Probabilistic Method to Enhance ZigBee Throughput in Wi-Fi Interference Environment

The Internet of Things (IoT), which has recently attracted attention as next-generation IT industry, is based on a wired and wireless network platform that can connect various Things. However, it is challenging to implement the IoT platform because of the heterogeneity of the network. Particularly, the ZigBee transmission may be significantly harmed due to Wi-Fi with the relatively much higher power, and this is one of the reason making the platform implementation difficult. In this paper, the ZigBee transmission is measured and analyzed by the BEB algorithm for finding the slot time when ZigBee can transmit, and an actual transmission happens stochastically depending on the network environment. The simulation results show that it guarantees high success rate of the ZigBee transmission by overcoming Wi-Fi interference in the 2.4 GHz frequency band. ※ 본 연구는 미래창조과학부 및 정보통신기술진흥센터의 정보통신·방송 연구개발사업의 일환으로 수행하였음. [10043907, 개방형 고성 능 표준 IoT 디바이스 및 지능형 SW 개발] First Author : Pusan National University Department of Computer Engineering, sujin.lee@pusan.ac.kr, 학생회원 ° Corresponding Author : Pusan National University Department of Computer Engineering, ymomo@pusan.ac.kr, 종신회원 논문번호:KICS2014-08-307, Received August 18, 2014; Revised September 11, 2014; Accepted September 11, 2014 I. 서 론 유비쿼터스 시대의 도래로 IT산업은 무선 센서 네 트워크(WSN)에서 사물인터넷(Internet of Things)으 로 발달되고 있다. 사물인터넷은 실제 환경과 가상 환 경을 통합하는 기술 및 서비스로 여러 센서들(온도, 논문 / Wi-Fi 간섭 환경에서 ZigBee 전송률 향상을 위한 확률적 방법 607 그림 1. 사물인터넷 환경 Fig. 1. Internet of Things environment 습도, 조도, 초음파 센서 등)이 부착된 사물(Things)들 과 인간을 연결시킬 수 있는 유무선 네트워크가 공존 한다. 하지만 전통적인 방식의 네트워크 동작만으로 이기종 네트워크(Heterogeneous Network)의 중요한 이슈 중 하나인 간섭 문제를 극복하기에는 적합하지 않고 이를 해결해 나갈 필요가 있다. 본 논문에서는 같은 2.4GHz ISM 대역을 사용하는 IEEE 802.11b/g (Wi-Fi) 네트워크와 IEEE 802.15.4 (ZigBee) 네트워크가 동시에 통신하려 할 때 발생하 는 간섭문제를 해결하는 데 초점을 맞추고 있다. ZigBee는 Wi-Fi에 비해 전송 거리가 짧고 신호 세기 가 약한데다가 성능이 낮은 하드웨어 기기를 사용하 기 때문에 두 네트워크가 공존하는 환경에서 상대적 으로 우선순위가 낮아져 패킷 손실이 증가할 수 있다. 또한 사물인터넷 서비스의 실현을 위해서는 이기종 디바이스들에 대해 AP(Access Point)의 역할을 하는 IoT Broker가 존재하게 되는데 , 여기에서는 Wi-Fi 모듈과 ZigBee 모듈이 근거리에서 동작할 수밖에 없 어 간섭문제가 더 심각하다[그림 1]. 두 네트워크가 원활히 동작하기 위해서는 최소 8m의 물리적인 거리 가 필요하지만 , 이것은 하나의 IoT Broker내에서 두 가지 이상의 네트워크를 서비스하는 사물인터넷 환경 에는 맞지 않는다. 제안 방법은 Wi-Fi의 간섭환경을 고려하여 ZigBee coordinator(ZC)가 전송 가능한 Wi-Fi 슬롯 시간(Slot Time)을 분석하고, p-Persistent CSMA 방식을 사용 하여 p의 확률로 전송을 시도하거나 1-p의 확률로 다 음 단계까지 기다린다. 즉, 효율적인 전송 시기와 전 송확률을 제안함으로써 간섭문제를 극복함과 동시에 제안한 방식이 사물인터넷에 보다 효과적으로 적응함 을 보이고자 한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. II장에서 선행된 연 구들의 특징과 한계점을 조사하고, III장에서는 Wi-Fi/ZigBee 간섭 환경에서의 문제점을 극복하기 위 해 본 논문이 제안하는 알고리즘을 설명할 것이다. 이 어서 IV장에서 실험을 통해 제안 알고리즘을 확률적 으로 분석한 결과를 확인하고 간섭환경을 모델링 하 여 그 성능을 증명한 후, V장에서 결론을 맺는다.