2017년 이동통신 프로토콜 학습자료 1

이동통신 프로토콜

무선센서 네트워크

• 원거리와 고속의 무선기술이 있으며 간단하게 근거리와 저속 어플리케이션에 적용될 수 있는 네트워크도 존재한다.

• 무선센서 네트워크는 데이터 전송속도와 통신거리를 어느정도 희생하더라도 저전력, 저비용 확보

  • WPAN(Wireless Personal Area Network) 개인의 행동범위 (수십미터)를 커버하는 네트워크

IEEE 802.15.4 -> Low Rate WPAN (ZIGBEE)

• 무선센서 네트워크에 적용하는 저속 통신속도의 무선PAN 제안

• IEEE 802.15.4 규격 범위는 PHY와 MAC이 존재하고 상위 프로토콜은 Zigbee 연합에서 관리 2.4GHz 주파수를 사용하며, 낮은 통신속도, 낮은 전력소비, 저비용이 특징임

  

WSN (Wireless Sensor Netrworks) : Wireless Sensor & Actuator Networks

• 무선센서 내트워크의 적용대상에는 계측용 센서뿐만 아니라 제어용 actuator(실제동작)도 포함

• 제여계측 분야에서 종래의 유선방식에서 다루기 어려운 어플리케이션과 같은 새로운 통신 인프라를 제고할 수 있을 것으로 기대함

• 통상적으로 게이트웨이를 경유하여 이더넷 백본, 직렬통신, 필드 버스 등의 유선 네트워크와 접속, 계측제어 데이터 엑세스 단말 기능 담당

• 빌딩 오토메이션, 홈 오토메이션, 공장 오토메이션 등에 활용됨

무선센서 네트워크를 계측설계에 적용함으로써 기대되는 장점들

• 비용절감 - 제어계측 기기의 배선 비용이 기기 본체보다 비쌈

• 생산 프로세스 변경의 유연성 - 새로운 요구에 신속하고 용이하게 대응

• 센싱 범위의 확대 - 수백 개 계측점의 대량 센서 배치 가능

종래의 무선센서 네트워크의 단점

• 표준화된 프로토콜의 결여 - 각 제조사별 독자규격 사용

• 부품의 안정적인 공급 - 비표준화된 제품은 특정 제조사로부터 조달이 가능함으로 안정적 공급이 보장되지 않음

• 상호 접속성 - 각각의 장비들은 같은 제조사에서만 사용가능, 상호 접속성이 거의 불가능

• 표준화된 무선센서 네트워크가 출현

• 무선센서 네트워크는 소비전력(전지수명), 가격, 보안에 대한 우선순위가 높다.

  • 낮은 소비전력

    • 센서와 actuator 등의 부품으로 전지 교환 없이 수년간 연속작동 가능함이 요구

    • 전력을 줄이기 위해 저소비전력, 고집적도 RF 칩 구현, 낮은 동작주기(통신하지 않으면 sleep)

    • 전지수명은 데이터의 송신주기, 통신의 방향성, 데이터 프레임의 길이, 데이터전송의 지연시간에 좌우

  • 저비용

    • 고도집적화 IC 부품의 채용

    • 최소 크기 메모리를 가지는 마이크로프로세서 사용 ( 가능한 간단한 통신 프로토콜 사용 )

  • 보안

    • 표준화된 무선센서 네트워크가 확삼됨에 따라 보안의 요구도 상승

  • 전파법 규제

    • 무선센서 네트워크에 채용되는 통신규격은 규제에 허가되는 범위에서 동작해야함

    • ISM Band : 면허 없이 이용 가능한 주파수 대역

ZIGBEE

• 센서 및 제어계측 무선 네트워크를 위한 국제적인 업계의 표준화 기술

  • 저소비전력

  • 저비용

  • 수백 이상의 네트워크의 용량

  • 상호 접속성

ZIGBEE 1.0의 특징

특징	설명
물리층, MAC층	IEEE 802.15.4
저소비전력	전지수명 수 개월 ~ 수년
데이터 전송속도	250kbps (보다 낮음)
수신 범위	실내 30m, 실외 10m (매우 좋은환경)
토폴로지	star, mesh, cluster tree
애드 훅	자기조직이 가능함
네트워크 용량	최대 65,636 (이론상)
주파수 대역	ISM band 2.4GHz
접근제어	CSMA/CA
Full handshake	전송 신뢰성 보증
기타	보증 타임슬롯, 암호화, 인증

Zigbee 아키텍쳐

명칭	약칭	주요기능
어플리케이션층	APL	사용자 통신 어플리케이션
어플리케이션 지원 부층	APS	어플리케이션간 논리적 통신경로 확립, 데이터 교환, 메시지 착신 및 재전송 요구
네트워크층	NWK	네트워크 관리, 라우팅, 메시지 전송
미디어 액세스층	MAC	1홉 내에서 메시지 전송 및 착신확인 및 재전송 요구
물리층	PHY	통신에 사용되는 주파수, 채널, 변조방식, 프레임 구조

논리 디바이스 타입

IEEE 802.15.4 명칭	PAN 코디네이터	코디네이터	네트워크 디바이스
Zigbee 명칭	Zigbee 코디네이터	Zigbee 라우터	Zigbee 엔드 디바이스
네트워크 기동 기능	유	무	무
라우터 기능	유	유	무
비콘 발행	가능	가능	불가
관리범위	전체 노드	자기의 자식노드	자신
가능 노드 수	1 노드	복수 노드 가능	자신
전력소비	대	대	소
요구되는 마이크로 프로세스 지원	대	중	소

• Coordinator : PAN을 전체적으로 관리하는 노드

• Router : 전송 착신지 수소에 따라 적절한 통신 경로를 선택하는 기능을 가지는 노드

• End device : router 혹은 coordinator와만 통신할 수 있는 제한된 기능을 가진 노드

물리 디바이스 타입

• FPP (Full function device) : 라우터 기능을 포함한 전체 기능을 가지는 디바이스

• RFD (Reduce function device) : 엔드 디바이스로 제한

프리미티브

• 네트워크 각 층에서 제공되눈 서비스의 인터페이스

• 모든 서비스는 클라이언트에 해당하는 서비스 요구측, 서버에 해당하는 제공측 사이에 프리미티브로 정보 전달

• 4 종류의 프리미티브

  • 요구

  • 통지

  • 응답

  • 확인

• 모든 서비스에 4종의 프리미티브가 갖추어질 필요는 없다

물리층

• 2.4GHz 대역의 IEE 802.15.4 채널로 각 채널당 5MHz, 16개의 채널로 구성되어 있음

  • 대역이 좁다는 것은 한꺼번에 통신할 수 있는 양이 적다는 것

• 무선통신 거리는 사용환경에 크게 좌우된다.

• 물리층 데이터 서비스 -> 프리미티브(PG-DATA)

  • 요구, 확인 통지(상대방 장치에 데이터 왔어요)

  • 맥 계층에게 데이터를 보낼 수 있는 서비스를 함

• PG-DATA indication은 프레임 데이터를 수신측 MAC에 전송함과 동시에 수신한 프레임의 링크 품질 지수를 통지한다.

  • LQI : 링크 품질 지수, RSSI(세기)라고 표현한다. 얼마나 깨끗하게 잘 들어왔는지...

• 클리어 채널 판정 PLME-CCA

  • 다른 노드의 메시지와 충돌을 회피하기 위해 데이터를 전송하기 전에 채널이 일정시간 이상 계속해서 비어 있는 상태를 확인

• 물리층 전송에 필요한 최대 시간(최대 250kbps일때) = ((5 + 1 + 127) x 8) / 250,000 = 4.265 msec

  • 네트워크에 자주 이용되고 있는 데이터 프레임은 길이가 대개 30바이트 전후로 필요한 송신시간은 약 1밀리초

  • 빠른 속도는 아니다. 하지만 PAN네트워크에서는 사용할만 함.

• 물리층 프레임 구조에서 동기헤더는 Preamble과 SFD(Start of Frame Delimiter)로 구성

  • SFD : 동기신호의 종료와 실제 송신 데이터의 개시를 수신측에 통지 즉 수신측에 통지하면 SFD, 수신측이 SFD를 수신하면 그 다음부터 데이터 수신

  • 즉 Preamble이 들어오기 시작하면 그때부터 데이터가 들어오는구나 하고 생각

MAC

• CSMA/CD

  • CSMA -> Carrier Sensing하여 전송로가 비어있으면 전송을 시작

  • CD방식은 유선, CA는 무선방식

  • 네트워크의 통신대역 자원을 최대한으로 이용할 수 있지만, 통신지연시간을 제어하기 어렵다.

• 신뢰성 있는 데이터 통신 링크

• 네트워크의 접속과 절단

• 슈퍼프레임의 동기신호인 비콘의 발신(AP가 지속적으로 보낸는 신호, FDD만 옵션)

  • IEEE 802.15.4 네트워크의 노드들끼리 상호 협조하여 동작가능한 구조 -> 슈퍼프레임과 비콘기술 사용

  • 슈퍼프레임은 시간의 흐름을 나눠서 써보자는 개념

  • 비콘이 시작되면 CAP (경쟁 접근 구간), CFS (비경쟁 구간) -> [ GTS (보장 구간) ] 이후 비콘이 수신되면 끝

  • 비콘이 방생하는 시간은 정확하고 변하지 않음, 장치간 시간동기화가 필수, 이후 0번 슬롯에는 신호를 보내지 않고 이후 CSMA/CA로 동작

  • 즉 슈퍼 프레임을 이용하기 위해서 각 노드는 동기화 되어야 하고 이를 위해 비콘을 사용한다.

  • GTS가 보장되는 경우 CSMA/CA를 거치지 않는다.

• 비콘 수신에 의한 부모노드와의 동기(옵션)

• 신간 보증 슬롯의 관리 (옵션) -> GTS(Guaranteed Time Slot), 그 시간에는 나만 통신할 수 있도록 함

• 암호화 보안기능(옵션)

데이터 전송 모델

비콘 네트워크의 데이터 전송모델

• 스타 토폴리지에서만 가능

• 부모노드는 복수의 자식노드와 데이터 교환이 가능하지만, 자식노드끼리의 직접통신(peer to peer)은 하지 못함

• 비콘 네트워크의 CSMA/CA 방식의 송신개시 시간은 임의의 시간이 아닌 슬롯의 시간에 맞추어야 함

코디네이터는 각 디바이스보다 전력소모가 높다. 디바이스는 저전력을 요구해야 하기 때문에 대부분 자고 있다.

push형 데이터 전송 - 디바이스가 코디네이터에게 전송

• 비콘 수신 (디바이스 입장)

• 데이터 전송

• 확인응답(옵션)

pull형 데이터 전송 - 코디네이터가 디바이스에게 전송

• 비콘 수신 (디바이스 입장)

• 디바이스가 데이터가 있으면 달라고 코디네이터에게 요청

• 코디네이터는 디바이스에게 ACK를 응답함

• 데이터가 있으므로 데이터를 전송

• 디바이스가 데이터를 받았다는 ACK를 전송

비 비콘 네트워크의 데이터 전송모델

• 슬롯의 개념이 사라진다. (슈퍼프레임 사용x) - 실제 Zigbee는 슈퍼프레임구조를 사용하지 않음

• 디바이스는 보내고 싶을때, 비콘없이 CSMA/CA로 전송한다.

push형 데이터 전송 - 디바이스가 코디네이터에게 전송

• 데이터 전송

• 확인응답(옵션)

pull형 데이터 전송 - 코디네이터가 디바이스에게 전송

• 디바이스가 데이터가 있으면 달라고 코디네이터에게 요청 (디바이스가 언제 깨어나는지에 따라 주기가 달라짐)

• 코디네이터는 디바이스에게 ACK를 응답함

• 데이터가 있으므로 데이터를 전송

• 디바이스가 데이터를 받았다는 ACK를 전송

• MCPS-PURGE

  • 코디네이터에 보내지 못하는 데이터가 계속쌓일 수 없기때문에 지우는 작업을 한다.

네트워크층의 기능

• 멀티 홈이 가능한 메시지 통신

• 네트워크의 기동

• 논리 디바이스 타입의 설정

• 네트워크 주소 관리

• 네트워크의 참가와 이탈

• 1홈 범위에서의 인접 노드 발견

• 라우트 발견과 관리

• 수신기능 동작 스케줄의 관리

• 보안기능 (옵션)

네트워크 토폴로지

• 스타 토폴로지

  • 증심이 되는 노드로부터 방사 형태로 다른 단말노드를 접속시키는 별 형태의 구성

  • 단말 노드들끼리는 직접통신이 불가능하고 중심이 되는 노드를 반드시 개입시켜 서로 접속할 수 있음

• P2P 토폴로지

  • 네트워크를 구성하는 노드의 지위가 전부 같으며 특별히 중심이 되는 노드를 개입시키지 않고 접속할 수 있는 방식

• 매쉬 네트워크

  • 각 노드가 각각 메시지의 중계 기능을 가지고 P2P에 접속하는 메쉬 형의 네트워크

  • 통신경로를 여려 개 둠으로써 무선통신의 신뢰성을 높일 수 있다.

• 클러스터 트리 토폴로지

  • 멀티 홉을 지원하면서도 통신 경로를 확정하여 데이터 전송시간을 일정범위로 보증

  • 매우 관리하기 쉬운 아키텍쳐이며 대규모 네트워크도 구성이 되지만 통신 경로의 유연성이 결여된다.

PAN ID와 주소

• PAN ID : 특정 PAN을 식별하기 위한 주소

• IEEE 802.15.4 주소 (이러한 주소들을 사용하여 네트워크와 디바이스를 구분)

  • IEEE 확장 주소 -> 64비트

    • 전세계의 IEEE 802.15.4에 준하는 RF칩에 유일한 번호를 할당

  • 단축주소 : 16비트

    • PAN 내부에서만 사용되는 주소 -> 흔하지는 않지만 엄청많이 연결되면 할당받지 못할 수 있다.

• 네트워크 주소

  • Zigbee NWK 층에서 단추주소의 정의방법을 정하고 이 주소는 네트워크 주소라고 함

  • 주소 용량 -> 네트워크에 참가하는 자식 노드에 지정 가능한 노드의 최대 수

인접 테이블

• 네트워크의 참가, 라우팅, 브로드캐스트 등을 수행하는 경우에 1홉 범위에 있는 주변 노드의 정보를 파악하기 위하여 매우 중요한 역할 담당

• 각 장치들은 주변장치들의 정보를 수집해서 인접테이블로 유지

네트워크 참가

• 참가하고자 하는 자식 노드가 부모가 되는 노드와의 사이에 부모자식 관계를 확립하고 부모 노드로부터 네트워크 주소를 지정받아서 네트워크 멤버로서 다른노드와 통신을 가능하게 하는 프로세스

  • 직접참가

    • 정의한 노드를 등록함

    • 네트워크에 참가가능한 노드의 주소를 사전에 코디네이터 또는 라우터의 EEPROM에 기록하거나, 네트워크에 참가한 이력이 있는 노드의 주소를 기록하고 다시기동할때는 참가신청하지 않고 저장된 정보에 근거하여 네트워크에 참가하는 기법

    • 고립스캔으로 바로 넘어간다.

  • 참가신청

    • EEPROM에 상대의 정보가 존재하지 않는 경우에 MAC층의 접속 요구로 네트워크에 참가하는 방법 - 알아서 붙는다.

라우팅

• 적절한 데이터 전송 라우트의 선택

• 라우트의 발견

• 라우팅의 유지보수

• 라우팅 비용

  • 가능한 적은 홉수와 동시에 링크품질이 높은 경로로 데이터 전송

  • 저 비용의 라우트를 채용함에 따른 이점

    • 강한 전계강도의 신호를 채용하기 때문에 통신의 신뢰성을 높인다.

    • 홉이 적고 재시도가 적기 때문에 데이터 전송에 필요한 시간이 단축되고 네트워크 트래픽과 소비전력이 감소한다.

  • 링크 비용

    • 1홉으로 링크된 2개의 노드간의 비용

    • 멀티 홉의 경우, 데이터 전송에 사용된 경로의 링크 비용 합계를 라우트 비용으로 나타낸다.

• AODV (Ad hoc On-demand Distance Vector)

  • 온디멘드형 라우팅 방식 채용

    • 송신 라우트 탐색이 필요할 때 라우트 발견을 수행하지만, 일단 라우트가 확정되면 데이터 송신이외에 라우팅을 확인하기 위한 불필요한 메시지는 네트워크에 흐르지 않는다.

    • AODV 송신원은 모든 라우팅 정보를 갖지는 않고 다음 홉의 송신 목적지 정보만을 갖는다.

      • 라우팅 정보는 라우트를 경유하는 모든 노드에 분산되어 보존된다.

  • 알고리즘 동작원리

    • 라우트 발견 요구 노드로부터 경로비용 정보가 포함되어 있는 RREQ의 라우트 요구 메시지가 네트워크에 브로드케스트 된다.

    • 중간 노드는 수신된 RREQ 메시지의 경로비용에 앞 홉의 링크 비용을 가산하여 새로운 RREQ의 라우트 요구 메시지를 브로드캐스팅한다. (받은 노드가 다시 주변 노드로 뿌린다.)

    • 가장 낮은 비용의 RREQ메시지가 최종 목적노드에 도착하면 송신라우트를 따라 가면서 RREQ 응답 메시지를 유니캐스트로 답신하고 라우트 발견 요구를 송신한 노드까지 거슬러 올라가 발견된 라우트를 확립한다.

  • RREQ (라우트 발견 응답)

    • 발견된 라우팅을 확정하기 위한 RREP 응답 메시지가 필요하다.

    • RREP메시지

      • 발견 요구 시퀀스 번호

      • 라우팅을 요구하는 노드의 주소

      • 라우팅 발견을 응답하는 노드의 주소

      • 잔류 비용