[논문]전투 무선망에서 다중 홉 전송을 위한 향상된 DAP-NAD 기법

정종관; 김종연; 노병희

doi:10.7840/kics.2012.37c.10.977

전투 무선망에서 다중 홉 전송을 위한 향상된 DAP-NAD 기법
An Enhanced DAP-NAD Scheme for Multi-Hop Transmission in Combat Net Radio Networks 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 통신이론 및 시스템, v.37C no.10, 2012년, pp.977 - 985

정종관 (육군 교육사령부) , 김종연 (아주대학교 일반대학원 NCW학과) , 노병희 (아주대학교 소프트웨어융합학과)

초록
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최근 많은 국가들이 NCW (Network Centric Warfare)를 구현하는데 기반이 되는 전술 애드 혹 네트워크의 성능을 향상시키기 위한 통신 프로토콜 개발을 활발히 진행하고 있다. 전투 무선망 (CNR, Combat Net Radio)은 육군의 보병과 같은 지상군에 있어 가장 중요한 통신 기반망이다. 미군은 전투 무선망에서 음성 및 데이터 통신을 위해 MIL-STD-188-220D을 개발하여 운용 중에 있다. 한국군의 차기 무전기인 전술 다대역, 다기능 무전기(TMMR)의 MAC 프로토콜의 후보인 MIL-STD-188-220D은 여러 제한사항이 존재한다. MIL-STD-188-220D에 정의된 DAP-NAD는 충돌회피를 위해 시간 동기를 필요로 하지만, 1홉을 벗어난 다중 홉의 환경에서는 시간 동기를 맞추기 어렵다. 다중 홉 환경에서 충돌을 방지하여 지연을 방지하는 향상된 DAP-NAD를 제안하였으며, 모의실험을 통하여 다중 홉 전투 무선망 환경에서 제안기법의 성능이 향상되는 것을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, many countries have been developing new protocols to improve the performance of tactical ad hoc networks for implementing NCW (Network Centric Warfare). Combat net radio (CNR) networks are the most important communication infra for the ground forces such as infantry of Army. U.S. Army had developed MIL-STD-188-220D that is the Interoperability Standard for DMTDs (Digital Messages Transfer Device Subsystems) for voice and data communication in CNR. MIL-STD-188-220D is a candidate for MAC protocol of TMMR which is next radio and has a few constraints to used in TMMR. NAD (Network Access Delay) defined in MIL-STD-188-220D needs time synchronization to avoid collision. However, it is difficult for time synchronization to fit in multi-hop environment. We suggest the enhanced DAP (Deterministic Adaptable Priority)-NAD to prevent conflicts and decrease delays in multi-hop CNR. Simulation results show that the proposed scheme improves the performance in multi-hop CNR networks.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

11와 비교하였다. 기본적으로 CSMA는 우선순위에 대한 QoS (Quality-of-Service)를 보장하지 않기 때문에 이 논문에서는 트래픽의 우선순위에 대한 고려를 통해 DAP-NAD의 광대역 전술망에 적용방안을 모색하였다. 또한, [7]에서는 MIL-STD-188-220 기반의 전투 무선망 (CNR, Combat Net Radio)에서 데이터 트래픽을 감소하기 위한 방법이 제안 되었다.
MIL-STD-188-220을 사용하는 전투 무선망에서 1홉의 네트워크에서 다중 홉의 네트워크로 토폴로지가 변경될 때에는 전체 노드 간 시간동기를 맞추는 것이 제한되기 때문에 반복해서 중간노드에서 데이터 충돌은 일어나게 되어 MIL-STD- 188-220의 DAP-NAD가 효과적으로 운용되는 것은 제한된다. 따라서 이러한 제한사항을 극복하기 위하여 다중 홉에서 운용될 수 있는 향상된 DAP-NAD를 제안한다.
본 논문에서는 노드의 이동, 지형 등의 영향으로 인한 링크의 단절로 발생하는 다중 홉의 CNR에서 충돌없이 전송지연을 방지하는 향상된 DAP-NAD를 제안하였다. MIL-STD-188-220은 1홉이 아닌 그 이상의 홉에서 운용될 때에는 Hidden node problem과 같은 문제가 발생하고, 유효한 FSN 정보 부재로 NAD 계산이 어렵게 된다.

가설 설정

실험환경은 C로 구현하였으며 사용된 MAC 파라미터 값은 MIL-STD 188-220과 여러 논문[7,10]을 기초한 것으로 무전기의 데이터 전송속도는 4,800bps이며, 서브넷에 있는 단말의 링크는 1홉 내에서 서로 연결되어 있다고 가정하며 기타 세부내용은 표 3과 같다. 표 3의 파라미터 값들은 무전기 특성에 의해 좌우되는 값으로 EPRE (장비 프리앰블 시간)은 PTT (무전기의 Push-To-Talk 스위치)를 잡고 최초의 데이터가 DTE (MIL-STD-188-220 프로토콜을 수행하는 부분)에서 DCE (DTE의 통신채널)로 나오는데 필요한 클럭을 제공하는데 걸리는 시간이다.
제안하는 향상된 DAP-NAD는 기존의 DAP-NAD처럼 모든 노드에게 동일한 네트워크 접속 기회를 부여하는 방법으로 2홉 또는 3홉으로 구성될 때 각 서브넷에 속한 노드는 그림 1처럼 서로 완전 연결되어 있다고 가정한다. RN (Relay Node)의 노드번호는 서브넷 1에서는 가장 크고 서브넷 2에서는 가장 작은 값을 갖도록 NCS (Network Control Station)가 부여한다.

제안 방법

또한, [7]에서는 MIL-STD-188-220 기반의 전투 무선망 (CNR, Combat Net Radio)에서 데이터 트래픽을 감소하기 위한 방법이 제안 되었다. 1-hop 이웃한 노드들 간에 데이터 전달확인용 End-to-End ACK 및 데이터링크 ACK의 중복 사용에 따라 과다한 트래픽이 발생되고, 또한 목적지 노드들이 송신하는 End-to-End ACK들이 무선망에서 충돌하는 경우가 발생하여 데이터 전달을 확인하는데 많은 트래픽이 발생됨으로서 전체적으로 통신망 성능이 저하될 수 있는 MIL- STD-188-220C의 1-hop내 데이터 전달확인 방식에 관련한 문제점을 개선하는 방법을 제안한 것이다. Howard D.
표 1은 그림 1과 같은 네트워크에서 최초 FSN 이 1이고 네트워크 우선순위가 우선인 상황에서 5번 노드가 우선 메시지를 전송할 때의 FSN 및 네트워크 접속 슬롯번호를 부여하는 것을 제안하는 방법과 기존 DAP- NAD를 비교 설명하기 위해 예를 보여준 것이다. 기존 DAP-NAD에서 네트워크 접속 슬롯번호는 1부터 시작하여 6까지 순차적으로 증가 후 다시 1부터 6까지 접속순서를 반복하고 있으나 제안하는 방법에서는 1부터 시작하여 6까지 1씩 증가된 후 다시 1까지 역순으로 나열하고 있다. 기존 DAP- NAD에서는 5번 노드가 데이터를 전송 후 FSN은 이전 FSN 값인 1에서 1을 더하여 2가 된다.
실험의 시나리오는 2가지로 첫 번째는 노드의 이동성과 지형의 영향 등으로 인한 링크의 단절로 2홉으로 구성된 전투무선망에서 노드 수를 3개씩 증가시키며 6시간 동안 실험했을 때 메시지 손실과 전송지연시간을 측정하였다. 두 번째는 전투무선망이 1홉 내에서 운영될 때, 기존 DAP-NAD를 사용할 때와 제안방법을 사용할 때의 우선메시지 전송시간을 측정하였다. 먼저, RN에서 측정한 메시지 손실 수는 그림 8과 같다.
알고리즘 2는 함수 F()에 대한 내용으로 충돌을 회피하기 위해 대기해야 하는 최소한의 Fmin값을 구하는 식이다. 먼저 RSN과 FSN 비교를 통해 RN보다 노드번호가 작은 서브넷에서 데이터가 전송되었는지 아니면 큰 서브넷에서 전송되었는지 판단한다. 이후 네트워크 접속슬롯번호가 순차적으로 증가할 때 전송되었는지 아니면 감소할 때 전송되었는지 확인하여 Fmin값을 구한다.
그림 3는 FSN을 지정하는 순서도를 나타낸 것이다. 메시지가 발생하면 네트워크 접속 슬롯번호가 증가하고 있었는지, 감소하고 있는지 확인하기 위해 먼저 자신의 노드번호와 이전 FSN을 비교한다. 자신의 노드번호가 크고 자신의 노드번호에 1을 더한 값이 NS보다 작으면 네트워크 접속 슬롯번호가 순차적으로 증가하고 있을때이므로 FSN은 자신의 노드번호에 1을 더한 값이 된다.
NBDT(Network Busy Dectect Time)는 다른 노드로부터 전송되는 데이터신호를 감지하는데 필요한 시간이다. 성능비교를 위해 RN에서 충돌로 인한 메시지 손실과 전송지연시간을 측정하였다.
그림 9는 RN에서 측정한 메시지 손실률을 나타낸 것이다. 송신한 전체 메시지에 대한 수신된 메시지의 수를 체크하여 메시지 손실률을 구하였다. 긴급메시지를 시간당 2개일 때는 긴급메시지 수가 적어서 손실률이 변화가 없으나 10개로 증가시키면 손실률도 증가함을 볼 수 있다.
실험의 시나리오는 2가지로 첫 번째는 노드의 이동성과 지형의 영향 등으로 인한 링크의 단절로 2홉으로 구성된 전투무선망에서 노드 수를 3개씩 증가시키며 6시간 동안 실험했을 때 메시지 손실과 전송지연시간을 측정하였다. 두 번째는 전투무선망이 1홉 내에서 운영될 때, 기존 DAP-NAD를 사용할 때와 제안방법을 사용할 때의 우선메시지 전송시간을 측정하였다.
알고리즘 1은 Fn를 계산하기 위해 함수 F()을 호출하는 것으로 서로 다른 서브넷에 속하는 노드들에 의한 Hidden node problem을 해결하기 위해 Fmin값이 0보다 작으면 전체 노드 수만큼 TP를 계산하여 충돌을 회피토록 하였다.
먼저 RSN과 FSN 비교를 통해 RN보다 노드번호가 작은 서브넷에서 데이터가 전송되었는지 아니면 큰 서브넷에서 전송되었는지 판단한다. 이후 네트워크 접속슬롯번호가 순차적으로 증가할 때 전송되었는지 아니면 감소할 때 전송되었는지 확인하여 Fmin값을 구한다.
DAP-NAD에서는 네트워크 우선순위는 네트워크 접속기회가 모든 노드에게 한 번씩 부여되는 시간이 지나면 긴급은 우선으로, 우선은 일반으로 하향 조정된다. 제안하는 NAD에서는 RN이 네트워크 우선순위를 지정한다. RN이 연속해서 3번 네트워크 접근 제어 메시지를 전송할 때 네트워크 우선순위를 하향 조정하는 것이다.

성능/효과

Smith^[8]는 Tactical Multi-hop Radio Networks를 시뮬레이션을 통해 분석하였다. MIL- STD-188-220을 사용하는 환경에서 MAC 계층에서의 Cooperative Diversity-based Radio (CDR)에 대한 분석으로 모든 무전기들이 1-hop내에서 운용될 때는 최적의 성능을 보이지만, 다중의 홉에서 운용될시 라우팅 및 포워딩 정의가 잘 이루어지지 않으면 심각한 성능 저하를 가져옴을 보였다. [9]에서는 2-hop으로 구성된 DAP-NAD 네트워크에서 중계노드에게 먼저 우선권을 주는 기법을 제안했다.
여기서 전송지연시간은 메시지가 발생하여 전송하기 전까지 큐에서 대기하는 시간을 측정한 값이다. 노드 수가 6개일 때는 비슷한 성능을 보이지만 노드수가 증가하면서 기존 DAP-NAD보다 제안된 방법의 전송지연시간이 작게 측정되었다. 기존 DAP-NAD은 2홉으로 구성된 네트워크에서 NAD의 동기화가 이루어지지 않아 충돌로 인한 손실이 많이 발생하는 반면, 제한하는 방법은 NAD의 동기로 인하여 충돌 발생률이 감소하였기 때문이다.
이것은 제안하는 방법에서 RN에게 추가적인 네트워크 접속기회가 주어지기 때문이다. 따라서 1-hop에서는 기존 DAP-NAD 방식을 따르고, 2-hop이상의 다중 홉의 네트워크로 변경시에는 제안하는 NAD를 적용하면 보다 효과적인 전투 무선망 운용이 될 수 있다는 것을 보여준다.
MIL-STD-188-220은 1홉이 아닌 그 이상의 홉에서 운용될 때에는 Hidden node problem과 같은 문제가 발생하고, 유효한 FSN 정보 부재로 NAD 계산이 어렵게 된다. 시뮬레이션을 통해서 노드 수가 증가하고 다중 홉 환경에서는 제안한 방법이 전송지연 시간을 줄여주며, 전송지연시간 편차의 폭을 감소시키는 것을 보였다. 하지만, 1-hop의 네트워크에서는 기존 DAP-NAD가 좋은 성능을 보이고 있으므로, 네트워크 환경에 따라 선택적으로 제안 기법이 적용되어야 한다.

후속연구

차후 연구에서는 중계역할을 하는 RN이 통합적으로 전체 네트워크를 통제하기 때문에 Exposed node problem이 발생한다. 이로 인한 전체 네트워크 성능저하에 대한 사항도 고려되어야 하며, 또한 네트워크 구성이 2-hop으로만 고려되어 2-hop을 초과하는 다양한 환경에서의 성능평가도 추후연구에서는 다루어져야 할 것이다.
차후 연구에서는 중계역할을 하는 RN이 통합적으로 전체 네트워크를 통제하기 때문에 Exposed node problem이 발생한다. 이로 인한 전체 네트워크 성능저하에 대한 사항도 고려되어야 하며, 또한 네트워크 구성이 2-hop으로만 고려되어 2-hop을 초과하는 다양한 환경에서의 성능평가도 추후연구에서는 다루어져야 할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	MIL-STD-188-220A 표준은 무엇인가?	이에 군 통신 장비의 효율적인 데이터 통신을 위해 1997년에 미 국방부에서는 무선 애드 혹 망의 데이터 통신을 위한 MIL-STD-188-220A 표준을 정하였고, MIL-STD-188-220Dw/change1까지 버전업되었다[1]. 이 표준은 전투 무선망에서 데이터 통신을 지원하기 위한 프로토콜로서 음성과 데이터가 혼재된 상황에서 데이터 통신의 신뢰성을 보장 할 수 있도록 데이터 통신망 프로토콜을 규정한 것이다. 군의 FM 무전기는 반이중 방식으로 동작하기 때문에, 음성과 데이터 통신을 동시에 사용할 수 없다.
	네트워크 접속제어가 정의하고 있는 4가지 기능은 무엇인가?	MIL-STD-188-220에서는 같은 망을 사용하는 단말기들이 동시 전송에 따른 충돌 상황을 방지하고 원활한 통신을 위해 데이터 전송 시 단말기 간의 충돌을 사전에 방지하는 네트워크 접속제어 (NAC, Network Access Control)을 규정하고 있다. NAC는 네트워크 사용 탐지시간 (NBS, Network Busy Sensing), 응답 대기시간 (RHD, Response Hold Delay), 전송완료시간(TP, Timeout Period), 네트워크 접속대기(NAD, Network Access Delay) 등 4가지의 기능을 정의하고 있다. 어떤 노드가 네트워크가 사용 중인지 탐지 후 아무도 사용하고 있지 않으면 자신의 전송기회에 전송하는 것이다.
	PRC-999K 무전기의 특징은 무엇인가?	즉, 정확한 자신의 접속기회를 계산할 수 없어 데이터를 전송할 수 없게 되는 제한사항이 있다. 한국군에서 사용중인 PRC-999K 무전기의 경우 중 출력(5W)으로 긴 안테나를 사용하면 전송거리가 8Km이므로 모든 단말들이 서로 1홉 내에 있을 수 있으나 한국지형 특성으로 LOS(Line of Sight)가 보장되지 않아 2홉으로 네트워크가 구성될 수 있다. 이러한 상황에서 MIL-STD-188-220의 DAP-NAD는 원활한 통신보장이 어렵다.

참고문헌 (10)

MIL-STD-188-220D w/change1, Interoperability Standard for Digital Message Device Subsystem, U.S. Department of Defense Interface Standard, pp. 1-543, 23 June 2008.
David J. Thuente, "Efficient data and voice media access control algorithm for MIL-STD 188-220B," IEEE MILCOM 2000, vol. 1, pp. 115-121, Los Angeles, USA, Oct. 2000.
David J. Thuente, "Modified CSMA /implicit token passing algorithm for MIL-STD 188-220B," IEEE MILCOM 2001, vol. 2, pp. 838-844, McLean Virginia, USA, Oct. 2001.
David J. Thuente, "Improving quality of service for MIL-STD 188-220C," IEEE MILCOM 2002, vol. 2, pp. 1194-1200, Anaheim, USA, Oct. 2002.
Jie Yang, Yantao Liu, "An improved implicit token passing algorithm for DAP-NAD in MIL-STD 188-220C", International Conference on Wireless Communication, Networking and Mobile computing 2006, pp. 1-4, Wuhan, China, Sep. 2006.
Sewen Han, Byung-Seo Kim and Hong-Young Ahn, "Reaserch on the Feasibility of DAP-NAD for Wideband Tactical Ad-hoc Network", Journal of Advanced Smart Convergence (JASC), vol. 11, no. 1, pp. 199-204, Feb. 2011.
Jisang You, Incheol Baek, Hongku Kang, and Joonsung Choi, "Effective traffic control for military tactical wireless mobile Ad-hoc network". IEEE 6th International Conference on Wireless and Mobile Computing, Networking and Communications 2010, pp. 1-8, Chengdu, China, Oct. 2010.
Howard D. Smith, "Simulation-based analysis and evaluation of tactical multi-hop radio networks", Naval Postgraduate School, Master's Thesis, pp. 1-104, Mar. 2009.
Shin Hyun Keun, Jung Jun Woo, Choi Jeong In and Lim Jae Sung, "A relay scheme for reducing multi-hop delay in MIL-STD-188- 220D Network", in Proc. KICS ICC 2011, Yongpyeong, Korea, Dec. 2011.
S.S. Cho, C. W. Lyu, B. C. Jung, D K. Sung, "Effective exchange of real-time location in formation packets in an integrated voice/data ad-hoc network based on the MIL-STD 188-220C standard," IEEE MILCOM 2007, vol. 1, pp. 1-5, Orland, USA, Oct. 2007.

저자의 다른 논문 :

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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