글 박미영 (동아대학교)
자료제공 한민족과학기술자 네트워크 (www.kosen21.org)
서 론
무선 네트워크의 비약적인 기술의 발전과 인터넷의 폭발적인 증가로 무선 메쉬 네트워크의 필요성이 부각되면서 광범위한 연구와 개발이 이루어지고 있다. 그러나 아직은 WMN 설계, 프로토콜 설계 그리고 라우팅 메트릭의 최적화에 관한 연구는 매우 미미한 실정이다. 최적으로 잘 설계된 무선 네트워크는 동일한 인프라 비용으로도 보다 많은 처리량을 제공할 수 있다.
본 문서에서는 가장 널리 채택되고 있는 멀티채널 WMN 상에서 성능향상을 꾀하고자 하는 다양한 설계 방법론을 분류하고 살펴본다. 이를 통해, WMN 설계 시 활용할 수 있는 프로토콜의 개발, 아키텍처 설계 및 배치, 네트워크의 운영에 필요한 중요한 지침을 얻고자 한다.
WMN(WMN: Wireless Mesh Networks)은 통신망의 보급이 부족하거나 어려운 먼 거리의 지역에 저렴한 비용으로 기존의 인터넷 망에 연결하여 다양한 서비스를 제공하는 등 무선 네트워크를 보다 효율적으로 사용할 수 있게 하며, 빠르고 유연한 네트워크 확장을 가능하게 한다.
그림 1은 전형적인 WMN의 구조를 보인다. WMN는 크게 세 가지 부류, 메쉬 게이트웨이(MG: Mesh Gateway), 메쉬 라우터 (MR: Mesh Router), 그리고 메쉬 클라이언트 (MC: Mesh Client)로 구성된다. MG는 인터넷과 같은 인프라 네트워크에 유선으로 연결되고, MR들은 다른 MR들 또는 MG에 무선으로 연결된다. 그리고 MC는 Access Point(AP)를 통해서 데이터를 MR로 전송하고, 서로 연결된 MR을 통한 연속적인 전달로 데이터는 MG에 도착하여 유선 인프라 네트워크로 보내진다.
WMN에서는 하나의 노드에 하나 이상의 무선 라디오 인터페이스를 장착하여 각 라디오에서 서로 다른 직교채널을 사용하여 노드간 동시전송이 가능한데, 이를 멀티라디오 멀티채널 전송 (multi-radio multi-channel transmissio ns)이라 한다. 이러한 전송 환경에서는 서로 간섭하지 않는 채널을 통해 동시 다발적 전송을 가능하게 하여 네트워크의 처리량을 증가시킨다.
이외에도 WMN은 저렴한 비용으로 넓은 지역에 연결 서비스를 제공할 수 있을 뿐만 아니라, 에너지 제약을 덜 받으므로 사용자 사용시간을 연장할 수 있으며, Direct LOS (line-of-sight) 링크가 불가능한 사용자들에게 NLOS (non-line-of-sight) 연결성을 제공할 수 있다.
최근에는 학계와 산업계에서 이러한 장점을 최대한 활용하고자 많은 연구개발을 시도하였으나, 네트워크 연결성과 성능 측면에서 많은 문제들에 봉착하고 있다.
특히 네트워크의 성능은 무선 간섭 (wireless interfere nce), 패킷 손실, 높은 지연을 유발하는 네트워크 혼잡 등에 의해 많은 영향을 받는다.
WMN 성능 감소에서 주목할 만한 원인은 서투르게 설계된 무선 네트워크이다. 즉, 처음부터 최적화되고 잘 계획된 네트워크를 구축한다면 동일한 비용으로 더 많은 네트워크 용량을 제공할 수 있다.
본 기고에서는 지금까지 진행된 많은 연구들을 WMN 설계 측면에서 그림 2와 같이 분류하고 살펴본다[1].
고정 토폴로지 기반의 기법
고정된 토폴로지 (fixed topologies) 기반의 접근 방법은 모든 메쉬 노드들의 특징과 위치가 미리 정해진 토폴로지에서 채널 공간적 또는 일시적 재사용, 라우팅 프로토콜 또는 메트릭(metric), 간섭, 크로스 레이어 설계 (cross-layer design), 네트워크 토폴로지 제어 설계 (network topology control design), 네트워크 가상 백본 등을 개선함으로써 네트워크 자원을 보다 잘 사용하도록 하는 방법들이다.
무선 네트워크에서는 서로 다른 여러 개의 채널을 사용함으로써 동시 전송이 가능할 뿐만 아니라, 각 채널의 전송 부담이 줄어서 패킷 손실의 확률도 크게 감소하는 등 전체 네트워크의 성능을 개선 할 수 있다. 그러나 무선 네트워크에서 이웃한 두 개의 노드들은 오직 공통된 채널이 할당되었을 때만 서로 통신할 수 있기 때문에, 멀티채널에서의 채널 할당은 네트워크 토폴로지 상의 가능한 경로(route)를 제한할 수도 있다. 따라서 라우팅과 채널 할당을 분리해서 생각할 수 없고, 두 가지를 함께 다루는 방안들이 등장하였다[11].
대표적으로 Raniwala[3]는 멀티채널 WMN 상에서 동적인 채널할당과 라우팅 기법을 제안하였다. 이 기법은 부하균등 경로(a load-balancing route)를 찾기 위해서 각 노드를 지나는 트래픽을 측정하고, 경로 상의 서로 다른 링크와 MG에서 가용 대역폭을 계산한다.
WMN 환경에서 라우팅 알고리즘은 각 링크의 품질 정보를 기반으로 경로를 결정하는데, 각 링크의 품질을 계산하기 위한 것이 라우팅 메트릭이다. Draves[12]은 멀티라디오 멀티채널 WMN상에 사용될 WCETT (Weigh ts Combination based on Expected Transmission Time) 메트릭을 제안하였다. 이 기법은 ETT (Expected Trans mission Time)을 기반으로 각 링크에 가중치를 부여한 것으로, 서로 다른 채널상의 홉으로 구성된 경로가 동일한 채널상의 홉으로 구성된 경로보다 좋다는 것을 보였다.
그러나 여러 흐름(flow)에 속하는 패킷들 간의 간섭(inte r-flow interference)은 고려하지 못하였다. 반면에 Subramanian[4]가 제안한 iAWARE은 매체가 바쁜 평균시간을 추정함으로써 여러 흐름에 속하는 패킷들 간의 간섭을 고려하였다.
무선 네트워크의 성능 감소를 유발하는 주요한 요인은 간섭이므로, WMN 성능을 향상시키기 위해서는 간섭을 고려하는 것이 필요하다. 기존의 연구에서는 충돌 뿐만 아니라 프레임 손실도 채널 간섭으로 인해 발생할 수 있음을 보였다. Xu[9]는 넓어진 채널을 사용함으로써 고속 패킷 전송을 실현하는 채널 결합 기법 (channel-bonding technique)을 제안하였다. 채널 결합 기법은 여러 개의 주파수 채널을 하나의 넓은 채널로 묶어 사용하는 것으로, 시뮬레이션 결과에서 트래픽이 적을 때는 채널 결합 기법이 멀티 채널 기법보다 낮은 지연을 보였다. 그러나 트래픽이 많은 경우는 멀티 채널이 채널 결합 기법보다 네트워크의 성능을 향상시켰다. 이 외에도 채널의 효용성을 높이기 위한 많은 연구가 진행되었다[5].
WMN 성능 최적화를 위한 프로토콜 설계에서 중요한 요소는 크로스 레이어 설계(cross-layer design)이다. 크로스 레이어 설계는 인접하지 않은 계층간의 통신도 가능하게 하지만, 몇 가지 위험 요소를 가지고 있다.
우선 프로토콜 계층간의 추상화를 잃어버릴 수 있고, 기존 프로토콜과 호환되지 않을 수 있으며, 관리와 유지에도 많은 어려움이 있다. 현재는 이동하는 사용자에게 자원을 할당하고, 공유된 자원에 대한 접근을 관리하며, 보다 나은 QoS 제공을 위해서 크로스 레이어 설계를 무선통신 표준과 통합하려는 많은 노력이 이루어지고 있다.
WMN 성능향상을 위한 이러한 연구 외에도 네트워크 상의 트래픽 패턴을 고려하여, 네트워크 전체 처리량을 최대화하는 토폴로지 제어 기법(topology control technique)과 연결 관리를 단순화하고 통신 부담을 줄여서 Broadcas ting Strom 문제를 경감시키기 위한 네트워크 가상 백본(networks' virtual backbones)에 관한 연구들이 있다.
부분적으로 고정된 토폴로지 기반의 기법
네트워크 성능 향상을 위한 또 다른 접근 방법은 네트워크 구축 전에 AP나 MG의 특성과 배치를 최적화하는 것이다. 잘 배치된 MG는 혼잡을 줄이고, 낮은 지연 효과를 가져오며, AP와 MG간의 거리와 링크 용량이 고려된다면 결과적으로 좋은 처리량을 보일 수 있다. 또한 도달 영역(cov erage area) 내의 최적화된 AP의 배치는 새로운 AP를 추가할 때 네트워크 설정을 보다 유연하게 한다.
1. MG가 고정된 경우
이 분류에 해당하는 연구들은 MG 위치가 고정적으로 주어졌을 때, AP나 MR을 최적으로 배치하는 방법들에 대한 연구들이다. 먼저 Sen[13]은 시골지역의 여러 마을에 네트워크 연결을 제공하는 네트워크 계획 방안을 제안하였다. 이를 위해 처리량, 전원, 그리고 간섭 등의 제약 하에 안테나 타워의 높이와 전체 비용을 최적화하는 문제를 연구하였다.
이를 위해 토폴로지 검색, 최적 높이의 설정, 안테나 할당, 그리고 전원할당을 위한 방안을 제안하고 적용하였다.
Chen[6]는 메쉬 백본(mesh backbone)을 구성하기 위해서 방향성 안테나를 가진 MR를 배치하는 방법을 제안하였다. 배치 효과를 최대화하고, 적정 비용 내에서 충분한 접근성을 제공하며, 견고한 백본을 보장하기 위해 greedy -based 알고리즘을 제안하였으나, 전원과 채널할당 문제를 고려하지 않았다
2. MR이 고정된 경우
이 분류에 속하는 연구들은 MG 배치를 최적화하고, AP수와 AP-MG간의 길이를 최소화하는 방안을 제시한다. MG 배치는 네트워크상 통신 경로의 홉 수를 결정하고, 혼잡 정도와 인터넷과의 연결에서 가용 대역폭을 결정한다. 즉, 네트워크 성능과 네트워크 확장에 대한 MG 배치가 중요하므로, 최적의 MG 배치에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다.
MG 배치에 대한 기법에는 클러스터 기반의 배치 기법 (clustering-based placement)과 비-클러스터 기반의 배치 기법(non-clustering-based placement)이 있다.
그리드-기반 배치를 이용하여 Li[8]가 제안한 기법이 비 클러스터링 기반의 기법이다. 메쉬 네트워크와 MG 수가 주어졌을 때, 이 기법은 최적의 처리량을 얻기 위해서 메쉬 네트워크에 MG을 어떻게 배치하는가를 제안한다.
네트워크가 독립적인 클러스터로 분할되면, 하나의 클러스터 내에 있는 모든 노드들은 MG와 일정한 거리를 가지며, 각 노드는 인접한 MG로 데이터를 전송한다. 즉, 멀티라디오 무선 네트워크에서 트래픽이 짧은 통신 경로로 전송되면, 경로간의 간섭(inter-path interference)이 감소하여, 네트워크 처리량이 증가할 수 있다.
노드들을 클러스터링 하는 방법에는 트리 기반 클러스터링(tree-based clustering)과 비트리 기반 클러스터링(no n-tree-based clustering)이 있다.
트리 기반 클러스터링 기법은 라우팅 오버헤드가 낮은 장점을 가지고 있다. 그러나, 상대적으로 많은 연결을 가지고 있는 메쉬 토폴로지에 비해서 적은 연결을 가진 트리 토폴로지는 신뢰성이 감소하고 네트워크 설치 비용을 증가시키는 문제를 가지고 있다.
Hsu[7]는 Self-Constituted Gateway Algorithm (SCGA)과 Predefined Gateway Set Algorithm(PGSA)을 결합한 비트리 기반 클러스러링 기법을 제안하였다. PGSA 알고리즘에서는 1로 초기화된 MG 값이 실현 가능한 설정이 될 때까지 반복적으로 하나씩 증가하고, SCGA 알고리즘에선 MG수가 필요할 때 동적으로 설정된다.
비고정 토폴로지 기반의 기법
이 부류의 연구들은 네트워크를 설치하기 전에 많은 요소들을 고려한다. WMN 구축 시 좋은 설계는 설치 위치, 네트워크 노드의 선택, 신중한 채널의 선택과 할당 등에 관련이 있다.
최적화 측면에서 중요한 사항은 최적의 MR 수, 최적의 MG 수, 최적의 채널 수, 노드당 최적의 인터페이스 수 등이다. 이러한 WMN 설계 문제에 접근한 기존의 기법들은 다시 단일 목적 최적화(single-objective optimization)와 다중 목적 최적화 (multi-objective optimization)로 구분된다.
단일 목적 최적화를 위한 방안에는 Beljadid[2]가 제안한 방법 등이 있다. 이 방안들은 사용자 커버리지 충족 또는 비용을 고려하여 Integer Linear Problem(ILP)를 이용하여 WMN 설계를 구성하였다.
그러나 WMN에 영향을 미치는 다른 요소를 고려하지 않은 단점을 가지고 있다.
다중 목적 최적화를 위한 방안에는 Kodialam[10]와 Vanhatupa[14]가 제안한 기법 등이 있다. 이들 연구는 WMN 디자인 설계에 영향을 미치는 여러 요소들을 함께 고려하는 방안을 제시하거나, "상충관계"에 있는 요소들을 동시에 고려하여 최적화하는 방안들을 제시하였다.
성능향상을 위한 다른 접근들
지금까지 WMN 성능저하를 경감시키는 다양한 방법들을 살펴보았다. 이 외에도 WMN 성능향상을 위하여 앞으로 고려되어야 할 몇 가지 중요한 것을 언급하면 다음과 같다.
방향성 안테나: WMN 성능 개선에 대한 또 다른 분류는 QoS 요구를 만족시킬 수 있는 메쉬 노드의 위치를 최적화하는 것이다. 특히 몇몇 연구에서는 MG 위치를 고정하고, 방향성 안테나를 가진 라우터를 배치하는 WMN를 시도하였으나, 높은 LOS를 제공하는 관련 애플리케이션이 거의 없는 반면에 방향성 안테나가 LOS 환경을 요구하는 점 때문에 더 이상 진전하지 못하였다.
게이트웨이의 배치: MG 배치에 대한 최적화 연구는 현재까지 많이 이루어지고 있다. 이러한 기법들이 AP 또는 MR 배치에 대한 최적화 기법들과 함께 이루어 진다면 네트워크의 성능을 보다 많이 향상시킬 수 있을 것이다.
상충관계에 대한 고려: WMN 설계에서 두 개의 중요한 목표는 설치 비용을 최소화하고, 네트워크 성능을 최대화하는 것이다.
설치 비용을 최소화 하는 것은 주로 MR이나 MG와 같은 네트워크 디바이스를 적게 사용하는 것이나, 이것은 긴 트래픽 지연이나 병목현상을 유발하여 네트워크 성능을 저하시킬 수 있다. 반면에 네트워크 디바이스를 추가적으로 배치하여 네트워크 성능을 최대화 할 수 있지만, 이것은 설치 비용을 가중시킨다.
또 다른 예를 들자면, 무선 멀티 홉 네트워크에서 네트워크 용량을 증가시키기 위해서는 패킷이 지나는 홉 수를 줄이고 전송의 간섭 범위를 줄이는 것이다. 그러나 이러한 조건을 만족시키는 스케줄링 기법은 처리량을 증가시킬 수 있더라도 QoS에 중요한 전송지연을 유발할 수 있다. 즉, 효율적인 WMN를 설계하는 데 있어서 자원/처리량 그리고 처리량/지연 사이에 존재하는 상충관계를 고려해야 된다.
전송률 조절: WMN 설계시 네트워크 성능향상을 위해 고려되어야 하는 또 다른 중요한 요소는 전송률 조절(rate adaptation)이다. 바람직한 것은 채널의 상태에 따라 전송률을 조절하는 것이다. 즉, 채널의 상태가 좋을 때는 높은 전송률로 네트워크의 처리량을 향상시키고, 채널에 장애가 있으면 전송률을 낮춤으로써 전송 신뢰성을 높일 수 있다. 지금까지 WMN 설계 시 전송률 조절을 고려하는 연구는 극히 드물다.
신뢰성: 네트워크 연구에서 기본적으로 중요한 것은 네트워크의 신뢰성으로, 경로 상의 어떤 노드에 장애가 발생하더라도 최종 송수신 노드들 간의 통신이 가능하도록 하는 것이다. 네트워크 디바이스를 추가하는 것은 신뢰성을 높이는 효과가 있지만, 설치비용을 가중시키는 문제를 안고 있다.
결 론
본 문서에서는 WMN 성능 향상을 위해 진행된 연구들을 무엇을 그리고 어떻게 최적화 하느냐에 따라 크게 세 가지로 분류하였다.
1) 고정 토폴로지 기반의 접근 방법
2) 부분적으로 고정된 토폴로지 기반의 접근 방법
3) 비고정 토폴로지 기반의 접근 방법
고정 토폴로지 기반의 접근 방법들은 모든 메쉬 노드가 이미 고정된 상태라 가정하고, WMN 성능을 높이기 위해 채널할당, 라우팅, 라우팅 메트릭, 프로토콜 설계, 크로스 레이어 설계 등을 개선하고자 하였다.
반면에 부분적으로 고정된 토폴로지 기반의 접근 방법들은 메쉬 게이트웨이 또는 메쉬 라우터의 특성과 배치를 최적화하여 WMN 성능을 개선하고자 하였다.
비고정 토폴로지 기반의 접근 방법에서는 노드들이 고정되어 있지 않은 상태에서 WMN 성능에 영향을 미치는 여러 요인들을 고려하여 하나의 목표를 위해서 설계하는 것과 여러 개의 상호보완적인 목표 또는 상충관계의 목표들을 위해서 설계하는 방법들이 제안되었다.
본 분석에서 언급했듯이 WMN 성능을 개선하기 위해서 많은 방법들이 제안되었으나, 성능에 영향을 주는 많은 요인들과 그들간의 상호 영향관계에 대해서는 충분한 연구가 진행되지 못한 상태이다.
WMN 성능에 영향을 주는 네트워크 아키텍처, 네트워크 토폴로지, 트래픽 패턴, 노드들의 밀집도, 각 노드 인터페이스에 사용되는 채널 수, 전송 전원 수준, 노드의 이동성 등에 대한 연구는 프로토콜의 개발, 아키텍처 설계 및 배치, 네트워크의 운영에 필요한 중요한 지침을 제공하므로 앞으로 많은 연구가 필요하다.
참고문헌
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2. A. Beljadid, A. Hafid, and M. Gendreau, "Optimal Design of Broadband Wireless Mesh Networks", IEEE Global Communication Conference (GLOBECOM), Nov. 26-30, Washington, 2007.
3. A. Raniwala, T. Chiuch, "Architecture and algorithms for an IEEE 802.11-based multi-channel WMN", IEEE International Conference on Computer Communications (INFOCOM), March 13-17, Miami,, 2005.
4. A. P. Subramanian, M. M. Buddhikot, and S. C. Miller, "Interference aware routing in multi-radio wireless mesh networks", IEEE Workshop on Wireless Mesh Networks (WiMesh), Sept, 2006.
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