KR100886060B1 - 멀티호핑 통신 네트워크에서 노드간의 루트를 선택하기위해 정체-인식 라우팅 메트릭을 제공하기 위한 시스템 및방법 - Google Patents

멀티호핑 통신 네트워크에서 노드간의 루트를 선택하기위해 정체-인식 라우팅 메트릭을 제공하기 위한 시스템 및방법 Download PDF

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Abstract

완료 레이트, 데이터 레이트, MAC 오버헤드 및 정체를 포함하는 하나 이상의 파라미터에 기초하여 멀티호핑 네트워크(100)에서 최상의 처리량을 제공하는 루트를 선택할 수 있는 라우팅 메트릭을 계산하기 위한 시스템 및 방법. 시스템 및 방법은 높은 처리량을 가지는 멀티호핑 네트워크(100)의 루트를 선택할 수 있고, 하나 이상의 노드(102, 106, 107)에서 라우팅 메트릭을 계산하는 것을 포함하며, 라우팅 메트릭은 하나 이상의 노드(102, 106, 107)가 네트워크(100)에서 루트를 선택할 수 있게 한다. 라우팅 메트릭은 미처리 데이터 레이트, 완료 레이트, 및 매체 액세스 제어 오버헤드 및 정체와 같은 네트워크 정보를 포함할 수 있다.
무선 통신 네트워크, 정체, 라우팅 메트릭, 멀티호핑, 노드

Description

멀티호핑 통신 네트워크에서 노드간의 루트를 선택하기 위해 정체-인식 라우팅 메트릭을 제공하기 위한 시스템 및 방법{SYSTEM AND METHOD FOR PROVIDING A CONGESTION-AWARE ROUTING METRIC FOR SELECTING A ROUTE BETWEEN NODES IN A MULTIHOPPING COMMUNICATION NETWORK}
본 출원은 2004년 11월 5일 출원된 미국 가출원 번호 제60/625,113호에 기초하여 우선권의 혜택을 주장하며, 그 전체 내용은 참조에 의해 여기 통합된다.
본 발명은 무선 통신 네트워크에 관한 것으로, 특히 멀티호핑 네트워크에서 최대의 처리량을 제공하는 루트를 선택하기 위해 라우팅 메트릭을 계산하기 위한 시스템 및 방법에 관한 것이다.
최근, 애드-혹 네트워크로 알려진 이동 통신 네트워크 타입이 개발되었다. 이러한 타입의 네트워크에서, 각 모바일 노드는 나머지 모바일 노드를 위한 기지국 또는 라우터로서 동작할 수 있으므로, 고정된 기지국 인프라구조에 대한 필요성을 제거시킨다. 본 기술분야의 숙련자들에 의해 자명한 바와 같이, 네트워크 노드는 시분할 다중 액세스(TDMA) 포맷, 코드분할 다중 액세스(CDMA) 포맷, 또는 주파수-분할 다중 액세스(FDMA) 포맷과 같은 멀티플렉싱된 포맷으로 데이터 패킷 통신을 송수신한다.
기존의 애드-혹 네트워크에서와 같이 모바일 노드가 서로 통신할 수 있게 할뿐만 아니라, 추가적으로 모바일 노드가 고정된 네트워크에 액세스하여 공중 전화 교환망(PSTN) 상의 것들 및 인터넷과 같은 다른 네트워크 상의 것들과 같은 다른 모바일 노드와 통신할 수 있게 하는 더 정교한 애드-혹 네트워크가 개발되고 있다. 이들 진보된 타입의 애드-혹 네트워크의 세부사항은, 2001년 6월 29일에 출원되고 발명의 명칭이 "Ad Hoc Peer-to-Peer Mobile Radio Access System Interfaced to the PSTN and Cellular Networks"인 미국특허출원번호 제09/897,790호, 이제는 미국특허 제6,807,165이며 2001년 3월 22일에 출원되고 발명의 명칭이 "Time Division Protocol for an Ad-Hoc, Peer-to-Peer Radio Network Having Coordinating Channel Access to Shared Parallel Data Channels with Separate Reservation Channel"인 미국특허출원번호 제09/815,157호, 및 이제는 미국특허 제6,873,839호이며 2001년 3월 22일에 출원되고 발명의 명칭이 "Prioritized-Routing for an Ad-Hoc, Peer-to-Peer, Mobile Radio Access System"인 미국특허출원번호 제09/815,164호에 기재되어 있고, 각각의 전체 내용이 참조에 의해 여기에 통합되었다.
애드-혹 네트워크는 통상 하나 이상의 무선 네트워크 노드를 통해 모바일 클라이언트로부터 목적지 노드, 또는 다른 네트워크 노드로 경로를 집합적으로 정의하는 복수의 노드를 포함한다. 일반적으로, "채널"은 네트워크 액세스 노드로의 경로를 정의하는 각 노드로부터 다른 노드로 확립되고, 여기에서 네트워크 액세스 노드는 인터넷과 같은 외부 네트워크로의 액세스를 제공한다. 채널은 또한 목적지 가 노드와 연관된 사용자인 경우에 동일한 네트워크에서 하나의 노드로부터 다른 노드로가 될 수 있다.
상기 설명된 것들과 같은 무선 "애드 혹"네트워크의 본성으로부터 자명한 바와 같이, 네트워크에서 동일한 주파수 또는 채널을 이용하는 노드 간에 간섭을 최소화하고 네트워크의 성능 및 효율을 최대화하기 위해 주파수 및 채널의 주의깊은 할당이 중요하다. 이러한 측면에서, 예를 들면, 단지 소수의 채널만이 가용한 경우에, 주파수 채널 할당의 전통적인 방법은 어렵게 된다. 더구나, 노드의 개수가 가용한 채널의 개수를 초과하는 경우에, 주파수 채널 할당은 어렵게 된다.
무선 "애드-혹"네트워크의 맥락 하에서 주파수 채널 할당에 대처하는 몇 개의 기술들이 존재한다. 예를 들면, 미국특허 출원 제2004/0157613호는 무선 주파수 채널의 자기-선택(self-selection)을 통해 공동-채널 및 인접 채널 간섭을 감소하기 위한 방법을 개시하고 있다. 더구나, DeCouto 등에 의한 문헌 "A High-Throughput Path Metric for Multihop Wireless Routing"(M.I.T Computer Science and Artificial Intelligence Laboratory, 2003)은 패킷 완료 레이트에 반비례하는 관계를 식별하는 예상 변이 카운트(ETX) 메트릭을 개시하고 있지만, 가변 데이터 레이트 또는 시그널링 오버헤드를 책임지지는 못한다.
유사한 참조부호는 분리된 도면 전체에 걸쳐 동일하거나 기능적으로 유사한 구성요소를 지칭하고 이하의 상세한 설명과 함께 명세서의 일부에 포함되며 또한 명세서의 일부를 형성하는 첨부된 도면은 본 발명에 따라 다양한 원리 및 장점을 완전하게 설명하고 다양한 실시예들을 추가적으로 예시하는 기능을 한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 시스템 및 방법을 채용하는 복수의 노드를 포함하는 애드-혹 무선 통신 네트워크의 예의 블록도이다.
도 2는 도 1에 도시된 네트워크에 채용된 모바일 노드의 예를 예시하는 블록도이다.
도 3은 다양한 루트가 다른 대역폭 가용성을 가지는 정체된한 멀티호핑 무선 네트워크를 예시하는 도이다.
도 4는 제1 및 제3 호프가 동시에 이용되는 멀티호핑 무선 네트워크를 예시하는 도이다.
도 5는 제1 및 제3 호프가 동시에 이용되지 않고 처리량이 감소하는 멀티호핑 무선 네트워크를 예시하는 도이다.
도 6은 각 라우터가 임의의 다른 라우터와 경합하지 않고 있고 트래픽의 어떤 다른 플로우도 루트를 따라 발원되지 않는 듀얼-트랜시버 라우터의 선형 시리즈를 포함하는 네트워크를 예시하는 도이다.
도 7은 라우터와 트래픽 소스간의 경합이 존재하는 정체된 멀티-트랜시버 네트워크를 예시하는 도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따라 그 링크에 대한 데이터 레이트, 오버헤드 및 재시도에 기초하여 특정 링크에 대해 계산된 라우팅 메트릭의 예를 예시하는 도이다.
본 기술분야의 숙련자라면, 도면의 구성요소들은 단순화 및 명백함을 위해 예시되어 있고 반드시 스케일링되어 그려질 필요는 없다는 것을 잘 알고 있을 것이다. 예를 들면, 도면의 일부 구성요소들의 치수는 다른 구성요소에 비해 과장되어 본 발명의 실시예의 이해를 증진하는데 도움을 준다.
본 발명에 따른 실시예를 상세하게 설명하기 전에, 실시예들은 주로 멀티호핑 네트워크에서 최대의 처리량을 제공하는 루트를 선택할 수 있는 라우팅 메트릭을 계산하는 것과 관련된 방법 단계 및 장치 컴포넌트의 조합에 관한 것이라는 것이 인정된다. 따라서, 장치 컴포넌트 및 방법 단계들은 적절한 경우에, 도면에서 종래의 심볼에 의해 표현되었고, 본 설명의 장점을 가지는 본 기술분야의 통상의 기술자에게 자명한 세부사항으로 공개내용을 모호하지 않도록 하기 위해 본 발명의 실시예를 이해하는 것과 관련된 특정 세부 사항만을 도시하고 있다.
본 문헌에서, 제1 및 제2, 상부 및 기저부 등과 같은 관계 설정 용어는 단지 그러한 실체 또는 액션들 간에 어떤 실제적 관계 또는 순서를 반드시 요구하거나 의미할 필요없이 하나의 실체 또는 액션을 다른 하나의 실체 또는 액션으로부터 구별하는 데에만 이용될 수 있다. 용어 "포함한다", "포함하는", 및 그 임의의 다른 변형 용어는 비-배타적 포함을 포괄하려는 것으로서, 구성요소의 리스트를 포함하는 프로세스, 방법, 물품 또는 장치는 단지 이들 구성요소들만을 포함하는 것이 아니라, 명시적으로 리스트되지 않거나 그러한 프로세스, 방법, 물품 또는 장치에 본질적으로 존재하는 다른 구성요소들을 포함할 수 있다. "하나를 포함하는"에 이어지는 구성요소는, 더 이상의 제약 사항이 없을 때는, 구성요소를 포함하는 프로세 스, 방법, 물품 또는 장치에 추가적인 동일 구성요소의 존재를 제외하는 것은 아니다.
여기에 설명된 본 발명의 실시예들은 하나 또는 그 이상의 종래 프로세서, 및 하나 또는 그 이상의 프로세서를 제어하여, 특정 비-프로세서 회로와 결합하여 여기에 설명된 바와 같은 멀티호핑 네트워크(multihopping network)에서 최대의 처리량을 제공하는 루트를 선택할 수 있는 라우팅 메트릭을 계산하기 위한 시스템 및 방법의 기능의 일부, 대부분 또는 모두를 구현하는 고유하게 저장된 프로그램 명령어를 포함할 수 있다는 것을 알아야 한다. 비-프로세서 회로는 무선 수신기, 무선 송신기, 신호 드라이버, 클럭 회로, 전원 회로, 및 사용자 입력 디바이스를 포함하고, 이들에만 제한되지는 않는다. 여기서, 이들 기능들은 멀티호핑 네트워크에서 최대 처리량을 제공하는 루트를 선택할 수 있는 라우팅 메트릭을 계산하기 위한 방법의 단계들로 해석될 수 있다. 다르게는, 일부 또는 모든 기능들은 어떠한 저장된 프로그램 명령어도 가지지 않는 상태 머신에 의해 구현되거나, 각 기능 또는 일부 기능의 몇몇 결합이 커스텀 로직으로 구현되는 하나 또는 그 이상의 어플리케이션 특정 집적 회로(ASIC)로 구현될 수 있다. 물론, 두 가지 접근법의 결합도 이용될 수 있다. 그러므로, 이들 기능들에 대한 방법 및 수단들이 여기에 설명되었다. 또한, 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 있을 수 있는 상당한 노력, 및 예를 들면 가용 시간, 현재의 기술 및 경제적 고려에 의해 하게 되는 다수의 설계 선택 사항에도 불구하고, 여기에 개시된 개념 및 원리에 의해 인도되는 경우에, 그러한 소프트웨어 명령어 및 프로그램 및 IC를 최소의 시행착오로 용이하게 생성할 수 있을 것으로 예상된다.
이하에 더 상세하게 설명되는 바와 같이, 여기에 설명된 본 발명의 실시예들은 완료 레이트, 데이터 레이트, 매체 액세스 제어(MAC) 오버헤드 및 정체(congestion)를 포함하는 하나 또는 그 이상의 파라미터에 기초하여, 멀티호핑 네트워크에서 최대의 처리량을 제공하는 루트를 선택할 수 있는 라우팅 메트릭을 계산하기 위한 시스템 및 방법을 제공한다. 시스템 및 방법은 높은 처리량을 가지는 멀티호핑 네트워크에서 루트를 선택할 수 있고, 하나 또는 그 이상의 노드에서 라우팅 메트릭을 계산하는 것을 포함하며, 라우팅 메트릭은 하나 또는 그 이상의 노드가 네트워크에서 루트를 선택할 수 있게 한다. 라우팅 메트릭은 미처리 데이터(raw data) 레이트, 완료 데이터 레이트, 및 매체 액세스 제어(MAC) 오버헤드 및 정체와 같은 네트워크 정보를 포함할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예를 채용하는 애드-혹 무선 통신 네트워크(100)의 예를 예시하는 블록도이다. 특히, 네트워크(100)는 복수의 모바일 무선 사용자 단말기(102-1 내지 102-n, 일반적으로 노드(102) 또는 모바일 노드(102)로 지칭됨)를 포함하고, 고정된 네트워크(104)로의 액세스를 노드(102)에게 제공하기 위해 복수의 액세스 포인트(106-1, 106-2, ..., 106-n, 일반적으로 노드(106), 액세스 포인트(AP, 106) 또는 지능형 액세스 포인트(IAP, 106)로 지칭됨)를 구비하는 고정된 네트워크(104)를 포함하는데, 이것을 포함하도록 반드시 요구되지는 않는다. 고정된 네트워크(104)는 예를 들면, 코어 로컬 영역 네트워크(LAN), 및 복수의 서버 및 게이트웨이 라우터를 포함하여, 네트워크 노드에 다른 애드-혹 네트워크, 공중 전 화 교환망(PSTN) 및 인터넷과 같은 다른 네트워크로의 액세스를 제공할 수 있다. 네트워크(100)는 다른 노드(102, 106, 또는 107)간에 데이터 패킷을 라우팅하기 위한 복수의 고정된 라우터(107-1 내지 107-n, 일반적으로 노드(107), 무선 라우터(WR, 107) 또는 고정된 라우터(107)로 지칭됨)를 더 포함할 수 있다. 유의할 점은, 이러한 설명의 목적상, 상기 설명된 노드들은 집합적으로 "노드(102, 106 및 107)"또는 단순히 "노드"로 지칭될 수 있다.
본 기술분야의 숙련자에 의해 알 수 있는 바와 같이, 상기 참조된 미국특허출원번호 제09/897,790호 및 미국특허 제 6,807,165호 및 제6,873,839호에 기재된 대로, 노드(102, 106 및 107)는 서로 직접, 또는 노드 간에 전송되는 패킷에 대한 라우터 또는 라우터(들)로서 동작하는 하나 또는 그 이상의 노드(102, 106 또는 107)를 통해 통신할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 각 노드(102, 106, 107)는 안테나(110)에 결합되고 컨트롤러(112)의 제어 하에서 패킷화된 신호와 같은 신호를 노드(102, 106, 또는 107)와 송수신할 수 있는 적어도 하나의 트랜시버 또는 모뎀(108)을 포함한다. 패킷화된 데이터 신호는 예를 들면, 노드 업데이트 정보를 포함하여, 음성, 데이터 또는 멀티미디어 정보 및 패킷화된 제어 신호를 포함할 수 있다.
각 노드(102, 106 및 107)는 다른 것들 중에서도 자신 및 네트워크(100)내의 다른 노드와 관련된 라우팅 정보를 저장할 수 있는 랜덤 액세스 메모리(RAM)와 같은 메모리(114)를 더 포함한다. 도 2에 추가적으로 도시된 바와 같이, 특정 노드, 특히 모바일 노드(102)는 노트북 컴퓨터 단말기, 모바일 전화기 유닛, 모바일 데이 터 유닛, 또는 임의의 다른 적합한 디바이스와 같은 임의의 개수의 디바이스로 구성되는 호스트(116)를 포함할 수 있다. 각 노드(102, 106 및 107)는 그 목적이 본 기술분야의 숙련자에게 잘 알려져 있는 인터넷 프로토콜(IP) 및 어드레스 레졸루션 프로토콜(ARP)을 수행하기 위한 적절한 하드웨어 및 소프트웨어를 포함한다. 송신 제어 프로토콜(TCP) 및 사용자 데이터그램 프로토콜(UDP)을 수행하는 적절한 하드웨어 및 소프트웨어가 포함될 수도 있다.
상기 설명된 바와 같이, 네트워크(100)의 노드(102, 106 및 107)가 네트워크 정체를 고려하고 최적 처리량을 보장하는 멀티호프 네트워크의 루트를 선택할 수 있는 것이 바람직하다. 이제 설명되는 바와 같이, 본 발명의 실시예는 하나 이상의 노드들이 완료 레이트, 데이터 레이트, MAC 오버헤드 및 정체를 포함하는 하나 이상의 파라미터에 기초하여 최상의 처리량을 제공하는 루트를 선택할 수 있는 라우팅 메트릭을 계산할 수 있게 한다. 유의할 점은, 라우팅 메트릭은 노드(102, 106 및 107)의 컨트롤러(112) 및 그 연관 하드웨어 및 소프트웨어에 의해 계산될 수 있다는 점이다.
정체/경합
단일 채널 매체 액세스 제어(MAC)에 대해, 경합 시간은 노드(102, 106 또는 107)에 의해 네트워크 할당 벡터(NAV) 또는 클리어 채널 평가(CCA)와 같은 카운터를 통해, 또는 타임스탬프를 통해 측정될 수 있다. 멀티 채널 MAC에 대해, 노드(102, 106 또는 107)는 그 측정을 예비 채널을 청취하면서 모니터링할 수 있는 것에 기초할 수 있다. 정체/경합 측정의 전제는 노드(102, 106 또는 107)가 주어 진 시각에 송신에 가용한 채널의 백분율을 평가할 수 있게 해야 한다는 것이다. 예를 들면, 노드(102, 106 또는 107) 또는 다른 노드(102, 106 또는 107)에 의해 대역폭의 어떠한 부분도 이용되고 있지 않는 경우, 대역폭 가용성은 100%이다. 다른 노드(102, 106 또는 107)가 대역폭을 이용하고 있는 경우, 가용성은 50%와 100%에 가까운 값 간의 임의의 값일 수 있다. 이러한 측면에서, 가용성은 1/N보다 작지 않고, 여기에서 N은 채널에 액세스하는 노드(102, 106 및 107)의 개수이다. 이것은 대역폭이 현재 모두 이용되고 있는 경우에 대역폭이 나중에 다수의 사용자들에 의해 여전히 공유될 수 있다는 것을 보장한다. 대역폭은 노드(102, 106 또는 107)들 사이에서 반드시 동일하게 분배될 필요는 없다(비록 이전 예에서는 그렇지만). 예를 들면, 특정 노드(102, 106 또는 107)에는 더 높은 우선권 상태가 할당될 수 있거나, 특정 트래픽 플로우에는 더 높은 대역폭 요구조건이 할당될 수 있다.
모든 데이터 레이트가 동일하다면 가정하면, 모든 완료 레이트는 100%이고 시그널링 오버헤드를 무시하면, 도 3은 라우팅 메트릭의 일부로서 정체를 이용한 라우팅 결정을 예시하고 있다. 유의할 점은, 도시된 소스, 목적지 및 라우터는 도 1에 도시하고 있는 바와 같이, 예를 들면 네트워크의 임의의 노드, 즉 모바일 노드(102), 고정된 라우터(107), 또는 액세스 포인트(106)에 대응한다는 점이다. 이러한 설명의 목적상, 소스 및 목적지는 각각 노드(102-1) 및 노드(102-2)이고 라우터는 라우터(107-1, 107-2, 107-3)라고 가정한다. 이러한 예에서, 참조번호 300, 304 및 308은 가용한 대역폭을 나타내고, 참조번호 302, 306 및 310은 비가용한 대 역폭을 나타낸다. 표시된 바와 같이, 노드(107-1)는 정체이고 단지 25%의 가용한 대역폭을 가지고 있는데 대해, 노드(107-2, 및 107-3)는 덜 정체되고 각각이 60%의 가용한 대역폭을 가지고 있다.
라우팅을 결정하는데 이용하기 위한 라우팅 메트릭은 일반적으로 "단위 정보를 전송하는데 요구되는 시간의 양"으로 정의된다. 본 기술분야의 통상의 기술자들에게 잘 알려져 있는 바와 같이, 라우팅 메트릭은 효율적인 처리량의 역에 비례한다. 이하의 예에서, 시간의 단위는 초이고 기준 정보 단위는 1 기가비트이다. 본 발명에 따른 다른 기준 정보 단위 및 다른 시간 단위가 이용될 수 있다는 것은 자명하다. 정체가 없는 링크(즉, 가용성이 100%인 경우)가 초당 10 메가비트(Mbps)의 처리량을 가지고 있는 경우, 1 기가비트의 정보는 전송하는데 100초가 소요된다. 그러므로 100은 예로 든 시스템에 대한 그 특정 기준 링크에 대한 라우팅 메트릭이다. 채널이 60%가 가용하다면, 최대 처리량은 6Mbps인데 반해, 25% 가용한 채널은 2.5 Mbps의 처리량이 된다. 6Mbps에서, 1기가비트의 정보를 전송하는데 166초가 소요된다. 2.5Mbps에서는, 1기가비트의 정보를 전송하는데 400초가 소요된다. 도 3에 도시된 예를 참조하면, 노드(102-1, 107-1 및 102-2)로 구성된 루트는 800의 누적 라우팅 메트릭을 가지고 있다(소스 노드(102-1) 및 라우터(107-1)가 모두 동일한 매체를 공유하고 있으므로, 1기가비트의 정보를 전송하는데 800초가 소요된다). 노드(102-1, 107-2, 107-3 및 102-2)로 구성된 루트는 500의 누적 라우팅 메트릭을 가지고 있다.
파이프라이닝
도 3에 도시된 이전 예에서, 노드(102-1)와 노드(107-2)간의 제1 호프(hop)의 통신 및 노드(107-2)와 노드(102-2)간의 제3 호프의 통신이 동시에 발생할 수 있는지 여부에 대해 아직 결정되어 있지 않다. 이들이 동시에 발생할 수 있는 경우라면, 라우팅 메트릭은 도 4에 도시된 바와 같이 더 많은 대역폭을 통신에 할당함으로써 이러한 사실을 자동적으로 고려할 수 있다. 이 경우에, 노드(102-1, 107-1 및 107-2)는 참조부호 400, 404 및 408에 의해 나타내어진 바와 같이, 가용한 대역폭의 50%가 할당되어 있고, 대역폭의 50%는 참조부호 402, 406 및 410에 의해 표시된 바와 같이 비가용 상태로 유지된다. 이들이 동시에 통신할 수 없다면, 라우팅 메트릭은 이것을 반영할 수 있고, 송신되는 데이터의 양, 및 따라서 처리량은 도 5에 도시된 바와 같이 감소할 것이다. 즉, 노드(102-1) 및 노드(107-2)에는 각각 참조부호 500 및 508에 의해 표시된 바와 같이, 가용한 대역폭의 34%가 할당되는데 반해, 그 대역폭의 66%는 참조부호 502 및 510에 의해 표시된 바와 같이, 비가용 상태로 유지되며, 노드(107-1)에는 참조부호 504에 의해 표시된 바와 같이 대역폭의 50%가 할당되는데 대해, 대역폭의 50%는 참조부호 506에 의해 표시된 바와 같이 비가용 상태로 유지된다.
멀티-트랜시버
도 6에 도시된 바와 같이, 각 라우터(107-1, 107-2, 및 107-3)는 예를 들면 도 2에 도시된 바와 같은 2개의 트랜시버(108)를 포함하는 듀얼-트랜시버 귀로(600)를 포함할 수 있고, 각 라우터(예를 들면, 도 6에 도시된 바와 같이 라우터(107-1, 107-2 및 107-3))가 동시에 송신기와 수신기로서 이용될 수 있게 함으로 써, 통신 링크의 대역폭을 2배로 한다. 그러나, 이것은, 도 6에서 참조부호 602 및 604에 의해 지정된 100% 용량으로 추가적으로 도시된 바와 같이, 각 라우터가 임의의 다른 라우터와 경합 상태에 있지 않는 경우 및 루트를 통해 트래픽의 어떠한 다른 플로우도 발원되지 않는 경우에 발생한다. 그럼에도 불구하고, 라우팅 메트릭은 양쪽 상황을 성공적으로 대응하는데 이용될 수 있다. 실제, 토폴로지가 듀얼-트랜시버 라우터(107-1, 107-2 및 107-3)의 선형 열인 경우, 각 라우터에서 가장 작은 경합을 가지는 링크가 이전 호프에 이용되고 있지 않는 것이 될 수 있다. 그러므로, 다르게는 루트는 하나의 트랜시버를 이용하고 그리고나서 다른 하나를 이용할 수 있다. 도 7에 도시된 바와 같이 다른 루트 또는 트래픽 소스(예를 들면, 다른 라우터(107-4))와 경합이 있는 경우, 시스템은 각 트랜시버가 동일하게 이용되고 있다, 즉 이용되고 있는 대역폭의 양(최종 라우팅 메트릭을 결정함)이 각 트랜시버에 대해 동일하거나 거의 동일하다는 것을 보장할 수 있다. 도 7의 예에서, 각 라우터(107-1 및 107-4)의 트랜시버는 참조부호 700 및 702로 나타낸 바와 같이 50%의 용량을 이용하고 라우터(107-2)의 각 트랜시버는 참조부호 704 및 706으로 표시된 바와 같이 50% 용량을 이용한다.
TDMA
TDMA MAC에서, 특정 링크에 대해 가용하게 되는 대역폭의 백분율은 그 링크를 통해 송신되고 잇는 전체 프레임 크기에 대한 할당된 시간 슬롯 크기의 비율에 기초하여 결정된다.
단위 정보의 송신 시간
이전 섹션에 설명된 가용한 시간 동안에, 노드는 단지 제한된 양의 정보를 송신할 수 있다. 라우팅 메트릭은 "단위 정보를 전송하는데 필요한 시간의 양"으로 정의되고, 그러므로 이러한 시간은 데이터 레이트에 기초한다. MAC 오버헤드 및 재시도 회수와 같은 다른 파라미터도 고려될 수 있다. 실제로, 이들 다른 파라미터들은 도 8의 그래프(800)에 도시된 바와 같이, 단위 정보를 전송하는데 필요한 실제 시간을 증가시킬 수 있고, 도 8은 요구-투-전송(RTS) 및 클리어-투-전송(CTS) 메시지, 헤더, 데이터 메시지(DATA) 및 승인(ACK) 및 비승인(NACK) 메시지에 의해 점유되는 시간의 양의 예를 예시하고 있다.
이러한 예에서, 채널 가용성은 100%로서, 채널을 이용하려고 시도하는 다른 노드(102, 106 또는 107)가 전혀 없다는 것을 의미한다. 미처리 데이터 레이트, MAC 오버헤드 및 완료 레이트를 알고 있는 경우, 실체 처리량, 및 따라서 특정 링크에 대한 라우팅 메트릭을 결정할 수 있다. 데이터 레이트는 2005년 6월24일에 출원되고 발명의 명칭이 "System and Method for Adaptive Rate Selection for Wireless Networks"인 미국특허출원 제11/166,578호에 기재된 바와 같이 계산될 수 있다. MAC 오버헤드는 2005년 8월 10일에 출원되고 발명의 명칭이 "Software Architecture and Hardware Abstraction Layer for Multi-Radio Routing and Method for Providing the Same"인 미국특허출원 제11/200,658호에 기재된 바와 같이 제공될 수 있다. 완료 레이트는 2004년 6월 7일에 출원되고 발명의 명칭이 "A Method to Provide a Measure of Link Reliability to a Routing Protocol in an Ad Hoc Wireless Network"인 미국특허출원 제10/863,069호에 기재된 바와 같이 계 산될 수 있다. 이들 3개의 특허 출원서 각각의 전체 내용이 참고로 여기에 첨부되었다.
라우팅 메트릭의 예
이하의 섹션은 효율적인 링크당 처리량에 좌우되는 라우팅 메트릭의 예를 제공한다. 특히, 호프당 패킷 지연은 이하의 등식에 따라 근사화될 수 있다.
Figure 112007033503263-pct00001
L = 패킷 길이
R = 데이터 레이트
pcr = 패킷 완료 레이트
ts = 패킷의 송신 시간(오버헤드, 전파 시간, 처리 시간 등을 포함한다)
te = 오류 발생된 패킷의 재송신에 요구되는 여분 시간(채널 액세스 시간을 포함한다)
tw = 노드 큐로의 패킷 도착과 이러한 패킷의 제1 송신 시도 간에 경과된 시간.
예를 들면, 경합 기반 MAC 프로토콜에 대해, 채널 액세스 시간은 이웃 정체 및 채널 복잡성(busy-ness)에 좌우될 수 있다. 경합 부재 시스템(예를 들면, TDMA 시스템)에서, 이것은 노드/링크에 할당된 슬롯들에 좌우될 수 있다. te는 송신 실패 및 이웃 정체로 인한 평균 백오프 시간에 좌우된다(패킷이 실패하는 경우, 채널 이 가용한 다음에 송신될 제1 패킷이 될 수 있다고 가정함). tw는 노드의 정체 레벨(예를 들면, 노드에 이미 큐잉된 패킷들) 및 이웃 정체에 좌우된다.
효율적인 처리량은 이하와 같이 근사화될 수 있다.
Figure 112007033503263-pct00002
G를 계산하는데 이용되는 값들은 윈도우 크기가 안정성을 제공하도록 최적화될 수 있는 이동 평균으로 측정될 수 있다. 일부 값들은 IEEE 802.11 표준에 정의된 측정 액션을 이용하여 값이 구해질 수 있다. 예를 들면, IEEE 802.11 표준 네트워크에 대해, te는 IEEE 802.11h 표준 및 IEEE 802.11k 표준에 각각 기술된 바와 같이 클리어 채널 평가(CCA) 및 네트워크 할당 벡터(NAV) 바쁜 시간을 이용하여 추정될 수 있다.
각 호프에 대한 라우팅 메트릭은 이하와 같다.
M = α/G
여기에서, α는 정규화 인자이다. 변수 α는 1Gbps와 같은 기준 고속 링크에 대해 1의 라우팅 메트릭을 얻도록 선택된다. 이것은 네트워크의 모든 라우팅 메트릭이 제한된(예를 들면, 16-비트) 레졸루션을 가지는 정수값을 이용하여 표현될 수 있다는 것을 보장한다.
데이터 레이트 종속성 및 이종 트랜시버
라우팅 메트릭을, 단위 정보를 전송하는데 걸리는 시간의 양을 기초로 하는 능력은 라우팅 프로토콜이 IEEE 표준 802.11a 및 802.11g에 따른 것들과 같은 큰 범위의 데이터 레이트, 또는 다른 데이터 레이트(예를 들면, 이더넷 대 블루투스)를 달성하는 복수의 물리적 레이어들을 가지는 트랜시버와 동작할 수 있게 한다. 유일한 제한은 기준 라우팅 메트릭(이러한 예에서는 초당 1기가비트로 설정됨) 및 메트릭 레졸루션(28은 3.9Mbps 링크에 대응하고, 1/216은 초당 15Kbits(Kbps)에 대응함)에 의해 설정된다. 초당 1기가비트의 기준 라우팅 메트릭 및 라우팅 메트릭에 대한 16비트 레졸루션에 대해, 다이얼-업 모뎀 및 기가비트 이더넷만큼 다양한 링크 상에서 멀티호프 처리량을 비교할 수 있다.
네트워크 플러딩을 요구하는 프로토콜에 대한 루트 요구 만료
라우팅 프로토콜이 네트워크가 플러딩하는 것을 요구하는 경우(예를 들면, 애드-혹 온-디맨드 거리 벡터(AODV)에서의 루트 요구), 통상 플러딩은 TTL(유지, time to live) 한계를 이용하여 제한된다. 이것은 고속 백본 링크가 완전히 이용되고 있다는 것을 보장하지 않고 루트 요구가 도달할 수 있는 노드(102, 106 또는 107)의 개수를 심각하게 제한시킨다. 통상, 노드는 작은 TLL로 그 목적지를 찾을 수 없는 경우에 확장 링 탐색을 수행할 것이다. 한계가 누적된 라우팅 메트릭(TTL 대신)에 기초하고 있는 경우, 플러딩은 루트 요구가 더 느린 링크 및 정체된 노드(102, 106 또는 107)를 통과함에 따라 인터럽트되고, 루트 요구가 더 빠른 링크 및 거의 정체가 없는 노드(102, 106 또는 107)를 통해 액티브하게 유지될 것이다. 이것은 횡단하고 있는 노드(102, 106 또는 107)의 성능에 기초하여 그 루트 탐색을 수행하도록 허용함으로써 라우팅 프로토콜이 네트워크에서 라우터를 효율적으로 탐색할 수 있게 한다.
고속 센서 네트워크 전개에 대한 접속성/성능 표시자
센서 네트워크 전개는 가능한 한 적은 수동 개입을 요구하고(어떠한 셋업 인터페이스도 없음), 통상적으로 어떠한 무선 주파수(RF) 커버리지 조사도 없다. 전형적인 네트워크 접속도 표시자는 노드(102, 106 또는 107)가 연관되는 액세스 포인트에 신호 세기를 보여준다. 이것은 실제 링크 성능(최대 데이터 레이트가 낮을 수 있다) 또는 호프의 개수(즉, 액세스 포인트는 실제 목적지로부터 수 개의 호프만큼 이격될 수 있다)를 고려하지 않을 수도 있다. 여기에 설명된 라우팅 메트릭은 성능 비교가 호프의 개수에 관계없이 만들질 수 있도록 허용한다. 가시적 표시자, 예를 들면 발광 다이오드(LED) 스크린을 이용하는 숫자 표시기 또는 복수의 LED를 이용하는 레벨 표시기는 고속 전개에 이용될 수 있다. 즉, 노드(102, 106 또는 107)는 특정 위치에서의 네트워크 성능이 수락가능하거나 또는 그렇지 않은 경우에 조작자에게 실시간으로 말할 수 있다. 본 기술분야에 자명한 바와 같이, 네트워크(100)는 일반적으로 자기-구성가능하고, 노드(예를 들면, 액세스 포인트(106) 및 무선 라우터(107))를 전개하고 전개된 노드(106 및 107)가 라인 전류, 배터리, 태양전지, 등과 같은 전원을 가지고 있다고 보장하는 것과 같은, 최소의 사용자 개입만을 필요로 한다.
QoS 확장
예로 든 라우팅 메트릭은 라우팅 요구가 루트가 요구되는 플로우의 우선권 레벨을 포함하는 경우에 다를 수 있다. 이를 위해, 하나 이상의 노드가 양호하게는 2가지 타입의 우선권 정보를 추적한다.
1. 주어진 기간에 대한 노드 큐에서 패킷의 평균 우선권 레벨
스케줄러(예를 들면, 라운드 로빈 또는 패킷 태깅 기반 스케줄러)에 좌우되어, 각 우선권은 송신 시도에 대해 특정 할당된 백분율을 가지고 있는 큐 레벨로 매핑될 수 있다. 예를 들면, 이 경우에 tw는 우선권 레벨에 좌우될 수 있다. 더 높은 우선권 플로우에 대해, tw는 더 작을 것이다.
2. 주어진 기간에 대해 노드의 이웃에서 패킷의 평균 우선권 레벨
예를 들면, IEEE 표준 802.11e는 다른 우선권 레벨에 대해 다른 채널 액세스 확률을 이용한다. 노드가 이웃에서 송신되고 있는 패킷의 우선권 레벨에 대한 정보를 가지고 있는 경우, 플로우의 상대 우선권 레벨 및 이웃 트래픽에 따라 tw 및 te에 대한 추정이 수행될 수 있다. 플로우의 우선권 레벨이 이웃 트래픽보다 훨씬 더 큰 경우, tw 및 te가 더 작게 될 것이다
충돌 회피를 가지는 캐리어 감지된 다중 액세스(CSMA/CA, Carrier Sensed Multiple Access with Collision Avoidance) 확장
패킷 호프 지연 등식에 정의된 패킷 완료 레이트는 데이터 패킷 완료 레이트에 대응한다. CSMA/CA 매체 액세스 컨트롤러를 이용하는 시스템에서, 일부 경합 프레임(즉, RTS 및 CTS)은 성공적으로 송신되는데 실패할 수 있다. 이들 실패는 te 를 증가시킴으로써 링크 처리량에 영향을 미친다. RTS 패킷 완료 레이트를 이용하고 te를 이러한 완료 레이트에 종속되도록 하는 것은 라우팅 메트릭의 정확도를 개선시킬 것이다.
상기 명세서에서, 본 발명의 특정 실시예들이 설명되었다. 그러나, 본 기술분야의 통상의 기술자라면, 이하의 청구범위에 제시된 본 발명의 범주에서 벗어나지 않고서도 다양한 변형 및 변경이 가해질 수 있다는 것을 잘 알고 있을 것이다. 따라서, 명세서 및 도면들은 제한적인 의미라기보다는 예시적인 것으로 간주되어야 하고, 모든 그러한 변형은 본 발명의 범주내에 포함된다고 할 것이다. 이점, 장점, 문제 해결책, 및 임의의 이점, 장점 또는 해결책이 도출되도록 하거나 뚜렷이 제시되도록 하는 임의의 요소(들)는, 임의의 또는 모든 청구의 범위에 있어서, 중요한 사항으로 반드시 해석되거나, 이런 청구범위에 꼭 요구되거나, 이것들의 핵심적인 특징으로서 반드시 해석해야만 하는 것은 아니다. 본 발명은 본 출원서의 계류 동안에 이루어지는 모든 보정을 포함하는 첨부된 청구의 범위 및 발행된 이들 청구의 범위의 모든 균등물에 의해서만 정의된다.

Claims (20)

  1. 무선 통신 네트워크에서 데이터를 라우팅하기 위한 방법으로서,
    상기 무선 네트워크에서 적어도 하나의 노드에 의한 패킷 송신과 관련된 정보를 결정하는 단계 - 상기 정보는, 패킷의 송신 시간, 실패한 패킷의 재송신을 위한 추가 시간, 및 노드에서의 수신된 패킷의 도착과 수신된 패킷에 응답하여 노드에 의한 패킷 송신을 위한 제1 시도 사이에 경과된 시간을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 정보를 포함함 -; 및
    적어도 하나의 후속 패킷의 송신에서의 상기 노드에 의한 이용을 위해, 상기 결정된 정보에 기초하여 라우팅 메트릭(a routing metric)을 계산하는 단계
    를 포함하는 데이터 라우팅 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 라우팅 메트릭에 기초하여 상기 후속 패킷의 송신을 위한 대역폭의 양을 상기 노드에 의해 할당하는 단계를 더 포함하는 데이터 라우팅 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    송신을 위해 할당된 상기 대역폭의 양에 기초하여 처리량의 레벨을 달성하기 위해 복수의 상기 후속 패킷을 상기 노드에 의해 송신하는 단계를 더 포함하는 데이터 라우팅 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 라우팅 메트릭에 기초하여 상기 후속 패킷을 송신할 다른 노드를 상기 노드에 의해 결정하는 단계를 더 포함하는 데이터 라우팅 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 네트워크의 복수의 노드에 대해 상기 결정 단계를 수행하는 단계; 및
    상기 복수의 노드 각각에서 결정된 상기 각각의 정보에 기초하여 라우팅 메트릭을 계산하는 단계
    를 더 포함하는 데이터 라우팅 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 정보는, 패킷의 상기 송신 시간, 실패한 패킷의 재송신을 위한 상기 추가 시간, 및 노드에서의 수신된 패킷의 도달과 수신된 패킷에 응답하여 노드에 의한 패킷 송신을 위한 제1 시도 사이에 경과된 상기 시간과 관련된 정보를 포함하는 데이터 라우팅 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 라우팅 메트릭과 관련된 정보를 상기 노드에 의해 제공하는 단계를 더 포함하는 데이터 라우팅 방법.
  8. 무선 통신 네트워크에서 동작하는 노드로서,
    패킷을 송수신하는 트랜시버; 및
    패킷의 송신과 관련된 정보 - 상기 정보는 패킷의 송신 시간, 실패한 패킷의 트랜시버에 의한 재송신을 위한 추가 시간, 및 트랜시버에서의 수신된 패킷의 도착과 수신된 패킷에 응답하여 트랜시버에 의한 패킷 송신을 위한 제1 시도 사이에 경과된 시간을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 정보를 포함함 - 를 결정하고, 적어도 하나의 후속 패킷의 송신에 이용하기 위해 상기 결정된 정보에 기초하여 라우팅 메트릭을 계산하도록 동작하는 컨트롤러
    를 포함하는 노드.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 또한 상기 라우팅 메트릭에 기초하여 상기 후속 패킷의 송신을 위한 대역폭의 양을 할당하도록 동작하는, 노드.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 또한 송신을 위해 할당된 대역폭의 양에 기초하여 처리량의 레벨을 달성하기 위해 상기 트랜시버가 복수의 상기 후속 패킷을 송신하도록 제어하는 동작을 행하는, 노드.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 또한 상기 라우팅 메트릭에 기초하여 상기 트랜시버가 상기 후속 패킷을 송신하도록 제어하는 다른 노드를 결정하도록 동작하는, 노드.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 또한 상기 결정된 정보, 및 상기 네트워크에서의 복수의 다른 노드로부터 수신된 상기 라우팅 메트릭에 관한 정보에 기초하여 상기 라우팅 메트릭을 계산하도록 동작하는 노드.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 정보는, 패킷의 상기 송신 시간, 실패한 패킷의 재송신을 위한 상기 추가 시간, 및 트랜시버에서의 수신된 패킷의 도달과 수신된 패킷에 응답하여 트랜시버에 의한 패킷 송신을 위한 제1 시도 사이에 경과된 상기 시간과 관련된 정보를 포함하는 노드
  14. 제8항에 있어서, 상기 컨트롤러는 또한 상기 라우팅 메트릭과 관련된 정보를 제공하도록 상기 노드를 제어하도록 동작하는 노드.
  15. 제8항에 있어서,
    상기 컨트롤러는 또한 상기 네트워크의 적어도 하나의 다른 노드에 의한 수신을 위해 상기 라우팅 메트릭에 관한 정보를 상기 트랜시버가 송신하도록 제어하는 동작을 행하는, 노드.
  16. 무선 통신 네트워크에서 통신을 위한 방법으로서,
    상기 무선 통신 네트워크에서 통신하는 복수의 노드 각각이, 패킷의 송신 시간, 실패한 패킷의 재송신을 위한 추가 시간, 및 수신된 패킷의 도달과 수신된 패킷에 응답하여 패킷 송신을 위한 제1 시도 사이에 경과된 시간을 포함하는 그룹에서 선택되는 하나 또는 그 이상의 정보를 포함하는 각각의 정보를 결정하는 단계; 및
    다른 노드에 의한 수신을 위해 자신들의 각각의 정보를 상기 복수의 노드에 의해 송신하는 단계; 및
    상기 복수의 노드 각각에 의해 상기 자신들의 각각의 정보 및 상기 다른 노드로부터 수신된 정보에 기초하여, 각각의 라우팅 메트릭을 계산하는 단계
    를 포함하는 통신 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 노드 각각에 의해 자신들의 각각의 계산된 라우팅 메트릭에 기초하여 상기 후속 패킷의 송신을 위한 대역폭의 각각의 양을 할당하도록 하는 단계를 더 포함하는 통신 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 복수의 노드 각각에 의해 송신을 위해 할당된 자신들의 대역폭의 각각의 양에 기초하여 처리량의 각각의 레벨을 달성하기 위해 각각의 복수의 후속 패킷을 송신하는 단계를 더 포함하는 통신 방법.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 복수의 노드 각각에 의해 자신들의 각각의 라우팅 메트릭에 기초하여 자신들의 각각의 후속 패킷을 어느 다른 노드에 송신할지를 결정하는 단계를 더 포함하는 통신 방법.
  20. 제16항에 있어서, 상기 각각의 정보는 패킷의 상기 송신 시간, 실패한 패킷의 재송신을 위한 상기 추가 시간, 및 노드에서 수신된 패킷의 도달과 수신된 패킷에 응답하여 노드에 의한 패킷 송신을 위한 제1 시도 사이에 경과된 상기 시간과 관련된 정보를 포함하는 통신 방법.
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