Medium Access Control for Unmanned Aerial Vehicle-Aided Internet of Things Systems

Abstract

사물 인터넷(IoT)은 일상적인 객체를 연결된 장치로 변환하여 유비쿼터스 인터넷 연결을 제공하는 새로운 영역이다. 산업 사물 인터넷(IIoT)의 성장은 무선 센서 네트워크, 임베디드 시스템 및 저가 센서의 광범위한 사용으로 인해 크게 발전하고 있다. IIoT는 Industry 4.0 구현을 위한 기반이다. 해양 플랜트에 대한 불충분하고 비효율적인 모니터링의 결과로 많은 산업 재해가 발생할 수 있다. 근로자를 이용한 해양 플랜트 일일 수동 점검은 시간이 많이 걸릴 뿐 아니라 인명 안전에도 위험하다. 무인 비행체(UAV)는 원격 산업 환경에서 데이터를 수집하는 데 쉽게 활용될 수 있어 안전 대책과 육체 노동 부담을 덜 수 있다. 산업 환경에서, 비상 전송 패킷은 지연시간이 짧아야 하는 반면, 모니터링 패킷은 높은 전송률을 요구한다. 본 논문은 UAV 활용 IIoT 시스템을 위한 우선순위 기반 고속 MAC (PF-MAC) 프로토콜을 제안하고, 시스템의 서비스 품질(QoS)을 고려한 빠르고 안전한 데이터 전송을 보장한다. 전송 기회를 포착하기 위해, UAV 접촉 범위 내의 IoT 장치는 CSMA/CA를 사용하여 예약 프레임을 UAV로 보낸다. CSMA/CA 기간 동안 IoT 장치는 새로운 적응형 백오프 메커니즘과 정적 트래픽 우선 순위를 이용한다. UAV는 예약 프레임을 수신한 후 정적 트래픽 우선순위, 접촉 시간, 샘플링 빈도 및 잔여 에너지를 기반으로 동적 장치 우선순위를 계산한다. 이후 UAV는 데이터 전송을 위해 시간 슬롯을 각 IoT 장치에게 할당된다. IoT 장치가 CSMA/CA 단계에서 경합에 실패하면, 다음 재전송 시 정적 트래픽 우선순위를 증가시켜 공정성을 보장한다. 문헌 조사에 의하면, QoS를 보장하기 위해 트래픽 우선순위와 장치 우선순위를 모두 고려한 사전 연구는 없었다. 성능 평가에 따르면, 제안된 PF-MAC은 지연시간 및 전송률 측면에서 종래의 프로토콜보다 우수한 성능을 갖는다.|The Internet of Things (IoT) is a new realm that offers ubiquitous Internet connectivity by transforming everyday objects into connected devices. The growth of the industrial Internet of things (IIoT) has been advanced by the widespread deployment of wireless sensor networks, embedded systems, and low-cost sensors. The IIoT is the foundation for Industry 4.0 implementation. Many industrial accidents may occur as a result of insufficient and ineffective offshore plant monitoring. Daily manual inspections of offshore plants using workers are not only time-consuming but also dangerous to human safety. Unmanned aerial vehicles (UAVs) can be easily used to gather data from remote industrial environments, taking into account safety measures and alleviating the burden of physical labor. In an industrial setting, emergency packets need less delay while monitoring packets require high throughput. This thesis proposes a priority-aware fast MAC (PF-MAC) protocol for UAV-assisted IIoT systems, ensuring fast and robust data delivery considering the quality of service (QoS) of the system. To capture transmission opportunities, devices within the UAV contact range send a reservation frame to the UAV using CSMA/CA. During CSMA/CA, the devices with high static priority use a novel adaptive backoff mechanism. The UAV calculates the dynamic device priority based on the static traffic priority, contact time, sampling frequency, and remaining energy after obtaining the reservation frames. The UAV then assigns a time slot to each device for data transmission. If a system fails in contention during the CSMA/CA phase, the static traffic priority is increased in the next retransmission to ensure fairness. There is no prior work in the literature that considers both the traffic priority and the device priority to ensure QoS. According to our performance evaluation, the proposed PF-MAC outperforms existing and traditional protocols in terms of delay and throughput.