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.
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.
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...
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 Spectrum Fusion (SCSF) is proposed to reduce the number of hops to cover the large network. In CCT, cooperating nodes transmit the same digitally encoded message in orthogonal channels simultaneously, so receivers can benefit from array and diversity gains. SCSF is an analog cooperative transmission method where different cooperators transmit correlated information simultaneously. The two methods are combined to create a new distributed method of network TS, called the Cooperative Analog and Digital (CANDI) TS protocol, which promises significantly lower network TS errors in multi-hop networks. CANDI and TPSN are compared in simulation for a line network.
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 Spectrum Fusion (SCSF) is proposed to reduce the number of hops to cover the large network. In CCT, cooperating nodes transmit the same digitally encoded message in orthogonal channels simultaneously, so receivers can benefit from array and diversity gains. SCSF is an analog cooperative transmission method where different cooperators transmit correlated information simultaneously. The two methods are combined to create a new distributed method of network TS, called the Cooperative Analog and Digital (CANDI) TS protocol, which promises significantly lower network TS errors in multi-hop networks. CANDI and TPSN are compared in simulation for a line network.
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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. #는 #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. SNR1은 #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.
제안 방법
Co-located 된 클러스터가 구성하고 있는 라인 네트워크에서의 CANDI 프로토콜의 성능 분석을 위해 각 4개의 노드(N = 4)로 구성된 클러스터들을 각각 100m 떨어진 곳에 나열하였다. 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.
노드들이 일렬로 배치되어 있는 동일한 라인 네트워크에 대해서 CANDI와 TPSN의 성능을 비교하기 위해 소스노드를 기준으로 각 25m 간격으로 총 40개의 노드를 일렬로 배치하였다. 따라서 이 네트워크의 총 길이는 25m × 40 = 1000m가 된다.
본 논문에서 제안하고 있는 CANDI 방법은 크게 두 단계로 나뉜다.
앞의 시뮬레이션의 네트워크 환경과 다른점은 노드들이 서로 co-located 되어 있지 않고 일렬로 늘어서 있다는 점이다. 송신노드는 100m 거리에 위치한 노드에 대해 평균 수신 SNR이 25dB가 되도록 송신 전력을 설정하였고, 나머지 모든 센서 노드들은 10dB가 되도록 설정하였다.
TPSN의 경우에는 CANDI에서 각 클러스터가 위치한 자리에 하나의 노드만을 위치시켜 라인 네트워크를 구성하였다. 이 때 CANDI 프로토콜과 비교 하여 네트워크가 소비하는 전력을 동일하게하기 위하여 센서노드들의 안테나 출력을 CANDI의 센서 노드보다 4배(N = 4 이므로) 크게 설정하였다. 따라서 TPSN에서 100m 떨어진 센서노드 간의 평균 수신 SNR은 16.
이 장에서는 MATALB을 이용한 CANDI 프로토콜의 성능에 대해서 TPSN과 비교하여 제시하고자 한다. 시뮬레이션에서 SOP 상수 m=6.
최근에 발표된 [8]에서는 4∼5개의 노드로 이루어진 클러스터들로 구성된 line network에 대해 꽤 높은 정확도로 클러스터내의 노드들 간의 TS를 실현할 수 있음을 실험을 통하여 증명하였다. 이것으로부터 우리는 두 개의 스테이지에서 각각 다른 종류의 CT를 이용하여 클러스터내의 노드들간의 동기화가 아닌 네트워크 전역에 걸친 노드들간의 동기화 방법을 고안하였다. 첫 번째 스테이지에서는 concurrent cooperative transmission (CCT)[9,10]를 이용하였는데, CCT란 협동하고 있는 노드들이 동시에 그리고 동일한 디지털 메시지를 직교한(orthogonal) 채널1)에 전송하는 방식을 말한다.
Co-located 된 클러스터가 구성하고 있는 라인 네트워크에서의 CANDI 프로토콜의 성능 분석을 위해 각 4개의 노드(N = 4)로 구성된 클러스터들을 각각 100m 떨어진 곳에 나열하였다. 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.
이론/모형
따라서 우리가 이 논문에서 제안하고 있는 방법은 CT의 transmit diversity을 이용하였다. 우리의 방법은 CT의 장점인 range extension과 SNR 이득을 통하여 네트워크 전역에 시간 정보를 전송하는데 필요한 홉수를 줄여 시간 오류를 최소화 하는 동시에, MAC 프로토콜을 필요로 하지 않으면서도 충돌이 발생하지 않는 두 번의 CT 전송(sweep)을 통하여 절대시간을 전송할 수 있다.
약간씩 상이한 예측값을 전송하기 위해서 두 번째 아날로그 단계에서는 SCSF[1] 전송방식을 사용하였다.
성능/효과
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.
그림 5에서는 동일한 라인 네트워크에 대해서 CANDI와 TPSN의 시간오류(RMSE)를 보여주고 있다. 결과로부터 알 수 있듯이, 여전히 CANDI가 TPSN에 비해 더 좋은 성능을 보여주고 있음을 알 수 있다. 비록 클러스터내의 노드들이 co-located 되어 있지 않아 아날로그 단계에서 전파시간에 대한 예측값과 실제 전파시간의 차이가 존재하지만, CT 의 range extension으로 인한 홉수의 감소와 CCT의 averaging 효과는 여전히 CANDI 시간 오류를 TPSN에 비해 상당히 적게 유지 할 수 있도록 하게 한다.
그림 4은 클러스터내의 노드들의 수, 즉 클러스터의 크기를 변화시키면서 시간 오류에 대한 시뮬레이션 값을 도시하였다. 여기서 우리는 클러스터의 크기가 증가할수록 시간 오류는 감소하는 것을 확인할 수 있는데, 이는 수신 노드가 보다 많은 TS 패킷을 수신할수록 그것들을 융합하는 과정에서 averaging의 품질을 더 좋게하여 시간 오류를 최소화 할 수 있다는 것을 의미한다.
하지만 본 논문의 II장에서 가정한 네트워크 구조는 2차원의 넓은 지역에 구성된 네트워크이기 때문에 SCSF의 LOS가 보장되지 않는 환경에서 성능에 대한 연구가 필요 하였다. 우리는 시뮬레이션을 통해 SCSF가 non-LOS 환경에서도 여전히 diversity gain의 장점을 취하면서도 평균값을 전달하는데 효과가 있다는 것을 밝혀내었지만 본 논문에서는 지면제한으로 인하여 제시하지 않는다.
가로축은 홉수를 의미하며 세로축은 홉의 증가에 따른 # 의미한다. 위 결과에서 홉 수가 증가함에 따라 CANDI의 시간 오류가 TPSN의 경우보다 더 작은 비율로 증가하는 것을 확인할 수 있다. 10번째 홉의 경우에는 TPSN의 시간오류가 CANDI에 비해 1.
그 이유는 CANDI의 경우에는 동기화에 소요되는 시간이 홉수에 비례하지만, 기존의 non-CT 방식은 노드의 수에 비례함과 동시에 MAC layer에서의 충돌을 수반하기 때문에 소요되는 시간은 더욱 길어지게 된다. 이러한 사실은, 본 논문에서는 자세히 고려되지 않았지만, WSNs에서의 노드들의 clock rate가 일정하지 않아 시간이 지나면서 점점 커지는 clock skew 오류 또한 CANDI 방식을 이용하여 최소화 할 수 있다는 것을 의미한다.
이러한 장점들로부터 본 논문에서는 CANDI가군 및 민간 분야에서 WSNs을 포함한 다양한 거대 네트워크를 동기화하는데 효율적이며 좋은 성능을 보이고 있음을 증명 되었다.
후속연구
우리는 추후 연구과제로서 다른 네트워크 환경, 특히 전파시간과 다른 시간 오류와의 상대적인 크기에 따라 CANDI가 어떠한 성능을 가지는지에 대한 분석이 필요하다. 전파시간이 다른 시간 오류에 비해서 상당히 짧은 경우 우리는 두 번째 단계를 생략하는 것이 더 좋은 성능을 가질 수 있다는 것을 예측할 수 있기 때문이다.
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. 우리는 시뮬레이션을 통해 SCSF가 non-LOS 환경에서도 여전히 diversity gain의 장점을 취하면서도 평균값을 전달하는데 효과가 있다는 것을 밝혀내었지만 본 논문에서는 지면제한으로 인하여 제시하지 않는다.
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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