[논문 리뷰] A New Energy Efficient MAC Protocol based on Redundant Radix for Wireless Networks

Koushik Sinha|arXiv (Cornell University)|2016. 06. 15.

Energy Harvesting in Wireless Networks참고 문헌 7인용 수 5

한 줄 요약

이 논문은 비트 전송 시 0 비트에 대한 에너지 소비를 제거하기 위해 부족한 이진수 체계(RBN) 인코딩을 활용하는 새로운 에너지 효율적인 MAC 프로토콜 RBNSiZeMAC을 제안한다. 1과 $ύbark{1}$ 숫자만 전송하고 0은 침묵 기간을 통해 전송함으로써, 기존 에너지 기반 전송(EbT) 방식 대비 평균 69%의 에너지 소비 감소를 이룬다. 이는 선형 전송 시간 유지를 유지하고 기존 프레임 구조와의 호환성도 유지한다.

ABSTRACT

In this paper, we first propose a redundant radix based number (RBN) representation for encoding the data to be transmitted in a wireless network. This RBN encoding uses three possible values - 0, 1 and $\bar 1$, for each digit to be transmitted. We then propose to use silent periods (zero energy transmission) for transmitting the 0's in the RBN encoded data thus obtained. This is in contrast to most conventional communication strategies that utilize energy based transmission (EbT) schemes, where energy expenditure occurs for transmitting both 0 and 1 bit values. The binary to RBN conversion algorithm presented here offers a significant reduction in the number of non-zero bits in the resulting RBN encoded data. As a result, it provides a highly energy-efficient technique for data transmission with silent periods for transmitting 0's. We simulated our proposed technique with ideal radio device characteristics and also with parameters of various commercially available radio devices. Experimental results on various benchmark suites show that with ideal as well as some commercial device characteristics, our proposed transmission scheme requires 69% less energy on an average, compared to the energy based transmission schemes. This makes it very attractive for application scenarios where the devices are highly energy constrained. Finally, based on this transmission strategy, we have designed a MAC protocol that would support the communication of such RBN encoded data frames.

연구 동기 및 목표

• 기존 에너지 기반 전송(EbT) 방식이 0과 1 비트 전송 모두에 에너지를 소비하는 높은 에너지 소비 문제를 해결하기 위해.
• 부족한 이진수 체계(RBNS) 인코딩을 활용해 전송 데이터 내의 0 비트 수를 증가시키기 위해.
• RBN 인코딩된 프레임에서 0 비트에 대해 침묵 기간을 사용하는 비동기 통신을 지원하는 MAC 프로토콜을 설계하기 위해.
• 이deal 및 실제 무선 장치 특성 조건 하에서 제안된 방식의 에너지 절감 효과를 평가하기 위해.
• RBN 인코딩된 데이터에서 0의 연속적인 런으로 인한 장기적인 침묵 기간 동안의 시계 동기화를 확보하기 위해.

제안 방법

• 비트 데이터를 {-1, 0, 1} 숫자를 사용하는 부족한 이진수 체계(RBNS)로 인코딩하며, -1은 $ύbark{1}$로 표기하여 비제로 숫자의 수를 줄인다.
• 연속된 1의 수가 k > 1인 경우, 상위 비트 위치에 1과 하위 비트 위치에 $ύbark{1}$을 배치함으로써 k-2개의 비제로 숫자를 줄이는 재인코딩 알고리즘을 적용한다.
• 비제로 숫자(1과 $ύbark{1}$)만 전송하고 0은 침묵 기간(에너지 소비 없음)을 사용함으로써 0 비트 전송에 대한 에너지 소비를 완전히 제거한다.
• IEEE 802.11과 유사한 SIFS 및 NIFS 간격을 갖는 CSMA/CA 기반으로, RTS/CTS 및 ACK 교환을 관리하는 새로운 MAC 프로토콜 RBNSiZeMAC을 설계한다.
• 프레임 동기화 및 오류 탐지 기능을 위해 제어 프레임에 2바이트 프리앰블, 4바이트 체크섬, 길이 필드를 포함시킨다.
• 1500바이트 최대 페이로드 크기와 표준 CRC 체크섬을 사용하여 기존 네트워크 프레임 형식과의 호환성을 확보한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 부족한 이진수 체계(RBNS) 인코딩을 사용할 경우, 이진 표현 대비 전송 데이터 내의 비제로 비트 수를 유의미하게 줄일 수 있는가?
• RQ2 RBN 인코딩된 데이터에서 0에 대해 침묵 기간을 사용할 경우, 무선 전송에서 측정 가능한 에너지 절감 효과가 있는가?
• RQ3 제안된 전송 방식이 에너지 소비를 줄이면서도 선형 전송 시간을 유지할 수 있는가?
• RQ4 이deal 및 상용 무선 장치 모델 조건 하에서 제안된 방식의 에너지 효율성은 기존 에너지 기반 전송(EbT) 방식과 비교해 어떻게 되는가?
• RQ5 침묵 기간을 갖는 RBN 인코딩된 프레임을 사용해 신뢰성 있고 비동기 통신을 지원할 수 있는 새로운 MAC 프로토콜을 설계할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 RBN 인코딩은 연속된 1의 런이 k개일 경우 비제로 숫자 수를 최대 k-2만큼 줄여, 에너지 소비를 크게 감소시킨다.
• 0 비트에 대해 침묵 기간을 사용함으로써 해당 비트에 대한 에너지 소비가 완전히 제거되어, 기존 EbT 방식 대비 평균 69%의 에너지 소비 감소를 달성한다.
• 모의 실험 결과, 상용 무선 장치의 파arameter를 사용한 경우에도 다양한 벤치마크 테스트 세트에서 일관된 에너지 절감 효과를 보였다.
• 전송 시간은 데이터 표현에 사용된 비트 수에 비례하여 선형 유지되며, 기존 시스템과의 효율성 및 호환성 유지에 기여한다.
• RBNSiZeMAC 프로토콜은 프리앰블에 10101010 패tern을 사용해 침묵 기간 동안 시계 동기화를 정확히 유지함으로써 비동기 통신을 성공적으로 지원한다.
• 표준 프레임 형식과의 호환성을 유지하며, 1500바이트 페이로드 및 CRC 체크섬을 포함함으로써 기존 네트워크 인fra구조와의 상호운용성을 확보한다.