유비쿼터스 센서 네트워크 기술

목차

 USN의 정의

 기술개념

 적용시장 및 적용 사례

 시장 동향

 응용과 매체

 기술 Road Map

USN의 정의 (세부목차)

 RFID/USN이란?

 RFID System & Tag

 UWB

 IPv6

 센서 노드 운영체제

USN의 정의-RFID/USN이란?

 RFID/USN은 모든 사물에 부착된 RFID 또는 Sensing 기술을 초소형 무선장치에 접목하여 상호 간의 네트워킹과 통신하여 실시간으로 정보를 획득, 처리, 활용하는 네트워크 시스템.

 RFID/USN에서는 사물의 이력정보 및 사물을 둘러싸고 변화하는 물리 환경계의 다양한 정보를 획득함으로써 생산성, 안정성 및 인간생활 수준의 고도화를 실현함.

 RFID/USN은 먼저 인식정보를 제공하는 RFID를 중심으로 발전하고 이에 Sensing 기능이 추가되어 이들 상호간의 네트워크가 구축되는 USN 형태로 발전

USN의 정의-USN 서비스 개념

USN의 정의-RFID System & Tag

 태그 구분

 전원유무에 따라

 Passive, semi-passive, active

 주파수에 따라

 LF(124~134kHz): 접근제어, 동물관리 등

 HF(13.56MHz): IC 카드, 신분증

 UHF(400~915MHz): 유통 물류 등 컨테이너 식별

 마이크로웨이브 태그(2.45GHz): 히타치의 뮤칩에서 사용됨

 기능에 따라

 Identity tag: 기본형태, 변경 불가한 EPC코드와 데이터 통신에서 발생할 수 있는 오류를 수정하기 위한 CRC(Cyclic Redundancy Checking)정보만을 가짐

 Functional tag: 식별태그의 기본정보 외에 임의의 사용자 정보를 저장할 수 있는 기능을 가짐

USN의 정의-UWB

 UWB의 개요

 기존 무선기술을 사용하던 무선 반송파를 이용하지 않고, 기저대역 상태에서 수 GHz이상의 넓은 주파수대역 및 매우 짧은 펄스 폭(1~4nsec)를 이용한 단거리 고속 통신 기술

 장점

 저전력 및 속도 면에서 구현 유리

 광대역, 저전력에 의한 낮은 간섭

 벽과 같은 장애물에 대한 투과율이 좋음

 단점

 전송거리 제한

 타 기기에 간섭 유발됨으로 전력제한 등 저전력화 필수

기술개념-IPv6

 1994년 IPng(The IP Next Generation)이라는 Working Group명으로 시작

 1998년 대부분의 주요 핵심 표준이 개발 완료

 2001년 IPv6 Working Group으로 명칭 변경

 IPv4의 대안으로써 자리를 잡음

 2005년 6월, KT는 유비쿼터스 시대의 핵심인프라 중 하나인 차세대 인터넷주소를 17조개확보

 개당 64대역까지 할당이 가능해 수천억개의 단말을 서브네트워크로구성할 수 있음(대한믹국 국민 1인당 36만개의 개별 네트워크 구성 가능)

 독일 도이치텔레콤에 이어 두 번째로 많은 양

기술 개념-센서노드운영체제

 운영체제 설계 시 고려 사항

 작은 크기의 RAM 사용

 Task들은 Stack을 공유, 오버헤드를 줄이기 위해 선점(Preemption)을 허용하지 않는 경우도 있음

 전력 관리자를 두어 마이크로 컨트롤러와 RF Chip의 다양한 Sleep Mode와 세부기능의 전력 공급을 제어, 센서 자체의 전력 공급을 제어함

 제한된 병렬처리, 하드웨어 구조,  원시적인 I/O장치들

 어떠한 응용에서도 효과적으로 사용할 수 있도록 유연성과 모듈성을 갖추어야 함

 저 전력 Ad-hoc 라우팅 프로토콜, 위치인식, Clock Synchronization 지원

기술 개념-센서노드운영체제의 종류

 미국 Berkeley의 TinyOS

 운영체제 및 다양한 미들웨어와 개발환경을 가짐

 오픈 커뮤니티 활동을 통해 표준 플랫폼으로 성장

 콜로라도 대학의 Mantis

 유럽의 EYES OS

 ETRI의 Nana Qplus

 IT839전략을 구사하고 있는 정보통신부의 RFID/USN과 관련된 다양한 국책 사업에 활용될 수 있도록 다양한 요구사항 하에 개발되었기 때문에 한국형 유비커터스 센서 네트워크의 표준 플랫폼으로 자리잡을 전망

TinyOS

 대표적인 이벤트 기반 USN 운영체제

 이벤트 발생에 의한 상태 전이 방식을 채택한 상태 머신 기반의 프로그래밍 개념을 사용

 제한된 메모리 공간의 효율적인 이용과 프로세싱의 동시성 등을 지원

 시스템 자원의 제약으로 IP프로토콜, 소켓, 쓰레드 개념은 사용하지 않음

 하드웨어 센서를 통해 외부 데이터를 받아 Level2에서 이벤트를 발생시킴

 Level2에서는 이를 Task로 처리하거나 아니면 Level1에 이벤트를 발생시킴

 Level1은 이벤트에 따라 Task를 실행하거나 Level2에 Command를 요청함

 Scheduler는 Task, 이벤트 작업을 총괄함

Nano-Qplus

 제한된 메모리 사용을 최소화 하기 위해 멀티 쓰레드간의 스택을 공유

 멀티 쓰레드 스케줄러(FIFO 방식, 시간 기반 라운드 로빈방식, 우선순위에 따른 쓰레드 선점 방식)로 다양한 무선 통신 방식(433RF, ZigBee)을 지원

 표준형 및 마이크로 임베디드 OS와 동일한 API세트를 지원하여 기존 시스템 프로그램 개발자에게 친밀감을 제공함

 nHAL(nano Hardware Abstract Layer)계층에서 센서노드의 하드웨어(LED, CLOCK, RFM, UART, ADC 등)를 컴포넌트별로 추상화시켜 상위 기능 모듈들이 쉽게  하드웨어 컴포턴트들을 제어할 수 있도록 함

 OS의 주요 기능을 모듈단위로 구현하여 전체 시스템을 구성하는 단계에서 추가/삭제가 가능하도록 함

적용시장

 국내외 시장

 국내외 동향

 RFID/UWB 전망

적용 시장 1/2

 세계시장

 RFID

 2005년 30억 달러  에서 2010년 100억 달러로 성장

 UWB

 2003년 1억 8,800만 달러에서 2007년 13억 8,500만 달러로 급격히 성장

 국내시장 (세계시장의 약 5%)

 RFID

 2003년 660억 원 에서 2007년 3,180억 원으로 성장

 UWB

 2003년 100억 원 에서 2007년 700억원 규모로 급성장

적용 시장 2/2

 RFID 및 UWB의 국내외 시장 규모 전망

시장 동향-해외 동향

 미국, 유럽, 일본을 중심으로 민간, 공공 및 학계에서 다양한 USN관련 시범사업을 진행 중이며, 일부 상용화 단계에 접근한 서비스가 개발 및 운영 중

 미국 국방성의 Smart Dust, CENS의 오염물질 전파 모니터링 등 국방, 과학, 환경 분야의 실시간 센싱이 필요한 영역에서 USN을 이용한 다양한 서비스 연구가 진행 중

 일본은 총무성을 주축으로 의료, 건강, 방범, 보안, 방재, 교육, 시설제어, 농산물 등의 각종 생산과정, 환경문제 등 사회의 안전, 생활의 쾌적성, 여유로움, 생산/업무의 효율화 등에 대한 응용서비스를 추진

 EU에서는 프레임 워크(FP)프로그램에 입각하여 ‘사라지는 컴퓨팅 계획’사업을 중심으로 16개 연구 프로젝트를 진행하여 RFID/USN 기술 개발과 보급에 박차를 가하고 있음

U-City 서비스 사례

 유럽연합은 2008년까지 지식기반 사회 구현의 일환으로 IT기반의

 지능형 도시인’Intelcities’ 프로젝트를 활발히 추진 중

 말레이시아는 약 17억 달러를 투입해

IT 거점도시인 ‘MSC(Multimedia

 Super Corridor)’ 건설에 박차를

가함으로써 2020년까지 IT 선진국

진입을 완료하는 ‘vision 2020’ 프로

젝트를 적극 추진 중

 일본의 오카야마시, 인도의 뱅갈시는

광대역 정보통신 인프라 제공을 통한

고도의 정보서비스 제공을 위해 노력하고

있고 싱가포르의 ‘One-North’, 덴마크

코펜하겐의 ‘Corssroads’. 필란드 헬싱키의

‘arabianranta’, 미국 샌프란시스코의

‘Mission Bay’ 등도 도시 주민들에게 첨단 IT 서비스

제공을 위한 신도시 건설을 위해 다양한 시도를 추진 중

필란드 헬싱키

아라비안란타 버추얼빌리지(Arabianranta verkkolehti)

 2010년까지 IT,디자인,문화도시의 완성을 목표

 1Gbps의 백본망과 더불어 아라비안센터나 비즈니스파크 등의 업무 및 상업시설에 WLAN, 공동주택엔 광케이블, VoIP전화서비스 제공

 인터넷, VoIP 전화, TV네트워크는 LAN&WAN Service Center에 의해 운영

 Helsinki Virtual Village라는 포털이 운영, 지도정보, 버스정류장 및 시간표, 회사 접촉 정보, 주택건설 정보, 온라인 잡지 등의 공공 서비스가 제공됨

 개인회원: 개인, 비즈니스 카드, 구인구직정보, 토론방 서비스

 아라비안란타 거주자: 아파트 회사의 멥버십, 엑스트라넷, 동호회, 공동시설 예약, 회사에는 인터넷 홈페이지 작성 및 운영, 기술적 솔루션, 네트워크 서비스가 제공됨

 특히, 거주자 중 선정된 eHouse-매니저가 정보 업그레이드, 토론방 관리 등 주거단지의 웹사이트를 운영함

 http://www.helsinkivirtualvillage.fi/

말레이시아의 

MSC(Multimedia Super Corridor)

 국가 전역에 초고속정보통신망을 구축하여 사람, 자연, 기술이 조화되는 도시를 개발하는 것이 목표, 1996년부터 정부 주도하에 15km x 50km 규모로 시작됨

 실리콘밸리와 같은 첨단 정보산업단지를 2020년까지 완공하는 것을 목표로 업무, 주거, 교육, 문화를 종합하여 친환경적으로 개발되고 있음

 MSC는 크게 쿠알라룸푸르 국제공항(KLIA), 기술공원, 정보산업단지인 사이버자야(CyberJaya)등으로 구성되어 있음

 사이버자야는 MSC의 핵심지역으로 17,297에이커에 IT업체의 업무시설을 중심으로, 상업, 주거시설 및 멀티미디어대학 등 교육시설이 있으며, 도시 관제센터(Cyberjaya City Command Center)에서 모니터링과 도시 관리를 하고 있다.

 10Gbps급 네트워크가 구축되며, 전자정부, 스마크카드, 원격의료 등이 구현됨

홍콩의 사이버포트(Cyberport)

 홍콩은 디지털미디어산업의 유치를 목표로 정부가 주도하는 ‘사이버포트(Cyber Port)’건설을 추진 중

 7만평 규모로 130억 홍콩달러를 유치해 조성되는 사이버포트는 지난 2002년부터 시작돼 올해 말 완공됨

 디지털 미디어센터, 홍콩 무선 IT센터(HKWDC), i-자원센터, 전시 및 홍보시설 등 초고속통신망 기반의 인텔리전트 오피스 구현이 개발의 핵심

USN 서비스 사례

 미국 로체스터 대학의 스마트 의료 홈(Smart Medical Home) 프로젝트

 다섯 개의 방으로 구성 적외선 센서, 컴퓨터, 바이오 센서, 비디오 카메라 등으로 구성됨

 스마트 거울: 피부의 변화는 물론 암 발병의 가능성까지 체크

 개인의료 상담 서비스

(PMA, Personal Medical

 Advisor): 자연스러운 대화를

수행하는 인터페이스 제공

 스마트 밴드: 상처의 치유 

상태를 지속적으로 체크함

 곳곳에 설치된 센서로부터 

수집된 정보는 개인의 의료 

상담 시스템에 전달되어 의사

에게 전송되며 개인은 데이터 

전송을 통제할 수 있음

일본 마쓰시다 전기의 산업용 공장의 모니터링

 MERL(MITSIBISHI Electric Research LAB)에서 산업 공장에 대한 모니터링 (IPM: Industrial plant monitoring)을 위한 응용 프로그램을 개발하기 위한 프로파일과 ZigBee 및 센서 기술 기반의 모니터링 시스템의 프로토타입을 개발하고 있음

 필요한 기술: 센서에 의해 얻어진 정보를 전달하기 위한 즉, 데이터를 전송할 때 단편화하고 수신 측에서 재조립하는 과정에 대한 프로토콜이 필요함

 가장 큰 고려사항: 여러 다른 벤더들 사이에서 호환되는 프로파일을 만드는 것

일본 마쓰시다 전기산업의 건강화장실

 변기에 앉으면 체중, 체지방, 당뇨수치를 자동으로 측정 매일의 건강상태를 확인한다.

 네트워크를 경유해 홈 서버는 물론 건강상태 등에 대해 필요한 조언이나 조치를 취하는 조력기관과 연결됨

시장 동향-국내 동향

 국내의 USN 서비스는 현재까지 RFID를 중심으로 이루어지고 있어 USN 응용서비스는 개념 기획 단계임

 NCA를 중심으로 ETRI, KETI 등 일부 연구소 및 대학 등에서 USN을 이용한 응용서비스를 연구하고 있으나, 실용화 단계까지는 관련 기술 및 서비스에 대한 연구가 더 필요한 상황

 최근 정통부를 중심으로 u-Korea 구축계획, u-City 구축계획 등 USN 기술을 활용한 국가적인 서비스에 대한 체계적인 전략이 수립 중에 있음

시장 동향-국내 u-City 진행 현황 1

시장 동향-국내 u-City 진행 현황 2

 서울은 2015년까지 8천여 억원을 투입해 U-서울 마스터플랜을 추진중

 유비쿼터스 기반의 국제 비지니스 도시 건설을 위해 서울시는 복지와 문화•환경•교통•산업•행정 및 도시관리 등 6대 분야별 목표를 설정하고, 24개 뉴타운을 개발함한다. 1단계 선도사업으로 추진되는 은평 뉴타운은 통합관제센터(동사무소)와 원격영상진료서비스(보건소) 등을 제공하는데 주안점을 둠

 부산은 2012년까지 1조원을 투입해 동북아 물류허브도시를 위한 ‘흐름과 연결의 유비쿼터스 게이트웨이’를 건설 중

 민간기업과 공동으로 추진하는 이 사업은 U-포트(항만), U-트래픽(교통환경), U-관광•컨벤션, U-헬스 등 4개 분야 39개 전략사업을 채택해 인프라와 서비스 구축을 진행 중

 인천경제자유구역은 2014년까지 6조 3천 억원을 투입해 동북아 국제 비지니스 중심도시 건설을 목표로 비즈니스 중심의 송도, 물류산업 클러스터인 영종지구, 관광산업 클러스터 청라 지구를 개발하고 있음

 대전시는 대덕 연구개발특구의 기존 연구개발(R&D) 인프라를 바탕으로 '시민 만족형 U-웰빙 도시 건설'을 목표로 U-스마트 타운, U-트래픽, U-R&D 클러스터, U-웰빙 도시 건설 등 4개 분야를 중점적으로 추친함.

 U-시범단지로 국내 최대 규모의 도심형 복합 타운인 ‘은행동 퓨처렉스’를 건설 중 

USN기반의 불국사 문화재 관리시스템

설치장비

센서노드

베이스스테이션 및 네트워크카메라

운영화면

시장 동향 1/2- RFID 시스템과 

 RFID 시스템과 Smart Tag

 ISO산하 IEC JTC1/SC31/WG4 에서 표준(안) 개발, 운용, 관리

 단말기 측: 반도체 칩을 이용한 RF Tag (Transponder Chip + Antenna) 기술에 의존

 Low-end 시장

 바코드를 대체할 수 있는 단가 10원 대의 초저가격 무 칩(Chipless)의 스마트 라벨까지 등장할 전망

 High-end 시장(비교적 고가의 의료, 군수용)

 다양한 종류의 센서 네트워크와 Smart Tag 기술의 결합

 예) 태양전지, 통신모듈, 광센서를 4.8mm2크기로 

집적한 Smart Dust

 Low price, Battery less => 고용량의 

MLCC(Multi-Layer Ceramic Condenser)를 사용 

M/W 에너지로부터 전원 생성

시장 동향 2/2-UWB로의 확장

 UWB의 확장

 개인거리 10m이내의 공간에서 Bluetooth를 제치고 UWB로 통일 된다면

 무선 PAN(Personal Area Network), BPN(Body Area Network)내에서 동작하는 스마트 라벨은 인체를 포함한 모든 사물에 내장되거나 부착될 수도 있음

응용과 매체

 최상위 사용자 레벨에서

 생활 서비스

 시스템 구성

 전파 UWB 매체

 요구사항을 분석 u-sensor SoC의 개발 방향 제시

응용과 매체-생활 서비스

 ‘Smart Its Project’

 일상 사물에 소형 내장형 디바이스인 ‘Smart-Its’을 삽입 감지, 인식, 컴퓨팅, 통신 서비스 수행

 사업성이 있는가?

 가정(개인) 생활 사용자의 요구 콘텐츠, 부착의 편의성,  기기별 요구 품질을 만족해야 함

응용과 매체-생활 서비스

 유비쿼터스 센서 네트워크에  대한 사용자 요구 서비스

 고려사항

 상태변수, Sensing 대상, 부착/삽입 여부, 기능성 소프트웨어, 전기전자회로, 인터넷접속포트, 기준클록, 전원공급

 특히 Sensor노드 SoC단말은 저전력소비

응용과 매체-USN 관련 기술

 USN 장치 관리 기술

 RFID리더, 싱크노드, USN게이트웨어 등의 분산된 네트워크 자원들을 연결하기 위한 통합 인터페이스 제공, 원격으로 자원들을 모니터링하고 센서장치를 설정 제어하는 기술

 센서 데이터 관리 기술

 싱크노드 및 RFID리더로부터 제공되는 대용량의 실시간 데이터를 수집, 가공하여 DB에 저장하고 질의 처리 및 정보 분석을 수행하는 기술

 상황 인식 기술

 센서 데이터로부터 실시간 상황정보를 마이닝하여 응용서비스에 전달하고 지능적으로 상황을 판단하여 자율적 의사 결정 및 서비스 실행이 가능한 에이전트 기능을 제공하는 기술

 U-web 서비스 기술

 다양한 단말기와 시스템이 네트워크에 구애 받지 않고 원하는 서비스를 이용할 수 있게 해주는 기술, XML표준 사용 이기종 분산 웹 환경 지원 표준화된 컴포넌트를 개발하는 기술

응용과 매체-USN 관련 기술-공통

 USN 네트워크 관리

 망사업자의 네트워크 관리 방식과 연계하여 USN 네트워크 및 서비스 인프라에 대한 통합적 관리 방식 개발

 USN 상황인지 정보 검색

 센서 네트워크 정보 및 센싱 정보 등 USN 정보를 검색 활용하기 위한 상황인지 검색서비스 기술 개발

 USN 네트워크 보안

 사물이 전자거래 주체로 새로이 등장하는 USN환경에 적합한 디지털 인증/증명 인프라 확충 및 경량 객체보안 기술 개발

 USN 센서 및 노드 보안

 보안 위협 요소에 효율적으로 대처하기 위한 센서 및 노드 핵심 정보보호 기술 개발

응용과 매체-시스템 구성1

 U-센서 Tag의 유형과 Soc화 될 내부 구성 요소

응용과 매체-시스템 구성2

 단일 칩 구성

 유무선 접속에 불편이 없는 

 작은 크기, 유연한 필름 같은 스마트 태그 구현 

응용과 매체-전파 UWB 매체

 SoC설계자는 개별 센서들의 아날로그,  디지털 센서의 개별적인 인터페이스 규격을 데이터 쉬트를 통해 이해한 다음, 그 센서들이 있어야 하는 장소 위치 모양을 간파하여 그게 적합한 집적화를 시도해야 함

 예) 가전제어용 센서

 가전기기마다 IPv6 접속포트를 가지게 되거나 가전기기의 새로운 제품 모델마다 기존의 내부 MCU기능에 IPv6 MAC의 확장 기능을 부가할 것이므로 센서집적화로부터 분뢰되어야 한다.

 무선 인터넷 접속이 가능하려면, 유비쿼터스 센서 Tag의 포트가 스마트 홈 서버의 액세스 포인트 또는 휴대폰에 직접 접속되도록 전판 매체는 UWB(또는 Bluetooth)방식의 BRF(Baseband + RF) 일체형 칩이 되어야 함

 칩에는 Bluetooth Dongle처럼 UWB Dongle하나에 안테나와 RF송수신기가 910~914MHz의 M/W특성을 반영하여 SoC로서 서례제작이 필요