무선 센서 네트워크에서 전송 데이터의 신뢰성 및 에너지 효율성 증진에 관한 연구

Abstract

Wireless Sensor Networks (WSN) have been considered as powerful solutions for many application services, such as environmental monitoring, health monitoring, home automation, etc. In comparison with other existing networks, WSN have some problems. Typically, nodes in WSN suffer from limited power, packet loss, etc. These problems require the need of having particular protocols designed. Currently, there has been much research on a variety of field such as hardware, MAC, routing protocols, etc. There is one way for limited power to solve that is Packet Aggregation. It enhanced energy-efficient by aggregating received packet from child nodes and sending aggregated packet to the parent node. To solve packet loss problems, Automatic Repeat Request (ARQ) protocol enhanced reliability via ACK, NACK control packet is proposed. However, methods for enhanced reliability via ACK, NACK control packet have some problems in high packet loss networks and flexible routing networks. Therefore, this paper proposed duplicated packet transmit using History Table (HT). It doesn’t use ACK, NACK control packet to enhance reliability. HT call data table of sensor node, it carries out different action according to networks condition. Basic action of HT compares received data with stored data in HT when sensor node received the data. If duplicated data don’t exist in HT, sensor node store received data into the HT. And then, if network condition is good (there are no packet loss), drop the duplicated packet. If network condition is bad (there are packet loss), transmit aggregated packet to the parent node regardless of duplicated data: aggregated packet composed of received data and stored data in HT. In the paper, we have simulated our algorithm in static packet loss environment. The results show that a number of packets are eliminated in stable networks (there are no packet loss), so it enhanced energy-efficiency and also data reliability is enhanced in unstable networks (there are packet loss). On the based of results in static packet loss environment, this paper proposed another algorithm that estimate link-state and adapt to packet transmit method according to link-state, and we simulated the proposed algorithm in environment that link state is changed dynamically. As a result of simulation, our proposed algorithm is efficient than using enhanced reliability via ACK, NACK control packet.; 최근 무선 센서 네트워크를 이용한 환경 감시, 건강 모니터링, 집/사무실에 대한 자동화 및 방법 등 많은 응용 서비스들이 제공되고 있다. 하지만 이러한 무선 센서 네트워크는 센서 노드의 전원 문제, 노드들간에 패킷 전송시 발생하는 패킷 손실 문제 등 아직 해결 해야 할 문제점들을 갖고 있다. 이러한 문제점들을 해결하기 위해 하드웨어, MAC 알고리즘, 라우팅 알고리즘 등 다양한 분야에서 연구들이 수행되고 있다. 센서 노드의 전원 문제를 해결하기 위한 한 가지 방안으로 패킷 통합이 있다. 이는 서로 다른 자식 노드로부터 수신된 패킷들을 하나의 패킷으로 결합하여 부모 노드에게 전송하는 방법으로 네트워크상에 발생하는 패킷의 개수를 감소로 시켜 에너지 효율성을 증진 시킨다. 또한 패킷 손실 문제를 해결하기 위한 방법으로 ACK, NACK 등의 제어 패킷을 이용한 패킷 재전송 기법이 있다. 하지만 제어 패킷을 사용하여 데이터의 신뢰성을 증진시키는 방법은, 네트워크상의 패킷 손실률이 증가 할 수록 제어 패킷의 개수도 증가하여 네트워크상의 트래픽을 증가시키고, 새로운 센서 노드의 추가 및 삭제 등에 의해 라우팅 경로가 변경되었을 때 효과적인 대처를 하지 못하는 문제점이 있다. 이에 본 논문에서는 여러 개의 데이터를 하나의 패킷에 결합하여 전송하는 패킷 통합 방법을 바탕으로 ACK, NACK 등의 제어 패킷을 사용하지 않고 데이터의 신뢰성을 증진 시키기 위한 방안으로 HT (History Table)을 이용한 중복 데이터 전송을 제안한다. HT은 센서 노드가 갖는 데이터 테이블을 지칭하는 것으로 현재 네트워크 상태에 따라 다른 동작을 수행한다. HT의 기본 동작은 센서 노드가 데이터를 수신 하였을 때 수신 데이터를 HT에 저장하는 것으로, 이전에 수신하여 HT에 저장된 데이터와 새롭게 수신된 데이터를 비교하여 중복되지 않은 수신 데이터를 HT에 저장하는 것이다. 이 후 수신 데이터를 부모 노드에게 전송시 네트워크 상태가 안정적일 때 중복된 데이터는 부모 노드에게 전송하지 않고, 네트워크 상태가 불안정적일 때는 수신 데이터의 중복 여부에 상관 없이 수신 데이터와 가장 최근에 HT에 저장된 데이터들을 결합하여 부모노드에게 전송하는 동작을 수행한다. 본 논문에서는 이와 같은 HT을 이용한 중복 데이터 전송에 대해 노드들간의 패킷 손실률이 고정된 상태에서 시뮬레이션을 수행하여 네트워크 상태가 안정적일 때는 중복 패킷을 제거로 인해 네트워크상의 패킷 개수의 감소와, 네트워크 상태가 불안정적일 때는 기존의 신뢰성 향상 방법에 비해 네트워크 상에 발생하는 패킷 개수가 감소하고 신뢰성은 향상 됨을 볼 수 있었다. 이러한 패킷 손실률이 고정된 환경에서 수행한 시뮬레이션 결과를 바탕으로, 실제 센서 네트워크 환경과 유사하게 센서 노드들간의 패킷 손실률이 동적으로 변경되는 환경에서 현재 링크 상태를 파악하고 링크 상태에 맞게 데이터 전송 방법을 변경하는 알고리즘을 제안하고 그에 따른 시뮬레이션을 수행하였다. 그 결과 본 논문에서 제안하는 알고리즘이 패킷 손실률이 동적으로 변경되는 센서 네트워크상에서도 제어 패킷을 사용하여 신뢰성을 향상시키는 기법보다 데이터의 신뢰성은 만족시키면서 전체 네트워크 상에 발생하는 패킷의 개수가 적게 발생하여 보다 에너지 효율적임을 알 수 있었다.