[논문]수중 음향 네트워크를 위한 양방향 전이중 매체 접속 제어 프로토콜

강성민; 황호영; 조호신

doi:10.7776/ask.2017.36.3.211

수중 음향 네트워크를 위한 양방향 전이중 매체 접속 제어 프로토콜
A bidirectional full duplex medium access control protocol for underwater acoustic networks 원문보기

한국음향학회지= The journal of the acoustical society of Korea, v.36 no.3, 2017년, pp.211 - 217

강성민 (광운대학교 컴퓨터정보공학부) , 황호영 (광운대학교 컴퓨터정보공학부) , 조호신 (경북대학교 IT대학 전자공학부)

초록
AI-Helper

본 논문에서는 다수의 수중 센서 노드들이 존재하는 수중 음향 네트워크에서 전이중 특성을 활용한 양방향 전이중 매체 접속 제어(Medium Access Control, MAC) 프로토콜을 제안한다. 수중 센서 노드들은 정보를 센싱하고 송신의 우선순위에 따라 백오프 타이머를 설정한다. 백오프 타이머가 만료된 수중 센서 노드는 송신 기회를 획득한다. 송신 기회를 획득한 소스 노드는 목적 노드에게 정보를 송신하기 위해 목적 노드의 ID를 포함한 RTS(Request-To-Send)를 주변 노드들에게 방송한다. RTS를 수신한 목적 노드는 CTS(Clear-To-Send)를 소스 노드로 송신하여 양방향 전이 중 통신 수행을 알린다. 소스 노드가 CTS를 수신한 후 소스 노드와 목적 노드는 센싱한 정보를 서로 상대 노드로 송신한다. 수중 환경에서의 기존 MAC 프로토콜은 긴 수중 전파 지연으로 인해 전송 성공에 많은 시간이 소요된다. 반면 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜은 소스 노드와 목적 노드 간 양방향 송수신이 가능하기 때문에 전송 성공에 소요되는 시간을 단축하여 네트워크의 처리량을 향상시킨다. 본 논문에서는 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜의 네트워크 처리량을 수학적으로 분석한다. 그리고 수중 환경에서의 기존 MAC 프로토콜과 비교 분석을 통해 긴 수중 전파 지연이 존재하는 상황에서 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜의 성능이 더 뛰어남을 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we propose a bidirectional full duplex MAC (Medium Access Control) protocol for underwater acoustic networks. An underwater sensor node can set a back-off timer according to the priority of transmission. When the back-off timer expires, the underwater sensor node acquires a transmission opportunity. If a source node wants to send data to a destination node, it broadcasts RTS (Request-To-Send) including ID of the destination node to neighbor nodes. The destination node receiving RTS sends CTS (Clear-To-Send) to the source node to inform the bidirectional full duplex communication. After the source node receives CTS, the source node and the destination node can send the data to each other. In the underwater environment, the existing MAC protocol may take a lot of time for successful transmission of data due to long underwater propagation delay. On the other hand, the proposed bidirectional full duplex MAC protocol improves the throughput by shortening the time for successful transmission of data. In this paper, we analyze the throughput of the proposed bidirectional full duplex MAC protocol. In addition, we show that the proposed bidirectional full duplex MAC protocol has better performance in the presence of the long underwater propagation delay compared with existing MAC protocols for underwater environments.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 다수의 수중 센서 노드들이 존재하는 수중 음향 네트워크에서 전이중 특성을 활용한 양방향 전이중 매체 접속 제어 프로토콜을 제안하였다. 송신 기회를 획득한 소스 노드는 송신의 우선순위를 고려하여 센싱한 정보를 목적 노드에게 단일홉으로 전송한다.
본 논문에서는 다수의 수중 센서 노드들이 존재하는 수중 음향 네트워크에서 전이중 특성을 활용한 양방향 전이중 매체 접속 제어 프로토콜을 제안한다. 수중 센서 노드들은 정보를 센싱하고 송신의 우선순위에 따라 백오프 타이머를 설정한다.
본 논문에서는 전이중 통신이 가능한 n개의 수중 센서 노드들이 존재하는 수중 음향 네트워크를 고려한다. n개의 수중 센서 노드들은 센싱한 정보를 단일 홉으로 목적 노드에게 송신한다.
반면 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜은 송신과 동시에 수신이 가능하므로 전송 성공에 소요되는 시간을 단축하여 네트워크의 처리량을 향상시킨다. 본 논문에서는 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜의 네트워크 처리량을 수학적으로 분석하였다. 그리고 수중 환경에서의 기존 MAC 프로토콜과 비교 분석을 통해 긴 수중 전파 지연이 존재하는 상황에서 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜의 성능이 더 뛰어남을 보였다.
반면 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜은 전송 성공에 소요되는 시간을 단축하여 네트워크의 처리량을 향상시킨다. 본 논문에서는 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜의 네트워크 처리량을 수학적으로 분석한다. 그리고 수중 환경에서의 기존 MAC 프로토콜과 비교 분석을 통해 긴 수중 전파 지연이 존재하는 상황에서 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜의 성능이 더 뛰어남을 보인다.

제안 방법

^[11]은 수중 음향 MAC을 위해 DOTS(Delay-Aware Opportunistic Transmission Scheduling) 프로토콜을 제안하였다. DOTS는 이웃 노드들의 지연 지도를 활용하여 동시 전송 스케쥴링을 수행하였다. Mandal and De^[12]는 수중 음향 애드-혹 환경에서 시스템 이용률을 최대화하기 위해 수중 전파 불확실성을 고려하여 액세스 슬롯의 개수를 최적화하는 예약 프로토콜을 제안하였다.
송신 기회를 획득한 소스 노드는 목적 노드에게 정보를 송신하기 위해 목적 노드의 ID를 포함한 RTS를 주변 노드들에게 방송한다. RTS를 수신한 목적 노드는 CTS(Clear-To-Send)를 소스 노드로 송신하여 양방향 전이중 통신 수행을 알린다. 소스 노드가 CTS를 수신한 후 소스 노드와 목적 노드는 센싱한 정보를 서로 상대 노드로 송신한다.
01 % ,^[14] 수중 전송 속도는 710 bps를 사용한다.^[13-16] 수중 환경 에서 기존 MAC 프로토콜과 제안하는 양방향 전이 중 MAC 프로토콜의 성능 비교를 위해 수중 음향 네트워크의 양방향 반이중 MAC 프로토콜인 BiC-MAC^[15] 및 기존의 단방향 반이중 CSMA/CA MAC 프로토콜과 성능을 비교 분석한다. 본 논문에서 성능 비교를 위해 사용한 BiC-MAC에서 i번째 수중 센서 노드의 처리량 S_B[i]는 다음과 같다.
다음 장에서 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜과 기존의 단방향 반이중 CSMA/CA MAC 프로토콜 및 양방향 반이중 MAC 프로토콜인 BiC-MAC^[15] 의 성능을 다양한 환경에서 평가 및 비교 분석한다.
데이터 수신이 완료된 후 SIFS가 지난 시점에 소스 노드와 목적 노드는 서로의 데이터 수신 성공 여부를 알리기 위해 상대 노드에게 ACK를 송신한다. 소스 노드와 목적 노드가 상대 노드의 ACK를 수신하면 양방향 전이중 통신이 완료되며 DIFS 후에 수중 센서 노드들이 전송기회를 잡기 위한 경쟁이 발생한다.
본 장에서는 수중 음향 네트워크를 위한 양방향 전이중 MAC 프로토콜에 대한 성능 평가를 다음 파라미터들을 활용하여 실시한다. 수중 음파 전송 속도는 1500 m/s, 최대 수중 전파 지연은 3.

성능/효과

본 논문에서는 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜의 네트워크 처리량을 수학적으로 분석하였다. 그리고 수중 환경에서의 기존 MAC 프로토콜과 비교 분석을 통해 긴 수중 전파 지연이 존재하는 상황에서 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜의 성능이 더 뛰어남을 보였다.
본 논문에서는 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜의 네트워크 처리량을 수학적으로 분석한다. 그리고 수중 환경에서의 기존 MAC 프로토콜과 비교 분석을 통해 긴 수중 전파 지연이 존재하는 상황에서 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜의 성능이 더 뛰어남을 보인다.
데이터 페이로드의 크기가 증가함에 따라 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜, BiC-MAC, 단방향 반이중 MAC 프로토콜의 S_f가 증가한다. 데이터 페이로드의 크기가 2260 bits일 때까지는 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜과 BiC-MAC의 S_f가 같으나 데이터 페이로드의 크기가 2260 bits보다 커질수록 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜의 S_f가 더 커진다. 이는 반이중 통신을 수행하는 BiC-MAC과 달리 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜은 전이중 통신을 수행하기 때문이다.
가로축은 데이터 페이로드의 크기를 나타내고, 세로축은 정규화 처리량 S_f 를 나타낸다. 데이터 페이로드의 크기가 증가함에 따라 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜, BiC-MAC, 단방향 반이중 MAC 프로토콜의 S_f가 증가한다. 데이터 페이로드의 크기가 2260 bits일 때까지는 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜과 BiC-MAC의 S_f가 같으나 데이터 페이로드의 크기가 2260 bits보다 커질수록 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜의 S_f가 더 커진다.
수중 환경에서의 기존 MAC 프로토콜은 긴 수중 전파 지연으로 인해 전송 성공에 많은 시간이 소요된다. 반면 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜은 송신과 동시에 수신이 가능하므로 전송 성공에 소요되는 시간을 단축하여 네트워크의 처리량을 향상시킨다. 본 논문에서는 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜의 네트워크 처리량을 수학적으로 분석하였다.
수중 환경에서의 기존 MAC 프로토콜은 긴 수중 전파 지연으로 인해 전송 성공에 많은 시간이 소요된다. 반면 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜은 전송 성공에 소요되는 시간을 단축하여 네트워크의 처리량을 향상시킨다. 본 논문에서는 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜의 네트워크 처리량을 수학적으로 분석한다.
수중 센서 노드의 개수가 증가함에 따라 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜, BiC-MAC, 단방향 반이중 MAC 프로토콜의 S_f가 증가한다. 수중 센서 노드의 개수가 동일한 경우 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜이 BiC-MAC, 단방향 반이중 MAC 프로토콜보다 S_f가 높다. 이는 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜이 송신과 동시에 수신이 가능하므로 전송 성공에 소요되는 시간이 작기 때문이다.
가로축은 수중 센서 노드의 개수를 나타내고, 세로축은 정규화 처리량 S_f를 나타낸다. 수중 센서 노드의 개수가 증가함에 따라 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜, BiC-MAC, 단방향 반이중 MAC 프로토콜의 S_f가 증가한다. 수중 센서 노드의 개수가 동일한 경우 제안하는 양방향 전이중 MAC 프로토콜이 BiC-MAC, 단방향 반이중 MAC 프로토콜보다 S_f가 높다.
수중 음향 네트워크를 위해 제안하는 양방향 전이 중 MAC 프로토콜과 기존 MAC 프로토콜과의 차이는 전이중 통신의 특성으로 인해 소스 노드가 송신 기회를 잡았을 때 한번에 많은 양의 데이터를 동시에 양방향으로 전송할 수 있다는 점이다. 수중 환경에서 기존 MAC 프로토콜은 긴 수중 전파 지연으로 인해 전송을 완료하기까지 많은 시간이 소요된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	수중 음향 네트워크는 어떤 적용이 기대되는가	수중 음향 네트워크는 감지된 수중 환경 정보를 활용하여 자연재해 감지, 해양 감시 체계와 같은 다양한 어플리케이션에 적용 가능할 것으로 기대되고 있다. 그러나 긴 수중 전파 지연, 좁은 대역폭, 다중 경로 페이딩으로 인해 효율적인 채널 사용에 어려움이 있다.
	수중 음향 네트워크의 효율적인 채널 사용에 어려움이 발생하는 이유는?	수중 음향 네트워크는 감지된 수중 환경 정보를 활용하여 자연재해 감지, 해양 감시 체계와 같은 다양한 어플리케이션에 적용 가능할 것으로 기대되고 있다. 그러나 긴 수중 전파 지연, 좁은 대역폭, 다중 경로 페이딩으로 인해 효율적인 채널 사용에 어려움이 있다.[1-3]
	수중 음향 네트워크를 위해 제안하는 양방향 전이 중 MAC 프로토콜과 기존 MAC 프로토콜과의 차이는?	수중 음향 네트워크를 위해 제안하는 양방향 전이 중 MAC 프로토콜과 기존 MAC 프로토콜과의 차이는 전이중 통신의 특성으로 인해 소스 노드가 송신 기회를 잡았을 때 한번에 많은 양의 데이터를 동시에 양방향으로 전송할 수 있다는 점이다. 수중 환경에서 기존 MAC 프로토콜은 긴 수중 전파 지연으로 인해 전송을 완료하기까지 많은 시간이 소요된다.

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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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