KR20060018882A - 애드혹 무선 네트워크에서 라우팅 프로토콜에 링크신뢰도의 척도를 제공하기 위한 방법 - Google Patents

애드혹 무선 네트워크에서 라우팅 프로토콜에 링크신뢰도의 척도를 제공하기 위한 방법 Download PDF

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KR20060018882A
KR20060018882A KR1020057023471A KR20057023471A KR20060018882A KR 20060018882 A KR20060018882 A KR 20060018882A KR 1020057023471 A KR1020057023471 A KR 1020057023471A KR 20057023471 A KR20057023471 A KR 20057023471A KR 20060018882 A KR20060018882 A KR 20060018882A
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Abstract

예측 메카니즘 및 가변 가중 필터를 사용하여 노드들 사이의 링크들의 신뢰도를 추정하는 링크 신뢰도 알고리즘을 사용함으로써, 통신 네트워크, 특히, 무선 애드혹 통신 네트워크내의 소스 및 수신지 노드들 사이에 최적의 루트들을 배치하기 위한 시스템 및 방법. 예측은 신호 강도, 신호-대-노이즈 비율 또는 링크의 품질을 나타내는 것으로 간주되는 물리적 층에서 수집된 어떤 통계치에 기초할 수 있으며, 가중 필터는 그 링크 품질이 추정되는 노드들이 겪는 트래픽 컨디션들(예로서, 유휴상태, 가벼운 트래픽, 중간 트래픽 또는 헤비 트래픽)에 기초하여 예측된 값을 조절한다.
소스 노드, 수신지 노드, 트래픽 컨디션, 최적 루트

Description

애드혹 무선 네트워크에서 라우팅 프로토콜에 링크 신뢰도의 척도를 제공하기 위한 방법{A method to provide a measure of link reliability to a routing protocol in an AD HOC wireless network}
본 출원은 2003년 6월 6일자로 출원된, 발명의 명칭이 "소스와 수신지 사이의 최적 루트를 발견함으로써 무선 통신 네트워크의 네트워크 성능을 향상시키기 위한 방법 및 시스템(System and Method to Improve the Network Performance of a Wireless Communication Network by Finding an Optimal Route Between a Source and a Destination)"인 아비나시 조시(Avinash Joshi)의 미국 가출원 제60/476,237호, 2004년 2월 24일자로 출원된, 발명의 명칭이 "애드혹 무선 네트워크내의 라우팅 프로토콜에 대한 링크 신뢰성의 척도를 제공하기 위한 시스템 및 방법(A System and Method for Providing a Measure of Link Reliability to a Routing Protocol in an Ad Hoc Wireless Network)"인 구에나엘 티. 스트러트(Guenael T. Strutt)의 미국 가출원 제60/546,940호, 및 2004년 2월 24일자로 출원된, 발명의 명칭이 "무선 네트워크내의 링크의 품질을 특성화하기 위한 방법 및 시스템(System and Method for Characteriaing the Quality of a Link in a Wireless Network)"인 아비나시 조시 및 구에나엘 티. 스트러트의 미국 가출원 제60/546,941호로부터의 35 U.S.C. § 119(e)하의 급부를 주장하며, 이 문서들의 전문들은 본 명세서에 참조 문헌으로 포함되어 있다.
본 발명은 통신 네트워크, 특히, 무선 애드혹 통신 네트워크내의 소스 및 수신지 노드들 사이에 최적 루트들을 배치하기 위한 개선된 시스템 및 방법에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 후천적 패킷 완성율을 추정함으로써, 통신 네트워크내의 소스 및 수신지 노드들 사이의 최적의 루트들을 식별하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
모바일 무선 통신 네트워크들 같은 무선 통신 네트워크들은 과거 십년간 점증적으로 유행화되어 왔다. 이들 무선 통신 네트워크들은 통상적으로, "셀룰러 네트워크들(cellular networks)"이라 지칭되며, 그 이유는 네트워크 인프라구조가 서비스 면적을 "셀들(cells)"이라 지칭되는 복수의 영역들로 분할하도록 배열되어 있기 때문이다. 지상 셀룰러 네트워크는 복수의 상호접속된 기지국들 또는 베이스 노드들을 포함하며, 이들은 서비스 면적 전반에 걸쳐 지정된 위치들에 지리적으로 분포되어 있다. 각 베이스 노드는 하나 이상의 송수신기들을 포함하며, 이 송수신기는 관장 면적내에 위치된 무선 전화들 같은 모바일 사용자 노드들로, 그리고, 그들로부터 라디오 주파수(RF) 통신 신호들 같은 전자기 신호들을 송신 및 수신할 수 있다. 통신 신호들은 예로서, 패킷 데이터들로서 전송되는, 원하는 변조 기술에 따라 변조된 음성 데이터를 포함한다. 당업자가 인지할 수 있는 바와 같이, 네트워크 노드들은 시간 분할 다중 접속(TDMA) 포맷, 코드 분할 다중 접속(CDMA) 포맷, 또는 주파수 분할 다중 접속(FDMA) 포맷 같은 다중화된 포맷으로 데이터 패킷 통신들을 송신 및 수신하며, 이는 제1 노드에서 단일 송수신기가 그 관장 면적내의 다수의 다른 노드들과 동시에 통신할 수 있게 한다.
최근, "애드혹(ad-hoc)" 네트워크라 알려진 모바일 통신 네트워크의 유형이 개발되었다. 이 유형의 네트워크에서, 각 모바일 노드는 다른 모바일 노드들을 위한 기지국 또는 라우터로서 동작할 수 있으며, 따라서, 기지국들의 고정된 인프라구조에 대한 필요성을 제거한다. 애드혹 네트워크의 세부사항들은 메이어(Mayer)에 허여된 미국 특허 제5,943,322호에 기술되어 있으며, 그 전문이 본 명세서에 참조로 포함되어 있다.
보다 정교한 애드혹 네트워크들도 개발되었으며, 이는 모바일 노드들이 종래의 애드혹 네트워크에서와 같이 서로 통신할 수 있게 하는 것에 부가하여, 추가로, 모바일 노드들이 고정된 네트워크를 액세스할 수 있게 하며, 따라서, 공중 교환 전화 네트워크(PSTN)상의 것들 및 인터넷 같은 다른 네트워크들상의 것들 같은 다른 모바일 노드들과 통신할 수 있게 한다. 이들 진보된 유형의 애드혹 네트워크들의 세부사항들은 2001년 6월 29일자로 출원된, 발명의 명칭이 "PSTN 및 셀룰러 네트워크들에 인터페이스 연결된 애드혹 피어-투-피어 모바일 라디오 액세스 시스템(Ad Hoc Peer-to-Peer Mobile Radio Access System Interfaced to the PSTN and Cellular Networks)"인 미국 특허 출원 제09/897,790호, 2001년 3월 22일자로 출원된, 발명의 명칭이 "별개의 예약 채널을 가지는 공유식 병렬 데이터 채널들에 대한 좌표화 채널 액세스를 가지는 애드혹, 피어-투-피어 라디오 네트워크를 위한 시간 분할 프로토콜(Time Division Protocol for an Ad-Hoc, Peer-to-Peer Radio Network Having Coordinating Channel Access to Shared Parallel Data Channels with Separate Reservation Channel)"인 미국 특허 출원 제09/815,157호, 및 2001년 3월 22일자로 출원된, 발명의 명칭이 "애드혹, 피어-투-피어 모바일 라디오 액세스 시스템을 위한 우선순위-라우팅(Prioritized-Routing for an Ad-Hoc, Peer-to-Peer, Mobile Radio Access System)"인 미국 특허 출원 제09/815,164호에 기술되어 있으며, 이들 문서 각각의 전문이 본 명세서에 참조 문헌으로 통합되어 있다.
당업자가 인지할 수 있는 바와 같이, 애드혹 네트워크의 특정 노드들은 이동가능하기 때문에, 네트워크가 이들 노드들과의 접속성을 유지하는 것이 필요하다. 전송된 데이터 패킷들은 통상적으로 모바일 디바이스로부터 모바일 디바이스로 "홉(hop)"하며, 최종 수신지에 도달할 때까지 전송 경로 또는 루트를 생성한다. 그러나, 모바일 디바이스들간의 전송 경로들은 종종 디바이스들이 이동할 때 변화되게 되며, 따라서, 애드혹 네트워크 통신은 모바일 개별 디바이스들의 제한된 기능들 및 용량들을 어드레싱하면서 최적의 성능을 달성하도록 적응될 수 있어야만 한다.
전형적인 무선 통신 네트워크에서, 소스와 수신지 사이의 홉들의 수는 라우팅 메트릭(routing metric)으로서 사용되며, 보다 적은 수의 홉들을 가지는 루트가 통상적으로 보다 양호한 루트이다. 그러나, 보다 큰 수의 홉들을 가지지만 보다 양호한 링크 품질 또는 데이터 레이트를 가지는 보다 양호한 루트가 존재할 수 있기 때문에, 이는 비최적화 루트들의 선택을 초래할 수 있다.
라우팅 프로토콜들의 유형들의 예들이 상술된 미국 특허 제5,412,654호 및 미국 가출원 제60/476,237호에 기술되어 있으며, 양자 모두의 문헌들의 전문이 본 명세서에 참조로 통합되어 있다. 이들 기술들에서, 각 노드는 가능하게는 대안 루트들을 사용하여 그 수신지에 대한 루트 메트릭을 산출한다. 목적은 최저 메트릭을 가지는 루트를 선택함으로써 최상의 루트를 선택하는 것이다.
미국 특허 제5,412,654호에 기술된 바와 같이, 메트릭은 단순히 홉들의 수이다. 그러나, 미국 가출원 제60/476,237호에 기술된 바와 같이, 메트릭은 보다 정교한 값이며, 신호 강도에 기초한 "링크 신뢰도(Link reliability)" 계산에 의존한다. "링크 신뢰도"는 각 홉에 대하여 "1"을 가산하는 대신, 링크가 그 완전한 포텐셜(potential)까지 사용될 수 없는 경우, 알고리즘이 보다 큰 정수값(예로서, 20)을 가산하기 때문에, 보다 정교한 라우팅 메트릭 성분이다. 따라서, 각 노드는 라디오 링크가 최상의 라디오 링크들에 대하여서는 최소치(예로서, 1)이고, 예로서, 다경로, 페이딩, 폭주(congestion), 거리, 섀도윙(shadowing), 간섭 등으로 인해 열화되는 경우에는 보다 큰(예로서, 20) 정수를 할당한다. 링크 품질을 결정하기 위한 기술들의 다른 예들은 공개된 미국 특허 출원 제2004/0022223호 및 미국 특허 제6,522,811호에 기술되어 있으며, 양자 모두의 전문이 본 명세서에 참조 문헌으로 통합되어 있다.
비록, 상술한 가출원에 기술된 기술이 무선 애드혹 피어-투-피어 네트워크들을 포함하는 다수의 라디오 네트워크들에 대하여 적합하지만, 주로 최저가 광대역 라디오들을 포함하는 네트워크에서 사용될 때, 기술의 특정 단점들이 명백해질 수 있다. 예로서, 통상의 라디오 채널(정적 다경로 같은)에서 겪는 것들 같은 돌발적 트래픽 에러들은 일반적으로 링크 신뢰도가 조절될 수 있게 하지 않으며, 그 이유 는 신호 강도 및 신호-대-노이즈 비율이 영향을 받지 않기 때문이다. 또한, 페이딩 채널의 특정 경우에, 저비용 광대역 라디오는 수신기측 종단에서 겪는 신호 강도의 변동을 추적하기에는 적합하지 못할 수 있다. 이는 부분적으로 측정이 라디오의 감도에 의존한다는 사실에 기인하며, 부분적으로, 수신기가 단지 돌발적 측정들(패킷이 수신될 때, 시간적으로 특정 지점의 것 같은)만을 수행할 수 있으며, 이는 실제 신호 강도 변동에 대한 부분적 정보를 제공한다는 사실에 기인한다.
따라서, 유일한 메트릭들로서의 홉들의 수 또는 수신된 신호 강도 이외의 인자들을 사용하는 효과적인 방식으로 통신 네트워크내의 소스와 수신지 노드들 사이의 최적의 루트들을 발견하기 위한 개선된 시스템 및 방법에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명의 목적은 통신 네트워크, 특히, 무선 애드혹 통신 네트워크에서 소스와 수신지 노드들 사이에 최적의 루트들을 배치하기 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 최적의 루트 선택의 기초가 되는 유일한 메트릭들로서의 파워 제어 또는 노드들 사이의 홉들의 수 이외의 인자들을 사용하여 통신 네트워크내의 소스 및 수신지 노드들 사이의 최적의 루트들을 식별하기 위한 개선된 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.
이들 및 다른 목적들은 실질적으로, 예측 메카니즘 및 가변 가중 필터(variable-weight filter)를 사용하여 노드들 사이의 링크들의 신뢰도를 추정하는 링크 신뢰도 알고리즘을 사용함으로써, 통신 네트워크, 특히, 무선 애드혹 통신 네트워크내의 소스 및 수신지 노드들 사이에 최적의 루트들을 배치하기 위한 시스템 및 방법에 의해 달성된다. 예측은 신호 강도, 신호-대-노이즈 비율 또는 링크의 품질을 나타내는 것으로 간주되는 물리적 층에서 수집된 어떤 통계치에 기초할 수 있으며, 가중 필터는 그 링크 품질들이 추정되는 노드들이 겪는 트래픽 컨디션들(예로서, 유휴 상태(idle), 가벼운 트래픽, 중간 또는 무거운 트래픽)에 기초하여 예측된 값을 조절한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방법 및 시스템을 사용하는 복수의 노드들을 포함하는 예시적 애드혹 무선 통신 네트워크의 블록도.
도 2는 도 1에 도시된 네트워크에 사용되는 모바일 노드의 예를 예시하는 블록도.
도 3은 데이터 패킷들 및 헬로 메시지들을 위한 예측된 링크 신뢰도 대 신호 강도를 나타내는 그래프.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 링크 신뢰도를 산출하기 위한 수학식의 블록도.
도 5a는 다양한 도달간 시간들(Δt)에 대한 양자화된 λ의 집합을 예시하는 그래프.
도 5b는 도 1에 도시된 시스템내의 노드의 제어 채널(유휴상태), 가벼운 트래픽, 중간 트래픽 및 무거운 트래픽 동작 컨디션들에 대한 가변 가중 필터의 응답 을 예시하는 그래프.
첨부 도면들과 연계하여 읽을 때, 하기의 상세한 설명으로부터 이들 및 본 발명의 다른 목적들, 장점들 및 신규한 특징들을 보다 쉽게 이해할 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 실시예를 사용하는 애드혹 패킷-교환 무선 통신 네트워크(100)의 예를 예시하는 블록도이다. 구체적으로, 네트워크(100)는 복수의 모바일 무선 사용자 단말들(102-1 내지 102-n)(총칭하여 노드들 102 또는 모바일 노드들 102라 지칭됨)을 포함하며, 고정된 네트워크(104)에 대한 액세스를 노드들(102)에 제공하기 위해, 복수의 액세스 지점들(106-1, 106-2,...,106-n)(총칭하여 노드들 106 또는 액세스 지점들 106이라 지칭됨)을 가지는 고정된 네트워크(104)를 포함할 수 있지만, 이는 필수적인 것은 아니다. 고정된 네트워크(104)는 예로서, 코어 로컬 액세스 네트워크(LAN) 및 복수의 서버들 및 게이트웨이 라우터들을 포함하여 다른 애드혹 네트워크들, 공중 교환 전화 네트워크(PSTN) 및 인터넷 같은 다른 네트워크들에 대한 액세스를 네트워크 노드들에 제공할 수 있다. 네트워크(100)는 다른 노드들(102, 106 또는 107) 사이에서 데이터 패킷들을 라우팅하기 위해, 복수의 고정된 라우터들(107-1 내지 107-n)(총칭하여, 노드들 107 또는 고정된 라우터들 107이라 지칭됨)을 추가로 포함할 수 있다. 본 설명의 목적상, 상술된 노드들은 총체적으로 "노드들(102, 106 및 107)" 또는 단순히 "노드들(nodes)"이라 지칭될 수 있다는 것을 주의하여야 한다.
당업자가 인지할 수 있는 바와 같이, 노드들(102, 106, 107)은 상술한, 메이어에 허여된 미국 특허 제5,943,322호 및 미국 특허 출원 제09/897,790호, 제09/815,157호 및 제09/815,164호에 기술된 바와 같이, 서로 직접적으로 또는 노드들 사이에서 전송되는 패킷들에 대한 라우터 또는 라우터들로서 동작하는 하나 이상의 다른 노드들(102, 106 또는 107)을 경유하여 통신할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각 노드(102, 106 및 107)는 송수신기 또는 모뎀(108)을 포함하며, 이는 안테나(110)에 결합되고, 패킷화된 신호들 같은 신호들을 콘트롤러(112)의 제어 하에 노드들(102, 106 또는 107)로, 그리고, 그들로부터 수신 및 전송할 수 있다. 패킷화된 데이터 신호들은 예로서, 음성, 데이터 또는 멀티미디어 정보와, 노드 갱신 정보를 포함하는 패킷화된 제어 신호들을 포함할 수 있다.
각 노드(102, 106 및 107)는 무엇 보다도 네트워크(100)내의 다른 노드들 및 그 자체에 속하는 라우팅 정보를 저장할 수 있는 임의 접근 메모리 같은 메모리(114)를 추가로 포함한다. 도 2에 추가로 도시된 바와 같이, 특정 노드들, 특히, 모바일 노드들(102)은 노트북 컴퓨터 단말, 모바일 전화 유닛, 모바일 데이터 유닛 또는 어떤 다른 적절한 디바이스 같은 어떤 수의 디바이스들로도 구성될 수 있다. 각 노드(102, 106 및 107)는 또한, 당업자들이 그 목적을 쉽게 알 수 있는 인터넷 프로토콜(IP) 및 어드레스 결정 프로토콜(Address Resolution Protoccol:ARP)을 수행하기 위한 적절한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함할 수 있다. 전송 제어 프로토콜(TCP) 및 사용자 데이터그램 프로토콜(UOP)을 수행하기 위한 적절한 하드웨어 및 소프트웨어도 포함될 수 있다.
상기 배경 기술 부분에서 설명한 바와 같이, 네트워크 성능을 최적화하기 위해, 노드들로 하여금, 경유하여 서로간에 데이터 패킷들을 전송하기 위한 최적의 링크를 선택할 수 있도록 하는 기술들이 개발되어 왔다. 이런 기술들은 신호 강도에 기초하여 링크 신뢰도를 추정한다. 불행하게, 상술된 바와 같이, 신호 강도는 링크 신뢰도의 정확한 척도를 반드시 제공하는 것은 아니다. 후술된 본 발명의 실시예에 따른 기술은 이전 기술들보다 만능적이며, 어떤 라디오 기술에도 적용될 수 있다(즉, 이는 "라디오 불가지론적(radio agnostic)"이다). 이 기능은 링크 신뢰도가 라우팅 프로토콜을 위해 사용되는 최상의 메트릭을 결정하고, 이는 가능하게는 동시에 다수의 라디오 기술들을 동작시키기 위해 필요할 수 있기 때문에 유리하고, 중요하다.
당업자가 인지할 수 있는 바와 같이, 이웃 노드(neighbor node)에 대한 링크 신뢰도는 이웃 노드에 의해 성공적으로 패킷이 수신되는 가능성의 척도이다. 링크 신뢰도는 예로서, 수신된 데이터 패킷들의 신호-대-노이즈 비율 또는 수신된 신호 강도를 사용하여 예측될 수 있다. 이는 특히, 이웃에 대한 어떠한 활성적 통신도 없는 경우에 유용하다. 링크 신뢰도는 또한 MAC 정보에 의해 측정될 수도 있다. 그러나, 통상적으로 이는 단지 이웃에 대한 활성적 통신 링크가 존재하는 경우에만 적절한 정확도로 달성될 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 링크 신뢰도 추정 알고리즘의 구성요소들은 예측 메카니즘 및 가변 가중 필터를 포함한다. 예측은 링크의 품질을 나타내는 것으로 간주되는 물리적 층에서 수집된 어떤 통계치 또는 신호 강도나 신호-대-노이즈 비율에 기초할 수 있다. 예측은 특정 노드에 대한 어떠한 형성된 링크도 존재하지 않을 때, 그리고, 그 노드에 대한 정보를 수신할 수 있을 때 수행될 필요가 있다. 이는 다른 노드들을 지향한 패킷들의 패시브 청취, 또는 상술한 미국 가출원 제60/476,273호에 기술된 바와 같은 예약 채널상에서 전송된 "헬로(hello)" 메시지들 같은 특수한 광고/각성 패킷들의 능동적 수취 중 어느 한쪽을 통해 달성될 수 있다.
본 발명의 목적은 가변 가중 필터를 사용함으로써, 후천적 패킷 완성율을 측정하는 것이다. 패킷들이 적절한 필터링을 수행하기 위해 불규칙 간격들로 수신 및 전송되기 때문에, 포게팅(forgetting) 인자를 실제 시간 단계로 조절하는 것이 필요하다(고정 가중 필터 구현들은 일정한 시간 단계를 가정함). 그렇지 않으면, 시스템은 고 트래픽 컨디션들을 관장하기에 너무 빠르고, 중간 트래픽 컨디션들을 관장하기에 너무 느리다. 이 신규한 접근법은 링크 신뢰도 계산 메카니즘 대 시간의 관장율을 정규화, 즉, 이는 송수신기가 전송하는 트래픽의 유형 및 양에 독립적이며, 이는 예측불가하고, 본질적으로 무질서하다(송수신기는 그것이 사용되는 응용처에 대한 어떠한 지식도 없다). 구체적으로, 패킷 완성율의 결정은 소정 정도 시간 간격에 독립적이다. 비록, 과거 "x" 패킷의 양을 관찰하고, 성공적인 수 및 실패한 수를 계수하여 이들 수들로부터 완성율을 유도하는 것이 보다 용이할 수 있지만, 이 방법은 과거 "x" 트랜잭션들의 수 모두의 메모리를 필요로하기 때문에 비효율적이다. 또한, 이 방법은 시간의 견지에서 부정확하며, 그 이유는 이는 최종 "x" 트랜잭션들이 최종 시간내에 발생하였는지 또는 최종 밀리초내에 발생하였는지 여부를 인지하지 못하기 때문이다. 따라서, 본 발명은 이들 두 논점들 : 연산적 효율 및 시간에 관한 준 독립성을 조치한다.
링크 신뢰도 연산은 하기의 수학식 1에 따라 수행된다.
수학식 1 - 링크 신뢰도 추정
Figure 112005071287352-PCT00001
LR(t0)는 현재 링크 신뢰도이다.
LR(t_1)은 이전 링크 신뢰도이다.
λΔt는 현재 포게팅 인자이다.
Δt = t0 - t_1 은 현재 도달간 시간이다.
ΔT는 기준 시간 단위이다.
X(t0)는 현재 필터 입력(예측에 기초함)이다.
수학식 1에 기술된 필터의 출력은 입력들(X(t0))의 평균을 향해 수렴한다. 따라서, 필터의 입력이 각 실패한 전송에 대하여 값 0이고, 각 성공적 전송에 대하여 1인 경우에, 특정 수의 반복들 이후, 필터의 출력은 전송된 패킷들의 수와 성공적으로 전송된 패킷들의 수의 비율을 향해 수렴한다. 정의에 의거하여, 이 비율이 패킷 완성율이다.
프로그래밍 편의성을 위해, 포게팅 인자는 후술된 도 5a 및 도 5b에 제시된 것들 같은 유한 수의 값들로 양자화될 수 있으며, 따라서, 마이크로프로세서내에서 가능한 고정 지점 구현을 형성할 수 있다. X(t0)가 예측이고, LR(t0)가 링크의 신뢰도를 확인하기 위해 라우팅 알고리즘에 의해 시간 t0 에 사용되는 값이다. 컨디션들이 변할 때, 특정 링크를 위한 패킷 완성율은 변할 수 있으며, 이 특정 링크에 대한 라우팅 알고리즘의 정보가 따라서 조절된다. "이전 링크 신뢰도(previous link reliability)" 값은 알고리즘의 이전 반복에서 연산된 값이다. 시작시(즉, 새로운 링크가 형성되었을 때), 알고리즘을 위한 초기값을 도입할 필요가 있다. 전통적인 추정들을 위하여, 이 초기값은 0일 수 있다(즉, 0% 패킷 완성율). 보다 순향적인 결과들을 위해, 이 초기값은 50%로 설정될 수 있다. 초기화 값은 알고리즘의 수렴에 어떠한 영향도 주지 않는다. 이는 라우팅 알고리즘이 링크 신뢰도를 해석하는 방식에 기초하여 선택되어야 한다. 초기화되어 있는 새로운 링크에 대한 수집된 충분한 정보를 갖기 때문에, 라우팅 알고리즘에 다른 형성된 링크를 포기하기를 강요하지 않는 초기값을 선택하는 것이 적합하다. 초기화에 후속하는 각 반복에 대하여, "이전 링크 신뢰도"는 이전 반복의 출력("현재 링크 신뢰도(current link reliability)")이다.
또한, 네트워크 아키텍트는 다양한 데이터 레이트들, 이동 성능 등에 대한 감도 같은 특정 라디오 특성들에 기초하여 "예측된 값(predicted value)"을 위한 방정식을 결정하여야 한다는 것을 주의하여야 한다. MeshNetworks' meaTM 시스템에서 예측을 위해 사용되는 수학식은 두 부분이며 : 유휴상태 동작을 위한 전통적 예측과, 활성 통신 링크들을 위한 순향적 예측이 있다. 링크들이 전송 파워 시점에서 대칭적인 것으로 가정하면, 양 예측들은 패킷들의 수신된 신호에 기초한다. 링크들이 전송 파워 시점으로부터 비대칭적인 경우, 사용되는 "수신된 신호 강도(received signal strength)"가 수신기에 의해 측정되는 것인 것을 보증하는 것이 중요하다.
하기의 수학식들은 예측 값들을 위한 이들의 예들을 나타낸다 :
Figure 112005071287352-PCT00002
수학식 2 - "헬로" 메시지들을 위한 전통적 예측
Figure 112005071287352-PCT00003
수학식 3- 데이터 패킷들을 위한 순향적 예측
도 3은 수학식 2 및 3의 그래픽적 표현이다. "순향적 예측(proactive prediction)" 메카니즘은 완전히 선택적이라는 것을 주의하여야 한다. 전송되는 트래픽이 존재하는 경우, 알고리즘은 여전히 각 링크의 신뢰도에 기초한 연결성을 유지한다. 신호 강도를 순향적 예측 값으로 변환하는 부가적인 장점은 알고리즘이 보다 긴 거리에 있는 링크들에 미소한 페널티를 적용한다는 것이다. 이런 페널티를 적용하기 위한 메카니즘이 이미 존재하는 경우(에너지-인지 라우팅 알고리즘 같은), 수학식 1의 링크 신뢰도 예측은 모든 데이터 패킷들에 대하여 LR=100에서 설정되어야 한다(헬로 메시지들을 위한 예측은 영향을 받지 않는 상태로 잔류한다).
가변 포게팅 인자가 하기의 트리 같은 다양한 동작 컨디션들을 수용하도록 선택된다 :
유휴상태 동작 : 유닛은 단지 "광고/인식(advertisement/awareness)" 메시지들만을 수신한다. 평균 도달간 시간은 통상적으로 500ms 보다 크다.
저 트래픽 : 유닛은 소량의 데이터를 전송한다. 평균 도달간 시간은 통상적 으로 200과 500ms 사이이다.
중간 트래픽 : 유닛은 중간양의 데이터를 전송한다. 평균 도달간 시간은 통상적으로 100과 200ms 사이이다.
헤비 트래픽 : 유닛은 대량의 데이터를 전송한다. 평균 도달간 시간은 통상적으로 100ms 보다 작다.
각 전송 사이의 시간을 계산함으로써, 노드(102, 106 또는 107)의 송수신기(108)는 이에 따라 포게팅 인자를 선택할 수 있으며, 수학식 1에 따라 새로운 링크 신뢰도를 연산할 수 있고, 이는 도 4의 블록도로서 표현된다. 구체적으로, X(t0)는 필터에 대한 입력이다. 송수신기(108)는 각 실패한 전송에 대하여 값 0 내지 X(t0)를 할당하고, 각 성공적 전송 또는 광고/인식 패킷의 성공적 수신에 대하여 X(t0)에 예측값을 할당함으로써 그 링크 신뢰도 추정을 갱신한다. 예측값은 플랫폼 의존적이며, 어떤 물리적 층 구현에도 일반화될 수 없다. 예측값은 신호 강도, SNR 또는 라디오의 성능이 부분적으로 의존하는 어떤 관련 가용 통계치 같은 물리적 층 파라미터들에 의존한다. 따라서, 시스템 설계자가 라디오가 성공적으로 동작하지 않는 것으로 알고 있는 약한 신호 강도 또는 SNR에 대하여, 예측값은 균등하게 낮아야 한다(0에 가까움). 유사하게, 시스템 설계자가 라디오가 성공적으로 동작하는 것으로 알고 있는 강한 신호 강도 또는 SNR에 대하여, 예측값은 링크 신뢰도에 할당된 범위내에서 최대값으로 설정되어야 한다(예로서, 100%를 나타내는 100). 신호 강도 또는 SNR을 에로서, 0과 100 사이의 할당된 범위내의 링크 신뢰도 값들로 변환하는 값들의 참조표가 그후 시스템 설계자에 의해 형성될 수 있다. 단지 물리적 층 정보만을 사용하기 때문에, 이 참조표는 링크가 실제로 얼마나 성공적인지를 알려주지는 않지만, 무선 애드혹 네트워크내의 모바일 노드의 적절한 동작에 중대한 예측을 수행한다.
도 5a는 양자화된 λ(Δt/ΔT)(여기서, λ=(26-1)/26이고, Δt는 85ms와 같음)의 집합을 도시하고, 도 5b는 4개의 상술된 동작 컨디션들(즉, 유휴상태 동작(제어 채널), 저 트래픽, 중간 트래픽 및 헤비 트래픽)에 대한 가변 가중 필터의 응답을 도시한다. 이들 도면들로부터 알 수 있는 바와 같이, "제어 채널(Control Channel)" 트래픽 시나리오 같은 보다 느린 트래픽 부하에 대하여, 수렴률은 나머지 보다 작다(예로서, "1"의 초기 상태에 대하여, 값은 입력으로서 5개 "0"을 사용한 이후 "0.5"에 도달한다). 알고리즘은 각 반복을 위한 수렴율을 조절함으로써 일정한 수렴 시간을 유지하기를 시도한다. 사실, 패킷들 사이의 도달간 시간이 크면, 이때, 패킷당 수렴율은 보다 빨라야만 한다. 유사하게, 패킷들 사이의 도달간 시간이 작으면, 이때, 패킷당 수렴율은 보다 느려야만 한다.
λ(Δt/ΔT)를 위한 값들은 프로그래밍 편의상 양자화되어 있다. 도달간 시간이 결정되고 나면, 값은 이전 링크 신뢰도 값(LR(t_1))에 대하여 가산 또는 감산되며 : 이 값은 λ(Δt/ΔT)·X(t0)이다. 당업자가 인지할 수 있는 바와 같이, 이런 고정 지점 프로세서의 증가는 달성이 곤란할 수 있으며, 그 이유는, 특히, λ(Δt/ΔT)가 0 보다 크고 1 보다 작은 실수이기 때문이다. λ(Δt/ΔT)가 2의 멱의 역수로서 표현될 수 있는 경우, 증가는 단순한 라이트-비트-시프트 동작이 된다. 특정 λ(Δt/ΔT)에 대응하는 2의 멱이 N인 경우, 이때, 이하와 같다.
Figure 112005071287352-PCT00004
이 예를 사용하여, 양자화된 λ(Δt/ΔT)값들이 하기의 표에 주어진다 :
Δt/ΔT Δt λ(Δt/ΔT) N 라운드(N)
1 85ms .9844 6 6
2 170ms .9690 5.01 5
3 255ms .9539 4.44 4
4 340ms .9389 4.03 4
5 425ms .9243 3.72 4
6 510ms .9098 3.47 3
7 595ms .8956 3.26 3
8 680ms .8816 3.08 3
9 765ms .8679 2.92 3
따라서, 링크 신뢰도 계산은 유휴상태 동작(500ms 보다 큰 Δt에 대응)에서 N=3을 사용하여, 가벼운 트래픽에서(200ms와 500ms 사이의 Δt에 대응) N=4를 사용하여, 중간 트래픽(100ms와 200ms 사이의 Δt에 대응)에서 N=5, 그리고, 헤비 트래픽(100ms 보다 작은 Δt에 대응)에서 N=6을 사용하여 수행된다.
하기의 장은 가변 가중 필터와 조합된 예측 모델이 모바일 노드(예로서, 노드 102)가 무선 애드혹 네트워크(100)에서 최적의 루트들을 형성할 수 있게 하는 방식을 설명한다.
링크 신뢰도 추정은 하기의 시나리오들에서 임계적이다 : 첫 번째로, 링크가 형성될 때, 두 번째로, 링크가 파괴될 때. 이들 사건들은 하기의 컨디션들에서 발생할 수 있다 : 첫 번째로, 특정 이웃내에 잔류하면서, 두 번째로, 이웃을 벗어나면서. 가능한 경우들이 하기의 표 1에 요약되어 있다.
루트 전이
신규 루트 형성 현재 루트 파괴
운동 유형 이웃간 이웃 진입 이웃 탈출
이웃이내 링크 조절 링크 메모리
표 1- 케이스 시나리오들
각 경우의 시나리오가 하기의 장들에서 보다 상세히 설명된다
이웃 진입 :
설명 : 송수신기는 다른 유닛의 범위내에 진입한다. 즉, 예로서, 모바일 노드(102)가 다른 노드(102, 106 또는 107)의 범위에 진입한다.
목적 : 링크 신뢰도 추정 알고리즘은 어떤 링크가 현재 사용되고 있는 링크 보다 양호한지를 신속히 나타낼 수 있어야 한다.
메카니즘 : 광고/인식 패킷들의 처리시, 링크 신뢰도 추정 알고리즘은 단지 수신된 패킷의 신호 강도 또는 SNR만을 사용하여 예측을 수행한다.
이웃 탈출 :
설명 : 송수신기가 범위를 벗어나게 된다.
목적 : 링크 신뢰도 추정 알고리즘은 오류가 발생하기 이전에 링크가 두절되는 것을 예측할 수 있어야 한다. 이 특징은 "메이크-비포-브레이크(make-before-break)"라 지칭되는 보다 일반적인 메카니즘의 일부이다.
메카니즘 : 링크 신뢰도 추정 알고리즘은 패킷의 신호 강도를 사용하여 예측을 수행하고, 따라서, 링크 신뢰도 값을 열화시킨다. 이 열화는 손상된 패킷 전송들에 의해 유발되는 것에 부가하여 이루어진다. 따라서, 보다 양호한 예측들을 갖는 다른 가용 링크들에 우선순위를 제공하기 위해, 링크의 신뢰도를 자발적으로 낮게 평가한다.
링크 조절 :
설명 : 비록 수신지가 양호하게 범위내에 있더라도, 패킷 완성율이 강하한다. 이는 페이딩, 감시의 수행에 대한 일시적 불가능 또는 간섭의 존재에 의해 유발될 수 있다.
목적 : 링크 신뢰도 추정 알고리즘은 간섭 및 세도우잉 같은 실제 채널 컨디션들에 신속히 조절될 수 있어야 한다. 이는 링크 신뢰도 추정 알고리즘이 손상된 라우팅 프로토콜을 알리는 메카니즘이다.
메카니즘 : 링크 신뢰도 추정 알고리즘은 실시간으로 각 수신지에 패킷 완성율을 일치시키도록 링크 신뢰도를 조절한다.
링크 손상 메모리 :
설명 : 링크가 단절되더라도, 노드는 여전히 범위내에 존재한다.
목적 : 알고리즘은 라우팅 불안정성들을 피하기 위해 링크 손상의 메모리를 유지하여야 한다.
메카니즘 : 광고/인식 패킷들의 처리시, 링크 신뢰도 추정 알고리즘은 패킷의 신호 강도 또는 SNR을 사용하여 예측을 수행하고, 따라서, 링크 신뢰도 값을 상향 구동한다. 신뢰도가 손상으로부터 루트의 재형성까지 진행하는데 소요한 시간(메모리 손상 시간)이 최초 이 노드로 루트를 형성하기 위해 소요하는 시간(메모리-레스 손상 시간) 보다 현저히 커야만 한다.
상술한 바로부터 인지할 수 있는 바와 같이, 여기에 제시된 시스템 및 방법은 라우팅 프로토콜이 그 수신지로의 최상의 루트를 선택하도록 정수값("링크 신뢰도")을 산출한다. 이 기술은 또한, 데이터 레이트 선택, 채널 선택 또는 심지어 패킷 분열/연쇄 같은 보다 진보된 특징들에 대하여 사용될 수도 있다. 또한, 링크 신뢰도는 각 반송파 주파수, 각 패킷 크기 간격, 각 데이터 레이트 또는 시스템이 동작하는 각 변조 유형 또는 어떤 이들의 조합에 독립적으로 상술한 시스템 및 방법을 사용하여 결정될 수 있다. 따라서, 시스템 및 방법은 최상의 링크 신뢰도를 제공하는 것을 선택함으로써, 어떤 주어진 시간에 어떠한 최적의 채널, 분열/연쇄 방법, 데이터 레이트 또는 변조 유형을 사용하여야 하는지를 결정할 수 있다.
상술한 바로부터 추가로 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 기술은 다수의 이유들 때문에, 배경 기술 장에서 설명한 기술들 보다 유리하다. 먼저, 본 기술은 유닛-테스트형이며, 이는 알고리즘이 적절히 이행되는지를 확인하기가 쉽다는 것을 의미한다. SNR 및 신호 강도 기반 방법은 링크들이 존재하는 방식을 정확하게 알려줄 수는 없지만, 오히려 이들은 단지 신뢰도만을 추정한다. 이 기술은 또한 프로그래밍가능하며, 마이크로프로세서에서 이행될 수 있고, 합성가능하며, 따라서, ASIC 또는 FPGA에서 이행될 수 있다. 이 기술은 또한 라디오가 동작하는 대역의 페이딩 특성들 또는 대역폭에 무관하게 어떤 유형의 패킷 라디오를 사용할 수 있다는 점에서, 경편하다. 알고리즘의 특징들 중 하나는 트래픽이 일정하거나 규제될 필요가 없다는 것이다. 또한, 이 기술은 적응성이며, 따라서, 어떤 트래픽 부하 정도 또는 수렴 횟수들에 대해 조절될 수 있고, 필터 파라미터들 및 도달간 시간 경계들은 외부적으로 조절될 수 있다. 부가적으로, 이 기술은 구현이 간단하며, 개발 비용이 최소이다.
비록, 본 발명의 단지 몇몇 예시적 실시예를 상세히 상술하였지만, 당업자들은 본 발명의 신규한 교지들 및 장점들로부터 실질적으로 벗어나지 않고 예시적 실시예들에 다수의 변형들이 이루어질 수 있다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 따라서, 모든 이런 변형들은 하기의 청구범위에 규정된 바와 같은 본 발명의 범주내에 포함된다.

Claims (4)

  1. 애드혹 멀티-호핑 피어-투-피어 무선 통신 네트워크에서 소스와 수신지 노드들 간의 최적의 루트들을 찾는 방법에 있어서,
    상기 소스와 수신지 노드들 간의 노드들 중 일부를 포함하는 최적의 루트를 식별하기 위해, 예측 메카니즘 및 가변 가중 필터를 사용하여 상기 네트워크 내의 노드들 간의 링크들의 신뢰도를 추정하는 단계로서, 상기 가변 가중 필터가 링크 품질들이 추정되는 노드들이 경험하는 트래픽 컨디션들에 기초하여 예측된 값을 조절하는, 상기 신뢰도 추정 단계; 및
    상기 추정 단계에서 결정된 가장 양호한 링크 품질들을 가지는 노드들을 포함하는 상기 소스와 수신지 노드들 간의 루트를 선택하는 단계를 포함하는, 최적 루트 찾는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 예측된 값은 신호 강도 및 신호-대-잡음 비 중 적어도 하나에 기초하는, 최적 루트 찾는 방법.
  3. 제 3 항에 있어서,
    상기 트래픽 컨디션들은 유휴 상태(idle), 가벼운 트래픽, 중간 트래픽 또는 무거운 트래픽을 포함하는, 최적 루트 찾는 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 소스 및 수신지 노드들은 모바일 노드들인, 최적 루트 찾는 방법.
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