KR101084912B1 - 무선 메쉬망 기반 다중채널 ｔｄｍａ ｍａｃ 프로토콜에서의 채널 할당 방법 - Google Patents

무선 메쉬망 기반 다중채널 ｔｄｍａ ｍａｃ 프로토콜에서의 채널 할당 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법에 관한 것으로, 특히 링크에 대한 채널 경합도가 동일한 경우에는 이전 링크에서 사용한 채널을 재사용하여 채널 스위칭 패널티(switching penalty)를 감소시킴으로써, 멀티 홉을 통한 지연을 효과적으로 감소시킬 수 있는 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법에 관한 것이다.
본 발명인 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법을 이루는 구성수단은 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법에 있어서, 채널 할당을 해야할 플로우들에 대하여 가장 긴 플로우에서 가장 짧은 플로우 순으로 정렬하는 플로우 소팅 단계, 상기 가장 긴 플로우부터 시작하여 상기 가장 짧은 플로우까지 순서대로, 각 플로우에 포함되는 링크들 각각에 대하여 채널을 할당하는 채널 할당 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
메쉬망, TDMA, MAC, 다중 채널, 할당

Description

무선 메쉬망 기반 다중채널 ＴＤＭＡ ＭＡＣ 프로토콜에서의 채널 할당 방법{channel assignment method in a multi­channel ＴＤＭＡ ＭＡＣ Protocol over wireless mesh networks}
본 발명은 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법에 관한 것으로, 특히 링크에 대한 채널 경합도가 동일한 경우에는 이전 링크에서 사용한 채널을 재사용하여 채널 스위칭 패널티(switching penalty)를 감소시킴으로써, 멀티 홉을 통한 지연을 효과적으로 감소시킬 수 있는 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법에 관한 것이다.
무선 메쉬망(WMN : Wireless mesh network)은 메쉬 토폴로지로 무선 노드들로 구성된 통신 네트워크이다. 상기 무선 메쉬망에서는 다중홉(multihop) 무선 링크들을 통하여 서비스되기 때문에 지연 증가 및 출력 감소 문제가 발생한다.
이러한 서비스 품질(QOS) 문제를 해결하기 위하여 맥(MAC) 기반 TDMA가 표준에 혼합되어 있다[IEEE: 802.11 TGs MAC enhancement proposals. Protocol Proposal IEEE 802.11-05/0575r3, IEEE (2005)].
논문 [P. Djukic and S. Valaee, "Delay aware link scheduling for multi-hop TDMA wireless networks," IEEE/ACM Transactions on Networking, 2009]에서는 지연을 최소화하기 위하여 WMN 기반 TDMA의 타임 슬롯 할당 알고리즘을 제안했다.
그리고, 많은 연구자들이 지연 최대값을 최소화하기 위한 최적화 문제를 공식화했다. 그러나 상기 논문에서 나오는 알고리즘 및 연구자들의 연구 결과는 단일 채널 시스템을 가정한다는 점에서 한계가 있다.
따라서, 다중 채널에서의 지연 문제를 해결하기 위한 연구가 필요하다. 실제 메쉬망을 위한 많은 채널 할당 알고리즘들이 제안되었다([E. Aryafar, O. Gurewitz and E. Knightly, "Distance-1 Constrained Channel Assignment in Single Radio Wireless Mesh Networks," IEEE INFOCOM 2008, April 2008], [R. Vedantham, S. Kakumanu, S. Lakshmanan, and R. Sivakumar Component Based Channel Assignment in Single Radio, Multi-channel Ad Hoc Networks. In Proc . ACM Mobicom, 2006.]).
그러나 이들 대부분은 용량 확장(capacity enhancement)을 목표로 하였다. 예를 들면, 논문 [E. Aryafar, O. Gurewitz and E. Knightly, "Distance-1 Constrained Channel Assignment in Single Radio Wireless Mesh Networks," IEEE INFOCOM 2008, April 2008]에서는 시스템 용량을 증가시키기 위하여 소위 'Distance-1'이라 하는 채널 할당 알고리즘을 제안했다. 결국, 다중 채널 시스템에서 지연을 최소화시키는 것을 목표로 하지는 못하고 있다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로, 링크에 대한 채널 경합도가 동일한 경우에는 이전 링크에서 사용한 채널을 재사용하여 채널 스위칭 패널티(switching penalty)를 감소시킴으로써, 멀티 홉을 통한 지연을 효과적으로 감소시킬 수 있는 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 제안된 본 발명인 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법을 이루는 구성수단은 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법에 있어서, 채널 할당을 해야할 플로우들에 대하여 가장 긴 플로우에서 가장 짧은 플로우 순으로 정렬하는 플로우 소팅 단계, 상기 가장 긴 플로우부터 시작하여 상기 가장 짧은 플로우까지 순서대로, 각 플로우에 포함되는 링크들 각각에 대하여 채널을 할당하는 채널 할당 단계를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 플로우 소팅 단계는 각 플로우들에 대한 홉의 수가 내림차순으로 정렬될 수 있도록 소팅하는 단계인 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 채널 할당 단계는, 상기 링크가 채널을 할당받은 상태인지 판단하여, 채널을 할당받은 상태이면 다음 링크로 이동하고, 채널을 할당받은 상태가 아니면, 상기 링크에 대한 가용채널 리스트가 비워져 있는지 판단하는 과정, 상기 링크에 대한 가용채널 리스트가 비워져 있는지를 판단한 결과, 비워진 상태가 아니면, 상기 링크에 대한 가용채널 리스트에 포함된 채널 중 하나를 상기 링크에 대한 채널로 할당하고, 비워진 상태이면, 상기 링크에 대한 채널 경합도가 낮은 채널을 상기 링크에 대한 채널로 할당하는 과정, 상기 링크에 채널을 할당한 후에, 상기 링크의 2차 충돌 링크들에 대한 각 가용채널 리스트에서 상기 링크에 할당한 채널을 제거하고, 상기 링크의 2차 충돌 링크들의 채널 경합도를 업데이트하는 과정을 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 링크에 대한 가용채널 리스트에 포함된 채널 중 하나를 상기 링크에 대한 채널로 할당하는 과정에서, 상기 링크의 이전 링크에 할당된 채널이 상기 링크에 대한 가용채널 리스트에 포함된 경우에는 상기 이전 링크에 할당된 채널을 상기 링크에 대한 채널로 할당하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 과제 및 해결수단을 가지는 본 발명인 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법에 의하면, 링크에 대한 채널 경합도가 동일한 경우에는 이전 링크에서 사용한 채널을 재사용하여 채널 스위칭 패널티(switching penalty)를 감소시킴으로써, 멀티 홉을 통한 지연을 효과적으로 감소시킬 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기와 같은 과제, 해결수단 및 효과를 가지는 본 발명인 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법에 관한 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
본 발명에 적용되는 시스템 모델에 대하여 간략하게 설명한다.
멀티-홉(multi-hop) 무선 메쉬망인 G=(N, L)을 가정하자. 여기서 N은 디바이스들 집합(set)이고, L은 디바이스들 사이의 링크들 집합(set)이다. 링크들 집합 L에 포함되는 각 링크 l=(n, m)은 노드 n과 m 사이에 존재한다. 여기서 상기 노드 n과 노드 m은 전송 범위 안에 있다.
만약 l∈L이면, 시스템이 멀티 채널을 가질 때, 채널들 집합 C 중 하나의 채널을 사용하여 노드 n은 노드 m으로 패킷들을 전송한다. 이와 같은 멀티 홉 무선 메쉬망을 고려하고 아울러 TDMA형 시스템을 고려한다.
상기 TDMA 시스템에서는 시간을 고정된 기간 T의 프레임들로 분할한다. 각 프레임들은 k개의 슬롯들 집합으로 세분화된다. 각 슬롯은 한개 이상의 패킷을 전송할 수 있도록 충분히 길다. 따라서, 노드 n은 패킷을 전송하기 위하여 k개의 슬롯들 집합에서 하나의 슬롯을 선택한다.
플로우(flow)들의 집합을 F라 하고, 플로우들 집합 F에 포함되는 특정 플로우 f는 노드들 집합 R(f)={v1, v2, .....vn}에 의하여 특정된다. vi는 플로우 루트의 i번째 노드를 의미한다. 여기서, 첫번째 노드 v1은 소스(source) 노드이고 vn은 리 시버(receiver) 노드이다. 도 1에서 R(f1)={1, 2, 3, 4}인 플로우를 볼 수 있다. 노드 1은 소스 노드이고, 노드 4는 목적지 노드이다.
노드는 패킷을 전송하기 위하여 채널과 타임 슬롯의 조합(c, s)을 사용하기 때문에, 상기 채널과 타임 슬롯은 결정될 필요가 있다. 따라서, 메쉬망을 위하여 채널 할당과 타임 슬롯 할당 문제가 발생한다.
한편, 본 발명에서 적용되는 채널 할당은 채널을 할당해야 할 플로우들 중에서 가장 긴 플로우에 대하여 먼저 채널을 할당하고, 플로우의 길이 순서대로 채널을 할당한다. 또한, 본 발명에서의 채널 할당은 지연을 최소화하기 위하여 계층 3(layer 3)의 플로우 정보(flow information)를 활용한다. 이점은 본 발명의 핵심적 특징 사항 중 하나이다. 종래의 채널 할당 알고리즘들은 계층 2를 활용하고 있다. 실제 상술한 'Distance-1' 알고리즘에서는 맥(MAC) 용량을 최대화하기 위한 목적을 달성하기 위하여 계층 2의 정보를 활용하였다.
또한 본 발명은 2차 충돌 링크들(secondary conflict links)의 경합도(contention degree)를 기반으로 한다. 상기 2차 충돌 링크들(secondary conflict links)이란 링크들이 서로 간섭 영역(interference range) 안에 있고 서로 공통 노드를 공유하지 않는 것을 의미한다.
상기 2차 충돌 링크들에 포함되는 각 링크는 아래 표 1에서 볼 수 있듯이, 다른 채널 상에서 상기 2차 충돌 링크들에 포함되는 다른 링크들과 다른 경합도를 가진다. 표 1은 도 1에 도시된 메쉬망에서 두개의 채널 각각에서 링크에 대한 채널 경합도를 예시한다.
링크 채널 1 채널 2
(1, 2) 0 2
(2, 3) 0 1
(3, 4) 1 1
(5, 6) 2 1
- 표 1 -
상기 표 1을 통하여, 채널 1에 대한 각 링크들의 채널 경합도는 링크(1, 2)와 링크(2, 3)이 '0'으로서 가장 낮고, 링크(5, 6)이 '2'로서 가장 높다는 것을 알 수 있고, 링크(5, 6)에 대한 채널 경합도는 채널 1보다 채널 2가 더 낮음을 알 수 있다.
한편, 두 개의 링크가 공통 노드를 공유한다면, 이 두 개의 링크들을 1차 충돌 링크들(primary conflict links)이라 칭한다.
도 1을 참조하여 설명하면, 링크(1, 2)와 링크(3, 4)는 서로 공통 노드를 공유하지 않고, 노드 2가 노드 3의 간섭 영역 안에 위치하고 있기 때문에 2차 충돌 링크들이고, 링크(1,2)와 링크(2, 3)은 공통 노드 2를 공유하기 때문에 1차 충돌 링크들이다.
또한 본 발명은 상술한 'Distance-1'과 달리 플로우의 길이(플로우의 홉 수)를 고려하고, 채널 경합도 또는 2차 충돌 링크들의 수를 활용하여 각 링크들에 대하여 채널을 할당한다는 점이 핵심적인 특징이다.
상기와 같은 시스템(무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜)에서 플로우의 지연을 최소화하기 위한, 더 구체적으로 플로우들을 통한 최대 지연(maximum delay)을 최소화하기 위한 채널 할당 방법을 첨부된 도 2를 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법의 절차도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 채널 할당을 해야할 플로우들에 대하여 가장 긴 플로우에서 가장 짧은 플로우 순으로 소팅(sorting)하여 정렬한다(s10). 본 발명에서는 플로우들 중에 더 긴 플로우 안에 포함된 링크들에 대하여 채널 액세스 우선권을 주기 때문에, 상기와 같이 채널 길이가 긴 순서대로 정렬하여 소팅하다.
한편, 본 발명에서는 채널할당을 하기 전에 채널 할당을 하기 위하여 필요한 채널들의 수(즉, 무선 메쉬망을 위하여 제공되는 채널 집합), 플로우들 집합(예를 들어, 도 1에서 두 개의 플로우(f1, f2) 및 각 플로우의 루팅 패스(routing path)를 입력받는다.
상기 플로우 소팅 과정은 각 플로우의 홉 수의 내림차순으로 플로우를 소팅한다. 즉, 각 플로우들에 대한 홉의 수가 내림차순으로 정렬될 수 있도록 소팅한다. 따라서, 홉 수가 가장 많은 플로우가 가장 긴 플로우가 되고, 홉 수가 가장 작은 플로우가 가장 짧은 플로우가 된다.
상기와 같이 플로우들을 길이가 긴 순서대로 소팅한 후에는 길이가 긴 플로우 순서대로 각 플로우에 포함되는 링크들 각각에 대하여 채널을 할당한다(s20). 즉, 소팅된 플로우들 중에, 길이가 가장 긴 플로우부터 시작하여 가장 짧은 플로우 순서대로, 각 플로우에 포함되는 링크들 각각에 대하여 채널을 할당한다.
이상과 같이, 본 발명에서는 계층 3의 정보인 플로우 정보를 활용하여, 길이 가 가장 긴 플로우에 포함되는 링크에 대하여 채널 할당을 위한 우선권을 주고, 플로우 길이 순서대로 각 플로우에 포함되는 링크에 대하여 채널을 할당한다.
상기 채널을 할당하는 단계인 s20은 모든 플로우들에 대하여 반복 수행한다. 그러면, 각 플로우에 포함되는 링크들에 대하여 채널이 모두 할당되게 된다. 상기 각 플로우에 포함되는 링크들에 대하여 채널을 할당하는 순서는, 소스 노드에서 목적지 노드로 연결되는 링크들의 순서에 무관하게 할당할 수 있다. 다만, 소스 노드에서 목적지 노드로 연결되는 링크들의 순서대로 채널을 할당하는 것이 바람직하다.
각 플로우에 포함되는 링크들에 대하여 채널을 할당하는 과정을 첨부된 도 3을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 도 3은 각 플로우에 포함된 링크에 대하여 채널을 할당하는 절차도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 각 플로우에 포함된 링크에 대하여 채널을 할당하기 위하여, 먼저 링크에 대한 가용채널 리스트에 메쉬망에서 제공하는 채널들을 삽입한다(s21). 예를 들어, 도 1에서와 같이 두 개의 채널(채널 1(c1) 및 채널 2(c2))이 메쉬망을 위하여 제공된다면, 각 링크들에 대한 가용채널 리스트에 상기 채널 1 및 채널 2가 삽입된다.
상기 링크에 대한 가용채널 리스트는 상기 링크에 할당할 수 있는 채널들을 저장하고 있는 리스트이다. 따라서, 가용채널 리스트에 포함된 채널들만이 상기 링크에 할당될 수 있다.
그런데, 상기와 같이 메쉬망에 제공되는 채널들을 상기 각 링크에 대한 가용 채널 리스트에 삽입하는 과정은 각 링크들에 대하여 채널 할당을 수행하기 전에 이루어질 수 있지만, 플로우들을 길이 순서대로 정렬하는 단계(s10) 전에 수행될 수도 있다. 즉, 각 링크에 대한 가용채널 리스트에 메쉬망에 제공되는 채널들을 삽입하는 과정은 링크에 대하여 채널을 할당하는 절차를 수행하기 전에 이루어지면 된다.
상기와 같이 각 링크에 대한 가용채널 리스트에 메쉬망에 제공한 채널들을 삽입한 후에는, 채널을 할당할 링크에 접근하여 채널 할당을 이미 받았는가 확인한다. 즉, 링크가 이미 채널을 할당받은 상태인지 판단한다(s22).
상기 판단 결과, 상기 링크가 채널을 이미 할당받은 상태이면, 채널 할당 절차를 생략하고 다음 링크로 이동하여, 이동한 링크에 대한 채널 할당 절차를 수행한다(s23). 상기 판단 결과, 이미 채널을 할당받은 상태가 아니면, 채널 할당을 위하여 상기 링크에 대한 가용채널 리스트가 비워져 있는지 판단한다(s24).
상기 링크에 대한 가용채널 리스트가 비워져 있는지 판단한 결과, 비워진 상태가 아니면, 상기 링크에 할당할 채널들이 존재하고 있는 것이다. 따라서, 상기 링크에 대한 가용채널 리스트에 포함된 채널 중 하나를 램덤하게 선택하여 상기 링크에 대한 채널로 할당한다(s26).
그런데, 여기서 지연 문제를 더욱 해결하기 위하여 채널 스위칭 패널티(switching panelty)를 최소화시킬 필요가 있다. 따라서, 상기 링크에 대한 가용채널 리스트에 포함된 채널 중 하나를 상기 링크에 대한 채널로 할당하는 과정에서, 바로 상기 링크에 대한 가용채널 리스트에 포함된 채널 중 하나를 선택하는 것 이 아니라, 상기 링크의 이전 링크(예를 들면, 도 1에서 현재 채널을 할당할 링크가 링크(2, 3)이라면 이전 링크는 링크(1, 2)가 된다)에 할당된 채널이 상기 채널을 할당해야할 상기 링크에 대한 가용채널 리스트에 포함되어 있는지를 판단한다.
상기 판단 결과, 이전 링크에 할당된 채널이 상기 링크에 대한 가용채널 리스트에 포함된 경우에는 상기 이전 링크에 할당된 채널을 상기 링크에 대한 채널로 할당한다. 결과적으로, 채널 스위칭 패널티(switching panelty)가 감소되게 된다.
한편, 상기 링크에 대한 가용채널 리스트가 비워져 있는지를 판단한 결과, 비워진 상태이면, 상기 링크에 할당할 채널이 가용채널 리스트에 없는 것이 된다. 따라서, 이 경우에는 앞서 표 1에서 예시한 링크에 대한 채널 경합도를 참조하여 채널 경합도가 가장 낮은 채널을 상기 링크에 대한 채널로 할당한다(s25).
이와 같이, 링크에 대한 채널 경합도가 가장 낮은 채널을 상기 링크에 대한 채널로 할당함으로써, 트래픽 부하를 최소화시킬 수 있다. 예를 들어, 도 1에서 보여주는 메쉬망에서 각 플로우에 포함된 링크에 대하여 채널을 할당하는 과정에서, 링크(5, 6)에 대한 가용채널 리스트가 비워져 있는 경우에는, 표 1에서 예시한 링크에 대한 채널 경합도를 참조하여 채널 경합도가 더 낮은 채널 2를 링크(5, 6)에 대한 채널로 할당한다.
상기 단계 s25 및 s26에 따라 상기 링크에 대하여 채널을 할당한 후에는 다음 링크에 대하여 채널을 할당하는 과정에서 이용되는 가용채널 리스트 및 링크에 대한 채널 경합도를 업데이하는 과정을 수행한다(s27).
구체적으로 설명하면, 상기 단계 s25 및 단계 s26에 따라 해당 링크에 대하 여 채널을 할당한 후에는, 상기 채널을 할당한 링크의 2차 충돌 링크들에 대하여 가용채널 리스트 및 채널 경합도를 업데이트하는 과정을 수행한다. 예를 들면, 도 1에서 링크(1, 2)에 대하여 채널 할당을 수행한 후에는, 상기 링크(1, 2)의 2차 충돌 링크들인 링크(3, 4) 및 링크(5, 6)에 대하여 업데이트 과정을 수행해야 한다.
따라서, 상기 채널을 할당한 링크의 2차 충돌 링크들에 대한 각각의 가용채널 리스트에서 상기 링크에 할당한 채널을 제거하고, 상기 채널을 할당한 링크의 2차 충돌 링크들의 채널 경합도를 업데이트한다.
이상에서 설명한 채널 할당 방법을 구체적인 예제를 들어 간략하게 설명하면 다음과 같다.
먼저, 메쉬망에 제공되는 채널 수는 2 개(채널 1 및 채널 2)이고, 채널을 할당해야 할 플로우는 도 1에 도시된 바와 같이 두 개의 플로우(f1 및 f2)라 하자. 이와 같은 상황에서 각 링크들에 대하여 채널을 할당하는 과정은 다음과 같다.
상기 두 개의 플로우에 대하여 플로우 길이 순서대로 소팅하여 정렬한다. 그러면, 상기 플로우 f1이 홉 수가 많아서 더 긴 플로우이고, 상기 플로우 f2가 홉 수가 작아서 더 짧은 플로우가 된다. 따라서, 길이가 더 긴 플로우 f1에 포함된 링크들에 대하여 채널 할당을 수행한다. 플로우 f1에 포함된 링크들에 대한 채널 할당은 소스 노드에서 목적지 노드를 연결하는 링크들 순서대로 채널을 할당받는 것으로 한다.
각 링크에 대하여 채널을 할당하기 전에, 반드시 각 링크에 대한 가용채널 리스트에 메쉬망에 제공된 채널들을 삽입하는 과정을 수행한다. 그리고, 링크에 대 한 채널 경합도가 초기화되어 있다.
따라서, 플로우 f1에 포함되는 링크(1, 2)에 대하여 채널을 할당하기 전의 각 링크들에 대한 가용채널 리스트 및 링크의 채널 경합도는 다음과 같다.
링크 가용채널 리스트
(1, 2) 채널 1(c1), 채널 2(c2)
(2, 3) 채널 1(c1), 채널 2(c2)
(3, 4) 채널 1(c1), 채널 2(c2)
(5, 6) 채널 1(c1), 채널 2(c2)
- 링크에 대한 가용채널 리스트 -
링크 채널 1 채널 2
(1, 2) 0 0
(2, 3) 0 0
(3, 4) 0 0
(5, 6) 0 0
- 링크의 채널 경합도 -
링크(1, 2)에 대하여 채널을 할당하는 절차를 수행하면, 링크(1, 2)가 아직 채널을 할당받은 상태가 아니기 때문에, 링크(1,2)에 대한 가용채널 리스트가 비워졌는지 판단한다. 판단 결과, 비워진 상태가 아니기 때문에 링크(1, 2)에 대한 가용채널 리스트에 포함된 두 개의 채널 중에 하나를 링크(1, 2)에 대한 채널로 할당한다. 여기서, 링크(1, 2)에 대한 이전 링크는 현재 존재하지 않는 상태이기 때문에, 이전 링크에 할당된 채널이 링크(1, 2)에 대한 가용채널 리스트에 포함되어 있는지의 판단은 하지 않는다.
결국, 링크(1, 2)에 채널 1 및 채널 2 중 어느 하나를 할당할 수 있는데, 여기서는 채널 1을 상기 링크(1, 2)에 할당하였다고 하자. 상기 링크(1, 2)에 대하여 채널 1을 할당한 후에는 상기 링크(1, 2)의 2차 충돌 링크들에 대한 가용채널 리스트와 링크의 채널 경합도를 업데이트한다.
즉, 상기 링크(1, 2)의 2차 충돌 링크들인 링크(3, 4) 및 링크(5, 6)에 대한 가용채널 리스트에서 상기 링크(1, 2)에 할당한 채널 1을 제거하고, 상기 링크(1, 2)의 2차 충돌 링크들인 링크(3, 4) 및 링크(5, 6)의 채널 경합도를 변경하여 업데이트 한다. 업데이트한 결과는 아래와 같다.
링크 가용채널 리스트
(1, 2) 채널 1(c1), 채널 2(c2)
(2, 3) 채널 1(c1), 채널 2(c2)
(3, 4) 채널 2(c2)
(5, 6) 채널 2(c2)
- 링크에 대한 가용채널 리스트 -
링크 채널 1 채널 2
(1, 2) 0 0
(2, 3) 0 0
(3, 4) 1 0
(5, 6) 1 0
- 링크의 채널 경합도 -
상기와 같이, 링크(3, 4) 및 링크(5, 6)에 대한 가용채널 리스트에서 채널 2가 제거되었고, 링크(3, 4) 및 링크(5, 6)의 채널 1에 대한 경합도가 1이 되었다. 이 의미는 링크(3, 4) 및 링크(5, 6) 각각의 2차 충돌 링크인 링크(1, 2)가 채널 1을 할당받았다는 의미이다.
다음은 링크(1, 2)의 다음 링크인 링크(2, 3)에 대하여 채널 할당을 수행해야 한다. 링크(2, 3)에 대한 가용채널 리스트는 비워진 상태가 아니기 때문에, 가용채널 리스트에 포함된 채널 중에 하나를 링크(2, 3)에 대한 채널로 할당할 수 있다. 그런데, 상기 링크(2, 3)의 이전 링크인 링크(1, 2)에 할당된 채널1이 링크(2, 3)에 대한 가용채널 리스트에 포함되어 있다.
따라서, 상기 링크(2, 3)에 대한 채널 할당은 가용채널 리스트에 포함된 채 널 중에, 이전 링크인 링크(1, 2)에 할당한 채널인 채널 1로 할당한다. 링크(2, 3)에 대하여 채널 1로 할당한 후의 업데이트된 링크에 대한 가용채널 리스트 및 링크의 채널 경합도는 다음과 같다.
링크 가용채널 리스트
(1, 2) 채널 1(c1), 채널 2(c2)
(2, 3) 채널 1(c1), 채널 2(c2)
(3, 4) 채널 2(c2)
(5, 6) 채널 2(c2)
- 링크에 대한 가용채널 리스트 -
링크 채널 1 채널 2
(1, 2) 0 0
(2, 3) 0 0
(3, 4) 1 0
(5, 6) 2 0
- 링크의 채널 경합도 -
채널 1을 할당받은 링크(2, 3)의 2차 충돌 링크는 링크(5, 6)이다. 링크(5, 6)에 대한 가용채널 리스트에는 링크(2, 3)에 할당된 채널 1이 없기 때문에, 변경이 없고, 링크(5, 6)의 채널 경합도는 이 링크(5, 6)의 2차 충돌 링크인 링크(2, 3)에서 채널 1을 사용하기 때문에, 채널 1에 대한 경합도가 '1'에서 '2'로 변경되어 업데이트된다.
다음은 링크(3, 4)에 대하여 채널을 할당한다. 링크(3, 4)링크에 대한 가용채널 리스트는 비워진 상태가 아니기 때문에, 가용채널 리스트에 포함된 채널 중에 하나를 링크(3, 4)에 대한 채널로 할당할 수 있다. 현재 가용채널 리스트에 포함된 채널은 채널 2만 존재하기 때문에, 채널 2를 상기 링크(3, 4)에 할당한다.
상기 링크(3, 4)에 대하여 채널 2로 할당한 후의 업데이트된 링크에 대한 가용채널 리스트 및 링크의 채널 경합도는 다음과 같다.
링크 가용채널 리스트
(1, 2) 채널 1(c1)
(2, 3) 채널 1(c1), 채널 2(c2)
(3, 4) 채널 2(c2)
(5, 6)
- 링크에 대한 가용채널 리스트 -
링크 채널 1 채널 2
(1, 2) 0 1
(2, 3) 0 0
(3, 4) 1 0
(5, 6) 2 1
- 링크의 채널 경합도 -
즉, 링크에 대한 가용채널 리스트에서 보여준 바와 같이, 링크(3, 4)의 2차 충돌 링크들인 링크(1, 2) 및 링크(5, 6)에 대한 가용채널 리스트에서 상기 링크(3, 4)에 할당한 채널 2가 제거된다. 결국 링크(5, 6)에 대한 가용채널 리스트는 비워진 상태가 된다. 한편, 링크(3, 4)에 채널 2가 할당되었기 때문에, 링크(3, 4)의 2차 충돌 링크들인 링크(1, 2) 및 링크(5, 6)의 채널 2에 대한 채널 경합도가 '0'에서 '1'로 변경되어 업데이트 되었다.
이상과 같은 절차를 통해 플로우 f1에 포함된 링크들에 대하여 채널을 모두 할당하였다. 그러면, 다음은 길이가 더 짧은 f2에 포함된 링크(5, 6)에 대한 채널 할당 절차를 수행한다.
상기 링크(5, 6)에 대한 가용채널 리스트는 비워진 상태이다. 따라서, 링크의 채널 경합도를 참조하여, 링크(5, 6)의 채널 경합도가 낮은 채널을 상기 링크(5, 6)의 채널로 할당한다.
현재, 링크(5, 6)의 채널 경합도는 채널 1에 대해서는 '2'이고 채널 2에 대해서는 '1'이다. 따라서, 채널 경합도가 더 낮은 채널 2를 상기 링크(5, 6)에 할당 한다.
상기 링크(5, 6)에 대하여 채널 2로 할당한 후의 업데이트된 링크에 대한 가용채널 리스트 및 링크의 채널 경합도는 다음과 같다.
링크 가용채널 리스트
(1, 2) 채널 1(c1)
(2, 3) 채널 1(c1)
(3, 4)
(5, 6)
- 링크에 대한 가용채널 리스트 -
링크 채널 1 채널 2
(1, 2) 0 2
(2, 3) 0 1
(3, 4) 1 1
(5, 6) 2 1
- 링크의 채널 경합도 -
즉, 링크에 대한 가용채널 리스트에서 보여준 바와 같이, 링크(5, 6)의 2차 충돌 링크들인 링크(1, 2), 링크(2, 3) 및 링크(5, 6)에 대한 가용채널 리스트에서 상기 링크(5, 6)에 할당한 채널 2가 제거된다. 결국 링크(3, 4)에 대한 가용채널 리스트는 비워진 상태가 된다. 한편, 링크(5, 6)에 채널 2가 할당되었기 때문에, 링크(5, 6)의 2차 충돌 링크들인 링크(1, 2), 링크(2, 3) 및 링크(5, 6)의 채널 2에 대한 채널 경합도가 1씩 증가 변경되어 업데이트 되었다.
이상에서는 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법에 대하여 설명하였다. 이하에서는 지연 문제를 해결하기 위한 또 다른 방법에 해당하는 타임 슬롯 할당 방법에 대하여 설명한다.
링크들은 주기적으로 전송하기 위하여 스케줄되어 있다. 각 시간 프레임에서 링크는 전송을 위한 많은 타임 슬롯들을 할당받을 것이다. 타임 슬롯들의 양은 링 크의 디멘드(demand)와 같다. 타임 슬롯들의 위치는 소스로부터 목적지까지의 플로우 안에 있는 링크들의 전송 순서가 지연을 감소시키기 위하여 직렬화되도록 결정되어진다.
멀티 홉 플로우에서 링크들의 전송을 직렬화하기 위한 방법이 논문[P. Djukic and S. Valaee, "Delay aware link scheduling for multi-hop TDMA wireless networks,"IEEE/ACM Transactions on Networking, 2009]에서 제안되었다. 트리 구조에 기반한 WMN 토폴로지를 기초로 하여 루트 노드로부터 단말 노드까지 링크들의 전송 순서를 확정한다.
상기 논문에서 소개된 기술은 최종 스케즐을 찾기 위하여 수정된 벨만 포드(Bellman-Ford) 알고리즘을 사용한다. 이 알고리즘은 초대 스케즐링 지연을 최소화할 수 있다. 그러나 단일 게이트웨이를 가지는 단일 채널 네트워크에서 동작한다는 한계를 가진다.
본 발명에서 제안되는 타임 슬롯 할당 방법이 상기 논문과 특징적으로 다른 점은 링크들의 전송을 직렬화하기 위한 더 많은 스페이스(space)를 주기 위하여 멀티 채널을 활용한다는 점이다. 게다가, 플로우의 길이를 고려하고, 각 플로우에서 위치에 기반한 링크들의 전송 순서를 스케즐하는 것을 고려한다.
링크들의 전송 순서는 게이트웨이로부터의 링크들의 거리에 의존하지 않는다. 앞에서 설명한 채널 할당 방법과 유사하게, 타임 슬롯 할당 방법 역시 플로우의 길이 순서대로 플로우를 소팅하고, 가장 긴 플로우에 포함된 링크들에 대하여 먼저 타임 슬롯을 할당한다.
각 링크는 플로우 안에 있는 이전 링크 후에 바로 전송하기 위하여 타임 슬롯에 할당될 것이다. 2차 충돌 링크들은 프리 타임 슬롯(free time slot)들을 모니터링함으로써, 다른 채널 상에서 동일한 타임 슬롯으로 패킷을 전송하기 위하여 스케즐된다.각 링크는 프리 타임 슬롯(free time slot) 리스트를 가진다. 여기서 프리 타임 슬롯 리스트에는 1차 충돌 링크 또는 상기 링크와 동일한 채널을 사용하는 2차 충돌 링크에 의하여 사용되지 않는 타임 슬롯들이 저장되어 있다.
무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 타임 슬롯 할당 절차에 대하여 설명하면 다음과 같다.
플로우들을 길이의 내림차순으로 정렬될 수 있도록 소팅한다. 그리고, 가장 긴 플로우로부터 타임 슬롯 할당하는 절차를 수행한다. 즉, 플로우 안에 있는 소스로부터 목적지까지의 각 링크에 대하여 타임 슬롯을 할당한다.
구체적인 타임 슬롯 할당 방법은 프리 타임 슬롯들의 수가 플로우의 디멘드(demand)보다 더 큰지 판단하여, 충분한 타임 슬롯들을 가지고 있는 것이므로, 플로우 안에서 선행하는 링크에 의하여 사용된 마지막 타임 슬롯 후에 바로 위치한 타임 슬롯을 링크에 할당한다.
만약, 프리 타임 슬롯들의 수가 플로우의 디멘드보다 크지 않는 경우에는 플로우의 디멘드를 조정하거나 타임 프레임의 길이를 조정한 후 타임 슬롯 할당 절차를 다시 수행한다.
상기와 같이 각 링크에 대하여 타임 슬롯을 할당한 후에는 다른 링크에 대하여 타임 슬롯을 할당하기 위하여 프리 타임 슬롯 리스트를 업데이트하는 절차를 수 행한다. 상기에서 설명한 모든 절차들은 모든 플로우에 대하여 반복 수행한다. 그러면, 모든 링크들에 대하여 타임 슬롯이 할당될 것이다.
예를 들어 타임 슬롯을 할당하는 절차에 대하여 설명하면 다음과 같다. 도 1에 보여준 플로우를 기반하여 설명하면, 가장 긴 플로우는 f1이다. 따라서, 플로우 f1에 포함된 링크들에 대하여 먼저 타임 슬롯을 할당한다.
링크(1, 2)는 타임 슬롯 1(T1)을 할당받았다고 가정한다. 그러면, 다음 링크인 링크(2, 3)은 이전 링크인 링크(1, 2) 후에 바로 전송하기 위하여 타임 슬롯 2(T2)로 할당받는다. 그리고, 두 개의 2차 충돌 링크들인 링크(1, 2)와 링크(5, 6)은 다른 채널을 할당받았기 때문에(링크(1, 2)는 채널 1을 할당받고, 링크(5, 6)은 채널 2를 할당받았다고 가정), 상기 링크(1, 2)와 링크(5, 6)은 동일한 타임 슬롯 1(T1)으로 전송하도록 스케즐된다.
다음은 이상에서 설명한 채널 할당 방법과 타임 슬롯 할당 방법의 성능을 맷랩(MATLAB)을 사용하여 평가한 결과를 소개한다.
채널 할당 방법에 관한 성능 평가는 앞에서 소개한 'Distance-1'의 기술과 비교하고, 성능 평가는 아래 표 2에서 보여주는 파라미터들을 가지는 토폴로지, 구체적으로 도 4에 도시된 그리드(grid) 토폴로지를 사용하여 평가하였다.
Parameters Values
Data rate 2Mbps
#Channels 1-2
Codec G729A
Packet size 864bits
Time slot size 432us
Packet interval 24slots
Routing protocol Load balancing, Min-hop
- 표 2 -
도 4에서 노드 집합(1, 3, 10, 20, 11, 22, 24, 9, 19, 17, 도 4에서 파란색 동그라미로 표시된 노드들의 집합)으로부터 게이트웨이 노드 25(도 4에서 초록색 동그라미로 표시된 노드)까지 10개의 양방향 보이스 콜(voice calls)을 발생하였다. 데이터 트래픽이 레이트 2Mbps로 모든 노드들로부터 발생되었다. 이 트래픽은 단지 시스템 리소스가 프리할 때 전송될 수 있다.
도 5는 채널의 수가 1에서 5까지인 경우에 대하여 본 발명인 채널 할당 방법과 앞에서 소개한 'Distance-1'를 적용한 지연 성능을 보여준다. 전체적으로 본 발명인 채널 할당 방법이 더 작은 최대 지연을 가지는 것을 알 수 있다. 최대 지연(max-delay)은 3개의 채널을 가질 때, 본 발명에 따른 채널 할당 방법이 상기 'Distance-1'에 비하여 약 60% 정도 감소됨을 알 수 있다.
또한, 채널의 수가 커질 때, 본 발명에 따른 채널 할당 방법과 'Distance-1'의 최대 지연 차이는 작아진다. 그 이유는 4채널 이상은 그리드 토폴로지에서 충돌에서 자유로운 스케즐을 위하여 충분하기 때문이다[E. Aryafar, O. Gurewitz and E. Knightly, "Distance-1 Constrained Channel Assignment in Single Radio Wireless Mesh Networks," IEEE INFOCOM 2008, April 2008].
도 1은 본 발명에 적용되는 무선 메쉬망과 채널 할당을 위한 플로우들을 보여주기 위한 예시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법에 관한 절차도이다.
도 3은 본 발명에 따른 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법에 관한 세부 절차도이다.
도 4는 본 발명의 성능을 평가하기 위하여 사용된 그리드 토폴로지의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 성능 평가 결과 그래프이다.

Claims (4)

  1. 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법에 있어서,
    채널 할당을 해야할 플로우들에 대하여 가장 긴 플로우에서 가장 짧은 플로우 순으로 정렬하되, 상기 플로우는 소스 노드에서 목적지 노드로 연결되는 하나 이상의 링크를 포함하는 플로우 소팅 단계; 및
    상기 가장 긴 플로우부터 시작하여 상기 가장 짧은 플로우까지 순서대로, 각 플로우의 링크에 대하여 채널을 할당하는 채널 할당 단계;를 포함하고,
    상기 채널 할당 단계는,
    상기 링크가 채널을 할당받은 상태인지 판단하여, 채널을 할당받은 상태이면 다음 링크로 이동하고, 채널을 할당받은 상태가 아니면 상기 링크에 대한 가용채널 리스트가 비워져 있는지 판단하는 과정,
    상기 링크에 대한 가용채널 리스트가 비워져 있는지를 판단한 결과, 비워진 상태가 아니면 상기 링크에 대한 가용채널 리스트에 포함된 채널 중 하나를 상기 링크에 대한 채널로 할당하고, 비워진 상태이면 상기 링크에 대한 채널 경합도가 낮은 채널을 상기 링크에 대한 채널로 할당하는 과정, 및
    상기 링크에 채널을 할당한 후에, 상기 링크의 2차 충돌 링크들에 대한 각 가용채널 리스트에서 상기 링크에 할당한 채널을 제거하고, 상기 링크의 2차 충돌 링크들의 채널 경합도를 업데이트하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 플로우 소팅 단계는 각 플로우들에 대한 홉의 수가 내림차순으로 정렬될 수 있도록 소팅하는 단계인 것을 특징으로 하는 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법.
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 링크에 대한 가용채널 리스트에 포함된 채널 중 하나를 상기 링크에 대한 채널로 할당하는 과정에서, 상기 링크의 이전 링크에 할당된 채널이 상기 링크에 대한 가용채널 리스트에 포함된 경우에는 상기 이전 링크에 할당된 채널을 상기 링크에 대한 채널로 할당하는 것을 특징으로 하는 무선 메쉬망 기반 다중채널 TDMA MAC 프로토콜에서의 채널 할당 방법.
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