최근 무선통신 기술이 급속도로 발전하면서 스마트 센서를 이용한 사물통신 (Machine-to-Machine, M2M)과 사물인터넷 (Internet of Things, IoT) 등의 신규 서비스들이 창출되고 있다. 본 논문에서는 사용자들이 스마트폰이나 태블릿PC 등의 사용자 장비 (User Equipment, UE)를 이용하여 사물인터넷 디바이스 (IoT Device, IoTD)를 제어하는 환경에서, 스몰셀 기지국(Small-cell Access Point, SAP)을 도입하여 IoTD를 개인화하는 방법을 제안한다. 이를 위해, 먼저 UE, IoTD, 그리고 SAP 로 구성되는 시스템 아키텍처를 소개한다. 이후, IoTD의 프로파일 등록 절차와 댁내 외 UE의 IoTD를 제어 절차로 구성되는 IoTD 개인화 방법을 제안한다. 마지막으로 시뮬레이션을 통해 제안하는 방법의 시스템 성능을 분석하였고, 전형적인 방법보다 제안하는 방법이 패킷 지연시간, 패킷 손실률, 그리고 정규화된 수율 측면에서 성능이 향상됨을 알 수 있었다.
최근 무선통신 기술이 급속도로 발전하면서 스마트 센서를 이용한 사물통신 (Machine-to-Machine, M2M)과 사물인터넷 (Internet of Things, IoT) 등의 신규 서비스들이 창출되고 있다. 본 논문에서는 사용자들이 스마트폰이나 태블릿PC 등의 사용자 장비 (User Equipment, UE)를 이용하여 사물인터넷 디바이스 (IoT Device, IoTD)를 제어하는 환경에서, 스몰셀 기지국(Small-cell Access Point, SAP)을 도입하여 IoTD를 개인화하는 방법을 제안한다. 이를 위해, 먼저 UE, IoTD, 그리고 SAP 로 구성되는 시스템 아키텍처를 소개한다. 이후, IoTD의 프로파일 등록 절차와 댁내 외 UE의 IoTD를 제어 절차로 구성되는 IoTD 개인화 방법을 제안한다. 마지막으로 시뮬레이션을 통해 제안하는 방법의 시스템 성능을 분석하였고, 전형적인 방법보다 제안하는 방법이 패킷 지연시간, 패킷 손실률, 그리고 정규화된 수율 측면에서 성능이 향상됨을 알 수 있었다.
Recently, with greatly improving the wireless communication technology, new services are created using smart sensors, i.e., machine-to-machine (M2M) and Internet of Things (IoT). In this paper, we propose a novel IoT device (IoTD) personalization method that adopt Small-cell Access Points (SAPs) to ...
Recently, with greatly improving the wireless communication technology, new services are created using smart sensors, i.e., machine-to-machine (M2M) and Internet of Things (IoT). In this paper, we propose a novel IoT device (IoTD) personalization method that adopt Small-cell Access Points (SAPs) to control IoTDs using user equipments (UEs), e.g., smart phones and tablet PC, from service users. First, we introduce a system architecture that consists of UE, IoTD, and SAP and propose the IoTD personalization method with two procedures, i.e., IoTD profile registration procedure and IoTD control procedure. Finally, through simulations, we evaluated the system performance of the proposed scheme and it is shown that the proposed scheme outperforms the conventional scheme in terms of the packet delay, packet loss probability, and normalized throughput.
Recently, with greatly improving the wireless communication technology, new services are created using smart sensors, i.e., machine-to-machine (M2M) and Internet of Things (IoT). In this paper, we propose a novel IoT device (IoTD) personalization method that adopt Small-cell Access Points (SAPs) to control IoTDs using user equipments (UEs), e.g., smart phones and tablet PC, from service users. First, we introduce a system architecture that consists of UE, IoTD, and SAP and propose the IoTD personalization method with two procedures, i.e., IoTD profile registration procedure and IoTD control procedure. Finally, through simulations, we evaluated the system performance of the proposed scheme and it is shown that the proposed scheme outperforms the conventional scheme in terms of the packet delay, packet loss probability, and normalized throughput.
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문제 정의
본 논문에서는 댁내‧외 UE 들이 댁내 IoTD를 제어할때, SAP를 이용하여 시스템 성능을 향상시키는 IoTD 개인화 방법을 제안하였다. 시스템 레벨 시뮬레이션을 통해 패킷 지연시간, 패킷 손실률, 그리고 정규화된 수율 측면에서 시스템 성능을 분석하였고, 제안하는 방법이 전형적인 방법보다 성능이 향상됨을 알 수 있었다.
본 논문에서는 사용자들이 스마트폰이나 태블릿PC 등의 사용자 장비 (User Equipment, UE)를 이용하여 주변의 사물인터넷 디바이스 (IoT Device, IoTD)를 제어하는 환경에서, 스몰셀 기지국(Small-cell Access Point, SAP)을 활용하여 IoTD를 개인화하여 제어하는 방법을 제안한다. 이를 위해, 먼저 UE, IoTD, 그리고 SAP로 구성되는 시스템 아키텍처를 소개한다.
가설 설정
본 연구에서도 확률 α 를 고정값으로 가정하면, 서비스 시간은 독립적이 된다.
본 장에서는 제안하는 스몰셀 기반 IoTD 개인화 방법의 시스템 성능을 분석하기 위해 Matlab 소프트웨어를 이용한 시스템 레벨 시뮬레이션을 수행한다. 성능분석은 예상 패킷 지연시간, 패킷 손실률, 정규화된 수율, 그리고 댁외 UE의 패킷 지연시간 측면에서 분석하며, 댁외 UE 는 인터넷과 EPC 구간에서 패킷 손실이 발생하지 않는다고 가정한다. 또한, 시스템 성능은 IoTD와 UE 등록 절차가 수행된 후, 댁내‧외 UE가 IoTD를 제어하기 위해 IoTD CQ/CR 메시지를 교환하는 절차를 λ 와 IoTD 수를 증가시키면서 분석한다.
그림 7은 전형적인 방법과 제안하는 방법의 정규화된 수율을 분석한 결과이다. 제안하는 방법의 댁외 UE 분석에서 TInternet은 50ms을 가정한다. λ가 0.
제안 방법
또한, 시스템 성능은 IoTD와 UE 등록 절차가 수행된 후, 댁내‧외 UE가 IoTD를 제어하기 위해 IoTD CQ/CR 메시지를 교환하는 절차를 λ 와 IoTD 수를 증가시키면서 분석한다.
이후, IoTD의 프로파일 등록 절차와 댁내‧외 UE의 IoTD를 제어 절차로 구성되는 IoTD 개인화 방법을 제안한다. 마지막으로 시뮬레이션을 통해 제안하는 방법의 시스템 성능을 분석하고 결론을 맺는다.
먼저, UE는 IoTD CQ 메시지를 전송하기 전에 CCA를 수행하기 때문에 Channel busy probability α 를 분석한다.
시스템 성능은 수정된 M/G/1 큐잉 모델을 이용하여 댁 내‧외에 위치한 UE가 IoTD를 제어할 때의 패킷 지연시간, 패킷 손실률, 정규화된 수율(Normalized throughput)을 분석한다[5]. 먼저, UE는 IoTD CQ 메시지를 전송하기 전에 CCA를 수행하기 때문에 Channel busy probability α 를 분석한다.
본 논문에서는 사용자들이 스마트폰이나 태블릿PC 등의 사용자 장비 (User Equipment, UE)를 이용하여 주변의 사물인터넷 디바이스 (IoT Device, IoTD)를 제어하는 환경에서, 스몰셀 기지국(Small-cell Access Point, SAP)을 활용하여 IoTD를 개인화하여 제어하는 방법을 제안한다. 이를 위해, 먼저 UE, IoTD, 그리고 SAP로 구성되는 시스템 아키텍처를 소개한다. 이후, IoTD의 프로파일 등록 절차와 댁내‧외 UE의 IoTD를 제어 절차로 구성되는 IoTD 개인화 방법을 제안한다.
이를 위해, 먼저 UE, IoTD, 그리고 SAP로 구성되는 시스템 아키텍처를 소개한다. 이후, IoTD의 프로파일 등록 절차와 댁내‧외 UE의 IoTD를 제어 절차로 구성되는 IoTD 개인화 방법을 제안한다. 마지막으로 시뮬레이션을 통해 제안하는 방법의 시스템 성능을 분석하고 결론을 맺는다.
이유는 SAP가 IoTD 프로파일을 획득하는 과정이나 EPC의 UE D/B에 UE 정보 등록 과정에서 다수의 IoTD와 UE가 동시 또는 하나씩 등록한다는 가정과 분석에 한계가 있기 때문이다. 한편, 댁내 UE와 비교해 댁외 UE 는 eNB, EPC, 그리고 TInternet 에서 메시지 전송 지연시간이 크게 발생하기 때문에 먼저 댁내 무선 구간에서의 성능을 분석하고, 이후 TInternet 의 변화에 따른 지연시간 분석을 수행한다. λ 는 패킷 손실률을 10-2 이하를 위한 기준에 따라 실험을 통해 얻은 0.
대상 데이터
SAP, UE, 그리고 IoTD들은 1홉 통신이 가능한 거리에 위치하며, 모든 장치는 메시지 교환을 위해 Zigbee 기반 Unslotted Carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA) 방법을 이용한다. 또한, 2.4GHz Industrial Scientific and Medical equipment (ISM) 밴드에서 250kbps의 채널 1개를 사용한다. 한편, Evolved Packet Core (EPC)에는 UE의 정보를 확인하기 위한 UE Management Server (MS)와 UE D/B, IoTD의 상태정보를 확인할 수 있는 IoTD MS와 IoTD D/B, 그리고 스몰셀 게이트웨이(SGW) 등이 존재한다.
그림 3-(a)는 댁내 SAP가 다수의 IoTD로부터 IoTD 프로파일을 획득하는 절차이다. 획득한 IoTD 프로파일은 SAP와 EPC에 위치한 IoTD D/B에 등록한다. 이때, SAP와 EPC가 메시지를 교환하는 구간에서 SAP와 SGW 사이(인터넷)는 보안을 향상시키기 위해 터널을 이용한다.
이론/모형
4 지그비(Zigbee) 인터페이스, IoTD 프로파일과 상태정보를 저장하는 데이터베이스(D/B), 그리고 UE 정보를 저장하는 UE D/B 등이 내장된다. SAP, UE, 그리고 IoTD들은 1홉 통신이 가능한 거리에 위치하며, 모든 장치는 메시지 교환을 위해 Zigbee 기반 Unslotted Carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA) 방법을 이용한다. 또한, 2.
본 장에서는 제안하는 스몰셀 기반 IoTD 개인화 방법의 시스템 성능을 분석하기 위해 Matlab 소프트웨어를 이용한 시스템 레벨 시뮬레이션을 수행한다. 성능분석은 예상 패킷 지연시간, 패킷 손실률, 정규화된 수율, 그리고 댁외 UE의 패킷 지연시간 측면에서 분석하며, 댁외 UE 는 인터넷과 EPC 구간에서 패킷 손실이 발생하지 않는다고 가정한다.
성능/효과
λ 가 0.001 과 0.003일 때, IoTD 수가 증가함에 따라 예상되는 패킷 지연시간은 서서히 증가하며, 제안하는 방법이 전형적인 방법보다 조금 더 좋은 성능을 보인다.
시스템 레벨 시뮬레이션을 통해 패킷 지연시간, 패킷 손실률, 그리고 정규화된 수율 측면에서 시스템 성능을 분석하였고, 제안하는 방법이 전형적인 방법보다 성능이 향상됨을 알 수 있었다. 또한, 인터넷에서 패킷 전송시간과 패킷 도착률이 증가함에 따라 댁외 UE의 패킷 전송시간이 크게 증가함을 알 수 있었다. 향후 연구에서는 댁내 UE가 IoTD로 메시지를 전송할 때, 직접 전송방법과 SAP를 경유하는 2홉 전송방법 중에서 에너지 절감과 패킷 전송시간을 감소시키는 유동적 패킷 전송방법에 대해 연구할 계획이다.
또한, 피쳐폰 (Feature phone) 점유율은 29% (50% → 21%) 감소하지만, 스마트폰과 M2M 디바이스는 2015년부터 2020년까지 각각 8% (32% → 40%)와 18% (8% → 26%)가 증가될 것으로 예상되었다.
반면, λ 가 0.005 일 때, IoTD 수가 증가함에 따라 전형적인 방법은 예상되는 패킷 지연시간이 급격하게 증가하여, 제안하는 방법보다 훨씬 안 좋은 성능을 보이다.
반면, 제안하는 방법은 λ가 0.005 일 때도 서서히 증가할 뿐만 아니라 전형적인 방법의 λ가 0.003 일 때의 성능보다도 패킷 손실률이 더 낮다.
본 논문에서는 댁내‧외 UE 들이 댁내 IoTD를 제어할때, SAP를 이용하여 시스템 성능을 향상시키는 IoTD 개인화 방법을 제안하였다. 시스템 레벨 시뮬레이션을 통해 패킷 지연시간, 패킷 손실률, 그리고 정규화된 수율 측면에서 시스템 성능을 분석하였고, 제안하는 방법이 전형적인 방법보다 성능이 향상됨을 알 수 있었다. 또한, 인터넷에서 패킷 전송시간과 패킷 도착률이 증가함에 따라 댁외 UE의 패킷 전송시간이 크게 증가함을 알 수 있었다.
따라서, UE와 IoTD는 SAP를 경유하지 않고 IoTD CQ/CR 메시지를 교환하기 때문에 총 2번(IoTD CQ 메시지 1번 + IoTD CR 메시지 1번)의 메시지가 전송된다. 제안하는 방법이 그림 2에서 소개한 전형적인 방법과 비교해 IoTD CQ/CR 메시지 교환 방법 및 메시지 전송 횟수가 크게 다름을 알 수 있다.
하지만, λ가 0.005 일 때, IoTD 수가 증가하여 N > 17가 되면 제안하는 방법의 댁외 UE에 대한 성능이 전형적인 방법보다 좋은 성능을 보인다.
후속연구
또한, 인터넷에서 패킷 전송시간과 패킷 도착률이 증가함에 따라 댁외 UE의 패킷 전송시간이 크게 증가함을 알 수 있었다. 향후 연구에서는 댁내 UE가 IoTD로 메시지를 전송할 때, 직접 전송방법과 SAP를 경유하는 2홉 전송방법 중에서 에너지 절감과 패킷 전송시간을 감소시키는 유동적 패킷 전송방법에 대해 연구할 계획이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
SAP에는 어떤 것이 내장되는가?
댁내에는 N 개의 UE, K 개의 IoTD, 그리고 1개의 SAP가 토폴로지를 구성한다. SAP는 셀룰러와 IEEE 802.15.4 지그비(Zigbee) 인터페이스, IoTD 프로파일과 상태정보를 저장하는 데이터베이스(D/B), 그리고 UE 정보를 저장하는 UE D/B 등이 내장된다. SAP, UE, 그리고 IoTD들은 1홉 통신이 가능한 거리에 위치하며, 모든 장치는 메시지 교환을 위해 Zigbee 기반 Unslotted Carrier sense multiple access with collision avoidance (CSMA/CA) 방법을 이용한다.
스몰셀 기반 IoTD 개인화 방법의 시스템 성능은 어떤 측면에서 분석되는가?
본 장에서는 제안하는 스몰셀 기반 IoTD 개인화 방법의 시스템 성능을 분석하기 위해 Matlab 소프트웨어를 이용한 시스템 레벨 시뮬레이션을 수행한다. 성능분석은 예상 패킷 지연시간, 패킷 손실률, 정규화된 수율, 그리고 댁외 UE의 패킷 지연시간 측면에서 분석하며, 댁외 UE 는 인터넷과 EPC 구간에서 패킷 손실이 발생하지 않는다고 가정한다. 또한, 시스템 성능은 IoTD와 UE 등록 절차가 수행된 후, 댁내‧외 UE가 IoTD를 제어하기 위해 IoTD CQ/CR 메시지를 교환하는 절차를 λ 와 IoTD 수를 증가 시키면서 분석한다.
M2M이란 무엇인가?
최근 무선통신 기술이 급속도로 발전하면서 스마트 센서를 이용한 사물통신 (Machine-to-Machine, M2M)과 사물 인터넷 (Internet of Things, IoT) 등의 신규서비스들이 창출되었고, 현재 국내‧외에 위치한 산‧학‧연들로부터 큰 관심을 받고 있다[1-2]. M2M은 모든 사물에 센서와 통신 기능을 부과하여 지능적으로 정보를 수집하고 상호 전달 하는 기술로써, 이미 자동차, 의료, 그리고 스마트 그린 (Green) 기술 등으로 우리 주변에서 많이 사용되고 있다[3]. 반면, M2M에 다양한 기술이 융합‧통합되면서 발전된 새로운 형태인 IoT는 통신장비와 사람의 통신을 목적으로 하는 M2M과 달리 사물과 사물이 통신할 수 있는 기술을 의미한다.
참고문헌 (9)
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C. Perera, A. Zaslavsky, P. Christen, D. Georgakopoulos, "Context Aware Computing for The Internet of Things: A Survey," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 16, no. 1, pp. 414-454, 2014. http://dx.doi.org/10.1109/SURV.2013.042313.00197
J. Kim, J. Lee, J. Kim, J. Yun, "M2M Service Platforms: Survey, Issues, and Enabling Technologies," IEEE Communications Surveys & Tutorials, vol. 16, no. 1, pp. 61-76, 2014. http://dx.doi.org/10.1109/SURV.2013.100713.00203
Cisco Visual Networking Index: Forecast and Methodology, 2015-2020, accessed 21 July 2016. http://www.cisco.com/c/en/us/solutions/collateral/service-provider/visual-networking-index-vni/mobile-white-paper-c11-520862.html
T. Kim, J. Park, H. Chong, K. Kim, B. Choi, "Performance analysis of IEEE 802.15.4 non-Beacon mode with the unslotted CSMA/CA," IEEE Commun. Lett., vol. 12, no. 4, pp. 238-240, 2008. http://dx.doi.org/10.1109/LCOMM.2008.071870
G. Bianchi, "Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function," IEEE Trans. Select. Areas Commun., vol. 18, No. 3, pp. 535-547, 2000. http://dx.doi.org/10.1109/49.840210
IEEE 802.15.4-2006, Part 15.4: Wireless Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specification for Low Rate Wireless Personal Area Networks (LR-WPANs), June 2006. http://www.ieee802.org/15/pub/TG4.html
Z. Li and M. Wilson, "User Plane and Control Plane Separation Framework for Home Base Stations," Fujitsu Sc.Technol. J, vol. 46, no. 1, pp. 79-86, 2010. http://www.fujitsu.com/global/documents/about/resources/publications/fstj/archives/vol46-1/paper26.pdf
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