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표제지
요약
Abstract
목차
제1장 서론 13
1.1. 무선 센서 네트워크 13
무선 센서 네트워크의 운영체제와 프로그래밍 언어 14
무선 센서 네트워크의 한계점 15
1.2. 무선 센서 네트워크 연구의 필요성 17
신뢰성 있는 대용량 데이터 전송의 필요성 20
연구의 동기 및 기여도 22
1.3. 논문의 구성 24
제2장 관련 연구 25
2.1. 무선 센서 네트워크 데이터 전송 프로토콜 25
2.2. 신뢰성 있는 데이터 전송 29
(가) Upstream 방식의 프로토콜 29
(나) Downstream 방식의 프로토콜 32
2.3. 혼잡제어 45
혼잡제어에 대한 논의 46
혼잡제어 프로토콜의 요구사항 47
혼잡제어 프로토콜 48
2.4. 무선 센서 네트워크 라우팅 프로토콜 50
2.5. 무선 센서 네트워크 MAC 프로토콜 52
IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜의 슈퍼 프레임 구조 52
CSMA-CA 메커니즘 53
B-MAC (berkeley-medium access control) 54
2.6. 데이터 전파 55
멀티 홉 데이터 전송 방식 55
억압(suppressed) 전파 59
블록 전송을 이용한 처리량의 최대화 60
2.7. 블록 단위 기반의 전송 61
SEDA 프로토콜과 메시지 61
SEDA 프로토콜과 메시지 63
2.8. 블록 전송 방식 비교 65
제3장 향상된 멀티 블록 FEC 전송 시스템 67
3.1. 블록 단위 기반의 전송 최적화 67
개선된 멀티 블록 전송을 위한 메시지 68
3.2. M-FEC와 MBOW 73
3.3. 브로드캐스트 스톰 문제 74
브로드캐스트 스톰 문제 해결 77
3.4. 멀티 블록 FEC의 전송 특성 79
오버헤드 감소 79
큐잉 지연 80
신뢰성 기반의 멀티 블록 전송 81
제안한 신뢰성 기반의 멀티 블록 전송 82
노드간 (홉의) 신뢰성 계산 84
제4장 성능 평가 86
4.1. 실험 환경 86
4.2. 실험 평가 90
오버헤드 (REFC vs. M-FEC) 90
총 프레임 전송 횟수 (REFC vs. M-FEC) 91
버퍼링 오버헤드 (REFC vs. M-FEC) 92
간섭 (Best-effort ARQ vs. M-FEC) 93
네트워크 트래픽 (ARQ vs. REFC vs. MBOW) 97
Throughput (ARQ vs. MBOW) 98
전송 지연 (ARQ vs. MBOW) 99
제5장 결론 및 향후 연구 101
참고문헌 103
[표 1] 무선 센서 네트워크의 요구사항과 주요 특징 13
[표 2] 멀티미디어 데이터 품질 보장 요구사항 21
[표 3] 무선 센서 네트워크의 전송 프로토콜 27
[표 4] ESRT 파라메타 30
[표 5] 신뢰성 보장 전송기법 분류 37
[표 6] 블록 크기의 최적화를 위한 시뮬레이션과 분석 비교 62
[표 7] 싱글 홉에서 블록 크기 별 채널 이용률 64
[표 8] overhead싱글 파라메타(이미지참조) 88
[표 9] overhead(Best-effort ARQ vs. MBOW) 파라메타(이미지참조) 88
[그림 1] IEEE 802.15.4 2.4㎓ ISM 대역 채널과 Wi-Fi 채널의 중첩 예 16
[그림 2] 무선 센서 네트워크의 단계별 구분(IDTechEx) 17
[그림 3] end users: most important WSN features ranked by satisfaction 18
[그림 4] Blind 플로딩 vs. optimal 플로딩 26
[그림 5] 무선 센서 네트워크 환경에서 upstream/downstream 멀티 홉 전송 27
[그림 6] ESRT에서 신뢰성에 따른 보고율의 변화 31
[그림 7] PSFQ 전송 방식 32
[그림 8] end-to-end vs. hop-by-hop 오류 복구 36
[그림 9] erasure 코드의 인코딩/디코딩 예 40
[그림 10] 슈퍼 프레임 구조 52
[그림 11] B-MAC의 데이터 전송을 위한 동기화 방법 54
[그림 12] SEDA 메시지 형태 61
[그림 13] 수신측과 송신측을 위한 SEDA 슈더-코드 63
[그림 14] REFC 통신 프로토콜 흐름도 63
[그림 15] REFC 메시지 형태 64
[그림 16] ARQ(상)와 REFC(하) 전송 방식 비교 66
[그림 17] 최적화된 멀티 블록 전송 방식 68
[그림 18] (a)프레임 포맷(상)과 (b)블록 포맷(하) 69
[그림 19] 개선된 멀티 블록 전송 프로토콜 흐름도 72
[그림 20] 데이터 중복 수신 문제 74
[그림 21] 플로딩 전송 방식에 의한 브로드캐스트 스톰 문제 76
[그림 22] 블록 전송 방식의 오버헤드 비교 79
[그림 23] 블록 전송 방식의 큐잉 지연과 전송 지연 80
[그림 24] 제안한 신뢰성 기반의 멀티 블록 전송 82
[그림 25] 노드간 전송 신뢰성 84
[그림 26] 휴인스의 TinyOS-2.x UBee430 모트 86
[그림 27] 실제 실외 실험상에서의 노드 배치의 예 87
[그림 28] 싱글 토폴로지 90
[그림 29] 싱글 토폴로지 구조에서 REFC와 M-FEC 방식의 overhead싱글 비교(이미지참조) 90
[그림 30] 전송 속도의 증가에 따른 REFC와 M-FEC의 프레임 전송 횟수 비교 91
[그림 31] 수신 데이터 크기에 따른 M-FEC와 REFC의 전송 시간 비교 92
[그림 32] WiFi 채널 사용자 현황(좌)과, M-FEC와 ARQ의 트래픽 부하 비교(우) 93
[그림 33] 총 프레임 전송 수 94
[그림 34] ARQ(best-effort)와 M-FEC의 오버헤드 및 평균 오버헤드(실내) 95
[그림 35] ARQ(best-effort)와 M-FEC의 오버헤드 및 평균 오버헤드(실외) 95
[그림 36] 그리드 배치 96
[그림 37] 그리드 배치에서 MBOW와 ARQ의 총 전송 횟수 비교 96
[그림 38] M-FEC와 ARQ의 오버헤드 비교 97
[그림 39] 총 프레임 전송 횟수 97
[그림 40] ARQ와 MBOW의 처리량(throughput) 비교 98
[그림 41] 데이터 크기 별 ARQ와 MBOW의 전송 완료 시간(completion time)비교 99
초록보기 더보기
무선 센서 네트워크에서는 전송 매체를 통한 노드간의 통신 시 효율성과 신뢰성이 보장되어야 한다. 노드에서 발생되는 데이터 전송은 CPU나 메모리 같은 다른 장치에 비해 상대적으로 많은 양의 에너지를 소모한다. 따라서 불필요한 혹은 추가적인 전송을 제한하여 효율성을 높일 수 있으며, ACK/NACK 메시지나 FEC(forward error correction)를 사용하여 데이터 전송 시 비트 오류나 패킷 손실을 복구함으로써 신뢰성을 보장할 수 있다.
하지만 유선 네트워크상에서 효율적이며 신뢰성이 있는 데이터 전송에 사용되는 여러 프로토콜들은 오류가 발생하기 쉬운 무선 네트워크에 적합하지 않다. 그리고 다양한 종류와 특정 응용프로그램들을 위한 무선 센서 네트워크의 적용 사례가 증가하면서, 효율적인 데이터 전송과 함께 신뢰성 있는 대용량 데이터 전송도 중요한 주제가 되었다. 그러므로 낮은 대역폭과 멀티 홉 환경의 대용량 데이터 전송을 위한 통신 프로토콜 연구가 반드시 필요하다.
멀티 블록 방식은 프레임을 적당한 수의 인코딩 블록들로 채워 전송하는 방법이다. 릴레이 노드들은 전송 받은 블록들 중 오류가 발견된 블록은 폐기하고, 오류 없는 나머지 블록들만 버퍼에 저장한다. 이후 릴레이 노드의 전송 조건을 만족하였을 경우, 버퍼에 저장된 블록들은 새로운 전송 프레임 내에 포함되어 전송되는 방식이 멀티 블록 전송의 핵심이다.
본 논문에서는 소거회복코드 기반의 멀티 블록 전송 방식을 사용하여 송신측에서 n개의 블록으로 나누어진 원본 데이터를 k개의 블록으로 인코딩한다. 이 인코딩 블록들은 무선 채널을 통해 전송되며, 수신측에서 오류 없는 n(k〉n)개 이상만 수신되었다면 원본 데이터로 복원이 가능하다. 실제로 대규모 무선 센서 네트워크에서 다수의 노드에게 대용량 데이터 혹은 소프트웨어적인 업데이트가 빈번히 요구되고 있는 상황일뿐만 아니라 비트 오류가 높은 무선 환경에서 소거회복코드 기반의 멀티 블록 전송 방식은 신뢰성과 네트워크 혼잡 완화를 동시에 기대할 수 있을 것이다.
본 논문의 최종 목표는 무선 센서 네트워크에서 대용량 데이터를 다수의 노드에게 전송하기 위한 신뢰성 기반의 멀티 블록 전송에 대한 것이다. 제안한 멀티 블록 전송 방식은 무선 센서 네트워크의 upstream/downstream 방식에서도 좋은 성능을 보여 주었다. 비트 오류가 발생하기 쉬운 무선 환경에서 소스 노드가 이웃 노드들에게 OTA(Over-The-Air) 재프로그래밍 데이터를 브로드캐스팅할 경우, 오류 복구를 위한 ARQ 방식은 ACK/NACK 폭증(implosion) 으로 브로드캐스트 스톰 문제를 일으킨다. 이러한 상황에서 제안한 멀티 블록 전송 방식인 M-FEC(Merge-FEC)와 MBOW(Multi-Block Over-the-air reprogramming in Wsn)는 불필요한 브로드캐스트 전송으로부터 자유로우며, 특히 다수의 송신자로부터 수신 받는 데이터가 다를 경우에 브로드캐스트 스톰 문제를 완벽히 해결할 수 있을뿐만 아니라 네트워크의 효율성도 향상 시킬 수 있다.
성능 검증을 위한 실험 결과, 제안한 멀티 블록 전송 방식이 이전 블록 전송 방식인 REFC에 비해 전체 프레임 전송 횟수는 약 10% 이상 감소하였다. 또한 BER(Bit Error Rate)이 높은 환경에서 오류 패킷에 대하여 재전송을 요구하는 ARQ와의 비교에서 제한한 멀티 블록 전송 방식의 처리량(throughput)은 약 1.6배 향상되었고, 전송 횟수와 전송 시간은 각각 약 5배 이하 그리고 약 1/2로 감소되었다.
원문구축 및 2018년 이후 자료는 524호에서 직접 열람하십시요.
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