[논문]WiFi의 간섭을 평가하기 위한 IEEE 802.15.4 채널분석기의 구현

송명렬; 진현준

doi:10.5370/kieep.2014.63.2.081

WiFi의 간섭을 평가하기 위한 IEEE 802.15.4 채널분석기의 구현
Implementation of IEEE 802.15.4 Channel Analyzer for Evaluating WiFi Interference 원문보기

전기학회논문지. The Transactions of the Korean Institute of Electrical Engineers. P, v.63 no.2, 2014년, pp.81 - 88

송명렬 (Dept. of Information and Communication Eng., Hoseo Univ.) , 진현준 (Dept. of Information and Communication Eng., Hoseo Univ.)

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an implementation of concurrent backoff delay process on a single chip with IEEE 802.15.4 hardware and 8051 processor core that can be used for analyzing the interference on IEEE 802.15.4 channels due to WiFi traffics is studied. The backoff delay process of IEEE 802.15.4 CSMA-CA algorithm is explained. The characteristics of random number generator, timer, and CCA register included in the single chip are described with their control procedure in order to implement the process. A concurrent backoff delay process to evaluate multiple IEEE 802.15.4 channels is proposed, and a method to service the associated tasks at sequentially ordered backoff delay events occurring on the channels is explained. For the implementation of the concurrent backoff delay process on a single chip IEEE 802.15.4 hardware, the elements for the single channel backoff delay process and their control procedure are used to be extended to multiple channels with little modification. The medium access delay on each channel, which is available after execution of the concurrent backoff delay process, is displayed on the LCD of an IEEE 802.15.4 channel analyzer. The experimental results show that we can easily identify the interference on IEEE 802.15.4 channels caused by WiFi traffics in comparison with the way displaying measured channel powers.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

4 하드웨어를 포함하는 단일칩 CC2530에 단일 채널 백오프지연과정의 구현에 필요한 기능들 즉, CCA기능, 난수발생기, 타이머와 이를 제어하는 프로그램의 절차에 대해서 설명하였다. 그리고 이를 확장하여 다중 채널에 대한 병렬적인 백오프지연과정의 구현을 위해, 추가로 필요한 기능들과 제어프로그램의 절차와 부수적으로 얻게 되는 각 채널에 대한 매체접근지연을 사용하는 방법에 대해서 기술하였다. 단일칩 CC2530과 LCD 출력장치, RS232 인터페이스를 제공하는 SmartRF05EB 보드에 구현한 WiFi의 간섭을 분석하기 위한 IEEE 802.
따라서 이 논문에서는, 이와 같은 기존 연구의 문제점을 극복하면서 IEEE 802.15.4 프레임 송수신기능 하드웨어와 8051 코어 (core)를 포함하는 단일칩에 구현될 수 있는, IEEE 802.15.4 채널들에 나타나는 WiFi의 간섭을 분석하기 위한 장치의 구현에 대해 연구하였다. 이를 위해 2장에서 단일 채널 IEEE 802.
이 논문에서는 WiFi 트래픽으로 인해 IEEE 802.15.4 노드들에게 발생되는 전송지연을 분석하고 간섭여부를 판단하는데 사용될 수 있는 IEEE 802.15.4 채널분석기를 하나의 고주파 하드웨어와 8051 코어를 갖는 단일칩에 구현한 연구에 대해서 기술하였다. WiFi 트래픽이 IEEE 802.
이 논문에서는 이러한 문제점을 개선하여, 채널전력을 샘플하여 신호처리하는 기존의 방식과 달리 채널에 다른 트래픽이 증가할 때 매체접근지연이 증가하는 특성이 있으므로, 채널에 대한 매체접근지연을 간섭에 대한 평가요소로 활용하고 하나의 IEEE 802.15.4 하드웨어로 다수의 채널에 대해 병렬적으로 백오프지연과정을 수행하여 각 채널에 대한 매체접근지연을 동시에 구하는 방법에 대해서 설명하였다. IEEE 802.

제안 방법

4 채널분석기를 하나의 고주파 하드웨어와 8051 코어를 갖는 단일칩에 구현한 연구에 대해서 기술하였다. WiFi 트래픽이 IEEE 802.15.4 노드의 프레임 송수신에 영향을 주는 간섭을 판단하기 위해 IEEE 802.15.4 채널에 대해 RSSI값을 이용하여 채널전력을 측정하여 신호처리하거나 증가된 채널전력이 WiFi의 특정한 프레임의 지속시간과 일치하는 현상이 일어나는지를 확인하는 방식의 기존연구에 대해서 분석하였다. 이러한 기존의 연구는 WiFi 채널의 주파수 스펙트럼이 서로 인접한 다수의 IEEE 802.
그리고 이를 확장하여 다중 채널에 대한 병렬적인 백오프지연과정의 구현을 위해, 추가로 필요한 기능들과 제어프로그램의 절차와 부수적으로 얻게 되는 각 채널에 대한 매체접근지연을 사용하는 방법에 대해서 기술하였다. 단일칩 CC2530과 LCD 출력장치, RS232 인터페이스를 제공하는 SmartRF05EB 보드에 구현한 WiFi의 간섭을 분석하기 위한 IEEE 802.15.4 채널분석기의 구조에 대해서 기술하고, 이를 시험하기 위한 WiFi 네트워크와 IEEE 802.15.4 채널분석기로 구성된 시스템과 시험조건에 대해서 기술하였다. LCD 출력장치를 통해 관찰된 실험결과는 이 논문에서 구현된 IEEE 802.
실험을 위해 WiFi 채널 8을 사용하도록 액세스포인트를 설정하고 노트북컴퓨터에서는 유무선 네트워크에 대한 벤치마킹 도구인 “Nuts About Nets, LLC”의 “netstress” 프로그램을 사용하여 MTU (maximum transfer unit) 크기를 1,500 byte, 초당 발생되는 패킷수를 1,016로 설정한 상태에서 WiFi 트래픽을 발생시켰다.
이 논문에서는 CC2530의 동작을 위한 시스템클럭 (system clock)의 발생을 위해 32 MHz 크리스탈 (crystal)이 사용되었다. CC2530을 사용하는 “Z-stack”에서는 CSMA-CA 알고리즘이나 IEEE 802.
4 채널들과 중첩되기 때문에, WiFi 트래픽이 발생되는 동안 WiFi 스펙트럼과 중첩된 IEEE 채널들에서 동시에 채널전력이 증가한다[5]. 이러한 성질을 이용하여 다수의 IEEE 802.15.4 장치를 사용하고 각 장치의 주파수를 서로 인접한 IEEE 802.15.4 채널에 설정한 후, 채널전력의 측정 및 평가를 위해 각 IEEE 802.15.4 장치에서 RSSI (received signal strength indicator) 레지스터값을 샘플하여 채널전력의 변화가 여러 장치에서 동시에 동일한 패턴으로 나타나는지를 확인하거나 빈 채널이라고 판단되는 수준보다 커진 상태의 지속시간이 WiFi의 특정 프레임의 지속시간과 일치하는지를 확인하는 방법으로 IEEE 802.15.4 채널에 나타나는 WiFi의 간섭을 판단하는 방법이 연구되었다[6-7]. 그러나 이러한 방법들은 다수의 IEEE 802.
4 채널들에 나타나는 WiFi의 간섭을 분석하기 위한 장치의 구현에 대해 연구하였다. 이를 위해 2장에서 단일 채널 IEEE 802.15.4 CSMA-CA (carrier sense multiple access - collision avoidance) 알고리즘을 설명하고 이를 구현하는데 필요한 단일칩이 제공하는 요소들의 특성과 제어절차에 대해서 기술한다. 3장에서 다수의 IEEE 802.
타이머 T2와 연계된 오버플로우 카운터를 사용하는 방법이 타이머 제어 코드의 실행에 소요되는 프로세서의 부하를 가장 줄일 수 있는 방법이지만, 이 논문에서는 “Z-stack”과 같은 기존에 구현된 IEEE 802.15.4 프로토콜 코드와 자원사용의 충돌을 방지하기 위해 타이머 T1을 사용하여 백오프지연타이머 기능을 구현하였다.

대상 데이터

그림 8에 3장에서 설명한 병렬적인 백오프지연 방법으로 구한 다수의 IEEE 802.15.4 채널에 대한 매체접근지연을 실시간으로 액정표시장치 (LCD)에 출력함으로써 WiFi 트래픽으로 인해 IEEE 802.15.4 채널들에 나타나는 전송지연을 평가하고 WiFi 트래픽의 간섭여부를 판단하는데 사용될 수 있는 IEEE 802.15.4 채널분석기의 구조를 나타냈다. 이 장치는 IEEE 802.
4 채널분석기에 대한 시험 시스템을 나타냈다. 이 시스템은 노트북컴퓨터와 액세스포인트로 구성된 WiFi 네트워크에서 WiFi 트래픽이 발생되고 그림 8과 같은 구조의 IEEE 802.15.4 채널분석기와 사후처리와 분석을 위해 RS232 포트를 통해 IEEE 802.15.4 채널들에 대한 매체접근지연을 수집하는 호스트 컴퓨터로 구성되어 있다. 실험을 위해 WiFi 채널 8을 사용하도록 액세스포인트를 설정하고 노트북컴퓨터에서는 유무선 네트워크에 대한 벤치마킹 도구인 “Nuts About Nets, LLC”의 “netstress” 프로그램을 사용하여 MTU (maximum transfer unit) 크기를 1,500 byte, 초당 발생되는 패킷수를 1,016로 설정한 상태에서 WiFi 트래픽을 발생시켰다.

성능/효과

4 채널분석기로 구성된 시스템과 시험조건에 대해서 기술하였다. LCD 출력장치를 통해 관찰된 실험결과는 이 논문에서 구현된 IEEE 802.15.4 채널분석기는 채널전력을 측정하여 보여주는 방식에 비해 WiFi의 간섭이 발생되는 IEEE 802.15.4 채널들을 쉽게 구분할 수 있음을 보여준다.
8보다 큰 값이 발생할 수 있으므로 백오프지연차수가 더 큰 경우에는 추가적인 소프트웨어 처리가 요구되고 프로세서 코어의 부하가 증가하게 된다. 이 논문에서는 IEEE 802.15.4 표준에서 CSMA-CA 알고리즘의 백오프지연크기와 최대백오프지연차수를 결정하는 파라미터들 가운데서 macMinBE, macMaxBE, macMaxCSMABackoffs의 값을 각각 권고치인 3, 5, 4로 사용하므로 최대차수의 백오프지연에서 선택되는 난수의 최대치는 2⁷ -1이 되어 16비트 타이머만으로도 백오프지연 동작을 구현할 수 있다.

후속연구

4 노드의 관점에서 WiFi 트래픽이 나타나고 있다는 것을 추정하기 위한 프로세서 코어의 부하가 증가한다. 따라서 WiFi 간섭이 발생되는 IEEE 802.15.4 채널들을 실시간으로 탐색할 수 있는 적절한 메모리의 요구조건, 연산량을 줄일 수 있는 구현방안, 8051 프로세서 코어 외에 다른 다양한 성능의 프로세서 코어로 구현하는 방안에 대해서 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	IEEE 802.15.4 채널을 탐색하는 방법은 어떠한 성질을 가지는가?	15.4 채널을 탐색하는 방법으로는, WiFi 트래픽에 대한 주파수 스펙트럼이 다수의 인접한 IEEE 802.15.4 채널들과 중첩되기 때문에, WiFi 트래픽이 발생되는 동안 WiFi 스펙트럼과 중첩된 IEEE 채널들에서 동시에 채널전력이 증가한다[5]. 이러한 성질을 이용하여 다수의 IEEE 802.
	IEEE 802.15.4 채널에 나타나는 WiFi의 간섭을 판단하는 방법은 어떠한 문제점이 있는가?	4 채널에 나타나는 WiFi의 간섭을 판단하는 방법이 연구되었다[6-7]. 그러나 이러한 방법들은 다수의 IEEE 802.15.4 장치가 필요한 문제가 있다. 한편, WiFi 네트워크의 액세스포인트 (access point)에서 주기적으로 비콘 (beacon)이 발생하므로 IEEE 802.
	IEEE 802.15.4 프로토콜은 어떠한 기술에 사용되고 있는가?	온도·습도와 같은 자연환경에 대한 감시, 축산업에서 동물의 감시, 지능형 건물을 위한 각종 센서 및 제어기, 가전 제품, 리모콘, 병원에서 환자의 상태를 감시하기 위한 간단한 센서 등등 소량의 데이터를 전송할 목적으로 다양한 형태의 센서네트워크의 운용이 증가하고 있다. 또한 이러한 센서네트워크에서 발생되는 데이터를 전송하는 기술로 중심 주파수가 2.4 GHz인 ISM (industrial, scientific, and medical) 대역에서 동작하는 IEEE 802.

참고문헌 (11)

LAN MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society, Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications for Low Rate Wireless Personal Area Networks (WPANs), IEEE Std 802.15.4-2006, Sep. 8, 2006.
LAN MAN Standards Committee of the IEEE Computer Society, Part 11 : Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, ANSI/IEEE Std 802.11-2012 (Revision of IEEE Std 802.11-2007), Mar. 2012.
ZigBee Alliance, "ZigBee and Wireless Frequency Coexistence", ZigBee White Paper, Jun. 2007.
P. Yi, A. Iwayemi, and C. Zhou, "Developing ZigBeee Deployment Guideline Under WiFi Interference for Smart Grid Applications", IEEE Trans. on Smart Grid, vol. 2, no. 1, pp. 110-120, Mar. 2011.

상세보기
G. Thonet, P. Allard-Jacquin, and P. Colle, "ZigBee-WiFi Coexistence", Schneider Electric White Paper and Test Report, pp. 1-38, Apr. 2008.
R. Xu, G. Shi, J. Luo, Z. Zhao, and Y. Shu, "MuZi : Multi-channel ZigBee Networks for Avoiding WiFi Interference", Proc. of 4th International Conference on Cyber, Physical and Social Computing (CPSCom), pp. 323-329, Oct. 2011.
J. Ansari, T. Ang, and P. Mahonen, "WiSpot : Fast and Reliable Detection of Wi-Fi Networks using IEEE 802.15.4 Radios", Proc. of MobiWac'11, pp. 35-44, Nov. 2011.
R. Zhou , Y. Xiong , G. Xing , and L. Sun, "ZiFi : Wireless LAN Discovery via ZigBee Interference Signatures", Proc. of MobiCom'10, pp.49-60, Sep. 2010.
Texas Instrument, CC253x System-on-Chip Solution for 2.4-GHz IEEE 802.15.4 and ZigBee Applications : User's Guide, 2012.
HAL Drivers Application Programming Interface, Document Number : SWRA193 Version 1.4.
Texas Instrument, Z-Stack User's Guide for SmartRF05EB and CC2530, Document Number : SWRU189 Ver. 1.6.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증