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다중-홉 선박 통신 네트워크를 위한 애드혹 자율 구성 TDMA 방식의 수율 성능 분석
Throughput Analysis of ASO-TDMA in Multi-hop Maritime Communication Network 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 네트워크 및 서비스, v.37B no.9, 2012년, pp.741 - 749  

조구민 (고려대학교 전기전자전파공학과 무선정보시스템공학 연구실) ,  윤창호 (한국해양연구원 해양시스템안전연구소) ,  강충구 (고려대학교 전기전자전파공학과 무선정보시스템공학 연구실)

초록
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항해 중인 선박과 육상기지국간에 VHF 대역을 통해 다중-홉 데이터 통신을 수행하기 위해 애드-혹 자율 구성 TDMA (Ad Hoc Self-Organizing TDMA: ASO-TDMA) 방식이 제안된 바 있으며, 이를 통해 해로를 따라 넓은 영역에 걸쳐 항해 중인 선박들이 분산적으로 무선 자원을 공유하면서 다중-홉 애드-혹 네트워크를 구성할 수 있다. 본 논문에서는 마코프 체인 모델을 기반으로 ASO-TDMA 방식 매체접근제어 프로토콜의 평균 수율 성능을 분석한다. 또한, 모의실험을 통해 수학적 분석 결과를 검증하고, 각 홉 영역에서 부프레임의 크기와 선박의 수에 따라 수율을 최대화하기 위한 최적의 전송률이 존재함을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Ad Hoc Self-Organizing TDMA (ASO-TDMA) has been proposed as a specification to support the multi-hop data communication service for ships over VHF band. It allows for organizing a multi-hop ad-hoc network in a distributed manner by sharing the radio resources among the ships navigating along the rou...

주제어

#VHF maritime communication   #AIS (Automatic Identification System)   #Ad-hoc self-organizing-TDMA (ASO-TDMA)   #Throughput Analysis  

AI 본문요약
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* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

  • 본 논문에서는 VHF 대역 해양통신망에서 데이터 통신을 지원하기 위해 새롭게 연구된 ASO-TDMA이 기존의 SO-TDMA에 비해 보완된 부분을 확인하였고, ASO-TDMA의 동작 절차에 대해 서술하였다.
  • SANET에서는 기존 통신시스템과의 호환성을 유지하기 위한 방안으로 AIS에서 사용되는 SO-TDMA(Self Organizing TDMA: SOTDMA) 프로토콜을 다중-홉 데이터 통신이 가능하도록 변형한 애드혹 자율 구성 TDMA(ad-hoc self-organizing-TDMA: ASO-TDMA) 방식의 MAC 프로토콜을 제시하였다[3,4]. 본 논문에서는 먼저 AIS에서 사용되는 SO-TDMA의 동작 절차에 대해 살펴보고, 다중-홉 통신에 SO-TDMA를 적용할 때 발생되는 문제점을 해결하기 위해 ASO-TDMA에서 추가적으로 고려되는 기능들에 대해서 살펴본다.
  • 본 논문에서는 적절한 부하 분산 라우팅을 이용하여 각 부프레임 내에 존재하는 모든 선박이 동일한 전송률로 전송하는 상황을 고려한다. 또한, 모든 노드에는 전송할 패킷들이 항상 대기하고 있는 full buffer 모델을 가정한다.
  • 선박들은 자신의 영역 내에서 다른 선박들과의 경쟁을 통해 정보를 전송하기 위한 자원을 획득하며, 한번 획득된 자원은 필요시에 일정 시간에 걸쳐 사용이 보장된다. 본 논문에서는 특정 영역에 존재하는 선박의 수, 할당된 자원, 선박의 요구 전송률이 주어졌을 때 ASO-TDMA 프로토콜의 수율 성능을 수학적으로 분석하고자 한다. 이를 위해 선박의 최소 자원 획득 단위인 슬롯을 기준으로, 경쟁에 참여하는 선박의 수와 가용한 슬롯의 수를 매 프레임 단위로 갱신하고, 평균 수율은 안정 상태에 도달했을 때 전체 중에서 실제로 사용 중인 슬롯의 비율로 계산된다.

가설 설정

  • 매 프레임 단위로 변화하는 #를 마코프 체인으로 모델링하면 그림 4 의 상태천이도(state transition diagram)로 표현할 수 있다. ASO-TDMA에서는 timeout 값을 SO-TDMA와 동일하게 3과 8사이에서 랜덤하게 선택하지만, 본 장에서는 분석을 일반화하기 위해 timeout 값을 1과 K 사이에서 랜덤하게 선택하도록 설정하고 각 timeout 값을 선택할 확률은 임의의 이산 확률분포로 주어졌다고 가정한다.
  • 본 논문에서는 적절한 부하 분산 라우팅을 이용하여 각 부프레임 내에 존재하는 모든 선박이 동일한 전송률로 전송하는 상황을 고려한다. 또한, 모든 노드에는 전송할 패킷들이 항상 대기하고 있는 full buffer 모델을 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
ASO-TDMA란 무엇인가? ASO-TDMA는 넓은 영역에 분포하는 선박들에 대해서 다중-홉 통신을 지원하기 위해 육상기지국을 기준으로 VHF대역 커버리지에 따라 공간영역을 나누고, 각 영역별로 시간자원을 공유하는 방식이다. 그림 2에서 보는 바와 같이 하나의 SO-TDMA 프레임을 다수의 부프레임(subframe)으로 분할한 후, 인접한 홉들 간에는 서로 다른 부프레임을 할당하여 직교성을 유지함으로써 상호간 간섭이 발생하지 않도록 한다.
SO-TDMA란 무엇인가? SO-TDMA는 선박이 주기적으로 자신의 위치 및 항행 정보를 주변에 알릴 때 사용되는 MAC 프로토콜로서, 주기적으로 발생되는 트래픽의 특성 때문에 한 번의 경쟁에 의해 획득한 슬롯은 여러 프레임에 걸쳐 경쟁 없이 사용이 가능하도록 설계되었다[5]. SO-TDMA에서는 이미 사용 중인 슬롯에 대해 사용자의 권리를 보장하기 위해 이전 프레임에서 사용이 끝난 슬롯과 2개 이상의 선박이 경쟁 과정에서 충돌하여 주인이 결정되지 않은 슬롯, 그리고 아무 선박도 전송을 시도하지 않은 슬롯을 가용한 슬롯으로 보고, 이러한 슬롯들에 대해서만 전송 시도가 허용된다.
특정 영역에 존재하는 선박들이 해당 영역에 할당된 부프레임에 데이터 패킷을 전송할 때, 부프레임을 구성하는 기본 단위인 슬롯의 수는 무엇에 따라 다른가? 각 패킷은 부프레임을 구성하는 기본 단위인 슬롯을 통해 다른 선박에게 전송된다. 슬롯의 수는 한정되어있기 때문에 선박의 수가 적을 때는 각 선박이 상대적으로 많은 슬롯을 사용할 수 있지만, 반대로 선박의 수가 많을 경우에는 각 선박이 사용할 수 있는 슬롯의 수가 상대적으로 적을 것이다. 이때, 부프레임을 구성하는 슬롯들 중에서 사용되는 슬롯의 비율을 수율로 정의하면, 수율은 부프레임의 길이와 선박의 수, 그리고 선박의 전송률의 함수로 주어질 것이다.
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참고문헌 (6)

  1. Recommendation ITU-R M.1842-1, Characteristics of VHF radio systems and equipment for the exchange of data and electronic mail in the maritime mobile service RR Appendix 18 channels. 

  2. Y. B. Kim, K. H. Chang, C. H. Yun, J. W. Park, Y. K. Kim, "Application Scenarios of Nautical Ad-hoc Network in Wireless Mobile Communication under Maritime Environment," International J. of Info. and Comm. Eng., vol. 13, no. 10, pp.2097-2104, Oct 2009. 

  3. Changho Yun and Yong-kon Lim, "Ad-hoc self organizing-TDMA (ASO-TDMA) MAC protocol for ship ad-hoc network (SANET)", draft. 

  4. B. Hui, K. H. Jeon, K. H. Chang, S. G. Kim, J. W. Park, Y. K. Lim, "Design of Radio Transmission Technologies for VHF Band Ship Ad-hoc Nework," in Proc. Int. Conf. on ICT Convergence 2011 (ICTC 2011), pp.626-629, Seoul, Korea, September 2011. 

  5. Technical Clarifications of Recommendation ITU-R M.1371-2, "Technical characteristics for a universal shipborne automatic identification system using time division multiple access in the VHF maritime mobile band," 

  6. D. Gross, J. F. Shortle, J.M. Thompson, and C.M. Harris, "Fundamentals of Queueing Theory," 4th Ed., Wiley, 2008. 

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