Time Synchronization for WSN Nodes Operating on Low-Energy Sleep-Wake Cycles

Previous low-energy time synchronization methods have mainly focused on reducing the number of transmission or reception packets. However, this paper proposes a method that reduces the percentage of time a node has to be awake (the duty cycle), assuming that a periodic sleep-wake cycle is used to conserve energy. Based on our experience with actual WSN devices, a system model is proposed, and the potential performance of the proposed method, with different parameter values, is analyzed. To further demonstrate the feasibility of our method, experiments were conducted using nine WSN devices in a $3{\times}3$ grid network topology. The results show the average synchronization error is 107.57 $\mu{s}$ in duty cycle 5% and synchronization period 10 sec, and 130 $\mu{s}$ in duty cycle 2.5% and synchronization period 20 sec.

저 에너지의 취침 기상 사이클로 작동하는 무선센서 네크워크 노드들을 위한 시간 동기화

무선 센서 네트워크에서 중요한 이슈 중 하나는 배치되는 센서 노드들이 최대한 요래 지속되도록 전력 소비를 줄이는 것과, 네트워크를 시간 동기화 하는 것이다. 기존의 저 전력 시간 동기화 알고리즘은 취침모드에 대한 고려 없이 교환되는 패킷의 수를 줄이거나, 네트워크 토폴로지에 따라 다른 시간 동기화 방법을 사용하는 하이브라드 방법이 전부였다. 무선 센서 네트워크에서 효율적인 에너지 절약 방법은 노드의 취침을 통한 duty cycle의 감소이기 때문에, 본 논문에서는 노드의 취침을 통해 duty cycle을 줄일 수 있는 시간 동기화 알고리즘을 제안하였다. 알고리즘 제안 시, 실험을 통해 노드 구성요소의 특성을 파악하여 모델을 세운 후 접근하였다. 제안한 알고리즘의 성능 파악을 위해 네트워크에 요구되는 시간 동기화 정확도가 있을 때, 이를 만족시키기 위한 시간 동기화 주기 값을 구해보았으며, 노드 사이의 편차율을 구할 때 걸리는 시간을 확률적인 개념을 사용해 분석하여 보았다. 제안된 알고리즘을 $3{\times}3$ 격자(grid) 구조에서 구현해본 결과, duty cycle 5%, 시간동기 주기 10초일 때, 107.57 $\mu{s}$의 평균 시간동기 오차를, duty cycle 2.5%, 시간동기 주기 20초일때, 130 $\mu{s}$의 평균 시간동기 오차를 보여주었다.