위성 랜덤 액세스 채널에서 CRDSA기반 다중 슬롯 예약 기법

Abstract

위성통신 네트워크의 역할은 위성의 넓은 통신 반경과 브로드캐스팅 (broadcasting) 특성을 활용하여 효율적인 통신서비스를 제공할 수 있다는 장점으로 인하여 꾸준히 증가하고 있다. 위성 채널은 요구 할당 (Dedicated Access) 기법과 랜덤 액세스 (Random Access) 기법을 통해 사용할 수 있는데 대부분의 데이터의 경우 신뢰성 있는 데이터 전송을 위하여 요구 할당 기법을 통해 전송되었다. 미래 군 통신의 경우, 위성의 광역성을 통해 넓은 지역의 전장 정보를 수집하며, 트래픽은 전장 상태의 변화에 따라 특정 시간에 집중적으로 발생하게 될 것이다. 다시 말해서 트래픽의 크기와 발생 시간의 예측이 어려울 것으로 예상되는데 이와 같은 형태의 트래픽의 처리를 위해서는 랜덤 액세스 기법을 사용하는 것이 적합하다. 그러나 초기 랜덤 액세스 기법인 SA (Slotted ALOHA)의 경우 최대 처리율이 매우 낮아 초기 로그온 메시지 및 제어 메시지 전송 용도로만 제한적으로 사용하였다. 따라서 랜덤 액세스 기법의 처리율 향상을 위한 연구가 꾸준히 수행되고 있다. 2012년 제안된 R-CRDSA (Reservation scheme with Contention Resolution Diversity Slotted ALOHA)는 랜덤 액세스 채널의 슬롯 예약 기법을 통해 처리율을 향상시킨 기법이다. 하지만 R-CRDSA의 경우 각 단말이 하나의 프레임에서 최대 하나의 슬롯만을 예약해서 전송 할 수 있기 때문에 트래픽 부하가 낮은 환경에서는 다수의 슬롯이 낭비될 수 있으며, 크기가 큰 데이터를 전송하기 위해서는 사용되지 않는 슬롯이 있더라도 여러 프레임을 사용하여 데이터를 전송하여야 한다는 단점이 있다. 이는 소수의 단말이 대규모의 전장 정보를 수집하여 전송하는 군 통신 환경에서 효율성이 크게 감소하게 된다. 제안하는 CRDSA기반 다중 슬롯 예약 기법은 분산 환경에서 각 단말이 전송하려는 데이터의 크기와 이전 프레임의 슬롯 예약 정보를 이용하여 다음 프레임에서 각 단말이 다수의 슬롯을 예약하여 패킷을 전송하는 기법이다. 제안 기법에서의 슬롯 예약 및 종료 절차는 R-CRDSA와 동일하게 위성의 오버히어링 (Overhearing) 특성과 각 단말의 버퍼를 사용하여 수행되기 때문에 별도의 추가 자원을 필요로 하지 않으며, 분산 환경에서 구현할 수 있다는 장점이 있다. 제안 하는 기법에서 각 위성 단말은 분산 환경에서 별도 운용국의 관리 없이 복수개의 슬롯을 예약하기 때문에 서로 다른 단말이 예약한 슬롯이 겹치거나 각 단말이 예약하려는 슬롯의 총 개수가 프레임의 범위를 초과하는 문제가 발생할 수 있다. 이는 시스템의 큰 문제를 야기할 수 있기 때문에 본 논문에서는 이러한 제한 사항을 해결하기 위한 다중 슬롯 알고리즘을 제안한다. 제안하는 기법을 통해 각 위성 단말이 랜덤 액세스 채널의 단말 접속률이 낮은 환경에서 소수의 단말이 다수의 슬롯을 예약하여 패킷을 전송하기 때문에 높은 슬롯 사용률과 짧은 전송 지연 시간을 보장할 수 있으며, 채널의 단말의 접속률이 증가하더라도 각 단말이 자신이 예약 할 수 있는 최적 개수의 슬롯을 계산하고 예약하여 사용하기 때문에 비교적 일정한 슬롯 사용률을 보장할 수 있다. 성능평가는 제안하는 다중 슬롯 예약 기법과 R-CRDSA간의 슬롯 사용률 및 전송 지연시간을 평가하였으며, MATLAB을 이용한 시뮬레이션을 통하여 검증하였다.