KR101638085B1 - Gaodv 기반 다중-홉 선박 통신망에서 라우팅 오버헤드 감소를 위한 라우팅 경로 설정 방법 - Google Patents

Gaodv 기반 다중-홉 선박 통신망에서 라우팅 오버헤드 감소를 위한 라우팅 경로 설정 방법 Download PDF

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강충구
이준만
조구민
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호서대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 GAODV 기반 다중-홉 선박 통신망에서 라우팅 오버헤드 감소를 위한 라우팅 경로 설정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중-홉 해양통신망에서 종단간에 어떤 노드들을 경유하여 목적지까지 메시지를 전달하는지 경로를 사전에 설정해야 하며, 이 경로 탐색 과정에서 사용되는 제어 메지지 전달에 소요되는 자원 낭비를 최소화 시킬 수 있는 GAODV 기반 다중-홉 선박 통신망에서 라우팅 오버헤드 감소를 위한 라우팅 경로 설정 방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, 각 선박이 자신의 위치와 주변에 존재하는 선박국의 밀도를 추정하여 라우팅 메시지를 인접 홉 영역으로 전달할 때 중계 영역의 크기와 라우팅 성공 확률간의 관계를 수학적으로 분석하고, 분석 결과를 토대로 라우팅 성공 확률을 일정 이상으로 보장하기 위한 중계 영역의 크기를 계산하여 인접 홉 영역으로 전송하고 중계 영역 내 노드들만 중계에 참여하도록 제한함으로써, 기존에 메시지를 수신한 모든 노드들이 라우팅 메시지를 중계하는 AODV 라우팅에 비해 상당한 라우팅 오버헤드가 감소되는 효과가 있다.

Description

GAODV 기반 다중-홉 선박 통신망에서 라우팅 오버헤드 감소를 위한 라우팅 경로 설정 방법{routing method for routing overhead reducing in multi hop ship network based GAODV}
본 발명은 GAODV 기반 다중-홉 선박 통신망에서 라우팅 오버헤드 감소를 위한 라우팅 경로 설정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다중-홉 해양통신망에서 종단간에 어떤 노드들을 경유하여 목적지까지 메시지를 전달하는지 경로를 사전에 설정해야 하며, 이 경로 탐색 과정에서 사용되는 제어 메지지 전달에 소요되는 자원 낭비를 최소화 시킬 수 있는 GAODV 기반 다중-홉 선박 통신망에서 라우팅 오버헤드 감소를 위한 라우팅 경로 설정 방법에 관한 것이다.
VHF 대역을 이용한 해상 데이터 통신의 수요가 증가함에 따라 ITU-R에서는 ITU-R M. 1842-1을 통해 데이터 통신을 위한 새로운 VHF 대역 통신시스템에 대한 권고사항을 제시하였다. VHF 대역 데이터 통신망은 AIS(Automatic Identification System)와 호환성을 유지할 것을 권고함에 따라, 30km 내외의 통신 커버리지를 갖는 VHF 해양통신망에서 육상기지국과 선박간에 연결성을 보장하기 위한 선박간 애드혹 네트워크(Ship Ad-hoc NETwork: SANET)에 대한 연구가 진행되고 있다.
가. 다중-홉 해양통신망을 위한 ASO-TDMA MAC 프로토콜
AIS는 1분을 기본 단위로 하는 프레임을 정의하며, 하나의 프레임은 2250개의 시분할 슬롯으로 구성된다. AIS 선박들은 각 프레임 내에 존재하는 빈 슬롯들을 탐색하여 전송의 목적에 따라 서로 다른 4개의 MAC 프로토콜(Random Access TDMA, Incremental TDMA, Fixed Access TDMA, Self-organizing TDMA) 중에서 하나를 선택하여 정보를 전송하며, ASO-TDMA는 SO-TDMA를 기반으로 다중-홉 통신을 지원하기 위해 제안된 프로토콜이다.
SO-TDMA는 선박이 주기적으로 자신의 위치 및 항행 정보를 주변에 알릴 때 사용되는 MAC 프로토콜로서, 한번 자원을 획득하면 다수의 주기 동안 경쟁 없이 사용할 수 있는 예약 기능이 존재하며, 이때 트래픽이 주기적으로 발생하는 특성 때문에 연속적으로 자원을 사용하는 방식이 아닌 주기적으로 자원을 예약하도록 설계되었다. 따라서, 네트워크에 처음 진입하는 선박이 이미 예약된 자원에 전송을 시도하는 상황을 방지하기 위해, 우선 한 프레임(1분) 동안 슬롯의 사용 정보를 파악한 후에 가용한 슬롯에 전송을 시도하도록 설계되었다.
AIS는 선박의 상태나 운항 속도에 따라 데이터의 전송 주기가 결정되며, 데이터의 전송 주기에 따라 각 프레임에서 선박이 데이터를 전송하는 전송률
Figure 112015047461664-pat00001
이 결정된다. 선박은 주어진 전송률에 따라 전송을 시도할 때, 다른 선박이 전송한 데이터와 충돌이 일어날 확률을 낮추기 위해 정해진 주기를 기준으로 전송을 시도하는 슬롯의 위치를 랜덤하게 결정한다.
도 1은 SO-TDMA의 프레임 구조를 나타내는 도면으로, 도 1에서와 같이 각 선박은 임의의 한 슬롯을 기준 슬롯(Nominal Start Slot: NSS)으로 선택하고, 주어진 전송률에 따라 전송간격(Nominal Increment: NI)을
Figure 112015047461664-pat00002
로 설정한 후에 NSS를 기준으로 NI 주기마다 떨어진 슬롯을 NS(Nominal Slot)으로 설정하고 전송을 시도한다. 이때 NSS와 NI가 동일한 선박들이 존재한다면 모든 전송에서 데이터 충돌이 일어나기 때문에 SO-TDMA는 NSS 또는 NS를 중심으로 다음과 같이 전송가능 범위(Selection Interval: SI)로 설정하고 SI 범위 내에서 랜덤하게 NTS(Nominal Transmission Slot)를 선택하여 전송하도록 설계되었다.
Figure 112015047461664-pat00003
여기서,
Figure 112015047461664-pat00004
는 SI의 범위를 결정하기 위한 상수로서
Figure 112015047461664-pat00005
이며, SO-TDMA에서는
Figure 112015047461664-pat00006
로 사용되었다.
이 과정에서 데이터의 충돌 없이 전송에 성공한 슬롯은 3~8 사이에 랜덤하게 결정된 타임아웃(timeout) 값에 해당하는 프레임 동안 선박에게 예약되어 다른 선박의 전송시도 없이 독점적으로 사용할 수 있다. SO-TDMA에서는 타임아웃(timeout)의 최소 및 최대 값을 각각 3과 8로 설정해 두었으며, 타임아웃(timeout)은 수율 성능에 영향을 미치는 변수이므로 시스템의 특성에 따라 다르게 구현될 수 있다. 각 선박은 위의 과정을 통해 예약에 성공한 슬롯에 전송을 시도할 때마다 타임아웃(timeout) 값을 1씩 감소시키며, 해당 슬롯의 타임아웃(timeout) 값이 0이 되면 슬롯의 사용을 중단하고 자신의 SI 범위 내에 가용한 슬롯 중에 하나를 또 다시 선택하여 전송을 시도한다.
도 2는 ASO-TDMA의 프레임 구조를 나타내는 도면으로, ASO-TDMA는 다중-홉 통신시 발생될 수 있는 히든 노드 문제(hidden node problem)를 해결하기 위해 도 2와 같이 하나의 프레임을 다수 개의 부프레임으로 분할하고, 선박의 위치에 따라 서로 다른 자원을 할당하는 방식을 사용한다.
ASO-TDMA에서 각 선박은 지피에스(GPS)를 이용하여 육상기지국과 자신의 직선거리를 계산하고, 해당 거리를 VHF 대역 커버리지로 나누어 육상 기지국에 도달하기 위한 홉 수를 계산하여 미리 정해진 부프레임을 사용한다. 동일한 홉 영역에 존재하는 선박들은 같은 부프레임을 사용하고, 인접한 홉들 간에는 서로 다른 부프레임을 할당하기 때문에 물리적인 거리에 따라 간섭이 미치지 않는 홉들 간에는 재사용이 가능하다. VHF 대역 커버리지가
Figure 112015047461664-pat00007
km인 통신시스템에서 부프레임의 수가
Figure 112015047461664-pat00008
개 이고 육상기지국과의 거리가
Figure 112015047461664-pat00009
km 떨어진 선박이 존재한다면, 해당 선박이 사용할 부프레임은
Figure 112015047461664-pat00010
로 계산된다.
나. 다중-홉 해양통신망을 위한 GAODV 라우팅 방법
다중-홉 통신에서 경로 설정을 위해 사용하는 가장 보편적인 방식은 AODV 라우팅 프로토콜로서, 이를 이용하여 패킷의 출발지에서 도착지까지 패킷들이 전달되어야 할 종단간의 경로를 사전에 탐색하게 된다. 이를 위해 경로 요청 메시지(Route REQuest: RREQ) 및 경로 응답 메시지(Route REPly: RREP)라는 제어 메시지를 사용하게 되는데, 처음에는 경로가 잡혀 있지 않기 때문에 출발지 노드는 RREQ 제어 메시지를 전송하여 주변 노드를 경유하여 목적지까지 경로에 도달하도록 하여 종단간 경로를 탐색하게 된다. 이 과정에서 RREQ 제어 메시지를 수신한 노드는 이를 전방향으로 전송하고, 이를 수신하는 노드들이 다시 이를 전파해 나가는 플로딩(flooding) 방식을 사용한다. 이와 같이 경로 탐색을 위해 전방향으로 제어 메시지를 전송하는 플로딩(flooding) 방식은 동일한 메시지가 복사되어 중복적으로 여러 경로를 거쳐서 동일한 노드로 전달되기 때문에 네트워크 자원을 낭비하게 되는 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 출발지 노드(source node)가 보낸 메시지를 수신 가능한 모든 중계 노드(relay node)가 다시 그대로 전달하는 것이 아니라, 이 중에서 목적지 노드(destination node) 방향에 존재하는 일부의 중계 노드를 선택하여 이들만이 제어 메시지를 전송하는 방법이 제시된 바 있으며, 이를 Geographical AODV (GAODV) 라우팅 방식이라고 명명하고 있다.
도 3은 일반적인 GAODV 라우팅 방식을 설명하기 위한 도면으로, 노드
Figure 112015047461664-pat00011
와
Figure 112015047461664-pat00012
가 다중-홉 통신을 하기 위해 GAODV 라우팅 프로토콜을 사용하여 경로 탐색 메시지를 전송하는 방법을 예시한 것이다. 출발지 노드
Figure 112015047461664-pat00013
는 종단간 경로 설정을 위해 수신 가능 반경
Figure 112015047461664-pat00014
내에 존재하는 모든 노드에게 RREQ를 전송한다. RREQ를 수신한 모든 노드 중에서 단 하나의 노드만 중간에서 중계하면 경로를 만들 수 있으나, 만일에 RREQ를 수신한 모든 노드들이 전송을 하게 되면 불필요한 자원 낭비가 발생하게 될 것이다. 따라서, RREQ를 수신한 노드 중에서 목적지 방향에 있는 노드들만 중계 노드 역할을 하도록 하며, 이 중에서도 가능하면 송신 노드에서 멀리 떨어져 있는 노드만이 중계 노드 역할을 할 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 송신 노드에서부터 수신 가능한 반경
Figure 112015047461664-pat00015
과 또 다른 라우팅 거리 변수
Figure 112015047461664-pat00016
사이에서 적어도 하나의 노드가 존재한다면 그 노드가 중계 노드 역할을 할 수 있을 것이다(여기서,
Figure 112015047461664-pat00017
). 즉,
Figure 112015047461664-pat00018
값이 작으면 중계를 위해 선택되는 노드의 수가 많아지고, 그 대신에 동일한 RREQ 제어 메시지의 중복이 많아지게 진다. 한편,
Figure 112015047461664-pat00019
값이 커지면 중계를 위해 선택되는 노드의 수가 적어지고, 이에 따라 동일한 RREQ 제어 메시지의 중복이 적어지게 된다. 그러나,
Figure 112015047461664-pat00020
값이 너무 커지게 되면 실제로 중계 가능한 노드가 존재하지 않아 경로 탐색 자체가 중단될 수도 있다. 따라서, 적절한 범위
Figure 112015047461664-pat00021
값을 설정해야만 경로 탐색에 소요되는 오버헤드를 줄일 수 있으면서도 성공적인 경로 확보가 가능할 것이다. 이 때 플로딩(flooding)이 진행되는 방향성은 기존 GAODV 방식을 그대로 따를 수 있으며, 다만 새로운 변수
Figure 112015047461664-pat00022
값을 결정할 수 있어야 한다.
도 3에서 예시한 바와 같이 플로딩(flooding)의 방향성이 정해지고 메시지 수신 가능한 반경
Figure 112015047461664-pat00023
값이 주어졌을 때, 라우팅 변수
Figure 112015047461664-pat00024
에 의해 정해지는 영역을
Figure 112015047461664-pat00025
로 나타내자.
Figure 112015047461664-pat00026
은 노드
Figure 112015047461664-pat00027
의 위치를 기준으로 반지름
Figure 112015047461664-pat00028
인 원과 노드
Figure 112015047461664-pat00029
의 위치를 기준으로 반지름
Figure 112015047461664-pat00030
인 원의 교차 영역이며, 여기서
Figure 112015047461664-pat00031
와
Figure 112015047461664-pat00032
은 각각 노드
Figure 112015047461664-pat00033
와
Figure 112015047461664-pat00034
사이의 거리를 나타낸다. 즉,
Figure 112015047461664-pat00035
에 속한 노드들만이 플로딩(flooding)에 참여하여, 수신되는 메시지를 전달할 수 있도록 하고자 하며, 따라서 이 영역을 중계 영역이라고 부른다.
변수
Figure 112015047461664-pat00036
의 크기를 크게 설정하면 중계 영역의 크기가 줄어들어 라우팅 오버헤드의 양은 줄일 수 있으나, 해당 영역에 중계 노드가 존재할 가능성이 줄어들어 종단간 연결성을 보장하지 못할 확률이 높아진다. 반대로
Figure 112015047461664-pat00037
의 크기를 매우 작게 설정하면 종단간 연결성은 보장할 수 있으나 라우팅 오버헤드가 늘어나 네트워크의 전송률이 크게 저하된다. 따라서 종단간 연결성을 보장하는 동시에 라우팅 오버헤드를 최소화할 수 있는 적절한
Figure 112015047461664-pat00038
을 선택하는 방법이 제시되어야 한다.
KR 10-1286736 B1
본 발명은 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로서, 다중-홉 해양통신망에서 Geometrical ad-hoc On-demand Distance Vector(GAODV) 라우팅 방법을 이용하여 종단간 경로를 설정할 때 라우팅 메시지의 전송 성공 확률에 따라 적응적으로 RREQ 메시지를 전송하는 노드의 수를 제어함으로써 라우팅에 소요되는 오버헤드를 감소시킬 수 있도록 한 GAODV 기반 다중-홉 선박 통신망에서 라우팅 오버헤드 감소를 위한 라우팅 경로 설정 방법을 제공함을 목적으로 한다.
또한, 경로 탐색을 위해 RREQ 메시지를 플로딩(flooding)하는 과정에서 경로 탐색을 실패하게 될 확률 목표값이 주어졌을 때, 이를 만족하기 위해 RREQ 메시지의 중계 전송이 가능한 중계 영역을 결정하는 라우팅 변수
Figure 112015047461664-pat00039
값을 결정하여 플로딩(flooding)에 참여할 노드를 결정하는 문제를 보다 효율적으로 해결할 수 있도록 한 GAODV 기반 다중-홉 선박 통신망에서 라우팅 오버헤드 감소를 위한 라우팅 경로 설정 방법을 제공함을 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 GAODV 기반 다중-홉 선박 통신망에서 라우팅 오버헤드 감소를 위한 라우팅 경로 설정 방법의 일 측면에 따르면, (a) 홉 영역
Figure 112015047461664-pat00040
에 존재하는 송신 노드
Figure 112015047461664-pat00041
가 목적지 노드
Figure 112015047461664-pat00042
로의 경로 설정을 위하여 자신의 위치 정보와 라우팅 변수
Figure 112015047461664-pat00043
이 포함된 경로 탐색 메시지를 통신 반경
Figure 112015047461664-pat00044
내의 인접된 홉 영역
Figure 112015047461664-pat00045
에 존재하는 수신 노드로 전송하는 단계와, (b) 상기 홉 영역
Figure 112015047461664-pat00046
에 존재하는 수신 노드가 상기 홉 영역
Figure 112015047461664-pat00047
에 존재하는 송신 노드
Figure 112015047461664-pat00048
로부터 전송된 경로 탐색 메시지에 포함된 송신 노드
Figure 112015047461664-pat00049
의 위치 정보와 라우팅 변수
Figure 112015047461664-pat00050
를 분석하여 자신이 경로 탐색 메시지를 중계 전송하기 위한 중계 영역
Figure 112015047461664-pat00051
에 존재하는지의 여부를 판단하는 단계 및 (c) 상기 홉 영역
Figure 112015047461664-pat00052
에 존재하는 수신 노드가 자신이 경로 탐색 메시지를 중계 전송하기 위한 중계 영역
Figure 112015047461664-pat00053
에 위치한 중계 노드인 경우 경로 탐색 메시지를 중계 전송하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 각 선박이 자신의 위치와 주변에 존재하는 선박국의 밀도를 추정하여 라우팅 메시지를 인접 홉 영역으로 전달할 때 중계 영역의 크기와 라우팅 성공 확률간의 관계를 수학적으로 분석하고, 분석 결과를 토대로 라우팅 성공 확률을 일정 이상으로 보장하기 위한 중계 영역의 크기를 계산하여 인접 홉 영역으로 전송하고 중계 영역 내 노드들만 중계에 참여하도록 제한함으로써, 기존에 메시지를 수신한 모든 노드들이 라우팅 메시지를 중계하는 AODV 라우팅에 비해 상당한 라우팅 오버헤드가 감소되는 효과가 있다.
도 1은 SO-TDMA의 프레임 구조를 나타내는 도면.
도 2는 ASO-TDMA의 프레임 구조를 나타내는 도면.
도 3은 일반적인 GAODV 라우팅 방식을 설명하기 위한 도면
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 ASO-TDMA 기반 GAODV 라우팅 방법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 GAODV 기반 다중-홉 선박 통신망에서 라우팅 오버헤드 감소를 위한 라우팅 경로 설정 방법을 나타내는 도면.
도 6는 라우팅 성공 확률에 따른 경로 탐색 메시지의 수를 나타낸 도면.
도 7은 선박의 밀도와 라우팅 변수에 따른 경로 탐색 메시지의 수를 나타낸 도면.
이하 첨부된 도면을 참조로 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 ASO-TDMA 기반 GAODV 라우팅 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도시된 바와 같이, AIS와 호환성을 유지하기 위해 SANET에서 사용하고 있는 ASO-TDMA MAC 프로토콜은 다중-홉 통신을 지원하기 위해 도 4에서 예시한 바와 같이 육상국의 위치를 기준으로
Figure 112015047461664-pat00054
의 간격으로 공간 영역을 나누고, 각 영역별로 직교된 시간 자원을 할당하여 공간적으로 자원을 재사용한다. SANET 선박국들은 각 선박국에 장착된 GPS 장비를 통해 자신의 위치를 파악하고 있으며, 육상국의 위치는 시스템의 데이터 베이스에 등록되어 각 선박국은 자신과 육상국 사이의 거리를 계산할 수 있다. 선박국의 통신 반경
Figure 112015047461664-pat00055
은 공간적으로 자원을 재사용하는 SANET의 특성을 고려하여
Figure 112015047461664-pat00056
로 설정한다.
홉 영역
Figure 112015047461664-pat00057
에 존재하는 선박국의 밀도는
Figure 112015047461664-pat00058
이며, 포아송 점 과정(Poisson Point Process)을 따른다고 가정한다. 각 홉 영역에 존재하는 선박국은 자신이 속한 홉과 인접 홉 영역에서 전송을 시도하는 선박국의 패킷을 수신함으로써 해당 홉 영역에 존재하는 선박의 수를 파악이 가능하기 때문에, 각 홉 영역에 존재하는 선박국의 밀도를 파악할 수 있다. GAODV 프로토콜을 이용하여 선박국이 RREQ 메시지를 특정 방향으로 전송할 때, 선박국은 RREQ 메시지 안에 자신의 위치 정보와 라우팅 변수
Figure 112015047461664-pat00059
을 추가하여 전송한다. 메시지를 수신하는 선박국은 도 3에서 예시한 바와 같이, 송신 노드의 위치와 라우팅 변수를 이용하여 송신 노드
Figure 112015047461664-pat00060
와 육상기지국
Figure 112015047461664-pat00061
의 위치를 기준으로 각각 반지름
Figure 112015047461664-pat00062
과
Figure 112015047461664-pat00063
인 원을 만들고 두 원의 교차 영역에 자신이 포함되는지 여부를 판단하여, 자신이 해당 영역에 있다면 동일한 방법으로 메시지를 전달한다.
육상국과의 거리에 따라
Figure 112015047461664-pat00064
의 간격으로 공간을 분할하여 자원을 재사용하는 SANET에서
Figure 112015047461664-pat00065
번째 홉 영역에 존재하는 노드
Figure 112015047461664-pat00066
가 GAODV 라우팅 프로토콜을 이용하여 인접 홉의 중계 영역에 존재하는 노드에게 경로 탐색 메시지를 전송할 때, 노드의 통신 반경
Figure 112015047461664-pat00067
과 라우팅 변수
Figure 112015047461664-pat00068
에 의해 결정되는 중계 영역
Figure 112015047461664-pat00069
의 크기는 다음과 같다.
Figure 112015047461664-pat00070
여기서
Figure 112015047461664-pat00071
와
Figure 112015047461664-pat00072
는 노드
Figure 112015047461664-pat00073
가 이전 홉 영역의 경계면과 이루는 수직 거리
Figure 112015047461664-pat00074
와 노드
Figure 112015047461664-pat00075
가 육상국과 이루는 거리를 각각 나타낸다. 수학식 2에서
Figure 112015047461664-pat00076
는 각각 다음을 만족한다.
Figure 112015047461664-pat00077
홉 영역
Figure 112015047461664-pat00078
에 존재하는 노드의 분포는 평균이
Figure 112015047461664-pat00079
인 PPP 분포이므로, 홉 영역
Figure 112015047461664-pat00080
에 존재하는 노드
Figure 112015047461664-pat00081
가 홉 영역
Figure 112015047461664-pat00082
의 중계 영역에 존재하는 중계 노드에게 성공적으로 경로 탐색 메시지를 보낼 확률
Figure 112015047461664-pat00083
는 다음과 같이 표현된다.
Figure 112015047461664-pat00084
즉,
Figure 112015047461664-pat00085
은 중계 영역
Figure 112015047461664-pat00086
내에 적어도 한 개 이상의 중계 노드가 존재할 확률을 의미한다. 전송의 성공 확률과 라우팅 오버헤드는 서로 득실 관계를 가지므로, 홉 영역
Figure 112015047461664-pat00087
에 존재하는 노드가 목표로 하는 라우팅 성공 확률
Figure 112015047461664-pat00088
를 만족하면서 라우팅 오버헤드를 최소화하는
Figure 112015047461664-pat00089
을 다음과 같이 계산할 수 있다.
Figure 112015047461664-pat00090
위의 계산 과정을 통해 목표 성능
Figure 112015047461664-pat00091
을 만족하는
Figure 112015047461664-pat00092
값이 결정되면, 선박국은 RREQ 메시지에 자신의 위치와 함께
Figure 112015047461664-pat00093
값을 포함하여 전송한다. 여기서, 송신 노드
Figure 112015047461664-pat00094
가 라우팅 변수
Figure 112015047461664-pat00095
를 계산하여 결정하기 위해 자신이 속한 홉 영역
Figure 112015047461664-pat00096
및 인접 홉 영역
Figure 112015047461664-pat00097
의 밀도를 추정할 때 ASO-TDMA 시간 슬롯에 전송되는 메시지에 포함된 노드 ID를 저장하여 통신 반경
Figure 112015047461664-pat00098
내 노드의 수를 파악하고 자신의 위치에 따라 각 홉 영역의 크기를 계산하여 홉 영역별 노드 밀도를 계산한다. 이러한 홉 영역별 노드 밀도는 한 프레임(1분) 단위로 업데이트되도록 한다.
RREQ 메시지를 수신한 인접 홉 영역의 선박국은 메시지에 포함된 송신 선박국의 위치와
Figure 112015047461664-pat00099
을 통해 자신이 중계 영역
Figure 112015047461664-pat00100
에 포함되었는지 여부를 판단한다. 이때 자신이 중계 영역에 포함되면 자신이 전송 가능한 부프레임에서 다음 홉으로 RREQ 메시지를 전달하고, 그렇지 않은 경우에는 메시지를 폐기한다.
만약 자신을 중계 노드로 포함하는 다수의 송신 노드로부터 RREQ 메시지를 수신한 경우에는 가장 먼저 RREQ를 보낸 송신 노드의 메시지를 중계하고 나머지 노드들이 보낸 RREQ 메시지는 폐기한다. 또한, 만약 인접 홉으로부터 RREQ 메시지를 수신한 중계 영역 내 선박국이 인접 홉으로 RREQ 메시지를 전달하기 전에 중계 영역 내 임의의 선박국이 동일한 RREQ 메시지를 전송하는 경우에는 RREQ 메시지를 전송하지 않고 해당 메시지를 폐기한다.
도 5는 본 발명의 GAODV 기반 다중-홉 선박 통신망에서 라우팅 오버헤드 감소를 위한 라우팅 경로 설정 방법을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 먼저 다중-홉 해양통신망에서 Geometrical ad-hoc On-demand Distance Vector(GAODV) 라우팅 방법을 이용하여 종단간 경로를 설정할 때 라우팅 메시지의 전송 성공 확률에 따라 적응적으로 RREQ 메시지를 전송하는 노드의 수를 제어함으로써 라우팅에 소요되는 오버헤드를 감소시키는 알고리즘의 동작 유무를 판단(S10)한다.
이어서, 이러한 단계S10에서의 알고리즘이 주기적으로 동작될 시간인지(
Figure 112015047461664-pat00101
)의 여부를 판단(S20)한다.
판단 결과, 단계S10에서의 알고리즘이 주기적으로 동작될 시간인 것으로 확인되면, 이전 프레임의 홉 영역별 송신 노드를 조사하고 밀도를 추정(S30)하여 주변 노드의 밀도를 조사한다.
이어서, 주변 노드의 밀도가 조사된 이후에는 송신 노드에서 RREQ 메시지를 송신하거나 재송신할 것인지의 여부를 판단(S40)한다.
판단 결과, 송신 노드에서 RREQ 메시지를 송신하거나 재송신하는 경우에는 자신의 현재 위치를 조사(S50)한다.
이어서, 송신 노드가 라우팅 성공 확률를 높이면서 라우팅 오버헤드를 최소화하는 라우팅 변수
Figure 112015047461664-pat00102
을 계산(S60)한다.
이어서, 송신 노드가 자신의 위치 정보와 단계S60에서 계산된 라우팅 변수
Figure 112015047461664-pat00103
이 포함된 RREQ 메시지를 채널 유휴시 ASO-TDMA 방식으로 전송 시도한다(S70). 예를 들어, 홉 영역
Figure 112015047461664-pat00104
에 존재하는 송신 노드
Figure 112015047461664-pat00105
가 통신 반경
Figure 112015047461664-pat00106
내의 인접된 홉 영역
Figure 112015047461664-pat00107
에 존재하는 수신 노드로 전송하는 경로 탐색 메시지(RREQ 메시지)에는 송신 노드
Figure 112015047461664-pat00108
의 위치와 통신 반경
Figure 112015047461664-pat00109
과 홉 영역 인덱스 정보 및 라우팅 변수
Figure 112015047461664-pat00110
이 포함된다.
이후에는 타임 슬롯을 확인(
Figure 112015047461664-pat00111
)하는 단계(S80)가 수행되어 본 발명의 알고리즘이 주기적으로 동작될 시간인지(
Figure 112015047461664-pat00112
)의 여부를 판단하는 단계S20으로 리턴된다.
한편, 이전 프레임의 홉 영역별 송신 노드를 조사하고 밀도를 추정하는 단계S30 이후에, 수신 노드는 RREQ 메시지를 수신하였는지를 판단(S90)한다.
판단 결과, 수신 노드는 RREQ 메시지를 수신한 경우 수신된 RREQ 메시지를 분석(S100)한다.
이어서, 수신 노드는 RREQ 메시지 내에 포함된 송신 노드의 위치 정보와 라우팅 변수
Figure 112015047461664-pat00113
을 이용하여 자신이 기 설정된 중계 영역 내부에 존재하는지를 판단(S110)한다.
판단 결과, 수신 노드는 자신이 RREQ 메시지를 중계 전송할 수 있는 중계 영역 내에 존재하는 것으로 확인되면, 이후 송신 노드로부터 수신된 RREQ 메시지가 중복된 메시지인지를 확인(S120)한다. 이때, 만약 중복된 메시지이면 해당 메시지를 폐기(S130)한다. 그러나, 중복된 메시지가 아닌 경우에는 자신의 현재 위치를 조사하는 단계S50으로 진행되어 동일한 방식으로 메시지를 중계 전송하는 과정이 수행된다.
도 6는 라우팅 성공 확률에 따른 경로 탐색 메시지의 수를 나타낸 도면으로, 홉의 간격, 선박국의 통신 반경, 선박국의 밀도를 각각
Figure 112015047461664-pat00114
,
Figure 112015047461664-pat00115
,
Figure 112015047461664-pat00116
로 설정하였을 때, 목표 라우팅 성공 확률
Figure 112015047461664-pat00117
이 변화 함에 따라 라우팅 중계 영역에 존재하는 노드들이 전달하는 경로 탐색 메시지의 수를 보인다. 목표 라우팅 성공 확률이 증가하면 안정성 확보를 위해 더 넓은 영역에 경로 탐색 메시지를 전송해야 하므로, 네트워크의 라우팅 오버헤드가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 제안하는 기법을 사용하는 경우에는 적절한 목표 라우팅 성공 확률
Figure 112015047461664-pat00118
을 설정함으로써 라우팅 오버헤드를 급격히 감소시킬 수 있다.
도 7은 선박의 밀도와 라우팅 변수에 따른 경로 탐색 메시지의 수를 나타낸 도면으로, 선박국의 통신 반경을
Figure 112015047461664-pat00119
로 설정하였을 때, 라우팅 방식에 따른 라우팅 오버헤드의 양을 보인다. 기존 GAODV 라우팅 방식은(Fixed GAODV)는 라우팅 변수
Figure 112015047461664-pat00120
이 고정되어 있기 때문에 선박의 밀도가 증가함에 따라 라우팅 오버헤드가 증가함을 보이는 반면에, 제안하는 본 발명의 Adaptive GAODV 라우팅 방식은 선박의 밀도가 증가하더라도 목표로 하는 라우팅 성공 확률
Figure 112015047461664-pat00121
에 따라 적응적으로 중계 영역을 설정함으로써 거의 일정한 라우팅 오버헤드가 발생된다. 기존 GAODV 라우팅 방식에서
Figure 112015047461664-pat00122
인 경우에는 선박의 밀도가 낮을 때 Adaptive GAODV 방식에 비해 더 적은 라우팅 오버헤드가 발생되지만, 라우팅 성공 확률이 낮기 때문에 해당 영역에서는 실제로 사용이 불가능하다.
이상과 같이, 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 이것에 의해 한정되지 않으며 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 본 발명의 기술사상과 아래에 기재될 특허청구범위의 균등범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능함은 물론이다.
S10 : 알고리즘 동작 확인 단계
S20 : 알고리즘 동작 주기 확인 단계
S30 : 주변 노드 밀도 추정 단계
S40 ~ S130 : 적응적 라우팅 메시지 송수신 단계

Claims (13)

  1. GAODV 기반 다중-홉 선박 통신망에서 라우팅 오버헤드 감소를 위한 라우팅 경로 설정 방법에 있어서,
    (d) 송신 노드
    Figure 112016042500776-pat00198
    의 통신 반경
    Figure 112016042500776-pat00199
    과 라우팅 변수
    Figure 112016042500776-pat00200
    에 의해 중계 영역
    Figure 112016042500776-pat00201
    의 크기가 결정되는 단계;
    (a) 홉 영역
    Figure 112016042500776-pat00123
    에 존재하는 송신 노드
    Figure 112016042500776-pat00124
    가 목적지 노드
    Figure 112016042500776-pat00125
    로의 경로 설정을 위하여 자신의 위치 정보와 라우팅 변수
    Figure 112016042500776-pat00126
    이 포함된 경로 탐색 메시지를 통신 반경
    Figure 112016042500776-pat00127
    내의 인접된 홉 영역
    Figure 112016042500776-pat00128
    에 존재하는 수신 노드로 전송하는 단계;
    (b) 상기 홉 영역
    Figure 112016042500776-pat00129
    에 존재하는 수신 노드가 상기 홉 영역
    Figure 112016042500776-pat00130
    에 존재하는 송신 노드
    Figure 112016042500776-pat00131
    로부터 전송된 경로 탐색 메시지에 포함된 송신 노드
    Figure 112016042500776-pat00132
    의 위치 정보와 라우팅 변수
    Figure 112016042500776-pat00133
    를 분석하여 자신이 경로 탐색 메시지를 중계 전송하기 위한 중계 영역
    Figure 112016042500776-pat00134
    에 존재하는지의 여부를 판단하는 단계; 및
    (c) 상기 홉 영역
    Figure 112016042500776-pat00135
    에 존재하는 수신 노드가 자신이 경로 탐색 메시지를 중계 전송하기 위한 중계 영역
    Figure 112016042500776-pat00136
    에 위치한 중계 노드인 경우 경로 탐색 메시지를 중계 전송하는 단계;를 포함하고,
    상기 송신 노드
    Figure 112016042500776-pat00202
    가 라우팅 변수
    Figure 112016042500776-pat00203
    를 계산하여 결정하기 위해 자신이 속한 홉 영역
    Figure 112016042500776-pat00204
    및 인접 홉 영역
    Figure 112016042500776-pat00205
    의 밀도를 추정할 때 ASO-TDMA 시간 슬롯에 전송되는 메시지에 포함된 노드 ID를 저장하여 통신 반경
    Figure 112016042500776-pat00206
    내 노드의 수를 파악하고 자신의 위치에 따라 각 홉 영역의 크기를 계산하여 홉 영역별 노드 밀도를 계산하고, 상기 홉 영역별 노드 밀도는 한 프레임 단위로 업데이트되는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 중계영역
    Figure 112016042500776-pat00207
    는,
    Figure 112016042500776-pat00208

    여기서,
    Figure 112016042500776-pat00209
    : 노드
    Figure 112016042500776-pat00210
    가 인접 홉 영역의 경계면과 이루는 수직 거리
    Figure 112016042500776-pat00211
    ,
    Figure 112016042500776-pat00212
    : 노드
    Figure 112016042500776-pat00213
    가 목적지 노드
    Figure 112016042500776-pat00214
    와 이격된 거리
    에 의해서 계산되는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기
    Figure 112015047461664-pat00148
    는,
    Figure 112015047461664-pat00149

    을 만족하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
  4. 청구항 2에 있어서,
    상기 홉 영역
    Figure 112016042500776-pat00215
    에 존재하는 송신 노드
    Figure 112016042500776-pat00216
    가 상기 홉 영역
    Figure 112016042500776-pat00217
    의 중계 영역
    Figure 112016042500776-pat00218
    에 위치하는 중계 노드에게 성공적으로 경로 탐색 메시지를 보낼 확률
    Figure 112016042500776-pat00219
    는
    Figure 112016042500776-pat00220

    에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기
    Figure 112015047461664-pat00156
    은 상기 중계 영역
    Figure 112015047461664-pat00157
    내에 적어도 한 개 이상의 중계 노드가 존재할 확률을 의미하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 홉 영역
    Figure 112015047461664-pat00158
    에 존재하는 송신 노드
    Figure 112015047461664-pat00159
    가 라우팅 성공 확률
    Figure 112015047461664-pat00160
    를 높이고, 라우팅 오버헤드를 최소화하는 라우팅 변수
    Figure 112015047461664-pat00161
    은
    Figure 112015047461664-pat00162

    에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(a)에서, 상기 홉 영역
    Figure 112015047461664-pat00168
    에 존재하는 송신 노드
    Figure 112015047461664-pat00169
    가 상기 통신 반경
    Figure 112015047461664-pat00170
    내의 인접된 홉 영역
    Figure 112015047461664-pat00171
    에 존재하는 수신 노드로 전송하는 경로 탐색 메시지에는 송신 노드
    Figure 112015047461664-pat00172
    의 위치와 통신 반경
    Figure 112015047461664-pat00173
    과 홉 영역 인덱스 정보 및 라우팅 변수
    Figure 112015047461664-pat00174
    이 포함되는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
  10. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(b)에서, 상기 홉 영역
    Figure 112015047461664-pat00175
    에 존재하는 수신 노드는 상기 홉 영역
    Figure 112015047461664-pat00176
    에 존재하는 송신 노드
    Figure 112015047461664-pat00177
    로부터 전송된 경로 탐색 메시지에 포함된 송신 노드
    Figure 112015047461664-pat00178
    의 위치 정보와 라우팅 변수
    Figure 112015047461664-pat00179
    를 이용하여 송신 노드
    Figure 112015047461664-pat00180
    와 목적지 노드
    Figure 112015047461664-pat00181
    의 위치를 기준으로 각각 통신 반경
    Figure 112015047461664-pat00182
    과
    Figure 112015047461664-pat00183
    인 원을 만들고 두 원의 교차 영역에 자신이 포함되는 경우 자신이 중계 영역
    Figure 112015047461664-pat00184
    에 존재하는 것으로 판단하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
  11. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(c)에서, 상기 홉 영역
    Figure 112015047461664-pat00185
    에 존재하는 수신 노드가 상기 중계 영역
    Figure 112015047461664-pat00186
    에 위치한 중계 노드가 아닌 경우 경로 탐색 메시지를 폐기하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
  12. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(c)에서, 상기 홉 영역
    Figure 112015047461664-pat00187
    의 중계 영역
    Figure 112015047461664-pat00188
    에 위치한 중계 노드가 자신을 중계 노드로 포함하는 다수의 송신 노드로부터 경로 탐색 메시지를 수신한 경우에는 가장 먼저 수신된 경로 탐색 메시지만을 중계 전송하고 나머지 경로 탐색 메시지는 폐기하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
  13. 청구항 1에 있어서,
    상기 단계(c)에서, 상기 홉 영역
    Figure 112015047461664-pat00189
    의 중계 영역
    Figure 112015047461664-pat00190
    에 위치한 중계 노드가 수신된 경로 탐색 메시지를 중계 전송 하기 전에 다른 중계 노드가 동일한 경로 탐색 메시지를 중계 전송하는 경우에는 수신된 경로 탐색 메시지를 폐기하는 것을 특징으로 하는 라우팅 경로 설정 방법.
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