KR100872351B1

KR100872351B1 - 이동 애드혹 네트워크의 라우팅 방법

Info

Publication number: KR100872351B1
Application number: KR1020070027816A
Authority: KR
Inventors: 박의영; 이용오; 김영용
Original assignee: 국방과학연구소
Priority date: 2007-03-21
Filing date: 2007-03-21
Publication date: 2008-12-08
Also published as: KR20080086112A

Abstract

본 발명은 에너지 효율을 향상시키면서 종단 간 전송 지연시간이 증가하는 것을 방지하기 위한 이동 애드혹 네트워크의 라우팅 방법에 관한 것으로, 네트워크의 각 경로에 대한 지연시간을 추정하여 요구 지연시간보다 적은 경로를 후보경로로 선택하는 과정과, 상기 후보경로의 각 링크에 한하여 전송속도를 에너지 효율적인 전송속도로 변경한 후, 증가된 지연시간이 요구 지연시간보다 적으면 그 변경된 전송속도를 유지하는 과정과, 상기 후보경로 중 전송속도별 전송에너지 대비 잔존 에너지 비율을 나타내는 노드-링크 매트릭(Node-Link metric)이 가장 큰 경로를 후보경로에서 삭제하는 과정과, 상기 후보경로 중에서 최소 전송에너지를 가지는 경로를 최종 라우팅 경로로 선택하는 과정을 통하여, 높은 전송 성공률과 낮은 패킷 당 전송 지연시간 및 보다 연장된 네트워크 생존시간을 보장함과 아울러, 네트워크의 데이터 소통량 면에서 많은 패킷 량을 수신할 수 있도록 한다.

Description

이동 애드혹 네트워크의 라우팅 방법{ROUTING METHOD OF AD-HOC NETWORK}

도 1은 본 발명의 종단 간 지연시간 추정에 사용되는 IEEE 802.11b의 상태 천이도.

도 2는 본 발명의 거리에 따른 IEEE 802.11b의 각 전송속도별 전송에너지 소모를 나타낸 그래프.

도 3은 본 발명에 의해 일반적으로 적용될 수 있는 에너지 효율적인 전송속도 선택 알고리즘 흐름도.

도 4는 상기 도3의 알고리즘을 IEEE 802.11b의 특성에 적합하게 간소화한 에너지 효율적인 전송속도 선택 알고리즘 흐름도.

도 5는 본 발명에 따른 지연시간을 보장하는 에너지 효율적인 라우팅 알고리즘 흐름도.

도 6은 본 발명에 따른 지연시간을 보장하는 에너지 효율적인 라우팅 알고리즘의 구현 실시예를 보여주기 위한 네트워크 구성도.

본 발명은 이동 애드혹 네트워크에 관한 것으로, 특히 에너지 효율을 향상시키면서 종단 간 전송 지연시간이 증가하는 것을 방지하기 위한 라우팅 방법에 관한 것이다.

일반적으로 인터넷을 포함한 종래의 망(Network)에서는 허브나 중계기(AP : Access Point)와 같은 망 장치들을 이용하여 노드들이 서로 접속함으로써 망을 구성할 수 있었다.

그러나 전쟁이나 화재 발생지역, 또는 일시적인 회의 등과 같은 경우에는 미리 망 장치 등을 구축할 수 없기 때문에 노드들 간에 망을 구성하는 것이 어려웠다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 상기 망 장치들로 이루어진 인프라 구조 없이도 노드들끼리 서로 망을 구축하여 정보를 교환할 수 있도록 하는 이동 애드혹 네트워크(MANET: Mobile Ad-hoc Network) 기술이 제안되었다.

이동 애드혹 네트워크에서의 각 노드는 자신의 데이터를 전송 또는 수신하는 것 이외에 다른 노드로부터 전송되는 트래픽도 전달(또는 중계)해 줌으로써 노드간 통신을 제공한다.

즉, 노드는 자신의 전파 영역 내에 있는 다른 노드와의 통신뿐만 아니라, 필요한 경우 주위 노드들의 도움을 이용하여 다중-홉 방식으로 멀리 떨어져 있는 노드와도 통신을 수행하게 된다. 다시 말해, 이동 애드혹 네트워크에서의 노드는 종단 노드로써의 기능과 더불어 라우팅의 기능도 수행해야 한다.

이때 무선채널 환경에서 통신망을 구성하는 이동 애드혹 네트워크의 특성상 단말기의 에너지 소모가 많기 때문에, 에너지 소모를 감소시키기 위한 연구를 진행하고 있으나, 무선채널 환경에서 패킷을 전송하기 위하여 소모되는 에너지는 여전히 전체 에너지 소모에서 큰 비중을 차지하고 있다.

예를 들어, 종래에 에너지 효율을 향상시키는 방법으로는,

1) 전송 에너지를 최소화 시키는 방법,

2) 축전지 에너지 잔존량의 균형을 적절하게 맞추어 주는 방법,

3) 전송 에너지 최소화와 축전지 에너지 잔존량의 균형을 동시에 고려한 방법들이 있었다.

상기와 같은 종래의 에너지 효율적인 라우팅 방법들은 전송 에너지 소모를 감소시키고, 또한 제한된 전력을 사용하는 네트워크의 수명을 연장시키는 효과가 있었으나, 상대적으로 종단 간 전송 지연시간이 증가하는 경향이 있었다.

그 이유는 최소 에너지 경로 선택 시 제일 가까운 노드를 선택함으로써 홉(Hop)수를 증가시키거나, 특정한 노드가 계속 라우팅 노드로 선택됨으로써 선택된 노드에 누적되는 패킷 수(버퍼링되는 패킷 수)가 증가되기 때문이다.

상기와 같은 이동 애드혹 네트워크의 데이터 소통량(Throughput)에 의한 네트워크 종단 간 지연시간의 증가는 재난 상황에 대한 재해 복구 및 군 작전 수행과 같은 신속하고 신뢰성을 요구하는 환경에서는 심각한 결과를 초래할 수 있는 문제점이 있었다.

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 창출한 것으로, 이동 애드혹 네트워크에서의 에너지 효율을 저감시키지 않으면서 종단 간 전송 지연시간의 증가를 방지하기 위한 라우팅 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 이동 애드혹 네트워크에서 실시간 데이터 통신을 하는 동안 가능한 네트워크가 분리(Partition)되지 않고 유지되도록 하는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 이동 애드혹 네트워크를 구성하는 이동 단말기에 축전된 에너지 잔존량을 고려한 경로 삭제 과정을 통해 시간지연을 보상할 수 있도록 하는 방법의 제공을 목적으로 한다.

이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 1) 지연시간을 추정하고 그 요구되는 지연시간 보다 단축된 종단 간 지연시간을 가지는 경로를 후보경로로 선택하는 방법을 제공하고, 2) 그 단축된 종단 간 지연 시간에 해당하는 만큼의 에너지 소모가 증가하는 것을 방지하면서 에너지 효율적인 전송속도를 선택하는 방법을 제공하며, 3) 이동 단말기의 제한된 에너지 잔존량을 고려하여 에너지 효율적인 경로를 선택하는 방법을 제공함으로써 네트워크 종단 간 지연시간의 증가를 보상하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

먼저, 본 발명에 따른 네트워크 종단 간 지연시간을 추정하는 방법을 설명한다. 본 발명에 따른 라우팅 알고리즘은 지연시간의 경계조건 안에서 에너지 효율적인 경로를 찾는 방법으로서, 지연시간의 경계조건 안에 있는 후보 경로들을 찾기 위하여 네트워크 종단 간 지연시간에 대하여 추정을 수행한다.

이때 네트워크의 원천노드(Source node)와 목적노드(Destination node) 사이 의 종단 간 지연시간은 원천노드와 목적노드 사이의 경로에 포함된 모든 링크들의 매체를 통하여 패킷이 전송되는데 걸리는 시간이다.

링크(i, j)의 전송 지연시간(Transmission Delay,

), IEEE 802.11의 MAC(Medium Access Control) 프로토콜에서 패킷이 매체에 접근하는데 걸리는 시간(Medum access Delay,

), 그리고 각 노드의 버퍼에서 소요되는 대기지연시간(Queueing Delay,

)들의 합으로 나타낼 수 있다.

링크 간 전송 지연시간은 링크 사이에 패킷이 완전히 전달되는 소요시간으로, 다음 수학식1과 같이 패킷 크기(D)를 노드 i, 노드 j 사이의 전송속도로 나누어 준 값으로 나타낼 수 있다.

이하, 링크 간 매체 접근지연시간을 구하는 방법을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.

먼저 제 1 도는 IEEE 802.11b의 상태천이도(State diagram)와 발생 확률변수들(Probability variables)을 보인 상태도로서, 이 상태도에서 매체 접근지연시간을 산출할 수 있다.

종래의 경우 무선통신에서 전송지연을 추정하기 위하여 패킷 도착율과 요구 시간 등, 두 가지 변수들에 대한 무작위성(Randomness)은 통계적인 방법의 확률 분포를 가진다고 전제되어야 한다.

따라서, 메시지 패킷들의 도착 과정들은 포아손 통계(Poisson statistics) 방법으로 주어지고, 노드 i에 패킷들이 도착하는 비율들은 이웃 노드의 수(

)와 각각의 이웃 노드들이 패킷을 송신한 경우 노드 i에서 발생하는 각 전송 지연시간들을 가지고, 노드 i에 대하여 최대 전송지연이 발생할 수 있는 영역에서 총 패킷 도착율(Total packet arrival rate)을 구하고 있다.

그러나, 본 발명은 상술한 종래의 방법을 개선하기 위한 것으로, 다중 홉(Hop)을 통한 전송을 하는 애드혹 네트워크에서는 이웃 노드들의 중계(Relay) 참여 비율이 패킷 도착율에 영향을 주고 있음에 근거하여, 노드 i에 대하여 최대 전송지연이 발생할 수 있는 영역에서 총 패킷 도착율(

: Total packet arrival rate)을 다음 수학식2와 같이 구할 수 있다.

: 노드 i에 대하여 최대 전송지연이 발생할 수 있는 영역 안에 있는 이웃 노드들의 수,

: 노드 i에 대하여 최대 전송지연이 발생할 수 있는 영역 안에 있는 이웃 노드들 중에 중계에 참여하는 수,

: 패킷들의 평균 도착율(Mean arrival rate),

IEEE 802.11b는 다중접속방식으로 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 방식을 채택하고 있으므로, 먼저 휴지상태(Idle state)에 있는 노드 i에 패킷이 도착하면 도착상태(Arrival state)로 천이하고, 백오프(Backoff) 상태를 거쳐 전송상태(Transmit state)로 천이하여야 한다. 이 과정 중에서 노드 i로 부터 일정시간(t) 동안 최대 전송영역 즉 최대 전송지연영역 안에 있는 채널이 미사용(Idle)중인 것을 확인하는데 성공할 확률은 다음 수학식3과 같다.

노드 i에 데이터들이 도착하는 도착율과 노드 i가 송신할 데이터가 있는 경우, 먼저 채널들이 미사용(Idle)중인 것을 확인하여 성공할 확률인 수학식3을 이용하여 매체의 접근지연시간을 추정한다. 휴지상태(Idle state)에 있는 노드 i에 패킷이 도착하면 도착상태(Arrival state)가 되면서, 매체가 미사용(Idle)중인 것을 확인하고 백오프(Backoff) 상태로 들어가면서 발생하는 상태천이 과정에서 예상되는 예상 지연시간, 또한 매체가 사용(Busy)중인 것을 확인하고 NAV상태(NAV state : Network Allocation Vector state)로 들어가면서 발생하는 상태천이 과정에서 예상되는 예상 지연시간들의 합으로 구할 수 있다. 즉, 평균 매체 접근지연시간(

)은 패킷이 도착하고 백오프(Backoff) 상태로 천이하는 기대값과 NAV 상태로 천이하는 기대값의 합으로 다음 수학식4와 같이 구할 수 있다.

: 노드 i가 패킷 도착상태(Arrival state)에서 채널이 미사용(Idle) 중인 것을 감지하여 백오프(Backoff) 상태로 천이하는 확률로서,

: 노드 i가 패킷 도착상태(Arrival state)에서 채널이 사용(Busy) 중인 것을 감지하여 NAV 상태로 천이하는 확률로서,

DIFS : IEEE 802.11에서 사용되는 Distributed(Coordination function) interframe space.

노드 i가 도착상태(Arrival state)에서 매체가 미사용(Idle)중인 것을 확인하고 백오프(Backoff) 상태로 들어가면, 전송할 시간 할당을 획득하기 위하여 경쟁(Contention)을 하게 되며, 여기에서 자신의 무작위 백오프(Random Backoff) 정도가 경쟁하는 노드의 무작위 백오프(Random Backoff) 정도 보다 작으면 RTS(Request to Send)와 CTS(Clear to Send control) 메시지를 주고받는 시간만큼 지연시간이 증가되고, 만약 다른 노드의 백오프(Backoff)가 더 작으면 경쟁에서 지게 되어, NAV 상태로 천이되고 NAV 기간이 끝나면 다시 백오프(Backoff) 상태로 천 이되어 잔여 백오프(Backoff) 가 끝날 때까지 기다려야 한다.

이때, 접근지연시간은 다음의 수학식5와 같이 구할 수 있다.

: 노드 i가 도착상태(Arrival state)에서 백오프(Backoff) 상태로 천이되는 예상 지연시간,

SIFS : IEEE 802.11에서 사용되는 Short interframe space,

: 노드 i가 자신의 백오프(Backoff) 시간이 지나고 RTS/CTS(Request to Send/Clear to Send control) 메시지 교환이 성공적으로 이루어진 후 전송상태(Transmit state)로 천이할 확률,

= P{node is successes RTS/CTS handshake}

: 노드 i가 백오프(Backoff) 상태로 천이하였으나 다른 경쟁관계의 노드가 먼저 전송상태로 천이하여 노드 i가 NAV 상태로 돌아갈 확률,

: IEEE 802.11에서 CSMA/CA 프로토콜에서 충돌이 발생하면, Binary exponential로 증가하는 백오프(Backoff) 알고리즘을 이용하여 백오프(Backoff) 시 간을 반복적으로 구하는 방법을 통하여 구하여지는 평균 백오프(Backoff) 시간,

다음, 노드 i가 도착상태(Arrival state)에서 매체가 사용(Busy)중인 것을 확인하고 NAV 상태로 들어가면, NAV 메시지를 보낸 노드의 전송이 완결될 때까지 기다려야 한다. 그리고 NAV 기간이 끝나고 다시 백오프(Backoff) 상태로 천이하기 위한 시도를 하게 되며, 여기에서 매체가 미사용(Idle)중인 것을 확인하면 백오프(Backoff) 상태로 천이하고, 아닌 경우에는 다시 NAV 상태에 있으면서 반복되는 절차를 따르게 된다.

이때, 접근지연시간은 다음의 수학식6과 같이 구할 수 있다.

: 노드 i가 도착상태(Arrival state)에서 NAV 상태로 천이되는 예상 지연시간,

: NAV 상태에서 노드 i는 다른 노드의 전송이 완료되고, 다시 백오프(Backoff) 상태로 돌아가는 시도를 하는데, NAV 상태가 끝난 후 DIFS 동안 채널이 미사용(Idle)중인 것이 확인되면 노드 i가 백오프(Backoff) 상태로 천이되는 확률,

= P{node i finishes & channel is idle [ t , t + DIFS ]}

: NAV 상태가 끝난 후에도 DIFS 동안 다른 노드의 전송이 진행되 고 있으면 노드 i가 다시 NAV 상태로 돌아가야 하는 확률,

: 백오프(Backoff) 시간 중에 다른 노드들과 경쟁을 통하여 선택된 노드는 전송상태(Transmit state)로 천이가 되지만, 선택되지 않은 노드는 NAV 상태로 천이되고, 선택된 노드의 전송이 완료되는 시간이 NAV 시간이 되므로 이 시간의 평균 값,

상술한 바와 같이 노드에서 링크의 전송속도에 의하여 예상되는 다중 접근지연시간을 수학식 5,6으로 정리하였고, 이들을 수학식4에 대입하여 정리하면 다음 수학식7과 같이 구할 수 있다.

: Propagation delay

여기에서

는 최소의 경쟁 윈도우 크기(Contention window size)가 32, 최대 크기가 1024이고, 충돌이 발생하면 크기가 2배가 되는 경우 평균 백오 프(Backoff) 시간이다. 또한

은 NAV 시간으로 NAV 메시지를 보낸 노드의 RTS → CTS → DATA → ACK의 전송이 모두 완료되는 시간이다.

또 다른 지연시간으로 대기지연시간(Queueing Delay)이 있으며, 이것은 각 노드에서 누적되어 있는 메시지들이 자기의 순서를 기다리며 지연되는 시간으로 버퍼링되어 있는 패킷의 전송지연과 매체에 대한 다중 접근지연의 합으로 구할 수 있으므로, 링크 간 대기지연시간은 다음 수학식8과 같이 구할 수 있다.

이하, 에너지 효율적인 전송속도 선택 알고리즘에 대해 설명한다.

IEEE 802.11 표준은 다중 전송속도를 지원하여 채널의 상태에 따라 능동적으로 물리계층에서 전송속도를 선택할 수 있으므로 널리 사용되고 있다. IEEE 802.11b에서 무선은 1, 2, 5.5, 11Mbps의 각각 다른 전송속도를 선택할 수 있다.

기존의 방식은 신호대 잡음비 SNR(Signal-to-Noise Ratio)이 충분히 좋다는 가정 하에, 즉 모든 변조방식이 가능하다면 수신신호의 크기에 따라 가능한 최대의 전송속도가 다르게 된다. 패킷을 성공적으로 수신하기 위하여 전송속도에 따른 최소 요구 전송전력은 다음의 표1과 같다

송신노드가 링크의 채널 상태를 알고 송신노드와 수신노드 사이의 전송속도를 도달하기 위한 최소 수신 전력을 알고 있다면 전력제어를 통하여 전송에너지를 감소시킬 수 있다. 만약 링크에서 전송속도가 정해져 있다면, 요구되는 최소 전력을 알 수 있다. 또한 RTS → CTS 메시지가 송수신되는 동안 링크 상태에 대한 정보를 얻을 수 있다. RTS → CTS 메시지는 노출되거나/숨겨진 단말들의 문제(Exposed/Hidden Terminal problem)를 해결하기 위하여 최대 전력으로 송수신을 하고 있다. RTS가 최대 전송전력(

)로 전송되므로 수신노드에서 수신된 전력의 크기(

)를 활용하여 링크의 채널 상태(g)에 대한 정보를 다음과 같이 획득할 수 있다.

그러나 전송속도에서 요구되는 최소 수신 전력의 크기(

)를 알고 있다면, 송신노드는 적합하게 수신될 수 있는 최소 전송전력(

)을 다음 수학식10 과 같이 구할 수 있다.

기존의 전송속도 선택 알고리즘은 가능한 최대의 전송속도를 선택하였으므로 주요 고려요소가 링크의 상태였다.

그러나, 본 발명에서는 기존의 전송속도 선택 알고리즘과 다르게 에너지 효율적인 관점에서 전송속도를 선택하는 방법을 제공한다.

예컨대, 모든 링크에 잡음이 작아서 SNR(잡음률, Signal-to-Noise Ratio)이 충분하게 커서 고밀도 변조도 가능하다고 전제한다면, 전송속도를 결정하는 중요한 역할은 노드 사이의 거리가 된다. 그리고 거리가 멀수록 더 큰 전송전력이 필요하고, 높은 전송속도로 전송할 수 있으면, 더 많은 전송전력이 소모될 것이다. 그러나, 전송에너지는 전송전력과 더불어 전송시간에 따라 다르게 된다. 이것은 전송에너지가 전송전력과 전송시간의 곱으로 표시되기 때문이다. 그러므로 에너지 효율적인 전송속도는 반드시 가장 낮은 전송속도가 아닐 수도 있다.

제 2 도는 전송거리를 10m에서 120m까지 증가시켜 가면서 IEEE 802.11b의 각 전송속도에 대한 전송에너지 양에 대한 시뮬레이션 결과를 보인 것으로, 제 2 도의 결과에 의하면 5.5Mbps로 전송하는 경우 전송 가능한 거리인 80m에서 에너지 소모가 가장 적음을 알 수 있다. 5.5Mbps 전송속도에 필요한 전송전력이 1Mbps 또는 2Mbps 전송속도에 필요한 전송전력보다 더 많은 전력을 사용하지만 전송속도가 높 으므로, 하나의 패킷을 전송하기 위한 전송 지연시간이 짧아지면서 전송에너지는 더 감소하게 된다. 그리고 5.5Mbps가 전송 가능한 영역을 넘는 경우, 즉 80m에서 120m의 구간에서는 1Mbps의 전송속도로 전송하는 전송에너지가 가장 작게 나타나고 있다. 이 결과를 활용하여 에너지 효율적인 전송속도 선택 알고리즘을 간단하게 만들 수 있다.

또한 전력제어에 의한 최소 전송전력과 전송속도에 따른 최소 수신 전력을 이용하여, 전송속도별 전송에너지를 산출할 수 있고 이 전송에너지가 최소 값인 전송속도가 바로 에너지 효율적인 전송속도가 된다.

그러나 군사작전 또는 피해복구와 같은 상황에서 실시간 데이터 전송을 위하여 항상 에너지 효율성이 가장 높은 전송속도만을 선택할 수 없다. 이것은 5.5Mbps가 80m까지 구간, 1Mbps가 80～120m 구간에서 각각 에너지 효율 면에서 가장 높으나, 종단간 지연시간 문제가 발생할 수 있으므로 요구 지연시간에 적합하게 11Mbps 또는 2Mbps의 전송속도를 선택하는 경우가 있기 때문이다.

따라서, 본 발명에서는 에너지 효율성과 요구 지연시간을 만족시키는 새로운 에너지 효율적인 전송속도 선택 알고리즘의 제공을 목적으로 한다.

본 발명의 에너지 효율적인 전송속도 선택 알고리즘은, 알고리즘의 초기화 영역(Initial section)에서 링크 사이의 가능한 최대 전송속도를 이용하는 것이다.

링크 사이의 가능한 최대 전송속도를 이용하여 지연시간 추정을 실시한 결과 경로의 지연시간이 요구 지연시간 보다 적다면 그 경로는 후보경로(Candidate route)로 선택된다. 또한 후보경로를 통하여 패킷이 전달될 때 전송에너지, 그리고 요구 지연시간과 추정된 종단 간 지연시간 사이의 차이를 지연이득여유(Delay margin) 값으로 후보경로를 기억하게 된다. 이렇게 모든 가능한 경로에 대하여 지연시간 추정을 수행하면서 후보경로 검색을 완료하였으면, 후보경로의 각 링크에 한하여 전송속도를 에너지 효율적인 전송속도로 변경하였을 때, 증가된 지연시간이 요구 지연시간 보다 작으면 그 전송속도를 에너지 효율적인 전송속도로 변경하는 적응영역(Adaptive section) 알고리즘을 수행한다.

이와 관련된 세부적인 알고리즘은 다음과 같다.

후보경로의 각 링크에서는 현재 링크 사이에 전송속도로 되어 있는 최대 전송속도 보다 낮은 전송속도로 전송이 될 때 링크 사이의 전송에너지를 산출하고, 최대 전송속도로 전송하였을 때와 전송에너지의 차이(Energy gap)을 구한다. 또한 최대 전송속도보다 낮은 전송속도로 전송될 때 링크 사이에 증가된 지연시간을 산출하고, 최대 전송속도로 전송하였을 때와 지연시간의 차이(Delay gap)를 구한다.

다음으로 전송에너지의 차이가 가장 큰 전송속도로 전송속도를 변경하였을 때 증가하는 지연시간의 차이가 지연이득여유(Delay margin) 보다 작으면 링크의 전송속도를 변경한다. 그리고 지연이득여유(Delay margin)을 증가한 지연시간만큼 차감하여 최신화하여야 한다. 전송에너지 차이가 다음으로 가장 큰 것에 대하여 지연이득여유(Delay margin)가 0 이상인 경우, 반복하여 대입하면서 요구 지연시간을 만족시키도록 전송속도를 변경하여 전송에너지 소모를 감소시키게 된다.

제 3 도는 상기와 같이 본 발명에서 제공하는 알고리즘을 일반적으로 사용할 수 있는 에너지 효율적인 전송속도 선택 알고리즘을 보인 흐름도이다.

일반적인 에너지 효율적인 전송속도 선택 알고리즘은 복잡도가 높게 구성되어 있으나, IEEE 802.11b의 특성에 적합하게 알고리즘을 단순화할 수 있다. 최대 전송속도가 11Mbps인 경우 5.5Mbps로 전송속도를 변경하여 비교하고, 2Mbps인 경우에는 1Mbps와 비교하는 것으로 단순화할 수 있다. 이러한 방법으로 제 3 도에서 일반화된 알고리즘의 흐름도를 IEEE 802.11b의 특성에 적합하게 단순화한 에너지 효율적인 전송속도 선택 알고리즘의 흐름도는 제 4 도와 같다.

다음, 본 발명에 따른 경로삭제 알고리즘에 대하여 설명한다.

우선, 전송속도를 변경한 후 경로삭제를 하여야 하는데, 경로삭제의 기준은 Node-Link metric으로서, 이 Node-Link metric은 링크 사이의 전송에너지를 노드의 축전지 에너지 잔존 용량으로 나누어 주는 것으로, 다시 말해, 상기 Node-Link metric은 상기 후보 경로 중 전송속도별로 전송에너지 대비 잔존 에너지 비율을 나타내는 것으로서, 이 값이 클수록 축전지 에너지 잔존 용량 대비 전송에너지가 높아지므로, 이 경로를 통하여 패킷 전송이 되면 축전지 에너지 잔존 용량이 적은 노드가 빠르게 에너지를 전부 소모하게 되는 것이다. 따라서 경로 중에서 가장 높은 Node-Link metric이 그 경로의 대표적인 Node-Link metric 값이 되며, 값이 높은 경로는 후보경로에서 제외시켜 축전지 에너지 잔존량의 균형을 유지시켜 준다.

다음, EERDG(Energy-Efficient Routing algorithm with Delay Guarantee)는 가장 최근의 노드 에너지 잔존량, 링크 사이의 최대 전송 가능한 최대 전송속도, 이 전송속도를 지원할 수 있는 최소 전송전력, 그리고 예상되는 매체 접근지연과 대기지연시간(Queueing Delay)에 대한 정보가 필요하므로 On-demand 라우팅 방법을 채택한다. On-demand 라우팅 방법은 패킷을 송신하려 할 때 라우팅 경로를 선택하 므로 최신의 정보를 획득하는데 적합할 수 있기 때문이다.

제 5 도는 본 발명에서 제공하는 지연시간을 보장하는 에너지 효율적인 라우팅 알고리즘인 EERDG의 흐름도이다.

원천노드(Source node)가 목적노드(Destination node)로 패킷을 송신하는 경우, 먼저 원천노드는 경로요구(RREQ : Route REQuest) 패킷을 목적노드로 송신하게 된다. 경로요구(RREQ) 패킷은 목적노드로 전달(Forwarding)되면서 노드의 에너지 잔존량, 링크 사이의 최대 전송 가능한 최대 전송속도, 이 전송속도를 지원할 수 있는 최소 전송전력, 그리고 예상되는 매체 접근지연시간과 대기지연시간에 대한 정보를 수집한다. RREQ 패킷이 목적노드에 도착하면 수집된 정보를 모아 경로응답(RREP : Route REPly) 패킷에 실어서 원천노드로 전달한다.

원천노드가 모든 RREP 패킷을 수신하면 요구 지연시간을 만족하는 라우팅 경로를 찾아서 그 경로를 후보경로로 선택한다. 그리고 후보경로의 각 링크 사이 전송속도를 에너지 효율적인 전송속도 선택 알고리즘에 적용하여 변경한다.

전송속도가 변경되고 경로삭제를 수행한다.

경로삭제의 기준은 [2]에서 사용된 것과 유사한 Node-Link metric이다. Node-Link metric는 링크 사이의 전송에너지를 노드의 축전지 에너지 잔존 용량으로 나누어 주는 것으로, 이 값이 클수록 축전지 에너지 잔존 용량 대비 전송에너지가 높아지므로, 이 경로를 통하여 패킷 전송이 되면 축전지 에너지 잔존 용량이 적은 노드가 빠르게 에너지를 전부 소모하게 되는 것이다.

따라서, 경로 중에서 가장 높은 Node-Link metric이 그 경로의 대표적인 Node-Link metric 값이 되며, 값이 높은 경로는 후보경로에서 제외시켜 축전지 에너지 잔존량의 균형을 유지시켜 준다. 즉, 상기 Node-Link metric 은 상기 후보경로 중 전송속도별 전송에너지 대비 잔존 에너지 비율을 나타내므로, Node-Link metric이 가장 큰 경로를 후보 경로에서 삭제함으로써 축전지 에너지 잔존량의 균형을 유지시켜 주는 것이다.

EERDG는 경로삭제를 수행한 후 후보경로 중에서 최소 전송에너지를 가지는 경로를 라우팅 경로로 선택한다.

제 6 도는 EERDG의 구현 예를 설명하기 위한 네트워크의 구성을 보인 예시도로서, 원천노드는 S 노드, 목적노드는 D 노드이다. 요구 전송지연시간은 512bytes를 16msec 동안 전송하여야 한다. S 노드에서 D 노드로 전송이 가능한 경로는 총 4개로 하였다.

각 경로의 종단 간 지연시간은 첫 번째 경로인 S-5-6-D 경로는 13.07msec, 두 번째 S-4-D 경로는 17.03msec, 세 번째 S-2-3-D 경로는 12.71msec, 네 번째 S-1-2-3-D 경로는 14.94msec 들로 추정되었다. 후보경로 선택에서 16msec 보다 작은 첫 번째, 세 번째, 네 번째 경로는 선택되지만, 두 번째 경로는 요구 지연시간 보다 종단 간 지연시간 추정 값이 크게 되어 후보경로에서 제외된다.

따라서, 선택된 3개 경로의 각 링크에 에너지 효율적인 전송속도 선택 알고리즘을 적용하면 에너지 소모를 감소시킬 수 있는지 확인할 수 있다.

먼저, 6-D 링크는 현재 전송속도가 2Mbps이지만, 1Mbps로 전송속도를 낮추는 경우, 지연시간이2.57msec 증가하여 지연이득여유(Delay margin)인 2.93msec 보다 작기 때문에 전송속도를 1Mbps로 낮추어서 전송속도를 0.02mJ로 감소시킬 수 있다.

다음, 2-3 링크는 현재 전송속도가 11Mbps이지만 5.5Mbps로 전송속도를 낮추는 경우, 지연시간이 1.23msec 증가하여 지연이득여유인 3.29msec 보다 작기 때문 에 전송속도를 5.5Mbps로 낮추어서 전송에너지를 0.06mJ로 감소시킬 수 있다.

다음, 3-D 링크는 현재 전송속도가 11Mbps이지만 5.5Mbps로 전송속도를 낮추는 경우, 지연시간이 1.19msec 증가하여 지연이득여유인 1.06msec 보다 크기 때문에 전송속도를 5.5Mbps로 저하시킬 수 없다.

다음으로 축전지 에너지 잔존량의 균형을 유지하기 위하여 경로삭제를 수행하는데, 각 후보경로의 Node-Link metric은 0.0042, 1.9731e-4, 1.1906e-4 가 되므로 Node-Link metric이 가장 큰 첫 번째 경로는 후보경로에서 삭제된다.

최종적으로 남은 후보경로인 세 번째 경로와 네 번째 경로의 전송에너지를 비교하면 1.063e-3 [J], 1.170e-3 [J]로 전송에너지가 가장 작은 세 번째 경로를 최종 경로로 선택하는 것이다.

다음 본 발명에 의한 경로선택 알고리즘과 종래의 경로선택 알고리즘의 성능을 비교하기 위한 실험과 그 결과에 대해 설명한다.

예컨대, 200m × 200m 구역 안에 25개의 노드들을 무작위(Random)로 배치한다. 각각의 노드는 0.1[J]의 축전지 에너지를 가지고 요구 전송속도 512Kbps, 256Kbps, 128Kbps에 대하여 요구 지연시간은 800msec, 1600msec, 3200msec이고, 각 요구 전송속도에 대한 패킷의 도착율은 1 : 2 : 1 로 하였다.

전파 전파(Radio propagation)는 송신되는 신호는 거리의 4승에 반비례하면서 감소하는 Two ray ground 모델을 사용하였다. 각각의 노드에서 패킷 도착율은 평균적으로 10초에 한 번씩 패킷이 도착한다는 전제로

인 포아손 통 계(Poisson statistics) 방법을 채택하였다.

이때, 본 발명과 종래 방법에 대한 성능평가는 다음의 3가지를 기준으로 한다.

1) 패킷 당 평균 종단간 지연시간, 요구 전송속도 별 전송 성공률,

지연시간에 대한 성능평가를 위하여 사용되는 방법으로, 패킷 당 종단 간 지연을 분석하기 위하여 종단간 지연시간 추정을 수행하여 기존의 에너지 효율적인 라우팅 알고리즘이 가지고 있던 종단간 지연시간 문제를 극복한 정도를 확인할 수 있는 척도이다. 전송속도에 해당하는 전송 성공률은 각각의 요구 전송속도(512Kbps, 256Kbps, 128Kbps) 별로 실제 패킷 전송이 성공한 정도를 나타내는 척도이다. 요구 지연시간 보다 작은 종단간 지연시간을 가지면 전송이 성공한 것으로 간주하고, 요구 지연시간을 만족하는 경로가 없거나 종단간 지연시간이 요구 지연시간 보다 큰 경우는 실패한 것으로 간주하여 전송이 성공한 횟수를 총 전송시도 횟수로 나누어 구한다.

2) 패킷 당 평균 전송에너지, 네트워크 생존시간

에너지 효율적인 라우팅 알고리즘은 패킷 당 전송에너지가 감소하면서, 네트워크 생존시간이 길어져야 한다. 패킷 당 평균 전송에너지는 패킷 당 전송에너지 양을 측정할 수 있는 척도이며, 네트워크 생존시간은 네트워크가 분리(Partition)되지 않고 생존하는 정도를 나타내는 척도이다.

3) 데이터 소통량(Throughput)

에너지 효율성이 네트워크 전체의 데이터 소통량(Throughput)에 미치는 영향 을 나타내는 척도이다.

상기 성능평가의 3가지 기준에 의하여 기존 에너지 효율적인 라우팅 알고리즘과 본 발명에 따른 EERDG을 비교하였다.

비교대상이 되는 기존의 라우팅 알고리즘은 MTPR[3], MMBCR[4], MRPC[2]이다. MTPR은 전송전력이 최소화되는 경로를 선택하는 라우팅 알고리즘이다. MMBCR은 축전지 에너지 잔존량을 고려하여 경로를 선택하는 라우팅 알고리즘이다. MRPC는 전송에너지와 축전지 에너지 잔존량을 모두 고려한 Node-Link Metric을 이용한 알고리즘이다.

아래의 표2는 비교대상의 라우팅 알고리즘들과 본 발명에 따른 EERDG 방법에 대하여 패킷 당 평균 종단간 지연시간, 요구 전송속도 별 전송 성공률의 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.

위 표의 시뮬레이션 결과들 중 먼저 전송 성공율을 분석한다.

기존의 에너지 효율적인 라우팅 알고리즘들인 MTPR, MMBCR, MRPC는 512Kbps와 256Kbps와 같이 비교적 빠른 전송속도가 요구되는 패킷 전송에서는 종단간 지연시간 문제로 인하여 낮은 성공률을 보여주고 있다.

그러나, 본 발명의 EERDG 알고리즘은 요구 전송속도에 따른 요구 지연시간 보다 작은 종단간 지연시간을 추정한 경로 중에서 전송에너지 소모가 적은 경로를 확인하여 512Kbps와 256Kbps의 요구 전송속도에서도 기존의 에너지 효율적인 라우팅 방법 보다 높은 성공률을 보여주고 있음을 알 수 있다.

다음으로 패킷 당 평균 지연시간을 분석한다.

MTPR 방법은 종단간 지연시간이 EERDG 보다 작게 나오지만 이 값은 평균적인 값으로 요구 전송속도에 적합하게 전송되지 않아 낮은 성공률을 보이고 있다. MMBCR과 MRPC의 평균 지연시간은 제안된 EERDG 보다 크게 나타나고 있는데, 이것은 지금까지 설명한 에너지 효율적인 라우팅 방법들이 가지고 있는 종단간 지연시간 문제를 보여주고 있음을 알 수 있다. EERDG의 평균 지연시간은 MTPR 보다 크게 나타나고 있으나, 반대로 전송 성공률에서 보다 높은 이유는 EERDG는 요구 전송속도의 요구 지연시간에 적합하게 전송이 이루어지고 전송에너지의 소모를 감소시키기 위한 에너지 효율적인 전송속도를 선택하여 요구 지연시간에 근접하지만 요구 지연시간 보다 작은 종단 간 지연시간을 보여주고 있다.

아래의 표3은 비교대상의 라우팅 알고리즘들과 본 발명의 EERDG 방법에 대하여 네트워크 생존시간 및 평균 전송시간에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다

위 표의 시뮬레이션 결과들을 활용하여 에너지 효율적인 면에 대한 분석을 위하여 패킷 당 전송에너지와 네트워크 생존시간을 분석하여야 한다.

기존의 에너지 효율적인 라우팅 알고리즘들 중 MTPR, MRPC와 EERDG의 평균 전송에너지는 유사한 값으로 나타나고 있다. 이것은 전송 지연시간에서 설명한 것과 같이 EERDG가 요구 전송속도에 적합하게 낮은 종단간 지연시간을 보여주면서 에너지 효율적인 전송속도의 선택으로 전송에너지 소모를 감소시켜 준 결과로 나타나는 효과로 판단할 수 있다. 그러나, MMBCR은 각 노드들이 보유하고 있는 축전지 에너지 잔존 용량만을 고려한 라우팅이므로 패킷 당 에너지 효율성이 낮다는 것을 알 수 있다.

또한, 상기 표3에 도시된 바와 같이 네트워크 생존시간은 MTPR이 패킷 당 소모되는 에너지는 적지만, 각 노드들이 보유한 축전지 에너지 잔존량의 불균형으로 에너지를 빠르게 소모하는 노드가 발생하여 네트워크 분리가 일어나면서 네트워크 생존시간이 단축되는 것이다.

MMBCR은 패킷 당 에너지 소모가 크지만 축전지 에너지 잔존량의 균형을 적합하게 만들어 네트워크 생존시간이 MTPR 보다 길게 나타나고 있다. MTPR과 MMCBR의 결과들을 통하여 에너지 효율적인 라우팅은 패킷 당 전송에너지와 축전지 에너지 잔존 용량에 대한 고려가 동시에 필요하다는 것을 알 수 있다.

그 결과는 MRPC와 EERDG가 패킷 당 전송에너지와 축전지 에너지 잔존 용량에 대한 고려가 동시에 수행되어 보다 연장된 네트워크 생존시간을 보여주고 있다. 따라서, 기존의 에너지 효율적인 라우팅 중에서 네트워크 생존시간이 상대적으로 연장된 MRPC 보다 제안된 EERDG 방법은 에너지 효율적인 전송속도 선택과 경로 삭제를 통하여 보다 연장된 네트워크 생존시간을 보여주고 있음을 알 수 있다.

아래의 표4는 비교대상의 라우팅 알고리즘들과 본 발명에서 제안하는 EERDG 방법에 대하여 네트워크의 데이터 소통량(Throughput)에 대한 시뮬레이션 결과를 나타낸 것이다.

위 표의 데이터 소통량 시뮬레이션 결과들을 분석하면 다음과 같다. 먼저 수신되는 패킷의 수가 많기 위하여 패킷 당 지연시간도 짧아야 하고, 네트워크 생존시간도 상대적으로 길어야 한다.

그러나, MTPR은 네트워크 생존시간이 짧고, MMBCR과 MRPC는 패킷 당 전송 지연시간이 크기 때문에 EERDG 보다 수신된 패킷의 수가 적다는 것을 시뮬레이션 결과로 알 수 있다.

상기 분석 결과를 종합하면 본 발명에 따른 EERDG 알고리즘과 종래의 알고리즘들인 MTPR과 MMBCR을 비교하여 에너지 효율적인 라우팅 알고리즘은 전송에너지의 최소화와 축전지 에너지 잔존 용량의 균형들을 동시에 고려하여야 한다는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 MRPC의 경우 두 가지 요소를 고려하였으나 비교적 높은 전송속도를 요구하는 데이터 전송에는 부적함을 보여주고 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 EERDG 알고리즘은 요구 전송속도에 적합한 후보경로 선택과 전송에너지 소모를 감소시키기 위한 에너지 효율적인 전송속도 선택, 그리고 축전지 에너지 잔존 용량의 균형을 적합하게 유지하기 위한 경로삭제 알고리즘들을 포함하고 있다. 따라서 전송 지연시간 면에서 높은 전송 성공률, 낮은 패킷 당 전송 지연시간, 그리고 보다 연장된 네트워크 생존시간을 보장하는 효과가 있으며, 또한 네트워크의 데이터 소통량 면에서도 많은 패킷 량을 수신할 수 있는 효과가 있음을 알 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조로 설명하였다. 여기서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

따라서, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.

이상에서 설명한 바와 같이 본 발명은 높은 전송 성공률과 낮은 패킷 당 전송 지연시간 및 보다 연장된 네트워크 생존시간을 보장함과 아울러, 네트워크의 데이터 소통량 면에서 많은 패킷 량을 수신할 수 있도록 하는 효과가 있다.

Claims

네트워크의 각 경로에 대한 지연시간을 추정하여 요구 지연시간보다 적은 경로들을 후보경로로 선택하는 과정과,

상기 후보경로들의 각 링크에 한하여 전송속도를 에너지 효율적인 전송속도로 변경한 후, 증가된 지연시간이 요구 지연시간보다 적으면 그 변경된 전송속도를 유지하는 과정과,

상기 후보경로 중 링크 사이의 전송에너지를 노드의 축전지 에너지 잔존 용량으로 나누어 노드-링크 매트릭(Node-Link metric)을 구하고, 그 노드-링크 매트릭이 가장 큰 경로를 후보경로에서 삭제하는 과정과,

상기 후보경로 중에서 최소 전송에너지를 가지는 경로를 최종 라우팅 경로로 선택하는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이동 애드혹 네트워크의 라우팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 각 경로의 지연시간은,

링크 사이의 가능한 최대 전송속도를 이용하여 추정을 실시하는 것을 특징으로 하는 이동 애드혹 네트워크의 라우팅 방법.
제1항에 있어서, 상기 에너지 효율적인 전송속도는,

상기 후보경로의 각 링크에서 현재 설정되어 있는 최대 전송속도 보다 낮은 전송속도로 전송 될 경우의 전송에너지를 산출하고, 그 전송에너지의 차이(Energy gap)를 구하는 과정과,

상기 최대 전송속도보다 낮은 전송속도로 전송될 때 각 링크 사이에 증가된 지연시간을 산출하고, 그 지연시간의 차이(Delay gap)를 구하는 과정과,

상기 전송에너지의 차이가 가장 큰 전송속도로 전송속도를 변경하였을 경우 증가하는 지연시간의 차이가 지연이득여유(Delay margin) 보다 작을 경우, 해당 링크의 전송속도를 에너지 효율적인 전송속도로서 설정하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이동 애드혹 네트워크의 라우팅 방법.
삭제
원천노드에서 목적노드로 패킷을 송신하는 경우, 원천노드에서 경로요구 패킷을 목적노드로 송신하는 과정과,

상기 경로요구 패킷을 수신한 목적노드는 수집된 정보를 모아 경로응답(RREP : Route REPly) 패킷으로 원천노드에 송신하는 과정과,

모든 경로응답 패킷을 수신한 원천노드는 네트워크의 요구 지연시간을 만족하는 라우팅 경로들을 찾아서 그 경로들을 후보경로들로 선택하는 과정과,

상기 후보경로들의 각 링크 사이의 전송속도를 에너지 효율적인 전송속도로 변경하는 과정과,

상기 후보경로들 중 링크 사이의 전송에너지를 노드의 축전지 에너지 잔존 용량으로 나누어 노드-링크 매트릭(Node-Link metric)을 구하고, 그 노드-링크 매트릭(Node-Link metric)이 가장 큰 경로를 후보경로에서 삭제하는 과정과,

상기 후보경로 중에서 최소 전송에너지를 가지는 경로를 최종 라우팅 경로로 선택하는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이동 애드혹 네트워크의 라우팅 방법.
제5항에 있어서, 상기 경로요구 패킷은,

목적노드로 전달(Forwarding)되면서 노드의 에너지 잔존량, 링크 사이의 최대 전송 가능한 최대 전송속도, 이 전송속도를 지원할 수 있는 최소 전송전력, 그리고 예상되는 매체 접근지연시간과 대기지연시간에 대한 정보를 수집하는 것을 특징으로 하는 이동 애드혹 네트워크의 라우팅 방법.
제5항에 있어서, 상기 에너지 효율적인 전송속도는,

상기 후보경로의 각 링크에서 현재 설정되어 있는 최대 전송속도 보다 낮은 전송속도로 전송 될 경우의 전송에너지를 산출하고, 그 전송에너지의 차이(Energy gap)를 구하는 과정과,

상기 최대 전송속도보다 낮은 전송속도로 전송될 때 각 링크 사이에 증가된 지연시간을 산출하고, 그 지연시간의 차이(Delay gap)를 구하는 과정과,

상기 전송에너지의 차이가 가장 큰 전송속도로 전송속도를 변경하였을 경우 증가하는 지연시간의 차이가 지연이득여유(Delay margin) 보다 작을 경우, 해당 링크의 전송속도를 에너지 효율적인 전송속도로서 설정하는 과정으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이동 애드혹 네트워크의 라우팅 방법.
삭제