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문제 정의
- 본 논문에서는 IEEE 802.15.4 MAC을 응용하여 TDMA/TDD MAC 프로토콜을 새로이 설계하였고 이에 맞는 Coordinator를 설계, 제작하여 최대 10채널의 Full-Duplex 음성 통신을 할 수 있는 시스템을 제안하였다. (그림삭제, 설명 일부 삭제 및 수정) 본 논문에서 제안하는 시스템은 야외 레저 활동, 건설 현장 및 긴급 재난 상황과 같이 그룹 통신을 응용할 수 있는 여러 가지 상황에서 사용 될 수 있다.
- 본 논문에서는 기존의 센서 네트워크 기반의 음성 통신의 한계점인 일대일 통신 방식을 극복하고 보다 많은 응용 솔루션을 기대할 수 있는 센서 네트워크 기반의 다수 사용자간 Full-Duplex 음성 통신을 위한 시스템을 설계하고 구현하였다. 본 시스템을 구현하기 위하여 IEEE 802.
제안 방법
- Mobile Device에서 음성 신호를 보내어 음성 합성이 이루어지고 합성된 음성 패킷 데이터가 다시 되돌아오는데 걸리는 시간을 계산하기 위하여 서로 다른 Mobile Device에서 아날로그 음성이 통과하는 오실로 스코프를 이용하여 확인하는 방식을 택했다. 실험 결과는 아래의 그림 6에서 볼 수 있듯이 Mobile Device간 음성 전송 지연이 약 100 ms임을 확인 하였다.
- 다수 사용자간 Full-Duplex 음성 통신을 구현하기 위하여 본 시스템에서는 최대 10개의 각 Mobile Device로부터 수신되는 G.729a 포맷의 음성 패킷 데이터를 아날로그 신호로 변환한 후, Coordinator 내부에 OP-AMP로 구성되는 가산 증폭 회로를 응용하여 아날로그 음성 신호를 합성하고 다시 G.729a 포맷으로 압축 변환하여 각 Mobile Device들에게 송신하는 방법을 채택하였다. 이러한 방식은 최대 10명의 사용자간의 그룹 통신을 가능케 할 수 있는 간단하지만 효과적인 방법이다.
- 이는 기존 Voice over Internet Protocol (VoIP)의 측정 결과와 비교하여 뒤떨어지지 않는 수준 이었으며, 실제 음성 통신을 하는데 있어서도 문제가 발생하지 않는 수준이었다. 또한 VoIP에서 음질 성능의 주관적 의견을 점수화하여 음성 품질을 측정하는 척도인 MoS를 측정하는 것과 마찬가지로 본 시스템에서도 사용자가 늘어날수록 변화하는 MoS를 측정하였다. Coordinator를 이용하여 Mobile Device간에 호시도를 통해 그룹 통신을 수행한 통화 품질 측정결과는 다음 그림 7과 같다.
- 사용자 수가 늘어날수록 음질 성능이 감소하는 이유는 그룹 통신을 위해 음성 합성이 이루어질 때, 사용자가 많아질수록 합성되는 음성뿐만 아니라 잡음 역시 마찬가지로 더 합성되기 때문임을 예상할 수 있었다. 또한 본 방법은 주관적 음질 평가이기 때문에 VoSN 시스템에서 사용자가 많아질수록 음성이 떨어지는 정도를 수치적으로 측정하기 위해서 단말기에서 음성 대신 사인파를 보내 되돌아오는 사인파의 위상을 비교하는 방법을 제안 하였는데 그 과정은 다음과 같다.
- 제안하는 TDMA/TDD MAC 프로토콜은 매 20 ms 마다 센서 네트워크를 통해 전송이 이뤄지는데 이는 본 시스템에서 사용하는 Speech Codec Chip이 송수신버퍼 각각에 대하여 20 Bytes/20 ms 버퍼링 모드를 지원하기 때문이다. 또한, 본 프로토콜은 Inter-slot Interference를 회피하고 시스템 내부 음성 신호 처리 시간을 보장하기 위하여 각 타임 슬롯 사이마다 프로세싱 타임의 역할을 겸하는 가드 타임 슬롯을 삽입 하였다. 제안하는 TDMA/TDD MAC Frame은 아래의 그림 2와 같다.
- 본 논문에서 설계한 시스템의 성능을 평가하기 위하여 설계한 Coordinator와 Mobile Device간의 직접접인 음성 통신을 수행하였다. 음성 전송 지연과 통화자의 주관적인 음질평가 방법인 Mean Opinion Score (MOS)를 측정하고 사인파를 이용하여 측정한 MOS를 증명하는 실험이 수행되었으며 실험을 수행한 환경은 아래의 그림 5와 같다.
- 본 논문에서는 기존의 센서 네트워크 기반의 음성 통신의 한계점인 일대일 통신 방식을 극복하고 보다 많은 응용 솔루션을 기대할 수 있는 센서 네트워크 기반의 다수 사용자간 Full-Duplex 음성 통신을 위한 시스템을 설계하고 구현하였다. 본 시스템을 구현하기 위하여 IEEE 802.15.4 PHY기반의 TDMA/TDD MAC 프로토콜을 새로이 설계하였고, 음성 합성과 음성 패킷 데이터의 신호 처리를 담당하는 Coordinator를 실제로 구현하여 최대 10 명의 사용자로 하여금 그룹 통신이 가능하게끔 하였다. 설계한 시스템의 성능을 검증하기 위하여 MOS를 측정하였고 사인파를 이용하여 평균 절대치 오차 값을 구해 VoSN의 품질 평가를 완료하였다.
- 본 시스템을 위해 새로이 설계한 IEEE 802.15.4 기반의 TDMA/TDD MAC Frame은 20 Bytes의 음성 패킷 사이즈와 최대 10 명의 사용자를 지원할 수 있다는 두 가지 특징을 갖는다. 제안하는 TDMA/TDD MAC 프로토콜은 매 20 ms 마다 센서 네트워크를 통해 전송이 이뤄지는데 이는 본 시스템에서 사용하는 Speech Codec Chip이 송수신버퍼 각각에 대하여 20 Bytes/20 ms 버퍼링 모드를 지원하기 때문이다.
- 둘째로, Template Sample을 수신한 Coordinator는 Loop-back 프로세스를 수행하는데 Loop-back 프로세스는 수신한 Template Sample을 OP-AMP와 Speech Codec Chip을 이용한 음성 합성 과정을 거쳐 재 수신하는 과정이다. 셋째로, 재 수신된 연속된 Sample과 기존의 8개의 샘플로 구성된 한 주기의 Template Sample간의 Cross Correlation을 통해 마찬가지로 8개의 샘플로 구성된 한 주기의 Feedback Sample을 결정한다. 실제 Template Sample과 Feedback Sample은 아래의 그림 8과 같다.
- 실험은 약 15m 반경의 조용한 실내복도에서 진행되었으며 실험에서는 1명의 사용자에서부터 최대 10명의 사용자까지 일정 간격을 두어 증가 시켜가며 측정을 반복하는 방식으로 진행되었다. Coordinator의 위치는 실험 환경 정 중앙에 고정되어 움직이지 않았으며 각 Mobile Device는 약 15m 반경을 유지하되 위치는 다르게 하도록 하였다.
- 는 Feedback Sample의 위상 값을 나타낸다. 위의 평균 절대치 오차 값은 각각의 경우에 대하여 각 20번씩 반복하여 계산 하였다. 아래의 그림 9는 Coordinator를 이용하여 그룹 통신을 하는 사용자 수를 증가시켜감에 따라 20개의 평균 절대치 오차 값의 평균을 계산하여 그래프로 나타낸 것이다.
- 그렇지만 앞서 MOS를 측정하였을 경우와 마찬가지로 사용자 수가 6, 7명 까지는 어려움 없이 서로의 음성을 확인 할 수 있었다. 이로써 앞서 MOS와 비교 하여 평균 절대치 오차 값 약 125 이하의 환경에서는 센서 네트워크 기반의 음성 통신의 품질은 신뢰가 가능함을 보였고 사인파를 이용한 평균 절대치 오차 값을 구하는 방법을 VoSN 시스템의 품질 평가의 하나의 지표로 제시하였다.
- 그렇지만 이들 모두는 하나의 음성 채널이 모든 센서 네트워크의 채널을 점유하여 다수의 사용자를 지원하지 못하는 제약사항이 있었다. 이에 최근 Time Division Multiple Access (TDMA)를 응용하여 IEEE 802.15.4 PHY 기반 TMDA/TDD 방식의 최대 6채널 Full-Duplex Media Access Control (MAC)을 구현하여 다중 일대일 음성 통신을 구현하였다[6]. 하지만 이러한 기존의 Peer-to-Peer 음성 통신 방식과는 다르게 센서 네트워크를 이용할 수 있는 보다 다양한 분야에 응용하기 위하여 그룹 통신으로 일컬어질 수 있는 무선 센서 네트워크 기반의 다수 사용자간 Full-Duplex 음성 통신 시스템의 필요성에 제기 되고 있다.
- 첫째로, 하나의 Mobile Device는 미리 생성해 놓은 8개 샘플로 구성되며 0–255의 위상을 갖는 음성 주파수 대역의 10 kHz 사인파 (Template Sample) 를 Coordinator로 송신한다.
대상 데이터
- 본 논문에서 제안하는 시스템은 10대의 Mobile Device와 1대의 Coordinator로 구성된다. 각 Mobile Device Coordinator를 거쳐 통신하게 되고 Coordinator는 각 Mobile Device와의 무선 통신 뿐만 아니라 10개의 채널에서 수신한 음성의 합성을 수행하여 Full-Duplex 그룹 음성 통신을 가능하게 한다.
- 본 시스템에서의 MCU는 ATmega128L을 사용하였다. MCU는 CC2431 Transceiver로부터 최대 10채널의 G.
데이터처리
- 그림 8의 Feedback Sample의 결과는 1명의 사용자인 경우이며 실제로는 10명의 사용자의 경우까지 총 10개의 결과를 얻었다. 10개의 결과에 대하여 신호 왜곡의 정도를 수치화하기 위한 평균 절대치 오차 (Mean Absolute Error)값은 다음의 수식 (1)을 사용하여 얻었다.
- 4 PHY기반의 TDMA/TDD MAC 프로토콜을 새로이 설계하였고, 음성 합성과 음성 패킷 데이터의 신호 처리를 담당하는 Coordinator를 실제로 구현하여 최대 10 명의 사용자로 하여금 그룹 통신이 가능하게끔 하였다. 설계한 시스템의 성능을 검증하기 위하여 MOS를 측정하였고 사인파를 이용하여 평균 절대치 오차 값을 구해 VoSN의 품질 평가를 완료하였다. 성능 측정 결과 본 시스템을 이용하여 최대 10 명의 사용자까지 음성 통신이 가능함은 증명 하였으나 사용자가 많아짐에 따라 잡음의 합성 및 각 음성간의 간섭으로 인하여 음성 품질이 다소 감소함을 확인 하였다.
이론/모형
- 본 논문에서 설계한 시스템의 성능을 평가하기 위하여 설계한 Coordinator와 Mobile Device간의 직접접인 음성 통신을 수행하였다. 음성 전송 지연과 통화자의 주관적인 음질평가 방법인 Mean Opinion Score (MOS)를 측정하고 사인파를 이용하여 측정한 MOS를 증명하는 실험이 수행되었으며 실험을 수행한 환경은 아래의 그림 5와 같다.
성능/효과
- Coordinator에 호 시도를 하는 사용자가 많아짐에 따라 MOS는 대체로 감소하는 경향을 보임을 알 수 있었다. 일반 이동통신의 음질이 MOS 4 정도이고, 음성 통신이 가능한 수준은 3.
- 1이상임을 고려하였을 때 약 6, 7명의 사용자까지 본 시스템의 성능은 신뢰 할 수 있는 수준임을 보였고, 실제 음성 통신에도 6, 7명까지는 원활하게 서로의 음성을 확인 하였다. 사용자 수가 늘어날수록 음질 성능이 감소하는 이유는 그룹 통신을 위해 음성 합성이 이루어질 때, 사용자가 많아질수록 합성되는 음성뿐만 아니라 잡음 역시 마찬가지로 더 합성되기 때문임을 예상할 수 있었다. 또한 본 방법은 주관적 음질 평가이기 때문에 VoSN 시스템에서 사용자가 많아질수록 음성이 떨어지는 정도를 수치적으로 측정하기 위해서 단말기에서 음성 대신 사인파를 보내 되돌아오는 사인파의 위상을 비교하는 방법을 제안 하였는데 그 과정은 다음과 같다.
- 설계한 시스템의 성능을 검증하기 위하여 MOS를 측정하였고 사인파를 이용하여 평균 절대치 오차 값을 구해 VoSN의 품질 평가를 완료하였다. 성능 측정 결과 본 시스템을 이용하여 최대 10 명의 사용자까지 음성 통신이 가능함은 증명 하였으나 사용자가 많아짐에 따라 잡음의 합성 및 각 음성간의 간섭으로 인하여 음성 품질이 다소 감소함을 확인 하였다. 그렇지만 개발한 Coordinator는 잡음 제거 필터 및 보다 효율적인 신호처리 알고리즘을 추가하여 음성 품질이 더욱 향상될 수 있다.
- Mobile Device에서 음성 신호를 보내어 음성 합성이 이루어지고 합성된 음성 패킷 데이터가 다시 되돌아오는데 걸리는 시간을 계산하기 위하여 서로 다른 Mobile Device에서 아날로그 음성이 통과하는 오실로 스코프를 이용하여 확인하는 방식을 택했다. 실험 결과는 아래의 그림 6에서 볼 수 있듯이 Mobile Device간 음성 전송 지연이 약 100 ms임을 확인 하였다.
- Coordinator에 호 시도를 하는 사용자가 많아짐에 따라 MOS는 대체로 감소하는 경향을 보임을 알 수 있었다. 일반 이동통신의 음질이 MOS 4 정도이고, 음성 통신이 가능한 수준은 3.6이상, 음성 통신가 제한적으로 가능한 수준은 3.1이상임을 고려하였을 때 약 6, 7명의 사용자까지 본 시스템의 성능은 신뢰 할 수 있는 수준임을 보였고, 실제 음성 통신에도 6, 7명까지는 원활하게 서로의 음성을 확인 하였다. 사용자 수가 늘어날수록 음질 성능이 감소하는 이유는 그룹 통신을 위해 음성 합성이 이루어질 때, 사용자가 많아질수록 합성되는 음성뿐만 아니라 잡음 역시 마찬가지로 더 합성되기 때문임을 예상할 수 있었다.
- 위의 Coordinator를 통하여 Full-Duplex 그룹 통신이 이루어지는 프로세스는 다음과 같다. 첫째로, 각 Mobile Device들은 Coordinator에 Registration Request 신호를 보내어 Mobile Device의 등록 정보가 등록이 되어야 한다. 등록 과정이 완료 된 후, 각 Mobile Device들은 CC2431 Transceiver과 음성 패킷 데이터를 송신한다.
- 그래프는 사용자 수가 늘어남에 따라 증가하는 추세를 보였다. 한명의 사용자의 경우 평균 절대치 오차 값은 95정도에 그쳤으나 사용자 1 명이 추가로 늘어남과 동시에 굉장히 가파른 추세로 평균 절대치 오차 값이 증가하여 약 113까지 증가하였다. 이는 음성이 합성 되는 과정에서 잡음뿐만이 아니라 다른 사용자의 음성 역시 합성이 되므로 원래의 음성 신호는 다른 채널로부터 들어오는 음성 신호에 의해 손상됨을 나타낸다고 볼 수 있다.
후속연구
- 4 MAC을 응용하여 TDMA/TDD MAC 프로토콜을 새로이 설계하였고 이에 맞는 Coordinator를 설계, 제작하여 최대 10채널의 Full-Duplex 음성 통신을 할 수 있는 시스템을 제안하였다. (그림삭제, 설명 일부 삭제 및 수정) 본 논문에서 제안하는 시스템은 야외 레저 활동, 건설 현장 및 긴급 재난 상황과 같이 그룹 통신을 응용할 수 있는 여러 가지 상황에서 사용 될 수 있다.
- 성능 측정 결과 본 시스템을 이용하여 최대 10 명의 사용자까지 음성 통신이 가능함은 증명 하였으나 사용자가 많아짐에 따라 잡음의 합성 및 각 음성간의 간섭으로 인하여 음성 품질이 다소 감소함을 확인 하였다. 그렇지만 개발한 Coordinator는 잡음 제거 필터 및 보다 효율적인 신호처리 알고리즘을 추가하여 음성 품질이 더욱 향상될 수 있다. 또한 다수 사용자간의 Full-Duplex 음성 통신 시스템은 재난 상황 시 구조 요원들 간의 근거리 음성 통신 및 산악 활동 등의 제한된 범위 내에서 다수간의 의사소통이 이루어져야 하는 상황에서 여러 가지 솔루션으로 응용될 수 있음을 기대할 수 있다.
- 그렇지만 개발한 Coordinator는 잡음 제거 필터 및 보다 효율적인 신호처리 알고리즘을 추가하여 음성 품질이 더욱 향상될 수 있다. 또한 다수 사용자간의 Full-Duplex 음성 통신 시스템은 재난 상황 시 구조 요원들 간의 근거리 음성 통신 및 산악 활동 등의 제한된 범위 내에서 다수간의 의사소통이 이루어져야 하는 상황에서 여러 가지 솔루션으로 응용될 수 있음을 기대할 수 있다.
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