KR100982401B1 - Method for Building the Wireless Mesh Networke based on the Hexagonal Cluster - Google Patents
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Abstract
본 발명은 멀티 채널 멀티 라디오 기반 무선 메쉬 네트워크 설계에 관한 것으로, 이를 위하여 본 발명은, 규칙적인 육각형 형태의 메쉬 클러스터를 사용하여 다양한 무선 경로의 제공 및 부하분산을 용이하게 하며, 메쉬 클러스터에서 발생하는 트래픽을 계산하여 메쉬 네트워크의 규모를 설정한다. 또한, 메쉬 클러스터의 게이트웨이와 무선 메쉬 라우터 간 연결 홉 수와 이에 따른 무선 채널 사용량에 따라 안테나를 차등적으로 배치하여 병목현상을 제거하는 동시에 구축 비용을 최소화한다. 이렇게 비용 최적화된 메쉬 클러스터를 기존의 셀룰러 네트워크와 유사하게 짜임새있게 배치함으로써 전체 무선 메쉬 네트워크를 구성하여 전파 난청지역이 없이 구축 비용이 최소화된 무선 메쉬 네트워크의 구축이 가능하다.The present invention relates to the design of a multi-channel multi-radio based wireless mesh network. To this end, the present invention facilitates the provision and load distribution of various wireless paths by using a regular hexagonal mesh cluster, Calculate the traffic and set the size of the mesh network. In addition, according to the number of connection hops between the gateway of the mesh cluster and the wireless mesh router and the radio channel usage accordingly, the antennas are differentially disposed to eliminate bottlenecks and minimize the construction cost. Such cost-optimized mesh clusters can be structured similarly to existing cellular networks to form an entire wireless mesh network, enabling the construction of a wireless mesh network with minimal deployment costs without radio interference areas.
무선 메쉬 네트워크, 클러스터, 안테나 배치, 구축 비용, 최적화 Wireless mesh networks, clusters, antenna placement, deployment costs, optimization
Description
본 발명은 무선 메쉬 네트워크(WMN : Wireless Mesh Network)의 설계 시 전체 네트워크를 구성하기위한 클러스터(Cluster)의 구조 및 구축 비용을 최소화 할 수 있는 안테나 배치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 게이트웨이(Gateway)를 중심으로 한 육각형 모양의 클러스터를 배치하여 전체 네트워크를 구성하고, 게이트웨이로부터의 거리(홉 수)에 따라 필요한 무선 자원량을 계산하여 이에 맞는 최소한의 안테나를 무선 메쉬 라우터에 설치하여 구축비용을 최소화 할 수 있는 안테나 배치 기법에 관한 것이다.The present invention relates to an antenna arrangement capable of minimizing the structure and construction cost of a cluster for constituting an entire network in the design of a wireless mesh network (WMN), and more specifically, a gateway. The entire network is formed by arranging hexagonal clusters centered on the network, and the required amount of radio resources is calculated according to the distance (hop count) from the gateway. An antenna placement technique that can be used.
최근 차세대 모바일 환경을 구축하기에 가장 적합한 시스템 구조로 많은 관심을 받고 있는 무선 메쉬 네트워크는 각 AP(Access Point)를 연결하기위한 유선 네트워크 구축에 높은 비용이 필요한 인프라 모드(Infrastructure mode) IEEE 802.11 무선랜(Wireless LAN) 시스템의 경제적 문제점을 해결한 새로운 형태의 네트워크로서 각 AP를 유선이 아닌 무선 링크로 연결하여 저렴한 비용 투자로 넓은 지역에 모바일 인터넷 환경을 구축할 수 있는 가입자망이다.Recently, the wireless mesh network, which is receiving a lot of attention as the most suitable system structure for building the next-generation mobile environment, requires a high cost in infrastructure mode IEEE 802.11 WLAN to establish a wired network for connecting each access point (AP). This is a new type of network that solves the economic problems of (Wireless LAN) system. It is a subscriber network that can establish mobile internet environment in large area with low investment by connecting each AP by wireless link rather than wired.
일반적으로 무선 메쉬 네트워크는 AP 및 라우터 역할을 함께 수행할 수 있는 무선 메쉬 라우터들로 구성되어 있으며, 이 중에 몇몇 무선 메쉬 라우터들은 유선망과 직접적으로 연결되어 무선 메쉬 네트워크와 코어 네트워크(Core Network) 또는 인터넷을 연결하는 게이트웨이 역할을 수행한다. 이들은 그물망처럼 서로 무선 링크를 통해 연결되어 애드 혹(Ad-hoc) 네트워크와 유사한 멀티 홉(Multi-hop) 환경을 구성한다. 이러한 구조를 통해 무선 메쉬 네트워크는 유선 네트워크와의 연결을 대폭 줄일 수 있어 모든 AP가 유선 네트워크와 연결되어 있는 인프라 모드 IEEE 802.11 무선랜 시스템에 비해 낮은 구축 비용으로 넓은 지역의 서비스가 가능하다. In general, a wireless mesh network is composed of wireless mesh routers that can act as APs and routers. Some of the wireless mesh routers are directly connected to a wired network, and thus, a wireless mesh network and a core network or the Internet It acts as a gateway to connect. They are connected to each other via a wireless link like a mesh, creating a multi-hop environment similar to an ad hoc network. Through this structure, the wireless mesh network can greatly reduce the connection with the wired network, so that a wide area service can be performed at a lower construction cost than the infrastructure mode IEEE 802.11 WLAN system in which all APs are connected to the wired network.
무선 메쉬 라우터들의 연결에 사용되는 무선 채널은 단일 안테나를 사용한 멀티 채널(Multi-channel Single Radio) 기반과 멀티 채널 멀티 라디오(Multi-channel Multi-radio) 기반의 무선 채널로 구분된다. 멀티 채널 멀티 라디오 기반 무선 채널의 경우 다수의 안테나를 설치함으로써 여러 개의 채널을 동시에 사용하여 링크 용량의 증대효과를 얻을 수 있다.Wireless channels used for connection of wireless mesh routers are classified into a multi-channel Single Radio-based and a multi-channel Multi-radio based wireless channel using a single antenna. In the case of a multi-channel multi-radio based wireless channel, by installing a plurality of antennas, the link capacity can be increased by using several channels simultaneously.
인터넷 연결을 위해서는 반드시 게이트웨이를 거쳐야하는 무선 메쉬 네트워크의 구조상 각 무선 메쉬 라우터에 접속된 사용자의 트래픽은 게이트웨이 방향으로 무선 링크를 따라 전달되게 된다. 이 과정에서 트래픽은 게이트웨이와 가까워질수록 무선 링크의 수가 줄어들면서 집중되게 되는데, 이때 게이트웨이의 용량이 무선 메쉬 라우터들에서 발생하는 전체 사용자의 트래픽의 크기보다 작다면 게이트웨이에서는 병목 현상이 발생한다. 이와 같은 병목 현상 문제를 해결하기 위해서는 게이트웨이 용량과 사용자의 트래픽의 크기를 고려하여 최적화된 클러스터의 규모를 결정하는 것이 중요하다. 또한 모든 무선 메쉬 라우터의 트래픽은 게이트웨이에 도달하기까지 멀티 홉으로 전달되기 때문에 게이트웨이와 가까운 메쉬 라우터일수록 트래픽의 집중되는 현상이 발생한다. 이러한 경우 게이트웨이와 무선 메쉬 라우터 간의 무선 링크에서 병목 현상이 발생하는 것과 같이 무선 메쉬 라우터 간의 무선 링크에서도 병목 현상이 발생한다. 이와 같은 병목 현상 문제는 지연 및 재전송 횟수를 증가시키며, 결과적으로 네트워크 효율을 저하를 시키는 결정적 요소로써 작용한다.Due to the structure of the wireless mesh network that must pass through the gateway for the Internet connection, the traffic of the user connected to each wireless mesh router is transferred along the wireless link toward the gateway. In this process, traffic is concentrated as the number of wireless links decreases closer to the gateway. If the capacity of the gateway is smaller than the amount of traffic of the entire user generated in the wireless mesh routers, the gateway becomes a bottleneck. In order to solve this bottleneck problem, it is important to determine the size of the optimized cluster in consideration of the gateway capacity and the size of user traffic. In addition, since the traffic of all wireless mesh routers is delivered in multi-hops until reaching the gateway, the closer the mesh router is to the gateway, the more the traffic is concentrated. In this case, the bottleneck occurs in the wireless link between the wireless mesh routers, just as the bottleneck occurs in the wireless link between the gateway and the wireless mesh router. This bottleneck problem increases the number of delays and retransmissions and, consequently, acts as a decisive factor in reducing network efficiency.
이러한 문제를 해결하기 위해 멀티 채널 멀티 라디오 환경의 경우 다수의 안테나를 운용함에 따라 무선 링크의 용량이 증가되어 병목 현상 문제를 줄일 수 있으나 추가적인 안테나 설치로 인해 시스템 구축 비용의 증가가 불가피하며, 필요 이상의 안테나를 설치함에 따른 자원의 낭비 및 구축 비용의 낭비를 초래할 수도 있다.In order to solve this problem, multi-channel multi-radio environment can reduce the bottleneck problem by increasing the capacity of the wireless link by operating a large number of antennas, but it is inevitable to increase the system construction cost by installing additional antennas. It may also lead to waste of resources and waste of construction costs by installing the antenna.
무선 메쉬 네트워크를 구축함에 있어 기존의 방법들은 구축하고자 하는 지역에 무선 메쉬 라우터들을 임의적으로 배치해 놓고 사이사이에 외부 네트워크와 연결할 수 있는 게이트웨이를 설치하는 방법을 사용하였다. 그러나 이러한 방법은 임의적 배치로 인해 난청지역이 발생할 수 있으며, 특정 게이트웨이를 통해 외부 네트워크와 연결하는 무선 메쉬 라우터들의 그룹인 클러스터의 규모가 불규칙하여 낭비되는 무선 자원이 발생할 수 있다. 그리고 이웃 무선 메쉬 라우터들과의 무선 링크의 수가 매우 적은 클러스터를 구성하게 될 경우 부하 분산의 효과를 얻기 힘들어지며, 네트워크의 견고성(Robustness) 측면의 문제점이 발생할 수 있다. 또한, 앞서 설명한 바와 같이 병목현상 문제가 발생할 수 있으며, 멀티채널 멀티 라디오 환경의 경우에서는 이 같은 병목현상을 해결하기 위해 안테나를 추가적으로 설치하게 됨으로써 전체 네트워크 구축에 많은 비용이 추가적으로 발생하게 된다. 이때 무분별하게 필요 이상의 안테나를 추가적으로 설치할 경우 많은 구축 비용이 낭비되는 문제점이 있다.In constructing a wireless mesh network, existing methods employ a method of arranging wireless mesh routers randomly in a region to be constructed and installing a gateway that can be connected to an external network between them. However, such a method may cause a hearing loss due to random placement, and may cause waste of radio resources due to an irregular size of a cluster, which is a group of wireless mesh routers connecting to an external network through a specific gateway. In addition, when a cluster having a very small number of radio links with neighboring wireless mesh routers is formed, it is difficult to obtain a load balancing effect, and a problem in terms of robustness of a network may occur. In addition, as described above, a bottleneck problem may occur, and in the case of a multi-channel multi-radio environment, an additional antenna is installed to solve such a bottleneck, which incurs an additional cost in constructing the entire network. In this case, there is a problem in that a lot of construction costs are wasted if an additional antenna is installed indiscriminately.
이러한 문제점들을 해결하기 위해 규칙적인 클러스터 구조를 갖는 무선 메쉬 네트워크를 사용하고 안테나를 각 무선 메쉬 라우터가 필요로 하는 자원량에 따라 설치할 안테나의 수를 조절하여 구축비용을 최소화 할 수 있는 방법을 제공하고자 한다.In order to solve these problems, we will use a wireless mesh network with a regular cluster structure and provide a way to minimize the construction cost by adjusting the number of antennas to install antennas according to the amount of resources required by each wireless mesh router. .
본 발명은 멀티 채널 멀티 라디오 기반 무선 메쉬 네트워크를 구성하는 메쉬 클러스터의 형태와 병목현상 문제로 인한 성능저하 없이 구축 비용을 최소화 하기위한 안테나 배치 기법 그리고 메쉬 클러스터들의 배치방법으로 이루어진다. 먼저 육각형 모양의 규칙적인 구조를 가진 메쉬 클러스터를 구성하고 규모를 결정하는 제 1 단계와, 각 무선 메쉬 라우터에서 필요로 하는 무선 채널 요구량을 계산하고 이에 따라 차등적으로 무선 메쉬 라우터에 설치할 안테나 수를 결정하여 이를 배치함으로써 구축 비용을 최소화하는 제 2 단계, 마지막으로 이렇게 구성된 메쉬 클러스터들을 난청지역이 발생하지 않도록 짜임새 있게 배치하여 멀티 채널 멀티 라디오 기반 무선 메쉬 네트워크를 구성하는 제 3 단계를 포함하는 무선 메쉬 네트워크 설계 방법을 제공한다.The present invention consists of an antenna arrangement technique and a mesh cluster arrangement method for minimizing the construction cost without performance degradation due to the shape and bottleneck problem of the mesh cluster constituting the multi-channel multi-radio based wireless mesh network. First, the first step is to form and size a mesh cluster with a hexagonal regular structure, calculate the wireless channel requirements required by each wireless mesh router, and determine the number of antennas to be installed in the wireless mesh router differentially. A wireless mesh comprising a second step of determining and deploying the same to minimize deployment costs, and finally, a third step of constructing a multi-channel multi-radio based wireless mesh network by configuring the clusters thus constructed in a texture-free manner. Provide a network design method.
본 발명은 무선 메쉬 네트워크를 구축하고자하는 지역에 무선 메쉬 라우터를 임의적으로 배치하고 이들 사이사이 병목현상이 발생하지 않는 위치에 게이트웨이를 설치하여 전체 네트워크를 메쉬 클러스터단위로 분리하는 기존의 무선 메쉬 네트워크 구축 방법과는 달리, 먼저 차등적 안테나 배치를 통해 병목 현상 문제의 제거와 구축 비용을 최소화가 이루어진 규칙적인 구조를 가진 육각 메쉬 클러스터를 짜임새 있게 배치함으로써, 난청 지역을 해소하고 격자형(Grid) 구조에 비해 더 많은 무선 경로를 제공하여 부하 분산을 용이하게 하고 네트워크의 견고성을 높일 수 있으며, 이를 통해 효과적인 부하분산이 가능하다. 또한, 사용자 접속에 사용되는 안테나의 전송영역을 조절하여 기존의 셀룰러 망에서 사용하는 주파수의 공간적 재사용 기법을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다. 이와 동시에 전체 시스템 구축 비용을 최소화하여 무선 메쉬 네트워크를 구축할 수 있다.The present invention randomly arranges a wireless mesh router in an area where a wireless mesh network is to be constructed, and installs a gateway in a location where bottlenecks do not occur between them. Contrary to the method, first, the differential antenna arrangement eliminates the bottleneck problem and lays out a hexagonal mesh cluster with a regular structure that minimizes the construction cost, thereby eliminating the deafness area and providing a grid structure. By providing more wireless paths, it can facilitate load balancing and increase the robustness of the network, which enables effective load balancing. In addition, there is an advantage that the spatial reuse method of the frequency used in the existing cellular network can be used as it is by adjusting the transmission area of the antenna used for the user connection. At the same time, it is possible to build a wireless mesh network by minimizing the overall system construction cost.
본 발명의 기술요지는 멀티 채널 멀티 라디오 기반 무선 메쉬 네트워크의 구축 시 부하 분산을 용이하게 하고 네트워크의 견고성을 높일 수 있도록 규칙적인 육각형 형태의 메쉬 클러스터 구조를 사용하며, 이때 각 무선 메쉬 라우터가 위치에 따라 필요로 하는 무선 자원량이 다른 것에 착안하여, 무선 메쉬 라우터에 설치되는 안테나의 수를 병목 현상 문제가 발생하지 않는 범위 내에서 차등적으로 배치하여 시스템 구축 비용을 최소화할 수 있다. 이렇게 구성한 메쉬 클러스터를 짜임새 있게 배치함으로써 난청지역이 발생하지 않고 구축 비용이 최소화된 전체 무선 메쉬 네트워크를 구성할 수 있다.Summary of the Invention In accordance with an aspect of the present invention, a regular hexagonal mesh cluster structure is used to facilitate load balancing and increase network robustness when constructing a multi-channel multi-radio based wireless mesh network. Accordingly, focusing on the different amount of radio resources required, the number of antennas installed in the wireless mesh router can be differentially disposed within a range where bottleneck problems do not occur, thereby minimizing system construction costs. By organizing the mesh clusters in this way, it is possible to construct the entire wireless mesh network with no deafness and minimal construction cost.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1a는 본 발명에서 사용하는 육각 메쉬 클러스터(100)의 구조도로써, 게이트웨이(101), 무선 메쉬 라우터(102), 무선 링크(103) 및 무지향성 안테나(104)를 포함한다.1A is a structural diagram of a
육각 메쉬 클러스터의 구성은 하나의 게이트웨이(101)와 이를 통해 코어 네트워크와 연결되는 무선 메쉬 라우터(102)들로 이루어지게 되며 게이트웨이(101)를 중심으로 육각형 모양으로 각 홉을 구성하는 구조이다. 이때, 각 홉의 무선 메쉬 라우터(102)는 매 홉 마다 6의 배수로 증가하여 규칙적으로 배치되며 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.The configuration of the hexagonal mesh cluster is composed of one
위 수학식에서의 i는 게이트웨이(101)로 부터의 거리, 즉 홉 수를 나타내며 정수로서 표현된다. 이때 게이트웨이(101)는 i = 0 이라 할 수 있다. 또한, Ri는 홉 i에 설치할 무선 메쉬 라우터(102)의 수를 의미한다. In the above equation, i represents the distance from the
또한, 각 무선 메쉬 라우터(102)에 설치되는 안테나는 AP에 사용되는 안테나와 메쉬 네트워크를 구성하기 위한 두 가지로 구분되는데, AP에 사용되는 안테나의 경우 단지 사용자 접속을 목적으로 사용되며, 메쉬 네트워크를 구성하기 위해 사용되는 안테나는 이웃 무선 메쉬 라우터(102)들과 트래픽을 주고받을 때 사용된다. 기본적으로 두 종류의 안테나 모두 무지향성(Omni-directional) 안테나를 사용한다. 그러나 중앙에 위치한 게이트웨이(101)와 1홉 거리에 위치한 메쉬 라우터 사이에는 무선 링크(103)가 각각 한 개씩만 존재하기 때문에 도 1b와 같이 게이트웨이(101)에서는 각 경로마다 지향성(Directional) 안테나를 설치하여 채널 용량의 증대가 가능하다.In addition, the antennas installed in each of the
메쉬 클러스터(100)의 규모는 무선 메쉬 라우터(102) 당 사용자 트래픽의 크기와 메쉬 클러스터(100)를 설치할 지역의 예상 사용자 트래픽 크기에 따라 결정되 며, 구성 홉 수로 표현될 수 있다. 앞서 설명한 게이트웨이(101)에서의 병목 현상 문제를 제거하기위해서는 구성하고자하는 메쉬 클러스터(100) 내 무선 메쉬 라우터(102)들의 전체 트래픽의 합이 메쉬 클러스터(100)를 설치할 지역의 예상 사용자 트래픽 크기를 초과하도록 해야 하며, 이는 수학식 2에 따라 산출된다.The size of the
위 수학식의 WU는 메쉬 클러스터(100)를 설치할 지역의 예상 사용자 트래픽을 나타내며, 각 홉에 위치한 무선 메쉬 라우터(102)의 번호는 j로 표현한다. 따라서 j 또한 정수이며 ij는 각 무선 메쉬 라우터(102)의 위치 좌표를 의미하게 된다.W U in the above equation represents the expected user traffic in the region where the
이때, 사용자들은 메쉬 클러스터(100) 내 균일하게 분포하고, 동일한 크기의 트래픽을 발생시키며 가장 가까운 위치의 무선 메쉬 라우터(102)에 접속한다고 가정한다. 이로써 각 무선 메쉬 라우터(102)에 접속한 사용자 수는 동일하다고 할 수 있다. 또한, 사용자가 발생시킨 모든 트래픽은 게이트웨이(101)를 통해 외부 인터넷 망으로 전송된다고 가정한다. 따라서 각 무선 메쉬 라우터(102)에 접속한 사용자들이 발생시킨 트래픽은 게이트웨이(101) 방향으로 상향 전송 된다. 각 무선 메쉬 라우터(102)에서 발생된 사용자들의 상향 전송 트래픽은 Uij로 표현하며, 이는 ij에 위치한 무선 메쉬 라우터(102)에 설치된 사용자 접속을 위한 안테나의 전송영역 내에서 발생한 트래픽의 합을 뜻한다. 반면, 하향 전송 트래픽은 게이트웨 이(101)에서 각 무선 메쉬 라우터(102)에 접속된 사용자에게로 전송되는 트래픽을 의미하며, 이는 상향 전송 트래픽의 α배로 발생한다고 가정한다. 즉, 각 무선 메쉬 라우터(102)에서는 Uij의 상향 전송 트래픽을 발생시키며, αUij의 하향 전송 트래픽을 수신하여 사용자에게 전송한다. 따라서 메쉬 클러스터(100)의 트래픽은 무선 메쉬 라우터(102) 당 상향 전송의 경우 라우팅 경로를 거치면서 Uij씩 증가하며, 하향 전송 트래픽의 경우 αUij씩 감소한다고 할 수 있다. 따라서 수학식 2를 통해 메쉬 클러스터(100)를 구성 가능한 홉 수 H의 범위를 알 수 있으며 게이트웨이(101)에서 발생할 수 있는 병목현상을 제거하면서 구축 비용을 최소화하기 위해서는 구성 가능한 홉 수 중 가장 작은 값을 사용하여 메쉬 클러스터(100)를 구성해야 한다. 이는 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.In this case, it is assumed that users are uniformly distributed in the
무선 메쉬 라우터(102)에서 사용하는 무선 채널은 IEEE 802.11 표준 기술의 종류에 따라 그 채널수가 다르며, 스펙트럼이 서로 중첩되지 않아 주파수 간섭이 없는 무선 채널을 동시에 사용할 수 있다.The number of channels used in the
도 1b는 게이트웨이(101)에 지향성 안테나를 설치하여 육각 메쉬 클러스터를 구성한 형태를 나타낸다. FIG. 1B illustrates a configuration in which hexagonal mesh clusters are formed by installing a directional antenna in the
이와 같이 게이트웨이(101)에서 지향성 안테나(105)를 사용할 경우 방향성이 존재하기 때문에 게이트웨이(101)로부터 첫 번째 홉에 위치한 무선 메쉬 라우터(102)의 수만큼, 즉 무지향성 안테나(104)를 사용 시의 6배의 안테나를 설치 가능하다. 하지만 모든 방향의 무선 경로와 연결을 위해 게이트웨이(101)의 안테나는 수는 6의 배수로만 설치가 가능하다. 이와 같은 게이트웨이(101) 안테나의 설치는 수학식 4와 수학식 5를 사용하여 표현된다.As such, when the
이때, β는 6의 배수를 표현하기위한 파라미터이고, μ는 방향성 안테나의 사용여부를 나타내는 파라미터로써 0 또는 1의 이진의 값을 가지며 0일 경우 무지향성 안테나(104)의 사용을 의미하고 1일 경우 지향성 안테나(105)의 사용을 의미한다. 그리고 Amax는 각 무선 메쉬 라우터(102)에 설치 가능한 최대 안테나 수를 의미하며, Wmax는 안테나 당 할당된 무선 채널의 최대 용량을 의미한다. 따라서 게이트웨이(101)에 설치할 수 있는 최대 안테나 수는 βAmax로 표현할 수 있으며, 메쉬 클러스터(100)를 설치할 지역의 예상 사용자 트래픽은 안테나의 최대용량 βAmaxWmax보다 작아야 한다.In this case, β is a parameter for expressing a multiple of 6, μ is a parameter indicating whether the directional antenna is used, has a binary value of 0 or 1, and when 0 indicates the use of the
도 2는 육각 메쉬 클러스터(100)에서의 차등적인 안테나 배치의 예시를 나타 내는 도면으로써, 무선 메쉬 라우터(102)에 적힌 숫자가 설치된 안테나의 수를 나타낸다.FIG. 2 is a diagram illustrating an example of differential antenna arrangement in the
상기의 과정을 통해 구성된 메쉬 클러스터(100) 내 무선 메쉬 라우터(102)들에 병목 현상이 발생하지 않는 범위 내에서 구축 비용을 최소화하도록 안테나를 배치하기 위해서는 먼저, 각 무선 링크를 통해 전송되는 사용자의 상하향 트래픽의 이동 경로와 크기를 알아야 하며 이를 상세히 설명하면 아래와 같다.In order to place the antenna to minimize the construction cost within the range that does not cause bottlenecks in the
홉 i+1에 위치한 무선 메쉬 라우터(102)들이 전송한 상향 트래픽은 홉 i의 무선 메쉬 라우터(102)들을 통해 중계(Relay)된다. 따라서 홉 i의 무선 메쉬 라우터(102)들은 중계할 트래픽을 각각 수신한 후 다시 상향 전송하게 된다. 이때 모든 트래픽은 최단 라우팅 경로를 통해 게이트웨이(101)로 전송되며 각 무선 메쉬 라우터(102)에서 이상적인 부하분산을 통해 전송된다고 가정하면 홉 i에 위치한 무선 메쉬 라우터(102)들이 안테나를 통해 수신하는 트래픽의 처리량 TRx i는 수학식 6와 같이 나타낼 수 있다.The uplink traffic transmitted by the
이렇게 수신된 상향 트래픽은 홉 i에서 발생한 트래픽과 함께 다시 상향 전송을 하게 된다. 따라서 홉 i에 위치한 무선 메쉬 라우터(102)들의 안테나를 통해 송신해야하는 상향 트래픽의 처리량 TTx i는 수학식 7와 같이 나타낼 수 있다.The received uplink traffic is then uplinked again with the traffic generated in hop i. Therefore, the throughput T Tx i of uplink traffic to be transmitted through the antennas of the
홉 i에 위치한 무선 메쉬 라우터(102)들이 무선 채널을 통해 처리해야 하는 트래픽의 전체 크기는 홉 i+1로부터 수신되는 트래픽 처리량 TRx i와 홉 i-1로 상향 전송을 해야 하는 송신 트래픽 처리량 TTx i의 합과 이의 α배인 하향 전송 트래픽 처리량을 더하여 구할 수 있다. 이때, 앞서 가정한 바와 같이 모든 트래픽은 각 무선 메쉬 라우터(102)에서 이상적인 부하분산을 통해 전송되기 때문에, 홉 i에 위치한 각 무선 메쉬 라우터(102)가 무선 채널을 통해 처리해야 하는 트래픽의 크기는 서로 동일하다 할 수 있다. 따라서 각 무선 메쉬 라우터(102)의 안테나를 통해 처리하는 트래픽 양 즉, 무선 채널 사용량 TA i 수학식 8과 같이 계산된다.The total size of the traffic, the
이와 같이 계산된 각 무선 메쉬 라우터(102)의 무선 채널 사용량을 바탕으로 병목현상이 발생하지 않도록 하는 무선 메쉬 라우터(102)의 안테나 수의 범위를 알 수 있으며, 이는 수학식 9와 같이 표현된다.Based on the wireless channel usage of each
이때, Aij는 ij에 위치한 무선 메쉬 라우터(102)에 설치할 안테나 수를 의미한다.In this case, A ij means the number of antennas to be installed in the
한편, 게이트웨이(101)의 경우 상향 전송 트래픽이 유선을 통해 전송되어 무선 링크를 사용하지 않기 때문에 TTx i = 0 이라 할 수 있다. 따라서 게이트웨이(101)에 설치 가능한 안테나의 범위는 수학식 10, 수학식 11을 통해 표현할 수 있다.Meanwhile, the
이때, 게이트웨이(101)의 경우 메쉬 클러스터(100)의 중앙에 단 하나만 존재하기 때문에 ij = 01이며, 따라서 설치할 안테나 수를 나타내는 파라미터는 A01로 표현된다. 이때, 무지향성 안테나(104)를 사용할 경우 (μ= 0) β=1이 되어 최대 Amax개의 안테나를 설치할 수 있다. 반면, 지향성 안테나(105)를 사용하게 될 경우(μ= 1) β=6이되어 6배 만큼의 더 많은 안테나의 설치가 가능하며, 상기에 설명한 바와 같이 6의 배수의 형태로 안테나의 수가 증가된다.In this case, since only one
수학식 8을 통해 알 수 있듯이 게이트웨이(101)와의 무선 메쉬 라우터(102) 간 거리가 멀어질수록 즉, 홉 수가 커질수록 무선 메쉬 라우터(102)의 무선 채널 사용량의 크기가 점점 줄어든다. 이와 같은 무선 메쉬 네트워크의 특성을 고려하여 무선 채널 사용량을 만족할 수 있는 최소한의 안테나를 수학식 9와 수학식 10에 표현된 범위 내에서 각 홉에 따라 차등적으로 배치함으로써 구축비용을 최소화하는 것이 가능하다.As can be seen from Equation 8, as the distance between the
도 3은 무선 메쉬 네트워크를 구성하기 위한 육각 메쉬 클러스터(100)의 배치를 나타내는 도면이다.3 is a diagram illustrating an arrangement of
상기의 여러 과정을 통해 구축비용이 최소화된 다수의 메쉬 클러스터(100)들을 배치하여 전체 무선 메쉬 네트워크를 구성하게 되며, 각 메쉬 클러스터(100)를 구성하는 무선 메쉬 라우터(102)들은 기존의 클러스터 기반 무선 메쉬 네트워크와 마찬가지로 인접한 메쉬 클러스터(100) 내 무선 메쉬 라우터(102)들과 직접 무선 링크를 통해 연결되지 않고 서로 독립적으로 운용된다. 이때, 각 메쉬 클러스터(100)의 배치는 기존의 셀룰러 네트워크에서의 사용하는 기지국 배치와 유사한 방법으로 각 메쉬 클러스터(100)들을 셀처럼 취급하여 짜임새 있게 배치함으로써 전체 무선 메쉬 네트워크를 구성하게 된다. Through the above-described processes, a plurality of
도 1a은 육각 메쉬 클러스터의 구조를 나타내는 도면.1A shows the structure of a hexagonal mesh cluster.
도 1b는 게이트웨이에 지향성 안테나를 설치한 육각 메쉬 클러스터의 구조를 나타내는 도면.1B is a diagram showing the structure of a hexagonal mesh cluster in which a directional antenna is installed in a gateway.
도 2는 육각 메쉬 클러스터에서의 차등적인 안테나 배치를 나타내는 도면.2 shows differential antenna placement in a hexagonal mesh cluster.
도 3은 무선 메쉬 네트워크를 구성하기 위한 육각 메쉬 클러스터의 배치를 나타내는 도면.3 shows a layout of hexagonal mesh clusters for forming a wireless mesh network.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명> <Description of the symbols for the main parts of the drawings>
100 : 메쉬 클러스터100: mesh cluster
101 : 게이트웨이101: gateway
102 : 무선 메쉬 라우터102: wireless mesh router
103 : 무선 링크103: wireless link
104 : 무지향성 안테나104: omnidirectional antenna
105 : 지향성 안테나105: directional antenna
Claims (7)
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KR1020080101894A KR100982401B1 (en) | 2008-10-17 | 2008-10-17 | Method for Building the Wireless Mesh Networke based on the Hexagonal Cluster |
Applications Claiming Priority (1)
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Family Applications (1)
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Citations (3)
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US20050003763A1 (en) * | 2003-07-03 | 2005-01-06 | Rotani, Inc. | Methods and apparatus for high throughput multiple radio wireless cells and networks |
US20060089148A1 (en) | 2004-10-27 | 2006-04-27 | Azalea Networks | Method and system for creating and deploying a mesh network |
WO2007103893A2 (en) * | 2006-03-03 | 2007-09-13 | Qualcomm Incorporated | Method and apparatus for increasing spectrum use efficiency in a mesh network |
-
2008
- 2008-10-17 KR KR1020080101894A patent/KR100982401B1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (3)
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