Since IEEE 802.11 is common in the market, it is utilized as MAC protocol for wireless ad hoc network. However, it has been designed to be used be used in 1 hop network that it is not a suitable protocol for multi-hop wireless ad hoc networks. The reason for its unsuitability for multi-hop wireless ad hoc networks could be hidden node and exposed node problem, and choice of larger sensing, BEB (Binary Exponential Back-off) and so on.
When an on-demand routing protocol is used with IEEE 802.11 DCF (Distributed Coordination Function), the route for transmitting packet will be formed by nodes which has less competition (fewer neighbors) than others for the medium access because of the above these problems. This effect will make that the routing path will be longer and decrease network performance.
To solve this problem, we propose a new MAC protocol that makes a shorter routing path, enabling better performance in multi-hop wireless ad hoc network in this paper. The new protocol modifying IEEE 802.11 DCF uses two schemes-modifying beacon transmission algorithm for effective exchange of the number of neighbors and the amount of transmission, and adaptation of CW (Contention Window) as comparing its own information with those of neighbor nodes. The protocol gives priority to the node with more neighbors and less transmission. It will shorten the routing path by making the node with many neighbors to pass. The result of this is that the performance will be increased.
Through simulation, we compare the performance with proposed protocol and pure 802.11 DCF. Simulation results show that the proposed algorithm improves performance in terms of successful transmission rate, transmission delay, average hops to transmit and total consumption energy. And also, except for a little of processing overhead, proposed algorithm did not require any additional overhead.
지난 10여년 동안 무선통신은 획기적인 발전을 거듭하여 오늘날의 communication trend인 “언제, 어디서든지” 통신이 가능하게 할 수 있는 시스템들을 개발해 오고 있다. 이러한 시스템의 대표적인 시스템으로 셀룰라 시스템, 에드혹 네트워크를 들 수 있다. 셀룰라 시스템은 2세대, 3세대를 거쳐서 4세대 통신시스템의 연구가 활발하게 진행되어오고 있고, 현재 3세대 시스템이 실생활에서 활용되고 있다.
그러나 무선 에드혹 네트워크은 1996년 이래로 주로 IETF를 중심으로 연구가 진행되어오고 있는데 이 시스템의 특징은 기반체계의 도움 없이 네트워크에 가입되어 있는 노드들이 서로 협동하여 통신이 가능한 시스템이다. 이 시스템의 장점으로는 통신을 위한 유선선로와 서버가 필요 없기 때문에 언제 어디서든지 네트워크를 구성하여 통신을 할 수 있다는 장점을 갖는다. 이 시스템의 장점을 활용할 수 있는 환경으로는 전쟁터, 재난지역, 회의장, 특별 이벤트행사장 등을 들 수 있다.
그런데 에드혹 네트워크에 가입되어있는 각 노드들이 Battery를 사용하기 때문에 서로 통신 가능한 거리에 존재해야만 통신이 가능하다. 그렇지 않으면 통신이 불가능하다. 따라서 지금까지의 에드혹 네트워크에 대한 연구는 각 노드의 통신도달거리를 초과하는 노드에 데이터를 전송하기 위한 통신 루트를 형성하는 라우팅에 중점이 되어 연구가 진행되어 많은 에드혹 라우팅 프로토콜들이 발표되었다. 그 예로는 DSDV, DSR, AODV, ZRP등을 들 수 있다.
그러나 루트를 만드는 라우팅 프로토콜이 맥 RP층의 도움으로 루트가 만들어지기 때문에 맥 프로토콜은 네트웍의 성능향상에 중요한 요소를 차지한다. 그런데 맥 프로토콜이 무선에서 효과적으로 사용할 수 있기 위해서는 Wireless 환경에서 일어날 수 있는 문제점들 - Hidden node problem, Exposed node problem, Larger sensing area-을 극복해야만 한다. 이를 위해 많은 맥 프로토콜들이 개발되었다. 그 중에서도 애드혹 네트워크에서 연구 및 test-bed로 주로 사용하는 맥 포로토콜은 IEEE 802.11 DCF이다. 이는 현재 시장에서 활발하게 사용되고 있는 시장성에 기인한다.
그러나 IEEE 802.11 DCF 프로토콜은 무선에서 발생하는 Hidden Node Problem, Exposed Node Problem, Larger Sensing Problem, Back-Off 사용, Contention-Based Channel Access로 인해 무선 멀티홉 에드혹 네트워크에 적합하지 않다. 본 논문에서는 이러한 문제들을 극복하게 하여 무선 멀티홉 에드혹 네트워크에서 좋은 성능을 발휘할 수 있는 새로운 맥 알고리즘을 제안한다.
일반적으로 On-Demand Routing 프로토콜과 순수 IEEE 802.11 DCF가 사용되었을 때 위에서 열거한 문제들로 인해 적은 이웃노드를 가지는 노드들이 채넬을 차지한다. 이로 인해 멀티홉으로 데이터 전송이 이루어질 때 루트가 우회하여 라우팅 패스가 길게 형성되게 되어 네트워크의 성능을 하락시키는 원인이 된다. 이를 개선하기 위해 본 논문에서는 802.11 DCF에서 Beacon Frame 및 CW를 이용하는 새로운 맥 프로토콜을 제안하였다. 기본적인 아이디어는 이웃노드를 많이 가지고 있는 노드와 전송을 적게한 노드에게 체넬을 차지할 수 있도록 우선권을 줌으로써 전송루트를 짧게 하여 네트워크의 성능을 향상시킨다.
이를 위하여 우리의 알고리즘은 2가지 방법-Beacon Frame을 활용한 정보의 교환과 이 정보를 이용한 CW조절-을 사용하였다.
첫 번째로 네트워크에 가입되어 있는 노드들을 자신의 이웃노드의 개수와 자신이 전송한 데이터 양으로 계산한 W 값을 다른 노드에게 알려주는데 이때 IEEE 802.11 DCF에서 사용중인 Beacon frame을 이용한다. Beacon frame에 정보를 실어서 전송하면 다른 노드들은 이 Beacon Frame을 수신함하여 정보를 얻는다.
두 번째로 이 정보들을 이용하여 자신의 정보와 자신이 수신한 이웃 노드들의 정보를 비교하여 rate 값을 계산한다. 이 rate 값에 따라서 자신이 이웃 노드들보다 적은 rate값을 가지면 자신의 CW를 줄여서 자신이 체넬을 차지 할 수 있게 하고, rate 값이 클 경우 CW 값을 늘려서 다른 노드들 에게 양보한다. 이를 통하여 이웃 노드를 많이 가진 노드를 통과하게 되고 루트가 짧게 형성된다. 그러나 이웃 노드를 많이 가진 노드에게 계속 높은 가중치를 주었을 경우 체넬을 계속 차지하여 다른 노드들은 체넬을 차지할 수 없는 상황이 발생한다. 이를 방지하기 위해 각 노드가 전송한 데이터 양을 이용한다. 즉 적게 전송한 노드에게 우선권을 줌으로써 계속 체넬을 차지하지 못하게 하여 다른 노드들도 전소에 참여할 수 있도록하는 방식을 택하였다.
우리의 알고리듬은 Ns-2시뮬레이터를 사용하여 검증을 하였다. 시뮬레이션은 10, 25개 노드를 가진 각 네트워크에서 노드가 움직일 때, 정지해 있을 때 전송에 성공한 패킷의 수, 전송 시간지연, 맥 계층에서 사용된 Control Packet의 수, 루트가 얼마나 짧게 형성되는지 등에 대해 순수 IEEE 802.11 DCF와 우리의 새로운 맥 프로토콜을 비교하였다. 시뮬레이션 결과 우리의 알고리즘이 전송에 성공한 패킷의 수에 있어서 전송지연시간의 회생 없이 순수 IEEE 802.11 DCF 보다 15% 성능향상을 보였다. 이는 우리의 알고리즘이 적용됨으로써 routing path의 길이가 짧게 형성되었다는 사실을 증명한다. Control packet overhead, 네트워크에서 각 노드가 사용한 총 에너지 양도 같은 이유로 성능향상을 보였다. 또한 우리의 알고리즘의 중요한 장점 중의 하나는 각 노드가 rate값을 계산하기 위한 processing overhead 이외에 어떠한 오버헤드도 요구하지 않아 멀티홉 무선 애드혹 네트워크의 성능을 향상시키는 새로운 맥 MAC 프로토콜이다.
