[논문]IEEE 802.15.4 MAC 계층 기반의 이기종 비면허 기기 간 주파수 간섭 회피 방법

장병준; 김석환; 윤현구; 최선웅

doi:10.5515/kjkiees.2014.25.1.76

IEEE 802.15.4 MAC 계층 기반의 이기종 비면허 기기 간 주파수 간섭 회피 방법
Interference Avoidance Based on IEEE 802.15.4 MAC Layer between Heterogeneous Unlicensed Devices 원문보기

韓國電磁波學會論文誌 = The journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science, v.25 no.1, 2014년, pp.76 - 82

장병준 (국민대학교 전자공학과) , 김석환 (LG이노텍(주)) , 윤현구 (명지전문대학 컴퓨터전자과) , 최선웅 (국민대학교 전자공학과)

초록
AI-Helper

이기종 비면허 기기들이 동일한 주파수 대역을 공동 사용하기 위해서는 주파수 간섭 회피 기법이 필요하다. 본 논문에서는 이기종 비면허 대역 공동 사용의 대표적인 예로서 2.4 GHz ISM 대역에서 동작하는 WLAN과 WPAN 간의 주파수 간섭을 MAC 계층에서 분석하였다. 분석 결과, WPAN의 성능이 WLAN의 간섭으로 인하여 크게 저하되는 것을 시뮬레이션과 실험을 통해 확인하였다. 이러한 주파수 간섭을 회피하기 위한 방법으로 WPAN 시스템을 위한 채널 변경 기법을 새롭게 제안하였다. 실험을 통하여 제안한 채널 변경 기법이 고정된 채널을 사용하는 기존의 방법에 비하여 주파수 간섭의 영향을 회피할 수 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order for heterogeneous unlicensed devices to co-exist on the same frequency band, the frequency interference avoidance mechanism is necessary. In this paper, a frequency interference between WLAN and WPAN systems that operate at 2.4 GHz ISM band was analyzed in the MAC layer. We observed that WPAN systems suffer from severe interference from WLAN systems. To avoid this interference problem, we propose a new channel shift algorithm for WPAN systems. We showed that the proposed channel shift algorithm is better than the traditional WPAN system which uses a fixed channel in terms of throughput.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

이와 같이 WLAN 시스템의 CCA가 WPAN 시스템을 감지하지 못하는 한계점 때문에, 상호 시스템의 존재 유무를 파악하는 방법의 주파수 간섭 회피 방안은 구현하기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 WLAN 시스템과 WPAN 시스템이 상호 정보 공유 없이 주파수 간섭을 회피하는 방안을 연구하게 되었다.
본 논문에서는 기존에 제안된 WPAN 시스템의 주파수간섭 회피 방법의 장단점을 분석하고, 기존방법의 단점을 극복할 수 있는 새로운 주파수 간섭 회피 방법으로 WPAN의 채널 변경 기법을 제안하였다. 제안한 알고리즘은 WPAN이 주파수 간섭에 의해 처리율이 떨어지는 것을 감지하면, 통신 채널을 간섭이 없는 채널로 변경하여 성능을 향상시킨다.
본 논문에서는 현재 주파수 간섭 이슈가 활발히 논의
되고 있는 2.4 GHz ISM 대역을 공동 사용하고 있는 WLAN과
WPAN 시스템 간의 주파수 간섭 영향을 MAC 계
층에서 분석하고, 주파수 간섭을 피하기 위하여 WPAN의
채널을 스스로 변경하는 기법을 제안하였다. 시뮬레이션

가설 설정

채널의 변화에 따른 MAC 계층 시뮬레이션 결과 및 실험 결과는 그림 3과 같다. 이전 연구 결과[1]에서는 간섭원으로 작용하는 WLAN이 포화 상태로 동작하도록 10Mbps의 UDP 트래픽 부하를 가정하였으나, 이번에는 현실에 더욱 가까운 상황을 설정하기 위하여 파일 전송을 하는 TCP 트래픽 부하를 가정하였다. 하지만, TCP 역시 전송 제어를 통하여 망의 대역폭을 거의 모두 사용하기 때문에 포화 상태의 WLAN을 가정한 이전과 거의 유사한 결과를 얻었다.
에서 실제 MAC 프로토콜에 따른 throughput 성능을 계산하기 위해서는, 각 시스템이 사용하고 있는 MAC 프로토콜(CSMA/CA 등)을 전혀 고려하지 못하는 물리 계층 간섭 분석으로는 불가능하고, MAC 계층의 간섭 분석이 필요하다는 것을 보였다. 주파수 간섭의 영향을 MAC 계층에서 분석하기 위한 시나리오는 참고문헌 [1]과 같이 한 쌍의 WLAN 기기와 한쌍의 WPAN 기기가 2.4 GHz ISM 대역에서 주파수를 공동 사용하는 간단한 시나리오를 가정하였다. WLAN 송신기와 WPAN 수신기 사이의 이격 거리를 1 m로 설정하였다.

제안 방법

Kmote 센서 노드는 온도, 습도, 조도 센서를 내장하고 있어서 주변 정보를 센싱할 수 있고, CC2420 무선라디오 칩을 탑재하고 있어서 주변 노드들과 통신을 할 수 있다. Kmote 센서 노드를 동작시키기 위하여 tinyOS2.x를 운영 체제로 사용하였고, IEEE 802.15.4 규격을 따르기 위하여 Telecommunication Networks Group에서 제공하는 tinyOS용 TKN15.4 코드를 추가로 활용하였다^[5],[6]. 이 때 TKN15.
WLAN 채널은 중심주파수 2,462MHz이고, 채널 대역폭이 22 MHz인 11번 채널로 고정하여 사용하였다. WLAN의 트래픽을 간섭원으로 삼아, 주파수 채널에 따른 WPAN의 throughput을 분석하였다.
4 GHz 대역에서 타 간섭원이 존재할 때, 주파수 간섭을 회피할 수 있는 WPAN의 채널 변경 기법을 새롭게 제안한다. Ⅲ장에서 살펴본 바와 같이 기존에
제안된 IEEE 802.15.2 또는 채널 스캔 방법을 이용한 주파수 간섭 회피 방안과는 달리 본 논문에서 제안한 기법은 별도의 오버헤드가 필요하지 않다. 또한, 각 노드가 자
센서 노드가 맨 처음 비콘을 통해 네트워크를 형성하는 초기 단계에서, 각 노드들은 모든 채널에 대한 노이즈 레벨 정보를 수집한다. 그리고 코디네이터에게 수집한 정보를 전송하여 코디네이터가 모든 채널의 노이즈 레벨 정보를 알 수 있도록 한다. 코디네이터는 전송 받은 채널 정보를 이용하여 간섭이 없는 채널들을 추출하여 채널 테이블을 만든 후, 모든 단말 노드들에게 채널 테이블을 브로드 캐스트 한다.
또한, 시뮬레이션 결과를 검증하기 위하여 다음과 같은 간섭 실험을 실시하였다. 먼저, WLAN은 IEEE 802.11b 규격을 갖는 Notebook 한 대와 WLAN AP 하나로 구성하였다. WPAN은 그림 2와 같은 Kmote 센서 노드 2개로 구성하였다.
본 논문에서 제안하는 채널 변경 기법은 비콘 메시지
송수신 특성과 LQI 값을 기반으로 설계되었다. 우선 코디
본 장에서는 2.4 GHz 대역에서 타 간섭원이 존재할 때, 주파수 간섭을 회피할 수 있는 WPAN의 채널 변경 기법을 새롭게 제안한다. Ⅲ장에서 살펴본 바와 같이 기존에
본 장에서는 기존에 제안된 주파수 간섭 회피 방법들을 분석하였다. 먼저, IEEE 802.
본 장에서는 이기종 비면허 대역 공동 사용의 대표적인 예로서, 2.4 GHz ISM 대역에서 WLAN 시스템과 WPAN 시스템이 인접하여 존재하는 주파수 간섭 시나리오를 MAC 계층 간섭 분석을 이용하여 분석하고자 한다.

대상 데이터

4 규격을 따르는 Zigbee 기기이다. WLAN 채널은 중심주파수 2,462MHz이고, 채널 대역폭이 22 MHz인 11번 채널로 고정하여 사용하였다. WLAN의 트래픽을 간섭원으로 삼아, 주파수 채널에 따른 WPAN의 throughput을 분석하였다.

데이터처리

제안한 WPAN의 채널 변경 기법을 tinyOS 코드를 수정
하여 실제 시스템에 구현하고, 실험을 수행하여 성능을
분석하였다. LQI threshold는 20을 사용하였다.

이론/모형

4 코드를 추가로 활용하였다^[5],[6]. 이 때 TKN15.4 코드의 비콘 활성(beacon enabled) 모드를 사용하였다. 센서 노드 중 1개는 코디네이터로 동작하여 주기적으로 비콘을 전송한다.

성능/효과

구현이 되었으므로, 활성 주기와 비활성 주기의 길이에 영향을 주지 않는다. 따라서 본 논문에서 제안한 채널 변경 기법은 WPAN 시스템의 추가적인 에너지 소모 없이 간섭 채널을 회피할 수 있을 뿐 아니라, 채널 스캔을 통한 주파수 간섭 회피 방안에 비해 에너지 측면과 오버헤드 발생 방지 측면에서 보다 효율적이다.
본 연구팀은 이전 연구 결과^[1]에서 실제 MAC 프로토콜에 따른 throughput 성능을 계산하기 위해서는, 각 시스템이 사용하고 있는 MAC 프로토콜(CSMA/CA 등)을 전혀 고려하지 못하는 물리 계층 간섭 분석으로는 불가능하고, MAC 계층의 간섭 분석이 필요하다는 것을 보였다. 주파수 간섭의 영향을 MAC 계층에서 분석하기 위한 시나리오는 참고문헌 [1]과 같이 한 쌍의 WLAN 기기와 한쌍의 WPAN 기기가 2.
채널을 스스로 변경하는 기법을 제안하였다. 시뮬레이션
및 실제 실험을 통하여 간섭이 존재하는 채널에서 간섭
이 없는 채널을 찾아가 MAC 성능이 향상되는 것을 확인
하였다.
채널 18번(2,440 MHz)과 채널 26번(2,480 MHz)의 경우에는 채널이 겹치지 않으므로 간섭이 없는 경우와 동일한 throughput 성능을 보인다. 실험에서는 WPAN 채널 19번, 20번, 25번은 인접 채널로서 스펙트럼 마스크에 의해 일부 간섭 영향을 받음을 확인할 수 있다. 하지만 시뮬레이션에서는 실제의 스펙트럼 마스크가 아닌 WLAN과 WPAN의 규격 상의 스펙트럼 마스크를 사용하였기 때문에 인접 채널의 효과는 확인할 수 없었다.
본 논문에서는 기존에 제안된 WPAN 시스템의 주파수간섭 회피 방법의 장단점을 분석하고, 기존방법의 단점을 극복할 수 있는 새로운 주파수 간섭 회피 방법으로 WPAN의 채널 변경 기법을 제안하였다. 제안한 알고리즘은 WPAN이 주파수 간섭에 의해 처리율이 떨어지는 것을 감지하면, 통신 채널을 간섭이 없는 채널로 변경하여 성능을 향상시킨다. 제안한 알고리즘의 타당성을 검증하기 위하여 실제 한 쌍의 WLAN과 WPAN이 있는 환경을 구성하여 간섭 실험을 함으로써 제안된 방법이 주파수 간섭을 효과적으로 회피할 수 있음을 확인하였다.
제안한 알고리즘은 WPAN이 주파수 간섭에 의해 처리율이 떨어지는 것을 감지하면, 통신 채널을 간섭이 없는 채널로 변경하여 성능을 향상시킨다. 제안한 알고리즘의 타당성을 검증하기 위하여 실제 한 쌍의 WLAN과 WPAN이 있는 환경을 구성하여 간섭 실험을 함으로써 제안된 방법이 주파수 간섭을 효과적으로 회피할 수 있음을 확인하였다.
성능을 보이는 것을 볼 수 있다. 주파수 간섭이 존재하는
경우, 본 논문에서 제안한 채널 변경 기법은 스스로 간섭
이 없는 채널로 이동하여 향상된 성능을 얻을 수 있다. 하
기법의 성능을 비교하여 보여준다. 채널 변경 기법을 적
용한 WPAN 시스템의 성능이 간섭 채널을 회피하여 높은
성능을 보이는 것을 볼 수 있다. 주파수 간섭이 존재하는

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IEEE 802.15.2에서 제안한 WLAN과 Blutooth 사이의 주파수 간섭 회피 방안을 크게 두 가지로 나눈다면 어떻게 나눌 수 있는가?	본 장에서는 기존에 제안된 주파수 간섭 회피 방법들을 분석하였다. 먼저, IEEE 802.15.2에서 제안한 WLAN과 Blutooth 사이의 주파수 간섭 회피 방안은 크게 collaborative coexistence 방식과 non-collaborative coexistence 방식으로 나뉜다[2]. Collaborative coexistence 방식은 두 시스템이 서로 정보를 교환하면서 주파수 간섭을 회피하는 방식이고, non-collaborative coexistence 방식은 상호 정보 교환 없이 주파수 간섭을 회피한다.
	우선권이 없는 비면허 기기들이 주파수를 공동 사용하는 경우 주파수 간섭이 문제되는 대표적인 예는 무엇인가?	하지만, 우선권이 없는 비면허 기기들이 주파수를 공동 사용하는 경우 주파수 간섭이 문제가 된다. 대표적인 예로는 917～923.5 MHz 대역의 RFID(Radio Frequency Identification) 기기와 USN(Ubiquitous Sensor Network) 기기 간의 간섭, 2.4 GHz ISM(Industrial, Scientific, and Medical) 대역에서 WLAN과 WPAN 간의 간섭 등이 있다. 이와 같이 동일한 주파수 대역을 비면허 기기가 공동 사용
	Collaborative coexistence 방식의 단점은 무엇인가?	Collaborative coexistence 방식은 두 시스템이 서로 정보를 교환하면서 주파수 간섭을 회피하는 방식이고, non-collaborative coexistence 방식은 상호 정보 교환 없이 주파수 간섭을 회피한다. Collaborative coexistence 방식은 서로 정보를 공유할 수 있는 커뮤니케이션 링크가 필요하기 때문에, 하나의 단말에서 간섭이 이루어지는 경우가 아니면 구현이 어렵다. 반면에 non-collaborative coexistence 방식은 두 장치 사이에서 정보 교환이 필요하지 않으므로, 커뮤니케이션 링크를 구현하지 않아도 된다.

참고문헌 (7)

장병준, 최선웅, 윤현구, "비면허 기기 간 주파수 공동사용을 위한 MAC 계층 기반의 간섭 분석 및 간섭 완화 정책", 한국전자파학회논문지, 24(8), pp. 841- 848, 2013년 8월.

원문보기 상세보기
IEEE 802.15.2 standard, Coexistence of wireless personal area networks with other wireless devices operating in unlicensed frequency bands, 2003.
문미양, "ZigBee 기반 네트워크 간섭의 개선연구", 한국인터넷정보학회지, 8(2), pp. 551-556, 2007.
김병철, "유무선 통신을 동시에 지원하는 센서 네트워크를 위한 802.15.4 MAC 구조", 경북대학교 석사학위논문, 2009년 12월.
http://www.tinyos.net/
Jan-Hinrich Hauer, "TKN15.4: An IEEE 802.15.4 MAC implementation for TinyOS 2", Technical University Berlin Telecommunication Networks Group, Mar. 2009.
Jun Huang, Guoliang Xing, Gang Zhou, and Ruogu Zhou, "Beyond co-existence exploiting WiFi white space for ZigBee performance assurance", IEEE ICNP 2010, Oct. 2010.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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