[논문]신뢰성 있는 이미지 전송 기법을 적용한 전자 가격표시 시스템의 설계 및 구현

양은주; 정승완; 유길상; 김정준; 서대화

doi:10.9717/kmms.2015.18.1.025

[국내논문] 신뢰성 있는 이미지 전송 기법을 적용한 전자 가격표시 시스템의 설계 및 구현
Design and Implementation of Electronic Shelf Label System using Technique of Reliable Image Transmission 원문보기

멀티미디어학회논문지 = Journal of Korea Multimedia Society, v.18 no.1, 2015년, pp.25 - 34

양은주 (Center for Embedded Software Technology) , 정승완 (IT Engineering, Kyungpook National University) , 유길상 (Center for Embedded Software Technology) , 김정준 (IT Engineering, Kyungpook National University) , 서대화 (Center for Embedded Software Technology)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, in distribution market, demand for electronic shelf label system is increasing gradually to provide the accurate price immediately and detailed product information to consumers and reduce operation costs. Most of electronic shelf label system companies develop the full-graphic display device to display a wide variety of product information as well as the exact price. Our system had introduced Go-Back-N retransmission method in the early. However, we encountered performance problems that it delayed updating of the electronic shelf label system and exhausted the battery life time. Proposed adaptive image retransmission technique based on the selective scheme is that tags of electronic shelf label system recognize idle time of transmission cycle and require partial image retransmission to sever by itself. As a result, it can acquire much more opportunities of partial image retransmission within the same period and increase reception rate of full image for each tags. The experimental result shows that adaptive image retransmission technique's reception rate of full image for each tags is approximately 4% higher than existing previous works. And total battery life time increases 30 hours because tag reduce wake-up time as it receive only lost data instead of whole data.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

ESL 시스템에서 기존 이미지 전송을 방법의 문제점들을 개선하기 위해 본 논문에서는 Adaptive 이미지 재전송 기법을 제안한다. Adaptive 이미지 재전송 기법은 ESL 태그가 유휴 상태의 전송 구간을 인지하여 스스로 서버에 재전송을 요구한다.
본 논문에서는 제안하는 Adaptive ESL 기법을 적용하여 무선 환경에서 보다 안정적으로 대용량 데이터를 전송할 수 있도록 하였다. 실험 결과 99.
본 장에서는 기존 ESL 시스템에서 이미지 재전송 방법을 수정하여 태그별 이미지 전송 성공률을 높일 수 있는 Adaptive 이미지 재전송 기법을 제안한다. 기존 ESL 시스템에서 이미지 재전송 시, 태그별 이미지 재전송을 종료하면 사이클 내에 유휴 시간이 발생하였다.

가설 설정

초기 ESL 시스템은 서버가 데이터 전송을 시작하기 전에 데이터 전송 스케줄 및 재전송 관리가 이루어지며, 이로 인해 크게 두 가지 문제점을 가진다. 우선, 정해진 시간에 최대 업데이트 가능한 태그의 수를 n개라 하고, n개 태그 중 데이터 전송을 완료하고 재전송이 필요한 태그가 n/2개라고 가정한다. 첫 번째 문제점은 Fig.
우선, 정해진 시간에 최대 업데이트 가능한 태그의 수를 n개라 하고, n개 태그 중 데이터 전송을 완료하고 재전송이 필요한 태그가 n/2개라고 가정한다. 첫 번째 문제점은 Fig. 1과 같이 서버가 부분 재전송이 필요한 n/2개의 태그에 재전송을 완료한 후, 서버에서 재전송에 대한 결과를 분석하고 다음 전송 스케줄을 정하는 동안, 태그는 유휴 상태로 서버의 다음 명령을 대기하게 된다는 것이다. 서버가 대용량 이미지 데이터를 전송하고자 하는 대상 태그의 수가 적을수록 ESL 시스템 입장에서 유휴 상태의 시간은 늘어나게 되고, 사용자 입장에서는 대상 태그의 수가 n개 이거나 1개 이거나 데이터 업데이트 완료될 동안 대기하는 시간은 동일하게 된다.

제안 방법

따라서 총 12,336 개의 패킷을 재전송 하였다. Adaptive ESL 시스템은 10,257개의 패킷에 대해 이미지 부분 재전송을 하였으며, 6회의 전체 이미지 재전송을 수행하였다. 따라서 총 10,377개의 패킷을 재전송 하였다.
Adaptive 이미지 재전송 기법을 실제 ESL 시스템에 적용한 실험 결과를 보기에 앞서, 본 장에서는 기존 ESL 이미지 재전송 기법과 Adaptive 이미지 재전송 기법의 이미지 수신 성공률을 수학적으로 분석한다. 제안하는 Adaptive 이미지 재전송 기법은 기존 ESL 이미지 재전송 기법과 비교하여 동일한 사이클 동안 더 많은 이미지 부분 재전송을 수행하는 특징을 가진다.
ESL 서버와 게이트웨이는 유선으로 통신을 하며, 게이트웨이와 EPD 태그는 무선으로 데이터를 전송한다. EPD 태그는 게이트웨이를 중심으로 좌우 15m씩 간격을 두어 A Zone과 C/D Zone으로 구분하였으며, B Zone은 게이트웨이로부터 1m 간격을 두고 배치하였다. A^~C Zone은 해상도 172*72인 EPD 태그들로 구성하였으며, D Zone은 해상도 296*128인 EPD 태그로 구성하였다.
하지만 동일한 태그에 계속해서 전송 실패가 일어난 다면 전송 환경에 문제가 있는 것으로 판단하고 최대 6번의 재전송만을 수행한다. 그렇다면 재전송 횟수가 증가하면 전체 이미지 전송 성공률이 얼마나 높아지는지를 수식적 분석을 통해 살펴본다.
Table 1에서 기존 ESL 시스템은 5,000개의 이미지 전송 시, 9,856개의 패킷에 대해 이미지 부분 재전송을 하였다. 그리고 124회의 전체 이미지 재전송을 수행하였다. 이는 2,480 패킷을 새로 전송하였다는 것을 의미한다.
기존 ESL 시스템과 Adaptive ESL 시스템에 대해 실제 실험 환경인 태그의 sleep-wakeup 주기는 30초로 설정하여 두 시스템의 소모전류를 도출하였으며 결과는 Table 2와 같다. 단순히 통신 성공률에 대한 결과를 무시하고, ESL 시스템에 설정된 재전송 횟수를 동일하게 두고 두 시스템의 소모전류를 산출하면 기존 ESL 시스템에서의 태그 배터리 수명이 1.
기존 ESL 시스템과 Adaptive 이미지 재전송 기법을 적용한 ESL 시스템 (Adaptive ESL 시스템)은 모두 각각 50회씩 테스트를 수행했으며, 각 회 당 시스템 내부적으로 3회에 걸쳐 데이터 보완이 이루어지도록 설정하였다. 기존 ESL 시스템과 Adaptive ESL 시스템의 최종 실패율(대용량 데이터를 모두 수신한지 못한 태그/전체 태그)에 대한 비교는 Fig.
15배 이상의 개선 효과가 있었다. 더욱이 각 시스템 내부적으로 전송 실패 시 이미지 재전송을 위해 세 사이클에 걸쳐 데이터 보완이 이루어지도록 명시적으로 설정하였다. 그러나 Adaptive ESL 시스템의 태그는 능동적으로 유휴 구간을 사용하여 데이터 보완의 기회를 높이므로 세 사이클에 걸쳐 재전송을 하는 경우가 극히 드물었다.
무선 통신의 성공률은 성능 향상에 대한 이슈와 더불어 실제 운영될 매장에서 시스템 관리의 효율성의 척도를 함께 나타낸다. 더욱이 본 시스템의 실험을 위해 구성한 테스트 베드는 실제 매장의 환경과 유사하도록 사람의 이동이 빈번한 WiFi-Zone에 구성하였으며, 태그의 규모도 350개를 구성하여 수행했기 때문에 실제 매장에서의 운영 결과와 유사하다.
본 절에서는 기존 ESL 시스템과 Adaptive ESL 시스템의 에너지 소모량에 대해 비교한다. Adaptive 이미지 재전송 기법은 동일 시간 내에 기존 이미지 전송 방법에 비해 빈번한 전송이 일어난다.
3과 같다. 유무선 통신 제어를 담당하는 통신 장치 부분, ESL의 유무선 프로토콜 제어를 담당하는 ESL 프로토콜 제어부분, 그리고 ESL 어플리케이션에서 데이터 관리과 동작 관리를 제어하는 ESL 응용부분으로 구성된다.
그리고 또 전송 실패가 일어난 태그가 존재한다면 사이클 내 타임 슬롯이 남아있는 동안 끊임없이 수행한다. 이를 위해 유휴 상태의 시간 구간을 태그가 스스로 인지하고 데이터 보완 및 데이터 재전송에 대해 능동적으로 동작하도록 Adaptive 이미지 재전송 기법을 설계 하였다.

대상 데이터

ESL 시스템의 실험을 위해 Fig. 7과 같이, ESL 서버 1대, 게이트웨이 1대, 해상도가 172*72인 EPD 태그 300대, 그리고 해상도 296*128인 EPD 태그 50대를 구성하였다. ESL 서버와 게이트웨이는 유선으로 통신을 하며, 게이트웨이와 EPD 태그는 무선으로 데이터를 전송한다.
Adaptive ESL 시스템은 10,257개의 패킷에 대해 이미지 부분 재전송을 하였으며, 6회의 전체 이미지 재전송을 수행하였다. 따라서 총 10,377개의 패킷을 재전송 하였다. 전체 이미지 패킷의 전송 개수를 비교하면 기존 ESL 시스템 112,336개이고, Adaptive ESL 시스템은 110.
이는 2,480 패킷을 새로 전송하였다는 것을 의미한다. 따라서 총 12,336 개의 패킷을 재전송 하였다. Adaptive ESL 시스템은 10,257개의 패킷에 대해 이미지 부분 재전송을 하였으며, 6회의 전체 이미지 재전송을 수행하였다.
A^~C Zone은 해상도 172*72인 EPD 태그들로 구성하였으며, D Zone은 해상도 296*128인 EPD 태그로 구성하였다. 테스트 환경은 Fig. 8과 같이 시스템이 설치될 일반적인 환경을 최대한 고려하여 WiFi-Zone내에 사람이 이동이 있는 공간에 구성하였다.

성능/효과

9와 같다. 기존 ESL 시스템의 경우, 가장 높은 실패율은 15.33%였으며 Adaptive ESL 시스템의 경우 가장 높은 실패율은 0.57%로, 전파환경 또는 일시적 인구밀도에 의해 불리한 환경적 요소로 발생할 수 있는 최악의 경우 대해 약 26.89배 가까이 개선되었다. 동일한 전체 사이클 시간에 대해 ESL 시스템의 평균 실패율은 2.
기존 ESL 시스템과 Adaptive ESL 시스템에 대해 실제 실험 환경인 태그의 sleep-wakeup 주기는 30초로 설정하여 두 시스템의 소모전류를 도출하였으며 결과는 Table 2와 같다. 단순히 통신 성공률에 대한 결과를 무시하고, ESL 시스템에 설정된 재전송 횟수를 동일하게 두고 두 시스템의 소모전류를 산출하면 기존 ESL 시스템에서의 태그 배터리 수명이 1.49개월 더 보장한다. 그러나 기존 ESL 시스템은 최종 실패율이 더 높으므로 이미지 전송에 실패한 태그에 대해 관리자가 다시 이미지 업데이트를 시도해야 된다는 측면에서 보면 배터리 소모가 추가적으로 더 발생할 수 있음을 알 수 있다.
6은 기존 ESL 이미지 재전송 기법과 Adaptive ESL 이미지 재전송 기법의 패킷 전송 성공률에 따른 태그의 이미지 수신 성공률을 보여준다. 더 많은 재전송 기회를 갖는 Adaptive ESL 이미지 재전송 기법이 태그 당 더 높은 수신 성공률을 가진다는 것을 알 수 있었다. 실제 무선 통신 환경과는 차이가 있지만 이를 통해 전체적으로 통신 환경이 좋지 않은 곳에서도 기존 ESL 방식 보다 Adaptive ESL 방식이 조금 더 나은 태그의 수신 성공률을 가진다는 것을 알 수 있다.
89배 가까이 개선되었다. 동일한 전체 사이클 시간에 대해 ESL 시스템의 평균 실패율은 2.49%였고, Adaptive ESL 시스템의 경우 실패율은 0.13%였으며, 19.15배 이상의 개선 효과가 있었다. 더욱이 각 시스템 내부적으로 전송 실패 시 이미지 재전송을 위해 세 사이클에 걸쳐 데이터 보완이 이루어지도록 명시적으로 설정하였다.
하지만 기존 이미지 전송 방법은 재전송을 위해 사용하는 사이클이 Adaptive 이미지 전송 기법에 비해 길어질 수 있고, 이미지 전송 실패 시, 이미지를 전체를 새로 보내야한다는 단점이 있다. 따라서 에너지 소모량 비교를 통해 Adaptive ESL 시스템이 기존 시스템에 비해 에너지 소모량이 많지 않다는 것을 증명한다.
따라서 정확한 비교를 위해 통신 성공률을 동일하게 하는 조건으로 Adaptive ESL 시스템에서 실제 수행되는 모든 재전송 횟수와 기존 ESL 시스템에서의 재전송 횟수를 동일하게 두고 소모전류를 산출하였으며, 이 경우 Adaptive ESL 시스템이 약 30.9시간 배터리 수명에 장점이 있는 것으로 나왔다. Adaptive ESL 시스템은 태그가 유휴 시간을 능동적으로 감지하고, 스스로 재전송 기회를 가지는 기법이므로, 서버로부터 재전송에 대한 명령을 받기 위해 대기해야 하는 시간이 없기 때문에 전류 소모량에 보다 장점이 있다.
본 논문에서는 제안하는 Adaptive ESL 기법을 적용하여 무선 환경에서 보다 안정적으로 대용량 데이터를 전송할 수 있도록 하였다. 실험 결과 99.56%의 성공률을 보이며, 기존 ESL 시스템의 성공률인 97.71%에 비해 월등히 높은 성공률을 보였다. 무선 통신의 성공률은 성능 향상에 대한 이슈와 더불어 실제 운영될 매장에서 시스템 관리의 효율성의 척도를 함께 나타낸다.
또한, Adaptive ESL 시스템은 태그의 이미지 전송 성공률을 높여, 이미지 전송을 위한 총 사이클 횟수를 줄이고, 이미지 전송에 실패한 태그에 대해 새로 이미지 전송을 수행하는 횟수를 줄일 수 있기 때문에 에너지 소모를 줄일 수 있다. 실험을 통해 확인한 결과 기존 ESL 시스템에 비해 30.9시간 배터리 수명이 연장되었다.
통신 장치 부분은 RF 통신 장치, 이더넷 카드와 같은 유무선 통신과 관련된 하드웨어 통신장치 또는 공통의 네트워크 프로토콜과 관련된 부분이다. 이는 ESL 프로토콜 제어부와 통신 장치간 독립성을 보장하여 향후 통신장치가 변경되어도 ESL 시스템 적용이 용이하도록 구현되었다.
따라서 총 10,377개의 패킷을 재전송 하였다. 전체 이미지 패킷의 전송 개수를 비교하면 기존 ESL 시스템 112,336개이고, Adaptive ESL 시스템은 110.377개로 기존 ESL 시스템이 약 1.7% 더 많은 패킷을 전송한다는 것을 알 수 있다.
Adaptive 이미지 재전송 기법을 실제 ESL 시스템에 적용한 실험 결과를 보기에 앞서, 본 장에서는 기존 ESL 이미지 재전송 기법과 Adaptive 이미지 재전송 기법의 이미지 수신 성공률을 수학적으로 분석한다. 제안하는 Adaptive 이미지 재전송 기법은 기존 ESL 이미지 재전송 기법과 비교하여 동일한 사이클 동안 더 많은 이미지 부분 재전송을 수행하는 특징을 가진다. 기존 이미지 재전송 기법은 이미지 전송 중 실패한 패킷에 대해 최대 3번의 재전송을 할 수 있다.
수식 (1)은 n의 값이 무한대에 근접하고 q값이 0에 근접할 때 1로 수렴한다. 즉, 재전송의 횟수가 많아질수록 태그의 평균 전송 성공률이 높아진다는 것을 보여준다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ESL 시스템은 무엇인가?	ESL 시스템은 원격제어서버(본사)와 연동하여 매장 내에 설치된 전기영동 디스플레이 (EPD, Electrophoretic Display) 기반 태그에 제품정보를 무선으로 전송 후, 표시해 주고, 시스템 상태의 조회/관리기능을 제공해주는 솔루션이다. 더불어 사용자 편의를 위해 태그 디스플레이용 화면 이미지를 손쉽게 생성/수정할 수 있는 사용자 환경은 제공하며, 원격지(매장)의 시스템 현황 조회 및 상품 정보 갱신이 가능한 원격 조회/관리 시스템을 함께 제공한다 [1-4].
	Adaptive 이미지 재전송 기법이 가져오는 양(+)적 효과는 무엇인가?	Adaptive 이미지 재전송 기법은 ESL 태그가 유휴 상태의 전송 구간을 인지하여 스스로 서버에 재전송을 요구한다. 따라서 ESL 태그는 동일한 시간 내에 재전송 기회를 보다 많이 획득하여 전송 성공률을 높일 수 있다. 더불어 짧은 시간 내에 대용량 데이터 전송을 모두 마칠 수 있으므로 많은 재전송 기회에 대한 전력소모를 상쇄시킬 수 있다[13].
	요즘 ESL시스템은 세그먼트 LCD를 사용했던 초기 때와 어떤 차이가 있는가?	텍스트 기반의 데이터를 무선으로 전송하여 세그먼트 LCD에 표시했던 초기 시스템에 비해 전면 그래픽 디스플레이 장치에는 대용량 이미지 데이터를 무선으로 전송해야 한다. 얼마나 빨리, 얼마나 정확하게 대용량 데이터를 전송하는지가 ESL 시스템의 핵심 요소가 되었다[7-12].

참고문헌 (13)

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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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