The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences (한국통신학회논문지)

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Performance Evaluation of an Adaptive Collision Avoidance Algorithm for IEEE 802.15.4

IEEE 802.15.4에서 적응적 충돌 회피 알고리즘의 성능분석

  • 노기철 (동국대학교 정보통신공학과 CASTL 연구실) ;
  • 이승연 (동국대학교 정보통신공학과 CASTL 연구실) ;
  • 신연순 (동국대학교 정보통신공학과 CASTL 연구실) ;
  • 안종석 (동국대학교 컴퓨터공학과 Computer Network 연구실) ;
  • 이강우 (동국대학교 정보통신공학과 CASTL 연구실)
  • Received : 2010.11.04
  • Accepted : 2011.03.18
  • Published : 2011.03.31
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Abstract

Like other wireless network protocols, IEEE 802.15.4 adopts CA (Collision Avoidance)algorithm to avoid the early collision of a new packet by randomizing its first transmission time rather than its immediate delivery. The traditional CA scheme of IEEE 802.15.4, however, selects the random access time from the predetermined range without considering the degree of current congestion. It probably causes either a long delay to settle in the suitable range for the current network load or frequent clashes especially during the long lasting heavy traffic period. This paper proposes an ACA(Adaptive Collision Avoidance) algorithm adapting the initial backoff range to the undergoing collision variations. It also introduces a mathematical model to predict the performance of ACA algorithm added to IEEE 802.15.4. With only small deviations from corresponding simulations, our analytical model shows that ACA technique can improve the throughput of IEEE 802.15.4 by up-to 41% maximally in addition to shortening the packet delays.

IEEE 802.15.4는 전송된 프레임의 초기 충돌을 피하기 위해 대부분의 다른 무선 네트워크 프로토콜들처럼 프레임을 전송하기 전 임의의 시간을 지연하는 CA(Collision A voidance) 알고리즘을 사용한다. IEEE 802.15.4의 CA 방식은 현재의 네트워크 상황에 관계없이 고정된 초기 백오프 선택 구간에서 임의의 백오프 지연 시간을 선택하기 때문에, 긴 시간 동안 높은 통신 부하를 유지하는 네트워크에서는 현재 상황에 알맞은 백오프 지연 시간을 선택하기까지 여러 번의 백오프 지연 과정을 반복하게 된다. 본 논문에서는 네트워크의 혼잡 상황에 따른 충돌 확률을 고려하여 초기 백오프 지연 시간을 적응적으로 선택할 수 있는 ACA(Adaptive Collision Avoidance) 알고리즘을 제안한다. ACA 알고리즘의 성능을 측정하기 위해 수학적 모델을 제시하며, ns-2를 이용한 시뮬레이션을 통해 모델의 정확성을 검증하고 네트워크 혼잡 상황에 따른 최적의 초기 백오프 지연 시간을 제시한다. 분석 결과, ACA알고리즘을 사용할 때 표준에 비해 처리량이 최대 41% 이상 증가하고 평균 서비스 지연 시간은 기존보다 더욱 짧게 나타났다.

Keywords

References

  1. IEEE Std. 802-11, "IEEE Standard for Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification," Jun., 1997.
  2. IEEE Standard for Part 15.4: Wireless Medium Access Control Layer (MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANS), Oct., 2003.
  3. SY. LEE, YS. Shin, JS. Ahn, KW. LEE, "Performance Analysis of a Non-Overlapping Binary Exponential Backoff Algorithm over IEEE 802.15.4", in Proc. of the 4th International Conference on Ubiquitous Information Technologies & Applications(ICUT 2009), Institute of Electrical and Electronic Engineers, Inc., Fukuoka, Japan, pp.1-5, 20-22, Dec., 2009.
  4. P. Papadimitratos, A. Mishra, D. Rosenburgh, "A Cross-Layer Design Approach to Enhance 802.15.4", in Proc. of IEEE MILCOM, pp.1719-1726 Vol.3, 2005.
  5. T. Kim and S. Choi, "Priority-based Delay Mitigation for Event-Monitoring IEEE 802.15.4 LR-WPANs", IEEE Communications Letters, pp.213-215 Vol.10, Nov., 2005.
  6. H. Minooei and H. Nojumi, "Performance Evaluation of a New Backoff Method for IEEE 802.11", Comp. Comm., Vol.30, No.18, pp.3698-3704, Dec., 2007. https://doi.org/10.1016/j.comcom.2007.07.003
  7. YS. Shin, JS. Ahn, KW. LEE, "Analytical Performance Evaluation of IEEE 802.15.4 with Multiple Transmission Queues for Providing QoS under Non-Saturated Condition", APCC 2010, Oct., 2010.
  8. G. Bianchi, "Performance Analysis of the IEEE 802.11 Distributed Coordination Function," IEEE J-SAC Vol.18 No.3, pp.535-547, Mar., 2000
  9. Z. Chen, C. Lin, H. Wen, and Hao Yin, "An Analytical Model for Evaluating IEEE 802.15.4 CSMA/CA Protocol in Low-Rate Wireless Application", in Proc. AINAW'07, pp.899-904, May, 2007.
  10. J. Misic and V.B. Misic, "Access Delay for Nodes with Finite Buffers in IEEE 802.15.4 Beacon Enabled PAN with Uplink Transmissions", Computer Communications, Vol.28, No.10, pp.1152-1166, 2005. https://doi.org/10.1016/j.comcom.2004.07.017
  11. S. Pollin et al. "Performance Analysis of Slotted Carrier Sense IEEE 802.15.4 Medium Access Layer", in Proc. IEEE GLOBECOM 2006, pp.1-6, Nov., 2006.
  12. Younggoo Kwon, "A Novel MAC Protocol with Fast Collision Resolution for Wireless LANs", INFOCOM 2003, pp.853-862 Vol.2, March, 30 2003-April 3.
  13. GW. Hyun, YS. Shin, JS. Ahn, KW. Lee, "Analysis of Effects of Hidden Nodes and CCA Deferment Algorithm on IEEE 802.15.4 Performance using ns-2 Simulator", Korea Information Processing Society Letter, 16-3 pp.393-406, 2009.
  14. ns-2 official Site, http://www.isi.edu/nsnam/ns.