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工學碩士學位論文 혼잡환경에서효율적인항공교통흐름제어를위한 매체접속제어프로토콜에관한연구 A Study on the Media Access Control Protocol for Efficient Air Traffic Flow Control at Congestion Environment 2009 年 2 月 仁荷大學校大學院 電子工學科 ( 電子通信專攻 ) 曺侖鉉
工學碩士學位論文 혼잡환경에서효율적인항공교통흐름제어를위한 매체접속제어프로토콜에관한연구 A Study on the Media Access Control Protocol for Efficient Air Traffic Flow Control at Congestion Environment 2009 年 2 月 指導敎授朴孝達 이論文을工學碩士學位論文으로提出함 仁荷大學校大學院 電子工學科 ( 電子通信專攻 ) 曺侖鉉
이論文을曺侖鉉의工學碩士學位論文으로認定함 2009 年 2 月 主審 : ( 印 ) 副審 : ( 印 ) 委員 : ( 印 )
요약 본논문에서는항공교통량이급증함에따라효과적인항공교통흐름제어를위한매체접속제어프로토콜에대해연구하였다. 현재 118 ~ 137MHz 대역을사용하는항공이동통신은늘어나는항공교통량에대처하기위하여채널효율을높이기위한방법으로새로운프로토콜개발, 채널대역폭축소등여러방안이연구되고있다. 이에본논문에서는기존의 VHF 항공통신용 CSMA에서프레임의전송이성공적으로이루어지면경쟁윈도우값을최소값으로초기화하여다음프레임의전송을시도하였던기존의방법을변형하여최근성공한프레임의경쟁윈도우값에서다음프레임전송을시도함으로써충돌확률을낮추고, 처리량을높이고, 지연시간을감소시켜전체시스템의효율을높였다. 모의실험결과제안된구조의데이터처리량은항공기대수가 70대정도까지는기존의 CSMA/CA 프로토콜과본논문에서제안된프로토콜의처리량이거의동일하였지만항공기대수가 80대이상에서는처리량이조금씩차이를보이면서항공기의대수가 400대가넘어서면서 S = 92, S = 110으로본논문에서제안된프로토콜이더좋은성능을보이는것을확인하였다. 또한지연시간에대해서도항공기의대수가 100대정도까지는기존의프로토콜과본논문에서제안된프로토콜이비슷한지연시간을보였지만, 항공기대수가 300대이상에서는본논문에서제안된프로토콜이더적은지연시간을보임으로써기존의 CSMA/CA 프로토콜보다전체적으로더높은효율을보이는것을확인하였다. 모의실험결과로미루어본논문에서제안하는처리량과지연시간을개선한프로토콜이앞으로증가하는항공교통량에대처하기위한좋은방법이될수있을것이다. - i -
Abstract In this thesis, Carrier Sense Media Access protocol in aeronautical communication environment is analyzed by using simulation method in order to use effectively air traffic flow control. Aeronautical mobile communication using 118~137MHz, studies various methods on increasing channel efficiency by developing new protocol, channel bandwidth decreasing meets for increasing air traffic. So in this thesis propose protocol for improve channel efficiency. Basic CSMA/CA protocol, when success frame transmission, its contention window value return to initial value and then tries to next frame transmission. In the proposed protocol, contention window returns to initial value when success transmission frame, it references previous contention window value then tries to frame transmission. As a result, it improves system's efficiency by increasing collision probability, throughput and decreasing delay time. By simulation result, the throughput is similar to until 70 airplanes, but increase the number of airplanes, the throughput is 25, 28 each at 80 airplanes and proposed protocol's throughput value is more than basic CSMA/CA protocol. As a result of delay time, proposed protocol's delay time is smaller than CSMA/CA protocol over 20 airplanes. By simulation result, proposed protocol is good method for increasing air traffic environment. - ii -
약어 ACARS ACK AGC AMCP AP ARINC ATC ATM ATS BER bps BSA BSS CCA CFP CNS CS CSMA CSMA/CA CTS CW D8PSK DCF DIFS DSB-AM DTIM EIFS ESS FANS FEC GA Aircraft Communication Addressing & Reporting Acknowledgement Automatic Gain Control Aeronautical Mobile Communication Panel Access Point Aeronautical Radio Inc. Air Traffic Control Air Traffic Management Air Traffic Service Bit Error Rate bit per second Basic Service Area Basic Service Set Clear Channel Assessment Contention Free Period Communication Navigation Surveillance Carrier Sense Carrier Sense Multiple Access Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance Clear To Send Contention Window Differential Eight level Phase Shift Keying Distributed Coordination Function Distributed Inter Frame Space Double Side Band-Amplitude Modulation Delivery Traffic Indication Message Extended Inter Frame Space Extended Service Set Future Air Navigation System Forward Error Correcting General Aviation - iii -
GF HF ICAO IFS ITU LAN LSB MAC MCDU MIB MSB MSDU MSK MU NACK NAV NM PC PCF PIFS PLCP PMD PS-Poll RF RTCA RTS SIFS TA TDMA VDL VHF Gallois Field High Frequency International Civil Aviation Organization Inter Frame Space International Telecommunication Union Local Area Network Least Significant Bit Media Access Control Multification Control and Display Unit Management Information Base Most Significant Bit MAC Service Data Unit Minimum Shift Keying Management Unit Negative Acknowledgement Network Allocation Vector Nautical Mile Point Coordinator Point Coordination Function Point Inter Frame Space Physical Layer Convergence Protocol Physical Medium Dependent Power Save Poll Radion Frequency Radio Technical Commission for Aeronautics Request To Send Short Inter Frame Space Transmission Address Time Division Multiple Access VHF Data Link Very High Frequency - iv -
목차 요약 ⅰ Abstract ⅱ 약어 ⅲ 목차 ⅴ 그림목차 ⅶ 표목차 ⅸ 제 1 장서론 1 제 2 장항공용 VHF 음성 / 데이터통신 5 2.1 항공이동통신개요 5 2.2 VHF 디지털링크 (VDL) 기술 7 2.2.1 VDL 개요 7 2.2.2 ACARS와 VDL 모드 1 10 2.2.3 VDL 모드 2 12 2.2.4 VDL 모드 3 16 2.2.5 VDL 모드 4 20 2.3 매체접속제어 (MAC) 프로토콜 27 2.3.1 랜덤접속프로토콜 30 - v -
제 3 장 CSMA/CA 프로토콜네트워크 42 3.1 독립네트워크 (IBSS) 43 3.2 중앙집중식네트워크 43 3.3 매체접속프로토콜 45 3.3.1 분산조정기능 (DCF) 46 3.3.2 집중조정기능 (PCF) 57 3.3.3 경쟁윈도우값을참조하는프로토콜 61 제 4 장모의실험및고찰 64 4.1 모의실험환경 64 4.2 모의실험결과및고찰 66 제 5 장결론 72 참고문헌 74 - vi -
그림목차 그림 2.1 모드 1의동기열의구조 11 그림 2.2 D8PSK의상태도 13 그림 2.3 모드 2의동기열의구조 14 그림 2.4 비트스크램블링시퀀스를위한 PN-발생기구조 16 그림 2.5 3V1D TDMA 시스템의프레임구조 18 그림 2.6 2V2D TDMA 시스템의프레임구조 19 그림 2.7 3T TDMA 시스템의프레임구조 19 그림 2.8 GFSK 슈퍼프레임구조 22 그림 2.9 단일슬롯메시지에대한전송타이밍 23 그림 2.10 VDL 모드 4의슬롯선택절차 24 그림 2.11 로빈후드방식의사용으로인한셀감소 25 그림 2.12 OSI 참조모델과항공이동통신모델의구조 27 그림 2.13 순수 ALOHA 프로토콜의전송방식 31 그림 2.14 슬롯화된 ALOHA 프로토콜의패킷시간 33 그림 2.15 비지속형 CSMA 시간주기구조 35 그림 2.16 비지속형 CSMA 알고리즘 37 그림 2.17 CSMA/CD의상태도 40 그림 2.18 CSMA/CD의전송방식 40 그림 3.1 IEEE 802.11의기본구조 42 그림 3.2 MAC 조정함수 45 그림 3.3 관리요소와 802.11 스펙의구성요소관계 46 그림 3.4 IFS 및채널특성 48 그림 3.5 백오프절차의예시 48 그림 3.5 IFS 사이의관계 51 - vii -
그림 3.6 2-Way CSMA/CA 채널구조 53 그림 3.7 4-Way CSMA/CA 채널구조 53 그림 3.8 반송파감지를위한 NAV사용 54 그림 3.9 경쟁윈도우의지수적증가 56 그림 3.10 PCF 구간 57 그림 3.11 PCF 충돌방지구조 58 그림 3.12 PCF 구간의축소 59 그림 3.13 제안된구조의전송방식 62 그림 3.14 제안된구조의순서도 63 그림 4.1 항공기대수변화에따른처리량 67 그림 4.2 항공기대수변화에따른지연시간 68 그림 4.3 항공기대수변화 (100~1,000) 에따른처리량 70 그림 4.4 항공기대수변화 (100~1,000) 에따른지연시간 70 - viii -
표목차 표 2.1 VDL 모드별특징비교 9 표 2.2 VDL 모드 1의물리계층특성 11 표 2.3 VDL 모드 2의물리계층특성 13 표 2.4 VDL 모드 3의물리계층특성 17 표 2.5 VDL 모드 4의물리계층특성 21 표 3.1 IFS파라미터 50 표 4.1 모의실험파라미터 65 표 4.2 처리량과지연시간의비교 71 - ix -
제 1 장서론 항공통신이란항공기와지상시설사이, 지상시설과지상시설사이, 항공기와항공기사이의정보전달과교환을의미한다. 즉, 항공기를비행준비단계에서목적지에도착할때까지안전하고효율적이며보다경제적으로운항하기위해항공기운항에종사하는국가간, 각민간기관간, 지상과항공기간그리고항공기상호간의다양한정보교환을항공통신이라한다. 이러한항공통신은각종첨단전자장비가도입되어전천후운항이가능해지고, 신속한경제성장에따라항공교통수단이국제화, 보편화되고보다안전한항공운행과질높은서비스를요구하게됨에따라날로항공통신에대한수요가급증하고있다. 일례로, 국제민간항공기구 (ICAO) 가입국가의전체여객은 2005년약 20억 2천만명에서 2006년에는 21억2천8백만명으로전년과비교하여 5.2% 증가하였고, 제3차공항개발중장기기본계획우리나라항공수요전망에따르면 2004년부터 2015년까지국내선여객수요는 28 44% 의성장을전망하고있으며, 국제선의경우 85% 104% 의수요를전망하고있다. 화물수요는 2004년기준 2015년의수요는국내 36 51% 의성장을전망하고있으며, 국제화물의경우 106% 131% 의성장을전망하고있다. 항공기의운항횟수는 2004년대비 2015년에는 36% 의증가가전 망되고있다. [1] 이러한운항횟수의증가로인해항공통신에서효율적인 주파수활용이매우중요한문제로부각되었다. 이에따라항공기운행의안전향상, 지연감소, 용량증가, 운용비용절감등을위하여인공위성을기반으로하는위성항행시스템 (CNS/ATM) 이 ICAO에의해추진중에있다. 이위성항행시스템은인공위성을매개체로하여통신 (Communication) 에있어서전세계적인음성및데이터 - 1 -
통신을가능하게하고, 항법 (Navigation) 에있어서인공위성이제공하는정보를이용하여항공기가정확한위치정보를얻을수있게하며, 감시 (Surveillance) 분야에서는지상관제소에서전세계의항공기운항상황을실시간으로탐지할수있게해주며, 이러한통신, 항법, 감시시스템들을이용하여보다효율적인항공교통관리 (ATM) 를수행할수있도록하는시스템이다. 항공통신부분중초단파 (VHF) 통신은전파의전파특성상직선도달거리 (LOS) 내의항공교통관제, 운항관리통신등에사용되고있는데, 항공교통수요의급증에따라계속적인시스템의개선이요구되는실정이며, 전세계적으로여러방안이연구중에있다. 이와같은환경에서국제통신연합 (ITU) 은처음에항공용 VHF 통신주파수의대역을 118MHz~132MHz로할당하였으나, 상위주파수를 136MHz로확장하였으며, 1990년대에들어서는다시 137MHz로확장하였다. 또한채널대역폭도과거에는 100kHz를사용하다가 50kHz로줄였으며, 현재는 25kHz로줄여서사용하고있다. 따라서항공통신용으로는 118MHz ~ 137MHz에이르기까지 760여개의채널을사용할수있다. 그러나계속되는항공통신수요의증가에대처하기위한효율적인주파수이용방안이요구된다. 이러한항공이동통신에있어서제한적인주파수사용은음성통신만으로는한계가있어현재는데이터통신망의구축이점차확대되고있다. 데이터통신의이점은양적인면에서통신을분석할때송신되는메시지의 75% 이상이늘반복되는 OOOI(Off/On/Out/In) 정보로서이들은쉽게데이터화할수있기때문에통신의시간도 25초에서 0.2초로약 100배이상절약할수있다. 따라서 VHF 데이터통신은유한자원인주파수의채널을증가하지않고도여러항공기와여러지상간에각각의주어진목적지로통신하는데이터링크를제공함으로써통신의혼잡문제를해결 - 2 -
할수있다. [2] 따라서본논문에서는이러한제한적인주파수사용에있어서계속되는항공통신수요의증가에대처하기위한효율적인주파수이용방안에대해연구를한다. 즉, 항공교통량이급증함에따라효과적인항공교통흐름제어를위한매체접속제어프로토콜에대해연구한다. 118 ~ 137 MHz 대역을사용하는항공이동통신은 ICAO에서지정한 VDL기술을사용한다. VDL 기술에는모드 1, 2, 3, 4가있으며모드 1 은기존의음성통신기술을사용하며, 데이터전송속도가낮고이때사용되는프로토콜은 CSMA/CA 이다. 모드 2는모드 1보다는향상된데이터전송속도를가지며여기도마찬가지로 CSMA/CA 프로토콜을사용하여데이터를전송한다. 모드 3는유일하게음성과데이터를모두전송할수있는방식이며, 음성전송에는 TDMA를데이터전송에는 CSMA/CA 프로토콜을사용한다. 마지막으로모드 4는 STDMA 프로토콜을사용하여데이터를전송하게된다. 이에본논문에서는 VDL 모드 3에서데이터전송에사용되는 CSMA/CA 프로토콜에관하여연구를한다. 항공이동통신을위한데이터통신에는국제표준인 IEEE 802.11 CSMA/CA 프로토콜을사용한다. CSMA/CA 프로토콜은 listen before talk" 라고하는데, 캐리어를감지하고그것에따라전송의진행여부를결정하는방식이다. 이프로토콜은무선랜에서일반적으로사용되는매체접속제어알고리즘으로써자동적인매체공유를가능토록해주는기본적인매체접속프로토콜이다. CSMA/CA 프로토콜의매체접속제어조정함수는분산조정함수와집중조정함수가있는데이를이용하여캐리어를전송하기전에전송이가능한지를검사하고충돌을피하기위하여임의의지연을사용하게된다. 기존의 CSMA/CA 프로토콜은항공기와지상국간의데이터통신에서충돌을줄이기위하여랜덤백오프지연시간을사용하고두개이상의 - 3 -
스테이션에의해충돌이발생하게되면재전송을하게되며, 충돌확률을줄이기위해서경쟁윈도우값을 2배로증가한후에임의의경쟁윈도우를선택하며새로운지연시간을계산하게된다. 그리고데이터전송이성공하게되면경쟁윈도우값은 0으로초기화시켜다음데이터전송을시도하게된다. 이에본논문에서는기존의지연시간계산방법을개선하여전송이성공적으로이루어졌을경우경쟁윈도우값을 0으로초기화시키지않고성공적으로이루어진데이터전송에서사용된경쟁윈도우값을그대로참조하여다음데이터전송을시도함으로써충돌에대한확률을적게하여망의효율을높일수있는알고리즘을제안한다. 혼잡환경을설정하기위해항공기의대수를 1대에서부터 1,000대까지설정하여기존의 CSMA/CA 프로토콜과본논문에서제안된 CSMA/CA 프로토콜의처리량과지연시간을비교함으로써제안된프로토콜의적합성에대해알아보기로한다. 본논문의구성은다음과같다. 제 2 장에서는항공통신용데이터 / 음성통신인 VHF 데이터링크 (VDL) 각모드에대하여알아보고, 제 3 장에서는항공이동통신에사용되는 IEEE 802.11 CSMA 매체접속프로토콜의전송방식과제안된매체접속제어프로토콜에대하여설명하고, 제 4 장에서는제안된프로토콜의모의실험결과와그에대한고찰을마지막으로제 5 장에서결론을맺는다. - 4 -
제 2 장항공용 VHF 음성 / 데이터통신 항공이동통신은항공교통관제업무를수행하기위한통신으로, 대상 과피대상에따라항공기와항공기사이, 항공기와지상시설사이, 지상 시설과지상시설사이의정보교환을의미한다. [3],[4] 2.1 항공이동통신개요 현재항공이동통신채널수는 117.975~137MHz 주파수대역의 25kHz 대역폭을사용하여 760개의채널수를확보하고있으며이중 527 개의채널을항공교통제어에, 213개의채널을항공운용제어에, 나머지를기타관리기능으로할당하여사용하고있다. 이러한항공이동통신은통신분야는물론이고항법, 관제및항공교통관리분야등 CNS/ATM 전분야에서공통적으로사용되는기본통신망이다. 즉항공이동통신은항공기를비행준비단계에서목적지에도착할때까지안전하고효율적이며보다경제적으로운항하기위해항공기운항에종사하는국가간, 각민간기관간, 지상과항공기간그리고항공기상호간의다양한정보교환이필요하게되는데, 이러한항공운항에관련된정보의전달과교환에항공이동통신이사용된다. 과거의항공이동통신은음성통신을이용하여조종사와관제사가항공교통관제와관련한메시지를직접교환함으로써수행되었다. 그러나늘어나는항공교통량으로인하여많은정보를전송하는데비효율적인음성통신대신데이터통신에대한의존도가높아지게되어, 현재는과거음성정보의전송을위해할당했던몇몇채널들을데이터를전송하기위해할당하고있다. 이러한추세는미래항공교통관리시스템인 CNS/ATM에선더욱명확하게되어데이터통신이주가되고음성통신 - 5 -
은긴급상황이나비회선기능의경우를대비하기위한부수적인통신수단으로남을것이다. 항공기와지상사이의데이터통신을위해서는별도의장치가필요하며, 데이터통신을위한장비를 ACARS라고한다. 항공기와지상간에데이터를주고받는 ACARS는항공기탑재장비, 서비스제공자및지상통신망, 이용자및정보제공자운용장비등으로구성되며, 항공이동데이터통신에사용되는물리계층은운용하는통신방식에따라 VDL 모드 1, 모드 2, 모드 3, 모드 4의네가지로나뉜다. - 6 -
2.2 VHF 디지털링크 (VDL) 기술 2.2.1 VDL 개요 VDL은국제민간항공기구 (ICAO) 에서지정한 VHF Digital Link의약어로서, 원래모든종류의항공, 해상그리고육상이동통신에응용할수있기위한광의의디지털통신시스템을일컫는다. ICAO는기존통신시스템의성능향상과차세대데이터링크서비스를지원할수있도록 VDL에대하여규정하였으며, 현재네가지모드가 ICAO 항공통신패널 (AMCP) 에서연구중에있다. VDL 모드 1은시스템성능은저하되지만위험도는낮다. VDL 모드 1은기존의음성통신기술을사용하고있으며, 데이터속도가낮고 (24000bps) 전송하고자하는시스템이우선매체를감지하고매체가사용되고있지않을때만패킷을전송하는매체접속방식인 CSMA를사용하고있다. VDL 모드 2는 VDL 모드 1보다성능이향상된모드로동일주파수대역을사용하기는하나성능이향상된데이터부호화모뎀을사용한다. VDL 모드 2는한채널의전송속도가 31.5kbps인 D8PSK을사용하고있으며, 매체접속방식으로는모드 1과같은 CSMA를사용하고있다. VDL 모드 3은모드 2와동일한데이터속도로동작하지만매체접속방식으로는 TDMA를사용한다. TDMA 방식을사용함으로써대역폭활용도가모드 2에비해개선되었으며, 운영측면에서도모드 2에비해여러가지장점을보유하고있다. 음성지원을위해비음성엔코더가활용되고있다. VDL 모드 4는 STDMA 기술을토대로하며, STDMA 데이터링크를 AMCP 에서 VDL 모드 4 로명명하였다. [25][26] VDL 모드 4 는다른 VDL 처럼동일한대역을사용하며 19.2kpbs 속도의 GFSK 를사용한다. 모드 - 7 -
3은 TDMA 방식으로채널의동기신호를제공하는지상국의지원없이도항공기사이의통신이가능하며 ADS-B도지원한다. 현재항공이동통신시스템에서는모드 1을이용한 VHF 데이터링크가운용중에있으며, 더욱증가되는항공이동통신트래픽에대한효과적인서비스제공을위하여모드 2, 모드 3, 모드 4에대한활발한연구가진행중에있다. 모드 2의 CSMA 프로토콜은기존시스템의성능을쉽게향상시킬수있다는장점이있지만해당통신영역에많은항공기가존재하는경우처리량이급격히감소하고, 음성과데이터를통합할수없는문제점이있다. 모드 3의 TDMA 프로토콜과모드 4의 STDMA 프로토콜은기존음성채널과데이터채널을통합운용함으로써효과를증가할수있지만기존의지상및항공탑재장비를모두교체해야하는문제로상당한비용및시간을요구한다. 또한, 전파지연시간에따른성능저하요소가매우크다. 따라서음성과데이터통합기능을제공하며전파지연시간에따른영향이적어부하량이높은경우에도안정적인처리량을보일수있는보다효율적인방식의 MAC 프로토콜방식에대한연구가필요하다. 표 2.1은앞서설명한네가지 VDL 모드의특성을비교하여설명한것이다. - 8 -
표 2.1 VDL 모드별특징비교 Table 2.1 Comparison of VHF Data Link Mode 특성모드 1 모드 2 모드 3 모드 4 주파수 (MHz) 채널간격 (khz) 131.55 118~137 118~137 118~137 25 25 25 25 변조방식 DSB-AM/ MSK D8PSK D8PSK GFSK 다중접속 CSMA CSMA TDMA STDMA 데이터전송률 (kbps) 디지털음성전송률 (kbps) 2.4 31.5 31.5 19.2 N/A N/A 4.8 N/A 운용범위 (NM) 200 200 200 200 서비스데이터데이터데이터 / 음성데이터 통신서브넷공대지공대지공대지 공대지 / 공대공 응용분야 AOC/ATC AOC/ATC ATC ATC 비고 데이터전용시 CSMA 감시용우선 - 9 -
2.2.2 ACARS 와 VDL 모드 1 ACARS 데이터링크는텍스트기반서비스로써, 공유된 25kHz 대역폭채널상에서 2.5kbits/sec 의전송률을특징으로한다. 항공기통신지정수신및보고시스템 (ACARS) 은최소편이변조방식 (MSK) 을사용하며채널접근방식은반송파감지다중접속 (CSMA) 으로스펙트럼효율성에제한이있다. ACARS 프로토콜은 ICAO 표준이아니며현재대략만여대의수송기와상업용항공기가 VHF 대역에서운용되는 ACARS를장착하고있다. [6] ICAO는비트기반의향상된메시지무결성을제공하고항공교통업무 (ATS) 에적합한 VHF 대역의데이터링크시스템을채택하기로하고 ACARS 물리계층 ( 변조방식, 데이터전송률과채널접근프로토콜 ) 에근거한 VDL 모드 1 기술을개발하였다. 이표준은 1996년에적용가능하게되었으나후에 ICAO Annex 10에서삭제되었다. 그이유는 VHF 모드 1 의구현계획이존재하지않았고반면에더욱높은수준의성능을보유한 VDL 모드 2의구현이진행중이었기때문이다. 프레임을송신하기위해, 각각의스테이션은비트번호및플래그를삽입하고, 동기열을차가하며, 마지막으로 RF 신호를부호및변조한다. 모드 1은진폭변조 MSK(AM-MSK) 변조방식을사용하는데, 이것은일정한위상을갖는주파수천이키잉기술로써두가지톤을사용한다. 두가지톤중에서낮은톤은앞선비트에대하여비트가변화하였음을나타내고, 높은톤은비트의변화가없음을나타낸다. 두가지톤의위상은앞선비트와의관계에서위상의천이가최소가되고, 각톤의진폭이비트변환에서 0이되도록선택된다. 비트의마지막부분에서파형의기울기는 2진수 1에대하여양의값을, 2진수 0에대하여음의값을갖는다. 모드 1은 1200Hz와 2400Hz 톤을사용하며 2400bps ± 0.02% 의비트 - 10 -
속도로데이터전송이이루어지도록 2 진수 1 과 0 을변조한다. VDL 모드 1 의물리계층특성을요약하면표 2.2 와같다. 표 2.2 VDL 모드 1 의물리계층특성 Table 2.2 The characteristics of VDL Mode 1's physical layer 주파수대역 주파수채널대역폭 118~137MHz 25kHz 채널구조단일주파수 ( 지대공, 공대지 ) 변조 전송속도 디지털, AM-MSK 2400bps 데이터전송은세가지세그먼트로구성된복조기동기열로부터시 작되는데동기열의구조는그림 2.1 과같으며, 각내용은다음과같다. 그림 2.1 모드 1 의동기열의구조 Fig. 2.1 The structure of the mode 1's training sequences 송신전력안정화세그먼트는동기열의첫번째세그먼트로써, 128개이하의 2진수 1로구성되어있다. 송신기는송신전력안정화세그먼트의종료시점에서정상상태전력수준의 90% 정도로된다. 연속파 (CW) 톤은송신기가안정된후, 88개의 2진수 1로구성된 CW 톤이전송된다. - 11 -
비트모호성해결세그먼트는동기열의세번째세그먼트는고유문자열 인 1101 0101 0101 0100 으로구성되어왼쪽에서오른쪽으로송신된 다. 2.2.3 VDL 모드 2 VDL 모드 2 기술은모드 1 기술을개량한것으로데이터전송률은 31.5kbps이며 D8PSK 변조방식을적용하고있다. ATN 호환의비트기반프로토콜로 ACARS와의하위호환성을유지하기위하여 ATN 비호환인프라에서사용되는문자기반메시지를처리하는방식 (AOA) 을제공한다. 그러나 CSMA 채널접속을사용하고있기때문에항공교통량이많은공역에서시간사용이제한된곳에서는한계가있으며메시지우선순위처리나전송시간을완벽히보장할수없는것이단점으로지적되고있다. VDL 모드 2 기술은 136.975MHz 채널을전세계공통채널 (CSC) 로할당하고있다. 프레임을송신하기위해, 각각의스테이션은비트번호와플래그를삽입하고, FEC를계산하며, 빈공간을삽입하고, 동기열을추가하며, 비트스크램블링을수행하고, 마지막으로 RF 신호를부호및변조한다. 모드 2는 D8PSK를사용하는데, α=0.6을갖는변조된 cosine필터를사용한다. 전송될정보는참조위상과다른위상으로변경됨으로써전송될심볼마다 3비트로차동적으로부호화된다. 전송될데이터스트림은 3개의연속적인데이터그룹 (LSB가첫비트 ) 으로나뉘어진다. 마지막채널심볼에대하여필요한경우, 0이전송의마지막부분에추가된다. 그림 2.2는 D8PSK의상태도를나타낸다. 각심볼이 8개의서로다른위상으로존재함으로써각심볼당 3비트의유효정보를갖는다. - 12 -
그림 2.2 D8PSK 의상태도 Fig. 2.2 The state diagram of D8PSK 모드 2 의심볼속도는 10,500 심볼 / 초 ± 0.005% 이며, 일반적인비트 속도로나타내면 31,500bps 이다. VDL 모드 2 의물리계층특성을요약하면표 2.3 과같다. 표 2.3 VDL 모드 2 의물리계층특성 Table 2.3 The characteristics of VDL Mode 2's physical layer 주파수대역 주파수채널대역폭 118~137MHz 25kHz 채널구조단일주파수 ( 지대공, 공대지 ) 변조 전송속도 디지털, D8PSK 31.5kbps(10.5kbaud) - 13 -
데이터전송은다섯가지세그먼트로구성된복조기동기열로부터 시작되는데동기열의구조는그림 2.3 과같으며, 각내용은다음과같다. 그림 2.3 모드 2 의동기열의구조 Fig. 2.3 The structure of the mode 2's training sequences 송신전력안정화및수신기자동이득조정 (AGC) 세팅은동기열의첫번째세그먼트는송신전력안정화및수신기 AGC 세팅세그먼트이며, 이것은각각 000을나타내는네개의심볼로구성되어있다. 송신기는송신전력안정화세그먼트의종료시점에서정상상태전력수준의 90% 에이른다. 동기및비트모호성해결세그먼트는동기열의두번째세그먼트는 000 010 011 110 000 001 101 110 001 100 011 111 101 111 100 010 과같은고유문자열로구성되어있는데, 왼쪽으로부터오른쪽으로송신된다. 예약된심볼은동기열의세번째세그먼트는 000을나타내는단일심볼로구성된다. 송신길이는송신기가최종 RS 블록의길이를결정하기위해, 송신기는 LSB로부터 MSB까지 17비트길이의문자를보내주는데, 이것은헤더 FEC에따르는전체데이터비트의개수를나타내준다. 헤더 FEC는헤더에서비트오류를정정하기위해, (25, 20) 블록코드가예약된심볼및송신길이세그먼트에대해계산된다. 블록코드는다섯번째세그먼트로송신된다. 부호기는헤더를전송되고있는비트열로받아들인다. 송신될다섯개의패리티비트는다음과 - 14 -
같은식 2.1 을사용하여발생된다. (2.1) 여기서, P 는패리티심볼 (P1 부터전송 ), R 은예약된심볼, TL 은송신 길이심볼, T 는매트릭스변환함수, H 는식 2.2 와같이정의된패리티 매트릭스를나타낸다. (2.2) FEC 코딩은시스템적으로고정된길이의 RS(255, 249) 28-ary 코드방법으로구현된다. 이코드는 249개의 octets(1992비트 ) 의데이터블록에대해 3octets를정정할수있다. 길이가더긴전송은 1992 비트로나뉘어지고길이가더짧은전송은 0을이용하여가상적으로확장된다. 여섯개의 RS-체크 octets는전체 255개의 octets의블록에대해덧붙여진다. 발생다항식은식 2.3과같다. (2.3) 여기서, α 는 GF(256) 의원시요소를나타내며, GF(256) 은크기가 256 인 GF 를나타낸다. 그림 2.4는비트스크램블링시퀀스를위한 PN-발생기를나타내고있다. 클록을복구시키고송신될스펙트럼의형태를안정화시키기위해, 비트스크램블링이사용된다. 초기값 1101 0010 1011 001을갖는프레임동기패턴후, PN 시퀀스는그림 2.4에서레지스터의첫번째스테이 - 15 -
지에서왼쪽최상위비트로부터시작한다. 각비트를처리한후, 레지스 터는오른쪽으로부터 1 비트이동된다. 미리암호화가가능하도록이러 한초기값은프로그램화된다. 그림 2.4 비트스크램블링시퀀스를위한 PN- 발생기구조 Fig. 2.4 The structure of PN-generator for bit scrambling sequences 2.2.4 VDL 모드 3 VDL 모드 3 기술은 VDL 기술중유일하게음성과데이터전송이모두가능하다. VDL 모드 3 은모드 2 와동일한물리계층을사용하지만 TDMA 방식을채택하고있다. 25kHz 단위의채널을사용하며한프레임을 4개혹은 3개의슬롯으로분할하여 vocoder를이용한디지털음서와데이터를동시에사용할수있도록고안되었다. 다른 VDL 기술과마찬가지로 ATN과호환되는서브네트워크이다. 변조방식은디지털신호를반송파의위상으로변환시키고수신측에는절대위상대신에이전슬롯의반송파위상을기준으로위상차를얻어내서그값을디지털신호로복조하는 D8PSK 방식을사용한다. D8PSK에서는이전슬롯의반송파와의위상차를이용하여한슬롯의반 - 16 -
송파심볼로 3비트의디지털신호를얻어낼수있다. 나이퀴스트대역폭이론에의하면대역폭이 W이고, 보낼수있는최대전송속도가초당 심볼일때다음과같은식 2.4의관계가성립된다. (2.4) 따라서 25kHz 대역폭의 VDL 모드 3의최대가능한메시지전송속도는 12.5kbaud 이다. 그러나실제로시스템의안정성을위해 10.5kbaud 속도로메시지를전송하며, D8PSK 변조방식에의해 1 심볼은 3 비트로나타내므로이론적으로 31.5kbps의속도로메시지를전송한다. VDL 모드 3의물리계층특성을요약하면표 2.4와같다. 표 2.4 VDL 모드 3 의물리계층특성 Table 2.4 The characteristics of VDL Mode 3's physical layer 주파수대역 주파수채널대역폭 118~137MHz 25kHz 채널구조단일주파수 ( 지대공, 공대지 ) 변조 보코더비트율 전송속도 디지털, D8PSK 4.8kpbs 31.5kbps(10.5kbaud) VDL 모드 3 의기본적인목적은하나의항공기무선송신기를사용 하여데이터링크접속과동시에각각의사용자그룹에전용회선방식 - 17 -
으로음성회선을제공하는것으로시스템구조는그림 2.5 ~ 그림 2.7 에서와같이 4개의슬롯으로구성된프레임으로이루어지며각각의시간슬롯을특정사용자그룹이나기능에할당하게된다. 음성및데이터채널을통합하기위한시간슬롯할당방법에따라다음과같이 3V1D, 2V2D, 3T의 3가지의대표적인시스템구조로정의할수있다. 2.2.4.1 3V1D(3Voice 1Data) 구조 3V1D 프레임구조는음성회선용량증가의필요성과함께제한적으로데이터링크사용이요구될때사용되며전용음성슬롯은각각 3개의사용자그룹을지원하지만하나의데이터슬롯만을공유하게된다. [7] 그림 2.5 3V1D TDMA 시스템의프레임구조 Fig. 2.5 Frame Structure of 3V1D TDMA System 그림 2.5는 3V1D 채널구조로써 1 프레임을짝수프레임과홀수프레임인하부프레임으로구분하여짝수프레임에서는지대공 (Ground-to-Air) 메시지를홀수프레임에서는공대지 (Air-to-Ground) 메시지를전송한다. 각프레임에서는사용자를 3개의그룹으로나누어각각의그룹이 3개의음성구간을사용하고 1개의데이터구간을공유하여데이터를전송하게된다. 여기서, M 서브채널은채널관리목적으로사용된다. - 18 -
2.2.4.2 2V2D(2Voice 2Data) 구조 2V2D 프레임구조는음성회선및데이터링크용량증가가동시에요구될때사용되며각각전용 V/D 슬롯을 2개의사용자그룹에할당하게된다. [7] 그림 2.6 2V2D TDMA 시스템의프레임구조 Fig. 2.6 Frame Structure of 2V2D TDMA System 그림 2.6은 2V2D 채널구조를나타내고있다. 2V2D 구조에서도짝수프레임과홀수프레임으로구분하여지대공, 공대지프레임으로사용하며, 각프레임에서는모든사용자를두개의그룹으로구분하여각그룹의사용자가한개의음성구간과한개의데이터구간을사용할수있도록구성된다. 2.2.4.3 3T(3Trunked) 구조 3T 구조에서는사용자그룹영역이정의되지않으며전체채널자원을통한중앙집중시의요구접속으로 Voice/Data 에대한접속을제공한다. 그림 2.7 3T TDMA 시스템의프레임구조 Fig. 2.7 Frame Structure of 3T TDMA System - 19 -
그림 2.7은 3T 구조에서는별도의사용자그룹영역이정의되어있지않다. 따라서각사용자는 Mv( 음성 ), Md( 데이터 ) 의미니슬롯을이용하여전송구간을할당받아전송구간을사용하도록한다. 3V1D, 2V2D 구조와마찬가지로짝수프레임에서는지대공메시지를홀수프레임에서는공대지메시지를전송한다. 2.2.5 VDL 모드 4 VDL 모드 4 기술은 1980년대말스웨덴에서최초로개발되었다. VDL 모드 4는초기에 CNS/ATM 항법및감시용데이터링크를목적으로고안되었다. VDL 모드 4는 STDMA(Self-organizing TDMA) 기법과가우시안주파수편이 (GFSK) 변조방식을채택하고있으며, 19.2kbps의데이터전송률을지원한다. VDL 모드 4는다른감시용데이터링크인모드 S와달리데이터전송률이작아다수의채널을사용하며, 이에따라기본적으로 2개의전역신호채널 (GSC) 이외에이용지역및적용형태에따른별도채널이요구된다. VDL 모드 4는데이터링크를사용하는지상국과이동국으로구성되며, 이동국은지상과항공에서의사용을위해항공기및공항주변에운영되는이동체에설치된다. 이동국과지상국은 ADS-B와같은데이터를브로드캐스트할수있다. 브로드캐스트데이터는지상및이동국의전송스테이션포착범위내에모든스테이션에의해처리되며, 지상국은 GRAS, TIS-B 또는 FIS-B 와같은다른방송서비스를제공한다. 또한, 지상국과이동국그리고직접적인이동국간의 ATN과 Non-ATN, 점대점통신을지원한다. - 20 -
2.2.5.1 파형특성 VDL 모드 4 항공기스테이션의송신기는 112.000MHz로부터 136.975MHZ까지임의의 25kHz 채널로동조할수있어야한다. 지상스테이션은 108.000MHz로부터 136.975MHz 밴드안에서할당된 25kHz로동작할수있어야한다. VDL 모드 4에서사용될예정인변조기술은 GFSK이다. 이것은두가지톤을갖는연속된위상을갖는주파수천이키잉기술이다. 이진수 0과 1은 0.25 ± 0.03의변조지수로생성된다. 데이터전송속도는 19,200bps의전송률을갖는다. VDL 모드 4의물리계층특성을요약하면표 2.5와같다. 표 2.5 VDL 모드 4 의물리계층특성 Table 2.5 Characteristics of VDL Mode 4's physical layer 주파수대역주파수채널대역폭채널구조변조보코더비트율 112 ~ 136.975MHz( 송신 ) 108 ~ 136.975MHz( 수신 ) 108 ~ 136.975MHz( 지상 ) 25kHz 다중주파수디지털, GFSK 19.2kpbs VDL 모드 4에서, 채널시간은고정길이시간슬롯들로나뉘어지며, 채널관리에사용되는슈퍼프레임은 60초의주기로회전되는슬롯들의그룹으로구성된다. GFSK 변조의 VDL 모드 4 사용시슈퍼프레임은 4,500개의슬롯 ( 초당 75개의슬롯 ) 으로구성된다. 이것은그림 2.8-21 -
에나타내었다. 그림 2.8 GFSK 슈퍼프레임구조 Fig. 2.8 GFSK super frame structure 각시간슬롯은데이터링크로통신하는임의의스테이션에의해송신또는수신을쉽게얻을수있다. 한위치 (ADS-B) 보고는데이터링크에서한개의타임슬롯을점유한다. 다른전송들은응용에의지하는한슬롯보다훨씬많이점유할수있다. VDL 모드 4는상호간섭없이기본적인스테이션접속을위해시간동기가필요하다. VDL 모드 4에서사용하는시간은 UTC를표준으로한다. 시간은우선적으로 GNSS를기준으로하고, 다른소스도사용되어질수있다. 매 75번째슬롯의시작부분은 UTC에정렬된다. 버스트구조는그림 2.9와같고, 각세그먼트의특성은다음과같다. 세그먼트 A는송신전력안정화를위해사용되며, 1을나타내는 16개의심볼로구성된다. 세그먼트 B는비트동기를위해 24비트를사용한다. 세그먼트 C는모호성해결과데이터송신을위해 192비트를사용한다. 세그먼트 D는송신감쇠로써 300µ 초길이를나타내며, 세그먼트 E는세그먼트 D를포함하여약 1,250µ 초길이의보호간격을나타낸다. - 22 -
그림 2.9 단일슬롯메시지에대한전송타이밍 Fig. 2.9 Transmission timing for single slot message 2.2.5.2 슬롯선택 VDL 모드 4의중요한특징은새로운전송을하거나앞으로의재전송을예약하기위한슬롯을선택하는데사용하는방법이다. 채널이사용상태가아닌경우, 다른스테이션에의해미리예약되지않은슬롯을쉽게찾을수있기때문에슬롯선택은용이하다. 채널이사용상태가되어예약되지않은슬롯을찾기힘든경우, VDL 모드 4는스테이션이먼거리에있는다른스테이션에의해미리예약된슬롯을사용하도록한다. 이것은채널이사용상태가될수있는범위내에서스테이션의커버리지영역을감소시키고통신기능의급격한감소를없도록해준다. 추가적인이점은모든스테이션이슬롯선택을수행할수있고, 채널자원관리를수행하는데지상스테이션에대한의존성이없다. 그림 2.10은슬롯선택절차를보여주고있다. - 23 -
그림 2.10 VDL 모드 4 의슬롯선택절차 Fig. 2.10 Slot selected procedure of VDL Mode 4 그림 2.10에서보여주듯이슬롯선택절차는다음과같다. 데이터를전송하거나앞으로데이터를전송하기위해예약하고자하는스테이션은슬롯이선택되어질사용가능 (candidate) 슬롯범위를설정한다. 그리고해당스테이션은가용 (available) 슬롯들의리스트를작성한다. 가용슬롯들은사용가능슬롯들의부분으로써, 미예약 (unreserved) 슬롯들과미리다른스테이션에의해예약되었어도특별한규칙에의해사용되어질수있는예약 (reservd) 슬롯들로구성된다. 마지막으로슬롯을선택하기전에하나이상의스테이션이동일한슬롯을선택할수있는확률을감소시키기위해가용슬롯들의개수를설정하는것이매우중요하다. 보통은 4개로설정된다. 즉, 사용가능슬롯들중에단지한개의미예약슬롯이있다면, 하나이상의스테이션이해당슬롯을선택할확률은상당히높아지고해당슬롯은사용할수없게된다. 마지막으로, 가용슬롯들로부터 - 24 -
임의적으로한개의슬롯이선택된다. 미리예약된슬롯의재사용을위한특별규칙은다음두가지원칙을 기본으로한다. (1) 로빈후드방식로빈후드방식은사용채널상태에서동작하는스테이션이앞서다른스테이션에의해브로드캐스트전송을위해예약된슬롯들을사용할수있도록해준다. 이때, 가장거리가멀리떨어져있는스테이션에의해예약된슬롯들이먼저선택되어진다. 이것은사용채널상태에있는스테이션의브로드캐스트범위를점차적으로감소시키게된다. 로빈후드방식에의한셀감소는그림 2.11과같이나타낼수있다. 그림 2.11 로빈후드방식의사용으로인한셀감소 Fig. 2.11 Cell reduction because of using Robin Hood method - 25 -
(2) CCI 보호방식 CCI 보호방식은두스테이션사이에점-대-점통신을위해미리예약된슬롯을다른스테이션들에의해사용될수있도록로빈후드방식을일반화시킨것이다. CCI 보호방식은상대적인항공기거리를기반으로하였으며, 스테이션들이서로의무선범위안에있어도각스테이션들은원하지않는신호에대해원하는신호를완전히분별해낼수있다고가정하였다. VDL 모드 4는자유공간에서의거리에따른신호감소를기준으로 CCI의값을정의하였다. GFSK 변조방식에대해, 간섭신호가 12dB이상차이가발생할경우분별해낼수있다. VDL 기술은 VHF 대역을이용하는데이터링크라는공통성으로모드별로유사성과차이점을동시에지니고있다. 각모드별데이터링크는용도에따라다르게고안된기술이며구축을원하는 CNS/ATM에따라적합한링크의선정이이루어져야한다. - 26 -
2.3 매체접속제어 (MAC) 프로토콜 제한된전파자원을다수의항공기가공유하여지상국과접속하기위해서는매체접속제어프로토콜을통한다중접속기술이필요하며, 이러한다중접속기술들은주파수대역을할당하는알고리즘방식과의사결정방식, 수요변화에따른적응도등의척도에따라분류할수있다. 그림 2.12는 OSI 참조모델과항공이동통신모델의구조를나타낸다. OSI 참조모델은전체 7계층중하위 3계층만을보여주는것으로물리계층, 데이터링크계층, 네트워크계층으로나뉜다. 항공이동통신모델에서는 2계층인데이터링크계층을쉽게구현하기위해다시 LLC와 MAC 으로나눈다. LLC는상위와 MAC의연결과흐름을제어하며, 실제 2계층의거의모든기능은 MAC이담당하고있다. 3 계층네트워크계층네트워크계층 2 계층데이터링크계층 LLC 계층 MAC 계층 1 계층물리계층물리계층 OSI 참조모델 항공이동통신모델 그림 2.12 OSI 참조모델과항공이동통신모델의구조 Fig. 2.12 The structure of OSI reference model and structure of aeronautical mobile communication model MAC 계층의기능은상위계층에서데이터를받아프레임으로가공하고, 채널의사용여부를감시하고대기한다. 또한, 채널이비어있을경우규정시간을기다린다음전송을개시하고, 충돌이발생할경우랜덤시간만큼기다린후재전송을실시한다. - 27 -
따라서프로토콜은이동통신의성능에영향을미치는여러요소중에서가장중요한부분을차지하고있으며 MAC의설계가해당이동통신시스템의전체성능을좌우하게된다. 특히, 무선통신에서는채널이공기를매개로전송됨으로써더욱중요하다고할수있다. MAC은한정된무선채널을다수의가입자가공유할수있게하는일련의프로토콜로서통계적다중화기능을무선매체를통하여확장하는역할을수행하며현재까지많은분야에서연구가진행되어왔다. 패킷전송을위한매체접속제어프로토콜은크게고정할당방식, 랜덤 할당방식, 요구할당방식으로분류할수있다. [7],[8] 고정할당방식은채널 을임의의사용자에게설정해주는방식으로써주로시분할에의한방식으로 TDMA가있으며, 전송하고자하는사용자가요구신호를보내게되면, 이에따라채널을접속할수있는권한을얻는방식으로써주로예약기반의요구할당방식인 STDMA가있다. 랜덤할당방식은한채널을다수의사용자가경쟁적으로사용하는경쟁기반방식으로써순수 ALOHA, 슬롯화된 ALOHA, 비지속형 CSMA, 1-지속형 CSMA, p-지속형 CSMA 그리고유선 LAN에서사용하는 CSMA/CD 방식이있다. 고정할당방식은시간분할된일정대역폭과주파수를특정항공기에할당하여지상국에송신하고자하는정보가있든없던상관없이그슬롯을독점적으로사용하도록하는방식으로일정한비율로, 연속적으로발생하는트래픽에는적합하지만간헐적인트래픽이발생할경우채널낭비가많다는단점이있다. 랜덤접속방식은전체대역폭이한전송채널로주어지므로트래픽이많을경우잦은충돌이발생할수있어, 이러한충돌로인한성능저하를방지하기위하여채널을슬롯으로분할하여사용하거나, 감지캐리어를이용하여데이터전송전에채널의상태를파악하는방법을사용하며, 두가지방법을혼용하기도한다. 따라서랜덤접속방식은간헐적인트래픽 - 28 -
환경에는적합하지만패킷도착률이높은환경에서는시스템이불안해지고지연시간이급격히증가한다는단점이있다. 요구할당방식에서는채널의일부분이예약을포함한제어채널로사용되며경쟁방식을통해채널을할당받고, 데이터전송기간에는예약된기간동안충돌없이통신하는방식으로유동적인트래픽을갖는환경에적합하지만, 채널의일부분이항상어느정도낭비되어간헐적이고적은양의트래픽을갖는시스템에서는랜덤접속방식보다성능이떨어지는단점이있다. 일반적으로앞에서설명한기본적인매체접속제어프로토콜과사용자트래픽환경에적합한다중접속기술을조합하여사용함으로써시스템의효율성과융통성을높일수있다. - 29 -
2.3.1 랜덤접속프로토콜 랜덤접속프로토콜은간헐적으로발생하는데이터를지연없이빠른시간내에전송하고자할때사용되며, 대표적인프로토콜로 CSMA 방식과 ALOHA 방식을들수있다. CSMA의경우패킷을전송하기전에전송채널상태를우선적으로감지함으로써전송에성공할확률이높아지며, 채널상태감지후항공기에서취해질수있는기능이다양하므로이들기능에따라여러종류의 CSMA 프로토콜을규정할수있다. 그러나 ALOHA방식은채널상태와는무관하게데이터가발생하면전송하는방식으로데이터를전송한후지상국으로부터의 ACK신호를기다리는것외에는항공기에서취해질수있는기능이없으므로시스템이간단해지고, 전송지연시간이짧은반면, 다른패킷과의충돌확률이상대적으로높아지므로최대채널효율은 0.36에지나지않는다. 현재항공통신에서는 ARINC 규격서 618의정의에따라랜덤접속프로토콜인비지속형 CSMA 방식을선택하고있으며, 유럽에서도데이터전송채널에는 25kHz의 CSMA 프로토콜을사용할계획에있다. CSMA는재전송알고리즘에따라일반적으로비지속형, 1-지속형, p-지속형의 3가지프로토콜방식으로구분된다. - 30 -
2.3.1.1 ALOHA 프로토콜 ALOHA 프로토콜은 1968년하와이대학에서개발한데이터통신시스템에서사용한 MAC 프로토콜이다. ALOHA 프로토콜은전송할패킷이발생한경우무조건전송하는프로토콜로써가장기본적인경쟁기반 MAC 프로토콜이다. 충돌이발생하였을경우에는랜덤분포로재전송하게된다. 종류에는순수 ALOHA 방식과슬롯화된 ALOHA 방식이있다. (1) 순수 ALOHA ALOHA 프로토콜계열중에서가장기본적인프로토콜로써, 무한사용자를갖는단일홉 (Hop) 시스템으로고려한다. 패킷의전송이다른패킷의전송에영향을미치지않으면, 전송된패킷은정확하게수신되지만, 두개이상의패킷전송이중복될경우, 충돌이발생하며, 충돌된패킷들은정확하게수신될수없고, 재전송되어야한다. 모든전송의종료시점에서각사용자는전송의성공및충돌여부를인지하게된다. 새로발생된패킷은다른사용자에의한간섭이없다는가정하에바로전송이이루어지게된다. 전송이실패하면, 충돌이발생된모든사용자는랜덤한시간간격으로재전송을위해스케줄링된다. 그림 2.13은순수 ALOHA 프로토콜의전송방식을나타낸다. 그림 2.13 순수 ALOHA 프로토콜의전송방식 Fig. 2.13 Transmission scheme of pure ALOHA protocol - 31 -
스케줄링시점은새로운패킷이발생한시간과앞서충돌된패킷의재전송시간을포함한다. 따라서다른패킷이구간 (t-t, t+t) 에서전송을위해스케줄되지않으면, 성공된것으로본다. 여기서 2T 기간을취약구간 (Vulnerable Period) 이라고한다. 스케줄링시점이프와송프로세스라고하면, 성공할확률 는식 2.4와같다. (2.4) 식 2.4 에서 는패킷스케줄률 (packet/sec), 는패킷전송기간 (sec) 을나타낸다. 따라서채널처리량 는식 2.5 와같다. (2.5) 식 2.5 에서 를하나의패킷길이시간당발생할수있는부하량으 로정의되며 의관계를갖는정규화된부하량 로치환하면식 2.6 과같다. (2.6) 식 2.6 에서최대처리량을구하기위하여 에대해미분을취하면, 에서 는최대값 을갖는다. - 32 -
(2) 슬롯화된 ALOHA 변형된 ALOHA 프로토콜로써슬롯화된채널구조를갖는순수 ALOHA이며, 슬롯의크기는패킷전송기간인 와같다. 사용자는슬롯경계영역에서만패킷의전송을시작하기때문에취약구간은한개의슬롯기간으로감소하게된다. 그림 2.14는슬롯화된 ALOHA 프로토콜의패킷시간을나타낸다. 그림 2.14 슬롯화된 ALOHA 프로토콜의패킷시간 Fig. 2.14 Packet time scheme of slotted ALOHA protocol 채널처리량 는식 2.7 과같다. (2.7) 식 2.7 에서최대처리량을구하기위하여 에대해미분을취하면, 에서 는최대값 을갖는다. - 33 -
2.3.1.2 CSMA 프로토콜 CSMA 프로토콜은 listen before talk" 라고하는데, 캐리어를감지하고그것에따라전송의진행여부를결정하는방식이다. CSMA 프로토콜에서도하나이상의항공기가동시에전송을시도할때충돌이발생하게되는데일반적으로충돌이발생하는확률분포는한스테이션에서패킷전송이완료된직후에가장많이발생하게된다. 따라서한번충돌한패킷의계속적인충돌을막기위한방식으로비지속형 CSMA, 1-지속형 CSMA, p-지속형 CSMA 방식이있으며, 유선에서사용하는방식으로는 CSMA/CD 방식이있다. (1) 비지속형 CSMA 스테이션이계속해서캐리어를감지할필요없이패킷전송이전에캐리어를확인하여채널이휴지상태이면패킷을전송한다. 그러나채널이사용중인상태이면패킷충돌가능성을줄이기위해임의의패킷전송시간만큼지연시킨다. 지연시간경과후다시채널을감지해보고휴지상태이면패킷을전송한다. 다음의그림 2.15는비지속형 CSMA에서의전송방식을보여준다. - 34 -
그림 2.15 비지속형 CSMA 시간주기구조 Fig. 2.15 Structure of Non-persistent CSMA time period 를평균전송기간, 를평균휴지기간, 를전송기간내에서패킷이 성공적으로전송된평균기간이라고할때비지속형 CSMA 방식의채널 효율은식 2.8 과같이표현된다. [9][10] (2.8) 식 2.8에서 는한개의패킷을전송하는데소요되는시간을, 는최대전파지연시간을나타내며, 초당 개의패킷을발생시키는프와송프로세스를따른다고가정하였다. 식 2.8을 의패킷전송시간으로정규화하면다음과같은식 2.9를얻을수있다. (2.9) 식 2.9 에서 는정규화된전파지연시간을 는한슬롯기간에서의 - 35 -
평균트래픽으로전송준비가된항공기의수를나타낸다. 현재항공용 VHF 무선통신에서는 MAC 프로토콜로 ARINC 규격서 618에정의되어있는바와같이비지속형 CSMA를사용하며그림 2.16 과같은알고리즘을가진다. 그림 2.16 의전체적인흐름은다음과같이크게 4 단계로볼수있다. 단계 1. 변조된신호가 VHF 송수신기로부터아날로그인터페이스에서감지되지않는다면 RF 채널은사용되고있지않다고여겨지며항공기의데이터통신관리장비 (MU) 에서패킷을전송한다. 단계 2. 만일채널이사용되고있다고감지되면 MU는 30ms에서 300ms 까지의제한내에서일정한랜덤분포에따라약간의시간후로전송을지연한다. 단계 3. 재스케줄된시점에서채널이사용되고있지않다고감지되면패킷을전송할때까지이알고리즘을반복한다. 단계 4. 만일전송한패킷에대한 ACK 신호를수신하지못했으면, 충돌이발생했다고여겨지며항공기의 MU는위의알고리즘에따라재전송을시도한다. - 36 -
그림 2.16 비지속형 CSMA 알고리즘 Fig. 2.16 Non-persistent CSMA algorithm - 37 -
(2) 1-지속형 CSMA 1-지속형 CSMA는임의의전송지연으로인한채널휴지상태를제거하기위한방법으로만약채널이휴지상태이면확률 1로패킷을전송하고, 채널이 busy 상태일경우휴지상태가될때까지기다렸다가휴지상태가되면확률 1로즉시패킷을전송하는방식이다. 따라서 2대이상의항공기에서전송준비가되었을때확률 1로충돌이발생한다. 채널이 busy 상태일때의비지속형과 1-지속형 CSMA의차이점은비지속형의경우충돌가능성이작도록재전송지연분포에따라랜덤지연후다시채널을감지하여그때채널이휴지상태이면패킷을전송한다. 따라서채널중휴지상태에의한채널낭비가다른형태에비해크다. 1-지속형의경우는휴지상태에의한채널낭비를줄이기위해채널이휴지상태일때까지기다리며계속감지하다가휴지상태가되면즉시확률 1로반드시패킷을전송한다. 따라서충돌가능성이다른형태에비해크다. (3) p-지속형 CSMA p-지속형 CSMA에서는 p파라미터를추가적으로도입하여준비된패킷에대해확률 p로전송함으로써감지될수있는휴지기간의중복을가능한한최소화한것이다. p-지속형 CSMA에서는시간축을미니슬롯으로분할하여모든항공기가매미니슬롯의초기에전송하도록동기화한다. 만약전송이준비된항공기가채널을휴지상태로감지하면확률 p로전송하고 1-p의확률로하나의미니슬롯시간에해당하는시간 만큼전송지연시킨다. 이시점에서도채널이휴지상태로감지되면위와같은과정을반복하게되며, 그렇지않을경우다른항공기가패킷을전송하였다고판단하여재전송지연분포에따라임의의지연시간후다시채널을감지한다. 채널이 busy 상태로감지될경우휴지상태가될때까지기다렸다가위와같은 - 38 -
방법을반복하여패킷을전송하게된다. CSMA 프로토콜에서하나이상의항공기가동시에전송을시도하고자할때충돌이발생하게되는데일반적으로충돌이발생되는확률분포는한노드에서패킷전송이완료된직후에가장많이발생하게된다. 따라서한번충돌한패킷의계속적인충돌을막기위한방식으로크게비지속형와 p-지속형로분류되며, 그중에서효율이더좋은비지속형방식이많이사용되고있다. 일반적으로 CSMA를포함한랜덤접속프로토콜은간헐적으로발생하는데이터통신채널에적합한방식으로트래픽이적은환경에서는매우높은채널효율을갖지만, 트래픽이증가할수록충돌횟수의증가로인해채널효율이급격히떨어지는단점이있으며, 전체채널은경쟁을통해짧은시간동안공유하게되므로전송메시지길이에제약이있다. 또한향후데이터를통한항공기관제에필수적인우선순위별메시지관리가불가능하며음성및데이터통합의한계성으로인해한항공기에두개의개별안테나를설치운영하여야하므로동체의크기에제한을받는소형항공기의관제에많은어려움이발생할수있다. (4) CSMA/CD CSMA 프로토콜의성능을향상시킨방법으로써 CD는패킷충돌감지를나타내며, 패킷을전송하기전에캐리어신호를보내고, 이것을송신측스테이션에서수신하여감시한다. 다른스테이션에서도캐리어가송신되고있으면수신캐리어의검파출력이증대하기때문에충돌로판단하여랜덤한시간간격을두고재전송을시도한다. 만일동시에두스테이션에서패킷전송이이루어져패킷충돌이발생하였을경우이를감지하여가능한빨리전송을멈춤으로써채널의효율을높일수있다. 그림 2.16은 CSMA/CD의상태도를나타낸다. - 39 -
그림 2.17 CSMA/CD 의상태도 Fig. 2.17 State diagram of CSMA/CD CSMA/CD 의상태도에따른 CSMA/CD 의전송방식이그림 2.17 에나 타나있다. 그림 2.18 CSMA/CD 의전송방식 Fig. 2.18 Transmission scheme of CSMA/CD - 40 -
슬롯화된비지속형 CSMA/CD 의경우, 채널효율은식 2.10 과같이 표현된다. (2.10) 식 2.10 에서 G 는한슬롯기간에서의평균부하량으로전송준비가 된스테이션의수를나타내는부하량으로볼수있다. 여기서 는평 균전송시간을, 는평균채널휴지시간을나타낸다. 그림 2.17 에서 는단하나의패킷전송이이루어져서전송이성공한경우의기간 으로써패킷길이와한슬롯길이를합한기간이된다. 는두개이 상의패킷전송에의해패킷충돌이발생하여전송이실패했을경우충 돌감지후전송을멈출때까지의시간을나타낸다. 충돌감지후가능한 빨리전송을멈추기때문에 는 보다짧은기간을가진다. 위식에서 패킷의길이가슬롯길이의 100 배이며 가패킷길이의 10% 에해당될 때 CSMA/CD 의경우최대처리량은약 0.94 의높은값을가진다. 그러나이방식은유선 LAN 에서는표준방식으로정해져있어서유효 하지만, 이동무선환경에서는캐리어레벨차가크기때문에충돌검출이 용이하지않아이방식을적용하기는어렵다. - 41 -
제 3 장 CSMA/CA 프로토콜네트워크 IEEE 802.11 네트워크의기본구성블록은기본서비스셋이다. 이것은서로통신하는스테이션의그룹이며통신은기본서비스셋이라는무선매체의전파특성에의해서정의되는불명확한영역안에서이루어지며셀룰러통신네트워크에서셀과유사하다. 일반적으로기본서비스셋에있는모든터미널들은그림 3.1과같이같은기본서비스셋에있는다른터미널들과직접통신이가능하다. [11][12] 그림 3.1 IEEE 802.11 의기본구조 Fig. 3.1 Basic Structure of IEEE 802.11 기본서비스셋은독립네트워크와중앙집중식네트워크의두개의구 성을가진다. - 42 -
3.1 독립네트워크 (IBSS) 스테이션은통신영역내에있는다른기기와직접통신한다. 두개의스테이션으로구성된독립네트워크는가장작은 802.11 네트워크의예로들수있다. 일반적으로독립네트워크는특정한목적을가지고, 특정기간동안구성되는몇개의스테이션으로이루어진다. 이러한독립네트워크는임의의목적성을띠며따라서목적달성을위해구성되었다가이후폐기가될수도있다. 이러한짧은사용기간과작은규모, 특정한목적때문에독립네트워크는때때로애드혹 (Ad-hoc) 기본서비스셋또는애드혹네트워크라고도한다. 3.2 중앙집중식네트워크 액세스포인트의사용으로독립네트워크와구별될수있다. 즉중앙집중식네트워크는동일한서비스영역에서이동스테이션의통신을포함한모든통신과정에서액세스포인트가사용되며영역은액세스포인트로부터의거리로정의된다. 모든이동스테이션은액세스포인트에서접근가능한거리내에있어야하지만이동스테이션사이의거리에는제한이없다. 이동스테이션사이의직접통신은전송용량을줄일수있다는장점이있지만이동스테이션은서비스영역내에있는다른이동스테이션과서로관계를유지하는것이필요하므로물리계층이복잡하다. 중앙집중식네트워크에있는스테이션이네트워크서비스를확보하려면액세스포인트를통해통신이이루어지며확장서비스영역을이루게된다. 확장서비스영역은각터미널의논리연결제어하부계층에서기본서비스셋의형태를갖는다. 확장서비스셋은분산시스템을공유하는다수의기본서비스셋들로구성되어있다. 분산시스템은 MAC서비스데이터유닛의매체접속제어계층전송을책임지는백본 (backbone) 네 - 43 -
트워크처럼생각할수있다. 매체접속제어프레임은헤더와페이로드, CRC로구성되어있다. 분산시스템은물리적으로는기본서비스셋과는같은전송매체이지만, 논리적으로는다르다. 이는분산시스템을확장서비스셋내에서다른기본서비스셋간에패킷을전송하기위해전송백본으로단독사용할수있기때문이다. 다른기본서비스셋에있는터미널로패킷을전송하려는터미널은분산시스템과액세스포인트를경유하여패킷을전송해야한다. - 44 -
3.3 매체접속프로토콜 CSMA/CA는무선랜에서일반적으로사용되는 MAC알고리즘으로써자동적인매체공유를가능토록해주는기본적인매체접속프로토콜이다. CSMA/CD를사용하는이더넷에서는네트워크통신상태를점검한후데이터를전송한다. 그러나 CSMA/CD와는달리 CSMA/CA에서는네트워크의케이블에데이터의전송이없는경우라도충돌을대비하여확인을위한신호를전송한다. 확인신호가충돌없이전송된것을확인하면이어서데이터를보내게된다. 무선매체에대한접근은조정함수를이용하며, 이더넷과같은 CSMA/CA 접근은분산조정함수에의해제공된다. 만약무경쟁서비스가필요하다면, 포인트조정함수를이용할수있는데이함수는 DCF의상위에구성되어있다. 무경쟁서비스는중앙집중식네트워크에서만제공된다. 현재 IEEE 802.11 CSMA/CA 프로토콜의 MAC조정함수는그림 3.2에나타나있다. 그림 3.2 MAC 조정함수 Fig. 3.2 MAC Coordinate Function - 45 -
3.3.1 분산조정기능 (DCF) DCF는이더넷과마찬가지로전송하기전에무선링크가깨끗한지검사하며, 충돌을피하기위하여스테이션은첫전송장치가채널을잡은후, 각프레임의종료시점에서임의의지연을사용한다. DCF의기본은 CSMA/CA프로토콜이다. 그이유는유선환경에서는전류를이용하여충돌감지를할수있지만무선환경에서는거리에따른캐리어레벨차가심해서처리효율을향상시키는충돌감지기능을이용할수없기때문이다. CSMA/CA 프로토콜은거의모든스테이션들이접속을시도하는시점에서매체를접속하기위한여러스테이션들사이의충돌확률을감소시키도록설계되었다. 다음은데이터전송을좀더빠르게수행할수있도록하는과정들이다. 3.3.1.1 관리정보베이스 (MIB) 개념적으로 802.11 관리구조는 MAC계층관리요소와물리계층관리요소, 시스템관리요소의세가지구성요소로이루어져있다. 그림 3.3은관리요소와 802.11관련부분과의연관성을나타내고있다. 그림 3.3 관리요소와 802.11 스펙의구성요소관계 Fig. 3.3 The Relationship of both Management factor and 802.11 Specification - 46 -
MAC 과물리계층은관리정보베이스에접근한다. 스테이션관리요소 는 MAC 계층관리요소와물리계층관리요소서비스인터페이스를통하 여 MAC 과물리계층관리정보베이스를변경시킬수있다. 3.3.1.2 내부프레임간격 (IFS) DCF/PCF 서비스는 4가지 IFS를검출함으로써채널의사용유무를점검한다. 각각의간격은트래픽유형마다다른우선권수준을제공하며그림 3.4와같다. 그림에서보는바와같이스테이션들은통신중인매체가끝나고 DIFS동안매체가휴지상태이면, 랜덤백오프를생성하여매체에대한접근을연기한다. 매체에대한접근을연기한스테이션들은매체의상태를확인하면서동시에자신의랜덤백오프를감소시켜나간다. 만약어떤스테이션의백오프시간이 0이될때가지매체가휴지상태이면그스테이션은매체에접근하게되고, 0이되기전에매체를다른스테이션이사용하게되면백오프시간을줄이는것을중지하고다음 DIFS 후에남아있는백오프시간을사용하게된다. 따라서이스테이션은처음랜덤백오프시간을생성한스테이션보다더작은백오프시간을가지게될확률이높으므로매체에접근할가능성또한높아지게된다. 다음그림 3.5는이백오프의절차를보여주고있다. - 47 -
그림 3.4 IFS 및채널특성 Figure 3.4 IFS and Channel Characteristics 그림 3.5 백오프절차의예시 Fig. 3.5 Example of Backoff process 1 SIFS는 RTS/CTS 프레임이나긍정확인응답및분할된 MAC서비스데이터유닛의데이터프레임과같은최고우선권을가진프레임의전송을위하여사용된다. SIFS는가장작은시간을갖는다. 2 PIFS는무경쟁서비스에사용되며다른경쟁기반의트래픽보다우선권을가진다. 3 DIFS는경쟁기반의서비스를제공하며최소의매체비사용시 - 48 -
간이다. DCF에기반을둔데이터와관리프레임의전송에사용된다. 4 EIFS는고정된간격이아니며프레임전송에오류가발생하는경우및매체접속제어계층의 CRC 에러검출시에사용된다. 또한가상적인메커니즘에서도물리적인캐리어감지메커니즘과동일하게동작한다. 이는가상메커니즘의 NAV값에영향을미치지않으며, 에러발생프레임이종료되는물리적인시간에시작한다. 즉 EIFS의목적은발생할수있는에러프레임에대한비연결형응답을지원하기위해서이다. 그림 3.4 의물리계층의기본관리정보에고정적으로정의되어있는 SIFS, SlotTime, PIFS 및 DIFS 는표 3.1 의파라미터들을통해식 3.1 ~ 식 3.4 와같이주어진다. - 49 -
표 3.1 IFS 파라미터 Table 3.1 IFS Parameter arxrfdelay 파라미터이름 의미 PMD 가안테나로부터 PLCP 까지심볼전달에사용되는시간 ARxPLCPDelay PLCP 가 PMD 수신경로로부터 MAC 까지한비트전달에사용되는시간 amacpredelay MAC 이한프레임을처리하고프레임에대한응답을준비하는데걸리는시간 arxtxturnaroundtime PHY 가수신상태로부터첫번째심볼의시작부분을공중에전송하는상태로바뀌는데요구되는최대시간 AirPropagationTime 송신측스테이션으로부터전송된신호가수신측스테이션에도달하는시간 accaassmnttime CCA 메커니즘이매체가휴지상태인지또는사용중인지를결정하기위해모든슬롯내에서매체접속을가능하게해주는최소시간 SIFS = arxrfdelay + ARxPLCPDelay + amacpredelay + arxtxturnaroundtime SlotTime = SIFS + AirPropagationTime + accaassmnttime (3.1) (3.2) PIFS = SIFS + SlotTime (3.3) DIFS = SIFS + 2 SlotTime (3.4) - 50 -
IFS 규정간의관계는매체의시간차이로정의된다. 또한 IFS 를규정 하기위한각종기본관리정보값들이물리계층에정의되어있으며, 이 러한 IFS 의관계는그림 3.5 와같다. 그림 3.5 IFS 사이의관계 Fig. 3.5 Relationship of Inter Frame Space - 51 -
3.3.1.3 채널전송방식및채널모델 기본 CSMA/CA 와 ACK 를사용하는 2-Way CSMA/CA 그리고전송 요구와전송클리어를사용하는 4-Way CSMA/CA 가있다. [23] (1) 기본 CSMA/CA 브로드캐스트와멀티캐스트프레임은확인응답이필요없으므로가장간단한프레임전송방식을가지며프레임교환은단일프레임시퀀스이므로 NAV는 0으로설정된다. 프레임이더이상없으므로매체를사용하려는다른매체를배제하기위한가상반송파감지메커니즘을사용할필요는없다. 프레임이전송된후모든스테이션은 DIFS 동안기다리고경쟁윈도우내에서전송을위해임의지연을시작한다. 확인응답이없으므로데이터를수신못할수도있으나브로드캐스트나멀티캐스트프레임을재전송하는기능은 MAC에는구현되어있지않다. (2) 2-Way CSMA/CA 스테이션사이의신뢰성있는전송은단순한긍정확인응답에기초한다. 그림 3.6과같이유니캐스트데이터프레임은확인응답되어야만하며, 확인응답이없으면프레임은손실될것으로간주한다. 프레임은프레임과확인응답, 그사이에끼어있는 SIFS를위하여매체를예약하는데 NAV를사용한다. 확인응답에대한 NAV는 0으로설정된다. - 52 -
그림 3.6 2-Way CSMA/CA 채널구조 Fig. 3.6 2-Way CSMA/CA Channel Structure (3) 4-Way CSMA/CA 매체예약과끊임없는데이터전송을보장하기위해스테이션은 RTS/CTS 교환을사용할수있다. RTS의 NAV는 CTS가완료될수있도록해주며, CTS는데이터프레임의접근을예약하는데이용된다. 그림 3.7과같이 RTS/CTS는모든프레임교환에서혹은그부분에서사용될수있으며전혀사용될수도있는데이는스레쉬홀드값설정에의해조정이가능하다. 스레쉬홀드값보다큰프레임은매체점유를위하여 RTS/CTS 교환이일어나며, 이보다작은프레임은이런교환없이전송된다. 그림 3.7 4-Way CSMA/CA 채널구조 Fig. 3.7 The 4-Way CSMA/CA Channel Structure - 53 -
3.3.1.4 가상반송파감지기능반송파감지는매체가이용가능한지결정하기위하여사용되며가상반송파감지기능은 NAV가제공한다. 이것은고정된시간동안매체를점유할수있도록해주며이는 NAV 방식이채널의점유시간을패킷에포함하여예약하는방식으로써이때 NAV를수신한다른스테이션들은 NAV가 0이될때까지기다려야만송신을할수있다. NAV는슬롯단위로감소하는일종의카운터로물리적인반송파감지하드웨어를만드는것은송수신기가송신과수신을동시에하도록해야하므로고가의전자장비를필요로한다. 이것은감춰진노드문제에서충분한정보를제공하기어려우므로일반적으로가상반송파감지기능이이용된다. NAV는 4-Way일경우 RTS가전송될때, 매체로의접근을막기위해 RTS에서 NAV를설정해야하며 2-Way 전송방식일경우그림 3.8과같다. 그림 3.8 반송파감지를위한 NAV 사용 Fig. 3.8 Using NAV for carrier sensing - 54 -
3.3.1.5 랜덤백오프시간데이터프레임을전송하기원하는스테이션은매체의상태를결정하기위해물리적및가상적인캐리어감지기능을수행한다. 이때매체가사용상태이면, 스테이션은매체가휴지상태로되는 DIFS 이후까지지연되거나, 매체에서마지막으로검출된프레임이정확하게수신되지않았다면 EIFS 이후까지지연된다. 그리고 DIFS와 EIFS 이후에스테이션은전송전에추가적인지연시간을위해랜덤백오프기간을발생시킨다. 랜덤백오프가필요한이유는 DIFS 및 EIFS 기간동안의채널해제가검출된이후에모든스테이션이동시에채널접근을수행하면충돌이발생하므로이를방지하기위한추가적인지연요소로사용된다. 이러한절차는같은경우에의하여지연된여러스테이션사이의경쟁에서충돌을최소화시켜준다. 그러므로모든스테이션들은통계적인공정성을지원하기위하여가변적인랜덤지연을이용한다. 이를구하는식은식 3.5와같다. backof f delay INT CW Random SlotTime (3.5) 식 3.5에서경쟁윈도우는최소값과최대값사이의정수를나타낸다. Random() 은 0과 1사이의임의의랜덤숫자로써경쟁윈도우최대값분산값이상을표현할수있도록소수점이하의값에대한충분한정밀도를갖고있으며, [0,1) 의반개구간에서동일한분포를갖게된다. SlotTime 은하나의슬롯시간을나타낸다. 슬롯시간은지연의기준이되는단위시간으로써물리적인특성에따라송신기동작시간, 전파지연및매체사용검사응답시간의합으로설정하도록한다. 경쟁윈도우값은최소값에서시작하여충돌이발생함에따라일반적으로 2배씩증가하게되고, 최대값이상한선으로사용된다. 또한, 경쟁 - 55 -
윈도우값은성공적인프레임의전송을통한 CTS/ACK 프레임의수신을 통하여다시초기화된다. 그림 3.9 는경쟁윈도우의지수적인증가의한 예이다. 그림 3.9 경쟁윈도우의지수적증가 Fig. 3.9 Exponential increasing of CW 백오프지연시간은채널의상태가비어있을경우에만감소한다. 이것은각사용자들의공정한전송시도를위한조정으로써오래기다린사용자는새로전송을시도하는사용자에비하여프레임을전송할확률이높게된다. - 56 -
3.3.2 집중조정기능 (PCF) 음성과같은실시간성이요구되는어플리케이션을지원하기위해무선매체에접근하는방식인 PCF는매체에강제적이면서도공정한접근을지원하며무경쟁전송이필요할때사용된다. 무경쟁서비스는중앙집중접근제어방법을이용하는데, 매체로의접근은액세스포인트에구현되어있는특수한함수인포인트조정자에의해서제한된다. 스테이션은포인트조정자가허락한경우에만데이터전송을할수있으며모든전송은확인응답이필요하다. PCF의포인트조정은그림 3.10과같다. 그림 3.10 PCF 구간 Fig. 3.10 Point Coordination Function section 데이터 + CF - ACK 프레임은전송효율성을위해서두개의다른기능을결합하였다. 데이터는프레임하중으로전송되며, 프레임은내재적으로데이터를수신한다음하나의 SIFS 후에확인응답한다. PCF의동작은다음과같다. 매체의시간축은무경쟁기간과경쟁기간으로나뉜다. 경쟁기간은적어도하나의최대크기프레임과이에대한확인응답을전송할수있도록충분한정도의길이어야한다. 무경쟁서비스와경쟁기반서비스의 - 57 -
교대는무경쟁반복간격이라고부르는일정한간격으로반복된다. 무경쟁기간동안의매체예약은그림 3.11과같이비콘프레임을통해이루어진다. 무경쟁기간이시작될때, 액세스포인트는비콘프레임을전송한다. 비콘통지의한요소는무경쟁기간의최대지속시간인 CFPMaxDuration이다. 비콘을수신하는모든스테이션은무선매체의 DCF기반점유를방지하기위해 NAV를최대전송시간으로설정한다. 무경쟁전송은간섭을막기위해 SIFS와 PCF프레임사이의간격만큼분리된다. 양간격은 DCF프레임사이의간격보다짧으므로, 어떤 DCF기반스테이션도 DCF를사용하기위한매체접근을획득할수없다. 그림 3.11 PCF 충돌방지구조 Fig. 3.11 Collision preventing structure of PCF 그러나경쟁기반서비스가정해진경쟁기간보다더오랫동안수행 될수도있다. 이때무경쟁서비스는그림 3.12 와같이축소된다. - 58 -
그림 3.12 PCF 구간의축소 Fig. 3.12 Reduction of the PCF section 1 CF-조사 CF-조사프레임은이동스테이션에게단일버퍼링프레임을전송할수있는권한을주기위해액세스포인트에의해전송된다. 액세스포인트는이동스테이션을위한데이터가없을때사용되며만일특정이동스테이션을위한프레임이있다면액세스포인트는데이터 + 조사프레임유형을사용한다. 2 데이터 +CF-ACK 이프레임은확인응답과데이터프레임의결합이다. 데이터는프레임수신자에게전송되며송신자는이전프레임에대한확인응답이전송된다. 3 데이터 +CF- 조사 이프레임은이동스테이션으로데이터를전송하고, 이동스테이션 으로부터대기중인프레임을요청하기위하여액세스포인트에의 - 59 -
해사용된다. 데이터 +CF- 조사는무경쟁기간의액세스포인트에의 해서만보내질수있다. 4 CF-ACK+CF- 조사 이프레임은액세스포인트의클라이언트로부터 전송된마지막 프레임을확인응답하고조사목록의다음스테이션으로부터버퍼링된프레임을요청하기위하여사용된다. 확인응답은액세스포인트와결합된모든이동스테이션으로전송되지만, 이프레임은조사목록의다음스테이션으로전송된다. 5 데이터 +CF-ACK+CF- 조사 이프레임은최대효율을위하여한프레임에데이터전송, 조사 기능과확인응답을같이전송한다. 6 CF- 종료 이프레임은무경쟁기간을종료시키고매체의제어를 DCF 의경 쟁기반메커니즘으로돌려준다. 7 CF- 종료 +CF-ACK 이프레임은 CF- 종료와똑같지만이전전송데이터프레임에대 해서확인응답하는점이다르다. 8 모든관리어떤관리프레임이무경쟁기간동안전송될수있는지에대한표준제한은없다. 특정프레임유형에적용되는규칙이전송을허락한다면액세스포인트는이를전송할수있다. - 60 -
3.3.3 경쟁윈도우값을참조하는프로토콜 위에서언급된바와같이기존의 CSMA/CA는각스테이션간의충돌을줄이기위해서랜덤백오프지연시간을사용하고있다. 두개이상의스테이션에의해충돌이발생하게되면재전송을하게되며, 충돌확률을줄이기위해서백오프경쟁구간을 2배로증가한후에임의의경쟁윈도우를선택하며이에따른새로운백오프지연시간을계산하게된다. 그리고전송이성공하게되면백오프경쟁구간의범위는 acwmin 값을갖게된다. 이와같은기존의백오프지연시간계산방법을개선하여전송이성공적으로이루어졌을경우백오프경쟁구간의범위를최소값으로되돌리지않고성공적으로이루어진프레임의경쟁윈도우값에서부터다음프레임의전송시도를시작함으로써충돌에대한확률을적게하여망의효율을높일수있는알고리즘을제안하였다. 충돌에의해높아진경쟁윈도우값을최소값으로되돌릴경우스테이션의수가증가함에따라충돌확률이높아지게되며, 전송을위해기다리는스테이션의수가많을경우충돌확률은더욱높아지게된다. 또한 DCF가포화상태에이르게되면전송량이최대전송량보다작은값으로떨어지게된다. 이렇게되는이유는전송후경쟁윈도우값을최소로함으로써다음프레임이충돌할확률이높아지기때문이다. 다음그림 3.13은제안된구조의전송방식을보여준다. 그림 3.13(a) 에서보는바와같이기존에는데이터전송이성공적으로이루어진후다음프레임을전송할때에는경쟁윈도우값을다시초기화하였지만, 본논문에서제안된구조는그림 3.13(b) 에서보는바와같이경쟁윈도우값을초기화하는것이아니라이전프레임전송에서사용된경쟁윈도우값을그대로참조하여다음프레임전송을시도하게된다. - 61 -
(a) (b) 그림 3.13 제안된구조의전송방식 Fig. 3.13 Transmission process of proposed structure 그림 3.14에는제안된구조의순서도를나타내었다. 이순서도는앞장의그림 2.16과거의유사한형태를취하지만전송이성공된후다시캐리어감지를하는과정에서그림 3.14의사선으로표시된단계와같은차이점을갖는다. - 62 -
그림 3.14 제안된구조의순서도 Fig. 3.14 Flow chart of proposed structure - 63 -
제 4 장모의실험및고찰 4.1 모의실험환경 패킷의전송이성공적으로이루어진경우경쟁윈도우의값을최소로하는것이아니라서서히값을감소시킴으로써현재사용되고있는항공통신망의상태정보를계속활용함으로써패킷충돌확률을낮추게된다. 이를위해전송이성공적으로이루어지면경쟁윈도우값을 0으로하여전송을시도하는것이아니라성공한패킷의경쟁윈도우값으로부터전송시도를시작할수있도록하였다. 표 4.1은모의실험에사용된파라미터값들이다. 모의실험결과분석에서스테이션으로간주되는항공기의대수는 0~100대, 100~1,000대그리고 1,000~2,000대로설정하여동시에통신하는항공기의대수에따라제안된프로토콜의처리량과지연시간이어떤결과를나타내는지알아보았다. 그리고항공통신의환경은채널의 BER 및채널감지에러는 으로무시할수있는값으로설정하여거의에러가없는이상적인환경으로하였다. ACK의길이는 15bytes, 전파지연은 1.2ms, 데이터전송시간은 51ms 그리고정규화된전파지연시간은 47ms로모든파라미터는 IEEE 802.11 표준안및항공통신환경을참고하여설정하였다. - 64 -
표 4.1 모의실험파라미터 Table 4.1 Simulation Parameter 파라미터항공기대수전송속도적용범위전파지연 Slot Time SIFS Time PIFS Time DIFS Time Retrans_Delay 설정값 1,000 대 31.5kbps(BW : 25kHz) 200NM(=360km) 1.2ms 2.4ms 1.2ms 3.6ms 6.0ms 6.0ms ACK 길이 15bytes 채널감지에러 10-8 패킷발생프로세스 최대재전송횟수 Bernoulli 프로세스 5 회 패킷발생프로세스를 Bernoulli 프로세스를선택한이유는각항공기마다발생한데이터는다른항공기와독립적으로발생하기때문이다. 데이터의길이경우에는 ARINC 규격서에설정된데이터의길이가 192bytes로설정되어있으며, ACK의길이는실제로프레임 2bytes, 기간정보 2bytes, 수신측주소 6bytes 그리고 CRC 4bytes로총 14bytes 로구성되어있다. - 65 -
4.2 모의실험결과및고찰 모의실험결과는기존에항공이동통신용 CSMA/CA 프로토콜을이용한통신방식과본논문에서제안된항공이동통신용 CSMA/CA 프로토콜의처리량과지연시간을비교하여나타내었다. 본논문에서제안된항공이동통신용 CSMA/CA 프로토콜은기존의 CSMA/CA 프로토콜에서프레임이성공적으로전송된후다음프레임을전송할때경쟁윈도우값을최소값으로초기화시키는방식을변경시켜제안하였다. 즉, 이전프레임에서사용된경쟁윈도우값을최소값으로초기화시키는것이아니라그대로가져와사용하는방법을적용하여기존의 CSMA/CA 프로토콜과본논문에서제안된 CSMA/CA 프로토콜의항공기대수에따른처리량과지연시간을비교함으로써본논문에서제안된 CSMA/CA 프로토콜이혼잡한항공이동통신환경에서효율적으로항공교통흐름제어를할수있는지살펴보았다. - 66 -
그림 4.1 항공기대수변화에따른처리량 Fig. 4.1 Throughput according to change of air planes 그림 4.1은항공기대수변화에따른처리량 (S) 을비교한그림이다. 그림에서보는바와같이처리량은항공기의대수가 70대정도까지는기존의프로토콜과본논문에서제안한프로토콜구조가거의동일한처리량값을보이지만항공기의대수가 80대정도부터처리량값이 S = 25와 S = 28로조금씩차이를보이고있고, 이러한처리량의차이는 100대가넘어가면서부터조금씩차이가커지기시작한다. 그리고혼잡환경이라할수있는항공기의대수가 400대가넘어가면서부터는 S = 92와 S = 110으로본논문에서제안된프로토콜의처리량이더욱좋은성능을보이는것을알수있다. 마지막으로고혼잡항공이동통신환경인항공기의대수가 800대에서는처리량값이각각 S = 150 S = 180 이나왔다. 이러한결과로보아여러대의항공기가동시에통신을시도하는혼잡환경에서의항공이동통신용프로토콜은본논문에서제안된 CSMA/CA 프로토콜이기존에 - 67 -
사용되는 CSMA/CA 프로토콜구조보다더좋은처리량을보인다는것을 알수있다. 그림 4.2 항공기대수변화에따른지연시간 Fig. 4.2 Delay time according to change of air planes 그림 4.2는항공기대수변화에따른지연시간 (D) 을비교한그림이다. 지연시간의경우에도처리량과비슷하게항공기대수가적은 6대까지는기존의 CSMA/CA 프로토콜과본논문에서제안된 CSMA/CA 프로토콜의구조는각각 D = 0.17로거의동일한지연시간을보이다가 7대부터약 20대까지는본논문에서제안된프로토콜의지연시간이더좋지않은것으로나타났다. 하지만항공기의대수가 20대이후부터는항공기의대수가점점늘어갈수록본논문에서제안된프로토콜의지연시간이기존의 CSMA/CA 프로토콜과비교했을때, D = 0.18과 0.19로더적은지연시간을갖는다는것을알수있다. 이러한처리량의차이는항 - 68 -
공기의대수가 100대까지는비슷한양상을보인다. 항공기의대수가늘어나는 300대이상부터는기존의프로토콜과본논문에서제안된프로토콜의구조가각각 D = 0.19 와 D = 0.17로지연시간이점점줄어드는것을알수있다. 다음그림 4.3과 4.4는결과를자세하게보기위하여항공기대수의범위를 100~1,000대로설정한결과그림이다. 그림 4.3은항공기대수변화에따른처리량을나타낸것으로써항공기의대수가많아질수록본논문에서제안된 CSMA/CA 프로토콜이처리량의증가폭이더욱크다는것을알수있다. 그림 4.4는항공기대수변화에따른지연시간을나타낸것으로써처리량과마찬가지로항공기의대수가많아질수록지연시간이더적어항공기의대수가많은혼잡환경에서더적은지연시간으로효율적인항공이동통신을수행할수있다는것을알수있다. 표 4.2에기존의 CSMA/CA 프로토콜과본논문에서제안된 CSMA/CA 프로토콜의처리량과지연시간에대한결과값을나타내었다. - 69 -
그림 4.3 항공기대수변화 (100~1,000) 에따른처리량 Fig. 4.3 Throughput according to change of air planes(100~1000) 그림 4.4 항공기대수변화 (100~1,000) 에따른지연시간 Fig. 4.4 Delay time according to change of air planes(100~1,000) - 70 -
항공기대수 표 4.2 처리량과지연시간의비교 Table 4.2 Comparison of Throughput and Delay 기존 처리량 제안된구조 차이 기존 지연시간 제안된구조 차이 1 0.49 0.49 0 0.104 0.104 0 2 0.64 0.65 0 0.123 0.123 0 3 0.80 0.81 0 0.139 0.138 0.001 4 0.94 0.94 0 0.157 0.157 0 5 1.17 1.16 0 0.166 0.168-0.002 6 1.45 1.46 0 0.175 0.175 0 7 1.97 1.84 0 0.180 0.174 0.006 8 2.29 2.30 0 0.178 0.178 0 9 2.67 2.80 0 0.178 0.177 0.001 10 3.26 3.32 0 0.183 0.182 0.001 20 6.68 6.91 0 0.187 0.185 0.002 30 9.96 10.22 0 0.189 0.187 0.002 40 13.51 14.25 1 0.191 0.186 0.005 50 17.19 17.54 0 0.187 0.184 0.003 60 19.96 21.24 1 0.189 0.185 0.004 70 23.28 24.60 1 0.190 0.183 0.007 80 26.74 28.38 2 0.187 0.183 0.004 90 29.15 32.13 3 0.190 0.182 0.008 100 33.21 35.47 2 0.189 0.180 0.009 200 61.54 71.32 10 0.190 0.174 0.016 300 87.66 101.87 14 0.189 0.173 0.016 400 110.99 130.90 20 0.188 0.171 0.017 500 130.88 155.58 25 0.191 0.170 0.021 600 151.91 178.85 27 0.188 0.168 0.02 700 167.50 199.59 32 0.188 0.168 0.02 800 181.27 217.79 37 0.191 0.169 0.022 900 198.86 235.65 37 0.189 0.169 0.02 1000 210.22 251.28 41 0.190 0.169 0.021-71 -
제 5 장결론 항공기와항공기, 항공기와지상국의통신을의미하는항공통신은각종첨단전자장비가도입되어전천후운항이가능해지고, 신속한경제성장에따라항공교통수단이국제화, 보편화되고보다안전한항공운행과질높은서비스를요구하게됨에따라날로항공통신에대한수요가급증하고있다. 또한점차늘어나는항공기에대해지연시간없이고효율의항공통신서비스가점차요구되고있는실정이다. 이에본논문에서는혼잡환경에서효율적인항공교통흐름관리를위하여항공이동통신주파수인 118~137MHz에서사용되는 VHF 디지털링크모드 3의매체접속프로토콜에관한연구를수행하였다. 특히 VDL 모드 3에서데이터통신에사용되는 CSMA/CA 프로토콜에효율을높이는방안에중점을두었다. 성능분석을위하여기존의구조와본논문에서제안된구조의데이터처리량과지연시간비교를수행하였다. 기존의 IEEE 802.11 표준을사용하는 CSMA/CA에서는각스테이션간의충돌을줄이기위해서랜덤백오프지연시간을사용하고있다. 충돌이발생하게되면재전송을하게되며, 충돌확률을줄이기위해서백오프경쟁구간을 2배로증가한후에임의의경쟁윈도우를선택하며이에따른새로운백오프지연시간을계산하게된다. 그리고전송이성공하게되면백오프경쟁구간의범위는 acwmin 값을갖게된다. 하지만이러한방법은충돌에의해높아진경쟁윈도우값을 acwmin 값으로되돌릴경우충돌확률이높아지게되며, 전송을위해기다리는단말의수가많을경우충돌확률은더욱높아지게된다. 이와같은기존의방법을개선하여전송이성공적으로이루어졌을경우백오프경쟁구간의범위를 acwmin 값으로되돌리지않고성공적으 - 72 -
로이루어진패킷의경쟁윈도우값에서부터다음패킷의전송시도를시작함으로써충돌에대한확률을적게하여망의효율을높일수있는알고리즘을제안하였다. 모의실험결과제안된구조의데이터처리량은항공기대수가 70대정도까지는기존의 CSMA/CA 프로토콜과본논문에서제안된 CSMA/CA 프로토콜의처리량이거의동일하였지만항공기대수가 80대이상에서는처리량이조금씩차이를보이면서항공기의대수가 400대가넘어서면서 S = 92, S = 110으로본논문에서제안된프로토콜이더좋은성능을보이는것을확인하였다. 또한지연시간에대해서도항공기의대수가 100대정도까지는기존의프로토콜과본논문에서제안된프로토콜이비슷한지연시간을보였지만, 항공기대수가 300대이상에서는본논문에서제안된프로토콜이더적은지연시간을보임으로써기존의 CSMA/CA 프로토콜보다전체적으로더높은효율을보이는것을확인하였다. 앞으로모의실험환경을이상적인환경이아닌실제항공이동통신환경즉, 신호감쇠, 다중경로그리고숨겨진노드등의문제점을적용하여본논문에서제안된구조의효율성을높이는방안에대한연구가필요하다고생각된다. - 73 -
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