Improvements in hardware technologies enable small size of sensor nodes with low cost, which are composed of a processor, memory, and a radio transceiver. Untethered/unattended operation of wireless sensor networks (WSNs) is very attractive for a large number of applications due to no human intervention. Sensor nodes are generally deployed in environments where exhausted batteries are difficult to be charged or replaced. Since communication between sensor nodes is the most energy consuming operation, the primary goal to design communication protocols for WSNs is to maximize energy efficiency to prolong network lifetime.
Multihop broadcast is a fundamental service for high-level operations in WSNs such as query propagation, route discovery, and network configuration and reprogramming. The purpose of multihop broadcast is to convey a broadcast message to all nodes in a network. A source node of multihop broadcast produces burst traffic in a short time period, and these broadcast messages are spread across the whole network. This inherent broadcast mechanism causes serious broadcast redundancy and collision, and it can hinder transmission of sensing data for data gathering which is the intrinsic goal of WSNs. Therefore, it is essential that multihop broadcast should be performed with the minimum number of transmissions and collisions. In this dissertation, we present multihop broadcast mechanisms for both single and multi-channel WSNs.
First, we propose EMBA, an efficient multihop broadcast protocol for asynchronous single channel WSNs where each node independently wakes up according to its own schedule. Our scheme adopts a technique of the 2-hop forwarder's guidance. A node transmits broadcast messages with guidance to neighbor nodes. The guidance presents how the node forwards the broadcast message to neighbor nodes. The 2-hop forwarder's guidance deterministically selects forwarding nodes to transmit broadcast messages through links that have good quality. This technique reduces redundant transmissions, collisions, and retransmissions. We implement EMBA and other single channel based multihop broadcast protocols and show that EMBA outperforms other protocols in terms of various performance metrics. EMBA achieves lower message cost than the conventional protocols in terms of the number of collisions and redundant transmissions, and the number of byte transmitted.
Second, we propose Multi-channel EMBA (M-EMBA), efficient multihop broadcast for asynchronous multi-channel WSNs. Our scheme employs two channel-quality-aware forwarding policies of the improved forwarder's guidance and fast forwarding to improve multihop broadcast performance. The improved forwarder's guidance allows forwarders to transmit broadcast messages with the simplified guidance to their receivers through channels with good quality. This technique is the improved version of the 2-hop forwarder's guidance of EMBA to reduce overhead of guidance exchange. Fast forwarding allows adjacent forwarders to send their broadcast messages simultaneously through different channels that have good quality, which helps to reduce multihop broadcast latency and improve multi-channel broadcast utility. We evaluate the multihop broadcast performance of M-EMBA through theoretical analysis of the system design and empirical simulation-based analysis. We implement M-EMBA and compare it with other multi-channel based broadcast schemes. The performance results show that M-EMBA outperforms these protocols in both light and heavy network traffic. M-EMBA reduces message cost in terms of goodput, total bytes transmitted, as well as broadcast redundancy and collision. M-EMBA also achieves a high broadcast success ratio and low multihop broadcast latency. Finally, M-EMBA significantly improves energy efficiency by reducing average duty cycle.
무선 센서 네트워크는 의료, 군사, 환경, 상업 등 다양한 분야뿐 아니라 사물인터넷과의 융합을 통해 그 활용범위는 점차 더 다양해질 것으로 예측된다. 무선 센서 네트워크 산업이 빠르게 발전함에 따라 그 가능성이 무궁무진함을 인정받고 있기 때문에 이와 관련된 기반기술의 획득이 매우 중요하다. 이러한 무선 센서 네트워크를 구성하는 각각의 센서 노드들은 배터리로 동작을 하거나 배터리를 쉽게 교체할 수 없는 환경에 설치되기 때문에 통신 프로토콜은 반드시 에너지 효율성을 높일 수 있도록 설계되어야 한다.
무선 센서 네트워크에서 각 센서 노드들은 에너지 효율성을 높이기 위해서 반복적으로 통신 모듈의 파워를 끄고 키는 듀티 사이클 (duty-cycling)을 사용한다. 통신을 위해 노드들은 동기화 과정을 거치는 동기식 (synchronous) 매체접근제어 (medium access control, MAC) 프로토콜과 동기화를 거치지 않는 비동기식 (asynchronous) MAC 프로토콜 중 하나를 사용하게 된다. 비동기식 무선 센서 네트워크는 센서 노드들이 동기화를 하지 않기 때문에 상당한 양의 중복 전송과 충돌을 일으키는 등 본질적으로 멀티홉 브로드캐스트 (multihop broadcast)에 있어서 에너지 효율성이 떨어지는 취약점을 가지고 있다.
본 연구를 통해 제안한 EMBA (an efficient multihop broadcast protocol for asynchronous duty-cycled wireless sensor networks) 프로토콜은 비동기식 싱글 채널 무선 센서 네트워크 내에서 효율적으로 멀티홉 브로드캐스트가 수행되도록 하는 알고리즘 제안한다. 각각의 노드들은 주변 이웃 노드들의 링크 상태 (link quality)를 고려하여 브로드캐스트 메시지와 전송 안내 (guidance list, GL)를 함께 보냄으로써 네트워크 전반의 전송 횟수와 충돌을 최소화한다. 기존의 연구들과는 다르게, 삼각형과 사각형의 로컬 토폴로지에서 2-hop의 이웃 노드 정보를 이용하여, 가장 최고 품질을 가진 링크를 통해 브로드캐스트 메시지를 전달하도록 하는 the 2-hop forwarder's guidance 기술을 이용한다. 기존 연구인 ENBA의 forwarder's guidance의 문제점을 지적하여 성능이 향상되도록 확장시킨 EMBA는 ns-2 시뮬레이터를 이용한 실험 결과에서 ENBA, ADB, RI-MAC 등의 기존 싱글 채널 프로토콜들에 비해 좋은 성능을 보여주고 있다. ADB, RI-MAC와 비교해 메시지 중복 전송의 수와 충돌의 수를 줄였을 뿐만 아니라, ENBA와 비교하여 멀티홉 브로드캐스트 수행을 위한 전송 바이트 수를 감소시켰다.
현재 무선 센서 네트워크는 데이터 전송의 효율성과 전송률(throughput)을 높이기 위해 싱글 채널 환경에서 멀티 채널 환경으로 발전하고 있다. 멀티 채널 환경에서는 통신 채널이 다수 존재하기 때문에 노드와 노드 사이에 멀티홉 브로드캐스트를 위해 적절한 채널 맞춤 (channel rendezvous) 역시 고려되어야 한다. 본 연구를 통해 제안한 M-EMBA (Multi-channel EMBA, efficient multihop broadcast protocol for asynchronous multi-channel wireless sensor networks) 프로토콜은 비동기식 멀티 채널 무선 센서 네트워크 내에서 효율적으로 멀티홉 브로드캐스트가 이뤄지도록 하는 알고리즘 제안한다. 이 프로토콜은 싱글 채널 환경을 위한 EMBA의 the 2-hop forwarder's guidance를 멀티 채널 환경에 맞게 확장하여 the improved forwarder's guidance를 제안하고 있다. 각각의 노드들은 주변 이웃 노드들의 채널 상태 (channel quality)를 고려하여 채널 맞춤을 한 후, 브로드캐스트 메시지와 전송 안내 (guidance list, GL)를 함께 전송함으로써 전송 횟수와 충돌을 최소화한다. 또한 멀티 채널의 환경적 특성인, 이웃한 노드가 서로 다른 채널을 사용하는 경우 동시에 메시지를 주고 받을 수 있는 특성을 이용하여 M-EMBA는 fast forwarding를 제안하고 있다. 이를 통해 멀티 채널 환경에서 멀티홉 브로드캐스트가 수행될 시, 지연시간을 낮출 수 있고 그로 인해 전송률(goodput)이 향상됨을 실험을 통해 보여주고 있다. M-EMBA는 비동기식 멀티 채널 무선 센서 네트워크를 위해 처음으로 제안되는 멀티홉 브로드캐스트 프로토콜이기 때문에 기존의 비동기식 멀티 채널 무선 센서 네트워크를 위한 MAC 프로토콜에서 제공하는 브로드캐스트 기법들과 성능 비교를 하였다. M-EMBA는 기존 연구인 EM-MAC, ARM, MuchMAC, 각각의 브로드캐스트 기법보다 월등한 메시지 전송 효율성을 보이고 있다. 중복 전송의 수와 충돌의 수, 멀티홉 브로드캐스트 수행을 위한 전송 바이트 수를 크게 줄였고, 브로드캐스트 수행 시간을 줄임으로써 전송률을 향상시켰다. 이에 M-EMBA는 기존 멀티 채널 프로토콜들에 비해 상당히 향상된 에너지 효율성을 보여주고 있다.
