IEEE 802.15.4에서 트래픽 상황을 고려한 CSMA-CA 백오프 알고리즘

Abstract

IEEE 802.15.4는 저가의 고정형, 휴대용, 이동식 디바이스들을 위한 아주 단순하고 저렴한 초저전력 무선통신을 목표로 표준화 되었다. 이 표준의 채널 접근의 경우 여러 디바이스의 동시 전송으로 인한 충돌을 피하기 위해 CSMA-CA 프로토콜을 사용한다. CSMA-CA 프로토콜은 RF 채널이 공유된다는 사실에 기초한다. 한 채널 상으로 동시에 둘 이상의 디바이스가 송신하면 메시지 전송의 성공 확률은 충돌과 상호 간섭으로 줄어든다. 채널 상에서 충돌을 피하는 한 방법은 CCA (Clear channel assesment)를 백오프 슬롯 경계에서 실시하고 채널상 신호가 없을 때(idle) 송신한다. 반면 채널 상 신호가 있을 때 랜덤 백오프를 한 후 다시 앞의 과정을 반복한다. 하지만 네트워크 상황이 센서 노드가 광범위한 영역에 배치되고, 다수의 센서 노드들이 채널을 공유하는 상황에서는 IEEE 802.15.4 CSMA-CA 프로토콜은 불필요한 백오프가 반복될 수 있어 성능 뿐 아니라 에너지 효율을 저하시킬 수 있다. 특히 배터리 재충전이 어려운 센서 노드를 위한 MAC 프로토콜은 에너지 소모를 최대한 줄여야 하기 때문에 본 논문에서 경쟁구간을 최대한 효율적으로 활용하기 위한 CSMA-CA Backoff 알고리즘을 제안하였다. 이 알고리즘은 각 노드들의 전송 시도한 순서에 따라 백오프 값에 변동을 주어 Delay한 후 다시 전송 시도함으로써 무의미한 백오프를 줄여 전송 성능과 에너지 효율을 향상시키고자 하였다. 성능 평가는 Qualnet 네트워크 시뮬레이터를 이용하여 IEEE 802.15.4 와 제안한 프로토콜의 성능을 분석하였다. 향후 경쟁 메커니즘의 성능 향상을 위한 다각적인 연구의 수행은 물론 한 계층에만 국한되지 않고 Cross layer를 고려한 연구를 수행할 것이다.