To achieve information superiority in the theater of operation, establishing a robust communication infrastructure is unquestionably required from the military requirements perspective. Applying commercial technologies to tactical communication system is also a major issue in the military research area due to low development cost and short development time.
In this thesis, a tactical network for a brigade-level communication system is first designed based on promising commercial technologies such as IEEE 802.11, IEEE 802.16, and mobile ad hoc and wireless mesh networking. Because the tactical network is designed based on tactical structure (division, brigade, battalion, company, and platoon), it is hierarchically composed of platoon-level layer (PLL), company-level layer (CLL), battalion-level layer (BLL), brigade-level layer (BRLL), and division-level layer (DLL). As network nodes and networks move according to the operation, the range of their movement is limited in tactical networks. Major movement patterns of network nodes and networks in the tactical network are given in this thesis.
Based on the proposed tactical network architecture and major movement patterns, the methods of routing and mobility management are proposed to establish a robust communication infrastructure. In addition, the frameworks of DiffServ- and SNMP-based QoS and PIM-SM-based multicast are proposed in the view of tactical network system. The proposed protocols for tactical network are implemented, and it is verified that the protocols work well in real environment. As a final result, the prototypes of mobile node, mobile router, and mesh router are designed based on the proposed protocols.
In addition to the design of mobile routers for the tactical network, it is required to research protocols such as routing and medium access control (MAC) in order to improve the capacity of wireless mesh network (WMN), because wireless mesh network acts as major backbone networks in the tactical network. Because the IEEE 802.11-based mesh networks are used in the CLL of the tactical network, the design of WMN routing protocols should target a high network capacity. To get a high network capacity such as a high delivery ratio and a low packet delay, when designing WMN routing protocol, the traffic load, the link loss rate, and the medium contention between multiple simultaneous transmissions should be considered. In this thesis, the two routing protocols are proposed; the $N_{CN}$-based and $B_{agg}$ -based routing protocols. The NCN-based routing protocol reflects the medium contention and the traffic load simultaneously, and the ＄B_agg＄-based routing protocol reflects the traffic load. Due to these reasons, the proposed routing protocols outperform the existing routing protocols such as the hop count-and ETX-based routing protocols.
The IEEE 802.11 uses a backoff algorithm to reduce packet collision resulting from simultaneous transmissions from multiple nodes. Then, existing backoff algorithms have the limitation of performance improvement because they do not reflect the current network situation precisely in the backoff schemes. An adaptive backoff algorithm based on the number of contention nodes is proposed for IEEE 802.11-based mesh network. The proposed backoff algorithm outperforms the existing backoff algorithms by adaptively adjusting the value of contention window account according to the current network situation in the backoff mechanism.
In addition, because an IEEE 802.16-based mesh network is used in the BLL of tactical network, the protocols design for IEEE 802.16-based mesh networks should target high network capacity. In the distributed election procedure of the IEEE 802.16 mesh standard, a static holdoff algorithm is used to select the next transmission opportunity for MSH-DSCH message transmission. In the static holdoff algorithm, because all nodes (MeshSS and MeshBS) select an identical holdoff time, they experience an unnecessarily long holdoff time. Therefore, the holdoff time should be adaptively adjusted according to current node status in order to improve the protocol capacity of IEEE 802.16 mesh mode.
An adaptive holdoff algorithm is proposed for IEEE 802.16-based mesh network, and it outperforms the static holdoff algorithm by adaptively adjusting transmission holdoff exponent according to current node status.
전술 네트워크에 대한 연구 동향은 다음과 같다. 최근 무선 메쉬 네트워크와 애드 혹 네트워크에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으나, 요소 기술 연구 수준에 머물러 있어, 전술환경에 적용하는데 한계가 있다. 군은 네트워크 중심의 전술체계 구축을 목표로 차세대 군통신시스템 연구를 진행하고 있으나, 대부분이 개념연구에 머물러 있고, 구현 및 개발측면의 연구는 부족한 상태이다. 또한, 개발시간과 개발비용을 줄이기 위해, 전술통신환경에 상용기술을 적용하는 연구가 요구되고 있다. 본 논문에서는 이런 전술 네트워크의 연구동향을 고려한 연구를 수행하였다.
먼저, 전술체계(사단, 여단, 대대, 중대, 소대)에 기반한 사단 수준의 전술 네트워크를 상용기술(IEEE 802.11, IEEE 802.16, 애드 혹 및 무선 메쉬 네트워킹)을 이용하여 설계하였다. 제안하는 전술망은 소대계층(platoon-level layer), 중대계층(company-level layer), 대대계층(battalion-level layer), 여단계층(brigade-level layer), 사단계층(division-level layer)으로 구성된 계층적 구조를 갖는다.
전술 네트워크에서 노드 혹은 네트워크는 작전 수행에 따라 조직적으로 움직이기 때문에 이동 범위가 한정된다. 이런 특징을 기초로, 노드 혹은 네트워크의 주요 이동 패턴을 제시하였다.
제안한 전술 네트워크 구조와 주요 이동 패턴을 기초로, 강건한 통신 인프라 구축을 위한 다양한 기법을 제안하였다. 계층적인 전술환경에 적합하고, 라우팅 오버헤드를 줄일 수 있는 계층적 라우팅 기법과 노드 및 네트워크의 이동성보장 기법을 제안하였고, olsrd 소프트웨어를 기반으로 새로운 기능을 구현하여 제안된 기법의 동작을 확인하였다. 또한, 전술시스템 관점에서 차등화서비스(DiffServ)와 네트워크 관리(SNMP) 기반의 전술 QoS 구조(tactical QoS framework)를 제안하였고, NET-SNMP 프로그램과 리눅스의 QoS 모듈을 기초로 새로운 기능을 구현하여 제안된 QoS 구조의 동작을 확인하였다. 마지막으로, 대대계층 이상에서 멀티캐스트 통신이 가능하도록, PIM-SM 기반의 전술 멀티캐스트 구조(tactical multicast framework)를 제안하였고, pimd 소프트웨어를 이용하여, 제안된 멀티캐스트 구조의 동작을 확인하였다. 제안된 기법들을 기초로 전술 네트워크를 구성하는 모바일 노드, 모바일 라우터, 메쉬 라우터의 프로토타입을 제안하였다.
전술 네트워크는 상용 네트워크와 비교하여, 환경이 열악하기 때문에, 상용기술을 전술 네트워크에 적용하기 위해서는 상용기술의 성능(전송률, 지연시간) 개선이 요구된다. 제안된 전술 네트워크에서 중대계층은 IEEE 802.11 메쉬 네트워크로서, 네트워크의 성능향상을 위해, 라우팅과 백오프(backoff) 알고리즘 연구를 수행하였다. 무선 메쉬 네트워크에서 높은 네트워크 용량을 얻기 위해서는 라우팅 프로토콜 설계과정에서 링크손실률, 트래픽량, 매체경합량을 고려해야 한다. 본 논문에서는 멀티 홉 메쉬 환경에서 경합노드수와 사용트래픽량 기반의 라우팅 프로토콜을 제안하였다. 제안된 라우팅 프로토콜은 트래픽량, 매체 경합량을 고려함으로써, 경로분산효과와 작은 경합시간을 초래하여, 기존의 라우팅 프로토콜들(홉 수, ETX)보다 패킷 전송률과 지연시간 측면에서 좋은 성능을 보였다.
IEEE 802.11에서 백오프 알고리즘은 프로토콜의 용량을 제한하는 주요 원인이다. 기존 연구들은 백오프 과정에서 현재의 네트워크의 상황을 고려하지 않기 때문에, 노드들은 불필요하게 긴 백오프 지연시간을 겪게 된다. 본 논문에서는 멀티 홉 메쉬 환경에서 노드의 경합 노드 수를 기초로 경합범위(contention window)를 조절하는 백오프 알고리즘을 제안하였다. 제안된 백오프 알고리즘에서 노드는 현 네트워크 상황을 고려하여 경합범위를 설정함으로써, 불필요하게 긴 백오프 지연시간을 피할 수 있기 때문에, 제안된 적응적 백오프 알고리즘은 기존의 알고리즘들(BEB, MILD, EIED, DCWA)보다 패킷 전송률과 지연시간 측면에서 좋은 성능을 보였다.
제안된 전술 네트워크에서 대대계층은 IEEE 802.16 메쉬 네트워크이다. IEEE 802.16 메쉬 네트워크의 성능향상을 위해, 홀드오프(holdoff) 알고리즘 연구를 수행하였다. IEEE 802.16 메쉬 네트워크에서 노드들은 분산선거과정(distributed election procedure)에서 고정 홀드오프 알고리즘을 사용한다. 고정 홀드오프 알고리즘에 의해, 노드들은 현재 노드의 상태에 상관없이 같은 홀드오프 시간을 갖고, 이로 인해, 불필요하게 긴 홀드오프 시간을 겪게 된다. 본 논문에서는 IEEE 802.16 메쉬 환경에서 노드의 상태(tx_exist, rx_exist)에 따라, 홀드오프 시간을 결정하는 적응적 홀드오프 알고리즘을 제안하였다. 제안된 홀드오프 알고리즘에서 노드는 현재 상태에 따라 적합한 홀드오프 시간을 선택함으로써, 불필요하게 긴 홀드오프 시간을 피할 수 있기 때문에, 제안된 적응적 홀드오프 알고리즘은 기존의 홀드오프 알고리즘보다 향상된 전송률을 보였다.
