KR101269752B1 - Optimization method and optimization apparatus for queue-based cross-layer in wireless ad-hoc network - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무선 애드-혹(Ad-hoc) 네트워크에서 크로스-계층(cross-layer) 최적화 방법으로, 큐의 패킷 수를 이용하여 링크 프라이스(link price)를 결정하고, 상기 링크 프라이스를 이용하여 흐름 속도 (flow rate)를 결정하고, 상기 링크 프라이스 및 주변 노드의 링크 프라이스 값을 비교하여 채널 접근 순위(channel access rank)를 결정하고, 상기 채널 접근 순위에 따라 채널 접근 대기 시간(back-off time)을 결정한다. 이를 통해 본 발명은 간섭의 영향을 받지 않고, 적응적으로 링크 용량을 결정하면서도 공평성과 효율성을 동시에 추구할 수 있는 최적화 방법을 제공할 수 있다.The present invention is a cross-layer optimization method in a wireless ad-hoc network, which determines a link price using the number of packets in a queue and flows using the link price. A channel access rank is determined by determining a flow rate, comparing the link price values of the link price and neighboring nodes, and channel back-off time according to the channel access rank. Determine. Through this, the present invention can provide an optimization method capable of simultaneously seeking fairness and efficiency while determining link capacity adaptively without being affected by interference.
애드-혹 네트워크, 크로스 레이어 최적화, 혼잡 제어, 매체 접근 제어, 큐 Ad-hoc network, cross layer optimization, congestion control, media access control, queue
Description
도 1은 노드간의 링크와 흐름을 나타내는 도면,1 is a diagram showing a link and a flow between nodes;
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 최적화를 위한 전송 계층에서 혼잡 제어 방법을 나타내는 흐름도,2 is a flowchart illustrating a congestion control method in a transport layer for optimization according to an embodiment of the present invention;
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 최적화를 위한 매체 접근 제어 계층의 매체 접근 제어 방법을 나타내는 흐름도,3 is a flowchart illustrating a method of controlling a media access of a media access control layer for optimization according to an embodiment of the present invention;
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 매체 접근 제어에서 채널 접근 순위를 결정하는 과정을 나타내는 흐름도, 4 is a flowchart illustrating a process of determining a channel access rank in media access control according to an embodiment of the present invention;
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 크로스-계층 최적화 방법을 나타내는 흐름도 및5 is a flowchart illustrating a cross-layer optimization method according to an embodiment of the present invention;
도 6 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 시물레이션 결과를 나타낸 도면이다. 6 to 9 illustrate simulation results according to an embodiment of the present invention.
본 발명은 애드-혹 네트워크에서 최적화 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 큐의 패킷 수를 이용한 최적화 방법으로 전송 계층에서 혼잡 제어(congestion control)를 하고, 매체 접근 제어 계층에서 매체 접근 제어(Media Access Control: MAC)하는 최적화 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optimization method and apparatus in an ad-hoc network. In particular, the present invention relates to congestion control in a transport layer and to media access control in a media access control layer. : MAC) relates to an optimization method and apparatus.
유선 네트워크와 무선 네트워크는 다음과 같이 크게 두 가지 측면에서 다르기 때문에 최적화 방법은 서로 다르게 설정되어야 한다.Because wired networks and wireless networks differ greatly in two ways, optimization methods must be set differently.
첫째로, 무선 네트워크와 유선 네트워크는 간섭의 영향이 다르다. 즉, 유선 네트워크는 최적화 방법에서 간섭의 영향을 고려할 필요가 없지만, 무선 네트워크는 간섭의 영향으로 인해, 인접한 두 개의 이웃 노드에서 동시에 전송할 수 없다. 만약 동시에 전송하는 경우, 간섭이 커져서 전송이 실패하기 쉽다. First, wireless and wired networks have different effects of interference. That is, the wired network does not need to consider the influence of interference in the optimization method, but the wireless network cannot transmit simultaneously from two adjacent neighbor nodes due to the influence of the interference. If transmitting at the same time, interference is large and transmission is likely to fail.
둘째로, 무선 네트워크와 유선 네트워크는 링크 용량 결정 방법이 다르다. 즉, 유선 네트워크는 링크의 용량을 결정하기 쉽지만, 무선 네트워크는 링크의 용량을 결정하기 어렵다. 특히, 무선 애드-혹 네트워크에서 각 노드들은 지역적 위치에 따른 자원 경쟁이라는 특성을 가진다. 그 이유로 무선 애드-혹 네트워크는 알고리즘 상에서 필요한 파라미터 값 중 링크의 용량을 알 수 없게 된다.Second, wireless networks and wired networks have different link capacity determination methods. In other words, wired networks are easy to determine the capacity of a link, while wireless networks are difficult to determine the capacity of a link. In particular, each node in a wireless ad-hoc network has a property of resource contention according to geographical location. For this reason, the wireless ad-hoc network cannot know the capacity of the link among the parameter values required by the algorithm.
무선 네트워크에서 최적화 방법을 위한 시도가 끊임없이 연구되었다. 최적화를 위한 종래의 클릭(clique) 방식을 살펴보면, 클릭 방식은 그래프 이론에 최대 클릭 개념을 도입하여 모델링 한다. 이때, 각 노드들은 위치에 따라 컨텐션(contention) 영역을 형성하고, 생성된 컨텐션 그래프 상에서 최대 클릭을 구성 한다.Attempts for optimization methods in wireless networks have been constantly studied. Looking at the conventional clique method for optimization, the click method is modeled by introducing the concept of the maximum click to the graph theory. At this time, each node forms a contention area according to the location, and configures a maximum click on the generated contention graph.
하지만, 상기 클릭 방식은 애드-혹 네트워크상에서 분산된 방식으로 클릭을 찾기 어렵다. 그리고 같은 클릭에 속한 노드들 간에 항상 같은 클릭 프라이스(Price)를 유지하기 위한 메커니즘이 필요하다. 더욱이, 클릭 방식은 네트워크 토폴로지(Topology)가 완벽한 그래프를 형성하지 않을 때, 원하지 않은 결과값을 얻게 되는 문제가 있다. 즉, 클릭 방식은 현실상에서 반영되기에 불완전한 형태를 갖는다.However, the click method is difficult to find clicks in a distributed manner on an ad-hoc network. There is a need for a mechanism to maintain the same click price between nodes belonging to the same click. Moreover, the click method has a problem in that when the network topology does not form a perfect graph, unwanted results are obtained. That is, the click method has an incomplete form to be reflected in reality.
따라서, 무선 애드-혹 네트워크에서 간섭의 영향을 고려하고, 링크 용량의 결정 문제를 해결하면서도, 현실적으로 이용 가능하며, 효율성과 공평성 문제를 해결할 수 있는 최적화 방법이 요구된다.Accordingly, there is a need for an optimization method that considers the effects of interference in a wireless ad-hoc network, solves the problem of determining link capacity, and is practically available and can solve the problem of efficiency and fairness.
전술한 문제를 해결하기 위한 본 발명의 목적은 애드-혹 네트워크에서 크로스-계층 최적화를 위한 방법으로 큐의 패킷 수를 이용하여 전송 계층에서 혼잡 제어를 하고, 매체 접근 제어 계층에서 혼잡 프라이스에 따른 순위를 이용하여 매체 접근 제어를 수행하는 최적화 방법 및 장치를 제공하는 것이다. An object of the present invention for solving the above problems is to perform congestion control in the transport layer using the number of packets in the queue as a method for cross-layer optimization in an ad-hoc network, and rank according to the congestion price in the media access control layer. To provide an optimization method and apparatus for performing the media access control using.
본 발명의 다른 목적은 애드-혹 네트워크에서 최적화를 위해 전송 계층에서 큐의 패킷 수를 이용하여 링크 프라이스, 흐름 프라이스, 흐름 속도를 결정하는 혼잡 제어 방법 및 장치를 제공하는 것이다.It is another object of the present invention to provide a congestion control method and apparatus for determining link price, flow price, and flow rate using the number of packets in a queue at the transport layer for optimization in an ad-hoc network.
본 발명의 또 다른 목적은 본 발명은 애드-혹 네트워크에서 최적화를 위해 매체 접근 제어 계층에서 프라이스를 이용하여 순위를 결정하고, 상기 순위를 통해 백오프 시간을 결정하는 매체 제어 접근 방법 및 장치를 제공하는 것이다. It is another object of the present invention to provide a medium control access method and apparatus for determining a rank using a price in a medium access control layer for optimization in an ad-hoc network, and determining a backoff time through the rank. It is.
상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 방법은 무선 애드-혹(Ad-hoc) 네트워크에서 크로스-계층(cross-layer) 최적화 방법으로서, 큐의 패킷 수를 이용하여 링크 프라이스(link price)를 결정하는 단계; 상기 링크 프라이스를 이용하여 흐름 속도(flow rate)를 결정하는 단계; 상기 링크 프라이스 및 주변 노드의 링크 프라이스 값을 비교하여 채널 접근 순위(channel access rank)를 결정하는 단계; 및 상기 채널 접근 순위에 따라 채널 접근 대기 시간(back-off time)을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.A method according to an embodiment of the present invention for achieving the above object is a cross-layer optimization method in a wireless Ad-hoc network, the link price using the number of packets in the queue (link) price); Determining a flow rate using the link price; Determining a channel access rank by comparing the link price values of the link price and neighboring nodes; And determining a channel access back-off time according to the channel access order.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방법은 무선 애드-혹(Ad-hoc) 네트워크에서 최적화를 위한 전송 계층의 혼잡 제어 방법으로서, 링크의 큐에서 패킷의 수를 이용하여 링크의 프라이스를 결정하는 단계; 상기 링크의 프라이스와 이웃 링크의 프라이스를 이용하여 흐름 프라이스를 결정하는 단계; 및 상기 흐름 프라이스를 이용하여 흐름 속도를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method according to an embodiment of the present invention is a congestion control method of a transport layer for optimization in a wireless Ad-hoc network, the method comprising determining the price of the link using the number of packets in the link queue ; Determining a flow price using the price of the link and the price of a neighboring link; And determining the flow rate using the flow price.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 방법은 무선 애드-혹(Ad-hoc) 네트워크에서 최적화를 위한 매체 접근 제어 계층의 매체 제어 접근 방법으로서, 큐를 기반으로 계산된 프라이스 값을 이웃 노드에게 브로드캐스트 하는 단계; 이웃 노드로부터 브로드캐스트 받은 링크의 프라이스 값과 자신의 프라이스 값과 비교하여 채널 접근 순위를 결정하는 단계; 및 상기 채널 접근 순위를 이용하여 채널 접근 대기 시간(back-off time)을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the method according to an embodiment of the present invention is a media control approach of a media access control layer for optimization in a wireless ad-hoc network, and broadcasts a price value calculated based on a queue to a neighbor node. Making; Determining a channel access rank by comparing a price value of a link broadcast from a neighbor node with its price value; And determining a channel access back-off time using the channel access rank.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 장치는 무선 애드-혹(Ad-hoc) 네트워크에서 크로스-계층 최적화 장치로서, 큐의 패킷 수를 포함하는 정보를 저장하는 메모리; 및 상기 메모리를 이용하여 크로스-계층 최적화를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는 큐의 패킷 수를 이용하여 링크 프라이스를 결정하는 단계; 상기 링크 프라이스를 이용하여 흐름 속도를 결정하는 단계; 상기 링크 프라이스 및 주변 노드의 링크 프라이스 값을 비교하여 채널 접근 순위를 결정하는 단계; 및 상기 채널 접근 순위에 따라 채널 접근 대기 시간(backoff time)을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다. In addition, an apparatus according to an embodiment of the present invention is a cross-layer optimization apparatus in a wireless Ad-hoc network, comprising: a memory for storing information including the number of packets in a queue; And a controller for controlling cross-layer optimization using the memory, wherein the controller determines a link price using the number of packets in a queue; Determining a flow rate using the link price; Comparing a link price value of the link price and a neighbor node to determine a channel access rank; And determining a channel access backoff time according to the channel access order.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 장치는 무선 애드-혹(Ad-hoc) 네트워크의 최적화를 위한 전송 계층에서 혼잡을 제어하는 장치로서, 큐의 패킷 수를 포함하는 정보를 저장하는 메모리; 및 상기 메모리를 이용하여 크로스-계층 최적화를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는 주기적으로 큐 크기를 모니터링하며 링크의 큐에서 패킷의 수를 이용하여 링크의 프라이스를 결정하는 단계; 상기 링크의 프라이스와 이웃 링크의 프라이스를 이용하여 흐름 프라이스를 결정하는 단계; 및 상기 흐름 프라이스를 이용하여 흐름 속도를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, the apparatus according to an embodiment of the present invention is an apparatus for controlling congestion in the transport layer for optimization of a wireless Ad-hoc network, the apparatus comprising: a memory for storing information including the number of packets of a queue; And a controller for controlling cross-layer optimization using the memory, wherein the controller periodically monitors the queue size and determines the price of the link using the number of packets in the link queue; Determining a flow price using the price of the link and the price of a neighboring link; And calculating a flow rate using the flow price.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 장치는 무선 애드-혹(Ad-hoc) 네트워크의 최적화를 위한 매체 접근 제어 계층의 매체 접근 제어 장치로서, 큐의 패킷 수를 포함하는 정보를 저장하는 메모리; 및 상기 메모리를 이용하여 크로스-계층 최적화를 제어하는 제어부를 포함하되, 상기 제어부는 큐를 기반으로 계산된 프라이스 값을 이웃 노드에게 브로드캐스트 하는 단계; 이웃 노드로부터 프라이스 값을 수신하여 자신의 프라이스 값과 비교하여 채널 접근 순위를 결정하는 단계; 및 상기 채널 접근 순위를 이용하여 채널 접근 대기 시간(back-off time)을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.In addition, an apparatus according to an embodiment of the present invention is a media access control apparatus of a media access control layer for optimizing a wireless ad-hoc network, comprising: a memory for storing information including the number of packets in a queue; And a controller for controlling cross-layer optimization using the memory, wherein the controller broadcasts a price value calculated based on a queue to a neighbor node; Receiving a price value from a neighbor node and comparing the price value with its own price value to determine a channel access rank; And determining a channel access back-off time using the channel access rank.
본 발명의 구성을 설명함에 있어서, 도면들 중 동일한 구성 요소들을 동일한 부호들로 표현한다. 또한, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명을 생략한다. In describing the configuration of the present invention, the same components in the drawings are represented by the same reference numerals. In addition, detailed descriptions of well-known functions and configurations that may unnecessarily obscure the subject matter of the present invention will be omitted.
먼저 본 발명을 전체적으로 설명한다.First, the present invention will be described as a whole.
본 발명은 애드-혹 네트워크에서 최적화 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 큐의 패킷 수를 이용하여 최적화하는 방법으로 전송 계층에서 혼잡을 제어하고, 매체 접근 제어 계층에서 매체 접근 제어하는 최적화 방법 및 장치에 관한 것이다.The present invention relates to an optimization method and apparatus in an ad-hoc network. In particular, the present invention relates to an optimization method and apparatus for controlling congestion in a transport layer and optimizing a medium access control in a media access control layer by optimizing using the number of packets in a queue. It is about.
본 발명은 크로스 계층 최적화 방법을 이용한다. 상기 크로스 계층 최적화 방법으로 전송 계층과 매체 접근 제어 계층이 크로스-계층으로 이용된다. The present invention uses a cross layer optimization method. In the cross layer optimization method, a transport layer and a media access control layer are used as cross-layers.
본 발명의 실시예는 전송 계층에서 최적화를 위한 혼잡 제어 방법으로 큐의 크기를 주기적으로 모니터링하여 링크의 프라이스(link price)를 계산한다. 그리고, 본 발명의 실시예는 흐름 프라이스(flow price)를 구하기 위해 상기 링크 프라이스 및 주변 노드의 프라이스를 이용한다. 이 후, 본 발명의 실시예는 상기 흐름 프라이스를 이용하여 흐름 속도를 구한다. 상기 흐름 속도는 큐의 패킷 수를 이용 하여 구해진 것이므로, 혼잡 제어 방법으로 사용될 수 있다.An embodiment of the present invention calculates a link price of a link by periodically monitoring the size of a queue as a congestion control method for optimization at the transport layer. In addition, an embodiment of the present invention uses the price of the link price and neighboring nodes to obtain a flow price. The embodiment of the present invention then obtains the flow rate using the flow price. Since the flow rate is obtained using the number of packets in the queue, it can be used as a congestion control method.
본 발명의 실시예는 매체 접근 제어 계층에서 큐의 패킷 수를 이용한 프라이스들을 이용하여 각 노드의 채널 접근 순위의 결정한다. 그리고 본 발명의 실시예는 상기 채널 접근 순위를 백오프 시간 결정에 도입하여 매체 접근 제어를 한다. 여기서 백 오프 시간은 채널 접근 대기 시간과 대응한다. 채널 접근 순위를 결정하는 과정을 살펴보면, 먼저 각 노드의 프라이스는 브로드캐스트 된다. 그리고 각 노드는 자신의 프라이스와 이웃 노드의 프라이스를 비교한다. 이 후, 각 노드는 가장 긴 큐 우선(Longest Queue First) 방식으로 채널 접근 순위를 결정하여 채널 접근 대기 시간을 결정한다. An embodiment of the present invention determines the channel access rank of each node using prices using the number of packets in the queue in the media access control layer. In the embodiment of the present invention, the channel access rank is introduced into the backoff time determination to control the medium access. Here, the back off time corresponds to the channel access wait time. Looking at the process of determining the channel access rank, the price of each node is first broadcast. Each node compares its own price with that of its neighbors. Thereafter, each node determines the channel access latency by determining the channel access priority in the longest queue first manner.
본 발명은 현실적으로 이용 가능한 큐의 패킷 수에 따른 프라이스 결정 방식을 도입함으로써 애드-혹 네트워크에서 크로스 계층 최적화 방법을 제공할 수 있다. 이에 따라, 본 발명은 애드-혹 네트워크에서 대역폭 할당 문제를 공평성과 효율성 관점에서 최적인 상태에 도달하도록 한다. 더 나아가 본 발명에서 제시한 알고리즘은 오버헤드가 상대적으로 적고, 실제 구현에 있어서도 더욱 용이하다.The present invention can provide a cross layer optimization method in an ad-hoc network by introducing a price determination method according to the number of packets of a queue available in reality. Accordingly, the present invention allows the bandwidth allocation problem in an ad-hoc network to reach an optimal state in terms of fairness and efficiency. Furthermore, the algorithm presented in the present invention has a relatively low overhead and is easier in actual implementation.
1. 최적화를 위한 전송 계층의 혼잡 제어 방법1. Congestion Control Method of Transport Layer for Optimization
이하, 도 1 및 도 2를 참조하여 최적화를 위한 전송 계층의 혼잡 제어 방법을 설명한다. 본 발명의 실시예는 혼잡 제어 방법으로 링크의 큐에서 패킷의 수를 이용하여 링크의 프라이스를 결정한다. 그리고 본 발명의 실시예는 상기 링크의 프라이스와 이웃 링크의 프라이스를 이용하여 흐름 프라이스를 결정한다. 또한, 본 발명의 실시예는 상기 흐름 프라이스를 이용하여 흐름 속도를 결정한다. 여기서 노 드는 다음 흐름을 전송 받으면 일련의 과정을 반복하여 흐름 속도를 업데이트 한다. Hereinafter, a congestion control method of a transport layer for optimization will be described with reference to FIGS. 1 and 2. An embodiment of the present invention determines the price of a link using the number of packets in the queue of the link in a congestion control method. The embodiment of the present invention determines the flow price using the price of the link and the price of the neighboring link. In addition, an embodiment of the present invention uses the flow price to determine the flow rate. Here, the node updates the flow rate by repeating a series of steps as it receives the next flow.
본 발명의 실시예는 애드-혹 네트워크에서 링크 프라이스를 계산하는 방법으로 링크의 큐 크기를 주기적으로 모니터링하여 프라이스 값을 직접 예측할 수 있다. 상기 프라이스 값의 계산은 큐-기반 프라이싱 알고리즘(Queue-based Pricing Algorithm)이 사용될 수 있다. 상기 큐-기반 프라이싱 알고리즘은 과거의 프라이스 값들을 기반으로 평균 값을 예측한다. In an embodiment of the present invention, a link price may be calculated in an ad-hoc network to periodically monitor a queue size of a link to directly predict a price value. The calculation of the price value may be a queue-based pricing algorithm. The queue-based pricing algorithm predicts an average value based on past price values.
다음에서는 큐-기반 프라이싱 알고리즘으로 이동 평균 방법(Moving Average Method)을 예로 들어 최적화 방법을 설명한다. Next, the optimization method will be described using a moving average method as a queue-based pricing algorithm.
이동 평균 방법을 살펴보면, 이동 평균 방법은 다음 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다. 여기서, 상기 이동 평균 방법은 링크의 프라이스를 큐의 패킷 수를 이용하여 계산한 것으로, 큐-기반 프라이싱 알고리즘을 이용한 다른 수학식으로 대체가 가능하다.Looking at the moving average method, the moving average method can be expressed as
여기서, α는 작은 양수를 나타내고, q는 링크의 큐에서 패킷 수를 나타내며, λ는 링크의 프라이스를 나타내고, _는 실수의 형태에서 소수점 이하는 버리고 정수 부분만을 취하는 것을 나타낸다. Where α represents a small positive number and q is Represents the number of packets in the link's queue, and λ is Represents the price of the link, and _ represents a fractional part of the float, taking only integer parts.
상기 이동 평균 방법은 큐의 패킷 수를 혼잡 프라이스(congestion price)에 대응하는 값으로 가정하고, 프라이스 값을 계산한다. 그리고, 상기 이동 평균 방법은 과거의 프라이스 값을 기반으로 평균을 예측한다. 이를 통해, 상기 이동 평균 방법은 비동기(Asynchronous)적인 실제 네트워크에서 각 흐름들이 과거의 값을 기반으로 예측될 수 있게 한다. 상기 이동 평균 방법은 플루이드(Fluid) 모델을 기반으로 한다.The moving average method assumes that the number of packets in the queue is a value corresponding to a congestion price, and calculates a price value. The moving average method predicts an average based on past price values. In this way, the moving average method allows each flow to be predicted based on past values in an asynchronous real network. The moving average method is based on a fluid model.
각 링크 프라이스가 구해지면, 링크 프라이스를 이용한 흐름 프라이스와 흐름 속도는 다음 <수학식 2>와 같은 속도 제어 알고리즘(rate control algorithm)을 통해 계산된다. 여기서 상기 속도 알고리즘은 흐름 프라이스와 흐름 속도를 구하기 위한 예시적인 수학식이며, 주변 노드의 프라이스와 각 링크의 프라이스를 이용한 수학식으로 대체될 수 있다. When each link price is obtained, the flow price and the flow rate using the link price are calculated through a rate control algorithm as shown in
여기서, n은 링크에 속하는 이웃 노드를 나타내고, 은 흐름 s에 속한다. 그리고, β는 작은 양수를 나타내며, w는 로 표현될 수 있는 비율 조절 인자이다. 이를 상세히 설명하면, 첫 번째 식의 lamda_s 는 특정 s에 대해 이것이 통과한 링크의 주변 링크의 합이고, 두 번째 식에서의 lamda_s(t)는 첫 번째 식을 이용하여 특정 시간 t에 실제 측정된 값이고, bar_lamda_s는 시간 t까지 (이동) 평균한 값을 이용한 것이다. 세 번째 식의 bar_lamda_s는 세츄레이션된 최종 값을 의미한다. Here, n is Represents a neighbor node belonging to a link, Belongs to flow s. And β represents a small positive number, w is It is a ratio control factor that can be expressed as. To explain this in detail, lamda_s in the first equation is the sum of the perimeter links of the link that it passes over for a particular s, and lamda_s (t) in the second equation is the actual measured value at a specific time t using the first equation. , bar_lamda_s is the average value of the (moving) time t. The bar_lamda_s of the third equation is the final value of the segment.
상기 속도 제어 알고리즘은 이웃 링크들의 합을 더하여 네트워크의 효율성을 높인다. 즉, 상기 속도 제어 알고리즘은 많은 이웃 노드를 지나가는 링크를 빈번히 사용할 때, 네트워크의 전체 효율이 떨어지지 않게 한다. 부가적으로 설명하면, 프라이스 값은 상대적인 값이므로, 각 링크에 이웃 링크의 프라이스 값을 더해줌으로써 링크를 사용하는 흐름 속도를 줄일 수 있게 된다. 흐름 속도를 줄이는 것은 네트워크 전체 관점에서 효율성을 높이는 것이 된다.The speed control algorithm increases the efficiency of the network by adding the sum of neighboring links. That is, the speed control algorithm ensures that the overall efficiency of the network does not drop when frequently using links passing through many neighboring nodes. In addition, since the price value is a relative value, the flow rate of using the link can be reduced by adding the price value of the neighboring link to each link. Reducing the flow rate increases efficiency from a network-wide perspective.
도 1을 참조하면, 6개의 노드, 5개의 링크, 2개의 흐름이 도 1에 도시된다. 여기서, 흐름 1은 링크 1, 2, 3, 4로 이루어지며, 흐름 2는 링크 5, 2, 3, 4로 이루어진다. Referring to FIG. 1, six nodes, five links, and two flows are shown in FIG. 1. Here,
본 발명의 실시예는 링크 프라이스를 구하기 위해 각 노드에서 큐의 패킷 수를 이용하여 링크 프라이스를 결정한다. 그리고 상기 링크 프라이스에 주변 노드의 프라이스를 더하여 더욱 효율성을 높인다. 주변 링크의 프라이스들이 더해짐으로써 애드-혹 네트워크는 더욱 적응적인 대역폭 할당이 가능하다.An embodiment of the present invention determines the link price using the number of packets in the queue at each node to obtain the link price. In addition, the price of the neighboring node is added to the link price to further increase efficiency. By adding the prices of the neighbor links, the ad-hoc network can be more adaptively allocated bandwidth.
그리고, 본 발명의 실시예는 하나의 흐름에 속하는 링크들의 프라이스를 합 하여 흐름 프라이스를 산출한다. 그리고 상기 흐름 프라이스를 이용하여 흐름 속도를 결정한다. 이를 통해, 본 발명의 실시예는 전송 계층의 혼잡 제어 방법을 제공할 수 있다.In addition, the embodiment of the present invention calculates the flow price by summing the prices of the links belonging to one flow. The flow rate is then used to determine the flow rate. Through this, an embodiment of the present invention can provide a congestion control method of a transport layer.
이하, 도 2를 참조하여 애드-혹 네트워크에서 최적화 방법을 위한 전송 계층의 혼잡 제어 흐름도를 설명한다.Hereinafter, a congestion control flowchart of a transport layer for an optimization method in an ad-hoc network will be described with reference to FIG. 2.
210단계에서, 노드는 흐름 속도를 초기화한다. 220단계에서, 노드는 큐의 패킷 수를 이용하여 링크 프라이스를 계산한다. 여기서, 링크 프라이스는 주변 노드의 프라이스들이 합해져 더욱 적응적으로 활용될 수 있다. 230단계에서, 노드는 흐름 프라이스를 계산한다. 240단계에서 노드는 흐름 속도를 결정한다. 250단계에서 노드는 링크 프라이스 계산을 위한 흐름을 전송한다.In
2. 최적화를 위한 매체 접근 제어 계층의 매체 접근 제어2. Media access control of media access control layer for optimization
이하, 도 3 및 도 4를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 최적화를 위한 매체 접근 제어 계층의 매체 접근 방법을 설명한다.Hereinafter, a media access method of a media access control layer for optimization according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 and 4.
본 발명의 실시예는 최적화를 위한 매체 접근 방법으로 가장긴 큐 우선-최대 독립 셋(Longest Queue First-Maximal Independent Set: LQF-MIS) 알고리즘을 이용할 수 있다.An embodiment of the present invention may use a longest queue first-maximum independent set (LQF-MIS) algorithm as a medium access method for optimization.
상기 LQF-MIS 알고리즘은 혼잡 프라이스(Congestion Price)가 가장 높은 노드에게 우선순위를 주기 위한 발견적 알고리즘(heuristic algorithm)이다. 상기 LQF-MIS 알고리즘은 각 노드에서 큐를 기반으로 계산된 프라이스 값을 이웃 노드에게 브로드캐스트(boradcast)한다. 그리고 상기 LQF-MIS 알고리즘은 각 노드에서 이웃 노드로부터 받은 프라이스 값과 각 노드 자신의 현재 프라이스 값을 비교하여 자신의 채널 접근 순위를 결정한다. 이후, 상기 LQF-MIS 알고리즘은 결정된 채널 접근 순위로 채널 접근 대기 시간(Back-off Time)을 결정한다. The LQF-MIS algorithm is a heuristic algorithm for giving priority to the node with the highest congestion price. The LQF-MIS algorithm broadcasts a price value calculated based on a queue at each node to a neighbor node. The LQF-MIS algorithm determines a channel access rank by comparing a price value received from a neighbor node at each node with a current price value of each node itself. Thereafter, the LQF-MIS algorithm determines a channel access back-off time based on the determined channel access order.
본 발명의 실시예는 채널 접근 대기 시간으로 프라이스 값에 따른 채널 접근 순위를 이용하는 특징을 가진다. 상기 채널 접근 순위를 이용하여 채널 접근 대기 시간을 결정함에 있어서, 대표적으로 다음 <수학식 3>을 이용하여 채널 접근 대기 시간을 계산할 수 있다. An embodiment of the present invention has a feature of using a channel access rank according to a price value as a channel access wait time. In determining the channel access wait time using the channel access order, the channel access wait time may be calculated using
여기서, rank는 노드 i의 순위를 나타내고, cw는 r번째 재시도 때 사용되는 컨텐션 윈도우(Contention Window: CW) 값을 나타내며, Rand는 0 내지 1사이의 임의의 값을 나타내고, SlotTime은 슬롯의 시간을 나타낸다. 상기 <수학식3>은 rank를 이용하는 것이 핵심이므로, 상기 rank를 이용하는 다른 수학식으로 대처 가능하다.Where rank represents the rank of node i, cw represents the contention window (CW) value used in the r-th retry, Rand represents any value between 0 and 1, and SlotTime represents the slot Represents time. Since
도 3을 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 애드-혹 네트워크에서 최적화를 위한 매체 접근 제어 방법을 설명한다. Referring to FIG. 3, a media access control method for optimization in an ad-hoc network according to an embodiment of the present invention will be described.
310단계에서 노드는 링크 프라이스를 계산한다. 320 단계에서 노드는 상기 링크 프라이스를 이용하여 순위를 계산한다. 320 단계에 세부 과정은 도 4의 설명 에서 후술한다. 330 단계에서 노드는 백오프 시간을 결정한다. 340단계에서 노드는 패킷을 전송한다.In
도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 매체 접근 제어 방법에서 순위를 결정하는 방법을 설명한다. A method of determining rank in a media access control method according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 4.
410단계에서 각 노드는 큐를 기반으로 계산된 프라이스 값을 이웃노드에게 브로드캐스트한다. 420단계에서 각 노드는 이웃노드들로부터 받은 프라이스 값과 현재 프라이스 값을 비교한다. 430단계에서 각 노드는 프라이스 크기에 따라 채널 접근 순위 결정한다.In
3. 크로스 계층 최적화 방법3. Cross-Tier Optimization Method
이하, 도 5를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 애드-혹 네트워크에서 크로스-계층 최적화 방법을 설명한다.Hereinafter, a cross-layer optimization method in an ad-hoc network according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 5.
본 발명의 실시예는 크로스-계층 최적화 방법으로 전송 계층과 매체 접근 제어 계층을 이용한다. 전송 계층은 최적화를 위해 큐의 패킷 수를 이용하여 혼잡을 제어한다. 여기서 큐의 패킷 수는 링크의 프라이스를 계산하기 위해 사용된다. 그리고 매체 접근 제어 계층은 최적화를 위해 매체 접근 제어한다. 여기서 매체 접근 제어는 각 링크의 프라이스를 이용한 채널 접근 순위를 결정함을 통해 이루어지며, 상기 순위 결정은 백 오프 시간을 결정하는데 사용된다. An embodiment of the present invention uses the transport layer and the media access control layer as a cross-layer optimization method. The transport layer controls congestion by using the number of packets in the queue for optimization. Here the number of packets in the queue is used to calculate the price of the link. The media access control layer then controls media access for optimization. In this case, the medium access control is performed by determining the channel access rank using the price of each link, and the ranking is used to determine the back off time.
먼저 노드의 전송 계층의 동작을 설명한다. 510단계에서, 노드는 비율을 초기화하며, 520단계에서 링크 프라이스 계산에 필요한 흐름을 전송한다. 530단계에서, 노드는 링크 프라이스를 계산한다. 여기서 링크 프라이스는 큐의 패킷 수를 이 용하고, 주변 노드의 링크 프라이스를 이용하여 계산된다. 540 단계에서, 노드는 계산된 링크 프라이스를 이용하여 흐름 속도를 업데이트 한다. 그리고 상기 업데이트 과정은 노드에서 520단계 내지 540 단계의 일련의 과정을 재 수행하는 것과 대응할 수 있다. First, the operation of the transport layer of the node will be described. In
다음으로 노드의 매체 접근 제어 계층의 동작을 설명한다. 노드는 530단계에서 링크 프라이스가 계산되면, 550 단계에서 순위를 계산한다. 여기서 순위는 가장 긴 큐 우선 방식을 사용하여 우선 순위가 책정된다. 즉, 상기 우선 순위는 브로드캐스트 된 각 링크의 프라이스의 값의 순위를 산정한 것이다. 560단계에서 노드는 상기 순위를 이용하여 백오프 시간을 결정한다. 570단계에서 노드는 패킷을 전송한다. Next, the operation of the node's media access control layer will be described. If the link price is calculated in
본 발명의 실시예에 따른 최적화 방법은 서비스 가능한 근방-최대 트래픽 흐름 속도(near-maximal traffic flow rate)를 찾는다. 기존 방식의 경우 NP-완전(NP-complete)과 같은 문제로 실제 구현 가능성이 적지만, 본 발명의 실시예는 실제로 구현 가능한 알고리즘을 제시한다. 기존 방식과 달리 본 발명의 실시예는 서비스되는 흐름 속도가 비교적 비슷하게 구현 될 수 있기 때문에 비교적 공평한 서비스를 각기 다른 개별 트래픽(individual traffic)들에게 제공 가능하다.The optimization method according to an embodiment of the present invention finds a serviceable near-maximal traffic flow rate. In the conventional method, the actual implementation is less likely due to problems such as NP-complete, but an embodiment of the present invention presents an algorithm that can be actually implemented. Unlike the conventional method, the embodiment of the present invention can provide a relatively fair service to different individual traffics because the flow rate of service can be implemented relatively similarly.
종래의 발명들은 무선망에서 노드간의 링크 용량이 고정적으로 보장되지 않아 상기 최대 트래픽 흐름을 찾기 힘들었다. 하지만 본 발명의 실시예에 따른 최적화 방법은 혼잡 제어를 수행할 때, 서비스 가능한 최대 트래픽 흐름(maximal traffic flow)을 전송 계층에서 찾을 수 있다. 그 이유는 전송 계층에서 큐 정보를 근간으로 한 새로운 방식으로 흐름 속도를 결정하기 때문이다. 더 나아가 본 발명의 실시예는 주변 노드의 큐 상황을 고려하여 더욱 적응적으로 흐름 속도를 결정하는 것이 가능하다. In the related arts, it is difficult to find the maximum traffic flow because the link capacity between nodes in a wireless network is not fixed. However, in the optimization method according to the embodiment of the present invention, when performing congestion control, the serviceable maximum traffic flow may be found in the transport layer. This is because the transport layer determines the flow rate in a new way based on queue information. Furthermore, the embodiment of the present invention can determine the flow rate more adaptively in consideration of the queue situation of the neighboring nodes.
한편 최근의 추세를 보면, 트래픽 흐름의 제어는 크로스-계층 방식으로 이루어 진다. 본 발명의 실시예는 상기 크로스-계층 방식에 있어서, 매체 접근 제어 계층에서 스케줄링 할 때 큐 정보에 기반한 새로운 링크 프라이스 개념을 이용한다. 이를 통해, 본 발명의 실시예는 상대적으로 혼잡한 링크를 우선적으로 서비스 할 수 있고, 최대 트래픽 흐름을 합리적으로 도출할 수 있다.On the other hand, in the recent trend, traffic flow is controlled in a cross-layer manner. An embodiment of the present invention uses the new link price concept based on queue information when scheduling in the media access control layer in the cross-layer scheme. Through this, an embodiment of the present invention can preferentially service a relatively congested link and can reasonably derive the maximum traffic flow.
본 발명의 최적화 방법은 무선 애드-혹 네트워크 상에서 QoS를 요구하는 어플리케이션에 대한 서비스를 제공할 수 있다. 본 발명은 네트워크 전체 관점에서 효율성을 얻을 수 있음과 아울러 동시에 각 흐름 관점에서 서로간에 공평한 대역을 사용할 수 있다. 따라서, 본 발명의 최적화 방법을 이용하면 모바일 디바이스를 기반으로 하는 멀티미디어 어플리캐이션의 서비스 질 향상 및 영역의 확대가 가능하다.The optimization method of the present invention may provide a service for an application requiring QoS on a wireless ad-hoc network. The present invention can achieve efficiency from the network-wide point of view and at the same time can use a band that is equal to each other from each flow point of view. Therefore, using the optimization method of the present invention, it is possible to improve the service quality and expand the area of the multimedia application based on the mobile device.
또한, 본 발명의 최적화 방법은 무선 애드-혹 네트워크 시장에 고품질의 멀티미디어 어플리케이션 및 차별화된 서비스를 위한 솔루션을 제공할 수 있다. 따라서, 본 발명을 이용하면 무선 애드-혹 네트워크를 기반으로 하는 영역 확대 및 다양한 서비스 모델 제시가 가능하다.In addition, the optimization method of the present invention can provide a solution for high quality multimedia applications and differentiated services in the wireless ad-hoc network market. Therefore, using the present invention, it is possible to expand the area based on the wireless ad-hoc network and to present various service models.
4. 최적화 방법 시물레이션 4. Simulation of optimization methods
이하, 도6 내지 도9를 참조하여, 본 발명의 실시예에 따른 시물레이션 결과 를 설명한다.6 to 9, a simulation result according to an embodiment of the present invention will be described.
본 발명의 실시예에 따른 시물레이션 결과는 매트랩 시물레이션 결과를 이용한다. 시물레이션에서 흐름은 흐름의 유틸리티 함수로 로그 함수(logarithmic function)를 이용함을 가정한다. Simulation results according to an embodiment of the present invention uses the matlab simulation results. In simulation, a flow assumes a logarithmic function as its utility function.
4-1. 간단한 토폴로지4-1. Simple topology
본 발명의 실시예에 따른 발견적 알고리즘(heuristic algorithm)을 측정한다. 시물레이션 결과는 도 6과 같은 토폴로지를 사용하여 측정되었다.A heuristic algorithm is measured in accordance with an embodiment of the present invention. Simulation results were measured using the topology as shown in FIG.
<표1>을 참조하면, 최적 알고리즘은 포인트 로 수렴한다. 그리고, 본 발명인 LQF-MIS의 실시예에 따르면 로 수렴하는 것을 볼 수 있다. 여기서 공평성 측면에서는 본 발명의 실시예가 가장 좋은 성능을 보이는 것을 볼 수 있다. 그러나, 자원 이용 효율 면에서는 최적화 알고리즘 보다는 낮은 성능을 보이지만 두 알고리즘 사이의 차이는 매우 작다는 것을 알 수 있다. Referring to Table 1, the optimal algorithm is point Converge to And, according to the embodiment of the present invention LQF-MIS You can see the convergence. In terms of fairness, it can be seen that the embodiment of the present invention shows the best performance. However, the resource utilization efficiency is lower than that of the optimization algorithm, but the difference between the two algorithms is very small.
최적화 알고리즘에 의한 소스의 흐름 속도와 링크 큐의 패킷 수는 도 7과 같이 도시된다. 도 7a를 참조하면, 흐름 속도는 시간의 경과와 함께 최적 값으로 수렴한다. 더 나아가 도 7b를 참조하면, 링크의 큐의 패킷 수 또한 그에 따라 수렴한다. The flow rate of the source and the number of packets in the link queue by the optimization algorithm are shown in FIG. Referring to FIG. 7A, the flow velocity converges to an optimal value with time. 7B, the number of packets in the link's queue also converges accordingly.
최적화 알고리즘은 중앙 집중식 구현을 필요로 한다. 네트워크에서 독립적인 셋을 찾는 계산은 전체적인 네트워크 정보(global network information)을 요구하기 때문이다. 그러므로, 최적화 방법과 더욱 구현적으로 적용 가능한 도 8의 LQF-MIS 알고리즘을 비교한다. 도 8은 LQF-MIS 알고리즘의 결과를 나타내는 도면이다. <표 2>는 최적화 방법과 본 발명의 실시예에 따른 LQF-MIS 알고리즘을 조금 더 복잡한 토폴로지에서 비교한 표이다. 표 2 에서와 같이 본 발명에서는 흐름의 수가 증가해도 최적화 알고리즘 보다 공평성 측면에서 더 좋은 결과를 보인다는 것을 알 수 있다.Optimization algorithms require a centralized implementation. This is because the computation of finding an independent set in a network requires global network information. Therefore, the optimization method is compared with the LQF-MIS algorithm of FIG. 8, which is more practically applicable. 8 shows the results of an LQF-MIS algorithm. <Table 2> is a table comparing the optimization method and the LQF-MIS algorithm according to an embodiment of the present invention in a more complicated topology. As shown in Table 2, it can be seen that, in the present invention, even though the number of flows increases, a fair result is better than an optimization algorithm.
4-2. 5각형 토폴로지4-2. Pentagonal topology
그래프 이론적(graph-theoretic) 모델링은 네트워크 토폴로지가 완벽한 그래프를 형성하지 않을 때 문제점을 갖는다. 예컨대, 도 9와 같이 5각형 토폴로지를 가질 때, 클릭 기반의 알고리즘은 와 같은 결과를 보이는데, 실제 이것은 실현 불가능한 흐름 속도 할당이다..Graph-theoretic modeling has problems when the network topology does not form a perfect graph. For example, when having a pentagonal topology as shown in Figure 9, the click-based algorithm The result is: In practice this is an impractical flow rate assignment.
그러나 본 발명의 실시예에 따른 알고리즘은 항상 가능한 솔루션을 생성할 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예는 토폴로지가 완벽한 그래프를 갖지 않아도 솔로션을 생성한다. <표 3>은 5각형 토폴로지에서 각 알고리즘을 사용했을 때의 결과를 나타낸다. 기존의 방법 중 클릭 기반 방법은 망 자원 이용 효율은 최대를 보이나 실현 불가능한 자원 할당을 보인다. 본 발명에서 제안하는 LQF-MIS 방법은 최적화 방법을 이용한 것과 공평성 및 자원 이용 효율 측면에서 모두 동일한 성능을 보이는 것을 볼 수 있다. However, algorithms according to embodiments of the present invention can always produce a possible solution. That is, embodiments of the present invention create a solution even if the topology does not have a perfect graph. Table 3 shows the results of using each algorithm in the pentagonal topology. Among the existing methods, the click-based method shows the maximum network resource utilization efficiency, but impractical resource allocation. The LQF-MIS method proposed by the present invention can be seen to exhibit the same performance in terms of fairness and resource utilization efficiency.
4-3. 시물레이션 결과 분석4-3. Simulation result analysis
상기 분석한 시물레이션 결과를 상세히 설명하면, ALOHA, SINR, 클릭(clique) 기반의 알고리즘은 구현과 스케줄링에 있어서 문제점이 있거나, 효율성이 떨어진다.In detail, the simulation results are analyzed. ALOHA, SINR, and click based algorithms have problems in implementation and scheduling, or are less efficient.
크로스-계층을 기반으로한 최적화 알고리즘은 무선 애드-혹 네트워크에서 효율적으로 사용될 수 있다. 본 발명의 실시예에 따른 최적화 알고리즘은 링크의 용량을 독립된 셋의 가중된 합으로 표현 가능하다. 본 발명의 실시예는 가장 긴 큐를 우선으로 하는 정책과 이웃 노드의 프라이스를 이용함으로써 발견적인 구현이 가능하다.Cross-layer based optimization algorithms can be efficiently used in wireless ad-hoc networks. The optimization algorithm according to the embodiment of the present invention may represent the capacity of the link as a weighted sum of independent sets. Embodiments of the present invention can be heuristically implemented by using a policy that prioritizes the longest queue and the neighbor node's price.
한편, 본 발명의 구성은 구체적인 실시예에 관해 설명되었으나, 본 발명은 전술한 실시예에 한정되지 않는다. 본 발명은 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지로 변형될 수 있다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 실시예를 적용하는 경우를 예시적으로 보여준 것이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어서는 아니 되며 후술하는 특허청구범위 및 상기 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다. On the other hand, the configuration of the present invention has been described with respect to specific embodiments, the present invention is not limited to the above-described embodiment. The present invention may be modified in various ways without departing from the scope of the present invention. In addition, the accompanying drawings show an example of applying an embodiment of the present invention. Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be defined by the following claims and their equivalents.
본 발명은 무선 애드-혹 네트워크에서 크로스-계층 최적화 방법으로 간섭의 영향을 받지 않고, 링크의 용량을 적응적으로 결정할 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of adaptively determining the capacity of a link without being affected by interference in a cross-layer optimization method in a wireless ad-hoc network.
본 발명은 전송 계층에서 큐 상황을 고려하여 흐름 속도를 결정함으로써 서비스 가능한 최대 트래픽 흐름을 결정할 수 있는 효과가 있고, 매체 접근 제어 계층에서 큐 정보를 기반으로 한 스케줄링으로 혼잡 링크를 우선적으로 서비스 할 수 있는 효과가 있다.The present invention has the effect of determining the maximum traffic flow that can be serviced by determining the flow rate in consideration of the queue situation in the transport layer, and preferentially service the congested link by scheduling based on queue information in the media access control layer. It has an effect.
또한, 본 발명은 무선 애드-혹 네트워크에서 QoS를 요구하는 어플리케이션에 대한 서비스 제공으로, 네트워크 전체 관점에서 효율성이 있고, 각 플로우 관점에서 공평성 있는 최적화 방법을 제공하는 효과가 있다. In addition, the present invention provides a service for an application requiring QoS in a wireless ad-hoc network, which is efficient in terms of the entire network and has an effect of providing a fair optimization method in terms of each flow.
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US11/713,082 US7782785B2 (en) | 2006-03-02 | 2007-03-02 | Method and apparatus for optimizing a queue based cross layer in a wireless ad-hoc network |
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WO2000057599A3 (en) | 1999-03-22 | 2002-02-07 | Pluris Inc | Improving system performance in a data network through queue management based on ingress rate monitoring |
US20030161343A1 (en) | 2000-06-30 | 2003-08-28 | Amitava Ghosh | Transmission procedures |
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