비대칭 전송전력 기반 무선 센서 시스템 연구

학위논문 (박사)-- 서울대학교 대학원 : 전기·컴퓨터공학부, 2016. 2. 박세웅.대규모 마켓의 가격표 업데이트는 단순하고 반복적인 작업이지만, 여전히 대부분의 마켓에서 수동으로 이루어지고 있다. 수동 가격표 업데이트는 잦은 직원들의 실수로 인한 소비자들의 불만과 카운터의 계산 오류를 야기하므로, 상기 업데이트 과정을 자동화하면 많은 이익을 창출할 수 있다. 한편, 최근 전자 잉크와 같은 저전력 디스플레이 기술이 발전하면서 전자 무선 가격표 업데이트 서비스의 실현 가능성이 높아졌다. 본 논문에서 우리는 상기 전자 무선 가격표 업데이트 서비스를 위한 네트워크 아키텍쳐를 제안하고 테스트한다. 우리는 먼저 실제 마켓에서의 예비 실험들을 통해, 현존하는 네트워크 프로토콜들이 바쁜 마켓 환경에서 발생하는 독특한 문제들을 극복하지 못하고, 낮은 성능을 보인다는 것을 밝힌다. 우리는 상기 실험들을 통해 기술적인 도전과제들을 확인하고, 장애물과 인구가 많은 환경에서 하향링크 위주의 트래픽을 전송하기에 적합한 비대칭 전송 전력 기반 시스템인 MarketNet을 제안하여 상기 도전과제들을 해결한다. 우리는 하루에 5000명 이상의 손님이 방문하는 실내 마켓 환경에서 MarketNet의 성능을 평가한다. 상기 성능 평가의 결과들은 MarketNet이 타깃 환경(장애물이 많고 붐비는 마켓)에서 타깃 응용 분야(전자 무선 가격표 업데이트)를 적절히 지원할 수 있을 뿐만 아니라, RPL과 LPL과 같은 기존 프로토콜들보다 현저히 높은 패킷 전송률과 낮은 듀티사이클을 제공한다는 것을 보여준다.Updating price tags in a large-scale market is a recurrent task, still performed manually in most markets. Given that human-errors can easily lead to customer complaints and accounting inaccuracies, the ability to autonomously reconfigure price tags can be of significant benefit. With the introduction of low-power display techniques such as electronic-ink, applications of enabling electronic, wirelessly reconfigurable price tags show potential for future deployment. In this dissertation, we examine networking architectures that can be applied in such scenarios. Through a series of preliminary pilot studies in an actual supermarket, we show that the performance of existing protocols are not ready to overcome the unique challenges of busy market environments. We identify underlying technical challenges and propose MarketNet, an asymmetric transmission power-based system designed for densely populated, obstacle-rich, downwards traffic-oriented environments. We evaluate MarketNet in a large indoor market visited by 5000+ customers per day. Our results show that MarketNet addresses the challenges of the target application and environment, while achieving higher packet delivery performance with noticeably lower radio duty-cycles than existing protocols such as RPL and LPL.1 Introduction 1 1.1 Motivation 1 1.2 Related Work 4 1.2.1 Wireless Price Tag Update System 4 1.2.2 Wireless Systems Community 5 1.2.3 Wireless Network Community 10 1.3 Contributions and Outline 12 2 Target Application: Wireless and Remote Update of e-Price Tags 17 2.1 Price Representation 17 2.2 Application Scenario 19 2.3 System Requirements 22 3 Preliminary Study in Urban Crowded Markets 25 3.1 Introduction 25 3.2 Wireless Channel Characteristics 27 3.3 Performance of Pre-existing Protocols 38 3.3.1 RPL Operation 38 3.3.2 LPL Operation 42 3.3.3 Performance of RPL over LPL 44 3.4 Summary 48 4 MarketNet 1.0: Asymmetric Transmission Power-based Network 50 4.1 Introduction 50 4.2 Applicability of Asymmetric Transmission Power Networks 54 4.3 MarketNet1.0 System Design 58 4.3.1 Design Overview 58 4.3.2 Neighbor Forwarding over LPL 61 4.4 Mathematical Performance Analysis 66 4.4.1 Packet Reception Ratio 67 4.4.2 Latency 69 4.4.3 Power Consumption 70 4.5 Simulation Results 78 4.5.1 Latency 80 4.5.2 Packet Delivery Ratio 81 4.5.3 Power Consumption 82 4.6 Testbed Experiments 84 4.6.1 Implementation and Environment Setting 84 4.6.2 Downward Traffic Scenario 88 4.6.3 Mixed Traffic Scenario 93 4.7 Market Deployment 98 4.8 Summary 102 5 MarketNet 2.0: Network-wide Superframe Architecture 103 5.1 Introduction 103 5.2 MarketNet2.0 System Design 105 5.2.1 Network-wide Superframe Architecture 107 5.2.2 IPv6 and Routing Layers in MarketNet2.0 112 5.3 System Evaluation 115 5.3.1 Testbed Evaluations 115 5.3.2 Market Deployments 120 5.4 Non-technical but Practical Lessons 126 5.5 Summary 127 6 Conclusion 129 6.1 Research Contributions 129 6.2 Further Research Direction 131 Bibliography 135 초 록 150Docto