KR101456385B1 - 도움 노드 선정을 통한 협력 통신 방법 - Google Patents

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KR101456385B1 KR1020130070656A KR20130070656A KR101456385B1 KR 101456385 B1 KR101456385 B1 KR 101456385B1 KR 1020130070656 A KR1020130070656 A KR 1020130070656A KR 20130070656 A KR20130070656 A KR 20130070656A KR 101456385 B1 KR101456385 B1 KR 101456385B1
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장재신
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Abstract

본 발명은 협력 통신 방법에 관한 것으로, 송신 노드 및 목적지 노드간 데이터 통신을 중계할 최적의 도움 노드를 선정하여 협력 통신을 수행하는 방법에 관한 것이다.

Description

도움 노드 선정을 통한 협력 통신 방법{Method for cooperative communications through selection of helper node}
본 발명은 협력 통신 방법에 관한 것으로, 송신 노드 및 목적지 노드간 데이터 통신을 중계할 최적의 도움 노드를 선정하여 협력 통신을 수행하는 방법에 관한 것이다.
지금까지 연구된 협력통신용 MAC 프로토콜에 대한 연구는 대부분 IEEE 802.11 wireless LAN 표준에 기반을 두고 수행되었다. 이와 같은 협력통신기법에서는 핵심적인 역할을 담당하고 있는 도움노드를 선정하는 방법이 매우 중요한 사항이다.
이때, 송신 노드가 협력통신에 사용할 도움노드를 결정하는 시점에 따라 사전 선정기법과 사후 선정기법으로 분류한다. 즉, 송신 노드에서 전송할 데이터 패킷이 발생하였을 때 시점을 기준으로 도움노드가 이미 선정되어 있으면 사전 선정기법에 해당하며, RTS/CTS 프레임 교환과정 이후에 도움노드를 찾는 절차를 시작하면 사후 선정기법에 해당된다.
종래의 협력통신에 대한 초기 연구의 대부분은 사전 선정 기법을 사용하고 있는데, 이 기법은 복잡하여 망부하 증가를 야기시키며, 시간에 따라 채널 특성이 변하는 무선채널에서 사전에 이미 설정해놓은 도움노드가 데이터 프레임을 전송하는 시점에서는 이미 최적 도움노드가 아닐 수 있다는 문제점을 갖는다. 이에, 상기 문제점을 해결하고자 RTS/CTS 프레임 교환 이후에 최적의 도움노드를 찾는 사후 선정기법에 대한 연구가 진행되고 있다.
특히, 저자 H. Shan 의 “Cross-layer cooperative MAC protocol in distributed wireless networks,”에는 사후 선정기법을 사용하는 협력통신용 MAC 프로토콜을 제안하고 있는데, 도움 노드 선정을 위해 각 도움 노드의 전송 속도 정보를 이용하여 도움 노드를 선정하는 방법을 제안하고 있다.
하지만, 상기 논문에서 제안한 도움 노드 선정 방법은 채널 전송 속도를 이용하여 계산되는 CCTR(Composite Cooperative Transmission Rate) 값을 활용하는데, IEEE 802.11b 무선랜 표준에 따르면 전송속도는 1, 2, 5.5, 11 Mbps 네 가지만 사용할 수 있어 결론적으로 제한된 CCTR 값만을 활용하여 도움 노드를 선정하게 된다.이에 따라 도움 노드 경쟁에 참여하는 후보 노드의 수가 증가할수록 동일한 CCTR 값을 보유한 도움 노드끼리 경쟁할 확률이 증가하여 도움 노드 선정이 실패할 가능성이 높아지는 문제점이 있었다.
또한, 상기 논문에서 제안한 도움 노드 선정 방법은 첫번째 단계 뿐만 아니라 두번째 단계에서도 통화중 신호(Busy signal)를 활용하여 도움 노드를 선정하기 때문에 무선 자원의 오버헤드를 발생시키는 문제점이 있었다.
대한민국 등록 제 10-1038804호
H. Shan, "Cross-layer cooperative MAC protocol in distributed wireless networks," IEEE Trans. on Wireless Commun., vol 10, no. 8, pp. 2603-2615, August 2011.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로, 협력 통신을 위한 도움 노드 선정 과정에서 발생가능한 오버헤드를 감소시킬 수 있는 협력 통신 방법을 제공하고자 한다.
또한, 본 발명은 종래 대비 시스템 처리량을 증가시킬 뿐만 아니라 채널 액세스 지연 시간을 감소시킬 수 있는 협력 통신 방법을 제공하고자 한다.
본 발명의 일 측면에 따른 무선 통신에서 도움 노드 선정을 통한 협력 통신 방법에 있어서, (A) 송신 노드는 목적지 노드로 협력송신요구(CRTS) 신호를 전달하고, 상기 목적지 노드는 협력송신요구 신호에 응답하여 협력수신준비완료(CCTS) 신호를 상기 송신 노드로 전달하는 단계; (B) 적어도 하나 이상의 후보 노드가 상기 협력송신요구 신호 및 협력수신준비완료 신호를 엿듣는 단계; (C) 상기 적어도 하나 이상의 후보 노드가 상기 (B) 단계에서 엿들은 신호들을 이용하여 협력통신 참여 여부를 결정하고, 참여결정시 참여 신호를 전송하는 단계; (D) 상기 (C) 단계에서 참여 신호를 전송한 후보 노드의 수신 전력값을 이용하여 하나의 후보 노드를 도움 노드로 선정하는 단계; 및 (E) 상기 송신 노드 및 목적지 노드는 상기 (D) 단계를 통해 선정된 도움 노드를 통해 협력통신을 하는 단계;를 포함한다.
이때, 상기 (A) 내지 (E) 단계를 통해서 도움 노드를 선정하지 못한 경우, (F)상기 송신 노드 및 목적지 노드간 직접통신을 수행하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 (C) 단계는, (C-1) 상기 협력수신준비완료 신호로부터 송신 노드 및 목적지 노드 간 직접통신시 제1 전송속도 정보를 추출하는 단계; (C-2) 상기 협력송신요구 신호를 수신하여 측정된 수신 전력값을 이용하여 상기 송신 노드 및 각 후보 노드간 제2 전송속도를 계산하고, 상기 협력수신준비완료 신호를 수신하여 측정된 수신 전력값을 이용하여 각 후보 노드 및 상기 목적지 노드간 제3 전송속도를 계산하는 단계; (C-3) 상기 제1 전송 속도, 제2 전송 속도 및 제3 전송 속도 정보를 이용하여 각 후보 노드의 협력통신 참여 여부를 결정하는 단계; 및 (C-4) 협력통신에 참여하기로 결정한 후보 노드가 참여 신호를 전송하는 단계;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 (C-3) 단계는, (C-3-1) 상기 제1 전송 속도 정보를 이용하여 상기 송신 노드 및 목적지 노드 간 제1 실효 전송 속도를 계산하는 단계; (C-3-2) 상게 제2 전송 속도 및 제3 전송 속도 정보를 이용하여 각 후보 노드를 포함한 협력통신시 제2 실효 전송 속도를 계산하는 단계; 및 (C-3-3) 각 후보 노드들은 상기 제2 실효 전송 속도와 제1 실효 전송 속도의 크기를 비교하여 협력통신 참여 여부를 결정하는 단계;를 포함할 수 있다.
또한, (D-1) 상기 (C) 단계에서 참여 신호를 전송한 의 수신 전력값을 이용하여 적어도 하나 이상의 제1 후보 도움 노드를 선정하는 제1 선정 단계; (D-2) 상기 (D-1) 단계에서 복수 개의 제1 후보 도움 노드가 선정된 경우, 상기 제1 후보 도움 노드들의 수신 전력값을 이용하여 적어도 하나 이상의 제2 후보 도움 노드를 선정하는 제2 선정 단계; (D-3) 상기 (D-2) 단계에서 복수 개의 제2 후보 도움 노드가 선정된 경우, 확률적으로 상기 제2 후보 도움 노드들 중 하나의 제3 후보 도움 노드를 선정하는 제3 선정 단계; 및 (D-4) 상기 (D-1) 내지 (D-3) 단계를 통해 하나의 후보 노드가 선정된 경우, 상기 하나의 후보 노드를 도움 노드로 선정하는 단계;를 포함할 수 있다.
구체적으로, 상기 (D-1) 단계는, (D-1-1) 참여 신호를 전송한 후보 노드가 각 후보 노드의 수신 전력값에 대응되는 BI 슬롯을 결정하는 단계; (D-1-2) 상기 각 후보 노드가 각 후보 노드에 할당되는 BI 슬롯에서 BI 신호를 전송하되, 자신의 BI 슬롯에 앞서 BI 신호를 전송하는 다른 후보 노드가 있는 경우에는 BI신호를 전송하지 않는 단계; 및 (D-1-3) 상기 (D-1-2) 단계에서 BI 신호를 전송한 후보 노드를 제1 후보 도움 노드로 선정하는 단계;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 BI 신호는 Busy 신호가 적용될 수 있다.
또한, 상기 (D-2) 단계는, (D-2-1) 상기 (D-1) 단계에서 복수 개의 제1 후보 도움 노드가 선정된 경우, 상기 복수 개의 제1 후보 도움 노드들이 각 제1 후보 도움 노드의 수신 전력값에 대응되는 CI 슬롯을 결정하는 단계; (D-2-2) 상기 각 제1 후보 도움 노드들이 각 제1 후보 도움 노드에 할당되는 CI 슬롯에서 CI 신호를 전송하되, 자신의 CI 슬롯에 앞서 CI 신호를 전송하는 다른 제1 후보 도움 노드가 있는 경우에는 CI신호를 전송하지 않는 단계; 및 (D-2-3) 상기 (D-2-2) 단계에서 CI 신호를 전송한 제1 후보 도움 노드를 제2 후보 도움 노드로 선정하는 단계;를 포함할 수 있다.
이때, 상기 CI 신호는 RTH 프레임이 적용될 수 있다.
또한, 상기 (D-3) 단계는, (D-3-1) 상기 (D-2) 단계에서 복수 개의 제2 후보 도움 노드가 선정된 경우, 상기 복수 개의 제2 후보 도움 노드들이 각각 1 부터 K 사이에서 임의의 자연수 값을 생성하는 단계; (D-3-2) 상기 각 제2 후보 도움 노드들이 상기 (D-3-1) 단계에서 생성한 자연수에 대응되는 미니 슬롯을 통해 RTH(Ready To Help) 프레임을 전송하되, 자신의 미니 슬롯에 앞서 RTH 프레임를 전송하는 다른 제2 후보 도움 노드가 있는 경우에는 RTH 프레임 신호를 전송하지 않는 단계; 및 (D-3-3) 상기 (D-3-2) 단계에서 RTH 프레임을 전송한 후보 노드를 도움 노드로 선정하는 단계;를 포함할 수 있다.
(단, K는 1보다 큰 자연수)
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 협력 통신 방법은 협력 통신을 위한 도움 노드 선정 과정에서 발생가능한 오버헤드를 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
또한, 협력 통신 방법에 있어 종래 대비 시스템 처리량을 증가시킬 뿐만 아니라 채널 액세스 지연 시간을 감소시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법을 나타낸 흐름도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도움 노드 선정의 동작 절차를 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법의 송신 노드 개수 변화에 따른 시스템 처리량을 종래의 도움 노드 선정 기법과 비교한 그래프,
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법의 도움 노드 개수 변화에 따른 시스템 처리량을 종래의 도움 노드 선정 기법과 비교한 그래프,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법의 송신 노드 개수 변화에 따른 채널 액세스 지연시간을 종래의 도움 노드 선정 기법과 비교한 그래프, 및
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법의 도움 노드 개수 변화에 따른 채널 액세스 지연시간을 종래의 도움 노드 선정 기법과 비교한 그래프이다.
본 발명은 다양한 변환을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부한 도면들을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 통신 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 협력 통신 방법은 (A) 송신 노드는 목적지 노드로 협력송신요구(CRTS) 신호를 전달하고, 상기 목적지 노드는 협력송신요구 신호에 응답하여 협력수신준비완료(CCTS) 신호를 상기 송신 노드로 전달하는 단계; (B) 적어도 하나 이상의 후보 노드가 상기 협력송신요구 신호 및 협력수신준비완료 신호를 엿듣는 단계; (C) 상기 적어도 하나 이상의 후보 노드가 상기 (B) 단계에서 엿들은 신호들을 이용하여 협력통신 참여 여부를 결정하고, 참여결정시 참여 신호를 전송하는 단계; (D) 상기 (C) 단계에서 참여 신호를 전송한 후보 노드의 수신 전력값을 이용하여 하나의 후보 노드를 도움 노드로 선정하는 단계; 및 (E) 상기 송신 노드 및 목적지 노드는 상기 (D) 단계를 통해 선정된 도움 노드를 통해 협력통신을 하는 단계;를 포함한다. 이때, 상기 (A) 내지 (E) 단계를 통해서 도움 노드를 선정하지 못한 경우, (F)상기 송신 노드 및 목적지 노드간 직접통신을 수행하는 단계;를 더 포함할 수 있다.
먼저, 송신 노드는 전송하고자 하는 패킷이 있을 경우 협력송신요구(Cooperative Request To Send, 이하 CRTS라 함) 신호를 목적지 노드로 전달하고, 상기 CRTS 신호를 성공적으로 수신한 목적지 노드는 이에 대한 응답으로 협력수신준비완료(Cooperative Clear To Send, 이하 CCTS라 함) 신호를 상기 송신 노드로 전송한다(S110). 이때, 목적지 노드는 상기 송신 노드가 전송한 CRTS 신호를 수신하면서 측정한 수신 전력을 기반으로 송신 노드와 목적지 노드가 직접 통신할 경우 사용할 수 있는 전송속도 정보를 CCTS 신호에 포함시켜 전송한다.
상기 송신 노드 및 목적지 노드와 인접하게 위치한 통신 노드 중에서 협력통신에 참여할 준비가 되어 있는 후보 노드들은 송신 노드 및 목적지 노드가 각각 전송한 CRTS 및 CCTS 신호를 엿듣는다(S120).
이와 동시에, 상기 후보 노드는 상기 CRTS 및 CCTS 신호 수신시 측정한 수신 전력 값을 이용하여 상기 송신 노드 및 목적지 노드간 협력 통신에 참여할 지 여부를 결정한다(S130).
구체적으로, 상기 후보 노드는 상기 CCTS 신호로부터 상기 송신 노드 및 목적지 노드간 직접통신시 사용할 수 있는 전송속도 정보(이하, 제1 전송속도라고 함)를 추출한다. 이와 동시에, 상기 후보 노드는 상기 CRTS 및 CCTS 신호를 수신하면서 측정한 각각의 수신 전력 값을 이용하여 상기 후보 노드가 송신 노드 또는 목적지 노드와 각각 통신할 경우에 사용할 수 있는 전송속도(이하, 각각의 전송속도를 제2 전송속도 및 제3 전송속도라고 함)를 계산한다.
상기와 같은 방법을 통해 획득된 전송속도 정보를 이용하여 상기 후보 노드는 송신 노드 및 목적지 노드간의 협력통신에 참여할지를 결정한다. 본 발명에 적용가능한 실시예에서 각 후보 노드는 상기 전송속도 정보들을 이용하여 송신 노드가 상기 후보 노드를 거쳐 목적지 노드까지 2-홉 통신을 할 때 지원 가능한 제1 실효 전송속도 값과 상기 송신 노드와 목적지 노드가 직접 통신할 때 지원할 수 있는 제2 실효 전송속도 값을 획득하고, 상기 값들을 비교하여 협력통신에의 참여 여부를 결정할 수 있다.
이때, 상기 실효 전송속도 값은 하기의 수학식 1에 의해 계산될 수 있다.
Figure 112013054829590-pat00001
이때, W 는 DATA 프레임의 비트단위 크기를, TO 와 TP 는 각각 오버헤더와 DATA 프레임을 전송하는데 소요되는 시간을 의미한다. 또한, TACK 은 ACK 프레임을 전송하는데 소요되는 시간을 의미하며, NBI, NCI는 하기에 설명할 BI 슬롯 및 CI 슬롯의 개수를 의미한다. 또한, Tslot은 슬롯 시간을 의미하며, TSIFS는 짧은 프레임간 간격(Short InterFrame Space) 시간을, TRTH는 RTH 프레임 전송 시간을, R1은 송신 노드와 목적지 노드가 직접통신(상기 수학식 1에서는 S-D로 표시)을 할 경우 가능한 전송속도를, Rsh, Rhd는 각각 송신 노드(S)와 도음 노드(H) 간, 도움 노드(H)와 목적지 노드(D) 간 통신할 때 전송 가능한 전송속도를 의미한다.
본 발명에 적용가능한 실시예에서 상기 후보 노드는 상기 수학식 1을 통해 계산된 협력통신시 실효 전송속도 값이 직접통신시 실효 전송속도 값보다 큰 경우, 상기 송신 노드 및 목적지 노드간 협력 통신에 참여하기 위해 참여 신호를 전송한다(S140). 왜냐하면, 상기의 경우에는 송신 노드가 목적지 노드로 DATA 프레임을 직접 전송하는 것보다 상기 후보 노드를 이용한 협력통신 방식으로 DATA 프레임을 전송하는 것이 효율적이기 때문이다.
이후, 상기 S140 단계를 통해 참여 신호를 전송한 후보 노드 각각의 수신 전력값을 이용하여 최적의 도움 노드를 하나 선정한다(S150). 본 발명에 적용가능한 실시예에서 상기 도움 노드를 선정하는 방법은 최대 3단계로 구성될 수 있으며, 상기 복수 개의 후보 노드들 중 단일의 도움 노드를 선정하기 위해 각 단계는 순차적으로 진행될 수 있다. 구체적으로는, 먼저, 제1 선정 단계에서는 상기 후보 노드 중 제1 후보 도움 노드를 선별하고, 이어지는 제2 선정 단계에서는 상기 선별된 제1 후보 도움 노드들로 한정된 그룹 내에서 제2 후보 도움 노드를 선별하게 된다. 만약 제2 선정 단계를 통해서도 단일의 도움 노드가 선정되지 않은 경우(선별된 제2 후보 도움 노드가 복수 개인 경우)에는 재차 이어지는 제3 선정 단계를 통해 상기 선별된 제2 후보 도움 노드들 중에서 하나의 후보 노드를 도움 노드로 선정하게 된다.
이하, 상기 각 단계들을 구체적으로 설명한다.
먼저, 상기 S140 단계를 통해 참여 신호를 전송한 후보 노드는 자신들의 수신 전력 값을 이용하여 다른 후보 노드들과 제1 선정 단계를 통해 경쟁할 수 있다(S151). 이하, 상기 제1 선정 단계에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 제1 선정 단계에서 경쟁하는 각 후보 노드들은 자신의 수신 전력값을 이용하여 각자의 BI 슬롯을 선정한다. 본 발명에서는 각자의 BI 슬롯을 선정하기 위하여 하기의 수학식 2를 활용한다.
Figure 112013054829590-pat00002
이때, Pr은 각 후보 노드에서 측정한 수신 전력값의 크기를 의미한다.
각 후보 노드는 상기와 같은 방법을 통해 제1 활용값(yi)을 획득한다. 또한, 기준 수신 전력값을 상기 수학식 2에 적용하여 Xmin, Xmax 값을 결정할 수 있으며, 상기 Xmax 값은 협력통신에 참여할 수 있는 후보 노드의 최저 조건에 의해 결정될 수 있다.
이때, 각 후보 노드는 Xmin ~ Xmax 구간을 미리 설정된 BI 슬롯의 개수만큼 균일하게 나누고, 각 후보 노드들은 자신들의 제1 활용값이 몇번째 BI 슬롯에 해당되는지를 판별한다. 일 예로, BI 슬롯의 개수가 3개인 경우 Xmin ~ Xmax 구간은 Xmin ~ X1, X1 ~ X2, X2 ~ Xmax 구간으로 나눌 수 있다. 이때, 특정 후보 노드의 제1 활용값이 Xmin 값과 X1 값의 사이에 위치하는 경우, 상기 후보 노드는 첫번째 BI 슬롯을 자신의 BI 슬롯으로 선정할 수 있다.
이후, 각 후보 노드는 각자에게 할당된 BI 슬롯에서 BI 신호를 전송한다. 이때, 각 후보 노드들은 BI 신호를 전송함과 동시에 다른 후보 노드들이 BI 신호를 전송하고 있는지 감지할 수 있다. 이에, 각 후보 노드는 각자에게 할당된 BI 슬롯보다 선행하여 BI 신호를 전송한 노드가 없는 경우에만 상기 후보 노드는 BI 신호를 전송한다.
본 발명에 적용가능한 바람직한 실시예에서 상기 BI 신호로는 Busy 신호가 적용될 수 있다. 상기 Busy 신호는 단일 톤 정현파(sinusoidal) 신호로, Busy 신호인 BI 신호를 송신과 동시에 감지하는 기술 구성은 저렴한 비용으로 간단하게 구현할 수 있다.
이와 같은 제1 선정 단계를 통해 단일의 후보 노드가 선정된 경우에는 상기 후보 노드를 도움 노드로 선정한다. 반면, 상기 제1 선정 단계를 통해서도 복수 개의 후보 노드가 선정된 경우에는 다음의 제2 선정 단계(또는, 제2 선정 단계 및 제3 선정 단계)를 통해 도움 노드를 선정한다.
제2 선정 단계에서는 상기 선별된 제1 후보 도움 노드들로 한정된 그룹 내에서 제2 후보 도움 노드를 선별하게 된다. 만약 제2 선정 단계를 통해서도 단일의 도움 노드가 선정되지 않은 경우(선별된 제2 후보 도움 노드가 복수 개인 경우)에는 재차 이어지는 제3 선정 단계를 통해 상기 선별된 제2 후보 도움 노드들 중에서 하나의 후보 노드를 도움 노드로 선정하게 된다.
먼저, 상기 S151 단계의 제1 후보 도움 노드 선정 단계와 유사하게 제1 후보 도움 노드는 자신들의 수신 전력 값을 이용하여 다른 제1 후보 도움 노드들과 제2 선정 단계를 통해 경쟁할 수 있다(S152). 이하, 상기 제2 선정 단계에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 제2 선정 단계에서 경쟁하는 각 제1 후보 도움 노드들은 자신의 수신 전력값을 이용하여 각자의 CI 슬롯을 선정한다. 본 발명에서는 각자의 CI 슬롯을 선정하기 위하여 하기의 수학식 3을 활용한다.
Figure 112013054829590-pat00003
이때, Pr은 각 제1 후보 도움 노드에서 측정한 수신 전력값의 크기를 의미한다.
각 제1 후보 도움 노드는 상기와 같은 방법을 통해 제2 활용값(yi')을 획득한다.
이때, 각 제1 후보 도움 노드는 CI 슬롯의 최소값(Xmin') 및 최대값(Xmax')을 상기 제1 후보 도움 노드가 포함되었던 BI 슬롯의 최소값 및 최대값으로 할 수 있다. 일 예로, 상기 실시예와 같이 BI 슬롯은 총 3개로 구성되고, 이 중 2번째 BI 슬롯(X1 ~ X2)에 속한 복수 개의 후보 노드들이 제1 후보 도움 노드로 선정되었다고 하자. 이때, 제1 후보 도움 노드들은 상기 X1 및 X2를 전체 CI 슬롯의 최소값(Xmin') 및 최대값(Xmax')으로 적용할 수 있다.
이어, Xmin' ~ Xmax' 구간을 미리 설정된 CI 슬롯의 개수만큼 균일하게 나누고, 각 제1 후보 도움 노드들은 자신들의 제2 활용값이 몇번째 CI 슬롯에 해당되는지를 판별한다. 일 예로, CI슬롯의 개수가 3개인 경우 Xmin' ~ Xmax' 구간은 Xmin' ~ X1', X1' ~ X2', X2' ~ Xmax' 구간으로 나눌 수 있다. 이때, 특정 제1 후보 도움 노드의 제2 활용값이 Xmin' 값과 X1' 값의 사이에 위치하는 경우, 상기 제1 후보 도움 노드는 첫번째 CI 슬롯을 자신의 CI 슬롯으로 선정할 수 있다.
이후, 각 제1 후보 도움 노드는 각자에게 할당된 CI 슬롯에서 CI 신호를 전송한다. 이때, 제1 후보 도움 노드들은 CI 신호를 전송함과 동시에 다른 제1 후보 도움 노드들이 CI 신호를 전송하고 있는지 감지할 수 있다. 이에, 각 제1 후보 도움 노드는 각자에게 할당된 CI 슬롯보다 선행하여 CI 신호를 전송한 노드가 없는 경우에만 상기 제1 후보 도움 노드는 CI 신호를 전송한다.
본 발명에 적용가능한 바람직한 실시예에서 상기 CI 신호로는 RTH(Ready-To-Help) 프레임이 적용될 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 협력 통신 방법은 Busy 신호인 BI 신호를 전송하는 것과 달리 RTH 프레임을 직접 전송한다. 이를 통해 제1 후보 도움 노드들간 경쟁 과정에서 발생하는 오버헤드를 줄일 수 있다.
이와 같은 제2 선정 단계를 통해 단일의 후보 노드가 선정된 경우에는 상기 후보 노드를 도움 노드로 선정한다. 반면, 상기 제2 선정 단계를 통해서도 복수 개의 제2 후보 도움 노드가 선정된 경우에는 이어지는 제3 선정 단계를 통해 도움 노드를 선정한다.
제3 선정 단계 또한, 선별된 제2 후보 도움 노드들로 한정된 그룹 내에서 제3 후보 도움 노드를 선별하게 된다. 제3 선정 단계에서는 확률적으로 상기 제2 후보 도움 노드들 중 제3 후보 도움 노드를 선정한다(S153). 이하, 상기 제3 선정 단계에 대하여 구체적으로 설명한다.
먼저, 제2 후보 도움 노드들은 각각 1부터 K 사이의 임의의 자연수를 생성한다. 이때, 상기 K 값으로는 1보다 큰 자연수가 적용될 수 있으며, 일 예로는 K 값으로 4가 적용될 수 있다.
이후, 제2 후보 도움 노드들은 각각 생성한 자연수에 대응되는 미니 슬롯을 통해 RTH 프레임을 전송하게 된다. 바람직하게는, 상기 미니 슬롯의 개수는 K 개가 적용될 수 있으며, 각 제2 후보 도움 노드들은 자신에게 해당되는 미니 슬롯을 통해 RTH 프레임을 전송할 수 있다.
이때, 각 제2 후보 도움 노드는 자신의 미니 슬롯에 앞서 RTH 프레임을 전송하는 다른 제2 후보 도움 노드가 있는지를 검사하고, 이러한 제2 후보 도움 노드가 있는 경우에는 RTH 프레임 신호를 전송하지 않는다. 이와 같이, 불필요한 메시지 전송을 미연에 방지함으로써 발생가능한 오버헤드를 감소시킬 수 있다.
이와 같은 방법을 통해, RTH 프레임을 전송한 제2 후보 도움 노드는 제3 후보 도움 노드로 선정될 수 있다.
S151 내지 S153 단계를 통해 최적의 도움 노드가 선정된 경우, 송신 노드 및 목적지 노드는 상기 도움 노드를 통해 협력 통신을 수행한다(S160). 구체적으로, 상기 S153 단계를 통해 선정된 제3 후보 도움 노드가 일전에 전송한 RTH 프레임에 대한 응답으로 송신 노드로부터 DATA 프레임을 수신한 경우, 상기 제3 후보 도움 노드는 송신 노드 및 목적지 노드의 도움 노드로써 협력 통신을 수행하게 된다. 이때, RTH 프레임은 반 이중 방식으로 동작하기 때문에 상기 제3 후보 도움 노드가 송신 노드로부터 DATA 프레임을 수신하는지 여부는 SIFS 시간 이후 DATA 프레임을 수신하는지 여부를 판단하게 된다.
또한, 제3 후보 도움 노드가 전송한 RTH 프레임의 헤더에는 상기 제3 후보 도움 노드가 송신 노드 및 목적지 노드와 안전하게 통신할 수 있는 최적의 전송속도 값 Rsh, Rhd 정보가 포함될 수 있다. 이에 따라, 상기 제3 후보 도움 노드가 도움 노드로 선정된 경우, 송신 노드는 도움 노드에게 DATA 프레임을 Rsh 전송속도로 전송하며, 도움 노드는 수신한 DATA 프레임을 Rhd 전송 속도로 목적지 노드로 전송하게 된다. 목적지 노드가 DATA 프레임을 도움 노드로부터 성공적으로 수신하게 되면, 상기 목적지 노드는 ACK 프레임을 송신 노드로 직접 전송함으로써 DATA 프레임의 전송이 성공적으로 수행되었음을 알리게 된다.
반면, 상기 S151 내지 S153 단계를 통해 최적의 도움 노드가 선정되지 않은 경우, 송신 노드는 협력 통신 방식을 포기하고 목적지 노드로 직접 DATA 프레임을 전송할 수 있다(S170). 즉, 상기 송신 노드는 협력 통신 방식이 아닌 목적지 노드와의 직접 통신 방식을 통해 DATA 프레임을 송수신하게 된다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 도움 노드 선정의 동작 절차를 나타낸 도면이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 송신 노드 및 목적지 노드는 후보 노드들(Helper1, Helper2) 중 Helper1을 최적의 도움 노드로 선정할 수 있다. 즉, BI 슬롯을 활용하는 제1 선정 단계, CI 슬롯을 활용하는 제2 선정 단계 및 K Mini-slot을 활용하는 제3 선정 단계를 통해 최적의 도움 노드로서 Helper1을 선정할 수 있다.
도 2의 경우, 제1 내지 제3 선정 단계를 모두 수행한 결과 특정 도움 노드가 선정되었으나, 본 발명에 적용가능한 실시예에서 제1 내지 제3 선정 단계를 순차적으로 진행하며 중간 단계에서 단일의 도움 노드가 선정된 경우에는 이어지는 선정 단계를 생략하고 상기 도움 노드와 협력 통신을 수행할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법에 대한 실험예를 구체적으로 설명한다.
[실험예]
본 발명에 따른 협력 통신 방법의 성능평가를 위해 다음과 같은 무선 채널 모델을 정의하였다. 먼저, 통신영역의 크기는 100m X 100m 정사각형으로 가정하였으며, 통신영역 내에 모든 통신노드들은 랜덤적으로 독립적으로 움직이는 환경을 고려하였다. 또한 각 통신노드들은 IEEE 802.11b 무선랜(wireless LAN) 표준을 사용하여 통신하며, 통신노드 사이의 거리에 따른 전송속도는 하기의 표 1에 나타낸 값을 사용하였다.
속도 11Mbps 5.5Mbps 2Mbps 1Mbps
거리 48.2m 67.1m 74.7m ≤74.7m
그리고 전송거리와 경로손실과의 관계는 하기의 수학식 4로 표현되는 slow fading 무선 채널 환경을 고려하였다.
Figure 112013054829590-pat00004
상기 수학식 4에서 d0은 기준 거리로 성능평가에서는 캐리어 신호 파장의 2배 값을 사용하였으며, d는 송신 노드와 수신노드 사이의 거리를 의미하며, X
Figure 112013054829590-pat00005
는 slow fading에 따른 신호의 감쇄크기를 나타낸 값으로 평균이 0이고 분산이 11.8 dB인 log-normal 분포를 따른다고 가정하였다.
컴퓨터 모의실험은 C++ 언어를 사용하였으며, Slow fading 무선채널 환경을 모의실험하기 위해 상기 표 2에 나타낸 각 지점에서의 평균 수신 전력을 상기 수학식 5를 사용하여 계산한 뒤(평균은 수학식 5에서 X
Figure 112013054829590-pat00006
=0인 경우에 해당), 이 값을 수신 전력 값으로부터 전송 속도를 결정하는 기준 값으로 사용하였다. 즉, P5.5 r을 5.5Mbps로 송수신하기 위해 필요한 최저 수신 전력이라고 할 때, 해당 노드에서 측정한 수신 전력이 P2 r보다 크고 P5.5 r보다 작으면 2 Mbps로 전송할 수 있음을 의미한다.
통신노드 영역 내에는 송신 노드(source node), 도움노드(helper node), 목적지노드(destination node)가 존재하며, 데이터 프레임은 송신 노드에서 목적지 노드에게 전송되며, 송신 노드와 목적지 노드 쌍(pair)은 고정되어 있고 상호 겹치지 않는다. 해당조건을 만족하는 도움노드는 항상 협력통신에 참여한다고 가정하였다. 또한 최대 시스템 처리량을 계산하기 위해 송신 노드는 전송할 데이터 프레임을 항상 보유하고 있는 Saturated 트래픽 모델을 가정하였다. 성능평가 척도로는 시스템 처리량(throughput)과 평균 채널 액세스 지연 시간 (channel access delay)을 사용하였다. 시스템 처리량은 컴퓨터 모의실험 시간 동안 성공적으로 전송한 데이터 프레임의 총 길이(bits)를 컴퓨터 모의실험 시간으로 나눈 값으로 정의하였고, 채널 액세스 지연 시간은 데이터 프레임을 전송하기 위해 채널 경쟁을 시작하는 시간으로부터 목적지노드로부터 성공적으로 ACK 프레임을 수신하기까지 소요된 평균 지연시간으로 정의하였다. 이하, 본원발명에 따른 협력 통신 방법과 선행문헌(H. Shan 저)에서 제안한 협력통신 MAC 프로토콜과의 성능비교 결과에 대해 설명하기로 한다. 상기 성능평가를 위해 사용한 시스템 파라미터는 하기의 표 2과 같다.
Parameters Values Parameters Values
RTS 160 bits SIFS 10ms
CTS 112 bits DIFS 50ms
RTH 112 bits CWmin 32 slots
ACK 112 bits CWmax 1024 slots
DATA 1024 bytes Basic rate 1 Mbps
Slot time 20ms MAC header 28 bytes
BI(CI) 3(3) K 4
Simulation time 1500 sec
Transmission rate 1, 2, 5.5, 11 Mbps
path loss (n) 3 Transmit power 1 W
carrier freq. 2.4 GHz d0 25 cm
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법의 송신 노드 개수 변화에 따른 시스템 처리량을 종래의 도움 노드 선정 기법과 비교한 그래프이다.
도 3에서는 본 발명에 따른 협력 통신 방법(도 3에서 btmac이라고 표기)과 선행문헌에서 제안한 cross-layer MAC 기법(도 3에서 clmac이라고 표기)에 대해 도움노드 개수가 각각 10개, 20개, 30개일 경우 송신 노드 개수의 변화에 따른 시스템 처리량의 변화를 나타내었다.
상기 도 3을 살펴보면, 본 발명에 따른 협력 통신 방법의 시스템 처리량은 선행문헌 대비 대략 15% 정도 시스템 성능이 개선되었다. 이는 본 발명에 따른 협력 통신 방법이 수신 전력을 사용하여 후보 도움노드간의 경쟁을 잘 처리하였고, CI 슬롯 경쟁에서 Busy 신호를 사용하지 않고 RTH 프레임을 사용하여 직접 경쟁함으로써 후보노드 경쟁 과정에서 발생하는 오버헤드를 줄였기 때문이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법의 도움 노드 개수 변화에 따른 시스템 처리량을 종래의 도움 노드 선정 기법과 비교한 그래프이다.
도 4에서는 본 발명에 따른 협력 통신 방법에 있어 송신 노드 개수가 각각 10개, 20개, 30개인 경우에 대해 도움노드 개수의 변화에 따른 시스템 처리량의 크기를 선행문헌에서 제안한 cross-layer MAC 기법과 비교하여 나타내었다.
상기 도 4를 살펴보면, 도움노드 개수가 대략 10개 이상 30개 이하 범위일 때 시스템 처리량이 상대적으로 큰 것을 알 수 있었다. 성능평가에 사용한 통신영역의 크기를 고려할 때 도움노드 개수가 30여 개인 환경은 사용자의 밀집도가 상당히 높은 것에 해당된다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법의 송신 노드 개수 변화에 따른 채널 액세스 지연시간을 종래의 도움 노드 선정 기법과 비교한 그래프, 및 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신 방법의 도움 노드 개수 변화에 따른 채널 액세스 지연시간을 종래의 도움 노드 선정 기법과 비교한 그래프이다.
먼저 도 5는 도움노드 개수가 각각 10개, 20개, 30개일 때 송신 노드 개수의 변화에 따른 채널 액세스 지연시간의 변화를 나타내었다.
상기 도 5를 살펴보면, 송신 노드 개수가 증가하면 채널 경쟁에 의한 지연 때문에 채널 액세스 지연시간이 선형적으로 증가함을 알 수 있다. 채널 액세스 지연시간은 순수하게 채널 액세스를 위해 소요되는 시간만을 계산하였기 때문에, 버퍼에서 대기하는 시간을 포함한 총 시스템 지연시간은 송신 노드 개수가 증가하면 지수함수 적으로 증가할 것으로 예측할 수 있다.
도 6은 송신 노드의 개수가 각각 10개, 20개, 30개일 경우 도움노드 개수의 변화에 따른 채널 액세스 지연시간의 변화를 나타내었다.
상기 도 6을 살펴보면, 송신 노드 개수가 감소할수록 채널 지연시간이 감소함을 알 수 있는데 이는 송신 노드 개수가 증가하면 채널 액세스 단계에서 충돌확률이 증가하고 채널 상태가 빈번하게 busy 상태가 되기 때문에 채널을 통해 상대적으로 데이터를 전송할 기회가 줄어 들기 때문이다. 도움노드 개수 변화에 따른 채널 액세스 지연시간의 변화는 도 4에 도시된 시스템 처리량 변화의 반대형태로 나타남을 알 수 있는데 이러한 변화는 직관적으로 예측한 것과 동일하다. 다만 도 4에서는 송신 노드 개수 변화에 따른 시스템 처리량 변화가 크지 않았는데 채널 액세스 지연시간은 편차는 크게 나타남을 알 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 무선 통신에서 도움 노드 선정을 통한 협력 통신 방법에 있어서,
    (A) 송신 노드는 목적지 노드로 협력송신요구(CRTS) 신호를 전달하고, 상기 목적지 노드는 협력송신요구 신호에 응답하여 협력수신준비완료(CCTS) 신호를 상기 송신 노드로 전달하는 단계;
    (B) 적어도 하나 이상의 후보 노드가 상기 협력송신요구 신호 및 협력수신준비완료 신호를 수신하는 단계;
    (C) 상기 적어도 하나 이상의 후보 노드가 상기 (B) 단계에서 수신한 신호들을 이용하여 산출되는 송신 노드 및 목적지 노드 간 직접통신시 제1 전송속도 정보, 상기 송신 노드 및 각 후보 노드간 제2 전송속도 정보, 각 후보 노드 및 상기 목적지 노드간 제3 전송속도 정보에 기반하여 협력통신 참여 여부를 결정하고, 참여결정시 참여 신호를 전송하는 단계;
    (D) 상기 (C) 단계에서 참여 신호를 전송한 후보 노드의 수신 전력값을 이용하여 하나의 후보 노드를 도움 노드로 선정하는 단계; 및
    (E) 상기 송신 노드 및 목적지 노드는 상기 (D) 단계를 통해 선정된 도움 노드를 통해 협력통신을 하는 단계;를 포함하고,
    상기 (C) 단계는,
    (C-1) 상기 협력수신준비완료 신호로부터 송신 노드 및 목적지 노드 간 직접통신시 제1 전송속도 정보를 추출하는 단계;
    (C-2) 상기 협력송신요구 신호를 수신하여 측정된 수신 전력값을 이용하여 상기 송신 노드 및 각 후보 노드간 제2 전송속도를 계산하고, 상기 협력수신준비완료 신호를 수신하여 측정된 수신 전력값을 이용하여 각 후보 노드 및 상기 목적지 노드간 제3 전송속도를 계산하는 단계;
    (C-3) 상기 제1 전송 속도, 제2 전송 속도 및 제3 전송 속도 정보를 이용하여 각 후보 노드의 협력통신 참여 여부를 결정하는 단계; 및
    (C-4) 협력통신에 참여하기로 결정한 후보 노드가 참여 신호를 전송하는 단계;를 포함하고,
    상기 (D) 단계는,
    (D-1) 상기 후보 노드의 수신 전력값을 이용하여 슬롯을 구분하고, 구분된 슬롯 중 가장 빠른 슬롯을 이용하여 BI 신호를 전송한 적어도 하나 이상의 제1 후보 도움 노드를 선정하는 제1 선정 단계;
    (D-2) 상기 (D-1) 단계에서 복수 개의 제1 후보 도움 노드가 선정된 경우, 상기 제1 후보 도움 노드들의 수신 전력값을 이용하여 구분된 슬롯 중 가장 빠른 슬롯을 이용하여 CI 신호를 전송한 적어도 하나 이상의 제2 후보 도움 노드를 선정하는 제2 선정 단계;
    (D-3) 상기 (D-2) 단계에서 복수 개의 제2 후보 도움 노드가 선정된 경우, 각 제2 후보 도움 노드는 복수 개로 구분되는 타임 슬롯 중 어느 하나의 타임 슬롯을 선택하여 상기 CI 신호를 전송하고, 이중 가장 빠른 슬롯을 이용하여 CI 신호를 전송한 제3 후보 도움 노드로 선정하는 제3 선정 단계; 및
    (D-4) 상기 (D-1) 내지 (D-3) 단계를 통해 하나의 후보 도움 노드가 선정된 경우, 상기 하나의 후보 도움 노드를 도움 노드로 선정하는 단계;를 포함하고,
    상기 BI 신호는 Busy 신호이고,
    상기 CI 신호는 RTH 프레임인 협력 통신 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 (A) 내지 (E) 단계를 통해서 도움 노드를 선정하지 못한 경우,
    (F)상기 송신 노드 및 목적지 노드간 직접통신을 수행하는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 협력 통신 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 (C-3) 단계는,
    (C-3-1) 상기 제1 전송 속도 정보를 이용하여 상기 송신 노드 및 목적지 노드 간 제1 실효 전송 속도를 계산하는 단계;
    (C-3-2) 상게 제2 전송 속도 및 제3 전송 속도 정보를 이용하여 각 후보 노드를 포함한 협력통신시 제2 실효 전송 속도를 계산하는 단계; 및
    (C-3-3) 각 후보 노드들은 상기 제2 실효 전송 속도와 제1 실효 전송 속도의 크기를 비교하여 협력통신 참여 여부를 결정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 협력 통신 방법.
  5. 삭제
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 (D-1) 단계는,
    (D-1-1) 참여 신호를 전송한 후보 노드가 각 후보 노드의 수신 전력값에 대응되는 BI 슬롯을 결정하는 단계;
    (D-1-2) 상기 각 후보 노드는 각 후보 노드에 할당되는 BI 슬롯에서 BI 신호를 전송하되, 자신의 BI 슬롯에 앞서 BI 신호를 전송하는 다른 후보 노드가 있는 경우에는 BI신호를 전송하지 않는 단계; 및
    (D-1-3) 상기 (D-1-2) 단계에서 BI 신호를 전송한 후보 노드를 제1 후보 도움 노드로 선정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 협력 통신 방법.
  7. 삭제
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 (D-2) 단계는,
    (D-2-1) 상기 (D-1) 단계에서 복수 개의 제1 후보 도움 노드가 선정된 경우, 상기 복수 개의 제1 후보 도움 노드들이 각 제1 후보 도움 노드의 수신 전력값에 대응되는 CI 슬롯을 결정하는 단계;
    (D-2-2) 상기 각 제1 후보 도움 노드들이 각 제1 후보 도움 노드에 할당되는 CI 슬롯에서 CI 신호를 전송하되, 자신의 CI 슬롯에 앞서 CI 신호를 전송하는 다른 제1 후보 도움 노드가 있는 경우에는 CI신호를 전송하지 않는 단계; 및
    (D-2-3) 상기 (D-2-2) 단계에서 CI 신호를 전송한 제1 후보 도움 노드를 제2 후보 도움 노드로 선정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 협력 통신 방법.
  9. 삭제
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 (D-3) 단계는,
    (D-3-1) 상기 (D-2) 단계에서 복수 개의 제2 후보 도움 노드가 선정된 경우, 상기 복수 개의 제2 후보 도움 노드들이 각각 1 부터 K 사이에서 임의의 자연수 값을 생성하는 단계;
    (D-3-2) 상기 각 제2 후보 도움 노드들이 상기 (D-3-1) 단계에서 생성한 자연수에 대응되는 미니 슬롯을 통해 RTH(Ready To Help) 프레임을 전송하되, 자신의 미니 슬롯에 앞서 RTH 프레임를 전송하는 다른 제2 후보 도움 노드가 있는 경우에는 RTH 프레임 신호를 전송하지 않는 단계; 및
    (D-3-3) 상기 (D-3-2) 단계에서 RTH 프레임을 전송한 후보 노드를 제3 후보 도움 노드로 선정하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 협력 통신 방법.
    (단, K는 1보다 큰 자연수)
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR20090057051A (ko) * 2006-09-29 2009-06-03 코닌클리케 필립스 일렉트로닉스 엔.브이. 협력적 ｍａｃ 프로토콜에서의 자동 파트너 선택
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