최근 IEEE 802.11 무선랜은 광대역 무선접속 네트워크(Broadband Wireless Access Network)를 지원하기 위한 가장 대중화된 통신 프로토콜로 자리매김 하고 있다. 하지만 기존 IEEE 802.11은 다양한 이동환경을 고려해 설계되지 않았기 때문에 핸드오프 과정에서 충분한 서비스의 향상을 가져오기 힘들다. 따라서 본 논문에서는 이러한 IEEE 802.11 무선랜의 핸드오프(Handoff) 과정 중, 주변 AP(Access Point) 탐색 단계에서 새로운 핸드오프 메시지 교환을 통해 최고의 성능을 보장하는 AP를 선택하는 핸드오프 알고리즘을 제안한다. 기존의 AP 탐색과정에서 여러 가지 AS들 중에서 하나를 선택하는 가장 중요한 척도는 신호의 세기였다. 하지만 IEEE 802.11은 공통의 매체를 공유함으로써 채널을 획득하기 위해 경쟁하는 CSMA/CA(Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance)를 이용한 다중매체접속방식을 사용하기 때문에, 네트워크의 성능은 신호의 세기와는 별도로 네트워크에 참여하는 노드들의 경쟁 혹은 혼잡에 의해 큰 영향을 받는다. 따라서 이러한 네트워크 수준에서의 정보들을 AP 선택 과정에 반영시킴으로써, 보다 향상된 네트워크 성능을 보장하는 AP를 결정할 수가 있다. 본 논문에서는 이러한 과정들을 포함시킨 핸드오프 알고리즘이 보다 더 좋은 성능을 보여준다는 사실을 실험하고 증명하고자 한다.
최근 IEEE 802.11 무선랜은 광대역 무선접속 네트워크(Broadband Wireless Access Network)를 지원하기 위한 가장 대중화된 통신 프로토콜로 자리매김 하고 있다. 하지만 기존 IEEE 802.11은 다양한 이동환경을 고려해 설계되지 않았기 때문에 핸드오프 과정에서 충분한 서비스의 향상을 가져오기 힘들다. 따라서 본 논문에서는 이러한 IEEE 802.11 무선랜의 핸드오프(Handoff) 과정 중, 주변 AP(Access Point) 탐색 단계에서 새로운 핸드오프 메시지 교환을 통해 최고의 성능을 보장하는 AP를 선택하는 핸드오프 알고리즘을 제안한다. 기존의 AP 탐색과정에서 여러 가지 AS들 중에서 하나를 선택하는 가장 중요한 척도는 신호의 세기였다. 하지만 IEEE 802.11은 공통의 매체를 공유함으로써 채널을 획득하기 위해 경쟁하는 CSMA/CA(Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance)를 이용한 다중매체접속방식을 사용하기 때문에, 네트워크의 성능은 신호의 세기와는 별도로 네트워크에 참여하는 노드들의 경쟁 혹은 혼잡에 의해 큰 영향을 받는다. 따라서 이러한 네트워크 수준에서의 정보들을 AP 선택 과정에 반영시킴으로써, 보다 향상된 네트워크 성능을 보장하는 AP를 결정할 수가 있다. 본 논문에서는 이러한 과정들을 포함시킨 핸드오프 알고리즘이 보다 더 좋은 성능을 보여준다는 사실을 실험하고 증명하고자 한다.
Currently, IEEE 802.11 Wireless LAN (WLAN) is rising as the most popular means for the broadband wireless access network. In this thesis, we propose a QoS(Quality of Service)-Oriented mechanism using handshaking method of scanning phase in IEEE 802.11 handoff. In conventional process for handoff, th...
Currently, IEEE 802.11 Wireless LAN (WLAN) is rising as the most popular means for the broadband wireless access network. In this thesis, we propose a QoS(Quality of Service)-Oriented mechanism using handshaking method of scanning phase in IEEE 802.11 handoff. In conventional process for handoff, the major criterion to select the best AP(Access Point) among candidates is normally based on the RSS(Received Signal Strength), which does not always make the selected network guarantee the maximum achievable performance. Even though the link quality with a neighboring AP is excellent, the AP may not be a good candidate to handoff to simply because MAC(Medium Access Control) protocol of IEEE 802.11 standard is contention-based such as CSMA/CA. Therefore, if we apply network level information to AP selection criteria, we can achieve better handoff efficiency rather than before. The analysis and simulation results applied to our new mechanism show clearly better performance than AP selection based on traditional handoff method.
Currently, IEEE 802.11 Wireless LAN (WLAN) is rising as the most popular means for the broadband wireless access network. In this thesis, we propose a QoS(Quality of Service)-Oriented mechanism using handshaking method of scanning phase in IEEE 802.11 handoff. In conventional process for handoff, the major criterion to select the best AP(Access Point) among candidates is normally based on the RSS(Received Signal Strength), which does not always make the selected network guarantee the maximum achievable performance. Even though the link quality with a neighboring AP is excellent, the AP may not be a good candidate to handoff to simply because MAC(Medium Access Control) protocol of IEEE 802.11 standard is contention-based such as CSMA/CA. Therefore, if we apply network level information to AP selection criteria, we can achieve better handoff efficiency rather than before. The analysis and simulation results applied to our new mechanism show clearly better performance than AP selection based on traditional handoff method.
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문제 정의
특히 캠퍼스나 사업장과 같은 공공장소에서 무선랜 서비스는 편리한 네트워크 접속성뿐만 아니라 고속의 전송속도를 지원하는 탁월한 기능을 제공한다. 이러한 성공적인 목적을 보장하기 위해서 IEEE 802.11무 선랜은 보안, 서비스의 질 보장, 효율적인 자원관리와 신뢰성 있는 이동성 지원 등의 떠오르는 도전들에 대한 고려가 필요하게 되었다 본 논문에서 우리는 보다 향상된 성능을 얻기 위해서 IEEE 802.11 핸드오프에서의 서비스의 질 향상을 위한 네트워크 선택기준에 대해서 초점을 맞추고자 한다.
하지만 사용자와 AP 사이에 좋은 링크를 갖는 상황이라 할지라도 하나의 공유매체에서 경쟁하기 때문에 선택된 AP는 경쟁에 의한 충돌과 같은 요소와 높은 트래픽 부하가 있는 상황에 서는 항상 최고의 성능을 보장해 주지 못한다. 따라서 이 논문에서는 매체접속제어 방식을 고려해 서비스 수준을 향상시키기 위해서, IEEE 802.11 핸드오프에서의 새로운 AP 선택방식을 제안하고자 한다. 네트워크에서 트래픽 부하를 좌우하는 실제적인 유효 노드 수(Effective Number of nodes)와 가용 대역폭(Available Bandwidth)을 추정적인 방법을 통해, 네트워크 수준의 정보를 도출하고 이것들을 주변 AP 검색과정에 반영하여 여러 후보 AP들로부터 최적의 성능을 성취할 수 있는 AP를 선택하는 것이 이 논문의 주된 목적이 된다.
11 핸드오프에서의 새로운 AP 선택방식을 제안하고자 한다. 네트워크에서 트래픽 부하를 좌우하는 실제적인 유효 노드 수(Effective Number of nodes)와 가용 대역폭(Available Bandwidth)을 추정적인 방법을 통해, 네트워크 수준의 정보를 도출하고 이것들을 주변 AP 검색과정에 반영하여 여러 후보 AP들로부터 최적의 성능을 성취할 수 있는 AP를 선택하는 것이 이 논문의 주된 목적이 된다.
이것은 통신하는 노드들이 증가할수록 노드들의 혼잡 참여 정도가 신호의 세기가 강하더라도 성능을 저하시킨 다는 것을 의미한다. 따라서 우리는 무선랜 핸드오프 시 가장 우수한 네트워크를 선택하기 위해서, 신호의 세기뿐만 아니라 네트워크 수준의 정보들을 이용하는 새로운 방법은 제안하기로 한다.
결국 우리의 궁극적인 목적은 사용자의 기호에 따라 가중치를 달리해 요구되어 지는 핸드오프 지 표에 기반하여, 검색된 여러 후보 AP들 중에서 위에 언급한 핸드오프 비용 함수값을 최대화 시키는 최적의 AP를 선택하는 것이다. 물론 이러한 새로운 지표의 사용은 핸드오프 과정에서 약간의 복잡스러움을 증가 시켜 기존의 방식보다 핸드오프를 결정을 다소 모호하게 할 수도 있다.
이 부분에서 우리는 위에서 알려진 분석 결과를 토대로 네트워크 수준의 정보인 유효 노드 수와 가용 대역폭을 유도해 내고자 한다.
이번 장에서 우리는 핸드오프의 검색과정에서 사용되는 검색 요청 프래임 (probe request frame)과 검색 반응 프래임 (probe response frame)의 수정을 통해 서비스 질 향상을 지원하는 효율적인 알고리즘을 제안하고자 한다. 검색 함수는 적극적인 MAC 검색 함수(MAC active function) 을 사용하며, 그 동작 과정은 다음과 같다
이번 장에서 우리는 수학적 분석과 모의실험을 우리가 제안하는 알고리즘의 성능향상에 대해서 논의하고자 한다. 제안하는 핸드오프 알고리즘에 대한 이해적인 증명을 위해서, 네트워크 성능 분석에 널리 알려진 ns-2 .
본 논문에서, 우리는 IEEE 802.11 무선랜의 핸드오프에서 주변 AP를 검색하는 과정에서 수정된 방법을 적용해 서비스의 질 향상을 보장하는 새로운 핸드오프 알고리즘을 제안하였다. 검색된 여러 후보 AP들 중에서 가장 우수한 AP를 선택하는 과정에서 신호의 세기만을 고려하는 기존의 지표는 항상 최고의 성능을 보장하는 것은 아니다.
11 MAC에서는 노드 수와 혼잡 정도가 큰 영향을 미치기 때문이다. 따라서 새로운 AP를 선택하는 과정에서 서비스 질을 보장하는 핸드오프를 구현하기 위해서, 우리는 추가적인 AP 선택 지표와 새로운 핸드오프 알고리즘을 제안했다. 이 지표는 서비스 질의 요구를 반영하는 핸드오프 비용 함수를 포함하고 있으며, 이것을 이용해 우리는 이동 노드가 네트워크 수준의 정보를 활용한 서비스 질 지향적인 핸드오프를 가능하게 했다.
가설 설정
11은 기본적 엑세스(tmsic access) 와 RTS/CTS 엑세스라는 두 가지의 채널 엑세스 방 식을 갖는다(그림 5). 여기서 우리는 모든 채널 엑세스 방식으로 RTS/CTS 방식을 사용한다고 가정하도록 한다. 그림 5에서 i번째 노드가 성공적으로 패켓을 전송하는 시간 7爲沥은 다음과 같다.
시뮬레이터를 이용한다[14]. 우리의 모의실험에서 AP를 포함한 모든 노드들은 경쟁에 참여할 때 항상 보낼 패켓이 존재한다는 포화상태(Saturated Condition)의 채널환경과 최선의 노력 (Best Effort)을 하는 패켓 전송방식을 갖는다고 가 정한다. 게다가 모든 AP들은 300mX300m 사각공 간에서 임의의 위치를 가지고 있으며 그 공간을 하나의 이동 노드가 무작위로 움직인다고 가정했다.
우리의 모의실험에서 AP를 포함한 모든 노드들은 경쟁에 참여할 때 항상 보낼 패켓이 존재한다는 포화상태(Saturated Condition)의 채널환경과 최선의 노력 (Best Effort)을 하는 패켓 전송방식을 갖는다고 가 정한다. 게다가 모든 AP들은 300mX300m 사각공 간에서 임의의 위치를 가지고 있으며 그 공간을 하나의 이동 노드가 무작위로 움직인다고 가정했다.
제안 방법
검색과정(probing process)을 통해 이동 노드와 AP 사이에 핸드오프 메시지를 교환한 후 우리는 다음과 같이 제안하는 일반적인 핸드오프 비용 함수 (Handoff Cost Function)을 이용해 어떤 AP가 최적의 조건을 갖춘 것인지를 판단하게 된다.
하지만 동시에 여러 가지 지표를 평가하는 핸드오프 비용 함수의 제안은 무선랜의 채널 공유 특성(CSMA/CA)을 반영하게 되어 전체적인 무선랜 성능 향상을 가능하게 하는 중요한 의미를 갖는다. 다음 장에서는 네트워크 수준의 정보들, 즉 유효 참여 노드의 수(effective number of nodes)와 가용 대역폭(available band- width)을 AP에서 측정된 충돌확률로부터 유도해 내는 방법을 보여주고, 서비스 질(QoS) 보장을 위해 보다 효율적인 핸드오프 알고리즘을 기술하고자 한다
핸드오프 요청 프래임을 받은 AP는 이전 IV장에서 유도한 네트워크 수준의 정보들을 프로브 반응 프 래임의 Capability Information 부분에 삽입하고, 이것은 다시 핸드오프를 요청한 노드에게 전달된다. 이러한 과정에서 AP를 검색하는 이동 노드는 모든 프로브 반응 패켓을 수집한 후, 이것에 담겨있는 네트워크 수준의 정보들과 신호의 세기 등을 이용해 m장에서 제안한 핸드오프 비용 함수값을 최대화 시키는 AP를 비교해 최적의 AP를 선택하게 된다. 만약 지금 현재 통신하고 있는 AP보다 우수한 AP가 발견되지 않았을 경우 기존의 AP 와 통신을 계속 유지하게 된다.
핸드오프 구간이 증가함에 따라, 말하자면 핸드오프가 시작되는 3) 교차지역 (Handoff Region)의 크기가 커짐에 따라 제안하는 핸드오프는 신호 세기만 고려한 핸드오프에 반해서 보다 throughput의 향상을 가져옴을 알 수가 있다. 여기서 우리는 핸드오프 웨이팅 매개변수 庵로 i=0, 1에 대해서 각각 0.2, 0.8을 모의실험에 적용했다.
. 말하자면 우리는 물리적 계층의 감지에 덧붙여서 네트워크 수준의 정보, 즉 유효 노드 수와 가용 대역폭을 AP의 NIC(Network Interface Card)에서 측정한 충돌확률로부터 유도하는 방법을 제시했다. 결과적으로 우리의 알고리즘을 적용한 모의실험 결과는 기존의 신호 세기에만 의존한 핸드오프보다 향상된 성능을 보임을 확인할 수가 있었다.
성능/효과
11 표준은 CSMA/CA와 같은 충돌기반의 매체 접속제어 방식을 채택하고 있으며, 이런 환경에서 네트워크의 성능은 신호강도에 의한 채널 에러 정보 보다 채널의 참여 노드의 수, 또는 트래픽 상황 등에 훨씬 더 큰 영향을 받게 된다. 말하자면, 무선랜 처 럼 낮은 이동성을 지원하는 채널 환경을 가정할 때, 주변 AP의 수신 신호 세기가 다른 AP들에 비해 훨 신 탁월하다 하더라도, 그 AP가 큰 트래픽 부하를 가지고 여러 노드들을 서비스해 주고 있는 환경이라면 충분한 성능을 보장받기 힘들게 된다는 것을 의미한다. 결과적으로 핸드오프를 수행하는 노드는 좋은 링크 품질뿐만 아니라 적절한 트래픽 부하를 갖는 AP를 선택해야만 한다.
초기 윈도 우 크기가 증가함에 따라 작은 충돌 확률은 작은 윈도우 크기에 대해서는 우리는 점차적으로 둔하게 증가함을 알 수가 있다. 모의실험 결과로부터, 큰 초기 윈도우 크기에서 일정한 충돌확률에 대해서 노드의 증가는 보다 큰 경쟁을 야기하게 되어 결쿄 적으로 경쟁 노드들에 대한 백오프 시간은 증가하게 되고, 이것은 결국 RTS/CTS를 사용하는 채널 엑세스 환경에서 더 큰 성능 저하를 가져오게 한다.
그림 9은 기존의 신호의 세기에 기반한 방식 ')PHY handoff 과 이것에 우리가 제안한 핸드오프 알고리즘을 추가 적용한 방식 지 Hybrid handoff와의 성능향상을 비교하고 있다. 핸드오프 구간이 증가함에 따라, 말하자면 핸드오프가 시작되는 3) 교차지역 (Handoff Region)의 크기가 커짐에 따라 제안하는 핸드오프는 신호 세기만 고려한 핸드오프에 반해서 보다 throughput의 향상을 가져옴을 알 수가 있다. 여기서 우리는 핸드오프 웨이팅 매개변수 庵로 i=0, 1에 대해서 각각 0.
말하자면 우리는 물리적 계층의 감지에 덧붙여서 네트워크 수준의 정보, 즉 유효 노드 수와 가용 대역폭을 AP의 NIC(Network Interface Card)에서 측정한 충돌확률로부터 유도하는 방법을 제시했다. 결과적으로 우리의 알고리즘을 적용한 모의실험 결과는 기존의 신호 세기에만 의존한 핸드오프보다 향상된 성능을 보임을 확인할 수가 있었다.
후속연구
앞으로 해결해야 할 일로써, 우리는 심한 부하가 존재하는 네트워크를 대상으로 트래픽을 분산시키는 부하 균형화 (load balance)를 구현하는 방법을 찾을 필요가 있다. 또한 우리가 제안하는 알고리즘의 실제적인 장점을 부각하기 위해서, 사용자의 기호 가격 정책 등, 보다 다양한 AP 선택 지표를 적용한 알고리즘으로 발전시켜야 할 필요가 있다고 저자는 예상한다.
앞으로 해결해야 할 일로써, 우리는 심한 부하가 존재하는 네트워크를 대상으로 트래픽을 분산시키는 부하 균형화 (load balance)를 구현하는 방법을 찾을 필요가 있다. 또한 우리가 제안하는 알고리즘의 실제적인 장점을 부각하기 위해서, 사용자의 기호 가격 정책 등, 보다 다양한 AP 선택 지표를 적용한 알고리즘으로 발전시켜야 할 필요가 있다고 저자는 예상한다.
참고문헌 (15)
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IEEE Std 802.11a-Supplement to Part 11: Wirelss LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications: High-speed Physical Layer in the 5GHz Band, IEEE Std. 802. 11a-1999, 1999
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