Ubiquitous Networks - 6 - USN (Ubiquitous Sensor Networks) -

1. Ubiquitous Networks - 6- USN (Ubiquitous Sensor Networks) - Laboratory ofIntelligent Networks (LINK)@KUT http://link.kut.ac.kr Youn-Hee Han 한국기술교육대학교

2. 1. 개요 • 센서(Sensor) 또는 센서 노드(Sensor Node) • 센서 네트워크에서 외부의 변화를 감지하여 유비쿼터스 컴퓨팅의 입력장치 역할을 하는 것 • 일반적으로 측정 대상물을 감지 또는 측정하여 그 측정량을 전기적인 신호로 변환하는 장치, 즉 물리량이나 화학량의 절대치나 변화, 소리, 빛, 전파의 강도를 감지하여 유용한 신호로 변환하는 소자 또는 장치를 의미 PIR: Passive InfraRed 용도 – 열감지, 동작감지 http://tvpot.daum.net/my/MyClipView.do?ownerid=LM6FiQSaYpI0&clipid=7177515&order=date&svcid=8&page=10&idx=7&totalcnt=158 자기 센서 용도 – 방향 감지

3. 2. 센서의 개념 및 특징 • 센서의 구비 조건 • 센싱 기능의 고도화 • 감도를 높이는 기능 고도화 연구 필요 • 첨단 신소재 개발과 소자 구조의 최적화 연구 필요 • 초소형화 • 집적화 다기능 센서가 구현되어야 하며 아울러 SoC(System On Chip) 개념의 소형화 칩으로 개발되어야 함 • 현재 센서 분야에서 SoC 기술에 관한 연구가 활발히 진행되고 있음 • MEMS(Micro-Electro-Mechanical System) 기술의 발달로 소자의 소형화를 위한 기술적 전망은 밝은 편 • 센서 노드 수명 최대화를 위한 저전력 • 이식이 쉬운 칩형의 구현 • 이식이 쉬운 센서 칩을 개발하기 위해 생체 또는 사물에 부합성이 양호한 몰딩 재료의 개발과 아울러 칩 구조의 최적화가 이루어져야 함

4. 2. 센서의 개념 및 특징 • 미세 전자 기계 시스템 - MEMS(Micro Electro Mechanical System) • 반도체 공정 기술을 기반으로 성립되는 마이크론(㎛)이나 ㎜ 크기의 초소형 정밀기계 제작 기술을 말함 • 스마트 센서(Smart Sensor) • 인간의 능력과 가까운 판단력을 가진 센서 • 미국 항공우주국(NASA)의 우주선 개발 과정에서 탄생 • 비행 중인 우주선의 온도, 압력, 자세, 위치 등의 관측 데이터가 시시각각 지상으로 전송됨 • 차량용 스마트 센서(에어백 센서, 타이어 압력 모니터링 시스템 등), 스마트 환경 센서, 스마트 홈을 위한 시스템 등에 응용됨 • 스마트 센서의 구성 • 일반 센서 개념인 측정 센서 프로세서와 고성능의 CPU(Central Processing Unit)를 내장한 시스템으로 구성 • 미세 전자 기계 시스템(MEMS)을 기반

5. 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 유비쿼터스 센서 네트워크(USN) • 여러 개의 센서 네트워크 영역이 게이트웨이를 통해 외부 네트워크에 연결되는 구조 • 센서 노드는 집적된 데이터를 가까운 싱크 노드(Sink Node)를 거쳐 게이트웨이로 전송 • 네트워크를 구성하는 일정 지역에 크기가 작은 센서 노드들이 수십개에서 수천 개까지 설치되어 통신 • 노드들이 주고받는 데이터는 그 크기도 작고 데이터의 발생 빈도 또한 매우 낮아 통신하는 양은 많지 않을 것으로 가정 SINK

6. 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조

7. 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 센서 네트워크 구성 요소 • 센서 노드(Sensor Node): 저가의 초소형 저전력장치 • i) computing subsystem consisting of a microprocessor or microcontroller • ii) communication subsystem consisting of a short range radio for wireless communication • iii) sensing subsystem that links the node to the physical world and consists of a group of sensors and actuators • iv) power supply subsystem, which houses the battery and the dc-dc converter, and powers the rest of the node.

8. 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 센서 네트워크 구성 요소 • 싱크 노드(Sink Node) • 센서 네트워크 내의 각각의 센서 노드에서 센싱된 데이터는 싱크 노드에 의하여 수집되어 인터넷 등의 외부 네트워크를 통하여 사용자에게 제공 • 싱크 노드는 센서 네트워크 내의 센서 노드들을 관리하고 제어 • 센서 노드들이 센싱한 데이터를 수집하고 외부 네트워크로의 게이트웨이 역할을 수행 • 싱크 노드의 역할을 게이트웨이가 수행할 수도 있음

9. 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조

10. 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 센서 네트워크 요소 기술 • 센서 네트워크 프로토콜 아키텍처

11. 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 전력 관리 측면(Power Management Plane) • 센서 노드에서의 전력을 어떻게 효율적으로 관리하는 것 • 이웃하는 다른 노드에서 데이터 메시지를 수신한 후에는 자신의 전원을 끄도록 하는 방식 • 이동성 관리 측면(Mobility Management Plane) • 센서 노드의 움직임을 감지하고, 등록하여 센서가 이동을 하더라도 센싱 데이터를 Sink 및 게이트웨이까지 올바르게 전달 될 수 있도록 함 • 업무 관리 측면(Task Management Plane) • 특정 지역에 주어진 센싱 작업에 균형과 스케줄링을 부여 • 그 지역에서 모든 센서 노드가 동시에 센싱 작업을 수행하도록 요구되지 않기 때문에 어떤 센서는 전력 레벨에 따라 더 많은 작업을 수행하고어떤 센서는 Sleep 모드로 들어감

12. 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 센서 네트워크 프로토콜 아키텍처 • 물리 계층 • 주파수 선정, 반송파 신호의 생성, 신호 감지, 변복조 및 데이터 암호화 등을 주로 담당하는 계층 • 데이터 링크 계층 • MAC (Medium Access Control) • 매체 접근 및 에러 제어를 담당하는 계층으로 데이터 전송을 위한 통신 링크의 구성과 한정된 자원의 효율적인 공유를 목적으로 함 [물리/데이터 링크 계층 기술 후보] 1) IEEE 802.15.4을 기반으로 한 Zigbee와 6LowPAN기술이 주력 (주파수 대역:915MHz 및 2.4GHz ISM) 2) WLAN (IEEE 802.11), UWB (IEEE 802.15.3) 기술 활용도 가능

13. 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 [Zigbee 네트워크 프로토콜] • Zigbee 연합에서 무선 센서에 다양한 응용이 가능하도록 하는 기능과 보안 기능에 대한 정의를 수행 • 전력 소모를 최대한 줄인 IEEE 802.15.4 WPAN (Wireless Personal Area Network) 물리 계층과 MAC 계층 규격 활용 • 송수신이 필요한 경우에만 수면 모드에 있는 노드들을 활동 상태로 변경

14. 기술비교표 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조

15. 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 센서 네트워크 프로토콜 아키텍처 • 네트워크 계층 • 라우팅을 통해 점대점(End-to-end) 데이터 전송을 지원하는 계층 • 라우팅 제약 • 센서 노드가 저전력 장치이므로 에너지 제약을 받게 된다. • 센서 노드의 데이터 처리 능력을 감안하여 라우팅 • 데이터 중심적(Data-centric) 라우팅, 속성 기반의 네이밍(Attribute Based Naming) 기법 사용 가능 • 특정 데이터 속성값을 가진 노드들에게 데이터를 요구하거나 라우팅을 방식 • 예) “40 도 이상 되는 온도를 센싱한 노드만 데이터 전송” • 데이터 통합(Data aggregation) 기법 연구 • 데이터 전송에 따른 전력 소모를 줄이기 위해 2개 이상의 센서 노드의 데이터를 취합하여 한 번만 보내거나 중복 데이터를 삭제하여 보내는 기법

16. 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조

17. 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 애드 혹 네트워킹 • 중앙집중식 기지국이나 접근점(Access Point)의 도움이 없이 이동 센서간의 통신을 수행 • 각 센서는 라우팅, 데이터의 송수신 등 모든 통신 절차를 수행하기 위해 자신이 라우터의 역할까지 담당 • 효율적인 통신링크 설정을 위한 최적의 라우팅 기법이 요구됨 • 시간과 자원의 낭비로 인하여 비효율적이고 비현실적인 시스템이 되는 문제점 해결 • 이동성 문제 해결 방안 필요

18. D G C F B E H A 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 애드 혹 네트워킹 • 이동성에 의한 라우팅의 어려움 X X X

19. 3. 유비쿼터스 센서 네트워크의 구조 • 애드 혹 네트워크의 특징 • 망이 기존의 기간망과는 독립적으로 운영되고, 노드 간의 연결성에 대한 예측이 불가능하며 위상이 자주 변화한다. • 모든 작업들이나 서비스가 노드 간에 골고루 분산되어 있기 때문에 노드 간에 긴밀한 협력 관계를 유지해야 한다. • 노드들의 배터리 파워가 중요하기 때문에 파워를 절약할 수 있는 방안이 중요하다. • 보안 문제로는 키의 배분을 지원하거나 사용자와 노드의 인증을 위한 전역적인 식별자를 저장할 필요가 있음

20. 4. RFID/USN 응용 분야

21. 4. RFID/USN 응용 분야 • 공공안전 분야 • 재난재해 관리 시스템 • 자연재해 발생 빈도가 높은 지역에 실시간 센서를 통한 모니터링 시스템과 경보 시스템을 설치, 센서에 의해 수집된 데이터 변화를 재난상황실에서 분석 • 재난재해 발생 가능성을 예측하여 경보 시스템을 통해 미리 대응할 수 있도록 알려주는 시스템

22. 4. RFID/USN 응용 분야 • 구조물 관리 • 구조물은 물리적으로 큰 공간으로 둘러싸여있다. • 제어 공간에서 구조물을 관리하기 위해서는 사람이 화면을 이용하여 공장의 물리적인 상태를 관찰하고 제어할 수 있어야 함

23. 4. RFID/USN 응용 분야 • 국방 • 군수 조달ㆍ관리, 보안 시설 관리, 물체 식별, 상황 정보 취득 등을 위하여 RFID 시스템을 활용 • 위험한 방어 지역 인근에 아군이 안전하게 감시할 수 있는 감시용으로 사용 가능 • 센서는 소형으로 바위나 나무 등과 구별되지 않도록 위장되어 적에게 들킬 염려가 적고, 전투시에 파괴되지 않도록 분포되어 제어기를 가지고 있음 • 광학적, 초음파, 화학적, 생물학적 센서는 사람을 추적하는 데 효율적으로 사용됨

24. 4. RFID/USN 응용 분야 • 사회 안전 • RFID 태그는 백화물, 쇼핑센터, 대규모 도서관 등에서 부정 침입, 도난 방지, 위조 방지, 출입 관리 등을 위하여 활용 가능 • 공항의 경우, 수상한 화물을 분별하여 테러를 방지하는 효과 • 주택, 건물에 대한 방범성, 편리성 향상을 목적으로 도어 잠금/해제 시스템으로 RFID 카드 이용 • RFID 태그는 사람 외에도, 컴퓨터, 가구, 서류철, 그리고 추적 대상이나 도난방지 대상이 되는 어떤 형태의 자산에도 적용될 수 있음 • 행정 서비스 • 개인 신상에 대한 성명, 주소, 성별, 생년월일, 주민등록번호, 지문 등의 기본 정보를 기록한 주민등록증이나 건강보험증, 운전면허증, 여권 등을 RFID 카드화함으로써 본인 확인이 요구되는 행정서비스를 원스톱으로 제공할 수 있음

25. 4. RFID/USN 응용 분야 • 경제산업 분야 • 생산/제조 • 생산/제조 과정에서 부품에 RFID 태그를 부착하여, 전 공정에 걸쳐 추적을 자동화할 수 있고, 조립공정에 필요한 부품의 조달을 자동화하도록 관리 시스템에 통합 가능 • 물류/유통 • 물품 관리 시스템, 항공화물이나 항공수하물 추적 통제, 수출입 국가 물류 시스템, 수입쇠고기 추적, 항만 물류 효율화 사업 분야에서 적용 가능 • 교통/운수 • 교통 부문에서 통행료 자동 징수, 텔레매틱스, 차량 이력 및 교통 정보 등에서 활발하게 활용

26. 4. RFID/USN 응용 분야 • 농축수산 • RFID 태그에 제품의 제조원, 원산지, 제조 과정, 사육 과정, DNA 정보, 병력(육류의 경우), 기타(인터넷 사이트, 음성 자동응답 시스템(ARS) 전화번호 등) 정보를 기록하여 구매시에 태그 리더를 통하여 제품 정보를 구매자에게 제공 • 농작물을 재배 환경에서 센서 노드는 필요한 온도, 수분, 조도, 토양 성분, CO2 등에 대한 정보를 제공할 수 있음

27. 4. RFID/USN 응용 분야 • 생활복지 분야 • 생활 • 생활하는 환경 관리, 즉 건물의 가열, 환기, 냉방 장치(Heating, Ventilating, and Air Conditioning; HVAC)에 사용될 수 있다. • 관광/레저 • 호텔, 식당, 위락시설 방문자에게 RFID 태그를 부여하여, 현금을 대신하는 지불수단으로 활용 • 호텔 방이나 헬스클럽, 기타 시설에 대한 출입 통제 수단 • 놀이공원과 이벤트 사업에서는 방문자들에게 RFID 칩이 내장된 팔찌나 ID 태그를 부착하게 하여 위치를 추적하여 미아방지나 그룹 간의 위치 확인 서비스 제공하거나지불수단으로도 활용 가능 • 환경 • 폐기물 관리 및 환경 오염 관리 분야 등에 RFID 태그가 많이 사용될 전망 • 상품의 라이프 사이클을 생산·판매에서부터 소비·이용을 거쳐 폐기·재활용까지 포함한‘밸류 체인 매니지먼트’로 생각

28. 6. RFID/USN 응용 분야 • 해양환경 정보 수집 시스템 • 바닷가 연안에 설치한 USN 센서를 통해 용존 산소량 및 해수 온도 등의 데이터를 수집·분석하여 적조 및 기상 예측, 어족 이동 경로 분석 등에 활용하여 효과적인 수자원 관리 및 기상 예측에 기여

29. 6. RFID/USN 응용 분야 • 의료/복지 • 운동 건강 관리 • 운동하는 사람의 맥박과 호흡을 몸에 부착된 센서로 관찰하고, 운동 후에 관찰 정보가 컴퓨터에 보내짐 • 가정용 건강 관리 • 가정에서 비만인 사람이 체중 관리를 해야 하는 경우 개인의 체중 정보가 컴퓨터에 보내지고, 당뇨병이 있는 사람의 경우는 그날의 혈당량 및 영향 섭취에 정보가 무선으로 컴퓨터에 보내짐 • 제약 분야 • RFID 태그를 이용하여 약품용기에 처방 정보, 투약 방법, 경고 등을 넣은 태그를 부착하여 약품의 유통 관리 등에 응용 • 병원 주변 약국들은 RFID 카드를 통하여 병원의 전자 처방전을 입수하여 조제에 활용 가능

30. Adhoc Routing 101 Ubiquitous Computing

31. Routing • Routing consists of two fundamental steps • Forwarding packets to the next hop (from an input interface to an output interface in a traditional wired network) • Determining how to forward packets (building a routing table or specifying a route) • Forwarding packets is easy, but knowing where to forward packets (especially efficiently) is hard • Reach the destination • Minimize the number of hops (path length) • Minimize delay • Minimize packet loss • Minimize cost Ubiquitous Computing

32. MANETs • A mobile ad hoc network (MANET) is characterized by… • Multi-hop routing so that nodes not directly connected at Layer 2 can communicate through Layer 3 routing • Wireless links • Mobile nodes Logical Topology S S D D Ubiquitous Computing

33. MANET vs. Traditional Routing (1) • Every node is potentially a router in a MANET, while most nodes in traditional wired networks do not route packets • Topologies are dynamic in MANETs due to mobile nodes, but are relatively static in traditional networks • MANET topologies tend to have many more redundant links than traditional networks Ubiquitous Computing

34. MANET vs. Traditional Routing (2) • A MANET “router” typically has a single interface, while a traditional router has an interface for each network to which it connects • Routed packet sent forward when transmitted, but also sent to previous transmitter • Channel properties, including capacity and error rates, are relatively static in traditional networks, but may vary in MANETs Ubiquitous Computing

35. MANET vs. Traditional Routing (3) • Interference is an issue in MANETs, but not in traditional networks • For example, a forwarded packet from B-to-C competes with new packets sent from A-to-B • Channels can be asymmetric with some Layer 2 technologies • Power efficiency is an issue in MANETs, while it is normally not an issue in traditional networks Ubiquitous Computing

36. Types of MANET Routing Unicast-Routing Protocol for MANET Table-Driven/ Proactive Hybrid On-Demand-driven/Reactive Clusterbased/ Hierarchical ZRP DSR AODV TORA LANMAR CEDAR DSDV OLSR TBRPF FSR STAR MANET: Mobile Ad hoc Network (IETF working group) Ubiquitous Computing

37. Proactive vs. Reactive • Proactive protocols • Find paths, in advance, for all source-pair destinations • Periodically exchange routing information to maintain paths • (-) Larger signalling traffic and power consumption. • Reactive protocols • Discover a path when a packet needs to be transmitted and no known path exists • Attempt to alter the path when a routing failure occurs • (-) A long delay for application when no route to the destination available Ubiquitous Computing

38. Proactive Routing Protocols - DSDV Ubiquitous Computing

39. Proactive Approach - Principle • Routing Table • Each terminal has its own routing table Ubiquitous Computing

40. Proactive Approach - Basic • Control Packet • Used to make and update the Routing Table • Broadcasted in a limited area • Format of Typical Control Packet Ubiquitous Computing

41. Proactive Approach - Basic • Example of Control Packet Exchange A B D C A A B A C A B B C C t =3 t =1 t =2 t =4 Ubiquitous Computing

42. Proactive Approach - Basic Routing Table in D G B E C To F D I A F H Ubiquitous Computing

43. Proactive Approach - Basic Routing Table in I G B E C To F D I A F H Ubiquitous Computing

44. Proactive Approach - Basic Routing Table in H G B E C To F D I A F H Ubiquitous Computing

45. DSDV(Destination-Sequenced Distance Vector) • Design goals: • Keep it simple! • Routes are chosen by a metric (hop count, least delay, best signal strength, etc..) • Allow fast reaction to topology changes • Make immediate route advertisement on significant changes in routing table • Both periodic and triggered routing updates to maintain table • DSDV is Proactive • Each node maintains routing information for all known destinations • Routing information must be updated periodically • Traffic overhead even if there is no change in network topology • Maintains routes which are never used Ubiquitous Computing

46. DSDV - Transmitting Route Information • Routing information is transmitted by broadcast • Updates are transmitted periodically or immediately when any significant topology change is available Rules to set sequence number information • On each advertisement increase own destination sequence number (use only even numbers) • If a node is no more reachable (timeout) increase sequence number of this node by 1 (odd sequence number) and set metric = . Ubiquitous Computing

47. DSDV - Route Selection • Update information is compared to own routing table • 1. Select route with higher destination sequence number (This ensure to use always newest information from destination) • 2. Select the route with better metric when sequence numbers are equal. • Tables A B C Ubiquitous Computing

48. DSDV - Route Advertisement B increases Seq.Nr from 100 to 102 B broadcasts routing information to Neighbors A and C including the destination sequence numbers (A, 1, A-550) (B, 0, B-102) (C, 1, C-588) (A, 1, A-550) (B, 0, B-102) (C, 1, C-588) A B C Ubiquitous Computing

49. DSDV - New Node 1. D broadcast for first timeSend Sequence number D-000 (D, 0, D-000) A B C D 2. Insert entry for D with sequence number D-000 A B C D Ubiquitous Computing

50. DSDV - New Node 3. C increases its sequence number to C-592 then Immediately broadcasts! its new table. (A, 2, A-550) (B, 1, B-102) (C, 0, C-592) (D, 1, D-000) (A, 2, A-550) (B, 1, B-102) (C, 0, C-592) (D, 1, D-000) A B C D Ubiquitous Computing