KR101033528B1 - Mobile nodes based Adaptive TDMA for clustered underwater acoustic network - Google Patents
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Abstract
본 발명은 수중 음향 네트워크에서 노드의 이동성과 네트워크의 확장성을 보장하는 한편 수중 채널의 긴 전파 지연의 문제를 해소한 시간 분할 다중 접속 매체 접속 제어 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a time division multiple access medium access control method that guarantees the mobility of a node and the expandability of a network in an underwater acoustic network and solves the problem of long propagation delay of an underwater channel.
TDMA, MAC, 수중 음향 네트워크 TDMA, MAC, Underwater Acoustic Network
Description
본 발명은 수중 음향 네트워크를 위한 MAC 프로토콜로서의 TDMA에 관한 것이다.The present invention relates to TDMA as a MAC protocol for underwater acoustic networks.
시간 분할 다중화(Time Division Multiplexing, TDM)Time Division Multiplexing (TDM)
시간 분할 다중화(Time Division Multiplexing, TDM)란 복수의 데이터나 디지털화한 음성을 각각 일정한 타임 슬롯으로 분할하여 전송함으로써 하나의 회선(전송 통신로)을 복수의 채널로 다중화하는 방식을 말한다.Time Division Multiplexing (TDM) refers to a method of multiplexing one line (transmission communication channel) into a plurality of channels by dividing and transmitting a plurality of data or digitized voices into a predetermined time slot.
이는 하나의 회선을 좁은 주파수 대역으로 분할하여 다중화하는 아날로그 방식의 주파수 분할 다중 방식(FDM)에 비하여, 하나의 회선을 100％ 디지털의 고속 복수 채널로 분할하는 다중화 방식이다. 시분할 다중화에는 1타임 슬롯으로 송신하는 정보량에 따라서 비트 다중화와 옥텟 또는 문자 다중화 등이 있다.This is a multiplexing method in which one line is divided into 100% digital high-speed multi-channels as compared to the analog frequency division multiplexing (FDM) system in which one line is divided into narrow frequency bands and multiplexed. Time division multiplexing includes bit multiplexing and octet or character multiplexing depending on the amount of information transmitted in one time slot.
시간 분할 다중 접속(Time Division Multiple Access, TDMA)Time Division Multiple Access (TDMA)
통신 전송 용량을 물리적으로 위치가 다른 복수의 국이 분할 사용하는 방법 을 다중 접속이라고 하는데, 시간 분할 다중 접속(Time Division Multiple Access, TDMA)은 이러한 다중 접속 방식의 하나이다.Multi-access is a method in which a plurality of stations having different physical locations are used for communication transmission capacity is called multiple access. Time division multiple access (TDMA) is one of such multiple access methods.
전송로 용량을 분할 사용하는 방법은 크게 다중화와 다중 접속으로 나눌 수 있는데, 다중화는 지상 고정 무선 통신이나 광케이블 통신에서와 같이 전송로가 두 국 간(점-점 간)에 사용되는 경우의 분할 사용 방법으로 송신 측에서 주파수 분할 다중 또는 시간 분할 다중 하여 송신하면 된다. 이에 반해서 다중 접속은 위성통신에서 다수의 지구국이 하나의 위성 중계기의 전송로 용량을 분할 사용하거나, 자동차 전화 등 이동 통신에서 다수의 이동국이 하나의 기지국의 전송로 용량을 분할 사용해서 상호 통신하는 방법이다.Dividing the channel capacity can be largely divided into multiplexing and multiple access. Multiplexing is used when the transmission line is used between two stations (point-to-point), such as in terrestrial fixed wireless communication or optical cable communication. In this method, the transmission side may perform frequency division multiplexing or time division multiplexing. On the other hand, in multiplex communication, multiple earth stations divide the transmission channel capacity of one satellite repeater in satellite communication, or multiple mobile stations use the transmission channel capacity of one base station in mobile communication such as automobile telephone to communicate with each other. to be.
이와 같이 다중 접속에 의해 다중화된 회선 간에 상호 간섭 없이 하나의 중계기를 다수의 무선국이 공용하는 방식에는 주파수 분할 다중 접속(FDMA), 시간 분할 다중 접속(TDMA) 등이 있다. 위성 통신 TDMA 방식에서는 하나의 중계기로 다수의 지구국이 모두 동일한 주파수대를 사용해서 시간적으로 중복되지 않도록 분할, 할당된 타임 슬롯 내에 디지털 신호를 버스트 형태로 단속적으로 송출한다. 각국으로부터 송출된 신호는 중계기에서 시간 분할되어 전송되는데, 수신국에서는 이 신호를 복조해서 할당된 타임 슬롯으로부터 송신국을 식별하고 그 신호 내의 주소 번호로부터 자국 착신 신호를 검출하여 통신한다.As such, a plurality of radio stations share one repeater without mutual interference between circuits multiplexed by multiple access, such as frequency division multiple access (FDMA) and time division multiple access (TDMA). In the satellite communication TDMA scheme, a plurality of earth stations intermittently transmit bursts of digital signals in divided time slots so that they are not overlapped in time by using the same frequency band. Signals transmitted from each station are transmitted in time division at the repeater, and the receiving station demodulates the signal to identify the transmitting station from the assigned time slot, and detects and transmits its own incoming signal from the address number in the signal.
TDMA에서는 하나의 중계기가 일시에 증폭하는 반송파가 하나뿐이기 때문에 혼변조의 문제가 없어서 중계기의 송신전력을 100％ 사용할 수 있다. 다양한 속도의 디지털 신호 전송이 용이하고, 접속국 수가 증가해도 중계기의 입력 차단(input back-off)이 필요하지 않으며 전송 용량이 다소 떨어질 뿐이다. 이 밖에 주파수 이용효율을 높일 수 있고 운용상의 유연성이 있는 장점이 있다. 디지털 방식의 셀룰러 자동차·휴대 전화시스템인 유럽의 GSM, 미국의 TIA, 일본의 JDC 등에서도 무선 기지국과 이동국 간의 다중 접속 방식으로 TDMA 방식을 채택하고 있다.In TDMA, since only one carrier amplifies one repeater at a time, the transmission power of the repeater can be used 100% without the problem of intermodulation. It is easy to transmit digital signals at various speeds and the number of connected stations does not require the input back-off of the repeater and only slightly reduces the transmission capacity. In addition, there is an advantage that can increase the frequency utilization efficiency and has operational flexibility. Digital cellular car and mobile phone systems, such as Europe's GSM, the US's TIA, and Japan's JDC, are also adopting TDMA as a multiple access method between wireless base stations and mobile stations.
수중 음향 네트워크를 위한 종래의 MAC 프로토콜 (도 4)Conventional MAC Protocol for Underwater Acoustic Network (FIG. 4)
이하에서는, 수중 음향 네트워크를 위한 종래의 MAC 프로토콜들의 주요 요지를 설명한다. 이러한 MAC 프로토콜들은 크게 두 가지 형태 즉, 경쟁-기반(contention-based) 및 비경쟁(contention-free) MAC 프로토콜로 분류된다.In the following, the main points of the conventional MAC protocols for underwater acoustic networks are described. These MAC protocols are largely classified into two types, contention-based and contention-free MAC protocols.
비경쟁 MAC 프로토콜은 CSMA/CA(carrier sense multiple access/collision avoidance) 또는 MACA(multiple access with collision avoidance)의 RST-CTS 핸드쉐이크(handshake)와 같은 메시지 오버헤드를 회피할 수 있다는 점에서 경쟁-기반 MAC 프로토콜들에 비해 이로울 수 있다. 또한, 비경쟁 MAC 프로토콜들은 ALOHA 또는 슬롯 ALOHA와 같은 경쟁-기반 MAC 프로토콜들이 과중 트래픽 부하 환경에서 심각한 지연을 낳는 것에 반해 지연에 대한 내성이 있다. CSMA/CA 및 MACA 조차도 전체 망 트래픽 부하가 증가할 경우에는 심각한 랜덤 백오프 지연을 발생시킬 수 있다. 또한, 비록 수중 노드들이 서로 가깝게 위치한다 할지라도, 경쟁-기반 MAC 프로토콜들은 수중 음향 네트워크의 긴 전파 지연에 기인하는 다른 잠복된 단말 문제(hidden terminal problem)를 드러낼 수 있다.The non-competitive MAC protocol is competitive-based MAC in that it can avoid message overhead, such as RST-CTS handshake of carrier sense multiple access / collision avoidance (CSMA / CA) or multiple access with collision avoidance (MACA). This may be advantageous over protocols. In addition, non-competitive MAC protocols are tolerant of delay, whereas competition-based MAC protocols such as ALOHA or slot ALOHA result in severe delays in heavy traffic load environments. Even CSMA / CA and MACA can cause severe random backoff delays when the overall network traffic load increases. In addition, even though the underwater nodes are located close to each other, contention-based MAC protocols can reveal other hidden terminal problems due to the long propagation delay of the underwater acoustic network.
TDMA, FDMA(Frequency Division Multiple Access), 및 CDMA(Code Division Multiple Access)는 비경쟁 MAC 프로토콜들이다. 이들 중 FDMA은 음향 채널의 한정 된 대역폭에 기인하는 주파수들의 부족으로 인해, 수중 음향 네트워크에는 부적당한 것으로 여겨지고 있다. CDMA는 성능 및 확장성이라는 점에서 이점이 있으나, 높은 하드웨어 복잡성이 있고 이로 인해 TDMA보다 큰 에너지를 소비한다. 또한 CDMA는 원근 문제에 취약하다.TDMA, Frequency Division Multiple Access (FDMA), and Code Division Multiple Access (CDMA) are non-competitive MAC protocols. Among them, FDMA is considered inadequate for underwater acoustic networks due to the lack of frequencies due to the limited bandwidth of the acoustic channel. CDMA has advantages in terms of performance and scalability, but has a high hardware complexity, which consumes more energy than TDMA. CDMA is also vulnerable to perspective problems.
단일 주파수에 의한 단순한 스케줄 기반 접근법의 TDMA는 아이들 리스닝(idle listening) 및 충돌로 인한 에너지 낭비 없이 단지 스케줄링 된 타임 슬롯들 동안에만 수중 노드들로 하여금 그들의 시스템들을 켜게 함으로써 에너지를 절약할 수 있다. TDMA는 최근에 많은 수중 음향 네트워크 응용들에 있어 상당한 관심을 끌고 있다.TDMA of a simple schedule-based approach by single frequency can save energy by having underwater nodes turn on their systems only during scheduled time slots without wasting energy due to idle listening and collisions. TDMA has recently attracted considerable attention in many underwater acoustic network applications.
따라서 본 출원인은 본 발명에서 수중 음향 네트워크를 위한 MAC 프로토콜로서 TDMA에 주된 초점을 맞추기로 한다. 상기 주목할만한 이점들에도 불구하고, TDMA는 수중 음향 네트워크 어플리케이션들의 중요 요건인 클러스터 수중 음향 네트워크에서의 수중 노드들의 이동성에 여전히 취약하다.Applicant will therefore focus primarily on TDMA as the MAC protocol for underwater acoustic networks in the present invention. Despite the above notable advantages, TDMA is still vulnerable to the mobility of underwater nodes in a cluster underwater acoustic network, which is an important requirement for underwater acoustic network applications.
TDMA는 또한 클러스터 망 토폴로지에 적합하도록 하이브리드 MAC 프로토콜까지 확장된다. 제시된 하이브리드 MAC 프로토콜들은 공통적으로 인트라-클러스터(intra-cluster) MAC 프로토콜 및 인터-클러스터 MAC 프로토콜로 구성된다. 인트라-클러스터 MAC 프로토콜은 클러스터 내의 여러 수중 노드들의 다중 접속에 해당한다. 인터-클러스터 MAC 프로토콜은 여러 중간국들의 다중 접속을 제어한다.TDMA also extends to the hybrid MAC protocol to suit cluster network topologies. The presented hybrid MAC protocols are commonly composed of an intra-cluster MAC protocol and an inter-cluster MAC protocol. The intra-cluster MAC protocol corresponds to multiple connections of several underwater nodes in the cluster. The inter-cluster MAC protocol controls the multiple connections of several intermediate stations.
종래의 연구들에서는 공통적으로 인트라-클러스터 MAC 프로토콜을 TDMA에 한정하고 있으나, 인터-클러스터 MAC 프로토콜은 다양하여 CDMA 및 심지어 경쟁-기반 MAC 프로토콜을 포함한다. 특정 코드를 갖는 각 클러스터는 TDMA를 이용하여 고정된 수의 타임 슬롯들을 지원한다. 이러한 종래의 연구들에서는 인터-클러스터 MAC 프로토콜에서 중복 없이 한정된 수의 코드들을 할당하는데 초점을 맞추고 있다.While conventional studies commonly confine intra-cluster MAC protocols to TDMA, inter-cluster MAC protocols are diverse and include CDMA and even contention-based MAC protocols. Each cluster with a particular code supports a fixed number of time slots using TDMA. These prior studies have focused on assigning a limited number of codes without duplication in the inter-cluster MAC protocol.
그러나 이러한 MAC 프로토콜은 결과적으로 수중 노드들의 이동성을 고려하고 있지 않으며, 그 결과 수중 노드들이 클러스터에서 클러스터로 이동할 때에 아이들(idle) 타임 슬롯들이 발생할 수 있다.However, this MAC protocol does not take into account the mobility of the underwater nodes as a result, and as a result, idle time slots may occur when the underwater nodes move from cluster to cluster.
이에 TDMA 및 DCF(Distributed Coordination Function)로 구성되는 MAC 프로토콜이 제안된 바 있다. 여기서는 망 토폴로지 및 수중 노드들의 이동성에 따라, TDMA에서 수중 노드들 및 중간국들에 고정된 수의 타임 슬롯들을 할당하고 있다. 하지만 이 경우에도 아이들 타임 슬롯들의 수를 최소화할 수는 있지만, 타임 슬롯의 사용이 허용되지 않은 몇몇 수중 노드들은 여전히 아이들 상태가 되어 전체적인 지연이 증가할 수 있다.Therefore, a MAC protocol consisting of TDMA and Distributed Coordination Function (DCF) has been proposed. Here, TDMA assigns a fixed number of time slots to underwater nodes and intermediate stations, depending on the network topology and the mobility of the underwater nodes. However, even in this case, the number of idle time slots can be minimized, but some underwater nodes that are not allowed to use time slots may still be idle, increasing the overall delay.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 수중 음향 네트워크에서 노드의 이동성과 네트워크의 확장성을 보장하는 한편 수중 채널의 긴 전파 지연의 문제를 해소한 시간 분할 다중 접속 매체 접속 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been proposed to solve the above problems, and is a time division multiple access medium access control method that solves the problem of long propagation delay of an underwater channel while ensuring mobility of a node and scalability of the network in an underwater acoustic network. The purpose is to provide.
본 발명의 기타 목적 및 장점들은 하기에 설명될 것이며, 이는 본 발명의 청구범위에 기재된 사항 및 그 실시예의 개시 내용뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내의 수단 및 조합에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.Other objects and advantages of the present invention will be described below, which are not limited to the matters set forth in the claims and the disclosure of the embodiments thereof, but also to the broader ranges by means and combinations within the range readily recited therefrom. Add that it will be included.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은,
이동 노드들의 RTT(Round Trip Time: 왕복 지연 시간) 정보를 토대로 마스터 노드와의 위치를 파악하여 가까운 노드에게 먼저 슬롯을 할당하는 초기화 단계;
이동 노드들이 전송 스케줄에 맞게 데이터를 전송하기 위해서 노드의 전파 지연 시간을 토대로 자신의 지연 시간만큼 먼저 데이터를 전송함으로써 자신에게 할당된 슬롯 시간 내에 통신을 수행하는 데이터 전송 단계 및;
새로운 노드가 Hello 메시지를 마스터 노드 관할의 이동 노드인 인접 노드에 전송하여 노드 진입을 알리는 새로운 노드진입 단계;
를 포함하는 클러스터 수중 음향 네트워크를 위한 이동 노드 기반의 시간 분할 다중 접속 매체 접속 제어 방법을 제시한다.The present invention to achieve the above object,
An initialization step of first determining a position with a master node based on RTT (Round Trip Time) information of the mobile nodes and allocating a slot to a nearby node first;
A data transmission step of the mobile nodes communicating within the slot time allocated to the mobile nodes by transmitting data as early as their delay time based on the propagation delay time of the node in order to transmit the data according to the transmission schedule;
A new node entry step in which a new node sends a Hello message to an adjacent node which is a mobile node in the jurisdiction of the master node to notify node entry;
We propose a mobile node-based time division multiple access medium access control method for a cluster underwater acoustic network.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 발생한다.According to the present invention the following effects occur.
첫째, 초기화 단계에서 수중 노들의 RTT 정보를 토대로 마스터 노드와의 위치를 파악하여 가까운 노드에게 먼저 슬롯을 할당하는 방식으로 타임 슬롯의 크기와 마스터 노드의 유휴(idle) 시간을 줄여 채널의 이용률(channel utilization)을 높이고, 클러스터 내의 전체적인 지연시간(delay time)을 크게 줄일 수 있다.First, in the initialization stage, the position of the master node is determined based on the RTT information of the underwater furnaces, and the slot is allocated to the adjacent node first, thereby reducing the size of the time slot and the idle time of the master node. It can increase utilization and greatly reduce the overall delay time in the cluster.
둘째, 매 주기마다 BEACON을 통해 슬롯의 크기(기존 TDMA는 슬롯의 크기가 고정된 반면, 본 발명에서는 매 주기마다 노드의 RTT에 따라 슬롯의 크기를 결정함)를 업데이트 하며, 노드의 이동과 클러스터 내 노드의 유출입으로 인해 변화된 전송 스케줄을 업데이트 하여 노드의 이동성과 네트워크의 안정성(scalability)을 보장한다.Second, the slot size is updated through BEACON (the conventional TDMA is fixed in the slot size, in the present invention, the slot size is determined according to the RTT of the node every cycle). The transmission schedule is changed due to the inflow and outflow of my node to ensure the mobility of the node and the scalability of the network.
셋째, 새로운 노드가 진입할 수 있도록 새로운 노드 슬롯(New Node Slot)을 두고 최소의 전송전력으로 Hello 메시지를 인접 노드에만 전송하여 노드 진입을 알리는 방식으로, 클러스터 진입을 위한 새로운 노드들 간 충돌을 줄이고 Hello 메시지를 전송하기 위한 전송전력을 최소화하고 인접노드에만 메시지를 전송함으로써 전송거리를 줄여 Hello 메시지 전송에 따른 전파 지연을 최소화 할 수 있다. 따라서 전파 지연이 큰 수중 채널에서 효율적으로 사용될 수 있다.Third, a new node slot is provided so that a new node can enter, and a Hello message is transmitted only to neighboring nodes with a minimum transmission power to notify node entry, thereby reducing collisions between new nodes for cluster entry. By minimizing the transmission power for transmitting Hello message and transmitting the message only to neighbor nodes, the transmission distance can be minimized by reducing the transmission distance. Therefore, the propagation delay can be efficiently used in a large underwater channel.
본 발명의 다른 효과는, 이상에서 설명한 실시예 및 본 발명의 청구범위에 기재된 사항뿐만 아니라, 이들로부터 용이하게 추고할 수 있는 범위 내에서 발생할 수 있는 효과 및 산업 발전에 기여하는 잠정적 장점의 가능성들에 의해 보다 넓은 범위로 포섭될 것임을 첨언한다.Other effects of the present invention, as well as those described in the above-described embodiments and claims of the present invention, as well as potential effects that may occur within the range that can be easily estimated therefrom and potential advantages that contribute to industrial development It will be added that it will be covered by a wider scope.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In describing the present invention, when it is determined that the detailed description of the related well-known configuration or function may obscure the gist of the present invention, the detailed description thereof will be omitted. In addition, the following will describe a preferred embodiment of the present invention, but the technical idea of the present invention is not limited thereto and may be variously modified and modified by those skilled in the art.
본 발명은, 수중 음향 네트워크에서 노드의 이동성과 네트워크의 확장성을 보장하는 한편 수중 채널의 긴 전파 지연의 문제를 해소하기 위하여 제안된 "클러스터 수중 음향 네트워크를 위한 이동 노드 기반의 시간 분할 다중 접속 매체 접속 제어 방법(Mobile nodes based Adaptive TDMA for clustered underwater acoustic network)(이하, 'MA-TDMA'라고 함)"에 관한 것으로, 크게 초기화 단계, 데이터 전송 단계, 새로운 노드진입 단계로 이루어진다.The present invention proposes a mobile node-based time division multiple access medium for a clustered underwater acoustic network, which is proposed to solve the problem of long propagation delay of an underwater channel while ensuring the mobility of the node and the scalability of the network in the underwater acoustic network. Mobile node based Adaptive TDMA for clustered underwater acoustic network (hereinafter referred to as "MA-TDMA") "is largely composed of an initialization step, a data transmission step, a new node entry step.
초기화 단계는 이동 노드들의 RTT(이는 Round Trip Time의 약자로서 왕복 지연 시간, 즉 마스터 노드에서 이동 노드까지 신호가 전달되었다 돌아오는 데 소요되는 시간을 의미함) 정보를 토대로 마스터 노드와의 위치를 파악하여 가까운 노드에게 먼저 슬롯을 할당하는 단계이다. 그리고 데이터 전송 단계는 이동 노드들이 전송 스케줄에 맞게 데이터를 전송하기 위해서 노드의 전파 지연 시간을 토대로 자신의 지연 시간만큼 먼저 데이터를 전송함으로써 자신에게 할당된 슬롯 시간 내에 통신을 수행하는 단계이다. 마지막으로 새로운 노드진입 단계는 새로운 노드가 Hello 메시지를 인접 노드에 전송하여 노드 진입을 알리는 단계이다. 여기서, 인접 노드란 마스터 노드 관할의 이동 노드를 말하는 것으로, 새로운 노드가 마스터 노드의 통신 범위 안에 들어올 때 이 새로운 노드와 인접해 있는 마스터 노드 관할의 이동 노드를 가리키는 것이다.The initialization step identifies the location with the master node based on the RTT information of the mobile nodes (which stands for Round Trip Time), which means the round trip delay time, that is, the time it takes for the signal to be returned from the master node to the mobile node. The first step is to allocate slots to nearby nodes. In the data transmission step, the mobile nodes transmit data by their own delay time based on the propagation delay time of the node in order to transmit data according to a transmission schedule, thereby performing communication within the slot time allocated to the mobile nodes. Finally, the new node entry step is a step in which a new node sends a Hello message to an adjacent node to notify the node of the entry. Here, the neighbor node refers to the mobile node of the master node jurisdiction, and refers to the mobile node of the master node jurisdiction adjacent to this new node when the new node enters the communication range of the master node.
도 1은 본 발명에 따른 MA-TDMA의 초기화 단계 및 데이터 전송 단계를 보여주고 있다. 이하에서는 본 발명에 따른 MA-TDMA를 각 단계 별로 나누어 설명한다.1 shows an initialization step and a data transmission step of a MA-TDMA according to the present invention. Hereinafter, the MA-TDMA according to the present invention will be described by dividing each step.
1. 초기화 단계 (Initialization)1. Initialization stage
본 발명의 초기화 단계는 다음과 같은 과정에 따라 진행된다.The initialization step of the present invention proceeds according to the following process.
1-1) 마스터 노드인 buoy가 RTTmax 시간(마스터 노드의 최대 통신 거리 동안 왕복한 시간) 동안 각 이동 노드들의 RTT(Round Trip Time)을 계산한다.1-1) Calculate round trip time (RTT) of each mobile node during buoy, the master node, during the RTTmax time (the round trip time during the maximum communication distance of the master node).
1-2) 마스터 노드가 각 이동 노드의 RTT에 따라 마스터 노드와 가장 가까운 이동 노드부터 슬롯을 할당한다.1-2) The master node allocates slots from the mobile node closest to the master node according to the RTT of each mobile node.
1-3) 마스터 노드가 타임 슬롯의 크기와 RTTmax/K 값을 계산한다. 여기서, K는 양수(positive integer)를 의미하며, RTTmax는 마스터 노드의 최대 통신 거리 동안 왕복한 시간을 의미한다. 그리고 RTTmax/K 값은 후술하는 바와 같이 마스터 노드가 BEACON을 브로드캐스팅 한 후 데이터를 수신하기 위해 기다리는 최소의 시간을 도출한 값이다. 기존 TDMA 방식에서는 마스터 노드가 슬롯을 할당하기 위해 BEACON 신호를 브로드캐스팅 할 때 마스터 노드의 통신 범위까지 BEACON 신호가 도달하는 시간인 RTTmax 시간까지 기다려야 했다.1-3) The master node calculates the size of the time slot and the RTTmax / K value. Here, K means a positive integer, and RTTmax means the time rounded during the maximum communication distance of the master node. The RTTmax / K value is a value obtained by deriving the minimum time the master node waits to receive data after broadcasting the BEACON. In the conventional TDMA method, when the master node broadcasts the BEACON signal to allocate a slot, the master node had to wait until the RTTmax time, which is the time when the BEACON signal reaches the communication range of the master node.
타임 슬롯의 크기The size of the time slot
마스터 노드는 다음과 같은 과정을 통하여 타임 슬롯의 크기(τm)를 결정한다.The master node determines the size (τ m ) of the time slot through the following process.
여기서, j는 1부터 N까지 할당받은 슬롯의 인덱스이며, N은 이동 노드의 수이다.Here, j is an index of slots allocated from 1 to N, and N is the number of mobile nodes.
수식 (1), (2)처럼 각 노드의 RTT/2 값의 차이 중 가장 작은 차이를 보이는 값을 선택하여, 아래 수식 (3)과 같이 데이터 전송 지연 시간 TxD와 비교하여 보다 큰 값(τ)을 정한다. 이때, RTT/2 값의 차이 중 가장 작은 차이 값으로 선택하는 것은 노드 간의 정밀한 동기화가 이루어졌다는 전제 하에서 가능하다.Select the value that shows the smallest difference among the differences of RTT / 2 values of each node as shown in Equations (1) and (2), and compare it with the data transmission delay time Tx D as shown in Equation (3) below (τ). ). In this case, selecting the smallest difference value among the differences of the RTT / 2 values is possible under the premise that precise synchronization between nodes is performed.
타임 슬롯의 크기(τm)는 (3)에서 결정한 값(τ)에 가드타임 GP(Guard Period)를 더한 값으로 수식 (4)와 같다.The size of the time slot τ m is equal to Equation (4) by adding the guard time GP (Guard Period) to the value τ determined in (3).
여기서 가드타임(GP)은 노드의 이동 속도를 고려한 것으로 가령, 이동 노드의 속도가 3m/s이면(실제로 AUV는 이동 속도는 3∼4m/s임) 가드타임은 
도 2의 예에 따르면, 각 노드의 RTT/2 값의 차이 중 가장 작은 차이를 보이 는 값 
RTTmax/K 값RTTmax / K value
RTTmax/K값은 마스터 노드가 BEACON을 브로드캐스팅 한 후 데이터를 수신하기 위해 기다리는 최소의 시간을 도출한 값이다.The RTTmax / K value is derived from the minimum time the master node waits to receive data after broadcasting the BEACON.
기존 TDMA 방식에서는 마스터 노드가 슬롯을 할당하기 위해 BEACON 신호를 브로드캐스팅 할 때 마스터 노드의 통신범위까지 BEACON 신호가 도달하는 시간인 RTTmax 시간까지 기다려야 한다.In the conventional TDMA method, when the master node broadcasts the BEACON signal to allocate a slot, the master node should wait until the RTTmax time, which is the time when the BEACON signal reaches the communication range of the master node.
본 발명에서는, 도 3과 같이 RTTmax/K와 노드의 할당된 타임 슬롯 크기의 합은 각 노드의 실제 RTTi와 데이터 전송 지연 시간 TxD의 합보다 커야 각 노드들이 할당된 시간 내에 데이터를 전송할 수 있다. 따라서 RTTmax/K는 항상 아래의 수식 (5)를 만족해야 한다.In the present invention, as shown in FIG. 3, the sum of the RTTmax / K and the allocated time slot size of the node must be greater than the sum of the actual RTT i and the data transmission delay time Tx D of each node so that each node can transmit data within the allocated time. have. Therefore, RTTmax / K should always satisfy Equation (5) below.
여기서, K는 양수(positive integer)를, i는 1부터 N(이동 노드의 수)까지 할당받은 슬롯의 인덱스를, TxD는 전송 지연 시간을, RTTi는 i번째 슬롯을 할당받은 노드의 RTT를, τm은 타임 슬롯의 크기를 의미한다.
이에 따라 수식 (5)를 만족하는 최대 K값을 도출하여 마스터 노드의 기다리는 시간을 기존의 TDMA보다 줄일 수 있다.Where K is a positive integer, i is the index of the slot allocated from 1 to N (number of mobile nodes), T xD is the transmission delay time, and RTT i is the RTT of the node allocated the i-th slot Τ m means the size of the time slot.
Accordingly, the maximum K value satisfying Equation (5) can be derived to reduce the waiting time of the master node compared to conventional TDMA.
즉, 본 발명의 초기화 단계에서는 각 노드들의 RTT값을 획득하고, 이를 토대로 가까운 노드에 먼저 슬롯을 할당하는 방식으로 전송 스케줄을 결정하고, K값과 슬롯의 크기를 계산하게 된다. 이때 노드는 계속 이동하게 되므로 매 주기마다 K값과 슬롯의 크기도 다르게 도출된다.That is, in the initialization step of the present invention, the transmission schedule is determined by acquiring the RTT value of each node and assigning a slot to a nearby node first, and calculating the K value and the size of the slot. At this time, since the node continues to move, the K value and the slot size are derived differently every cycle.
이처럼 본 발명은 초기화 단계에서 수중 노드의 RTT 정보를 토대로 마스터 노드와의 위치를 파악하여 가까운 노드에게 먼저 슬롯을 할당하는 방식을 취함으로써, 타임 슬롯의 크기와 마스터 노드의 기다리는 시간(유휴 시간, idle time)을 줄여 채널의 이용률(channel utilization)을 높이고, 클러스터 내의 전체적인 지연 시간(delay time)을 크게 줄일 수 있는 것이다.As described above, the present invention takes a method of allocating a slot to a nearby node by first finding a position with the master node based on the RTT information of the underwater node in the initialization step, and thus the size of the time slot and the waiting time (idle time, idle time) of the master node. By reducing the time, it is possible to increase the channel utilization and greatly reduce the overall delay time in the cluster.
2. 데이터 전송 단계 (Data Transmission)2. Data Transmission
본 발명의 데이터 전송 단계는 다음과 같은 과정에 따라 진행된다.The data transmission step of the present invention proceeds according to the following process.
2-1) 도 1에서 볼 수 있듯이 이동 노드들은 수신된 BEACON을 통해 자신의 할당된 타임 슬롯을 알게 된다.2-1) As shown in FIG. 1, mobile nodes know their assigned time slots through the received BEACON.
2-2) 이동 노드들은 BEACON이 마스터 노드에서 전송된 시간과 이동 노드가 BEACON을 수신한 시각 Tbi을 비교하여 마스터 노드까지의 전파 지연(propagation delay) 시간을 계산한다.2-2) The mobile nodes calculate the propagation delay time to the master node by comparing the time BEACON is transmitted from the master node to the time T bi when the mobile node receives the BEACON.
2-3) 이동 노드들은 자신의 할당된 타임 슬롯에 데이터를 전송하기 위해 전파 지연 시간만큼 미리 데이터를 전송하여 할당된 타임 슬롯에 데이터가 전송될 수 있도록 하여 이동 노드들의 유휴 시간(idle time)을 줄인다.2-3) Mobile nodes transmit data in advance by propagation delay time in order to transmit data in their assigned time slots so that data can be transmitted in the assigned time slots so that idle time of mobile nodes can be determined. Reduce
예를 들어, 마스터 노드가 BEACON을 전송한 시각이 1초이고, 이동 노드 i가 BEACON을 수신한 시각 Tbi가 2.5초이고, 노드 i의 할당된 타임 슬롯의 시각이 5초이면, 이동 노드는 5초에 전송을 하는 것이 아니라 1.5초 먼저인 3.5초에 데이터를 전송하게 되는 것이다. 이 과정을 수식으로 좀 더 상세히 기술하면 다음과 같다.For example, if the time at which the master node sent BEACON is 1 second, the time T bi at which mobile node i received BEACON is 2.5 seconds, and the time of node i's assigned time slot is 5 seconds, the mobile node is Rather than transmitting in 5 seconds, data is sent in 3.5 seconds, which is 1.5 seconds earlier. This process is described in more detail as an equation as follows.
여기서, T i 는 노드 i의 전송 시각, T Bi 는 노드 i의 BEACON 수신 시각, ▽W i 는 노드 i가 기다리는 시간이다. ▽W i 은 수식 (7)과 같은 범위 내에 있어야 하며 범위는 아래식과 같다.Here, T i is the node i sent the time, T is Bi BEACON reception time, ▽ W i of the node i is the waiting time the node i. ▽ W i must be in the range as shown in equation (7) and the range is as below.
여기서, 도 1과 같이 노드 i의 할당된 슬롯이 시작되는 시간은 
마찬가지로 식 (9)에서 노드 i가 기다리는 최대 시간 
이처럼 본 발명은 매 주기마다 BEACON을 통해 슬롯의 크기를 업데이트 하고, 노드의 이동과 클러스터 내 노드의 유출입으로 인해 변화된 전송 스케줄을 업데이 트 함으로써 노드의 이동성과 네트워크의 안정성(scalability)을 보장할 수 있는 것이다.As described above, the present invention can guarantee the mobility of the node and the scalability of the network by updating the size of the slot through the BEACON and updating the transmission schedule changed due to the movement of the node and the flow of nodes in the cluster. will be.
3. 새로운 노드진입 단계 (New Node Entering)3. New Node Entering Step
본 발명의 새로운 노드진입 단계는 다음과 같은 과정에 따라 진행된다.The new node entry step of the present invention proceeds according to the following process.
3-1) 데이터 전송이 완료되면, BEACON을 받았던 새로운 노드는 인접 노드에게 Hello 메시지를 브로드캐스팅 하여 자신이 존재함을 알린다. 이때, Hello 메시지 브로드캐스팅 시 전송파워를 최소로 하여 인접 노드에게만 전송할 수 있도록 한다.3-1) When the data transfer is completed, the new node that received the BEACON broadcasts a Hello message to the neighbor node to inform it that it exists. At this time, when broadcasting the Hello message, the transmission power is minimized so that it can be transmitted only to neighboring nodes.
3-2) 새로운 노드의 Hello 메시지를 들은 인접 노드들은 자신이 할당된 타임 슬롯에 데이터와 함께 새로운 노드의 MAC address를 알려서 새로운 노드가 진입했음을 알린다.3-2) Neighbors who listen to the Hello message of the new node advertise that the new node has entered by notifying the MAC address of the new node along with the data in its assigned time slot.
3-3) 마스터 노드는 새로운 노드의 인접 노드들이 전송한 정보를 토대로 전송 스케줄을 업데이트 한다. 가령, 3번째 슬롯과 4번째 슬롯을 할당받은 노드들이 동일한 MAC address를 지닌 노드 n1의 진입을 알린다면, 마스터 노드는 n1의 슬롯을 4번째로 할당해 준다.3-3) The master node updates the transmission schedule based on the information transmitted by neighboring nodes of the new node. For example, if the nodes assigned the third slot and the fourth slot announce the entry of node n1 having the same MAC address, the master node allocates the slot of n1 for the fourth time.
3-4) 마스터 노드는 업데이트 된 전송 스케줄 정보와 새로운 노드에게 슬롯을 할당한 정보를 BEACON에 실어 브로드캐스팅 한다.3-4) The master node broadcasts the updated transmission schedule information and the slot allocation information to the new node on BEACON.
3-5) BEACON을 받은 새로운 노드는 자신의 슬롯 할당 여부와 전송 스케줄을 확인하여, 자신이 할당된 타임 슬롯에 데이터를 전송한다. 만약, 새로운 노드가 슬롯을 할당받지 못하면 다시 3-1) 과정을 반복한다.3-5) The new node receiving BEACON checks whether its slot is allocated and the transmission schedule, and transmits data in the time slot to which it is allocated. If a new node is not allocated a slot, repeat the process 3-1).
이처럼 본 발명은 새로운 노드가 진입할 수 있도록 새로운 노드 슬롯(New Node Slot)을 두고 최소의 전송전력으로 Hello 메시지를 인접 노드에만 전송하여 노드 진입을 알리는 방식을 취함으로써, 클러스터 진입을 위한 새로운 노드들 간 충돌을 줄이고 Hello 메시지를 전송하기 위한 전송전력을 최소화하고 인접 노드에만 메시지를 전송함으로써 전송거리를 줄여 Hello 메시지 전송에 따른 전파 지연을 최소화 할 수 있다. 따라서 본 발명은 전파 지연이 큰 수중 채널에서 특히 효율적으로 사용될 수 있다.As such, the present invention takes a new node slot so that a new node can enter, and transmits a Hello message to only neighboring nodes with a minimum transmission power to notify the node that the node has entered. By minimizing the collision between each other and minimizing the transmission power for transmitting Hello message and transmitting the message only to neighboring nodes, the transmission distance can be minimized by reducing the transmission distance. Therefore, the present invention can be used particularly efficiently in an underwater channel with a large propagation delay.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and various modifications, changes, and substitutions may be made by those skilled in the art without departing from the essential characteristics of the present invention. will be. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention and the accompanying drawings are not intended to limit the technical spirit of the present invention but to describe the present invention, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by the embodiments and the accompanying drawings. The protection scope of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the equivalent scope should be interpreted as being included in the scope of the present invention.
도 1은 본 발명에 따른 MA-TDMA의 초기화 단계 및 데이터 전송 단계를 보여주고 있다.1 shows an initialization step and a data transmission step of a MA-TDMA according to the present invention.
도 2는 본 발명에 따른 MA-TDMA의 슬롯 크기 결정 과정의 예를 보여주고 있다.2 shows an example of a slot size determination process of MA-TDMA according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따른 MA-TDMA의 RTTmax/K 값 도출 과정을 보여주고 있다.3 shows a process of deriving RTTmax / K value of MA-TDMA according to the present invention.
도 4는 수중 음향 네트워크를 위한 MAC 프로토콜 개념도이다.4 is a conceptual diagram of a MAC protocol for an underwater acoustic network.
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