KR101140741B1 - 무선 네트워크의 기회적 동시전송 방법 및 시스템 - Google Patents

Abstract

무선 랜 환경에서 한정된 무선자원으로 효율적인 전송을 달성하기 위한 기회적 동시전송 방법이 제공된다. 본 발명에 따르면, 무선 네트워크 시스템의 액세스 포인트에 전송하고자 하는 패킷이 존재하는 경우, 다른 액세스 포인트로부터의 전송을 엿들어 다른 액세스 포인트로부터 전송중인 링크의 정보를 획득하고, 간섭 맵을 참조하여 전송중인 링크의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio) 값을 확인하여, 확인된 SINR 값이 미리 정한 캡쳐 임계값 이상인 경우, 패킷을 동시전송한다.

Description

무선 네트워크의 기회적 동시전송 방법 및 시스템{Opportunistic Concurrent Transmission Method of Wireless Network and Wireless Network System using the Same}

본 발명은 무선 네트워크의 기회적 동시전송 방법 및 시스템에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 동시전송을 통하여 한정된 무선자원을 효율적으로 사용하면서도 확장성을 제공할 수 있는 무선 네트워크의 기회적 동시전송 방법 및 시스템에 관한 것이다.

IEEE 802.11 표준을 따르는 무선 랜(WLANs: Wireless Local Area Networks)은 값싸고 쉬운 설치가 가능하며 전송 속도가 빠른 등의 강력한 이점이 있다. 그런데, 무선 랜의 폭발적인 보급은 한정된 무선자원을 더욱 효율적으로 사용해야 하는 문제를 야기한다.

IEEE 802.11 Distributed Coordination Function(DCF)은 구현이 용이하고 대부분의 환경에서 분산적으로 잘 동작하는 특성 때문에 무선 랜의 대표적인 MAC 프로토콜로서 사용되고 있다. DCF는 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance) 기반으로 동작하기 때문에 동시 전송(concurrent transmissions)을 허용하지 않는다. 이는 동시에 전송된 신호들이 간섭 혹은 충돌로 인해서 전송이 실패하는 것을 방지하기 위함이다.

그러나 CSMA/CA 방식을 사용하게 되면 공간 재활용(Spatial Reuse)의 측면에서는 한정된 무선 자원을 낭비하게 되는 부분이 필연적으로 발생한다. 그러나, 신호들이 동시에 전송되더라도 패킷의 전달 순서와 상대적인 신호의 세기에 따라 실패가 아닌 성공적인 수신이 될 수 있는데, 이를 캡쳐 효과(capture effect)라고 한다.

기존의 랜 카드는 의도한 신호(Intended signal)가 충분한 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)을 가지고 간섭 신호보다 먼저 도착하거나 혹은 간섭 신호의 프리앰블(preamble) 전송시간 내에 도착하면 물리계층의 캡쳐(Physical Layer Capture)를 가능하게 했다. 또한, Message In Message(MIM) 기능을 구현한 Atheros chipset을 사용하는 무선 랜 카드의 경우, 향상된 프리앰블 탐지 기술을 채용하여, 의도한 신호가 충분한 SINR값(≒10dB)을 가진다면 간섭 신호의 프리앰블 시간 이후에 도착해도 캡쳐가 될 수 있으므로 캡쳐 확률이 훨씬 커졌다.

이와 같은 내용이 도 1에 도시되어 있다. 도 1의 (a)는 PHY 캡쳐의 경우를 나타내고, 도 1의 (b)는 MIM 기능을 구현한 무선 랜 카드를 사용할 때의 캡쳐를 나타낸다.

도 1의 (a)에 나타난 바와 같이 약 10dB 정도의 충분한 SINR을 갖는 의도한 신호가 간섭신호의 프리앰블 전송이 끝나기 전에 도착하면, 의도한 신호는 캡쳐될 수 있다.

이에 비해 MIM 기능을 구현한 경우에는 의도한 신호가 간섭신호의 프리앰블 전송이 끝난 후에 도착하더라도 캡쳐될 수 있다.

이러한 MIM 기능을 이용하여 물리계층의 캡쳐를 극대화하기 위한 종래기술로서 미국특허 제5,987,033호가 있다. 미국특허 제5,987,033호에서는 메시지의 수신 중에 특정 레벨 이상의 에너지 증가가 검출되면 해당 에너지 증가에 따른 캐리어를 검출하고, 캐리어가 검출되면 현재 수신중인 메시지의 수신이 완료되자마자 검출된 캐리어에 대응하는 새로운 메시지를 수신할 수 있도록 수신기가 리트레이닝(retraining)을 시작하는 방법을 개시하고 있다.

본 발명은 위와 같은 기술적 배경을 바탕으로 안출된 것으로서, 무선 랜 시스템에서 동시 전송이 가능하도록 하여 한정된 무선자원을 효율적으로 사용할 수 있는 무선 네트워크의 기회적 동시전송 방법 및 시스템을 제공하는 것을 그 과제로 한다.

본 발명의 다른 과제는 동시 전송을 통하여 한정된 무선자원을 효율적으로 사용하면서도 확장성을 제공할 수 있는 무선 네트워크의 기회적 동시전송 방법 및 시스템을 제공하는 것이다.

이러한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 패킷 전송 방법은, 무선 네트워크 시스템 내에 존재하는 액세스 포인트의 패킷 전송 방법으로서, 전송하고자 하는 패킷이 존재하는 경우, 다른 액세스 포인트로부터의 전송을 엿들어 상기 다른 액세스 포인트로부터 전송중인 링크의 정보를 획득하는 단계, 간섭 맵을 참조하여 상기 링크의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio) 값을 확인하는 단계, 확인된 상기 SINR 값이 미리 정한 캡쳐 임계값 이상인 경우, 상기 패킷을 동시전송하는 단계를 포함하여 이루어진다.

여기에서, 상기 무선 네트워크 시스템은 중앙제어장치를 포함할 수 있으며, 이 때 상기 간섭 맵은 상기 중앙제어장치에 의해 제공되는 것이 바람직하다.

또한, 확인된 상기 SINR 값이 미리 정한 캡쳐 임계값이 이르지 못하는 경우, 백오프에 돌입하는 단계와, 상기 다른 액세스 포인트로부터의 전송이 완료되면 상기 패킷을 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 면에 따른 무선 네트워크 시스템은, 두 개 이상의 액세스 포인트를 포함하는 무선 네트워크 시스템으로서, 상기 액세스 포인트 중 어느 하나가 패킷을 전송하고자 하는 경우, 다른 액세스 포인트로부터의 전송을 엿들어 상기 다른 액세스 포인트로부터 전송중인 링크의 정보를 획득하고, 간섭 맵을 참조하여 상기 링크의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio) 값을 확인하여, 확인된 상기 SINR 값이 미리 정한 캡쳐 임계값 이상인 경우, 상기 패킷을 동시전송한다.

본 발명의 또 다른 면에 따르면, 무선 네트워크 시스템 내의 액세스 포인트가 제공되며, 상기 액세스 포인트는, 전송하고자 하는 패킷이 존재하는 경우, 다른 액세스 포인트로부터의 전송을 엿들어 상기 다른 액세스 포인트로부터 전송중인 링크의 정보를 획득하고, 간섭 맵을 참조하여 상기 링크의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio) 값을 확인하여, 확인된 상기 SINR 값이 미리 정한 캡쳐 임계값 이상인 경우, 상기 패킷을 동시전송한다.

상기와 같은 구성을 갖는 본 발명에 의하면, 간섭 신호에 해당하는 다른 AP의 전송이 있더라도, 충분한 SINR 값을 갖는 신호인 경우에는 기회적으로 동시전송을 하도록 하여 전체 무선 랜 시스템의 자원을 효율적으로 활용할 수 있다.

또한, 각 AP에서 다른 AP의 전송을 엿들어 동시전송 여부를 결정하므로 중앙처리장치에 큰 계산부하를 주지 않고 분산적으로 동작하며, 이에 따라 확장이 용이하다는 효과가 있다. 특히, 본 발명의 기회적 동시전송 방법은 클라이언트의 변경이 없이 AP만을 변경함으로써 구현 가능하여 기존의 무선 랜 시스템에 점진적으로 적용하기 쉽다는 장점이 있다.

도 1은 물리 계층 캡쳐가 이루어지는 전송 스케줄을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 랜 시스템의 동작을 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기회적 동시전송 방법을 하나의 AP의 관점에서 나타낸 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기회적 동시전송 방법에서 동시전송을 하기로 결정한 경우와 그렇지 않은 경우의 프레임 스케줄의 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 종래의 DCF와 본 발명의 실시예의 예측 처리량을 나타내는 그래프이다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 한편, 본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함한다(comprises)" 및/또는 "포함하는(comprising)"은 언급된 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기회적 동시전송 방법이 적용되는 무선 랜 시스템을 나타내는 도면이다.

도 2에 나타난 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 무선 랜 시스템은 중앙제어장치(210)와 두 개의 액세스 포인트(AP: Access Point)(AP1; 221, AP2; 222) 및 각 AP와 연결된 클라이언트 장치(R1; 231, R2; 232, R3; 233)를 포함한다. 한편, 설명의 편의를 위하여 도 2에서는 두 개의 AP와 이에 연결된 세 개의 클라이언트 장치를 도시하였지만, AP 및 클라이언트의 수가 이에 한정되지 않음은 물론이다.

도면에서 AP와 클라이언트 사이의 화살표는 전송링크를 나타내며, AP와 클라이언트 사이에 점선으로 연결된 부분은 간섭을 의미한다. 그리고 각 전송링크 옆의 사각형 내에 표시된 숫자는 두 AP에서 동시전송이 이루어질 때 결과적으로 얻게 되는 수신신호의 강도(dB 값)를 나타낸다. 즉, 클라이언트 R1과 R2는 AP1과 연결되어 있으며, AP2로부터 오는 신호는 R1과 R2에 대해서는 간섭신호가 된다. 반대로 클라이언트 R3는 AP2와 연결되어 있으며, 따라서 AP1으로부터 오는 신호가 R3에게는 간섭신호가 된다. AP1과 AP2로부터 동시전송이 이루어질 경우, R1, R2, R3는 각각 1dB, 5dB, 13dB의 강도를 갖는 신호를 수신하게 된다.

AP1과 AP2는 간섭 맵(interference MAP)을 참조하여 동시전송에 대한 결정을 할 수 있다. 간섭 맵은 전송순서의 차이에 의한 상대적인 신호의 세기를 기록한 테이블이며, 도 1에 나타난 실시예에서는 중앙제어장치(210)가 간섭 맵을 생성하고 이를 각 AP에게 전달한다. 그러나, 간섭 맵을 생성하기 위하여 반드시 중앙제어장치(210)가 존재하여야 하는 것은 아니며, 중앙제어장치(210) 없이 각 AP가 간섭 맵을 생성하여 참조하도록 할 수도 있다.

이제 도 2에 나타난 바와 같은 무선 랜 시스템 내에서 본 발명의 실시예에 따른 동시전송 방법에 따른 동작이 이루어지는 과정을 설명한다. 동시전송이 이루어지는 경우의 동작을 설명하기 위한 것이므로, AP1과 AP2는 각각 자신의 클라이언트들에게 전송할 패킷이 있다고 가정한다.

먼저 AP1이 R1에게 전송한 다음, AP2가 AP1의 프리앰블 구간이 지난 후에 전송을 하는 경우를 고려해보면, 결과적으로 AP1의 전송은 실패하게 될 것이다. R1이받은 패킷의 SINR 값 1dB는 패킷을 캡쳐할 수 있는 캡쳐 임계값(capture threshold)인 4dB를 만족시키지 못하기 때문이다. 그러나 AP2의 전송은 13dB의 높은 SINR 값을 가지므로 당연히 성공하게 된다.

이제 AP1이 R1이 아니라 R2에게 전송하는 경우를 생각해본다. 이 경우에는 AP2의 동시전송이 AP1의 전송을 실패로 만들지 않는다. R2의 SINR 값 5dB가 캡쳐 임계값 4dB보다 높기 때문이다.

이러한 점을 볼 때, AP2는 AP1이 R2에게 전송 중일 때 동시전송을 할 수 있다는 결과가 된다. 즉, 무선 랜 시스템의 각 AP는 다른 AP의 전송을 엿듣고(overhear) 자신의 전송이 다른 AP의 진행중인 전송을 실패로 만들지 않는 조건에서 기회적으로 동시전송을 한다.

AP2는 AP1이 전송중인 패킷의 MAC 헤더를 보고 AP1이 어느 링크로 전송을 하는 것인지를 알 수 있다. 다음, 이 링크에 대한 SINR 값은 간섭 맵에 있으므로 이를 참조하여 동시전송에 대한 결정을 할 수 있다.

이러한 동시전송이 문제를 일으킬 것으로 판단되면, 즉 동시전송에 의해 다른 AP의 전송이 실패할 것으로 판단되면, 종래의 DCF 방식에서와 같이 자신의 전송을 연기한다. 즉, 백오프에 돌입하게 된다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 기회적 동시전송 방법을 하나의 AP의 관점에서 나타낸 흐름도이다.

먼저 AP는 전송할 패킷이 있는지 판단하여 전송할 패킷이 있는 경우(S310), 다른 AP로부터의 전송을 엿들어(overhear) 전송중인 링크에 대한 정보를 획득한다(S320). 다음, 간섭 맵을 참조하여 전송중인 링크에 대한 SINR 값을 확인한다(S330). 확인된 SINR 값을 캡쳐 임계값과 비교하여(S340), SINR 값이 캡쳐 임계값 이상인 경우에는 동시전송이 가능하므로 동시전송을 시작한다(S350). SINR 값이 캡쳐 임계값 아래인 경우에는 백오프로 돌입하여(S360) 진행중인 전송이 완료되기를 기다린다. 진행중인 전송이 완료되면(S370), 자신의 패킷을 전송한다(S380).

도 4는 동시전송을 하기로 결정한 경우와 그렇지 않은 경우의 프레임 스케줄의 예를 보여준다.

도 4의 (a)는 동시전송을 하기로 결정한 경우이다. 먼저 AP1이 프레임을 전송 중일 때, AP2는 AP1이 전송중인 프레임의 MAC 헤더와 간섭 맵을 통해 동시전송이 가능한지를 판단하고, 동시전송을 하기로 결정하였다면, 자신의 프레임을 전송한다.

반대로 도 4의 (b)는 동시전송을 하지 않기로 결정한 경우를 나타낸다. AP2가 AP1의 전송을 엿듣고 동시전송을 하지 않기로 결정하였다면, AP2는 AP1의 전송이 끝나기를 기다려 자신의 프레임을 전송한다.

한편, 이와 같은 본 발명의 실시예에 따른 기회적 동시전송 방법은 ACK 프레임을 사용하지 않는 브로드캐스트 환경에서는 앞서 서술한 방법에 따라 동작 가능하지만, 유니캐스트와 같이 수신확인을 위한 ACK 프레임을 사용하는 경우에는 좀 더 복잡한 스케줄이 필요하다. 그러나 이러한 프레임 스케줄링 역시 MAC 헤더를 참조함으로써 할 수 있다. 즉 다른 AP에서 전송중인 패킷의 MAC 헤더를 참조하면 ACK 프레임의 전송시간을 알 수 있으므로 자신의 프레임 스케줄을 다른 AP에서 전송중인 패킷의 ACK 프레임과 겹치지 않도록 스케줄하면 된다.

본 발명의 실시예에 따른 기회적 동시전송 방법과 DCF 전송방법의 성능을 비교하기 위하여 시뮬레이션을 실시하였다. 비교의 기준으로는 예측 처리량(expected throughput)을 이용하였으며, 이는 전달된 패킷의 길이를 전송 소요시간으로 나눈 값이다. 분석의 용이함을 위하여 브로드캐스트 환경만을 고려하였으며, ACK를 사용하지 않으므로 충돌도 없는 것으로 가정하였다. 따라서, DCF 방식의 예측 처리량은 다음의 [수학식 1]과 같이 표시된다.

여기에서,

이다.

본 발명의 실시예에 따른 기회적 동시전송 방법의 경우 DCF에 비해서 추가적으로 프리앰블을 전송하는 시간과 MAC 헤더를 받기 위한 시간이 소요된다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 기회적 동시전송 방법의 예측 처리량은 다음의 [수학식 3]과 같이 나타난다. 여기에서 OMCT는 Opportunistic MIM-aware Concurrent Transmission의 약자로서 본 발명의 실시예에 따른 기회적 동시전송을 의미한다.

여기에서,

이다.

위의 [수학식 1] 내지 [수학식 4]에 IEEE 802.11b 에서 일반적인 인자값을 넣어 결과를 비교해보았다. 전송속도는 6Mbps로 고정하였고, 데이터 길이를 10 바이트에서 1500 바이트까지 변화시켰다. 도 5는 이와 같은 데이터 길이의 변화에 따른 DCF와 본 발명의 실시예의 예측 처리량의 차이를 보여주는 그래프이다. 도 5에 나타난 결과에서 알 수 있듯이 본 발명의 실시예가 DCF에 비해 전체적인 예측 처리량이 2배 정도 높은 것을 알 수 있다.

한편, 상술한 실시예에서는 본 발명의 기회적 동시전송 방법을 무선 랜 시스템에 적용한 경우를 예를 들어 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니며 무선 애드 혹(ad hoc) 네트워크 등과 같은 다른 무선 네트워크 시스템에도 적용될 수 있다.

본 발명의 실시예에 따른 기회적 동시전송 방법은, 하향 링크, 즉 액세스 포인트로부터 클라이언트로의 전송에 대해서만 적용하고, 상향 링크, 즉 클라이언트로부터 액세스 포인트로의 전송은 종래의 DCF 방식을 따라 전송하는 것이 바람직하다. 이와 같이 하더라도 충분한 전송 효율의 향상을 가져올 수 있는바, 이는 일반적인 무선 랜 시스템에서 대부분의 전송은 하향 링크로 이루어지기 때문이다. 또한, 이와 같이 함으로써 클라이언트의 수정 없이 액세스 포인트만을 수정하여 본 발명의 실시예에 따른 기회적 동시전송 방법을 적용할 수 있으므로, 클라이언트와 액세스 포인트 모두를 수정하는 방법에 비해서 기존의 무선 랜 시스템에 점진적으로 활용하기 쉽다.

이상에서 바람직한 실시예를 기준으로 본 발명을 설명하였지만, 본 발명은 반드시 상술된 실시예에 제한되는 것은 아니며 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 첨부된 특허청구의 범위는 본 발명의 요지에 속하는 한 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

Claims (12)

1. 무선 네트워크 시스템 내에 존재하는 액세스 포인트의 패킷 전송 방법으로서,
   전송하고자 하는 패킷이 존재하는 경우, 다른 액세스 포인트로부터의 전송을 엿들어 상기 다른 액세스 포인트로부터 전송중인 링크의 정보를 획득하는 단계,
   간섭 맵을 참조하여 상기 링크의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio) 값을 확인하는 단계,
   확인된 상기 SINR 값이 미리 정한 캡쳐 임계값 이상인 경우, 상기 패킷을 동시전송하는 단계,
   확인된 상기 SINR 값이 상기 캡쳐 임계값에 이르지 못하는 경우, 백오프에 돌입하는 단계를 포함하는 패킷 전송 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 무선 네트워크 시스템은 중앙제어장치를 포함하며,
   상기 간섭 맵은 상기 중앙제어장치에 의해 제공되는 패킷 전송 방법.
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 백오프에 돌입하는 단계 이후에,
   상기 다른 액세스 포인트로부터의 전송이 완료되면 상기 패킷을 전송하는 단계를 더 포함하는 패킷 전송 방법.
5. 두 개 이상의 액세스 포인트를 포함하는 무선 네트워크 시스템으로서,
   상기 액세스 포인트 중 어느 하나가 패킷을 전송하고자 하는 경우, 다른 액세스 포인트로부터의 전송을 엿들어 상기 다른 액세스 포인트로부터 전송중인 링크의 정보를 획득하고,
   간섭 맵을 참조하여 상기 링크의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio) 값을 확인하여,
   확인된 상기 SINR 값이 미리 정한 캡쳐 임계값 이상인 경우, 상기 패킷을 동시전송하고,
   확인된 상기 SINR 값이 상기 캡쳐 임계값에 이르지 못하는 경우, 백오프에 돌입하는 무선 네트워크 시스템.
6. 제5항에 있어서,
   상기 무선 네트워크 시스템은 상기 두 개 이상의 액세스 포인트에 연결되어 있는 중앙제어장치를 더 포함하며,
   상기 중앙제어장치는 상기 간섭 맵을 생성하여 상기 두 개 이상의 액세스 포인트에 제공하는 무선 네트워크 시스템.
7. 삭제
8. 제5항에 있어서,
   상기 패킷을 전송하고자 하는 상기 액세스 포인트는,
   상기 다른 액세스 포인트로부터의 전송이 완료되면 상기 패킷을 전송하는 무선 네트워크 시스템.
9. 무선 네트워크 시스템 내의 액세스 포인트로서,
   전송하고자 하는 패킷이 존재하는 경우, 다른 액세스 포인트로부터의 전송을 엿들어 상기 다른 액세스 포인트로부터 전송중인 링크의 정보를 획득하고,
   간섭 맵을 참조하여 상기 링크의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio) 값을 확인하여,
   확인된 상기 SINR 값이 미리 정한 캡쳐 임계값 이상인 경우, 상기 패킷을 동시전송하고,
   확인된 상기 SINR 값이 상기 캡쳐 임계값에 이르지 못하는 경우, 백오프에 돌입하는 무선 네트워크 시스템 내의 액세스 포인트.
10. 제9항에 있어서,
    상기 무선 네트워크 시스템은 중앙제어장치를 더 포함하며,
    상기 액세스 포인트는 상기 중앙제어장치로부터 상기 간섭 맵을 제공받는 무선 네트워크 시스템 내의 액세스 포인트.
11. 삭제
12. 제9항에 있어서,
    상기 액세스 포인트는,
    상기 다른 액세스 포인트로부터의 전송이 완료되면 상기 패킷을 전송하는 무선 네트워크 시스템 내의 액세스 포인트.

Images