Implementation of a MAC protocol for wireless sensor networks

Abstract

Medium Access Control (MAC) is implemented protocol for wireless sensor networks according to IEEE 802.15.4 MAC and verified. Implemented MAC operates to support MAC layer management entity (MLME) for management services and MAC common part sublayer (MCPS) for data services. If a device is a coordinator, its MAC generates beacons. If it is not a coordinator, it synchronizes with network beacons. The MAC layer supports PAN association and disassociation, employs the CSMA-CA mechanism for channel access, and handles the GTS mechanism. Implemented MAC includes several power saving algorithms. First, by adjusting a beacon interval and a superframe duration, sensor nodes can stay inactive. When a sensor node gets inactive, it turns off the radio and the network goes to sleep mode. Second, MAC can make its transceiver power off after transmission, and the sensor node goes to IDLE state. MAC is first implemented using Specification and Description Language (SDL). Next, Message Sequence Chart (MSC) is generated by simulating the SDL files. We confirmed MAC operations through the SDL files and MSC, and translated MAC into C programs. C programs are verified using Motorola ZigBee board. Each board is connected with PC through In-Circuit Emulator (ICE). MAC code is downloaded into MCU on test board for emulation. We checked MAC statuses and received data as they are displayed on the monitors through serial port. The complied code size is 35KB and it worked correctly.;Wireless sensor network을 위한 Medium Access Control (MAC) 계층을 Low-Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN)을 목적으로 한 IEEE 802.15.4 사양에 따라 구현하고 검증하였다. MAC 계층의 동작은 management service인 MLME와 data service인 MCPS로 나눌 수 있다. MAC service를 제공하기 위해 필요한 세부 함수로 구성하였다. 본 논문에서 구현한 MAC은 coordinator이면 beacon을 만들고 coordinator가 아닌 device이면 그 beacon에 동기를 맞추는 일을 한다. 또 PAN에 association과 disassociation 하는 것을 지원하며 Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance (CSMA-CA) mechanism과 Guaranteed Time Slot (GTS) mechanism을 지원한다. 구현한 MAC은 power saving을 위한 몇 가지 방법을 포함한다. 첫번째는 beacon 간격과 superframe 크기를 조정함으로써 inactive 구간을 설정해 주는 것이다. inactive 구간 동안 radio의 전원을 차단시켜 전체 네크웍을 sleep 상태로 만들어 준다. 다음 방법은 device마다 자신이 데이터를 보내거나 받지 않는 동안 역시 radio의 전원을 차단 시켜 IDLE 상태에서 전력 소모를 줄인다. IEEE 802.15.4에서 제시된 MAC 사양을 Specification and Description Language (SDL)로 나타내고 SDL 시뮬레이션 결과인 Message Sequence Chart (MSC)를 구성하여 MAC 동작을 확인하였다. SDL 파일과 MSC를 참고하여 MAC 프로토콜을 C 언어로 구현하였다. C로 구현한 MAC 프로토콜을 Motorola Zigbee board를 이용하여 검증하였다. 두 대의 보드를 In-Circuit Emulator (ICE)를 이용해 각각 PC에 연결하고 보드에 장착된 MCU에 구현한 MAC code를 올려서 동작을 검증하였다. 시리얼 포트를 통해 PC 화면에 출력시켜서 주고 받는 파라미터와 데이터 값을 확인함으로써 구현한 MAC의 동작을 확인하였다.