[WPAN] IEEE 802.15.5 Mesh Network 표준화 동향

[WPAN] IEEE 802.15.5 Mesh Network 표준화 동향

 

 

IEEE 802.15 Working Group의 TG1(Task Group 1)이 제정하고 있는 Bluetooth 표준과 TG3가 표준화한 HR-WPAN, TG4가 표준화한 LR-WPAN, 그리고 TG4a가 표준화하고 있는 LR-UWB(Low Rate UWB) 기술들은 IT-839 전략의 3대 인프라 중의 하나인 USN을 구현하는 핵심 아키텍처로 채택될 수 있는 WPAN(Wireless Personal Area Network) 기술들이다. 그러나 이 기술들이 U-City나 U-Korea를 구현하는 핵심 기술로 사용되려면 Multi-Hop 기능이나 Mesh Network 기능이 추가되어야 다양한 서비스들이 필요로 하는 응용 분야를 만족시킬 수 있다. 이와 같은 기능을 위해 IEEE 802.15.5 Mesh Network Task Group이 발족된 것이다.

본 고에서는 먼저 IEEE 802.15 WG에서 진행중인 WPAN 규격의 특징 및 한계에 대해 알아 보고, 이 표준들이 안고 있는 문제점들을 Mesh Network 기능을 통해 해소하기 위해 지난 2005년 5월 호주의 Cairns 회의에서 CFP(Call for Proposal)를 마감한 이 후 11월 Vancouver에서 처음으로 Baseline Document가 발표되고 2006년 1월 하와이 회의까지 진행된 IEEE 802.15.5 Mesh Network의 표준화 현황에 대해 소개하고자 한다.

 

IEEE 802.15.1 Bluetooth 표준화 진행현황

IEEE 802.15 WPAN 표준화단체가 가장 먼저 제정한 표준은 IEEE 802.15.1 표준으로 Ericsson과 Nokia 등 유럽의 대형 이동통신 회사들을 포함하여 전 세계 1,790여 개의 회사들이 심혈을 기울여 표준을 주도하여 완성한 Bluetooth 표준이다. Bluetooth 표준은 비 허가 주파수 대역인 2.4 GHz ISM(Unlicensed Industrial Science Medical) 대역을 사용해서, 10m 이내의 거리에서 다양한 기기 간에 통신을 할 수 있도록 하는 저전력, 저가의 무선 통신 시스템을 일컫는다. 100m까지 전송이 가능한 Class 1 모드를 지원할 수 있지만 이 경우 Power Amp를 따로 사용하여야 하므로 전력 소모가 커지며, Master-Slave 모드의 TDD 방식으로 동작하므로 QoS가 지원되는 장점이 있다. 원래는 복잡한 유선 케이블을 무선으로 대체할 목적으로 시작되었지만, 늘어나는 개인 휴대용 디지털 기기들, 개인 이동 통신 기기들, 컴퓨터들, 가전 기기들 간의 멀티미디어 데이터 송수신을 무선으로 할 수 있도록 하는 기술로 진화하였다.

1999년 6월 Bluetooth Specification version 1.0이 발표되었고, 1999년 12월에는 업그레이드된 Bluetooth Specification version 1.0B가 제정되었으며, 2000년 11월에는 기존의 사양 내용을 보다 명확히 한 Bluetooth Specification version 1.1이 발표되어 현재 대부분의 Bluetooth 관련 제품은 이 표준을 준수하는 제품들이다. 또한, 2004년 11월에는 version 2.0 + EDR (Enhanced Data Rate) 규격이 발표되면서 데이터 전송 속도가 최대 3Mbps까지 가능하게 되었다.

Bluetooth 기술의 문제는 하나의 피코넷에 마스터 기기를 포함하여 총 8개의 기기만이 통신에 참여할 수 있다는 것이다. 또한 SCO(Synchronous Connection Oriented) 방식을 이용하여 음성 신호를 전송할 경우 3개 이상의 음성 채널을 사용할 수 없다. 여기에 2.4 GHz 대역의 83.5 MHz 대역폭을 FHSS을 이용하여 전체 밴드를 79개의 캐리어를 통해 1초에 1,600번 Hopping하므로 다른 피코넷이 이 영역에 들어오면 데이터 충돌이 발생할 확률이 증가하여 QoS가 지원되기 어려울 수도 있다. 또한 Version 1.1은 Scatternet을 지원하지 않으므로 Master 기기의 RF 송출 영역 바깥의 기기는 통신을 제공할 수 있는 방법이 없는 단점도 있다. 최근에 Version 1.2가 제안되어 Scatternet을 지원해주는 방식이 제안되었으나 2006년 2월 현재 아직 완성된 기술은 아니며 CSR 이외의 기업이 구현한 사례가 없다.

 

IEEE 802.15.3 HR-WPAN 및 IEEE 802.15.3a HR-UWB 표준화 진행현황

한편 IEEE 802.15.3 HR(High Rate)-WPAN 기술은 Security와 QoS를 지원하며 최대 55 Mbps의 전송 속도를 지원하므로 A/V 기기 사이의 무선 통신에 사용할 목적으로 표준화된 기술이다. 무선 통신 자원은 PNC의 비컨 정보에 의해 관리되어 통신을 원하는 기기(DEV라고 부름)는 QoS를 요구하는 데이터를 전송할 경우 사전에 예약을 하고 이 시간대에만 데이터를 전송하게 하는 CTA(Channel Time Allocation) 구간을 활용한다. 물론 CSMA/CA 기반으로 통신하는 CAP(Contention Access Period) 구간도 있다. PNC 기능을 하던 기기가 문제가 발생하면 다른 PNC가 이 기능을 넘겨 받아 피코넷의 역할을 수행하는 규격도 포함되어 있어 WPAN의 동작이 매우 잘 정리된 표준이다.

그러나 이 표준의 문제는 Peer-to-Peer 통신만을 지원하므로 Bluetooth와 마찬가지로 Multihop 통신이 지원되지 않아 PNC의 RF 영역을 벗어난 곳에 있는 기기는 통신을 할 수 없는 단점이 있다. 이 문제를 해결하기 위한 방안을 IEEE 802.15.5 Mesh Network Task Group에서 제정 중이다.

IEEE 802.15.3a 표준은 최대 480 Mbps까지의 전송 속도를 지원할 수 있는 UWB(Ultra Wide Band) 기반 PHY 계층을 정의하는 표준이다. FCC Part 15에 의해 최대 출력 전력은 3.1 GHz부터 10.6 GHz까지 총 7.5 GHz 대역에서  -41.25 dBm/MHz의 Spectrum Mask 요구 조건을 만족해야 하므로 전송 거리가 10m를 넘지 못하며 벽을 통과하지 못하는 문제가 남아 있다. 따라서 Mesh Network 기능을 갖추지 못하면 제한된 전송 거리의 문제로 인하여 응용에 문제가 있는 표준이다.

사실 2002년 3월 PAR(Project Authorization Request)가 제출된 이 후 인텔 중심의 MBOA 진영과 Motorola 중심의 DS-UWB 기술이 팽팽하게 대립되다가 2006년 1월 하와이 회의에서 최종적으로 이 Task Group이 해체되면서 IEEE SA 산하에서의 표준화는 실패한 셈이다. 이것은 개인이 투표권을 행사하는 IEEE 802의 표준화 절차에 많은 문제점을 드러낸 부분이기도 하다. 현재는 UWB 포럼에서 DS-UWB 기술이 단체 표준으로 제정 중이며, MBOA의 Multi-Band OFDM 기술은 ECMA(European Computer Manufacture’s Association)에서 표준화를 완성하여 현재 ISO/IEC JTC1 SC6에 Fast Track으로 그들의 표준을 국제 표준으로 추진 중이다.

 

IEEE 802.15.4 LR-WPAN 및 IEEE 802.15.4a LR-UWB 표준화 진행현황

IEEE 802.15.4 표준은 800 MHz 대, 900 MHz 대, 2.4 GHz 대의 대역을 이용하여 각각 20 Kbps, 40 Kbps, 그리고 250 Kbps를 지원하는 표준으로 Star 토폴로지, Peer-to-Peer 토폴로지를 지원하며, Custer Tree 토폴로지를 지원하는 것으로 규격에는 제시되어 있지만 이 토폴로지에 대한 구체적인 방식에 대해서는 설명이 되어 있지 않다.

이 표준의 문제는 단 하나의 Superframe을 사용하므로 Depth가 깊어지면서 Coordinator 사이에 Beacon들 간의 충돌이 불가피하다는 것이다. 이와 같은 Beacon 충돌 문제는 ZigBee Alliance에서 제안하였지만 Low Duty Cycle일 때에만 적용 가능하므로 본인이 제안한 BOP(Beacon-Only Period) 개념과 Beacon Scheduling과 같은 기술을 적용하여야만 이 문제의 해결이 가능하다.

IEEE 802.15.4a LR(Low Rate) UWB 표준은 Coherent 및 Noncoherent 변조 방식을 모두 지원하며 최대 2 Mbps의 전송 속도를 지원하는 PHY 계층의 Band Plan과 변조 방식을 규정하고 있다. 그러나 IEEE 802.15.4의 MAC을 현재의 규격 그대로 이용하는 것이 기본적인 방향이지만 UWB 펄스의 특징인 좁은 펄스를 이용하여 Ranging과 Positioning 기능을 제공할 수 있는 표준을 제정하는 것이 본 표준의 기본 방향이므로 기존의 IEEE 802.15.4의 MAC을 수정하는 것은 불가피한 일로 보인다.

 

IEEE 802.15.5 Mesh Network 표준화 진행현황

IEEE 802의 태생은 Layer 3 이상의 계층을 다루는 IETF와는 달리 처음부터 Layer 1인 PHY 계층과 Layer 2의 MAC 부 계층의 규격만을 표준화하는 단체이다. 그러나 Mesh Network는 MAC 이상의 계층인 Network과 Application 계층에 대한 규격을 정의하여야 하는데 이러한 한계로 인하여 상위 계층의 규격은 Recommended Practice로 제정하고 이를 구현하기 위한 상위 계층의 요구 사항에 따르는 MAC 계층의 새로운 규격을 정의하는 것이 IEEE 802.15.5 Task Group의 PAR(Project Authorization Request)의 내용이다.

현재는 HR-WPAN인 IEEE 802.15.3 규격을 위한 Mesh Network를 정의하는 독일 아헨 공대의 규격이 있는데, 이들은 Mesh Network에 참여한 모든 기기가 정해진 Beacon Period 동안 각각 다른 시간에 자신의 Beacon을 전송하여 충돌을 회피하는 방안을 제시하였으며 Neighbor's Neighborhood Table 및 RTS/CTS를 이용하여 Hidden Node Problem과 Exposed Node Problem을 해결하였다고 주장하고 있지만 아직 Computer Simulation 조차도 제시하고 있지 못하는 상황이다. 또한 Beacon Period 동안 이 피코넷에 참여하는 모든 기기가 비컨을 전송하므로 기기의 수가 많아지면 많은 비컨들을 어떻게 관리할 것인지에 대한 방안을 제시하지 않고 있다. 실질적인 문제를 해결하지 않고 댁 내의 가전 기기가 4 Hop 이상의 연결은 필요로 하지 않을 것이라는 것과 함께 10 개 이상의 기기는 존재하지 않을 것이라는 가정을 기반으로 이와 같은 문제를 회피하고 있는 상황이다.

또한 HR WPAN이 가장 중요시하게 여기는 QoS 제공 방안도 아직 많은 문제를 가지고 있는 상황이다. Source 기기와 Sink 기기가 RSVP처럼 자원을 미리 예약을 하는 DRP(Distributed Reservation Protocol) 방식을 제안하였는데 이 또한 Mesh 환경에서 어느 정도 수준으로 QoS를 제공할지는 분명하지 않다. 그리고 각각의 Mesh Node가 어떻게 8 Bit의 Short Address를 할당하는 지에 대한 방안은 전혀 없으면서 먼저 이를 가정하고 모든 프로토콜을 정의한 것은 앞으로도 많은 문제를 야기할 수 있는 가능성을 내포하고 있는 것이다.

한편 LR-WPAN을 위한 Mesh Network는 미국의 CUNY(City University of New York) 교수인 이 명종 교수 팀이 삼성종합기술원의 지원으로 제안한 ART(Adaptive Robust Tree) 구조를 가진다. ART는 시작 모드, 정상 동작 모드, 회복 모드 등 3개의 Phase를 가지고 동작한다. 또한 Mesh Network의 다양한 Routing 알고리즘을 제시하고 있다.

ART는 LR-WPAN에 적합한 Mesh Network Protocol 구조로, 눈으로 보기에 매우 아름다운 Tree 형태를 Mesh Network이 가지게 될 것이라는 것을 가정하고 프로토콜을 시작하였다. 이는 많은 사람들이 의아해하는 부분 중의 하나이다. 왜냐하면 댁 내의 기기가 Mesh Network를 구성할 때에는 비교적 불규칙적인 방식으로 PNC에 Association될 것이기 때문에 이와 같은 가정을 하면 안정적인 동작을 보장받기 어려울 것이라는 것이 그 이유이다. 여기에 아직 Network Layer에서 사용하는 Addressing 방식을 아직 구체적으로 제시하지 않고 있으며, 새로운 기기가 본 Mesh Network에 참여할 경우 발생하는 다양한 문제에 대한 구체적인 방안을 제시하지 않고 있다.

 

최신 표준화 쟁점사항

지난 2005년 9월 LA 근처의 Garden Grove 회의에서 아헨 공대와 CUNY가 제안한 두 개의 미완성의 표준안을 한 개로 합쳐 IEEE 802.15.5 Baseline Document로 결정하고 2005년 11월 Vancouver 회의에서 이에 대한 Confirmation Vote를 시행하였다. 흥미로운 일은 Vancouver 회의 전까지는 참여하는 사람이 별로 없었으나 본 투표에서는 150여명 이상이 참여하여 투표를 하였으며 75% 이상의 찬성표를 얻어야 하는 상황인데 50%도 얻지 못한 결과를 낳았다. 반대한 이유 중의 가장 대표적인 이유는 아직 Baseline Document가 완성도 면에서 너무나 수준에 미치지 못한다는 것이다. 특히 제안한 아이디어를 뒷받침해 줄만한 Simulation 결과를 하나도 제시하지 않았다. 기본 개념의 타당성이 확인되지 않은 아이디어를 Baseline Document로 채택하면 나중에 치명적인 문제를 야기할 수 있다는 것을 염려한 것이다.

찬성표가 50%도 안되는 결과를 두고 많은 사람들이 CFA(Cal for Application) Document를 다시 받자고 제안하였지만 이 또한 먼저 제안한 Philips와 삼성전자의 반대에 부딪혀 CFA를 다시 받는 것도 실패하였다. 반대표를 던진 사람들은 12월 초까지 반대표를 던진 이유를 E-Mail로 송부하였으며 이에 대한 Comments Resolution Meeting이 2006년 1월 하와이 회의에서 있었다. 구체적인 결론은 아직 맺어지지 않았지만 독일의 Distributed Mesh Network Architecture와 본인 및 싱가포르의 Panasonic이 제안한 Centralized Mesh Network Architecture를 함께 지원하는 방안을 Teleconference로 해결하기로 하였다.

<그림 1> 표준안으로 제안한 효율적인 실시간 주소 할당 방식

 

본 투표가 끝난 이후 본인은 Mesh Network의 핵심 이슈인 Short Address 할당 방식에 대해 발표하였다. ZigBee Alliance에서는 Tree Network의 Depth에 따른 Block Address 할당 방식을 이용하였으므로 Address Space의 소모가 많은 것을 염려하여 Mesh 노드에 대한 새로운 Addressing 할당 방식이 필요하였었다. 본인이 제안한 표준안은 PNC를 중심으로 Piconet이 점점 커질 때 새로운 기기가 참가할 때마다 Address 공간의 낭비 없이 실시간으로 주소를 할당하는 방안을 제시하였으며 동시에 두 개 이상의 기기가 참여할 경우 주소 충돌 문제가 발생할 수 있는데 이 문제를 PNC가 해소하는 방안으로 문제를 해결하였다.

본 표준안 발표 후 많은 질문이 있었으며 많은 사람들이 관심을 보여 그 동안 이 문제에 대한 해결을 위해 고심한 흔적을 확인할 수 있었다. 특히 기기가 이동하면 다양한 문제가 발생하게 되는데 이 때의 주소 체계와 비컨 관리 문제는 핵심 이슈 중의 하나이다. 이에 대한 명쾌한 해답을 제시하였으며 다음 표준회의에서 이에 대한 보다 나은 방안을 제시할 예정이다.

 

결언

Mesh Network 기능이 제공되는 IEEE 802.15.4, 15.4a 기술은 한국의 IT-839 전략 중 3대 인프라인 USN 아키텍처를 완성하는 핵심 기술이다. 이 기술의 완성이 없이는 U-Home 서비스는 물론이고 한국의 가장 큰 비즈니스 모델로 자리매김하고 있는 U-City 구축에도 많은 어려움을 겪게 될 것으로 보인다. 다시 표현하면 Mesh Network 기술의 완성은 매우 큰 시장 장악력을 확보하게 해 줄 것으로 보인다는 것이다. 따라서 이 기술을 계속 발전시키고 기술을 개발한 후 핵심 아이디어를 특허로 무장한 후 국제적으로 표준화하면 이미 확보된 거대한 U-City 및 U-Home 시장을 선도하는 제품의 개발도 가능하게 될 것으로 보인다.

 

전호인 ( 경원대학교 전자•전기정보공학부 교수, hijeon@kyungwon.ac.kr)

http://www.tta.or.kr/Home2003/library/weeklyNewsView.jsp?news_id=1139