KR20090108850A

KR20090108850A - 반송파 감지 다중접속중 충돌회피 경쟁방식 기반의 무선개인영역 네트워크 시스템을 위한 서비스질 보장 및 에너지효율적 전송방식

Info

Publication number: KR20090108850A
Application number: KR1020080034162A
Authority: KR
Inventors: 정민아; 이성로; 이연우; 최명수
Original assignee: 목포대학교산학협력단
Priority date: 2008-04-14
Filing date: 2008-04-14
Publication date: 2009-10-19

Abstract

본 발명은 CSMA/CA 경쟁방식 프로토콜을 사용하는 무선 PAN(WPAN: Wireless Personal Area Network)을 위해 QoS(Quality of Service)를 보장하고 에너지 효율적인 전송을 위한 방법을 제안한다. WPAN 장치들은 제한된 베터리 용량의 전지로 동작하기 때문에 에너지 소모는 WPAN 시스템에서 가장 중요한 문제 중의 하나이다. 따라서 WPAN이 경쟁기반 MAC 프로토콜을 사용할 경우 독립적 채널 접근 시도에 의한 충돌로 인하여 에너지 소모 문제는 더 중요하게 된다. 본 발명에서는 에너지 소모를 최소화하면서 QoS를 보장하기 위해 최적의 fragment 크기, 변조 수준과 전송전력을 선택하는 알고리즘을 제안한다.

CSMA/CA, WPAN(무선 개인영역네트워크), Energy Efficiency(에너지 효율), 경쟁방식 프로토콜

Description

반송파 감지 다중접속중 충돌회피 경쟁방식 기반의 무선 개인영역 네트워크 시스템을 위한 서비스질 보장 및 에너지 효율적 전송방식{CSMA/CA based Transmission Scheme for QoS Assurance and Energy Efficiency of WPAN Systems}

WPAN에 CSMA/CA와 같은 경쟁기반 접근 프로토콜을 사용할 경우 전송 에너지 문제는 각 장치의 개별적 채널접근 시도에 의한 충돌 때문에 더 중요하게 되는데 이를 해결하기 위한 방법이 몇가지 존재한다. 그중 fragmentation 기법과 동적 비율 적응 알고리즘은 전체적인 처리량을 향상시키기 위하여 fragmentation 크기와 모듈화 수준을 각각 제어한다. 그러나 에너지 소모 감소는 처리량을 최대화시키는 것보다 더 중요한 문제이기 때문에 이러한 알고리즘에서 사용한 기준사항들은 WPAN에는 적합하지 않다. 또 다른 해결 방법은 전송전력제어와 데이터 비율 적응 행위를 통하여 IEEE802.11a/h 시스템에서 통신에너지 소모를 최소화한다. 그러나 이 알고리즘은 에너지 소모에 따른 fragment 크기를 고려하지 않고 있다. 또한 채널 상태와 연관된 파라미터들이 바뀌지 않더라도 각 프레임의 데이터 전송율과 전송전력이 선택되어 바뀌게 된다. 그러므로 더 많은 처리전력과 시간소모가 발생하게 된다. 이러한 프레임 대 프레임 동작은 전체 MAC 서비스 데이터 유닛(MSDU)에 대하여 QoS를 고려하고 있지 않다.

경쟁기반 매체 접근 프로토콜로 동작하는 WPAN에서 에너지 소모를 최소화할 수 있도록 전송전력, 전송율과 fragment 크기에 대한 최적의 조합을 선택함으로써 QoS 보장과 동시에 에너지 효율적인 방법을 제안한다. 제안한 알고리즘은 MAC계층에서 다양한 QoS 요구들, 즉 WPAN 장치들의 에너지 소모를 최소화하는것 뿐만 아니라 요구된 처리량, 최대허용 지연시간 등을 보장하는데 목적이 있다.

경쟁기반 매체 접근 프로토콜로 동작하는 WPAN에서 에너지 소모를 최소화할 수 있도록 전송전력, 전송율과 fragment 크기에 대한 최적의 조합을 선택함으로써 QoS 보장과 동시에 에너지 효율적인 방법을 제안한다.

제안한 알고리즘은 MAC계층에서 다양한 QoS 요구들, 즉 WPAN 장치들의 에너지 소모를 최소화하는것 뿐만 아니라 요구된 처리량, 최대허용 지연시간 등을 보장하는데 목적이 있다.

본 논문에서는 제안한 알고리즘이 최적의 파라미터 집합 <L*, R’, Pt ’> 을 선택할 수 있는지의 여부와 선택으로 인하여 효율적으로 에너지를 절약할 수 있는지에 대한 평가를 위해 주로 그림 2의 경쟁 접근 기간(CAP)에 대하여 실험하였다. 실험을 위해 IEEE 802.15.3 표준에 명시된 바와 같이 fragment 크기는 최대 2048바이트까지, 최대 전송 전력은 0에서 10dBm 사이의 스텝 크기(step size) 2dB로 가정하였다.

도 3에서 제시한 CSMA/CA 채널 접근 모델로 전송할 경우 필요한 에너지 소모를 분석한다. 이 모델은 전송파 감지를 위한 에너지(E _CS ), ACK 수신을 위한 에너지(E _ACK )와 데이터 전송 에너지(E _tx )에 대응하는 수신 에너지(E _rx )를 소모한다. 그러므로 프레임을 성공적으로 전송하고 수신하는데 요구되는 에너지는 수학식1에 의해서 기술된다.

수학식1

수학식1에서 L은 fragment 크기, R은 데이터 속도(변조 수준), P _t 는 전송 전력을 나타내고 이러한 파라미터들은 물리적 회로내의 에너지 소모에 직접적인 영향을 주므로 수식에 피연산자로 나타내었다.

L _MSDU 크기의 전체 MSDU를 보내기 위해 장치는?L _MSDU /L?프레임을 전송해야 한다. 결과적으로 전체 MSDU를 전송하는데 요구되는 에너지는 수학식2와 같다.

수학식2

L _remain 은 MSDU가 고정된 크기의 L개의 fragment들로 분할된 후 남은 데이터의 크기를 나타낸다.

도3 에서와 같이 프레임을 전송하고자 할때 i 번 실패했다고 가정할 경우 전송율 R 과 전송 전력 P _t 로 L바이트의 한 프레임을 전송할 때 요구되는 에너지는 프레임 (T _frame )의 전송시간과 이 기간동안 소모된 전력의 product로 수학식3과 같다.

수학식3

ACK 프레임의 수신을 위해 필요한 에너지는 수학식4 같이 기술된다.

수학식4

T _ACK 는 ACK 프레임의 전송 시간을 나타내며, 수학식3과 수학식4의 P _tx 와 P _rx 는 프레임을 송신하고 수신하는데 필요한 전력량을 나타낸다. 이는 수학식5와 수학식6에 정 의하였다.

수학식5

수학식6

여기서 P _t 는 송신자의 전송 전력, 는 전력 증폭기(PA: Power Amplifier)의 효율(efficiency)을 나타내고, P _r 은 수신 front-end에서 소모되는 전력을 나태낸다. P _c _{_} _mod 는 다른 기저 프로세서(baseband processors)들을 포함한 변조 회로에서 소모되는 전력, Pc _ demod 는 다른 기저 프로세서들을 포함한 복조 회로에서 소모되는 전력을 나타낸다.

본 발명에서는 변조기와 복조기 회로에서 소모되는 전력 P _c _{_} _mod 와 P _c _{_} _demod 를 같은 값 P _c 로 정의하였다. 또한, 도3에서 (i+1)번째 시도에서 전송이 성공적으로 되었음을 가정하였을 경우 채널 탐지에 필요한 에너지 E _cs 는 수학식7과 같다.

수학식7

N _STOP _,k 는 k번째 전송시도에서 멈춘 CW 카운터 수, T _busy _,k 는 k번째 시도에 대하여 다른 장치의 전송 때문에 채널이 사용된 시간을 나타낸다.

반송파 감지 과정에서 소모되는 전력은 장치가 전송파 유무만 감지하기 때문에 실제 데이터 수신을 위해 필요한 전력보다 적다. 그러므로 본 논문에서는 전송파 감지 과정에서 소모되는 전력 P _rx ^* 는 실제 데이터 수신 전력의 약 40% 정도, 즉 0.4P _rx 로 가정한다. 도 3에서 검정색으로 표시된 부분은 pBackoffslot 의 시작과 다른 장치의 전송 시작사이의 시간간격을 나타낸다. 최악의 경우, 그러한 시간동안 전송파 감지에 소모된 에너지는 P _rx ^* 와 pBackoffslot의 곱이다. 그리고 ACK 모드로 데이터 프레임을 전송할 때 성공적으로 전송하였을 경우 장치는 ACK 프레임을 기다리는 동안 부가적으로 에너지를 더 소모한다. 또한 ACK 프레임이 SIFS의 끝에 도착할 때도 최악의 경우가 된다. CSMA/CA 시스템이 request-to-send/ clear-to-send(RTS/CTS) 방법을 WLAN에 사용할 때 T _busy _,k 동안 전송파 감지에 소모된 에너지는 NAV(Network Allocation Vector)를 사용함으로써 무시될 수 있다.

프레임을 성공적으로 전송하기 전에 전송 시도 횟수 즉, i 값과 수학식7에서의 N _STOP _,k , CW _k , T _busy _,k 값은 미리 알수 없기 때문에 확률적으로 예측된다. 피코넷 장치가 n개 있다고 가정할 경우 전송이 성공적으로 이루어질 확률은 수학식8과 같이 기술된다.

수학식8

FER은 프레임 에러율(Frame Error Rate), τ는 한 장치가 pBackoffslot 동안 전송할 확률로 반복 알고리즘에 의해 알 수 있다. 그러므로 한 프레임이 성공적으로 전송되기 전 전송시도 평균횟수는 수학식9에 의해 알 수 있다.

수학식9

수학식10은 채널이 pBackoffslot 동안 idle이 아닐 확률을 계산한다.

수학식10

그리고, 전송을 시도하기 전 연속적인 idle slot의 평균 개수는 수학식11에서 계산 하고, 수학식12를 통하여 한 프레임을 성공적으로 전송하기 위해 CW 카운터가 멈추는 평균 횟수를 알 수 있다.

수학식11

수학식12

수학식12에서 한 프레임을 성공적으로 전송하기 위한 CW의 평균값은 수학식13을 통하여 계산할 수 있다.

수학식13

m은 지수백오프(exponential backoff) 알고리즘의 재시도 회수에 대한 최대값을 나타내고, P(i,j)는 재시도 횟수가 i이고 CW 크기가 j 인 정상상태 확률(steady-state probability)을 나타내며 수학식14와 같이 기술된다.

수학식14

도4는 CAP의 CW 크기 상태를 나타내는 Marcov chain을 보인다. 도4의 (i, j) 상태에서 i 는 재시도 횟수이고 j 는 CW 크기이다. IEEE802.15.3 표준은 재시도 최대 횟수, m 값을 3으로 명시하고 있다. 실질적으로 전송은 다른 장치의 충돌이나 채널 노이즈로 인하여 실패할 수 있다. 그러므로 본 논문에서는 이러한 실패 요인을 모두 고려하여 전송 실패 확률 q를 수학식15와 같이 나타낸다.

수학식15

수학식16

이 때, p는 다른 장치의 전송으로 인한 충돌 확률을 의미하며, FER은 채널의 환경 요인, 즉 AWGN 또는 다중경로페이딩(multipath pading) 채널 등에 따라 달라질 수 있다. 본 논문에서 AWGN 채널 환경을 고려한다면, i와 j 가 정수이고 0≤i≤m, 0≤j≤ CW _i _, _max , 인 Marcov chain의 정상상태 확률 P(i, j)는 수학식17을 통하여 알 수 있고 수학식18과 같은 특성을 갖는다.

수학식17

수학식18

그러므로 P(0,0)은 수학식19와 같음을 알 수 있다.

수학식19

수학식17, 18과 19를 사용하여 한 프레임을 성공적으로 전송하기 위한 CW의 평균 값을 수학식13에 의해 계산할 수 있다. 결과적으로, WPAN 표준은 CAP통안 RTS/CTS를 적용하지 않기 때문에 수학식20에 의해 계산된 T _busy _,k 측정값을 통해 지원하는 데이터 속도와 유용한 fragment 크기를 알 수 있다.

수학식20

Claims

에너지 소모에 영향을 미치는 파라미터들 가운데 MSDU에 대한 fragment 크기는 일반적으로 고정되며 초기에 결정되어 있다는 가정하에 도5와 같이 제안한 알고리즘의 흐름도로 인하여 새로운 MSDU가 생성될 때 전송전력, 데이터전송율, fragment의 최적조합을 선택하는 알고리즘.