[논문]수중 네트워크에서 제안된 CSMA/CA 프로토콜의 평가

김락훈; 심태보

수중 네트워크에서 제안된 CSMA/CA 프로토콜의 평가
Evaluation of Proposed CSMA/CA Protocol in The Underwater Acoustic Networks 원문보기

電子工學會論文誌. Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea. SP, 신호처리, v.46 no.1 = no.325, 2009년, pp.63 - 70

김락훈 (숭실대학교 정보통신전자공학부) , 심태보 (숭실대학교 정보통신전자공학부)

초록
AI-Helper

본 논문은 기존의 CSMA/CA 프로토콜의 지연시간을 감소시키고 전송률을 증가시키기 위해 제안된 CSMA/CA 프로토콜에 관한 연구이다. 수중환경에서 긴 전파시간에 의해 충돌확률이 증가하고, 전송효율이 감소함에 따라 프로토콜의 성능은 저하된다. 이러한 전파시간을 고려하여 본 논문에서는 기존의 CSMA/CA 프로토콜의 Timeout 상황을 피하기 위해 CTS 패킷에 STANDBY 프레임을 삽입하여 전송하는 프로토콜을 제안한다. 모의실험 결과, 제안하는 프로토콜이 기존 프로토콜보다 처리율에서 약 20% 정도의 성능향상을 보였고, 전파지연 대 전송지연 a의 값이 작을수록 성능이 우수함을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this paper is to propose a CSMA/CA protocol to reduce the delay time and increase the throughput of the original CSMA/CA protocol. In underwater environments, the efficiency of the protocol is reduced due to the increase of the propagation delay time, which results in increase of the collision possibility causing lowering of the transmission efficiency Considering this propagation delay, this paper propose to insert the STANDBY frame in a CTS packet in order to avoid the TimeOut status of the CSMA/CA protocol. According to the simulated test results, proposed protocol is increased about 20% throughput than original CSMA/CA protocol. And the more value of propagation per transmission delay 'a' is low, the more throughput of protocol is better.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 수중 채널에 CSMA/CA MAC 프로토콜을 적용시 문제가 되는 지연을 낮추고 전송효율을 높이기 위해 STANDBY 프레임이 삽입된 CSMA/CA 프로토콜을 적용해보았다.
본 연구에서는 기존의 20바이트 길이의 RTS 프레임과 22바이트 길이의 제안된 CTS 프레임, 1000바이트 고정길이의 데이터 패킷, 그리고 14바이트의 ACK 프레임을 전송했을 경우 기존의 프로토콜과 제안하는 프로토콜에 대한 전파 지연시간에 관해 비교해보고자 한다.
본 연구에서는 효율적인 프로토콜의 설계로 수중의 긴 전달 지연을 줄이고 충돌회피 횟수를 줄여 전송률 (Throughput)을 높일 수 있는 CSMA/CA 기반의 수중접속 제어 프로토콜(MAC, Medium Access Control)을제안하고자 한다.

가설 설정

각 거리에 따른 노드의 전파지연 (propagation delay)은 각각 동일하고 각 노드는 슬롯의 시작점에서 패킷 전송을 시도하도록 동기화되어 있다고 가정하였다. 따라서 슬롯의 중간에 패킷이 발생하여도 각 노드는 다음 슬롯의 시작점에서 채널을 감지하게 된다.
따라서 채널의 상태는 그림 10과 같이 busy 기간과 idle 기간의 반복으로 모델링 할 수 있으며, busy 기간은 크게 전송지연 기간과 전송기간으로 구성된다. 또한 DIFS는 £개의 슬롯으로 구성되어 있다고 가정하였으며, 따라서 DIFS의 지연시간은 f = £ X a가 된다.
늘려가며 시뮬레이션을 하였다. 또한 노드는 해저 바닥에 고정되어 있다고 가정하였다. 그림 12는 각 노드로 들어온 고유음선을 나타내었고, 표 1은 두 노드 간 거리에 따른 고유음선에 대한 도달 시간, 음선의길이, 전달손실(TL), 경로손실(PL), 흡수손실(AL)을 나타낸 파라미터 값으로 음의 도달 시간과 거리는 전파지연 시간 계산에 반영하였다.
시간 축은 슬롯크기 a로 나누어 있으며, 모든 패킷은 전송이 전에 DIFS 지연동안 채널을 감지하고, 전송을 시도한다. 또한 패킷 전송시간은 단위시간 1로 고정하였다고 가정하고 기본단위시 간으로 설정하였다. 상대적으로 실제 전송에 소요되는 슬롯수는 (1/a) 슬롯이 된다.
송신 노드와 목적지 노드간의 동기는 맞는다고 가정하였다. 본 연구에서는 도플러 효과 및 페이딩현상은 무시하였다.
거리, 경로손실을 계산하였다. 송신 노드와 목적지 노드간의 동기는 맞는다고 가정하였다. 본 연구에서는 도플러 효과 및 페이딩현상은 무시하였다.
수중소음은 천해에서의 50dB 정도로 분포한다고 가정하였다.
패킷을 발생하지 않는다(0<p<l). 이때, 충돌에 의하여 재전송을 시도하는 노드에 의하여 발생하는 트래픽과 새로 패킷을 발생하는 트래픽의 합이 평균 g 라고 가정하였다'9~關 본 논문에서는 유한 모델로서 각 노드는 독립적이고 기하적으로 분포하는 유휴기간 (idle period)을 갖는다고 가정한다.
채널 모델은 noiseless 채널로 가정하여 전송중의 에러는 패킷간의 충돌에 의한 에러에 비하여 크지 않다고 가정하였다. 각 거리에 따른 노드의 전파지연 (propagation delay)은 각각 동일하고 각 노드는 슬롯의 시작점에서 패킷 전송을 시도하도록 동기화되어 있다고 가정하였다.
트래픽 모델은 10개의 유한 노드로 구성된 통신망으로 설정하였으며, 한 노드에서 새로운 패킷이 발생한 확률은 기하 분포를 따르는 p라고 가정하고, l-p의 확률로 패킷을 발생하지 않는다(0<p<l). 이때, 충돌에 의하여 재전송을 시도하는 노드에 의하여 발생하는 트래픽과 새로 패킷을 발생하는 트래픽의 합이 평균 g 라고 가정하였다'9~關 본 논문에서는 유한 모델로서 각 노드는 독립적이고 기하적으로 분포하는 유휴기간 (idle period)을 갖는다고 가정한다.

제안 방법

노드의 음파 전달거리를 250m에서 2,000m까지 250m 간격으로 늘려가며 시뮬레이션을 하였다. 또한 노드는 해저 바닥에 고정되어 있다고 가정하였다.
본 연구에서는 signaling 채널을 통해 프레임 전송 전에 RTS 를 먼저 보내고, 그에 대한 응답으로 CTS-STANDBY를 받고 나서 데이터를 보내는 4-way 교환기법을 이용하는 방식으로써 참고문헌 [8]에서 제시한 별도의 WAIT 패킷 전송 없이 대기시간 정보를 담고 있는 STANDBY 필드를 삽입한 CTS 프레임을 전송을 하는 것이다(그림 6).
성능 분석을 위하여 본 논문에서 제안한 CSMA/CA 프로토콜은 1-persistent CSMA 방식과 p-persistent CSMA 방식의 혼합된 프로토콜로 모델링하였다. 시간 축은 슬롯크기 a로 나누어 있으며, 모든 패킷은 전송이 전에 DIFS 지연동안 채널을 감지하고, 전송을 시도한다.
송신 해저면과 해수면의 반사 의해 수신되어진 메시지는 손실되고, 직접경로로 수신되어진 메시지에 대한 지연시간, 거리, 경로손실을 계산하였다. 송신 노드와 목적지 노드간의 동기는 맞는다고 가정하였다.
제안하는 프로토콜을 분석하기 위하여 10개의 유한가입자 모델을 설정하였고, 시간축은 슬롯 시간 a로 나누어진 슬롯화 된 모델을 설정하여 분석하였다.
하지만 본 논문에서는 몇 가지 수중 환경변수를 배제하여 시뮬레이션을 하였다. 향후 실제 해양환경에 영향을 미치는 다중경로 및 도플러 효과, 페이딩 현상 등의 영향을 고려한 실험과 뿐만 아니라 노드 전력제어에 관한 실험을 할 예정이다.

대상 데이터

하여 천해환경을 모의하였다. 음속은 KODC (Korea Oceanographic Data Center)의 실측 데이터를 사용하여 산출하였다.
제안된 CSMA/CA 프로토콜의 성능평가를 위한 환경은 그림 11에서 보는 것과 같이 201m 수심의 동해를 모델로 하여 천해환경을 모의하였다. 음속은 KODC (Korea Oceanographic Data Center)의 실측 데이터를 사용하여 산출하였다.

성능/효과

그리고 전파 지연 대 전송 지연의 변화에 따른 처리율 분석에서는 a의 값이 증가할수록 처리율은 감소하였으며, 패킷 지연 또한 급격하게 증가하는 경향을 보였다. 따라서 수중 네트워크를 구성하기 위해서는 전파 지연 대 전송지연의 비를 수중환경에 맞게 적절한 크기로 설정되어야 할 것이다.
그래프에서 볼 수 있는 것처럼 트래픽의 양이 1 이상 증가하면 패킷간의 중돌이 증가하여 처리율이 급격하게 감소하는 것을 볼 수 있다. 또한 기존 프로토콜의 경우, 최대 효율이 트래픽의 양이 약 1.3에서 최대효율이 약 33.8% 정도이며, 제안하는 프로토콜은 트래픽의 양이 약 1.5일 때, 약 44%의 최대 효율이 나타남을 볼 수 있다.
또한 전파지연 대 전송지연의 비 (a) 값이 증가할수록 처리율은 낮아지고, 패킷 지연은 급격히 증가함을 알 수 있었다. 그리고 노드의 수가 많을수록 처리율이 낮음을 알 수 있었다.
분석 결과에 의하면, 제안하는 프로토콜은 기존의 프로토콜보다 각 거리별 위치한 노드에서 최대 처리율이 약 20% 정도 향상하였고, 수학적 분석 값과 시뮬레이션을 통해 얻어진 값이 유사한 것을 알 수 있었다. 그리고 전파 지연 대 전송 지연의 변화에 따른 처리율 분석에서는 a의 값이 증가할수록 처리율은 감소하였으며, 패킷 지연 또한 급격하게 증가하는 경향을 보였다.
제안된 프로토콜의 성능분석 결과로 같은 조건에서 기존 프로토콜의 성능보다 약 20%의 성능향상을 보였고, 트래픽이 일정량 이상 증가하면, 처리율이 급격하게 저하되었다. 또한 전파지연 대 전송지연의 비 (a) 값이 증가할수록 처리율은 낮아지고, 패킷 지연은 급격히 증가함을 알 수 있었다.

후속연구

시뮬레이션을 하였다. 향후 실제 해양환경에 영향을 미치는 다중경로 및 도플러 효과, 페이딩 현상 등의 영향을 고려한 실험과 뿐만 아니라 노드 전력제어에 관한 실험을 할 예정이다.

참고문헌 (13)

J. Proakis, J. Rice, E. Sozer and M. Stojanovic, 'Shallow water acoustic networks,' in Encyclopedia of Telecommunications J. G. Proakis, Ed. John Wiley and Sons, 2003
J. K. Yeo, Y. K. Lim and H. H. Lee, 'Modified mac(Media access control)protocol design for the acoustic-based underwter digital data communication', IEEE, pp. 364-368, ISIE 2001, Pusan, Korea
조아라, 최영철, 김승근, 임용곤, '수중음향 Ad-Hoc 네트워크를 위한 접속제어 프로토콜 설계', 선박해양기술, 제42호, pp. 35-42. 2006
E. M. Sozer, M. Stojanovic, and J. G. Proakis, 'Underwater acoustic networks', IEEE journal of oceanic engineering, Vol.25, No. 1, pp. 72-83, Jan. 2000

상세보기
M. Stojanovic, 'On the relationship between capacity and distance in an underwater acoustic communication channel' WUWNet'06, Sep. 2006
V. O. Knudsen, R. S. Alford and J. W. Emling, 'Digital communications. Journal of Marine Research', 7(12) : 410, 1948
전종오, 조성민, 'IEEE 802.11의 MAC에서 DCF를 위한 수정된 백오프 알고리즘의 설계와 성능분석', JCCI2002
H. Doukkali, L. Nuaymi, S Houcke, 'Distributed MAC Protocol for Underwater Acoustic Data Networks', Vehicular Technology Conference, 2006
L. Kleinrock, F. A. Tobagi, 'Packet Switching in Radio Channels:Part I - Carrier Sense Multiple Access Modes and Their Throughput-Delay Characteristics,' IEEE Trans. on Communication, vol.com-23, no. 12, pp1400-1416, Dec. 1975
H. Takagi, L. Kleinrock, 'Throughput Analysis for CSMA Systems,' IEEE Trans on Communication. vol.com-33, no.7, pp.627-638, Jul. 1985
Simon Haykin and Michael Moher, 'Analog and Digital Communications Second Edition', 한티미디어, p 471-477. 2007
L. B. Bertholf, 'Shallow Water Ambient Noise Level in the Tongue of the Ocean', 1969
R. Rom, M. Sidi, 'Multiple Access Protocol Performance and Analysis', Springer-Veralg, 1989

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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