Ship Area Network Research Articles

A novel software-defined wireless network architecture to improve ship area network performance

In this paper, we design a new software-defined wireless network architecture to enable high performance in the next generation of ship area networks (ShAN). We first introduce the current problem of end-to-end transmission delay in ship area networks, and then claim that both network and routing layers protocol will require improvement to guarantee data transmission. Hence, we propose a new network architecture, which combines SOTDMA and SDWN advantages to reduce end-to-end transmission delay to achieve high performance in ship area networks. We sketch out the changes and extensions of an SDWN network controller and switches to enable high performance. The complete design of an SDWN architecture using SOTDMA is an exciting avenue for future ship area networks. Using our proposed network architecture, our evaluation results show that for one wireless AP station, we can obtain 3 Mbps throughput.

선박 및 실내 N-스크린 서비스를 위한 동적 Threshold 기반 멀티캐스트 기술

A wireless bridge is essential to transmit control and managing information to sensors or instruments from a central integrated ship area network station. In this paper, a WiMedia Distributed-MAC(D-MAC) protocol is adopted for development of a seamless N-Screen wireless service in Indoor and Ship Area Networks. Furthermore, to provide the OSMU(One Source Multi Use) N-screen service through P2P streaming in the seamless D-MAC protocol, a Dynamic Threshold-based Multicast(DTM) technology is proposed and analyzed. For this technology, a new Hard/Soft Vertical Region(HVR-SVR) based time slot allocation and a multicast resource reservation scheme are combined. From simulation results, proposed DTM scheme expands the number of time slots available for unicast and multicast realtime N-Screen reservations with various service time interval requests. Furthermore, it enhances performances in vewpoints of realtime N-Screen data reservation conflict and throughput. 논문 15-40-07-18 The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences '15-07 Vol.40 No.07 http://dx.doi.org/10.7840/kics.2015.40.7.1369 1369 ※ 본 논문은 2014년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업의 결과임(NRF-2014R1A1A205362 1) 및 2014년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(NRF-2009-0093828)과 미래창조과학부 및 정보통신기술진흥센터의 ICT 융합고급인력 과정지원사업(IITP-2015-H8601-15-1006)의 연구결과로 수행되었음 First Author : Gyeongin National University of Education Department of Computer Education, khur@ginue.ac.kr, 종신회원 ° Corresponding Author : Mokpo National University Department of Electronics Engineering, srlee@mokpo.ac.kr, 정회원 논문번호:KICS2015-04-104, Received April 2, 2015; Revised July 9, 2015; Accepted July 9, 2015 The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences '15-07 Vol.40 No.07

선박 네트워크에서 신뢰성있는 멀티미디어 데이터 전송을 위한 자원 관리 기법

In this paper, a resource management scheme for preventing the video frame loss in the presence of network congestion is proposed. WiMedia protocol is suitable for the application that supports the real-time multimedia service in the ship area network since it supports high speed data transfer. However, network congestion causes the degradation of video quality, since WiMedia standard discards video frames regardless of importance of video frame. Therefore, a resource management scheme for WiMedia network is proposed in this paper. The proposed technique can intelligently treat the network congestion, and solve the degradation of video quality.

SAN 환경에서 클러스터 기반의 멀티채널 알고리즘

Ship Area Network(SAN) can monitor the status of ship in real time and minimize the maintenance costs by connecting various devices to the network. In particular, among researches on SAN, Wireless Sensor Network using sensor nodes that is low-cost, low-power, and multifunctional has a number of advantages. In this paper, we propose cluster-based multi-channel algorithm considering the energy efficiency in wireless sensor network in a ship. The proposed algorithm shows the result of improvement of throughput and energy efficiency, because it reduces interference between clusters by using channel allocation algorithm that is distributed and dynamic.

선박 및 실내 N-스크린 서비스를 위한 비동기 트래픽 멀티홉 전송 기술

본 논문에서는 선박 및 실내 Seamless N-스크린 서비스를 위한 무선 통신 MAC 구조로서, WiMedia Distributed-MAC (D-MAC) 프로토콜을 적용하고, Seamless D-MAC 프로토콜에서 P2P 스트리밍이 가능한 OSMU (One Source Multi Use) N-스크린 서비스를 제공하기 위해, 비동기 트래픽 멀티홉 전송 기술(Asynchronous Traffic Multi-Hop Transmission : ATMT)을 제안하고 성능을 분석하였다. 센서장비에 장착되는 무선통신 모듈은 선내 통합유무선 네트워크와의 원활한 연결을 위하여 무선 게이트웨이 기능을 수행하는 WiMedia ATMT D-MAC 브릿지를 통해 데이터가 전송된다. 이를 위해 WiMedia 비동기 트래픽을 위한 타임 슬롯 할당 기술과 Multi-hop 자원 예약기술을 결합하여 각 기술에 대해 성능을 비교 분석하였다. 시뮬레이션 결과를 통해, 비동기 트래픽 멀티홉 전송 기술은 비동기식 N-스크린 데이터 전송에 있어, 기존 D-MAC 방식보다 향상된 지연시간 및 수율 성능을 나타내었다. In this paper, a WiMedia Distributed-MAC (D-MAC) protocol is adopted for development of a seamless N-screen wireless service in Indoor and Ship Area Networks. Furthermore, to provide the OSMU (One Source Multi Use) N-screen service through P2P streaming in the seamless D-MAC protocol, a ATMT (Asynchronous Traffic Multi-hop Transmission) technology is proposed and analyzed. In this system, a WiMedia ATMT D-MAC bridge transmits control and managing information to various sensors and instruments, from a central integrated ship area network station. For this technology, a time slot allocation scheme for WiMedia asynchronous traffic and a multi-hop resource reservation scheme are combined to evaluate the performance of each scheme. From simulation results, the proposed ATMT scheme enhances performances in viewpoints of N-screen asynchronous data latency and throughput, compared to the conventional WiMedia D-MAC system.

무배선 통신을 위한 선박 네트워크용 바이패스 장치 개발

무배선 통신을 위한 선박 네트워크용 바이패스 장치 개발

TDMA based HR-WPAN Application for a Ship Area Network with Link Transmission Parameters Selection Algorithm

For a high-speed data transmission with guaranteed QoS and energy efficiency in a ship area network (SAN), we consider IEEE 802.15.3 based TDMA high-rate wireless personal area network (HR-WPAN) application. It is shown that the proposed SAN architecture with TDMA based HR-WPAN can provide a high quality wireless connectivity to the conventional dedicated wired devices and shipboard control network devices as a wireless gateway, by adaptively selecting transmission parameters such as transmission power and physical data rate for a fixed fragment size. Moreover, a realistic effect of ship building material such as steel (large ship) and FRP (medium size ship) is considered as a path loss parameter for performance evaluation. We demonstrated that the proposed TDMA based HR-WPAN system with the link transmission parameters selection algorithm could provide a good wireless network model applicable to the SAN architecture.

릴레이 기반 선내 무선통신 시스템의 성능 분석

A wireless ship area network is required to configure and control various sensors and electrical instruments embedded or boarded in a ship. In such environment, wireless communication protocol adopting relaying function is needed because direct link or communication between two nodes is hardly guaranteed due to spatial constraints in a ship. In this study, we introduce and analyze a WiMedia Distributed MAC (D-MAC) based approach considering throughput and energy constraint of wireless communication module. Performance evaluation results demonstrate that the relay-based wireless communication protocol improves reliability of wireless communication network in a ship.

선박 네트워크에서 스마트 장치간 연결성 향상을 위한 릴레이 통신 기법

본 논문에서는 디바이스의 이동으로 인한 WiMedia 네트워크의 성능 저하를 개선하기 위한 릴레이 통신 기법을 제안하였다. WiMedia 프로토콜은 고속의 전송속도를 지원하기 때문에, 선박 네트워크(Ship Area Network)등과 같은 환경에서 고속의 전송률을 요구하는 실시간 멀티미디어 서비스 제공과 같은 응용분야에 적합하다. 하지만, 디바이스의 이동은 네트워크 토폴로지와 디바이스간 링크 상태의 급격한 변화를 야기하며, 네트워크의 성능 저하의 원인이 되기도 한다. 본 논문에서는 기존의 WiMedia 프로토콜에서는 채널의 링크 상태 변화를 적절하게 대처하지 못하여 발생하는 네트워크 성능저하를 해결하는 릴레이 통신 기법을 제안하였다. In this paper, a relay communication scheme for enhancing the WiMedia network performance by device's mobility is proposed. WiMedia protocol is suitable for the application that supports the real-time multimedia service in Ship Area Network since it supports high speed data transfer. However, the device's mobility is caused the dramatic change of link state and network topology, and is occurred the degradation of network performance. Therefore, a relay communication scheme for WiMedia network is proposed in this paper. The proposed technique can intelligently treat the change of link state, and solve the degradation of network performance.

선박 내 유선망에서 차등화 서비스 지원을 위한 패킷 폐기 기술

선내 유선 네트워크에서는 선내의 각종 센서와 제어기를 자율적으로 구성관리하고 원격제어를 제공하는 기능을 수행한다. 이러한 선박 내 유선 통신망에서 차등화서비스가 지원된다면, 우선순위가 높은 실시간 플로우는 최소전송률을 보장 받고 빠르게 전송되어, 지능적인 선박 통신망을 구현할 수 있다. 본 논문에서는 이러한 선박 내 유선 네트워크에서 차등화 서비스를 지원하기 위해, 기존 RIO (RED In and Out) 방식보다 우수한 패킷 폐기 기술을 제안한다. 제안한 패킷 폐기기술은 개별 플로우별로 관리하지 않고 특정한 기준에 따라 몇 개의 플로우 그룹으로 나누어, 그룹별 관리를 통해서 동일 클래스 내 플로우 간 공평성을 제공한다. 시뮬레이션 결과에서는 RIO 방식보다 링크 이용률은 조금 감소하나, 다중 병목 구간을 경유하는 플로우들이 RIO 방식보다 더 많은 전송률을 보장 받음을 알 수 있다. An wired ship area network has functionality of remote control and autonomous management of various sensors and instruments embedded or boarded in a ship. For such environment, the DiffServ (Differentiated Services) realizes that the high-speed real-time flow with the higher priority has the guaranteed minimum data rate and is delivered faster. As a result of this DiffServ effect, the intelligent Ship Area Networks can be implemented. In this paper, an packet drop technique is proposed to outperform the previous RIO (RED In and Out) drop mechanism for DiffServ in ship area networks. the proposed packet drop technique does not manage the individual flows and divides them into several flow groups according to a criterion. And it guarantees the fairness between individual flows in the same QoS class through the group-based control. In simulation results of the proposed packet drop technique, the link utilization decreases than RIO. But it guarantees more data rates to DiffServ flows passing multiple bottleneck links.

선박 내 Peer-to-Peer 다운로드 서비스를 위한 효율적인 핸드오버 기법

스마트 디바이스의 확산과 멀티미디어 콘텐츠에 대한 수요 증가로 인해 인터넷 트래픽이 급증하고 있다. 최근 크루즈선과 같은 대형 선박을 설계할 때, 지상 환경과 유사하게 해양 및 선박 내 환경에서도 다양한 IT 서비스를 제공할 수 있는 네트워크 설계가 고려되고 있다. 본 논문에서는 크루즈선과 같은 대형 선박 내부에서 효과적인 멀티미디어 콘텐츠 분배를 위한 무선 P2P (peer-to-peer) 통신시나리오를 고려하고, 멀티미디어 콘텐츠의 다운로드 서비스를 원활히 수행하기 위한 효율적인 핸드오버 기법을 제시한다. 제안한 방식은 핸드오버 시 기존의 방식이 신호 세기만을 고려하여 핸드오버를 수행하는 것과 달리, 인접 셀의 피어의 품질을 고려하여 핸드오버 히스테리시스 마진을 적응적으로 조절함으로써, 무선 P2P를 통한 멀티미디어 콘텐츠의 다운로드 속도를 개선함을 보였다. 제안한 방식은 선박 내 네트워크 (ship-area-network: SAN)에서 무선 P2P 통신을 통한 멀티미디어 콘텐츠의 공유과정에서 사용자들에게 효율적으로 콘텐츠를 제공할 수 있는 기술로 기대된다. Internet traffic is rapidly increasing due to the spread of personal smart devices and the demand for multimedia contents. When designing a large ship such as cruise, network architecture is also considered which supports various IT services in a maritime environment similar to the ground environment. In this paper, we consider wireless P2P (peer-to-peer) communication for efficient multimedia content sharing and propose novel handover scheme for efficient download service. The proposed handover method shows that it can improve the download symbol rates for handover in a wireless P2P system considering the signal strength and quality of peers as well. The proposed system is expected to provide efficient contents distribution and reliable communication in the ship-area-network (SAN).

무선 USB 시스템에서 신뢰성과 연결성 향상을 위한 자원 관리 기법

본 논문에서는 무선 USB 시스템에서 신뢰성과 연결성을 향상하기 위한 기법을 제안하였다. 무선USB 프로토콜은 고속의 전송속도를 지원하기 때문에, 실시간 멀티미디어 서비스 제공과 같은 응용분야에 적합하다. 하지만, 디바이스의 이동은 네트워크 토폴로지와 디바이스간 링크 상태의 급격한 변화를 야기하며, 네트워크의 성능 저하의 원인이 되기도 한다. 특히 사람의 이동이 빈번한 선박 네트워크 환경에서는 디바이스의 이동성이 더 심해진다. 본 논문에서는 기존의 무선 USB 표준에서 무선 채널의 상태 변화를 적절하게 대처하지 못하여 발생하는 네트워크 성능 저하 문제를 해결하는 릴레이 통신을 위한 자원 관리 기법을 제안하여 성능을 분석하였다. In this paper, a resource management scheme for enhancing the network connectivity and reliability in wireless USB system is proposed. Wireless USB protocol is suitable for the application that supports the real-time multimedia service in Ship Area Network since it supports high speed data transfer. However, the device's mobility is caused the dramatic change of link state and network topology, and is occurred the degradation of network performance. Therefore, a resource management scheme for wireless USB system is proposed in this paper. The proposed technique can intelligently treat the change of link state, and solve the degradation of network performance. The simulation results show that proposed protocol can enhance the throughput and delay performance by selecting relay device with better link state.

선박 내 효과적인 콘텐츠 분배를 위한 다중 단말 간 직접통신

최근 몇 년 간 스마트 폰과 같은 개인 스마트 디바이스들의 확산으로 인해 인터넷 트래픽이 급증하고 있다. 이는 지상에 있는 기지국뿐만 아니라 건물, 버스, 철도, 선박 등에 설치된 AP(Access Point)나 기지국에도 심각한 과부하를 야기한다. 따라서 이를 해소하기 위해 크루즈선과 같은 선박 내부에서 효과적인 콘텐츠 분배를 위한 통신시나리오를 제안한다. 또한 제안한 시나리오 안에서 기존의 단말 간 직접통신(D2D: Device-to-Device)을 확장하여 다중 단말 간(MD2MD: Multi-Device-to-Multi-Device) 직접 통신 네트워크를 구성하고 이에 적합한 전송기법을 제시한다. 제안한 선박 내 다중 단말 간 직접통신 방식은 STBC(Space-Time Block Coding) 전송기법, SM(Spatial Multiplexing) 전송기법, 그리고 하이브리드 STBC-SM 기법을 비교분석하여 전송률(throughput) 관점에서 향상된 성능을 보인 전송기법을 채택했다. 제안한 방식은 선박 내 통신 특히 사용자의 수가 많아 트래픽이 심하여 선박 내 설치된 AP의 과부하가 심할 경우 이를 분배하고 사용자들에게 효율적으로 보다 질 높은 콘텐츠를 제공할 수 있는 기술로 기대된다. Internet traffic is rapidly increasing due to the spread of personal smart devices. It causes serious burden on base stations and access points which are installed in buildings, buses, trains, and ships. We consider a communication scenario aboard a cruise ship and propose efficient contents distribution schemes to alleviate the burden of access points with multi-device-to-multi-device(MD2MD) communication. The proposed transmission method is based on the hybrid STBC-SM scheme. We compare the error performance of MD2MD communication system on the cruise ship using space-time block coding (STBC) scheme, spatial multiplexing (SM) scheme. The proposed MD2MD communication system is expected to adopt in the ship-area-network (SAN) with efficient contents distribution and reliable communication.

와이미디어기반 선내 무선 브릿지용 릴레이 협력통신 방식

An integrated ship area network has functionality of remote control and autonomous management of various sensors and instruments embedded or boarded in a ship. For such environment, an wireless bridge is essential to transmit control and/or managing information to sensors or instruments from a central integrated ship area network station. In this paper, one of reliable schemes of WiMedia based wireless bridge using relay cooperative transmission using WiMedia distributed MAC protocol is proposed to increase a communication reliability between cluster headers, irrespective of channel variation. Simulation results show that the proposed wireless bridge using relay cooperative transmission scheme increases communication reliability.

A ship area network with WiMedia wireless gateway applying a cooperative transmission

A ship area network with WiMedia wireless gateway applying a cooperative transmission

선박 통합 네트워크 구조 성능 분석

본 논문에서는 선박 통합 게이트웨이를 이용하여 선박 내 기기를 하나의 네트워크로 연결하는 선박 네트워크(Ship Area Network)에 대하여 네트워크의 구조를 분석하고 모든 기기의 연결을 담당하는 선박 통합 게이트웨이의 망요소적 역할 및 필요 최소 성능에 대해 분석한다. 이를 위하여 선박 내 네트워크에 대한 참조망 구조 및 종단간 연결에 대해 분석하고 트래픽 모델 및 선박 네트워크의 요구사항을 분석하였다. 그리고 이를 바탕으로 선박 통합 네트워크 구조를 반영하는 네트워크 시뮬레이터를 설계하였다. 망요소에 대한 성능 평가 결과, 제안한 네트워크에서 통합 게이트웨이가 스위치로서 동작하고 약 30,000 packets/s 이상의 성능을 보유하였을 때, 선박 네트워크가 선박 내부의 트래픽을 안정적으로 전송하였음을 확인할 수 있었다. This paper analyzes ship area network(SAN) with integrated gateway. For the analysis, this paper analyzes reference network architecture, end-to-end connection model, traffic model, and requirement of SAN. Also, the type of network element and minimum performance of integrated gateway is derived by ship area network simulator. The performance evaluation results show that a integrated gateway operating as network switch with performance over than 30,000 packets/sec can provides end-to-end connection with satisfaction of requirement of each end-to-end connection.

웹기반 선박용 ERP (SHERP) 설계 및 구현

해운회사에서는 현재 고유가 및 물동량 감소 등의 경영환경변화에 대처하기 위해 경쟁력강화와 경영합리화를 구현하는 전략적 선박자원관리시스템 개발에 대한 관심이 고조되고 있다. 본 논문에서는 SAN(Ship Area Network) 환경에 적합한 선박자원관리시스템을 소개한다. 이 시스템은 선박관계 당사자 요구사항을 분석하여 선주사의 경영전략 실행에 맞도록 설계되었다. 이와 함께 선박의 전 생애주기에 걸쳐서 선박자원에 대한 정보와 지식을 관리할 수 있도록 선박 온톨로지와 기계장치 및 부품에 대한 국제표준인 STEP과 PLIB를 도입할 수 있게 시스템을 설계한 다음, 비즈니스 로직과 사용자 인터페이스를 분리하여 웹기반 ERP(SHERP)로 구현하였다. 본 논문에서 기술하고 있는 시스템은 선박과 선단 운영에 적용할 수 있는 정보시스템으로서 조선산업 서비스화를 지향하는 구체적인 사례가 될 것이다. Shipping companies have become interested in the development of strategic ship assets management systems which are implemented for high competitiveness and business rationalization to meet the tough business environment of high oil prices and decrease in cargo. In this paper we introduce a ship assets management system that is suitable for the SAN(Ship Area Network) environment. This system is designed to execute business strategy of ship owners giving consideration to requirements of shipping stakeholders. In addition we have implemented it in a web-based ERP system (SHERP) which separates user interface and business logic. The SHERP is based on STEP and PLIB, which are international standards for data exchange of mechanical devices and parts. It also adopts a ship ontology to manage the ship information and knowledge during its life-cycle. The SHERP will be a concrete example of servitization of shipbuilding, as an information system which is used in ships and ship groups.

선박 통합 통신망 기반 원격 선박 유지보수 시스템 개발

Abstract The rapid growth of IT technology has enabled ship automation systems to gain better functionality and safety with reducedcosts and crew numbers. Nowadays, the remote maintenance services for the systems are required because a ship may belocated in a very remote area. To provide the remote maintenance services, some issues such as how to collect the ship automation systems data, how to monitor a ship's data from onshore offices, how to get support from experts while sailing,and how to reduce the maintenance costs, should be addressed. In this paper, we propose a remote ship maintenance system for remote monitoring and diagnostics of ship automation systems, which is based on both a ship area network to integrate separate system networks and a ship-shore communication infrastructure to support a remote access using satellitecommunications. Finally, we present the function test to verify the applicability of the proposed system.Keywords : Ship automation system(선박 자동화 시스템), Remote maintenance(원격 유지보수), Ship area network(선박 통합통신망), Satellite communications(위성통신)

네트워크 생존성을 고려한 선박 통신망(SAN)의 이중화 네트워크 토폴로지 및 중복 전송 프로토콜의 설계

지능형 선박(Smart Ship)에 탑재되는 정보화 장비의 종류와 수량이 증가하고 있는 최근 국내외 조선 산업계 동향에 따라, 이들 장비를 효율적으로 통합하고 제어할 수 있는 선박 백본 네트워크 개발의 필요성이 대두되고 있다. 선박 백본 네트워크는 자동화 및 무인화 특징을 가지는 지능형 선박에 구축된다는 점에서 고수준의 생존성을 요구한다. 따라서 본 논문에서는 이와 같은 네트워크 구축 환경의 특수성과 네트워크 생존성 요구 사항을 고려하여, 효율적인 선박 운용을 제공하는 고생존 선박 통신망(SAN : Ship Area Network)에 대한 연구를 수행하고자 한다. 이를 위해 지능형 선박의 정보화 장비를 포함한 모든 네트워크 노드들이 이중 경로를 통해 서로 연결된 이중화 네트워크 토폴로지를 설계하였다. 그리고 설계한 이중화 네트워크 토폴로지 환경에서 최소의 중복 전송을 통해 최대의 생존성 성능을 나타내는 효율적인 중복 전송 프로토콜을 설계하였다. 또한 본 논문에서 제안한 토폴로지 및 프로토콜이 적용된 새로운 선박 통신망의 성능을 그래프 이론, 확률 이론, 구현 명세, 시뮬레이션 등을 포함한 체계적이고 실증적인 분석을 통해 검증하였다. In the shipbuilding industry, due to the global trends where the number of IT (Information Technology) devices of a smart ship have been increased rapidly, the need to develop a new shipboard backbone network has recently emerged for integrating and managing the IT devices of a smart ship efficiently. A shipboard backbone network requires high survivability because it is constructed in automatic and unmanned smart ships where a failure of the backbone network can cause critical problems. The purpose of this paper thus is to study SAN (Ship Area Network) as a efficient shipboard backbone network, considering particularity of shipboard environment and requirement of high survivability. In order to do so, we designed a dual network topology that all network nodes, including the IT devices installed in a smart ship, are connected each other through dual paths, and reuding tht IT devices pnstalles supporices network survivability as well as t Iffic efficiency for the dual network topology. And then, we verified the performance of the suggested SAN by theoretical and practical analysis including the graph theory, the probability theory, implemental specifications, and computer simulations.

The Design of a Total Ship Service Framework Based on a Ship Area Network

The rapid growth of IT technology has enabled ship navigation and automation systems to gain better functionality and safety. However, they generally have their own proprietary structures and networks, which makes interfacing with and remote access to them difficult. In this paper, we propose a total ship service framework that includes a ship area network to integrate separate system networks with heterogeneity and dynamicity, and a ship-shore communication infrastructure to support a remote monitoring and maintenance service using satellite communications. Finally, we present some ship service systems to demonstrate the applicability of the proposed framework.