KR102128946B1 - Network structure for the scene of a fire - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 DTN(Delay and Disruption Tolerant Network)을 TCP/IP대신 사용하는 동시에 다중 복사본 방식의 라우팅 프로토돌을 적용하여, 소방대원들 간 및 소방대원과 지휘통제소 간의 정보 전달이 안정적이고 신뢰성있게 이루어지지 동시에 요구조자의 위치 탐색이 안정적으로 이루어질 수 있도록 하는 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에 관한 것이다.The present invention uses a DTN (Delay and Disruption Tolerant Network) instead of TCP/IP and applies a multi-copy routing routing protocol to ensure reliable and reliable information transfer between firefighters and between firefighters and command and control stations. At the same time, the present invention relates to a network structure for reliable information transmission in a fire site that enables a stable search for the location of a requestor.
TCP/IP 프로토콜은 기본적으로 연속적이고 양방향성의 종단간 통신 경로가 존재하며, 짧은 라운드트립 시간, 높은 전송 신뢰성 및 대칭적인 데이터 송수신 전송률 등을 가정하여 설계되었다.The TCP/IP protocol basically has a continuous and bidirectional end-to-end communication path, and is designed assuming a short round-trip time, high transmission reliability, and symmetric data transmission/reception rates.
그러나 화재현장 내에서의 열기(열에너지)는 무선통신 신호를 매우 간섭하여, 마치 철근이 가로막는 것과 같은 상태가 될 수 있다. However, the heat (heat energy) in the fire scene interferes with the radio communication signal very much, and it may become as if the reinforcing bar is blocked.
다시 말해 화재현장에서는 종단간의 통신 경로가 자주 끊기고, 낮은 전송 신뢰성을 가지는 환경이기 때문에, TCP/IP와 같은 전통적인 방법으로는 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장할 수 없다.In other words, because the communication path between end-to-end is frequently disconnected and has low transmission reliability in a fire scene, reliable data transmission cannot be guaranteed using traditional methods such as TCP/IP.
즉, 화재현장은 연기로 인해 시야 확보가 어려운 환경이지만, 상술한 것처럼 소방대원의 휴대용 단말기 간 통신이 자주 단절되어 데이터 송수신이 매우 불안정하고, 소방대원의 휴대용 단말기 및 지휘통제소의 지휘통제컴퓨터 간 통신이 자주 단절되어 데이터 송수신이 매우 불안정하게 된다. 따라서 소방대원의 위치, 탈출경로 파악에 어려움이 따른다.That is, the fire site is an environment in which it is difficult to secure a field of view due to smoke, but as described above, communication between the portable terminals of the firefighter is frequently disconnected, so data transmission and reception is very unstable, and communication between the portable terminal of the firefighter and the command control computer of the command center This frequent disconnection makes data transmission and reception very unstable. Therefore, it is difficult to identify the location of firefighters and escape routes.
부연 설명하면, 화재현장의 경우 TCP/IP와 같은 전통적인 네트워크 방식으로는 소방대원들 간 및 소방대원과 지휘통제소 간의 정보 전달이 원활하게 이루어지지 못하고, 요구조자의 위치를 탐색하는 것이 어렵다.Incidentally, in the case of a fire scene, the traditional network method such as TCP/IP does not facilitate communication of information between firefighters and between firefighters and command and control, and it is difficult to find the location of the requestor.
본 발명의 실시 예는 DTN(Delay and Disruption Tolerant Network)을 TCP/IP대신 사용하는 동시에 다중 복사본 방식의 라우팅 프로토돌을 적용하여, 소방대원들 간 및 소방대원과 지휘통제소 간의 정보 전달이 안정적이고 신뢰성있게 이루어지지 동시에 요구조자의 위치 탐색이 안정적으로 이루어질 수 있도록 하는 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조를 제공한다.In an embodiment of the present invention, a multi-copy routing routing protocol is applied at the same time using a DTN (Delay and Disruption Tolerant Network) instead of TCP/IP, and information transmission between the firefighters and between the firefighters and the command and control center is stable and reliable. It provides a network structure for reliable information transmission at the fire site, which enables it to stably search for the location of the requesting helper.
본 발명의 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조는, 소방대원이 휴대하며, 화재 현장의 요구조자가 휴대하는 이동통신단말기(10)의 무선통신 정보를 검출하고, 상기 이동통신단말기(10)의 위치정보를 표시하며, 단말기 내 신호처리용 인공지능 하드웨어(110)가 탑재되되, 상기 인공지능 하드웨어(110)는 단말간 통신모듈(111), 지휘통제 통신모듈(113) 및 신호처리 프로세서(114)를 포함하는 동시에 상기 신호처리 프로세서(114)와의 데이터 송수신을 통해 소방대원 휴대용 단말기(100) 기반의 다중 신호패턴 수집기능 및 3차원 정밀측위플랫폼 연동 기능을 제공하는 어플리케이션 프로세서(115)를 포함하는 소방대원 휴대용 단말기(100)와, 상기 소방대원이 착용하며, 관성 센서(210)가 장착되어 상기 관성 센서(210)를 기반으로 소방대원의 자기 위치 추적 기능을 제공하고, 위급시 최단 복귀경로 안내 표시 기능을 갖는 소방대원 위치추적 안전화(200)와, 상기 소방대원 휴대용 단말기(100)의 위치정보를 수신하며, 상기 소방대원 위치추적 안전화(200)의 관성 센서(210)의 신호를 이용한 소방대원 위치 추적 소프트웨어 및 소방대원의 요구조자 탐색 내지 소방대원의 안전 복귀를 위한 소방대원 경로 탐색 소프트웨어가 탑재되되, 소방대원 위치 추적 소프트웨어는 상기 관성 센서(210)를 기반으로 파악되는 소방대원의 보행 특성을 이용하여 실내 위치를 추적하고, 상기 소방대원 경로 탐색 소프트웨어를 통해 소방대원의 임무 수행을 위한 탐사 경로를 제시하는 지휘통제컴퓨터(300)를 포함하며, 상기 관성 센서(210)를 통한 단일 관성센서 기반 보행항법시스템을 제공하여 센서 특성에 의한 제약 조건 최소화, 학습을 기반으로 소방대원의 동작 고려, 지동 정보를 활용한 추정 위치 보정 기능을 구비하고, 소방대원 위치 모니터링 시스템을 제공하여, 소방대원의 위치 및 요구조자 위치 모니터링 실시, 경로 계획 알고리즘을 통한 진행 가능 방향 혹은 경로 표시 기능을 제공하며, 소방대원이 단말기 UI, 헬멧 및 공기호흡기의 3종의 정보가시화가 가능한 것일 수 있다.The network structure for reliable information transmission at a fire site according to an embodiment of the present invention is carried by a firefighter, and detects wireless communication information of the
본 발명의 실시 예에 따르면, DTN(Delay and Disruption Tolerant Network)을 TCP/IP대신 사용하는 동시에 다중 복사본 방식의 라우팅 프로토돌을 적용하여, 소방대원들 간 및 소방대원과 지휘통제소 간의 정보 전달이 안정적이고 신뢰성있게 이루어지지 동시에 요구조자의 위치 탐색이 안정적으로 이루어질 수 있게 된다.According to an embodiment of the present invention, while using a multi-copy routing routing protocol using DTN (Delay and Disruption Tolerant Network) instead of TCP/IP, information transmission between the firefighters and between the firefighters and the command and control center is stable. It can be done reliably and at the same time it is possible to stably search for the position of the requestor.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에서 소방대원 휴대용 단말기의 구성을 예시한 구성도
도 3는 도 2에 따른 소방대원 휴대용 단말기의 탑재된 인공지능 하드웨어의 처리 작용을 개념적으로 예시한 도면
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에서 지휘통제컴퓨터의 위치추적 시스템을 예시한 구성도
도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에서 지휘통제컴퓨터의 위치 모니터링 예를 보인 도면
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에서 지휘통제컴퓨터의 탐사 경도를 제시하는 예를 보인 도면
도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에서 요구조자 상대방위각 측정 및 소방대원 Gyro측정값 보정을 예시한 도면
도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에서 초지향성 안테나 기반 요구조자 RF신호 방향 탐지를 예시한 도면
도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에서 RSSI 기반의 요구조자 상대 위치 추정을 예시한 도면1 is a network structure for reliable information transmission in a fire site according to an embodiment of the present invention
2 is a block diagram illustrating the configuration of a portable terminal of a firefighter in a network structure for reliable information transmission in a fire scene according to an embodiment of the present invention
3 is a diagram conceptually illustrating the processing action of the artificial intelligence hardware mounted on the portable terminal of the firefighter according to FIG. 2;
4 is a configuration diagram illustrating a location tracking system of a command and control computer in a network structure for reliable information transmission in a fire site according to an embodiment of the present invention
5 is a view showing an example of monitoring the position of the command and control computer in a network structure for reliable information transmission in a fire site according to an embodiment of the present invention
6 is a view showing an example of presenting the exploration hardness of the command control computer in the network structure for reliable information transmission in the fire site according to an embodiment of the present invention
7 is a diagram illustrating the counterpart angle measurement of the requestor and the correction of the Gyro measurement value of a firefighter in a network structure for reliable information transmission in a fire site according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram illustrating the direction detection of a requestor RF signal based on a super-directional antenna in a network structure for reliable information transmission in a fire site according to an embodiment of the present invention
9 is a diagram illustrating an RSSI-based requestor relative position estimation in a network structure for reliable information transmission in a fire site according to an embodiment of the present invention
이하의 본 발명에 관한 상세한 설명들은 본 발명이 실시될 수 있는 실시 예이고 해당 실시 예의 예시로써 도시된 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시 예는 당업자가 본 발명의 실시에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시 예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시 예에 관련하여 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시 예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 기재된 실시 예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다.The following detailed description of the present invention is an embodiment in which the present invention may be practiced and reference is made to the accompanying drawings shown as examples of the embodiment. These embodiments are described in detail so that those skilled in the art are sufficient to practice the present invention. It should be understood that the various embodiments of the invention are different, but need not be mutually exclusive. For example, the specific shapes, structures, and properties described herein may be implemented in other embodiments without departing from the spirit and scope of the invention in relation to one embodiment. In addition, it should be understood that the position or arrangement of individual components within each described embodiment can be changed without departing from the spirit and scope of the invention.
따라서 후술되는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는 적절하게 설명된다면 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.Therefore, the following detailed description is not intended to be taken in a limiting sense, and the scope of the present invention is limited only by the appended claims, along with all ranges equivalent to those claimed by the claims if appropriately described. In the drawings, similar reference numerals refer to the same or similar functions throughout several aspects.
본 발명에서 사용되는 용어는 본 발명에서의 기능을 고려하면서 가능한 현재 널리 사용되는 일반적인 용어들을 선택하였으나, 이는 당 분야에 종사하는 기술자의 의도 또는 판례, 새로운 기술의 출현 등에 따라 달라질 수 있다. 또한, 특정한 경우는 출원인이 임의로 선정한 용어도 있으며, 이 경우 해당되는 발명의 설명 부분에서 상세히 그 의미를 기재할 것이다. 따라서 본 발명에서 사용되는 용어는 단순한 용어의 명칭이 아닌, 그 용어가 가지는 의미와 본 발명의 전반에 걸친 내용을 토대로 정의되어야 한다.The terminology used in the present invention has been selected, while considering the functions in the present invention, general terms that are currently widely used have been selected, but this may vary according to the intention or precedent of a person skilled in the art or the appearance of new technologies. In addition, in certain cases, some terms are arbitrarily selected by the applicant, and in this case, their meanings will be described in detail in the description of the applicable invention. Therefore, the term used in the present invention should be defined based on the meaning of the term and the entire contents of the present invention, not a simple term name.
발명에서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있음을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 “…부”, "…모듈“ 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어 또는 소프트웨어로 구현되거나 하드웨어와 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.In the present invention, when a certain part “includes” a certain component, it means that the component may further include other components, not to exclude other components, unless otherwise stated. Also, “… Wealth”, "… The term “module” means a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented in hardware or software, or a combination of hardware and software.
도 1 내지 도 9를 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에 대해 설명한다.A network structure for reliable information transmission in a fire site according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 1 to 9.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조이고, 도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에서 소방대원 휴대용 단말기의 구성을 예시한 구성도이고, 도 3는 도 2에 따른 소방대원 휴대용 단말기의 탑재된 인공지능 하드웨어의 처리 작용을 개념적으로 예시한 도면이고, 도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에서 지휘통제컴퓨터의 위치추적 시스템을 예시한 구성도이고, 도 5는 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에서 지휘통제컴퓨터의 위치 모니터링 예를 보인 도면이고, 도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에서 지휘통제컴퓨터의 탐사 경도를 제시하는 예를 보인 도면이고, 도 7은 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에서 요구조자 상대방위각 측정 및 소방대원 Gyro측정값 보정을 예시한 도면이고, 도 8은 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에서 초지향성 안테나 기반 요구조자 RF신호 방향 탐지를 예시한 도면이며, 도 9는 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에서 RSSI 기반의 요구조자 상대 위치 추정을 예시한 도면이다.1 is a network structure for reliable information transmission at a fire site according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a fire brigade in a network structure for reliable information transmission at a fire site according to an embodiment of the present invention. 3 is a diagram illustrating the configuration of the original portable terminal, and FIG. 3 is a diagram conceptually illustrating a processing operation of the AI hardware mounted in the portable terminal of the firefighter according to FIG. 2, and FIG. 4 is an embodiment of the present invention. In a network structure for reliable information transmission in a fire site according to the configuration diagram illustrating the location tracking system of the command and control computer, Figure 5 is a network for reliable information transmission in the fire site according to an embodiment of the present invention It is a view showing an example of monitoring the position of a command and control computer in a structure, and FIG. 6 shows an example of presenting an exploration hardness of a command and control computer in a network structure for reliable information transmission in a fire site according to an embodiment of the present invention FIG. 7 is a diagram illustrating a requester's counterpart angle measurement and a firefighter's Gyro measurement correction in a network structure for reliable information transmission at a fire site according to an embodiment of the present invention, and FIG. 8 is a diagram of the present invention FIG. 9 is a diagram illustrating the direction detection of a requestor RF signal based on a super-directional antenna in a network structure for reliable information transmission at a fire site according to an embodiment, and FIG. 9 is a reliable view at a fire site according to an embodiment of the present invention. This is a diagram illustrating the estimation of the relative position of the requestor based on RSSI in the network structure for information transmission.
도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조는 소방대원 휴대용 단말기(100), 소방대원 위치추적 안전화(200) 및 지휘통제컴퓨터(300)를 포함하여 구성된다.As shown, the network structure for reliable information transmission at the fire site according to an embodiment of the present invention includes a firefighter's
소방대원 휴대용 단말기(100)는 소방대원이 휴대하며, 이러한 소방대원 휴대용 단말기(100)는 화재 현장의 요구조자가 휴대하는 이동통신단말기(10)의 무선통신 정보를 검출하고, 이동통신단말기(10)의 위치정보를 표시한다. 이를 위해 소방대원 휴대용 단말기(100)는 RF측위를 위한 단말기 내 신호처리용 인공지능 하드웨어(110)가 탑재되되, 인공지능 하드웨어(110)는 단말간 통신모듈(111), 지휘통제 통신모듈(113) 및 신호처리 프로세서(114)를 포함하는 동시에 신호처리 프로세서(114)와의 데이터 송수신을 통해 소방대원 휴대용 단말기(100) 기반의 다중 신호패턴 수집기능 및 3차원 정밀측위플랫폼 연동 기능을 제공하는 어플리케이션 프로세서(115)를 포함한다.The firefighter's
부연 설명하면, 소방대원 휴대용 단말기(100)는 소방대원 위치추적용 측위 센서 연동 및 지휘통제 연동 기술이 적용된 것이다. In other words, the firefighter's
그리고 소방대원 휴대용 단말기(100)는 저전력 소모를 위한 하드웨어 설계, Power optimize를 위한 code 최적화, 3차원 정밀측위플랫폼 연동기술 어플리케이션, 소방안전장비/지휘통제시스템 ICD 설계 등의 기술이 적용된 것이다. 또한, 소방대원 휴대용 단말기(100)는 연동시험으로써 휴대단말간 데이터 연동시험, PDR 단말과 데이터 연동시험 및 테스트베드 성능평가 및 시험을 거치게 된다.And the firefighter's
소방대원 위치추적 안전화(200)는 소방대원이 착용하며, 관성 센서(210)가 장착되어 이러한 관성 센서(210)를 기반으로 소방대원의 자기 위치 추적(PDR) 기능을 제공하고, 위급시 최단 복귀경로 안내 표시 기능을 갖는다.The firefighter's location
부연 설명하면, 소방대원 위치추적 안전화(200)는 사전 장비, 장소 정보 등의 제약이 없는 위치 추적 시스템이 제공되게 할 수 있는 동시에 소방대원 및 요구조자 위치 모니터링 기능이 제공될 수 있게 한다.In other words, the firefighter location
지휘통제컴퓨터(300)는 소방대원 휴대용 단말기(100)의 위치정보를 수신하며, 소방대원 위치추적 안전화(200)의 관성 센서(210)의 신호를 이용한 소방대원 위치 추적 소프트웨어 및 소방대원의 요구조자 탐색 내지 소방대원의 안전 복귀를 위한 소방대원 경로 탐색 소프트웨어가 탑재된다. 상기 소방대원 위치 추적 소프트웨어는 관성 센서(210)를 기반으로 파악되는 소방대원의 보행 특성을 이용하여 실내 위치를 추적하고, 지휘통제컴퓨터(300)는 상기 소방대원 경로 탐색 소프트웨어를 통해 소방대원의 임무 수행을 위한 탐사 경로를 제시한다.The command and
또한, 본 실시 예의 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조는 단일 관성센서 기반 보행항법시스템을 제공하며, 이를 통해 센서 특성에 의한 제약 조건 최소화, 학습을 기반으로 소방대원의 동작을 고려, 지동 정보를 활용한 추정 위치 보정 기능을 제공할 수 있다. 이 밖에도, 소방대원 위치 모니터링 시스템을 제공하여, 소방대원의 위치 및 요구조자 위치 모니터링 실시, 경로 계획 알고리즘을 통한 진행 가능 방향 혹은 경로 표시 기능을 제공할 수 있다.In addition, the network structure for reliable information transmission at the fire site in this embodiment provides a single inertial sensor-based walking navigation system, which minimizes constraints due to sensor characteristics and considers the operation of firefighters based on learning, It is possible to provide an estimated position correction function using the motion information. In addition, by providing a location monitoring system for firefighters, it is possible to provide firefighters' location and requestor location monitoring, and provide directions or directions through a route planning algorithm.
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그리고 본 실시 예의 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조는 소방대원이 단말기 UI, 헬멧 및 공기호흡기의 3종의 정보가시화를 할 수 있게 된다.In addition, the network structure for reliable information transmission at the fire site of the present embodiment enables a firefighter to visualize three types of information: a terminal UI, a helmet, and an air respirator.
다음은 상술한 실시 예의 기술적 배경이 되는 구성에 대해 설명한다.The following describes the configuration that is the technical background of the above-described embodiment.
최근 이슈가 되고 있는 자율주행차(Autonomous vehicle 또는 Self-driving car)를 실현하기 위해서는, 다양한 환경에서도 차량에 대한 끊김 없는 연결을 제공하는 커넥티드카(Connected car) 기술이 필수적이다. 현재 커넥티드카를 구현하기 위한 차량 네트워크(Vehicular network) 기술은 교통시스템 인프라 기반의 단일홉(Single-hop) 무선통신 기술이 주를 이루고 있다. 이러한 단일홉 통신은 커버리지가 교통시스템 인프라가 구축된 지역으로 제한된다. 따라서 차량 네트워크가 현재보다 더욱 넓은 지역을 커버하기 위해서는 차량 자체가 이동형 라우터 역할을 수행하여 차량 간의 전달을 통해 정보를 원거리로 전달할 수 있는 다중홉(Multi-hop) 통신 도입이 필요하다. 다중홉 차량 네트워크는 차량의 높은 동적 특성으로 인해 다수의 도전적인 기술적 이슈들을 가진다. 이러한 기술 이슈 중 차량 네트워크의 높은 이동성으로 발생할 수 있는 종단 노드 간 비연결성을 해결할 수 있는 기술인 지연감내형 차량 네트워킹(Delay-tolerant vehicular networking) 기술에 대해 살펴본다. 이를 위해 먼저 지연감내형 차량 네트워킹의 기술적 배경 및 주요 관련 기술들을 분석하고 이를 기반으로 향후 연구개발이 필요한 기술 이슈들을 정리한다. In order to realize an autonomous vehicle or a self-driving car, which is a recent issue, a connected car technology that provides a seamless connection to a vehicle in various environments is essential. Currently, the vehicle network (Vehicular network) technology for implementing a connected car is mainly composed of a single-hop wireless communication technology based on a transportation system infrastructure. Coverage of such single-hop communication is limited to the area where the transportation system infrastructure is built. Therefore, in order for the vehicle network to cover a wider area than the present, it is necessary to introduce a multi-hop communication, in which the vehicle itself functions as a mobile router and can transmit information remotely through transmission between vehicles. The multi-hop vehicle network has a number of challenging technical issues due to the high dynamic characteristics of the vehicle. Let's take a look at Delay-tolerant vehicular networking technology, a technology that can solve the connectivity between end nodes that can occur due to the high mobility of the vehicle network. To this end, we first analyze the technical background and key related technologies of delay-tolerant vehicle networking, and based on this, summarize technical issues that require future R&D.
자동차는 현 사회를 지탱하고 있는 핵심 인프라 중 하나이다. 자동차는 인간의 이동성 향상에 크게 기여하여 왔으나, 다른 한편으로는 다양한 사회 문제의 원인이 되기도 한다. 자동차 사고로 인한 인명 피해, 대규모 자동차로 인한 혼잡 및 공해 등이 그 대표적 예이다. 전 세계적으로 연간 백만 명이 넘는 사람이 교통사고로 사망하고 교통체증으로 낭비되는 석유가 미국에서만 39억 갤런에 달하며, 교통수단에서 배출되는 온실가스의 양은 전체 온실가스 배출량의 14%에 달하는 것으로 보고되고 있다. 자동차로 인한 이러한 문제를 해결할 수 있는 방안으로 최근 주목을 받은 기술이 자율주행차이다. 이러한 관심에 힘입어 최근 개최된 세계 양대 전자제품 전시회인 CES과 MWC에서도 자율주행차가 가장 뜨거운 이슈로 주목받았다. Automobiles are one of the core infrastructures that support the current society. Automobiles have greatly contributed to the improvement of human mobility, but on the other hand, they also cause various social problems. The most important examples are the damage caused by automobile accidents and the congestion and pollution caused by large-scale automobiles. It is reported that more than 1 million people die annually in traffic accidents worldwide, and that the waste of oil in traffic jams is 3.9 billion gallons in the United States alone, and that the amount of greenhouse gases emitted from transportation is 14% of total greenhouse gas emissions. have. An autonomous vehicle is a technology that has recently attracted attention as a solution to this problem caused by automobiles. Thanks to these interests, autonomous vehicles have also attracted attention as the hottest issue at the world's two major electronics exhibitions, CES and MWC.
자율주행차는 여러 가지 기반 기술들로 구성된다. 주위 사물 및 교통환경을 인지할 수 있는 다양한 센서 기술과 사람을 대신하여 정보를 분석하고 이를 기반으로 주행을 제어하는 인공지능 기술 등이 그 대표적인 예라고 할 수 있다. 이와 더불어 또 하나의 필수기술이 커넥티드카를 구현하기 위한 차량 네트워크 기술이다. 끊김 없는 네트워크 연결을 통해 자율주행을 위한 필수적인 정보를 제공해주는 커넥티드카는 자율주행차를 실현하기 위한 핵심 요소 중의 하나라고 할 수 있다. 현재 커넥티드카 시장은 빠른 속도록 확대되고 있으며 2020년경에는 출시되는 차량의 75%가 인터넷 연결성을 지원하는 하드웨어가 장착되어 출시될 것으로 예상되고 있다.Self-driving cars are made up of several infrastructure technologies. The representative examples are various sensor technologies that can recognize surrounding objects and traffic environments, and artificial intelligence technologies that analyze information on behalf of people and control driving based on them. In addition, another essential technology is a vehicle network technology for implementing a connected car. A connected car that provides essential information for autonomous driving through a seamless network connection can be said to be one of the key elements for realizing autonomous driving. Currently, the connected car market is expanding rapidly, and it is expected that by 2020, 75% of vehicles launched will be equipped with hardware that supports Internet connectivity.
한편 차세대 네트워크 기술인 5세대 이동통신(5G)에서도 자율주행차를 주요 응용분야로 간주하고 있으며, IoT/IoE(Internet of Things/Internet of Everything) 분야에서도 차량을 인터넷에 연결되어야 할 주요 사물의 하나로 규정하고 있다. 이러한 관점에서 볼 때 차량 네트워크는 자율주행차뿐 아니라 차세대 네트워크 차원에서도 핵심이 되는 분야라고 할 수 있다. Meanwhile, 5G mobile communication (5G), the next-generation network technology, considers autonomous vehicles as the main application field, and in the field of IoT/IoE (Internet of Things/Internet of Everything), the vehicle is defined as one of the main things to be connected to the Internet. Doing. From this point of view, the vehicle network can be said to be a key field not only for autonomous vehicles but also for the next generation network.
도 10은 차량 네트워크에서 추구하는 V2X(Vehicle to everything) 환경의 예를 보여준다. 도면과 같이 차량 네트워크에서 차량은 차량 간, 차량과 노변 장치, 차량과 네트워크 인프라, 차량과 보행자 간 등 다양한 연결을 지원하며 이를 통해 차량에 필요한 다양한 정보를 적시 적소에 제공한다. 10 shows an example of a V2X (Vehicle to everything) environment in the vehicle network. As shown in the figure, in the vehicle network, vehicles support various connections such as vehicles, vehicles and roadside devices, vehicles and network infrastructure, and vehicles and pedestrians, thereby providing various information necessary for vehicles in a timely manner.
차량 네트워크를 위한 기술로는 IEEE 표준 기반의 WAVE(Wireless access in vehicular environments)가 대표적이다. 이와 더불어 최근 5세대 이동통신 기술 개발의 일환으로 이동통신 기술 기반의 기술들도 제안되고 있다. 그런데 최근까지 주로 연구 개발되고 있는 차량네트워크 기술들을 살펴보면 대부분 차량 간 또는 차량과 네트워크 인프라 간의 단일홉 통신에 기반을 두고 있음을 알 수 있다. As a technology for a vehicle network, a wireless access in vehicular environments (WAVE) based on IEEE standards is typical. In addition, mobile communication technology-based technologies have recently been proposed as part of the development of 5G mobile communication technology. However, looking at vehicle network technologies that have been mainly researched and developed until recently, it can be seen that most of them are based on single-hop communication between vehicles or between vehicles and network infrastructure.
이러한 단일홉 기반 통신은 적용 범위가 네트워크 인프라가 구축된 지역으로 제한된다. 따라서 네트워크 인프라가 구축되지 못한 지역에 차량이 위치하는 경우 위성통신과 같은 특수한 장치가 구비되지 않는다면 차량 간의 통신이나 인터넷 연결에 제한성을 가질 수밖에 없다. 따라서 향후 커넥티드카를 통해 구현하려는 다양한 서비스 제공이 가능하기 위해서는 이와 같이 단일홉 통신의 제한성에서 벗어날 수 있는 다중홉 기반의 통신 기술이 요구된다. 다중홉 통신 기반의 차량 네트워크에서는 차량 자체가 이동형 라우터 역할을 수행하여 차량 간의 다중홉 전달을 통해 지역적으로 네트워크 인프라가 부재한 경우에도 원거리에 있는 차량 또는 네트워크 인프라와 통신을 가능하게 할 수 있다. The coverage of this single hop-based communication is limited to the area where the network infrastructure is built. Therefore, if a vehicle is located in an area where a network infrastructure is not constructed, it is inevitable to have a limitation in communication between vehicles or Internet connection if a special device such as satellite communication is not provided. Therefore, in order to be able to provide various services to be implemented through a connected car in the future, a multi-hop-based communication technology that can escape the limitations of single-hop communication is required. In a vehicle network based on multi-hop communication, the vehicle itself functions as a mobile router, so that multi-hop transmission between vehicles enables communication with a vehicle or network infrastructure located at a remote location even when a network infrastructure is absent locally.
다중홉 기반의 차량 네트워크는 차량의 높은 동적 특성으로 인하여 기술적 측면에서 기존의 유무선 네트워크의 다중홉 네트워킹과는 차별되는 설계요구사항을 가진다. 대표적인 예가 차량 네트워크에서는 차량의 빠른 속도와 높은 이동성으로 인해 안정적으로 네트워크 연결을 지속하기가 어려울 수 있다는 것이다. 이는 안정된 종단간 연결을 가정하고 설계된 기존 네트워크 기술에서는 고려되지 못한 요소이다. 이와는 반대로 차량은 그 특성상 전원 공급과 공간 제공에 큰 제약을 받지 않으므로 네트워킹을 위한 전력 소모, 프로세싱 및 저장장치에 제한을 받지 않는다는 통신에 유리한 특성도 지닌다. 이러한 특성은 센서와 같이 주로 제한된 능력을 갖춘 사물을 고려해야 하는 사물인터넷 환경과도 차별화가 되는 부분이다. 따라서 이러한 차량 네트워크의 특수한 환경에서 효율적인 다중홉 네트워킹을 지원하기 위해서는 해결하여야 할 다양한 기술적 이슈가 존재한다고 할 수 있다. The multi-hop-based vehicle network has a design requirement that is different from the multi-hop networking of the existing wired/wireless network in technical aspect due to the high dynamic characteristics of the vehicle. A typical example is that in a vehicle network, it may be difficult to maintain a stable network connection due to the vehicle's high speed and high mobility. This is a factor not considered in the existing network technology designed assuming stable end-to-end connection. On the contrary, the vehicle is advantageous in communication that it is not limited by power consumption, processing, and storage for networking because the vehicle is not greatly restricted by power supply and space provision. This characteristic is different from the Internet of Things (IoT) environment in which objects with limited capabilities, such as sensors, should be considered. Therefore, it can be said that there are various technical issues to be solved in order to support efficient multi-hop networking in a special environment of the vehicle network.
이러한 기술적인 이슈 중에서 차량의 높은 동적 특성으로 인해 종단 노드 간에 지속적인 연결성이 보장되지 않는 환경에서도 통신을 가능하게 해주는 지연감내형 차량 네트워킹 기술에 대해서 살펴본다. 이를 위해 지연감내형 차량 네트워킹의 기술적 배경 및 주요 관련 기술들을 분석하고 이를 기반으로 향후 연구개발이 요구되는 주요 기술들을 정리한다. Among these technical issues, we examine the delay-tolerant vehicle networking technology that enables communication even in an environment where continuous connectivity between end nodes is not guaranteed due to the high dynamic characteristics of the vehicle. To this end, we analyze the technical background and key related technologies of delay-tolerant vehicle networking and summarize the main technologies that require future R&D based on this.
-기술배경-Technology background
차량 네트워크는 기존의 유무선 네트워크와는 달리, 빈번한 분리가 발생하는 고도의 동적인 특성을 가지며 차량 간의 간의 통신이 가능한 시간도 짧은 특징을 가지는 것으로 보고되고 있다. VANET(Vehicular Ad hoc networks)는 이러한 동적인 네트워크 토폴로지(Topology)에서의 다중홉 네트워킹을 위해 제안된 기술로 기존의 이동형 애드혹 네트워킹 기술인 MANET (Mobile Ad hoc networks) 기술을 기반으로 한다. VANET에서 고려하는 차량 네트워크의 구체적인 특성은 다음과 같다 Vehicle networks have been reported to have a high dynamic characteristic in which frequent separation occurs unlike conventional wired/wireless networks, and also have a short time for communication between vehicles. VANET (Vehicular Ad hoc networks) is a technology proposed for multi-hop networking in this dynamic network topology, and is based on the existing mobile ad hoc networking technology, MANET (Mobile Ad hoc networks). The specific characteristics of the vehicle network considered by VANET are as follows.
* 도로를 기반으로 이동하는 차량의 예측 가능한 이동성.* Predictable mobility of vehicles moving on the road.
* 높은 속도의 차량으로 인한 빠른 네트워크 토폴로지의 변화.* Fast network topology changes due to high speed vehicles.
* 시간(예, 교통혼잡)과 장소(예, 도심, 시골)에 따른 가변적인 토폴로지.* Variable topology according to time (eg traffic congestion) and location (eg city center, countryside).
* 다수의 차량이 네트워크 노드로 동작하는 규모성.* Scalability of multiple vehicles operating as network nodes.
* 차량의 제한된 통신 범위로 인한 네트워크 분리.* Network separation due to vehicle's limited communication range.
* 데이터 처리에 대한 전력 소모 비제한성.* Unlimited power consumption for data processing.
그러나 VANET의 경우 여전히 기존의 통신 방식과 같이 종단간에 통신 경로가 존재하는 것을 가정하고 있으므로 실제 차량 네트워크에서 빈번히 발생할 수 있는 비연결성을 지원하기에는 한계를 가진다. 이러한 문제를 해결하기 위하여 비연결성이 존재하는 통신 환경을 위해 기 설계된 DTN(Delay tolerant networking) 기술을 차량 네트워크에 적용하는 기술들이 2000년 중반부터 지속적으로 제안되었다. However, in the case of VANET, assuming that a communication path exists between end-to-end as in the existing communication method, there is a limit to support connectionlessness that may occur frequently in an actual vehicle network. In order to solve this problem, technologies for applying a previously designed Delay tolerant networking (DTN) technology to a vehicle network for a communication environment in which there is connectionlessness have been continuously proposed since mid-2000.
DTN은 2000년 초 기존 인터넷워킹 기술인 TCP/IP가 매우 높은 지연, 낮은 데이터 전송률, 단절 가능성 및 종단간 연결성이 존재하지 않을 수 있는 환경에서 적절하게 동작하지 못한다는 문제 인식에서 개발된 기술로 2007년에 IETF 표준으로 제정되었다. 최초 열악한 연결성을 가지는 행성간 통신을 목적으로 설계되었으나 이외에도 비연결성을 가지는 다양한 분야로의 적용이 제안되었다. 사전에 계획된 일정에 따라 간헐적 연결성을 가지는 센서 네트워크, 종단간 연결성 보장이 어려운 지상 무선 네트워크, 지연이 크고 주기적 연결성을 가지는 위성 통신 등이 적용이 필요한 분야로 고려되고 있다. DTN was developed in 2007 in recognition of the problem that TCP/IP, an existing internetworking technology, does not work properly in an environment where very high latency, low data rate, disconnectability, and end-to-end connectivity may not exist. Was enacted as an IETF standard. It was first designed for interplanetary communication with poor connectivity, but it has been proposed to be applied to various fields with non-connectivity. According to a pre-planned schedule, sensor networks having intermittent connectivity, terrestrial radio networks with difficult end-to-end connectivity guarantees, and satellite communication with high delay and periodic connectivity are considered as fields that need to be applied.
TCP/IP의 경우 기본적으로 연속적이고 양방향성의 종단간 통신 경로가 존재하며 짧은 라운드트립(Round trip) 시간, 높은 전송 신뢰성 및 대칭적인 데이터 송수신 전송률 등을 가정하여 설계되었다. 따라서 이를 비연결성이 존재하는 네트워크 환경에 적용하는 경우 높은 지연으로 인한 TCP 성능의 저하, 패킷 파편화(Fragment)의 손실로 인한 네트워크 계층에서의 성능 저하 및 차량 간의 물리적 비연결성에 의한 라우팅의 단절 같은 문제점을 가진다. 따라서 이러한 문제점을 해결하기 위해 DTN은 OSI(Open systems inter-connection) 계층 구조에서 전송 계층과 응용 계층 사이에 번들(Bundle) 계층을 새롭게 설계하고 종단간 통신이 아닌 번들 계층 간의 SF(Store and forward)라고 불리는 홉간(Hop-by-Hop) 통신을 통해 비연결성이 존재하는 환경에서도 통신할 수 있도록 설계되었다. 도 11에 기존의 TCP/IP와 DTN의 특징을 간략히 비교하였다.In the case of TCP/IP, there is basically a continuous and bidirectional end-to-end communication path, and it is designed with the assumption of short round trip time, high transmission reliability, and symmetric data transmission/reception rate. Therefore, when it is applied to a network environment in which there is no connection, problems such as a decrease in TCP performance due to high delay, a decrease in performance at the network layer due to loss of packet fragmentation, and disconnection of routing due to physical connectionlessness between vehicles Have Therefore, in order to solve this problem, DTN newly designed a bundling layer between the transport layer and the application layer in the OSI (Open Systems Inter-connection) layer structure, and store and forward (SF) between bundle layers rather than end-to-end communication. It is designed to communicate in an environment where there is no connection through hop-by-hop communication. 11, the characteristics of the existing TCP/IP and DTN are briefly compared.
지연감내형 차량 네트워크(VDTN: Vehicular delay tolerant network)는 이러한 DTN 기술을 차량네트워크에 적용한 기술로 차량 네트워크의 동적인 네트워크 환경에서도 차량 간 또는 차량과 인프라 간의 다중홉 통신을 가능하게 할 수 있다. 즉, VDTN은 DTN에서 진화된 전달 기술인 SCF(Store, carry and forward) 기술을 도입하여 차량 네트워크의 특수한 네트워크 환경을 효율적으로 지원할 수 있도록 기존의 VANET 기술을 진화시킨 기술이라고 할 수 있다. Vehicular delay tolerant network (VDTN) is a technology that applies this DTN technology to a vehicle network, and enables multi-hop communication between vehicles or between a vehicle and an infrastructure even in a dynamic network environment of the vehicle network. In other words, VDTN can be said to have evolved the existing VANET technology to efficiently support the special network environment of vehicle networks by introducing SCF (Store, Carry and Forward) technology, which is an evolved delivery technology from DTN.
VDTN은 다음과 같은 다양한 차량 기반 서비스를 제공할 수 있다. VDTN can provide a variety of vehicle-based services such as:
* 도로 안전(충돌 방지, 도로 위험 공지를 위한 차량 간 협력 등).* Road safety (collision prevention, inter-vehicle cooperation for road hazard notification, etc.).
* 교통 상태와 도로 사용률 최적화(도로 혼잡 방지와 트래픽 상태 모니터링 등).* Optimize traffic conditions and road usage (prevent road congestion and monitor traffic conditions, etc.).
* 센서 데이터 수집을 위한 모니터링 네트워크(날씨, 공해, 노면 상태 등).* Monitoring network for collecting sensor data (weather, pollution, road conditions, etc.).
* 상업 정보(광고, 마케팅 정보, 여행 정보, 주차 정보 등).* Commercial information (advertising, marketing information, travel information, parking information, etc.).
* 엔터테인먼트(인터넷 접속, 멀티미디어 콘텐츠 공유).* Entertainment (Internet access, multimedia content sharing).
* 시골이나 제3세계 등과 같은 벽지 지역에 대한 연결성 제공(파일 전송, 전자메일, 캐시형 웹 접속, 원격진료).* Providing connectivity to remote areas such as the countryside or the Third World (file transfer, e-mail, cached web access, remote care).
* 기존 네트워크 인프라 사용이 불가능한 재해 지역에서의 응급 통신.* Emergency communication in disaster areas where existing network infrastructure is not available.
- 주요기술-Main technology
VDTN의 주요 기술인 구조, 라우팅 기술, 차세대 네트워킹 기술인 ICN(Information centric networking) 기반의 차량 네트워크 기술 및 벽지 지역에서의 적용 예인 차량전달 네트워크에 대해 설명한다. VDTN's main technologies such as structure, routing technology, next-generation networking technology, ICN (Information centric networking)-based vehicle network technology, and vehicle delivery network as an example of application in the wallpaper area will be described.
- 구조- rescue
상술한 바와 같이 DTN 네트워크는 도 12와 같이 전송 계층과 응용 계층 사이에 새로운 번들 계층이 도입된 DTN 노드들로 구성된다. As described above, the DTN network is composed of DTN nodes in which a new bundle layer is introduced between the transport layer and the application layer, as shown in FIG. 12.
종단 DTN 노드에서 응용 계층의 데이터는 번들 계층에 의해서 메시지 단위로 변환된 후 SF 형태로 동작하는 번들 프로토콜을 이용하여 홉간 통신으로 전달된다. 번들 계층 하부는 OSI 전 계층을 포함하는 다양한 네트워크 기술들이 존재할 수 있다. 응용은 번들 계층을 기반으로 동작하며 교환 메시지 최소화, 통신 중 단절 후 재시작 기능 등 통신 품질 관리를 위한 기능을 포함하여 설계된다. At the end DTN node, the data of the application layer is converted into message units by the bundle layer, and then transmitted by hop-to-hop communication using the bundle protocol operating in the form of SF. Under the bundle layer, various network technologies including all OSI layers may exist. The application operates based on the bundle layer and is designed to include functions for communication quality management, such as minimizing exchange messages and restarting after disconnection during communication.
이러한 DTN 구조는 일반적인 구조로 이를 차량네트워크에 그대로 적용하는 경우 여러 가지 비효율성이 있을 수 있다. 따라서 그동안 VDTN을 위해서 다양한 구조들이 제안되었으며, 그 중 도 13과 같은 VDTN 구조가 가장 유력하게 고려되고 있다. 이 구조에서 VDTN은 종단 사용자에 대한 연결을 제공하는 종단 노드(Terminal node), 차량과 같이 종단 노드 간에 메시지를 전달하는 이동 노드(Mobile node) 및 메시지 전송 효율을 높이기 위해 교차로에 위치하는 고정 노드인 전달 노드(Relay node)로 구성된다. Such a DTN structure is a general structure, and if it is applied to a vehicle network as it is, there may be various inefficiencies. Therefore, various structures have been proposed for the VDTN, and among them, the VDTN structure as shown in FIG. 13 is considered the most influential. In this structure, the VDTN is a terminal node that provides connectivity to end users, a mobile node that delivers messages between end nodes, such as vehicles, and a fixed node located at the intersection to increase message transmission efficiency. It consists of a relay node.
도 13과 같이 VDTN 구조는 기존의 DTN 구조와는 달리 번들 계층이 네트워크 계층과 PHY/MAC 사이에 위치한다. 이를 통해 하나의 메시지에 다수의 IP 패킷을 포함시킬 수 있고, 데이터 프로세싱과 라우팅을 간략화시킬 수 있어서 시스템 복잡성을 낮추고 저비용 및 에너지 소모 감소를 달성할 수 있다. As shown in FIG. 13, in the VDTN structure, unlike the existing DTN structure, the bundle layer is located between the network layer and the PHY/MAC. This allows multiple IP packets to be included in a single message and simplifies data processing and routing, reducing system complexity and achieving low cost and reduced energy consumption.
또한, VDTN 구조는 도 13과 같이 데이터 평면(BAD: Bundle aggregation and de-aggregation)과 제어 평면(BSC: Bundle signaling control)의 분리를 기본으로 한다. 송신단의 BAD는 전송하려는 IP 패킷을 번들 메시지 단위로 모으고 이를 데이터 평면을 통해 전송하고, 수신단의 BAD는 수신한 번들 메시지를 IP 패킷으로 재분리하는 기능을 수행한다. BSC는 VDTN 노드 간 연결 설정을 위한 시그날링 프로토콜로 상대 노드의 특성을 파악하고 데이터 평면에서의 데이터 전송을 위한 준비를 위한 제어 정보를 교환한다. 이러한 데이터 평면과 제어 평면의 분리를 통해 저장 용량이나 대역폭과 같은 데이터 평면에서의 자원과 에너지 소모를 절약할 수 있다. In addition, the VDTN structure is based on separation of a data plane (BAD: Bundle aggregation and de-aggregation) and a control plane (BSC: Bundle signaling control) as shown in FIG. 13. The BAD of the transmitting end collects IP packets to be transmitted in the unit of a bundle message and transmits them through a data plane, and the BAD of the receiving end performs a function of re-separating the received bundled message into IP packets. BSC is a signaling protocol for establishing a connection between VDTN nodes. It identifies the characteristics of the other node and exchanges control information for preparation for data transmission in the data plane. Separation of the data plane from the control plane can save resources and energy consumption in the data plane, such as storage capacity or bandwidth.
도 14에 기존 DTN과 VDTN 간의 차이점을 간단히 정리하였다. The difference between the existing DTN and VDTN is briefly summarized in FIG. 14.
DTN이나 VDTN과 같이 기존의 프로토콜 스택에 번들 계층의 도입은 필연적으로 중복 처리로 인한 오버헤드를 증가시키게 된다. 현재와 같이 IP 기반의 응용이 주가 되는 환경에서는 이러한 오버헤드는 비효율적일 수 있다. 이러한 오버헤드 문제를 해결하기 위해서 하이브리드 형태로 DTN과 IP를 지원하는 구조도 제안되었다. 도 15는 ‘IP-cum-DTN’이라는 게이트웨이 기반의 하이브리드 구조를 보여준다. The introduction of a bundle layer into an existing protocol stack, such as DTN or VDTN, inevitably increases the overhead due to duplicate processing. In an environment where IP-based applications are the main current situation, such overhead may be inefficient. In order to solve this overhead problem, a structure supporting DTN and IP in a hybrid form has also been proposed. 15 shows a hybrid structure based on a gateway called'IP-cum-DTN'.
도 15와 같은 게이트웨이 기반의 하이브리드 구조에서는 IP 기반 응용은 만일 종단간 경로가 존재하면 IP 영역을 통해 데이터가 전달되며, 만일 그 경로에서의 단절이 발생하면 동적으로 DTN 영역을 선택하는 형태로 동작한다. 이를 통해 호스트에서는 기존의 IP 기반 응용을 그대로 사용할 수 있어 IP 기반 응용이 주를 이루는 환경에서의 전달 효율성을 향상시킬 수 있다. In the gateway-based hybrid structure as shown in FIG. 15, the IP-based application operates in the form of dynamically selecting the DTN area if there is an end-to-end route and data is transmitted through the IP area. . As a result, the existing IP-based application can be used as it is on the host, thereby improving delivery efficiency in an environment where the IP-based application is predominant.
- 라우팅 프로토콜-Routing protocol
차량 네트워크는 차량 간 짧은 접촉 시간과 높은 동적 토폴로지를 가지므로, 이러한 환경을 적절하게 지원하기 위한 라우팅 프로토콜 기술은 VDTN 구조와 함께 VDTN의 핵심 기술 이슈라고 할 수 있다. VDTN을 위한 라우팅 프로토콜은 기본적으로 DTN 라우팅 프로토콜들에 기반을 두고 있으며, 이를 차량 네트워크 환경에 맞게 적용하는 방향으로 개발되어 왔다. Since the vehicle network has a short contact time between vehicles and a high dynamic topology, the routing protocol technology to properly support this environment can be said to be a core technical issue of the VDTN along with the VDTN structure. The routing protocol for the VDTN is basically based on the DTN routing protocols, and has been developed in a way to apply it to the vehicle network environment.
DTN 라우팅 프로토콜은 크게 단일 복사본(Single-copy) 방법과 다중 복사본(Multiple-copy) 방식으로 나누어 볼 수 있다. 단일 복사본 방식은 네트워크 노드 간의 포워딩 시 번들 메시지의 단일 복사본만을 유지하는 방식이다. 이 방식은 저장장치나, 대역폭 및 에너지 등의 네트워크 자원을 절약할 수 있으나 낮은 전달률과 큰 지연이 문제가 될 수 있다. 송신 노드가 수신 노드를 만날 때까지 번들을 운반하는 Direct delivery 방식, 처음 만나는 노드에 번들을 전달하는 First contact 방식, 노드의 위치 정보를 기반으로 목적지와의 지리적 거리를 줄이는 방식으로 전달하는 지리적(Geographic) 라우팅 방식이 대표적인 예이다. 반면에 다중 복사본 방식은 노드 간 접촉 시 번들 메시지를 다중으로 복사하는 방식이다. 각 번들 메시지의 복사본은 독립적으로 전달되므로 다중 경로로 인한 전달 확률이 높은 장점을 가진다. 또한, 다중 경로를 통해 최적의 전달 패스를 이용함으로써 전달 지연을 최소화할 수 있다. 반면에 네트워크 자원 소모 측면에서는 큰 비효율성이 존재한다. 다중 복사본의 대표적 예로는 노드가 전달해야 할 번들 메시지의 목록을 관리하며 노드 간 접촉 시 목록에 없는 모든 번들 메시지를 교환하는 Epidemic 방식, 플러딩(Flooding)을 제어하기 위해 번들 당 복사본을 만드는 수를 제한하는 Spray and Wait, 노드 간 접촉 시 전달할 번들과 오버플로(Overflow) 시 버려야 할 번들을 스케줄링하여 우선순위를 관리하는 MaxPro 등을 들 수 있다. The DTN routing protocol can be roughly divided into a single-copy method and a multiple-copy method. The single copy method maintains only a single copy of a bundle message when forwarding between network nodes. This method can save network resources such as storage devices and bandwidth and energy, but low transmission rates and large delays can be a problem. Direct delivery method that carries the bundle until the sending node meets the receiving node, First contact method that delivers the bundle to the first node it meets, and geographic delivery that reduces the geographical distance to the destination based on the location information of the node. ) Routing method is a typical example. On the other hand, the multiple copy method is a method of copying a bundle message multiple times when contacting between nodes. Since each copy of the bundled message is delivered independently, it has the advantage of high probability of delivery due to multi-path. In addition, delivery delay can be minimized by using an optimal delivery path through multiple paths. On the other hand, there is a great inefficiency in terms of network resource consumption. A typical example of multiple copies is the Epidemic method, which manages a list of bundle messages that a node needs to deliver and exchanges all unlisted bundle messages when contacting between nodes, limiting the number of copies made per bundle to control flooding. Spray and Wait, and MaxPro, which manages priority by scheduling bundles to be delivered in case of node to node and bundles to be discarded in case of overflow.
상기와 같이 다양한 프로토콜 중에서 차량 네트워크 측면에서 특히 관심을 가지고 볼만한 라우팅 프로토콜이 지리적 라우팅 프로토콜이다. 지리적 라우팅은 포워딩에 대한 결정이 기본적으로 수신자의 위치에 기반을 두는 라우팅 방식으로 전달할 데이터가 있는 노드가 다른 노드를 만났을 때 상대 노드가 최종 수신자의 위치에 더 가까이 있거나 가까이 갈 가능성이 높은 노드로 데이터가 전달되는 Greedy 라우팅 방식이다. 지리적 라우팅 프로토콜은 각 노드의 위치 정보에 따라서 라우팅을 수행하므로 네트워크는 상태 정보를 유지하지 않는 비상태형(Stateless) 방식이다. 따라서 타 방식 보다 단순하고 효율적이다. 즉, 동적인 차량 네트워크에서 구성하기 어렵거나 오버헤더가 큰 네트워크 토폴로지를 구성할 필요가 없고 네트워크 자원의 소모가 적은 단일 복사본 라우팅을 사용할 수 있다. 또한, 최근 대부분 차량이 내 비게이션 시스템과 같이 GPS 정보나 차량 경로를 기본적으로 활용할 수 있는 환경이 이미 구축되어 있어 각 노드의 위치정보 활용이 용이하다는 것도 지리적 라우팅의 장점이라고 할 수 있다. 도 16에 지금까지 제안된 주요 지연감내형 지리적 라우팅 프로토콜들의 특성을 간략히 정리하였다.Among the various protocols as described above, a routing protocol worth paying attention to particularly in terms of a vehicle network is a geographic routing protocol. Geo-routing is a routing method in which the decision on forwarding is based on the location of the receiver by default. When a node with data to be delivered meets another node, the data is transferred to the node where the other node is closer to or more likely to reach the final receiver's location. Is the Greedy routing method. Since the geographic routing protocol performs routing according to the location information of each node, the network is a stateless method that does not maintain state information. Therefore, it is simpler and more efficient than other methods. In other words, it is not necessary to configure a network topology that is difficult to configure in a dynamic vehicle network or has a large overhead, and single copy routing can be used with low consumption of network resources. In addition, it is also an advantage of geographical routing that the location information of each node is easy to use since most vehicles have already built an environment in which most of the vehicles can basically use GPS information or a vehicle route, such as a navigation system. Fig. 16 briefly summarizes the characteristics of the major delay-tolerant geographic routing protocols proposed so far.
- 정보중심 네트워킹(ICN)-Information-centric networking (ICN)
차량 네트워크 환경에서 안정적 종단간 연결성을 가정한 호스트 기반의 TCP/IP 기술의 한계를 새로운 네트워크 기술인 정보중심 네트워크(ICN: Information centric networking)를 기반으로 극복하고자 하는 연구가 최근 등장하고 있다. ICN은 기본적으로 정보가 위치한 호스트가 아닌 정보 자체를 기반으로 통신하고자 하는 새로운 통신 방법이다. ICN은 기능적으로 데이터를 상당 시간 저장할 수 있는 네트워크 내 캐싱(In-network caching)을 기본 요소로 포함하고 있어 지연감내형 통신을 구조적으로 지원할 수 있다 특징이 있다. Recently, studies have been conducted to overcome the limitations of host-based TCP/IP technology that assumes stable end-to-end connectivity in a vehicle network environment based on a new network technology, information centric networking (ICN). ICN is basically a new communication method to communicate based on the information itself, not the host where the information is located. ICN has a feature that it can structurally support delay-sensitive communication by including in-network caching, which can store data for a considerable amount of time, as a basic element.
차량 네트워크의 다중홉 통신을 위해 ICN을 활용하는 경우 기존 TCP/IP 기술에 비해 응용, 이동성 및 보안의 측면에서 장점을 가질 수 있다. 먼저, 응용과 관련하여서는 기본적으로 차량 네트워크의 응용 성격이 도로 노면상태나 트래픽 상황과 같은 콘텐츠를 다루거나 정보 생산자에 독립적인 정보 중심적 성격이면 ICN의 기본 개념에 잘 부합한다. ICN은 또한 기본적 기능인 애니캐스트(Anycast)와 네트워크 내 케슁을 통해 차량이 필요로 하는 정보를 정보의 이름(Name) 기반으로 가장 가까운 저장소와 같이 가장 편리한 노드에서 가져올 수 있어 이동성 관리를 간략화시킬 수 있다. 또한, ICN은 SCF 기능을 구조적으로 지원하므로 이동성으로 인한 비연결 상태에 대해서도 효율적 대응이 가능하다. ICN은 보안 측면에서 호스트 기반의 TCP/IP에서의 채널 보안과는 달리 콘텐츠 자체에 보안을 적용함으로써 개선된 보안 기능을 제공할 수 있다. When using ICN for multi-hop communication in a vehicle network, it can have advantages in terms of application, mobility, and security compared to the existing TCP/IP technology. First, in terms of application, if the application nature of the vehicle network basically deals with content such as road surface conditions or traffic conditions, or if it is an information-centric nature independent of the information producer, it fits well with the basic concept of ICN. ICN also simplifies mobility management by allowing basic vehicle functions, Anycast and caching within the network, to bring the information the vehicle needs from the most convenient node, such as the nearest repository, based on the name of the information. . In addition, since ICN structurally supports the SCF function, it is possible to efficiently respond to a disconnected state due to mobility. In terms of security, ICN can provide improved security by applying security to the content itself, unlike channel security in host-based TCP/IP.
도 17은 WAVE 기반의 차량 네트워크에서 ICN를 적용한 구조의 예를 보여준다. 그림에서와같이 ICN은 네트워크 및 전송 계층에서 기존 TCP/IP를 대체하는 기술로 사용될 수 있다. 17 shows an example of a structure in which ICN is applied in a WAVE-based vehicle network. As shown in the figure, ICN can be used as a technology to replace the existing TCP/IP at the network and transport layer.
- 차량전달 네트워크-Vehicle transmission network
세계가 인터넷 기반의 정보 사회로 빠르게 바뀌어 감에 따라 인터넷에 대한 접속은 유엔이 정한 인간의 기본권의 하나로 간주되고 있다. 그러나 아직 전 세계적으로 인터넷에 접속할 수 있는 인구는 전체 인구의 40%에 머물고 있고 나머지 60%의 인구는 인터넷 접속이 어려운 열악한 환경 속에서 생활하고 있는 것으로 보고되고 있다. 구글의 LOON 프로젝트와 페이스북의 internet. org 프로젝트가 이러한 열악한 네트워크 환경에서 인터넷 접속을 지원하기 위해 이루어지고 있는 연구개발의 대표적인 예이다. 지연감내형 차량 네트워크는 이러한 환경에도 유용하게 활용될 수 있는 기술이다. As the world rapidly changes to an Internet-based information society, access to the Internet is regarded as one of the basic human rights set by the United Nations. However, it is reported that the world's population with access to the Internet is still 40% of the total population, and the remaining 60% of the population is living in a difficult environment where Internet access is difficult. Google's LOON project and Facebook's internet. The org project is a representative example of R&D that is being done to support Internet access in this poor network environment. The delay-tolerant vehicle network is a technology that can be useful in such environments.
차량전달 네트워크는 네트워크 인프라가 확보되어 있지 않은 열악한 네트워크 환경에서 차량이 직접 데이터를 전달하는 지연감내형 통신의 한 방법으로 벽지 지역에 저비용으로 인터넷 연결을 제공할 수 있다. DakNet과 이를 발전시킨 KioskNet이 대표적인 기술이라고 할 수 있다. 도 18은 실제로 인도와 캄보디아의 시골 지역에서 서비스가 이루어진 DakNet의 개념도이다. The vehicle transmission network can provide a low-cost Internet connection to the wallpaper area as a method of delay-sensitive communication in which the vehicle directly transmits data in a poor network environment in which a network infrastructure is not secured. DakNet and KioskNet, which developed it, are representative technologies. 18 is a conceptual diagram of DakNet in which services are actually provided in rural areas of India and Cambodia.
그림에서 각 마을(Village)에 위치한 Kiosk는 인터넷에 대한 연결을 가지지 않기 때문에 버스와 DTN 프로토콜이 Kiosk와 인터넷 연결을 가지는 인근 타운 간의 연결을 위한 게이트웨이 역할을 수행한다. 이동 엑세스 포인트 역할을 수행하는 버스는 Kiosk를 통해 마을 사용자의 인터넷 접속 요청을 받아서 이를 인터넷 접속이 가능한 타운까지 전달하고 그에 대한 응답을 받아 다시 마을 지역으로 이동한 후 Kiosk로 전달한다. 이러한 차량전달 네트워크를 통해 이메일, 웹브라우징, 원격진료, 곡물 가격 정보, 세금 납부와 같은 다양한 인터넷 기반 서비스 제공을 위한 저비용 인프라를 구축할 수 있다. In the figure, Kiosk located in each village does not have a connection to the Internet, so the bus and DTN protocol act as a gateway for the connection between Kiosk and neighboring towns that have an Internet connection. The bus acting as a mobile access point receives a request from the village user for Internet access through Kiosk, delivers it to a town with Internet access, receives a response, moves it back to the village area, and delivers it to the Kiosk. Through this vehicle delivery network, it is possible to build a low-cost infrastructure for providing various Internet-based services such as email, web browsing, telemedicine, grain price information, and tax payment.
차량전달 네트워크는 도로를 따라 이동하는 교통 인프라의 특성상 네트워크 노드가 랜덤하게 이동하지 않고 확률적인 라우팅을 수행하는 PRoPHET 라우팅 프로토콜이 사용된다. PRoPHET 라우팅 프로토콜은 접촉한 노드가 목적지 노드를 만난 그동안의 기록(Delivery predictability)에 기반을 두고 복사본을 전달하는 형태로 동작한다. The vehicle transport network uses a PRoPHET routing protocol that performs stochastic routing without randomly moving network nodes due to the nature of the traffic infrastructure moving along the road. The PRoPHET routing protocol operates in the form of delivering a copy based on the delivery predictability of the contact node with the destination node.
- 연구동향-Research Trend
현시점은 커넥티드카 개념이 적용되고 있는 초기 단계로 지연감내형 차량 네트워크에 대한 연구도 아직 초기 단계라고 할 수 있다. At the present time, the concept of the connected car concept is in its infancy, and the research on delay-tolerant vehicle networks is still in its infancy.
- IRTF/IETF-IRTF/IETF
DTN 표준화는 2000년 초 인터넷 표준 전 단계 작업을 주로 수행하는 기관인 IRTF(Internet Research Task Force) 하에서 DTN 관련 연구를 담당하는 DTNRG (Delay Tolerant Networking Research Group)라는 그룹이 생성되어 관련 기술 논의 및 표준화 작업을 수행하여 오다가 지난 2016년 작업을 최종적으로 마무리하였다. DTNRG 활동을 통해 DTN 구조 및 번들 프로토콜과 같은 DTN의 기반 기술에 대한 표준화가 이루어졌으나 차량 네트워크 부분까지는 진행하지 못하고 작업이 마무리되었다. In early 2000, a group called Delay Tolerant Networking Research Group (DTNRG), which is responsible for DTN-related research, was created under the Internet Research Task Force (IRTF), an organization that mainly performs all phases of Internet standards. After coming to work, the work in 2016 was finally completed. Through the DTNRG activities, standardization of DTN-based technologies such as DTN structure and bundle protocol was achieved, but the work was completed without proceeding to the vehicle network part.
차량 네트워크와 관련해서는 그동안 BoF(Birds of a Feather) 형태로 작업이 진행되던 ITS 기술 관련 그룹이 최근 IETF(Internet Engineering Task Force) 내에 새로운 작업반(WG: Working Group)을 신설하였다. IPWAVE(IP Wireless Access in Vehicular Environments)라는 이름으로 2016년 말에 설립된 이 작업반에서는 대표적인 차량 네트워크 기술인 IEEE 802.11 OCB(Outside the Context of a Basic Service Set) 기반 기술에 인터넷 연결을 위해 IPv6를 적용하는 경우 해결하여야 하는 문제점에 대해 논의를 진행하고 있으며, 현재 IPv6를 차량 네트워크에 적용 시의 문제점 분석에 대한 작업들이 주로 이루어지고 있다. 그러나 IPWAVE 작업반의 경우 주로 IPv6 기반의 차량 네트워크 기술을 초점을 맞추고 있어 본 고에서 다루고 있는 지연감내형 통신 관련 논의는 아직 다루어지지 못하고 있는 상황이다. As for the vehicle network, a group of ITS technologies, which had been working in the form of Birds of a Feather (BoF), recently established a new working group (WG) within the Internet Engineering Task Force (IETF). Founded at the end of 2016 under the name of IPWAVE (IP Wireless Access in Vehicular Environments), this working group applies IPv6 to connect to the Internet based on IEEE 802.11 Outside the Context of a Basic Service Set (OCB), a representative vehicle network technology. Discussion of the problems to be solved is currently underway, and currently, work on problem analysis when IPv6 is applied to a vehicle network is mainly performed. However, the IPWAVE working group mainly focuses on IPv6-based vehicle network technology, so the discussion on delay-sensitive communication discussed in this paper has not been addressed yet.
지연감내형 통신과 관련된 또 하나 주목할 만한 그룹으로는 IRTF의 ICNRG를 들 수 있다. 상술한 바와 같이 ICN은 기본적으로 지연감내형 통신 특성을 가지고 있다. ICNRG는 ICN을 위한 기술적 이슈 발굴과 더불어 새로운 네트워크 프로토콜인 ICN를 실제로 적용하기 위한 다양한 시나리오를 개발하는 작업을 수행하였다. 이 작업을 통해 차량 네트워크를 ICN의 적용을 통해 장점을 가질 수 있는 유력한 분야의 하나로 제시하였다. Another notable group related to delay-tolerant communication is ICTF of IRTF. As described above, ICN basically has a delay-tolerant communication characteristic. ICNRG worked to develop technical scenarios for ICN and develop various scenarios to actually apply ICN, a new network protocol. Through this work, the vehicle network was proposed as one of the most promising fields that can have advantages through the application of ICN.
- 미래인터넷 기반-Future Internet base
2000년 초 이후 현 TCP/IP 기반의 인터넷 기술의 한계를 극복하기 위해 연구가 미래 인터넷이라는 이름으로 전 세계적으로 활발히 진행되었다. 이러한 연구의 대표적인 예가 미국 과학재단의 지원으로 수행된 NDN과 MobilityFirst 프로젝트이다. 두 프로젝트는 기본 네트워크 구조 설계 이후, 다음 단계로 새로운 네트워크 기술을 적용하기 위한 응용 분야를 적극적으로 개발 중이며 차량 네트워크가 유력한 적용분야 중 하나로 고려되고 있다. Since the beginning of 2000, research has been actively conducted worldwide in the name of the future Internet to overcome the limitations of current TCP/IP based Internet technologies. Representative examples of such research are the NDN and MobilityFirst projects conducted with the support of the American Science Foundation. After the basic network structure design, the two projects are actively developing application fields to apply new network technology as the next step, and the vehicle network is considered as one of the promising applications.
최근 네트워크 환경이 빠르게 통신 노드들의 이동성이 증가하는 방향으로 변화하고 있기 때문에 두 미래 인터넷 구조는 모두 지연감내형 통신을 기본적으로 지원하는 구조로 설계되었다. NDN의 경우 ICN의 네트워크 내 케슁 기능을 포함하고 있어 지연감내형 통신 기능을 기본적으로 제공한다. NDN 프로젝트에서는 NDN을 자동차 네트워크 환경에 적용한 V-NDN 기술을 개발하여 차량 네트워크 환경에서의 성능의 우수성을 증명하였으며 이를 오픈소스로 배포했다. MobilityFirst는 기본적으로 무선 위주의 환경에서 지연감내형 통신을 지원하기 위해 설계된 네트워크 구조로 차량 네트워크를 위한 MobilityFirst 기반의 통합적인 구조를 제안하였다. MobilityFirst는 식별자와 주소 간 매핑 시스템인 GNRS(Global name resolution system), 지역적 저장소 및 지연 바인딩(Late binding)을 통해 지연감내형 통신을 구조적으로 지원하며 시뮬레이션을 통해 대규모 차량 네트워크 환경을 효율적으로 지원할 수 있음을 증명하였다.Since the recent network environment is rapidly changing in the direction of increasing mobility of communication nodes, both future Internet structures are designed to support delay-sensitive communication. In the case of NDN, ICN's networking function is included to provide delay-sensitive communication functions. In the NDN project, V-NDN technology, which applied NDN to an automotive network environment, was developed to prove the superiority of performance in a vehicle network environment and distribute it as open source. MobilityFirst basically proposed an integrated structure based on MobilityFirst for vehicle networks as a network structure designed to support delay-sensitive communication in a wireless-oriented environment. MobilityFirst structurally supports delay-tolerant communication through GNRS (Global name resolution system), a local storage and late binding, which is a mapping system between identifiers and addresses, and can efficiently support large-scale vehicle network environments through simulation. Proved.
지연감내형 차량 네트워킹 기술은 네트워크 인프라가 미치지 못하는 지역까지 통신 적용 범위를 확대할 수 있어 커넥티드카 실현을 위해 필수적인 기술이나 아직 세계적으로도 초기 연구단계라고 할 수 있다. Delay-tolerant vehicle networking technology is an essential technology for the realization of a connected car because it can extend the communication coverage to areas where the network infrastructure does not reach, but it is still in the early stages of research in the world.
지연감내형 차량 네트워킹 기술 외에도 커넥티드카라는 미래 비전을 실현하기 위해서는 해결하여야 할 많은 기술 이슈들이 존재한다. 다양한 유무선 엑세스 기술이 존재하는 차량 네트워크 환경에서 이종 네트워크 간의 효율적인 연동, 차량 및 콘텐츠에 대한 통합 식별체계, 정보중심네트워크와 같은 신개념 네트워크의 적용, 네비게이션 시스템과 같은 차량 장치를 이용한 효율적인 네트워킹, 차량 기반의 응급 통신 체계 등이 대표적인 예이다. 특히 최근 커넥티드카로 인한 차량에 대한 보안 문제가 심각하게 대두되고 있어 이에 대한 기술 개발도 시급히 해결하여야 할 문제라고 할 수 있다. In addition to the delay-tolerant vehicle networking technology, Connected Car has many technical issues to be solved in order to realize the future vision. Efficient interworking between heterogeneous networks in a vehicle network environment in which various wired and wireless access technologies exist, integrated identification system for vehicles and contents, application of new concept networks such as information-centric networks, efficient networking using vehicle devices such as navigation systems, and vehicle-based Emergency communication systems are a prime example. In particular, as the security problems of vehicles due to connected cars have emerged seriously recently, it can be said that the development of technology for this is an urgent problem to be solved.
다음은 지연/분열 허용 네트워크에 대해 설명한다.The following describes a delay/split-tolerant network.
지상네트워크에 적용되는 인터넷 프로토콜은 종단간의 연결성을 바탕으로, 메시지 전송 시간이 보장되는 네트워크 환경에서 동작한다. 하지만 우주통신 환경에서는 행성의 이동 혹은 전파 특성으로 인한 통신링크 단절과 상당히 큰 전송 지연이 발생하여 종단간 연결성을 요구하는 TCP(Transmission Control Protocol)와 같은 인터넷 프로토콜을 적용하는 것은 불가능하다. 또한 높은 전송오류가 발생하는 우주통신 환경을 극복하기 위해서는 높은 수준의 오류 정정기술이 추가적으로 적용 되어야한다.The Internet protocol applied to the terrestrial network operates in a network environment where message transmission time is guaranteed based on end-to-end connectivity. However, in a space communication environment, it is impossible to apply an Internet protocol such as Transmission Control Protocol (TCP), which requires end-to-end connectivity due to a large transmission delay and a communication link disconnection due to the movement or propagation characteristics of the planet. Also, in order to overcome the space communication environment in which high transmission errors occur, high-level error correction technology must be additionally applied.
지연/분열 허용 네트워크 (Delay- and Disruption-Tolerant Network, DTN)는 전송 지연 특성이 다른 이종 네트워크간의 연동을 위해 제안된 개념으로, 이를 위해 전송계층 (Transport layer) 위에 다른 전송 프로토콜로 구성된 네트워크의 연결성을 보장하는 번들 프로토콜 (Bundle Protocol, BP)을 가지고 있으며, 이를 통하여 종단간 연결성이 보장되지 않는 환경에서도 노드 간 통신을 지원할 수 있다. 지연/분할 허용 네트워크는 store-and-forward 메시지 전송 방식을 사용하며, 노드 간 연결이 끊어졌을 때는 메시지를 노드에 저장해 두고, 연결이 생성되면 메시지를 적용된 라우팅 방식에 따라 다음 노드로 전송한다. 또한, 메시지 분할 (Message Fragmentation)을 통하여 간헐적으로 생성되는 통신링크 및 제한된 전송 시간에 맞춰 메시지가 안정적으로 전송될 수 있게 메시지 크기 조정이 가능하다.Delay- and Disruption-Tolerant Network (DTN) is a concept proposed for interworking between heterogeneous networks with different transmission delay characteristics, and for this purpose, connectivity of networks composed of different transport protocols on the transport layer. It has a Bundle Protocol (BP) that guarantees, and through this, it can support inter-node communication even in environments where end-to-end connectivity is not guaranteed. The delay/split-allowed network uses the store-and-forward message transmission method. When the connection between nodes is lost, the message is stored in the node. When a connection is created, the message is transmitted to the next node according to the applied routing method. In addition, it is possible to adjust the message size so that the message can be stably transmitted according to the communication link and the limited transmission time generated intermittently through message fragmentation.
따라서, 지연/분열 허용 네트워크는 이러한 장점들 덕분에 간헐적인 통신링크 단절로 인한 큰 전송 지연이 발생하는 우주통신 환경에 적합하며, 우주통신 국제 표준화 기구인 Consultative Committee for Space Data Systems(CCSDS)에서도 지연/분열 허용 네트워크 프로토콜의 표준화를 진행 중에 있다.Therefore, the delay/split-tolerant network is suitable for a space communication environment in which a large transmission delay occurs due to intermittent communication link disconnection due to these advantages, and is also delayed in the Consultative Committee for Space Data Systems (CCSDS), an international standardization agency for space communication. Standardization of fragmentation-tolerant network protocols is in progress.
지연/분열 허용 네트워트가 우주 통신에 적용되면, 저궤도 (Low Earth Orbit, LEO) 위성, 정지궤도(Geostationary Orbit, GEO) 위성, 달궤도선 (Lunar Orbiter) 등이 릴레이 노드로 사용될 수 있으며, 지구-달, 지구-화성 간 통신에서 발생하는 전송 지연 및 높은 전송오류 등 직면하고 있는 문제점들을 해소할 수 있다.When the delayed/divided network is applied to space communication, low earth orbit (LEO) satellites, geostationary orbit (GEO) satellites, lunar orbiters, etc. can be used as relay nodes. It can solve the problems faced by transmission delay and high transmission error in the communication between the Moon and Earth.
지연/분열 허용 네트워크에서의 메시지 전송률은 고려하는 우주통신 환경, 특히 동적으로 움직이는 노드들의 이동모델에 영향을 받게 된다. 따라서 노드들의 움직임을 고려하여 메시지를 분할하고, 라우팅 기술에 따른 메시지 수명(TTL: Time-To-Live)과 버퍼 공간(Buffer size)의 연관관계를 분석하면 지연/분열 허용 네트워크에서 효율적인 자원활용이 가능하며, 목적노드까지 안정적인 메시지의 전송을 보장할 수 있다.The message transmission rate in the delayed/split-tolerant network is affected by the space communication environment under consideration, especially the moving model of dynamically moving nodes. Therefore, by dividing the message in consideration of the movement of the nodes and analyzing the relationship between the time-to-live (TTL) and the buffer space (TTL) according to the routing technology, efficient resource utilization in the delayed/divided network is possible. It is possible, and it is possible to guarantee stable message transmission to the destination node.
지연/분열 허용 네트워크가 우주통신 환경에서 제기되는 문제점을 해결할 방안으로 고려되고 있으나, 이를 위한 성능분석 및 성능 향상을 위한 연구가 많이 진행되지는 않았다.The delayed/disrupted network is considered as a solution to the problems raised in the space communication environment, but there have not been many studies for performance analysis and performance improvement.
관련 연구로, 지구 기지국(Ground Station, GS)과 화성 탐사선 간 통신을 위해 2개의 위성이 고정된 위치에 존재하는 모델을 고려하여 라우팅 기법과 혼잡 제어(Congestion control) 기술에 따른 메시지 전송 성능을 분석하였다. 하지만, 행성 및 위성의 움직임에 대한 고려와 메시지 전송 성능에 중요한 영향을 미치는 메시지 수명 및 버퍼공간의 연관 관계에 대한 분석이 더 필요하다.As a related research, the message transmission performance according to the routing technique and congestion control technology is analyzed by considering a model in which two satellites exist at a fixed location for communication between a ground station (GS) and a Mars probe. Did. However, it is necessary to further analyze the relationship between the message space and the buffer space, which considers the movement of the planets and satellites, and has a significant effect on message transmission performance.
현재 지구 기지국과 달탐사체 간 통신에서 대량의 메시지를 전달할 시 야기될 문제점을 분석하고, 문제점 해결을 위해 지연/분열 허용 네트워크가 적용된 우주통신모델을 제시한다. 지구 기지국에서 달탐사체까지 지구위성(저궤도 위성 또는 정지궤도 위성), 달궤도선을 거쳐 메시지를 전달하는 3-hop 릴레이 우주통신 환경을 고려하며, 특히, 지구의 자전, 지구위성 및 달궤도선의 공전, 지구기지국에서 지구위성을 관제하는 시간, 지구위성과 달궤도선, 달궤도선과 달탐사체 사이의 통신링크가 형성되는 시간을 실제 우주통신 환경을 반영하여 모델링하였다. 제시한 우주통신 모델을 ONE (Opportunistic Network Environment) 시뮬레이터로 구현하였고, 최적의 메시지 수명, 버퍼 공간 및 메시지 분할에 따른 메시지 전송률을 분석하여, 지구 기지국에서 달탐사체로 전달되는 메시지의 신뢰성을 보장하기 위한 효율적자원 활용 방안을 제시한다.We analyze the problems that will occur when delivering a large amount of messages in the communication between the earth base station and the moon probe, and present a space communication model to which the delay/disruption allowance network is applied to solve the problems. Considers the 3-hop relay space communication environment that transmits messages from the Earth base station to the moon probe through the Earth satellite (low orbit satellite or geostationary satellite), the Moon orbit, and in particular, the rotation of the Earth, the orbit of the Earth satellite and the Moon orbit , The time at which the Earth Base controls the Earth satellite, and the time at which the communication link between the Earth satellite and the Moon orbit, the Moon orbiter and the Moon probe is formed, is reflected and modeled by reflecting the actual space communication environment. The proposed space communication model was implemented as an ONE (Opportunistic Network Environment) simulator, and the optimal message life, buffer space, and message transmission rate according to message segmentation were analyzed to ensure the reliability of the message transmitted from the earth base station to the moon probe. Suggestions for efficient resource utilization.
- 지연/분열 허용 네트워크-Delay/split network
☞ 지구 기지국-달탐사체 통신의 한계점☞ Limits of Earth base station-moon probe communication
현재는 보내고자 하는 메시지 용량이 크지 않아, 지구 기지국에서 달탐사체로 직접 메시지 전송이 가능하다. 제한된 지구 기지국의 송신 전력으로 인한 낮은 전송 속도 및 지구와 달 사이의 거리 (360,000 km)에 따른 높은 전송 지연을 고려하면, 지구 기지국에서 한 번에 달탐사체로 전송하는 메시지의 크기는 제한적이다. 또한, 현재의 전송 방식은 전달되는 메시지의 전송 오류가 발생하면, 지구 기지국에서 전송오류가 발생한 메시지를 달탐사체로 재전송하게 된다.Currently, the message capacity to send is not large, so it is possible to send a message directly from the earth base station to the moon probe. Considering the low transmission speed due to the transmission power of the limited earth base station and the high transmission delay according to the distance between the earth and the moon (360,000 km), the size of the message transmitted from the earth base station to the moon probe at a time is limited. In addition, in the current transmission method, when a transmission error occurs in the transmitted message, the earth base station retransmits the transmission error message to the moon probe.
하지만, 지구 기지국에서 달탐사체로 전송할 메시지 양이 점점 증가하는 현재 상황을 고려하면, 현재의 메시지 재전송 방식은 대용량 메시지를 전송하는데 있어서, 효율적으로 전송오류 문제를 해결 하지 못한다. 지상 기지국에서의 메시지 재전송 의한 자원 낭비, 메시지 재전송에 의한 높은 전송 지연을 고려하면, 효율적인 대용량 메시지를 전송을 위한 새로운 통신 모델의 적용이 필요하다.However, considering the current situation in which the amount of messages to be transmitted from the earth base station to the moon probe gradually increases, the current message retransmission method does not effectively solve the problem of transmission error in transmitting large messages. Considering the waste of resources due to message retransmission at the terrestrial base station and high transmission delay due to message retransmission, it is necessary to apply a new communication model for efficient transmission of large messages.
☞ 지연/분열 허용 네트워크☞ Network with delay/disruption
서론에서 소개된 바와 같이, 지연/분열 허용 네트워크는 전송 지연 특성이 다른 이종 네트워크 간의 연결성을 위한 번들 프로토콜을 가지고 있다. 이는, 행성 간, 행성-위성 간, 위성 간에 적합한 전송 프로토콜을 각각 적용 가능하게 하며, 종단간 연결성이 보장되지 않더라도 노드 간 통신을 지원하여 메시지 전달을 가능하게 한다. 또한, 대용량 메시지 전송 시 발생하는 현재 시스템의 문제점은 메시지 분할을 통하여 노드 간 안정적인 메시지 전달을 보장하고, 궁극적으로 목적 노드 (달탐사체)까지 메시지 전송을 보장함으로써 해결할 수 있다.As introduced in the introduction, delay/split-tolerant networks have a bundled protocol for connectivity between heterogeneous networks with different transmission delay characteristics. This makes it possible to apply appropriate transmission protocols between interplanetary, interplanetary-satellite, and satellites, and enables communication between nodes even if end-to-end connectivity is not guaranteed, thereby enabling message transmission. In addition, the problem of the current system that occurs when a large message is transmitted can be solved by guaranteeing stable message transmission between nodes through message division, and ultimately by guaranteeing message transmission to a destination node (moon probe).
도 19는 지구 기지국에서 달탐사체까지 지연/분열 허용 네트워크를 적용한, 지구 위성 (저궤도 위성 또는 정지궤도위성)과 달궤도선을 릴레이 노드로 사용하는 3-hop 우주통신 환경을 나타낸다. 제한적인 지구 기지국의 메시지 전송 속도 및 지구-달 사이의 긴 메시지 전송 시간을 고려하여, 지구 기지국에서 전송하는 메시지는 지구 위성에서만 수신한다고 가정한다. 위성 간 (지구 위성-달궤도선) 통신링크는 위성의 움직임 및 위성의 상대적 위치에 결정되고, 위성 간 통신링크가 형성되지 않으면, store-and-forward 메시지 전송 방식에 의해, 지구 위성은 지구 기지국으로부터 수신 받은 메시지를 버퍼 공간에 저장 후 지구를 공전하다가, 달궤도선과 통신링크가 형성되면 해당 메시지를 전송하게 된다.FIG. 19 shows a 3-hop space communication environment using earth satellites (low orbiting satellites or geostationary orbiting satellites) and moon orbit lines as relay nodes to which a delay/disruption allowing network is applied from the earth base station to the moon probe. Considering the limited message transmission speed of the earth base station and the long message transmission time between the earth and the moon, it is assumed that the message transmitted from the earth base station is received only by the earth satellite. The inter-satellite (Earth Satellite-Moon Orbital) communication link is determined by the movement of the satellite and the relative position of the satellite, and if the inter-satellite communication link is not formed, by the store-and-forward message transmission method, the earth satellite is the earth base station. After storing the message received from the buffer space and orbiting the earth, the corresponding message is transmitted when the moon orbit and the communication link are formed.
따라서, 우주통신에 적용된 지연/분열 허용 네트워크의 성능은 노드간의 통신 가능 시간, 전송 메시지 크기 및 수명, 노드 버퍼 공간, 라우팅 기법, 지구 위성에 의해 결정되며, 각각의 특성은 다음 소단원들에서 설명된다. 본 논문에서는 지구 기지국에서 달탐사체로 대용량 메시지(본 논문에서는 10MB 메시지를 가정)를 전송할 때, 2가지 지구위성 (저궤도 위성 및 정지궤도 위성)을 활용하는 우주통신환경 시나리오를 고려하여, 메시지 전송률을 최대화하기 위한 자원 할당 방안에 대해 논의한다.Therefore, the performance of the delay/split-tolerant network applied to space communication is determined by the available communication time between nodes, the size and life of transmission messages, the node buffer space, the routing technique, and the earth satellites, and each characteristic is described in the following subsections. . In this paper, when transmitting a large message (assuming 10MB message in this paper) from the earth base station to the moon probe, considering the space communication environment scenario using two earth satellites (low orbit satellite and geostationary satellite), Discuss how to allocate resources to maximize.
-지구 기지국 - 지구 위성 통신-Earth Base Station-Earth Satellite Communication
지구 기지국과 지구 위성 간 통신에서, 지구 기지국에서 지구 위성을 관제하는 시간은 위성의 고도, 지구 기지국의 위치에 따라 변하게 된다. 고도 630 km에서 공전하는 저궤도 위성의 경우, 지구 한 바퀴를 공전하는데 약 90분(540초)이 소요되고, 하루에 지구를 약 16번 공전하게 된다. 이때 특정 위치에서 저궤도 위성을 관제하는 지상 기지국을 고려하면, 하루에 평균적으로 4번 저궤도 위성과 통신링크를 형성하고, 각각의 관제 시간은 약 15분(900초)동안 지속된다.In the communication between the earth base station and the earth satellite, the time at which the earth base station controls the earth satellite varies according to the altitude of the satellite and the position of the earth base station. In the case of a low-orbit satellite orbiting at an altitude of 630 km, orbiting the earth takes about 90 minutes (540 seconds), orbiting the earth about 16 times a day. At this time, considering the terrestrial base station that controls the low-orbit satellite at a specific location, on average, it forms a communication link with the low-orbit satellite four times a day, and each control time lasts for about 15 minutes (900 seconds).
이를 바탕으로, 본 논문에서는 지상 기지국과 저궤도 위성의 접속 주기(Contact period) 및 접속 지속시간(Contact duration)을 21600초와 900초로 모델링 하였고, 하루 24시간(86400초) 동안 지상 기지국이 저궤도 위성과 통신링크를 형성하는 시간은 도 20에 제시하였다. ‘Contact On’은 지구 기지국과 지구 위성 간 통신링크가 형성됐음을 의미하고, 0,21600, 43200, 64800초에 통신링크가 생성되어 900초가 지속됨을 나타낸다.Based on this, in this paper, the contact period and contact duration of the ground base station and the low-orbit satellite were modeled as 21600 seconds and 900 seconds, and the ground base station was connected to the low-orbit satellite for 24 hours (86400 seconds) per day. The time to form the communication link is presented in FIG. 20. 'Contact On' means that the communication link between the earth base station and the earth satellite has been established, and indicates that the communication link is created at 0,21600, 43200, 64800 seconds, and 900 seconds is maintained.
반면 정지궤도 위성(고도 35,678 km)의 경우 하루에 한번 지구를 공전하지만, 지구의 자전 속도와 같은 속도로 공전하여, 지상 기지국에서 항상 정지궤도 위성을 관제하는 것이 가능하다. 따라서 정지궤도 위성의 경우 지구 기지국과 항상 통신링크를 형성한다고 모델링한다.On the other hand, the geostationary satellite (altitude 35,678 km) orbits the earth once a day, but orbits at the same speed as the earth's rotation speed, so it is possible to always control the geostationary satellite from the base station on the ground. Therefore, it is modeled that a geostationary satellite always forms a communication link with the earth base station.
- 메시지 특성-Message characteristics
지구 기지국에서 지구 위성에 대용량 메시지를 전송할 때, 활용하는 지구위성의 종류에 따라 메시지 전달 성능이 달라진다. 저궤도 위성을활용한 우주통신 환경 시나리오에서, 제한된 지구기지국의 전송 속도 및 위성 관제시간 (15분)을 고려하면, 대용량 메시지를 지구 기지국에서 저궤도 위성으로 한 번에 전송하는 것은 불가능하다. 반면에 정지궤도 위성을 활용한 우주통신환경 시나리오에서는 지상기지국에서 항상 정지궤도위성을 관제할 수 있기 때문에, 지구기지국에서 정지궤도 위성으로 대용량 메시지를 한 번에 전송 가능하다.When a large base station transmits a large message to an earth satellite, the performance of message transmission varies depending on the type of earth satellite utilized. In a space communication environment scenario using low-orbit satellites, considering the limited base station transmission speed and satellite control time (15 minutes), it is impossible to transmit large-capacity messages from the earth base station to low-orbit satellites at once. On the other hand, in a space communication environment scenario using a geostationary satellite, the geostationary satellite can always be controlled by the ground base station, so that a large message can be transmitted from the earth base station to the geostationary satellite at a time.
위성 간 통신의 경우, 지구 위성에서 지원하는 메시지 전송 속도가 매우 낮고, 위성 간 통신링크가 형성되는 시간이 위성의 움직임 및 그에 따른 상대적 위치로 인해 제한적이기 때문에, 역시 대용량 메시지를 지구 위성에서 달궤도선으로 한 번에 전송하는 것은 불가능하다.In the case of inter-satellite communication, since the message transmission speed supported by the earth satellite is very low, and the time during which the inter-satellite communication link is formed is limited due to the movement of the satellite and the relative position thereof, a large-scale message is also transmitted from the moon to the moon. It is impossible to transmit by line at once.
따라서, 대용량 메시지를 지구 기지국에서 달탐사체로 전송할 때, 노드 간에 메시지를 한 번에 전송하는 것은 3-hop릴레이 우주통신 환경에서 불가능하므로, 이를 해결하기 위해 지연/분열 허용 네트워크의 번들 프로토콜이 지원하는 메시지 분할 개념을 도입하여 지구 기지국에서 달탐사체로 대용량 메시지를 전달하는 방법을 제시한다.Therefore, when a large-scale message is transmitted from the earth base station to the moon probe, it is impossible in a 3-hop relay space communication environment to transmit messages between nodes at once, so the bundle protocol of the delay/split-tolerant network supports this. Introducing the concept of message segmentation, we present a method for delivering large-scale messages from earth base stations to the moon probe.
-사전 메시지 분할-Dictionary message splitting
국제인터넷 표준화기구 (IETF) 문서 RFC 5050은 지연/분열 허용 네트워크에 필수적인 번들 프로토콜에 관한 규격을 정의하고 있다. 번들 프로토콜은 오버레이 (Overlay) 네트워크 개념으로, store-and-forward 메시지 전송 방식을 지원한다. 또한 메시지가 신뢰성 있게 목적 노드까지 전송되도록 메시지 분할 개념을 지원하여, 각각 분할된 메시지가 독립적으로 라우팅되어 목적 노드로 전송되고, 최종적으로 목적 노드에서 최초의 메시지가 복원된다.The International Internet Standards Organization (IETF) document RFC 5050 defines the specifications for the bundled protocols essential to delay/split-tolerant networks. The bundled protocol is an overlay network concept and supports store-and-forward message transmission. In addition, it supports the concept of message division so that messages are reliably transmitted to the destination node, so that each divided message is independently routed and transmitted to the destination node, and finally the original message is restored at the destination node.
메시지 분할방법에는 사전메시지분할(Proactive message fragmentation)과 (Proactive message fragmentation)이 있는데, 사전 메시지 분할을 고려한다.Message segmentation methods include proactive message fragmentation and proactive message fragmentation.
사전 메시지 분할 방식을 우주통신환경에 적용하기 위해 분할 계수 (Fragmentation factor)를 정의해야 한다. 분할 계수 1/n은 한 개의 메시지를 동일한 크기의 메시지 n개로 분할하는 것을 의미한다. 사전 분할을 하지 않은 경우, 지상 기지국이하루에 4번 지구 위성을 관제하는것 을 고려하여 지상 기지국에서 전송하는 최초의 메시지(10MB)가 4개의 동일한 크기(2.5MB)의 메시지로 분할됨을 가정한다. 다음의 표2는메시지분할을 적용했을 때분할 계수에 따라 분할된 메시지 크기를 나타낸다.To apply the pre-message segmentation method to the space communication environment, a fragmentation factor must be defined. The
추가적으로, 정지궤도 위성을 활용한 우주통신 환경 시나리오에서 정지궤도 위성은 하루 종일 지상 기지국에서 관제 가능하다. 하지만 저궤도 위성 및 정지궤도 위성을 활용한 시나리오의 공정한 전송 성능 비교 및 분석을 위해, 정지궤도 위성을 활용한 시나리오에서도 표 2와 같은 메시지 크기를 가정한다.Additionally, in a space communication environment scenario using a geostationary satellite, the geostationary satellite can be controlled at a ground base station throughout the day. However, for fair transmission performance comparison and analysis of scenarios using low orbit satellites and geostationary satellites, the message sizes shown in Table 2 are assumed in scenarios using geostationary satellites.
- 메시지 수명 및 버퍼 공간-Message life and buffer space
메시지 수명 및 버퍼 공간은 메시지를 목적 노드에 성공적으로 전송하는데 밀접한 연관성이 있다. 한정된 버퍼 공간에서, 메시지 수명이 매우 큰 메시지가 다음 목적 노드에 전달되지 못할 경우, 메시지는 파기되지 않고 버퍼 공간을 계속 차지하게 된다. 만약, 메시지가 계속 전달되지 못할 경우, 새롭게 생성되는 메시지는 노드의 버퍼 공간이 부족하여 전달되지 못하고 파기되게 된다. 반면, 메시지 수명이 매우 짧을 경우, 메시지가 목적 노드에 도착하기 전에 파기되는 문제점이 발생하게 된다.Message lifetime and buffer space are closely related to the successful transmission of a message to the destination node. In a limited buffer space, if a message with a very large message lifetime cannot be delivered to the next destination node, the message is not discarded and continues to occupy the buffer space. If the message cannot be continuously delivered, the newly created message is not delivered due to insufficient buffer space of the node and is discarded. On the other hand, if the message life is very short, a problem occurs in that the message is destroyed before reaching the destination node.
저궤도 위성은 지구 한 바퀴를 공전하는데 90분이 소요된다. 만약 메시지 수명이 90분 보다 작으면, 저궤도 위성에 저장된 메시지는 지구 한 바퀴를 공전하기 전에 파기되어 새로운 링크가 형성되더라고 달탐사체에 전송되지 못하게 된다. 따라서 저궤도 위성 및 달궤도선의 움직임을 고려하여 다음과 같은 메시지 수명시간을 설정하였으며, 시뮬레이션 결과 분석을 통해 메시지 전송의 신뢰성을 보장할 수 있는 최소 메시지 수명을 도출한다.The low-orbit satellite takes 90 minutes to orbit the Earth. If the message lifespan is less than 90 minutes, messages stored on low-orbit satellites are destroyed before orbiting the Earth, and new links are formed, preventing them from being sent to the Moon. Therefore, the following message life time was set in consideration of the movement of the low-orbit satellite and the moon orbit, and the minimum message life that can guarantee the reliability of message transmission is derived through analysis of simulation results.
도 22는 이를 나타낸 것이다.22 shows this.
- 라우팅 기법-Routing technique
지연/분열 허용 네트워크에서 적용 가능한 동적 라우팅기법은 Epidemic, Spray and wait, PRoPHET 등이 있다. Epidemic 라우팅 기법은 flooding 기반의 라우팅 방식으로, 접촉하는 모든 노드에 메시지 복사본을 전송하여 최종적 목적 노드에 메시지가 전달 되도록 한다. Spray and wait 기법은 Epidemic 라우팅기법과 동일한 원리로 동작하지만, 복사되는 메시지의 수를 제한하여 효율적으로 노드의 버퍼 공간을 관리할 수 있다. PRoPHET 라우팅 기법은 추정기반의 라우팅 방식으로, 메시지 전송률을 높이지만, 추가적인 오버헤드가 필요하다는 단점이 있다.Epidemic, Spray and wait, and PRoPHET are dynamic routing techniques that can be applied in a delay/split-tolerant network. Epidemic routing is a flooding-based routing method that sends a copy of a message to all nodes in contact, so that the message is delivered to the final destination node. The spray and wait method operates on the same principle as the epidemic routing method, but it can efficiently manage the buffer space of the node by limiting the number of copied messages. The PRoPHET routing method is an estimation-based routing method, which increases the message transmission rate, but has the disadvantage of requiring additional overhead.
3-hop 릴레이 우주통신 환경에서는, 라우팅 기법보다는 메시지 수명 및 버퍼 공간의 연관성이 메시지 전송률에 주요한 영향을 미치게 된다. 따라서 가장 단순한In a 3-hop relay space communication environment, the association of message lifetime and buffer space rather than routing technique has a major effect on message transmission rate. So the simplest
Epidemic 라우팅 기법을 적용하여 메시지 전송 성능을 분석한다.Epidemic routing technique is applied to analyze message transmission performance.
-저궤도 및 정지궤도 위성 시나리오 비교-Comparison of low orbit and geostationary satellite scenarios
저궤도 위성과 정지궤도 위성을 활용한 우주통신환경의 특징은 도 23과 같이 요약할 수 있다.The characteristics of the space communication environment using the low orbit satellite and the geostationary orbit satellite can be summarized as shown in FIG. 23.
- 달통신 시뮬레이션-Moon communication simulation
- ONE 시뮬레이터-ONE simulator
ONE(Oppertunistic Netwrok Environment) 시뮬레이터는 노드의 다양한 이동 모델과 라우팅 기법을 제공하여, 지연/분열 허용 네트워크 환경을 구축하고 메시지 전송관련 성능을 평가하기에 적합하다. 본 논문에서는 ONE 시뮬레이터를 활용하여 우주통신 환경 시나리오에서의 메시지 전송 성능을 분석하였다.The ONE (Oppertunistic Netwrok Environment) simulator is suitable for constructing a delayed/disrupted network environment and evaluating message transmission performance by providing various mobility models and routing techniques of nodes. In this paper, the performance of message transmission in space communication environment scenarios was analyzed using the ONE simulator.
-ONE 시뮬레이터: 노드의 이동성 모델-ONE simulator: mobility model of nodes
ONE 시뮬레이터를 활용하면 노드의 다양한 이동 모델을 구현할 수 있는 장점이 있다. ONE 시뮬레이터에서 제공하는 노드의 이동 모델은 다음과 같은 3가지 범주로 요약될 수 있다. 1) Random 이동 모델, 2) 지도기반 이동 모델, 3) 사람 움직임기반 이동 모델. 위 3가지 이동 모델 중 지도기반 이동 모델을 고려하여 우주통신 환경을 구축하였다.ONE simulator has the advantage of implementing various movement models of nodes. The movement model of nodes provided by the ONE simulator can be summarized into the following three categories. 1) Random movement model, 2) Map-based movement model, 3) Human movement-based movement model. The space communication environment was constructed considering the map-based movement model among the above three movement models.
ONE 시뮬레이터에서 지구 위성 및 달궤도선이 각각 지구와 달을 공전하는 이동 모델을 구현하기 위해, 지도기반 이동 모델, Map Route Movement를 지구 위성 및 달궤도선에 적용하였다. 지구 위성과 달궤도선의 궤도는 GIS (Graphic Information System) 중 상용프로그램 OpenJUMP를 이용하여 제작하였다.In order to implement a movement model in which the earth satellite and the moon orbiter revolve around the earth and the moon in the ONE simulator, a map-based movement model and a map route movement are applied to the earth satellite and the moon orbiter. The orbits of the Earth's satellites and the moon's orbit are made using the commercial program OpenJUMP in the GIS (Graphic Information System).
도 24는 ONE 시뮬레이터로 구현한 우주통신 환경을 보여주는 GUI(Graphic User Interface)를 나타낸다. 지구 및 달의 위치는 고정되어 있고, 각각은 지구 기지국 및 달탐사체를 나타낸다. 저궤도 위성 및 달궤도선은 원으로 구현되어있는 궤도를 따라 공전하고, 위성 간 상대적 위치에 따라 통신링크의 형성 유무 및 통신 시간이 결정되게 된다. 도 24는 저궤도 위성 및 달궤도선의 통신링크가 형성된 시점을 나타내며, 지구 기지국 -. 저궤도 위성 -. 달궤도선 - 달탐사체의 3-hop 릴레이 통신 환경을 보여준다.24 shows a GUI (Graphic User Interface) showing the space communication environment implemented by the ONE simulator. The location of the Earth and Moon is fixed, and each represents the Earth base station and the Moon probe. The low-orbit satellite and the moon-orbit line orbit along a circular orbit, and the existence of a communication link and the communication time are determined according to the relative positions between the satellites. 24 shows the time when the communication link of the low orbit satellite and the moon orbit line is formed, and the earth base station -. Low Orbit Satellite -. Lunar Orbit-Shows the 3-hop relay communication environment of the lunar probe.
지구의 자전 및 지구 위성의 공전에 따른 지구 기지국에서 지구 위성을 관제하는 시간은 표 1에서 확인 할 수 있고, 그에 따른 접속 시간 및 접속 주기를 ONE 시뮬레이터에 반영하였다.The time to control the earth satellite from the earth base station according to the rotation of the earth and the revolution of the earth satellite can be confirmed in Table 1, and the connection time and the connection cycle accordingly are reflected in the ONE simulator.
- 시뮬레이터 변수 설정-Simulator variable setting
ONE 시뮬레이터를 활용하여 실제와 같은 우주환경을 구축하기 위하여, 도 25와 같은 시뮬레이션 변수를 설정하였다.In order to build a realistic space environment by utilizing the ONE simulator, simulation variables as shown in FIG. 25 are set.
24시간(86400초)의 우주통신 환경을 고려하였고, 지상 기지국, 지구 위성 및 달궤도선의 전송 속도는 4kB/s, 0.5kB/s, 1kB/s로 가정하였다. 지구의 반지름 (6,387 km), 저궤도 위성 및 정지궤도 위성의 고도를 고려하여 각각의 궤도에서 움직이는 위성의 이동 속도를 계산하였고, 메시지를 분할에 따른 메시지 전송률을 평가하기 위해 표 2에 제시한 사전 메시지 분할 계수를 적용하여 메시지 크기 및 메시지 생성 주기를 설정하였다. 저궤도 위성이 지구 한 바퀴를 도는데 90분이 소요되는 것을 반영하여 다양한 메시지 수명 값을 설정하였고, 버퍼 공간은 분할된 메시지 크기 중 최소값 (0.25MB)을 고려하여 0.5MB-10MB로 설정하였다.The space communication environment of 24 hours (86400 seconds) was considered, and the transmission speeds of the ground base station, the earth satellite, and the moon orbit were assumed to be 4 kB/s, 0.5 kB/s, and 1 kB/s. Considering the earth's radius (6,387 km), the altitude of low orbit satellites and geostationary orbit satellites, the moving speed of satellites in each orbit was calculated, and the pre-message segmentation shown in Table 2 was used to evaluate the message transmission rate according to the segmentation The message size and message generation cycle were set by applying the coefficients. Various message life values were set to reflect that the low orbit satellite took 90 minutes to orbit the earth, and the buffer space was set to 0.5MB-10MB considering the minimum value (0.25MB) among the divided message sizes.
- 성능 분석-Performance analysis
지구 기지국에서 달탐사체로 전달되는 메시지의 신뢰성을 보장하기 위한 성능지표로 메시지 전송률 (Delivery ratio)을 고려할 수 있다. 메시지전송률은 다음과 같이 정의된다.As a performance indicator for ensuring the reliability of the message transmitted from the earth base station to the moon probe, the delivery ratio may be considered. The message transmission rate is defined as follows.
메시지 전송률= Message rate=
메시지 전송률이 1보다 작으면, 지구에서 생성된 메시지 중 달탐사체에 전달되지 못한 메시지가 존재한다는 것을 나타낸다. 따라서, 메시지 전송률이 1이 되는 메시지 수명, 버퍼 공간 및 메시지 분할 계수를 분석하면, 최적의 자원 활용 방법을 도출할 수 있다.If the message transmission rate is less than 1, it indicates that there are some messages generated by the Earth that could not be delivered to the lunar probe. Therefore, by analyzing the message life, the buffer space and the message partitioning coefficient of which the message transmission rate is 1, an optimal resource utilization method can be derived.
저궤도 위성 및 정지궤도 위성을 활용한 시나리오의 공정한 성능 분석을 위해 도 26 내지 도 31의 1 revolution은 저궤도 위성의 공전시간(90분)을 나타낸다.For fair performance analysis of scenarios using low-orbit satellites and geostationary-satellite satellites, 1 revolution in FIGS. 26 to 31 represents the orbital time (90 minutes) of the low-orbit satellites.
도 26 및 도 27은 저궤도 위성을 고려한 우주통신 환경시나리오에서 메시지 수명, 메시지 분할 계수 및 버퍼 공간이 메시지 전송률에 미치는 영향을 나타낸다.26 and 27 show the effect of message lifetime, message division coefficient, and buffer space on the message transmission rate in a space communication environment scenario considering a low orbit satellite.
도 26은 저궤도 위성 및 달궤도선의 버퍼 공간이 5MB일 때 메시지 전송률을 나타낸다. 메시지 분할계수가 1/10인 경우 나머지 계수값들에 비해 높은 메시지 전송률을 나타낸다. 위성 간 통신 링크가 형성되더라도0.25MB 이상의 크기를가지는 메시지는 저궤도 위성에서 달궤도선으로 전송되지 못하는 경우가 발생하는 것을 의미한다. 이는 위성의 공전으로 인한 짧은 위성 간 통신 시간과 저궤도 위성의 낮은 전송 속도 (0.5kB/s) 때문이다. 또한, 메시지 분할을 적용하지 않은 경우 메시지 전송률이 0인 것을 확인 할 수 있다. 이는, 2.5MB 크기 이상의 메시지는 위성 간 통신에서 전송되지 못하는 것을 의미하고, 달탐사체에 메시지를 전송하기 위해서는 메시지 분할이 필요한 것을 알 수 있다. 메시지 수명의 경우, 저궤도 위성이 지구를 8바퀴 공전할 동안 메시지가 파기되지 않으면 (메시지 수명=720분), 메시지 전송률이 1이 되는 것을 알 수 있고, 메시지 수명이 720분 보다 작은 경우 달탐사체에 전송되지 못한 메시지가 존재 하게 된다. 이는 위성 간 통신 링크의 지속 시간이 충분하지 못하여, 저궤도 위성의 버퍼 공간에 저장된 메시지가 달탐사체에 전송되기 전에 파기되는 것을 의미한다. 따라서 10MB의 대량의 메시지를 지구 기지국에서 달탐사체로 전송할 때 store-and-forward 메시지 전달 방식 및 메시지 분할 기법을 적용하여 메시지의 신뢰성을 보장하기 위해서는, 충분한 메시지 수명시간이 보장되어야 한다.26 shows the message transmission rate when the buffer space of the low orbit satellite and the moon orbit is 5 MB. When the message division coefficient is 1/10, it indicates a higher message transmission rate than the remaining coefficient values. Even if a communication link between satellites is established, a message having a size of 0.25 MB or more means that a low orbit satellite cannot be transmitted to the moon orbit line. This is due to the short inter-satellite communication time due to the revolution of the satellite and the low transmission speed of the low-orbit satellite (0.5kB/s). In addition, when message division is not applied, it can be confirmed that the message transmission rate is 0. This means that messages larger than 2.5 MB cannot be transmitted in inter-satellite communication, and it can be seen that message division is necessary to transmit a message to the moon probe. In the case of message life, if the message is not destroyed while the low-orbit satellite orbits the
도 27은 저궤도 위성 및 달궤도선의 버퍼 공간이 0.5MB일 때 메시지 전송률을 나타낸다. 메시지 분할 계수가 1/4일때 달탐사체로 메시지가 전달되지 않는 것을 확인할 수 있고, 이는 분할된 메시지의 크기 (0.625MB) 보다 저궤도 위성의 버퍼 공간이 작아 (즉, 0.5MB < 0.625MB), 지구 기지국으로부터 전송받은 메시지를 저궤도 위성에서 저장할 수 없기 때문이다. 또한, 위성의 버퍼 공간이 5MB일 때 메시지 전송률과 비교하면(도 26) 버퍼 공간이 0.5MB일 때 달탐사체로 전달된 메시지가 적은 것을 확인 할 수 있다. 이는 저궤도 위성의 버퍼공간이 충분하지 않아, 지구 기지국에서 전송되는 새로운 메시지가 저궤도 위성에 저장되지 못하고 파기되기 때문이다.27 shows a message transmission rate when the buffer space of a low-orbit satellite and a moon orbit line is 0.5 MB. When the message division coefficient is 1/4, it can be confirmed that the message is not transmitted to the moon probe, which is smaller than the size of the divided message (0.625 MB) and the buffer space of the low-orbit satellite is smaller (ie, 0.5 MB <0.625 MB), the Earth. This is because the message received from the base station cannot be stored by the low-orbit satellite. In addition, compared to the message transmission rate when the satellite buffer space is 5MB (FIG. 26), it can be confirmed that when the buffer space is 0.5MB, the message transmitted to the moon probe is small. This is because the buffer space of the low-orbit satellite is insufficient, and new messages transmitted from the earth base station are discarded without being stored in the low-orbit satellite.
도 28은 저궤도 위성을 고려한 위성통신 환경에서 0.25MB 크기의 분할된 메시지(메시지 분할계수 1/10)가 지구 기지국에서 전송되고, 위성에 2.5MB 이상의 버퍼공간이 확보되면, 달탐사체로 모든 메시지가 전달되는 것을 확인 할 수 있다.28 shows that in a satellite communication environment considering a low-orbit satellite, a 0.25 MB segmented message (
도 29 내지 도 31은 정지궤도 위성을 활용한 통신 환경에서 메시지 수명, 메시지 분할 계수 및 버퍼 공간에 따른 메시지 전송률의 변화를 나타낸다. 지구 기지국에서는 항상 정지궤도 위성을 관제 할 수 있기 때문에, 위성 간 통신링크 형성 유무 및 통신 시간이 메시지 전송률에 중요한 영향을 미치는 것을 확인 할 수 있다. 충분한 메시지 수명 (720분 이상)이 설정된 메시지를 분할하여 (크기 0.25MB) 전송하고, 정지궤도 위성에 충분한 버퍼 공간 (2.5MB 이상)이 확보되면, 지구 기지국에서 정지궤도 위성을 활용하여 달탐사체로 전달되는 메시지를 신뢰성을 보장할 수 있다.29 to 31 show a change in the message transmission rate according to the message lifetime, message division coefficient, and buffer space in a communication environment using geostationary satellites. Since the earth base station can always control the geostationary satellite, it can be confirmed that the existence of the communication link between the satellites and the communication time have an important effect on the message transmission rate. When the message with sufficient message life (over 720 minutes) is divided and transmitted (size 0.25MB), and enough buffer space (over 2.5MB) is secured in the geostationary satellite, the earth base station utilizes the geostationary satellite to the moon probe. Reliability of the delivered message can be guaranteed.
마지막으로, 도 26 내지 도 28과 도 29 내지 도 31의 결과를 비교하면, 우Finally, comparing the results of FIGS. 26 to 28 with FIGS. 29 to 31, right
주통신환경에서 활용하는 지구위성의 유형에 따라 (저궤도위성 또는 정지궤도위성) 달탐사체에 전송되는 메시지의 전송률이 달라지는 것을 확인 할 수 있다. 특히, 메시지 수명이 360분 (TTL=4 revolutions) 보다 작게 설정되거나, 위성의 버퍼 공간이 충분히 확보되지 못한 경우, 저궤도 위성을 활용한 우주통신 환경에서 메시지 전송률이 높은 것을 알 수 있다. 이는 위성 간 통신링크가 자주 형성되는 저궤도 위성을 활용하는 것이, 위성 간 통신링크가 제한적으로 형성되는 정지궤도 위성보다 대용량 메시지를 달탐사체에 전송하는데 유리하다는 것을 나타낸다.It can be confirmed that the transmission rate of the message transmitted to the moon probe varies depending on the type of earth satellite used in the main communication environment (low orbiting satellite or geostationary satellite). In particular, when the message lifetime is set to be smaller than 360 minutes (TTL = 4 revolutions), or if the buffer space of the satellite is not sufficiently secured, it can be seen that the message transmission rate is high in the space communication environment using the low-orbit satellite. This indicates that the use of low-orbit satellites, in which the inter-satellite communication link is frequently formed, is advantageous for transmitting a large-capacity message to the moon probe than the geostationary-satellite satellite in which the inter-satellite communication link is limited.
결론적으로 종단간 연결성이 보장되지 않고, 긴 전송시간을 요구하는 우주통신환경에 지연/분열 허용 네트워크에 활용되는 개념을 적용하였다. 실제 우주환경을 ONE 시뮬레이터를 활용하여 구현하였고, 효율적으로 자원을 활용하며 동시에 달탐사체에 전달되는 메시지의 신뢰성을 보장하기 위해 최적의 메시지 수명, 버퍼 공간 및 메시지 분할에 대한 연관관계를 도출하였다. 분석한 결과는 실제 시스템에 적용 가능하며, 제한된 위성 간 전송 속도를 극복하기 위한 시스템 모델 및 기술들에 대한 연구로 확대 진행될 수 있다.In conclusion, the concept that is used for delay/disruption tolerant networks is applied to the space communication environment where end-to-end connectivity is not guaranteed and long transmission time is required. The real space environment was implemented using the ONE simulator, and resources were efficiently utilized, and at the same time, the relationship between optimal message life, buffer space, and message segmentation was derived to ensure the reliability of the message delivered to the moon probe. The analyzed results can be applied to real systems, and can be expanded to research on system models and technologies to overcome the limited inter-satellite transmission speed.
본 발명의 실시 예에 따른 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조에 대해 더 정리하면, 최초 열악한 연결성을 가지는 행성간 통신을 목적으로 설계된 DTN(Delay and Disruption Tolerant Network)을 TCP/IP대신 사용하는 동시에 다중 복사본 방식의 라우팅 프로토돌을 적용하여, 소방대원들 간 및 소방대원과 지휘통제소 간의 정보 전달이 안정적이고 신뢰성있게 이루어지지 동시에 요구조자의 위치 탐색이 안정적으로 이루어질 수 있게 된다.To further organize the network structure for reliable information transmission in a fire scene according to an embodiment of the present invention, a DTN (Delay and Disruption Tolerant Network) designed for interplanetary communication with poor connectivity is used instead of TCP/IP. By using and applying the multi-copy routing protocol, it is possible to stably and reliably transmit information between firefighters and between the firefighters and the command and control center, while at the same time stably searching for the location of the requestor.
부연하면, 단일 복사본 방식의 라우팅 프로토콜은 네트워크 자원을 절약할 수 있으나, 낮은 전달률과 큰 지연이 발생할 수 있다. 이에 비해 다중 복사본 방식의 라우팅 프로토콜은 노드 간 접촉 시 데이터를 다중으로 복사하여 전달하는 방식으로, 다중 경로로 인한 전달 확률이 높은 장점을 가진다.Incidentally, a single copy routing protocol may save network resources, but may cause low transmission rates and large delays. On the other hand, the multi-copy routing protocol is a method of copying and transferring data multiple times when contacting between nodes, and has a high probability of transmission due to multiple paths.
이상과 같이 본 설명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시 예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.As described above, in the present description, specific matters such as specific components and the like have been described by limited embodiments and drawings, but they are provided only to help a more comprehensive understanding of the present invention, and the present invention is limited to the above embodiments No, those skilled in the art to which the present invention pertains can make various modifications and variations from these descriptions.
따라서 본 발명의 사상은 설명된 실시 예에 국한되어 정하여 저서는 안되며, 후술되는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등하거나 등가적인 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.Therefore, the spirit of the present invention is limited to the described embodiments, and should not be determined, and it will be said that not only the claims described below, but all those with equivalent or equivalent modifications to the claims fall within the scope of the spirit of the present invention.
10 : 이동통신 단말기 100 : 소방대원 휴대용 단말기
110 : 인공지능 하드웨어 111 : 단말간 통신모듈
112 : PDR 통신모듈 113 : 지휘통제 통신모듈
114 : 신호처리 통신모듈 115 : 어플리케이션 프로세서
200 : 소방대원 위치추적 안전화 210 : 관성 센서
300 : 지휘통제 컴퓨터10: mobile communication terminal 100: firefighter portable terminal
110: artificial intelligence hardware 111: communication module between terminals
112: PDR communication module 113: command control communication module
114: signal processing communication module 115: application processor
200: Firefighter's location tracking safety boots 210: Inertial sensors
300: command control computer
Claims (1)
상기 소방대원이 착용하며, 관성 센서(210)가 장착되어 상기 관성 센서(210)를 기반으로 소방대원의 자기 위치 추적 기능을 제공하고, 위급시 최단 복귀경로 안내 표시 기능을 갖는 소방대원 위치추적 안전화(200); 및
상기 소방대원 휴대용 단말기(100)의 위치정보를 수신하며, 상기 소방대원 위치추적 안전화(200)의 관성 센서(210)의 신호를 이용한 소방대원 위치 추적 소프트웨어 및 소방대원의 요구조자 탐색 내지 소방대원의 안전 복귀를 위한 소방대원 경로 탐색 소프트웨어가 탑재되되, 소방대원 위치 추적 소프트웨어는 상기 관성 센서(210)를 기반으로 파악되는 소방대원의 보행 특성을 이용하여 실내 위치를 추적하고, 상기 소방대원 경로 탐색 소프트웨어를 통해 소방대원의 임무 수행을 위한 탐사 경로를 제시하는 지휘통제컴퓨터(300)를 포함하며,
상기 관성 센서(210)를 통한 단일 관성센서 기반 보행항법시스템을 제공하여 센서 특성에 의한 제약 조건 최소화, 학습을 기반으로 소방대원의 동작 고려, 지동 정보를 활용한 추정 위치 보정 기능을 구비하고,
소방대원 위치 모니터링 시스템을 제공하여, 소방대원의 위치 및 요구조자 위치 모니터링 실시, 경로 계획 알고리즘을 통한 진행 가능 방향 혹은 경로 표시 기능을 제공하며,
소방대원이 단말기 UI, 헬멧 및 공기호흡기의 3종의 정보가시화가 가능한 것을 특징으로 하는 화재 현장에서의 신뢰성 있는 정보전송을 위한 네트워크 구조.Artificial intelligence hardware for signal processing in the terminal, which detects wireless communication information of the mobile communication terminal 10 carried by a firefighter, and carried by a request assistant at a fire site, displays location information of the mobile communication terminal 10, 110) is mounted, the artificial intelligence hardware 110 includes a communication module 111, a command and control communication module 113 and a signal processing processor 114 between terminals, and simultaneously transmits and receives data to and from the signal processing processor 114. A firefighter's portable terminal 100 including an application processor 115 that provides a multi-signal pattern collection function and a 3D precision positioning platform interworking function based on the firefighter's portable terminal 100;
The firefighter's position tracking safety shoes worn by the firefighter and equipped with an inertial sensor 210 provide a self-positioning function of the firefighter based on the inertial sensor 210 and have a shortest return path guidance display function in an emergency. (200); And
The location information of the firefighter's portable terminal 100 is received, and the location tracking software of the firefighter using the signal of the inertial sensor 210 of the firefighter's location tracking safety boots 200 and the search for the request of the firefighter's request or the safety of the firefighter's safety The firefighter's route search software for returning is mounted, and the firefighter's position tracking software tracks the indoor location using the walking characteristics of the firefighter's walking force based on the inertial sensor 210, and uses the firefighter's route finding software. It includes a command and control computer 300 that provides an exploration route for the performance of the firefighter's mission through,
Providing a single inertial sensor-based walking navigation system through the inertial sensor 210 to minimize constraints due to sensor characteristics, to consider firefighter's motion based on learning, and to estimate the position of a position using information on movement,
Provides a location monitoring system for firefighters, monitors the location of firefighters and their location, and provides directions or directions for progress through a route planning algorithm.
Network structure for reliable information transmission at the fire site, characterized in that the firefighter can visualize three types of information: terminal UI, helmet and air respirator.
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