KR100877410B1

KR100877410B1 - 네트워크의 채널 할당 방법 및 그를 이용한 멀티 홉 무선네트워크 시스템

Info

Publication number: KR100877410B1
Application number: KR1020060133943A
Authority: KR
Inventors: 조성호; 김종권
Original assignee: 재단법인서울대학교산학협력재단
Priority date: 2006-12-26
Filing date: 2006-12-26
Publication date: 2009-01-08
Also published as: US7773558B2; US20080151821A1; KR20080059963A

Abstract

본 발명은 네트워크 기술에 관한 것으로 무선 메쉬 네트워크상에서 제한된 숫자의 무선 송수신 채널을 가지고 있는 메쉬 노드가 다중 채널을 효과적으로 사용할 수 있도록 동적으로 채널을 할당하는 기술에 관한 것이다.

본 발명에 따른 무선 네트워크의 채널 할당 방법은 무선 네트워크상의 각 노드의 가용 채널 정보를 포함하는 노드 정보를 수신 또는 수집하는 정보 수집 단계와; 수집된 노드 정보를 통해 각 노드 간 연결 링크의 멀티 연결 관계를 산출하는 연결 관계 산출 단계와; 산출된 멀티 연결 관계에 따른 각 노드 간 연결 링크의 간섭에 의한 채널 충돌 관계를 산출하는 충돌 관계 산출 단계와; 상기 충돌 관계 산출 단계에 의해 충돌관계를 참조하여 각 노드 간 연결 링크에 채널을 할당하는 채널 할당 단계와; 각 링크에 할당된 채널을 각의 노드로 제공하는 단계;를 포함하여 구성된다.

무선 네트워크, 메쉬 네트워크, 멀티 홉 네트워크, 라우터, 노드

Description

네트워크의 채널 할당 방법 및 그를 이용한 멀티 홉 무선 네트워크 시스템{WIRELESS NETWORK CHANNEL ALLOCATION METHOD AND MULTI-HOP WIRELESS NETWORK SYSTEM USING THE SAME}

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 멀티 홉 무선 네트워크 시스템을 개략적으로 도시한 개요도이다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 채널 할당 모듈을 개략적으로 도시한 블럭도이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 다중 그래프를 개략적으로 도시한 개요도이다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 다중 채널 충돌 그래프를 개략적으로 도시한 개요도이다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 다중 채널 충돌 그래프와 그에 따른 서브 그래프들을 개략적으로 도시한 개요도이다.

도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 SLC (Sub-graph List Coloring) 알고리즘에 의해 노드별로 채널 할당 결과와 k-GL 알고리즘에 의해 노드별로 채널 할당 결과를 개략적으로 도시한 개요도이다.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 무선 네트워크의 채널 할당 과정을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

무선 메쉬 네트워크(Wireless Mesh Network; WMN)는 다중-홉 설정을 통해서 인터넷에 연결할 수 있는 영역을 확장하기 위한 목적으로 널리 연구되고 있다. 이러한 무선 메쉬 네트워크는 유선 망 설치에 의존하지 않는다는 점에서 빠른 도입, 낮은 설치비용, 높은 확장성 및 유연성 등의 장점이 있다. 이러한 장점은 유선망을 확충하기 어려운 지역에서 저비용으로 인터넷 연결을 제공하는데 도움이 된다. 또한, 전송용량을 증가시키고 밀도가 높은 지역에서 빠른 인터넷 접속점 확충을 통해서 하나의 셀 안의 노드 밀도를 줄이는데 사용될 수 있다.

이러한 무선 메쉬 네트워크의 전형적인 예는 IEEE에서 이루어지고 있는 표준화 활동에서 찾아볼 수 있다. 현재 IEEE 802.11와 802.16 워킹 그룹(Working Group; WG)에서 표준화되고 있는 WLAN과 WiMAX 기술에서 무선 메쉬 네트워크를 다루고 있다. 802.11 WG에서는 ESS(Extended Service Set) Mesh Networking(IEEE 802.11s) 작업 그룹(Task Group; TG)에서는 AP(Access Point)간 통신을 통해서 서비스 영역을 넓히기 위해 MAC(Media Access Control)계층에서 Mesh AP(Access Point)를 통해서 경로를 선택하고 데이터를 전달하는 방법을 고려하고 있다. 여기서 Mesh AP는 무선 백본 네트워크를 형성하여 AP로부터 서비스를 받는 노드들이 생성하는 데이터를 인터넷 접속점에 전달하여 인터넷 서비스를 받을 수 있도록 한다. WiMAX 표준과 Multi-hop Relay(IEEE 802.16a/j) 작업 그룹에서는 메쉬 노드에 대한 프로토콜 정의 및 다중-홉 전송을 통한 커버리지 확장 등을 다루고 있다.

이러한 무선 메쉬 네트워크에서는 시스템 성능을 향상시키기 위해서 중첩되지 않는 다중 채널을 이용할 수 있다. 예를 들면, IEEE 802.11b/g와 802.11a 표준에서는 각각 3개와 12개의 중첩되지 않은 채널을 제공하고 있다. 다중 채널은 인접한 주변 노드 간에 동시 전송을 가능하게 하기 때문에, 전송성능과 지연 등을 향상시키는데 도움이 된다.

또한, 무선 송수신기(transceiver)의 가격이 하락함에 따라 여러 개의 송수신기를 하나의 메쉬 노드에 사용할 수 있게 되었다. 실제로 다중 송수신기를 장착한 제품이 상업적으로 판매되고 있다. 하지만, 가격 문제로 장착된 송수신기의 개수가 제한적이기 때문에 모든 다중 채널을 동시에 사용하는 것은 불가능하다. 따라서 다중 채널의 사용을 최대화하기 위해서는 다중 채널 간에 상호 간섭을 일으키지 않도록 할당하는 방법이 필요하다.

채널을 효과적으로 사용하기 위해서는 각각의 노드에서 서로 다른 채널에서 겪는 간섭을 고려해야 한다. 각각의 노드는 서로 다른 채널 간섭을 겪게 되므로 노드에 따라 좋은 상태의 채널은 서로 다르기 때문이다. 따라서 각각의 노드가 채널의 신호 잡음을 측정하고 간섭이 낮은 채널을 선택하는 방법이 필요하다. 현재 송수신기는 한 번에 송신 혹은 수신만 가능하며 서로 다른 채널로 스위칭하는데 걸리는 시간이 필요한 단점이 있다.

본 발명은 이러한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 그 목적은 다중 채널을 제한된 무선 송수신기를 통해서도 스위칭을 통해서 다중 채널을 효과적으로 사용할 수 있도록 한 무선 네트워크의 채널 할당 방법 및 그를 이용한 멀티 홉 무선 네트워크 시스템을 제공하는 데 있다.

나아가, 노드들이 서로 다르게 겪는 채널의 간섭을 고려하여 채널 간의 간섭을 최소화하면서도 다중-홉 메쉬 네트워크에서 채널이 효과적으로 사용될 수 있도록 하는 무선 네트워크의 채널 할당 방법 및 그를 이용한 멀티 홉 무선 네트워크 시스템을 제공하는 데 있다.

나아가, 무선 네트워크의 그래프 이론에서 리스트 컬러링(List Coloring)기법을 이용하여 무선 채널의 간섭을 고려한 무선 네트워크의 채널 할당 방법 및 그를 이용한 멀티 홉 무선 네트워크 시스템을 제공하는 데 있다.

상술한 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 네트워크의 채널 할당 방법은 무선 네트워크상의 각 노드의 가용 채널 정보를 포함하는 노드 정보를 수신 또는 수집하는 정보 수집 단계와, 수집된 노드 정보를 통해 각 노드 간 연결 링크의 멀티 연결 관계를 산출하는 연결 관계 산출 단계와, 산출된 멀티 연결 관계에 따른 각 노드 간 연결 링크의 간섭에 의한 채널 충돌 관계를 산출하는 충돌 관계 산출 단계 와, 충돌 관계 산출 단계에 의해 충돌관계를 참조하여 각 노드 간 연결 링크에 채널을 할당하는 채널 할당 단계와, 각 링크에 할당된 채널을 각의 노드로 제공하는 단계를 포함하여 구성된다.

또한, 본 발명에 따른 멀티 홉 무선 네트워크 시스템은 각각이 선호 채널 정보를 포함하는 가용 채널 정보를 가지며, 채널할당 설정시 해당 채널 정보를 제공하는 하나 이상의 노드와, 인터넷을 포함하는 외부 네트워크 라인과 연결되되, 하나 이상의 노드와 네트워크를 형성하며, 하나 이상의 노드로부터 제공되는 채널 정보를 수신 또는 수집하여 채널을 할당하는 채널 할당 모듈을 포함하는 중앙 노드를 포함하여 구성되되, 채널 할당 모듈은 노드로부터 선호 채널 정보를 포함하는 가용 채널 정보를 수신 또는 수집하는 채널 정보 수집부와, 채널 정보 수집부에 의해 수집된 가용 채널 정보를 통해 각 노드 간 멀티 연결 링크를 산출하고, 산출된 연결 링크를 이용하여 다중 그래프를 생성하는 다중 그래프 생성부와, 다중 그래프 생성부에 의해 생성된 다중 그래프를 통해 각 노드 간 연결 링크의 간섭에 의한 채널 충돌 관계를 산출하여 다중 채널 충돌 그래프를 생성하는 다중 채널 충돌 그래프 생성부와, 다중 채널 충돌 그래프 생성부에 의해 생성된 다중 채널 충돌 그래프를 참조하여 각 노드 간 연결 링크에 채널을 할당하는 채널 할당부를 포함하여 구성된다.

따라서 본 발명에 따른 무선 네트워크의 채널 할당 방법 및 그를 이용한 멀티 홉 무선 네트워크 시스템은 다중 채널을 제한된 무선 송수신기를 통해서도 스위칭을 통해서 다중 채널을 효과적으로 사용할 수 있도록 하며, 노드들이 서로 다르게 겪는 채널의 간섭을 고려하여 채널 간의 간섭을 최소화하면서도 다중-홉 메쉬 네트워크에서 채널이 효과적으로 사용될 수 있는 장점을 갖는다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시 예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시 예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 멀티 홉 무선 네트워크 시스템을 개략적으로 도시한 개요도이며, 도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 채널 할당 모듈을 개략적으로 도시한 블럭도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 멀티 홉 네트워크 시스템은 각각이 선호 채널 정보를 포함하는 가용 채널 정보를 가지며, 채널할당 설정시 해당 채널 정보를 제공하는 하나 이상의 노드(100)와, 인터넷을 포함하는 외부 네트워크 라인과 연결되되, 하나 이상의 노드와 메쉬 네트워크를 형성하며, 하나 이상의 노드로부터 제공되는 채널 정보를 수신 또는 수집하여 채널을 할당하는 채널 할당 모듈(210)을 포함하는 중앙 노드(200)를 포함하여 구성된다.

노드(100)는 예를 들면, 무선 메쉬 네트워크상의 Mesh AP로 구현될 수 있으며, 각각의 노드(100)는 데이터 송수신을 위한 다수의 무선 송수신기를 구비한다. Mesh AP는 무선 백본 네트워크를 형성하여 AP로부터 서비스를 받는 단말들이 생성하는 데이터를 인터넷 접속점에 전달하여 인터넷 서비스를 받을 수 있도록 한다. 이러한 노드(100)는 중앙 노드(200)의 가용 채널 정보 요청에 따라 선호 채널을 포함하는 가용 채널 정보를 중앙 노드(200)의 채널 할당 모듈(210)로 전송하거나, 새 로운 메쉬 네트워크로 진입할 경우 자신의 가용 채널 정보를 중앙 노드(200)의 채널 할당 모듈(210)로 제공한다. 노드(100)의 가용 채널 정보의 중앙 노드(200)로의 제공은 노드(100)들의 중계에 의해 중앙 노드(200)로 제공되며, 중앙 노드(200)의 채널 할당 모듈(210)에 의해 할당되는 채널 정보를 수신하여 인근 노드(100)와 데이터를 송수신함으로써, 단말들에게 인터넷 서비스를 제공한다.

본 발명에 따른 노드(100)에서 사용되는 무선 송수신기(Transceiver)로 반이중(Half-duplex) 무선 송수신기로 구현될 수 있다. 하나의 무선 송수신기는 일정한 지연을 가지고 서로 다른 채널을 통해서 한 번에 송신 혹은 수신만 가능하며, 무선 채널은 중첩되지 않는 여러 개의 채널이 존재한다. IEEE 802.11a 표준에서는 12개의 중첩되지 않은(non-overlapping) 채널을 할당하고 있다. 이때 여러 개의 무선 송수신기를 가진 노드(100)는 중첩되지 않은 채널임에도 불구하고 인접한 채널을 서로 다른 송수신기를 통해서 전송하는 경우에는 간섭을 일으킬 수 있는 것으로 알려져 있다.

따라서 하나의 노드(100)에서 동시에 사용할 수 있는 중첩되지 않은 채널의 수는 제한되므로, 본 발명의 명세서에서는 한 개의 노드(100)가 최대 4개의 채널을 사용하는 것을 가정하기로 한다.

각각의 노드(100)는 고정되어 있으며, 하나의 노드(100)는 사용 가능한 C개의 채널이 존재하는 시스템에서 제한된 숫자 Q(2 ≤ Q ≤ C)의 송수신기를 갖는 것을 실시 예로 하였다. 하지만, 노드(100)는 서로 다른 개수의 송수신기를 가질 수 있다. 링크는 두 개의 노드(100)가 각각 송수신기를 통해서 동일한 채널을 사용하 는 경우 만들어지며, 모든 링크는 대부분의 트래픽이 TCP와 같이 양방향 통신을 주로 하기 때문에 양방향 링크로 가정한다.

시스템의 프레임은 제어기간(Control Period)과 데이터 전송기간(Data Transmission Period)으로 구성된다. 제어기간에는 기본 채널을 통해서 제어 메시지를 전송한다. 각각의 노드(100)는 송수신기를 통해서 채널 상태를 측정하여 모든 채널에 대한 채널 상태를 가진다. 이로부터 채널 상태가 좋은 상위 k개의 선호 채널 리스트(preferable channel list; PCL)를 유지한다. 모든 노드(100)는 미리 설정된 공통된 기본 채널을 알고 있으며, 이 채널을 통해서 채널 할당을 관리하는 중앙 노드(200)에게 선호 채널 리스트(PCL)를 전송한다.

여기서 일반적으로 메쉬 네트워크는 인터넷 접속점이 있는 노드가 중앙 노드(200)가 되며, 중앙 노드(200)는 모든 노드(100)의 선호 채널 리스트(PCL)로부터 노드(100)들의 인터페이스에 채널을 할당하여 그 결과를 알려준다. 기본 채널은 제어기간에만 사용되며 데이터 전송기간에는 기본 채널도 데이터 전송을 위해서 사용될 수 있다. 데이터 전송기간에는 중앙 노드(200)에 의해서 결정된 채널을 이용하여 이웃 노드(100)와 데이터 송수신을 하게 된다. 이와 같은 제어기간과 데이터 전송기간으로 이루어진 프레임은 주기적으로 반복된다.

또한, 본 발명의 무선 네트워크의 채널 할당 기술은 기존 라우팅 프로토콜과 독립적으로 동작할 수 있다. 기존에 제안된 다중 채널을 고려한 라우팅 프로토콜인 WCETT, MCR, AETD와 같은 프로토콜뿐만 아니라 DSR, AODV, OLSR과 같은 라우팅 프로토콜도 사용할 수 있다.

중앙 노드(200)는 인터넷을 포함하는 네트워크 라인과 직접 연결되어 메쉬 네트워크상의 다수의 노드(100)와 연결된 단말들이 인터넷 서비스를 제공받을 수 있도록 한 일종의 인터넷 접속점이다. 이러한 중앙 노드(200)는 각각의 노드(100)들이 데이터 송수신시 사용되는 채널을 할당하여 데이터 송수신을 제어한다. 이러한 중앙 노드(200)는 각 노드(100)들의 가용 채널 정보를 수신 또는 수집하여 노드(100)들 간 데이터 송수신시 사용되는 채널을 효과적으로 할당하여 제공하는 채널 할당 모듈(210)이 탑재되어 있다.

채널 할당 모듈(210)은 프로그램으로 제작되어 중앙 노드(200)의 제어 수단에 탑재되어 구동되며, 소정 주기마다 메쉬 네트워크상의 노드(100)들로부터 선호 채널을 포함하는 가용 채널 정보를 수신 또는 수집하거나 노드(100)의 추가 또는 제거됨을 감지하여 가용 채널 정보를 수신 또는 수집하고, 수집된 가용 채널 정보를 그래프 모델링화 하여 최적의 채널을 산출하여 각각의 노드(100)들에게 채널을 할당한다.

이러한 채널 할당 모듈(210)은 노드(100)로부터 선호 채널을 포함하는 가용 채널 정보를 수신 또는 수집하는 채널 정보 수집부(211)와, 채널 정보 수집부(211)에 의해 수집된 가용 채널 정보를 통해 각 노드(100) 간 멀티 연결 링크를 산출하고, 산출된 연결 링크를 이용하여 다중 그래프를 생성하는 다중 그래프 생성부(212)와, 다중 그래프 생성부(212)에 의해 생성된 다중 그래프를 통해 각 노드(100) 간 연결 링크의 간섭에 의한 채널 충돌 관계를 산출하여 다중 채널 충돌 그래프를 생성하는 다중 채널 충돌 그래프 생성부(213)와, 다중 채널 충돌 그래프 생성부(213)에 의해 생성된 다중 채널 충돌 그래프를 참조하여 각 노드(100) 간 연결 링크에 채널을 할당하는 채널 할당부(214)를 포함하여 구성된다.

채널 정보 수집부(211)는 메쉬 네트워크상의 다수의 노드(100)로부터 노드(100) 간의 데이터 송수신에 사용되는 선호 채널을 포함하는 가용 채널 정보를 수신 또는 수신함으로써, 채널 할당을 위한 채널 정보를 수집한다.

다중 그래프 생성부(212)는 채널 정보 수집부(211)에 의해 수집된 노드(100)들의 멀티 연결 링크를 산출하고, 산출된 연결 링크를 이용하여 다중 그래프로 생성하여 모델링한다. 다중 그래프 생성부(212)에 의해 생성되는 그래프 모델은 기존의 노드(100) 간 링크의 연결 그래프(connectivity graph) 모델의 확장이나, 본 발명에 따른 그래프 모델은 메쉬 네트워크를 다중 그래프로 모델링한 점에서 다르다.

기존 모델은 연결 그래프(connectivity graph)를 단순 그래프(Simple graph)로 모델링 하였다. 즉, 단순 그래프는 두 개의 노드(100) 사이에는 하나의 링크만 존재하는 그래프이다. 반면 본 발명에서는 연결 그래프를 단순 그래프와는 대조되는 다중 그래프(Multi graph)로 모델링 하였는데, 이는 두 개의 노드(100) 사이에 두 개 이상의 링크를 가질 수 있는 그래프이다.

이와 같은 다중 송수신기를 갖는 메쉬 네트워크에서 연결 상태를 표현하는 연결 그래프를 다중-그래프 연결 그래프(Multi-graph Connectivity Graph; MGCG) G = {V, E}로 정의한다. 여기 MGCG에서는 정점(Vertex) 집합 V는 메쉬 네트워크의 노드(100)로 구성되고, 에지(Edge) 집합 E는 메쉬 네트워크 간의 링크로 구성된다. MGCG에서 정점(Vertex)과 에지(Edge)는 메쉬 네트워크의 노드(100)와 링크를 의미하며 본 발명에서는 앞으로 동일한 의미로 상호 호환하여 사용한다.

이와 같은 다중 그래프의 설명은 도 3을 통해 보다 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 다중 그래프를 개략적으로 도시한 개요도이다. 도시된 바와 같이, 링크는 두 개의 노드가 각각의 송수신기에 같은 채널을 사용하는 경우 생성된다. 또한, 두 개의 노드가 서로 두 개 이상의 송수신기에 각각 채널을 할당하는 경우에는 두 노드 간에 다수의 링크가 생기게 된다. 도 1에서 노드 1, 2는 각각 4개의 송수신기가 있는 노드이고 나머지 노드 3, 4, 5, 6은 2개의 송수신기를 갖는 노드이다.

이 경우 노드 1, 2는 남는 송수신기를 각각 1개 이상 남기 때문에 서로 2개의 링크를 생성할 수 있기 때문에 그래프 상에서 노드 1, 2 사이에 두 개의 링크 A, B를 생성할 수 있다.

다중 채널 충돌 그래프 생성부(213)는 다중 그래프 생성부(212)에 의해 생성된 다중 그래프를 통해 각 노드 간 연결 링크의 간섭에 의한 채널 충돌 관계를 산출하여 다중 채널 충돌 그래프를 생성한다.

다중 채널 충돌 그래프 생성부(213)는 다중 그래프 생성부(212)에 의해 생성된 다중 그래프로부터 링크 간 충돌을 표현하는 다중 채널 충돌 그래프(Multi-channel Conflict Graph; MCCG)를 생성한다. 다중 채널 충돌 그래프는 G' = {V', E'}로 정의되며, 여기 다중 채널 충돌 그래프에서 정점(Vertex) 집합 V'은 MGCG에 서 링크가 노드가 되는 집합이고, 에지(Edge) 집합 E'은 MGCG에서 간섭을 일으키는 링크 간에 연결된 에지의 집합이다.

링크 간의 간섭은 메쉬 네트워크에서 양방향 링크를 가정하고 있기 때문에 다음과 같은 두 가지 조건 중 하나를 만족하는 경우에 발생한다. 먼저, MGCG에서 링크 e와 노드를 공유하는 모든 e'은 간섭을 일으키는 링크로 정의한다. 또한, 링크 e의 두 노드 중에서 하나의 노드로부터 전송을 들을 수 있는 노드가 있는 링크 e'은 간섭을 일으키는 링크로 정의한다.

이와 같은 다중 채널 충돌 그래프 생성부(213)에 의해 생성되는 다중 채널 충돌 그래프는 도 4를 통해 보다 상세히 설명하기로 한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 다중 채널 충돌 그래프를 개략적으로 도시한 개요도이다. 도시된 바와 같이, 링크 A는 모든 링크와 간섭을 일으킨다. 링크 A는 링크 B, D, E, F를 통해 노드를 공유하기 때문에 첫 번째 조건을 만족하여 간섭을 일으키는 링크이다.

또한, 링크 G는 노드 5 혹은 6이 링크 A의 노드 1 혹은 2의 전송을 수신할 수 있기 때문에 두 번째 조건을 만족하며, 링크 C는 노드 3이 링크 A의 노드 2의 전송을 수신할 수 있기 때문에 두 번째 조건을 만족하여 간섭을 일으키는 링크가 된다. 따라서 다중 채널 충돌 그래프에서 링크 A는 모든 노드와 링크를 가지고 있다. 이와 마찬가지로 링크 C는 링크 A, B, D, F와는 간섭을 일으키지만 링크 E, G와 간섭을 일으키지 않는다.

각 노드 간 전송량을 최대로 하는 방법은 채널 간의 간섭을 최소화하도록 노 드에 채널을 할당하는 것이다. 이에 따라 채널 할당부(214)는 다중 채널 충돌 그래프 생성부(213)에 의해 생성된 다중 채널 충돌 그래프를 참조하여 각 노드 간 연결 링크에 채널을 할당한다. 채널 할당부는 각 노드별 가용 채널에서 선호 채널을 판단하여 추출하는 선호 채널 추출부(214-1)와, 추출된 선호 채널을 공통된 선호 채널로 사용하는 노드를 추출하고, 다중 채널 충돌 그래프에서 추출된 노드만을 포함하는 서브 그래프를 생성하는 서브 그래프 생성부(214-2)와, 각각의 서브 그래프별 우선 순위를 부여하고, 부여된 우선 순위에 따라 서브 그래프 상의 각 노드에 채널을 할당하되, 채널이 할당된 노드를 다른 서브 그래프에서 삭제하며 노드 간 연결 링크에 채널을 할당하는 채널 할당 처리부(214-3)를 포함하여 구성된다.

본 발명의 특징적인 양상에 따라 본 발명에 따른 채널 할당부(214)는 채널 간 간섭을 최소화하도록 다중 채널 충돌 그래프에서 Vertex Coloring을 구하여 링크에 채널을 할당하는 방법을 통해서 최대화할 수 있다. Vertex Coloring은 인접한 노드 간에 서로 다른 색을 할당하는 것이다. 하지만, 이와 같은 Vertex Coloring 방법은 개별 노드가 경험하는 채널마다 다른 간섭을 고려할 수 없다.

따라서 개별 노드마다 경험하는 서로 다른 채널 간섭을 고려하여 Vertex Coloring을 하기 위한 방법으로 List Coloring 기법을 적용하였다. 이와 같은 List Coloring은 노드가 선호하는 color list 중에서 인접 노드의 색과 다른 색을 할당하는 것이다. 이와 같은 List Coloring은 다음과 같이 정의할 수 있다.

그래프 G = {V, E}의 Coloring R은 주어진 color 집합 C에 대해서 서로 인접한 노드 v, w에 대해 f(v) ≠ f(w)를 만족하는 함수 f: V → C로 정의한다. 또한, 그래프 G = {V, E}에서 모든 노드 v∈V가 color list L(v)⊆C를 가질 때, 모든 노드 v∈V에 대해서 f(v)∈L(v)를 만족하는 Coloring R이 존재하는 경우 list coloring이 가능하다고 정의한다.

먼저, 알려져 있는 발견적 알고리즘으로 k-GL (Greed List) 알고리즘이 있다. 이 알고리즘은 노드를 선택하면서 하나씩 색을 할당하는 방식으로 동작한다. 먼저, 가장 작은 color list |L(v)|를 갖고 있는 노드 중 임의의 노드 v를 랜덤하게 선택한다. L(v)로부터 색 c를 임의로 선택하여 노드 v에게 할당한다. 색 c를 할당받은 노드 v에 대해서 v와 인접한 모든 노드 u에 대해서 L(u)에서 색 c를 제거하여 업데이트 한다. 이때 선택된 L(v)가 0인 경우는 알고리즘은 실패하게 된다. 또한, k-GL 알고리즘은 단순하지만 색을 임의로 선택하기 때문에 노드 간의 관계를 고려하여 색을 할당하지 못하는 문제가 발생한다.

본 발명에서는 새로운 Sub-graph List Coloring 알고리즘을 제안하였다. 각각의 색 i에 대해서 서브 그래프 Gi = {V_i, E_i}를 생성한다. 즉, 노드 집합 V_i는 색 i ∈ L(v)를 만족하는 모든 노드 v의 집합이고, E_i는 E_i에 속하는 모든 두 노드 쌍 (u, v)에 대해서 링크 (u, v) ∈ E를 만족하는 링크 (u, v)로 만들어진 집합이다. 각각의 서브 그래프에 대해서 노드는 그래프 G_i에서 차수 (degree)가 낮은 노드부터 정렬된 집합 N_i를 생성한다. 가장 작은 |N_i|를 갖는 색 i부터 N_i에 대해서 그래프 G_i에서 연결되지 않은 모든 노드에 색 i를 할당한다. 여기서 차수가 같은 노드는 원래 그래프 G에서 차수가 높은 노드를 선택한다. 색 i를 할당받은 모든 노드는 다른 그래프 G_j (j ≠ i)에서 제거한다. 이 과정을 모든 서브 그래프 G_i에 대해서 반복한다. 위에서 설명한 SLC (Sub-graph List Coloring) 알고리즘은 알고리즘 1과 같다.

[알고리즘 1]

이러한 List Coloring 알고리즘은 k 값이 알고리즘의 중요한 요소이다. 임의의 그래프 G의 최대 차수 (degree)가 Δ(G)라고 할 때, 수학식 1을 만족하면 list coloring이 가능하다.

본 발명에서는 m개의 송수신기가 존재하는 것을 가정하고 있으므로, 다중 채널 충돌 그래프 상에서 최대 차수(degree)는 2(m-1)2로 제한된다. m이 4인 경우에는 k가 6이면 list coloring 결과를 얻을 수 있다.

이와 같은 list coloring 기법을 이용한 채널 할당부(214)는 도 5와 도 6을 통해 상세히 설명한다. 도 5는 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 다중 채널 충돌 그래프와 그에 따른 서브 그래프들을 개략적으로 도시한 개요도이다. 도시된 바와 같이, 5개(A, B, C, D, E)의 노드와 3개{1, 2, 3}의 가용 채널로 구성된 다중 채널 충돌 그래프를 예를 들면, 채널 1을 공통으로 선호하는 노드는 C와 E이며, 노드 C와 E는 서브 그래프 G1을 형성한다. 또한, 채널 2를 공통으로 선호하는 노드는 A, D, E이며, 노드 A, D, E는 서브 그래프 G2를 형성한다. 마지막으로 채널 3을 공통으로 선호하는 노드는 A, B, C, D 이며, 노드 A, B, C, D는 서브 그래프 G3를 형성한다.

이렇게 형성된 3개의 서브 그래프는 각각의 서브 그래프를 트래버스(traverse)할 때마다 변하는 |Gi|에 따라 동적으로 변하게 되는데 이에 따른 상 술한 3개의 서브 그래프들의 우선 순위는 G1, G2, G3 순이 된다.

또한, 서브 그래프 상에서 동일한 연결 링크의 수가 있으며, 두 노드가 연결된 경우에는 다중 채널 충돌 그래프(G) 상에서 연결 링크가 더 많은 노드를 선택하여 해당 노드의 연결 링크에 우선적으로 채널을 할당한다.

서브 그래프 G1을 보면, 노드 C 와 노드 D가 공통으로 선호하는 채널은 1이기 때문에 두 개의 노드 중 하나의 노드에 채널 1을 컬러링 해야 하는데, 두 개의 노드가 동이란 차수를 가지고 있기 때문에 랜덤하게 하나의 노드를 선택한다. 본 발명의 명세서에서는 노드 E에 채널 1에 대응되는 컬러를 컬러링 하였다.

노드 E에 채널 1이 컬러링되면, 나머지 서브 그래프 G2와 G3에서 이미 채널이 할당된 노드 E를 삭제한 상태에서 채널을 할당하게 된다. 서브 그래프 G2에서 노드 E를 삭제하면, 노드 A와 노드 D는 링크가 연결되지 않았으므로 간섭이 발생하지 않는다. 따라서, 노드 A와 노드 D에는 공통 선호 채널인 채널 2를 컬러링 한다.

노드 A와 노드 D에 채널 2가 컬러링 되었다면, 남아 있는 서브 그래프 G3에서 노드 E, 노드 A, 노드 D를 삭제하면, 노드 B와 C가 남게 된다. 노드 B는 선호 채널이 3하나 뿐이고, 노드 C는 선호 채널이 1과 3이나 채널 1은 이미 간섭을 일으키는 노드 E에 할당되었으므로 두 개의 노드에는 채널 3이 컬러링 된다.

이렇게 SLC (Sub-graph List Coloring) 알고리즘에 의해 노드별로 할당되는 채널과 k-GL 알고리즘에 의해 노드별로 할당되는 채널은 도 6과 같다. 도 6은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 SLC (Sub-graph List Coloring) 알고리즘에 의 해 노드별로 채널 할당 결과와 k-GL 알고리즘에 의해 노드별로 채널 할당 결과를 개략적으로 도시한 개요도이다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 SLC (Sub-graph List Coloring) 알고리즘에 의해 노드별로 채널을 할당할 경우 간섭을 일으키는 채널은 노드 B와 노드 C 간의 채널 2 하나인데 비해 k-GL 알고리즘에 의해 노드별로 채널을 할당할 경우 간섭을 일으키는 채널은 노드 A와 노드 B간의 채널 3, 노드 D와 노드 E 간의 2와 같이 두 개가 서로 간섭을 일으키게 되므로 각 노드 간 전송량이 SLC (Sub-graph List Coloring) 알고리즘에 비해 떨어질 수 있다.

채널 할당부(214)는 이렇게 SLC (Sub-graph List Coloring) 알고리즘에 의해 각 노드별로 할당된 채널을 각 노드로 전파하는데, 각각의 노드는 중계에 의해 메쉬 내의 전체 노드로 전파된다.

이하에서는 상술한 본 발명에 따른 멀티 홉 무선 네트워크 시스템 상에서 채널 할당 과정을 설명하기로 한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 무선 네트워크의 채널 할당 과정을 개략적으로 도시한 흐름도이다. 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선 네트워크 채널 할당 방법은 무선 네트워크상의 각 노드의 가용 채널 정보를 포함하는 노드 정보를 수신 또는 수집하는 정보 수집 단계와, 수집된 노드 정보를 통해 각 노드 간 연결 링크의 멀티 연결 관계를 산출하는 연결 관계 산출 단계와, 산출된 멀티 연결 관계에 따른 각 노드 간 연결 링크의 간섭에 의한 채널 충돌 관계를 산출하는 충돌 관계 산출 단계와, 충돌 관계 산출 단계에 의해 충돌관계를 참조하 여 각 노드 간 연결 링크에 채널을 할당하는 채널 할당 단계와, 각 링크에 할당된 채널을 각의 노드로 제공하는 단계를 포함하여 구성된다.

본 발명의 특징적인 양상에 따라 본 발명에 따른 채널 할당 단계는 각 노드별 가용 채널에서 선호 채널을 판단하여 추출하는 단계와, 전체 채널별로 해당 채널을 공통된 선호 채널로 사용하는 노드를 추출하고, 다중 채널 충돌 그래프에서 추출된 노드만을 포함하는 서브 그래프를 생성하는 단계와, 각각의 서브 그래프별 우선 순위를 부여하는 단계와, 부여된 우선 순위에 따라 서브 그래프 상의 각 노드에 채널을 할당하되, 채널이 할당된 노드를 다른 서브 그래프에서 삭제하며 노드 간 연결 링크에 채널을 할당하는 단계를 포함하여 구성된다.

메쉬 네트워크가 새로이 형성되거나 기존에 사용 중인 메쉬 네트워크상에서 노드가 추가 또는 삭제된 경우 인터넷을 포함하는 네트워크 연결 라인과 직접 연결된 중앙 노드(200)는 메쉬 네트워크상의 각각의 노드들에게 선호 채널을 포함하는 가용 채널 정보를 요청한다.

중앙 노드(200)로부터 가용 채널 정보 요청이 전파되면, 메쉬 네트워크상의 각각의 노드들은 노드 간 중계 기능에 따라 이를 인근 데이터 송수신이 가능한 노드들로 전파함으로써, 메쉬 네트워크상의 모든 노드로 가용 채널 정보 요청이 전파되도록 한다. 중앙 노드(200)로부터 가용 채널 정보 요청을 수신한 노드들은 각각 자신의 선호 채널을 포함하는 가용 채널 정보를 중앙 노드(200)로 전송하는데, 이때도 역시 노드 간 중계 기능을 통해 중앙 노드(200)로 수집되게 된다(S101).

중앙 노드(200)의 채널 할당 모듈(210)의 수집된 노드별 가용 채널 정보를 통해 노드 간 멀티 연결 링크를 산출하고, 산출된 연결 링크를 이용하여 다중 그래프로 생성하여 모델링한다. 다중 그래프는 두 개의 노드 사이에 두 개 이상의 링크를 가질 수 있는 그래프이다(S103).

다중 그래프가 생성되면, 다중 채널 충돌 그래프 생성부(213)는 다중 그래프를 통해 각 노드 간 연결 링크의 간섭에 의한 채널 충돌 관계를 산출하여 다중 채널 충돌 그래프를 생성한다(S105). 다중 채널 충돌 그래프는 G' = {V', E'}로 정의되며, 여기 다중 채널 충돌 그래프에서 정점(Vertex) 집합 V'은 MGCG에서 링크가 노드가 되는 집합이고, 에지(Edge) 집합 E'은 MGCG에서 간섭을 일으키는 링크 간에 연결된 에지의 집합이다.

링크 간의 간섭은 메쉬 네트워크에서 양방향 링크를 가정하고 있기 때문에 다음과 같은 두 가지 조건 중 하나를 만족하는 경우에 발생한다. 먼저, MGCG에서 링크 e와 노드를 공유하는 모든 e'은 간섭을 일으키는 링크로 정의한다. 또한, 링크 e의 두 노드 중에서 하나의 노드로부터 전송을 들을 수 있는 노드를 가지고 있는 링크 e'은 간섭을 일으키는 링크로 정의한다.

다중 채널 충돌 그래프가 생성되면 채널 할당부(214)는 다중 채널 충돌 그래프 생성부(213)에 의해 생성된 다중 채널 충돌 그래프를 참조하여 노드별 선호 채널을 추출하고(S107), SLC(Sub-graph List Coloring) 알고리즘을 통해 서브 그래프를 생성한다(S109).

채널 할당부(214)의 SLC(Sub-graph List Coloring) 알고리즘을 도 5를 통해 설명하면, 5개(A, B, C, D, E)의 노드와 3개{1, 2, 3}의 가용 채널로 구성된 다중 채널 충돌 그래프를 예를 들면, 채널 1을 공통으로 선호하는 노드는 C와 E이며, 노드 C와 E는 서브 그래프 G1을 형성한다. 또한, 채널 2를 공통으로 선호하는 노드는 A, D, E이며, 노드 A, D, E는 서브 그래프 G2를 형성한다. 마지막으로 채널 3을 공통으로 선호하는 노드는 A, B, C, D 이며, 노드 A, B, C, D는 서브 그래프 G3를 형성한다.

이렇게 형성된 3개의 서브 그래프들 중 노드 수가 적은 순으로 우선 순위를 부여하는데 상술한 3개의 서브 그래프들의 우선 순위는 G1, G2, G3 순이 된다.

또한, 서브 그래프 상에서 동일한 연결 링크의 수를 있으며, 두 노드가 연결된 경우에는 다중 채널 충돌 그래프(G) 상에서 연결 링크가 더 많은 노드를 선택하여 해당 노드의 연결 링크에 우선적으로 채널을 할당한다.

노드 E에 채널 1이 컬러링 되면, 나머지 서브 그래프에서 노드 E를 삭제한 상태에서 채널을 할당하게 된다. 서브 그래프 G2에서 노드 E를 삭제하면, 노드 A와 노드 D는 링크가 연결되지 않았으므로 간섭이 발생하지 않는다. 따라서, 노드 A와 노드 D에는 공통 선호 채널인 채널 2를 컬러링 한다.

노드 A와 노드 D에 채널 2가 컬러링 되었다면, 남아 있는 서브 그래프 G3에서 노드 A와 D를 삭제하면, 노드 B와 C가 남게 된다. 노드 B는 선호 채널이 3하나 뿐이고, 노드 C는 선호 채널이 1과 3이나 채널 1은 이미 간섭을 일으키는 노드 E에 할당되었으므로 두 개의 노드에는 채널 3이 컬러링 된다.

채널 할당부(214)는 이렇게 SLC (Sub-graph List Coloring) 알고리즘에 의해 각 노드별로 할당된 채널을 각 노드로 전파하는데, 각각의 노드는 중계에 의해 메쉬 내의 전체 노드로 전파된다(S111), (S113).

본 발명에 따른 무선 네트워크의 채널 할당 방법 및 그를 이용한 멀티 홉 무선 네트워크 시스템은 다중 채널을 제한된 무선 송수신기를 통해서도 스위칭을 통해서 다중 채널을 효과적으로 사용할 수 있도록 하며, 노드들이 서로 다르게 겪는 채널의 간섭을 고려하여 채널 간의 간섭을 최소화하면서도 다중-홉 메쉬 네트워크에서 채널이 효과적으로 사용될 수 있는 장점을 갖는다.

또한, 무선 네트워크의 그래프 이론에서 SLC (Sub-graph List Coloring) 기법을 이용하여 각 채널 간의 간섭을 최소화하도록 노드에 채널을 할당하여 전송량을 최대로 할 수 있는 장점을 갖는다.

이상에서 본 발명은 바람직한 실시 예들을 참조하여 설명되었지만 여기에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 범주를 벗어남이 없이 당업자라면 자명하게 도출가능한 많은 변형 예들을 포괄하도록 의도된 첨부된 특허청구범위에 의하여 해석되어져야 한다.

Claims

무선 네트워크상의 각 노드의 가용 채널 정보를 포함하는 노드 정보를 수신 또는 수집하는 정보 수집 단계와;

수집된 노드 정보를 통해 각 노드 간 연결 링크의 멀티 연결 관계를 산출하는 연결 관계 산출 단계와;

산출된 멀티 연결 관계에 따른 각 노드 간 연결 링크의 간섭에 의한 채널 충돌 관계를 산출하는 충돌 관계 산출 단계와;

상기 충돌 관계 산출 단계에 의해 충돌관계를 참조하여 각 노드 간 연결 링크에 채널을 할당하는 채널 할당 단계와;

각 링크에 할당된 채널을 각각의 노드로 제공하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 채널 할당 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 정보 수집 단계가:

각 노드 간 중계를 통해 수신 또는 수집되는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 채널 할당 방법.
청구항 1에 있어서, 상기 연결 관계 산출 단계가:

노드 간 다중 송수신을 위한 멀티 채널을 갖는 다중 그래프를 생성하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 채널 할당 방법
청구항 1에 있어서, 상기 충돌 관계 산출 단계가:

각 노드별로 해당 노드가 간섭을 일으키는 모든 링크를 산출하는 단계와;

산출된 링크를 참조하여 각 노드를 연결하는 다중 채널 충돌 그래프를 생성하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 채널 할당 방법.
청구항 4에 있어서, 상기 충돌 관계 산출 단계가:

노드를 공유하는 모든 링크는 해당 링크에 간섭을 일으키는 링크로 판단하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 채널 할당 방법.
청구항 5에 있어서, 상기 충돌 관계 산출 단계가:

링크를 공유하는 두 노드 중에서 하나의 노드로부터 외부 노드와 데이터를 송수신할 수 있는 노드를 가지고 있는 링크를 간섭 링크로 판단하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 채널 할당 방법.
청구항 4에 있어서, 채널 할당 단계가:

각 노드별 가용 채널에서 선호 채널을 판단하여 추출하는 단계와;

전체 채널별로 해당 채널을 공통된 선호 채널로 사용하는 노드를 추출하고, 상기 다중 채널 충돌 그래프에서 추출된 노드만을 포함하는 서브 그래프를 생성하는 단계와;

각각의 서브 그래프별 우선 순위를 부여하는 단계와;

부여된 우선 순위에 따라 서브 그래프 상의 각 노드에 채널을 할당하되, 채널이 할당된 노드를 다른 서브 그래프에서 삭제하며 노드 간 연결 링크에 채널을 할당하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 채널 할당 방법.
청구항 7에 있어서, 상기 우선 순위가:

상기 서브 그래프 상의 노드 수가 적은 순으로 부여되는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 채널 할당 방법.
청구항 7 또는 청구항 8에 있어서, 상기 채널 할당 단계가:

상기 서브 그래프 상에서 동일한 연결 링크의 수를 있으며, 두 노드가 연결된 경우 상기 다중 채널 충돌 그래프 상에서 연결 링크가 더 많은 노드를 선택하여 채널을 할당하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 채널 할당 방법.
각각이 선호 채널 정보를 포함하는 가용 채널 정보를 가지며, 채널할당 설정시 해당 채널 정보를 제공하는 하나 이상의 노드와;

인터넷을 포함하는 외부 네트워크 라인과 연결되되, 상기 하나 이상의 노드와 네트워크를 형성하며, 상기 하나 이상의 노드로부터 제공되는 채널 정보를 수신 또는 수집하여 채널을 할당하는 채널 할당 모듈을 포함하는 중앙 노드;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 무선 네트워크 시스템
청구항 10에 있어서, 상기 채널 할당 모듈이:

상기 노드로부터 선호 채널 정보를 포함하는 가용 채널 정보를 수신 또는 수집하는 채널 정보 수집부와;

상기 채널 정보 수집부에 의해 수집된 가용 채널 정보를 통해 각 노드 간 멀티 연결 링크를 산출하고, 산출된 연결 링크를 이용하여 다중 그래프를 생성하는 다중 그래프 생성부와;

상기 다중 그래프 생성부에 의해 생성된 다중 그래프를 통해 각 노드 간 연결 링크의 간섭에 의한 채널 충돌 관계를 산출하여 다중 채널 충돌 그래프를 생성하는 다중 채널 충돌 그래프 생성부와;

상기 다중 채널 충돌 그래프 생성부에 의해 생성된 다중 채널 충돌 그래프를 참조하여 각 노드 간 연결 링크에 채널을 할당하는 채널 할당부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 무선 네트워크 시스템.
청구항 11에 있어서, 상기 가용 채널 정보가:

각 노드 간 중계를 통해 수신 또는 수집되는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 무선 네트워크 시스템.
청구항 11에 있어서, 상기 다중 채널 충돌 그래프 생성부가:

노드를 공유하는 모든 링크를 해당 링크에 간섭을 일으키는 링크로 판단하는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 무선 네트워크 시스템.
청구항 13에 있어서, 상기 다중 채널 충돌 그래프 생성부가:

링크를 공유하는 두 노드 중에서 하나의 노드로부터 외부 노드와 데이터를 송수신할 수 있는 노드를 가지고 있는 링크를 간섭 링크로 판단하는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 무선 네트워크 시스템.
청구항 11에 있어서, 상기 채널 할당부가:

각 노드별 가용 채널에서 선호 채널을 판단하여 추출하는 선호 채널 추출부와;

추출된 선호 채널을 공통된 선호 채널로 사용하는 노드를 추출하고, 상기 다중 채널 충돌 그래프에서 추출된 노드만을 포함하는 서브 그래프를 생성하는 서브 그래프 생성부와;

각각의 서브 그래프별 우선 순위를 부여하고, 부여된 우선 순위에 따라 서브 그래프 상의 각 노드에 채널을 할당하되, 채널이 할당된 노드를 다른 서브 그래프에서 삭제하며 노드 간 연결 링크에 채널을 할당하는 채널 할당 처리부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 무선 네트워크 시스템.
청구항 15에 있어서, 상기 우선 순위가:

상기 서브 그래프 상의 노드 수가 적은 순으로 부여되는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 무선 네트워크 시스템.
청구항 15 또는 청구항 16에 있어서, 상기 채널 할당 처리부가:

노드가 연결된 경우 상기 다중 채널 충돌 그래프 상에서 연결 링크가 더 많은 노드를 선택하여 해당 노드의 연결 링크에 채널을 할당하는 것을 특징으로 하는 멀티 홉 무선 네트워크 시스템.