Adaptive Random Back-Off in Timeslot for Mitigating Collisions of TSCH Networks

Abstract

Recently, as the market of Internet of Things (IoT) has been rapidly extending and developing, the research focusing on low-power wireless sensor networks has been actively ongoing. In particular, for the satisfaction of IoT requirements, many studies have been conducted using IEEE 802.15.4 TSCH (Time-Slotted Channel Hopping) based networks with characteristics of high reliability and low-power. Transmitter and receiver using TSCH can exchange the data through time-synchronized communication using timeslot. However, if multiple users transmit the packets on the same timeslot and channel in the TSCH network, severe data collisions may occur. In this paper, we propose Random Back-Off TSCH (RBO-TSCH) which helps to mitigate the collisions by proceeding a random back-off in the timeslot before transmission. In addition, to reduce the energy consumption of RBO-TSCH, we propose receiver-triggered RBO-TSCH which can adaptively control the number of a random back-off set at the receiver side. To verify this, we conduct extensive experiments and evaluate the RBOTSCH and receiver-triggered RBO-TSCH. Compared to TSCH, we demonstrate that RBO-TSCH and receiver-triggered RBO-TSCH demonstrate achieve up to 3.8 times higher reliability and have higher stability against collision in both link layer and routing layer.

최근 사물 인터넷(Internet of Things) 시장의 발전이 급성장함에 따라 저 전력, 무선 센서 네트워크에 초점을 맞춘 연구가 활발히 진행되고 있다. 특히, IoT의 요구조건을 만족하기 위해 높은 신뢰도와 저 전력의 특징을 가지는 IEEE 802.15.4 TSCH (Time-Slotted Channel Hopping) 기반의 네트워크를 사용한 연구가 많이 이루어 지고 있다. TSCH를 사용하는 송신자와 수신자는 timeslot을 이용한 시간 동기화된 통신을 통하여 데이터를 교환한다. 그러나 TSCH 네트워크의 같은 timeslot과 채널에서 다자 간 전송이 일어나게 될 경우, 심각한 데이터 충돌이 발생하게 된다. 이에 따라, 본 논문에서는 timeslot 내에서 랜덤하게 back-off를 진행 후 전송하게 함으로써 충돌을 회피할 수 있게 하는 Random Back-Off TSCH (RBO-TSCH)를 제안하였다. 더하여, RBO-TSCH의 에너지 소비를 줄이기 위해 송신자가 랜덤 back-off set의 개수를 적응적으로 제어하는 receiver-triggered RBO-TSCH를 제안하였다. 이를 검증하기 위해, 여러 실험들을 수행하였으며, RBO-TSCH와 receiver-triggered RBO-TSCH를 평가하였다. TSCH와 비교하여, 두 기법이 최대 3.8배 높은 신뢰성을 가지며, 링크 계층과 라우팅 계층에서 모두 충돌에 대하여 더 높은 안정성을 가진다는 것을 증명하였다.