2.1 MAC

2.1.1 DSME 기반의 멀티 슈퍼 프레임

IEEE 802.15.4e의 DSME(Deterministic and Synchronous Multi-channel Extension) 모드는 기존 IEEE 802.15.4와 동일한 슈퍼프레임 구조를 가지고 왔지만 비활성화 구간이 생략된 복수 개의 슈퍼프레임을 묶어 하나의 멀티 슈퍼프레임 구조를 형성한다. 이 구조는 모드는 실시간 통신과 효율적인 네트워크 관리를 위해 설계되었으며, 주요 장점은 다음과 같다:

• ● 저전력 및 고효율

  • - DSME는 슬레이브 노드의 전력 소비를 줄이고, 동기화된 통신을 통해 네트워크의 효율성을 높임

• ● GTS(Guaranteed Time Slot)

  • - 각 노드가 데이터를 충돌 없이 전송할 수 있도록 슬롯을 할당해 실시간 데이터를 전달

• ● 채널 다이버시티

  • - 여러 채널을 통해 데이터를 전송하여 혼잡한 채널을 피하고, 안정적인 통신을 유지

• ● 확장성

  • - DSME는 네트워크가 확장되거나 슬레이브 노드가 많아져도 효과적으로 동작하며, FSK(Frequency Shift Keying) 모드와 결합하면 각 슬레이브 노드의 상태를 빠르게 스캔함

따라서 DSME 모드는 다양한 환경에서의 실시간 통신을 가능하게 하고, 많은 슬레이브 노드를 빠르게 관리하는 데 매우 유리하다.

DSME 기반의 IEEE 802.15.4에서 정의 되었던 Beacon Order(BO), Superframe Order(SO)와 함께 Multisuperframe Order(MO)라는 개념이 새롭게 추가 되었다. BO 및 SO와 MO값의 관계는 다음과 식 (1)과 같다.

(1) 0≤SO≤MO≤BO≤14,MD=a Basesuper frame Duration∗2MO

MO값에 의해서 한 주기의 비컨 인터벌 동안 몇 개의 멀티 슈퍼프레임이 반복 되는가와, 하나의 멀티 슈퍼프레임 내에 몇 개의 슈퍼프레임이 들어가는지가 결정된다.

2.1.1.1 채널 다이버시티

DSME 모드에서는 채널 적응 방식과 채널 호핑 방식의 채널 다이버시티 모드를 지원한다. 채널 적응 방식은 수신 채널 품질이 정해진 임계값보다 저하될 때, 새로운 채널로 변경하여 데이터 프레임을 주고 받는 방식이다. 즉, 채널 다이버시티 모드는 DSME의 멀티채널 통신에서 주파수 간섭 문제를 줄이고, 통신 안정성을 보장하기 위해 사용된다.

Fig. 1에서 확대된 부분은 DSME 기반 멀티슈퍼프레임의 DSME-GTS(Guaranteed Time Slot) 구간이다. 가로축 방향으로는 DSME-GTS 슬롯을 의미하며 세로축 방향으로는 채널을 나타낸다. 슬롯 위에 나타나 있는 숫자와 화살표는 디바이스의 번호와 데이터 전송 방향을 나타내게 된다. 한 예로 2번 디바이스가 4번 디바이스에게 데이터를 전송할 때 1번 채널을 이용하여 0부터 2번 총 3개의 슬롯을 사용하게 된다. 이때 1번 채널의 상태가 임계값 보다 저하됨에 따라 채널을 변경해줘야 할 경우가 발생하게 된다. 2번 디바이스는 4번 슬롯부터 5번 디바이스로부터 데이터를 전송 받아야 하므로 4번 슬롯이 시작하기 전에 채널 상태가 양호한 0번 채널로 바꾼 후 데이터를 전송받게 된다.

Fig. 1.

Channel adaptation method in DSME-based multi-superframe

채널 호핑 방식은 미리 예약된 주파수 채널 시퀀스를 이용해 프레임 단위로 채널을 도약해 가며 통신을 하는 방법이다.

Fig. 2는 채널 호핑 방식이 보인다. 채널 호핑 방식에는 채널 호핑 시퀀스와 채널 호핑 오프셋 값이 있다. 채널 호핑 시퀀스는 {1, 2, 3, 4, 5, 6}이고 채널 호핑 오프셋 값은 두 개의 디바이스가 각각 0번 디바이스는 0, 3번 디바이스는 2이다. 0번 디바이스는 호핑 오프셋이 0이므로 채널 호핑 시퀀스 그대로 채널 호핑을 진행하게 된다. 따라서 x축인 슬롯번호가 커짐에 따라 y축 채널 번호도 1번 채널부터 하나씩 증가시켜 나간다. 따라서 0번 디바이스의 채널 호핑을 (Timeslot, Channel)로 나타내게 된다면 (1, 1), (2, 2), (3, 3), (4, 4), (5, 5), (6, 6), (7, 1), (8, 2), (9, 3) 순으로 멀티 슈퍼프레임 내의 할당된 DSME-GTS의 최대 슬롯 수까지 진행되게 된다. 반면 3번 디바이스는 채널 호핑 오프셋이 2이므로 시작 채널이 채널 호핑 시퀀스에서 2단계 다음인 3번 채널부터 시작하게 된다. 따라서 3번 디바이스의 채널 호핑을 (Timeslot, Channel)로 나타내게 된다면 (1, 3), (2, 4), (3, 5), (4, 6), (5, 1), (6, 2) 순으로 멀티 슈퍼프레임 내의 할당된 DSME-GTS 의 최대 슬롯 수까지 진행되게 된다. 따라서 DSME-GTS 의 특정 인덱스 i에서의 채널 번호 C는 다음 (2)와 같이 수식으로 정의된다.

Fig. 2.

Channel hopping method in DSME-based multi-superframe

(2) C(i)=mac Hopping Sequence((i+mac Channel Of fset+BSNmac Hopping Sequence Length)

여기서 macHoppingSequence[j]는 macHippingSequence 안에서 j번째 채널 번호를 나타내며, macChanneloffset은 수신 측 디바이스의 채널 오프셋 값을 나타낸다. 또한 macHoppingSequenceLength는 채널 호핑 시퀀스의 길이를 나타내며 여기서, BSN은 Beacon Sequence Number이다. 추가로 멀티슈퍼프레임 내의 DSME-GTS 의 총 슬롯 수는 7 × 2^(MO-SO)과 같이 계산한다.

2.1.1.2 CAP Reduction

IEEE 802.15.4e에서는 기존 IEEE 802.15.4의 슈퍼프레임 구조를 여러 개 합쳐 멀티 슈퍼프레임 구조를 만들었다. 그렇기 때문에 CAP(Contention Access Period) 구간과 CFP(Contention Free Period) 구간이 연속적으로 반복되는 구조가 형성이 된다. CAP 구간에서는 제어 프레임들의 교환이 이루어지며 이때 디바이스들은 일정 시간 동안 채널을 청취해야 한다. 따라서 멀티 슈퍼프레임 구조에서 잦은 CAP 구간의 반복은 디바이스들의 전력 소모를 가중시킬 수 있다. 이에 따라 DSME 모드에서는 CAP reduction 이라는 필드를 두어 멀티 슈퍼프레임 내의 복수 개의 CAP 구간 중 첫 번째 CAP 구간만을 활성화하는 옵션을 제공하고 있다.

CAP reduction을 적용하게 되면 기존 멀티 슈퍼프레임 구조에서 처음 CAP 구간을 제외한 나머지 CAP 구간도 DSME-GTS로 대체하여 사용이 가능하다. DSME-GTS 슬롯 스케줄링을 통한 더 많은 디바이스의 QoS 확보가 가능하다는 장점이 있다. 또한 기존 구조의 단점이 될 수 있는 디바이스들의 전력 소모도 줄일 수 있는 장점 또한 생기게 된다. 다만 첫 번째 CAP 구간만을 활성화 하기 때문에 그 구간에서 DSME-GTS를 할당 받지 못한 디바이스는 다음 멀티 슈퍼프레임이 돌아올 때까지 전송 지연이 발생하게 된다는 단점이 있다. Fig. 3은 DSME 기반 멀티 슈퍼프레임에 CAP reduction이 적용된 구조를 나타낸다.

Fig. 3.

CAP Reduction mode in DSME-based multi-superframe structure

3.1 시험 설계

본 시험에서는 semtech 사의 SX1262^[7]라는 상용 트랜시버 모듈을 사용하여 마스터 노드와 슬레이브 노드 간의 통신을 구현하였다. 트랜시버는 송신기와 수신기의 기능을 하나로 결합한 장치로, 데이터를 송수신할 수 있는 양방향 통신이 가능한 모듈이다. SX1262는 이러한 트랜시버 역할을 수행하며, LoRa(Lo ng Ra nge)와 FSK 모드를 지원하여 다양한 환경에서 통신을 구현할 수 있는 유연성을 제공한다. 본 시험에서는 2절 언급한 DSME 방식으로 근거리 네트워크를 구현하였으며, SX1262 모듈에 내장된 API(Application Programming Interface)를 사용하여 SNR(Signal Noise Ratio)과 SS (Signal Strength) 데이터를 획득하였다^[8]. 이러한 데이터는 슬레이브 노드가 수신한 신호의 품질을 평가하고 마스터 노드에서 신호를 전송할 때 각 방향에서의 신호 강도를 분석 시 활용되었다.

또한 본 시험에서는 두 종류의 안테나를 사용하였다. 지향성 안테나는 슬레이브 노드를 그룹화하기 위해 사용되었으며, Fig. 4와 같이 지향성 빔 패턴을 지닌 상용 안테나를 활용하였다. 추가로 지향성을 최대화하기 위해 안테나 후면에 동박 테이프를 부착하여 특정 방향으로 신호가 집중되도록 구현하였다. 이는 안테나의 빔 패턴을 더욱 선명하게 만들고, 신호가 집중되는 범위를 더욱 좁혀주어 슬레이브 노드를 명확히 그룹화하는 데 기여하도록 하였다. 옴니 안테나는 그룹화 후, 마스터 노드와 슬레이브 노드 간의 통신을 유지하기 위한 용도로 사용되었다. 또한 Fig. 5과 같이 옴니 안테나는 360도 모든 방향에 신호를 방사하는 형태로 설계되어 네트워크 내 모든 슬레이브 노드와 안정적인 통신을 보장하도록 선정하였다.

Fig. 4.

Directional antenna configuration and beam pattern

Fig. 5.

Omni antenna configuration and beam pattern

마스터 노드는 Fig. 6과 같이 MCU(Micro Controller Unit, SX1262), 4개의 지향성 안테나와 RF 스위치, 옴니 안테나로 구성되며, 슬레이브 노드는 마스터 노드와 공통적으로 MCU를 포함하고 RF 모뎀, 옴니 안테나를 포함하고 있다.

Fig. 6.

Configuration of master node and slave node

근거리 무선 통신 제원은 Table 1에 나타내었다. 통신 주파수는 922.1 MHz(ISM 대역)를 사용하며, FSK 변조로 통신으로 진행하였다.

Table 1.

Specifications of short-range wireless communication

시험에서 사용된 통신 주파수의 검증을 위해 Fig. 7과 같이 검증 환경을 구성하였고, Fig. 8과 같이 주파수 대역과 FSK에 대한 Spectrum Analyzer 결과를 확인하였다.

Fig. 7.

Master node frequency measurement experimental setup

Fig. 8.

Master node frequency measurement experimental results

FSK는 데이터 전송 속도가 빠르고, 동시에 다수의 노드를 관리하는 데 적합한 방식이다. 특히 대규모 네트워크에서 빠르고 효율적인 데이터 통신이 필요할 때 유리하다. FSK는 노이즈 저항성이 상대적으로 낮아 SNR 성능이 떨어질 수 있지만, 빠른 데이터 전송 속도 덕분에 이러한 단점을 보완할 수 있다. 이러한 이유로 본 시험에서는 FSK 모드를 사용하였다. 이를 통해 SX1262 모듈은 빠른 응답성과 데이터 처리 성능을 제공하며, 다수의 슬레이브 노드를 5초 이내에 스캔할 수 있는 성능을 보장할 수 있었다. 시험에서는 9대의 슬레이브 노드를 사용하여 진행되었으나, FSK 모드의 확장성으로 인해 최대 120대 이상의 슬레이브 노드도 효율적으로 관리할 수 있도록 근거리 무선 통신을 설계하였다.

3.2 SNR 측정 시험

본 시험에서는 SX1262 트랜시버 모듈에서 API 함수를 이용하여 마스터 노드와 슬레이브 노드 간의 SNR을 측정하였다. 특히 유선 환경과 무선 환경에서의 SNR 값 차이를 분석하여 무선 통신 시 발생하는 신호 손실에 대해 정량적으로 검증하였다. 본 시험에서는 Fig. 7과 같이 실내에서 마스터 노드와 슬레이브 노드 간의 유선 RF 케이블 및 안테나를 번갈아 연결하여 SNR 측정을 수행하였다.

Fig. 9.

SNR measurement experiment

실험 결과, 마스터 노드와 슬레이브 노드 간에 SNR 을 10회 이상 측정하여 평균을 계산한 결과 약 0 dB의 SNR이 측정되었다. 이는 두 노드에서 동일한 SX1262 트랜시버 모듈을 사용하였으며, 외부 간섭이 없는 이상적인 조건에서 유선 연결을 통해 수행된 실험에서 나타난 결과로 송신 신호와 잡음의 세기가 균형을 이루었음을 의미한다. 그러나 이러한 측정값은 실험 환경에 국한된 것으로, 실제 외부 환경에서는 다양한 요인으로 인해 SNR 값이 달라질 수 있다. 따라서 이러한 0 dB의 측정 값은 신호와 잡음의 파워가 동등하게 수신되었다는 추정에 불과하며, 외부 환경에서 발생할 수 있는 신호 손실이나 다른 잡음의 영향을 고려하지 않은 것이다. 무선 환경으로 전환하여 안테나를 통한 신호 송수신을 진행한 결과, 10회 평균 SNR은 약 −13 dB 로 측정되었다. 이는 무선 환경에서 신호 감쇠가 발생했음을 보여주며, 안테나 및 외부 환경에 의한 신호 손실이 존재한다는 점을 반영한 것이다. 추가로 안테나를 이용한 실내 무선 환경에서는 마스터 노드와 슬레이브 노드 사이의 거리가 멀어질수록 SNR 값은 더 낮아지는 것을 확인하였으나 실내 시험에서의 복잡한 전자기기 간섭과 반사 조건 및 실내 거리 제약으로 인해 신뢰할 수 없는 결과가 도출될 가능성을 고려하여 신호 측정을 3.3절과 같이 실외 평활한 환경을 선정하여 추가적인 시험을 진행하였다.

3.3 지향성 안테나 단위 성능 측정 시험 및 결과

본 시험에서는 지향성 안테나의 성능을 측정하기 위해, 1대의 마스터 노드와 1대의 슬레이브 노드를 사용하여 대전광역시 대덕구 문평동 인근 갑천 야구장시험을 진행하였다. 시험 구간은 Fig. 10과 같이 마스터 노드의 지향성 안테나 방사 패턴에 따라 거리별로 A, B, C, D 구간으로 설정되었으며, 구간 밖의 영역을 E 구간으로 설정하였다. 시험은 마스터 노드의 지향성 안테나에서 송신된 신호가 A∼D 구간과 E 구간(점선 이외 포함) 의 SNR이 측정하여 지향성 안테나의 해당 방향의 그룹화를 위한 적절한 임계치를 설정하기 위해 진행하였다. 시험은 각 A∼D 구간별로 10회씩 자유롭게 구간 내에서 슬레이브 노드를 이동 후 수신하면서 마스터 노드의 메시지 신호를 슬레이브 노드가 수신하여 그에 대한 SNR 값을 기록하였다. E 구간 및 그 외 점선 밖의 구간은 임의로 약 30회 이상 측정한 값을 도출하였다. 이를 통해, SNR 값이 구간마다 어떻게 변화하는지에 대한 데이터를 수집할 수 있었다. 이를 통해 지향성 안테나의 방사 패턴 및 거리에 따른 신호 세기 변화를 분석하였다.

Fig. 10.

Signal reception experiment based on distance between master node and slave node

그 결과 Table 2와 같이 구간별로 측정 데이터를 획득하였고 D 구간에서 측정된 SNR 평균값인 −78.72을 각 방향에 대한 지향성 안테나의 그룹화를 위한 임계값으로 설정하였다.

Table 2.

SNR measurement data by region

3.4 그룹화 성능 시험 및 결과

3.3절에서 측정한 지향성 안테나의 성능을 바탕으로, 동일한 위치에서 0도, 90도, 180도, 270도 네 방향으로 안테나를 구성한 후 그룹화 시험을 Fig. 11과 같은 순서로 구성하여 진행되었다. 마스터 노드와 슬레이브 노드에 공통으로 장착된 옴니 안테나를 통해 마스터 노드와 슬레이브 노드의 근거리 네트워크 구성을 완료한 후, 마스터 노드는 현재 네트워크에 존재하는 모든 슬레이브 노드들의 ID를 파악한다. 이후 마스터 노드는 지향성 안테나를 통해 각 0도, 90도, 180도, 270도 방향으로 신호를 전송하고, 각 슬레이브 노드들은 이를 수신하여 총 10회 슬레이브 노드 ID와 함께 SNR 값을 마스터 노드에 전달한다.

Fig. 11.

Flowchart of grouping process between master node and slave node

슬레이브 노드에서 일회성의 SNR 값보다 측정된 총 10회 누적된 SNR의 평균값으로 그룹화에 대한 의미있는 데이터로 판단하였고, D 구간에서 측정된 SNR 평균값인 −78.72를 기준으로 그 이상의 수치를 가진 SNR을 가진 슬레이브 노드에 대하여 같은 그룹으로 지정하도록 설계하였다. 마스터 노드는 각 슬레이브 노드에서 수신한 SNR 값을 슬레이브 노드의 ID별로 취합하여, 각 지향성 안테나의 방향별로 슬레이브의 그룹을 지정하는 방식으로 시험을 진행하였다. Fig. 12와 같이 슬레이브를 임의의 장소에 배치를 한 후 마스터 노드는 0도, 90도, 180도, 270도의 네 방향으로 신호를 송신하였으며, 각 슬레이브 노드는 수신한 신호의 SNR 값을 마스터 노드에 다시 전송하였다. 마스터 노드는 이러한 수신 데이터를 바탕으로 슬레이브 노드를 다음과 같이 각 방향 그룹에 할당하였다.

Fig. 12.

Grouping process between master node and slave node

이번 시험에서 Table 3과 같이 SNR 값의 10회 누적 평균값에 기반하여 슬레이브 노드를 그룹화한 결과, 대부분의 노드가 방향별로 그룹화(검정 음영 부분)되었으나, 경계에 위치한 일부 노드에 대해서는 그룹화가 불명확하게 이루어지는 사례가 발생하였다. 5번 슬레이브 노드는 90도와 180도의 경계에 위치하여 180도에서는 −77 dB, −90도에서는 −75 dB로 측정되었으나 두 값 모두 3.2에서 임계값으로 설정한 −78.72 dB를 보다 낮아, 이 경우에는 더 낮은 SNR 값을 기준으로 그룹을 지정하였다. 이 사례로 경계에 위치한 노드의 그룹화 과정에서 SNR 값만으로 그룹을 구분하는 방식은 한계가 있음을 확인하였다. 이러한 문제를 해결하기 위해서는 SNR 값 이외에도 다양한 변수들을 고려한 그룹화 알고리즘의 개선이 필요하다.

Table 3.

Grouping measurement results

또한, 본 시험에서 사용된 알고리즘은 특정 시험 환경과 안테나 성능에 맞추어 설계된 것으로, 다른 시험 장소나 환경에서는 추가적인 수정이 필요할 수 있어, 시험 장소 및 환경에 의존하지 않는 보다 범용적인 그룹화 방식을 연구할 필요가 있다. 이를 통해 지향성 안테나를 커스터마이징하여 신호 집중도를 높이고, 경계에서의 불명확한 그룹화 문제를 해결할 수 있는 가능성을 제시할 수 있다.