[국내논문]IEEE 802.11s 무선 메쉬 네트워크에서 종단간 대역폭 예약을 위한 멀티 인터페이스 멀티 채널 R-HWMP 라우팅 프로토콜 Multi-Interface Multi-Channel R-HWMP Routing Protocol for End-to-End Bandwidth Reservation in IEEE 802.11s WMNs원문보기
무선 메쉬 네트워크는 인프라 없이 무선 멀티홉으로 네트워크를 구성해야 하는 환경에서 매우 각광받고 있는 기술로서 현재 IEEE 802.11s 메쉬 네트워크 표준이 제정되었다. 이 표준과 기존 IEEE 802.11과의 큰 차이점 중의 하나는 메쉬 표준에서 QoS를 지원하기 위한 MAC 인 MCCA 가 추가된 것이다. MCCA 는 이웃 노드와의 대역폭 예약을 제공하고 이를 통해 대역폭 보장의 QoS를 만족할 수 있다. 그러나 MCCA 는 종단간 대역폭을 보장할 수 없는 단점이 있고, 또한 표준에서는 메쉬 노드가 멀티 인터페이스, 멀티 채널을 지원하는 경우 대역폭 예약 프로토콜과 무선 채널의 예약 방법 등이 규정되어 있지 않다. 이에 본 논문에서는 싱글 인터페이스에서의 종단간 대역폭 예약을 수행하는 예약 기반의 HWMP 프로토콜(R-HWMP)을 멀티인터페이스, 멀티 채널로 확장한 MIMC R-HWMP를 제안하고, 시뮬레이션을 통하여 멀티 인터페이스를 지원하는 무선 메쉬 네트워크에서 종단간 대역폭의 보장과 인터페이스 확장에 따른 가용 대역폭의 증가를 보였다.
무선 메쉬 네트워크는 인프라 없이 무선 멀티홉으로 네트워크를 구성해야 하는 환경에서 매우 각광받고 있는 기술로서 현재 IEEE 802.11s 메쉬 네트워크 표준이 제정되었다. 이 표준과 기존 IEEE 802.11과의 큰 차이점 중의 하나는 메쉬 표준에서 QoS를 지원하기 위한 MAC 인 MCCA 가 추가된 것이다. MCCA 는 이웃 노드와의 대역폭 예약을 제공하고 이를 통해 대역폭 보장의 QoS를 만족할 수 있다. 그러나 MCCA 는 종단간 대역폭을 보장할 수 없는 단점이 있고, 또한 표준에서는 메쉬 노드가 멀티 인터페이스, 멀티 채널을 지원하는 경우 대역폭 예약 프로토콜과 무선 채널의 예약 방법 등이 규정되어 있지 않다. 이에 본 논문에서는 싱글 인터페이스에서의 종단간 대역폭 예약을 수행하는 예약 기반의 HWMP 프로토콜(R-HWMP)을 멀티인터페이스, 멀티 채널로 확장한 MIMC R-HWMP를 제안하고, 시뮬레이션을 통하여 멀티 인터페이스를 지원하는 무선 메쉬 네트워크에서 종단간 대역폭의 보장과 인터페이스 확장에 따른 가용 대역폭의 증가를 보였다.
Wireless mesh networks have emerged as a key technology in environment that needs wireless multi-hop communication without infrastructure and IEEE 802.11s mesh network standard have currently been established. One of big differences between this standard and the legacy IEEE 802.11 is that MCCA MAC i...
Wireless mesh networks have emerged as a key technology in environment that needs wireless multi-hop communication without infrastructure and IEEE 802.11s mesh network standard have currently been established. One of big differences between this standard and the legacy IEEE 802.11 is that MCCA MAC is included to support QoS. MCCA supports bandwidth reservations between neighbors, so it can satisfy the QoS of bandwidth guarantee. However, MCCA has dis-advantages as follow; 1) it can not guarantee end-to-end bandwidth, 2) in multi-interface multi-channel wireless environments, the IEEE 802.11s does not provide a bandwidth reservation protocol and a wireless channel assignment etc. In this paper, we have proposed MIMC R-HWMP, which expands R-HWMP that was proposed in our previous work[3], to support multi-interface multi-channel. By simulation, we showed end-to-end bandwidth guarantee and the increase in the available bandwidth in multi-interface multi-channel wireless mesh networks.
Wireless mesh networks have emerged as a key technology in environment that needs wireless multi-hop communication without infrastructure and IEEE 802.11s mesh network standard have currently been established. One of big differences between this standard and the legacy IEEE 802.11 is that MCCA MAC is included to support QoS. MCCA supports bandwidth reservations between neighbors, so it can satisfy the QoS of bandwidth guarantee. However, MCCA has dis-advantages as follow; 1) it can not guarantee end-to-end bandwidth, 2) in multi-interface multi-channel wireless environments, the IEEE 802.11s does not provide a bandwidth reservation protocol and a wireless channel assignment etc. In this paper, we have proposed MIMC R-HWMP, which expands R-HWMP that was proposed in our previous work[3], to support multi-interface multi-channel. By simulation, we showed end-to-end bandwidth guarantee and the increase in the available bandwidth in multi-interface multi-channel wireless mesh networks.
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문제 정의
향후 각 인터페이스에 동적으로 채널을 할당하는 방안이 연구되어야 하며, 각 채널 별 슬롯을 공유하여 사용하는 슬롯 할당 알고리즘 등이 추가적으로 연구되어야 한다. 본 논문에서는 싱글 인터페이스를 멀티 인터페이스로 확장함으로 링크의 가용 대역폭 증가에 따른 성능 분석에 초점을 맞추며, 또한 기존 연구들에서 시도하지 않았던 MCCA를 멀티 인터페이스에 적용하는 데 의의를 둔다.
본 논문에서는 선행 연구인 종단간 대역폭 보장을 위한 R-HWMP 라우팅 프로토콜을 멀티 인터페이스, 멀티 채널을 지원할 수 있도록 확장하였다. 제안된 MIMC R-HWMP 에 추가적으로 싱글 채널에서의 슬롯 할당 알고리즘을 멀티 채널로 확장하였다.
가설 설정
제안하는 MIMC R-HWMP 에서 인터페이스의 수는 참고문헌 [7]에서 가정한 것과 같이 3개로 고정하고, 각 인터페이스 별로 서로 겹치지 않는 하나의 채널을 고정 적으로 할당하여 사용함을 가정한다. 또한 각 채널에서 사용 가능한 여유 슬롯은 채널 간의 공유는 허락되지 않고, 각 플로우에 필요한 슬롯은 선택된 하나의 채널 내에서 예약됨을 원칙으로 한다.
즉 채널 1, 2, 3에서 각 채널의 슬롯 수가 1000이라고 하면, 채널 1의 일부분인 100 슬롯은 시그널링을 위한 컨트롤 슬롯으로 사용되고 나머지 900 슬롯은 데이터 슬롯으로 사용되며, 나머지 채널 2, 3은 1000 슬롯을 모두 데이터 슬롯을 위해 사용된다. 경로 찾기 및 경로 관리를 위한 시그널링에 필요한 컨트롤 슬롯은 고정적으로 할당하며 첫 번째 채널의 일부분이 할당됨을 가정한다.
그림 11과 표 1에서 f1은 플로우 1, …, f6은 플로우 6을 나타내고, 각 플로우가 요청하는 슬롯의 개수는 표 1에서 괄호 안에 나타내었다. 각 플로우는 플로우 1부터 플로우 6까지 순차적으로 요청이 되었다고 가정한다. 플로우 1의 경우 요청하는 슬롯의 수는 200이고 초기 여유 슬롯이 각 채널별, 600, 900, 750이기 때문에, 두 번째 채널에 플로우 1의 200 슬롯이 할당된다.
제안된 MIMC R-HWMP 에 추가적으로 싱글 채널에서의 슬롯 할당 알고리즘을 멀티 채널로 확장하였다. 멀티 인터페이스로 확장된 무선 메쉬 노드는 인터페이스에 채널을 할당하는 알고리즘이 추가적으로 필요하지만, 본 논문에서는 인터페이스의 각 채널은 고정적으로 할당된다고 가정하였으며, 향후 동적인 채널 할당 알고리즘에 대해 연구를 진행할 것이다.
제안 방법
논문에서는 이를 멀티 인터페이스와 멀티 채널 환경에서 사용될 수 있는 MIMC(Multi-Interface Multi-Channel) R-HWMP로 확장하고, 멀티 채널에서슬롯 예약을 수행할 때 필요한 몇 가지 슬롯 할당 알고리즘을 제안하며, 시뮬레이션을 통하여 제안된 프로토콜의 성능을 분석한다.
무선 메쉬 백본망에서 멀티 인터페이스, 멀티 채널의 적절한 활용에 대한 기존 연구와는 달리, IEEE 802.11s MCCA 프로토콜을 멀티 채널에 활용하며 MCCA의 기능을 활용하여 종단간 대역폭을 예약하는 QoS 라우팅 프로토콜 방안을 본 논문에서 새롭게 제안한다.
이번 장에서는 무선 메쉬 네트워크의 표준인 IEEE 802.11s 의 MAC 프로토콜인 MCCA와 라우팅 프로토콜인 HWMP에 대해 소개하고, 기존 HWMP 의 문제점을 보완한 R-HWMP에 대해 기술한다.
본 논문에서 제안하는 종단간 대역폭 예약 프로토콜은 reactive 방식의 RM-AODV(Radio Metric-AODV)[4]를 기반으로 하기 때문에 proactive 방식의 라우팅 프로토콜은 제외하고, reactive 방식의 라우팅 프로토콜에 대해서만 자세히 기술한다.
또한 제안된 프로토콜의 동작을 위하여 기존 HWMP 에서 사용하는 PREQ, PREP, PERR 메시지에 TSpec, RSpec을 기입할 수 있는 필드와 SMT(Slot Map Table), 그리고 플로우의 ID 필드, 마지막으로 예약이 실패했음을 알릴 수 있는 Reservation_Failed 필드를 PERR 메시지에 추가한다. 이로써 모든 메쉬 노드는 SMT를 이용하여 자신이 사용할 수 있는 유휴 슬롯 (idle slots)을 계산할 수 있고, 이 값은 경로 찾기 과정에서 가용 대역폭의 유무를 검사할 때 사용하게 된다.
앞 절에서 언급한 RM-AODV의 경로 찾기 과정과 유사한 방식으로 메쉬 노드들은 경로 찾기를 수행하면서 reverse 경로(목적지에서 송신지로의 경로)를 생성할 때, 대역폭 예약이 가능한 지를 점검하고 수락제어를 수행한다. 이때 예약을 수행하지는 않으며 목적지에서 PREP를 송신자 쪽으로 보내면서 forward 경로를 생성할 때, 다시 한 번 예약이 가능한 지 수락제어를 하고, 이때 가능하다면 필요한 대역폭 예약을 수행하게 한다.
11s 표준에서 1 슬롯의 크기를 32㎲로 규정하고 있으므로, 100 슬롯을 컨트롤 슬롯으로 할당한다면 최대 2400 바이트만큼 전송이 가능하다. PREQ, PREP, PERR 메시지의 크기는 그림 6의 Target Count 필드 값, 그림 6, 7의 SMT 크기, 그림 8의 Reason Code 필드 값에 따라 가변적이기는 하지만, 메쉬 노드의 인터페이스 수가 3개이고, 채널이 3개인 경우에는 그 크기가 최대 수십 바이트 내외이기 때문에본 논문에서 컨트롤 슬롯을 여유있게 100 슬롯으로 결정하였다.
PREQ 메시지를 전송하고 PREP 메시지를 기다리고 있는 송신지는 일정 lifetime 동안 PREP 메시지가 수신되지 않으면 예약이 실패하였음을 인지하고, 다시 한번 PREQ 메시지를 브로드캐스팅함으로 새로운 경로를 찾는 과정을 반복 수행한다. 송신 노드가 7번 예약을 시도한 후 경로 선택에 최종적으로 실패하면 전송을 취소하거나 경쟁 기반의 예약 없이 보내는 방안을 시도한다.
제안된 MIMC R-HWMP 의 경로 관리 알고리즘은첫 번째 채널의 컨트롤 슬롯을 사용한 주기적인 관리용 HELLO 메시지의 브로드캐스팅을 통하여 수행된다. HELLO 메시지 내에 각 채널의 SMT를 포함하여 광고하고, 메쉬 노드의 이동이나 링크의 변경에 따른 링크의 상황을 광고한다.
제안된 MIMC R-HWMP 의 경로 관리 알고리즘은첫 번째 채널의 컨트롤 슬롯을 사용한 주기적인 관리용 HELLO 메시지의 브로드캐스팅을 통하여 수행된다. HELLO 메시지 내에 각 채널의 SMT를 포함하여 광고하고, 메쉬 노드의 이동이나 링크의 변경에 따른 링크의 상황을 광고한다. 이를 수신한 모든 주변 메쉬 노드 들은 자신의 SMT의 업데이트를 수행하고 이에 따른 여유 슬롯의 수를 재계산한다.
멀티 채널에서의 슬롯 할당 알고리즘으로 first fit 알고리즘을 제안한다. First fit 알고리즘은 채널이 n개인 경우, 어떤 채널에서 best/random fit 알고리즘을 적용할 것인지 먼저 결정을 하고, 그 후 해당 슬롯 할당 알고리즘을 적용한다.
먼저 여유 슬롯이 가장 많은 채널에 대하여 best fit 알고리즘을 적용하여 슬롯을 할당할 수 있는 지 검사하고, 있다면 그곳에 할당하고 알고리즘은 종료되며, 그렇지 않다면 다음으로 여유 슬롯이 많은 채널로 이동하여 best fit 알고리즘을 반복 수행한다. 그림 11과 표 1에서 f1은 플로우 1, …, f6은 플로우 6을 나타내고, 각 플로우가 요청하는 슬롯의 개수는 표 1에서 괄호 안에 나타내었다.
제안된 MIMC R-HWMP 의 성능을 분석하기 위해 메쉬 노드 4개를 체인 형태(0-1-2-3)로 구성하였다. 각 노드가 가지고 있는 인터페이스와 채널의 수는 3으로 고정하였으며, 노드 간 링크의 대역폭은 6Mbps로 설정하였다.
제안된 프로토콜을 적용하지 않은 멀티 인터페이스 멀티 채널 노드에서의 채널 선택은 각 플로우별로 라운드 로빈 방식으로 선택되도록 하였다.
다음은 제안된 프로토콜의 종단간 대역폭 보장을 검증하기 위하여 멀티 인터페이스 환경에서 6개의 플로우 중 3개의 플로우는 제안된 프로토콜을 사용하여 대역폭 예약을 수행하고 나머지 3개의 플로우는 예약을 수행하지 않는 경우에서 실험을 수행하였다. 각 플로우는 CBR 1Mbps를 생성하여 0번 노드에서 3번 노드로전송하였다.
본 논문에서는 선행 연구인 종단간 대역폭 보장을 위한 R-HWMP 라우팅 프로토콜을 멀티 인터페이스, 멀티 채널을 지원할 수 있도록 확장하였다. 제안된 MIMC R-HWMP 에 추가적으로 싱글 채널에서의 슬롯 할당 알고리즘을 멀티 채널로 확장하였다. 멀티 인터페이스로 확장된 무선 메쉬 노드는 인터페이스에 채널을 할당하는 알고리즘이 추가적으로 필요하지만, 본 논문에서는 인터페이스의 각 채널은 고정적으로 할당된다고 가정하였으며, 향후 동적인 채널 할당 알고리즘에 대해 연구를 진행할 것이다.
R-HWMP의 경로 찾기 과정은 RM-AODV와 유사하게 동작하지만, 경로를 찾기 위한 메트릭으로 가용 대역폭 (available bandwidth)을 검사하고, 해당 대역폭에 따른 수락 제어 (admission control)을 수행하는 큰 차이점을 가진다. 이에 유선망에서 제안된 RSVP (Reservation Protocol)[6]에서 사용하는 TSpec, RSpec을 수정하여 제안된 프로토콜에 적용하였다. 제안된 프로토콜에서 사용되는 TSpec은{Token_Bucket_Rate, Token_Bucket_Size, Burst_ Time, Idle_Time, Packet_Size}, RSpec은 {Needed_ Slots}으로 정의한다.
이론/모형
송신지에서 요구 대역폭의 슬롯의 수를 도출하기 위해서는 R-HWMP 에서 사용된 다음과 수식 (1)을 사용한다.
즉 3개의 인터페이스를 통한 가용 대역폭이 싱글 인터페이스일 때보다 약 3배 정도 향상되었다. 또한 각 플로우는 CBR 1Mbps 로 생성하고, 패킷의 크기는 1000 바이트로 하였으며, 슬롯 할당 알고리즘은 III.5절에서 제안한 first-fit 알고리즘을 사용하였다.
성능/효과
각 노드가 가지고 있는 인터페이스와 채널의 수는 3으로 고정하였으며, 노드 간 링크의 대역폭은 6Mbps로 설정하였다. 즉 3개의 인터페이스를 통한 가용 대역폭이 싱글 인터페이스일 때보다 약 3배 정도 향상되었다. 또한 각 플로우는 CBR 1Mbps 로 생성하고, 패킷의 크기는 1000 바이트로 하였으며, 슬롯 할당 알고리즘은 III.
각 플로우는 CBR 1Mbps를 생성하여 0번 노드에서 3번 노드로전송하였다. 실험 결과는 그림 14와 같으며 제안된 프로토콜을 사용하여 대역폭 예약이 수행된 3개의 플로우는 1Mbps의 대역폭을 모두 만족하고, 나머지 3개의 플로우는 그림 13의 상단 그래프에 나타낸 싱글 인터페이스에서 트래픽 처리율과 비슷하게 보이는 것을 알수 있다.
위의 실험 결과들을 토대로 싱글 인터페이스를 멀티 인터페이스로 확장한 경우 제안된 프로토콜인 MIMC R-HWMP를 통하여 대역폭 예약을 수행하면 성능 보장이 이루어지면서 좀 더 많은 플로우들을 수용할 수있다는 것을 알 수 있다.
제안된 MIMC R-HWMP는 멀티 인터페이스에 IEEE 802.11s MCCA MAC 프로토콜을 적용한 최초의 프로토콜이며, 이를 활용할 경우 무선 메쉬 노드가 멀티 인터페이스를 장착한 경우에도 MCCA 가 제공하는 대역폭 보장을 제공받을 수 있고, 제안된 프로토콜을 통하여 종단간의 멀티 인터페이스를 통한 대역폭을 보장할 수 있다. 향후 멀티 인터페이스가 장착된 무선 메쉬 노드로 구성된 메쉬 네트워크가 구축된다면 제안된 프로토콜을 사용하여 대역폭 보장의 QoS를 제공할 수 있을 것으로 생각한다.
후속연구
또한 각 채널에서 사용 가능한 여유 슬롯은 채널 간의 공유는 허락되지 않고, 각 플로우에 필요한 슬롯은 선택된 하나의 채널 내에서 예약됨을 원칙으로 한다. 향후 각 인터페이스에 동적으로 채널을 할당하는 방안이 연구되어야 하며, 각 채널 별 슬롯을 공유하여 사용하는 슬롯 할당 알고리즘 등이 추가적으로 연구되어야 한다. 본 논문에서는 싱글 인터페이스를 멀티 인터페이스로 확장함으로 링크의 가용 대역폭 증가에 따른 성능 분석에 초점을 맞추며, 또한 기존 연구들에서 시도하지 않았던 MCCA를 멀티 인터페이스에 적용하는 데 의의를 둔다.
멀티 채널에서의 random fit 알고리즘도 best fit과 동일한 방식으로 수행된다. 즉 멀티 채널 환경에서 각 채널은 독립적으로 동작하고, 채널 간의 슬롯의 공유는 허락되지 않다고 가정한 것이며, 채널 간의 슬롯을 공유하여 할당하는 방식은 향후 연구 이슈로 남겨 둔다.
향후 멀티 인터페이스 멀티 채널 환경의 무선 메쉬 네트워크가 구축되었을 때 선행 연구로 제안된 R-HWMP와 본 논문에서 제안된 MIMC R-HWMP를 활용하면 실시간 멀티미디어 응용들에 대한 종단간 대역폭을 효과적으로 제공할 수 있을 것이다.
11s MCCA MAC 프로토콜을 적용한 최초의 프로토콜이며, 이를 활용할 경우 무선 메쉬 노드가 멀티 인터페이스를 장착한 경우에도 MCCA 가 제공하는 대역폭 보장을 제공받을 수 있고, 제안된 프로토콜을 통하여 종단간의 멀티 인터페이스를 통한 대역폭을 보장할 수 있다. 향후 멀티 인터페이스가 장착된 무선 메쉬 노드로 구성된 메쉬 네트워크가 구축된다면 제안된 프로토콜을 사용하여 대역폭 보장의 QoS를 제공할 수 있을 것으로 생각한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
무선 메쉬 네트워크는 애드혹 네트워크와 유사한 특징으로 인해 어떤 장점이 있는가?
무선 메쉬 네트워크는 애드혹 네트워크와 유사하게 동적으로 자가 구성(self-organized), 자가 설정 (self-configured)되며, 네트워크 내의 모든 노드는 그들 간의 메쉬 연결을 만들고 관리한다. 이와 같은 특징 때문에 무선 메쉬 네트워크는 적은 초기 구축 비용과 손쉬운 네트워크 관리, 네트워크 강인성, 신뢰성 있는 서비스 반경을 제공할 수 있다[1].
R-HWMP의 한계점은?
이에 종단간의 대역폭 예약을 수행하는 QoS 라우팅 프로토콜인 R-HWMP (Reservation-based HWMP)가 제안되었다[3]. 그러나 이 또한 인터페이스와 채널이 한 개인 경우에 한정되어서만 사용이 가능한 제약이 있다.
무선 메쉬 기술의 표준은 물리 계층의 통신 표준과 MAC 계층의 표준으로 무엇을 권고하고 있는가?
무선 메쉬 기술의 표준으로 IEEE 802.11s[2]가 2011년 제정되었고, 이 표준은 물리 계층의 통신 표준과 MAC 계층의 표준으로 EDCA(Enhanced Distributed Channel Access)와 MCCA(MCF Controlled Channel Access)를 권고하고 있다. EDCA 는 IEEE 802.
참고문헌 (8)
I. F. Akyildiz, X. Wang, and W. Wang, "Wireless mesh networks: a survey," Comput. Networks, vol. 47, no. 4, pp. 445-487, Mar. 2005.
"Specific requirements Part 11 : Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) specifications Amendment 10 : Mesh Networking." IEEE Standard 802.11s-2011.
W. J. Jung, S. H. Min, B. G. Kim, H. S. Choi, J. Y. Lee, and B. C. Kim, "R-HWMP: Reservation-based HWMP supporting end-to-end QoS in Wireless Mesh Networks," in The International Conference on Information Networking 2013 (ICOIN), 2013, pp. 385-390.
L. Feng, Z. Qian, and D. Jin, "Performance analysis of IEEE 802.11s wireless mesh network on RM-AODV path selection protocol," in 2011 IEEE 3rd International Conference on Communication Software and Networks, 2011, pp. 135-139.
S. Das, E. Belding-Royer, and C. Perkins, "Ad hoc on-demand distance vector (AODV) routing," IETF RFC 3561, 2003.
J. Wroclawski, "The Use of RSVP with IETF Integrated Services Status," IETF RFC 2210, 1997.
R. Draves, J. Padhye, and B. Zill, "Routing in multi-radio, multi-hop wireless mesh networks," Proc. 10th Annu. Int. Conf. Mob. Comput. Netw. - MobiCom '04, p. 114, 2004.
C. Cicconetti, L. Lenzini, and E. Mingozzi, "Scheduling and Dynamic Relocation for IEEE 802.11s Mesh Deterministic Access," in 2008 5th Annual IEEE Communications Society Conference on Sensor, Mesh and Ad Hoc Communications and Networks, 2008, vol. 19, pp. 19-27.
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