KR20100025334A

KR20100025334A - 무선 네트워크의 병목현상 처리방법

Info

Publication number: KR20100025334A
Application number: KR1020080084048A
Authority: KR
Inventors: 최우영; 김재영; 안병준; 김봉태; 정민영; 최범곤
Original assignee: 한국전자통신연구원; 성균관대학교산학협력단
Priority date: 2008-08-27
Filing date: 2008-08-27
Publication date: 2010-03-09
Also published as: KR100995905B1

Abstract

본 발명은, 트래픽이 집중되는 MPP, 및 MPP와 직접 연결되는 MP 사이를 프레임 충돌이 많고 혼잡도가 높은 경쟁 방식 대신, 무경쟁 구간으로 설정함으로써 MPP에 대한 트래픽 집중현상을 최소화하는 무선 네트워크의 병목현상 처리방법에 대한 것이다. 이를 위해, 본 발명은 MPP(Mesh Portal)과 직접 접속되는 제1MP(Mesh Point)에 무경쟁 채널 구간을 할당하는 단계, 및 MPP와 간접 접속되는 제2MP(Mesh Point)에 경쟁 채널 구간을 할당하는 단계를 포함한다.

802.11s, PCF, DCF, MPP, MP

Description

무선 네트워크의 병목현상 처리방법{Method for decreasing in wireless network bottleneck state}

본 발명은 무선 네트워크의 병목현상 처리방법에 관한 것으로, 특히 무선 통신을 수행하는 사용자 단말기가 늘어날수록 트래픽이 집중되어 병목현상을 유발하는 MPP(Mesh Portal) - MP(Mesh Point) 구간에 무경쟁 채널 구간을 설정함으로써 병목현상을 최소화하는 무선 네트워크의 병목현상 처리방법에 대한 것이다.

802.11s 규격에 따른 무선 메쉬 네트워크(Wireless Mesh Network)는 종래의 무선 통신 방식의 서비스 범위를 늘리고, 동적으로 망을 형성하기 위해 제안되었다.

메쉬 네트워크는 이러한 특징들로 인해 저렴한 비용으로 네트워크 확장이 가능하며, 국토가 넓고 인구 밀도 낮은 지역, 통신망의 보급이 매우 부족하면서 국토가 광활한 수많은 저개발 국가들의 통신망 보급을 위한 해결책으로 부상하고 있다.

이에 따라 IEEE 표준 그룹들은 WPANs, WLANs, WMANs에서 무선 메쉬 네트워크에 대한 표준화 작업을 진행하고 있으며, 그 중 WLAN 기술인 IEEE 802.11s는 기존의 IEEE 802.11 무선랜 표준을 확장하여 무선으로 연결된 단말장치들 간에 멀티 홉(multi-hop) 통신을 통한 중, 소규모 무선 메쉬 네트워크 구성을 목표로 표준 작업을 진행하고 있다.

IEEE 802.11s 네트워크는 MP(Mesh Point), MAP(Mesh Access Point), MPP (Mesh Portal)로 구성되며, MP 간 무선 멀티 홉(multi-hop) 통신을 통해 다수의 사용자 단말기에 무선 통신 서비스를 제공함은 물론, 각 MP 사이의 멀티-홉을 통해 서비스 지역을 확장할 수 있다.

MP는 무선 멀티 홉 데이터 전달 기능이 탑재된 장치로서 이동성을 최소한으로 하며, 이러한 MP들이 모여 넓은 범위에 대한 연결성, 강인성(robustness)을 제공하는 무선 메쉬 백본(mesh backbone)을 형성한다. MPP는 다른 망과의 연동을 위한 게이트웨이(Gateway) 기능이 탑재된 MP로서 메쉬 네트워크를 외부 인터넷 망에 연결한다.

MAP는 기존 802.11 무선랜의 AP(Access Point) 역할을 수행하여 사용자 단말기의 망 접속을 처리한다. 이때 사용자 단말기가 MAP로 전송하는 데이터는 MAP를 거처 MP 간 무선 멀티 홉 데이터 전달을 통해 MPP에 전달되며 최종적으로 외부 인터넷과 연결된다.

도 1은 종래의 IEEE 802.11s 네트워크에 대한 토폴로지(topology)를 나타낸다.

IEEE 802.11s 네트워크는 802.11 무선랜의 Ad-hoc 과 Infrastructure 기반 무선 통신 기술에서 발전한 무선통신 규격으로, 802.11은 데이터 전송을 위한 기본적인 매체 접근 방식으로서 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access / Collision Avoidance) 기반의 DCF(Distributed Coordination Function)을 사용한다. DCF는 분산 환경에서의 경쟁 기반 매체 접근 방식으로서 DCF를 사용하는 단말장치는 전송할 프레임이 있을 경우 채널의 상태를 관찰하고 있다가 채널이 DIFS(DCF Interframe Space)동안 사용되지 않으면 임의의 백 오프(back-off) 시간 동안 기다린 후 해당 프레임을 전송한다. DCF 방식에는 데이터 프레임을 바로 전송하는 기본 액세스 방식(Basic access method)과 데이터 프레임 전송 전에 제어 프레임을 전송하여 미리 채널을 예약하는 RTS/CTS (Request to Send/Clear to Send) 액세스 방식이 있다.

DCF 방식에 따른 반송파 감지 방법에는 물리적 반송파 감지(physical carrier sense)와 가상 반송파 감지(virtual carrier sense) 방법이 있다. 물리적 반송파 감지 방법은 물리계층에서 반송파를 감지하여 MAC 계층에 알려주는 방식이고 가상 반송파 감지 방법은 RTS/CTS 또는 데이터 프레임에 채널 점유 시간을 기록하여 이를 수신한 단말장치가 기록된 시간동안 NAV(Network Allocation Vector)를 설정하여 채널이 사용중임을 판단하는 방식이다.

IFS(Interframe Space)는 두 프레임 사이의 간격을 정의한다. 각 단말장치는 미리 정의된 IFS 구간 동안 채널이 사용되었는지 판단하여 프레임 전송 여부를 결정한다. SIFS(Short IFS)는 최고 우선순위로 RTS/CTS, ACK 프레임 전송시 사용되고, PIFS(PCF IFS)는 PCF 프레임 전송시 사용된다. DIFS(DCF IFS)는 DCF 프레임 전송시 사용되며 EIFS(Extended IFS)는 가변적인 길이로서 프레임 전송오류시 사용된다.

도 2는 기본 액세스 방식의 채널 접근 방법을 설명하기 위한 도면을 나타내고, 도 3은 RTS/CTS 액세스 방식에 따른 채널 접근 방법을 설명하기 위한 도면을 나타낸다.

IEEE 802.11 표준은 PCF(Point Coordination Function)를 매체 접근 방식 중 선택사항으로 정의하고 있다. PCF는 무경쟁 기반 매체 접근 방식으로 AP(Access Point)에 구현되어 있는 포인트 조정자(Point Coordinator, PC)가 각 단말장치의 매체 접근을 제어한다. 포인트 조정자는 무경쟁 구간(Contention-Free Period)이 시작될 때 무경쟁 구간의 최대 지속 시간(CFPMaxDuration)에 대한 정보를 구비하는 비콘(beacon) 프레임을 전송하며, 비콘 프레임을 수신한 단말장치는 최대 지속 시간만큼 NAV(Network Allocation Vector)를 설정하여 매체 접근을 시도하지 않는다. 또한 프레임간 간격은 DCF에서 사용하는 DIFS보다 짧은 SIFS와 PIFS를 사용하여 다른 단말장치의 경쟁 기반 채널 접근을 방지한다.

포인트 조정자는 조사목록(polling list)를 관리하여 조사목록에 있는 단말장치를 상대로 조사 프레임을 전송하며, 무경쟁 구간 동안 모든 단말장치는 조사프레임을 수신한 경우에만 프레임 전송을 수행한다. 무경쟁 서비스는 전 시간에 걸쳐 제공되지는 않고 표준 DCF 기반 서비스와 교대로 일어난다. 무경쟁 구간 동안 모든 프레임 전송 간격은 SIFS이며, 조사 프레임 전송 후 PIFS 동안 아무런 응답이 없다면 조사목록에 있는 다음 단말장치로 조사 프레임을 전송하여 포인트 조정자가 매체에 대한 제어를 유지할 수 있도록 한다. 무경쟁 구간이 종료될 때, 포인트 조정자는 종료 프레임을 전송하여 단말장치가 PCF 접근 모드에서 빠져 나오도록 하 며, 이후, 경쟁 기반 서비스를 시작하도록 한다.

무경쟁 기간 동안 채널을 더 효율적으로 활용하기 위해 PCF는 확인 응답, 조사 및 데이터프레임 등을 연동시켜 전송한다. PCF에서 사용되는 프레임의 유형은 데이터, CF-ACK, CF-조사, 데이터+CF-ACK, 데이터+CF-조사, CF-ACK+CF-조사, 데이터-CF-ACK+CF+조사, CF-종료, CF-종료+CF-ACK, 및 그 외의 관리프레임이 있다. 데이터 프레임은 경쟁 기간에 사용되는 데이터 프레임과 동일하고 CF-ACK는 확인응답을 위해 사용된다. AP는 사용자 단말로 전송할 데이터가 없을 경우 프레임 전송 권한을 주기 위해 CF-조사를 전송하며, 전송할 데이터나 전송할 확인 응답이 있을 경우에는 데이터+CF-조사, CF-ACK+CF-조사, 데이터+CF-ACK+CF-조사 프레임을 사용할 수 있다. 데이터+CF-ACK는 확인 응답과 데이터 프레임의 결합이고 CF-종료는 무경쟁 기간을 종료시키기 위해 전송하며 확인 응답이 필요할 경우에는 CF-종료+CF-ACK 프레임을 전송한다. 관리 프레임에 대한 표준 제한은 없다.

도 4는 PCF에 따른 채널 접근 방법을 나타낸다.

IEEE 802.11s에서는 무선 MP들 간의 효율적인 멀티 홉 패킷 전달을 위해 HWMP(Hybrid Wireless Mesh Protocol) 이라는 2 계층(layer 2) 경로 설정 기법을 정의하고 있다. HWMP는 트리 기반의 사전적(proactive) 경로 설정 방식과 AODV(Ad-hoc On-demand Distance Vector) 프로토콜 기반의 요구형(on-demand) 경로 설정 방식을 혼합한 경로 설정 기법으로서 경로 설정 시 각 MP들의 MAC 주소를 사용한다.

HWMP는 사전적 경로 설정을 통해 루트(root) MP를 중심으로 트리 형태의 토 폴로지를 형성하고, 루트 MP가 없거나 요구형 경로가 루트 MP를 통한 경로보다 효율적인 경로를 제공할 경우 요구형 경로 설정 기법을 사용한다.

상기한 802.11s 규격에 따른 MPP는 멀티 호핑 기능을 구비하는 MP의 개수가 늘어나는 만큼 더 넓은 통신 커버리지를 형성할 수 있다. 따라서, 저 개발국가나 광대한 영토를 갖는 국가에서 유용한 통신 규격임을 글의 서두에 기재한 바 있다. 반면, 통신 커버리지가 늘어나는 만큼 MPP에 집중되는 트래픽이 집중되는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 목적은, 사용자 단말기가 늘어날수록 MPP와 직접 접속되는 MP들 사이의 증가하는 트래픽과 병목현상을 감소시키기 위한 무선 네트워크의 병목현상 처리방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 무선 네트워크의 병목현상을 최소화하면서 이에 수반하는 시스템의 복잡도를 최소화하는 무선 네트워크의 병목현상 처리방법을 제공함에 있다.

상기한 목적은 본 발명에 따라, MPP(Mesh Portal)과 직접 접속되는 제1MP(Mesh Point)에 무경쟁 채널 구간을 할당하는 단계, 및 상기 MPP와 간접 접속되는 제2MP(Mesh Point)에 경쟁 채널 구간을 할당하는 단계에 의해 달성된다.

본 발명은, 트래픽이 집중되는 MPP, 및 MPP와 직접 연결되는 MP 사이를 프레임 충돌이 많고 혼잡도가 높은 경쟁 방식 대신, 무경쟁 구간으로 설정함으로써 MPP에 대한 트래픽 집중현상을 최소화한다.

본 발명은 MPP에 비해 상대적으로 트래픽이 적은 MP와 MAP 사이는 경쟁 구간으로 설정함으로써 시스템의 복잡도를 최소화한다.

이하, 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명에 따른 무선 네트워크의 병목현상 처리방법을 개념적으로 나타낸다.

도면에는 인터넷에 연결되는 MPP(100), MPP(100)와 직접 연결되는 MP(51, 52), MP(51, 52)와 호핑을 통해 무선 접속되는 MP(61 ∼ 64), MP(61 ∼ 64)와 무선 접속되는 MAP(71 ∼ 78), 및 사용자 단말기(80a ∼ 80n)가 도시된다.

본 발명의 기본 개념은 MPP(100)와 직접 접속되는 MP(51, 52)에 대해 무경쟁 채널 구간을 할당하고, MP(51, 52)를 통해 MPP(100)로 호핑(hopping)하여 접속하는 MP(61 ∼ 64)에는 경쟁 채널 구간을 할당하는 방식이다. 이를 위해, 각 MP는 MPP(100)와 직접 접속하는지, 또는 호핑에 의해 간접 접속하는지를 따져 2계층(50), 및 3계층(60)으로 구획한다.

2계층(50)은 MPP(100)와 무선으로 직접 접속되는 계층에 해당하고, 3계층(60)은 MPP(100)와 간접 접속되는 계층에 해당한다. 이후, 2계층(50)에 해당하는 MP(51, 52)에는 무경쟁 채널 구간을 할당하고, 3계층(60), 4계층(70), 및 5계층(80)에는 경쟁 채널 구간을 할당한다.

도면에서, 무경쟁 채널 구간은 PCF(Point Coordination Function) 방식에 의해 접속되는 채널 구간을 나타낸다. PCF 방식은 MP(51, 52)가 프레임을 보낼 수 있는 기회를 주기 위해 MPP(100)가 접속된 MP(51, 52)를 주기적으로 폴링(polling)하며, 프레임 전송이 필요한 MP(51, 52 중 어느 하나)에 채널을 할당한다.

도면에서, 경쟁 채널 구간은 3계층(60), 4계층(70), 및 5계층(80) 사이의 데이터 전송에 할당하며, DCF(Distributed Coordination Function) 방식을 적용한다.

DCF 방식은 3계층(60), 4계층(70), 및 5계층(80)에 위치하는 각 단말장치들이 상호 채널 센싱을 통해 채널이 BUSY 상태인지, IDLE 상태인지를 판단하고, 채널이 IDLE 상태일 때만 채널을 점유하여 데이터를 전송한다. DCF 방식은 채널이 BUSY 상태일 때, 채널을 이용하고자 하는 각 단말장치들이 DIFS(Distributed Inter Frame Space) 동안 기다렸다가, 재차 채널 센싱을 수행한다. 따라서, 본 발명에서, DCF 방식은 상위 계층(1계층 ∼ 2계층)에 비해 트래픽이 적은 하위 계층(3계층 ∼ 5계층)에 적용하며, 하위 계층(3계층 ∼ 5계층)의 트래픽이 집중되는 상위 계층(1계층 ∼ 2계층)에는 PCF 방식을 적용한다.

PCF 전송방식에 따라 상위 계층(1계층 ∼ 2계층)의 MP(51, 52)에 무경쟁 채널 구간을 할당하기 위해, MPP(100)는 상위 계층(1계층 ∼ 2계층)에 비콘 프레임을 브로드 캐스팅한다. 비콘 프레임은 무경쟁 채널 구간의 시작시간, 및 지속시간에 대한 정보를 포함한다. MP(51, 52)는 비콘 프레임을 수신 후, 하위 계층(3계층 ∼ 5계층)이 DCF 방식에 따라 접근하는 것을 차단하기 위해, NAV(Network Allocction Vector)를 최대 지속 시간으로 설정한다. 이때, MP(51, 52)는 PCF 전송방식에 따라 MPP(100)로 데이터를 전송할 수 있다.

도 6은 본 발명에 따른 메쉬 네트워크에서 PCF 전송방식에 따라 데이터를 송수신하는 과정을 설명한다.

본 발명은 MPP(100)와 2계층의 MP(51, 52)들간 프레임 전송을 위해 PCF 전송방식을 사용한다.

그러나 단순히 1계층 ∼ 2계층에 대해 PCF 방식만 적용하였을 경우, 은닉 단 말장치의 문제로 인해 DCF 방식에 따라 동작하는 3계층의 MP(61 ∼ 64)들과 프레임 충돌이 발생할 수 있다.

은닉 단말장치는 2계층(50)의 MP(51, 52)과 무선 접속되는 하위 계층(3계층)의 MP(61 ∼ 64)들 중에서 주로 발생한다. 무선랜 환경에서 1계층의 MPP(100), 및 2계층(50)의 MP(51, 52)의 위치와 무선 감도에 따라 2계층(50), 또는 3계층(60)에 속하는 각 MP(51 ∼ 64)에 대한 캐리어(carrier)를 감지하는 능력에 차이가 발생한다. 이러한 차이에 의해 데이터 프레임을 송수신하는, 구동중인 MP(51 ∼ 64 중 어느 하나)를 idle 상태로 오인하여 주변 MP(51 ∼ 64 중 다른 하나)나 MPP(100)가 데이터 송수신을 시도할 수 있다. 이때, idle 상태로 오인된 MP를 은닉 단말장치라 한다.

PCF 전송방식에 따른 프레임 유형 중 MAP(71 ∼ 78)이 MP(61 ∼ 64)로 전송하는 CF-조사 프레임과 "CF-ACK+CF-조사" 프레임은 전송 시간이 짧기 때문에 은닉 단말장치 문제로 인한 프레임 충돌 가능성이 작고, 프레임 충돌이 발생하더라도 프레임 충돌에 의한 채널 낭비가 적다. 반면에 Data+CF-조사 프레임과 Data+CF-ACK+CF-조사 프레임은 프레임 전송 시간이 길어 은닉 단말장치의 문제로 인한 프레임 충돌 가능성뿐만 아니라 충돌에 의한 채널낭비가 크다.

따라서 본 발명에서는 Data+CF-조사 프레임 또는 Data+CF-ACK+CF-조사 프레임을 전송할 경우 은닉 단말장치 문제로 인한 프레임 충돌을 방지하기 위해 RTS/CTS 프레임 전송을 통한 가상 반송파 감지 기법을 사용한다.

도 7은 본 발명의 메쉬 네트워크에서 PCF 전송방식만을 적용 시, 발생 가능 한 충돌을 나타내고, 도 8은 그에 대한 개선 방법을 나타낸다.

먼저, 도 7을 보면, MPP(100)에서 MP(51)로 "Data+CF-poll" 프레임을 전송할 때, 사용자 단말기(71)가 MP(51)로 데이터 프레임을 전송하는 중이었다면, MP(51)에 충돌 상황이 발생한다. 여기서, 도 7은 이해와 설명의 편의를 위해, MP(51)에서 충돌이 발생한 것을 예시하고 있으나, 이 외에 MP(51)와 MP(61) 사이에서도 이와 동일한 충돌이 발생할 수 있다.

다음으로, 도 8을 보면, MPP(100)가 MP(51)로 RTS(Request to Send) 프레임을 먼저 보내어 MPP(100)와 MP(51) 사이의 데이터 전송이 가능한지를 판단한다(1).

다음으로, MP(51)가 데이터 수신이 가능할 경우, MP(51)에서 MPP(100)로 CTS(Clear to Send) 프레임을 전송하며(2), MPP(100)는 MP(51)로 "Data+CF-poll" 프레임을 전송한다(3). 여기서, CF-poll은 추가로 전송할 프레임이 없다는 것을 의미한다.

MP(51)는 "Data+CF-poll"을 수신 후, 이에 응답하여 MPP(100)로 "Data+CF-ACK" 프레임을 피드백한다(4). 이러한 과정에 의해 MPP(100)와 MP(51)는 상호 발생 가능한 충돌을 최소화한다.

이때, MP(52)로부터 MPP(100) 방향으로 데이터 통신을 요청하였다면, MPP(100)는 MP(51)와의 데이터 통신이 완료된 후, "CF-ACK+CF-poll" 프레임을 전송하여 MPP(100)가 타 MP(51)로 전송할 데이터가 없으며, MP(52)로부터 데이터 수신이 가능하다는 사실을 통보한다(5). 이때, MP(52)는 MPP(100)를 향해 데이터를 전송한다(6).

도 1은 종래의 IEEE 802.11s 네트워크에 대한 토폴로지(topology)를 나타내는 도면,

도 2는 기본 액세스 방식의 채널 접근 방법을 설명하기 위한 도면,

도 3은 RTS/CTS 액세스 방식에 따른 채널 접근 방법을 설명하기 위한 도면,

도 4는 PCF에 따른 채널 접근 방법을 나타낸다.

도 5는 본 발명에 따른 무선 네트워크의 병목현상 처리방법을 개념적으로 나타내는 도면,

도 6은 본 발명에 따른 메쉬 네트워크에서 PCF 전송방식에 따라 데이터를 송수신하는 과정을 설명하기 위한 도면,

도 7은 본 발명의 메쉬 네트워크에서 PCF 전송방식만을 적용 시, 발생 가능한 충돌을 나타내고, 도 8은 그에 대한 개선 방법을 나타낸다.

Claims

MPP(Mesh Portal)과 직접 접속되는 제1MP(Mesh Point)에 무경쟁 채널 구간을 할당하는 단계; 및

상기 MPP와 간접 접속되는 제2MP(Mesh Point)에 경쟁 채널 구간을 할당하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 병목현상 처리방법.
제1항에 있어서,

상기 무경쟁 채널 구간은,

PCF(Point Coordination Function) 방식에 따라 데이터 송수신이 처리되는 구간인 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 병목현상 처리방법.
제1항에 있어서,

상기 경쟁 채널 구간은,

DCF(Distributed Coordination Function) 방식에 따라 데이터 송수신이 처리되는 구간인 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 병목현상 처리방법.
제1항에 있어서,

상기 MPP는,

상기 제1MP로 비콘 프레임(beacon frame)을 브로드 캐스팅(broadcasting)하 며,

상기 제1MP는,

상기 비콘 프레임에 응답하여 상기 무경쟁 채널 구간을 인지하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 병목현상 처리방법.
제4항에 있어서,

상기 비콘 프레임은,

상기 무경쟁 채널 구간에 대한 지속 시간 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 병목현상 처리방법.
제1항에 있어서,

상기 MPP는,

상기 무경쟁 채널 구간이 할당된 상태에서 상기 제1MP로 데이터 송신을 수행할 경우, RTS(Request to Send), 및 CTS(Clear to Send) 프레임 교환을 수행 후, 상기 데이터 송신을 수행하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 병목현상 처리방법.
제6항에 있어서,

상기 MPP는,

상기 MP로 "Data+CF-poll" 프레임을 전송하고,

상기 MP는,

상기 MPP로 "Data+CF-poll" 프레임을 전송하여 데이터 송수신을 처리하는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 병목현상 처리방법.
제1항에 있어서,

상기 제1MP와 상기 제2MP는,

무선 멀티 홉(Wireless multi-hop) 통신을 통해 연결되는 것을 특징으로 하는 무선 네트워크의 병목현상 처리방법.