[논문]A Study on the VADAMA improvements of latency performance through control message collision avoid in MF-TDMA satellite network

Su-Hoon Lee

doi:10.9708/jksci.2024.29.09.115

[국내논문] A Study on the VADAMA improvements of latency performance through control message collision avoid in MF-TDMA satellite network

韓國컴퓨터情報學會論文誌 = Journal of the Korea Society of Computer and Information, v.29 no.9, 2024년, pp.115 - 123

Su-Hoon Lee (Dept. of Budget Planning, Korea Research Institute for defense Technology planning and advancement)

초록
AI-Helper

본 논문은 MF-TDMA(Multi-Frequency Time Division Multiple Access) 위성네트워크에서 가상할당기반 요구기반 다중접속 기법인 VADAMA(Virtual Allocation Demand Assigned Multiple Access) 기법에서 제어메시지 충돌로 인한 지연시간을 줄이는 방안을 제안한다. 위성 네트워크는 전통적으로 모든 네트워크 전송은 긴 지연시간이 제어메시지로 인해 발생하는 문제가 있었다. 본 연구에서는 가상할당 개념으로 지연시간을 줄인 VADAMA 기법에서 단말의 제어메시지 충돌로 인한 지연시간을 개선하기 위해, 모든 단말을 subnet으로 나눠 순서대로 제어메시지를 전송하도록 하는 VADAMA-PTR(VADAMA Periodic Transfer Request) 제안하였으며, 이를 기존의 DAMA 기법들과 지연시간과 데이터 처리율을 Matlab으로 성능분석하여 성능 향상이 있음을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

This paper proposes a method to reduce the delay time caused by control message conflicts in VADAMA (Virtual Allocation Demand Assigned Multiple Access) technology, which is a virtual allocation based on-demand multiple access technology in MF-TDMA (Multi-Frequency Time Division Multiple Access) satellite network. Traditionally, satellite networks have had the problem that all network transmissions have long delay times due to control messages. In this study, in order to improve the delay time caused by terminal control message conflicts in VADAMA technology, the concept of virtual allocation is used to reduce the delay time. VADAMA-PTR (VADAMA Periodic Transmission) divides all terminals into subnets and transmits control. The method is proposed, and the performance analysis of the existing DAMA technology, delay time and data processing rate is performed using Matlab. The results show that the performance is improved.

Keyword

표/그림 (11)

그림 Fig. 1. MF-TDMA Frame Structure
표 Table 1. MF-TDMA Satellite Network Control Channel
그림 Fig. 2. Data Transfer process in DAMA
그림 Fig. 3. Difference of Resource Allocation result between DAMA and CFDAMA
그림 Fig. 4. Data Transfer process in VADAMA
그림 Fig. 5. AROW Channel Collision
그림 Fig. 6. VADAMA-PTR Transfer Request
그림 Fig. 7. VADAMA-PTR Data Transfer example
그림 Fig. 9. Data Throughput perforamance analysis
표 Table 1. Table of parameter in MATLAB simulation
그림 Fig. 8. End-to-End delay time perform ance analysis

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

본 연구는 VADAMA 기법이 가지는 지연시간을 개선하기 위해 단말들의 데이터 전송 요청에 대해 NCC의 통제하는 방안을 제안한다. 군용/상용 위성네트워크 표준에서 MF-TDMA의 프레임 구조와 자원할당방안에 대한 관련 연구를 기술하여 VADAMA의 제어메시지 전송으로 인한 지연시간 발생하는 문제를 도출하고 이를 해결하기 위해 제안하는 방안을 기술한다.
본 연구는 VADAMA 기법이 가지는 지연시간을 개선하기 위해 단말들의 데이터 전송 요청에 대해 NCC의 통제하는 방안을 제안한다. 군용/상용 위성네트워크 표준에서 MF-TDMA의 프레임 구조와 자원할당방안에 대한 관련 연구를 기술하여 VADAMA의 제어메시지 전송으로 인한 지연시간 발생하는 문제를 도출하고 이를 해결하기 위해 제안하는 방안을 기술한다. 이후, 기존 기법과 제안하는 방안을 성능을 분석하고 향후 연구방향을 도출하여 결론을 맺는다.
본 논문은 MF-TDMA 위성네트워크에서 VADAMA 기법이 가지는 AROW 채널 충돌로 인한 지연시간을 개선하기 위해 VADAMA-PTR 기법을 제안하였다.

가설 설정

VADAMA-PTR의 성능을 확인하기 위해서 VADAMA 기법과 데이터 전송 지연시간, 데이터 처리율을 바교하였다. DAMA, CFDAMA-RR(Round Robin) 기법의 성능과 비교 분석을 수행하였으며, 최근 CFDAMA의 연구에서 성능 향상을 보인 CFDAMA-CLSTM, CFDAMA-LTSM 기법의 요소를 반영을 위해 Free Allcation 채널 할당 수와 채널이 보유한 자원량의 예측이 500 Frame 초과할 때, 모두 성공한다고 가정하였다. VADAMA-PTR에서는 subnet 구성 방법에 따른 subnet 수를 증가시켜가며 시뮬레이션을 수행했다.

제안 방법

제안하는 기법은 VADAMA의 단말들이 AROW 채널 충돌 발생 시, 발생건에 대해 전송 요청 메시지를 재전송하지 않고 NCC가 전송을 조정할 수 있도록 한다.
제안하는 기법에서는 초기 네트워크에 로그온 시, NCC는 TBTP에 단말들에게 subnet 정보를 제공하여 단말은 subnet 정보와 프레임 번호를 보고 데이터 전송 가능한 프레임이라고 판단될 때, 데이터 전송 요청 건을 보내는 것이다. 이를 통해 다른 subnet에 속한 단말들 간의 AROW 채널 충돌을 원천 차단할 수 있어 이에 따른 지연 시간을 개선할 수 있다.
VADAMA-PTR의 성능을 확인하기 위해서 VADAMA 기법과 데이터 전송 지연시간, 데이터 처리율을 바교하였다. DAMA, CFDAMA-RR(Round Robin) 기법의 성능과 비교 분석을 수행하였으며, 최근 CFDAMA의 연구에서 성능 향상을 보인 CFDAMA-CLSTM, CFDAMA-LTSM 기법의 요소를 반영을 위해 Free Allcation 채널 할당 수와 채널이 보유한 자원량의 예측이 500 Frame 초과할 때, 모두 성공한다고 가정하였다.
DAMA, CFDAMA-RR(Round Robin) 기법의 성능과 비교 분석을 수행하였으며, 최근 CFDAMA의 연구에서 성능 향상을 보인 CFDAMA-CLSTM, CFDAMA-LTSM 기법의 요소를 반영을 위해 Free Allcation 채널 할당 수와 채널이 보유한 자원량의 예측이 500 Frame 초과할 때, 모두 성공한다고 가정하였다. VADAMA-PTR에서는 subnet 구성 방법에 따른 subnet 수를 증가시켜가며 시뮬레이션을 수행했다. 각 시뮬레이션을 시작할때마다, 모든 단말이 subnet에 임의로 할당되어 네트워크를 수행하였다.
시뮬레이션은 VADAMA-PTR의 성능은 subnet 수에 대한 네트워크의 전체적인 영향력을 확인하기 위해서 subnet 수를 순차적으로 증가시켜 각 시뮬레이션 10만회 실시하였다. 네트워크의 트래픽 로드가 전체 자원의 50%를 초과할 때 subnet에 따라 단말이 데이터 전송 요청을 보내도록 하였다.
VADAMA의 기본적이 AROW 채널의 허용은 동시에 다수의 채널의 하나의 단말에게 데이터 전송요청을 보내면 데이터 충돌을 감수하여야 했다. 본 논문에서는 모든 단말이 전송 요청을 보내지 말고 subnet을 정의하고 각 subnet이 데이터 전송 요청권을 순서대로 가져, 데이터 전송 요청권을 획득할 때, subnet에 속한 단말들만 데이터 전송 요청을 보내도록 하였다.

이론/모형

자원할당 단계에서는 전송 요청 건 메시지 내에 필요 BTU를 확인하여 타임슬롯에 적절하게 배치하는 작업을 수행한다. 타임슬롯 배차는 기준 채널에서 자원을 검색하여 할당이 가능하면 바로 배치하는 First Fit 알고리즘에 따르도록 하였다. 데이터 전송 요청 메시지의 필요 BTU에 충족하는 채널이 존재하면 ‘자원할당 성공’ 상태의 리스트에 저장하고 충족하는 채널이 없으면 ‘자원할당 대기’ 리스트에 저장하도록 하였다.

성능/효과

27ms의 지연시간을 나타내나, 트래픽 로드가 증가하면 할수록, FA 가 사라져 DAMA의 성능에 근접한다. CFDAMA-LTSM, 및 CFDAMA-CLSTM의 경우 FA를 딥러닝 모델이 데이터 전송 요청 단말 수 및 자원량을 예측해서 사용하기에 FA를 단말의 전송 요청 건보다 우선 할당하도록 구현하여FA를 활용하도록 한 결과 시간이 지나면 지날수록 CFDAMA의 성능에 비해 28%의 성능향상을 보였으며, 그 성능은 VADAMA에 근접하였다.
시뮬레이션에서는 subnet 수가 2일 때에는 22%의 성능향상을 보였으나, 하나의 subnet에 많은 단말들이 배정됨으로써 데이터 전송 요청 시, 요청 메시지간의 충돌이 발생하였다. subnet 수가 4일 때, 30개의 단말들이 적절히 분배됨과 동시에 데이터 전송 권한 획득을 위한 지연시간이 가장 적어 기존 VADAMA 대비 지연시간 평균 19.61%, 데이터 처리율은 7.1%의 개선이 있었으나, subnet 수가 8개를 넘어가면서 성능저하가 시작되어 15개가 되었을 때는 기존의 DAMA 보다 성능이 약 2% 떨어지는 것으로 확인되었다.
VADAMA-PTR의 성능 개선을 확인하기 위해서 MATLAB 환경에서 DAMA, CFDAMA, CFDAMA-Prediction, VADAMA, VADAMA-PTR 기법을 DVB-RCS 표준에 호환되는 파라미터들을 사용하여 구현하였고 데이터 처리율, 지연시간 측면에서 이득이 있음을 확인하였다.

후속연구

군용/상용 위성네트워크 표준에서 MF-TDMA의 프레임 구조와 자원할당방안에 대한 관련 연구를 기술하여 VADAMA의 제어메시지 전송으로 인한 지연시간 발생하는 문제를 도출하고 이를 해결하기 위해 제안하는 방안을 기술한다. 이후, 기존 기법과 제안하는 방안을 성능을 분석하고 향후 연구방향을 도출하여 결론을 맺는다.
향후, 연구에서는 subnet에 따라 데이터 전송을 하는 경우, 동일한 전송채널에 프레임별로 송수신 단말이 달라지는 특성을 이용해서 Frequency 도약 효과를 내 항재밍 효과를 보이는 네트워크 운영 방안을 창출해낼 수 있을 것으로 사료되며, 필요에 따라 우선순위를 가진 단말이 속한 subnet에 데이터 전송 요청 권한을 우선적으로 할당하는 알고리즘이 연구 된다면 전술네트워크에 적합한 위성 네트워크 자원 할당 방안이 될 것이다.

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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