Ⅰ. 서 론
최근 홈 네트워크에서는 근거리 통신을 목적으 로 지그비 네트워크를 많이 활용하고 있다. 지그비 네트워크는 다른 무선 통신 기술에 비해 전력 소비 가 적고, 저렴하게 구현된 통신 기술이다. 이러한 특징으로 인해 지그비 네트워크는 산업, 과학, 의료 등 다양한 분야에서 활용되고 있다.
지그비 네트워크의 물리 계층 및 매체 접근 제어 계층은 IEEE 802.15.4[1] 표준에 의해 정의된다. IEEE 802.15.4 의 물리 계층에서 정의된 2.4 GHz의 ISM (Industrial, Science, and Medical) 대역은 산업, 과학, 의료 등에 많이 사용되는 비 허가 주파수 대 역으로 블루투스, 무선랜 등이 사용하고 있다. 특히 스마트폰과 타블렛 PC의 보급과 더불어 무선랜의 사용이 증가함에 따라 동일한 주파수 대역을 사용 하는 지그비 네트워크에 많은 간섭을 주게 되었다. 지그비 네트워크는 송신 출력이 작기 때문에 비교 적 송신 출력이 큰 무선랜에 의한 간섭의 영향을 많이 받게 된다. 이와 같은 이기종 네트워크에 의한 간섭은 패킷 전송의 실패를 야기시키며 네트워크의 신뢰성을 감소시키는 요인이 된다.
동일한 주파수를 사용하는 네트워크에서 간섭을 최소화하기 위해 다수의 기법이 제안되었다. 제안 된 간섭 최소화 기법은 간섭 탐지 기법과 간섭 회 피 기법으로 구분할 수 있다. 간섭 탐지 기법의 하 나로 에너지 스캔을 통해 채널의 간섭 여부를 파악 하는 기법이 제안되었다[2]. 에너지 스캔을 이용한 간섭 탐지 기법은 스캔의 주기를 짧게 하면 보다 정확하게 충돌을 감지할 수 있지만 잦은 에너지 스 캔으로 인해 네트워크의 자원 낭비가 심화된다. 간 섭 회피 기법으로는 간섭이 발생하였을 경우 랜덤 한 채널 호핑을 통해 간섭을 회피하는 기법이 제안 되었는데, 충돌이 발생한 채널을 회피하여 패킷 손 실을 줄이는 장점이 있지만 불확실한 채널 간섭 회 피로 인해 채널 호핑 시간이 증가할 수 있다[3].
본 논문에서는 무선랜의 주파수 간섭을 최소화 하기 위한 TCH (Table-driven Channel Hopping) 기법 을 제안한다. 제안하는 TCH 기법은 간섭에 의해 패 킷 손실이 발생하였을 경우 빠르게 채널 간섭 발생 을 탐지하고 테이블을 기반으로 채널 호핑을 수행 하여 간섭을 회피한다. TCH 기법을 통해 빠르게 안 정된 채널을 사용할 수 있으므로 간섭 감지 및 회 피 동작에 의한 자원 낭비를 줄일 수 있고 패킷 손 실을 최소화할 수 있다.
논문의 2장에서는 지그비 네트워크의 간섭에 대 한 관련 연구를 기술하였고 3장에서는 제안하는 TCH 기법에 대하여 기술하였다. 4장에서는 실험을 통해 테이블 기반 채널 호핑 기법의 성능을 평가하 였으며 마지막으로 5장에서는 결론 및 향후 연구 과제를 기술하였다.
Ⅱ. 관련 연구
1. 주파수 간섭 문제
지그비 네트워크는 WPANs (Wireless Personal Area Networks) 기술로 낮은 전력을 소모하며, 초저 가의 센서 네트워크를 구현하기에 적절한 방안을 제공한다. 지그비 네트워크는 총 3개의 주파수 대 역을 사용한다. 1개의 채널로 이루어진 868 MHz 대 역은 주로 유럽에서 사용되며 10개의 채널로 이루 어진 915 MHz 대역은 주로 북미에서 사용된다. 16 개의 채널로 이루어진 2.4 GHz 대역은 산업, 과학, 의료 등에 많이 사용되는 비 허가 주파수 대역으로 전세계적으로 사용된다[4]. 국내에서는 지그비 네트 워크의 주파수를 할당받지 못하였기 때문에 전 세 계적으로 사용하는 2.4 GHz대역을 사용한다. 식 (1) 은 2.4 GHz대역에서의 지그비 네트워크의 중심 주 파수를 나타낸다[5]. k는 각 채널의 인덱스 값을 나 타내며 d는 두 개의 인접한 채널 간의 주파수 간격 을 나타낸다.
IEEE 802.15.4[1]의 규격에서는 기본적으로 멀티 채널을 사용하는 것이 가능하다. 현재 사용하고 있 는 지그비 네트워크는 중심주파수 2,405 MHz 부터 2,480 MHz 까지 총 16개의 채널을 사용하며 각각의 채널은 5 MHz의 간격을 갖는다. IEEE 802.11b는 총 14개의 채널을 사용하며 각 채널은 22 MHz의 대역 폭과 5 MHz의 간격을 가지고 있으며 통산 3개의 비 중첩 주파수를 사용한다. 사용하는 3개의 주파 수는 랜덤하게 선택된다. 따라서 <그림 1>과 같이 지그비 네트워크와 무선랜이 같은 주파수 대역을 사용함에 따라 간섭이 발생하게 된다[6].
2. 간섭 최소화 기법
지그비 네트워크에서 무선랜 주파수와의 간섭을 최소화하기 위한 기법들이 다수 연구되었다. 간섭 최소화 과정은 간섭 탐지 단계와 간섭 회피 단계로 구성된다. 간섭 탐지 기법인 에너지 탐지 스캔 기법은 IEEE802.15.4 PHY 계층에서 측정된 RSSI (Received Signal Strength Indicator) 값을 이용하여 간섭을 판 별한다[3]. 즉, 지그비 네트워크에서 사용 가능한 16 개 채널의 에너지를 스캔하여 RSSI 값을 코디네이 터에 전송하게 된다. 코디네이터는 RSSI 값을 기반 으로 채널 정보를 추정하여 비교표를 작성하고 이 를 End Device에 보낸다. 그리고 End Device에서는 통신할 수 있는 최적의 채널을 찾아서 변경한다. 이 기법은 측정된 RSSI 값을 기반으로 임계값을 설정 하여 임계값 이상의 RSSI 값일 경우 간섭으로 판단 한다. 하지만 RSSI 값은 거리에 비례하여 측정되기 때문에 새로운 노드가 코디네이터에 근접한 위치로 추가되었을 때 RSSI 값이 임계값 이상으로 측정된 다. 이에 따라 새로운 노드를 간섭으로 판단하는 오 류가 발생할 수 있다. 또한 통신 패턴을 정해진 시 간마다 분석하여 그 정보를 기반으로 채널을 선택 하기 때문에 이에 따른 자원 낭비가 심각하며 통신 패턴을 수신하는 시간이 네트워크 상황에 따라 변 할 수 있다는 단점이 있다.
에너지 탐지 스캔 기법의 단점을 보완하기 위하 여 ACK/NACK 기반으로 간섭 탐지하는 기법이 제 안되었다[3]. 이 기법은 패킷을 전송할 때 ACK를 받았는지를 판단하여 간섭을 탐지하게 된다. ACK 를 제대로 수신하였을 경우 SuccessNACK 값을 0으 로 설정하게 되며 ACK를 수신하지 못하였을 경우 SuccessNACK값에 1을 더해준다. 해당 값이 클 경 우 이를 기존에 정해 놓은 SuccessNACK의 임계값 과 비교하여 간섭이 발생하였다고 판단한다. ACK/NACK기반의 간섭 탐지 기법은 불필요한 자 원의 낭비를 줄일 수 있으며 네트워크 상황의 변화 를 적게 받는 장점이 있다. 하지만 적절한 임계값을 찾지 못할 경우 자원의 낭비가 심각해질 수 있으며 간섭 탐지에 실패할 수 있다는 단점이 있다.
채널 호핑은 간섭이 발생한 채널에서 현재 사용되 지 않는 채널로 이동하여 간섭을 회피하는 방법이다. 하지만 매 채널마다 호핑을 할 경우 채널 변경 횟수 가 많아져서 불필요한 자원 낭비가 발생한다. 이와 같은 문제를 해결하기 위해 DAIA (Distributed Adaptive Interference Avoidance) 기법이 제안되었다 [7]. DAIA 기법은 에너지 스캔을 통하여 간섭의 발 생을 판단하고 스캔한 에너지 값이 정해 놓은 임계 값 보다 클 경우 간섭이 발생한 것으로 판단하여 채널 호핑을 통한 간섭 회피를 수행한다. 일반적으 로 무선랜의 한 개의 채널에 지그비 네트워크 채널 4개가 중첩되기 때문에 간섭이 발생하였을 때 현재 채널에서 4개의 채널을 호핑하여 다시 채널의 간섭 여부를 에너지 스캔을 통하여 판단한다. 하지만 이 전에 발생한 채널 간섭을 고려하지 않고 단순히 채 널 호핑을 수행함으로 인해 불필요한 채널 호핑이 발생할 수 있다.
Ⅲ. Table-driven Channel Hopping 기법
본 논문에서는 지그비 네트워크에서 무선랜의 주파수 간섭을 최소화하기 위한 TCH (Table-driven Channel Hopping) 기법을 제안한다. TCH 기법은 ACK 메커니즘을 통해서 간섭을 판별하고 이를 채 널 테이블에 저장한다. 또한 채널에서 간섭이 발생 한 빈도를 확률적으로 계산하여 안정된 채널을 찾 고 해당 채널로 호핑한다.
1) 채널 간섭 탐지
기존의 채널 간섭 탐지 기법에서는 채널의 RSSI를 측정하여 이를 기반으로 간섭을 탐지한 다. 하지만 이와 같은 에너지 스캔 기법을 사용하 여 간섭을 탐지할 경우 간섭 탐지를 위해 추가로 자원을 소모한다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 MAC (Media Access Control) 프로토콜에서 의 ACK 메커니즘을 이용한 간섭 탐지 기법을 제 안한다.
IEEE 802.15.4에서는 데이터 프레임이나 MAC 명 령 프레임의 성공적인 데이터 수신을 ACK 메커니 즘을 통해 확인할 수 있다. 만약 수신중인 디바이스 에서 수신된 데이터 프레임을 처리할 수 없다면 ACK 패킷은 전송되지 않는다. 송신 디바이스에서 일정 주기 이후에도 ACK 패킷을 받지 못한다면 그 전송을 실패로 간주하고 재전송을 수행한다. 패킷 전송의 실패는 패킷 충돌, 채널 간섭 등에 의해 발 생할 수 있다. 따라서 전송 실패 시 통신 채널을 변 경한다면 패킷 충돌 및 채널 간섭의 영향을 최소화 할 수 있다.
ACK 메커니즘을 통한 간섭 탐지 기법에서 재전 송 횟수의 임계값은 채널 간섭 탐지의 성능에 큰 영향을 미친다. 따라서 실험을 통하여 적절한 재전 송 횟수 임계값을 분석하였다. 실험을 위하여 OPNET Modeler[8]의 지그비 모델을 이용하여 ACK 메커니즘 기반의 채널 호핑 기법을 구현하였고 간 섭을 발생시키기 위하여 무선랜 재머를 이용하였 다. 이와 같은 환경에서 ACK 메커니즘의 재전송 횟수를 1회에서 5회로 변경하며 재밍이 발생할 때 두 지그비 노드 간의 채널 변경 횟수를 계산하였다. <그림 2>는 ACK 메커니즘의 재전송 횟수에 따른 채널 변경 횟수를 나타낸다.
재전송 횟수 임계값을 작게 설정하였을 경우 불 필요한 채널 변경으로 인해 네트워크 자원 소모가 커지게 되며, 크게 설정하였을 경우 채널 간섭 탐지 의 지연이 증가한다. 실험에서는 재전송 횟수를 3 회로 설정하였을 경우 적절한 네트워크 자원 소모 및 간섭 탐지가 가능함을 확인할 수 있었다. 따라서 제안하는 TCH 기법에서는 ACK 메커니즘의 재전송 횟수 임계값을 3회로 설정하여 이를 초과하였을 경 우 간섭이 탐지되었다고 판단한다.
2) 채널 간섭 회피
무선 네트워크에서의 채널 할당 기법은 데이터 전송 전에 채널을 할당하는 FCA (Fixed Channel Assignment) 기법과 데이터 전송 후에 채널을 할당 하는 DCA (Dynamic Channel Assignment) 기법으로 구분할 수 있다[9]. DCA 기법의 하나인 채널 호핑 기법은 간섭에 의한 충돌이 발생하거나 데이터 전 송 중이어서 채널을 사용하지 못할 경우 다른 채널 로 이동하여 사용하는 방식이다. 채널 호핑 기법은 동일한 패턴을 갖는 일반적인 호핑 방식과 특정한 방식을 갖는 독립적 호핑 방식이 있다.
일반적인 호핑 방식인 DAIA 기법은 16개의 채 널 중 4개의 채널만 사용하기 때문에 해당하는 4 개의 채널에서 모두 간섭이 발생할 경우 간섭을 회피하지 못한다. 해당하는 4개의 채널에서 간섭 을 발생시키기 위하여 13번, 17번, 21번, 25번의 채널에 일정 시간 이후 간섭을 발생시킨 후 해당 채널을 이용하도록 DAIA 기법을 실험하였다. <그 림 3>은 사용하는 4개의 채널에서 간섭이 발생하 였을 때 DAIA 기법의 전송량을 측정한 것이다. 사용하는 4개의 채널 모두 간섭이 발생하기 때문 에 간섭이 발생하지 않는 채널로 호핑할 수 없으 며 이에 따라 전송량이 낮게 측정되는 것을 확인 할 수 있다.
이와 같이 일반적인 호핑 방식을 따를 경우 특정 한 상황에서의 간섭을 회피하지 못하고 전송률이 급격히 낮아지게 된다. 따라서 본 논문에서는 간섭 상황을 인지하여 특정한 호핑 방식을 따르는 독립 적 호핑방식인 TCH 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 TCH 기법은 16개의 모든 채널에서 무선 랜 간섭 발생을 체크하여 이를 무선랜에서의 채널 사용 패턴으로 인식하고, 모든 채널을 검색하여 간 섭 발생 채널을 회피하기 때문에 간섭을 최소화할 수 있다. 제안한 TCH 기법은 채널의 간섭이 발생하 였을 때 그 횟수를 체크하여 채널 테이블에 누적값 을 저장한다. 테이블은 <그림 4>와 같이 각 채널과 간섭에 의한 충돌 발생 횟수를 나타내는 값으로 구 성된다. 누적된 충돌 발생 횟수는 무선랜의 채널 사 용 패턴 확률을 나타낸다[10].
<그림 5>는 간섭이 탐지되었을 경우 채널 선택 알고리즘을 나타낸다. 패킷을 전송중인 노드에서 ACK 메커니즘을 통하여 재전송 횟수가 3회 이상 일 경우 간섭이 발생했다고 판단한다. 간섭이 발 생하였을 경우 해당 채널의 누적 값에 1을 더한 후 16개의 채널의 누적 값 중 최소값을 가지고 있 는 채널을 검색한다. 채널을 검색할 때는 간섭이 발생한 현재 채널을 기준으로 양쪽의 3개 채널과 현재 채널, 즉 총 7개의 채널을 제외한 9개의 채 널에서 검색한다. 이는 현재 간섭을 발생시킨 무 선랜의 채널이 지그비 채널 4개와 중첩되기 때문 에 무선랜의 간섭에 영향 받는 채널은 호핑할 채 널에서 제외시키는 것이다. 또한 지그비 채널 4개 와 무선랜 주파수 1개가 겹치게 되지만 <그림 6> 과 같이 14번 채널에서 간섭이 탐지되었을 경우 11번부터 17번 채널 모두 간섭이 탐지될 수 있기 때문에 총 7개의 채널을 다음 호핑할 채널에서 제 외시킨다. 따라서 현재 간섭의 영향을 받을수 있 는 7개 채널의 상태를 1, 나머지 9개 채널의 상태 를 0으로 설정한다. 제안하는 TCH 기법에서는 채 널의 상태와 간섭 발생 누적 테이블을 가지고 다 음 전송할 채널을 선택하게 된다. 채널의 상태가 0이면서 검색된 채널이 1개인 경우 현재 채널에서 최소값을 가지고 있는 채널로 호핑한다. 만약 채 널의 상태가 0이면서 검색된 채널이 2개 이상일 경우 현재 채널에서 최소 4개에서 최대 8개의 채 널 중 랜덤한 채널로 호핑한다. 호핑한 채널이 26 번 채널을 넘어갈 경우 지그비 네트워크에서 호환 하는 채널이 아니므로 사용 가능한 채널로 다시 설정을 하게 된다.
Ⅳ. 실험 및 성능 평가
1. 간섭 및 채널 호핑에 따른 실험 및 평가
무선랜 간섭 환경에서 지그비 네트워크의 성능 을 알아보기 위해 OPNET Modeler[8]를 이용하여 실험을 수행하였다. 무선랜의 간섭 발생을 설정하 기 위하여 802.11b의 주파수 대역을 갖는 랜덤 재머 를 사용하였다. 재머는 방해전파를 보내어 원활한 통신에 교란을 주는 역할을 수행한다. 실험에서는 랜덤한 재밍과 슬리핑을 갖는 랜덤 재머를 사용하 였다[11]. 802.11b는 기본적으로 3개의 채널을 랜덤 하게 사용하기 때문에 많은 간섭이 발생하는 상황 을 적용하기 위하여 실험에서는 2,412 MHz, 2,437 MHz, 2,462 MHz를 중심 주파수를 갖는 3개의 재머 를 사용한다. 각각의 주파수는 무선랜 환경과 같은 환경을 만들기 위해 무선랜의 1번, 6번, 11번 중심 주파수로 설정한 것이다.
각 실험의 성능 분석을 위해 시뮬레이션 시간은 1,000,000 초, 전송 파워는 0.001 W (0dBM), 트래픽 은 1024 비트의 패킷 사이즈를 갖는 CBR (Constant Bit Rate) 트래픽을 1초에 한번씩 생성하였다. 노드 간 전송 거리는 100 m로 구성하였으며 Receiver Power Threshold 값은 -85 dBM으로 설정하였다. 네 트워크 부하를 중가 시키기 위하여 재머 노드의 트 래픽은 0.05초마다 19000비트에서 22000비트까지 증가시키며 실험하였다.
<그림 7>은 간섭 증가에 따른 패킷 전송 실패 율의 변화를 나타낸다. 네트워크 부하가 410 kbps 이상 증가하게 되었을 때 PER (Packet Error Ratio) 이 0.02% 이상의 값을 보임을 확인할 수 있었다. 즉, 네트워크 부하가 증가함에 따른 간섭으로 패 킷 전송 실패가 급격하게 증가하게 됨을 알 수 있다.
채널 호핑이 패킷 전송률에 주는 영향을 평가하 기 위하여 기존 802.15.4 MAC 프로세스 모델을 사 용한 경우와 채널 호핑이 추가된 MAC 모델을 사용 한 경우를 각각 실험하여 성능을 비교하였다. 재머 노드는 300,000초에서 800,000초 사이의 시간 동안 재밍하게 된다. <그림 8>과 같이 채널 호핑을 하지 않을 경우 해당 시간에 패킷 전송 실패가 발생하는 것을 확인할 수 있다. 즉 재머 노드가 발생하는 간 섭에 의해 전송 실패가 나타나게 됨을 알 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 간섭의 발생 후 사 용하지 않는 다른 채널을 선택하는 채널 호핑을 수 행하도록 하였다. <그림 8>과 같이 채널 호핑을 이 용할 경우 간섭으로 인한 패킷 전송 실패를 줄일 수 있음을 확인하였다.
2. TCH 기법의 실험 및 성능 평가
본 논문에서 제안한 TCH 기법을 평가하기 위해 2개의 지그비 네트워크 노드와 3개의 재머를 50 m 의 반경에 <그림 9>와 같은 토폴로지를 설정하여 실험을 하였다. 실험에서 사용하는 지그비 네트워 크 노드와 재머의 실험 환경 변수는 <표 1>과 같이 설정하였다. 이와 같은 환경에서 어떤 기법도 적용 하지 않았을 경우와 DAIA 기법, 그리고 제안하는 TCH 기법의 성능을 비교하였다. TCH 기법은 전송 을 시도하는 채널에서 간섭이 발생할 경우 ACK 메 커니즘을 통해 재전송 여부를 결정한다.
TCH 기법은 전송을 시도하는 채널에서 간섭이 발생할 경우 ACK 메커니즘을 통해 재전송 여부를 결정한다. 재전송이 결정된 후 간섭이 발생하지 않 는 채널을 검색하게 되며, 검색된 채널을 통해 재전 송이 이루어진다. <그림 10>은 각 기법이 18초 마 다 재전송 여부를 판단하여 총 100회의 샘플링 값 을 비교한 결과이다. 실험 결과를 통해 어떤 기법도 적용하지 않았을 경우에 비해 TCH 기법의 경우 재 전송 횟수를 62% 만큼 성능이 개선하였으며 DAIA 기법에 비해서는 15% 만큼 성능을 개선하였다. DAIA와 TCH 기법의 성능이 더 좋게 나타난 이유 는 간섭에 의한 패킷 손실을 인지하지 못하고 해당 채널에서 재전송을 시도하기 때문이다. 또한 DAIA 기법에 비해 본 논문에서 제안한 TCH 기법의 재전 송 횟수가 적다는 것을 알 수 있다. 이는 테이블을 통해 관리되는 값들이 채널의 상태를 나타내고 있 기 때문에 안정적인 채널로의 빠른 이동이 가능하 기 때문이다.
<그림 11>은 각 기법의 평균 지연시간을 나타낸 결과이다. TCH 기법은 어떤 기법도 적용하지 않은 경우에 비해 79%의 성능 개선을 보였으며 DAIA 기법에 비해서는 65%의 성능 개선을 보였다. TCH 기법이 짧은 지연시간을 가지는 이유는 재전송 횟 수가 DAIA 기법에 비해 적으며 재전송에 필요한 자원 낭비와 시간이 더 적기 때문이다. 실험을 통 해 지그비 네트워크에서 무선랜에 의한 간섭이 발 생할 경우 제안하는 TCH 기법을 통해 더욱 빠르게 안정된 채널을 선택하여 통신할 수 있음을 확인할 수 있다.
Ⅴ. 결 론
최근 스마트폰 및 타블렛 PC의 사용이 증가하면 서 무선랜의 트래픽이 많이 증가하였다. 무선랜과 지그비 네트워크는 동일한 주파수 대역인 ISM 대 역을 사용하기 때문에 송신 전력이 무선랜에 비해 작은 지그비 네트워크는 이로 인한 간섭을 많이 받 게 된다. 간섭을 받은 지그비 네트워크는 원할한 통 신이 불가능하며 이는 네트워크의 성능을 저하시키 는 원인이 된다.
본 논문에서는 무선랜에 의한 주파수 간섭 환경 에서 지그비 네트워크 성능 개선을 위한 TCH 기법 을 제안하였다. TCH 기법은 ACK 메커니즘을 통해 서 간섭을 판별하고 이를 채널 테이블을 통해 간섭 이 발생한 채널의 빈도를 확률적으로 계산하여 안 정된 채널을 선택할 수 있다. 제안하는 TCH 기법과 기존의 간섭 최소화 기법인 DAIA와의 성능 비교를 통하여 TCH 기법이 간섭 발생시 빠르게 채널 호핑 을 수행할 수 있음을 확인하였다.
향후 지그비 네트워크를 위한 정교한 간섭 발생 탐지 기법을 연구하고자 한다. 또한 간섭 주파수 대 역 인지를 통한 채널 호핑 기법을 연구하고자 한다.
