In the sensor networks for surveillance, the requirements of providing energy efficiency and service
differentiation, which is to deliver high-priority packets preferentially, while maintaining high goodput,
which is to deliver many packets within their deadline are increasing. However, previous works have
difficulties in satisfying the requirements simultaneously.Previous works on energy conservation have
reduced the energy consumption of sensor nodes by using the duty cycle, periodic listen (i.e., turn on
radio module) and sleep (i.e. turn off radio module) of sensor nodes. As multiple events, whose priorities
are different, occur simultaneously in sensor networks, enhancing goodput and supporting service
differentiation are also important. However, the previous works on energy conservation have difficulty
in enhancing goodput because of the goodput degradation caused by the duty cycle or retransmissions
on each hop. Furthermore, with previous service differentiation methods, varying distributed inter frame
space and contention windows size, or using prioritized queueing, it is not easy to support service differentiation
and at the same time maintain both enhanced goodput and energy efficiency.
Thus, we propose GES-MAC, which satisfies the requirements simultaneously. GES-MAC reduces
idle listening energy consumption by using a duty cycle, periodic listen (i.e., turn on radio module) and
sleep (i.e. turn off radio module) of sensor nodes. Cluster-based multi-hop scheduling provides high
goodput in a duty-cycled environment by scheduling clusters of nodes in the listen period and opportunistically
forwarding data packets in the sleep period. Priority-aware schedule switching makes more
high-priority packets reach the sink node by letting high-priority packets preempt the schedules of lowpriority
packets. In experiments with MICA2 based sensor nodes and in simulations, the energy consumption
of the radio module is reduced by 70% compared to the approaches without a duty cycle, while
providing 80% ~ 100% goodput of the approaches that provide high goodput. Service differentiation is
also supported with little overhead.
센서 네트워크는 센서들을 넓은 지역에 뿌린 후, 센서로부터 얻어지는 정보를 이용해 그 지역을 감시 하는데 주로 쓰인다. 뿌려진 센서는 배터리로 동작하는데, 일일히 이러한 센서들의 배터리를 교환하는 것은 어려움으로 센서에서 사용되는 에너지를 가능한 줄여서 네트워크의 생존시간을 늘릴 필요가 있다. 또한, 각각의 센서들이 우선 순위가 다른 패킷들을 데드라인을 주어서 만들어 내면, 센서 네트워크는 가능한 많은 패킷들을 그들의 데드라인 안에 전송해주고, 우선 순위가 높은 패킷들을 우선적으로 전송할 필요가 있다. 가능한 많은 패킷들을 그들의 데드라인 안에 전송하는 것을 높은 Goodput을 제공한다 라고 하고, 우선 순위가 높은 패킷들을 우선적으로 전송하는 것을 서비스 차별성이라고 하는데, 동물의 움직임이나 침입을 감시하는 센서 네트워크에서는 이 세가지 requirement가 매우 중요하다.
3가지 requirement에 대해서, 각각을 만족시키는 related work은 있지만, 3가지 requirement를 동시에 만족시키는 related work은 아직 없다. 높은 goodput을 제공하는 Cooperative opportunistic Routing (COR)은 wireless 통신에서 하나의 sender에서 보내진 packet은 여러 노드들이 동시에 받을 수 있다는 특징을 이용해, opportunistic하게 routing 노드를 결정함으로써 retransmission을 줄여서 높은 goodput을 제공한다. 하지만, COR에서는 radio module이 항상 켜져이어야 함으로 에너지 효율적이지 못하다. 반대로, SMAC이나 LASMAC같이 라디오 모듈을 주기적으로 켰다 (listen period) 껐다(sleep period)를 반복하는 듀티 사이클 (duty cycle)을 이용으로 써, 센서 네트워크의 생존 시간을 늘렸다. 라디오 모듈이 차지하는 에너지 소모의 비율이 전체 센서노드에서 사용되는 에너지의 최소 60% 이상이므로, 이러한 듀티 사이클의 사용은 매우 큰 에너지 효율성을 가져온다. 하지만, 기존의 에너지 효율적인 MAC 프로토콜들은 듀티 사이클이 원인이 되었거나 (SMAC) 혹은 패킷들의 재전송이 원인이 되어 (LASMAC) Goodput이 상대적으로 적다. 또한, 서비스 차별성도, distributed inter frame space와 contention window size를 priority에 따라 변화 시키는 RLMAC과 같은 기존의 방식으로는, 에너지 효율성과 높은 Goodput을 강조하는 환경에서는 서비스 차별성을 제공할 수가 없다.
제안된 GES-MAC은 높은 Goodput을 유지하면서, 에너지 효율성과 서비스 차별성을 제공하는 방법을 제시하였다. GES-MAC은 두가지 목표, 듀티 사이클을 사용하는 환경에서 높은 goodput을 제공하는 것과, 높은 goodput을 유지하면서 서비스 차별성을 제공하는 것을 잘 만족시킨다. GES-MAC은 기본적으로 듀티 사이클을 사용함으로 써 라디오 모듈에서 사용되는 많은 에너지를 줄였다. GES-MAC에서 클러스터 기반의 멀티홉 스케쥴링은 (Cluster-based multi-hop scheduling), Listen 기간에서는 scheduling cluster (SC) 단위로 센서들을 스케쥴하고, sleep period에는 schedule된 SC들 중에 좋은 goodput을 지원해 줄 수 있는 다음 전송 노드 (next forwarder)의 후보들을 dynamic하게 선택하고, 그 후보들 중에 하나의 노드만 다음 forwarder가 되어 data를 전송하게 함으로써, 듀티 사이클 환경에서 goodput을 증가시켰다. 또한 우선권 인식 스케쥴 교환 (Priority-aware Schedule Switch) 방식을 통해, 우선순위가 높은 패킷이 우선 순위가 낮은 패킷의 스케쥴을 점유하게 함으로써, 큰 overhead 없이 서비스 차별화를 잘 제공하였다.
시뮬레이션 및 실제 센서 (MICA2 기반 TIP30)를 통한 실험 결과에서, GES-MAC은 SMAC, LASMAC과 마찬가지로 듀티 사이클을 이용해 약 70%의 에너지 소모를 줄이면서도, COR방식과 거의 유사한 goodput을 내기 때문에, GES-MAC이 에너지 효율적이면서 높은 goodput을 지원하는 것을 보였다. 또한, GES-MAC에 Priority-aware Schedule Switching를 적용한 것과 기존에 방식을 (RLMAC) 적용한 경우를 비교하였을 때, Priority-aware Schedule Switching을 적용한 경우에 high-priority packet이 훨씬 우선적으로 잘 도착함을 보임으로서, 서비스 차별성을 잘 지원함을 보였다. 특히, 특정 노드를 낮은 priority의 packet이 먼저 schedule 한 경우에도 높은 priority packet이 그 schedule을 이용하도록 하여 서비스 차별성을 잘 지원하였다. 그리고, 시뮬레이션이 아닌 실제 센서 노드에서 실험을 통해서, goodput, 에너지 효율성, 서비스 차별성을 잘 지원하는 지를 확인 하였다는 점이 실용성 측면에서 강점이라고 할 수 있다.
