논문 08-33-10-04 한국통신학회논문지 '08-10 Vol. 33 No. 10 무선센서네트워크에서다중체널과전송세기제어를이용한맥프로토콜 정회원윤장묵 *, 종신회원박세웅 ** SPMC-MAC : Slim Preamble Multi-Channel MAC Protocol with Transmission Power Control in Wireless Sensor Networks Jang-Muk Yoon* Regular Member, Saewoong Bahk** Lifelong Member 요 약 본논문에서는다중채널환경의무선센서네트워크에서에너지소모를최소화하고데이터수율 (Throughput) 을증대시키기위한비동기방식의맥프로토콜을제안한다. 제안하는맥프로토콜인 SPMC-MAC(Slim Preamble Multi Channel Media Access Control) 은 [6] 에서제안했던수신노드가깨어날시간정보의이점을이용하여프리앰블의길이를줄이는매커니즘을채택한다. 프리앰블은수신노드의 ID와랜덤하게선택된채널을포함하여전용의기본채널을통해서전송된다. 전송세기제어는통신가능범위내에서적정노드수를유지함으로써데이터전송시충돌과간섭을줄일수있다. 수학적분석과모의실험을통해에너지소모와수율에대해제안하는 SPMC-MAC과 X-MAC을비교한다. Key Words : MAC protocol, Multi-channel, Transmission power control, Wireless sensor network ABSTRACT In this paper, we propose an asynchronous MAC protocol to minimize energy usage and to maximize data throughput for a wireless sensor network in multi channel environments. Our proposed SPMC-MAC (Slim Preamble Multi-Channel Media Access Control) adopts the preamble sliming mechanism proposed in [6] that takes advantage of the knowledge about the wakeup time of the receiver node. The preamble contains the receiver s ID and a randomly selected channel ID for data communication, and it is transmitted over a dedicated common channel. The power control has the benefit of keeping an appropriate number of nodes with the communication range, resulting in reduced collision and interference. We compare our SPMC-MAC and X-MAC extensively in terms of energy consumption and throughput using mathematical analysis and simulation. Ⅰ. 서론최근들어 유비쿼터스 (Ubiquitous) 가화두로등장하면서우리주변의물리적현상을센서장치에의해감지한후네트워크를이용하여대상사물의 존재여부및특정현상과주변의환경정보 ( 온도, 습도, 오염정도, 균열정보 ) 등을확인하여실시간으로관리제어하는분야가연구되고있다. 즉직접적인접근이어려운전쟁터에서의적국의감시, 강수량, 지질상태등을모니터링하는시스템, 교통감 This work was supported in part by the ITRC program of Korea Ministry of Knowledge Economy and Seoul R&BD Program. * 서울대학교전기컴퓨터공학부석사 (jmyoon@netlab.snu.ac.kr) ** 서울대학교전기컴퓨터공학부교수 (sbahk@netlab.snu.ac.kr) 논문번호 :KICS2008-06-290, 접수일자 :2008 년 6 월 28 일, 최종논문접수일자 : 2008 년 9 월 9 일 876
논문 / 무선센서네트워크에서다중체널과전송세기제어를이용한맥프로토콜 시와제어를위한지능형교통통제시스템등의응용분야에서무선센서네트워크 (WSN: Wireless Sensor Network) 를이용하여새로운미래의유비쿼터스환경을구축하려는시도가진행되고있다 [1][2]. 무선센서네트워크는기존의무선네트워크 (Wireless Network) 와다른특성들을가지고있다. 센서네트워크를구성하는노드는초소형으로제작되어야하기때문에크기와비용측면에서제약이많으며, 배터리기반으로동작되므로한정된에너지를사용한다. 또한제한된연산처리능력을가지며, 기존의셀룰라통신망과는달리특정인프라구조가없이에드혹 (Ad-hoc) 형태로구성된다. 이와같은동작메커니즘은라우팅 (Routing) 이나맥 (MAC: Media Access Control) 과같은다양한프로토콜연구에대한필요성을증대시켰다. 그중에에너지의소모를최소화하는효율적인방안에대한맥프로토콜의연구는무선센서네트워크관련연구의핵심주제이며, S-MAC [3], B-MAC [4], Wise-MAC [5], X-MAC[6], SCP-MAC[7] 과같은많은종류의맥프로토콜들이연구되었다. 지금까지연구가진행된맥프로토콜들은인접한이웃노드들과동기를맞추는지의여부에따라동기식과비동기식으로나눌수있다. 무선센서네트워크에서는비용적인제약으로인해저가의크리스탈오실리에이터 (Crystal Oscillator) 를사용한다 [8]. 따라서클럭오차 (Clock Drift) 는기존의무선네트워크와비교해서상대적으로크게발생한다. 네트워크상에있는센서노드들은동일한시간정보를갖기위해주기적으로컨트롤패킷을보내서동기화한다. 그러나무선센서네트워크에서의동기화는네트워크상에있는모든노드들과동시에이루어지는동기화가아니라인접한가까운이웃노드들과의동기화만을의미하고, 이를통해전체네트워크의동기화에근접할수있다고본다. 대표적으로 S-MAC[3], SCP-MAC [7] 등이이에속한다. 비동기방식의맥프로토콜은동기화를위해주기적으로사용하는컨트롤패킷이에너지소모를증가시킨다고보고이를배제한방식을의미한다. 대표적으로 B-MAC [4], Wise-MAC [5], X-MAC [6] 등이이에속한다. 전체사용되는에너지중에가장많은비중을차지하는것이통신부분이다. 에너지소모를최소화하려는노력으로노드는주기적으로동작하고동작하지않는시점에서는센서의통신모듈을끈다. 또한센서노드는감시하는주변환경에서관심있는 특정이벤트가발생하였을때데이터패킷의전송량이급격하게증가한다. 또한일반적인상황에서는소량의데이터패킷을주기적으로전송하는것을알수있다. 무선센서네트워크에서의최우선고려요소인에너지소모의최소화와발생되는데이터패킷의주기적 / 비주기적특성을고려하고다중채널과전송세기제어를이용하는맥프로토콜을제안한다. 비동기방식으로짧은프리앰블 (Short Preamble) 을사용하는 X-MAC의기본동작메커니즘을이용하고초기화과정을통해이웃노드의위치정보를획득하여이웃노드정보테이블을만들고이를통해송신노드는데이터의전송세기를제어한다. 또한획득한정보와 IEEE 802.15.4 표준 [9] 에서정의한다중채널 (Multi-Channel) 을이용하여통신함으로써에너지소모를줄이고데이터의전송률을증대시킬수있다. 본논문에서는에너지소모를더욱줄이기위해짧은프리앰블 (Short Preamble) 을슬림하게만드는과정을기술하고, 데이터의수율을증대시키기위한다중채널스위칭에대해서설명하고, 그리고데이터의전송세기를제어하는방법에대해기술한다. 다음으로수학적분석을통해기존맥프로토콜과제안하는맥프로토콜간에에너지소모를분석하고, 모의실험환경을조성하여에너지소모와수율을비교, 분석한다. 마지막으로본논문에서제안한맥프로토콜의장단점을정리하면서끝을맺는다. Ⅱ. SPMC-MAC 설계 2.1 프리앰블길이슬림화비동기방식의맥프로토콜인 X-MAC은그림 1 에서와같이송신노드가데이터를보내려고하는시점부터짧은프리앰블 (Short Preamble) 을보내기시작한다. 그리고수신노드는이짧은프리앰블을듣고나서대상노드가자기자신인지를확인한후맞으면 early ACK을보낸다. 이를수신한송신노드는데이터를송신하기시작하고동시에수신할준비를하고기다리던수신노드는데이터를수신한다. 기존에연구된비동기방식의맥프로토콜들은프리앰블샘플링기법 (Low Power Listening : LPL) 을사용하여한주기 (T) 동안프리앰블을전송하는데반해서, X-MAC에서는프리앰블을작은단위로나눈후대상노드의정보를실어서보내는방식이어서프리앰블의길이가작아진다. 하지만데이 877
한국통신학회논문지 '08-10 Vol. 33 No. 10 그림 1. SPMC-MAC( 제안하는맥 ) 과 X-MAC 비교터를수신해야할대상노드가언제깨어날지모르기때문에최악의경우전체한주기 (T) 동안짧은프리앰블을계속해서보내야하는경우가발생한다. 이러한문제점을해결하기위해제안하는 SPMC-MAC에서는노드초기화과정을통해서획득한이웃노드의 ID 정보와노드가깨어나서수신할데이터가있는지를확인하는액티브모드 (Active Mode) 의시작시간인시작시간정보 (Start Time Information) 를이용하여수신노드가깨어날시점에맞춰서송신노드가깨어나서프리앰블을보낸다. 이를통해송신노드는길이가더욱슬림화된짧은프리앰블 (Short Preamble) 을보낸후데이터전송이이루어지게된다. 짧은프리앰블의길이를더욱슬림하게함으로써 X-MAC과비교하여에너지소모를더욱줄일수있는것이다. 그리고노드초기화과정을통해만들어진시작시간정보는통신이이루어질때마다수신노드로부터받은 early ACK 시간을체크하여노드의최근깨어난시간을계산하고갱신한다. 노드간에통신이이루어질때마다이웃노드정보테이블의시작시간정보를갱신함으로써최신의시간정보를유지하게된다. 갱신되는시간정보로인해어느정도정확한전송이가능하나성능이떨어지는저가의 CMOS 크리스탈오실리에이터 (Crystal Oscillator) 를사용하기때문에각노드간에클럭오차가발생한다. 일반적으로무선센서네트워크에서는 30ppm( 백만번당 30번클럭오차 ) 의클럭오차가발생하므로송신노드가특정대상노드의깨어난시간을정확히알고있고, 또한자고깨어나는주기를알고있다고해도노드가언제깨어날지예측한시간은편차가발생할수밖에없다. 결국이편차를극복하기위해서송신노드는데이터를전송하기전에먼저전송하는짧은프리앰블 (Short Preamble) 의길이를조정해야한다. 프리앰블의길이는송 수신노드간에마지막으 로통신이이루어지면서갱신한시작시간정보와다시데이터를보내려고하는현시점과의경과된시간을고려하여조정된다. 다시말해서시간경과로인해발생된클럭오차 (Clock Drift) 를계산해서프리앰블의길이를조정하는것이다. 주기적 / 비주기적인데이터의전송으로인해수신노드에대한최근의시작시간 (Start Time) 과경과된시간의차는크지않다고할수있다. 따라서프리앰블의길이는 X-MAC과비교하여더욱슬림해질수있는것이다. 제안하는 SPMC-MAC에서의짧은프리앰블길이는다음과같이정의된다. (1) R cd 는클럭오차를, T diff 는송신노드가수신노드에게데이터를보내려고하는시점의시간과수신노드가마지막으로깨어났던정보인시작시간 (Start Time) 과의차, D diff 는짧은프리앰블의최대길이, S diff 는이웃노드의시작시간정보와데이터를보내려고하는시점사이의시간경과로인해발생하는클럭오차를고려하여계산한짧은프리앰블의전송횟수를나타내고, S pal 는짧은프리앰블과 early ACK의합이고, T는한주기 (Duty Cycle) 를의미한다. 시간경과를의미하는 T diff 의값에따라서짧은프리앰블의길이는조정되고, 계산한프리앰블의길이가 T보다작은경우더욱슬림화된짧은프리앰블을보내고, T보다큰경우이웃노드정보테이블에서다른수신노드로변경한다. 싱크노드 (Sink Node) 로향하는다음홉 (Next Hop) 에속하는수신노드중에서깨어날주기가가장빠른노드를선택한다. 프리앰블의길이를계산한후송신노드는슬림화된짧은프리앰블을전송한다. 여기에서, 클럭오차를고려하여프리앰블의길이가짧은노드를선택하여전송하려할경우에라우팅경로가변경될것이다. 라우팅정보를변경하기위해이웃노드정보테이블에있는이웃노드정보를이용하여라우팅경로를결정하도록기존알고리즘을수정하거나새로운알고리즘을제안해야한다. 따라서라우팅알고리즘의제안은본논문의연구범위를벗어나므로차후연구로남겨놓도록한다. 2.2 채널스위칭특정이벤트감지후전송해야할데이터가급격하게증가하게될경우단일채널환경보다다중채 878
논문 / 무선센서네트워크에서다중체널과전송세기제어를이용한맥프로토콜 널환경이더욱효과적인대처가가능하다. 관심지역에배치되어있는많은노드들이감지한데이터를동시에하나의채널을이용하여전송하려하면데이터간에충돌이발생하고추가적인데이터전송시도로인해에너지소모가증가하게된다. 무선센서네트워크의표준인 802.15.4 standard [9] 에서는물리계층과데이터링크계층에대한세부적인정의가되어있는데, 특히물리계층의정의에서는여러라디오밴드에서많은수의채널을사용할수있도록되어있다. 무선라디오밴드는 868/915MHz, 2.4GHz 대역이사용가능하고전체 27개의채널을사용할수있다 (868MHz-1 채널, 915MHz-10 채널, 2.4GHz-16 채널 ). 무선센서네트워크의연구와실험을위해많은종류의센서노드인모트 (Mote) 들이출시되었고, Mica2 [10], Micaz [11], Telosb [12] 등의모트에서는 CC1000 [13], CC2420 [14] 과같은라디오모듈을통해통신이이루어진다. 여기에서는 Telosb에서사용하는 ISM band인 2.4GHz 대역의라디오모듈 CC2420을기반으로총 16개의채널을사용할수있는환경을고려한다. 기존에제안된많은수의맥프로토콜들은단일채널환경에서동작되도록설계가되어있기때문에다중채널환경을적용하기에는제약사항이많다. 즉, 액티브모드와슬립모드가주기적으로동작하는비동기식맥프로토콜에서는다중채널을이용하려면프로토콜설계의변경이필요하다. ISM band의채널상태는주변환경의변화로인해영향을받을뿐만아니라다양한요인에의해채널환경이변하게된다. 따라서이용하고자하는채널이통신가능상태인지를확인해야한다. 그러나통신이이루어질채널의상태를미리확인하고체크하여이를바탕으로실제통신을하기에는그비용적인측면이너무커진다. 따라서다음과같은사항을가정한다. 센서네트워크에서는 2.4GHz 대역에서이용할수있는전체채널의수가 16로많이있고랜덤하게채널을선택할경우특정노드에의해사용되고있지않을수있다고본다. 그리고기존의에드혹에서연구된다중채널을사용한맥프로토콜과다르게동기식방식이아니라비동기식방식을고려한다. 하드웨어비용을최소화하기위해서통신인터페이스는하나가있는것으로한다. 따라서하나의노드가통신을하는데있어서여러개의채널을같은시점에동시에이용할수는없다 [15]. 이러한가정을바탕으로그림 1 에서와같이제안 하는 SPMC-MAC의동작과정을보면먼저특정이벤트를감지하여데이터를보내려고하는송신노드는데이터를보내기전에수신노드가깨어날시점에맞추어서미리깨어난후지정된기본채널을통해서짧은프리앰블을보내게된다. 이프리앰블의길이는식 (1) 에의해서계산된것이다. 송신노드는대상수신노드가깨어날시점과프리앰블의길이를고려하여그전에깨어나서프리앰블을보내기시작한다. 이짧은프리앰블내에는대상노드의 ID 정보와데이터전송을위해함께이동하려는 16개의채널중에랜덤하게선택한채널에대한정보가담겨있다. 이프리앰블을받은수신노드는자기의 ID와프리앰블에포함된노드의 ID 정보가같은지확인하고, 그와동시에데이터를송 수신할랜덤채널을확인한다. 대상노드가맞으면수신노드는바로송신노드에게 early ACK을보낸다. 대상노드가아닌다른노드들은다시슬립모드로들어가게된다. 수신노드는프리앰블에서확인한랜덤채널로이동하여데이터를수신할준비를하고대기한다. early ACK을받은송신노드는프리앰블에실어보냈던채널로이동하여데이터를보내고최종적으로대상수신노드로부터 data ACK 을수신후다시슬립모드로들어가게된다. 여기에서는전체 16개의채널중에하나의채널을기본채널로하여프리앰블과 early ACK을송 수신하기위해사용하고, 나머지 15개의채널은데이터와 data ACK을송 수신하기위해사용된다. 통신가능범위 (Communication Range) 내에서로다른송신노드와수신노드간에통신이이루어질경우단일채널환경에서는어느노드간송 수신이이루어질때다른노드들은전송이끝날때까지기다려야하지만, 다중채널환경에서는기본채널에서짧은프리앰블이전송되고, 전송이성공적으로이루어진경우상대적으로크기가큰데이터는랜덤하게선택된다른채널에서송 수신이이루어진다. 따라서데이터를보내고자하는다른노드들이다시기본채널을사용하여프리앰블을보내는절차를수행할수있고, 그에따라서전송률이향상된다. 2.3 전송세기제어무선센서네트워크에서데이터를전송하기위해사용하는파워의세기는최대로고정되어있고모든노드는전송시최대전송세기를사용하여데이터를보낸다. 에너지소모를최소화하여네트워크의수명을연장해야하므로고정된최대전송세기 879
한국통신학회논문지 '08-10 Vol. 33 No. 10 의사용은개선되어야한다. 따라서이러한문제를해결하기위한방법으로센서노드들은통신이이루어지는노드들사이의거리정보를바탕으로전송세기를제어하고이를통해에너지소모를줄일수있다. 또한노드들의배치가조밀 (Dense) 할경우다중채널의사용을통해노드들간의불필요한간섭을배제할수있다 [8]. Telosb [12] 센서노드에서사용하는 CC2420 [14] 통신모듈에서는데이터를전송하기위한송신파워의세기를여러단계로나눠서보낼수가있다. 그리고 RSSI(Received Signal Strength Indicator) 를이용하여송신노드가보낸데이터의신호세기를수신노드가수신하여이를바탕으로수신가능한데이터인지의여부나케리어센스 (Carrier Sense) 를수행하는기준으로사용한다. 최초이웃노드의정보를획득하는노드초기화과정에서각각의노드에대한거리를계산할수있다. 이거리정보를바탕으로그림 2에서와같이 5단계의전송파워세기를구분하여나누고분류를한다. 분류된정보는이웃노드정보테이블에노드별로추가정보로저장하고, 데이터를송신하려는노드는이웃노드정보테이블에서대상노드에해당하는최소의전송파워세기를확인하여전송한다 [16]. 전송파워의단계가결정되어적용되는절차를보면먼저송신노드는자기의최대파워를이용하여이웃노드들에게데이터를보내기위하여사전에짧은프리앰블을보내게된다. 이프리앰블을받은대상노드는 RSSI를통해파워세기를측정하여가장최적의파워세기로보낼수있는단계를결정하여 early ACK을보낸다. 여기에서의전송파워단계의결정은이웃노드테이블에데이터송 수신이이루어질때마다업데이트된해당노드 ID와의통신가능파워세기단계와새롭게측정한파워세기단계를비교하여큰단계를선택한다. 이유는채널환경이수시로변한다고보고더안좋은채널상황을고려하려는것이다. early ACK을받은송신노드도 RSSI를이용하여수신파워를측정한 Maximum power level A node Levels of transmission power 그림 2. 전송세기레벨 1 2 3 4 5 Maximum power Adjusted communication range to reduce interference Proper power to send short preamble Optimal power to send data 그림 3. 전송세기제어의예후최적의전송파워를이용하여데이터를보내게된다. 마지막으로수신노드에서는데이터의 ACK 도전송파워제어를해서보내게된다. 전송파워세기의조절을통해더욱더에너지소모를줄일수있게되는것이다. 대부분특정지역에노드를배치시킬때위치를지정하여배치시키지않기때문에노드들의밀집도 (Density) 는다양할것이다. 따라서인접한이웃노드들의배치를기준으로분류하면크게 Ⅰ. 조밀하거나, Ⅱ. 적정하거나, 혹은 Ⅲ. 듬성듬성할것이다. Ⅱ, Ⅲ에해당하는노드배치의경우크게문제가되지않는다. 그러나 Ⅰ의경우와같이노드가조밀하게배치되어있을경우에는인접한노드간에데이터전송시간섭이증가하게된다. 따라서이를해결하기위해그림 3에서와같이이웃노드의수를고려하여적정이웃노드가되도록프리앰블의전송파워세기를조절하는것이다. 만약자신의이웃노드가 50개가있을경우적정이웃노드가 20개라면데이터를전송하기전에보내는짧은프리앰블을보낼때최대파워를사용하여보내는것이아니라 20개의이웃노드들만들을수있는파워세기로보내는것이다. 이를통해노드의배치가조밀할경우데이터전송으로인한상호간섭을줄일수있다. Ⅲ. 에너지소모분석제안하는 SPMC-MAC의에너지소모를수학적분석을통해대상이되는 X-MAC과비교분석하여이론적인에너지소모의감소량을계산한다. 여기에서는데이터한패킷을전송하기위해필요한에너지소모를비교분석한다. 매체사용경쟁 (Contention) 은기존의 X-MAC과동일한조건으로본분석에서는동일한케리어센싱 (Carrier Sensing) 시간을할당한다. 센서네트워크의노드는시간당전력소모를줄이고수명을늘리기위해일정시간의주기 (Cycle) 를가지고짧은시간동안만액티브모드 (Active 880
논문 / 무선센서네트워크에서다중체널과전송세기제어를이용한맥프로토콜 표 1. 사용된변수값 Item P tx P rx P s S p, S al, R l, R a S d R d D cs S pal R cd T Data Rate Value 57.6 mw 74.4 mw 0.00183 mw 0.26 ms 50 byte 30 ~ 50 byte 0.13 ms 0.52 ms (Sp+Sal) 30 ppm 16 ms (dyte cycle:10%) 250 Kbps 그림 4. 에너지소모량비교 (SPMC-MAC/X-MAC) Mode) 로동작하고대부분의시간은최소한의필요한전력만을소비하는슬립모드 (Sleep Mode) 로동작한다. 데이터패킷하나를보내기위해서소모되는예상에너지는송신과수신으로나누어생각할수있다. 먼저송신시소모되는에너지는다음과같이나타낼수있다. 사용되는변수값은표 1과같다. Es = (carrier sense energy) + (preamble power * lev el of power control + power for ACK listen) * (exp ected preamble-listen iteration according to time of cl ock drift) + (energy to send packet using multi chan nel * level of power control ) (2) 송신과수신시소모되는전력은각각 P rx 와 P tx 이고, D cs 는데이터전송이가능한지확인하는케리어센싱 (Carrier Sensing) 시간이고, S tpad 은클럭오차를고려한프리앰블의최대길이의시간이며, L pc 는단계별파워세기의비율을의미하고, S d 는데이터의전송시간이다. 다음으로수신시소모되는에너지는다음과같이나타낼수있다. Er = (listen energy) + (energy to send a early ACK * level of power control ) + (energy to receive pack et using multi channel) + (energy to send a data AC K * level of power control ) (3) 짧은프리앰블을수신하기위한시간은 R l 이고, 수신노드가 ACK을보내는시간은 R a 이다. 앞의수식들을이용하여비교대상인 X-MAC과제안하는 SPMC-MAC의데이터패킷하나를송 수신할때소모되는에너지를계산하였다. SPMC-MAC에서전송파워의세기는배치된노드가균일할경우평균적으로절반정도 (P rx/2) 의에너지감소가있을것으로가정하였다. X-MAC에서는송신노드가데이터를보내려고할경우수신노드의깨어날시점을모르기때문에한주기 (T) 동안짧은프리앰블을보내게되는데평균적으로절반정도 (T/2) 의시간이경과하여수신노드가깨어난다고가정하였다. 그림 4는 SPMC-MAC과 X-MAC에서각각데이터패킷하나를송 수신할경우에소모되는에너지를나타낸다. 수신시에는에너지소모차이가거의없으나송신시에는약 11배정도의차이가난다. 그이유는짧은프리앰블의길이를최소화하고전송세기제어를함으로써상대적으로평균 T/2의길이만큼프리앰블을보내야하고전송세기제어기능이없는 X-MAC에비해서에너지소모가줄어들기때문이다. Ⅳ. 모의실험 4.1 실험환경제안하는맥프로토콜의성능과기존맥프로토콜의성능을비교하기위해서 NS-2 Simulation Tool을이용하여실험환경을구성하였다 [17]. 모의실험을위한일반적인시스템매개변수값들은아래표 2와같다. 시뮬레이션에서는크게단일홉 (Single Hop) 에서의에너지소모량과다중홉 (Multi Hop) 에서의데이터수율 (Throughput) 로이두가지를중점적으로실험하기위해구성하였다. 첫번째로데이터를발생시키는노드수를증가시키면서그에따른평균에너지소모량을측정하였다. 또한노드의수를고정한상태에서메세지의생성간격을증가시키면 881
한국통신학회논문지 '08-10 Vol. 33 No. 10 표 2. 시뮬레이션파라메터 Components Setting Simulator NS-2 simulator V 2.31 Topology Star/Grid topology(800x800) Square Node Number 2 ~ 10, 200(20x10) Node Placement Uniform Data Size 50 and 300 byte Routing Layer AODV MAC Layer SPMC-MAC / X-MAC Radio Layer IEEE 802.15.4 24GHz (channel 16) Radio Bandwith 250 Kbps Energy Usage Receive:23mA, Transmit:17.5mA Idle:21uA, Sleep:1uA Power Levels 1 ~ 5 (steps) Distance of levels 10, 20, 30, 40, 50 (m) Duty Cycle 10, 1, 0,1 (%) 그림 5. SPMC-MAC 과 X-MAC 의에너지소모비교 (Number of nodes, packet size of 50 bytes.) 서그에따른에너지소모량을측정하였다. 데이터수율 (Throughput) 은메시지의생성간격을고정시킨상태에서노드의수를증가시키면서측정하였다. 시뮬레이션에서비교하는시스템군은기존맥프로토콜인 X-MAC과의성능비교를실시하였고제안하는 SPMC-MAC은 4개로세분화하여실시하였다. 이용하는채널수와전송세기제어의유무에따라서구분한것이다 (1. single channel w/o power control, 2. single channel w/ power control, 3. multi channel w/o power control, 4. multi channel w/ power control). 4.2 에너지소모측정그림 5는패킷사이즈가 50 bytes인경우에노드수를증가시킴에따라노드마다소모하는평균에너지의변화를보여준다. 그림 6은패킷사이즈가 300 bytes인경우의에너지소모를나타낸다. 결과를보면노드수가증가함에따라기존의 X-MAC 은급격하게에너지소모량이증가하는것을볼수있다. 그림 5에서는노드의수가 8일때제안한프로토콜은기존프로토콜에비해약 5배의성능향상을확인할수있고, 그림 6에서는노드의수가 8 일때약 3배의성능향상을확인할수있다. X-MAC에서송신노드는수신노드의깨어날시점을모르기때문에데이터를보내기위해짧은프리앰블을계속해서보내야하고이로인해노드간에경쟁과간섭이증가하게된다. 또한다중채널과전송세기제어를사용하는 SPMC-MAC이사용하지않는경우보다약 0.5배에너지소모가적은것을알수있다. 그림 6. SPMC-MAC 과 X-MAC 의에너지소모비교 (Number of nodes, packet size of 300 bytes.) 그림 7, 8은메시지도착시간 (Message Inter-arrival Period) 에따라노드마다소모하는평균에너지의변화를보여준다. 같은메시지도착시간에서 SPMC-MAC이 X-MAC보다에너지소모가더작지만시간간격이커짐에따라에너지소모의차이가적어지는것을알수있다. 이것은메시지도착시간이커짐에따라경쟁과간섭이적어지기때문이다. 그림 7. SPMC-MAC 과 X-MAC 의에너지소모비교 (Message inter-arrival time, packet size of 50 bytes.) 882
논문 / 무선센서네트워크에서다중체널과전송세기제어를이용한맥프로토콜 율 (Throughput) 에서좋은성능을보여주고, 패킷손실율에서도좋은성능을보여줌을알수있다. 이결과는 SPMC-MAC이다중채널과전송세기제어를이용하기때문에로드 (Load) 를분산시키고간섭이줄어들어서나온결과이다. Ⅴ. 결론 그림 8. SPMC-MAC 과 X-MAC 의에너지소모비교 (Message inter-arrival time, packet size of 300 bytes.) 4.3 수율 (End-to-End Throughput) 측정 그림 9에서는그리드토폴로지 (Grid topology) 에서 SPMC-MAC과 X-MAC의수율 (Throughput) 을비교하였고노드의수를 50에서 200까지변화시키면서측정하였다. 그림 10에서는노드수의변화에따른패킷손실율을측정하였다. 경쟁하는노드수에거의상관없이 SPMC-MAC이 X-MAC 보다평균수 그림 9. SPMC-MAC 과 X-MAC 의수율 (Throughput) 비교 본논문에서제안한다중채널과전송세기제어를사용하는비동기방식의맥프로토콜인 SPMC- MAC은에너지소모를줄이기위해수신노드의깨어날시점을계산하여최소의프리앰블만을보내고다중채널을이용하여데이터를전송하고, 또한수신노드의거리에따라전송세기를조절한다. 짧은프리앰블안에송 수신노드가함께이동할랜덤채널정보를포함하여비동기방식으로다중채널을사용할수있도록하여데이터수율을향상시켰다. 또한노드의배치밀도가높을경우프리앰블의전송세기를조절하여노드들이데이터를전송하도록함으로써불필요한간섭과충돌을회피하였다. 제안하는맥프로토콜의장점으로는이웃노드의시작시간정보를바탕으로짧은프리앰블의길이를더욱슬림하게만들어서에너지소모를줄였고, 데이터의전송세기제어를통해추가적인에너지소모를줄인것이다. 또한다중채널을사용하여데이터의수율을향상시킨것이다. 단점으로는다중채널과전송세기제어를사용함으로인해복잡도가높아지고, 계산량이많아지며, 노드의 CPU 사용량이증가할수있다. 그리고이웃노드들에대한정보량이많아짐으로인해추가적인메모리소요가발생된다. 그러나그소요는크지않을것으로본다. 결론적으로제안하는맥프로토콜은기존의맥프로토콜보다에너지소모를더줄이고데이터의수율을향상시키는효과가뛰어남을알수있다. 끝으로앞에서언급했던노드초기화를통해만든이웃노드정보테이블을이용하여제안맥의성능을더욱향상시킬수있는새로운라우팅알고리즘에대한연구는향후과제로남겨둔다. 참고문헌 그림 10. SPMC-MAC 과 X-MAC 의패킷손실율 (Packet drop ratio) 비교 [1] I. F. Akyildiz, W.Su,Y.Sankarasubramaniam, and E. Cayirci, Wireless sensor networks: a survey, 883
한국통신학회논문지 '08-10 Vol. 33 No. 10 Computer Networks, Mar. 2002. [2] A. Mainwaring, J. Polastre, R. Szewczyk, D. Culler, and J. Anderson. Wireless sensor networks for habitat monitoring, ACM Int. Workshop on Wireless Sensor Netwroks and Applications, Sep. 2002. [3] T. Dam and K. Langendoen, An adaptive energy-efficient mac protocol for wireless sensor networks, ACM SenSys, Nov. 2003. [4] J. Polastre, J. Hill, and D. Culler, Versatile low power media access for wireless sensor networks, ACM SenSys, Nov. 2004. [5] A. El-Hoiydi, J.-D. Decotignie, C. Enz, and E. Le Roux, WiseMAC: An ultra low power MAC protocol for the wisenet wireless sensor networks (poster abstract), ACM SenSys, Nov. 2003. [6] M. Buettner, G. Yee, E. Anderson,and R. Han, X-MAC : A Short Preamble MAC Protocol For Duty-Cycled Wireless Sensor Networks, ACM SenSys, 2006. [7] Wei Ye, Fabio Silva, and John Heidemann, Ultra-Low Duty Cycle MAC with Scheduled Channel Polling, ACM SenSys, 2006. [8] Q. S. Wang, X. M. Zhang, T. Ma, and H. Tang, A survey of power control I ad hoc wireless networks, Journal of Computer Science, Jul. 2004. [9] G. Zhou, C. Huang, T. Yan, T. He, J. Stankovic, and T. Abdelzaher, IEEE 802.15 WG, Standard for Part 15.4, Wireless Medium Access Control Layer (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), Oct. 2003. [10] Crossbow Technology Inc., Mica2 data sheet, http://www.xbow.com/. [11] Crossbow Technology Inc., Micaz data sheet, http://www.xbow.com/. [12] Moteiv telosb motes. http://www.moteiv.com. [13] Chipcon Inc., cc1000 data sheet, http://www.chipcon.com/. [14] Chipcon Inc., cc2420 data sheet, http://www.chipcon.com/. [15] T. Abdelzaher, MMSN: Multi-Frequency Media Access Control for Wireless Sensor Networks, IEEE INFOCOM, 2006. [16] Z. Zhao, X. Zhang, P. Sun, and P. Liu, A Transmission Power Control MAC Protocol for Wireless Sensor Networks, International Conference on Networking, 2007. [17] ns-2 simulator, http://www.isi.edu/nsnam/ns. 차윤장묵 (Jang-Muk Yoon) 정회원 1997년 2월강남대학교산업공학과졸업 2003년 2월고려대학교전산정보전공석사 2008년 2월서울대학교전기컴퓨터공학부석사 < 관심분야 > 차세대무선네트워크, 네트워크보안박세웅 (Saewoong Bahk) 종신회원 1986년 2월서울대학교전기공학과석사 1991년 12월 Univ. of Pennsylv ania 박사 1991년 12월 ~1994년 3월 AT&T 벨연구소연구원 1994년 3월 ~ 현재서울대학교전기공학부교수 < 관심분야 > 차세대무선네트워크, 네트워크보안트워크, 네트워크보안 884