[논문]무선 홈 IoT 서비스를 위한 적응형 트래픽 간섭제어 시스템

이종득

doi:10.14400/jdc.2017.15.4.259

무선 홈 IoT 서비스를 위한 적응형 트래픽 간섭제어 시스템
An Adaptive Traffic Interference Control System for Wireless Home IoT services 원문보기

디지털융복합연구 = Journal of digital convergence, v.15 no.4, 2017년, pp.259 - 266

초록
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무선 홈 IoT (Internet of Things)상에서 대용량 트래픽 간섭은 패킷 손실의 원인이 되며, 패킷 손실은 무선 홈 네트워크의 QoS와 처리율을 떨어뜨린다. 본 논문에서는 실시간 트래픽과 비실시간 트래픽을 탐지하여 무선 홈 IoT 서비스의 QoS 및 처리율을 향상시키기 위한 새로운 적응형 트래픽 간섭 제어 시스템, ATICS(Adaptive Traffic Interference Control System)을 제안한다. 제안된 시스템은 트래픽 특성에 따라 단기(short term) 트래픽 혼잡 프로세스와 장기(long-term) 트래픽 혼잡 프로세스로 구분하여 트래픽 간섭을 제어한다. 시뮬레이션 결과 제안된 기법은 다른 비교 기법들에 비해서 트래픽 간섭 제어 성능 척도가 더 효율적임을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

The massive traffic interferences in the wireless home IoT provides the reason for packet losses, and it degrades the QoS (Quality of Service) and throughput on the home network. This paper propose a new adaptive traffic interference control system, ATICS, for enhancing QoS and throughput for IoT services as detecting a traffic process and non-traffic process in the wireless home network. The proposed system control the traffic interferences as distinguishing the short-term traffic process and long-term traffic process by traffic characteristics in wireless home networks. The simulation results shows that the proposed scheme have more efficient traffic control performance than the other schemes.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 논문에서는 버스트 시간 하에 실시간 트래픽 프로세스와 비 실시간 트래픽 프로세스들을 적응적으로 탐지하여 제어하는 새로운 적응형 트래픽 제어 시스템, ATICS를 제안한다. 제안된 시스템은 실시간 트래픽 프로세스와 비 실시간 트래픽 프로세스들을 특성에 따라 단기 트래픽 혼잡(short-term traffic congestion) 프로세스와 장기 트래픽 혼잡(long-term traffic congestion) 프로세스로 구분하여 혼잡을 제어하도록 하며, 비 실시간 트래픽 프로세스보다 실시간 트래픽 프로세스들에 대하여 우선순위를 높게 부여하여 트래픽 혼잡을 제어하도록 한다.
이들 기법은 모든 노드들에게 똑 같은 처리율을 보장하도록 공평성을 제공하고 있지만 트래픽이 수행되지 않는 비활성 노드 및 비 실시간 트래픽 프로세스, 그리고 장기 트래픽 혼잡의 경우 버스트 노드 간주로 인하여 링크 이용율 및 처리율이 떨어지는 문제점을 가지게 된다. 따라서 본 논문에서는 비활성 노드, 비 실시간 트래픽 프로세스, 그리고 장기 트래픽 혼잡으로 인한 간섭을 최소화하기 위하여 새로운 간섭 제어 기법 ATICS를 제안한다.
향후 5G 기가급 통신 서비스가 본격적으로 상용화 될 것으로 예상됨에 따라 IoT 가정 홈서비스를 최적화하기 위한 많은 연구가 진행될 것으로 전망된다. 본 논문에서는 WHSN상에서 가정 홈IoT서비스를 최적화하기 위한 새로운 적응형 트래픽 제어 시스템, ATICS를 제안하였다. 제안된 시스템은 IoT 소스 노드로부터 전송된 응용 데이터 플로우들을 트래픽 분류기와 스케줄러가 분류하고 스케줄링 함으로써 실시간/비실시간 응용 데이터 및 장/단기 트래픽 혼잡 프로세스들을 관리하도록 한다.
일반적으로 장기 혼잡은 기본 라우팅을 통해서 데이터 패킷을 전송할 때 재전송 및 대용량의 트래픽 플로우로 인하여 빈번하게 발생한다. 본 논문에서는 이러한 문제를 해결하기 위해서 싱크노드에게 주기적으로 비콘 메시지를 전송하여 트래픽 상태가 Q_STC인지 Q_LTC를 점검하게 된다. 이 과정에서 싱크노드는 수신된 응용 데이터들을 점검한 후 Q_STC와 Q_LTC로 구분하여 큐를 관리하게 된다.

가설 설정

WHSN에서 실시간 응용 데이터들은 패킷 지연에 대해 민감하며, 이들 패킷 지연은 엄격한 QoS를 요구하고 있기 때문에 본 논문에서는 패킷 재전송은 허용되지 않는다고 가정한다. 만일 업 스트림 과정 중 실시간 응용 데이터들에 대해서 혼잡이 발생하면 싱크 노드는 데이터플로우 혼잡으로 인한 트래픽 처리 지연을 경험하게 된다.
그리고 임의의 IoT 홈센서 노드는 WHSN에 존재한다고 가정한다.

제안 방법

Q_STC와 Q_LTC에서 혼잡탐지는 패킷 전송율 P_rate과 패킷 처리율 P_throughput을 고려하여 탐지한다. 만일 P_rate>P_throughput이고, Q_LTC>Q_STC이면, 오버플로우로 인한 혼잡이 발생하며, 반면에 P_rate<P_throughput이고, Q_LTC<Q_{따라서 제안된 시스템은 실시간 및 비실시간 장/단기 트래픽 플로우들에 대해서 적응적으로 반영하여 트래픽 간섭의 영향을 덜 받게 되며, 이로 인하여 큐의 활용을 극대화할 수 있는 장점을 제공하게 된다.}
이 장에서는 제안된 시스템의 성능을 알아보기 위하여 트래픽 처리율과 싱크노드에서의 전파지연율을 측정한다. 우리는 시뮬레이션 편의를 위해 WHSN상에서 정적 단일 경로 라우팅만을 고려하여 성능평가를 수행하며, 시뮬레이션 파라미터는 [Table 2]와 같다.
이 장에서는 제안된 시스템의 성능을 알아보기 위하여 트래픽 처리율과 싱크노드에서의 전파지연율을 측정한다. 우리는 시뮬레이션 편의를 위해 WHSN상에서 정적 단일 경로 라우팅만을 고려하여 성능평가를 수행하며, 시뮬레이션 파라미터는 [Table 2]와 같다.
이때 응용 데이터 패킷을 전송하는 과정에서 혼잡이 발생하면, 비실시간 응용 데이터 패킷의 우선순위를 낮게 하여 재전송으로 인한 지연 간섭을 최소화게 된다. 이처럼 본 논문에서는 비실시간 응용 데이터 재전송으로 인한 간섭을 최소화 하도록 트래픽 스케줄링을 수행하게 된다.
3]은 혼잡율에 따른 평균 전파지연율을 나타낸 것이다. 전파지연은 IoT노드 i에서 싱크노드까지의 거리와 에너지 잔량에 영향을 받으며, 본 시뮬레이션에서는 거리와 에너지 잔량을 반영하여 전파지연을 측정하였다.
본 논문에서는 WHSN상에서 가정 홈IoT서비스를 최적화하기 위한 새로운 적응형 트래픽 제어 시스템, ATICS를 제안하였다. 제안된 시스템은 IoT 소스 노드로부터 전송된 응용 데이터 플로우들을 트래픽 분류기와 스케줄러가 분류하고 스케줄링 함으로써 실시간/비실시간 응용 데이터 및 장/단기 트래픽 혼잡 프로세스들을 관리하도록 한다. 시뮬레이션 결과 제안된 시스템은 다른 비교기법들에 비해서 혼잡이 발생해도 트래픽 처리를 안정적으로 수행하였으며, 또한 전파 지연을 효과적으로 제어함을 알 수 있었다.
따라서 본 논문에서는 버스트 시간 하에 실시간 트래픽 프로세스와 비 실시간 트래픽 프로세스들을 적응적으로 탐지하여 제어하는 새로운 적응형 트래픽 제어 시스템, ATICS를 제안한다. 제안된 시스템은 실시간 트래픽 프로세스와 비 실시간 트래픽 프로세스들을 특성에 따라 단기 트래픽 혼잡(short-term traffic congestion) 프로세스와 장기 트래픽 혼잡(long-term traffic congestion) 프로세스로 구분하여 혼잡을 제어하도록 하며, 비 실시간 트래픽 프로세스보다 실시간 트래픽 프로세스들에 대하여 우선순위를 높게 부여하여 트래픽 혼잡을 제어하도록 한다.

데이터처리

그리고 임의의 IoT 홈센서 노드는 WHSN에 존재한다고 가정한다. 제안된 기법의 성능을 알아보기 위하여 Non-ATICS와 TCCP에 대해서 성능을 비교분석한다.

이론/모형

시뮬레이션에서 우리는 각 IoT 홈센서 노드들에게 공평한 접근 기회를 제공하기 위하여 CSMA/MAC 프로토콜을 사용하였다. 그리고 임의의 IoT 홈센서 노드는 WHSN에 존재한다고 가정한다.

성능/효과

9사이에서는 트래픽 분류기와 스케줄러에 의해서 비교적 실시간 단기 트래픽 플로우들이 많이 분석됨으로써 트래픽 처리율이 상대적으로 증가하게 됨을 알 수 있으며, 이로 인하여 큐의 점유율이 감소하게 됨을 알 수 있다. 결과적으로 제안된 시스템은 단기 트래픽 플로우와 장기 트래픽 플로우를 안정적으로 처리하여 트래픽으로 인한 간섭을 줄일 수 있음을 알 수 있다.
이것은 상대적으로 에너지 손실이 높게 발생하고 있음을 나타내며, 단기 트래픽 플로우와 장기 트래픽 플로우가 간섭의 영향을 받고 있음을 의미한다. 그러나 제안된 시스템은 비교 기법들에 비해서 혼잡율이 높게 나타나도 실시간 응용 데이터와 비실시간 응용 데이터들을 안정적으로 제어함을 알 수 있다.
제안된 시스템은 IoT 소스 노드로부터 전송된 응용 데이터 플로우들을 트래픽 분류기와 스케줄러가 분류하고 스케줄링 함으로써 실시간/비실시간 응용 데이터 및 장/단기 트래픽 혼잡 프로세스들을 관리하도록 한다. 시뮬레이션 결과 제안된 시스템은 다른 비교기법들에 비해서 혼잡이 발생해도 트래픽 처리를 안정적으로 수행하였으며, 또한 전파 지연을 효과적으로 제어함을 알 수 있었다. 평균 트래픽 처리율은 TCCP에 비해 약 2%의 성능향상을 보였으며, 전파지연율 또한 약 2%의 성능 향상을 보임을 알 수 있었다.
시뮬레이션 결과 제안된 시스템은 다른 비교기법들에 비해서 혼잡이 발생해도 트래픽 처리를 안정적으로 수행하였으며, 또한 전파 지연을 효과적으로 제어함을 알 수 있었다. 평균 트래픽 처리율은 TCCP에 비해 약 2%의 성능향상을 보였으며, 전파지연율 또한 약 2%의 성능 향상을 보임을 알 수 있었다. 향후 연구로는 시뮬레이션 척도를 보다 다양하게 적용하여 시스템의 효율성과 안정성을 좀 더 체계적으로 측정하는 방법을 연구하도록 하겠다.

후속연구

향후 5G 기가급 통신 서비스가 본격적으로 상용화 될 것으로 예상됨에 따라 IoT 가정 홈서비스를 최적화하기 위한 많은 연구가 진행될 것으로 전망된다. 본 논문에서는 WHSN상에서 가정 홈IoT서비스를 최적화하기 위한 새로운 적응형 트래픽 제어 시스템, ATICS를 제안하였다.
평균 트래픽 처리율은 TCCP에 비해 약 2%의 성능향상을 보였으며, 전파지연율 또한 약 2%의 성능 향상을 보임을 알 수 있었다. 향후 연구로는 시뮬레이션 척도를 보다 다양하게 적용하여 시스템의 효율성과 안정성을 좀 더 체계적으로 측정하는 방법을 연구하도록 하겠다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	일반적으로 IoT서비스는 어떤 통신 기술을 이용하는가?	특히 IoT 서비스가 무선 가전에도 활발하게 적용될 것으로 예상됨에 따라 이들의 성능을 극대화시키고 사용상의 이용률을 극대화하기 위한 여러 방법들이 제안되고 있다[1, 2, 3]. 일반적으로 IoT서비스는 유선통신 또는 Zigbee, Bluetooth, WLAN 등의 근거리 무선 통신, WiFi direct 등의 D2D (Device to Device)기술, 그리고 WCDMA/LTE-A와 같은 셀룰러 접근 방식의 통신 기술이 주로 사용되고 있다[2, 4]. 통신상에서 이처럼 다양한 IoT 디바이스들에 대하여 QoS가 보장된 서비스를 제공하기 위해서는 IoT 트래픽 혼잡으로 야기된 간섭 제어 기술이 요구되며, 이들 간섭 제어 기술은 무선 홈 네트워크상의 다양한 IoT 디바이스들에 대한 데이터 스트리밍과 트래픽 플로우를 보장받게 된다[5, 6].
	ATICS은 어떻게 트래픽 간섭을 제어하는가?	본 논문에서는 실시간 트래픽과 비실시간 트래픽을 탐지하여 무선 홈 IoT 서비스의 QoS 및 처리율을 향상시키기 위한 새로운 적응형 트래픽 간섭 제어 시스템, ATICS(Adaptive Traffic Interference Control System)을 제안한다. 제안된 시스템은 트래픽 특성에 따라 단기(short term) 트래픽 혼잡 프로세스와 장기(long-term) 트래픽 혼잡 프로세스로 구분하여 트래픽 간섭을 제어한다. 시뮬레이션 결과 제안된 기법은 다른 비교 기법들에 비해서 트래픽 간섭 제어 성능 척도가 더 효율적임을 보인다.
	무선 홈 IoT 상에서 대용량 트래픽 간섭은 어떤 문제를 야기하는가?	무선 홈 IoT (Internet of Things)상에서 대용량 트래픽 간섭은 패킷 손실의 원인이 되며, 패킷 손실은 무선 홈 네트워크의 QoS와 처리율을 떨어뜨린다. 본 논문에서는 실시간 트래픽과 비실시간 트래픽을 탐지하여 무선 홈 IoT 서비스의 QoS 및 처리율을 향상시키기 위한 새로운 적응형 트래픽 간섭 제어 시스템, ATICS(Adaptive Traffic Interference Control System)을 제안한다.

참고문헌 (20)

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상세보기
A. B. F. Guiloufi, N. Nasri, A. Kachouri, "An Energy-Efficient Unequal Clustering Algorithm Using Sierpinski Triangle for WSNs," Wireless Personal Communications, Vol. 83, No. 3, pp. 449-465, 2016.
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상세보기
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C. D. Lee, "Cluster-Based Node Management Algorithm for Energy Consumption Monitoring in Wireless Mobile Ad Hoc Networks," The Society of Digital Policy & Management, Vol. 14, No. 9, pp. 317-323, 2016.

저자의 다른 논문 :

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].

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