[논문]밀리미터파 대역에서 지향성 CSMA/CA의 성능 향상을 위한 알고리즘

김미정; 이우용

doi:10.7840/kics.2012.37b.1.15

초록
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본 논문에서는 밀리미터파 대역을 사용하는 개인영역 무선통신 네트워크 표준의 하나인 IEEE 802.15.3c에서 지향성 CSMA/CA의 성능을 향상시킬 수 있는 알고리즘을 제안한다. 제안한 알고리즘은 saturation 환경에서 No-ACK 모드를 고려하여 마코프 체인으로 모델링하여 분석하였다. 마코프 체인 모델에서는 공간을 재활용하는 지향성 안테나의 특성과 IEEE 802.15.3c의 특성이 고려되었다. 분석실험을 통하여 경쟁윈도우 크기의 최적값을 얻었다. 제안한 성능향상 지향성 CSMA/CA 알고리즘이 기존의 지향성 CSMA/CA에 비해 훨씬 좋은 성능을 보여주는 결과를 얻었으며 이는 시뮬레이션으로 검증되었다. 얻은 결과는 밀리미터파 대역 개인영역 무선통신 네트워크의 성능을 향상시키는 모수의 선택과 MAC 프로토콜의 개발에 지침을 제공할 것으로 보인다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, an algorithm that enhances the conventional directional CSMA/CA protocol in IEEE 802.15.3c is proposed under saturation environments. For the algorithm, a Markov chain model is presented and analyzed in no-ACK mode. The effects of directional antennas and the features of IEEE 802.15.3...

In this paper, an algorithm that enhances the conventional directional CSMA/CA protocol in IEEE 802.15.3c is proposed under saturation environments. For the algorithm, a Markov chain model is presented and analyzed in no-ACK mode. The effects of directional antennas and the features of IEEE 802.15.3c MAC are considered in the model. The optimal sizes of contention window are derived from the numerical results. The numerical results show that the proposed directional CSMA/CA algorithm outperforms conventional one. The overall analysis is verified by simulation. The obtained results provide the criterion for selecting the optimal parameters and developing a MAC protocol that enhances the performance of mmWave WPANs.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 IEEE 802.15.3c에 기반하여 성능향상 지향성 CSMA/CA 알고리즘을 제안하였다. 마코프체인 모델을 이용하여 알고리즘을 분석하였고 분석결과는 시뮬레이션으로 검증되었다.
알고리즘의 목적은 IEEE 802.15.3c 슈퍼프레임의 경쟁구간에서 자원을 효율적으로 사용하여 수율을 최대화하고 전송지연을 최소화하는 각각의 CW을 찾는 것이다. 한 장치에서 시스템을 바쁜 기간과 한가한 타임슬럿의 끝에서 관찰함으로써 임베디드 마코프체인 모델을 구성할 수 있다.

가설 설정

모든 송수신 쌍은 이웃장치 탐지과정과 빔포밍에 의해 서로 안테나 빔이 맞추어져 있다고 하자. 본 논문에서는 감지와 간섭을 일으키는 신호 세기가 같다고 가정한다. 모든 장치의 메인로브 이득 G_TM, 사이드로브 이득 G_TS, 그리고 송신전력 P_T가 같다고 가정하면, ER_r(SR_t)의 반경은 다음과 같이 계산된다.

제안 방법

T_slot을 pBackoffSlot로 주어진 한 단위의 백오프 슬럿(backoff slot)이라 하자. 기호의 단순화를 위하여 천이확률 P(b(t+T) = i₁|b(t) = i₀ )대신 P(i₁|i₀ )을 사용한다.
반면, 제안하는 알고리즘에서는 W₀를 주어진 디폴트와 E_con을 고려하여 결정하고 전송 전에 불필요하게 기다리는 시간은 최소화하면서 최대 CW는 디폴트를 넘지 않도록 결정하였다. 또한 E_con이 디폴트보다 큰 경우 충돌 및 지연을 최소화하도록 백오프 카운터를 선택하는 확률을 결정하였다.
-1]에서 동일한 확률로 CW를 선택한다. 반면, 제안하는 알고리즘에서는 W₀를 주어진 디폴트와 E_con을 고려하여 결정하고 전송 전에 불필요하게 기다리는 시간은 최소화하면서 최대 CW는 디폴트를 넘지 않도록 결정하였다. 또한 E_con이 디폴트보다 큰 경우 충돌 및 지연을 최소화하도록 백오프 카운터를 선택하는 확률을 결정하였다.
본 논문에서는 IEEE 802.15.3c에 기반한 개인영역 무선통신 네트워크(Wireless Personal Area Networks: WPANs)에서 기존의 지향성 CSMA/CA(Conventional Directional CSMA/CA: CD-CSMA)에 비해 자원을 효율적으로 사용함으로써 성능을 향상시킬 수 있는 알고리즘을 제안하고 마코프 체인으로 모델링하여 분석한다. 알고리즘을 적용하는 과정에서 최적의 경쟁윈도우(Contention Window: CW)의 크기를 결정한다.
본 연구에서는 실제로 성공적으로 전송된 프레임에 의한 시스템 수율 Th_sys을 고려한다.
3c 슈퍼프레임의 경쟁구간에서 자원을 효율적으로 사용하여 수율을 최대화하고 전송지연을 최소화하는 각각의 CW을 찾는 것이다. 한 장치에서 시스템을 바쁜 기간과 한가한 타임슬럿의 끝에서 관찰함으로써 임베디드 마코프체인 모델을 구성할 수 있다. 본 논문에서는 No-ACK 모드만을 고려하였고 알고리즘에 쓰이는 마코프체인은 그림 2에 도시되어 있다.

대상 데이터

실험에 사용한 파라미터 값들은 IEEE 802.15.3c 표준에 기반한 것으로 다음과 같다: #, TCAP = 6553, pPHYSIFSTime = 2.5, pCCADectTime = 4, Tbeacon =50, Tslot = BIFS = 6.5(단위:μsec),α = 2,PT = 10 mW, N0 =-91.9 dB,W= 1728 MHz,PR =-55 dB, 데이터 전송률은 1.65 Gbps, L은 경로손실 모델을 이용하여 계산된 전송거리를 사용하였으며 η = 0.9와 1을 사용하였다.

데이터처리

3c에 기반하여 성능향상 지향성 CSMA/CA 알고리즘을 제안하였다. 마코프체인 모델을 이용하여 알고리즘을 분석하였고 분석결과는 시뮬레이션으로 검증되었다. 추후 본 연구는 알고리즘을 non- saturation인 경우와 Imm-ACK모드로 확장할 것이며, 또한 장애물을 고려하는 등 좀 더 실제 상황에 알맞도록 일반화해 나갈 것이다.
분석실험과 시뮬레이션은 매틀랩 7.7을 이용하였으며 시뮬레이션은 100번 수행하였다. 실험에 사용한 파라미터 값들은 IEEE 802.

이론/모형

안테나 모델로는 flat-top model과 cone plus sphere model이 있다. 본 논문에서는 2차원에서의 cone plus circle model을 고려한다. 이 경우 메인로브와 사이드로브에서의 안테나 이득(gain)은 각각 G_m = 2πη/Θ와 G_s = 2π(1-η)/(2π-Θ)이다.
한 장치에서 시스템을 바쁜 기간과 한가한 타임슬럿의 끝에서 관찰함으로써 임베디드 마코프체인 모델을 구성할 수 있다. 본 논문에서는 No-ACK 모드만을 고려하였고 알고리즘에 쓰이는 마코프체인은 그림 2에 도시되어 있다. 제안하는 알고리즘의 기본 아이디어는 다음과 같다: 1) 계산된 E_con에 따라 W₀를 결정한다.

후속연구

마코프체인 모델을 이용하여 알고리즘을 분석하였고 분석결과는 시뮬레이션으로 검증되었다. 추후 본 연구는 알고리즘을 non- saturation인 경우와 Imm-ACK모드로 확장할 것이며, 또한 장애물을 고려하는 등 좀 더 실제 상황에 알맞도록 일반화해 나갈 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본문에서 제안하는 알고리즘과 CD-CSMA의 차이점은?	제안하는 알고리즘과 CD-CSMA의 차이점은 다음과 같다: CD-CSMA/CA에서 W0는 디폴트 8로 고정 되어 있고 송신장치는 매 전송 때마다 [0,W0 -1]에서 동일한 확률로 CW를 선택한다. 반면, 제안하는 알고리즘에서는 W0를 주어진 디폴트와 Econ을 고려하여 결정하고 전송 전에 불필요하게 기다리는 시간은 최소화하면서 최대 CW는 디폴트를 넘지 않도록 결정하였다. 또한 Econ이 디폴트보다 큰 경우 충돌 및 지연을 최소화하도록 백오프 카운터를 선택하는 확률을 결정하였다.
	FCC의 효과는?	최근 밀리미터파 대역이라 불리는 30-300 GHz 대역에서 높은 전송률을 제공하는 근거리 무선전송에 대한 관심이 높아지고 있다. Federal Communications Commission(FCC)는 57-64 GHz 밀리미터파 대역을 누구나 사용 가능한 대역으로 할당하였다. 밀리미터파 개인영역 무선통신과 관련된 표준으로는 IEEE 802.
	밀리미터파 개인영역 무선통신과 관련된 표준에는 무엇이 있는가?	Federal Communications Commission(FCC)는 57-64 GHz 밀리미터파 대역을 누구나 사용 가능한 대역으로 할당하였다. 밀리미터파 개인영역 무선통신과 관련된 표준으로는 IEEE 802.15.3c 와 ECMA-387이 있으며 현재 IEEE 802.11ad의 표준화가 진행 중이다.

참고문헌 (8)

L. X. Cai, L. Cai, and X. Shen, and J. W. Mark., "Resource Management and QoS Provisioning for IPTV over mmWave-based WPANs with Directional Antenna," Mobile Network Application, 14, pp. 210-219, 2009.

상세보기
L. X. Cai, L. Cai, and X. Shen, and J. W. Mark, "REX: a Randomized EXclusive Region based Scheduling Scheme for mmWave WPANs with Directional Antenna," IEEE Trans. on Wireless Commun., 9(1), pp. 113-121, 2010.

상세보기
Y. Kim, M. Kim, W. Lee, and C.-H. Kang, "Power Controlled Concurrent Transmissions in mmWave WPANs," IEICE Trans.on Commun., E93-B(10), pp. 2808-2811, Oct. 2010.

상세보기
L.-C. Wang, A. Chen, and S.-Y. Huang, "A Cross-Layer Investigation for the Throughput Performance of CSMA/CA-Based WLANs With Directional Antennas and Capture Effect," IEEE Trans. on Vehicular Tech., 56(5), pp. 2756-2766, Sept. 2009.
M. Kim and C.-H. Kang, "Priority-Based Service-Differentiation Scheme for IEEE 802.15.4 Sensor Networks in Nonsaturation Environments," IEEE Trans. Vehicular Tech., 59(27), pp. 3524- 3535, Sept. 2010.

상세보기
Z. Yin and V. C. M. Leung, "Adaptive Contention Access Suspension in IEEE 802.15.3 MAC," in Proc. BROADNETS, pp. 187-196, Sept. 2007.
M. Kim, Y. Kim, and W. Lee, "Performance Analysis of Directional CSMA/CA for IEEE 802.15.3c under Saturation Environments," ETRI Journal 게제 예정.
Math world. Square line picking. Available at http://mathworld.wolfram.com/SquareLinePicking.html, Jan. 2005.

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