KR101606408B1

KR101606408B1 - 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법

Info

Publication number: KR101606408B1
Application number: KR1020150064422A
Authority: KR
Inventors: 나인호; 왕유펭
Original assignee: 군산대학교산학협력단
Priority date: 2015-05-08
Filing date: 2015-05-08
Publication date: 2016-03-28

Abstract

본 발명은 항공 통신 네트워크(Aeronautical Communication Network, ACN)의 성능 측정방법에 관한 것으로, 송신 항공국과 수신 항공국 쌍에 대해, 스케줄된 송신-수신 항공국 활성쌍(active paris)을 선택하는 단계와, 선택한 상기 송신-수신 항공국 활성쌍에 대해, 수신된 SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio)이 설정된 임계치(β_th)보다 큰지를 확인하는 단계 및 상기 SINR이 임계치(β_th)보다 크면, 상기 송신-수신 항공국 활성쌍의 성공적인 동신 전송으로 판단하여 유효 그룹의 최대 수로서 항공 통신 네트워크 시스템 처리율(throughput)을 산출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

항공 통신 네트워크의 성능 측정방법{METHOD FOR MEASURING PERFORMANCE OF AERONAUTICAL COMMUNICATION NETWORKS}

본 발명은 항공 통신 네트워크(Aeronautical Communication Network, ACN)의 성능 측정방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 높은 처리율과 항공 애플리케이션(예를 들어, 항공 교통 관제(ATC), 항공 교통 관리(ATM) 동신 등)을 위한 통신 네트워크 등을 제공하기 위해, 단일-홉 및 2-홉 상의 항공 통신 네트워크에 대한 시스템 처리율 및 지연 성능을 측정할 수 있는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법에 관한 것이다.

신호 체계(signal processing)와 급격한 쾌속 조형(rapid prototyping)의 발전, 그리고 무선 연결성에 대한 소비자 수요의 증가는 항공 통신 네트워크(Aeronautical Communication Network, ACN)라는 데이터 서비스의 새로운 패러다임을 열었다.

NASA(National aeronautics and space administration), FAA(federal aviation administration), EUROCONTROL, 그리고 NEWSKY(networking the sky for civil aeronautical communications)는 모두 항공 플랫폼을 네트워크 인프라의 일부로 포함시키고 있다.

특히, 항공 스테이션(Aeronautical Atations, AS)은 비용 효율적인 데이터 네트워크를 제공하고, 이를 지상(ground)과 공중 노드(airborne nodes)에서 릴레이로 활용하는데 그 목적이 있다.

이러한 항공 스테이션은 상업용 항공기, 헬리콥터, 또는 저궤도 플랫폼 등을 사용할 수 있으며, 구체적으로, 무인 비행기, 고고도 플랫폼을 이용할 수 있다.

이러한 항공 통신 네트워크를 통해 지상 네트워크(ground networks), 기내 인터넷, 공공안전, 그리고 군사통신 서비스를 제공해 줄 수 있다.

항공 교통을 관제하는 미래의 무선 통신구조를 정의하기 위해, 미국과 EU에서는 잠재적 항공 통신 네트워크 기반 시스템에 대한 평가 프로젝트가 시작되었다. 특히, NASA의 ACAST(advanced CNS architectures and system technologies)는 기술평가와 네트워크 구조를 통해, 그리고 EU 연구진은 프로젝트 NEWSKY를 통해 형태를 잡아가고 있다.

이러한 종래 기술을 통하여, 네트워킹의 관점에서 항공 애드 혹 네트워킹을 갖춘 기내 인터넷이 논의되고 있으며, 기내 서비스를 제공하기 위해 항공 통신 네트워크 구조에서의 릴레이로서 항공 스테이션의 사용과 관련한 기술이 개발되고 있다.

예를 들어, 다중 홉(multi hop) 통신은 위성 통신에 비하여 비용면에서 효율적이고, 전송 지연에 대해 민감하게 작용될 수 있다.

상기와 같이, 항공 통신 네트워크를 사용하기 위한 기술들은 지속적으로 개발되고 있고, 항공 통신 네트워크의 증가에 따른 대규모 페이딩(fading) 또는 병목(bottleneck)으로 인한 연결성의 문제가 발생될 수도 있다.

따라서, 통신 네트워크의 시스템 성능을 향상시키기 위한 실제적인 해결책을 제시해야할 필요성이 증가하고 있는 실정이다.

1. (2008). Future aeronautical communication infrastructure technology in-vestigation. NASA-ACAST. [Online]. Available: http://acast.grc.nasa.-gov/main/projects/ 2. M. Schnell and S. Scalise, "NEWSKY -Concept for networking the SKY for civil aeronautical communications,"IEEE Aero. and Elect. Sys. Mag., vol. 22, no. 5, pp. 25-29, May 2007. 3. J. Lai, "Broadband wireless communication systems provided by commer-cial airplanes," U.S. Patents 6 285 878, Sept. 4, 2001. 4. E. Sakhaee and A. Jamalipour, "The global in-flight Internet,"IEEE J. Sel. Areas in Commun., vol. 24, pp. 1748-1757, Sept. 2006. 5. D. Medina et al., "Feasibility of an aeronautical mobile ad hoc net-work over the north atlantic corridor," in Proc. IEEE SECON, June 2008, pp. 109-116. 6. H. D. Tu and S. Shimamoto, "Aproposal for high air-traffic oceanic flight routes employing ad-hoc networks,"in Proc. IEEE WCNC, Art. 2009, pp. 1-6. 7. D. Medina et al., "Topology characterization of high density airspace aero-nautical ad hoc networks,"in Proc. IEEE MASS, Oct. 2008, pp. 295-304. 8. S. Plass et al., "The SANDRA communications concept-future aeronauti-cal communications by seamless networking,"in Proc. PSATS, Feb. 2011. 9. M. Iordanakis et al., "Ad-hoc routing protocol for aeronautical mobile,"in Proc. CSNDSP, vol. 6, July 2006. 10. M. Grossglauser and D. N. C. Tse, "Mobility increases the capacity of ad hoc wireless networks," IEEE Trans. Net., vol. 10, no. 4, pp. 477-486, Aug. 2002. 11. S. Cui et al., "Throughput scaling of wireless networks with random con-nections," IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 56, no. 8, pp. 3793-3806, Aug. 2010. 12. M. J. Neely and E. Modiano, "Capacity and delay tradeoffs for ad hoc mobile networks," IEEE Trans. Inf. Theory, vol. 51, no. 6, pp. 1917-1937, June 2005. 13. G. Sharma, R. Mazumdar, and B. Shroff, "Delay and capacity trade-offs in mobile ad hoc networks: A global perspective," IEEE Trans. Net., vol. 15, no. 5, pp. 981-992, Oct. 2007. 14. Y. Wang et al., "Delay-throughput trade-off with opportunistic relaying in wireless networks," in Proc. IEEE GLOBECOM, Dec. 2011. 15. Y. Wang, R. Sankar, and S. Morgera, "Adaptive rate transmission with opportunistic scheduling in wireless networks," IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 62, no. 3, Mar. 2013. 16. Y. Wang et al., "Buffer-aware adaptive scheduling for downlink multiuser systems," in Proc. IEEE PIMRC, Sept. 2013. 17. G. Wang et al., "Collision-tolerant media access control for asynchronous users over frequency-selective channels," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 12, pp. 5162-5171, Mar. 2013. 18. G. Wang, J. Wu, and Y. R. Zheng, "Cross-layer design of energy efficient coded ARQ systems," in Proc. IEEE GLOBECOM, Dec. 2012, pp. 2351-2355. 19. (2009) Flight statistics. Sivil Havacilik Genel Mudurlugu. [Online]. Avail-able: http://www.shgm.gov.tr 20. Y. Wang et al., "Throughput analysis in aeronautical data networks," in Proc. IEEE WAMICON, Apr. 2011. 21. Y. Wang et al., "Throughput and delay analysis in aeronautical data net-works," in Proc. ICNC, Jan. 2012. 22. E. Haas, "Aeronautical channel modeling," IEEE Trans. on Veh. Tech., vol. 51, no. 2, pp. 254-264, Mar. 2002. 23. D. Gross and C. M. Harris, Fundamentals of queueing theory. Wiley, John & Sons, 3rd ed., 1998.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 모델링된 항공 통신 네트워크에 있어서 단일-홉(single-hop) 및 2-홉(two-hop)에서의 시스템 처리율을 산출할 수 있는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법의 제공을 목적으로 한다.

본 발명에 따르면, 연결성(connectivity)에 대한 분석을 수행하고 2-홉에서의 지연 성능을 산출할 수 있는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법의 제공을 목적으로 한다.

그러나 본 발명의 목적은 상기에 언급된 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 다수의 송신(source) 항공국(Aeronautical Station)과 수신(destination) 항공국을 포함하는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법은 송신 항공국과 수신 항공국 쌍에 대해, 스케줄된 송신-수신 항공국 활성쌍(active paris)을 선택하는 단계와, 선택한 상기 송신-수신 항공국 활성쌍에 대해, 수신된 SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio)이 설정된 임계치(β_th)보다 큰지를 확인하는 단계 및 상기 SINR이 임계치(β_th)보다 크면, 상기 송신-수신 항공국 활성쌍의 성공적인 동신 전송으로 판단하여 유효 그룹의 최대 수로서 항공 통신 네트워크 시스템 처리율(throughput)을 산출하는 단계를 포함하고, 상기 SINR은 다음의 관계식으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서,

는 송신 i와 수신 j 사이의 채널 이득,

는 송신 k와 수신 j 사이의 채널 이득, P는 고정 송전 전력, 그리고 N_j는 수신 j에서 잡음 전력(noise power)을 나타낸다.

또한, 본 발명에 따른 다수의 송신(source) 항공국(Aeronautical Station), 릴레이(relay) 항공국과 수신(destination) 항공국을 포함하는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법은, 상기 송신 항공국과 릴레이 항공국 쌍에 대해, 스케줄된 송신-릴레이 항공국 활성쌍(active paris)을 선택하는 단계와, 선택한 상기 송신-릴레이 항공국 활성쌍에 대해, 수신된 SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio)이 설정된 임계치(β_th)보다 큰지를 확인하는 단계와, 상기 SINR이 임계치(β_th)보다 크면, 상기 송신-릴레이 항공국 활성쌍의 성공적인 동신 전송으로 판단하여 유효 그룹의 최대 수로서 제 1 시스템 처리율(throughput)을 산출하는 단계와, 상기 릴레이 항공국과 수신 항공국 쌍에 대해, 스케줄된 릴레이-수신 항공국 활성쌍을 선택하는 단계와, 선택한 상기 릴레이-수신 항공국 활성쌍에 대해, 수신된 SINR이 설정된 임계치(β_th)보다 큰지를 확인하는 단계 및 상기 SINR이 임계치(β_th)보다 크면, 상기 릴레이-수신 항공국 활성쌍의 성공적인 동신 전송으로 판단하여 유효 그룹의 최대 수로서 제 2 시스템 처리율을 산출하는 단계를 포함하고, 상기 SINR은 다음의 관계식으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기서,

는 송신 i와 수신 j 사이의 채널 이득,

또한, 본 발명에 따른 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법은, 상기 채널 이득(

)이 다음의 관계식으로 유도되는 것을 특징으로 한다.

여기서, X_i는 현재 타임 슬롯에서 노드 i의 위치를 나타내고, η는 경로 손실 지수(path loss exponent)를 나타낸다.

또한, 본 발명에 따른 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법은, 상기 유효 그룹의 최대 수가 다음의 관계식으로 나타내는 것을 특징으로 한다.

여기서, S₁은 스케줄링 정책에 기초하여 선택된 활성 노드 그룹을 나타낸다.

여기서,

이고,

이며, S₂는 스케줄링 정책에 근거하여 선택된 활성 노드를 포함하는 그룹을 나타낸다.

또한, 본 발명에 따른 다수의 송신(source) 항공국(Aeronautical Station), 릴레이(relay) 항공국과 수신(destination) 항공국을 포함하는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법은, 상기 송신 항공국으로부터 상기 릴레이 항공국으로의 제 1 패킷 평균 수를 이용하여 제 1 지연을 산출하는 단계와, 상기 릴레이 항공국으로부터 상기 송신 항공국으로의 제 2 패킷 평균 수를 이용하여 제 2 지연을 산출하는 단계 및 상기 제 1 지연 및 제 2 지연을 합하여 총 지연을 산출하는 단계를 포함하고, 상기 제 1 패킷 평균 수는 다음의 관계식으로 유도되고,

여기서, λ는 도착률(arrival rate), μ는 출발률(departure rate),

는 트래픽 밀도(traffic intensity)를 나타낸다. 또한, 상기 제 2 패킷 평균 수는 다음의 관계식으로 유도되는 것을 특징으로 한다.

여기서,

는 도착률,

는 출발률을 나타낸다.

또한, 본 발명에 따른 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법은, 상기 제 1 지연이 다음의 관계식을 통해 산출되고

(0＜ρ ＜1),

상기 제 2 지연은 다음의 관계식을 통해 산출하는 것을 특징으로 한다.

.

아울러, 본 발명에 따른 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법은 상기 총 지연이 다음의 관계식을 통해 산출하는 것을 특징으로 한다.

.

본 발명의 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법에 따르면, 단일-홉(single-hop) 및 2-홉(two-hop)에서의 시스템 처리율 및 지연 성능을 분석하고, 이를 이용하여 연결성(connectivity)에 대한 분석도 수행할 수 있는 특징이 있다.

도 1은 항공 기하학(aeronautical geometry)과 연결성(connectivity)을 예시적으로 나타내는 그래프이다.
도 2의 (a)는 본 발명에 따른 단일-홉 모델을 포함하는 항공 통신 네트워크(ACN)의 구조를 나타내는 구성도이고, (b)는 2-홉 모델을 포함하는 항공 통신 네트워크의 구조를 나타내는 구성도이다.
도 3 내지 도 5는, 본 발명에 따른 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은, 본 발명에 따른 단일-홉 모델에서 시스템 처리율을 나타내는 그래프이다.
도 7은, 본 발명에 따른 2-홉 모델에서 시스템 처리율을 나타내는 그래프이다.
도 8은, 본 발명에 따른 지연 성능을 나타내는 그래프이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예의 상세한 설명은 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

도 1은 항공 기하학(aeronautical geometry)과 연결성(connectivity)을 예시적으로 나타내는 그래프이다.

일반적으로 항공 기하학 및 연결성 분석은 모바일 애드 혹 네트워크(MANET)와 같은 항공 통신 네트워크(Aeronautical Communication Network, ACN)의 분석 및 조사를 위해 제공될 수 있다. 먼저, 두 개의 항공국(Aeronautical Station, AS)의 고도 (h₁, h₂) 사이의 기하학적 관계의 평가를 한다.

고도는 항상 해수면과 관련될 수 있고, 두 항공국 사이의 가시선(line-of-sight, LOS) 통신 거리(프레넬(Fresnel)과 다른 파라미터를 고려하지 않음)는 다음과 같이 피타고라스 정리를 사용하여 계산될 수 있다.

여기서, R은 [6336 km, 6399 km] 사이에서의 지구의 반경이지만, 일반적으로 6370km로 설정할 수 있고, 상기 수식은 GS(ground station)(h₁ = 0)와 AS(aeronautical station)(h₂)가 해수면인 경우에만 유효하다.

스테이션 중 하나가 해수면 보다 위인 배치도 또한 수용될 필요가 있고, 이 경우, 상기 식은 통신 거리를 산출하기 위한 추가 단계가 필요할 수 있다.

특히, 높이의 다양한 조건을 시뮬레이션하여 보다 정확한 거리 측정을 제공하기 위해 국제 전기 통신 연합 (ITU)은 다음과 같이 통계적 계수 'K'를 적용하였다.

송신기와 수신기 사이의 신뢰성 있는 링크를 설계를 위해, 계수 k는 1 미만으로 설정될 수 있다.

도 1의 (a)에서는 AS 고도가 0-9㎞(9㎞는 상업용 비행기의 전형적인 고도값) 사이에서 변경되는 동안, GS와 AS 사이 및 두 개의 AS 사이에서 달성할 수 있는 최대 통신 거리를 나타내고 있다.

9㎞의 고도에서 비행하는 많은 상업용 비행기는 매우 보수적인 접근(k = 0.5)을 통해 약 D = 250㎞의 잠재적인 통신 영역을 만들 수 있고, 두 개의 AS사이의 통신 거리, K = 1/2에서 D = 480㎞까지 도달할 수 있을 것을 예측할 수 있다. 도 1(a)에서는, 지상 무선 백홀(backhaul)과 비교하여 장거리 통신 기능을 갖고 있기 때문에, AS가 무선 인프라스트럭처에 대한 백홀(backhaul) 또는 릴레이(relay)로 사용될 수 있을 것으로 예상할 수 있다.

위성에 비하여 낮은 고도를 유지하기 때문에, 항공 통신 네트워크는 낮은 라운드 트립 지연이 있을 것이 명백하고, 이것은 낮은 전화 및 음성 지연이 발생 될 수 있다.

본 발명에 따른 항공 통신 네트워크 구조에 따르면, 항공국(AS)에서 제공하는 서비스는 항상 강하게 적용되고, 지상국(GS)을 사용할 수 없는 곳에서 애드-혹(ad-hoc) 네트워크를 형성할 수 있다.

상업용 항공기 응용의 경우, 항공국(AS)에 대한 연결 분석이 예를 들어, 제시되고, 도착/출발 비율과 터키의 각 공항에 대한 데이터에 따라 주어진 시간 순간에 하늘에 최소 20개의 항공기가 있다는 것으로 계산하였다. 터키의 영토는 보수적인 접근법을 사용해 길이 1600㎞, 폭 800㎞이며, 비행기들이 영토 내에서 포아송 분포를 갖추고 있다고 가정할 때, 서로 다른 통신 거리들(D)에 대한 확률적 접근법을 도 1의 (b)를 통해 나타내었다.

도 2의 (a)는 본 발명에 따른 단일-홉 모델을 포함하는 항공 통신 네트워크(ACN)의 구조를 나타내는 구성도이고, (b)는 2-홉 모델을 포함하는 항공 통신 네트워크의 구조를 나타내는 구성도이다.

도면에 나타낸 바와 같이, 모바일 애드 혹 네트워크로서 항공 통신 네트워크(ACN)를 모델링 할 수 있다. 지상 기지국들과 통신을 수행하는 대신에, 항공국이 데이터를 송신(소스(sources)) 또는 수신(목적지(destinations))할 수 있는 애드 혹 노드로 이용될 수 있다.

도 2의 (a)에서와 같이, 단일-홉 모델에서는 송신 항공국는 어떠한 릴레이 항공국의 도움없이 수신 항공국과 직접 통신할 수 있다. 또한, 도 2의 (b)에서와 같이, 2-홉 모델에서는, 복호 후 전송(decode-and-forward) 통신 프로토콜을 고려하는 것으로, 송신 항공국은 중간 릴레이 항공국의 도움을 통해 수신 항공국과 통신을 수행할 수 있다.

두 모델의 스케줄링 방법(scheduling method)은 가장 가까운 이웃 전송을 기초로 할 수 있다. 단일-홉에서, 송신 항공국과 수신 항공국이 서로 근접해 있을 경우, 송신 항공국은 그들의 수신 항공국과 통신을 수행할 수 있다.

또한, 2-홉에서, 송신, 릴레이 및 수신 항공국이 근접해 있을 경우, 송신 항공국은 릴레이 항공국과 통신하고, 릴레이 항공국은 수신 항공국들과 통신을 수행할 수 있다.

모든 타임슬롯과 노드들은 네트워크를 통해 독립적이고 동일하게 새로운 위치로 이동할 수 있고, 통신 영역과 단일 사용자 디코딩 구조에서 고정 전송 속도를 고려할 수 있다.

따라서, 다중 동시 전송 및 노이즈로부터 간섭은 신호대 간섭 플러스 잡음비(SINR, signal-to-interference-plus-noise ratio) 모델이 적용되고, 다음 식 1에서와 같이, 고정 전송 속도에서 수신된 SINR이 임계치 β_th보다 크면, 노드 i로부터 노드 j 까지의 전송은 성공이라고 판단할 수 있다.

[식 1]

여기서,

은 송신기 i와 수신기 j 사이의 채널 이득을 나타내고,

은 송신기 k와 수신기 j 사이의 채널 이득을 나타낸다. 또한 P는 고정 송전 전력, Nj는 수신기 j에서 잡음 전력(noise power)을 나타낸다.

채널 이득은

로 주어질 수 있고, 여기서 X_i는 현재 타임 슬롯에서 노드 i의 위치를 나타내고, η는 경로 손실 지수(path loss exponent)이다.

확산 모델로서 2-홉 모델이 항공 통신 네트워크에서 자유 공간에 가깝기 때문에, η=2로 가정할 수 있다.

섀넌의 방정식(Shannon's equation)

에 따른 전송 속도 R에 의해 SINR 임계치 β_th가 결정될 수 있다. 따라서, 최대 항공 통신 네트워크의 시스템 처리율과 동시 성공 전송의 최대 수를 찾는 것은 동일한 방식으로 이루어질 수 있다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명에 따른 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법을 설명한다. 이러한 항공 통신 네트워크의 성능, 예를 들어 시스템 처리율 및 지연 성능의 측정 및 분석은 컴퓨터를 통해 수행되거나 컴퓨터에서 실행 가능한 별도의 알고리즘을 통해 수행될 수 있다.

도 3 내지 도 5는 본 발명에 따른 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법을 나타내는 흐름도이다.

도 3은 단일-홉 통신에 대한 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법을 나타내는 흐름도로, 본 발명에 따른 항공 통신 네트워크는 도 2의 (a)에 나타낸 바와 같이, 다수의 송신(source) 항공국(Aeronautical Station)과 수신(destination) 항공국을 포함할 수 있다.

이러한, 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법은 먼저, 송신 항공국과 수신 항공국 쌍에 대해, 스케줄된 송신-수신 항공국 활성쌍(active paris)을 선택하고(S101), 선택한 각각의 송신-수신 항공국 활성쌍에 대해, 수신된 SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio)이 설정된 임계치(β_th)보다 큰지를 확인한다(S102).

이때, SINR이 임계치(β_th)보다 크다고 확인되면 송신-수신 항공국 활성쌍의 성공적인 동신 전송이 이루어졌다고 판단하여(S103), 유효 그룹의 최대 수로서 항공 통신 네트워크 시스템 처리율(throughput)을 산출한다(S104).

상기와 같은 단일-홉 통신에 대한 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법을 보다 구체적으로 설명하면 아래와 같다.

먼저 단일-홉(1-홉) 항공 통신 네트워크에 대한 처리율 상계(upper bound)의 해석적 유도를 제시할 수 있다. 이 해석적 유도를 위해, 동시 성공한 최대 전송수를 확인할 수 있도록 잘 알려진 genie-aided 방식을 사용할 수 있다.

동시 성공한 전송의 개념은 기회적 스케줄링(opportunistic scheduling)을 위한 무선 애드 혹 네트워크에서 시스템 처리율을 계산하는데 사용될 수 있다. 지니 방식(genie scheme)은 기본적으로 2단계로 구성될 수 있다.

먼저, 전송을 위해 스케줄된 송신-수신 활성쌍(p)(1≤p≤n)을 선택하고, 각 선택에 대해, 모든 수신된 SINR들이 임계치(β_th)보다 크면, 동시 전송은 성공한 것으로 방식을 테스트할 수 있다.

각 선택에 대해, 동시 전송(p)이 성공이면, 유효 그룹으로 현재 선택을 호출한다. 이때, 송신-수신 쌍(n)을 포함하는 네트워크에서, 송신-수신 활성쌍(p)의 선택에는 여러 가지 방법

이 있다.

이러한 동시 송신-수신 쌍(p)이 모두 성공인 유효 그룹의 총 수로서 X(p)를 정의할 수 있다. 따라서, 적어도 동시 전송(p)을 성공으로 하기 위해는 X(p)≥1의 조건을 만족할 수 있다.

이를 통해, 다음의 관계식 2를 나타낼 수 있다.

[식 2]

여기서, S₁은 스케줄링 정책에 기초하여, 선택된 활성 노드 그룹을 나타낸다.

마르코프 부등식에 의한

에서와 같이, 상계를 나타내는 항을

로 하고 선형 기대 속성 및 노드의 SINR에 기인하면, 다음과 같이, 독립적이고 동일한 분포(i.i.d, Independently and Identically Distributed)를 따르는 식 3으로 나타낼 수 있다.

[식 3]

또한, 해당 항

으로 상계를 더 지정할 수 있다.

이를 간소화하여,

로 기재할 수 있고, 다른 모든 스케줄된 동시 전송(p-1)으로부터 간섭은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

따라서, 확률 항이 기재되고 다음과 같이 상계가 지정될 수 있다.

[식 4]

여기서, ₁과

는

의 유한 평균 및 분산을 나타낸다.

식(4)는 다음의 편향된 체비셰프 부등식(Chebyshev inequality)

에 근거한다.

식 (4)에서 fu(u)로 표현된 간섭의 분포에 대해 근사법을 적용할 수 있고, 스케일링과 관련하여, 다음과 같이 상계를 지정할 수 있다.

[식 5]

여기서, C₁은 상수이고,β_th, μ₁ 및 σ₁의 값에 의해 지정된다.

식 (3) 및 (5)을 결합하여 다음과 같이 얻을 수 있다.

[식 6]

지니 방식에 따르면, ε＞1일 때

를 통해 p의 값을 설정할 수 있고, Pr[X(p)1]은 0으로 수렴하고 있으면, 이는 성공적인 동시 전송(p)을 포함하는 유효 그룹이 없다는 것을 의미한다.

은 1-홉 ACN 시스템 처리율의 상계와 동일하게 정의될 수 있다.

도 4는 2-홉 통신에 대한 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법을 나타내는 흐름도로, 본 발명에 따른 항공 통신 네트워크는 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 다수의 송신(source) 항공국(Aeronautical Station), 릴레이(relay) 항공국과 수신(destination) 항공국을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 2-홉 통신에 대한 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법은 먼저, 송신 항공국과 릴레이 항공국 쌍에 대해, 스케줄된 송신-릴레이 항공국 활성쌍(active paris)을 선택하고(S201), 이후, 선택한 각각의 송신-릴레이 항공국 활성쌍에 대해, 수신된 SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio)이 설정된 임계치(β_th)보다 큰지를 확인한다(S202).

여기서, 각 SINR이 설정된 임계치(β_th)보다 크면, 해당 송신-릴레이 항공국 활성쌍에 대해 성공적인 동신 전송으로 판단하여(S203), 유효 그룹의 최대 수로서 제 1 시스템 처리율(throughput)을 산출한다(S204).

이후, 송신 항공국과 동시 전송이 이루어진 릴레이 항공국에 대하여 이 릴레이 항공국과 수신 항공국 쌍에 대해, 스케줄된 릴레이-수신 항공국 활성쌍을 선택한다(S205). 동일한 방식으로 각 SINR과 임계치를 확인(S206)한 다음 릴레이-수신 항공국 활성쌍의 성공적인 동신 전송을 판단하여(S207), 유효 그룹의 최대 수로서 릴레이 항공국과 목적지로서 수신 항공국에 대한 제 2 시스템 처리율을 산출한다(S208).

상기와 같은 2-홉 통신에 대한 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법을 보다 구체적으로 설명하면 아래와 같다.

2-홉 항공 통신 네트워크(ACN)의 구조에 대한 시스템 처리율의 상계를 지정할 수 있다. 1-홉 통신에서와 동일하게, 2-홉 처리율 상계를 찾기 위해 genie-aided 방식을 사용하였다.

송신-수신 쌍(n)과 릴레이(m)로 이루어지는 네트워크에 대해, 제 1 홉에서, 활성 송신-릴레이 쌍(S-R)의 선택(q)(1≤q≤m))dp는 여러 가지 방법

이 있다.

또한, 각 송신이 어떤 릴레이에 의해 스케줄 될 수 있어, 각 선택된 송신-릴레이 활성쌍(q)에 대해, 송신-릴레이 쌍을 연결하는 다른 방법(q!)이 있다.

따라서, 이전 단계에서 송신-릴레이 활성쌍을 선택하는 다른 방법

이 제시될 수 있다.

모든 동시 성공인 송신-릴레이 활성쌍(q)은 유효 그룹의 총 수 Y(m)으로 정의될 수 있다. 성공한 동시 전송(q)을 만족하기 위해서, 적어도 Y(q)≥1로 나타낼 수 있다.

이를 통해, 다음의 관계식을 나타낼 수 있다.

[식 7]

여기서,

이고,

이며, 스케줄링 정책에 근거하여, S₂는 선택된 활성 노드를 포함하는 그룹이다.

단일-홉에서의 계산과 동일하게, 먼저 다음과 같이 항

의 상계를 지정할 수 있다.

[식 8]

여기에서, 상기 식 (8)은 마르코프 부등식에 의해 이루어지고, 다음의 식 (9)는 선형 기대 속성에 기인하여, 노드의 SINR는 독립적이고 동일한 분포(i.i.d, Independently and Identically Distributed)를 따르도록 할 수 있다.

[식 9]

그리고, 해당 항

의 상계를 지정하였다.

간소화를 위해,

및

와 같은 모든 다른 스케줄된 동시 전송(q-1)으로부터 간섭을 나타낼 수 있다.

또한, 다음과 같이 확률 항(probability term)이 기재되고 상계가 지정될 수 있다.

[식 10]

여기서, μ₂와

는

의 유한 평균 및 분산을 나타내고, 상기 식 (10)은 편향된 체비셰프 부등식(Chebyshev inequality)

에 근거한다.

식 (10)에서 fv(v)로 칭해진 간섭의 분포에 대해, 식 (9)에서와 같이 근사화 방법을 적용할 수 있다.

스켈링(scaling)에 관하여 다음과 같이 식 (10)의 상계를 지정할 수 있다.

[식 11]

여기서, C₂는 β_th,μ₂ 및 σ₂ 에 의해 결정된 상수이다. 다시 식 (9)와 및 (11)을 결합하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[식 12]

지니 방식에 따르면, q의 값은

(

)를 통해 설정되고, 항 Pr[(Y(q)≥1]이 0으로 수렴하는 경우, 성공적인 동시 전송(

)을 포함하는 유효 그룹이 없다는 것을 의미할 수 있다.

또한,

은 2-홉 항공 통신 네트워크 시스템 처리율에 대한 처리율 상계를 나타내고, 이는 1-홉 통신과 동등하다.

이후, 제 2 홉에서 시스템 처리율(릴레이-수신 항공국에 대한 시스템 처리율)은 제 1홉과 동일하여 상세한 설명은 생략한다.

도 5는 2-홉 통신에 대한 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법에서 지연 성능을 측정하는 방법을 나타내는 흐름도로, 본 발명에 따른 항공 통신 네트워크는 도 2의 (b)에 나타낸 바와 같이, 다수의 송신(source) 항공국(Aeronautical Station), 릴레이(relay) 항공국과 수신(destination) 항공국을 포함할 수 있다.

본 발명에 따른 2-홉 통신에 대한 지연 성능을 측정하는 방법은 먼저, 송신 항공국으로부터 릴레이 항공국으로의 제 1 패킷 평균 수를 이용하여 제 1 지연을 산출하고(S301), 또한, 릴레이 항공국으로부터 송신 항공국으로의 제 2 패킷 평균 수를 이용하여 제 2 지연을 산출한(S302) 후, 제 1 지연 및 제 2 지연을 합하여 총 지연을 산출(S303)하는 단계를 포함하여 구성될 수 있다.

상기와 같은 2-홉 통신에 대한 지연 성능의 측정방법은 다음과 같다.

2-홉 통신 모델에서는 단일-홉 통신 모델과 비교하여 높은 처리율을 달성할 수 있는 특징이 있다. 그러나, 2-홉 모델에서는 송신 노드로부터 전송된 패킷이 수신 노드에 도달할 때까지 릴레이에서 버퍼링되어지기 때문에, 지연문제가 더 두드러질 수 있어, 2-홉 모델에 대한 지연 성능을 특성화할 필요가 있다.

2-홉 통신에서 엔드-투-엔드(end-to-end) 평균 지연은 패킷에 대한 송신 항공국에서 생성과 지정된 수신 항공국에 도착하기까지 시간을 나타낼 수 있다.

2-홉 모델의 경우, 지연 Delay = D₁+D₂로, 2 파트로 표현될 수 있고, 여기서 D₁ 및 D₂는 각각 제 1 홉에서의 지연(송신 항공국으로부터 릴레이 항공국에 전송된 패킷에 대한 시간)과 제 2 홉에서의 지연(릴레이 항공국로부터 대응하는 수신 항공국을 향한 패킷에 대한 시간)을 나타낸다

패킷이 수신 항공국으로 전달되기 전에 릴레이에서 버퍼링 되어지기 때문에, 릴레이의 버퍼에서 잠재적인 다수의 큐(queue)가 존재할 수 있다. 이러한 이유로, 지연 성능을 얻기 위한 큐잉 시스템(queueing system)을 제시할 수 있다.

송신 항공국에서 패킷 도착 프로세스는 도착률(arrival rate) λ를 가지는 마르코프 프로세스(Markov process)이고, 서비스는 출발률(departure rate) μ을 가지는 베르누이 분포(Bernoulli distribution)를 가지는 것으로 가정한다.

또한, 릴레이 항공국으로 제공될 잠재적 노드 (n-2)가 존재할 수 있기 때문에, 송신 항공국의 출력으로부터 제 1 릴레이 항공국으로 전송될 소정의 패킷에 대한 확률은 다음과 같다.

μ = 1/(n-2)

이러한 큐잉 모델에 대한 결과로, 다음과 같이 송신 항공국에서 패킷의 평균수를 구할 수 있다.

[식 13]

여기서,

는 트래픽 밀도(traffic intensity)를 나타낸다. 안정적인 큐 시스템을 보장하기 위해, 도착률이 서비스율보다 더 작도록 설정될 수 있다(

).

이후 리틀의 정리(Littles Theorem)로부터, 제 1 홉에서 지연은 다음과 같이 유도될 수 있다.

[식 14]

제 2 홉에서,

의 값을 가지는 릴레이 항공국에 패킷이 도착하고, 잠재적인 릴레이 항공국(n-2)로 인하여 송신 노드의 출력으로부터 제 1 릴레이 노드에 전송될 소정의 패킷은 1/(n-2)가 된다.

패킷이 릴레이 항공국으로부터 송신 항공국(n) 외의 지정된 수신 항공국을 향하게 되어, 릴레이 항공국은

의 확률을 가지는 수신 항공국에 잠재적인 패킷 전송을 위해 스케줄링 될 수 있다.

제 2 홉의 경우, 패킷 도착 및 출발 기회는 릴레이 항공국에서의 서로 독립된 이벤트이고, 릴레이 항공국에서의 큐 사용을 위해 이산 시간 마르코프 체인(discrete time Markov chain)을 따르도록 한다.

따라서, 큐잉 시스템은 단순한 출생-사망 체인(birth-death chain)으로 모델링 될 수 있고,

의 도착률 및

의 출발률을 포함하는 M/M/1 모델과 유사하게 나타낼 수 있다.

따라서, 다음과 같이 릴레이 항공국에서 패킷의 평균수를 구할 수 있다.

[식 15]

유사하게, 리틀의 정리(Little's Theorem)에 근거한 제 2 홉에서의 지연은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

[식 16]

따라서, 2-홉 항공 통신 네트워크(ACN)에서 총 지연은 다음과 나타낼 수 있다.

[식 17]

상기와 같은 폐형(closed-form) 방정식은 항공국 노드(n)의 수에 따라 평균 엔드-투-엔드 지연이 증가하는 것을 의미할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 단일-홉 모델에서 시스템 처리율을 예시적으로 나타내는 그래프이다. 도 6의 (a)는 다양한 노드(n) 수에 대해 단일-홉 시스템 처리율 대 동시 전송의 수를 나타낸다.

성공적인 동시 전송의 수는 초기에 증가되는 것이 관찰되지만, 일정 수 이후에는 감소하기 시작한다. 이것은 동시 전송을 증가시키는 것은 간섭의 수를 증가시키게 되어, 간섭이 지배적인 후 즉, 임계를 초과한 후에는 성공 전송을 감소시키기 시작한다.

도 6의 (b)는 단일-홉 시스템 처리율과 그것의 이론적 상계 대 노드 수를 나타낸다. 노드(n)의 다른 수와 관련하여, 시스템 처리율은 동시 전송의 대응하는 최적의 수로 얻어질 수 있다. 도면에 나타낸 커브는 로그-로그 스케일로 표현되어 있고, 1/3의 슬로프를 가지고 있다.

또한, 처리율과 노드 수 사이의 관계는

로 제공될 수 있다.

항공국은 독립적이 동일한 분포라는 조건하에서,

스케일링 및 계수의 상수값 C₁으로, 상계가 타이트하게 지정될 수 있을 것으로 예상된다.

도 7은 본 발명에 따른 2-홉 모델에서 시스템 처리율을 예시적으로 나타내는 그래프이다. 도 7의 (a)는 다양한 항공국(n)의 수에 대해, 2-홉 시스템 처리율 대 동시 전송의 수를 나타낸다. 성공적인 동시 전송의 수는 초기에 증가되고 있으나, 일정 수 이후에는 감소하기 시작한다. 이것은 동시 전송의 수가 증가되면 간섭의 수가 증가되고, 간섭이 지배적인 후(임계를 초과한 후)에 성공 전송이 감소하기 시작하는 것을 나타낸다.

도 7의 (b)는 2-홉 시스템 처리율과 그것의 이론적 상계 대 노드 수를 나타낸다. 다른 노드(n)의 수에 대해, 시스템 처리율은 동시 전송의 대응하는 최적의 수로 시스템 처리율은 동시 전송의 대응하는 최적의 수로 얻어질 수 있다.

도면에 나타낸 커브는 로그-로그 스케일로 표현되어 있고, 1/2의 슬로프를 가지고 있다. 또한, 처리율과 노드 수 사이의 관계는

로 제공될 수 있다.

도 8은 본 발명에 따른 지연 성능을 예시적으로 나타내는 그래프로, 서로 다른 트래픽 강도 값을 포함하는 2-홉 통신에서의 평균 엔드-투-엔드(end-to-end) 지연을 나타낸다.

도면에서 트래픽 강도(ρ)는 0.2, 0.5 및 0.8로 나타내었다. 도면에 나타낸 바와 같이, 트래픽 강도 사이의 비교를 통해, 큰 트래픽 강도가 지연을 증가시키고 있다는 것을 확인할 수 있다.

상기 본 발명의 내용은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

다수의 송신(source) 항공국(Aeronautical Station)과 수신(destination) 항공국을 포함하는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법에 있어서,
송신 항공국과 수신 항공국 쌍에 대해, 스케줄된 송신-수신 항공국 활성쌍(active paris)을 선택하는 단계;
선택한 상기 송신-수신 항공국 활성쌍에 대해, 수신된 SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio)이 설정된 임계치(β_th)보다 큰지를 확인하는 단계; 및
상기 SINR이 임계치(β_th)보다 크면, 상기 송신-수신 항공국 활성쌍의 성공적인 동신 전송으로 판단하여 유효 그룹의 최대 수로서 항공 통신 네트워크 시스템 처리율(throughput)을 산출하는 단계;를 포함하고,
상기 SINR은 다음의 관계식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법

.
(여기서,
는 송신 i와 수신 j 사이의 채널 이득,
는 송신 k와 수신 j 사이의 채널 이득, P는 고정 송전 전력, 그리고 N_j는 수신 j에서 잡음 전력(noise power)을 나타냄)
다수의 송신(source) 항공국(Aeronautical Station), 릴레이(relay) 항공국과 수신(destination) 항공국을 포함하는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법에 있어서,
상기 송신 항공국과 릴레이 항공국 쌍에 대해, 스케줄된 송신-릴레이 항공국 활성쌍(active paris)을 선택하는 단계;
선택한 상기 송신-릴레이 항공국 활성쌍에 대해, 수신된 SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio)이 설정된 임계치(β_th)보다 큰지를 확인하는 단계;
상기 SINR이 임계치(β_th)보다 크면, 상기 송신-릴레이 항공국 활성쌍의 성공적인 동신 전송으로 판단하여 유효 그룹의 최대 수로서 제 1 시스템 처리율(throughput)을 산출하는 단계;
상기 릴레이 항공국과 수신 항공국 쌍에 대해, 스케줄된 릴레이-수신 항공국 활성쌍을 선택하는 단계;
선택한 상기 릴레이-수신 항공국 활성쌍에 대해, 수신된 SINR이 설정된 임계치(β_th)보다 큰지를 확인하는 단계; 및
상기 SINR이 임계치(β_th)보다 크면, 상기 릴레이-수신 항공국 활성쌍의 성공적인 동신 전송으로 판단하여 유효 그룹의 최대 수로서 제 2 시스템 처리율을 산출하는 단계;를 포함하고,
상기 SINR은 다음의 관계식으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법

.
(여기서,
는 송신 i와 수신 j 사이의 채널 이득,
는 송신 k와 수신 j 사이의 채널 이득, P는 고정 송전 전력, 그리고 N_j는 수신 j에서 잡음 전력(noise power)을 나타냄)
제 1 항 및 제 2 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 채널 이득(
)은 다음의 관계식으로 표현되는 것을 특징으로 하는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법

.
(여기서, Xi는 현재 타임 슬롯에서 노드 i의 위치를 나타내고, η는 경로 손실 지수(path loss exponent)를 나타냄)
제 1 항에 있어서,
상기 유효 그룹의 최대 수는 다음의 관계식으로 나타내는 것을 특징으로 하는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법

.
(여기서, S₁은 스케줄링 정책에 기초하여 선택된 활성 노드 그룹을 나타냄)
제 2 항에 있어서,
상기 유효 그룹의 최대 수는 다음의 관계식으로 나타내는 것을 특징으로 하는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법

.
(여기서,
이고,
이며, S₂는 스케줄링 정책에 근거하여 선택된 활성 노드를 포함하는 그룹을 나타냄)
다수의 송신(source) 항공국(Aeronautical Station), 릴레이(relay) 항공국과 수신(destination) 항공국을 포함하는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법에 있어서,
상기 송신 항공국으로부터 상기 릴레이 항공국으로의 제 1 패킷 평균 수를 이용하여 제 1 지연을 산출하는 단계;
상기 릴레이 항공국으로부터 상기 송신 항공국으로의 제 2 패킷 평균 수를 이용하여 제 2 지연을 산출하는 단계; 및
상기 제 1 지연 및 제 2 지연을 합하여 총 지연을 산출하는 단계;를 포함하고,
상기 제 1 패킷 평균 수는 다음의 관계식

(여기서, λ는 도착률(arrival rate), μ는 출발률(departure rate),
는 트래픽 밀도(traffic intensity)를 나타냄)
으로 나타내며,
상기 제 2 패킷 평균 수는 다음의 관계식

(여기서,
는 도착률,
는 출발률을 나타냄)
으로 나타내는 것을 특징으로 하는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법.
제 6 항에 있어서,
상기 제 1 지연은 다음의 관계식을 통해 산출하는 것을 특징으로 하는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법

.
(여기서, 0＜ρ ＜1)
제 6 항에 있어서,
상기 제 2 지연은 다음의 관계식을 통해 산출하는 것을 특징으로 하는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법

.
제 6 항에 있어서,
상기 총 지연은 다음의 관계식을 통해 산출하는 것을 특징으로 하는 항공 통신 네트워크의 성능 측정방법

.