USN(유비쿼터스 센서 네트워크)
USN (Ubiquitous Sensor Network) 성능 측정 기술
USN을 구성하는 데 필요한 기술적 초점은 저전력 및 신뢰성이다. 이는 특히 MAC 및 라우팅 기술을 중심으로 하는 프로토콜 기술의 핵심 포인트이다. 저전력과 신뢰성을 확보하기 위해서는 프로토콜의 검증을 위한 시뮬레이션 기술뿐만 아니라 구현 단계에서부터 시스템의 트래픽특성, MAC, 라우팅 프로토콜의 효율 및 동작검증 등이 필요하다. <편집자 주>
자료제공｜ETRI(한국전자통신연구원)
1. USN 기술 요소
USN이 기존의 Ad-Hoc 네트워크와 다른 가장 큰 특징은 배터리와 같이 제한된 자원을 갖는 센서 디바이스(센서+통신모듈+MCU+베터리)를 활용하여 서비스가 구현되어야 한다는 것이다. USN 관련 주요 핵심 기술들은 센서 디바이스의 수명을 증가시키고, 서비스 신뢰성을 확보하는데 중점을 두고 있다. USN을 구성하는 주요 기술들은 아래와 같다.
■ 센서 노드 기술
센서 노드는 센싱, 컴퓨팅, 무선통신 기능을 갖춘 초소형장치로서 노드 간에서 자율적으로 네트워크를 형성하여 외부의 환경 정보를 획득, 처리 및 제어 기능을 수행하는 u-센서(유비쿼터스 센서) 네트워크의 핵심 소자기술이다.
◎ 센서 네트워크는 애드 혹(Ad-hoc) 네트워크의 일종으로서 특정 목적을 위하여 센서 노드들과 베이스 노드(싱크)로 형성된다.
- 베이스 노드에서는 연동된 네트워크에서 요구된 서비스를 관련 센서 네트워크로 전달하고, 센서
노드는 서비스의 요구에 따라 또는 이미 설정한 조건의 이벤트발생에 따라 센싱된 정보를 베이
스 노드로 전달한다.
- 전달되는 정보는 센싱된 Raw data 또는 주변 센서 노드 간의 협력에 의해 가공된 형태로 저전력을
소모하는 경로를 찾아 전달된다.
- 수집된 정보는 BcN 사용자의 요청에 대한 응답으로써 사용되거나 통계적 자료로 활용된다.
◎ 센서 네트워크는 접근이 용이하지 않은 지형이나 재해구조 응용에서와 같이 임의의 위치에 배치되기 때문에, 노드들이 자동적으로 네트워크 구성할 수 있도록 자율배치 및 네트워크 구성 기술이 필수적이다.
◎ 수백 내지 수천 개의 다수 노드들에 의한 네트워크 구성, 노드의 높은 밀집성, 빈번한 네트워크 구조 변경, 제한된 에너지 및 컴퓨팅 자원, 점대 다중의 통신 형식 등 일반 Ad-hoc 네트워크와는 다른 센서 네트워크의 특수한 조건과 요구사항 때문에 기존의 Wireless Ad-Hoc 네트워킹 기술들을 적용하기 어렵고 센서 네트워크의 특수상황에 맞는 라우팅, 동기화, 위치인식, MAC 등의 프로토콜이 필요하다.
◎ 센서 노드들은 다양한 종류의 센서, 실행기(Actuator), 무선통신 칩 및 제어기를 가지며, 센서 네트워크는 센싱정보와 실행기의 제어 정보를 센서 노드들 간에 분산하여 저장하거나 싱크 노드로 무선 통신에 기반하여 전달하므로, 센서 노드는 이들 정보를 제어하고 관리하여 전력소모를 줄이면서 효율적으로 사용자의 요구에 따라 전달하거나 처리할 수 있도록 배치, 운영, 통신할 수 있는 저전력형의 초소형 센서 노드 기술 개발이 필요하다.
■ 배터리 기술
◎ 배터리 기술은, 센서 노드에 장기적으로 안정적 전력을 공급하여 소자의 원활한 구동을 가능하게 해주는 핵심부품 기술이다. 1차 전지뿐만 아니라 자가 충전 기능이 추가되는 형태의 태양전지나 무선 급전 방식 등의 다양한 기술들이 소개되고 있다.
■ 센서 기술
◎ 센서는 인간의 오감(시각, 청각, 촉각, 후각, 미각)을 대신하여 물리계 또는 환경계의 현상을 정량적으로 측정하여 정보를 검출하는 소자 및 시스템으로서 센서 노드의 중요한 구성요소이다. 센서 네트워크의 다양한 응용 영역에 따라 일체식의 다양한 종류의 센서가 필요하므로 조도, 열, 습도, 가속도/지진강도, 음향, 지자기, 위치(GPS) 등과 같은 센서 중 선택적으로 센서 노드에 장착할 수 있어야 하며 다중 이종 센서를 집적할 수 있는 기술이 요구된다.
■ 저전력 기술
◎ 센서 네트워크의 전원은 교체가 불가능한 배터리에 의존하므로 저전력 기술 및 효과적인 전력 소모 기술은 각노드의 수명뿐만 아니라 전체 네트워크와의 수명과 직결, 시스템 차원의 저전력 기술이 중요하다.
◎ 저전력 소모를 위한 H/W 설계방법 및 공정뿐만 아니라 통신 방식, 프로토콜, 소프트웨어 개발 시에도 에너지 소모를 줄여주는 방법으로 설계되어야 한다.
■ 운영체제 기술
◎ 센서 노드에 탑재되는 운영체제는 프로세싱과 메모리자원이 매우 제한적인 환경에서 수행되는 초소형을 요구하는데 센서 네트워크 응용이 용이하도록 하드웨어와 상위 미들웨어와의 인터페이스가 효율적으로 설계되어야 한다.
상기한 기술적 요소를 만족시키기 위해서는 다양한 RF 및 모뎀기술, MAC기술, 저전력 HW 및 MCU기술, Link 계층 기술, Naming 과 Addressing 기술, Time 동기화 기술, Localization 및 Positioning 기술, Topology Control, 라우팅 프로토콜 기술, QoS, 보안 등 다양한 기술의 적용 및 기술간의 최적화 기술이 필요하다.
2. USN 프로토콜 특성
센서 네트워크는 센서가 취득한 정보를 무선 전송할 수 있는 통신기능을 가진 노드인 센서 노드들이, 아래 그림처럼 ad_hoc방식으로 상호 연결된 무선통신망을 일반적으로 센서망이라고 한다. 특히, 수집된 정보가 모이는 노드를 sink노드라고 부르며, 데이터는 이 노드를 거쳐 인터넷상에 있는 서버 등으로 전달된다.
현재 이러한 센서망의 구성을 위해 사용되는 대표적인 프로토콜은 IEEE802.15.4 LowRate WPAN 표준과 ZigBee표준이지만, 상용화 수준의 센서망을 구성하기 위해서는 많은 보완이 이루어 져야 한다.
IEEE802.15.4 LR-WPAN의 프로토콜 특성은 아래와 같다.
- 저속 (최대 250Kbps)
- CSMA/CA 및 GTS기능 제공
- 저전력 (sleep구간 설정)
- 최소의 프로토콜 스택
- 최대 65,000개의 노드로 망을 구성
그리고 ZigBee기술은 IEEE 15.4를 활용하여 망 계층 및 라우팅기술, 그리고 보안기술 및 응용계층 등의 상위계층 기술을 말한다.
<표>는 무선LAN, 블루투스, 802.15.4 USN의 특징을 비교한 것이다. 이 표를 분석하면 다음과 같다. 즉, Bluetooth (802.15.1)는 최초로 표준화된 저속데이터 전송방식이지만 QoS를 지원하기 위한 복잡성에 의해 가격이 비싸고 전력소모가 큰 단점이 있다. 반면에 ZigBee는 더 짧은 패킷을 더 저속으로 전송하며, 겨우 8개의 노드로 구성되는 블루투스에 비하여 65,000개 이상의 큰 망을 지원한다. 하지만 저속의 전송속도와 전력소모 절약을 위하여 ZigBee는 새로운 slave가 망에 접속하려면 30ms의 지연을 겪으며, 노드가 sleeping에서 active할 때까지 보통 15msec정도 소요된다. 반면에 블루투스는 join시 3초, 전송지연은 2ms에 불과하다. 또한 ZigBee의 경우 배터리의 수명이 긴 이유는 대부분의 시간을 거의 전력소모가 없는 sleep 상태에 머물도록 하였기 때문이다. 예를 들어, 전력 검침용 센서노드는 한달에 한번만 잠깐 깨어나 보고하도록 되어 있다.
센서망은 아래그림과 같이 다양한 망 구조를 가질 수 있다. 노드와 PAN coordinator간 연결로 구성된 스타망, coordinator까지 전달되기 위해서는 다른 노드를 경유하는 트리망, 마스터 coordinator없이 각 노드가 라우팅하는 메쉬망에 결합된 센서노드로부터의 데이터를 목적지까지 무선으로 전달하는 등 다양한 망 구조를 가진다.
센서 망을 구성하는 노드들은 각각의 용도 및 특성에 따라 다양하게 사용할 수 있다. 아래와 같이 노드들을 분류해서 사용하는 이유는 단순히 센서를 통해 정보를 수집해서 전달만 하는 노드와 정보 수집 외에도 다른 노드들에게 정보를 전달하는 라우팅 기능과 망을 구성하기 위해 필요한 다양한 정보들을 갖기 위해 많은 리소스를 필요로 하는 등 각 디바이스의 역할이 다르기 때문이다.
◎ FFD (Full Function Device) : 큰 메모리, 큰 컴퓨팅 파워, 큰 배터리 또는 일반 전원을 갖으며, 모든 기능을 가지는 노드로 PAN Coordinator, Cooridnator, 종단장치등 모든 기능을 가진다.
◎ RFD(Reduced Function Device): 작은 배터리, 작은 메모리, 제한된 컴퓨팅 파워를 갖으며 일부 기능만을 갖는 종단장치로만 동작할 수 있다.
◎ PAN Coordinator: 센서 망(PAN)을 구성에 필요한 대표 노드로 망 전체를 구성하고 관리하는 역할을 하는 FFD이다. 일반적으로 배터리가 아닌 일반 전원을 공급받는다.
◎ Coordinator(Cluster Head): 작은 망이 여러 개 모인 큰망에서 작은 망을 구성하는 대표 노드로 종단장치의 정보를 받아 PAN Coordinator에게 데이터를 중계하는 역할을 한다. 배터리로 동작하는 FFD이다.
이러한 센서망은 동작 주파수에 따라 868MHz대역에서는 변조 방식에 따라 20, 100, 206 Kbps를 지원하고, 915MHz대역에서는 40Kbps 및 250Kbps, 그리고, 2.45GHz대역에서는 250Kbps를 지원한다.
■ 센서 망에서 전원절약 방법
무선 시스템에서는 수신도 송신처럼 에너지를 소모한다. 이러한 전력소모는 배터리를 전원으로 장시간 동작해야 하는 센서 망에서는 치명적이다. 무선 시스템입장에서 에너지 소모를 야기하는 요소를 살펴보면 다음과 같다.
◎ 충돌(Collision) : 2개 이상이 패킷이 한 채널에 동시에 전송되어 전송 패킷에 오류가 발생하여 재 전송으로 인한 쓸데없는 에너지 낭비 초래
◎ Overhearing : 다른 노드로 가는 패킷을 쓸데없이 수신하여 에너지 낭비 초래
◎ Idle listening : 아무도 송신 중이 아닌데도 쓸데없이 수신 대기하면서 에너지 낭비 초래
◎ Protocol overhead : RTS/CTS/SYNC 등의 제어메시지 송수신에 의한 에너지 낭비 초래이러한 에너지소모 요소를 고려하여, 센서노드용 MAC은 자신이 송신하거나 수신할 때만 깨어나고, 나머지 시간에는 sleep하여 전원을 절약하는 기능을 기본적으로 지원한다. <그림>처럼 비컨 메시지를 통해 Active/InActive 구간의 길이와 CAP(Contention Access Period), CFP(Contention Free Period) 등을 설정하게 된다. InActive기간이 길고, Beacon Interval이 길수록 노드가 sleep하는 시간이 길어지기 때문에 노드의 수명은 늘어난다. 하지만 패킷 전달에 필요한 시간이 늘어나고, 실시간으로 급하게 전송해야 하는 데이터의 경우에는 불리할 수 있다.
최근까지, 전원절약 및 노드간 지연을 단축하는 특성을 가진 Sensor Network용 MAC이 수십 가지 이상 발표되었는데, 802.15.4 MAC외에도, PAMAS(Power Aware Multiple Access), Sensor MAC (S-MAC), Adaptive SMAC, Timeout MAC (T-MAC), Berkeley-MAC (BMAC), Dynamic Sensor MAC (DSMAC), Traffic-Adaptive MAC (TRAMA), SMACS(Self-organizing MAC for Sensor network), Power Aware Clustered
TDMA(PACT), Low-Energy Adaptive Clustering Hierarchy(LEACH), Sparse Topology and Energy Management (STEM), Triggered wakeup MAC 등이 있다.
3. USN 성능 분석기
앞 절에서 설명한 것처럼, USN을 구성하는 데 필요한 기술적 초점은 저전력 및 신뢰성이다. 특히 이는 MAC 및 라우팅 기술을 중심으로 하는 프로토콜 기술의 핵심 포인트이다. 저전력과 신뢰성을 확보하기 위해서는 프로토콜의 검증을 위한 시뮬레이션 기술뿐만 아니라 구현단계에서부터 시스템의 트래픽특성, MAC, 라우팅 프로토콜의 효율 및 동작검증 등이 필요하다.
이러한 검증을 수행하기 위해서는 규정된 트래픽 생성특성, 트래픽의 수집에 의한 지연, 손실율, 수신감도, 재전송율 등에 대한 다양한 정보 수집이 필요하다. 기존의 유무선 장비의 SNMP agent 기능을 개별 노드에 탑재하면 이러한 기능의 일부가 가능하지만, 중앙에서의 시나리오에 따른 트래픽 생성, 재전송율, 폐기율, 수신감도 등의 실시간 측정은 불가능하다.
또한, 다음과 같은 의문점에 대하여, 보다 간편한 방법의 실험 방법이 필요하다.
주어진 노드 개수 중에서 몇 개의 노드가 FFD(Full Function Device)로 할당되어야 전체망의 최적의 성능을 얻을 수 있는가? 즉, 하나의 FFD에 몇 개의 RFD(Reduced Function Device)가 결합되어야 하는가? 여러FFD를 로밍하는 RFD의 전송성능은 얼마인가? CAP(경쟁구간)과 CFP(비경쟁구간), 그리고, Superframe의 간격이 얼마이면 최적의 QoS를 제공할 수 있는가? CFP구간에서 GTS slot의 개수를 각 노드마다 몇 개를 할당하는 것이 좋은가? 표준안에 제시된 여러가지의 동작변수의 기본값 대신에 어떤 값이 더 우수한가? 등 매우 다양한 관점에서 관련 프로토콜에 대한 검증이 올바르게 이루어져야 한다.
ETRI에서 개발한 USN 성능측정을 위한 USN 분석기는 하드웨어와 윈도우용 소프트웨어로 구성되며, ‘Traffic Generator', ‘Protocol Analyzer', ‘USN Traffic Monitoring',‘ 다양한 통계 기능'등의 갖는다.
H/W 구성
- CPU : PPC440EP (333MHz)
- 1 Fast Ethernet Port
- 1 USB Port/2 Serial Ports
- 1 Transceiver Board (Changeable)
- Programmable scenarios based FPGA
S/W 구성
◎ Multi-Analyzer support for many sensor nodes covering wide area
◎ Detailed Packet Analysis with Various Options
◎ IEEE802.15.4-2003, 2006(IEEE802.15.4b)
◎ ZigBee Protocols
◎ Sensor Network Protocols
◎ Real-time traffic monitoring
◎ Packet Generator with Versatile Options
◎ IEEE802.15.4-2003, 2006 Encoder
◎ ZigBee Protocol Encoder
◎ User-defined Encoder
◎ Many kinds of scenario generation
◎ Time Line Analysis (HW-based)
◎ Various Statistics (real-time, cyclic mode)
◎ Routing MAP Support
◎ Real-time routing traffic monitoring
◎ User-defined MAP setting
◎ Detail node information display
ETRI는 이번 개발된 버전을 기반으로 여러 개의 채널을 동시에 분석할 수 있는 멀티채널용 분석기 개발을 진행 중에 있다. 본 기술은 다중채널을 위한 하드웨어 기술과 XML기반의 다양한 프로토콜 분석 및 생성기능, 테스트베드에 직접 활용 가능한 기술을 개발 중에 있다.
