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수중통신망에서 노드 이동성을 고려한 에너지 효율적인 매체접속제어 프로토콜 연구
Study on Energy Efficient Mobility-MAC Protocol for Underwater Networks 원문보기

Journal of the Institute of Electronics and Information Engineers = 전자공학회논문지, v.54 no.4 = no.473, 2017년, pp.3 - 9  

손웅 (충남대학교 전자공학과) ,  장윤선 (충남대학교 전자공학과)

초록
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수중환경에서는 전력 공급이 어렵기 때문에 통신 프로토콜 설계에 있어서 전력 효율은 중요한 고려사항들 중 하나이다. 본 논문에서는 UUV(Unmanned Underwater Vehicle)와 AUV(Autonomous Underwater Vehicle) 같은 이동 노드를 갖는 수중통신망에 대해 에너지 효율적인 매체접속제어(MAC : Medium Access Control) 프로토콜을 연구하였다. 이동 노드간의 통신에서는 데이터 교환 중에 노드 이동으로 인해 서로의 전파 반경을 벗어나 전송 중인 데이터를 완료하지 못하고 에너지만 낭비하는 경우가 발생할 수 있다. 특히, 수중 통신 채널 환경에서는 지상보다 약 $10^5$ 배의 느린 전파 지연을 가지므로 데이터의 전송 완료 전에 서로의 전파 반경을 벗어날 확률이 지상보다 커서 이로 인한 에너지 낭비가 더 많게 된다. 제안한 mobility-MAC 프로토콜은 수신노드의 위치와 노드의 이동 속도를 고려하여 Dropping Zone을 정의하고 데이터 전송 시도를 제어한다. 데이터 전송시도는 Dropping Zone에서 무조건 데이터 전송을 드롭(drop)을 하는 것이 아니라, 데이터 전송 중 노드가 전파 반경을 이탈할 확률을 예측하여 드롭하는 방법이다. 결과적으로, 조건적 드롭을 통해 잘못된 드롭을 감소시켜 전송지연과 통신수율의 향상을 가져왔고 유효한 데이터 드롭으로 에너지 낭비를 방지하여 에너지 효율도 증가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

Due to difficulties of continuous electric power provision to underwater communication nodes, the efficient power usage is highly required in underwater network protocol. In this paper, we studied the energy efficient MAC(Medium Access Control) protocol for underwater network supporting mobile nodes...

주제어

#수중통신   #매체접속제어   #이동성   #에너지효율성  

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

문제 정의

  • 이런 경우, 에너지 절약 차원에서는 데이터 드롭이 만족스럽지만 통신효율 측면에서는 데이터 전송을 완료할 수 있는 노드로 전송을 불필요하게 드롭함으로서 전송 지연을 초래하게 된다. 그러므로, 본 논문은 수신노드의 위치에 따라 적절한 드롭 확률을 계산하여 조건적으로 전송을 시도하는 방법을 제안하였다. 그 결과, 에너지 효율성 향상과 함께 전송 효율도 높였다.
  • 특히, 수중 통신 채널 환경에서는 지상보다 약 105 배의 느린 전파 지연을 가지므로 데이터의 전송 완료 전에 서로의 전파 반경을 벗어날 확률이 지상보다 커서 이로 인한 에너지 소모가 더 많게 된다. 따라서, 본 논문은 수신노드의 위치와 노드의 이동 속도에 따라 데이터 전송 시도를 확률적으로 제어하여 에너지 및 전송 효율을 높이는 이동성을 고려한 MAC 프로토콜을 제안하였다.
  • 본 논문은 이동성을 갖는 노드로 구성된 수중 통신망에서 노드의 이동 속도를 고려해 데이터 전송 시도를 확률적으로 제어함으로서 에너지 효율을 높이고 전송지연과 수율의 성능을 높이는 방법을 제안하였다.
  • 수중환경에서는 전파의 손실이 커서 음파를 이용하여 통신을 하기 때문에 상대적으로 낮은 전송률과 긴 전파 지연을 갖는 등 수중 통신 채널 특성이 지상과 크게 달라 지상의 통신 기술들을 그대로 적용하기는 어렵고 수중 환경에 적합한 기술들이 따로 연구되어야 한다. 본 논문은 이동형 노드를 갖는 수중 통신망에 적합한 매체접속제어(MAC : Medium Access Control) 프로토콜에 대해 연구하였다.[1, 5]
  • 제안한 ‘Optimal Dropping’ 방법은 단순하게 적용할 수 있는 ‘Fixed Dropping’이 갖는 Invalid Dropping의 단점을 보완하기 위한 것이다.

가설 설정

  • 노드 최대 이동 속도는 uMAX = 30km/h 로 가정하였고, 전파 반경으로 수신노드의 위치를 정규화하여 각 위치에서 드롭 확률을 계산하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
수중통신은 어느 분야에서 이용되는가? 수중통신은 해양 자원의 개발, 해양 정보 수집 및 해양 방위 등 여러 분야에서 이용되고 있다. 수중환경에서는 전파의 손실이 커서 음파를 이용하여 통신을 하기 때문에 상대적으로 낮은 전송률과 긴 전파 지연을 갖는 등 수중 통신 채널 특성이 지상과 크게 달라 지상의 통신 기술들을 그대로 적용하기는 어렵고 수중 환경에 적합한 기술들이 따로 연구되어야 한다.
이동 노드간의 통신에서 어떠한 문제가 발생할 수 있는가? 본 논문에서는 UUV(Unmanned Underwater Vehicle)와 AUV(Autonomous Underwater Vehicle) 같은 이동 노드를 갖는 수중통신망에 대해 에너지 효율적인 매체접속제어(MAC : Medium Access Control) 프로토콜을 연구하였다. 이동 노드간의 통신에서는 데이터 교환 중에 노드 이동으로 인해 서로의 전파 반경을 벗어나 전송 중인 데이터를 완료하지 못하고 에너지만 낭비하는 경우가 발생할 수 있다. 특히, 수중 통신 채널 환경에서는 지상보다 약 $10^5$ 배의 느린 전파 지연을 가지므로 데이터의 전송 완료 전에 서로의 전파 반경을 벗어날 확률이 지상보다 커서 이로 인한 에너지 낭비가 더 많게 된다.
이동 노드간의 통신에서 수중에서의 통신이 특히 더 어려운 이유와 그로 인한 문제점은 무엇인가? 이동 노드간의 통신에서는 데이터 교환 중에 노드 이동으로 인해 서로의 전파 반경을 벗어나 전송 중인 데이터를 완료하지 못하고 에너지만 낭비하는 경우가 발생할 수 있다. 특히, 수중 통신 채널 환경에서는 지상보다 약 $10^5$ 배의 느린 전파 지연을 가지므로 데이터의 전송 완료 전에 서로의 전파 반경을 벗어날 확률이 지상보다 커서 이로 인한 에너지 낭비가 더 많게 된다. 제안한 mobility-MAC 프로토콜은 수신노드의 위치와 노드의 이동 속도를 고려하여 Dropping Zone을 정의하고 데이터 전송 시도를 제어한다.
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참고문헌 (11)

  1. AKYILDIZ, Ian F.; POMPILI, Dario; MELODIA, Tommaso. Underwater acoustic sensor networks: research challenges. Ad hoc networks, 2005, 3.3: 257-279. 

    상세보기 crossref

  2. Pham, Huan, and Sanjay Jha. "An adaptive mobility-aware MAC protocol for sensor networks (MS-MAC)." Mobile Ad-hoc and Sensor Systems, 2004 IEEE International Conference on. IEEE, 2004. 

  3. Choi, Lynn, Sang Hoon Lee, and Hyohyun Choi. "M-mac: mobility-based link management protocol for mobile sensor networks." Future Dependable Distributed Systems, 2009 Software Technologies for. IEEE, 2009. 

  4. Friis, Harald T. "A note on a simple transmission formula." Proceedings of the IRE 34.5 (1946): 254-256. 

    상세보기 crossref

  5. Syed, Affan A., and John S. Heidemann. "Time Synchronization for High Latency Acoustic Networks." INFOCOM. 2006. 

  6. Syed, Affan A., and John S. Heidemann. "Time Synchronization for High Latency Acoustic Networks." INFOCOM. 2006. 

  7. M. Stojanovic and J. Preisig, "Underwater acoustic communication channels: propagation models and statistical characterization," IEEE Communications Magazine, vol. 47, pp. 84-89, 2009. 

    상세보기

  8. D. Pompili and I. F. Akyildiz, "Overview of networking protocols for underwater wireless communications," IEEE Communications Magazine, vol. 47, pp. 97-102, 2009. 

    상세보기

  9. G. Bianchi, "Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function," IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 18, no. 3, pp. 535-547, 2000. 

    상세보기 crossref

  10. G. Bianchi and I. Tinnirello, "Remarks on IEEE 802.11 DCF performance analysis," IEEE Communications Letters, vol. 9, no. 8, pp. 765-767, 2005. 

    상세보기 crossref

  11. Weisstein, Eric W. "Heron's formula." (2003). 

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