정보통신공학과 통신학과, 정보처리기사 등 정보통신시스템 요약정리 122. 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)의 기본 구성

122. 유비쿼터스 센서 네트워크(USN)의 기본 구성

 

가. USN의 개요
유비쿼터스 센서 네트워크(USN)는 RFID/센서 영역(Sensor field)과 IPv6 기반의
광대역 통합망(BcN)의 결합으로 이루어지는 네트워크이다. USN을 구성하는데 있어
서 무선 액세스 네트워크(access network)는 IPv6 기반의 BcN으로 인터넷 통합망
형태이며, 이는 곧 모든 센서 노드에 IPv6가 적용되는 것을 의미한다. 또한 센서 네트
워크의 애플리케이션을 위한 미들웨어로서, 서비스 플랫폼이 제공되어 사용자는 이를
통해 차세대 네트워크인 지능형 센서 네트워크를 자유롭게 이용하게 된다.
USN의 기본 구성은 [그림 10-6]과 같으며, USN이 완성되기 위해서는 센서 네트
워크 영역이 매우 중요하다. 싱크(sink) 노드에서 게이트웨이를 거쳐 액세스 네트워크
이상의 분야는 USN의 통합적인 발전을 위한 기술로서 진보될 것이며, 센서 네트워크
영역은 네트워크를 구성하는 일정 지역에 크기가 1mm3 정도의 작은 노드들이 수 백
개에서 수천 개까지 설치되어 통신하는 구조를 갖는다. 또한 노드들이 주고받는 데
이터는 그 크기도 작고 데이터의 발생 빈도가 매우 낮아 통신하는 양은 많지 않을 것이다.

유비쿼터스 센서 네트워크(USN)의 기본 구성

한편, 센서 네트워크는 항상 네트워크 영역 내에 다른 네트워크와 통신할 수 있는
여러 형태의 노드가 필요하다. 이런 노드를 싱크 노드라고 부르며, 싱크 노드는 크기
가 크지만 배터리의 한계를 고려하지 않는다. 센서 네트워크에서 발생된 데이터는 모
두 싱크 노드로 집적되어 센서 네트워크와 다른 방식으로 외부 네트워크에 연결된다.
이 방식은 싱크 노드의 특성에 따라 위성통신, 무선 LAN, 블루투스 및 유선 인터넷
등의 방식을 가질 수 있다.
USN의 궁극적인 목표는 IPv6를 기반으로 하는 BcN과 연동되어 모든 사물이 지능
적으로 네트워크를 구성하여 통신하는 것이다. USN은 아직 세계적으로 공인 받은 표
준화된 기술이 없고, 기술 자체에 대한 시장도 형성되지 않았다. 향후 센서 네트워크
의 응용 분야가 군사, 물류, 유통, 의료, 학술 등 무한하므로, 기술 발전과 생산력에 따
라 시장 규모가 천문학적으로 증가될 것으로 예상된다. 이에 따라 IEEE, ISO/IEC와
국내의 TTA 등 주요 표준화 그룹에서 USN에 대한 표준화를 위해 노력하고 있다.

나. 애드혹(Ad-hoc) 네트워크와 무선 메시 네트워크(WMN)
(1) 애드혹(Ad hoc) 네트워크
애드혹(Ad hoc) 네트워크는 임시변통의 네트워크라는 의미이며, 주로 무선 네트
워크에서 사용되는 기술로서 무선 애드혹 네트워크라고도 부르는데, [그림 10-7]과
같이 각 단말(노드)들이 액세스 포인트(AP) 또는 어떠한 유선 인프라가 없이, 흩어
져 있는 단말들끼리 동등 계층(peer to peer) 통신을 하는 자율적인 구조의 네트워
크이다. 즉, 애드혹 네트워크는 유선망과의 연결없이 또한, 네트워크를 구성하기 위
해 어떠한 기반 장비도 필요없이 LAN 카드를 장착한 2대 이상의 단말기로 구성이
가능하고, 인프라가 구축되지 않은 장소에서 손쉽게 무선 LAN 환경을 구축하여, 각
단말기가 대등한 관계의 위치에서 상호 통신할 수 있다.

애드혹 네트워크의 기본 구조

애드혹 네트워크는 중간에서 제어하는 별도의 노드가 없으므로 각 단말들은 자신
이 가질 수 있는 정보를 최대한 활용하여 네트워크에서 통신해야 하고, 먼 거리에
있는 단말과의 통신에는 다른 단말들을 경유하여 통신해야 하기 때문에, 홉 수 등의
통신비용을 최소화 하는 경로를 구하는 라우팅이 필요하다. 즉, 애드혹 네트워크는
노드들끼리의 통신을 통해서 토폴로지를 구성하므로, 무선 네트워크 통신이 가지는
거리상의 한계를 극복할 수 있다. 그리고 고정된 라우터를 사용하는 정적인 방식과
비교하여, 단말의 이동이 자유롭기 때문에 네트워크 토폴로지가 동적으로 변하는 특징을 가지고 있다.
애드혹 네트워크는 일반 무선 LAN의 분산 스케줄링 방식을 쉽게 구현할 수 있어
상용화가 용이하며, 단일 채널에서 동작함으로써 요구 대역폭이 적은 편이다. 반면
에 분산방식의 스케줄링을 적용함으로써 네트워크 내의 단말의 수가 증가하면 상호
간섭현상으로 인해 채널 사용효율이 떨어지는 단점이 있다.
그리고 애드혹 네트워크는 정적인 특성을 가지고 있으므로 단말의 이동성에 대한
지원능력이 부족하며, 분산 스케줄링의 특성 상 지연에 민감한 실시간 데이터를 전
송하기 어렵기 때문에 이에 대한 별도의 스케줄링 기법이 요구된다. 따라서 애드혹
네트워크는 단말들 간의 거리가 짧고 사용 중에 이동이 적은 실내 환경에서 데이터
통신을 위한 네트워크 구성에 적합하다. 대개 통신 가능 구역이 20~100m 정도로
서, 소규모 사용자가 낮은 가격의 무선 LAN 시스템을 구축하는 경우에 유용하다.
이동 애드혹 네트워크(MANET : Mobile Ad hoc NETwork)은 유선 기반망 없
이 이동 단말기로만 구성된 무선 지역의 통신망으로서 유선 기반이 구축되지 않은
산악 지역이나 전쟁터 등에서 통신망을 구성하여 인터넷 서비스를 제공하는 기술이
다. 무선 신호의 송수신은 현재의 자료 연결 기술을 활용하고, 라우터 기능은 이동
애드혹 네트워크의 이동 단말기가 호스트와 라우터 역할을 동시에 하도록 하는데,
여기에 라우터 프로토콜의 개발과 무선 신호의 보안 문제 해결 기술 등이 필요하다.
특히 MANET을 구성하는 각 단말은 어떤 방향으로도 독립적으로 이동이 가능하여
다른 단말로 링크를 자주 바꿀 수 있으며, 각 단말은 자신의 사용에 관련이 없이 라
우터로도 작동해야 한다.

(2) 무선 메시 네트워크(WMN)
애드혹 네트워크 관련 기술을 기반으로 발전된 무선 메시 네트워크(WMN)는 무
선인프라 환경에서 고정이나 이동 중에 기지국대 기지국, 단말대 단말, 기지국대 단
말 등 모든 노드가 통신을 할 수 있는 다중경로를 가지는 메시형 토폴로지를 무선망에 도입한 기술이다. WMN 기술을 활용하면 메시형 무선망을 구성해 다중 경로를
통한 신뢰성 있는 통신망 구성이 가능하고, 소출력 무선 전송으로 넓은 커버리지를
확보할 수 있는 장점이 있다. 따라서 WMN은 초기에 군 작전 중 무선 통신망을 더
빨리 이용하기 위해 개발되었으나, 현재 도심 지역과 같이 통화량이 많은 핫존(hot
zone) 지역에서 무선 LAN 기반의 메시 네트워크 서비스가 제공되고 있으며, 향후
유비쿼터스 네트워킹을 위해서는 필수 기술이 될 것이다.
즉, WMN 기술은 여러 무선전송 기술과 접목되면서 다양한 영역과 응용 분야에
활용돼 유비쿼터스 네트워크 구성을 위한 필수 기술로 발전될 전망이다. 최근에
USN 싱크 노드를 연결하기 위한 무선 인프라에 대한 관심이 커지고 있으며, WMN
의 구성에 대한 효율성 및 경제성에 대해 미국 및 동남아 등에서 증명됨에 따라 국
내에서도 도시를 비롯한 뉴타운 등 통합형 무선 자가망 구축을 위한 적용을 위한 검
토가 진행 중에 있다.

무선 메시 네트워크(WMN)의 구현 예

특히, 무선 메시 네트워크는 현재 와이파이(WiFi) 기반의 소출력 비면허 대역을
이용하는 기술에서 와이맥스(와이브로) 같은 면허 대역을 통한 광역의 서비스가 가
능한 기술과 접목되어, 보다 넓은 지역에서 신뢰성 있는 전송이 가능하도록 발전하
고 있다. 더불어 센서 네트워크 분야에도 지그비 및 UWB와 같은 기술과 접목되어
다양한 센서 정보가 WMN을 통해 전송되며, 그 정보를 다시 와이파이 및 와이맥스
(와이브로) 망과 연동시키게 된다. [그림 10-8]은 향후 구현될 수 있는 WMN의 예
를 나타낸 것이다. 여기서 WSAN(Wireless Sensor and Actor Network)은 무선
센서 액터 네트워크로서, 기존의 센서 네트워크에 이동성과 활동성을 가져 즉시적
인 대응능력이 있는 액터 노드를 포함하고 있다.

다. USN의 주요 기술
USN을 구성하는 데 필요한 기술적 초점은 저전력 및 신뢰성으로서, 특히 MAC과 라
우팅 기술을 중심으로 하는 프로토콜 기술의 핵심 포인트이다. 저전력과 신뢰성을 확보
하기 위해서는 프로토콜의 검증을 위한 시뮬레이션 기술뿐만 아니라, 구현 단계에서부
터 시스템의 트래픽 특성, MAC, 라우팅 프로토콜의 효율 및 동작검증 등이 필요하다.
USN은 기존의 애드혹(Ad-hoc) 네트워크와 다른 가장 큰 특징은 배터리와 같이 제
한된 자원을 갖는 센서 디바이스(센서+통신모듈+프로세서+베터리)를 활용하여 서비
스가 구현된다는 것이다. USN 관련 주요 핵심 기술들은 센서 디바이스의 수명을 증가
시키고, 서비스 신뢰성을 확보하는데 중점을 두고 있다. USN을 구성하는 주요 기술들
은 센서 노드 기술, 배터리 기술, 센서 기술, 저전력 기술 및 운영체제 기술 등이 있다.
이들에 대한 기술적 요소를 만족시키기 위해서는 다양한 RF 및 모뎀기술, MAC 기
술, 저전력 하드웨어 및 프로세서 기술, 링크계층 기술, 네이밍과 어드레싱 기술, 동기
화 기술, 구역화 및 위치 기술, 라우팅 프로토콜 기술, QoS, 보안 등 다양한 기술의 적
용과 함께 기술 간의 최적화 기술이 필요하다.

(1) 센서노드와 싱크노드 기술
센서 네트워크는 애드혹 네트워크의 일종으로서 특정 목적을 위하여 센서 노드들
과 베이스 노드(싱크노드)로 형성된다. 싱크노드에서는 연동된 네트워크에서 요구된
서비스를 관련 센서 네트워크로 전달하고, 센서노드는 서비스의 요구에 따라 또는
이미 설정한 조건의 이벤트 발생에 따라 센싱된 정보를 싱크 노드로 전달한다. 전달
되는 정보는 센싱된 원래의 데이터 또는 주변의 센서노드 간의 협력에 의해 가공된
형태로 저전력을 소모하는 경로를 찾아 전달된다. 수집된 정보는 BcN 사용자의 요청에 대한 응답으로써 사용되거나 통계적 자료로 활용된다.
센서 네트워크는 접근이 용이하지 않은 지형이나 재해구조 응용에서와 같이 임의
의 위치에 배치되기 때문에 노드들이 자동적으로 네트워크를 구성할 수 있도록 자율
배치 및 네트워크 구성 기술이 필수적이다.
수백 내지 수천 개의 다수 노드들에 의한 네트워크 구성, 노드의 높은 밀집성, 빈
번한 네트워크 구조 변경, 제한된 에너지 및 컴퓨팅 자원, 점대 다중점의 통신 형식
등 일반 애드혹 네트워크와는 다른 센서 네트워크의 특수한 조건과 요구사항 때문에
기존의 무선 애드혹 네트워킹 기술들을 적용하기 어렵고, 센서 네트워크의 특수상
황에 맞는 라우팅, 동기화, 위치인식 및 MAC 등의 프로토콜이 필요하다.
센서노드는 센싱, 컴퓨팅, 무선통신 기능을 갖춘 초소형장치로서 노드 간에서 자
율적으로 네트워크를 형성하여 외부의 환경 정보를 획득, 처리 및 제어 기능을 수행
하는 u-센서(유비쿼터스 센서) 네트워크의 핵심 소자기술이다. 그리고 싱크노드는
센서 네트워크 내의 센서 노드들을 관리하고 제어하며, 센서노드들이 센싱한 데이
터를 수집하고 외부 네트워크로의 게이트웨이 역할을 수행한다. 이러한 싱크노드의
역할은 게이트웨이가 대신 수행할 수도 있다.
센서노드들은 다양한 종류의 센서, 실행기(actuator), 무선통신 칩 및 제어기를
가지며, 센서 네트워크는 센싱 정보와 실행기의 제어 정보를 센서 노드들 간에 분산
하여 저장하거나 싱크 노드로 무선 통신에 기반하여 전달한다. 따라서, 센서 노드는
이들 정보를 제어하고 관리하여 전력소모를 줄이면서 효율적으로 사용자의 요구에
따라 전달하거나 처리할 수 있도록 배치, 운영, 통신할 수 있는 저전력형의 초소형
센서 노드 기술 개발이 필요하다.

(2) 배터리 기술
센서 노드에 장기적으로 안정적 전력을 공급하기 위한 배터리 기술은 소자의 원
활한 구동을 가능하게 해주는 핵심부품 기술이다. 1차 전지뿐만 아니라 자가 충전
기능이 추가되는 형태의 태양전지나 무선 급전 방식 등의 다양한 기술들이 소개되고 있다.

(3) 센서 기술
센서는 인간의 오감(시각, 청각, 촉각, 후각, 미각)을 대신하여 물리계 또는 환경
계의 현상을 정량적으로 측정하여 정보를 검출하는 소자 및 시스템으로서 센서 노드
의 중요한 구성요소이다. 센서 네트워크의 다양한 응용 영역에 따라 일체식의 다양한 종류의 센서가 필요하므로 조도, 열, 습도, 가속도, 지진강도, 음향, 지자기, 위치
등과 같은 센서 중 선택적으로 센서 노드에 장착할 수 있어야 하며, 다중 이종 센서
를 집적할 수 있는 기술이 요구된다.

(4) 저전력 기술
센서 네트워크의 전원은 교체가 불가능한 배터리에 의존하므로, 저전력 기술 및
효과적인 전력 소모 기술은 각 노드의 수명뿐만 아니라 전체 네트워크와의 수명과
직결되므로, 시스템 차원의 저전력 기술이 중요하다. 저전력 소모를 위한 하드웨어
설계방법 및 공정뿐만 아니라 통신 방식, 프로토콜, 소프트웨어 개발 시에도 에너지
소모를 줄여주는 방법으로 설계되어야 한다.

(5) 운영체제 기술
센서 노드에 탑재되는 운영체제는 프로세싱과 메모리자원이 매우 제한적인 환경
에서 수행되는 초소형을 요구하는데, 센서 네트워크 응용이 용이하도록 하드웨어와
상위 미들웨어 간의 인터페이스가 효율적으로 설계되어야 한다.

라. USN 프로토콜
센서 네트워크는 센서가 취득한 정보를 무선 전송할 수 있는 통신기능을 가진 노드
인 센서노드(u-센서)들이 애드혹 방식으로 상호 연결된 무선통신망을 말한다. 특히,
수집된 정보가 모이는 노드를 싱크노드(u-싱크)라고 하는데, 데이터는 이 노드를 거
쳐 인터넷상에 있는 서버(u-서버) 등으로 전달된다. 이와 같은 동작은 [그림 10-9]와
같이 나타낼 수 있다.

USN 프로토콜 구조는 [그림 10-10]과 같이 전력관리면(power management
plane), 이동성관리면(mobility management plane), 업무관리면(task
management plane) 등 3개 면으로 이루어지며, 각 면은 물리계층, 데이터링크계층,
네트워크계층, 응용계층 등 4개 계층으로 구성된다. 전력관리면은 센서노드에서의 전
력을 어떻게 사용할 지를 관리하며, 이웃하는 다른 노드에서 데이터 메시지를 수신한
후에는 자신의 전원을 끄도록 한다. 이동성관리면은 센서노드의 움직임을 감지하고 등
록하여 사용자가 꾸준히 사용할 수 있도록 라우팅을 수행한다. 업무관리면은 특정 지
역에 주어진 센싱 작업에 균형과 스케줄링을 부여하는데, 그 지역에서 모든 센서 노드
가 동시에 센싱 작업을 수행하도록 요구되지 않기 때문에 어떤 센서는 전력 레벨에 따
라 더 많은 작업을 수행하기도 한다.

물리계층은 신호의 변조와 송수신에 대한 기술적인 내용으로서 주파수 선정, 반송
파 신호의 생성, 신호 감지, 변·복조, 데이터 암호화 등을 주로 수행한다. 데이터링크
계층은 데이터 전송을 위한 통신 링크의 구성과 한정된 자원의 효율적인 공유를 위한
기능을 수행하며, MAC 부계층과 LLC(Logical Link Control) 부계층으로 구성된다.
MAC 부계층은 매체접근 및 오류 제어 등을 담당하며 센서 네트워크의 구성을 위해
사용되는 대표적인 MAC 무선 프로토콜로는 블루투스, UWB, Zigbee 및 무선 LAN
기술이 거론되고 있다.
그리고, 네트워크 계층은 라우팅을 통해 종단간 데이터 전송을 지원하는데, 라우팅
을 수행하는데 있어 센서노드가 저전력 장치이므로 에너지 제약을 받게 되고, 또한 센
서노드의 수 및 데이터 처리능력을 감안할 때 기존의 IP 주소 등에서 사용하는 글로벌
주소체계를 사용하기 어려운 점이 있다. 센서 네트워크에서 이동 센서 간의 원활한 통신을 위해 네트워크 계층에서는 애드혹 네트워킹 기술이 사용되고 있다. 즉, 각 센서
는 라우팅뿐만 아니라 데이터의 송수신 등 모든 통신절차를 수행하도록 라우터의 역할
을 한다.
MAC 프로토콜로서 블루투스는 최초로 표준화된 저속데이터 전송방식이지만 QoS
를 지원하기 위한 복잡성에 의해 가격이 비싸고 전력소모가 큰 단점이 있다. 반면에
지그비는 더 짧은 패킷을 더 저속으로 전송하며, 겨우 8개의 노드로 구성되는 블루투
스에 비하여 65,000개 이상의 큰 네트워크를 지원한다. 하지만 저속의 전송속도와 전
력소모 절약을 위하여 지그비는 새로운 슬레이브(slave)가 네트워크에 접속하려면
30ms의 지연을 겪으며, 노드가 대기중(sleeping)에서 동작(active)할 때까지 보통
15ms정도 소요된다. 지그비의 경우 배터리의 수명이 긴 이유는 대부분의 시간을 거의
전력소모가 없는 대기(sleep) 상태에 머물도록 하였기 때문이다. 예를 들어, 전력 검침
용 센서노드는 한 달에 한번만 잠깐 깨어나 보고하면 충분하기 때문에, 지그비 기술이
효과적으로 사용될 수 있다.
한편, USN 응용 서비스를 제공하기 위한 USN 구조를 기능 계층별로 나타내면 [그
림 10-11]과 같이 USN 정보자원 계층, BcN 백본 및 접속 네트워크 계층, USN 미들
웨어 계층, 그리고 USN 응용서비스 계층으로 대별된다. USN 정보자원 계층은 센서
영역과 RFID 영역으로 구분되어 각종 정보를 획득하게 되며, 백본망인 BcN과는
USN 게이트웨이를 통해 접속된다.

USN의 기능 계층별 구조

USN의 미들웨어는 응용 서비스 지원을 위해 서버 시스템에 설치되며, 노드들의 원
활한 동작과 성능 향상을 위하여 센서노드와 싱크노드에도 설치된다. USN 미들웨어 의 주요 기능으로는 센서노드가 증가할 경우에 응용서비스에 대한 QoS를 보장해야
하며, 다중 센서 네트워크들 간의 연계 기능을 수행한다. 특히 u-시티(u-City) 구축
과 같이 행정, 의료, 교통, 환경, 재난 방재 등의 다양한 USN 응용서비스 분야들이 통
합되어 있는 경우에는 USN 미들웨어에 대한 요구가 더욱 증대된다.