KR20070049887A - 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법 - Google Patents

확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법 Download PDF

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KR20070049887A
KR20070049887A KR1020050107151A KR20050107151A KR20070049887A KR 20070049887 A KR20070049887 A KR 20070049887A KR 1020050107151 A KR1020050107151 A KR 1020050107151A KR 20050107151 A KR20050107151 A KR 20050107151A KR 20070049887 A KR20070049887 A KR 20070049887A
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Abstract

본 발명은 무선이동통신기기에서의 한정된 자원인 배터리 에너지를 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 무선이동통신 노드의 절전방법에 관한 것으로, 수신되는 ATIM프레임의 정보로부터 수신해야할 데이터가 있는지 판단하는 제 1판단단계, 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 없으면 상기 노드가 휴면상태로 들어가도록 하는 휴면결정단계 및 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 있으면 상기 노드의 슬립확률을 계산하고 상기 계산된 휴면확률에 따라 상기 노드의 휴면여부를 결정하는 휴면여부결정단계를 포함하는 구성을 가지며, 오직 패킷의 존재 여부만으로 휴면여부를 결정하는 종래의 방식에 비해 데이터 처리량이 많고 에너지 효율도 뛰어나고, 특히 적응 확률근거 절전방법에 따르는 경우 지연 제한을 만족하면서도 데이터 처리량 및 에너지 효율면에서 IEEE 802.11 절전모드에 비해 뛰어나기 때문에 네트워크의 수명향상 및 데이터 처리성능 향상을 기대할 수 있다.
애드혹, 무선통신, 무선이동통신, 절전, 무선랜, 센서네트워크

Description

확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법{Method with p-persistent for saving a battery power of wireless mobile communications nodes}
도 1은 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전모드의 작동과정을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법을 설명하기 위한 흐름도,
도 3a ~ 도 3c는 노드의 수가 12일 때의 기준확률에 따른 확률근거 절전모드의 성능을 나타낸 그래프,
도 4a ~ 도 4c는 IEEE 802.11 절전모드, 본 발명의 기본 확률근거 절전모드, 본 발명의 적응 확률근거 절전모드의 성능 비교결과를 나타낸 그래프이다.
본 발명은 무선이동통신 노드의 절전방법에 관한 것으로, 특히 무선이동통신기기에서의 한정된 자원인 배터리 에너지를 효율적으로 사용할 수 있도록 하는 무선이동통신 노드의 절전방법에 관한 것이다.
일반적으로 많은 이동통신기기들, 즉 이동 노드(node)들의 수명은 작고 가벼 운 배터리에 전적으로 의존하기 때문에 배터리 전원은 유비쿼터스(ubiquitous) 이동통신 시스템에서 매우 중요하고 한정된 자원 중의 하나이다. 이동 노드들의 에너지 소비 감소를 위해 많은 연구들이 이루어져왔다. 애드혹(ad-hoc) 네트워크를 위해, 최적의 경로를 찾기 위한 파워 관련 메트릭스(metrics)를 사용하는 에너지 효율적 라우팅 프로토콜들이 제안되어왔다.
노드는 패킷들을 송수신하지 않은 때 일반적으로 유휴(idle) 상태로 있다. 하지만 노드는 휴면(sleep) 상태에서 라디오 인터페이스(radio interface)를 포함하여 대부분의 회로들을 끄기 때문에, 노드를 유휴(idle) 상태 대신에 휴면(sleep) 상태로 두는 것이 보다 에너지 효율적이다. 그러나 휴면 상태에서, 노드는 시스템 상태를 인식할 수 없다. 이 경우 그 노드를 목적지로 하는 어떤 패킷들이 있더라도, 그 패킷들의 수신은 그 노드가 깰 때까지 지연된다. 그러므로 절전모드에서, 노드는 과도한 패킷 지연을 피하기 위해 주기적으로 깨야하고 그 자신의 상태를 결정해야 한다. 이러한 시스템에서, 절전의 성취는 패킷 지연을 초래하기 때문에, 보다 많은 에너지 절감 및 다른 시스템의 성능을 심각하게 저하시키지 않기 위해 효율적인 휴면 또는 깸(sleep or awake)의 결정이 요구된다. 예를 들어, IEEE 802.11 절전모드에서, 노드는 오직 그 노드를 목적지로 하는 패킷이 있는지 만을 기초로 그의 상태를 결정한다. 그러나 IEEE 802.11 표준에서처럼 수신해야할 데이터가 있는지의 여부로만 휴면 상태를 결정하게 되면 노드가 경쟁적 채널에 접근하게 될 때 비효율적으로 에너지를 사용하게 된다. 이에 따라 IEEE 802.11 절절모드는 에너지 낭비가 심하고, 과도한 경쟁으로 인해 데이터 처리량에 따른 네트워크 성능도 저하되는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 IEEE 802.11 절전모드(power saving mode) 등과 같은 종래의 절전모드보다 에너지 효율이 향상될 수 있도록 하여 무선이동통신 노드의 수명을 늘릴 수 있도록 해주는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 IEEE 802.11 절전모드(power saving mode) 등과 같은 종래의 절전모드보다 데이터 처리량을 늘릴 수 있도록 해주는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법을 제공하는 데 있다.
본 발명은 확률에 근거한 배터리 전력소비 절감을 위한 무선이동통신 노드의 절전방법에 있어서, 수신되는 ATIM프레임의 정보로부터 수신해야할 데이터가 있는지 판단하는 제 1판단단계, 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 없으면 상기 노드가 휴면상태로 들어가도록 하는 휴면결정단계 및 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 있으면 상기 노드의 슬립확률을 계산하고 상기 계산된 휴면확률에 따라 상기 노드의 휴면여부를 결정하는 휴면여부결정단계를 포함하는 구성을 가진다.
상기 휴면여부결정단계는 난수를 발생시키고 상기 발생된 난수가 상기 계산된 휴면확률보다 작거나 같으면 휴면상태로 들어가도록 하고 상기 난수가 상기 계산된 확률보다 크면 유휴상태로 있도록 하는 것이 바람직하다.
상기 휴면확률은 기준확률을 산출하고 상기 산출된 기준확률에 상기 노드를 목적지로 하는 패킷의 수, 패킷 지연, 경쟁 수, 채널 상태, 잔여 에너지량 중 하나 이상을 고려한 기여확률을 더하여 산출되는 것이 좋다.
상기 휴면확률은 아래의 식(1) ~ (5)에 의해 산출되는 Psleep으로,
Figure 112005064518508-PAT00001
,
Figure 112005064518508-PAT00002
,
Figure 112005064518508-PAT00003
또는
Figure 112005064518508-PAT00004
및
Figure 112005064518508-PAT00005
에 의해 산출되며,
n은 임의의 기여 확률의 요소를 나타내는 것으로 그 개수는 1≤n≤N이고, UPn은 요소 n이 가지는 최대 측정치, LOWn은 요소 n이 가지는 최소 측정치, Wn은 요소 n의 확률에 대한 가중치, Wtotal은 전체 요소의 확률에 대한 가중치의 합, Pbase는 기준확률, N은 요소의 전체 개수, Yn은 요소 n의 가능한 최대 기여확률, Vn은 요소 n의 측정치, Pn은 요소 n의 기여확률이다.
경우에 따라, 본 발명은 확률에 근거한 배터리 전력소비 절감을 위한 무선이동통신 노드의 절전방법에 있어서, 수신되는 ATIM프레임의 정보로부터 수신해야할 데이터가 있는지 판단하는 제 1판단단계, 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 없는 경우 상기 노드가 휴면상태로 들어가도록 하는 휴면결정단계, 상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 있는 경우 상기 수신되는 ATIM프레임의 정보로부터 휴면확률에 상관없이 상기 노드가 유휴상태를 유지할 것을 나타내는 긴급 비트가 있는지를 판단하는 제 2판단단계, 상기 제 2판단단계에서 긴급 비트가 있는 경우 상기 노드가 유휴상태를 유지하도록 하는 유휴결정단계 및 상기 제 2판단단계에서 긴급 비트가 없는 경우 휴면확률을 계산하고, 상기 계산된 휴면확률에 따라 상기 노드의 휴면여부를 결정하는 휴면여부결정단계를 포함하는 구성을 가질 수 있다.
여기에서의 휴면여부결정단계 역시 난수를 발생시키고 상기 발생된 난수가 상기 계산된 휴면확률보다 작거나 같으면 휴면상태로 들어가도록 하고 상기 난수가 상기 계산된 확률보다 크면 유휴상태로 있도록 하는 것이 좋고,
휴면확률 또한 가변기준확률을 산출하고 상기 산출된 가변기준확률에 상기 노드를 목적지로 하는 패킷의 수, 패킷 지연, 경쟁 수, 채널 상태, 잔여 에너지량 중 하나 이상을 고려한 기여 확률을 더하여 산출되는 것이 바람직하다.
이 경우의 휴면확률은 아래의 식(1) ~ (5)에 의해 산출되는 Psleep으로,
Figure 112005064518508-PAT00006
,
Figure 112005064518508-PAT00007
,
Figure 112005064518508-PAT00008
또는
Figure 112005064518508-PAT00009
및
Figure 112005064518508-PAT00010
에 의해 산출되며,
n은 임의의 기여 확률의 요소를 나타내는 것으로 그 개수는 1≤n≤N이고, UPn은 요소 n이 가지는 최대 측정치, LOWn는 요소 n이 가지는 최소 측정치, Wn은 요소 n의 확률에 대한 가중치, Wtotal은 전체 요소의 확률에 대한 가중치의 합, Pvbase는 가변기준확률, N은 요소의 전체 개수, Yn은 요소 n의 가능한 최대 기여확률, Vn은 요소 n의 측정치, Pn은 요소 n의 기여확률이고,
상기 가변기준확률은 아래의 식 (6) ~ (8)에 의해 산출되는 Pvbase로서,
Figure 112005064518508-PAT00011
,
Figure 112005064518508-PAT00012
및
Figure 112005064518508-PAT00013
에 의해 산출되고,
DB는 서비스의 질을 보장하는 지연경계 값, λ1DB는 문턱 값으로 바람직한 지연 값이고, d는 수신된 패킷의 측정된 지연 값, δ는 지연차이, Δnew는 지연차이의 지수적변화평균, Δold는 이전의 지수적 변화평균, ρ는 시스템에 따라 Δnew에 적절한 변화를 주기 위한 계수(coefficient), λ1은 지연경계를 바탕으로 목표지연 값을 설정하기 위한 매개변수, Ppvbase는 이전의 가변기준확률 값, α는 이전 값과 현재 값을 얼마의 비율로 평균을 낼지를 정하는 수치인 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.
본 발명은 어떠한 구조화된 프레임 맥 프로토콜(frame-structured MAC protocol)에도 사용될 수 있지만 여기에서는 설명의 편의를 위해 IEEE 802.11을 기반으로 한 작동을 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전모드의 작동과정을 설명하기 위한 도면이다.
도 1에서 시간은 수퍼프레임(superframe)에 대응되는 비콘 간격(becon interval)으로 분할된다. 각 비콘 간격의 시작에서, 모든 노드(노드A, 노드B, 노드C, 노드D, 노드E)들은 ATIM(ad-hoc traffic indication message) 윈도우 기간 동안 깨어있다. 한 노드가 다른 노드로 송신할 패킷을 가지고 있을 때, 이 패킷은 ATIM 윈도우 동안 ATIM 프레임에 의해 알려진다. 이 ATIM 프레임은 CSMA/CA(carrier sense multiple accesses/collision avoidance) 메카니즘을 이용하여 전송된다. IEEE 802.11 절전모드에서, ATIM 프레임을 수신한 노드는 ATIM-ACK 응답을 보내야 한다.
그러나 본 발명에서는 노드가 ATIM을 수신할 때, 휴면확률을 계산하고 이 휴면확률을 그 노드의 상태를 결정하기 위해 사용한다. 만약, 그 노드가 휴면할 것으로 결정했다면 남아있는 ATIM 윈도우 동안 ATIM-ACK 대신에 ATIM-SACK을 보낸다. 이 프레임(ATIM-SACK)은 그 노드가 ATIM 프레임을 받았지만 휴면하기로 결정했다는 것을 의미한다. ATIM-ACK 또는 ATIM-SACK은 공유된 무선 매개물을 통해 송신되기 때문에, 응답을 받은 모든 노드들은 응답을 보낸 노드의 상태에 대한 정보를 갱신할 수 있다.
도 1에서, 노드A가 노드B로 ATIM 프레임을 송신하면, 노드B는 뒤에서 기술되는 방법으로 휴면확률을 계산하여 휴면할 것으로 결정된 경우 ATIM-ACK 대신에 ATIM-SACK를 브로드캐스팅한다. 그러면 주변의 노드A, 노드C, 노드D, 노드E는 노드B의 정보를 갱신한다. 해당 ATIM 윈도우 동안 노드B를 목적지로 하는 데이터가 없는 경우에 노드B는 ATIM 윈도우가 끝난 후에는 그 비콘 간격동안 휴면하였다가 다음 비콘 간격의 시작 시간에 깨어서 활성화된다. 하지만, 도 1의 노드C에서와 같이 해당 ATIM 윈도우 동안 노드B를 목적지로 하는 데이터가 더 있는 경우, 노드C는 ATIM 프레임을 브로드캐스팅하고, 노드B는 이를 수신하여 다시 휴면확률을 계산하여 깨어있을 것으로 결정한 경우 주변의 노드들로 ATIM-SACK를 브로드캐스팅한다. 이에 따라 주변의 노드A, 노드C, 노드D, 노드E는 노드B의 정보를 갱신하고, 노드B로 송신할 데이터를 가진 노드A 및 노드C는 노드B로 해당 비콘 간격동안 데이터를 송신하고, 노드B는 그 데이터를 수신완료 후, 그 다음의 비콘 간격의 과정을 반복한다. 한편, 노드D와 노드E는 다른 노드들과 송수신할 데이터가 없거나 송수신할 데이터가 있더라도 휴면확률을 계산하여 휴면할 것으로 결정하였으면 해당 비콘 간격 동안 휴면하였다가 다음 비콘 간격의 초기에 깨어 다음 비콘 간격의 과정을 수행한다.
본 발명에 따른 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법에 필요한 ATIM 프레임에 두 변형이 있다. 첫째, ATIM의 목적지 노드를 위해 대기열에 넣어진 패킷들의 수를 나타내는 필드가 추가된다. 본 발명에 따른 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법에서, 상기 목적지 노드는 이 추가된 필드의 정보를 그의 휴면확률을 계산하는 데 사용한다. 둘째, ATIM 프레임에 긴급 필드가 추가적으로 필요하다. 이 긴급 필드는 1비트 필드로 충분하다. 이 1비트 긴급 필드는 이 긴급 필드를 가진 ATIM 프레임을 받은 노드는 ATIM-ACK로 응답해야 하고, 휴면확률에 상관없이 해당 비콘 간격 동안 깨어있어야 하는 것을 나타내는 데 사용된다. 이 긴급 필드는 예를 들면, 목적지 노드를 위해 대기열에 넣어진 패킷들의 수가 예정치보다 크거나 패킷 지연이 특정한 값보다 클 때, 목적지 노드가 깨어있어야 하는 것을 알려야 하는 데 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법은 크게 2가지 방식으로 구분되는 데, 기본 확률근거 절전모드와 적응 확률근거 절전모드이다. 기본 확률근거 절전모드는 그 휴면확률 Psleep의 계산에 있어서 적응 확률근거 절전모드보다 단순하다.
먼저, 기본 확률근거 절절모드에 사용되는 확률을 계산하는 방법에 대해서 설명하면 다음과 같다.
본 발명에 따르면, 휴면확률은 두 부분으로 구성되는 데, 기준확률과 기여확률이 그 것이다. 기준확률은 그 노드에 걸릴 것으로 예상되는 부하 및/또는 휴면경향을 고려하여 세팅하는 확률이며, 여기에서는 Pbase로 표기한다. 기본 확률근거 절전모드에서는 이 Pbase는 고정된 값을 유지한다. 요소들의 변천을 고려하여 반영하는 기여확률을 계산하는 데에는 다양한 방법이 있으나, 여기에서는 단순한 가중치 요소들의 기여확률들의 합계 방법을 이용한다.
중요한 가중치 요소들에는 다음과 같은 것이 있다.
1) 해당 노드를 목적지로 하여 대기열에 넣어진 패킷들의 수
패킷들을 버퍼링하기 위한 대기열의 크기가 제한되기 때문에 이 가중치 요소는 고려되어야 한다. 잘못된 휴면결정들 때문에 대기열이 완전히 채워졌을 때, 많은 새로운 패킷들은 잃게 될 것이고 그 시스템의 성능은 저하될 것이다. 그러므로 만약 해당 노드를 목적지로 하는 버퍼에 임시 저장된 패킷들의 수가 시스템 성능의 저하가 예상될 정도로 크다면, 노드는 깨어나서 패킷들을 수신하여야 한다. 그러나 대기열에 넣어진 패킷들의 수가 시스템 성능을 심각하게 저하시키지 않을 정도로 충분히 작고 휴면상태가 보다 많은 에너지 절약에 도움이 된다면 노드는 휴면상 태로 될 수 있다. 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전방법에서는 에너지 효율을 위해 대기열에 넣어진 패킷의 존재여부 뿐만 아니라 패킷의 수도 고려한다.
2) 패킷 지연
휴면 모드 작동은 패킷 지연을 이용하여 에너지를 절감한다. 그러나 과도한 지연은 네트워크 프로토콜 스택의 상층들에서 이벤트(event)들의 시간초과의 원인이 될 수 있고 그러면 심각한 문제를 발생하기 때문에 휴면결정에는 이 가중치 요소를 신중하게 고려하여야 한다. 휴면모드의 사용에는 에너지 절감과 패킷 지연 간의 교환이 있다. 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전방법은 직접 또는 간접 방식으로 이 가중치 요소를 고려하는 것에 의해 받아들일만한 지연 시간 안에 패킷들을 송신하고 수신할 수 있도록 한다.
3) 경쟁의 수
본 발명에 따른 확률에 근거한 무선이동통신노드의 절전방법은 IEEE 802.11 DCF(Distributed Coordination Function)와 같은 MAC 기반 경쟁을 가지는 어떠한 시스템에 사용될 수 있다. 경쟁기반 시스템에서, 과도한 경쟁은 에너지 소비를 초래하기 때문에 피해야한다. 경쟁노드들의 수를 적정하게 낮게 유지하기 위해 어떤 노드들을 휴면상태로 둠으로 써, 과도한 경쟁에 따른 에너지 소비를 줄일 수 있다. 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전방법은 해당 수퍼프레임에서, 즉 IEEE 802.11 DCF에서의 비콘 간격동안 경쟁 노드의 수에 따라 휴면확률을 조정함에 의해 경쟁하는 노드의 수를 조절할 수 있다.
4) 채널 상태
이동 통신시스템에서 채널이득(channel gain)은 일정한 요소가 아니다. 보다 나은 채널을 가지는 노드는 주어진 전송 에너지량으로 보다 많은 데이터를 송신할 수 있다. 또한, 채널 상태는 비트 에러 확률과 큰 관련이 있고 에너지 소비에 영향을 미친다. 예를 들면, 패킷 전송이 좋지 못한 채널상태 때문에 실패할 때 그 패킷의 재전송이 요구되고 이는 추가적인 에너지를 필요로 한다. 그러므로 상태가 좋지 않은 채널을 가지는 노드가 비록 송, 수신해야할 패킷을 가지더라도 그 노드가 깨어있는 상태에서 패킷들을 송, 수신하기보다는 휴면상태로 머물러 있도록 하는 것이 더 바람직할 것이다. 즉, 휴면결정수단은 채널상태를 고려하는 것에 의해 더 개선될 수 있다.
5) 잔여 에너지
한정된 배터리 용량을 가지고 작동하는 노드는 한정된 수명을 가진다. 송, 수신되는 전체 데이터 량이 중요한 어떤 노드에서는 수명은 중요한 요소가 아닐 수 있다. 그러나 센서 네트워크들에서와 같이 같은 공동의 목적을 가지는 노드라면 어느 한 노드의 수명의 끝이 전체 네트워크의 수명의 끝을 의미하므로 매우 중요한 요소가 될 수 있다. 또한, 무선 애드혹 네트워크에서와 같이, 노드들이 라우팅 및 노드들과 노드들을 연결하는 의무를 가진다면, 한 노드의 죽음은 그 네트워크의 토폴로지(topology)와 연결성의 변경을 의미한다. 에너지 효율의 관점으로부터, 휴면결정수단은 노드가 충분한 에너지를 가지고 있지 않을 때 휴면확률을 증가시키는 것에 의해 노드의 수명을 연장하여야 한다.
아래의 식들에서, n은 임의의 기여 확률의 가중치 요소를 나타내는 것으로 그 개수는 1≤n≤N이고, UPn은 가중치 요소 n이 가지는 최대 측정치, LOWn은 가중치 요소 n이 가지는 최소측정치, Wn은 가중치 요소 n의 확률에 대한 기여 가중치, Wtotal은 전체 가중치 요소의 확률에 대한 가중치의 합, Pbase는 기준확률, N은 가중치 요소의 전체 개수라 하면, 가중치 요소 n의 가능한 최대 기여확률 Yn은,
Figure 112005064518508-PAT00014
이 되고, 따라서
Figure 112005064518508-PAT00015
이 된다.
Vn을 가중치 요소 n의 측정치라 하고, 그 가중치 요소 n의 기여확률을 Pn이라 하면, Vn과 Yn을 이용한 Pn의 계산에는 2가지 방식이 있다. 만약 기여확률이 Vn과 같이 증가하여 커지게 되면 Pn은,
Figure 112005064518508-PAT00016
로 계산된다.
한편, 대기열에 넣어진 패킷들의 수, 채널의 상태, 잔여 에너지의 양과 같은 요소들의 경우, 그 요소의 보다 높은 값은 기여확률은 보다 작아져야함을 의미한다. 그러면 Pn은,
Figure 112005064518508-PAT00017
와 같이 계산된다.
결국, 휴면확률 Psleep는,
Figure 112005064518508-PAT00018
와 같이 계산된다.
각 노드는 이 휴면확률을 이용해 영속 테스트(persistent test)를 수행한다. 이 과정은 ATIM 윈도우 동안 영속 테스트를 통과할 때까지, 노드가 ATIM 프레임을 수신할 때마다 반복된다.
예를 들어, 휴면확률이 결정되면 노드는 0과 1 사이의 난수를 발생시키고, 발생된 난수를 휴면확률과 비교하여, 발생된 난수가 휴면확률보다 작거나 같으면 휴면상태로 결정한다. 이 경우, 수신해야할 데이터가 있더라도 그 노드는 ATIM-SACK를 브로드캐스팅하고, 해당 비콘 간격동안 휴면한다.
발생된 난수가 휴면확률보다 크면 깨어있는 상태 즉, 유휴상태를 유지하고, 데이터를 송, 수신하기 위해 다른 노드들과 경쟁한다.
본 발명에서, 휴면확률이 0이 되는 경우 IEEE 802.11 절전모드와 같이 동작하며, 휴면확률이 1에 가까울수록 해당 프레임에서 휴면상태에 있을 확률이 커진다.
노드는 한 윈도우동안 0 또는 1이상의 ATIM-SACK와 많아도 1개의 ATIM-ACK를 보낼 수 있다. 예를 들면, 도 2에서, 노드B는 1개의 ATIM-SACK과 1개의 ATIM-ACK 프레임을 보낸다. ATIM-ACK 프레임을 보낸 노드는 남아있는 비콘 간격동안 깨어있는 상태로 있어야 된다.
상기와 같은 기본 확률근거 절전모드에서, 대기열에 넣어진 패킷의 수가 UPqueue로 나타낸 상한을 초과할 때 ATIM 프레임의 긴급 필드에 긴급 비트를 설정한다. 긴급 비트는 1로 설정하고, 긴급이 아닌 경우에는 0으로 설정할 수 있고, 그 반대로도 설정할 수 있다.
이상, 본 발명에 따른 기본 확률근거 절전모드를 설명하였다.
다음으로, 본 발명에 따른 적응 확률근거 절전모드를 설명한다.
앞에서 설명한 기본 확률근거 절전모드에서는 기준확률을 특정 값으로 고정한다. 하지만, 통신 시작 전에 노드의 트래픽 부하와 휴면경향을 예측하기는 어렵다. 따라서 노드에 적절한 고정된 기준확률을 결정하는 것은 쉽지 않다. 뒤에서 설명되는 시뮬레이션 결과는 패킷 지연과 에너지 소비는 기준확률에 강하에 영향을 받는 것을 나타낸다. 기본 확률근거 절전모드는 통신상태에 따라 적응적으로 조정하는 것에 의해 개선될 수 있다.
본 발명은 지연제한을 만족하면서도 에너지 효율과 처리량의 면에서 성능이 좋은 적응 확률근거 절전모드를 제공한다. 적응 확률근거 절전모드에서, 기준확률은 패킷지연 등에 따라 조정된다. 이렇게 조정되는 기준확률을 이 명세서에서는 가변기준확률로 칭한다. 서비스의 질(Quality of Service, QoS)을 보장하기 위한 지연경계를 DB라 하면, 지연경계는 다중 클래스들을 가지는 시스템에서 각 트래픽 클래스를 위해 별도로 주어질 수 있다. 지연경계 DB와 관련하여, 두 매개변수 λ1과 λ2가 있다. 이들은 0 < λ1 < λ2 < 1의 관계가 있다.
λ1은 지연경계를 바탕으로 목표 지연 값을 설정하기 위한 변수이다. 예를 들어, 최대 허용되는 지연이 100㎳인 상태에서 평균 지연의 목표치를 70㎳으로 잡았다면 λ1은 0.7이 된다.
λ1DB는 가변기준확률을 조정하기 위한 문턱 값(threshold value)으로 사용되며 바람직한 목표 지연 값을 의미한다.
여기에서, 각 패킷의 지연은 그 상층(upper layer)에서 측정될 수 있기 때문에, 측정된 패킷지연은 교차 레이어 접근(cross-layer approach)을 이용하여 그 상층으로부터 얻을 수 있는 것으로 가정한다.
노드는 패킷을 수신할 때마다 바람직한 목표 지연과 수신된 패킷 지연 간의 차이를 계산한다. 수신된 패킷의 측정된 지연을 d로 나타내면, 지연차이 δ는,
Figure 112005064518508-PAT00019
이 된다.
그런 다음, 노드는 아래의 식 (7)을 이용해 지연 차이의 지수적 변화 평균을 계산한다.
Figure 112005064518508-PAT00020
여기에서, Δnew와 Δold는 각각 지연 차이의 지수적 변화 평균의 갱신 값 및 이전 값이다. 새로운 ATIM 프레임이 수신될 때마다, 노드는 이전 가변기준확률에 ρΔnew를 더하는 것에 의해 가변기준확률을 변화시킨다.
즉, 가변기준확률 Pvbase는,
Figure 112005064518508-PAT00021
와 같이 된다. 여기에서 Ppvbase는 이전의 가변기준확률 값이다. ρ는 Δnew에 적절한 변화를 가하기 위한 계수(coefficient)로서 네트워크 설계자가 구축하고자하는 네트워크의 여건에 따라 결정할 수 있다.
한편, 지연경계와 관련된 다른 매개변수 λ2는 긴급 비트의 설정에 이용된다. 즉, 이 λ2는 지연이 너무 커져서 긴급 비트를 설정해야할 지연을 설정하기 위한 변수로서, 예를 들어 최대 허용되는 지연이 100㎳인 상태에서 90㎳를 넘으면 긴급 비트를 설정하고자 할 때, λ2는 0.9가 된다.
큐(queue)에 있는 헤드 오브 라인 패킷(head-of-line packet)이 λ2DB를 초과하거나 대기열에 넣어진 패킷의 수가 UPqueue보다 클 때, 그 노드는 ATIM 프레임에 긴급 필드를 1로 설정함으로 써 목적노드를 깨운다.
여기에서는 패킷지연을 가변기준확률의 변화에 반영하는 것을 살펴보았지만 대기열에 넣어진 패킷의 수, 경쟁 노드의 수, 채널 조건, 잔여 에너지 등의 다른 요소들도 같은 방식으로 가변기준확률의 변화에 각각 또는 추가적으로 반영될 수 있으며, 어느 요소들을 가변기준확률의 변화에 반영할 것인가는 해당 네트워크의 특성이나 여건에 따라 결정된다.
상기와 같은 본원 발명의 동작과정을 도 2를 참조하여 정리하면 다음과 같 다.
도 2는 본 발명에 따른 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
먼저, 비콘 간격 초기에 깨어있는 상태에서 노드는 ATIM 프레임을 수신한다(단계 1). ATIM 프레임에는 노드가 그 비콘 간격동안 수신해야할 데이터가 있는지에 대한 정보를 가지고 있다.
그런 다음 수신한 ATIM 프레임으로부터 수신해야 될 데이터가 있는지를 판단한다(단계 2).
판단결과 수신할 데이터가 없으면 해당 비콘 간격동안 휴면(sleep)하기로 결정한다(단계 3).
판단결과 수신할 데이터가 있으면 ATIM 프레임의 긴급 필드에 긴급 비트가 있는지를 판단한다(단계 4).
ATIM 프레임에 긴급 비트가 있는 경우 유휴(idle) 상태로 있을 것으로 결정한다(단계 5).
ATIM 프레임에 긴급 비트가 없는 경우 위에서 설명한 바와 같은 방법으로 휴면확률을 계산한다(단계 6). 물론, 경우에 따라 단계 4와 5를 생략하고 단계 2의 판단결과 수신할 데이터가 없으면 바로 단계 6을 실행할 수도 있다. 이는 네트워크 설계자가 네트워크의 여건에 따라 결정할 문제이다.
휴면확률 계산방식에는 앞에서 언급한 바와 같이 기본 확률근거 절전모드 방식과 적응 확률근거 절전모드 방식의 2가지 방식이 있는데, 네트워크 상황을 고려 하여 네트워크 설계자가 선택할 수 있다.
그리고 0과 1 사이의 난수를 발생시킨다(단계 7). 경우에 따라 난수의 범위는 조정할 수 있다.
계산한 휴면확률과 난수를 비교한다(단계 8).
비교결과 발생된 난수가 휴면확률보다 작거나 같다면 해당 비콘 간격동안 휴면할 것으로 결정한다(단계 9).
비교결과 발생된 나수가 휴면확률보다 크다면 유휴 상태로 결정한다(단계 10).
위에서 기술한 내용을 토대로 하여 시뮬레이션해본 내용을 설명하면 다음과 같다.
[시뮬레이션 예]
1) 시뮬레이션 모델
본 발명자는 네트워크 시뮬레이터(network simulator-2)를 사용하여 IEEE 802.11 절전모드와 본 발명에 따른 확률근거 절전모드에 따라 시뮬레이션을 수행하였다. 시뮬레이션에서, 비콘 간격은 100㎳로 하고 ATIM 윈도우의 크기는 20㎳로 고정하였다. 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전모드를 위해 ATIM 프레임에 추가된 비트들은 5비트인 데, 이들 중 4비트는 대기열에 넣어진 패킷들의 수를 위한 것이고 나머지 1비트는 긴급 필드를 위한 것이다. 모든 노드들은 300J의 초기 에너지를 가진다. 전송(transmission), 수신(receiving), 유휴(idle) 및 휴면(sleep) 상태에서 한 노드의 소비에너지는 각각 1340mW, 786mW, 739mW 및 47mW이다. 초기 설정에서, 모든 노드들은 측면의 길이가 70m인 사각의 영역 내에 무작위로 분포된다. 각 노드는 두 UDP(user datagram protocol) 데이터 연결들을 가지며 한 연결을 위해 100㎳마다 1 패킷을 발생시키고 다른 연결을 위해 300㎳마다 1 패킷을 발생시킨다. 패킷의 크기는 100bytes와 같이 고정되므로, 이들은 각각 8kbps 및 3/8kbps의 일정한 비트 레이트(bit rate) 트래픽들에 대응된다. 여기에서 언급되지 않는 매개변수는 네트워크 시뮬레이터에서 IEEE 802.11의 기본 세팅 값을 가진다. 휴면확률 계산에 있어서, 대기열에 넣어진 패킷들의 수, 경쟁 수, 채널 상태 및 잔여 에너지의 4요소들이 고려되었다. 이 요소들의 공칭의 값은 표1.에 나타내었다.
표1.
요소(factor) 가중치(weight) 하한치 상한치
대기열에 넣어진 패킷의 수 0.4 0 5-15
경쟁수 0.4 0 100
수신된 신호의 파워 0.2 0 mW 0.005 mW
잔여 에너지 0.4 0 J 300J
채널 상태를 위해, 수신된 신호의 파워가 사용되며 교환한 ATIM 프레임으로부터 측정되어진다. 잔여 에너지는 초기 에너지의 반이 되었을 때부터 고려하였다. 본 발명의 적응 확률근거 절전모드에만 사용된 매개변수의 값들은 DB = 300㎳, λ1 = 0.5, λ2 = 0.8, α = 0.5 및 ρ = 0.1로 주어진다.
2) 시뮬레이션 결과
도 3a ~ 도 3c는 노드의 수가 12일 때의 기준확률에 따른 확률근거 절전모드의 성능을 나타낸 그래프이다.
네트워크의 수명은 시뮬레이션 시작 시간으로부터 에너지가 다한 첫 번째 노드가 나올 때까지로 정의하였다. 도 3a ~ 도 3c에 나타낸 바와 같이 기준확률과 대기열에 넣어진 패킷 수의 상한치 둘 모두 기준확률에 따른 확률근거 절전모드의 성능에 중요한 영향을 미친다. 기준확률 Pbase와 대기열에 넣어진 패킷의 수의 상한치 UPqueue가 커질수록 그 네트워크의 수명은 길어지고 비트당 에너지 소비는 줄어듦에 반하여 패킷지연은 증가한다. 이는 지연성능과 에너지 효율 간의 교환이 있음은 의미한다. 그러므로 우리는 통신 상태에 잘 맞는 기준확률을 선택할 필요가 있다.
도 4a ~ 도 4c는 IEEE 802.11 절전모드, 본 발명의 기본 확률근거 절전모드, 본 발명의 적응 확률근거 절전모드의 성능 비교결과를 나타낸 그래프이다.
도 4a ~ 4c에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전모드들은 처리량 및 에너지 효율에 있어서 IEEE 802.11 절전모드보다 나은 성능을 제공한다. 하지만, 본 발명에 따른 절전모드들은 IEEE 802.11 절전모드보다 큰 패킷지연을 가진다. 본 발명에 따른 절전 모드들에서는 수신하기 위한 패킷이 있을 때에도 그 노드가 휴면할 수 있기 때문에 지연이 길어지는 것은 자연스러운 것이다. 그러나 본 발명에 따른 적응 확률근거 절전모드에서, 패킷 지연은 시뮬레이션에서 150㎳로 주어진 바람직한 목표 지연 값을 초과하지 않는다. 다시 말하면, 본 발명 에 따른 적응 확률근거 절전모드는 주어진 지연 제한 하에서 IEEE 802.11 절전모드보다 많은 에너지 절감과 높은 처리량을 제공한다. 적응 확률근거 절전모드는 시간에 따라 변하는 통신환경 하에서 지연제한을 만족하면서 처리량 성능과 에너지 효율을 개선하도록 고안되었다.
많은 다른 절전방법들에서는 오직 목적지로 향하는 패킷의 존재 그 자체만을 고려하였지만, 본 발명에 따른 확률근거 절전모드에서는 그 노드를 목적지로하는 패킷이 있더라도 그 노드는 휴면확률을 이용해 네트워크 인터페이스를 끌 수 있다. 휴면확률은 휴면확률에 영향을 미치는 다양한 요소들을 고려하여 계산되어진다. 이러한 요소들이 어떻게 휴면확률을 변경시키는지에 대해서는 위에서 기술하였다.
이상 설명한 본 발명은 무선랜 카드나 센서 네트워크 기기를 이용하는 무선이동통신분야에 가장 적합하게 적용될 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 확률에 근거한 절전방법은 오직 패킷의 존재 여부만으로 휴면여부를 결정하는 종래의 방식에 비해 데이터 처리량이 많고 에너지 효율도 뛰어나다.
특히, 본 발명의 적응 확률근거 절전방법은 지연 제한을 만족하면서도 데이터 처리량 및 에너지 효율면에서 IEE 802.11 절전모드에 비해 뛰어나다.
이에 따라, 본원 발명을 이용하는 경우 네트워크의 수명향상 및 데이터 처리성능 향상을 기대할 수 있다.

Claims (8)

  1. 확률에 근거한 배터리 전력소비 절감을 위한 무선이동통신 노드의 절전방법에 있어서,
    수신되는 ATIM프레임의 정보로부터 수신해야할 데이터가 있는지 판단하는 제 1판단단계;
    상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 없으면 상기 노드가 휴면상태로 들어가도록 하는 휴면결정단계; 및
    상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 있으면 상기 노드의 슬립확률을 계산하고 상기 계산된 휴면확률에 따라 상기 노드의 휴면여부를 결정하는 휴면여부결정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 휴면여부결정단계는 난수를 발생시키고 상기 발생된 난수가 상기 계산된 휴면확률보다 작거나 같으면 휴면상태로 들어가도록 하고 상기 난수가 상기 계산된 확률보다 크면 유휴상태로 있도록 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 휴면확률은 기준확률을 산출하고 상기 산출된 기준확률에 상기 노드를 목적지로 하는 패킷의 수, 패킷 지연, 경쟁 수, 채 널 상태, 잔여 에너지량 중 하나 이상을 고려한 기여확률을 더하여 산출되는 것을 특징으로 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 휴면확률은 아래의 식(1) ~ (5)에 의해 산출되는 Psleep으로,
    Figure 112005064518508-PAT00022
    ,
    Figure 112005064518508-PAT00023
    ,
    Figure 112005064518508-PAT00024
    또는
    Figure 112005064518508-PAT00025
    및
    Figure 112005064518508-PAT00026
    에 의해 산출되며,
    n은 임의의 기여 확률의 요소를 나타내는 것으로 그 개수는 1≤n≤N이고, UPn은 요소 n이 가지는 최대 측정치, LOWn은 요소 n이 가지는 최소 측정치, Wn은 요소 n의 확률에 대한 가중치, Wtotal은 전체 요소의 확률에 대한 가중치의 합, Pbase는 기준확률, N은 요소의 전체 개수, Yn은 요소 n의 가능한 최대 기여확률, Vn은 요 소 n의 측정치, Pn은 요소 n의 기여확률인 것을 특징으로 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.
  5. 확률에 근거한 배터리 전력소비 절감을 위한 무선이동통신 노드의 절전방법에 있어서,
    수신되는 ATIM프레임의 정보로부터 수신해야할 데이터가 있는지 판단하는 제 1판단단계;
    상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 없는 경우 상기 노드가 휴면상태로 들어가도록 하는 휴면결정단계;
    상기 제 1판단단계의 판단결과 수신할 데이터가 있는 경우 상기 수신되는 ATIM프레임의 정보로부터 휴면확률에 상관없이 상기 노드가 유휴상태를 유지할 것을 나타내는 긴급 비트가 있는지를 판단하는 제 2판단단계;
    상기 제 2판단단계에서 긴급 비트가 있는 경우 상기 노드가 유휴상태를 유지하도록 하는 유휴결정단계; 및
    상기 제 2판단단계에서 긴급 비트가 없는 경우 휴면확률을 계산하고, 상기 계산된 휴면확률에 따라 상기 노드의 휴면여부를 결정하는 휴면여부결정단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 휴면여부결정단계는 난수를 발생시키고 상기 발생된 난수가 상기 계산된 휴면확률보다 작거나 같으면 휴면상태로 들어가도록 하고 상기 난수가 상기 계산된 확률보다 크면 유휴상태로 있도록 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.
  7. 제 5항 또는 제 6항에 있어서, 상기 휴면확률은 가변기준확률을 산출하고 상기 산출된 가변기준확률에 상기 노드를 목적지로 하는 패킷의 수, 패킷 지연, 경쟁 수, 채널 상태, 잔여 에너지량 중 하나 이상을 고려한 기여 확률을 더하여 산출되는 것을 특징으로 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.
  8. 제 7항에 있어서, 상기 휴면확률은 아래의 식(1) ~ (5)에 의해 산출되는 Psleep으로,
    Figure 112005064518508-PAT00027
    ,
    Figure 112005064518508-PAT00028
    ,
    Figure 112005064518508-PAT00029
    또는
    Figure 112005064518508-PAT00030
    및
    Figure 112005064518508-PAT00031
    에 의해 산출되며,
    n은 임의의 기여 확률의 요소를 나타내는 것으로 그 개수는 1≤n≤N이고, UPn은 요소 n이 가지는 최대 측정치, LOWn는 요소 n이 가지는 최소 측정치, Wn은 요소 n의 확률에 대한 가중치, Wtotal은 전체 요소의 확률에 대한 가중치의 합, Pvbase는 가변기준확률, N은 요소의 전체 개수, Yn은 요소 n의 가능한 최대 기여확률, Vn은 요소 n의 측정치, Pn은 요소 n의 기여확률이고,
    상기 가변기준확률은 아래의 식 (6) ~ (8)에 의해 산출되는 Pvbase로서,
    Figure 112005064518508-PAT00032
    ,
    Figure 112005064518508-PAT00033
    및
    Figure 112005064518508-PAT00034
    에 의해 산출되고,
    DB는 서비스의 질을 보장하는 지연경계 값, λ1DB는 문턱 값으로 바람직한 지연 값이고, d는 수신된 패킷의 측정된 지연 값, δ는 지연차이, Δnew는 지연차이의 지수적변화평균, Δold는 이전의 지수적 변화평균, ρ는 시스템에 따라 Δnew를 변화시키기 위한 계수(coefficient), λ1은 목표지연 값을 설정하기 위한 매개변수, Ppvbase는 이전의 가변기준확률 값, α는 이전 값과 현재 값을 얼마의 비율로 평균을 낼지를 정하는 수치인 것을 특징으로 하는 확률에 근거한 무선이동통신 노드의 절전방법.
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