유비쿼터스 센서 네트워크(USN, Ubiquitous Sensor Network)

출처

USN 이란?

• 저전력, 저속도, 근거리 통신을 사용.

• 간접 접속이 아닌 상시 접속에 의한 자연스러운 통신 기술이 필요.

• USN

  • 센서가 센싱(Sensing)후 얻은 데이터를 가공 (Computation)하고, 가공한 데이터를 ZigBee 기술을 통해 무선 네트워크로 보내는 것.

  • USN의 구성은 센서 노드, 서비스 플랫폼, 응용으로 구성되어 있고 이를 이해하려면 알아야 하는 기술 컨셉

  

• ex) 하나의 노드에서 주변에 있는 데이터를 센싱을 한다는 것

  1) 어느 한 노드 부근에서 도둑이 지나갈 때 가장 가까이 있는 노드가 데이터를 얻게 됨

  2) 이때 센싱된 데이터는 전부 아날로그 데이터,

  • 노드가 가지고 있는 마이크로 프로세서와 ADC (Analog to Digital Converter)가 아날로그 데이터를 디지털로 바꾸어 줌

  3) 이렇게 바뀐 데이터를 통신을 통해서 전송하기 위해 Pachet으로 Paking

  이런 가공과정을 Computation 이라 함.

  4) 데이터를 무선으로 전송하고 이때 전송 방식은 IEEE802.15.4 전송 규약을 사용한다.

  • 이 IEEE802.15.4 (아이트리플이 802.15.4) 기술을 Zigbee (지그비) 기술이라 칭함.

  ※ 유비쿼터스 센터 네트워크는 Zigbee 기술을 기본으로 하고 있다

  • 유비쿼터스 센서 네트워크의 무선 전송 방식은 IEEE802.15.4 라는 전송 규약을 따른다.
    • 이 IEEE802.15.4라는 기술을 Zigbee 기술이라 한다.

• USN = 유비쿼터스 센서 네트워킹

  • 어느 곳에서나 부착된 센서로부터 사물 및 환경정보를 감지, 저장, 가공, 전달해서 인간 생활에 폭넓게 활용하는 네트워크

센서 네트워크 5가지 기술 요소

1) 브로드 밴드 (Broadband)를 통하여 동영상을 이용하는 정보량이 풍부한 통신,

2) 모바일 단말기를 통한 '언제 어디서나'의 실현

3) 상시 접속에 의한 자연스러운 통신

4) 베어프리(Barrier-Free) 인터페이스로 어린이, 고령자, 장애인 모두 쉽게 이용할 수 있는 것

5) IPv6을 이용한 ID가 부여된 단말기 수의 대폭적인 증가가 뒷받침 되어햐 함

USN의 구성 요소

• 센서노드, 서비스 플랫폼, 응용으로 구성

1) 센서 노드로부터 데이터를 받아서

2) 그 데이터가 서비스 플랫폼으로 옮겨진

3) 후 응용 프로그램으로 옮겨 지는 것.

• 그 결과 브로드밴드가 가져오는 유통 콘텐츠가 대용량화 되고, 모바일 IPv6가 가져오는 네트워크에 접속되는 기기가 증대 됨

• 상시 접속, 배리어 프리 인터페이스가 가져오는 사용자과 네트워크 관계성의 다양화 등의 변화가 일어남

  • 변화는 각각독립적으로 일어나는 것이아니라, 복합적 상승적으로 일어남.

USN의 특징

1. 저가이면서 공격받기 쉬운 많은 센서 노드로 구성

   • 1~65,000개의 노드로 센서 노드의 위치는 사전에 정해지지 않는다.

   • 각 센서 노드는 저가로 구현되어야 한다.

   • 간접 저항하는 노드를 구성하기 어렵다.

2. 저전력 소비 특성

   • USN의 노드의 구조 및 특성은 소비 전력에 크게 의존한다.

   • USN 토폴로지 및 동작 특성 등은 소비 전력에 크게 의존한다.

3. 자가 설정이 가능한 네트워크

   • 수많은 노드 및 복잡한 네트워크 구성으로 인해 사전 구성이 어렵다.

   • 센서 노드의 실패 가능성 및 새로운 센서 노드 추가 시 USN 설정이 가능해야 한다.

   • Ad-hoc 네트워크 특성을 가진다.

4. 보안 특성 및 협력적 특성

   • 기존의 보안 위협 ( 도청, DOS 공력, 프라이버시 침해 문제 ) 및 USN만의 보안 위협이 존재 한다.

   • 지협적 동작들이 협력적으로 수행되어 어떤 웒는 동작을 수행한다.

USN의 기술 요소

• 센서 노드 기술

  • 센싱, 컴퓨팅, 무선통신 기능을 갖춘 초소형장치로서 노드 간에서 자율적으로 네트워크를 형성하여 외부의 환경 정보를 획득, 처리 및 제어 기능을 수행하는 U-센서 (유비쿼터스 센서) 네트워크의 핵심 소자 기술

• 배터리 기술

  • 센서 노드에 장기적으로 안정적 전력을 공급하여 소자의 원활한 구동을 가능하게 해주는 핵심부품 기술

  • 1차 전지뿐만 아니라 자가 충전 기능이 추가되는 형태의 태양 전지나 무선 급전 방식 등의 다양한 기술들이소개되고 있다.

• 센서 기술

  • 인간의 오감 ( 시각, 청각, 촉각, 후각, 미각 )을 대신하여 물리계 또는 환경계의 현상을 정량적으로 측정하여 정보를 검출하는 소자 및 시스템으로서 센서 노드의 중요한 구성요소이다.

• 저전력 기술

  • 센서 네트워크의 전원은 교체가 불가능한 베터리에 의존하므로 저전력 기술 및 효과적인 전력 소모 기술은 각 노드의 수명 뿐만 아니라 전체 네트워크와의 수명과 직결, 시스템 차원의 저전력 기술이 필요하다.

• 운영체제 기술

  • 센서 노드에 탑재되는 운영체제는 프로세싱과 메모리 자원이 매우 제한적인 환경에서 수행되는 초소형을 요구하는데 센서 네트워크 응용이 용이하도록 하드웨어와 상위 미들웨어와의 인터페이스가 효율적으로 설계되어야 한다.

• 무선 센서 네트워크 기술 구성도
  • 센서 노드, 게이트 웨이, 싱크노드 ,BnN
    
    
    
• 그림과 같이 자율배치 및 네트워크 구성 기술이 필수적
  • 센서 네트워크는 접근이 용이 하지 않은 지형이나 재해구조 응용에서오 같이 임의의 위치에 배치되기 때문에, 노드들이 자동적으로 네트워크 수송을 할 수 있도록 저전력형의 초소형 센서 노드 기술 개발 및 구성이 필요
    
    
  • 센서네트워크는 센싱 정보와 실행기의 제저 정보를 센서 노드들 간에 분산하여 저장하거나 또는 무선 통신에 기반하여 싱크 노드에 전달하기 때문에 센서 노드는 이들 정보를 제어하고 관리하여 전력소모를 줄이면서 효울적으로 사용자의 요구게 따라 전달하거나 처리할 수 있도록 배치 운영 통신할 수 있어야함.

Ad-hoc 네트워크 구성

• USN 에서 사용하는 네트워크의 구성 : Ad-hoc 방식

  • 별도의 베이스 스테이션 없이 무선 통신 및 네트워크 능력을 갖춘 두개 이상의 장비로 구성된 네트워크

• 센서 노드

  • USN에서 사용하는 네트워크의 센서 노드의 수 = Ad-hoc 네트워크에서 사용하는 노드 수의 수 배가 될 수 있고,

  • 센서 노드는 밀집되어 분포

  • 센서 노드의 오작동 허용

  • 센서 네트워크의 토폴로지는 매우 수시로 변화함

  • 센서노드는 브로드캐스트 통신 환경 사용

  • 전력, 컴퓨팅 능력 메모리에 제한적

  • 센서의 개수와 오버해드 때문에 글로벌 인식자를 가지지 않아야 함

• Ad-doc 네트워크의 실생활 활용

  • Ad-hoc 네트워크

    • 무선 통신 및 네트워크 능력을 갖춘 두 개 이상의 장비로 구성된 네트워크

    • 유선 기반망 없이 무선이동 호스트로만 구성이 가능해 유선망을 구성하기 어렵거나 단기간 사용에 적합
      
      

  1) 군사용 센서 네트워크 : 적의 침투나 이동, 폭발과 같은 정보를 얻거나 감지

  • 화학적, 생물학적, 방사선, 핵과 같은 공격이나 물질을 감지

  2) 환경 모니터링 센서 네트워크 : 평원 숲 대양에서의 환경적 변화를 모니터링하거나 감지하기 위한 센서 네트워크

  3) 교통센터 네트워크 : 고속도로나 도시의 혼잡 지역의 교통량을 모니터링하디 위한 무선 교통 센서 네트워크

  4) 무선 주차 센서 네트워크 : 쇼핑몰, 주차장, 주유소 등과 같은 곳의 안전을 위한 무선 감시 센서 네트워크

  5) 무선 수차 센서 네트워크 : 어느 곳이 비어 있고, 어느 곳에 주차되어 있는지를 결정하는 무선 주차 센서 네트워크