위성통신은 상공에 있는 인공위성을 통신의 중계기로 이용한 통신 방법으로 통신 범위가 광범위하고 고속 데이터를 전송할 수 있어 차세대 통신으로 각광받고 있다. 하지만 지상과 위성 간의 거리가 멀어 전파 지연 시간이 매우 길고 패킷이 손상된다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 패킷 손상을 보완하기 위하여 Link Relay H-ARQ 방식을 적용하였다. 또한, 지연 시간을 보완하는 새로운 방식인 Modified Link Relay H-ARQ 방식을 제안한다. 위성통신의 채널 구현을 위해 Markov 채널을 적용하여 성능을 분석해 본 결과, Link Relay H-ARQ 방식을 적용한 경우 BER과 PER 성능이 향상되고, Modified Link Relay H-ARQ 방식을 적용한 경우 Throughput 성능이 향상됨을 확인하였다.
위성통신은 상공에 있는 인공위성을 통신의 중계기로 이용한 통신 방법으로 통신 범위가 광범위하고 고속 데이터를 전송할 수 있어 차세대 통신으로 각광받고 있다. 하지만 지상과 위성 간의 거리가 멀어 전파 지연 시간이 매우 길고 패킷이 손상된다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 패킷 손상을 보완하기 위하여 Link Relay H-ARQ 방식을 적용하였다. 또한, 지연 시간을 보완하는 새로운 방식인 Modified Link Relay H-ARQ 방식을 제안한다. 위성통신의 채널 구현을 위해 Markov 채널을 적용하여 성능을 분석해 본 결과, Link Relay H-ARQ 방식을 적용한 경우 BER과 PER 성능이 향상되고, Modified Link Relay H-ARQ 방식을 적용한 경우 Throughput 성능이 향상됨을 확인하였다.
Satellite communication is a communication method using a satellite as a repeater communication on the air and have a communication range is wide and is possible to transmit high-speed data, so Satellite communication has been highlighted as the next generation communication. However, because the di...
Satellite communication is a communication method using a satellite as a repeater communication on the air and have a communication range is wide and is possible to transmit high-speed data, so Satellite communication has been highlighted as the next generation communication. However, because the distance between the ground and the satellite is far away, there is a disadvantage that propagation delay time is very long and packet is damaged. Therefore, this study was applied to Link Relay H-ARQ system in order to complement the damage to the packet. Furthermore, we propose the Modified Link Relay H-ARQ scheme is a new scheme to supplementation the delay time. By applying the Markov channel for implementing a channel of satellite communications, the results of analyzing the performance, when applying the Link Relay HARQ scheme, BER and PER performance was improved, when applying the Modified Link Relay H-ARQ scheme, Throughput performance was confirmed improvement.
Satellite communication is a communication method using a satellite as a repeater communication on the air and have a communication range is wide and is possible to transmit high-speed data, so Satellite communication has been highlighted as the next generation communication. However, because the distance between the ground and the satellite is far away, there is a disadvantage that propagation delay time is very long and packet is damaged. Therefore, this study was applied to Link Relay H-ARQ system in order to complement the damage to the packet. Furthermore, we propose the Modified Link Relay H-ARQ scheme is a new scheme to supplementation the delay time. By applying the Markov channel for implementing a channel of satellite communications, the results of analyzing the performance, when applying the Link Relay HARQ scheme, BER and PER performance was improved, when applying the Modified Link Relay H-ARQ scheme, Throughput performance was confirmed improvement.
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문제 정의
이러한 방식의 경우 같은 시간 내에 송신기에서 수신기까지 시간이 지연되어 처리량의 성능이 저하된다. 따라서 본 논문에서는 이 방식의 단점을 보안한 Modified Link Relay H-ARQ 방식을 제안한다.
이를 보완하기 위해 본 논문에서는 위성통신망에서 성능 향상을 위한 Link Relay H-ARQ 방식에 따른 시스템의 성능을 비교하고 분석하였다. BER과 PER 측면에서는 기존 위성통신에서 많이 사용하던 1Hop을 사용하는 Transparent H-ARQ 방식인 경우보다 2Hop을 사용하는 Link Relay H-ARQ 방식에서 성능이 현저하게 증가하는 것을 볼 수 있었다.
제안 방법
4장에서 제시된 표 3의 시뮬레이션 환경을 바탕으로, 위성통신에서 전송 방식에 따라 BER과 PER으로 성능분석하였다.
BER, PER과 처리량 시뮬레이션을 통해 전송방식에 대한 성능을 분석하였다.
Modified Link Relay H-ARQ 방식에서 기존의 Link Relay H-ARQ 방식보다 개선된 지연시간을 측정하기 위해 처리량을 성능지표로 비교한다. 처리량은 단위시간당 어느 정도 데이터가 전달되었는지 나타내는 성능지표이다.
본 연구에서 사용한 채널코드의 종류는 RCPT(Rate Compatible Punctured Turbo code)로서 채널 인코더를 통해서 패리티 비트를 생성한 뒤, 유동적으로 천공시켜 H-ARQ 방식과 결합하여 재전송하는 방식으로 시뮬레이터를 구성하였다.
그리고 15dB 이상인 잡음이 거의 없는 무선 채널인 경우 Log-normal fading 채널로 정의한다. 본 연구에서는 위성 채널은 완전한 Rician 채널과 Rayleigh 채널일 수가 없으므로 두가지를 모두 고려한 2-State Markov chain을 적용한다. Log-normal 채널은 거의 LOS 채널이므로 고려하지 않았다.
본 논문에서는 처리량을 다음과 같은 식 2로 표현하였다. 비트 성공률에 보낸 데이터 값을 곱해 성공적으로 보낸 데이터를 계산한 후 Delay를 주어 처리량을 계산한다.
입력 데이터는 터보코드를 통해 채널 인코더 되며 BPSK 방식으로 변조시킨다. 송신기를 거친 신호는 실제와 비슷한 위성통신 환경의 시뮬레이션을 구현하기 위해 Rician 80%와 Rayleigh 20%로 구성된 Markov Channel을 통과시키고, AWGN을 추가한다. 채널을 통과된 값은 수신기로 전송된다.
채널을 통과된 값은 수신기로 전송된다. 수신기에서 신호는 BPSK 디코더로 신호를 복조한 뒤, 터보 디코더를 실행하여 오류비트를 체크하였다. 오류가 없다면 ACK 신호를 보내 다음 패킷을 수신하고, 오류가 있다면 NACK 신호를 보내 같은 패킷은 재전송 받는다.
오류가 없다면 ACK 신호를 보내 다음 패킷을 수신하고, 오류가 있다면 NACK 신호를 보내 같은 패킷은 재전송 받는다. 일련의 과정을 거친 패킷 결과를 BER, PER, 처리량 값을 통해 통신 성능을 분석한다.
재전송이 6번에서도 프레임이 제대로 전달이 되지 않으면 재전송을 더 이상 하지 않는다. 잔성 채널은 위성통신 환경을 구성하기 위해 Markov channel을 Rician 80%와 Rayleight 20%를 통과하고, 기본 열잡음인 AWGN을 더하는 방식으로 구성하였다. SNR 범위는 -10dB에서 20dB 이고, 1씩 증가한다.
채널코더는 앞에서 제시한 RCPT로 사용하였다. 전송 방식은 무선통신에서 신뢰성을 확보하기 위하여 H-ARQ Type Ⅲ 방식을 사용하고, 최대 재전송 횟수를 6번으로 제안하였다. 재전송이 6번에서도 프레임이 제대로 전달이 되지 않으면 재전송을 더 이상 하지 않는다.
표 1에 주어진 파라미터에 따라 위성통신 기반의 Relay H-ARQ 시뮬레이션을 구성하였다. 송신 주파수는 무궁화 5호에서 가장 높은 20.
대상 데이터
본 연구의 시뮬레이션을 위해 사용된 파라미터는 국내에서 사용하고 있는 위성인 무궁화 5호를 기준으로 작성되었다.
표 1에 주어진 파라미터에 따라 위성통신 기반의 Relay H-ARQ 시뮬레이션을 구성하였다. 송신 주파수는 무궁화 5호에서 가장 높은 20.7GHz를 사용하였고, 패킷의 길이는 4096비트를 사용하였다. 채널코더는 앞에서 제시한 RCPT로 사용하였다.
7GHz를 사용하였고, 패킷의 길이는 4096비트를 사용하였다. 채널코더는 앞에서 제시한 RCPT로 사용하였다. 전송 방식은 무선통신에서 신뢰성을 확보하기 위하여 H-ARQ Type Ⅲ 방식을 사용하고, 최대 재전송 횟수를 6번으로 제안하였다.
이론/모형
이러한 재전송 기법과 오류 정정 부호를 상호 보완하도록 두 가지를 결합한 방식이 H-ARQ(Hybrid-Automatic Retransmit reQuest)이다[1]~[3]. 본 논문에서는 H-ARQ 방식 중 오류 정정 부호를 터보코드로 사용하는 터보 H-ARQ 방식을 사용한다.
본 연구에서 사용된 채널 코딩 방식은 터보코드 기반의 H-ARQ 방식으로 재전송 기법과 터보코드를 결합한 방식이다. 재전송에 대한 여부를 판단하는 기법으로 CRC(Cyclic Redundancy Check) 방식을 사용한다.
본 연구에서 사용된 채널 코딩 방식은 터보코드 기반의 H-ARQ 방식으로 재전송 기법과 터보코드를 결합한 방식이다. 재전송에 대한 여부를 판단하는 기법으로 CRC(Cyclic Redundancy Check) 방식을 사용한다. CRC 부호기에서는 CRC 다항식에 의해 각 프레임마다 오류 검출 비트가 추가되고, 터보코드의 인코더에서는 부호율에 따라 부가 비트가 더해진다.
성능/효과
이를 보완하기 위해 본 논문에서는 위성통신망에서 성능 향상을 위한 Link Relay H-ARQ 방식에 따른 시스템의 성능을 비교하고 분석하였다. BER과 PER 측면에서는 기존 위성통신에서 많이 사용하던 1Hop을 사용하는 Transparent H-ARQ 방식인 경우보다 2Hop을 사용하는 Link Relay H-ARQ 방식에서 성능이 현저하게 증가하는 것을 볼 수 있었다. 또한, Link Relay H-ARQ의 단점인 지연시간을 보완하기 위해 제안한 방식인 Modified Link Relay H-ARQ는 Throughput 측면에서 성능이 기존 사용한 방식들 보다 향상된 것을 확인하였다.
PER은 여러 비트로 구성되어 있는 패킷으로 오류율을 비교하는 성능지표로 패킷 안에 있는 비트가 하나라도 손상된 경우 모든 패킷이 손상된다. Link Relay H-ARQ 방식과 Modified Link Relay H-ARQ 방식의 BER과 PER은 거의 일치하지만 Transparent H-ARQ 방식보다 성능이 향상된 것을 볼수 있다. 따라서 Link Relay H-ARQ 방식을 적용할 경우 오류율 측면에서는 Transparent H-ARQ 방식보다 성능이 향상되며, 제안한 방식 역시 성능이 향상된 것을 확인 할 수 있다.
Link Relay H-ARQ 방식과 Modified Link Relay H-ARQ 방식의 BER과 PER은 거의 일치하지만 Transparent H-ARQ 방식보다 성능이 향상된 것을 볼수 있다. 따라서 Link Relay H-ARQ 방식을 적용할 경우 오류율 측면에서는 Transparent H-ARQ 방식보다 성능이 향상되며, 제안한 방식 역시 성능이 향상된 것을 확인 할 수 있다.
BER과 PER 측면에서는 기존 위성통신에서 많이 사용하던 1Hop을 사용하는 Transparent H-ARQ 방식인 경우보다 2Hop을 사용하는 Link Relay H-ARQ 방식에서 성능이 현저하게 증가하는 것을 볼 수 있었다. 또한, Link Relay H-ARQ의 단점인 지연시간을 보완하기 위해 제안한 방식인 Modified Link Relay H-ARQ는 Throughput 측면에서 성능이 기존 사용한 방식들 보다 향상된 것을 확인하였다.
후속연구
본 논문의 연구에서 도출된 연구 결과는 기존 사용하는 Transparent H-ARQ 방식의 BER, PER 성능을 증가한 Link Relay H-ARQ 방식을 분석했을 뿐만이 아닌 지연시간까지 보완하는 Modified Link Relay H-ARQ 방식을 제안함으로써 위성통신망에서 Data Frame의 수신 성능과 주어진 시간 내에 데이터를 정확하고 빠르게 처리하는 처리율을 향상시키기 위해 활용할 수 있으리라 기대된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
위성통신이란 무엇인가?
위성통신은 상공에 있는 인공위성을 통신의 중계기로 이용한 통신 방법으로 중계할 수 있는 통신 범위가 매우 광범위하여 지역에 제한 없는 통신 서비스를 제공한다. 그렇기 때문에 지상통신에서 사용하기 힘든 산악, 선박 및 항공기 등 차세대 무선 통신에 매우 유용하게 사용되고 있다.
Modified Link Relay H-ARQ 방식은 기존의 Link Relay H-ARQ 방식과 어떻게 다른가?
그림 5는 이 논문에서 제안하는 방식으로 기존에 사용된 Link Relay H-ARQ 방식과 달리 송신기로부터 받은 Data Frame이 정확하면 위성은 송신기로 ACK 신호를 보내는 동시에 바로 수신기에게 받은 Data Frame을 전송한다. 또한 위성에서 수신한 프레임이 손상된 Data Frame인 경우 위성은 수신기에게 Data Frame을 전송하지 않고 송신기에게 NACK 신호를 보낸다. NACK 신호를 받은 수신기는 최대 전송 횟수에 도달하기 전까지 위성에게 같은 Data Frame을 위성에게 전송한다. 이 방식을 사용하면 기존에 위성에서 모든 Data Frame을 받은 다음 수신기로 보내는 방식보다 지연시간이 줄어든다.
큰 데이터를 전송하기 위한 무선 통신 시스템 중 오류 정정 부호방식의 장단점은?
재전송 방식의 경우 채널 상태에 따라서 효율적인 전송이 가능하지만 위성통신의 단점인 지연 시간이 발생하게 된다. 오류 정정 부호의 경우는 오류를 정정해 주지만 SNR이 낮거나 채널 상태가 좋지 않은 경우에서 오류 정정이 불가능 한 경우가 발생할 수도 있다. 이러한 재전송 기법과 오류 정정 부호를 상호 보완하도록 두 가지를 결합한 방식이 H-ARQ(Hybrid-Automatic Retransmit reQuest)이다[1]~[3].
참고문헌 (7)
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S. Kallel, "Analysis of type II hybrid ARQ schemes with code combining", IEEE Transactions on Communications, vol. 38, no. 8, Aug. 1990.
Yeonsoo Jang, "Partial Retransmission Turbo H-ARQ Using the Sign Transitions of A Posteriori Values", The Journal of Korean Institute of Electromagnetic Engineering and Science 22(8), 768-775 (8 pages), 2011.
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Zongyang Luo, Zhili Sun, Haitham Cruickshank, "On-Board Link Layer Relay Mechanism to Enhance TCP in Satellite IP Networks", Mobile and Wireless Communications Summit, July 2007.
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