산업용 무선 네트워크의 Coexistence 관리를 위한 Central Coordination Point 스케줄링

Abstract

제 4차 산업 혁명 및 스마트 공장이 산업계의 화두로 부상함이 따라 생산 시스템의 정보화 및 지능화에 대한 관심이 집중되고 있다. 또한 빅데이터, 사이버 물리 시스템과 같은 새로운 기술이 연구되면서 각 장비 및 생산 환경 전반에 대한 폭넓은 정보가 요구되고 있다. 생산 현장 전반의 다양한 정보와 신기술이 접목됨으로써 기기/공정의 고장 예측, 생산성 향상 등을 기대할 수 있다. 무선 네트워크는 넓은 산업 현장을 적은 설치 및 유지 보수비용으로 통신이 가능하다는 장점과 유선 네트워크가 도달 할 수 없는 회전체, 이동 물체 혹은 유선 통신이 불가능한 환경(화학, 철강 공정 등)에서도 통신이 가능한 장점을 가지고 있다. 이와 더불어 고효율 · 저전력의 소형 무선 모듈이 보급되고 다양한 무선 네트워크 인프라가 확산되며 산업 현장의 무선 네트워크 도입이 급속히 늘어나고 있다. 하지만 대부분의 무선 네트워크 장비들이 2.4GHz ISM 대역폭을 공동으로 사용하기 때문에 데이터 간의 간섭이 발생하게 되어 네트워크에서 요구하는 실시간성, 신뢰성 등의 요구사항을 충족시키지 못하는 문제가 발생하게 되었다. 이와 같이 동일한 주파수 대역을 사용하는 서로 다른 기술의 무선 데이터로 인해 발생되는 상호 간섭 현상을 효과적으로 제어하는 기법을 Coexistence 관리라고 정의한다. 국제 전기기술위원회 IEC에서는 이러한 산업 현장의 무선 네트워크 Coexistence 관리를 위하여 IEC 62657-2 표준으로 제정하였다. IEC 62657-2에서는 Coexistence를 효과적으로 관리하기 위하여 CCP(Central Coordination Point)라는 스테이션을 정의하고, CCP를 통하여 이기종 무선 네트워크 간의 Coexistence를 관리하는 개념을 정의하고 있다. 하지만 IEC 62657-2 표준에서는 Coexistence 관리나 CCP 구현을 위한 구체적인 방법을 제시하고 있지는 않다. 본 논문에서는 동일한 2.4GHz ISM 대역을 사용하는 다수의 무선 네트워크 프로토콜을 관리하기 위한 방법으로 스케줄링 알고리즘을 적용한 CCP 구현 방안을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 CCP 구현 방안에서는 다수 프로토콜을 포괄할 수 있는 슈퍼프레임 구조 ISD(Integrated Superframe Duration)를 제안하였으며, 개별 노드에서 발생되는 주기적 메시지의 최대 허용 지연시간 이내에 주기적 데이터가 반드시 전송될 수 있도록 하면서도 비주기적으로 발생되는 데이터를 효율적으로 처리할 수 있도록 대역폭을 활용할 수 있는 대역폭 할당 알고리즘을 설계하였다. 이를 통하여 주기적 데이터의 실시간성 및 신뢰성을 보장하였으며, 시뮬레이션 모델과 실험 모델을 구축하여 그 유효성을 검증하였다. 본 논문에서 제안하는 Coexistence 관리 기법의 유효성을 검증하기 위한 실험 모델의 경우 서로 다른 통신 프로토콜을 사용하는 디바이스들로 구성되므로, 이기종 프로토콜을 사용하는 디바이스들이 모두 이해할 수 있고 서로 데이터를 교환할 수 있는 공통 데이터 모델이 필요하다. 본 논문에서는 서로 다른 무선기술을 사용하는 장비들 사이의 데이터 교환을 위하여, 관련 표준 규격 중 최근 주목받고 있는 AutomationML을 정보교환 모델로 선정하였다. 시뮬레이션과 실험 모델을 활용한 성능 시험에서는 주기적으로 발생되는 실시간 데이터의 전송 지연시간 및 네트워크 QoS가 본 논문에서 제시하는 Coexistence 관리기법을 적용하였을 때 어떻게 향상될 수 있는지 실험적으로 검증하였다.