Ⅰ. 서론

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

무선 센서 네트워크을 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 센서 노드들은 아주 싼 가격에 제작되어 재충전해서 쓰기 보다는 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(throughput) 그리고 대역폭 사용효율 등이 있으나 특히 트래픽이 간헐적으로 발생하며 배터리로 동작하는 무선센서네트워크는 저전력소모 방법이 강구되어야 한다.^[1,2]

적은 에너지를 갖고 작동할 수 있는 가장 효과적인 방법은 센서노드들이 수면과 각성 상태를 반복하면서 수명을 연장시키는 방법을 쓴다. 주기적 수면방법을 쓰는 MAC 프로토콜은 동기식 비동기식으로 분류할 수 있으며, S-MAC, IEEE802.15.4 혹은 Zigbee와 같은 동기식방법은 네트워크에 참여하는 모든 노드들이 수면과 깨어날 때를 스케쥴 정보를 동기화시킨다는 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 깨어있는 방식에 비해서는 모두 에너지소모를 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 무선센서 네트워크 MAC인 IEEE802.15.4, B-MAC들의 성능분석을 위한 분석적 모델을 살펴보고 상호 성능을 비교분석한다.

II. 기존 MAC

1. IEEE802.15.4^[3]

모든 노드들이 power-on 시점에 주기적으로 비콘패킷으로 동기를 맞춘다. 수면과 각성을 반복하는 듀티사이클에서 수면을 길게 할수록 전력소모는 줄어들지만 긴 지연시간이 발생하고 부하가 큰 상황에서는 과도한 경쟁이 발생하게 되어 스루풋이 떨어진다.

2. B-MAC^[4]

대표적 비동기식 프로토콜이며 체크인터벌(check interval)이라는 시간마다 주기적으로 LPL(Low power listening)모드에서 수신 프리엠블(preamble)을 검사한다. 체크인터벌을 길게 하면 할수록 전력 소모는 줄어들지만 지연시간이 길어지고 송신단의 긴 프리엠블 오버헤드가 발생한다. 변형된 모드에서는 프리엠블에서 자기가수신 대상자가 아니면 수면으로 들어가서 오버히어링(overhearing)을 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. t_CI assignment rule

체크인터벌(t_CI)에 따른 채널이용률(U_CH)을 구하여 트래픽 특성과 변화에 따라 어떤 한계치를 기준으로 체크인터벌을 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.

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

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

체크인터벌을 변경코자 하는 노드는 new t_CI를 포함한 토폴로지 제어 메시지(Topology Control meassage)를 브로드캐스트하고 네트워크 정보가 네트워크를 통해 전파되고 각 노드는 이 정보에 따라 새로운 체크인터벌로 설정함과 동시에 송신 시 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 다음전송부터는 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. Power Consumption Analysis

모든 노드들이 서로 신호의 범위 내에 있다고 가정한다. n_tx, n_rx, n_sleep, n_preamble-tx, n_preamble-rx, n_LPL은 각각 전송모드, 수신모드, sleep 모드, preamle 송신모드, preamble 수신 모드, LPL 모드에서 단위시간당 소모되는 에너지(the energy dissipated per unit time)를 나타낸다.

λ_s센서 노드측 패킷 도착율을 각각 나타낸다.

1. IEEE802.15.4 전력소모

t_SI는 superframe interval. t_SLEEP은 sleep 인터벌을 나타낸다. N은 네트워크 내의 디바이스 개수를 나타낸다. T_D-DATA, T_D-ACK 은 각각 DATA, ACK 패킷 하나를 전송하는데 걸리는 평균 시간을 뜻한다.

P_tx, P_rx, P_sleep는 센서노드가 각각 전송모드, 수신모드, 슬립모드에서의 평균 전력 소모를 나타낸다.

그림 1과 같이 수퍼프레임사이클 구조를 가지며 송수신 타이밍 파라미터가 주어질 때 송수신 활동 시 소비전력을 구하여 본다.

그림 1. IEEE802.15.4 송수신 타이밍도

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

IEEE802.15.4 센서노드의 경우 NAV(Network Allocation Vector) 방식을 사용하지 않는다면, 수퍼프레임 인터벌 중 슬립 구간을 제외하고는 깨어있으면서 수신모드의 전력을 소모할 것이다.

\(P_{15.4 \text { rx }}=\eta_{r x}\left(t_{S I}-t_{S L E E P}\right) / t_{S I}\)         (2)

송신시에는 data ack 혹은 data req. ack data ack경우 중 어크날리지먼트 전송방식을 쓴다는 가정 하에 연결된 노드 간에 데이터를 한번 주고 한번 받고 한다는 가정 하에 다음과 같은 트래픽 부하가 발생할 것이며, 안정조건으로는 타임 슬롯 시간을 넘어가지 않는 범위이다.

\(\rho_{15.4}=N \lambda_{s}\left(T_{D-D A T A}+t_{a c k}+T_{D-A C K}+2 \tau+\right.\overline{\text { Backoff_ Time }}+2 \text { BackoffSlot_ Time }+\text { LIFS }+\text { SIFS })\)       (3)

\(\rho_{15.4} \leq\left(t_{S I}-t_{S L E E P}\right) / t_{S I}<1\)       (4)

송신시 전력소모는 상기 트래픽부하에 비례하여 다음과 같다.

\(P_{154 \text { 止 }}=\eta_{\text {tx }} \rho_{15.4}\)       (5)

한 수퍼프레임 사이클내에 슬립구간동안은 슬립을 하므로 그동안의 전력 소모는 다음과 같다.

\(P_{15.4 \text { sleep }}=\eta_{\text {sleep }} t_{\text {SLEEP }} / t_{S I}\)       (6)

따라서 센서노드의 한 수퍼프레임 사이클 동안 소모되는 단위시간당 전력소모는 송신, 수신, 슬립 동작에 따른 전력 소모의 합으로 다음과 같다.

\(P_{15.4 \text { _device }}=P_{15.4\text { _tx } }+P_{15.4_\text { _rx }}+P_{15.4_{\text {_sleep }}}\)       (7)

2. Adaptive Check Interval B-MAC 전력소모

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

T_D-DATA, T_D-ACK은 각각 DATA, ACK 패킷하나를 전송하는데 걸리는 평균 시간을 뜻한다.

P_{bmac_tx}, P_{bmac_rx}, P_sleep는 센서노드가 각각 전송모드, 수신모드, 슬립모드에서의 평균 전력 소모를 나타낸다.

B-MAC에서 그림 2와 같이 송수신시 정의된 타이밍파라미터가 주어질 때 소비전력을 구하여 본다.

그림 2. B-MAC 송수신 타이밍도

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

수신시 전력소모는 traffic measure interval(Mt_CI)마다 저전력수신(LPL: low power listening)을 위한 Rx 디바이스를 On이 N번이 발생하며, 오버히어링을 포함한 대기 시간과 데이터 수신 시간 동안 Rx On을 시키는 횟수는 네트워크 내에서 발생되는 총 트래픽 발생률에 비례하므로 다음 식과 같다.

\(P_{b m a c L P L}=\eta_{r x} M t_{L P L}\left(1-\rho_{b m a c}\right) / M t_{C I}\)       (8)

\(P_{\text {bmac_ovrhearing }}=\eta_{r x}(N-1) \lambda_{s} \overline{t_{\text {waiting }}} / M t_{C I}\)       (9)

\(P_{b m a c_{-} x}=\eta_{r x}(N-1) \lambda_{s}\left(\overline{t_{w a i t i n g}}+T_{D-D A T A}\right) / M t_{C I}\)       (10)

여기서, \(\overline{t_{\text {waiting }}}=1 / 2\left(t_{\text {preamble }}\right)\)이다.

송신시 전력소모는 안정 조건을 넘어가지 않는 범위에서 송신패킷 도착률(arrival rate)에 따라 패킷 송신을 할 것이므로 다음과 같은 트래픽 부하가 발생할 것이다.

\(\begin{array}{l} \rho_{\text {bmac }}=N \lambda_{s}\left(\overline{\text { Backoff }_{-} \text {Time }}+t_{\text {preamble }}\right. \\ \left.+T_{D-D A T A}+T_{D-A C K}+2 \tau\right) \end{array}\)       (11)

\(\mathrm{P}_{\mathrm{bmac}} \leq 1\)       (12)

따라서 송신 시 전력 소모는 트래픽 부하에 비례해서 늘어난다.

\(P_{\text {bmac_ } t x}=\eta_{t x} \rho_{\text {bmac }}\)       (13)

슬립시 전력소모는 트래픽 측정 인터벌(traffic measure interval)인 Mt_CI마다 LPL후 수면으로 들어가면 M번의 sleep 을 하게 되므로 다음과 같이 주어진다.

\(\mathrm{P}_{\text {bmac_sleep }}=n_{\text {Bleep }} \mathrm{Mt}_{\text {Bleep }}\left(1-\mathrm{P}_{\text {omac }}\right) / \mathrm{Mt}_{\mathrm{CI}}\)       (14)

한 트래픽 측정 인터벌 동안 어떤 한 디바이스의 단위시간당 전력소모는 다음과 같이 송, 수신, 수면시 전력소모, 오버히어링으로 인한 전력소모, 체크인터벌마다의 LPL 소모 전력의 합으로 주어진다.

\(\begin{aligned} P_{\text {bmac_device }} &=P_{\text {bmac_tx }}+P_{\text {bmac_rx }}+P_{\text {bmac_sleep }} \\ &+P_{\text {bmac_ovrhearing }}+P_{\text {bmac_ } L P L} \end{aligned}\)       (15)

V. 성능평가

성능해석에 사용된 네트워크 파라미터는 다음 표와 같다.

표 1. 네트워크 파라미터^{[4, 5, 6]}

Table 1. Network parameter^{[4, 5, 6]}

ATMEL AT86RF231 라디오칩을 사용할 경우 송신수신시 약 12mA정도, 슬립시에는 0.4mA 정도의 전류가 흐른다.^[6] 따라서 전력소모를 계산하기위해 다음과 같이 가정한다. n_tx=40mW(12mA),, n_rx=40mW(12mA),n_sleep=1.3mW(0.4mA)

또한 IEEE802.15.4와 B-MAC을 동일조건에서 비교하기 위해 채널은 1개만 사용한다고 가정하고 수퍼프레임구간과 Mt_CI길이를 같게 하기 위해 t_SI=Mtd라고 설정한다. t_SI= 450ms, N(the number of devices)=1 일 때 체크인터벌(t_CI)를 변화시키면서 전력소모를 살펴보면 체크인터벌이 작아질수록 전력소모가 줄어드는데 이는 프리엠블의 길이를 체크인터벌 크기로 최소한 설정하여야 하므로 프리엠블의 길이가 줄어져서 전송 전력이 감소하는 현상이다.

그림 3에서는 패킷 도착율이 높을수록 네트워크에서 송신과 수신을 위한 전력소모가 늘어나므로 동일 체크인터벌상황에서는 네트워크 트래픽이 많을수록 전력 소모가 커짐을 보여준다.

그림 3. BMAC의 트래픽 부하와 체크인터벌에 따른 전력소모

Fig. 3. Power Consumption according to traffic load and check interval in BMAC

그림 4는 IEEE802.15.4와 B-MAC을 동일 트래픽부하상황에서 네트워크가 부하를 처리할 수 있는 상황 내에서 수퍼프레임을 슬립 길이를 조절하면서 전력 소모를 분석하였다. 듀티사이클 50%일 때 (즉, IEEE802.15.4의 수퍼프레임 길이 중 50%를 수면으로 설정했을 때와 B-MAC의 체크인터벌 길이를 같이 했을 때) 전송 능력과는 상관없이 동일 전력소모를 나타냄을 알 수 있다. 체크인터벌을 길게 할수록 B-MAC은 전력소모가 늘어나고, 슬립 길이를 짧게 할수록 IEEE802.15.4의 전력소모가 늘어남을 알 수 있다. 수면 길이를 크게 할수록 IEEE802.15.4의 전력 소모 특성은 좋은 것으로 나타나나 수면 동안은 네트워크 트래픽 처리가 불가능하므로 수면이 길수록 스루풋이 현저히 떨어지게 된다.

그림 4. sleep 길이에 따른 전력 소모 비교

Fig. 4. Power consumption comparison according to sleep length

그림 5에서는 네트워크에 가해지는 부하가 클수록 전력소모가 커짐을 보이는데 이때 체크인터벌을 고정으로 운영하면 동일 트래픽 부하에서 더 큰 전력 소모가 일어남을 볼 수 있다. 이럴 경우 체크인터벌을 더 짧게 하는 것이 전력 소모를 줄일 수 있음을 볼 수 있다. 즉, 부하가 적을 경우는 체크인터벌을 길게 하고 부하가 클 경우는 체크인터벌을 짧게 운용하는 것이 네트워크 전력소모를 줄이고 네트워크 수명을 연장시킬 수 있다. 이때 트래픽부하에 따라 체크 인터벌을 조절하는 방법을 적용하면 효과적으로 전력소모를 감소시킬 수 있음을 알 수 있다.

그림 5. 트래픽 부하에 따른 전력소모

Fig. 5. Power Consumption according to the traffic load

VI. 결론

센서네트워크를 위한 여러 가지 저전력 MAC 들이 제안되어 있다. 그 중 IEEE802.15.4은 동기화로 인한 전력소모가 많은 단점을 가지며 전력소모를 줄이기 위한 수면과 각성를 반복하는 수퍼프레임 동작으로 지연시간이 길어지는 단점이 있다. 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 방법을 제안하고 성능을 분석하였다.

성능 분석을 통해 부하가 적을 경우는 체크인터벌을 길게 하고 부하가 클 경우는 체크 인터벌을 짧게 운용하는 것이 네트워크 전력소모를 줄이고 네트워크 수명을 연장시킬 수 있었다. 이때 트래픽 부하에 따라 체크 인터벌을 조절하는 방법을 적용함으로써 전력소모를 감소시킬 수 있음을 보였다.