KR20110034092A - 무선 랜용 우선 순위 접근에 기반한 수락 제어 방법 - Google Patents

Abstract

높은 우선 순위 액세스 카테고리(AC)가 전송할 패킷이 있을 때 낮은 우선 순위 AC의 전송을 차단함으로써 가장 높은 AC가 항상 가장 먼저 채널에 접근하는 것을 보장하고, 네트워크 트래픽 양을 조절하고 수락된 플로우를 새로운 플로우로부터 QoS 영향을 받지 않도록 보호하는 무선 랜용 우선 순위 접근에 기반한 수락 제어 방법이 제공된다. 무선 랜에서 각 액세스 카테고리 플로우가 임의 프레임간 간격 기간의 마지막 슬롯에서 상기 임의 프레임간 간격보다 더 짧은 시간 길이를 갖는 비지 톤을 전송하며, 상기 비지 톤을 수신한 적어도 하나의 플로우는 비지 톤 전송과 백 오프 카운팅 동작을 중지하고, 높은 우선 순위의 액세스 카테고리 플로우가 새로운 플로우가 있을 경우 낮은 우선 순위의 액세스 카테고리 플로우의 패킷 전송을 차단하는 방식으로 우선 순위 접근을 제어하면서 패킷을 전송한다. 새로운 플로우가 트래픽 정보를 포함하는 패킷 전송 수락 요청용 데이터를 액세스 포인트로 전송함에 따라 상기 트래픽 정보 및 측정한 채널 상태 정보를 기초로 하여 전송할 패킷이 수락 결정 조건을 만족하는 지의 여부에 따라 수락 요청을 수락하거나 거절한다.

무선 랜, 우선 순위 접근, 수락 제어

Description

무선 랜용 우선 순위 접근에 기반한 수락 제어 방법{Admission control method based on priority access for wireless LANs}

본 발명은 무선 랜에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 무선 랜용 우선 순위접근에 기반한 수락 제어 방법에 관한 것이다.

IEEE 802.11 무선 랜은 구축이 쉽고 비용이 낮기 때문에 무선 접근 방법에서 많이 사용된다. IEEE 802.11 표준안은 단말들간 채널 공유를 위해 MAC(Media Access Control) 프로토콜을 정의하였다. MAC 프로토콜은 경쟁 기반 채널 접근을 위해 DCF(Distributed coordination function) 방식을 제공한다. 일반적인 유선 랜(IEEE 802.3 표준안)과는 달리 무선 랜(IEEE 802.11 표준안)의 MAC 프로토콜은 전송 중의 충돌을 감지하지 못한다. 이러한 이유로 무선 랜은 액세스 포인트(Access Point)에서 각 스테이션을 폴링(Polling)하여 사용 여부를 제어함으로써, 충돌의 발생을 방지하는 PCF(Point Coordinator Function) 방식과 난수를 이용한 충돌 회피를 근간으로 하는 DCF(Distributed Coordinator Function) 방식을 사용하고 있다. PCF는 DCF 상에서 구현되며, IEEE 802.11 표준안에서도 DCF는 필수적 사항이지만, PCF는 선택 사항으로 명시되어 있다.

DCF는 기본적으로 CSMA/CA(Carrier Sense Multi Access/Collision Avoidance)로 동작한다. 이는 각 스테이션으로 하여금 평소에 반송파를 감지하여 채널의 유휴함을 판단하게 함으로써 다수의 스테이션 간에 공유된 채널을 통하여 데이터 전송 시에는 충동을 회피하도록 하는 것이다. 이를 위해서 IEE802.11에서는 도 1과 같은 분산 프레임간 간격(Distributed Inter-Frame Space; 이하 'DIFS'라 함)과 백 오프의 두 가지 대기 시간을 가진다. 프레임간 간격(Inter-Frame Space; 이하 'IFS'라 함)은 채널이 유휴함으로 판단하는데 소요되는 시간으로서, 제어 패킷과 데이터 패킷은 서로 다른 프레임 간 간격을 사용한다. 하지만, 모든 스테이션이 동일한 DIFS 동안 채널의 유휴함을 확인한 후, 즉시 데이터 패킷을 전송한다면 빈번한 충돌이 발생할 수 있는데, 이를 위하여 백 오프 카운터가 이용될 수 있다. 다시 말해, DCF는 최소의 채널 유휴 시간을 통해 채널의 사용 여부를 판단하는 기준으로, DIFS를 사용하며, 채널 접근시 충돌을 피하기 위하여 임의의 백 오프 시간을 사용한다. 백 오프 카운터는 스테이션에 의한 데이터 전송 시마다 (0 ~ 경쟁 윈도우의 수-1) 중 임의의 값으로 선택되는데, DIFS 보다 긴 유휴 시간이 발생된 경우, 채널이 유휴한 동안 매 슬롯 시간마다 1씩 감소한다. 그리고, 백 오프 카운터가 0이 되면 데이터가 전송될 수 있다. 스테이션에 의한 데이터 전송 후에 충돌 등의 전송 실패가 발생한 경우 경쟁 윈도우(백 오프 값이 취할 수 있는 범위)의 값은 기존 값의 2 배가 되며, 이값을 기준으로 새로운 지연 시간 카운터가 설정된다. 경쟁 윈도우 값은 최소값과 최대값이 정의될 수 있는데, 초기 경쟁 윈도우 값은 최소값으로 설정되고, 전송 실패로 인하여 증가되는 경쟁 윈도우 값은 최대값 이하로 한정된다.

한편, 멀티미디어 응용이 널리 많이 사용됨으로써 무선 랜에서 높은 대역폭과 낮은 평균 지연과 같은 새로운 요구사항들을 만족시켜야 한다. 이와 같은 무선 네트워크 환경(IEE802.11)에서 DIFS 및 경쟁 윈도우는 모든 트래픽에 대해 동일하게 정의되어 있기 때문에, 트래픽의 종류에 따른 차별화된 네트워크 서비스를 제공할 수 없다.

이러한 네크워크 서비스 요구를 모두 충족시켜 줄 수 있다면 아무런 문제가 없겠지만, 만일 그렇지 못하다면 서비스를 차별화하여 가능한 한 모든 서비스에 대하여 공평한 만족을 주는 것이 그 해결 방안이라 할 수 있으며, 이러한 서비스의 차별화 기능을 QoS(Quality of Service)라고 한다.

그러나 IEEE 802.11 MAC 프로토콜은 QoS 요구사항을 만족시키지 못한다. IEEE 802.11 MAC 프로토콜에서 엄격한 QoS 요구사항을 갖는 멀티미디어 응용을 지원하기 위해 IEEE 802.11e가 표준화되었다. IEEE 802.11e 표준안에서는 트래픽을 하나 이상의 액세스 카테고리(Access Category; 이하 'AC')로 분류하고, 각 AC 별로 독립된 DIFS 및 경쟁 윈도우를 갖도록 정의하고 있다. IEEE 802.11e 표준안은 이러한 새로운 경쟁기반 채널 접근 방법을 EDCA(Enhanced distributed channel access)를 제공한다. EDCA는 4개의 AC를 통해 QoS를 지원한다. AC간 차별화를 위해 EDCA는 최소 경쟁 윈도우(Minimum contention window)와 최대 경쟁 윈도우(Maximum contention window), 임의 프레임간 간격(Arbitration inter-frame space; 이하 'AIFS'라 함)와 같은 파라미터를 이용한다. 한편, EDCA에서는 기존의 DIFS를 AIFS 로 표현한다.

IEEE 802.11e 표준안에서의 EDCA 접근 종류는 음성, 비디오, 백 그라운드, 및 최선형 데이터(Best Effort)로 분류되는데, 그 종류에 따라 EDCA 파라미터가 참조되어 트래픽 전송 정책이 결정되는 것이다. 접근 종류는 다시 실시간 접근(음성, 비디오) 및 비 실시간 접근(백 그라운드, 최선 노력)으로 분류될 수 있다.

기존에 본 발명의 방법들은 서비스 차별화에 대한 연구에만 초점을 맞추고 진행되었다. 그러나 네트워크 트래픽 양을 효율적으로 제어할 수 있는 방법 없이 서비스 차별화 자체만으로는 멀티미디어 응용에 QoS를 제공하기에는 충분하지 않다. 본 발명에서는 IEEE 802.11e EDCA를 위한 수락 제어 방법에 초점을 맞춰 연구를 진행한다.

IEEE 802.11e EDCA를 위한 많은 수락 제어 방법들이 제안되었다. 기존 방법들은 크게 모델 기반 제어 방법과 측정 기반 제어 방법으로 나뉘어 진다. 모델 기반 제어 방법은 새로운 플로우에 대해 수락 여부를 결정하기 위해 수학적 분석 모델을 이용한다. 측정 기반 방법은 수락을 결정하기 위해 네트워크에 존재하는 트래픽의 효율 또는 충돌 확률, 지연과 같은 측정할 수 있는 정보를 이용한다.

기존에 본 발명의 종래 방법들은 여러 가지 문제점이 있다. 첫째, 수학적 분석 모델들은 네트워크 상에 존재하는 플로우들의 QoS 성능을 계산하기 위해 몇 가지 비실용적인 가정을 한다. 그러므로 이러한 모델들은 실제 트래픽의 특징을 반영하지 못한다. 따라서, 모델 기반 방법들은 항상 정확하지 않고 실제 환경에 적용하는 것이 어렵다. 두 번째, 측정 기반 방법들은 새로운 플로우가 네트워크에 수락된 후에 사용되는 채널 시간을 정확히 예측할 수 없기 때문에 정확한 수락 제어를 수행하는 것이 어렵다. 예로, 종래의 방법은 성공 전송 시간과 상수 파라미터인 SurplusFactor에 근거하여 대역폭을 플로우에 할당하고 수락 제어를 수행한다. SurplusFactor 파라미터는 예상되는 전송 실패에 따른 대역폭을 보상하기 위해 사용된다. 상기 종래 방법이 충돌이 발생하였을 경우 어떤 AC 플로우가 패킷을 전송하였는지 구분할 수 없기 때문이다. 이 파라미터의 부정확성은 잘못된 수락 제어를 수행하게 한다. 셋째, 기존 방법들은 낮은 우선 순위 플로우가 높은 우선 순위 플로우보다 더 작은 백 오프(Backoff) 카운터 값을 갖고 채널 접근을 할 수 있는 우선 순위 역전 문제(Priority reversal problem)를 해결하지 못한다. 채널 상태가 유휴(Idle)일 때 각 플로우는 자신의 백 오프 카운터 값을 감소시키기 때문에 비록 초기 값은 크더라도 나중에는 작은 값을 갖게 된다. 백 오프 카운터 값은 균일 분포(Uniform distribution)에 따라 무작위로 선택되기 때문에 높은 우선 순위 플로우가 항상 더 작은 백 오프 카운터 값을 갖는 것을 보장하지 못한다. 그러므로 낮은 우선 순위 플로우가 높은 우선 순위 플로우보다 더 빨리 패킷을 전송할 수도 있다. 결과적으로 높은 우선 순위 트래픽이 채널 경쟁을 위해 더 긴 시간을 대기할 수도 있다. 넷째, 비록 수락 제어 방법이 잘 동작하더라도 낮은 우선 순위 트래픽이 높은 우선 순위 트래픽과 충돌을 야기할 수 있기 때문에 높은 우선 순위 트래픽은 낮은 우선 순위 트래픽에 의해 영향을 받는다. 마지막으로, 대부분의 기존 방법들은 실시간 트래픽에 QoS를 보장하기 위해 일반 데이터 트래픽을 먼저 제어하기 때문에 트래픽 양이 많은 환경에서는 데이터 트래픽의 성능 기아 현상이 발생할 수 있다. 하지만, 네트워크 트래픽 양을 효율적으로 제어할 수 있는 방법 없이 상기한 바와 같은 종래의 IEEE 802.11e EDCA는 음성과 비디오와 같은 멀티미디어 응용의 실시간 요구 사항을 만족시키지 못한다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 높은 우선 순위 액세스 카테고리(AC)가 전송할 패킷이 있을 때 낮은 우선 순위 AC의 전송을 차단함으로써 가장 높은 AC가 항상 가장 먼저 채널에 접근하는 것을 보장하고, 네트워크 트래픽 양을 조절하고 수락된 플로우를 새로운 플로우로부터 QoS 영향을 받지 않도록 보호하는 무선 랜용 우선 순위 접근에 기반한 수락 제어 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 무선 랜용 우선 순위 접근에 기반한 수락 제어 방법은 (i) 무선 랜에서 각 액세스 카테고리 플로우가 임의 프레임간 간격 기간의 마지막 슬롯에서 상기 임의 프레임간 간격보다 더 짧은 시간 길이를 갖는 비지 톤을 전송하며, 상기 비지 톤을 수신한 적어도 하나의 플로우는 비지 톤 전송과 백 오프 카운팅 동작을 중지하고, 높은 우선 순위의 액세스 카테고리 플로우가 새로운 플로우가 있을 경우 낮은 우선 순위의 액세스 카테고리 플로우의 패킷 전송을 차단하는 방식으로 우선 순위 접근을 제어하면서 패킷을 전송하는 단계; 및 (ii) 새로운 플로우가 트래픽 정보를 포함하는 패킷 전송 수락 요청용 데이터를 액세스 포인트로 전송함에 따라 상기 트래픽 정보 및 측정한 채널 상태 정보를 기초로 하여 전송할 패킷이 수락 결정 조건을 만족하는 지의 여부에 따라 수락 요청을 수락하거나 거절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서는 우선 순위 접근과 수락 제어 두 부분으로 구성된 측정 기반 수락 제어 방법을 제안한다. 먼저, 본 발명의 방법의 성능은 시뮬레이션을 통해 평가한다. 성능 평가 결과, 본 발명의 방법이 멀티미디어 응용의 QoS를 보장하고 낮은 우선 순위 트래픽의 성능 기아(Starvation) 현상을 방지하는데 매우 효율적임을 확인하였다. 상기한 바와 같은 본 발명의 효과를 구체적으로 설명하면 다음과 같다. (1) 우선 순위 접근 방법은 높은 우선 순위 AC가 전송할 패킷이 있을 때 낮은 우선 순위 AC의 전송을 차단한다. 이는 가장 높은 AC가 항상 가장 먼저 채널에 접근하는 것을 보장한다. 그러므로 본 발명의 방법은 우선 순위 역전 문제를 해결할 수 있다. (2) 우선 순위 접근 방법은 같은 우선 순위를 갖는 AC 플로우들만의 채널 경쟁을 보장한다. 그러므로 AP는 각 우선 순위 AC별 채널 상태 정보를 정확히 측정할 수 있다. 그리고 새로운 플로우가 수락된 후에 사용되는 채널 시간을 정확히 예측할 수 있다. (3) 기존에 본 발명의 방법에서 각 우선 순위 AC에 대한 대역폭 할당은 다른 우선 순위 AC들 간 패킷 충돌로 인해 상당히 어려웠다. 그러나 본 발명의 방법은 다른 우선 순위 AC 간 충돌이 발생하지 않으므로 각 우선 순위 AC에 대한 대역폭 할당이 가능하다. 또한, 본 발명의 방법은 데이터 트래픽의 기아 현상을 방지할 수 있다.

이하, 첨부된 예시 도면에 의거하여 본 발명의 실시예에 따른 무선 랜용 우선 순위 접근에 기반한 수락 제어 방법을 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따 른 우선 순위 접근 방법을 설명하는 흐름도이다.

본 발명에서는 우선 순위 접근 과정과 수락 제어 과정, 두 부분으로 이루어진 측정 기반 수락 제어 방법을 제안한다.

IEEE 802.11 무선 랜에서 QoS를 지원하기 위해 IEEE 802.11e가 표준화되었다. 새로운 표준은 경쟁기반의 EDCA(Enhanced distributed access mechanism) 개념을 제안하였다. EDCA는 DCF의 향상된 버전이다. DCF에서 모든 단말은 같은 우선 순위를 갖고 채널 경쟁을 한다. 그러나 EDCA는 AC(Access category) 개념을 도입하여 여러 우선 순위 단계를 지원한다. 단말은 8개의 사용자 우선 순위를 지원하기 위해 4개까지의 AC를 갖는다. 각 AC는 별도의 큐로 구현된다. 각 패킷은 우선 순위 정보를 갖고 상위 계층에서 MAC 계층으로 전달되고 우선 순위에 따라 각 AC에 매핑된다. AC 3, AC 2, AC 1, 및 AC 0는 각각 음성, 비디오, 최선형 데이터, 및 백그라운드 트래픽을 위해 사용된다. 트래픽 차별화를 위해 EDCA는 각 AC i (i=0,…,3) 별 파라미터 CWmin[i](Minimum contention window), CWmax[i](Maximum contention window), AIFS[i](Arbitration inter-frame space)를 사용한다. AIFS는 최소한 DIFS(Distributed inter-frame space) 이상이어야 하고 AIFSN[i](Arbitration inter-frame space number) 값을 이용하여 계산된다. AIFS[i]는 SIFS+AIFSN[i]*aSlotTime이다. SIFS는 SIFS(Short inter-frame space)의 시간 길이이고 aSlotTime은 한 슬롯의 시간 길이다. EDCA는 0≤i＜j≤3에 대해 CWmin[i]≥CWmin[j], CWmax[i]≥CWmax[j], AIFSN[i]≥AIFSN[j]를 가져야 한다. 이 수식에서 최소한 하나는 “>”여야 한다. EDCA는 채널 경쟁에서 높은 우선 순위 AC에게 더 높은 기회를 제공하기 위해 작은 CWmin, CWmax, AIFSN 값을 할당한다. 그러므로 EDCA에서 QoS 지원은 다른 우선 순위 AC간 채널 접근 확률을 차별화함으로써 이루어진다.

본 발명에 따른 무선 랜용 우선 순위 접근에 기반한 수락 제어 방법은 EDCA에 약간의 수정이 필요하지만 기본 동작 과정은 EDCA와 똑같다.

본 발명의 방법은 높은 우선 순위 AC가 전송할 패킷이 있을 때 낮은 우선 순위 AC의 전송을 차단한다. 즉, 낮은 우선 순위 AC들은 높은 우선 순위 AC가 더 이상 채널 경쟁을 하지 않을 때까지 패킷을 전송하지 않는다.

종래의 EDCA에서 어떤 한 AC의 플로우는 우선 무선 채널 매체를 감지한다. AIFS 기간의 유휴를 감지한 후에 플로우는 패킷 전송 전에 임의 백 오프 시간 동안 대기한다. 본 발명의 방법의 정확한 동작을 위해 EDCA와 달리 높은 우선 순위 AC는 낮은 우선 순위 AC에 비해 항상 작은 AIFSN 값을 가져야 한다. 즉, 0 ≤ i ＜ j ≤ 3에 대해 AIFSN[i] > AIFSN[j] 관계이다.

비지 톤의 전송 시점은 패킷 도착 시간과 채널 상태에 따라서 가변적이다. 상기 비지 톤 전송 시점을 결정하기 위해 본 발명의 방법은 다음 세 가지 파라미터, 즉 MAC 계층 패킷 도착 시간(PAT: packet arrival time), 최근 패킷 전송으로 인한 마지막 채널 번잡 시간(LCBT: last channel busy time), 가장 낮은 우선 순위 AC의 AIFS(LAIFS: AIFS of the lowest priority AC)를 사용한다. LCBT는 한 패킷의 전송이 완료되는 시간으로 설정된다. 그러나 패킷 충돌이 감지될 경우에는 (EIFS - DIFS)의 종료 시간으로 설정된다. 이는 EDCA의 백 오프 동작이 (EIFS - DIFS + AIFS) 동안의 채널 유휴 이후에 시작하기 때문이다. EIFS는 EIFS(Extended inter-frame space) 시간을 의미한다.

비지 톤 전송 시점을 결정하기 위해서는 두 가지 경우를 고려해야 한다(도 1 및 도 2 참고). 우선 순위 접근 과정에 있어서, 새로운 플로우가 비지 톤을 LCBT와 PAT 사이에 수신하였는 지를 판단하여(단계 S303), 상기 플로우가 비지 톤을 LCBT와 PAT 사이에 수신한 경우, 즉 마지막 비지 톤 수신 시간이 최근 패킷 전송으로 인한 마지막 채널 번잡 시간(LCBT) 보다 큰 경우, 패킷 전송으로 인한 채널 번잡이 감지될 때까지 동작 과정을 멈춘다. 그렇지 않다면 다음과 같은 두 가지 경우로 동작한다.

플로우가 LCBT 전 또는 LCBT 후에 상위 계층으로부터 새로운 패킷을 수신하였는지, 즉 PAT > LCBT인 지를 판단한다(단계 S304).

단계 S304의 판단 결과, 상기 플로우가 LCBT 전에 상위 계층으로부터 새로운 패킷을 수신한 경우(PAT ≤ LCBT), 도 1을 참조하여 (AIFS - aSlotTime) 시간 동안 무선 채널 매체(이하, '채널'이라 함)가 유휴 상태인 지를 감지한다(단계 S305).

한편, 상기 플로우가 LCBT 이후에 상기 패킷을 수신한 경우(PAT > LCBT), 도 2를 참조하여 (LCBT + LAIFS * N + AIFS - aSlotTime) 시간까지 대기한다(단계 S306). N은 AIFS의 시작 시점을 LAIFS의 정수 배로 정렬하기 위해 사용되며 값은

이다.

는 x 이상의 정수 중에서 최소값을 의미한다. 플로우가 전송할 패킷이 없어도 본 발명의 방법에서는 LAIFS 단위로 매체의 번잡 이후에 얼마나 많은 시간이 지났는지 측정해야 한다. 그래서 플로우의 AIFS 감지 시작을 언제 할지 알 수 있다. 이러한 정렬은 같은 우선 순위 AC를 갖는 플로우들간 채널 경쟁이 이루어지는 것을 보장하기 위해 필요하다. 이와 같은 정렬 없이 플로우가 (AIFS - aSlotTime) 동안의 채널 유휴를 감지한 후에 비지 톤을 전송하게 되면 다른 우선 순위 AC의 플로우들과 비지 톤 충돌을 야기할 수 있다. 충돌된 비지 톤을 전송한 플로우들은 동시에 채널 경쟁을 수행하게 되어 다른 우선 순위 AC들간 영향이 존재하게 된다.

(AIFS - aSlotTime) 시간 동안 채널 유휴 여부를 감지하다가 비지 톤 전송 시점 전에 다른 플로우가 전송한 비지 톤을 수신하였는 지를 판단한다(단계 S307).

단계 S307의 판단 결과, 자신의 (AIFS - aSlotTime) 기간 내 어떤 시간에라도 비지 톤을 수신하면 LBT를 저장하고, 현재 채널 경쟁을 멈추고 패킷 전송이 발생할 때까지 대기하는 방식으로, 비지 톤 전송과 백 오프 카운팅 과정을 중지한다(단계 S308). 이 과정은 각 우선 순위 트래픽이 자신의 패킷 전송 과정을 우선 순위에 따라 수행하는 것을 보장한다. 더 높은 우선 순위 AC가 존재하는 한 낮은 우선 순위 AC의 플로우들은 (AIFS - aSlotTime) 기간 내에 비지 톤을 감지하게 될 것이다.

자신의 (AIFS - aSlotTime) 기간 내 어떤 시간에라도 비지 톤을 수신하지 않은 경우, 상기 플로우는 각 플로우는 자신의 AIFS 기간의 마지막 슬롯(Slot)에서 aSlotTime보다 짧은 시간 길이를 갖는 비지 톤을 전송한 후(단계 S309), 백 오프 카운터 값을 슬롯 시간 단위로 0가 될 때까지 감소시킨다(단계 S310). 이 경우 백 오프 카운팅 과정은 IEEE 802.11 EDCA와 동일한 방법으로 동작한다.

상기 플로우는 상기 채널이 유휴 상태인 지를 판단한다(S311).

단계 S311의 판단 결과, 상기 채널이 상기 유휴 상태가 아닌 경우, 상기 플로우는 LCBT를 저장한다(단계 S312). 이와는 달리, 상기 채널이 상기 유휴 상태인 경우, 패킷(데이터)을 AP로 전송한다(단계 S313).

단계 S314에서, 상기 플로우는 상기 패킷의 전송이 성공되었는지를 판단한다.

단계 S314의 판단 결과, 상기 패킷의 전송이 성공되지 않은 경우, 상기 백 오프 카운터 값이 취할 수 있는 범위를 나타내는 경쟁 윈도우(CW)를 증가한다(단계 S315).

상기 패킷의 전송이 성공된 경우, 상기 플로우는 LCBT를 저장하고 상기 CW를 최소 CW로 설정한다(단계 S316).

우선 순위 접근 방법의 정확한 동작을 보장하기 위해 비지 톤과 패킷 전송을 구분하는 것은 매우 중요하다. 본 발명에서는 전송 시간을 이용하여 구분한다. 한 패킷의 전송 시간은 20us 값을 갖는 물리 계층 헤더로 인해 최소 3 슬롯 이상의 시간을 필요로 한다. 비지 톤은 한 타임 슬롯보다는 작은 값을 이용한다. 전송 시간을 측정하는 것은 추가적인 오버헤드나 비용 없이 간단하게 할 수 있다. 이는 모든 단말이 CSMA/CA 방법으로 동작하기 때문이다. 각 단말은 채널 감지 방법을 통해 채널 상태를 감지하고 번잡 시간을 측정한다. 그러므로 단말이 신호를 수신하였을 때 비지 톤과 패킷 전송을 구분할 수 있다.

Ping은 제안하는 방법과 유사한 확정된 우선 순위 접근 방법을 제안하였다. 그러나 이 방법은 다음과 같은 차이점을 갖는다. 데이터 트래픽에 대한 음성 트래픽만의 우선 순위를 보장하는 것이 주목적이다. 채널 경쟁중인 음성 플로우는 AIFS 시간 동안 채널 유휴를 확인한 후에 백 오프 카운팅 동작을 하는 대신에 비지 톤을 전송한다. 비지 톤의 길이는 백 오프 카운터 값과 동일하다. 비지 톤 전송을 완료한 후에 단말은 채널을 감지한다. 채널이 여전히 번잡이면 현 경쟁을 정지하고 유휴이면 패킷을 전송한다. 이를 통해 가장 긴 비지 톤을 갖는 플로우가 패킷을 전송한다. 최소 하나 이상의 음성 플로우가 존재하면 모든 데이터 플로우는 AIFS 기간 내에 비지 톤을 감지하고 채널 경쟁 과정을 정지한다.

DAC(Distributed admission control) 방법

Xiao는 두 단계로 구성된 DAC 방법을 제안하였다. 첫 번째 단계에서는 네트워크에 수락되어 동작중인 음성과 비디오 플로우가 새로운 음성과 비디오 플로우로부터 영향을 받지 않게 보호하는 것이다. AP는 비콘(Beacon) 주기 동안에 각 AC i별 성공적인 전송으로 사용된 채널 시간(TxTime[i])을 측정한다. 그리고 나서 다음 비콘 간격 동안에 AC i 플로우들이 추가로 사용 가능한 채널 시간(TXOPBudget[i])을 다음 수학식 1로 계산한다.

TXOPBudget[i] = max(ATL[i] -TxTime[i] * SurplusFactor[i], 0),

여기서 ATL[i]는 비콘 간격 동안 AC i를 위한 최대 할당가능 채널 시간이고 SurplusFactor[i]는 충돌로 인해 발생 가능한 전송 실패에 대한 보상을 위해 사용된다. 계산된 버짓(Budget) 정보는 비콘 프레임을 통해 각 단말에게 전달된다.

각 단말은 각 AC i를 위해 다음과 같은 변수를 유지 관리한다: TxUsed[i], TxSuccess[i], TxLimit[i], TxRemainder[i], TxMemory[i]. TxUsed[i]는 단말이 AC i의 트래픽을 전송하기 위해 사용한 채널 시간이다(성공 여부와 무관). TxSuccess[i]는 성공적인 전송으로 인해 사용된 채널 시간이다. 단말은 TxUsed[i]가 TxLimit[i]을 초과할 때 데이터 패킷을 전송하지 않는다. TxLimit[i]은 아랫부분에 설명된다. 위와 같은 이유로 인해 패킷 전송이 차단되면, TxRemainder[i] 값은 TxLimit[i] ― TxUsed[i]이다. 차단되지 않고 패킷을 전송하면, TxRemainder[i]는 0이다. TxMemory[i]는 비콘 간격 동안 단말의 AC i가 사용한 채널 시간을 기록하고 이값은 ∝ * TxMemory[i] + (1-∝) * (TxSuccess[i] * SurplusFactor[i] + TXOPBudget[i])이다. ∝는 평활 인수(Smoothing factor)이다. TxLimit[i]는 TxMemory[i] + TxRemainder[i]이다. 수락 결정을 위한 조건은 다음 수학식 2와 같다.

TXOPBudget[i] ≥ Φ* ReqBudget[i]

여기서 ReqBudget[i]은 AC i의 새로운 플로우를 위해 요구되는 버짓이고 Φ는 비율을 나타낸다. 상기 수학식 2가 만족되면 새로운 플로우는 수락된다.

두 번째는 음성과 비디오 플로우가 최선형 데이터 트래픽의 영향으로부터 보호되는 단계이다. 트래픽 상황에 따라 데이터 전송을 제어하기 위해 DAC 방법은 데 이터 트래픽을 위한 EDCA 파라미터를 동적으로 조절한다. 표준에서는 충돌이 발생하였을 때 경쟁 윈도우 증가 팩터 2를 사용하지만 DAC 방법에서는 백 오프 단계 i를 위해 더 큰 경쟁 윈도우 증가 팩터 σ_i를 사용하여 표준보다 경쟁 윈도우 크기를 더 빨리 증가시킨다. 1 ≤i<j≤L_재시도에 대해 σ_i<σ_j (σ₁≥2) 관계를 갖는다. L_재시도는 재시도 한계치(Retry limit)를 나타낸다. 데이터 프레임이 재시도 한계치에 도달하면, CWmin과 AIFS는 증가한다(즉, CWmin=θ*CWmin (θ>1), AIFS=*AIFS (ψ>1)). 단말이 연속적인 m개의 패킷을 성공적으로 전송할 때마다 CWmin과 AIFS는 감소한다(즉, CWmin=CWmin/θ, AIFS=AIFS/ψ).

본 발명의 제2 과정인 수락 제어는 네트워크 트래픽 양을 조절하고 수락된 플로우를 새로운 플로우로부터 QoS 영향을 받지 않도록 보호한다. 우선 순위 접근 방법은 수락 제어가 잘 동작할 수 있도록 하기 위해서 사용된다. AP(Access point)는 각 트래픽 종류별 채널 상태 정보를 측정하고 수락 제어를 수행한다.

본 발명의 실시예에 따른 우선 순위 접근 방법에 근거하여 무선 채널의 특징을 나타내는 요소들을 측정하고 새로운 플로우의 수락 여부를 결정하는 수락 제어 방법에 대해 기술한다. 본 발명의 방법을 PAAC(Priority access-based admission control)라고 한다. 인프라스트럭쳐를 갖는 IEEE 802.11e BSS(Basic service set) 환경을 고려한다. 수락 제어 모듈은 BSS의 AP에 위치하고 IEEE 802.11e 표준에 기술된 절차에 따라 동작한다. 새로운 플로우가 패킷 전송을 시작하기 전에 수락을 요청하기 위해 패킷 전송 수락 요청용 데이터로서 트래픽 정보를 포함하는 ADDTS(Add traffic stream) 요청 프레임을 AP로 전송한다. AP에서 측정된 채널 상태 정보와 플로우가 전송한 트래픽 정보를 이용하여 수락 제어 모듈은 새로운 플로우의 수락 여부를 결정한다. 네트워크 상에 존재하는 기존 플로우의 성능에 영향을 미치지 않으면 AP는 수락 요청을 받아들이는 ADDTS 응답 프레임을 전송하고 영향이 있다면 거절 응답을 플로우에 전송한다.

올바른 수락 결정을 수행하기 위해 AP는 새로운 플로우가 수락된 후에 사용될 채널 시간을 정확하게 예측할 수 있어야 한다. 수락된 새 플로우는 추가적인 전송 시간뿐만 아니라 더 많은 충돌과 백 오프 시간을 야기한다. 이하에서는 새로운 플로우가 필요로 하는 채널 시간을 계산하는 방법에 대해 기술한다.

AP는 각 AC i (i=0,…,3) 별 세 가지의 채널 상태 정보, 즉 평균 채널 시간 사용율 U_i, 평균 충돌 확률 P_i, 전송 시도 당 평균 백 오프 시간 B_i를 측정한다. 채널 시간 사용율은 각 우선 순위 트래픽을 전송하기 위해 사용된 시간의 비율이다. 다음 두 가지 이유로 본 발명의 방법에서 필요한 정보를 측정하는 것이 어렵지 않음을 알 수 있다. 첫째, 본 발명의 방법에서 플로우들은 각 AC 별로 분리되어 패킷 전송 동작을 수행하기 때문에 종래의 측정 기반 수락 제어 방법들과 달리 본 발명에 따라 수락 제어 방법은 충돌 발생 시 어떤 AC에서 야기한 것인지 알 수 있다. 둘째, AP는 추가적인 오버헤드나 비용 없이 채널 감지 기능을 수행할 수 있다.

본 발명의 실시예에서 충돌 확률은 전송 실패로 인해 재전송해야 하는 패킷들의 채널 시간을 계산하기 위해 사용된다. 우선 순위 접근 방법을 통해 각 AC의 충돌 확률을 측정할 수 있다. DAC 방법의 발명자들은 성공적인 전송 시간과 SurplusFactor에 기반하여 채널 시간을 할당하였다. 이는 충돌 발생 시 어떤 AC 플로우가 야기하였는지 알 수 없기 때문이다. 그러므로 DAC 방법은 잘못된 수락 결정을 할 수도 있다.

본 발명에서 채널 상태 정보는 각 비콘 간격의 끝에서 갱신된다. AP는 채널 상태를 살펴보고 비콘 간격 BI 동안에 각 AC i별로 총 전송 간격 시간 TI_i, 총 백 오프 시간 BP_i, 전송 횟수 NT_i, 충돌 횟수 NC_i를 측정한다. 전송 간격은 한 패킷을 전송하기 위해 필요한 시간을 의미하며 AIFS, 백 오프, 패킷 전송 시간의 합이다. 비콘 간격의 끝에서 측정된 채널 시간 사용율 U_i ^측정, 충돌 확률 P_i ^측정, 평균 백 오프 시간 B_i ^측정은 다음 수학식 3 내지 5과 같이 계산된다.

상기 수학식 3 내지 5로부터 U_i, P_i, 및 B_i는 다음 수학식 6 내지 8과 같이 계산된다.

U_i = αU_i + (1-α)U_i ^측정

P_i = αP_i + (1-α)P_i ^측정

B_i = αB_i + (1-α)B_i ^측정

여기서, α는 [0, 1] 범위를 갖는 평활 인수(Smoothing factor)이다. 종래 기술에서 성능에 대한 α의 영향을 연구하였다. 1에 가까운 값은 변경된 네트워크 상태를 반영하는데 긴 시간을 요하고 값이 0에 가까울 때는 네트워크 상태의 계속적인 변화가 성능에 크게 영향을 미친다. 따라서 종래 기술에서는 네트워크 상태의 변화가 발생하는 환경에서는 평활 인수로써 0.9 값을 선택하는 것이 적당하다고 결론을 내렸다. 그러므로 본 발명에서는 평활 인수 0.9를 사용한다.

AC i에 속하는 새로운 플로우 k는 수락 요청을 하기 위해 다음과 같은 트래 픽 정보를 포함하는 ADDTS 요청 프레임을 AP에 전송한다: 평균 패킷 크기 L_{i ,k}, 평균 데이터 율 ρ_i,k, 물리계층 전송 율 R_{i ,k}. ADDTS 요청 프레임을 수신한 후에 AP는 플로우 k가 필요한 채널 시간 사용율을 계산한다. N_{i ,k}는 한 비콘 간격 동안에 새로운 플로우 k에 도착한 패킷의 수이고 다음 수학식 9와 같이 계산된다.

충돌이 발생한 패킷에 대해서는 플로우가 재전송을 하기 때문에 새로운 플로우가 필요한 채널 시간은 재전송될 패킷을 포함해야 한다. 그러므로 전송될 총 패킷 수는 다음 수학식 10과 같다.

N_i,k,total개의 패킷을 전송하기 위해 필요한 채널 시간은 다음 수학식 11과 같다.

ChTime_{i ,k} = N_{i , k}T_s + (N_{i ,k, total} - N_{i ,k})T_c + N_{i ,k,total}(B_i +AIFS[i]) 여기서 T_c 및 T_s는 채널이 충돌과 성공적인 전송으로 인해 번잡으로 감지될 때의 평균 시간을 각각 나타낸다. 기본(Basic) 접근 방법과 RTS/CTS 접근 방법 각각에 대한 T_c 및 T_s는 다음 수학식 12 및 13과 같다.

여기서 H(=PHYhdr + MAChdr)는 패킷 헤더 전송 시간, δ는 전송지연(Propagation delay), SIFS는 SIFS 시간이다. RTS, CTS, ACK는 각각 RTS, CTS, ACK 프레임을 전송하기 위한 시간이다. L은 패킷 전송 시간이며 L_{i ,k}와 R_{i ,k}의 비이다. 새로운 플로우 k가 요구한 채널 시간 사용율은 다음 수학식 14와 같다.

우선 순위 접근 방법에서 각 우선 순위 트래픽은 분리되어 자신의 패킷 전송 과정을 따로 수행한다. 트래픽 종류에 따라 수락을 결정하기 위해 도 4와 같이 각 트래픽 종류에 채널 시간이 할당된다. C는 총 채널 시간이고 f₁C는 음성 트래픽을 위해 할당된 채널 시간, f₃C는 비디오 트래픽을 위해 할당된 채널 시간, f₂C는 음성과 비디오 트래픽 둘 다를 위해 할당된 채널 시간, f₄C는 데이터 트래픽을 위해 할당된 채널 시간이다(f₁ + f₂ + f₃ + f₄ = 1). 이러한 비율은 음성, 비디오, 데이터 트래픽의 상태에 따라 변경 가능하다. 기존에 제안되었던 방법들은 다른 AC 트래픽간 충돌로 인해 각 트래픽 종류에 정확하게 채널 시간을 할당할 수 없었다. 그러나 본 발명의 방법은 우선 순위 접근 방법을 통해 다른 AC 트래픽 간 충돌을 제거하였기 때문에 트래픽 종류에 따라 채널 시간 할당이 가능하다. 채널 시간을 나눔으로써 음성과 비디오 트래픽이 채널 시간을 독점하는 것을 막고 데이터 트래픽의 성능 기아 현상을 방지할 수 있다. 데이터 트래픽은 높은 채널 활용율을 위해 음성과 비디오 트래픽이 사용하지 않는 채널 시간을 사용할 수 있다.

AP는 새로운 ADDTS 요청 프레임을 수신한 경우 새로운 플로우의 수락 여부를 결정한다. AC i에 속하는 플로우 k에 대해 다음 수학식 15와 같은 수락 결정 조건을 갖는다.

U_i + U_{i ,k,요구} ≤ CT_i

여기서 CT_i는 새로운 요청을 받았을 때 AC i를 위해 사용될 수 있는 채널 시간 사용율이다. 이 값은 음성과 비디오 트래픽이 f₂C 만큼의 채널 시간을 공유하고 데이터 트래픽이 음성과 비디오 트래픽이 사용하지 않는 채널 시간을 사용하기 때문에 시간에 따라 동적으로 변한다. 그러므로 음성 트래픽을 위한 CT_i는 (f₁ + f₂ + f₃ - 최대(U_비디오,f₃)) 비디오 트래픽은 (f₁ + f₂ + f₃ - 최대(U_음성,f₁)), 데이터 트래픽은 (1 - U_음성 - U_비디오)이다.

수학식 15가 만족되면 새로운 플로우는 수락되고 그렇지 않으면 거절된다.

성능 평가

이하에서는 본 발명의 방법의 성능에 대해 분석한다. 본 발명의 방법을 NS-2 시뮬레이터를 이용하여 구현하였다. 시뮬레이션에서 사용된 시스템 파라미터는 표 1에 나열하였다. 데이터 패킷을 위한 전송 속도는 54Mbps이고 제어 패킷은 6Mbps를 갖는 IEEE 802.11a 네트워크 환경에서 시뮬레이션을 수행하였다. 트래픽 종류는 음성, 비디오, 데이터 세 가지로 구성된다. 트래픽과 관련된 파라미터는 표 2에 나열하였다. 트래픽 생성을 위해 CBR(Constant bit rate) 모델을 사용하였다. 채널 시간의 65%를 실시간 트래픽에 할당하였다(즉, f₁ = ATL[3] = 0.25, f₂ = 0.0, f₃ = ATL[2] = 0.4, f₄ = ATL[1] = 0.35). f₂는 DAC 방법과의 성능 비교를 위해 할당하지 않았다. 데이터 트래픽은 실시간 트래픽이 사용하지 않은 채널 시간을 사용할 수 있다.

본 발명의 방법에서 각 우선 순위 트래픽은 분리되어 채널 경쟁을 따로 수행하기 때문에 표준 MAC에 비해 동시에 채널 경쟁하는 플로우의 수는 더 작다. 그래 서 CWmin과 CWmax는 표준에 비해 작은 값으로 설정이 가능하다. 본 발명의 방법의 (CWmin, CWmax) 값을 음성과 비디오, 데이터 트래픽 각각을 위해 (3, 7), (7, 15), (15, 511)로 설정한다.

DAC 방법의 파라미터 설정 값은 SurplusFactor = 1.2, Φ = 1, m = 1,

, θ=1.5, σ_i+1 = 2σ_i(i = 1, 2,...L_재시도 -1)이다.

시뮬레이션에서 기본 접근 방법과 업링크 트래픽을 갖는 싱글 홉 무선 랜 네트워크 환경을 고려한다. 단말은 음성, 비디오, 데이터 트래픽 각각 하나씩의 플로우를 갖는다. 시뮬레이션 시간은 120초이다. 표 1에 시스템 파라미터가 열거되어 있고, 표 2에는 트래픽 파라미터가 열거되어 있다.

파라미터	값
데이터 비트율	54 Mbps
제어 비트율	6 Mbps
슬롯 시간	9 us
SIFS	16 us
재시도 한계치	7
전송 지연	1 us
MAC 헤더	26 Octets
FCS	4 Octets
PHY PLCP 프리앰블 길이	16 us
PHY PLCP 헤더 길이	5 Octets
ACK	14 Octets
비콘 간격	200 ms

파라미터	음성	비디오	데이터
AIFSN	2	4	7
CWmin	7	15	31
CWmax	15	31	1023
패킷 크기 (Octets)	120	1000	1500
Inter arrival time (ms)	10	12.5	12.5
전송율 (Kbps)	96	640	960
채널 시간 (%)	25	40	35

주 성능 요소는 효율, 지연, 채널 시간 사용율이다. 지연은 패킷이 MAC 계층 큐에 도착하는 순간부터 목적지에 성공적으로 전송될 때까지 경과된 시간이다.

도 5는 새로운 플로우를 위해 수학식 14로부터 얻어진 채널 시간 사용율을 나타낸다. 이 그림에서는 수락 제어 방법을 사용하지 않았기 때문에 네트워크는 모든 새로운 플로우를 수락한다. 음성, 비디오, 데이터 각 트래픽을 위한 새로운 플로우들은 동시에 매 10초마다 주기적으로 네트워크에 도착한다. 그림 4에서 측정율(Estimated ratio)는 k-1개의 플로우가 채널 경쟁을 할 때 측정된 채널 시간 사용율과 새로운 k번째 플로우가 수락을 요청하였을 때 수학식 14로부터 얻어진 채널 시간 사용율의 합이다. 할당율(Allocated ratio)는 새로운 k번째 플로우가 수락된 후에 측정된 채널 시간 사용율이다. 이 그림은 채널 시간 사용율이 거의 선형적으로 증가하는 것을 보이고 또한 안정 상태에서는 잘 일치됨을 보인다. 트래픽이 많을 때는 비율이 잘 일치하지 않는다. 이는 높은 우선 순위 트래픽이 낮은 우선 순위 트래픽의 채널 시간을 사용하여 낮은 우선 순위 트래픽의 채널 시간이 감소하기 때문이다. 그러나 활용 가능한 채널 시간이 없을 경우에는 본 발명의 수락 제어 방법에 의해 새로운 플로우는 차단되기 때문에 잘 일치되지 않는 것은 고려하지 않아도 된다. 이 그림은 새로운 플로우를 위해 수학식 14로부터 얻어진 채널 시간 사용율이 타당하며 본 발명의 방법이 올바른 수락 결정을 할 수 있다는 것을 보인다.

도 6 내지 도 10은 수락 제어 방법이 사용될 때의 성능을 나타낸다. 각 트래픽 종류의 도착 패턴은 다음과 같다. 처음에는 네트워크 상에 동작하는 플로우는 없다. 음성은 2초부터, 비디오는 4초부터, 데이터는 6초부터 시작해서 매 6초마다 하나씩의 플로우가 주기적으로 네트워크에 도착한다. 즉, 음성은 2초, 8초, 14초,…에 도착하고, 비디오는 4초, 10초, 16초,…에 도착하며, 데이터는 6초, 12초, 18초,…에 도착한다. 뿐만 아니라 각 플로우의 시작 시간은 [0s, 0.5s] 범위에서 균일 분포에 따라 임의로 선택된 시간만큼 지연된다.

도 6은 본 발명의 방법의 채널 시간 사용율을 나타낸다. 트래픽이 적을 때는 높은 전송 율을 갖는 데이터 트래픽이 다른 트래픽 종류보다 더 많은 채널 시간을 사용한다. 그러나 플로우의 수가 증가함에 따라 데이터 트래픽이 사용하는 채널 시간은 줄어든다. 이는 본 발명의 방법에서 높은 우선 순위 트래픽이 낮은 우선 순위 트래픽에 비해 채널 접근에 대해 우선권을 갖기 때문이다. 즉, 높은 우선 순위 트래픽의 QoS 요구사항을 만족시키기 위해 본 발명의 방법은 낮은 우선 순위 트래픽을 차별화하고 채널 시간을 높은 우선 순위 트래픽에 할당하기 때문이다. 이 그림으로부터 실시간 트래픽들은 표 2에 할당된 채널 시간만큼 사용한다. 이는 데이터 트래픽의 성능 기아 문제를 방지할 수 있음을 의미한다.

도 7은 DAC 방법에서 음성과 비디오 트래픽 중 첫 번째 수락된 플로우의 시뮬레이션 시간에 따른 TxLimit와 TxUsed 값의 변화를 나타낸다. 이 그림에서 Y축의 단위는 채널 시간이 아니고 채널 시간 비율이다. 가독성을 위해 다른 비율의 Y축을 갖는 두 개의 그림을 보인다. TXOPBudget이 다 사용되었을 때 TxLimit은 TxSuccess * SurplusFactor에 수렴한다. 이는 단말이 다음 비콘 간격 동안에도 같은 양의 채널 시간을 사용하는 것을 보장한다. 단말은 TxUsed 값이 TxLimit를 초과할 때 패킷 전송이 차단되기 때문에 TxUsed은 TxLimit에 의해 제한받는다. 이는 성능 감소로 이어질 수 있다. 플로우의 수가 증가함에 따라 충돌 확률은 증가하게 되어 트래픽은 QoS를 제공하기 위해 더 많은 채널 시간을 필요로 한다. 그러나 네트워크는 TxLimit 값이 상수인 SurplusFactor에 기반하여 계산되었기 때문에 실시간 트래픽에 충분한 채널 시간을 제공할 수 없다. 더 많은 채널 시간을 제공하기 위해서는 SurplusFactor가 커져야 하고 그러면 수락된 플로우의 수는 더 적어질 것이다. 이 그림으로부터 네트워크 전체적으로 최적인 SurplusFactor 값을 결정하는 것은 어렵다는 것을 알 수 있다.

도 8 및 도 9는 시뮬레이션 시간에 따른 효율로서도 8은 음성과 비디오 트래픽 효율의 변화 과정을 보여주고 도 9는 데이터 트래픽의 효율을 나타낸다. 본 발명의 방법의 결과는 도 6과 거의 비슷한 패턴을 갖는다. 트래픽이 적을 때는 본 발명의 방법과 DAC 방법의 성능 차이는 거의 없다. PAAC 방법의 음성과 비디오 트래픽의 효율은 안정적이고 네트워크 트래픽 양에 상관없이 요구사항을 항상 만족시킨다. 그러나 데이터 트래픽은 트래픽이 많은 경우에는 변화가 발생한다. 이는 음성과 비디오 트래픽이 충돌이 발생한 패킷에 대해 재전송을 하기 위해 더 많은 채널 시간을 사용하기 때문이다. DAC 방법에서 비디오 트래픽의 효율은 안정적이지 않다. 트래픽이 많을 때는 비디오 트래픽은 충돌로 인해 더 많은 채널 시간이 필요하지만 도 8 및 도 9에서 보인 것처럼 TxLimit으로 인해 더 많은 채널 시간을 사용할 수 없다. 그러므로 DAC 방법은 도 8 및 도 9에서 TxLimit과 TxUsed이 교차하는 지점부터는 효율 요구 사항을 만족시키지 못한다.

도 10은 시뮬레이션 시간에 따른 지연 성능을 보여준다. 트래픽이 적을 때는 지연이 낮게 유지됨을 볼 수 있다. 그러나 트래픽 양이 증가함에 따라 모든 우선 순위 트래픽에 대해 본 발명의 방법은 DAC 방법보다 더 좋은 성능을 보임을 알 수 있다. PAAC 방법의 지연은 낮은 우선 순위 트래픽 때문에 증가하는 것은 아니다. 음성 트래픽의 주 이유는 채널 경쟁하는 음성 플로우의 증가 때문이다. 그러나 비디오 트래픽의 경우에는 성능이 음성 플로우의 수와 비디오 플로우의 수에 의해서 영향받기 때문이다. DAC 방법의 지연은 급격하게 증가한다. 이는 모든 플로우가 채널 접근을 시도하고 서로 충돌을 야기하기 때문이다.

도 6 내지 도 10에서 보인 것처럼 본 발명의 방법은 총 15개의 음성 플로우와 15개의 비디오 플로우, 12개의 데이터 플로우를 수락하였다. 그러나 DAC 방법은 15개의 음성 플로우, 14개의 비디오 플로우를 수락하였다. 비록 두 방법 모두 각 트래픽 종류를 위해 같은 트래픽 패턴과 최대 채널 시간을 갖더라도 본 발명의 PAAC 방법은 DAC 방법보다 하나 더 비디오 플로우를 수락하였다. 이는 PAAC 방법이 더 많은 트래픽을 수용하는데 효율적임을 의미한다. PAAC 방법에서 92초 이후에는 더 이상의 플로우는 수락되지 않는다. 78초에 13번째 새로운 데이터 플로우가 도착할 때, 채널 시간의 약 98%가 이미 수락된 플로우에 의해 사용되고 있다(즉, 음성 약 20%, 비디오 약 34%, 데이터 약 44%). 그러므로 새로운 데이터 플로우는 거절된다. 비슷하게 92초와 94초에 음성과 비디오 트래픽이 채널 시간의 약 24%와 39%를 각각 사용하고 있어 네트워크는 16번째 새로운 음성과 비디오 트래픽을 허락할 수 없다. DAC 방법에서 88초와 92초에 비디오와 음성 플로우가 각각 도착하여 요구하는 버짓 값이 TXOPBudeget 값보다 크기 때문에 수락되지 못한다.

도 11은 트래픽에 양에 따른 음성 플로우 하나의 지연 성능을 보여준다. 본 발명의 방법이 우선 순위 역전 문제를 해결할 수 있는 것을 확인하기 위해 하나의 음성 플로우만 있고 나머지 트래픽의 도착 패턴은 위에 언급한 것과 같은 환경에서 시뮬레이션을 수행하였다. 20개의 비디오 플로우를 허락하기 위해 비디오 트래픽을 위한 채널 시간을 증가시켰다. DAC 방법의 지연은 트래픽 양이 증가함에 따라 나빠진다. 이는 모든 우선 순위 플로우가 채널 접근을 시도하고 서로 충돌을 만들기 때문이다. 그러나 PAAC 방법은 트래픽의 양과 상관없이 거의 비슷하게 유지되고 있으며 음성 트래픽의 요구사항을 항상 만족시킨다. 이는 본 발명의 방법이 가장 높은 AC 플로우가 채널 접근을 가장 먼저 수행하는 것을 보장하기 때문이다. 그러나 중간 정도의 트래픽 양에서는 적을 때에 비해 약간 증가한다. 이것은 비디오 또는 데이터 플로우의 전송 간격 동안에 새로운 패킷이 도착한 음성 플로우들이 패킷 전송이 감지될 때까지 기다려야 하기 때문이다.

IEEE 802.11e EDCA는 멀티미디어 응용의 QoS 요구사항을 만족시키지 못하며 트래픽 양이 많을 경우에는 낮은 우선 순위 트래픽의 성능 기아 현상을 야기한다. 본 발명에서는 QoS 성능을 향상시키기 위해 측정 기반 수락 제어 방법을 제안한다. 본 발명의 방법은 두 부분으로 구성된다. 첫 번째 부분은 비지 톤을 사용하는 우선 순위 접근 방법이다. 각 우선 순위 트래픽은 채널 경쟁을 위해 분리되어 따로 수행한다. 그러므로 AP는 각 우선 순위 트래픽의 채널 상태를 정확히 측정할 수 있다. 그리고 나서 측정된 정보는 두 번째 부분인 수락 제어 방법에서 사용된다. 시뮬레이션 결과는 본 발명의 방법이 매우 효과적이고 음성과 비디오 트래픽과 같은 멀티미디어 응용의 QoS 요구사항을 보장하며 데이터 트래픽의 성능 기아 현상을 방지할 수 있음을 보인다.

이상에서는 본 발명을 특정의 바람직한 실시예로서 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 아니하며, 특허 청구의 범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형이 가능할 것이다.

본 발명에 따른 무선 랜용 우선 순위 접근에 기반한 수락 제어 방법은 무선랜에서 채널 접근 및 데이터 수락 제어에 사용될 수 있다.

도 1 및 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 비지 톤 전송 시점을 결정하는 기준을 설명하는 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 우선 순위 접근 제어 과정을 설명하는 흐름도이다.

도 4는 각 트래픽 종류에 할당된 채널 시간을 설명하는 도면이다.

도 5는 새로운 플로우가 필요한 채널 시간 사용율을 나타낸 그래프이다.

도 6 내지 도 10은 수락 제어 방법이 사용될 때의 성능을 나타낸 도면들이다.

도 11은 트래픽에 양에 따른 음성 플로우 하나의 지연 성능을 나타낸 도면이다.

Claims (5)

1. (i) 무선 랜에서 각 액세스 카테고리 플로우가 임의 프레임간 간격 기간의 마지막 슬롯에서 상기 임의 프레임간 간격보다 더 짧은 시간 길이를 갖는 비지 톤을 전송하며, 상기 비지 톤을 수신한 적어도 하나의 플로우는 비지 톤 전송과 백 오프 카운팅 동작을 중지하고, 높은 우선 순위의 액세스 카테고리 플로우가 새로운 플로우가 있을 경우 낮은 우선 순위의 액세스 카테고리 플로우의 패킷 전송을 차단하는 방식으로 우선 순위 접근을 제어하면서 패킷을 전송하는 단계; 및

   (ii) 새로운 플로우가 트래픽 정보를 포함하는 패킷 전송 수락 요청용 데이터를 액세스 포인트로 전송함에 따라 상기 트래픽 정보 및 측정한 채널 상태 정보를 기초로 하여 전송할 패킷이 수락 결정 조건을 만족하는 지의 여부에 따라 수락 요청을 수락하거나 거절하는 단계를 포함하는 무선 랜용 우선 순위 접근에 기반한 수락 제어 방법.
2. 제1 항에 있어서, 단계 (i)은

   (i-1) 새로운 플로우가 비지 톤을 마지막 채널 번잡 시간과 패킷 도착 시간 사이에 수신하였는 지를 판단하는 단계;

   (i-2) 상기 플로우가 비지 톤을 상기 마지막 채널 번잡 시간과 상기 패킷 도착 시간 사이에 수신한 경우, 패킷 전송으로 인한 채널 번잡이 감지될 때까지 동작 과정을 중지하는 단계;

   (i-3) 상기 플로우가 상기 마지막 채널 번잡 시간 전 또는 상기 마지막 채널 번잡 시간 후에 새로운 패킷을 수신하였는 지를 판단하는 단계;

   (i-4) 상기 플로우가 상기 마지막 채널 번잡 시간 전에 새로운 패킷을 수신한 경우, (임의 프레임간 간격 - 한 슬롯 시간) 동안 무선 채널 매체가 유휴 상태인 지를 감지하는 단계;

   (i-5) 상기 플로우가 상기 마지막 채널 번잡 시간 이후에 상기 패킷을 수신한 경우, (LCBT + LAIFS * N + AIFS - aSlotTime) 시간 동안 대기하는 단계;

   (i-6) (임의 프레임간 간격 - 한 슬롯 시간) 동안 채널 유휴 여부를 감지하다가 비지 톤 전송 시점 전에 상기 플로우에 의해 다른 플로우가 전송한 비지 톤을 수신하였는 지를 판단하는 단계;

   (i-7) 자신의 (임의 프레임간 간격 - 한 슬롯 시간) 기간 내 어떤 시간에라도 비지 톤을 수신하면 마지막 채널 번잡 시간을 저장하고, 현재 채널 경쟁을 멈추고 패킷 전송이 발생할 때까지 대기하는 방식으로, 비지 톤 전송과 백 오프 카운팅 과정을 중지하는 단계;

   (i-8) 자신의 (임의 프레임간 간격 - 한 슬롯 시간) 기간 내 어떤 시간에라도 비지 톤을 수신하지 않은 경우, 상기 플로우는 자신의 임의 프레임간 간격의 마지막 슬롯에서 한 슬롯 시간보다 짧은 시간 길이를 갖는 비지 톤을 전송한 후, 백 오프 카운터 값을 슬롯 시간 단위로 0이 될 때까지 감소하는 단계;

   (i-9) 상기 플로우는 상기 채널이 유휴 상태인 지를 판단하는 단계;

   (i-10) 상기 채널이 상기 유휴 상태인 지의 여부에 따라 마지막 채널 번잡 시간을 하거나 상기 패킷을 액세스 포인트로 전송하는 단계; 및

   (i-11) 상기 플로우는 상기 패킷의 전송 완료 여부에 따라 상기 백 오프 카운터 값이 취할 수 있는 범위를 나타내는 경쟁 윈도우를 증가하거나 상기 마지막 채널 번잡 시간을 저장하고 상기 경쟁 윈도우를 최소 경쟁 윈도우로 설정하는 단계를 포함하는 무선 랜용 우선 순위 접근에 기반한 수락 제어 방법.
3. 제1 항에 있어서, 단계 (ii)는

   (ii-1) 새로운 플로우가 상기 패킷 전송 수락 요청용 데이터로서 평균 패킷 크기, 평균 데이터율, 및 물리 계층 전송율을 구비한 트래픽 정보를 포함하는 패킷 전송 수락 요청용 ADDTS(Add traffic stream) 요청 프레임을 액세스 포인트로 전송하는 단계;

   (ii-2) 상기 액세스 포인트에 의해 평균 채널 시간 사용율, 평균 충돌 확률, 및 전송 시도 당 평균 백 오프 시간을 구비한 채널 상태 정보를 측정하는 단계;

   (ii-3) 상기 액세스 포인트에서 측정된 채널 상태 정보와 상기 새로운 플로우가 전송한 상기 트래픽 정보를 이용하여 전송할 패킷이 수락 결정 조건을 만족하는 지의 여부에 따라 수락 요청을 받아들이는 ADDTS 응답 프레임을 전송하거나 거절 응답을 상기 플로우에 전송하는 단계를 포함하는 무선 랜용 우선 순위 접근에 기반한 수락 제어 방법.
4. 제3 항에 있어서, 상기 채널 상태 정보가 액세스 카테고리 i(여기서, i = 0, 1, 2, 3) 별 채널 상태 정보인 경우 상기 ACi(여기서, i = 0, 1, 2, 3)별 채널 상태 정보에 구비된 상기 평균 채널 시간 사용율(U_i), 평균 충돌 확률(P_i), 및 전송 시도 당 평균 백 오프 시가(B_i)는 다음 수학식들 U_i = αU_i + (1-α)U_i ^측정, P_i = αP_i + (1-α)P_i ^측정, B_i = αB_i + (1-α)B_i ^측정 에 의해 구해지고, 여기서, α는 [0, 1] 범위를 갖는 평활 인수이고, 비콘 간격의 끝에서 측정된 상기 채널 시간 사용율(U_i ^측정), 상기 충돌 확률(P_i ^측정), 및 상기 평균 백 오프 시간(B_i ^측정)은 다음 수학식들

   

   ,

   

   , 및

   

   에 의해 구해지고, 여기서, 채널 상태 정보는 각 비콘 간격의 끝에서 갱신되며, 상기 TI_i, 상기 BP_i, 상기 NT_i, 및 상기 NC_i는 각각 채널 상태에서 비콘 간격(BI) 동안에 각 액세스 카테고리 i별 총 전송 간격 시간, 총 백 오프 시간, 전송 횟수, 및 충돌 횟수를 나타내며, 전송 시간은 AIFS, 백 오프, 패킷 전송 시간의 합인 무선 랜용 우선 순위 접근에 기반한 수락 제어 방법.
5. 제4 항에 있어서, 상기 수락 결정 조건은 U_i + U_{i ,k,요구} ≤ CT_i이고, 여기 서, 상기 U_i,k,요구는 새로운 플로우 k가 요구한 채널 시간 사용율로서, 다음 수학식:

   

   에 의해 구해지고, CT_i는 새로운 요청을 받았을 때 AC i를 위해 사용될 수 있는 채널 시간 사용율이고, 상기 ChTime_i,k는 전송될 총 패킷 수인 N_{i ,k, total}개의 패킷을 전송하기 위해 필요한 채널 시간으로서, 다음 수학식: ChTime_i,k =N_i,kT_s + (N_i,k,total - N_i,k)T_c + N_i,k,total(B_i +AIFS[i])에 구해지고, 상기 N_i,k는 한 비콘 간격 동안에 새로운 플로우 k에 도착한 패킷의 수로서, 다음 수학식

   

   에 의해 구해지고, 상기 전송될 총 패킷 수인 N_i,k,total는 다음 수학식

   

   에 의해 구해지고,

   여기서 T_c 및 T_s는 채널이 충돌과 성공적인 전송으로 인해 번잡으로 감지될 때의 평균 시간을 각각 나타내며, 기본 접근 방법 및 RTS/CTS 접근 방법 각각에 대한 T_c 및 T_s는 T_c,basic 및 T_{s, basic}이고, T_c,rts/cts 및 T_s,rts/cts이며, T_c,basic 및 T_{s, basic}

   는 다음 수학식:

   

   에 의해 구 해지고, T_c,rts/cts 및 T_s,rts/cts는 다음 수학식:

   

   에 의해 구해지고, 여기서 H(=PHYhdr + MAChdr)는 패킷 헤더 전송 시간, δ는 전송지연(Propagation delay), SIFS는 SIFS 시간이고, RTS, CTS, ACK는 각각 RTS, CTS, ACK 프레임을 전송하기 위한 시간이고, L은 패킷 전송 시간으로서 L_{i ,k}와 R_{i ,k}의 비인 무선 랜용 우선 순위 접근에 기반한 수락 제어 방법.

Images