USN 포럼표준 제정일 : 2009 년 12 월 16 일 무선센서네트워크를위한멀티채널 MAC 기술보고서 (Multi-channel MAC Technologies for Wireless Sensor Networks) 본문서에대한저작권은 USN 포럼에있으며, 이문서의전체또는일부에대하여상업적이익을목적으로하는무단복제및배포를금합니다. Copyrightc USN Forum (2008). All Rights Reserved.
서문 1. 기술보고서의목적무선센서네트워크 (WSN) 는저가의노드디바이스를갖는긴수명의네트워크를구성하여간단한형태의모니터링서비스부터프로세스의제어및관리를위한서비스까지넓은영역의응용서비스를위한무선네트워킹기술로주목을받고있다. 하지만, WSN을위해개발된여러통신규격및표준규격은이러한폭넓은응용서비스를지원하기에는기술적한계를내포하고있고아직낮은수준의응용에만그쓰임새가국한되어기대만큼의시장경쟁력을나타내고있지못하고있다. 본기술보고서는 WSN의가장기본적인기술요구사항인저전력기능구현과무선링크의신뢰성을향상하기위한기술로주목받고있는다중채널 MAC 기술을분석하여안정적이고에너지효율이높은무선채널액세스기술연구개발에참고가되도록하고자한다. 2. 주요내용요약전송에너지효율과네트워크신뢰성향상을위한다중채널 MAC 기술을종류별로간단히살피고, 이를구현하기위한산업계의노력에대해소개한다. 또한, 적용되는산업분야에서가장파급효과가큰표준규격을살펴기존규격의문제점과이를개선하기위한활동을정리한다. 3. 표준적용산업분야및산업에미치는영향 3.1 적용산업분야본기술보고서는공장자동화및이종무선기기와의상호공존성 (coexistence) 를필요로하는응용서비스와높은수준의네트워크신뢰성을요구하는 WSN 전송기술개발및규격제정에참고가되는문서이다. 3.2 산업에미치는영향현재사용되는대다수의 WSN 전송기술은단일채널액세스기반기술로인한네트워크수명의단축및센싱정보의품질관리의한계성등의문제점을안고있다. 본기술보고서에서는이러한기존전송기술방식의한계를극복하고자제시된다중채널 MAC 기술을소개 / 분석함으로써사용자가적용하고자하는응용서비스의기술적요구사항에맞는무선센서네트워크를디자인하는단계에서기초자료로활용하여사업적가치를높일수있다.
4. 참조표준 ( 권고 ) 4.1 국제표준 ( 권고 ) 해당사항없음 4.2 국내표준 해당사항없음 4.3 기타 [1] J. Mo et al., Comparison of Multi-Channel MAC Protocols [2] TSMP White Paper, http://www.dustnetworks.com/docs/tsmp_whitepaper.pdf [3] Dust Networks, http://www.dustnetworks.com [4] SensiNet, http://www.sensicast.com/technology.php [5] Sensicast Systems, http://www.sensicast.com [6] Spinwave Systems, http://www.spinwavesystems.com [7] Spinwave's A3 Wireless Sensor Networks, http://www.spinwavesystems.com/a3products.htm [8] Newtrax Technology, http://www.newtraxtech.com [9] Newtrax Wireless Mesh FHSS Technology, http://www.newtraxtech.com/en/technology [10] This is ANT, the Wireless Sensor Network Solution, http://www.thisisant.com [11] Dynastream Innovation, http://www.dynastream.com [12] The Hart Communication Foundation, http://www.hartcomm.org [13] ISA100, http://www.isa.org//mstemplate.cfm?micrositeid=1134&committeeid=6891 [14] ISA SP100.11a Standard Draft [15] Gang Zhou, Chengdu Huang, Ting Yan, Tian He, John A. Stankovic and Tarek F. Abdelzaher, MMSN: Multi-Frequency Media Access Control for Wireless Sensor Networks, INFOCOM 2006. [20] Chen Xun, Han Peng, He Qiu-Sheng, Tu Shi-Liang, Chen Zhang-Long, A Multi-Channel MAC Protocol for Wireless Sensor Networks, CIT06. [17] Kaushik R. Chowdhury, Nagesh Nandiraju, Dave Cavalcanti, Dharma P. Agrawal, CMAC A Multi-Channel Energy Efficient MAC for Wireless Sensor Networks, WCNC 2006. [18] Ozlem Durmanz Incel, Stfan Dulman, Pierre Jansen, Multi-channel support for dense wireless sensor networking, EUROSSC2006, LNCS 4272, pp 1-14, 2006. [19] J. Reason, J. Rabaey, A Study of energy consumption and reliability in a multi-hop sensor network, ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review, vol. 8, pp. 84-97, Jan. 2004. - 3 -
[20] L.V. Hoesel and P. Havinga, A lightweight medium access protocol (LMAC) for wireless sensor networks, Proc. of INSS04, Tokyo, Japan 2004. 5. 참조표준 ( 권고 ) 과의비교 5.1 참조표준 ( 권고 ) 과의관련성 해당사항없음 5.2 참조표준 ( 권고 ) 과본표준의비교표 해당사항없음 6. 지적재산권관련사항 해당사항없음 7. 적합인증관련사항 7.1 적합인증대상여부 해당사항없음 7.2 시험표준제정여부 ( 해당시험표준번호 ) 해당사항없음 8. 표준의이력 판수제 / 개정일제 / 개정내역 제 1 판 2009. 12. 16. 제정 - 4 -
Preface 1. The Purpose of Technical Report Wireless sensor networks (WSNs) have drawn much attention as a means to cover various applications from simple monitoring services to process field control and/or management services by employing cost effective massive number of node devices. However, none of legacy communication protocols for WSN is able to cover those various applications at once. Rather, the application space for the current transmission technologies is limited to simple monitoring services. This report provides survey on multi-channel MAC technology as a means to resolve essential requirements for WSN, i.e. long network life time and robust wireless links. 2. The summary of contents This technical report reviews as follows: Introduction to multi-channel MAC technology in wireless networks; Industrial efforts for implementing multi-channel MAC technology; Standard activities for multi-channel MAC technology; 3. Applicable fields of industry and its effect The technical report can be informative for WSN communication protocol designer when they need insight and guidance to design highly reliable energy efficient WSN. 4. Reference Standards (Recommendations) 4.1 International Standards (Recommendations) Nothing is referred.. 4.2 Domestic Standards Nothing is referred. 4.3 Other references [1] J. Mo et al., Comparison of Multi-Channel MAC Protocols [2] TSMP White Paper, http://www.dustnetworks.com/docs/tsmp_whitepaper.pdf [3] Dust Networks, http://www.dustnetworks.com - 5 -
[4] SensiNet, http://www.sensicast.com/technology.php [5] Sensicast Systems, http://www.sensicast.com [6] Spinwave Systems, http://www.spinwavesystems.com [7] Spinwave's A3 Wireless Sensor Networks, http://www.spinwavesystems.com/a3products.htm [8] Newtrax Technology, http://www.newtraxtech.com [9] Newtrax Wireless Mesh FHSS Technology, http://www.newtraxtech.com/en/technology [10] This is ANT, the Wireless Sensor Network Solution, http://www.thisisant.com [11] Dynastream Innovation, http://www.dynastream.com [12] The Hart Communication Foundation, http://www.hartcomm.org [13] ISA100, http://www.isa.org//mstemplate.cfm?micrositeid=1134&committeeid=6891 [14] ISA SP100.11a Standard Draft [15] Gang Zhou, Chengdu Huang, Ting Yan, Tian He, John A. Stankovic and Tarek F. Abdelzaher, MMSN: Multi-Frequency Media Access Control for Wireless Sensor Networks, INFOCOM 2006. [20] Chen Xun, Han Peng, He Qiu-Sheng, Tu Shi-Liang, Chen Zhang-Long, A Multi-Channel MAC Protocol for Wireless Sensor Networks, CIT06. [17] Kaushik R. Chowdhury, Nagesh Nandiraju, Dave Cavalcanti, Dharma P. Agrawal, CMAC A Multi-Channel Energy Efficient MAC for Wireless Sensor Networks, WCNC 2006. [18] Ozlem Durmanz Incel, Stfan Dulman, Pierre Jansen, Multi-channel support for dense wireless sensor networking, EUROSSC2006, LNCS 4272, pp 1-14, 2006. [19] J. Reason, J. Rabaey, A Study of energy consumption and reliability in a multi-hop sensor network, ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review, vol. 8, pp. 84-97, Jan. 2004. [20] L.V. Hoesel and P. Havinga, A lightweight medium access protocol (LMAC) for wireless sensor networks, Proc. of INSS04, Tokyo, Japan 2004. 5. Relationship to International Standards (Recommendations) 5.1 The relationship of international standards Nothing is related. 5.2 Differences between International Standard (recommendation) and this standard Nothing is related. 6. The Statement of Intellectual Property Rights Nothing is declared. - 6 -
7. The Statement of Conformance Testing and Certification Nothing is specified. 8. The History of Standard Edition Issued date Contents The 1st edition 2009. 12. 16 Published - 7 -
목차 1. 개요... 10 2. 기술보고서의구성및범위... 10 3. 용어및약어... 10 4. 다중-채널 MAC 기술의개요... 11 4.1. 다중-채널 MAC 기술... 11 4.2. 다중-채널 MAC 기술의분류... 12 4.3. 무선센서네트워크를위한다중-채널 MAC... 14 5. 구현관점에서의다중-채널 MAC 기술... 30 5.1. TSMP (Time Synchronized Mesh Protocol)... 30 5.2. SensiNet... 31 5.3. Spinwave... 32 5.4. Low energy ad-hoc wireless mesh networking in Newtrax... 34 5.5. ANT Technology... 35 6. 다중-채널 MAC의표준기술... 36 6.1. WirelessHART... 36 6.2. ISA SP100.11a... 36 6.1. IEEE802.15 TG4e... 37-8 -
그림목차 그림 1 Dedicated Control Channel... 12 그림 2 Split Phase... 13 그림 3 Common Hopping... 13 그림 4 Multiple Rendezvous... 14 그림 5 주파수할당방법에따른성능평가... 17 그림 6 전송할패킷이없을경우노드의동작... 17 그림 7 브로드캐스트패킷을전송할때노드의동작... 18 그림 8 유니캐스트패킷을전송할때노드의동작... 19 그림 9 토글전송의형태... 19 그림 10 통신프레임구조... 20 그림 11 Inter-Cluster 협상동작과정... 20 그림 12 프로토콜의동작과정... 21 그림 13 요청패킷구조... 22 그림 14 채널스케줄패킷구조... 22 그림 15 CMAC의동작과정... 25 그림 16 LMAC 프로토콜에서타임슬롯선정... 27 그림 17 동작매커니즘... 28 그림 18? 노드의채널상태정보... 28 그림 19 점유된타임슬롯과채널정보... 29 그림 20 TSMP의 Time-Frequency 구조... 30 그림 21 DFSS (Distributed Frequency Spread Spectrum)... 32 그림 22 Temporal Agility... 33 그림 23 Spatial Agility... 34 그림 24 Density Agility... 34 그림 25 ISA SP100.11a의 DLL Frame 구조... 37 표목차 표 1 노드 ID 에따른슬롯할당테이블... 21 표 2 MR 과 LR 의전력소모량... 23-9 -
무선센서네트워크위한멀티채널 MAC 기술보고서 Multi-channel MAC Technologies for Wireless Sensor Networks 1. 개요 무선센서네트워크 (WSN) 는저가의노드디바이스를갖는긴수명의네트워크를구성하여간단한형태의모니터링서비스부터프로세스의제어및관리를위한서비스까지넓은영역의응용서비스를위한무선네트워킹기술로주목을받고있다. 하지만, WSN을위해개발된여러통신규격및표준규격은이러한폭넓은응용서비스를지원하기에는기술적한계를내포하고있고아직낮은수준의응용에만그쓰임새가국한되어기대만큼의시장경쟁력을나타내고있지못하고있다. 본기술보고서는 WSN의가장기본적인기술요구사항인저전력기능구현과무선링크의신뢰성을향상하기위한기술로주목받고있는다중채널 MAC 기술을분석하여안정적이고에너지효율이높은무선채널액세스기술연구개발에참고가되도록하고자한다. 2. 기술보고서의구성및범위 본기술보고서는다음과같이구성되어있다. 4장에서는전송에너지효율과네트워크신뢰성향상을위한다중채널 MAC 기술의일반적인개념을설명하고채널을사용하는방식에따른 MAC 기술들을간단히살핀다. 4.3절에서는 WSN의특징에기인한기존의다중채널 MAC 기술과의상이점을설명하고 WSN을위한다중채널 MAC 기술을소개한다. 5장에서는이러한다중채널 MAC 기술들이구현및적용된사례를중심으로소개한다. 6장에서는시장에서가장큰파급력을갖는표준기술에대해살핀다. 다중채널 MAC 기술을반영한표준규격들을소개하고, 특히 WSN 표준규격으로가장널리사용되는 IEEE802.15의 TG4e 그룹의채널다중화기술에대해소개한다. 3. 용어및약어 DCF DSSS DLL FHSS HART Distributed Coordination Function Direct Sequence Spread Spectrum Data Link Layer Frequency Hopping Spread Spectrum Highway Addressable Remote Transducer - 10 -
IEEE ISA MAC PAN PHY PPDU QoS RF TBD TDMA CSMA WSN Institute of Electrical and Electronics Engineers The Instrumentation, Systems, and Automation Society Medium Access Control Personal Area Network Physical Layer Quality-of-Service Radio Frequency To Be Determined Time Division Multiple Access Carrier Sense Multiple Access Wireless Sensor Network 4. 다중 - 채널 MAC 기술의개요 4.1. 다중 - 채널 MAC 기술 기존의 IEEE 802.11 DCF와같은전통적인 MAC 기술에서는하나의네트워크상의모든노드가하나의채널에서, 무선자원획득을위한경쟁및데이터전송을수행하게된다. 즉, 모든노드는네트워크에서이용되는하나의무선자원을공유하게되며, 이는네트워크를구성하는노드수의증가에따라각노드가사용할수있는전송량 (throughput) 이감소하게됨을의미한다. 또한, 사용하고있는동작채널이인접한타무선링크에서사용이된다면이에서기인하는간섭신호로인해급격한수신신호감도의저하를초래한다. 이러한경우, 감소된전송량뿐만아니라, 간섭신호에의한수신신호감도저하에따라패킷의전송성공확률은감소하여네크워크전반에걸쳐동작성능저하를초래하게된다. 이를극복하기위하여송신노드는해당패킷을재전송하게되지만이는링크의순전송량 (goodput) 개선에도움이되지못한다. 또한, 패킷의재전송으로인해각노드는패킷당전송에너지비용이증가하게된다. 특히이는저전력성능이중요한네트워크성능의척도로작용하는무선센서네트워크등에서는상당히취약한부분으로고려된다. 상기설명한단일채널을사용하는 MAC 기술의문제점을극복하고자, 여러개의채널을사용하는다중-채널 MAC 기술들이연구 / 개발되고있다. 이러한기술들은 MAC 규격에서지원하는여러개의채널을효율적으로사용하여다음과같은특징을갖는다. 네트워크전체의전송량 (Throughput) 증대 간섭신호에좀더강인한동작을얻어무선링크단위에서정보전달의신뢰성을개선 - 11 -
충돌에의한패킷재전송횟수를감소시켜저전력성능향상 시분할방식기반의다중채널 MAC 의경우상시전달지연 본절에서는이러한다중 - 채널 MAC 기술의전반적인개념에대해서술한다. 4.2 절에서는메시지 메세지위한채널사용방식에따른다중 - 채널 MAC 기술들을분류하였다. 4.3 에서는무선센서 네트워크를위해연구된다중채널 MAC 알고리즘을소개하고이들의간단한성능을비교한다. 4.2. 다중 - 채널 MAC 기술의분류 링크계층에서여러개의채널을효율적으로사용하는기술은여러방식들을사용하여구현이 되도록개발되었다. 이방식들은크게다음의네가지로분류될수있다. [1] 4.2.1 Dedicated Control Channel 이방식은네트워크의모든노드가하나의송수신기를고정된제어채널을위해서사용된다. 따 라서모든노드는두개이상의송수신기를사용하여야만한다. 제어채널에서는모든노드가데 이터전송을위한협상을위한제어메시지가교환된다. 그림 1 Dedicated Control Channel 4.2.2 Split Phase 이방식은네트워크의노드가하나의송수신기를사용할때, 제어메시지를교환하기위한채널로의전환이모든노드에서동시에일어나도록하는방식이다. 즉, 전체시간구간을데이터전송을위한구간과제어메시지의교환을위한구간으로나누어사용한다. 이방식역시 Dedicated Control Channel 방식과마찬가지로하나의채널을제어메시지를교환하기위한채널로사용하여야한다. 또한, 제어메시지교환구간과데이터전송구간을위한노드간의시각동기도필요하다. - 12 -
그림 2 Split Phase 4.2.3 Common Hopping 이방식은노드들이미리정해진 Hopping 순서를따라채널을변경하여데이터의전송을위한협상을진행하는방식이다. 협상이이루어진두노드는해당채널에남아있고, 네트워크의나머지노드는나머지순서를따라채널을이동한다. 이방식의장점은고정된제어채널이존재하지않아, 모든채널을효과적으로사용할수있는것이다. 그림 3 Common Hopping 4.2.4 Multiple Rendezvous 위에서기술된세가지방식들은노드들의데이터전송을위한협상이어느한시점에서는, 하나의채널에서이루어지게된다. Multiple Rendezvous 방식은어느한시점에서협상과정이복수개의채널에서이루어질수있게설계되었다. 이방식에는각노드가자신의 Hopping 순서를가지고있으며, 각각의순서에따라채널을이동한다. 데이터의전송을위해서는인접한노드의 Hopping 순서를알아내어, 그순서에맞추어채널을같이이동하며데이터를전송한다. - 13 -
그림 4 Multiple Rendezvous 4.3. 무선센서네트워크를위한다중 - 채널 MAC 앞절에서소개한방식의 MAC 기술들은주로애드혹네트워크를위해고려된 MAC 기술들로, 노드디바이스의자원이크게제약을받는무선센서네트워크에적용하기에는어려움이있다. 본절에서는무선센서네트워크 (WSN) 이갖는특징에기인한여러 WSN용다중채널 MAC 설계시고려되어야할사항에대해알아본다. 이후, MMSN [15], MCMAC [20], CMAC [17], LMAC[18] 과같이기존에제안된무선센서네트워크용다중채널무선액세스제어기법에대해서분석한다. 4.3.1 WSN 용다중 - 채널 MAC 설계시고려사항 무선센서네트워크 (WSN) 를위해설계된다중채널 MAC은일반적인무선통신시스템에서고려되는다중채널 MAC 기술과는다른모습을하게되는데, 그대부분의이유는작은배터리용량과하드웨어자체가작은센서라는특징때문에기인한다. 좀구체적으로살펴보면, 센서노드 RF 모듈은대개 single half-duplex radio 트랜시버이다. 즉, 패킷의송신과수신을위한 RF는한개의모듈을시간적으로공유하는구조인것이다. 이러한단일 RF 모듈구조를갖는이유는, 센서노드자체가갖는물리적크기의한계가한가지이유이고, 복수개의 RF 모듈을사용할경우이에따른전력손실이증가하여노드자체작동시간이줄어든다는것이또한가지이다. 센서노드는대부분이배터리로동작되고, 대량의센서노드가필드에배치될때각노드의배터리를일일이교체한다는것은거의불가능하다. 따라서센서노드는일단배치된후최대의동작시간을갖는것이바람직하며, 통신프로토콜및노드설계는이를염두해두고진행되어야한다. 즉, WSN용다중-채널 MAC 설계시고려되어야할첫번째가절전형설계이다. 예를들어, 센서노드가패킷수신을위해수신 RF 모듈을상시켜둘경우, 배터리가급격히소진되어노드의작동시간은얼마되지못할것이므로, - 14 -
sleep과 listening 을반복하는 duty cycling방법이필요하다. 무선액세스제어기법의측면에서보면, 무선센서네트워크의대역폭은크지않기때문에, 만약 802.11에서사용되는 CSMA/CA MAC 프로토콜을이용한다면 RTS/CTS 제어프레임만으로도이미대역폭을소진해버리게된다. 즉, 센서네트워크시스템에 ad-hoc이나기존의무선네트워크에서연구되고있는 MAC 프로토콜을그대로적용시켜그러한시스템에서얻은성능향상을기대할순없다. 두번째, 데이터전달지연을줄여야한다. 센서네트워크는자연환경및인간의주변환경에대한주기적인모니터링응용에이용될수있다. 산불이나, 교통사고발생과같이급박한후속조치가필요한상황에대해서센서네트워크를이용한시스템을구축할수있다. 이러한응용의경우, 발생한이벤트주변의다수센서가갑작스럽게응급데이터를싱크노드 (sink node) 로전달하기위해채널을접근하게된다. 단일채널을이용한데이터전송의경우, 경쟁기반의 MAC 프로토콜이사용된다면채널접근을위한노드간경쟁이심해져전송패킷간충돌확률의증가로데이터의전송이제대로이뤄지지않을수있다. 비경쟁기반의경우에도이러한충돌에의한데이터전송지연을어느정도보정하지만, 이를위해평상시에도계속일정양의에너지를계속소비하게된다. 이에반해, 다중채널을이용한매체제어방법은주파수직교성을이용하여전송될데이터패킷간에생길수있는충돌확률을줄임으로써재전송에의해발생되는지연문제를해소할수있다. 세번째로, WSN은응용서비스에따라, 감지해상도를높이기위하여, 또는제어하고자하는장치가밀집되어있을때에는높은밀집도를가질수있다. 위의절에서설명한세가지방식, Dedicate Control Channel, Split Phase 그리고 Common Hopping 방식은하나의채널에서데이터전송을위한협상과정이이루어지기때문에높은밀집도를가지고있는 WSN의경우, 제어채널의혼잡이발생할수있다는단점을가지고있다. 4.3.1 MMSN 프로토콜 [15] 4.3.1.1. 채널할당방법 무선센서네트워크에서다중채널의이점을이용한프로토콜중하나가 MMSN (Multi- Channel Media Access Control for Wireless sensor) [15] 이다. MMSN에서는네트워크의환경에따라서채널을할당받아데이터를전송하게된다. MMSN에서제안하는자원할당방법으로는채널의수가 2홉이내의노드의개수보다많을경우사용되는 Exclusive 채널할당방법과 Implicit- Consensus 채널할당방법이있으며, 가용한채널이적을경우사용되는 Even Selection 과 Eavesdropping 채널할당방법이있다. Exclusive 채널할당에따르면 2 홉내에있는노드들은자신의 ID 를서로교환해서 2 홉내에있 는노드들의정보를수집하게된다. 정보수집이끝난뒤에노드 ID 의오름차순으로채널을중복 - 15 -
되지않도록할당하게된다. Evan Selection 채널할당방법은 Exclusive 채널할당방법과다르게채널이충분하지않기때문에최근에사용된채널을무작위로선택해서채널을할당하게된다. Implicit-Consensus 채널할당방법은 Exclusive 채널할당방법과동일하게 2홉내에있는노드들의 ID를수집하게된다. 하지만, Implicit-Consensus 채널할당방법에서노드들은 Pseudo Random Generator를사용해서랜덤넘버 (Random Number) 를생성하고, 생성된랜덤넘버에따라채널을할당하게된다. Eavesdropping 채널할당방법은채널을할당하기전에랜덤백오프를실행하게되고백오프가실행되는동안에각노드들은채널이결정되는것을엿듣게된다. 노드들의백오프가종료되면최근에사용된채널중하나를무작위로선택해서주파수를할당하게된다. Eavesdropping 채널할당방법같은경우에는 Even Selection 채널할당방법에비해서과부하가적은반면에 1홉안에있는노드들만조사하기때문에충돌의위험이높다. 그에대한성능결과는아래그림을통해서확인할수있다. 그림 5에서보는바와같이 Eavesdropping 채널할당방법이 Even Selection 채널할당방법에비해노드가밀집된환경이나주파수가증가하는환경에서충돌확률이높다. - 16 -
그림 5 주파수할당방법에따른성능평가 4.3.1.2. 채널액세스알고리즘 채널할당이끝난뒤에각노드들은패킷송수신을위한채널을가지게된다. 각노드들은효과적인브로드캐스트를제공하기위해서시간동기를일치시켜야한다. 타임슬롯은브로드캐스트경쟁구간 (T bc ) 과전송구간 (T tran ) 으로구성되는데, T bc 동안노드들은같은브로드캐스트채널을경쟁하게되고, T tran 동안노드들은공유된유니캐스트채널을경쟁하게된다. 타임슬롯동안에노드들은패킷을전송하거나수신할수가있다. 노드들은가장먼저브로드캐스트동안에브로드캐스트패킷이송신패킷인지수신패킷인지확인을하게된다. 타임슬롯의크기는같은채널을경쟁하는노드들의개수나데이터패킷의크기에따라결정된다. 노드들은전송할패킷이없을경우와전송할패킷이브로드캐스트패킷일경우와유니캐스트패킷일경우에따라서다르게동작한다. 먼저전송할패킷이없을경우노드는아래그림과같은동작을하게된다. 그림 6 전송할패킷이없을경우노드의동작 그림 6에서 (a) 경우노드는 T bc 동안에 f 0 에서 snoop하게되고, 만약채널의상태가사용중이라면다른노드를통해서브로드캐스트패킷을인식하게된다. 따라서, 남은타임슬롯동안에노드는브로드캐스트패킷을수신하게된다. (b) 경우노드가 T bc 동안에신호를감지하지못하면노드는유니캐스트패킷을수신할수있는 f self 로채널을전환시켜서신호를감지하게된다. 만약 f self 동안에신호를감지하게되면남은타임슬롯동안에유니캐스트패킷을수신하게된다. (c) 경우는채널을감지한후에패킷이전달되는시간인 T PacketTransmission 보다남아있는타임슬롯이짧다면주변이웃노드들이패킷을송신하지않을거라고판단하고, 에너지소비를줄이기위해서다음타임슬롯때에너지절약모드로전환된다. 두번째경우인노드가브로드캐스트패킷을송신할때는아래그림과같이동작하게된다. 노드 - 17 -
가브로드캐스트패킷을송신할때는 2가지방식을취하게된다. (a) 경우처럼타임슬롯이시작할때노드는채널 f 0 를사용하게된다. 먼저백오프기간동안에신호가감지되면다른이웃노드도브로드캐스트패킷을가지고있다고판단하고남은타임슬롯동안에브로드캐스트를수신하는데사용하게된다. (b) 경우에는노드가채널 f 0 동안에신호를감지하지못하면백오프가끝난뒤에 f 0 를통해서노드가브로드캐스트패킷을송신하게된다. 그림 7 브로드캐스트패킷을전송할때노드의동작 마지막경우인노드가유니캐스트패킷을송신할때는아래그림과같이동작하게된다. (a) 경우, 먼저 T bc 동안채널 f0에서신호를감지하게된다. 만약에신호가브로드캐스트패킷이라면남은타임슬롯동안에브로드캐스트패킷을수신하게된다. (b) ~ (e) 는노드가브로드캐스트신호를감지하지못했을경우다. 먼저노드는백오프시간동안에자신의채널, 그리고목적지노드의채널인 f self, f dest 를검사한다. 만약에 f dest 가사용중인것을감지하게되면다른노드가유니캐스트패킷을가지고같은목적지노드를향해서전송하고있는것이다. 따라서충돌을회피하기위해서패킷을전달하지않는다. (b) 경우노드가 f self 에서신호를감지하게되면자신에게유니캐스트패킷이오고있다는것을알게되고, 토글스누핑을멈추고, 들어오고있는데이터패킷을수신하게된다. (c) 경우는토클스누핑하는동안에 f dest 에서신호가감지되면노드는다른노드들이같은목적노드를차지하기위해서유니캐스트패킷을송신하는것이기때문에노드는토글스누핑을멈추고 f self 로변한다. 만약 f self 에서유니캐스트패킷을감지하게되면남은타임슬롯동안에패킷을수신하게된다. (d) 경우는목적지노드가 busy하여자신의수신채널을감지하고있는데아무런신호가감지되지않기때문에에너지를절약하는모드로전환하게된다. (e) 경우는백오프동안에 f dest, f self 에서신호가감지되지않은것이고, 따라서토글전송을사용해서유니캐스트패킷을송신하게된다. - 18 -
그림 8 유니캐스트패킷을전송할때노드의동작 토글전송의형태는다음그림과같다. 그림 9 토글전송의형태 물리계층프로토콜데이터유닛 (PPDU) 의프리엠블은 f dest, f self 를통해서그림과같이교차적으로전송된다. PPDU의남은데이터유닛구간은주파수 f dest 를사용해서목적지노드로전송된다. 토글전송을사용해서노드 A가노드 B에게유니캐스트패킷을전송할때 PPDU의 f self, f dest 는다른노드들에게채널이사용중인것을알린다. PPDU의 f self, f dest 는각각노드 A와노드 B에게다른노드들이데이터를전송할때백오프를하게해서충돌을감소시킨다. 4.3.2 MCMAC 프로토콜 [20] MCMAC 프로토콜은클러스터기반의다중 - 채널알고리즘을제안한다. 이프로토콜에서는다음 과같은사항을가정한다. 채널은동일한대역폭을가지며, 중복되지않는다. 또한한개의제어 - 19 -
채널과 N-1 개의데이터채널로구성된다. 각노드는반이중송수신기를가지며미리사용가능한채널을알고있고, 노드들간의동기시간차는 100us보다작다고가정한다. 또한센서네트워크는클러스터로구성되며각클러스터의헤드들은통신이가능하며싱크노드에서발생하는병목현상이없다고가정한다. MAC 프로토콜에서에너지소비의가장큰원인은충돌로인한재전송이다. 그외에도제어패킷과부하, Idle Listening, Overhearing이있다. MCMAC에서는 Low- Duty-Cycle를사용해서에너지의효율성을높였다. MCMAC에서 Duty-Cycle 은아래그림과같이활동구간과수면구간으로구분되며활동구간은다시 Synchronous Beacon, Transmission Request, Channel Schedule, Data Convey 4단계로구분된다. 수면구간은가벼운부하상태에서전체시간의 98% 를수면상태로유지하게된다. 그림 10 통신프레임구조 클러스터헤드들은 Intra-Cluster 간섭을피하고접속시간을예약하기위해서협상을하게된다. 협상을통해각클러스터는겹치지않는접속시간을가지게되며클러스터간의통신을위해 Inter-Cluster-Head Contact Time을갖는다. Inter-Cluster가협상을하는과정을아래그림과같이표현했다. 그림 11 Inter-Cluster 협상동작과정 클러스터헤드와멤버노드는멤버노드의개수, ID, 이웃노드리스트, 클러스터 ID 정보를얻을 수있다. 하나의클러스터가생성될때는클러스터해드는자신의클러스터에있는노드들에게 동기화정보를알리고, 클러스터안에있는노드들은동기화정보를얻을때까지 Listening Mode - 20 -
를유지하게된다. 노드들은동기화정보를수신한후에자신의시간을동기화정보에따라일치시키고수면상태로전환한다. 노드들은자신에주어진기상시간이나제어체널에서오는정보를통해서활동상태로전환된다. 노드들의 Duty-Cycle에따른동작은아래그림을통해알수있다. 그림 12 프로토콜의동작과정 Duty-Cycle은활동구간과수면구간으로나누어지고활동구간은다시 4단계로구분된다. 우선 Synchronous Beacon 단계에서는클러스터헤드는 Synchronous beacon 신호를제어채널을사용해서전달하고, 각센서노드들은제어채널로부터오는신호를보고기상시간을동기화시킨다. 전송요청단계에서는클러스터헤드는 Listen 상태로전환하게된다. 전송요청단계는여러개의타임슬롯으로나누어진다. 나누어지는타임슬롯의개수는클러스터안에있는멤버노드들의개수와동일하다. 나누어진슬롯의노드들의 ID에따라서할당되는데가장작은 ID를가진노드에게첫번째슬롯을할당하고가장큰 ID를가진노드에게마지막슬롯을할당하게된다. 할당되는슬롯과노드의 ID는아래표와같은형태를유지한다. 표 1 노드 ID에따른슬롯할당테이블 노드 ID 할당된슬롯 ID 1010 1 1C0A 2 201C 3-21 -
노드가데이터를송신하기위해서는자신에게할당된슬롯을통하여클러스터헤드에게제어패킷을요청하게된다. 클러스터헤드는슬롯의위치를통해소스 ID와목적지 ID를추측하게된다. 만약노드가아무런메시지를송신하지않는다면에너지를절약하기위해서절약모드상태로전환된다. 노드가데이터를송신하기위해서요청하는요청패킷의구조는아래그림과같다. 구조를보면 B flag는소스 ID가클러스터헤드에게브로드캐스트또는유니캐스트를요청하는지표시할수가있으며, P flag는요청우선순위를표시한다. 그림 13 요청패킷구조 스케줄단계에서모든멤버노드들은제어채널을향해서 Listen 상태로전환되고, 클러스터헤드는제어채널을통해서채널할당패킷을각노드에게전송한다. 채널할당정보를수신한노드들은자신에게지정된채널을향해서송수신기를전환시킨후에스케줄단계의남은시간을에너지를절약하기위해서수면상태로전환한다. 만약사용가능한채널의개수가노드들의채널요청개수보다적다면클러스터헤드는요청패킷의 P flag 우선순위를참조하여서채널을할당하고여분의요청은버퍼에저장하였다가 Idle한채널이존재할때채널을할당해서재전송요청을줄이게된다. 클러스터헤드는요청패킷을송신한소스노드에게패킷수신여부를알기기위해아래그림과같은스케줄패킷의 Request-Bit-Map 필드를사용한다. 소스노드는 Request-Bit-Map를검사해서다음사이클에재전송을하거나클러스터헤드의스케줄에따라대기하게된다. 그림 14 채널스케줄패킷구조 마지막데이터송신단계에서는할당된채널을통해서노드는메시지를교환하게되고, 교환이 끝난후에는에너지를절약하기위해서수면상태로전환된다. 만약에노드가채널을할당받지 못했다면송신단계동안에수면상태를유지하게된다. 4.3.3 CMAC 프로토콜 [17] - 22 -
CMAC 은무선센서네트워크에서다중채널을이용하기위해두개의 RF 모듈을사용한다. 첫 번째는데이터송수신을위한일반적인 half duplex 트랜시버이고, 두번째는저전력 Wake-up radio 이다. 센서네트워크에서는패킷간충돌과재전송, overhearing, 제어패킷오버헤드, idle listening으로인해전력이낭비된다. 이를극복하기위해 CMAC에서는센서노드가기본적으로수면상태로동작하도록설계하였다. 또한, LR (Low power wake-up radio) 와 MR (Main half duplex transceiver) 를이용하여다중채널을사용하도록설계하였다. CMAC에서사용하는 LR은단지 wake-up 신호를송신하고이를감지할수있을뿐, 데이터를전송할수없다. LR은항상센서노드의기본채널을모니터링하게되고, MR은수면상태로동작하여에너지소비를줄이게된다. 또한 LR은데이터송수신을위한채널협상기능을수행한다. CMAC에서각각의센서노드들에는노드의기본채널이할당되어야한다. 채널할당은 2홉전송범위내에서동일한채널이중복할당되어서는안된다. 4.3.3.1. MR과 LR의전력소모 CMAC은에너지소비를줄이기위해 MR과 LR의두개의무선액세스장치를사용하였다. 이두가지무선액세스장치의에너지소모량은다음표와같다. 표 2의 P transmission, P reception, P idle, P sleep 는각각데이터전송시, 데이터수신시, idle 상태에서, 수면상태에서의전력소모량이다. MR의전력소모량은데이터송신시 36mW, 수신시 14mW, idle 상태에서 14.4mW이고, LR의전력소모량은각각의상태에서 1mW, 0.45 mw, 0.05mW 이다. 센서네트워크에서는 idle 상태에서전력소모량이전체소모량의 90% 에이른다 [19]. CMAC은 idle 상태에서 0.05 mw 만을소비하는 LR을이용함으로써에너지소비를줄일수있다. 표 2 MR 과 LR 의전력소모량 4.3.3.2. 채널액세스알고리즘 CMAC 은 Request (REQ), Confirm (CON), Wait (WAIT) 3 개의컨트롤메시지를이용하여채널협 상이이루어진다. 각각의컨트롤메시지의기능은다음과같다. - 23 -
REQ: 데이터를전송하고자하는센서노드는 LR의채널을타겟노드의기본채널로변경한다. 충돌을피하기위해변경된채널에서 DIFS 동안채널을모니터링한다. 타겟노드의채널모니터링결과, 채널이사용중일경우, 타겟노드와통신이가능할때까지기다리게된다. 타겟노드의채널이 DIFS동안사용중이지않을경우, 송신노드는백오프기간동안시간지연을두고 REQ 메시지를타겟노드에전송한다. REQ 메시지신호에는송신노드의기본채널을포함하여전송한다. CON: REQ 메시지를수신한타겟노드가데이터를송수신중이지않을경우, 타겟노드는 SIFS 기간후에자신의 LR을통해송신노드의기본채널정보를포함한 CON 메시지를전송한다. 하나의타겟노드에여러송신노드가 REQ 메시지를전송하였을겨우, 타겟노드에서 CON 메시지에선택된송신노드의기본채널정보를포함하여전송함으로써여러송신노드들중어떤송신노드가선택되었는가를알수있도록한다. WAIT: MR을통해데이터를수신중인센서노드가 LR을통해 REQ 메시지를수신하게되면, 수신노드는 REQ 메시지를전송한노드에게 WAIT 메시지를전송하게된다. WAIT 메시지에는현재트랜잭션의남은시간정보를포함하여전송한다. 여러송신노드로부터 REQ 메시지를수신할경우송신노드들사이의적절한 WAIT 정책이필요로하게된다. CMAC의동작과정은그림 15와같다. 그림에서 4번노드의기본채널은 Red이고 5번노드와 8 번노드의기본채널은각각 Blue와 Green이다. 4번노드에서 5번노드로데이터를송신하고자할경우 4번노드의 LR을 5번노드의기본채널인 Blue 채널로채널변경한다. 채널변경후 DIFS 기간동안 Blue 채널모니터링하여채널이사용중인지를판단한다. 채널이사용중이지않을경우 4번노드는 LR을이용하여 Blue 채널로 REQ 메시지를송신한다. REQ 메시지에는 4 번노드의기본채널정보가포함되어있다. REQ 메시지를수신한 5번노드는 SIFS 기간후에 LR을이용하여자신의기본채널인 Blue 채널로 CON 메시지를전송한다. CON 메시지에는송신노드인 4번노드의기본채널정보가포함되어있다. CON 메시지를전송한 5번노드는자신의 MR을켜고, 4번노드의기본채널인 Red 채널에서데이터수신을대기한다. CON 메시지를수신한 4번노드는 MR을켜고자신의기본채널인 Red 채널로데이터를송신한다. 수신노드인 5번노드는 MR을통해 Red 채널로데이터를수신중인상태에도 LR을이용하여자신의기본채널인 Blue 채널을모니터링한다. 이때에 8번노드가 5번노드에게데이터를전송하고자한다면 8 번노드는자신의 LR을 5번노드의기본채널인 Blue 채널로채널을변경하고 5번노드에게 REQ 메시지를전송한다. LR을통해 REQ 메시지를수신한 5번노드는 LR을통해 WAIT 메시지를 8번노드에게전송하여데이터전송을기다릴것을알린다. 4번노드로부터데이터송신이종료되면 4번과 5번노드는 MR의채널을수신노드인 5번노드의기본채널로변경한다. 5번노드는 MR을통해 ACK 메시지를전송하고데이터송수신이종료된다. - 24 -
그림 15 CMAC 의동작과정 4.3.4 LMAC 프로토콜 [18] 본절에서는단일 LMAC (Lightweight Medium Access Control) [20] 을노드들이밀집한네트워크 (Dense Network) 에적합하도록다중채널기법을적용한다중채널 LMAC 프로토콜에대해서알아본다. 노드들이밀접한네트워크의문제점은많은주변노드들이제한된채널자원을점유하기위해더많이경쟁을해야하며, 노드들이밀집되어있기때문에노드들간에서로간섭을받을수있다는것이다. 이런문제점들을해결하기위해노드들이밀집한네트워크환경에다중채널을도입하게되는데, 다중채널을도입하게되면, 가용한채널이늘어나게돼서단일채널보다적은경쟁, 적은충돌, 적은재전송이생기게된다. LMAC 프로토콜 [18] 은기본적으로시간분할 (Time-Scheduled) 방식을이용한다. 시간분할방식은하나의타임슬롯에한개의노드가사용토록설계되는것이일반적이다. 그러므로, 시간불할방식은기본적으로데이터의충돌 (collision) 이없다는장점과, 에너지소모에대한예측이가능하며, 주기적인모니터링을하는어플리케이션의경우에는에너지소모가작게설계될수있는장점을갖는다. 하지만단점으로는정해진지연 (delay) 과정해진 throughput을극복할수없으며, 네트워크환경이개선되어도성능향상이이루어지지않는등의네트워크유연성이떨어진다. 이러한문제점들은노드들이밀집한네트워크에 LMAC을사용하는경우부족한타임슬롯으로인해더욱더크게발생하게되는데, 이에대한해결책으로다중채널 LMAC이제안되 - 25 -
었다. 4.3.4.1. 단일채널 LMAC 동작매커니즘단일채널 LMAC 프로토콜에서 LMAC 슈퍼프레임의총길이는 1000ms 이며, 슈퍼프레임은 32 개의타임슬롯으로구성되어노드당 31.25ms의타임슬롯을할당받게된다. LMAC 프로토콜에서노드가보낼데이터를갖게되면, 전송노드는제어메시지를자신의타임슬롯시작때수신노드에게보낸다. 이웃노드들은타임슬롯의처음시간에는모두깨어서수신자, 동기화정보, 현재타임슬롯정보가포함되어있는제어메시지를수신한다. 만약제어정보를수신한이웃노드가제어메시지에자신과해당사항이없다는걸알게되면바로트랜시버를 off하여에너지를절약하고, 수신상태를유지하여데이터를송수신하게된다. 4.3.4.1.1. 노드의타임슬롯선택 LMAC 프로토콜은특정노드나장비에의해서타임슬롯이할당되는것이아니라, 각노드가주위의타임슬롯정보를이용하여자신의타임슬롯을자율적으로결정하게된다. 다음순서는노드가타임슬롯을결정하는방법이다. 1) 각노드는타임슬롯개수와같은길이의벡터를관리한다. 2) 벡터는이웃하는 2홉내에점유된타임슬롯에대한정보를저장한다. 3) 처음에벡터는만약타임슬롯이 7개라면 0000000 값을갖는다. 노드들이해당타임슬롯에대해서제어메시지를이용해서전송하면, 제어메시지를수신하는노드는 1 홉떨어진이웃노드에의해서해당타임슬롯이점유되었다고생각한다. 4) 제어메시지를받으면그안의채널점유정보를이용하여아래그림과같이 OR 연산을해서현재전체타임슬롯의사용현황을표시한다. 5) 만약아래그림에서? 로표시된노드가자신에게할당된채널이아직없다면, 받은정보를바탕으로 OR 연산을통해서 1111110 라는값을찾게되고현재빈채널인 7번타임슬롯을선택하게된다. 만약빈타임슬롯이없으며, 타임슬롯은초기상태로남고, 계속컨트롤프레임을수신하면서빈타임슬롯이있는모니터링하면서, 매번타임슬롯을찾는다. - 26 -
그림 16 LMAC 프로토콜에서타임슬롯선정 다중채널 LMAC 프로토콜은 2 단계를거쳐서타임슬롯과채널을설정한다. 먼저단일채널 LMAC 과같은방법으로타임슬롯을결정하고, 다음단계에서는 2 홉주변노드의정보를이용해 서채널을선택하게된다. 이에대한세부적인동작은다음과같다. 1) 노드들은단일채널 LMAC 방식으로타임슬롯을선택한다. 2) 다음으로채널선택을하는데이때선택은 2홉내에있는이웃노드들의정보를이용한다. 3) 타임슬롯이없는노드 (slot less node) 는이웃노드들이 announcing한정보를바탕으로빈슬롯을가지고있는지판단하고만약빈슬롯이있으면중간연결노드 (Potential bridge) 로표시한다. 연결노드 (Bridge node) 는타임슬롯이없는노드와연결되어다음그림과같이구성되어네트워크의중간연결다리역할을한다. 4) 타임슬롯이없는노드? 는아래그림과같은 2개의표를수집된정보를이용해서만든다. 하나는이웃노드에서사용중인채널과타임슬롯을이용해서만든사용중인채널상태표이며 (Occupied Matrix), 다른하나는빈채널의빈타임슬롯을결정해서연결되어있는노드와연결할떄사용할사용중이지않은채널상태표 (Free Matrix) 이다. 이표를이용해서타임슬롯이없는노드? 는타임슬롯 2의노드 3과타임슬롯 1의노드 4를 potential bridges로설정한다. 5) 슬롯이없는노드는브릿지노드에채널협상을위해서 request 메시지를전송하고, request 수신한브릿지노드는해당슬롯과채널에대해서현재의이웃노드와충돌이있는지점검을하고만약충돌이없으면응답을보낸다. 아래그림은이와같은협상과정을거쳐? 노드는 1번채널의 2번타임슬롯을사용하게된다. - 27 -
그림 17 동작매커니즘 그림 18? 노드의채널상태정보 - 28 -
그림 19 점유된타임슬롯과채널정보 이와같이 LMAC은단일채널의채널접근방식과다중채널에의한채널접근방식을가진다. 특히, 밀집도가높은 WSN을염두하여다중채널접근방식이노드밀집도에따른선형적패킷충돌특성을보인반면, 단일채널접근방식은지수적증가특성을보여다이나믹한노드밀집도변화를갖는 WSN의경우다중채널접근방식을사용한 LMAC의성능이우수함을보였다. - 29 -
5. 구현관점에서의다중 - 채널 MAC 기술 이장에서는구현관점에서현재개발되었거나개발진행중인다중 - 채널을사용하는 WSN 용 MAC 기술의간략한소개와구현정도를알아보기로한다. 5.1. TSMP (Time Synchronized Mesh Protocol) TSMP[2] 는 Dust Networks[3] 사에서개발한 WSN 을위한통신프로토콜이다. TSMP 프로토콜은 PHY 계층과 MAC 계층의하위부분으로 IEEE 802.15.4 표준을사용하고있다. 이중 RF는 2.4GHz 대역을사용하는노드를사용하고있다. 따라서, 총 16개의주파수채널이용하여다중채널접근기술을사용한다. ( 이는, 현재출시된노드를기준으로설명한것으로개념상으로 PHY 계층에서지원하는모든주파수채널을사용할수있음.) TSMP의주요특징은높은신뢰성에있다. 이러한높은신뢰성을얻기위하여 TSMP는시분할기반의채널호핑기법을사용한다. 이는물리계층에서사용하는 Frequency Hopping 방식의변조방식이아니라, 하나의 PPDU 전송을위해 RF 모듈은미리정해진특정물리채널을이용한다. 즉, 그림 20와같이 TSMP는시간과주파수로구성된셀 (cell) 을이용하여, 한셀마다하나의 PPDU을전송하게된다. 그림 20 TSMP 의 Time-Frequency 구조 채널호핑기법을사용하여얻을수있는가장큰장점은무선링크의강건성 (Robustness) 이다. - 30 -
TSMP 에서는하나의노드가미리정해진채널호핑순서를따라각셀을옮겨다니며통신을하된다. 이때무선링크를형성하는노드간에사용하는채널은패킷을주고받는타임슬롯마다바뀌게되므로, 특정간섭신호에대한수신신호감도저하를방지할수있다. 또, 호핑하게되는채널간격이충분히클경우, 이에기인한주파수다이버시티이득을얻어무선링크의신뢰성을높힐수있다. 무엇보다도, 이러한채널호핑은동일한주파수대역을사용하는이종의 RF 디바이스와의공존시생기는간섭문제에대해상당히신축적인네트워크디자인이가능하다는장점을갖는다. TSMP 에서사용하는채널호핑기법은미리정해진호핑패턴에따라셀을옮겨다니므로통신을위해호핑패턴을정의하는채널호핑시퀀스를필요로하게된다. 네트워크내에서복수개의무선링크의동시사용을위해서는중복된호핑시퀀스를사용할수없다. 만약중복되는호핑시퀀스를사용하는링크들이서로간섭신호의영향을주는물리적거리범위내에존재한다면, 두링크는이로인해통신이불가능하다. 하지만, 복수개의채널호핑시퀀스를한네트워크에서관리하는것은이를관리하는오버헤드의증가를초래하므로바람직하지않다. TSMP는네트워크내에서중복되는단일호핑시퀀스의사용을방지하기위하여, 채널오프셋이라는개념을사용한다. 즉, 호핑시퀀스자체가시간과주파수차원에서직교성 (orthogonality) 를갖기때문에, 서로다른무선링크에서공통된호핑시퀀스를사용하고호핑이시작되는부분을달리하게되면두무선링크에서사용하는패턴을직교성을유지하게된다. 단일주파수기반의채널접근방식에서는인접링크간간섭신호로인해활성무선링크수에제약을받는반면, 이러한시분할기반채널호핑기법은시간과주파수의직교성을갖게되어직교성을갖는채널호핑패턴의개수만큼단일채널방식의기법과비교해유효주파수대역폭이증가한다. 예를들어, TSMP갖은경우이론적으로단일채널 MAC에비해 16배의유효주파수대역폭을갖게된다. TSMP는 Dust Networks 사의센서노드인 SmartMesh Mote 플랫폼에구현되었다. 이는동사의시각동기기반의메쉬네트워킹기술과더불어높은무선신뢰성을제공하는 WSN 솔루션으로주목받고있다. TSMP 기술은다음장에서소개되는 WirelessHART와 ISA100과같은 WSN을이용한표준규격의 MAC 규격에많은영향을끼쳤다. 5.2. SensiNet SensiNet[4] 은 Sensicast[5] 사에서개발한통신프로토콜이다. 이프로토콜도 TSMP 와같이, 자사에서개발한 DFSS (Distributed Frequency Spread Spectrum) 라는기법을사용하여, 높은수준의무선링크신뢰성을제공한다. 참고로, SensiNet은 2.4GHz 대역에서동작하는노드는 DFSS, 900MHz 대역에서동작하는노드는 FHSS을이용하도록설계되어있다. - 31 -
그림 21 DFSS (Distributed Frequency Spread Spectrum) Sensicast가제공하는자료에따르면, DFSS 는 DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) 과 FHSS (Frequency Hopping Spread Spectrum) 의특징을합한것이라고밝히고있다. 이는 IEEE 802.15.4 의 DSSS를사용하는여러개의채널을옮겨다니며통신을하는 TSMP과비슷한특징을갖는다. TSMP에서는채널호핑순서가고정된패턴을따르는반면, DFSS에서는각노드가사용할채널을동적으로찾아서사용한다. 즉, 각노드간의데이터전송의성공여부가관찰되면, 이러한관찰정보를바탕으로채널사용여부의동적인결정이이루어진다. 프로토콜의자세한동작은아직공개되지않아구체적프로시져는알수가없다. SensiNet 기술은자사의 SensiNet Mesh Router 플랫폼에구현되었다고알려졌으며, 이프로토콜이 탑재된상용의제품이출시되어있다. 5.3. Spinwave Spinwave[5] 는 SpinWave Systems[6] 사에서개발된 WSN 솔루션의통신프로토콜이다. Spinwave 에서는높은수준의무선링크신뢰성을얻기위하여, A3 Technology[7] 라는기술을사용하고있는데, 이는 Temporal Agility, Spatial Agility, Density Agility등의세가지 agility 기술을일컫는다. 각기술들을살펴보면아래와같다. Temporal Agility는간섭신호가존재할때시간차원에서그간섭의영향을회피하는기술이다. 이를위하여, 각채널의상태 ( 간섭신호의양 ) 를동적으로측정하고, 그정보를유지한다. 이렇게측정된정보를바탕으로, 간섭신호가약한채널을주로사용하고, 간섭의정도가큰채널은사용을피하게된다. - 32 -
그림 22 Temporal Agility 그림 22은이러한 Temporal agility기술을개념적으로설명한다. 그림에서 x축은 Spinwave가사용하는 16개의무선채널을나타내고. 같은주파수대역을사용하는 802.11 네트워크가존재할때, 그네트워크에서오는간섭신호가표시되어있다. 이러한상황에서 Spinwave는각채널의상태를동적으로유지하며, 간섭신호가적은채널로호핑하며동작한다. Spatial Agility 기술은공간상에서간섭신호를회피하는기술로하나의네트워크에서호핑패턴을지역적으로다르게할당하여, 개념적으로분리된네트워크를형성하게하는기술이다. 따라서, 네트워크내에는공간적으로구별되는복수개의호핑패턴이존재하므로, 단일채널호핑패턴을공유할때생길수있는간섭신호가공간적으로줄어들게되어, 이에따라서발생할수있는 Collision의가능성을줄여준다. 그림 23은 Spatial Agility이사용된예를나타낸다. - 33 -
그림 23 Spatial Agility Density Agility 기술은서로다른채널호핑패턴을같은공간내의네트워크를구성하는노드들이공유하게하므로써동일패턴을갖는노드의수를낮추어간섭신호의영향을줄이고자하는방식이다. 이는개념적으로상기한 spatial agility와유사한방식이나상기한기술이공간적으로직교성을할당하는데반해, 높은밀집도를갖는하나의네트워크를여러개의호핑패턴을할당함으로서 ( 개념적으로 ) 낮은밀집도를갖는여러개의네트워크로분리시킨다는다른점을갖는다. 그림 24는이러한 Density Agility 개념을도식화한것이다. 그림 24 Density Agility SpinWave Systems 사는 Spinwave 의기술적특성을위와같이설명하고있으나, 아직프로토콜의 자세한설명및구현사례는알려진바없다. 5.4. Low energy ad-hoc wireless mesh networking in Newtrax Newtrax[8] 는저전력기능에초점을맞춘 Low energy ad-hoc wireless mesh networking 프로토콜 [9] 을개발하여자사의제품들에구현하였다. 이기술배터리로동작하는무선 ad-hoc 네트워크 - 34 -
를위하여개발되었으며, 저전력을위한여러가지기술들을사용하였다. Newtrax 에서개발된프로토콜도높은수준의신뢰성을위하여주파수호핑기술을사용한다. 위에서설명된기술들 (TSMP, SeniNet, Spinwave) 은 DSSS 기반의 16개 RF 채널들을사용하는채널호핑기술을사용하는데반해, Newtrax의기술은 550KHz의협대역을사용하는변조방식을택하고있으며총 95개의채널을사용하는주파수호핑방식을사용한다. 이기술은시분할방식 (TDMA) 을기반으로, 주파수호핑기술을사용한다고한다. 주파수를호 핑할때사용하는패턴은확률적으로독립적인패턴을사용한다. 이렇게결정된호핑패턴에따 라매타임 - 슬롯마다한번씩채널을다음순서로옮겨가는동작을한다. 5.5. ANT Technology ANT [10] 는 Dynastream[11] 사에서발표한저전력 WSN 솔루션이다. ANT 노드가사용할수있는채널은모두 125개이고, 각채널은 1MHz의넓이를갖는주파수대역폭을사용한다. ANT 프로토콜에서도 Frequency agility scheme 이라는주파수혼잡을피하는기술이적용되어있다. 이기술은무선매체가혼잡한것을인지하면, 노드의동작채널을다음채널로옮겨가는동작을함으로서혼잡을피하게된다. 앞서소개된기술들이정해진호핑패턴이나확률기반의패턴생성을통해 open loop형태의주파수채널접근방식을채택하는반면, 이기술은채널상태를관찰하여채널간섭을회피하는 closed loop 형채널적응방식 (Channel adaptation) 의간섭신호회피기술이다. - 35 -
6. 다중 - 채널 MAC 의표준기술 앞서살펴본바와같이, WSN 응용시장에서는상용화에가장걸림돌이되고있는저전력기능의구현과높은수준의신뢰성확보를위하여저마다의솔루션을개발하여사용중이다. 이중상당수는다중-채널기술을이용하여긴네트워크수명과높은수준의신뢰성을달성하고자노력기울이고있으며, 어느정도이에접근하는제품들을출시하고있다. 이러한높은수준의신뢰성은 WSN이간단한수준의모니터링응용에서좀더폭넓은시장수요를갖는산업현장에서사용되기위해가져야할필수요소이다. 이러한시장의기술요구사항을반영하기위한무선통신기술의표준화들이최근에활발히진행이되고있다. 이장에서는다중-채널 MAC 기술을반영하는표준기술에대하여살펴보기로한다. 6.1. WirelessHART 산업체에서는공정제어등을위한디바이스들을하나의네트워크로연결하여관리하기를원하였으며, 이종의디바이스들을상호연동할통신프로토콜의필요성을인식하였다. 이러한요구사항을만족하는통신프로토콜은처음에는유선환경으로고려되어 HART 규격이라명명되어사용되었다. 이후, 이러한유선환경이네트워크의확장성과관리측면에서제약사항이많아지자무선환경으로변경이필요해졌으며, 무선으로구현된공장자동화관련프로토콜이 WirelessHART 규격이다 [12]. 2004년에에머슨, 지멘스등 37개의 HART Communications Foundation (HCF) 회사들에의해시작된 WirelessHART 규격은공정관리, 제어응용등산업현장에서사용되고있다. WirelessHART 규격은이미검증되어시장에서널리쓰이는 IEEE 802.15.4의 PHY 규격을최하위계층에서사용을한다. 또한, WirelessHART 규격의 DLL (Data Link Layer) 는높은수준의신뢰성을지원하는데, 이것은앞에서소개한 Dust Networks사의 TSMP와같은채널호핑방식을이용하도록하고있다. 실제로, WirelessHART 규격의 DLL계층은 Dust Networks 사의 TSMP 프로토콜의많은부분이적용되었다. WirelessHART는 210개의일반 HCF 회원업체로부터승인을받아 2007 가을이규격을바탕으로한시제품이시장에출시되어사용중에있다. WirelessHART의또다른특징으로는기존의 HART 규격와호환성을유지하고있어사용자계층에서의응용설계및서비스관리가용이하다는장점을지니고있다. 6.2. ISA SP100.11a WirelessHART 가공장자동화관련참여업체들이구성하는 HCF 연합에의해만들어진규격이라 면, ISA SP100.11a[13][14] 는같은목적을위한비영리단체인 ISA 에의해제정된규격이다. ISA - 36 -
SP100.11a 규격은저전력과높은신뢰성을필요로하는, 프로세스제어또는모니터링의응용들을위하여개발되었다. 하지만, WirelessHART 규격이유선환경의 HART규격을무선환경으로확장시킨것에반해, ISA SP100.11a는 HART 뿐만아니라, 다양한프로토콜들 (Profi, Mod, FF, etc.) 을지원할수있게설계되었다. WirelessHART 와기술적인측면에서상당한유사상을갖고있으므로, ISA SP100.11a 의 DLL (Data Link Layer) 역시, 높은신뢰성을보장하기위하여 Dust Networks 사의 TSMP 기술을적용하 고있다. 그림 25 는 ISA SP100.11a 의 DLL 의프레임구조를보여준다. 그림 25 ISA SP100.11a 의 DLL Frame 구조 위의프레임구조에서보이는바와같이, ISA SP100.11a의 DLL은채널억세스의방식으로시분할방식 (TDMA) 과랜덤억세스방식 (CSMA-CA) 을혼용해서쓰는형태이다. 시분할에의한채널접근구간에서는 TSMP와같이매타임-슬롯마다한번씩채널을옮기고, 랜덤억세스에의한채널접근을하는구간 (CSMA) 의채널은매프레임마다한번씩채널을옮기는상대적으로느린호핑을하도록설계되어있다. CSMA구간은주로제어패킷등을교환하는목적으로사용되며, TDMA구간은데이터교환을목적으로사용된다. ISA SP100 는 WSN 을이용하는공장자동화무선통신표준규격 SP100.11a 을마무리하였고, 이 를개선하는 SP100.11b 의표준화활동을진행중이다. 6.1. IEEE802.15 TG4e 저속개인용무선네트워크 (Low Rate Wireless Personal Area Network: LR WPAN) 표준규격으로가장널리쓰이고있는것이 IEEE802.15.4 표준규격이다. 현재 IEEE802.15.4-2006이배포되어사용중이며, PHY계층과 MAC 계층에대한규격을제시한다. 물리계층 (PHY) 은 800MHz/900MHz 의 1GHz이하대역과 2.45GHz의무선대역을사용하는 DSSS방식기반의변 / 복조규격을갖고있으며, 짧은통신반경의저속데이터전송률을필요로하는응용에적합하도록설계되었다. 국가간주파수대역에대한규정이상이하므로, 서브 GHz대역에서는공통된규격을갖기쉽지않 - 37 -
으나, 2.45GHz대역은대부분의국가에서비허가대역이므로이대역의물리규격은넓리사용되며, 현재 WSN용시장에서가장널리사용되고있는규격이기도하다. 공용주파수자원을디바이스간효율적으로접근하도록하는 MAC 규격은 IEEE802.15.4의경우단일채널기반의랜덤액세스방식을기본으로한다. 필요에따라시분할방식의 GTS 슬롯을할당하기도하나현재사용하는응용서비스에선많이쓰이고있지않다. IEEE802.15.4는전체네트워크를구성하는방식에따라비컨을사용하는 beacon enabled PAN 모드와비컨을사용하지않는 non beacon enabled PAN 모드, 이두가지모드로구분된다. 이두모드는저전력을위한 duty cycle을이용하지만, 네트워크의구성과관리측면에서비컨을사용하는 beacon enabled 모드는비컨프레임의스케줄링이필요하며구성할수있는네트워크토폴로지가제한적이라는문제점을갖고있다. 특히비컨기반의네트워크를메쉬형태로구현할경우프레임을중계하는라우터등의전력소모가많아져네트워크수명이짧아지는단점을갖는다. 또한, 두가지모드가주로랜덤액세스방식을기본채널접근방식으로사용하기때문에, 네트워크의센싱정보가많아지거나 ( 트래픽로드의증가 ) 또는주기적인모니터링서비스에적합하지않을수있는문제를갖는다. LR WPAN용 PHY와 MAC 규격인 IEEE802.15.4는이를바탕으로상위계층규격을표준화하고있는 ZigBee규격과더불어 WSN 시장에가장파급력을갖는표준으로자리잡고있다. 하지만, 위에서설명한문제점과널리사용되고있는 2.4GHz 대역의혼잡성으로인한무선링크신뢰성저하는이규격의시장진입에큰취약점으로언급되어왔다. IEEE802.15 그룹에서는이러한시장의기술적요구사항을수용하기위하여기존 IEEE802.15.4 의 MAC 규격을개선하는작업을 TG4e에서진행중에있으며, 저전력기능의개선과메쉬토폴로지지원을위하여시분할기반액세스와랜덤액세스가혼용하는형태로프레임구조와사용방식에수정을가하고있다. 특히기존규격중비컨기반 PAN 동작모드에서비컨프레임의스케줄링문제를보완하였고멀티홉환경에서도시각동기가지원하도록비컨프레임을보완하였다. 또한, 동종의디바이스로부터기인하는무선간섭신호의영향을줄이고이기종의네트워크와의공존할수있도록채널다중화 (channel diversity) 기법을도입하였다. 크게 2가지종류의채널다중화기법이제안되었는데, 채널호핑방식은앞서설명한바와같이, 데이터프레임 (PPDU) 의전송이각기다른채널에서이루어지도록하는기법이다. Beacon enabled 모드에서동작되도록 ETRI에서제안한채널다중화기법인 DCH (Distributed Channel Hopping) 는 IEEE802.15.4의프레임구조와호환성을유지하면서다중화이득을얻을수있도록하였으며, nonbeacon enabled 모드에서동작되도록제안된 TSCH (Time Synchronized Channel Hopping) 은 Dust Network사의 TSMP와유사성을갖는다. DCH와 TSCH 모두, 프레임단위로미리지정된채널시퀀스에의해채널호핑이이루어진다. 또다른종류의채널다중화기법인 DCA (Distributed Channel - 38 -
Adaptation) 은프레임단위로채널스위칭이일어날수있다는점은앞서기술한기술들과공통된특징이지만, 미리지정된호핑시퀀스 ( 패턴 ) 을따라채널스위칭이일어나지않는다. DCA는프레임전송실패확률을지속적으로관찰하면서, 만약이확률이높아질경우, 송신기와수신기가새로운협상과정을통해동작하고있는채널에서다른채널로스위칭하는기법이다. 이와는별도로, IEEE802.15 WG에서는스마트유틸리티와같은옥외용응용에맞춘새로운 PHY 규격을만드는 TG4g를최근승인하였다. 옥외용무선환경이라는특성과 IEEE802.15.4-2006에서고려한응용서비스와는상이한기술적요구사항을갖는다는점에서 TG4g에서는다중화이득을중요한성능평가척도중하나로고려하고있다. TG4g에서제안되는전송기술중협대역신호를이용한주파수호핑 (Narrow Band Frequency Hopping: NBFH) 은주파수다중화이득을얻을수있는간단한트랜시버구조로인해주목을받고있다. 현재 TG4e 와 TG4g 는주파수다중화이득을최대화하기위해, MAC 계층과 PHY 계층간의상호 협력인터페이스를정의하고있다. 이를통해서단일계층에의한성능향상뿐만아니라, 복수계 층간의상호협력에의한최적화기법이구현될수있으리라기대된다. - 39 -
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