표준기술동향 갖는현장에생산품질관리를위한유선모니터링장비를저가의무선기반네트워크로대체하고자하는움직임이산업계에서활발히일고있다. 이에현장전기설비통신규격을담당하는 HART 는유선설비간의네트워킹을무선으로대체하고자 2007 년 WirelessHART 표준규격을제정하였고, 현재이규격을

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형진 섭
7 years ago
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1 무선센서네트워크 MAC 표준기술동향 정운철 ETRI RFID/USN 연구부 USN 기반기술연구팀선임연구원신창섭 ETRI RFID/USN 연구부 USN 기반기술연구팀선임연구원 1. 머리말 하는서비스영역을기반으로시장에서의기술선점을 위해발빠르게표준작업을진행해나가고있다. 센서장치들을무선으로연결하여네트워크를형성하는무선센서네트워크 (WSN) 기술은사람을중심으로하던정보운용형태를확장하여사람과사물뿐만아니라사물간의정보공유를언제어디서든가능하게하는유비쿼터스환경으로의패러다임구현에초석을마련해나가고있다. 현재무선센서네트워크관련표준기술은무선근거리개인통신망 (WPAN) 전송규격을위한 IEEE 표준규격과이를기반으로상위계층규격을정하여관련산업에적용하려는 ZigBee 규격이있으며, IP 기술을센서네트워크에접목하기위해 IETF 의 6LoWPAN WG, ROLL WG, CORE BoF 등에서표준화가진행중이다. 또한 HART 와 ISA 는 WirelessHART 와 ISA a 등의표준작업을마치고공정모니터링및산업자동화에적용을위한노력을기울이고있다. ISO 와 IEC 도 IEC62591 과 ISO/IEC 등무선센서네트워크관련표준규격을승인하거나현재표준화가진행중이다. 이러한표준기술은대상이되는통신계층혹은서비스목적에따라표준규격작업이진행되고있으며, 각단체가목적으로 이들표준기술중전송기술측면에서주목할규격은 IEEE [1] 이다. 이는 Zigbee, IETF 6LoWPAN, ISA a 등이 IEEE 규격에기반을두거나일부를준용하여상위계층에대한규격을구체화했기에그파급효과가가장크다. IEEE 는작은패킷사이즈를갖는온 / 습도, 미터링데이터를수집하기위한저전력의단순모니터링서비스를염두해두어표준화가진행되었으며, ZigBee 에서는이러한용도의응용에부합하는네트워크계층규격과여러애플리케이션프로파일을정의하여시장에관련제품등을선보이기도했다. 하지만 IEEE MAC 기술은네트워크트래픽의증가에따라발생하는빈번한재전송에의한심각한성능저하와시의성 ( 時宜性, timeliness) 을갖는센싱정보전달의요구품질을만족할수없다는제약사항을갖는다. 또한동종혹은이종의무선간섭에의한수신신호품질저하는무선근거리개인통신망으로서의제기능을발휘할수없다는문제점을가져관련시장의활성화에한계를보이고있다. 최근들어공장자동화와같이취약한무선환경을 98

2 표준기술동향 갖는현장에생산품질관리를위한유선모니터링장비를저가의무선기반네트워크로대체하고자하는움직임이산업계에서활발히일고있다. 이에현장전기설비통신규격을담당하는 HART 는유선설비간의네트워킹을무선으로대체하고자 2007 년 WirelessHART 표준규격을제정하였고, 현재이규격을따르는센서노드디바이스가출시되어 HART 회원사를중심으로현장에적용되고있다. 또한공장자동화표준단체인 ISA 는 2009 년 9월산업자동화를위한무선시스템표준인 ISA a 규격작업을완료하였다 [2]. 이에 2007 년 IEEE 에서도기존 IEEE MAC 규격의기능을보완하여무선환경에대한신뢰성과센싱정보전달의시의성을확보하고자하는표준화작업을 TG4e 에서진행중이다. 본고에서는최근들어센서네트워크기술을시의성과높은수준의무선링크신뢰성을필요로하는응용서비스에접목하고자하는시장의요구가커짐에따라이를반영하여표준화가진행되고있는 IEEE 의 TG4e 의 MAC 기술을중심으로, 무선센서네트워크 MAC 관련표준기술에대한동향을소개하고자한다. 2. 저전력고신뢰무선센서네트워크 MAC 기술표준화동향 2.1 국제표준화동향 IEEE TG4e IEEE TG4e( 이하 15.4e) 는전술한바와같이 IEEE ( 이하 15.4) MAC 표준기술과의호환성을유지하는한편기능상의한계를극복하고산업계의기술적요구사항과보다넓은서비스영역을확보하여 WPAN 시장의활성화에기여하고자개정작업을진행중이다. 이러한개선된 MAC 기능은 IEC 62591, ISA100.11a, WIA-PA(Wireless network for Industrial Automation-Process Automation) 등에기술된산업응용서비스들에센서네트워크기술을적용하는데있어기폭제역할을할것으로기대된다. 15.4e 는기존 15.4 에서와같이하나의 MAC 기술규격에의해 PAN 을구성하기보다는서비스영역에따라복수의동작모드를두어사용자가목적에따라 MAC 모드를선택해네트워크를운용할수있도록하고있다. 구체적으로 DSME(Distributed Synchronous Multichannel Extension) 모드, TSCH(Time Slotted Channel Hopping) 모드, LL(Low Latency) 모드, RFID BLINK 프레임지원모드등이있다. DSME 모드는산업자동화와스마트미터링과같은산업애플리케이션, 홈오토메이션, 스마트빌딩, 엔터테인먼트등을중심으로하는상업애플리케이션, 원격의료, 환자모니터링과같은헬스케어응용서비스를지원한다. TSCH 모드는공정모니터링 / 자동화, 석유 & 가스산업, 환경모니터링서비스를지원한다. 산업자동화중지연시간의최소화를목적으로하는 LL모드는무인로봇, 이동형장비제어, 공항물류서비스등을지원하고, RFID BLINK 프레임 (RFID) 지원모드는개체및사람의식별, 위치추적등을주요대상서비스로한다. 15.4e 기반 PAN 의동작은주기적으로방송되는비컨을기반으로 PAN 이운용되는비컨모드 (beacon enabled PAN mode) 와통신프레임의교환을위해비주기적으로비컨을요청하여 PAN 을운용하는비-비컨모드 (non beacon enabled PAN mode) 로나뉜다. 이는 15.4 와의호환성을유지하기위해동일한 PAN 동작모드를갖는다. 15.4e 의 MAC 기능동작모드는이두 PAN 동작에서운용되며 [ 그림 1] 는이를도식화한것이다. 15.4e 의가장큰특징은시분할기반채널다이버시티기술의채택에있다고하겠다. 시분할기반의채널접근방식은 CSMA 와같은임의채널접근방식의특성에서기인하는패킷충돌에의한재전송을줄여유효 TTA Journal No

3 Contention-Free DSME(DCH&CA) ISA100.11a Contention-Free TSCH Contention Access LL ZigBee, IEEE Contention Access Beacon-enabled PAN Non beacon-enabled PAN Channel Diversity IEEE e [ 그림 1] IEEE e MAC 동작모드개념도 통신전력을최소화하는한편, 시의성이요구되는경보및모니터링정보전달을위해확정적지연시간을보장함으로써전송정보의품질을향상시킬수있는 MAC 기술이다. 또한산업현장과같이동종혹은이종의 RF 기기가혼재하여무선간섭이심한환경과무선채널에서기인되는채널페이딩에의한수신신호감도저하를극복하기위한채널다이버시티기술은 RF 링크의신뢰성을극대화할수있다. 시분할기반채널다이버시티기술은통신을위한예약주파수채널시퀀스를이용해송신노드와수신노드가채널을옮겨다니며프레임을주고받는채널호핑방식과, 채널상태가정해진수신조건보다열악해질때새로운채널로변경하여프레임을주고받는채널적응방식으로나뉜다. DSME 는 PAN 동작모드중비컨모드에서운용되며채널다이서버시티를위해채널호핑방식과채널적응방식모두를지원한다. 네트워크관리자는최초네트워크가운용될때두가지 MAC 기능방식중에서선택하여네트워크를운용할수있다. DSME 는기존 15.4 의비컨모드에서사용되는슈퍼프레임구조를유지하고있 지만 inactive 구간이생략된여러슈퍼프레임을묶어멀티슈퍼프레임이라는구조를갖는다. 멀티슈퍼프레임은노드간 peer-to-peer 통신을가능하게하여종전의 15.4 슈퍼프레임구조에서발생하는토폴로지제한및종단간데이터전송경로의중복및신뢰성문제를해결했다. 노드디바이스들의시각동기는비컨에포함된시간정보를이용해보정하도록되어있다. 무선링크의형성은히든노드문제를해결하기위해 3웨이핸드쉐이킹을통해이루어지며, 채널적응방식과채널호핑방식모두 DSME-GTS handshake 제어프레임을사용하여각채널다이버시티방식에따라채널정보테이블을교환하여통신스케줄을정한다. TSCH 는비- 비컨모드에서운용되며, 시분할기반채널호핑방식만을사용한다. TSCH 모드에서는주기적인 Advertisement 프레임을통해가용자원을방송하고네트워크에참여를원하는노드는이를바탕으로 Join 프레임을공용타임슬롯 (shared timeslot) 을통해요청한다. 네트워크참여를요청받은노드는 Activate 프레임을통해새로운노드에게자원을할당한다. TSCH 는시 100

4 표준기술동향 각동기를위하여 DSME 에서와같이비컨프레임을사용하지않는다. 대신두노드간데이터프레임을교환할때수신노드로부터수신한 ack 프레임의시각정보를통해노드간동기정보를갱신하도록하고있다. 이러한시각동기방식은비컨프레임과같은범용프레임을사용하지않기에모든노드가시각동기를위해깨어야하는 (wake-up) 전력소모를줄일수있는장점을갖지만트래픽이간헐적이거나긴인터벌을갖는비주기적인경우노드간시각동기를맞추기어렵다는단점도갖는다. TSCH 는 ISA100.11a 의데이터링크계층 (DLL) 의규격을기반으로하고있어두표준기술간많은공통점을내포하고있다. LL는지연시간최소를목적으로하는공장자동화서비스에특화된모드로다른동작모드와비교해구체화된요구사항을갖는다. 우선 10m 내에 20개의센서들로부터센싱정보를획득해야하며, 동일 RF 주파수를공유하는무선기기에의한무선간섭의영향을최소화하기위한주파수플래닝과네트워크관리비용을최소화해야한다. 또한한개의 LL_NW PAN 코디네이터에 100 개이상의센서노드들이접속할수있어야한다. 이러한구체적인 LL 모드의요구사항은 MAC 성능목표치에부합하는규격을제공할수있으나, 적용되는응용애플리케이션이매우한정되는단점을가질수밖에없다 그외무선센서네트워크 MAC 관련표준기술 WirelessHART 과 ISA100.11a 는산업자동화 (industrial automation) 에관련된표준기술로서, WirelessHART 는 HART7 규격의일부로 2007년 7월에 HART Communication Foundation 에서승인되었고, 이후 IEC 에서 2010 년 4월에 IEC 62591Ed 로승인되었다 [3]. 국제자동화학회및표준단체인 ISA 는 2009 년 9월에 ISA100 규격의일부로 ISA100.11a 를승인하여현재 ANSI 와 IEC 에서표준화가진행중이다. 두표준규격은저전력기능을지원하는고정형 / 이동형저속무선기기간높은무선구간신뢰성을지원하기위한프로토콜, 시스템관리, 게이트웨이, 보안규격등을정의하고있다. 두표준기술에서의 DLL 프로토콜은 Dust Network 社의 TSMP(Time Synchronized Mesh Protocol) 라불리는시각동기기반의채널호핑기술을기반으로하며, WLAN 이나휴대전화또는 IEEE802.15x, IEEE802.16x 무선기기등이혼재하는열악한산업현장의무선환경에서링크계층의안정적인동작을제공할수있는뛰어난간섭제어기술을제공한다. ISA100.11a 는 QoS 지원을위해 DLL 계층과네트워크계층의자원관리를 NME(Network Mangement Entity) 에의해제어하도록할수있다. 이는공장자동화와같이센싱정보를전달함에있어높은수준의신뢰성이보장되어야하는특수한목적의서비스에서는중요한역할을할수있다. 하지만, 적용서비스의범위가한정되고네트워크관리가편중되어파생될수있는중앙집중형시스템의한계도동시에포함할수있다. 이외 MAC 계층에대한표준기술을연구하지는않지만 WSN 기술과관련하여널리알려진표준기술로는 IETF 의 6LoWPAN, RoLL 과 ZigBee 등이있다. IETF 는 IEEE 규격을기반으로한 WSN 에 IPv6 를적용하기위한표준화작업을 6LoWPAN 과 RoLL WG에서진행중이다. ZigBee 는 IEEE 표준규격을기반으로소형의저전력 WPAN 구성을위한상위통신프로토콜규격으로네트워킹과응용서비스표준으로 ZigBee-2007 을제정하여임베디드센싱, 의료데이터수집, TV 리모콘과같은가전기기, 홈오토메이션서비스제품을선보이고있다. 2.2 국내표준화동향무선센서네트워크 MAC 기술관련국내표준으로 TTA Journal No

5 는 WiBeem(Wireless Beacon-enabled Energy Efficient Mesh network) 과 ETRI 의동기형채널다이버시티 MAC 기술이있다. WiBeem 은 U-City 포럼단체주도로표준화가진행된무선근거리개인통신망용국내표준규격으로 U-City 의주요요구사항인저전력, 확장성, 이동성등을만족하기위한기술이다. 기존기술인블루투스나 IEEE MAC 규격은 WPAN 내에서의제한된기기접속수에따른확장성문제나네트워크토폴로지제한에따른망안정성, 특정 PAN 동작모드에서전력소비문제등으로요구사항이적합지않다. WiBeem 기술은이러한문제점을해결하기위하여전체메시네트워크가비컨정보로동기화되어안정적으로절전형메시네트워크기술을구현하였다. MAC 계층의슈퍼프레임의구조는다수의비컨을수용하기위한 BOP(Beacon Only Period) 구간, QoS 전송을위한 PQP(Parameterized QoS Period) 구간, 경쟁기반전송을위한 CAP 구간, 예약기반의비경쟁데이터전송을위한 CFP 구간으로구성되어있으며, 노드간의비컨스케쥴링기능을통한저전력및신뢰성있는데이터전송이가능하다. 네트워크계층의 LAA(Last Address Assigned) 기반주소할당기법을통하여주소고갈문제해결과네트워크이동성기능을지원한다. WiBeem 기술은 U-City 포럼에서표준화가진행되어 2006 년 CD가승인되었으나포럼표준으로는완료되지못했다. 현재 WiBeem 은 ISO/IEC JTC1/SC25 에서프로젝트 로표준화가진행되고있으며, MAC 기술에관련하여 ISO/IEC 가 working draft 로진행중이다. ETRI 의동기형채널다이버시티 MAC 기술은무선링크의신뢰성과센싱정보의시의성을보장하기위한 MAC 기술로비컨의시각정보를통한시각동기를제공하며, 채널호핑기술과채널적응형접근기술을신 축적으로운용할수있도록하고있다. 현재해당 MAC 기술은 IEEE e 의 DSME MAC 기술의주요기술로채택되어표준화가막바지에이르고있고, RFID/ USN 포럼과 TTA 를통해국내표준기술로표준화활동을준비중이다. 3. 맺음말 WSN MAC 관련표준기술은초기의저전력을강조하는망구성에서무선구간의신뢰성과정보의시의성을보장하기위한방향으로그기술적속성을확장하고있다. 이는최근산업자동화서비스에대한가시적인무선센서네트워크시장활성화에따른요구사항이반영된결과로보인다. 이미표준화를마친 WirelessHART 와 ISA100.11a 는 ISO 와 IEC 의표준화작업을통해산업자동화시장에서우위를차지하고자노력하고있다. 한편, IEEE802 WG15 는 WPAN 전송표준기술로가장널리자리잡은 IEEE MAC 을개선한 IEEE e 에대한표준규격작업진행하고있으며, 이를기반으로한 ZigBee 및 IETF 단체의후속표준규격개선활동이예상된다. IEEE 가기존무선센서네트워크관련시장에서가장널리쓰이고있는전송규격이라는점에서이와호환성을갖는 IEEE e 의파급효과는상당하리라예상된다. 또한, IEEE e 규격은기존의 IEEE PHY 규격뿐만아니라현재동 WG에서표준작업이진행중인 SUN-PHY(TG4g) 와능동형 RFID PHY(TG4f) 규격과의인터페이스를제공하고있다는점도표준기술로서의영향력이상당히클것으로예상된다. 사용자의입장에서시의성을지원하는이러한표준기술의다변화는서비스에따른기술적요구사항을만족하는규격을선택할수있다는장점을갖게될것이나, 102

6 표준기술동향 망관리자의입장에서는이러한표준기술의상호운용성을고려해야한다는점에서불편함을감수해야할것이다. 하지만, 산업자동화애플리케이션과같이최근활성화되고있는시장을중심으로서비스요구사항을반영하는표준기술의등장은무선센서네트워크시장의활성화에긍정적요소로작용할것으로판단된다. Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(WPANs), [2] ISA a-2009, Wireless systems for industrial automation: Process control and related applications, ISA, [3] [ 참고문헌 ] approved_by_iec.html. [1] IEEE Std , IEEE Standard for Information technology - Telecommunications and information exchange between systems - Local metropolitan area networks - Specific requirements, Part 15.4: Wireless * 본연구는지식경제부및한국산업기술평가관리원의산업원천기술 개발사업 ( 정보통신 ) 의일환으로수행하였음. [ , 초절전센서 네트워크핵심기술개발 ] 정보통신용어해설 단일접속료 單一接續料 [ 관리운용 ] 통신업체간정산하는접속료가동일한요금정산방식. 초기에는후발사업자들이선발사업자와경쟁할수있도록하는상호접속료제도를운영해왔으나네트워크가빠르게진화하고유무선이융합하는환경의도래로단일접속료적용이일반화되고있다. TTA Journal No

이도경, 최덕재 Dokyeong Lee, Deokjai Choi 1. 서론

이도경, 최덕재 Dokyeong Lee, Deokjai Choi 1. 서론 2. 관련연구 2.1 MQTT 프로토콜 Fig. 1. Topic-based Publish/Subscribe Communication Model. Table 1. Delivery and Guarantee by MQTT QoS Level 2.1 MQTT-SN 프로토콜 Fig. 2. MQTT-SN