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1 논문 한국통신학회논문지 '09-06 Vol. 34 No. 6 센서네트워크를위한멀티홉 MAC 프로토콜 준회원조경탁 *, 종신회원박세웅 * Multi-Hop MAC Protocol for Wireless Sensor Networks Kyong-Tak Cho* Associate Member, Saewoong Bahk* Lifelong Member 요 약 센서네트워크를위한 MAC 프로토콜들은전력소모를최소화하기위해낮은듀티사이클 (Duty Cycle) 을사용한다. 그중에서 RMAC [4] 의경우 Pioneer(PION) 프레임을이용하여한주기내에여러홉을전송한다. 본논문에서는 HE-MAC(Hop-Extended MAC) 이라는홉연장프로토콜을제안한다. HE-MAC의데이터전송은기존 RMAC과는달리한주기내에전달될수있는최대홉수정보가포함된 Explorer(EXP) 를이용하여이루어진다. EXP의정보와 Ready-to-Receive(RTR) 상태를이용하여 RMAC에비해 2홉을늘림으로써평균전송지연시간을감소시킨다. 또한, 적응적슬립을통하여불필요한전력소모를최소화할뿐만아니라 RMAC에서나타나는잦은트래픽 (Traffic) 으로인한패킷역전문제를해결한다. HE-MAC의패킷전송지연시간을수학적으로분석하였으며, ns-2를이용한모의실험을통해성능평가를하였다. 300개의노드가배치된랜덤토폴로지에서 HE-MAC은 RMAC에비해전력소모량과평균전송지연시간을 14%, 20% 만큼감소시킨다. Key Words : Wireless Sensor Networks; MAC Protocol; Duty Cycling. ABSTRACT To minimize energy consumption, most of MAC Protocols in WSNs exploit low duty cycling. Among those, RMAC [4] allows a node to transmit a data packet for multiple hops in a single duty cycle, which is made possible by exploiting a control frame named Pioneer (PION) in setting up the path. In this paper, we present a MAC Protocol called Hop Extended MAC (HE-MAC) that transmits the data packet for more multiple hops in a single duty cycle. It employs an EXP (Explorer) frame to set up the multiple hop transmission, which contains the information of the maximum hop that a packet can be transmitted. With the use of the information in EXP and an internal state of Ready to Receive (RTR), HEMAC extends the relay of the packet beyond the termination of the data period by two more hops compared to RMAC. Along with our proposed adaptive sleeping method, it also reduces power consumption and handles heavy traffic efficiently without experiencing packet inversion observed in RMAC. We analytically obtain the packet delivery latency in HE-MAC and evaluate the performance through ns-2 simulations. Compared to RMAC, HE-MAC achieves 14% less power consumption and 20% less packet delay on average for a random topology of 300 nodes. Ⅰ. 서론 센서네트워크는모니터링, 환경감지등의목적 으로사용되기위해현재많은연구가활발히이루어지고있다. 센서노드들은전력선으로작동되는것이아니라전지로작동된다는특징때문에노드 본연구는지식경제부및정보통신연구진흥원의 IT 산업원천기술개발사업의일환으로수행하였음. [2008-F , 3 차원환경에서의지능형무선통신시스템 ] * 서울대학교전기컴퓨터공학부, 뉴미디어통신공동연구소 (ktcho@netlab.snu.ac.kr, sbahk@snu.ac.kr), 논문번호 :KICS , 접수일자 :2008 년 12 월 3 일, 최종논문접수일자 :2009 년 6 월 6 일 506

논문 / 센서네트워크를위한멀티홉 MAC 프로토콜 들을배치하는데있어서의용이함이센서네트워크를사용하는데있어서큰장점으로다가오고있다. 하지만센서노드들이갖는한정된전력량때문에효율적인전력소모가강조되고있고, 이에관한여러센서네트워크기술들이연구되고있다. 센서노드들의효율적인전력소모를위해최근에제안된 MAC 프로토콜들은듀티사이클을사용하여데이터를전송한다 [1], [2].

2 논문 / 센서네트워크를위한멀티홉 MAC 프로토콜 들을배치하는데있어서의용이함이센서네트워크를사용하는데있어서큰장점으로다가오고있다. 하지만센서노드들이갖는한정된전력량때문에효율적인전력소모가강조되고있고, 이에관한여러센서네트워크기술들이연구되고있다. 센서노드들의효율적인전력소모를위해최근에제안된 MAC 프로토콜들은듀티사이클을사용하여데이터를전송한다 [1], [2]. 듀티사이클을사용할경우, 전송하는노드와수신하는노드는동시에활성화된상태여야만데이터의송수신이가능하게된다. 이러한이유로, 네트워크상의모든노드들을동기화하는방식들이제안되고있다. S-MAC [2], T-MAC [3], RMAC [4] 은동기화된듀티사이클을사용하는 MAC 프로토콜의대표적인예이다. S-MAC은듀티사이클에따라센서노드들이주기적으로활성, 비활성상태를오가는 MAC 프로토콜이다. 네트워크의동기화가이루어진후에모든노드들은데이터기간에들어가게된다. 어떤소스노드가전송할데이터가있을경우, 다음홉노드와 Request-to-Send(RTS) 와 Clear-to-Send(CTS) 를교환하게된다. RTS와 CTS로인해데이터전송이약속되어지면소스노드는데이터패킷을다음홉노드에전송하게되며, 그에대한응답으로 Acknowledgment (ACK) 을수신한다. 듀티사이클에따라모든노드들이슬립기간에들어가게되면비활성상태로슬립모드에들어가게된다. [4] 에서는동기화된 MAC 프로토콜인 RMAC을제안하고있다. 그림 1에나타난것처럼 RMAC은데이터기간내에 Pioneer (PION) 이라는제어프레임을수신지를향해전송한다. 수신지를향한경로에놓인노드들은네트워크계층으로부터얻은라우팅정보를이용하여다음홉노드로 PION을릴레이한다. PION을릴레이하면서각노드는 PION 내의홉수정보에따라, 슬립기간이시작된다음에언제다시활성화할것인지에대해설정한다. 이러한과정을통해, PION을릴레이한노드들만슬립기간에활성화되면서데이터패킷을릴레이하게된다. 하지만, 그림 1에서도나타나듯이각노드는 PION을릴레이한후에슬립기간까지계속활성화상태에놓이면서불필요한전력소모를하게된다. 또한, RMAC은활성상태에있을때에두개이상의 PION 프레임을수신할가능성을지니고있어서 패킷역전현상 이발생할수있다. 본논문에서는, 기존의 RMAC에비해하나의듀티사이클내에서 2홉을추가적으로릴레이할수 그림 1. RMAC : 데이터전송있는 HE-MAC (Hop- Extended MAC) 이라는 MAC 프로토콜을제안한다. HE-MAC은한주기내에릴레이될수있는최대홉수정보가포함된 EXP (Explorer) 를이용하여데이터를전송한다. 또한적응적슬립을통하여불필요한전력소모를최소화할뿐만아니라, 패킷역전현상 을해결한다. 이후본논문은다음과같은구성을따른다. II에서는 HE-MAC에대한간략한설명을담고, III에서는 HE-MAC에대한수학적분석을한다. IV에서는모의실험을통한성능평가를할것이며 V에서는결론을맺음으로써본논문을정리할것이다. Ⅱ. HE-MAC 프로토콜 HE-MAC은 cross-layer 라우팅정보및 EXP 프레임의정보를이용하여한듀티사이클내에데이터를여러홉수로전송한다. 이러한멀티홉전송을가능케하기위해센서노드들은 EXP 프레임을서로주고받는다. EXP 내의정보를이용해릴레이는슬립기간까지연장된다. 또한, 데이터기간내에서적응적슬립을통하여불필요한전력소모를최소화할뿐만아니라패킷역전현상을해결한다. 2.1 경로설정다른프로토콜 (e.g., [5],[6]) 을통해모든노드들간의동기화가이루어진후에어떤소스노드가전송할데이터패킷이존재할경우, 그노드는 EXP를생성한다. EXP는 RTS 내의정보, 전달된홉수, cross-layer 라우팅정보등의 PION 정보를모두포함한다. 이뿐만아니라, EXP는한주기내에서데이터패킷이최대몇홉까지전송될수있는지에대한정보또한포함한다. 한주기내에전송할수있는최대홉수 (maxhop) 는소스노드가전송을 507

한국통신학회논문지 '09-06 Vol. 34 No. 6 위해얼마동안다른노드들과경쟁하였는지에따라다음과같이계산된다. Tdata CW DIFS max Hop = + 2 (1) durexp + SIFS 여기서 T data 는데이터기간의길이, CW는소스노드가경쟁한시간, durexp는하나의 EXP 패킷을보내는데걸리는시간을나타낸다.

3 한국통신학회논문지 '09-06 Vol. 34 No. 6 위해얼마동안다른노드들과경쟁하였는지에따라다음과같이계산된다. Tdata CW DIFS max Hop = + 2 (1) durexp + SIFS 여기서 T data 는데이터기간의길이, CW는소스노드가경쟁한시간, durexp는하나의 EXP 패킷을보내는데걸리는시간을나타낸다. RMAC [4] 에서계산된값보다 2만큼증가한이유는 홉연장 에의해서이다. 홉연장 에관해서는 II-3에서자세히언급하도록하겠다. 생성된 EXP는 IEEE 에서처럼 DIFS (Distributed Interframe Space) 의시간을거친후에 cross-layer 라우팅정보에의해전송된다. 다음홉노드가소스노드로부터 EXP를받게되면, 그노드는네트워크계층으로부터다음홉노드의주소를받는다. 이주소를바탕으로 SIFS (Short Interframe Space) 의지연후에 EXP를릴레이하게된다. EXP 를자신의다음홉노드뿐만아니라이전홉노드에게도전송함으로써, EXP의릴레이가제대로이루어졌음을이전홉노드에게알린다. 이전홉노드는자신의다음홉노드로부터 EXP 릴레이에대한확인을받자마자슬립모드로들어가면서, 적응적슬립을실행한다. 이러한적응적슬립을통하여, 데이터기간내에서낭비되는에너지를최소화한다. EXP를릴레이한후, 데이터패킷의송수신을위해슬립기간내에서다시활성상태로돌아갈시점을다음과같은식을이용하여설정한다. W ( i) = ( i 1) ( DATA + ACK + 2 SIFS) + κ (2) 여기서 i는 EXP 안에들어있는홉수정보, κ는 durexp 보다약간큰값을갖는오프셋값, DATA와 ACK은각각데이터패킷과 ACK 프레임을전송하는데걸리는시간을나타낸다. 여기서 κ값이더해진이유는 S로부터의데이터전송이다른노드들의 EXP 송수신에영향을끼칠수있는경우를방지하기위해서이다. 소스노드를제외한모드노드들은수식 (2) 를통해슬립기간내에언제활성화될지에대해계산한다. 소스노드의경우, 다른노드들과는달리 i=0의값으로 EXP를전송하게되지만 (2) 식을이용한계산은 i=1의값으로하게된다. 이러한과정을통해, 소스노드와첫번째홉에해당하는노드는활성화시점을맞춤으로써정확한데이터송수신이가능해진다 ( 그림 2에서 T 1 그림 2. HE-MAC : 데이터전송으로표기되어있다 ). 2.2 RTR (Ready-to-Receive) 상태슬립기간내까지릴레이를연장하기위해서는앞서언급한 maxhop 정보외에도 RTR (Ready-to- Receive) 상태의도입이또한요구된다. 어떤노드가 EXP를전송하고있을때, 그주변의노드가 EXP전송에의한간섭을받을경우, 간섭을주는프레임을디코딩할필요없이, 자신의상태를 IDLE에서 RTR로바꾼다. 이러한 RTR로의상태변화는 홉연장 에참여할노드들에한해서만요구된다. 하지만, 이러한상태변화는디코딩에의한작업이아닌단순히간섭에의해서만이루어지기때문에 RTR 상태를지닌모든노드들이실제적인패킷릴레이에참여하지는않는다. 따라서상태변화에의한부가를줄이기위하여 RTR 상태로변화되는노드의개수를최소화해야한다. 이를위해, 다음과같은식을만족하는노드들에한해서만, 간섭을받을시에 RTR로자신의상태를변화시킨다. t t 2 durexp + SIFS (3) inter sleep 여기서 t inter 는해당하는노드가간섭을받게된최초시간을, t sleep 은듀티사이클에의해그노드가슬립기간에들어가게될시간을나타낸다. 수식 (3) 에나타난시간범위의시작점은그림 2에서 L 1 과같이그려진다. 이처럼각노드가자신의상태를 RTR로바꿈에따라서 EXP의릴레이를준비할수가있게된다. 홉연장 을위해 RTR 상태에놓인노드들의경우 IDLE 상태인다른노드들과는달리듀티사이클에의해슬립기간이시작되어도슬립 508

4 논문 / 센서네트워크를위한멀티홉 MAC 프로토콜 모드로들어가지않는다. 하지만, RTR 상태의노드여도실제적인데이터릴레이에참여하지않을가능성이존재한다. 이러한이유때문에그림 2에서 L 2 와같이표기된것처럼, tsleep + 2 ( durexp + SIFS ) 의시간까지어떠한패킷송수신이일어나지않은노드들의경우슬립모드로들어가비활성화되면서듀티사이클을따른다. 이처럼 RTR 상태를도입함으로써슬립기간에서의 홉연장 은가능해진다. 2.3 maxhop과 RTR을이용한홉연장기존 RMAC에서의 PION은데이터기간이끝나는시점까지수신지를향해릴레이된다. 하지만 HE-MAC은 EXP의 maxhop 정보와 RTR 상태를이용하여릴레이를데이터기간이끝나는시점이후까지연장하는 홉연장 을시행한다. 예를들어, 그림. 1에나타난 RMAC 프로토콜의경우노드 C는 PION을슬립기간에들어가기직전에릴레이하기시작한다. 따라서노드 C와 D는 PION의송수신이끝난후에듀티사이클에따라슬립모드로들어가게된다. 이처럼 RMAC 프로토콜을사용할경우, 한주기내의릴레이는노드 C 까지만가능하게된다. 반면에, HE-MAC의경우기존에언급된 maxhop 정보와 RTR 상태를이용하여제어프레임인 EXP 의릴레이를슬립기간에까지연장한다. 그림 2에나타난바와같이, RMAC과동일하게노드 C는데이터기간이끝나기직전에 EXP를릴레이하기시작한다. 이럴경우, RMAC에서와는다르게 C가 D 로 EXP를릴레이할때에 EXP 내에들어있는 maxhop 정보와홉수정보를비교한다. 노드 C는 D로릴레이할때에 EXP내의 maxhop 값이홉수값보다크다는정보를통해추후에더많은릴레이가일어날수있음을감지한다. 이러한인지로통해 EXP를릴레이한후에, RTR상태에놓여있지않았음에도불구하고슬립모드로들어가지않는다. 노드 D, E, D' 의경우 L 1 과 L 2 사이의시간내에노드 B 또는 C의릴레이에의해간섭을받았던상태이므로 RTR 상태에놓이게된다. 이러한이유로노드 D, E, D' 또한슬립기간에들어간상태임에도불구하고활성화된상태를유지한다. 이러한작업을통해노드 D는슬립기간안에있음에도불구하고노드 E에게 EXP를릴레이한다. 노드 D와는달리, 노드 E의경우동일한값을갖는 maxhop과홉수정보가포함된 EXP를릴레이한다. 이두값 이동일함을인지함으로써, 노드 E는이주기안에서더이상릴레이가불가능하다는것을스스로판단한다. 따라서노드 E는노드 D에게 EXP를전송하여릴레이가제대로되었음을확인시켜줌과동시에듀티사이클에따라슬립모드로들어가게된다. 노드 D' 의경우 RTR 상태에놓여있었기때문에슬립기간이시작되는시점에도슬립모드로들어가지않는다. 하지만 D' 의경우 L 2 시점에이를때까지어떠한패킷도전송또는수신을하지않으므로자신이 홉연장 에참여하지않는노드임을확인한다. 따라서노드 D' 는듀티사이클에따라 L 2 에비활성상태로전환하게된다. HE-MAC은 홉연장 을통해한주기내의릴레이를노드 E까지확장하며 RMAC에비해 2 홉을연장한다. 이처럼 HE-MAC은한주기내에전송할수있는홉수를늘림으로써전송지연시간을크게줄인다. 2.4 패킷역전현상 패킷역전현상 은 RMAC에서활성상태동안두개이상의 PION 프레임을받게될경우발생한다. RMAC의경우, 슬립기간에들어가기전까지는비활성상태를유지하므로또다른 PION 프레임을수신할가능성이존재한다. 이처럼두개이상의 PION 프레임을수신할경우, 최근에수신된 PION 프레임의홉수정보에의해다음활성화시점이변경된다. 이러한현상은슬립기간내에서불필요한에너지소모를발생시키고패킷순서가바뀌는문제점등이발생한다. 예를들어, 그림 3에나온것처럼 PION 프레임 P 1 이소스노드 S에서발생하여노드 A까지릴레이되었다고하자. 그후, B까지릴레이될수있는다음패킷 P 2 가또한 S로부터발생했다고생각해보자. 그결과로서, 노드 A와 B는 PION 프레임 P 1, P 2 모두를릴레이하게된다. 노드 A와 B의경우처음에는 P 1 의정보에의해다음활성화시점을설정해놓는다. 하지만, P 2 를추가적으로릴레이하게됨으로써, 다음활성화시점그림 3. 패킷역전현상 (1) 509

한국통신학회논문지 '09-06 Vol. 34 No. 6 화하기위해 EXP를전송하거나수신하는데실패하지않는다고가정한다. 또한, 모든수학적분석의단위는 1초로한다. HE-MAC의평균전송지연시간은소스노드의경쟁시간에따라변하는최대릴레이홉수의영향을받는다. 평균전송지연시간에관한수식전개를위해다음과같은상수들을설정한다. 그림 4.

5 한국통신학회논문지 '09-06 Vol. 34 No. 6 화하기위해 EXP를전송하거나수신하는데실패하지않는다고가정한다. 또한, 모든수학적분석의단위는 1초로한다. HE-MAC의평균전송지연시간은소스노드의경쟁시간에따라변하는최대릴레이홉수의영향을받는다. 평균전송지연시간에관한수식전개를위해다음과같은상수들을설정한다. 그림 4. 패킷역전현상 (2) α = T DIFS data β = durexp + SIFS γ = DATA + ACK + 2 SIFS (4) 이바뀌게된다. 이로인해노드 A와 B는 P 2 에의한, 노드 C, D, E, F는 P 1 에의한다음활성화시점을갖게된다. 그결과로서그림 4에나온것처럼노드 C, D, E, F는슬립기간에활성상태로돌아오게되지만, 원하는데이터패킷인 Data1을수신하지못하는문제점이발생한다. 그대신, 일정한불필요한에너지를소모한후에서야 Data2를먼저수신하게된다. 이는곧, Data1과 Data2가같은목적지노드를향하고있으면순서가역전된다는것이다. HE-MAC에서는다음홉노드로부터 EXP 릴레이에대한확인을받으면적응적슬립을통하여비활성상태로들어가게된다. 다음활성화시점까지비활성상태를유지하기때문에데이터기간내에서의불필요한에너지소모를없앨수가있다. 이뿐만아니라, 패킷역전현상 에대한해결책을제시한다. EXP 프레임을릴레이한노드들은적응적슬립을통하여추가적인 EXP 프레임을수신하지않게된다. 다시말하면, HE-MAC은불필요한에너지소모를없앨뿐만아니라, 패킷의순서가역전되는문제점을해결한다. Ⅲ. HE-MAC 수학분석본장에서는 HE-MAC의평균전송지연시간에대한수학분석에대해기술할것이다. HE-MAC은 EXP와데이터패킷을한주기내에멀티홉으로전송한다. 한주기내에갈수있는최대홉수는소스노드가 EXP를전송하기위한경쟁에소요된시간에따라변한다. 예를들어, 소스노드가 Contention Window 내에서경쟁에소요된시간이짧다면, 그만큼남은시간을 EXP 릴레이하는데에시간을더사용할수있게되므로한주기내에더많은홉수로릴레이할수있게된다. 분석을단순 소스노드가 EXP를전송할때, 한주기내에릴레이될수있는홉수는데이터기간에따라어떠한범위로한정된다. 여기서릴레이될수있는홉수는소스노드가경쟁한시간이후에몇개의 EXP 패킷이남은데이터기간에들어갈수있는지와같다. 예를들어, 소스노드가 0ms동안경쟁을하였을경우가장많은개수가들어갈수있으며, 반대로 Contention Window이끝나는시간까지경쟁을하였으면가장적은개수가들어간다. 즉, 하나의듀티사이클내에서 EXP가전송될수있는최소및최대홉수는다음과같은식으로표현될수있다. h α CW + 2 β α + 2 β β β max min =, hmax = (5) 여기서 h min 과 h max 는소스노드의경쟁시간에따라 EXP가릴레이될수있는최소, 최대홉수를, CW max 는소스노드가전송을위해경쟁할수있는최대시간을나타낸다. 여기서 h min 과 h max 식안에 2β가더해진이유는 홉연장 으로인한추가적인 2홉릴레이때문이다. 위에서언급한바와같이, 릴레이되는홉수는소스노드가 Contention Window 내에서 EXP 전송을위해경쟁한시간에큰영향을받는다. 따라서한주기내에서 h 홉을가기위해소스노드가경쟁해야하는시간의범위는 (5) 식을도출한동일한방법으로다음과같은식으로표현된다. ( α h β) 3 10 ( 2) CWu ( h) = min CWmax, (6) 3 10 ( α h β + ε) 3 10 ( 1) CWl ( h) = max 0, (7)

6 논문 / 센서네트워크를위한멀티홉 MAC 프로토콜 여기서 CW u(h) 와 CW l(h) 는한주기내에 h 홉을릴레이하기위해소스노드가경쟁해야할최소, 최대시간을나타내며, ε은오프셋이다 (ε«1). 소스노드는경쟁시 [0,CW max] 의범위내에서균일한확률로경쟁을하기때문에, 위에서도출한홉수의범위와경쟁시간의범위를통하여 n 번째주기에서패킷을 h 홉만큼전송할확률은다음과같은식으로표현될수있다. 기위해서는여러번의듀티사이클을거쳐야만한다. 둘째, 모든노드가슬립기간에있을때패킷이생성되었을경우어느정도의지연시간후에야전송이가능하다. 마지막으로, 최종수신지까지데이터를전달하기위해서는마지막듀티사이클에서잔여홉수만큼전송을해야한다. 이세가지요소들을고려하며, 식 (9) 와 (10) 을이용하면평균전송지연시간은다음과같이구할수가있다. 3 CWu( h) CWl( h) + 10 Ph ( n) = Ph ( ) = (8) CW 여기서 CW 는 Contention Window의크기를나타내며, CW max+10-3 의값을갖는다. 위식에서의동등관계는경쟁시간과소스노드가거친주기의횟수간의독립성때문에성립한다. 수식 (8) 을이용하면 EXP와데이터패킷이 n 주기안에 L 홉만큼전송될확률을다음과같은확률함수로구할수가있다. n 1 n 1 L Ph ( n L hy) Ph ( x) hn 1 h1 y= 1 x= 1 fl( n) = n 2 Ph ( n L) n= 1 (9) 여기서 h n 의값은 h min 과 h max 사이의값으로한 정된다. 정확한전송지연시간을계산하기위해서는위와같은확률함수뿐만아니라, 마지막주기에서수신지까지의평균잔여홉수또한계산되어야한다. 여기서평균잔여홉수는수신지까지의홉수와마지막듀티사이클에들어가기이전까지전송한평균홉수간의차이와같다. 따라서 (8) 과 (9) 를이용하면, L홉만큼떨어진수신지까지의평균잔여홉수인 R L 을다음과같이구할수가있다. DL = ( n 1) Tcycle fl ( n) + Dtx + γ RL n= 1 Tsleep = ( n 1) Tcycle fl ( n) + + γ RL (11) n= 1 2 여기서 T cycle 과 T sleep 은각각주기의길이, 슬립기간의길이를나타내며, D tx 는다음에생성된 EXP 를소스노드가전송하는데소요되는평균지연시간을나타낸다. 식 (11) 의첫번째항은첫번째요소로부터발생되는평균지연시간을나타낸다. 두번째항의경우, EXP가슬립기간동안에생성되었을경우생기는지연시간이므로, 이의평균시간 D tx 는 T sleep/2의값을갖는다. 마지막으로세번째항은잔여홉수를전송하는데소모되는시간을나타낸다. Ⅳ. 모의실험결과 HE-MAC의성능평가를위한모의실험은 2.29 버젼의 ns-2 프로그램을사용하였다. 평균전력소모량과평균전송지연시간을 RMAC과비교하여성능평가를하였다. 모든모의실험은 1% 의듀티사이클을이용하였다. 성능평가외에도수학분석 nˆ 1 RL = L E hn n= 1 = L hn P( hn) ( nfl( n) 1) (10) hn n= 1 여기서 ˆn 은수신지까지데이터패킷을전송하는데소요되는주기의횟수를나타낸다. 수신지까지데이터패킷을보내는데소요되는평균지연시간을최종적으로구하기위해서는다음세가지요소를고려해야만한다. 첫째, 수신지까지패킷을보내 그림 5. HE-MAC 에관한모의실험과수학분석비교 511

7 한국통신학회논문지 '09-06 Vol. 34 No. 6 의정확성을확인하기위해다음과같이 N값에따라데이터기간의길이를바꾸면서실험하였다. Tdata = CWmax + DIFS + durexp + N ( SIFS + durexp) (12) 4.1 수학적분석과의비교모의실험은노드간에 150m 떨어진연쇄토폴로지를이용하였다. 평균전송지연시간을수신지까지의홉수와 N값을변화시키면서수학분석의정확성을확인하였다. 그림 5에서보는바와같이 HE-MAC의평균전송지연시간에대한수학분석과모의실험결과는정확히일치함을알수가있다. 4.2 연쇄토폴로지에서의성능평가본소단원에서는 RMAC과 HE-MAC의평균전력소모량과평균전송지연시간을비교한다. 모의실험에서 N값은 4로설정되었으며, 연쇄토폴로지의길이를 1에서 24홉으로변화시키면서실험을하였다. 1) 평균전력소모량 : 그림 6은 RMAC과 HE- MAC의평균전력소모량을보여준다. HE-MAC은홉연장과적응적슬립으로인한더낮은전력소모량을갖는다. HE-MAC은 RMAC에비해최대 30.5%, 평균적으로 20.6% 감소된전력소모량을갖는다. 2) 평균전송지연시간 : 그림 7을통해알수있듯이, HE-MAC은 RMAC에비해더낮은평균전송지연시간을갖는다. HE-MAC은홉연장을통해 RMAC에비해최대 44.4%, 평균적으로 22.8% 감소된전송지연시간을갖는다. 4.3 랜덤토폴로지에서의성능평가 그림 7. 연쇄토폴로지에서의평균전송지연시간비교노드들이임의적으로배치된랜덤토폴로지를통해 HE-MAC의성능을평가하였다. 300개의노드가 2500m 2500m의네트워크에배치된토폴로지를고려하였으며 N의값은 4로설정하였다. 그림 8을통해 HE-MAC이 RMAC에비해평균전송소요시간이크게감소함을확인할수가있다. HE-MAC의평균전송소요시간은 RMAC에비해수신지까지의홉수에따라최대 48% 까지감소할수있다. 또한, 적응적슬립을통하여전력소모량이크게감소하였다. 랜덤토폴로지에서 HE-MAC의평균전력소모량과평균전송지연시간은표 1과같이정리된다. 표 1의결과를보면알수있듯이, 랜덤토폴로지에서는연쇄토폴로지일때에비해전송지연시간감소율은비슷하지만전력소모량의감소율은약간더낮다. 이는랜덤토폴로지하에서그림 2 에나타난 D' 같은노드들이더많이존재하기때문 그림 6. 연쇄토폴로지에서의평균전력소모량비교 그림 8. 랜덤토폴로지에서의평균전송지연시간 512

8 논문 / 센서네트워크를위한멀티홉 MAC 프로토콜 표 1. 랜덤토폴로지에서의모의실험결과 전력소모량 (W) 전송지연시간 ( 초 ) RMAC HE-MAC 감소율 14.3% 19.6% 이다. 이러한상태의노드들이증가함으로써랜덤토폴로지에서의평균전력소모량감소율은연쇄토폴로지에서의성능감소율에비해낮다. 4.4 패킷역전현상의영향본소단원에서는패킷역전현상이 RMAC과 HE-MAC에미치는영향에대해알아본다. 모의실험은 13 홉의연쇄토폴로지에서이루어졌다. 패킷역전현상은패킷발생률이높을때에발생할확률이높다. 그림 9는패킷발생률이각 MAC 프로토콜의평균전력소모량에어떤영향을미치는지보여준다. 패킷발생률이 0.02 이하일경우 RMAC과 HE-MAC의전력소모량은큰변화가나타나지않는다. 이구간내에서 HE-MAC은 RMAC에비해 21.5% 감소된전력소모량을갖는다. 이는데이터기간내에서의불필요한전력소모가감소되었기때문이다. 패킷발생률이 0.02 이상으로증가하였을때에 RMAC은 HE-MAC에비해매우큰전력소모량을갖는다. 이는패킷역전현상에의해패킷의순서가바뀌었을뿐만아니라, 슬립기간내에서의불필요한전력소모가발생하였기때문이다. 이에반해, HE-MAC은적응적슬립을통하여한듀티사이클내에서하나의 EXP만을릴레이하게된다. 즉, 높인패킷발생률로인한패킷역전현상 그림 9. 패킷발생률에따른평균전력소모량 을방지한다. 모의실험결과에서도알수있듯이, HE-MAC은 RMAC에비해전력소모량을최대 40.9%, 평균적으로 28.8% 감소시킨다. Ⅴ. 결론본논문에서는홉을연장하는 HE-MAC(Hop- Extended MAC) 프로토콜을제안하였다. HE-MAC은 EXP (Explorer) 내의정보와 RTR (Ready-to-Receive) 상태를이용하여슬립기간이시작하는시점넘어서까지릴레이를연장하였다. 이러한 홉연장 을통하여 HE-MAC은 RMAC에비해매우낮은전송지연시간을나타냈다. 더불어, 적응적슬립을통해전력소모량을감소시켰을뿐만아니라, 패킷역전현상을해결하였다. 또한, HE-MAC의평균전송지연시간을수학적으로분석하여모의실험결과와비교하였다. 끝으로 HE-MAC의전력소모량에대한수학적분석및 TinyOS를이용한프로토콜구현은향후과제로남겨둔다. 참고문헌 [1] Joseph Polastre, Jason Hill, and David Culler, Versatile Low Power Media Access for Wireless Sensor Networks, in SenSys 2004 pp [2] Wei Ye, John S. Heidemann, and Deborah Estrin, An Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks, in INFOCOM 2002 pp , Jun [3] Tijs van Dam and Koen Langendoen, An Adaptive Energy-Efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks, in SenSys 2003 pp , Nov [4] Shu Du, Amit Kumar Saha, and David B. Johnson, RMAC: A Routing-Enhanced Duty-Cycle MAC Protocol for Wireless Sensor Networks, in INFOCOM 2007 pp , May [5] Qun Li, and Daniela Rus, Global Clock Synchronization in Sensor Networks, in INFOCOM [6] Saurabh Ganeriwal, Ram Kumar, and Mani B Srivastava, Timing-Sync Protocol for Sensor Networks, in SenSys pp

< 관심분야 > 센서네트워크 박세웅 (Saewoong Bahk) 종신회원 1984년서울대학교전기공학과학사

9 한국통신학회논문지 '09-06 Vol. 34 No. 6 조경탁 (Kyong-Tak Cho) 준회원 2008년연세대학교전기전자공학부학사 2008년 ~ 현재서울대학교전기컴퓨터공학부석사과정 < 관심분야 > 센서네트워크 박세웅 (Saewoong Bahk) 종신회원 1984년서울대학교전기공학과학사 1986년서울대학교전기공학과석사 1991년 University of Pennsylvania 박사 1991년 ~1996년 AT&T Bell Lab. 1994년 ~ 현재서울대학교전기컴퓨터공학부교수 < 관심분야 > 차세대무선네트워크, 네트워크보안 514

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DBPIA-NURIMEDIA 논문 06-31-11A-13 무선센서네트워크를위한향상된 센서 MAC 프로토콜 정회원이주아 *, 김재현 *, 민승욱 ** Improved Sensor MAC Protocol for Wireless Sensor Network Ju-a Lee*, Jae-hyun Kim*, Seung-wook Min** Regular Members 요 약 센서네트워크에서는배터리용량이중요한문제이다.