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[국내논문] 저전력 블루투스 네트워크에서 피코넷 간 간섭으로 인한 패킷충돌 확률 분석
An Analysis of Packet Collision Probability due to Inter-piconet Interference in the Bluetooth Low Energy Networks 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.54 no.8 = no.477, 2017년, pp.3 - 11  

김명진 (한국외국어대학교 정보통신공학과)

초록
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저전력 블루투스(BLE) 기술을 IoT(Internet of Things) 응용에 적용하는 연구 개발이 이루어지고 있다. 이러한 응용 환경의 특징은 동일 공간에 많은 피코넷이 동작할 수 있다는 것이다. 따라서 동종 네트워크 간 간섭이 발생할 가능성이 크다. BLE 데이터 채널에서는 37 개의 주파수 채널 중에서 적응 주파수도약(AFH) 방식을 적용하여 주파수를 변경하면서 마스터와 슬레이브가 통신을 한다. 같은 공간에 다수의 BLE 피코넷이 동작하면 주파수 충돌이 발생할 위험이 있으며, 이로 인해 패킷오류가 발생한다. 본 논문에서는 동기가 맞추어지지 않은 다수의 BLE 피코넷 환경에서 데이터 채널에 대해 동일 주파수채널 간섭으로 인한 패킷충돌 확률을 분석하였다. Connection 주기 대 connection 이벤트 길이의 비율을 주요 파라미터로 하여 동시에 작동하는 BLE 피코넷의 수에 따른 패킷충돌 확률을 분석하였다. 분석 결과는 주어진 공간에서 BLE 기기를 소지한 사용자 수에 따라 원하는 패킷충돌 확률을 위한 connection 이벤트 관련 파라미터의 설정에 활용할 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Research and development are being conducted to apply low-power Bluetooth (BLE) technology to IoT (Internet of Things) applications. The characteristic of this application environment is that many piconets can operate in the same space. Therefore, interference between homogeneous networks is likely ...

Keyword

#Bluetooth Low Energy(BLE)   #piconet   #packet error rate   #aggregate throughput   #cochannel interference  

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

문제 정의

  • 다수의 BLE 피코넷이 동시에 작동하면 주파수 충돌이 발생할 위험이 있으며 이로 인해 패킷오류가 발생한다. 다중 BLE 피코넷 환경에서 간섭으로 인한 성능 열화 및 총 데이터 처리량을 분석하는 것이 본 연구의 배경이다.
  • 본 논문에서는 동기가 맞추어지지 않은 다수의 BLE 피코넷 환경에서 데이터 채널에 대해 동일 주파수채널 간섭으로 인해 발생하는 패킷충돌 확률을 분석하였다. Connection 주기 대 connection 이벤트 길이의 비율을 주요 파라미터로 하여 동시에 작동하는 BLE 피코넷의 수에 따른 패킷충돌 확률을 분석하였다.
  • 본 논문에서는 동일한 공간에 다수의 BLE 피코넷이 작동하는 환경에서 여러 피코넷의 데이터 채널 주파수가 동일하게 결정되어 패킷 충돌이 발생할 확률을 구한다. 동일 공간에 n개의 피코넷이 동작하고 있으며, 피코넷들은 동기가 맞추어져 있지 않다고 가정한다.
  • 같은 공간에 n 개의 BLE 피코넷이 작동하고 있는 환경에서 동일 주파수 채널 간섭에 의한 패킷충돌 확률을 구해 보자. 피코넷들은 서로 동기가 맞아 있지 않다고 가정한다.
  • 그러나 대부분의 시간대가 아닌 어떤 짧은 시간대 동안 높은 데이터 처리량이 필요한 경우도 있다. 피코넷이 많은 환경에서 총 데이터 처리량(aggregate data throughput)을 산출해보자. 블루투스 규격 2.
  • 대부분의 경우 동일 공간에 다수의 피코넷이 동작하는 환경이므로 동종 네트워크 간 주파수 채널 충돌로 인해 패킷충돌이 발생한다. 본 논문에서는 동기가 맞추어지지 않은 다수의 BLE 피코넷 환경에서 데이터 채널에 대한 패킷충돌 확률을 분석하였다. 피코넷 수와 connection 이벤트 간 주기 대 connection 이벤트 길이의 비율에 따라 패킷충돌 확률을 유도하였으며, 총 데이터 처리량도 산출하였다.

가설 설정

  • 본 논문에서는 동일한 공간에 다수의 BLE 피코넷이 작동하는 환경에서 여러 피코넷의 데이터 채널 주파수가 동일하게 결정되어 패킷 충돌이 발생할 확률을 구한다. 동일 공간에 n개의 피코넷이 동작하고 있으며, 피코넷들은 동기가 맞추어져 있지 않다고 가정한다. 같은 주파수를 사용하는 패킷들이 시간상에서 조금이라도 겹치면 간섭으로 인해 패킷충돌이 발생한다고 가정한다.
  • 동일 공간에 n개의 피코넷이 동작하고 있으며, 피코넷들은 동기가 맞추어져 있지 않다고 가정한다. 같은 주파수를 사용하는 패킷들이 시간상에서 조금이라도 겹치면 간섭으로 인해 패킷충돌이 발생한다고 가정한다. 채널부호화는 고려하지 않으며, 잡음이나 다른 종류의 장치로부터 받는 간섭의 영향도 고려하지 않는다.
  • 서로 다른 피코넷의 패킷이 시간상으로 겹치면서 동일한 주파수를 사용하는 경우 충돌이 발생하여 패킷충돌이 발생하는 것으로 간주한다. 문제를 단순화하기 위하여 두 피코넷의 connection 이벤트가 겹치는 부분이 발생하면 패킷충돌이 발생한다고 가정한다. 실제 상황에서는 마스터 패킷의 길이, 슬레이브 패킷의 길이 및 TIFS의 상대적인 길이에 따라 connection 이벤트가 겹치더라도 데이터 패킷 충돌이 발생하지 않는 상황이 생길 수도 있지만 너무 복잡하므로 본 논문에서는 connection 이벤트가 겹치면 패킷충돌이 발생할 수 있는 것으로 모델링한다.
  • 실제 상황에서는 마스터 패킷의 길이, 슬레이브 패킷의 길이 및 TIFS의 상대적인 길이에 따라 connection 이벤트가 겹치더라도 데이터 패킷 충돌이 발생하지 않는 상황이 생길 수도 있지만 너무 복잡하므로 본 논문에서는 connection 이벤트가 겹치면 패킷충돌이 발생할 수 있는 것으로 모델링한다. 또한 모든 피코넷은 동일한 connInterval 길이 TI와 동일한 connection 이벤트 길이 Tc를 가진다고 가정하며, connSlaveLatency는 0으로 설정하여 슬레이브가 connection 이벤트를 건너뛰는 경우는 없다고 가정한다.
  • 같은 공간에 n 개의 BLE 피코넷이 작동하고 있는 환경에서 동일 주파수 채널 간섭에 의한 패킷충돌 확률을 구해 보자. 피코넷들은 서로 동기가 맞아 있지 않다고 가정한다. 데이터 채널을 위해 가용한 주파수 채널의 개수를 M이라고 가정하자.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
기존 블루투스는 왜 전력소모가 매우 작은 통신 프로토콜 조건을 만족시키지 못하는가? 개인용 센서들은 동전형 배터리만 가지고 수개월 내지 수년 동안 동작하는 것이 바람직하기 때문에 전력소모가 매우 작은 통신 프로토콜이 요구된다. 기존 블루투스는 빠른 주파수 도약, 연결 지향성(connection-oriented) 동작 및 복잡한 접속 과정 때문에 위와 같은 요구를 만족시키지 못한다. BLE는 비동기식 비연결형(asynchronousconnectionless) MAC을 기반으로 한 프로토콜로 동작하도록 설계되어 있다.
BLE은 무엇인가? 개인용 센서 네트워크나 IoT(Internet of Things)를 구현하는 데 적합한 기술로 저전력 블루투스(Bluetooth Low Energy: BLE) 기술이 주목을 받고 있다[1～3]. BLE는 2.4 GHz ISM 주파수 대역에서 저전력 저용량 데이터 전송을 지원하는 근거리 무선통신 기술로서 블루투스 표준 버전 4.0부터 규격에 포함되어 있다[4].
PDU에게 허용된 길이는 얼마인가? 패킷은 preamble, access address,PDU(protocol data unit), CRC의 4 개 필드로 구성되어있다. PDU는 규격 4.0의 경우 최대 39 바이트 길이를 가질 수 있다[4]. PDU는 다시 2 바이트의 헤더와 페이로드(payload)로 구성되는데, access 채널의 경우 페이로드는 6∼ 37 바이트 길이를 갖고, 데이터 채널의 경우 페이로드는 0∼ 27 바이트 길이를 갖는다.
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참고문헌 (13)

  1. T. Zhang, J. Lu, and F. Hu, "Bluetooth Low Energy for Wearable Sensor-based Healthcare Systems," Proc. 2014 Health Innovations and Point-of-Care Technologies Conf., Oct., 2014. 

  2. B. Zhou, et. al., "A Bluetooth Low Energy Approach for Monitoring Electrocardiography and Respiration," Proc. 2013 IEEE 15th International Conf. on e-Health Networking, Applications and Services (Healthcom), 2013. 

  3. "Bluetooth Smart Technology: Powering the Internet of Things,"[Online]. Available: http://www.bluetooth.com/Pages/Bluetooth-Smart.aspx. 

  4. Bluetooth SIG, "Specification of the Bluetooth System V4.0," Jul. 2010. 

  5. Bluetooth SIG, "Specification of the Bluetooth System V2.0," Nov. 2004. 

  6. S. Zurbes, W. Stahl, K. Matheus, and J. Haartsen, "Radio network performance of Bluetooth," Proc. IEEE Int. Conf. Communications, New Orleans, LA, USA, Jun. 2000. 

  7. S. Zurbes, "Considerations on link and system throughput of Bluetooth networks," Proc. IEEE Int. Symp. on Personal, Indoor, and Mobile Communications, London, U.K., Sep. 2000. 

  8. A. El-Hoiydi, "Interference between Bluetooth networks - upper bound on the packet error rate," IEEE Communications Letters, Vol. 5, No. 6, pp. 245-247, Jun., 2001. 

    상세보기 crossref

  9. J. Liu, C. Chen, and Y. Ma, "Modeling Neighbor Discovery in Bluetooth Low Energy Networks," IEEE Communications Letters, Vol. 16, No. 9, pp. 1439-1441, Sep. 2012. 

    상세보기 crossref

  10. M. Kim, "An Analysis on the Number of Advertisements for Device Discovery in the Bluetooth Low Energy Network," Journal of The Institute of Electronics and Information Engineers, Vol. 53, No. 8, pp. 1151-1160, Aug. 2016. 

  11. C. Gomez, I. Demirkol, and J. Paradells, "Modeling the Maximum Throughput of Bluetooth Low Energy in an Error-Prone Link," IEEE Communications Letters, Vol. 15, No. 11, pp. 1187-1189, Nov. 2011. 

    상세보기 crossref

  12. M. Kalaa and H. Refai, "Bluetooth standard v4.1: simulating the Bluetooth low energy data channel selection algorithm," Globecom 2014 Workshop - Telecommunications Standards - From Research to Standards, 2014. 

  13. N. Gupta, Inside Bluetooth Low Energy, 2nd ed., Artech House, Boston/London, 2016. 

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