ECMA-392 Cooperative MAC Protocol for QoS Guarantee in Multi-Hop Wireless Bridge in Ship Area

In this paper, we use the ECMA-392 standard, the first cognitive radio networks to meet the demand for IT services in the ship. We propose a ECMA-392 cooperative MAC protocol to ensure QoS to support multimedia services in the ship area in a multi-hop wireless bridge using ECMA-392 networks. Because the proposed protocol transmits directly or relay transmission by selecting efficient routes based on the information of the ECMA-392 devices, it provides communication to ensure QoS of the device. The simulation results show that the proposed cooperative MAC protocol improves a throughput of devices compared to the existing method. ※ 이 논문은 2014년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(NRF-2009-0093828)과 미래창조과 학부 및 정보통신산업진흥원의 IT융합 고급인력과정 지원사업(NIPA-2014-H0401-14-1009) 및 2013년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No.2011-0029321) First Author : Institute Research of Information Science and Engineering, Mokpo National University, rikioh75@gmail.com, 정회원 ° Corresponding Author : Department of Information Electronics Engineering, Mokpo National University, srlee@mokpo.ac.kr, 정회원 * Department of Electronics Engineering, Mokpo National University, hoho745@mokpo.ac.kr ** Department of Computer Engineering, Mokpo National University, majung@mokpo.ac.kr. 정회원 *** Department of Information and Communication Engineering, Mokpo National University , ylee@mokpo.ac.kr, 정회원 논문번호:KICS2014-10-404, Received October 8, 2014; Revised December 4, 2014; Accepted December 4, 2014 I. 서 론 최근 국내에서는 ETRI와 현대중공업이 공동으로 스마트쉽을 만들기 위해 IT기반 선박용 통합모니터링 인프라 기술인 선박 네트워크(Ship Area Network)를 개발하고 있다 . 선박용 부가 서비스를 지원하는 선 박 네트워크 기술은 선박 네트워크에 연결된 기관감 시제어장치, 항해기록저장장치, 통합항해장치 등을 선 The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences '14-12 Vol.39C No.12 1290 박 내에서 통합적으로 모니터링 할 수 있게 한다. 또, 육상에서는 인공위성을 통해 선박 내 IT기자재에 대 한 원격제어가 가능하다. 이는 조선산업에 첨단 IT기 술을 접목해 선박장치 통합제어를 기반으로 지능화 및 자동화된 항해정보 시스템을 개발하고 광대역 유 무선 네트워크 및 각종 센서 연동기술을 기반으로 선 박 항해를 실시간으로 모니터링해서 선박의 각종 센 서 및 장치들을 원격에서 유지보수하고 제어할 수 있 는 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 장 착한 4,800bps의 single talker, single listener 시리얼 데이터 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, 250 kbps 를 사용한다. NMEA 2000은 SAE J 1939의 single packet과 multi packet 외에 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 노 르웨이에서 시작한 것으로 shipboard control network 의 표준으로 사용하고 있다 . 따라서, 이러한 선박 표준네트워크와 선박 내 네트 워크를 통합하는 통합 유무선 네트워크 기술의 연구 는 필요한 상황이다. 특히 선박 내 센서들과 장치들의 정보를 수집하여 전송하는 브릿지(bridge) 기능을 수 행하는 게이트웨이의 무선화가 필요하다. 무선화 방식 으로 다양한 무선통신방식을 고려할 수 있는데, 본 논 문에서는 적응적이고 합리적으로 무선 주파수를 활용 하는 인지무선(Cognitive Radio) 기술을 이용하여 연 구를 진행한다 . IEEE 802.22는 광대역 무선 인터넷 서비스에 인지 무선 기술을 적용하여 54∼862 MHz 사이의 TV 주 파수 대역에서 WRAN(Wireless Regional Area Network) 서비스를 제공하기 위한 표준을 선보였다 . IEEE의 활동과는 별개로 ECMA-International 은 개인/휴대기기들을 위한 인지무선 표준을 발표하였 다 . IEEE 802.22 표준은 고정형 기기를 이용하여 도시 외곽 지역에서 서비스를 제공하는 반면에, ECMA-International 은 고정형 기기와 개인/휴대기기 의 혼합형 네트워크를 통한 서비스를 제공한다. 한편, 고속 무선 데이터 서비스에 대한 수요가 급격 히 증가하는 반면, 대부분의 스펙트럼은 전혀 사용되 지 않고 있거나 사용률이 매우 저조한 것이 현실이다. Shared Spectrum Company의 측정 결과에 의하면 30 ∼3,000 MHz 대역을 기준으로 미국 6개 지역에서 사 용되는 비율은 평균 5.2%에 불과하다. 인구 과밀 지 역인 뉴욕시의 경우에도 스펙트럼 사용률은 기껏해야 13.1% 수준이다 . 나아가 DTV로의 전환 시기와 맞 물려 사용되지 않거나 사용률이 저조한 스펙트럼 (white space 라고 부름)을 이용하기 좋은 기회라고 할 수 있다. TV white space의 장점은 높은 주파수 대역에 비 해 전파 특성이 우수하여 넓은 커버리지를 확보할 수 있다는 점이다. TV white space의 추가적인 대역으로 인해 ISM(Industrial Scientific and Medical) 대역의 포화 문제를 어느 정도 해결할 수 있을 것으로 예상된 다. ECMA-392 표준의 대표적인 서비스 모델은 홈 네 트워크에서 고화질 비디오 전송서비스, 빌딩이나 캠퍼 스 내에서 무선 데이터 서비스, 소도시에서 넓은 커버 리지를 만족하는 무선 인터넷 접속 등이다. 넓은 커버 리지를 만족하면서도 고속의 데이터 전송 성능을 보 이기 때문에 선박 내에서 사용하기에 적절하다고 볼 수 있다. 본 논문에서는 선박 내 IT 서비스에 대한 요구에 부응하기 위해 적응적이고 합리적으로 무선 주파수를 활용하는 인지무선(CR) 기술 중 최초 표준인 ECMA-392 네트워크를 사용한다. 그리고, 선박 내 멀 티 홉 무선 브릿지에서 QoS 보장을 위한 ECMA-392 협력 MAC 프로토콜을 제안한다. 제안하는 프로토콜 은 ECMA-392 장치들 사이의 정보를 바탕으로 효율 적인 경로를 선택하여 전송하기 때문에 장치의 QoS 를 보장하는 통신을 제공한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. 2장에서는 ECMA-392 기반 네트워크에 대해 설명하고, ECMA392 기반 무선 브릿지 구성방식에 대해 살펴본다. 3장 에서 선박 내 멀티 홉 무선 브릿지에서 QoS 보장을 위한 ECMA-392 협력 MAC 프로토콜을 제안한다. 4 장에서 성능 평가를 하고, 5장에서 결론을 맺는다.