최근 오염 모니터링, 재해 예측, 자원 개발, 그리고 군사 목적의 감시 체계 등의 해양 산업의 급격한 발달에 따라 수중 음향 센서 네트워크 (Underwater Acoustic Sensor Network; UWASN)에 대한 관심이 급증하고 있다. 수중 음향 센서 네트워크를 효율적으로 운영하기 위해서는 에너지 효율적으로 데이터 송수신 충돌을 적절히 예방할 수 있는 잘 설계된 매체 접속 제어 (Medium Access Control; MAC) 프로토콜이 필요하다. 지상에서 주로 사용하는 라디오 주파수 (Radio Frequency; RF)는 수중 채널에서 흡수와 확산이 극심하여, 수중 채널에서는 음파를 주로 사용하여 통신한다. 그리고 수중 채널의 환경 소음 (ambient noise) 또한 지상과 같은 백색 소음 (white noise) 형태가 아닌 주파수 의존적인 특성을 지닌다. 따라서, 수중 채널은 낮은 전파 지연 시간, 협대역의 대역폭, 그리고 낮은 데이터 전송률과 같은 혹독한 통신 환경을 겪는다. 수중 채널의 이러한 특성들은 기존의 지상 MAC 프로토콜을 수중 채널에 적용 시 통신 환경을 고려한 수정을 필요로 한다. 현재 MAC 프로토콜에 대한 연구들은 대부분 지상에서의 직교 다중 접속 (Orthogonal Multiple Access; OMA) 방식을 수정하여 적용하는 방식으로 이루어 지고 있다. 하지만 자원의 직교적 공유의 경우, 수중 채널의 특성으로 인해 자원 공유의 효율성이 크게 저하된다. 따라서 본 논문에서는 비 직교 다중 접속 (Non-Orthogonal Multiple Access; NOMA)을 수중 음향 센서 네트워크를 위한 MAC 프로토콜로 고려한다. NOMA 방식은 이차원의 시간-주파수 자원을 전력 영역에서 중첩하여 다수의 노드가 같은 자원을 공유한다. 각 노드는 순차 간섭 제거 (Successive Interference Cancellation; SIC) 기법을 통해 전력 영역에서 중첩된 신호에서 자신의 신호만을 복호할 수 있다. 결론적으로 NOMA 기법은 동일 자원을 활용한 동시적인 데이터 송수신을 통해 높은 자원 활용성을 얻을 수 있다.
따라서 본 논문에서는 수중 채널에서 NOMA 기법의 구현 가능성을 확인하고 다중 홉 수중 음향 센서 네트워크를 위한 NOMA 기법을 제안한다. 일반적으로 NOMA 기법은 같은 자원을 사용할 노드의 쌍과 해당 노드 쌍의 각 노드의 전력 할당 비에 따라 성능이 크게 변화한다. 따라서 본 논문에서는 수중 채널에서 NOMA 기법 사용을 위해 전력 할당 기법, 다차원의 노드 쌍 결정 기법, 그리고 최종적으로 핸드쉐이킹 기반의 NOMA 기법을 제안한다.
첫 번째, 수중에서 기존의 전송률 합을 최대화 (Sum-Rate Maximization; SRM)하는 전력 할당 기법 사용 시 발생하는 자원 낭비를 제거하는 전력 할당 기법을 제안한다. 기존의 SRM 기법의 경우 노드 쌍의 각 노드로의 전송이 계속 지속된다는 가정에서 전송률 합의 최대화가 높은 성능을 보장할 수 있다. 하지만 낮은 트래픽의 수중 채널에서는 노드 쌍의 각 노드로의 전송 중 하나가 먼저 종료된 경우 다른 전송이 종료되기 전까지의 자원이 사용되지 못하고 낭비된다. 따라서 본 논문에서는 각 전송 사이의 전송 완료 시각을 일치시키는 동일 전송 시간 (Equal Transmission Times; ETT) 전력 할당 기법을 제안한다. ETT 기법은 각 경로로의 전송 패킷 개수를 고려하여 최종적인 전송 시간을 동일하게 보장함으로써 자원 낭비 발생을 제거한다. 수학적 해석을 통해 ETT 기법이 전체 전송률 측면에서 기존의 SRM 기법보다 높은 성능을 가지는 것을 확인하였다.
두 번째, 멀티홉 센서 네트워크를 위한 다차원의 노드 페어링 기법을 제안한다. 제안 기법은 송신 노드와 각 이웃 노드 사이의 채널 이득을 기준으로 각 이웃 노드의 페어링 가능 노드 리스트를 작성한다. 제안 기법은 페어링 시 실제 채널 상태 값 대신 미리 작성해 놓은 페어링 가능 노드 리스트를 활용함으로써 노드 페어링에 소요되는 계산량을 줄일 수 있다. 송신 노드는 각 이웃 노드로의 전송 패킷 개수, 패킷 나이, 각 이웃 노드 간 자원 할당 공평성, 그리고 페어링 가능 노드 리스트를 고려하여 노드 페어링을 실시한다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안 기법이 다른 기법에 비해 전송률, 지연 시간, 공평성 측면에서 뛰어난 성능을 가지는 것을 확인하였다.
마지막으로, 높은 비트 오류율 (bit error rate; BER)의 수중 통신 환경을 극복하기 위한 핸드쉐이킹 기반의 NOMA 프로토콜을 제안한다. 높은 BER 환경을 극복하기 위한 기법 중 하나인 협력 전송 기법의 경우, 협력 노드의 선출 및 협력 노드 간의 재전송 과정을 제어하기 위해 높은 오버헤드가 요구된다. 제안 기법은 SIC의 특성을 이용하여 기존의 협력 전송에서 요구되던 오버헤드를 크게 줄였다. 그리고 제안 기법은 다양한 환경을 지원하기 위해 송신 노드의 버퍼 상태 및 노드 페어링 상태에 따라 총 3가지의 모드가 통합적으로 운용된다; 기본 핸드쉐이킹 전송, 일반 NOMA 전송, 그리고 협력 NOMA 전송. 시뮬레이션 결과를 통해 제안 기법이 기존의 패킷 연속 전송 기법에 비해 전송률 측면에서 우수함을 확인하였다.