EH-WSN에서 에너지 효율성 향상과 전송지연 감소를 위한 MAC 프로토콜 :

박석우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 박석우 (군산대학교, 군산대학교 대학원)

발행연도: 2019

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2019

EH-WSN에서 에너지 효율성 향상과 전송지연 감소를 위한 MAC 프로토콜

박석우 전자정보공학부 2019.01 학위논문

EH-WSN에서 에너지 효율 향상 및 전송지연 축소를 위한 MAC 프로토콜 설계

박석우 , 나인호 스마트미디어저널 2019.01 학술저널

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최근 들어 무선통신기술의 급격한 기술 발전에 의해 무선 센서 네트워크는 의료, 군대, 홈 네트워크, 환경 모니터링 등과 같은 다양한 응용 분야에 활용되고 있다. 일반적으로 무선 센서 네트워크를 구성하는 센서 노드는 제한된 용량의 배터리를 사용한다는 문제점을 지니고 있기 때문에 배터리 고갈 시에는 네트워크의 수명에 문제가 발생하게 되며, 배터리 교체 시에는 이에 따른 운영 비용(OPEX)이 추가적으로 발생하게 된다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 주변 환경에서 RF(Radio Frequency) 에너지를 수확 기술을 이용하여 네트워크 수명을 연장하고 무선 센서 네트워크의 에너지 효율(Energy Efficiency)을 높이려는 에너지 하베스팅 무선 센서 네트워크(Energy-harvesting Wireless Sensor Network) 구축 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 본 논문은 무선 센서 네트워크에서 에너지 수확기술을 이용하여 네트워크의 수명을 극대화하고 응용 프로그램에서 요구하는 전송서비스 품질을 만족시킬 수 있도록 낮은 지연을 제공하는 매체접근제어(Media Access Control) 프로토콜 설계의 방법과 성능평가 방안을 제시한다.
본 논문에서 제시한 MAC 프로토콜의 수행 절차는 다음과 같다. 먼저 기존 알고리즘을 기반으로 네트워크 트래픽 양을 추정하여 Superframe Order(SO) 값을 조정한다. 그 다음 수확된 에너지 관리 메커니즘을 이용하여 센서 노드의 수면 시간을 조정하고 센서 노드의 잔여 에너지와 전송 시 필요한 임계 에너지를 기반으로 수면 시간을 결정하여 Beacon Interval(BI) 값을 조정한다. 그리고 이전의 트래픽 양과 현재 트래픽 양을 비교하여 SO 값을 조정하여 불필요한 에너지 소비를 최소화하고 적절한 수면 시간을 통하여 데이터 지연을 감소시킬 수 있도록 하였다.
마지막으로, 본 논문에서는 처리량, 지연, 에너지 소비 측면에서 제안된 알고리듬의 성능을 ABSD 및 RF-AASP 알고리즘과 비교하였다. 시뮬레이션을 통한 성능분석 결과를 통하여 제안된 알고리즘을 적용하면 트래픽 양이 증가할 때, 에너지 소비량이 기존의 RF-AASP 알고리즘 보다 약 10% 감소하고 지연시간은 최대 7%까지 감소하는 것을 보였다. 또한, 처리량은 ABSD 알고리즘보다 높고 RF-AASP 알고리즘보다는 약간 낮은 수준을 보였다.
에너지 수확 기술을 사용할 때에는 주변 환경으로부터 얻게 되는 에너지 수확량에 따라 네트워크 수명 연장 시간이 결정되기 때문에 향후에는 제안된 EH-WSN MAC 프로토콜을 실제 환경에서 수집한 RF 에너지 수확 데이터 세트에 적용하는 다양한 실험을 통해 그 성능을 향상시키고자 한다.

Recently, according to rapid advances in wireless communication technology, wireless sensor networks(WSN) have been widely used in various applications such as medical, military, home network, and environmental monitoring. In general, a sensor node in WSN has limited battery problem. When the battery runs out, a problem occurs in the life of the network, and an operating expense (OPEX) is incurred when the battery is replaced. In order to resolve this problem, various researches have been performed on Energy-Harvesting WSN that can extend the life time of WSN and increase the energy efficiency (EE) by using energy harvesting technology collecting energy from diverse radio frequency (RF) energy sources.
In this thesis, we propose a novel MAC protocol for EH-WSN that maximizes the network life time and satisfies the quality of transmission service with low delay requested from applications. And it also suggests a method for evaluating the performance of the proposed MAC protocol.
Whole procedure of the proposed MAC protocol is as follows. Firstly, it adjusts Superframe Order (SO) value by estimating the amount of network traffic based on an existing algorithm. And then it adjusts the sleep time of a sensor node using a harvested energy management mechanism, hence Beacon Interval (BI) value can be properly adjusted by determining the sleep time through the residual energy of the sensor node and the critical energy required for transmission. By comparing the amount of previous traffic with the amount of current traffic, the SO value is adjusted to minimize unnecessary energy consumption and reduce data delay through proper sleep time.
Finally, performance analysis of algorithms included in the proposed MAC protocol is carried out compared with the ABSD and RF-AASP in terms of throughput, E2E delay and energy consumption. The simulation results show that as the number of traffic increases, the proposed algorithm reduces energy consumption by about 10% compared with the existing RF-AASP algorithm. The latency is reduced by up to 7% and the throughput is higher than ABSD algorithm and lower than RF-AASP algorithm.
In fact, the extension of life time of EH-WSN network is varied accoroting the amount of energy harvesting from ambient energy sources, diverse experiments with the RF-EH data set acquired from real RF fields are necessary for enhancing the performance of proposed EH-WSN MAC protocol in future.

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