2.1 노드 구조
WSN의 기본 단위는 센서 노드(mote)이다. "mote(티끌, 먼지 한 톨)"*란 먼지 한 톨처럼 작은 무선 센서 장치라는 의미에서 붙여진 이름이다. 각 노드는 독립적으로 동작하며 다음 4개의 서브시스템으로 구성된다.
* mote(티끌, 먼지 한 톨)
미국 UC 버클리 대학의 연구진들이 주도한 '스마트 더스트(Smart Dust, 영리한 먼지)' 프로젝트에서 유래하였다.
| 서브시스템 | 기능 |
|---|---|
| 감지부 (Sensing) | 다종 센서(가속도, 온도, 습도 등) 물리량 계측 |
| 처리부 (Processing) | MCU(Micro Controller Unit, 마이크로컨트롤러)로 데이터 전처리, 임계값 판단 |
| 통신부 (Communication) | RF(Radio Frequency, 무선 주파수) 모듈을 통한 데이터 송수신 |
| 전원부 (Power) | 배터리, 에너지 하베스터, 전력 관리 IC(Integrated Circuit, 직접 회로) |
💡 노드 하나를 스마트폰에 비유하면?
-
• 감지부 = 카메라·마이크 (외부 정보 수집)
• 처리부 = AP(Application Processor) 칩 (정보 판단·계산)
• 통신부 = Wi-Fi·LTE 안테나 (데이터 전송)
• 전원부 = 배터리 (전력 공급)
2.2 네트워크 토폴로지
- 스타(Star): 모든 노드가 게이트웨이에 직접 연결. 구조 단순, 중앙 집중식. 거리 제한이 있어 소규모 현장에 적합하다.
- 메시(Mesh): 노드 간 멀티홉 중계. 한 노드가 다른 노드를 거쳐 데이터를 전달하므로 광범위 커버리지와 자가 복구 능력이 있다. 통신 지연이 발생할 수 있다.
- 클러스터(Cluster/Tree): 노드를 소그룹(클러스터)으로 묶고, 각 클러스터 헤드가 데이터를 취합해 게이트웨이로 전달. 에너지 효율적이다.
토폴로지(topology)*란 노드들이 서로 어떻게 연결되는지를 나타내는 구조를 말한다. WSN에서는 현장 조건과 목적에 따라 세 가지 구조 중 하나를 선택한다.
* 토폴로지(topology)
원래는 수학(위상수학)에서 유래한 용어로, '도형이나 공간의 위치 관계를 다루는 학문'을 의미한다.
💡 멀티홉(Multi-hop)이란?
메시 네트워크에서 A 노드의 데이터가 게이트웨이까지 직접 닿지 않을 때, 중간의 B·C 노드를 거쳐 전달되는 방식이다. 마치 산악 지대에서 중계탑을 여러 개 세워 통신하는 것과 같다. 덕분에 장거리·장애물 구간에서도 통신이 가능하다.
메시 네트워크에서 A 노드의 데이터가 게이트웨이까지 직접 닿지 않을 때, 중간의 B·C 노드를 거쳐 전달되는 방식이다. 마치 산악 지대에서 중계탑을 여러 개 세워 통신하는 것과 같다. 덕분에 장거리·장애물 구간에서도 통신이 가능하다.
2.3 에너지 효율화 전략
- 듀티 사이클링 (Duty Cycling): 필요한 순간에만 라디오를 켜고, 나머지 시간은 슬립(sleep) 모드로 전환한다. 예를 들어 10분에 1초만 송신하면 라디오 가동률(듀티 사이클)은 약 0.17%로, 소모 전류가 수백 배 줄어든다.
- 데이터 집약 (Data Aggregation): 중간 노드(클러스터 헤드)에서 여러 노드의 데이터를 합산·압축하여 한 번에 전송. 패킷 수를 줄여 전력을 아낀다.
- 이벤트 기반 전송 (Event-driven): 평상시에는 데이터를 저장만 하다가, 임계값(예: 가속도 > 0.1g)을 초과하면 그때만 전송한다.
배터리 기반 WSN 노드에서 가장 많은 전력을 소모하는 부품은 무선 통신 모듈(라디오)이다. 배터리 수명을 연장하는 핵심 전략은 다음과 같다.
배터리 수명 예측:
\[ T_{life} = \frac{C_{battery}}{I_{avg}} = \frac{C_{battery}}{I_{active} \cdot d + I_{sleep} \cdot (1-d)} \]
여기서 \( d \): 듀티 사이클(활성 비율), \( I_{active} \): 활성 전류, \( I_{sleep} \): 슬립 전류
\[ T_{life} = \frac{C_{battery}}{I_{avg}} = \frac{C_{battery}}{I_{active} \cdot d + I_{sleep} \cdot (1-d)} \]
여기서 \( d \): 듀티 사이클(활성 비율), \( I_{active} \): 활성 전류, \( I_{sleep} \): 슬립 전류
💡 계산 예시: 듀티 사이클이 수명에 미치는 영향
배터리 용량 \( C = 3000 \) mAh, \( I_{active} = 30 \) mA, \( I_{sleep} = 0.01 \) mA 라고 가정하면:
• 듀티 사이클 \( d = 1 \) (항상 켜짐): \( I_{avg} = 30 \) mA → 수명 ≈ 4.2일
• 듀티 사이클 \( d = 0.01 \) (1%): \( I_{avg} = 0.3 + 0.0099 ≈ 0.31 \) mA → 수명 ≈ 400일
• 듀티 사이클 \( d = 0.001 \) (0.1%): \( I_{avg} ≈ 0.04 \) mA → 수명 ≈ 8.5년
듀티 사이클 관리가 배터리 수명을 결정하는 가장 중요한 요소임을 알 수 있다.
배터리 용량 \( C = 3000 \) mAh, \( I_{active} = 30 \) mA, \( I_{sleep} = 0.01 \) mA 라고 가정하면:
• 듀티 사이클 \( d = 1 \) (항상 켜짐): \( I_{avg} = 30 \) mA → 수명 ≈ 4.2일
• 듀티 사이클 \( d = 0.01 \) (1%): \( I_{avg} = 0.3 + 0.0099 ≈ 0.31 \) mA → 수명 ≈ 400일
• 듀티 사이클 \( d = 0.001 \) (0.1%): \( I_{avg} ≈ 0.04 \) mA → 수명 ≈ 8.5년
듀티 사이클 관리가 배터리 수명을 결정하는 가장 중요한 요소임을 알 수 있다.
