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문제 정의
- 본 논문에서 우리는 차량간 통신 환경에서 별도의 경로 설정 과정 및 위치 정보와 같은 추가적인 정보를 사용하지 않으면서도 멀티 홉 패킷 전송이 가능한 새로운 멀티 홉 라우팅 프로토콜인 MMFP를 제안하였다. 제안한 MMFP는 경로 설정 및 유지 과정이 필요 없기 때문에 차량의 높은 이동성으로 인하여 빈번한 경로 단절이 발생할 수 있는 차량간 통신 환경에서 신속한 정보 전달을 위해 적합하게 사용될 수 있다.
- 본 논문에서는 차량간 통신 환경에서 빈번한 네트워크 토폴로지의 변화 및 전송 실패로 인한 제어 패킷 부하의 감소를 위하여 네트워크 토폴로지 정보를 이용한 경로 설정 과정이 없으면서 위치정보와 같은 추가적인 정보를 사용하지 않는 차량간 통신을 위한 새로운 멀티 홉 라우팅 프로토콜인 MMFP(Multi-hop MAC For warding Protocol)을 제안한다. MMFP는 기존의 MAC 브릿지의 필터 테이블(filter table)을 응용하여 각 노드들이 수신 데이타의 주소 정보를 바탕으로 멀티 홉 전송이 가능한 노드들의 목록을 유지하고 이 목록을 참고하여 수신 데이타의 포워딩 여부를 결정한다.
제안 방법
- 그러나 기본적으로 위치정보 갱신과 데이타 전송이 플러딩 방식으로 동작하기 때문에 높은 통신 부하를 가지며 추가적인 복구 모드를 사용하지 않기 때문에 라우팅 불가능 영역 문제를 해결하지 못한다. LAR (Location-Aided Routing)[l이은 경로 설정을 위한 제어 패킷 전송 시 목적지 노드의 위치정보를 이용하여 제한된 플러딩을 함으로써 요구 기반 방식을 사용하는 애드 혹 라우팅 프로토콜의 경로 설정 부하를 감소시키는 방법을 제안하였다. 그러나 LARe 차량간 통신 환경에서 발생하는 빈번한 경로 재설정으로 인한 패킷 손실 문제는 해결하지 못하였다.
- MMFP 는 네트워크와 IEEE 802.11 MAC 계충 간에 서브 계층으로 구현하였으며 AODV의 active_route_timeoute]-max_rreq_timeoute- 10 seconds로 설정하였으며 rreq_ retry3회, 그리고 local_repair_wait_time-c- 0.15 seconds로 설정하였고 MAC 프로토콜은 ns-2[17] 시뮬레이터의 802.11b 모듈에 설정되어 있는 시스템 파라미터를 변경하여 802.11g의 ERP-OFDM을 구현하였다. 또한 MMFP에서 포워드 테이블 엔트리의 refre아!— timer의 유지 시간은 AODV의 경로 정보 유지 시간과 같은 10s로 설정하였다.
- 브로드캐스트(broadcast) 모드는 목적지 노드에 대한 정보를 보유한 이웃 노드가 존재하지 않을 경우에 사용되며 데이타를 수신한 모든 노드들은 수신 데이타를 브로드캐스트 방식으로 플러딩 (flooding) 한다. MMFP는 시간 종속적인 기능들의 정확한 동작을 위하여 IEEE 802.11 MACE13] 계층을 확장하여 설계하였다.
- 4)의 변화에 따른 종단 간 지연시간(end-to-end delay)과 전송률(delivery ratio) 의 변화를 측정하였다. MMFP의 성능은 포워드 테이블의 엔트리 유효 시간을 가중치로 사용하는 MMFP-RT와 RSSI를 가중치로 사용하는 MMFP-RSSI의 두 가지에 대해 측정하여 비교하였다.
- 3m로 설정하였으며 다른 차선에 존재하는 노드간의 거리는 초기에 5m로 설정하였다. 각 노드들은 자신의 통신 범위에 9개의 이웃 노드들을 가지며 10개의 랜덤하게 선택된 노드들이 20초 동안 10pkts/s의 트래픽을 주어진 거리에 위치하는 목적지노드와 통신 하도록 하였다. 실험의 편리성을 위하여 선택된 원천지와 목적지 노드는 항상 'on' 상태를 유지하도록 하였으며 나머지 노드들은 실험 시작 시 각각 절반씩 'on' 상태와 off 상태에 있도록 설정하였다.
- 실험의 편리성을 위하여 선택된 원천지와 목적지 노드는 항상 'on' 상태를 유지하도록 하였으며 나머지 노드들은 실험 시작 시 각각 절반씩 'on' 상태와 off 상태에 있도록 설정하였다. 그리고 실험이 진행됨에 따라 각 차량은 주어진 on/off 확률에 따라 주기적으로 자신의 상태 변화를 검사한다. 따라서 특정 차량의 주변 네트워크 토폴로지는 계속해서 변화한다.
- 거리가 360m에서 1800m 로 증가할 때 MMFP-RSSI의 전송률은 99%에서 91% 로 감소하였고 AODV는 95%에서 83%로 감소하였다. 두번째 실험은 차량이 반대 방향으로 운행중인 4차선 도로에서 원천지와 목적지 노드들 간의 거리(720, 1080,1440, 1800, 2160m)와 on/off 확률(0.0, 0.1, 0, 2, 0.3, 0.4)의 변화에 따른 종단 간 지연시간(end-to-end delay) 과 전송률(delivery ratio)의 변화를 측정하였다. MMFP 의 가증치는 첫번째 실험에서 얻어진 결과를 바탕으로 RSSI만을 사용하였으며 그림 7은 두번째 실험의 시나리오를 나타낸다.
- 암묵적 유니캐스트와 플러딩 프레임이 모두 브로드캐스트 방식으로 전송되기 때문에 수신 주소는 브로드캐스트 주소를 사용한다. 따라서 기존 IEEE 802.11 MAC 프레임 헤더의 type-subtype 필드에서 사용되지 않는 비트를 이용하여 암묵적 유니캐스트 프레임(10-1000)과 플러딩 프레임(10-1001)을 구별할 수 있도록 정의한다. IEEE 802.
- DREAM(Distance Routing Effect Algorithm for Mobility)[9]은 노드의 이동 속도와 목적지 노드의 위치정보 획득 시간을 이용하여 현재 목적지 노드의 존재 예상 지역을 설정하고 그 지역에 있는 모든 노드들에게 데이타 패킷을 플러딩 하는 방법을 제안하였다. 또한 DREAMe 거리 효과(distance effectX 고려하여 위치정보의 갱신(update) 시 거리에 따른 갱신 주기에 차이를 둠으로써 위치정보 갱신의 부하를 부분적으로 감소시켰다. 그러나 기본적으로 위치정보 갱신과 데이타 전송이 플러딩 방식으로 동작하기 때문에 높은 통신 부하를 가지며 추가적인 복구 모드를 사용하지 않기 때문에 라우팅 불가능 영역 문제를 해결하지 못한다.
- 본 논문에서 우리는 포워드 테이블의 엔트리 유효 시간과 RSSI를 이용하여 가중치 값을 계산한다. 유효 시간은 엔트리 정보의 유효성을 반영하며 RSSI는 다음과 같은 경로 손실 레디오 전파 모델(path니oss radio pro pagation model)[16]을 이용하여 통신하는 두 노드 간의 거리를 반영하기 위해 사용한다.
- 표 1은 실험에 사용한 파라미터들의 값을 나타낸다. 실험은 2개의 시나리오를 이용하여 진행하였다. 첫번째 시나리오인 그림 6은 2차선 고속도로에서 같은 방향으로 운행중인 180개 차량간의 통신을 나타내며 동일한 차선에 존재하는 모든 노드들은 같은 속도로 움직이고 두 차선에서 운행되는 노드간의 속도 차이는 10m/s로 설정하였다.
- 각 노드들은 자신의 통신 범위에 9개의 이웃 노드들을 가지며 10개의 랜덤하게 선택된 노드들이 20초 동안 10pkts/s의 트래픽을 주어진 거리에 위치하는 목적지노드와 통신 하도록 하였다. 실험의 편리성을 위하여 선택된 원천지와 목적지 노드는 항상 'on' 상태를 유지하도록 하였으며 나머지 노드들은 실험 시작 시 각각 절반씩 'on' 상태와 off 상태에 있도록 설정하였다. 그리고 실험이 진행됨에 따라 각 차량은 주어진 on/off 확률에 따라 주기적으로 자신의 상태 변화를 검사한다.
- 첫번째 실험은 원천지와 목적지 노드들 간의 거리 (360, 720, 1080, 1440, 1800m)와 on/off 확률(0.0, 0.1, 0.2, 0.3, 0.4)의 변화에 따른 종단 간 지연시간(end-to-end delay)과 전송률(delivery ratio) 의 변화를 측정하였다. MMFP의 성능은 포워드 테이블의 엔트리 유효 시간을 가중치로 사용하는 MMFP-RT와 RSSI를 가중치로 사용하는 MMFP-RSSI의 두 가지에 대해 측정하여 비교하였다.
데이터처리
- MMFP의 성능을 분석하기 위해서 우리는 ns-2 시뮬레이터를 이용하여 AODV와 성능을 비교하였다. MMFP 는 네트워크와 IEEE 802.
이론/모형
- 이 방식에서는 전송 노드보다 목적지 노드에 가까운 노드가 없을 경우 라우팅 불가능 영역 (routing void zone) 문제가 발생하며 이 문제를 해결하기 위하여 지역 복구 모드(local recovery mode)를 사용한다. GPSR(Greedy Perimeter Stateless Routing)"]은 이웃 노드들의 위치정보를 이용하여 평면 (planar) 그래프를 생성하고, 라우팅 불가능 영역이 발생할 경우 그래프 상에서 오른손 법칙을 사용하여 포워딩 노드를 선택하는 퍼리미터(perimeter) 방식을 사용한다. GPSRe 경로 정보를 생성하고 유지 할 필요가 없다는 장점이 있으나 토폴로지 정보에 기초한 평면 그래프를 이용하기 때문에 이동성이 높은 환경에서는 라우팅 루프가 발생할 수 있으며 또한 포워딩 과정에서 최단 경로를 선택하지 않을 수 있다.
- 첫번째 시나리오인 그림 6은 2차선 고속도로에서 같은 방향으로 운행중인 180개 차량간의 통신을 나타내며 동일한 차선에 존재하는 모든 노드들은 같은 속도로 움직이고 두 차선에서 운행되는 노드간의 속도 차이는 10m/s로 설정하였다. 두번째 시나리오인 그림 7 은 4차선 고속도로에서 반대 방향으로 운행 중인 360개의 차량간 통신을 나타내며 차선 간 속도 차이는 최대 40m/s로 설정하였으며 실제적인 통신 모델을 적용하기 위하여 fading 모델로 ricean distribution[18]을 사용하였다. 추가적으로 차 량이 진입하고 빠져나가는 효과를 나타내기 위하여 on/off 상태를 정의하였다.
- RSSI를 이용하여 가중치 값을 계산한다. 유효 시간은 엔트리 정보의 유효성을 반영하며 RSSI는 다음과 같은 경로 손실 레디오 전파 모델(path니oss radio pro pagation model)[16]을 이용하여 통신하는 두 노드 간의 거리를 반영하기 위해 사용한다.
- 11 MAC과 마찬가지로 유니캐스트 프레임을 수신한 노드에서는 ACK를 전송하며 이때 가장 높은 가중치 값을 가지는 노드가 가장 먼저 ACK를 전송하고 ACK를 수신한 다른 이웃 노드들은 포워딩을 자제하고 수신한 암묵적 유니캐스트 프레임을 폐기한다. 이러한 가중치 기반 ACK 전송을 위하여 가장 긴 재밍 신호 (jamming signal)를 전송한 노드가 통신 매체를 예약하는 black-burst[14T15] 방식을 사용한다. Black-burst는 채널 사용을 원하는 노드들이 특정 기간 동안 채널에 재밍을 발생시킨 후 채널을 검사하여 매체가 활성화 되어 있지 않을 경우 데이타를 전송하는 방법으로써 음성 트래픽의 QoS 보장을 위한 CAMA/CA의 개선 프로토콜로써 고안되었다.
성능/효과
- 그림 12와 13에서 우리는 MMFP가 on/off 확률값의 변화에 상관없이 A0DV에 비해 항상 높은 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다. On/off 확률값이 0.1과 0.4일 때, MMFP에서는 27ms와 34ms의 종단 간 지연시간과 79.6%와 76.5%의 전송률이 측정된 것에 비하여 AODV는 207ms 와 306ms의 종단 간 지연시간과 62.5%와 486%의 전송률을 나타내었다. 이는 첫번째 실험 시나리오와 마찬가지로 A0DV의 경우 빈번한 경로 단절 및 재설정으로 인한 큐잉 지연 시간 증가와 패킷 손실로 인해 성능 저하가 발생하는데 비해 상대적으로 MMFP는 암묵적 다중경로의 생성을 통하여 경로 단절 시에도 추가적인 경로 생성 과정 없이 패킷 포워딩이 가능하기 때문이다.
- 8ms)일 때를 제외하고는 항상 더 낮은 종단 간 지연시간을 나타내었다. 거리가 1800m로 증가할 경우 MMFP-RSSI는 16.9ms, MMFP-日丁는 53ms로 증가하였으며 AODV는 302ms로 대폭 증가하였다. 이는 AODV의 경우 거리가 증가함에 따라 경로 단절의 발생율 증가 및 이로 인한 누적 큐잉 지연시간의 증가로 언해 종단 간 지연시간이 급격히 증가하기 때문이다.
- 그림 11에서 MMFP와 AODV의 전송률은 거리가 증가함에 따라 전체적으로 감소하였으며 평균적으로 MMFP-RSSI의 전송률이 가장 높게 측정되었다. 거리가 360m에서 1800m 로 증가할 때 MMFP-RSSI의 전송률은 99%에서 91% 로 감소하였고 AODV는 95%에서 83%로 감소하였다. 두번째 실험은 차량이 반대 방향으로 운행중인 4차선 도로에서 원천지와 목적지 노드들 간의 거리(720, 1080,1440, 1800, 2160m)와 on/off 확률(0.
- 3일 때, 원천지와 목적지 노드간의 거리 변화에 따른 MMFP와 A0 DV의 성능 변화를 나타낸다. 거리가 증가함에 따라 MMFP와 A0DV 모두 종단 간 지연시간이 증가하였으며 전송률은 감소하였으나 MMFP가 항상 A0DV 보다 높은 성능을 나타냄을 확인할 수 있다. A0DV는 거리가 720m 와 2160m일 때, 종단 간 지연시간은 166ms와 388ms이 측정되었으나 이에 비하여 MMFP는 29ms와 58ms가 측정되었다.
- 추가적으로, MMFP-RSSI가 가장 낮은 종단 간 지연시간을 나타내었다. 그림 11에서 MMFP와 AODV의 전송률은 거리가 증가함에 따라 전체적으로 감소하였으며 평균적으로 MMFP-RSSI의 전송률이 가장 높게 측정되었다. 거리가 360m에서 1800m 로 증가할 때 MMFP-RSSI의 전송률은 99%에서 91% 로 감소하였고 AODV는 95%에서 83%로 감소하였다.
- 통신 시작 거리는 1440m로 설정하였다. 그림 12와 13에서 우리는 MMFP가 on/off 확률값의 변화에 상관없이 A0DV에 비해 항상 높은 성능을 나타냄을 확인할 수 있었다. On/off 확률값이 0.
- 첫번째로 차량의 높은 이동속도로 인하여 네트워크 토폴로지의 변화가 빈번하게 발생한다. 두번째로 고속으로 이동하는 차량간의 통신 시 도플러 효과(dopier effect)등으로 인하여 전송 실패가 빈번하게 발생할 수 있다. 세번째로 차량의 대용량 밧데리를 이용할 수 있기 때문에 다른 애드혹 네트워크에 비해 전력 소모 문제의 중요성이 낮다.
- A0DV는 거리가 720m 와 2160m일 때, 종단 간 지연시간은 166ms와 388ms이 측정되었으나 이에 비하여 MMFP는 29ms와 58ms가 측정되었다. 또한 A0DV의 전송률은 61.8%에서 46%로 감소한데 비해 MMFP는 8L6% 와 655%를 나타내었으며 결과적으로 MMFP가 거리값의 변화에 관계없이 약 20%의 더 높은 전송률을 나타내었다. 이는 거리가 증가함에 따라 A0DV의 경우 경로 단절 및 재설정으로 인한 지연 시간 및 패킷 손살이 급격히 증가하는데 비하여 MMFP는 암묵적 다중 경로를 이용한 패킷 포워딩을 통해 추가적인 지연시간의 발생 없이 패킷 전달이 가능하기 때문이다.
- 제안한 MMFP는 경로 설정 및 유지 과정이 필요 없기 때문에 차량의 높은 이동성으로 인하여 빈번한 경로 단절이 발생할 수 있는 차량간 통신 환경에서 신속한 정보 전달을 위해 적합하게 사용될 수 있다. 또한 우리는 고속도로 환경을 모델링한 실제적인 실험 시나리오를 통해서 MMFP가 AODV의 성능을 비교, 분석하였으며 실험 결과는 MMFP가 빈번한 경로 단절 및 재설정으로 인해 성능 저하가 발생하는 AODV에 비해 상대적으로 높은 성능을 나타냄을 보인다. 향후에는 MMFP의 암묵적 다중경로 생성을 통한 성능향상에 관하여 수학적 분석을 통하여 그 효과를 증명하기 위한 과정을 진행할 것이다.
- 우리는 on/off 확률이 증가함에 따라 A0DV7} 빈번한 경로 재설정으로 인하여 큐잉 지연시간이 증가함을 관찰할 수 있었으며 이는 결과적으로 종단 간 지연시간 증가의 원인이 되었다. 그에 비하여 MMFP는 암묵적 다중경로의 생성으로 인하여 경로 단절 시에도 추가적인 지연시간의 발생 없이 데이타 포워딩이 가능 했으며 따라서 on/off 확률의 증가에도 불구하고 일정한 종단 간 지연시간을 나타내었다.
- 그러나 MMFP의 경우 AODV에 비해 상대적으로 거리에 따른 종단 간 지연시간의 증가폭이 작았으며 그 이유는 경로 단절로 인한 큐잉 지연시간의 발생이 작았기 때문이다. 추가적으로, MMFP-RSSI가 가장 낮은 종단 간 지연시간을 나타내었다. 그림 11에서 MMFP와 AODV의 전송률은 거리가 증가함에 따라 전체적으로 감소하였으며 평균적으로 MMFP-RSSI의 전송률이 가장 높게 측정되었다.
- 이는 첫번째 실험 시나리오와 마찬가지로 A0DV의 경우 빈번한 경로 단절 및 재설정으로 인한 큐잉 지연 시간 증가와 패킷 손실로 인해 성능 저하가 발생하는데 비해 상대적으로 MMFP는 암묵적 다중경로의 생성을 통하여 경로 단절 시에도 추가적인 경로 생성 과정 없이 패킷 포워딩이 가능하기 때문이다. 특히, 두번째 시나리오의 경우 반대 방향 진행 차량간 통신 시 통신 하는 차량간의 높은 상대 속도로 인한 경로 단절의 발생 빈도 증가와 ricean fading 모델의 사용을 통한 추가적인 패킷 손실로 인하여 MMFP와 A0DV 간의 성능 차이가 더 확연하게 드러나게 되었다.
후속연구
- 제안한 MMFP는 경로 설정 및 유지 과정이 필요 없기 때문에 차량의 높은 이동성으로 인하여 빈번한 경로 단절이 발생할 수 있는 차량간 통신 환경에서 신속한 정보 전달을 위해 적합하게 사용될 수 있다. 또한 우리는 고속도로 환경을 모델링한 실제적인 실험 시나리오를 통해서 MMFP가 AODV의 성능을 비교, 분석하였으며 실험 결과는 MMFP가 빈번한 경로 단절 및 재설정으로 인해 성능 저하가 발생하는 AODV에 비해 상대적으로 높은 성능을 나타냄을 보인다.
- 또한 우리는 고속도로 환경을 모델링한 실제적인 실험 시나리오를 통해서 MMFP가 AODV의 성능을 비교, 분석하였으며 실험 결과는 MMFP가 빈번한 경로 단절 및 재설정으로 인해 성능 저하가 발생하는 AODV에 비해 상대적으로 높은 성능을 나타냄을 보인다. 향후에는 MMFP의 암묵적 다중경로 생성을 통한 성능향상에 관하여 수학적 분석을 통하여 그 효과를 증명하기 위한 과정을 진행할 것이다.
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