WPCN Fairness Slotted-ALOHA 의 향상을 위한 백오프 알고리즘

Abstract

무선 전력 통신 네트워크(Wireless Powered Communication Networks, WPCN)는 무선 장치의 배터리를 마이크로웨이브 무선 전력 전송(Wireless Energy Transfer, WET) 기술을 통해 원격으로 충전하는 기술로 저전력 센서 네트워크 및 미래의 무선 통신 시스템을 위한 네트워킹 패러다임이다. 수작업으로 배터리를 교체해야 하거나 배터리를 충전하기 위해 케이블 연결과 같은 번거로움을 제거하여 더 편리하다. 하지만 대규모 노드를 on-demand 기반으로 에너지를 공급하고 유지 보수가 필요 없는 운영을 하기에는 기존의 Random Access 프로토콜인 Slotted-ALOHA는 노드들의 공평성(Fairness)이 낮다는 문제가 있다. 본 논문에서는 Slotted-ALOHA 기반의 WPCN에서 노드들의 공평성을 향상시키기 위한 백오프(Backoff) 알고리즘을 제안한다. 제안하는 백오프 알고리즘에서는 IEEE 802.11의 대표적인 백오프 알고리즘인 이진 지수 백오프(Binary Exponential Backoff, BEB)와 구별되는 전송 확률 변수를 추가한다. 이 변수를 통해 대규모 노드의 전체 데이터 전송 슬롯을 줄여 데이터 전송 성공 슬롯은 높이고 데이터 전송 실패 슬롯은 낮춘다. 그 결과 기존의 처리량이 낮았던 노드들의 처리량이 향상되어 노드들의 공평성이 향상된다. 추가적으로 본 논문을 검증하기 위해 IEEE 802.11 표준에서 사용되는 BEB, I-BEB, E-BEB, N-BEB 알고리즘과 비교하여 시뮬레이션을 진행하였다. 시뮬레이션 결과는 제안하는 백오프 알고리즘이 기존의 백오프 알고리즘 보다 더 높은 공평성과 총 처리량(Sum-Throughput)을 보여주었다.| Wireless Powered Communication Networks (WPCN) is a technology that remotely charges the battery of a wireless device through microwave wireless energy transfer technology. It is a networking paradigm for low-power sensor networks and future wireless communication systems. It is more convenient as it eliminates the hassle of having to manually replace the battery or connecting a cable to charge the battery. However, Slotted-ALOHA, an existing random access protocol, has a problem in that the fairness of nodes is low in order to supply energy to large-scale nodes on an on-demand basis and operate without maintenance. In this paper, we propose a backoff algorithm to improve the fairness of nodes in WPCN based on Slotted-ALOHA. In the proposed backoff algorithm, a transmission probability variable is added, which is distinguished from Binary Exponential Backoff (BEB), which is a representative backoff algorithm of IEEE 802.11. Through this variable, the total data transmission slots of a large-scale node are reduced to increase the data transmission success slots and decrease the data transmission failure slots. As a result, the throughput of the nodes with low throughput is improved, and the fairness of the nodes is improved. Additionally, in order to verify this paper, simulations were performed compared to the BEB, I-BEB, E-BEB, and N-BEB algorithms used in the IEEE 802.11 standard. Simulation results show that the proposed backoff algorithm has higher sum-throughput and fairness than the existing backoff algorithm.