무선 센서 네트워크를 위한 에너지 효율적인 MAC 프로토콜 : An Energy Efficient MAC Protocol Using Wakeup Procedure for Wireless Sensor Networks
- 발행기관 고려대학교 공학대학원
- 발행년도 2004
- 학위명 박사
- 학과 공학대학원:전자·컴퓨터공학전공
- 식별자(기타) DL:000014914357
- 서지제어번호 000045213006
초록/요약
"In wireless sensor networks, energy efficient design for sensor nodes is very important to extend lifetime of the whole sensor network system. The wireless sensor nodes, being a microelectronic device, can only be equipped with a limited power source such as small battery. In some application, replenishment of power resources might be impossible. Therefore, sensor node's lifetime is depend on battery lifetime. In this thesis, a new MAC protocol for wireless sensor networks, called F-MAC(final medium access control), that dramatically improves the sensor node's lifetime by reducing energy consumption, is proposed. Existing MAC protocols (S-MAC, T-MAC) for sensor networks reduce the amount of energy wasted in listening to idle state by sending sleep state to the node periodically. However, the energy efficiency will be decreased in a network environment, that has low message rate and insensitivity to latency. To improve energy efficiency in the environment, F-MAC introduces a wakeup procedure with single channel radio architecture, which shows a better performance than S-MAC and T-MAC eventually. Energy consumption of a sensor node is directly proportional to the length of active time. Therefore, energy efficiency can be evaluated by analyzing active time of each MAC protocol mathematically. For example, battery lifetime of a sensor node which adopts F-MAC protocol, is 2~17 times longer than a node with existing MAC protocols. Proposed protocol does not require another radio for communicating wakeup packets. That is, though the sensor node is composed of general wireless architecture, this technique provides the highest energy efficiency by reducing idle listening time significantly."
more초록/요약
무선센서 네트워크에서 각 센서 노드의 에너지 효율적인 설계는 전체 센서 네트워크 시스템의 수명을 연장 시킬 수 있는 중요한 요소이다. 일반적으로 전자 부품으로 구성된 센서 노드는 소형 배터리와 같은 제한된 전원 공급 장치에 의하여 동작된다. 응용 분야에 따라 전원의 교체나 충전은 불가능할 수 있으므로 센서 노드의 수명은 곧 배터리 수명에 달려있다고 볼 수 있다. 본 논문에서는 무선센서 네트워크를 위한 새로운 프로토콜로서 대폭적인 에너지 절감을 통해 센서 노드의 수명을 더욱 연장시킬 수 있는 F-MAC(final medium access control) 프로토콜을 제안하였다. 기존에 연구된 센서 네트워크에서의 MAC 프로토콜(S-MAC, T-MAC)들은 주기적으로 센서 라디오(radio)를 슬립(sleep) 상태로 보냄으로써 수신 대기 상태(idle listening state)에서 낭비되는 에너지를 많이 감소시켰다. 그러나 낮은 메시지 발생율과 전송 지연에 민감하지 않은 네트워크 환경 하에서의 에너지 효율은 떨어진다. 그와 같은 환경 하에서 에너지 효율을 개선하기 위하여 본 논문에서는 단일 채널 라디오 구조를 사용하면서 wakeup 방식을 적용한 F-MAC 프로토콜을 설명하고, S-MAC과 T-MAC보다 더 낳은 에너지 절감 결과를 보여준다. 센서 노드의 에너지 소모는 노드의 액티브 시간에 비례하므로, 각 MAC 프로토콜에 대한 액티브 시간의 수학적 분석을 통하여 에너지 효율을 평가하였다. 본문에서 제시한 예에서처럼, F-MAC 프로토콜을 적용한 센서 노드의 배터리 수명은 기존의 MAC 프로토콜을 적용한 것 보다 2~17배 더 길어진다. 제안된 프로토콜에서는 wakeup 패킷 송수신을 위한 별도의 라디오가 필요치 않으므로 일반적인 구성의 센서 노드를 이용하면서도, 수신 대기시간을 최소로 단축시킴으로써 에너지 효율을 매우 높일 수 있다.
more목차
제 1 장 서 론 .............................................................. 1
제 1 절 연구배경 및 목적 ........................................... 1
제 2 절 본 논문의 구성 .............................................. 3
제 2 장 기존 무선센서 네트워크의 MAC 프로토콜 ............. 5
제 1 절 Sensor MAC 프로토콜 ................................... 5
1. 주기적인 듣기(listen)와 슬립(sleep) ...................... 5
2. 충돌(collision)과 엿듣기(overhearing) 회피 ............ 10
3. 메시지 전달(message passing) ........................... 11
4. 에너지 절감과 지연(energy saving & latency) ........ 12
제 2 절 Timeout MAC 프로토콜 ................................. 14
1. T-MAC의 기본 구조 ........................................... 14
2. RTS 동작과 타임아웃 시간 ................................... 15
제 3 절 Wakeup Radio를 활용한 프로토콜 .................... 19
1. Dual Radio의 동작 .............................................. 19
2. Sparse Topology and Energy Management(STEM) 21
제 3 장 제안된 MAC 프로토콜 ....................................... 22
제 1 절 Final MAC 프로토콜 ...................................... 22
1. 기본 구조 .......................................................... 22
2. 동기화(synchronization) ..................................... 24
제 2 절 Final MAC의 동작 ......................................... 25
1. 비 동기 노드의 동작 ............................................ 25
2. 동기 노드와 멀티 홉 동작 ..................................... 29
제 4 장 성능 분석 및 결과 ............................................ 31
제 1 절 수학적 분석 ................................................. 31
제 2 절 결과 및 고찰 ................................................ 34
제 3 절 센서 노드의 소비 전력 .................................... 37
제 5 장 결론 및 향후 연구과제 ....................................... 41
참고문헌 ..................................................................... 43
