KR101582763B1

KR101582763B1 - 무선 랜 시스템의 매체접근제어방법

Info

Publication number: KR101582763B1
Application number: KR1020140184128A
Authority: KR
Inventors: 추영열; 강성호; 김영부
Original assignee: 동명대학교산학협력단
Priority date: 2014-12-19
Filing date: 2014-12-19
Publication date: 2016-01-07

Abstract

본 발명은 DCF의 CWmin 값을 조절하는 방법을 사용하여 데이터의 충돌확률을 줄이고 무선 랜 네트워크의 사용량을 높이기 위한 무선 랜 시스템의 매체접근제어방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 무선 랜 시스템의 매체접근제어방법은 무선 랜 시스템의 매체접근제어를 위한 방법에 있어서, 액세스 포인트로부터 비콘 메세지 또는 프로브 응답 메세지를 수신하면, 상기 비콘 메시지 또는 프로브 응답 메세지에서 상기 액세스 포인트에 접속된 스테이션 카운트(Station Count)를 추출하는 단계와, 상기 추출한 스테이션 카운트를 바탕으로 최소경쟁윈도우(CWmin, Minimum Contention Window)를 결정하는 단계와, 상기 결정된 최소경쟁윈도우와 0 사이의 값을 무작위로 선택하여 경쟁윈도우(CW, Contention Window)를 설정하는 단계와, 채널이 슬롯시간 동안 유휴상태이면 경쟁윈도우를 1씩 감소시켜 경쟁윈도우가 0이 되면 데이터를 상기 액세스 포인트로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

무선 랜 시스템의 매체접근제어방법{(Media access control method in wireless local area network system}

본 발명은 IEEE 802.11 무선 랜 시스템과 같은 경쟁 기반의 분산 매체접근 제어시스템에서 액세스 포인트(AP)로부터 받은 스테이션(STA) 정보를 바탕으로 전송기회를 획득함으로써 무선 네트워크의 성능을 향상시키는 무선 랜 시스템의 매체접근제어방법에 관한 것이다.

IEEE 802.11은 무선 랜(Wireless LAN)의 표준기술 중 하나로써 Wi-Fi Alliance에서는 2015년 IEEE 802.11 표준을 사용하는 기기가 20억 개가 넘어갈 것으로 예측하고 있다.

스마트폰의 보급으로 인해 3G/4G와 같은 무선 전화망을 보조하는 네트워크로써의 역할이 높아지고 있으며, 이에 높은 전송률(IEEE 802.11ac), 핸드오프(IEEE 802.11ai) 등을 고려한 표준이 채택되고 지속적으로 발전되고 있는 추세이다.

IEEE 802.11 WLAN은 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 방식을 기반으로 모든 스테이션이 동등한 관계에서 경쟁을 통해 채널을 사용하는 DCF를 기본적인 데이터 액세스 방법으로 사용하고 있다.

또한, 폴링 기반의 포인트 조정함수 (PCF, Point Coordination Function)을 선택적으로 사용할 수 있으며, 최근에는 DCF와 PCF의 단점을 보완하여 HCF(Hybrid Coordination Function)가 무선 랜의 Qos(Qulity of Service)를 향상시키기 위한 IEEE 802.11e의 기본 데이터 액세스 방법으로 채택되어 적용중이다.

최근 유동인구가 많은 도심 등에서 많은 수의 단말이 동시에 무선 랜에 접속하는 경우 접속시간을 줄이기 위한 FILS(Fast Initial Link Setup)를 강조한 IEEE 802.11ai 표준에서도 HCF를 기본 데이터 액세스 방법으로 채택되어 지속적으로 연구개발중이다.

무선 방송은 동일한 대역의 채널을 사용하는 두 개 이상의 단말이 동시에 데이터를 전송할 수 없으며, 두 개 이상의 단말이 동시에 데이터를 전송하게 되면 충돌(Collision)이 발생해 전송이 실패할 수 있다. 따라서 데이터를 전송하기 위해 DCF는 매체 접근을 구현하기 위해 3가지의 프레임 간격(IFS, Inter Frame Space)를 두며, 이는 SIFS(Short Interframe Space), PIFS(PCF Interframe Space), DIFS(DCF Interframe Space)이다.

프레임 간격은 프레임을 전송하기 이전에 기다려야 하는 최소한의 대기시간을 의미하며, SIFS < PIFS <DIFS의순으로 간격이 길어지며 SIFS는 간격이 가장 짧은가장 높은 우선순위를 가지는 통신에 사용된다.

IEEE 802.11 DCF는 BEB(Binary Exponential Backoff) 알고리즘을 기본적으로 사용하며, 이 알고리즘의 기본동작은 DIFS의 시간을 기다린 후 매체가 점유 상태(busy)이면 경쟁윈도우(CW, Contention Window)의 값 중 임의의 값을 백오프 카운터(Backoff Count)로 선택하고, 채널이 일정시간의 슬롯 타임(slot time) 동안 다른 단말의 전송이 일어나지 않는 유휴상태(idle)일 때 백오프 카운터를 줄임으로써 카운터가 0이 되는 순간 프레임을 전송하는 구조이다.

프레임의 전송이 성공한 경우 SIFS 후에 바로 ACK 프레임을 보냄으로써 전송의 성공을 알린다. 그리고, 프레임의 전송 시 충돌이 발생하면 최초 설정된 기본 최소 경쟁윈도우(CWmin)의 값을 2배로 증가시키고, 충돌이 연속적으로 발생하면 최대 경쟁윈도우(CWmax)까지 경쟁 윈도우의 값을 증가시킴으로써 충돌의 확률을 줄이는 방법을 사용한다.

하지만, BEB 알고리즘등의 매체 접근 제어를 위한 대다수의 알고리즘이 정해진 CWmin값을 기본적으로 사용하기 때문에 일정 수 이상의 스테이션이 네트워크에 접속하면 필수적으로 충돌이 발생하게 되며, 이에 따라 네트워크의 효율이 낮아지는 문제를 가진다.

한편, 대한민국 공개특허 제10-20100132760호(발명의 명칭 : 무선 랜 시스템의 매체접근제어 장치 및 방법)는 IEEE 802.11e에서 적용하는 비콘(Beacon) 메시지에 포함된 BSS Load Element의 값을 통해 스테이션의 수를 파악하고, 이를 통해 CWmin 값을 선택하는 방법을 사용하는 방법을 사용하고 있다.

하지만, BSS Load Element는 IEEE 802.11e에서만 제공하는 방법으로써 모든 무선 랜에서 사용할 수 없으며, 따라서 채널 상의 데이터를 모니터링 하고 채널이 사용 중인 상태에서 BSSID를 축출하여 스테이션의 수를 파악하고 다시 CWmin을 결정하게 되는데, 이러한 방식은 IFS의 간격을 통해 네트워크의 스테이션 간의 슬롯 시간을 동기화하는 CSMA/CA 방식에 많은 오버헤드(Overhead)를 야기한다.

구체적으로, DIFS의 시간동안 채널이 유휴인 상태가 지나면 백오프 단계로 진입하는 방식을 사용함에 있어 지속적으로 다수의 스테이션이 진입하게 되면 프로브 요청 등에 의한 데이터로 인해 모든 BSSID를 데이터베이스에 삽입하여야 되며, 네트워크가 사용 중인 상태에서는 항상 CW값을 다시 선택함으로써 DIFS상태에 다시 진입하여야 하고, 이는 모든 스테이션이 데이터를 전송하지 못하는 상태에 빠질 수도 있다. 또한, 네트워크의 스테이션의 수를 잘못 예측하였거나 다수의 사람이 이동하는 상황에서는 빠른 데이터베이스의 갱신이 불가능하여 항상 CWmin 값 안에서 백오프 카운터를 선택하는 방식은 오히려 더욱 많은 충돌을 야기하는 문제점을 가진다.

대한민국 공개특허 제10-2012-0071144호(발명의 명칭 : 무선 랜 시스템의 매체접근제어 장치 및 방법)

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 DCF의 CWmin 값을 조절하는 방법을 사용하여 데이터의 충돌확률을 줄이고 무선 랜 네트워크의 사용량을 높이기 위한 무선 랜 시스템의 매체접근제어방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 무선 랜 시스템의 매체접근제어방법은 무선 랜 시스템의 매체접근제어를 위한 방법에 있어서, 액세스 포인트로부터 비콘 메세지 또는 프로브 응답 메세지를 수신하면, 상기 비콘 메시지 또는 프로브 응답 메세지에서 상기 액세스 포인트에 접속된 스테이션 카운트(Station Count)를 추출하는 단계와, 상기 추출한 스테이션 카운트를 바탕으로 최소경쟁윈도우(CWmin, Minimum Contention Window)를 결정하는 단계와, 상기 결정된 최소경쟁윈도우와 0 사이의 값을 무작위로 선택하여 경쟁윈도우(CW, Contention Window)를 설정하는 단계와, 채널이 슬롯시간 동안 유휴상태이면 경쟁윈도우를 1씩 감소시켜 경쟁윈도우가 0이 되면 데이터를 상기 액세스 포인트로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면, 상기 최소경쟁윈도우는 하기 [수학식 2]에 의해 결정되고, 데이터 충돌 발생시 상기 경쟁윈도우는 하기 [수학식 1]에 의해 결정되는 것이 바람직하다.

[수학식 1]

[수학식 2]

여기서, Wj는 j번째 백오프 스테이지(Backoff Stage)의 CW 크기를 나타내고, j ∈ [0,m] 이며, m은 최대 재시도 횟수를 나타내고, m'는 최대 CW 증가 인자(Maximum CW increasing Factor)로써 m에 이르기까지 최대 경쟁윈도우(CWmax)를 유지하는 인자이고, n은 배수결정인자이다.

상술한 바와 같이 본 발명은 무선랜 시스템에서 스테이션이 같은 AP에 접속해 있는 같은 채널의 스테이션 수를 AP로부터 수신되는 스테이션 카운터 정보를 바탕으로 CW를 결정함으로써 스테이션의 수가 CWmin 이상으로 증가 할 경우 필수적으로 발생할 수 있는 충돌을 방지하여 무선 랜 시스템의 전체 성능을 효율적으로 증가 시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 현재 IEEE 802.11ai TG에서 표준화가 진행 중인 무선랜의 접속 시간을 줄여 핸드오프(handoff)의 시간을 단축시키기 위한 경우 유동인구가 많은 도심 등에서의 다수의 스테이션이 동시 다발적으로 AP에 접속함으로써 발생할 수 있는 데이터 충돌의 확률을 기존 연구에 비해 획기적으로 줄임으로써 네트워크의 사용량을 높이는 효과를 가진다.

도 1은 비콘 메세지의 프레임에 스테이션 카운트를 삽입한 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 프로브 응답 메세지의 프레임에 스테이션 카운트를 삽입하기 위한 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 경쟁윈도우의 설정 방법을 도시한 블록구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 최소 경쟁윈도우 설정 방법을 도시한 블록구성도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 랜 시스템의 매체접근제어방법에 관하여 설명한다.

도 1은 비콘 메세지의 프레임에 스테이션 카운트를 삽입한 예를 나타낸 도면이고, 도 2는 프로브 응답 메세지의 프레임에 스테이션 카운트를 삽입하기 위한 예를 나타낸 도면이며, 도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 경쟁윈도우의 설정 방법을 도시한 블록구성도이고, 도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 최소 경쟁 윈도우 설정 방법을 도시한 블록구성도이다.

먼저, IEEE 802.11 표준에서는 스테이션이 액세스 포인트(AP)에 접속하기 위해 액티브 스캐닝(Active Scanning)과 패시브 스캐닝(Passive Scanning)의 두 가지 방식을 제공한다. 액티브 스캐닝의 경우 스테이션이 접속을 위해 프로브 요청(Probe Request)을 액세스 포인트로 하게 되면, 액세스 포인트는 프로브 응답(Probe Response) 메세지를 통해 존재를 알린다. 그리고, 패시브 스캐닝의 경우 액세스 포인트에서 일정 시간마다 전송하는 비콘 관리 패킷(Beacon Management Packe)(이하, '비콘메세지'라 함)을 통해 스테이션이 액세스 포인트의 존재를 파악한다. 그리고, 이와 같은 하고 비콘메세지 및 프로브 응답 메세지를 통해 스테이션이 액세스 포인트에 접속한다.

한편, 스테이션들은 네트워크에 접속하기 위해 액세스 포인트가 전송하는 프로브 응답 메세지 및 비콘메세지를 수신하며, 이에 따라 액세스 포인트에 대한 정보를 파악할 수 있다. 액세스 포인트에 접속하기 위해서는 모든 스테이션은 인증(Authentication) 단계 및 결합(Association) 단계를 거치며, 이에 따라 액세스 포인트는 네트워크에 접속된 스테이션의 수를 파악할 수 있다.

따라서, 도 1과 같이 비콘메세지의 프레임 바디(Frame body)의 옵션필드(Option Field)에 접속된 스테이션 카운트를 갱신하여 전송할 수 있다. 그리고, 도 2에 도시된 바와 같이, 프로브 응답 메세지의 프레임 바디에도 스테이션 카운트 정보를 삽입하여 전송할 수 있다.

한편, 본 발명에서는 상기한 바와 같이 스테이션 카운트 정보를 포함하는 비콘메세지 또는 프로브 응답 메세지를 수신하고, 액세스 포인트에 접속된 스테이션의 수를 바탕으로 하여 경쟁윈도우(CW, Contention Window) 및 최소 경쟁윈도우(CWmin) 값을 결정한다.

이때, 하기의 [수학식 1] 및 [수학식 2]에 따라 CW 및 CWmin의 값을 결정한다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 1]은 2개 이상의 스테이션에서 동시에 데이터를 전송함에 따라 충돌이 발생하였을 때 CW를 결정하는 방식을 나타낸다. 이때, W_j는 j번째 백오프 스테이지(Backoff Stage)의 CW 크기를 나타내고, j ∈ [0,m] 이다. 그리고, m은 최대 재시도 횟수를 나타내고, m'는 최대 CW 증가 인자(Maximum CW increasing Factor)로써 m에 이르기까지 최대 경쟁윈도우(CWmax)를 유지하는 인자이다. 보통 DCF에서 m은 7로 선택되며, m'값과 CWmax의 값은 네트워크가 설치되는 위치에 따라서 네트워크에 접속하는 스테이션의 수가 다르기 때문에 가변적으로 조정된다.

[수학식 2]는 CWmin을 설정하기 위한 방법을 나타낸다. 설정된 CWmin 값이 스테이션의 증가에 따라 충돌이 필수적으로 발생하게 되는 경우를 방지하기 위하여, 배수결정인자 n과 스테이션의 수에 비례하여 CWmin이 증가하게 한다. 배수결정인자 n은 일반적으로는 2로 설정되지만, AP가 설치되는 위치에서 스테이션의 밀집도에 따라서 높게 선정할 수도 있다. 배수결정인자가 높은 수로 설정되면 충돌 확률을 낮아지지만, 쓸모없는 백오프 카운터 단계의 대기시간이 늘어나는 등가교환(Trade-Off) 상황임으로 배수결정인자를 적절하게 선택함으로써 네트워크의 전체 효율을 높일 수 있다.

도 3에 도시된 바와 같이 스테이션이 네트워크에 접속을 시작하면, 수신된 프로브 응답에서 스테이션 카운트를 축출한다. 그리고, 상기 [수학식 2] 및 도 4에서와 같이 CWmin 값을 설정한다. DCF의 데이터 전송 방식에 따라 설정된 CWmin과 0 사이에 값을 백오프 카운터로 선택하고, 프레임 간격(DIFS : DCF Interframe Space) 동안 채널이 유휴상태이면 백오프 단계로 진입하고, 일정 슬롯 시간마다 백오프 카운터를 1씩 감소시킨다. 그리고, 백오프 카운터가 0이 되는 순간 데이터(패킷)를 전송하게 되며 데이터 전송이 성공하면 다시 스테이션 카운트가 비콘메세지의 수신을 통해 갱신되었는지 확인하고 위의 과정을 반복한다.

데이터 전송 시 충돌이 발생하면 백오프 스테이지 j를 1 증가시키고 비콘메세지의 수신을 통해 스테이션 카운트가 갱신되었는지의 확인을 통해 CWmin 값을 재설정, 또는 유지하고 CW 값을 CWmin 2j로 변경한다. 이후 변경된 Wj 값을 통해 0에서 Wj 사이의 값 중 백오프 카운터를 선택하여, 다시 DCF의 과정(즉, 프레임 간격마다 백오프 카운터를 1씩 감소시키는 과정)을 반복함으로써 데이터를 전송한다.

한편, 비콘메세지의 경우 주기적으로 채널 상에서 방송되며 이는 스테이션이 백오프 단계 중에 수신하여 데이터를 보유하는 상태이기 때문에 데이터 전송의 한 사이클마다 확인하는 것이 효율적이다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

Claims

무선 랜 시스템의 매체접근제어를 위한 방법에 있어서,
액세스 포인트로부터 비콘 메세지 또는 프로브 응답 메세지를 수신하면, 상기 비콘 메시지 또는 프로브 응답 메세지에서 상기 액세스 포인트에 접속된 스테이션 카운트(Station Count)를 추출하는 단계와,
상기 추출한 스테이션 카운트를 바탕으로 최소경쟁윈도우(CWmin, Minimum Contention Window)를 결정하는 단계와,
상기 결정된 최소경쟁윈도우와 0 사이의 값을 무작위로 선택하여 경쟁윈도우(CW, Contention Window)를 설정하는 단계와,
채널이 슬롯시간 동안 유휴상태이면 경쟁윈도우를 1씩 감소시켜 경쟁윈도우가 0이 되면 데이터를 상기 액세스 포인트로 전송하는 단계를 포함하되,
상기 최소경쟁윈도우는 하기 [수학식 2]에 의해 결정되고,
데이터 충돌 발생시 상기 경쟁윈도우는 하기 [수학식 1]에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 무선 랜 시스템의 매체접근제어방법.
[수학식 1]

[수학식 2]

여기서, Wj는 j번째 백오프 스테이지(Backoff Stage)의 CW 크기를 나타내고, j ∈ [0,m] 이며, m은 최대 재시도 횟수를 나타내고, m'는 최대 CW 증가 인자(Maximum CW increasing Factor)로써 m에 이르기까지 최대 경쟁윈도우(CWmax)를 유지하는 인자이고, n은 배수결정인자이다.
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