본 기술은 상수시설 수질관리용 광역/고신뢰 환경 모니터링 기술 실현에 적합한 원격 무선 송수신기 및 데이터 처리 기술에 관한 것이다.
본 기술은 소규모 상수시설의 원격 무선 광역 센서망 시스템에 적합한 Sub-GHz 대역의 IEEE802.15.4g-2012 PHY 기반 센서노드/중계노드/싱크노드 및 게이트웨이 플랫폼, IEEE 802.15.4e-2012 DSME MAC S/W 및 IEEE 802.15.4e 기반 Network을 최적 구현하여 상수시설의 수질관리를 위한 고신뢰 지원 원격 무선 송수신기 및 데이터 처리 기술개발이 필요하다.
본 기술에서의 주요 특징은 실외 광역 환경에서 소규모 상수시설 수질관리를 위한 고신뢰 지원 IEEE 802.15.4e-2012 DSME MAC 기능을 지원할 수 있는 멀티홉 기반 TDMA/시각동기 기능 및 Tree/Star/Star-Mesh/Full Mesh 센서망 구성이 가능하고, 분산/집중 방식의 토폴로지 구성 및 스타-메쉬형태를 이용한 네트워크의 확장성 제공이 가능하고, 2가지의 동기형 채널 다이버시티(채널 호핑 및 채널 적응) 기능을 제공할 수 있다.
본 기술은 IoT 센서네트워크에 사용되는 다양한 요소 기술 중 IEEE802.15.4-2006 MAC 규격과의 호환성을 가지고, peer-to-peer 통신 기능, 다중홉 환경에서의 시각 동기 기능을 가지며, 채널 호핑을 위한 프로시저 정의, 타임슬롯 자원 할당 알고리즘을 갖는 고신뢰/저지연 IoT 서비스를 위한 사물인터넷 DSME MAC 기술을 포함하는 센서네트워크 운격 무선 전송 송수신기 및 데이터 처리 기술에 대한 것이다.
Sub-GHz 대역 지원 IoT 전송 플랫폼은 중계노드 홉간 전송 거리를 확장하고 보다 고신뢰 데이터 전송을 위하여 적용할 수 있으므로 광역/원격 모니터링/제어 네트워크에 최적화 구현하였다.
본 기술이전의 목적은 국내에서 개발된 원격 무선 송수신기 및 데이터 처리 기술을 산업체에 이전하여 조기 상용화를 지원하고 국내 사물인터넷 기술 확산 및 산업 활성화에 기여하는 것이다.
광역/고신뢰 환경 모니터링을 위한 원격 무선 송수신기 및 데이터 처리 기술에서의 시분할 MAC 기술(이하, 고신뢰 시분할 MAC으로 칭한다)은 Low-Rate Wireless Personal Area Network의 PHY 및 MAC에 대한 표준인 IEEE802.15.4 표준을 기반으로 구성되어 있다. 기존의 IEEE802.15.4-2006 에서의 규격의 한계를 극복하고 시장에서의 요구사항을 만족하기 위하여 RF 전송 신뢰성 향상 및 실시간성을 지원하는 시분할 MAC 규격의 주요 기능은 아래와 같다.
- 멀티채널 사용으로 채널 간섭 및 혼잡 에 따른 무선 데이터 전송 손실을 크게 줄여 높은 신뢰성을 보장함
- 멀티홉 TDMA 방식의 매체 접근제어 방식 지원으로 데이터 전송 지연시간을 줄여 시의성을 만족함
- TDM 구조 적용으로 우수한 저전력 기능
- 실시간성 보장을 위해 GTS 기능을 개선한 TDMA 구조의 유연성 확장
- 동/이종 RF 간섭에 대한 신뢰성을 높이기 위해 멀티 채널 기술 적용
- 중앙 집중 방식의 자원할당을 할 수 있도록 하여 네트워크 관리에 신축성 제공
- 동기방식의 저전력 스케쥴링 기능으로 무선 노드의 배터리 운영시간을 크게 늘려 저전력 지원을 보장함
- 시각 동기 기능
고신뢰 시분할 MAC의 기본 구조는 아래 그림과 같다. IEEE802.15.4-2006 Primitive를 통해 상위 계층에 표준화된 API를 제공한다. 각각의 Primitive들은 기능에 따라 시분할 MAC 모듈들(Scheduler, RX, TX, Superframe, Security 등)과 연계되어 MAC의 다양한 기능들을 제공한다.
고신뢰/저지연 지원 네트워크 계층은 아래와 같은 주요 특징을 가진다
- 중앙집중식 타임슬롯 할당 알고리즘을 바탕으로 멀티홉 무선 데이터 전송지연을 최소화함
- 메쉬 토폴로지 기반의 다중경로 라우팅 기능으로 종단 노드간 데이터 전송 신뢰성을 크게 향상 시킴
- 다양한 응용서비스를 지원하기 위한 시스템 설계 및 재구성이 용이 함
센서노드는 수질센싱 데이터 처리 및 무선 송수신 기능을 수행하는 센서노드 제어 모듈과 전원 및 다양한 인터페이스를 제공하는 인터페이스 모듈 등 2종을 제공한다.
수질관리 센싱 데이터를 관리서버로 전달하기 위하여 센서노드가 구성하는 센서 네트워크와 관리서버가 연결된 IP 코어 네트워크간에 이종망 상호연동 기능을 제공하는 게이트웨이를 제공한다. 고성능 저전력 특징을 가진 ARM-11 코어 기반의 MCU를 탑재하여 데이터 통합 기능을 수행하는 게이트웨이와 자체 프로토콜 변환 처리 기능 및 센서네트워크 인터페이스를 위한 싱크노드와의 연동 기능을 지원한다.
본 기술은 상수시설 수질통합관리 시스템의 핵심기술을 위한 “원격 무선 송수신기 및 데이터 처리 기술개발” 로써 다음의 기술 사양을 지원한다.
o 고신뢰/시의성 지원 DSME MAC S/W 기술
- 저전력 멀티홉 통신 기술
. 센서네트워크 수명을 극대화하기 위한 시분할 통신 기술
. 노드간 자원 협상을 통해 기존의 WPAN용 MAC 프로토콜에서 취약했던 중계 노드에서의 저전력 성능 향상
- 시의성 지원 고신뢰 통신 매체 접근 기술
. IEEE802.15.4e-2012 MAC 표준 기술로써 시분할 접근 방식을 이용하여 센서 정보의 단대단 전달 지연 최소화 기술
. 채널 다중화를 이용하여 동종 및 이종의 무선 기기의 간섭 영향 최소화 기술
- 멀티홉 시각 동기 기술
. 서비스 반경을 확장하기 위한 멀티홉 네트워크 구성시 시분할 기반 다중화를 위해 필수적인 멀티홉 시각 동기를 제공
- 데이터 전송 신뢰성 및 저전력을 위한 ID 기반 time-slot 할당 및 TDMA 전송 기능
- 데이터 전송 실패 시 재전송을 위한 멀티 채널관리 기능
- 점-대-점 기반의 Star 토폴로지를 지원하는 전송망 구조
o 고신뢰/저지연 지원 Network S/W 기술
- 신뢰성 지원 멀티홉 망구성 및 라우팅 기술
- 종단 노드간 전송 지연 시간 최소화 기술
- 계층적 어드레스 할당 및 매칭 기술
o 고신뢰/시의성 지원 무선 노드 플랫폼 기술
- Sub-GHz 대역 센싱 데이터 처리 및 광역 무선전송 노드 플랫폼 기술
- 고신뢰/시의성 지원 센서노드 제어 모듈 (센서노드/중계노드/싱크노드) 설계 기술
- 센서노드 인터페이스 모듈 설계 기술
- 고신뢰 센서네트워크 게이트웨이 제작
① 원격 무선 송수신기 및 데이터 처리 기술
아래와 같이 소프트웨어 소스코드, 특허 실시권 및 관련 기술문서를 제공한다.
* 소프트웨어
(1) 고신뢰/시의성 지원 DSME MAC S/W Source Code (Test Software 포함)
(2) 패킷 스니퍼 프로그램 (실행 파일)
(3) 센서 시뮬레이터 프로그램 (실행 파일)
(4) 고신뢰/저지연 지원 Network S/W 기술
* 기술문서
(1) 원격 무선 송수신기 및 데이터 처리 기술 요구사항정의서
(2) 원격 무선 송수신기 및 데이터 처리 기술 시험계획서
(3) 원격 무선 송수신기 및 데이터 처리 기술 시험절차서-시험결과서
* 특허
(1) 슬랏 관리 장치 및 방법 (출원완료, 한국)
* 노드 플랫폼 개발 보드
(1) Sub-GHz 대역 센서노드 제어 모듈 (센서노드/중계노드/싱크노드)
(2) 센서노드 인터페이스 모듈
(3) Sub-GHz 대역 고신뢰 센서네트워크 게이트웨이
본 기술은 상수시설 수질관리용 광역/고신뢰 환경 모니터링 기술 실현에 적합한 원격 무선 송수신기 및 데이터 처리 기술로 다양한 응용의 기본 기술로 사용된다.
○ 기술/시장 경쟁력 확보
- IEEE 802.15.4-2006/2012 국제표준기술에 기반한 기술 선점 및 조기 상용화 적용으로 국내외 시장 경쟁력 강화
- 시장 규모
● 2015년 센서노드 국내 시장 규모: 2천억원 예상
● 2015년 센서노드 국외 시장 규모: 14.7억불 예상
- IoT 센서노드 시스템 및 부품 관련 산업의 내수 창출, 수출 촉진
○ 고신뢰, 저지연, 저전력 특성을 요구하는 다양한 서비스에 적용 가능하다.
● ESL 태그 노드 및 게이트웨이
● 스마트 그리드, 산업자동화, 공정관리, 방재/재해, 환경관리, u-헬스케어 등
○ IoT 기반 센서노드, 싱크노드 및 게이트웨이 플랫폼을 통한 광역/원격 모니터링/제어 서비스 기술로 활용
○ 수년 내에 급속한 확산이 기대되는 IoT 기반 센서네트워크 구성 시, 근간이 되는 네트워크 플랫폼 기술로 활용 가능