Energy Consumption Assessment Modeling using Observed Time Data from the Sensor Nodes of a Wireless Sensor Network

Abstract

오늘날 무선 센서 네트워크 (WSN)는 네트워크 기술, 멀티미디어 기술, 유비쿼터스 기술, 임베디드 소프트웨어 시스템 기술 등과 더불어 주요 정보기술의 핵심적인 역할을 수행하게 되었다. 무선 센서 네트워크에서 수백에서 수천의 무선 센서 노드들이 대게 험악한 물리적 및 자연적 환경에 배치되고 제한된 배터리 파워와 메모리에 의존하여 탐지, 추적 및 제어 기능을 수행한다. 이에 무선 센서 노드들은 환경 및 생태 모니터링, 목표물 추적, 헬스 캐어, 화재 감지, 교통관리, 홈 오토메이션 등에서 광범위하게 활용되고 있다. 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드들은 극히 기본적인 컴퓨팅 기능과 무선주파수 송수신 및 외부 인터페이스 기능을 가진 극소형 컴퓨터로 간주되며 제한적인 메모리를 내장한 프로세스를 중심으로 한 처리부 (Processing Unit), 특수한 조건의 회로를 가진 센서를 중심으로 센싱부 (Sensing Unit), 무선 송수신 기능을 중심으로 통신부 (Communication Unit) 그리고 배터리를 중심으로 전원부 (Power Unit)로 구성되어 있다. 센서 노드들은 배터리에 의해서 제한적인 전원을 공급 받으며 센서 노드가 데이터 송수신을 위해서 운영되거나 대기 중일 때에 에너지 소비가 집중되며 이는 배터리 수명 그리고 결국 센서 노드 자체의 수명을 결정하게 된다. 따라서 무선 센서 네트워크에서의 센서 노드들의 수명을 알기 위해서는 에너지 소모량을 산정하는 일이 매우 중요하며 이를 위해서 각 센서 노드들의 활성시간과 침묵시간(active/sleep times)을 관측하여 에너지 소모량과 에너지 소모율 및 상대 에너지 효율성을 산정할 수가 있다. IEEE802에서 규정하고 있는 매체 액세스 제어 프로토콜 MAC (Medium Access Control)은 수 많은 노드들이 공유하고 있는 통신매체를 액세스하는 환경에서 채널의 액세스를 동기화한다. MAC 계층의 주요역할은 더 나은 네트워크 전력효율성을 만드는데 있다. 따라서 센서 노드의 에너지 소비를 줄이기 위한 많은 연구들은 저전력 센서 디바이스의 설계 및 구현에 노력을 기울이고 있다. 또한 메모리와 배터리 등의 근본적인 한계 때문에 적절한 MAC 프로토콜 및 라우팅 기법의 선택을 통하여 에너지 효율성은 성취될 수 있다. 본 논문에서는 WSN을 위한 IEEE 802.15.4 표준을 기반으로 하는 S-MAC, T-MAC, B-MAC, DS-MAC, 그리고 D-MAC과 같은 에너지 효율적인 CSMA 경쟁기반 MAC 프로토콜들 하에서 센서 노드들 (Sensor Nodes)로 부터 활성 시간과 침묵시간들의 표본 추출 프레임워크를 설계하고 WSN 센서 노드들에서 관측된 활성 및 수면시간들의 데이터를 기반으로 에너지 소비 산정 모델들을 개발 한다. 또한 개발된 에너지 소비 산정 모델들을 사용하여 에너지 소비량, 에너지 소비 비율 그리고 상대 에너지 효율성을 계산하는 사례를 보인다.