최근 IoT 기술을 적용하여 가정 내의 기기들의 제어와 온도, 습도 등의 정보를 수집하여 실내 환경을 자동으로 제어할 수 있는 시스템의 적용사례가 증가하고 있다. 현재 IoT 디바이스의 네트워크 구성은 IoT 디바이스들을 무선 게이트웨이를 통해 인터넷과 연결하는 방식을 주로 사용한다. 이와 같은 방식은 게이트웨이에 종속적이기 때문에 다양한 서비스를 제공하기에는 한계가 존재한다. 따라서 본 논문에서는 장거리 무선통신 기술을 적용하여 게이트웨이를 사용하지 않고 IoT 네트워크를 구성하여 게이트웨이에 독립적인 방법을 제시하였다. 제안한 장거리무선인터넷 기술을 적용한 IoT 디바이스들은 각각 원격 서버에 접속할 수 있고 기존 방식에서 지원하지 못하는 이동성을 지원하여 보다 다양한 서비스를 제공할 수 있다. 제안한 네트워크 구성방식의 성능평가는 게이트웨이로 구성하는 기존 네트워크 방식과 제안하는 네트워크 구성방식에서 각각 발생하는 지연시간과 데이터의 량을 비교하였다. 분석결과를 통해 제안한 방식에서 게이트웨이에서 발생하는 지연시간과 데이터의 량이 감소하는 것을 확인하였다.
최근 IoT 기술을 적용하여 가정 내의 기기들의 제어와 온도, 습도 등의 정보를 수집하여 실내 환경을 자동으로 제어할 수 있는 시스템의 적용사례가 증가하고 있다. 현재 IoT 디바이스의 네트워크 구성은 IoT 디바이스들을 무선 게이트웨이를 통해 인터넷과 연결하는 방식을 주로 사용한다. 이와 같은 방식은 게이트웨이에 종속적이기 때문에 다양한 서비스를 제공하기에는 한계가 존재한다. 따라서 본 논문에서는 장거리 무선통신 기술을 적용하여 게이트웨이를 사용하지 않고 IoT 네트워크를 구성하여 게이트웨이에 독립적인 방법을 제시하였다. 제안한 장거리무선인터넷 기술을 적용한 IoT 디바이스들은 각각 원격 서버에 접속할 수 있고 기존 방식에서 지원하지 못하는 이동성을 지원하여 보다 다양한 서비스를 제공할 수 있다. 제안한 네트워크 구성방식의 성능평가는 게이트웨이로 구성하는 기존 네트워크 방식과 제안하는 네트워크 구성방식에서 각각 발생하는 지연시간과 데이터의 량을 비교하였다. 분석결과를 통해 제안한 방식에서 게이트웨이에서 발생하는 지연시간과 데이터의 량이 감소하는 것을 확인하였다.
Recently, IoT technology has been applied to the control of appliances in the home, and information about temperature, humidity, etc. is collected and the application of the system to control the indoor environment automatically is increasing. Currently, the network configuration of IoT devices is m...
Recently, IoT technology has been applied to the control of appliances in the home, and information about temperature, humidity, etc. is collected and the application of the system to control the indoor environment automatically is increasing. Currently, the network configuration of IoT devices is mainly used to connect IoT devices to the Internet through wireless gateways. Since such a method is dependent on a gateway, there are limitations in providing various services. Therefore, this paper proposes an independent method of gateway by using IoT network without using gateway by applying long distance wireless communication technology. IoT devices using the proposed long distance wireless internet technology can connect to a remote server and provide mobility that can not be supported by existing methods, thereby providing more various services. The performance evaluation of the proposed network configuration method is compared with the delay time and the amount of data generated in the existing network method constituted by the gateway and the proposed network configuration method respectively. Experimental results show that the proposed method decreases the delay time and the amount of data generated by the gateway.
Recently, IoT technology has been applied to the control of appliances in the home, and information about temperature, humidity, etc. is collected and the application of the system to control the indoor environment automatically is increasing. Currently, the network configuration of IoT devices is mainly used to connect IoT devices to the Internet through wireless gateways. Since such a method is dependent on a gateway, there are limitations in providing various services. Therefore, this paper proposes an independent method of gateway by using IoT network without using gateway by applying long distance wireless communication technology. IoT devices using the proposed long distance wireless internet technology can connect to a remote server and provide mobility that can not be supported by existing methods, thereby providing more various services. The performance evaluation of the proposed network configuration method is compared with the delay time and the amount of data generated in the existing network method constituted by the gateway and the proposed network configuration method respectively. Experimental results show that the proposed method decreases the delay time and the amount of data generated by the gateway.
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문제 정의
본 논문에서는 IoT 디바이스를 게이트웨이를 통하지 않고 인터넷과 접속할 수 있는 IoT 장거리무선통신을 방안을 제시하였다. 가정에서 사용하는 IoT 디바이스는 게이트웨이를 경유하여 네트워크에 접속하도록 구성하는 것이 일반적인 구성이었다.
본 논문에서는 장거리 IoT통신 기술을 기존 IoT 환경에 적용하여 확장성과 효율성을 높일 수 있는 장거리 무선통신을 적용한 IoT 네트워크 구성을 제안한다. 기존의 IoT 환경의 대표적인 예는 홈네트워로 구성하는 것으로 가정과 같은 댁내의 IoT 디바이스를 게이트웨이를 통해 제어하고 외부네트워크와 연결되는 구조이다.
본 논문에서는 저전력을 사용하는 장거리무선통신 IoT 디바이스 네트워크 구성 방안을 제시하고 기존 방식보다 향상된 점을 비교 분석하고 신규서비스 모델을 제시한다. 2장에서 관련연구에 대해 기술하고 3장에서 제안하는 장거리 무선통신 IoT 네트워크 모델을 제시하고 4장에서 성능을 분석하고 결론을 맺는다.
가설 설정
모의실험을 통해 IoT 디바이스가 게이트웨이를 통해 수신하는 데이터의 량과 장거리 무선통신을 통해 접속한 데이터의 량이 동일한 것을 확인하였다. 30개의 IoT 디바이스를 가정하였으며 1회에 1Kbyte를 전송하는 것을 가정하였다. 통신횟수에 따라 30Kbyte를 데이터 전송 량을 유지하며 원격서버가 처리해야 할 데이터의 량은 변화가 없음을 알 수 있다.
제안하는 네트워크 구성은 이동통신망의 기지국을 통해 인터넷에 연결되기 때문에 게이트웨이의 지연시간에 따른 통신 속도 저하가 발생하기 않기 때문이다. 성능평가를 위해 0.1ms의 게이트웨이의 지연시간을 가정하였다. 게이트웨이의 지연시간은 게이트웨이의 성능에 따라 변경될 수 있으나 비교를 단순화하기 위해 0.
장거리 무선통신 기술을 적용한 IoT 네트워크와 기존의 게이트웨이 방식을 비교하기 위해 30개의 IoT 디바이스로 구성된 네트워크 환경을 가정하였다. [그림 7]의 왼쪽의 A지역과 B지역으로 구분하고 각각의 지역에는 동일한 숫자의 IoT 디바이스로 네트워크를 구성하고 있다.
제안 방법
IoT 디바이스가 동일한 데이터를 전송하고 통신횟수를 증가시키면서 통신지연시간, 누적되는 데이터의 량을 비교 하였다. [그림 8]은 IoT 디바이스와 원격 서버 간의 지연시간을 나타낸다.
1ms의 게이트웨이의 지연시간을 가정하였다. 게이트웨이의 지연시간은 게이트웨이의 성능에 따라 변경될 수 있으나 비교를 단순화하기 위해 0.1ms의 지연가중시간 만을 적용하였다. 게이트웨이의 고장확률이 0일 때 0.
Zigbee는 20kbps 전송속도로 1-100m 이내의 전파도달 거리를 갖는다. 본 논문에서 고려하는 무선기술은 최대 5km까지의 전파 도달거리는 갖는 LoRa를 적용하는 것을 고려한다.
성능/효과
[그림10]은 제안한 방법과 기존의 방법에서 발생하는 데이터의 크기를 보인다. 게이트웨이를 사용하는 기존 방법과 본 논문에서 제시하는 LTE 무선기술을 사용하는 방법이 동일한 데이터를 발생시키는 것을 알 수 있다. 이는 LTE 무선기술을 사용하는 경우에 부가적인 데이터 발생을 하지 않기 때문이다.
통신횟수를 증가하며 송수신한 데이터의 량을 누적하였다. 게이트웨이를 사용하는 기존 방법에서 발생하는 데이터의 크기가 제안한 방법보다 큰 것을 알 수 있다.
게이트웨이와 IoT 디바이스간의 제어를 위한 제어 데이터 등으로 제안하는 방법보다 발생하는 데이터량이 큰 것으로 나타났다. X축은 통신횟수를 Y축은 데이터의 누적 량을 나타낸다.
무선인터넷의 보급은 IoT 생태계를 가속화시켰으며, 디바이스를 소형화하여 설치와 관리를 효율적으로 할 수 있는 연구가 진행되어 왔다. 그 결과 온도, 습도 등의 정보를 수집하는 센서 네트워크에서 디바이스에서 연산 및 정보처리를 가능하게 하는 현재의 IoT 수준에 이르게 되었다. IoT 디바이스 통신에 블루투스, Zwave 등이 적용되었지만 홈네트워크에 적합한 전파도달 거리를 갖지만 단거리 무선통신의 한계를 갖는다[6].
모의실험을 통해 IoT 디바이스가 게이트웨이를 통해 수신하는 데이터의 량과 장거리 무선통신을 통해 접속한 데이터의 량이 동일한 것을 확인하였다. 30개의 IoT 디바이스를 가정하였으며 1회에 1Kbyte를 전송하는 것을 가정하였다.
가정에서 사용하는 IoT 디바이스는 게이트웨이를 경유하여 네트워크에 접속하도록 구성하는 것이 일반적인 구성이었다. 장거리 IoT 무선기술을 적용하면 게이트웨이에 의존적인 IoT 네트워크 환경을 IoT 디바이스별로 제어가 가능하고 게이트웨이에 집중되는 트래픽을 감소시키는 것을 확인하였다. 감소된 지연시간은 가정한 게이트웨이에서 발생하는 지연시간과 데이터량에 해당한다.
X축은 통신횟수를 Y축은 데이터의 누적 량을 나타낸다. 제안한 IoT 네트워크 구성은 기존 방법보다 데이터의 량이 감소하는 것을 알 수 있다. 감소한 데이터량은 게이트웨이에서 발생하는 데이터량에 해당한다.
제안한 방법이 기존 환경보다 낮은 지연시간을 보인다. 이는 게이트웨이의 지연에 따른 오버헤드가 감소하였기 때문이다.
30개의 IoT 디바이스를 가정하였으며 1회에 1Kbyte를 전송하는 것을 가정하였다. 통신횟수에 따라 30Kbyte를 데이터 전송 량을 유지하며 원격서버가 처리해야 할 데이터의 량은 변화가 없음을 알 수 있다. 따라서 기존 IoT 디바이스 네트워크 환경을 장거리 무선통신 기술을 적용한 네트워크로 변경하여도 원격 서버의 오버헤드가 발생하지 않는다.
후속연구
이와 같은 네트워크 구성은 게이트웨이에 종속되는 기존 방식보다 보안과 네트워크의 신뢰성이 높아진다. 향후에는 장거리무선통신 기술을 적용한 IoT 네트워크를 그룹통신 등의 기술을 적용하여 원격 서버와 송수신하는 데이터와 제어데이터의 전송횟수를 감소시킬 수 있는 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LTE-M은 어떤 방식인가?
전파도달거리는 100m 이내로 홈네트워크를 구성할 때 사용되지만 넓은 범위에 설치되거나 이동성을 갖는 IoT환경 구축에는 제약이 있다. [그림 2]는 장거리 무선통신은 Lte네트워크를 IoT 디바이스에 할당하는 방식인 LTE-M이 있으며, 전송속도에 따라 NB LTE-M, LTE-M으로 구분된다. 구축되어 있는 LTE망을 사용할 수 있어 추가적인 무선통신망을 구축하는 비용이 발생하지 않는 장점이 있다.
대표적인 단거리 무선기술은 무엇인가?
단거리 무선기술은 Wi-Fi, BLE, Zwave가 대표적이다. 전파도달거리는 100m 이내로 홈네트워크를 구성할 때 사용되지만 넓은 범위에 설치되거나 이동성을 갖는 IoT환경 구축에는 제약이 있다.
단거리 무선기술에는 어떤 제약이 있는가?
단거리 무선기술은 Wi-Fi, BLE, Zwave가 대표적이다. 전파도달거리는 100m 이내로 홈네트워크를 구성할 때 사용되지만 넓은 범위에 설치되거나 이동성을 갖는 IoT환경 구축에는 제약이 있다. [그림 2]는 장거리 무선통신은 Lte네트워크를 IoT 디바이스에 할당하는 방식인 LTE-M이 있으며, 전송속도에 따라 NB LTE-M, LTE-M으로 구분된다.
참고문헌 (9)
ITU Internet Reports, The Internet of Things, 2005.
L. Atzori, A. Iera, and G. Morabito, "The internet of things: a survey," Computer Networks, vol. 54, no. 15, pp. 2787-2805, 2010
J. Buckley (Ed.), The Internet of Things: From RFID to the Next-Generation Pervasive Networked Systems, Auerbach Publications, New York, 2006.
K.Ashton, That "Internet of Things"thing, RFiD Journal. 2009
L. Tan and N. Wang, "Future internet: the internet of things,"in Proceedings of the 3rd International Conference on Advanced Computer Theory and Engineering (ICACTE '10), vol. 5, pp. V5376-V5380, chn, August 2010.
ZigBee Alliance, http://www.zigbee.org/, accessed on October 2010.
K.Y. Kim, H.G, Lee, "Long Range Wireless for IoT Environment," Proceedings of The Korea Institute of Information, Electronics, and Communication Technology, vol. 9, no. 2, pp. 77-79, 10. 2016
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