RF 태그 기반의 무청취, 무지연 특성을 갖는 비동기식 무선 센서 네트워크 연구

한국연구재단 - 개발기간( 2010. 5. 1 ~ 2013. 4. 30 )

 

1. 연구목표

 수동형 RFID tag에 사용 되는 전자기 유도 현상을 응용하여 각 센서 노드가 자신의 라디오 모듈이 휴면 상태일 때에도 통신 유무를 확인 할 수 있는 방법을 개발 함으로써 zero idle listening(무청취) 및개 zero sleep delay(무지연) 성능을 제공 하는 저전력/고성능 비동기식 무선 센서 네트워크를 개발한다.

     

2. 연구배경

 무선 센터 네트워크를 위한 통신 프로토콜 설계는 기존의 무선 네트워크와 다른 제약 사항과 문제에 직면해 있다. 전통적으로 무선 네크워크를 구성하는 각 노드들은 성능을 최대화하기 위해 모든 노드가 항상 켜져 있다고 가정하지만 제한된 에너지원을 가지는 센서 네트워크에서는 급격한 에너지 소모를 방지하기 위해 라디오 모듈이 주기적으로 동작 및 휴면 (periodic wakeup and sleep)을 반복하도록 설계 된다. 주기적인 휴면 상태를 통해 센서 네트워크는 전체 에너지 소비량을 효과적으로 줄일 수 있으나 주기적인 동작 및 휴면 스케줄 기법은 다음과 같은 문제를 가지고 있다.

 - 유휴 청취 (idle listening)에 의한 에너지 소비

 - 휴면 지연(sleep delay)에 의한 메시지 전송 지연 증가

 - 유휴 청취와 휴면 지연의 상호 배타적인 관계

 현재까지 제안된 센서 네트워크 통신과 관련한 기존 연구들은 유휴 청취와 휴면 지연을 최소화 하기 위해 다양한 기법을 제안하였으나 아직까지는 이들 문제를 완전히 해결하지 못하였고, 일반적으로 유후 청취와 휴면 지연은 제거할 수 잆는 것으로 여겨져 왔다. 이러한 문제들을 해결하기 위해서는 유휴 청취와 휴면 지연에 의한 상호 배타성 문제를 가지고 있는 주기적인 동작 및 휴면 방식의 센서 네트워크에 대해 새로운 접근 방법이 필요하다.

 본 연구는 전자기 유도 연상을 통해 라디오 동작 없이 통신 발생 유무를 확인하는 새로운 통신 방식을 제안 함으로써 각 노드가 필요한 순간에만 동작하고 즉각적으로 메시지를 송수신 할 수 있는 새로운 형태의 무선 센서 네트워크를 개발 하고자 한다.


3. 연구내용

일반적으로 센서 노드가 휴면 상태일 경우에는 통신 여부를 확인 할 수 없기 때문에 통신 유무를 확인하기 위해서 주기적인 동작 수행해야 하고 이에 따라 유휴 청취에 의한 에너지 소비 및 휴면 지연 문제가 발생하므로, zero idle listening, zero sleep delay 성능을 제공 하기 위해서는 라디오 모듈이 휴면 상태이더라도 통신 발생을 확인 하기 위한 방안이 필요 하다. 

본 연구에서는 이를 위해 RF tag 에서 사용 되는 전자기 유도 현상을 이용하여 라디오 모듈의 동작 없이 통신 발생을 확인 하는 방법을 제안한다. 이 방식에서는 메시지를 전송하고자 하는 노드가 통신 발생을 알리기 위한 짧은 RF 신호를 전송하면 전송된 신호에 의해 주위 노드에 부착된 안테나 코일에 유도 전류를 발생 시키게 되는데, 유도 전류를 감지한 노드는 메시지 전송이 있을 것임을 알고 자신의 라디오 모듈을 동작시킨다. 이러한 방식을 사용할 경우 통신 발생을 확인 하기 위한 유후 청취를 제거할 수 있고, 노드가 휴면 상태이더라도 즉각적으로 통신 여부를 확인할 수 있으므로 휴면 지연도 제거 할 수 있다.

위의 그림은 제안하는 방식에서의 노드간 통신 과정을 간략히 보여준다. 이를 위해 다음과 같은 연구들을 진행한다.

A.   효율적인 RF 신호 감지를 위한 송수신 기술 연구

-      통신 여부를 알리기 위한 효율 적인 RF 신호 특성에 대한 연구

-      RF 신호 감지용 안테나 및 관련 디바이스 연구

B.   비동기식 무선 센서 네트워크를 위한 MAC 프로토콜 연구

-      Overhearing에 의한 에너지 소비를 줄이기 위한 방안 연구

-      패킷 신호 충돌 회피 연구

-      패킷 신호에 대한 RF 신호 간섭 방지 기법 연구

-      RF 신호와 패킷 신호의 비대칭적인 전달 범위에 따른 문제 해결

-      노드의 휴면 구간 제어 기법 연구

 

4. 기대효과

 비동기식 무선 센서 네트워크 관련 기술은 국내외에서 아직 개발되지 않은 새로운 형태의 혁신적인 신기술로서 이는 기존의 무선 네트워크가 가지는 유휴 청취 및 휴면 지연을 제거하여 에너지 효율성과 통신 성능을 혁신적으로 개선함으로써 센서 네트워크와 관련한 국내외 기술 수준을 한 단계 발전시키는 것은 물론 차세대 센서 네트워크 연구에 있어서 원천기술을 확보하고 무선 센서 네트워크 산업의 상용화를 앞당기는데 기여 할 수 있을 것이다.

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