본 논문은 수중음향통신망을 위한 TDMA(Time Division Multiple Access) 기반의 비경쟁모드 방식의 MAC 프로토콜과 경쟁모드 방식의 MAC 프로토콜을 동시에 사용하는 하이브리드 MAC 프로토콜을 제안하고 있다. 제안된 MAC 프로토콜은 네트워크 전반적인 관리를 위한 비콘 패킷, 시간슬롯 사이의 충돌방지를 위한 Guard Period, 시간 태그(time tag)를 이용한 마스터 노드와의 전송지연 계산, 노드간 시간동기, 네트워크 진입 및 탈퇴, 노드간 통신방식 등의 기능을 제공한다. 수중음향통신망의 대표적 이동노드인 자율무인잠수정(AUV)을 대상으로 제안된 하이브리드 MAC프로토콜을 적용하였고, 제안된 MAC 프로토콜이 실제 수중음향통신망 환경에서 적용 가능함을 검증하였다.
본 논문은 수중음향통신망을 위한 TDMA(Time Division Multiple Access) 기반의 비경쟁모드 방식의 MAC 프로토콜과 경쟁모드 방식의 MAC 프로토콜을 동시에 사용하는 하이브리드 MAC 프로토콜을 제안하고 있다. 제안된 MAC 프로토콜은 네트워크 전반적인 관리를 위한 비콘 패킷, 시간슬롯 사이의 충돌방지를 위한 Guard Period, 시간 태그(time tag)를 이용한 마스터 노드와의 전송지연 계산, 노드간 시간동기, 네트워크 진입 및 탈퇴, 노드간 통신방식 등의 기능을 제공한다. 수중음향통신망의 대표적 이동노드인 자율무인잠수정(AUV)을 대상으로 제안된 하이브리드 MAC프로토콜을 적용하였고, 제안된 MAC 프로토콜이 실제 수중음향통신망 환경에서 적용 가능함을 검증하였다.
This paper deals with hybrid MAC protocol design for underwater acoustic networks. The proposed MAC protocol has the cluster structure with a master node and slave nodes, and the hybrid network structure that combines a contention free period based on TDMA(Time Division Multiple Access) with a conte...
This paper deals with hybrid MAC protocol design for underwater acoustic networks. The proposed MAC protocol has the cluster structure with a master node and slave nodes, and the hybrid network structure that combines a contention free period based on TDMA(Time Division Multiple Access) with a contention period. The suggested MAC protocol has a beacon packet for supervising network, a guard period between time slots for packet collision, time tag for estimation of propagation delay with a master node, the time synchronization of nodes, entering and leaving of network, and the communication method among nodes. In this paper, we adapt the proposed hybrid MAC protocol to AUV network, that is the representative mobile device of underwater acoustic network, and verify this protocol is applicable in real underwater acoustic network environment.
This paper deals with hybrid MAC protocol design for underwater acoustic networks. The proposed MAC protocol has the cluster structure with a master node and slave nodes, and the hybrid network structure that combines a contention free period based on TDMA(Time Division Multiple Access) with a contention period. The suggested MAC protocol has a beacon packet for supervising network, a guard period between time slots for packet collision, time tag for estimation of propagation delay with a master node, the time synchronization of nodes, entering and leaving of network, and the communication method among nodes. In this paper, we adapt the proposed hybrid MAC protocol to AUV network, that is the representative mobile device of underwater acoustic network, and verify this protocol is applicable in real underwater acoustic network environment.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
11 DCF 방식(CSMA/CA)을 수중 통신환경에 그대로 적용하는 경우 8%의 네트워크 Throughput 과 수백초의 전송지 연을 갖게 되며, 이는 수중에서의 긴전송지연과 낮은 전송속도가 육상 무선통신 환경에 적합한 충돌방지(임의 백오프 방식 등)를 위한 구조에 의해 매우 낮은 네트워크 성능을 가지게 되기 때문이다 . [11] 이를 통해서 가장 단순한 ALOHA와 같은 MAC 프로토콜이 수중에서는 더욱 우수한 성능을 가지고 있다고 판단할 수 있으며, 본논문에서 시간동기가 되어 있다는 가정 에 의해 Slotted ALOHA 프로토콜을 경 쟁 모드의 MAC 프로토콜로 제 안하고자 한다.
본 논문에서는 TDMA 방식 을 기반으로 각 노드들에게 통신채널의 시간슬롯을 할당하여 마스터 노드와 슬레 이 브 노드들 사이의 주기 적 데 이 터 교환을 하는 비경쟁모드와 통신채널을 감시하여 채널이 유휴상태인 경우 노드들간 데이터 교환 및 네트워크 진입요청을 수행할 수 있는 경쟁모드를 갖는 하이브리드형 MAC 프로토콜을 제안한다. 그림 1은 논문에서 제안하는 TDMA 기 반의 비 경 쟁모드와 경 쟁모드를 갖는 하이브리드형 MAC 프로토콜의 기본 구조를 보여준다.
본 논문에서는 수중음향통신망 설계를 위해 수중통신망의 제 약조건 및 특성분석을 하였고, 이를 기 반으로수중음향통신망을 위한 TDMA 기반의 비경쟁모드의 MAC 프로토콜과 경 쟁 모드의 MAC 프로토콜을 갖는 하이브리드형 MAC 프로토콜을 제안하였다.
본 논문은 TDMA 기 반의 수중 네트워크 운용환경 을개선하기 위해서 네트워크 클러스터 구조의 노드간 자유로운 통신 및 네트워크 관리 등의 다양한 기능을 수행할수 있도록 TDMA 기반의 비경쟁모드 방식과채널점 유방식 에 기 반한 경 쟁모드 방식이 혼합된 새로운 하이브리드형 MAC 프로토콜을 제안하였고, 수중 통신망의 대표적인 이동노드인 자율무인잠수정(AUV)의운용환경을 적용하여 설계 결과를 분석하였다. 제안된하이 브리 드 MAC 프로토콜은 비 경 쟁모드에서 TDMA 를 기반으로 마스터 노드와 슬레 이 브 노드들간의해 양환경 감시를 위한 주기적 데이터 통신을 수행하고, 비경 쟁모드에서 는 채 널점 유방식 을 기반으로 노드들과의 데이터 통신 기능을 수행할 수 있도록 한다.
가설 설정
이에 대한 개념이 그림 2에 나타나 있다. 그림에서 최대 네트워크 범위를 1.5 km, 시간슬롯간의 데이터 충돌을 방지하기 위한GP를 최대전송지 연을 고려하여 1초, 노드별 할당된 시간슬롯은 2초로가정하였다.
모든 노드들은 설치되기 전에 수동으로 시간을 정확하게 동기 시 킨다고 가정 하며, 모든 노드들의 시 간은 자체적으로 가지고 있는 시스템 시간으로 운용되어 진다. 이 는 DGPS의 1 PPS(pulse per second) 신호를 이 용하여모든 노드들의 정확한 시간 동기를 시킬 수 있고, 실제수중통신 네트워크는 배터리를 가지는 노드들로 운용되기 때문에 생존기간이 매우 짧아 시간 오차가 발생하지 않는다는 위 의 가정 은 현실적 이다.
진다. 이 는 DGPS의 1 PPS(pulse per second) 신호를 이 용하여모든 노드들의 정확한 시간 동기를 시킬 수 있고, 실제수중통신 네트워크는 배터리를 가지는 노드들로 운용되기 때문에 생존기간이 매우 짧아 시간 오차가 발생하지 않는다는 위 의 가정 은 현실적 이다.
이때, 모든 노드들은 비콘이 발생되는 기준 시간과 비콘의주기를 안다고 가정한다. TDMA 기반의 비 경 쟁모드의주기, 경 쟁모드의 주기 및 비콘의 주기는 네트워크의 노드구성에 따라 정의되며, 노드의 수가 많은 경우에는 비콘의 주기가 길어지고 노드의 수가 적은 경우에는 비콘의 주기가 짧게 설정하여 운용한다.
주기적인 전송 데이터 패킷은 노드ID, 위치, 상태정보, 데이터 등을 가지고 있으며 50바이트로 가정한다. 데이터 패킷에 대한 순수한 전송시간은 약 83ms로 각노드당 할당되는 시간슬롯은 0.
제안 방법
각 노드에서 는 마스터 노드에서 주기 적으로 전송되는 비콘 패킷을 수신하여, 알고 있는 비콘의 발생 기준시간과 자신의 시간정보를 비교하여 마스터 노드와 자기노드사이의 전송지 연 시간을 계산하게 된다. 이때 추출된 전송지 연 시간이 a라고 하고 노드에 할당된 시 간슬롯의 기준시간이 Q라고 한다면, 노드에서。라는 시간에데이터를 전송하게 되면 마스터 노드에는。슬롯 기준시간보다 a만큼 늦게 도착하게 된다.
다음은 수중음향 자율무인잠수정(AUV) 네트워크환경에서 표 2와 같이 다른 파라미터를 갖는 응용에대한 적용 예를 살펴보고자 하며, 표2는 더 빈번한 주기적 데이터 전송환경을 고려하여 비콘 주기, 비경쟁모드의 주기, 경쟁모드의 주기를 변경하였다. 위에서 GP를 포함한 전체 시간슬롯은 0.
11 DCF(Distributed Coordination Function), CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/ Collision Avoidance) 등이 있으며, 최근 수중음향통신환경에서 ALOHA 프로토콜에 대한 성능분석에 대한 연구가 수행되었다[6][7]. 또한 비경 쟁방식에 의한 MAC 프로토콜과 관련해서 Freitage 싱글 홉과 스타 토폴로지를 갖는 기 뢰 대응 운용을 목적으로 하는 자율무인잠수정 (AUV, Auto- nomous Underwater Vehicle) 네 트워크에서 중앙 게이트웨이 부이가 여러 대의 자율무인잠수정 원격 운용제어를 수행하기 위해서 낮은 전송속도의 제어 명 령 을 TDMA(Time Division Multiple Access) 프로토콜을 이용하여 데이터 통신을 수행하였다[8]. ACar 등은 적응형 데이터 전송율과 전력제어를 지원하는 중앙 집 중형 TDMA 프로토콜을 사용하는 ACMENet 에 대한 연구를 수행하였고[9], Sal.
제안된하이 브리 드 MAC 프로토콜은 비 경 쟁모드에서 TDMA 를 기반으로 마스터 노드와 슬레 이 브 노드들간의해 양환경 감시를 위한 주기적 데이터 통신을 수행하고, 비경 쟁모드에서 는 채 널점 유방식 을 기반으로 노드들과의 데이터 통신 기능을 수행할 수 있도록 한다. 또한, 주기적인 비콘(비콘) 패킷 구조를 적용하여 네트워크 운영관리 기능을 수행할 수 있도록 하며, 전달하는 패킷충돌과 이동노드의 움직임 보상을 위한 가드 시간 (GuardTime), 비콘(비콘 패킷에 포함된 시간정보를 이용하여 마스터 노드로부터 의 전송 지 연 추정, 노드들간의 시간 동기, 네트워크 진입/탈퇴, 노드들간의 통신등의 기능을 제공한다.
이번 절에서는 TDMA 기반의 비경쟁모드와 경쟁모드를 갖는 수중음향 통신망을 위한 하이브리드형 MAC 프로토콜에 대해 실제 수중음향통신망 환경을 고려하여 파라미터 적용 예를 살펴보도록 한다. 표 1은 새로운 MAC 프로토콜을 적용할 수중음향통신망의 파라미터를 보여준다.
제안된 MAC 프로토콜은 네트워크 전반적인관리를위 한 비 콘 패 킷, 시 간슬롯사이의 충돌방지 를 위 한Guard Period, 시간 태그를 이용한 마스터 노드와의 전송지연계산, 노드간 시간동기 문제, 네트워크 진입 및 탈퇴 처리, 노드간통신방식 등의 기능을 제공하고 있다. 새로운하이 브리 드 MAC 프로토콜을 대표적인 이 동노드인 자율무인잠수정(AUV)을 대상으로 하여 프로토콜을 적용함으로서, 자율무인잠수정(AUV)의 이동환경을 갖는 수중음향통신망에서 비경쟁모드에서 마스터 노드와 슬레이브 노드들 간의 주기적 데이터 전송과 경쟁모드에서자유로운 데이터 전송을 동시에 제공하는 장점을 갖는것을 알 수 있었다.
제안된하이 브리 드 MAC 프로토콜은 비 경 쟁모드에서 TDMA 를 기반으로 마스터 노드와 슬레 이 브 노드들간의해 양환경 감시를 위한 주기적 데이터 통신을 수행하고, 비경 쟁모드에서 는 채 널점 유방식 을 기반으로 노드들과의 데이터 통신 기능을 수행할 수 있도록 한다. 또한, 주기적인 비콘(비콘) 패킷 구조를 적용하여 네트워크 운영관리 기능을 수행할 수 있도록 하며, 전달하는 패킷충돌과 이동노드의 움직임 보상을 위한 가드 시간 (GuardTime), 비콘(비콘 패킷에 포함된 시간정보를 이용하여 마스터 노드로부터 의 전송 지 연 추정, 노드들간의 시간 동기, 네트워크 진입/탈퇴, 노드들간의 통신등의 기능을 제공한다.
성능/효과
1 초로 설정할 수 있다. GP를 포함한 전체 시간슬롯의 시간은 0.115초이며, 이자율무인잠수정(AUV) 네트워크는 비경쟁모드의 시간과 최대전송지 연시간의 시간차이인 4초 동안에 최대 34 노드가 시 간슬롯을 할당받아 주기 적 으로 50바이트의 데이터 전송이 가능함을 알 수 있다. 표 1의 파라미터를 자율무인잠수정(AUW) 네트워크 환경에서 적용하게 되면 마스터 노느는 매 10초마다 비콘신호를 발생하게 되고, 비경쟁 구간(5초)에서는 각 노드에게 시간슬롯을 할당하여 TDMA 기 반의 주기 적 데 이 터 통신 (해양환경 계측정보 제공)을 수행하고, 비경쟁구간 이후의 경 쟁구간(5초)에서 는 채 널점 유를 통해서 자유로운 데 이 터 통신을 수행 할 수 있는 운용환경 을 제공하게된다.
두 가지 수중음향 자율무인잠수정(AUV) 네트워크환경 에서 제안된 하이브리드 MAC 프로토콜을 적용하였으며, 제안된 프로토콜의 수중음향 자율무인잠수정 (AUV) 네트워크 환경에서 잘 적용될 수 있음을 알 수 있었다. 특히 제안된MAC프로토콜은 비경쟁 모드에서 마스터 노드와 슬레이브 노드들로 구성되는 클러스터 네트워크 구조에서 주기 적 데 이 터 데 이 터 전송과 경 쟁모드에서 노드들 사이의 자유로운 데이터 전송을 동시에지 원한다는 장점 을 가지고 있다.
또한, 비경쟁모드의 시간슬롯 사이에는 Guard Period(GP)를 두어 통신채널 상태에 따른 지연에 의한데이터 충돌을 방지할 수 있도록 하며, 모든 노드들은마스터 노드에서 전송되는 비콘 패킷을 분석하여 비콘주기, 각 노드별로 할당된 시 간슬롯 정보, 시 간슬롯 간격, GP 간격, 최대 전송지연 시간 등의 정보를 추출할수 있다.
새로운하이 브리 드 MAC 프로토콜을 대표적인 이 동노드인 자율무인잠수정(AUV)을 대상으로 하여 프로토콜을 적용함으로서, 자율무인잠수정(AUV)의 이동환경을 갖는 수중음향통신망에서 비경쟁모드에서 마스터 노드와 슬레이브 노드들 간의 주기적 데이터 전송과 경쟁모드에서자유로운 데이터 전송을 동시에 제공하는 장점을 갖는것을 알 수 있었다.
특히 제안된MAC프로토콜은 비경쟁 모드에서 마스터 노드와 슬레이브 노드들로 구성되는 클러스터 네트워크 구조에서 주기 적 데 이 터 데 이 터 전송과 경 쟁모드에서 노드들 사이의 자유로운 데이터 전송을 동시에지 원한다는 장점 을 가지고 있다.
후속연구
향후, 비 경 쟁 모드와 경 쟁 모드를 갖는 새로운 MAC 프로토콜에 대한 네트워크 Throughput에 대한 모델링 및분석 을 수행하고, 제안한 MAC 프로토콜이 잘 적 용되 는지를 시험을 통해 검증하는 연구를 진행할 계획이다.
참고문헌 (18)
I. F. Akyildiz, D. Pompili, and T. Melodia. "Underwater acoustic sensor networks: research challenges," Ad Hoc Networks, Vol. 3, No.3, pp.257-279, 2005
Rice, J. A., R. K. Creber, C. L. Betcher, P. A. Baxley, D. C. Davison, and K. E. Rogers. "Seaweb Undersea Acoustic Nets", Biennial Review 2001, pp.234-250,
Joseph Rice, "SEA WEB Acoustic Communication and Navigation Networks," Proceedings of International Conference Underwater Acoustic Measurements : Technologies & Results, pp.1-7, 2005
Stewart, M., " A means to networked persistent undersea surveillance," Proceedings, Submarine Technology Symposium, pp.16-18, 2006
X. Guo, M. R. Frater, M. J. Ryan, "A Propagationdelay-tolerant Collision Avoidance Protocol for Underwaer Acoustic Sensor Networks," OCEANS 2006-Asia Pacific, pp.1-6, 2007
N. Chirdchoo, W-S. Soh, K. C. Chua, "Aloha-based MAC protocols with collision avoidance for underwater acoustic networks," INFOCOM 2007-26th IEEE International Conference on Computer Communications, pp.2271-2275, 2007
Freitag, L., Grund, M., Alt, C.V., Stokey, R., and Austin, T., "A Shallow Water Acoustic Network for Mine Countermeasures Operations with Autonomous Underwater Vehicles," In Underwater Defense Technology(UDT), pp.1-6, 2005
A $\c{c}$ ar G and Adams AB, "ACMENet: an underwater acoustic sensor network for real-time enviromnental monitoring in coastal areas," IEEE Proc. Radar, Sonar, and Nav., 153(4), pp.365-380, 2006
Salv $\acute{a}$ -Garau F and Stojanovic M (2003), "Multi-cluster Protocol for Ad Hoc Mobile Underwater Acoustic Networks," Proc. of OCEANS 2003, pp.91-98,2003
Xavier Lurton, An Introduction to Underwater Acoustics, Springer, 2002
L. Berkhovskikh and Y. Lysanov, Fundamentals of ocean acoustics, New York: Springer, 1982
www.henthos.com
www.link-quest.com
B. Sklar, Digital Communications - Fundamentals and Applications 2nd ed., Prentice Hall PTR, 2001
한국해양연구원, 수중음향 이동통신망 시스템 개발을 위한 기획.조사 연구 보고서(UCM00480-2427), 2003
J. A. Rice, R. K. Creher, C. L. Betcher, P. A. Baxley, K. E. Rogers, and D. C. Davison, "Seaweb Underwater Acoustic Nets," Communication systems technologies, pp.234-250, 2001
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.