일반적으로 무선 네트워크는 유선 네트워크에 비하여 고가의 무선 송수신기를 사용하여 설치 및 유지비용이 높다. 하지만, 터널 내 환경관리 시스템의 경우는 기본적으로 터널 내 환경 정보를 감지하여 최소한의 정보만을 중앙통제장치와 유선으로 연결된 지시 노드로 보내는 것이기 때문에 전송되는 데이터양이 매우 적고, 따라서 저속의 무선 송수신기는 낮은 비용으로 구현하여 적용 가능하다. 그리고 무선 네트워크에서는 유선 네트워크와는 달리 데이터 전달 경로를 결정하는 라우팅 문제가 발생한다. 센서에서 감지한 신호를 디지털화하여 얻은 데이터를 무선 송신기를 사용하여 직접 지시노드로 보내는 경우에는 라우팅 문제가 발생하지 않지만, 이 경우에는 상대적으로 고출력의 무선 송신기가 요구되어 무선 송신기 구현 비용이 증가하게 되고, 해당 센서 노드의 전력소모가 커지는 문제점이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 무선송신기의 출력을 줄이는 대신 인접한 센서 노드의 무선 송수신기를 이용한 중계를 통하여 지시노드까지 전달하도록 하는 방식을 사용할 수 있다. 그러나, 이 경우에는 해당 센서 노드에서 지시노드까지는 복수의 경로가 존재하기 때문에 최적의 경로를 선택하는 라우팅 알고리즘이 필요하게 된다. 따라서 본 논문에서는 터널 내 자동환경 관리 시스템에 적합한 라우팅 알고리즘을 제안하였으며, 추가로 센서 노드들을 각 터널 내에 부착 후 노드 등록 등의 초기화 과정을 거치면 자동으로 노드 간의 협업과정을 통해서 무선 네트워크가 구성될 수 있는 방안을 구현하였다.
일반적으로 무선 네트워크는 유선 네트워크에 비하여 고가의 무선 송수신기를 사용하여 설치 및 유지비용이 높다. 하지만, 터널 내 환경관리 시스템의 경우는 기본적으로 터널 내 환경 정보를 감지하여 최소한의 정보만을 중앙통제장치와 유선으로 연결된 지시 노드로 보내는 것이기 때문에 전송되는 데이터양이 매우 적고, 따라서 저속의 무선 송수신기는 낮은 비용으로 구현하여 적용 가능하다. 그리고 무선 네트워크에서는 유선 네트워크와는 달리 데이터 전달 경로를 결정하는 라우팅 문제가 발생한다. 센서에서 감지한 신호를 디지털화하여 얻은 데이터를 무선 송신기를 사용하여 직접 지시노드로 보내는 경우에는 라우팅 문제가 발생하지 않지만, 이 경우에는 상대적으로 고출력의 무선 송신기가 요구되어 무선 송신기 구현 비용이 증가하게 되고, 해당 센서 노드의 전력소모가 커지는 문제점이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해서는, 무선송신기의 출력을 줄이는 대신 인접한 센서 노드의 무선 송수신기를 이용한 중계를 통하여 지시노드까지 전달하도록 하는 방식을 사용할 수 있다. 그러나, 이 경우에는 해당 센서 노드에서 지시노드까지는 복수의 경로가 존재하기 때문에 최적의 경로를 선택하는 라우팅 알고리즘이 필요하게 된다. 따라서 본 논문에서는 터널 내 자동환경 관리 시스템에 적합한 라우팅 알고리즘을 제안하였으며, 추가로 센서 노드들을 각 터널 내에 부착 후 노드 등록 등의 초기화 과정을 거치면 자동으로 노드 간의 협업과정을 통해서 무선 네트워크가 구성될 수 있는 방안을 구현하였다.
In general, the cost of transceiver for wireless network configuration is more expensive than that for wired network. However, in case of environmental management system in a tunnel, the cost can be minimized by adopting low rate tranceiver because the amount of the exchanged data for tunnel monitor...
In general, the cost of transceiver for wireless network configuration is more expensive than that for wired network. However, in case of environmental management system in a tunnel, the cost can be minimized by adopting low rate tranceiver because the amount of the exchanged data for tunnel monitoring is very small. When the obtained data from sensor node is sent directly to the corresponding command node, there is no need to consider routing problem of the data transfer. However in this case, sensor nodes are required to be implemented with high power transmitter and experience high energy consumption. To tackle this problem, relay nodes can be used to transfer the data of tunnel monitoring, and suitable routing protocols for selecting optimum path are needed. Therefore, in this paper, we propose a routing algorithm and a self-configuration protocol for environment management system in tunnel.
In general, the cost of transceiver for wireless network configuration is more expensive than that for wired network. However, in case of environmental management system in a tunnel, the cost can be minimized by adopting low rate tranceiver because the amount of the exchanged data for tunnel monitoring is very small. When the obtained data from sensor node is sent directly to the corresponding command node, there is no need to consider routing problem of the data transfer. However in this case, sensor nodes are required to be implemented with high power transmitter and experience high energy consumption. To tackle this problem, relay nodes can be used to transfer the data of tunnel monitoring, and suitable routing protocols for selecting optimum path are needed. Therefore, in this paper, we propose a routing algorithm and a self-configuration protocol for environment management system in tunnel.
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문제 정의
본 논문에서는 터널 환경 내의 환경관리시스템을 구축함으로서 각각의 노드끼리 최적의 라우팅 경로로 네트워크가 형성되는 효율적인 통신 방법을 제안하였다. 제안한 방식에 따르면, 터널 내에 설치된 센서 노드에서 생성된 데이터가 직접 지시 노드로 전송되는 것이 아니라, 라우팅 알고리즘을 통하여 인접 노드를 경유하여 전송되기 때문에, 각 센서 노드에 갖춰지는 무선 송수신기는 저출력, 저비용의 제품으로도 구현 가능하여, 터널 관리 시스템의 설치비용과 소비 전력을 현저히 감소시킬 수 있다.
본 논문에서는 특정 응용분야에 중점을 두어 센서 네트워크의 여러 가지 적용 사례 중 터널 관리를 위한 무선 센서 네트워크 구현을 고려하였다. 기존의 터널 관리에 적용된 방식과 비교해볼 때, 제안하는 시스템은 무선이라는 장점과 함께 저비용의 간단한 알고리즘을 사용하기 때문에 각 센서 노드의 메모리 용량을 최소화할 수 있다.
본 연구에서 고려하는 센서 노드는 다수의 노드가 터널 내 분포해야 하고 처리해야할 데이터양이 많지 않으므로 고성능의 CPU는 불필요하며, 또한 데이터를 저장하기 위한 메모리의 용량도 작다. 이러한 이유로 기존의 고성능 센서 노드를 대상으로 한 라우팅 알고리즘은 사용하기 어려우므로 본 논문에서는 복잡도가 낮은 새로운 라우팅 알고리즘을 제안하였다.
라우팅 경로 상에 있는 센서 노드들은 무선 수신기를 통하여 수신한 패킷을 CPU에 보내고, CPU는 라우팅 알고리즘을 사용하여 다음 목적지를 확인한 후 무선 송신기를 통하여 보내는 중계 기능을 하게 된다. 한편, 각 센서 노드는 유지 보수 등의 목적으로 제어 패킷을 수신하여 패킷의 내용에 따른 기능을 수행한 후 결과를 보고 한다.
제안 방법
센서 노드는 터널 내의 환경을 감시하기 위한 여러 종류의 센서와, 이러한 센서들로 온 신호를 디지털 신호로 변환하기 위한 A/D 컨버터, 데이터를 전송하기 위한 무선 송수신기, 데이터를 처리하기 위한 CPU, 전원을 공급하기 위한 전원장치, 메모리 등으로 구성되며, 환경 감지 센서들에서 수신된 아날로그 신호를 A/D 컨버터를 통하여 디지털 신호로 변환한 후에 CPU에 입력하면 이로부터 CPU는 데이터를 보내기 위한 패킷을 구성한다. 구성된 패킷을 지시 노드로 보내기 위하여 라우팅 알고리즘을 사용하여 라우팅 경로 상에 있는 다음 센서 노드를 확인하고 무선 송신기를 통하여 패킷을 보내게 된다. 라우팅 경로 상에 있는 센서 노드들은 무선 수신기를 통하여 수신한 패킷을 CPU에 보내고, CPU는 라우팅 알고리즘을 사용하여 다음 목적지를 확인한 후 무선 송신기를 통하여 보내는 중계 기능을 하게 된다.
그리고, 차후에 다른 센서 노드 또는 지시 노드로부터 수신된 데이터가 포함된 데이터 패킷의 최종 목적지가 상기 PS 패킷의 DST 필드에 저장된 노드와 일치하는 경우, 데이터 패킷을 전송할 다음 차례의 인접 노드 ID를 저장한다. 이는 식(3)을 통하여 이루어진다.
데이터 전송 성공률은 그림 8의 노드 #1과 노드 #2를 통해서 시험을 하였으며 노드가 센싱된 데이터를 보낼 때 패킷에 시퀀스 넘버를 기록하여 보내도록 하여 측정을 하였고, 전체 수율은 그림 8과 같이 환경을 구성한 다음 시작점인 노드 #1에서 게이트웨이까지의 측정을 한 것으로, 지그비의 데이터 전송속도인 250Kbps에서 22Kbps의 패킷을 노드 #1에서 생성하도록 하여 시험하였고, 노드 간 응답시간은 패킷에 시각정보를 기록하여 측정하였다. 또한 통신거리는 노드 #1과 노드 #2를 이용하여 40미터에서 100미터까지 10미터 단위로 단계적으로 시험하여 측정하였고, 각 거리별 측정 결과에 대한 평균치를 그림 9에도시하였다.
그림 7은 구현된 무선 센서모듈이다. 본 모듈에 온도, 습도, 조도 센서를 결합하여 시험에 사용하였다. 개발 보드를 이용한 전체 연동 시험환경 구성도는 그림 8과 같으며 기존의 일반적인 성능 지표를 기준으로 개발 보드에 대한 성능을 아래 표 1에서 보여준다.
데이터처리
데이터 전송 성공률은 그림 8의 노드 #1과 노드 #2를 통해서 시험을 하였으며 노드가 센싱된 데이터를 보낼 때 패킷에 시퀀스 넘버를 기록하여 보내도록 하여 측정을 하였고, 전체 수율은 그림 8과 같이 환경을 구성한 다음 시작점인 노드 #1에서 게이트웨이까지의 측정을 한 것으로, 지그비의 데이터 전송속도인 250Kbps에서 22Kbps의 패킷을 노드 #1에서 생성하도록 하여 시험하였고, 노드 간 응답시간은 패킷에 시각정보를 기록하여 측정하였다. 또한 통신거리는 노드 #1과 노드 #2를 이용하여 40미터에서 100미터까지 10미터 단위로 단계적으로 시험하여 측정하였고, 각 거리별 측정 결과에 대한 평균치를 그림 9에도시하였다. 이를 통해 터널 내 환경 관리 시스템에서 요구되는 일반적인 상용 지표보다 향상된 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.
성능/효과
개발 보드를 통한 성능평가 결과에서도 알 수 있듯이 항목별로 측정된 성능측정 값은 본 논문에서 제안하는 알고리즘과 구현된 시스템이 전체적으로 안정적이며 효율적으로 동작하는 것을 알 수 있다. 향후, 개발된 센서 노드와 기존의 개발된 여러 가지 센서 노드를 비교 분석하는 과정을 통해서 본 시스템을 추가로 수정 및 보완할 계획이며, 본 개발된 시스템을 바탕으로 다양한 환경에 대해 적응적인 시스템을 개발하여 향후 상품화 할 수 있도록 제품화 방안도 고려중이다.
본 논문에서는 특정 응용분야에 중점을 두어 센서 네트워크의 여러 가지 적용 사례 중 터널 관리를 위한 무선 센서 네트워크 구현을 고려하였다. 기존의 터널 관리에 적용된 방식과 비교해볼 때, 제안하는 시스템은 무선이라는 장점과 함께 저비용의 간단한 알고리즘을 사용하기 때문에 각 센서 노드의 메모리 용량을 최소화할 수 있다. 또한, 노드들이 자동으로 무선 네트워크를 형성하고 데이터의 전송 경로를 스스로 결정하기 때문에 네트워크 설정이 매우 용이하다.
제안한 방식에 따르면, 터널 내에 설치된 센서 노드에서 생성된 데이터가 직접 지시 노드로 전송되는 것이 아니라, 라우팅 알고리즘을 통하여 인접 노드를 경유하여 전송되기 때문에, 각 센서 노드에 갖춰지는 무선 송수신기는 저출력, 저비용의 제품으로도 구현 가능하여, 터널 관리 시스템의 설치비용과 소비 전력을 현저히 감소시킬 수 있다. 또한, 본 논문에 적용되는 라우팅 알고리즘은 기존의 유무선 망의 라우팅 알고리즘에 비하여 간단한 알고리즘을 채용하기 때문에, 각 센서 노드의 메모리의 용량을 최소화할 수 있다. 그리고 설치된 노드들은 각 노드가 상호 협력하여 자동으로 무선 네트워크를 형성하고 필요한 데이터의 전송 경로를 스스로 결정하기 때문에 네트워크 설정이 매우 용이하다.
본 논문에서 구현하는 환경관리시스템은 각 모듈이 무선으로 통신하기 때문에 유선 네트워크를 기반으로 하는 기존의 시스템과는 달리 배선에 따른 노력과 비용을 최소화할 수 있으며, 또한 모듈들을 설치만 하면 각 모듈이 상호 협력하여 자동으로 무선 네트워크를 형성하고 필요한 데이터의 전송 경로를 스스로 결정하기 때문에 네트워크 설정이 매우 용이하다. 한편, 일부 모듈의 고장이 시스템의 다른 부분에 영향을 주지 않으며 모듈의 고장 유무를 실시간으로 감시할 수 있기 때문에 고장에 강한 특성 및 유지보수가 용이하다는 특징을 갖고 있다.
기지국이나 Access Point를 사용하지 않는 무선 애드혹 네트워크에 사용되는 라우팅 알고리즘들은 많이 알려졌으나, 이러한 알고리즘들은 모두 데이터를 처리하는 프로세싱 능력이 매우 큰 CPU를 사용하는 통신단말들로 구성된 무선 애드혹 네트워크를 가정한 것으로 본 논문과 같이 저가의 무선 네트워크를 이용해야 하는 환경에는 적합하지 않다. 본 연구에서 고려하는 센서 노드는 다수의 노드가 터널 내 분포해야 하고 처리해야할 데이터양이 많지 않으므로 고성능의 CPU는 불필요하며, 또한 데이터를 저장하기 위한 메모리의 용량도 작다. 이러한 이유로 기존의 고성능 센서 노드를 대상으로 한 라우팅 알고리즘은 사용하기 어려우므로 본 논문에서는 복잡도가 낮은 새로운 라우팅 알고리즘을 제안하였다.
또한 통신거리는 노드 #1과 노드 #2를 이용하여 40미터에서 100미터까지 10미터 단위로 단계적으로 시험하여 측정하였고, 각 거리별 측정 결과에 대한 평균치를 그림 9에도시하였다. 이를 통해 터널 내 환경 관리 시스템에서 요구되는 일반적인 상용 지표보다 향상된 성능을 가짐을 확인할 수 있었다.
본 논문에서는 터널 환경 내의 환경관리시스템을 구축함으로서 각각의 노드끼리 최적의 라우팅 경로로 네트워크가 형성되는 효율적인 통신 방법을 제안하였다. 제안한 방식에 따르면, 터널 내에 설치된 센서 노드에서 생성된 데이터가 직접 지시 노드로 전송되는 것이 아니라, 라우팅 알고리즘을 통하여 인접 노드를 경유하여 전송되기 때문에, 각 센서 노드에 갖춰지는 무선 송수신기는 저출력, 저비용의 제품으로도 구현 가능하여, 터널 관리 시스템의 설치비용과 소비 전력을 현저히 감소시킬 수 있다. 또한, 본 논문에 적용되는 라우팅 알고리즘은 기존의 유무선 망의 라우팅 알고리즘에 비하여 간단한 알고리즘을 채용하기 때문에, 각 센서 노드의 메모리의 용량을 최소화할 수 있다.
후속연구
개발 보드를 통한 성능평가 결과에서도 알 수 있듯이 항목별로 측정된 성능측정 값은 본 논문에서 제안하는 알고리즘과 구현된 시스템이 전체적으로 안정적이며 효율적으로 동작하는 것을 알 수 있다. 향후, 개발된 센서 노드와 기존의 개발된 여러 가지 센서 노드를 비교 분석하는 과정을 통해서 본 시스템을 추가로 수정 및 보완할 계획이며, 본 개발된 시스템을 바탕으로 다양한 환경에 대해 적응적인 시스템을 개발하여 향후 상품화 할 수 있도록 제품화 방안도 고려중이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선 센서 네트워크는 무엇으로 구성되는가?
무선 센서 노드는 유비쿼터스 센서 네트워크에서 실제로 널리 사용되고 있다. 무선 센서 네트워크(WSN)는 제한적인 처리와 컴퓨팅 자원을 가진 소형의 저렴한 센서로 구성된다. 센서노드는 환경으로부터 정보를 감지하고 측정하며 수집할 수 있고 그 정보를 바탕으로 사용자에게 필요한 정보를 지역적인 프로세스에 기반을 두어 전송할 수 있다.
이 논문에서 구축한 터널 환경 내의 환경관리시스템에서 네트워크 설정이 매우 용이한 이유는 무엇인가?
본 논문에서 구현하는 환경관리시스템은 각 모듈이 무선으로 통신하기 때문에 유선 네트워크를 기반으로 하는 기존의 시스템과는 달리 배선에 따른 노력과 비용을 최소화할 수 있으며, 또한 모듈들을 설치만 하면 각 모듈이 상호 협력하여 자동으로 무선 네트워크를 형성하고 필요한 데이터의 전송 경로를 스스로 결정하기 때문에 네트워크 설정이 매우 용이하다. 한편, 일부 모듈의 고장이 시스템의 다른 부분에 영향을 주지 않으며 모듈의 고장 유무를 실시간으로 감시할 수 있기 때문에 고장에 강한 특성 및 유지보수가 용이하다는 특징을 갖고 있다.
이 논문에서 구축한 터널 환경 내의 환경관리시스템이 고장에 강하고 유지보수가 용이한 이유는 무엇인가?
본 논문에서 구현하는 환경관리시스템은 각 모듈이 무선으로 통신하기 때문에 유선 네트워크를 기반으로 하는 기존의 시스템과는 달리 배선에 따른 노력과 비용을 최소화할 수 있으며, 또한 모듈들을 설치만 하면 각 모듈이 상호 협력하여 자동으로 무선 네트워크를 형성하고 필요한 데이터의 전송 경로를 스스로 결정하기 때문에 네트워크 설정이 매우 용이하다. 한편, 일부 모듈의 고장이 시스템의 다른 부분에 영향을 주지 않으며 모듈의 고장 유무를 실시간으로 감시할 수 있기 때문에 고장에 강한 특성 및 유지보수가 용이하다는 특징을 갖고 있다.
참고문헌 (9)
J. Yick, B. Mukherjee, and D. Ghosal, "Wireless Sensor Network Survey," Computer Networks, Vol. 52, Issue 12, pp. 2292-2330, 2008.
I.F. Akyildiz, W. Su, Y. Sankarasubramaniam, and E. Cayirci, "A Survey on Sensor Networks," IEEE Communications Magazine, Vol. 40, No. 8, pp. 102-114, 2002.
B. Magnus, L. Anders, B. Erik, and E. Henrik, "Distributed User Interfaces for Clinical Ubiquitous Computing Applications," Int'l Journal of Medical Informatics, Vol. 74, Issues 7-8, pp. 545-551, 2005.
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