Wireless network designs for improving resilience in Cyber Physical Systems = 사이버 물리 시스템의 회복 탄력성 향상을 위한 무선 네트워크 설계
저자
발행사항
대구 : DGIST, 2021
학위논문사항
학위논문(박사)-- DGIST : 정보통신융합전공 2021. 2
발행연도
2021
작성언어
영어
주제어
발행국(도시)
대구
형태사항
106 ; 26 cm
일반주기명
지도교수: Kyung-Joon Park
지도교수: 박경준
UCI식별코드
I804:27005-200000364904
소장기관
사이버-물리 시스템 (Cyber-Physical System)은 소프트웨어를 의미하는 통신망을 통해 다양한 시스템을 원하는 방식으로 제어하는 통합 시스템을 의미한다. 특히 무선 네트워크는 유선 네트워크 대비 설치의 용이성 및 편의성의 장점으로 다양한 사이버-물리 시스템에 활용되고 있다. 따라서 사이버-물리 시스템의 데드라인을 보장하기 위해 강인한 무선 통신망 설계가 필요하다. 또한 무선 통신망은 시스템의 회복 탄력성(Resilience)을 고려하여 설계 단계에서부터 다양한 물리적, 관리적, 기술적인 조건들을 고려하여 설계되어야 한다. 회복 탄력성을 고려하지 않은 무선 네트워크는 재해와 다양한 환경적 변수에 의해 인명 및 재산 피해를 초래할 가능성이 존재하기 때문이다. 본 논문에서는 사이버-물리 시스템의 핵심요소인 무선 통신망의 강인한 설계를 통해 다양한 사이버-물리 시스템의 회복 탄력성 향상을목표로 한다.
본 논문에서는 사이버-물리 시스템의 응용 중 3가지 시스템을 선택하여 회복 탄력성을 저해하는 문제를 해결한다. 우선 첫 번째로 의료환경에서 WBAN (Wireless body areanetwork)’와 WLAN (Wireless local area network) 간의 의료 상호 운용성을 위한 무선자원 관리 방법을 제안한다. ISM (Industry-Science-Medical) 대역의 WBAN과 WLAN은 무선 채널에서 상호 공존하기 때문에 전송 전력 및 응답 시간 등의 비대칭 속성으로 인해 WBAN의 성능 저하가 발생한다. 따라서, WBAN과 무선 LAN의 효율성과 공정성 측면에서 효과적인 채널 공유를 달성하기 위한 새로운 채널 접속 프로토콜을 제안한다. 제안된 기법은 WLAN의 채널 액세스 시도를 효율적으로 줄임으로써 WBAN에 더 많은 채널 액세스 기회를 제공한다.
두 번째로 차량 간 통신망에서 네트워크 혼잡 제어 기법을 제안한다. 차량 간 통신망에서 각 차량은 자신의 위치, 방향, 가속도 등의 상태정보를 브로드캐스트 하여 다른 차량에 전달한다. 수집된 정보는 안전운행을 위한 경보 시스템, 자율 주행에 활용된다. 그러나 다수의 차량이 밀집된 환경에서 무선 채널 혼잡은 네트워크 성능에 부정적인 영향을 미친다. 이러한 혼잡을 해결하기 위해 기존의 혼잡제어 연구들은 채널 상태와 관계없이 채널 정체 정도를 측정하여 혼잡을 줄이고자 하였나, 본 연구에서는 우선 패킷의 신호 수신 강도를 측정하여 패킷 수신 오류의 원인을 분석하고 분석된 결과에 따라 채널 상태를 추정한다. 추정된 결과에 따라 전송 파워와 데이터 전송 속도를 제어하여 패킷 오류를 줄이는 채널 인식 혼잡 제어 알고리즘을 제안한다.
마지막으로 산업 공정에서 회복 탄력성 향상을 위한 무선 센서-액추에이터 네트워크 (wireless sensor actuator network)를 설계한다. 산업 공정에서 제어시스템과 물리 시스템은 무선 센서-액추에이터 네트워크를 통해 센서 값과 액추에이터 값을 주고받는다. 기존의 연구들은 제어시스템과 네트워크 각각을 고려하여 성능 향상을 목표로 연구되어왔지만, 네트워크의 성능 저하와 컨트롤러의 고장에 따른 제어시스템의 영향 분석은 미비한 상태이다. 따라서, 본 연구에서는 네트워크의 성능 저하와 컨트롤러의 고장에 대비하기 위하여 백업 컨트롤러를 운용하고 스위칭하는 기법을 제안한다. 컨트롤러 스위칭 알고리즘은 제어시스템의 안정성이 보장되는 최대 범위인 최대 허용 전송 구간(maximum allowable transfer interval)을 지표로 사용하여 스위칭 시점을 결정한다. 또한 LWB (Low-power wireless band) 통신 프로토콜로 사용하여 백업 컨트롤러로의 전환이 빠르게 이루어지도록 설계한다.
Cyber-Physical Systems are integrated systems in which the software, meaning the cyber system, controls the physical world’s various systems in the desired manner over the network. In particular, wireless networks are used in various cyber-physical systems to ease installation and convenience over wired networks. However, system disruption’s deleterious effects due to natural disasters and infrastructure and engineering systems make the system not guarantee systems’ deadline. Also, because it can lead to human casualties in the worst case, including financial damage caused by degraded performance, resilient wireless network designs are required.
This dissertation provides three wireless network designs to improve the resilience of various cyber-physical systems. We propose wireless resource management methods for medical interoperability between WBAN (Wireless body area network) and WLAN (Wireless Local Area Network). The coexistence problem between WBAN and WLAN in the Industry-Science-Medical(ISM)band has been addressed. WLANs significantly degrade WBAN performance due to asymmetrical attributes such as transmission power and response time when they coexist due to ISM bands’ sharing. A new channel access protocol was proposed to achieve effective channel sharing in terms of efficiency and fairness for WBAN and WLANs.
Second, a WI-FI-based Vehicle-to-Vehicle (V2V) networks congestion control algorithm is proposed. Each vehicle broadcasts status information in the V2V network, such as its location, direction, and acceleration to other surrounding vehicles. However, radio channel congestion degrades network performance in a crowded environment. Existing congestion control studies tried to reduce congestion by measuring channel congestion regardless of channel status. However, our proposed algorithm measures packets’ signal reception strength and diagnosis the cause of packets’ errors. The proposed algorithm controls the data rate and transmission power to reduce packets’ errors based on the analyzed results.
Finally, the wireless sensor-actuator network’s resilient design in the controller’s failure is presented. In industrial environments, the wireless sensor-actuator network is connected to the control system to exchange sensor and actuator values. Existing studies have been studied to improve performance by considering the control system and network, but the recovery process due to network degradation and controller failure is insufficient. We propose a controller switching mechanism that recovers from controller failure. Proposed a controller switching mechanism uses Maximum allowable transfer interval (MATI), which guarantees stability even with low system performance. Using the Low Power Wireless Band (LWB) protocol, which uses the synchronous transmission to increase network reliability, makes controller switching faster.
분석정보
서지정보 내보내기(Export)
닫기소장기관 정보
닫기권호소장정보
닫기오류접수
닫기오류 접수 확인
닫기음성서비스 신청
닫기음성서비스 신청 확인
닫기이용약관
닫기학술연구정보서비스 이용약관 (2017년 1월 1일 ~ 현재 적용)
학술연구정보서비스(이하 RISS)는 정보주체의 자유와 권리 보호를 위해 「개인정보 보호법」 및 관계 법령이 정한 바를 준수하여, 적법하게 개인정보를 처리하고 안전하게 관리하고 있습니다. 이에 「개인정보 보호법」 제30조에 따라 정보주체에게 개인정보 처리에 관한 절차 및 기준을 안내하고, 이와 관련한 고충을 신속하고 원활하게 처리할 수 있도록 하기 위하여 다음과 같이 개인정보 처리방침을 수립·공개합니다.
주요 개인정보 처리 표시(라벨링)
목 차
3년
또는 회원탈퇴시까지5년
(「전자상거래 등에서의 소비자보호에 관한3년
(「전자상거래 등에서의 소비자보호에 관한2년
이상(개인정보보호위원회 : 개인정보의 안전성 확보조치 기준)개인정보파일의 명칭 | 운영근거 / 처리목적 | 개인정보파일에 기록되는 개인정보의 항목 | 보유기간 | |
---|---|---|---|---|
학술연구정보서비스 이용자 가입정보 파일 | 한국교육학술정보원법 | 필수 | ID, 비밀번호, 성명, 생년월일, 신분(직업구분), 이메일, 소속분야, 웹진메일 수신동의 여부 | 3년 또는 탈퇴시 |
선택 | 소속기관명, 소속도서관명, 학과/부서명, 학번/직원번호, 휴대전화, 주소 |
구분 | 담당자 | 연락처 |
---|---|---|
KERIS 개인정보 보호책임자 | 정보보호본부 김태우 | - 이메일 : lsy@keris.or.kr - 전화번호 : 053-714-0439 - 팩스번호 : 053-714-0195 |
KERIS 개인정보 보호담당자 | 개인정보보호부 이상엽 | |
RISS 개인정보 보호책임자 | 대학학술본부 장금연 | - 이메일 : giltizen@keris.or.kr - 전화번호 : 053-714-0149 - 팩스번호 : 053-714-0194 |
RISS 개인정보 보호담당자 | 학술진흥부 길원진 |
자동로그아웃 안내
닫기인증오류 안내
닫기귀하께서는 휴면계정 전환 후 1년동안 회원정보 수집 및 이용에 대한
재동의를 하지 않으신 관계로 개인정보가 삭제되었습니다.
(참조 : RISS 이용약관 및 개인정보처리방침)
신규회원으로 가입하여 이용 부탁 드리며, 추가 문의는 고객센터로 연락 바랍니다.
- 기존 아이디 재사용 불가
휴면계정 안내
RISS는 [표준개인정보 보호지침]에 따라 2년을 주기로 개인정보 수집·이용에 관하여 (재)동의를 받고 있으며, (재)동의를 하지 않을 경우, 휴면계정으로 전환됩니다.
(※ 휴면계정은 원문이용 및 복사/대출 서비스를 이용할 수 없습니다.)
휴면계정으로 전환된 후 1년간 회원정보 수집·이용에 대한 재동의를 하지 않을 경우, RISS에서 자동탈퇴 및 개인정보가 삭제처리 됩니다.
고객센터 1599-3122
ARS번호+1번(회원가입 및 정보수정)