KR102012777B1 - A method of underwater uplink resource allocation in non-guaranteed link capacity - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 수중 네트워크에 관한 것으로서, 특히 육상에서의 사물 인터넷 기술을 수중에서의 무선 통신 분야에 적용하여 다양한 수중 정보를 채집 및 활용하는데 있어서, 링크 용량이 비 보장된 수중 채널 상태에서 해상 부이가 수중 기지국의 자원 재조정 요청에 대응하여 적응적으로 자원을 분배함으로써, 트래픽 증가로 인한 기존의 제한된 대역폭과의 충돌 문제를 해결할 수 있는 업 링크 자원 할당 방법에 관한 것이다.BACKGROUND OF THE
일반적으로, 수중 환경은 지상 환경에 비해 통신 환경이 매우 척박하다.In general, the aquatic environment has a very poor communication environment compared to the ground environment.
신호의 전파 속도는 매우 느리며, 사용 가능한 채널의 개수도 매우 한정적이고 사용 가능한 대역폭도 매우 좁다. The propagation speed of the signal is very slow, the number of available channels is very limited and the available bandwidth is very narrow.
이러한 척박한 수중 환경에도 불구하고, 다양한 형태의 수중 통신에 대한 요구는 급증하고 있는 실정이다.Despite such a poor underwater environment, the demand for various types of underwater communication is increasing rapidly.
수중에도 다양한 노드(node)들이 존재할 수 있는데, 여기에서 노드란 통신 가능한 물체를 의미한다. There may be various nodes in the water, where a node means an object that can communicate.
이러한 노드는 AUV(Automatic Underwater Vehicle), 잠수함, 다이버와 같은 이동 가능한 대상에 구현될 수도 있고, 고정적인 대상에 구현될 수도 있다.Such a node may be implemented in a movable object such as an automatic underwater vehicle (AUV), a submarine, or a diver, or may be implemented in a fixed object.
한편, 해양에 대한 관심이 증대됨에 따라 수중음향 네트워크(UANet: Underwater Acoustic Network)기술을 접목한 다양한 어플리케이션이 소개되고 있다. On the other hand, as interest in the ocean increases, various applications incorporating Underwater Acoustic Network (UANet) technology are introduced.
수중 음향 네트워크 어플리케이션은 해저지형 탐사, 지진 및 쓰나미 경고, 해양 환경 감시, 해양 방어체제 등이 있으며, 이러한 어플리케이션을 수중에 구현하기 위해서는 수중네트워크의 제한적 요소들을 (매우 긴 전파지연 (1500m/s), 열악한 수중 채널로 인한 높은 비트 에러율, 주파수 사용 제약에 따른 제한된 대역폭, 충전의 어려움으로 인한 제한적 전력소비 고려해야 한다. Underwater acoustic network applications include undersea exploration, earthquake and tsunami warnings, marine environmental monitoring, and marine defenses. To implement these applications underwater, the limitations of the underwater network (very long propagation delay (1500 m / s), Consideration should be given to high bit error rates due to poor underwater channels, limited bandwidth due to frequency usage constraints, and limited power consumption due to charging difficulties.
이러한 한계를 극복하고, 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.In order to overcome these limitations and efficiently manage development / exploration for marine resources, marine operations, climate observation, disaster monitoring, securing / management of marine resources, marine environment monitoring and marine defense systems, Development of underwater communication technology for real-time information exchange is needed.
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.In other words, it is necessary to establish an integrated wireless communication network that can transmit desired information through the base station in the water, such as the land mobile communication network with the world's highest technology level, and to expand and spread the base by developing core equipment, communication protocol, and communication network operation technology. There is a need for it.
이와 같은 다양한 요소 기술 중 수중 네트워크에서 해상 부이(buoy)와 수중 기지국 간의 효율적인 자원 분배 기술은 수중 기지국의 병목 현상을 해소하여 수중 기지국과 수중 노드(underwater nodes, UN)의 운용에도 큰 영향을 미친다.Among these various element technologies, an efficient resource distribution technique between a marine buoy and an underwater base station in an underwater network eliminates bottlenecks of an underwater base station and greatly affects the operation of an underwater base station and an underwater node (UN).
도 1은 일반적인 수중 셀룰러 무선 네트워크 시스템에 대한 대략적인 구성도로서, 해상 부이(UBSC), 복수개의 수중 기지국(UBSi) 및 복수개의 수중 노드(UN)를 포함한다.FIG. 1 is a schematic diagram of a general underwater cellular wireless network system, which includes a maritime buoy (UBSC), a plurality of underwater base stations (UBSi), and a plurality of underwater nodes (UN).
복수개의 수중 노드(UN)는 한 셀에서 다른 셀로 이동하는 자율 수중 차량(Autonomous Underwater Vehicles, AUV)과 같이 수중에서 이동성을 가지면서 수중의 주변 정보를 수집할 수 있다.The plurality of underwater nodes UN may collect underwater information while being mobile in water, such as Autonomous Underwater Vehicles (AUVs) moving from one cell to another.
복수개의 수중 기지국(UBSi)은 주기적인 방식으로 소량의 데이터를 전송하는 수중 센서와 같은 고정 수중 터미널(underwater terminal, UT) 보다 훨씬 많은 양의 데이터 트래픽으로 정보를 복수개의 수중 노드(UN)로부터 전송받는다.Multiple underwater base stations (UBSi) transmit information from multiple underwater nodes (UN) in much larger amounts of data traffic than underwater terminals (UTs), such as underwater sensors that transmit small amounts of data in a periodic manner. Receive.
또한, 수중 무선 백홀(backhaul)을 통해 해상 부이(UBSC)와 연결되어, 해상 부이(UBSC)에서 복수개의 수중 기지국(UBSi)로의 다운 링크로 연결되고, 복수개의 수중 기지국(UBSi)에서 해상 부이(UBSC)로 연결된다.In addition, it is connected to the maritime buoy (UBSC) via an underwater wireless backhaul, and is connected by the downlink from the maritime buoy (UBSC) to the plurality of underwater base stations (UBSi), and the maritime buoy ( UBSC).
해상 부이(UBSC)가 대부분 복수개의 수중 기지국(UBSi)에 제어 신호를 전송하기 때문에, 업 링크는 다운 링크보다 상대적으로 훨씬 많은 트래픽을 가지므로 훨씬 더 큰 백홀 용량이 필요하다.Since the marine buoy (UBSC) mostly transmits control signals to a plurality of underwater base stations (UBSi), the uplink has much more traffic than the downlink, so much larger backhaul capacity is needed.
반면, 복수개의 수중 기지국(UBSi)은 복수개의 수중 노드(UN)에서 수집된 데이터를 인가받아 해상 부이(UBSC)로 전달하므로, 수중 셀룰러 무선 네트워크(underwater cellular wireless network, UCWN) 처리량에서 업 링크 백홀에 대한 효율적인 자원 할당 프로토콜을 설계해야 한다.On the other hand, the plurality of underwater base stations (UBSi) is authorized to transmit data collected from the plurality of underwater nodes (UN) to the buoys (UBSC), so uplink backhaul in the Underwater cellular wireless network (UCWN) throughput An efficient resource allocation protocol should be designed for
한편, 복수개의 수중 기지국(UBSi)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.On the other hand, uplink resources are not allotted enough to allow all of the uplink traffic generated from the plurality of underwater base stations (UBSi) to be transmitted to the maritime buoy (UBSC), or the amount of uplink traffic is sent to the maritime buoy (UBSC). There is a possibility that the link capacity is not guaranteed beyond that which can be transmitted immediately.
즉, 수중 기지국(UBSi)-해상 부이(UBSC) 링크의 자원 할당 방식에는 해상 부이(UBSC)에서 각 수중 기지국(UBSi)으로 할당하는 링크의 용량이 수중 기지국(UBSi)에서 발생하는 트래픽을 모두 전송할 수 있을 정도로 충분한 지 또는 충분하지 않은지에 따라서 보장된 링크 용량(Guaranteed Link Capacity, GLC) 방식과 비 보장된 링크 용량(Non-Guaranteed Link Capacity, NGLC) 방식의 두 가지로 분류할 수 있다.That is, in the resource allocation method of the UBSi-UBSC link, the capacity of the link allocated from the UBSC to each UBSi transmits all the traffic generated by the UBSi. Depending on whether it is sufficient or not sufficient, it can be classified into two types, a guaranteed link capacity (GLC) method and a non-guaranteed link capacity (NGLC) method.
일반적으로 현재 수중네트워크에서 많은 경우에는 수중 기지국(UBSi)에서 어떤 특정한 정보를 수집하여 해상 부이(UBSC)로 전송 에러가 없고, 전송 지연이 적고 안정적으로 전달하는 것이 주목적이므로 보통 보장된 링크 용량 방식을 선호한다.In general, in the current underwater network, in many cases, certain specific information is collected from the underwater base station (UBSi), so there is no transmission error to the marine buoy (UBSC). Prefer
반면, 비 보장된 링크 용량 방식은 보장된 링크 용량에 비해 상대적으로 자원할당 알고리즘 및 프로토콜이 복잡하며, 수중 기지국(UBSi)-해상 부이(UBSC) 링크 용량이 수중 기지국(UBSi)에서 발생하는 트래픽 보다 작은 경우에 발생할 수 있는 전송 시의 에러 및 패킷 손실, 재전송으로 인한 지연 시간 증가 등을 특별히 고려해야 한다.On the other hand, the non-guaranteed link capacity scheme is relatively complex in resource allocation algorithms and protocols compared to the guaranteed link capacity, and the underwater base station (UBSi) to maritime buoy (UBSC) link capacity is higher than the traffic generated by the underwater base station (UBSi). Special consideration should be given to transmission errors and packet losses, which may occur in small cases, and increased delays due to retransmissions.
또한, 이 방식은 수중 기지국(UBSi)에서 실제 발생하는 트래픽보다 수중 기지국(UBSi)-해상 부이(UBSC) 링크 자원을 적게 할당하는 경향이 있기 때문에, 수중 기지국(UBSi)에서 발생하는 버스트 트래픽의 처리를 보장된 링크 용량에 비해 상대적으로 유연하지 못하게 처리할 가능성이 있다.In addition, this approach tends to allocate less of the underwater base station (UBSi) -to-resolution BuCu link resources than the traffic actually occurring at the underwater base station (UBSi), thus handling burst traffic occurring at the underwater base station (UBSi). There is a possibility of dealing with the inflexibility relative to the guaranteed link capacity.
이에 본 발명자들은 사물 인터넷 기술을 이용하여 복수개의 수중 노드에서 채집된 수중 정보가 복수개의 수중 기지국(UBSi)을 통해 각각 하나의 주파수를 사용하는 싱글 캐리어 자원 할당 방식으로 해상 부이(UBSC)로 전달되며, 자원 할당은 자원 할당 주기 동안의 네트워크 내 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 최대 트래픽 양, 평균 트래픽 양 및 표준 편차를 이용하여 할당되는 비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법을 발명하기에 이르렀다.Accordingly, the inventors of the present invention transmit the underwater information collected from the plurality of underwater nodes using the Internet of Things technology to the maritime buoy (UBSC) in a single carrier resource allocation scheme using one frequency through the plurality of underwater base stations (UBSi). The invention also relates to a method for allocating an underwater uplink resource at non-guaranteed link capacity in which resource allocation is allocated using a maximum amount of traffic, an average amount of traffic, and a standard deviation of a plurality of underwater base stations (UBSi) in a network during a resource allocation period. Reached.
본 발명의 목적은 육상에서의 사물 인터넷 기술을 수중에서의 무선 통신 분야에 적용하여 다양한 수중 정보를 채집 및 활용하는데 있어서, 수중 기지국의 자원 재조정 요청에 대응하여 적응적으로 자원을 분배함으로써, 트래픽 증가로 인한 기존의 제한된 대역폭과의 충돌 문제를 해결할 수 있는 비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법을 제공하는 것이다. SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to increase the traffic by adaptively distributing resources in response to a resource rebalancing request of an underwater base station in collecting and utilizing various underwater information by applying IoT technology on land to the field of wireless communication underwater. It is to provide an underwater uplink resource allocation method at unguaranteed link capacity that can solve the problem of collision with existing limited bandwidth.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법은 해상 부이(UBSC)와 복수개의 수중 기지국(UBSi) 간의 네트워크 구조를 가지는 비 보장된 링크 용량 방식의 수중 네트워크 시스템에 있어서, 사물 인터넷 기술을 이용하여 복수개의 수중 노드(UN)에서 채집된 수중 정보가 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)을 통해 각각 하나의 주파수를 사용하는 싱글 캐리어 자원 할당 방식으로 상기 해상 부이(UBSC)로 전달되며, 상기 자원 할당은 자원 할당 주기 동안의 상기 네트워크 내 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 최대 트래픽 양, 평균 트래픽 양 및 표준 편차를 이용하여 할당하는 것을 특징으로 한다. The underwater uplink resource allocation method in the non-guaranteed link capacity of the present invention for achieving the above object is an unguaranteed link-capacity underwater network having a network structure between a UBSC and a plurality of underwater base stations (UBSi). In the system, the underwater buoy (SUB) is a single carrier resource allocation scheme in which underwater information collected from a plurality of underwater nodes (UN) using one IoT technology uses one frequency through the plurality of underwater base stations (UBSi). UBSC), wherein the resource allocation is allocated using the maximum traffic amount, average traffic amount, and standard deviation of a plurality of underwater base stations (UBSi) in the network during a resource allocation period.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법의 상기 자원 할당은 (a) 상기 해상 부이(UBSC)가 자원 할당을 위한 정보를 요청하고 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)이 현재 수행 단계에 따라 응답하면, 상기 해상 부이(UBSC)가 자원 할당 알고리즘을 수행한 후 자원 할당 정보를 전송하고, 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)이 각각 초기 업 링크 용량을 설정하는 초기화 단계; 및 (b) 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 버퍼에 유입되는 자원의 부족 또는 초과로 판단된 경우 해당 수중 기지국이 자원 재할당을 요청하고, 상기 해상 부이(UBSC)가 상기 자원 할당 알고리즘을 재수행하여 잉여 자원의 여유가 있는지 여부에 따라 상기 자원 재할당 또는 상기 초기화 단계로의 회귀가 결정되는 정규 과정 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. The resource allocation of the underwater uplink resource allocation method in the non-guaranteed link capacity of the present invention for achieving the above object comprises: (a) the maritime buoy (UBSC) requesting information for resource allocation and the plurality of underwater base stations; If (UBSi) responds according to the current execution step, the BUSC transmits resource allocation information after performing a resource allocation algorithm, and each of the plurality of underwater base stations (UBSi) sets initial uplink capacity. An initialization step; And (b) if it is determined that the resources flowing into the buffers of the plurality of underwater base stations (UBSi) are insufficient or exceeded, the corresponding underwater base station requests resource reallocation, and the marine buoy (UBSC) recovers the resource allocation algorithm. And a regular process step of determining whether to reallocate the resource or to return to the initialization step according to whether there is a margin of surplus resources.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법의 상기 (a) 단계는 (a-1) 상기 해상 부이(UBSC)가 클러스터 별로 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)에게 자원 할당을 위한 정보 요청 신호(RIREQ)를 전송하는 단계; (a-2) 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)이 현재 수행 단계에 따라 트래픽 정보를 포함한 자원 할당을 위한 정보 응답 신호(RIREP)를 생성하여 송신하는 단계; (a-3) 상기 해상 부이(UBSC)가 한 프레임 동안 대기하여 상기 네트워크 내의 모든 수중 기지국(UBSi)들로부터 상기 자원 할당을 위한 정보 응답 신호(RIREP)를 수신하였는지 여부를 판단하는 단계; (a-4) 모든 수중 기지국(UBSi)들로부터 수신된 경우, 상기 해상 부이(UBSC)가 상기 자원 할당 알고리즘을 수행하여, 해당 수중 기지국들의 자원을 결정하는 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 전송하는 단계; 및 (a-5) 상기 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 수신한 수중 기지국(UBSi)들이 각각 상기 초기 업 링크 용량을 설정하고, 상기 해상 부이(UBSC)로 자원 할당 정보 송신 확인 신호(RAISACK)를 송신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. The step (a) of the method for allocating an underwater uplink resource at the non-guaranteed link capacity of the present invention to achieve the above object is (a-1) wherein the UBSC is configured to cluster the plurality of underwater base stations (UBSi) for each cluster. Transmitting an information request signal (RIREQ) for allocating a resource; (a-2) generating and transmitting an information response signal (RIREP) for resource allocation including traffic information by the plurality of underwater base stations (UBSi); (a-3) determining whether the UBSC has received an information response signal RIREP for allocating resources from all underwater base stations UBSi in the network by waiting for one frame; (a-4) When received from all underwater base stations (UBSi), the maritime buoy (UBSC) performs the resource allocation algorithm, and transmits a resource allocation information transmission signal (RAIS) for determining the resources of the corresponding underwater base stations Making; And (a-5) each of the underwater base stations UBSis receiving the resource allocation information transmission signal RAIS sets the initial uplink capacity and transmits the resource allocation information transmission confirmation signal RAISACK to the UBSC. Transmitting a; characterized in that it comprises a.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법의 상기 (a-2) 단계에서 상기 현재 수행 단계가 최초 자원 분배 프로토콜 수행시에는 단위 시간에 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 큐 길이, 드롭되는 트래픽 양 및 자원 이용율에 대한 트래픽 정보값을 전송하는 단계; 및 상기 현재 수행 단계가 상기 해상 부이(UBSC)에서 잉여 자원량이 부족하여 상기 초기화 단계의 회귀로 진행할 경우, 상기 큐 길이, 상기 드롭되는 트래픽 양, 상기 자원 이용율에 대한 현재 트래픽 정보값 또는 누적 평균값을 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. In the step (a-2) of the underwater uplink resource allocation method in the non-guaranteed link capacity of the present invention for achieving the above object, the current performing step is performed in the unit time when the initial resource allocation protocol is performed. Transmitting traffic information values for queue length, amount of traffic dropped, and resource utilization of the base station UBSi; And when the current performing step proceeds to the regression of the initialization step due to a lack of surplus resource in the UBSC, the current traffic information value or the cumulative average value of the queue length, the dropped traffic amount, and the resource utilization rate. Transmitting; characterized in that it comprises a.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법의 상기 (b) 단계는 (b-1) 상기 버퍼에 유입되는 트래픽 양에 따라 자원의 부족 또는 초과 여부가 판단되는 단계; (b-2) 상기 자원의 부족 또는 초과로 판단된 경우, 해당 수중 기지국이 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)를 상기 해상 부이(UBSC)로 전송하는 단계; (b-3) 상기 해상 부이(UBSC)가 상기 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)에 응답하여 해당 수중 기지국에게 자원 재할당 요청 수신 확인 신호(RAACK)를 전송하고, 상기 자원 할당 알고리즘을 재수행하는 단계; (b-4) 상기 해상 부이(UBSC)에서 잉여 자원의 여유가 있는 경우, 상기 해상 부이(UBSC)가 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 전송하는 단계; 및 (b-5) 해당 기지국이 상기 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 수신하여 자원을 재할당하고, 자원 할당 정보 수신 확인 신호(RAISACK)를 전송하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. The step (b) of the underwater uplink resource allocation method in the non-guaranteed link capacity of the present invention to achieve the above object is (b-1) whether there is a shortage or excess of resources depending on the amount of traffic flowing into the buffer. Determining step; (b-2) if it is determined that the resource is insufficient or exceeded, transmitting a resource reallocation request signal (RAREQ) to the maritime buoy (UBSC); (b-3) the marine buoy (UBSC) transmitting a resource reassignment request acknowledgment signal (RAACK) to the corresponding underwater base station in response to the resource reassignment request signal (RAREQ), and performing the resource allocation algorithm again. ; (b-4) transmitting a resource allocation information transmission signal (RAIS) by the UBSC when there is a surplus of resources in the UBSC; And (b-5) the base station receiving the resource allocation information transmission signal (RAIS) to reallocate resources and transmitting a resource allocation information reception confirmation signal (RAISACK).
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법의 상기 (b-2) 단계에서, (A) 상기 자원의 초과로 판단된 경우, 해당 수중 기지국이 자원 반납을 수행하는 단계; 및 (B) 상기 자원의 부족으로 판단된 경우, 해당 수중 기지국이 자원 재조정 요청을 수행하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. In the step (b-2) of the underwater uplink resource allocation method in the non-guaranteed link capacity of the present invention for achieving the above object, (A) if it is determined that the resource is exceeded, the corresponding underwater base station returns resources. Performing; And (B) if it is determined that the resource is insufficient, performing the resource rebalancing request by the corresponding underwater base station.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법의 상기 (B) 단계에서, 상기 해상 부이(UBSC)에서 잉여 자원의 여유가 없는 경우, 해당 수중 기지국이 상기 해상 부이(UBSC)로부터 자원 정보 요청 신호(RIREQ)를 수신하는 단계; 및 상기 초기화 단계와 동일하게 자원 할당을 위한 정보 응답 신호(RIREP)를 전송한 후, 상기 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)의 수신을 대기하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. In the step (B) of the underwater uplink resource allocation method in the non-guaranteed link capacity of the present invention for achieving the above object, if there is no margin of surplus resources in the UBSC, the corresponding underwater base station Receiving a resource information request signal RIREQ from a maritime buoy; And waiting for reception of the resource allocation information transmission signal RAIS after transmitting the information response signal RIREP for resource allocation in the same way as the initializing step.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법의 상기 (b-3) 단계는 상기 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)를 전송한 수중 기지국(UBSi)이 자원 반납 수중 기지국인지 자원 요청 수중 기지국인지 판별하는 단계; 해당 수중 기지국이 자원 반납 수중 기지국인 것으로 판별된 경우, 상기 해상 부이(UBSC)가 해당 수중 기지국에 상기 자원 재할당 요청 수신 확인 신호(RAACK)를 전송하는 단계; 상기 해상 부이(UBSC)가 상기 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)의 트래픽 정보를 이용하여 상기 해당 수중 기지국의 자원을 하향 조정하는 단계; 및 상기 해상 부이(UBSC)가 잉여 자원량을 업데이트하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. In the step (b-3) of the underwater uplink resource allocation method in the non-guaranteed link capacity of the present invention for achieving the above object, the underwater base station (UBSi) that has transmitted the resource reallocation request signal (RAREQ) is a resource. Determining whether the returned underwater base station or the resource request underwater base station; If it is determined that the underwater base station is a resource returning underwater base station, the UBSC transmits the resource reassignment request acknowledgment signal (RAACK) to the underwater base station; Adjusting, by the UBSC, the resource of the corresponding underwater base station by using the traffic information of the resource reassignment request signal (RAREQ); And updating the surplus resource amount by the marine buoy (UBSC).
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법의 상기 (b-3) 단계는 해당 수중 기지국이 자원 요청 수중 기지국인 것으로 판별된 경우, 상기 해상 부이(UBSC)가 해당 수중 기지국에 상기 자원 재할당 요청 수신 확인 신호(RAACK)를 전송하는 단계; 상기 해상 부이(UBSC)가 상기 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)의 트래픽 정보를 이용하여 상기 해당 수중 기지국의 자원을 상향 조정하는 단계; 및 상기 해상 부이(UBSC)가 잉여 자원량을 업데이트하고, 필요 자원량을 계산하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다. In step (b-3) of the underwater uplink resource allocation method in the non-guaranteed link capacity of the present invention for achieving the above object, when it is determined that the corresponding underwater base station is a resource request underwater base station, the marine buoy (UBSC) Transmitting a resource reassignment request acknowledgment signal (RAACK) to a corresponding underwater base station; Adjusting, by the UBSC, uplink resources of the corresponding underwater base station by using the traffic information of the resource reassignment request signal (RAREQ); And updating, by the UBSC, a surplus resource amount and calculating a required resource amount.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법은 해상 부이(UBSC)와 복수개의 수중 기지국(UBSi) 네트워크 구조를 가지는 비 보장된 링크 용량 방식의 수중 네트워크 시스템에 있어서, 사물 인터넷 기술을 이용하여 복수개의 수중 노드(UN)에서 채집된 수중 정보가 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)을 통해 각각 하나의 주파수를 사용하는 싱글 캐리어 자원 할당 방식으로 상기 해상 부이(UBSC)로 전달되며, 상기 자원 할당은 자원 할당 주기 동안의 상기 네트워크 내 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 최대 트래픽 양, 평균 트래픽 양 및 표준 편차를 이용하여 할당하고, 트래픽이 기 설정된 소정의 양보다 많이 유입되는 수중 기지국(UBSi)은 할당 가능한 상기 최대 트래픽 양 값으로 자원을 할당하며, 트래픽이 기 설정된 소정의 양보다 적게 유입되는 수중 기지국(UBSi)은 선형 비율만큼의 자원이 할당되는 것을 특징으로 한다. The underwater uplink resource allocation method in the non-guaranteed link capacity of the present invention for achieving the above object is a non-guaranteed link-capacity underwater network system having a marine buoy (UBSC) and a plurality of underwater base station (UBSi) network structures. In the above, the underwater buoy (UBSC) is a single carrier resource allocation scheme in which underwater information collected from a plurality of underwater nodes (UN) uses one frequency through the plurality of underwater base stations (UBSi) using IoT technology. The resource allocation is allocated using the maximum traffic amount, average traffic amount, and standard deviation of a plurality of underwater base stations (UBSi) in the network during a resource allocation period, and the traffic is more than a predetermined amount. The incoming underwater base station (UBSi) allocates resources to the maximum assignable traffic amount value, and traffic is preset. Underwater base station (UBSi) that is less than a predetermined amount is characterized in that the resource allocated by the linear ratio.
기타 실시예의 구체적인 사항은 "발명을 실시하기 위한 구체적인 내용" 및 첨부 "도면"에 포함되어 있다.Specific details of other embodiments are included in the "details for carrying out the invention" and the accompanying "drawings".
본 발명의 이점 및/또는 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 각종 실시예를 참조하면 명확해질 것이다.Advantages and / or features of the present invention and methods for achieving them will become apparent with reference to the various embodiments described below in detail in conjunction with the accompanying drawings.
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.However, the present invention is not limited to the configuration of each embodiment disclosed below, but may be implemented in a variety of different forms, each embodiment disclosed herein is only to complete the disclosure of the present invention, It should be understood that the present invention is provided to fully inform those skilled in the art to which the invention pertains, and the present invention is defined only by the scope of each claim of the claims.
본 발명에 의할 경우, 다양한 수중 사물을 통한 트래픽 증가로 인해 초래되는 기존의 제한된 대역폭과의 충돌 문제를 효율적인 자원 분배를 통한 수율 증가로 해결하여 트래픽 전송량이 획기적으로 증대된다.According to the present invention, the traffic transmission amount is drastically increased by solving the existing collision with the limited bandwidth caused by the increase in traffic through various underwater objects by increasing the yield through efficient resource allocation.
또한, 수중 통신 환경과 전송 거리에 따라 변조 및 코딩 방식 레벨이 다양한 다중 접속 방식들에 호환적으로 유연성있게 자원 분배가 가능해진다.In addition, according to the underwater communication environment and transmission distance, it is possible to flexibly distribute resources to multiple access schemes having various modulation and coding scheme levels.
또한, 분배될 자원이 과잉 또는 부족시 자원 재조정이 요청되는 경우, 자원 할당 주기를 별도로 설정할 필요가 없어 주기적 자원 할당에 따른 메시지 오버헤드가 감소되고 에너지 효율이 개선된다.In addition, when resource rebalancing is required when resources to be distributed are excessively or insufficiently, there is no need to set a resource allocation cycle separately, thereby reducing message overhead due to periodic resource allocation and improving energy efficiency.
도 1은 일반적인 수중 셀룰러 무선 네트워크 시스템에 대한 대략적인 구성도이다.
도 2는 본 발명의 수중 근거리 네트워크용 초기화 프로토콜 방법을 구현하기 위한 큐잉 모델의 동작을 나타내는 개념도이다.
도 3은 본 발명의 자원 할당 방법에 사용되는 파라미터의 정의표이다.
도 4는 본 발명의 자원 할당 방법에서 단일 형태 트래픽일 경우, 도 2에 도시된 큐 길이의 표준편차 대비 축적된 잉여 자원량의 상관 관계에 대한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 자원 할당 방법에서 해상 부이(UBSC)와 각 수중 기지국(UBSi) 간 자원 할당 메시지에 대한 표이다.
도 6은 본 발명의 자원 할당 방법 내 초기화 과정을 나타내는 순서도이다.
도 7은 본 발명의 자원 할당 방법 내 정규 과정 단계 중 자원 반납 단계의 순서도이다.
도 8은 본 발명의 자원 할당 방법 내 정규 과정 단계 중 잉여 자원 충분시 자원 요청 단계의 순서도이다.
도 9는 본 발명의 자원 할당 방법 내 정규 과정 단계 중 잉여 자원 불충분시 자원 요청 단계의 순서도이다.1 is a schematic diagram of a general underwater cellular wireless network system.
2 is a conceptual diagram illustrating an operation of a queuing model for implementing an initialization protocol method for an underwater local area network of the present invention.
3 is a definition table of parameters used in the resource allocation method of the present invention.
4 is a graph illustrating a correlation between the accumulated amount of surplus resources compared to the standard deviation of the queue length shown in FIG.
5 is a table for a resource allocation message between a maritime buoy (UBSC) and each underwater base station (UBSi) in the resource allocation method of the present invention.
6 is a flowchart illustrating an initialization process in a resource allocation method of the present invention.
7 is a flow chart of the resource return step of the normal process step in the resource allocation method of the present invention.
8 is a flowchart illustrating a resource request step when sufficient resources are sufficient among the normal process steps in the resource allocation method of the present invention.
9 is a flowchart illustrating a resource request step when a surplus resource is insufficient among the regular process steps in the resource allocation method of the present invention.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세히 설명하면 다음과 같다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
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.Before describing the present invention in detail, the terms or words used in the present specification should not be construed as being limited to ordinary or dictionary meanings, and in order for the inventor of the present invention to explain his invention in the best way. Concepts of various terms may be properly defined and used, and furthermore, it is to be understood that these terms or words should be interpreted as meanings and concepts corresponding to the technical spirit of the present invention.
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.In other words, the terminology used herein is for the purpose of describing particular embodiments only and is not intended to be limiting the teachings of the invention. It should be understood that the term is defined in consideration.
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.In addition, in the present specification, the singular expressions may include the plural expressions unless the context clearly indicates otherwise, and similarly, the plural expressions may include the singular meanings. do.
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.Throughout this specification, when a component is described as "comprising" another component, the component may further include any other component rather than excluding any other component unless otherwise stated. It can mean that you can.
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.Furthermore, if a component is described as being "inside, or in connection with," another component, the component may be directly connected or installed in contact with another component, The components may be spaced apart from each other, and in the case of spaced apart from each other, there may be a third component or means for fixing or connecting the components to other components. It should be understood that the description of the components or means of 3 may be omitted.
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.On the other hand, if a component is described as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that no third component or means exists.
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.Similarly, other expressions describing the relationship between each component, such as "between" and "immediately between", or "neighboring to" and "directly neighboring to", have the same purpose. Should be interpreted as
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.In addition, in this specification, terms such as “one side”, “other side”, “one side”, “other side”, “first”, “second”, and the like, if used, refer to this one component for one component. Is used to clearly distinguish from other components, and it should be understood that such terms do not limit the meaning of the components.
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.In addition, terms related to positions such as “up”, “down”, “left”, “right”, etc., when used herein, should be understood to indicate relative positions in the corresponding drawings with respect to the corresponding components, if used. Unless an absolute position is specified with respect to these positions, these position related terms should not be understood as referring to an absolute position.
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.Moreover, in the specification of the present invention, the terms "… unit", "… unit", "module", "device" and the like, if used, means a unit capable of processing one or more functions or operations, which is hardware Or software, or a combination of hardware and software.
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.In addition, in the present specification, in designating the reference numerals for each component of each drawing, the same reference numerals refer to the same components so as to have the same reference numerals even though they are shown in different drawings, that is, the same reference numerals throughout the specification. The symbols indicate the same components.
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.In the accompanying drawings, the size, position, coupling relationship, etc. of each component constituting the present invention may be partially exaggerated or reduced or omitted in order to sufficiently convey the spirit of the present invention or for convenience of description. It may be described, so the proportion or scale may not be exact.
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.In addition, in the following, in the following description of the present invention, detailed descriptions of configurations known to unnecessarily obscure the subject matter of the present invention, for example, known technologies including the prior art, may be omitted.
해상 부이(UBSC)-수중 기지국(UBSi) 수중 업 링크 자원 할당 프로토콜Marine Buoy (UBSC)-Underwater Base Station (UBSi) Underwater Uplink Resource Allocation Protocol
본 발명에서 고려하는 해상 부이(UBSC)-수중 기지국(UBSi) 업 링크 자원 할당 방법에서는 비 보장된 링크 용량(Non-Guaranteed Link Capacity, GLC)으로서, 싱글 캐리어(Single Carrier) 자원 할당 방식으로 가정한다.In the UBSC-UBSI uplink resource allocation method considered in the present invention, a non-guaranteed link capacity (GLC) is assumed as a single carrier resource allocation scheme. .
비 보장된 링크 용량은 수중 기지국(UBSi)에서 발생하는 모든 업 링크 트래픽이 해상 부이(UBSC)로 전송이 가능하지 않을 정도로 업 링크 자원이 할당되거나, 업 링크 트래픽의 양이 해상 부이(UBSC)로 바로 전송될 수 없을 정도로 많은 경우이다. The non-guaranteed link capacity is allocated uplink resources such that all uplink traffic originating from the underwater base station (UBSi) cannot be sent to the maritime buoy (UBSC), or the amount of uplink traffic is sent to the maritime buoy (UBSC). There are so many cases that it cannot be sent right away.
또한, 싱글 캐리어 자원 할당 방식에서는 클러스터 별로 하나의 캐리어만 사용하고, 클러스터 별로 하나의 프레임 구조만 가진다.In addition, in the single carrier resource allocation scheme, only one carrier is used for each cluster, and only one frame structure is provided for each cluster.
즉, 수중 기지국(UBSi)은 수중 기지국(UBSi)이 속한 클러스터에 해당되는 하나의 프레임 구조만 사용하고, 각 클러스터는 기본 주파수만 사용하여 자원 할당이 가능하다.That is, the underwater base station UBSi uses only one frame structure corresponding to the cluster to which the underwater base station UBSi belongs, and each cluster can allocate resources using only the fundamental frequency.
만일, 기본 주파수만 사용하여 자원 할당이 어려운 환경에서는 싱글 캐리어 자원 할당을 유지하면서 수중 기지국(UBSi)의 버퍼링을 허용하거나 증가시키는 방법이 고려될 수 있다.If the resource allocation is difficult using only the fundamental frequency, a method of allowing or increasing the buffering of the underwater base station UBSi may be considered while maintaining the single carrier resource allocation.
자원 할당시 고려 사항으로는 데이터 속도(최대 속도 및 최소 속도 설정), 수중 기지국 트래픽(모델링 적용) 등이 있고, 할당되는 자원은 수중 기지국(UBSi)의 트래픽 부하에 따라 설정된다.Considerations for resource allocation include data rates (maximum and minimum rate settings) and underwater base station traffic (modeling), and the resources allocated are set according to the traffic load of the underwater base station (UBSi).
한편, 본 발명의 수중 근거리 네트워크 사양은 하프-듀플렉스(half-duplex) 방식이며, 전 방향(Omni-directional) 안테나를 사용한 중앙 집중식(Centralized) 구조이다.Meanwhile, the underwater local area network specification of the present invention is a half-duplex scheme and a centralized structure using omni-directional antennas.
첫째, 클러스터는 해상 부이(UBSC)를 중심으로 수중 기지국(UBSi) 자원 할당, 수중 기지국(UBSi)-해상 부이(UBSC)와 상하향 데이터 및 제어 메시지 등을 송수신한다.First, the cluster transmits and receives data from the underwater base station (UBSi) resource allocation, the underwater base station (UBSi) to the underwater buoy (UBSC) and up and down data and control messages.
둘째, 싱글 캐리어(Single Carrier) 자원 할당 방식으로서, 네트워크 내의 다수의 수중 기지국(UBSi)들은 상향 메시지 전송을 위해 하나의 주파수를 공유한다.Second, as a single carrier resource allocation scheme, a plurality of underwater base stations (UBSi) in the network share one frequency for uplink message transmission.
셋째, 비 보장된 링크 용량(Non-Guaranteed Link Capacity, NGLC) 방식으로서, 수중 기지국(UBSi)에 할당된 자원을 초과한 트래픽(traffic) 및 패킷 드롭(Packet drop)이 발생 가능하다.Third, as a non-guaranteed link capacity (NGLC) scheme, traffic and packet drop exceeding resources allocated to an underwater base station (UBSi) may occur.
또한, 본 발명의 업 링크 자원 할당 방법의 트래픽 모델을 설명하면 다음과 같다.In addition, the traffic model of the uplink resource allocation method of the present invention is as follows.
첫째, 고정 수중 노드로부터 생성되는 상수(constant) 트래픽으로서, 모든 클러스터의 수중 기지국(UBSi)에 균일하게 유입되는 트래픽이다.First, it is constant traffic generated from a fixed underwater node, traffic uniformly flowing into the underwater base station (UBSi) of all clusters.
둘째, 이동 수중 노드로부터 생성되는 버스트(Burst) 트래픽으로서, 현재 이동 수중 노드가 위치한 클러스터의 수중 기지국(UBSi)에 유입이 되고, 이동 수중 노드가 머무르는 시간과 머무르지 않는 시간을 고려하여 온/오프 트래픽 모델링이 가능하다.Second, burst traffic generated from the mobile underwater node is introduced into the underwater base station (UBSi) of the cluster where the mobile underwater node is currently located, and is on / off considering the time that the mobile underwater node stays and does not stay. Traffic modeling is possible.
또한, 생성된 버스트 트래픽은 최소값과 최대값(min, max) 사이에서 절단된 정규 분포(truncated normalized distribution) 특성을 가진다.In addition, the generated burst traffic has a truncated normalized distribution characteristic between a minimum value and a maximum value (min, max).
셋째, 자원 할당에는 업데이트 주기에 따른 트래픽 통계 값(예를 들어, 평균값, 최대값, 표준 편차)을 고려하는데, 자원 할당시 수중 기지국(UBSi)은 해상 부이(UBSC)에게 이전 주기까지 관측된 트래픽 통계 값을 입력 값으로 제공한다.Third, the resource allocation takes into account the traffic statistics values (eg, average value, maximum value, and standard deviation) according to the update period.In the case of resource allocation, the underwater base station (UBSi) is sent to the buoy (UBSC) for the traffic observed up to the previous period. Provide a statistical value as input.
한편, 본 발명의 업 링크 자원 할당 방법의 자원 할당 방식을 설명하면 다음과 같다.Meanwhile, a resource allocation method of the uplink resource allocation method of the present invention will be described below.
첫째, 육상에서의 무선 통신 분야에서 최근 부각되고 있는 사물 인터넷(IoT) 기술을 수중에서의 무선 통신 분야에 적용하여 수중 노드(UN)들을 일종의 사물로 취급하여 다양한 수중 정보를 채집 및 활용한다.First, the Internet of Things (IoT) technology, which has recently emerged in the field of wireless communication on land, is applied to the field of wireless communication in the water, treating underwater nodes (UN) as a kind of object, and collecting and utilizing various underwater information.
즉, 다양한 수중 사물을 통한 트래픽 증가 및 보안(security), 프라이버시(privacy), 인증(authentication) 등의 과정 추가로 인해 초래된 트래픽 증가가 기존의 제한된 대역폭과 충돌하는 문제가 있으므로, 본 발명의 효율적인 자원 분배를 통한 수율 증가로 트래픽 전송량을 획기적으로 증대시킨다.That is, the traffic increase caused by the increase of traffic through various underwater objects and the addition of processes such as security, privacy, authentication, etc., collide with the existing limited bandwidth. Increasing yield through resource allocation dramatically increases traffic volume.
또한, 수중 통신 환경과 전송 거리에 따라 변조 및 코딩 방식(Modulation and coding scheme, MCS) 레벨이 다양하므로, 본 발명의 호환 가능한 자원 분배를 통해 다양한 다중 접속 방식들에 호환적으로 유연성있게 자원 분배가 가능해진다.In addition, since modulation and coding scheme (MCS) levels vary according to the underwater communication environment and transmission distance, the resource distribution can be flexibly compatible with various multiple access schemes through compatible resource distribution of the present invention. It becomes possible.
둘째, 수중 기지국(UBSi)의 자원 재조정 요청에 의한 수요자 중심의 자원 할당 방식으로서, 제한적 대역폭을 효율적으로 활용하기 위해 수요자 요청에 즉각적으로 대응하여 적응적으로 자원을 분배한다.Second, as a consumer-centered resource allocation method by a resource rebalancing request of an underwater base station (UBSi), it adaptively distributes resources in response to a consumer request in order to efficiently utilize limited bandwidth.
즉, 자원의 이용률 미달(resource under-utilization) 등으로 인해 분배될 자원이 과잉이거나, 자원의 이용률 초과(resource excess-utilization) 등으로 인해 자원이 부족시 자원 재조정을 요청하는 경우, 해상 부이(UBSC) 주도의 고정적 또는 적응적 주기에 따른 방식과 달리 자원 할당 주기를 설정할 필요가 없으므로, 주기적 자원 할당에 따른 메시지 오버헤드가 감소되고, 에너지 효율이 개선될 수 있다.That is, when resources to be distributed are excessive due to resource under-utilization, or when resources are rebalanced when resources are insufficient due to resource excess-utilization, UBSC Since the resource allocation cycle does not need to be set, unlike the scheme according to the fixed or adaptive cycle, the message overhead according to the periodic resource allocation can be reduced, and the energy efficiency can be improved.
또한, 수중 기지국(UBSi)에 최대 보유 자원량이 제한되므로, 버스트 트래픽(Burst traffic) 등에 의해 발생한 자원 부족에 대응하기 위하여 해상 부이(UBSC)에서 잉여 자원량을 보유한다.In addition, since the maximum amount of resources is limited to the underwater base station (UBSi), in order to cope with resource shortages caused by burst traffic or the like, the amount of surplus resources is maintained in the marine buoy (UBSC).
자원 할당 알고리즘Resource allocation algorithm
도 2는 본 발명의 수중 근거리 네트워크용 초기화 프로토콜 방법을 구현하기 위한 큐잉 모델의 동작을 나타내는 개념도이다.2 is a conceptual diagram illustrating an operation of a queuing model for implementing an initialization protocol method for an underwater local area network of the present invention.
도 3은 본 발명의 자원 할당 방법에 사용되는 파라미터의 정의표이다.3 is a definition table of parameters used in the resource allocation method of the present invention.
도 4는 본 발명의 자원 할당 방법에서 단일 형태 트래픽일 경우, 도 2에 도시된 큐 길이의 표준편차 대비 축적된 잉여 자원량의 상관 관계에 대한 그래프이다.FIG. 4 is a graph illustrating a correlation between the accumulated amount of surplus resources compared to the standard deviation of the queue length illustrated in FIG. 2 in the case of single type traffic in the resource allocation method of the present invention.
도 3 내지 도 4을 참조하여, 본 발명의 업 링크 자원 할당 방법의 자원 할당 알고리즘을 설명하면 다음과 같다.3 to 4, a resource allocation algorithm of the uplink resource allocation method of the present invention will be described.
자원 할당시 이용 정보는 모의 시험시 조건으로 제공되는데, 수중 기지국(UBSi)에서 수신된 트래픽 정보는 현재 값이 적용되는 , , 값과 누적 평균 값이 적용되는 , , 이고, 최대 할당 가능한 자원은 수중 기지국(UBSi)에서 할당 가능한 최대 트래픽 처리량()으로 정의된다.When resource allocation, the usage information is provided as a condition during the simulation test. The traffic information received from the underwater base station (UBSi) is applied to the current value. , , Values and cumulative average values apply , , And the maximum assignable resource is the maximum traffic throughput that can be allocated by the underwater base station (UBSi) ( Is defined as
상기 누적 평균값이 적용되는 경우에는 평균을 취하는 시간 사이즈()로 결정해야 하고, 모의 시험 시 현재 값과 평균을 취하는 시간 사이즈() 값을 변화시키면서 누적 평균 값과의 성능을 비교한다.When the cumulative average value is applied, the time size to take an average ( ), And the amount of time the average is taken from the current value ) And compare the performance with the cumulative mean value.
수중 기지국(UBSi)에서 할당 가능한 최대 트래픽 처리량() 값의 증감에 따라 영향을 받는 성능의 변화는 다음과 같다. Maximum traffic throughput that can be allocated by the underwater base station (UBSi) ( The change in performance affected by the increase and decrease of the value is as follows.
만일, 할당 가능한 최대 트래픽 처리량() 값이 증가하는 경우, 해상 부이(UBSC)의 잉여 트래픽 처리량()이 감소하고, 선형 비율(Linear proportion) 비중이 커져 자원 활용률이 증가되고, 버스트 트래픽 처리에 약해, 초기화 과정이 빈번하게 실행되어 메시지 오버 헤드가 증가된다.If the maximum traffic throughput that can be allocated, ) Value, the surplus traffic throughput of the UBSC ( ), The proportion of linear proportion is increased, the resource utilization is increased, and the burst traffic is weak, and the initialization process is frequently executed to increase the message overhead.
반면, 할당 가능한 최대 트래픽 처리량() 값이 감소하는 경우, 해상 부이(UBSC)의 잉여 트래픽 처리량()이 증가하고, 선형 비율(Linear proportion) 비중이 작아져 자원 활용률이 감소되고, 버스트 트래픽 처리에 강하고, 특정한 수중 기지국(UBSi)에 대해서만 자원 할당을 하는 경우가 많아 초기화 과정 발생 빈도가 낮으며, 메시지 오버 헤드가 감소된다.On the other hand, the maximum traffic throughput that can be allocated ( ) Decreases, the surplus traffic throughput of the UBSC ( ), And the proportion of linear proportion decreases, thus reducing resource utilization rate, being strong in burst traffic processing, and often allocating resources only to a specific underwater base station (UBSi). Message overhead is reduced.
또한, 수중 기지국(UBSi)에서 할당된 트래픽 처리량()은 다음의 수학식 1과 같이 산출된다.In addition, the traffic throughput allocated by the underwater base station (UBSi) ( ) Is calculated as in
여기에서, 는 수중 기지국(UBSi)에서 할당 가능한 최대 트래픽 처리량, 는 해상 부이(UBSC)의 총 트래픽 처리량, N은 수중 기지국(UBSi) 수, Qi는 단위 시간에 수중 기지국(UBSi)의 큐 길이, Pi는 단위 시간에 수중 기지국(UBSi)에서 드롭되는 트래픽 양을 의미한다.From here, Is the maximum traffic throughput that can be allocated by the underwater base station (UBSi), Is the total traffic throughput of the UBSC, N is the number of underwater base stations (UBSi), Q i is the queue length of the underwater base station (UBSi) in unit time, P i is the traffic dropped from the underwater base station (UBSi) in unit time. Means quantity.
또한, 해상 부이(UBSC)의 잉여 트래픽 처리량()은 다음의 수학식 2와 같이 산출된다.In addition, UBSC surplus traffic throughput ( ) Is calculated as in
여기에서, 는 해상 부이(UBSC)의 총 트래픽 처리량, N은 수중 기지국(UBSi) 수, 는 수중 기지국(UBSi)에서 할당된 트래픽 처리량을 의미한다.From here, Is the total traffic throughput of UBSC, N is the number of underwater base stations (UBSi), Means the traffic throughput allocated by the underwater base station (UBSi).
한편, 최초 자원 분배시 자원 할당에서, 수중 기지국(UBSi)에서 할당된 트래픽 처리량()의 초기 값은 초기화 과정에서 수중 기지국(UBSi)이 해상 부이(UBSC)로 전송한 트래픽 정보를 이용하여 설정된다. Meanwhile, in resource allocation during initial resource allocation, the traffic throughput allocated by the underwater base station (UBSi) ( ) Is set using the traffic information transmitted from the underwater base station (UBSi) to the maritime buoy (UBSC) during the initialization process.
또한, 정규화 과정 중에 자원 분배 요청시 자원 할당에서, 적용할 트래픽 정보는 초기화 과정의 회귀 여부에 따라 상이하다.In addition, in resource allocation when a resource distribution request is made during normalization, traffic information to be applied differs depending on whether the initialization process is regressed.
즉, 초기화 과정으로 비 회귀시에는 기존 트래픽 정보 테이블에서 자원 재조정을 요청한 수중 기지국(UBSi)의 트래픽 정보만 업데이트하여 자원을 재할당한다. That is, during the non-regression process during the initialization process, only the traffic information of the underwater base station (UBSi) requesting resource rebalancing is reassigned from the existing traffic information table and reallocated resources.
반면, 초기화 과정 회귀시에는 최초의 자원 분배와 동일하게 모든 수중 기지국(UBSi)들로부터 트래픽 정보를 수신하여 자원을 재할당한다.On the other hand, during the regression of the initialization process, traffic information is received from all underwater base stations (UBSi) and reallocated resources in the same manner as the initial resource distribution.
또한, 정규화 과정 중에 자원 과잉으로 인한 자원 재조정 시에는 자원 부족이 발생하지 않고, 자원 부족으로 인한 자원 재조정 시에는 자원 과잉이 발생하지 않도록 자원 재조정이 필요하다. In addition, resource rebalancing is necessary so that resource shortage does not occur when the resource is rebalanced due to resource excess during normalization, and when resource rebalancing is caused by resource shortage.
도 4에서 보는 바와 같이, 단위 시간에 수중 기지국(UBSi)의 큐 길이()의 표준편차가 클수록 이와 비례하여 잉여 자원량()이 커지는 성향이 있다.As shown in Figure 4, the queue length of the underwater base station (UBSi) ), The larger the standard deviation, the proportion of surplus resource ( ) Tends to grow.
즉, 트래픽이 기 설정된 소정의 양보다 많이 유입되는 수중 기지국(UBSi)은 할당 가능한 최대 트래픽 처리량() 값으로 자원을 할당하고, 트래픽이 기 설정된 소정의 양보다 적은 수중 기지국(UBSi)은 선형 비율(linear proportion) 만큼의 자원이 할당된다.That is, the underwater base station (UBSi) in which more traffic flows than a predetermined amount may be allocated to the maximum traffic throughput ( A resource is allocated at a value of), and the number of resources of the underwater base station UBSi whose traffic is smaller than a predetermined amount is allocated by a linear proportion.
도 5는 본 발명의 자원 할당 방법에서 해상 부이(UBSC)와 각 수중 기지국(UBSi) 간 자원 할당 메시지에 대한 표이다.5 is a table for a resource allocation message between a maritime buoy (UBSC) and each underwater base station (UBSi) in the resource allocation method of the present invention.
도 6은 본 발명의 자원 할당 방법 내 초기화 과정을 나타내는 순서도이다.6 is a flowchart illustrating an initialization process in a resource allocation method of the present invention.
도 7은 본 발명의 자원 할당 방법 내 정규 과정 단계 중 자원 반납 단계의 순서도이다.7 is a flow chart of the resource return step of the normal process step in the resource allocation method of the present invention.
도 8은 본 발명의 자원 할당 방법 내 정규 과정 단계 중 잉여 자원 충분시 자원 요청 단계의 순서도이다.8 is a flowchart illustrating a resource request step when sufficient resources are sufficient among the normal process steps in the resource allocation method of the present invention.
도 9는 본 발명의 자원 할당 방법 내 정규 과정 단계 중 잉여 자원 불충분시 자원 요청 단계의 순서도이다.9 is a flowchart illustrating a resource request step when a surplus resource is insufficient among the regular process steps in the resource allocation method of the present invention.
도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법의 동작을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 1 to 9, the operation of the underwater uplink resource allocation method in the non-guaranteed link capacity of the present invention will be described in detail as follows.
해상 부이(UBSC)-수중 기지국(UBSi) 자원 분배 프로토콜은 초기화 단계(Initial Stage; IS)와 수중 기지국(UBSi)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. The UBSC-UBSI resource distribution protocol is a resource allocated by the Initial Stage (IS) and the Underwater Base Station (UBSi) to transmit and receive data to and from the UBSC and periodically or It consists of a normal stage (NS) that updates a resource allocation aperiodically.
1. 초기화 단계1. Initialization step
먼저, 자원 할당 전 네트워크가 스탠바이 완료되고, 매체 접속 제어 방식에 의한 초기화 과정을 위한 업 링크, 다운 링크 자원이 할당된다고 가정한다.First, it is assumed that the network before the resource allocation is completed and the uplink and downlink resources are allocated for the initialization process by the medium access control method.
해상 부이(UBSC)가 클러스터 별로 수중 기지국(UBSi)들에게 브로드 캐스팅 형식으로 자원 할당을 위한 정보 요청 신호(RIREQ)를 전송한다. The UBSC transmits an information request signal RIREQ for resource allocation in a broadcast format to the underwater base stations UBSi for each cluster.
자원 정보 요청 신호(RIREQ)를 수신한 수중 기지국(UBSi)들은 현재 수행 단계에 따라 자신들의 트래픽 정보를 포함한 자원 할당을 위한 정보 응답 신호(RIREP)를 생성하여 송신한다.Upon receiving the resource information request signal RIREQ, the underwater base stations UBSi generate and transmit an information response signal RIREP for resource allocation including their traffic information according to the current execution step.
즉, 현재 수행 단계가 최초 자원 분배 프로토콜 수행시에는 단위 시간에 수중 기지국(UBSi)의 큐 길이(), 드롭되는 트래픽 양(), 자원 이용율()에 대한 트래픽 정보값을 전송한다.That is, when the current execution step performs the initial resource distribution protocol, the queue length (UBSi) of the underwater base station (UBSi) ), The amount of traffic dropped ( ), Resource utilization ( Transmits the traffic information value for
반면, 해상 부이(UBSC)에서 잉여 자원량이 부족하여 초기화를 진행할 경우, 현재 값 적용시에는 단위 시간에 수중 기지국(UBSi)의 큐 길이(), 드롭되는 트래픽 양(), 자원 이용율()에 대한 트래픽 정보값을 전송하고, 누적 평균 값 적용시에는 상기 값들의 누적 평균값을 전송한다.On the other hand, in case of initializing due to lack of surplus resources in UBSC, when the current value is applied, the queue length (UBSi) ), The amount of traffic dropped ( ), Resource utilization ( And transmits a traffic information value for the < RTI ID = 0.0 >
네트워크 내의 모든 수중 기지국(UBSi)들로부터 자원 할당을 위한 정보 응답 신호(RIREP)를 수신한 해상 부이(UBSC)는 자원 할당 알고리즘을 수행하여, 수중 기지국(UBSi)들의 자원을 결정하는 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 전송한다. Upon receiving the information response signal (RIREP) for resource allocation from all the underwater base stations (UBSi) in the network, the maritime buoy (UBSC) performs a resource allocation algorithm to transmit resource allocation information for determining the resources of the underwater base stations (UBSi). Send a signal RAIS.
이때, 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS) 정보는 시분할 다중 접속 기반의 MAC 프로토콜의 경우, 주어진 다중 접속 방식에 따라 수중 기지국(UBSi) 슬롯 번호, 슬롯 수 등이다. In this case, the resource allocation information transmission signal (RAIS) information is an underwater base station (UBSi) slot number and slot number according to a given multiple access scheme in the time division multiple access based MAC protocol.
자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 수신한 수중 기지국(UBSi)들은 각각 자신의 초기 업 링크 용량(capacity)을 설정하고, 해상 부이(UBSC)에게 자원 할당 정보 수신 확인 신호(RAISACK)를 송신한 후에 정규 과정 단계(NS)에 진입한다.After receiving the resource allocation information transmission signal RAIS, each of the underwater base stations UBSi sets its initial uplink capacity and transmits the resource allocation information reception acknowledgment signal RAISACK to the UBSC. Enter the regular process phase (NS).
2. 정규 과정 단계2. Regular Course Steps
초기화 과정 이후, 수중 기지국(UBSi)은 주어진 다중 접속 방식으로 할당된 자원을 이용하여 해상 부이(UBSC)로 데이터를 전송한다.After the initialization process, the underwater base station (UBSi) transmits data to the maritime buoy (UBSC) using the resources allocated in a given multiple access scheme.
이때, 수중 기지국(UBSi)의 버퍼에 유입되는 트래픽 양에 따라 자원이 부족 또는 초과하게 되는지 여부를 판단하고, 이에 해당되는 경우 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)를 전송하여 해상 부이(UBSC)에게 자원 할당의 재조정을 요청한다.At this time, it is determined whether the resource is insufficient or excessive according to the amount of traffic flowing into the buffer of the underwater base station (UBSi), and if this is the case, by transmitting a resource reallocation request signal (RAREQ) to the maritime buoy (UBSC) resources Request rebalancing of allocations.
수중 기지국(UBSi)의 버퍼에 유입되는 자원이 초과하게 되는 경우, 즉, 단위 시간에 수중 기지국(UBSi)의 자원 이용율()이 네트워크 파라미터인 한계 이용율()보다 적은 경우, 다음과 같은 자원 반납을 수행한다.When the resource flowing into the buffer of the underwater base station UBSi is exceeded, that is, the resource utilization rate of the underwater base station UBSi in unit time ( ) Is the network parameter If less than), the following resources are returned:
이때, 단위 시간에 수중 기지국(UBSi)의 한계 이용율()의 디폴트 값은 0.5로 설정되고, 증감에 따라 영향을 받는 성능의 변화는 다음과 같다. In this case, the limit utilization rate of the underwater base station (UBSi) ( The default value of) is set to 0.5, and the performance change affected by the increase and decrease is as follows.
만일, 단위 시간에 수중 기지국(UBSi)의 한계 이용율() 값이 증가하는 경우, 자원 활용도가 낮아져 수중 기지국(UBSi)이 해상 부이(UBSC)에 빈번히 자원 재조정을 요청하게 된다.If the unit utilization time limit of the underwater base station (UBSi) ( Increasing the value of) increases resource utilization, causing the underwater base station (UBSi) to frequently request resource rebalancing from the UBSC.
이에 따라, 자원 순환이 원활해지고, 실시간 트래픽 상태 반영이 가능해 진다.Accordingly, resource circulation is smooth and real-time traffic state reflection is possible.
또한, 형평성(fairness), 전체 자원 이용율, 패킷 드롭율, 수율 성능이 향상된다.In addition, fairness, overall resource utilization, packet drop rate, and yield performance are improved.
하지만, 에너지 소비가 증가되고, 메시지 오버헤드 성능이 열화되는 단점이 있다.However, there is a disadvantage in that energy consumption is increased and message overhead performance is degraded.
반면, 단위 시간에 수중 기지국(UBSi)의 한계 이용율() 값이 감소하는 경우, 자원 활용도가 낮더라도 수중 기지국(UBSi)이 해상 부이(UBSC)에 자원 재조정의 요청 없이 할당 자원을 그대로 사용하게 된다.On the other hand, the limit utilization rate of the underwater base station (UBSi) in unit time ( In the case where the value of) decreases, the underwater base station UBSi uses the allocated resource as it is without requesting resource rebalancing to the UBSC even if resource utilization is low.
이에 따라, 에너지 소비가 증가되고, 메시지 오버헤드 성능이 향상된다.This increases energy consumption and improves message overhead performance.
하지만, 형평성(fairness), 전체 자원 이용율, 패킷 드롭율, 수율 성능이 열화되는 단점이 있다.However, there is a disadvantage in that fairness, overall resource utilization, packet drop rate, and yield performance deteriorate.
다음으로, 해상 부이(UBSC)가 수중 기지국(UBSi)으로부터 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)를 수신한 경우, 해당 수중 기지국에게 자원 재할당 요청 수신 확인 신호(RAACK)를 전송한 후에, 자원 할당 알고리즘을 재수행한다.Next, when the UBSC receives the resource reallocation request signal RAREQ from the underwater base station UBSi, after transmitting the resource reallocation request acknowledgment signal RAACK to the corresponding underwater base station, the resource allocation algorithm Rerun
수중 기지국(UBSi)이 해상 부이(UBSC)로부터 자원 재할당 요청 수신 확인 신호(RAACK)를 수신하면, 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)의 수신을 대기한다.When the underwater base station UBSi receives the resource reassignment request acknowledgment signal RAACK from the maritime buoy UBSC, it waits for the reception of the resource allocation information transmission signal RAIS.
해상 부이(UBSC)가 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 전송하여 수중 기지국(UBSi)이 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 수신하면, 새로운 자원을 재할당하고 해상 부이(UBSC)에게 자원 할당 정보 수신 확인 신호(RAISACK)를 전송한다.When the underwater buoy (UBSC) transmits a resource allocation information transmission signal (RAIS) and the underwater base station (UBSi) receives the resource allocation information transmission signal (RAIS), reallocates a new resource and assigns the resource allocation information to the marine buoy (UBSC). Send an acknowledgment signal (RAISACK).
한편, 수중 기지국(UBSi)의 버퍼에 유입되는 자원이 부족하게 되는 경우, 즉, 단위 시간에 수중 기지국(UBSi)의 드롭되는 트래픽 양()이 양수인 경우(), 버스트 트래픽 발생으로 버퍼 과잉(Buffer overflow)을 초래하여 다음과 같은 자원 재조정 요청을 수행한다.Meanwhile, when resources flowing into the buffer of the underwater base station UBSi become insufficient, that is, the amount of traffic dropped by the underwater base station UBSi in unit time ( ) Is positive ( When burst traffic occurs, buffer overflow occurs and the following resource rebalancing request is performed.
수중 기지국(UBSi)이 해상 부이(UBSC)로부터 자원 재할당 요청 수신 확인 신호(RAACK)를 수신하면, 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS) 또는 자원 정보 요청 신호(RIREQ)의 수신을 대기한다.When the underwater base station UBSi receives the resource reassignment request reception acknowledgment signal RAACK from the maritime buoy UBSC, it waits for reception of the resource allocation information transmission signal RAIS or the resource information request signal RIREQ.
만일, 수중 기지국(UBSi)이 해상 부이(UBSC)로부터 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 수신한 경우, 새로운 자원을 재할당하고 해상 부이(UBSC)에 자원 할당 정보 수신 확인 신호(RAISACK)를 전송한다.If the underwater base station UBSi receives the resource allocation information transmission signal RAIS from the maritime buoy, it allocates a new resource and transmits the resource allocation information reception acknowledgment signal RAISACK to the maritime buoy. do.
반면, 수중 기지국(UBSi)이 해상 부이(UBSC)로부터 자원 정보 요청 신호(RIREQ)를 수신한 경우, 초기화 과정과 동일하게 자원 할당을 위한 정보 응답 신호(RIREP)를 전송한 후, 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)의 수신을 대기한다.On the other hand, when the underwater base station UBSi receives the resource information request signal RIREQ from the maritime buoy UBSC, transmits the resource allocation information after transmitting the information response signal RIREP for resource allocation in the same manner as the initialization process. Wait for reception of signal RAIS.
한편, 수중 기지국(UBSi)이 버퍼에 유입되는 트래픽 양에 따라 해상 부이(UBSC)에게 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)를 전송한 후, 해상 부이(UBSC)가 수행하는 동작은 다음과 같다.Meanwhile, after the underwater base station UBSi transmits a resource reassignment request signal RAREQ to the UBSC according to the traffic amount flowing into the buffer, the UBSC performs the following operations.
자원 재할당 요청 신호(RAREQ)를 전송한 수중 기지국(UBSi)이 자원 반납 수중 기지국인지 자원 요청 수중 기지국인지 판별한다.It is determined whether the underwater base station UBSi, which has transmitted the resource reassignment request signal RAREQ, is a resource returning underwater base station or a resource requesting underwater base station.
만일, 해당 수중 기지국이 자원 반납 수중 기지국인 것으로 판별된 경우, 해상 부이(UBSC)가 해당 수중 기지국에 자원 재할당 요청 수신 확인 신호(RAACK)를 전송하고, 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)의 트래픽 정보를 이용하여 해당 수중 기지국의 자원을 하향 조정한다.If it is determined that the underwater base station is the resource returning underwater base station, the UBSC transmits a resource reassignment request acknowledgment signal (RAACK) to the underwater base station, and traffic of the resource reassignment request signal (RAREQ). The information of the base station is adjusted down by using the information.
그 후에, 잉여 자원량을 업데이트하고, 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 전송한다.Thereafter, the surplus resource amount is updated, and the resource allocation information transmission signal RAIS is transmitted.
반면, 해당 수중 기지국이 자원 요청 수중 기지국인 것으로 판별된 경우, 해당 수중 기지국에 자원 재할당 요청 수신 확인 신호(RAACK)를 전송하고, 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)의 트래픽 정보를 이용하여 해당 수중 기지국의 자원을 상향 조정한다.On the other hand, when it is determined that the underwater base station is a resource request underwater base station, it transmits a resource reassignment request reception acknowledgment signal (RAACK) to the underwater base station, and the corresponding underwater using the traffic information of the resource reassignment request signal (RAREQ) Adjust the resources of the base station up.
그 후에, 잉여 자원량을 업데이트하고, 다음의 수학식에 따라 필요 자원량을 계산한다.Thereafter, the surplus resource amount is updated, and the required resource amount is calculated according to the following equation.
여기에서, n은 이산 시간 인덱스, 는 단위 시간에 수중 기지국(UBSi)에서 처리되는 트래픽 양을 의미한다.Where n is a discrete time index, Denotes the amount of traffic processed by the underwater base station (UBSi) in unit time.
해상 부이(UBSC)에서 잉여 자원의 여유가 있는지 여부를 판단하여, 도 8에서 보는 바와 같이, 해상 부이(UBSC)에서 잉여 자원의 여유가 있는 것으로 판별된 경우(), 해당 수중 기지국에 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 전송한다.When it is determined whether or not there is a surplus resource in the maritime buoy (UBSC), as shown in Figure 8, when it is determined that there is a surplus of resources in the maritime buoy (UBSC) ( Transmits a resource allocation information transmission signal (RAIS) to the corresponding underwater base station.
반면, 단계에서 해상 부이(UBSC)에 잉여자원의 여유가 없는 것으로 판별된 경우(), 도 9에서 보는 바와 같이, 초기화 과정으로 회귀하여 전체 수중 기지국(UBSi)들에게 자원 정보 요청 신호(RIREQ)를 전송한다.On the other hand, if it is determined at the stage that there is no margin of surplus resources in UBSC ( 9, it returns to the initialization process and transmits a resource information request signal RIREQ to all underwater base stations UBSi.
이처럼 정규 과정에서 해상 부이(UBSC)에서의 잉여 자원 부족으로 인해 초기화 과정으로 회귀할 경우, 상기 초기화 단계의 동작 설명에서 언급하였듯이, 현재 값 적용시에는 단위 시간에 수중 기지국(UBSi)의 큐 길이(), 드롭되는 트래픽 양(), 자원 이용율()에 대한 트래픽 정보값을 현재 값을 이용하여 자원을 재조정한다. As described above, when the normal process returns to the initialization process due to lack of surplus resources in the UBSC, as described in the operation description of the initialization step, the queue length of the underwater base station (UBSi) ), The amount of traffic dropped ( ), Resource utilization ( Rebalance the resource using the current value of the traffic information value.
이와 같이, 본 발명의 비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법은 육상에서의 사물 인터넷 기술을 수중에서의 무선 통신 분야에 적용하여 다양한 수중 정보를 채집 및 활용하는데 있어서, 수중 기지국의 자원 재조정 요청에 대응하여 적응적으로 자원을 분배함으로써, 트래픽 증가로 인한 기존의 제한된 대역폭과의 충돌 문제를 해결할 수 있다.As such, the underwater uplink resource allocation method in the non-guaranteed link capacity of the present invention applies the Internet of Things technology in the land to the field of wireless communication in the field of collecting and utilizing various underwater information. By adaptively distributing resources in response to a rebalancing request, it is possible to resolve a problem of collision with existing limited bandwidth due to traffic increase.
이를 통하여, 다양한 수중 사물을 통한 트래픽 증가로 인해 초래되는 기존의 제한된 대역폭과의 충돌 문제를 효율적인 자원 분배를 통한 수율 증가로 해결하여 트래픽 전송량이 획기적으로 증대된다.Through this, the traffic transmission amount is drastically increased by solving the problem of the existing limited bandwidth caused by the increase of traffic through various underwater objects by increasing the yield through efficient resource allocation.
또한, 수중 통신 환경과 전송 거리에 따라 변조 및 코딩 방식 레벨이 다양한 다중 접속 방식들에 호환적으로 유연성있게 자원 분배가 가능해진다.In addition, according to the underwater communication environment and transmission distance, it is possible to flexibly distribute resources to multiple access schemes having various modulation and coding scheme levels.
또한, 분배될 자원이 과잉 또는 부족시 자원 재조정이 요청되는 경우, 자원 할당 주기를 별도로 설정할 필요가 없어 주기적 자원 할당에 따른 메시지 오버헤드가 감소되고 에너지 효율이 개선된다.In addition, when resource rebalancing is required when resources to be distributed are excessively or insufficiently, there is no need to set a resource allocation cycle separately, thereby reducing message overhead due to periodic resource allocation and improving energy efficiency.
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.While various embodiments of the present invention have been described with reference to some examples, the descriptions of the various embodiments described in the "Specific Embodiments of the Invention" section are merely illustrative, and the present invention has been described. Those skilled in the art will understand from the above description that the present invention can be variously modified or implemented in accordance with the present invention.
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.In addition, the present invention is not limited by the above description because it can be implemented in a variety of other forms, the above description is intended to complete the disclosure of the present invention is usually in the technical field to which the present invention belongs It should be understood that the present invention is provided only to fully convey the scope of the present invention to those skilled in the art, and the present invention is defined only by the claims of the claims.
Claims (10)
사물 인터넷 기술을 이용하여 복수개의 수중 노드(UN)에서 채집된 수중 정보가 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)을 통해 각각 하나의 주파수를 사용하는 싱글 캐리어 자원 할당 방식으로 상기 해상 부이(UBSC)로 전달되며,
상기 자원 할당은 자원 할당 주기 동안의 상기 네트워크 내 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 최대 트래픽 양, 평균 트래픽 양 및 표준 편차를 이용하여 할당하고,
수중 노드들을 일종의 사물로 취급하여 수중 사물을 통한 트래픽 증가와 보안, 프라이버시 및 인증의 과정 추가로 인한 트래픽 증가가 상기 사물 인터넷 기술을 통해 기존의 제한된 대역폭과 충돌되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는,
비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법.
In a non-guaranteed link capacity type underwater network system having a marine buoy (UBSC) and a plurality of underwater base station (UBSi) network structures,
Underwater information collected from a plurality of underwater nodes (UN) using the Internet of Things technology is transmitted to the maritime buoy (UBSC) in a single carrier resource allocation scheme using one frequency each through the plurality of underwater base stations (UBSi) ,
The resource allocation is assigned using the maximum traffic amount, average traffic amount and standard deviation of a plurality of underwater base stations (UBSi) in the network during a resource allocation period,
Treating the underwater nodes as a kind of thing so that the traffic increase through the underwater thing and the traffic increase due to the addition of the process of security, privacy and authentication do not conflict with the existing limited bandwidth through the IoT technology,
Underwater uplink resource allocation method with unguaranteed link capacity.
상기 자원 할당은
(a) 상기 해상 부이(UBSC)가 자원 할당을 위한 정보를 요청하고 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)이 현재 수행 단계에 따라 응답하면, 상기 해상 부이(UBSC)가 자원 할당 알고리즘을 수행한 후 자원 할당 정보를 전송하고, 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)이 각각 초기 업 링크 용량을 설정하는 초기화 단계; 및
(b) 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 버퍼에 유입되는 자원의 부족 또는 초과로 판단된 경우 해당 수중 기지국이 자원 재할당을 요청하고, 상기 해상 부이(UBSC)가 상기 자원 할당 알고리즘을 재수행하여 잉여 자원의 여유가 있는지 여부에 따라 상기 자원 재할당 또는 상기 초기화 단계로의 회귀가 결정되는 정규 과정 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법.
The method of claim 1,
The resource allocation is
(a) When the marine buoy (UBSC) requests information for resource allocation and the plurality of underwater base stations (UBSi) responds according to the current execution step, the marine buoy (UBSC) performs a resource allocation algorithm and then resources An initialization step of transmitting allocation information and setting initial uplink capacity by the plurality of underwater base stations (UBSi); And
(b) If it is determined that the resources flowing into the buffers of the plurality of underwater base stations (UBSi) are insufficient or exceeded, the corresponding underwater base station requests resource reallocation, and the marine buoy (UBSC) re-executes the resource allocation algorithm. A regular process step of determining reassignment of resources or reversion to the initialization step according to whether there is a margin of surplus resources;
Characterized in that it comprises a,
Underwater uplink resource allocation method with unguaranteed link capacity.
상기 (a) 단계는
(a-1) 상기 해상 부이(UBSC)가 클러스터 별로 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)에게 자원 할당을 위한 정보 요청 신호(RIREQ)를 전송하는 단계;
(a-2) 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)이 현재 수행 단계에 따라 트래픽 정보를 포함한 자원 할당을 위한 정보 응답 신호(RIREP)를 생성하여 송신하는 단계;
(a-3) 상기 해상 부이(UBSC)가 한 프레임 동안 대기하여 상기 네트워크 내의 모든 수중 기지국(UBSi)들로부터 상기 자원 할당을 위한 정보 응답 신호(RIREP)를 수신하였는지 여부를 판단하는 단계;
(a-4) 모든 수중 기지국(UBSi)들로부터 수신된 경우, 상기 해상 부이(UBSC)가 상기 자원 할당 알고리즘을 수행하여, 해당 수중 기지국들의 자원을 결정하는 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 전송하는 단계; 및
(a-5) 상기 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 수신한 수중 기지국(UBSi)들이 각각 상기 초기 업 링크 용량을 설정하고, 상기 해상 부이(UBSC)로 자원 할당 정보 송신 확인 신호(RAISACK)를 송신하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법.
The method of claim 2,
Step (a) is
(a-1) the UBSC transmitting an information request signal RIREQ for resource allocation to the plurality of underwater base stations UBSi for each cluster;
(a-2) generating and transmitting an information response signal (RIREP) for resource allocation including traffic information by the plurality of underwater base stations (UBSi);
(a-3) determining whether the UBSC has received an information response signal RIREP for allocating resources from all underwater base stations UBSi in the network by waiting for one frame;
(a-4) When received from all underwater base stations (UBSi), the maritime buoy (UBSC) performs the resource allocation algorithm, and transmits a resource allocation information transmission signal (RAIS) for determining the resources of the corresponding underwater base stations Making; And
(a-5) Underwater base stations (UBSis) receiving the resource allocation information transmission signal (RAIS) respectively set the initial uplink capacity and transmit a resource allocation information transmission confirmation signal (RAISACK) to the sea buoy (UBSC). Transmitting;
Characterized in that it comprises a,
Underwater uplink resource allocation method with unguaranteed link capacity.
상기 (a-2) 단계에서
상기 현재 수행 단계가 최초 자원 분배 프로토콜 수행시에는 단위 시간에 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 큐 길이(), 드롭되는 트래픽 양() 및 자원 이용율()에 대한 트래픽 정보값을 전송하는 단계; 및
상기 현재 수행 단계가 상기 해상 부이(UBSC)에서 잉여 자원량이 부족하여 상기 초기화 단계의 회귀로 진행할 경우, 상기 큐 길이(), 드롭되는 트래픽 양() 및 자원 이용율()에 대한 현재 트래픽 정보값 또는 누적 평균값을 전송하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법.
The method of claim 3, wherein
In the step (a-2)
When the current execution step performs the initial resource distribution protocol, the queue lengths of the plurality of underwater base stations (UBSi) ), The amount of traffic dropped ( ) And resource utilization ( Transmitting a traffic information value for; And
When the current execution step proceeds to the regression of the initialization step due to the insufficient amount of surplus resources in the BUSC (UBSC), the queue length ( ), The amount of traffic dropped ( ) And resource utilization ( Transmitting a current traffic information value or a cumulative average value for;
Characterized in that it comprises a,
Underwater uplink resource allocation method with unguaranteed link capacity.
상기 (b) 단계는
(b-1) 상기 버퍼에 유입되는 트래픽 양에 따라 자원의 부족 또는 초과 여부가 판단되는 단계;
(b-2) 상기 자원의 부족 또는 초과로 판단된 경우, 해당 수중 기지국이 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)를 상기 해상 부이(UBSC)로 전송하는 단계;
(b-3) 상기 해상 부이(UBSC)가 상기 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)에 응답하여 해당 수중 기지국에게 자원 재할당 요청 수신 확인 신호(RAACK)를 전송하고, 상기 자원 할당 알고리즘을 재수행하는 단계;
(b-4) 상기 해상 부이(UBSC)에서 잉여 자원의 여유가 있는 경우, 상기 해상 부이(UBSC)가 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 전송하는 단계; 및
(b-5) 해당 기지국이 상기 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)를 수신하여 자원을 재할당하고, 자원 할당 정보 수신 확인 신호(RAISACK)를 전송하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법.
The method of claim 2,
Step (b) is
(b-1) determining whether there is a shortage or excess of resources according to the amount of traffic flowing into the buffer;
(b-2) if it is determined that the resource is insufficient or exceeded, transmitting a resource reallocation request signal (RAREQ) to the maritime buoy (UBSC);
(b-3) the marine buoy (UBSC) transmitting a resource reassignment request acknowledgment signal (RAACK) to the corresponding underwater base station in response to the resource reassignment request signal (RAREQ), and performing the resource allocation algorithm again. ;
(b-4) transmitting a resource allocation information transmission signal (RAIS) by the UBSC when there is a surplus of resources in the UBSC; And
(b-5) the base station receiving the resource allocation information transmission signal (RAIS) to reallocate resources and transmitting a resource allocation information reception confirmation signal (RAISACK);
Characterized in that it comprises a,
Underwater uplink resource allocation method with unguaranteed link capacity.
상기 (b-2) 단계에서,
(A) 상기 자원의 초과로 판단된 경우, 해당 수중 기지국이 자원 반납을 수행하는 단계; 및
(B) 상기 자원의 부족으로 판단된 경우, 해당 수중 기지국이 자원 재조정 요청을 수행하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법.
The method of claim 5,
In the step (b-2),
(A) if it is determined that the resource is exceeded, performing a resource return by the corresponding underwater base station; And
(B) if it is determined that the resource is insufficient, performing the resource rebalancing request by the corresponding underwater base station;
Characterized in that it comprises a,
Underwater uplink resource allocation method with unguaranteed link capacity.
상기 (B) 단계에서,
상기 해상 부이(UBSC)에서 잉여 자원의 여유가 없는 경우,
해당 수중 기지국이 상기 해상 부이(UBSC)로부터 자원 정보 요청 신호(RIREQ)를 수신하는 단계; 및
상기 초기화 단계와 동일하게 자원 할당을 위한 정보 응답 신호(RIREP)를 전송한 후, 상기 자원 할당 정보 송신 신호(RAIS)의 수신을 대기하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법.
The method of claim 6,
In the step (B),
If there is no surplus resource in the UBSC
Receiving, by the underwater base station, a resource information request signal RIREQ from the maritime buoy; And
Transmitting an information response signal (RIREP) for resource allocation in the same manner as in the initializing step, and then waiting for reception of the resource allocation information transmission signal (RAIS);
Characterized in that it comprises a,
Underwater uplink resource allocation method with unguaranteed link capacity.
상기 (b-3) 단계는
상기 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)를 전송한 수중 기지국(UBSi)이 자원 반납 수중 기지국인지 자원 요청 수중 기지국인지 판별하는 단계;
해당 수중 기지국이 자원 반납 수중 기지국인 것으로 판별된 경우, 상기 해상 부이(UBSC)가 해당 수중 기지국에 상기 자원 재할당 요청 수신 확인 신호(RAACK)를 전송하는 단계;
상기 해상 부이(UBSC)가 상기 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)의 트래픽 정보를 이용하여 상기 해당 수중 기지국의 자원을 하향 조정하는 단계; 및
상기 해상 부이(UBSC)가 잉여 자원량을 업데이트하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법.
The method of claim 5,
Step (b-3)
Determining whether an underwater base station (UBSi) that has transmitted the resource reassignment request signal (RAREQ) is a resource returning underwater base station or a resource requesting underwater base station;
If it is determined that the underwater base station is a resource returning underwater base station, the UBSC transmits the resource reassignment request acknowledgment signal (RAACK) to the underwater base station;
Adjusting, by the UBSC, the resource of the corresponding underwater base station by using the traffic information of the resource reassignment request signal (RAREQ); And
Updating, by the UBSC, the amount of surplus resources;
Characterized in that it comprises a,
Underwater uplink resource allocation method with unguaranteed link capacity.
상기 (b-3) 단계는
해당 수중 기지국이 자원 요청 수중 기지국인 것으로 판별된 경우, 상기 해상 부이(UBSC)가 해당 수중 기지국에 상기 자원 재할당 요청 수신 확인 신호(RAACK)를 전송하는 단계;
상기 해상 부이(UBSC)가 상기 자원 재할당 요청 신호(RAREQ)의 트래픽 정보를 이용하여 상기 해당 수중 기지국의 자원을 상향 조정하는 단계; 및
상기 해상 부이(UBSC)가 잉여 자원량을 업데이트하고, 필요 자원량을 계산하는 단계;
를 포함하는 것을 특징으로 하는,
비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법.
The method of claim 8,
Step (b-3)
If it is determined that the underwater base station is a resource request underwater base station, the UBSC transmits the resource reassignment request acknowledgment signal (RAACK) to the underwater base station;
Adjusting, by the UBSC, uplink resources of the corresponding underwater base station by using the traffic information of the resource reassignment request signal (RAREQ); And
The UBSC updating a surplus resource amount and calculating a required resource amount;
Characterized in that it comprises a,
Underwater uplink resource allocation method with unguaranteed link capacity.
사물 인터넷 기술을 이용하여 복수개의 수중 노드(UN)에서 채집된 수중 정보가 상기 복수개의 수중 기지국(UBSi)을 통해 각각 하나의 주파수를 사용하는 싱글 캐리어 자원 할당 방식으로 상기 해상 부이(UBSC)로 전달되며,
상기 자원 할당은 자원 할당 주기 동안의 상기 네트워크 내 복수개의 수중 기지국(UBSi)의 최대 트래픽 양, 평균 트래픽 양 및 표준 편차를 이용하여 할당하고,
트래픽이 기 설정된 소정의 양보다 많이 유입되는 수중 기지국(UBSi)은 할당 가능한 상기 최대 트래픽 양 값으로 자원을 할당하며, 트래픽이 기 설정된 소정의 양보다 적게 유입되는 수중 기지국(UBSi)은 선형 비율만큼의 자원이 할당되고,
수중 노드들을 일종의 사물로 취급하여 수중 사물을 통한 트래픽 증가와 보안, 프라이버시 및 인증의 과정 추가로 인한 트래픽 증가가 상기 사물 인터넷 기술을 통해 기존의 제한된 대역폭과 충돌되지 않도록 하는 것을 특징으로 하는,
비 보장된 링크 용량에서의 수중 업 링크 자원 할당 방법.
In a non-guaranteed link capacity type underwater network system having a marine buoy (UBSC) and a plurality of underwater base station (UBSi) network structures,
Underwater information collected from a plurality of underwater nodes (UN) using the Internet of Things technology is transmitted to the maritime buoy (UBSC) in a single carrier resource allocation scheme using one frequency each through the plurality of underwater base stations (UBSi) ,
The resource allocation is assigned using the maximum traffic amount, average traffic amount and standard deviation of a plurality of underwater base stations (UBSi) in the network during a resource allocation period,
The underwater base station (UBSi) into which more traffic flows than a predetermined amount is allocated to the maximum amount of traffic that can be allocated, and the underwater base station (UBSi) into which the traffic flows less than the predetermined amount is set by a linear ratio. Resources will be allocated,
Treating the underwater nodes as a kind of thing so that the traffic increase through the underwater thing and the traffic increase due to the addition of the process of security, privacy and authentication do not conflict with the existing limited bandwidth through the IoT technology,
Underwater uplink resource allocation method with unguaranteed link capacity.
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