재난 관리를 위한 수중 음향 센서 네트워크

김희원,조호신,서보민,이재원 에스케이텔레콤 (주) 2014 Telecommunications Review Vol.24 No.6

본 논문에서는 수중 통신 및 음향 센서 네트워크 기술을 소개하고 수중 혹은 해상 재난 시, 감시 및 구조 작업에 활용될 수 있는 재난 관리 시스템으로서 수중음향센서 네트워크 기술의 활용 가능성에 대해서 고찰해 본다. 우선 수중음향 센서 네트워크의 기본 구조와 지상의 무선 채널과 상이한 음향 채널의 고유한 특성을 소개하고 이를 바탕으로 수중 통신 시스템 및 네트워크를 구현하기 위한 기술적 이슈에 대해서 살펴본다. 기술적 이슈로서 자기 조직화 기술, 매체 접속 제어 기술 및 수조 및 해상 실험 방법과 테스트 베드 구현에 관해서 다룬다. 결론으로 재난관리 시스템의 요구조건이라 할 수 있는 시급성, 신뢰성, 확장성, 적응성 측면에서 수중통신 및 음향센서 네트워크의 향후 연구 방향을 제시한다.

수중음향 센서 네트워크에서 효율적인 저전력 군집화 기법

이재훈,서보민,조호신,Lee, Jae-Hun,Seo, Bo-Min,Cho, Ho-Shin 한국음향학회 2014 韓國音響學會誌 Vol.33 No.5

본 논문에서는 수중음향 센서 네트워크에서 자기 조직화 기법을 활용하는 에너지 효율적 클러스터링 기법을 제안한다. 제안 기법은 클러스터 헤드 선출에 각 노드의 배터리 잔여량 정보와 이웃 노드의 수를 고려하며, 클러스터 헤드의 배터리 잔여량이 특정 수준 이하로 떨어졌을 경우에만 클러스터 재구성을 수행함으로써 노드의 에너지 소모를 줄이고 네트워크 전체에 에너지 소모를 분산시켜 네트워크의 수명을 연장시킬 수 있다. 또한, 클러스터 헤드는 클러스터 멤버 노드로부터 수집한 데이터를 다중 홉 중계 방식으로 싱크 노드에 전송하여 에너지 소모를 줄인다. 컴퓨터 모의실험을 통해, 일정 시간 경과 후 전체 노드의 배터리 잔여량의 합, 생존 노드의 수, 네트워크 구성 단계에서의 에너지 소모량, 전체 노드의 에너지 소모 편차 등을 구하고 대표적 클러스터링 기법 중의 하나인 LEACH 기법과 비교 및 분석한다. 모의실험 결과, 제안 기법이 LEACH 기법에 비해 네트워크 운용 시간을 두 배 향상시킬 수 있으며, 전체 노드의 에너지 소모 편차 또한 감소시킴을 알 수 있다. In this paper, an energy efficient clustering scheme using self organization method is proposed. The proposed scheme selects a cluster head considering not only the number of neighbor nodes but also the residual battery amount. In addition, the network life time is extended by re-selecting the cluster heads only in case the current cluster head's residual energy falls down below a certain threshold level. Accordingly, the energy consumption is evenly distributed over the entire network nodes. The cluster head delivers the collected data from member nodes to a Sink node in a way of multi-hop relaying. In order to evaluate the proposed scheme, we run computer simulation in terms of the total residual amount of battery, the number of alive nodes after a certain amount of time, the accumulated energy cost for network configuration, and the deviation of energy consumption of all nodes, comparing with LEACH which is one of the most popular network clustering schemes. Numerical results show that the proposed scheme has twice network life-time of LEACH scheme and has much more evenly distributed energy consumption over the entire network.

다중 홉 수중 음향 센서네트워크를 위한 MAC 프로토콜 설계

임찬숙 한국인터넷방송통신학회 2008 한국인터넷방송통신학회 논문지 Vol.8 No.6

최근에 제안된 수중 음향 센서 네트워크용 MAC 프로토콜인 T-Lohi는 저가형 음향 모뎀들이 밀집되어 구성된 네트워크에서 사용되도록 설계된 프로토콜이다. 그러나 T-Lohi는 각 노드들이 모든 노드들의 신호를 수신할 수 없어 멀티 홉 라우팅이 필요한 네트워크에서 사용될 때 hidden terminal 문제로 인해 많은 패킷 충돌이 발생한다. 본 논문에서는 T-Lohi처럼 톤을 사용하여 전력 소모에 있어서의 경제성을 추구하면서도 RTS/CTS handshaking을 통해 hidden terminal문제를 해결한 새로운 MAC프로토콜을 제안한다. 모의실험 결과는 새로운 MAC프로토콜이 T-Lohi와 비교했을 때 패킷 손실을 훨씬 줄이면서도 좋은 네트워크 활용률을 달성할 수 있음을 보여준다.

해상실험을 통한 저전력 수중음향통신 기법의 성능 분석

이태진(Tae-Jin Lee),김기만(Ki-Man Kim) 한국항해항만학회 2011 한국항해항만학회지 Vol.35 No.10

이 논문에서는 저전력 통신 기법 가운데 하나인 PSPM(Phase Shift Pulse position Modulation) 전송 기법이 근거리 수중음향 채널에서 어떠한 성능을 나타낼지 고찰하기 위해 해상실험을 통해 분석하였다. PSPM은 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)와 PPM(Pulse Position Modulation) 기법을 서로 혼합한 형태로 WBAN(Wireless Body Area Network) 시스템에서 저전력 통신을 위해 제안된 기법이다. 이는 기존의 일반적인 전송 방식에 비해 대역효율은 떨어지지만 전력효율은 증가하는 것으로 알려져 있다. 이 논문에서는 실해역에서 취득한 PSPM 데이터를 통해 BER 성능을 분석한다. 실험 결과 QPSK의 경우 총 56,000개의 전송 데이터 비트 중 오차 비트 수가 3,384개로 BER이 약 6.04×10-²이고, PSPM의 경우는 19,652개로 BER이 약 3.5×10-¹를 얻었다. 또한 영상 데이터 전송에 따른 PSNR(Peak signal-to-noise ratio)을 비교한 결과 QPSK의 경우 9.37 ㏈ 였으며, PSPM의 경우 9.11 ㏈ 였다. In this paper, we analysis to consider the performance of PSPM (Phase Shift Pulse-position Modulation), the one of the low power communication technique, in near-field underwater sound channel by sea trial. PSPM is a QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) modulation combined with PPM(Pulse Position Modulation) for low power communication in WBAN(Wireless Body Area Network). It is known that the bandwidth efficiency of PSPM is lower than conventional PSK but the power efficiency increases. In this paper, we will analyze the BER performance of PSPM using data acquired from the sea trials. The BER of QPSK was 6.04×10-², PSPM was 3.5×10-¹. Also, PSNR of QPSK was 9.37 ㏈ and in case of PSPM was 9.11 ㏈.

수중 센서 네트워크에서 노드 그룹화를 통한 전송전력 절약 방안

황성호,조호신,Hwang, Sung-Ho,Cho, Ho-Shin 한국음향학회 2009 韓國音響學會誌 Vol.28 No.8

본 논문은 수중 센서 네트워크에서 송수신 노드간 거리가 증가함에 따라 통신을 위한 전송전력이 급격하게 증가하는 단점을 효과적으로 극복하여 보다 낮은 전송 전력으로 통신할 수 있도록 하기 위한 방안을 제안한다. 제안한 방식은 각 노드들을 싱크노드로부터의 거리에 따라 몇 개의 그룹으로 나누고, 해당 그룹에 지정된 대역을 활용하게 한다. 즉, 멀리 떨어져 있어 주파수 증가에 따른 감쇠가 큰 노드들은 저주파수를, 가까운 거리에 있어 주파수 증가에 따른 감쇠가 적은 노드들은 고주파수를 활용하여 전체 노드가 일정 수준 이상의 신호 대 잡음비를 유지함으로써 전송전력을 줄일 수 있게 된다. 각 센서노드들의 거리에 따른 주파수 별 신호 감쇠 특징을 활용하여 그룹의 크기에 따라 가변되는 전송전력을 최소화하는 최적 그룹의 크기를 찾고 그룹의 크기에 비례하여 그룹 별 대역을 할당하는 알고리즘을 제안한다. 제안한 방식은 기존의 그룹을 나누지 않는 방식에 비해 10 dB이상 감소된 전송 전력을 보였다. This paper proposes a transmitted power saving method for underwater acoustic sensors considering the acoustic wave propagation characteristic that propagation loss increases more rapidly in higher frequency band. In the proposed scheme, sensor nodes are divided into a few groups based on the distance between sink node and the sensor node, and each group uses its own frequency band. The node group with longer distance uses lower frequency and the node group with shorter distance uses higher frequency. By means of such a distance-dependent frequency allocation, all sensor nodes are able to maintain a certain target signal-to-noise ratio (SNR), but also save transmitted power. In addition, the optimum size of node group is obtained, and also a frequency allocation algorithm is proposed accordingly. Numerical results show that the proposed scheme saves transmitted power by more 10 dB comparing non-grouping methods.

UW-ASN 환경에 적합한 메시지인증코드 분석 연구

정재욱(Jaewook Jung),전희승(Huiseung Jeon),원동호(Dongho Won) 한국컴퓨터정보학회 2012 한국컴퓨터정보학회 학술발표논문집 Vol.20 No.2

수중 음향 센서 네트워크(Underwater Acoustic Sensor Network, UW-ASN) 환경에서 센서노드간 데이터를 안전하게 전송하기 위해 우선적으로 암호화 알고리즘을 사용하지만, 암호화 알고리즘만으로는 충분한 안전성을 제공하지 못한다. 암호화 알고리즘은 기밀성을 제공하지만 무결성은 제공하지 못하기 때문이다. 그렇기 때문에 수중 통신 환경에서도 암호화 기술 이외에, 전송된 데이터가 변경되지 않고 안전하게 전송되었다는 무결성을 보장할 수 있는 암호화 기술이 적용되어야 한다. 이에 본 논문에서는 무결성 보장을 위한 메시지 인증 기술에 대한 연구를 진행하며, 수중 환경에 가장 적합한 메시지 인증코드(MAC)의 도출을 위한 분석 절차를 제안한다.

시변 수중 음향 채널에서 코드 분할 다중 접속 방식의 폐루프 전력 제어 기법

서보민(Bo-Min Seo),조호신(Ho-Shin Cho) 대한전자공학회 2015 전자공학회논문지 Vol.52 No.12

저수지 실험을 통한 수중 음향 코드 분할 다중 접속 방식의 다이버시티 수신 성능 검증

서보민,조호신,Seo, Bo-Min,Cho, Ho-Shin 한국음향학회 2017 韓國音響學會誌 Vol.36 No.1

코드 분할 다중 접속 기법은 주파수 선택적 페이딩에 강인할 뿐만 아니라 주파수 재사용 효율이 좋으므로 열악한 수중 환경에서의 유망한 매체 접속 제어 기법으로 많은 연구가 진행되고 있다. 본 논문에서는 다이버시티 기법을 적용한 수중 코드 분할 다중 접속 기법의 순방향 및 역방향 링크 트랜스시버를 설계한다. 사용자 데이터는 월시 부호를 사용하여 다중화되며, 유사 잡음 부호 획득 과정을 통해 위상 오류 정정 및 유사 잡음 부호 역확산을 수행한다. 수중 음향 채널의 다중 경로 페이딩에 의한 트랜스시버 성능 감소를 최소화하기 위해 동일 이득 합성 및 최대비 합성의 다이버시티 기법을 적용한다. 다이버시티 기법으로 인한 트랜스시버의 성능 개선을 확인하기 위해 평균 수심 40 m의 문경시 경천호에서 두 개의 송신기와 두 개의 수신기를 활용하여 460 m 거리에서 저수지 실험을 수행하였으며, 결과적으로 순방향 및 역방향 링크 모두 사용자 데이터가 오류 없이 복원되었다. CDMA (Code Division Multiple Access) is promising medium access control schemes for underwater acoustic sensor networks because of its robustness against frequency-selective fading and high frequency-reuse efficiency. In this paper, we design diversity schemes of underwater CDMA transceiver for the forward and reverse links. User data are multiplexed by Walsh code and a pseudo random noise code acquisition process is added for phase error correction before decoding the user data at the receiver. Then, the diversity reception using equal gain combining and maximal ratio combining is performed in order to minimize performance degradation caused by rich multipath fading of underwater acoustic channel. We evaluated the performance of diversity transceiver through lake experiment, which was performed at Lake Kyungcheon, Mungyeong city using two transmitters and two receivers placed 460 m apart at an average depth of 40 m. The lake experiment results show that user data are recovered with error-free in both of the forward and reverse links.