우선순위 트래픽이 있는 이동 애드혹 네트워크의 성능평가모형 개발

Abstract

In ubiquitous environments, users are able to freely access to wireless networks and utilize various types of information at anytime or anywhere. Mobile ad-hoc networks(MANETs) technology is based on applications such as sensor networks and home networking systems under the ubiquitous environments. In MANETs, with increase of the number of users, the throughput of informations increase, as well as various requirements. Therefore, it is essential to develop a technology to guarantee the quality of service(QoS) by which users can communicate with each other, by means of system performance before designing wireless networks. We propose an analytical model to evaluate the performance of mobile ad-hoc networks with prioritized messages based on IEEE 802.11 DCF. We model the backoff procedure of messages as a Markov chain, and calculate the probability of collision as well as the transmission trial probability, and derive the probability distributions of backoff delay and message delay. In MANETs, because of the limited radio frequency range, nodes can communicate directly only when they are within their radio frequency ranges. When a node tries to transmit its message to another out of its range, it utilizes intermediate nodes lying in the range of it, which act as routers for delivering the message to the destination across the network. In addition, the network topology changes very frequently since the nodes are mobile. That is, the link(or, route) from source to destination changes frequently due to the mobility of nodes, which, in turn, causes a deterioration of system performance. In this dissertation, we consider the performance measures such as the transmission failure probability by analyzing the mobility of nodes. In MANETs, real time messages, like a voice and video, must be transmitted prior to non-real time messages like a file or a text. Thus we focus on the performance issues of IEEE 802.11 which accommodates the prioritized messages. Existing results employ the initial window size and backoff window-increasing factor as tools to accommodate the priority of the messages. Instead, we introduce a novel scheme which chooses the backoff timer with arbitrary probabilities. This scheme is validated by extensive numerical experiments under various values of parameters. As verified in the paper, we can reduce the message delay of the lower priority message while guaranteeing the message delay of the higher priority message accomplished by appropriate selection of the choice probabilities. Finally, we present the performance measures of mobile ad-hoc networks with prioritized messages, such as backoff delays, message delay, and transmission failure probability, in analytical forms. In addition, we propose a novel scheme by which we can improve the performance of lower priority messages by adjusting the backoff timer choice probabilities, while keeping the performance of higher priority messages under a predetermined level without any degradation of overall throughput. Our results may serve as a foundational model to deduce better QoS parameters when designing wireless networks with the mobility such as mobile ad hoc networks.; 유비쿼터스(ubiquitous) 환경에서는 사용자가 원하는 정보를 언제, 어디에서든지 이용할 수 있도록 무선 네트워크에 원활하게 연결할 수 있는 지원기술이 필요하다. 이동 애드혹 네트워크는 그러한 유비쿼터스 환경에서 활용되는 센서 네트워크(sensor network), 홈 네트워킹(home networking) 등과 같은 애플리케이션에 응용되는 기술이다. 이러한 이동 애드혹 네트워크 환경을 이용하는 사용자가 늘어날수록 정보처리량이 증가하고 다양한 요구조건이 나타나게 된다. 따라서 네트워크 설계에 있어 성능을 평가하여 사용자가 요구하는 서비스 품질을 만족시킬 수 있는 방안을 연구하여야 한다. 본 연구에서는 매체접근제어방식인 IEEE 802.11 DCF를 기반으로 하는 이동 애드혹 네트워크의 성능을 분석하기 위해 해석적 방법으로 다양한 성능척도를 제시한다. 매체접근 시 발생하는 백오프 과정을 마코프체인(Markov chain)으로 모형화하여 성능척도에 필요한 확률들-충돌확률, 전송시도확률 등-을 계산하고, 백오프 지연시간의 분포, 메시지 지연시간의 분포를 구한다. 이동 애드혹 네트워크에서 단말기들은 무선 인터페이스 사용으로 메시지를 전달하는데 전송거리의 한계가 있다. 따라서 단말기 간에 메시지를 주고받기 위해서는 단말기들은 서로의 주파수 영역 내에 존재해야 한다. 그러나 단말기들은 모두 자유롭게 움직일 수 있기 때문에 메시지 전송을 완료하기 전에 주파수 영역을 벗어날 수 있다. 이에 따라 메시지를 전송할 수 없으며, 단말기의 이동성은 네트워크의 성능을 저하시키는 원인이 된다. 이에 단말기의 이동성을 분석하여 성능척도로써 전송실패확률을 제시한다. 사용자의 다양성으로 인해 이동 애드혹 네트워크에서 전달하고자 하는 메시지도 다양하다. 음성, 동영상과 같은 실시간 메시지는 문자, 파일과 같은 비실시간 메시지보다 우선 처리해야 한다. 실시간 메시지의 빠른 매체 접근을 위한, 즉 백오프 과정에서의 대기시간을 줄이기 위한 해결방안으로써 우선순위 할당방법을 적용하여 우선순위가 높은 메시지의 서비스가 빨리 이루어지게 한다. 이에 따라 우선순위가 높은 메시지의 성능은 향상하지만, 반대로 우선순위가 낮은 메시지의 성능은 나빠진다. 단말기의 이동성을 고려할 경우 상대적으로 성능-백오프 지연시간 또는 메시지 지연시간-이 떨어지는 메시지로 인해 전송실패확률이 증가하여 네트워크의 성능이 떨어질 수 있다. 따라서 우선순위가 높은 메시지의 요구 성능을 보장하면서 우선순위가 낮은 메시지의 성능을 향상시킬 수 있는 방법으로써 백오프 시간 선택확률분포를 일반화하여 메시지 특성에 따라 조절하는 방법을 제시한다. 선택확률분포의 조절 방법에 대한 효과를 살펴보기 위하여 수치실험을 수행하였다. 수치실험의 결과로 선택확률분포의 변화에 따라 우선순위가 높은 메시지는 성능의 변화량이 작고, 우선순위가 낮은 메시지는 성능의 변화량이 크게 나타났다. 따라서 선택확률분포를 적절하게 조절함으로써 우선순위가 높은 메시지의 서비스 품질(QoS: Quality of Service)을 보장하면서 우선순위가 낮은 메시지의 성능도 향상시킬 수 있다는 것을 확인하였다. 본 연구의 의의는 이동 애드혹 네트워크의 성능척도로써 백오프 지연시간, 메시지 지연시간, 그리고 전송실패확률을 수리모형으로 제시하고, 선택확률의 적절한 선택으로 우선순위가 높은 메시지의 성능을 보장하면서 우선순위가 낮은 메시지의 성능도 향상시킬 수 있는 새로운 방법을 수리적으로 접근하였다는 것이다. 본 연구에서 제시한 방법은 이동 애드혹 네트워크와 같은 이동성을 고려해야 하는 무선 네트워크 설계 시 좋은 서비스 품질 파라미터를 결정하는데 활용될 수 있을 것이다.