Protecting Narrow Band Systems in Heterogeneous Wireless Networks

Abstract

최근 다양한 무선 네트워크 기술들(와이파이, 블루투스, 지그비)이 2.4GHz 대역의 ISM 밴드에 공존함으로 인하여 이들 간의 상호공존이 큰 문제로 나타나고있다. 특히 지그비 네트워크는 현저히 높은 전송 파워로 통신하는 와이파이 네트워크가 동일한 주파수 대역에 존재할 때 통신이 불가능해 질 정도의 심각한 성능 저하를 겪게 된다. 본 논문에서는 지그비 네트워크의 통신을 와이파이 네트워크의 간섭으로 부터 보호할 수 있는 좁은 대역 보호 방법(Narrow Band Protection)을 제안한다. 자가 감지 보호자는 좁은 대역 보호 방법의 핵심 기술로 사전에 정의된 PN 시퀀스에 대해 상호 상관 기법을 이용하여 스스로 지그비 패킷을 발견할 수 있어 최소한의 오버헤드로 지그비 네트워크를 보호할 수 있다. 또한, 자가 감지 보호자는 신뢰성 있는 상호 상관 기법을 통해 기존 방법에서 발생하는 제어 패킷 손실로 인한 두 네트워크의 이용효율 감소를 대폭 줄일 수 있다. 마지막으로, 시맨틱이 부여된 PN 코드북을 통해 저전력 동작을 수행하는 지그비 네트워크의 다량 패킷 전송을 효율적으로 감지하여 지그비 네트워크의 높은 처리량을 지원해 줄 수 있는 장점이 있다. 제안하고 있는 자가 감지 보호자는 시맨틱이 부여된 PN 시퀀스를 지그비 패킷의 프리앰블(Preamble) 앞에 임베딩 하는 기법을 사용한다. 이는 해당 기법을 적용하지 않는 지그비 노드들의 동기화를 방해하지 않는다. 즉, 좁은 대역 보호 방법은 기존 지그비 네트워크와 하위 호환성(backward compatibility)을 유지하며 기존 방법에 비해 단일 패킷에 대해서 1.77배 가량 높은 처리량을 제공해 줄 수 있으며, 다량 패킷 전송 보호시 보호하는 패킷의 수가 증가함에 따라 선형으로 이득이 증가하게 된다. 또한, 실제 USRP/GNURadio 플랫폼에 핵심 기능을 구현하여 실효성을 입증하였으며, 수학적인 분석과 확장된 NS-2 시뮬레이션을 통해 다양한 시각에서 상호공존 문제를 해석하고 있어 향 후 관련 분야에 큰 기여를 할 연구이다.

Recent deployment of various wireless technologies such as Wi-Fi, Bluetooth, and ZigBee in the 2.4GHz ISM band has led to the heterogeneous devices coexistence problem. The coexistence problem is particularly challenging since wireless technologies use different PHY/MAC specifications. This thesis deals with the ZigBee and Wi-Fi coexistence problem where a less capable ZigBee device may often experience unacceptably low throughput due to the interference from a powerful Wi-Fi device. We propose a novel time reservation scheme called Narrow Band Protection (NBP) that uses a protector to guard ongoing ZigBee transmissions. The NBP protector detects a ZigBee transmission by cross-correlating the ZigBee signals with pre-defined Pseudo-random Noise (PN) sequences. A cross-correlation, designed for apprehending certain patterns in signals, not only reduces the control overhead but also guarantees robustness against collisions. In addition, a ZigBee node can still encode its packet length as a PN sequence such that the protector guards a proper length of channel time. We show the feasibility of NBP by implementing it on the USRP/GNURadio platform. We also evaluate the performance of NBP through mathematical analysis and NS-2 simulations. The results show that NBP enhances the ZigBee throughput by up to 1.77x compared to an existing scheme.