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문제 정의
- 따라서 이 논문에서는 IEEE 802.15.4 네트워크에서 WiFi 트래픽으로 인해 발생되는 간섭을 판단하기 위해 앞에서 기술된 대부분의 수신기 중심의 판단방법과는 다르게 송신기의 관점에서 판단하는 방법을 제시한다. 그리고 실제 WiFi 네트워크 및 ZigBee 개발키트를 이용하여 제시된 방법이 WiFi 트래픽의 간섭판단에 사용될 수있는지 실험적으로 확인한다.
- 이 논문에서는 IEEE 802.15.4 프로토콜을 사용하는 네트워크가 IEEE 802.11 프로토콜을 사용하는 WiFi 네트워크와 겹치는 주파수 영역을 점유하고 공간적으로 중첩된 상황에서 WiFi에서 발생되는 트래픽으로 인해 간섭을 받아 IEEE 802.15.4 노드에서 프레임 전송에 장애가 발생하는 문제를 서술하였다. 간섭이 될 정도의 WiFi 트래픽이 발생하면 간섭을 탐지한 IEEE 802.
- 이 논문에서는 두 가지 방식의 PAN 중 “nonbeacon-enabled PAN” 의 노드들이 WiFi 무선랜과 서로 겹치는 무선채널을 사용할 경우, WiFi 트래픽으로 인해 IEEE 802.15.4 프로토콜을 사용하는 노드들에게 야기되는 간섭현상을 측정하고 분석한다.
- 4 네트워크가 공존하는 방법을 찾는다. 이 논문에서는 채널을 바꾸거나 사용하던 채널에서 서로 공존하기 위한 방법을 취하기 전 단계에서 WiFi 네트워크로부터의 간섭이 발생하는 것을 판단하기 위한 수단을 찾기 위해, 매체접근제어계층에서 관찰되는 요소들과 물리계층에서 관찰되는 요소들에 대해 이루어진 기존의 연구들에 대해 분석하였다.
제안 방법
- 4 프로토콜의 동작과 관련된 코디네이터와 종단장치의 내부 상태 및 측정데이터는 UART 프로토콜을 사용 하여 RS232 포트를 통해 호스트 (host) 컴퓨터로 전송되어 감시되고 사후처리 및 분석을 위해 호스트 컴퓨터 내에 저장된다. CC2530을 사용하는 IEEE 802.15.4 프로토콜의 동작, 시험을 위한 MAC-SDU (MAC service data unit)의 발생 및 처리, 측정을 위해 정의한 이벤트 (event) 의 발생시 그와 연관된 내부 상태변수를 감시하기 위한 기능은 Texas Instrument사의 TIMAC-CC2530-1.4.0 프로그램을 수정하여 사용한다. 간섭을 발생시키는 WiFi 네트워크는 (그림 3)에서 나타낸 바와 같이 AP1, S1,1, S1,2로 구성되어 있는데, AP1은 AP, S1,1과 S1,2는 노트북컴퓨터를 사용하고 노트북컴퓨터에서는 유무선 네트워크에 대한 벤치마킹 도구인 “Nuts About Nets, LLC”의“netstress” 프로그램으로 WiFi 트래픽을 발생시킨다.
- WiFi 네트워크로부터 간섭이 발생할 때 영향을 받는 IEEE 802.15.4 프로토콜의 매체접근제어계층과 물리계층의 요소들의 특성을 관찰하고 분석하기 위해, 노트북 컴퓨터와 AP로 구성된 WiFi 네트워크와 IEEE 802.15.4 프레임을 송수신할 수 있는 Texas Instrument사의 CC2530칩이 장착되어 있는 CC2530EM을 사용하여 IEEE 802.15.4 네트워크를 구성한 후, WiFi 네트워크에서는 “Nuts About Nets, LLC”의 “netstress” 프로그램으로 트래픽을 발생시키고 IEEE 802.15.4 노드에서는 Texas Instrument사의 TIMAC-CC2530-1.4.0 프로그램을 수정하여 매체접근제어 계층의 요소들과 물리계층의 요소들을 측정하였다.
- WiFi 트래픽이 발생할 때 IEEE 802.15.4 네트워크에서 송신기로 동작하는 노드의 매체접근제어계층에서 관찰 되는 현상을 분석하기 위해, (그림 4) (d)에 나타난 결과를 측정할 때 주어졌던 것과 같이 MTU 1500 byte, TCP 접속 1개, 초당 1016 패킷을 발생시킬 수 있도록 WiFi 트래픽 발생 조건을 설정하고 또한 측정되는 변수들의 동적인 특성을 분석하기위해 WiFi 트랙픽을 일정기간 발생시켰다가 일정기간 중단하는 방식으로 IEEE 802.15.4 네트워크에 간섭을 발생시켰다.
- 4 네트워크에서는 채널번호 19 (중심주파수 2445 MHz), WiFi의 AP는 채널번호 8 (중심주 파수 2447 MHz)에서 동작하도록 설정하였다. WiFi로부터 발생되는 다양한 크기의 부하에 대해 IEEE 802.15.4 네트워크에 나타나는 현상을 관찰하기 위해서 WiFi 네트워크의한 컴퓨터에서 발생되는 트래픽을 MTU 1500 byte, TCP 세그먼트 크기 131072 byte, TCP 접속을 1개로 설정한 상태에서 초당 발생되는 패킷수를 변화시키면서 실험하였다.
- 0는 매체접근제어계층에서 백오프지연이 실패하면 스스로 재전송을 결정하지 않고 상위계층에 전송실패를 보고하고 측정을 위한 시험용 프로그램에는 매체접근제어계층에서 전송실패가 보고되더라도 재전송을 하지는 않는다. 간섭을 발생시키기 위해 IEEE 802.15.4 네트워크와 WiFi 네트워크 사이에 스펙트럼이 서로 겹치고 중심주파수의 차이가 적은 채널들이 몇 개 있는데, (그림 1)의 우측에 나타낸 것과 같이 IEEE 802.15.4 네트워크에서는 채널번호 19 (중심주파수 2445 MHz), WiFi의 AP는 채널번호 8 (중심주 파수 2447 MHz)에서 동작하도록 설정하였다. WiFi로부터 발생되는 다양한 크기의 부하에 대해 IEEE 802.
- 그리고 실선으로 표시한 부분은 이 논문에서 제시한 간섭판단의 1단계에서 사용되는 프레임전송, 백오프실패 사건이 발생될 때마다 측정된 지연시간을 기초로 하여 식 (6)에 정의한 Mn값의 변화를 표현한 것인데, 그림에서 보기 쉽게 10배 크게 표시했고, 지연이 크다고 판정되는 프레임전송지연시간 기준치를 TTH = 20로 설정하고 α = 2로 설정하여 지연이 큰 프레임전송사건보다 백오프실패사건에 두 배의 가중치를 부여했다.
- 4 네트워크에서 WiFi 트래픽으로 인해 발생되는 간섭을 판단하기 위해 앞에서 기술된 대부분의 수신기 중심의 판단방법과는 다르게 송신기의 관점에서 판단하는 방법을 제시한다. 그리고 실제 WiFi 네트워크 및 ZigBee 개발키트를 이용하여 제시된 방법이 WiFi 트래픽의 간섭판단에 사용될 수있는지 실험적으로 확인한다. 이러한 목표를 위해 2장에서 IEEE 802.
- 그런데 실험결과 WiFi의 트래픽 부하가 발생해도 매체접근제어계층에서 프레임을 전송한 후에 응답프레임을 기다리는 동안 NACK 사건은 관찰되지 않았고 오히려 수신기가 프레임을 수신한후 정해진 시간 안에 응답하지 못하는 경우에 송신기에서 타이머가 종료되어 NACK 사건이 관찰되었다. 따라서이 논문에서 제안된 방법과 비교하기 위해서 ACK/NACK 방식을 매체접근제어계층 보다 상위계층에서 적용하고, 상위계층에서 매체접근제어계층에 MSDU (MAC service data unit)을 전달하고 WiFi의 트래픽으로 인해 간섭이 발생할 때 백오프실패를 상위계층에 보고하면 이것을 NACK 사건으로 간주하는 방식으로 ACK/NACK 알고리즘을 평가했다. (그림 7)의 상단에 ACK/NACK 방식으로이 논문에서 제안된 방법과 동일한 WiFi 트래픽을 발생시킬 때 간섭을 판단한 결과를 나타냈다.
- 이 논문에서 제시된 방법은 WiFi 네트워크와 IEEE 802.15.4 네트워크에서 발생되는 신호의 범위가 서로 중첩되는 공간에서 서로간의 거리가 가깝게 설치되고 각 네트워크가 사용하는 채널의 스펙트럼이 겹치는 경우에 WiFi 트래픽 신호로 인해 IEEE 802.15.4 네트워크의 노드에서는 측정되는 채널전력이 크게 나타나고 또한 CSMA-CA 알고리즘의 CCA 기능이 채널을 사용 중이라고 판정할 가능성이 크기 때문에 나타나는 매체접근제어 계층과 물리계층의 요소들의 특성을 이용한 것이다. 이 논문에서 제안된 방법을 일반적으로 적용하기 위해서 앞으로 각 네트워크의 신호가 중첩되지만 일부 WiFi 노드로부터 발생되는 신호의 세기가 상대적으로 적은 값으로 측정될 정도의 거리에 설치된 경우에 간섭에 대한 판단을 위해 사용한 요소들의 특성의 변화와 이를 반영한 간섭판단방법에 대한 연구가 필요하다.
- 이 논문에서는 이와 같이 WiFi 트래픽의 부하에 따라 변화하는 특성을 보이는 요소들을 이용하여, IEEE 802.15.4 네트워크의 송신기에서 실행되는 방법으로서, 1단계에서는 매체접근제어계층에서 관찰되는 프레임전송 지연시간과 백오프실패를 반영하는 평가함수값이 기준보다 커지는 경우에 2단계에서 물리계층에서 측정되는 무선채널의 전력을 집중적으로 조사하는 방법으로 WiFi 네트워크로부터의 간섭을 판단하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법으로 WiFi 네트워크의 간섭에 대해 판단할 때, WiFi 네트워크에서 발생되는 트래픽의 특성이 1500 byte 크기의 MTU와 1개의 TCP 접속을 가정하고 초당 254개 이상의 패킷이 발생하는 경우에 WiFi 네트워크로부터의 간섭을 판정할 수 있음을 보였다.
- 4 노드의 송신기에서 프레임전송지연시간이 증가하고 백오프실패가 자주 관찰되었고 수신기에서는 증가된 채널전력의 빈도가 높아지는 것으로 나타났다. 이 장에서는 이와 같은 분석을 기초로 하여 IEEE 802.15.4 네트워크의 장치가 WiFi 네트워크로부터 간섭이 일어나고 있다는 것을 판단하기위해 (그림 6)에 나타낸 바와 같이 송신기에서 매체접근제어계층의 요소들과 물리계층의 요소를 단계적으로 사용하는 방법을 제안한다.
- 그리고 실제 WiFi 네트워크 및 ZigBee 개발키트를 이용하여 제시된 방법이 WiFi 트래픽의 간섭판단에 사용될 수있는지 실험적으로 확인한다. 이러한 목표를 위해 2장에서 IEEE 802.15.4 프로토콜의 전송지연모델, IEEE 802.15.4 네트워크에서 WiFi 트래픽의 간섭현상을 평가하기 위한 시스템의 구성, 주요 변수들, 그리고 측정방법을 설명하고 측정된 데이터의 특성을 분석한다. 3장에서 송신기에서 IEEE 802.
- 측정을 위해 IEEE 802.15.4 네트워크를 구성하는 코디네이터와 종단장치 중 하나를 송신기 그리고 다른 하나를 수신기로 설정했다. 송신기에서는 1 sec마다 “MAC payload”의 크기가 20 bytes인 고정된 길이의 데이터프레임을 발생시키고 수신기가 이 프레임을 받자마자 응답프레임을 전송하도록 프레임 제어필드의 “Ack Request” 비트를 1로 설정한다.
- 한편 WiFi 트래픽의 간섭으로 인해 IEEE 802.15.4 네트워크의 송신기의 매체접근제어계층에서 나타나는 현상을 관찰하기 위해 (그림 2)에 표시한 백오프실패지연 시간 TBO, 프레임전송지연시간 TDATA, 응답지연시간 TACK을 측정하였다. IEEE 802.
- 한편, 이 논문에서 제안된 방법과 비교를 위해 WiFi의 간섭에 대한 판단을 위해 연구된 기존의 방법 중 송신기에서 간섭을 판단하는 ACK/NACK를 이용한 판단방법에 대해서 실험을 수행하였다. 이 방법은 송신기가 프레임을 전송한 후 응답프레임을 기다리는데 정해진 시간 이내에 응답프레임을 수신하지 못하고 타이머가 종료된 경우에 NACK가 발생한다고 한다.
대상 데이터
- 4프로토콜을 사용하는 네트워크는 각각 코디네이터와 종 단장치 기능을 수행하는 C2, S2,1으로 구성되어 있다. 실험을 위해 C2와 S2,1는 IEEE 802.15.4 프레임의 송수신이 가능한 Texas Instrument사의 CC2530 칩이 장착되어 있는 CC2530EM을 입출력기능과 USB, UART를 통한 통신기능이 있는 SmartRF05EB과 결합하여 사용한다. IEEE 802.
이론/모형
- 매체접근제어 기능은 CAP 구간에서 CSMA-CA (carrier sense multiple access - collision avoidance) 알고리즘을 사용하여 채널에 대해 서로 경쟁하는 “contention-based access” 방식을 따르고 CFP 구간에서는 코디네이터가 채널의 사용을 제어하여 미리 예약된 GTS (guaranteed time slot)를 사용하는 “contention-free access” 방식을 따른다.
성능/효과
- (그림 7)의 상단에 ACK/NACK 방식으로이 논문에서 제안된 방법과 동일한 WiFi 트래픽을 발생시킬 때 간섭을 판단한 결과를 나타냈다. (그림 7)에 나타낸 실험결과를 볼 때, 이 논문에서 제안된 방법은 WiFi 트래픽이 발생하는 구간 동안 지속적으로 간섭을 판단하는데 비해서, ACK/NACK 방식은 간섭을 판단하는 시점이 늦고 WiFi 트래픽이 지속적으로 발생하고 있는 구간에서도 간섭으로 판정하는 경우가 적게 나타나고 있다. 기존의 ACK/NACK 방식을 적용할 때 이러한 결과가 나타나는 이유는 ACK/NACK 방식은 카운터를 0으로 초기화시키고 NACK 사건이 발생할 때마다 카운터를 1씩 증가시키고 응답프레임을 수신할 때마다 카운터를 0으로 리셋 (reset)시키는데 카운터 값이 기준치를 넘을 때 간섭으로 판정한다.
- 2장에서 기술한 WiFi 트래픽에 의해 IEEE 802.15.4 네트워크의 장치들에서 관찰되는 현상에 대한 분석을 볼때, WiFi 트래픽의 변화에 따라 IEEE 802.15.4 네트워크의 송신기에서 프레임전송지연시간, 백오프실패지연시간 등과 같은 요소들과 수신기에서는 IEEE 802.15.4 프레임의 송수신 기능이 있는 칩의 RSSI 레지스터를 이용해 측정되는 채널전력과 같은 요소에 있어서 변화가 발생하는 것이 관찰되었다. 특히 WiFi 트래픽이 증가하면 IEEE 802.
- 이러한 이유로 인해 평균채널전력의 계산에 사용되는 데이터 샘플수를 증가시켜서 N = 64와 N = 128인 경우에는 WiFi 트래픽 부하의 각 경우에 대해 측정된 평균채널전력의 범위가 서로 구분될 수 있게 나타나는 것을 볼 수 있다. 2장에서 분석한 결과에 의하면 WiFi에서 발생되는 패킷에 대해 실험한 경우 중에서 초당 254개 이상의 패킷이 발생되는 경우에 수신기에서 패킷의 수신에 오류가 발생되는 현상이 관찰되었는데, 그림 8에 나타낸 결과를 보면 평균채널전력 계산에 사용되는 데이터 샘플수 N을 64이상, 기준치 PTH를 대략 -75 dBm으로 설정하면 2단계에서 측정된 평균채널전력이 -75 dBm 이상으로 나타나는 경우에 WiFi 트래픽으로 인해 IEEE 802.15.4 네트워크의 노드들에 간섭이 발생하고 있다고 판단할 수 있다. 이 논문에서 측정한 데이터는 WiFi 네트워크를 구성하는 노트북 컴퓨터, AP, 그리고 IEEE 802.
- 이 방법은 송신기가 프레임을 전송한 후 응답프레임을 기다리는데 정해진 시간 이내에 응답프레임을 수신하지 못하고 타이머가 종료된 경우에 NACK가 발생한다고 한다. 그런데 실험결과 WiFi의 트래픽 부하가 발생해도 매체접근제어계층에서 프레임을 전송한 후에 응답프레임을 기다리는 동안 NACK 사건은 관찰되지 않았고 오히려 수신기가 프레임을 수신한후 정해진 시간 안에 응답하지 못하는 경우에 송신기에서 타이머가 종료되어 NACK 사건이 관찰되었다. 따라서이 논문에서 제안된 방법과 비교하기 위해서 ACK/NACK 방식을 매체접근제어계층 보다 상위계층에서 적용하고, 상위계층에서 매체접근제어계층에 MSDU (MAC service data unit)을 전달하고 WiFi의 트래픽으로 인해 간섭이 발생할 때 백오프실패를 상위계층에 보고하면 이것을 NACK 사건으로 간주하는 방식으로 ACK/NACK 알고리즘을 평가했다.
- 제안된 방법으로 WiFi 네트워크의 간섭에 대해 판단할 때, WiFi 네트워크에서 발생되는 트래픽의 특성이 1500 byte 크기의 MTU와 1개의 TCP 접속을 가정하고 초당 254개 이상의 패킷이 발생하는 경우에 WiFi 네트워크로부터의 간섭을 판정할 수 있음을 보였다. 그리고 송신기에서 간섭판단이 이루어지는 ACK/NACK를 기초로 하는 기존의 방법에 비해서 성능이 개선된 특성을 보였다.
- 그런데 송신기의 매체접근제어계층에서 데이터프레임을 전송하는 경우에는 CSMA-CA 알고리즘을 적용하지만 수신기에서 수신된 데이터프레임에 대한 응답프레임은 CSMA-CA 알고리즘을 적용하지 않고 즉시 전송한다. 따라서 WiFi 트래픽이 발생하고 있을지라도 백오프지연을 거쳐서 무선채널에서 측정되는 전력이 CCA 기능에서 평가하는 기준 보다 낮아서 프레임이 성공적으로 전송되는 순간부터 응답프레임이 되돌아 올 때까지의 기간 동안에는 IEEE 802.15.4 데이터프레임과 응답프레임이 채널을 점유하게 되므로, 송신기의 입장에서는 CCA기능을 통과하여 성공적으로 전송된 프레임에 대해 응답프레임을 수신하게 되고 간섭을 판단하는 카운터는 0으로 리셋되기 때문에 카운터 값이 간섭을 판정하는 기준치 보다 낮게 유지될 가능성이 커서 기존의 ACK/NACK 방식으로는 이 논문에서 제안된 방식에 비해 WiFi 트래픽의 간섭을 판단하기 쉽지 않다.
- 0 프로그램을 수정하여 매체접근제어 계층의 요소들과 물리계층의 요소들을 측정하였다. 실험적으로 측정한 결과는 WiFi 네트워크로부터 트래픽이 증가함에 따라 IEEE 802.15.4 네트워크의 노드들 중 송신기에서는 프레임전송지연시간과 백오프지연실패가 증가하고 수신기에서는 증가된 채널전력값이 측정되는 빈도가 커지며 수신되지 않는 프레임이 증가하는 특성을 보인다.
- WiFi 트래픽이 발생되는 두 구간을 제외한 나머지 구간에서는 백오프지연실패는 관찰되지 않고 프레임의 전송지연시간이 대략 5에서 13사이에 집중적으로 나타난다. 이와 같은 결과를 통해서 볼 때, IEEE 802.15.4 네트워크의 노드들은 WiFi 에서 발생되는 트래픽 부하가 클 경우 전송이 심각하게 지연되고 심지어 실패하는 빈도도 증가하는 것을 알 수 있다. 한편, 응답지연시간은 WiFi 트래픽 부하에 관계없이 전 구간에서 1 또는 2의 값을 갖는 것으로 관찰되는데 이것은 WiFi 트랙픽 부하가 아무리 크더라도 송신기에서 CSMA-CA 절차를 성공적으로 거쳐서 전송된 IEEE 802.
- 4 네트워크의 송신기에서 실행되는 방법으로서, 1단계에서는 매체접근제어계층에서 관찰되는 프레임전송 지연시간과 백오프실패를 반영하는 평가함수값이 기준보다 커지는 경우에 2단계에서 물리계층에서 측정되는 무선채널의 전력을 집중적으로 조사하는 방법으로 WiFi 네트워크로부터의 간섭을 판단하는 방법을 제안하였다. 제안된 방법으로 WiFi 네트워크의 간섭에 대해 판단할 때, WiFi 네트워크에서 발생되는 트래픽의 특성이 1500 byte 크기의 MTU와 1개의 TCP 접속을 가정하고 초당 254개 이상의 패킷이 발생하는 경우에 WiFi 네트워크로부터의 간섭을 판정할 수 있음을 보였다. 그리고 송신기에서 간섭판단이 이루어지는 ACK/NACK를 기초로 하는 기존의 방법에 비해서 성능이 개선된 특성을 보였다.
- 4 프레임의 송수신 기능이 있는 칩의 RSSI 레지스터를 이용해 측정되는 채널전력과 같은 요소에 있어서 변화가 발생하는 것이 관찰되었다. 특히 WiFi 트래픽이 증가하면 IEEE 802.15.4 노드의 송신기에서 프레임전송지연시간이 증가하고 백오프실패가 자주 관찰되었고 수신기에서는 증가된 채널전력의 빈도가 높아지는 것으로 나타났다. 이 장에서는 이와 같은 분석을 기초로 하여 IEEE 802.
후속연구
- 이 논문에서 제안된 방법을 일반적으로 적용하기 위해서 앞으로 각 네트워크의 신호가 중첩되지만 일부 WiFi 노드로부터 발생되는 신호의 세기가 상대적으로 적은 값으로 측정될 정도의 거리에 설치된 경우에 간섭에 대한 판단을 위해 사용한 요소들의 특성의 변화와 이를 반영한 간섭판단방법에 대한 연구가 필요하다. 그리고 WiFi 네트워크로부터의 간섭을 판정한 이후 IEEE 802.15.4 네트워크를 새로운 채널에서 동작시키려고 할 때, 다른 채널에서 동작하는 기존의 IEEE 802.15.4 네트워크들에 대한 탐색방법, 다른 채널에 간섭을 일으키는 WiFi 네트워크에 대한 신속한 평가방법, 선택된 새로운 채널로 IEEE 802.15.4 네트워크의 노드들이 빠르게 이동해서 동작하기 위한 절차를 포함한 프로토콜에 대해서 연구가 이루어져야 한다.
- 4 네트워크의 노드에서는 측정되는 채널전력이 크게 나타나고 또한 CSMA-CA 알고리즘의 CCA 기능이 채널을 사용 중이라고 판정할 가능성이 크기 때문에 나타나는 매체접근제어 계층과 물리계층의 요소들의 특성을 이용한 것이다. 이 논문에서 제안된 방법을 일반적으로 적용하기 위해서 앞으로 각 네트워크의 신호가 중첩되지만 일부 WiFi 노드로부터 발생되는 신호의 세기가 상대적으로 적은 값으로 측정될 정도의 거리에 설치된 경우에 간섭에 대한 판단을 위해 사용한 요소들의 특성의 변화와 이를 반영한 간섭판단방법에 대한 연구가 필요하다. 그리고 WiFi 네트워크로부터의 간섭을 판정한 이후 IEEE 802.
- 4 네트워크의 노드들에 간섭이 발생하고 있다고 판단할 수 있다. 이 논문에서 측정한 데이터는 WiFi 네트워크를 구성하는 노트북 컴퓨터, AP, 그리고 IEEE 802.15.4를 구성하는 노드들이 서로 수 m 이내의 공간에 중첩되게 설치된 상태에서 얻은 것이므로 만일 두 네트워크가 중첩되게 설치되는 공간이 더 넓은 경우에는 기준치 PTH를 낮추어야 할 것이다.
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