무선랜에서 에너지 효율적인 전송 대역폭 결정 기법

황환웅,윤지훈,Hwang, Hwanwoong,Yun, Ji-Hoon 한국전기전자학회 2018 전기전자학회논문지 Vol.22 No.3

IEEE 802.11 무선랜은 20MHz부터 160MHz의 전송 대역폭을 지원한다. 일반적으로 전송 시 대역폭이 증가함에 따라 전송속도가 증가하지만, 동시에 단위 주파수당 전송파워가 낮아져 오류율이 증가하고 재전송을 유발할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 현상이 전송 에너지 소비에 미치는 영향을 분석하기 위한 수학적 모델링을 수행한다. 그리고, 이를 바탕으로 전송 대역폭을 결정하는 기법을 제시한다. 제시된 기법은 기존 전송 결과를 기반으로 대역폭별 오류율을 추정하고 이를 바탕으로 대역폭별 에너지 소비 테이블을 업데이트 후 이들 간의 비교를 통해 최적 대역폭을 결정한다. VoIP 트래픽을 가정한 시뮬레이션을 통해 다양한 환경에서 제안한 기법의 에너지 소비 성능을 평가한다. IEEE 802.11 wireless LANs support 20, 40, 80 and 160MHz bandwidth transmission. In general, the data rate increases as the transmission bandwidth increases. However, the transmission power spectral density decreases, which may lead to increasing packet errors and retransmissions. In this paper, we derive a mathematical model of energy consumption with consideration of various factors such as transmission bandwidth, packet error rate and data size. Based on the model, we design a scheme to adapt a transmission bandwidth for each frame transmission. The scheme estimates packet error rates for different bandwidth cases, updates the table of energy consumption and selects the best bandwidth for the next transmission. The simulation study with VoIP traffic shows the energy consumption of the scheme under various environments.

철도 차량을 위한 제어용 통신망에서 링크 장애 시 딜레이 보상 기법

황환웅(Hwanwoong Hwang),김상현(Sanghyun Kim),윤지훈(Ji-Hoon Yun) 대한전자공학회 2016 전자공학회논문지 Vol.53 No.2

철도 차량 내 전자 장치 연결의 높은 안정성을 위해 제어망은 링크 장애 발생 시에도 장치의 계속된 연결을 지원할 수 있어야 한다. 본 논문은 철도 차량용 이더넷 기반 제어망에서 링 토폴로지 적용 시 링크 장애가 발생하면 노드 위치에 따라 급격한 전송 딜레이 변화가 발생함을 보인다. 이 문제를 해결하기 위해, 장치별 딜레이 증가를 감안한 포워딩 우선순위를 설정하는 기법과 백업용 버스 망을 두어 장애 발생 시 일부 노드를 선택적으로 버스 망으로 스위칭 시키는 토폴로지 스위칭 기법을 제안한다. 시뮬레이션을 통한 성능 평가에서, 포워딩 우선순위를 설정하는 기법은 큐잉 딜레이의 보상만 가능하여 제한된 효과를 얻는 반면, 토폴로지 스위칭 기법은 링크 수에 따른 딜레이 증가 측면에 대해 충분한 성능 개선이 있음을 보인다. 또한, 토폴로지 스위칭 기법의 딜레이 성능과 패킷 손실율은 버스 망에 연결된 노드 수에 영향을 받는 것을 보인다. For higher reliability against a link failure of a control network in railway vehicles, a recovery mechanism is needed. We introduce a problem that, when a link failure occurs in a ring-topology control network, a node may experience a significant increase of transmission delay depending on its relative position within the network. We then propose two mechanisms to solve this problem: (1) differentiating and prioritizing node traffic in forwarding; and (2) switching some nodes to a backup bus-topology network. Our simulation study shows that, while the first mechanism achieves a limited gain by only compensating queuing delay, the second one gets a sufficient gain which is impacted by the number of nodes switched to the bus network.

철도차량용 분산형 제어시스템을 위한 네트워크 토폴로지 분석

황환웅(Hwanwoong Hwang),김정태(Jungtai Kim),이강원(Kang-Won Lee),윤지훈(Ji-Hoon Yun) 대한전자공학회 2015 전자공학회논문지 Vol.52 No.10

철도 차량의 전자화․무인화 시, 보다 높은 안정성을 위해 차량의 각 제어장치를 개별 컴포넌트로 분리하고, 이를 네트워크에 연결하여 분산형 제어시스템을 구성할 필요성이 높아지고 있다. 본 논문은 철도차량의 분산형 제어 시스템 구성을 위해 이더넷 망 이용 시 가능한 네트워크 토폴로지를 제시하고, 대상 토폴로지를 (1) 장애복구, (2) 장치별 필요 포트 수, (3) 차량 간 접속 케이블 수, (4) 성능의 네 가지 관점에서 비교․분석한다. 특히, 철도차량의 고유한 특성인 연결 차량 수의 변화 시, 이에 따른 네트워크 성능 효과를 고려하여 분석을 수행하고, 이에 맞는 네트워크 토폴로지를 제시한다. 이를 위해, 먼저 철도차량의 네트워크 토폴로지 구성을 차량 내와 차량 간 연결로 분류하여 여러 대상 조합을 고려한다. 또, 철도 차량 간 연결 수 증가로 인한 접속 단절/불안정 문제를 완화하기 위해 차량 간 연결에서 스타와 데이지체인의 복합 구성인 하이브리드 토폴로지를 제시한다. 시뮬레이션을 통해 토폴로지 간 성능을 비교하고, 차량 간 연결 수 제한 하에서도 하이브리드 토폴로지가 충분한 성능개선이 있음을 보인다. For higher reliability against component failures in railroad trains with many electronic sensors and actuators, a distributed control system with which all electronic components are connected via a network is being considered. This paper compares and analyzes various topologies of Ethernet network for a railroad train in the aspects of (1) failure recovery, (2) the number of ports per device, (3) the number of cable connections between vehicles, and (4) performance. Especially, the unique characteristic of a train system that the number of vehicles changes is considered through analysis. Various combinations of in- and inter-vehicle topologies are considered. In addition, we introduce a hybrid of star and daisy-chain topology for inter-vehicle connection when the maximum number of inter-vehicle connections is limited to reduce possible failures of inter-vehicle connections. Simulation results show performance comparison between different topology combinations; the hybrid topology is shown to enhance delay performance even with a highly limited number of inter-vehicle connections.

Wi-Fi 배경 전파 신호 기반 백스캐터 통신에 관한 연구

황환웅(Hwanwoong Hwang),윤지훈(Ji-Hoon Yun),임재한(Jae-Han Lim),정병장(Byung Jang Jung),변우진(Woo-Jin Byun) 한국통신학회 2017 한국통신학회 학술대회논문집 Vol.2017 No.11

Wi-Fi 배경 전파 신호 기반 백스캐터 통신을 위한 MAC 성능 연구

황환웅(Hwanwoong Hwang),무르티위스누(Wisnu Murti),윤지훈(Ji-Hoon Yun),임재한(Jae-Han Lim),정병장(Byung Jang Jung) 한국통신학회 2018 한국통신학회 학술대회논문집 Vol.2018 No.11

다관절 차량의 분산형 제어 시스템을 위한 이더넷 기반 TCN 토폴로지 최적화

김정태(Jungtai Kim),황환웅(Hwanwoong Hwang),이강원(Kang-Won Lee),윤지훈(Ji-Hoon Yun) 대한전자공학회 2016 전자공학회논문지 Vol.53 No.9

본 논문은 다관절 철도 차량의 효율성 및 안정성 향상을 위해 분산형 제어 시스템 구축 시 이더넷 기반의 Train Communication Network(TCN) 적용안을 제시하고, 해당 망의 최적 네트워크 토폴로지 구성을 위한 방법론을 제안한다. 적용된 TCN은 백본 망과 하위 망의 계층 구성을 갖고, 하위 망이 관장하는 차량의 수에 따른 전송 딜레이와 안정성을 경유 노드수와 차량 간 케이블 수로 모델링한다. 이를 기반으로 목적 함수를 정의하고 최적해를 도출하기 위한 방법론을 제시한다. 차량수의 정수 제약 조건을 완화하여 목적함수의 최적 실수해를 먼저 도출하고, 이로부터 최적 정수해를 탐색하는 방법을 이용한다. 수치 결과를 통해, 도출된 해의 특성을 다양한 관점에서 분석한다. For higher efficiency and reliability of railroad trains with many electronic sensors and actuators, a distributed control system with which electronic components communicate with each other in a distributed manner via a data network is considered. This paper considers Ethernet-based Train Communication Network (TCN) for this purpose and proposes a methodology to optimize the topology in terms of transmission latency and reliability, each of which is modeled as the number of traversing backbone nodes and the number of cables between vehicles, respectively. An objective function is derived accordingly and a closed-form optimum is obtained by relaxing the integer constraint of the number of vehicles for a unit network. Then, the final integer optimum is searched around it. Through numerical evaluation, the validity of the proposed methodology and the characteristics of the resulting solutions are shown.

다중 무선랜 인터페이스 전송을 위한 결합 방식의 성능 연구

유리스(Yuris Mulya Saputra),황환웅(Hwanwoong Hwang),윤지훈(Ji-Hoon Yun) 대한전자공학회 2014 전자공학회논문지 Vol.51 No.7

무선 전송 용량의 향상을 위해 다른 주파수 대역을 사용하는 복수 개의 무선 인터페이스를 결합하여 동시에 사용하는 것을 고려할 수 있다. 본 논문에서는 복수 개의 Wi-Fi 인터페이스를 갖는 시스템을 대상으로, 인터페이스 결합 사용을 위한 링크결합과 다중경로 TCP(MPTCP)의 두 기법을 실험을 통해 성능을 비교, 분석한다. 실험은 트래픽 종류, 네트워크 지연 시간, 무선 채널 품질, 인터페이스 장애 등의 다양한 조건이 고려되었다. 실험 결과, 인터페이스 결합을 통한 다중 전송은 큰 수율 이득이 있었다. 하지만, 링크 결합 기법은 패킷 전달 순서의 변경으로 중복 TCP 응답이 발생하여 MPTCP보다 낮은 수율을 보였고, 이의 개선을 위해 응답 필터링이 적용될 경우 이득이 있음을 확인하였다. 또, 링크 결합 기법에서 스케줄링 가중치의 조합에 따른 성능 차이가 있으므로 시공간에 따라 적응적으로 가중치를 조절할 필요가 있음을 보였다. 한편, 링크 결합 기법은 MPTCP 대비 빠른 반응으로 인해 긴 네트워크 지연 시간 및 인터페이스 장애 시 더 나은 성능을 보였다. 끝으로, 평균 소비전력 계산을 위한 수학 모델을 제시하고, 이를 통해 각 기법의 소비 전력을 비교, 분석하였다. To increase wireless capacity, the concurrent use of multiple wireless interfaces on different frequency bands, called aggregation, can be considered. In this paper, we focus on aggregation of multiple Wi-Fi interfaces with packet-level traffic spreading between the interfaces. Two aggregation schemes, link bonding and multipath TCP (MPTCP), are tested and compared in a dualband Wi-Fi radio system with their Linux implementation. Various test conditions such as traffic types, network delay, locations, interface failures and configuration parameters are considered. Experimental results show that aggregation increases throughput performance significantly over the use of a single interface. Link bonding achieves lower throughput than MPTCP due to duplicate TCP acknowledgements (ACKs) resulting from packet reordering and filtering such duplicate ACKs out is considered as a possible solution. However, link bonding is fast responsive to links’ status changes such as a link failure. It is shown that different combinations of interface weights for packet spread in link bonding result in different throughput performance, envisioning a spatio-temporal adaptation of the weights. We also develop a mathematical model of power consumption and compare the power efficiency of the schemes applying different power consumption profiles.

자율주행형 다관절 차량용 이더넷 TCN의 최적 토폴로지에 대한 실험적 검증

김정태(Jungtai Kim),황환웅(Hwanwoong Hwang),이강원(Kang-Won Lee),윤지훈(Ji-Hoon Yun) 대한전자공학회 2017 전자공학회논문지 Vol.54 No.6

본 논문에서는 자율주행형 다관절 차량용 제어 시스템 구축 시 장치 간 네트워크로 이더넷 기반의 Train Communication Network(TCN)를 적용할 경우 적합한 네트워크 토폴로지를 제안하고 실험을 통하여 그 결과를 측정하여 검증한다. 케이블 수, 포트 수 등 구조적인 제한조건과 네트워크 응답시간, 최대 전송량 등 성능적인 제한조건을 고려하여 네트워크 토폴로지를 제안한다. 스타 토폴로지, 데이지체인 토폴로지, 그리고 이들을 절충한 하이브리드 토폴로지를 각각 적용하여 비교하며 본 논문에서는 특히 하이브리드 토폴로지의 적절한 구성을 위해 그룹으로 묶이는 노드 수를 구한다. 적절하게 노드의 그룹이 구성된 하이브리드 토폴로지는 본 논문에서 최적 토폴로지로 제안하는 구조이다. 먼저 시뮬레이션을 통해 각각의 토폴로지 구성 시의 네트워크 성능에 대한 예상치를 도출하며 이 후 실제 장치를 연결하여 네트워크를 구현한다. 다양한 네트워크 성능 측정 프로그램을 이용하여 각 토폴로지에서의 성능을 측정하고 비교를 통해 제안한 방안의 우수성을 기술한다. In this paper, we propose a suitable network topology for the Ethernet based Train Communication Network (TCN) for control system in a autonomous multi-articulated vehicle. We propose a network topology considering the structural constraints such as the number of cables and ports, and the performance constraints such as network response time and maximum throughput. We compare the network performances of star topology and daisy chain topology as well as hybrid topology, which is proposed in previous studies and a compromise between daisy chain and star topology. Here, the appropriate number of nodes in a group is obtained for the configuration of the hybrid topology. We first derive estimates of the network performance through simulation with different topologies, and then, implement the network by connecting the actual devices with each network topology. The performance of each topology is measured using various network performance measurement programs and the superiority of the proposed topology is described through comparison.