A Network Coding for Multi-Hop Ship-to-Ship Communications

We propose a two-way multi-hop relaying scheme improving the throughput as well as enlarging the coverage for ship-to-ship communications in multi-ship marine networks. The proposed scheme reduces the time slots required for the data exchange by designing data transmission and network coding procedures in a sophisticated way based on two-phase digital network coding. Simulation results show that the proposed two-way multi-hop relaying scheme improves the throughput of the conventional one about 5/3 times. ※ 본 연구는 미래창조과학부 및 정보통신산업진흥원의 IT융합 고급인력과정 지원사업(NIPA-2014-H0401-14-1009)과 정부(교육부) 및 한국연구재단의 일반연구자지원 사업으로 (2012R1A1A2040091) 수행된 연구임. First Author : Kyung Hee University, Department of Electronics and Radio Engineering, dopthinh@gmail.com, 학생회원 ° Corresponding Author : Kyung Hee University, Department of Electronics and Radio Engineering, yheekim@khu.ac.kr, 종신회원 * 경희대학교 전자전파공학과, chrisdr84@khu.ac.kr, 학생회원 ** 목포대학교 정보전자공학과, srlee@mokpo.ac.kr, 정회원 *** 목포대학교 컴퓨터공학과, majung@mokpo.ac.kr, 정회원 논문번호:KICS2014-05-160, Receved May 2 2014; Revised July 9, 2014; Accepted July 9, 2014 I. 서 론 최근 다양한 육상 무선 통신의 발전과 함께 해양 환경을 고려한 해상 통신에 대한 연구가 활발히 진행 되고 있다. 해상에서는 전송거리가 긴 MF/HF 대역의 모뎀과 VHF 대역의 AIS(automatic identification system)을 주로 사용 중이다. AIS는 VHF 대역 중 156MHz, 162MHz 에서 SOTDMA (self-organized TDMA) 방식을 사용하여 선박관련 정보와 항해 안전 정보 등을 주고받아 선박간의 충돌 회피 및 원활한 항 해를 가능하게 하는 시스템이다 . MF/HF 대역의 모뎀은 전송거리가 길다는 장점을 가지지만, 낮은 전 송 속도로 인해 효율적인 서비스를 제공하기에 부족 함이 있다. 항만의 경우 기존의 육상 통신 시스템 기 지국을 해안에 설치하여 최대 15km에 이르는 지역까 지 고속 무선 통신을 제공하는 서비스를 제공할 수 있 지만, 연안과 대양의 경우 육상의 기지국으로 네트워 크를 구성하는 것이 불가능하다. 이러한 한계를 극복 하기 위해 해상 위성통신(inmarsat)을 이용하기도 하 지만 , 이는 많은 비용이 들기 때문에 중소형 선박 논문 / 다중-홉 선박간 통신을 위한 네트워크 부호화 기법 567 그림 1. -홉 해상 통신 시스템. Fig. 1. -hop ship-to-ship communication system. 에 사용하기 어렵다. 따라서 군집해 있는 선박들이 저 비용으로 상호 통신을 가능하게 하고 통신 서비스 영 역을 넓힐 수 있는 새로운 방법이 필요하다. 본 논문에서는 선박 간 통신 가능 영역을 확장하여 통신 연결성을 높이는 다중-홉 릴레이 통신 방식을 고 려한다. 다중-홉 릴레이 통신은 송신 노드가 최종 목 적 노드까지 데이터를 전달할 때 송신 노드와 목적 노 드 사이에 위치한 다른 노드가 신호를 전달함으로써 전송 반경을 넓힐 수 있다. 이러한 다중-홉 릴레이 통 신 방식에 대한 연구는 대부분 증폭-후-전달 (amplify-and-forward) 또는 복호-후-전달(decodeand-forward) 방식을 기반으로 한 단방향 통신에 집중 되었다 . 그러나 이러한 단방향 다중-홉 릴레이 방 식은 릴레이 전송 시 시간 슬롯이 추가로 소요되기 때 문에 주파수 효율이 저하되는 문제가 발생한다. 이러한 주파수 효율 저하 문제를 극복하는 방법으 로 이중-홉 환경에서 양방향 통신을 위한 두 단계 아 날로그 네트워크 부호화 , 세 단계 디지털 네트워크 부호화 , 두 단계 디지털 네트워크 부호화 기법 등이 제안되어 활발한 연구가 진행되었다. 이에 최근 에는 상기 방식을 다중-홉 환경에 적용하는 연구가 발 표되고 있다. 먼저 두 단계 아날로그 네트워크 부호화 를 다중-홉 릴레이 네트워크에 적용한 연구에서는 [14,15] 복잡성으로 인해 4-홉 환경에서 제한적으로 연 구되었다. 이 방법은 홉 수가 증가하면 신호 증폭 효 율이 나빠지고 다른 홉의 채널상태정보를 모두 알아 야 간섭을 소거할 수 있기 때문에 실제적인 적용이 어 렵다. 이러한 문제를 극복하기 위해 복호-후-전달 기 반 방식이 [16-17] 제안되었는데, 세 단계 디지털 네트워 크 부호화를 기반으로 한 [17]의 제안 기법이 [16] 의 제안 기법보다 향상된 전송률을 제공하였다. 이에 본 논문에서는 [17]보다 향상된 성능을 제공 하도록 두 단계 디지털 네트워크 부호화를 [12,13] 다중홉 환경에 알맞게 확장한 방식을 제안한다. 이후 논문 의 구성은 다음과 같다. II장에서는 고려하는 다중-홉 해양 통신 시스템 모형과 기존 및 제안 기법에 필요한 네트워크 부호화 기법을 설명한다. III장에서는 제안하 는 다중-홉 양방향 릴레이 기법을 기존 기법과 비교 설명하고, IV장에서 레일리 페이딩 채널에서의 성능을 비교한다. 마지막으로 V장에서 결론을 맺는다.