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로봇 기반 Mobile Sensor Network를 위한 저전력/고성능 네트워크 프로토콜 개발

삼성전자 - 개발기간 (2007.1.1 ~ 2007.12.31 )

 

1. 연구목표

 이동 센서 노드와 이동 싱크로 구성된 로봇 기반 센서 네트워크에 적용 가능한 저전력/고성능 라우팅 및 MAC 프로토콜 개발 및 이를 응용한 서비스 모델 연구.        

     

2. 연구개요

 로봇을 이용한 센서 네트워크는 기존의 센서 네트워크와는 달리 개별 센서 노드가 이동 가능하다. 센서 네트워크를 구성하는 각 노드들이 이동성을 가지는 경우 고정 센서 노드를 가정한 기존의 센서 네트워크의 라우팅 및 MAC 프로토콜은 센서 노드의 이동으로 인한 네트워크의 동적인 변화에 적절히 대응하지 못한다. 본 과제에서는 이러한 기존 프로토콜의 문제를 해결할 수 있는 라우팅 및 MAC 프로토콜과 이를 적용한 로봇 기반 센서 네트워크 환경에서의 응용 서비스에 대해 연구한다.

 

3. 추진배경

 이동 센서 노드로 이루어진 센서 네트워크에서는 각 노드의 이동 특성에 따라 네트워크 상황이 동적으로 변한다. 싱크 뿐만 아니라 센서 노드도 이동하는 상황에서는 각 센서 노드에서 싱크 노드로의 라우팅 경로를 지속적으로 갱신하고, 싱크의 위치 정보 외에도 각 노드의 위치 정보가 추적 및 관리되어야 한다. 그런데, 이러한 위치 정보 추적은 일반적으로 flooding과 같은 방법을 통해 이루어지므로 센서 및 싱크 노드의 움직임이 활발한 경우 위치 정보 갱신에 의한 극심한 오버헤드가 발생하며, 이로 인한 에너지 소모도 증가한다. 또한 각 노드의 이동은 MAC 프로토콜에서 관리하는 이웃 노드에 대한 정보가 고정된 센서 노드를 사용하는 경우에 비해 자주 갱신될 것을 요구한다. 고정된 센서 노드로 구성된 네트워크에서는 이웃 노드의 오류나 고장으로 인해 해당 노드로의 링크가 사라지거나 새로운 노드가 네트워크에 설치되는 경우 링크 설정이 필요하다는 점에서 이웃 노드의 정보에 대해 동적인 관리가 필요하지만 이웃 노드의 정보가 변하는 경우가 많지 않다. 그러나, 이동 센서 노드로 구성된 네트워크에서는 각 노드의 이동으로 인해 이웃 노드로의 링크가 소실되거나 새로운 이웃 노드에 대한 탐색이 요구되는 빈도가 노드의 이동성에 따라 변하며, 고정된 센서 노드들에 비해 높게 발생한다. 이는 이웃 노드 탐색과 링크 재설정을 빈번하게 요구하며, 이로 인한 추가적인 오버헤드가 발생한다. .

     

4. 연구내용

 현재까지 센서 네트워크의 라우팅 및 MAC 프로토콜에 대한 연구는 주로 고정된 센서 노드와 고정 혹은 이동 가능한 싱크 노드로 이루어진 환경을 가정하였다. 그러나 최근에는 로봇 기술의 발전과 더불어 이동 가능한 센서 노드로 구성된 네트워크에 적용 가능한 라우팅 및 MAC 프로토콜에 대한 연구도 요구되고 있다. 본 과제에서는 이러한 필요에 부합하여 이동성을 가진 로봇들에 장착된 센서 노드로 구성된 센서 네트워크를 지원하고, 동시에 데이터 지연 및 에너지 소모를 획기적으로 절감할 수 있는 라우팅 및 MAC 프로토콜을 개발하며, 이를 기반으로 한 응용 서비스 연구를 연구 목표로 한다.
   

 가. 이동 센서 노드를 지원하는 저전력/고성능 라우팅 프로토콜 개발

  본 과제에서 GPS가 장착된 이동 노드를 가정하여 위치정보 비교를 통해 라우팅을 수행함으로서 경로 탐색에 요구되는 과도한 트래픽 부담과 성능 지연을 최소화하였으며 가상 싱크 기법을 사용하여 가상 싱크로 지정된 노드만이 싱크의 위치를 추적하고 갱신하므로 싱크 위치 추적을 위한 비용을 절감하였다. 따라서 이동하는 노드를 가정한 모바일 센서 네트워크 환경에서 최소의 비용으로 효과적인 경로 설정이 가능한 라우팅 프로토콜이다. 본 과제에서 제안하는 모바일 센서 네트워크 프로토콜인 V-Geocast (Virtual Sink based Geocast Routing)에서는 Geocast 기반의 가상 싱크 기법을 사용한 라우팅 알고리즘을 통해 이러한 문제를 해결하고자 한다. 본 과제에서 제안하는 라우팅 알고리즘의 특징은 다음과 같다.

▣ 가상 싱크 기법을 이용한 V-Geocast 방식의 라우팅 기법
▣ Geocast 라우팅을 이용한 노드 이동성 지원
▣ History를 이용한 우회 경로 탐색 기능
▣ RREQ와 RREP을 통한 우회 경로 탐색 기능
▣ 이웃 노드 탐색을 위한 Adaptive beacon 기법
▣ 이동성과 에너지 문제 해결을 위한 V-Geocast Rotation
▣ Random Waypoint 환경에서의 가상 싱크 앵커링 (anchoring) 기법
▣ Group mobility 환경에서의 Periodic Beaconing 기법
   

 나. 이동 센서 노드를 지원하는 저전력/고성능 MAC 프로토콜 개발

  노드의 이동성 문제를 해결하기 위하여 본 과제에서는 링크 품질 및 노드의 이동성을 예측하여 노드의 동작을 제어하는 방법을 제공한다. M-MAC의 기본 개념은 이러한 링크 품질과 이동성 예측을 통해 데이터 전송 시 링크 품질이 좋거나 이동성이 낮을 것으로 예상되는 노드로의 링크만 사용하게 함으로써 에너지 및 전송 성능을 개선하는 것이다. 또한, 데이터 전송 시 링크 상태가 나쁘거나 이동 속도가 빨라서 링크 상태가 나빠질 것으로 예측되는 노드로의 링크는 소실된 것으로 간주함으로써 재전송 혹은 경로 재설정 등과 같은 통신 오버헤드를 줄이고, 이를 통해 불필요한 에너지 소비와 전송 지연 증가를 개선한다. 또한 전송 실패가 예상되는 경우 송/수신 노드의 전송 범위에 공통으로 포함되는 노드가 해당 데이터 통신을 중계함으로써 전송 실패로 인한 경로 재설정을 방지하여 에너지 및 전송 성능을 개선한다.
 이를 위해 M-MAC은 각 노드가 링크 별로 데이터 전송 시 RSSI의 변화를 기록하고 이를 통해 링크의 이동성과 링크 품질을 예측하는 방법을 제안하며 이를 바탕으로 데이터 전송 시 이동성으로 인하여 링크의 품질이 나쁠 것으로 예측되는 경우 전송 성능을 개선하고 불필요한 에너지 낭비를 줄이기 위하여 Dropping, Selective forwarding, Relaying 등 세 가지 링크 단계의 전송 방법을 제안한다.

▣ 링크 품질 및 이동성 예측
- 이동 상태와 이동 시점의 예측
- 이동 속도의 예측

▣ 예측된 링크 품질 및 이동성을 이용한 링크 계층에서의 전송 제어
- Dropping: 링크 품질이 매우 나쁘거나 이동성으로 인하여 이미 링크가 단절된 것으로 예측되는 링크로의 전송을 사전에 방지한다.
- Selective forwarding: 실제 데이터 패킷 전송 시 사라지거나 품질이 나쁠 것으로 예상되는 링크는 전송 경로에 포함되지 않도록 하는 방법이다.
- Relaying: 송신 노드와 수신 노드의 전송 범위에 모두 속하는 노드들은 송신 노드 혹은 수신 노드의 이동성을 예측할 수 있으며, 두 노드 사이에 발생하는 통신을 중계할 수 있다. 이러한 역할을 수행하는 노드를 relay 노드라고 하며 relay 노드는 수신 노드를 대신하여 송신 노드로부터 패킷을 수신하고, 송신 노드를 대신하여 수신 노드에게 패킷을 전달한다.
   

5. 기대효과

  ▣ 기술적측면
현재 USN 분야는 다양한 네트워크 프로토콜이 연구 및 제안되고 있는 상황이며 아직 실용화 단계까지 발전하지 못하였다. 특히 통합 네트워크 개발에 대한 연구는 국내외적으로도 초기단계에 있다. USN 실용화를 위해서는 네트워크 구축 가격, 성능 및 서비스 기간 측면에서 응용에 따른 요구조건을 만족 시킬 수 있어야 하므로 실용적인 네트워크 프로토콜 개발이 USN 실용화의 핵심 요구 조건이다. 그러나 기존의 센서 네트워크는 이동성을 고려한 상황에서 에너지 소모와 성능 면에서 한계를 가지고 있다. 이 같은 경우에 기존의 Mobile Ad Hoc Network은 제한된 영역에서 에너지 소모가 커지며, Sensor Network도 성능 면에서 부적합하다. 본 과제에서는 저가의 대규모 센서 네트워크에서 이동성을 고려한 저전력/고성능 네트워크 프로토콜을 개발함으로써 ubiquitous 컴퓨팅의 핵심 원천 기술인 센서 네트워크 라우팅/MAC 프로토콜의 기술 우위를 확보하고 기존의 프로토콜에 비하여 10배의 성능 향상을 가능하게 할 것이다. 이를 바탕으로 USN 네트워크 프로토콜 기술의 국제 표준화를 주도할 수 있는 기반을 제공하고 지적 재산권을 확보할 수 있을 것이다. 또한 개발된 통합 프로토콜을 바탕으로 상용 센서 노드를 이용한 USN 응용 플랫폼을 개발함으로써 USN 실용화를 앞당길 수 있다.    

 

  ▣ 경제적측면
USN 응용 플랫폼 개발을 통한 고부가가치의 상용 USN 응용 시스템 개발 연구를 통해 지적 재산권 및 표준화 확보는 새로운 USN 시장을 개척할 수 있다. 표준화된 USN응용 플랫폼을 제공하여 다양한 분야에 대한USN 적용을 유도하여 USN 플랫폼 시장을 확장시킬 것으로 예상되며, USN 네트워크의 핵심 기술을 보유함으로써 관련 시장을 선점하여 시장을 주도할 수 있을 것으로 본다. 이러한 기술과 로봇기술과의 결합은 고부가가치 정보-지능화 산업 창출을 통한 전후방 산업에 대한 막대한 파급 효과를 창출하게 되어 국가 경쟁력 강화 및 수입 대체 효과를 가져올 수 있을 것이다.    



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