KR100925269B1 - 멀티홉 무선 네트워크에서의 데이터 전송률의 향상을 위한최적의 데이터 전송 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 멀티홉 무선 네트워크에서의 데이터 전송률의 향상을 위한 최적의 데이터 전송 방법에 관한 것으로서, '가변' 전송전력을 가지는 노드에서는 적응적으로 결정된 전송주파수 감지 영역 값에 따라 전송전력을 조절하면서 데이터 전송을 수행하고, '고정' 전송전력을 가지는 노드에서는 적응적으로 조절되는 전송주파수 감지 임계값을 기준으로 데이터 전송 여부를 결정함으로써, 데이터 충돌을 최소화하여 종단 간의 수율을 극대화하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은, 멀티홉 무선 네트워크에서 가변 전송전력을 가지는 노드에서의 데이터 전송률의 향상을 위한 최적의 데이터 전송 방법에 있어서, 상기 노드의 현재 무선채널에 대한 채널상태 정보를 획득하는 채널상태 정보 획득 단계;상기 획득된 채널상태 정보, 목표 신호대 간섭비 및 경쟁 윈도우 크기를 이용하여, 데이터 충돌을 최소화할 수 있도록 전송주파수 감지 영역을 홉 수로 산출하는 감지영역 산출 단계; 이웃 노드들로부터 수신되는 신호를 통하여 현재 데이터 전송을 시도하는 노드의 개수(경쟁노드 개수)를 구하는 경쟁노드 산출 단계; 및 상기 산출된 전송주파수 감지 영역 값과 상기 경쟁노드 개수의 비교에 따라 전송전력을 적응적으로 설정하고, 상기 설정된 전송전력으로 데이터 전송을 수행하는 전송 단계를 포함한다.
다중 홉 네트워크, CSMA/CA, 전송주파수 감지 영역, 경쟁 노드, 전송주파수 감지 임계값, 목표 신호대 간섭비, 목표 SIR, 전송전력

Description

멀티홉 무선 네트워크에서의 데이터 전송률의 향상을 위한 최적의 데이터 전송 방법{METHOD OF OPTIMAL DATA TRANSMISSION FOR IMPROVING DATA TRANSMISSION RATE IN MULTI-HOP WIRELESS NETWORK}
본 발명은 멀티홉 무선 네트워크에서의 데이터 전송률 향상을 위한 최적의 데이터 전송 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 '가변' 전송전력을 가지는 노드에서는 전송주파수 감지 영역 값을 적응적으로 구하고 그에 따라 전송전력을 제어하며, '고정' 전송전력을 가지는 노드에서는 전송주파수 감지 임계값을 적응적으로 조절함으로써, 데이터 충돌을 최소화하여 종단 간의 수율을 극대화할 수 있는, 멀티홉 무선 네트워크에서의 데이터 전송률 향상을 위한 최적의 데이터 전송 방법에 관한 것이다.
본 발명은 정보통신부 및 정보통신연구진흥원의 IT전략기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2005-S-045, 과제명: 무선통신통합기술].
애드 혹 네트워크에서 물리적 전송주파수 감지 영역(Physical Carrier Sensing Range)을 변형하는 방법과 관련되어서는, 현재 선행 특허기술은 존재하지 않고, 다만 관련 논문으로는 "IEEE Communication society"에서 발간하는 저널(Journals) 및 학회지(Proceedings)에 몇몇이 실려 있으나, 이들도 본 발명과는 관련성 떨어진다.
소위 '무선 랜'(LAN: Local Area Network)라고 불리는 IEEE 802.11 계열의 통신 표준들에서는 각 단말(Terminal)('노드'에 해당함) 및 액세스 포인트(AP: Access Point)가 서로 동일한 주파수 대역을 사용하기로 협의 되어 있다. 이로 인하여 단말(노드) 및 액세스 포인트(AP)는 하나의 네트워크 구성원으로 상호 인식할 수 있게 되었으며, 이렇게 인식된 때부터 데이터 및 제어 패킷을 주고 받게 된다.
상기와 같은 IEEE 802.11 표준에는 두 가지 모드가 존재하는데, 그 중 하나는 액세스 포인트(AP)와 일반 노드 간의 통신만 유효하고, 각 노드끼리의 직접적인 통신은 허용하지 않는 '인프라 모드(Infrastructured Mode) 방식'이고, 다른 하나는, 액세스 포인트(AP)와 같은 네트워크 백본(Back Bone)에 연결되는 개체 없이 노드끼리 서로 정보를 주고 받는 '애드-혹 모드(Ad-Hoc Mode) 방식'이다.
상기 두 모드는 무선 매체를 공유할 때에 발생할 수 있는 수신 노드에서의 데이터 충돌을 피하기 위하여, 전송주파수 감지 다중 접근 및 충돌 회피(CSMA/CA: Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)방식의 매체 접근 제어(MAC: Medium Access Control) 방식을 사용하고 있다.
이러한 전송주파수 감지 다중 접근 및 충돌 회피(CSMA/CA) 방식은 두 가지의 전송주파수 감지 방식을 사용하고 있는데, 첫째는 '물리적 전송주파수 감지(Physical Carrier Sensing) 방식'이고, 둘째는, '가상 전송주파수 감지(Virtual Carrier Sensing) 방식'이다.
여기서, 전자(물리적 전송주파수 감지 방식)는 노드 A에서 다른 노드 B로 데이터를 전송하고자 할 때, 노드 A의 네트워크 인터페이스 카드(NIC)에서 데이터를 전송하기 전에 매체 상에 다른 전송이 현재 이루어지고 있는지를 확인하는 것이다. 충돌 회피 목적으로 사용되는 RTS(Ready-to-Send) 및 CTS(Clear-to-Send) 제어 패킷을 주고 받음으로써, 네트워크에서 나타날 수 있는 숨겨진 노드 문제(Hidden Node Problem)를 해결할 수 있다.
이러한 제어 패킷은 '가상 전송주파수 감지 방식'에도 쓰이는데, 이 제어 패킷들을 수신한 주변 노드들은 그 패킷에 들어있는 네트워크 할당 벡터(NAV: Network Allocation Vector)를 통하여, 해당 시간 동안 네트워크에 접근을 금지하는 내용을 인지하게 된다. 이것이 '가상 전송주파수 감지 방식'으로 매체 접근을 제어하는 방법이다.
일반적으로 모든 IEEE 802.11 네트워크 인터페이스 카드(NIC)는 물리적 전송주파수 감지 방식을 의무적으로 사용하고, 충돌 회피를 위한 제어 패킷의 사용은 선택적으로 사용하게 하고 있다.
매체 접근을 제어하더라도, 특정 순간에 동시에 매체에 접근을 하는 경우가 발생할 수 있는데, 이때는 어쩔 수 없이 충돌이 발생하게 된다. 이 경우, 충돌을 경험한 노드는 특정 범위의 수 내에서 임의로 선택된 수만큼 기다린 후, 다시 전송 을 위하여 매체에 접근하게 되는데, 이러한 충돌 해결(Collision Resolution) 방식으로는 '임의 백오프(Random Backoff) 방식'이 사용된다.
특히, 매번 충돌이 발생할 때마다 정해진 범위의 수가 두 배씩 증가한다면, 이런 경우를 BEB(Binary Exponential Backoff)라 한다. 이 경우에는 최초 경쟁 윈도우(Contention Window)로부터 매 충돌마다 경쟁 윈도우 내부의 시간 슬롯(Time Slot)의 개수가 두 배씩 늘어나게 되고, 그 중에서 임의의 타임 슬롯이 선택되어, 노드는 그 시간만큼 기다린 후에 매체에 접근하고, 이러한 과정의 반복적 수행을 통하여 충돌을 해결하게 된다.
한편, 데이터 충돌을 최소화하기 위하여 물리적 전송주파수 감지 영역을 상대적으로 크게 하는 경우를 고려할 수 있는데, 만약에 이렇게 한다면, 동시에 데이터를 전송하는 노드들이 상대적으로 멀리 떨어지게 되어 전송 노드들 간의 간섭 전력이 줄어들게 되고, 이로 인하여 각 링크를 통한 데이터 전송에 있어서 그 성공확률을 높일 수 있는 장점이 있다. 하지만, 이런 경우(물리적 전송주파수 감지 영역을 상대적으로 크게 하는 경우), 선형 위상으로 배치되어 있는 중계(Relay) 네트워크에서는 더 많은 중간 노드들을 통해야 한다는 단점도 있다. 따라서 이러한 장/단점을 조화시키기 위해서는 적절한 전송주파수 감지 영역을 설정하는 것이 요구된다.
한편, 네트워크 인터페이스 카드(NIC)의 '목표 신호대 간섭비(Target SIR)'도 데이터 전송에 영향을 미칠 수 있는데, 만약에 목표 신호대 간섭비(Target SIR)가 높게 설정된다면, 한번 전송 성공 시에 상대적으로 더 많은 양의 데이터를 전송 할 수 있다는 장점은 있지만, 전송 시도 시에 데이터 충돌 확률이 높아질 수 있는 단점도 존재하는 바, 이러한 장/단점을 조화시키기 위해서는 적절한 목표 신호대 간섭비(Target SIR)의 설정도 고려되어야 한다.
본 발명은 멀티홉 무선 네트워크에서 데이터 전송 시에 발생할 수 있는 데이터 충돌을 최소화하여 종단 간의 수율을 극대화할 수 있는, 멀티홉 무선 네트워크에서의 데이터 전송률의 향상을 위한 최적의 데이터 전송 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
즉, 본 발명은 '가변' 전송전력을 가지는 노드에서는 전송주파수 감지 영역 값을 적응적으로 구하고 그에 따라 전송전력을 제어하며, '고정' 전송전력을 가지는 노드에서는 전송주파수 감지 임계값을 적응적으로 조절함으로써, 데이터 충돌을 최소화하여 종단 간의 수율을 극대화할 수 있는, 멀티홉 무선 네트워크에서의 데이터 전송률 향상을 위한 최적의 데이터 전송 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명은 상기와 같은 목적을 해결하기 위하여, 데이터 충돌을 최소화하여 종단 간의 수율을 극대화킬 수 있도록, '가변' 전송전력을 가지는 노드에서는 적응적으로 결정된 '전송주파수 감지 영역 값'에 따라 전송전력을 조절하면서 데이터 전송을 수행하고, '고정' 전송전력을 가지는 노드에서는 적응적으로 조절되는 '전송주파수 감지 임계값'을 기준으로 데이터 전송 여부를 결정하는 것을 특징으로 한다.
더욱 구체적으로 본 발명은, 멀티홉 무선 네트워크에서 가변 전송전력을 가지는 노드에서의 데이터 전송률의 향상을 위한 최적의 데이터 전송 방법에 있어서, 상기 노드의 현재 무선채널에 대한 채널상태 정보를 획득하는 채널상태 정보 획득 단계;상기 획득된 채널상태 정보, 목표 신호대 간섭비 및 경쟁 윈도우 크기를 이용하여, 데이터 충돌을 최소화할 수 있도록 전송주파수 감지 영역을 홉 수로 산출하는 감지영역 산출 단계; 이웃 노드들로부터 수신되는 신호를 통하여 현재 데이터 전송을 시도하는 노드의 개수(경쟁노드 개수)를 구하는 경쟁노드 산출 단계; 및 상기 산출된 전송주파수 감지 영역 값과 상기 경쟁노드 개수의 비교에 따라 전송전력을 적응적으로 설정하고, 상기 설정된 전송전력으로 데이터 전송을 수행하는 전송 단계를 포함한다.
또한, 본 발명은, 멀티홉 무선 네트워크에서 고정된 전송전력을 가지는 노드에서의 데이터 전송률의 향상을 위한 최적의 데이터 전송 방법에 있어서, 상기 노 드의 현재 무선채널에 대한 채널상태 정보를 획득하는 채널상태 정보 획득 단계; 상기 획득된 채널상태 정보, 목표 신호대 간섭비, 상기 고정된 전송전력 및 경쟁 윈도우 크기를 이용하여, 데이터 충돌을 최소화할 수 있도록 전송주파수 감지 임계값을 설정하는 임계값 설정 단계; 및 이웃 노드로부터 수신된 신호의 수신전력과 상기 전송주파수 감지 임계값의 비교에 따라 데이터 전송 여부를 결정하여 데이터 전송을 수행하는 전송 단계를 포함한다.
상기와 같은 발명은, IEEE 802.11 표준을 따르는 네트워크 인터페이스 카드(NIC)가 장착된 이동 노드들(예를 들면, 차량 등의 이동체)이 선형적 위상을 이루고 배치되어 있는 경우, 원천 노드(Source Node)에서 중간의 중계 노드들(Intermediate Relay Nodes)을 통하여 목적지 노드(Destination Node)에 데이터를 전송하고자 할 때, 동시 전송하는 노드들의 상대적 거리 또는 전송주파수 감지 임계값을 조절함으로써, 각각의 전송 노드에 해당되는 각각의 수신 노드가 받게 되는 간섭 전력의 세기를 조절하여 종단 간의 수율(End-To-End Throughput)을 극대화시키는 효과가 있다.
즉, 본 발명은, '가변' 전송전력을 가지는 노드에서는 '전송주파수 감지 영역 값'을 적응적으로 구함으로써, 데이터 충돌을 최소화하여 결국에는 종단 간의 수율을 극대화시키는 효과가 있다. 또한, 본 발명은, '고정' 전송전력을 가지는 노드에서는 '전송주파수 감지 임계값'을 적응적으로 조절함으로써, 데이터 충돌을 최 소화하여 결국에는 종단 간의 수율을 극대화시키는 효과가 있다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명이 적용되는 멀티홉 무선 네트워크에서의 동시전송 노드의 분포에 대한 설명도이다.
도 1은 멀티홉 무선 네트워크 상의 노드(Node)들이, 일정한 간격으로 육각형의 꼭지점과 중심에 위치한다고 가정하고 그린 것이다. 즉, "10"은 노드들(11)이 도로를 따라 선형적으로 분포되어 있는 선형 멀티홉 무선 네트워크를 나타낸다. 여기서, 육각형의 반지름은 R이며, D는 가장 가까운 동시 전송 거리를 나타낸다.
도 1에서 "작은 검은 도트(11)"는 도로(굵은 직선으로 표시된 부분)상에 분포되어 있는 노드를 나타내며, 이러한 노드는 이동체에 탑재되는 것으로서, 반이중(Half-Duplex) 통신방식을 취하고 전방향 지향성을 갖는 안테나(Omni-directional Antenna)를 구비할 수 있다. 이하, '노드(Node)'란 단말(Terminal), 단말이 탑재된 이동체 등을 의미한다.
도 1에서 '동그라미'(100 내지 112)도 '노드'를 나타내는데, 이는 서로 데이터 전송에 영향을 미치지 않고 동시 전송(Simultaneous Transmission)을 할 수 있는 노드의 분포를 나타낸다. 적어도 D만큼 떨어져 있는 노드들(100 내지 112)은 동시 전송을 할 수 있다.
이상에서는 노드들이 선형적으로 분포되어 있는 경우를 예로 설명하였으나, 이는 시뮬레이션(도 4, 5 참조)을 용이하게 수행하기 위한 것에 불과하며, 노드들이 비선형적으로 분포되어 있어도 본 발명을 적용하는데에는 아무런 제약이 없다.
본 발명은 멀티홉 무선 네트워크에서의 최적의 데이터 전송 방법에 대한 것으로서, 크게 두 가지 방식으로 구현할 수 있다.
하나는, '가변' 전송전력을 가지는 노드에 적용되는 방식으로서, 이는 최적의 '전송주파수 감지영역'(하기의 수학식 1 참조)을 찾아 현재 전송매체(무선 구간)의 유휴(Idle) 상태 간격(IAT: Inter-Arrival Time)과 비교하고, 그 비교 결과에 따라 전송전력을 적응적으로 조절함으로써 원하는 성능을 획득하는 방식이다(도 2 참조). 또한, 이 방식은 분산적인 방법이라 실제 모바일 환경에 적용하는 것이 용이하다.
다른 하나는, 전송전력이 '고정'되어 있는 노드에 적용되는 방식으로서, 이는 네트워크 인터페이스 카드(NIC)의 '전송주파수 감지 임계값'(하기의 수학식 6 참조)을 조절함으로써 원하는 성능을 획득하는 방식이다(도 3 참조).
한편, 일반적으로 노드에서는 애플리케이션 레벨에서 목표 SIR이 제공되는 데, 만약 이 값이 주어지지 않고 해당 노드가 이 값을 임의로 결정할 수 있다면, 역으로 주어진 파라미터들을 이용하여 최대의 성능을 내는 목표 SIR을 구할 수도 있다.
이하, 도 2와 도 3을 참조하면서, 각 방식에 대하여 상세히 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 멀티홉 무선 네트워크 상의 '가변 전송전력'을 가지는 노드에서의 최적의 데이터 전송 방법에 대한 일실시예 흐름도로서, 가변 전송전력을 갖는 각 노드에서 수행되는 데이터 전송 방법을 나타낸다.
도 2를 참조하여 데이터 전송 방법을 설명하기 전에, 최적의 '전송주파수 감지 영역(n)'에 대하여 우선적으로 설명하기로 한다.
전송전력의 제어에 사용되는 최적의 '전송주파수 감지 영역(n)'은 다음의 [수학식 1]을 이용하여 계산한다.
Figure 112007076445704-pat00001
여기서, n은 최적의 '전송주파수 감지 영역'을 나타내는 것으로서, n=D/R과 같이 "홉(Hop) 수"로 표현된다. 이 n값이 '정수'이면 n홉만큼 건너 뛴 위치에 있는 다른 노드에서는 동시에 전송을 수행하면 되고, 만약 n이 정수가 아니면, n보다 큰 가장 작은 정수(즉, n의 정수부분 + 1) 홉만큼 건너 뛴 위치에서 동시 전송을 수행 하면 된다.
Figure 112007076445704-pat00002
는 신호 감쇄지수(path-loss exponent)
Figure 112007076445704-pat00003
와 최초 경쟁 윈도우 크기 W0를 알 때, 특정 4차 다항식을 풀면 나오는 해이다. 그리고
Figure 112007076445704-pat00004
는 목표 신호대 간섭비(Target SIR)를 나타낸다.
이하, 상기 해(
Figure 112007076445704-pat00005
)를 구하는 방법을 상세히 설명하기로 한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 도로 상의 노드(이동체)들(11)이 선형의 위상(Linear Topology)을 이루고 있고, 그 밖의 모든 노드들은 상당히 밀도가 높은 상태로 분포되어 있다고 가정하면, 하나의 노드가 데이터 전송을 할 경우 해당 전파 감지 영역 안의 다른 노드들은 전송을 수행하지 못한다. 따라서 복수의 노드가 '동시 전송'이 가능하기 위해서는, 상호 간에 최소 D만큼(즉, 적어도 n 홉수 이상) 떨어져 있는 상태가 되어야 한다. 또한, 위에서 충분히 밀도가 높은 분포를 가정했으므로, 전송상태에 있는 노드의 상대적 위치는 전형적인 육각 셀룰러 시스템의 동일 채널 기지국의 위치와 같은 모양을 띠게 된다.
따라서 도 1에서 육각형(예를 들면, 101 내지 106으로 이루어진 육각형)의 한 꼭지점에 존재하는 수신 노드에서의 수신 신호대 간섭비
Figure 112007076445704-pat00006
는 다음의 [수학식 2]와 같다. 즉, 아래의 [수학식 2]는 육각형(101 내지 106으로 이루어진 육각형)의 중심에 있는 노드(수신 노드) i(100)에서 수신된 신호에 대한 신호대 간섭비
Figure 112007076445704-pat00007
이기도 하다.
Figure 112007076445704-pat00008
여기서,
Figure 112007076445704-pat00009
는 평균값이 "1"인 서로 독립이고 동일한 분포(i.i.d: independent and identical distribution)를 갖는 랜덤 변수이다.
상기 [수학식 2]로 구해진 수신신호에 대한 신호대 간섭비
Figure 112007076445704-pat00010
가 특정한 목표 신호대 간섭비(
Figure 112007076445704-pat00011
)보다 클 경우에, 하나의 무선 연결(Wireless Link)이 성공적으로 연결된다. 그렇지 않을 경우, 즉 수신된 신호가 목표 신호대 간섭비(
Figure 112007076445704-pat00012
)보다 작게 되면, 전송 실패가 되고, 매체 접근 제어의 이진 임의 지수 백오프(Binary Exponential Random Backoff)에 의하여 임의의 시간만큼 기다린 후 다시 재전송하게 된다. 여기서, 하나의 무선 연결이 실패할 확률(무선 연결 실패 확률) PC는 다음의 [수학식 3]과 같이 구하여 진다.
Figure 112007076445704-pat00013
여기서, u, v는
Figure 112007076445704-pat00014
=4일 때, 각각
Figure 112007076445704-pat00015
이다. 또한, u, v는
Figure 112007076445704-pat00016
관계를 이용함으로써, 전송주파수 감지영역(n)으로 표현한 것이다. 그리고
Figure 112007076445704-pat00017
는 목표 신호대 간섭비이다.
2005년에 발표된 논문(B.-J. Kwak, N.-O. Song and L. E. Miller, Performance analysis of exponential backoff, IEEE/ACM Trans. Networking, Vol. 13, No. 2, pp. 343-355, 2005)에서는 충돌 확률 Pc가 주어졌을 때, 이진 임의 지수 백오프의 체계로 인하여 지연되는 평균 시간
Figure 112007076445704-pat00018
을 다음의 [수학식 4]와 같이 구하였다.
Figure 112007076445704-pat00019
여기서, W0는 이진 임의 지수 백오프 체계에서 사용되는 최초의 경쟁 윈도우 크기(Initial Contention Window Size)를 나타내고, Pc는 충돌 확률을 나타낸다.
그리고 원천 노드에서 목적지 노드까지 패킷이 전달될 때 걸리는 평균 시간
Figure 112007076445704-pat00020
은 다음의 [수학식 5]와 같이 계산된다.
Figure 112007076445704-pat00021
여기서, tslot은 이진 임의 지수 백오프 체계에서 사용되는 단일 슬롯의 지속시간을 나타낸다.
위에서 구한 무선 연결 실패 확률에서 erfc 부분은 "2"로 근사화할 수 있으므로 상기 [수학식 3]은
Figure 112007076445704-pat00022
로 대체될 수 있으며, 이를 상기 [수학식 5]의
Figure 112007076445704-pat00023
에 적용시키면 원천 노드에서 목적지 노드까지 패킷의 전달 시에 걸리는 평균 시간(
Figure 112007076445704-pat00024
)은
Figure 112007076445704-pat00025
의 함수로 이루어지게 된다.
목표 신호대 간섭비(
Figure 112007076445704-pat00026
)를 고정하면,
Figure 112007076445704-pat00027
는 재사용 홉(Hop) 수 n에 대한 오목 함수가 되고, 그에 따라 지연시간이 최소화되는 최적의 홉 수 n이 존재하게 된다. 이 최적 값을 구하기 위해서는, PC의 지수 항목을 변수 X로 놓고,
Figure 112007076445704-pat00028
를 X에 대해 미분하여 "0"이 되는 점을 구한다. 이 경우, 계산의 편의를 위하여 지수 함수를 테일러 급수(Taylor Series)를 사용하여 근사화시킬 수 있고, 최대 5차의 다항 방정식을 얻을 수 있다. 대수적으로 5차 이상의 방정식은 일반적인 해가 존재하지 않으므로 닫힌 형태(closed form)의 해로 표현할 수는 없다. 그 대신, 수치적 방식으로 정확도를 높여가면서 반복적으로 추적하는 방식이 사용될 수 있다. 테일 러 급수에서 생략되는 항을 증가시켜면, 4차 이하의 식으로도 줄일 수 있으나, 그럴 경우 결과적으로 얻은 해의 정확도가 떨어진다.
미분하여 "0"이 되는 점의 X값이 정해지면, 그 값이
Figure 112007076445704-pat00029
의 조건에 맞는지를 확인하게 되는데, 이렇게 함으로써 위 조건에 맞는 X*이 최종적으로 나오게 된다. 위의 중간계산 과정에서
Figure 112007076445704-pat00030
로 가정했으므로, 이 방정식을 풀면,
Figure 112007076445704-pat00031
(상기 수학식 1 참조)꼴의 최적의 재사용 홉 수(최적의 전송주파수 감지영역에 대한 홉 수)를 얻을 수 있다.
요컨대, 홉 수로 표현된 '전송주파수 감지영역 값(n)'(상기 수학식 1 참조)은
Figure 112007076445704-pat00032
라는 방정식의 해이다.
일례로, W0=4의 경우, 신호 감쇄지수(path-loss exponent)
Figure 112007076445704-pat00033
가 2, 3, 4, 5, 6의 값을 가짐에 따라
Figure 112007076445704-pat00034
는 11.59, 3.6, 2.83, 2.03, 1.79의 값을 갖는다.
위에서 구한 상수와 목표 신호대 간섭비(
Figure 112007076445704-pat00035
)를 이용하여, 전송주파수 감지 임계값(Carrier Sensing Threshold)(TCS)은 다음의 [수학식 6]과 같이 구한다.
Figure 112007076445704-pat00036
여기서, Pr은 전송 전력을 나타내며, 나머지 인자들은 이미 위에서 언급한 바와 같다.
다음은, 하나의 노드인 네트워크 인터페이스 카드(NIC)에서 제공할 수 있는 목표 신호대 간섭비(Target SIR)가 복수 개 존재할 때에는, 역으로 주어진 파라미터들(
Figure 112007076445704-pat00037
, W0, n, TCS 등)을 통하여 최적의 목표 SIR을 구할 수 있는데, 그 방법은 다음과 같다.
네트워크 인터페이스 카드(NIC)의 목표 신호대 간섭비(
Figure 112007076445704-pat00038
)가 m개 존재한다고 하고 이것을
Figure 112007076445704-pat00039
,{n=1,2,,m}이라 하면, 이
Figure 112007076445704-pat00040
값들은 변조 방식에 따라 다른 값을 가진다.
이와 같이 하나의 노드에서 복수의 목표 신호대 간섭비가 지원되는 경우, 특정한
Figure 112007076445704-pat00041
에 대하여 위에서 구한 최적의 전송주파수 감지 영역의 홉에서 동시 전송을 할 때, 그 특정한
Figure 112007076445704-pat00042
에 대하여 지원 가능한 데이터 전송률로 데이터를 전송하면, 데이터 전송률을 최대한 만족시키는 수율을 얻을 수 있다. 각
Figure 112007076445704-pat00043
값은 데이터 전송률과 통일된 관계식을 가지지 않으므로, 경험적으로 수행하여 최대의 수율을 갖는
Figure 112007076445704-pat00044
을 찾을 수 있다.
상기 [수학식 1]을 이용하여 최적의 '전송주파수 감지영역'을 결정하더라도, 이는 중앙 집중적 계산과정을 통하여 전송주파수 감지영역을 결정한 것이기 때문에, 분산 환경인 실제 노드(단말)들에게 바로 적용하는 것은 무리가 있다. 따라서 본 발명에서는 이를 해결하기 위하여 데이터 전송 시의 전송전력을 조절하는 기능을 가미하는 것을 특징으로 한다.
이하, 도 2에 따라 '가변' 전송전력을 가지는 노드에서의 최적의 데이터 전송 방법에 대하여 상세히 설명하면, 다음과 같다.
특정한 데이터 전송률로 데이터를 전송하고자 하는 노드(데이터를 처음으로 송신하는 원천 노드, 데이터를 중계하는 중계 노드를 포함하는 것으로서, 이하 간단히 '노드'라 한다)가 주변 인프라 구조로부터 주기적으로 전송되는 파일럿(Pilot) 신호를 수신하고, 이를 분석하여 현재의 무선채널에 대한 채널상태정보, 즉 신호 감쇄지수(Path-loss exponent)(
Figure 112007076445704-pat00045
)를 결정한다(200). 즉, 노드가 특정한 인프라 구조들(예를 들면, 도로변에서 비지 톤(busy tone) 또는 파일럿(pilot) 신호를 송출하는 장비들)을 통하여 주기적으로 수신되는 파일럿 신호 등을 분석(예들 들면, 수신 전력 분석)하여 현재 채널 상태를 판단하고(예를 들어, line-0f-site인지, 반사물체가 많은 환경인지를 판단하고), 그 판단결과에 따라 신호 감쇄지수(Path-loss exponent)(
Figure 112007076445704-pat00046
)를 2부터 6까지 중에서 하나로 결정한다.
또한, 위에서는 신호 감쇄지수(Path-loss exponent)(
Figure 112007076445704-pat00047
)를 주변 인프라 구조에서 주기적으로 전송되는 파일럿(Pilot) 신호를 분석하여 구하는 경우를 설명하였으나, 실시예에 따라서는 이웃 노드들로부터 전송되는 신호를 분석하여 신호 감쇄지수(Path-loss exponent)(
Figure 112007076445704-pat00048
)를 구할 수도 있다.
그리고 나서, 노드는 신호 감쇄지수(
Figure 112007076445704-pat00049
), 목표 신호대 간섭비(Target SIR)(
Figure 112007076445704-pat00050
), 최초의 경쟁 윈도우 크기(W0)를 이용하여 상기 [수학식 1]에 따라 데이터 충돌을 최소화할 수 있는 '전송주파수 감지 영역(n)'을 산출한다(202). 즉,
Figure 112007076445704-pat00051
의 수식(상기 수학식 1)에서 W0 의 값을 "4"라고 가정하면(실제 값은 다를 수도 있음),
Figure 112007076445704-pat00052
는
Figure 112007076445704-pat00053
가 2, 3, 4, 5, 6가 될 때마다 11.59, 3.6, 2.83, 2.03, 1.79의 값이 될 것이다. 따라서 단계 "200"에서 결정된
Figure 112007076445704-pat00054
값과 W0 = 4를 대입하면, '전송주파수 감지 영역(n)'은 11.59, 3.6, 2.83, 2.03, 1.79 중 어느 하나의 값이 될 것이다. 여기서, 목표 신호대 간섭비(Target SIR)(
Figure 112007076445704-pat00055
)는 해당 노드의 애플리케이션 프로그램을 통하여 계산되어 제공되는 것으로서, 네트워크 인터페이스 카드(NIC)에서 지원 가능한 데이터 전송률에 기초하여 최적으로 설정되는 것이다.
이후, 노드는 이웃 노드들을 감지하여 유휴(Idle) 상태의 간격(IAT: Inter- Arrival Time)을 측정한다. 즉, 각 노드들은 자신이 보낼 데이터가 있을 때, 전파환경(무선 전송매체)이 유휴(Idle) 상태가 되는 시간을 검사하여, 유휴상태 발생의 시간 간격을 파악한다.
그리고 나서, 노드는 유휴(Idle) 상태의 간격(IAT)을 이용하여 현재 데이터 전송을 시도하는 노드의 개수(이하, '경쟁노드 개수'라 한다)를 아래의 [수학식 7]을 이용하여 구한 후(204), 위에서 구한 '전송주파수 감지 영역(n)'과 비교한다(206).
Figure 112007076445704-pat00056
여기서, K는 현재 멀티홉 무선 네트워크 상의 노드의 전송 슬롯타임을 나타낸다. 유휴(Idle) 상태의 간격(IAT)이 시간 단위인 초 단위이고 K도 초 단위라면, 경쟁노드 개수는 전송주파수 감지영역 값(n)과 비교할 수 있게 된다.
비교 결과, 전송주파수 감지 영역 값(n)이 경쟁노드 개수보다 크면, 이전에 설정된 전송전력보다 한 단계 증가된 전송전력으로 재설정하고, 그 증가된 전송전력으로 데이터를 전송한다(208).
비교 결과, 전송주파수 감지 영역 값(n)이 경쟁노드 개수와 같으면, 이전에 설정된 전송전력을 유지하고, 그 유지된 전송전력으로 데이터를 전송한다(210).
비교 결과, 전송주파수 감지 영역 값(n)이 경쟁노드 개수보다 작으면, 이전 에 설정된 전송전력보다 한 단계 감소된 전송전력으로 재설정하고, 그 감소된 전송전력으로 데이터를 전송한다(212).
상기와 같은 과정은 반복적으로 수행되며, 그 반복적인 수행을 통하여 노드는 최적의 전송전력으로 데이터를 전송하게 된다.
도 3은 본 발명에 따른 멀티홉 무선 네트워크 상의 '고정 전송전력'을 가지는 노드에서의 최적의 데이터 전송 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.
일반적으로, IEEE 802.11 표준이 적용된 노드(특히, 노드의 네트워크 인터페이스 카드(NIC))는 고정된 '전송주파수 감지 임계값(Carrier Sensing Threshold)'을 가지고 있다. 이러한 임계값을 수정할 수 있도록 네트워크 인터페이스 카드(NIC)가 개선된다면, 적절한 계산 방식을 사용하여, 최적의 임계값을 결정할 수 있을 것이다. 또한, 각각의 노드 NIC에서 지원 가능한 목표 데이터 전송률에 따라 목표 신호대 간섭비(Target SIR)를 설정하고, 이를 이용하여 최적의 전송주파수 감지 임계값을 계산하고 이를 이용하여 데이터 전송 여부를 결정한다면, 최대의 수율을 얻을 수 있다.
특정한 데이터 전송률로 데이터를 전송하고자 하는 노드('고정된' 전송전력을 가지는 노드)가 주변 인프라 구조로부터 주기적으로 전송되는 파일럿(Pilot) 신호 등을 수신하고, 이를 분석하여 현재의 무선채널에 대한 채널상태정보, 즉 신호 감쇄지수(Path-loss exponent)(
Figure 112007076445704-pat00057
)를 결정한다(300). 이에 대한 상세한 설명은 도 2에서의 설명과 같다.
그리고 나서, 노드는 신호 감쇄지수(
Figure 112007076445704-pat00058
), 목표 신호대 간섭비(Target SIR)(
Figure 112007076445704-pat00059
), 해당 노드에 대하여 고정적으로 기설정된 전송전력(Pr), 및 최초의 경쟁 윈도우 크기(W0)를 이용하여 상기 [수학식 6]에 따라 데이터 충돌을 최소화할 수 있는 '전송주파수 감지 임계값(TCS)'을 결정한다(302). 여기서, 목표 신호대 간섭비(Target SIR)(
Figure 112007076445704-pat00060
)는 해당 노드의 애플리케이션 프로그램을 통하여 계산되어 제공되는 것으로서, 네트워크 인터페이스 카드(NIC)에서 지원 가능한 데이터 전송률에 기초하여 최적으로 설정되는 것이다.
이후, 이웃 노드로부터 수신되는 신호의 수신전력과 상기 결정된 '전송주파수 감지 임계값(TCS)'을 비교한다(304).
비교 결과, 수신 전력이 전송주파수 감지 임계값(TCS)보다 작으면, 고정된 값으로 기설정된 전송전력(Pr)으로 데이터를 전송한다(306).
비교 결과, 수신 전력이 전송주파수 감지 임계값(TCS) 이상이면, 데이터 전송을 수행하지 않고, 위의 전 과정을 반복한다(308). 이는 데이터 전송을 하고자 하는 노드는 네트워크 인터페이스 카드(NIC)를 통하여 전송주파수 감지 임계값(TCS)을 넘는 수신 전력을 감지하면, 다른 노드가 현재 무선매체(무선채널)를 통하여 데이터 전송을 하고 있어, 자신이 전송을 하면 안 된다는 것을 알기 때문이다.
도 4는 목표 신호대 간섭비(Target SIR)와 전송주파수 감지 임계값(Carrier Sensing Threshold)의 관계에 대한 설명도이고, 도 5는 목표 신호대 간섭비(Target SIR)와 수율(종단 수율)의 관계에 대한 설명도이다.
본 발명에 대한 시뮬레이션은 15개 노드들을 선형으로 배치시켜 놓고 각 링크의 목표 신호대 간섭비(Target SIR) 값들을 변화시킬 때, 최적의 반송파 감지 영역이 어떤 값이 되는가에 관한 실험이다.
특정 상수C(상기 수학식 1 참조) 값은 시뮬레이션 결과와 분석 결과가 다를 수 있다. 이는 실제 상황의 모든 파라미터들이 시뮬레이션에 모두 고려되어 있지 않기 때문이며, 그 상수값에 실제 상황을 반영하고자 한다면, 모든 고려 상황을 입력변수로 하여 실제로 구동시켜 봄으로써 경험적으로 그 상수값을 얻을 수밖에 없을 것이다.
본 시뮬레이션에서는 상수값 정도는 무시하고, 그보다 큰 수식의 구조가 시뮬레이션과 얼마나 유사한가를 밝히는데 중점을 두었으며, 그 결과는 실제 상황과 만족할 만한 유사성을 보여 주었다.
전송주파수 감지영역을 결정하는 임계값이 각 노드의 네트워크 인터페이스 카드(NIC)마다 존재하는데, 감지 영역과 임계값과의 관계는 역수로 볼 수 있다. 따라서 도 4는 감지영역(n)과 목표 SIR(
Figure 112007076445704-pat00061
)값의 관계가
Figure 112007076445704-pat00062
꼴의 관계로 나타남을 보여준다. 여기서, 상수 C를 임의의 값이라고 생각하면, 단지 곱과 승의 형태만을 볼 수 있다.
한편, 도 5는 도 4의 그래프에서 각각의 목표 SIR에 따르는 최적 반송파 감 지 영역을 적용하여 종단 간의 수율(네트워크 수율)을 체크하였을 경우에, 그 수율의 값을 기록한 것이다. 도 5를 살펴보면, 목표 SIR값이 8dB일 때, 최대 수율(30)이 나타남을 알 수 있다.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.
이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.
도 1은 본 발명이 적용되는 멀티홉 무선 네트워크에서의 동시전송 노드의 분포에 대한 설명도,
도 2는 본 발명에 따른 멀티홉 무선 네트워크 상의 가변 전송전력을 가지는 노드에서의 최적의 데이터 전송 방법에 대한 일실시예 흐름도,
도 3은 본 발명에 따른 멀티홉 무선 네트워크 상의 고정 전송전력을 가지는 노드에서의 최적의 데이터 전송 방법에 대한 일실시예 흐름도,
도 4는 목표 신호대 간섭비(Target SIR)와 전송주파수 감지 임계값(Carrier Sensing Threshold)의 관계에 대한 설명도,
도 5는 목표 신호대 간섭비(Target SIR)와 수율의 관계에 대한 설명도이다.

Claims (11)

  1. 멀티홉 무선 네트워크에서 가변 전송전력을 가지는 노드에서 데이터 전송 방법에 있어서,
    현재 무선채널에 대한 채널상태 정보를 획득하고, 상기 획득된 채널상태 정보, 목표 신호대 간섭비 및 경쟁 윈도우 크기를 이용하여, 데이터 충돌을 최소화할 수 있도록 전송주파수 감지 영역을 홉 수로 산출하는 단계;
    이웃 노드들로부터 수신되는 신호를 통하여 현재 데이터 전송을 시도하는 노드의 개수(경쟁노드 개수)를 산출하고, 상기 산출된 전송주파수 감지 영역 값과 상기 경쟁노드 개수를 비교하는 단계;
    상기 전송주파수 감지 영역 값이 상기 경쟁노드 개수보다 크면, 이전에 설정된 전송전력보다 높은 전송전력으로 데이터 전송전력을 재설정하고, 상기 전송주파수 감지 영역 값이 상기 경쟁노드 개수와 같으면, 이전에 설정된 전송전력을 데이터 전송전력으로 설정하며, 상기 전송주파수 감지 영역 값이 상기 경쟁노드 개수보다 작으면, 이전에 설정된 전송전력보다 낮은 전력을 데이터 전송전력으로 재설정하여 데이터를 전송하는 단계
    를 포함하는 최적의 데이터 전송 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널상태 정보를 획득함에 있어서,
    상기 노드의 주변에 있는 상기 멀티홉 무선 네트워크의 각 노드들로부터 주기적으로 전송되는 파일럿 신호를 분석하여 무선 채널 상에서의 신호 감쇄지수를 획득하는 것을 특징으로 하는 최적의 데이터 전송 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 채널상태 정보를 획득함에 있어서,
    상기 이웃 노드들로부터 전송되어 수신된 신호를 분석하여 무선 채널 상에서의 신호 감쇄지수를 획득하는 것을 특징으로 하는 최적의 데이터 전송 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 목표 신호대 간섭비는,
    상기 노드의 네트워크 인터페이스 카드(NIC)에서 지원 가능한 데이터 전송률에 기초하여 설정되는 것을 특징으로 하는 최적의 데이터 전송 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 경쟁노드 개수는,
    상기 이웃 노드들로부터 수신되는 신호를 통하여 유휴(Idle) 상태 간격(IAT)을 획득하고, 상기 유휴(Idle) 상태 간격(IAT)을 상기 멀티홉 무선 네트워크 상의 노드의 전송 슬롯타임으로 나누어 구하는 것을 특징으로 하는 최적의 데이터 전송 방법.
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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