무선PAN(Wireless Personal Area Network, WPAN)에서 Zigbee의 저전력화와 채널간섭을 개선하고자, Zigbee망의 전력소모와 통신패턴을 분석하였다. Zigbee의 ad-hoc특성인 토폴로지 변화로 인한 동적 망구성시 토폴로지의 저전력화를 위해 종단장치(end device)들이 채널검색주기를 설정할 때 종단장치의 배터리 수명을 고려한 통신패턴을 분석하였다. 또한, Zigbee의 Random Back off 통신방식에서 무선랜(WLAN)과 채널간섭을 고려한 통신패턴도 분석하였다. 이로서, Zigbee의 종단장치의 배터리 수명을 연장하고자 종단 장치의 채널검색 주기를 설정하는 통신패턴을 설정하였으며, Zigbee의 협력장치(coordinator)와 종단장치 사이의 최적의 통신패턴의 분석을 통해 채널간섭을 최소화 할 수 있었다.
본 논문에서는 Zigbee Alliance의 표준에 따라 Application support sub-layer (APS)와 Zigbee device object (ZDO)를 설계하고 구현한다. 본 논문에서 구현된 Zigbee는 Zigbee Alliance의 표준안 1.0을 만족하도록 설계되었다. 본 논문에서 설계되고 구현된 APS와 ZDO를 이용하여 Zigbee 네트워크를 구성하고 운영할 수 있다.
Zigbee는 단말에 대한 경제성이 뛰어나고 저 전력통신을 이용하기 때문에 수명이 길다. Mesh, Tree, Star 등 다양한 방식의 토플리지 구조를 지원 하며 확장성이 뛰어나 군사적인 용도, 환경 모니터링 시스템 등 많은 분야에 사용되고 있다. 최근 스마트그리드환경을 구축함에 있어 Zigbee는 HAN(Home Area Network)에 표준으로 사용될 예정이며 현재는 Zigbee를 이용한 AMR(Automatic Meter Reading)을 시범 중에 있다. 일반적으로 ZIgbee Network은 ZC(Zigbee Coordinator), ZCH(Zigbee Cluster Head), ZE(Zigbee End Device) 3가지로 구성되며, Zigbee Network에서 발생할 수 있는 취약점은 허가되지 않은 디바이스의 접근, 라우터의 흐름을 조작하는 방법, ZC(Zigbee Coordinator)와 ZE(Zigbee End Device)사이의 키 전송 시 안전하지 않은 채널을 이용하여 전송되는 문제가 발생된다. 본 논문에서는, TCP(Third Party Center)를 이용함으로써, ZE와 ZC간의 키 생성 시 발생하는 취약점을 보완하였다. 또한 인증절차를 강화함으로써 ZE(Zigbee End Device)에서 발생 할 수 있는 취약점을 보완하고자 하였으며 RS(Register Server)를 이용하여 HAN에 존재하는 디바이스에 대하여 실시간 모니터링이 가능하게 하였다.
본 논문에서는 유비쿼터스 헬스케어를 위한 Zigbee/PLC 게이트웨이 시스템을 구현하였다. 게이트웨이를 이용하여 Zigbee 통신과 전력선 통신 간의 원활한 정보 교환을 위한 프로토콜 변환 알고리즘을 설계 및 구현하였다. Zigbee/PLC 게이트웨이 시스템은 센서 모듈, Zigbee 모듈, 전력선 모뎀, 게이트웨이로 구성되며, 움직이는 물체가 무선 센서에 감지되면 Zigbee 모듈을 통해 게이트웨이로 전송된다. Zigbee/PLC 게이트웨이에서는 전송받는 데이터를 분석하여, 실시간 모니터링을 위해 전력선 통신망을 통해 외부로 전송된다. 구현된 시스템은 독거노인 활동량 분석, 방범 시스템, 홈 네트워크 서비스 등 다양한 분야에서 활용가능하다.
현대에 컴퓨터를 기반으로 무선으로 데이터를 측정하고 제어하는 device들이 보편화되어 있으며, 낮은 가격으로 높은 성능을 낼 수 있는 device들이 각광 받고 있다. 그리고 산업 환경에서 유선 이용이 불가능한 곳이나 직접 사람이 들어갈 수 없는 위험한 장소의 거리 측정 할 때 Zigbee 통신 Solution을 이용한다면 공간의 제약 없이 컴퓨터로 데이터를 분석 처리 할 수 있다. Zigbee 통신은 기존의 RF나 bluetooth등에 비해 전력소모에서 효율적이고 battery 사용을 장시간 사용할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한 시스템 구현 비용이 아주 저렴하기 때문에 네트워크에 많은 노드들을 설치 할 수 있다. 이에 본 논문에서 구현한 거리 측정 무선 송/수신 시스템은 여러 개의 LMC(Laser Measuring Control)와 이에 상응하는 여러 개의 Slave Zigbee에서 하나의 Master Zighee 까지 무선으로 데이터를 송신한다. Master Zigbee는 LMC에서 측정한 데이터들을 수신 받아 컴퓨터로의 처리를 하고자 하였다.
Zigbee Alliance에서 표준화 진행 중인 Zigbee Stack을 가진 Zigbee 시스템은 통신매체로 RF(Radio Frequency)를 사용한다. 본 논문에서는 RF를 사용하는 기존의 Zigbee 시스템이 신호감쇄 문제나 주파수 공유로 인한 간섭문제 등에 약한 점을 고려하여 유선통신 매체로서 Power Line을 사용하는 PLC 시스템과의 인터페이스를 제안한다. 제안된 시스템은 Zigbee 시스템과 PLC 시스템간에 UART 인터페이스를 가능하게 함으로써 Zigbee 네트워크의 한계를 극복할 수 있으며 Zigbee 시스템의 적용 범위 및 성능 향상을 기대할 수 있다.
본 논문에서는 지그비를 이용한 이동 로봇의 자율주행의 선행 연구로서, 메시 네트워크가 가능한 Zigbee Pro 표준안을 지원하는 CC2520을 기반으로 한 지그비 모듈을 개발하였다. 제작 후 성능 개선의 방법으로 지그비 무선 주파수 대역에 맞는 안테나를 네트워크 분석기를 이용하여 선택하였다. 또한 지그비 모듈의 임피던스 매칭을 실행하여 무선 통신의 가능한 송 수신 거리를 늘렸으며, 통신의 안정성을 확보하였다.
본 논문에서는 ZigBee를 이용한 모바일 단말 및 리더기를 설계하고 개발된 리더기와 단말기 사이의 통신 프로토콜을 설정한다. 그리고 zigbee 단말기에서 전송하는 데이터를 호스트에서 수집, 가공 및 처리할 수 있는 정보시스템을 구춘한다. 모바일 단말은 라우터 또는 엔드 포인트 역할을 수행하며, 리더기는 코디네이트 역할을 수행한다. 본문에서 소개하는 단말과 리더기는 하드웨어적으로 구성이 같다. 지그비 모듈은 RadioPulse 사의 MG2455-F48 모듈을 사용하였다.
무선 홈 네트워크 환경에서 넓은 확장성과 저전력이 통신이 기능한 Zigbee는 홈 네트워크에서 가장 이상적인 통신기술이다. 하지만 Zigbee는 숨겨진 단말 문제와 전송 지연 문제를 항상 가지고 있어 무선 홈 네트워크에서 많이 사용되고 있지 못하고 있다. 이런 Zigbee가 가지고 있는 두 문제를 해결하기 위해 본 논문에서는 새로운 프레임을 제안한다. 제안하는 프레임은 슈퍼프레임 구간을 줄여서 생기는 공간에 제어 프레임 구간을 추가하는 구조를 이루어져 있다. 새롭게 구성된 제어프레임 구간에서는 제어프레임을 이용하여 단말의 상태 정보를 교환하여 숨겨진 단말 문제를 해결할 것으로 예상한다. 또한 제어 프레임 구간과 슈퍼 프레임 구간사이에 동기화에 사용되는 비콘을 넣어 하위 계층에서 발생하는 전송 지연 문제를 해결할 수 있다고 예상한다. 제안하는 프레임이 숨겨진 단말 문제와 전송 지연 문제를 해결하였는지 확인하기 위해 OPNET을 통해 Zigbee Qos Parameter 환경에서 시뮬레이션을 하였다. 전송 지연 문제를 해결여부를 확인하기 위해 전송지연시간을 측정하였으며, 숨겨진 단말 문제를 해결여부를 확인하기 위해 전송률과 처리율을 측정하였다.
본 논문에서는 무선 센서 네트워크에서의 Zigbee 및 Wifi를 이용하여 데이터 크기에 따른 효율적인 전송방법을 제안한다. 기존의 Zigbee와 Wifi를 혼합한 무선 센서 네트워크 방식에서의 Zigbee 방식은 문자를 전송하고, Wifi 방식은 이미지와 동영상을 나누어 전송한다. 이와 같이 기존 연구 방식은 데이터 형식에 따라 전송 방법을 다르게 선택하여 전송한다는 문제점이 발생한다. 또한, 일괄적으로 집약된 데이터의 경우 형식이 문자라도 크기가 큰 데이터는 Zigbee의 전송 속도의 한계로 인해 Wifi로 송신하는 것보다 비효율적인 경우가 발생한다. 따라서 본 논문에서는 데이터 형식이 아닌 데이터 크기와 Zigbee 및 Wifi의 전송 효율을 고려하여 전송 방식을 선택하는 방법을 제안한다. 주어진 모의 실험결과 데이터의 형식이 아닌 데이터 크기에 따라 전송방법을 선택하여 전송 효율 향상 및 영상과 센싱 데이터의 연동성 알고리즘 구조에 따른 편의성이 제공되는 결과를 얻을 수 있었다.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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