KR100659332B1 - 이동 애드혹 네트워크에서 다중채널을 이용한 경로재설정방법 - Google Patents

이동 애드혹 네트워크에서 다중채널을 이용한 경로재설정방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 경로 재설정방법은, 무선 이동 애드혹 네트워크에서 통신중인 소스측 노드와 목적지측 노드 사이에 통신링크의 단절이 발생하고 제3의 노드에서 간섭이 발생하는 경우, 상기 통신중이던 2개의 노드중 어느 하나의 노드에서 통신의 단절을 감지하고 이웃노드에게 노드 탐색 메시지(NSM)을 전달하는 단계와, 상기 제3의 노드에서 자신의 채널 상태 테이블(CST)을 체크하여 간섭을 일으키는 노드와 다른 채널을 사용하는 경우, 자신(제3의 노드)을 경유하여 소스측 노드와 목적지측 노드가 통신할 수 있도록 단절된 통신링크를 재설정하는 단계와, 상기 제4단계에서 같은 채널을 사용하는 경우, 자신의 CST를 검사하여 유휴(idle) 채널이 있으면 상기 NSM 수신을 기다리는 단계와, 상기 제3의 노드에서 상기 NSM이 수신되면 역경로를 따라 자신을 경유하여 단절된 통신링크를 재설정하는 단계로 이루어진다.
개시된 발명에 의하면, 애드혹 네트워크 상에서 발생하는 전송지연 문제를 해결할 뿐만 아니라, 향후 멀티미디어 서비스를 제공하기 위한 QoS를 제공한다.
Ad Hoc 네트워크, 멀티채널, 경로 재설정, NSM.

Description

이동 애드혹 네트워크에서 다중채널을 이용한 경로 재설정방법 {A congestion control mechanism for supporting differentiated service in mobile ad hoc networks}
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무선 이동 애드혹 네트워크 토폴러지에서 통신 링크상에 할당된 채널의 일예를 나타낸 도면이다.
도 2는 노드가 가지고 있는 인접 노드의 채널 할당 정보를 나타내는 도표이다.
도 3은 도 1에서 링크가 단절된 경우 인접한 노드를 경유하여 다시 통신 링크를 복구하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 4는 도 3에서 링크를 재설정하기 위한 메시지의 종류와 채널 할당 정보를 나타내는 도표이다.
도 5는 본 발명의 실시에에 따른 어떤 노드의 통신 링크 설정 요구에 대하여 이웃노드와의 반복적인 재할당을 방지하는 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 채널 재할당시 반복적으로 발생하는 망 상태를 나타낸 도면이다.
본 발명은 이동 애드혹 네트워크에서 다중채널을 이용한 경로 재설정방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는 무선 이동 애드혹 네트워크 환경에서 서로 통신중인 노드 중에서 다른 하나의 노드가 반경을 벗어나 링크가 단절된 경우 링크 단절을 빠르게 회복하는 방법에 관한 것이다.
무선 이동 애드혹 네트워크(Wireless Mobile Ad Hoc Network)는 IEEE 802.11 무선LAN(WLAN)을 기반으로 하는 중앙 집중화된 관리나 표준화된 지원 서비스의 도움 없이 임시(Ad Hoc) 망을 구성하는 무선 이동 호스트(노드)들의 집합이다.
상기 IEEE 802.11 WLAN 기술에 있어서 미국 전기 전자 학회(IEEE)의 작업 그룹에서 개발한 일단의 규격이다.
이러한 애드혹 네트워크는 백본 호스트나 다른 이동 호스트로부터의 패킷을 다른 이동 호스트로 전달한다.
상기 무선 이동 애드혹 네트워크에서 통신중인 노드가 임의의 방향으로 이동시 반경을 벗어난 경우, 단일 채널을 사용하고 있기 때문에 통신중인 노드는 링크가 깨어지며 임의의 방향으로 이동 중인 노드는 통신중인 인접한 노드와 채널간 간섭 현상을 일으키고 통신에 심각한 장애를 일으키게 된다.
여기서 노드란 애드혹 네트워크 상에 있는 독립적인 모바일 호스트를 말한다.
무선 이동 애드혹 네트워크는 많은 노드가 공용의 채널을 사용하여 넓은 지역에 분포하는 다양한 지역에서 채용될 수 있다.
그러나 무선의 특성상 트랜스시버(transceiver)의 성능 및 송출 전력의 강도 에 따라 전송반경은 제한된다.
만약 서로의 전송반경 내에 존재한다면 직접적인 통신이 가능하고 떨어져 있다면 인접한 이웃 노드를 경유하여 목적지측 노드와 통신이 가능하게 된다.
이런 경우 모든 노드가 하나의 채널을 공유하여 사용하기 때문에 다른 노드가 사용 중일 때는 인접한 노드는 통신을 할 수 없게 되고, 만약 통신을 한다면, 서로 간섭현상을 일으키거나, 동시적인 전송으로 채널간 충돌이 발생함으로써 심각한 통신장애를 불러일으키는 요인이 된다.
이러한 문제를 해결하기 위하여, 단일 채널 환경에서는 무선 채널의 사용에 대한 연구로써 무선채널 접근 억세서(Medium Access Control, MAC)를 주로 연구 대상으로 한다.
무선 채널 접근 억세서에 대한 연구는 중앙 스테이션 노드의 제어하에 이루어지는 경우와 노드가 개별적으로 동작하는 경우로 나누어 볼 수 있다.
무선 이동 애드혹 네트워크 환경의 노드는 일반적으로 후자의 방법을 하용하며, 이 경우 단일 채널에 의해 사용되기 때문에 상술한 바와 같이 노드가 이동 할 경우 채널을 복구하는 기법과 이동시 인접한 노드와 채널 간섭에 의한 충돌 문제를 해결하는 기법이 별개로 연구 되어오고 있다.
또한, IEEE 802.11 표준안을 따르는 두 가지 버전인 IEEE 802.11a와 IEEE 802.11b 버전에서는 물리계층에서 멀티채널을 정의하고 있으며, 표준안에 따르면 IEEE 802.11b 버전에서는 2.4Ghz 대역에서 14개의 채널을 사용한다.
상기 멀티채널을 이용한 방법이 통신 링크의 단절과 이동에 따른 노드의 간 섭 현상을 효율적으로 제어하기 위한 방법이다.
종래 멀티채널의 방법 중 동적인 채널 할당기법인 DCA(Dynamic Channel Assignment) 방식은 통신 링크를 설정하여 목적지로 데이터를 전송하고자 하는 채널의 요구에 의해 할당이 이루어지도록 하는 방식이다.
상기 DCA 방식은 컨트롤 메시지를 전송하기 위한 전용 채널과 다른 채널은 컨트롤 채널을 사용한다.
이 방식은 데이터 채널의 개수가 많을 경우 효율적이나, 데이터 채널의 개수가 적을 경우 전용 채널을 사용하기 때문에 메시지 전송에 따른 추가적인 부담(overhead)이 발생하는 문제점이 있었다.
DCA 방식과 유사한 채널 재할당 기법을 사용하는 DCA&R(Reassignment) 방식은, 채널의 사용방식은 DCA 방식과 유사하나, 이동성을 갖는 환경에서 모든 노드들이 비동기화 되어 있는 경우에 매우 낮은 성능을 갖는다.
DCA와 DCA&R 방식을 보완하기 위하여 각 노드가 사용하는 채널을 CDMA코드화 하여 동시에 여러 노드가 동일 채널을 사용할 수 있도록 하는 CDMA코드화 방식은, 멀티 트랜스시버를 장착해야 하므로 호스트의 가격이 상승하는 문제점이 있었다.
한편 문헌 [1](C. Y. Chang, P. C. Huang, C.T. Chang, and Y.S. Chen, "Dynamic Channel Assignment and Reassignment for Exploiting Channel Reuse Opportunities in Ad Hoc Wireless Networks," in IEICE TRANS. COMMUN., Vol.E86-B, No.4, April 2003.)에는 데이터 채널의 개수를 제한하지 않으며 목적지와 소스측 호스트가 동시에 움직이는 상황을 가정한 알고리즘이 개시되어 있으나, 통신중 인 노드가 서로 움직이고 있는 상황에서 채널을 가변적으로 할당할 수 있도록 하는 기술에 대해서는 기재되어 있지 않다.
또한 문헌 [2](C. R. Lin and J. S. Lin, "QoS Routing in Ad Hoc Wireless Networks," in IEEE Journal on Selected Areas in Comm., Vol.17, Aug. 1999.)에는 특정한 개수의 채널을 모든 노드에게 할당하고 이웃하는 홉(hop)에서 사용하지 않은 채널을 다른 홉에서 사용할 수 있도록 한 알고리즘이 개시되어 있으나, 이웃에서 사용중 할당할 수 없는 경우에 대한 할당 방식이 개시되어 있지 않으므로 채널의 사용률을 높일 수 없었다.
상술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 본 발명의 목적은, 무선 이동 애드혹 네트워크에서 동일한 채널을 사용 중인 노드가 이동하였을 경우 통신중인 노드의 통신 링크의 단절과 이웃 노드와의 간섭현상을 해결하기 위한 방안을 제시하고 파손된 링크를 빠르게 복구하여 안정적인 통신 환경을 제공하는 데 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 무선 이동 애드혹 네트워크에서 통신중인 노드가 이동하여 링크가 단절된 경우, 추가적인 오버헤드 없이 통신중 단절된 노드를 찾기 위하여 노드 탐색 메시지를 사용한다.
또한, 본 발명은 이동중인 노드가 이웃노드와 같은 채널을 사용할 경우 채널 간 발생하는 간섭현상을 방지하기 위하여 채널 재할당 방식으로, 사용하지 않은 채널을 할당한다.
이하 본 발명의 실시예에 대하여 첨부된 도면을 참고로 그 구성 및 작용을 설명하기로 한다.
도 1에서 각 노드(단말)들에 의해 수행되는 채널 재할당 방법은 다음과 같다.
여기서 각 노드는 도 2에 도시한 바와 같이, 인접 노드의 채널 할당 정보(소스측 노드, 목적지측 노드, 사용 채널(busy channel), 유휴 채널(idle channel)를 가지고 있다.
① 이동 중인 노드 A는 노드 D와 통신중이며 노드 A는 노드 D의 통신 반경을 벗어남으로써 통신링크의 단절이 발생한다.
② 노드 A가 다른 통신중인 노드 F와 C에게 접근함으로써 노드 F와 A가 같은 채널을 사용할 경우 노드 F와 노드 A 사이에는 간섭현상이 발생한다.
③ ①에서 노드 D는 통신의 단절을 감지하고 이웃노드(G, B, F)에게 노드 탐색 메시지(NSM, Node Search Message)를 전달한다.
상기 NSM에는 도 4에 도시한 바와 같이, 소스측 노드, 목적지측 노드, 유휴 채널 정보가 포함된다.
④ 동시에 ②에서 통신중인 노드 F는 통신의 간섭 현상을 감지하고 자신의 채널 상태 테이블을 체크하여 다른 채널을 사용할 경우에는 자신을 경유하여 소스 측 노드와 통신할 수 있도록 한다.
⑤ 만약 같은 채널을 사용할 경우에는 자신에게 유휴 채널이 있는지 검사하고, 유휴 채널이 있는 경우 NSM 메시지의 수신을 기다린다.
⑥ NSM 메세지가 도착하면 역 경로를 따라 자신을 경유하여 단절된 통신링크를 재설정한다.
다음, 노드간 연결 재설정에서 채널 재할당을 수행하기 위해 각 노드에서 행하는 4가지 프로세스는 다음과 같다.
OneHop(X) 프로세스는 노드 X의 통신 반경 내에 있는(1홉 내에 있는) 노드의 쌍을 찾는다.
FreeChannel(X) 프로세스는 노드 X의 채널 중에서 할당되지 않은 채널을 계산한다.
Neighbor(OneHop(X)) 프로세스는 노드 X의 통신 반경 내에 있는(1홉 내에 있는) 이웃과 통신 가능한 노드를 찾는다.
Connect(X) 프로세스는 노트 X와 통신 가능한 노드의 수를 찾는다.
상기한 4가지 동작과 도 5 및 도 6을 참고로 반복적인 채널 재할당 문제를 해결하는 순서를 설명하면 다음과 같다.
도 5는 채널을 재할당하기 위한 방법을 설명하고 도 6은 채널 재할당시 반복적으로 발생하는 망 상태를 나타낸다.
소스측 노드를 X, 목적지측 노드를 Y로 가정하고, 노드 X가 노드 Y에게 데이터를 전달하고자 할 때, 먼저 노드 X는 자신에게 미할당된 채널이 있는지를 검사한다(S502).
노드 X는 채널 재할당 메시지(CRM, Channel Renegotiation Message)를 노드 Y에게 전달하고(S504), CRM을 수신한 노드 Y는 자신의 채널 상태 테이블(CST, Channel Status Table)을 검사한다(S506).
상기 CRM에는 소스측 노드, 목적지측 노드, 유휴 채널 정보가 포함된다.
노드 Y는 자신에게 미할당된 채널이 있고(S508), 자신에게 할당된 채널의 개수가 연결 가능한 채널의 개수보다 큰 경우(S510), CRM-ACK(Acknowledgement) 메세지를 소스측 노드 X 에게 보내고(S512), 자신의 통신 반경 내에 있는 노드를 검사한다(S514).
상기 CRM-ACK 메시지에는 소스측 노드, 목적지측 노드, 유휴 채널 정보가 포함된다.
CRM-ACK 메시지가 수신되면 노드 X는 자신의 통신 반경 내에 있는 노드를 검사한다(S520).
노드 X와 Y가 자신의 통신 반경 내에 있는 이웃과 통신 가능한 노드가 노드 X와 Y에게 모두 있는 지 검사하여 모두 있고(S522), 노드 X와 Y가 자신의 미할당된 채널이 서로 사용가능한 지를 검사하여 모두 사용 가능한 경우에 노드 X의 채널 정보와 노드 Y의 채널 정보가 같은 지를 판단하고 같은 경우(S524), 서로 반복적인 충돌 발생으로 계속 채널의 교환이 발생하게 되므로 CRM 요청을 무시한다(S526).
만약 S524단계에서 노드 X의 채널 정보와 노드 Y의 채널 정보가 다르면 채널 재할당이 이루어지고(S528), 이후 서로 간에 재할당된 정보를 2홉 이웃노드들에게 전달하고, CST를 업데이트 한다(S530).
상기 S510단계에서 자신에게 할당된 채널의 개수가 연결 가능한 채널의 개수보다 작은 경우, 채널 재할당이 수행되고(S516), 노드 X와 노드 Y 사이에 서로의 정보를 교환한다(S518).
도 1 및 도 3을 예를 들어 무선 이동 애드혹 네트워크에서 상술한 본 발명이 실제 적용 사례를 설명한다.
도 1은 무선 이동 애드혹 네트워크 토폴러지(topology)에서 통신 링크 상에 할당된 채널과 채널을 사용하여 통신중인 노드를 나타낸다.
노드 A와 노드 D가 통신중이며 채널 1번(ch#1)을 사용한다.
노드 D와 통신중인 노드 A가 노드 F쪽으로 접근하는 경우, 노드 A는 노드 D와 통신중인 링크가 깨어지고 노드 F와 채널 간섭현상이 발생하게 된다.
노드 D는 통신중인 링크의 단절을 감지하고 인접한 노드에게 통신중인 노드의 단절을 알리고 신속하게 링크를 재설정하기 위해서 도 4에서 도시된 메시지중 하나인 NSM을 이웃 노드에게 송신하고, NSM을 수신한 노드는 자신의 주위에서 이동한 노드 A를 탐색한다.
만약 노드 A가 발견되면 노드 A는 NSM-ACK 메시지를 NSM을 포워딩한 노드에게 전달한다.
NSM-ACK 메시지를 수신한 포워딩 노드는 자신의 노드 상태 테이블을 참조하여 데이터를 릴레이 할 수 있는지 판단하고, 가능하면 역방향으로 메시지를 전달한다.
만약 포워딩 노드가 노드 A와 동일한 채널을 사용할 경우, 도 5의 알고리즘을 사용하여 반복적인 채널 교환이 일어나는지 비교한 후 반복적인 채널의 교환이 일어나면 메시지 자체를 폐기하고, 그렇지 않다면 할당되지 않은 채널을 사용하여 재할당하고 자신을 경유하여 소스측 노드 D에게 NSM-ACK 메세지를 전달한다.
재설정이 완료되면 재설정된 정보를 노드 A와 노드 D가 동시에 2홉 이웃에게 전달하고 채널 재할당 과정은 종료한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 멀티채널 기술을 이용한 본 발명에 의하면 애드혹 네트워크 상에서 발생하는 전송지연 문제를 해결할 뿐만 아니라, 향후 멀티미디어 서비스를 제공하기 위한 QoS를 제공한다.
또한 향후 유휴 채널의 이용을 증대할 뿐 만 아니라 재난 지역에서 발생 가능한 핫 스폿(Hot Spot) 문제를 해결할 수 있다.

Claims (8)

  1. 무선 이동 애드혹 네트워크에서 통신중인 소스측 노드와 목적지측 노드 사이에 통신링크의 단절이 발생하고, 상기 2개의 노드중 어느 하나의 노드에 의해 제3의 노드에서 간섭이 발생하는 제1단계와,
    상기 통신중이던 2개의 노드중 어느 하나의 노드에서 통신의 단절을 감지하고 이웃노드에게 노드 탐색 메시지(NSM)을 전달하는 제2단계와,
    상기 제3의 노드에서 자신의 채널 상태 테이블(CST)을 체크하여 간섭을 일으키는 노드와 다른 채널을 사용하는 경우, 자신(제3의 노드)을 경유하여 소스측 노드와 목적지측 노드가 통신할 수 있도록 단절된 통신링크를 재설정하는 제3단계와,
    상기 제3단계에서 같은 채널을 사용하는 경우, 자신의 CST를 검사하여 유휴(idle) 채널이 있으면 상기 NSM 수신을 기다리는 제4단계와,
    상기 제3의 노드에서 상기 NSM이 수신되면 역경로를 따라 자신을 경유하여 단절된 통신링크를 재설정하는 제5단계를 포함하는 이동 애드혹 네트워크에서 다중채널을 이용한 경로 재설정방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 소스측 노드와 목적지측 노드중 어느 하나의 노드가 이동함으로써, 통신반경을 벗어나 통신링크의 단절이 발생함을 특징으로 하는 이동 애드혹 네트워크에서 다중채널을 이용한 경로 재설정방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 NSM에는 소스측 노드, 목적지측 노드, 유휴 채널 정보가 포함됨을 특징으로 하는 이동 애드혹 네트워크에서 다중채널을 이용한 경로 재설정방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 제3단계나 제5단계의 통신링크 재설정단계에서 제3의 노드는,
    임의의 노드 X의 통신 반경 내에 있는(1홉 내에 있는) 노드의 쌍을 찾는 OneHop(X),
    노드 X의 채널 중에서 할당되지 않은 채널을 계산하는 FreeChannel(X),
    노드 X의 통신 반경 내에 있는 이웃과 통신 가능한 노드를 찾는Neighbor(OneHop(X)),
    노트 X와 통신 가능한 노드의 수를 찾는 Connect(X)의,
    4가지 프로세스에 의해 채널의 반복적인 재할당을 방지함을 특징으로 하는 이동 애드혹 네트워크에서 다중채널을 이용한 경로 재설정방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 통신링크를 재설정하는 단계는,
    상기 4가지의 프로세스를 이용해 상기 소스측 노드와 목적지측 노드 중 어느 하나의 노드와 링크된 제3의 노드에서 상기 소스측 노드와 목적지측 노드 중 다른 하나와 링크된 제4의 노드에 채널을 할당하는 것으로서,
    제3의 노드에서 자신에게 미할당된 채널이 있는지를 검사하는 A단계와,
    제3의 노드에서 채널 재할당 메시지(CRM, Channel Renegotiation Message)를 제4의 노드에게 전달하고, CRM을 수신한 제4의 노드에서 자신의 채널 상태 테이블(CST, Channel Status Table)을 검사하는 B단계와,
    제4의 노드에서 자신에게 미할당된 채널이 있고, 자신에게 할당된 채널의 개수가 연결 가능한 채널의 개수보다 큰 지 판단하여 큰 경우, CRM-ACK 메시지를 제3의 노드에게 보내고, 자신의 통신 반경 내에 있는 노드를 검사하는 C단계와,
    제3의 노드에서 CRM-ACK 메시지가 수신되면 자신의 통신 반경 내에 있는 노드를 검사하는 D단계와,
    제3의 노드와 제4의 노드가 자신의 통신 반경 내에 있는 이웃과 통신 가능한 노드가 모두 있고, 자신의 미할당된 채널이 모두 사용가능한 경우에, 제3의 노드의 채널 정보와 제4의 노드의 채널 정보가 같은지 판단하여 다른 경우, 채널을 재할당하는 E단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 애드혹 네트워크에서 다중채널을 이용한 경로 재설정방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 C단계에서 할당된 채널의 개수가 연결 가능한 채널의 개수보다 작은 경우, 채널을 재할당하고 서로의 정보를 교환함을 특징으로 하는 이동 애드혹 네트워크에서 다중채널을 이용한 경로 재설정방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 E단계에서 제3의 노드의 채널 정보와 제4의 노드의 채널 정보가 같은 경우, 제3의 노드에서 전달한 CRM을 무시함을 특징으로 하는 이동 애드혹 네트워크에서 다중채널을 이용한 경로 재설정방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 E단계에서 채널이 재할당 된 후, 제3의 노드와 제4의 노드 간에 재할당된 정보를 2홉 이웃노드들에 전달함을 특징으로 하는 이동 애드혹 네트워크에서 다중채널을 이용한 경로 재설정방법.
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