유비쿼터스 센서 네트워크

01_개요 유비쿼터스 컴퓨팅 RFID/USN USN 컴퓨터 단독으로 쓰이지 않고 유비쿼터스 통신, 유비쿼터스 네트워크 등과 같은 형태로 쓰임 자동차, 냉장고, 안경, 시계, 스테레오 장비 등과 같이 어떤 기기나 사물에 컴퓨터를 집어넣어 통신이 가능하도록 해주는 정보기술 환경 또는 정보기술 패러다임 RFID/USN 유비쿼터스 환경을 완성하기 위해 RFID 칩의 저가화와 소형화, 지능화 추세에 따라 조달, 국방, 우편, 교육, 문화, 엔터테인먼트, 교통 및 환경 등의 다양한 분야에 적용 지능형 유비쿼터스 센서 네트워크(Ubiquitous Sensor Network; USN)로 진화 전망 USN RFID/센서 필드(Sensor Field)와 IPv6 기반의 광대역 통합망(BcN)의 결합으로 이루어지는 네트워크 USN을 가능하게 하는 3가지 인프라가 연동되는 구조 센서 네트워크(Sensor Network) 구성 요소, 미들웨어 구조, 운영체제의 기술

02_센서의 개념 및 특징 센서(Sensor) 또는 센서 노드(Sensor Node) 센서 네트워크에서 외부의 변화를 감지하여 유비쿼터스 컴퓨팅의 입력장치 역할을 하는 것 일반적으로 측정 대상물을 감지 또는 측정하여 그 측정량을 전기적인 신호로 변환하는 장치, 즉 물리량이나 화학량의 절대치나 변화, 소리, 빛, 전파의 강도를 감지하여 유용한 신호로 변환하는 소자 또는 장치를 의미 농업, 공업, 서비스업 등 거의 모든 산업에 깊이 침투해 있으며, 환경 보전, 재해 방지, 교통, 의료, 가정생활에 있어서도 새로운 센서의 도입이 계속됨

02_센서의 개념 및 특징 센서의 구비 조건 센싱 기능의 고도화 초소형화 센서 노드 수명 최대화를 위한 저전력 물리센서 : 온도, 압력, 속도, 가속도 등에 대한 정밀도는 현저히 높아지고 있으나 u-네트워크용 센서를 위해 고도화된 기능 필요 화학 센서: 안정도와 감도를 높이는 기능 고도화 연구 필요  첨단 신소재 개발과 소자 구조의 최적화 연구가 본격적으로 이루어져야 함 초소형화 유비쿼터스 네트워크에 이용될 센서는 단일 소자가 아닌 계층형 소자군이어야 함 집적화 다기능 센서가 구현되어야 하며 아울러 SoC(System On Chip) 개념의 소형화 칩으로 개발되어야 함 현재 센서 분야에서 SoC 기술에 관한 연구가 활발히 진행되고 있음 MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 기술의 발달로 소자의 소형화를 위한 기술적 전망은 밝은 편 센서 노드 수명 최대화를 위한 저전력 이식이 쉬운 칩형의 구현 이식이 쉬운 센서 칩을 개발하기 위해 생체 또는 사물에 부합성이 양호한 몰딩 재료의 개발과 아울러 칩 구조의 최적화가 이루어져야 함

02_센서의 개념 및 특징 스마트 센서(Smart Sensor) 인간의 능력과 가까운 판단력을 가진 센서의 개발 단계 미국 항공우주국(NASA)의 우주선 개발 과정에서 탄생 비행 중인 우주선의 온도, 압력, 자세, 위치 등의 관측 데이터가 시시각각 지상으로 전송됨 센서 기술은 미세화 기술(MEMS 기술)과 신재료 기술과의 융합으로 그 고기능화 및 지능화가 히 이루어질 전망 다중센서의 직접화 가능성의 면에서 중요함 차량용 스마트 센서(에어백 센서, 타이어 압력 모니터링 시스템 등), 스마트 환경 센서, 전자코 시스템, 스마트 홈을 위한 시스템 등에 응용됨 스마트 센서의 구성 일반 센서 개념인 측정 센서 프로세서와 고성능의 CPU(Central Processing Unit)를 내장한 시스템으로 구성 미세 전자 기계 시스템(MEMS)을 기반으로 한 센서 소자 기술과 센서 데이터를 획득하고 분석·처리할 수 있는 신호 처리 기술 등이 포함

03_유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 유비쿼터스 센서 네트워크(USN) 센서 네트워크 여러 개의 센서 네트워크 영역이 게이트웨이를 통해 외부 네트워크에 연결되는 구조 센서 노드는 집적된 데이터를 가까운 싱크 노드(Sink Node)를 거쳐 게이트웨이로 전송 게이트웨이에서 관리자에게 전달되는 데이터는 위성통신, 유무선 인터넷 등을 통해 전송될 수 있으며, 이러한 접속망(Access Network)은 기존의 인프라를 이용 센서 네트워크 네트워크를 구성하는 일정 지역에 크기가 1㎣ 정도의 작은 센서 노드(또는 센서)들이 수백 개에서 수천 개까지 설치되어 통신하는 구조를 가짐 노드들이 주고받는 데이터는 그 크기도 작고 발생 빈도가 낮아, 통신하는 양은 많지 않을 것으로 가정 제약 조건 배터리의 크기 메모리의 크기 통신 거리와 방법

03_유비쿼터스 센서 네트워크의 구조

03_유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 센서 네트워크 구성 요소 센서 노드(Sensor Node): 저가의 초소형 저전력장치 센싱을 위한 센서, 센싱된 아날로그 정보를 디지털 신호로 변환하기 위한 ADC(Analog to Digital Converter) 데이터 처리를 위한 프로세서와 메모리, 전원 공급을 위한 배터리 데이터 송수신을 위한 무선 송수신기(Transceiver) 등으로 구성 정해진 위치 또는 자동차, 비행기 등을 통해 무작위로 뿌려질 수도 있음 기본적으로는 특정 위치에 고정되어 있지만, 자동차나 스마트폰, 노트북, 사람 등에 설치되어 이동하는 상태로 동작할 수도 있음 싱크 노드(Sink Node) 센서 네트워크 내의 각각의 센서 노드에서 센싱된 데이터는 싱크 노드에 의하여 수집되어 인터넷 등의 외부 네트워크를 통하여 사용자에게 제공 싱크 노드는 센서 네트워크 내의 센서 노드들을 관리하고 제어 센서 노드들이 센싱한 데이터를 수집하고 외부 네트워크로의 게이트웨이 역할을 수행

03_유비쿼터스 센서 네트워크의 구조

03_유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 응용 계층 사용자를 위한 서비스를 제공하기 위해 응용 및 센서 네트워크의 효율적인 관리를 담당 운영 체제와 애플리케이션에 통신 서비스 등을 제공 필요한 기능 데이터 통합을 위한 규칙의 관리 클러스터(Cluster)의 관리 센서 노드의 위치를 찾기 위한 알고리즘과 이와 관련된 데이터의 교환 센서 노드 간의 시간 동기 기능 센서 노드의 상태 및 네트워크 구성에 대한 조회 기능, 센서 네트워크의 재구성 기능 센서 네트워크의 보안 관련 기능

03_유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 센서 네트워크 기술 분류 ① 데이터 중심, ② 클러스터링/계층 구조, ③ 플랫(Flat) 구조/저전력, ④ QoS/실시간, ⑤ 센서 데이터베이스 ① 데이터 중심 방식 모든 노드들에게 전역적 ID를 부여하기 어려우므로 노드들은 자신이 제공할 수 있는 데이터에 의해서 지칭된다. 사용자는 속성 기반의 네이밍을 이용하여 쿼리를 기술하고, 노드들에게 전송한다. 수신된 인터레스트(Interest)와 일치하는 이벤트를 감지한 노드들만이 데이터를 싱크 노드(Sink Node)에게 전송  데이터를 전송해야 할 노드들과 그외 다른 노드들과 구분 가능

03_유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 ② 클러스터링/계층 구조 방식 ③ 플랫구조/저전력 방식 데이터 집중/융합에 유리한 장점 클러스터 헤드 노드의 관리에 의해서 하위 노드들을 조정하여 전력 소모도 낮출 수 있음 최적의 클러스터를 만드는 것은 상당히 어려움 저전력 적응형 클러스터링 계층구조(LEACH)가 가장 대표적인 프로토콜 ③ 플랫구조/저전력 방식 기존의 네트워크와 가장 유사한 것으로, 그 중에는 애드 혹 네트워크와 센서 네트워크 모두에서 이용 가능한 것도 있다. 각 노드들은 서로 간의 라우팅 정보 교환으로 다음 노드를 찾으며, 균일한 배터리 소모 등을 위해서 우회로를 이용하는 등의 방법을 취할 수 있다. 적은 배터리 소모와 네트워크 수명 연장을 목표 SPIN(Sensor Protocols for Information via Negotiation) 방식 유효 데이터 전송을 위해 수집한 메타 데이터를 이용하여 전송하기 전에 수신 노드와 협상을 하고 데이터를 전송하는 방식 EAR(Energy-Aware Routing) 방식 네트워크 수명을 늘리기 위해서 다중 경로들을 상황에 맞게 번갈아 가면서 사용하는 프로토콜 경로의 비용과 그 경로가 선택될 확률을 부여하는 부분이 이 프로토콜의 핵심 기술

03_유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 ④ QoS/실시간 방식 상태 정보 없는 프로토콜(SPEED) 센서 네트워크에서의 실시간 통신을 위하여 설계 라우팅테이블 유지 등의 부하를 없애고, 분산된 방법으로 종단간의 유연한 실시간통신 지원 상태 정보 없는 비결정적 지리적 전달 알고리즘(SNGF) 핵심이 되는 모듈로서 위치 정보를 이용하여 다음 노드를 정함 다음 노드는 위치적으로 목적지에 더 가까운 노드들 중에 속도가 특정 값보다 높은 노드가 선택됨 주기적인 비컨 교환을 통해 이웃노드들을 파악, 통신 링크 지연을 기준으로 혼잡시 다른 경로를 찾음 이웃 노드 피드백 루프(NFL) 중계 비율을 조절하여 속도를 유지하도록 하는 핵심적인 기능을 수행 백프레셔(Back Pressure) 기법 혼잡이 발생하면 속도가 떨어지고, 혼잡이 일어난 링크와 연결된 노드를 다른 노드들에게 알려서 혼잡이 일어난 노드로의 경로를 선택하지 않도록 유도

03_유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 ⑤ 센서 데이터베이스 방식 쿠거(Cougar): 센서 네트워크를 분산된 데이터베이스로 보는 대표적인 프로토콜 선언적 쿼리(Declarative Queries) 이용 쿼리 처리의 추상화를 위해서 네트워크 계층과 응용 계층 사이에 독립된 쿼리 계층을 추가 새로운 쿼리가 발생하면 게이트웨이는 쿼리를 최적화한 다음 새로운 데이터가 쿼리를 처리하기 위해서 필요하다면 쿼리 플랜(Query Plan)을 만듦 쿼리 플랜에는 데이터가 모이는 리더 노드를 선정하는 방법과 필요한 데이터의 종류 등이 들어있음 리더(Leader) 노드가 아닌 노드들은 감지한 데이터를 리더 노드쪽으로 전달 전송되는 중간에 지속적으로 자신이 감지한 데이터와 다른 노드에게서 받은 데이터를 데이터 집중 방법을 사용해서 처리 리더 노드는 그렇게 모인 데이터를 최종적으로 가공해서 게이트웨이로 전송

03_유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 센서 네트워크 기술 발전 전망 저전력 라우팅 중계 횟수 균등화 데이터 집중 데이터 융합 전력 소모를 줄일 수 있는 경로를 따라서 데이터를 전송 중계 횟수 균등화 센서 노드의 수명을 최대한 균등하게 유지하기 위해서는 패킷을 중계하는 횟수를 다른 노드와 비슷하게 맞추어 주는 기법이 필요 데이터 집중 중복된 데이터를 제거하거나 필요에 따라 최대값, 최소값, 평균값 등을 구해서 최종적으로 하나의 데이터만을 싱크 노드에게 전송 데이터 융합 신호 처리 기술을 이용해서 수행되는 데이터 집중 네트워크 토폴로지 조정 센서 네트워크의 특성상 원하는 요구 사항을 고려하여 적합한 방식의 프로토콜을 설계

03_유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 저지연 라우팅 이동성 지원 위치기반 라우팅 동적 주소 할당 확장성 홉수가 짧거나 혼잡하지 않는 경로를 찾아서 지연을 줄이는 라우팅 방식이 필요 이동성 지원 동적인 네트워크 토폴로지 관리나 노드의 연관/비연관 등의 기능이 이동성 지원과 관련 위치기반 라우팅 복잡한 형태의 상황 인식를 위해서는 센서 노드의 위치 정보를 이용 동적 주소 할당 대량의 센서 노드에 일일이 수작업으로 주소를 할당하는 것은 상당히 비용이 많이 발생하는 작업 각 노드는 센서 필드에 배치된 후 일종의 난수 발생기를 이용하여 스스로의 주소를 선택할 수 있어야 하며, 최소한 이웃 노드와 주소가 중복되지 않도록 협의하는 기법이 필요 확장성 모든 조건에서 안정적으로 동작하기 위해서는 확장성을 가져야 함

참고문헌 유비쿼터스 개론, 양순옥, 김성석, 정광식, 생능출판사, 2012

감사합니다.