Coexistent Heterogeneous Random Access Architecture for the Optimization of IoT System Platform

Abstract

As the development of wireless technology have made service diversified more than before, the demand for various data is sharply increasing. In the near future, if the scattered massive Internet of Things devices would continue to send big amount of data to the central network periodically or non-periodically, it leads to experience extreme network saturation problem. Furthermore, experts say that the average data rate of five generation would be twenty times higher than that of four generation mobile communication. Therefore, it is the time to consider the new concept of method to respond efficiently on the network saturation problems, departing from conventional network management system. Although the company and government are developing the new frequency band, it is known that the capacity of channel and physical technology would reach the limit in consideration of the explosive increment of data. Therefore, in the view of the efficient usage of the limited network the radio access technology has received much attention from researchers, and by this time many literatures have proposed the various channel access algorithm that makes the network be able to use the media access control layer efficiently. This paper has proposed the method which not only increases the rate of communication by combination and modification of conventional access technology but also mitigates the interference between heterogeneous networks. Thus, this paper proposed coexistent heterogeneous random access architecture for the optimization of IoT system platform. This method assumes the environment that the mobile device or a lot of IoT device coexist and try to communicate each other in the coverage of the small cell station. In this paper, first of all we propose cluster algorithm that group the devices according to the data type and allocate the channel to the cluster with the whole authority to share, add, divide, and return. By acting like the one user in the perspective of small cell base station and providing orthogonal several sub-channels for contention based protocol, it lowers the probability of collision when channel should be allocated to the many users. In the upcoming future platform having ultra-high data rate and low latency, we wanted to show that it is optimal method to allocate the sub-channels to a group as a unit and make the group to return the channel freely after using it in the distributed manner. Simulation result shows that the proposed scheme can not only make better throughput when comparing the conventional method and but also raise degree of satisfaction by minimizing the variance of delay.;무선기기 통신 기술 발전으로 인하여 제공 가능한 서비스의 종류가 다양해짐에 따라, 데이터에 대한 수요량은 더욱 폭발적으로 증가하고 있다. 여러 곳에 산재한 IoT 기기들(Internet of Things)이 주기적 또는 비주기적으로 만들어낼 미래의 데이터 양까지 고려한다면, 머지않아 네트워크는 극심한 포화상태를 겪을 것으로 예상된다. 게다가 5세대에는 지금의 4세대 이동통신의 20배에 해당하는 고속의 통신이 이루어질 것으로 전문가들은 예상하고 있다. 따라서 기존의 네트워크관리 방식에서 벗어나 데이터의 양과 속도의 갑작스러운 변화에 효율적으로 대응할 수 있는 네트워크 층 관리의 새로운 방식의 도입이 필요한 시점이라고 할 수 있다. 새로운 주파수 대역을 개발하고 있음에도 불구하고, 폭발적인 데이터 증가량에 비해 사용 가능한 채널의 용량과 물리적 기술에는 한계가 있다고 알려져 있다. 따라서 다가올 미래기술로는 네트워크의 효율적 활용이라는 관점에서의 접근 기술들이 주목 받고 있으며, 지금까지의 많은 논문들은 미디어 접근 통제 층에서 사용할 수 있는 다양한 채널 접근 방식을 제안하였다. 이는 기존에 있던 접근방식의 혼합형이나 변형을 통해 통신의 속도를 높일 뿐 아니라 다종의 기기간의 간섭을 최소화하기 위한 방법들을 제시하였다. 따라서 본 논문에서는 소형기지국이 커버하는 공간 안에 모바일 기기이나 IoT 디바이스들이 존재하는 경우, 데이터 타입에 따라 기기들을 그룹화한 뒤 서브 채널에 그룹단위로 동시에 접근하여 채널을 분배하여 사용하게 하는 IoT플랫폼 기반에서 최적인 이질그룹간의 공존랜덤접근 구조를 제안하였다. IoT기기들이 이룬 그룹은 소형기지국인 eNodeB가 보았을 때 하나의 사용자처럼 행동함으로써 채널을 할당 받는데 있어 충돌의 확률을 낮추었으며, 경쟁기반 프로토콜을 사용함에 있어 직교하는 서브채널 여러 개를 제공함으로써 충돌을 최소화하였다. 다가올 미래의 초고속, 저지연의 통신의 플랫폼에서는 경쟁적 랜덤접근을 통해 채널을 분배 받고 자유롭게 반납하는 유동적인 프로토콜이 가장 적합하다는 사실을 해당 논문에서 제안하는 아키텍처를 통하여 보이고자 하였다. 시뮬레이션을 수행한 결과 제안된 기법을 사용하면, IoT 기기들이 밀집된 환경에서 기기의 수가 많아 질 수록 기존의 미디어 접근방식인 CSMA나 OFDMA의 기법과 비교하여 시스템의 처리량이 증가될 뿐 아니라 지연 분산을 최소화시킴으로써 사용자의 QoS를 높일 수 있다는 것을 확인하였다.