Ad Hoc, WPAN, Sensor Network

Ad Hoc, WPAN, Sensor Network Internet Computing Laboratory @ KUT http://icl.kut.ac.kr Youn-Hee Han 한국기술교육대학교

Why Ad Hoc? - Motivation 중앙의 통제 없이 자유롭게 통신한다? 사람들은 개인적, 혹은 직업적 필요에 의해, 노트북 컴퓨터나 휴대폰, PDA, MP3 플레이어와 같은 휴대용 기기들을 들고 다닌다. 대체로 이들 기기들은 독립적으로 사용된다. 즉, 애플리케이션간 연동이 안 된다. 그런데 만약 직접 연동이 된다면 어떨까? 가령, 회의 참석자들이 프리젠테이션 자료나 문서를 공유할 수 있다면? 명함으로 노트북의 주소 레지스터와 휴대폰의 번호 레지스터에 자동으로 도달할 수 있다면? 통근 열차를 빠져나올 때, 노트북은 여전히 온라인 상태로 남아있을 수 있다면? 수신 이 메일이 PDA로 전환될 수 있다면? 통신기기간 특별한 무선 통신을 ‘ad hoc 네트워킹’이라고 부른다. Ad hoc 네트워킹은 중앙 시스템의 도움 없이 언제, 어디서나 기기간 통신을 가능하게 해준다. 사실, ad hoc 네트워킹은 그리 새로운 개념은 아니다. 하지만 그 설정과 용법, 사용되는 통신기기들은 전혀 새롭다고 할 수 있다. 과거에는 ad hoc 네트워킹이라 하면 전장이나 재해지역에서의 통신과 연관됐지만 Bluetooth(Bluetooth) 같은 최신 기술이 실현됨에 따라 이제 ad hoc 네트워킹이 변하고 있으며, 그 중요성도 더욱 커질 것으로 예상된다.

Why Ad Hoc? - What is AD HOC Network? 흔히 무선 ad hoc 네트워크라 하면 무선 인터페이스를 사용해 패킷 데이터를 전송하는 무선 노드로 구성된, 중앙 관리(central administration) 없이 형성된 네트워크를 뜻한다. 이 같은 유형의 네트워크에 있는 노드는 라우터나 호스트로 이용될 수 있기 때문에 다른 노드 대신 패킷을 전송할 수도 있고, 사용자 애플리케이션들을 실행할 수도 있다. Ad hoc 네트워킹의 가장 매력적인 점은, 중앙통제로부터 완전히 독립해 사용자가 네트워크 사용에 더 많은 자유와 유연성을 얻게 된다는 것이다. - AD HOC Network의 특징 및 요구사항 • 기존 유무선 네트워크와는 달리, ad hoc 네트워크는 노드 일부나 전체가 무선인 네트워크 환경 속에서 작동할 수 있다. 이 같은 다이나믹한 환경에서는 노드가 갑자기 사라지거나 나타날 수 있기 때문에 네트워크 기능이 분산 방식으로 작동돼야 한다. • Ad hoc 네트워크 상의 노드는 보안 및 라우팅 기능 지원을 백그라운드 네트워크에 의존할 수 없다. 그대신, 이들 기능이 설계되어 분산된 조건 하에서도 효율적으로 운영될 수 있어야 한다. • - 노드가 무선이기 때문에 네트워크 형태가 다양해지지만, 그럼에도 불구하고 네트워크 연결이 유지돼 애플리케이션과 서비스를 차질 없이 제공해야 한다. 특히 이점이 라우팅 프로토콜 설계에 영향을 미친다. 또한 ad hoc 네트워크 사용자는 노드가 이리 저리 움직이는 상황에서도 인터넷과 같은 유선 네트워크에의 접속을 요구한다.

Internet WLAN Cellular Mobile Ad-hoc Networks Infra-structured N/W vs. Infra-structureless N/W

Wireless Multihop Networks • MANET • Mobile Ad Hoc Networks (MANET) • Mesh Network • Mesh routes (multiple routes) existbetween each source-destination pairs • Infrastructure-less/Peer-to-Peer • Base station is not necessary • Lossy, unstable and asymmetric wireless links • Bandwidth-constrained, variable capacity links • Multi-hop nodes need to relay packets for others • The nodes don’t need to be of the same type(phone, PDA, laptop, sensor, etc.)

Wireless Multihop Networks • Communication • A node can communicate directlywith another node that is immediately within radio range • To communicate with nodes outside its own radio range, an intermediate node is used to forward the packet • Power Management • Battery-powered nodes and sleeping nodes • MAC/PHY layer dependant • Different antenna (omni-directional, directional) • Limited physical security • Mobile wireless networks are generally more prone to physical security threats than are fixed-cable nets.

Application areas • Tactical military • Emergencies • Disaster relief • Sensor • Meetings/conferences

Challenges • Dynamic topologies • Bandwidth-constrained, variable capacity links • Energy-constrained • Limited physical security • Scalability • All these affect the design of a routing protocol

D G C F B E H A Wireless Multihop Networks • Dynamic nature - high mobility and frequent topological changes X X X

Ubiquitous Sensor Network USN의 정의 • USN은Ubiquitous Sensor Network 의 약자로, 지능형 센서와 네트워크로 이루어진 유비쿼터스 시스템이다. • 언제, 어디서나, 어떤 물체에나 • 환경 정보 및 사물을 감지 • 지능적으로 활용하는 네트워크 • USN은 객체를 식별하는 ID센서 및 주변환경을 감지하는 환경감지센서로 이루어진 센서 노드간 통신 네트워크를 구축하여 지능형 센서를 구성한다. • USN은 지능형 센서를 무선 네트워크와 통합하여 유비쿼터스 네트워크를 구성한다.

USN 구성요소의 이해 • 센서란 감지대상에 대한 정보를 인지하고 측정하여 이것을 물리적으로 떨어진 곳으로 전송하기 위해 신호로 변환하는 소자로 크게 ID센서와 환경감지센서로 나눌 수 있다. • 대표적인 ID센서에는 RFID 태그가 있다. • 환경감지센서는 크게 물리센서와 화학센서로 나눌 수 있는데 물리센서는 광, 전기, 자기, 열, 초음파, 역학에 관련된 물리량을 계측하는 것이고 화학센서는 온도, 가스, 이온, 유기화합물, 냄새, 맛 등의 화학 성분의 양을 계측한다. • 스마트 센서는 컴퓨터 기술과의 결합에 의해서 센서기능을 대폭적으로 향상시킨 지능화된 센서이다. • USN은 무선을 이용 스마트 센서들을 네트워크로 연결한다.

USN 핵심기술 • USN 프로토콜 기술은 전력관리면(power management plane), 이동성관리면(mobility management plane), 테스크관리면(task management plane)으로 이루어지며, 각 면(plane)은 물리계층(physical layer), 데이터연결계층(data link layer), 네트워크계층(network layer), 전송계층(transport layer), 응용계층(application layer)의 5개 계층으로 구성된다.

USN 핵심기술 • USN에서 주로 사용되는 네트워킹 기술은 Multihop Mesh Ad hoc 네트워크 이다. • Multihop MeshRouting은 여러 짧은 경로를 이용하여 전송한다는 개념이고 메쉬 네트워크는 안정된 통신 네트워크를 구성한다. Multihop 네트워크 메쉬 에드혹 네트워크

USN 무선기술: WLAN • WLAN은 액세스 포인트 (AP) 를 통해 다른 네트워크로 연결되거나 점대점 혹은 에드혹(ad hoc) 네트워킹을 만들 수 있다. • IEEE 802.11b 는 2.4에서 2.4835 GHz의 ISM 주파수 대역을 이용하여 도달거리 200m와 전송율 11 Mbps 까지 가능하다. • 802.11a는 미국에서 5.8에서 5.9 GHz 주파수를 이용하여 54 Mbps 전송율을 제공하며 802.11b 보다 더 나은 보안 기능 제공과 한꺼번에 더 많은 사용자들이 사용할 수 있다는 장점을 가지고 있다. • 802.11g는 802.11b와 같은 주파수 대역을 사용하며 호환된다는 이점을 추가하면서도 54 Mbps 전송율을 보인다. • 802.11n은 여러 개의 안테나를 사용하는다중입력 다중출력 (MIMO) 기술과 직교 주파수분할 다중접속 (OFDMA) 방식을 사용함으로써 600 Mbps 전송율을 제공한다.

USN 무선기술: Bluetooth • Bluetooth는 모바일 폰, 컴퓨터, 핸드헬드, PDA, 헤드세트, 다른 입는 기기들, 프린터를 포함한 컴퓨터 주변장치, 데이터 패드와 마우스와 같은 휴먼 인터페이스 장치를 위한 근거리 무선 접속용 글로벌 산업 표준이다. • 전 세계적으로 이용 가능한 2.4에서 2.4835 GHz의 ISM 주파수 대역을 사용한다. • 표준 통신 거리는 10m, 총 전송율은 1 Mbps이고 데이터뿐만 아니라, 3 개까지의 음성 채널이 사용 가능하다. • 블루투스의 마스터-슬래이브 네트워크 구성은 점대점 통신, 피코넷(여덟개 장치의 클러스터), 스캐터넷(상호연결된 피코넷, 최대 10개의 클러스터)을 허용한다. • Bluetooth는 IEEE 802.15.1 표준을 활용한다.

USN 무선기술: ZIgbee • ZIgbee는 무선컨트롤 되는 전등, 센서 등에 사용할 수 있도록 매우 작은 크기, 저전력, 저가격을 주 목표로 개발 되었다. • ZIgbee는 근거리(10 cm - 10 m)에서 낮은 데이터 전송율(20 - 250 kbps)을 갖고 하나의 네트워크에 255대의 기기를 연결할 수 있다. • ZIgbee는 2.4 GHz 대역(QPSK 변조방식)의 16 채널, 915 MHz 대역(BPSK 변조방식)의 10 채널, 868 MHz 대역의 한개 채널을 이용한다. • ZIgbee는 IEEE 802.15.4 표준을 활용한다.

USN 무선기술: UWB • UWB라는 용어는 초광대역(Ultra Wideband)의 약자로 UWB는매우 넓은 주파수 대역(수 GHz)에 걸쳐 전력 스펙트럼이 존재하는 통신 방식이다. • 초광대역의 특성을 갖는 펄스를 타 통신 시스템에 간섭을 주지 않고 통신이 가능하며, 또한 대역폭을 광대역으로 취할 수 있기 때문에 데이터의 전송 면에서 기존의 무선 통신 방식에 비해 유리 • 10m 정도의 근거리에 있는 홈씨어터 등의 실시간 비디오 스트리밍 및 고속전송의 USB 2.0 대용으로 가전제품 등을 무선 인터페이스로 연결하는 등에 응용 가능하다. • 전송률은 100 Mbit/sec ~ 1 Gbit/sec 이다. • UWB는 IEEE 802.15.3a 표준을 활용한다.

USN 무선기술정리 • IEEE 802.15.1  Bluetooth • IEEE 802.15.3(High-rate WPAN) • IEEE 802.15.3a (더 높은 전송 속도, 저전력, 저가격)  UWB • IEEE 802.15.4 (Low-rate WPAN)  Zigbee • IEEE 802.11a/b/g/n  WLAN

USN 응용사례 • USN이 초기에 제안된 용도는 군사용이었다. USN의 큰 장점 중의 하나는 위험한 방어 지역 인근에 군사에 해를 입히지 않을 수 있는 감시용 센서로 설치할 수 있는 것이다. 또한 이러한 방어 지역에서 USN은 공격 예상 지역의 위치를 알아내는 역할도 할 수 있다. 미군에서 사용중인 무인탐지 시스템 그림출처: IEEE MTT-S Workshop 2002

USN 응용사례 • USN은 화학적, 생물학적 센서를 가질 수 있기 때문에 무선센서 네트워크는 토양의 특성 측정에 사용 가능하다. 측정된 데이터는 토양의 수분과 온도, 살충제의 필요 여부 등에 대해서 그래프와 도표 형태로 농부에게 전달된다. 이러한 응용은 미묘한 환경 변화가 농작물에 큰 영향을 미치는 포도밭 등에 특히 중요하다. 지능형 농업 프로젝트인 Sensor Web의 구성도 그림출처: IEEE MTT-S Workshop 2002

USN 응용사례 • 2002년 UC-버클리 대학과 인텔 공동으로 미국 메인주 Great Duck Island에 무선센서 네트워크 설치 섬에 사는 야생조류의 생태를 관찰, 유무선 네트워크를 통하여 원격에서 실시간 환경감사를 수행하였다. Great Duck Island USN 시스템 그림출처: www.greatduckisland.net

USN 응용사례 • USN을 기반으로 한 도시영역별 응용을 통한 유비쿼터스 도시환경의 구현을 통하여 삶의 질을 향상 시킬 수 있다. 보건의료 서비스 주차장관리 소외계층 대상 진료서비스 공영주차장관리 및 거주자운선주차공간관리 교육 서비스 교통정보제공 사고정보 및 교통정보제공 동식물 표본에대한 자연학습 교육제공 불법주차관리 차량 불법주차 및 무적방치차량관리 문화관광 서비스 문화재 관리 및 관광문화정보 제공 도로교통 생활문화 도로시설물관리 대여 서비스 공공환경 공공시설물 및 자산 대여 서비스 가로등, 현수막 등 도로시설물관리 소방시설 및 공공자산관리 시설문 관리 쓰레기관리 재난관리 청소차량 운행관리 및 쓰레기 수거관리 재난관리 및 재난점검이력 관리

실제 생활의 U어플라이언스: 인터넷 세탁기 • Meriloni의 margheita2000.com은 세계 최초의 웹 가능한 세탁기 이다. Magherita2000.com은 모바일폰이나 인터넷을 통하여 작동 시킬 수 가 있다. 각각의 세탁기는 고유한 코드를 가지고 있고 인터넷을 통하여 웹 사이트를 브라우징하고 세탁기의 인증번호를 넣을 수 있다. 웹 사이트는 실제 세탁기에 접속하여 그 상태를 웹 페이지에 보여 주며 정보를 제어할 수 있다. 사진출처: Meriloni

실제 생활의 U어플라이언스: 인터넷 가스오븐 • LG전자의 인터넷 가스오븐은 홈네트워크 전문 포털사이트 ‘드림LG( http://www.dreamlg.com)’에서 해물구이, 육류구이 등 그릴요리 17가지와 파이, 케이크, 쿠키, 빵 등 40여 가지의 국내외 요리정보를 다운로드 할 수 있다. 요리정보는 지속적으로 업데이트 된다. 또 자동요리 기능과 수동요리 기능을 선택할 수 있어 바쁘게 저녁식사를 준비할 경우 음식재료를 넣고 자동요리 버튼만 누르면 알아서 조리시간과 열량을 조절해 손쉽게 음식준비를 할 수 있다. 사진출처: LG전자

유비쿼터스 기기 미들웨어 기술 • 미들웨어는 개별 애플리케이션, 소프트웨어 엔티티, 기기를 연결하고 그들간에 데이터와 요구사항을 전달하는 소프트웨어 또는 소프트웨어 시스템이다. • 미들웨어는 SOAP, CORBA, JINI와 같은 컴퓨터 네트워크 내에서의 분산 컴퓨팅을 위한 기술에 의해 가장 잘 설명된다. 미들웨어는 서비스 발견, 객체 발견, 데이터 교환을 위한 메소드와 프로토콜을 제공한다. • 유비쿼터스 기기용 미들웨어는 협력과 상호 연동성을 허용하고 기본적 통신을 제공하는 광범위한 소프트웨어 시스템을 일컫는다. 즉 다양한 네트워크와 기기간의 상호 호환성을 보장하여 준다.

유비쿼터스 기기 미들웨어 기술: JINI • JINI 기술은 여러 가지 자바 기능들을 사용하는 분산 시스템을 통합하여 넓은 범위의 기기들의 네트워크 접속이 쉽고 신뢰할 수 있는 환경을 만들어 내는 것을 목표로 한다. • JINI는 썬마이크로 시스템즈, IBM, 소니, 에릭슨, 모토롤라, 제록스, 도시바 등이 표준화를 추진하였다. • JINI는 CORBA 미들웨어 기술과 비슷하지만, 쉬운 설정 및 등록과정과 새로운 서비스의 동적 발견을 갖는다. CORBA에 비해서 기반구조가 매우 가벼운 특징을 가지고 있다. • JINI가 가능한 기기는 JVM(Java Virtual Machine)을 실행하거나 네트워크상의 다른 머신의 JVM에서 사용될 수 있다. • .

유비쿼터스 기기 미들웨어 기술: UPnP • 마이크로소프트의 UPnP는 JINI와 경쟁하는 기기 발견 프로토콜이다. 소니, 인텔, 제너럴 일렉트릭사를 포함하는 마이크로소프트의 유니버설 플러그 앤 플레이 포럼은 u어플라이언스들이 서로 상호 작용하는 것을 꿈꾸고 있다. • UPnP는 연결된 기기간의 Peer-to-peer 발견을 지원하기 위한 서비스들에 대한 개방된 표준 기술로 다음을 명시한다: ∙자동화된 IP 주소 할당 ∙간단한 서비스 발견 프로토콜(IP 기반) ∙HTTP 메시지의 멀티캐스트 및 유니캐스트 ∙일반적인 이벤트 통지 기반구조 ∙유연한 XML 처리 프로파일(FXPP)

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