[논문]무선 메쉬 네트워크의 군 환경 적용을 위한 클러스터 기반 멀티채널 할당 기법

김영안

doi:10.9766/kimst.2011.14.5.880

Abstract ▼ AI-Helper

The Wireless Mesh Network(WMN) technology is able to provide an infrastructure for isolated islands, in which it is difficult to install cables or wide area such as battlefield. Therefore, WMN is frequently used to satisfy needs for internet connection and active studies and research on them are in ...

The Wireless Mesh Network(WMN) technology is able to provide an infrastructure for isolated islands, in which it is difficult to install cables or wide area such as battlefield. Therefore, WMN is frequently used to satisfy needs for internet connection and active studies and research on them are in progress. However, as a result of increase in number of hops under hop-by-hop communication environment has caused a significant decrease in throughput and an increase in delay. Considering the heavy traffic of real-time data, such as voice or moving pictures to adaptive WMN, in a military environment. Such phenomenon might cause an issue in fairness index. In order to resolve this issue, we proposed a Cluster Based Multi-channel Assignment Scheme(CB-MAS) for adaptive tactical wireless mesh network. In the CB-MAS, the communication between the Cluster-Head(CH) and cluster number nodes uses a channel has no effect on channels being used by the inter-CH links. Therefore, the CB-MAS can minimize the interference within multi-channel environments. Our Simulation results showed that CB-MAS achieves improved the throughput and fairness index in WMN.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

본 논문에서는 WMN에서 무선 멀티 홉 환경에서 홉 개수의 증가나 각 MR들이 동시에 데이터를 전송할 경우 데이터 전송 간에 간섭이 발생하여 성능이 저하하거나, 패킷 지연시간에 의해 성능이 급격히 떨어지게 되는 문제에 대하여 클러스터링 이용한 채널 할당 방식을 제안을 하였다.
본 논문에서는 멀티채널 WMN에서 새로운 채널 할당 방식을 통해 네트워크 성능을 향상시키기 위해서 이러한 문제점을 해결하기 위한 클러스터 기반 알고리즘을 이용한 자율적인 채널 할당 기법을 제안한다. 본 기법은 여러 노드들이 클러스터를 형성하고, 형성된 클러스터 마다 가장 간섭이 적은 채널을 선택해서 할당을 하는 것이 가능하다.

제안 방법

그 때문에 클러스터 링크의 커버율의 평균치를 50m 간격으로 5×5 Grid 배치와 랜덤 배치의 2가지의 토폴로지를 이용하여 평가를 실시했다.
본 방식에서는 각 노드가 클러스터 링크용 테이블을 가지고 있으며, 인접 노드에 자신의 노드 정보를 Hello 패킷에 실어 일정 간격으로 송신하는 것으로 인접 노드 정보를 획득하고 자신의 노드의 규칙을 결정한다. 노드의 규칙은 LCC(Least Cluster Change)에 의해 결정되고, 규칙 변경은 테이블내의 Cluster-Head(CH) 수가 변화될 때에 행해진다.
본 방식은 CGSR(Cluster-head Gateway Switch Routing)^[10]을 기본으로 문제점을 발전시킨 채널 할당 방식 알고리즘으로 각 노드는 각각 클러스터 중심인 클러스터 헤드, 타 클러스터와의 중계를 담당하는 게이트웨이, 클러스터에 속하는 일반 노드로 구성되며, 일반 노드 중에서 규칙을 결정한다. 그래서 여러 노드들이 자율적으로 클러스터를 형성하고, 분할된 클러스터 마다 가장 간섭이 적은 채널을 선택해서 할당을 하는 단순한 알고리즘으로 적절한 동적 채널 할당이 가능하다.
성능 확인을 위해 처리량과 공평성을 측정 하였다. 공평성은 식 (1)에 의해 평가 하였다.
시뮬레이션 환경은 Fig. 7과 같이 배치되어져 있는 노드로부터 MPP와 MAP를 랜덤으로 선출하여, MAP로부터 MPP에의 1～5세션으로 송신하는 형태로 실시 하였다. 또 송출 트래픽은 FTP를 이용하였으며, 각 노드의 통신반경을 90m로 했다.
시뮬레이션은 200m×200m의 영역에 있어서 50m 간격으로 5×5 Grid 배치와 랜덤 배치의 2가지의 토폴로지로 4개의 채널을 준비하여 제안방식을 이용한 경우와 클러스터 기반을 이용하지 않은 기존방식들에 대하여 평가를 실시하였다.

대상 데이터

첫째로 멀티채널/단일 인터페이스 환경으로 IEEE 802. 11 MAC을 사용한다. 멀티채널/단일 인터페이스 방안들은 하나의 인터페이스를 가지고 가장 간섭을 적게 일으키는 채널을 할당해 데이터를 전송하는 방안으로써 대표적으로 MIMAC_CT^[3], MMAC^[4], SSCH^[5] 등이 있다.
노드의 규칙은 LCC(Least Cluster Change)에 의해 결정되고, 규칙 변경은 테이블내의 Cluster-Head(CH) 수가 변화될 때에 행해진다. CH의 선출지표로서는 Fig. 5와 같이 인접 노드가 제일 많은 노드를 CH로 선출하며, Highest-Connectivity와 인접 노드 수가 같을 경우에는 노드 ID가 작은 경우에 선출되는 LowestID를 Cluster-Head로 선출한다.
시뮬레이션 영역은 200m×200m, 각 노드의 통신반경을 90m로하고, 노드 수는 25개로 20번씩 시험을 실시했다.

이론/모형

본 절에서는 제안 알고리즘을 이용하여 배치방법에 따른 제안방식의 처리량(Throughput) 및 공정성(Fairness Index)을 NS-2를 이용하여 평가했다.

성능/효과

시뮬레이션 영역은 200m×200m, 각 노드의 통신반경을 90m로하고, 노드 수는 25개로 20번씩 시험을 실시했다. 결과로부터 2가지 모두 평균 커버율이 100%로 되어 클러스터링 알고리즘은 비정상 노드와 같은 통신이 불가능한 노드는 발견되지 않았다.
결과로부터 제안방식은 5×5 Grid 배치의 경우 처리량과 공평성에 있어서 클러스터 기반을 사용하지 않은 기존방식들보다 현저하게 개선이 되었으며, 제안방식은 처리량과 불공평 간격의 개선에 유효하다는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 멀티채널 WMN에서 새로운 채널 할당 방식을 통해 네트워크 성능을 향상시키기 위해서 이러한 문제점을 해결하기 위한 클러스터 기반 알고리즘을 이용한 자율적인 채널 할당 기법을 제안한다. 본 기법은 여러 노드들이 클러스터를 형성하고, 형성된 클러스터 마다 가장 간섭이 적은 채널을 선택해서 할당을 하는 것이 가능하다. 제안방식의 성능 평가를 위해 NS-2를 이용 시뮬레이션을 실시한 결과 기존방식보다 처리량 및 불공평 문제에 대한 개선 효과가 현저하게 있는 것을 확인할 수 있었다.
본 방식은 여러 노드들이 클러스터를 형성하고, 형성된 클러스터 마다 가장 간섭이 적은 채널을 선택해서 할당을 하는 것으로 제안방식에 대한 성능평가를 위해 공정성과 처리량에 대해 5×5 Grid 배치와 랜덤 배치의 토폴로지를 이용하여 시행한 결과 두 환경 모두 처리량과 공평성에 있어서 클러스터 기반을 사용하지 않은 기존방식들에 비해 현저하게 개선이 되었으며, 제안방식은 처리량과 불공평 간격의 개선에 유효하다는 것을 확인되었으며, 적절한 채널 할당을 행하는 것이 가능하고, 노드간의 통신간섭이 완화되었다.
제안방식은 5×5 Grid 배치와 마찬가지로 랜덤 배치에서도 처리량과 공평성에 있어서 클러스터 기반을 사용하지 않은 기존방식들에 비해 현저하게 개선이 되었으며, 랜덤배치에서도 제안방식은 처리량과 불공평 간격의 개선에 유효하다는 것을 확인하였다.
본 기법은 여러 노드들이 클러스터를 형성하고, 형성된 클러스터 마다 가장 간섭이 적은 채널을 선택해서 할당을 하는 것이 가능하다. 제안방식의 성능 평가를 위해 NS-2를 이용 시뮬레이션을 실시한 결과 기존방식보다 처리량 및 불공평 문제에 대한 개선 효과가 현저하게 있는 것을 확인할 수 있었다.

후속연구

향후 연구과제로 이론적 해석을 통한 제안 알고리즘 평가결과를 검증할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	WMN의 목적은?	WMN는 에드혹 네트워크와 달리 하위 노드들에게 인터넷에 접속할 수 있는 구조를 제공하기 위해 연구되고 있는 네트워크의 형태로 전송속도와 링크의 신뢰성을 높이는데 목적을 두고 있다.
	다중 홉 통신 환경에서 WMN이 야기할 수 있는 문제점은?	다시 말해, WMN은 기존 네트워크의 도달 범위를 확장시키는 기술로 유선 기술을 설치하기 힘들거나 비용이 부담되는 지역, 즉 전술훈련을 위한 군 환경이나 비상 대비를 위한 새로운 형태의 접속 망으로 표준화 작업이 한창 이루어지고 있다. 그러나 WMN에서는 다중 홉 통신 환경에서 홉 수의 증가로 인한 성능의 급격한 감소는 물론 지연이 급격히 증가되는 결과를 초래하고 있다. 이러한 WMN을 군 환경에 적용할 때 게이트웨이를 통하는 음성이나 동영상과 같은 실시간 데이터 트래픽이 많은 부분을 차지할 것으로 볼 때, 멀리 떨어진 독립부대 메쉬라우터(MR : Mesh Router)에 연결된 단말들은 실시간 서비스 받기가 제한이 되어 이로 인해 부대간 공정성에 대한 문제가 발생하게 된다[2].
	무선 메쉬 네트워크는 어떤 부분에 중요한 응용 분야인가?	WMN는 기존의 유선 기술이나 다른 무선 기술이 비용적 측면에서 접근하기 힘든 섬지역 또는 군 환경에서 WMN을 통해 연결하여 인터넷 서비스를 제공하거나 기존의 네트워크를 확장하는 데 매우 중요한 응용 분야이다. 우리나라와 같이 전 국토의 대부분이 광대역 통신망으로 연결된 나라에서는 그 필요성이 크게 부각되지 않지만, 군 환경처럼 전장이 넓고 인구 밀도가 낮은 환경 즉 전방부대처럼 통신망의 보급이 매우 어렵고, 부족한 지역에서 WMN은 기존 유선망과 멀리 떨어진 지역을 위해 해결책으로 부상하고 있다.

참고문헌 (10)

Lan F. Akyildiz, Georgia Institute of Technology, Xudong Wang, Kiyon, INC "A Survey on Wireless Mesh Network", IEEE Radio Communication, pp. 23 -30, Sep. 2005.
L. Chen and W. B. Heinzelman, "QoS-aware Routing Based on Bandwidth Estimation for Mobile Ad Hoc Networks", IEEE Journal on Selected Area in Communications(JSAC '05), Vol. 23, pp. 561-572, Mar. 2005.

상세보기
N. Jun, S. R. Das and A. Nasipuri, "A Multichannel MAC Protocol with Receiver Based Channel Selection for Multihop Wireless Networks", In Proc. of IEEE ICCCN, Oct. 2001.
J. So and N. H. Vaidya, "Multi-Channel MAC for Ad hoc Networks : Handling Multi-Channel Hidden Terminals Using a Single Transceiver", In Proc. of ACM MOBIHOC, May 2004.
P. Bahl, R. Chandra and J. Dunagan, "SSCH : Slotted Seeded Channel Hopping for Capacity Improvement in IEEE 802. 11 Ad hoc Wireless Networks", in Proc. of ACM MOBIHOC, May 2004.
P. Kyasanur and N. Vaidya, "Routing and Interface Assignment in Multi-channel Multi-interface Wireless Networks", In Proc. of IEEE WCNC, Mar. 2005.
A. Raniwala and T. Chiueh, "Architecture and Algorithems for an IEEE 802. 11-based Multi-channel Wireless Mesh Networks", In Proc. of IEEE INFOCOM, Mar. 2005.
K. Ramachandran, E. Belding, K. Almeroth and M. in Multi-radio Wireless Mesh Networks", In Proc. of IEEE INFOCOM, Apr. 2006.
A. Adya, p. Bahl, J. Padhye, A. Wolman and L. Zhou, "A Multi-radio Unification Protocol for IEEE 802. 11 Wireless Networks", In Proc. of IEEE BROADNETS, Oct. 2004.
C. C. Chiang, H. K. Ku, W. Liu and M. Gerla, "Routing in Clustered Multihop, Mobile Wireless Networks with Fading Channel", IEEE Singapore International Conference on Networks, SICON '97.

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