN handover takes almost 2s.
IP기반 무선 센서 네트워크(IP-WSN)은 IPv6 기술을 무선 센서 네트워크에 접목시킨 차세대 글로벌 센서 네트워크 인프라스트럭처이다. 현재 WSN 연구 분야에 있어서 이동성 지원은 중요한 기술로써 인식되고 있다. 이러한 IP-WSN은 기존 센서 네트워크 응용과 다르게 헬스케어 시스템, 감시 경계 시스템, 화제 감시 시스템 등 다양한 실시간 응용이 적용되고 있으며, 끊김 없이 빠른 경량화된 핸드오버 지원의 필요성이 증대되었다.
현재, IP-WSN에서의 이동성 지원 기술에 대한 해결책은 아직 제시되지 못하고 있으며, 기존에 제안되었던 프로토콜은 이동형 노드를 지원하기 위해 인프라스트럭처의 라우터 노드들이 PAN내의 다른 모든 노드의 위치를 알아야 하는 부하가 있다. 또한 이 프로토콜은 Intra-PAN 핸드오버만을 지원하며, 게이트웨이에 부하를 더욱 증가시켰다.
MIPv6와 NEMO Basic Support Protocol은 기존 인터넷 망에서 이동성을 지원하기 위한 IETF의 표준화된 프로토콜이다. 그러나 IP-WSN에 MIPv6와 NEMO Basic Support Protocol을 수정 없이 적용할 경우에는 바인딩 메시지의 크기로 인해 핸드오버 성능이 저하되게 된다. 이를 해결하기 위한 MIPv6와 NEMO Basic Support Protocol의 경량화에 대한 기존 연구는 시퀀스 번호의 호환성 문제가 발생하며, 바인딩 메시지의 압축을 6LoWPAN의 네트워크 구성과 주소 할당 방식에 최적화 하지 못하였다.
이 논문에서 제안하는 MARIO 프로토콜은 Make-before-break 모델로 설계되었고, Intra-PAN 뿐 아니라 Inter-PAN 핸드오버를 지원하며 루트 최적화 문제를 해결하였다. MARIO 프로토콜은 첫째로 6LoWPAN 네트워크에서 이동성을 지원하기 위하여 네트워크 구조를 제안하며, 둘째로 6LoWPAN의 HiLoW 기반 주소 할당 방식과 라우팅 알고리즘을 수정하여 이동성 지원이 가능한 HiLoW (M-HiLoW)를 제안한다. 셋째로 MARIO 프로토콜의 Intra-PAN 핸드오버 절차와 Inter-PAN 핸드오버 절차를 정의한다. 넷째로 MARIO 프로토콜에서 네트워크 기반 이동성 지원과 루트 최적화 문제의 해결책을 제시한다. 마지막으로 MARIO 프로토콜의 MIPv6, NEMO Basic Support Protocol 패킷의 최적화된 압축 기법과 실제 핸드오버 이전에 미리 이를 설정하기 위하여 사용되는 메시지를 정의하였다. 이러한 MARIO 프로토콜을 수학적으로 분석하였으며, 그 결과 MARIO 프로토콜은 이동성을 지원하기 위한 Sinaling Costs를 줄였으며 바인딩 메시지 교환에 필요한 지연을 줄였다. 우리는 MARIo 프로토콜을 검증하기 위하여 이를 Qualnet 시뮬레이터 상에 구현하였으며 시뮬레이션 결과 Intra-PAN 핸드오버의 경우 20ms 보다 빠른 속도로 이동성을 지원하였으며 Inter-PAN의 경우 2초 정도의 지연을 보였다.
