무선 개인 통신 네트워크에서의 효율적인 주소 할당 방법및 무선 근거리 개인 통신 기기 document_id A220623055855

무선 개인 통신 네트워크(Wireless Personal Area Network, 이하 'WPAN'이라 칭함) 기술은 사람과 컴퓨터 그리고 사물이 하나로 연결되는 유비쿼터스 네트워크를 위한 핵심 요소 기술 중의 하나로서, 기존의 센서 네트워크 환경과 물리적인 실제 환경을 접목시켜 주는 역할을 할 센서 네트워크가 대표적 활용의 예이다. 센서 네트워크는 유비쿼터스 시대로 나아가고 있는 현실에 있어 중요한 위치를 차지하고 있다. 특히, 가정에서 유비쿼터스 네트워킹이 이루어지면 국가적인 차원의 인프라를 구축하는 데에 커다란 모티브를 제공할 것이기 때문에, 가정 내의 유비쿼터스 네트워킹 환경의 구축은 매우 중요한 의미를 갖는다. 또한 유비쿼터스 네트워크의 하나인 홈 네트워킹 기술은 유비쿼터스 시대를 맞이하여 기존의 가전 시장이 겪고 있는 심각한 침체 현상을 해소해 줄 수 있는 핵심 기술로 부각되고 있으며 이 중심에 센서 네트워크가 있는 것이다. 수 백, 수 천 개의 작은 센서 모듈로 구성될 것으로 기대되는 센서 네트워크는 지능형 홈 네트워크에서의 원격 모니터링, 생산 공정 자동 제어, 창고 물류 관리, 병원에서의 환자 원격 모니터링, 외부 침입 탐지를 위한 보안 시스템 등 다양한 분양에서 응용될 것으로 기대된다. 한편, 이러한 기술을 WPAN이 담당할 수 있으며, WPAN의 특징으로는 10m 이내의 전송범위, 낮은 전력 소모, 센서 등에 장착할 수 있을 정도의 작은 크기를 가지는 등의 장점을 가지고 있다. 이 WPAN 기술로서 현재 각광받고 있는 기술로 저속-저전력 WPAN 기술인 ZigBee를 들 수 있다. 그러나, 현재 ZigBee 기술은 네트워크의 제약성 및 불안정성을 보이고 있다. 도 1은 ZigBee에서 하나의 노드가 보내는 비컨(Beacon)의 전송 간격을 나타낸 것이다. 하나의 노드는 비컨을 전송한 후 데이터를 송수신하는 구간을 가진 다음, 전력소모를 줄이기 위해 휴면 구간을 가진다. 이때의 간격은 일정하게 하여 다음 번 비컨 전송, 데이터 송수신, 휴면 구간에도 똑같이 적용된다. 즉, 일정한 간격으로 비컨 전송, 데이터 송수신, 휴면 구간이 반복되는 것이다. 휴면 구간에서는 데이터의 송신이 가능하나 수신은 불가능하며, 비컨의 전송은 자신의 아래에 노드를 연결하기 위해 필요한 것이므로, 네트워크 구성에 있어 가장 끝에 있는 노드의 경우 일정 시간이 지난 후에는 비컨 전송시간을 필요로 하지 않는다. 도 2는 1번 노드와 2번 노드 간의 비컨 전송 시 발생하는 두 노드 간의 비컨 전송 상황을 보여준다. 1번 노드는 2번 노드에게 비컨을 전송하고 다음 비컨을 전송하기까지의 타임 슬롯을 2번 노드에게 전송한다. 이를 받은 2번 노드는 1번 노드와 비컨 전송 충돌을 피하기 위해 1번 노드가 사용하지 않는 구간의 시작 부분에 자신의 비컨을 전송하는 것이다. 한편, Zigbee 네트워크 프로토콜의 주된 기능 중 하나는 클러스터 트리를 구축하기 위한 논리적인 주소를 할당하는 것이다. 클러스터 트리는 지그비 코디네이터(Coordinator)를 최상위 루트로 하고, 지그비 네트워크 내의 모든 노드를 그 하위 트리 구조로 연결함으로써 형성되며, 지그비 네트워크가 형성되어 트리가 구축될 때 각 노드는 자신의 부모 노드로부터 각 기기를 구분하고 데이터 전송 경로 등을 파악할 수 있도록 하는 논리적 주소를 할당받게 된다. 기존의 주소 할당 방법을 설명하기 위해 몇가지 용어를 먼저 설명하면 다음과 같다. 우선, Cm은 부모노드가 가질 수 있는 최대 자식노드 수를 의미한다. 즉, 한 기기에 Cm개까지 기기가 연결이 가능하다는 것을 의미한다. 그러나, Cm 으로 간주되는 기기들은 자신의 기기에 더 이상의 하위 기기를 연결시킬 수 없다. 이러한 것을 엔드 디바이스로 칭하기로 한다. Lm은 트리 구조의 최대 레벨 수 또는 깊이(depth)를 의미한다. 도 3은 Lm의 예를 보이고 있다. 즉, Lm 값이 2이면 연결이 되는 기기의 깊이가 도 3과 같이 두 홉까지 연결이 되는 것이다. Rm도 Cm과 같이 하위에 연결되는 기기의 개수를 나타낸다. 하지만, Cm과 달리 Rm으로 간주되는 기기는 그 기기의 하위에 또 다른 기기를 연결할 수 있는 기능을 갖추고 있다. 이러한 것을 코디네이터라고 칭한다. 상기와 같은 Cm, Lm, Rm 값이 결정됨으로 인해 센서 네트워크 기기의 무한 확장을 제한할 수 있는 것이며, 하나의 서비스 모델이 선정되고 이에 맞는 센서 네트워크를 구현할 때 서비스 모델에 맞는 기기의 개수를 제한한다고 할 수 있다. 즉, 같은 WPAN의 기기들 간에는 이 값들이 같은 값으로 설정되어야 한다. 한편, 지그비 코디네이터는 지그비 네트워크를 형성할 때 논리적 주소를 할당하기 위해 각 부모노드가 가질 수 있는 최대 자식노드 수 "Cm"과, 트리 구조의 최대 레벨 수 또는 깊이(depth) "Lm"를 결정하고, 이를 기반으로 각 부모노드는 블록 크기(Block size)와 주소 블록값(Cskip)을 계산하여, 자신의 자식노드들이 사용할 논리적 주소 블록을 지그비 코디네이터로부터 할당받는다. 주소 블록 값은 기기가 자신의 하위에 주소 블록 값만큼 다른 기기를 연결할 수 있는 개수를 나타낸다. 즉, 주소 블록 값이 0 이라면 코디네이터로서의 기능을 하는 기기라도 더 이상 자신의 하위에 주소 값을 할당할 수 없음을 나타내는 것이며, 이는 하위에 기기를 연결할 수 없음을 의미한다. 도 4는 주소 블록 값(Cskip(d))을 구하는 공식을 나타내며 깊이 값인 d에 의해 d 값을 가지는 깊이의 기기가 (d+1)값을 가지는 하위에 연결된 기기를 포함하여 그 이하에 연결이 가능한 기기의 개수를 알아낼 수 있다. 또한, 엔드 디바이스로 기능을 하는 기기에는 하위에 기기를 연결시키는 기능을 하지 않으므로 주소 블록을 할당할 필요가 없다. 그러므로, 엔드 디바이스의 경우에는 자신이 사용할 한 개의 주소만을 할당받게 된다. 도 5의 수식에 의해 n번째로 연결되는 엔드 디바이스에게 할당할 주소 값을 구할 수 있으며, 이러한 방법을 사용하여 서비스 모델에 의해 형성된 WPAN 기기들 간에 주소를 할당할 수 있는 것이다. 도 5의 수식에서, An은 엔드 디바이스 중 n번째로 연결하는 기기의 주소를, Aparent는 연결을 하려는 기기의 상위 기기의 주소를, Cskip(d)는 연결을 하려는 기기의 상위 기기의 주소 블록값이다. 주소 블록 할당 방법의 예시를 보이기 위해 서비스 모델에 Cm = 4, Rm = 3, Lm = 3 의 값을 갖고 주소 할당을 하여 무선 개인 통신 네트워크 구조를 구현해 보도록 하겠다. 먼저, 가장 먼저 생성된 기기를 이용하여 최대 연결 가능 기기의 개수를 구해야 한다. 가장 먼저 생성된 기기의 경우 깊이 값인 d = 0 이므로 도 4를 이용해 도 6과 같은 주소 블록 값을 구한다. 이와 같은 공식에 의해 Cskip(1) = 5, Cskip(2) = 1, Cskip(3) = 0의 주소 블록 값을 갖게 된다. 즉, 이 서비스 모델은 깊이가 1인 기기는 깊이가 2 이후인 기기를 최대 5개까지 깊이가 2인 기기는 깊이가 3인 기기를 1개, 깊이가 3인 기기는 더 이상 기기를 연결할 수 없는 엔드 디바이스의 역할을 하게 된다. 도 7은 앞서 설명한 예제를 이용하여 만든 네트워크의 구성 예시를 보인다. 도 7에서 1번 기기는 Cskip(1) = 5 값을 가지므로, 2번 기기를 포함하여 그 이하에 연결되는 기기의 개수가 5개를 넘을 수 없는 것이다. 앞서 설명한 바와 같은 주소 할당 방법은 네트워크를 구성하기 위해 별다른 문제가 없어 보이지만 센서 네트워크의 경우 좁은 공간에 수없이 많은 기기가 존재할 수 있는 경우가 많을 것이기 때문에, 도 7과 같은 네트워크를 구성하기 위해 총 필요한 주소블록의 개수는 17개지만, 도 7에서 알 수 있듯이 52라는 주소 값을 가지는 노드도 존재하게 되므로 분배 효율이 떨어짐을 알 수 있다. 또한, 무선 개인 통신의 센서 네트워크로서 많이 활용되고 있는 ZigBee 기술의 주소 값은 16비트이므로 하나의 WPAN 영역에서 최대 65,536개의 기기들에게 주소를 할당할 수 있다. 그러나 현재의 주소 분배 방법은 자신에게 연결되는 기기의 수를 미리 계산하고 그 수만큼의 주소 블록을 갖게 되는 것이므로, 결국 자신이 상당히 많은 주소 블록을 소유하고 있지만 아무도 자신에게 연결을 하지 않는다면 자신이 가지고 있는 주소 블록은 불필요하게 낭비되는 문제가 발생한다. 그리고, 다른 코디네이터는 자신에게 할당된 주소 블록을 모두 소비하여 더 이상 연결을 허용할 수 없게 될 수도 있다. 즉, 많은 기기가 연결을 하는 기기에게는 큰 주소 블록을 주어 무선 개인 통신 영역 내에 연결하려는 기기를 가능한 많이 허용해야 하는 주소 분배의 공평성이 배제되어 있다고 할 수 있다. 결국 이는 유비쿼터스 센서 네트워크에 있어서 다양한 센서 기기들의 연결을 방해하게 되는 것이며, 앞서 사용한 Cm, Rm, Lm 값을 정하게 되면 허용할 수 있는 기기의 개수 또한 제한이 되어, 정해진 서비스 모델이 아닌 다른 기기들 간의 확장성 및 효율성이 저하되는 결과를 가져온다. 결국엔, 서비스 모델 자체를 바꿔야 하는 문제를 일으키게 되며 이는 다양한 서비스가 함께 공존해야 하는 유비쿼터스 네트워킹에도 부합되지 않는다고 할 수 있다.