Analysis of Delay time by Adjusting of Check Interval in Asynchronous Wireless Sensor Network with Low Power

저전력 비동기 무선센서네트워크에서 체크인터벌 조절에 따른 지연시간 분석

Abstract

There are so many low power MAC protocols for wireless sensor network. IEEE802.15.4 among them has disadvantage of a large power consumption for synchronization. To save power consumption it use the superframe operation alternating sleep mode and awake mode. But latency is longer result from superframe operation. B-MAC can have shorter latency according to check interval. But transmitter consumes more power because of long preamble. And receiver is suffering from overhearing. In this paper, we use the adaptive check interval scheme[1] of B-MAC for enhancing the power consumption. Its maximum throughput and minimum delay is evaluated by comparing the proposed scheme with a typical single channel IEEE802.15.4.

센서네트워크를 위한 여러 가지 저전력 MAC들이 제안되어 있다. 그 중 IEEE802.15.4은 동기화로 인한 전력소모가 많은 단점을 가지며 전력소모를 줄이기 위한 수면(sleep)과 각성(awake)을 반복하는 슈퍼프레임(superframe) 동작으로 지연시간이 길어지는 단점이 있다. 대표적 비동기 B-MAC은 체크인터벌에 따라 지연시간을 짧게 할 수는 있지만 송신단에서는 과도한 프리엠블로 전력소모가 발생하며 수신단에서는 오버히어링으로 전력 손실이 발생하는 단점을 가진다. 기존 MAC들의 지연시간과 전력소모 불균형으로 인한 단점을 보완하기 위해 비동기식 B-MAC 기법에 체크인터벌을 적응형으로 운용하는 방법[1]이 제안된 바 있다. 제안 방식에 따른 스루풋과 지연시간 측면의 성능을 분석한다.

Ⅰ. 서론

무선 센서 네트워크는 환경감시, 의학 시스템, 로봇 탐사와 같은 다양한 분야에서 응용이 활발히 일어나기 시작하는 기술 분야이다. 이러한 네트워크는 주로 많은 분산된 노드들이 스스로 네트워크를 멀티-홉 형태로 구성하는 모습이다. 각 노드들은 여러개의 센서들과 임베디드 프로세서, 저전력 라디오를 갖추고 있고 주로 배터리로 동작한다. 전형적으로 이러한 노드들은 공통의 작업을 수행하도록 상호협력관계로 되어 있다.

WSN을 위한 좋은 MAC 프로토콜을 설계하기 위하여, 다음과 같은 요구사항을 고려하여야 한다. 첫째로, 에너지 효율성이다. 앞서 언급한 것처럼 센서 노드는 배터리 전력 공급 방식이므로 배터리 교체나 재충전이 어렵다. 어떤 면에서 센서노드들은 언젠가 아주 싼 가격에 제작되어 재충전해서 쓰기보다는 수명이 다하면 폐기되는 방식을 취할 것이다. 이러한 노드들로 구성된 네트워크의 수명을 연장하는 것은 아주 중요한 관심 사항이 되었다. 또 다른 중요한 사항은 네트워크 크기, 노드 밀집도, 토폴로지의 변화에 따른 유연성이다.

그 외에도 고려사항들은 공정성, 지연시간, 스루풋 그리고 대역폭 사용효율 등이 있으며 특히 트래픽이 간헐적으로 발생하며 배터리로 동작하는 무선센서 네트워크는 저전력 소모 방법이 강구되어야 한다. ^{[2, 3, 7]}

적은 에너지를 갖고 작동할 수 있는 가장 효과적인 방법은 센서노드들이 sleep과 awake 상태를 반복하면서 수명을 연장시키는 방법을 쓴다. 주기적 수면방법을 쓰는 MAC 프로토콜은 동기식 비동기식으로 분류할 수 있으며, S-MAC, IEEE802.15.4 혹은 Zigbee와 같은 동기식 방법은 네트워크에 참여하는 모든 노드들이 수면과 깨어날 때를 스케쥴 정보를 동기화 시킨다는 것을 말하며, B-MAC과 같은 비동기식 방법은 송신노드에서 수신 노드의 수면 주기보다 더 긴 프리엠블 신호를 보내고 있으면 수면상태에서 깨어난 수신노드는 이 프리엠블을 감지하고 수신상태로 작동하게 되는 방식을 말한다.

대표적인 IEEE802.15.4과 B-MAC을 통해 장단점을 살펴보면 항상 깨어 있는 방식에 비해서는 모두 에너지 소모를 줄일 수 있지만, IEEE802.15.4은 수신기에서 B-MAC은 송신기에서 전력 소모가 커진다는 것을 직관적으로 알 수 있다. CSMA/CA를 기반으로 수면상태와 동작상태를 반복하는 MAC들은 지연시간과 불균형적인 전력소모에 의해 네트워크 수명이 단축되는 단점을 안고 있다.

본 논문에서는 기존의 대표적 USN-MAC인 IEEE802.15.4, B-MAC들의 성능분석을 위한 분석적 모델을 살펴보고 상호 성능을 비교분석한다.

Ⅱ. 기존 MAC

1. IEEE802.15.4^[4] 

모든 노드들이 power-on 시점에 주기적으로 비콘 패킷으로 동기를 맞춘다. slep과 awake을 반복하는 듀티사이클에서 slep을 길게 할수록 전력소모는 줄어들지만 긴 지연시간이 발생하고 부하가 큰 상황에서는 과도한 경쟁이 발생하게 되어 throughput이 떨어진다.

2. B-MAC ^[5] 

대표적 비동기식 프로토콜이며 체크인터벌이라는 시간마다 주기적으로 LPL(Low power listening)모드에서 수신 프리엠블을 검사한다. 체크인터벌을 길게하면 할수록 전력 소모는 줄어들지만 지연시간이 길어지고 송신단의 긴 프리엠블 오버헤드가 발생한다. 변형된 모드에서는 프리엠블에서 자기가 수신 대상자가 아니면 수면으로 들어가서 오버히어링을 피할 수 있는 방법을 쓴다.

Ⅲ. Adaptive Check Interval Algorithm 

기존의 B-MAC에서는 전력소모 절감을 위한 고정적인 체크인터벌을 정하고 송신기에서는 그 인터벌 길이보다 긴 프리엠블을 송신해야만 하였다.

본 제안에서는 과거의 매체상의 채널 이용률에 따라 적응적으로 체크인터벌을 정하는 방식을 사용한다.

프리엠블 정하는 방식은 기본 프리엠블 길이와 기본 체크인터벌에서 네트워크가 시작한 후 송수신단간의 협상으로 상호 이상적인 프리엠블 길이와 체크인터벌을 정하는 방식이다.

1. tCI assignment rule 

체크인터벌(t_CI)에 따른 채널이용률(U_CH)을 구하여 트래픽 특성과 변화에 따라 어떤 한계치를 기준으로 체크 인터벌을 동적으로 조절할 수 있게 한다.

if (U_CH < U_{lower_threshold}) new t_CI = shoter than current t_CI;

if (U_CH > U_{upper_threshold}) new t_CI = longer than current t_CI;

else new t_CI = current t_CI; 

여기서, 채널이용률은 노드에서 감시 수집되며 매체상의 패킷 전송시간 점유율에 의한 채널 이용률로 산정하여 다음과 같이 구해진다.

\(U_{C H}=\sum t_{t x} / Mt_{C I}\)       (1)

여기서, t_tx는 채널이용률을 산출하는 트래픽 측정 구간 동안 발생하는 각 패킷의 전송시간을 의미하고 M번의 t_CI 시간이 경과되는 시간으로 M*t_CI으로 주어진다.

체크인터벌을 변경코자 하는 노드는 new t_CI를 포함한 폴로지 제어 메시지Topology Control meassage)를 브로드캐스트하고 네트워크 정보가 네트워크를 통해 전파되고 각 노드는 이정보에 따라 새로운 체크인터벌로 설정함과 동시에 송신시 프리엠블의 길이도 동일하게 설정한다.

2. preamble assignment rule 

프리엠블을 동적으로 조정하는 방법도 가능할 수 있다. 비동기식에서는 상대방의 체크인터벌을 모르기 때문에 충분히 긴 프리엠블을 사용하는 것이다. 이때 어떤 프리엠블 길이에서 수신단으로부터 잘 받았다는 응답이 없다면 그 전송은 실패가 된다. 실패의 원인으로는 상대방 체크인터벌보다 프리엠블의 길이가 짧아서 상대방이 인지를 못했을 경우이다.

이럴 경우 프리엠블 길이를 늘여줘야 한다. 얼마나 늘여줘야 하는지 적절한 길이는 얼마인지를 응답(ack)시 자신의 체크인터벌을 알려주어 송신측이 다음 전송부터는 이 체크인터벌을 고려하여 프리엠블 길이를 사용토록 한다.

네트워크에서 발생되는 트래픽 유형별로 봤을 때 상태를 주기적으로 보고해 주는 단순 트래픽만 수용하는 경우 채널 이용률의 변화가 매우 작게 일정한 평균값을 유지할 것이다. 이런 경우는 체크인터벌의 변화가 없을 것이다.

그러나 불규칙하게 사건이 생길 때마다 보고해 주는 경우 여러 노드들이 동시에 이벤트를 감지하고 보고가 올라오게 되므로 버스트하고 상관관계가 밀접한 트래픽 특성을 보일 경우 적응형 체크인터벌 알고리즘이 보다 효율적으로 적용될 수 있다.

Ⅳ. 성능 분석

1. IEEE802.15.4 throughput 및 delay

가능한 최대 throughput 및 최소 지연을 구하기 위하여 시스템은 최적의 전송 조건에 있다고 다음과 같이 가정한다.

1) 채널 에러가 없는 이상 채널로 가정

2) 어떤 전송 사이클에서도 단지 한 개의 액티브 스테이션이 항상 전송하고자하는 한 개의 패킷을 가지고 있고, 나머지 다른 스테이션들은 그 패킷을 받고 ACK를 제공할 수 있다고 본다.

그림 1. IEEE802.15.4 송수신 타이밍도

Fig. 1. Send/Receive timing diagram in IEEE802.15.4

- 평균 최소 backoff 시간

Backoff _ Time = a Random Number [0::2^BE-1] × BackoffSlot _ Time

으로 주어지므로 평균 backoff 시간은 다음 식과 같다.

\(\begin{array}{l} \hline \text { Backoff }_{-} \text {Time }\end{array}= \\ \frac{1}{2}\left(\sum_{i=0}^{N B}\left(2^{\operatorname{macMin} B E+i}-1\right) \times \text { Backoff Slot_ Time }\right) \)       (2)

여기서, (macMiBE=3) ≤ BE ≤ (macMaxBE=5) , NB: Number of Backoff <= macMaxCSMABackoffs 이다.

백오프(backoff) 후 채널 클리어(clear) 정보를 검출했을 때 CW(Contention Window)가 0이 될 때까지 2연속 CCA(Clear Channel Assesment) 동작으로  2*BackoffSlot_Time이 걸린다. 따라서 하나의 충돌 윈도우 CW = 2BackoffSlot_Time = 640μs가 된다.

- DATA 전송지연시간

\(\begin{array}{c} T_{D-D A T A}=\frac{L_{S H R}+L_{M H R-D A T A}+L_{D A T A}+L_{M F R}+L_{P H R}}{R_{\text {ate }}} \end{array}\)       (3) 

- ACK 전송지연시간

\(\begin{array}{c} T_{D-A C K}=\frac{L_{S H R}+L_{M H R-A C K}+L_{A C K}+L_{M F R}+L_{P H R}}{R_{\text {ate }}} \end{array}\)       (4) 

- 최대 throughput

한 개의 데이터 패킷을 완전히 상대방에게 전달시키기 위해 소요되는 시간을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

\(\begin{array}{l} \text { TToDin15.4= } T_{D-D A T A}+t_{\text {ack }}+T_{D-A C K} \\ +2 \tau+\text { Backoff_Time }+2 \text { BackoffSlot_Time } \\ +L I F S+S I F S \end{array}\)       (5)

최대 throughput은 다음과 같다.

\(\text { Max. Throughput }=\frac{L_{D A T A}}{T T o \operatorname{Din} 15.4}\)      &nbs;(6) 

이때 안정조건(stable condition)은 ToDin15.4 ≤ t _SI-t _SLEEP 이 만족되어야 한다.

- 최소 delay

\(\begin{array}{l} \text { Min.Delay }=T_{D-D A T A}+\tau+\overline{\text { Backoff }_{-} \text {Time }} \\ +2 \text { Backoff Slot_ Time }+\frac{t_{\text {SLEEP }}}{2} \end{array}\)       (7) 

2. Adaptive Check Interval B-MAC throughput 및 delay

체크인터벌 t_CI는 low power listening 인터벌을 나타내는 t_LPL과 sleep 인터벌을 나타내는 t_sleep의 합으로 주어진다.

그림 2. B-MAC 송수신 타이밍도

Fig. 2. Send/Receive timing diagram in B-MAC

수신단에서는 디바이스는 체크인터벌 동안 기다린 후 라디오를 켜고, 프리엠블 리스닝을 한다. 프리엠블을 검사하기 위해서 Low Power Lising 모드로 t_LPL동안 프리엠블 주소가 자신을 향하는지를 검사하고 자신이 아닐 경우 디바이스는 라디오를 끄고 다음 체크인터벌 동안 sleep 한다. 만약 유효한 주소 수신이 있다면, 노드는 프리엠블 수신 후 라디오를 켜고 데이터 수신을 한다.

송신단의 경우는 송신할 패킷이 도달했을 경우 채널을 확인하기 전에 백 오프 시간 동안 대기한다. 채널이 깨끗하면 노드는 전송한다. 그렇지 않으면 두 번째 백 오프를 시작한다. 각 노드는 LPL을 사용하여 주기적으로 채널을 확인해야합니다. 채널이 idle 상태이고 노드가 전송할 데이터가 없다면, 노드는 sleep하게 된다.

따라서 B-MAC에서의 백오프는 IEEE802.15.4의 백오프 방식과 CCA 동작을 그대로 쓴다고 가정한다. 동일한 조건하에서 미디어 접근 성능의 비교를 위하여 IEEE802.15.4와 동일한 TD-DATA, TD-ACK를 쓴다고 가정한다.

- 최대 throughput

B-MAC에서 한 개의 데이터 패킷을 완전히 상대방에게 전달시키기 위해 소요되는 시간을 다음과 같이 나타낼 수 있다.

\(\begin{array}{l} T \operatorname{ToDinBMAC}=t_{\text {preame }}+T_{D-D A T A}+t_{\text {ack }} \\ +T_{D-A C K}+2 \tau+\text { Backoff_Time } \\ +2 \text { BackoffSlot_Time } \end{array}\)       (8)

여기서 t_preamble ≥ t _CI가 되어야 된다. 안정조건은 p = λ · TToDinBMAC < 1 이된다. B-MAC의 최대 throughput은 다음과 같다.

\(\text { Max.Throughput }=\frac{L_{D A T A}}{T \operatorname{ToDinBMAC}}\)       (9)

- 최소 delay

\(\begin{array}{l} \text { Min.Delay }=t_{\text {preamble }}+T_{D-D A T A}+\tau \\ +\text { Backoff_Time }+2 \text { BackoffSlot_Time } \end{array}\)       (10)

3. Analysis 

성능해석에 사용된 네트워크 파라미터는 다음 표와 같다.

표 1. 네트워크 파라미터 ^[3][6][8]

Table 1. Network Parameter ^[3][6][8]

그림 3에서 체크인터벌 길이와 sleep 길이를 동일하게 설정한후 100바이트 단일 패킷을 전송하는데 따른 지연시간을 비교하면 B-MAC의 체크인터벌이 짧아 질수록 지연시간이 작아지며 IEEE802.15.4는 sleep 길이가 짧아질수록 지연시간이 적게 걸림을 알 수 있다.

그림 3. 지연시간

Fig. 3. Delay

이는 IEE802.15.4의 sleep 길이가 짧아질수록 네트워크 전대역을 트래픽 수송에 쓸 수 있게 됨으로 throughput은 올라가고 delay는 감소하게 된다. BMAC의 체크인터벌을 짧게 가져갈수록 프리엠블 길이가 감소하게 되고 매 타임슬롯 캐리어 센싱을 통해 수신을 확인하는 sleep이 없는 IEEE802.15.4와 특성이 같아지게 됨을 볼 수 있다.

그림 4에서는 B-MAC의 최대 throughput은 체크인터벌을 짧게 할수록 IEEE802.15.4의 최대 throughput과 같아지며, 체크인터벌이 길어질수록 프엠블 전송 길이가 길어짐으로 인해 오버헤드가 커져 throughput이 감소한다.

그림 4. 스루풋

Fig. 4. Throughput 

따라서 B-MAC은 체크인터벌을 짧게 가져갈수록 IEEE802.15.4와 throughput은 비슷하게 나타나며, 패킷길이가 길어질수록 오버헤드의 영향이 줄어들므로 최대 throughput을 나타내게 된다. 하지만 그림 5에서 보듯이 비동기 방식의 프리엠블 전송 오버헤드로 인해 IEEE802.15.4의 성능을 넘어 갈수는 없음을 알 수 있다.

그림 5. 패킷길이에 따른 스루풋

Fig. 5. throughput according to packet length

Ⅳ. 결론

기존 MAC들의 지연시간과 전력소모 불균형으로 인한 단점을 보완하기 위해 비동기식 B-MAC 기법에 체크인터벌을 적응형으로 운용하는 방법을 제안하고 성능을 분석하였다.

기존 단일채널 IEEE802.15.4와 본 제안을 활용한 B-MAC 방식의 성능을 최대 throughput과 최소 delay 관점에서 살펴보고 비교하였다. 단일 패킷을 전송하는데 따른 throughput과 지연시간을 비교하면 sleep 길이가 길어질수록 IEEE802.15.4의 지연시간이 길어지며 체크 인터벌이 길어질수록 B-MAC의 지연시간과 throughput이 떨어짐을 볼 수 있다. 트래픽 부하가 커질수록 체크인터벌을 짧게 운용하면 지연시간도 짧아지면서 throughput을 높일수 있음을 보였다. 트래픽에 따라 체크인터벌을 적응제어하면 기존의 IEEE802.15.4보다도 매우 우수하게 나타남을 보여준다.