Propagation Environment Analysis and Wireless Mesh Network Implementation for monitoring the Four Rivers (based on Hapcheon weir)

http://dx.doi.org/10.7236/JIWIT.2012.12.6.127

JIWIT 2012-6-16

4대강 주변 하천모니터링을 위한 무선 메쉬 네트워크 전파환경 분석 및 구축(합천보 중심으로)

Propagation Environment Analysis and Wireless Mesh Network Implementation for monitoring the Four Rivers

(based on Hapcheon weir)

홍성택

, 진력민

Sung-Taek Hong, Ryeok-Min Jin

요 약 우리나라의

4

,

km ~

km

. 4

21.21 km

.

LOS

,

,

-55 dBm ~ -70 dBm

,

20 Mbps

.

,

Infra

.

Abstract Four river project in the South Korea contributes to solve flood damages and water shortages. Also, it has purpose for creating water ecosystem and improving the level of people' cultural leisure and quality of life through inducing water quality improvement and river restoration. It is necessary to monitor a variety of observing data in river areas among dozens to hundreds of kilometer for safe river administration. The 20th construction area of the four river project is located on Hapcheon areas, where wireless mesh network was installed to manage the basin. In the process of network construction, the characteristic of surrounding areas is considered about embodying secure service by investing the least expense. Besides, transmission environment analysis is performed such as LOS tests and reception level analysis, and transmission speed measurement to create safe service. Reception level in all places is confirmed among -55 dBm ~ -70 dBm, and data transmission speed proves more than 20 Mbps.

Key Words : river, monitoring, wireless, mesh, senor network

*정회원, 한국수자원공사, K-water연구원

**준회원, 한국수자원공사, 4대강관리처

접수일자 : 2012년 9월 18일, 수정일자 : 2012년 11월 23일 게재확정일자 : 2012년 12월 14일

Received: 18 September 2012 / Revised: 23 November 2012 / Accepted: 14 December 2012

*Corresponding Author: [email protected]

Korea Institute of Water and Environment, K-water, Korea

I. 서 론

녹색 뉴딜의 핵심 사업 중 하나인 4대강 정비 사업은 한강, 낙동강, 금강, 영산강 등에 2012년까지 노후 제방 보강과 하천 생태계 복원, 중소 규모 댐 및 홍수 조절지 건설, 하천 주변 자전거길 조성, 친환경 보(洑) 설치 등을 추진하였다. 이를 통하여 홍수피해와 물 부족을 근본적 으로 해결하고 수질개선과 하천복원으로 건전한 수생태 계 조성은 물론 국민 여가문화 수준 및 삶의 질 향상을 도모하는데 있다.

4대강 사업의 원활한 추진 및 향후 안정적인 하천관리 를 위해서는 수 km에서 수십 km 이르는 4대강 하천지역 에 안정적으로 각종 관측 데이터 및 영상데이터를 취득 하는 것이 필수적이다. 하지만 하천을 끼고 있는 산악 및 암반 등의 지형적 조건으로 광케이블 포설이 쉽지 않고, 모든 통신 구간이 옥외 환경에서 구축되어야 하는 제약 조건이 있다.

따라서 본 연구에서는 대용량, 고속 데이터의 전송에 IT 신기술인 메쉬통신망을 활용하여 자가 통신망 구축을 통한 4대강 하천 운영 효율화를 이루고자 한다.

합천보를 중심으로 메쉬통신망 시스템을 설치하기 위 하여, 예정 위치에 대한 구간별 LOS 확인, 구간별 Link 성능상태 및 Link 구간 수신 감도 측정, Link 구간 속도 측정, 예정지의 전파간섭 유무를 확인하여 메쉬망 구축 방안(안)을 제시하였다.

Ⅱ. 무선통신망

1. 적용성 분석

하천 모니터링을 위해 하천지역에 광범위하게 설치되 는 수위, 기상, 수질 등의 계측기기와 CCTV설비 그리고 보 하류 지역에 경보방송을 위한 경보국 등을 감시․제 어할 수 있는 통신방식을 기술적/경제적 관점에서 선정 하는 것과 성능저하의 대한 검토가 필요하다.

4대강 사업은 현장 공사 시작부터 하천에 가설 네트워 크가 필요하여 조기에 손쉽게 구축할 수 있고, 향후 수변 공간에 확장성면에서도 유리한 무선방식이 우선 고려하 게 되었으며, 현재 상용화 되고 있는 무선 기술들과 비교 검토하였다.

우리나라에서는 무선 사업자들이 CDMA, LTE, Wibro, 상용 WiFi 등 여러 방식의 서비스를 제공하고 있

다. CDMA의 경우 광범위하게 사용되고 있긴 하나 데이 터 속도가 떨어져 영상이나 data packet을 실시간으로 전 송하는 데에 한계가 있으며, LTE, Wibro, 상용 Wifi의 경 우 속도는 빠르나 음영지역이 많아 모든 지역을 커버하 지 못하고 있다. 따라서 Data의 신뢰성을 위하여 WiFi망 을 이용한 무선 Mesh Network를 구축하여 불감지역 없 이 안정적으로 데이터 서비스를 하도록 하였다. 표 1에서 는 국내에서 서비스하고 있는 주요 무선 통신방식들을 비교했으며, 검토 결과 무선 Mesh 방법이 타 방식에 비 하여 별도의 승인도 필요치 않고 전송 속도 면에서도 약 30 Mbps로 가장 우수하였으며, Coverage 면에서도 10～

20 km를 커버할 수 있음을 나타내 주고 있다.

표 1. 데이터 계측요소

Table 1. Data measuring element

구 분 MESH WiBro WCDMA AP 사용 주파수 2.4/5GHz 2.3/2.5GHz 0.8/1.8GHz 2.4/5GHz

주파수

License 여부 필요없음 필요함 필요함 필요없음 채널당 최대

Performance 30Mbps 7~8Mbps 2~3Mbps 20Mbps 최대 무선

지원 Hop count

15 + - - 2~3

Roaming time 30ms 미만 1초 미만 1초 미만 50ms 채널 활용율

(단말기준) 100개/ch 100~200 /cell

100~200

/cell 20개/ch 주요

Application

Video/Dat a/Voice

Video/Data /Voice

Video/Data /Voice

Video/Dat a/Voice 통신 방식 OFDM

(WiFi)

Mobile

WiMAX 3G cellular OFDM (WiFi) 통신 coverage 최대

10~20km 1~2km 1~2km 100m 이내

또한 WiFi 기술을 무선 Mesh Network와 접목하여 가용성이 있는 서비스 구현이 가능하다. 메쉬 네트워크 는 네트워크상의 각 노드가 독립적인 라우터로 존재하는 네트워크를 말한다. 이 노드들을 서로 그물처럼 연결되 어 있기 때문에 하나의 연결이 끊어지더라도 다른 연결 을 통해 통신을 할 수 있다. 따라서 메쉬 네트워크는 일 종의 애드혹 네트워크라고 할 수 있다. 여기서 애드혹 네 트워크란 중간에 제어하는 노드 없이 각 노드끼리 서로 통신하는 자율적인 구조의 네트워크이다. 메쉬 네트워크 가 무선에 적용되면 이것을 Wireless Mesh Network (WMN)이라고 한다.

WMN은 멀티홉 커뮤니케이션을 이용한 완전 무선 네

트워크로써, 플랫 ad-hoc 네트워크와는 달리 계층적 구 조를 지니고 있다. 이 네트워크는 높은 확장성과 효율적 인 비용으로 가능하며, 고속 유비쿼터스 무선 인터넷의 채용을 쉽게 도와준다.

그림 1. 하천에서의 무선메쉬 네트워크 활용방안

Fig 1. Utilization wireless mesh network in a River

2. 무선메쉬망 기술사항

4대강 하천변에 설치된 무선 MESH망의 사용 주파수 대는 2.4 GHz 대역(2.400 ～ 2.497 GHz) 및 5.8 GHz 대역 (5.750 ～ 5.825 GHz)로 사용하였으며, 하천변의 계측 및 영상감시 데이터인 수위, 기상, 수질, 경보, CCTV 등의 자료를 보 운영센터로 전송하고, 적용된 주요 설비에 대 한 기능은 충분한 대역폭과 안정적인 망 유지를 위해서 주요 설비가 다음과 같이 필요하다.

가. 무선 MESH NODE

① 일반사항

외부 환경인 강수, 강설 환경에 노출하여 사용할 수 있 는 구조로 되어 있으며, 다양한 device와의 연결을 위하 여 여러 Fast Ethernet 및 Antenna 연결 포트가 지원하 도록 구성하였다. 또한, 전송속도 증가를 위한 무선 채널 을 묶어 전송(채널 본딩)과 AP와 결합하여 HotSpot을 구 성이 가능하도록 하였다.

② 802.11a/b/g/n 기술

IEEE 802.11a/b/g/n를 모두 사용하고 MESH Node간 의 자동구성 및 주파수 간섭현상을 최소하기 위한 알고 리즘을 제공하도록 하였으며, 하천변의 열약한 환경 및 장거리 통신망 구축을 위해서 Multi-Hop수는 10 hop 이 상 가능하도록 구성하였다.

③ 802.11n MIMO MESH 기술 기능

무선 Backhaul 구간의 광대역 속도 보장을 위하여

802.11n기반의 MIMO Mesh Node를 사용하였고, Dual Radio 형태로 지원하여 각각의 Radio는 300 Mbps data rate를 지원하며, 실 유효 Throughput은 150 Mbps 이상 지원하도록 구성하였다.

Dual Radio를 채널 본딩을 통한 실 유효 Throughput 은 최대 300 Mbps 이상 지원하도록 하였고, Radio Port 는 각각 3개의 안테나로 구성되어 3x3 형태의 MIMO 기 반으로 구축하였다.

영상, 음성, 일반 데이터 서비스 등의 다양한 서비스를 위하여 Ethernet Port는 3개 이상 지원하며, 각각 10/100/1000 Mbps로 구성하고 이중 2개의 Port는 PoE를 지원하여 별도의 전원 인가 없이 IP Camera 등의 전원을 공급할 수 있다.

나. 무선접속장비 (AP, CPE)

유선이 도달하지 못하는 지역의 IP-USN 데이터를 Mesh Node로 전송하며, 단말은 CPE를 통하여 무선망에 접속 가능하다. 주요 기능으로는 IEEE 802.11i 무선 보안 지원, 128 및 256bit 암호화 지원, 주파수 대역 : 802.11b/g 2.4GHz (11Mbps/54Mbps), 802.3af (PoE) 지원 등이 있다.

다. 안테나 & Pole

안테나는 Panel 또는 Omni Antenna로서 Node, AP와 연결될 수 있으며, 5 GHz 안테나는 Panel 형식으로 20 dBi 이상의 이득을 가지고, 2.4 GHz 안테나는 7 dBi 이상 의 이득을 가지도록 하였다.

라. NMS(Network Management System)) 망관리 소프트웨어를 GUI(Graphic User Interface)형 태로 제공하여 Mesh Link Quality를 모니터링하고 Input/Output Packet 및 Collision을 측정하도록 하였다.

또한 Mesh Link 경로를 사용자가 임의로 사용/삭제하고 각 Node 장치별 전송출력과 전송 파라미터를 조정하도 록 하였다.

Ⅲ. 전파환경 시험

1. LOS 시험

LOS(Line Of Sight : 가시거리) 전송이란 전자기파나

음파의 전송을 육안으로 확인할 수 있는 전파의 전송을

뜻한다. 전파는 일반적으로 통과할 수 있는 방해물이나 이러한 환경하에서는 회절, 반사 또는 흡수되어버릴 수 있다. 낮은 주파수에서는 전파의 회전과 산란으로 인하 여 방해물에 크게 영향을 받지 않으나 전송거리에 제약 에 있다. 하지만 높은 주파수에서는 이러한 효과를 기대 할 수 없으며 전송로상에 어떠한 방해물이 있다면 신호 를 차단할 것이다. 따라서 송신안테나와 수신안테나 사 이에 육안으로 확인할 수 있다는 것이 전송에 있어 무엇 보다 중요한 요소이다.

합천보는 그림 2와 같으며, 관리동 및 CCTV 11개를 설치하여 운영하며, 중간에 가시거리가 불가한 곳을 염 두에 두어 중계국을 2개소를 두기로 하였다. 장비의 설치 수량 및 예정 위치좌표는 표 2와 같다.

육안으로 가시거리를 확인하는 LOS 시험을 실시하였 으며, 대부분의 구간에서 그림 3의 (a)와 같이 LOS는 확 보되는 것으로 나타났다. 그림 3의 (b)와 같이 CCTV9 ⇔ 중계2 구간은 전파지향 방향에 산(수목) 및 가옥이 가로 막혀 가시거리가 확보되지 않으며, 시험결과 링크구성 불가로 판정되었고, LOS 시험결과는 표 3과 같다.

그림 2. 합천보 현황

Fig 2. Hapcheon weir Status

표 2. 장비 설치수량 및 위치

Table 2. Quantity and location of installation of the equipment

사이트명

설치장비 위치 좌표

비 고 Node

(11n) Node

(11abg) 위도(N) 경도(E) 관리동

(운영센터) 1 1  35° 35' 26''128° 21' 41'' NMS 1식 CCTV-1 1  35° 36' 47''128° 21' 21'' 율지교 옆 200m CCTV-2 1  35° 35' 27''128° 21' 13'' 소수력 옆 CCTV-3 1  35° 35' 11''128° 21' 19''

CCTV-4 1  35° 34' 28''128° 21' 43'' 센터 옆 150m CCTV-5 1  35° 34' 31''128° 21' 43'' CCTV-6 2  35° 33' 23''128° 20' 57''

중계 1 1  35° 32' 24''128° 21' 22''현장사무소 뒤 CCTV-7 1  35° 32' 24''128° 21' 11'' CCTV-8 1  35° 31' 19''128° 21' 48'' CCTV-9 2  35° 31' 15''128° 21' 22'' CCTV-10 2  35° 30' 33''128° 23' 14'' 중계 2 1  35° 30' 23''128° 24' 36'' CCTV-11 1  35° 29' 26''128° 25' 37''

계 4 14 AP : 4 , CPE : 4

(a) LOS 양호 (운영센타⇔CCTV1)

(b) LOS 불가 (CCTV9⇔ 중계2) 그림 3. LOS 시험

Fig 3. LOS Test

표 3. 합천보 LOS 확인 결과

Table 3. LOS Hapcheon weir verification results

구 간 거 리 LOS상태

운영센타 ⇔ CCTV1 2.5 km 양 호 CCTV1 ⇔ CCTV2 2 km 양 호 CCTV2 ⇔ CCTV3 500 m 양 호 CCTV3 ⇔ CCTV4 1.2 km 양 호 CCTV4 ⇔ 운영센타 200 m 양 호 운영센타 ⇔ CCTV5 1.7 km 양 호 운영센타 ⇔ CCTV6 4 km 양 호 CCTV5 ⇔ CCTV6 2 km 양 호 CCTV6 ⇔ 중계1 2 km 양 호 CCTV6 ⇔ CCTV7 3 km 양 호 중계1 ⇔ CCTV8 3 km 양 호 CCTV7 ⇔ CCTV9 2.7 km 양 호 CCTV8 ⇔ CCTV9 1.2 km 양 호 CCTV9 ⇔ 중계2 3.6 km 불 가 CCTV9 ⇔ CCTV10 1.8 km 양 호 CCTV10 ⇔ 중계2 2 km 양 호 중계2 ⇔ CCTV11 2.5 km 양 호

2. 수신레벨 및 Throughout 측정

전파시험 내용으로는 Link 상태 시험, Link 구간 수신 감도(수신레벨), Link 구간 Throughput 등을 시험하였 다. 수신레벨은 무선메쉬 노드장비와 장비간 거리와 가 시거리 상태에 따라 가변적이다. 장비 기준 임계치는 -87 dBm 이며, 정상적인 범위는 -50 dBm ～ -87 dBm이다.

Throughput은 장비에서 장비로 전달되는 단위시간당 데이터량으로, 신호레벨에 따라 비례하여 가변된다.

Traffic 무 부하상태에서 신호레벨 값이 -65 dBm 이상이 면 20 Mbps 이상 나와야 하며, 적정범위는 21 Mbps ～ 24 Mbps이다.

그림 4와 같이 LOS 미심구간 및 거리가 먼 구간에 대 하여 무선 Mesh Network 설치 전에 현장 전파환경상태 및 구간(Node)별 무선링크 성능 등을 사전에 파악하여 최적의 무선망을 구축하고자 구간에 대한 전파시험을 실 시하였다.

그림 4. 전파환경시험

Fig 4. Test propagation environment

거리가 4 km로 구간 중에 거리가 가장 먼 운영센타⇔

CCTV6 구간의 수신레벨은 그림 5와 같으며, 상향 및 하 향 모두 -65 dBm가 측정되었으며, Throughput은 그림 6 과 같이 상향 23.8 Mbps, 하향 24.0 Mbps가 측정되었다.

그림 5. 운영센타⇔CCTV6 수신레벨 측정 결과 Fig 5. operating centers⇔CCTV6 Reception level

그림 6. 운영센타⇔ CTV6 Throughput 측정 결과 Fig 6. operating centers⇔CCTV6 Throughput

거리가 3 km로 구간 중에 거리가 두 번째로 먼 CCTV6⇔CCTV7 구간의 수신레벨은 그림 7과 같이 상 향은 -59 dBm, 하향은 -67 dBm가 측정되었으며, 그림 8 과 같이 Throughput은 상향 21.1 Mbps, 하향 20.8 Mbps 가 측정되었다.

그림 7. CCTV6⇔CCTV7 수신레벨 측정 결과 Fig 7. CCTV6⇔CCTV7 Reception level

그림 8. CCTV6⇔CCTV7 Throughput 측정 결과 Fig 8. CCTV6⇔CCTV7 Throughput

합천보 전체 구간에 대한 위치 조정 및 중계기를 사용

하여 모든 개소가 링크성능이 -55 dBm ~ -70 dBm이 확

보될 수 있도록 구축하였으며 상세 수신레벨 및

Throughput은 표 4와 같다.

표 4. 합천보 수신레벨 및 Throughput 측정 결과 Table 4. Hapcheon weir reception level and Throughput

구 간 거 리

수신레벨 (dBm) 상향/하향

Throughput (Mbps) 상향/하향 운영센타 ⇔ CCTV1 2.5 km -60/-67 22.6/21.5

CCTV3 ⇔ CCTV4 1.2 km -59/-59 21.1/21.4 운영센타 ⇔ CCTV6 4.0 km -65/-65 23.8/24.0 CCTV5 ⇔ CCTV6 2.0 km -64/-64 22.8/21.6 CCTV6 ⇔ 중계1 2.0 km -61/-61 22.8/21.6 CCTV6 ⇔ CCTV7 3.0 km -59/-67 21.9/20.8 중계1 ⇔ CCTV8 3.0 km -60/-67 21.9/21.6 CCTV7 ⇔ CCTV9 2.7 km -64/-64 21.5/24.4 CCTV8 ⇔ CCTV9 1.2 km -60/-60 21.1/21.2

CCTV9 ⇔ 중계2 3.6 km - -

CCTV9 ⇔ CCTV10 1.8 km -65/-65 21.9/21.6 CCTV10 ⇔ 중계2 2.0 km -64/-64 22.5/21.3 중계2 ⇔ CCTV11 2.5 km -61/-61 21.3/21.3

Ⅳ. 무선 메쉬 네트워크 구축 및 성능시험 결과

1. 무선 메쉬 네트워크 설계 및 구축

LOS 육안확인 및 전파환경시험을 통하여 각 Node간 안정적인 수신레벨과 유효속도를 확보하여 각 사이트에 있는 영상, 수위, 유량 등의 자료를 취득하고 비상시 음성 알람을 안정적으로 제공할 수 있었다. 또한 안정적인 자 료 전송을 위하여 각 Node 별 AP 안테나를 이중화로 구 축하여 가용성을 높였으며, 이러한 설계 내용은 그림 9 및 그림 10과 같으며, 설계한 내용을 토대로 그림 11과 같이 무선 메쉬 네트워크를 구축하였다.

그림 9. 무선 메쉬 네트워크 설계

Fig 9. Wireless Mesh Networks of design

그림 10. 무선 메쉬 링크 구성도

Fig 10. Wireless mesh link configuration

그림 11. 무선 메쉬 네트워크 구축

Fig 11. Wireless Mesh Networks of construction

2. 종합성능 시험

LOS 시험 및 전파 환경 분석을 통하여 구축된 무선 메쉬 네트워크에 대하여 시스템을 구축한 후 종합성능 시험을 실시하였으며, 결과는 표 5와 같다.

표 5. 종합성능 시험 결과

Table 5. Integrated performance test results 구 간

수신레벨 (dBm) 상향/하향

전송속도 (Mbps) 상향/하향

Throughput (Mbps) 상향/하향 운영센터A⇔CCTV1 -54/-54 54/54 13/13.4

CCTV3⇔CCTV4 -63/-65 54/54 16.3/16.1 운영센터A⇔CCTV5B -54/-54 54/54 11.4/29 운영센터B⇔CCTV5A -54/-52 245/245 22.1/32.5

CCTV5B⇔CCTV6B -58/-58 243/243 21.2/20.8 CCTV6B⇔중계1 -54/-54 54/54 10.5/9.75 CCTV6A⇔CCTV7 -59/-58 243/54 25.2/17.8 CCTV7⇔CCTV9A -59/-59 243/54 11.3/10.4 중계1⇔경보2 -58/-58 54/54 11.3/10.4 경보2⇔CCTV9B -61/-62 54/54 10.2/6.52 CCTV9A⇔CCTV10A -60/-60 54/54 9.6/8.8

CCTV10A⇔중계2 -61/-61 54/54 10.2/11.1 CCTV10B⇔중계2 -62/-63 54/54 9.64/8.85 중계2⇔CCTV11 -59/-58 54/54 14.3/14

구축된 노드상태는 그림 12, 노드간 수신레벨은 그림 13과 같다.

그림 12. 노드상태 Fig 12. Node status

그림 13. 노드간 수신레벨

Fig 13. Wireless mesh link configuration

Ⅴ. 결 론

우리나라의 4대강 사업은 홍수피해와 물 부족을 근본 적으로 해결하고 수질개선과 하천복원으로 건전한 수생 태계 조성은 물론 국민 여가문화 수준 및 삶의 질 향상을 도모하고자 하였다. 여기에 수생태계 모니터링, 하천관리 를 위한 중요 영상 및 데이터 취득 및 국민들의 안전한 하천 이용을 위하여 무선 메쉬 네트워크의 하나인 WiFi 자체 망을 자체 구축하였다. 망 구축시 주변 지역의 특성 을 고려하여 최소비용으로 안정적인 서비스를 구현하기 위한 사전 전파 환경 분석을 실시하였으며 모든 개소에 서 -55 dBm ～ -70 dBm 링크성능을 확보하고 데이터 Throughput도 20 Mbps이상 확보하였다. 이는 기존 상용 망이 가지는 전송속도, 음영지역의 문제를 해결할 수 있 을 뿐만 아니라 상시 망 관리시스템을 통하여 안정적인 서비스를 구현할 수 있게 하였다.

결론적으로 WiFi를 이용한 무선 Mesh Network은 하 천과 같이 광활한 지역 및 방해물이 있는 개소에 경제적이

고 신뢰성 있는 데이터 전송수단임을 확인할 수 있었다.

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저자 소개

홍 성 택(정회원)

∙충북대학교 공학박사수료(전파공학)

∙1996년～현재 : 한국수자원공사 K-water연구원 책임연구원 <주관심분야 : 위성통신망, RFID/USN

기술, 원격감시제어 및 센서응용 기 술>

진 력 민(준회원)

∙2003년 : 전북대학교 전자공학과 학사

∙2012년 : 전북대학교 계측제어공학 석 사과정

∙2004년～현재 : 한국수자원공사 4대강 관리처

<주관심분야 : 계측제어, 수처리 공정

제어, 수요예측>