KR101594546B1

KR101594546B1 - 다중―홉 네트워크들에서의 로버스트 코딩

Info

Publication number: KR101594546B1
Application number: KR1020107022735A
Authority: KR
Inventors: 안토니오스 아르기리오우
Original assignee: 코닌클리케 필립스 엔.브이.
Priority date: 2008-03-14
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2016-02-16
Also published as: US20100329227A1; WO2009113031A2; TW201004427A; EP2274934A2; JP2011514114A; JP5852782B2; EP2274934B1; US8619644B2; TWI462612B; KR20100137504A; WO2009113031A3; CN101971671A

Abstract

본 발명은 데이터 유닛들을 생성하여 그들이 의도된 수신기들의 그룹에 의해 단일 패킷 데이터 유닛의 수신확인을 필요로 하도록 하기 위하여 다중 수신기(MR) 프레임 애그리게이션을 이용하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 패킷의 주 목적지 이외에, 목적지 노드의 이웃에 관한 다중-홉 토폴로지 정보는 패킷 송신을 수신확인하는 의도된 수신기들을 얻기 위해 이용될 수 있다.

Description

다중―홉 네트워크들에서의 로버스트 코딩{ROBUST CODING IN MULTI-HOP NETWORKS}

본 발명은 일반적으로 무선 랜(Wireless Local Area Network; WLAN)와 같지만, 이에 제한되지 않는 송신 시스템들에서 복수의 다른 송신 단들로의 다중-이용자 송신을 실행하는 송신 장치, 수신 장치, 시스템 및 방법에 관한 것이다.

예를 들면, IEEE 802.11 사양들에서 규정된 바와 같은 무선 랜(WLAN)들이 오늘날 거의 어디에나 존재한다. 이용가능한 채널의 처리량(throughput)의 증가가 주요 쟁점이었고, 연구가 물리적 프로토콜 계층 내에서 변조 및 코딩(coding)을 개선시키는데 집중되었다.

802.11 표준에 따르면, 무선 노드들 또는 스테이션(station)들이 CSMA/CA(carrier sense multiple access with collision avoidance) 형태인 DCF(distributed coordination function)을 구현한다. CSMA/CA는 모든 스테이션들이 먼저 송신 이전에 매체를 감지하는 것을 확인하는 경쟁-기반 프로토콜(contention-based protocol)이다. 주 목적은 스테이션들이 동시에 송신하는 것을 피하는 것이며, 이는 충돌들 및 대응하는 재송신들을 야기한다. 프레임을 전송하기를 희망하는 스테이션이 매체 상에서 특정 임계값 이상의 에너지를 감지하는 경우에(이는 또 다른 스테이션의 송신을 의미할 수 있다), 액세스를 희망하는 스테이션은 프레임을 송신하기 전에 매체가 유휴일 때까지 대기할 것이다. 프로토콜의 충돌 회피 양태는 수신 스테이션이 에러가 없는 수신을 검증하기 위하여 전송 스테이션에 전송하는 수신확인(acknowledgement)들의 이용과 관련된다. 다소 더 복잡할지라도, 매체에 액세스하는 이 프로세스는 누구나 정중하고 각각의 사람이 그 밖의 사람이 말하고 있지 않을 때에만 말하는 미팅(meeting)으로서 간주될 수 있다. 게다가, 사람이 말하고 있는 것을 이해하는 참여자들은 동의로서 자신들의 머리를 끄덕인다.

랜덤(random)으로 동작하는 백오프 절차(backoff procedure)에서, 송신할 데이터 패킷을 갖는 스테이션은 0과 시간슬롯(timeslot)들의 수에서 카운팅(counting)되는 바와 같은 백오프 타이머(backoff timer)의 지속기간을 결정하는 경쟁 윈도우(contention window; CW) 크기 사이의 랜덤 번호를 생성한다. CW는 15의 최소 시작 값을 가지며, 충돌 이후에 2배가 되고, 1023까지 상승할 수 있고, 수신확인(ACK) 프레임에 의해 표시된 성공적인 전송 이후에 감소된다. DCF 프레임간 간격(DCF Inter-Frame Space; DIFS)의 지속기간 동안 자유로운 매체를 검출한 이후에, 모바일 스테이션(mobile station)은 백오프 타이머가 제로(zero)에 도달할 때까지 백오프 타이머를 카운트 다운(count down)하고 나서, 자신의 송신을 시작한다. 카운트다운 동안 또 다른 모바일 스테이션이 매체를 점유하는 경우에, 백오프에서의 모든 모바일 스테이션들은 자신들의 카운트 다운을 인터럽트(interrupt)하고, 자신들이 적어도 DIFS 동안 자유로운 매체를 검출할 때까지 연기한다. 표준은 송신 이전에 선택적인 RTS(Request-to-Send) - CTS(Clear-to-Send) 핸드쉐이크(handshake)를 포함한다.

최근에, 송신 당 정보 콘텐트를 증가시키기 위하여 네트워크 코딩의 브로드캐스트(broadcast)와의 결합이 802.11-기반 다중-홉 무선 네트워크들에서 적용되었고, 처리량 이점들이 데이터 애플리케이션들에 대해 입증되었다.

도 1은 여러 무선 노드들의 토폴로지(topology)를 개략적으로 도시한다. 이 도면에서 제공된 시나리오(scenario)에서, 각각의 노드에서 제공된 라우팅 테이블(routing table)들에 따라, 노드들(1 및 2)은 자신들의 패킷들(a 및 b)을 노드들(4 및 5)에 각각 송신할 필요가 있다. 노드 2는 노드들(4 및 5)이 노드 1의 무선 범위 내에 있지 않기 때문에 이러한 패킷들의 전달기(forwarder)로서 동작해야 한다. 네트워크 코딩의 기본적인 원리에 따르면, 노드 2는 패킷 a를 노드 4로, 및 패킷 b를 노드 5에 전달하는 대신에, 코딩된 패킷(예를 들면, a

)을 브로드캐스팅한다. 이 방식으로, 노드들(4 및 5) 둘 모두는 2개의 전용 송신들 대신에, 노드 2로부터의 물리적인 계층에서의 단지 하나의 브로드캐스트 송신으로 자신들의 원래 패킷을 디코딩(decoding)할 수 있다. 이것은 더 높은 처리량을 발생시킬 수 있다. 그러나, 이 원리에 기초하여 제안되었던 실제적인 방식들은 패킷들의 기회적인 코딩 및 송신을 이용하는데, 이는 이 방식들이 기존의 매체 액세스 제어(MAC) 프로토콜들을 통한 통합에 로버스트(robust)하지 않다는 것을 의미한다. 더욱이, 이 방식들은 클린(clean) 해결책들에 대한 가능성을 방해하는 MAC 및 라우팅 프로토콜들 사이의 교차-계층 상호작용(cross-layer interaction)들을 필요로 한다.

네트워크 코딩에 대한 소위 "기회적인 방식"에서, 무선 노드는 코딩 기회들을 실시간으로 검출 및 이용하기 위하여 로컬 정보에 의존한다. 노드들이 기회적인 리스닝(opportunistic listening)에 참여하는 경우에, 상기 노드들은 자신들이 무선 매체를 통해 히어링(hearing)하는 모든 통신들에 대해 스누핑(snooping)한다. 노드들은 또한 자신들이 어느 패킷들을 히어링했는지를 자신들의 이웃들에게 말하기 위하여 자신들이 전송하는 패킷들에 주석을 달 수 있다. 송신할 때, 노드는 기회적인 코딩을 실행하기 위해 자신의 이웃들이 수신하였던 것에 대한 자신의 지식을 이용할 수 있고, 이는 노드가 다수의 패킷들을 결합(예를 들면, XOR,

)하고, 이들을 각각의 의도된 수신기가 자신의 패킷을 디코딩하는데 충분한 정보를 가지는 경우에 단일 송신에서 전송할 수 있다는 것을 의미한다.

그러나, 현재의 무선 네트워크 코딩 방식들이 직면하는 문제는 노드들이 자신들에게 의도되지 않은 패킷들의 송신들을 기회적으로 오버히어링(overhearing)한다는 것이다. 예를 들면, 도 1에서, 노드 1은 노드 2에게 의도되는 패킷 a를 송신하지만, 패킷은 노드 1의 무선 범위에(및, 노드 2의 무선 범위에) 있는 노드 5에 의해 오버히어링된다. 그러나, 기존의 MAC 프로토콜들의 경우에, 의도된 수신기들이 아닌 노드들(예를 들면, 도 1의 노드 5)은 오버히어링된 패킷들의 정확한 수신을 수신확인할 수 없다. 이것은 네트워크 코딩 알고리즘을 이용하는 노드(예를 들면, 도 1의 노드 2)가 자신이 행하는 코딩 결정들이 정확한 것인지를 인식할 수 없다는 것을 의미한다. 부정확한 코딩 결정들은 궁극적으로 네트워크 코딩으로 이론적으로 결코 가능하지 않은 낮은 처리량을 초래한다.

Sachin Katti 등의 "XORs in The Air: Practical Wireless Network Coding" SIGCOMM 2006에서, 비동기 대역외 수신확인(asynchronous out-of-band acknowledge)들이 상기 문제를 해결하는 방식으로서 제안된다. 그러나, 이 방식에 의하면, 노드가 어느 패킷들을 코딩할지를 결정할 때, 상기 노드는 오버히어링된 패킷들의 페이트(fate)를 추정하기 위하여 여전히 추계학적 방식을 이용해야 한다. 명백하게, 이것은 네트워크 코딩의 실제적인 채용을 위한 실용적인 방식이 아니다.

더욱이, 또 다른 중요한 문제는 숨겨진 노드 문제이다. 예를 들면, 도 1의 노드 1이 패킷 a를 송신하고 있는 것을 고려하자. 그러나, 노드 t2는 노드 1의 무선 범위 밖에 있다. MAC 프로토콜이 (WiMidea MAC에서의 경쟁-기반 메커니즘 또는 802.11 DCF와 같은) 경쟁-기반 메커니즘을 이용하고 있는 경우에, 노드 t2는 노드 1로부터의 패킷 a의 송신과 충돌할 패킷을 송신할 것이다. 그러나, 노드 5가 기회적인 수신기이고 송신을 수신확인하지 않을 경우에, 노드 5가 패킷을 수신하였는지를 노드 1도 노드 2도 인식하지 못할 것이다. 이 사실은 이용된 알고리즘에 관계없이, 노드 2로 하여금 자신이 행해야 하는 최적의 코딩 결정이 무엇인지를 결정론적으로 인식하지 못하게 한다.

본 발명의 목적은 무선 다중-홉 네트워크들에 대한 더 로버스트한 코딩 방식을 제공하는 것이다.

이 목적은 청구항 제 1 항에서 청구된 바와 같은 장치, 청구항 제 9 항에서 청구된 바와 같은 방법, 및 청구항 제 12 항에서 청구된 바와 같은 다중-홉 브로드캐스트 패킷 신호(multi-hop broadcast packet signal)에 의해 성취된다.

따라서, 여러 의도된 수신기들에 의해 수신되어야 하는 패킷이 한 번만 전송될 수 있기 때문에, 전체 시스템 처리량이 증가될 수 있다. 더구나, 단일 패킷 데이터 유닛의 송신은 의도된 수신기들을 기술하는데 필요한 필드(field)들을 감소시킬 수 있고, 라우팅 프로토콜들로부터의 교차-계층 정보가 필요하지 않다. 따라서, 다중 수신기 패킷들은 최적의 코딩 결정들이 네트워크 코딩 함수(network coding function)에 의해 행해질 수 있는 방식으로 구성될 수 있다.

장치는 네트워크 노드 또는 스테이션에 제공된 프로세서 디바이스, 모듈(module), 칩(chip), 칩 셋(chip set) 또는 회로로서 구현될 수 있다. 프로세서는 컴퓨터 또는 프로세서 디바이스 상에서 구동될 때 상기 방법 청구항의 단계들을 실행하기 위한 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램 제품에 의해 제어될 수 있다.

제 1 양태에 따르면, 다중-홉 토폴로지 정보는 비코닝 절차(beaconing procedure)에 의해 얻어질 수 있다. 구체적인 예에서, 다중-홉 토폴로지 정보는 목적지 노드의 인접한 이웃들의 비콘 그룹(beacon group), 및 비콘 그룹의 적어도 하나의 노드의 이웃 노드들의 확장된 비콘 그룹을 포함할 수 있다. 그러므로, 토폴로지 추론의 상기 문제는 기존의 매체 액세스 제어 프로토콜에서 이미 이용가능할 수 있는 비코닝 절차를 이용함으로써 해결될 수 있다.

상기 제 1 양태와 결합될 수 있는 제 2 양태에 따르면, 수신 노드들의 그룹은 잠재적인 수신 노드가 이전에 송신된 패킷을 수신하였던 것을 필요로 하는 제 1 조건, 및 적어도 하나의 추가적인 잠재 수신 노드가 송신될 패킷을 디코딩할 수 있는 것을 필요로 하는 제 2 조건에 기초하여 결정될 수 있다. 따라서, 네트워크 코딩은 확률론적 기준들에 기초하는 것이 아니라, 오히려, 이전에 송신된 패킷들의 페이트에 관한 결정론적 인식에 기초한다.

제 1 및 제 2 양태들 중 어느 하나 또는 둘 모두와 결합될 수 있는 제 3 양태에 따르면, 적어도 하나의 채널 액세스 파라미터는 송신될 패킷의 정보 콘텐트에 따라 동적으로 구성될 수 있다. 이로써, 네트워크 코딩은 확장된 방식으로 이용될 수 있고, 시스템 처리량은 최대화된다. 일 예시적인 구현에서, 적어도 하나의 채널 액세스 파라미터는 경쟁 윈도우 크기 및 AIFS(arbitration inter frame space) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.

상기 제 1 내지 제 3 양태들 중 어느 하나 또는 모두와 결합될 수 있는 제 4 양태에 따르면, 적어도 하나의 채널 액세스 파라미터는 미리 결정된 트래픽 등급(predetermined traffic class)의 함수로서 처리량을 추정함으로써 동적으로 구성될 수 있다. 이 방식은 최적의 성능에 대한 분석적 모델에 기초하여 파라미터 값들을 선택할 수 있도록 한다.

제 1 내지 제 4 양태들 중 어느 하나 또는 모두와 결합될 수 있는 제 5 양태에 따르면, 적어도 하나의 채널 액세스 파라미터는 적어도 하나의 채널 액세스 파라미터의 미리-규정된 값들을 저장하는 룩-업 테이블(look-up table)을 이용함으로써 동적으로 구성될 수 있다. 이것은 포괄적인 실험들로부터 얻어진 최적의 값들이 미리 저장될 수 있다는 장점을 제공한다.

부가적인 유용한 개선점들은 종속 청구항들에서 규정된다.

본 발명은 이제 첨부 도면들을 참조하여 다양한 실시예들에 기초하여 설명될 것이다.

도 1은 무선 다중-홉 네트워크에서의 여러 무선 노드들의 개략적인 네트워크 토폴로지를 도시한 도면.
도 2는 일 실시예에 따른 프레임 애그리게이션 구조(frame aggregation structure)를 도시한 도면.
도 3은 일 실시예에 따른 선택 절차의 개략적인 흐름도.
도 4는 일 실시예에 따른 최적의 수신 그룹을 계산하기 위한 일 예시적인 계산 방식을 도시한 도면.
도 5는 코어 노드들 및 에지 노드들을 갖는 또 다른 개략적인 네트워크 토폴로지를 도시한 도면.
도 6은 상이한 트래픽 등급들에 대한 노드들의 수 대 표준화된 처리량의 분석적 결과들을 도시한 도면.

다음에서, 바람직한 실시예들은 예를 들면, 도 1에 도시된 바와 같은 무선 다중-홉 네트워크 토폴로지에 기초하여 설명된다.

시스템적 방식으로 상술된 문제들을 처리하기 위하여, 임의의 선형 네트워크 코딩 알고리즘에 의해 최적의 코딩 결정들을 용이하게 할 수 있는 네트워크 코딩 방식이 제안된다.

더 구체적으로는, 데이터 유닛 예를 들면, MAC 프로토콜 데이터 유닛(MPDU)들을 단일 물리적 계층 패킷 데이터 유닛(PPDU)로 패킹(packing)하여, 적어도 2개의 수신기들에 의한 단일 MPDU의 수신확인이 필요한 다중 수신기(multiple receiver; MR) 프레임 애그리게이션이 제안된다. 이 MR 애그리게이션 방식은 구체적으로는, 동일한 패킷이 상이한 MAC 어드레스들을 갖는 수신기들로 향하는 경우들을 위해 설계된다.

추가적으로, 네트워크 노드의 이웃에 관한 2-홉 또는 다중-홉 토폴로지 정보는 MAC 레벨에서 토폴로지 추론의 문제를 해결하기 위해 이용된다. 이 토폴로지 정보는 기존의 MAC 프로토콜들에서 이용가능한 비코닝 절차와 같은, 분산형 비코닝 절차를 이용함으로써 얻어질 수 있다. 이와 같은 비코닝 절차에서, 각각의 노드는 자신의 식별자(예를 들면, 인터넷 프로토콜(IP) 어드레스) 및 위치를 포함하는 비콘을 브로드캐스트 MAC 어드레스에 주기적으로 송신할 수 있다. 타임-아웃 간격(time-out interval) 이상 동안 비콘을 수신하지 못할 시에, 라우터(router)는 이웃이 고장이 났거나 밖으로 이동하고 자신의 테이블로부터 그 엔트리(entry)를 삭제하였다고 가정한다.

더욱이, 패킷의 주 목적지 노드 이외에 어느 노드들이 패킷 송신을 수신확인해야 하는지를 결정하는 절차가 각각의 노드에서 필요하다. 이 절차는 본질적으로 네트워크 코딩 알고리즘에 의해 최적의 코딩 결정들이 행해질 수 있는 방식으로 MR 패킷들을 "구성한다". 그 다음, 실제 네트워크 코딩은 상기 코딩 결정들에 기초하여 실행된다. 이로써, 최적의 MR 패킷들의 구성이 보장된다. 제안된 절차의 이점은 상기 절차가 확률론적 기준들에 기초하는 것이 아니라, 오히려, 이전에 송신된 패킷들의 페이트에 관한 결정론적 인식에 기초한다는 것이다.

도 2는 여러 의도된 수신기들 및 단일 MPDU에 대하여, 일 실시예에 따른 PPDU의 개략적인 프레임 구조를 도시한다. 이 프레임 구조는 예를 들면, N. Sai Shankar, 등의 "Cooperative communication MAC(CMAC) - a new MAC protocol for next generation wireless LANs", International Conference on Wireless Networks, Communications and Mobile Computing, 2005에서 설명된 프레임 구조에 기초할 수 있다. 단일 MPDU의 송신으로 인하여, 의도된 수신기들을 기술하는데 필요한 필드들이 감소될 수 있다. 더 구체적으로는, 프레임 구조는 프리앰블(preamble) 다음에, PLCP 헤더(PLCP header), 지속기간 필드, 전달된 MPDU들의 수를 지정하는 필드 N, 순방향 에러 수정(forward error correction; FEC) 필드, 의도된 수신기들의 어드레스, 길이(LEN) 및 수신확인(ACK) 필드들, 또 다른 FEC 필드, 주기적 리던던시 코드(cyclic redundancy code; CRC) 필드 및 전달된 MPDU를 포함한다.

따라서, 도 2의 제안된 프레임 구조에서, 다중의 의도된 수신기들은 PPDU에 지정되는 반면, 단지 단일 MPDU가 페이로드(payload)로서 존재한다. 이 프레임 구조의 이점은 MPDU를 수신확인해야 하는 수신기들의 그룹이 식별되는 동안, 모든 의도된 수신기들에 의해 수신되어야 하는 패킷이 (주 수신 노드 및 기회적인 노드들에) 한 번만 송신된다는 것이다. 그러나, 이것은 신뢰가능한 멀티캐스트 송신이 아니며, 이는 코딩된 패킷의 수신 시에, 및 디코딩 이후에, 노드가 특정 노드에 의도되지 않은 패킷들을 더 높은 계층으로 통과시켜서는 안된다는 것을 의미한다.

수신 노드는 자신이 디코딩된 데이터 패킷의 아이덴티피케이션(identification; ID)을 데이터 패킷 내에 추가되어야 하는 헤더에 의해 인식한다. 기존의 방식들이 거의 50 바이트의 헤더들을 이용하는 반면, 제안된 실시예는 IP 레벨 이하에서 동작하기 때문에 상당히 더 작은 코딩/패킷 헤더들을 필요로 한다.

그러나, 제안된 MR 애그리게이션이 이용될 때, 전송기는 라우팅 프로토콜에 따라 가정되는 주 수신기 이외에, 실제로 수신확인들을 역전송해야 하는 네트워크 노드들을 지정해야 한다. 이 결정을 행하는 절차는 도 2에 도시된 바와 같이, 본질적으로 터플(tuple)들이라고 칭하는 의도된 수신기들을 파퓰레이팅(populating)할 것이다. 수신기들의 최적의 그룹을 계산하기 위하여, 분산형 비코닝 절차가 적용될 수 있는데, 그 이유는 분산형 비코닝 절차가 최근의 무선 MAC 프로토콜들에서 이용가능하고 토폴로지 추론에 대한 로버스트한 절차를 개발하기 위해 이용될 수 있기 때문이다. 이와 같은 분산형 비코닝 절차에서, 각각의 채널은 데이터 전송 기간 보다 앞서는 슬롯형 비콘 기간(slotted beacon period)에서 시작하는 반복 수퍼프레임(superframe)들로 논리적으로 분할될 수 있다. 비콘 기간 동안, 각각의 노드는 자신의 지정된 시간 슬롯에서 비콘을 송신한다. 비콘들은 데이터 통신에 대한 스케줄링된 휴지 기간(scheduled quiet period)들, 스펙트럼 측정들, 및 다중-채널 예약에 관한 정보를 포함할 수 있다. 일단 비콘 기간이 끝나면, 노드들은 다른 채널들로 스위칭할 수 있다.

도 1에 기초하여, 비코닝 절차의 장점 및 노드들의 상이한 그룹들을 유지하기 위한 이의 용도가 이제 설명될 것이다. 도 1의 노드 1은 자신의 인접한 이웃들(즉, 비콘 그룹)에 관해 인식한다고 가정된다. 그러나, 노드 1의 비콘 그룹(beacon group; BG)에서의 모든 이웃들은 자신들의 이웃들에 관해 노드 1에 통지한다. 노드들의 이러한 최종적인 2개의 세트들의 결합은 확장된 비콘 그룹(extended beacon group; EBG)을 형성할 수 있다. 예를 들면, 도 1에서, 명백한 비콘 그룹들 이외에, 노드들(1 및 2)에 대한 확장된 비콘 그룹들이 다음과 같이 제공된다:

BG(1) = {6; 5; 2}

EBG(1) = 6 → {s1}; 5 → {t2; 2}; 2 → {5; 4; 3}

최종적인 표기는 노드 1이 노드 5의 직접적인 이웃이 노드들(2 및 t2)이고, 노드 2의 직접적인 이웃들이 노드들(5, 4 및 3)이라는 것을 의미한다. 노드의 BG 및 EBG에 관한 인식이 인출 MR 패킷(outgoing MR packet)에서 의도된 수신기들의 최적의 그룹을 생성하기 위한 본질이다. 노드에서의 이 최적의 수신 그룹(optimal receiving group; ORG)은 각각의 특정 목적지에 대해 생성된다. 패킷들이 "주" 목적지 노드에 의도될 때, 최적의 수신 그룹은 이 패킷 송신을 오버히어링해야 하는 노드들의 그룹을 표시한다. 이 그룹이 파퓰레이팅되는 방법을 설명하기 위하여, 도 1이 다시 참조된다. 노드 1이 유지하는 EBG로부터, 노드 1은 노드 5가 또한 노드 2로부터의 송신들을 히어링할 수 있다는 것을 인식한다. 그러므로, 노드 5는 노드 1이 노드 2에 송신하기를 희망하는 패킷 a를 기회적으로 포착할 수 있다. 이것은 노드 2가 패킷 a를 또한 수신확인해야 한다는 것을 의미한다. 이 동작에 대한 이유는 노드 2에 의해 행해질 임의의 다가오는 코딩 결정들/송신들이 또한 노드 5에 의해 오버히어링될 것이기 때문이다. 그러므로, 패킷 a를 수신하고 노드 2가 이를 코딩 결정들에 대해 이용하도록 하는 것은 노드 5에 대한 기회이다. 이 방식으로, 노드들은 어느 패킷들이 오버히어링되었는지를 정확하게 인식한다. 이 방식으로, 이것이 그 노드에 유용하지 않기 때문에, 노드 6이 패킷 a를 수신확인하는 것으로부터 배제된다는 점이 또한 주의된다. 이 결정이 라우팅 프로토콜들로부터 교차-계층 정보를 필요로 함이 없이 성취될 수 있다는 점이 여기서 강조되어야 한다.

도 3은 일 실시예에 따른 네트워크 코딩 방식의 일반적인 흐름도이다. 최초 단계(S101)에서, 다중-홉 토폴리지 정보는 예를 들면, 상기 비코닝 절차 또는 이웃 노드들에 관한 정보를 얻는 임의의 다른 적합한 절차들에 의해 얻어진다. 추가적으로, 이웃하는 노드들의 이전 패킷들에 관한 수신 이력(reception history)이 얻어진다. 그 다음, 수신 노드들의 최적화된 그룹이 토폴로지 정보 및 수신 이력에 기초하여 단계(S102)에서 결정된다. 최종적으로, 단계(S103)에서, 결정된 그룹의 적어도 2개의 수신 노드들이 MR 프레임 애그리게이션 방식에서 의도된 수신기들로서 지정된다.

도 4는 각각의 노드에서 상술된 최적의 수신 그룹을 계산하기 위한 계산 또는 소프트웨어 절차의 더 상세한 예를 도시한다. 실제 네트워크 코딩 절차는 도 4의 하부 부분에 제공된다. 그 부분에서, 변수 decode_nodes는 코딩에 대해 현재 고려된 패킷을 디코딩할 수 있는 노드들의 수를 유지한다. 절차의 입력 파라미터들은 타겟 노드(X), 타겟 노드(X)의 BG 및 EBG이다. 절차의 출력은 최적의 수신 그룹(ORG)이어야 한다. 하부 코딩 루프의 제 1 if-조건(단계 2.18)은 이웃의 노드가 이전에 송신된 패킷 l을 수신하였는지를 검사하므로, 송신 l'에 대해 고려된 현재 패킷의 코딩된 버전(version)을 디코딩할 수 있다. 일반적으로, ORG(k; l) == ORG(l; k)라는 것이 가정되고 항상 그러하다는 점이 주의된다.

하부 코딩 루프의 제 2 조건적 if-진술(단계 2.23)은 이 패킷을 코딩할 가치가 있는지를 검사한다. 이것은 단지 하나의 노드가 패킷 l'의 코딩된 버전을 디코딩할 수 있는 경우에, 제 1 장소에서 이것을 코딩할 이유가 없기 때문에 필요하다.

상기 코딩 절차는 최근의 무선 다중-홉 네트워크들에서의 기본적인 문제, 즉, 전체적인 시스템 처리량의 증가를 다룬다. 더 구체적으로는, 높은 밀도의 메시 또는 애드-혹 무선 랜(mesh or ad-hoc wireless local area network)에서 동작하는 높은 데이터-레이트 애플리케이션이 상당히 유익할 것이다. 제안된 코딩 절차 또는 메커니즘은 예를 들면, J. Prado del Pavon, 등의 "The MBOA-WiMedia specification for ultra wideband distributed networks", IEEE Communications Magazine, 44(6):128-134, June 2006에서 설명된 바와 같은, WiMedia MAC와 같은 기존 프로토콜들의 최상부에서 구현될 수 있다.

모바일 또는 무선 기회적인 네트워크들에서, 한 쌍의 노드들이 서로의 무선 범위 내로 이동할 때 기회적인 통신 링크들이 셋업될 수 있다. 상기 네트워크 코딩 절차는 네트워크에서 정보 레이트를 최대화하기 위하여, 무선 채널의 이 브로드캐스트 특성을 이용하기 위해 이용될 수 있다.

그러나, 기회적인 네트워크 코딩과 매체 액세스 프로토콜들 사이의 상호작용들이 여전히 개선될 수 있다. 무선 네트워크 코딩이 실제 무선 시스템들 및 표준들 내로 임베딩(embedding)되도록 하기 위하여, 하나의 세트의 기본적인 메커니즘들 및 알고리즘들이 MAC 계층에서 상기 최적화된 코딩 결정들을 시행할 수 있도록 하기 위해 고안되어야 한다. 다음의 실시예에서, 무선 매체 상에서의 코딩된/코딩되지 않은 패킷들의 적절한 송신 및 우선순위화가 다루어질 것이다.

강화된 분산형 채널 액세스(Enhanced distributed channel access; EDCA)는 최초에 사양 802.11e의 부분으로서 규정되었던 완전한 분산형 서비스 차별화 메커니즘이다. 그러나, EDCA는 경쟁-기반 매체 액세스에서 서비스 차별화를 제공하기 위하여 최근에 WiMedia MAC에 의해 채용되었다. EDCA에서, 매체 액세스는 경쟁-기반 메커니즘을 이용함으로써 승인되는 반면, 상이한 트래픽 등급들의 우선순위화는 2개의 구성가능한 파라미터들: 경쟁 윈도우 크기(CW) 및 AIFS에 의해 성취된다. 경쟁 윈도우 크기는 송신 시도가 행해지기 전에 스테이션이 카운트 다운해야 하는 백-오프 슬롯(back-off slot)들의 수를 결정한다. AIFS 값은 백-오프 절차가 초기화/재개되기 전에 유휴로 감지되어야 하는 슬롯들의 수를 결정한다. 상이한 등급들/우선순위들로 할당되었던 패킷들 및 노드들은 무선 매체에 액세스할 자신들의 기회를 증가/감소시키기 위하여 상이한 파라미터 값들로 구성된다.

기존의 EDCA 방식에 의한 기본적인 문제들 중 하나는 기존의 EDCA 방식이 패킷 송신들이 자신들이 시작되는 노드와 관계없이 시스템 처리량에 동일한 영향을 미친다는 가정에 기초하여 서비스 차별화를 제공한다는 것이다. 그러나, 임의의 트래픽 유형으로부터의 성공적인 패킷 송신은 전체 시스템 처리량에 동일한 방식으로 기여할 수 있다. 예를 들면, 음성패킷망(Voice over IP; VoIP) 패킷들은 높은 우선순위 EDCA 서비스 등급으로 할당되는 반면, 최선형 웹 트래픽(best effort web traffic)은 더 낮은 등급으로 할당된다. 이것은 노드들만이 패킷들을 전달하는 종래의 무선 네트워크들에서 유효한 가정이다. 그러나, 선형으로 코딩된 패킷들이 송신될 때, 상기 진술은 패킷들이 더 이상 동일한 정보 콘텐트를 가지지 않기 때문에 유지될 수 없다.

도 1에 도시된 바와 같은 분산형 무선 애드-혹 네트워크의 간단한 토폴로지를 다시 참조하면, 노드 1이 노드 2에 크기 d의 패킷을 송신하는 것이 최초에 고려된다. 성공적인 송신 시에, 노드 1은 DCF 또는 EDCA 알고리즘들에 따라 백-오프를 개시할 것이다. 그 다음, 채널이 백오프 타이머가 처음으로 만료되는 노드로부터 캡처(capture)될 것이다. 이 경우에, 노드 2는 채널로의 액세스를 획득하고 있고, c라고 칭하는 또 다른 패킷을 송신한다. 우리의 시나리오에 따르면, 채널은 노드 2에 패킷 b를 송신하는 노드 3에 의해 다음으로 캡처될 것이다. 이제, 네트워크 코딩이 적용되는 경우에, 노드 2는 코딩된 패킷(즉, a

)을 송신해야 한다. 그러나, 전형적인 802.11 DCF 메커니즘이 이용되는 경우에, 노드 2는 적어도 노드들(4 및 5)이 송신할 때까지 액세스를 승인받지 못할 것이며, 노드 1이 다시 송신한 이후에 액세스를 승인받을 확률이 가장 높을 것이다. 이것은 수용불가능한 지연을 도입한다. 이제 EDCA가 이용되는 경우에, (아마도 802.11e/WiMedia 사양들에 따른 유사한 트래픽 유형들에 대한 경우인) 동일한 경쟁 등급에 속하는 모든 노드들이 DCF와 같이 매체에 대해 경쟁할 것이다.

성능에 대한 영향을 강조하기 위하여, 예를 들면, 노드 2가 노드들(3 및 4) 둘 모두에서 패킷들의 성공적인 디코딩을 발생시킬 수 있는 코딩된 패킷을 갖는다는 것이 가정된다. 그러므로, 노드 2는 본질적으로 매체 액세스를 통한 우선순위를 가져서, 다른 노드들은 필요한 패킷들을 더 빨리 디코딩할 수 있게 된다. 상술된 상황은 오늘날의 현실, 즉 네트워크 코딩과의 로버스트한 상호-동작에 대해 엔지니어링(engineering)되지 않은 MAC 프로토콜들을 나타낸다. 네트워크 코딩의 출현으로, 기존의 적응 방식들은 차선일 뿐만 아니라, 발견적으로 이용되는 경우에 시스템 성능을 상당히 악화시킬 수 있다.

매체를 최적으로 할당할 수 있도록 하기 위하여, EDCA는 파라미터들(AIFS 및 CW)의 동적 적응과 함께 이용될 수 있다. 그러나, 노드가 수신해야 하는 서비스 차별화의 정확한 량을 계산하는 것이 간단하지 않다. 네트워크 코딩을 이용할 때 EDCA로 노드가 수신해야 하는 서비스 차별화의 최적의 레벨이 아직 식별되지 않았다. 그러므로, 다음 실시예에서 응답할 질문은 네트워크 코딩이 최대한으로 이용되고, 시스템 처리량이 최대화되는 방식으로 EDCA 파라미터들을 적응시키는 방법이다.

네트워크 코딩에 대한 로버스트한 서비스 차별화 메커니즘은 상기 최적화된 코딩 절차를 이용하여 각각의 노드가 상기 노드들로부터의 송신들을 오버히어링할 수 있는 이웃 노드들을 정확하게 인식하도록 함으로써 성취될 수 있다. 더구나, MAC 계층에서 단일 MPDU의 단일 송신에 의해 디코딩될 수 있는 패킷들의 수가 결정될 수 있다. 추가적으로, 시스템적 방식으로 상술된 문제들을 다루기 위하여, 예를 들면, MAC 계층에서 이용될 수 있는 서비스 차별화 방식이 제안된다. 더 구체적으로는, 각각의 노드의 EDCA 파라미터들(예를 들면, AIFS 및 CW)을 동적으로 구성하기 위한 절차가 제안된다.

전반적으로, 시스템에 걸친 정보 레이트가 최대화되어야 한다. 단지 데이터 레이트가 아니라, 정보 레이트가 노드 송신들 사이에서 비례적으로 할당되도록 의도되기 때문에, 노드들 사이의 공정성(Fairness)은 완전한 새로운 의미를 취한다.

도 4의 상기 코딩 절차에서, 파라미터 decodable_nodes는 성공적인 송신 시에 네이티브 패킷(native packet)을 디코딩할 수 있는 노드의 이웃들의 수를 표시하기 위해 이용되었다. 표기의 편의상, 이 파라미터는 얼마나 많은 노드들이 패킷 l을 디코딩할 수 있는지를 표시하기 위하여 이제 c(l)로 표기된다. 본질적으로, 이 량은 패킷 l의 정보 콘텐트(information content)로서 간주될 수 있다. 더욱이, 파라미터 N_j는 등급 j에 속하는 노드들의 수를 표시하는 반면, 파라미터 η_j는 상기 등급 j의 모든 노드들에 의해 성취된 애그리게이트 데이터 레이트를 표시한다.

실시예들에 따르면, 비례적인 액세스 공정성이 상이한 EDCA 등급들에 제공되면서, 네트워크에서의 정보 흐름이 최대화된다. 그러므로, 본질적인 차이는 정보 흐름이 비례한다는 것이다(이는 노드들 사이의 데이터 레이트가 비례하지 않는다는 것을 의미한다). 네트워크 코딩에도 불구하고, 각각의 등급 j는 다음 비율의 시스템 대역폭을 수신해야 하며:

여기서,

는 등급 j의 노드에서의 송신에 대해 현재 고려된 패킷 l에 대한 정보 콘텐트를 표시한다. 그러므로, 질문은 현재 패킷의 정보 콘텐트가

인 경우에 다음 송신 이벤트에 대한 경쟁 윈도우(CW)를 최적으로 구성하는 방법이다. 이를 행하기 위한 여러 방식들이 존재한다. 제 1 방식은 분석적 모델에 의해 지원되고, 제 2 방식은 각각의 패킷의 정보 콘텐트에 따라 하나의 세트의 통계적으로 구성된 값들로부터의 값을 파라미터들(AIFS 및 CW)에 본질적으로 할당하는 발견적 방식이다.

처음으로, 분석적으로-구동된 CW 적응이 설명되는데, 즉, 경쟁 윈도우는 폐쇄-형 해결책에 기초하여 선택될 수 있다. 본질적으로, 특정 등급 j의 함수로서 처리량을 추정하는 임의의 모델이 이용될 수 있다. 일례로서, 최적의 경쟁 윈도우가 C. Hu, 등의 "Provisioning Quality Controlled Medium Access in UltraWide Band-Operated WPANs", in WCNC, 2006에서 설명된 방식에 따라 선택될 수 있다.

(2)

이 식은 다음으로 확장될 수 있다:

(3)

그러나, 상술된 모델이 의무적이지 않다는 점이 주의된다. 제안된 CW 적응은 또한 G. Hiertz, 등의 "IEEE 802.11e/802.11k Wireless LAN - Spectrum Awareness for Distributed Resource Sharing", John Wiley and Sons, Chichester, December 2004에서 설명된 방식에 기초할 수 있다. 그러나, 적응이 패킷 레벨에서 다음 식에 기초해야 하는 것이 제안된다:

(4)

이 수정된 식은 본질적으로 본 실시예의 제안을 캡처하는데, 즉, 적응이 각각의 패킷의 크기가 아니라, 각각의 패킷의 정보 콘텐트를 고려함으로써 발생해야 한다.

대안적인 정적 방식은 파라미터들(AIFS 및 CW)의 최적의 값들을 정적으로 구성하기 위한 룩업 테이블(LUT)에 기초할 수 있다. LUT를 파퓰레이팅할 실제 값들은 이전의 분석적 모델 또는 유사한 방식들로부터 얻어질 수 있다. 더욱이, 패킷 크기는 또한 성능 모델 및 가능한 LUT에서 용이하게 고려될 수 있다. 제안된 방식이 표준화되는 경우에, 포괄적인 실험들이 실행된 이후에 최적의 값들의 그룹은 상이한 동작 영역들에 대해 미리-규정될 수 있다.

도 5는 제안된 적응 방식의 분석적 평가를 위해 이용된 개략적인 토폴로지를 도시한다. 네트워크에서 4개의 패킷 흐름들이 존재한다. 파선들은 무선 커버리지 영역(wireless coverage area)들을 표시한다. 이 토폴로지는 서로를 히어링할 수 있고 전체 토폴로지의 중앙에 위치되는 (어두운 원형 영역들로서 표시되는) 4개의 "코어(core)" 노드들을 포함한다. 에지들에서, 단지 중앙 노드들 중 하나와의 무선 접속성(wireless connectivity)을 가지는 4개의 다른 "에지" 노드들(1 내지 4)이 존재한다. 네트워크에서 (직선 화살표들 및 구부러진 화살표들로서 표시되는) 4개의 패킷 흐름들이 존재하고, 이들의 방향이 또한 도 5에서 강조된다. 이 토폴로지는 조밀한 네트워크에서 제안된 방식의 이점들을 나타내기 위해 이용된다. 분석적 평가에 대하여, 2개의 EDCA 트래픽 등급들(1 및 2)만이 규정된다. 더욱이, 증가된 노드들의 수의 영향을 테스트하기 위하여, 이들의 수가 다음과 같이 변화되었다. 단일 노드가 "코어" 노드들에 추가되었을 때, 또 다른 "에지" 노드가 또한 추가되었다.

도 6은 2개의 상이한 EDCA 트래픽 등급들(1 및 2)에 대한 노드들의 수 대 표준화된 전체 처리량의 분석적 결과들을 도시한다. 상기 결과들은 도 6에서 C. Hu, 등의 "Provisioning Quality Controlled Medium Access in UltraWide Band-Operated WPANs", in WCNC, 2006에서 설명된 바와 같은 Wimedia MAC-계층에서의 개선된 QoS에 대한 제안과 비교된다. 상기 제안이 평범한 Wimedia MAC에 비하여 성능을 이미 상당히 개선시키고, 이것이 제안된 방식으로 성취될 수 있는 상당한 처리량 증가를 훨씬 더 중요하게 한다는 점이 주의된다. 패킷 흐름들 및 포함된 호스트들의 수 둘 모두가 증가될 때 훨씬 더 높은 처리량 이득들이 예상될 수 있다.

단독으로 또는 결합하여 취해진 상기 실시예들은 조밀하고 포화된 무선 메시 또는 애드-혹 네트워크들에서 상당히 더 높은 처리량을 위한 로버스트한 프로토콜을 제공할 수 있다.

그러므로, 상기 실시예들은 초광대역(UWB) 네트워크들에 기초한 낮은 데이터 레이트 애플리케이션들(예를 들면, 센서들) 또는 높은 데이터 레이트 애플리케이션들(예를 들면, 무선 멀티미디어 홈 엔터테인먼트 시스템들(wireless multimedia home entertainment systems) 중 하나에 이용될 수 있다.

요약하면, 타겟 노드의 다중-홉 토폴로지 정보가 얻어지고, 수신 노드들의 그룹이 다중-홉 토폴로지 정보에 기초하여 결정되고, 상기 그룹의 적어도 2개의 수신 노드들이 데이터 유닛들을 패킹하기 위해 다중 수신기 프레임 애그리게이션으로 지정되는, 다중-홉 무선 네트워크에서 패킷 데이터를 브로드캐스팅하기 위한 방법 및 장치가 기술되었다.

본 발명이 상기 실시예들로 제한되는 것이 아니며, MR 프레임 애그리게이션을 허용하는 임의의 다중-홉 패킷 네트워크 환경을 위해 이용될 수 있다는 점이 주의된다. 더 구체적으로는, 본 발명은 모든 유형들의 WLAN들에 이용가능하다.

도면들, 명세서 및 첨부된 청구항들의 연구로부터 개시된 실시예들에 대한 변화들은 당업자들에 의해 이해 및 시행될 수 있다. 청구항들에서, 단어 "포함하는(comprising)"은 다른 요소들 또는 단계들을 배제하지 않고, 부정관사("a" 또는 "an")은 복수의 요소들 또는 단계들을 배제하지 않는다. 단일 프로세서 또는 다른 유닛은 청구항들에서 인용된 여러 항목들의 기능들을 이행할 수 있다. 어떤 매저들(measures)이 서로 상이한 종속 청구항들에서 인용되는 단순한 사실이 이러한 매저들의 조합이 유용하게 이용될 수 없다는 것을 나타내지 않는다. 청구된 특징들을 실행하도록 프로세서를 제어하기 위해 이용된 컴퓨터 프로그램은 다른 하드웨어의 부분과 함께 또는 다른 하드웨어의 부분으로서 공급된 광 저장 매체 또는 고체-상태 매체와 같은 적절한 매체 상에 저장/분배될 수 있지만, 인터넷 또는 다른 유선이나 무선 원격통신 시스템들을 통하여 다른 형태들로 분배될 수 있다. 청구항들에서 임의의 참조 부호들은 청구항의 범위를 제한하는 것으로 해석되어서는 안된다.

Claims

다중-홉 무선 네트워크(multi-hop wireless network)에서 단일 송신으로 상이한 노드들에 대한 복수의 패킷들을 포함하도록 코딩되는 패킷 데이터를 브로드캐스팅(broadcasting)하기 위한 장치에 있어서, 상기 장치는:
a) 타겟 노드(1)의 다중-홉 토폴로지 정보를 얻고(S101);
b) 상기 다중-홉 토폴로지 정보에 기초하여 상기 송신을 오버히어링(overhear)하여야 하는 수신 노드들의 그룹을 결정하고(S102);
c) 상기 패킷 데이터를 수신확인하여야 하는 상기 그룹의 적어도 2개의 수신 노드들을 데이터 유닛들을 패킹(packing)하기 위한 다중 수신기 프레임 애그리게이션(frame aggregation)에 지정하도록(S103) 적응되고,
상기 장치는 잠재적인 수신 노드가 이전에 송신된 패킷을 수신하였던 것을 필요로 하는 제 1 조건, 및 적어도 하나의 추가적인 잠재 수신 노드가 송신될 패킷을 디코딩할 수 있는 것을 필요로 하는 제 2 조건에 기초하여 상기 수신 노드들의 그룹을 결정하도록 적응되는, 패킷 데이터 브로드캐스팅 장치.
제 1 항에 있어서,
비코닝 절차에 의해 상기 다중-홉 토폴로지 정보를 얻도록 적응되는, 패킷 데이터 브로드캐스팅 장치.
제 2 항에 있어서,
상기 다중-홉 토폴로지 정보는 목적지 노드의 인접한 이웃들의 비콘 그룹(beacon group)(2, 5, 6), 및 상기 비콘 그룹의 적어도 하나의 노드의 이웃 노드들의 확장된 비콘 그룹(3, 4, 5)을 포함하는, 패킷 데이터 브로드캐스팅 장치.
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제 1 항에 있어서,
송신될 패킷의 정보 콘텐트에 따라 적어도 하나의 채널 액세스 파라미터를 동적으로 구성하도록 적응되는, 패킷 데이터 브로드캐스팅 장치.
제 5 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 채널 액세스 파라미터는 경쟁 윈도우 크기 및 AIFS(arbitration inter frame space) 중 적어도 하나를 포함하는, 패킷 데이터 브로드캐스팅 장치.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
미리 결정된 트래픽 등급의 함수로서 처리량을 추정함으로써 상기 적어도 하나의 채널 액세스 파라미터를 동적으로 구성하도록 적응되는, 패킷 데이터 브로드캐스팅 장치.
제 5 항 또는 제 6 항에 있어서,
상기 적어도 하나의 채널 액세스 파라미터의 미리-규정된 값들을 저장하는 룩-업 테이블(look-up table)을 이용함으로써 상기 적어도 하나의 채널 액세스 파라미터를 동적으로 구성하도록 적응되는, 패킷 데이터 브로드캐스팅 장치.
다중-홉 무선 네트워크에서 단일 송신으로 상이한 노드들에 대한 복수의 패킷들을 포함하도록 코딩되는 패킷 데이터를 브로드캐스팅하는 방법에 있어서:
a) 타겟 노드(1)의 다중-홉 토폴로지 정보를 얻는 단계(S101);
b) 상기 다중-홉 토폴로지 정보에 기초하여 상기 송신을 오버히어링하여야 하는 수신 노드들의 그룹을 결정하는 단계(S102); 및
c) 상기 패킷 데이터를 수신확인하여야 하는 상기 그룹의 적어도 2개의 수신 노드들을 데이터 유닛들을 패킹하기 위한 다중 수신기 프레임 애그리게이션에 지정하는 단계(S103)를 포함하고,
상기 수신 노드들의 그룹을 결정하는 단계(S102)는, 잠재적인 수신 노드가 이전에 송신된 패킷을 수신하였던 것을 필요로 하는 제 1 조건, 및 적어도 하나의 추가적인 잠재 수신 노드가 송신될 패킷을 디코딩할 수 있는 것을 필요로 하는 제 2 조건에 기초하는, 패킷 데이터 브로드캐스팅 방법.
다중-홉 네트워크에서의 브로드캐스트 송신을 위한 시스템에 있어서,
제 1 항에 따른 패킷 데이터 브로드캐스팅 장치를 각각 가지는 적어도 2개의 네트워크 노드들을 포함하는, 다중-홉 네트워크에서의 브로드캐스트 송신을 위한 시스템.
컴퓨터 디바이스 상에서 구동될 때 제 9 항의 단계들을 생성하기 위한 코드 수단을 포함하는 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터 판독가능한 기록 매체.
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