[论文解读] 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 5

一句话总结

本文提出了一种新型节能MAC协议RBNSiZeMAC，该协议利用冗余二进制数系统（RBN）编码，以最小化非零位的传输。通过仅传输1和$ύbark{1}$数字，并利用静默周期表示0，与传统能量传输（EbT）方案相比，该协议平均将能耗降低69%，同时保持线性传输时间并兼容现有帧结构。

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.

研究动机与目标

• 解决传统能量传输（EbT）方案能耗过高的问题，该方案对0和1位传输均消耗能量。
• 探索使用冗余二进制数系统（RBNS）编码以增加传输数据中的零位数量。
• 设计一种MAC协议，利用RBN编码帧中的0位静默周期支持异步通信。
• 在理想和真实无线电设备特性下评估所提方案的节能效果。
• 确保在RBN编码数据中出现长串0位导致的长时间静默周期期间，仍能保持时钟同步。

提出的方法

• 使用数字{-1, 0, 1}将二进制数据编码为冗余二进制数系统（RBNS），其中-1表示为$ύbark{1}$，以减少非零数字的数量。
• 应用一种重编码算法，将连续k > 1个1的序列替换为更高和更低位位置上的一个1和一个$ύbark{1}$，从而将非零数字数量减少k-2个。
• 仅传输非零数字（1和$ύbark{1}$），而对0位使用静默周期（零能耗），从而消除0位传输的能耗。
• 基于CSMA/CA机制设计新型MAC协议RBNSiZeMAC，采用SIFS和NIFS间隔，与IEEE 802.11类似，用于管理RTS/CTS和ACK交换。
• 在控制帧中包含2字节前导码、4字节二进制有效载荷校验和以及长度字段，以支持帧同步和错误检测。
• 采用1500字节的最大有效载荷大小和标准CRC校验和，以确保与现有网络帧格式的兼容性。

实验结果

研究问题

• RQ1 与二进制表示相比，冗余二进制数系统（RBNS）编码是否能显著减少传输数据中的非零位数量？
• RQ2 在RBN编码数据中对0位使用静默周期是否能在无线传输中带来可测量的能耗节省？
• RQ3 所提传输方案在降低能耗的同时，能在多大程度上保持线性传输时间？
• RQ4 在理想和商用无线电设备模型下，所提方案的能耗效率与传统能量传输（EbT）方案相比如何？
• RQ5 能否设计一种新型MAC协议，以支持使用RBN编码帧和静默周期的可靠异步通信？

主要发现

• 所提出的RBN编码可使每个连续k个1的序列中非零数字数量减少最多k-2个，显著降低能耗。
• 通过为0位使用静默周期，完全消除了这些位的能耗，与传统EbT方案相比，平均能耗降低69%。
• 仿真结果表明，即使在使用商用无线电设备参数的情况下，各种基准测试套件中均表现出一致的能耗节省。
• 传输时间与数据表示所用的位数保持线性关系，从而保持效率并兼容现有系统。
• RBNSiZeMAC协议成功实现了异步通信，并通过在前导码中使用10101010模式，确保了在静默周期期间的时钟同步。
• 该协议保持与标准帧格式的兼容性，包括1500字节的有效载荷和CRC校验和，确保与现有网络基础设施的互操作性。