Contents 권두언 2 차량 통신 네트워크 기술 및 802.15 신기술 특집호를 발간하면서 : 이원준 특집 4 18 WBAN을 위한 MAC 프로토콜 기술 동향 : 조진성, 김윤희, 이민수 IEEE 802.15 VLC 기술 개요 및 동향 : 이창우, 정건식 표준화 동향 32 41 차량 네트워크에서의 인터넷 이동성 지원 기법 : 백상헌, 김영현 자동차 전장 SW 플랫폼(AUTOSAR)의 차량 내 통신 서비스 표준화 동향 : 신창민, 한태만 지상 컨퍼런스 탐방 52 ACM MobiCom 2008 탐방기 : 유지은 서평 57 Fundamentals of Digital Communication by Upamanyu Madhow : 김선우 오시아 소식 59 2008년 제3호, 제33권(통권71호) 편집 겸 발행인 이동호 편집위원 이원준(위원장) 제3호 담당위원 조진성, 김윤희, 이민수, 이창우, 정건식, 백상헌, 김영현, 신창민, 한태만, 유지은, 김선우 발행처 사단법인 개방형컴퓨터통신연구회 서울시 강남구 대치동 956-6 한림빌딩 5층 TEL (02)562-7041, 7042 FAX (02)562-7040 발행일 2008. 12 디자인 인쇄 도서출판 선진 (02)2275-8561
권 두 언 P r e f a c e 차량 통신 네트워크 기술 및 802.15 신기술 특집호를 발간하면서 이 원 준 OSIA 편집 이사 고려대학교 정보통신대학 컴퓨터 통신공학부 교수 VANET, IVC, IVN, V2V Networks 등, 다양한 이름으로 불리며 Ad-hoc 네트워크에 기반한 통신 프레임워크 및 프로토콜, 시스템, 서비스 연구 등 이 진행중인 차량 통신 네트워크 기술은 IT와 비 -IT 분야 사이의 융복합화 시대를 맞아 그 관심이 증대하고 있습니다. 또한 IEEE 802.15로 대표되는 무선 PAN (WPAN) 기술은 이미 표준화가 진행되었 거나 Task Group (TG)로 확립된 15.1, 15.2, 15.3 (a/b), 15.4 (a/b) 외에도 WPAN Mesh Networking (TG5c), Body Area Networks (TG6) 기술 개발 이 본격화 된 이후 최근 들어서는 SGvlc, SGrfid, SGnan 등의 Study Group (SG)을 통한 새로운 표 준 도출을 위해 확장되고 있습니다. 본 특집호에서는 LED조명과 무선통신을 융합하 여 다양한 멀티미디어 통신서비스를 제공할 것으 로 기대되는 가시광 무선통신 기술 표준화를 위한 IEEE 802.15 VLC (Visible Light Communication) 및 TG6 중심의 WBAN 기술의 표준, 기술동향, 미 래 조망에 대한 원고를 통하여 향후 국내외 산업, 기술 현황에 대해 알아 보았습니다. 4G, Wireless Mobile Network, RFID/USN, Home Networking, MPEG/DMB, XoIP, Security, BcN, QoS, NM, Open API, LAN/MAN, B-Casting, Digital Contents, U-Computing OSIA Standards & Technology Review
또한 차량 통신 네트워크 기술의 표준화 동향 에 대해 고찰해 보았습니다. 1970년대 중반 이후 자동차의 안정성은 주로 안전벨트, 에어백, ABS (Antilock Brake System) 등 수동 장치 (passive devices) 개발에 초점을 맞추어 왔으나, 2000년대 들어서면서 본격적으로 (지능형, 능동형) 차량간 통 신/네트워크 (IVC; Inter-Vehicle Communication) 시스템 설계 및 구현을 위한 연구들이 본격화되고 있습니다. 이러한 IVC의 주요 목표 및 비전은 안전 한 운전, 트래픽 상태에 대한 모니터링, 긴급 실시 간 메시지 전달 (dissemination) 프로토콜, 하이브 리드 무선 네트워크 상에서의 동적 라우팅 플래닝 (dynamic routing planning) 시스템 등으로 구성된 지능형 차량 시스템 개발에 있으며 본 특집호에서 는 차량 통신 네트워크에서의 인터넷 이동성 지원 기법 표준화 동향 및 차량 전장 SW 플랫폼 규격 (AUTOSAR)의 차량 내 통신 서비스 표준화 동향에 대하여 고찰할 것입니다. 향후 차량 통신 네트워크 프로토콜 스택은 (i) Store and Forward 메시지 라우팅, (ii) 데이터 검 증 및 캐슁, (iii) In-Network 프로세싱 및 (iv) 이동 쿼리 (mobile query)를 지원할 수 있는 응용 계층 등, 여러 다양한 vehicle-specific 계층들로 구성될 것이며, 단절된 IEEE 802.11x-기반의 애드혹 네트 워크 간의 높은 우선순위를 가지는 실시간 주요 메 시지를 효율적으로 라우팅 할 수 있도록 3G/4G를 이용하는 위치기반 publish-subscribe 프레임워크 개발이 주요 이슈로 등장할 것입니다. 이와 더불어 차량 네트워킹 시스템을 위한 성능 지표, 트래픽 평가, 분석 모델 및 방법론에 대한 연구도 본격화 될 것으로 기대합니다. 802.15 신기술 특집 원고를 맡아 주신 경희대 조 진성, 김윤희 교수님, 이화여대 이민수 교수님, 삼 성전자 이창우/정건식 책임 연구원님, 차량 통신 네트워크 표준화 동향 원고를 작성해 주신 고려대 백상헌 교수님, ETRI 한태만 팀장님, 신창민 선임 연구원님, 서평을 맡아 주신 한양대 김선우 교수님, 끝으로 MobiCom 2008 탐방기를 작성해주신 고려 대학교 유지은 박사과정 학생에게 깊은 감사의 뜻 을 전합니다. 차량 통신 네트워크 기술 및 802.15 신기술 특집호를 발간하면서
OSIA S & TR WBAN을 위한 MAC 프로토콜 기술 동향 경희대학교 컴퓨터공학과 조진성 경희대학교 전자 전파공학과 김윤희 이화여자대학교 컴퓨터공학과 이민수 WBAN은 IEEE 802.15.6 BAN Task Group을 중심으로 현재 활발하게 주 파수, 통신 프로토콜 (WBAN PHY, WBAN MAC), 응용 등의 요구사항을 정 의하고 기술 규격 정의 및 표준 개발을 진행하고 있다. WBAN을 위한 MAC 프로토콜은 현재 여러 기고문을 통해 다각도로 제안 및 논의 중에 있으며, 요 구사항을 만족하는 MAC 프로토콜 표준을 위해서는 앞으로도 더욱 활발하 게 논의되어야 한다. 대부분의 WBAN을 위한 MAC 프로토콜은 저속, 저전 력 요구사항을 위해 제안되었던 기존의 무선 센서 네트워크 MAC 프로토콜 에 WBAN 요구사항을 반영하여 제안되고 있다. 따라서 본 고에서는 WBAN 이 적용된 차세대 의료 서비스 플랫폼과 플랫폼에 적합한 네트워크 스택 개발 을 위해 무선 센서 네트워크 요구사항을 만족하는 기존의 무선 센서 네트워크 MAC 프로토콜을 정리하고, 기고문을 통해 제안되는 WBAN을 위한 MAC 프 로토콜의 WBAN 요구사항 해결방법을 살펴보고자 한다. 1. 서 론 무선 통신 기술의 발달과 통신 기기의 소형화, 저가화는 WLAN, 무선 센서 네트워크(wireless sensor network), WPAN 기술에 이어 최근 대두되고 있는 Wireless Body Area Network (WBAN) 기술의 주목을 이끌어 냈다. 유비쿼터스 사회로 나아가는 사회적인 관심의 고조와 지속적인 연구 속에서 앞서 언급된 무선 통신 기술들은 유비쿼터스 네트워킹 분야의 한 축을 담당할 것으로 기대 되고 있다. 특히 WBAN은 복지 및 건강관리(health-care)에 대한 관심이 높아지고, 고령화 사회로 의 진입이 가속화되는 사회적 현상에 따라 건강관리, 원격 의료서비스, 진단, 치료 등을 위하여 의 료기술과 IT기술을 결합하려는 시도와 함께 나타났다[1]. 이와 같은 IT 기술과 의료 기술의 결합에 OSIA Standards & Technology Review
특 집 대한 관심과 요구는 IEEE 802.15.6 BAN Task Group을 중심으로 빠르게 활발한 표준화 작업이 진행되는 원동력이 되고 있다[2]. WBAN은 인체영역을 중심으로 인체 내외부에 위치한 다양한 종류의 이식형(implant)과 장착형 (wearable) 센서 디바이스들로 네트워크를 구성하여 인간의 생체 신호를 수집하고 근거리 무선 통 신을 통해 데이터를 통합하여 응용에 따라 데이터 분석 및 원격 의료 진단 등을 수행할 수 있는 네트워크이다. 또한 WBAN은 의료용(medical) / 비의료용 (non-medical) 응용 분야로 구분하여 의료용 응용 분야를 주요 관심분야로 두고, 비의료용 엔터테인먼트 응용 분야까지 고려하여 표준 화 작업을 진행 중에 있다. 따라서 인체 영역 범위에서 의료용과 비의료용 응용 분야를 모두 포괄 하는 다양한 WBAN 응용 시나리오가 가능하며, 응용의 다양성에 따라 [그림 1]과 같이 WBAN의 전송 속도와 소비 전력의 요구사항이 광범위하게 나타나게 된다. WBAN은 애드혹, 무선 센서 네트워크의 특징과 유사하게 네트워크를 구성하는 각 노드들이 인 프라 없이 무선 링크를 통해 스스로 네트워크를 구성하는 특징을 가진다. 따라서 언제 어느 장소 에서든지 인프라 구축 없이 노드 간에 스스로 네트워크를 구축하여 원활한 통신을 하기 위해서 WBAN의 요구사항이 반영된 잘 정의된 통신 프로토콜의 역할이 중요하게 부각되고 있다. 특히 다 수의 노드들이 제한된 인체 영역 범위에서 무선 자원을 공유하여 통신하므로 노드의 무선 자원 획 득과 peer-to-peer 노드 간의 링크, 데이터 제어, 에러 제어, 흐름 제어 등을 담당하는 MAC계층 의 역할이 매우 중요하다. [그림 1]과 같이 전송 속도와 소비 전력의 범위는 기존의 최대 Wireless USB부터 최소 ZigBee의 전송속도 요구사항을 만족하면서 ZigBee보다 초저전력과 저속으로 구현 되어야 한다. 따라서 광범위한 전송 속도와 초저전력의 전력 소비 요구를 만족할 수 있는 WBAN 을 위한 MAC 프로토콜이 제안되어야 한다. 그림 ❶ WBAN의 전송속도와 전력 요구사항 1Gbit/s 100Mbit/s Wireless UBS 10Mbit/s 1Mbit/s 100kbit/s 10kbit/s Body Area Network ZigBee Bluetooth IEEE 802.11 a/b/g 1kbit/s 2mW 5mW 10mW 20mW 50mW 100mW 200mW 500mW 1000mW WBAN을 위한 MAC 프로토콜 기술 동향
OSIA S & TR WBAN은 수년간 BAN(body area network), BSN(body sensor network) 등의 이름으로 관련 연 구가 진행되어 왔다. 그러나 현재까지 제안되는 WBAN 관련 연구는 WBAN 응용 시나리오와 시스 템 아키텍처 측면에서 어플리케이션 구현이 대부분이며, 인체라는 매질을 통해 데이터 손실 없이 생체 신호를 송수신 할 수 있는 디바이스 개발이 연구의 주요 주제였다. 따라서 대부분의 MAC 계 층은 간단한 TDMA 기법, 무선 센서 네트워크 MAC 또는 802.15.4 PHY/MAC과 ZigBee를 이용해 구현되어 왔다. WBAN이 생체 신호를 수집하는 센서 노드를 사용함에 따라서 무선 센서 네트워크 의 특징을 이어받고 있기 때문에 대체로 무선 센서 네트워크의 MAC을 사용하여 구현되어 왔으나 WBAN의 광범위한 요구사항을 모두 만족하기 위해서는 WBAN을 위한 MAC 프로토콜에 대한 연 구가 필요하다. 본 고에서는 2절에서 기존의 무선 센서 네트워크 MAC 프로토콜을 살펴보고, 3절에서 WBAN 기술 동향과 요구사항을 정리한다. 4절에서 WBAN을 위한 MAC 프로토콜 표준화 작업에 제안된 MAC 프로토콜을 살펴보며, 5절에서 결론을 맺고자 한다. 2. 무선 센서 네트워크 MAC 프로토콜 WBAN은 인체 영역에서 센서노드를 이용하여 인체의 데이터를 수집하므로 무선 센서 네트워크 의 특징을 상속받은 특수한 센서 네트워크에 속한다. 따라서 수년간 WBAN 관련 연구는 기존의 무선 센서 네트워크 MAC 프로토콜 또는 TDMA 기법을 응용에 적합하게 수정하여 연구가 진행되 어 왔다. 저속, 저전력을 요구하는 무선 센서 네트워크 MAC 프로토콜은 저속의 생체신호 수집 센서 노 드만으로 구성된 WBAN에서도 부분적으로 동일하게 적용되는 요구사항이다. 따라서 표준화 작업 에 제안되는 여러 기고문은 기존의 무선 센서 네트워크 MAC 프로토콜에 WBAN 요구사항을 만족 할 수 있도록 초저전력과 다양한 전송 속도에서도 MAC 프로토콜의 요구사항이 반영되도록 확장 및 수정하여 제안되고 있다. 그러므로 기존의 무선 센서 네트워크 MAC 프로토콜의 이해와 무선 센서 네트워크와 WBAN 요구사항의 차이점 분석을 통해 새로운 MAC 프로토콜 설계를 고려하는 방법이 요구된다. 본 절에서는 무선 센서 네트워크의 MAC 프로토콜 정리를 통해 기존의 무선 센 서 네트워크를 위한 MAC 프로토콜이 저속, 저전력의 요구사항을 위해 제안하는 방안들을 살펴본다. 무선 센서 네트워크의 구성요소인 센서노드는 일반적으로 한번 배치되면 쉽게 배터리를 교환하 거나 충전할 수가 없다. 따라서 센서노드의 수명이 네트워크의 수명에 치명적인 영향을 미치게 되 므로 에너지 낭비를 최소로 설계하는 것이 무선 센서 네트워크의 주요한 이슈이다. 본 절에서 정 리된 무선 센서 네트워크를 위한 MAC 계층의 프로토콜들도 기본적으로 저전력이 고려되어 설계 되어 있다. 무선 센서 네트워크에서의 MAC 프로토콜은 무선 통신에서 에너지 낭비를 발생시키는 OSIA Standards & Technology Review
특 집 4가지 주요 요소인 collision, overhearing, control packet overhead, idle listening을 고려하여 설 계함으로써 저전력을 실현할 수 있다[3]. [그림 2]는 무선 센서 네트워크의 주요한 MAC 프로토콜들을 제안하는 특징에 따라 경쟁 기반, 스케쥴 기반, 하이브리드 방식으로 분류한 것이다. 그림 ❷ 무선 센서 네트워크 MAC 프로토콜 분류 Wireless Sensor Network MAC Contentionbased Schedulebased LEACH SMACS TRAMA Hybrid IEEE 802.15.4 Z-MAC Synchronous S-MAC Adaptive S-MAC T-MAC D-MAC DS-MAC R-MAC DW-MACa Asynchronous WiseMAC B-MAC X-MAC 2.1. 경쟁기반(contention-based) 방식 CSMA/CA를 활용한 경쟁기반 방식은 S-MAC을 시작으로 활발한 연구가 진행되고 있다. 경 쟁기반 방식의 MAC 프로토콜은 네트워크를 구성하는 노드들의 동기화 여부에 따라 동기식 (synchronous)과 비동기식(asynchronous) 방법으로 분류할 수 있다. 경쟁기반 방식에서 동기식 MAC 프로토콜은 [그림 3]과 같이 제안되어 왔으며, 비동기식 MAC 프로토콜은 [그림 4]와 같이 제안되어 왔다. [그림 3]에서 S-MAC[3], T-MAC[4], DS-MAC[5]으로 제안된 진행(1)의 무선 센서 네트워크 MAC 프로토콜은 사이클 주기 조정을 통해 idle listening을 줄이는 것을 주요 목표로 제안되었 다. idle listening을 줄이기 위해 Listen 시간을 줄이는 것을 제안하는 S-MAC, T-MAC의 방식에 DS-MAC은 idle listening뿐만 아니라 트래픽 부하에 따른 전송지연도 고려되어 제안되었다. [그 림 5]와 같이 S-MAC은 고정적인 active 구간과 sleep 구간을 통해 전력 소모를 줄이며, T-MAC 은 타이머를 두어 일정시간동안 전송시도가 없으면 계획보다 빠르게 sleep구간으로 진입한다. DS-MAC은 트래픽이 많을 경우 duty cycle doubling 기법을 통해 listen 구간을 2배로 늘린다. 반 대로 트래픽 양이 적을 경우 Listen 구간은 1/2배로 줄어든다. WBAN을 위한 MAC 프로토콜 기술 동향
OSIA S & TR 그림 ❸ 경쟁기반의 동기식 MAC 프로토콜 발전과정 S-MAC T-MAC DS-MAC INFOCOM 2002 SenSys 2003 IPDPS 2004 Adaptive S-MAC IEEE/ACM TRANSACTIONS ON NETWORING JUNE 2004 D-MAC INFOCOM 2007 R-MAC INFOCOM 2007 DW-MAC MobiHoc 2008 그림 ❹ 경쟁기반의 비동기식 MAC 프로토콜 발전과정 WiseMAC SenSys 2003 B-MAC SenSys 2004 X-MAC SenSys 2006 그림 ❺ [그림 3]의 진행(1) MAC 프로토콜 Listen Normal Listen Listen Listen Listen S-MAC Sleep Sleep Sleep TA TA TA T-MAC Sleep Sleep Sleep Listen Listen Listen Listen Listen Listen Listen DS-MAC OSIA Standards & Technology Review
특 집 [그림 3]의 진행(2) Adaptive S-MAC[6], D-MAC[7]은 멀티홉 전송 지원과 낮은 전송 지연을 고 려하여 제안되었다. Adaptive S-MAC은 2홉 번째 노드가 CTS를 수신하고 적절한 수신 시간에 깨 어나 데이터를 수신하도록 제안하여 1개의 오퍼레이션 사이클 동안 2홉의 전송이 가능하도록 하 였다. D-MAC은 Data gathering tree라는 특수한 네트워크 환경을 이용하여 단일 방향 전송을 통 한 멀티홉을 제안했다. [그림 3]의 진행(3)으로 제안되는 MAC 프로토콜은 특수한 네트워크 환경을 요구하는 D-MAC과 다르게 라우팅 정보를 가진 제어패킷을 사용하여 멀티홉 전송을 제안한다. [그림 4]의 비동기식 MAC 프로토콜은 preamble sampling 기법을 기반으로 사용한다. 짧은 시 간 동안 라디오 채널의 상태를 확인함으로써 preamble을 전송하는 노드가 있는지 무선 매체를 sampling한다. preamble sampling 기법은 수신 노드가 고정된 주기에 따라 깨어나서 preamble sampling을 하기 때문에 수신노드의 idle listening을 줄일 수 있다. 채널이 idle일 때 수신노드 측 에서 에너지 소비를 최소화 할 수 있다는 점이 preamble sampling 기법의 장점이며, preamble 을 지속적으로 송신할 경우 송신노드 측에서 에너지 낭비가 발생할 수 있는 단점이 있다. 비동기 식 MAC 프로토콜은 동기식 MAC 프로토콜과 다르게 모든 노드들이 동기를 맞추지 않으므로 비교 적 구현이 쉽다는 장점을 가지고 있다. 때문에 모든 노드의 duty cycle 주기는 같지만, 각 노드의 wakeup 시점은 독립적이다[8]. 비동기식 MAC 프로토콜은 WiseMAC[8], B-MAC[9], X-MAC[10] 등으로 제안되어 왔다. WiseMAC의 송신 노드는 수신 노드가 깨어나서 preamble sampling을 통해 무선 매체의 idle, busy 여부를 확인하려는 시점까지 기다렸다가 수신노드가 깨어나기 바로 이전에 preamble 전송을 시작한다. B-MAC은 송신노드가 긴(long) preamble을 전송하고, 수신 노드는 긴 sleep 구간을 가 지는 LPL(low power listening) duty cycle 기법을 제안한다. X-MAC은 LPL 기법의 문제점을 해 결하기 위해 짧은 preamble과 early ACK 메시지를 사용한다. 2.2. 스케쥴 기반(schedule-based) 방식 스케쥴 기반 방식은 TDMA 방식을 기반으로 노드들이 할당된 slot에 깨어나 전송을 시도하 는 방법이며, 스케쥴 기반 방식의 무선 센서 네트워크 MAC 프로토콜은 LEACH[11], SMACS[12], TRAMA[13] 등이 있다. LEACH 프로토콜은 클러스터링과 라우팅 프로토콜이 통합된 TDMA 기반 의 MAC 프로토콜이다. 밀집된 무선 센서 네트워크에서 각 노드들이 싱크노드에 데이터를 보고하 는 환경에 적합한 프로토콜이다. SMACS는 neighbor discovery 기법과 TDMA를 결합한 MAC 프 로토콜로 LEACH MAC 프로토콜의 cluster hierarchy 형태와는 다르게 flat 형태의 토폴로지로 구 현된다. 멀티홉 라우팅을 지원하며, 노드 간에 단방향 링크를 설정하여 충돌 없이 송신이 가능하 도록 한다. hidden node에 의한 충돌을 피하기 위해 많은 라디오 채널을 필요로 한다. TRAMA는 2홉 이웃 노드의 정보와 스케쥴 정보의 교환을 통해 얻은 이웃 노드의 정보를 해쉬 함수를 사용하 WBAN을 위한 MAC 프로토콜 기술 동향
OSIA S & TR 여 우선순위가 높은 노드가 송신을 하는 프로토콜이다. 2.3. 하이브리드(hybrid) 방식 경쟁기반 방식과 스케쥴 기반 방식을 모두 가지는 MAC 프로토콜이다. 각 방식의 장점을 살리고, 단점을 상대 기반의 장점으로부터 보완하는 형태이다. 대표적으로 IEEE 802.15.4 MAC 프로토 콜[14]과 Z-MAC[15] 등이 있다. IEEE 802.15.4 MAC 프로토콜은 Low-Rate Wireless Personal Area Network (LR-WPAN)을 위한 표준 프로토콜이며, 하이브리드 방식으로 구분된다. 전송 주기 는 슈퍼프레임 단위로 구성되며, 데이터 송수신이 이루어지는 active 구간과 노드들이 sleep하는 inactive 구간으로 구분된다. active 구간은 다시 CSMA/CA 방식으로 채널에 접근하는 경쟁구간(contention access period) 과 TDMA와 같이 일부 특정 디바이스 전용으로 슬롯을 할당해 주는 Guaranteed Time Slots (GTS) 구간으로 구분된다. Z-MAC은 임의의 지연(backoff), CCA(clear channel assessment), LPL(low power listening) 등의 B-MAC의 인터페이스 통신 기반 위에서 경쟁 노드가 많을 경우 TDMA 방 식이 혼합되어 동작하는 하이브리드 방식의 프로토콜이다. 경쟁이 적을 경우에는 CSMA 방식을 그대로 사용하며, 경쟁 노드가 많을 경우에는 분산 알고리즘인 DRAND 알고리즘을 통해 2홉 떨어 진 노드들과의 충돌을 방지하는 스케쥴을 생성하여 할당된 슬롯에서 전송을 시도한다. 따라서 경 쟁이 적은 경우에는 슬롯에 상관없이 경쟁을 통해 채널을 획득할 수 있으며, 경쟁이 많은 경우에 는 할당된 슬롯에서 경쟁을 통해 채널을 획득한다. 본 절에서 무선 센서 네트워크를 위한 MAC 프로토콜을 경쟁기반, 스케쥴 기반, 하이브리드 방 식으로 분류하여 정리하였다. 각각의 방식은 장단점을 가지고 있으며, 제안된 무선 센서 네트워크 를 위한 MAC 프로토콜은 네트워크 환경과 조건에 따라 성능이 다르게 나타난다. 본 고에서는 이 러한 무선 센서 네트워크를 위한 MAC 프로토콜의 특징과 오퍼레이션을 정확하게 분석하고, 3절 과 4절의 WBAN 요구사항과 제안되는 기고문 정리를 통해 새로운 WBAN을 위한 MAC 프로토콜 을 설계하고자 본 절에서 무선 센서 네트워크를 위한 MAC 프로토콜 살펴보았다. 이와 같은 방법은 WBAN을 위한 MAC 프로토콜 설계 시에 기존의 저속, 저전력의 무선 센서 네 트워크를 위한 MAC 프로토콜 아이디어로부터 발전된 형태의 초저전력 MAC 프로토콜을 개발할 수 있을 것으로 기대하며, 각각의 아이디어에서 꾸준히 제기되었던 저전력, 멀티홉, 전송지연, 브 로드캐스팅 문제 등의 단점을 통해 WBAN은 미리 이러한 단점들을 고려하여 설계할 수 있을 것이 라 생각된다. WBAN은 인간의 건강과 생명에 직결되는 인체 센서 통신이므로 인체에 유해하지 않 은 주파수 대역에서 어느 상황에서도 통신을 유지할 수 있는 견고함과 응급상황에 유연한 통신 프 로토콜이 요구된다. 본 절의 정리는 WBAN 통신에서 발생가능한 문제점 고려에도 활용이 가능할 것이라 생각된다. 10 OSIA Standards & Technology Review
특 집 3. WBAN 기술 동향과 요구사항 IEEE 802.15.6 BAN Task Group은 현재 활발하게 WBAN 통신 프로토콜(WBAN PHY, WBAN MAC)의 기술 규격 정의 및 표준 개발을 진행하고 있다. WBAN PHY 기술은 변복조 기술, 채널 할당 및 선택 기술, 채널 모델링 기술, 초저전력 통신 기술 등을 세부적인 표준화 항목으로 진행 하고 있으며, PHY 상위 계층의 매체 접근 제어프로토콜로서의 WBAN MAC 기술은 엑세스 제어 기술, 무선 링크 제어 및 QoS 기술, 초저전력 프로토콜 스택 기술을 세부 표준화 항목으로 진행하 고 있다. 의료용 응용분야와 비의료용 응용 분야의 구분을 고려하여 표준화를 진행하고 있고, 디 바이스를 장착 형태에 따라 이식형(implant)과 장착형(wearable)으로 구분하고 있기 때문에 WBAN PHY 기술은 의료용 implant 디바이스를 위한 주파수 대역과 비의료용 디바이스의 통신을 위한 주 파수 대역을 고려하여 주파수 분배 및 PHY 계층 표준화를 진행한다. 주파수 대역에 따라 PHY 계 층을 2가지로 구분하여 표준 개발을 하고 있으며, 2종류의 PHY 계층을 수용할 수 있는 확장된 단 일 MAC 프로토콜이 요구되어 진다. 의료용 서비스를 위한 주파수 대역은 현재 미국, 일본 등의 국가에서 MICS (medical implant communication service) 대역이 가장 유력하게 논의되고 있다. 3.1. WBAN 채널 특성에 따른 채널 모델(channel model) 인체는 주파수를 이용한 전송을 하기에는 이상적인 매체가 아니다. 혈액, 근육, 지방, 피부 등 다양하고 복잡한 인체의 조직 구조는 유전율과 도전율 특징을 지니며, 무선 매체를 주로 사용하는 기존의 무선 네트워크 통신과는 달리 인체매체를 포함하는 영역에서 implant 디바이스 등을 사용 그림 ❻ 4가지 종류의 채널 모델 CM3 CM1 CM4 CM2 Implant device Non-Implant device WBAN을 위한 MAC 프로토콜 기술 동향 11
OSIA S & TR 하는 통신이므로 인체를 가장 많이 고려해야 하는 네트워크이기도 하다. WBAN은 노드 간의 채널 특성에 따라서 채널 모델(channel model)이 고려되어야 한다. [그림 6]은 device의 장착 위치에 따 른 채널 모델을 나타낸다. 디바이스의 장착 위치에 따라 4가지 종류의 채널 모델로 구분하여 제안 하고 있다[16]. 표 ❶ WBAN 응용 구분에 따른 요구사항 1 Medical Non-medical (consumer) 저속 / 제어 중속 / 소리 고속 / 비디오 원격 진단 모니터링 당뇨병 모니터링 지능적인 약품 배달 병원 환자 이식형 장치 제어 스포츠/휘트니스 휴대용 CE 제어 게임 제어(손동작) 게임 제어(몸동작) 애드혹(ad-hoc) 게임 스마트 키 심장병 모니터링 태아 모니터링 EEG (24 lead) 보청기 이식형 장치 제어 헤드폰 헤드셋 echarm 모션 캡쳐 데이터 저장장치 비디오 내시경(LowRes) 비디오 내시경(HighRes) 기타 비디오 원격 RGB 디스플레이 비디오 헤드셋 무선 고속 저장장치 표 ❷ WBAN 응용 구분에 따른 요구사항 2 Class 1 Class 2 Class 3 Class 4 Low data rate / Temporarily occasional Low traffic Low data rate / Regularly generated every day, every time High data rate / Temporarily occasional High traffic High data rate / Regularly generated High traffic CE control Game control Implant devices Periodic monitoring Periodic health check Multimedia services Video streaming Gaming service Life video recording 3.2. WBAN 응용 구분에 따른 요구사항 WBAN은 응용 구분에 따라 요구사항이 <표 1>[17]과 <표 2>[18] 등으로 제안되고 있다. 응용 구 분에 따른 요구사항은 전송 속도, 데이터 타입, 사용 빈도, 디바이스 장착 형태 등을 기준으로 분 류할 수 있다. 특히 저속의 제어 데이터부터 중속, 고속의 소리와 비디오 송수신까지 고려된 응용 구분은 WBAN의 광범위한 응용 영역을 잘 나타내고 있다. <표 1> 은 medical 과 non-medical 응용을 속도와 전송 데이터 타입에 따라 저속-제어 / 중속 -소리 / 고속-비디오로 응용을 구분하고 있다. 저속-제어와 중속-소리의 응용은 대체로 상시적으 12 OSIA Standards & Technology Review
특 집 로 운용되는 헬스 모니터링과 같은 시스템을 구성하는 센서 디바이스들이 될 것으로 생각되며, 고 속-비디오의 응용은 내시경과 같은 의료용 동영상을 위한 디바이스가 될 것으로 예상된다. 캡슐 내시경 등의 의료용 동영상 수집 장치는 WBAN 고속-비디오 응용을 이용한 서비스의 하나가 될 것으로 기대되며, 보청기와 같이 일상생활에 사용되는 일반 의료용 장비도 WBAN 네트워크를 구 성하는 하나의 노드가 될 것이다. <표 2>는 데이터 전송 속도와 사용 빈도 및 주기/비주기성 응용 사용에 따라서 클래스를 4가지 로 구분하고 있으며, 제어부터 동영상까지의 범위를 모두 포함하고 있는 것을 알 수 있다. 응용 구분에 따른 요구사항과 채널 모델은 서로 관련되어 디바이스의 장착 위치와 의료용 / 비 의료용 구분에 따라 주파수 대역을 선택하는 기준이 될 것으로 생각된다. 3.3. 의료용 대역과 비의료용 대역 [그림 6]의 WBAN 채널 모델 중 CM1과 CM2는 implant 디바이스 간의 통신과 implant 디바이 스와 outbody 디바이스 간의 통신이며, CM3와 CM4는 인체 외부에 위치한 디바이스 간의 통신이 다. 데이터를 송수신 하는 peer-to-peer 노드의 장착 위치에 따라 채널 모델이 결정되고, 채널 모 델에 따라 대역이 다르게 제안된다. 특히 implant 디바이스는 인체 내부의 통신이므로 의료용으로 할당된 의료 서비스 주파수인 400MHz 대역의 MICS 대역을 사용한다. 인체 외부 디바이스 간의 통신은 2.4GHz 대역의 ISM 대역을 사용한다. [그림 7]은 MICS 대역과 ISM 대역에서 한 개의 채널을 제어 채널로 사용하고, 나머지 채널을 데이터 채널로 사용하는 방안이다[22]. WBAN MAC 프로토콜은 MICS 대역과 ISM 대역을 위한 두 개의 PHY를 모두 다룰 수 있는 확장된 MAC 프로토콜이며, implant 디바이스는 MICS 대역을 그림 ❼ WBAN의 의료용 대역과 비의료용 대역 사용 예 WBAN MAC WBAN MAC MICS PHY ISM PHY MICS PHY ISM PHY 402 2400 Outbody device 1 2 3 4 5 6 7 11 12 13 14 15 16 17 Implant device MICS 402 MHz ISM 2483.5 MHz WBAN을 위한 MAC 프로토콜 기술 동향 13
OSIA S & TR 인체 외부에 위치한 디바이스는 implant 디바이스와의 통신을 위해 일반적인 ISM 대역과 의료용 서비스 대역인 MICS 대역을 모두 사용할 수 있는 방법을 제안하고 있다. 4. WBAN을 위한 MAC 프로토콜 동향 IEEE 802.15.6 TG BAN에서는 WBAN의 MAC 프로토콜 표준화 항목인 엑세스 제어 기술, 무 선 링크 제어 및 QoS 기술, 초저전력 프로토콜 스택 기술 표준 개발을 위해 다양하게 WBAN을 위한 MAC 프로토콜이 제안되고 있으며, 꾸준한 논의가 이루어지고 있다[19]. PHY 상위 계층으 로서 채널 모델, 응용에 따른 요구사항, 서비스와 디바이스 장착 위치에 따른 주파수 대역 선택 등을 기반으로 WBAN MAC 프로토콜은 기존 무선 센서 네트워크의 링크 관리 기법, 멀티홉 전 송, 에러 정정 기법에서 인체 통신의 특성을 고려하여 전송 신뢰성을 보장해야 한다. 따라서 인 체 매체를 통해 통신을 하는 WBAN은 사람의 행동이나 자세 등 다양한 조건에 따라 발생하는 shadowing, path loss 현상 등을 고려하여 노드 간의 링크가 관리되어야 한다[16]. 또한, 멀티홉 전송은 implant 디바이스를 통한 멀티홉 전송보다 인체 외부에 위치한 wearable 디바이스를 통하 여 멀티홉이 전송되도록 고려하여 MAC 프로토콜이 설계되어야 한다. [그림 7]과 같이 WBAN은 의료용 서비스 주파수 대역과 비의료용 서비스 주파수 대역을 구분하 고 있으며, MAC 프로토콜은 2종류의 PHY계층을 관리할 수 있는 확장형 MAC 프로토콜이어야 한 다. 따라서 2개의 주파수 대역과 멀티채널을 고려한 MAC 프로토콜이 설계되어야 하며, 컨트롤 채 널을 통하여 데이터를 전송할 채널을 선택하고 연속된 채널을 함께 사용하여 고속의 전송이 가능 하도록 하는 방안이 제안되고 있다[22]. QoS보장을 위한 방안으로 기존의 IEEE 802.15.4 프로토콜과 같은 하이브리드 방식을 통해 자 그림 ❽ 무선 센서 네트워크 WiseMAC(좌측)과 WBAN을 위한 WiseMAC-HA(우측) TW 4ThetaL Ack Timeout Node 1 Wake-up preamble Node 2 overhearing Node 3 M (T ) Ack T M Ack Node 1 Ch 1 Ch 2 Ch 3 Interferer Ack TW M Ack Timeout M TW Ch 1 Carrier Sensing Reception Preamble Transmission Data Transmision Node 2 Ch 2 Ch 3 Detect-and-avoid TW Ack 14 OSIA Standards & Technology Review
특 집 원을 예약하는 기법과 IEEE 802.11e EDCF를 의료용으로 변형시켜 우선순위를 기반으로 QoS보 장를 보장하는 방안이 제안되고 있다[20]. 대체로 기존의 무선 센서 네트워크 MAC 프로토콜에 WBAN MAC 프로토콜의 요구사항을 반영 하여 제안하고 있다. WiseMAC-HA[21]는 대표적인 경쟁기반의 비동기식 프로토콜인 WiseMAC[8] 을 WBAN에서 요구하는 주파수 대역과 멀티채널을 이용하여 WBAN을 위한 MAC 프로토콜을 제 안한다. 5. 결 론 WLAN과 WPAN이 상업적으로 성장했던 현대의 무선 네트워크 기술에 이어 가까운 미래사회에 는 WBAN이 하나의 주요한 상업적 모델이 될 것으로 예상된다. 특히 개개인이 최소 무선 네트워 크 단위로 WBAN을 상시적으로 구성하고 삶을 영위해 나갈 것이라 기대하고 있다. 건강관리에 대 한 관심과 웰빙 문화는 앞으로도 꾸준하게 지속될 것이라 예상되며, IT 기술의 지속적인 발전은 WBAN 기술을 더욱 유용하게 만들고, 생활에 필요성을 증대시켜 많은 수요가 창출될 것이다. 병 원과 같은 의료 기관은 WBAN을 통해 지속적으로 축적된 건강 데이터를 기반으로 더욱 정확한 검 진 및 치료가 가능하게 될 것이며, 건강한 WBAN 소유자는 건강 관리 및 질병 발생 시에 빠르게 대처가 가능할 것이다. 현재 국내외의 WBAN을 위한 연구는 WBAN이라는 무선 네트워크의 완성을 목표로 진행 중에 있으며, 외부와의 통신은 PDA와 같은 중앙 디바이스가 담당하도록 제안되고 있다. 하지만, 미래 사회의 WBAN은 단일 무선 네트워크가 아니며, 수많은 WBAN이 수없이 중첩 및 분할 (composition / decomposition) 될 것이다. 또한 WBAN은 그 자체로 하나의 이동성을 지닌 네트워크가 될 것이며, 비의료용 엔터테인먼트 서비스 분야에서도 WBAN은 주요한 아이템이 될 것으로 기대된다. 본 고에서는 WBAN MAC 프로토콜 설계를 위한 기초 작업으로 무선 센서 네트워크의 MAC 프 로토콜을 정리하고, IEEE 802.15.6 BAN TG에 기고된 WBAN MAC 프로토콜을 살펴보았다. 차후 연구될 WBAN을 이용한 의료 서비스 플랫폼 개발을 위한 통신 프로토콜 설계 및 구현에서 WBAN MAC 프로토콜 설계 시 본 고의 정리가 유용하게 사용될 것으로 기대한다. 참고 문헌 [1] 이성협, 윤양문, 김도현, IEEE 802.15.6 중심의 WBAN 국내외 표준화 동향. 한국통신학회지 25 권 2호, 2008년 2월 WBAN을 위한 MAC 프로토콜 기술 동향 15
OSIA S & TR [2] IEEE 802.15 WPAN WG homepage, http://www.ieee802.org/15 [3] W. Ye, J. Heidemann, and D. Estrin, "An energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks", in Proceedings of INFOCOM 2002, Jun. 2002, pp. 1567-1576. [4] T. van Dam and K. Langendoen. An adaptive energy-efficient MAC protocol for wireless sensor networks., In Proceedings of the First ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys), Los Angeles, CA, November 2003. [5] P. Lin, C. Qiao, and X. Wang, Medium access control with a dynamic duty cycle for sensor networks, IEEE Wireless Communications and Networking Conference, Volume: 3, Pages:1534-1539, 21-25 March 2004. [6] Wei Ye, John Heidemann, and Deborah Estrin. Medium Access Control with Coordinated Adaptive Sleeping for Wireless Sensor Networks., IEEE/ACM Transactions on Networking, 12(3):493-506, 2004. [7] Gang Lu, Bhaskar Krishnamachari, and Cauligi S. Raghavendra. An Adaptive Energy- Efficient and Low-Latency MAC for Data Gathering in Wireless Sensor Networks., In Proceedings of the 18th International Parallel and Distributed Processing Symposium, Apr. 2004. [8] A. El-Hoiydi, J.-D. Decotignie, C. Enz, and E. Le Roux. Poster Abstract: WiseMAC, An Ultra Low Power MAC Protocol for the WiseNET Wireless Sensor Network., In Proc. 1st ACM SenSys Conf., pages 302 303, November 2003 [9] J. Polastre, J. Hill, and D. Culler. Versatile low power media access for wireless sensor networks., In The Second ACM Conference on Embedded Networked Sensor Systems (SenSys), pages 95 107, November 2004. [10] M. Buettner, G. V. Yee, E. Anderson, and R. Han, X-MAC: A Short Preamble MAC Protocol for Duty-Cycled Wireless Sensor Networks., in Proc. SenSys 06, Nov. 2006. [11] W. R. Heinzelman, A. Chandrakasan, and H. Balakrishnan, Energy-efficient communication protocols for wireless microsensor networks, in Proc. Hawaii Int. Conf. Systems Sciences, Jan. 2000, pp. 3005 3014. [12] K. Sohrabi, J. Gao, Ailawadhi, and G.J. Pottie, Protocols for Self-organization of a Wireless Sensor Network., IEEE Personal Communications, Vol.7, Oct. 2000, pp.16-27. 16 OSIA Standards & Technology Review
특 집 [13] V. Rajendran, K. Obraczka, J.J. Garcia-Luna-Aceves, Energy-Efficient, Collision- Free Medium Access Control for Wireless Sensor Networks, Proc. ACM SenSys 03, Pages:181-192, Los Angeles, California, 5-7 November 2003. [14] IEEE 802.15.4 Standard-2003, Part 15.4: Wireless Medium Access Control(MAC) and Physical Layer(PHY) Specifications for Low-Rate Wireless Personal Area Networks(LR- WPANs), 2003 [15] Injong Rhee, Ajit Warrier, Mahesh Aia and Jeongki Min, Z-MAC : a Hybrid MAC for Wireless Sensor Networks, In Sensys 2005 [16] Channel Model for Body Area Network (BAN), IEEE 802.15-08-0418-00-0006 [17] Application Class Structure, IEEE 802.15-08-0096-00-0006 [18] Low power consumption considerations for BAN, IEEE 802.15-08-0435-00-0006 [19] TG6 Jacksonville Plenary Meeting Minutes, IEEE 802.15-08-0393-01-0006 [20] Priority QoS Facility in the MAC layer for WBAN, IEEE 802.15-08-0446-00-0006 [21] IEEE802.15 WiseMAC HA : A Flexible, Scalable, Robust and Ultra Low Power, IEEE 802.15-08-0484-00-0006 [22] Distributed and beacon-enabled multiple access control for WBAN, IEEE 802.15-08-0439-00-0006 WBAN을 위한 MAC 프로토콜 기술 동향 17
OSIA S & TR IEEE 802.15 VLC 기술 개요 및 동향 삼성전자 이창우, 정건식 가시광 무선통신(Visible Light Communications)은 LED(Light Emitting Diode, 발광 다이오드) 조명과 무선통신을 융합한 기술로, 조명과 같은 LED 고유의 용도는 그대로 수용하면서 고속의 무선통신을 가능하게 하 는 차세대 통신 기술이다. 1. 서론 가시광 무선통신(Visible Light Communications)은 LED(Light Emitting Diode, 발광 다이오드) 조명과 무선통신을 융합한 기술로, 조명과 같은 LED 고유의 용도는 그대로 수용하면서 고속의 무 선통신을 가능하게 하는 차세대 통신 기술이다. 즉, LED 조명기기에 빛을 변조하는 통신기능을 부가하여 무선으로 다양한 멀티미디어 통신서비스를 제공할 수 있다는 것이다. 유 무선 음성 통신 및 인터넷 서비스가 일반화되면서 보다 향상된 정보통신을 위하여 근거리 무선통신(PAN : Personal Area Networks) 기술이 다양하게 개발되고 있으며, 가시광 파장을 방출 하는 LED 조명기구를 이용하여 조명과 동시에 통신을 가능하게 하는 가시광 통신기술이 PAN의 한 기술로 서서히 부각되고 있다. 더 나아가 병원이나 항공기내와 같이 통신에 제약을 받는 지역 에서도 활용할 수 있기 때문에 차세대 유비쿼터스 기술로 두각을 나타내고 있다. 이 기술의 표준화를 위한 각종 동향을 국내 외에서 확인할 수 있다. TTA(한국정보통신기술협 회)는 2007년 5월에 가시광 무선통신 서비스 실무반을 신설하여 국내 표준을 주도하고 있으며, 이 를 기반으로, 2007년 11월 IEEE 802.15 에 VLC SG(Study Group)를 결성하여 국제 표준의 기틀 을 마련하였다. 그리고, 이 표준화 그룹에 국내 전문가가 의장(삼성전자 원은태 수석)으로 선출됨 으로써 한국이 이 분야에서 국제표준화를 주도해 나갈 수 있는 입지를 마련하였으며, 국내 기술 을 국제표준으로 추진하는 데에도 많은 도움이 될 것으로 기대된다. 더불어, 일본의 VLCC(Visible Light Communication Consortium) 와 WWRF(Wireless World Research Forum)에서도 컨소시엄 및 워킹 그룹을 결성하여 가시광 무선통신에 대한 기술을 교류하고 있다. 18 OSIA Standards & Technology Review
특 집 2. VLC 기술 개요 VLC 통신 매체인 LED의 특징 및 가시광 무선통신 파장대역에 대해 알아보고, VLC 시스템이 어떻게 구성이 되는지 확인할 것이다. 또한, 시스템을 구성하는 PHY lay와 MAC lay에 대해 고려 되고 있는 사항 및 전체 Protocol 계층이 어떻게 제안되고 있는지 알아보게 될 것이다. 그러나, 다 음 VLC 기술적 요소들은 Study Group에서 고려되고 있는 사항으로 추 후 Working Group에서 표준화 작업 시 변경될 가능성은 있다. 2.1 LED 조명 과 통신 융합 반도체 LED가 조명 인프라를 바꾸는 신성장 기술로 급부상하고 있다. LED는 백열전등에 비하 여 전기 절감 효과가 높고, 형광등에 비하여 수은을 사용하지 않아 친환경적이다. LED는 수은을 함유하고 있는 형광등과 달리 수은을 함유하고 있지 않아 친환경적이며, 5만 시간 이상의 긴 수명 을 유지할 수 있고 전기 효율이 나쁜 백열등에 비해 90%의 전기 효율 향상 등의 장점을 갖고 있 다. 이에 통신 및 조명 환경 변화에 부응하여, LED 조명과 동시에 통신을 할 수 있는 가시광 무선 통신 융합 기술이 등장하였다. LED는 전기를 빛으로 바꾸는 성질을 이용하여 조명으로 활용한다. 그리고, PD(Photo Diode)는 LED와 유사하게 빛 에너지를 전기 에너지로 변환하는 기능을 갖고 있다. LED 조명통신 융합 원 리는 LED와 PD의 깜박임 송수신을 기본 원리로 하여 조명 기능을 유지하면서 통신도 동시에 할 수 있는 것이다. 전기에서 빛으로 바꾸는 속도가 약 30nm에서 250nm에 달하는데, 이렇게 빠른 스위칭(on-off keying)을 모듈레이션하여 통신이 이루어진다. 사람은 초당 100번 이상 깜박일 경 우 깜박임을 인식하지 못하고 계속적으로 켜진 것으로 인식한다. 통신에 의한 깜박임이 있지만, 계속적으로 켜진 것으로 인식되기 때문에 조명의 기능도 유지된다. 조명은 현재까지 백열전구와 형광등이 널리 사용되어 왔다. 하지만, 최근에는 LED 조명으로 바 뀌어가고 있다. 이유는 LED가 전기를 빛으로 바꾸는 효율이 백열전구보다 앞서고 형광등과는 거 의 유사하며, RGB LED 개발로 다양한 색상을 나타낼 수 있기 때문이다. 그래서, LED가 널리 보 급되고 있으며 다양한 분야에서 활용되고 있다. 이 LED 조명 인프라를 이용하여 통신 환경을 조 성한다면 조명 인프라를 공유하는 경제적 이득 효과가 발생하며, 실생활 조명과 함께하는 통신 융 합 멀티미디어 통신 서비스도 제공할 수 있게 된다. 2.2 가시광 무선 통신 파장 대역 가시광 무선통신은 <그림1>에서 보는 것처럼 380nm에서 780nm의 가시광이라는 전송 매체에 IEEE 802.15 VLC 기술 개요 및 동향 19
OSIA S & TR 그림 ❶ 가시광 무선통신 파장 대역 서 나노미터 속도의 OOK(On Off Keying)기술을 이용하여 수 Mbps급의 전송이 가능한 기술이다. 이 파장을 주파수로 바꾸면, 385THz에서 789THz에 해당된다. 그 외 무선통신 파장대역에서 가청 (오디오) 주파수 대역은 20Hz에서 20,000Hz에 해당되고, 적외선 파장을 사용하는 IrDA, 2.4GHz 의 IEEE 802.11n, UWB, 802.15.4 Zigbee, Bluetooth, 60GHz의 IEEE802.15-3c 등이 있다. 가시 광 통신은 800~900nm를 사용하는 IrDA와 가장 유사한 파장을 사용하지만, 조명과 동시에 통신 을 할 수 있다는 것이 특징이며 장점이다. 그리고, 가시광 무선통신은 사용하는 파장 측면에서 유 무선 광통신과 차이가 있다. 또한, 가시광 무선통신이 조명 인프라를 이용한 무선통신인데 반하여, 유 무선 광통신은 보이지 않은 파장대를 사용함으로써 조명과 함께 사용할 수 없다. 2.3 VLC 시스템 구조 <그림 2> 와 같이 Indoor에서 AP(Access Point)에 연결된 VLC transceiver와 여러 Mobile 그림 ❷ 시스템 구성도 20 OSIA Standards & Technology Review
특 집 Node에 연결된 VLC transceiver들로 구성된 Point-to-Multi Point 토폴로지의 VLC 네트워크 시 스템을 구성할 수 있다. 각 VLC transceiver들이 서로 독립적이기 때문에 양방향 및 Full duplex 로 통신이 이루어지게 된다. 그리고, P2MP의 비대칭 네트워크 형태이기 때문에 Down방향으로의 Broadcast channel과 Up방향으로의 Point-to-Point channel로 구성이 된다. 각 통신 매체의 PHY 구조는 아래 <그림 3> 과 같이 Sending Part와 Receiving Part로 구성이 된다. Sending Part에서는 Modulation, LED 및 LED Control로 구성되고, Receiving Part에서는 PD와 Demodulation으로 구성된다. Sending Part에서는 LED 기반으로 조명 및 통신 기능의 빛을 전송하고, Receiving Part에서는 PD 기반으로 빛을 수신하며 다른 빛에서의 잡음광을 여과하게 된다. 그림 ❸ VLC PHY Architecture VLC Sending Part VLC Receiving Part Analog Analog A/D Communications Bits In Digital Modulation LED Noise Filtering PD D/A Bits Out Demodulation Digital Power LED Control Lighting/Illumination 2.4 VLC Protocol 계층 IEEE 802.15 WG 에서는 PHY layer와 MAC layer에 대해서만 표준화를 수행하고, Application layer에 대해서는 표준화 대상에서 제외된다. 그러나, VLC기술에는 Application Layer가 PHY 와 MAC Layer만큼 중요하기 때문에 ITU-T SG 16 AMS (Advanced Multimedia System) 에서 표준 을 개발하고 있다. AMS는 기존의 음성 전화와 화상 전화는 기본으로 제공하고, 차세대 멀티미디 어 서비스를 제공하는 것을 목적으로 하고 있다. VLC MAC의 기본 기능에는 MAC header/pdu 포멧 및 Management 메시지 처리, 에러 복구 매커니즘, LED 조명 관리 및 VLC Application 지원 메커니즘 등이 있으며, 타 Layer와 연동되는 interface는 4가지로 구분할 수 있다. <그림 4>에서의 각 interface의 수행 기능은 아래와 같다. Interface a - MAC 어드레싱 매커니즘 IEEE 802.15 VLC 기술 개요 및 동향 21
OSIA S & TR 그림 ❹ VLC Protocol Stack Application interface a - MAC <-> PHY d IP c MAC a PHY LED b interface b - PHY <-> Application (without MAC) interface c - MAC <-> Application interface d - MAC <-> IP - 채널 엑세스 컨트롤 매커니즘 - 에러 복구 Interface b - Application layer로 직접 전송 - Application 특수 기능 Interface c - 논리적 채널 처리 - 라우팅 없이 미디어 데이터 전송 Interface d - 라우팅을 위한 어드레싱 - 라우팅을 위해 미디어 데이터 전송 VLC PHY Layer에 대해 고려되는 사항을 아래 <표 1>과 같이 Fiber optic과 비교하여 정리하였다. 표 ❶ Fiber optic과 VLC에 대한 PHY Layer 비교 Fiber optic Optical Source LD / LED LED Lamp E/O Modulation Signal Distortion Modulation Schemes Direct, External modulator By fiber dispersion and adjacent channel Interference in WDM To improve fiber dispersion and nonlinear effects VLC Direct, Compatibility with LED lamp driver By multipath dispersion and adjacent channel Interference To minimize multipath dispersion and adjacent channel interference Receiver Functions 3R 2R / 3R Equalizer Favorable Depending on data rates or distance Transmission Speed Increase WDM / TDM WDM 22 OSIA Standards & Technology Review
특 집 3. VLC 기술의 특징 가시광 무선통신 기술은 눈에 보이는 가시광의 파장을 이용해 정보를 전달하는 통신기술로써 LED의 가시광을 눈에 보이지 않는 속도로 점멸시켜 데이터를 주고받을 수 있고, LED 조명이 있 는 곳이면 어디서나 고속 데이터 통신을 할 수 있도록 한 것이다. 그리고, 이 LED조명은 기존 조 명인 형광등과 백열등에 비해 환경 파괴 문제 해결, 긴수명, 90% 전기 효율 향상 등으로 인하여 미국, 일본, 유럽 등에서는 LED 조명을 권장 또는 대체 법안을 마련 중에 있다. 이 LED를 이용한 VLC 기술에 대한 특징을 살펴보면 다음과 같다. 별도의 인프라 투자가 필요 없는 친환경성 조명을 사용함으로써 추가 설치 비용이 없는 이상적인 AP(Access Point)역할을 제 공하며, 가시광 무선통신의 경우 RF 무선통신과 같은 사용 주파수 대역에 대해서 전세계적으로나 각 국가별로 법 규제가 없어 자유롭게 사용이 가능하다. 그리고, 가시광을 주파수 대역에서 보면 수백 THz이상의 고주파 대역에 위치하므로, 이에 비해 상대적으로 낮은 저주파 대역에 민감한 전 자 전기 정밀기기들에 대한 전자기파의 영향이 없으며, 가시광과 기존의 RF 무선 주파수간 혼선 이 발생하지 않으므로 기존의 RF 무선통신 기술과 상호 보완할 수 있다. 또한, 적 녹 청색의 가시광을 이용하여 서로 다른 멀티미디어 데이터를 동시에 전송할 수 있 으며, 눈에 보이는 가시광을 사용하기 때문에 향후 운용 유지 관리가 매우 용이하다. 그러나, 가 시광 무선통신은 사람의 눈에 영향을 주지 않도록 빛의 세기가 제한되어 전송 성능과 거리가 한정 될 수 있으며, 주변의 타 조명과 태양광에 의한 잡음광으로 인하여 가시광 무선통신의 성능이 떨 어질 수 있다. 4. VLC 기술 활용 분야 가시광 무선통신은 무선 혼잡을 피하거나, 무선을 사용할 수 없는 병원, 항공기, 친환경 통신 등 의 지역에서 활용될 수 있다. 또한, LED 조명 또는 디스플레이 인프라를 활용하는 통신 네트워크 를 통해 쇼핑몰, 공항 또는 역사 내 출발 도착 등에 관한 정보도 제공할 수 있다. 아울러, 창고 내 위치 및 실내 로봇 위치 등의 정보를 제공하는 것 또한 가능하다. 이 밖에, 초정밀 실내 측위, OLED 휴대폰 디스플레이간 통신, 휴대폰과 LED 전광판간 통신, 자동차간 통신, 자동차와 가로등 간 u-city 통신 등이 가능해지며, LED 조명이 있는 곳은 언제 어디서나 통신이 가능해지는 유비 쿼터스의 핵심기술로 등장할 것이다. 국내 외 가시광통신 적용사례 및 U-City 사업에서 제안되고 있는 다양한 유비쿼터스 서비스들 에 대한 조사 분석을 통해, LED 조명 인프라 기반의 VLC를 직접 활용하여 서비스 제공이 가능한 모델들을 <표2>와 같이 4가지 분야로 분류하였다. IEEE 802.15 VLC 기술 개요 및 동향 23
OSIA S & TR M-to-M 응용포함 근거리 광 무선통신을 위한 OPAN(Optical PAN) 응용분야 RFID와 비슷한 역할을 하게 될 ID-TAG 응용분야 실내 정밀 위치 파악을 위한 무선 측위 응용분야 차량 및 도로교통 정보활용을 위한 ITS 응용분야 표 ❷ VLC 서비스 제공 모델 OPAN 응용 ID-TAG 응용 무선측위응용 ITS응용 휴대폰 데이터 통신 멀티미디어 접속 전자액자 스마트 홈 작품 설명 정보 제공 상품 정보 제공 e-쿠폰/티켓 쇼핑몰 홍보 위치 기반 정보 청소로봇 위치 정보 노약자 위치 정보 시각장애인 길 안내 교통 정보 제공 지리 정보 제공 차량 충돌 방지 5. 국내 기술 동향 한국정보통신기술협회(TTA, 회장 김원식)는 2007년 5월 가시광 무선통신서비스 실무반을 구성, 표준화 추진 로드맵을 완성하였다. 이를 기반으로 TTA를 중심으로 하여 삼성전자, ETRI등과 본격 적인 표준화 작업을 추진하고 있다. 5.1 TTA 가시광 무선통신 서비스 실무반 TTA는 <표 3> 과 같이35개 중점기술을 선정하고 차세대 이동통신 분야에 가시광통신을 포함하 였다. 가시광 무선통신의 실효성 및 목표 설정을 명확하게 하기 위하여 응용 서비스 모델을 표준 으로 제정하고, 서비스 모델 표준에 따른 무선 가시광 송신 기술과 수신 기술, 가시광 MAC 프로 토콜 및 응용 프로토콜 표준 등을 제정하고 있다. 가시광 무선통신 응용 서비스 모델은 <그림 5> 와 같이 목표를 정하고 표준 규격으로 개발하고 있다. 24 OSIA Standards & Technology Review
특 집 표 ❸ 35대 중점 기술 분야 차세대 이동통신 RFID/USN 텔레매틱스 BCN u-home 디지털방송 정보보호 차세대컴퓨팅 IT Soc 디지털콘텐츠 S/W 솔루션 지능형로봇 중점기술 IMT-Advanced, WiBro Evolution, Mobility Management, WPAN/WBAN, WLAN, VLC, 무선 재난통신 RFID, USN 네트워킹/응용 Telematics BcN 전달망/서비스 구조, IPv6, MoIP, LAN/MAN, BcN 통합 식별체계, IPTV u-home 플랫폼, u-home 서비스 포탈 3D TV방송, 차세대 DMB 암호/인증/권한관리, 개인정보보호/ID관리, 네트워크 및 시스템 보안, 응용보안/평가인 증, 바이오인식 나노 SoC 디지털콘텐츠 보호/유통 3D 표현 및 혼합현실 영상데이터 처리 SOC, 모바일 S/W 플랫폼, 차세대웹, u-health 지능형 서비스 로봇 그림 ❺ 응용 서비스 모델 또한, 가시광 무선통신 서비스 실무반은 표준 기술의 목표인 ToR(Terms of Reference)을 <그림 6>과 같이 정했다. IEEE 802.15 VLC 기술 개요 및 동향 25
OSIA S & TR 그림 ❻ Terms of Reference TTA 가시광 통신서비스 실무반은 2007년 8월 워크숍에서 국내/국제표준 동향, MAC 프로토콜, WPAN과의 기능 비교, 네트워크 이동성, RFID, 자동차 안전 통신, 차세대 이동통신 단말 등의 관 점에서 가시광 무선통신 기술을 발표하였다. 5.2 TTA 가시광 무선통신 표준 로드맵 추진현황 TTA는 가시광 무선통신 9대 표준화 항목을 도출하였다. 가시광 무선통신 9대 표준화 항목은 < 표 4> 와 같이 가시광 무선통신 PHY 기술, 가시광 무선통신 MAC 기술, 가시광 무선통신 응용프 로토콜 기술 등으로 크게 3가지로 구분할 수 있다. 표 ❹ 가시광 무선통신 9대 표준화 항목 도출 구분 정의 대상 표준화 항목 가시광 무선통신 PHY 기술 가시광 문선통신 MAC 기술 가시광 무선통신 응용 프로토콜 기술 조명 가시광을 통신을 위한 송신 모 듈레이션하고 수신 디모듈레이션하는 기술 가시광 무선통신 데이터 무결성을 위 한 Layer 2 프로토콜 기술 가시광 무선통신에서 제공할 수 있는 자동차 안전, 초정밀 측위, M-to-M, 초고속 센서 등의 응용 서비스를 적 용하기 위한 프로토콜 기술 송신 PHY 수신 PHY LED 조명 인터페이스 Infrastructure mode MAC Peer-to-Peer mode MAC 가시광 무선통신 자동차 안전 프로토콜 가시광 무선통신 측위 프로토콜 가시광 무선통신 M-to-M 프로토콜 가시광 무선통신 초고속 센서 프로토콜 26 OSIA Standards & Technology Review
특 집 가시광 무선통신 PHY 기술은 송수신 PHY간 LED 조명에 의한 통신 인터페이스를 표준화하며, MAC 기술은 데이터 계층의 데이터 무결성 보장을 하는 것으로써 단대단 통신에 사용할 Peer-to- Peer MAC과 LAN 통신에 사용할 Infrastructure MAC으로 구분하여 표준화한다. 그리고, 응용프 로토콜 기술은 자동차 안전, 측위, M-to-M, 초고속센서 등의 정보 흐름에 대해서 표준화 작업을 수행한다. 5.3 삼성전자 국내 기업으로는 삼성전자가 VLCC 회원으로 활동 중이며 원은태수석이 IEEE 802회의에서 가 시광 무선통신 기술 표준화 그룹(VLC IG)의 초대의장으로 선출되어 이 분야의 국제표준화를 이끌 어가고 있다. 또한, 휴대단말기 및 멀티미디어 기기 간의 근거리통신 분야와 옥내 외 LED 전광 판 및 상업용 LED 조명을 이용한 정보 방송 분야, 실내외 LED 조명을 이용한 근거리 LAN 분야 에서 가시광 무선통신 기술의 연구 개발을 추진하고 있다. 5.4 기타 KOPTI(한국광기술원)는 지난 2005년부터 산업자원부 신기술 실용화 개발사업의 일환으로 백 색 LED를 이용한 100Mbps 전송기술 개발을 추진하였고 올해 7월 10Mbps급 이더넷 양방향 통 신을 할 수 있는 LED 광송수신 모듈을 개발하는데 성공했다. 한국광기술원은 첨단부품, 소재산업 육성사업을 통해 옵티시스와 공동으로 개발하였고 개발된 기술은 홈 네트워킹에 대한 적용을 목 표로 연구개발을 수행했기 때문에 약 50cm의 거리에서 300Lux 이상의 조도를 갖도록 스탠드 형 태의 LED램프를 제작하여 양방향 고속통신이 이뤄질 수 있도록 했다. 또한 ETRI(한국전자통신연 구원)는 정통부 중장기 정책사업의 일환으로 가시광통신 원천기술과 소자 및 모듈기술, 응용시스 템 기술에 연구 개발을 중장기 과제로 추진하고 있다. 이 밖에 한국고덴시는 10Mbps급의 점대점 (Point-to-point) 가시광통신 모듈을 제작하고 성공적으로 시험을 마쳤다. 6. 국외 기술 동향 가시광 무선통신은 일본의 VLCC를 시작으로 전 세계적인 연구기관 및 기업체로 구성된 WWRF, 북미를 중심으로 한 IEEE 802.15 SGvlc, Europe의 Oxford 대학 및 OMEGA 등에서 활 발히 연구 중이다. 또한, 미국 펜실베니아 주립대에서는 전력선 통신과 결합된 가시광통신 시스템 을 제안하고 시뮬레이션을 통해 1Gbps에 이르는 광대역폭 전송 시험에 성공했다. IEEE 802.15 VLC 기술 개요 및 동향 27
OSIA S & TR 그림 ❼ VLC 국외 기술 동향 WWRF Alcatel-Lucent, Ericsson, France Telecom, Huawei, Intel, LG Electronics, Motorola, NEC, Nokia, Nortel, RIM, Samsung, Siemens, Vodafone. Oxford University, FP7 OMEGA Project - France Telecom, Siemens, IEEE 802.15 SG VLC - Samsung, VLCC, Siemens, ETRI, etc TTA - Samsung, ETRI, etc VLCC KEIO Univ, SONY, NEC, Toshiba, etc 6.1 IEEE 802.15 WG IEEE 802.15 Working Group에 가시광 무선통신은 Study Group인 SGvlc 에서 연구하고 있 다. IEEE 802.15 VLC SG는 VLC IG으로 시작하여, 2008년 3월에 SG으로 승격되었다. WPAN영 역에서 LED 통신을 위한 PHY와 MAC 표준 규격을 제정한다. 참고로 현재 IEEE 802.15 Working Group 의 구성도는 아래 <표 5>와 같다. 표 ❺ 가시광 무선통신 9대 표준화 항목 도출 TG3c Task Group 3c - mmwave TG4e Task Group 4e WPAN Enhancements TG6 Task Group 6 Body Area Networks WNG Standing Committee WNG Wireless Next Generation TG4c Task Group 4c WPAN Alternative PHY for China 802.15 IGthz Interest Group THz Terahertz TG4d Task Group 4d WPAN Alternative PHY for Japan TG5 Task Group 5 WPAN Mesh Networking SGrfid Study Group RFID SGvlc Study Group VLC Visible Light Communication 28 OSIA Standards & Technology Review
특 집 6.2 VLCC VLCC(Visible Light Communication Consortium)는 일본의 20개 기업과 대학을 중심으로 총무 성의 지원 하에 2003년 11월에 결성되었다. 유비쿼터스와 자동차 통신(ITS : Intelligent Transport System) 에 응용하는 것을 목표로 설정하고 있다. 또한, VLCC를 중심으로 조명용 LED의 가시광 통신 적용 방안과 가시광 무선통신의 실생활 응용 방안을 개발하고 있다. 아울러 일본내 표준안 제정을 위해 단체 표준안 수립을 단계적으로 추진하고 있다. 또한, 총무성은 2006년 11월 NTT 연 구소와 오키전기공업, NEC 등 민간기업과 공동으로 가시광 무선통신 기술의 5년내 실용화를 목 표로 연구 개발 추진 계획을 공표한 바 있다. 제품 개발로는 2007년 도시바가 송신 모듈을 탑재 한 스포트 라이트형 LED 조명 기구 를 제품화하였다. 현재 VLCC는 NEC, Matsushita Electric Works, Agilent Technologies, KDDI 등 일본의 우수한 기업이 참여하여 개발을 하고 있다. 6.3 WWRF WG5 WWRF(World Research Forum)는 2001년에 설립되었으며, 현재 140 명의 멤버로 구성되 어 있다. WWRF는 현재 유럽의 UMTS Forum, 일본의 mitf 및 IEEE Comsoc 그룹과 공식적 인 협력관계이고 비공식적으로도 많은 국제표준화 단체들과 협력관계를 구축해 나가고 있다. 특 히, Sponsor(스폰서) 회원사로는 우리나라의 삼성전자와 LG 전자가 참여하고 있고, 국책연구소인 ETRI에서도 적극적으로 참여하고 있다. WWRF는 주로 새롭게 부상하고 있는 차세대 무선과 이 동 통신의 연구, 학문, 기술, 산업 등에 대한 미래 방향 및 전략을 수립하는 것을 목적으로 한다. WWRF는 아래의 <그림 8>과 같이 6개의 워킹그룹(WG: Working Group)을 포함한 구조를 가지고 있다. 그림 ❽ WWRF WG 구성도 WG 1 WG 2 WG 3 WG 4 WG 5 WG 6 Human Perspective and Service Concepts Service Architecture Highlights Co-operative and ad-hoc networks New Air Interfaces, Relay-based systems and Smart antennas Short Range Wireless Communication Systems Cognitive Wireless Networks and Systems IEEE 802.15 VLC 기술 개요 및 동향 29
OSIA S & TR 6개의 워킹그룹 중 WG5는 Ultra Wideband, MIMO-OFDM, Short Range Optical Wireless Communication에 관한 이슈를 다루고 있다. 특히, WG5는 가시광 무선통신을 미래 기술로 인식하 고 그 기술에 대한 백서(White Paper)를 작성하였다. 그림 ❾ WWRF WG5 구성도 60 GHz wireless communication systems UWB Communication, Limits and Chall enges Ultra Wideband Radio over Optical Fiber Short-Range Optical Wireless Communication Cooperative aspects in future wireless systems 6.4 EUROPE Oxford 대학 및 OMEGA Project에서 백색 LED 조명을 이용한 가시광 무선통신의 전송 대역폭 향상을 위해 다양한 기술들에 대한 연구 개발을 추진하고 있다. OMEGA 에서는 1Gbps 의 높은 속도를 가진 홈네트워크 구축을 위한 OMEGA PLC 시스템 개발에 가시광 무선 통신 기술을 이용 하려고 한다. 6.5 ITU-T SG16 ITU-T SG16은 H.323, H.324, H.248 등 멀티미디어 프로토콜을 개발한 연구 그룹으로 차세대 멀티미디어 프로토콜인 H.325 표준을 개발하고 있다. 차세대 멀티미디어 프로토콜은 기존의 음성 전화와 화상 전화는 기본으로 제공하고, 차세대 멀티미디어 서비스를 제공하는 것을 목적으로 한다. 차세대 멀티미디어 프로토콜에서 2007년 7월 정기회의에서 가시광 무선통신 측위 기능을 제공하 기로 결정하였다. 30 OSIA Standards & Technology Review
특 집 7. 맺음말 가시광 무선통신을 활용함으로써 허가 주파수와 비허가 ISM(Industrial Science Medical) 주파 수 외에 가용한 주파수 대역을 사용하는 이점이 있다. 개발된 주파수 대역에서 통신을 하려면 송 신과 수신간에 상호 규약이 있어야 하므로 이를 위한 표준 프로토콜이 필요하다. 또한, 조명과 통 신을 융합해 언제 어디서나 통신을 할 수 있는 환경을 조성하는 게 중요하고, 이를 위해 구체적으 로 센서 정보, 물체 식별 정보, 측위에 의한 LBS(Location Based Service) 위치 정보, 머신 투 머 신(MAChine to MAChine) 정보 이동 등에 대한 표준 기술 제정이 필요하다. 이 표준기술이 개발되면 다양한 분야에 적용이 가능하다. 적용분야는 청소로봇, 차세대 멀티미 디어 응용프로토콜, 자동차간 통신, 자동차와 신호등간의 교통 안전 정보 수신, 등대와 선박간 통 신 RFID를 대신할 초고속 센서 서비스 등 이다. 또한, 최근에는 LED 모니터가 출시되면서, IPTV 와 함께 화면안에 정보가 포함되는 영상 객체 통신이 가능해진다. 가시광 무선통신 기술과 이에 대한 시장의 규모는 현재 미미하지만, 메모리 반도체 시장 이상의 큰 시장이 될 수 있다는 예측보고서가 연이어 나오고 있다. 그래서, 전세계 큰 시장을 석권할 수 있는 VLC 원천 기술을 개발하고, 이를 지적재산권(IPR)에 따른 국제 표준을 제정해야 할 것이다. 이러한 VLC기술이 활용된다면 실 생활 조명과 함께하는 통신 시대가 열리게 되어, 멀티미디어 통 신 서비스가 한층 더 확대될 것이다. 더불어, 경제적 이득 효과 및 다양한 분야에서 활용될 수 있 는 차세대 전략산업 기술로 부각될 것이다. 참고 문헌 [1] 강태규, 가시광 무선통신 표준 기술 동향, TTA 저널 113호, 2007 년 9 월 30 일. [2] 강태규, LED 조명과 가시광 무선통신의 융합 기술 동향 분석, 전자통신 동향분석 제23권 제5호, 2008년 10월. [3] 한국정보통신기술협회(TTA), LED 융합 가시광 무선통신(VLC) 표준 기술. 워크숍. http://www.tta.or.kr. [4] IEEE 802.15 VLC Study Group for WPAN. http://ieee802.org/15/index.html [5] Visible light communications consortium. http://www.vlcc.net [6] Wireless World Research Forum. http://www.wireless-world-research.org [7] T. Komine and M. Nakagawa, Fundamental Analysis for visible-light communication system using LED lights, IEEE Transaction on consumer electronics, vol.50, no. 1, pp. 100~107, February 2004. IEEE 802.15 VLC 기술 개요 및 동향 31
:01 표준화 동향 :01 OSIA S & TR 차량 네트워크에서의 인터넷 이동성 지원 기법 고려대학교 백상헌, 김영현 본 고에서는 차량-인프라 통신 구조를 가지는 차량 네트워크에서 네트워크 이 동성 지원을 위한 대표적인 프로토콜인 NEMO Basic Support Protocol 과 SIP (Session Initiation Protocol)을 이용하는 NEMO 지원 기법을 소 개하고 두 기법의 장단점을 분석한다. 또한 네트워크 이동성 지원과 관련된 대표적인 프로젝트와 연구 이슈를 제시하고자 한다. 1. 서론 무선 통신 기술의 발전으로 인해 언제 어디서든 네트워크에 접속할 수 있는 유비쿼터스 통신 환 경이 구축되고 있다. 특히, 최근에는 이러한 통신 인프라를 차량을 이용한 환경에서 적용하여 사 람들이 차량을 통해 이동을 하는 동안에도 네트워크에 접속하여 정보를 습득하거나 차량 시스템과 관련된 정보 (예를 들어, 차량 사고 정보 또는 도심 교통 정체 정보)를 전송할 수 있는 차량 네트 워크 (Vehicular Network)과 관련된 연구가 전세계적으로 활발히 진행되고 있다. 차량 네트워크의 경우 크게 차량 간 통신 (Vehicle-to-Vehicle Communications)과 차량과 기지 국과 같은 통신 인프라 구조와의 통신 (Vehicle-to-Infra Communications)으로 구별될 수 있다. 차량 간 통신의 경우 별도의 인프라 구조 없이 애드혹 방식의 네트워크 구조 상에서 차량 간에 메 시지를 전달할 수 있다. 특히 차량 간 통신의 경우 차량의 이동성으로 인해 네트워크 연결 구조가 급변할 수 있으므로 이러한 환경에 대처하기 위한 데이터 링크 계층, 네트워크 계층, 전송 계층 등 의 통신 프로토콜 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 반면 차량과 인프라와의 통신의 경우 빠르 게 이동하는 차량의 위치를 관리할 수 있는 이동성 지원이 중요한 이슈이다. Mobile IP와 같은 기 존의 이동성 지원 프로토콜의 경우 빠른 이동성을 지원하는데 한계가 있으므로 이를 개선하기 위 한 연구가 널리 진행되었고 최근에는 버스, 지하철과 같이 하나의 교통 수단에 여러 사용자 또는 단말이 위치하여 집단적으로 이동하는 경우에 대한 네트워크 이동성 (Network Mobility: NEMO) 에 대한 연구가 IETF (Internet Engineering Task Force)를 중심으로 활발히 진행되고 있다. 32 OSIA Standards & Technology Review
표 준 화 동 향 본 고에서는 차량-인프라 통신 구조를 가지는 차량 네트워크에서 네트워크 이동성 지원을 위한 대표적인 프로토콜인 NEMO Basic Support Protocol과 SIP (Session Initiation Protocol)을 이용 하는 NEMO 지원 기법을 소개하고 두 기법의 장단점을 분석한다. 또한 네트워크 이동성 지원과 관련된 대표적인 프로젝트와 연구 이슈를 제시하고자 한다. 2. IETF NEMO Basic Support 프로토콜 NEMO Basic Support 프로토콜은 네트워크의 이동성을 지원하기 위해 인터넷 관련 국제 표준 화기구인 internet engineering task force (IETF)에서 제안한 프로토콜이다 [1]. 이동 차량 네트 워크의 대표적인 예로는 버스, 기차 등이 있다. 그림 1은 버스를 이용한 이동 네트워크의 모습을 보여준다. 그림 1에서 버스 안의 이동 노드 (mobile node, MN)는 버스에 부착되어 있는 access point (AP)를 이용하여 인터넷에 연결될 수 있다. NEMO를 지원하기 위해, 이동 차량 네트워크에 는 하나 이상의 이동 라우터 (mobile router, MR)가 존재한다. 이동 라우터는 이동 네트워크 안에 있는 이동 노드들의 모든 트래픽이 통과하는 게이트웨이이다. 즉, 이동 라우터는 이동 네트워크 안에 있는 이동 노드들에게 인터넷 연결성을 제공하고, 이동 네트워크가 서브넷 사이를 이동할 때 마다 이동 네트워크의 위치를 등록하는 역할을 수행한다. 그림 ❶ 이동 차량 네트워크 이동 라우터의 위치등록 과정은 다음과 같다. (1) 이동 네트워크가 외부 네트워크 (foreign network)로 이동할 경우, 이동 라우터는 외부 네트워크의 prefix를 사용하여 외부 네트워크에 서 임시로 사용할 주소인, care-of address (CoA)를 구성한다. (2) 이동 라우터는 새롭게 구성한 차량 네트워크에서의 인터넷 이동성 지원 기법 33
:01 OSIA S & TR CoA와 이동 라우터의 고유한 주소인 home address (HoA)를 사용하여 binding update (BU) 메 시지를 생성한다. 그리고 이동 라우터가 BU 메시지를 이동 라우터의 홈 에이전트 (home agent, HA)에게 보냄으로서 이동 네트워크의 위치등록은 완료된다. 이 후, 이동 네트워크로 향하는 모 든 트래픽은, 이동 라우터의 홈 에이전트가 이동 라우터의 HoA에 대응하는 CoA로 패킷을 터널링 (tunneling)하여, 이동 라우터로 향한다. 한편 이동 노드가 이동 차량 네트워크 안에 들어왔을 때, 이동 노드의 위치등록과정은 다음과 같다. (1) 이동 노드는 이동 라우터의 mobile network prefix (MNP)를 이용하여 이동 네트워크 안 에서 사용할 임시 주소인 CoA를 생성한다. MNP는 이동 라우터의 prefix이다. (2) 이동 노드는 새 로 생성한 CoA와 이동 노드의 고유한 주소인 HoA를, BU 메시지에 담아, 자신의 홈 에이전트에게 보내고 이에 대한 응답을 받으면서 위치등록을 마친다. 위치등록을 완료한 이동 노드는 이동 라우 터가 다른 외부 네트워크로 이동하더라도 이동 노드의 홈 에이전트에게 위치등록을 다시 할 필요 가 없다. 위와 같이 이동 라우터와 이동 노드가 각각의 홈 에이전트에게 위치등록을 완료한 후, 이동 노 드에게 패킷이 전달되는 과정은 그림 2와 같다. (1) 이동 노드와 통신을 하고 있는 상대 노드 (correspondent node, CN)는 이동 노드의 HoA로 패킷을 전송한다. (2) 이동 노드의 홈 에이전트 는 이동 노드의 HoA로 오는 패킷을 인터셉트한 후, 이동 노드의 HoA에 대응하는 CoA로 패킷을 전달한다. 이 때, 이동 노드의 CoA는 이동 라우터의 prefix인 MNP를 이용하여 생성된 주소이기 때문에, 이동 노드의 CoA로 전송되는 패킷들은 이동 라우터의 홈 네트워크로 향하고, 이동 라우 터의 홈 에이전트는 이 패킷을 인터셉트한다. (3) 이동 라우터의 홈 에이전트는 패킷을 이동 라우 터의 CoA로 전달하고, 패킷을 받은 이동 라우터는 최종 목적지인 이동 노드의 CoA로 패킷을 전 그림 ❷ 이동 차량 네트워크에서 패킷 전달 과정 34 OSIA Standards & Technology Review
표 준 화 동 향 송한다. (4) 이동 노드가 패킷을 받으면서 상대 노드에서 이동 노드로의 패킷 전달과정은 끝난다. NEMO에서 이동 노드가 상대 노드에게 보내는 패킷은, MIPv6와 달리 home address option을 제 공하지 않기 때문에, 이동 라우터의 홈 에이전트로 터널링된 후 전달된다. 비록 NEMO가 네트워크의 이동성을 위해 표준화된 프로토콜이나, 경로 최적화와 (route optimization) 관련하여 문제점을 가지고 있다 [2]. 상대 노드에서 이동 노드로 향하는 패킷은 이 동 노드의 홈 에이전트와 이동 라우터의 홈 에이전트, 이동 라우터의 홈 에이전트와 이동 라우터 사이에서 터널링을 거쳐야 한다. 이동 노드와 마찬가지로 상대 노드 역시 다른 이동 네트워크 안 에 있다면, 상대 노드 쪽에서도 패킷은 터널링을 거쳐야 한다. 그리고 이동 네트워크는 계층적으 로 하위에 여러 개의 이동 네트워크를 둘 수 있다. 이 경우, 이동 노드가 가장 하위의 이동 네트 워크에 속해 있다면, 터널링에 대한 오버헤드는 더욱 더 커질 것이다. 터널링에 대한 오버헤드로 는 패킷 사이즈의 증가, 경로가 길어짐에 따르는 패킷 지연 (delay), 터널링을 위한 encapsulation, decapsulation의 처리지연 (processing delay), 홈 네트워크의 병목 (bottleneck) 등이 있다. 그림 ❸ 중첩된 NEMO에서의 라우팅 문제 <그림 3>은 중첩된 NEMO에서 경로 최적화의 문제를 보여준다. 그리고 상대 노드와 이동 노드 는 모두 이동 네트워크 안에 존재하여 서로 통신을 하고 있는 상황이다 (상대 노드에서 이동 노 차량 네트워크에서의 인터넷 이동성 지원 기법 35
:01 OSIA S & TR 드로 패킷을 보내는 과정). 이 때, 터널링 구간은 다음과 같다. 상대 노드 -> 이동 라우터 5 - 이 동 라우터 4 - 이동 라우터 1 - 이동 라우터1_HA - 이동 라우터4_HA - 이동 라우터5_HA - 이 동 노드_HA - 이동 라우터3_HA - 이동 라우터2_HA - 이동 라우터1_HA - 이동 라우터 1 - 이 동 라우터 2 - 이동 라우터 3 -> 이동 노드. 위에서처럼 수많은 터널링으로 인해, 터널링을 위한 패킷 사이즈의 증가와 패킷 처리 비용의 증가, 네트워크의 오버헤드 발생, 패킷 도착의 지연 등의 문제가 발생한다. 위 문제를 해결하기 위해 MANEMO Pre-BoF에서 MANET (Mobile Ad hoc Network)과 NEMO 를 결합한 MANEMO를 제안하였다 [3]. 중첩된 NEMO의 경우, 그림 3에서처럼 이동 라우터 3 -> 2 -> 1 의 계층적인 단계를 거쳐야 한다. 그러나 MANEMO에서는 MANET 라우팅 프로토콜을 이 용하여 이동 라우터들끼리 직접적인 통신이 가능하다. 즉, 그림 3에서, 이동 라우터 3과 이동 라우 터 5가 직접적으로 연결될 수 있다는 것이다. 따라서 상위의 이동 라우터를 거치지 않으므로 패킷 지연, 터널링에 대한 오버헤드 등이 줄어든다. 그러나 MANEMO를 지원하기 위해서는 이동 라우 터들이 MANET 도메인 내에 있어야 하는 제약이 있다. 3. SIP 기반의 차량 네트워크 이동성 지원 기법 Session initiation protocol (SIP)는 프로그램의 세션 (session)을 관리하기 위해 제안된 프로토 콜이나, 단말의 이동성을 위해서도 활용될 수 있는 프로토콜이다 [4]. 그리고 SIP 기반의 네트워크 이동성 지원 기법 (SIP-based NEMO: SIPNEMO)은 SIP를 이용하여 네트워크의 이동성을 지원 한다. SIPNEMO에는 홈 SIP 서버 와 네트워크 이동성 서버 (Network Mobility Server: NMS)가 새롭게 제안되었고, 각각은 NEMO에서의 홈 에이전트와 이동 라우터에 대응하는 역할을 한다. 홈 SIP 서버는, 이동 노드가 홈 SIP 서버에게 자신의 위치를 등록했을 때, 이동 노드의 위치를 다른 홈 SIP 서버에게 알리는 역할을 한다. NMS는 AP에 위치하는 게이트웨이로서 NEMO 프로토콜에 맞도록 메시지를 변환한다. 또한 NMS는, 차량이 다른 서브넷으로 이동할 경우, 차량 안에 있는 이동 노드들의 인터넷 연결성과 세션들을 유지시켜야 한다. SIPNEMO에서 위치등록과정은 다음과 같다. (1) NMS, 즉 차량 이동 네트워크가 외부 네트워크 로 이동하였을 경우, NMS는 새롭게 CoA를 구성한다. (2) NMS는 CoA를 포함한 REGISTER 메시 지를 자신의 홈 SIP 서버로 보낸다. (3) 차량 안으로 들어온 SIP user agent1 (UA1)은 NMS 도메 인 이름을 사용하여 새로운 contact address를 생성한다. 예를 들어, NMS 도메인 이름이 mobile. korea.ac.kr일 경우, UA1의 contact address는 UA1@mobile.korea.ac.kr이 될 수 있다. 여기서 user agent1 (UA1)은 이동 노드1을 의미한다. (4) UA1은, 위치등록을 위해, contact address를 포 함한 REGISTER 메시지를 UA1의 홈 SIP 서버로 전송한다. (5) NMS는 UA1이 보낸 REGISTER 36 OSIA Standards & Technology Review
표 준 화 동 향 메시지를 변환한 후, UA1의 SIP 서버로 메시지를 전송한다. NEMO와 달리 SIPNEMO에는 세션 설립 (session establishment) 과정이 필요하다. 세션 설 립 과정을 이해하기 위해 incoming session과 outgoing session 으로 나눠 각각 살펴보겠다. Incoming session의 설립과정은 그림 4와 같다. (1) UA2는 UA1의 홈 SIP 서버에게, 세션 설립을 위해, INVITE 메시지를 보낸다. (2) UA1의 홈 SIP 서버는 NMS의 contact address를 저장하고 있으므로 INVITE 메시지를 NMS의 홈 SIP 서버로 전달한다. (3) 그리고 NMS의 홈 SIP 서버는 NMS의 CoA로 INVITE 메시지를 전달한다. (4) INVITE 메시지를 받은 NMS는 SIPNEMO의 투명 그림 ❹ SIPNEMO에서의 incoming session 설립 그림 ❺ SIPNEMO에서의 outgoing session 설립 차량 네트워크에서의 인터넷 이동성 지원 기법 37
:01 OSIA S & TR 성 (transparent)을 위해, INVITE 메시지의 Contact field를 SIP_NMS에서 UA1_NMS로 바꾼 후 UA1에게 INVITE 메시지를 전송한다. (5) INVITE 메시지를 수락한 후, UA1은 200 OK로 응답을 한다. (6) NMS는 200 OK 메시지를 UA2로 전달하면서 incoming session의 설립과정이 끝난다. SIPNEMO에서 outgoing session 설립과정은 <그림 5>와 같다. (1) UA1은 INVITE 메시지를 NMS에게 전송하고 NMS는 INVITE 메시지의 Contact field를 SIP_UA1에서 SIP_NMS로 바꾼다. (2) INVITE 메시지를 변환한 후, NMS는 UA2의 홈 SIP 서버로 메시지를 전달한다. (3) US2의 홈 SIP 서버는 UA2로 메시지를 전달한다. (4) NMS는 200 OK 메시지를 받으면, Contact filed를 SIP_UA1으로 바꾼 후, UA1에게 메시지를 전달하면서 outgoing session의 설립과정도 끝이 난다. NEMO Basic Support 프로토콜과 SIP 기반의 NEMO 지원 프로토콜은 각각 네트워크 계층과 응용 계층에서 차량 네트워크의 이동성을 지원하게 된다. 이러한 특성으로 인해 두 기법은 다음과 같은 측면에서 장단점을 가진다 [5]. 첫째, 차량 네트워크의 구현 (implementation)과 설치 (deployment)의 관점에서 볼 때, SIPNEMO는 NEMO보다 유리하다. NEMO와 SIPNEMO는 차량에 각각 이동 라우터와 NMS를 설 치해야 한다. 그러나 NEMO는 홈 에이전트와 이동 라우터 간의 터널링을 위해 홈 에이전트를 갱 신해야 (upgrade) 한다. 또한, 이동 라우터와 홈 에이전트는 네트워크 계층의 장치이므로, NEMO 를 지원하기 위해서는, 네트워크 구조를 변형해야 한다. NEMO와 달리 SIPNEMO는 네트워크 구 조를 바꿀 필요가 없다. 그리고 통상적으로 응용 서버 (application server)는 (SIPNEMO에서의 NMS) 네트워크 장치보다 (NEMO에서의 이동 라우터) 설치와 변경 등이 더 용이하다. 따라서 구 현과 설치의 관점에서 SIPNEMO가 NEMO보다 유리하다고 할 수 있다. 둘째, SIPNEMO는 NEMO보다 병목지점 (bottleneck point)이 많지 않다. 네트워크의 안정성과 성능향상을 위해 병목지점을 제거하는 것은 중요한 일이다. NEMO에서는 패킷을 전달할 때마다 이동 노드의 홈 에이전트와 이동 라우터의 홈 에이전트, 이동 라우터의 홈 에이전트와 이동 라우터, 이동 라우터와 이동 노드 사이에서 터널링이 이루어진다. 따라서 홈 에이전트와 이동 라우터, 이 동 라우터의 홈 에이전트에 병목현상이 발생할 수 있다. 그러나 SIPNEMO에서는 세션 설립 과정 에서만 터널이 형성되고, 패킷을 전달할 때에는 터널링이 발생하지 않는다. 단지 SIP 메시지의 변 환과정을 수행하는 NMS에서 병목현상이 일어날 수 있을 뿐이다. 즉, NEMO는 터널링에 대한 오 버헤드가 여러 군데에 존재할 수 있고, SIPNEMO는 메시지의 변환과정으로 인한 NMS 한 군데에 오버헤드를 가지고 있다 고 정리할 수 있다. 셋째, 위치등록을 위한 시그널링 트래픽 (signaling traffic)과 핸드오버 지연 (delay)에서는 NEMO가 SIPNEMO보다 강점을 가지고 있다. NEMO는 경로 최적화 (route optimization)를 명시 하지 않는다. 따라서 이동 노드는 이동 라우터, 즉 차량 네트워크에 진입했을 때 위치등록을 한 번 만 하면 된다. 반면 SIPNEMO에서는 차량 네트워크가 다른 서브넷으로 진입할 때마다 이동 노드 의 위치를 등록해야 하기 때문에 높은 시그널링 비용이 발생한다. 또한 SIPNEMO의 위치등록 메 38 OSIA Standards & Technology Review
:01 OSIA S & TR 표 준 화 동 향 시지는 NEMO의 위치등록 메시지보다 길기 때문에, SIPNEMO에서 더 큰 핸드오프 지연 (handoff latency)을 가진다. 따라서, NEMO가 핸드오버지연과 시그널링 트래픽 부분에서 SIPNEMO보다 더 좋은 성능을 유지한다. 마지막으로 NEMO는 경로 최적화를 제공하지 않고, SIPNEMO는 경로 최적화를 제안한다. NEMO는 경로 최적화를 고려하지 않기 때문에, 2장에서 살펴본 것처럼, 패킷 전달 지연이 발생한 다. 그러나 SIPNEMO는 INVITE 메시지를 사용하여 경로 최적화를 수행하기 때문에 터널링에 대 한 오버헤드와 패킷 전달 지연 측면에서 NEMO보다 낫다고 할 수 있다. 4. 차량 네트워크 테스트베드 개발 동향 현재 차량 네트워크에서 인터넷 이동성을 지원하기 위한 테스트베드 및 프로토타입 개발 연구가 활발히 진행되고 있다. 호주의 New South Wales 대학에서는 OCEAN (On-board Communications, Entertainment, and Information)이라는 프로젝트를 수행하였다 [6]. OCEAN 프로젝트에서는 차량, 항공기, 선 박 등과 같은 교통수단에서 인터넷 접속 서비스를 지원하기 위한 통신 기술과 핵심 장치인 Onboard 게이트웨이 개발에 대한 연구를 진행하였다. 일본의 경우 게이오 대학이 중심이 된 WIDE 그룹에서는 IPv6 기반의 인터넷 서비스를지원 할 수 있는 InternetCAR 프로젝트를 진행하였다 [7]. InternetCAR에서는 지능형 교통 시스템 (Intelligent Transportation System: ITS) 개발을 위해 차량 내 통신 시스템, 게이트웨이/스위치 개발 및 관련 응용 프로그램 등을 개발하였다. 유럽에서는 독일의 아헨공대가 중심이 된 IST 프로젝트, OverDRIVE 프로젝트를 진행하였다 [8]. OverDRIVE의 경우 무선 통신 기술에 초점을 맞추어 다중 무선 인터페이스가 장착된 차량에서의 인터넷 서비스와 이러한 환경에서 유니캐스트와 멀티캐스트를 지원할 수 있는 기법에 대한 연구가 중점으로 진행되었다. 한편 미국의 UCSD (University of California San Diego)에서는 CyberShuttle이라는 흥미로인 프로젝트를 진행하였다 [9]. 즉, WiFi가 장착된 차량을 통해 이를 이용하는 학생들이 차량에서 인 터넷 접속 서비스를 사용할 수 있는 환경을 제공하였다. 국내의 경우 KTX에 WiFi 엑세스 포인트를 설치하고 이를 HSDPA (High Speed Donwlink Packet Access)를 통해 네트워크에 연결되는 구조를 통해 인터넷 서비스를 제공하는 상용 서비스 가 2008년 4월부터 제공되고 있어 전세계적으로 가장 앞서 차량 네트워크 인터넷 서비스 테스트 베드를 구축하고 있다. 차량 네트워크에서의 인터넷 이동성 지원 기법 39
:01 OSIA S & TR 5. 결론 및 향후 이슈 본 고에서는 차량 내에서의 무선 인터넷 접속 서비스를 위한 대표적인 이동성 지원프로토콜인 NEMO Basic Support Protocol과 SIP 기반 NEMO 지원 프로토콜의 동작 과정을 살펴보고 장단 점을 분석하였다. 또한 현재 IETF NEMO 워킹 그룹에서 진행하고 있는 표준화 동향과 관련 프로 젝트를 살펴보았다. 최근 우리나라를 포함하여 여러 나라에서 차량 네트워크에서 인터넷 접속 서 비스가 시작되고 있으므로 향후에는 이에 기반한 트래픽 분석과 이동성 모델 개발, 최적화 프로토 콜 연구 등이 활발히 진행될 것으로 기대된다. 참고문헌 [1] V. Devarapalli, R. Wakikawa, A. Petrescu, and P. Thubert, Network Mobility (NEMO) Basic Support Protocol, IETF RFC 3963, Jan. 2005. [2] C. Ng, P. Thubert, M. Watari, and F. Zhao, Network Mobility Route Optimization Problem Statement, IETF RFC 4888, Jul. 2007. [3] MENEMO: http://www.mobileip.jp/manemo/ [4] J. Roseberg et al., SIP: Session Initiation Protocol, IETF RFC 3261, June 2002. [5] S. Pack, X. Shen, J. Mark, and J. Pan, "Mobility Management in Mobile Hotspots with Heterogeneous Multi-Hop Wireless Links," IEEE Communications Magazine, Vol. 45, No. 9, pp. 106-112, September 2007. [6] OCEAN 프로젝트: http://ocean.cse.unsw.edu.au/ [7] OverDRIVE 프로젝트: http://www.comnets.rwth-aachen.de/~o_drive/ [8] InternetCAR 프로젝트: http://www.sfc.wide.ad.jp/internetcar/ [9] CyberShuttle 프로젝트: www.wi-fiplanet.com/columns/article.php/1369631 40 OSIA Standards & Technology Review
표준화 동향 :02 표 준 화 동 향 자동차 전장 SW 플랫폼(AUTOSAR)의 차량 내 통신 서비스 표준화 동향 한국전자통신연구원 자동차융합기술연구팀 신창민, 한태만 본 고에서는 차량 전장용 임베디드 소프트웨어 플랫폼의 표준으로 발전하고 있는 AUTOSAR R3.1 규격에서의 통신 모델, AUTOSAR가 지원하는 통신 프로토콜(LIN, CAN, FlexRay) 및 이를 위한 AUTOSAR SW 플랫폼의 통 신 지원 모듈들을 중심으로 AUTOSAR 통신 서비스의 기술 동향을 살펴본다. 1. 서론 현재 자동차 내부에는 많은 기계장치들과 이를 제어하는 다양한 전자장치(ECU: Electronic Control Unit)들이 있으며, 편의주행, 쾌적 주행, 안전 주행을 제공하는 미래형 자동차에는 더욱 많은 첨단 전자장치들이 장착될 것이다. 더욱이 자동평형제어, 스마트크루저 제어, 자율주차 등의 서비스가 점차 확대됨에 따라 전자장치들은 서로 연결되고 상호연동되어 차량 전장용 임베디드 소 프트웨어 플랫폼 및 차량 내 통신(In-Vehicle Network)의 중요성이 더욱 요구되었다. 이에 차량 응용 SW의 재사용성, 확장성, 신뢰성을 제공하는 차량 전장용 임베디드 소프트웨어 플랫폼의 공 개 표준을 제정하기 위하여, 2003년 BMW Group, DaimlerChrysler, Volkswagen, Bosch 등의 자 동차업체들이 모여 AUTOSAR(Automotive Open System Architecture)를 결성하였다. AUTOSAR 협의체는 [그림 1]과 같이 3단계의 구조로 되어 있으며, 국내에서는 현대기아자동 차가 Premium Member이고, 한국전자통신연구원, 대구경북과학기술연구원, 대우정밀, 만도가 Associate Member로 활동하고 있다. AUTOSAR 규격에서는 차량 통신 네트워크로써 차량 외부와의 통신인 V2V(Vehicle-to-Vehicle) 와 V2I(Vehicle-to-Infra) 통신은 정의하지 않으며, 차량 내 통신만을 지원한다. 그리고 현재 AUTOSAR SW 플랫폼의 최신 규격인 R3.1에서는 차량 내 통신 방법으로 LIN, CAN, FlexRay 통 신 프로토콜 지원을 위한 통신 모듈들을 정의하고 있다. 본 고에서는 차량 전장용 임베디드 소프트웨어 플랫폼의 표준으로 발전하고 있는 AUTOSAR R3.1 규격에서의 통신 모델, AUTOSAR가 지원하는 통신 프로토콜(LIN, CAN, FlexRay) 및 이를 자동차 전장 SW 플랫폼(AUTOSAR)의 차량 내 통신 서비스 표준화 동향 41
:02 OSIA S & TR 그림 ❶ AUTOSAR 회원 구조(2008년 3월) 위한 AUTOSAR SW 플랫폼의 통신 지원 모듈들을 중심으로 AUTOSAR 통신 서비스의 기술 동향 을 살펴본다. 2. AUTOSAR SW 플랫폼의 통신 모델 AUTOSAR SW 플랫폼은 5계층(응용 계층, RTE, 서비스 계층, EAL, MCAL)으로 구분되며, [그 림 2]는 AUTOSAR SW 플랫폼을 구성하는 각각의 기능 계층들의 상호작용을 표현한 것이다. 그림 ❷ AUTOSAR SW 플랫폼 구조 42 OSIA Standards & Technology Review
표 준 화 동 향 응용 계층은 차량 응용 SW가 위치하는 계층으로 AUTOSAR SW-C(Software Component)들로 구성된다. SW-C는 차량의 응용 기능 단위로써 포트를 이용하여 다른 컨포넌트들과 상호 데이터 를 교환한다. RTE(Run-Time Environment)는 AUTOSAR SW-C들간의 통신을 지원하고, RTE 하위 계층과 AUTOSAR SW-C간의 브리지 역할을 한다. 서비스 계층, EAL(ECU 추상화 계층), MCAL(Microcontroller 추상화 계층), 그리고 CDD (Complex Device Drivers)을 합하여 BSW(Basic Software) 계층이라 한다. BSW 계층의 최고 상위 계층인 서비스 계층은 운영체제 서비스, 메모리 서비스, 통신 서비스 등 으로 구성되고, MCAL의 상위에 존재하는 EAL은 인터페이스 드라이버들을 제공하여 상위 계층인 RTE와 서비스 계층이 ECU 하드웨어에 의존적이지 않도록 ECU 하드웨어를 추상화하는 역할을 한다. MCAL은 마이크로컨트롤러, 메모리, I/O 등의 드라이버들로 구성이 되고, CDD는 SW-C가 마이크로컨트롤러에 직접 연결되어야 하는 경우(파워트레인의 연료주사, 미션제어 등)에 사용된다. 그림 ❸ AUTOSAR에서의 Sender-Receiver 통신 모델 및 Client-Server 통신 모델 AUTOSAR SW-C sender send_information receive_information AUTOSAR SW-C receiver 1 AUTOSAR SW-C client 1 Service_requested Service_Provided AUTOSAR SW-C server receive_information AUTOSAR SW-C receiver 2 AUTOSAR SW-C client 2 Service_requested RTE는 Sender-Receiver 통신 모델과 Client-Server 통신 모델이라는 두 가지의 모델을 지원한 다. Sender-Receiver 통신 모델은 데이터 전송하려는 Sender가 미리 정해진 포트에 데이터를 보 내면 RTE가 Receiver의 포트에 데이터를 전송하는 방식이다. Client-Server 통신 모델은 분산 시 스템에서 널리 사용되는 통신 방법으로 Server는 서비스의 제공자이고, Client는 서비스의 요청자 이다. 이와 같은 두 가지 통신 모델은 모두 RTE와 포트를 통해 통신이 이루어진다. VFB(Virtual Functional Bus)는 응용 계층의 SW-C들의 연결을 추상화한 가상적인 네트워크이다. RTE는 ECU상에서 VFB를 구현한 실시간 환경으로써, ECU 하드웨어와 BSW 계층으로부터 응용 계층을 추상화시켜서 분산되어 있는 ECU들을 위한 응용 계층의 SW-C들을 서로 연동하여 분산 통신을 지원하는 미들웨어이다. [그림 4]는 RTE를 기반으로 하는 응용 계층의 SW-C들 사이의 통신 메커니즘을 보여준다. RTE 와 SW-C와의 통신은 포트를 이용한다. RTE는 BSW 계층의 통신 모듈들과 SW-C 사이의 추상화 를 지원하기에 SW-C B는 같은 ECU에 존재하는 SW-C C와의 통신인지, 다른 ECU에 존재하는 SW-C A와의 통신인지에 상관없이 동일한 인터페이스를 가진다. 자동차 전장 SW 플랫폼(AUTOSAR)의 차량 내 통신 서비스 표준화 동향 43