[논문]IEEE 802.15.4 무선 PAN에서 링크 품질에 기반을 둔 Transmission Power Control 알고리즘

서정태; 김광진; 손병희; 권영빈; 박재화; 박호현; 이정우; 최영완

IEEE 802.15.4 무선 PAN에서 링크 품질에 기반을 둔 Transmission Power Control 알고리즘
Transmission Power Control algorithm based link quality indicator at IEEE 802.15.4 wireless personal area network 원문보기

서정태 (중앙대학교 전자전기공학부) , 김광진 (중앙대학교 전자전기공학부) , 손병희 (중앙대학교 전자전기공학부) , 권영빈 (중앙대학교 컴퓨터공학부) , 박재화 (중앙대학교 컴퓨터공학부) , 박호현 (중앙대학교 전자전기공학부) , 이정우 (중앙대학교 전자전기공학부) , 최영완 (중앙대학교 전자전기공학부)

IEEE 802.15.4 기반의 무선 PAN(WPAN: Wireless Personal Area Network)환경에서 기존에 제안된 전송 전력 제어(TPC: Transmission Power Control) 알고리즘은 수신 신호의 세기를 기반으로 반복 전송을 통하여 적합한 최소 전송 전력을 결정하는 방법으로 진행되어 왔다. 이러한 방법은 통신 채널의 변화가 잦은 지역에서는 재전송률이 높아지고 전송 품질이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 따라서 본 논문에서는 IEEE 80215.4에서 제공하는 링크 품질 지표(LQI: Link quality indicator)값을 바탕으로 최소 전송 전력을 결정하여 재전송률을 줄이고, 통신 채널 변화에 보다 능동적으로 대응할 수 있는 새로운 전송 진력 제어 방법을 제안하고자 한다.

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문제 정의

본 논문에서는 TPC 알고리즘으로 IEEE 802.15.4 표준의 수신 신호 세기 (RSSI: Received Signa) Strength Indicator) 값과 링크 품질 지표 (LQI: Link Quality Indicator) 값을 기반으로 이론적 모델과 폐루프(closeToop)방식의 제어방식을 이용하는 새로운 전송 전력 제어 알고리즘을 제안하고 있다. 본 알고리즘은 전송 전력 제어를 위해 추가적인데 이터 전송 없이 IEEE 802.
본 논문에서는 새로운 방식의 TPC 알고리즘을 제안하고 끄 성능을 실험을 통하여 살펴보았다. 제안한 알고리즘은 log-distance path loss mod 인에 기부卜을 두어 전송 선력을 제어하며, :方에 따른 선송 품질의 저하 없이 PER 1%를 만족시키기 위해 IEEE 802.

가설 설정

결정된다. 먼저 무선네트워크가 이루어지는 환경의 변화가 없다고 가정하면, 노드간 신호세기 감소량은 노드 간 거리에 따라 일정한 값으로 결정되게 된다. 이를 이용하면, 식(2)를 통해 수신노드가 수신할 수 있는 최소의 신호 세기에 맞추어 전송노드에서 전송 전력을 결정할 수 있다!:4].

제안 방법

본 논문에서 제안하는 알고리즘을 IEEE 802.15.4 표준의 네트워크에 적용하여 그 성능을 측정하였다. 실험에는 Texas Instruments사의 CC₂₄30EM을 사용하였다.
4 표준의 수신 신호 세기 (RSSI: Received Signa) Strength Indicator) 값과 링크 품질 지표 (LQI: Link Quality Indicator) 값을 기반으로 이론적 모델과 폐루프(closeToop)방식의 제어방식을 이용하는 새로운 전송 전력 제어 알고리즘을 제안하고 있다. 본 알고리즘은 전송 전력 제어를 위해 추가적인데 이터 전송 없이 IEEE 802.15.4에서 제공하는 LQI 값을 바탕으로 PER (packet error rate)이 1% 이내를 만족하는 최소의 전송 전력을 선택하고 있다. 따라서 매 신호 전송 시마다 채널의 상태를 측정하여 전력을 이론적 모델을 계산하여 전송 전력 제어를 하게 되므로, 수신신호의 손실을 줄이면서 전송 시 필요한 최적의 전력을 빠르게 결성할 수 있는 장점이 있다[3].
CC2430 은 최대 0 dBm에서 최소 -26 dBm까지 전송 전력을 제어할 수 있다. 실험은 그림3과 같이 진행하였으며, 진송노느와 수신노드의 거리를 일정거리 이상 위치한 상태에서 전송 노드와 수신노드의 거리를 약 40 m부터 120 m 정노까지 변동시키면서 RSSI, LQI 값과 전송노드의 전송 전력의 세기를 측정하였다. 본 실험에서 LQI의 임계값은 그림 1의 데이터를 바탕으로 100으로 설정하였으며, 기본 sensitivity는 -90 dBm으로 설정하여 실험을 진행하였다[6].
앞서 언급한 log-distance path loss model과 LQI 값을 바탕으로 전송 전력 제어 알고리즘을 제안한다.
제안된 알고리즘은 노드간 path loss를 RSSI 값을 통해 계산하여, 기본 sensitivity를 바탕으로 전송 전력을 첫 단계에서 결정하게 되고, 수신된 LQI 값을 바탕으로 환경에 따른 sensitivity의 변화를 고려하여 PER 1%를 만족하는 전송선력을 결정하는 두 단계의 폐루프 방법으로 이루어져 있다.
제안하는 TPC 알고리즘은 기존의 방법에서 사용되어온 RSSI 기반의 log-distance path loss model을 통한 거시적 전송 전력 제어와 IEEE 802.15.4 표준에서 제공하는 LQI 값을 이용한 미시적 전송 전력 제어를 통하여 최적 전력을 결정한다.
끄 성능을 실험을 통하여 살펴보았다. 제안한 알고리즘은 log-distance path loss mod 인에 기부卜을 두어 전송 선력을 제어하며, :方에 따른 선송 품질의 저하 없이 PER 1%를 만족시키기 위해 IEEE 802.15.4 표준에서 제공하는 링크 품질 지표를 활용하는 것이다. 제안된 앒고리즘은 실험을 통해 검증되었으펴, 주변 환경의 변화에 따라 빠르게 선송 전력을 조절하여, 그에 따라 전력 소모를 최소화함을 확인할 수 있다.

대상 데이터

4 표준의 네트워크에 적용하여 그 성능을 측정하였다. 실험에는 Texas Instruments사의 CC₂₄30EM을 사용하였다. CC2430 은 최대 0 dBm에서 최소 -26 dBm까지 전송 전력을 제어할 수 있다.

이론/모형

본 논문에서는 상관관계에 의한 두 번째의 LQI 형태를 사용하고 있으며, 이 값을 CER (Chip Error Rate)로 활용한다. 이는 샘플링 구간이 짧은 PER 로 고려될 수 있다.

성능/효과

LQI 값 역시 임계 값으로 설정해 놓은 100 이상에서 유지되고 있으므로, 노드 간 PER이 1%를 근사적으로 만족하고 있음을 알 수 있다. 또한 TPC 알고리즘을 통해 실험된 실외 환경에서 전송 시 전력 소모량을 약 35% 줄일 수 있음을 알 수 있다.
4 표준에서 제공하는 링크 품질 지표를 활용하는 것이다. 제안된 앒고리즘은 실험을 통해 검증되었으펴, 주변 환경의 변화에 따라 빠르게 선송 전력을 조절하여, 그에 따라 전력 소모를 최소화함을 확인할 수 있다.

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