KR20130073223A - 이웃 지그비 노드의 도움을 통한 액세스 포인트 탐색 방법 - Google Patents

Abstract

지그비 인터페이스를 이용하여 WiFi 액세스 포인트를 발견한 모바일 장치가 주위의 다른 장치에게 WiFi 액세스 포인트의 채널 정보를 제공하여 WiFi 액세스 포인트를 발견할 수 있도록 한다. 본 발명에 따른 액세스 포인트 탐색 방법은, WiFi 액세스 포인트를 발견하지 못한 제1 모바일 장치가 상기 제1 모바일 장치 주위에 위치하며 상기 WiFi 액세스 포인트를 발견한 제2 모바일 장치로부터 상기 WiFi 액세스 포인트의 채널 정보를 수신하는 단계와, 상기 제1 모바일 장치가 수신한 상기 채널 정보를 이용하여 상기 WiFi 액세스 포인트를 발견하는 단계를 포함한다.

Description

이웃 지그비 노드의 도움을 통한 액세스 포인트 탐색 방법{Neighbor Assisted WiFi beacon detection method using ZigBee}

본 발명은 무선 인터넷 접속을 위한 액세스 포인트 탐색 방법에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 저전력인 지그비(ZigBee) 인터페이스를 이용하여 효율적으로 액세스 포인트를 탐색할 수 있는 방법에 관한 것이다.

최근 스마트폰 및 무선 통신이 가능한 소형 모바일 장치들에 다수의 무선 인터페이스(WiFi, Bluetooth, Cellular, 지그비 등)가 장착되는 것이 일반화 되고 있으며, 이러한 환경에서 WiFi 인터페이스를 통한 무선 인터넷 접속이 큰 관심사가 되고 있다. WiFi 인터페이스를 통한 무선 인터넷 접속은 Bluetooth, 지그비 인터페이스보다 더욱 높은 처리량을 제공해 줄 뿐만 아니라 2.4 GHz 대역에 존재하는 다른 표준들과의 Cross Technology Interference에 대해서도 적은 영향을 받는 장점이 있다.

특히 최근 스마트폰의 대중화로 인하여 모바일 환경에서 무선 인터넷 접속을 제공하기 위해 더욱 많은 WiFi 기반시설이 설치되고 있다. 이를 통하여 소형 모바일 장치들을 이용하는 사용자들은 이동 중에도 WiFi 인터페이스를 이용하여 인터넷 망에 접속하고 매 순간 필요한 다양한 서비스(이메일 확인, 파일 전송, 웹 검색 등)를 제공받을 수 있다. 하지만 WiFi를 이용할 수 있는 장소가 제한적이므로 수시로 주변의 WiFi AP를 발견하는 동작을 수행하거나 현재 연결 중인 WiFi AP의 적용 반경을 벗어난 경우 새로운 WiFi AP를 발견하고 연결을 맺어야 한다.

WiFi AP를 주기적으로 확인하기 위한 일반적인 방법은 WiFi 인터페이스를 이용하여 주기적으로 WiFi AP가 존재하는 채널을 탐색(Scanning)하는 것이다. 하지만 주기적인 WiFi AP 발견을 위하여 WiFi 인터페이스를 켜놓는 것은 많은 양의 에너지를 소모하는 단점이 있다. 무선 통신이 가능한 소형 모바일 장치들은 배터리로 동작하는 특성을 가지고 있으므로 처리량과 더불어 에너지 효율성을 높이는 것이 가장 중요한 과문제 중 하나이다.

WiFi 네트워크 발견을 위해 WiFi 인터페이스를 Idle 상태로 두어 에너지 소모가 심해지는 문제를 해결하기 위하여 저전력 무선 통신 인터페이스를 활용하는 다양한 방법들이 제안되어왔다. 주로 WiFi 인터페이스는 실제 통신에만 사용하고 주기적인 저전력 무선 통신 인터페이스의 센싱을 통해 WiFi 인터페이스의 에너지 소모를 줄이는 기법들이다.

WiFi 인터페이스는 데이터 전송에 관한 처리량, 전송 범위, 에너지 효율성(일정량의 데이터를 전송하는데 드는 에너지의 량)은 다른 기술에 비해 높게 나타나지만 트래픽이 없는 Idle 상태, 새로운 AP를 찾는데 드는 에너지 효율성이 낮다. 이에 비해 지그비 인터페이스의 경우 Bluetooth 인터페이스보다 지원하는 데이터 전송률은 낮지만 송, 수신 및 idle 상태에서의 에너지 소모량이 더 적다. 따라서 WiFi 인터페이스를 사용하지 않고 지그비 인터페이스를 사용하여 주변에 이용가능한 WiFi AP를 찾는 것이 에너지 관점에서 더욱 효율적이다. 하지만 WiFi 인터페이스와 지그비 인터페이스는 수신 감도에 차이가 있고 서로 다른 대역폭(WiFi 20Mhz, 지그비 2 Mhz)을 이용하므로, WiFi AP를 지그비 인터페이스로 발견하는데 문제를 야기시킬 수 있다.

본 발명은 상술한 바와 같은 기술적 배경에서 안출된 것으로서, 본 발명에서는 저전력인 지그비 인터페이스를 이용하여 효율적으로 WiFi AP를 탐색할 수 있는 방법을 제공하는 것을 그 과제로 한다.

본 발명의 다른 과제는 WiFi와 지그비 인터페이스가 수신 감도에 차이가 있고 서로 다른 대역폭을 이용하는 것에 의하여 지그비 인터페이스가 WiFi AP를 발견할 수 없는 지역에서 이웃 지그비 노드의 도움으로 AP를 탐색할 수 있는 방법을 제공하고자 하는 것이다.

이와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명에서는 지그비 인터페이스를 이용하여 WiFi 액세스 포인트를 발견한 모바일 장치가 주위의 다른 장치에게 WiFi 액세스 포인트의 채널 정보를 제공하여 WiFi 액세스 포인트를 발견할 수 있도록 한다.

즉, 본 발명의 일 면에 따른 액세스 포인트 탐색 방법은, 모바일 장치가 지그비 인터페이스를 이용하여 WiFi 액세스 포인트를 탐색하는 방법으로서, WiFi 액세스 포인트를 발견하지 못한 제1 모바일 장치가 상기 제1 모바일 장치 주위에 위치하며 상기 WiFi 액세스 포인트를 발견한 제2 모바일 장치로부터 상기 WiFi 액세스 포인트의 채널 정보를 수신하는 단계와, 상기 제1 모바일 장치가 수신한 상기 채널 정보를 이용하여 상기 WiFi 액세스 포인트를 발견하는 단계를 포함한다.

여기에서, 상기 제2 모바일 장치는 자신이 직접 상기 WiFi 액세스 포인트를 발견한 장치인 것이 바람직하다.

또한, 상기 채널 정보는 WiFi 전체 채널에 대하여 각 채널별로 발견, 미발견, 알수없음의 정보를 포함할 수 있다.

본 발명에 따르면, 전력소모가 적은 지그비 인터페이스를 활용하여 WiFi 사용 빈도가 높은 모바일 장치의 높은 에너지 효율성을 유지하면서 WiFi AP 발견 가능 지역을 확장할 수 있다. 이에 따라 협력 통신 기법을 통해 더욱 많은 클라이언트들이 WiFi AP를 효과적으로 발견 할 수 있다.

도 1은 802.15.4와 802.11 표준의 채널 구성을 나타낸다.
도 2와 도 3은 실내 실험실 환경에서 실험용 WiFi AP를 켜지 않았을 때 클라이언트에 장착된 지그비 인터페이스로 노이즈 레벨을 측정한 결과로서, 도 2는 측정 클라이언트를 실험실 안에 두고 외부 신호들과 장애물(철문)로 단절된 상황에서 측정한 결과이며, 도 3은 측정 클라이언트를 실험실 외부에 두고 주변 간섭들에 영향을 받는 상황에서 측정한 결과이다.
도 4는 WiFi 인터페이스와 지그비 인터페이스의 수신 감도 차이를 나타내는 도면이다.
도 5는 하나의 AP가 존재하는 상황에서 모바일 장치에 장착된 지그비 인터페이스가 AP를 발견 가능한 Red Zone과 발견 불가능한 Grey Zone을 나타내는 도면이다.
도 6은 각 노드가 WiFi AP의 존재를 알려주는 협력 통신 메시지의 구성을 나타낸다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 AP 탐색 방법에서 1홉 이득을 나타낸다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 1홉 협력 통신의 이득 비율을 나타낸다.
도 9는 WiFi AP의 신호를 지그비 인터페이스로 센싱하는 결과에 따른 Grey Zone을 나타낸다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

이하에서, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 따른 이웃 지그비 노드의 도움을 통한 액세스 포인트 탐색 방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

지그비와 WiFi는 각각 802.15.4와 802.11 표준에서 정의되고 있다. 802.15.4와 802.11 표준은 unlicensed 2.4 Ghz 대역에서 적용되도록 제안되었으며, 802.15.4는 16개의 2 Mhz 채널을 정의하고 802.11b/g 표준은 13개의 20 Mhz 채널을 정의하고 있다.

도 1은 802.15.4와 802.11 표준의 채널 구성을 나타낸다.

도 1에 나타난 바와 같이, 802.11 1개의 채널은 4개의 802.15.4 채널과 오버랩되어 있다. 따라서 802.11 한 채널에 대해 4개의 802.15.4 채널이 전송신호를 감지할 수 있는 기회를 갖는다.

802.15.4가 적용된 대표적인 센서 노드 TelosB의 경우 매 32us마다 8 심볼(128us) 단위로 평균을 취하여 채널을 샘플링 한다. 이는 80 ~ 200 Bytes의 범위를 갖는 작은 비콘 프레임에 대해서도 여러 번 센싱할 수 있는 충분한 시간을 제공할 수 있다.

동일한 표준(802.15.4)을 따르는 무선 장치들 사이에서도 무선 인터페이스의 종류 및 안테나의 특성에 따라 다양한 수신 감도의 차이를 보일 수 있으며, 전송 노드와 수신 노드 안테나의 각도, 안테나의 형태 및 특성에 따라 10dB 이상의 신호세기 차이와 서로 다른 power spectral density(PSD)를 가질 수 있다. 또한 송, 수신 노드의 밴드 패스 필터의 차이는 수신된 신호의 세기를 더욱 감소시킬 수 있다.

WiFi AP 신호를 지그비 인터페이스로 에너지 센싱을 할 경우 상술한 바와 유사하게 수신 감도 차이가 나타날 수 있으며, RSSI 자체의 부정확성은 이러한 차이를 더욱 심화시킬 수 있다. 즉, 이로 인하여 지그비 인터페이스로 WiFi AP가 존재하는 것을 발견할 수 없는 Grey Zone이 발생하게 된다.

이러한 Grey Zone의 존재를 실험적으로 확인하기 위하여 WiFi 인터페이스를 이용 가능한 리눅스 기반의 노트북에 TelosB 노드를 연결하여 WiFi 인터페이스와 지그비 인터페이스로 에너지 센싱을 수행하였다.

최근 제안된 ZiFi에서는 WiFi AP의 신호가 -90dBm보다 더 작은 경우 클라이언트와 AP간의 상호연결이 불가능하거나 통신 효율성이 높지 않다고 판단하여 Threshold를 -90dBm으로 정의하고 있다.

도 2와 도 3은 실내 실험실 환경에서 실험용 WiFi AP를 켜지 않았을 때 클라이언트에 장착된 지그비 인터페이스로 노이즈 레벨을 측정한 결과이다. 도 2는 측정 클라이언트를 실험실 안에 두고 외부 신호들과 장애물(철문)로 단절된 상황에서 측정한 결과이며, 도 3은 측정 클라이언트를 실험실 외부에 두고 주변 간섭들에 영향을 받는 상황에서 측정한 결과이다. 도 2 및 도 3에 나타난 바와 같이, 주변 환경에 따라 노이즈 레벨의 변화가 나타나는 것을 알 수 있다.

WiFi AP 신호를 감지할 때 WiFi 인터페이스와 지그비 인터페이스를 통해 에너지 센싱된 RSSI 차이를 알아보기 위하여 여러 가지 경우에 대하여 실험해 보았다. Case 1은 실험실 외부의 장애물이 별로 없는 복도에 WiFi AP와 클라이언트를 LOS(line-of-sight)로 배치하고 두 노드간 거리를 약 63m 정도 두고 실험한 경우이며, Case 2는 다수의 장애물이 존재하는 실험실 내부에 WiFi AP와 클라이언트를 NLOS(non-line-of-sight)로 배치하고 두 노드간 거리를 약 13m 정도 두고 실험한 경우이다. Case 3은 실험실 내부에 WiFi AP를 배치하고 실험실과 약 37m 떨어진 다른 실험실 내부에 클라이언트를 배치한 경우로서, 두 노드 사이의 통신을 위해서는 견고한 철문 2개를 통과해야 한다. 본 실험에서 WiFi AP는 Linksys WRT54G AP를 802.11b 모드로 동작하도록 설정하여 WiFi 인터페이스와 지그비 인터페이스로 각각 신호세기를 측정하였다.

도 4는 이러한 실험 결과를 나타낸다.

도 4에 나타난 바와 같이, WiFi 인터페이스와 지그비 인터페이스의 측정 결과가 8~10 dB 정도 차이나는 것을 볼 수 있다. 즉, WiFi AP의 신호를 지그비 인터페이스가 일정 수준 이하로 낮게 측정함으로서 WiFi AP가 존재함에도 불구하고 발견할 수 없는 Grey Zone이 존재하게 된다.

지그비 인터페이스는 WiFi 인터페이스에 비해 전력소모가 적으므로, 평상시에 WiFi 인터페이스를 꺼놓고 지그비 인터페이스로 WiFi AP를 발견하는 방법을 사용하면 에너지 효율성을 크게 향상시킬 수 있다. 그러나, 상술한 바와 같이, Grey Zone이 발생하게 되면 WiFi 이용 기회가 많이 줄어드는 문제가 발생하게 된다. 본 발명의 실시예에서는 이와 같은 Grey Zone 현상을 해결하기 위하여 이웃 지그비 노드의 협력을 이용한다.

도 5는 하나의 AP가 존재하는 상황에서 모바일 장치에 장착된 지그비 인터페이스가 AP를 발견 가능한 Red Zone과 발견 불가능한 Grey Zone을 나타내는 도면이다.

도 5에 나타난 바와 같이, 하나의 AP(100) 주위에 다수의 모바일 장치가 존재하며, 이 중 상대적으로 AP(100)에 가까이 위치하여 모바일 장치에 장착된 지그비 인터페이스가 AP를 발견할 수 있는 Red Zone(310)과 모바일 장치에 장착된 지그비 인터페이스가 AP를 발견할 수 없는 Grey Zone(320)이 구분되어 나타난다.

각 클라이언트들은 WiFi 인터페이스를 끄고 지그비 인터페이스를 이용하여 WiFi 1~N번 채널까지 각 채널에 근접한 지그비 채널을 통해 WiFi 채널별 AP의 존재 여부를 주기적으로 모니터링한다. 이때 최소 1개 이상의 WiFi 채널에서 AP를 직접 발견한 노드는 주변에 현재 발견 못한 노드에게 주기적으로 AP의 존재를 알려주는 Red 노드(210_1, 210_2, 210_3)가 된다. 모니터링 중인 채널에 AP가 존재하지 않는다고 판단하는 노드들은 Grey 노드(220_1, 220_2)가 되어 주변에 Red 노드(210_1, 210_2)가 있는 경우 Red 노드(210_1, 210_2)의 도움을 받아 자신이 직접 발견하지 못한 AP에 대한 채널 정보를 제공 받아 WiFi AP를 발견하게 된다. Grey 노드의 경우 Red 노드로부터 전달받은 AP의 정보를 추가적으로 다른 Grey 노드들에게 전달하게 되면 Grey Zone을 벗어나 실제 AP가 존재하지 않는 지역의 노드들에게 잘못된 정보를 전달할 수 있으므로, 본 발명의 실시예에서는 직접 AP를 발견한 Red 노드만 포워딩하는 전략을 취한다.

각 노드가 WiFi AP의 존재를 알려주는 메시지는 도 6에 나타난 바와 같이 구성된다.

WiFi 전체 채널에 대하여 각 채널 별로 WiFi AP를 발견했다면 11(detected), 발견하지 못했다면 10(not detected), 아직 판단이 명확하지 않다면 00(unknown)으로 표기한다. 802.11 b/g의 경우 총 13개의 채널에 대하여 26bits의 데이터를 주기적으로 전송하게 된다.

지그비 인터페이스는 칩의 특성상 송신 에너지가 수신 에너지보다 적으므로 WiFi AP의 존재 여부를 알려주는 협력 통신 메시지를 주기적으로 전송하는 것은 에너지 효율성을 감소시키지 않는다. 또한 지그비 인터페이스를 통하여 WiFi AP의 힌트 교환을 위해서는 쿼럼 기반의 모니터링 및 전송 기법을 적용한다.

본 발명의 실시에에 따르면, WiFi AP 발견 반경을 증가시키기 위하여 지그비 인터페이스의 1 홉 협력 통신 기법을 사용한다. 이 때 1 홉 협력 통신 기법으로 얻을 수 있는 이득은 WiFi AP에 대한 Red Zone 바깥 지역부터 지그비 인터페이스의 1홉 통신 거리(TX_R~TX_R+TX_Z) 내에 존재하는 클라이언트들 중 본 발명의 실시예에 따른 방법을 통해 WiFi AP를 발견할 수 있게 되는 노드들의 비율로 나타낼 수 있다.

도 7에 나타난 바와 같이, TX_R 에서 TX_R+TX_Z사이에 존재하는 클라이언트들에게 도움을 줄 수 있는 노드들의 영역을 A_I로 정의할 수 있으며 이 면적은 다음의 [수학식 1]과 같이 표현된다.

해당 영역에서 노드 배치가 밀도 l의 프아송 포인트 프로세스를 따른다고 가정하면 A_I 영역의 노드들이 TX_R 에서 TX_R+TX_Z사이의 클라이언트들에게 도움을 줄 수 있는 평균 확률은 다음의 [수학식 2]와 같다. 여기서 Pr(A_I)는 최소 1개 이상의 협력 노드가 A_I 영역에 존재하는 확률로

가 된다.

클라이언트의 1 홉 관점에서 존재하는 노드의 개수에 따라 TX_R 에서 TX_R+TX_Z 사이에 특정 클라이언트가 존재할 때 도움을 받을 수 있는 노드들의 비율은 도 8에 나타나 있다. 노드가 20개 존재하는 경우에도 1 홉 협력 통신 기법을 통해 약 81%정도의 클라이언트들이 WiFi AP를 추가적으로 발견할 수 있음을 알 수 있다.

실내 자유 공간 에서의 path-loss exponent의 경우 주변 환경에 따라 1.6~3.5 사이로 다르게 나타날 수 있다. 개방형 복도의 경우 파장 가디언스가 존재하여 작게 나타나는 성향이 있으며, 실내에 가구가 많은 경우 자유 공간 손실 이외에도 다양한 멀티패스 페이딩이 함께 발생해서 path-loss exponent가 크게 나타날 수도 있다.

이러한 환경에 대해 고려하였을 때 WiFi AP의 신호를 WiFi 인터페이스로 센싱한 결과는 자유 공간에서의 단순화된 path-loss 모델([수학식 3])을 통하여 구할 수 있다. [수학식 3]에서 K는 안테나의 특성들과 평균 채널 감쇄에 의해 결정되며, g는 Path-loss exponent, d₀는 안테나 파 필드에 대한 레퍼런스 디스턴스를 의미한다. 또한, WiFi AP의 신호를 지그비 인터페이스로 센싱하는 결과는 실험에 의해서 얻어진 수신 감도의 오차가 추가적으로 고려되어 도 9와 같이 나타난다.

통상 WiFi 유효 통신 거리를 100m 정도로 보고 있으므로, 100m 미만에서 발생하는 Grey Zone 영역이 실제 WiFi AP 발견에 영향을 주는 부분이다. Path-loss exponent 3 인 환경에서는 지그비 인터페이스가 WiFi AP를 인지하는 Threshold -90dBm이 되는 지점이 약 89m 이므로 지그비 인터페이스의 1홉 협력만으로도 대부분의 영역을 커버할 수 있으며, 4인 경우에는 1홉 협력의 범위를 벗어나게 된다. 즉, 지그비 인터페이스로는 약 29m 지점까지 WiFi AP를 발견할 수 있으나 실제 WiFi AP의 신호도달 거리는 약 50m 지점이다.

이상에서 바람직한 실시예를 기준으로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명의 장치 및 방법은 반드시 상술된 실시예에 제한되는 것은 아니며 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (3)

1. 모바일 장치가 지그비 인터페이스를 이용하여 WiFi 액세스 포인트를 탐색하는 방법으로서,
   WiFi 액세스 포인트를 발견하지 못한 제1 모바일 장치가 상기 제1 모바일 장치 주위에 위치하며 상기 WiFi 액세스 포인트를 발견한 제2 모바일 장치로부터 상기 WiFi 액세스 포인트의 채널 정보를 수신하는 단계와,
   상기 제1 모바일 장치가 수신한 상기 채널 정보를 이용하여 상기 WiFi 액세스 포인트를 발견하는 단계를 포함하는 액세스 포인트 탐색 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제2 모바일 장치는 자신이 직접 상기 WiFi 액세스 포인트를 발견한 장치인 액세스 포인트 탐색 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 채널 정보는,
   WiFi 전체 채널에 대하여 각 채널별로 발견, 미발견, 알수없음의 정보를 포함하는 액세스 포인트 탐색 방법.
   
   

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