최근 해양 플랜트, 해저 탐사, 수중 모니터링 시스템 등에 대한 관심이 급증하고 있으며, 그에 대한 연구도 활발히 진행 중이다. 하지만, 수중 무선 통신은 물속이라는 특수한 환경적 요소로 인해 지상에 비해 매우 열악한 통신 환경을 가진다. 이로 인해 기존에 사용하던 지상 통신의 방법을 수중에 그대로 적용하는 것은 성능적인 면에서 적합하지 않다. 이에 본 논문은 수중 무선 센서네트워크에서 통신 신뢰성을 향상시키기 위하여 수중 환경의 특성을 직접적으로 고려한 라우팅 알고리즘을 제시한다. 특히, 수중 무선 통신을 어렵게 만드는 두 가지 문제, 즉, 다중경로 문제와 신호의 감쇠현상을 해결함으로써 수중에서 보다 나은 신뢰성을 보장하고자 한다. 또한, 실험을 통하여 제시하는 알고리즘이 보다 나은 성능을 보임을 증명하였다.
최근 해양 플랜트, 해저 탐사, 수중 모니터링 시스템 등에 대한 관심이 급증하고 있으며, 그에 대한 연구도 활발히 진행 중이다. 하지만, 수중 무선 통신은 물속이라는 특수한 환경적 요소로 인해 지상에 비해 매우 열악한 통신 환경을 가진다. 이로 인해 기존에 사용하던 지상 통신의 방법을 수중에 그대로 적용하는 것은 성능적인 면에서 적합하지 않다. 이에 본 논문은 수중 무선 센서네트워크에서 통신 신뢰성을 향상시키기 위하여 수중 환경의 특성을 직접적으로 고려한 라우팅 알고리즘을 제시한다. 특히, 수중 무선 통신을 어렵게 만드는 두 가지 문제, 즉, 다중경로 문제와 신호의 감쇠현상을 해결함으로써 수중에서 보다 나은 신뢰성을 보장하고자 한다. 또한, 실험을 통하여 제시하는 알고리즘이 보다 나은 성능을 보임을 증명하였다.
Recently, the ocean field researches such as offshore plant, ocean survey and underwater monitoring systems are garnering the attention from both academy and industry. However, the communication in underwater environment is very difficult because of the unique irregular features in water. This is th...
Recently, the ocean field researches such as offshore plant, ocean survey and underwater monitoring systems are garnering the attention from both academy and industry. However, the communication in underwater environment is very difficult because of the unique irregular features in water. This is the reason that the application of terrestrial protocols to the water environment is not proper. This paper proposes a routing algorithm that can enhance communication reliability by utilizing channel properties in underwater environment. We address two problems that lead to the poor communication performance, signal attenuation and multi-path problem in water. Overcoming these problems, the proposed algorithm ensures high packet delivery ratio and low transmission delay. Also, this paper evaluates the performance through simulation.
Recently, the ocean field researches such as offshore plant, ocean survey and underwater monitoring systems are garnering the attention from both academy and industry. However, the communication in underwater environment is very difficult because of the unique irregular features in water. This is the reason that the application of terrestrial protocols to the water environment is not proper. This paper proposes a routing algorithm that can enhance communication reliability by utilizing channel properties in underwater environment. We address two problems that lead to the poor communication performance, signal attenuation and multi-path problem in water. Overcoming these problems, the proposed algorithm ensures high packet delivery ratio and low transmission delay. Also, this paper evaluates the performance through simulation.
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문제 정의
또한 수중채널의 특성 상 매우 낮은 통신 신뢰성을 가지므로 메시지를 저장하고 있다가 기회가 생겼을 때 전송하는 라우팅 기법을 사용하는 것이 효과적이다. 따라서 본 논문은 열악한 통신환경을 전제하고 있는 수중 무선네트워크를 DTN으로 정의하고 수중에서 보다 신뢰성 있는 전송 방법을 제안하고자 한다.
하지만, 수중 통신의 채널 특성을 직접적으로 활용한 연구는 없었다. 본 논문은 수중채널의 특성을 직접적으로 활용한 라우팅 기법을 소개하고자 한다.
본 논문은 이를 위해, 적절한 결정기준을 제안하고자 한다. 먼저, 노드가 저장할 수 있는 용량을 초과했을 경우, 오래된 정보를 우선적으로 제거한다.
본 연구에서는 열악한 통신환경을 전제하고 있는 수중에서 수중 채널의 특성을 분석하여 성능에 영향을 미치는 두 가지 문제점을 언급하였다. 또한 두 가지 문제점인 신호감쇠 현상과 다중 경로 현상을 극복 하는 프로토콜을 제시하였고, 제안하는 프로토콜이 높은 전송성공률과 비슷한 전송 지연시간을 가짐을 실험으로 증명하였다.
가설 설정
수표면에는 부표에 부착된 노드들이 싱크 노드의 역할을 하며, 본 논문에서는 이를 부표 노드라고 부른다. 수중에는 일반 노드들이 배치되어 있으며, 해류에 의해 떠내려가는 것을 방지하기 닻에 의해 바닥에 고정되어 있다고 가정한다. 또한 수중노드들은 압력센서를 통해 자신의 깊이 정보를 알 수 있다.
제안 방법
채널 이득값의 평균값을 미리 계산한 후에 해당 값을 한계값으로 설정하였다. 메시지를 전송할 때마다 각 노드의 위치정보를 입력 값으로 채널 이득값을 계산해 내면, 해당 값이 한계치보다 높거나 같을 경우 전송이 성공, 그렇지 않을 경우 실패로 처리하도록 하였다.
본 논문이 제시하는 알고리즘은 Ⅲ장에서 분석한 수중 채널의 두 가지 특성을 활용한다. 첫 번째는 신호 감쇠현상으로 송수신 노드 간 거리가 짧을수록 많은 양의 데이터를 적은 에너지로 보낼 수 있다는 점이다.
그 이유는 같은 깊이 레벨에 있는 노드 중에서 RSSI가 강한 노드가 노드 A로부터 가장 수직한 방향에 위치해 있을 것이기 때문이다. 수중 통신의 특성상 RSSI의 값은 부정확하겠지만, 제안하는 알고리즘에서는 RSSI의 정확한 값이 필요한 게 아니라 각 노드 RSSI들 사이의 상대적 크기만 알면 된다. 또한, 추가로 다른 오버헤드가 들지 않기 때문에 합리적인 선택이다.
앞서 살펴본 수직채널의 특성을 활용하여 수중환경에 적합한 DTN 라우팅 방법을 제시한다. 먼저 응용의 환경을 설명하고 라우팅의 동작과정을 자세하게 설명한다.
이 때 전송 성공여부를 결정짓기 위하여 채널시뮬레이터를 통해 계산된 채널 이득값을 사용하였다. 채널 이득값의 평균값을 미리 계산한 후에 해당 값을 한계값으로 설정하였다.
이 때 전송 성공여부를 결정짓기 위하여 채널시뮬레이터를 통해 계산된 채널 이득값을 사용하였다. 채널 이득값의 평균값을 미리 계산한 후에 해당 값을 한계값으로 설정하였다. 메시지를 전송할 때마다 각 노드의 위치정보를 입력 값으로 채널 이득값을 계산해 내면, 해당 값이 한계치보다 높거나 같을 경우 전송이 성공, 그렇지 않을 경우 실패로 처리하도록 하였다.
이웃 노드 간 정보 수집단계에서 노드 A는 전송범위 내에 위치한 노드들의 깊이 정보를 얻을 수 있다. 확보한 이웃 노드들의 깊이 정보를 이용하여 이웃노드들을 단계별로 나눈다. 이 중에서 가장 높은 레벨에 위치한 노드 즉, 수표면과 가장 가까운 노드를 선정하도록 한다.
대상 데이터
수중의 채널 환경을 고려한 실험을 하기 위하여 matlab으로 작성된 수중 채널 시뮬레이터[11]를 이용했다.
성능/효과
하지만, 수중 네트워크에서 노드의 정확한 위치정보를 얻는 것에는 많은 제약사항이 따른다. 따라서 노드의 깊이 정보만 있으면 포워딩이 가능한 제안 프로토콜이 구현에도 용이하고 성능도 뛰어남을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 열악한 통신환경을 전제하고 있는 수중에서 수중 채널의 특성을 분석하여 성능에 영향을 미치는 두 가지 문제점을 언급하였다. 또한 두 가지 문제점인 신호감쇠 현상과 다중 경로 현상을 극복 하는 프로토콜을 제시하였고, 제안하는 프로토콜이 높은 전송성공률과 비슷한 전송 지연시간을 가짐을 실험으로 증명하였다. 실험 결과 제안하는 프로토콜이 비교 대상에 비해 전송 성공 횟수는 평균적으로 1.
신호감쇠 현상을 근거해서 수중채널을 분석해보면, 근거리 통신이 에너지 소모를 줄일 뿐만 아니라 높은 주파수를 사용함으로써 많은 양의 데이터를 보낼 수 있음을 알 수 있다. 전송률은 다음과 같이 수식 (4)로 나타낼 수 있다.
또한 두 가지 문제점인 신호감쇠 현상과 다중 경로 현상을 극복 하는 프로토콜을 제시하였고, 제안하는 프로토콜이 높은 전송성공률과 비슷한 전송 지연시간을 가짐을 실험으로 증명하였다. 실험 결과 제안하는 프로토콜이 비교 대상에 비해 전송 성공 횟수는 평균적으로 1.2배 높은 성능을 보이고, 전송 지연시간은 비교대상과 비슷한 값을 가짐을 확인하였다.
Ⅱ장에서 선행된 연구들의 특징과 한계점을 조사하고, Ⅲ장에서는 수중 채널의 특성을 분석하고, Ⅳ장에서는 분석한 문제점을 극복하기 위해 본 논문이 제안하는 알고리즘을 설명할 것이다. 이어서 Ⅴ장에서 실험 결과를 통해 제안하는 알고리즘이 비교대상보다 나은 결과를 보인다는 것을 증명한 후에 Ⅵ장에서 결론을 맺을 것이다.
전송범위가 큰 경우, 제안하는 방식의 지연시간이 더 큰 이유는 다음과 같다. 전송범위가 커짐에 따라 목적지 노드가 송신 노드의 전송반경 내에 들어올 확률이 높아지는데, 제안 방식은 이 경우에도 수직채널을 사용하여 물 밖으로 먼저 나간 후 목적지 노드로 전송되는 데 반해 비교대상의 경우 목적지 노드로 직접 전송되기 때문에 평균지연 시간이 줄어드는 것을 확인하였다. 하지만 비교대상의 경우 수평 성분이 큰 채널이고 거리가 길기 때문에 제안방식에서 사용하는 수직 채널에 비해 전송률이 낮아짐을 그림 10에서 확인할 수 있다.
그림 11에서 전송 지연 시간은 패킷을 생성한 수중 노드에서 최종 목적지인 목적지 노드까지 도달하는 평균 지연 시간을 뜻한다. 제안한 알고리즘이 비교대상과 비슷한 전송 지연시간을 보임을 확인할 수 있다. 전송 범위가 클수록 전송 지연시간이 줄어드는 이유는 전송범위가 늘어날수록 수중 노드에서 부표노드까지의 전체 홉 수가 줄어들기 때문이다.
그림 10에서 전송 성공 횟수는 실험 시간동안 목적지노드에 도착한 패킷의 개수를 계수한 결과 값이다. 제안한 프로토콜이 대부분 높은 전송 성공률을 보임을 알 수 있다. 전송 범위가 클수록 전송 성공률이 높아지는 이유는 포워딩 가능한 노드들의 개수가 중가하기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수중 무선통신은 어떤 범주에 포함시킬 수 있는가?
이런 면에서 수중 무선통신은 DTN(Delay/Disruption Tolerant Network)의 범주에 포함시킬 수 있다. DTN은 높은 전송지연 시간이나 빈번한 통신 단절을 용납하는 네트워크를 의미한다.
수중 무선 통신의 특징은 무엇인가?
최근 해양 플랜트, 해저 탐사, 수중 모니터링 시스템 등에 대한 관심이 급증하고 있으며, 그에 대한 연구도 활발히 진행 중이다. 하지만, 수중 무선 통신은 물속이라는 특수한 환경적 요소로 인해 지상에 비해 매우 열악한 통신 환경을 가진다. 이로 인해 기존에 사용하던 지상 통신의 방법을 수중에 그대로 적용하는 것은 성능적인 면에서 적합하지 않다.
지상에 비해 매우 열악한 통신 환경으로 인해 수중 무선 통신에는 어떤 문제가 있는가?
하지만, 수중 무선 통신은 물속이라는 특수한 환경적 요소로 인해 지상에 비해 매우 열악한 통신 환경을 가진다. 이로 인해 기존에 사용하던 지상 통신의 방법을 수중에 그대로 적용하는 것은 성능적인 면에서 적합하지 않다. 이에 본 논문은 수중 무선 센서네트워크에서 통신 신뢰성을 향상시키기 위하여 수중 환경의 특성을 직접적으로 고려한 라우팅 알고리즘을 제시한다.
참고문헌 (11)
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S. C. Nelson, M. Bakht, and R. Kravets, "Encounter-based routing in DTNs," IEEE INFOCOM 2009, pp. 846-854, Rio de Janeiro, Brasil, Apr. 2009.
T. Spyropoulos, K. Psounis, and C. S. Raghavendra, "Single-copy routing in intermittently connected mobile networks," Sensor and Ad Hoc Commun. Netw.(IEEE SECON 2004), pp. 235-244, Oct. 2004.
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