KOSEN Reports

글 : 신강근, 조민규 / 미시건 대학교 컴퓨터&과학 엔지니어링1. 개요무선 센서네트워크(Wireless Sensor Network, WSN)는 소형 센서들을 생산할 수 있게 만든 MEMS 기술의 발달로 인해 각광을 받게 된 분야이다. 무선 센서네트워크는 이러한 소형의 센서들을 이용하여 주변 환경에 관한 정보들 취득하게 된다.WSN은 하나 이상의 센서, 프로세서, 메모리, 전원장치, 통신장치, 액추에이터 등을 갖춘 저전력의 센서노드들로 구성된다. 각종 센서를 이용하여 얻어진 환경 정보는 기지국(랩톱, 핸드헬드 디바이스, AP 등)에 전송되거나, 센서노드들 사이에 분산되어 저장되게 된다. 센서노드들은 주로 전지로 구동되며, 태양광전지 등과 같이 에너지를 얻기 위한 장치들이 부착되기도 한다. 응용분야에 따라 액추에이터가 센서노드에 장착되기도 한다. WSN은 수십에서 수천 혹은 그 이상의 센서노드들이 환경정보를 취득하기 위해 사용되는데, 인프라가 없거나 제한된 환경에서 사용된다. WSN은 군사적인 목표물 추적, 감시, 재해복구, 의료용 생체공학, 위험지역탐사, 지진감지 등 다양한 분야에 응용가능하다.WSN의 설계 시 고려되어야 하는 제약조건은 기존 네트워크와 많은 차이를 보인다. 제한된 에너지, 짧은 통신반경, 낮은 대역폭, 낮은 연산용량, 적은 메모리 등의 제한된 자원을 가지고 있는 센서네트워크는 응용분야에 따라 다른 설계상의 제약을 가지게 된다. 이러한 제약은 센서네트워크를 이용하여 정보를 얻고자 하는 환경에도 좌우된다. 예를 들면, 실내의 환경정보를 얻는 경우에는 실외의 환경정보를 얻을 때보다는 상대적으로 적은 수의 센서노드들이 사용될 수 있거나, 사람이 접근하기 어려운 지점에는 임의로 네트워크를 구성하는 것이 미리 계획하는 방법으로 네트워크를 구성하는 것보다 선호되는 것 등이다.WSN에 관한 연구는, 위에서 언급된 WSN의 제약점들에 맞춘 새로운 설계 개념의 도입, 기존 프로토콜의 개선이나 새로운 프로토콜 설계, 새로운 애플리케이션이나 알고리즘의 개발이 포함된다. 이보고서에서는 최근에 만들어진 다양한 프로토콜과 알고리즘을 하향식으로 분석, 요약할 것이다.이 문서는 다음과 같이 구성되어 있다. 2장에서는 센서네트워크 연구의 다양한 쟁점들을 언급하고, 3장에서는 다양한 센서네트워크의 종류들이 소개된다. 여러 애플리케이션들은 4장에 요약된다. 5장에서는 센서노드 내부 설계가 설명되고, 6장에서는 센서네트워크에서 제공되는 네트워크 서비스에 관해서, 그리고 7장에서는 통신 프로토콜이 소개된다. 마지막으로 결론은 8장에 보여준다.2. 주요 쟁점들센서네트워크 구성에 사용되는 센서노드들은 일반노드와 게이트웨이 노드들로 구성되어 있다. 환경정보를 취득하는 일반노드에는 필요에 따라 광학, 온도, 가속 센서 등이 장착되며, 게이트웨이 노드들은 주로 일반 노드들에서 얻어진 환경정보들을 베이스 스테이션으로 전달하는데 사용된다. 이 노드들은 보통 일반 노드들보다 더 높은 연산능력과 더 긴 통신반경, 그리고 큰 용량의 전지를 가지게 된다.WSN을 사용한 애플리케이션을 구성하기 위한 작업들은 크게 셋으로 분류될 수 있다. 첫 번째로는, 센서노드 시스템 개발인데, 애플리케이션에 따른 새로운 플랫폼과 운영체제, 저장장치의 개발이 이에 속한다. 두 번째로는 애플리케이션과 센서들 간의 통신 프로토콜 개발이다. 마지막으로 애플리케이션을 향상시키거나, 시스템의 성능이나 네트워크의 효율성을 높이기 위한 서비스의 개발이다.애플리케이션의 요구사항과 네트워크 관리를 위해, 센서노드들은 스스로 네트워크를 구성하고 자체관리(self-organizing)를 할 수 있어야 하는데, 이를 위한 통신 프로토콜과 관리 서비스들은 에너지와 연산능력, 메모리의 제한과 같은 제약조건들을 만족해야 한다.이 문서에서는, 통신 프로토콜을 애플리케이션, 트랜스포트, 네트워크, 데이터 링크, 물리 계층의 다섯 개 계층으로 나누어 분석한다. 위치측정, 커버리지, 스토리지, 동기화, 데이터 압축과 집합 등은 센서네트워크 서비스로 분석될 것이다.여러 계층의 프로토콜의 구현에 따라, 에너지 소모와 엔드 투 엔드 딜레이, 시스템의 효율성 등이 크게 영향을 받게 된다. 따라서 앞서 언급된 다섯 개의 통신 프로토콜 계층을 위한 프로토콜이 개발됐을 뿐 아니라, 서로 다른 계층에서 스테이트들을 공유하는 방법들이 연구되었다.무선 센서네트워크는 제한된 에너지를 가지고 가동되기 때문에, 에너지 효율과 에너지 수집은 중요한 연구과제이다. 에너지 수집을 위해서 태양광전지, 진동, 연료전지, 소음 등을 이용하는 방법과, 로봇 등의 이동 가능한 노드를 이용하여 충전을 하는 방법들이 연구되고 있다.WSN의 가동시간을 최대화하기 위해, 효율적이고 안정적인 무선통신, 적절한 커버리지, 보안과 저장장치를 얻기 위한 지능적인 센서배치, 데이터 압축과 집합이 연구되어왔다. 이러한 방법들은 에너지를 절약하는 것뿐만 아니라, 적절한 서비스 품질(QoS)을 제공해야한다. 효율적이고 안정적인 무선통신을 위해 정체제어, 액티브 버퍼 모니터링, 승인(acknowledgements), 패킷 손실 복구(packet-losee recovery) 등의 방법이 필요하다. 밀집한 네트워크는 산재한 네트워크보다 짧은 통신반경을 사용할 수 있어, 더 적은 에너지를 사용할 수 있다. 네트워크에 이용된 노드의 수와 그 배치는 커버리지 등급을 결정하게 된다. 애플리케이션에 따라 더 높은 정확도를 위한, 더 높은 커버리지 등급을 요구하게 된다. 이 논문에서는 이에 관련된 연구들을 요약했다.3. 센서네트워크의 종류무선 센서네트워크는 지상, 지하, 혹은 수중에 설치된다. 환경에 따라 센서네트워크들은 다른 도전과 제약조건을 받게 된다. 센서네트워크는 다섯 종류로 나눠지게 된다. 지상 WSN,지하 WSN, 수중 WSN, 멀티미디어 WSN, 모바일 WSN이 그것이다.지상 WSN은 보통 수백에서 수천의 노드들이 저비용의 무선 센서 노드들도 구성된다. 애드 훅 모드로 비행기 등에서 배포되거나, 선계획 배치(pre-planned deployment)의 방법으로는 격자점에 배포하거나, 최적의 배치, 2-d 또는 3-d 배치 방법에 따라 설치된다. 이러한 종류의 센서노드들은 안정적이고 에너지 효율이 좋은 통신 방법을 필요로 한다.지하 WSN은 지하의 상태를 감시하기 위해 땅에 묻혀 있거나 동굴 혹은 탄광에 배치된 센서들로 구성된다. 추가적인 싱크 노드들이 지상에 배치되어 기지국으로의 데이터 전송을 책임질 수 있다. 지하 WSN은 암석, 물, 토양 등에 의한 신호감쇠에도 안정적인 통신을 위해 일반적으로 지상 WSN에 비해 고가의 장비가 사용되고, 배치와 관리에도 에너지와 비용을 감안한 더 세심한 계획이 필요하다. 지하 WSN에서도 에너지 보존은 중요한 문제가 된다.수중 WSN은 수중에 배치된 센서노드와 전달수단으로 구성되는데, 지상 WSN에 비해 더 적은 수의 고가의 장비가 사용된다. 일반적으로 수중에서의 통신은 음파를 이용하게 되는데, 제한된 대역폭, 긴 전파 지연, 신호 페이딩의 문제가 있다. 또한 가혹한 환경에 의한 고장 문제도 있다. 수중 WSN도 배터리로 구동되므로 에너지 보존 문제가 중요하고, 이를 위해 효율적인 수중 통신과 네트워크 기술의 개발이 필요하다.멀티미디어 WSN은 비디오, 오디오, 사진과 같은 멀티미디어 형태로 감시 및 추적을 하는 시스템으로 제안되었고, 카메라와 마이크가 장착된 저비용 센서들로 구성된다. 멀티미디어 무선 센서네트워크는 커버리지를 확보하기 위해 계획에 따른 방법으로 배치된다. 멀티미디어 센서네트워크 개발에 관련된 쟁점으로는 고대역폭의 필요, 높은 에너지 소모, QoS 확보, 자료처리 및 압축 기술, 다계층 설계 등이 있다.모바일 WSN은 스스로 움직이거나 주변 환경과 상호작용을 하는 노드들로 구성된다. 동적인 노드들은 정보를 수집하기 위해 필요한 지점으로 이동할 수 있고, 이렇게 수집된 정보는 동적 노드가 통신반경 안에 있을 때 전달될 수 있다. 정적인 센서노드는 고정된 라우팅 혹은 플루딩을 통해 정보를 전달하는 반면, 동적 센서노드들은 다이내믹 라우팅을 이용하게 된다. 모바일 WSN은 환경감시, 목표물 추적, 탐색 및 구조, 위험물의 실시간 감시 등에 사용될 수 있다.4. 애플리케이션WSN 애플리케이션들은 모니터링 애플리케이션과 트랙킹 애플리케이션으로 나눠진다. 모니터링 애플리케이션들은 실내/외부의 환경, 헬스 모니터링, 재고 위치 모니터링, 공장자동화, 지진 및 구조 모니터링을 포함하고, 트랙킹 애플리케이션은 사물, 동물, 사람, 차량 등의 이동을 감지하는 애플리케이션들을 포함한다. 몇 가지 예를 밑에 요약한다.PinPtr: PinPtr은 저격수의 위치를 추적하는 실험적인 시스템이다. PinPtr에서는 조밀한 네트워크상에서 각각의 노드가 사격 시 총구로부터의 음파 도달시간을 측정하고, 그 정보를 기지국으로 전송한다. 기지국에서는 취합된 정보를 이용하여 저격수의 위치를 추정하게 된다. PinPtr시스템에서는 2세대 Mica mote와 함께 세 개의 음향채널을 가지는 다기능 음향센서보드와 자일링스 스파르탄 II FPGA가 사용되었다. PinPtr 시스템을 위해, Mica2 노드에서 TinyOS를 이용한 스케줄링과, 라디오 통신, I/O 처리 등을 위해 사용되었고, 시간 동기화, 라우팅, 데이터 집합, 위치측정 등의 미들웨어 서비스가 개발되었다.Macroscope of redwood: 이 시스템은 미국 캘리포니아주 소노마 지역의 삼나무의 식생을 감시하고 기록하는 시범적인 연구이다. 각각의 노드는 대기온도, 상대습도, 광합성 가능한 태양광을 측정하는데, 이 정보를 이용하여 생물학자들은 마이크로 클라이메이트의 증감도의 변화에 대한 정보를 추적함으로써, 그들의 이론을 검증할 수 있다.반도체 공장 및 저유소 애플리케이션: 반도체 공장과 저유소에서 장비의 고장을 방지하기 위한 예방적인 유지보수를 위해, 센서네트워크를 이용하여 얻어진 진동 정보를 이용하는 애플리케이션도 개발되었다.수중감시연구: 정적인 노드와 동적인 노드들로 구성된 수중 센서네트워크를 이용하여 산호초와 어류의 장기적인 감시를 위한 플랫폼도 개발되었다. 이 플랫폼에서는 고속광통신을 이용한 점대점 커뮤니케이션과 음파를 이용한 브로드캐스팅이 이용되었고, 각각의 센서들은 온도, 압력 센서 및 카메라 등이 장착되어있다. 이 연구를 통해 수중 센서네트워크 구성의 난점들이 제시되었다.MAX: MAX는 물리적인 환경에 대한 인간 중심 연구를 가능하게 하는 시스템이다. MAX를 이용하여 사용자들은 필요로 하는 태그가 부착된 물체의(좌표가 아닌 쉽게 식별 가능한 랜드마크로 표시되는) 위치 정보를 얻을 수 있다. MAX는 사람들이 쉽게 이용할 수 있고 보안과 사생활에 중점을 두고 효율적인 검색이 가능하도록 설계되었다.CentWits: 수색 및 구조 시스템으로 증인을 이용한 비연결형 센서 기반 트랙킹 시스템(Connectionless sensor-based tracking system using witness, CentWits)이 개발되었다. 이 시스템은 추적 대상에 부착된 모바일 센서와, 정보를 수집하는 액세스 포인트(AP), 그리고 위치 정보를 주는 GPS 수신기와 로케이션 포인트(LP)로 구성된다. 정보의 전달은 증인이라는 개념을 이용한다. 모바일 센서들이 통신반경 안에 들어가면 서로의 증인이 되어 상호간의 정보와 그 동안에 증인으로서 수집한 다른 노드에 관한 정보를 교환한다. 이 정보를 바탕으로 이후에 수색 및 구조가 필요한 경우 수색 범위를 좁힐 수 있다.Cyclops: 싸이클롭스는 연산기능에 제한이 있는 센서노드들과 CMOS 영상장치를 연결하는 작은 카메라 장비이다. 싸이클롭스는 사용자로 하여금 CMOS 이미지를 이용하여 시각으로 얻지 못하는 다른 정보를 얻을 수 있고, 그것들의 중요성을 식별할 수 있게 도와주고, 이를 위해 프로그램 가능한 논리 회로와 고속 메모리 소자를 갖춰, 고속 이미지 처리나 고해상도 이미지 처리를 가능하게 한다.화산활동감시: 에콰도르 북부 지방의 Volcan Reven tador에서 화산활동 감시를 위해 무선 센서네트워크가 사용되기도 했다. 이 시스템에서는 T-mote를 기반으로 한 센서노드에 단축 혹은 삼축의 지진계를 부착하여 100Hz의 빈도로 지진파를 측정하여 그 값들을 플래시 메모리에 저장하고, 특정 이벤트가 발생했을 때는 그 정보를 장거리 프리 웨이브 라디오를 이용하여 기지국에 전달한다.Sleep Safe: 슬립 세이프는 영아가 SIDS(영아급사증후군)로 사망하는 것을 방지하기 위해 영아의 수면자세를 감시하고, 영아가 엎드려 잘 경우에 부모들에게 경보를 발생한다. 삼축 가속계가 부착된 SHIMMER mote는 중력에 대한 상대속도를 측정하여 기지국으로 그 정보를 전송하고, 기지국에서는 이 정보를 처리하게 된다.Baby Glove: 베이비 글로브는 SHIMMER mote를 사용하여 영아의 체온, 수화, 심박수를 측정하는 시스템이다. 슬립 세이프와 유사하게 측정된 값이 설정된 값을 벗어나면 부모들에게 경고를 발생한다.FireLine: 파이어라인은 T-mote를 사용하여 소방관들의 이상 징후나 스트레스를 검출하기 위해 실시간으로 심박수를 측정하는 시스템으로 개발되었다. 파이어라인은 T-mote와 주문 제작된 심박센서, 재사용가능한 전극으로 구성되며, 이것들은 모두 소방관의 보호장구 안의 옷에 장착된다. 소방관의 심박수가 너무 높아지면, 경고가 발생된다.ZebraNet: ZebraNet은 동물의 이주를 추적하기 위한 무선 센서네트워크 시스템이다. 얼룩말의 갈기에 GPS가 부착된 센서노드들을 장착함으로써 ZebraNet을 구성하고, GPS를 이용하여 얻어진 얼룩말들의 위치에 관한 정보는 멀티 홉 커뮤니케이션을 이용하여 기지국으로 전송된다. ZebraNet은 케냐의 스위트워터스 자연보호구역에서 생물학자들이 얼룩말의 움직임을 추적하는데 사용되었다.5. 내부센서시스템센서네트워크 노드들의 작동을 위해서 여러 시스템의 문제들이 시스템 플랫폼과 OS 지원을 통해 해결되어야 한다. 덧붙여 표준화, 저장장치, 테스트베드의 지원에 관한 요약을 하였다.5.1. 시스템 플랫폼과 OS 지원요즘의 WSN 플랫폼은 여러 종류의 센서를 지원할 수 있도록 구현되었다. 센서노드들의 종류에 따라 라디오, 프로세서, 저장 공간의 차이가 크기 때문에, 이와 같이 여러 종류의 센서를 통합하여 운영될 수 있고, 제한된 자원으로 자료를 처리하는 것은 어려운 문제이다. 따라서 OS와 같은 시스템 소프트웨어는 이러한 센서 플랫폼들을 지원할 수 있도록 설계되어야 한다. 이에 연관된 연구분야로는 자동화관리, 네트워크 실행시간 최적화, 분산 프로그래밍 등이 있다. 여기서는 TinyOS와 두 가지 플랫폼을 소개한다.TinyOS는 버클리 대학 주도로 오픈 소스 형태로 개발되고 있는 센서네트워크를 위한 운영체제이다. 컴포넌트 기반 아키텍처를 가지고 있어 애플리케이션을 컴포넌트들의 조합으로 빠르게 개발할 수 있으며, 적은 메모리 사용량을 특징으로 한다. 컴포넌트들 간의 연결을 용이하게 표현하기 위해 C와 유사한 문법의 언어 NesC가 개발되어 TinyOS 구현에 사용되었다. 현재 TinyOS의 컴포넌트 라이브러리는 네트워크 스택과, 여러 가지 분산 서비스, 센서 드라이버, 그리고 자료를 얻기 위한 도구들을 포함한다. TinyOS는 Mica motes, Telos motes를 포함하는 10여개의 플랫폼에 포팅되어 있고, 광범위한 사용자 커뮤니티의 지원을 받을 수 있다.블루투스 기반 센서네트워크의 실용성에 관한 연구가 ETH 취리히에 의해 개발된 BT노드를 사용하여 진행되었다. BT노드는 TinyOS를 위해 개발된 블루투스 스택을 가지고 있고, 멀티 홉 네트워크를 지원하기 위해, 각각 마스터와 슬레이브로 동작하는 두 개의 라디오를 가지고 있다. 실험결과에 따르면 이 시스템은 한정된 시간 동안에 예측 가능하지 않은 트래픽 버스트를 보이는 경우에 적합함이 보여졌다. 또한 고속 전송이 가능하지만, 유휴 기간 동안에 많은 에너지를 소비하는 단점이 있다. 연결유지에 많은 비용이 들고 멀티 홉 라우팅을 지원하기 위해 두 개의 라디오가 필요하기 때문에, 블루투스는 브로드캐스트 라디오의 대안으로만 사용될 수 있다.5.2. 표준화무선 센서네트워크를 위해 저전력 소모를 위한 여러 표준들이 개발되었다. 이러한 표준들로는 IEEE 802.15.4, ZigBee, WirelessHART, ISA100.11, IETF 6LoWPAN, IEEE 802.15.3, Wibree 등이 있다.IEEE 802.15.4는 저속 WPAN(low rate wireless personal area network, LR-WPAN)을 위해 저가 배치, 낮은 복잡성, 저전력 소모에 중점을 두고 개발된 표준이다. IEEE 802.15.4는 868/915MHz 혹은 2.4GHz 대역에서 동작하고, CSMA-CA를 사용하는 MAC을 사용한다. 스타 토폴로지를 사용할 때, 각 장치들은 컨트롤러와 통신을 하고, P2P 토폴로지를 사용할 때는 애드 훅 자가구성 네트워크가 구성된다. IEEE 802.15.4를 사용하는 센서네트워크는 가정, 산업, 환경을 감시, 제어, 자동화하는데 응용가능하다.지그비는 내장형 시스템을 위해 설계되고, IEEE 802.15.4 상에서 동작하는 저비용, 저전력의 상위 계층 통신규약이다. 수백에서 수천 개의 지그비 장치들은 메쉬 네트워크를 구성할 수 있다. 지그비 장치들은 지그비 코디네이터, 지그비 라우터, 지그비 엔드 디바이스로 분류되는데, 지그비 코디네이터는 네트워크 구성을 시작하며 자료저장과 망 사이를 연결하는 역할과 지그비 라우터는 장치들의 그룹들 사이를 연결하는 역할과 멀티 홉 커뮤니케이션을 지원하고, 지그비 엔드 디바이스는 센서, 액추에이터, 컨트롤러로 구성되어 라우터 혹은 코디네이터와만 통신을 한다.WirelessHART는 프로세스 측정과 제어 애플리케이션을 위한 무선통신을 지원하는 IEEE 802.15.4 기반의 표준이다. WirelessHART는 기존 장치 및 시스템들과 호환가능하고, 메쉬 네트워킹, 채널 호핑, 타임 싱크로나이즈드 메시징, 보안과 저전력 동작을 지원한다.ISA100.11a는 저속 무선 모니터링과 프로세스 오토메이션 애플리케이션을 위해 설계된 표준으로, OSI 계층, 보안, 시스템 관리를 지원한다. 저전력, 확장성, 기반구조, 강건성과 다른 장치와의 연동성에 중점을 두고 설계됐고, 메싱과 스타 네트워크 토폴로지를 지원한다.IPv6 기반 저전력 WPAN(6LoWPAN)는 인터넷 접속이 필요한 애플리케이션들을 위해 개발된 IEEE 802.15.4를 기반으로 IPv6 패킷을 전송 가능하게 하는 표준이다. 저전력 장치들이 IP 장치들과 직접 전송을 할 수 있게 함으로써, IP 기술의 장점들을 얻을 수 있다. 6LoWPAN에서는 IPv6 패킷이 IEEE 802.15.4 프레임 크기보다 크기 때문에, 적응층을 통해 헤더 정보를 압축하며, 새로운 패킷 포맷과 통신을 위한 주소 할당을 지원한다.IEEE 802.15.3은 실시간 멀티미디어 등을 위한 고속 WPAN에 적합한 물리계층과 MAC 계층 표준이다. IEEE 802.15.3은 2.4GHz 대역에서 동작하고, 11Mbps에서 55Mbps의 전송속도를 지원하며, QoS를 위해 TDMA 방식을 사용한다. 또한 동기/비동기 전송을 지원하고, 전력소모, 데이터율 확장성, 주파수 성능이 고려된다. 무선스피커, 이동형 비디오 장치, 게임기기, 프린터, TV 등에 응용가능하다.Wibree는 저전력, 근거리, 저비용 통신을 가능하게 하는 표준으로, 저전력 장치들과 블루투스 장치들 간의 통신을 가능하게 한다. Wibree는 기존재하는 블루투스 RF를 사용하여, 상대적으로 더 적은 전력을 사용하고, 더 작은 장치의 제조를 가능하게 한다.5.3. 저장장치통상적으로 센서네트워크에서 얻어진 정보는 센서노드 자체의 저장 공간의 제약 때문에 기지국으로 전송됐다. 이 때, 전송되는 데이터를 줄이기 위해 데이터 집적 혹은 압축이 사용된다. 이러한 형태의 접근은 실시간 혹은 이벤트 기반 애플리케이션에 적합하나, 질의-응답형의 애플리케이션에는 적합하지 않다. 이러한 애플리케이션을 위해 통신비용과 저장 공간의 제약을 감안한 최적화가 필요하다.그래프 임베딩(GEM)은 센서네트워크를 위한 라우팅과 데이터 중심 스토리지를 지원한다. GEM에서는 먼저 라벨드 게스트 그래프를 선택하고, 이 그래프를 실제 센서네트워크 토폴로지에 내장하게 된다. 이 때, 센서 노드들은 자신의 위치가 기록된 라벨과 식별자를 할당받고, 이웃 노드들과 그 정보를 교환한다. 데이터 중심 스토리지를 지원하기 위해, 각각의 데이터는 라벨로 맵핑될 수 있는 이름을 가지고, 맵핑에 따라 다른 노드에 저장된다. 자료를 검색할 때는, 그 자료의 이름을 라벨로 맵핑하여, 그 자료가 저장된 노드에 질의를 보내게 된다. GEM이 동작하는 것을 보이기 위해 링 트리 그래프를 이용하는 virtual polar coordinate space(VPCS)와 VPCS를 이용하는 virtual polar coordinate routing(VPCR) 알고리즘이 개발되어 라우팅에 사용되었다.2단계 센서 스토리지 아키텍처(TSAR)는 인터벌 스킵 그래프를 이용하여, 멀티 레졸루션 혹은 정돈된 분산 색인을 구성함으로써 시공간과 밸류 쿼리를 지원한다. 센서노드들은 메타데이터들을 프록시로 보내고, 프록시 노드들은 이 메타데이터들에 대한 분산 색인(distributed index)과 자료가 저장된 노드들에 관한 정보를 생성한다. TSAR에서는 메타데이터만을 프록시로 전송하고, 프록시를 이용하여 질의에 응답하게 함으로써 에너지 소모를 줄였다.멀티 레졸루션 스토리지 시스템은 데이터 인텐시브 애플리케이션에서 장기간의 질의를 지원한다. 멀티 레졸루션 스토리지는 네트워크 상에서 웨이블릿 기반 서머리를 생성하여, 공간적으로 혹은 계층적으로 분해된 분산 자료 시스템을 구성하게 된다. 저장 시스템은 (1) 멀티 레졸루션 서머리를 만들기 위한 웨이블릿 프로세스 (2) 검색비용을 줄이기 위한 드릴 다운 쿼리 프로세스 (3) 오래된 서머리를 삭제하기 위한 에이징 프로세스로 구성된다.5.4. 테스트베드WSN 테스트베드는 통제된 환경 하에 놓인 센서들을 쉽게 원격 조정, 실행, 감시가 가능하게 하여, 실제 환경에 근접한 실험을 용이하게 한다. 연구자들은 WSN 테스트베드를 사용하여, 프로토콜, 알고리즘, 네트워크에 관련된 사항과 응용프로그램을 시험할 수 있다. 또한 분석을 위한 반복적인 실험도 가능해진다.차세대 무선 네트워크를 위한 공동이용 연구 테스트베드(ORBIT)는 1m 간격으로 배치된 64개의 원격접속 가능한 센서들로 구성된다. 각 노드는 1GHz VIA C3 프로세서, 두 개의 PCI 802.11 a/b/g 인터페이스, 두 개의 이더넷 포트, 내장된 섀시 매니저로 구성된다.MoteLab는 MicaZ mote 노드들로 구성되는 테스트베드로, mote 노드들은 스케줄링, 재프로그래밍, 로깅을 책임지는 중앙서버에 접속되어 있다. 사용자들은 웹 인터페이스를 통해 실험을 구성하거나 스케줄링할 수 있고, 실험결과는 웹 인터페이스 혹은 mote 노드들과 직접 접속을 통해 얻을 수 있다. MoteLab은 SQL 데이터베이스, 웹 인터페이스, DB 로거, 잡 데몬으로 구성되며, 새로운 프로토콜, 신호강도분석, 클러스터 분석 등의 연구에 사용되었다.Emulab은 XScale 기반의 스타게이트를 운반하는 로봇들과 mica2 mote들로 구성된 원격접속 가능한 테스트베드이다. 로봇들은 배터리로 구동되며, 최대 2m/s로 동작 가능한 두 개의 바퀴에 의해 움직이며, 장애물을 피하기 위한 센서들이 장착되어 있다. Emulab은 주로 모바일 노드들이 있는 환경에서의 연구에 사용되었다.5.5. 진단 및 디버깅 지원실제 환경에서 센서네트워크의 성공적인 사용을 위해서는 전체 네트워크상의 노드들의 성능을 측정하고 감시할 수 있는 진단 및 디버깅 시스템이 필요하다.Sympathy는 센서네트워크 상에서 고장의 검출 및 디버깅을 위한 진단도구이다. Sympathy는 특히 각각의 노드가 주기적으로 싱크 혹은 기지국에 정보를 보내는 자료 수집을 바탕으로 한 애플리케이션에 적합하다. Sympathy에서는 연결성, 데이터 플로우, 노드의 이웃들, 넥스트 홉의 메트릭과 싱크에서 각각의 노드들에게 전송되는 패킷의 정보를 수집하여, 고장의 위치를 개별 노드(self), 패스, 혹은 싱크로 규명한다. 이를 위해 싱크/기지국에서는, 자료수집, 자료분석 및 시험, 문제규명, 사용자에게 보고 등의 네 단계를 거쳐 네트워크상의 문제를 규명하게 된다.센서네트워크 상에서 패킷 전달 성능을 측정하기 위한 연구도 행해졌다. 물리계층과 MAC 계층에서의 전송출력, 인코딩 방법, 캐리어 센싱, 재전송 등의 파라미터에 따른 패킷 전달 성능을 사무실 건물, 숲, 주차장 등의 환경에서 측정한 연구가 행해졌다. 연구결과 비대칭 링크를 제거하는 토폴로지 컨트롤과 같은 방법으로도 패킷 전달율이 크게 향상될 수 있음이 밝혀졌다.6. 네트워크 서비스6.1. Localization임의적으로 배치되는 센서네트워크에서 각 노드의(상대적인) 위치를 찾아내는 문제를 위치측정이라고 한다. 위치측정 프로토콜은 GPS, 비컨(혹은 앵커) 노드, 혹은 프록시미티를 이용한 방법으로 분류될 수 있다. GPS를 이용한 위치측정은 단순하나, 센서네트워크가 배치되는 환경에 따라 GPS를 사용할 수 없는 경우가 있고, 센서노드의 비용을 크게 증가시키는 단점이 있다. 위치 정보를 가지고 있는 비컨(혹은 앵커) 노드들을 사용하는 방법은 일반적으로 확장성에 문제가 있다. 프록시미티 기반 위치측정은 이웃 노드들을 이용하여 위치를 추정한다. 여기에 몇 가지의 위치측정을 소개한다.무어의 알고리즘은 robust quadrilateral을 이용한 위치측정 알고리즘이다. 각 센서노드들은 1개의 홉 이웃 간의 거리를 측정하여, 최대 크기로 중첩된 robust quadrilateral의 서브 그래프를 구성한 후, 로컬 코디네이트 시스템 상에서의 위치를 추정한다. 이후 선택적인 최적화 과정을 거친 후, 로컬 코디네이트 시스템들 간의 변환을 거쳐 위치측정을 마치게 된다. 라디오 상호간섭 포지셔닝 시스템(RIPS)은 간섭신호를 만들어 내기 위해 두 개의 송신기를 사용하는 위치측정 시스템이다. 두 송신기가 근접한 주파수를 가진 두 신호를 만들어 수신부에서 두 신호의 상대적인 오프셋을 이용하여 상대적인 거리를 측정하여 위치를 추정한다.안전한 위치측정은 위치측정 포로토콜을 안전하게 하는데 초점을 둔다. SeRloc은 방향성이 있는 안테나를 가진 비컨(위치입력기) 노드들을 사용한 위치측정 프로토콜인데, 비컨 메시지들을 암호화하는 방법을 사용한다. 비컨 슈트에서는 비컨 노드가 다른 비컨 노드에게 위치정보를 요구함으로 그 행동을 관찰하여 악성 비컨을 찾아낸다. 분산된 평판과 신뢰에 기반한 보안(DRBTS)은 비컨 노드들 간의 상호감시와 투표를 통해 신뢰할만한 비컨을 사용하는데, 큰 네트워크에서 효율적으로 동작된다.센서네트워크안의 안전한 위치(SPINE)는 중앙집중적인 접근을 사용하는데, 각각의 노드가 최소한 세 개 이상의 참조점을 기준으로 위치를 정하게 하여, 위치를 속이는 것을 방지한다.모바일 지원 위치측정(MAL)은 모바일 유저가 고정된 센서노드와의 거리측정을 바탕으로 한 위치측정 프로토콜이다.6.2. 동기화센서네트워크에서 동기화는 저전력 소모를 위한 MAC 계층 혹은 라우팅 프로토콜, 센서에 의한 정보를 처리하기 위한 응용프로그램의 요구 사항을 맞추기 위해 필요한 서비스이다. 여기서 몇몇 동기화 프로토콜을 소개한다.속도적응 시간 동기화(RATS) 프로토콜은 동기율, 전 동기화 비컨의 히스토리, 추정 계획의 세 가지 파라미터를 측정, 분석함으로써, 롱 텀 클록 드리프트를 모델링한다. 이 모델링을 바탕으로 사용자의 요구 사항에 맞는 정확도를 유지하면서, 샘플링 주기를 최대한으로 하게 된다.리치백 파이어플라이 알고리즘(RFA)은 분산형의 동기화 알고리즘으로, 신경망 혹은 반딧불이의 동기화를 모델링한 것을 바탕으로 한다. 각각의 노드는 내부 시계 t가 고정된 주기 T에 이르면 t를 초기화한 후 신호를 발생하고, 이 신호를 받은 노드들은 신호를 발생할 때까지의 시간을 작은 상수의 함수만큼 감소시킨다. 이러한 과정을 통해서 전체 네트워크의 노드들이 동기화되게 된다.클록-샘플링 상호 네트워크 동기화(CSMNS)는 노드들이 IEEE 802.11의 주기적인 비컨 패킷에 타이밍 정보를 포함함으로써 동기화에 관한 정보를 교환함으로써 동기화를 이룬다.시간 동조(TSync) 프로토콜은 다중채널 라디오를 사용하여 동기화를 이루는데, 개별 노드가 레퍼런스 노드에게 패킷을 보내고 동기화에 쓰이는 채널을 할당받아 동기화를 이루는 풀 방식의 개체 기반 시간 요청(ITR) 프로토콜과, 레퍼런스 노드로부터 계층적인 구조를 이용하여 반복적으로 동기화 시키는 푸시 방식의 계층구성 레퍼런싱 시간 동기화(HRTS)를 제공한다.공격-저항 시간 동기화 프로토콜(ATSP)[2]은 보안 공격이 있는 환경에서 동기화가 가능하도록 설계된 동기화 프로토콜이다. ATSP는 클록들 간의 일시적 상관관계가 높다는 사실을 이용한다. ATSP에서 개별 노드들은 이웃 노드들의 정상적인 상태에서의 프로파일을 유지하여, 위조된 클록 값을 분산적이고 협동적으로 검출하며, 측정된 클록을 이용하여 높은 정확도를 유지한다. 또한 ATSP는 분산된 상호 동기화를 이용함으로써, 공격이 있는 경우에 그 영향이 공격이 있는 좁은 영역에만 한정되게 한다.6.3. Coverage특정한 영역에 대한 센서 커버리지 문제는 WSN의 유효성을 평가할 때 중요한 척도가 된다. 더 높은 정확도를 요구하는 애플리케이션일수록 높은 커버리지를 요구하게 된다. 현존하는 연구는 에너지를 보존하면서 원하는 커버리지를 얻는 분야와 센서 배치 전략으로 나뉜다.커버리지 구성 프로토콜(CCP)은 특정 커버리지 등급을 만족하도록 네트워크를 설정하는 분산형 프로토콜이다. CCP에서는 각 노드가 슬립, 액티브, 리슨의 상태를 가지게 된다. 센서노드들은 라디오를 끄고 대기하는 상태인 슬립 모드에서 타이머가 끝나면, 듣기 모드에 들어가게 된다. 듣기 모드에서는 이웃 노드들로부터의 hello 메시지의 수를 확인하여, 주어진 커버리지 요구사항이 만족되는지 확인한다. 요구사항이 만족되는 경우에는 슬립 상태로 변환하고, 아닌 경우에는 액티브 상태가 된다. 액티브 상태에 있는 노드는 이웃 노드들의 리스트를 확인하여 현재의 커버리지가 주어진 커버리지 요구사항을 초과할 경우에는 슬립 상태로 들어갈 수 있다.Minimal and maximal exposure path algorithms: 센서의 감도가 센서와의 거리의 함수로 나타날 때, 주어진 점에서의 노출된 모든 센서로부터의 감도 중 최대값으로 정의되고, 주어진 패스의 노출은 패스 상의 각점의 노출값이 적분으로 정의된다. 또한 최소(최대)로 노출된 패스는 주어진 두 점 사이의 경로 중 노출이 최소(최대)가 되는 경로로 정의된다. 최소경로 알고리즘으로 하나의 센서가 있는 경우에 클로즈 폼으로 표현될 수 있고, 여러 개의 센서가 있는 경우에는 클로즈 폼을 이용한 국지적 알고리즘이 제시되었다. 최대의 패스 문제는 NP 문제로 여러 휴리스틱들이 제안되었다. 최소의 노출 패스 알고리즘은 네트워크의 유효성을 평가하기 위하여 사용될 수 있고, 최대의 노출 알고리즘은 에너지 보존 등을 위한 네트워크 관리에 이용될 수 있다.6.4. 압축 및 집적압축 및 집적은 다량의 정보를 전송해야 되는 애플리케이션에서, 통신비용을 줄이고 안정적인 정보의 전달을 가능하게 한다. 정보의 중요도에 따라 데이터의 손실이 없는 압축 혹은 통신량을 줄일 수 있는 집적이 선호될 수 있다.시놉시스 디퓨전은 네트워크상에서 집적과 베스트 에포트 라우팅을 지원하는 프로토콜이다. 정확도와 신뢰성은 라우팅의 과잉으로 얻어지는데, 과잉의 정도를 네트워크 상태에 따라 조정함으로써, 에너지 사용을 줄일 수 있다. 분산 페이즈에서 쿼리 노드가 쿼리 메시지를 범람하게 하고, 집적 페이즈에서는 각각의 노드에서 측정된 값으로부터 생성된 시놉시스를 퓨전 펑션을 이용하여 결집시키게 한다. 이 값이 쿼리 노드에 전달되면, 평가 기능을을 이용하여, 원하는 측정값을 계산하게 된다.q-digest는 센서 정보의 분포를 얻어 복잡한 형태의 질의도 지원하는 in-network aggregation 프로토콜이다. 또한, 오차-메모리 트레이드 오프를 지원하며, 주어진 q-digest 구조에 따른 오차의 최대값을 특징짓는 신뢰 요인을 구할 수 있고, 다중 질의를 지원한다.6.5. 보안WSN은 무선통신을 이용하고, 노드가 물리적으로 외부에 노출되며, 특히 적대적인 환경에 사용가능하기 때문에 각종 보안 공격이 가능하다. 이러한 공격은 감청과 같은 수동적인 방법과, 패킷을 삽입, 삭제, 변조하는 능동적인 공격방법이 있다. 능동적인 공격방법은 구체적인 공격형태에 따라 스푸핑, 셀렉티브 포워딩, 싱크홀, 사이빌, 웜홀, 헬로 플루딩, 승인 스푸핑, 서비스 공격 거부 등으로 분류될 수 있다. 또한 센서노드들이 공격자에게 직접 노출이 될 수 있어, 공격자가 센서노드들을 변경한 후, 그 노드에 있는 키들을 취득하는 노드 캡처 어택이 가능하다. 이러한 공격에 대항하기 위해서는 센서네트워크에서 구동되는 모든 서비스들이 보안을 고려하여 설계되어야 한다. 따라서 센서네트워크에서 구동되는 많은 서비스들과 애플리케이션들은 보안 기능을 강화하여 개선되거나 새롭게 설계/구현되고 있다.이러한 개선 혹은 설계에는 일반적으로 암호화 기법이 사용되기 때문에, 키 매니지먼트의 중요성을 갖는다. 그런데 노드 캡처 어택이 행해졌을 때는 공격자가 유효한 키에 관한 정보를 얻으므로, 통상적인 암호화 방법이 아닌 리퓨테이션 시스템 등이 필요하다.이 문서에서는 센서네트워크 상에서 대표적인 키 매니지먼트 방법에 대한 소개와 여러 애플리케이션에서 공통적으로 사용될 수 있는 TinyOS에 포함된 링그 계층 프로토콜인 TinySec와 센서 노드의 무결성을 보장하는 PIV(Program Integrity Verification) 프로토콜을 소개한다. 또한 네트워크 서비스 등에서 보안을 고려한 프로토콜들도 같은 종류의 네트워크 서비스와 함께 소개되었다.랜덤 키 사전 분배[3]는 센서 노드들에게 상대적으로 적은 수의 키들을 배치하기 전에 저장하여, 센서 노드끼리 높은 확률로 공통된 키를 가지게 하는 방법이다. 예를 들어, 키 풀의 크기가 10000이라고 했을 때, 각 센서노드들이 75개의 임의의 키를 가지면, 임의의 두 센서 노드는 0.5의 확률로 공통된 키를 가지게 된다. 이 연구 이후로 이 연구를 개선하기 위한 다양한 키 사전 분배 방법들이 제안되었다.프로그램-보전 검증(PIV)[4]은 센서노드가 네트워크에 의해 사용되기 전에 랜덤 해시 펑션을 사용하여 센서 노드에 저장된 프로그램의 무결성을 검증함으로써, 조작되지 않은 센서노드들만 네트워크에 참여하게 하는 프로토콜이다. PIV는 (1) 공격자가 센서노드의 하드웨어 변경없이는 조작/역엔지니어링/재프로그래밍을 불가능하게 하고 (2) 소프트웨어적인 방법만 사용하며 (3) 검증과정의 실행을 드물게 하여 원래의 애플리케이션에 영향을 최소화한다.7. 통신 프로토콜WSN 상에서 돌아가는 응용프로그램들을 위한 안정적이고 에너지 효율이 좋은 통신 프로토콜의 개발은 중요한 문제이다. 따라서 프로토콜 스택 상의 각 계층은 에너지 효율이 좋아야 할 뿐더러, 여러 노드 상에 걸친 작동이 효율적이어야 한다. 여기서는 트랜스포트, 네트워크, 데이터 링크, 물리계층을 위해 제안된 프로토콜과 크로스 레이어 인터랙션에 관한 소개를 하겠다.7.1. Transport layer전송 계층은 소스와 목적지 사이의 자료 전송의 안정성과 품질을 책임진다. WSN에서 트랜스포트 계층은 다중 애플리케이션, 가변가능한 안정성, 손실복원, 정체제어를 지원해야 하며, 애플리케이션에 독립적, 범용적으로 설계되어야 한다.손실된 패킷을 복원하기 위해서는 매개 노드가 패킷을 캐시에 저장하는 홉 바이 홉 방식과 소스가 패킷을 캐시에 저장하는 엔드 투 엔드 방식이 있다. 일반적으로 홉 바이 홉 방식이 재전송 경로가 짧으므로 에너지 효율적이고, 엔드 투 엔드 방식은 가변가능한 안정성을 제공하기에 더 용이하다.정체제어는 정체를 감시하고 검출함으로써 에너지 보존을 꾀한다. 정체제어는 정체가 생기기 전에 소스 노드의 전송빈도를 줄이도록 하여, 재전송과 버퍼 오버플로를 방지한다. 정체제어 방식으로는 패스 상의 모든 노드가 버퍼 오버플로를 감시하는 홉 바이 홉 방식과, 종단 노드가 타임아웃 혹은 중첩된 ACK 메시지를 확인하는 엔드 투 엔드 방식이 있다.손실패킷복원과 정체제어에서 홉 바이 홉 방식과 엔드 투 엔드 방식은 애플리케이션의 종류, 안정성, 시간 감도에 따라 선호되는 방식의 차이를 보인다. 현존하는 전송계층 프로토콜들은 이러한 점들을 고려하여 설계가 되었다.센서 전송 컨트롤 프로토콜(STCP)은 가변가능한 안정성, 정체검출 및 회피, 다중애플리케이션을 지원하는 안정적인 전송계층 프로토콜이다. STCP는 기지국이 더 많은 자원을 가지고 있다고 가정하고, 많은 기능이 기지국에서 이루어진다. 소스 노드가 기지국으로 자료를 전송하기 전에, 플로의 수, 데이터 플로의 종류, 전송률, 요구되는 안정도의 정보를 담은 세션 개시 패킷을 보내서 세션을 만들어야 한다. 계속되는 데이터 흐름에 대해서는 기지국이 그러한 패킷의 도달시간을 측정하여, 필요한 경우에 NACK 패킷을 보내 재전송을 요구한다. 이벤트 드리븐 플로에 대해서는 기지국이 ACK을 보내고, 정체제어는 패스 상의 모든 노드들이 버퍼를 감시함으로써 이루어진다.GARUDA는 안정적인 하향 자료 전송계층으로, 싱크에서 센서노드들의 안정적인 전송을 지원한다. 신뢰도는 데이터를 (1) 모든 노드들이 데이터를 전송받는 것 (2) 특정지역의 노드들이 데이터를 전송받는 것 (3) 센싱 영역을 책임지는 최소한의 센서 노드들이 전송 받는 것 (4) 확률적으로 정해지는 일부분의 노드들이 전송 받는 것으로 정의된다.지연 감도 전송(DST) 프로토콜은 정체제어, 신뢰도, 시기적절한 패킷 전달을 고려한 전송계층이다. DST에서는 시간요구사항을 만족하는 패킷의 수가 지정된 신뢰도보다 낮을 때 소스의 전송률을 높임으로써 원하는 신뢰도를 얻을 수 있게 한다. 정체제어를 위해서는 모든 노드가 버퍼 오버플로와 딜레이를 감시하고, 정체발생 시에는 센서들의 전송률을 조정하게 된다.정체 검출 및 회피(CODA) 프로토콜은 에너지 효율이 좋은 정체제어방법이다. CODA는 버퍼와 채널을 감시하여 정체를 검출하고, 정체가 검출된 경우에 센서노드는 이웃 노드들에게 억제 메시지를 보내고 소스 방향으로 백프레셔 메시지를 보낸다. 백프레셔 메시지를 받은 노드들은 그 메시지를 재전송할 지의 여부를 결정하고, 패킷을 드롭하거나 전송률을 조정하여 정체를 줄이고자 한다. 정체가 지속될 경우에는 싱크가 다수의 소스에 대해 전송률을 조정하여, 정체를 없애게 된다.7.2. Network layer네트워크 계층은 소스에서 목적지까지의 라우팅을 담당한다. 센서네트워크에서의 라우팅은 기존의 네트워크상에서의 라우팅과 다음과 같은 차이점을 보인다. 무엇보다 센서노드들이 에너지, 메모리, 대역폭, 연산능력 등의 제한점을 가지기 때문에 이러한 점들을 고려하여 설계가 되어야 할 뿐더러, 많은 노드들 사이의 라우팅을 위해서 좋은 확장성을 보여야 한다. 또한 쉽게 관리가 가능해야 되고 효율적이면서 폴트 톨러런트 해야 한다. 마지막으로 적절한 보안이 지원되어야 한다. 여기서 대표적인 라우팅 프로토콜들을 소개한다.지오그래픽 라우팅은 위치측정 프로토콜을 이용하여 얻어진 센서노드들의 위치에 관한 정보를 이용해서 데이터를 전송하는 프로토콜이다. 지오그래픽 라우팅은 노드들이 자신의 위치와 이웃들의 위치에 관한 정보를 가지고 있다고 가정하고 패킷을 이웃 노드들 중에 목적지에 가장 가까운 노드로 빠르게 포워딩하는 라우팅 방법이다. 이러한 기본적인 지오그래픽 라우팅에 배달율 등을 고려한 개선된 알고리즘들이 개발되었다.지오그래픽 포워딩을 사용할 경우에는 노드의 ID가 아닌 위치가 네트워크 주소와 같이 사용되기 때문에, 동적인 노드들에게 자료를 전송하기 위해서는 동적인 노드의 ID를 그 노드의 현재 위치에 맵핑시키는 서비스가 필요한데 이를 위치 서비스라고 한다.분산 위치 서비스 프로토콜 (DLSP)[5]은 센서네트워크를 위해 설계된 위치 서비스이다. DLSP는 동적인 노드들이 계층적으로 위치 서버들을 선택하여, 주기적으로 혹은 스레드홀드 이상의 거리를 이동했을 때 자신의 위치를 위치 서버들에게 알린다. 모바일 노드의 위치정보가 필요한 경우에는 재귀적으로 위치 서버들을 접촉하여 원하는 정보를 얻을 수 있다. DLSP는 에너지 비용과 메모리 사용량에 있어서 확장성을 보이며, 위치정보 질의의 딜레이가 바운드되어 있고, 동적 노드가 상대적으로 매운 빠른 속도로 움직이거나 고장 있는 경우에도 안정적인 동작을 보인다.안전한 라우팅(SecRout) 프로토콜은 소스에서 싱크까지의 안전한 패킷 배달을 보장하는 프로토콜이다. SecRout는 클러스터 구조를 이용하는데, 소스에서 데이터는 먼저 클러스터 헤더로 전달되고, 클러스터 헤더는 그러한 데이터를 모아서 싱크로 전송하게 된다. 이 때 대칭암호화방식이 사용되는데, 클러스터 내부에서는 클러스터 생성 시 만들어지는 클러스터 키를 이용하고, 클러스터 헤더와 싱크 사이에서는 네트워크 배치 시 노드별로 다르게 저장되는 키를 이용하여 암호화한다.7.3. Data-link layer데이터 링크 계층은 두 노드 사이의 데이터 전송을 책임지는 계층이다. 센서네트워크 상에서의 미디엄 액세스 컨트롤(MAC) 프로토콜은 에너지 효율, 확장성, 동기화, 공평, 대역폭 사용효율, 플로 컨트롤, 에러 컨트롤 등을 고려한 설계가 되어야 한다.에러 검출은 주로 주기적 중복 체크(CRC)를 통해 이루어지며, 리커버리는 자동 반복 요청(ARQ), 전송 에러 수정(FEC), 하이브리드 ARQ(HARQ), 심플 패킷 조합(SPaC), 멀티 라디오 다이버시티(MRD) 등의 방법이 사용된다. 센서네트워크 상에서 에너지 효율, 높은 채널 사용효율, 충돌 회피 등을 고려한 여러 가지 MAC 프로토콜이 제안되었고, 여기에 일부를 소개한다.트래픽 어댑티브 미디엄 액세스(TRAMA) 프로토콜은 에너지 효율을 높이면서 채널 이용률을 높이도록 설계되었다. TRAMA는 데이터 전송과 제어신호의 교환을 위해 하나의 타임 슬롯 채널을 사용한다. TRAMA는 이웃 프로토콜(NP), 스케줄 변환 프로토콜(SEP), 어댑티브 일렉션 알고리즘(AEA)으로 이루어져 있다. NP를 이용하여 이웃들에 관한 정보를 교환하고, SEP를 이용하여 트래픽에 기반한 스케줄을 수립한다. 이 두 프로토콜을 이용하여 두 개의 홉 이웃과 그 노드들의 스케줄에 관한 정보를 얻는다. AEA는 이 정보들을 이용하여, 현재 슬롯에서 송신노드와 수신노드를 결정하고, 그 이외의 노드들은 저전력 모드에서 작동할 수 있게 한다.B-MAC는 저전력 소모를 위해 설계된 재설정 가능한 CSMA 프로토콜이다. B-MAC은 클리어 채널 어세스먼트(CCA)를 이용해 채널의 상태를 측정하는데, CCA에서는 채널 에너지를 반복적으로 측정하여 어떤 스레숄드값 이하의 값이 측정되면 채널이 이용가능하다고 판단함으로써, 채널 노이즈에 의한 영향을 줄인다. 또한 패킷을 전송을 하는 노드는, 슬립 타임에 비례하는 긴 전문을 전송하고, 슬립 모드에서 깨어난 노드는 저전력 듣기(LPL)를 이용해 수신할 패킷이 있는지를 확인을 하고, 그런 경우에는 라디오를 구동하게 된다. 또한 신뢰도를 높이기 위해서 링크 계층 ACK을 지원한다.Z-MAC은 TDMA와 CSMA를 결합한 MAC 프로토콜로, 높은 채널 이용률을 보이고, 높은 경합환경 하에서도 낮은 대기 시간을 보인다. Z-MAC은 기본적으로 CSMA를 사용하며, 경합 결정을 향상시키기 위해 TDMA 스케줄을 도입한다. Z-MAC에서는, 어떠한 슬롯의 오너가 우선순위를 가지지만, 다른 노드들도 채널이 비어 있으면, 그 슬롯에 데이터를 전송할 수 있다.Spatial correlation-based collaborative MAC(CC-MAC) 프로토콜은 중복적인 데이터의 전송을 방지하기 위하여, MAC 계층에서의 데이터 간의 공간 상호작용을 이용하는 프로토콜이다. CC-MAC은 두 개의 컴포넌트로 이루어져 있는데, 이벤트 MAC(E-MAC)은 어떤 사건의 발생 시 대표성을 가진 노드에게만 전송을 허용하여 채널경합을 줄이고, 네트워크 MAC(N-MAC)은 새로운 사건에 관한 패킷보다 라우팅 패킷에 우선순위를 주도록 설계되었다.7.4. Physical layer물리 계층은 물리적인 통신 매체에 비트 스트림을 전송하는 인터페이스를 제공한다. 물리계층은 전송과 수신, 변조를 수행한다. 또한 MAC 계층과는 에러의 검출과 수정을 위해 상호작용하고, 송신 및 채널 상태에 대한 정보를 공유한다.WSN의 에너지 소모를 줄이고 구동시간을 증가하기 위한 설계를 물리계층에서부터 시작해야 한다. 물리계층에서 사용되는 에너지는 라디오 회로를 구동하기 위한 고정된 에너지와 비트 스트림의 전송을 위한 가변적인 에너지로 나뉜다. 에너지 효율을 높이기 위해 적절한 송신 출력과 변조 방식의 선택이 필요하다.물리 계층을 설계할 때는 일반적인 WSN의 요구사항에 맞추어 작은 크기로, 적은 비용으로 생산할 수 있게, 저전력을 사용하도록 설계되어야 한다. 또한 간섭, 동기화, 멀티 캐스팅 등도 물리계층 설계에 고려되어야 할 점들이다.- Bandwidth choices대역폭에 따라 물리 계층 기술은 협대역, 대역확산, 초광대역으로 나뉠 수 있다. 협대역은 심볼 레이트와 유사한 대역폭을를 사용하고, 대역폭 효율에 초점을 둔다. 스프레드 스펙트럼은 광대역에 걸쳐 협대역신호가 분산되는데, 저전력, 저간섭의 특징을 지닌다. 초광대역 신호는 더 넓은 대역폭을 사용하고 다른 신호에 대한 간섭이 작고 저전력으로 구동이 가능하다.- Radio architecture물리 계층에서의 에너지 사용은 회로구동과 전송에 필요한 에너지로 나뉠 수 있다. 송신기와 수신기는 회로를 구동하기 위한 에너지가 필요하며, 송신기를 구동하기 시작할 때도 상당한 양의 에너지가 소모된다. 슬립 모드와 액티브 모드의 상태를 바꾸는 트랜스미터는 저전력과 적은 대기시간을 위해 빠른 스타트업을 위한 구조가 필요하다.- Modulation schemes라디오에서 사용되는 변조방식은 에너지 소모에 영향을 끼치므로, 에너지 효율이 좋은 변조 방식에 관한 설계가 필요하다.변조방식으로는 두 개의 심볼을 사용하는 바이너리 변조와 M개의 심볼을 사용하는 M-ary 변조가 있다. 스타트업 시간이 짧고, 전송출력이 낮을 때는, M-ary 모듈레이션이 에너지 효율이 더 좋은 것이 알려져 있다. M-ary를 이용한 여러 변조방식들로는 M-ary 주파수 시프트 키잉(M-FSM), M-ary 페이즈 시프트 키잉(M-PSK), M-ary 직교 진폭 변조(M-QAM) 등이 있는데 이들 간의 비교와 최적화에 관한 연구가 행해졌다.7.5. Cross-link interactionsWSN에서는 전통적인 계층 접근보다 크로스 계층 접근이 더 효과적이고 에너지 효율이 좋다. 크로스 계층 디자인에서는 전체 프로토콜 스택이 각각 독립적이 아닌, 하나의 시스템으로 간주되고, 계층별로 정보가 공유되어 더 효율적인 설계가 가능하다. 크로스 계층 접근을 사용한 예들을 여기에 소개한다.유니파잉 센서넷 프로토콜(SP)은 다른 라디오 장치 간의 이웃 리스트와 메시지 풀의 공유를 위해 설계되었다. 네트워크 계층에서는 연결 계층에서 제공되는 정보를 바탕으로 자료전송을 위한 노드를 선택하게 된다. B-MAC을 구동하는 mica mote와 IEEE 802.15.4를 구동하는 Telos mote를 이용하여 SP를 실험했을 때, 추가적인 오버헤드는 없는 것으로 밝혀졌다.EYES는 EYE MAC 프로토콜과 EYES 소스 라우팅(ESR) 프로토콜로 구성되는데, MAC 계층의 정보가 ESR과 공유된다. MAC 계층은 기본적으로 TDMA 방법을 사용하고, 토폴로지 체인지, 노드 및 통신 실패, 전력 듀티 사이클링을 책임지고, ESR은 DSR과 유사하지만, MAC 계층에서 제공한 정보를 이용하여 실패가 있을 때 더 빠르고 적은 비용으로 패스를 복원할 수 있다. EYES는 유사한 프로토콜인 S-MAC과 DSR에 비해 모바일 노드들이 있을 때 더 뛰어난 성능을 보인다. 모든 노드들이 정적일 때는 기존의 프로토콜들이 더 좋은 성능을 보인다.조인트 라우팅, MAC, 그리고 링크 최적화 접근: 이 연구에서는 네트워크 라이프타임을 최대화하기 위한 링크, MAC, 라우팅 계층 간의 크로스 레이어 설계의 최적화가 보여 졌다. 이 연구는 에너지 소모를 최소화하면서 라우팅 요구사항에 맞도록 타임 슬롯의 길이를 바꾸는 TDMA 방식의 MAC 프로토콜이 제안되었다.유니파이드 크로스 레이어 프로토콜은 전송, 네트워크, 데이터 링크 계층을 결합한 유니파이드 크로스 레이어 모듈(XLM)을 이용하여 에너지 효율이 좋고 안정적인 통신을 한다. XLM은 링크가 통신하기 위해 안정적이고, 아웃고잉 레이트가 인커밍 레이트 보다 높고, 버퍼 오프플로가 없고, 충분한 에너지만 있을 때 리시브 컨텐션 오퍼레이션을 통해 커뮤니케이션에 참여한다. 리시버 컨텐션 오퍼레이션은 리시버 기반 라우팅에 기반을 두고 있는데, 이는 패킷을 전송할 때 우선순위를 정하기 위해 라우팅 계층을 사용한다. 시률레이션 결과에 따르면, 기존의 계층화된 방식보다 나은 성능을 보인다.8. 결론다른 네트워크와 달리 WSN은 특수한 형태의 애플리케이션을 목적으로 한다. WSN의 애플리케이션은 환경 감시, 환자상태관찰, 산업 기계 감시, 상호감시, 군사 목표물 추적 등에 응용될 수 있고, 앞으로 더 많은 응용분야가 생길 것으로 기대된다. 다양한 애플리케이션의 요구 사항의 차이로 여러 가지 새로운 프로토콜, 알고리즘, 설계, 서비스를 필요로 한다.이 논문에서는 (1) 센서 내부 시스템 및 운영체제, (2) 통신프로토콜 스택, (3) 네트워크 서비스의 분류에 관한 기존의 연구를 소개했다.일반적으로 이 논문은 센서 및 센서네트워크에 관련 된 많은 주제들을 광범하게 다루었다. 보안, 폴트 톨레런스, 소프트웨어 및 응용 예를 더 깊이 다루었으면 하는 아쉬움이 있지만 이 논문은 센서네트워크연구 또는 응용을 시작하고자하는 연구원 및 엔지니어들에게 유용한 참고 자료다. 이 논문에서 다룬 모든 주제들이 연구 토픽으로 좋지만 전력감소, 보안, 폴트 톨레런스, 센서네트워크 응용이 연구 테마로 가장 적절하다고 생각한다.참고문헌1. Computer Networks, "Wireless sensor network survey", Jennifer Yick, Biswanath Mukherjee, Dipak Ghosal, 20082. Proc. of IEEE Infocom, "Attack-Tolerant Time-Synchronization in Wireless Sensor Networks", Xin Hu, Taejoon Park, Kang G. Shin, 20083. Proc. of ACM Computer and Communications Security (CCS), "A key-management scheme for distributed sensor networks", Laurent Eschenauer, Virgil D. Gilgor, 20024. IEEE Tran. of Mobile Computing, "Soft Tamper-Proofing via Program Integrity Verification in Wireless Sensor Networks", Taejoon Park, Kang G. Shin5. Proc. of IEEE RTSS, "Design of Location Service for a Hybrid Network of Mobile Actors and Static Sensors", 2006
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