[논문]무선 센서네트워크 기반 차량검지 시스템을 위한 저전력 TDMA MAC 프로토콜

권영진; 최진규; 김태홍

doi:10.13067/jkiecs.2018.13.5.1003

무선 센서네트워크 기반 차량검지 시스템을 위한 저전력 TDMA MAC 프로토콜
Low-power TDMA MAC protocol for WSN based Vehicle Detection System 원문보기

한국전자통신학회 논문지 = The Journal of the Korea Institute of Electronic Communication Sciences, v.13 no.5, 2018년, pp.1003 - 1010

권영진 (충북대학교 정보통신공학부) , 최진규 (한국전자통신연구원) , 김태홍 (충북대학교 정보통신공학부)

초록
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지자기 센서 기반의 차량검지 시스템에서 지자기 센서 노드는 복잡한 케이블 연결 없이 쉽게 도로에 매설할 수 있도록 무선 통신을 이용하는 방식으로 설계되며, 시스템의 유지보수 비용을 줄이기 위해서는 도로에 매설된 지자기 센서 노드의 배터리 수명을 늘리는 것이 중요하다. 본 논문에서는 차량검지 시스템에서의 차량 검지 정보의 실시간성을 보장하면서 지자기 센서 노드의 에너지 소모를 줄일 수 있는 저전력 TDMA 프로토콜을 제안한다. 성능분석에서는 실제 지자기 센서 기반 차량검지 시스템에서의 지자기 센서 노드의 전력 소모를 측정하였으며, 시스템의 시간동기를 유지하면서도 배터리 효율을 62% 향상함으로써 약 5년간 배터리 교체없이 사용할 수 있음을 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The geomagnetic sensor nodes are usually designed with wireless communication and battery for easy installation on the road without cable connection and wiring. To minimize operation cost of a system, it is important to prolong the battery lifetime of the geomagnetic sensors installed on the road. In this paper, we propose a low-power TDMA MAC protocol that reduces energy consumption while guaranteeing the real-time vehicle detection information in the vehicle detection system. The performance evaluations are conducted through a real testbed of a vehicle detection system, and it proves that the proposed low-power protocols provides 5 year lifetime by improving energy efficiency up to about 62%.

주제어

표/그림 (15)

그림 그림 1. WSN 기반의 VDS 구성도 Fig. 1 WSN-based VDS system architecture
그림 그림 2. VDS의 차량 검지 과정 Fig. 2 Vehicle detection process in VDS
그림 그림 3. VDS의 교통 정보 추출 Fig. 3 Extraction of traffic information in VDS
그림 그림 4. TDMA 슈퍼프레임 구조 Fig. 4 TDMA superframe structure
그림 그림 5. TDMA MAC에서 beacon 시간 간격 Fig. 5 Beacon time interval of TDMA MAC
그림 그림 6. 제안하는 저전력 MAC의 시간 동기화 Fig. 6 Time synchronization of the proposed low-power MAC
그림 그림 7. 제안하는 저전력 MAC의 association 과정 Fig. 7 Association process of the proposed low-power MAC
그림 그림 8. 제안하는 저전력 MAC의 이벤트 패킷 처리 Fig. 8 Event packet processing of the proposed low-power MAC
그림 그림 9. VDS 센서 노드 Fig. 9 VDS sensor node
그림 그림 10. 구현된 VDS 마스터 노드 Fig. 10 Implemented VDS master node
그림 그림 11. DC 전력 분석기에 의한 전력 소모량 측정 Fig. 11 Power consumption measurement via DC power analyzer
그림 그림 12. BI 주기에 따른 배터리 수명 예측 Fig. 12 Estimation of battery life time according to BI
그림 그림 13. 동작모드에 따른 배터리 수명 비교 Fig. 13 Battery lifetime comparison according to operation mode
그림 그림 14. 일일 교통량에 따른 배터리 운용시간 Fig. 14 Battery lifetime according to daily traffic volume
그림 그림 15. 마스터 노드-센서 노드간 시각동기화 오차 Fig. 15 Time synchronization error between master node and sensor node

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 WSN 기반의 차량 검지 시스템을 위한 TDMA MAC 프로토콜을 수정하여 검지 시스템의 응답성을 저해하지 않으면서 저전력 운영이 가능하도록 설계하였고 구현된 센서 노드와 마스터 노드의 전력 소모량을 측정하여 배터리 운용 시간을 예측하였다. 제안한 MAC 프로토콜을 적용한 센서 노드의 성능을 측정한 결과 시간 동기 성능에 영향을 주지 않으면서 PA/LNA가 적용된 센서 노드 기준으로 62% 배터리 운용시간이 증가하는 것을 알 수 있었다.
본 논문에서는 차량 검지와 데이터 수집 기능을 위해 필요로 하는 차량검지 정보의 실시간성을 보장하면서 저전력으로 운영이 가능한 TDMA(: Time Division Multiple Access)기반의 MAC(: Media Access Control)프로토콜을 설계하고자 한다.
시각정보를 갱신하는 작업은 네트워크의 안정성을 위해 필요한 작업이지만 과도한 동작은 불필요한 오버히어링으로 정의되며, 이로 인해 전력 효율이 낮아지게 된다. 본 논문에서는 최소한의 beacon을 수신할 수 있도록 수정함으로써 불필요한 오버히어링으로 인한 에너지 소모문제를 해결한다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 VDS에 TDMA 슈퍼프레임 구조를 적용하고자 한다. 슈퍼프레임 구조는 그림 4와 같이 200 ms의 BI(: Beacon Interval)를 가지며, 슬롯당 5 ms를 할당하여 40 개의 슬롯으로 나누어 구성한다.

가설 설정

그림 14는 일일 교통량에 따른 배터리의 운용시간을 그래프로 표현한 것으로서 X축인 일일 송신 패킷량은 재전송 과정이 없다면 교통량에 비례한다고 가정하여 산출하였다. 그림 15에서 일일 교통량 30,000대 기준으로 배터리 수명은 BI가 200 ms 주기일 때 약 3년으로 예측할 수 있으며, BI를 1,000 ms로 설정한 경우 약 5년인 것으로 예측할 수 있다.

제안 방법

또한 제어 및 분석 소프트웨어인 14585A를 이용하여 그림 11과 같이 PC 환경에서 정밀한 측정환경을 구축하였다. 공급 전원은 배터리와 동일하게 3.6 V의 전압과 100 mA의 조건으로 차량검지 센서 노드를 구동하였다.
네트워크 링크를 유지만 하는 “MAC Task”, 차량 검지 알고리즘까지 동작하는 “MAC Task + Sensing Task”, 그리고 매 사이클 차량검지 이벤트를 전송하는 조건인 “MAC Task + Sensing Task + Tx”로 비교하였다.
이를 위해 beacon에 기준 시각정보를 포함한다. 또한 센서 노드는 시각정보를 업데이트하기 위해 매 BI마다 RF수신기를 두 슬롯동안 활성화하여 시각동기화를 한다.
N6705B에 사용된 전원 모듈은 N6761A-2UA이며, 옵션으로 저전력 측정 가능한 사양을 가졌다. 또한 제어 및 분석 소프트웨어인 14585A를 이용하여 그림 11과 같이 PC 환경에서 정밀한 측정환경을 구축하였다. 공급 전원은 배터리와 동일하게 3.
이 정보를 이용하여 센서 노드가 특정 주기에만 시각 동기화를 할 수 있도록 한다. 마스터 노드는 기존 TDMA MAC의 동작을 수행하는 데 있어서 beacon payload에 기준 시각정보와 beacon skip counter 정보를 추가하여, 역 카운트를 통해 해당 값이 0이 되는 시점에서 센서 노드가 beacon을 수신하도록 하도록 한다.
센서 노드는 배터리를 이용하여 수년간 도로에 매설되어 운영할 수 있어야 하고, 센서 노드를 통과하는 차량을 검지하여 그 정보를 상위 제어기인 마스터 노드에 전송하는 기능을 갖는다. 마스터 노드는 센서 노드로부터 수신한 검지 정보를 베이스 스테이션으로 전송하는 기능을 담당하며, 베이스 스테이션은 이 차량 검지 정보를 이용해 교통정보를 산출하여 ITS망을 통해 교통정보를 센터에 제공한다.
3 장에서 제안한 저전력 MAC 프로토콜을 적용하여 구현된 센서 노드는 그림 9, 10과 같다. 마이크로 컨트롤러는 TI(: Texas Instrument)의 MSP430F2618을 사용하고 무선 통신을 위한 송수신기는 TI의 CC2520을 적용하였으며 RF front-end인 CC2590을 적용한 버전과 소형화를 위해 적용하지 않은 버전을 각각 제작하였다. CC2590은 최대 14 dBm 향상된 전력 증폭기(PA : Power Amplifier)와 LNA(: Low Noise Amplifier)를 내장하여 내부 Tx/Rx스위치 및 외부 안테나 매칭을 포함해 4.
하지만 국내 전파법에 따라 최고 출력은 10dBm으로 제한하여 설계하였다. 무선 센서 노드에 적용한 안테나는 패치 안테나를 적용하여 도로 노면에서 하늘 방향으로 빔 패턴을 형성하도록 하였다.
실제 도로에 센서 노드를 매설할 때 사용되는 배터리는 Li/SOCl2 1차 전지를 이용하며, 총 용량은 76Ah를 기준으로 하였다. 배터리 기반의 시스템은 자연 방전율과 국내 기후 특성을 고려하여 80% 용량을 기준으로 계산하여 총 60.8 Ah를 실험조건으로 하였다.
MSP430시리즈의 MCU는 저전력 16-Bit Micro Controller로써, 효과적인 저전력 운영을 지원하도록 AM(: Active Mode)과 5개의 LPM(: Low Power Mode)를 제공한다. 본 논문에서 구현한 무선 센서 노드는 LPM중 외부 저속 클럭을(ACLK : Auxiliary Clock) 사용할 수 있는 LPM3와 AM를 이용하여 저전력 동작을 구현하였다.
센서 노드는 그림 9와 같이 무선 통신 거리를 늘리기 위해 PA 및 LNA를 포함하는 센서 노드와 소형화를 위해 PA 및 LNA를 제거한 센서 노드를 각각 제작하였다.
이러한 동작 환경의 특수성을 적극적으로 활용하기 위해, BI마다 시각 동기화 했던 구조에서 그림 6과 같이 beacon의 payload에 기준 시각정보 이외에 beacon skip counter 정보를 추가하였다. 이 정보를 이용하여 센서 노드가 특정 주기에만 시각 동기화를 할 수 있도록 한다.
지자기 센서 기반의 무선 VDS는 그림 2와 같이 일정한 거리를 둔 두 개의 센서 노드를 일렬로 도로에 매설하고 차량이 센서 노드 위를 지나가면 두 개의 센서 노드는 각각 차량이 지나간 시간을 검지하여 차량이 지나간 방향에 따라 진입과 진출을 판단하고 차량의 속도를 계산한다.

대상 데이터

수정된 MAC의 소비전력을 측정하기 위해 Keysight의 DC 전력분석기인 N6705B을 이용하여 측정하였다. N6705B에 사용된 전원 모듈은 N6761A-2UA이며, 옵션으로 저전력 측정 가능한 사양을 가졌다.
실제 도로에 센서 노드를 매설할 때 사용되는 배터리는 Li/SOCl2 1차 전지를 이용하며, 총 용량은 76Ah를 기준으로 하였다. 배터리 기반의 시스템은 자연 방전율과 국내 기후 특성을 고려하여 80% 용량을 기준으로 계산하여 총 60.

성능/효과

그림 12는 송신 이벤트에 따른 전력 소비를 제외하고 단순히 BI 주기를 증가시킴에 따라 측정된 전력 소모량을 바탕으로 배터리 운용시간을 예측한 결과이다. PA/LNA가 적용된 센서 노드와 적용되지 않은 센서 노드를 비교하였으며, BI를 200 ms에서 1,000ms로 증가시키면 PA/LNA 적용 센서 노드는 3.2년에서 5.2년 동작이 가능한 것을 예측할 수 있고, PA/LNA 비적용 센서 노드는 3.6년에서 5.6년으로 운영 시간이 증가함을 예측할 수 있다.
본 논문에서는 WSN 기반의 차량 검지 시스템을 위한 TDMA MAC 프로토콜을 수정하여 검지 시스템의 응답성을 저해하지 않으면서 저전력 운영이 가능하도록 설계하였고 구현된 센서 노드와 마스터 노드의 전력 소모량을 측정하여 배터리 운용 시간을 예측하였다. 제안한 MAC 프로토콜을 적용한 센서 노드의 성능을 측정한 결과 시간 동기 성능에 영향을 주지 않으면서 PA/LNA가 적용된 센서 노드 기준으로 62% 배터리 운용시간이 증가하는 것을 알 수 있었다. 이는 일일 교통량 이벤트 30,000건을 처리하며 약 5년간 배터리 교체 없이 사용할 수 있을 것으로 예상된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	차량검지 시스템의 문제점은 무엇인가?	차량검지 시스템(VDS : Vehicle Detection System)은 루프 검지기(: Inductive Loop Detector), 레이더 검지기(: Radar Detector) 그리고 영상 검지기(: Vision Detector)등으로 개발 및 사용되고 있으며, 지능형 교통시스템(ITS : Intelligent Transport Systems)에 교통량(: Traffic Volume), 속도(: Speed), 점유율(: Occupancy) 정보를 제공하여 교통체계의 효율을 높이는데 이용되고 있다[1-8]. 그러나 유선 기반 VDS의 내구성 문제와 영상 기반 VDS의 날씨 환경에 따른 검지 성능 저하 문제가 지적되고 있으며, 이러한 문제를 극복할 수 있는 새로운 방식의 VDS에 대한 요구가 늘어나고 있다[3-4]. 이에 따라 시스템의 설치 및 유지보수가 용이하면서도 지속적인 검지 성능을 제공 할 수 있는 배터리 기반의 무선 센서네트워크(WSN : Wireless Sensor Networks)를 이용한 VDS 기술에 대한 연구 및 적용사례가 늘어나는 추세이다[5-8].
	WSN 기반 VDS에서 나타날 수 있는 문제점은 무엇인가?	WSN 기반 VDS는 차량의 불특정한 통행을 측정하여 검지 이벤트를 생성하기 때문에 무선 채널을 선점하여 사용할 경우 교통환경에 따라 재전송을 유발하게 된다. 배터리를 기반으로 운영되는 시스템에서 재전송이 발생하면 전력 손실이 발생한다. 채널을 선점하여 사용하는 경우에는 LW-MAC(: Light Weight-MAC)기반의 PES(: Portable vehicle detector Evaluation System)시스템에서 보여주는 것과 같이 차선별로 채널을 할당하여 교통혼잡 상황에서의 무선충돌을 의도적으로 회피하도록 설계한다[9].
	지자기 센서 기반의 무선 VDS의 구성 요소는 무엇인가?	지자기 센서 기반의 무선 VDS는 그림 1과 같이 센서 노드, 마스터 노드, 베이스 스테이션으로 구성된다. 센서 노드는 배터리를 이용하여 수년간 도로에 매설되어 운영할 수 있어야 하고, 센서 노드를 통과하는 차량을 검지하여 그 정보를 상위 제어기인 마스터 노드에 전송하는 기능을 갖는다.

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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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