 u-City 적용 센서 네트워크 시스템 개발
ETRI - 센서 노드의 전원 관리 알고리즘에 관한 연구 (2006.8 ~ 2007.3) 1. 연구목표 센서 네트워크의 전원 관리 기법 으로서 어플리케이션의 특성에 따른 네트워크 프로토콜 제어를 통한 전원 관리 기법을 제시한다. 2. 연구내용 기존에 제시된 전원 관리 기법 및 표준화 동향에 대한 분석과 어플리케이션에 따라 요구되는 네트워크 특징에 대한 분석을 바탕으로 전원 관리 정책을 수립한다. 특히 어플리케이션에 따른 네트워크 프로토콜 제어를 통해 전체 너트워크에서의 에너지 소비를 분산 및 감소할 수 있는 전원 관리 알고리즘에 대해 연구한다. 이를 바탕으로 전원 관리 미들웨어를 구현하고 모의 실험을 통해 기존의 전원 관리 기법과 네트워크 성능 및 에너지 효율성 측면에서 평가한다. 또한 상용 센서 노드에 구현함으로써 실용성과 성능을 검증한다.
3. 기대성과 현재 실용화 가능한 수준에 도달하지 못하고 있는 센서 네트워크 전원 관리 기술의 제반 문제점들을 해결할 수 있는 새로운 알고리즘을 개발함으로써 센서 네트워크에서 가장 큰 문제로 인식되는 소비전력 문제 해결에 기여할 수 있다. 4. 연구개발의 필요성 가. 국내ㆍ외 기술개발현황 센서 네트워크는 트래픽의 특성과 배터리의 제한으로 인해 기존의 네트워크와는 달리 각 센서 노드의 전원 관리 여부가 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. 그러나 각 센서 노드들은 전체 네트워크 상황을 알 수 없으므로 제한된 정보를 이용해서 네트워크 수명을 최대화 할 수 있는 효율적인 전원 관리 미들웨어가 필요하다. 모바일 싱크의 위치 추적으로 인한 플러딩 문제, 싱크 노드 주위의 과도한 트래픽 집중으로 인한 불균형 적인 노드 에너지 소모 문제, 패킷 충돌 및 오류로 인한 재전송, idle listening 등은 센서 노드의 수명을 급격히 감소시키고, 어플리케이션에 따라 요구되는 네트워크의 특징이 바뀌므로 효율적인 전원 관리 미들웨어는 이러한 문제를 해결해야 한다. 그림 1은 센서 네트워크에서의 전원 관리 및 다양한 기능을 제공하는 미들웨어를 보여준다. 센서 네트워크에서 전원 관리 미들웨어는 하드웨어 및 이에 종속적인 계층을 추상화하여 개발자에게 API를 제공함과 동시에, 어플리케이션의 특징과 요구에 따라 각 노드의 전원 소비를 제어하는 기능을 가진다. 일반적으로 센서 노드에서의 에너지 소비는 노드간 통신으로 인한 소비가 가장 큰 비중을 차지하고 있으므로 전원 관리 미들웨어는 어플리케이션에 따라 노드간 통신에 의한 에너지 소모를 최소화할 수 있어야 하고, 이러한 특징은 전원 관리 미들웨어를 통한 네트워크 제어를 요구한다.
<그림 1 센서 네트워크에서의 미들웨어> 센서 네트워크에서의 미들웨어에 대한 기존 연구는 기능에 따라 데이터 처리 중심 미들웨어, 이벤트 처리 미들웨어, QoS 기반 센서 네트워크 미들웨어로 나뉘어 진다. 이처럼 기존의 미들웨어는 센서 네트워크의 성능에 초점을 맞춘 것으로 어플리케이션의 특성에 따른 전원 관리를 위한 별도의 기능을 대부분 구현하지 않았고, 운영체제에서 별도의 전원 관리 정책을 통해 센서 노드의 에너지 소비를 제어하였다. ◈ 국외 현황 대부분의 미들웨어는 데이터 및 이벤트 처리에 중점을 두고 개발되어 별도의 전원 관리 알고리즘을 구현하지 않았으며, 몇몇 미들웨어에서는 노드의 에너지 소모를 줄이기 위해 간단한 기능을 구현하였다. 2002년 Cornell 대학의 Yao와 Gehrke가 발표한 Cougar 은 센서 네트워크의 정보에 쿼리를 통해 접근하도록 구현한 미들웨어로서 쿼리를 각 노드에 분산시켜 쿼리 결과 계산에 필요한 에너지를 분산시키도록 하였다. 2003년 Prinston 대학의 Liu 및 Martonosi가 발표한 Impala 는 기존의 미들웨어와 달리 어플리케이션에 따라 프로토콜을 결정할 수 있다. 어플리케이션 어댑터를 통해 각 노드의 상태에 따라 응용 프로토콜을 결정하고 이를 통해 각 노드의 에너지 소비를 최소화하도록 하였다. 나. 문 제 점 Impala를 제외한 기존의 센서 네트워크 미들웨어는 별도의 전원 관리 정책 혹은 알고리즘을 구현하지 않고 운영체제 수준에서의 전원 관리 정책을 사용하였으며, 이는 자원 및 태스크 관리에 초점을 둔 일반적인 전원 관리 정책을 기반으로 하였다. 기존의 미들웨어는 센서 네트워크에서의 데이터 수집 및 이벤트 처리에 초점을 맞추어 개발되었고 이러한 미들웨어는 어플리케이션의 특징에 따라 최적화된 네트워크 관리 및 노드 관리를 할 수 없다. 특히 센싱 주기, 패킷의 크기, 네트워크 정보 업데이트 주기 등은 센서 노드의 에너지 소모에 결정적인 요인이므로 어플리케이션에 따라 적절히 선택되어야 한다. 그러나 기존의 미들웨어는 이러한 제어를 담당하는 전원 관리 기능이 구현되지 않았으며, Impala에서는 응용 프로토콜만을 변환할 수 있는 제약이 있다. 이와 같이 현재 발표된 센서 네트워크 미들웨어 중 어플리케이션에 따른 네트워크 프로토콜 제어를 통한 전원 관리 기능을 포함한 것은 전무한 상태이다. 다. 앞으로의 전망 전원 관리는 센서 네트워크의 핵심 기술 요소로서 센서 네트워크의 실용화를 위해 반드시 해결되어야 하는 문제이다. 특히 어플리케이션에 따라 센서 네트워크의 특성이 바뀌므로 이를 위해 어플리케이션의 요구에 맞춰 네트워크를 제어할 수 있는 전원 관리 미들웨어가 필요함에도 불구하고 이에 대한 적절한 해결책이 제시되지 않고 있다. 전원 관리 미들웨어는 센서 네트워크 미들웨어에 필수적인 요소이며, 저가의 대규모 센서 네트워크 실용화를 위해 이에 대한 연구가 계속 진행될 것이다.
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