제어 시스템을 위한 MIMO 무선 연산

박판근(Pangun Park),김선(Seon Kim),나정효(Junghyo Nah) 한국정보통신학회 2023 한국정보통신학회논문지 Vol.27 No.3

최근 제안된 MIMO-AirComp (Multiple input multiple output over-the-air computation) 기술은 무선 통신과 컴퓨팅 자원을 효율적으로 통합하기 위하여 다중 액세스 채널의 중첩 속성을 활용한다. 본 논문에서는 제어 시스템의 제어 신호를 추정하기 위한 MIMO-AirComp 프레임워크를 제안한다. 제시된 MIMO-AirComp 프레임워크는 센서의 측정 정보 전처리, 무선 채널의 협업 중첩, 제어기의 수신 신호 후처리 기능으로 구성된다. 시뮬레이션을 활용한 성능평가를 통하여, 제안된 MIMO-AirComp가 기존 방식에 비하여 제어 신호 처리량을 향상 시켜 제어 시스템의 성능을 개선하는 것을 보여 주었다. 특히, 제안된 MIMO-AirComp 기법은 다수의 고잡음 무선 센서로 구성된 제어 시스템에서 기존의 분리된 무선 통신 및 컴퓨팅 설계 방식으로는 불가하였던 시스템의 안정성을 보장하였다. The recently proposed technique, multiple input multiple output over-the-air computation (MIMO-AirComp), leverages the superposition property of the multiple access channel to efficiently integrate the communication and computation. This article proposes the MIMO-AirComp framework to compute the control signal of control systems. The proposed framework efficiently computes the target control signal by coordinating local pre-processing at each node, aggregation through the wireless channel, and post-processing at the controller. The simulation results show that the proposed MIMO-AirComp framework considerably improves the control performance by increasing the computation throughput compared to the conventional separated communication and computation approach. The proposed scheme with many nodes essentially suppresses the noise impact of both the wireless channel and the measurement, while the conventional one only reduces the impact of the channel noise. Specifically, the proposed scheme guarantees control stability in a network composed of high-noise wireless sensors, which is infeasible with the conventional approach.

항공기내 무선 네트워크 구축 연구

박판근(Pangun Park),정방철(Bang Chul Jung),반태원(Tae-Won Ban),장우혁(Woohyuk Chang) 한국항공우주학회 2017 한국항공우주학회 학술발표회 논문집 Vol.2017 No.4

네트워크 제어 시스템을 위한 최적화된 매체 접근 확률

박판근,Park, Pangun 한국정보통신학회 2015 한국정보통신학회논문지 Vol.19 No.10

Distributed Networked Control Systems (NCSs) through wireless networks have a tremendous potential to improve the efficiency of various control systems. In this paper, we define the State Update Interval (SUI) as the elapsed time between successful state vector reports derived from the NCSs. A simple expression of the SUI is derived to characterize the key interactions between the control and communication layers. This performance measure is used to formulate a novel optimization problem where the objective function is the probability to meet the SUI constraint and the decision parameter is the channel access probability. We prove the existence and uniqueness of the optimal channel access probability of the optimization problem. Furthermore, the optimal channel access probability for NCSs is lower than the channel access probability to maximize the throughput. Numerical results indicate that the improvement of the success probability to meet the SUI constraint using the optimal channel access probability increases as the number of nodes increases with respect to that using the channel access probability to maximize the throughput. 무선 네트워크를 통한 네트워크 제어 시스템 (NCS: Networked Control Systems)은 다양한 제어 시스템의 효율성을 극대화 할 수 있는 잠재력을 가지고 있다. 본 연구에서는 네트워크 제어 시스템으로부터 이끌어낸 상태갱신주기(SUI: State Update Interval)라는 성능 메트릭을 정의한다. 제시된 상태갱신주기는 제어와 통신 시스템 계층 사이의 핵심적인 상호작용을 포함하고 있다. 제시된 성능 메트릭은 NCS를 위한 최적화 문제를 도출하는데 사용이 되었으며, 이러한 최적화 문제의 목적 함수는 상태갱신주기의 제한 요소를 만족하는 확률이며 변수는 매체접근 확률로 표현되었다. 본 연구에서는 제시된 최적화 문제의 최적 매체접근 확률이 유일한 해를 가진다는 것을 증명하였다. 또한 NCS를 위한 최적의 매체접근 확률은 전송률을 극대화하는 기존의 매체접근 확률보다 낮다는 결론을 도출하였다. 성능 분석 결과를 통하여 시스템의 안정도가 상태갱신주기를 고려한 최적의 매체접근 확률을 사용하였을 때가 전송률을 최대화하는 매체접근 확률을 사용 했을 때 보다 높다는 점을 보였다.

사물인터넷을 위한 라우팅과 매체접근제어의 상호작용

박판근,Park, Pangun 한국정보통신학회 2015 한국정보통신학회논문지 Vol.19 No.10

무선 MAC (Medium Access Control)과 라우팅 기술은 사물인터넷의 핵심 네트워크 기술 요소로서. 최근 이와 관련된 집중적인 연구가 진행 되고 있다. 그러나 사물인터넷을 위한 새로운 표준이 제안되고, 다른 네트워크 관련 기술들이 패치되면서, 이러한 네트워크의 성능을 평가하는 방식은 명확하지 않다. 본 연구에서는 사물인터넷을 위한 최근의 MAC과 라우팅 프로토콜 기술을 분석 정리하고, 이들 간의 상호작용에 대하여 설명하였다. 특히, 현재 많은 사물인터넷 관련 분야에서 고려되고 있는 IEEE 802.15.4 MAC 과 RPL (Routing Protocol for Low-power Lossy Network) 라우팅 프로토콜의 기술을 설명하고 이들 간의 상호 작용에 대하여 설명하였다. 이러한 분석에 따라 경쟁기반의 MAC 프로토콜의 경우 라우팅의 성능에 치명적인 영향을 줄 수 있으므로 MAC과 라우팅 관련 시스템 파라미터를 최적화 할 수 있는 모델링을 제시하였다. Wireless Medium Access Control (MAC) and routing technologies are the basic building blocks making it possible the Internet of Things (IoT). These technologies have been the focus of substantial research in the last decade. Nevertheless, as new networking standards for IoT are being proposed and different solutions are patched together, evaluating the performance of the network becomes unclear. In this paper, a new overview of MAC and routing protocols for IoT and new interactions are given. The IEEE 802.15.4 MAC and Routing Protocol for Low-power Lossy Network (RPL) routing protocols are taken as reference to exemplify and illustrate the discussion. Experimental results show that contention-based access MACs may hurt the routing, unless these two are carefully designed together.

크리티컬한 제어 시스템용 고강건 무선 센서 액추에이터 네트워크

박판근,Park, Pangun 한국정보통신학회 2020 한국정보통신학회논문지 Vol.24 No.11

무선 링크의 불확실성과 임베디드 장치의 결함으로 인하여 무선 네트워크 기반 제어 시스템의 안정성을 보장하는 것은 여전한 도전과제이다. 본 논문에서는 시간, 채널 및 공간 자원의 다양성을 조합하여 계층적 클러스터 기반 고강건 무선 센서 액추에이터 네트워크(R-WSAN; Robust Wireless Sensor and Actuator Network )를 제시한다. R-WSAN은 무선 네트워크 자원 할당을 위한 스케줄링 알고리즘과 다중 플랜트의 제어 안정성을 보장하기 위한 제어 업무 공유 알고리즘을 포함한다. 또한, 제시된 프로토콜은 Zolertia RE-Mote 임베디드 하드웨어와 Contiki-NG를 기반으로 구현되고, 실험을 통하여 성능을 분석 하였다. 실험 결과를 통해 R-WSAN이 무선 링크 및 노드의 결함에도 고강건성을 보장하는 것을 보여 주었다. 또한, 제시된 스케줄링 알고리즘과 제어 공유 알고리즘을 통해, 제어 노드의 결함에도 제어 시스템의 안정성을 보장할 수 있음을 보여주었다. The stability guarantee of wireless network based control systems is still challenging due to the lossy links and node failures. This paper proposes a hierarchical cluster-based network protocol called robust wireless sensor and actuator network (R-WSAN) by combining time, channel, and space resource diversity. R-WSAN includes a scheduling algorithm to support the network resource allocation and a control task sharing scheme to maintain the control stability of multiple plants. R-WSAN was implemented on a real test-bed using Zolertia RE-Mote embedded hardware platform running the Contiki-NG operating system. Our experimental results demonstrate that R-WSAN provides highly reliable and robust performance against lossy links and node failures. Furthermore, the proposed scheduling algorithm and the task sharing scheme meet the stability requirement of control systems, even if the controller fails to support the control task.

무선 채널을 활용한 제어 신호 컴퓨팅

정민규,박판근,Jung, Mingyu,Park, Pangun 한국정보통신학회 2021 한국정보통신학회논문지 Vol.25 No.7

무선 기반 제어 시스템에서 안정성을 보장하기 위한 일반적인 설계 방식은 제어기가 무선채널을 통하여 개별 센서 값을 수신한 다음 계산된 제어신호를 액추에이터로 전송한다. 본 논문에서는 플랜트의 모든 센서가 동시에 스케일링된 신호를 액추에이터로 전송한 후, 액추에이터가 수신 된 신호를 추가적으로 스케일링하여 피드백 제어신호를 계산할 수 있는 Over-the-air controller 기법을 제안한다. 이러한 제어신호 컴퓨팅 기법은 기본적으로 Over-the-air computation 기술을 적용하여 무선 제어 시스템의 제어신호를 무선채널을 통하여 계산한다. 일반적인 센서-제어기-액추에이터 통신 방식과 대조적으로, Over-the-air controller는 다중 액세스 무선채널의 중첩 속성을 활용하여 단일통신 자원에서 다수 센싱 신호의 통신 및 컴퓨팅을 완료한다. 따라서 제안된 기법은 전용 제어기가 필요하지 않은 단순한 네트워크 구조로 피드백 지연시간 및 무선 자원 사용률을 개선시킬 수 있다. To stabilize closed-loop wireless control systems, the state-of-the-art approach receives the individual sensor measurements at the controller and then sends the computed control signal to the actuators. We propose an over-the-air controller scheme where all sensors attached to the plant transmit scaled sensing signals simultaneously to the actuator, and the actuator then computes the feedback control signal by scaling the received signal. The over-the-air controller essentially adopts the over-the-air computation concept to compute the control signal for closed-loop wireless control systems. In contrast to the state-of-the-art sensor-to-controller and controller-to-actuator communication approach, the over-the-air controller exploits the superposition properties of multiple-access wireless channels to complete the communication and computation of a large number of sensing signals in a single communication resource unit. Therefore, the proposed scheme can obtain significant benefits in terms of low actuation delay and low resource utilization with a simple network architecture that does not require a dedicated controller.

크리티컬한 응용을 위한 능동형 네트워크 최적화기

박봉상,박판근,Park, Bongsang,Park, Pangun 한국정보통신학회 2018 한국정보통신학회논문지 Vol.22 No.9

최근 무선 네트워크는 사이버 물리 시스템 및 차세대 산업 자동화 시스템과 같은 크리티컬한 대형 응용 분야의 핵심 인프라가 되고 있다. 그러나, 무선 네트워크가 갖는 원천적인 링크 성능의 불확실성으로 인하여 전체 시스템의 안정성에 치명적 문제를 야기할 수 있다. 본 논문에서는 네트워크 내 링크의 실시간 상태 정보 없이 응용의 요구 성능을 만족시킬 수 있는 능동형 무선 네트워크 최적화기를 제시한다. 특히, 제시하는 능동형 최적화기는 네트워크 상에서 최대 $\kappa$-개의 링크 결함이 발생하더라도 항시 성능을 보장할 수 있도록, 라우팅 경로와 트래픽 분산을 최적화하는 계층 교차적 방안이다. 시뮬레이션을 통하여, 제안된 능동형 네트워크 최적화기가 기존의 수동형 네트워크에 비하여 고강건성을 보장하는 것을 분석하였다. 또한, 능동형 네트워크는 수동형 네트워크의 주요 단점인 링크 상태 정보의 오류로 인한 성능 감쇄 및 네트워크 재구성과 같은 비용이 발생하지 않는다. Recently, wireless networks are becoming an important infrastructure for the critical large-scale applications such as cyber-physical systems and next generation industrial automations. However, the fundamental performance uncertainty of wireless networks may incur the serious instability problem of the overall systems. This paper proposes the proactive network optimizer to guarantee the application demands without any real-time link monitoring information of the networks. In particularly, the proposed proactive optimizer is the cross-layer approach to jointly optimize the routing path and traffic distribution in order to guarantee the performance demand within a maximum k number of link faults. Through the simulations, the proposed proactive network optimizer provides better robustness than the traditional existing reactive networks. Furthermore, the proactive network does not expose to the major weakness of the reactive networks such as the performance degradation due to the erroneous link monitoring information and the network reconfiguration cost.

4.4GHz 대역을 활용한 항공기내 무선통신 링크 성능 분석

조문제,정방철,박판근,장우혁,반태원,Cho, Moon-Je,Jung, Bang Chul,Park, Pangun,Chang, Woohyuk,Ban, Tae-Won 한국정보통신학회 2016 한국정보통신학회논문지 Vol.20 No.7

본 논문에서는 4.4GHz 대역에서 항공기내 무선 통신을 위한 채널 링크 버짓을 분석하였다. 항공기내의 채널을 일반적인 경로 손실, 장애물로 인한 음영효과, 그리고 다중 경로 신호로 인한 페이딩의 조합으로 모델링하였다. 그리고, 항공기내에 존재할 수 있는 송수신기의 다양한 위치에 따라서 채널을 A~F의 6개 그룹으로 분류하고, 6개의 채널 그룹별로 최대 전송 가능 거리와 전송 오류 확률 측면에서 링크 버짓을 분석하였다. 다양한 분석과 컴퓨터 시뮬레이션 결과에 따르면, A, B, F 채널 그룹이 C, D, E 그룹 대비 우수한 전파 특성을 가지며, 그룹 E의 전파 특성이 가장 열악한 것으로 확인되었다. 이러한 결과들은 항공기내 또는 이와 유사한 환경에서의 채널 분석을 위한 기초자료로 활용 가능하다. This paper investigated the channel link budget for Wireless Avionics Intra-Communication (WAIC) in 4.4GHz. The band 4.2~4.2GHz was allocated for the communication service among aeronautical applications in world radiocommunication conference (WRC). Wireless channels in aircraft was modelled by the combination of path loss, shadowing effect caused by obstacles, and fading caused by multipath signals. In addition, wireless channels in aircraft are categorized into 6 groups according to various locations of transmitter and receiver. We analyzed the channel link budget for the 6 channel groups in terms of maximum transmission distance and outage probability. Our analysis and intensive computer simulation results show that the propagation characteristics of group A, B, and F is superior to group C, D, E, and the propagation of group E is the most vulnerable. Also, these results can be utilized as basic reference for the channel analysis of intra-aircraft or similar environment.

항공기내 무선 네트워크에서 백홀 트래픽 감소 기법

조문제,정방철,박판근,장우혁,반태원,Cho, Moon-Je,Jung, Bang Chul,Park, Pangun,Chang, Woohyuk,Ban, Tae-Won 한국정보통신학회 2016 한국정보통신학회논문지 Vol.20 No.9

본 논문에서는 항공기처럼 초밀집 지역에 무수히 많은 AP와 무선 센서들이 존재하는 초밀집 무선 네트워크에서 백홀 트래픽 감소를 위한 효율적인 데이터 전송 방법을 제안한다. 초밀집 무선 네트워크에서는 인접 AP들간의 간섭으로 인한 성능 저하가 필수적으로 동반된다. 그러나, 각 무선 센서들이 인접 AP들에 야기하는 간섭 의 양을 측정하여 스케쥴링 알고리즘에 반영할 경우 이러한 성능 저하를 방지할 수 있다. 신호 대 발생 간섭 비(Signal-to-Generating Interference Ratio, SGIR) 기반 스케쥴링 알고리즘이 대표적인 예이다. 그러나, 이러한 알고리즘들은 각 무선 센서들이 야기하는 간섭의 양을 측정하기 위하여 백홀을 통한 중앙의 네트워크 매니저로의 대규모 정보 교환이 필수적이다. 따라서, 본 논문에서는 각 AP들에서 중앙의 네트워크 매니저로 전송하는 정보의 양을 획기적으로 감소시킬 수 있는 기법을 제안한다. 컴퓨터 시뮬레이션결과, 기존 방식 대비 전송률의 감소 없이 백홀 트래픽을 약 27% 감소시킬 수 있음을 확인하였다. In this paper, we propose efficient uplink data transmission method in ultra dense wireless networks as in intra-aircraft, where large-scale APs and wireless sensors are deployed. In the ultra dense wireless networks, a performance degradation is inevitable due to the inter-AP interference. However, the performance degradation can be avoided if a scheduling algorithm can estimate the amount of interference caused by each wireless sensor and reflects it. SGIR (Signal-to-Generating Interference Ratio) based scheduling algorithms is a typical example. Unfortunately, the scheduling algorithms based on the interference caused by wireless sensors necessarily yield large scale exchange of information through backhaul which connects APs. Therefore, we, in this paper, propose a novel scheme which can dramatically reduce the amount of information which are exchanged through backhaul connection. Monte-Carlo simulation results show that the proposed scheme can reduce the amount of backhaul traffic by 27% without loss of data transmission rate.

항공기내 무선 네트워크용 시뮬레이터 개발

신동성,정방철,반태원,장우혁,박판근,Shin, Dong-Seong,Jung, Bang Chul,Ban, Tae-Won,Chang, Woohyuk,Park, Pangun 한국정보통신학회 2017 한국정보통신학회논문지 Vol.21 No.10

최근 항공기내 전자장비 간의 유선 하네스를 무선 네트워크로 대체하고자 하는 많은 연구가 항공 산업체를 중심으로 진행되고 있다. 본 논문에서는 이러한 항공기내 무선 네트워크의 핵심 기반 기술을 검증하고 각 계층 기술을 효율적으로 통합 할 수 있는 이벤트 기반 시뮬레이터(ES-WAIC; Event-Based Simulator for Wireless Avionics Intra-Communications)를 개발하였다. ES-WAIC은 상위의 실시간 제어 응용 개발자와 네트워크 계층 개발자의 코드 가독성을 증대시키기 위하여 개발되었다. 특히, 실질적인 저전력 무선 임베디드 네트워크의 이벤트 기반 언어 방식을 구현하여 임베디드 시스템에 적용 할 수 있는 이식성과 호환성을 증가시켰다. ES-WAIC은 4.4GHz대역에서의 항공기내 무선통신 채널 모델링, PHY, MAC, Network, Application을 포함한 전반전인 계층이 구현되었다. Recently, many researches have been conducted on the aviation industry to replace the wire harness cable between the avionics of the aircraft with the wireless network. In this paper, we present an Event-Based Simulator for Wireless Avionics Intra-Communications (ES-WAIC) that can verify core technologies of wireless networks and efficiently integrate different layers of the network. ES-WAIC is developed to enhance the readability between the real time control application developers of the higher layer and the network layer developers. Specifically, the practical implement relies on an event-based programming concept to increase portability and compatibility that can be applied to the realistic low-power wireless embedded networks. ES-WAIC implements the overall system layers including the wireless channel modeling of the 4.4GHz band, the physical layer, the medium access control, the network, and the application layer of wireless avionics intra-communications.