이성로
(Mokpo National University Department of Information & Electronics Engineering)
,
김범무
(Mokpo National University Department of Electronics Engineering)
,
권장우
(Inha University Department of Computer Science & Information Technology)
,
정민아
(Mokpo National University Department of Computer Engineering)
,
김진우
(Mokpo National University Institute Research of Information Science and Engineering)
본 논문에서는 디바이스의 이동으로 인한 WiMedia 네트워크의 성능 저하를 개선하기 위한 릴레이 통신 기법을 제안하였다. WiMedia 프로토콜은 고속의 전송속도를 지원하기 때문에, 선박 네트워크(Ship AreaNetwork)등과 같은 환경에서 고속의 전송률을 요구하는 실시간 멀티미디어 서비스 제공과 같은 응용분야에 적합하다. 하지만, 디바이스의 이동은 네트워크 토폴로지와 디바이스간 링크 상태의 급격한 변화를 야기하며, 네트워크의 성능 저하의 원인이 되기도 한다. 본 논문에서는 기존의 WiMedia 프로토콜에서는 채널의 링크 상태 변화를 적절하게 대처하지 못하여 발생하는 네트워크 성능저하를 해결하는 릴레이 통신 기법을 제안하였다.
본 논문에서는 디바이스의 이동으로 인한 WiMedia 네트워크의 성능 저하를 개선하기 위한 릴레이 통신 기법을 제안하였다. WiMedia 프로토콜은 고속의 전송속도를 지원하기 때문에, 선박 네트워크(Ship Area Network)등과 같은 환경에서 고속의 전송률을 요구하는 실시간 멀티미디어 서비스 제공과 같은 응용분야에 적합하다. 하지만, 디바이스의 이동은 네트워크 토폴로지와 디바이스간 링크 상태의 급격한 변화를 야기하며, 네트워크의 성능 저하의 원인이 되기도 한다. 본 논문에서는 기존의 WiMedia 프로토콜에서는 채널의 링크 상태 변화를 적절하게 대처하지 못하여 발생하는 네트워크 성능저하를 해결하는 릴레이 통신 기법을 제안하였다.
In this paper, a relay communication scheme for enhancing the WiMedia network performance by device's mobility is proposed. WiMedia protocol is suitable for the application that supports the real-time multimedia service in Ship Area Network since it supports high speed data transfer. However, the de...
In this paper, a relay communication scheme for enhancing the WiMedia network performance by device's mobility is proposed. WiMedia protocol is suitable for the application that supports the real-time multimedia service in Ship Area Network since it supports high speed data transfer. However, the device's mobility is caused the dramatic change of link state and network topology, and is occurred the degradation of network performance. Therefore, a relay communication scheme for WiMedia network is proposed in this paper. The proposed technique can intelligently treat the change of link state, and solve the degradation of network performance.
In this paper, a relay communication scheme for enhancing the WiMedia network performance by device's mobility is proposed. WiMedia protocol is suitable for the application that supports the real-time multimedia service in Ship Area Network since it supports high speed data transfer. However, the device's mobility is caused the dramatic change of link state and network topology, and is occurred the degradation of network performance. Therefore, a relay communication scheme for WiMedia network is proposed in this paper. The proposed technique can intelligently treat the change of link state, and solve the degradation of network performance.
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문제 정의
특히, 사람들의 이동이 빈번한 선박 네트워크 환경에서는 이러한 디바이스 이동에 의한 링크 상태의 악화가 자주 발생하게 된다. 따라서, 본 논문에서는 WiMedia 네트워크를 형성하는 주변 디바이스들을 중계 장치로 이용하여, 장애물이나 링크 상태의 저하를 회피함으로써 링크 단절 및 네트워크 성능 저하를 해결하는 릴레이 통신 기법을 제안한다. 또한, 제안하는 알고리즘은 주변 노드들 중에서 가장 채널 상태가 좋은 노드를 통해 데이터를 전달할 수 있는 장애물 및 링크상태의 저하를 회피하기 위한 디바이스간 무선 통신 기법을 제공한다.
하지만, 이 경우, 한 슈퍼프레임 구간 내에서 자원예약이 완료된다는 보장이 없다. 따라서, 본 논문에서는 자원 예약에 필요한 시간을 단축시키기 위한 새로운 자원 예약 기법을 제안한다.
이웃 디바이스들로부터 Relay Response IE를 포함한 비컨 프레임을 수신하면, 릴레이 통신에 필요한 총 전송 시간을 계산한 후 비교하여 가장 적은 전송시간을 갖는 이웃 디바이스를 릴레이 디바이스로 선택한다. 릴레이 디바이스가 전송한 Relay Response IE의 DRP Availability bitmap 필드를 확인하여 예약 가능한 자원이 있는지 확인한다. 없을 경우 다른 이웃 디바이스를 릴레이 디바이스로 선택한다.
본 논문에서는 WiMedia 네트워크를 형성하는 주변 디바이스들을 중계 장치로 이용하여, 디바이스 이동시 발생할 수 있는 장애물이나 링크 상태의 저하를 회피함으로써 링크 단절 및 네트워크 성능 저하를 해결하는 릴레이 통신 기법을 제안하였다. 특히 제안된 프로토콜에서는 WiMedia 디바이스들 사이의 채널 정보를 이용하여 보다 높은 전송속도를 갖는 전송경로를 선택할 수 있게 한다.
제안 방법
11e와 유사하게 트래픽에 여러 개의 우선순위를 부여하여 QoS를 보장하는 방식을 사용한다. PCA는 CSMA/CA방식을 사용하며, 각각의 트래픽에 네 개의 카테고리를 부여하여, 트래픽의 차별화를 시도하였다.
비트맵에서 1로 설정된 순서와 일치하는 타임 슬롯은 예약이 가능한 구간으로 표현된다. Relay Response IE를 수신한 소스 디바이스는 가장 좋은 링크상태를 갖는 이웃 디바이스를 릴레이 디바이스로 선택하며, 이용 가능한 슈퍼프레임 구간중 일부를 릴레이 통신을 위한 구간으로 예약한다. 릴레이 통신을 위한 구간을 예약하기 위해 소스 디바이스는 Relay Confirm command 프레임을 PCA 구간에서 브로드캐스팅한다.
Relay Response IE를 포함한 비컨 프레임을 수신한 소스 노드는 Relay Response IE를 전송한 디바이스들 중에서 가장 좋은 링크 상태를 갖는 디바이스를 릴레이 노드로 선정하여 릴레이 통신을 수행한다.
특히 제안된 프로토콜에서는 WiMedia 디바이스들 사이의 채널 정보를 이용하여 보다 높은 전송속도를 갖는 전송경로를 선택할 수 있게 한다. 또한 제안한 릴레이 선택기법은 멀티 홉 네트워크 환경에서 노드의 이동으로 인해 발생할 수 있는 간섭이나 충돌을 회피할 수 있다. 또한, 중계 노드가 목적지 노드로 송신 CSI(채널 상태 정보)를 획득하는 과정 없이, 중계 노드로부터 직접 CSI를 획득함으로써, 지연에 민감한 실시간성을 요구 하는 응용에서도 적용할 수 있다.
따라서, 본 논문에서는 WiMedia 네트워크를 형성하는 주변 디바이스들을 중계 장치로 이용하여, 장애물이나 링크 상태의 저하를 회피함으로써 링크 단절 및 네트워크 성능 저하를 해결하는 릴레이 통신 기법을 제안한다. 또한, 제안하는 알고리즘은 주변 노드들 중에서 가장 채널 상태가 좋은 노드를 통해 데이터를 전달할 수 있는 장애물 및 링크상태의 저하를 회피하기 위한 디바이스간 무선 통신 기법을 제공한다.
릴레이 전송 시간은 TS-R과 TR-D 의 합이 된다. 목적지 디바이스에게 도달하는 여러 우회 경로들 중에서 가장 짧은 우회 경로를 갖는 이웃 디바이스를 수율 극대화 관점에서 relay transmission 이 적합하다고 판단하며, 릴레이 디바이스로 선정한다. 또한 릴레이 전송 시간을 결정하는 가장 큰 요인은 데이터 전송속도이며, 디바이스의 데이터 전송속도는 링크 상태에 의해 결정되기 때문에, 가장 높은 전송속도를 갖는 디바이스가 가장 좋은 링크상태를 갖는다고 할 수 있다.
본 절에서는 본 논문에서 제안하는 분산협력방식기반의 WiMedia 프로토콜이 기존에 제안된 WiMedia 프로토콜보다 성능이 향상됨을 제시하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 검증하였다. 시뮬레이션에 사용한 파라미터는 표 3과 같다.
이웃 디바이스들 중 송신 PHY 데이터 전송률이 가장 높은 릴레이 노드를 선택하여 릴레이 전송을 위한 DRP 자원 예약을 실시한다. 기존의 WiMedia를 위한 릴레이 통신 기법은 비컨 프레임의 교환을 통해 DRP 자원 예약을 실시하였다.
본 논문에서는 WiMedia 네트워크를 형성하는 주변 디바이스들을 중계 장치로 이용하여, 디바이스 이동시 발생할 수 있는 장애물이나 링크 상태의 저하를 회피함으로써 링크 단절 및 네트워크 성능 저하를 해결하는 릴레이 통신 기법을 제안하였다. 특히 제안된 프로토콜에서는 WiMedia 디바이스들 사이의 채널 정보를 이용하여 보다 높은 전송속도를 갖는 전송경로를 선택할 수 있게 한다. 또한 제안한 릴레이 선택기법은 멀티 홉 네트워크 환경에서 노드의 이동으로 인해 발생할 수 있는 간섭이나 충돌을 회피할 수 있다.
성능/효과
그림 10은 디바이스의 이동속도에 따른 패킷 손실률을 보였다. 그림 10을 보면 기존의 와이미디어 표준에서는 패킷 손실이 발생할 확률은 최대 속도 0.4m/s 로 이동하는 디바이스에 대한 실험에서 9%, 최대 속도 0.8m/s로 이동하는 디바이스에 대한 실험에서 13%, 최대 속도 1.2m/s로 이동하는 디바이스에 대한 실험에서 18%, 최대 속도 1.6m/s로 이동하는 디바이스에 대한 실험에서 25%, 최대 속도 2m/s로 이동하는 디바이스에 대한 실험에서 32%로서 디바이스의 이동속도가 증가함에 따라 패킷 손실률이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 제안하는 기법을 사용할 경우, 패킷 손실이 발생할 확률은 최대 속도 0.
그림 11에서 보는 바와 같이 제안하는 알고리즘은 기존의 WiMedia 프로토콜보다 성능이 향상되었음을 보여주고 있다. 디바이스의 이동성은 단순히 디바이스의 위치 뿐만 아니라 디바이스들 사이에 형성된 채널 상태도 변화시킨다.
또한, 중계 노드가 목적지 노드로 송신 CSI(채널 상태 정보)를 획득하는 과정 없이, 중계 노드로부터 직접 CSI를 획득함으로써, 지연에 민감한 실시간성을 요구 하는 응용에서도 적용할 수 있다. 시뮬레이션 결과를 통하여 제안하는 알고리즘이 기존의 WiMedia 프로토콜과 비교하여 수율과 지연시간의 측면에서 보다 향상된 성능을 보여주는 것을 확인하였다.
따라서, 디바이스의 이동때문에 발생하는 소스와 목적노드 사이의 링크상태의 저하는 소스 디바이스가 낮은 전송 속도만을 지원할 수밖에 없도록 한다. 이는 네트워크 전체의 성능저하를 야기시키는 원인이 되지만, 제안하는 기법에서는 더 좋은 링크상태를 갖는 릴레이 노드를 거쳐 데이터를 전송할 수 있도록 하여 전체적인 데이터 전송률을 높일 수 있기 때문에 전체 네트워크의 성능저하를 줄일 수 있다. 그림 12는 디바이스의 이동속도가 1.
6m/s로 이동하는 디바이스에 대한 실험에서 25%, 최대 속도 2m/s로 이동하는 디바이스에 대한 실험에서 32%로서 디바이스의 이동속도가 증가함에 따라 패킷 손실률이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 제안하는 기법을 사용할 경우, 패킷 손실이 발생할 확률은 최대 속도 0.4m/s로 이동하는 디바이스에 대한 실험에서 4%, 최대 속도 0.8m/s로 이동하는 디바이스에 대한 실험에서 6%, 최대 속도 1.2m/s로 이동하는 디바이스에 대한 실험에서 7%, 최대 속도 1.6m/s로 이동하는 디바이스에 대한 실험에서 9%, 최대 속도 2m/s로 이동하는 디바이스에 대한 실험에서 10%로서 기존의 와이미디어 표준보다 훨씬 적은 패킷 손실률을 보여준다. 디바이스의 이동 속도가 증가하면 무선 링크의 상태의 변화가 심해지며 수신 노드에게 데이터를 전달할 확률이 떨어지게 된다.
디바이스의 이동 속도가 증가하면 무선 링크의 상태의 변화가 심해지며 수신 노드에게 데이터를 전달할 확률이 떨어지게 된다. 하지만 제안하는 기법은 주변 디바이스들로부터 획득한 링크 정보를 바탕으로 좋은 채널 상태를 갖는 링크를 선택하기 때문에 더 좋은 성능을 보여준다.
그림 12에서 디바이스의 이동으로 인해 소스 디바이스와 목적지 디바이스 사이의 링크 상태의 변화가 심한 환경에서, 기존의 와이미디어 디바이스는 높은 지연시간을 보여주며 노드의 밀도에 영향을 받지 않는다. 하지만, 제안하는 알고리즘은 잠재적인 릴레이 노드들의 spatial diversity를 이용할 수 있기 때문에 이웃 노드들이 많으면 많을수록 더 좋은 상태의 링크를 선택할 수 있기 때문에, 지연시간을 줄일 수 있으며, 기존의 WiMedia 프로토콜과 비교할 때 더 낮은 지연시간을 보여 줄 수 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
WiMedia MAC 프로토콜의 문제점은?
WiMedia MAC 프로토콜은 UWB PHY 기술을 사용하기 때문에, 통신 거리와 장애물에 민감하다는 문제점이 있다. 특히, WiMedia 디바이스들은 무선 장치들이기 때문에, 자유롭게 이동할 수 있으며, 이러한 이동성은 무선 채널 상태의 빈번한 변동과 장애물에 의한 통신 단절의 원인이 될 수 있다.
WiMedia PHY 계층은 어느 정도의 데이터 전송률을 지원하는가?
WiMedia 연합은 UWB 기술을 기반으로 하는 새로운 WPAN 표준을 발표하였다[1]. WiMedia PHY 계층은 최대 480Mbps의 데이터 전송률을 지원하며, MAC 계층은 Ad-hoc을 기반으로 각각의 디바이스들이 자원을 공유하는 분산방식의 MAC 프로토콜을 지원한다. WiMedia MAC 프로토콜은 네트워크를 관리 하는 코디네이터가 없는 Ad-hoc 방식을 채택하였기 때문에, 모든 디바이스들이 네트워크 관리정보를 포함 하는 비콘 프레임을 브로드캐스팅한다.
UWB 기술의 단점은?
UWB(Ultra Wide Band) 기술은 무선 환경에서 수백 Mbps의 전송 속도를 제공하면서도 기존의 무선랜 (WLAN) 장치에서 소요되는 전력량의 5분의 1 수준의 전력을 소모한다는 장점 때문에, 홈 네트워크 (Home Network), 또는 선박 네트워크(Ship Area Network)등과 같은 환경에서 고속의 전송률을 요구하는 실시간 멀티미디어 서비스 제공과 같은 응용분야에 적합하다. 하지만, 무선랜에 비해 짧은 전송 범위와 장애물을 통과하지 못한다는 단점이 있다[1-3].
참고문헌 (8)
WiMedia MAC Release Spec. 1.01, Distributed medium access control (MAC) for wireless networks, Dec. 15, 2006.
Certified Wireless USB from the USB-IF, http://www.usb.org/developers/wusb/
J.-P. Pavon, N.-S. Shankar, V. Gaddam, K. Challapali, and C.-T. Chou, "The MBOAWiMedia specification for ultra wideband distributed networks," IEEE Commun. Mag., vol. 44, no. 6, pp. 128-134, Jun. 2006.
V. M. Vishnevsky, A. I. Lyakhov, A. A. Safonov, S. S. Mo, and A. D. Gelman, "Study of beaconing in multi-hop wireless PAN with distributed control," IEEE Trans. Mob. Comput., vol. 7, no. 1, pp. 113-126, Jan. 2008.
C.-T. Chou, J. Del Prado Pavon, and N. Sai Shankar, "Mobility support enhancements for the WiMedia UWB MAC protocol," in Proc. 2nd Int. Conf. Broadband Netw. (BroadNets 2005), vol. 2, pp. 136-142, Boston, MA, Oct. 2005.
H.-B. Jung, S.-H. Kim, and D.-K. Kim, "Energy efficient relay selection in a multi-hop ad-hoc environment," J. KICS, vol. 37B, no. 5, pp. 327-337, May 2012.
J. Lee and M. Yang, "Relay selection schemes using STBC technique in OFDM-based cooperative wireless communications," J. KICS, vol. 36, no. 7, pp. 640-648, Jul. 2011.
A. D. Le, J.-B. Park, Y. O. Cho, M.-A. Jeong, S. R. Lee, and Y. H. Kim, "Self-interference cancellation-aided relay beamforming for multi-way relaying systems," J. KICS, vol. 38C, no. 4, pp. 378-386, Apr. 2013.
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