This dissertation proposes a T-CROM (Time-delayed Collaborative ROuting and Mac) protocol that allows collaboration between network and MAC layers in order to extend the lifetime of MANETs in an energy-limited environment. T-CROM increases the probability of excluding energy-poor nodes from joining routes by using a time delay function that is inversely proportional to the residual battery capacity of intermediate nodes, making a delay in the route request (RREQ) packets transmission. The route along which the first-arrived RREQ packet travelled has the smallest time delay, and thus has a completely maximum residual battery capacity. This protocol leads to a high probability of avoiding energy-poor nodes and promotes energy-rich nodes to join routes in the route establishment phase. In addition, T-CROM controls the congestion between neighbors and reduces the energy dissipation by providing an energy-efficient backoff time by considering both the residual battery capacity of the host itself and the total number of neighbor nodes. The energy-rich node with small neighbors has a short backoff time, and the energy-poor node with many neighbors gets assigned a large backoff time. Thus, T-CROM controls the channel access priority of each node in order to prohibit the energy-poor nodes from contending with the energy-rich nodes. T-CROM fairly distributes the energy consumption of each node, and thus extends the network lifetime collaboratively. Simulation results show that T-CROM reduces the number of total collisions, extends the network lifetime, decreases the energy consumption, and increases the packet delivery ratio, compared with AOMDV with IEEE 802.11 DCF and BLAM, a battery-aware energy efficient MAC protocol.
본 논문은 T-CROM (Time-delayed Collaborative ROting and Mac) 프로토콜을 제안한다. T-CROM은 네트워크 계층과 매체접근제어 계층간의 협업을 통하여 에너지 한정적인 MANETs의 네트워크 수명을 연장시켜 주는 것을 목적으로 한다. 네트워크 계층에서 T-CROM은 배터리 용량이 충분하지 못한 노드들이 새로운 경로에 참여하는 확률을 의도적으로 낮추어 주도록 하기 위하여, 중간 노드들의 잔여 배터리 용량에 반비례하는 시간지연 함수를 사용하여 경로요구 패킷(RREQ)의 전송을 의도적으로 지연시킨다. 최종적으로 목적지 노드에 첫 번째로 도착한 RREQ패킷이 이동한 경로는 결국 가장 작은 시간 지연을 갖고, 따라서 잔여 배터리 용량은 가장 많은 경로가 된다. 본 알고리즘은 다중 경로 라우팅 알고리즘인 AOMDV를 기반으로 하였기 때문에, 목적지 노드는 미리 정해진 범위 내에서 RREQ 패킷을 받은 횟수 만큼 경로응답 패킷(RREP)을 단순히 반복하여 이웃 노드들을 통하여 소스 노드에 전달하면 자연스럽게 다중 경로들을 획득할 수 있게 된다. 이 프로토콜은 애드혹 라우팅 알고리즘이 경로를 획득하는 단계에서 분산적인 방법으로 배터리 용량이 충분하지 못한 노드들은 경로에서 배제시키고, 양호한 노드들은 경로에 참여시키는 확률을 높이도록 하는 것이다.
매체접근제어 계층에서 T-CROM은 이웃 노드들간의 매체에 다중 접촉시 발생하는 충돌을 효율적으로 조절하여 에너지 소모를 줄인다. 노드 자신들의 배터리 상태와 이웃 노드들의 수를 고려하여 충돌 발생시 백오프 시간을 제어한다. 잔여 배터리 용량이 충분하고 이웃 노드들의 숫자가 작은 노드들은 백오프 시간을 짧게 하여 채널 접근을 우선적으로 허용하여 네트워크에 적극적으로 참여토록 하고, 배터리 용량이 부족하고 이웃 노드들의 숫자가 많은 노드들은 백오프 시간을 길게 할 확률을 높여 매체 접근을 의도적으로 느리게 한다. T-CROM은 배터리 용량이 부족한 노드들이 배터리가 충분한 노드들과의 채널 선점 경쟁을 피하게 함으로써, 네트워크에 참여하고 있는 노드들의 배터리 소모를 효율적으로 제어하고, 네트워크 수명을 늘이고자 한다. 이를 위해, 잔여 배터리 용량의 역함수를 정규분포의 평균값으로 정하고, 이웃 노드들의 개수를 표준편차의 변수로 하여 정규분표함수에서 백오프 시간을 결정토록 하였다. 따라서, 잔여 배터리 용량이 많으면 백오프 시간을 결정하는 정규분포함수의 평균값은 낮고, 따라서 백오프 시간은 낮은 값을 획득할 확률은 높아진다. 이웃 노드들의 수가 적으면 표준편차는 작아져 좁은 범위 내에서, 노드들의 수가 많으면 표준편차는 커졌어 넓은 범위에서 백오프 시간이 결정된다.
T-CROM은 네트워크 계층과 매체접근제어 계층간의 협업을 통하여 각 노드들의 에너지 소모를 평등하게 조절할 수 있고, 이를 통해 네트워크의 수명을 연장시킨다. 시뮬레이션 결과 T-CROM은 매체접근제어 계층에서 발생하는 충돌을 줄여 에너지 소모를 감소시키고, 배터리
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용량이 충분하지 못한 노드들은 매체 접근을 효율적으로 제어하여 네트워크 수명을 연장하였고, 패킷 전달율을 증가시켰다. 본 시뮬레이션에서는 라우팅 알고리즘인 AOMDV를 기반으로 표준 매체접근제어 계층인 IEEE 802.11 DCF와 에너지 효율을 고려한 매체접근제어 계층 알고리즘인 BLAM(Battery Level Aware Mac) 과 비교하였으며, 그 결과 매우 우수한 결과를 보였다.
