Performance Analysis of WiMedia D-MAC Communications for a Shipboard Wireless Bridge

An integrated ship area network has functionality of remote control and autonomous management of various sensors and instruments embedded or boarded in a ship. For such environment, a wireless bridge is essential to transmit control and/or managing information to sensors or instruments from a central integrated ship area network station. In this paper, one of reliable schemes of wireless bridge using WiMedia distributed MAC (D-MAC) protocol is proposed to increase a communication reliability. Simulation results show that the proposed wireless bridge using WiMedia D-MAC protocol guarantees reliable communications between 2-hop devices. ※ 본 논문은 2013년도 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)의 연구결과로 수행되었음 First Author : Gyeongin National University of Education Department of Computer Education, khur@ginue.ac.kr, 종신회원 ° Corresponding Author : Mokpo National University Department of Electronics Engineering, srlee@mokpo.ac.kr, 정회원 * Mokpo National University Department of Computer Engineering majung@mokpo.ac.kr. 정회원 논문번호:KICS2014-05-181, Receved May 2 2014; Revised July 9, 2014; Accepted July 9, 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 서비스 지원 선박 네트워크 구조기술 은 선박 네트워크모델을 제시하고 선박 네트워크에 연결된 기관감시제어장치, 항해기록저장장치, 통합항 해장치를 선박 내에서 통합적으로 모니터링을 가능하 도록 한다. 그리고 육상에서는 인공위성을 통해 선박 내 IT기자재에 대한 원격제어가 가능하다. 이는 조선 산업에 첨단 IT기술을 접목해 선박장치 통합제어를 기반으로 지능화 및 자동화된 항해정보 시스템을 개 The Journal of Korea Information and Communications Society '14-07 Vol.39C No.07 598 그림 1. 기존의 선내 유선네트워크(MiTS), NMEA 네트워크 Fig. 1. Ship Integrated Network(MiTS), NMEA Network 발하고 광대역 유무선 네트워크 및 각종 센서연동 기 술을 기반으로 선박 항해를 실시간으로 모니터링해서 선박의 각종 센서 및 장치들을 원격에서 유지보수하 고 제어할 수 있는 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 packet와 multi packet외에 fast packet 프로토콜을 추 가하여 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 선박내 네트 워크를 통합하는 통합유무선네트워크 기술의 연구는 필요한 상황이다. 특히 선박내 센서들과 장치들의 정 보를 수집하여 전송하는 브릿지(bridge) 기능을 수행 하는 게이트웨이의 무선화가 필요하다. 무선화 방식으 로 다양한 무선통신방식을 고려할 수 있는데, 본 논문 에서는 효율적인 처리가 가능하고 고속데이터 전송을 고려한 와이미디어(WiMedia) 통신방식을 적용한 구 성방식을 제안한다. 와이미디어 방식을 적용하기 위해서 고려하는 중앙 집중식(centralized) MAC 프로토콜은 클러스터 헤더 노드가 이동하거나 주변 채널환경이 악화되어 정상적 인 통신이 불가능하게 되는 경우, 해당 클러스터에 속 한 노드들에 대한 정보는 물류 시스템 서버에 전달될 수 없고 새로운 클러스터 헤더가 결정되는 데에 시간 및 에너지가 소모되는 문제가 예상된다 . 또한 무선 브릿지의 리더(reader) 노드간 통신을 위 한 인증된 규격이 존재하지 않으므로, 보다 유연한 설 계가 가능한 분산적(distributed) MAC 프로토콜을 고 려하여 적용한다 . 따라서 본 논문에서는 이러한 선 내 통합유무선 네트워크를 위한 무선 브릿지로 와이 미디어기반 통신방식구조를 제안한다. 제안한 무선 브 릿지구조에서 선내 제어 유선네트워크의 정보를 효과 적으로 전송할 수 있는 방안으로 분산적인 MAC 기반 의 와이미디어 통신 방안을 적용하여 성능을 분석하 고자 한다 . 본 논문의 2장에서는 제안된 무선 브릿지 구성모델 과 시스템 모델을 제안하고, 적용하는 와이미디어 분 산적 MAC 프로토콜 방식을 설명한다. 3장에서는 제 안된 구성방식을 시뮬레이션을 통하여 성능을 분석하 고, 4장에서 결론을 맺는다. II. 선내 통합유무선 네트워크용 와이미디어 기반 무선 브릿지 2.1 와이미디어 기반 무선 브릿지 구성방식 기존의 선내 유선네트워크와 NMEA 네트워크의 구성은 그림 1과 같이 선내 제어 네트워크(이더넷기반 의 MiTS)에 게이트웨이가 연결되어있고, 그 하부에는 각 장치들이 연결되어 있는 NMEA 장치네트워크 (instrument network)로 구성되어진다. 본 논문에서 그림 2에 보인 것과 같이 와이미디어를 게이트웨이 (gateway) 역할을 담당하도록 하는 선박 통합네트워 크용 무선 브릿지 구성방식을 제안한다. 그림 2와 같이 와이미디어 기반 무선 브릿지는 선 내 제어유선네트워크의 게이트웨이역할을 수행하는 와이미디어 PNC(piconet network coordinator), 각 장 치들에 부착된 와이미디어 디바이스로 구성되고, 경우 에 따라 인프라 노드를 추가하여 보다 효율적이고 안 정적인 네트워킹을 보장할 수 있다. 와이미디어 디바 이스는 장치들을 비롯한 기타 정보전송이 필요한 장 치들로부터 관련 정보를 수집하고 이를 무선 브릿지 에 전달한다. 특히 와이미디어 디바이스와 무선 브릿 지간의 에너지 효율적이며 신뢰성있는 통신이 보장되 논문 / 선내 무선 브릿지용 와이미디어 D-MAC 통신의 성능분석 599 그림 2. 제안하는 선내 통합네트워크용 와이미디어 무선 브 릿지 구성방식 Fig. 2. Proposed WiMedia D-MAC Communications for an Shipboard Wireless Bridge Element ID Length (=4+4*N) DRP Control Target/Owner DevAddr DRP Allocation 1 DRP Allocation N ... 1 octet 1 octet 2 octets 2 octets 4 octets 4 octets Reservation Type Stream Index Reason Code Reservation Status Owner Conflict Tie-breaker Unsafe Reserved b0~b2 b3~b5 b6~b8 b9 b10 b11 b12 b13~b15 Zone Bitmap MAS Bitmap