Fast Avoidance of Co-channel Interference in IEEE 802.15.4 Networks

Abstract

Demand for short-distance wireless services has dramatically increased the use of 2.4 GHz unlicensed industrial, scientific and medical (ISM) spectrum band, making the coexistence of heterogeneous communication systems much complicated. IEEE 802.15.4 is a standardized specification for low-rate wireless personal area networks (LR-WPANs) operating in the ISM band and is under consideration as a communication protocol for sensor networks. However, recent works have shown that IEEE 802.15.4 WPAN is quite susceptible to the presence of interference from coexisting radio systems such as IEEE 802.11x wireless local area networks (WLANs). Nevertheless, IEEE 802.15.4 and its variations do not employ an interference alleviation mechanism (e.g., channel hand-off). In this thesis, we first investigate conventional interference avoidance schemes. It is shown that the conventional schemes may not work properly in the presence of multiple interference sources. We consider the performance improvement of IEEE 802.15.4 systems by means of channel hand-off in the presence of co-channel interference from other systems. To this end, the proposed scheme first detects the presence of co-channel interference by means of transmission performance testing and channel sensing in a distributed manner. The network coordinator can reliably notify the presence of co-channel interference to its child nodes by repeatedly broadcasting the channel hand-off command. The hand-off candidate channels are predetermined in consideration of the characteristics of interference signal. The proposed scheme finally determines the hand-off channel after the performance measurement of transmission through the hand-off candidate channels. The recovery time can be reduced by temporarily turning off the duty-cycling during the channel hand-off process. Simulation results show that the proposed scheme significantly outperforms conventional schemes even in the presence of heavy interferences.

최근 유비쿼터스 무선 서비스에 대한 수요는 2.4 GHz 비면허 대역의 통신을 급격히 증가시켜 이 기종 통신 시스템 간 공존 문제를 어렵게 만들고 있다. IEEE 802.15.4는 ISM 대역에서 동작하는 저속 무선 개인 영역 네트워크를 위한 표준이며 센서 네트워크를 위한 가장 적합한 통신 프로토콜 중 하나로 고려되고 있다. 그러나 근래의 연구들은 IEEE 802.15.4 네트워크가 IEEE 802.11x 기반의 무선랜과 같은 이 기종 시스템 간섭에 매우 취약함을 밝혔다. 그러나 IEEE 802.15.4와 IEEE 802.15.4e가 채널 변경과 같은 간섭 완화 기능을 포함하지 않고 있으며 IEEE 802.15.4g는 데이터 율을 향상시켜 처리 이득을 저하시켜 간섭 신호에 더욱 취약하다. 본 논문은 먼저 기존 간섭 회피 기법의 성능을 분석한다. 상기 성능 분석은 높은 트래픽 부하를 가진 간섭 원이 다수 존재하는 환경에서 기존 간섭 회피 기법이 정상적으로 동작하지 않음을 밝힌다. 본 논문에서는 WLAN과 같은 이 기종 시스템에 의한 동일 채널 간섭이 존재하는 환경에서 IEEE 802.15.4 시스템의 성능 개선 방안을 고려한다. 이를 위해 제안 기법은 먼저 분산적인 전송 성능 평가와 채널 센싱을 이용하여 사용 중인 채널 내 간섭의 존재 유무를 판단한다. 네트워크 코디네이터는 채널 변경 커맨드를 반복적으로 방송(broadcast)하여 그 자녀 기기들에게 간섭의 존재를 안전하게 통보한다. 제안 기법은 채널 변경 방식을 이용하여 간섭의 영향을 빠르게 회피한다. 간섭의 존재가 확인되면, 코디네이터는 간섭 신호의 특성을 고려하여 미리 약속된 다수의 후보 채널을 순차적으로 도약하며 신호를 전송한다. 제안 기법은 각 후보 채널의 전송 성능을 비교하여 하나의 채널을 결정한다. 네트워크 내 기기들은 간섭 회피 과정 동안 duty-cycling을 임시적으로 중지하여 회복 시간을 최소화할 수 있다. 모의실험 결과는 다수의 WLAN이 존재하는 환경에서 제안 기법의 성능이 기존 기법들에 비해 매우 우수함을 보여준다.