무선 센서 네트워크에서의 전송 자원 관리 기술

Abstract

무선 센서 네트워크를 사용하여 산불 감시, 농장 관리, 공장 자동화, 가정 자동화 등 다양한 IoT 서비스 구현을 위해서는 다양한 트래픽을 처리할 수 있는 저전력 통신 기술이 요구된다. 무선 센서 네트워크 구축에 널리 쓰이는 ZigBee는 CSMA/CA를 사용하여 신호를 송수신하므로 대규모/고밀집 환경에서 신호 송수신 경쟁 및 숨은 기기 충돌로 인한 전송 성능 저하가 심각하다. ZigBee는 신호를 송수신하는 활성 구간과 휴식을 취하는 비활성 구간으로 이루어지는 프레임 구조를 사용하여 전력 소모를 줄일 수 있으나 각 부모 기기의 자녀 기기 수와 트래픽을 고려하지 않고 동일한 크기의 활성 구간을 사용하므로 패킷 손실 및 전력 낭비 문제가 발생할 수 있다. 본 논문에서는 패킷 송수신 성능을 향상시키며 전력 소모를 최소화하는 전송 자원 관리 기법을 제안한다. 부모 기기는 활성 구간의 일부를 자녀 라우터들에게 TDMA 방식의 전용 전송 자원으로 할당하고, 나머지 활성 구간을 자녀 종단 기기들에게 CSMA/CA 방식의 공용 경쟁 전송 자원으로 할당하여 신호를 송수신하게 한다. 각 기기들은 송신하는 패킷에 다음에 송신할 패킷의 정보와 버퍼 경고 정보를 포함시켜 전송하여, 부모 기기들이 자녀 기기들과의 상/하향 트래픽을 인지하여 패킷 송수신에 필요한 전송 자원과 자신의 활성 구간 크기를 적응적으로 조정한다. 또한, 상기 전용 전송 자원을 사용하는 부모-자녀 기기들은 할당된 자원에서 상기 다음에 송신할 패킷의 정보에 따라서 송수신 역할을 변경하며 상/하향으로 패킷을 송수신하고, 전체 활성 구간에서 송수신을 완료한 기기들은 수면 상태로 전환한다. 모의 실험을 통해 제안 기법의 성능을 다양한 통신 환경에서 검증한다.

It is required for the deployment of Internet of things (IoT) services to employ low-power communication technology that can support a various kinds of traffic in wireless sensor networks (WSNs). ZigBee has been applied to the construction of WSNs, but it may not provide desired transmission performance mainly due to the use of carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA) which is vulnerable to signal collision and hidden node problems in large-scale WSNs. ZigBee can save power consumption with the use of duty-cycle frame structures comprising active and inactive period, but it may seriously suffer from packet loss and power waste mainly due to the use of active period of a fixed equal size without consideration of the size of child devices and traffic. In this thesis, we consider the resource management to improve packet transmission performance and to reduce power consumption in cluster-tree structured WSNs. A parent device utilizes a portion of its active period as exclusive resource to its child routers for time division multiple access (TDMA) and the rest of its active period as common resource to its child end devices for CSMA/CA. Each device transmits its packets including the information of the next packet and buffer status, enabling its parent device to adaptively allocate the resource to its child devices and its active period as well. Moreover, the proposed scheme utilizes the allocated resources efficiently by changing transmission and reception role according to the priority of transmitting packets and by entering sleep modes after recognizing the termination of transmission and reception. Finally, the performance of the proposed scheme is verified by computer simulation.