파운데이션 필드버스에서 데이터 전송시간의 수학적 모델링에 관한 연구

Abstract

적은 미디엄 자원에서 효율적인 데이터의 전송을 이루기 위해서는 시스템디자이너가 각 시스템 파라미터에 따른 데이터의 전송지연시간, throughput 그리고 bandwidth utilization의 특성을 충분히 이해하고 설계하여야 한다. 특히 실시간 공정으로 운영되는 자동화 시스템의 경우, 네트웍 파라미터에 따른 데이터의 전송지연시간특성을 시스템 디자이너가 이해하는 것은 매우 중요한 과제가 되며 이를 위해서는 기본적으로 수학적 모델의 개발이 선행되어야 한다. 본 논문은 foundation fieldbus에서 데이터의 전송지연시간에 관한 수학적 모델을 개발하고 시스템 파라미터에 따른 각 데이터의 전송지연시간 특성을 분석하는데 그 목적이 있다. IEC/ISA표준안을 수용하고 있는 foundation fieldbus는 수처리, 석유화학, 발전소등 각종 플렌트에 널리 사용되고 있는 산업용 양방향 통신프로토콜로서 비주기적 데이터를 위한 토큰패싱서비스와 주기적 데이터의 전송을 위한 스케쥴링서비스를 동시에 지원하고 있다. 또한 긴급한 데이터의 전송지연시간을 보장하기 위해 토크패싱방식으로 전송되는 비 주기적 데이터를 3개의 우선순위(urgent, normal, time-available)로 구분하는 메커니즘을 갖고 있다. Foundation fieldbus의 이러한 복잡한 메커니즘은 데이터 전송지연시간에 관한 수학적 모델의 개발을 매우 어렵게 만든다. 이러한 이유로 지금까지 foundation fieldbus의 수학적 모델에 관련한 몇몇의 연구들이 있었음에도 불구하고 매우 간단한 모델에만 국한되어 있어 실제적인 foundation fieldbus의 전송지연 특성을 반영하기에는 한계가 있었다. Foundation fieldbus의 전송지연시간에 관한 연구는 Hong에 의해 처음으로 제안되었으나 그의 연구는 주기적 데이터가 없고 비주기적 데이터의 우선순위도 2개(time-critical, time-available)만 존재하는 경우로 제한되어 있었으며, 또한 time-critical 데이터의 전송지연시간에 관련한 모델만 제시되었을 뿐, time-available데이터에 관련한 전송지연시간의 수학적 모델은 추후 과제로 남아 있었다. 본 논문은 이러한 기존의 연구를 계승 및 발전시켜 3개의 우선순위 메커니즘과 주기적 데이터가 동시에 포함된 실제적인 foundation fieldbus의 수학적 모델을 완성하고자 하였으며 주된 핵심내용은 다음과 같다.

ⅰ. Time-critical 데이터뿐 아니라 time-available데이터의 전송지연시간에 관한 수학적 모델링을 수립하기 위해 virtual token rotation time(VTRT)개념을 소개하였다. ⅱ. 우선순위가 다른 토큰의 ATRT가 서로 i.i.d. 하다는 기존 연구의 가정의 한계를 극복하고 보다 실제 모델과 흡사한 새로운 모델을 제안하였다. ⅲ. 주기적 데이터의 전송구간이 제외된 이론적인 particular token rotation time(PTRT)의 개념을 정의 하여 스케쥴링 서비스가 고려된 시스템의 수학적 모델을 완성하였다. ⅳ. VTRT와 PTRT의 개념을 3개의 우선순위로 확장하여 실제foundation fieldbus 토큰패싱 메커니짐의 전송지연시간에 관한 수학적 모델을 완성하였다. ⅴ. 하나의 노드가 서로다른 우선순위의 데이터를 동시에 발생하는 특수한 경우의 수학적 모델링을 수립하여 본 논문에서 제안한 기법들이 다양하게 응용될 수 있음을 보여주었다.

본 논문은 전송지연시간에 관련한 수학적 모델 제시와 함께 시스템 파라미터에 따른 전송지연시간의 특성을 분석함으로써 시스템 디자이너가 네트웍 파라미터를 설정하는데 주의해야 할 다양한 현상을 올바로 이해하는데 도움을 줄 것이다. 또한 본 논문에서 제시하는 수학적 모델링 기법은 토큰패싱방식 프로토콜의 전송지연시간을 해석하는 연구자들에게 유용하게 사용될 것으로 기대한다.