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문제 정의
- 본 논문에서는 이러한 MIL-STD-188-220C 데이터 전달확인 방식의 취약점을 극복하기 위해 송신 노드와 목적지 노드들의 관계가 1-hop 이웃한 경우, 송신 노드는 데이터 전달확인을 하기 위해서 목적지 노드에게 End-to-End ACK를 요구하지 않고, Data- Link ACK만을 요구하여 End-to-End ACK를 Data -Link ACK로 대체함으로써 높은 신뢰성을 유지하면서 트래픽 감소를 통한 통신망 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 제안한다.
- 본 논문에서는 전술 무선 이동 Ad-Hoc 통신망에서 1-hop 이웃한 노드들 간에 데이터 전달확인용 End- to- End ACK 및 Data-Link ACK의 중복 사용에 따라 과다한 트래픽이 발생되고, 또한 목적지 노드들이 송신하는 End-to-End ACK들이 무선망에서 충돌하는 경우가 발생하여 데이터 전달을 확인하는데 많은 트래픽이 발생됨으로서 전체적으로 통신망 성능이 저하될 수 있는 MIL-STD-188-220C의 1-hop 내 데이터 전달확인 방식에 관련한 문제점을 개선하는 방안을 제안하였다.
가설 설정
- 그림 4에서 보여주는 송신 노드의 데이터 링크주소는 2이고, 목적지 노드 1, 2, 3의 데이터 링크주소는 각각 4, 5, 6이라고 가정한다. 송신 노드는 전달확인을 요구하는 데이터를 만들 때 그림 5와 같은 인트라넷 헤더를 구성한다.
제안 방법
- 1-hop 이웃한 노드들 간에 데이터 전달확인을 하기 위한 MIL-STD-188-220C 표준 방식과 본 논문에서 제안하는 방식의 성능 분석 비교를 위해 데이터 전달확인 지연시간과 데이터 전달확인 성공률의 두 가지 파라미터를 사용하였다. 데이터 전달확인 지연시간 측면에서 살펴보면 노드의 개수, 데이터 트래픽 부하 정도 및 채널 BER 상태 등이 변화하는 상황에서 본 논문에서 제안하는 방식이 MIL-STD-188-220C 표준 방식보다 상당히 적은 지연시간으로 데이터 전달확인을 할 수 있음을 알 수 있다.
- 그림 8은 각 노드에서 발생하는 데이터 트래픽 부하량 변화에 따른 데이터 전달확인 지연시간을 나타낸다. 각 노드들이 발생시키는 데이터 트래픽 부하량은 데이터 송신 시간 간격이 Exponential 분포에 따르도록 하고 그 평균값을 40초, 60초, 120초, 180초, 240초, 300초로 하였다. 노드의 총 개수는 5개이고, AWGN이 적용된 10-5의 채널 BER 상태가 고려되었다.
- 여기서 노드 개수의 의미는 앞에서 기술된 내용과 동일하다. 각 노드들이 발생하는 데이터 트래픽 부하정도는 데이터 송신 시간 간격이 Exponential 분포에 따르도록 하고 그 평균값을 180초로 하였다. 또한, AWGN이 적용된 10-5의 채널 BER 상태를 고려하였다.
- 데이터 전송속도는 무전기의 전송속도를 고려하여 9600bps로 설정하였고, 데이터 링크 계층과 인트라넷 계층에서의 데이터 재전송 횟수는 각각 2회와 3회로 하였다. Medium Access Control(MAC) 파라미터는 표 2와 같이 설정하였다.
- 각 노드들이 발생하는 데이터 트래픽 부하정도는 데이터 송신 시간 간격이 Exponential 분포에 따르도록 하고 그 평균값을 180초로 하였다. 또한, AWGN이 적용된 10-5의 채널 BER 상태를 고려하였다.
- 여기서 각 노드들이 발생시키는 데이터 트래픽 부하정도는 데이터 송신 시간 간격이 Exponential 분포에 따르도록 하고 그 평균값을 180초로 하였다. 또한, Additive White Gaussian Noise(AWGN)이 적용된 10-5의 채널 BER 상태를 고려하였다.
- 목적지 노드 1은 Source Directed Relay(SDR) 방식에 의해 데이터를 목적지 노드 3에게 중계 송신하고 목적지 노드 3은 RHD에 따라 Data-Link ACK를 송신하고 수신한 데이터의 인트라넷 헤더를 검색한다. 목적지 노드 3은 자기 주소에 해당하는 DESTINATION/RELAY STATUS BYTE의 ACK 비트가 1로 설정되어 있기 때문에 End-to-End ACK를 생성하여 그것을 데이터 링크 계층에서 R-NAD 방식을 준수하여 송신한다. End-to-End ACK를 수신한 목적지 노드 1은 RHD에 따라 Data-Link ACK를 송신하고 End-to-End ACK를 송신 노드에게 중계 송신한다.
- 이번 장에서는 OPNET 시뮬레이터를 사용하여 2장에서 기술된 두 가지의 데이터 전달확인 방식들을 데이터 전달확인 지연시간과 데이터 전달확인 성공률 측면에서 비교 분석해 본다.
- 표 1은 본 논문에서 제안하는 1-hop 내 데이터 전달확인 방식과 MIL-STD-188-220C 표준의 1-hop 내 데이터 전달확인 방식에서 1-hop 내 목적지 노드 개수의 증가에 따른 모든 목적지 노드들로부터 데이터 전달확인을 위해 요구되는 트래픽 개수를 비교 정리한 것이다. 여기서는 전달확인을 하는 과정에서 데이터 충돌이 없는 이상적인 경우를 고려하였다.
대상 데이터
- 그림 12는 채널 BER 상태 변화에 따른 데이터 전달확인 성공률을 나타낸다. AWGN이 적용된 채널 BER이 고려되었으며 노드의 총 개수는 5개로 설정하였다. 또한, 각 노드들이 발생시키는 데이터 트래픽 부하량은 데이터 송신 시간 간격이 Exponential 분포에 따르도록 하고 그 평균값을 180초로 하였다.
- 각 노드들이 발생시키는 데이터 트래픽 부하량은 데이터 송신 시간 간격이 Exponential 분포에 따르도록 하고 그 평균값을 40초, 60초, 120초, 180초, 240초, 300초로 하였다. 노드의 총 개수는 5개이고, AWGN이 적용된 10-5의 채널 BER 상태가 고려되었다.
데이터처리
- AWGN이 적용된 채널 BER이 고려되었으며 노드의 총 개수는 5개로 설정되었다. 또한, 각 노드들이 발생시키는 데이터 트래픽 부하량은 데이터 송신 시간 간격이 Exponential 분포에 따르도록 하고 그 평균값을 180초로 하였다.
- 각 노드들은 자신을 제외한 1-hop 이웃한 나머지 노드들을 목적지 노드로 지정하여 전달확인을 요구하는 데이터를 송신한다. 여기서 각 노드들이 발생시키는 데이터 트래픽 부하정도는 데이터 송신 시간 간격이 Exponential 분포에 따르도록 하고 그 평균값을 180초로 하였다. 또한, Additive White Gaussian Noise(AWGN)이 적용된 10-5의 채널 BER 상태를 고려하였다.
성능/효과
- 세부적으로, 노드의 개수가 8개 정도인 경우에는 두 가지 데이터 전달확인 방식들은 무선 채널 상에서 데이터들 간 충돌이 발생하더라도 인트라넷 계층 및 데이터 링크 계층에서 정해진 횟수 이내에 데이터 재전송을 실시하여 데이터 전달확인을 성공적으로 수행한다. 그러나 노드의 개수가 10개로 증가하게 되면 제안된 방식은 100%의 데이터 전달확인 성공률을 유지하지만 MIL-STD-188-220C 표준 방식의 경우에는 무선 채널 상에서 데이터 간 충돌 빈도가 높아져서 인트라넷 계층 및 데이터 링크 계층에서 정해진 횟수까지 데이터 재전송을 실시하여도 데이터 전달확인을 실패하는 비율이 상당히 높다는 것을 유추할 수 있다.
- 그림 9는 전체적으로 채널 BER 상태가 나빠질수록 제안된 방식과 MIL-STD-188-220C 표준 방식 둘 다 데이터 전달확인 지연시간이 증가하는 현상을 나타낸다. 그러나 데이터 전달확인을 하는데 MILSTD-188-220C 표준 방식보다 적은 데이터 트래픽을 요구하는 제안된 방식이 데이터 전달확인을 하는데 더 적은 지연시간이 소요됨을 알 수가 있다. 또한, 10-2 정도의 채널 BER 상태에서는 대부분의 데이터가 정확하게 수신되지 못하여 두 가지 방식 모두 데이터 전달확인이 불가능하였다.
- 그림 10, 11, 12를 종합하여 살펴보면 노드의 개수, 트래픽 부하량 및 채널 BER 상태의 일정 범위에서는 제안된 데이터 전달확인 방식과 MIL-STD-188-220C 데이터 전달확인 방식 두 가지 모두 100%의 데이터 전달확인 성공률을 나타내지만 노드의 개수가 10개인 경우, 트래픽 부하량이 40초인 경우와 같이 상대적으로 통신망 환경이 busy한 상황에서는 제안된 방식이 MIL-STD-188-220C 표준 방식보다 훨씬 우수한 데이터 전달확인 성공률 성능을 나타내었다. 그리고 채널 BER 상태가 점점 악화되는 경우에는 제안된 방식과 MIL-STD-188-220C 표준 방식이 비슷한 데이터 전달확인 성공률 성능을 나타내었다.
- 그림 10, 11, 12를 종합하여 살펴보면 노드의 개수, 트래픽 부하량 및 채널 BER 상태의 일정 범위에서는 제안된 데이터 전달확인 방식과 MIL-STD-188-220C 데이터 전달확인 방식 두 가지 모두 100%의 데이터 전달확인 성공률을 나타내지만 노드의 개수가 10개인 경우, 트래픽 부하량이 40초인 경우와 같이 상대적으로 통신망 환경이 busy한 상황에서는 제안된 방식이 MIL-STD-188-220C 표준 방식보다 훨씬 우수한 데이터 전달확인 성공률 성능을 나타내었다. 그리고 채널 BER 상태가 점점 악화되는 경우에는 제안된 방식과 MIL-STD-188-220C 표준 방식이 비슷한 데이터 전달확인 성공률 성능을 나타내었다.
- 그림 12를 살펴보면 채널 BER 상태가 10-5로부터 5×10-4까지의 범위에서는 MIL-STD-188-220C 표준 방식과 제안된 방식 두 가지 모두 100%에 가까운 데이터 전달확인 성공률을 보였지만, 채널 BER 상태가 10-3인 경우에는 두 가지 방식 모두 데이터 전달확인 성공률이 80%정도로 감소하였다.
- 그림 7, 8, 9를 종합하여 살펴보면 1-hop 내에서 데이터 전달확인을 하는데 MIL-STD-188-220C 표준 방식보다 적은 트래픽 개수를 요구하는 제안된 방식이 1-hop 이웃한 목적지 노드의 개수가 증가할수록 그리고 각 노드에서 발생시키는 트래픽 부하 정도가 많아질수록 데이터 전달확인 지연시간에서 뛰어난 성능을 나타내었다. 또한, 변화하는 채널 BER 환경에서 제안된 데이터 전달확인 방식이 MIL-STD-188-220C 표준 방식보다 더 향상된 데이터 전달확인 지연시간을 나타내었다.
- 그림 7을 살펴보면 본 논문에서 제안된 방식이 MIL -STD-188-220C 표준 방식보다 더 짧은 지연시간으로 데이터 전달확인을 한다는 사실을 알 수 있고, 노드의 개수가 늘어날수록 두 방식들 간의 데이터 전달확인 지연시간 차이는 급격히 증가한다는 것을 알 수 있다. 노드의 개수가 10개인 경우, 제안된 방식은 데이터 전달확인 지연시간이 약 7초 이내이고 MIL-STD -188-220C 표준 방식에서는 데이터 전달확인 지연시간이 약 140초 정도이다.
- 그림 7을 살펴보면 본 논문에서 제안된 방식이 MIL -STD-188-220C 표준 방식보다 더 짧은 지연시간으로 데이터 전달확인을 한다는 사실을 알 수 있고, 노드의 개수가 늘어날수록 두 방식들 간의 데이터 전달확인 지연시간 차이는 급격히 증가한다는 것을 알 수 있다. 노드의 개수가 10개인 경우, 제안된 방식은 데이터 전달확인 지연시간이 약 7초 이내이고 MIL-STD -188-220C 표준 방식에서는 데이터 전달확인 지연시간이 약 140초 정도이다.
- 1-hop 이웃한 노드들 간에 데이터 전달확인을 하기 위한 MIL-STD-188-220C 표준 방식과 본 논문에서 제안하는 방식의 성능 분석 비교를 위해 데이터 전달확인 지연시간과 데이터 전달확인 성공률의 두 가지 파라미터를 사용하였다. 데이터 전달확인 지연시간 측면에서 살펴보면 노드의 개수, 데이터 트래픽 부하 정도 및 채널 BER 상태 등이 변화하는 상황에서 본 논문에서 제안하는 방식이 MIL-STD-188-220C 표준 방식보다 상당히 적은 지연시간으로 데이터 전달확인을 할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 데이터 전달확인 성공률 측면에서 살펴보면 노드의 개수, 데이터 트래픽 부하 정도 및 채널 BER 상태 등이 변화하는 상황에서 본 논문에서 제안하는 방식이 MIL-STD-188-220C 표준 방식보다 우수하거나 유사한 데이터 전달확인 성공률을 나타내었다.
- 또한, 데이터 전달확인 성공률 측면에서 살펴보면 노드의 개수, 데이터 트래픽 부하 정도 및 채널 BER 상태 등이 변화하는 상황에서 본 논문에서 제안하는 방식이 MIL-STD-188-220C 표준 방식보다 우수하거나 유사한 데이터 전달확인 성공률을 나타내었다. 따라서, 본 논문에서 제안한 방식을 적용함으로써 1-hop 이웃한 노드들 간에 데이터 전달확인을 하는데 있어 높은 신뢰성을 유지하면서 트래픽 감소 효과를 얻게 되어 전체적으로 통신망 성능이 향상됨을 알 수 있다.
- 이렇게 송신 노드와 목적지 노드 간의 관계가 1- hop 이웃한 경우 데이터 전달확인을 Data-Link ACK로 처리함으로써 높은 신뢰성을 유지하면서 빠른 시간 내에 데이터 전달확인을 할 수 있다. 또한, 1-hop 이웃한 목적지 노드 수가 증가할수록 모든 목적지 노드들에 대해 데이터 전달확인을 위해 필요한 트래픽 량이 MIL-STD-188-220C 표준에서 제시하는 방법과 비교해 볼 때 절반 이상 감소하게 되어 전체적인 통신망 성능 향상이 가능하다.
- 그러나 데이터 전달확인을 하는데 MILSTD-188-220C 표준 방식보다 적은 데이터 트래픽을 요구하는 제안된 방식이 데이터 전달확인을 하는데 더 적은 지연시간이 소요됨을 알 수가 있다. 또한, 10-2 정도의 채널 BER 상태에서는 대부분의 데이터가 정확하게 수신되지 못하여 두 가지 방식 모두 데이터 전달확인이 불가능하였다.
- 데이터 전달확인 지연시간 측면에서 살펴보면 노드의 개수, 데이터 트래픽 부하 정도 및 채널 BER 상태 등이 변화하는 상황에서 본 논문에서 제안하는 방식이 MIL-STD-188-220C 표준 방식보다 상당히 적은 지연시간으로 데이터 전달확인을 할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 데이터 전달확인 성공률 측면에서 살펴보면 노드의 개수, 데이터 트래픽 부하 정도 및 채널 BER 상태 등이 변화하는 상황에서 본 논문에서 제안하는 방식이 MIL-STD-188-220C 표준 방식보다 우수하거나 유사한 데이터 전달확인 성공률을 나타내었다. 따라서, 본 논문에서 제안한 방식을 적용함으로써 1-hop 이웃한 노드들 간에 데이터 전달확인을 하는데 있어 높은 신뢰성을 유지하면서 트래픽 감소 효과를 얻게 되어 전체적으로 통신망 성능이 향상됨을 알 수 있다.
- 그림 7, 8, 9를 종합하여 살펴보면 1-hop 내에서 데이터 전달확인을 하는데 MIL-STD-188-220C 표준 방식보다 적은 트래픽 개수를 요구하는 제안된 방식이 1-hop 이웃한 목적지 노드의 개수가 증가할수록 그리고 각 노드에서 발생시키는 트래픽 부하 정도가 많아질수록 데이터 전달확인 지연시간에서 뛰어난 성능을 나타내었다. 또한, 변화하는 채널 BER 환경에서 제안된 데이터 전달확인 방식이 MIL-STD-188-220C 표준 방식보다 더 향상된 데이터 전달확인 지연시간을 나타내었다.
- 그림 8을 살펴보면 데이터 트래픽 부하량이 많아질수록 MIL-STD-188-220C 표준 방식에서는 데이터 전달확인 지연시간이 증가하게 되어 트래픽 부하량이 40초인 경우에는 약 80초의 긴 지연시간임을 알 수 있다. 반면에 제안된 방식에서는 트래픽 부하량이 40초부터 300초 사이에서 거의 변화가 없는 약 3초 내외의 상당히 짧은 데이터 전달확인 지연시간임을 알 수 있다.
- 그림 11을 살펴보면 트래픽 부하량이 60초 이하인 경우에는 제안된 방식과 MIL-STD-188-220C 표준 방식 모두 데이터 전달확인 성공률이 100%를 나타내었다. 트래픽 부하량이 증가한 40초인 경우에는 제안된 방식은 100%의 데이터 전달확인 성공률을 유지하였지만 MIL-STD-188-220C 표준 방식에서는 데이터 전달확인 성공률이 약 20%정도로 급격하게 감소되는 결과를 얻었다.
- 표 1을 보면, 제안된 방식에서 1-hop 내 모든 목적지 노드들로부터 데이터 전달확인을 하는데 요구되는 트래픽 개수가 MIL-STD-188-220C 표준 방식에 비해 절반 이하로 감소되고 1-hop 내 목적지 노드의 개수가 증가할수록 그 차이는 점점 더 커진다는 사실을 알 수가 있다.
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