저전력 근거리 통신을 목적으로 개발된 지그비 네트워크는 유비쿼터스 컴퓨팅을 위한 홈네트워크 솔루션으로 많이 활용되고 있다. 하지만 최근 스마트폰 및 타블렛 PC의 보급으로 인해 지그비 네트워크와 동일 주파수를 사용하는 무선랜의 사용이 증가하였고, 이로 인해 주파수 간섭 문제가 빈번히 발생하게 되었다. 이와 같은 주파수 간섭 문제를 해결하기 위해 지그비 네트워크에서의 간섭 최소화 기법의 연구가 활발히 진행되었다. 하지만 기존의 간섭 최소화 기법은 간섭탐지를 위한 자원 소모가 크거나 간섭 회피를 위한 채널 호핑 시간이 길다는 문제를 갖는다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 개선하기 위한 방법을 제안한다. 제안하는 간섭 최소화 기법은 불필요한 자원의 낭비를 줄이기 위해 ACK 메커니즘을 이용하여 간섭을 탐지하며, 테이블 기반의 채널 호핑 기법을 통해 기존의 기법보다 빠르게 간섭을 회피한다. OPNET 시뮬레이터를 이용하여 제안하는 간섭 최소화 기법의 성능을 평가하였다. 실험 결과를 통해 간섭 발생시 제안하는 기법이 기존 기법보다 빠른 채널 호핑이 가능하고 이로 인해 네트워크의 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
저전력 근거리 통신을 목적으로 개발된 지그비 네트워크는 유비쿼터스 컴퓨팅을 위한 홈네트워크 솔루션으로 많이 활용되고 있다. 하지만 최근 스마트폰 및 타블렛 PC의 보급으로 인해 지그비 네트워크와 동일 주파수를 사용하는 무선랜의 사용이 증가하였고, 이로 인해 주파수 간섭 문제가 빈번히 발생하게 되었다. 이와 같은 주파수 간섭 문제를 해결하기 위해 지그비 네트워크에서의 간섭 최소화 기법의 연구가 활발히 진행되었다. 하지만 기존의 간섭 최소화 기법은 간섭탐지를 위한 자원 소모가 크거나 간섭 회피를 위한 채널 호핑 시간이 길다는 문제를 갖는다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 개선하기 위한 방법을 제안한다. 제안하는 간섭 최소화 기법은 불필요한 자원의 낭비를 줄이기 위해 ACK 메커니즘을 이용하여 간섭을 탐지하며, 테이블 기반의 채널 호핑 기법을 통해 기존의 기법보다 빠르게 간섭을 회피한다. OPNET 시뮬레이터를 이용하여 제안하는 간섭 최소화 기법의 성능을 평가하였다. 실험 결과를 통해 간섭 발생시 제안하는 기법이 기존 기법보다 빠른 채널 호핑이 가능하고 이로 인해 네트워크의 성능을 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
ZigBee networks developed for low power and short range communication are being used as home network solution for ubiquitous computing. However, as smart phones and tablet PCs have been widely used, WLANs which use same frequency with ZigBee networks have been increasingly used. Therefore, radio fre...
ZigBee networks developed for low power and short range communication are being used as home network solution for ubiquitous computing. However, as smart phones and tablet PCs have been widely used, WLANs which use same frequency with ZigBee networks have been increasingly used. Therefore, radio frequency interference causes many problems. To solve radio frequency interference problem among ZigBee networks and WLANs, many researches focus on designing interference minimization schemes in ZigBee networks. However, existing schemes have problems that have waste of resource for detecting interference, and have unnecessary time to avoid interference. In this paper, we propose an interference minimization scheme to solve radio frequency interference in ZigBee networks. The proposed scheme detects interference using ACK mechanism to reduce waste of resource, and avoids interference using table driven channel hopping scheme which is faster than existed schemes. The performance of proposed interference minimization scheme is evaluated by using OPNET simulator. Through the simulation result, we prove that proposed scheme has faster channel hopping than existing schemes.
ZigBee networks developed for low power and short range communication are being used as home network solution for ubiquitous computing. However, as smart phones and tablet PCs have been widely used, WLANs which use same frequency with ZigBee networks have been increasingly used. Therefore, radio frequency interference causes many problems. To solve radio frequency interference problem among ZigBee networks and WLANs, many researches focus on designing interference minimization schemes in ZigBee networks. However, existing schemes have problems that have waste of resource for detecting interference, and have unnecessary time to avoid interference. In this paper, we propose an interference minimization scheme to solve radio frequency interference in ZigBee networks. The proposed scheme detects interference using ACK mechanism to reduce waste of resource, and avoids interference using table driven channel hopping scheme which is faster than existed schemes. The performance of proposed interference minimization scheme is evaluated by using OPNET simulator. Through the simulation result, we prove that proposed scheme has faster channel hopping than existing schemes.
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문제 정의
이와 같이 일반적인 호핑 방식을 따를 경우 특정한 상황에서의 간섭을 회피하지 못하고 전송률이 급격히 낮아지게 된다. 따라서 본 논문에서는 간섭 상황을 인지하여 특정한 호핑 방식을 따르는 독립적 호핑방식인 TCH 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 TCH 기법은 16개의 모든 채널에서 무선랜 간섭 발생을 체크하여 이를 무선랜에서의 채널 사용 패턴으로 인식하고, 모든 채널을 검색하여 간섭 발생 채널을 회피하기 때문에 간섭을 최소화할수 있다.
향후 지그비 네트워크를 위한 정교한 간섭 발생 탐지 기법을 연구하고자 한다. 또한 간섭 주파수 대역 인지를 통한 채널 호핑 기법을 연구하고자 한다.
본 논문에서는 무선랜에 의한 주파수 간섭 환경에서 지그비 네트워크 성능 개선을 위한 TCH 기법을 제안하였다. TCH 기법은 ACK 메커니즘을 통해서 간섭을 판별하고 이를 채널 테이블을 통해 간섭이 발생한 채널의 빈도를 확률적으로 계산하여 안정된 채널을 선택할 수 있다.
본 논문에서는 무선랜의 주파수 간섭을 최소화하기 위한 TCH (Table-driven Channel Hopping) 기법을 제안한다. 제안하는 TCH 기법은 간섭에 의해 패킷 손실이 발생하였을 경우 빠르게 채널 간섭 발생을 탐지하고 테이블을 기반으로 채널 호핑을 수행하여 간섭을 회피한다.
본 논문에서는 지그비 네트워크에서 무선랜의주파수 간섭을 최소화하기 위한 TCH (Table-driven Channel Hopping) 기법을 제안한다. TCH 기법은 ACK 메커니즘을 통해서 간섭을 판별하고 이를 채널 테이블에 저장한다.
제안 방법
각 실험의 성능 분석을 위해 시뮬레이션 시간은 1,000,000 초, 전송 파워는 0.001 W (0dBM), 트래픽은 1024 비트의 패킷 사이즈를 갖는 CBR (Constant Bit Rate) 트래픽을 1초에 한번씩 생성하였다. 노드간 전송 거리는 100 m로 구성하였으며 Receiver Power Threshold 값은 -85 dBM으로 설정하였다.
노드간 전송 거리는 100 m로 구성하였으며 Receiver Power Threshold 값은 -85 dBM으로 설정하였다. 네트워크 부하를 중가 시키기 위하여 재머 노드의 트래픽은 0.05초마다 19000비트에서 22000비트까지 증가시키며 실험하였다.
ACK 메커니즘을 통한 간섭 탐지 기법에서 재전송 횟수의 임계값은 채널 간섭 탐지의 성능에 큰 영향을 미친다. 따라서 실험을 통하여 적절한 재전송 횟수 임계값을 분석하였다. 실험을 위하여 OPNET Modeler[8]의 지그비 모델을 이용하여 ACK 메커니즘 기반의 채널 호핑 기법을 구현하였고 간섭을 발생시키기 위하여 무선랜 재머를 이용하였다.
TCH 기법은 ACK 메커니즘을 통해서 간섭을 판별하고 이를 채널 테이블에 저장한다. 또한 채널에서 간섭이 발생한 빈도를 확률적으로 계산하여 안정된 채널을 찾고 해당 채널로 호핑한다.
본 논문에서 제안한 TCH 기법을 평가하기 위해 2개의 지그비 네트워크 노드와 3개의 재머를 50 m의 반경에 [그림 9]와 같은 토폴로지를 설정하여 실험을 하였다. 실험에서 사용하는 지그비 네트워크 노드와 재머의 실험 환경 변수는 [표 1]과 같이 설정하였다.
즉 재머 노드가 발생하는 간섭에 의해 전송 실패가 나타나게 됨을 알 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 간섭의 발생 후 사용하지 않는 다른 채널을 선택하는 채널 호핑을 수행하도록 하였다. [그림 8]과 같이 채널 호핑을 이용할 경우 간섭으로 인한 패킷 전송 실패를 줄일수 있음을 확인하였다.
하지만 이와 같은 에너지 스캔 기법을 사용하여 간섭을 탐지할 경우 간섭 탐지를 위해 추가로 자원을 소모한다는 단점이 있다. 이를 해결하기 위해 MAC (Media Access Control) 프로토콜에서의 ACK 메커니즘을 이용한 간섭 탐지 기법을 제안한다.
실험을 위하여 OPNET Modeler[8]의 지그비 모델을 이용하여 ACK 메커니즘 기반의 채널 호핑 기법을 구현하였고 간섭을 발생시키기 위하여 무선랜 재머를 이용하였다. 이와 같은 환경에서 ACK 메커니즘의 재전송 횟수를 1회에서 5회로 변경하며 재밍이 발생할 때두 지그비 노드 간의 채널 변경 횟수를 계산하였다. [그림 2]는 ACK 메커니즘의 재전송 횟수에 따른 채널 변경 횟수를 나타낸다.
실험에서 사용하는 지그비 네트워크 노드와 재머의 실험 환경 변수는 [표 1]과 같이 설정하였다. 이와 같은 환경에서 어떤 기법도 적용하지 않았을 경우와 DAIA 기법, 그리고 제안하는 TCH 기법의 성능을 비교하였다.
동일한 주파수를 사용하는 네트워크에서 간섭을 최소화하기 위해 다수의 기법이 제안되었다. 제안된 간섭 최소화 기법은 간섭 탐지 기법과 간섭 회피 기법으로 구분할 수 있다. 간섭 탐지 기법의 하나로 에너지 스캔을 통해 채널의 간섭 여부를 파악 하는 기법이 제안되었다[2].
따라서 현재 간섭의 영향을 받을수 있는 7개 채널의 상태를 1, 나머지 9개 채널의 상태를 0으로 설정한다. 제안하는 TCH 기법에서는 채널의 상태와 간섭 발생 누적 테이블을 가지고 다음 전송할 채널을 선택하게 된다. 채널의 상태가 0이면서 검색된 채널이 1개인 경우 현재 채널에서 최소값을 가지고 있는 채널로 호핑한다.
본 논문에서는 무선랜의 주파수 간섭을 최소화하기 위한 TCH (Table-driven Channel Hopping) 기법을 제안한다. 제안하는 TCH 기법은 간섭에 의해 패킷 손실이 발생하였을 경우 빠르게 채널 간섭 발생을 탐지하고 테이블을 기반으로 채널 호핑을 수행하여 간섭을 회피한다. TCH 기법을 통해 빠르게 안정된 채널을 사용할 수 있으므로 간섭 감지 및 회피 동작에 의한 자원 낭비를 줄일 수 있고 패킷 손실을 최소화할 수 있다.
본 논문에서 제안하는 TCH 기법은 16개의 모든 채널에서 무선랜 간섭 발생을 체크하여 이를 무선랜에서의 채널 사용 패턴으로 인식하고, 모든 채널을 검색하여 간섭 발생 채널을 회피하기 때문에 간섭을 최소화할수 있다. 제안한 TCH 기법은 채널의 간섭이 발생하였을 때 그 횟수를 체크하여 채널 테이블에 누적값을 저장한다. 테이블은 [그림 4]와 같이 각 채널과 간섭에 의한 충돌 발생 횟수를 나타내는 값으로 구성된다.
채널 호핑이 패킷 전송률에 주는 영향을 평가하기 위하여 기존 802.15.4 MAC 프로세스 모델을 사용한 경우와 채널 호핑이 추가된 MAC 모델을 사용한 경우를 각각 실험하여 성능을 비교하였다. 재머 노드는 300,000초에서 800,000초 사이의 시간 동안 재밍하게 된다.
일반적인 호핑 방식인 DAIA 기법은 16개의 채널 중 4개의 채널만 사용하기 때문에 해당하는 4개의 채널에서 모두 간섭이 발생할 경우 간섭을 회피하지 못한다. 해당하는 4개의 채널에서 간섭을 발생시키기 위하여 13번, 17번, 21번, 25번의 채널에 일정 시간 이후 간섭을 발생시킨 후 해당 채널을 이용하도록 DAIA 기법을 실험하였다. [그림 3]은 사용하는 4개의 채널에서 간섭이 발생하였을 때 DAIA 기법의 전송량을 측정한 것이다.
대상 데이터
실험에서는 랜덤한 재밍과 슬리핑을 갖는 랜덤 재머를 사용하였다[11]. 802.11b는 기본적으로 3개의 채널을 랜덤하게 사용하기 때문에 많은 간섭이 발생하는 상황을 적용하기 위하여 실험에서는 2,412 MHz, 2,437 MHz, 2,462 MHz를 중심 주파수를 갖는 3개의 재머를 사용한다. 각각의 주파수는 무선랜 환경과 같은 환경을 만들기 위해 무선랜의 1번, 6번, 11번 중심 주파수로 설정한 것이다.
무선랜 간섭 환경에서 지그비 네트워크의 성능을 알아보기 위해 OPNET Modeler[8]를 이용하여 실험을 수행하였다. 무선랜의 간섭 발생을 설정하기 위하여 802.11b의 주파수 대역을 갖는 랜덤 재머를 사용하였다. 재머는 방해전파를 보내어 원활한 통신에 교란을 주는 역할을 수행한다.
재머는 방해전파를 보내어 원활한 통신에 교란을 주는 역할을 수행한다. 실험에서는 랜덤한 재밍과 슬리핑을 갖는 랜덤 재머를 사용하였다[11]. 802.
간섭이 발생하였을 경우 해당 채널의 누적 값에 1을 더한후 16개의 채널의 누적 값 중 최소값을 가지고 있는 채널을 검색한다. 채널을 검색할 때는 간섭이 발생한 현재 채널을 기준으로 양쪽의 3개 채널과 현재 채널, 즉 총 7개의 채널을 제외한 9개의 채널에서 검색한다. 이는 현재 간섭을 발생시킨 무선랜의 채널이 지그비 채널 4개와 중첩되기 때문에 무선랜의 간섭에 영향 받는 채널은 호핑할 채널에서 제외시키는 것이다.
이론/모형
무선랜 간섭 환경에서 지그비 네트워크의 성능을 알아보기 위해 OPNET Modeler[8]를 이용하여 실험을 수행하였다. 무선랜의 간섭 발생을 설정하기 위하여 802.
따라서 실험을 통하여 적절한 재전송 횟수 임계값을 분석하였다. 실험을 위하여 OPNET Modeler[8]의 지그비 모델을 이용하여 ACK 메커니즘 기반의 채널 호핑 기법을 구현하였고 간섭을 발생시키기 위하여 무선랜 재머를 이용하였다. 이와 같은 환경에서 ACK 메커니즘의 재전송 횟수를 1회에서 5회로 변경하며 재밍이 발생할 때두 지그비 노드 간의 채널 변경 횟수를 계산하였다.
성능/효과
[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 횟수가 DAIA 기법에 비해 적으며 재전송에 필요한 자원 낭비와 시간이 더 적기 때문이다.
[그림 7]은 간섭 증가에 따른 패킷 전송 실패율의 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 패킷 전송 실패가 급격하게 증가하게 됨을 알 수 있다.
실험에서는 재전송 횟수를 3회로 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 경우 간섭이 탐지되었다고 판단한다.
DAIA와 TCH 기법의 성능이 더 좋게 나타난 이유는 간섭에 의한 패킷 손실을 인지하지 못하고 해당 채널에서 재전송을 시도하기 때문이다. 또한 DAIA 기법에 비해 본 논문에서 제안한 TCH 기법의 재전송 횟수가 적다는 것을 알 수 있다. 이는 테이블을 통해 관리되는 값들이 채널의 상태를 나타내고 있기 때문에 안정적인 채널로의 빠른 이동이 가능하기 때문이다.
따라서 본 논문에서는 간섭 상황을 인지하여 특정한 호핑 방식을 따르는 독립적 호핑방식인 TCH 기법을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 TCH 기법은 16개의 모든 채널에서 무선랜 간섭 발생을 체크하여 이를 무선랜에서의 채널 사용 패턴으로 인식하고, 모든 채널을 검색하여 간섭 발생 채널을 회피하기 때문에 간섭을 최소화할수 있다. 제안한 TCH 기법은 채널의 간섭이 발생하였을 때 그 횟수를 체크하여 채널 테이블에 누적값을 저장한다.
[그림 3]은 사용하는 4개의 채널에서 간섭이 발생하였을 때 DAIA 기법의 전송량을 측정한 것이다. 사용하는 4개의 채널 모두 간섭이 발생하기 때문에 간섭이 발생하지 않는 채널로 호핑할 수 없으며 이에 따라 전송량이 낮게 측정되는 것을 확인할 수 있다.
[그림 10]은 각 기법이 18초 마다 재전송 여부를 판단하여 총 100회의 샘플링 값을 비교한 결과이다. 실험 결과를 통해 어떤 기법도 적용하지 않았을 경우에 비해 TCH 기법의 경우 재전송 횟수를 62% 만큼 성능이 개선하였으며 DAIA 기법에 비해서는 15% 만큼 성능을 개선하였다. DAIA와 TCH 기법의 성능이 더 좋게 나타난 이유는 간섭에 의한 패킷 손실을 인지하지 못하고 해당 채널에서 재전송을 시도하기 때문이다.
재전송 횟수 임계값을 작게 설정하였을 경우 불필요한 채널 변경으로 인해 네트워크 자원 소모가 커지게 되며, 크게 설정하였을 경우 채널 간섭 탐지의 지연이 증가한다. 실험에서는 재전송 횟수를 3회로 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 경우 간섭이 탐지되었다고 판단한다.
TCH 기법이 짧은 지연시간을 가지는 이유는 재전송 횟수가 DAIA 기법에 비해 적으며 재전송에 필요한 자원 낭비와 시간이 더 적기 때문이다. 실험을 통해 지그비 네트워크에서 무선랜에 의한 간섭이 발생할 경우 제안하는 TCH 기법을 통해 더욱 빠르게 안정된 채널을 선택하여 통신할 수 있음을 확인할수 있다.
TCH 기법은 ACK 메커니즘을 통해서 간섭을 판별하고 이를 채널 테이블을 통해 간섭이 발생한 채널의 빈도를 확률적으로 계산하여 안정된 채널을 선택할 수 있다. 제안하는 TCH 기법과 기존의 간섭 최소화 기법인 DAIA와의 성능 비교를 통하여 TCH 기법이 간섭 발생시 빠르게 채널 호핑을 수행할 수 있음을 확인하였다.
후속연구
향후 지그비 네트워크를 위한 정교한 간섭 발생 탐지 기법을 연구하고자 한다. 또한 간섭 주파수 대역 인지를 통한 채널 호핑 기법을 연구하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지그비는 무슨 목적으로 개발되었는가?
저전력 근거리 통신을 목적으로 개발된 지그비 네트워크는 유비쿼터스 컴퓨팅을 위한 홈네트워크 솔루션으로 많이 활용되고 있다. 하지만 최근 스마트폰 및 타블렛 PC의 보급으로 인해 지그비 네트워크와 동일 주파수를 사용하는 무선랜의 사용이 증가하였고, 이로 인해 주파수 간섭 문제가 빈번히 발생하게 되었다.
무선랜의 사용이 증가하면서 지그비에 어떤 영향을 주었는가?
저전력 근거리 통신을 목적으로 개발된 지그비 네트워크는 유비쿼터스 컴퓨팅을 위한 홈네트워크 솔루션으로 많이 활용되고 있다. 하지만 최근 스마트폰 및 타블렛 PC의 보급으로 인해 지그비 네트워크와 동일 주파수를 사용하는 무선랜의 사용이 증가하였고, 이로 인해 주파수 간섭 문제가 빈번히 발생하게 되었다. 이와 같은 주파수 간섭 문제를 해결하기 위해 지그비 네트워크에서의 간섭 최소화 기법의 연구가 활발히 진행되었다.
주파수 간섭 문제를 해결하기 위해 진행한 연구의 문제점은?
이와 같은 주파수 간섭 문제를 해결하기 위해 지그비 네트워크에서의 간섭 최소화 기법의 연구가 활발히 진행되었다. 하지만 기존의 간섭 최소화 기법은 간섭탐지를 위한 자원 소모가 크거나 간섭 회피를 위한 채널 호핑 시간이 길다는 문제를 갖는다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 개선하기 위한 방법을 제안한다.
참고문헌 (11)
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