[論文レビュー] A New Energy Efficient MAC Protocol based on Redundant Radix for Wireless Networks

Koushik Sinha|arXiv (Cornell University)|Jun 15, 2016

Energy Harvesting in Wireless Networks参考文献 7被引用数 5

ひとこと要約

本稿では、冗長2進数表現（RBN）符号化を活用して非ゼロビット送信を最小限に抑える、新規の省エネルギーMACプロトコルRBNSiZeMACを提案する。1および$ύbark{1}$デジットのみを送信し、0の場合はサイレント期間を用いることで、従来のエネルギーベース送信（EbT）方式と比較して平均で69％のエネルギー消費削減を達成するが、送信時間は線形であり、既存のフレーム構造とも互換性を保つ。

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.

研究の動機と目的

• 従来のエネルギーベース送信（EbT）方式が0ビットおよび1ビットの両方の送信にエネルギーを消費するという、高いエネルギー消費を是正すること。
• 冗長2進数表現（RBNS）符号化を活用して、送信データ内のゼロビットの数を増やすことの検討。
• RBN符号化フレームにおける0のためのサイレント期間を用いることで、非同期通信をサポートするMACプロトコルの設計。
• 理想および実際の無線デバイス特性の両方の下で、提案された方式のエネルギー節約効果の評価。
• RBN符号化データに含まれる連続する0の連続による長時間のサイレント期間中に、時 clocks の同期を維持すること。

提案手法

• {-1, 0, 1}のデジットを用いて、二進データを冗長2進数表現（RBNS）に符号化し、-1は$ύbark{1}$として表記する。これにより非ゼロデジットの数を削減する。
• 連続するk > 1個の1の列を、上位ビット位置に1、下位ビット位置に$ύbark{1}$を用いて置き換える再符号化アルゴリズムを適用し、非ゼロデジット数をk-2だけ削減する。
• 非ゼロデジット（1および$ύbark{1}$）のみを送信し、0の場合はサイレント期間（エネルギー消費ゼロ）を用いることで、0ビット送信にかかるエネルギー消費を完全に排除する。
• CSMA/CAに類似したRBNSiZeMACプロトコルを設計し、SIFSおよびNIFSインターバルを用いてRTS/CTSおよびACK交換を管理する。
• フレーム同期および誤検出のため、2バイトのプレアンブル、バイナリペイロードの4バイトのチェックサム、および長さフィールドを制御フレームに含める。
• 1500バイトの最大ペイロードサイズと標準CRCチェックサムを用いることで、既存のネットワークフレーム形式と互換性を確保する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 冗長2進数表現（RBNS）符号化により、二進表現と比較して送信データ内の非ゼロビットの数を顕著に削減できるか？
• RQ2 RBN符号化データにおける0のためのサイレント期間を用いることで、無線送信における測定可能なエネルギー節約が達成できるか？
• RQ3 提案された送信方式は、エネルギー消費を削減しながらも、送信時間の線形性をどの程度維持できるか？
• RQ4 理想および商用無線デバイスモデルの両方の下で、提案された方式のエネルギー効率は、従来のエネルギーベース送信（EbT）方式と比較してどの程度優れているか？
• RQ5 RBN符号化フレームとサイレント期間を用いた、信頼性の高い非同期通信をサポートする新しいMACプロトコルを設計できるか？

主な発見

• 提案されたRBN符号化により、連続するk個の1の列に対して非ゼロデジット数が最大k-2まで削減され、エネルギー消費が顕著に削減される。
• 0のためのサイレント期間の使用により、0ビット送信にかかるエネルギー消費が完全に排除され、従来のEbT方式と比較して平均で69％のエネルギー消費削減が達成される。
• シミュレーション結果から、さまざまなベンチマークスイートにおいて一貫したエネルギー節約が確認され、商用無線デバイスのパラメータを用いても同様の結果が得られた。
• 送信時間はデータ表現に使用するビット数に対して線形に保たれ、効率性および既存システムとの互換性が維持される。
• RBNSiZeMACプロトコルは、サイレント期間中のタイミング同期を維持するための10101010パターンをプレアンブルに用いることで、非同期通信を適切にサポートし、正確なクロック同期を実現した。
• プロトコルは1500バイトペイロードおよびCRCチェックサムを含む標準フレーム形式を維持しており、既存のネットワークインfra構造との相互運用性が保証されている。