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논문KCI 등재

수중음파 센서 네트워크에서 해파 모델링에 기반한 센서 노드 전송파워 조절 기법

Transmission Power Control based on Sea Wave Modeling in Underwater Acoustic Sensor Networks

김성렬|유영환
에스케이텔레콤 (주) (SKTelecom)|2015.03|Telecommunications Review|제25권 제1호|pp. 145-157

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Power Control반사손실Kirchhoff Approximation전송파워RMS 파고Kirchhoff 근사법Reflection LossRMS wave-height
주제분류전자/정보통신공학

초록

기존의 많은 연구들이 수중채널 모델링을 기반으로 최적의 전송파워와 주파수할당 방법을 제안하고 있으나 이들대부분은 반사손실을 고려하고 있지 않으며 동적으로 변하는 채널의 상태를 통신에 반영하지 못한다. 이에 본 연구에서는 10 kHz 이하 주파수를 사용하는 수중 통신네트워크에서 거리, 주파수, 파고 기반의 전송파워 소요 모델을 제시한다. 또한 이를 기반으로 채널의 상태를 예측하여 처리량을 보장하는 동시에 에너지 소모를 줄이는 전송파워 조절 기법을 제안한다. SNR(Signal-to-Noise Ratio)임계값을 보장하기 위한 전송파워를 정의할 때, 기존 연구에서 간과되었던 반사 계수를 Kirchhoff 근사법으로 유도하여 반사손실을 적용하였다. 또한 BELLHOP과 WAFO 시뮬레이터를 통해 각각 수중환경과 1 m 높이의 파도를 모델링하여 실제 수중환경에 근사한 시뮬레이션 환경에서 제안방법의 성능을평가하였다. 시뮬레이션 결과를 통해, 수표면에서 발생하는 반사가 송신 신호 및 전송 파워 조절에 미치는 영향을 파악할 수 있었고 제안 방법이 기존 방법에 비해 약 23.25%의 에너지 소비 절감을 보임을 확인할 수 있었다.

Abstract

Although a number of researches have proposed resource allocation schemes based on the channel modeling,they did not consider reflection loss and time-variant characteristic. This paper suggests a transmission powercost model based on distance, frequency and wave height. Also, from the model, transmission power control willbe illustrated for low power consumption and stable throughput. The proposed scheme adopts transfer functionincluding reflection coefficient overlooked in previous papers using the Kirchhoff approximation. In addition, itdefines the transmission power needed to guarantee a pre-specified SNR (Signal-to-Noise Ratio) threshold usingthe transfer function. The BELLHOP and WAFO simulators were utilized to build simulation environmentsimilar to actual ocean. The simulation results show that the impact of the reflection occurred at the sea surfaceon communication system, and the proposed method reduces energy consumption by 23.25% compared with theexisting methods which do not use the adaptive power control based on channel condition.

참고문헌 (22)

  1. I. F. Akyildiz, "Underwater acoustic sensor networks: research challenges", Ad hoc networks, 3(3), pp.257~279 (2005)
  2. M. Stojanovic, "Underwater acoustic communication channels: Propagation models and statistical characterization", Communications Magazine, 47(1), pp.84~89 (2009), IEEE
  3. H. S. Dol, "Simulation of an Underwater Acoustic Communication Channel Characterized by Wind- Generated Surface Waves and Bubbles", IEEE Journal of Oceanic Engineering, 38(4), pp.642~654 (2013)
  4. P. K. Taylor, "The Dependence of Sea Surface Roughness on the Height and Steepness of the Waves", Journal of Physical Oceanograpgy, 31(2), pp.572~590 (2001)
  5. A. D. Jones, "Modelling the acoustic reflection loss at the rough ocean surface", Proceedings of ACOUSTICS 2009 (2009)
  6. J. M. Jornet, "On Joint Frequency and Power Allocation in a Cross-Layer Protocol for Underwater Acoustic Networks", IEEE Journal of Oceanic Engineering, 35(4), pp.936~947 (2010)
  7. M. Stojanovic, "On the Relationship Between Capacity and Distance in an Underwater Acoustic Communication Channel", ACM SIGMOBILE Mobile Computing and Communications Review, 11(4), pp.34~43 (2007)
  8. P. Qarabaqi, "Statistical Characterization and Computationally Efficient Modeling of a Class of Underwater Acoustic Communication Channels", IEEE Journal of Oceanic Engineering, 38(4), pp.701~717 (2013)
  9. J. F. Lynch, "Acoustic Ducting, Reflection, Refraction, and Dispersion by Curved Nonlinear Internal Waves in Shallow Water", IEEE Journal of Oceanic Engineering, 35(1), pp.12~27 (2010)
  10. R. Coates, "Underwater Acoustic Systems" (1989), Wiley
  11. 추영민, "불규칙 경계면에 대한 중저주파수 간섭 반사 계수 유도", 한국음향학회지, 28(3), pp.174~186 (2009), 한국음향학회
  12. E. I. Thorsos, "Acoustic scattering from a Pierson- Moskowiz sea surface", J. Acoust. Soc. Am, 88(1), pp.335~349 (1993)
  13. S. L. Broschat, "The small slope approximation reflection coefficient for scattering from a Pierson- Moskowitz sea surface", IEEE Trans. Geosci. Remote. Sens, 31(5), pp.1112~1114 (1993)
  14. D. R. Jackson, "High-frequency seafloor acoustic" (2007), Springer
  15. G. B. Deane, "A model for the horizontal directionality of breakingwave noise in the surf zone", J. Acoust. Soc. Amer, 107(1), pp.177~192 (2000)
  16. Y. Zhu, "Toward Practical MAC Design for Underwater Acoustic Networks", INFOCOM, 2013 Proceedings IEEE, pp.683~691 (2013)
  17. Y. K. Peng, "A vector-based gyro-free inertial navigation system by integrating existing accelerometer network in a passenger vehicle", IEEE PLANS Conf, pp.234~242 (2004)
  18. M. Koifman, "Inertial navigation system aided by aircraft dynamics", IEEE Transactions on Control Systems Technology, 7(4), pp.487~493 (1999)
  19. 이중현, "저가형 해파 모니터링 시스템을 위한 파형 모델링", 전기학회논문지, 63(3), pp.383~388 (2014), 대한전기학회[DOI]
  20. Model for doubly peaked wave spectrum, "K. Torsethaugen", SINTEF Civ. and Env. Eng, ~, pp.Technical Report No. STF22A96204 (1996)
  21. "WAFOA Matlab toolbox for analysis of random waves and loads,tutorial for WAFO v2.5, Lund Univ"[URL]
  22. "The BELLHOP manual and users guide, PreliminaryDraft"[URL]

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