1027. 수중 음파 통신망 라우팅/MAC - (UWSN 심화) 음향 채널 지연 프로토콜 반송파 감지 회피 수중 분산 매체 제어 3차원 전송 모델

핵심 인사이트: (928번 심화) 깊은 바닷속 센서망(UWSN)은 전파가 죽어서 오직 느려터진 '소리(음파)'로만 대화한다. 육지 와이파이(CSMA)처럼 "야 쏠게!" 하고 남의 눈치를 보면, 대답을 듣는 데 10초가 걸려서 센서 배터리만 닳고 아무것도 못 한다. 게다가 센서들이 파도에 휩쓸려 계속 이리저리 떠다닌다. "야! 바닷속에선 육지 룰(TCP/IP, CSMA) 다 찢어버려! 눈치 보지 말고 그냥 위로 쏴버리거나, 주소(IP) 따위 묻지 말고 깊이 수압계만 보고 위쪽 놈한테 던져라!" 지구상에서 가장 끔찍한 통신 환경을 극복하기 위한 심해 전용 MAC과 라우팅의 생존법칙이다.

Ⅰ. 수중 채널의 3대 물리적 재앙 (육지와의 차이)

  • 전파 지연(Propagation Delay): 공기 중 빛(30만 km/s) vs 수중 소리(1.5 km/s). 20만 배 느립니다.
  • 가용 대역폭 증발: 높은 음역(고주파 소리)은 물속에서 빨리 흡수돼 죽습니다. 오직 수십 kHz의 낮고 굵은 소리만 멀리 갑니다(대역폭이 고작 수 kbps의 쓰레기 수준).
  • 다중 경로 메아리: 파도 수면 반사와 해저면 반사로 소리가 울려 ISI(심볼 간 간섭)가 폭발합니다.

Ⅱ. 수중 환경의 매체 제어(MAC) 프로토콜 🌟

CSMA/CA(952번 와이파이 방식)를 물속에 쓰면 끔찍합니다. RTS(쏠게요) ➜ 10초 대기 ➜ CTS(쏴라) ➜ 10초 대기. 20초를 낭비합니다.

1. ALOHA 기반 묻지 마 전송 (Slotted ALOHA)

  • 눈치 안 보고 데이터를 생성하는 즉시 그냥 냅다 던지는 1세대 방식입니다. 충돌(Collision)이 나면 나중에 랜덤으로 쉬었다 쏩니다. 효율은 최악이지만 긴 지연 시간을 기다릴 바엔 그냥 무식하게 지르는 게 나을 때 씁니다.

2. MACA-U (수중 특화 예약 방식) 🌟

  • 느린 지연 시간을 뼈저리게 고려한 '타이머 튜닝' 예약 시스템입니다.
  • 송신자가 RTS를 쏘고, 무려 수 초 단위의 엄청나게 긴 왕복 예상 지연 시간 타임아웃을 걸어두고 끈질기게 CTS(응답)를 기다립니다.
  • 다중 노드들이 동시에 패킷을 쏘면 메아리가 뒤섞이므로, 아예 배가 정박하는 항구처럼 전송 스케줄(시간표)을 널찍하게 쪼개서 한 놈씩만 말하게 통제합니다.

Ⅲ. 수중망(UWSN) 라우팅 프로토콜 아키텍처 🌟 핵심 🌟

바닷속 센서들은 조류(파도)를 타고 하루에 수 km씩 위치가 변합니다. IP 주소나 OSPF(고정된 길찾기)를 쓰면 길이 매분 끊깁니다. (토폴로지 동적 변화)

1. DBR (Depth-Based Routing, 깊이 기반 라우팅) 🌟

수중 센서들의 가장 똑똑하고 유명한 길 찾기 방법입니다.

  • 수압 센서의 마법: 센서들은 이웃의 주소(IP)를 외우지 않습니다. 자기 몸에 달린 **'수압계'**로 자기가 바다 밑 몇 미터 깊이에 있는지만 압니다.
  • 동작:
    1. 해저 500m 센서가 지진을 감지하면 그냥 위쪽으로 소리 패킷(데이터 + "나 500m 깊이임")을 쾅 터뜨립니다(브로드캐스트).
    2. 그 소리를 들은 이웃 센서(400m)가 자문합니다. "어? 내 깊이가 400m니까 방금 쏜 놈(500m)보다 내가 수면(도착지)이랑 더 가깝네?"
    3. 자기가 더 위쪽에 있다는 걸 깨달은 400m 센서는 패킷을 받아 즉각 더 위로 터뜨려 릴레이를 이어갑니다.
    4. 만약 소리를 들은 600m 센서는 "아 내가 더 깊은 밑바닥에 있네?" 하고 쿨하게 패킷을 버립니다.
  • 결과: 이기적으로 '나보다 얕은 놈'만 무작정 위로 패스해 올라가다 보면, 언젠가 바다 표면(수면)에 둥둥 떠 있는 '최종 기지국 부표(Sink Node)'에 패킷이 쏙 들어가서 위성으로 날아가는 기적의 3차원 위치 무관 라우팅입니다.

2. VBF (Vector-Based Forwarding)

  • 그냥 위로 쏘면 양옆으로 너무 퍼져서 배터리가 다 닳습니다.
  • "내가 쏘려는 12시 방향(벡터 파이프) 각도 안에 들어있는 센서들만 릴레이를 이어받아라!"라고 가상의 파이프 원통(Virtual Routing Pipe)을 그려서 그 좁은 통로 안의 센서들만 소리를 전달하게 만드는 대역폭 절약술입니다.

📢 섹션 요약 비유: 수중 음파 통신망 라우팅(DBR)은 **'캄캄한 우물 밑바닥에서 수면 위로 공 던지기 릴레이'**입니다. 우물 속에는 눈이 안 보이는 사람들(센서)이 이리저리 떠다니고 있습니다. 옆 사람 이름(IP 주소)도 모르고 위치도 매번 바뀝니다. 우물 맨 밑바닥 사람이 SOS 공(패킷)을 찾아냈습니다. 이 사람은 이름을 부르지 않고 무작정 위를 향해 공을 힘껏 던집니다(음파 브로드캐스트). 허공을 나는 공을 중간에 잡은 사람은 딱 하나만 확인합니다. "방금 공을 던진 놈보다 내가 우물 출구(수면) 쪽에 더 가깝게 떠 있나(깊이 수압계 체크)?" 만약 자기가 더 출구에 가깝다면, "오케이! 내가 더 위쪽으로 던져줄게!" 하고 또 위로 힘껏 던집니다. 자기보다 낮은 곳에 있으면 공을 놓아버립니다. 누구랑 통신할지 복잡한 길(라우팅 테이블)을 외울 필요 없이, 오직 '나보다 수면에 더 가까운 놈'이 무조건 위로 퍼올리는 행동만 반복하면 끝끝내 우물 밖의 구출대(육지 서버)에 공이 전달되는 극강의 심해 생존 릴레이입니다.