[논문]이중 무선랜 기반 차량 통신망에서의 열차 토폴러지 구성 프로토콜(TTDP)

강신광; 박재현

doi:10.7840/kics.2017.42.5.1102

이중 무선랜 기반 차량 통신망에서의 열차 토폴러지 구성 프로토콜(TTDP)
Train Topology Discovery Protocol(TTDP) over Dual-Band WLAN-Based Train Communication Network 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.42 no.5, 2017년, pp.1102 - 1109

강신광 (Inha University Department of Communication and Information Engineering) , 박재현 (Inha University Department of Communication and Information Engineering)

초록
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열차제어네트워크(TCN)는 현재 단순 제어 기능을 넘어 멀티미디어 등 승객 서비스를 지원하기 위하여 이더넷(Ethernet)을 지원할 수 있어야 한다. 그래서 최근 International Electronical Committee(IEC)는 기존의 TCN 표준인 IEC 61375를 개정하여 Ethernet Train Backbone(ETB), Ethernet Consist Network(ECN)를 포함하였다. 특히 ETB에서는 열차 구성이 자동으로 되는 열차 차량 가변편성 통신규약(TTDP)이 포함되었다. 한편 차세대 온 보드 네트워크로서 무선랜을 사용할 경우, TTDP는 무선 통신의 특성에 맞도록 수정되어야 한다. 본 논문에서는 송신전력을 제어하며 RSS 값과 HELLO 프레임에 대한 ACK 프레임의 수신 횟수를 이용하여 이웃 노드를 찾는 무선 TTDP를 제안한다. 그리고 대역폭이 다른 두 무선 랜 인터페이스를 사용하여 실행된 TTDP의 옳고 그름의 유무를 판정한다. 제안된 TTDP는 불필요한 다른 노드와의 간섭을 줄일 수 있도록 한다. 성능평가를 위해 무선 네트워크 시뮬레이션에서 가장 많이 쓰이는 NS-2를 사용하였다. 평가 결과, 제안된 TTDP가 무선에서도 높은 신뢰도를 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In Train Control Network(TCN), to support advanced services beyond control applications, it was revised to support high speed ethernet as IEC 61375-2-5(ETB) and IEC 61375-3-4(ECN). And Train Topology Discovery Protocol(TTDP) was included by which train-consist can be automatically configured. Meanwhile, to adopt wireless LAN as an next onboard network, TTDP need to be modified to reflect the characteristics of WLAN. This paper proposed a TTDP for WLAN using transmission power control and the number of HELLO-ACK handshake. And it determined whether the TTDP executed using the two WLAN interfaces having different bandwidths is correct or not. The proposed TTDP can allow to reduce interference from other nodes. For evaluation of performance of TTDP, NS-2 was used. The evaluation result shows the high reliability of the TTDP in wireless environment.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 이중 무선 랜 환경에서의 TTDP를 제안하였다. 기존 ETB에서의 TTDP는 먼저 각 BN이 이웃 BN을 찾기 위해 HELLO 프레임을 송/수신하는데 이를 무선 환경에 그대로 적용한다면 누화로 인하여 다른 BN으로부터 간섭을 받을 수 있다.
본 논문은 무선 랜 환경에서 TTDP를 구현하기 위하여 RSS와 HELLO 프레임에 대한 ACK 프레임의 수신 횟수를 이용하여 NBN을 결정하고 이를 활용하여 토폴러지를 구축하는 방법을 제안한다. 또한, 무선 네트워크 토폴러지를 오류 없이 물리적 순서에 맞게 구성하기 위하여 주파수 대역폭이 다른 두 개의 무선랜 인터페이스를 사용한다.
하지만 TCN을 무선랜으로 구축할 경우, 무선랜의 고유한 특성으로 발생할 수 있는 문제를 충분히 고려해야 한다. 본 논문은 차량 간 통신을 담당하는 Ethernet Train Backbone(ETB)을 무선랜으로 구축할 경우 TTDP에서 생기는 문제를 다루고 있다.

가설 설정

라고 한다. 그리고 본 논문에서는 그림 4와 같이 한 BN이 무 지향성 안테나를 대역폭(2.4 GHz, 5 GHz) 당 하나씩, 총 두 개를 가지고 있다고 가정한다. TTDP는 크게 Neighbor Discovery(ND)와 Topology Discovery(TD)로 나누어져 있다.
여기서 d는 노드 사이의 거리, d0는 참조로 쓰이는 기준 거리, β는 Path-loss exponent라고 불리며 실외에서 노드 사이에 장애물이 없을 것을 가정하여 2로 설정한다.

제안 방법

기존 ETB에서의 TTDP는 먼저 각 BN이 이웃 BN을 찾기 위해 HELLO 프레임을 송/수신하는데 이를 무선 환경에 그대로 적용한다면 누화로 인하여 다른 BN으로부터 간섭을 받을 수 있다. 그래서 본 논문에서는 TTDP에서의 주요 과정 중 하나인 이웃 BN을 찾기 위해 각 BN들은 전송 전력을 제어하여 이웃 BN에게만 신호가 전달되도록 하고 HELLO 프레임에 대한 ACK 프레임 수신 횟수와 RSS 값을 사용한다. 추가로 무선 랜 인터페이스를 이중화하여 타 BN으로부터의 간섭을 최소한으로 하고 TTDP가 정확하게 완료될 수 있도록 하였다.
RSS는 차량 거리에 따라 정밀하게 비례하는 것이 아니고 ACK 수신 횟수를 이용하더라도 여전히 불 확실성이 존재하기 때문이다. 그래서 본 논문에서는 이중 무선랜 인터페이스를 도입하여 각 인터페이스에서 각각 TTDP를 수행한다. 즉 두 개의 무선랜 인터페이스가 그림 6에서의 ND와 TD를 독립적으로 수행한다.
이렇게 두 무선랜 인터페이스에서 TTDP가 수행되면 BN_k은 두 개의 LTD를 가지게 된다. 두 무선랜 인터페이스를 통하여 TTDP가 수행되어 만들어진 두 LTD에서 토폴러지 순서 결과가 다르거나 BN_k와의 m_k,i 값에 대한 노드 순위가 다르면 TTDP가 제대로 이루어지지 않았다고 여기고 두 무선 랜 인터페이스에서 TTDP를 다시 수행한다. 그렇게 하여 두 LTD의 결과가 같고 BN_k와의 m_k,i 값에 대한 노드 순위가 같을 때까지 위 과정을 반복한다.
본 논문은 무선 랜 환경에서 TTDP를 구현하기 위하여 RSS와 HELLO 프레임에 대한 ACK 프레임의 수신 횟수를 이용하여 NBN을 결정하고 이를 활용하여 토폴러지를 구축하는 방법을 제안한다. 또한, 무선 네트워크 토폴러지를 오류 없이 물리적 순서에 맞게 구성하기 위하여 주파수 대역폭이 다른 두 개의 무선랜 인터페이스를 사용한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다.
사이 거리가 20m인 노드 9개가 선형으로 나열되어 있고, 이 중에서 가운데 노드가 TTDP를 수행한다. 이때 TTDP를 수행하지 않는 노드들은 다른 프레임을 송/수신할 수 있고 이 경우에 TTDP가 받을 간섭 및 영향을 NS-2에서 제공하는 Traffic generator 중 하나인 Constant Bit Rate(CBR)를 이용하여 구현하였다. 이 시뮬레이션을 수행해보면 그 결과로 제대로 토폴러지를 파악하였을 확률, TTDP를 완료하는 데 걸리는 수행시간, 그리고 TTDP 재수행 횟수에 대한 비율을 확인할 수 있다.
제안한 TTDP의 성능은 TOPO 프레임을 보내기 전까지 걸린 시간과 TTDP 성공 확률로 평가한다. 성능 평가는 네트워크 시뮬레이션에 가장 많이 사용되는 시뮬레이터인 NS-2를 사용하여 수행한다.
다음 과정은 이 LTD를 가진 TOPO 프레임을 방송하여 같은 네트워크에 있는 BN들이 서로의 토폴러지 테이블을 공유하도록 하여 네트워크 구성을 완성하게 된다. 혹여나 TTDP를 수행 완료한 각 노드가 TOPO 프레임을 통하여 토폴러지 테이블을 공유할 때 자신이 기존에 갖고 있던 것과 다르면 TTDP를 초기화하고 다시 수행한다.

대상 데이터

NCT가 완성되면 NCT에 저장된 각 인접 노드들에 대해 식(1)과 같이 TTDP를 수행하는 BN_k에서 BN_i에 대한 m_k,i를 계산한다. 그렇게 하여 계산된m_k,i중 최댓값을 가지는 두 노드를 NBN으로 선정하고 추가로 2홉 거리의 BN도 선정한다.

이론/모형

본 논문에서는 NS-2에서 위 식을 반영하는 대규모 페이딩 전파 모델인 Shadowing model을 사용한다^[12]. 그리고 다중경로 효과를 반영하는 소규모 페이딩에 대한 전파 모델로는 Rician model을 사용한다^[13]. 이때 송신된 프레임이 BN 노드에서 수신되는 경우는 P_rx가 수신감도 P_TH(-80 dBm)보다 클 때이다.
X_dB는 평균이 0이고 표준편차가 σ_dB인 정규확률변수이다. 본 논문에서는 NS-2에서 위 식을 반영하는 대규모 페이딩 전파 모델인 Shadowing model을 사용한다^[12]. 그리고 다중경로 효과를 반영하는 소규모 페이딩에 대한 전파 모델로는 Rician model을 사용한다^[13].
제안한 TTDP의 성능은 TOPO 프레임을 보내기 전까지 걸린 시간과 TTDP 성공 확률로 평가한다. 성능 평가는 네트워크 시뮬레이션에 가장 많이 사용되는 시뮬레이터인 NS-2를 사용하여 수행한다. 우선 무선 랜의 수신 강도는 Path-loss 효과와 대규모 페이딩인 음영효과, 간섭 효과 등을 고려하여 표준편차인 σ_dB를 갖는 가우스 분포(Gaussian Distribution)를 가진다고 하면 식(2)과 같이 나타낼 수 있다^[12].

성능/효과

성능 평가 결과, 대규모, 소규모 페이딩에 크게 상관없이 95% 이상 TTDP가 10초 이내에 성공하였다. 그리고 성공한 TTDP 중에서 약 90% 정도가 10번의 수행 만에, 즉 최대 5초 이내에 TTDP가 완료되는 것을 확인하여서 제안된 프로토콜은 무선 환경에서도 잘 동작한다는 것을 보였다. 향후 연구 과제로서, 본 논문에서 수행한 성능 평가에 지표를 달리하여 다양한 평가를 추가 수행하여 실제 철도 네트워크 환경에 최적의 알고리즘을 도출할 예정이다.
추가로 무선 랜 인터페이스를 이중화하여 타 BN으로부터의 간섭을 최소한으로 하고 TTDP가 정확하게 완료될 수 있도록 하였다. 성능 평가 결과, 대규모, 소규모 페이딩에 크게 상관없이 95% 이상 TTDP가 10초 이내에 성공하였다. 그리고 성공한 TTDP 중에서 약 90% 정도가 10번의 수행 만에, 즉 최대 5초 이내에 TTDP가 완료되는 것을 확인하여서 제안된 프로토콜은 무선 환경에서도 잘 동작한다는 것을 보였다.
각각의 경우에 대한 실험은 10000번씩 이루어진다. 이 결과로 보아 본 논문에서 제안한 알고리즘을 사용하면 상당히 높은 확률로 제안된 TTDP가 성공할 수 있다는 것을 알 수 있다. 그리고 아주 낮은 확률로 완료된 결과가 실제 차량의 구성과 다르게 나올 수 있는데, 이는 TTDP 완료 후 주기적으로 TOPO 프레임을 주고받아 Topology directory를 확인하는 과정에서 발견되어 문제 발생 시 TTDP를 다시 수행함으로써 해결할 수 있을 것이다.
이때 TTDP를 수행하지 않는 노드들은 다른 프레임을 송/수신할 수 있고 이 경우에 TTDP가 받을 간섭 및 영향을 NS-2에서 제공하는 Traffic generator 중 하나인 Constant Bit Rate(CBR)를 이용하여 구현하였다. 이 시뮬레이션을 수행해보면 그 결과로 제대로 토폴러지를 파악하였을 확률, TTDP를 완료하는 데 걸리는 수행시간, 그리고 TTDP 재수행 횟수에 대한 비율을 확인할 수 있다.
이는 제안된 TTDP는 그림 7에서 알 수 있듯이 90%의 성공한 TTDP가 5초 이내로 수행된다는 것이다. 이로써 ETB를 무선 랜으로 구성하여도 안정적으로 TTDP를 수행할 수 있다는 것을 확인하였다.
그림 8은 TTDP 재수행 횟수에 따른 TTDP 성공 비율을 나타낸다. 전체 TTDP 성공의 90%에 해당하는 재수행 횟수 10번 이내로, TTDP가 완료가 되는 것을 알 수 있다. 이는 제안된 TTDP는 그림 7에서 알 수 있듯이 90%의 성공한 TTDP가 5초 이내로 수행된다는 것이다.
그래서 본 논문에서는 TTDP에서의 주요 과정 중 하나인 이웃 BN을 찾기 위해 각 BN들은 전송 전력을 제어하여 이웃 BN에게만 신호가 전달되도록 하고 HELLO 프레임에 대한 ACK 프레임 수신 횟수와 RSS 값을 사용한다. 추가로 무선 랜 인터페이스를 이중화하여 타 BN으로부터의 간섭을 최소한으로 하고 TTDP가 정확하게 완료될 수 있도록 하였다. 성능 평가 결과, 대규모, 소규모 페이딩에 크게 상관없이 95% 이상 TTDP가 10초 이내에 성공하였다.

후속연구

이 결과로 보아 본 논문에서 제안한 알고리즘을 사용하면 상당히 높은 확률로 제안된 TTDP가 성공할 수 있다는 것을 알 수 있다. 그리고 아주 낮은 확률로 완료된 결과가 실제 차량의 구성과 다르게 나올 수 있는데, 이는 TTDP 완료 후 주기적으로 TOPO 프레임을 주고받아 Topology directory를 확인하는 과정에서 발견되어 문제 발생 시 TTDP를 다시 수행함으로써 해결할 수 있을 것이다.
그리고 성공한 TTDP 중에서 약 90% 정도가 10번의 수행 만에, 즉 최대 5초 이내에 TTDP가 완료되는 것을 확인하여서 제안된 프로토콜은 무선 환경에서도 잘 동작한다는 것을 보였다. 향후 연구 과제로서, 본 논문에서 수행한 성능 평가에 지표를 달리하여 다양한 평가를 추가 수행하여 실제 철도 네트워크 환경에 최적의 알고리즘을 도출할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	열차제어네트워크(TCN)는 무엇을 지원할 수 있어야 하는가?	열차제어네트워크(TCN)는 현재 단순 제어 기능을 넘어 멀티미디어 등 승객 서비스를 지원하기 위하여 이더넷(Ethernet)을 지원할 수 있어야 한다. 그래서 최근 International Electronical Committee(IEC)는 기존의 TCN 표준인 IEC 61375를 개정하여 Ethernet Train Backbone(ETB), Ethernet Consist Network(ECN)를 포함하였다.
	기존 ETB에서의 TTDP는 두 가지 이더넷 프레임을 사용하여 수행하는데 각각의 특징은?	기존 ETB에서의 TTDP는 두 가지 이더넷 프레임을 사용하여 수행한다. 첫 번째는 HELLO 프레임이다. 이 프레임은 출발지 MAC 주소를 주요 정보로 하여 연결된 인접 BN으로만 전송된다. 두 번째는 TOPO 프레임이다. 이 프레임은 백본이 연결된 전체 BN에 멀티캐스팅 되며, 이 프레임을 이용하여 각 BN은 토폴러지 테이블을 만든다. 모든 BN의 토폴러지 테이블이 일치하면 전체 네트워크는 Inaugurated 되었다고 한다.
	WTB와 MVB의 한계점은?	최근 증가하는 전동차 전자 제어에 대한 수요에 맞추어, 국제 표준화 기구(IEC)에서는 전동차의 특징을 고려한 전동차용 통신 프로토콜인 열차 제어 네트워크(TCN)를 IEC-61375 표준으로 제정하였다[1]. 2000년대 초반에 제정된 TCN은 Wire Train Bus(WTB)와 Multifunction Vehicle Bus(MVB)로 구성된 계층화 통신 프로토콜로 제정되었으나 WTB와 MVB는 최근에 수요가 증가하는 고속 인터넷 같은 다양한 서비스를 지원하기에는 제약점이 많은 프로토콜이다[2]. 이러한 제약점을 개선하기 위하여 IEC-61375-2-5 (ETB)와 IEC 61375-3-4(ECN)가 WTB 및 MVB의 대안으로 표준 프로토콜에 추가되었다[3,4].

참고문헌 (13)

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Z. Wu, Introduce ricean fading to produce probabilistic link error, Retrieved Feb., 16, 2017, from http://www.winlab.rutgers.edu/-zhibinwu/html/ns_fading_error.html

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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