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다중 홉 네트워크를 위한 디지털 및 아날로그 협동 전송 시간 동기화 프로토콜
Cooperative Analog and Digital (CANDI) Time Synchronization for Large Multihop Network 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 통신이론 및 시스템, v.37C no.11, 2012년, pp.1084 - 1093  

조성환 (육군사관학교 전자정보학과 전자정보연구실)

초록
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멀티홉 네트워크에서 TPSN, RBS, FTSP와 같은 기존의 시간 동기화(TS : Tims Synchronization) 방법들은 네트워크의 홉수가 증가 할 경우 TS 오류 또한 증가하게 된다는 단점을 가지고 있다. 이는 멀티홉 네트워크를 통해 구현되는 passive multistatic 레이더 시스템 및 무선 센서 네트워크 노드들 간의 시간 동기화 오류를 증가시켜 시스템 정확도를 저하시키는 중요한 원인이 된다. 따라서 이 논문에서는 동시 협동 전송(CCT : Concurrent Cooperative Transmission)과 반협동 스펙트럼 융합 전송(SCSF : Semi-Cooperative Spectrum Fusion)의 두 종류의 CT (Cooperative Transmission)을 이용한 시간 동기화 방법을 제안하고자 한다. CT를 이용하면 시간 정보가 전달되는 데에 필요한 홉수를 줄여 결과적으로 TS 오류를 줄일 수 있다는 장점을 가지게 된다. CCT는 협동하고 있는 노드들이 디지털하게 인코딩된 동일한 메시지를 각각의 직교한(orthogonal) 채널을 통해서 동시에 전송하면, 수신노드는 이를 수신하여 통합하여 디코딩함으로써 diversity gain을 얻는 전송방식이다. 반면 SCSF는 각각의 노드들이 상관성 있는 아날로그 데이터를 스펙트럼에 실어 동시에 전송하는 방식이다. 이 논문에서는 이 두 가지의 전송방식을 융합한 아날로그 및 디지털 협동 전송 시간 동기화 프로토콜, 즉 CANDI 프로토콜을 제안하고, 이 프로토콜이 멀티홉 네트워크에서 기존의 시간 동기화 방식인 TPSN과 비교하여 상당히 큰 격차로 시간 오류를 줄이는 것을 시뮬레이션을 통해서 증명하고자 한다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

For large multihop networks, large time synchronization (TS) errors can accumulate with conventional methods, such as TPSN, RBS, and FTSP, since they need a large number of hops to cover the network. In this paper, a method combining Concurrent Cooperative Transmission (CCT) and Semi- Cooperative Sp...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 이 논문에서는 노드들이 두 번의 각기 다른 종류의 cooperative transmission (CT)[4]을 이용하여 절대 시간(absolute time)을 전파(broadcast)하는 새로운 접근방식을 제안하고자 한다.
  • 첫 번째는 디지털 단계이며 두번째는 아날로그 단계이다. 먼저 프로토콜의 개략적인 설명을 제시한 후에 홉 증가에 따른 시간 오류 및 예측 방법에 대한 자세한 수학적 모델을 설명하고자 한다.
  • 본 논문에서는 새로운 시간 동기화 방법인 CANDI 프로토콜을 제안하였다. CANDI 프로토콜이 CCT가 가지고 있는 averaging 및 range extension 효과를 이용하여 시간 오류를 최소화함과 동시에, SCSF 전송 방식을 이용하여 클러스터간의 전파시간을 예측하여 시간을 수정함으로써 기존의 전통적인 시간 동기화 방법과 비교하여 시간 오류를 상당히 줄일 수 있었다.

가설 설정

  • 는 j번째 클러스터의 k번째 노드를 나타내며, 한 클러스터에 존재하는 모는 노드는 같은 장소에 존재(co-located)한다고 가정한다. ##라고 하는 로컬(local) 시계를 가지고 있으며, 여기서 q는 단계 번호인데 이는 III장에서 설명하도록 하겠다.
  • 클러스터의 각 노드는 독립적인 diversity channel을 이용하여 패킷을 전송하는데, diversity channel이란 클러스터 안의 노드들이 사용하는 채널들이 서로 orthogonal하다는 것을 의미한다. 그리고 수신자들은 diversity combining[8]을 할 수 있다고 가정한다. SNR1#가 소스노드로부터 신호를 받을 때의 평균 수신 SNR을 의미하고, SNRj는 j≥2인 #가 j-1클러스터를 구성하고 있는 임의의 노드에서 신호를 받을 때의 평균 수신 SNR을 의미한다.
  • 그 다음에는 Tproc이라는 시간동안 대기한 후 수신한 TS 패킷을 CCT를 이용하여 다음 클러스터에 있는 노드들에게 동시에 전송(broadcast)한다. 여기서 Tproc은 노드들이 동시에 패킷을 전송하게하기 위하여 대기하는 시간으로서, 이미 하드웨어에 따라 정해진 값이기 때문에 Tproc=0이라고 가정한다. 다음 클러스터의 # (k=1,2,.
  • 이때 소스노드로부터 첫 번째 클러스터내의 한 노드까지의 평균 수신 SNR1은 25dB로 설정하였고, 각 클러스터내의 노드들이 100m 떨어진 다른 노드에게 전송하는 평균 수신 SNRj를 10dB로 설정하였다. 일반적으로 소스노드가 센서노드로부터 데이터를 수집하고 처리하기 기능을 담당하기 때문에 다른 센서노드들에 비해 배터리의 제한이 없고, 안테나의 송수신 전력 세기가 상대적으로 크다고 가정하였다.
  • SCSF 전송방식은 [14]에 이미 자세히 연구가 되어있다. 저자는 수신노드, 즉 데이터를 종합하는 fusion 노드를 비행체라고 가정을 하였고, 따라서 센서 노드들과 fusion 노드 사이에는 Line of Sight(LOS)가 존재한다고 가정하였다. 하지만 본 논문의 II장에서 가정한 네트워크 구조는 2차원의 넓은 지역에 구성된 네트워크이기 때문에 SCSF의 LOS가 보장되지 않는 환경에서 성능에 대한 연구가 필요 하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
WSNs와 같은 멀티홉 네트워크를 동기화하는데 있어서 어떤 문제점을 가지고 있는가? 넓은 범위를 포함하고 있는 WSNs는 커다란 멀티홉(multihop) 네트워크를 구성함으로써 네트워크 구성비용을 줄일 수 있다. 이 같은 멀티홉 네트워크를 동기화하는데 있어서, 각 노드들에 GPS를 설치 하여 TS를 손쉽게 할 수 있지만 GPS 신호가 실내및 수중을 비롯한 몇몇의 지역까지 도달하지 않고, 또한 전력을 많이 소비한다는 점에서 모든 노드에 GPS 장착하는 것은 비효율적이라 할 수 있다. 또한 군사적인 상황에서 적의 GPS 방해 능력에 대비하여 아군 무기체계들의 유사시에 GPS를 대신할 수있는 TS 능력 보유를 필요로 하고 있다는 점에서 새로운 TS 방법의 개발이 요구되고 있다.
WSNs는 커다란 멀티홉(multihop) 네트워크를 구성함으로써 무엇을 줄일 수 있는가? 넓은 범위를 포함하고 있는 WSNs는 커다란 멀티홉(multihop) 네트워크를 구성함으로써 네트워크 구성비용을 줄일 수 있다. 이 같은 멀티홉 네트워크를 동기화하는데 있어서, 각 노드들에 GPS를 설치 하여 TS를 손쉽게 할 수 있지만 GPS 신호가 실내및 수중을 비롯한 몇몇의 지역까지 도달하지 않고, 또한 전력을 많이 소비한다는 점에서 모든 노드에 GPS 장착하는 것은 비효율적이라 할 수 있다.
멀티홉 네트워크에서 기존의 시간 동기화 방법들은 어떤 단점을 가지고 있는가? 멀티홉 네트워크에서 TPSN, RBS, FTSP와 같은 기존의 시간 동기화(TS : Tims Synchronization) 방법들은 네트워크의 홉수가 증가 할 경우 TS 오류 또한 증가하게 된다는 단점을 가지고 있다. 이는 멀티홉 네트워크를 통해 구현되는 passive multistatic 레이더 시스템 및 무선 센서 네트워크 노드들 간의 시간 동기화 오류를 증가시켜 시스템 정확도를 저하시키는 중요한 원인이 된다.
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참고문헌 (15)

  1. C.-Y. Lin, W.-C. Peng, and Y.-C. Tseng, "Efficient in-network moving object tracking in wireless sensor networks," IEEE Trans. Mobile Computing, vol. 5, no. 8, pp. 1044-1056, Aug. 2006. 

  2. S. Kim, S. Pakzad, D. Culler, J. Demmel, G. Fenves, S. Glaser, and M. Turon, "Health monitoring of civil infrastructures using wireless sensor networks," 6th International Symposium on IPSN, pp. 254-263, April 2007. 

  3. Arendg. Westra, "Radar versus Stealth : Passive Radar and the Future of U.S. Military Power," NDU Press, JFQ, issue 55, 4th quarter, 2009. 

  4. J. Laneman and G. Wornell, "Distributed space-time-coded protocols for exploiting cooperative diversity in wireless networks," IEEE Trans. Information Theory, vol. 49, no. 10, pp. 2415-2425, Oct 2003. 

  5. J. Elson, L. Girod, and D. Estrin, "Fine-grained network time synchronization using reference broadcasts," 5th Symp. OSDI, pp. 147-163, 2002. 

  6. S. Ganeriwal, R. Kumar, and M. B. Srivastava, "Timing-sync protocol for sensor networks," 1st Intl. Conf. on Embedded Networked Sensor Systems, pp. 138-149, Nov. 2003. 

  7. M. Maroti, B. Kusy, G. Simon, and A. Ledeczi, "The flooding time synchronization protocol," 2nd Intl. Conf. on Embedded networked sensor systems, pp. 39-49, Nov. 2004. 

  8. Y. J. Chang, M. Ingram, and R. Frazier, "Cluster transmission time synchronization for cooperative transmission using software-defined radio," IEEE ICC, pp. 1 -5, May 2010. 

  9. Z. Gao, Y. J. Chang, and M. Ingram, "Synchronization for cascaded distributed mimo communications," MILCOM, pp. 387 -392, 3 2010. 

  10. Y. J. Chang and M. Ingram, "Convergence property of transmit time pre-synchronization for concurrent cooperative communication," IEEE GLOBECOM, pp. 1-5, Dec. 2010. 

  11. Y.-W. Hong and A. Scaglione, "A scalable synchronization protocol for large scale sensor networks and its applications," IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 23, no. 5, pp. 1085-1099, May 2005. 

  12. A. Tyrrell, G. Auer, and C. Bettstetter, "On the accuracy of firefly synchronization with delays," 1st Intl. Symposium on ISABEL, pp. 1-5, Oct 2008. 

  13. A. Scaglione and Y.-W. Hong, "Opportunistic large arrays: cooperative transmission in wireless multihop ad hoc networks to reach far distances," IEEE Trans. Signal Processing, vol. 51, no. 8, pp. 2082-2092, Aug. 2003. 

  14. A. Akanser and M. Ingram, "Semi-cooperative spectrum fusion (SCSF) for aerial reading of a correlated sensor field," 1st Intl. Conf. on Wireless VITAE, pp. 732-736, May 2009. 

  15. H. Jung, Y. J. Chang, and M. Ingram, "Experimental range extension of concurrent cooperative transmission in indoor environments at 2.4ghz," IEEE MILCOM, pp. 148-153, Nov. 2010. 

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