본 연구에서는 도시철도, 특히 지하 및 터널 환경과 같이 GPS 수신이 어려운 환경에서 UWB 기반으로 동작하는 거리 측정 시스템을 개발하였다. 본 시스템의 주요 목적은 UWB 통신의 안정성을 향상시켜, 열차와 주변 앵커간의 거리를 실시간으로 중앙 서버로 전송하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, SS-TWR 스케줄링 기법과 레인징 스케줄링을 도입하여 UWB 기반 거리 정보 전송 시스템의 안정성을 향샹시켰다. 또한, 실제 도시철도 환경과 유사한 축소열차를 활용한 테스트베드를 구성하고, 실험을 통해 개발된 시스템의 높은 안정성을 입증하였다. 이 연구의 결과는 도시철도, 특히 지하 및 터널이 복합적으로 구성된 환경에서 열차 위치 기반 서비스의 활용 가능성을 확장하는 기반으로 활용될 수 있다.

본 연구에서는 도시철도, 특히 지하 및 터널 환경과 같이 GPS 수신이 어려운 환경에서 UWB 기반으로 동작하는 거리 측정 시스템을 개발하였다. 본 시스템의 주요 목적은 UWB 통신의 안정성을 향상시켜, 열차와 주변 앵커간의 거리를 실시간으로 중앙 서버로 전송하는 것이다. 이러한 목적을 달성하기 위하여, SS-TWR 스케줄링 기법과 레인징 스케줄링을 도입하여 UWB 기반 거리 정보 전송 시스템의 안정성을 향샹시켰다. 또한, 실제 도시철도 환경과 유사한 축소열차를 활용한 테스트베드를 구성하고, 실험을 통해 개발된 시스템의 높은 안정성을 입증하였다. 이 연구의 결과는 도시철도, 특히 지하 및 터널이 복합적으로 구성된 환경에서 열차 위치 기반 서비스의 활용 가능성을 확장하는 기반으로 활용될 수 있다.

무선 연결에 대한 수요는 최근 Internet of Things(IoT) 및 6G 응용에 의해 주로 증가하고 있다. 다양한 무선 네트워크가 무허가 대역에서 동작하며 향후 IoT 네트워크와 공존한다는 점을 고려하면, 다른 네트워크로부터 IoT 네트워크로 유입되는 바람직하지 않은 간섭은 필연적이다. 또한 간섭은 제한된 배터리 용량으로 인해 IoT 네트워크의 수명에 큰 영향을 미친다. 그러나 계층적 공존 네트워크에서 하위(underlay) 네트워크의 간섭은 아직 분석되지 않았으며, 에너지 효율에 대한 영향 또한 규명되지 않았다. 본 논문에서는 공존하는 상위(overlay) 네트워크로부터의 간섭이 존재하는 상황에서 하위 네트워크의 에너지 효율을 통계적으로 분석한다. 분석 결과를 바탕으로 하위 네트워크의 평균 에너지 효율에 대한 폐형(closed-form) 표현식을 도출하고, 평균 에너지 효율을 최대화하는 패킷 크기도 제안한다. 본 분석의 결과는 실제 결과와 일치하며, 하위 네트워크의 평균 에너지 효율과 그 최적 패킷 크기는 광범위한 시뮬레이션 없이도 본 분석을 통해 손쉽게 구할 수 있음을 확인한다. 시뮬레이션 결과는 본 통계적 분석의 타당성을 확인하였다. 시뮬레이션 결과는 본 분석이 하위 네트워크의 에너지 효율을 정확하고 해석적으로 결정할 수 있음을 보여주며, 제안된 패킷 크기는 최적 성능의 99% 이상을 달성할 수 있다. 또한 제안된 패킷 조정을 적응적으로 수행할 수 있는 가능성은, 시뮬레이션 입력으로 실제 overlay 패킷 추적(packet traces)을 사용하여 검증되었다.

디지털 트윈(Digital Twin, DT)은 물리적 시스템의 디지털 표현을 생성하는 데 도움을 주어, 실시간 상태를 반영할 수 있다. 흔히 사이버 트윈(cyber twin, CT)이라 불리는 디지털 객체는 실시간 모니터링 및 제어를 물리적 객체, 즉 소위 물리적 트윈(physical twin, PT)에 대해 가능하게 한다. 이러한 능력 덕분에 CT는 물리적 세계를 중단하지 않고도 PT를 최적화하고 그 상태를 시뮬레이션할 수 있다. 다양한 CT 활용 사례를 고려할 때, DT 작업은 두 가지로 구분되는 유형을 식별할 수 있다. 1) PT-CT 동기화를 위한 업데이트 작업과 2) 실시간 테스트 응답을 얻기 위한 추론(inference) 작업이다. 업데이트/추론 작업의 다양한 실시간 요구 사항은 이전 연구에서 소홀히 다루어진 작업 스케줄링 문제를 제기한다. 본 논문에서는 실시간 DT 작업 스케줄링 문제를 조사한다. 특히, 업데이트/추론 작업 간의 관계와 CT 간의 공정성(fairness)을 고려하여 실시간 DT 작업 스케줄링의 성능을 평가하기 위한 새로운 접근 방식을 제안한다. 또한 DT 신선도 비율(DT freshness ratio)을 최대화하고 작업 거절(task rejections)을 최소화하는 것을 목표로 오프라인 및 온라인 DT 작업 스케줄링 기법을 제안한다. 특히, DT 신선도 비율 최대화 문제는 오프라인 작업 스케줄링 기법으로 정식화된다. 제안된 오프라인 해법은 최적성을 잃지 않으면서도 해공간을 크게 축소할 수 있다. 더 나아가 DT 신선도 비율을 최대화하기 위한 스케줄링 정책을 수립하였고, 이를 바탕으로 온라인 스케줄링 알고리즘을 설계하였다. 시뮬레이션 결과, 제안된 오프라인/온라인 기법은 벤치마크에 비해 각각 DT 신선도 비율을 최소 16% 및 11% 증가시키는 것으로 나타났다. 또한 결과는 제안된 온라인 알고리즘의 작업 거절 비율이 하한(lower bound) 대비 8% 이내임을 보여준다.

다중 링크 연산(Multi-link operation, MLO)은 차세대 무선 근거리 통신망(WLAN)에서 여러 링크를 동시에 활용함으로써 극도로 높은 처리량을 제공할 수 있다고 최근 제안되었다. MLO를 사용해 패킷을 송수신하려면, 다중 링크 장치(Multi-link device, MLD)가 각 다중 링크에 대해 신호를 성공적으로 분리할 수 있는 기능을 갖추어야 한다. 그러나 두 다중 링크 사이의 주파수 분리가 충분하지 않은 경우, MLD에 있는 어느 한 송신국(Station, STA)이 전송을 수행하면 동일한 MLD의 다른 링크에 있는 다른 STA들에 대해 링크 간(자기) 간섭(cross-link (self) interference)을 유발한다. 링크 간 간섭의 영향을 받는 STA는 백오프 카운터를 감소시킬 수 없으며, 그 결과 채널 접근 확률이 낮아지고 이에 따라 동일 링크의 기존(legacy) STA에 비해 처리량이 감소한다. 철저한 분석을 바탕으로, 우리는 MLD에서 STA가 동일 링크의 기존 STA와 거의 같은 수준의 처리량을 달성할 수 있도록 하기 위한, MLD에 있는 STA의 적절한 경합 창(contension window, CW) 크기를 도출하였다. 광범위한 ns-3 시뮬레이션을 통해, 제안하는 방식이 네트워크 처리량을 저하시키지 않으면서 링크 간 간섭 하에서 MLD의 STA가 접근 기회를 상실한 부분을 성공적으로 보상함을 보인다.

시스템의 요구 사항에 따라 중앙제어장치에 다수의 범용 비동기 직렬 송수신(UART) 통신 포트가 필요한 경우가 많다. 그리고 사용하는 마이크로컨트롤러에 내장된 포트의 수보다 더 많이 필요한 예도 있다. 이 경우 여러 가지 방법으로 포트의 수를 확장하여야 한다. 본 논문에서는 이 중 두 가지 방법인 프로세서 버스와 인터페이스 되는 직렬 통신 컨트롤러를 사용하는 방법과 USB에서 변환하는 방법에 관하여 기술한다. USB 변환 방법의 경우 채널 확장을 위하여 허브 제어기를 사용하는 방법도 기술한다. 주로 사용하는 IC의 예를 들고 이에 대한 특징을 기술하며 설계 시 유의할 점을 보인다. 또한 실제로 구현한 예를 보이고 장단점을 기술함으로써 설계를 참고하고 적절한 방법을 선택하는 데 도움이 될 수 있도록 한다.

Bluetooth와 Wi-Fi는 허가받지 않은 스펙트럼을 사용하며 최신 모바일 기기들에 널리 배포되어 있어 가장 널리 사용되는 무선 기술이다. 모바일 환경에서 원활한 Wi-Fi 연결을 위해서는 모바일 기기가 스캔 절차를 통해 인접한 액세스 포인트(AP) 정보를 유지해야 하는데, 이는 종종 상당한 에너지와 시간을 소모한다. 본 논문에서는 Bluetooth 패킷 교환을 통해 인접한 스테이션(STA)과 Wi-Fi 스캔 정보를 공유할 수 있도록 하는 모바일 기기용 SplitScan을 개발한다. 테스트베드 구현을 통한 실험 및 광범위한 시뮬레이션을 통해 성능을 평가하였다. 그 결과 SplitScan은 Wi-Fi 스캔 과정에서 상당한 에너지와 시간을 절감함을 보여주었다.

공통 주파수 스펙트럼을 공유하는 서로 다른 무선 프로토콜들 간의 공존 문제는 연구 공동체에서 이질적인 무선 네트워크가 확산됨에 따라 큰 관심을 받아왔다. 최근 Bluetooth(BT)와 Wireless LAN(WLAN) 프로토콜 스택이 단일 칩 통신 모듈로 통합되었으며, 이제는 안테나뿐 아니라 스펙트럼도 공유하게 되었다. 본 논문에서는 이러한 통합이 한 프로토콜이 다른 프로토콜을 보다 잘 이해하고, 상호 간섭을 회피하기 위해 조화롭게 동작할 수 있는 새로운 기회를 제공함을 보인다. 우리는 통합 모듈을 갖는 듀얼 스택 장치가 WLAN 프로토콜의 이전에는 사용되지 않았던 지연(defer) 시간들을 활용할 수 있게 하는 기회적 Bluetooth 전송(Opportunistic Bluetooth Transmission, OBT) 방식(rscheme)을 개발하였다. 우리는 모델 기반 분석뿐 아니라 프로토타입 테스트베드에서의 실제 구현을 통해 그 성능을 평가하였다. 그 결과, OBT 방식은 듀얼 스택 장치의 처리율을 유의하게 향상시킬 수 있음을 보여주었다.

Bluetooth Low Energy (BLE)는 단순성과 낮은 에너지 소비로 인해 널리 사용되는 저전력 무선 프로토콜 중 하나이다. BLE 표준은 IoT(Internet of Things)의 일환으로 스마트 홈, 웨어러블, 그리고 수많은 기기를 아우르는 광범위한 응용을 지원하기 위해 계속해서 개발되고 있다. 이러한 새로운 응용은 중요한 과제를 제기한다. 즉, 동적 채널 환경에서 저에너지 소비로 연결을 유지하는 문제이다. 본 논문에서는 이 기술적 과제에 대한 효과적인 해결책을 조사한다. 먼저, 고정된 연결 간격을 사용하는 현재의 설계가 동적 링크 조건에서 상당한 성능 저하를 초래함을 실험을 통해 보인다. 이 문제를 극복하기 위해, 주어진 링크 조건에서 연결성을 유지하면서 에너지 소비를 최소화하는 최적의 연결 간격을 수학적으로 도출한다. 그런 다음 BLE를 위한 단순하면서도 효과적인 연결 간격 적응 메커니즘을 설계하며, 이를 CABLE이라 명명한다. 제안한 해결책을 실제 임베디드 장치에 구현하고, 대규모 테스트베드 실험과 시뮬레이션을 통해 CABLE이 동적 링크 환경에서 견고한 연결성을 제공하면서도 유의미한 성능 향상을 가져옴을 검증한다.

현재 스마트폰과 노트북을 포함한 모바일 기기는 Wi-Fi와 Bluetooth를 모두 지원한다. 이러한 두 프로토콜은 폼팩터 제약을 만족하기 위해 단일 안테나를 공유하면서 2.4GHz ISM 대역에서 공존한다. 본 논문에서는 이러한 종류의 기기를 “듀얼-스택 장치(Dual-stack devices)”라고 명명한다. 듀얼-스택 장치에서 Wi-Fi와 Bluetooth는 TDM(시간 분할 다중화, Time Division Multiplexing) 방식으로 동작하므로, Wi-Fi의 성능, 특히 처리량(throughput)은 불가피하게 저하된다. 본 연구에서는 Bluetooth 스트리밍 서비스에 아직 사용되지 않은 시간에 할당된 자원을 활용하여 Wi-Fi의 처리량을 향상시키고자 하는 새로운 기법인 ‘기회적 안테나 활용(Opportunistic Antenna Utilization, OAU)’을 제안한다. 먼저 듀얼-스택 장치에서 Wi-Fi 처리량이 저하되는 양상을 보여주는 측정 결과를 제시한 뒤, OAU를 통해 기대되는 이득을 예측하기 위한 간단한 분석을 수행한다. 다음으로, 시뮬레이션 결과가 분석과 잘 일치함을 보임으로써 우리의 분석을 검증한다.