2016 년도한국철도학회춘계학술대회논문집 KSR2016S011 차축카운터시스템무선통신망의통신부하및처리지연분석 Communication delay and processing load of the axle counter system, a wireless communication network analysis 여인창 *, 김용호 * In-Chang Yeo *, Yong-Ho Kim * Abstract Since an axle counter system, a train detection system for irregular inter-train interval, is able to provide train location information, it plays an important role in train speed improvement and safety enhancement. Since current axle counter systems employ wired communication, a large amount of cost is necessary in case of sensors and system moving requiring installation, moving and removing of communication cables between a central unit and trackside units. When wireless communication network is utilize, such cost can be reduced. However, wireless communication network is relatively inefficient and limited in terms of reliability and performance. In this paper, a communication network of an axle counter system is replaced from a wired communication to a wireless communication using Wireless Local Area Network (WLAN) and then the performance of the wireless communication network is analyzed through experiments. The objective of this paper is to provide the design guidelines of the axle counter wireless communication system with respect to delay and throughput. Keywords : Axle counter system, Communication load, Processing delay, Wireless communication network 초록불연속열차검지시스템인차축카운터시스템은열차의위치정보를획득할수있는시스템으로서열차의속도향상과안전을위하여중요한부분이다. 유선통신을사용하는기존의시스템은센서및장치의위치이동시선로변의장치와중앙의연산장치간의통신케이블의신설, 이설및철거의비용이큰비중을차지한다. 무선통신을사용하면비용을효과적으로절감할수있으나유선통신대비신뢰성및성능에서제약사항들이존재한다. 본논문에서는유선통신망을무선통신망으로대체하고무선통신망의무선통신성능을실험을통하여분석한다. 무선통신망으로대체시발생할수있는지연및데이터처리율등의시스템성능분석을통해차축카운터시스템무선통신망구성에대한방향을제시하고자한다. 주요어 : 차축카운터시스템, 통신부하, 처리지연, 무선통신망 1. 서론 최근열차를검지하는방식으로엑셀카운터에대한관심이고조되고있다. 엑셀카운터시스템은측선에보조적으로사용되거나공사구간에임시적으로설치되어운용되는경우가많다 [1]. 하지만임시적으로설치되는선로변의열차검지장치와궤도처리장치간에유선 교신저자 : 한국교통대학교철도대학철도전기전자공학과 (ronnykim@ut.ac.kr) * 한국교통대학교철도대학철도전기전자공학과
통신망은설치및철거비용이많이발생하는문제가있다. 유선통신망을무선통신망으로대체시통신케이블의설치및철거비용이감소하는이점이있다. 하지만무선통신망을사용시지연및데이터처리율이유선통신망과차이가있다. 본논문에서선로변의열차검지장치와궤도처리장치간의유선통신망을무선통신망으로대체할시발생할수있는 Packet Delay와 Packet Loss부분을분석하여차축카운터시스템의무선통신망구성및알고리즘에대한방향을제시하고자한다. 본논문은 2.1에서무선통신망의구성을확인하고, 2.2에서실험을통하여취득한데이터패킷을분석하고, 2.3에서본논문에사용된통신알고리즘을분석하고자한다. 2. 본론 2.1 차축카운터시스템무선네트워크구성본논문에서일반적인엑셀카운터시스템의네트워크구성도는 Fig. 1과같이레일에설치된센서의입력을받아차축을검지하는선로변유니트와각선로변유니트에서전송된정보를바탕으로궤도를연산하는연산유니트, 연산된데이터를입력받아사용자에게그래픽으로표출하는유지보수장치로구성된다 [2]. 본논문에서제안한구성은 Fig. 1과같이선로변유니트와유무선스위치간에통신인터페이스는무선네트워크를이용하였고 802.11n을사용하였다. 그외의통신인터페이스는유선네트워크를이용하였고 100M Ethernet으로구성된다. Fig. 1 Axle Counter System Network Configuration
IP Wireless Spec. LAN Spec. System OS System CPU Client OS IPv4 IEEE 802.11n CSMA/CA IEEE 802.3u CSMA/CD Linux MPC8379E Win7 Table 1 System parameters 2.2 데이터패킷분석본논문에서분석을위하여사용한시스템파라미터는 Table 1과같이이루어져있다. 본논문에서분석을위하여사용한 Packet 데이터구조는 Fig. 2와같은구조로이루어져있다 [3][4]. Fig. 2와같이선로변유니트의 Application 프로그램에서 18Byte의데이터를네트워크를통하여연산유니트로송신할때 Application Data 18Byte에 TCP Header 20Byte가추가되어 38Byte의 TCP Data가된다. TCP Data 38Byte에 IP Header 20Byte가추가되어 58Byte 의 IP Data가된다. IP Data 58Byte에 Ethernet II의 Header 14Byte가추가되어 Ethernet Frames은 72Byte로전달된다. 따라서 Application에서송신한 18Byte의 Data는각계층의 Header가추가되어최종적으로 72Byte의 Ethernet Frame으로전송된다. Fig. 2 Communication data structure
Fig. 3 The client sends a data structure 선로변유니트는각각의 TCP포트를사용하여연산유니트와통신을한다. Fig. 3과같이각각의선로변유니트는 Ethernet Frame으로 72Byte의데이터를 30ms의간격으로 10개의 Burst Packet을구성하고 Burst Packet간에는 1초의 Delay Time을두고연산유니트에송신을한다. 실험을위하여선로변유니트와유지보수장치는 PC를이용하였다. 각각의 PC는시간동기화가필요하기때문에한국표준과학연구원에서제공하는표준시각동기프로그램을이용하여측정 PC의시간동기를맞추었다. 하지만각각의 PC에대한오차는존재한다. 각각의측정 PC 에는 Packet Generator Program과 Wire Shark Program을이용하여패킷을송수신하고송수신패킷에대하여캡쳐를하였다. Client PC를 1대에서 10대까지순차적으로증가시키며각구성요소의패킷과전송시간을측정하였다 [5]. Client PC측송신패킷을분석한결과 Application에서송신한데이터가 OS의드라이버에서각각의성능에따라정상적인패킷인 72Byte보다큰패킷이송신이된다. 본논문에서정상적인패킷인 72Byte보다큰패킷을 Over Packet으로정의하였고 Client에서송신한 Over Packet의전송횟수를전체송신횟수로나눈백분율로 Over Packet 발생률을나타냈다. Over Packet 발생률은 Fig. 4와같이나타난다. Client PC의개수와는상관없이각각의 PC 의성능에따라발생빈도가달라진다. 하지만이부분이시스템의 Application에서는처리하지못하는결과가나타나서최상위유지보수장치에정보가전달되지못하는현상이발생한다. Fig. 4 Over packet rate
Fig. 5 Wired and wireless switch equipment packet interval 각각의무선 Client PC에서보내지는송신데이터는유무선스위치를통하여연산유니트에전달된다. 패킷간의시간간격은유무선스위치에서연산유니트로송신하는패킷간의시간차를계산하였다. 각각의시간차의총합을패킷송신횟수의총합으로나누어평균값을 Packet interval로나타내고단위는초단위로나타냈다. Fig. 5에서처럼 Client PC의증가는유무선스위치의패킷량을증가시키고각각의패킷간의시간간격을짧아지게한다. 본실험에서 Client PC의데이터량이 10대까지는유무선스위치의처리용량보다적은데이터량이므로딜레이의변화가없으나 Client PC가처리용량이상으로증가하면유무선스위치의처리용량을넘게되면딜레이는점차적으로증가할것으로예상한다. 하위 Client PC의데이터를분석처리하여상위의유지보수장치로데이터를전송하는연산유니트에서분석한결과 Fig. 6과같이나타난다. 연산유니트에서송신한데이터를분석하여패킷간의송신시간차를계산하면하위 Client PC의증가는유지보수장치로전송되는데이터의송신간격의감소로나타난다. 또한하위 Client의송신데이터와연산유니트의송신데이터를분석하여동일데이터의송신시간차를 Process delay라정의하고계산하면하위 Client PC의증가는데이터를분석처리하는시간이증가하여유지보수장치로데이터를송신하는데걸리는시간이늘어남을볼수있다. Fig. 6 System equipment packet interval & process delay
Fig. 7 Systems Application Data Structure 각각의하위 Client에서수신된데이터의 Seq No. 는 Fig. 7과같이연산유니트에서처리를거쳐해당위치에데이터가업데이트되어송신된다. 하위 Client에서송신된 Seq No. 와연산유니트에서처리를거쳐송신한데이트의해당위치를비교하여처리를하지못하지못한데이터를 unprocessed로정의하여하위 client의전체송신데이터의횟수에서처리하지못한횟수를미처리률로정의하고백분율로나타냈다. 하위 Client PC의데이터와유지보수장치로송신하는데이터를분석하여연산유니트에서의미처리률을분석한결과 Fig. 8과같이 Client PC의증가는미처리률의증가함으로나타난다. 미처리률의증가는하위 Client의패킷데이터와유무선스위치의패킷데이터를분석한결과통신상의오류에의한패킷로스나패킷딜레이보다는연산유니트의통신데이터를처리하는알고리즘에서 Client의데이터량의증가에의한패킷간의 Interval감소를올바로처리하지못하는문제가있다. Interval의감소는패킷데이터수신버퍼에한개이상의패킷데이터가존재하게되는데 Application Program에서수신버퍼에존재하는데이터를한꺼번에읽어들이게되고이데이터는 Application Program에서데이터오류로판단하여처리하지않고데이터를폐기시키는문제가발생한다. 또한데이터를처리하는동안수신되는데이터가한개이상일경우에도같은문제가발생한다. Fig. 8 System Equipment unprocessed rate
2.3 통신알고리즘분석정보를올바로처리하지못하는큰이유중하나는 Client PC에서송신하는데이터중 Application Program에서의데이터가정상적으로오지못하고 Application Program의여러데이터가한 Frame으로오는경우가있다. 이는 TCP 상태에서정상적인패킷이지만 Application Program에서이부분을오류로판단하여처리하지않음을확인하였고이에대하여추후 Application Program에서연속적인데이터가한프레임으로오더라도정상적으로처리할수있도록프로그램알고리즘을수정하여야하고또한통신 Application Program에서송신한데이터가정상적으로수신됨을확인한후다음데이터를보내도록알고리즘을수정하여야한다. 정보를올바로처리하지못하는또다른이유는유선네트워크상에서는 Application Program에서데이터를보내는시간간격인 30ms가정상적으로캡쳐데이터에서도나타나지만무선네트워크의경우유무선스위치에서데이터의시간간격이 30ms이하로나타나는경우도발견하였다. 이는정보를처리하는연산유니트에서새로운정보에대한처리를하는동안다른추가정보가연달아오게되었을경우처리하지못하는경우로확인되었다. 따라서연산유니트에서데이터를처리하는동안에수신된데이터는메모리를이용하여저장하고정보를처리하는프로세서는메모리의데이터를처리하는것으로알고리즘을수정하여야한다. 3. 결론본논문에서는선로변유니트의패킷데이터발생간격및연산유니트의처리시간을일정하게가정하여분석하였다. 분석결과데이터처리시스템의처리알고리즘에따라데이터를올바로처리하지못하는경우가발생하며이에따른알고리즘의수정이필요하다. 실제설계시이벤트발생간격과연산유니트의처리시간을정확히측정할필요가있고이에따른연산유니트당처리할수있는선로변유니트에제한을두어야한다. 차후네트워크측정장비를이용하여통신데이터의정확한값을측정하여야하고무선통신네트워크를이용시발생할수있는여러변수에대한연구가필요하고시스템의데이터처리에대한알고리즘을수정보완할필요가있다. 참고문헌 [1] D.A.Norris B.E. (1993) Integrating an Axle Counting Function into the VPI Computer based interlocking, IRSE Integrated Axle Counter System [2] Stefan Lugschitz (2014) New applications through axle counter communications over open networks, Frauscher Sensortechnik GmbH [3] James F. Kurose (2013) Computer networking: A Top-Down Approach 6 th edition, Pearson Education Korea LTD, Korea, pp.430 444 [4] Jochen H. Schiller (2008) Authorized translation of the English edition of Mobile Communications, 2 nd Ed. HANBIT Media, Inc., Korea, pp.287 325
[5] Alberto Leon-Garcia (2008) Probability, Statistics, and Random Processes for Electrical Engineering, Pearson Education Korea LTD, Korea, pp.696 704