KR101925893B1 - 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법 - Google Patents

수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101925893B1
KR101925893B1 KR1020180055447A KR20180055447A KR101925893B1 KR 101925893 B1 KR101925893 B1 KR 101925893B1 KR 1020180055447 A KR1020180055447 A KR 1020180055447A KR 20180055447 A KR20180055447 A KR 20180055447A KR 101925893 B1 KR101925893 B1 KR 101925893B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
initialization
maximum
message
protocol
success rate
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
KR1020180055447A
Other languages
English (en)
Inventor
윤창호
김승근
임용곤
Original Assignee
한국해양과학기술원
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 한국해양과학기술원 filed Critical 한국해양과학기술원
Priority to KR1020180055447A priority Critical patent/KR101925893B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101925893B1 publication Critical patent/KR101925893B1/ko
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Images

Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L41/00—Arrangements for maintenance, administration or management of data switching networks, e.g. of packet switching networks
    • H04L41/08—Configuration management of networks or network elements
    • H04L41/0803—Configuration setting
    • H04L41/0806—Configuration setting for initial configuration or provisioning, e.g. plug-and-play
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B11/00—Transmission systems employing sonic, ultrasonic or infrasonic waves
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B13/00—Transmission systems characterised by the medium used for transmission, not provided for in groups H04B3/00 - H04B11/00
    • H04B13/02—Transmission systems in which the medium consists of the earth or a large mass of water thereon, e.g. earth telegraphy
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L43/00—Arrangements for monitoring or testing data switching networks
    • H04L43/10—Active monitoring, e.g. heartbeat, ping or trace-route

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Cardiology (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

본 발명은 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법을 공개한다. 이 방법은 수중의 마스터 노드와 슬레이브 노드인 수중 노드들 간 수중 통신을 위한 프로토콜 방법에 있어서, (a) 초기화 프로토콜의 폴링 메시지 및 응답 메시지가 정규화 과정의 최대 전송 단위 값과 다르게 정의되는 단계; (b) 소정의 네트워크 조건 및 채널 상태에서 수행된 모의 시험을 통해 상기 초기화 프로토콜의 파라미터가 설정되는 단계; 및 (c) 상기 마스터 노드가 상기 폴링 메시지를 송신하고, 상기 슬레이브 노드가 상기 응답 메시지를 송신하여 상기 초기화 프로토콜의 진행 여부를 결정하는 단계;를 포함하고, 상기 프로토콜 방법은 원 홉 통신으로서, 상기 수중 노드들은 상기 마스터 노드의 통신 반경 내에 위치하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의할 경우, 수중의 열악한 환경으로 다중 홉에 의해 발생하는 지연, 경로 설정 오버헤드 등을 회피하면서, 보다 안정적으로 수중 데이터를 수상-육상으로 전달이 가능하고, 초기화 과정에 특화된 절차 및 메시지가 정의되어 초기화 시간이 단축되고 메시지의 충돌 발생이 억제된다.

Description

수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법{A limited-multiple iteration initialization protocol method for underwater acoustic network}
본 발명은 초기화 프로토콜 방법에 관한 것으로서, 특히 수중의 열악한 채널 환경을 고려하여 단일 홉 중앙 집중식 마스터-슬레이브 구조로, 다중 홉에 의해 발생하는 지연, 경로 설정 오버헤드 문제를 방지하면서, 초기화 시간이 단축되고 메시지의 충돌 발생이 억제되는 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 수중 환경은 지상 환경에 비해 통신 환경이 매우 척박하다.
신호의 전송속도는 매우 느리며, 사용 가능한 채널의 개수도 매우 한정적이고 사용 가능한 대역폭도 매우 좁다.
이러한 수중 환경에서의 초기화 프로토콜은 네트워크의 시작과 직접적인 관련(스탠바이 -> 시작)이 있기 때문에 초기화 과정을 통해 노드들을 깨우고, 네트워크 파라미터를 셋팅하고, 시작 가용 상태 확인 등의 초기화 과정 없이 네트워크 운용을 할 수 없다.
그런데, 종래에는 주로 링크 계층의 네트워크 매체접속제어 또는 네트워크 계층의 라우팅 프로토콜의 초기화의 일부 과정으로 추상적인 과정만 제안되어 왔다.
즉, 초기화의 절차가 대부분 폴링(polling)-응답(response) 방식을 이용하여 초기화 패킷(예를 들어, SYNC)-응답 패킷(예를 들어, SYNC response)의 간단한 패킷들을 노드간에 송수신하는 동작뿐이었다.
또한, 수중 통신 환경은 통신 거리 연장을 위해 매체로 음파를 사용하므로, 낮은 전송율과 긴 전파지연 등 열악한 통신 환경으로 인해 송수신이 실패하는 경우가 종종 있었다.
즉, 육상의 전자기파 통신과 달리 수중 터뷸런스, 배, 수온 등의 다양한 원인들로 인해 빈번한 송수신 실패가 발생하고, 링크 에러가 일정 시간 동안 비트 단위의 에러 발생이 아닌 패킷 전체가 해석할 수 없는 왜곡된 신호가 수신(ON-OFF 상태)되는 경우이다.
수중 음향 네트워크 시스템
도 1은 일반적인 수중 음향 네트워크 시스템에 대한 대략적인 구성도이다.
도 1을 참조하여 일반적인 수중 음향 네트워크 시스템의 동작을 설명하면 다음과 같다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 수중 음향 네트워크(Underwater acoustic networks, UANets)는 다수의 수중 노드들(underwater node, 110), 다수의 마스터 노드들(master node, 120), 중앙 명령 선박(130), 육상국(140) 및 위성(150)으로 구성된다.
다수의 수중 노드들(110)은 슬레이브 노드들로서, 잠수부, 잠수함, 자율 수중 차량(Autonomous Underwater Vehicles, AUV) 등으로서, 수중에서 이동성을 가진다.
다수의 마스터 노드들(120)은 부표(buoy)와 같이 물 표면에 위치하면서 수중 노드들(110)로부터의 데이터를 다수의 다른 마스터 노드들, 육상국(140), 또는 중앙 명령 선박(130)으로 중계한다.
중앙 명령 선박(130)은 수면에서의 이동 노드로서, 수중 임무를 명령하고, 다수의 마스터 노드들(120)에서 수집된 데이터를 육상국(140) 및 위성(150)으로 전송한다.
육상국(land station, 140)은 수중으로부터의 각종 데이터를 다른 네트워크 영역으로 전송하기 위하여 지상 백본 네트워크에 연결된다.
즉, 중앙 명령 선박(130)은 일차적으로 수중 노드들(110)로부터 해양 데이터를 얻기 위하여 마스터 노드(MNi)에 명령하면, 마스터 노드(MNi)는 수중 노드들(110)에 음향 초기화 신호를 브로드캐스트(broadcast)하기 시작한다.
수중 노드들(110) 중 소정의 수중 노드(UNi)는 신호를 수신 한 후에, 데이터 전송을 위해 마스터 노드(MNi)로부터 데이터 전송 기회를 획득하고, 주어진 매개 접근 제어(medium access control, MAC) 프로토콜 하에서 마스터 노드(MNi)에 데이터를 전송한다.
마스터 노드(MNi)는 데이터를 수신 한 후에, 중앙 명령 선박(130)으로 정보를 전달하고, 중앙 명령 선박(130)은 육상국(140)으로 데이터를 중계한다.
마지막으로, 육상국(140)은 지상파 백본 네트워크를 통해 많은 인터넷 가입자에게 데이터를 전송한다.
이와 같은 수중 노드들 간에 통신 네트워크를 구성하는데 있어서, 네트워크의 매체 접속 제어 방식에 따라 정규 과정을 진행하기 전에 네트워크 초기화 과정이 선행되어야 하는데, 다음과 같은 경우에 네트워크 초기화 과정은 필수적이라 할 수 있다.
즉, 최초 네트워크 구성 셋업시(위치 인식, 네비게이션, 전송 스케줄링, 제어 등), 새로운 노드가 네트워크를 진입하거나, 기존의 노드가 네트워크를 이탈시, 빈번한 네트워크 실패로 인한 새로운 네트워크 구성 셋업시 네트워크 초기화 과정이 반드시 필요하다.
한편, 수중 네트워크 초기화 프로토콜에 대한 연구 역시 활발히 진행되고 있으며, 각종 수중 네트워크 환경에 따라 초기화 프로토콜이 현재 다양하게 연구 개발되고 있다.
분산형 구조에 따른 초기화 프로토콜에 대한 연구로는 슬롯을 할당한 노드가 싱크(SYNC)를 전송한 이후, 모든 이웃으로부터 어싱크(ASYNC)를 수신할 때까지 초기화 과정을 수행하는 방식, 리더 노드가 메시지를 방송하고 대기하면 나머지는 노드는 ALOHA를 이용하여 응답하는 방식, 쇼트 파일롯 메시지(short pilot message)를 전체 서브 캐리어를 이용하여 이웃 노드들에게 방송하는 방식 등이 있다.
그런데, 육상 네트워크 또는 기존 수중 프로토콜 연구에서 무 오류(error-free) 가정에서의 간단한 초기화와 다르게, 수중의 열악한 통신 환경으로 인해 한 번에 모든 네트워크의 초기화가 완료될 확률이 극히 낮은 한계가 있었다.
즉, 초기화 과정의 반복(iteration) 횟수가 네트워크의 성능의 주요 변수가 될 수 있는데, 초기화 반복과 관련하여, 기존 수중 프로토콜 연구에서는 한번만 수행하거나 모든 노드들이 초기화 완료시까지 수행하는 것으로 가정함에 따라, 채널 환경(링크 상태)을 고려한 초기화 과정의 시도(initialization iteration) 횟수 조정에 대한 연구가 부재한 상황이다.
따라서, 전체 완료 초기화시 채널 환경이 나쁠 때, 초기화 과정이 종료되지 않고 계속 시도되어 초기화 무한 루프를 초래하므로, 에너지 효율(energy efficiency)이 감소하는 문제점이 있었다.
또한, 부분 완료 초기화시 네트워크 초기화 과정을 수행하는 횟수인 반복 횟수가 유한한 경우, 일부의 노드들은 정규화 과정으로 진입하지만, 초기화에 실패한 노드들은 정규화 과정에 진입하지 못하고 계속 시도해야 하는 문제점이 있었다.
이는 일정 부분의 네트워크 리소스를 네트워크 엔트리(network entry)에 지속적으로 할당해서 자원 활용도(resource utilization)이 떨어질 수 있는 문제점이 있었다.
그러므로 이와 같이 다양한 수중 네트워크 환경을 고려하여 초기화 반복 횟수의 조정이 필요하고, 수중에서는 빈번한 네트워크 실패가 발생하여 정규화 과정 진행 중에도 다시 초기화 과정으로 회귀해야 할 상황이 빈번하므로, 가급적 에너지 소모가 낮고 간단하게 네트워크의 노드들의 상태를 확인할 수 있는 초기화 프로토콜이 절실한 상황이다.
KR 10-1320336 B1
본 발명은 수중의 열악한 채널 환경을 고려하여 접근 스케줄링이 동기화가 필요 없고 적응적으로 초기화 횟수 및 시간을 결정하는 단일 홉 중앙 집중식 마스터-슬레이브 구조의 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법을 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법은 수중의 마스터 노드와 슬레이브 노드인 수중 노드들 간 수중 통신을 위한 프로토콜 방법에 있어서, (a) 초기화 프로토콜의 폴링 메시지 및 응답 메시지가 정규화 과정의 최대 전송 단위 값과 다르게 정의되는 단계; (b) 소정의 네트워크 조건 및 채널 상태에서 수행된 모의 시험을 통해 상기 초기화 프로토콜의 파라미터가 설정되는 단계; 및 (c) 상기 마스터 노드가 상기 폴링 메시지를 송신하고, 상기 슬레이브 노드가 상기 응답 메시지를 송신하여 상기 초기화 프로토콜의 진행 여부를 결정하는 단계;를 포함하고, 상기 프로토콜 방법은 원 홉 통신으로서, 상기 수중 노드들은 상기 마스터 노드의 통신 반경 내에 위치하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법의 상기 (a) 단계는 상기 슬레이브 노드 수에 소정 비트가 가산되어 상기 폴링 메시지가 정의되는 단계; 상기 마스터 노드가 다음 주기의 폴링 메시지에서 초기화 성공 여부를 복수개의 슬레이브 노드에게 통지하는 단계; 및 상기 폴링 메시지보다 비트수가 작은 상기 소정 비트로 상기 응답 메시지가 정의되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법의 상기 (c) 단계는 (c-1) 상기 마스터 노드가 네트워크 조건에 따라 메시지 교환 반복 사이클 주기 및 최대 반복수에 대한 초기화 프로토콜 파라미터를 설정하는 단계; (c-2) 상기 마스터 노드가 상기 메시지 교환 반복 사이클 주기로 하나의 반복 폴링 메시지를 브로드캐스트 방식으로 송신하는 단계; (c-3) 상기 마스터 노드가 상기 복수개의 슬레이브 노드로부터 상기 응답 메시지 수신을 대기하는 단계; (c-4) 상기 반복 폴링 메시지를 수신한 슬레이브 노드가 상기 응답 메시지를 생성하는 단계; (c-5) 상기 응답 메시지를 생성한 슬레이브 노드가 해당 슬레이브 노드의 랜덤 대기 시간 이후에 유니캐스트 방식으로 상기 응답 메시지를 송신하는 단계; (c-6)
Figure 112018047708739-pat00001
번째 반복에서 상기 응답 메시지를 수신한 마스터 노드가 상기
Figure 112018047708739-pat00002
번째 반복에서의 초기화 성공률 값을 계산하여 초기화 성공률의 임계값과 비교하는 단계; 및 (c-7) 상기 응답 메시지를 수신한 마스터 노드가 반복 인덱스(
Figure 112018047708739-pat00003
)를 확인하여 초기화 성공률 및 반복 인덱스의 크기에 따라 상기 초기화 프로토콜의 진행 여부를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법은 상기 (c-7) 단계 이후에 최대 반복 회수(
Figure 112018047708739-pat00004
)까지 초기화에 성공하지 못한 슬레이브 노드가 정규 과정의 네트워크 엔트리 방법에 따라 네트워크에 진입하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법의 상기 (c-7) 단계는 상기 계산된 반복에서의 초기화 성공률 값이 초기화 성공률의 임계값 미만인 경우, 상기 반복 인덱스(
Figure 112018047708739-pat00005
)를 하나 증가시키는 단계; 상기 반복 인덱스(
Figure 112018047708739-pat00006
) 값과 상기 최대 반복 회수(
Figure 112018047708739-pat00007
)를 비교하는 단계; 및 상기 반복 인덱스(
Figure 112018047708739-pat00008
) 값이 상기 최대 반복 회수(
Figure 112018047708739-pat00009
) 이하인 경우, 상기 (c-2) 단계로 회귀하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법의 상기 (c-7) 단계는 상기 계산된 반복에서의 초기화 성공률 값이 초기화 성공률의 임계값 이상인 경우 및 상기 반복 인덱스(
Figure 112018047708739-pat00010
) 값이 상기 최대 반복 회수(
Figure 112018047708739-pat00011
) 초과인 경우, 초기화를 종료하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법의 상기 (b) 단계는 (b-1) 상기 마스터 노드의 최대 통신 반경을 고려한 최대 전파 지연 및 전송 지연을 이용하여 최대 라운드 트립 시간이 산출되는 단계; (b-2) 상기 산출된 최대 라운드 트립 시간의 배수로 메시지 교환 반복 사이클을 설정하기 위해 슬레이브 노드의 랜덤 대기 시간이 산출되는 단계; (b-3) 상기 산출된 슬레이브 노드의 랜덤 대기 시간을 고려하여 상기 산출된 최대 라운드 트립 시간과 (최대 대기 시간 계수+1)의 승산으로 상기 메시지 교환 반복 사이클이 산출되는 단계; (b-4) 최소값을 상기 슬레이브 노드의 수로 설정하여 상기 최대 대기 시간 계수 값과 반비례하도록 최대 반복 수가 산출되는 단계; (b-5) 상기
Figure 112018047708739-pat00012
번째 반복에서 상기 응답 메시지를 생성한 슬레이브 노드가 상기 응답 메시지 전송시, 메시지 송신 충돌 없이 전송할 확률을 이용하여 초기화 성공률이 산출되는 단계; (b-6) 상기 산출된 메시지 교환 반복 사이클과 초기화 과정 종료시 반복 인덱스의 승산으로 초기화 과정 수행 시간이 산출되는 단계; 및 (b-7) 상기 네트워크 조건에서의 초기화 과정 종료시 초기화 성공률 및 초기화 과정 수행 시간에 대한 평균값들을 이용하여 초기화 과정 종료시 최대 대기 시간 계수가 산출되는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법의 상기 (b-7) 단계는 상기 네트워크 기반 초기화 과정 종료시 초기화 성공률 및 상기 네트워크 기반 초기화 과정 수행 시간이 산출되는 단계; 특정 최대 대기 시간 계수에서 모든 링크 상태에 대한 초기화 과정 종료시 초기화 성공률 및 초기화 과정 수행 시간 값들의 평균값들이 저장되는 단계; 상기 저장된 초기화 과정 종료시 초기화 성공률 평균값들을 내림차순으로 정렬하여 최대값을 찾는 단계; 및 상기 저장된 초기화 과정 수행 시간 평균값들을 오름차순으로 정렬하여 최소값을 찾는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법의 상기 네트워크 조건은, 최대 네트워크 반경, 슬레이브 노드의 수, 데이터율 및 초기화 성공률의 임계값을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법은 수중의 마스터 노드와 슬레이브 노드인 수중 노드들 간 수중 통신을 위한 프로토콜 방법에 있어서, (a) 초기화 프로토콜의 폴링 메시지 및 응답 메시지가 정규화 과정의 최대 전송 단위 값과 다르게 정의되는 단계; (b) 소정의 네트워크 조건 및 채널 상태에서 수행된 모의 시험을 통해 상기 초기화 프로토콜의 파라미터가 설정되는 단계; 및 (c) 상기 마스터 노드가 상기 폴링 메시지를 송신하고, 상기 슬레이브 노드가 상기 응답 메시지를 송신하여 상기 초기화 프로토콜의 진행 여부를 결정하는 단계;를 포함하고, 상기 프로토콜 방법은 싱글 케리어 방식으로서, 전-방향성 안테나를 사용하는 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, 수중의 열악한 환경으로 다중 홉에 의해 발생하는 지연, 경로 설정 오버헤드 등을 회피하면서, 보다 안정적으로 수중 데이터를 수상-육상으로 전달이 가능하다.
또한, 초기화 과정에 특화된 절차 및 메시지가 정의되어 초기화 시간이 단축되고 메시지의 충돌 발생이 억제된다.
도 1은 일반적인 수중 음향 네트워크 시스템에 대한 대략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명에 따른 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법의 전반적인 동작을 나타내는 순서도이다.
도 3은 본 발명의 초기화 프로토콜 방법에 사용되는 파라미터들과 그에 대한 정의를 기재한 표이다.
도 4는 도 2에 도시된 초기화 프로토콜 방법 중 단계(S100)에서 정의되는 폴링 메시지의 헤더와 그에 대한 설명을 기재한 표이다.
도 5는 도 2에 도시된 초기화 프로토콜 방법 중 단계(S100)에서 정의되는 응답 메시지의 헤더와 그에 대한 설명을 기재한 표이다.
도 6은 도 2에 도시된 초기화 프로토콜 방법 중 단계(S200)의 부분 동작을 나타내는 순서도이다.
도 7은 도 6에 도시된 초기화 프로토콜 방법 중 단계(S270)의 부분 동작을 나타내는 순서도이다.
도 8은 도 2에 도시된 초기화 프로토콜 방법 중 단계(S300 내지 S500)의 부분 동작을 나타내는 순서도이다.
도 9는 도 8에 도시된 초기화 프로토콜 방법 중 단계(S520)의 부분 동작을 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 발명의 초기화 프로토콜 방법에서 마스터 노트와 슬레이브 노드 간 송수신되는 초기화 메시지들을 시간의 흐름에 따라 개략적으로 도시한 도면이다.
도 11은 본 발명의 초기화 프로토콜 방법을 검증하기 위하여 모의 시험한 결과에 대한 그래프이다.
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.
도 2는 본 발명에 따른 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법의 전반적인 동작을 나타내는 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여 본 발명에 따른 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법의 전반적인 동작을 개략적으로 설명하면 다음과 같다.
수중의 마스터 노드와 슬레이브 노드인 수중 노드들 간 수중 음파 통신을 위한 프로토콜 방법에 있어서, 초기화 프로토콜의 폴링 메시지 및 응답 메시지가 정규화 과정의 최대 전송 단위 값과 다르게 정의된다(S100).
소정의 네트워크 조건 및 채널 상태에서 수행된 모의 시험을 통해 수중 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜의 파라미터가 설정된다(S200).
마스터 노드가 폴링 메시지를 송신하고(S300), 슬레이브 노드가 응답 메시지를 송신하여(S400) 초기화 프로토콜의 진행 여부를 결정한다(S500).
본 발명에 따른 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법의 세부적인 동작 설명에 대해서는 후술하도록 한다.
도 3은 본 발명의 초기화 프로토콜 방법에 사용되는 파라미터들과 그에 대한 정의를 기재한 표이다.
도 4는 도 2에 도시된 초기화 프로토콜 방법 중 단계(S100)에서 정의되는 폴링 메시지의 헤더와 그에 대한 설명을 기재한 표이다.
도 5는 도 2에 도시된 초기화 프로토콜 방법 중 단계(S100)에서 정의되는 응답 메시지의 헤더와 그에 대한 설명을 기재한 표이다.
도 6은 도 2에 도시된 초기화 프로토콜 방법 중 단계(S200)의 부분 동작을 나타내는 순서도이다.
도 7은 도 6에 도시된 초기화 프로토콜 방법 중 단계(S270)의 부분 동작을 나타내는 순서도이다.
도 8은 도 2에 도시된 초기화 프로토콜 방법 중 단계(S300 내지 S500)의 부분 동작을 나타내는 순서도이다.
도 9는 도 8에 도시된 초기화 프로토콜 방법 중 단계(S520)의 부분 동작을 나타내는 순서도이다.
도 10은 본 발명의 초기화 프로토콜 방법에서 마스터 노트와 슬레이브 노드 간 송수신되는 초기화 메시지들을 시간의 흐름에 따라 개략적으로 도시한 도면이다.
먼저, 본 발명의 초기화 프로토콜 방법은 원 홉(hop) 통신으로서, 슬레이브 노드들은 마스터 노드의 통신 반경 내에 위치하고, 마스터 노드는 슬레이브들의 수를 알고 있다고 가정한다.
또한, 싱글 케리어 방식으로서, 전-방향성(omni-directional) 안테나를 사용하고, 초기화 과정 이후 정규 과정을 통해 주어진 매체접속제어 프로토콜을 이용하여 데이터 송수신을 위한 스케줄링 정보를 전송한다고 가정한다.
초기화 프로토콜 메시지는 링크 계층 프로토콜 메시지로서, 초기화 과정과 정규화 과정에서 전송하는 메시지를 최대 한도로 설정할 수 있는 단위 값인 최대 전송 단위(Maximum Transmission Unit; MTU) 값을 다르게 설정한다.
이는 수중에서의 전파 지연 시간을 줄이고, 슬레이브 노드들 간에 전송되는 데이터의 충돌을 최소화시키기 위함이다.
폴링(polling) 메시지의 크기는 슬레이브 노드 수(
Figure 112018083711575-pat00013
)+17 비트로서, 슬레이브 노드들의 수에 의해 결정이 되며, 도 4와 같이 정의된다.
도 4에서 초기화 과정 소요 시간을 단축시키고, 메시지 오버헤드 감소를 통한 에너지 효율을 증가시키기 위해, 마스터 노드는 다음 주기의 폴링(polling) 메시지에서 초기화 성공 또는 실패 여부를 폴링(polling) 메시지를 이용하여 슬레이브 노드들에게 통지한다.
이때, ID가 i인 슬레이브 노드는 i번째 비트 값을 확인하여 초기화 성공 및 실패를 판단한다.
또한, 응답(response) 메시지의 크기는 폴링(polling) 메시지보다 비트수가 작은 고정값인 17 비트로서, 도 5와 같이 정의된다.
현실적으로 수중에서 슬레이브 노드의 수를 100 이상 설치 및 운용하기 어려우므로, 초기화 과정 최대 전송 단위(MTU)의 길이는 100 bits 이하로 설계해야 한다.
다음으로, 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 파라미터를 최대 라운드 트립 시간(
Figure 112018047708739-pat00018
) -> 슬레이브 노드의 랜덤 대기 시간(
Figure 112018047708739-pat00019
) -> 메시지 교환 반복 사이클(
Figure 112018047708739-pat00020
) -> 최대 반복 수(
Figure 112018047708739-pat00021
) -> 초기화 성공률(
Figure 112018047708739-pat00022
) -> 초기화 과정 수행 시간(
Figure 112018047708739-pat00023
) -> 초기화 과정 종료시 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00024
) 순으로 다음과 같이 설정한다.
최대 라운드 트립 시간(
Figure 112018047708739-pat00025
)은 최대 전파 지연(
Figure 112018047708739-pat00026
)과 전송 지연(
Figure 112018047708739-pat00027
)을 이용하여 산출하는데(S210), 최대 전파 지연(
Figure 112018047708739-pat00028
)은 마스터 노드의 최대 통신 반경(
Figure 112018047708739-pat00029
m)을 고려하고, 평균 음속을 1500 mps 로 가정하여
Figure 112018047708739-pat00030
ms 와 같이 구한다.
전송 지연(
Figure 112018047708739-pat00031
)은 최대 전송 단위(MTU)가
Figure 112018047708739-pat00032
bits 이고, 전송율이
Figure 112018047708739-pat00033
bps 일 때
Figure 112018047708739-pat00034
ms 와 같이 구한다.
따라서, 프로세싱 지연을 배제할 때 최대 라운드 트립 시간(
Figure 112018047708739-pat00035
)은
Figure 112018047708739-pat00036
ms 로 산출된다.
슬레이브 노드의 랜덤 대기 시간(
Figure 112018047708739-pat00037
)은
Figure 112018047708739-pat00038
번째 반복시 마스터 노드에서 데이터 송신 충돌을 감소시키기 위한 것으로서, 메시지 교환 반복 사이클(
Figure 112018047708739-pat00039
)을
Figure 112018047708739-pat00040
의 배수로 설정하기 위해
Figure 112018047708739-pat00041
로 산출된다(S220).
이때,
Figure 112018083711575-pat00042
번째 반복에서 슬레이브 노드 i의 대기 시간 계수(
Figure 112018083711575-pat00044
)값은
Figure 112018083711575-pat00045
사이에서 랜덤하게 선택하고, 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018083711575-pat00046
)은 최대 대기 시간 계수(maximum waiting time coefficient)이며, 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018083711575-pat00047
)의 값이 클수록 슬레이브 노드의 랜덤 대기 시간(
Figure 112018083711575-pat00048
)의 범위가 커져 충돌의 확률이 감소된다.
메시지 교환 반복 사이클(
Figure 112018047708739-pat00049
)은 슬레이브 노드의 최대 대기 시간(
Figure 112018047708739-pat00050
)을 고려하여
Figure 112018047708739-pat00051
로 설정한다(S230).
즉, 최대 라운드 트립 시간(
Figure 112018047708739-pat00052
)은 주어진 네트워크 조건(
Figure 112018047708739-pat00053
)에 따라 고정적으로 결정되며, 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00054
)의 값은 가변 파라미터로서, 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜의 성능에 영향을 줄 수 있다.
최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00055
)의 값이 클수록 슬레이브 노드들간의 응답(response) 메시지의 송신 충돌이 감소하여 초기화 시간이 감소한다.
라운드-로빈(Round-robin) 방식을 고려하여 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00056
) 값의 범위를 설정한다.
라운드-로빈 방식에서의 한 사이클의 값(Tcycle)은 메시지의 충돌을 배제하기 위해 마스터-슬레이브 폴링(polling) 메시지:응답(response) 메시지를 1:1로 교환한다고 가정할 때
Figure 112018047708739-pat00057
로 산출된다.
이때, 최대 대기 시간을 반영한 메시지 교환 반복 사이클(
Figure 112018047708739-pat00058
)의 값이 라운드-로빈 방식에서의 한 사이클을 초과하지 않도록 설정해야 한다.
즉,
Figure 112018047708739-pat00059
-->
Figure 112018047708739-pat00060
-->
Figure 112018047708739-pat00061
으로 설정한다.
최대 반복 수(
Figure 112018047708739-pat00062
)는 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00063
)의 값과 반비례하도록 설정하면 초기화에 발생하는 시간을 단축할 수 있다(S240).
즉, 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00064
)의 값이 클수록 슬레이브 노드의 랜덤 대기 시간(
Figure 112018047708739-pat00065
)의 범위가 커져 마스터 노드에서 슬레이브 노드들의 응답(response) 메시지 송신 충돌이 발생하는 확률이 감소하므로, 초기화 최대 반복 수(
Figure 112018047708739-pat00066
)의 값 역시 감소된다.
하지만, 최소한 슬레이브 노드들의 수만큼 반복 횟수를 보장해 주기 위해, 최대 반복 수(
Figure 112018047708739-pat00067
)의 최소값은 슬레이브 노드의 수(
Figure 112018047708739-pat00068
)로 설정한다.
상기 내용과 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00069
)의 범위를 반영하여 최대 반복 수(
Figure 112018047708739-pat00070
)값과 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00071
) 값이 반비례하도록 최대 반복 수(
Figure 112018047708739-pat00072
)를 ,
Figure 112018047708739-pat00074
과 같이 설정한다.
초기화 성공률(
Figure 112018083711575-pat00075
)은
Figure 112018083711575-pat00076
번째 반복에서 슬레이브 노드 i가 응답(response) 메시지를 전송했을 때, 다른 슬레이브 노드
Figure 112018083711575-pat00079
와 메시지 송신 충돌 없이 마스터 노드에게 전송할 확률로서,
Figure 112018083711575-pat00080
로 산출된다(S250).
여기에서, Pijk는 온-오프 확률(on-off probability)로서,
Figure 112018047708739-pat00081
로 구해지고, TMi1k 및 TMi2k는 슬레이브 노드의 이동으로 상향 및 하향 비대칭 전파 지연을 고려하여
Figure 112018047708739-pat00082
,
Figure 112018047708739-pat00083
로 구해진다.
수중에서의 불안정한 링크 상태로 인하여 반복마다 폴링(polling) 메시지 및 응답(response) 메시지 교환을 성공한 슬레이브 노드들을 반영하여,
Figure 112018047708739-pat00084
번째 반복에서의 마스터 노드에서의 초기화 성공률(
Figure 112018047708739-pat00085
)은
Figure 112018047708739-pat00086
로 산출된다.
또한, 마스터 노드에서 계산된 평균 초기화 성공률이 초기화 성공률의 임계값(
Figure 112018047708739-pat00087
)보다 같거나 클 때의
Figure 112018047708739-pat00088
에서 마스터 노드에서의 초기화 성공률, 즉 초기화 과정 종료시 초기화 성공률(
Figure 112018047708739-pat00089
)은
Figure 112018047708739-pat00090
로 산출된다.
초기화 과정 수행시간(
Figure 112018047708739-pat00091
)은
Figure 112018047708739-pat00092
로 산출된다(S260).
초기화 과정 종료시 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00093
)의 결정 방법(S270)은 다음과 같다.
최대 네트워크 반경(
Figure 112018047708739-pat00094
), 데이터율(
Figure 112018047708739-pat00095
), 슬레이브 노드의 수(
Figure 112018047708739-pat00096
), 초기화 성공률의 임계값(
Figure 112018047708739-pat00097
) 등의 네트워크 조건에서 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00098
)와 링크 상태 확률(
Figure 112018047708739-pat00099
)을 가변하여 수행한 모의 시험을 통해(S271) 네트워크 기반 초기화 과정 종료시 초기화 성공률(
Figure 112018047708739-pat00100
),네트워크 기반 초기화 과정 수행 시간(
Figure 112018047708739-pat00101
)을 산출한다(S272).
여기에서, 링크 상태 확률(
Figure 112018047708739-pat00102
)은 반복을 수행할 때 링크 상태가 시변 (time-varying)되어, 반복할 때마다 슬레이브 노드의 링크 상태가 변경되어 폴링(polling) 메시지와 응답(response) 메시지 교환이 성공하지 못하는 경우를 반영하기 위해 고려되는 확률이다.
예를 들어, 링크 상태 확률
Figure 112018047708739-pat00103
인 경우는 한 반복에서 임의의 두 개의 슬레이브 노드들과 마스터 노드간에 링크 상태가 좋지 않아 패킷 교환을 할 수 없는 확률로서, 슬레이브 노드가 마스터 노드로부터 폴링(polling) 메시지를 수신하지 못해 응답(response) 메시지를 송신하지 않는 경우를 의미한다.
채널 상태에 따른 성능의 평균값을 반영하기 위해, 특정 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00104
)에서 모든 링크 상태(
Figure 112018047708739-pat00105
)에 대한 초기화 과정 종료시 초기화 성공률(
Figure 112018047708739-pat00106
)과 초기화 과정 수행 시간(
Figure 112018047708739-pat00107
) 값들의 평균값들을 저장한다(S273).
초기화 과정 종료시 초기화 성공률(
Figure 112018047708739-pat00108
) 값을 내림차순으로 정렬하여 평균값들 중 최대값을 찾고(S274), 초기화 과정 수행 시간(
Figure 112018047708739-pat00109
) 값들을 오름차순으로 정렬하여 평균값들 중 최소값을 찾는다(S275).
목표 성능에 따른 가중치(weight)를
Figure 112018047708739-pat00110
로 설정하는데, 초기화 성공률을 중심으로 하는 경우에는
Figure 112018047708739-pat00111
이고, 에너지 효율을 중심으로 하는 경우에는 수중 IoT의 경우
Figure 112018047708739-pat00112
이다.
특정 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00113
)에 대해 초기화 과정 종료시 초기화 성공률(
Figure 112018047708739-pat00114
)과 초기화 과정 수행 시간(
Figure 112018047708739-pat00115
)의 정렬 등수에 각각 성능 가중치를 곱해서 (
Figure 112018047708739-pat00116
)를 그 값들과 각각 합산하여 그 값이 최소인 초기화 과정 종료시 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00117
)을 선택한다.
Figure 112018047708739-pat00118
인 조건에서 동일한 정렬 등수가 나온 경우의 처리는 다음과 같다.
초기화 과정 종료시 초기화 성공률(
Figure 112018047708739-pat00119
)에서 최대값이 가장 큰 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00120
)을 선택하고, 초기화 과정 종료시 초기화 성공률(
Figure 112018047708739-pat00121
)의 최대값도 동일한 경우, 초기화 과정 수행 시간(
Figure 112018047708739-pat00122
)이 최소값을 가지는 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00123
)을 선택한다.
만일, 초기화 과정 종료시 초기화 성공률(
Figure 112018047708739-pat00124
)의 최대값과 초기화 과정 수행 시간(
Figure 112018047708739-pat00125
)의 최소값 값이 동일한 경우 랜덤하게 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00126
)을 선택한다.
Figure 112018047708739-pat00127
인 조건에서 동일한 정렬 등수가 나온 경우의 처리는 다음과 같다.
초기화 과정 수행 시간(
Figure 112018047708739-pat00128
)의 최대값이 가장 큰 최대 대기 시간 계수()을 선택하고, 초기화 과정 수행 시간(
Figure 112018047708739-pat00130
)의 최대값도 동일한 경우, 초기화 과정 종료시 초기화 성공률(
Figure 112018047708739-pat00131
)이 최소값을 가지는 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00132
)을 선택한다.
마찬가지로, 초기화 과정 종료시 초기화 성공률(
Figure 112018047708739-pat00133
)의 최대값과 초기화 과정 수행 시간(
Figure 112018047708739-pat00134
)의 최소값 값이 동일한 경우 랜덤하게 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00135
)을 선택한다.
제한적 다수 반복(Limited-Multiple Iteration, LMI) 초기화 프로토콜에서 각 노드가 수행하는 동작은 다음과 같다.
우선, 마스터 노드는 네트워크 조건(
Figure 112018047708739-pat00136
)에 따라 메시지 교환 반복 사이클 주기 및 최대 반복수에 대한 초기화 프로토콜 파라미터(
Figure 112018047708739-pat00137
)를 설정한다(S310).
마스터 노드는 메시지 교환 반복 사이클(
Figure 112018047708739-pat00138
) 주기로 하나의 반복 폴링(polling) 메시지를 브로드캐스트 방식으로 송신하고(S320), 슬레이브 노드들로부터 응답(response) 메시지 수신을 대기한다(S330).
또한, 반복 폴링(polling) 메시지를 수신한 슬레이브 노드는 응답(response) 메시지를 생성하여(S410) 슬레이브 노드 i의 랜덤 대기 시간(
Figure 112018083711575-pat00141
) 이후에 유니캐스트 방식으로 송신한다(S420).
Figure 112018047708739-pat00142
번째 반복에서 응답(response) 메시지를 수신한 마스터 노드는
Figure 112018047708739-pat00143
번째 반복에서의 초기화 성공률(
Figure 112018047708739-pat00144
) 값을 계산하여 초기화 성공률의 임계값(
Figure 112018047708739-pat00145
)과 비교하고(S510), 현재 반복 인덱스(
Figure 112018047708739-pat00146
)를 확인하여 초기화 성공률 및 반복 인덱스의 크기에 따라 초기화 프로토콜을 진행할지 또는 종료할지를 결정한다(S520).
즉, 도 9에서 보는 바와 같이,
Figure 112018047708739-pat00147
이면(S521) 반복 인덱스(
Figure 112018047708739-pat00148
)를 하나 증가시킨 후에(S522), 반복 인덱스(
Figure 112018047708739-pat00149
) 값과 최대 반복 횟수(
Figure 112018047708739-pat00150
)를 비교하고(S523),
Figure 112018047708739-pat00151
이면 초기화를 종료한다.
만일, 반복 인덱스(
Figure 112018047708739-pat00152
)가 최대 반복 횟수(
Figure 112018047708739-pat00153
) 이하이면 도 8의 단계(S320)로 회귀하여 이후 동작 반복 실행하고, 반복 인덱스(
Figure 112018047708739-pat00154
)가 최대 반복 횟수(
Figure 112018047708739-pat00155
) 초과이면 초기화를 종료한다(S524).
최대
Figure 112018047708739-pat00156
번까지의 반복에서 초기화를 성공하지 못한 슬레이브 노드들은 정규 과정의 네트워크 엔트리 방법에 따라 네트워크에 진입하고, 이후의 과정은 네트워크의 정규과정 매체접속제어 방식에 따라 진행한다.
도 11은 본 발명의 초기화 프로토콜 방법을 검증하기 위하여 모의 시험한 결과에 대한 그래프로서, 초기화 성공률 가중치(
Figure 112018047708739-pat00157
)의 변화에 따른 초기화 과정 종료시 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00158
)의 변화를 나타낸다.
본 실시예에서는 최대 네트워크 반경(
Figure 112018047708739-pat00159
)이 1000 m, 데이터율(
Figure 112018047708739-pat00160
)이 1000 bps, 슬레이브 노드의 수(
Figure 112018047708739-pat00161
)가 10개, 초기화 성공률의 임계값(
Figure 112018047708739-pat00162
)이 0.2인 네트워크 조건에서 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00163
)와 링크 상태 확률(
Figure 112018047708739-pat00164
)을 가변한 경우의 결과이다.
도 11에서 보는 바와 같이, 초기화 성공률 가중치(
Figure 112018047708739-pat00165
) 값이 증가할수록 초기화 과정 종료시 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00166
)을 선택할 때, 초기화 성공률의 임계값(
Figure 112018047708739-pat00167
)이 증가하도록 초기화 과정 종료시 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00168
)이 증가하므로, 초기화 과정 종료시 초기화 성공률(
Figure 112018047708739-pat00169
)의 영향을 많이 받는 것을 확인 할 수 있다.
반면, 초기화 성공률 가중치(
Figure 112018047708739-pat00170
) 값이 감소할수록 초기화 과정 종료시 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00171
)을 선택할 때, 초기화 과정 수행시간(
Figure 112018047708739-pat00172
) 값이 감소하도록 초기화 과정 종료시 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00173
)이 감소하므로, 초기화 과정 수행시간(
Figure 112018047708739-pat00174
)의 영향을 많이 받는 것을 확인 할 수 있다.
즉, 초기화 성공률 가중치(
Figure 112018047708739-pat00175
)값에 대해 초기화 과정 종료시 최대 대기 시간 계수(
Figure 112018047708739-pat00176
)의 상계(upper bound) 및 하계(lower bound)를 알 수 있다.
이와 같이, 본 발명은 수중의 열악한 채널 환경을 고려하여 접근 스케줄링이 동기화가 필요 없고 적응적으로 초기화 횟수 및 시간을 결정하는 단일 홉 중앙 집중식 마스터-슬레이브 구조의 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법을 제공한다.
이를 통하여, 수중의 열악한 환경으로 다중 홉에 의해 발생하는 지연, 경로 설정 오버헤드 등을 회피하면서, 보다 안정적으로 수중 데이터를 수상-육상으로 전달이 가능하다.
또한, 초기화 과정에 특화된 절차 및 메시지가 정의되어 초기화 시간이 단축되고 메시지의 충돌 발생이 억제된다.
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.
MNi: 마스터 노드
UNi: 슬레이브 노드(수중 노드들)

Claims (10)

  1. 수중의 마스터 노드와 슬레이브 노드인 수중 노드들 간 수중 음파 통신을 위한 프로토콜 방법에 있어서,
    (a) 초기화 프로토콜의 폴링 메시지의 크기 및 응답 메시지의 크기가 정규화 과정에서 전송하는 메시지를 최대 한도로 설정할 수 있는 단위 값인 최대 전송 단위 값과 다르게 정의되고, 상기 폴링 메시지의 크기는 상기 슬레이브 노드의 수에 의해 결정이 되어 정의되며, 상기 응답 메시지의 크기는 상기 폴링 메시지보다 비트수가 작은 고정값으로 결정이 되어 정의되는 단계;
    (b) 소정의 네트워크 조건 및 채널 상태에서 수행된 모의 시험을 통해 상기 초기화 프로토콜의 파라미터가 설정되는 단계; 및
    (c) 상기 마스터 노드가 상기 폴링 메시지를 송신하고, 상기 슬레이브 노드가 상기 응답 메시지를 송신하여 상기 초기화 프로토콜의 진행 여부를 결정하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 프로토콜 방법은 원 홉 통신으로서, 상기 수중 노드들은 상기 마스터 노드의 통신 반경 내에 위치하는 것을 특징으로 하는,
    수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 (a) 단계는
    상기 슬레이브 노드 수에 소정 비트가 가산되어 상기 폴링 메시지가 정의되는 단계;
    상기 마스터 노드가 다음 주기의 폴링 메시지에서 초기화 성공 여부를 복수개의 슬레이브 노드에게 통지하는 단계; 및
    상기 폴링 메시지보다 비트수가 작은 상기 소정 비트로 상기 응답 메시지가 정의되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 (c) 단계는
    (c-1) 상기 마스터 노드가 네트워크 조건에 따라 메시지 교환 반복 사이클 주기 및 최대 반복수에 대한 초기화 프로토콜 파라미터를 설정하는 단계;
    (c-2) 상기 마스터 노드가 상기 메시지 교환 반복 사이클 주기로 하나의 반복 폴링 메시지를 브로드캐스트 방식으로 송신하는 단계;
    (c-3) 상기 마스터 노드가 상기 복수개의 슬레이브 노드로부터 상기 응답 메시지 수신을 대기하는 단계;
    (c-4) 상기 반복 폴링 메시지를 수신한 슬레이브 노드가 상기 응답 메시지를 생성하는 단계;
    (c-5) 상기 응답 메시지를 생성한 슬레이브 노드가 해당 슬레이브 노드의 랜덤 대기 시간 이후에 유니캐스트 방식으로 상기 응답 메시지를 송신하는 단계;
    (c-6)
    Figure 112018047708739-pat00177
    번째 반복에서 상기 응답 메시지를 수신한 마스터 노드가 상기
    Figure 112018047708739-pat00178
    번째 반복에서의 초기화 성공률 값을 계산하여 초기화 성공률의 임계값과 비교하는 단계; 및
    (c-7) 상기 응답 메시지를 수신한 마스터 노드가 반복 인덱스(
    Figure 112018047708739-pat00179
    )를 확인하여 초기화 성공률 및 반복 인덱스의 크기에 따라 상기 초기화 프로토콜의 진행 여부를 결정하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 (c-7) 단계 이후에
    최대 반복 회수(
    Figure 112018047708739-pat00180
    )까지 초기화에 성공하지 못한 슬레이브 노드가 정규 과정의 네트워크 엔트리 방법에 따라 네트워크에 진입하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 (c-7) 단계는
    상기 계산된 반복에서의 초기화 성공률 값이 초기화 성공률의 임계값 미만인 경우, 상기 반복 인덱스(
    Figure 112018047708739-pat00181
    )를 하나 증가시키는 단계;
    상기 반복 인덱스(
    Figure 112018047708739-pat00182
    ) 값과 상기 최대 반복 회수(
    Figure 112018047708739-pat00183
    )를 비교하는 단계; 및
    상기 반복 인덱스(
    Figure 112018047708739-pat00184
    ) 값이 상기 최대 반복 회수(
    Figure 112018047708739-pat00185
    ) 이하인 경우, 상기 (c-2) 단계로 회귀하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 (c-7) 단계는
    상기 계산된 반복에서의 초기화 성공률 값이 초기화 성공률의 임계값 이상인 경우 및 상기 반복 인덱스(
    Figure 112018047708739-pat00186
    ) 값이 상기 최대 반복 회수(
    Figure 112018047708739-pat00187
    ) 초과인 경우, 초기화를 종료하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법.
  7. 제 3 항에 있어서,
    상기 (b) 단계는
    (b-1) 상기 마스터 노드의 최대 통신 반경을 고려한 최대 전파 지연 및 전송 지연을 이용하여 최대 라운드 트립 시간이 산출되는 단계;
    (b-2) 상기 산출된 최대 라운드 트립 시간의 배수로 메시지 교환 반복 사이클을 설정하기 위해 슬레이브 노드의 랜덤 대기 시간이 산출되는 단계;
    (b-3) 상기 산출된 슬레이브 노드의 랜덤 대기 시간을 고려하여 상기 산출된 최대 라운드 트립 시간과 (최대 대기 시간 계수+1)의 승산으로 상기 메시지 교환 반복 사이클이 산출되는 단계;
    (b-4) 최소값을 상기 슬레이브 노드의 수로 설정하여 상기 최대 대기 시간 계수 값과 반비례하도록 최대 반복 수가 산출되는 단계;
    (b-5) 상기
    Figure 112018047708739-pat00188
    번째 반복에서 상기 응답 메시지를 생성한 슬레이브 노드가 상기 응답 메시지 전송시, 메시지 송신 충돌 없이 전송할 확률을 이용하여 초기화 성공률이 산출되는 단계;
    (b-6) 상기 산출된 메시지 교환 반복 사이클과 초기화 과정 종료시 반복 인덱스의 승산으로 초기화 과정 수행 시간이 산출되는 단계; 및
    (b-7) 상기 네트워크 조건에서의 초기화 과정 종료시 초기화 성공률 및 초기화 과정 수행 시간에 대한 평균값들을 이용하여 초기화 과정 종료시 최대 대기 시간 계수가 산출되는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 (b-7) 단계는
    네트워크 기반 초기화 과정 종료시 초기화 성공률 및 상기 네트워크 기반 초기화 과정 수행 시간이 산출되는 단계;
    특정 최대 대기 시간 계수에서 모든 링크 상태에 대한 초기화 과정 종료시 초기화 성공률 및 초기화 과정 수행 시간 값들의 평균값들이 저장되는 단계;
    상기 저장된 초기화 과정 종료시 초기화 성공률 평균값들을 내림차순으로 정렬하여 최대값을 찾는 단계; 및
    상기 저장된 초기화 과정 수행 시간 평균값들을 오름차순으로 정렬하여 최소값을 찾는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는,
    수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 네트워크 조건은,
    최대 네트워크 반경, 슬레이브 노드의 수, 데이터율 및 초기화 성공률의 임계값을 포함하는 것을 특징으로 하는 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법.
  10. 수중의 마스터 노드와 슬레이브 노드인 수중 노드들 간 수중 통신을 위한 프로토콜 방법에 있어서,
    (a) 초기화 프로토콜의 폴링 메시지의 크기 및 응답 메시지의 크기가 정규화 과정에서 전송하는 메시지를 최대 한도로 설정할 수 있는 단위 값인 최대 전송 단위 값과 다르게 정의되고, 상기 폴링 메시지의 크기는 상기 슬레이브 노드의 수에 의해 결정이 되어 정의되며, 상기 응답 메시지의 크기는 상기 폴링 메시지보다 비트수가 작은 고정값으로 결정이 되어 정의되는 단계;
    (b) 소정의 네트워크 조건 및 채널 상태에서 수행된 모의 시험을 통해 상기 초기화 프로토콜의 파라미터가 설정되는 단계; 및
    (c) 상기 마스터 노드가 상기 폴링 메시지를 송신하고, 상기 슬레이브 노드가 상기 응답 메시지를 송신하여 상기 초기화 프로토콜의 진행 여부를 결정하는 단계;
    를 포함하고,
    상기 프로토콜 방법은 싱글 케리어 방식으로서, 전-방향성 안테나를 사용하는 것을 특징으로 하는,
    수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법.
KR1020180055447A 2018-05-15 2018-05-15 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법 Active KR101925893B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180055447A KR101925893B1 (ko) 2018-05-15 2018-05-15 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020180055447A KR101925893B1 (ko) 2018-05-15 2018-05-15 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101925893B1 true KR101925893B1 (ko) 2019-02-26

Family

ID=65562809

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020180055447A Active KR101925893B1 (ko) 2018-05-15 2018-05-15 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101925893B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114553322A (zh) * 2022-01-30 2022-05-27 西北工业大学 一种低开销的水声网络去中心化方法

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101320336B1 (ko) 2009-04-08 2013-10-23 대우조선해양 주식회사 선박용 통신 시스템 및 그에 의한 시험 방법
KR101637560B1 (ko) * 2016-01-13 2016-07-08 한국해양과학기술원 해양 감시 네트워크에서의 자원 할당 방법
KR101717947B1 (ko) * 2015-12-21 2017-03-20 호서대학교 산학협력단 수중 통신 방법

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR101320336B1 (ko) 2009-04-08 2013-10-23 대우조선해양 주식회사 선박용 통신 시스템 및 그에 의한 시험 방법
KR101717947B1 (ko) * 2015-12-21 2017-03-20 호서대학교 산학협력단 수중 통신 방법
KR101637560B1 (ko) * 2016-01-13 2016-07-08 한국해양과학기술원 해양 감시 네트워크에서의 자원 할당 방법

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114553322A (zh) * 2022-01-30 2022-05-27 西北工业大学 一种低开销的水声网络去中心化方法
CN114553322B (zh) * 2022-01-30 2024-03-15 西北工业大学 一种低开销的水声网络去中心化方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Park et al. Reinforcement learning based MAC protocol (UW-ALOHA-Q) for underwater acoustic sensor networks
CN109348537B (zh) 多波束自组织网络信道接入控制方法
Darehshoorzadeh et al. Underwater sensor networks: A new challenge for opportunistic routing protocols
Hsu et al. Delay-sensitive opportunistic routing for underwater sensor networks
KR102238768B1 (ko) 무선통신 시스템의 상향링크 동기화 장치 및 방법
US20070135172A1 (en) Point to multipoint device for communication with a plurality of telecommunications units
Goetz et al. GUWMANET—Multicast routing in underwater acoustic networks
CN105824236B (zh) 一种水下机器人的自适应组网通信方法
Li et al. FDCA: A full-duplex collision avoidance MAC protocol for underwater acoustic networks
Zhang et al. A slotted-FAMA based MAC protocol for underwater wireless sensor networks with data train
Dang et al. An efficient multi-channel MAC protocol for wireless ad hoc networks
CN113438709B (zh) 一种海上船舶设备的入网方法、装置及系统
CN110139249A (zh) 基于机器类型通信设备分组的半非授权随机接入方法
CN111132075A (zh) 一种基于状态转移概率空地一体化车联网中继选择方法
JP7516519B2 (ja) チャネルアクセス手順
Zhang et al. Space/frequency-division-based full-duplex data transmission method for multihop underwater acoustic communication networks
Akhtar et al. Efficient network level beamforming training for IEEE 802.11 ad WLANs
Xing et al. Multi-radio multi-channel assignment algorithm in maritime wireless mesh networks
CN115515167A (zh) 一种基于ris-noma网络的协作d2d系统及其性能提升分析方法
KR101925893B1 (ko) 수중 음파 통신용 제한적 다수 반복 초기화 프로토콜 방법
CN110460392A (zh) 一种基于时域干扰对齐的水声网络mac调度方法
WO2022218516A1 (en) Devices and methods for collaborative learning of a transmission policy in wireless networks
CN119997140B (zh) 一种基于定向传输的水声机会路由方法
CN115802442A (zh) 一种定向自组网邻居发现方法
KR101371322B1 (ko) 수중 장거리 네트워크를 위한 시간분할 다중접속 매체접속제어 프로토콜의 시간 파라미터 결정방법

Legal Events

Date Code Title Description
PA0109 Patent application

St.27 status event code: A-0-1-A10-A12-nap-PA0109

PA0201 Request for examination

St.27 status event code: A-1-2-D10-D11-exm-PA0201

PA0302 Request for accelerated examination

St.27 status event code: A-1-2-D10-D17-exm-PA0302

St.27 status event code: A-1-2-D10-D16-exm-PA0302

D13-X000 Search requested

St.27 status event code: A-1-2-D10-D13-srh-X000

R18-X000 Changes to party contact information recorded

St.27 status event code: A-3-3-R10-R18-oth-X000

D14-X000 Search report completed

St.27 status event code: A-1-2-D10-D14-srh-X000

PE0902 Notice of grounds for rejection

St.27 status event code: A-1-2-D10-D21-exm-PE0902

P11-X000 Amendment of application requested

St.27 status event code: A-2-2-P10-P11-nap-X000

P13-X000 Application amended

St.27 status event code: A-2-2-P10-P13-nap-X000

PE0701 Decision of registration

St.27 status event code: A-1-2-D10-D22-exm-PE0701

PR0701 Registration of establishment

St.27 status event code: A-2-4-F10-F11-exm-PR0701

PR1002 Payment of registration fee

St.27 status event code: A-2-2-U10-U11-oth-PR1002

Fee payment year number: 1

PG1601 Publication of registration

St.27 status event code: A-4-4-Q10-Q13-nap-PG1601

R18-X000 Changes to party contact information recorded

St.27 status event code: A-5-5-R10-R18-oth-X000

R18-X000 Changes to party contact information recorded

St.27 status event code: A-5-5-R10-R18-oth-X000

R18-X000 Changes to party contact information recorded

St.27 status event code: A-5-5-R10-R18-oth-X000

PR1001 Payment of annual fee

St.27 status event code: A-4-4-U10-U11-oth-PR1001

Fee payment year number: 4

P22-X000 Classification modified

St.27 status event code: A-4-4-P10-P22-nap-X000

PR1001 Payment of annual fee

St.27 status event code: A-4-4-U10-U11-oth-PR1001

Fee payment year number: 5

R18-X000 Changes to party contact information recorded

St.27 status event code: A-5-5-R10-R18-oth-X000

PR1001 Payment of annual fee

St.27 status event code: A-4-4-U10-U11-oth-PR1001

Fee payment year number: 6

PR1001 Payment of annual fee

St.27 status event code: A-4-4-U10-U11-oth-PR1001

Fee payment year number: 7

R18-X000 Changes to party contact information recorded

St.27 status event code: A-5-5-R10-R18-oth-X000

PR1001 Payment of annual fee

St.27 status event code: A-4-4-U10-U11-oth-PR1001

Fee payment year number: 8

U11 Full renewal or maintenance fee paid

Free format text: ST27 STATUS EVENT CODE: A-4-4-U10-U11-OTH-PR1001 (AS PROVIDED BY THE NATIONAL OFFICE)

Year of fee payment: 8