[논문]무선 멀티 홉 환경에서 ARQ를 통한 재전송 지속성 관리 기법

오봉환; 김석규; 이재용

doi:10.7840/kics.2014.39b.10.674

무선 멀티 홉 환경에서 ARQ를 통한 재전송 지속성 관리 기법
Retransmission Persistence Management with ARQ in Multi-Hop Wireless Network 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 네트워크 및 서비스, v.39B no.10, 2014년, pp.674 - 683

오봉환 (Yonsei University, Department of Electrical and Electronic Engineering) , 김석규 (Andong University, Department of Information Communication Engineering) , 이재용 (Yonsei University, Department of Electrical and Electronic Engineering)

초록
AI-Helper

무선 통신 기술이 점점 발전함에 따라 이제는 하나의 전송 경로 안에 다중의 무선 구간이 존재하는 무선 멀티홉 환경이 점점 일반화 되고 있다. ARQ는 무선 구간에서 사용되는 가장 일반적인 프로토콜로서 무선 링크에서 발생하는 패킷 손실을 복구함으로써 무선 구간의 성능을 보장한다. 하지만 ARQ는 근원적으로 자신이 속한 무선링크의 성능만을 보장하기 때문에 다중의 무선 구간이 존재할 경우에는 전체 성능을 보장하는데 문제가 생길 수 있다. 따라서 본 논문에서는 무선 멀티 홉 환경에서 전체 전송 경로의 성능을 보장하기 위한 재전송 지속성 관리기법을 제안한다. 제안된 방법은 무선 멀티 홉 환경에서 ARQ간의 링크 정보 교환을 통해 ARQ 스스로 무선 병목링크를 인지하고 이에 따라 재전송 지속성을 조절함으로써 전체 성능을 보장한다. OPNET 시뮬레이터를 통해 제안된 방법이 전체 무선구간의 요구조건 안에서 전체 성능을 향상시키는 것을 확인 할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Multi-hop wireless networks has become common phenomenon according to a development of wireless communications and an increase of usage of wireless link. ARQ is one of the common protocols in link layer and can improve a link performance recovering packet loss in wireless link. However, ARQ cannot sufficient to assure a end-to-end performance because ARQ only manages the ARQ's own link. In this paper, we propose a new retransmission persistence for ARQ in multi-hop wireless network to satisfy the end-to-end performance. The proposed scheme can aware a bottleneck link according to the exchange of link information between ARQs and can support the end-to-end performance by managing a retransmission persistence. OPNET simulator is used to evaluate the performance of the proposed scheme and results show that proposed scheme can improve the end-to-end performance with satisfying a requirement of entire wireless section.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문은 다중 무선 홉 환경에서 전체 무선 경로의 성능을 보장하기 위해서 ARQ 간의 재전송 지속성 관리 기법에 대해 제안하였다. 제안된 방법은 ARQ간의 링크 정보 교환 방법을 통해서 무선 병목 링크를 인지하게 되고 이를 통해 요구되는 전체 무선 링크 delay 요구조건을 만족시키면서 전송률 성능 향상을 위한 재전송 지속성을 변화하였다.
본 절에서 제안하려는 방법의 목적은 무선 링크 중에서 요구조건을 만족시키기 위한 또는 전체 성능을 향상에 가장 효율적인 링크를 찾아내기 위한 것이다. 일반적으로 전체 경로의 throughput의 경우 병목 링크의 성능에 의해 결정되어지고 또한 queueing delay와 같이 전송 지연으로 인해 발생되는 추가적인 dealy는 병목 링크의 delay에서 가장 많이 발생되어 진다.
이와 같은 문제를 해결하기 위해서 본 논문에서는 무선 멀티 홉 환경에서 ARQ를 통해 종단간의 성능을 만족시키기 위한 협력 재전송 지속성 관리 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 ARQ 정보 교환 방법을 통해 ARQ 간의 링크 정보를 서로 공유하고 이를 통해 각각의 ARQ들이 스스로 병목 링크를 인지하여 재전송 지속성을 조절함으로써 전체 성능을 보장한다.
제안된 방법 주된 목적은 각각의 ARQ가 전체 무선 링크의 요구조건을 만족하면서 최대한의 성능을 제공하기 위해 자신의 재전송 지속성을 자신의 무선 링크 상태와 다른 무선 링크 상태에 따라서 조절하는데 있다. 제안된 방법은 크게 2가지 동작으로 구성되어 있다.

제안 방법

먼저 전송 구간의 요구되는 delay를 만족시키기 위해서, 제안된 방법은 ARQ에서 Dc가 요구되는 delay를 초과하는 경우 만에 동작이 수행된다. ARQ는 위의 절에서 설명한 협력적 방법을 통해 Dc을 계산하고 이 값이 Dr를 넘게 되면 delay control ACK를 만들어서 전송하게 된다.
link layer에서는 앞서 언급한데로 ARQ가 사용되었으며, 사용된 ARQ는 가장 기본이 되는 simple HARQ를 사용하였다. 무선 구간에 요구되는 delay는 100ms부터 200ms 까지 변화하면서 실험을 진행하였으며, delay 문턱의경우 요구되는 delay의 반의 값을 사용하였다. 전체 무선 구간에서의 프레임 손실률(FER)을 일정하게 유지하면서 각각의 무선링크의 프레임 손실률이 변경되게 함으로써, 프레임 손실률에 따라 병목 링크가 바뀔수 있게 실험을 진행하였다.
전체 무선 구간에서의 프레임 손실률(FER)을 일정하게 유지하면서 각각의 무선링크의 프레임 손실률이 변경되게 함으로써, 프레임 손실률에 따라 병목 링크가 바뀔수 있게 실험을 진행하였다. 성능 비교를 위해 제안된 방법은 최대 재전송 지속성을 5까지 최하로 2까지 내를 수 있게 설정하였다. 나머지 시뮬레이션 파라미터들은 표 1에 정리하였다.
각각의 무선 구간에는 ARQ가 사용되었다. 이러한 환경에서 제안된 방법은 무선 구간에 있는 각각의 ARQ에서 동작을 하게 하였다. 성능의 비교를 위해 기존의 ARQ의 경우 재전송의 지속성을 고정된 값(2,5)을 가지고 동작을 수행하였다.
협력적 재전송 지속성 관리 기법의 주된 목적은 전체 무선 구간에서 요구되는 delay(Dr)를 만족시키면서 최대한의 전송률(throughput) 성능을 가지게 하는 것이다. 이를 수행하기 위해서 제안된 방법은 요구되는 delay를 넘어서지 않으면서 재전송 지속성을 최대화하기 위해 동작한다. 이를 만족시키기 위해 모든 ARQ들은 요구되는 delay를 충분히 만족할 수 있는 경우 재전송 지속성을 증가시키고 요구되는 delay를 만족시키지 못하는 경우 재전송 지속성을 줄이게 된다.
무선 구간에 요구되는 delay는 100ms부터 200ms 까지 변화하면서 실험을 진행하였으며, delay 문턱의경우 요구되는 delay의 반의 값을 사용하였다. 전체 무선 구간에서의 프레임 손실률(FER)을 일정하게 유지하면서 각각의 무선링크의 프레임 손실률이 변경되게 함으로써, 프레임 손실률에 따라 병목 링크가 바뀔수 있게 실험을 진행하였다. 성능 비교를 위해 제안된 방법은 최대 재전송 지속성을 5까지 최하로 2까지 내를 수 있게 설정하였다.
그림 1. 제안된 ARQ간의 정보 교환 방법.
이와 같은 문제를 해결하기 위해서 본 논문에서는 무선 멀티 홉 환경에서 ARQ를 통해 종단간의 성능을 만족시키기 위한 협력 재전송 지속성 관리 방법을 제안하였다. 제안된 방법은 ARQ 정보 교환 방법을 통해 ARQ 간의 링크 정보를 서로 공유하고 이를 통해 각각의 ARQ들이 스스로 병목 링크를 인지하여 재전송 지속성을 조절함으로써 전체 성능을 보장한다. 또한 무선 구간의 요구조건에 따라 요구조건을 만족시키면서 성능을 향상시킨다.
본 논문은 다중 무선 홉 환경에서 전체 무선 경로의 성능을 보장하기 위해서 ARQ 간의 재전송 지속성 관리 기법에 대해 제안하였다. 제안된 방법은 ARQ간의 링크 정보 교환 방법을 통해서 무선 병목 링크를 인지하게 되고 이를 통해 요구되는 전체 무선 링크 delay 요구조건을 만족시키면서 전송률 성능 향상을 위한 재전송 지속성을 변화하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안된 방법은 제안된 요구 delay 조건에 따라 재전송 지속성을 변화시켜 가면서 전체 무선 구간에서 요구되는 delay 성능을 만족시키면서 delay 성능의 향상으로 인한 전송률 성능 저하를 최소화 하였다.

성능/효과

그림에서 persistence 2로 나타낸 결과는 재전송 지속성을 2로 고정한 기존의 ARQ 결과이고 persistence 5로 나타낸 결과를 재전송 지속성을 5로 고정한 ARQ의 결과이다. 결과를 확인해보면 persistence 2의 결과가 delay의 성능이 가장 좋은 것을 알 수 있다. 이러한 이유는 가장 적은 재전송 지속성을 가지고 있기 때문에 FER로 인해 발생하는 delay 가 가장 적기 때문이다.
비록 더 신뢰성 있는 복구로 인해 전송률의 성능은 향상 시킬 수 있지만 제안된 요구조건을 만족시키지는 못한다. 결과에서 보는 바와 같이, 제안된 방법은 요구되는 delay와 persistence 2 사이의 결과를 가진다. 제안된 방법의 경우 전체 무선 경로가 요구되는 delay을 넘는 경우 무선 경로 delay가 요구되는 delay보다 낮아질 때 까지 재전송 지속성을 낮추기 때문에 평균 delay는 요구되는 delay를 넘지 않게 된다.
위의 결과들은 종합해보면, 기존의 고정된 방법과는 달리 제안된 방법은 요구되는 delay 조건을 만족시키면서 최대한의 전송률 성능을 향상시키는 것을 확인 할 수 있다. 그리고 요구되는 delay 조건이 달라짐에 따라 전송률의 성능의 감소는 존재하지만 전체 무선경로의 delay 성능의 향상으로 인해 요구되는 delay 조건을 만족시키는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 제안된 방법은 링크의 프레임 손실율의 변화에 따라 그리고 요구되는 delay 조건을 만족시키기 위해 링크의 재전송 지속성을 변화시켜가면서 전체 무선 경로의 성능을 조절하는 것을 확인 할 수 있다.
그리고 요구되는 delay 조건이 달라짐에 따라 전송률의 성능의 감소는 존재하지만 전체 무선경로의 delay 성능의 향상으로 인해 요구되는 delay 조건을 만족시키는 것을 확인 할 수 있었다. 따라서 제안된 방법은 링크의 프레임 손실율의 변화에 따라 그리고 요구되는 delay 조건을 만족시키기 위해 링크의 재전송 지속성을 변화시켜가면서 전체 무선 경로의 성능을 조절하는 것을 확인 할 수 있다. 또한 기존의 방법과 동일한 상황에서의 동작을 통해 제안된 방법의 오버헤드가 그리 크지 않은 것을 확인 할 수 있다.
따라서 제안된 방법은 링크의 프레임 손실율의 변화에 따라 그리고 요구되는 delay 조건을 만족시키기 위해 링크의 재전송 지속성을 변화시켜가면서 전체 무선 경로의 성능을 조절하는 것을 확인 할 수 있다. 또한 기존의 방법과 동일한 상황에서의 동작을 통해 제안된 방법의 오버헤드가 그리 크지 않은 것을 확인 할 수 있다. 또한 실제로 무선 구간이 늘어나는 경우 무선구간의 증가로 인해 발생하는 딜레이의 증가하게 될 것이고 이에 따라 전체 요구조건을 만족시키기 위해 각각의 ARQ의 재전송 지속성이 줄어들 수 있다.
시뮬레이션 결과를 통해 제안된 방법은 제안된 요구 delay 조건에 따라 재전송 지속성을 변화시켜 가면서 전체 무선 구간에서 요구되는 delay 성능을 만족시키면서 delay 성능의 향상으로 인한 전송률 성능 저하를 최소화 하였다. 또한 요구되는 delay 조건이 변화됨에 따라 제안된 방법은 그에 적응하는 것을 확인 할 수 있었다. 제안된 방법을 통해 다중 무선 구간에서도 요구되는 delay을 보장이 가능하게 될 것이다.
이렇게 같은 성능을 가지는 경우는 그림11에서와 같이 요구되는 delay의 조건이 충분해서 최대한 재전송 지속성을 올려 동작되기 때문이다. 또한 이 결과를 통해 제안된 방법 통해서도 기존의 방법과 거의 유사한 성능을 얻을 수 있기 때문에 제안된 방법으로 인한 오버헤드가 무시할만한 수준이라는 것을 확인 할 수 있다.
제안된 방법은 ARQ간의 링크 정보 교환 방법을 통해서 무선 병목 링크를 인지하게 되고 이를 통해 요구되는 전체 무선 링크 delay 요구조건을 만족시키면서 전송률 성능 향상을 위한 재전송 지속성을 변화하였다. 시뮬레이션 결과를 통해 제안된 방법은 제안된 요구 delay 조건에 따라 재전송 지속성을 변화시켜 가면서 전체 무선 구간에서 요구되는 delay 성능을 만족시키면서 delay 성능의 향상으로 인한 전송률 성능 저하를 최소화 하였다. 또한 요구되는 delay 조건이 변화됨에 따라 제안된 방법은 그에 적응하는 것을 확인 할 수 있었다.
그림 9의 delay 성능을 보면 기존의 ARQ의 방법 달리 제안되는 방법은 요구되는 delay가 변하게 되면 그에 따라 전체 무선 링크의 delay 성능이 변하게 된다. 요구되는 delay가 내려감에 따라 제안된 방법 또한 delay 성능을 향상시킴으로 요구되는 delay를 만족시키는 것을 확인할 수 있다. 기존의 ARQ 방법은 이전과 똑같은 delay 성능을 가지게 된다.
이후 전송률 병목 링크가이 ACK를 받게 되면 자신의 링크의 RP와 ACK의 RP를 비교하게 되고 자신의 RP가 ACK의 RP보다 작거나 같게 되면 자신의 재전송 지속성을 1씩 증가시키게 된다. 위와 같은 동작을 수행함으로써 제안된 방법은 요구되는 Dr를 만족시키면서 재전송 지속성을 증가하게 함으로 최대한의 전송률의 성능을 보장하게 한다.
위의 결과들은 종합해보면, 기존의 고정된 방법과는 달리 제안된 방법은 요구되는 delay 조건을 만족시키면서 최대한의 전송률 성능을 향상시키는 것을 확인 할 수 있다. 그리고 요구되는 delay 조건이 달라짐에 따라 전송률의 성능의 감소는 존재하지만 전체 무선경로의 delay 성능의 향상으로 인해 요구되는 delay 조건을 만족시키는 것을 확인 할 수 있었다.
. 이 연구들은 공통적으로 네트워크 상황에 따라 재전송 지속성을 관리하는 방법에 대해서 제안하고 있으며 이것이 재전송 지속성을 고정하는 방식보다더 좋은 성능을 얻을 수 있다는 것을 보였다. 하지만 이러한 연구들이 ARQ의 동작을 통해서 전체 성능을 향상 시킬 수 있었던 이유 중의 하나는 전체 구간에서 무선 구간을 one-hop wireless 구간으로 가정했기 때문이다.
이에 따른 평균 전송률은 그림 10에서 보는바와 같다. 제안된 방법은 이전의 상황보다 전송률의 성능이 감소하였다. 이렇게 성능이 감소한 이유는 딜레이의 성능의 향상을 위해 재전송 지속성을 감소시켰기 때문이다.
반대로 persistence 5의 경우에는 많은 프레임의 손실을 복구 할 수 있기 때문에 링크의 프레임 손실을 줄여줌으로써 높은 전송률을 가지는 것을 확인 할 수 있다. 제안된 방법의 경우 persistence 5의 경우보단 적은 전송률을 가지지만 persistence 2보단 더 높은 전송률 성능을 가지는 것을 확인 할 수 있다.
그림 7, 8의 결과를 종합해 보면 고정된 재전송 지속성 방법을 사용할 경우 전송률의 성능 이득 또는 전송 delay의 이득에 따른 trade off 관계가 성립하게 된다. 제안된 방법의 경우 요구되는 delay를 만족시키면서, 즉 delay 성능을 향상시키지만 그에 따른 전송률 성능의 저하를 최대한 방지하는 것을 확인 할 수 있다.

후속연구

또한 요구되는 delay 조건이 변화됨에 따라 제안된 방법은 그에 적응하는 것을 확인 할 수 있었다. 제안된 방법을 통해 다중 무선 구간에서도 요구되는 delay을 보장이 가능하게 될 것이다. 추후에는 좀 더 다양한 실험 환경에 따른 성능 평가와 추가적인 알고리즘 분석을 통해 성능을 더 향상시키기 위한 연구를 추가적으로 수행할 예정이다.
제안된 방법을 통해 다중 무선 구간에서도 요구되는 delay을 보장이 가능하게 될 것이다. 추후에는 좀 더 다양한 실험 환경에 따른 성능 평가와 추가적인 알고리즘 분석을 통해 성능을 더 향상시키기 위한 연구를 추가적으로 수행할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ARQ의 재전송 지속성은 무엇인가?	ARQ의 복구 성능에 가장 큰 영향을 미치는 것은 ARQ의 재전송 지속성이다. ARQ의 재전송 지속성은 전송되는 데이터 frame이 손실 되었을 경우 손실된 frame를 복구하기 위해서 허용되는 재전송 횟수를 의미한다. 따라서 재전송 지속성이 높은 경우에는 반복된 frame 손실이 일어나도 충분한 시간을 가지고 복구를 수행할 수 있으나 이에 따른 복구 시간이 필요하게 되어 전체 경로의 딜레이 성능이 나빠진다.
	ARQ의 복구 성능에 가장 큰 영향을 미치는 것은 무엇인가?	ARQ의 복구 성능에 가장 큰 영향을 미치는 것은 ARQ의 재전송 지속성이다. ARQ의 재전송 지속성은 전송되는 데이터 frame이 손실 되었을 경우 손실된 frame를 복구하기 위해서 허용되는 재전송 횟수를 의미한다.
	ARQ의 재전송 지속성이 큰 값을 가지는 경우에는 어떤 장점이 있는가?	ARQ의 재전송 지속성이 큰 값을 가지는 경우에는 다음과 같은 장점을 가질 수 있다. 링크의 높은 패킷 손실률에도 불구하고 충분한 재전송으로 패킷을 복구하여 무선 구간에서의 패킷 손실을 줄일 수가 있다. 이는 상위 layer 특히 transport layer의 congestion control의 감소를 방지하여 전체 성능의 향상을 가져올 수 있다. 하지만 단점으로는 복구하는데 소요되는 추가적인 delay가 발생되게 되고 이러한 현상은 단지 링크의 delay를 증가 시키는 것뿐만 아니라 전체 경로의 delay (RTT)에도 영향을 미치게 되어 상위 layer에서 네트워크를 예측하는데 어려움을 겪게 한다.

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상세보기
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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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