UAV를 활용한 CSMA/CA 기반 실시간 중계 통신 기법

Abstract

기존 지상망과 위성망으로 이루어진 통신 체계는 지상망의 지형 제약으로 인한 LOS 보장 불가 문제와 늘어나는 통신 노드 대비 위성망의 주파수 자원 부족 문제로 인해 두 체계 사이에 공중망을 부체계로 활용하는 연구가 진행되고 있다. 공중 네트워크는 크게 고고도에서 라우팅과 네트워크 자원 할당을 관리하는 상시 네트워크와 지상 노드의 통신 중계를 지원하는 중계 네트워크로 나뉜다. 공중 중계 네트워크는 기존 통신 네트워크와 달리 통신 범위가 증가하고, 2홉 통신을 통해 이루어지는데, 이에 관한 논문은 기존 CSMA/CA 프로토콜을 적용하여 실험적인 결과를 바탕으로 한 논문이 대부분이며, 공중 중계 환경에 적합하도록 설계된 MAC 프로토콜에 대한 연구는 활발히 이루어지지 않고 있다. 본 논문은 경쟁 기반 채널 접근 방식인 CSMA/CA (Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance) 기법을 활용하여 UAV (Unmanned Aerial Vehicle) 공중 중계통신을 구성할 때 야기되는 실시간성 보장 불가 문제에 대해 분석하며, 이를 해결할 수 있는 CSMA/CA 기반 실시간성 보장 기법을 제안한다. 기존 CSMA/CA 기법을 통한 공중 중계 통신은 중계 노드를 담당하는 UAV 또한 경쟁을 통하여 채널에 접근하기 때문에 2 홉 거리의 전송 환경인 공중 중계 통신에서의 실시간성 보장은 불가능하며, 계속적인 경쟁 실패로 인한 오버플로우 문제가 발생할 수 있다. 또한 일대일 통신을 기반으로 설계되었기 때문에 중계 과정에서의 패킷 전송 실패를 송신노드가 확인할 수 없는 신뢰성 보장 불가 문제 또한 발생한다. 제안하는 실시간 보장 기법 TM-CSMA/CA (Time Mirroring based CSMA/CA)은 중계 노드에 우선순위를 부여하여 기존 2번의 경쟁을 통한 중계 방식을 1번의 경쟁과정을 통해 이루어지도록 하여 통신 과정에서의 실시간성을 부여한다. 또한 위성에서 사용되는 오버히어링 (Overhearing) 기법을 활용하여 자신이 보낸 데이터가 제대로 중계노드에게 전해졌는지 확인하며, Ack 프레임 교환 과정을 생략하여 불필요한 프레임 교환 오버헤드를 감소시킴으로써 실시간성을 강화한다. OPNET Modeler 시뮬레이터를 활용한 성능 분석 결과, 제안하는 기법이 기존 CSMA/CA 기법에 비해 높은 처리량과 낮은 데이터 지연 시간을 보임을 확인할 수 있었고 중계 과정에서의 경쟁 생략으로 중계노드의 지연과 오버플로우가 사라짐을 확인할 수 있다. 따라서 제안하는 기법은 실시간성을 보장 할 수 있는 공중 중계통신 기법이라 할 수 있다.