전술 무선망에서 2진 지수 백오프를 사용하는 CSMA/CA 기반 우선순위 적용 MAC 프로토콜 설계 A CSMA/CA with Binary Exponential Back-off based Priority MAC Protocol in Tactical Wireless Networks원문보기
네트워크 중심전에서 통신망은 전쟁을 승리로 이끌기 위한 중요한 기반기술이다. 특히, 전쟁 상황에서 긴급하거나 중요한 데이터는 반드시 제시간에 전송이 되어야 한다. 본 논문에서는 개인병사 전술 무선망을 위한 BEB(Binary Exponential Back-off)를 사용한 CSMA/CA(Carrier Sensing Multiple Access/Collision Avoidance) 기반의 우선순위 매체접속제어(MAC) 프로토콜을 제안한다. 제안된 MAC 프로토콜은 우선순위가 높은 패킷의 빠른 전송을 위해 우선순위에 따른 PCW(Prioritized Contention Window)를 적용하였고, 남은 back-off 시간을 초기화하기 위해 RBR(Repetitive Back-off Reset)을 제안한다. 제안 된 MAC 프로토콜은 전송 성공률과 컨트롤 패킷의 전송량 측면에서 패킷 충돌을 줄여주기 때문에 DCF(Distributed Coordination Function) 기반의 다른 MAC 프로토콜보다 높은 수율 성능을 보여준다. 따라서, DCF와 비교하였을 때, 제안하는 MAC 프로토콜은 트래픽이 많은 네트워크 환경에서 더욱 효율적으로 에너지를 이용할 수 있다.
네트워크 중심전에서 통신망은 전쟁을 승리로 이끌기 위한 중요한 기반기술이다. 특히, 전쟁 상황에서 긴급하거나 중요한 데이터는 반드시 제시간에 전송이 되어야 한다. 본 논문에서는 개인병사 전술 무선망을 위한 BEB(Binary Exponential Back-off)를 사용한 CSMA/CA(Carrier Sensing Multiple Access/Collision Avoidance) 기반의 우선순위 매체접속제어(MAC) 프로토콜을 제안한다. 제안된 MAC 프로토콜은 우선순위가 높은 패킷의 빠른 전송을 위해 우선순위에 따른 PCW(Prioritized Contention Window)를 적용하였고, 남은 back-off 시간을 초기화하기 위해 RBR(Repetitive Back-off Reset)을 제안한다. 제안 된 MAC 프로토콜은 전송 성공률과 컨트롤 패킷의 전송량 측면에서 패킷 충돌을 줄여주기 때문에 DCF(Distributed Coordination Function) 기반의 다른 MAC 프로토콜보다 높은 수율 성능을 보여준다. 따라서, DCF와 비교하였을 때, 제안하는 MAC 프로토콜은 트래픽이 많은 네트워크 환경에서 더욱 효율적으로 에너지를 이용할 수 있다.
In network-centric warfare, the communication network has played a significant role in defeating an enemy. Especially, the urgent and important data should be preferentially delivered in time. Thus, we proposed a priority MAC protocol based on CSMA/CA with Binary Exponential Back-off for tactical wi...
In network-centric warfare, the communication network has played a significant role in defeating an enemy. Especially, the urgent and important data should be preferentially delivered in time. Thus, we proposed a priority MAC protocol based on CSMA/CA with Binary Exponential Back-off for tactical wireless networks. This MAC protocol suggested a PCW(Prioritized Contention Window) with differentiated back-off time by priority and a RBR(Repetitive Back-off Reset) to reset the remaining back-off time. The results showed that this proposed MAC has higher performance than those of DCF(Distributed Coordination Function) in the transmission success rate and the number of control packet transmission by reducing the packet collision. Thus, it produced more effective power consumption. In comparison with DCF, this proposed protocol is more suitable in high-traffic network.
In network-centric warfare, the communication network has played a significant role in defeating an enemy. Especially, the urgent and important data should be preferentially delivered in time. Thus, we proposed a priority MAC protocol based on CSMA/CA with Binary Exponential Back-off for tactical wireless networks. This MAC protocol suggested a PCW(Prioritized Contention Window) with differentiated back-off time by priority and a RBR(Repetitive Back-off Reset) to reset the remaining back-off time. The results showed that this proposed MAC has higher performance than those of DCF(Distributed Coordination Function) in the transmission success rate and the number of control packet transmission by reducing the packet collision. Thus, it produced more effective power consumption. In comparison with DCF, this proposed protocol is more suitable in high-traffic network.
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문제 정의
본 논문에서는 사용자의 계급과 처한 상황에 따라 데이터의 중요도가 다른 전술 무선망의 특성에 맞게 효율적인 성능을 지원하는 우선순위 기반 MAC 프로토콜을 설계하였다. 제안한 알고리즘은 back-off 알고리즘에 우선순위를 적용하여 데이터의 우선순위 별 지연 시간을 달리하는 PCW 기법을 적용하고, back-off 시간을 0으로 초기화하여 재전송 할 때 back-off 시간을 새로 설정하는 RBR 기법을 적용하여 우선순위 별 차등적인 성능을 지원하고 충돌률을 감소시켰다.
제안 방법
제안한 알고리즘은 back-off 알고리즘에 우선순위를 적용하여 데이터의 우선순위 별 지연 시간을 달리하는 PCW 기법을 적용하고, back-off 시간을 0으로 초기화하여 재전송 할 때 back-off 시간을 새로 설정하는 RBR 기법을 적용하여 우선순위 별 차등적인 성능을 지원하고 충돌률을 감소시켰다. 기존의 DCF와 달리 긴급한 데이터를 우선적으로 전송할 뿐 아니라 데이터를 전송하기 위해 전송한 패킷 수를 감소시켜 한정된 에너지를 사용하는 무선 통신 단말의 전력 효율을 향상시켰다. 이러한 성능은 트래픽 량이 높은 환경에서 더욱 효과적으로 작용하므로 네트워크의 데이터 량이 급증하는 최근의 변화 추세에 적절하게 대응 할 수 있으며, 특히 긴급 데이터의 우선 전송은 물론, 신속하고 정확한 데이터 전송을 요구하고 전력 공급이 원활하지 않은 전장 상황에서 유용하게 적용될 수 있다.
시뮬레이션은 MATLAB을 이용하여 진행하였다. 네트워크의 전송률은 1Mbps이고 평균적인 네트워크 성능을 구하기 쉽도록 노드 배치는 균일한 간격으로 하였다. 각 노드의 평균 데이터 발생률은 동일하며 푸아송 분포를 따른다.
전송하고자 하는 데이터가 있는 노드는 back-off 과정을 수행할 때 먼저 데이터의 우선순위를 확인한다. 데이터의 우선순위에 따라 중첩되지 않는 범위 내에서 back-off 타이머를 설정하고 카운트다운을 수행한다. 타이머가 만료될 때까지 다른 노드로부터 아무 신호를 수신하지 못하면 RTS 패킷을 전송하여 수신 노드에게 전송을 요청하고, 타이머가 만료되기 전에 다른 노드로부터 신호를 수신하면 카운트다운을 중단하고 남은 back-off 시간을 0으로 초기화한 후에 데이터 전송이 종료될 때까지 대기한다.
첫 번째로 제안한 MAC 프로토콜과의 성능 비교를 위해서 CSMA/CA를 기반으로 하되 우선순위 별 성능을 지원하지 않는 DCF(Distributed Coordination Function)에 대해 설명하였다. 두 번째는 제안하는 프로토콜의 동작 매커니즘에 대해 설명하였고, 세 번째는 시뮬레이션을 통한 프로토콜의 성능을 분석하였다. 이를 바탕으로 마지막에서는 결론을 맺었다.
본 논문에서는 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access/Collision Avoidance)를 기반으로 수정된 back-off 알고리즘을 사용하여 데이터의 우선순위에 따라 차등적인 성능을 지원할 뿐 아니라 효율적인 충돌 제어 성능으로 에너지 효율 역시 향상된 MAC 프로토콜을 제안하였다.
제안하는 프로토콜은 DCF에서 사용하는 BEB 알고리즘을 바탕으로 우선순위 별로 경쟁 윈도우를 구분하는 PCW(Prioritized Contention Window)와 다른 노드에서 전달된 신호로 인해 멈췄던 back-off 타이머를 재개할 때 남은 back-off 시간을 초기화하고 새로운 back-off 시간을 설정하는 RBR(Repetitive Back-off Reset)을 추가하여 우선순위 별로 차등적인 성능을 지원하면서 충돌을 효율적으로 제어한다. 본 논문에서는 우선순위 등급은 3 가지로 구분하였다.
는 AP(Access Point) 등의 제반 시설이 없는 무선 네트워크 환경에 적합한 통신 프로토콜이다. 제안하는 프로토콜은 DCF 동작 중에서 CSMA/CA를 기반으로 RTS/CTS(Request To Send/Clear To Send) 컨트롤 패킷을 사용하는 4-handshaking 동작을 사용한다.
제안하는 프로토콜은 DCF에서 사용하는 BEB 알고리즘을 바탕으로 우선순위 별로 경쟁 윈도우를 구분하는 PCW(Prioritized Contention Window)와 다른 노드에서 전달된 신호로 인해 멈췄던 back-off 타이머를 재개할 때 남은 back-off 시간을 초기화하고 새로운 back-off 시간을 설정하는 RBR(Repetitive Back-off Reset)을 추가하여 우선순위 별로 차등적인 성능을 지원하면서 충돌을 효율적으로 제어한다. 본 논문에서는 우선순위 등급은 3 가지로 구분하였다.
본 논문에서는 사용자의 계급과 처한 상황에 따라 데이터의 중요도가 다른 전술 무선망의 특성에 맞게 효율적인 성능을 지원하는 우선순위 기반 MAC 프로토콜을 설계하였다. 제안한 알고리즘은 back-off 알고리즘에 우선순위를 적용하여 데이터의 우선순위 별 지연 시간을 달리하는 PCW 기법을 적용하고, back-off 시간을 0으로 초기화하여 재전송 할 때 back-off 시간을 새로 설정하는 RBR 기법을 적용하여 우선순위 별 차등적인 성능을 지원하고 충돌률을 감소시켰다. 기존의 DCF와 달리 긴급한 데이터를 우선적으로 전송할 뿐 아니라 데이터를 전송하기 위해 전송한 패킷 수를 감소시켜 한정된 에너지를 사용하는 무선 통신 단말의 전력 효율을 향상시켰다.
본 논문의 내용은 다음과 같다. 첫 번째로 제안한 MAC 프로토콜과의 성능 비교를 위해서 CSMA/CA를 기반으로 하되 우선순위 별 성능을 지원하지 않는 DCF(Distributed Coordination Function)에 대해 설명하였다. 두 번째는 제안하는 프로토콜의 동작 매커니즘에 대해 설명하였고, 세 번째는 시뮬레이션을 통한 프로토콜의 성능을 분석하였다.
트래픽 변화에 따른 충돌률, 지연 시간, 전송 성공률, 그리고 RTS 전송 횟수 등의 성능 지표를 통해 제안하는 프로토콜과 기존 DCF의 성능 비교를 수행하였다. 제안하는 프로토콜의 경우 데이터의 우선순위를 첫 번째, 두 번째, 세 번째로 구분하여 성능을 달리 지원하지만 DCF의 경우 데이터의 우선순위를 고려하지 않고 동일한 성능을 지원한다.
대상 데이터
각 노드의 평균 데이터 발생률은 동일하며 푸아송 분포를 따른다. 시뮬레이션에 사용된 파라미터는 IEEE 802.11b[7]의 파라미터를 사용하였으며 Table 1에 정리하였다. 우선순위는 3등급으로 나누었고 등급별 데이터 발생율은 2:3:5이다.
데이터처리
우선순위는 3등급으로 나누었고 등급별 데이터 발생율은 2:3:5이다. 전체 평균 수율이 높은 조건으로 PCW를 나누어 cw1st,max=0.2, cw2nd,max=0.4 의 값을 사용하여 결과를 비교 하였다.
이론/모형
시뮬레이션은 MATLAB을 이용하여 진행하였다. 네트워크의 전송률은 1Mbps이고 평균적인 네트워크 성능을 구하기 쉽도록 노드 배치는 균일한 간격으로 하였다.
성능/효과
Fig. 9의 지연 시간 결과에서 주목할 점은 제안하는 프로토콜의 평균 지연 시간 및 높은 우선순위의 지연 시간이 DCF의 지연 시간 보다 크게 감소하였을 뿐 아니라 트래픽 증가에 따른 지연 시간 그래프의 증가 기울기 역시 감소하였다는 것이다. 특히 우선순위가 높을 수록 지연 시간의 증가율이 작다.
8은 제안하는 프로토콜과 DCF의 충돌률을 비교한 그래프이다. 높은 트래픽 환경에서 제안하는 프로토콜의 경우 DCF보다 충돌률이 낮은 것을 확인 할 수 있다. 이는 우선순위 별로 중첩되지 않는 범위에서 다른 길이의 back-off 시간을 설정(PCW)함으로써 높은 우선 순위의 경쟁에 낮은 우선순위가 참여하지 못하게 필터링하고, 외부에서 전송된 신호로 인해 back-off 과정이 중단 될 때마다 남은 back-off 시간을 0으로 초기화하여 새로운 back-off 타이머를 설정(RBR)하는 방법으로 back-off 타이머 카운트다운 중에 새로운 노드가 경쟁에 개입하여 발생하는 충돌 가능성을 낮추는 방법이 효과적으로 충돌을 억제하였음을 나타낸다.
이는 첫째로 트래픽이 낮은 환경에서는 충돌률이 낮아 재전송으로 인한 지연 시간이 길지 않아 제안하는 PCW, RBR 기법의 충돌 억제로 인한 지연 시간 감소 효과가 적기 때문이다. 둘째로 DCF가 우선순위와 무관하게 짧은 back-off 시간 설정이 가능한 반면 제안하는 프로토콜에서 낮은 우선순위는 긴 back-off 시간만 설정할 수 있으므로 DCF에 비해 지연 시간이 증가하였다.
이것은 충돌률을 효과적으로 제어한 결과 재전송으로 낭비되는 제어 패킷이 감소했기 때문이다. 따라서 제안하는 프로토콜이 DCF 보다 충돌로 인한 에너지 낭비가 적고 더 우수한 전송 성능을 가진다는 것을 알 수 있다.
반면 트래픽이 높은 경우에는 DCF 보다 제안하는 프로토콜에서 모든 우선순위의 지연 시간이 향상된 성능을 보였는데, 충돌률이 높은 경우에 DCF는 재전송으로 인한 지연이 증가하는 반면 제안하는 프로토콜은 PCW, RBR의 충돌 억제로 인한 재전송 횟수 감소로 지연 시간 감소 효과가 크게 나타났기 때문이다.
높은 트래픽 환경에서 제안하는 프로토콜의 경우 DCF보다 충돌률이 낮은 것을 확인 할 수 있다. 이는 우선순위 별로 중첩되지 않는 범위에서 다른 길이의 back-off 시간을 설정(PCW)함으로써 높은 우선 순위의 경쟁에 낮은 우선순위가 참여하지 못하게 필터링하고, 외부에서 전송된 신호로 인해 back-off 과정이 중단 될 때마다 남은 back-off 시간을 0으로 초기화하여 새로운 back-off 타이머를 설정(RBR)하는 방법으로 back-off 타이머 카운트다운 중에 새로운 노드가 경쟁에 개입하여 발생하는 충돌 가능성을 낮추는 방법이 효과적으로 충돌을 억제하였음을 나타낸다. 반면 낮은 트래픽 환경에서 두 프로토콜의 충돌률이 비슷하게 나타났는데, 데이터의 우선순위에 따른 차등 성능 지원 여부와 무관하게 네트워크에서 발생하는 충돌률이 낮아 PCW와 RBR로 인한 충돌 억제 효과가 두드러지게 나타나지 않았기 때문이다.
제안하는 프로토콜은 충돌로 인한 재전송을 효과적으로 억제하여 지연 시간을 감소시키므로 특히 높은 트래픽 환경에서 우수한 성능을 보였다.
트래픽 변화에 따른 충돌률, 지연 시간, 전송 성공률, 그리고 RTS 전송 횟수 등의 성능 지표를 통해 제안하는 프로토콜과 기존 DCF의 성능 비교를 수행하였다. 제안하는 프로토콜의 경우 데이터의 우선순위를 첫 번째, 두 번째, 세 번째로 구분하여 성능을 달리 지원하지만 DCF의 경우 데이터의 우선순위를 고려하지 않고 동일한 성능을 지원한다.
9에서 제안하는 프로토콜의 평균 지연 시간 그래프와 DCF의 지연 시간 그래프를 비교하면, 모든 트래픽 환경에서 제안하는 프로토콜이 DCF 보다 짧은 평균 지연 시간을 갖는다. 특히 높은 트래픽 환경에서 그 차이가 크게 나는데, 제안하는 프로토콜의 첫 번째, 두번째 우선순위의 지연 시간이 모든 트래픽 환경에서 DCF의 지연 시간에 비해 크게 단축된 반면, 세 번째 우선순위의 지연 시간은 높은 트래픽 환경에서 DCF 보다 우수한 성능을 나타내기 때문이다. 이는 첫째로 트래픽이 낮은 환경에서는 충돌률이 낮아 재전송으로 인한 지연 시간이 길지 않아 제안하는 PCW, RBR 기법의 충돌 억제로 인한 지연 시간 감소 효과가 적기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
DCF란 무엇인가?
DCF[6]는 AP(Access Point) 등의 제반 시설이 없는 무선 네트워크 환경에 적합한 통신 프로토콜이다. 제안하는 프로토콜은 DCF 동작 중에서 CSMA/CA를 기반으로 RTS/CTS(Request To Send/Clear To Send) 컨트롤 패킷을 사용하는 4-handshaking 동작을 사용한다.
MAC 프로토콜에서 우선순위를 제공하는 방법들의 한계는?
MAC(Media Access Control) 프로토콜들에서 우선순위를 제공하는 방법을 살펴보면 크게 적극적으로 자신의 우선순위를 알려 채널 획득에 우선권을 얻는 방법[2∼3]과 서로의 우선순위 정보를 교환하지 않고 프레임 전송 간격인 IFS(Inter-Frame Space)를 우선순위 별로 세분화하거나 지연 시간을 구분하여[4∼5] 우선순위가 높은 노드에게 빠른 채널 접속 권한을 부여하는 방법으로 나눌 수 있다. 이러한 방법들은 높은 우선순위를 갖는 노드가 우선적으로 채널을 획득하는 데 유용하지만 우선 순위 정보를 알리기 위해 추가적인 패킷 전송이 요구되거나 우선순위가 높은 패킷들은 충돌 발생 후 재전송까지 소요되는 시간이 짧아 전송 시도가 잦아지므로 증가 하는 충돌률을 충분히 제어하지 못하는 한계가 있다.
MAC 프로토콜에서 우선순위를 제공하는 방법은?
많은 데이터 중에서도 중요한 데이터는 우선적인 전송이 보장되는 차등적 성능 지원이 필요하다. MAC(Media Access Control) 프로토콜들에서 우선순위를 제공하는 방법을 살펴보면 크게 적극적으로 자신의 우선순위를 알려 채널 획득에 우선권을 얻는 방법[2∼3]과 서로의 우선순위 정보를 교환하지 않고 프레임 전송 간격인 IFS(Inter-Frame Space)를 우선순위 별로 세분화하거나 지연 시간을 구분하여[4∼5] 우선순위가 높은 노드에게 빠른 채널 접속 권한을 부여하는 방법으로 나눌 수 있다. 이러한 방법들은 높은 우선순위를 갖는 노드가 우선적으로 채널을 획득하는 데 유용하지만 우선 순위 정보를 알리기 위해 추가적인 패킷 전송이 요구되거나 우선순위가 높은 패킷들은 충돌 발생 후 재전송까지 소요되는 시간이 짧아 전송 시도가 잦아지므로 증가 하는 충돌률을 충분히 제어하지 못하는 한계가 있다.
참고문헌 (7)
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Park Ha Young, Kim Chang Wook, Han Jung Ahn, Kim Byoung Gi, "A Variable Priority MAC Protocol for QoS Guarantee in Wireless ad hoc Networks," The Journal of KOREA Information and Communications Society, Vol. 32, No. 7, pp. 463-471, 2007.
Juhyeon Lee, Hyung-Kun Park, "Design of a MAC protocol for Urgent Events in Wireless Sensor Networks," The journal of the Korea Institute of Maritime Information & Communication Sciences, Vol. 14, No. 4, pp. 803-808, 2010.
BongGi Jun, Jaehyun Nam, "Modified Backoff Algorithm considering Priority in IEEE 802.11," Advanced Science and Technology Letters, Vol.44 (Networking and Communication 2013), pp. 32-35, 2013.
IEEE P802.11, Draft standard for wireless LAN medium access control (MAC) and physical layer (PHY) specifications, IEEE Std. 1997.
Part 11: Wireless LAN Medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications, IEEE Std. 802.11b 1999/Cor 1-2001, 2001.
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