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With the advance of wireless communication technology in terrestrial area, underwater communication is also evolving very fast from a simple point-to-point transmission to an elaborate networked communications. Underwater acoustic channel has quite different features comparing with the terrestrial radio channel in terms of propagation delay, Doppler shift, multipath, and path loss. Thus, existing technologies developed for terrestrial communication might not work properly in underwater channel. Especially medium access control (MAC) protocols which highly depend on propagation phenomenon should be newly designed for underwater network. CSMA/CA has drawn lots of attention as a candidate of underwater MAC protocol, since it is able to resolve a packet collision and the hidden node problem. However, a received signal could be degraded by the interferences from the nodes locating outside the receiver’s propagation radius. In this paper, we study the effects of interference on the CSMA/CA based underwater network. We derived the SNR with the interference using the sonar equation and analyzed the degradation of the RTS/CTS effects. These results are compared with the terrestrial results to understand the differences. Finally we summarized the design considerations in CSMA/CA based underwater network. 논문 15-40-08-21 The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences '15-08 Vol.40 No.08 http://dx.doi.org/10.7840/kics.2015.40.8.1631 1631 ※ 이 연구는 충남대학교 학술연구비에 의해 지원되었음 First Author : Department of Electronics Engineering, Chungnam National University, mjsong@cnu.ac.kr, 학생회원 ° Corresponding Author : Department of Electronics Engineering, Chungnam National University, jangys@cnu.ac.kr, 종신회원 * School of Electronics Engineering, Kyungpook National University, hscho@ee.knu.ac.kr, 종신회원 논문번호:KICS2015-06-196, Received June 22, 2015; Revised August 3, 2015; Accepted August 3, 2015 The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences '15-08 Vol.40 No.08 1632 그림 1. 전송 영역 및 간섭 영역 Fig. 1. Transmission range and interference range I. 서 론 최근 해양학적 정보수집 또는 군 전술상의 탐지 등 을 목적으로 수중 네트워크에 대한 연구가 활발히 진 행되고 있다. 수중의 통신환경은 기존의 지상 무선 환 경과 크게 차이가 있는데, 지상에서 사용하는 RF 주 파수들은 수중에서 전달 손실이 크기 때문에 사용할 수 없고 대신 음파를 이용하여 통신을 하게 된다 . 음파의 전파속도는 1500m/s로 아주 느리게 전파되 며 전달 손실도 지상과는 그 특성이 다르다. 이외에도 음파는 파도 및 해저지형에 의한 산란 및 반사가 존재 하며 염도, 해류, 수온 및 수심의 변화에 따라 음파의 전달속도가 달라지므로 지상보다 더 열악한 통신 채 널을 제공한다. 따라서, 기존의 지상에서 연구된 통신 프로토콜들을 그대로 수중 환경에 적용하는 것은 불 가능하며 수중통신 환경에 맞는 프로토콜들이 따로 연구되어야한다. 수중 통신망을 위한 매체접속제어 프로토콜에 대한 연구가 활발히 진행 중이며 지상의 CSMA/ CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance)기반의 프로토콜을 적용하는 논문들도 발 표되었다 . CSMA/CA기반 프로토콜은 데이터의 충돌을 피하 기 위해 RTS(Request to Send)/CTS(Clear to Send) 패킷을 교환하면서 채널을 미리 확보하게 된다. RTS 와 CTS의 제어패킷을 성공적으로 교환한다면 송수신 노드는 주위 노드들의 방해 없이 데이터를 교환할 수 있다는 것이다. 하지만, 좀 더 현실적인 상황을 고려 해 보면 RTS와 CTS의 제어 패킷이 도달하는 전송 범 위 내에서는 데이터를 간섭할 노드들이 없겠지만 그 림 1의 빗금 영역처럼 도달 범위 밖의 통신 노드들이 발생시키는 간섭 신호들은 피할 방법이 없다. 일부 이 러한 간섭 신호들은 데이터의 신호대잡음비(SNR)를 떨어뜨려 수신기에서 데이터 검출을 어렵게 할 수 있 다. 지상의 무선 통신 환경에서는 이러한 간섭신호들의 영향에 대해 정리가 되어 있으나 , 수중 환경에 대해 서는 정리되어 있지 않으므로 본 논문에서는 수중 통 신에서 이러한 간섭으로 인한 성능 저하를 분석해 보 았다. 먼저, 수중 환경에서의 신호대잡음비(SNR) 식 을 도출하고, 음파의 손실모델을 이용하여 간섭 신호 가 미치는 영향을 정리하였다. 또한 이 결과는 지상의 전파 간섭 영향과 비교 분석하였다. II. 수중환경에서 간섭의 영향 분석 그림 1에서 는 송신기와 수신기 사이의 거리이며, 는 각 노드의 전파 반경을 나타낸다. 는 수신기 에 간섭의 영향을 미칠 수 있는 간섭반경이라 정의한 다. 그림 1에서 간섭영역을 보면, 송신기와 수신기를 중심으로 의 반지름을 갖는 원의 영역들은 RTS/CTS 제어패킷의 교환으로 간섭 노드가 존재할 수 없으므로 간섭반경, 의 반지름을 갖는 원의 영역 에서 이 부분을 제외하고 빗금 친 영역만이 실제의 간 섭영역이 된다. 송신기에서 수신기로 데이터가 전송될 때, 빗금 친 영역 내의 간섭노드가 데이터 전송을 시도한다면 수 신노드의 본래 수신 신호에 간섭노드가 보낸 신호가 중첩되어 간섭으로 인한 성능감소가 발생한다. 간섭노 드에 의한 성능 감소를 분석하기 위해 음파의 전력손 실을 정리하고 이를 바탕으로 간섭에 의한 신호대잡 음비 저하에 대해 분석한다. 수중에서는 소나 방정식을 이용하여 거리와 전달손 실의 상관관계에 따라 송신, 수신 전력을 알면 구하고 자 하는 표적의 거리를 추정할 수 있다. 소나 방정식 을 이용해 방사된 수중 신호의 전력을 정리하면 식(1) 과 같다. |
