[논문]TETRA 시스템에서 DMO 통신을 위한 채널 선택 알고리즘

이순화; 김장복

doi:10.12673/jkoni.2013.17.5.497

[국내논문] TETRA 시스템에서 DMO 통신을 위한 채널 선택 알고리즘
Algorithm of Channel Selection for DMO Communication in TETRA System 원문보기

한국항행학회논문지 = Journal of advanced navigation technology, v.17 no.5 = no.62, 2013년, pp.497 - 505

이순화 (안전행정부 재난안전통신망구축기획단) , 김장복 (홍익대학교 전자전기공학부)

초록
AI-Helper

TETRA(TErrestrial Trunked RAdio)는 항상 기지국을 통해서 통신을 하는 TMO(Trunked Mode Operation)가 기지국 없이 단말기간 직접 통신을 하는 DMO(Direct Mode Operation) 보다 주파수 채널의 할당에 있어 우선순위를 가지고 있다. 이 때문에 단말간 통신인 DMO를 안정적으로 운용하기 위해서는 단말이 TMO로 할당된 주파수 채널을 회피할 수 있는 알고리즘이 필요하나 현재의 TETRA DMO 표준에는 이에 관한 사항이 반영되어 있지 않다. 따라서 본 논문에서는 이웃 노드(기지국 혹은 단말)로부터 TMO 주파수 채널 현황 및 DMO 주파수 이용률에 관한 추가 정보를 제공받아 단말 스스로 최적의 DMO 주파수 채널을 선택할 수 있는 알고리즘을 제안한다. 성능평가를 통하여 제안 알고리즘이 기존의 DMO 주파수 채널 할당 방식에 비해 평균 전송효율이 우수함을 증명하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In TETRA(TErrestrial Trunked RAdio) standard, TMO(Trunked Mode Operation) communicates with the UE through the base station and it has a higher priority than DMO(Direct Mode Operation) which communicates with UE directly for channel allocation. As a result, the UE needs an algorithm which restricts the frequency allocation by TMO so that DMO can have a successful communication within the network. However, the TETRA DMO standard does not consider this issue. In this paper, we propose an active DMO channel selection algorithm which allocates a channel based on some additional information such as channel usage state of TMO and channel utilization of DMO. The experimental results show that the proposed algorithm outperforms existing DMO channel allocation scheme in terms of the transmission efficiency.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

다음으로 Slotted-ALOHA를 기본 MAC으로 사용 하는 기존 DMO 운용 방식의 전송효율을 분석하고자 한다. 단위 DMO 주파수 채널에서 N(L)_ms개의 단말이 확률 p로 항상 전송할 프레임(frame)이 있고 이미 충돌을 겪은 프레임뿐만 아니라 새로운 프레임에 대해서도 확률 p로 전송한다고 가정한다.
따라서 현재의 방식으로는 사용자가 수동으로 DMO로 가용할 수 있는 주파수 채널을 얼마나 우연히 잘 선택하느냐에 의존할 수밖에 없다. 따라서 본 논문의 목적은 단말에서 최적의 DMO 주파수 채널을 자동으로 탐색하고 선택할 수 있는 알고리즘을 제안하는 것이다.

가설 설정

다음으로 Slotted-ALOHA를 기본 MAC으로 사용 하는 기존 DMO 운용 방식의 전송효율을 분석하고자 한다. 단위 DMO 주파수 채널에서 N(L)_ms개의 단말이 확률 p로 항상 전송할 프레임(frame)이 있고 이미 충돌을 겪은 프레임뿐만 아니라 새로운 프레임에 대해서도 확률 p로 전송한다고 가정한다. 이때 임의의 DMO 채널에서 N(L)_ms개의 단말이 있을 경우의 순수한 Slotted-ALOHA 효율은 N(L)_ms×p(1-p)^N(L)ms-1로 정의 된다.
DA를 구현하기 위해서는 다음의 세 가지 기본 전제가 필요하다. 첫째, TA와 마찬가지로 이웃 기지국 TMO 채널 상태를 단말들이 감시해야 한다. 따라서 'Dual Watch'로 동작해야 한다.

제안 방법

따라서 본 논문에서는 이웃 기지국들을 통해 추가정보를 제공받는‘Trunked Algorithm(TA)'과 이웃 단말들을 통해 추가 정보를 제공받는 'Direct Algorithm(DA)'를 제안한다.

대상 데이터

이 경우 S(L)_tr, S(TA)_tr, S(DA)_tr 측면에서 타임슬롯 4개를 모두 사용하는 ‘Frequency Efficient Mode'가 타임슬롯 2개만을 사용하는 방식에 비해 성능이 2배만큼 향상된다는 것은 직관적으로알 수 있다. 따라서 본 논문의 성능평가는 타임슬롯 2개만을 사용하는 환경에서 측정한다.

이론/모형

본 논문에서 제안한 TA와 DA의 성능을 평가하기 위한 기본적인 모의실험 파라미터는 TETRA 표준을 준수한다[1]. 즉 사용 대역폭으로는 25 kHz 이고 1:4 TDMA 다중화를 통해 얻어지는 타임슬롯당 지속시간은 14.

성능/효과

따라서 Ⅱ장 2절의 DMO를 위한 4가지 기본 운용 모드 중 'Dual Watch'로 동작해야 한다. 둘째, 기존 DMO는 채널 전환을 사용자가 직접 수동으로 조작해야 하나 제안하는 알고리즘에서는 사용자의 수동 조작 없이 단말 차원에서 자동 전환되어야 한다. 셋째, 기지국은 단말에게 기지국 식별코드외 TMO로 운용중인 채널코드와 DMO 이용률을 함께 제공해야 한다.
다만 기지국에 장애가 발생하거나 TMO 신호가 도달하지 않는 음영지역에서 활용하는 경우라면 'Dual Watch'로 동작할 필요성은 없다. 둘째, 역시 TA와 마찬가지로 DMO는 채널 전환은 단말의 수동 조작 없이 단말 차원에서 자동 전환되어야 한다. 셋째, DMO로 가용할 수 있는 채널 중에서 한 채널을 단말간 추가 정보 공유를 위한 제어 전용 채널로 지정해야 한다.
둘째, 기지국이 최대 처리할 수 있는 부하의 임계치를 초과하는 등, TMO 통화량의 폭주시에 DMO를 활용하여 일부 트래픽을 분산시킬 수 있다[6,8]. 셋째, DMO는 교환기와 기지국 없이 통신이 가능하므로 지하, 터널, 산악, 해상 등 구축비용이 높은 지역에 경제적이면서도 손쉽게 무선통신망 환경을 구축할 수 있다.
둘째, 역시 TA와 마찬가지로 DMO는 채널 전환은 단말의 수동 조작 없이 단말 차원에서 자동 전환되어야 한다. 셋째, DMO로 가용할 수 있는 채널 중에서 한 채널을 단말간 추가 정보 공유를 위한 제어 전용 채널로 지정해야 한다. 이러한 이유는 DMO 특성상 같은 채널이 아닌 경우에는 상호 통신이 불가능하기 때문이다.
TA는 우수하나 DA는 낮은 경우를 의미한다. 셋째, 경우 3은 제안 알고리즘 모두 기존 DMO 운용 방식보다 성능이 낮은 경우를 의미한다. 또한 제안 알고리즘의 성능 변화는 식 (3,7)을 고려할때 총 단말의 수를 증가시킬 때 가장 민감하게 반응 한다.
둘째, 기존 DMO는 채널 전환을 사용자가 직접 수동으로 조작해야 하나 제안하는 알고리즘에서는 사용자의 수동 조작 없이 단말 차원에서 자동 전환되어야 한다. 셋째, 기지국은 단말에게 기지국 식별코드외 TMO로 운용중인 채널코드와 DMO 이용률을 함께 제공해야 한다.
이를 정의하기 위해 국내의 소방방재청에서 구축한 통합지휘무선통신망 기술표준인 TETRA 환경에서 측정한 결과 도심지는 평균‘3~5’, 교외지는 평균 ‘2~3’인 것으로 확인하였다.
} 값이 기존의 DMO에 비해 TA는 높고 DA는 낮은 특성을 보인다. 제안하는 알고리즘은 N(TOT)_ms가 증가할 수록 핸드셰이킹 오버헤드와 단위 DMO 채널당 배치 되는 단말의 수의 증가로 성능 열화를 보이게 된다. 즉 DA는 이웃 단말로부터 추가 정보를 제공받기 때문에 TA에 비해 핸드셰이킹 오버헤드가 심할 뿐만 아니라 제어 채널도 전용으로 운용하는 특성들이 반영되었기 때문에 이와 같은 성능을 보인다.
즉 N(TOT)ms를 +∞ 로 증가하면 할수록 결국 TA와 DA는 각종 성능 열화 요인들로 인하여 기존 DMO의 ηL 값보다 낮아지게 되는 임계점 이후부터는 성능이 역전 된다는 점을 알수 있다.
따라서 단말이 DMO로 가용할 수 있는 채널을 선택할 확률은 ‘1’ 이 된다. 즉 기존 DMO 운용 방식에서 DMO로 사용할 수 없는 채널도 선택하게 되나 제안하는 TA에서는 가용할 수 있는 채널만을 선택하며 이용률도 알고 있으므로 각 DMO 채널별로단말들이 고르게 분산되는 효과가 있다.
첫째, DMO는 단말간 직접통신 가능하기 때문에 교환기 및 기지국 장애시에 긴급통신방식으로 유용하다. 둘째, 기지국이 최대 처리할 수 있는 부하의 임계치를 초과하는 등, TMO 통화량의 폭주시에 DMO를 활용하여 일부 트래픽을 분산시킬 수 있다[6,8].
}을 기준으로 다음의 경우를 찾아야 한다. 첫째, 경우 1은 제안 알고리즘 모두 기존 DMO 보다 성능이 우수한 경우를 의미한다. 둘째, 경우 2는 제안 알고리즘이 기존 DMO 보다.
이를 구현하기 위해서는 다음의 세 가지 기본 전제가 필요하다. 첫째, 단말기가 DMO 모드로 운용하면서도 기지국과의 정보 공유를 위해 TMO 모드도 동시에 운용해야 한다. 따라서 Ⅱ장 2절의 DMO를 위한 4가지 기본 운용 모드 중 'Dual Watch'로 동작해야 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TMO 통신의 장/단점은 무엇인가?	TETRA의 통신방식은 크게 기지국을 경유하는 TMO(Trunked Mode Operation)와 단말간 직접 통신을 하는 DMO(Direct Mode Operation)로 구분할 수 있다[1~5]. TMO는 통신망 설비들을 이용하므로 원거리에 위치한 사용자와 통신 할 수 있는 장점이 있다. 그러나 교환기나 기지국에 장애가 발생할 경우, 통화폭주로 인해 기지국에 과부하가 발생할 경우에는 전체 통신이 불가능한 한계도 있다. 따라서 이와 같은 경우에는 단말간 직접 통신을 하는 DMO를 효과적으로 활용할 수 있다.
	TETRA는 무엇인가?	TETRA(TErrestrial Trunked RAdio)는 유럽전기통신 협회(ETSI)에 의해 국제 표준화된 개방형 디지털 주파수공용통신(TRS : Trunked Radio System) 기술로서 기존의 셀룰러 시스템과는 달리 하나의 채널을 여러 이용자가 공동으로 이용할 수 있어 주파수 효율을 극대화할 수 있다. TETRA는 다른 이동통신기술들에 비해 재난안전 업무에 중점을 두고 개발되어 ‘우선순위 접속, 비상 지령통화, 기지국 독립 운용’ 등 재난 안전 업무에 특화된 기능을 다양하게 제공한다[7].
	TETRA은 어떠한 기능을 제공하는가?	TETRA(TErrestrial Trunked RAdio)는 유럽전기통신 협회(ETSI)에 의해 국제 표준화된 개방형 디지털 주파수공용통신(TRS : Trunked Radio System) 기술로서 기존의 셀룰러 시스템과는 달리 하나의 채널을 여러 이용자가 공동으로 이용할 수 있어 주파수 효율을 극대화할 수 있다. TETRA는 다른 이동통신기술들에 비해 재난안전 업무에 중점을 두고 개발되어 ‘우선순위 접속, 비상 지령통화, 기지국 독립 운용’ 등 재난 안전 업무에 특화된 기능을 다양하게 제공한다[7].

참고문헌 (8)

Terrestrial Trunked Radio (TETRA); Technical requirements for Direct Mode Operation (DMO); Part 1: General network design, ETS 300 396-1 V1.2.0, Aug 2011.
Terrestrial Trunked Radio (TETRA); Technical requirements for Direct Mode Operation (DMO); Part 2: Radio aspects, ETS 300 396-2 V1.2.0, Aug 2011.
Terrestrial Trunked Radio (TETRA); Technical requirements for Direct Mode Operation (DMO); Part 3: Mobile Station to Mobile Station (MS-MS) Air Interface (AI) Protocol, ETS 300 396-3 V1.2.0, Aug 2011.
Terrestrial Trunked Radio (TETRA); Technical requirements for Direct Mode Operation (DMO); Part 4: Type 1 repeater air interface, ETS 300 396-4 V1.2.0, Aug 2011.
Terrestrial Trunked Radio (TETRA); Technical requirements for Direct Mode Operation (DMO); Part 5: Gateway air interface, ETS 300 396-5 V1.2.0, Aug 2011.
S.H. Lee, K.K. Oh and W.P. Hong, "The Receive Channel Allocation Scheme on the Digital Trunk Radio System for the Emergency and Disaster Communication in the call congestion", The Journal of Korea Navigation Institute, Vol 13, No 6, pp.950-956, Dec 2009.
S.H. Lee, C.B. Kim, "Spectrum Requirement Estimation for Korean Wireless Communication Network of Public Protection and Disaster Relief Based on ITU-R M.2033 in TETRA-TRS", The Journal of Korea Information and Communication Society, Vol 37A, No 10, pp.858-864, Oct 2012.

원문보기 상세보기
J.M. Lee, C.S. Hong, "Session Setup Procedure and Frequency Allocation Mechanism for Device-to-Device Communications in Cellular Networks", The Journal of Korea Information Science Society : Information Networking, Vol 39, No 3, pp.219-225, Jun 2012.

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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