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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 지도교수
- 김영민
- 발행연도
- 2016
- 저작권
- 전남대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.
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모든 사물을 무선으로 연결하는 무선 센서 네트워크 기술은 사람 중심의 운용에서 사람과 사물, 그리고 사물 간의 연결로 확대되어 발전하고 있다. 이러한 네트워크는 수색과 구조, 재난 구호, 환경, 위치 정보 등을 포함한 다양한 어플리케이션을 제공한다.
이에 근간이 되는 무선 센서 네트워크 MAC 기술은 에너지 효율을 높이고 무선 환경에 대한 신뢰성과 정보 전달의 시의성을 확보하고자 꾸준히 연구되고 있으며 RFID, M2M, IoT, IoE 기술로 진화하고 있다. 그중 무선 센서 네트워크에서 사용되는 에너지 효율 개선을 위한 듀티 사이클 기법은 낮은 수신 성공률과 지연시간 증가, 재전송 발생률 등의 단점을 보인다. 또한 IEEE 802.15.4 표준 규격 기반의 ZigBee와 같은 기술은 평균 전력 소모가 낮고 이에 따라 긴 배터리 수명의 확보가 가능한 반면 복잡한 어플리케이션 프로파일로 인해 접근성이 떨어지는 단점이 있다.
본 논문에서는 듀티 사이클 기법의 단점을 개선하고 네트워크 구축의 접근성 향상과 쉬운 설치를 위하여 수신 예측 기반 주기 적응적 웨이크 업 알고리즘을 제안하고 이를 이용하여 고유의 시스톨릭 네트워크 구조를 구현하였다. 이를 통해 송신 시 1ms(20㎃, 0dBm), 수신시 2ms(20㎃, Current Optimized)의 최소 웨이크 업 구간을 확인하였고, 주기 적응적 웨이크 업 알고리즘은 기존 듀티 사이클 기반의 알고리즘과 비교하여 활성구간 듀티 사이클 5% 이상의 에너지 성능 향상을 확인하였다.
구현된 시스톨릭 구조의 무선 네트워크는 60㎂(20㎃ at 3㎳)의 저전력으로 네트워크에 참여할 수 있는 센서 또는 능동형 RFID 태그 등으로 구성되는 종단 노드와 활성구간 43㎳으로 250㎂의 저전력을 소비하며 최대 16개의 종단 노드를 가질 수 있는 링크노드, PC 또는 임베디드 장치와 연결하여 네트워크를 관리하고 링크 노드의 업링크 동기화를 통해 데이터를 수집하는 마스터 노드로 구성된다. 각각의 노드들은 TDMA 기반의 보장된 타임 슬롯을 가진 슈퍼프레임 구조의 에너지 효율을 개선한 MAC 프로토콜을 사용하며 멀티채널 다운링크 동기화를 기반으로 네트워크를 구축한다.
제안된 수신 예측 기반 주기 적응적 웨이크 업 알고리즘을 이용한 시스톨릭 구조의 무선 네트워크는 기본적으로 트리 형태로 분류가 가능하며, 네트워크의 구동 주기에 따라 최대 허용 노드의 수가 결정되는 특징을 가지고 있어 지연시간과 신뢰성에 민감한 대규모의 산업용 네트워크 환경에 적합할 것으로 판단된다.
이에 근간이 되는 무선 센서 네트워크 MAC 기술은 에너지 효율을 높이고 무선 환경에 대한 신뢰성과 정보 전달의 시의성을 확보하고자 꾸준히 연구되고 있으며 RFID, M2M, IoT, IoE 기술로 진화하고 있다. 그중 무선 센서 네트워크에서 사용되는 에너지 효율 개선을 위한 듀티 사이클 기법은 낮은 수신 성공률과 지연시간 증가, 재전송 발생률 등의 단점을 보인다. 또한 IEEE 802.15.4 표준 규격 기반의 ZigBee와 같은 기술은 평균 전력 소모가 낮고 이에 따라 긴 배터리 수명의 확보가 가능한 반면 복잡한 어플리케이션 프로파일로 인해 접근성이 떨어지는 단점이 있다.
본 논문에서는 듀티 사이클 기법의 단점을 개선하고 네트워크 구축의 접근성 향상과 쉬운 설치를 위하여 수신 예측 기반 주기 적응적 웨이크 업 알고리즘을 제안하고 이를 이용하여 고유의 시스톨릭 네트워크 구조를 구현하였다. 이를 통해 송신 시 1ms(20㎃, 0dBm), 수신시 2ms(20㎃, Current Optimized)의 최소 웨이크 업 구간을 확인하였고, 주기 적응적 웨이크 업 알고리즘은 기존 듀티 사이클 기반의 알고리즘과 비교하여 활성구간 듀티 사이클 5% 이상의 에너지 성능 향상을 확인하였다.
구현된 시스톨릭 구조의 무선 네트워크는 60㎂(20㎃ at 3㎳)의 저전력으로 네트워크에 참여할 수 있는 센서 또는 능동형 RFID 태그 등으로 구성되는 종단 노드와 활성구간 43㎳으로 250㎂의 저전력을 소비하며 최대 16개의 종단 노드를 가질 수 있는 링크노드, PC 또는 임베디드 장치와 연결하여 네트워크를 관리하고 링크 노드의 업링크 동기화를 통해 데이터를 수집하는 마스터 노드로 구성된다. 각각의 노드들은 TDMA 기반의 보장된 타임 슬롯을 가진 슈퍼프레임 구조의 에너지 효율을 개선한 MAC 프로토콜을 사용하며 멀티채널 다운링크 동기화를 기반으로 네트워크를 구축한다.
제안된 수신 예측 기반 주기 적응적 웨이크 업 알고리즘을 이용한 시스톨릭 구조의 무선 네트워크는 기본적으로 트리 형태로 분류가 가능하며, 네트워크의 구동 주기에 따라 최대 허용 노드의 수가 결정되는 특징을 가지고 있어 지연시간과 신뢰성에 민감한 대규모의 산업용 네트워크 환경에 적합할 것으로 판단된다.
목차
국문초록 11. 서론 32. 무선 센서 네트워크 기반 통신 기술 분석 6가. 무선 센서 네트워크 MAC 프로토콜 61) 듀티 사이클 82) 경쟁 기반 MAC 프로토콜 93) 스케줄 기반 MAC 프로토콜 18나. 저전력 고신뢰 무선 센서 네트워크 MAC 표준 기술 231) 국제 표준화 동향 232) 국내 표준화 동향 28다. 무선 센서 네트워크 라우팅 프로토콜 291) AODV 알고리즘 312) 클러스터 트리 라우팅 프로토콜 32라. IEEE 802.15.4/ZigBee 기술의 한계 353. 저전력 시스톨릭 무선 네트워크 설계 및 구현 37가. 수신 예측 기반 웨이크 업 기법 371) 수신 예측 알고리즘 372) 주기 적응적 웨이크 업 제어 기법 41나. 시분할 기반 에너지 효율적인 MAC 프로토콜 431) MAC 프로토콜의 구조 432) 멀티채널 구성 45다. 시스톨릭 구조의 무선 네트워크 471) 스타 네트워크 토폴로지 472) 시스톨릭 라우팅 프로토콜 50라. 무선 네트워크 하드웨어 플랫폼 531) 저전력 RF 트랜시버 532) 저전력 마이크로컨트롤러 553) 무선 노드 하드웨어 574. 저전력 시스톨릭 무선 네트워크 평가 59가. 수신 전계 강도 측정 59나. 웨이크 업 동작 65다. 수신 예측 기반 웨이크 업 동작 72라. 주기 적응적 웨이크 업 동작 74마. 스타 네트워크 토폴로지 구현 78바. 시스톨릭 네트워크 구현 805. 결론 및 활용분야 89가. 결론 89나. 활용분야 91참고문헌 95Abstract 105부록 : 하드웨어 플랫폼 설계 107
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