KR101500242B1

KR101500242B1 - Ieee 802.11 무선랜에서의 업링크와 다운링크의 공정성을 위한 컨텐션 윈도우 분배 시스템

Info

Publication number: KR101500242B1
Application number: KR20130164347A
Authority: KR
Inventors: 전경구
Original assignee: 인천대학교 산학협력단
Priority date: 2013-12-26
Filing date: 2013-12-26
Publication date: 2015-03-06

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 컨텐션 윈도우 분배 시스템은 IEEE 802.11을 이용한 무선망에 있어서, 컨텐션 윈도우 내에서 임의의 슬롯을 선택하여 해당 시간 내에 데이터 프레임을 전송하는 액세스 포인트 및 스테이션과, 채널에 의한 패킷 오류 비율을 고려하여 상기 컨텐션 윈도우 사이즈를 조정하는 컨텐션 윈도우 설정 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

IEEE 802.11 무선랜에서의 업링크와 다운링크의 공정성을 위한 컨텐션 윈도우 분배 시스템{SYSTEM FOR DISTRIBUTING CONTENTION WINDOW FOR FAIRNESS UPLINK AND DOWNLINK IN IEEE 802.11 WIRELAN}

본 발명은 802.11 DCF(Distributed Coordination Function)의 채널 오류를 고려하면서 액세스 포인트의 컨텐션 윈도우 분배를 통해 업링크 및 다운링크 간의 공정성을 기할 수 있는 기술에 관한 것이다.

휴대용 컴퓨터의 보급이 확산되면서 근거리통신망(LAN)에 이를 무선으로 연결하고자 하는 필요성이 증대되었으며, 따라서 무선 근거리 통신망(WLAN) 분야가 급속하게 발전하고 있다.

IEEE 802.11 무선랜에서의 업링크와 다운링크 플로우간의 공정성을 위해 기존 연구에서는 액세스 포인트의 최소 컨텐션 윈도우 값을 단말의 최소 컨텐션 윈도우 값보다 작게 설정하여 무선랜에서의 업링크와 다운링크 트래픽 간의 공평한 채널 사용을 보장하고자 하였다.

이러한 기존의 무선 근거리 통신 방식이 충돌만을 고려하였다면, 본 발명에서 제안하는 기법은 패킷 오류에서부터 나쁜 채널 환경까지 고려한다. Markov 체인 프로세스를 기반한 복잡한 분석 모델을 대신하여, 평균치 분석을 기반으로 한 심플한 모델을 제안한다. 이것은 802.11 DCF에서 동작하고, TXOP에는 적용되지 않는다. 동작 평가는 제안한 기법이 에러 상황에서도 전체 처리량의 감소없이 공정성을 성취하는 것을 보여준다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 그 목적은 802.11 무선랜의 DCF(Distributed Coordination Function)가 채널 오류 상황을 고려하면서 업링크와 다운링크 흐름 간의 공정성을 보장하게 하는데 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 실시예에 따른 컨텐션 윈도우 분배 시스템은 IEEE 802.11을 이용한 무선망에 있어서, 컨텐션 윈도우 내에서 임의의 슬롯을 선택하여 해당 시간 내에 데이터 프레임을 전송하는 액세스 포인트 및 스테이션과, 채널에 의한 패킷 오류 비율을 고려하여 상기 컨텐션 윈도우 사이즈를 조정하는 컨텐션 윈도우 설정 수단을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 무선랜에서의 업/다운링크의 공정성을 위한 컨텐션 윈도우 분배 시스템에 의하면, 충돌뿐만 아니라 채널 오류 상황까지 고려하여 업링크 및 다운링크의 공정성을 구현할 수 있다.

도 1은 시뮬레이션의 네트워크 환경을 나타내는 도면.
도 2a 내지 도 2d는 본 발명의 실시 예에 따라 업링크/다운링크 처리량 비율과 총 처리량을 보여주는 그래프.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명함으로써, 본 발명의 무선랜에서의 업/다운링크의 공정성을 위한 컨텐션 윈도우 분배 시스템을 상세히 설명한다.

잘 알려진 802.11 무선랜의 DCF(Distributed Coordination Function)는 하부구조 모드에서 업링크와 다운링크 흐름 간의 공정성을 보장하지 못한다. 예를 들어, u개의 업링크 스테이션과 d개의 다운링크 스테이션으로 네트워크가 포화되었을 때, 각 업링크 스테이션은 대역폭의 약 1/(u+1)을 갖고, 각 다운링크 스테이션은 1/((u+1)*d)을 갖는다. 이것은 DCF가 액세스 포인트(AP)와 스테이션들이 무선 채널을 동일 순위로 분배하게 하기 때문이다.

본 발명은 이 공정성 문제에 관해 다룰 두 개의 접근을 제공한다.

하나는 액세스 포인트에 전송 기회를 더 주도록 업링크 스테이션보다 액세스 포인터에 컨텐션 윈도우를 짧게 분배함으로써, 컨텐션 윈도우(cw)를 분배하는 것이다.

기존에 초기 업링크 스테이션의 컨텐션 윈도우가 32로 고정된 동안 액세스 포인트를 위한 옵티컬 컨텐션 윈도우를 찾기 위한 분석 모델이 제안된다. 다른 기법은 액티브 다운링크 흐름의 수에 따라서 액세스 포인트의 컨텐션 윈도우를 적응적으로 결정하는 다이나믹한 기법이 있다. 또 다른 기법으로, 업링크동안 다운링크 트래픽에 소요되는 시간 비율을 모니터링함으로써 다운링크에 대한 불공정성을 검출하고, 액세스 포인트는 공정성이 획득될 때까지, 컨텐션 다운링크 프레임을 제외하고 액세스 포인트가 전송되게 한다. 그러나, 이러한 기법들은 충돌에 관해서만 고려했을 뿐, 채널 오류로 인한 전송 불가능한 상황을 고려하지 않았기 때문에, 채널의 오류 발생이 쉬운 채널 환경에서 공정성을 얻는데 실패하는 공통적인 취약점을 갖고 있다.

두 번째 접근은 IEEE 802.11e[4]의 전송 기회 개념을 이용한다. 기존에 스테이션들이 한 번에 하나의 프레임을 전송하는 동안 액세스 포인트가 하나의 채널 액세스에 멀티 프레임을 전송하도록 업링크와 다운링크 처리량의 균형을 유지하기 위해 그의 TXOP 한계를 조정한다. 다른 기법에서, 분석 모델은 공정성을 위한 TXOP 제한과 컨텐션 윈도우의 옵티컬 조합을 끌어내도록 제안된다. 그러나, 이러한 TXOP 기반 기법은 하나의 전송이 실패하면 즉시 TXOP는 중단되기 때문에, 여전히 채널이 오류 발생이 쉬운 상태일 경우 공정성을 도출하지 못한다. 이를 위해, 수정된 기법은 충돌뿐만 아니라 채널 오류 가능성도 고려하도록 제안된다. 일반적으로, TXOP 기반 기법은 컨텐션 윈도우 분배 방법보다 수행 면에서 우세하다. 그럼에도 불구하고, 이의 취약성은 802.11e 표준이 장치에서 거의 배포되지 않고 구현되지 않는 점이며, 이로 인하여 적용 가능성이 희박하다.

본 발명은 충돌뿐만 아니라 채널 오류 발생까지 고려하여 802.11 DCF에 적용된 컨텐션 윈도우 분배 기법을 제안한다. 그동안에 존재하던 다른 기법들은 Markov 체인 프로세스를 근간으로 한 반면, 본 발명은 평균치 분석에 근간하여 보다 간단한 모델을 제안한다.

제안 기법

액세스 포인트가 u개의 업링크 스테이션과 d개의 다운링크 스테이션을 연결하는 기반구조 모드(infrastructure mode)의 802.11 네트워크를 가정하자. 각 업링크 스테이션이 전송할 패킷을 갖고, 액세스 포인트는 다운링크 스테이션을 위한 패킷을 갖는 네트워크 포화상태를 가정할 수 있다. 이러한 가정에서 동적인 큐를 무시할 수 있고, 트래픽 특징의 상세한 모델이 필요하지 않다. 또한, 채널 오류 또는 충돌에 의한 전송 실패를 가정할 수 있다.

액세스 포인트의 초기 컨텐션 윈도우를 w_a라 하자. 그러면 액세스 포인트의 백오프 카운터는 [0, w_a-1]의 범위로부터 선택된다. 전송 실패에서, 컨텐션 윈도우는 i단계에서 w_a,i =2^i-1*w_a(1im, m은 백오프 단계의 맥시멈)와 같이 지수 함수적으로 커진다.

p_a를 AP로부터의 전송과 어떤 업링크 스테이션으로부터 전송 간의 충돌 가능성이라 하자. p_err은 잘못된 채널로 인한 패킷 오류 비율이다. 첫 번째 시도에 액세스 포인트의 전송이 성공할 가능성인 p_A는(1-p_a)*(1-p_err)로 명백하다. 그때, 평균 백오프 카운터는 (w_a-1)/2가 된다. 유사한 방법으로, i_th번째 시도에 전송 성공 가능성은 (1-p_A)^i-1* p_A(1iK, K은 최대 재전송시도, 평균 백오프 카운터는 (2^i-1* w_a-1)/2이다.) 그것은 백오프 카운터의 증가가 (2^m* w_a-1)/2에서 멈추는 것을 제외하고, 마지막 K번째 시도까지 계속된다. 그러므로 액세스 포인트인 w_A의 전체 평균 백오프 카운터는 이하 수식(1)과 같이 얻어질 수 있다.

w_A = w * p_A * (w_a 1)/2

+ w * (1-p_A) * p_A * (2w_a 1)/2 + ...

+ w * (1-p_A)^m * p_A * (2^mw_a 1)/2

+ w * (1-p_A)^m+1 * p_A * (2^mw_a 1)/2 + ...

+ w * (1-p_A)^K-1 * p_A * (2^mw_a 1)/2 (1)

여기서 w=1/1-(1-p_A)^K이고, w는 정규화 항이다. 수식(1)은 다음과 같이 단순화될 수 있다.

w_A = w

(1-p_A)^i-1 * p_A * (2^i-1* w_a 1)/2

+ w

(1-p_A)^i-1 * p_A * (2^m* w_a 1)/2 (2)

업링크 스테이션에 대해서는, 초기 컨텐션 윈도우는 w_s 와 충돌 가능성은 p_s 라 하자. 채널 오류는 액세스 포인트와 스테이션 둘 다에 영향을 미치는 것으로 가정할 수 있으므로, 동일한 p_err이 업링크 스테이션에도 이용된다. 업링크 스테이션의 전송이 첫 번째 시도에 성공할 가능성인 p_S는(1-p_s)*(1-p_err)이다. 그때 평균 백오프 카운터는 (w_s 1)/2가 된다.

수식 (2)의 산출과정과 유사하게, 업링크 스테이션의 전체 평균 백오프 카운터인 w_S는 다음과 같다.

w_S =

(1-p_S)^i-1 * p_S * (2^i-1* w_S 1)/2

+

(1-p_S)^i-1 * p_S * (2^m* w_S 1)/2 (3)

여기서 정규화항 는 = 1/1-(1-p_S)^K이다. 액세스 포인트와 업링크 스테이션은 동일한 m과 K를 이용한다.

그러므로, 액세스 포인트가 랜덤 타임 슬롯에 전송할 가능성은 1/w_A 이다. 마찬가지로, 1/w_S은 업링크 스테이션이 랜덤 슬롯에 전송할 가능성이다. 이로부터, 활성화된 다른 어떤 업링크 스테이션 없이, 액세스 포인트의 전송 가능성은 (1-1/w_s)^u이고, 그러므로

p_a= 1 (1 - 1/w_S)^u(4)

유사하게,

p_S= 1 (1 1/w_S)^u-1* (1 1/w_A) (5)

업링크와 다운링크 스테이션 간의 공정성을 이루기 위해 다음의 조건이 고정되어야 한다.

1/w_A = u * 1/w_S (6)

컴퓨터 대수학 소프트웨어 [9]와 이 방정식의 숫자상의 해법에 의해 (2), (3), (4), (5) 그리고 (6)으로부터 공정성을 달성하는 w_a를 구할 수 있다.

표 1은 w_a =32, m=5, p_err= 0, 0.1, 0.2, 0.3, K=7, u= 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20으로 주어졌을 때 w_a를 보여준다. 여기서 p_err의 모든 케이스가 IEEE 802.11 DCF의 노드별 공정성 특성과 일치하는 상황에서 u=1일 때 w_a는 w_s =32와 동일하다. 수식 (6)의 u를 적절한 상수로 대체함으로써, 쉽게 업링크와 다운링크 사이에 편중된 공정성을 이룰 수 있다.

u, # of uplink sta.	p_err=0.0	p_err=0.1	p_err=0.2	p_err=0.3	DCW
1	32	32	32	32	32
3	13	13	12	12	13
5	9	9	8	8	9
7	7	6	6	6	7
10	6	5	5	4	6
15	5	4	4	3	5
20	4	3	3	2	4

액세스 포인트는 그의 내부 메모리에 u와 p_err에 의존하여 컨텐션 윈도우로 선택하고 고정할 수 있는 테이블 1을 저장한다. 액세스 포인트는 한정된 자원이기 때문에, 그것은 액세스 포인트가 즉시 컨텐션 윈도우를 계산하는 것보다 유용하다. u와 p_err에 대해서 우리는 정확하게 u를 추산하는 방법에 대해 고려하지 않는다. 대신에, 초기에 실질적인 접근으로 고유한 MAC 주소의 숫자는 액세스 포인트가 근사치 u로 여겨지고 주기적으로 업데이트 될 때 인커밍 프레임에 의해 관찰한다. p_err은 액세스 포인트가 주기적일 때 전송 실패를 측정함으로써 산출된다.

퍼포먼스 평가

Qualnet 시뮬레이션을 통해 제안한 기법의 수행을 평가한다. 기준을 위해, 시뮬레이션은 각각 DCF와 DCW로 불리우는 802.11 DCF와 다이나믹 컨텐션 윈도우 기법으로 수행한다.

도 1은 시뮬레이션의 네트워크 환경을 보여준다. 액세스 포인트와 스테이션은 채널 액세스를 얻기 위해 최대 11Mbps로 전송하는 80.211b PHY와 802.11 DCF를 이용한다. 모든 스테이션의 초기 컨텐션 윈도우는 32로 고정되고, 액세스 포인트가 테이블 1로부터 u와 p_err에 따라서 업데이트된다. DCF에 대해서, 액세스 포인트와 스테이션은 둘 다 m=5, K=7로 세트된다. 액세스 포인트는 100Mbps 와이어드 링크를 통해 외부 네트워크와 연결된다. 무선 네트워크에서, d개의 다운링크 스테이션과 u개의 업링크 스테이션이 각각 외부네트워크에서 센더 또는 리시버 쌍으로 존재한다. 각 쌍은 1ms의 평균 인터벌을 포함하는 가변적인 비트 속도로 512 바이트 패킷의 하나의 UDP 플로우를 전송한다. 시뮬레이션에서 u는 1, 3, 5, 7, 10, 15, 20의 범위에 있고, d는 5로 고정된다. p_err은 0, 0.1, 0.2, 0.3의 범위이나, 시뮬레이션 동안에는 변하지 않는다.

도 2(a), (b), (c), (d)는 p_err이 0, 0.1, 0.2, 0.3일 때 각각의 업링크/다운링크 처리량 비율과 총 처리량을 보여준다. 이것은 DCF는 처리량의 공정성을 보장하지 못하는 것을 명백히 보여준다. u가 증가할 때, 업링크 산출량은 다운링크의 12배보다 더 크게 된다. DCW는 p_err이 O일 때 공정성을 보장함에도 불구하고, u가 증가함에 따라 p_err이 0.1, 0.2, 0.3일 때 공정성을 성취하지 못한다. 이것은 채널 에러를 고려하지 않은 DCW의 컨텐션 윈도우로 인한 에러 환경에서 액세스 포인트가 다운링크 프레임을 충분히 보내지 못하기 때문이다. 반대로, 제안한 기법은 p_err과 u의 모든 케이스에서 업링크/다운링크 비율을 1로 유지한다. 제안한 기법의 전체 산출량은 DCF의 것과 비교할만하다. 이것은 제안된 방법이 시스템 이용의 손실없이 공정성을 이룰 수 있음을 의미한다.

결론

이 발명은 액세스 포인트의 컨텐션 윈도우를 분배함으로써 오류 발생이 가능한 802.11 DCF WLAN에서 업링크와 다운링크 간에 공정성을 위한 기법을 제안한다.

본 발명은 충돌뿐만 아니라 채널 오류로 인한 전송 실패까지 고려하여 802.11 DCF에 적용된 컨텐션 윈도우 분배 기법을 제안한다. 그동안에 존재하던 다른 기법들은 Markov 체인 프로세스를 근간으로 한 반면, 본 발명은 평균치 분석에 근간하여 보다 간단한 모델을 제안한다. 동작 평가는 제안 기법이 기존 기법에 비교하여 전체 산출량의 손실없이 오류 발생 가능한 환경에서도 공정성을 성취할 수 있음을 보여준다. 제안 기법은 모든 참여 스테이션에서 p_err이 동일하다는 추정으로 고안되어 있기 때문에, p_err이 스테이션에서 스테이션으로 다른 상황에서는 성공적으로 작동하지 않는다.

이상에서 설명된 본 발명의 IEEE 802.11 무선랜에서의 업/다운링크의 공정성을 위한 컨텐션 윈도우 분배기법의 실시 예는 예시적인 것에 불과하며, 본 발명이 속한 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 잘 알 수 있을 것이다. 그러므로 본 발명은 상기의 상세한 설명에서 언급되는 형태로만 한정되는 것은 아님을 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다. 또한, 본 발명은 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 그 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

IEEE 802.11을 이용한 무선망에 있어서,
컨텐션 윈도우 내에서 임의의 슬롯을 선택하여 해당 시간 내에 데이터 프레임을 전송하는 액세스 포인트 및 스테이션과,
채널에 의한 패킷 오류 비율을 고려하여 상기 컨텐션 윈도우 사이즈를 조정하는 컨텐션 윈도우 설정 수단을 포함하고,
상기 컨텐션 윈도우 설정 수단은,
상기 액세스 포인트의 컨텐션 윈도우를
w_A= w
(1-p_A)^i-1 * p_A* (2^i-1* w_a1)/2
+ w
(1-p_A)^i-1 * p_A* (2^m* w_a1)/2
(여기서, p_A는 첫 번째 시도에 액세스 포인트의 전송이 성공할 가능성, p_err은 잘못된 채널로 인한 패킷 오류 비율, m은 백오프 단계의 맥시멈, K은 최대 재전송시도, w_a는 초기 컨텐션 윈도우)와 같이 산출하는 것을 특징으로 하는, 컨텐션 윈도우 분배 시스템.
삭제
제1항에 있어서, 상기 컨텐션 윈도우 설정 수단은,
업링크 스테이션의 전체 평균 백오프 카운터를
w_S=
(1-p_S)^i-1 * p_S* (2^i-1* w_S1)/2
+
(1-p_S)^i-1 * p_S* (2^m* w_S1)/2
(여기서, 는 = 1/1-(1-p_S)^K, w_s는 초기 컨텐션 윈도우, 충돌 가능성은 p_s, m은 백오프 단계의 맥시멈, K은 최대 재전송시도, w_a는 초기 컨텐션 윈도우)와 같이 산출하는 것을 특징으로 하는, 컨텐션 윈도우 분배 시스템.