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u-City 적용 센서 네트워크 시스템 개발

ETRI - 대규모 센서 네트워크에서의 저전력 통신 방법 (2008.12.5 ~ 2009.3.31)

 

1. 연구목표

 무선 통신 기술 및 관련 장비 기술의 발전으로 대규모 센서 네트워크의 구현이 가능해졌다. 이와 함께 다양한 응용이 대두됨에 따라 신뢰성 높은 실시간 통신 기법에 대한 요구가 증대되었다. 따라서 본 연구는 대규모 센서 네트워크 환경에서 신뢰성 높은 실시간 통신을 제공할 수 있는 저전력 네트워킹 기법에 대해 연구한다.        

     

2. 연구내용

 저전력 실시간 통신 기법 개발의 기초 연구로서 국내외 USN 분야의 저전력 통신 및 실시간 통신 기법 연구 동향을 조사한다. 연구 목표를 달성하기 위한 방법으로 먼저 불필요한 유휴 청취를 최소화할 수 있는 방안을 연구한다. 유휴 청취는 센서 노드의 주요 에너지 소비원으로 알려져 있으며 이를 최소화함으로써 불필요한 에너지 낭비를 막을 수 있다. 이와 함께 실시간 통신을 제공하기 위한 방법으로 노드의 주기적인 휴면에 의한 지연을 제거하기 위한 방안을 연구한다. 이를 위해 본 연구에서는 노드의 순차적인 동작 스케줄 기법을 통해 휴면 지연을 제거하는 방법을 연구한다. 제안된 방법은 비용, 성능, 신뢰도 측면에서 기존의 통신 기법과의 비교 분석을 통해 그 성능을 검증한다.

     

3. 연구개발의 필요성

  가. 국내ㆍ외 기술개발현황

 센서 네트워크는 트래픽의 특성과 배터리의 제한으로 인해 기존의 네트워크와는 달리 각 센서 노드의 에너지 효율성이 전체 네트워크의 수명을 결정한다. 특히 기존의 네트워크와는 달리 라우터 및 액세스 포인트와 같은 기반 구조가 없기 때문에, 네트워크 초기화와 관리뿐만 아니라 전원 관리 역시 각 센서 노드에서 개별적으로 이루어져야 한다. 그러므로 대규모 센서 네트워크의 수명과 효율적인 동작을 보장하기 위해서는 저전력 통신 기법이 요구된다. 특히 감시 시스템, 추적 시스템, 응급 구호 시스템 및 교통 정보 시스템 등과 같이 다수의 센서 네트워크 응용이 실시간 처리를 필요로 하는 추세이며, 이에 따라 실시간 통신 기법에 대한 요구도 증대되고 있다.
센서 네트워크 통신 기법과 관련하여 국내외에서 다양한 연구가 진행되고 있는데, 대부분의 통신 기법은 노드의 에너지 효율성 개선에 초점을 맞추고 있다. 기존 연구들은 노드의 에너지 효율성을 제고하기 위하여 유휴 청취에 의한 에너지 소비를 최소화하는 방법을 제안한다. 주기적인 동작/수면 상태의 반복을 통해 노드 동작에 의한 유휴 청취시간을 줄이고 이를 통해 에너지 소비량을 낮춘다. 주기적인 동작/수면 스케줄을 사용하는 통신 기법은 각 노드의 동작 시점이 이웃 노드들과 동기화되어 있는가에 따라 그림 1과 같이 동기식과 비동기식으로 나눌 수 있다. 동기식 방법은 기본적인 노드의 동작 스케줄이 이웃 노드들과 동기화되어 동일한 시점에 동작과 수면을 반복한다. 이와 달리 비동기식 방법은 각 노드가 독립적인 시점에 동작과 수면을 반복한다. 이러한 기본적인 동작/수면 스케줄을 바탕으로 트래픽의 유무에 따라 동작 구간의 길이를 달리함으로써 노드의 불필요한 에너지 소비를 방지하는 것이 대부분의 저전력 통신 기법의 기본 방식이다. 대표적인 것으로는 S-MAC, T-MAC, B-MAC, Wise-MAC 등이 있다.    


<그림 1 동작 스케줄에 따른 통신 기법 분류>

 

 최근에는 센서 네트워크 환경에서 실시간 동작을 제공하기 위한 연구도 진행되고 있다. 각 노드가 주기적인 동작/수면을 반복하는 센서 네트워크에서는 노드의 수면으로 인한 지연이 전체 전송 지연에서 가장 큰 비율을 차지한다. 그러므로 실시간 통신을 위해서는 이러한 수면 지연을 제거할 필요가 있으며 이를 위한 방안으로 각 노드의 동작 스케줄을 미리 설정하여 두는 방법이 연구되고 있다. 전송 경로 상의 노드들을 주요 트래픽 전송 방향에 맞추어 순차적으로 동작하도록 함으로써 각 노드 사이에 발생하는 수면 지연으로부터 패킷 전송이 방해 받지 않도록 한다. 2006년 Robert Bosch사의 A. Keshavarzian, L. Venkatraman 및 Stanford 대학의 H. Lee는 다양한 동작 스케줄들의 실시간 통신의 성능을 연구함으로써 트래픽 형태에 따라 적합한 동작 스케줄 형태를 분석하였다.

          

  나. 문 제 점

 무선 통신 및 관련 하드웨어 기술의 발전으로 기반 시설이 설치되지 않은 곳에서의 물리 현상 관찰 등과 같이 다양한 형태의 센서 네트워크 응용이 제안되고 있다. 대표적인 응용으로는 전장 감시, 산불 감시, 실시간 대상 추적, 응급 구호 시스템 및 실시간 교통 정보 수집 등이 있으며, 대다수의 센서 네트워크 응용은 발생한 사건에 대한 실시간 처리를 필요로 한다. 또한 일반적으로 제한된 에너지원을 이용하는 노드로 구성된 센서 네트워크는 장기간 동작해야 하는 경우가 많으므로 높은 에너지 효율성이 요구된다. 그런데 기존의 센서 네트워크 통신 기술은 대부분 노드의 에너지 효율성 개선에 주로 초점을 맞추고 있으며, 기존 기술로는 응용이 요구하는 에너지 효율성과 네트워크 성능을 동시에 만족하기 어려운 실정이다.    

          

  다. 앞으로의 전망

 저전력 실시간 통신 기법은 센서 네트워크의 핵심 기술 요소로서 센서 네트워크의 실용화를 위해 반드시 해결되어야 하는 문제이다. 특히 실시간 성능을 요구하는 응용이 대두됨에 따라 실시간 통신을 제공하기 위한 기법이 필요함에도 불구하고 대부분의 통신 기법은 저전력 기법에만 초점을 맞추고 있으며, 기존의 기법은 노드의 동작 스케줄에만 초점을 맞추어 여전히 에너지 효율성 측면에서 개선되어야 할 부분이 많은 실정이다. 실시간 응용을 제공하는 대규모 센서 네트워크의 실용화를 위해서는 본 연구의 목표인 저전력 실시간 통신 기법이 필수적인 요소이며 이에 대한 연구가 국내외에서 계속 진행될 것이다.    



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