지하철 역사내 무선 센서네트워크 환경구축을 위한 무선 스펙트럼 분석 및 전송시험에 관한 연구
2011-11-04 CCTV뉴스
이를 위하여 본 연구에서는 개발 중인 도시철도 지능형 종합감시시스템의 현장 역사 적용에 앞서 무선센서네트워크의 대표라 할 수 있는 ZigBee기반의 현장 무선통신환경 시험을 서울지하철 충무로 역사에서 수행하였고, 본 논문에 충무로역사 내부 승강장 및 대합실에서의 ZigBee기반의 무선통신환경 시험결과를 정리, 분석하였다. 승강장 및 대합실의 무선 스펙트럼분석 결과 ZigBee기반의 센서네트워크의 주파수와 중첩되는 주파수는 없었으며 인접 주파수 또한 10MHz 이상 이격되어 주파수 간섭을 받지 않는 것으로 나타났다. ZigBee를 이용한 무선데이터 전송 시험 결과, 데이터 전송은 열차의 승강장 진출입시의 영향보다 승강장 혹은 대합실의 이용승객 수 및 유동량에 의한 멀티패스 페이딩(multi-path fading) 효과에 더 큰 영향을 받는 것으로 나타나, 역사에 지능형종합감시시스템 구축 시 이를 고려하여야 할 것으로 판단된다.
1. 서론
최근 유비쿼터스에 대한 관심이 높아지면서, 저속의 근거리 Zigbee 통신이 크게 주목 받고 있다. 그러나 ZigBee 통신이 사용하는 2.4GHz 대의 비면허 주파수 대역 (ISM-Band)은 무선랜 (WLAN : Wireless Local Area Network)이나 블루투스 (Bluetooth) 등의 다른 통신 기술도 사용하는 대역이므로, 이들 통신간 주파수 간섭 문제가 발생한다.
ZigBee 기술은 저전력 송수신기를 센서와 결합하여 하나의 커다란 네트워크를 구성할 수 있게 해주는 기술로 각종 건물, 문화재 등의 화재 및 침입 감지에 ZigBee를 도입함으로써 원격지 및 모바일 단말기를 통해 감시 할 수 있다. [1]
또한 IT 기술이 발전함과 동시에 스마트 폰과 같이 각종 모바일 기기의 보급이 늘어나면서 2.4GHz 대역의 Wi-Fi 서비스가 확대되고 있다. 하지만 이동통신 서비스들의 무분별한 2.4GHz 주파수 채널 설정을 통해 채널간 주파수 간섭 등에 대한 대책은 미미한 실정이다. 2.4GHz 대역의 신규 이동통신장비 설치 시에도 주파수 채널 할당 정책이 없어 Wi-Fi 서비스용 장비는 늘어나는데 반면 주파수 중첩으로 인한 채널 간섭으로 서비스의 질은 소비자의 만족도를 크게 충족시키지 못하고 있는 것이 현실이다.[2][3]
이에 본 논문에서는 지하철 역사내 무선랜과 지그비가 혼재하는 네트워크 상황에서 주파수 스펙트럼을 측정함으로써 기존 2.4GHz 대역의 Wi-Fi 주파수 채널과 지그비 주파수 채널 간의 간섭을 일으키지 않도록 지능형 종합감시시스템 센서네트워크 구축 시 2.4GHz대역을 사용하는 ZigBee 기반 센서네트워크 주파수 채널 선정에 적용하고자한다.[4]
2. 본론
2.1 충무로역사 승강장 무선 스펙트럼 측정
2.1.1 시험 환경 구성
[그림 1] 무선 주파수 측정 시험 구성도
[Fig 1] The Test configuration of Radio Frequency Measurement
무선 주파수를 측정하기해 스팩트럼 분석기를 [그림1]과 같이 800MHz~11GHz 대역의 옴니 안테나(Omni Antena)와 연결하여 측정하고자하는 주파수 대역에 따라 안테나를 선택하여 측정하였으며 측정에 사용된 스펙트럼 분석기는 Agilent Technologies 의 PSA E4440A 모델을 사용하였다.
시험조건은 안테나의 높이는 지면으로부터 1.5m 높이에서 측정 하였으며 각 승강장 당 측정 간격은 70m로 총 3군데 지점에서 주파수를 측정 하였다.
측정 위치는 충무로역사 3, 4호선 승강장에서 측정 하였으며 해당 장소의 측정 지점은 [그림2, 3]과 같다.
[그림 2] 3호선 승강장 측정 지점
[Fig 2] Platform Measurement Point of Line No.3
[그림 3] 4호선 승강장 측정 지점
[Fig 3] Platform Measurement Point of Line No.4
2.1.2 3호선 승강장 무선 스펙트럼 측정 결과
[그림 4] 3호선 승강장 Point #1
[Fig 4] Point #1 of Line No.3 Platform
[그림 5] 3호선 승강장 Point #3
[Fig 5] Point #3 of Line No.3 Platform
[그림 6] 3호선 승강장 Point #5
[Fig 6] Point #5 of Line No.3 Platform
3호선 승강장의무선 스펙트럼 측정 결과 800MHz 대역과 2GHz 대역의 주파수가 확인 되었다. 800MHz 대역에서는 TRS(Trunked Radio Service) 및 아날로그 휴대전화의 주파수와 동일 한 대역이었다. 2GHz 대역에서는 Wi-Fi, WiBro의 주파수가 감지되었다. [그림 5, 6]과 같이 2.417GHz, 2.437GHz의 주파수가 발견이 되었으나 2.417GHz는 ZigBee 채널 13번과 2MHz가 이격되어 있으며 2.437GHz는 ZigBee 채널 17번과 2GHz 이격되어 있어 직접적인 간섭이 없는 것으로 판단된다.
2.1.3 4호선 승강장 무선 스펙트럼 측정 결과
[그림 7] 4호선 승강장 Point #1
[Fig 7] Point #1 of Line No.4 Platform
[그림 8] 4호선 승강장 Point #3
[Fig 8] Point #3 of Line No.4 Platform
[Fig 9] Point #5 of Line No.4 Platform
4호선 승강장에서도 3호선과 유사하게 800MHz에서는 TRS 및 아날로그 휴대전화의 주파수와 동일한 대역의 주파수가 감지 되었다. 또한 2GHz 대역에서도 Wi-Fi, WiBro, WCDMA의 주파수가 감지되었으며 직접적인 간섭을 일으킬 수 있는 주파수는 없었다. [5][6]
2.2 충무로역사 승강장 무선전송시험
2.2.1 시험 환경 구성
[그림 10] ZigBee 전송시험 및 WLAN Throughput 측정시험 구성
[Fig 10] Test Configuration of ZigBee transmission and WLAN Throughput measurement
승강장에서의 무선전송 시험은 ZigBee 기반의 센서노드와 게이트웨이 간 데이터 송수신 에러율을 측정하였다. 이는 ZigBee 기반의 센서네트워크는 속도나 전송용량보다 주기적으로 감지하는 값들을 얼마나 에러없이 전송할 수 있느냐가 관건이다.[7][8]
이를 위해 에러율 측정은 게이트웨이 측에서 송신요청 프레임을 센서노드로 보냈을 때 센서노드가 응답하여 게이트웨이 측으로 프레임을 송신했을 때를 송신 성공으로 판단하고 만약 센서노드로부터 프레임이 도착하지 않거나 게이트웨이가 이를 받지 못했을 경우 오류로 처리하였다.
또한 게이트웨이에서 수집된 데이터를 무선을 통해 전송할 수 있는 능력을 측정하기 위해 WLAN Throughput을 측정하였다.
[표 ] 시험 조건
[Table 1] Test condition
[그림 11] 3호선 승강장 ZigBee 전송시험 및 WLAN Throughput 측정 구간
[Fig 11] Test section in the Line No.3 of ZigBee transmission and WLAN Throughput measurement
[그림 12] 4호선 승강장 ZigBee 전송시험 및 WLAN Throughput 측정 구간
[Fig 12] Test section in the Line No.4 of ZigBee transmission and WLAN Throughput measurement
2.2.2 3호선 승강장 ZigBee 전송시험 결과
[표2 ] 승객 유동량 범위
[Table 2] Passengers Range
[표 ] 3호선 승강장 ZigBee 전송시험 결과
[Table 3] ZigBee transmit test results in the Line No.3 Platform
승강장에 사람이 많을 경우 평균 ZigBee 센서 전송의 에러율은 약 0.5%를 보였으며 승강장에 사람이 없을 경우 평균 ZigBee 센서 전송의 에러율은 약 0.05%를 보여 양호한 송수신 상태를 보였다.
플랫폼에 사람이 많이 서있는 경우 멀티페스 페이딩이 발생하여 데이터 에러율이 증가하나 통신에 문제가 될 정도의 에러율이 발생하지는 않았다.
2.2.3. 3호선 승강장 WLAN Throughput 측정 결과
[그림 13] 3호선 승강장 Throughput 측정 결과
[Fig 13] Throughput Measurements in the Line No. 3 Platform
평상시 Throughput은 약 35Mbps를 보이며 열차 진출입 시 Throughput은 약 10Mbps를 보였다.
3호선 승강장의 구조가 곡선구간으로 무선 CCTV 노드의 위치와 게이트웨이 간의 위치가 LOS(Line Of Sight)가 확보되지 않기 때문에 직선 구간에 비해 Throughput이 감소하는 현상이 보였다.
열차의 진출입시에는 승하차하는 승객들로 인한 멀티패스 페이딩이 발생하여 Throughput이 떨어지는 현상 발생하였다.
2.2.4 4호선 승강장 ZigBee 전송시험 결과
[표 ] 4호선 승강장 ZigBee 전송시험 결과
[Table 4] ZigBee transmit test results in the Line No.4 Platform
승강장에 사람이 없을 경우 평균 ZigBee 센서 전송의 에러율은 약 0.06%를 보였으며 사람이 매우 많았을 경우 약 0.67%의 에러율을 보였다. 3호선의 결과와 마찬가지로 지하철 승차를 위해 대기 중인 승객이 무선 통신 패스에 있어 일종의 장애물로 작용하여 멀티패스가 형성되는 것으로 분석된다.
2.2.5 4호선 승강장 WLAN Throughput 측정 결과
[그림 14] 4호선 승강장 Throughput 측정 결과
[Fig 14] Throughput Measurements in the Line No. 4 Platform
평상시 Throughput은 약 46Mbps를 보이며 열차 진출입 시 Throughput은 약 37Mbps를 보였다. 3호선 승강장에 비해 곡선이 완만하여 다소 증가된 Throughput이 측정되지만 역시 LOS 환경이 아니기 때문에 직선 구간에 비해 Throughput이 감소하는 현상이 보였다. 열차의 진출입시에는 승하차하는 승객들로 인한 멀티패스 페이딩이 발생하여 Throughput 떨어지는 현상 발생하는 것을 볼 수 있었다.
3. 결론
지능형 종합 감시 시스템 센서네트워크를 구성하기 전 무선 환경측정을 통해 센서노드와 게이트웨이의 ZigBee 채널을 선정하고 무선전송시험과 Throughput을 측정하여 결과를 분석하기 위해 본 논문과 같은 시험을 진행하였다. 무선 주파수 측정결과 ZigBee 기반의 센서네트워크와 Wi-Fi 주파수 대역이 동일 대역이긴 하지만 Wi-Fi 주파수 채널과 센서네트워크 주파수 채널간 최소 2MHz 이상의 이격되어 있어 인접 주파수로 인한 주파수 간섭의 영향은 없는 것으로 판단되었다. 하지만 ZigBee 기반의 센서네트워크 전송시험에서는 이동하는 승객보다는 고정적으로 서있는 승객에 의한 멀티페스 페이딩의 영향이 더 크게 작용하는 것으로 분석되지만 에러율이 5%미만으로 센싱 데이터를 송수신하는 데는 크게 문제는 되지는 않았다.
무선데이터 전송 및 Throughput 측정 결과 열차 진입 전의 대기 승객과 발차 후의 유동 승객에 의한 멀티 페스 페이딩과 동일채널 간섭이 Throughput 감소의 주 원인으로 판단되며 이는 게이트웨이 안테나 위치 등으로 개선할 수 있는 요소이다.
본 논문과 같은 시험을 통해 ZigBee 채널 선정, 게이트웨이 안테나 위치 선정에 적용할 수 있는 근거를 마련할 수 있으며 체계적인 사전 시험을 통해 시스템 구축시간 단축 등의 효율적인 센서네트워크 구축 방안이 필요하다.
참고문헌
[1] 안종호, 최성, "u-Health 시스템 구축을 위한 RFID/USN의 ZigBee 무선통신 연구" 한국산학기술학회 2008년도 춘계학술발표논문집, pp.251-253, 2008
[2] L. Angrisani, M. Bertocco, D. Fortin, and A. Sona, "Experimental Study of Coexistence Issues Between IEEE 802.11b and IEEE 802.15.4 Wireless Networks," IEEE Transactions on instrumentation and Measurement, Vol. 57, No. 8, pp. 1514–1523. Aug. 2008
[3] K. Shuaib, M. Boulmalf, F. Sallabi, and A. Lakas, "Co-existence of Zigbee and WLAN, A Performance Study," In Proc. of WTS, pp. 1 – 6. Apr. 2006
[4] 최대우, "무선 센서 네트워크 테스트 베드 구축", 한국산학기술학회논문지, Vol. 12, No. 1, pp. 445-450, 2011
[5] 정락교, 김백현, 정의진, "도시철도 신호시스템의 절체에 따른 주파수 간섭 연구", 한국산학기술학회논문지 Vol. 11, No. 2, pp. 469-475, 2010
[6] 김지희, "무선랜 설계를 위한 주파수 간섭 분석 및 측정 방안에 대한 연구" 안동대 대학원, 2010
[7] 황재우, 박호현, "신뢰모델기반의 ZigBee 네트워크 구성 및 신뢰성 측정", 한국해양정보통신학회논문지 제14권 제5호, pp.1284-1294, 2010
[8] 김재현, 허수정, 박용완, 강원석, 이동하, "Zigbee 네트워크 계층 구조에서의 효율적인 주소 할당 방법", 전자공학회지 제44권 제10호 통권 제364호 pp.20-28, 2007