Relay Cooperative Transmission Scheme for an WiMedia based Shipboard Wireless Bridge

와이미디어기반 선내 무선 브릿지용 릴레이 협력통신 방식

Abstract

An integrated ship area network has functionality of remote control and autonomous management of various sensors and instruments embedded or boarded in a ship. For such environment, an wireless bridge is essential to transmit control and/or managing information to sensors or instruments from a central integrated ship area network station. In this paper, one of reliable schemes of WiMedia based wireless bridge using relay cooperative transmission using WiMedia distributed MAC protocol is proposed to increase a communication reliability between cluster headers, irrespective of channel variation. Simulation results show that the proposed wireless bridge using relay cooperative transmission scheme increases communication reliability.

1. 서 론

최근 국내에서는 ETRI와 현대중공업이 공동으로 스마트쉽을 만들기 위해 IT기반 선박용 통합모니터링 인프라 기술인 선박 네트워크(Ship Area Network)를 개발하고 있다[1,2]. 선박용 부가 서비스 지원 선박 네트워크 구조기술은 선박 네트워크모델을 제시하고 선박 네트워크에 연결된 기관감시제어장치, 항해기록저장장치, 통합항해장치를 선박 내에서 통합적으로 모니터링을 가능하도록 한다. 그리고 육상에서는 인공위성을 통해 선박 내 IT기자재에 대한 원격제어가 가능하다. 이는 조선산업에 첨단 IT기술을 접목해 선박장치 통합제어를 기반으로 지능화 및 자동화된 항해정보 시스템을 개발하고 광대역 유무선 네트워크 및 각종 센서연동 기술을 기반으로 선박 항해를 실시간으로 모니터링해서 선박의 각종 센서 및 장치들을 원격에서 유지보수하고 제어할 수 있는 기술을 의미한다.

또한 선박의 표준네트워크는 IEC(International Electronics Committee)에서 IEC 61162-1, 2, 3, 4로 규정하고 있다. IEC 61162-1은 NMEA 0183으로서 1980년대부터 주로 선박의 항해장비가 공통적으로 장착한 4,800bps의 single talker, single listener 시리얼데이터 통신이며, IEC 61162-2는 NMEA 0183 High Speed 버전으로 38.4 kbps의 single talker, multi listener, 전기적신호는 RS422인 직렬통신이다. NMEA 2000은 multi-talk, multi-listen, multi master, PnP이며 물리계층은 CAN 2.0B를 사용하고 IEC 61162-3으로 표준화되어 선박에서는 200m, 250kbps를 사용한다. NMEA 2000은 SAE J 1939의 single packet와 multi packet외에 fast packet 프로토콜을 추가하여 선박에서 실시간으로 제어하여야 하는 instrument level network에 맞도록 수정하였다. 또한 IEC 61162-4는 ethernet base의 MiTS(Maritime Information Technology Standards) 프로토콜로서 노르웨이에서 시작한 것으로 shipboard control network의 표준으로 사용하고 있다 [3].

따라서, 이러한 선박 표준네트워크와 선박내 네트워크를 통합하는 통합유무선네트워크 기술의 연구는 필요한 상황이다. 특히 선박내 센서들과 장치들의 정보를 수집하여 전송하는 브릿지(bridge) 기능을 수행하는 게이트웨이의 무선화가 필요하다. 무선화 방식으로 다양한 무선통신방식을 고려할 수 있는데, 본 논문에서는 효율적인 처리가 가능하고 고속데이터 전송을 고려한 와이미디어(WiMedia) 통신방식을 적용한 구성방식을 제안한다.

와이미디어 방식을 적용하기 위해서 고려하는 중앙집중식(centralized) MAC 프로토콜은 클러스터 헤더 노드가 이동하거나 주변 채널환경이 악화되어 정상적인 통신이 불가능하게 되는 경우, 해당 클러스터에 속한 노드들에 대한 정보는 물류 시스템 서버에 전달될 수 없고 새로운 클러스터 헤더가 결정되는 데에 시간 및 에너지가 소모되는 문제가 예상된다. 또한 무선 브릿지의 리더(reader) 노드간 통신을 위한 인증된 규격이 존재하지 않으므로, 보다 유연한 설계가 가능한 분산적(distributed) MAC 프로토콜을 고려하여 적용한다. 따라서 본 논문에서는 분산적 와이미디어 MAC 프로토콜을 근간으로 하는 무선브릿지의 구성방식을 제안하고 노드간의 통신성능을 분석하고자 한다. 또한 릴레이 협력통신방식을 적용하여 신뢰성있고 안정성있는 통신을 보장한다.

본 논문의 2장에서는 제안된 무선 브릿지 구성모델과 시스템 모델을 제안하고, 적용하는 와이미디어 분산적 MAC 프로토콜기반 릴레이 협력통신방식을 설명한다. 3장에서는 제안된 구성방식을 시뮬레이션을 통하여 성능향상을 확인하고, 4장에서 결론을 맺는다.

 

2. 선내 통합유무선 네트워크용 와이미디어 기반 무선 브릿지

2.1 와이미디어 기반 무선 브릿지 구성방식

기존의 선내 유선네트워크와 MNEA 네트워크의 구성은 Fig. 1과 같이 선내 제어 네트워크(이더넷기반의 MiTS)에 게이트웨이가 연결되어있고, 그 하부에는 각 장치들이 연결되어 있는 NMEA 장치네트워크(instrument network)로 구성되어진다. 본 논문에서 Fig. 2에 보인 것과 같이 와이미디어를 게이트웨이(gateway) 역할을 담당하도록 하는 선박 통합네트워크용 무선 브릿지 구성방식을 제안한다.

Fig. 1.Typical Ship-area wired network including MiTS and NMEA network.

Fig. 2.The proposed ship-area integrated network(instrument-shipboard control network) applying WiMedia wireless bridge.

Fig. 2와 같이 와이미디어 기반 무선 브릿지는 선내 제어유선네트워크의 게이트웨이역할을 수행하는 와이미디어 PNC(piconet network coordinator), 각 장치들에 부착된 와이미디어 디바이스로 구성되고, 경우에 따라 인프라 노드를 추가하여 보다 효율적이고 안정적인 네트워킹을 보장할 수 있다. 와이미디어 디바이스는 장치들을 비롯한 기타 정보전송이 필요한 장치들로부터 관련 정보를 수집하고 이를 무선브릿지에 전달한다. 특히 와이미디어 디바이스와 무선 브릿지간의 에너지 효율적이며 신뢰성있는 통신이 보장되어야 하고, 경우에 따라 대량의 정보를 전송하는 것도 가능해야한다.

와이미디어 통신방식을 활용한 무선 브릿지의 경우, 이에 대한 국제 규격이 별도로 존재하지 않는 실정이고, 구현 환경에 따라 서로 다른 프로토콜이 적용될 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 기존의 와이미디어 규격을 활용하며 보다 효율적이고 에너지 절약적인 분산적인 MAC 프로토콜을 선택하였으며, 무선 브리지로서의 노드간의 계층구조는 Fig. 3과 같다.

Fig. 3.Layer of wireless bridge applying WiMedia distributed MAC protocol.

2.2 와이미디어 기반 무선 브릿지에 적용한 와이미디어 분산적 MAC 프로토콜

와이미디어의 MAC은 Fig. 4와 같이 수퍼프레임(superframe)을 기반으로 전송이 이루어지며, 수퍼프레임은 BP (Beacon Period)와 DTP (Data Transfer Period) 구간으로 나누어진다. 다른 MAC 프로토콜과 달리 와이미디어 MAC의 BP는 여러 디바이스가 자신의 비콘 프레임(beacon frame)을 전송할 수 있도록 여러 개의 작은 비콘 타임 슬롯(time slot)으로 나뉘어져 있다. 이는 네트워크내 장치를 빠르게 찾게 하고, 장치들 간의 동기화를 제공하고, 전원 관리를 위한 정보와 데이터 전송을 위한 MAS(media access slot)들의 예약 정보를 제공한다 [4].

Fig. 4.A superframe structure of WiMedia distributed MAC protocol.

비콘 프레임에 포함되어 전송되는 대표적인 IE(Information Element)로는 분산 예약 프로토콜(DRP, distributed reservation protocol) IE와 DRP Availability IE가 있으며, 이를 통해 자원 예약 정보 및 제어 정보를 교환하여 자원을 예약한다. DRP IE는 자원 예약 요청 및 이에 대한 승인/거절을 통보하기 위한 목적으로 사용되며, DRP Availability IE는 각 노드가 예약 가능한 자원을 인접 노드들에게 비트맵(bitmap) 방식으로 공지하기 위해 사용된다. 즉, 와이미디어 분산적 MAC 프로토콜에서는 Beacon 프레임 내에 DRP IE, Beacon Period Occupancy IE(BPOIE), Identification IE 등과 같은 여러 Information Elements(IE)들이 포함되어 전송된다.

분산 예약 프로토콜(DRP) IE는 특정한 MAS를 예약하고 이를 다른 노드들에게 알리기 위해 사용된다. 이러한 DRP IE의 포맷은 Fig. 5에 보였다. DRP 제어 (Control) 필드는 DRP 블록들 간의 충돌(conflict)을 감지하고 해결하기 위한 정보를 포함하며, 예약된 MAS를 통해 전송되는 스트림(stream)을 명시한다. Fig. 5의 수신/송신디바이스주소 (Target/Owner DevAddr) 필드는 해당 디바이스의 주소를 표시하는데, 해당 DRP IE를 전송하는 디바이스가 예약 주체(reservation owner)인 경우 예약 대상 디바이스의 주소로 설정하고, 반대의 경우 예약 주체 디바이스의 주소로 설정한다.

Fig. 5.DRE IE format of WiMedia distributed MAC protocol [4].

Fig. 5의 예약상세상태코드 (Reason Code) 필드는 예약 대상 디바이스가 해당 DRP 예약이 성공적인지 여부를 Table 1과 같이 표시하는데 사용된다. 이중 'Accepted'는 예약 주체 노드가 DRP IE를 전송할 때에도 사용될 수 있다. Fig. 5에서 예약 상태 (Reservation Status) 필드는 '0'인 경우 DRP 예약과정이 진행 중이거나 충돌이 발생한 것을 나타내며, '1'인 경우 DRP 예약을 승인하거나 기존 예약된 자원을 유지함을 나타낸다. Fig. 5의 예약주체여부 (Owner) 필드는 예약 주체 여부를 나타내며, 충돌기준값(Conflict Tie-breaker) 필드는 DRP 예약 요청 시 '0' 또는 '1' 중 한 값을 랜덤하게 선택하여, 충돌 발생 시 이를 해결하는 데에 사용된다. Fig. 5의 안전성 여부 (Unsafe) 필드는 DRP 할당 (Allocation) 필드내 표시된 MAS가 예약 한도를 초과할 것으로 판단되는 경우 '1'로 설정된다.

Table 1.Reason code of DRP IE format

2.3 와이미디어기반 무선 브릿지에 적용하는 릴레이 협력통신 방식

와이미디어 규격은 이웃 노드들의 전송 속도와 전송 파워에 대한 정보를 제공하는 링크 피드백(Link Feedback) IE를 제공하고 있다. 모든 디바이스들은 자신의 비컨에 링크 피드백 IE를 포함시키기 때문에, 데이터 프레임을 릴레이할 수 있는 잠재적인 릴레이 노드들 선택하기 위해 링크 피드백 IE를 사용할 수 있다. Fig. 6는 링크 피드백 IE의 포맷이다[4].

Fig. 6.Link feedback IE.

Fig. 6에서 DevAddr 필드는 링크 정보를 요청하는 소스노드의 주소를 설정한다. The Transmit Power Level Change 필드는 수신 노드가 소스 노드에게 권장하는 전송 파워 레벨이 달라질 경우 그 변화량을 설정한다. Data Rate 필드는 소스 노드가 사용하도록 수신노드가 권장하는 전송 속도를 설정한다. 이웃 디바이스와 타겟 디바이스 사이의 전송속도에 대한 모든 정보를 수집한 후 소스 디바이스는 최단 시간이 걸리는 전송 기법을 선택한다.

본 논문에서 릴레이 협력통신 방식은 Fig. 7에 보인 바와 같이 직접전송(DT, direct transmission), 릴레이 전송(RT, relay transmission), 협력전송(CT, cooperative transmission)의 세 가지 전송기법을 적용한다. 적용하는 방식은 다음과 같다.

Fig. 7.Cooperative transmission techniques.

이러한 릴레이 기반의 협력통신 전송방식을 와이미디어 분산적 MAC에서 효율적으로 지원하기 위해서는 완전 분산적인 환경에서 Relay-REQ (요청) IE 등과 Relay-RSP (응답) IE 등과 같은 비컨 메시지 시그날링과 Relay Neighbor Table (RNT)를 구성하는 데 있어 소요되는 수퍼프레임 시간을 최소화하는 BP 시그날링 구간 활용 기술들이 요구된다. 그리고 릴레이 전송을 담당할 릴레이 노드를 결정하는 정확한 결정 메커니즘이 필요하며, 이러한 릴레이 결정 메커니즘에서는 각 와이미디어 디바이스들의 물리계층 정보 및 무선 채널 상황 정보가 종합적으로 활용되어야 한다.

Table 2.Selection algorithm of the relay based cooperative transmission techniques

또한, 와이미디어 분산적 MAC에서 모든 와이미디어 디바이스는 각자의 비컨 메시지에 DRP IE를 추가하여 DTP 타임 슬롯 구간을 예약해야 한다. 릴레이 전송의 경우, 와이미디어 물리계층에서 지원되는 8개의 다중 전송률 상황을 고려하여, 최소 두 개의 타임 슬롯 구간이 동시에 예약되어야 한다. 하나는 송신 소스 디바이스에서 릴레이 디바이스로의 전송을 위한 것이며, 다른 하나는 릴레이 디바이스에서 수신 타겟 디바이스로의 전송을 위한 것이다. 여기서, DRP 예약에 소요되는 수퍼프레임 시간을 최소화하는 BP 시그날링 구간 활용 기술들이 요구된다. 만약 DTP 구간에 릴레이 협력전송을 위한 연속된 타임 슬롯 구간이 없다면, 가장 짧은 시간 간격을 가진 두 타임 슬롯 구간이 릴레이 협력전송의 효율을 극대화하기 위해 예약되어야 한다. 위와 같은 기능을 제공하기 위해서 필요한 수정된 제어 프로토콜이 필요하다. 이러한 프로토콜을 참고문헌 [5,6]에서 제안한 릴레이 DRP를 적용하여 본 논문에서 고려하는 와이미디어기반 무선 브릿지 구성에 적용한다.

릴레이 DRP는 Table 1에서 설명된 예약상세상태 코드 (Reason Code) 중 예외 (reserved)인 세 개의 코드 포인트(code-point)를 이용하여 WiMedia DMAC 프로토콜에서의 릴레이 협력 통신을 지원한다. 추가로 사용될 세 개의 예약상세상태코드 (Reason Code)는 Table 3과 같다. 릴레이요청 ('Relay Req') 예약상세상태코드 (Reason Code)는 예약 주체 노드가 릴레이 노드에게 DRP 예약을 요청하기 위해 전송하며, 릴레이통보 ('Relay Ntf') 예약상세상태코드(Reason Code)는 릴레이요청 ('Relay Req') 예약상세상태코드 (Reason Code)를 통해 요청한 자원이 릴레이 노드에 의해 승인될 경우, 예약 주체 노드가 예약 대상 노드에게 릴레이 노드를 통해 예약 대상 노드로 데이터가 릴레이 전송될 것을 통보하기 위해 사용한다. 릴레이요청 ('Relay Req') 예약상세상태 코드 (Reason Code)를 수신한 릴레이 디바이스와 릴레이통보 ('Relay Ntf') 예약상세상태코드 (Reason Code)를 수신한 예약 대상 디바이스가 해당 릴레이 전송을 승인하는 경우 릴레이승인 ('Relay Accepted') 예약상세상태코드 (Reason Code)를 전송하며, 두 노드 모두 릴레이승인 ('Relay Accepted') 예약상세상태코드 (Reason Code)로 전송한 경우에만 요청한 릴레이 전송이 이루어질 수 있다[5,6].

Table 3.Added Reason Code

 

3. 시뮬레이션결과 및 분석

본 논문에서 제안한 와이미디어 기반 무선 브릿지 구성방식이 효율적으로 기능을 수행하는 지를 평가하기 위하여, 와이미디어 분산적 MAC을 기반으로 하는 릴레이 협력전송방식이 와이미디어 디바이스와 게이트웨이인 무선 브릿지와의 안정적으로 신뢰성을 있는 정보를 전송하는 지의 성능을 평가하였다. 와이미디어기반 릴레이 전송방식의 성능 분석을 위해서는 ns-2 시뮬레이터를 활용하였고, 시뮬레이션의 공간적 환경은 선박 내부에 장치들이 부착되어있는 엔진룸, 기관룸, 제어룸 등의 실내를 가정하였고, 편의상 실내는 반경 10m의 정사각형 구조를 고려하였다. 실내에서 와이미디어 디바이스들은 랜덤하게 +분포되었다고 가정하고, 전송전력은 와이미디어의 규격에 따라 -41.25dBm/MHz의 고정 전송전력을 고려하였고, 전송 패킷의 크기는 2048 byte 패킷을 고려하였다[7,8].

시뮬레이션 결과는 와이미디어 디바이스의 수에 따른 수율 성능의 변화와 채널환경에 따른 수율 성능을 평가하여 제안한 와이미디어 기반 무선 브릿지 구성방식이 효율적으로 동작함을 제시하였다.

먼저 Fig. 8은 선박내 장치 제어 실내 환경에서 와이미디어 디바이스의 수에 따른 수율 성능을 평가한 결과이다. Fig. 8에서 와이미디어 디바이스와 무선 브릿지간의 일대일 직접전송방식보다 릴레이를 활용한 분산 예약 프로토콜(DRP)을 적용한 것이 그렇지 않은 방식보다 성능이 월등히 향상됨을 보였다. 특히 와이미디어 디바이스 수의 증가에 따라 성능향상이 증가함을 알 수 있다. 이것은 장치 룸 실내에 위치한 와이미디어 디바이스 노드의 증가에 따라 노드간에 형성되는 클러스터가 서로 중첩될 확률이 증가하고, 서로 중첩된 영역의 클러스터를 구축함으로 써 채널 환경에 따라 각 노드 간 통신에 장애가 발생하는 확률이 증가하기 때문이다. 따라서 이러한 환경에서 분산 예약 프로토콜을 사용하는 릴레이 협력 전송방식은 각 디바이스 간의 송수신 수율을 향상시킬 수 있으므로 릴레이를 사용하는 오버헤드와 시간지연을 감수한다해도 전체적인 수율을 향상시킴을 알 수 있다.

Fig. 8.Throughput performance comparison of a direct transmission with DRP(Direct TX with DRP) and a relay cooperative transmission with DRP(Relay Coop. TX with DRP) according to various number of WiMedia device node.

시뮬레이션 결과 Fig. 9는 채널환경에 따른 수율 성능의 변화를 보인 것이다. 본 논문에서는 20개의 와이미디어 디바이스 리더 노드와 인프라 노드가 존재하는 경우를 가정하였고, 채널환경의 변화를 물리 계층의 송수신 비트 오류율(BER)로 반영하였다. 결과에서 채널 환경이 악화됨에 따라 즉 비트 오류율이 증가할수록, 전체 수율 성능은 저하되지만 제안한 분산 예약 프로토콜기반의 릴레이 협력전송방식의 경우에는 그것을 적용하지 않은 직접전송방식보다 성능 저하의 정도가 덜함을 알 수 있다. 대체로 비트 오류율이 현저히 나쁜 환경(10-4~10-3)에서는 분산 예약 프로토콜을 사용하는 릴레이 협력 전송방식도 안정적인 링크 품질을 확보하기 어려워 성능이 저하되는 것을 알 수 있다. 이러한 결과값은 와이미디어 디바이스의 비콘 신호 수신레벨의 임계치로 사용할 수 있으며, Fig. 9의 결과로 BER=10-4에 해당되는 경우를 비콘 신호 수신레벨로 선택하면 충분히 분산예약 프로토콜을 적용한 릴레이 협력 전송방식의 효용성을 기대할 수 있을 것이다.

Fig. 9.Throughput performance comparison of a direct transmission with DRP(Direct TX with DRP) and a relay cooperative transmission with DRP(Relay Coop. TX with DRP) according to various channel status, bit error rate.

Fig. 10은 참고문헌 [8]에서 제시한 바와 같이 분산 예약 프로토콜 사용시 예약하는 블록 수에 따른 에너지를 계산한 것을 바탕으로 릴레이 협력전송방식을 사용한 것과 그렇지 않은 방식과의 에너지 소모량의 비를 계산한 것이다. 식 (1)은 No-ACK 방식을 가정한 와이미디어 분산 MAC 환경에서의 데이터 전송을 위해 필요한 수퍼프레임(super-frame)의 에너지 소모량이다.

Fig. 10.Energy consumption comparison of a relay cooperative transmission to a direct transmission, according to various number of WiMedia device node.

여기서, Ptx, Prx, Pidle은 각각 송신, 수신 및 idle 상태에서 소모되는 전력을 나타내고, Ntx, Nrx는 하나의 분산 예약 프로토콜(DRP) 예약 블록(DRP reservation block) 내에 송수신되는 PSDU (PHY Service Data Unit)의 개수를 나타낸다. 그리고 TPSDU는 하나의 PSDU를 송신하거나 수신하는 데에 소모되는 시간을 의미하고, TMIFS와 TSIFS는 각각 와이미디어 분산 MAC 프로토콜에 정의된 MIFS (Minimum Interframe Spacing)와 SIFS (Short Interframe Spacing)의 길이를 나타내며, NDRP는 수퍼프레임 당 전송되는 DRP 예약 블록의 수를 나타낸다[8].

Fig. 10에 보이는 바와 같이 본 논문에서 적용한 분산 예약 프로토콜 릴레이 협력전송방식은 기존의 직접전송방식에 비해 에너지 소모면에서도 0.75의 비율로 25% 감소시키는 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다. 또한 디바이스 노드의 수가 증가함에 따라 제안한 방식의 에너지 소모량이 더욱 감소함을 알 수 있는데, 이것은 노드 수의 증가는 클러스터의 증가로 이어지고 채널 환경에 따라 발생하는 노드간의 통신장애 확률이 증가하기 때문으로 분석된다. 앞서보인 Fig. 10과 같이 노드 수의 증가와 채널환경의 악화가 수율을 감소시키고 이를 극복하기 위하여 많은 에너지를 소모하게 되기 때문에 에너지 소모면에서도 릴레이 협력전송방식을 사용하는 것이 유리한 것임을 알 수 있다.

 

4. 결 론

본 논문에서는 와이미디어 분산 MAC을 기반으로 하는 선내 통합유무선 네트워크를 위한 무선 브릿지로 와이미디어기반 통신방식구조를 제안하였다. 제안한 무선 브릿지구조에서 선내 제어 유선네트워크의 정보를 신뢰성 있고 안정적인 정보를 전송할 수 있는 방안으로 분산적인 MAC 기반의 와이미디어 방식의 분산 예약 프로토콜(DRP) 방식의 릴레이 협력통신 방안을 적용하여 성능을 평가하였다. 제안한 방식을 바탕으로 한 시뮬레이션 결과로 제안한 구성방식에서 분산 예약 프로토콜을 적용하는 릴레이 협력전송방식의 경우 디바이스 노드 수에 따른 수율 성능과 채널환경에 따른 수율 성능은 기존의 직접전송방식보다 향상됨을 확인하였다. 이를 통하여 선내 통합유무선 네트워크에서 사용되는 선내의 각종 센서와 제어기를 자율적으로 구성관리하고 원격제어를 제공하는 무선 브릿지로서 와이미디어 방식을 적용할 수있음을 확인하였고, 특히 릴레이 협력전송방식을 사용하여야 성능이 향상됨을 확인하였다.