KR20190078832A - MAC protocol for wireless sensor network - Google Patents
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Abstract
본 발명은 QCA 디코더에 관한 것이다. 본 발명에 따른 QCA 디코더는, 몽고메리 인자로 를 선택하고, 선택된 몽고메리 인자를 사용하여 유한체 GF(2m)상에서의 곱셈식을 도출한다. 그리고, 도출한 곱셈식을 데이터 의존성이 존재하지 않는 두 개의 식으로 분리하여, 분리된 두 개의 식에 대응하는 연산을 병렬적으로 수행한다. 본 발명에 따르면, GF(2m)상의 다항식 기저에서 몽고메리 곱셈을 위한 새로운 곱셈 방법을 제공하며, 이 곱셈 방법을 기반으로 병렬 연산이 가능한 세미-시스톨릭 곱셈기를 제공할 수 있다. The present invention relates to a QCA decoder. The QCA decoder according to the present invention selects a Montgomery factor and derives a multiplication formula on a finite field GF (2 m ) using the selected Montgomery factor. Then, the derived multiplication expression is separated into two expressions in which there is no data dependency, and operations corresponding to the two separated expressions are performed in parallel. According to the present invention, a new multiplication method for Montgomery multiplication in a polynomial basis on GF (2 m ) is provided, and a semi-systolic multiplier capable of parallel operation based on this multiplication method can be provided.
Description
본 발명은 무선 통신 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 센서 네트워크를 위한 비동기 MAC 프로토콜을 이용하는 무선 통신 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a wireless communication method, and more particularly, to a wireless communication method using an asynchronous MAC protocol for a wireless sensor network.
본 발명은 과학기술정보통신부 및 정보통신기술진흥센터의 SW 중심대학지원사업의 연구결과로부터 도출된 것이다(과제 고유번호: 2017-0-00096)The present invention is derived from the results of the research project of the SW-centered university of the Ministry of Science, Technology, Information & Communication and the Information and Communication Technology Promotion Center (Project No. 2017-0-00096)
WLAN 및 Bluetooth와 같은 다른 네트워크와 달리 무선 센서 네트워크(WSN; Wireless Sensor Network)의 센서 노드는 자체 배터리를 변경하거나 충전할 수 없다. 따라서, 에너지 효율은 무선 센서 네트워크에서 센서 노드를 위한 프로토콜을 설계할 때 근본적이고 중요한 고려 사항이다. 많은 수의 노드를 배치하는 것과 함께 에너지 제약은 센서 노드, MAC 및 무선 센서 네트워크의 라우팅 프로토콜을 설계하는 데 어려움을 낳는다. Unlike other networks such as WLAN and Bluetooth, sensor nodes in the Wireless Sensor Network (WSN) can not change or charge their own batteries. Thus, energy efficiency is a fundamental and important consideration when designing protocols for sensor nodes in wireless sensor networks. Energy constraints, along with the large number of nodes, make designing routing protocols for sensor nodes, MACs, and wireless sensor networks difficult.
무선 센서 네트워크의 에너지 소비를 줄이기 위해 많은 연구가 진행되어 왔다. 무선 센서 네트워크에서 에너지 소비를 줄이기 위한 가장 보편적인 메커니즘은 듀티 사이클링이다. 듀티 사이클링 기법은 어웨이크(awake)와 휴면(sleeping) 상태 사이에서 센서 노드를 스위칭함으로써 에너지를 절약한다. 에너지 효율적인 기존 듀티 사이클링 MAC 프로토콜은 동기식 및 비동기식 프로토콜의 두 가지 유형으로 분류할 수 있다.Many researches have been conducted to reduce the energy consumption of wireless sensor networks. The most common mechanism for reducing energy consumption in wireless sensor networks is duty cycle. Duty cycling techniques conserve energy by switching sensor nodes between awake and sleeping states. Energy-efficient conventional duty-cycling MAC protocols can be divided into two types: synchronous and asynchronous protocols.
Wei Ye 등이 제안한 S-MAC(Wei Ye, John Heidemann, and Deborah Estrin, "An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks," 21st International Annual Joint Conference of the IEEE Computer and Communications Societies, pp. 1567-1576, June 2002), Tijs van Dam 등이 제안한 T-MAC(Tijs van Dam and Koen Langendoen, "An adaptive energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks," Proc. of the first ACM Conference on Embedded Networked Sensor System, pp. 171-180, Nov. 2003)와 같은 동기식 MAC 프로토콜에서는 SYNC와 같은 주기적 제어 프레임을 교환하여 각 노드의 듀티 사이클에서의 활성 구간을 동기화시킨다. 이러한 추가 제어 프레임은 낭비되는 에너지 사용을 유발한다. 또한, 매체를 액세스하기 위한 공통 기간이 겹치면 프레임 간의 충돌이 발생한다. Wei Ye, John Heidemann, and Deborah Estrin, "An Energy-efficient MAC Protocol for Wireless Sensor Networks," 21st International Annual Conference of the IEEE Computer and Communications Societies, pp. 1567-1576 , June 2002), Tijs van Dam and Koen Langendoen, " An adaptive energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks ", Proc. Of the first ACM Conference on Embedded Networked Sensor System, pp. 171-180, Nov. 2003), the active period of each node's duty cycle is synchronized by exchanging periodic control frames such as SYNC. These additional control frames cause wasted energy usage. Further, when common periods for accessing the medium overlap, collision between frames occurs.
대조적으로, Joseph Polastre 등이 제안한 B-MAC(Joseph Polastre, Jason Hill, and David Culler, "Versatile low power media access for wireless sensor networks," Proc. of the second ACM Conference on Embedded Networked Sensor System, pp. 95-107, 2004) 및 Michael Buettner 등이 제안한 X-MAC(Michael Buettner, Gray V. Yee, Eric Anderson and Richard Han, "X-MAC: a short preamble mac protocol for duty-cycled wireless sensor networks," Proc. of the 4th ACM Conference on Embedded Networked Sensor System, pp. 307-320, Nov 2006)과 같은 비동기 MAC 프로토콜은 동기 프로토콜보다 에너지 효율이 높다. In contrast, the B-MAC (Joseph Polastre, Jason Hill, and David Culler, "Versatile low power media access for wireless sensor networks," Proc. Of the ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems, pp. 95 -107, 2004) and Michael Buettner et al., "X-MAC: a short preamble mac protocol for duty-cycled wireless sensor networks," Proc. of the 4th ACM Conference on Embedded Networked Sensor System, pp. 307-320, Nov 2006) are more energy efficient than synchronous protocols.
이러한 프로토콜은 추가 동기 제어 프레임 대신에 프리앰블 샘플링을 사용한다. 제어 프레임 수가 적고 충돌 가능성이 적기 때문에 비동기 MAC 프로토콜이 에너지 소비 측면에서 더 효과적이다. 비동기 MAC 프로토콜이 에너지 낭비가 없도록 작동하도록 신중하게 설계되더라도, 송신자 노드와 수신 노드 사이의 어웨이크(awake) 상태를 일치시키는 것은 상당히 어렵다.This protocol uses preamble sampling instead of an additional sync control frame. As the number of control frames is small and the possibility of collision is low, the asynchronous MAC protocol is more effective in terms of energy consumption. Even though the asynchronous MAC protocol is carefully designed to operate without energy wastage, it is quite difficult to match the awake state between the sender node and the receiving node.
따라서, 지연, 처리량, 및 에너지 소비 측면에서 더욱 개선된 비동기 센서 MAC 프로토콜과 이를 이용한 무선 통신 방법을 고려해 볼 필요가 있다.Therefore, it is necessary to consider the asynchronous sensor MAC protocol, which is further improved in terms of delay, throughput, and energy consumption, and a wireless communication method using the same.
따라서, 본 발명의 목적은, 지연, 처리량, 및 에너지 소비 측면 등에서 개선된 무선 센서 네트워크를 위한 비동기 MAC 프로토콜과 이를 이용하는 무선 통신 방법을 제공함에 있다. It is therefore an object of the present invention to provide an asynchronous MAC protocol for an improved wireless sensor network in terms of delay, throughput and energy consumption, and a wireless communication method using the asynchronous MAC protocol.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 QCA 디코더는, 제1 입력신호가 입력되는 제1 배선, 제2 입력신호가 입력되는 제2 배선, 인에이블 신호가 입력되는 제3 배선, 상기 제 2입력신호를 전달하도록 상기 제2 배선과 연결된 제4 및 제7 배선, 상기 제1 입력신호를 전달하도록 상기 제1 배선과 연결된 제5 배선, 상기 제2 입력신호를 반전한 신호가 전달되도록 상기 제2 배선에 연결된 제6 및 제9 배선, 상기 제1 입력신호를 반전한 신호가 전달되도록 상기 제1 배선에 연결된 제 7 배선, 상기 제4 배선, 상기 제5 배선, 및 상기 제3 배선과 연결되어, 논리곱 게이트 기능을 수행하여 제1 출력신호를 출력하는 제1 조합논리 셀, 상기 제5 배선, 상기 제6 배선, 및 상기 제3 배선과 연결되어, 논리곱 게이트 기능을 수행하여 제2 출력신호를 출력하는 제2 조합논리 셀, 상기 제7 배선, 상기 제8 배선, 및 상기 제3 배선과 연결되어, 논리곱 게이트 기능을 수행하여 제3 출력신호를 출력하는 제3 조합논리 셀, 및 상기 제8 배선, 상기 제9 배선, 및 상기 제3 배선과 연결되어, 논리곱 게이트 기능을 수행하여 제4 출력신호를 출력하는 제4 조합논리 셀을 포함한다.According to an aspect of the present invention, there is provided a QCA decoder including a first wiring for receiving a first input signal, a second wiring for receiving a second input signal, a third wiring for receiving an enable signal, Fourth and seventh wires connected to the second wire to transmit a signal, a fifth wire connected to the first wire to transmit the first input signal, and a second wire connected to the second wire to transmit the signal, A seventh wiring connected to the first wiring, a fourth wiring connected to the fifth wiring, and a third wiring connected to the third wiring so that a signal obtained by inverting the first input signal is transmitted, A first combinational logic cell that performs a logic AND gate function to output a first output signal, a fifth combinational logic cell connected to the fifth wiring, the sixth wiring, and the third wiring, A second combinational logic cell for outputting a signal, A third combinational logic cell connected to the seventh wiring, the eighth wiring, and the third wiring for performing a logical AND gate function to output a third output signal, And a fourth combinational logic cell coupled to the third interconnect to perform a logical AND gate function to output a fourth output signal.
상기 제1 내지 제4 조합논리 셀은 고정된 두 개의 입력을 갖는 5입력 다수결 게이트 구조일 수 있다. The first through fourth combinational logic cells may be a 5-input majority-gate structure having two fixed inputs.
또한, 상기 제1 내지 제3 배선은 회전된 셀로 이루어지며, 상기 제2 배선은 상기 제1 배선과 실질적으로 평행하게 배열되고, 상기 제3 배선은 상기 제1 및 제2 배선과 실질적으로 평행하게 배열될 수 있으며, 상기 제4 내지 제9 배선은 일반 셀로 이루어지며, 상기 제1 내지 제3 배선 중 어느 하나에 실질적으로 직각으로 배열될 수 있다. The first to third wirings are made of rotated cells, and the second wirings are arranged substantially parallel to the first wirings, and the third wirings are substantially parallel to the first and second wirings And the fourth to ninth wirings are made of general cells and can be arranged at substantially right angles to any one of the first to third wirings.
또한, 상기 제1 내지 제4 출력신호 중 어느 하나는 네 개의 클럭 위상 후 생성할 수 있다. In addition, any one of the first to fourth output signals may be generated after four clock phases.
그리고, 상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명에서는, 상기 QCA 디코더를 포함하는 양자점 셀룰러 오토마타 디바이스를 제공할 수 있다.According to another aspect of the present invention, there is provided a quantum dot cellular automata device including the QCA decoder.
본 발명에 따르면, 충돌을 피하고 오버 헤드를 줄임으로써 지연, 처리량 및 에너지 소비 측면에서 기존 X-MAC 프로토콜보다 우수한 RIX-MAC 프로토콜을 제공할 수 있다. 또한, 본 발명에 따른 IX-MAC 프로토콜을 이용하여 송신 및 수신 노드 모두에서 에너지 절약을 희생시키지 않고 무선 센서 네트워크에서 신속한 통신을 수행할 수 있으며, 충돌 및 불필요한 웨이크 업을 줄여 센서 네트워크의 수명을 늘릴 수 있다.According to the present invention, it is possible to provide a RIX-MAC protocol superior to the existing X-MAC protocol in terms of delay, throughput and energy consumption by avoiding collision and reducing overhead. In addition, using the IX-MAC protocol according to the present invention, it is possible to perform rapid communication in the wireless sensor network without sacrificing energy saving in both the transmitting node and the receiving node, and to reduce the collision and unnecessary wakeup, .
도 1은 X-MAC에 대한 동작 설명에 참조되는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜에 대한 동작 설명에 참조되는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜의 타이밍 다이어그램,
도 4는 본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜에서 랜덤 백 오프에 대한 설명에 참조되는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜에서 노드의 마르코프 체인 모델을 나타낸 도면, 그리고
도 6 내지 도 14는 본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜 및 X-MAC 프로토콜에 대한 시뮬레이션의 결과를 나타낸 도면이다.1 is a drawing referred to in the description of operations for X-MAC,
FIG. 2 is a block diagram illustrating the operation of the RIX-MAC protocol according to the present invention.
3 is a timing diagram of the RIX-MAC protocol according to the present invention,
4 is a diagram referred to in the description of random backoff in the RIX-MAC protocol according to the present invention,
5 is a diagram illustrating a Markov chain model of a node in the RIX-MAC protocol according to the present invention, and
FIGS. 6 to 14 are diagrams showing the results of simulation for the RIX-MAC protocol and the X-MAC protocol according to the present invention.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
도 1은 X-MAC에 대한 동작 설명에 참조되는 도면이다.1 is a drawing referred to in the description of operations for X-MAC.
Michael Buettner 등이 제안한 X-MAC은 Joseph Polastre 등이 제안한 B-MAC 기반의 무선 센서 네트워크를 위한 비동기 듀티 사이클 MAC 프로토콜로 일련의 짧은 프리앰블(preamble)을 사용하여 동기화 없이 저전력 통신을 구현한다. 짧은 프리앰블은 수신 노드의 주소를 전달하기 때문에 수신 노드가 아닌 다른 노드는 첫 번째 짧은 프리앰블을 듣는 동안 슬립할 수 있다. 수신 노드는 얼리 애크(early-ACK)로 응답하여 프리앰블을 중지하고 데이터 전송을 시작할 수 있다. X-MAC의 주요 특징은 짧은 프리앰블 샘플링과 얼리 애크 메커니즘이다. X-MAC은 B-MAC에서 사용되는 긴 프리앰블 대신에 수신기가 통지하도록 다중의 짧은 프리앰블을 전송한다. 수신기가 어웨이크(awake) 주기 동안 짧은 프리앰블을 검출하면, 실제 데이터 프레임을 수신하기 전에 얼리 애크를 송신기로 전송하고, 송신기는 수신기가 어웨이크(awake) 기간에 머물러 있다는 것을 알고, 즉시 데이터 프레임을 송신한다.The X-MAC proposed by Michael Buettner et al. Is an asynchronous duty-cycle MAC protocol for B-MAC based wireless sensor networks proposed by Joseph Polastre et al., Which uses a series of short preambles to implement low power communication without synchronization. Since the short preamble carries the address of the receiving node, other nodes than the receiving node can sleep while listening to the first short preamble. The receiving node may respond with an early-ACK to stop the preamble and start data transmission. The main features of X-MAC are short preamble sampling and early-arc mechanism. The X-MAC transmits multiple short preambles so that the receiver notices instead of the long preamble used in the B-MAC. If the receiver detects a short preamble during an awake period, it sends an early acknowledge to the transmitter before receiving the actual data frame, and the transmitter knows that the receiver is staying in an awake period, .
결과적으로, X-MAC은 짧은 프리앰블 샘플링 및 얼리 애크 메커니즘으로 인해 B-MAC보다 많은 에너지를 절약한다.As a result, X-MAC saves more energy than B-MAC due to short preamble sampling and early-arc mechanism.
도 1에 도시한 바와 같이, 네트워크의 모든 노드는, 주기가 T 인 프레임을 송수신하기 위해 자체 웨이크업 일정을 가진다. TX 노드는 RX 노드가 깨어날 때 까지 짧은 프리앰블을 계속 보낸다. 다른 노드는 TX 노드와 RX 노드 사이의 통신을 간섭하지 않는다. TX 노드가 수신 확인을 수신하면 RX 노드로 데이터 프레임을 전송하기 시작한다.As shown in FIG. 1, all nodes in the network have their own wakeup schedule to transmit and receive frames with a period T. The TX node continues to send a short preamble until the RX node wakes up. The other node does not interfere with the communication between the TX node and the RX node. When the TX node receives the acknowledgment, it begins to transmit data frames to the RX node.
X-MAC은 비동기식이기 때문에 TX 노드의 평균 통신 시간은 T/2 + 데이터 프레임 길이이다. 둘 이상의 TX 노드가 웨이크 업되어 동시에 프리앰블을 보내기 시작할 때 RX 노드를 포함한 다른 모든 노드는 프리앰블의 주소 정보를 확인할 수 없으므로, TX 노드는 다음 웨이크업 일정까지 프리앰블 전송을 중단하지 않는다. 따라서, 각 충돌 데이터 프레임에 대해, 송신자에 대한 평균 통신 시간은 T이다.Since the X-MAC is asynchronous, the average communication time of the TX node is T / 2 + data frame length. When more than one TX node is woken up and simultaneously starts to send a preamble, all other nodes, including the RX node, can not verify the address information of the preamble, so the TX node does not interrupt the preamble transmission until the next wakeup period. Thus, for each collision data frame, the average communication time for the sender is T.
도 2는 본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜에 대한 동작 설명에 참조되는 도면이다.FIG. 2 is a diagram referred to in describing the operation of the RIX-MAC protocol according to the present invention.
본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜은 X-MAC을 기반으로 한다. 네트워크의 모든 노드는 웨이크 업과 슬립(sleep) 상태의 두 가지 상태로 나누어진 T 사이클과 동일한 사이클을 가진다. 웨이크 업 상태는 노드가 무선통신을 켜고 데이터를 수신 또는 전송하는 활성 상태이고, 슬립 상태는 노드가 무선통신을 꺼서 전원을 절약하는 상태이다. 웨이크 업 상태는 노드가 데이터 프레임을 전송하려고 할 때 동기화-웨이크 업주기가 선택 사항인 스케줄링 웨이크 업(예정된 웨이크 업) 및 동기화 웨이크 업(동기화된 웨이크 업) 기간의 두 가지 기간으로 구분된다.The RIX-MAC protocol according to the present invention is based on X-MAC. Every node in the network has the same cycle as the T cycle divided into two states: wakeup and sleep state. The wakeup state is an active state in which a node turns on wireless communication and receives or transmits data, and a sleep state is a state in which a node turns off wireless communication to conserve power. The wakeup state is divided into two periods: a synchronization wakeup period when the node tries to transmit a data frame, and an optional scheduling wakeup (scheduled wakeup) and a synchronization wakeup (synchronized wakeup) period.
도 2에서는 RIX-MAC 프로토콜의 기본 동작을 보여 주며 TX 노드는 짧은 프리앰블을 전송하고 두 번 웨이크 업 된다. 각 노드는 자신의 일정에 따라 주기적으로 웨이크 업되어 들어오는 짧은 프리앰블이 있는지 확인한다. 스케줄 발생 후 짧은 프리앰블이 들어오지 않으면 TX 노드는 절전 상태가 된다. 전송할 데이터 프레임이 있을 때 TX 노드는 RX 노드에 동기화된 Synch-wakeup에서 다시 깨어난다. 채널이 유휴 상태로 있을 때, TX- 노드는 데이터 프레임을 전송하기 전에 쇼트 프리앰블의 전송을 시작한다.Figure 2 shows the basic operation of the RIX-MAC protocol, where the TX node transmits a short preamble and wakes up twice. Each node wakes up periodically according to its schedule and checks whether there is a short preamble coming in. If there is no short preamble after scheduling, the TX node goes into a power saving state. When there is a data frame to transmit, the TX node wakes up again in Synch-wakeup synchronized to the RX node. When the channel is idle, the TX-node starts transmission of the short preamble before transmitting the data frame.
RIX-MAC 프로토콜에서 모든 노드는 독립적으로 자신의 웨이크 업 스케줄을 가지며 RX 노드의 웨이크 업에 동기화된 임시 웨이크 업 스케줄을 가지며, RX 노드의 웨이크 업 스케줄은 얼리 애크 프레임의 필드 안에서 웨이크 업 시간으로 얻을 수 있다. 따라서, RIX-MAC을 사용하는 TX 노드는 TX 노드에서 RX 노드로 전달할 데이터가 있을 때 주기적으로 두 번 웨이크 업 된다. TX 노드에서 첫 번째 웨이크 업은 자체 스케줄에 따라 데이터 프레임을 수신(Sched-wakeup)하고, 두 번째 웨이크 업은, 도 2에 도시한 바와 같이, RX 노드 (Synch-wakeup)로 데이터를 전송한다.In the RIX-MAC protocol, all nodes independently have their own wakeup schedules, have a temporary wakeup schedule synchronized to the wakeup of the RX node, and the wakeup schedules of the RX node are obtained as wakeup times within the fields of the early- . Therefore, a TX node using RIX-MAC wakes up periodically twice when there is data to be transmitted from TX node to RX node. At the TX node, the first wakeup receives a data frame according to its own schedule (Sched-wakeup), and the second wakeup transmits data to the RX node (Synch-wakeup) as shown in Fig.
TX 노드는 처음에 RX 노드의 웨이크 업 일정에 대한 정보가 없기 때문에 RIX-MAC은 전송의 첫 번째 사이클 동안 X-MAC처럼 작동한다. TX 노드가 RX 노드로 전송할 데이터를 가지고 있을 때, TX 노드는 테이블에서 지정된 RX 노드의 웨이크 업 스케쥴을 검색한다. RX 노드의 적절한 웨이크 업 일정을 찾지 못하면 TX 노드는 X-MAC에서와 같이 자체 일정에서 짧은 프리 앰플을 계속 전송한다. RX 노드로부터 조기 확인 응답을 수신하면 TX 노드는 데이터 프레임을 즉시 전송하기 시작하고, 얼리 애그 프레임의 웨이크 업 시간 필드에서 RX 노드의 웨이크 업 정보를 추출하고 웨이크 업 정보를 up-wakeup과 Synch-wakeup 사이의 시간차로서의 웨이크 업 시간 테이블에 저장한다.Since the TX node initially does not have information about the wake up schedule of the RX node, the RIX-MAC acts like an X-MAC during the first cycle of transmission. When the TX node has data to send to the RX node, the TX node retrieves the wakeup schedule of the designated RX node in the table. If an appropriate wakeup schedule for the RX node is not found, the TX node continues to transmit a short preamplifier in its own schedule as in X-MAC. Upon receipt of an early acknowledgment from the RX node, the TX node immediately begins transmitting the data frame, extracts the wakeup information of the RX node in the wakeup time field of the early-ag frame, and transmits the wakeup information to the up-wakeup and Synch-wakeup In a wake-up time table as a time difference between them.
도 3은 본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜의 타이밍 다이어그램이다.3 is a timing diagram of the RIX-MAC protocol according to the present invention.
도 3을 참조하며, TX-node가 RX 노드의 웨이크 업을 예측할 때 Synch-wakeup은 마지막 Sched-wakeup과 RX 노드의 시간 간격 사이의 간격으로 결정된다. 데이터 도착 시간 D가 상위 계층으로부터 MAC 계층에 도달하는 순간을 의미하면, 시간 간격 은 와 로 표시된 데이터 도착시간 D에 의해 두 개의 주기로 나뉜다. 마지막 Sched-wakeup에서 내에 MAC 계층에서 데이터가 준비되지 않으면 다음주기에 Synch-wakeup이 시작됩니다.Referring to FIG. 3, when the TX-node predicts the wakeup of the RX node, the Synch-wakeup detects the time interval between the last sched-wakeup and the RX node As shown in FIG. If the data arrival time D is the moment when the data arrives from the upper layer to the MAC layer, silver Wow The data arrival time D shown in FIG. From the last Sched-wakeup If data is not ready in the MAC layer within the next cycle, Synch-wakeup will start.
프리앰블 전송을 조정하기 위해 다중 TX 노드가 RX 노드의 다음 Sched-wakeup에서 데이터 프레임을 전송하려고 할 때 프리앰블 및 얼리 애크 프레임에 추가 필드인 지속 시간이 삽입된다. 이 필드는 각 TX 노드에 대한 데이터 프레임을 전송하는 데 필요한 슬롯 수에 대한 정보를 포함하며, 다른 노드는 다음 데이터 전송의 지속 시간을 예측할 수 있다. RX 노드는 다수의 TX 노드를 경합하는 짧은 프리앰블의 전송을 조정하기 위해 얼리 애크 프레임에서 duration 필드를 사용한다.When multiple TX nodes attempt to transmit data frames in the next Sched-wakeup of the RX node to adjust the preamble transmission, an additional field, a duration, is inserted in the preamble and early-arc frame. This field contains information about the number of slots needed to transmit a data frame for each TX node, and other nodes can predict the duration of the next data transmission. The RX node uses the duration field in the early-arc frame to coordinate the transmission of the short preamble contending for multiple TX nodes.
다른 TX 노드 또는 RX 노드에서 지속 기간 값을 읽는 TX 노드는 매체 액세스를 지연하도록 네트워크 할당 벡터(NAV)를 설정하고 슬롯 수를 줄이기 위해 중지한다. 데이터 프레임의 성공적인 전송 후에, NAV를 갖는 가상 반송파 감지하에 있는 TX 노드는 감소하는 슬롯 카운트를 재개하고 짧은 프리앰블을 전송하려고 시도한다.A TX node that reads the duration value at another TX node or RX node sets a network allocation vector (NAV) to delay media access and stops to reduce the number of slots. After successful transmission of the data frame, the TX node under the virtual carrier sense with NAV resumes its decreasing slot count and attempts to transmit a short preamble.
TX 노드는 RX 노드의 웨이크 업을 전송하려고하기 때문에 여러 노드가 RX 노드에 데이터를 전달하려고 할 때 수신자 시작 프로토콜로 인해 충돌 문제가 발생할 수 있다. 다중 송신자에 의한 프리앰블 충돌을 피하기 위해, TX 노드는 Synch-wakeup 후에 랜덤 백 오프 절차를 시작한다. TX- 노드에 대해 할당된 랜덤 백 오프는 Synch-wakeup 후 짧은 프리앰블의 다음 전송을 기다리는 시간 슬롯의 수를 의미한다. Since the TX node tries to transmit the wake-up of the RX node, collision problems can occur due to the receiver-initiated protocol when multiple nodes attempt to transmit data to the RX node. To avoid preamble collisions by multiple senders, the TX node initiates a random backoff procedure after the Synch-wakeup. The random backoff assigned to the TX- node means the number of time slots waiting for the next transmission of the short preamble after Synch-wakeup.
도 4는 본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜에서 랜덤 백 오프에 대한 설명에 참조되는 도면,4 is a diagram referred to in the description of random backoff in the RIX-MAC protocol according to the present invention,
도 4에서, TX1 및 TX2가 수신기에 데이터를 전송하려고하는 송신기 R 및 TX1이 매체를 점유하는데 TX2에 선행한다는 것을 도시한다. TX1은 얼리 애크로 프리앰블로 짧은 프리앰블과 RX 응답을 전송하기 위해 매체를 포착한다. TX2는 RX로부터 얼리 애크를 수신하고 NAV를 데이터 전송의 끝으로 설정한다. 얼리 애크 프레임의 지속 기간은 TX2가 데이터 전송 중에 대기해야하는 시간 슬롯의 수를 지정한다. 데이터 전송이 완료되면, TX2는 잔여 슬롯 카운트를 다시 카운트하고 다음 시간 슬롯에서 프리앰블을 전송한다.In FIG. 4, TX1 and TX2 indicate that the transmitter R and TX1, which attempt to transmit data to the receiver, precede TX2 to occupy the medium. TX1 captures the medium to transmit the short preamble and RX response to the early-ack preamble. TX2 receives the early acknowledgment from RX and sets NAV to the end of the data transmission. The duration of the early ACK frame specifies the number of time slots that TX2 should wait during data transmission. When the data transmission is completed, TX2 again counts the remaining slot count and transmits the preamble in the next time slot.
한편, 듀티 사이클 센서 네트워크에서 유한 큐를 갖는 센서 노드를 모델링하기 위해 노드의 웨이크 업시 대기열 길이를 나타내는 유한 상태 수를 가진 마르코프 체인(Markov chain)을 사용할 수 있다. 이 모델의 경우 프레임은 각 노드에 독립적으로 도착하고 채널은 이상적이며 재전송은 허용되지 않으며 각 노드는 프레임을 유한 대기열에 버퍼링 할 수 있다고 가정한다. 본 발명에서는 또한 듀티 사이클 동안 노드 당 단지 하나의 수신 및 수신이 있다고 가정하고 모든 노드의 전송 확률은 일정하다. 이 모델은 RIX-MAC의 처리량, 지연 및 에너지 소비를 계산하는 데 사용된다.In order to model a sensor node having a finite queue in a duty cycle sensor network, a Markov chain having a finite state number indicating a queue length at the time of node wakeup can be used. In this model, it is assumed that the frame arrives independently for each node, the channel is ideal, retransmission is not allowed, and each node can buffer the frame in a finite queue. The present invention also assumes that there is only one receive and receive per node during the duty cycle and the transmission probabilities of all nodes are constant. This model is used to calculate the throughput, delay and energy consumption of the RIX-MAC.
도 5는 본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜에서 노드의 마르코프 체인 모델을 나타낸 것이다.5 shows a Markov chain model of a node in the RIX-MAC protocol according to the present invention.
도 5에서는 큐 용량이 Q 인 마르코프 모델을 보여주는데, 각 상태는 큐의 데이터 프레임 수를 나타낸다. 대기열이 비어 있지 않으면 노드는 미디어에 액세스하여 데이터 프레임을 전송하려고 시도한다. 큐가 전송 될 때 데이터 프레임이 큐에서 제거되고 큐가 오버플로되면 데이터 프레임이 삭제된다. A_i가 노드에서 i 데이터 프레임의 도달 확률이고, p가 사이클에서 프레임을 전송할 확률 인 경우, 하나의 상태에서 다른 상태로의 전이 확률은 다음과 같다.FIG. 5 shows a Markov model with a queue capacity Q, where each state represents the number of data frames in the queue. If the queue is not empty, the node attempts to access the media and transmit the data frame. When a queue is transmitted, the data frame is removed from the queue, and if the queue overflows, the data frame is deleted. If A_i is the arrival probability of i data frames at the node and p is the probability of transmitting frames in the cycle, the transition probability from one state to another is:
여기서, 이다.here, to be.
여기서, 이다.here, to be.
특히 [수학식 2]와 [수학식 5]는 큐가 오버플로 될 때 프레임이 삭제된다는 것을 보여준다. 가 상태 공간에서 상태 i의 정적 확률인 경우, , 마르코프 모델은 환원 불가능하고 비 주기성이므로 고정 분포 가 존재한다.Specifically, [Equation 2] and [Equation 5] show that the frame is deleted when the queue overflows. Is a static probability of state i in state space, , The Markov model is irreducible and non-periodic, Lt; / RTI >
에 대하여, about,
그리고 And
여기서, 가 천이 행렬이다.here, Is a transition matrix.
만일 프레임 도착 정보가 알려지면 각 노드가 경합을 획득할 확률 p는 전이 행렬의 유일한 변수가 되며 와 는 p의 함수로 나타낼 수 있다. 따라서 각 노드에 대한 와 p의 관계는 함수 ,If frame arrival information is known, the probability p for each node to acquire contention is the only variable in the transition matrix Wow Can be expressed as a function of p. Therefore, And p is the function ,
빈 큐 상태의 고정 확률 은 제안된 마코브 모델을 사용하여 각 노드가 주어진 확률 p에 대해 경쟁을 획득 할 수 있음을 알 수 있다. [수학식 8] 이외에, 와 p 사이의 다른 관계는 MAC 프로토콜의 미디어 액세스 규칙에서 얻을 수 있는 과 p 모두를 해결하는데 필요하다.Fixed probability of empty queue state We can see that each node can obtain a competition for a given probability p using the proposed Markov model. In addition to the equation (8) And p can be obtained from the media access rules of the MAC protocol And p.
본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜은 비동기 타임 슬롯 프로토콜이며, T는 사이클의 길이, 는 사이클의 활성 기간, τ는 타임 슬롯이다. RIX-MAC에서, 모든 노드는 자신의 스케줄 (Sched-wakeup)에서 주기적으로 깨어나고 깨어 일어나 수신기의 웨이크 업 (Synch-wakeup)에 동기화된 데이터 프레임을 전송한다. RIX-MAC은 둘 이상의 송신기가 깨어나고 동일한 백 오프 후에 자신의 프리앰블 전송을 시작할 때 충돌을 일으킬 수 있다.The RIX-MAC protocol according to the present invention is an asynchronous time slot protocol, T is the length of the cycle, Is the active period of the cycle, and [tau] is the time slot. In RIX-MAC, all nodes wake up periodically in their sched-wakeup and transmit synchronized data frames to the receiver's wake-up (Synch-wakeup). RIX-MAC can cause collisions when two or more transmitters wake up and begin their own preamble transmission after the same backoff.
완전히 연결된 네트워크에 N 노드가 있다고 가정하면, 노드가 전송할 데이터 프레임을 가지고있을 때, j 노드가 k 번째 노드를 전송하기 위해 경쟁하는 큐에서 전송할 프레임을 가질 때 j 노드 중 k 개의 노드가 수신기와 동기화 (Synch-wakeup) 할 수 있는 확률 수신자에 대한 프레임은 다음에 의해 함수로 기술될 수 있다.Assuming that there are N nodes in a fully connected network, when a node has a frame of data to be transmitted, and when a j node has a frame to transmit in a queue competing to transmit the kth node, k nodes out of j nodes (Synch-wakeup) probability The frame for the recipient is Function.
, ,
k 개의 노드가 수신기에 동기하여 웨이크 업하고 프리앰블 프레임을 전송함으로써 채널에 대해 경쟁하는 경우. 프리앰블 프레임을 수신기에 성공적으로 전달하는 확률 는 다음과 같이 계산될 수 있다.k nodes compete for a channel by waking up in sync with the receiver and sending a preamble frame. The probability of successfully delivering the preamble frame to the receiver Can be calculated as follows.
여기서, 이다.here, to be.
여기서 W는 경쟁 윈도우 크기이다. 따라서, 각 노드가 채널을 얻을 확률 p와 각 노드가 데이터 프레임을 성공적으로 전송할 확률 는 다음과 같이 도출될 수 있다Where W is the size of the competing window. Therefore, the probability that each node gets a channel p and the probability that each node will successfully transmit a data frame Can be derived as follows
[수학식 11]과 [수학식 7]을 사용하여 고정 확률 을 구할 수 있고 [수학식 12]에 을 연결하면 각 노드가 데이터 프레임을 성공적으로 전송할 확률, 를 결정할 수 있다. , p 및 를 이용하면 네트워크의 평균 처리량과 지연을 얻을 수 있다.Using Equations (11) and (7), the fixed probability ≪ EMI ID = 12.0 > The probability that each node successfully transmits a data frame, Can be determined. , p and The average throughput and latency of the network can be obtained.
처리량은 경과된 시간 내에 성공적으로 전달된 데이터의 양으로 정의된다. 본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜은 듀티 사이클로 동작하므로, 처리량은 사이클 시간 내에 계산 될 수 있다. 따라서 RIX-MAC의 평균 처리량은Throughput is defined as the amount of data successfully delivered within the elapsed time. Since the RIX-MAC protocol according to the present invention operates with a duty cycle, the throughput can be calculated within the cycle time. Therefore, the average throughput of RIX-MAC is
여기서 S는 프레임의 크기이다.Where S is the size of the frame.
프레임이 경험하는 지연은 대기 지연 와 경쟁 지연 와 같은 두 가지 구성 요소로 구성되어 가 된다. 대기열 지연은 모든 이전 프레임이 전송될 때까지 프레임이 대기열에 있어야 하는 시간이다. 경합 지연은 [수학식 10]에서와 같이 대기열로 들어오는 프레임이 대기열에서 전송된 프레임의 시간까지의 간격으로 정의됩니다. The delay experienced by the frame is the wait delay And delayed competition It consists of two components: . The queue delay is the time frame must remain in queue until all previous frames have been transmitted. The contention delay is defined as the interval between the frames arriving at the queue and the time at the frame transmitted from the queue, as shown in [Equation 10].
T주기 동안,During the T period,
마르코프 모델에 의해, 데이터 프레임에 대한 큐잉 지연 는 선행 데이터 프레임의 경합 지연 의 함수에 의해 획득될 수 있다. 데이터 프레임은 큐의 헤드에 있는 프레임이 전송 매체에 대한 경합 프로세스의 중간에 있을 때 큐에 들어갈 수 있으며 경합 지연의 절반 동안 평균적으로 대기해야 한다. 경합 지연 를 얻기 위해, 데이터 프레임을 갖는 노드는 T의 사이클에서 미디어에 대해 한 번 경합하며, 여기서 노드는 경합을 획득하기 위해 p의 확률을 갖는다. 따라서 데이터 프레임에 대한 전체 지연은 [수학식 14]와 [수학식 15]의 두 지연 요소의 합으로 계산된다.By the Markov model, the queuing delay for the data frame The contention delay of the preceding data frame Lt; / RTI > The data frame may enter the queue when the frame at the head of the queue is in the middle of the contention process for the transmission medium and it should wait on average for half of the contention delay. Contention delay , A node with a data frame competes once for the media in a cycle of T, where the node has a probability of p to obtain contention. Thus, the total delay for the data frame is computed as the sum of the two delay elements of (14) and (15).
본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜은 듀티 사이클 프로토콜이기 때문에 주기당 평균 에너지 소비 P는, 주기 내의 노드의 에너지 소비 E를 주기 길이 T로 나눈 값으로부터 얻을 수 있다. RIX-MAC 프로토콜에는 두 개의 활성 구간, Sched-wakeup 및 Synch-wakeup 있으며, Synch-wakeup 구간은 노드가 데이터 프레임을 전송하고자 할 때 선택적이다. 주기적 웨이크 업(Sched-wakeup) 중에 네트워크의 한 노드만 RX 노드를 대상으로 하는 데이터 프레임을 갖거나, 두 개 이상의 노드가 서로 다른 백 오프 값을 갖고 RX 노드를 향하는 데이터 프레임을 갖는 경우에 RX 노드는 데이터 프레임을 성공적으로 수신할 수 있다. RX 노드가 두 개 이상의 노드가 동일한 백 오프 값을 갖고 RX 노드를 향하는 데이터 프레임을 갖는 경우에는, RX 노드는 데이터 프레임을 수신하지 못한다. Since the RIX-MAC protocol according to the present invention is a duty cycle protocol, the average energy consumption P per cycle can be obtained from a value obtained by dividing the energy consumption E of a node in a cycle by a cycle length T. [ The RIX-MAC protocol has two active sections, Sched-wakeup and Synch-wakeup, and the Synch-wakeup section is optional when the node wants to transmit data frames. If only one node in the network has a data frame addressed to the RX node during a periodic wakeup or if two or more nodes have different backoff values and a data frame destined for the RX node, Can successfully receive a data frame. If the RX node has a data frame with more than one node having the same backoff value and pointing towards the RX node, the RX node will not receive the data frame.
따라서, Synch-wakeup에서 TX 노드는 다음 동작 중 하나를 수행한다. Thus, in Synch-wakeup, the TX node performs one of the following actions:
1) 의 확률로 데이터 프레임의 성공적인 전송One) Successful transmission of data frames with probability of
2) 의 확률로 데이터 프레임의 충돌 송신 는2) The collision transmission of the data frame with the probability of
3) 확률로 전송하지 않고 슬립3) Slip without probability transmission
Sched-wakeup RX 노드는 다음 중 하나처럼 동작한다. The Sched-wakeup RX node behaves as one of the following:
1) 의 확률을 갖는 데이터 프레임의 성공적인 수신One) Successful reception of a data frame with a probability of < RTI ID = 0.0 >
2) 확률로 데이터 프렘임의 충돌2) Chance to crash data prime
3) 의 확률로 액티브 상태 머물면서 유휴 상태3) Probability of staying active and idle
에너지 소비를 계산하기 위해, 우리는 프리앰블, 데이터 프레임 및 얼리 애크 프레임의 지속 기간을 각각 , 및 로 표시한다. 우리는 노드가 프레임을 전송하고, 프레임을 수신하고, , 및 로 표시되는 휴면 (sleep) 전력을 갖는다.To calculate the energy consumption, we set the duration of the preamble, data frame and early arc frame to , And . We assume that a node sends a frame, receives a frame, , And Quot; sleep "
따라서, 각 사례에 대해 노드를 계산하여주기 동안 노드의 평균 에너지 소비량을 구할 수 있다. 첫째, 동기화 - 웨이크 업(sync-wakeup) 기간 동안 TX 노드의 에너지 소비를 도출할 것이다. 데이터 프레임을 전송하는 데 평균적으로 의 시간이 소요되며, 여기서 는 랜덤 백 오프의 평균 지속 시간이다. 노드가 Synch-wakeup 에서 데이터 프레임을 성공적으로 전송하는 에너지 소비량 은 다음과 같다.Thus, for each case, we can calculate the node and obtain the average energy consumption of the node during the period. First, we will derive the energy consumption of the TX node during the sync-wakeup period. On average, to transmit data frames Of time, where Is the average duration of the random backoff. Energy consumption by which a node successfully transmits data frames in Synch-wakeup Is as follows.
프리 엠블이 Synch-wakeup에서 충돌 할 때 프리 엠블 프레임을 수신 할 수 없으며 TX 노드는 잔여 활성 기간 동안 프리 엠블을 계속 전송한다. 따라서, 노드가 데이터 프레임을 전송하고 Synch-wakeup에서 충돌을 만나게 되는 에너지 소비량 은 다음과 같다.When a preamble collides in a Synch-wakeup, it can not receive a preamble frame, and the TX node continues to transmit the preamble during the remaining active period. Thus, the energy consumption that the node transmits data frames and encounters collisions in Synch-wakeup Is as follows.
수면 노드의 에너지 소비는 E_S가 0이되도록 무시할 수 있다고 가정한다.The energy consumption of the sleep node is assumed to be negligible so that E_S is zero.
스케줄 발생 웨이크 업 기간 동안 채널을 점유하는 노드는 프리앰블을 전송하고 확인 응답을 수신하고 임의의 백 오프 직후에 데이터 프레임을 전송한다. 이는 이다. 노드가 Sched-wakeup에서 데이터 프레임을 성공적으로 수신하면 에너지 소비량 는 다음과 같다.During the scheduled wakeup period, the node occupying the channel transmits the preamble, receives the acknowledgment, and transmits the data frame immediately after any backoff. this is to be. When a node successfully receives a data frame from Sched-wakeup, the energy consumption Is as follows.
충돌은 둘 이상의 TX 노드가 동일한 수신기를 가지며 Sched-wakeup에서 동일한 경쟁 창 크기를 선택할 때 발생한다. Sched-wakeup period 에서 노드가 데이터를 성공적으로 수신하지 못한 경우의 에너지 소비량은 다음과 같다.A collision occurs when two or more TX nodes have the same receiver and select the same contention window size in Sched-wakeup. The energy consumption when a node does not successfully receive data in the sched-wakeup period As follows.
마지막으로, 노드는 기간 동안 데이터 프레임을 전송하거나 수신하지 않고 액티브 및 유휴 상태를 유지할 수있다. Sched-wakeup에서 유휴 상태를 유지하는 노드의 에너지 소비량 은 다음과 같다.Finally, It can remain active and idle without transmitting or receiving data frames for a period of time. Energy consumption of nodes that remain idle in a sched-wakeup Is as follows.
Synch_wakeupSynch_wakeup
Rx_Success
Rx_Success
Rx_Failure
Rx_Failure
Idle
Idle
Tx_Success
Tx_Success
Case 1
Case 2
Case 3
Tx_Failure
Tx_Failure
Case 4
Case 5
Case 6
Sleep
Sleep
Case 7
Case 8
Case 8
Case 9
RIX-MAC의 모든 노드는 Sched-wakeup에서 송수신하기 위해 2 개의 독립적 인주기를 가지고 있기 때문에, 주기에서 노드 동작은, [표 1]에 나타낸 바와 같이, 9개의 경우로 분류할 수 있다. 사례 1은 노드가 Synch-wakeup 및 Sched-wakeup 기간동안 데이터 프레임을 성공적으로 전송하고 데이터 프레임을 수신함을 의미한다. 사례 2는 한 노드가 데이터 프레임을 성공적으로 전송하지만 Sched-wakeup에서 데이터 프레임을 수신하지 못했음을 보여주고, 사례 3은 노드가 Synch-wakeup에서 데이터 프레임을 성공적으로 전송하고 노드로 향하는 데이터 프레임이 없음을 보여준다. 유사하게, 다른 경우는 유사한 방식으로 노드의 동작을 나타낸다. 따라서, 주기의 노드 평균 에너지 소비는 [표 2]에 표시된 것처럼 모든 경우의 확률로 에너지를 곱한 값으로 얻을 수 있다.Since all nodes of the RIX-MAC have two independent queues to transmit and receive in Sched-wakeup, the node operation in the period can be classified into nine cases as shown in [Table 1].
CasesCases
Energy consumptionEnergy consumption
1
One
2
2
3
3
4
4
5
5
6
6
7
7
8
8
9
9
다음으로, 네트워크의 처리량, 지연 및 에너지 소비 측면에서 RIX-MAC의 성능 평가를 제시한다. RIX-MAC의 제안 된 모델을 검증하고 RIX-MAC의 성능을 평가하기 위해 제안된 모델의 수치 결과와 NS-2를 사용한 시뮬레이션 결과를 비교하고 RIX-MAC의 성능을 보여준다. 처리량 및 에너지 소비 측면에서 X-MAC의 성능. 분석 및 시뮬레이션을 위해, 네트워크가 완전히 연결되어 있고 각 노드는 양방향 접지 반사의 전파 전파 모델이 사용되는 단일 무지향성 안테나를 가지고 있다고 가정한다. 각 노드의 큐 용량 Q는 10으로 설정된다. 슬롯 시간 τ는 1ms 이고, 주기의 활성 시간 는 40 슬롯입니다. 프리앰블 프레임, 및 얼리 애크 프레임, 를 전송하는 지속 시간은 하나의 슬롯으로 설정되고, 데이터 프레임, 를 전송하는데 사용되는 시간은 5 슬롯이다. 노드와 네트워크의 다른 주요 매개 변수는 [표 3]에 나와 있다.Next, performance evaluation of RIX-MAC is presented in terms of throughput, delay and energy consumption of the network. To verify the proposed model of RIX-MAC and to evaluate the performance of RIX-MAC, we compare the numerical results of the proposed model with the simulation results using NS-2 and show the performance of RIX-MAC. Performance of X-MAC in terms of throughput and energy consumption. For analysis and simulation, it is assumed that the network is fully connected and each node has a single omnidirectional antenna in which the propagation model of bi-directional ground reflection is used. The queue capacity Q of each node is set to 10. The slot time τ is 1 ms, and the activation time There are 40 slots. Preamble frame, And early arc frame, Is set to one slot, and the data frame, Lt; RTI ID = 0.0 > 5 < / RTI > The other key parameters of the node and network are shown in Table 3.
ParametersParameters
NotationNotation
ValueValue
Channel bandwidth
Channel bandwidth
250 kbps
250 kbps
Active period in a cycle
Active period in a cycle
40 ms
40 ms
Time for a preamble frame
Time for a preamble frame
1 ms
1 ms
Time for a ack frame
Time for a ack frame
1 ms
1 ms
Time for a data frame
Time for a data frame
5 ms
5 ms
Power in Rx
Power in Rx
15.2 mW
15.2 mW
Power in Tx
Power in Tx
28.9 mW
28.9 mW
Power in sleep state
Power in sleep state
Queue length
Queue length
QQ
10
10
Back-off window
Back-off window
WW
32
32
Total simulation time
Total simulation time
1,000 sec
1,000 sec
빈 대기열 상태의 정적 확률 과 각 노드가 경쟁을 이길 확률 p는 [수학식 7]. [수학식 8] 및 [수학식 11]을 풀고 모델의 정적 분포를 구함으로써 얻을 수 있다, π는 방정식 [수학식 1]에서 [수학식 6]에 p를 연결하여 계산할 수 있다. [수학식 13]을 사용하여 처리량을 얻는 데 사용되는 표 3의 다양한 듀티 사이클 비율 및 매개 변수 아래의 [10]에서 설명한대로 한 쌍의 확률 (p, ). 예를 들어 듀티 사이클이 14.3% 이고, 12 노드가 네트워크에 있고 백 오프 윈도우가 32 인 경우 p는 0.77로, 은 0.42가 된다.Static probability of empty queue state And p is the probability that each node will win the competition. Can be obtained by solving [Equation 8] and [Equation 11] and obtaining the static distribution of the model. [Pi] can be calculated by connecting p to
도 6 내지 도 14는 다양한 환경 하에서 본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜과 X-MAC 프로토콜의 시뮬레이션의 결과를 나타낸 것이다.FIGS. 6 to 14 show the results of simulation of the RIX-MAC protocol and the X-MAC protocol according to the present invention under various circumstances.
점선은 X-MAC의 성능 결과를 나타내고, 실선은 성능 RIX-MAC의 결과. 도 6은 평균 처리량을, 도 7은 평균 지연을, 도 8은 데이터 도착률, 사이클 길이 및 네트워크 노드 수에 따른 총 에너지 소비량을 나타낸다.The dotted line represents the performance result of the X-MAC, and the solid line represents the performance RIX-MAC result. Fig. 6 shows the average throughput, Fig. 7 shows the average delay, Fig. 8 shows the total energy consumption according to the data arrival rate, the cycle length and the number of network nodes.
도 6에 도시한 바와 같이, 노드의 수가 증가할수록 X-MAC의 지연은 선형적으로 증가하지만 RIX-MAC의 지연은 약간 증가한다. X-MAC을 사용하는 네트워크에 더 많은 노드가 있는 경우 주기 내에서 각 노드가 프레임을 전송할 수 있는 기회가 줄어들고 긴 대기열의 확률이 높아지므로 지연 시간이 길어진다. As shown in FIG. 6, as the number of nodes increases, the delay of the X-MAC linearly increases but the delay of the RIX-MAC increases slightly. If there are more nodes in a network using X-MAC, the chance of each node transmitting frames within the period is reduced, and the probability of long queues is increased, so that the delay time becomes longer.
도 7에 도시한 바와 같이, X-MAC과 RIX-MAC의 노드 당 처리량은 네트워크의 노드 수에 영향을 받지 않는다. 왜냐하면 성공적인 전송은 노드의 수만큼의 전송 실패 (충돌)와 함께 증가하기 때문이다. 그러나 RIX-MAC은 노드 당 처리량 측면에서 X-MAC보다 성능이 우수하다. X-MAC은 충돌의 경우에도 짧은 프리앰블을 전송하기 위해 에너지를 낭비하므로, 도 8에 도시한 바와 같이, 네트워크의 노드 수가 증가하면 X-MAC에서 주기당 노드 당 에너지 소비가 증가한다. 그러나, RIX-MAC의 노드는 채널을 액세스하지 못하고 에너지를 소비하지 않고 프리앰블을 전송하지 않으므로 RIX-MAC은 에너지를 절약할 수 있다.As shown in FIG. 7, the throughput per node of the X-MAC and RIX-MAC is not affected by the number of nodes in the network. This is because successful transmissions increase with the number of transmission failures (collisions) as the number of nodes. However, RIX-MAC outperforms X-MAC in terms of throughput per node. Since the X-MAC wastes energy to transmit a short preamble in the case of collision, as shown in FIG. 8, when the number of nodes of the network increases, the energy consumption per node increases per cycle in the X-MAC. However, the RIX-MAC can save energy because the node of the RIX-MAC does not access the channel, consumes energy, and does not transmit the preamble.
주기 길이가 작은 경우, 모든 수신 프레임은, 도 9에 도시한 바와 같이, 네트워크에 도착한 후 대기 시간이 적어 전송할 수 있다. 그러나 주기 길이가 증가함에 따라 포화 및 대기열 오버플로로 인해 경합 지연 및 대기열 지연이 증가한다.When the cycle length is small, as shown in Fig. 9, all the reception frames can be transmitted with a low waiting time after arriving at the network. However, as cycle length increases, saturation and queue overflows increase contention delay and queue delay.
도 10에 도시한 바와 같이, RIX-MAC의 처리량은 주기 길이가 증가함에 따라 조금씩 변한다. 그러나 X-MAC의 처리량은 낮은 듀티 사이클과 들어오는 프레임을 전달하는 짧은 활성 기간 때문에주기 길이가 증가함에 따라 선형적으로 감소한다. 사이클의 길이가 길어지면 한 사이클의 기껏해야 한 프레임이 전달된다고 가정하므로 처리량이 낮아진다. As shown in Fig. 10, the throughput of the RIX-MAC changes little by little as the cycle length increases. However, the throughput of the X-MAC linearly decreases as the period length increases due to the low duty cycle and the short active period carrying the incoming frame. If the length of the cycle is long, it is assumed that at most one frame is transmitted in one cycle, so the throughput is low.
도 11에 도시한 바와 같이, 주기 동안 노드 당 에너지 소비는 프레임 전달에 관여하지 않는 모든 노드가 더 오랜 시간 동안 잠들 수 있기 때문에 주기 길이에 관계없이 RIX-MAC에서 상수를 유지한다.As shown in FIG. 11, the energy consumption per node during the period maintains a constant in the RIX-MAC regardless of the period length since all nodes that are not involved in frame delivery can sleep for a longer period of time.
도 12에 도시한 바와 같이, X-MAC에서, RIX-MAC의 지연은 상대적으로 낮은 도달 속도 동안 도착률이 증가함에 따라 처음에는 거의 선형적으로 증가하지만, 대기열의 오버 플로우 및 네트워크의 경쟁으로 인해 도착률이 높아질수록 선형적으로 증가하지 않는다. RIX-MAC의 지연은 각 노드의 대기열이 이러한 도착률을 가진 프레임으로 채워지지 않기 때문에 도착률이 증가함에 따라 증가하지 않는다. As shown in FIG. 12, in the X-MAC, the delay of the RIX-MAC initially increases almost linearly as the arrival rate increases with the relatively low arrival speed, but the arrival rate The higher the value, the higher the linearity does not increase. The delay of the RIX-MAC does not increase as the arrival rate increases because the queue of each node is not filled with frames with this arrival rate.
도 14에 도시한 바와 같이, 더 많은 프레임을 전송하기 위해 더 많은 에너지가 필요하기 때문에, 인입 프레임의 로드가 증가하면 노드 당 에너지 소비가 증가한다. 그러나 RIX-MAC이 포화 상태가 되고 각 노드의 대기열이 오버플로되면 대기열에 의해 더 많은 프레임이 삭제되고 전송할 프레임 수가 동일하게 유지됩니다. 따라서, RIX-MAC의 에너지 소비는 수신 프레임의로드가 더 증가함에 따라 제한된다.As shown in FIG. 14, as the load of the incoming frame increases, the energy consumption per node increases because more energy is required to transmit more frames. However, when the RIX-MAC becomes saturated and the queue for each node overflows, more frames are dropped by the queue and the number of frames to be transmitted remains the same. Thus, the energy consumption of the RIX-MAC is limited as the load of the received frame increases further.
이와 같이 본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜은 짧은 프리앰블을 사용하고 보낸 사람이 수신자의 웨이크 업을 예측할 수 있도록 함으로써 에너지 소비를 최소화하도록 설계되었다. 전송 충돌은 무선 채널을 통해 발생할 수 있다. 특히 센서 네트워크에서 흔히 발생할 수 있는 버스트 트래픽이 발생할 수 있다. RIX-MAC의 백 오프 메커니즘은 또한 여러 발신자의 경우 전송 충돌의 가능성을 줄인다. Thus, the RIX-MAC protocol according to the present invention is designed to minimize energy consumption by using a short preamble and allowing the sender to predict the recipient's wake-up. Transmission collisions can occur over wireless channels. In particular, burst traffic, which is common in sensor networks, can occur. The backoff mechanism of RIX-MAC also reduces the likelihood of transmission collisions for multiple senders.
RIX-MAC 프로토콜이 충돌을 피하고 오버 헤드를 줄임으로써 지연, 처리량 및 에너지 소비 측면에서 X-MAC 프로토콜보다 우수한 것으로 나타났다. 결과적으로, RIX-MAC은 송신 및 수신 노드 모두에서 에너지 절약을 희생시키지 않고 무선 센서 네트워크에서 신속한 통신을 수행할 수 있으며, 충돌 및 불필요한 웨이크 업을 줄여 센서 네트워크의 수명을 늘릴 수 있다.The RIX-MAC protocol is superior to the X-MAC protocol in terms of latency, throughput and energy consumption by avoiding collisions and reducing overhead. As a result, the RIX-MAC can perform rapid communication in a wireless sensor network without sacrificing energy savings at both the transmitting and receiving nodes, and can reduce the collision and unnecessary wake-up, thereby extending the service life of the sensor network.
한편, 본 발명에 따른 RIX-MAC 프로토콜 및 이를 이용하는 무선 통신 방법은 상기한 바와 같이 설명된 실시예들의 구성과 방법이 한정되게 적용될 수 있는 것이 아니라, 상기 실시예들은 다양한 변형이 이루어질 수 있도록 각 실시예들의 전부 또는 일부가 선택적으로 조합되어 구성될 수도 있다.Meanwhile, the RIX-MAC protocol and the wireless communication method using the RIX-MAC protocol according to the present invention are not limited to the configuration and method of the embodiments described above, but the embodiments may be implemented by various implementations All or some of the examples may be selectively combined.
또한, 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어서는 안될 것이다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, but, on the contrary, It should be understood that various modifications may be made by those skilled in the art without departing from the spirit and scope of the present invention.
Claims (8)
제2 노드에서 상기 프리앰블을 수신하여, 상기 목적지 주소와 자신의 주소가 일치하면, 자신의 웨이크 업 스케쥴을 예측할 수 있는 시간 정보를 삽입한 얼리 애크를 상기 제1 노드로 전송하는 단계; 및
상기 제1 노드에서 상기 제2 노드로 데이터 전송이 이루어지는 단계를 포함하는 무선 통신 방법.In a wireless sensor network, a first node is woken up to generate a preamble inserted with a destination address, and repeatedly transmitting the preamble at an interval capable of receiving Early-ACK;
Receiving a preamble at a second node and transmitting an early acknowledge (ACK) message including time information for predicting its own wakeup schedule to the first node when the destination address and its own address match; And
And transmitting data from the first node to the second node.
상기 제1 노드는 상기 시간 정보를 참조하여, 상기 제2 노드의 웨이크 업 스케쥴에 맞추어 웨이크 업 되는 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법. The method according to claim 1,
Wherein the first node refers to the time information and wakes up according to the wakeup schedule of the second node.
상기 시간 정보는, 상기 제2 노드가 웨이크 업 한 이후 얼마의 시간이 지난 후에 상기 얼리 애크를 송신하였는지에 대한 정보인 것을 특징으로 하는 무선 통신 방법. The method according to claim 1,
Wherein the time information is information on how much time has elapsed since the second node wakes up and transmitted the early acknowledgment.
상기 제1 노드가 상기 제2 노드로 데이터 전송을 완료한 후, 슬립 상태로 전환하는 단계를 더 포함하는 무선 통신 방법.The method according to claim 1,
Further comprising switching to a sleep state after the first node completes data transmission to the second node.
상기 제1 노드가 상기 제2 노드로부터 소정 시간 내에 상기 얼리 애크를 수신하지 못하며, 슬립 상태로 전환하는 단계를 더 포함하는 무선 통신 방법.The method according to claim 1,
The first node not receiving the early acknowledgment from the second node within a predetermined time, and switching to a sleep state.
상기 제1 노드가 다른 노드와의 프리앰플 충돌을 방지하기 위하여, 랜덤 백 오프 과정을 수행하는 단계를 더 포함하는 무선 통신 방법.The method according to claim 1,
Further comprising performing a random backoff procedure to prevent the first node from colliding with another node in preamble.
상기 프리앰블을 수신하여, 상기 목적지 주소와 자신의 주소가 일치하면, 자신의 웨이크 업 스케쥴을 예측할 수 있는 시간 정보를 삽입한 얼리 애크를 상기 제1 노드로 전송하는 제2 노드를 포함하며,
상기 제1 노드는 상기 얼리 애크를 수신한 후, 상기 제2 노드로 데이터 전송을 하며, 상기 시간 정보를 참조하여, 다음번 웨이크 업을 상기 제2 노드의 웨이크 업 스케쥴에 맞추는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템. 1. A wireless sensor network, comprising: a first node that repeatedly transmits a preamble while generating a preamble in which a destination address is inserted in a wake-up state so as to receive an early-acknowledgment (ACK); And
And a second node for receiving the preamble and transmitting an early acknowledgment message including time information for predicting its own wakeup schedule to the first node when the destination address matches its own address,
Wherein the first node transmits data to the second node after receiving the early acknowledgment, and refers to the time information to adjust the next wakeup to the wakeup schedule of the second node system.
상기 제1 노드가 상기 제2 노드로 데이터 전송을 완료한 후, 슬립 상태로 전환하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 시스템.
8. The method of claim 7,
And after the first node completes the data transmission to the second node, switches to the sleep state.
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---|---|---|---|
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Patent event code: PA01091R01D Comment text: Patent Application Patent event date: 20171227 |
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