[논문]무선네트워크에서 존 마스터 기반의 링크 안정성 해석

문정수; 김정호

doi:10.3745/ktccs.2019.8.3.73

무선네트워크에서 존 마스터 기반의 링크 안정성 해석
Analysis of Link Stability Based on Zone Master for Wireless Networks 원문보기

정보처리학회논문지. KIPS transactions on computer and communication systems 컴퓨터 및 통신 시스템, v.8 no.3, 2019년, pp.73 - 78

문정수 (중국 연변대학교 전자공학과) , 김정호 (한밭대학교 정보통신.컴퓨터공학부)

초록
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무선 네트워크에서 토폴로지의 빈번한 변화로 노드 간 링크 단절과 경로재설정이 발생하여 네트워크 내에 제어메시지 과부하와 같은 문제점들이 발생한다. 본 연구에서는 링크 단절과 제어 메시지 과부하와 같은 문제점을 해결하기 위하여 무선 네트워크 환경에서 주변 노드 탐색과정, 경로 탐색과정, 경로 관리과정의 3단계로 경로 설정을 수행하고 경로 관리 과정에서 존 마스터가 수집한 라우팅 테이블의 정보를 이용하여 링크 안정성 값을 산출한다. 그리고 산출 된 링크 값을 존 마스터가 모니터링 하여 임계 값 이하로 되면 링크 단절로 예측하고 해당 송수신 노드에게 경로 재설정을 수행하게 된다. 제안한 기법은 이동 노드 수 변화에 따른 데이터 처리량, 평균 경로 설정 시간 및 이동 노드의 속도 변화에 따른 데이터 처리량에서 기존의 OLSR 프로토콜보다 성능 향상을 나타내었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Due to frequent topology changes in wireless networks, inter-node link disconnection and path re-establishment occur, causing problems such as overloading control messages in the network. In this paper, to solve the problems such as link disconnection and control message overload, we perform path setup in three steps of the neighbor node discovery process, the route discovery process, and the route management process in the wireless network environment. The link stability value is calculated using the information of the routing table. Then, when the zone master monitors the calculated link value and becomes less than the threshold value, it predicts the link disconnection and performs the path reset to the corresponding transmitting and receiving node. The proposed scheme shows a performance improvement over the existing OLSR protocol in terms of data throughput, average path setup time, and data throughput depending on the speed of the mobile node as the number of mobile nodes changes.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1. Wireless Network Routing Protocol Classification
그림 Fig. 2. Zone Master-based Wireless Network Structure
그림 Fig. 3. Peripheral Node Search Process
그림 Fig. 4. Route Search Process
그림 Fig. 5. Route Management Process
표 Table 1. Routing Table Information
그림 Fig. 6. Network Topology of Simulation Environment
표 Table 2. Parameters Used for Received Signal Strength
표 Table 3. Simulation Parameters
그림 Fig. 7. Data Throughput as The Number of Nodes Changes
그림 Fig. 8. Average Path Setting Time According to The Change of The Number of Nodes
그림 Fig. 9. Data Throughput According to The Speed Change of Mobile Node

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 링크 단절, 링크 재설정, 트래픽의 과부하를 해결하기 위하여 존 마스터 기반의 라우팅 설정 기법을 제안하여 경로의 전송절차를 해석하였다. 본 기법은 주변 노드 탐색, 경로 탐색, 경로 관리의 3단계로 경로 설정을 수행하고 주변 노드 탐색 과정에서 노드들의 유동 라우팅 테이블 정보를 수집하였다.
본 연구에서는 성능평가 요소로 제안하는 존 마스터 기반의 링크 안정성 기법과 기존의 OLSR 프로토콜을 비교하여 평가하였다. 존 마스터 기반의 라우팅 설정 기법에서 주변노드 탐색 과정, 경로 탐색 과정, 경로 관리 과정의 3단계로 라우팅 경로를 설계하였다.

제안 방법

존 마스터 기반의 라우팅 설정 기법에서 주변노드 탐색 과정, 경로 탐색 과정, 경로 관리 과정의 3단계로 라우팅 경로를 설계하였다. 그리고 경로 관리 과정에서 링크 안정성에 대한 기법을 제안하여 존 마스터가 존 내부 노드의 평균 수신 신호 세기 Vr_avg[t]와 평균 수신 신호 세기의 편차 Vr_dev[t]를 활용하여 하나의 정량화된 링크 안정성 값 LS[t]를 산출하였다. 따라서 존 마스터는 LS[t] 값을 모니터링 하여 경로 관리 과정에서 전체 망을 보조하고 관리하며 링크 단절을 줄이고 경로 재설정 시간을 단축할 수 있음을 알 수 있었다.
또한 경로 관리 과정에서 존 마스터가 수집한 유동 라우팅 테이블의 정보를 이용하여 링크 안정성 값을 산출하였다. 그리고 계산된 링크 안정성 값을 모니터링 하여 임계 값 이하로 되면 링크 단절로 예측하고 해당 송수신 노드에게 경로 재설정을 수행하였다[3, 4].
본 기법은 주변 노드 탐색, 경로 탐색, 경로 관리의 3단계로 경로 설정을 수행하고 주변 노드 탐색 과정에서 노드들의 유동 라우팅 테이블 정보를 수집하였다. 또한 경로 관리 과정에서 존 마스터가 수집한 유동 라우팅 테이블의 정보를 이용하여 링크 안정성 값을 산출하였다. 그리고 계산된 링크 안정성 값을 모니터링 하여 임계 값 이하로 되면 링크 단절로 예측하고 해당 송수신 노드에게 경로 재설정을 수행하였다[3, 4].
시뮬레이션 결과 노드가 임의의 방향으로 이동하게 되면 수신 신호 세기는 노드의 이동에 따라 변하는 것을 알 수 있었다. 또한 잡음 세기에 따른 수신 신호 세기를 분석하기 위하여 본 연구에서는 잡음 세기만을 변화 시키고 다른 요소들은 고정 값을 사용하는 환경에서 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 SNR(Signal to Noise Ratio) 값이 작을수록 수신 신호 세기가 급격하게 변화되었다.
링크 안정성 기법은 존 마스터 기반의 라우팅 경로 설정 과정 중 경로 관리 과정에 사용된다. 무선 네트워크에서 링크 안정성을 판단하기 위해 Hello 메시지와 같은 노드사이에 주기적으로 주고받는 메시지를 통해 수신 신호 세기를 측정한다. 무선 네트워크 환경에서의 수신 신호 세기는 Equation (1)과 같이 계산한다.
본 연구는 링크 단절, 링크 재설정, 트래픽의 과부하를 해결하기 위하여 존 마스터 기반의 라우팅 설정 기법을 제안하여 경로의 전송절차를 해석하였다. 본 기법은 주변 노드 탐색, 경로 탐색, 경로 관리의 3단계로 경로 설정을 수행하고 주변 노드 탐색 과정에서 노드들의 유동 라우팅 테이블 정보를 수집하였다. 또한 경로 관리 과정에서 존 마스터가 수집한 유동 라우팅 테이블의 정보를 이용하여 링크 안정성 값을 산출하였다.
수신 신호 세기는 노드의 거리와 잡음 세기에 큰 영향을 받기 때문에 단순히 평균 수신 신호 세기를 통해 무선 링크의 안정성을 판단하는 것은 심각한 오차를 가져올 수 있다. 본 연구에서 노드 사이의 거리에 따른 영향을 분석하기 위해 잡음 세기와 다른 요소들은 고정 값을 사용하였으며 노드사이의 거리만 0-300m의 변수로 사용하여 시뮬레이션 시간은 100초로 하였다. 시뮬레이션 결과 노드가 임의의 방향으로 이동하게 되면 수신 신호 세기는 노드의 이동에 따라 변하는 것을 알 수 있었다.
본 연구에서 제안하는 존 마스터 기반의 라우팅 설정과 링크 안정성의 성능을 평가하기 위하여 OPNET과 C 기반의 모의실험을 수행하였다.
하지만 각 노드가 라우팅 정보 관리를 위해 지속적으로 제어 메시지를 전체 네트워크로 전달하기 때문에, 제어 메시지의 오버헤드가 크고 이에 따른 대역폭 사용이 증가 하게 된다[12]. 본 연구에서는 제안한 존 마스터 기반의 라우팅 설정 기법과 OLSR 프로토콜을 이동 노드 수와 노드의 이동 속도 변화에 따른 데이터 전송률과 트래픽 손실률에 대하여 비교 해석하였다.
본 연구에서는 존 마스터 기반의 링크 안정성 기법을 라우팅 설정 과정을 3단계로 설계하고 경로 관리 과정에서 링크 안정성 기법을 적용하여 설계하였다.
이는 링크 안정성 값을 수신 신호 세기만을 이용하여 계산할 경우 노드간의 거리와 잡음의 세기가 변화되는 무선 환경에서는 설정된 무선 링크가 빈번히 끊어져 라우팅 성능 저하를 초래할 수 있다. 이에 본 연구에서는 수신 신호 세기와 수신 신호 세기의 변화 추이를 고려한 수신 신호 세기 편차를 사용하여 링크 안정성 정보를 계산하고 이를 통해 안정적인 전송 경로를 선택한다.
존 마스터 기반의 라우팅 설정 과정은 주변 노드 탐색, 경로 탐색과 경로 관리의 3단계로 설계하였다.
본 연구에서는 성능평가 요소로 제안하는 존 마스터 기반의 링크 안정성 기법과 기존의 OLSR 프로토콜을 비교하여 평가하였다. 존 마스터 기반의 라우팅 설정 기법에서 주변노드 탐색 과정, 경로 탐색 과정, 경로 관리 과정의 3단계로 라우팅 경로를 설계하였다. 그리고 경로 관리 과정에서 링크 안정성에 대한 기법을 제안하여 존 마스터가 존 내부 노드의 평균 수신 신호 세기 Vr_avg[t]와 평균 수신 신호 세기의 편차 Vr_dev[t]를 활용하여 하나의 정량화된 링크 안정성 값 LS[t]를 산출하였다.

데이터처리

모의실험을 통한 비교는 OLSR 프로토콜과 본 연구에서 제안한 존 마스터 기반의 라우팅 설정 기법을 비교하였다. OLSR 프로토콜은 Proactive 기반의 라우팅 프로토콜로서 데이터 전송이 생성될 때에 경로 설정을 수행하는 기법이다.

성능/효과

따라서 존 마스터는 LS[t] 값을 모니터링 하여 경로 관리 과정에서 전체 망을 보조하고 관리하며 링크 단절을 줄이고 경로 재설정 시간을 단축할 수 있음을 알 수 있었다.
모의실험 결과 이동 노드 수에 따른 데이터 처리량은 약 34%의 성능이 개선되었고, 평균 경로 설정 시간은 약 8%의 성능 향상을 나타내었다. 또한 이동 노드의 속도 변화에 따른 데이터 처리량은 약 23%의 성능이 개선되었다. 본 연구에서 사용하는 평균 수신 신호 편차를 계산하는 과정에서 잡음의 영향을 받은 수신 신호를 사용하게 되는데 향후 잡음에 대한 수신신호 추이를 정량화하는 기법에 대한 연구가 요구된다.
따라서 존 마스터는 LS[t] 값을 모니터링 하여 경로 관리 과정에서 전체 망을 보조하고 관리하며 링크 단절을 줄이고 경로 재설정 시간을 단축할 수 있음을 알 수 있었다. 모의실험 결과 이동 노드 수에 따른 데이터 처리량은 약 34%의 성능이 개선되었고, 평균 경로 설정 시간은 약 8%의 성능 향상을 나타내었다. 또한 이동 노드의 속도 변화에 따른 데이터 처리량은 약 23%의 성능이 개선되었다.
또한 잡음 세기에 따른 수신 신호 세기를 분석하기 위하여 본 연구에서는 잡음 세기만을 변화 시키고 다른 요소들은 고정 값을 사용하는 환경에서 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션 결과 SNR(Signal to Noise Ratio) 값이 작을수록 수신 신호 세기가 급격하게 변화되었다. 이는 링크 안정성 값을 수신 신호 세기만을 이용하여 계산할 경우 노드간의 거리와 잡음의 세기가 변화되는 무선 환경에서는 설정된 무선 링크가 빈번히 끊어져 라우팅 성능 저하를 초래할 수 있다.
본 연구에서 노드 사이의 거리에 따른 영향을 분석하기 위해 잡음 세기와 다른 요소들은 고정 값을 사용하였으며 노드사이의 거리만 0-300m의 변수로 사용하여 시뮬레이션 시간은 100초로 하였다. 시뮬레이션 결과 노드가 임의의 방향으로 이동하게 되면 수신 신호 세기는 노드의 이동에 따라 변하는 것을 알 수 있었다. 또한 잡음 세기에 따른 수신 신호 세기를 분석하기 위하여 본 연구에서는 잡음 세기만을 변화 시키고 다른 요소들은 고정 값을 사용하는 환경에서 시뮬레이션을 수행하였다.
이는 존 마스터가 유동 라우팅 테이블의 LS 필드값을 모니터링 하고 LS[t] 값이 임계 값 이하로 떨어지게 되면 링크가 단절 될 것으로 예측하여 해당 노드에게 새로운 경로를 설정해 주기 때문이다. 실험 결과 존 마스터 기반의 라우팅 설정 기법은 기존의 OLSR 라우팅 기법보다 경로 설정 시간에서 65ms의 성능 개선을 나타내었다.
8은 네트워크 토폴로지내의 이동 노드수를 증가 시켰을 경우 경로 설정 지연 시간을 나타내고 있다. 제안한 기법은 OLSR 라우팅 기법보다 경로 설정 지연 시간이 적게 수요되는 것을 알 수가 있다. 이는 존 마스터가 유동 라우팅 테이블의 LS 필드값을 모니터링 하고 LS[t] 값이 임계 값 이하로 떨어지게 되면 링크가 단절 될 것으로 예측하여 해당 노드에게 새로운 경로를 설정해 주기 때문이다.
저속 환경에서 두 가지 기법은 성능 차이를 크게 보이지 않았다. 하지만 노드의 이동 속도가 증가할수록 존 마스터 기반의 라우팅 설정 기법은 OLSR 라우팅 기법보다 145Kbps의 성능 개선을 나타내었다.

후속연구

또한 이동 노드의 속도 변화에 따른 데이터 처리량은 약 23%의 성능이 개선되었다. 본 연구에서 사용하는 평균 수신 신호 편차를 계산하는 과정에서 잡음의 영향을 받은 수신 신호를 사용하게 되는데 향후 잡음에 대한 수신신호 추이를 정량화하는 기법에 대한 연구가 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	Proactive 방식의 단점은 무엇인가?	Proactive 방식은 주기적으로 Hello 메시지를 주고받아 토폴로지 변화가 발생할 때마다 라우팅 테이블을 갱신하는 방식이다. 하지만 Proactive 방식은 노드수가 많아지거나 망의 규모가 커질수록 각 노드의 라우팅 테이블 수량과 주기적인 메시지가 많아지기 때문에 효율적이지 못하다. Reactive 방식은 트래픽이 발생하는 시점에서 라우팅 제어 메시지를 주고받아 라우팅 테이블을 생성하는 방식이다.
	Proactive 방식이란 무엇인가?	이에 무선 네트워크에서 라우팅 제어 메시지 갱신 방법에 따라 Proactive, Reactive, Hybrid 방식의 라우팅 프로토콜들이 연구가 되고 있다. Proactive 방식은 주기적으로 Hello 메시지를 주고받아 토폴로지 변화가 발생할 때마다 라우팅 테이블을 갱신하는 방식이다. 하지만 Proactive 방식은 노드수가 많아지거나 망의 규모가 커질수록 각 노드의 라우팅 테이블 수량과 주기적인 메시지가 많아지기 때문에 효율적이지 못하다.
	Proactive 방식보다 대규모 망에 적합한 것은?	하지만 Proactive 방식은 노드수가 많아지거나 망의 규모가 커질수록 각 노드의 라우팅 테이블 수량과 주기적인 메시지가 많아지기 때문에 효율적이지 못하다. Reactive 방식은 트래픽이 발생하는 시점에서 라우팅 제어 메시지를 주고받아 라우팅 테이블을 생성하는 방식이다. 이는 유지하는 라우팅 테이블 수량이 적고 주기적인 메시지가 적으므로 Proactive 방식에 비해 대규모 망에 적합하다.

참고문헌 (12)

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상세보기
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상세보기
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상세보기
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상세보기
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상세보기
Gao Yu, Zeng Huashen, and Zhang Hong, "Improvement of multipath routing algorithm based on OLSR and source routing," Journal of Southwest Jiaotong University, Vol.45, No.3, pp.424-429, 2010.

저자의 다른 논문 :

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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