KR20050118698A - 패킷 라우팅 방법 및 장치 및 제품 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 애드-호크 네트워크 환경 등과 관련된 성능상 목표를 만족시키는 효율적인 라우팅 기술을 제공한다. 특히, 본 발명은 높은 처리량(가령, 최적에 근사하는 처리량) 및 낮은 지연 수준을 제공하는 라우팅 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 바람직하게는 정적 노드 및 동적 노드 모두를 갖는 네트워크를 고려한다. 이동 노드는 본 명세서에서 이동 모델(mobility model)로서 지칭되는 특정 이동 모델을 따른다.

Description

패킷 라우팅 방법 및 장치 및 제품{ROUTING IN WIRELESS AD-HOC NETWORKS}
본 발명은 무선 애드-호크 네트워크(wireless ad-hoc network)에 관한 것이며, 특히 무선 애드-호크 네트워크에서 사용되는 효율적인 라우팅 기술에 관한 것이다.
종종 MANET(mobile ad-hoc network)로서 지칭되는 무선 애드-호크 네트워크는 무선 링크에 의해 접속되는 노드의 세트를 포함하는 것으로 알려져 있다. 이 애드-호크 네트워크의 통상적인 실례는 노드가 환경적 데이터를 수집하여 이후 처리를 위해서 계산 노드로 그 정보를 전송하거나 유선 네트워크로의 릴레이를 위해서 기지국으로 그 정보를 전송하는 센서인, 무선 센서 네트워크이다. 이러한 네트워크는 가령 재난 구역(가령, 지진, 화재 등)에서는 구조를 돕기 위해서, 광물 또는 원유 조사 구역에서 또는 방위 목적으로 전투 환경에서와 같이 위험한 지역에서 배치되어 왔다.
애드-호크 네트워크의 토폴러지는 통상적으로 동적인데 그 이유는 노드가 임의적으로 이동하고 임의적으로 자체를 구성하도록 자유롭기 때문이다. 그러므로, 이러한 기술은 그 노드의 현재의 지리적 위치 및 다른 환경적 조건 및 이 노드가 소유한 무선 송수신기의 특성에 의해서 결정될 수 있다. 그러므로, 이 토폴러지는 네트워크에서 노드를 표현하는 그래프의 "노드" 및 노드들 간의 링크를 표현하는 그래프의 "에지"를 갖는 임의적 그래프(arbitary graph)로서 표현될 수 있다.
애드-호크 네트워크 내의 노드들은 통상적으로 패킷을 릴레이함으로써 서로 간에 통신하도록 시도한다. 그러나, 애드-호크 네트워크 내의 노드의 특성인 한정된 전송 범위로 인해서, 다중 네트워크 "홉(hop)"이 네트워크를 가로질러서 다른 노드와의 데이터를 교환하기 위해서 한 노드에서 필요하다. 문제는 이러한 통신 환경이 주어지면 다양한 성능상 목표를 만족시키는 효율적인 라우팅 프로토콜이 설계하는 것이다.
애드-호크 네트워크에서 효율적인 라우팅은 수많은 도전적인 사항을 가지고 있다. 몇몇 공통적으로 연구된 문제점은 (i) 신호의 손상 또는 페이딩으로 인해 유발되는 무선 링크의 고장 및/또는 사용자의 이동으로 인한 네트워크 토폴러지의 빈번한 변화를 처리하는 방법, (ii) 2 통신 노드 간의 긴 다중-홉 경로들을 유지하는 방법, (iii) 어떠한 중앙화된 제어도 존재하지 않을 경우에 유발되는, 전송하기 원하는 다양한 사용자들 간의 간섭을 감소시키는 방법을 포함한다.
효율적인 라우팅 프로토콜에 대한 다른 해법은 본 명세서에서 참조로서 인용되며 무선 애드-호크 네트워크의 용량에 대해 초점을 맞춘 Gupta 및 Kumar의 연구이며 Piyush Gupta 및 P.R Kumar 등에 의하며, IEEE Transactions on Information Theory, 46(2):388-404,2000에서의 "The Capacity of Wireless Networks"에서 소개되었다. Gupta 및 Kumar은 먼저 임의의 정적 애드-호크 무선 네트워크에 의해 성취가능한 최대 가능 전송 용량에 대한 상한을 보이고 이어서 최적값에 가까운 용량을 갖는 임의적 네트워크에 대한 라우팅 프로토콜을 나타내었다. 이로써, 이 방법은 실제 세팅에서 발생하는 수 많은 문제를 무시하였지만, 이러한 문제에 대한 중요한 이론적 통찰을 제공하였다.
Gupta 및 Kumar은 노드 당 평균 가용 처리량은 정적 애드-호크 네트워크 내의 노드의 개수 n의 제곱근으로 감소함을 보였다. 달리 말하면, 총 네트워크 용량은 최대 으로 증가한다. 이러한 결과는 매우 일반적으로 사실이다. 특히, 네트워크 토폴러지, 전력 제어 방침 또는 임의의 전송 스케줄링 전략과 상관 없이 그러하다.
성취가능한 처리량에 대한 이러한 한계가 주어지면, 노드 당 가용한 평균 처리량이 증가될 수 있는지에 대한 여부에 대한 질문이 자연스럽게 발생한다. 상기 문헌에서는 이러한 문제를 처리하는 2 가지 방식이 있다.
제 1 방식은 네트워크 내에 릴레이 전용 노드(relay-only node)를 부가하는 것이다. 이는 총 네트워크 용량을 증가시키며 이로써 각 전송자에게 가용한 공유량을 증가시킨다. 그러나, 이러한 방식의 주요한 단점은 요구된 릴레이 노드의 개수가 상당하다는 것이다. 가령, 100 명의 전송자를 갖는 네트워크에서, 적어도 4476 개의 릴레이 노드가 용량을 5 배로 증가시키기 위해서 필요할 것이다.
제 2 방식은 이동성을 부여하는 것이다. 노드가 그들의 정상 상태 분포가 균일하도록 원형 디스크에서 임의적으로 이동하는 네트워크에서, Grossglauser 및 Tse는 각 전송자-수신자 쌍이 총 가용한 대역폭의 상수 분율을 획득할 수 있음을 나타내었다(Mathias Grossglauser 및 David Tse에 의하며, 본 명세서에서 참조로서 인용되며 Proceedings of IEEE Infocom '01,April 2001에서의 "Mobility Increases the Capacity of Ad-Hoc Wireless Networks"를 참조하라). 상기 상수는 수신자-전송자 쌍의 개수와는 무관하다.
그러나, Grossglauser 및 Tse에서 언급된 바와 같이, 이러한 방식은 패킷이 그의 수신지에 도달하는데 드는 시간 또는 중간의 릴레이 노드에서 필요한 버퍼의 크기에 대해서는 확실한 대답을 제공하지 못한다. 일반적으로, 패킷을 전달하는데 있어서 지연은 임의적으로 클 수 있다.
따라서, 애드-호크 네트워크 환경 등과 관련된 성능상 목표를 만족시키는 효율적인 라우팅 기술이 필요하다.
발명의 개요
본 발명은 애드-호크 네트워크 환경 등과 관련된 성능상 목표를 만족시키는 효율적인 라우팅 기술을 제공한다. 특히, 본 발명은 높은 처리량(가령, 최적에 근사하는 처리량) 및 낮은 지연 수준을 제공하는 라우팅 방법을 제공한다. 또한, 본 발명은 바람직하게는 정적 노드 및 동적 노드 모두를 갖는 네트워크를 고려한다. 이동 노드는 본 명세서에서 이동 모델로서 지칭되는 특정 이동 모델을 따른다. 그러나, 본 발명은 이동 모델로만 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 다른 측면에서, 애드-호크 네트워크의 소정의 노드에서 하나 이상의 패킷을 라우팅하기 위해 사용되는 기술은 (i) 애드-호크 네트워크 내의 하나 이상의 다른 노드와 연관되며 상기 하나 이상의 패킷의 수신지에 대한 상기 하나 이상의 다른 노드와 연관된 방향과 관련된 이동 정보를 획득하는 단계와, (ii) 상기 이동 정보를 기반으로 하여 상기 수신지로의 릴레이를 위해서 상기 하나 이상의 패킷을 상기 하나 이상의 다른 노드 중 한 노드로 라우팅하는 단계를 포함한다. 상기 하나 이상의 패킷의 소스 및/또는 수신지는 이동 노드일 수 있다. 상기 하나 이상의 패킷의 소스 및/또는 수신지는 정적 노드일 수 있다. 또한, 상기 하나 이상의 패킷을 릴레이하는 노드는 이동 노드 또는 정적 노드일 수 있다. 또한, 노드는 핸드오프 영역 및/또는 이와 연관된 핸드오프 데드라인(handoff deadline)을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 측면에서, 분산형 네트워크에서 하나 이상의 패킷을 라우팅하는 기술은 (i) 상기 분산형 네트워크 내의 정적 노드들 중 적어도 일부를 그룹으로 클러스터화하여 리더 노드(leader node)를 각 그룹 내에서 식별하는 단계와, (ii) 수신지 노드로 전송될 하나 이상의 패킷을 소스 노드로부터 그룹 내의 리더 노드로 전송하는 단계와, (iii) 상기 분산형 네트워크 내의 하나 이상의 가용한 이동 릴레이 노드를 통해서 상기 리더 노드로부터 상기 하나 이상의 패킷을 전송하는 단계와, (iv) 상기 수신지로의 전달을 위해서 상기 하나 이상의 패킷을 상기 하나 이상의 이동 릴레이 노드들 중 하나로부터 적어도 하나의 다른 그룹 내의 적어도 하나의 리더 노드로 전송하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 소스 노드로부터 상기 하나 이상의 패킷을 최초로 수신하는 상기 리더 노드는 이동 릴레이 노드가 상기 리더 노드에 대해 소정의 근사 범위 내에 존재할 때까지 상기 하나 이상의 노드를 저장할 수 있다. 또한, 소스 노드로부터 하나 이상의 패킷을 최초로 수신하는 리더 노드는 이동 릴레이 노드가 수신지 노드를 향하는 방향으로 이동 중인 것으로 식별될 때까지 하나 이상의 노드를 저장할 수 있다. 상기 하나 이상의 패킷은 상기 하나 이상의 패킷이 각 전송에 있어서 상기 수신지 노드에 보다 근접하도록 한 이동 릴레이 노드에서 다른 이동 릴레이 노드로 전송될 수 있다. 노드들 간의 패킷 전송은 간섭을 적어도 최소화하도록 상이한 주파수 채널에 따라서 수행될 수 있다.
또한, 본 발명은 m 개의 이동 노드 및 n 개의 정적 노드가 분산형 네트워크 내에 존재하는 경우에, 각 소스 노드는 의 평균 처리량을 성취하며, 여기서 W은 최대 가용한 대역폭이며 c는 제로보다 큰 상수이다. 또한, 패킷에 의해서 유발되는 최대 지연은 최대 이며, 여기서 d는 네트워크의 직경이며 v는 이동 노드의 속도이다. 분산형 네트워크는 애드-호크 네트워크일 수 있으며 또한 노드들은 무선 링크를 통해서 통신할 수 있다.
본 발명의 이러한 목적, 특징 및 장점 및 다른 목적, 특징 및 장점이 이제 첨부 도면을 참조하여 판독될 본 발명의 예시적인 실시예의 다음의 상세한 설명 부분으로부터 분명해질 것이다.
도 1은 본 발명의 기술이 구현되는 무선 애드-호크 네트워크를 설명하는 블록도,
도 2는 본 발명의 기술의 전부 또는 일부를 구현하도록 채용될 수 있는 컴퓨팅 시스템 또는 디바이스의 실례를 설명하는 블록도,
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 패킷을 라우팅하는 것을 전반적으로 설명하는 블록도,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른, 패킷을 라우팅하는 방법을 설명하는 흐름도,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른, 핸드오프 프로세스를 나타내는 도면.
다음의 설명은 예시적인 애드-호크 네트워크 아키텍처를 사용하는 본 발명을 설명한다. 그러나, 본 발명은 임의의 특정 애드-호크 네트워크 아키텍처에서만 사용되는 것으로 한정되지 않는다. 이보다는, 본 발명은 보다 일반적으로는 효율적인 데이터 라우팅이 요구되는 임의의 네트워크 아키텍처에서 사용된다.
도 1을 우선 참조하면, 블록도는 본 발명의 기술이 구현될 수 있는 무선 애드-호크 네트워크를 도시한다. 도시된 바와 같이, 무선 애드-호크 네트워크(100)는 무선 링크에 의해 접속된 다수의 네트워크 노드(102-1 내지 102-Z)를 포함한다. 노드의 개수 Z는 배치될 애플리케이션에 의존하며 따라서 본 발명은 임의의 특정 개수의 노드로만 한정되지 않는다.
노드(102-1 내지 102-Z)는 임의적으로 이동하며 임의적으로 자체 구성할 수 있도록 일반적으로는 자유로와서 애드-호크 네트워크(100)의 토폴러지는 일반적으로 동적이며, 본 발명에 따라서는, 네트워크 노드 중 몇몇은 정적 노드이며(즉, 고정 노드 또는 비이동 노드임), 몇몇은 동적 노드이다.
또한, 노드(102-1 내지 102-Z)는 패킷을 릴레이함으로써 서로 간에 통신한다. 그러나, 상술한 바와 같이, 애드-호크 네트워크 내의 이러한 노드의 특성인 한정된 전송 범위로 인해서 다중 네트워크 홉(도 1에서 참조 부호 104로 표시됨)이 네트워크(100)를 가로질러서 다른 노드와의 데이터를 교환하기 위해서 한 노드에서 필요하다.
따라서, 도 1에서 도시된 바와 같이, 노드(102-1)는 무선 링크를 통해서 노드(102-3)로 패킷을 전송하고(제 1 홉), 무선 링크를 통해서 노드(102-4)로 패킷을 전송하며(제 2 홉), 이어서 무선 링크를 통해서 노드(102-Z)로 패킷을 전송함으로써(제 3 홉) 노드(102-Z)와 통신할 수 있다. 물론, 다양한 요인에 따라서, 패킷은 보다 많거나 보다 적은 홉(104)을 갖는 다른 라우팅을 통해서 노드(102-1)에서 노드(102-Z)로 전송될 수 있다. 또한, 명료성을 위해서, 도 1은 한 노드에서 다른 노드로 패킷을 전송하는데 사용될 수 있는 모든 가능한 홉 구성을 직접 표현하지는 않고 있다. 또한, 노드는 그 자체와 다른 노드 간의 개별적인 무선 링크를 가지지만, 홉은 그의 무선 링크들 중 하나를 통해서 이 노드에서 다른 노드 중 한 노드로 데이터 전달하는 것을 지칭한다. 어떠한 경우라도, 본 발명이 주요하게 초점을 두고 있는 것은 네트워크에서의 라우팅의 선택(즉, 라우팅 방식을 결정하는 것)이다.
네트워크(100) 내의 노드들 중 임의의 하나는 계산 노드로서 기능할 수 있으며, 이 계산 노드에서는 그로 전달된 패킷은 몇몇 방식으로 처리될 수 있다는 것이 이해될 것이다. 또한, 노드(102-Z) 또는 네트워크 내에서 기지국(106)의 범위 내에 있는 임의의 다른 수신 노드는 유선 네트워크(108)로 릴레이하기 위한 정보를 기지국으로 전달할 수 있다. 유선 네트워크(108)는 인터넷, 개인용 데이터 네트워크 등일 수 있다. 명료성을 위해서, 오직 하나의 기지국과 하나의 무선 네트워크가 도 1에서는 도시되었다. 그러나, 하나 이상의 추가적인 유선 네트워크와 통신하는 하나 이상의 추가적인 기지국이 존재할 수 있다. 물론, 네트워크(108)는 이와 달리 다른 무선 네트워크일 수도 있다.
따라서, 노드(102-1 내지 102-Z)가 위험하고 적대적인 환경에 배치되어 그 환경에서 데이터를 수집하는 경우에는, 이 노드에 의해 수집되는 데이터는 유선 네트워크(108)를 통해서 멀리 떨어진 위치로 전송될 수 있으며, 이로써 이 데이터는 위험하지 않고 적대적이지 않는 환경(또는 최소한 보다 덜 위험하고 보다 덜 적대적인 환경)에 제공되어 분석될 수 있다.
도 2를 참조하면, 블록도는 본 발명의 기술 중 일부 또는 전부를 구현하도록 채용될 수 있는 컴퓨팅 시스템 또는 디바이스의 실례를 도시한다. 특히, 노드(102-1 내지 102-Z) 중 하나 이상의 노드 및/또는 기지국(106)은 본 발명의 기술을 수행하기 위해서 이러한 컴퓨팅 시스템(200)을 구현할 수 있다(기지국은 이하에서 설명될 바와 같이 "센서"를 필수적으로 요구하지 않는다). 물론, 본 발명은 임의의 특정 컴퓨팅 시스템으로만 한정되는 것은 아니다.
이러한 예시적인 구현에서, 본 발명의 방법의 적어도 일부를 구현하는 프로세서(202)는 버스(210) 또는 다른 접속부에 의해서 메모리(204), 센서(206) 및 네트워크 인터페이스(208)에 동작적으로 접속된다. 용어 "프로세서"는 본 명세서에서 가령 CPU 및/또는 다른 처리 회로(가령, 디지털 신호 처리기(DSP), 마이크로프로세스 등)를 포함하는 것과 같은 임의의 처리 장치를 포함한다. 또한, 용어 "프로세서"는 하나 이상의 처리 장치를 지칭하며 이 경우에 한 처리 장치와 연관된 다양한 소자들이 다른 처리 장치에 의해 공유될 수 있다.
본 명세서에서 사용된 용어 "메모리"는 가령 RAM, ROM, 고정 저장 매체(하드 드라이브), 이동가능한 저장 매체(가령, 디스켓), 플래시 메모리 등과 같은, 프로세서 또는 CPU에 연결된 메모리 또는 다른 컴퓨터 판독가능한 매체를 포함한다.
또한, 본 명세서에서 사용된 용어 "센서"는 가령 컴퓨팅 시스템(200)(가령, 네트워크 노드)이 배치될 수 있는 환경으로부터 데이터를 수집할 수 있는 하나 이상의 디바이스를 포함한다. 센서의 실례는 자신이 배치된 환경에서 데이터를 수집할 수 있는, 무선 통신 디바이스와 관련된 수신기일 수 있다. 그러나, 본 발명은 임의의 특정 센서로만 한정되는 것이 아니다. 또한, 기지국은 통상적으로 센서를 구비하지 않을 것이다.
또한, 본 명세서에 사용된 문구 "네트워크 인터페이스"는 가령 컴퓨팅 시스템(200)(가령, 네트워크 또는 노드)으로 하여금 다른 컴퓨팅 시스템(가령, 네트워크 노드 또는 기지국)과 통신하게 할 수 있는 하나 이상의 디바이스를 포함한다. 따라서, 네트워크 인터페이스는 적합한 무선 프로토콜을 통해서 다른 컴퓨팅 시스템(가령, 네트워크 노드 또는 기지국)과 통신하도록 구성된 송수신기를 포함할 수 있다. 무선 전송 프로토콜의 실례는 블루투스 및 IEEE 801.11이다. 그러나, 본 발명은 임의의 특정 통신 프로토콜로만 한정되는 것은 아니다.
본 발명은 본 명세서에서 네트워크 통신 시스템의 맥락에서 기술되지만, 본 발명의 방법은 컴퓨터 판독가능한 매체의 형태로 배포될 수 있으며, 본 발명은 배포를 위해서 실제적으로 사용되는 신호 보유 매체의 특정한 타입의 상관없이 유리하게 구현될 수 있다. 본 명세서에서 사용된 용어 "컴퓨터 판독가능한 매체"는 가령 플로피 디스크, 하드 드라이브, RAM, CD ROM 등과 같은 기록가능한 타입의 매체 및 가령 무선 주파수 및 광 전송과 같은 전송 형태를 사용하는 디지털 및 아날로그 통신 링크, 유선 또는 무선 통신 링크와 같은 전송 타입 매체를 포함한다. 컴퓨터 판독가능한 매체는 특정 데이터 처리 시스템에서 사용되기 위해서 디코딩되는 코딩된 포맷의 형태를 취할 수 있다.
따라서, 본 명세서에서 기술된 바와 같은, 본 발명의 방법을 수행하기 위한 인스트럭션 또는 코드를 포함하는 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 또는 그의 소프트웨어 구성 요소는 가령 ROM과 같은 고정 또는 이동가능한 저장 매체와 같은 관련 저장 매체 내에 저장되어 사용되기 위해서는 가령 RAM과 같은 매체로 전체적으로 또는 부분적으로 로딩되어 프로세서(202)에 의해서 실행될 수 있다.
어떠한 경우라도, 본 명세서에서 기술되고 첨부 도면에서 도시된 본 발명의 기술은 소프트웨어, 하드웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있는데, 가령 연관 메모리, 구현 특정 집적 회로 및 기능 회로 등과 함께 하나 이상의 동작적으로 프로그램된 범용 디지털 컴퓨터로 구현될 수 있다. 본 명세서에 제공된 본 발명의 기술이 주어지면, 본 기술 분야의 당업자는 본 발명의 기술을 달리 구현하는 것을 고려할 수 있을 것이다.
참조의 용이성을 위해서, 상세한 설명의 나머지 부분은 다음과 같이 (1) 도입부, (2) 모델 및 결과 (3) 라우팅 방법 (4) 모델의 일반화 및 (5) 결과의 암시로 분할된다.
1. 도입
본 발명은 이동성이 최적 근사 처리량을 획득할 뿐만 아니라 낮은 지연을 동시에 제공할 수 있는 방식으로 사용될 수 있는지의 문제를 처리한다. 또한, 본 발명은 정적 노드 및 동적 노드 모두를 갖는 네트워크를 고려한다. 이동 노드는 이동 모델(도 2 이하 참조)로서 지칭되는, 특정 이동 모델을 따른다. 떠한, 본 발명은 라우팅 방법을 제공한다. 이러한 라우팅 방법은 높은 처리량 및 낮은 지연을 제공하는 것으로 증명되었다.
네트워크 조건 및 시나리오에 대한 다양하며 단순화시키는 가정들이 본 발명의 원리를 설명하는데 있어서 사용되지만, 본 발명은 이러한 가정들로만 한정되는 것이 아니다. 가령, 처리량에 대해서 하한을 획득하기 위해서 취해진 한 가정은 모든 노드들이 네트워크에서 임의적으로 균일하게 분포하고 있다는 것이다. 이와 유사하게는, 전송자-수신자 쌍도 임의적으로 선택될 수 있다. 실제로는, 모든 노드가 패킷을 한 수신자에게 전송하기를 원한다면, 어떠한 노드도 대역폭의 1/n 이상을 수신할 수 없으며 여기서 n은 노드의 개수이다. 유사하게는, 대부분의 노드들이 작은 영역으로만 집중된다면, 과도한 간섭으로 인해서 이들 중 오직 하나만이 1 회 통신할 수 있다.
2. 모델 및 결과
이 부분에서, 본 발명에 따라서, 모델이 규정되고 모델링 가정들이 진술된다.
2.1 네트워크 모델
예시적인 설명을 위해 고려되는 애드-호크 네트워크는 n 개의 정적 노드 및 m 개의 이동 노드를 포함하며 이 노드들 모두는 단위 면적의 디스크(반경 ) 내부에 놓인다. 정적 노드의 위치는 고정된다. 정적 노드들은 단위 원형 디스크 상에서 임의적으로 균일하게 분포되어 있다. 이동 노드는 디스크에서 시간 t = 0 에서는 임의적으로 분포되어 있다. 시간이 지나면, 이들의 위치 및 속도는 이하에서 기술되는 이동 모델에 의해서 주어진다. 보편적으로, m은 과 n 사이에 놓인다.
2.2 이동 모델(mobility model)
다양한 이동 모델들이 노드 이동의 방법 및 프로토콜의 성능에 대한 영향을 평가하면서 여러 문헌에서 고려되었다. 이들 중 가장 광범위하게 사용되는 것은 본 명세서에서 참조로서 인용되며 D.B Johnson 등에 의해서 Mobile Computing Volume 353, Kluwer Academic Publishers,1996에서의 "Dynamic Source Routing in Ad-Hoc Wireless Networks"의 "랜덤 웨이포인트 모델(random waypoint model)"이다.
랜덤 웨이포인트 모델 : 이 모델에서, 노드는 단위 디스크 내에서 임의적으로 균일하게 분산된 수신지를 선택하고 속도 v로 그 방향으로 이동한다. 이 속도는 몇몇 구간에서는 균일하게 선택된다(0,vmax). 수신지에 도달하면, 노드는 몇몇 랜덤 변수(random variable)에 따라서 분포된 몇몇 시간 동안 정지하며 프로세스는 반복된다.
다른 모델은 본 명세서에서 참조로서 인용되며 B.Liang 등에 의하며 Proceedings of IEEE Infocom '99,1999에서의 "Predictive Distance-based Mobility Management for PCS Networks"에서 개시된 랜덤 Gauss-Markov 모델이며, 본 명세서에서 참조로서 인용되며 IEEE ICUPC, volume 2, pages 803-807, 1993에서 H.Xie 등에 의한 "Mobility Models and Biased Sampling Problem"에서 개시된 플루이드 플로우 모델(fluid flow model)이다. 이러한 이동 모델은 또한 본 명세서에서 참조로서 인용되며 1999년 X.Hong 등에 의한 "A Group Mobility Model for Ad-Hoc Wireless Networks"에서 개시되어 있다.
본 발명은 균일한 이동 모델(a uniform mobility model)을 제공한다. 그러나, 본 발명은 최적합한 주장(optimality assertion)을 하기 위해서 사용되는 이 균일한 이동 모델로만 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명은 기술은 이 균일한 이동 모델 없이도 사용될 수 있다. 이 모델은 분석적으로 취급하기 용이하다는 장점이 있다. 이 모델의 설명은 다음과 같다.
균일한 이동 모델 : 이 모델에서, m 개의 이동 노드 각각은 단위 원형 디스크 내에서 속도 v로 이동한다. 시간 t = 0 일때에, 이 노드들의 위치는 디스크 내에서 임의적으로 균일하게 분포되어 있다. 또한, m 개의 노드의 이동의 방향은 시간 t = 0에서는 (0, 2π) 내에서 독립적이며 동일하고 균일하게 분포되어 있다.
이후의 시간에, 노드는 다음과 같이 동작한다. 노드는 (0,2π)로부터 임의적으로 균일하게 방향을 선정하여 거리 d에 대해 속도 v로 그 방향으로 이동하는데 여기서 d는 평균 k를 갖는 지수적으로 분산된 랜덤 변수이다. 이 프로세스는 노드가 거리 d에 도달할 때까지 반복된다. 노드가 디스크의 경계를 치면, 이 경계에서 반사된다.
유리하게는, 상술된 이 균일한 이동 모델은 다음과 같은 증명가능한 특성을 갖는다.
1. 시간 t에서, 이동 노드의 위치는 서로 무관하다.
2. 디스크 상에서 이동 노드의 정상 상태 분포는 균일하다.
3. 디스크 내에서 이동 노드의 위치에 대한 조건으로서, 각 노드의 방향은 (0,2π) 내에서 균일하게 분포되어 있다.
2.3 전송 모델
시간 t에서, S1, S2, ..., Sm이 위치 X1, X2,...Xm의 위치를 갖는 전송자라고 가정하고 R은 위치 X0을 갖는 수신자라고 가정해보자. Si가 전송을 위해서 전력 Pi(t)를 사용하면, R에서 수신된 신호의 강도는 이며, 여기서 a > 2 이다.
만약 다음과 같은 식이 성립하면 Si에서 R로의 전송이 성공적이다.
여기서, 상수 β는 전송 채널에 대한 SNR(신호 대 잡음 비율)이다. 최대 가용 대역폭은 W로 표시될 것이다.
2.4 성능 수치(Performance Metric)
n 개의 전송자-수신자 쌍이 존재한다고 가정하자. 특히, 각 정적 노드 i는 몇 개의 다른 정적 수신지(또한 수신자) 노드 d(i)로 전송하는 소스(또한, 전송자)로소 기능할 것이다. 각 소스는 그의 수신지를 임의적으로 균일하게 선택한다.
스케쥴링 방침 τ은 시간 t에서 어느 전송자가 데이터 전송하는 지를 선택하고 노드 i에서의 전력 레벨 Pi(t)을 선택한다. 스케쥴링 및 릴레이 방침 τ이 주어지면, τ은 각 소스가 레이트 λ(n)로 데이터를 전송할 수 있다면 λ(n)의 처리량을 성취한다.
2.5 예비사항(Preliminaries)
직관적으로, 노드 S가 거리 d에 있는 몇몇 노드로 메시지를 전송하면, 무선 전송의 본성으로 인해서 이는 S로부터 대략적으로 d의 거리 내에 존재하는 모든 노드에 대해서 간섭을 유발한다. 그러므로, 전송 평균 거리가 약 d이면, 최대 n/d2 사용자들이 동시에 전송할 수 있다.
이는 상술된 Gupta 및 Kumar의 결과의 기초를 형성한다. 소스와 수신지 간의 경로의 길이가 평균적으로 이면, 이는 총 처리량이 최대 일 수 있음을 암시한다. 따라서, 짧은 범위 전송(즉, d = 1)을 가지면 유리하며 총 용량은 최대 으로서 증가할 수 있다.
노드 당 Ω(1) 평균 처리량을 획득하는 것은 매우 엄격한 요구 수준이며 이는 몇 가지 사항을 의미한다. 첫째로, 이는 각 노드가 시간의 일정한 분율 동안 그의 수신지로 패킷을 전송해야 함을 의미한다. 둘째로, 소스로부터 수신지로 이동하는 각 패킷은 최대 일정한 개수의 릴레이와 관련되어야 한다. Grossglauser 및 Tse(상술됨)의 사상은 각 노드가 항상 그의 근처의 이동 노드로 패킷을 넘겨주는 것이다. 이동 노드가 수신지 노드와 근접하면, 이 노드는 수신지로 패킷을 넘겨준다. 이는 패킷이 수신지에 도달하는 데 필요한 시간에 대한 확답을 주지 못한다.
본 발명에 따라서, 설명될 바와 같이, 한정된 지연 및 양호한 처리량이 보장될 수 있다. 이를 성취하기 위해서, 몇 개의 사항이 보장된다. 먼저, 양호한 지연 수준을 보장하기 위해서, 수신지의 위치가 고정되는 것이 가정된다. 실제로, 수신지가 이동 노드이면, 몇몇 가정들이 이하에서 기술될 바와 같이 취해지지 않는다면 양호한 지연 수준에 대한 보장은 가능하지 않다. 그러므로, 소스 및 수신지는 정적 노드이고 릴레이 노드로서는 이동 노드를 사용하여 보다 큰 처리량을 성취하는 것이 가정된다.
둘째로, 전송자 당 일정한 처리량을 획득하기 위해서, 전송자는 대부분의 시간을 전송할 수 있어야 한다. 이동 노드의 개수가 0()이면, 언제나 최소 0() 정적 노드가 이동 노드와 통신할 수 있으며 그 처리량은 오직 (O)일 것이다. 마찬가지로, n 개 이상의 이동 노드는 도움이 되지 않는데 그 이유는 총 처리량이 정적 노드의 개수 (n)에 의해서 제한되기 때문이다. 이러한 설명 전체에서, 이동 노드의 개수 m은 과 n 간의 개수이다는 것이 가정된다.
세째로, 패킷 당 릴레이의 개수는 너무 커서는 안된다. 이를 성취하기 위해서는, 노드의 이동 패턴이 개발된다.
마지막으로, 작은 지연을 보장하기 위해서, 패킷은 경로를 벗어나지 말아야 한다. 언제나, 릴레이 노드는 다양한 수신지에 대응하는 몇 개의 패킷을 가질 것이다. 이 릴레이 노드가 그의 경로를 따르는 다른 릴레이 노드와 만다면, 이 노드는 그 패킷 중 몇 개의 다른 릴레이 노드에게 건네 주어야 한다. 그러나, 이 릴레이 노드는 모든 패킷을 건네줄 수는 없는데, 그 이유는 이들이 최대 근접하게 되는(따라서 통신 범위 내에 존재하게 되는) 기간이 너무 작기 때문이다. 그러므로, 어느 패킷이 핸드 오프될지를 결정하는 프로세스가 필요하다. 지연이 고려되지 않는다면 이는 문제가 되지 않는다. 본 발명은 지연을 처리 및 분석하는 방법을 제공한다.
마지막으로, 이동 노드가 릴레이 노드로서 전용되고 그의 경로 및 이동이 정적 노드의 요구 사항들에 의해 통제를 받게 되는 다른 가능한 모델이 가능하다. 그러나, 이는 그 문제에 대한 다른 방식을 제안하는데 이 경우에 이는 네트워크 흐름 문제로서 모델링될 수 있다. 본 발명의 균일한 이동 모델에서, 이동 노드는 차량, 비행기 등에서 여행하며 자신의 고유한 이동 패턴을 갖는 사용자에 대응한다. 이러한 사용자들은 잠재적으로 다른 정적 디바이스가 사용할 수 있는 무선 디바이스를 갖는다. 그러나, 분명하게는, 그 무선 디바이스가 사용자의 이동을 통제할 것이라고는 예상되지 않는다.
2.6 모델링 가정 사항들
다음과 같은 가정들이 존재한다.
1. 정적 노드의 위치는 다른 노드에게 알려진다. 이는 합당한 가정으로서 이 정보는 몇몇 위치 파악 서비스 또는 프로토콜을 통해서 획득될 수 있으며(가령, Jinyang Li 등에 의하며 본 명세서에서 참조로서 인용되며 ACM Mobicom 2000에서의 "A Scalable Location Services for Geographic Ad-hoc Routing"을 참조하라) 이어서 그 노드 내에 저장된다.
2. 이동 노드는 이들이 움직이는 방향을 어느 정도 정확하게 파악한다. 이는 네트워크가 GPS 지원을 갖는다면 실행하기 용이하다. 심지어 GPS 지원이 가용하지 않더라도, 이동 노드는 자신이 만나는 노드에 가장 근사한 정적 노드들의 시퀀스를 관찰함으로써 그의 방향을 검출할 수 있다. 근접 정적 노드 검출은 신호 강도를 이용하여 수행된다.
3. 이동 노드는 방향을 변경하기 이전에 직선으로 얼마나 멀리 이동할 것인지를 안다. 가령, 이는 랜덤 웨이포인트 모델에서는 사실이며 또한 노드가 그들의 수신지를 아는 실제 생활의 상황에서도 사실이다.
4. 공개의 용이성을 위해서, 이동 모델에서 k는 네트워크의 직경의 차수이다. 이하의 일반화 부분 4에서는, 이 가정은 제거된다.
2.7 주요한 결과
본 발명은 다음의 조건을 만족하는 이동 애드-호크 네트워크를 예시적으로 고려한다.
1. 디스크 내에 균일하게 분포된 n 개의 정적 노드가 존재하며 단위 디스크 내에서 균일한 이동 모델을 따라서 이동하는 m 개의 이동 노드가 존재한다.
2. n 전송자-수신자 쌍은 정적 노드들 중에서 균일한 분포에 따라서 임의적으로 선택된다.
이들 조건이 주어지면, 본 발명은 각 전송자가 의 평균 처리량을 성취(W은 최대 가용한 대역폭임)할 수 있도록 상수 c > 0 이 존재하도록 제공한다. 또한, 이 패킷에 의해 유발되는 최대 지연은 최대 이며, 여기서 d는 네트워크의 직경이고 v는 이동 노드의 속도이다. m 개의 이동 노드에서의 최상의 성취한가능한 λ(n)은 O(Wm/n)이다.
3. 라우팅 방법
이 부분의 설명은 본 발명의 실시예에 따른 라우팅 방법을 설명하며, 이후에 세부적으로 분석된다. 보다 일반적인 모델들이 다음 부분에서는 분석된다.
3.1 방법
도 3의 블록도는 무선 애드-호크 네트워크(가령, 도 1에서 도시된 무선 애드-호크 네트워크(100))에서 소스 노드 S에서 이동 노드 M1,M2,M3을 통해 수신지 노드 R로의 메시지의 라우팅을 본 발명의 일 실시예에 따라서 도시하고 있다. 이러한 라우팅이 성취되는 방식의 일반적인 설명이 이제 도 4의 맥락에서 제공될 것이다.
도 4의 흐름도는 본 발명의 일 실시예에 따라 패킷을 라우팅하는 방법(400)을 설명한다. 이러한 설명에 있어서, 도 3의 노드들이 다시 참조된다. 그러나, 본 발명의 라우팅 방법은 도 3에 도시된 노드 구성으로만 한정되지 않는다. 이보다는, 도 3의 노드 구성은 본 발명의 라우팅 방법의 단계들을 이해하는데 있어서 명료성을 위해서 제공된다. 물론, 다른 노드 구성(가령, 보다 작은 수 또는 보다 많은 수의 노드를 갖는 구성)도 본 발명의 원리를 구현하는데 있어서 사용될 수 있다.
본 라우팅 방법(400)의 단계(410)에서 도시된 바와 같이, 노드들은 클러스터로 지칭되는 작은 영역으로 그룹화되며 각 클러스터 내부에는 리더 노드가 정적 노드에 의해서 선택된다. 보다 구체적으로는, 크기 의 각 영역 내부에서, 정적 노드들은 영역 리더를 선택한다. 이 리더는 그의 영역 내의 정적 노드의 모든 메시지들을 이동 노드와 통신하는 책임을 진다. m 개의 영역 리더가 존재할 것이다. 또한, 클러스터화는 이후에 기술될 것이다.
단계(420)에서, 메시지(가령, 하나 이상의 패킷)를 수신지 R로 전송하기 원하는 정적 노드 S1은 그 메시지를 그의 리더 노드(S)에 전달한다. 이 리더 노드는 메시지를 저장하고 M1이 S에 충분하게 근접하도록 대략적으로 R의 방향을 따라서 이동하도록 이동 노드(M1)를 기다린다. 이러한 노드가 가용하면, S는 데이터를 M1에게 전달한다. 이는 본 명세서에서 정적 대 이동 상태(static-to-mobile phase)로 지칭되며 이하에서 기술될 것이다.
단계(430)에서, 패킷이 수신지로 보다 근접하게 이동하도록 이동 노드들은 그들 자체들(가령, 도 3에서 M1 내지 M3) 간에서 R에 대해 의도된 패킷을 릴레이한다. 이는 이동 대 이동 상태(mobile-to-mobile phase)이며 이하에서 기술될 것이다.
단계(440)에서, 패킷을 운반하는 이동 릴레이 노드가 수신지에 충분하게 근접하면, 이 노드는 패킷을 (도 3에 도시되지 않은) 몇몇 리더 노드에게 전달한다. 이 패킷은 이어서 올바른 리더 노드를 향해서 리더 노드들 간에서 라우팅되고 이어서 이 올바른 리더 노드는 패킷을 수신지 노드로 전송한다. 본 명세서에서 이는 정적-대-정적 상태(static-to-static phase)이며 이하에서 기술될 것이다.
본 방법에서, 다양한 상태들이 동시에 실행될 수 있으며, 즉 다수의 소스에서 다수의 수신지로 다수의 메시지를 전송하는 다중 노드가 가능하며, 이로써 여러 상태들이 상이한 전달에 대해서 동시에 발생할 수 있게 된다. 이러한 상이한 상태에서 사용되는 신호들은 서로 간섭을 일으킬 수 있다. 따라서, 이 상태 각각은 바람직하게는 상이한 주파수 채널을 사용하고 이로써 이들은 서로 간섭하지 않게 된다. 특히, 각 상태는 W/4의 최대 할당 대역폭을 갖는다. 본 방법 전체에서, 모든 노드들은 단위 전력으로 전송하는 것으로 가정된다. 각 리더 노드는 ΩW/log3 n 의 처리량을 획득할 수 있다. 리더의 각 영역 내에서, 0(n/m) 정적 노드가 존재할 수 있다. 이는 리더 정적 노드가 Ω(Wm/n log3n)의 처리량을 획득할 수 있음을 암시한다.
3.2 노드 클러스터링(clustering nodes)
노드를 클러스터링하는 단계(도 4의 단계(410))가 이제 더 설명될 것이다. m > n/(16 log n)이면, m = n/(16 log n) 이라고 하자. 이웃들 간의 거리가 인 m 개의 노드를 포함하는 가상 그리드를 고려해보자. 표준 Chernoff 범위로부터, 그리드 노드 각각은 의 거리 내에서 정적 노드를 가지며 확률은 적어도 1 - n- 2 이다. 이 정적 노드들 중 하나는 각 그리드 노드를 둘러서 변(side) 의 정방형 영역에 대응하는 리더 노드로서 선택된다. 그리드 노드가 m-1/ 2 의 거리에 의해서 분리되기 때문에, 임의의 2 개의 리더 노드들 간의 거리는 적어도 일 것이다. 마지막으로, Chernoff 범위를 다시한번 적용하면, 각 영역은 0(n/m) 정적 노드를 포함한다. 직관적으로, 리더가 아닌 정적 노드가 무시된다면, 네트워크는 m 개의 이동 노드 및 m 개의 리더를 가지며 이 경우에 리더들은 그리드 형상 구조로 구성된다(즉, 어떠한 2 개의 리더도 서로 매우 근접하지 않게 된다).
통신은 다음과 같이 발생한다. 각 영역(클러스터)에서, 오직 리더 노드만이 이동 노드와 통신하는 책임이 있다. 패킷을 전송하기 원하는 정적 노드는 먼저 패킷을 그 정적 노드가 속한 클러스터의 리더에게 전송한다. 이어서, 패킷은 리더 노드와 이동 노드 간에서 라우팅된다. 마지막으로, 리더 노드는 패킷을 클러스터 내에서 국부적으로 라우팅함으로써 수신지로 전송한다. 리더 노드에게 가용한 처리량이 λ이면, 각 정적 노드는 임의의 직접 공유 방식을 사용하여 Ω(mλ/n)의 처리량을 획득한다.
3.3 정적-대-이동 상태(static-to-mobile phase)
이 모드에서(가령, 도 4의 단계(420)에서), 정적 노드는 먼저 전송될 데이터를 이동 노드에게 핸드오프한다. 도 5는 패킷을 이동 노드로 핸드오프하는 것의 동작을 설명한다. (데이터를 다른 이동 노드 및 수신지 노드 R로 핸드오프하기 원하는) 소스 노드 S가 주어지면, 라인 결합 S 및 R을 고려한다. θ가 SR의 경사가 되는 것으로 고려하자(도 5에서 θ는 제로이다). G(S,R)이 S에서 발생하고 R을 포함하는 방향들 간의 영역 을 표시한다. 각도 π/6의 선택은 임의적이며, 0 내지 π/3 간의 임의의 각도면 충분하다. 도 5에서, 영역 G(S,R)은 레이(ray) SA' 및 SB' 간의 영역에 대응한다.
제 1 단계에서, S에 있는 노드가 패킷을 몇 개의 이동 노드 M1에게 전송될 패킷을 건네주고 가 되도록 방향 φ으로 이동하고 또한 M1은 그 방향에서 적어도 2｜SR｜(즉. 세그먼트 SR의 두배)의 거리로 이동하는 특성을 만족시킨다. k는 가정 상 네트워크의 직경에 대한 것이므로, 이동 노드의 일정한 분율이 이러한 특성이 만족시킨다. 모든 전송에서 이러한 경우가 된다고 가정된다. 이러한 가정은 설명을 단순화시키기 위해서 사용되며 따라서 본 발명은 이러한 가정으로만 한정되는 것이 아니다.
이러한 상태에서는 2 개의 문제가 발생한다.
1. 레이트 λ(n)로 전송하는 정적 노드가 이 레이트에서 데이터를 핸드오프하기에 충분하게 올바른 방향으로 이동하는 이동 노드를 발견할 수 있는지의 여부.
2. 소정의 노드가 올바른 이동 노드를 발견할 수 있을 때까지 대기해야 하는 시간.
본 발명은 이러한 문제를 다음과 같이 처리한다. 통신이 오직 전송자인 리더 노드와 수신자인 이동 노드 간에서 발생하고 a > 2 이면, 각 리더에 중심이 있는 변 의 정방형 영역이 존재하게 되고 이로써 이 리더가 이 영역 내의 이동 노드와 통신하게 되면, 통신은 언제나 성공적이다.
정적 노드 S에 대해서, N(s)가 S에 중심이 있는 변 cm-1/2의 정방형 이웃 영역이라고 고려하자. 본 발명에 따라서, 정적 노드 S가 N(s)에서 이동 노드를 발견할 때까지 기다리는 기간은 매우 높지 않다고 드러낸다.
보다 구체적으로, 정적 노드 S를 고려해보자. 이동 노드가 먼저 N(s) 로 진입하는 데까지 걸리는 시간이 T라 고려하면 다음과 같이 식이 성립된다.
이 식을 통해서, 정적 노드가 데이터를 이동 노드에게 전송할 수 있는 일정한 시간 분율이 존재함을 알 수 있다. 영역 N(s)에서 정적 노드 S에서 이동 노드까지의 전송은 다른 정적 노드로부터의 전송과 상관없이 성공적일 것이다.
3.4 이동-대-이동 상태(mobile-to-mobile phase)
한 이동 노드에서 다른 이동 노드로의 핸드오프가 발생하는 방식에 대한 설명 및 분석이 이제 제공된다(가령, 도 4의 단계(430)에 대해서). 주요한 예시적인 방식은 다음과 같다. 먼저, 이동 노드에 의해 운반되는 모든 데이터 패킷에 대해서, 한 지점을 넘어서 영역에서는 패킷이 다른 이동 노드로 전달될 수 없는 지점이 존재하고 패킷은 수신지로부터 멀어지게 이동하기 시작한다. 이는 핸드오프 영역에 대한 개념을 이끈다. 본 발명을 통해서 각 패킷은 그의 핸드오프 영역 내에서 다른 이동 노드로 핸드오프되는 것이 보장된다. 둘째로, 모든 이동 노드에 대해서, 어떠한 순간에도 이 핸드오프 영역에서는 몇 개의 패킷이 존재할 것이다. 따라서, 본 발명은 어느 패킷이 먼저 핸드오프될 지를 결정하는 메카니즘을 제공한다. 이 메카니즘은 또한 낮은 지연이 보장될 수 있게 하는 임의화(randomization)을 사용한다. 예시적인 핸드오프 프로세스가 도 5의 문맥에서 이하에서 설명될 것이다.
3.4.1 핸드오프
기하 구조 : 도 5에서, 이동 노드 M1이 정적 노드 S로부터 패킷을 전달 받았다. 이제, M1이 레이 R'A 및 RA' 간의 영역에 도달할 때까지 패킷을 운반한다. 이 영역에서, M1은 패킷을 다른 이동 노드 M2로 전달하기를 시도하는데 이 M2는 R로 이동하는 노드이다. 이 영역이 핸드오프 영역으로서 간주된다. 이 핸드오프 영역은 다음과 같이 규정된다. 라인 RA'이 라인 SR에 대해서 수직이다. 라인 R'A는 라인 A'R에 대해서 평행하며 A를 통과한다. 핸드오프 영역은 도 5엣거 세그먼트 XX'로 표시된다.
스케쥴링 : 핸드오프 영역에서 전송될 수 없는 패킷을 처리하기 위해서, 데드라인이 규정된다. X" 이 세그먼트 XX'의 중간 지점이라고 고려하자. 이동 노드는 세그먼트 X"X'에서 임의적으로 균일하게 한 지점을 선택한다. 이 지점은 그 노드에 대한 데드라인으로 지칭된다. 수 많은 데드라인들이 함께 클러스터링되는 것을 방지하기 위해서 임의화가 필요하다. 데드라인은 도 5에서 D로 도시된 바와 같다. 이동 노드 M1이 그가 데드라인 D에 도달할 때까지(즉, 기간 X 내지 D 동안) 다른 이동 노드에게 패킷을 핸드오프할 수 없다면, 그 패킷은 폐기된다.
마지막으로, 임의의 소정 시간에 몇 개의 패킷들은 핸드오프 영역 내에 존재하며 이로써 다른 이동 노드로의 핸드오프가 완료될 수 있다. 다양한 패킷들 간의 충돌 해결은 EDF(Earliest Deadline First) 순서에 따라서 수행될 수 있다. 가령, 데드라인 D1을 갖는 패킷 P1, 데드라인 D2을 갖는 패킷 P2 중 어느 하나가 이동 노드 M2로 전달될 수 있다면, 보다 빠른 데드라인을 갖는 패킷이 먼저 전달된다.
전체적인 프로세스가 이동 노드가 수신지로부터 보다 작은 거리에 도달할 때까지 반복된다. 이 적합한 상수 c는 이하에서 설명될 것이다.
다음과 같은 사항을 주목할 필요가 있다.
1. 두 이동 노드 간의 통신이 다른 이동 노드로부터의 전송에 대해 어떠한 제한도 부여하지 않기 때문에 이 프로세스는 완전하게 배포될 수 있다.
2. 각도 π/ 6의 선택은 임의적이다. 실제로, 각도 (0,π/3) 내에서의 다른 이동 노드로의 핸드오프면 충분한데, 그 이유는 각 단계에서 수신지로의 거리가 감소되기 때문이다. 절충은 작은 각도를 선택하면 대기 시간이 길어지고 큰 각도를 선택하면 대기 시간이 작아지지만 수신지에 도달하는 경로가 보다 길어지게 된다는 것이다.
3.4.2 이동-대-이동 상태의 분석
패킷이 전달 시간에 핸드오프 모드로 존재하고 데드라인 이전에 패킷이 전달되도록 패킷이 이동 노드 Mi에서 이동 노드 Mj로 전달되면 핸드오프는 성공적이다고 간주된다. 성공적인 핸드오프에 대한 조건들은 다음과 같이 결정된다.
R이 수신 이동 노드이며 M1,...,Mm이 디스크 내에 독립적으로 균일하게 분포된 이동 노드라고 하자. M1이 R과 통신을 시도한다고 가정하자. 이어서, R에서 수신된 M2,...,Mm 으로 인한 신호들은 M1과 R 간의 통신에 간섭을 야기할 수 있다. Ij가 Mj로 인한 R에서 수신된 신호 간섭을 표시한다. M1과 R 간의 성공적인 전송의 확률을 결정하기 위해서, 총 간섭 I2 + ...+ Im 은 계산된다.
이로써, 디스크 내에서 균일하게 분포된 m -1 개의 이동 노드가 단위 전력으로 전송한다고 가정하자. R이 디스크의 내부의 한 지점으로 간주하자. M이 지점 R에 대해서 거리 에 있으면, M에서 R로의 전송은 1 - e 보다 큰 확률로 성공적이다. 특히, 이면, 전송은 최소 의 확률로서 성공적이다.
r0가 거리 이라고 가정하자. 2 개의 이동 노드 M1 및 M2가 이들이 거리 r0 이하일 경우에만 서로 통신한다고 가정하자. t0가 현재의 시간이며 기간 [t0, t0 + t] 에서의 몇몇 순간 동안 이들 간의 거리가 보다 작다면 M1 및 M2는 시간 t 내에서 서로 만난다. M1이 이 만남 동안 다른 이동 노드로 전달할 수 있는 데이터의 양이 관심 사항이다. 이 양은 M1이 만나는 이동 노드의 개수 및 이 만남 마다 전송될 수 있는 데이터의 양에 의존할 것이다.
따라서, λmm 이 이동-대-이동 데이터 전송에 대해서 할당된 대역폭을 표시한다면, 다음과 같은 결과가 존재한다.
1. 노드 간의 만남 동안 성공적으로 전송되는 예상된 데이터는 적어도 이다.
E가 적어도 데이터가 이 만남 동안 성공적으로 전송되는 사건을 표시한다. 이어서, Pr[E] ≥(1 - 1/4 log m) 이다. 마찬가지로, 적어도 데이터가 k 번의 만남 동안 성공적으로 전송되는 확률은 최소 (1 - 1/4 log m)이다.
M1이 시간 t에서 가즌 만남의 개수가 고려된다. 이동 노드 M1이 방향 η으로 수신지로 데이터를 전송하기를 원한다고 가정하자. 따라서, M1은 φ∈ [η- π/6, η+ π/6] 가 되도록 방향 φ로 이동하는 몇몇 다른 이동 노드 Mi로 패킷을 핸드오프할 것이다.
M1이 주어지면, 다음과 같다면 이동 노드 Mi가 유용하다고 할 수 있다.
1. Mi 가 가 되도록 방향 φ로 이동한다.
2. 기간 [t0, t0 + t] 동안 Mi가 M1를 만난다.
X(η, t) = ｜{i ｜i > 0 및 Mi가 상기와 같이 유용함}｜이다고 하자.
즉, X(η, t) 는 유용한 이동 노드의 개수를 표시하는 랜덤 변수이다.
X(η, t) 의 예상치가 이제 계산되어 원하는 결과를 획득하기 위해서 범위가 정해진다. M0가 이농 노드이고, X(η, t) 가 상술한 바와 같이 규정된다고 하자. 이로써, 임의의 η∈ (0, 2π)의 경우에,
이다.
또한, 임의의 상수 k > 0에 대해서, 이면,
이다.
따라서, X(t)가 이동 노드 M이 시간 t에서 전송하는 데이터의 양을 표시하고, 이고 n이 충분하게 크면,
이는 M이 전송하기를 시도하는 방향과 상관 없이 적용된다.
이동 노드가 다른 노드에게 핸드오프할 수 있는 데이터의 양에 대한 한계를 보였기 때문에, 다음의 설명은 다른 이동 노드로부터 이동 노드에 의해 수신된 데이터에 대한 한계를 나타낼 것이다. 이는 패킷이 그의 데드라인 이전에 핸드오프될 수 없기 때문에 폐기되는 확률에 대한 범위을 정하게 한다.
D가 소스와 수신지 간의 최대 거리라고 하자. 따라서, 이다. 수신지로부터의 패킷의 거리가 내지 이면 패킷이 스테이지 k에 존재한다고 한다. 거리가 매 핸드오프 후에 최소 배 만큼 감소하고 이 거리는 최대 에서 최소 에서 변하기 때문에, 다음과 같은 결과가 있다.
1. 상이한 상태의 개수는 log m 보다 작은 최대 일 것이다. 각 정적 노드가 최대 λ(n) 레이트로 데이터를 생성하기 때문에, 데이터가 생성되는 총 레이트는 n λ(n) 이다. 따라서, 패킷이 스테이지 k 패킷이면 스테이지 k 로의 도달이 존재하며 유사하게 패킷이 스테이지 k를 떠나서 스테이지 k + 1 또는 그 이상의 스테이지로 들어가면 스테이지 k로부터의 떠남이 있다. 이러한 특성으로 인해서, 각 패킷은 최대 한번 씩 각 스테이지를 경험하며, 따라서 다음과 같은 결과가 있다.
2. 각 스테이지 k 내부로의 평균 도달 레이트는 최대 n λ(n) 이다. 목적은 이동 노드에 의해 수신된 데이터의 범위를 정하는 것이다. n 개의 이동 노드가 존재하면, 각 노드는 약 n λ(n)/m 의 레이트로 스테이지 k 패킷을 수신할 것으로 예상된다. 그러나, 이는 정확하게 사실은 아니다. 이동 노드가 특정 방향으로 이동하고 특정 위치에 있게 되면 이동 노드가 스테이지 k의 패킷을 수신하는 레이트가 영향을 받게 된다. 그러나, 그 레이트는 6 n λ(n)/m 에 의해 범위가 정해질 수 있다. 이 사상은 본 발명은 핸드오프 방법의 본성에 의해서 위치 r에 있는 모든 패킷이 특정 방향 θ으로 전송될 필요가 있을 경우에도, 이들은 [θ- π/6, θ+ π/6] 간의 방향에서 이동하는 이동 노드로 분산될 것이라는 사상이다.
이제, 거리 d에서 데드라인을 갖는 핸드오프 영역에 있는 패킷을 고려한다. 이 패킷이 그의 데드라인을 만날 확률은 다음과 같이 그 범위가 정해진다.
거리 d에서 데드라인을 갖는 핸드오프 영역에 있는 패킷 P가 있다면, H(d)는 P의 데드라인보다 빠른 데드라인을 갖는 데이터의 양을 표시하며, 이다.
따라서, 이 되도록 하는 c > 0인 상수가 존재하면, 핸드오프가 성공될 수 없는 확률은 최대 이다.
3.5 정적-대-정적 상태(static-to-static phase)
마지막으로, 이동-대-이동 상태 이후에, 수신지 리더 노드로부터의 패킷의 거리는 최대 이다. 다음 스테이지(도 4의 단계(440))에서, 중간의 정적 리더 노드는 패킷을 수신지 리더 노드로 바로 전송한다. 리더 노드들 간의 통신은 다음과 같이 수행된다.
각 타임 슬롯에서, 정적 노드 각각이 서로 간으로부터 최소 의 거리에 있도록 정적 노드들의 분율을 선택한다. 여기서 c가 충분하게 작으면, 노드의 이 분율은 패킷을 동시에 그의 의도한 수신지로 바로 전송한다.
W/4가 정적-대-정적 상태에서 통신을 위해 각 리더 노드에서 가용한 대역폭이기 때문에, 이는 λ(n)을 으로 제한한다. c1g(n) ≤f(n)≤c2g(n), n>N이 되도록 하는 상수 c1 및 c2가 존재하면, 함수 f(n)은 Θ(g(n))이다. 따라서, 이 상태에서 리더 노드 당 성취가능한 처리량은 이다. 리더 노드 당 0(n/m) 개의 정적 노드가 존재하기 때문에, 이는 성취가능한 λ(n)을 Ω(mW/(nlog2 m))으로 한정한다.
4. 모델의 일반화
이 부분에서는, 본 발명에 따라서, 상술된 모델에 관한 일반화가 제공된다.
이동 노드는 전송자 및/또는 수신자이다. 이 모델에 대한 가정은 이동 노드가 패킷을 주기적으로 수집하는 지정된 정적 노드를 갖는다는 것이다. 이러한 경우에는, 낮은 지연 수준이 획득될 수 있다.
또한, 본 발명에 따라서, 이동 노드의 역할 및 정적 노드의 역할이 바꾸어 질 수 있다. 실제로, 이동 노드가 소스 및 수신지 노드이고 정적 노드가 릴레이하는데 사용된다. (가령, 노드로서 기능하는 비행 시의 비행기와 같은) 이동 노드에 대해서, 이 정적 노드는 이동하는 것으로서 고려될 수 있다. 즉, 이동 노드의 측면에서, 정적 노드는 이동하는 것으로 보여질 수 있다. 따라서, 정적 노드는 (가령, 노드로서 기능하는 비행 중의 비행기와 같은) 최종 수신지에 대한 다른 정적 노드의 이동 정보를 사용하여 상술된 바와 같은 결정을 전송할 수 있다.
또한, k(그의 방향을 바꾸기 이전에 이동 노드가 움직이는 평균 거리) 값이 네트워크의 직경 (d)보다 매우 작다면, 다음의 2 가지가 수행될 수 있다.
1. 이동 노드를 사용하여 정적 소스 노드 S로부터 정적 수신기 노드 R로 패킷을 전송하는 대신에, 중간의 노드 S1,...,Sd /k가 선택되어 패킷이 먼저 S에서 S1으로 라우팅되고 이어서 S1에서 S2로 라우팅되고 이어서 이렇게 계속되도록 라우팅 방법을 수정할 수 있다. 네트워크의 용량은 k에 직접 비례하게 된다. 그러므로, k가 작을 수록 용량도 작아진다.
2. 이와 달리, 이동 노드가 그 방향으로 k보다 큰 거리에 걸쳐서 이동하거나 그 방향으로 (설명부 3에서 상술된 바와 같이) 수신지로부터의 거리의 2 배보다 큰 거리에 걸쳐서 이동하면, 패킷을 이동 노드로 전달한다. 첫번째 경우에는, 데드라인이 k/2 내지 3k/4 간에서 임의적으로 설정된다. 노드가 이러한 방식으로 최소 k/2의 거리를 이동하고 이동 노드의 일정한 분율(> 1/e)이 이러한 특성을 만족하는 것으로 발견될 수 있다. 따라서, 최대 1/k 의 이러한 단계들이 존재한다. 두번째 경우에는, 그 분석 결과는 설명부 3에서와 동일하게 유지되며 log n 개의 이러한 단계가 존재한다. 따라서, 의 크기의 처리량이 획득된다.
마지막으로, 상술된 결과들은 다음과 같이 확장될 수 있다.
1. 이 결과들은 정적 노드의 정상 상태 분포가 특정한 경우의 균일한 분포보다는 어느 정도 균일한 분포인 모델에 대해서도 (배수적 상수 만큼) 적용된다. 여기서, 어느 정도 균일한 분포는 확률 분포 함수가 상수 cmax와 cmin 간에 놓이는 분포를 지칭한다.
2. 마찬가지로, 이동 노드의 속도는 동일할 필요가 없다. 이들이 vmax 및 vmin 으로 상한 및 하한이 규정되면, 상기 분석들은 상이한 상수에 대해서는 제외하고 적용된다.
3. 이 결과들은 또한 3 차원 세팅에서도 다시 유도될 수 있다.
5. 결과들의 암시
이 부분에서는, 이전의 부분에서 획득된 결과들의 몇몇 암시들이 제공된다. 그 암시 사항들은 다음과 같다.
1. 패킷에 의해 예상된 지연은 이동 노드의 속도에 반비례한다.
2. 획득된 처리량 λ(n)은 이동 노드의 속도와 무관하다.
3. 최대 0.5 의 패킷 손실 확률을 보장하는 λ(n)에 대한 한계가 유도된다. 이는 각 핸드오프에서 손실 확률이 1/2 log m 으로 범위가 정해지기 때문에 발생한다. 이러한 손실은 2 가지 때문에 발생한다. 첫째로, 손실은 무선 통신이기 때문이다. 이를 처리하기 위해서, x의 값이 감소될 수 있다(즉, 2 노드가 극히 근접하였을 때에만 통신할 수 있다). 둘째로, 손실은 이동 노드가 데드라인까지 그의 전체의 패킷을 적합한 이동 노드로 핸드오프하지 못하여서 이들을 폐기해야 하는 경우로 인한 것이다. 이는 Markov's Inequality의 애플리케이션에서 보다 큰 상수를 선택함으로써 처리될 수 있다. 이는 동일한 상수로 λ(n)의 값을 감소시킨다(즉, p가 손실 확률이면, λ(n) P ).
4. 이동 노드에서 예상된 버퍼 점유도에 대한 경계가 획득될 수 있다. 특히, Little's Law(J.Little "A Proof of the Queuing Formula l = λw", Operations Research, 9:383-387, 1961, 본 명세서에서 참조로서 인용됨)을 사용함으로써, 버퍼 내의 예상된 데이터 양은 으로 경계가 정해진다.
따라서, 위에서 세부적으로 설명된 바와 같이, 본 발명은 지연을 작게 하면서 최적에 근접하는 용량을 성취하는 애드-오크 네트워크 라우팅 방법을 제공한다. 이 방법은 노드의 이동 패턴을 이용하여 지연 수준을 낮게 한다. 또한, 이 방법에 의해 성취된 처리량은 최적으로부터 폴리-로그 배수(a poly-logarithmic factor) 만큼만 떨어져 있다.
본 발명의 예시적인 실시예들은 첨부 도면을 참조하여 기술되었지만, 본 발명은 이러한 정확한 실시예들로만 한정되는 것이 아니라, 다양한 수정 및 변경이 본 발명의 사상 및 범위 내에서 본 기술 분야의 당업자에게 자명하다.

Claims (30)

  1. 애드-호크 네트워크(an ad-hoc network)의 소정의 노드에서 하나 이상의 패킷을 라우팅하는 방법에 있어서,
    상기 애드-호크 네트워크 내의 하나 이상의 다른 노드와 연관되며, 상기 하나 이상의 패킷의 수신지에 대한 상기 하나 이상의 다른 노드와 연관된 방향과 관련된 이동 정보(mobility information)를 획득하는 단계와,
    상기 이동 정보를 기반으로 하여 상기 수신지로의 릴레이를 위해서 상기 하나 이상의 패킷을 상기 하나 이상의 다른 노드 중 한 노드로 라우팅하는 단계를 포함하는,
    패킷 라우팅 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 패킷의 소스 및 수신지 중 적어도 하나는 이동 노드인,
    패킷 라우팅 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 패킷의 소스 및 수신지 중 적어도 하나는 정적 노드인,
    패킷 라우팅 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 패킷을 릴레이하는 노드는 이동 노드인,
    패킷 라우팅 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 패킷을 릴레이하는 노드는 정적 노드인,
    패킷 라우팅 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 노드는 상기 노드과 연관된 핸드오프 영역을 갖는,
    패킷 라우팅 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 노드는 상기 노드와 연관된 핸드오프 데드라인(handoff deadline)을 갖는,
    패킷 라우팅 방법.
  8. 분산형 네트워크에서 하나 이상의 패킷을 라우팅하는 방법에 있어서,
    상기 분산형 네트워크 내의 정적 노드들 중 적어도 일부를 그룹으로 클러스터화하여 리더 노드(leader node)를 각 그룹 내에서 식별하는 단계와,
    수신지 노드로 전송될 하나 이상의 패킷을 소스 노드로부터 그룹 내의 리더 노드로 전송하는 단계와,
    상기 분산형 네트워크 내의 하나 이상의 가용한 이동 릴레이 노드를 통해서 상기 리더 노드로부터 상기 하나 이상의 패킷을 전송하는 단계와,
    상기 수신지 노드로의 전달을 위해서 상기 하나 이상의 패킷을 상기 하나 이상의 이동 릴레이 노드들 중 하나로부터 적어도 하나의 다른 그룹 내의 적어도 하나의 리더 노드로 전송하는 단계를 포함하는,
    패킷 라우팅 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 소스 노드 및 상기 수신지 노드 중 적어도 하나는 정적 노드인,
    패킷 라우팅 방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 소스 노드 및 상기 수신지 노드 중 적어도 하나는 이동 노드인,
    패킷 라우팅 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 소스 노드로부터 상기 하나 이상의 패킷을 최초로 수신하는 상기 리더 노드는 이동 릴레이 노드가 상기 리더 노드에 대해 소정의 근사 범위 내에 존재할 때까지 상기 하나 이상의 노드를 저장하는,
    패킷 라우팅 방법.
  12. 제 8 항에 있어서,
    상기 소스 노드로부터 상기 하나 이상의 패킷을 최초로 수신하는 상기 리더 노드는 이동 릴레이 노드가 상기 수신지 노드를 향하는 방향으로 이동 중인 것으로 식별될 때까지 상기 하나 이상의 노드를 저장하는,
    패킷 라우팅 방법.
  13. 제 8 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 패킷은 상기 하나 이상의 패킷이 각 전송에 있어서 상기 수신지 노드에 보다 근접하도록 한 이동 릴레이 노드에서 다른 이동 릴레이 노드로 전송되는,
    패킷 라우팅 방법.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 노드들 간의 패킷 전송은 간섭을 적어도 최소화하도록 상이한 주파수 채널에 따라서 수행되는,
    패킷 라우팅 방법.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 이동 릴레이 노드는 이 릴레이 노드와 연관된 핸드오프 영역을 갖는,
    패킷 라우팅 방법.
  16. 제 8 항에 있어서,
    상기 이동 릴레이 노드는 이 릴레이 노드와 연관된 핸드오프 데드라인을 갖는,
    패킷 라우팅 방법.
  17. 제 8 항에 있어서,
    상기 리더 노드는 소스 노드인,
    패킷 라우팅 방법.
  18. 제 8 항에 있어서,
    m 개의 이동 노드 및 n 개의 정적 노드가 상기 분산형 네트워크 내에 존재하며,
    상기 각 소스 노드는 의 평균 처리량을 성취하며,
    여기서, 상기 W은 최대 가용한 대역폭이며,
    상기 c는 제로보다 큰 상수인,
    패킷 라우팅 방법.
  19. 제 8 항에 있어서,
    패킷에 의해서 유발되는 최대 지연은 최대 이며,
    여기서, 상기 d는 상기 네트워크의 직경이며,
    상기 v는 상기 이동 노드의 속도인,
    패킷 라우팅 방법.
  20. 제 8 항에 있어서,
    상기 분산형 네트워크는 애드-호크 네트워크이며,
    상기 노드들은 무선 링크를 통해서 통신하는,
    패킷 라우팅 방법.
  21. 분산형 네트워크의 소정의 정적 노드에서 하나 이상의 패킷을 라우팅하는 방법에 있어서,
    상기 분산형 네트워크 내의 정적 노드 그룹의 리더 노드(leader node)로서 소정의 노드를 식별하여 수신지 노드로 전송될 하나 이상의 패킷을 상기 리더 노드 내에 저장하는 단계와,
    상기 하나 이상의 패킷을 상기 리더 노드로부터 상기 분산형 네트워크 내의 적어도 하나의 가용한 이동 노드 릴레이 노드로 전송하고 이어서 상기 수신지 노드로의 전달을 위해서 상기 하나 이상의 패킷을 적어도 하나의 다른 그룹 내의 적어도 하나의 다른 리더 노드로 전송하는 단계를 포함하는,
    패킷 라우팅 방법.
  22. 분산형 네트워크의 소정의 이동 노드에서 하나 이상의 패킷을 라우팅하는 방법에 있어서,
    상기 분산형 네트워크 내에서 리더 노드━상기 리더 노드는 상기 분산형 네트워크 내의 정적 노드 그룹의 리더로서 기능함━로서 식별된 소정의 노드로부터 하나 이상의 패킷을 수신하는 단계와,
    상기 분산형 네트워크 내의 하나 이상의 다른 이동 노드를 통해서 상기 소정의 이동 노드로부터 상기 하나 이상의 패킷을 릴레이하고 수신지 노드로의 전달을 위해서 상기 하나 이상의 패킷을 상기 하나 이상의 다른 이동 노드 중 하나로부터 적어도 다른 하나의 그룹 내의 적어도 다른 하나의 리더 노드로 전송하는 단계를 포함하는,
    패킷 라우팅 방법.
  23. 애드-호크 네트워크의 소정의 노드에서 하나 이상의 패킷을 라우팅하는 장치에 있어서,
    메모리와,
    상기 메모리에 접속된 적어도 하나의 프로세서를 포함하되,
    상기 프로세서는,
    (i) 상기 애드-호크 네트워크 내의 하나 이상의 다른 노드와 연관되며, 상기 하나 이상의 패킷의 수신지에 대한 상기 하나 이상의 다른 노드와 연관된 방향과 관련된 이동 정보를 획득하며,
    (ii) 상기 이동 정보를 기반으로 하여 상기 수신지로의 릴레이를 위해서 상기 하나 이상의 패킷을 상기 하나 이상의 다른 노드 중 한 노드로 라우팅하는,
    패킷 라우팅 장치.
  24. 제 23 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 패킷의 소스 및 수신지 중 적어도 하나는 이동 노드인,
    패킷 라우팅 장치.
  25. 제 23 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 패킷의 소스 및 수신지 중 적어도 하나는 정적 노드인,
    패킷 라우팅 장치.
  26. 제 23 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 패킷을 릴레이하는 노드는 이동 노드인,
    패킷 라우팅 장치.
  27. 제 23 항에 있어서,
    상기 하나 이상의 패킷을 릴레이하는 노드는 정적 노드인,
    패킷 라우팅 장치.
  28. 제 23 항에 있어서,
    상기 노드는 상기 노드과 연관된 핸드오프 영역을 갖는,
    패킷 라우팅 장치.
  29. 제 23 항에 있어서,
    상기 노드는 상기 노드와 연관된 핸드오프 데드라인을 갖는,
    패킷 라우팅 장치.
  30. 애드-호크 네트워크의 소정의 노드에서 하나 이상의 패킷을 라우팅하는 제품에 있어서,
    상기 제품은 하나 이상의 프로그램을 포함하는 머신 판독가능한 매체를 포함하고,
    상기 하나 이상의 프로그램은 실행되어서,
    (i) 상기 애드-호크 네트워크 내의 하나 이상의 다른 노드와 연관되며, 상기 하나 이상의 패킷의 수신지에 대한 상기 하나 이상의 다른 노드와 연관된 방향과 관련된 이동 정보를 획득하는 단계와,
    (ii) 상기 이동 정보를 기반으로 하여 상기 수신지로의 릴레이를 위해서 상기 하나 이상의 패킷을 상기 하나 이상의 다른 노드 중 한 노드로 라우팅하는 단계를 수행하는,
    제품.
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