KR101778980B1 - 수중 네트워크에서의 tdma 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법 - Google Patents

수중 네트워크에서의 tdma 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법 Download PDF

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윤창호
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박종원
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한국해양과학기술원
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Abstract

본 발명은 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법을 공개한다.이 방법은 해상 부이(UBSC)와 복수개의 수중 기지국(UBSi) 클러스터 간의 네트워크 구조를 가지는 수중 네트워크 시스템에 있어서, 상기 클러스터 내 복수개의 수중 기지국(UBSi)에 시분할 다중 접속 방식으로 자원이 할당되고, 각각 하나의 주파수를 사용하여 상기 해상 부이(UBSC)로의 업링크 데이터가 모두 전송 가능하도록 링크 용량이 보장되어 자원이 할당되며, 상기 자원 할당은 자원 할당 주기 동안의 상기 클러스터 내 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 최대 트래픽 양 또는 평균 트래픽 양을 이용하여 할당하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 타임 슬롯의 낭비 및 주파수 충돌이 방지되고, 수중 기지국에서 발생하는 트래픽의 전송 에러 및 지연 시간이 감소한다.

Description

수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법{A TDMA based single carrier resource allocating method in the underwater networks}
본 발명은 수중 네트워크에 관한 것으로서, 특히 싱글 캐리어 자원 할당 알고리즘에 의해 수중 기지국의 자원 할당 주기 동안의 최대 트래픽 비율을 이용하고 보장된 링크 용량 방식을 채용하여, 수중 기지국에서 발생하는 트래픽이 모두 해상 부이로 전송이 가능하도록 자원을 할당함으로써, 타임 슬롯의 낭비 및 주파수 충돌을 방지하고, 수중 기지국에서 발생하는 트래픽의 전송 에러 및 지연 시간을 감소시키는 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 수중 센서 네트워크는 수중 환경 감시, 재난 방지, 해양 자원 탐사, 해양 생명체 연구, 침몰 선박 탐색 등 수중 환경의 다양한 분야에서 활용이 가능하다. 수중 환경에서 다중 데이터 통신을 위해서는 효율적인 MAC(Medium Access Control) 프로토콜의 설계가 필요하다.
프로토콜의 가장 기본적인 기법으로 알로하(Aloha) 방식이 있지만 알로하 방식은 데이터 충돌이 자주 발생하는 단점이 있다.
지상에서는 충돌이 발생하여 데이터가 손실되더라도 재전송함으로써 충돌 문제를 해결할 수 있지만 수중 환경에서는 전파 속도가 매우 느린 음파를 사용하기 때문에 재전송에 어려움이 따른다.
따라서, 충돌을 피하기 위한 기법으로 시분할 다중 접속(TDMA:Time Division Multiple Access) 기반의 MAC 프로토콜이 많이 사용되고 있다.
종래의 TDMA 방식은 다수의 노드(node)가 접속한 토폴로지(topology) 내에서 각 노드에게 타임 슬롯을 할당하여 각자 자신에게 할당된 타임 슬롯 구간에 맞춰 데이터를 송수신하도록 함으로써 노드들 간 데이터 충돌을 방지하도록 한다.
여기에서, 노드란 통신 가능한 물체를 의미하는데, AUV(Automatic Underwater Vehicle), 잠수함, 다이버와 같은 이동 가능한 대상에 구현될 수도 있고, 고정적인 대상에 구현될 수도 있다.
그런데, 종래 TDMA 기반의 수중 통신 방법에서는 정적 데이터 전송 구간을 가지므로 데이터 전송 구간 동안 전송할 데이터가 없어도 노드에 항상 정해진 타임 슬롯이 할당됨으로써 타임 슬롯의 낭비가 발생하는 단점이 있다.
즉, 특정 노드에서 자신에게 할당된 타임 슬롯 구간에 전송할 데이터가 없는 경우 아무런 동작을 하지 않은 채 할당된 시간을 모두 사용하게 되므로 시간 낭비를 초래한다는 문제점이 있었다.
특히, 해양 자원 확보를 위한 개발/탐사, 해양 작업, 기후 관측, 재해 감시, 수산 자원의 확보/관리, 해양 환경 모니터링 및 해양 방위 체계 구축 등을 효율적으로 관리하기 위해서는 수중에서 장시간 운영 및 실시간 정보 교환을 위한 수중 통신 기술 개발이 필요하다.
즉, 세계 최고 기술 수준을 갖춘 육상 이동 통신망과 같이 수중에서도 기지국을 통해 원하는 정보를 전송할 수 있는 통합 무선 통신망의 구축이 필요하며, 핵심 장비, 통신 프로토콜, 통신망 운용 기술 개발을 통한 저변 확대 및 파급에 대한 필요성이 요구되고 있다.
이와 같은 다양한 요소 기술 중 기지국 기반 수중 네트워크에서 해상 부이(buoy)와 기지국 간의 효율적인 자원 분배 기술은 기지국의 병목 현상을 해소하여 기지국과 수중 노드의 운용에도 큰 영향을 미친다.
도 1은 일반적인 수중 네트워크 시스템에 대한 대략적인 구성도로서, 해상 부이(UBSC), 복수개의 수중 기지국(UBS) 및 복수개의 센서 노드(UE)를 포함한다.
도 2는 도 1에 도시된 수중 네트워크 시스템에서 통신 반경을 나타내기 위한 평면도로서, 해상 부이(UBSC), 복수개의 수중 기지국(UBS) 및 센서 노드(UE)를 포함한다.
다수의 수중 기지국(UBS)은 수중에서 다수의 센서 노드(UE)로부터 데이터를 수집한다.
해상 부이(UBSC)는 물 표면에 위치하면서 수중 기지국(UBS)으로부터의 데이터를 위성(120)으로 중계한다.
육상국(land station, 110)은 위성(120)을 통하여 해상 부이(UBSC)로부터의 데이터를 전송받아 수중으로부터의 각종 데이터를 다른 네트워크 영역으로 전송하기 위하여 지상 백본(backbone) 네트워크에 연결된다.
수중 네트워크 시스템은 보통 해상 부이(UBSC)와 복수개의 수중 기지국(UBS) 간의 네트워크와 수중 기지국(UBS)과 복수개의 수중 센서 노드(UE) 간의 네트워크로 다중 네트워크 구조를 가진다.
해상 부이(UBSC)와 복수개의 수중 기지국(UBS) 간의 네트워크는 도 2에서 보는 바와 같이 해상 부이(UBSC)와의 거리에 따라 세 종류의 수중 기지국(UBS)으로 구성되고, 어플리케이션에 따라 수중 기지국(UBS) 종류가 결정된다.
수중 기지국 1(UBS1)은 해상 부이(UBSC)와 1km 이내에 위치하는 수중 기지국으로서, 고속 데이터 통신용이고, 수중 기지국 2(UBS2)는 해상 부이(UBSC)와 1 내지 5 km 떨어져 위치하는 수중 기지국이며, 수중 기지국 3(UBS3)은 해상 부이(UBSC)와 5 내지 10 km 떨어져 위치하는 수중 기지국이다.
또한, 수중 기지국(UBS)과 복수개의 수중 센서 노드(UE) 간의 네트워크는 수중 기지국(UBS) 통신 범위 안에서 튜브형 층(layer) 구조로 수중 센서 노드(UE)가 위치하고, 수중 센서 노드(UE)의 위치에 따라 통신 채널이 할당된다.
데이터 전송율은 고정되어 있지 않고, 주파수 채널별 변조 및 코딩 스킴(Modulation and Coding Scheme, MSC)레벨에 따라 유동적이다.
해상 부이(UBSC)와 수중 기지국(UBS)간 네트워크의 트래픽은 업 링크시 산발적 데이터(수온, 온도, 데이터 길이, 비 고정 주기 등) 및 제어 신호이고, 다운 링크시 제어 신호 및 데이터 신호이다.
수중 기지국(UBS)과 센서 노드(UE) 간 네트워크의 트래픽은 업 링크시 셀의 수집된 데이터 및 제어 신호이고, 다운 링크시 제어 신호 및 데이터 신호이다.
도 3은 도 1에 도시된 수중 네트워크 시스템에서 주파수 운용을 나타내는 도면이다.
도 3에서 보는 바와 같이, 해상 부이(UBSC)와 수중 기지국(UBS)간 네트워크의 주파수 운용은 다운링크(DL)에는 4~8kHz의 주파수 대역이, 업링크에는 10~14kHz 주파수 대역 (UL0), 16~20kHz 주파수 대역 (UL1), 56~68kHz 주파수 대역 (UL2)이 사용된다.
한편, 수중 기지국(UBS)과 센서 노드(UE) 간 네트워크의 주파수 운용은 다운링크(DL)에는 22~26kHz의 주파수 대역이, 업링크에는 28~32kHz 주파수 대역(UL0), 34~38kHz 주파수 대역(UL1), 40~44kHz 주파수 대역(UL2), 46~56kHz 주파수 대역(UL3)이 사용된다.
도 4는 도 1에 도시된 수중 네트워크 시스템에서 트랜스듀서의 운용을 나타내는 도면이다.
도 4에서 보는 바와 같이, 해상 부이(UBSC)와 수중 기지국(UBS)간 네트워크의 트랜스듀서 운용은 3개씩의 트랜스듀서를 이용하는데, 4~8 kHz 주파수 대의 채널용 트랜스듀서는 다운 링크용, 16~20 kHz 주파수 대의 채널용 트랜스듀서는 장거리 업 링크용, 56~64 kHz 주파수 대의 채널용 트랜스듀서는 단거리 업 링크용으로 사용된다.
해상 부이(UBSC)와 수중 기지국(UBS)간 네트워크의 주파수 운용은 2개씩의 트랜스듀서를 이용하는데, 22~26 kHz 주파수 대의 채널용 트랜스듀서는 다운 링크용, 28~56 kHz 주파수 대의 채널용 트랜스듀서는 업 링크용으로 사용된다.
그런데, 수중 환경은 지상 환경에 비해 통신 환경이 매우 척박하다.
신호의 전파 속도는 매우 느리며, 사용 가능한 채널의 개수도 매우 한정적이고 사용 가능한 대역폭도 매우 좁다.
한편, 시분할 다중 접속 방식에서는 동일한 주파수 캐리어를 사용하는 수중 기지국(UBS) 간 시간 동기(time synchronization)가 매우 중요한데, 이에 따라 전송 성능이 많은 영향을 받는다.
시분할 다중 접속 방식에서 주파수를 할당하는 방법에는 하나의 클러스터에 속한 노드들에게 하나의 기본 주파수를 할당하는 싱글 캐리어(Single Carrier) 자원 할당 방법과 하나의 클러스터에 속한 노드들에게 기본 주파수 및 추가 주파수를 할당하는 멀티 캐리어(Multi-Carrier) 자원 할당 방법이 있다.
멀티 캐리어 자원 할당 방법에 의해 자원 할당을 하는 경우, 두 개의 다른 클러스터에 속한 수중 기지국(UBS)들이 하나의 주파수 자원과 다른 슬롯을 사용하는 경우가 발생하므로 업 링크에서 두 개의 다른 클러스터에 속한 수중 기지국(UBS)들이 하나의 주파수를 사용하여 데이터를 전송하게 되어 주파수 충돌이 발생할 수 있다.
또한, 수중 기지국(UBS)에서 발생하는 업 링크 트래픽이 모두 해상 부이(UBSC)로 전송이 가능할 수 있을 정도로 업 링크 자원이 할당되지 못하거나, 업 링크 트래픽의 양이 해상 부이(UBSC)로 바로 전송될 수 있을 정도를 초과하여 링크 용량이 보장되지 않을 가능성이 있다.
즉, 수중 기지국(UBS)-해상 부이(UBSC) 링크의 자원 할당 방식에는 해상 부이(UBSC)에서 각 수중 기지국(UBS)로 할당하는 링크의 용량이 수중 기지국(UBS)에서 발생하는 트래픽을 모두 전송할 수 있을 정도로 충분한 지 또는 충분하지 않은지에 따라서 보장된 링크 용량(Guaranteed Link Capacity, GLC) 방식과 비보장된 링크 용량(Non-Guaranteed Link Capacity, NGLC) 방식의 두 가지로 분류할 수 있다.
보장된 링크 용량 방식은 각 수중 기지국(UBS)에서 발생하는 트래픽이 해상 부이(UBSC)로 모두 전송되는 것이 보장될(guaranteed) 수 있도록 해당 수중 기지국(UBS)-해상 부이(UBSC) 링크 용량(link capacity)을 수중 기지국(UBS) 트래픽의 최대값보다 크게 할당한다.
이때, 각 수중 기지국(UBS)에 할당되는 수중 기지국(UBS)-해상 부이(UBSC) 링크 용량의 합은 해상 부이(UBSC)에서 제공 가능한 전체 링크 용량보다 당연히 작거나 같아야 한다.
해상 부이(UBSC)-수중 기지국(UBS)의 자원을 보장된 링크 용량 방식으로 하는 경우, 수중 기지국(UBS)에서 발생하는 모든 트래픽이 해상 부이(UBSC)로의 전송 에러가 없고, 지연이 적게 안정적으로 전달이 될 수 있다.
일반적으로 현재 수중네트워크에서 많은 경우에는 수중 기지국(UBS)에서 어떤 특정한 정보를 수집하여 해상 부이(UBSC)로 전송 에러가 없고, 전송 지연이 작게 안정적으로 전달하는 것이 주목적이므로 보통 보장된 링크 용량 방식을 선호한다.
또한, 이 방식은 비보장된 링크 용량에 비해 상대적으로 자원할당 알고리즘 및 프로토콜이 간단하며, 수중 기지국(UBS)-해상 부이(UBSC) 링크 용량이 수중 기지국(UBS)에서 발생하는 트래픽 보다 작은 경우에 발생할 수 있는 전송 시의 에러 및 패킷 손실, 재전송으로 인한 지연 시간 증가 등을 특별히 고려하지 않아도 되는 장점이 있다.
또한, 이 방식은 수중 기지국(UBS)에서 실제 발생하는 트래픽보다 수중 기지국(UBS)-해상 부이(UBSC) 링크 자원을 많이 할당하는 경향이 있기 때문에, 수중 기지국(UBS)에서 발생하는 버스트 트래픽(burst traffic)을 비보장된 링크 용량에 비해 상대적으로 유연성 있게 처리할 수 있다.
이에 본 발명자들은 수중 네트워크의 시분할 다중 접속 방식에서 효율적인 싱글 캐리어 자원 할당 알고리즘을 통하여 종래의 정적 데이터 전송 구간을 가지는 TDMA 기반의 수중 통신 방법에서의 타임 슬롯의 낭비 및 하나의 주파수를 사용하여 발생할 수 있는 주파수 충돌을 방지하고, 보장된 링크 용량 방식을 채용하여 수중 기지국에서 발생하는 업 링크 트래픽이 모두 해상 부이로 전송이 가능한 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법을 발명하기에 이르렀다.
(특허문헌 1) KR 10-2012-0070733 A
본 발명의 목적은 지상에 비해 통신 환경이 열악한 수중 네트워크 환경 하에서 시분할 다중 접속 방식에 따라 싱글 캐리어 자원 할당 알고리즘에 의해 자원 할당을 하는 경우, 수중 기지국에 기본적으로 할당하고 남은 슬롯을 자원 할당 주기 동안의 최대 트래픽 양을 이용하여 각 수중 기지국에서 트래픽 비율만큼 추가로 할당하고 보장된 링크 용량 방식을 채용함으로써, 수중 기지국에서 발생하는 트래픽이 모두 해상 부이로 전송이 가능하도록 자원이 할당되는 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법을 제공하는 것이다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제(들)로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제(들)는 이하의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법은 해상 부이(UBSC)와 복수개의 수중 기지국(UBSi) 클러스터 간의 네트워크 구조를 가지는 수중 네트워크 시스템에 있어서, 상기 클러스터 내 복수개의 수중 기지국(UBSi)에 시분할 다중 접속 방식으로 자원이 할당되고, 각각 하나의 주파수를 사용하여 상기 해상 부이(UBSC)로의 업링크 데이터가 모두 전송 가능하도록 링크 용량이 보장되어 자원이 할당되며, 상기 자원 할당은 자원 할당 주기 동안의 상기 클러스터 내 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 최대 트래픽 양 또는 평균 트래픽 양을 이용하여 할당하는 것을 특징으로 한다.
기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.
그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 각 실시예의 구성만으로 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로도 구현될 수도 있으며, 단지 본 명세서에서 개시한 각각의 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐임을 알아야 한다.
본 발명에 의할 경우, 종래의 정적 데이터 전송 구간을 가지는 TDMA 기반의 수중 통신 방법에서의 타임 슬롯의 낭비를 방지할 수 있고, 두 개의 다른 클러스터에 속한 수중 기지국들이 하나의 주파수를 사용하여 발생할 수 있는 주파수 충돌이 방지된다.
또한, 수중 기지국에서 발생하는 업 링크 트래픽이 모두 해상 부이로 전송이 가능해지고, 업 링크 트래픽의 양이 해상 부이로 바로 전송될 수 있을 정도로 링크 용량이 보장되어, 수중 기지국에서 발생하는 트래픽의 전송 에러 및 지연 시간이 감소한다.
도 1은 일반적인 수중 네트워크 시스템에 대한 대략적인 구성도이다.
도 2는 도 1에 도시된 수중 네트워크 시스템에서 통신 반경을 나타내기 위한 평면도이다.
도 3은 도 1에 도시된 수중 네트워크 시스템에서 주파수 운용을 나타내는 도면이다.
도 4는 도 1에 도시된 수중 네트워크 시스템에서 트랜스듀서의 운용을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법에 따른 해상 부이(UBSC)-수중 기지국(UBS) 링크에 사용되는 주파수 대역이다.
도 6은 도 2에 도시된 수중 네트워크 시스템에서 본 발명의 통신 반경에 따라 하나의 해상 부이(UBSC)에 연결되는 수중 기지국(UBS) 클러스터들의 구성도이다.
도 7은 도 6에 도시된 수중 기지국(UBS) 클러스터별 해상 부이(UBSC)와의 최대 거리 및 사용 가능한 주파수에 대한 표이다.
도 8은 도 6에 도시된 수중 기지국(UBS) 클러스터별 다중 경로 지연 특성에 대한 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법에 클러스터별 채널 특성을 반영한 TDMA 프레임 구조이다.
도 10은 도 6에 도시된 해상 부이(UBSC)의 클러스터별 주파수 할당 실시예에 대한 도면이다.
도 11은 도 6에 도시된 해상 부이(UBSC)와 각 수중 기지국(UBS) 간 자원 할당 메시지에 대한 표이다.
도 12는 본 발명의 자원 할당 방법 내 초기화 과정을 나타내는 순서도이다.
도 13은 본 발명의 자원 할당 방법 내 정규 과정 단계 중 고정 주기적 자원 할당 방식의 순서도이다.
도 14는 본 발명의 자원 할당 방법 내 정규 과정 단계 중 적응 주기적 자원 할당 방식의 순서도이다.
도 15는 본 발명의 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법에 따른 수중 기지국 자원 분배 프로토콜을 설명하기 위한 파라미터 정의표이다.
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 자원 할당 방법 내 자원 할당 알고리즘을 시계열적으로 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
본 발명을 상세하게 설명하기 전에, 본 명세서에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 무조건 한정하여 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 발명자가 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해서 각종 용어의 개념을 적절하게 정의하여 사용할 수 있고, 더 나아가 이들 용어나 단어는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 함을 알아야 한다.
즉, 본 명세서에서 사용된 용어는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하기 위해서 사용되는 것일 뿐이고, 본 발명의 내용을 구체적으로 한정하려는 의도로 사용된 것이 아니며, 이들 용어는 본 발명의 여러 가지 가능성을 고려하여 정의된 용어임을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서, 단수의 표현은 문맥상 명확하게 다른 의미로 지시하지 않는 이상, 복수의 표현을 포함할 수 있으며, 유사하게 복수로 표현되어 있다고 하더라도 단수의 의미를 포함할 수 있음을 알아야 한다.
본 명세서의 전체에 걸쳐서 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소를 "포함"한다고 기재하는 경우에는, 특별히 반대되는 의미의 기재가 없는 한 임의의 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 임의의 다른 구성 요소를 더 포함할 수도 있다는 것을 의미할 수 있다.
더 나아가서, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소의 "내부에 존재하거나, 연결되어 설치된다"고 기재한 경우에는, 이 구성 요소가 다른 구성 요소와 직접적으로 연결되어 있거나 접촉하여 설치되어 있을 수 있고, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있을 수도 있으며, 일정한 거리를 두고 이격되어 설치되어 있는 경우에 대해서는 해당 구성 요소를 다른 구성 요소에 고정 내지 연결시키기 위한 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재할 수 있으며, 이 제 3의 구성 요소 또는 수단에 대한 설명은 생략될 수도 있음을 알아야 한다.
반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결"되어 있다거나, 또는 "직접 접속"되어 있다고 기재되는 경우에는, 제 3의 구성 요소 또는 수단이 존재하지 않는 것으로 이해하여야 한다.
마찬가지로, 각 구성 요소 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 " ~ 사이에"와 "바로 ~ 사이에", 또는 " ~ 에 이웃하는"과 " ~ 에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지의 취지를 가지고 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에 있어서 "일면", "타면", "일측", "타측", "제 1", "제 2" 등의 용어는, 사용된다면, 하나의 구성 요소에 대해서 이 하나의 구성 요소가 다른 구성 요소로부터 명확하게 구별될 수 있도록 하기 위해서 사용되며, 이와 같은 용어에 의해서 해당 구성 요소의 의미가 제한적으로 사용되는 것은 아님을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서 "상", "하", "좌", "우" 등의 위치와 관련된 용어는, 사용된다면, 해당 구성 요소에 대해서 해당 도면에서의 상대적인 위치를 나타내고 있는 것으로 이해하여야 하며, 이들의 위치에 대해서 절대적인 위치를 특정하지 않는 이상은, 이들 위치 관련 용어가 절대적인 위치를 언급하고 있는 것으로 이해하여서는 아니된다.
더욱이, 본 발명의 명세서에서는, "…부", "…기", "모듈", "장치" 등의 용어는, 사용된다면, 하나 이상의 기능이나 동작을 처리할 수 있는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어, 또는 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있음을 알아야 한다.
또한, 본 명세서에서는 각 도면의 각 구성 요소에 대해서 그 도면 부호를 명기함에 있어서, 동일한 구성 요소에 대해서는 이 구성 요소가 비록 다른 도면에 표시되더라도 동일한 도면 부호를 가지고 있도록, 즉 명세서 전체에 걸쳐 동일한 참조 부호는 동일한 구성 요소를 지시하고 있다.
본 명세서에 첨부된 도면에서 본 발명을 구성하는 각 구성 요소의 크기, 위치, 결합 관계 등은 본 발명의 사상을 충분히 명확하게 전달할 수 있도록 하기 위해서 또는 설명의 편의를 위해서 일부 과장 또는 축소되거나 생략되어 기술되어 있을 수 있고, 따라서 그 비례나 축척은 엄밀하지 않을 수 있다.
또한, 이하에서, 본 발명을 설명함에 있어서, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 구성, 예를 들어, 종래 기술을 포함하는 공지 기술에 대한 상세한 설명은 생략될 수도 있다.
TDMA 기반의 주파수 할당 방식
도 5는 본 발명의 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법에 따른 해상 부이(UBSC)-수중 기지국(UBS) 링크에 사용되는 주파수 대역이다.
도 6은 도 2에 도시된 수중 네트워크 시스템에서 본 발명의 통신 반경에 따라 하나의 해상 부이(UBSC)에 연결되는 수중 기지국(UBS) 클러스터들의 구성도이다.
도 7은 도 6에 도시된 수중 기지국(UBS) 클러스터별 해상 부이(UBSC)와의 최대 거리 및 사용 가능한 주파수에 대한 표이다.
도 8은 도 6에 도시된 수중 기지국(UBS) 클러스터별 다중 경로 지연 특성에 대한 도면이다.
도 1 내지 도 8을 참조하여 본 발명의 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법에서 TDMA 기반의 주파수 할당 방식의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 5에서 보는 바와 같이, 본 발명에서 고려하고 있는 수중 기지국(UBS)-해상 부이(UBSC) 링크용 주파수는 4~20 kHz 및 58~68 kHz이다.
즉, 수중 기지국(UBS)-해상 부이(UBSC) 다운링크(Down Link, DL)용으로 가장 주파수가 낮은 4 kHz ~ 8 kHz 캐리어(carrier)가 사용되고, 수중 기지국(UBS)-해상 부이(UBSC) 업링크(Up Link, UL)용으로는 10~14 kHz(f1), 16~20 kHz(f2), 58~68 kHz(f3)의 캐리어가 사용된다.
한편, 22 kHz~56 kHz 주파수 대역은 수중 기지국(UBS)과 각 수중 기지국(UBS)에 연결된 수중 센서 노드(UE) 간의 통신을 위해 사용된다.
현재 주어진 주파수 자원과 시분할 다중 접속 방식, 수중채널 환경을 고려하여 클러스터(cluster)를 기반으로 수중 기지국(UBS)-해상 부이(UBSC) 링크의 자원 할당을 한다.
수중 기지국(UBS)-해상 부이(UBSC) 업링크용으로 사용할 수 있는 주파수 자원이 도 5와 같이 주어져 있으므로, 주파수 차이가 많이 나는 세 개의 캐리어(f1, f2, f3)를 수중 기지국(UBS)과 해상 부이(UBSC) 간의 거리에 상관없이 임의로 사용할 경우, 다양한 문제가 발생할 수 있다.
따라서, 해상 부이(UBSC) 하나에 연결되는 수중 기지국(UBS)들을 해상 부이(UBSC)와 수중 기지국(UBS) 간의 거리에 따라 도 6과 같이 세 개의 클러스터로 구분하여 수중 기지국(UBS)-해상 부이(UBSC) 자원을 할당한다.
이때, 하나의 클러스터에 속한 수중 기지국(UBS)이 사용하는 주파수(캐리어) 수는 하나(싱글 캐리어 자원 할당)일 수도 있고, 여러 개(멀티 캐리어 자원 할당)일 수도 있는데, 본 발명에서는 싱글 캐리어 자원 할당 방식을 채용한다.
즉, 주파수가 높아질수록 경로 손실(path loss)이 커지는 것을 고려하여, 해상 부이(UBSC)에서 가까운 클러스터 1에 주파수가 높은 캐리어(f3)를 할당하고, 먼 클러스터 2 및 클러스터 3에 각각 주파수가 낮은 캐리어(f2, f1)를 할당한다.
상기 내용을 간략히 정리하면 도 7의 표와 같다.
일반적으로 해상 부이(UBSC)와 수중 기지국(UBS) 간의 거리에 따라, 수중 채널에서의 다중 경로 지연 특성(multipath delay profile)이 달라진다.
복잡한 상황을 고려한다면 예외적인 경우가 다소 있겠지만, 일반적으로 해상 부이(UBSC)와 수중 기지국(UBS)의 거리에 따라서, 경로 지연 특성의 일 실시예는 도 7에 도시한 바와 같다.
도 7에서 보는 바와 같이, 각 클러스터에는 4개의 수중 기지국(UBS)이 포함되어 있는데, 실제 설계에서는 하나의 클러스터에 포함되는 수중 기지국(UBS)의 수는 다양한 요인에 의해서 변경될 수 있다.
도 7에서 d1, d2, d3는 해상 부이(UBSC)와 수중 기지국(UBS) 간의 거리를 나타내고 τ１, τ2, τ3 는 각 클러스터에서의 최소 전송지연 시간을 나타낸다.
도 7의 다중 경로 지연 특성 그래프에서 시간이 "0"일 때 화살표는 하나의 펄스(pulse)가 송신되는 것을 나타내고, 이 펄스가 각각 τ１, τ2, τ3 만큼 지연이 되어 수신기에서 최초로 수신이 되며, 그 다음 화살표들은 다중경로로 인해 좀 더 지연이 되면서 좀 더 낮은 전력으로 수신되는 신호들을 의미한다.
각 클러스터별로 다중 경로 지연 특성이 다르고, 최소 전송 지연 시간, 평균 전송 지연 시간, 지연 확산(delay spread) 등이 다르기 때문에 이를 반영하여 TDMA 방식에서 사용되는 프레임 구조(frame structure)가 설계되어야 한다.
클러스터별 채널 특성을 고려한 프레임 구조
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따라 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법에 클러스터별 채널 특성을 반영한 TDMA 프레임 구조이다.
도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법에 클러스터별 채널 특성을 반영한 TDMA 프레임 구조의 일 실시예를 설명하면 다음과 같다.
해상 부이(UBSC)-수중 기지국(UBS)에서 업 링크 통신으로 TDMA 방식을 사용하는 경우, 하나의 주파수 캐리어가 여러 개의 수중 기지국(UBS)에 의해서 함께 사용되고, 각 수중 기지국(UBS)은 다른 타임 슬롯을 사용하여 업 링크 자원을 전송한다.
도 8에서 보이는 바와 같이, 해상 부이(UBSC)와 수중 기지국(UBS) 사이의 거리에 따라 다중 경로 지연 특성이 다르고, 이것은 시간 동기에 영향을 줄 수 있다.
즉, 클러스터가 해상 부이(UBSC)에서 멀리 떨어져 있을수록, 다중 경로 지연 특성에서 최소 전송 지연 시간, 평균 전송 지연 시간, 지연 확산(Delay Spread)이 커지는 특성을 나타내므로, 이들을 반영하여 프레임 구조가 설계되어야 한다.
여기에서, 지연 확산이란 무선 전파의 다중 경로 환경에서 각각 다른 경로를 거치게 된 전파 중 첫 번째 수신된 전파와 그 다음 반사되어 온 수신 전파들의 시간 지연 현상을 나타내는 분포 특성을 의미한다.
도 9에서 보이는 바와 같이, 본 발명은 클러스터 별로 다른 프레임 구조를 가지는데, 사용하는 주파수가 혼용 주파수인 경우일 때만 의미가 있으며, 클러스터 각각의 총 프레임 길이는 동일하다.
해상 부이(UBSC)에 가까운 클러스터인 클러스터 1의 경우, 높은 주파수인 제3 주파수(f3)가 사용될 수 있고, 대역폭이 제1 및 제2 주파수(f1, f2)에 비해 두 배 크기 때문에 높은 전파 속도를 가질 수 있고, 지연 확산이 클러스터 2와 3에 비하여 작기 때문에 슬롯과 채널 간 간섭 방지용의 보호 시간(guard time)이 작게 설계되어야 한다.
반대로, 해상 부이(UBSC)에 먼 클러스터인 클러스터 2와 3의 경우, 낮은 주파수인 제1 및 제2 주파수(f1, f2)가 각각 사용될 수 있고, 대역폭이 제3 주파수(f3)에 비해서 1/2이기 때문에 전파 속도가 낮고, 지연 확산이 클러스터 1에 비하여 상대적으로 클 가능성이 많기 때문에 슬롯과 보호 시간이 크게 설계되어야 한다.
이때, 보호 시간은 최대 지연 확산을 고려해서 설정되고, 슬롯 길이는 최소 전송 속도(transmission rate)를 고려해서 설정된다.
여기에서는 개념적인 예시를 든 것이고, 실제 프레임 구조를 설계하려면 채널 특성과 해상 부이(UBSC)-수중 기지국(UBS) 링크의 트래픽 특성, 해상 부이(UBSC)와 수중 기지국(UBS)에서 사용하는 채널 코딩, 변복조, 수신기 성능 등을 고려하여야 한다.
TDMA 기반 해상 부이(UBSC)-수중 기지국(UBS) 업 링크 자원 할당 프로토콜
본 발명에서 고려하는 TDMA 기반 해상 부이(UBSC)-수중 기지국(UBS) 업 링크 자원 할당 방법에서는 보장된 링크 용량(Guaranteed Link Capacity, GLC)으로서, 싱글 캐리어(Single Carrier) 자원 할당 방식으로 가정한다.
보장된 링크 용량은 수중 기지국(UBS)에서 발생하는 업 링크 트래픽은 모두 해상 부이(UBSC)로 전송이 가능할 수 있을 정도로 업 링크 자원이 할당되거나, 업 링크 트래픽의 양은 해상 부이(UBSC)로 바로 전송될 수 있을 정도로 적다.
또한, 싱글 캐리어 자원 할당 방식에서는 클러스터 별로 하나의 캐리어만 사용하고, 클러스터 별로 하나의 프레임 구조만 가진다.
즉, 수중 기지국(UBS)은 수중 기지국(UBS)이 속한 클러스터에 해당되는 하나의 프레임 구조만 사용하고, 각 클러스터는 기본 주파수만 사용하여 자원 할당이 가능하다.
만일, 기본 주파수만 사용하여 자원 할당이 어려운 환경에서는 싱글 캐리어 자원 할당을 유지하면서 수중 기지국(UBS)의 버퍼링을 허용하거나 증가시키는 방법이 고려될 수 있다.
슬롯 할당시 고려 사항으로는 데이터 속도(최대 속도 및 최소 속도 설정), 수중 기지국(UBS) 트래픽(모델링 적용) 등이 있고, 할당되는 슬롯 수는 수중 기지국(UBS)의 트래픽 부하에 따라 설정된다.
슬롯 할당 알고리즘 설계시 고려사항으로는 주기마다 각 수중 기지국(UBS) 별로 누적 트래픽을 업데이트해야 하는데, 업데이트 주기 동안 발생한 수중 기지국(UBS) 트래픽 양과 이전 할당된 링크 용량 대비 업데이트 주기 동안 발생한 수중 기지국(UBS) 트래픽 양을 업데이트한다.
프레임 당 하나의 수중 기지국(UBS)에 할당되는 기본 슬롯의 수는 1 개이고, 재할당시 자원 할당 우선 순위는 트래픽 특성을 고려하여 자원이 부족한 수중 기지국(UBS) > 자원을 많이 사용하는 수중 기지국(UBS) > 자원을 적게 사용하는 수중 기지국(UBS) 순으로 설정된다.
도 10은 도 6에 도시된 해상 부이(UBSC)의 클러스터별 주파수 할당 실시예에 대한 도면이다.
도 11은 도 6에 도시된 해상 부이(UBSC)와 각 수중 기지국(UBS) 간 자원 할당 메시지에 대한 표이다.
도 12는 본 발명의 자원 할당 방법 내 초기화 과정을 나타내는 순서도이다.
도 13은 본 발명의 자원 할당 방법 내 정규 과정 단계 중 고정 주기적 자원 할당 방식의 순서도이다.
도 14는 본 발명의 자원 할당 방법 내 정규 과정 단계 중 적응 주기적 자원 할당 방식의 순서도이다.
도 15는 본 발명의 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법에 따른 수중 기지국 자원 분배 프로토콜을 설명하기 위한 파라미터 정의표이다.
도 1 내지 도 15을 참조하여 본 발명의 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법에서 해상 부이(UBSC)의 클러스터별 주파수 할당 실시예의 초기 자원 할당 및 해상 부이(UBSC)와 각 수중 기지국(UBS) 간 자원 할당 메시지 송수신 동작을 설명하면 다음과 같다.
보장된 링크 용량 및 싱글 캐리어 자원 할당 방식으로 가정하고, 클러스터 1, 2, 3에 제3 주파수(f3), 제2 주파수(f2) 제1 주파수(f1)가 사용된다.
해상 부이(UBSC)에 속한 모든 수중 기지국(UBS)의 수(N)는 클러스터 1, 2, 3의 기지국 수(NC1, NC2, NC3)의 총합이다.
도 10에서는 NC1 = 6, NC2 = 4, NC3 = 4로 예시하였고, 프레임 구조에서 클러스터별 프레임의 슬롯 수는 NF1 = 16, NF2 = 8, NF3 = 4로 예시하였다.
해상 부이(UBSC)-수중 기지국(UBS) 자원 분배 프로토콜은 초기화 단계(Initial Stage; IS)과 수중 기지국(UBS)이 초기화 단계를 통해 분배된 자원으로 해상 부이(UBSC)와 데이터를 송수신하고 주기적 또는 비주기적으로 자원 할당을 새롭게 업데이트하는 정규 과정 단계(Normal Stage; NS)으로 구성된다.
1. 초기화 단계
해상 부이(UBSC)가 클러스터별로 수중 기지국(UBS)들에게 초기 자원 할당을 위한 주기적 자원 정보 요청 신호(PRIREQ)를 전송하여 현재 트래픽이 얼마나 있는지에 대한 정보를 요청한다.
이때, 주기적 자원 정보 요청 신호(PRIREQ) 정보는 초기 수중 기지국(UBS) 슬롯 번호, 주기적 자원 정보 요청 신호(PRIREQ) 전송 프레임 번호 등 자원 정보를 포함한다.
주기적 자원 정보 요청 신호(PRIREQ)를 수신한 수중 기지국(UBS)들은 자신들의 현재 트래픽 정보(평균 트래픽양, 최대 트래픽양)를 포함한 주기적 자원 정보 응답 신호(PRIREP)를 생성하여 송신한다.
해상 부이(UBSC)가 한 프레임 동안 대기하여 클러스터 내의 모든 수중 기지국(UBS)들로부터 주기적 자원 정보 응답 신호(PRIREP)를 수신하지 못할 경우, 다시 주기적 자원 정보 요청 신호(PRIREQ)를 송신한다.
이때, 주기적 자원 정보 응답 신호(PRIREP)를 이미 전송한 수중 기지국(UBS)들도 다시 주기적 자원 정보 요청 신호(PRIREQ)를 수신한 경우 새로운 정보를 이용하여 주기적 자원 정보 응답 신호(PRIREP)를 재전송하여 데이터를 업데이트한다.
클러스터 내의 모든 수중 기지국(UBS)들로부터 주기적 자원 정보 응답 신호(PRIREP)를 수신한 해상 부이(UBSC)는 자원 할당 알고리즘을 수행하고, 그 결과인 수중 기지국(UBS)별 자원 할당 정보를 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 통해 전송하고 난 후에 한 프레임을 대기한다.
이때, 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS) 정보는 자원 할당 업데이트 방법에 따라 고정 주기 방식일 경우 수중 기지국(UBS) 슬롯 번호, 시작 프레임 번호, 종료 프레임 번호 등이며, 적응 주기 방식인 경우 수중 기지국(UBS) 슬롯 번호, 시작 프레임 번호 등이다.
자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 수신한 수중 기지국(UBS)들은 각각 자신의 초기 업링크 용량(capacity)을 설정하고, 해상 부이(UBSC)에게 자원 할당 정보 송신 확인 신호(RAISACK)를 송신한다.
해상 부이(UBSC)가 한 프레임 동안 대기하여 클러스터 내의 모든 수중 기지국(UBS)들로부터 자원 할당 정보 송신 확인 신호(RAISACK)를 수신하지 못할 경우, 다시 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 송신한다.
이때, 자원 할당 정보 송신 확인 신호(RAISACK)를 이미 전송한 수중 기지국(UBS)들도 다시 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 수신한 경우 자원 할당 정보 송신 확인 신호(RAISACK)를 재전송하여 데이터를 업데이트한다.
클러스터 내의 모든 수중 기지국(UBS)들로부터 자원 할당 정보 송신 확인 신호(RAISACK)를 수신한 해상 부이(UBSC)는 다운 링크 데이터(DL_Data)를 송신하고, 이 다운 링크 데이터(DL_Data)를 수신한 수중 기지국(UBS)도 자신이 할당 받은 슬롯에 업 링크 데이터(UL_Data)를 전송하며 정규 과정 단계(NS)에 진입한다.
2. 정규 과정 단계
(1) 고정(fixed) 주기적 자원 할당
해상 부이(UBSC)가 클러스터별로 수중 기지국(UBS)들에게 미리 설정된 주기, 예를 들어 10 프레임에 따라 자원 할당을 위한 주기적 자원 정보 요청 신호(PRIREQ)를 전송하여 정보를 요청한다.
주기적 자원 정보 요청 신호(PRIREQ)를 수신한 수중 기지국(UBS)들은 자신들의 현재 트래픽 정보(평균 트래픽양, 최대 트래픽양)를 가지고 주기적 자원 정보 응답 신호(PRIREP)를 생성하여 해상 부이(UBSC)에게 송신한다.
클러스터 내의 모든 수중 기지국(UBS)들로부터 주기적 자원 정보 응답 신호(PRIREP)를 수신한 해상 부이(UBSC)는 자원 할당 알고리즘을 수행하여 수중 기지국(UBS) 각각의 자원 할당 정보를 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 통해 전송한다.
자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 수신한 수중 기지국(UBS)들은 각각 자신의 업링크 용량, 즉 타임 슬롯 개수를 설정하고, 해상 부이(UBSC)에게 자원 할당 정보 송신 확인 신호(RAISACK)를 전송한다.
도 13에서 주기적 자원 정보 요청 신호(PRIREQ)-주기적 자원 정보 응답 신호(PRIREP)-자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)-자원 할당 정보 송신 확인 신호(RAISACK)-다운 링크 데이터(DL_Data)-업 링크 데이터(UL_Data)의 패킷 전송 및 과정은 도 12의 초기화 과정과 동일하므로 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.
(2) 적응(adaptive) 주기적 자원 할당
적응주기 자원 할당 방식에서는 자원의 부족 여부에 상관없이 수중 기지국(UBS)이 스스로 자신의 트래픽 변화에 따라 자원 재할당 요청 주기를 가변적으로 변경하고, 자원이 부족한 경우 자원 재할당을 요청한다.
즉, 자원이 부족하지 않은 경우에는 자원 재할당 요청 주기만을 조절하고, 자원이 부족한 경우에는 자원 재할당 요청 주기를 조절하는 동시에 자원 재할당을 요청한다.
하나의 수중 기지국(UBS)에서 자신의 주기가 종료된 후 자원 할당 재조정이 필요한 경우, (예를 들어, 현재 트래픽양이 현재 용량을 초과한 경우) 현재 트래픽양 및 현재 용량에 대한 정보를 포함하는 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)를 해상 부이(UBSC)에게 전송하고 한 프레임을 대기한다.
만일, 한 프레임 동안 해상 부이(UBSC)로부터 자원 재할당 요청 수신 확인 신호(RAACK)를 수신하지 못하면, 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)를 재전송하고 한 프레임을 다시 대기한다.
해상 부이(UBSC)로부터 자원 재할당 요청 수신 확인 신호(RAACK)를 수신하면 업 링크 데이터(UL_Data)를 전송하면서 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 수신 대기하고, 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 수신하면 다시 용량을 설정하고 정상 동작을 수행한다.
해상 부이(UBSC)가 특정 수중 기지국(UBS)으로부터 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)를 수신하면 그 프레임동안 다른 수중 기지국(UBS)들로부터 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)가 전송되는지 대기한다.
적어도 하나 이상의 수중 기지국(UBS)으로부터 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)를 수신하면 그 수중 기지국(UBS)에게 자원 재할당 요청 수신 확인 신호(RAACK)를 전송하고, 자원 할당 알고리즘을 다시 수행해서 다음 프레임에 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 전송한다.
그 이후의 재조정 과정 및 패킷별 내용은 도 12의 초기화 과정과 동일하므로 여기에서는 상세한 설명을 생략한다.
해상 부이(UBSC)가 특정 수중 기지국(UBS)의 요청에 의해 자원 할당 알고리즘을 수행할 때 참고하기 위해, 수중 기지국(UBS)들은 업 링크 데이터(UL_Data)를 전송할 때, 주기적 자원 정보 요청 신호(PRIREQ)에서와 같이 자신의 현재 트래픽 정보(평균 트래픽양, 최대 트래픽양)를 데이터와 같이 전송함으로써 최신의 정보로 자동 업데이트한다.
이는 별도의 메시지 업데이트 과정을 불필요하게 하여 메시지 오버헤드를 방지하기 위한 것으로서, 적응주기 자원 할당 방식에서 이 점이 고정주기 자원 할당 할당방식과 차이가 나는 부분이다.
하지만, 실제 시뮬레이션 결과, 시간 지연, 메시지 오버헤드 및 타임 슬롯 활용도 측면에서 적응주기 자원 할당 방식 및 고정주기 자원 할당 할당방식은 각각 케이스 별로 장단점이 있어 본 실시예에서는 양 방식을 모두 활용한다.
적응주기 자원 할당 방식에서 수중 기지국(UBS)의 자원 재할당 주기 값 설정 방법은 다음과 같다.
본 방식에서는 자원 재할당 주기가 각 수중 기지국(UBS)의 용량 및 요구되는 트래픽의 상태에 따라 적응적(adaptive)으로 변화된다.
용량이 초과되거나 부족한 경우, 자원 재할당 주기를 지수함수적(exponential) 형태로 증가 또는 감소시킨다.
수중 기지국(UBS)의 현재 트래픽양이 현재 용량을 초과한 경우 해당 수중 기지국(UBS) 자체에는 용량에 문제가 전혀 없기 때문에 재할당으로 인한 오버헤드를 줄이기 위해 자원 재할당 주기를 증가시킨다.
수중 기지국(UBS)의 현재 트래픽양이 현재 용량 미만인 경우에는 수중 기지국(UBS)에게 부족한 용량을 빠르게 늘려주기 위하여 자원 재할당 주기를 감소시킨다.
즉, 무선 통신에서 송수신 노드가 많아 충돌 방지를 위해 일정 시간 대기하는 백 오프 윈도우(backoff window) 방식과 같이 다음과 같은 가변적 주기(window)를 사용한다.
여기에서, 백 오프 윈도우(backoff window) 방식은 무선 통신 분야에서 통용되는 통신 규약으로서, 노드가 많아 채널에 접속하는데 있어서 경쟁이 심한 경우 다음 접속 시도 때까지 일정 지속 시간(duration time)동안 대기하는 방식이다.
윈도우 크기에 해당하는 자원 재할당 주기는
Figure 112017041958436-pat00001
(
Figure 112017041958436-pat00002
)으로 산출되는데, 여기에서 M은 자원 할당 주기 초기 값이고, 수중 기지국(UBS)의 현재 트래픽양이 현재 용량을 초과한 경우 n을 증가시키고, 수중 기지국(UBS)의 현재 트래픽양이 현재 용량 미만인 경우 n을 감소시킨다.
3. 자원 할당 알고리즘
도 16a 및 도 16b는 본 발명의 자원 할당 방법 내 자원 할당 알고리즘을 시계열적으로 나타내는 순서도이다.
도 1 내지 도 16a 및 도 16b를 참조하여 본 발명의 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법에서 자원 할당 알고리즘의 동작을 설명하면 다음과 같다.
해상 부이(UBSC)에서 각 수중 기지국(UBS)으로부터 수집된 정보를 사용하여 각 수중 기지국(UBS)의 업 링크 전송에 사용할 자원을 할당하는 구체적인 알고리즘은 다음과 같다.
해상 부이(UBSC)에서 각 수중 기지국(UBS)에 자원 할당을 수행하기 위해서 수중 기지국(UBS)으로부터 다양한 정보를 수집하여 자원 할당 알고리즘을 설계할 수 있으나, 본 실시예에서는 자원 할당 주기 동안의 최대 트래픽 양 또는 평균 트래픽 양과 같은 가장 간단한 형태의 정보를 사용하여 자원 할당 알고리즘을 설계한다.
실제 시뮬레이션 결과, 최대 트래픽 양 형태의 정보를 사용할 때보다 평균 트래픽 양 형태의 정보를 사용하여 설계할 때 전송 성능이 더 안정적인 것으로 나타났다.
도 15는 자원 할당 알고리즘에 사용될 수 있는 다양한 파라미터를 설명하고 있는데, 자원 할당 업데이트 주기를 T라고 표기하면, 하나의 주기 동안의 UBSi의 최대 트래픽 발생량은 TL_MAXi(T)로 표기된다.
이 자원 할당 알고리즘은 클러스터 1, 2, 3에 동일하게 사용될 수 있으나, 본 실시예에서는 대표적인 예로 클러스터 1의 경우를 고려하여 설명한다.
예를들어, 본 실시예에서는 NC1 = 6, NF1 = 16으로 설정하였으나, 이 값들은 프레임 구조와 클러스터에 속한 수중 기지국(UBS)의 수에 따라 달라질 수 있다.
먼저, 수중 기지국(UBSi)에 기본적으로 슬롯 1개씩 할당하고(i = 1, 2, ..., NC1), 남은 슬롯인 (NF1-NC1)개를 각 수중 기지국(UBS)에서 필요로 하는 만큼 공평하게 할당한다.
즉, 각 수중 기지국(UBS)에서 전송한 TL_MAXi(T) 값을 사용하여 할당할 자원을 계산한다.
이때, 각 수중 기지국(UBS)에서 필요로 하는 만큼을 공정하게 할당하기 위해서는 각 수중 기지국(UBS)에 트래픽 비율인 다음 수학식 1의
Figure 112017041958436-pat00003
만큼의 슬롯이 추가로 할당되어야 한다.
Figure 112017041958436-pat00004
여기에서, NF1은 클러스터1 프레임의 슬롯 수, NC1은 클러스터1 의 기지국 수, TL_MAXi(T)는 자원 업데이트 주기인 T 번째 프레임까지 수중 기지국(UBSi)의 최대(Maximum) 트래픽 양이다.
추가로 할당되는 슬롯 수는 정수이어야 하므로, 각 수중 기지국(UBS)에게
Figure 112017041958436-pat00005
슬롯을 추가로 할당한다. (여기에서,
Figure 112017041958436-pat00006
는
Figure 112017041958436-pat00007
를 반올림한 정수 값)
만약
Figure 112017041958436-pat00008
이면, 남은 (NF1 - NC1)개의 슬롯이 각 수중 기지국(UBS)이 필요로 하는 분량만큼 비율적으로 할당이 잘 되었으므로 최종적으로 수중 기지국(UBSi)에
Figure 112017041958436-pat00009
개의 슬롯을 할당하여 자원 할당 알고리즘을 종료한다.
만약
Figure 112017041958436-pat00010
이면, 슬롯이 아직 더 할당될 수 있거나 할당된 슬롯이 NF1을 초과한 상태이므로 이를 보상해주는 과정이 필요하다.
따라서,
Figure 112017041958436-pat00011
로 정의하고, mode 값에 따라서 보상 과정을 실행한다.
즉, mode = 0 인 경우에는 수중 기지국(UBS)들에게 할당된 전체 슬롯의 수가 NF1이므로 보상 과정이 필요 없어 최종적으로 수중 기지국(UBSi)에 추가되는 슬롯 수+기본 슬롯수 =
Figure 112017041958436-pat00012
개의 슬롯을 할당하여 자원 할당 알고리즘을 종료한다.
mode > 0 인 경우(0.5를 초과하여 올림한 경우)에는 수중 기지국(UBS)들에게 할당된 전체 슬롯의 수가 NF1보다 mode만큼 초과로 할당된 상태이므로, 자원 할당에서 가장 이득을 많이 본 수중 기지국(UBS)의 순위를 결정하고, 처음부터 mode 수만큼의 수중 기지국(UBS)으로부터 이미 할당된
Figure 112017041958436-pat00013
에서 하나씩 감소시켜 슬롯을 재할당한다.
최종적으로 보상 과정을 거친 mode 수만큼의 수중 기지국(UBSi)에게는
Figure 112017041958436-pat00014
개의 슬롯을 할당하고, 보상 과정을 거치지 않은 (NC1-mode)개의 수중 기지국(UBSi)에게는
Figure 112017041958436-pat00015
개의 슬롯을 할당하여 자원 할당 알고리즘을 종료한다.
mode < 0 인 경우(0.5에 미만하여 내림한 경우)에는 수중 기지국(UBS)들에게 할당된 전체 슬롯의 수가 NF1보다 (-mode)만큼 적게 할당된 상태이므로 자원 할당에서 가장 손해를 많이 본 수중 기지국(UBS)의 순위를 결정하고, 처음부터 (-mode) 수만큼의 수중 기지국(UBS)으로부터 이미 할당된
Figure 112017041958436-pat00016
에서 하나씩 증가시켜 슬롯을 재할당한다.
최종적으로 보상과정을 거친 mode 수만큼의 수중 기지국(UBSi)에게는
Figure 112017041958436-pat00017
개의 슬롯을 할당하고, 보상과정을 거치지 않은 (NC1-mode)개의 수중 기지국(UBSi)에게는
Figure 112017041958436-pat00018
개의 슬롯을 할당하여 자원 할당 알고리즘을 종료한다.
만일, mode > 0 인 경우에는 각 수중 기지국(UBSi)에 대해서 트래픽 비율에 따라 추가로 할당되어야 하는 실수값
Figure 112017041958436-pat00019
에서 반올림된 정수 값
Figure 112017041958436-pat00020
의 차인
Figure 112017041958436-pat00021
를 계산한다.
여기에서, Di는
Figure 112017041958436-pat00022
이고, 그 값이 작을수록 이득을 많이 본 것을 나타낸다.
따라서, Di를 작은 수부터 오름차순으로 정렬한 후, 처음부터 mode개 만큼의 index(i)를 선택한다.
즉, Di 값이 작은 수중 기지국(UBSi)를 mode개 만큼 선택하고, 해당 수중 기지국(UBSi)에 이미 할당된
Figure 112017041958436-pat00023
에서 슬롯을 1개 감소시킨다.
만일, mode < 0 인 경우에는 각 수중 기지국(UBSi)에 대해서 트래픽 비율에 따라 추가로 할당되어야 하는 실수값
Figure 112017041958436-pat00024
에서 반올림된 정수 값
Figure 112017041958436-pat00025
의 차인
Figure 112017041958436-pat00026
를 계산한다.
여기에서, Di는
Figure 112017041958436-pat00027
이고, 값이 클수록 손해를 많이 본 것을 나타낸다.
따라서, Di를 큰 수부터 내림차순으로 정렬한 후, 처음부터 (- mode)개 만큼의 index(i)를 선택한다.
즉, Di 값이 큰 수중 기지국(UBSi)를 앞에서부터 (- mode)개 선택하고, 해당 수중 기지국(UBSi)에 이미 할당된
Figure 112017041958436-pat00028
에서 추가적으로 슬롯을 1개 더 할당한다.
이와 같이, 본 발명의 수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법은 지상에 비해 통신 환경이 열악한 수중 네트워크 환경 하에서 시분할 다중 접속 방식에 따라 싱글 캐리어 자원 할당 알고리즘에 의해 자원 할당을 하는 경우, 수중 기지국에 기본적으로 할당하고 남은 슬롯을 자원 할당 주기 동안의 최대 트래픽 양을 이용하여 각 수중 기지국에서 트래픽 비율만큼 추가로 할당하고 보장된 링크 용량 방식을 채용함으로써, 수중 기지국에서 발생하는 트래픽이 모두 해상 부이로 전송이 가능하도록 자원이 할당된다.
이를 통하여, 종래의 정적 데이터 전송 구간을 가지는 TDMA 기반의 수중 통신 방법에서의 타임 슬롯의 낭비를 방지할 수 있고, 두 개의 다른 클러스터에 속한 수중 기지국들이 하나의 주파수를 사용하여 발생할 수 있는 주파수 충돌이 방지된다.
또한, 수중 기지국에서 발생하는 업 링크 트래픽이 모두 해상 부이로 전송이 가능해지고, 업 링크 트래픽의 양이 해상 부이로 바로 전송될 수 있을 정도로 링크 용량이 보장되어, 수중 기지국에서 발생하는 트래픽의 전송 에러 및 지연 시간이 감소한다.
이상, 일부 예를 들어서 본 발명의 바람직한 여러 가지 실시예에 대해서 설명하였지만, 본 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 항목에 기재된 여러 가지 다양한 실시예에 관한 설명은 예시적인 것에 불과한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이상의 설명으로부터 본 발명을 다양하게 변형하여 실시하거나 본 발명과 균등한 실시를 행할 수 있다는 점을 잘 이해하고 있을 것이다.
또한, 본 발명은 다른 다양한 형태로 구현될 수 있기 때문에 본 발명은 상술한 설명에 의해서 한정되는 것이 아니며, 이상의 설명은 본 발명의 개시 내용이 완전해지도록 하기 위한 것으로 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것일 뿐이며, 본 발명은 청구범위의 각 청구항에 의해서 정의될 뿐임을 알아야 한다.

Claims (10)

  1. 해상 부이(UBSC)와 복수개의 수중 기지국(UBSi) 클러스터 간의 네트워크 구조를 가지는 수중 네트워크 시스템에 있어서,
    상기 클러스터 내 복수개의 수중 기지국(UBSi)에 시분할 다중 접속 방식으로 자원이 할당되고, 각각 하나의 주파수를 사용하여 상기 해상 부이(UBSC)로의 업링크 데이터가 모두 전송 가능하도록 링크 용량이 보장되어 자원이 할당되며,
    상기 자원 할당은 자원 할당 주기 동안의 상기 클러스터 내 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 최대 트래픽 양 또는 평균 트래픽 양을 이용하여 할당하고,
    상기 하나의 주파수만 사용하여 자원 할당이 어려운 환경에서는 싱글 캐리어 자원 할당을 유지하면서 상기 클러스터 내 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 버퍼링을 허용하거나 증가시키고,
    상기 클러스터 내 복수개의 수중 기지국(UBSi) 별로 각각 누적 트래픽을 업데이트하는 주기 동안 발생한 수중 기지국 트래픽 양과 이전 할당된 링크 용량 대비 업데이트 주기 동안 발생한 수중 기지국 트래픽 양을 업데이트하며,
    프레임 당 하나의 수중 기지국에 할당되는 자원 할당 우선 순위는 다른 수중 기지국보다 상대적으로 자원이 부족한 수중 기지국 > 다른 수중 기지국보다 상대적으로 자원을 많이 사용하는 수중 기지국 > 다른 수중 기지국보다 상대적으로 자원을 적게 사용하는 수중 기지국 순으로 설정하는 것을 특징으로 하는,
    수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 자원 할당은
    (a) 상기 해상 부이(UBSC)가 주기적 자원 정보를 요청하고 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)이 응답하면, 상기 해상 부이(UBSC)가 자원 할당 알고리즘을 수행한 후 자원 할당 정보를 전송하고, 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)이 각각 초기 업링크 용량을 설정하는 초기화 단계; 및
    (b) 상기 해상 부이(UBSC)가 기 설정된 주기 또는 가변적인 주기에 따라 상기 주기적 자원 정보를 요청하고 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)이 응답하면, 이를 확인한 해상 부이(UBSC)가 상기 응답한 수중 기지국(UBSi)으로 다운 링크 데이터(DL_Data)를 송신하고, 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)이 자원 할당 알고리즘에 의해 각각 할당받은 슬롯에 상기 업 링크 데이터(UL_Data)를 전송하는 정규 과정 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    (b-1) 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)에 기본적으로 슬롯 1개씩 할당하고, 남은 슬롯인 (NFj -NCj)개를 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi) 각각에서 필요로 하는 슬롯 개수만큼 할당하는 단계; 및
    (b-2) 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi) 각각에 트래픽 비율(
    Figure 112017041958436-pat00029
    )만큼의 슬롯이 추가로 할당되는 단계;
    를 더 포함하되,
    상기 트래픽 비율은
    Figure 112017041958436-pat00030

    로 표현되고,
    상기 NFj 은 클러스터j 프레임의 슬롯 수, 상기 NCj 은 클러스터j 의 기지국 수, 상기 TL_MAXi(T)는 자원 업데이트 주기인 T 번째 프레임까지 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi) 각각의 상기 최대 트래픽 양인 것을 특징으로 하는,
    수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 (b-2) 단계에서
    상기 복수개의 수중 기지국(UBSi) 각각에 추가로 할당되는 슬롯수는 상기 트래픽 비율(
    Figure 112017041958436-pat00031
    )을 반올림한 정수 값(
    Figure 112017041958436-pat00032
    )인 것을 특징으로 하는,
    수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 (b-2) 단계 이후에
    (b-3) 상기 반올림한 정수 값(
    Figure 112017041958436-pat00033
    )이 상기 클러스터j 프레임의 슬롯 수(NFj)와 상기 클러스터j 의 기지국 수(NCj)의 차와 동일한 경우, 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)에
    Figure 112017041958436-pat00034
    개의 슬롯을 할당하여 상기 자원 할당 알고리즘을 종료하는 단계; 및
    (b-4) 상기 반올림한 정수 값이 상기 클러스터j 프레임의 슬롯 수(NFj)와 상기 클러스터j 의 기지국 수(NCj)의 차와 동일하지 않는 경우,
    Figure 112017041958436-pat00035
    로 정의되는 모드(mode) 값에 따라 상기 할당된 슬롯의 개수를 보상하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 (b-4) 단계에서
    상기 모드(mode) 값 > 0 인 경우, 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi) 각각의 트래픽 비율에 따라 추가로 할당되어야 하는 실수 값(
    Figure 112017041958436-pat00036
    )과 상기 실수 값(
    Figure 112017041958436-pat00037
    )을 상기 반올림한 정수 값(
    Figure 112017041958436-pat00038
    )의 차에 대하여 오름차순으로 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 순위를 결정하는 단계; 및
    상기 반올림한 정수 값(
    Figure 112017041958436-pat00039
    )에서 하나씩 감소시켜 슬롯을 재할당하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 (b-4) 단계에서
    상기 할당된 슬롯 개수의 보상 과정을 거친 상기 모드(mode) 값만큼의 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)에 상기 반올림한 정수 값(
    Figure 112017041958436-pat00040
    )만큼의 슬롯을 할당하는 단계; 및
    상기 보상 과정을 거치지 않은 (NCj -mode)개의 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)에
    Figure 112017041958436-pat00041
    개의 슬롯을 할당하여 상기 자원 할당 알고리즘을 종료하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법.
  8. 제 6 항에 있어서,
    상기 (b-4) 단계에서
    상기 모드(mode) 값 < 0 인 경우, 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi) 각각의 트래픽 비율에 따라 추가로 할당되어야 하는 실수 값(
    Figure 112017041958436-pat00042
    )과 상기 실수 값(
    Figure 112017041958436-pat00043
    )을 상기 반올림한 정수 값(
    Figure 112017041958436-pat00044
    )의 차에 대하여 내림차순으로 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 순위를 결정하는 단계; 및
    상기 반올림한 정수 값(
    Figure 112017041958436-pat00045
    )에서 하나씩 증가시켜 슬롯을 재할당하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 (b-4) 단계에서
    상기 할당된 슬롯 개수의 보상 과정을 거친 상기 모드(mode) 값만큼의 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)에
    Figure 112017041958436-pat00046
    만큼의 슬롯을 할당하는 단계; 및
    상기 보상 과정을 거치지 않은 (NCj -mode)개의 수중 기지국(UBSi)에
    Figure 112017041958436-pat00047
    개의 슬롯을 할당하여 상기 자원 할당 알고리즘을 종료하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법.
  10. 해상 부이(UBSC)와 복수개의 수중 기지국(UBSi) 클러스터 간의 네트워크 구조를 가지는 수중 네트워크 시스템에 있어서,
    상기 클러스터 내 복수개의 수중 기지국(UBSi)에 시분할 다중 접속 방식으로 자원 할당 주기가 설정되고, 각각 하나의 주파수를 사용하여 상기 해상 부이(UBSC)로의 업링크 데이터가 모두 전송 가능하도록 링크 용량이 보장되어 자원이 할당되며,
    상기 자원 할당은 자원 할당 주기 동안의 상기 클러스터 내 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 최대 트래픽 양 또는 평균 트래픽 양을 이용하여 할당하고,
    상기 해상 부이(UBSC)에 가까운 클러스터는
    상기 해상 부이(UBSC)에 먼 클러스터보다 높은 주파수가 사용되고, 슬롯과 채널 간 간섭을 방지하는 보호 시간(guard time)이 상기 해상 부이(UBSC)에 먼 클러스터보다 작게 설계되며,
    상기 하나의 주파수만 사용하여 자원 할당이 어려운 환경에서는 싱글 캐리어 자원 할당을 유지하면서 상기 클러스터 내 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 버퍼링을 허용하거나 증가시키고,
    상기 클러스터 내 복수개의 수중 기지국(UBSi) 별로 각각 누적 트래픽을 업데이트하는 주기 동안 발생한 수중 기지국 트래픽 양과 이전 할당된 링크 용량 대비 업데이트 주기 동안 발생한 수중 기지국 트래픽 양을 업데이트하며,
    프레임 당 하나의 수중 기지국에 할당되는 자원 할당 우선 순위는 다른 수중 기지국보다 상대적으로 자원이 부족한 수중 기지국 > 다른 수중 기지국보다 상대적으로 자원을 많이 사용하는 수중 기지국 > 다른 수중 기지국보다 상대적으로 자원을 적게 사용하는 수중 기지국 순으로 설정하는 것을 특징으로 하는,
    수중 네트워크에서의 TDMA 기반 싱글 캐리어 자원 할당 방법.
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