A wireless ad hoc network is a new-type of network where wireless devices communicate with each other without the support of an infrastructure. Because there is no infrastructure that manages communication among stations, each node functions as a router. Thus, communication within a wireless ad hoc network occurs across multiple stations. Though this multihop communication characteristic has some advantages, it also has some challenging problems, such as, routing, wireless channel contention, hidden/exposed node problems, and etc. As a result, performance over this multihop communication path is seriously limited. In addition, the transport control protocol (TCP) which is widely used in the Internet yields poor performance in wireless ad hoc networks. This poor performance of TCP in wireless ad hoc networks is due to not only the limited performance of multihop path, but also the fundamental assumption of TCP operation. TCP interprets a packet loss as a sign of network congestion, and consequently invokes congestion control and avoidance procedures. Due to the problems of multihop communication path in wireless ad hoc networks, packet losses occur frequently, which makes TCP invoke unnecessary congestion control procedure and, as a result, makes TCP provide poor performance.
To investigate the performance of TCP in wireless multihop networks, we analyze the performance of wireless multihop networks using IEEE 802.11 DCF mode and the performance of TCP over this multihop path. Based on the analysis of IEEE 802.11 DCF mode with considering hidden node problem, we extend the analysis to the multihop case. Then, based on the TCP analysis model by Gupta, we calculate the maximum performance of TCP in wireless multihop networks. The analysis results show that the normalized throughput performance over wireless multihop networks is severely limited about 0.1 due to hidden/exposed node problems. Moreover, increased packet drop probability due to hidden node problem makes TCP provide poor performance.
To improve the performance of TCP in wireless multihop networks, we propose two algorithms; one is the Fastest Retransmission scheme and the other is rate control scheme. By sending redundant packets, the Fastest Retransmission scheme prohibits TCP from initiating unnecessary congestion control procedure and pausing its packet transmission. As a result, the Fastest Retransmission scheme can enhance the TCP performance by about 100%. The other proposed scheme, rate control scheme, controls the outgoing packet traffic load from TCP layer. This controlled outgoing TCP packet load decreases the packet loss probability, and, as a result, the rate control scheme can improve the TCP performance by about 80%.
Finally, to improve the transmission reliability among interworking networks, we propose a new vertical handoff procedure considering QoS support. The proposed handoff negotiation procedure through connected network enables a node to select better handoff target network and enhances the handoff success probability. In addition, it can also eliminate the Mobile IP registration delay by performing a Mobile IP pre-registration procedure during handoff negotiation procedure.
무선 ad hoc 네트워크는 기간망의 도움 없이 무선 단말들간에 서로 통신할 수 있는 새로운 형태의 네트워크이다. 단말들 사이의 통신을 관리할 수 있는 기간망이 없기 때문에, 각각의 단말들은 라우터의 역할을 수행하게 된다. 그로인해 무선 ad hoc 네트워크 안에서의 통신은 여러 단말들을 거쳐서 일어나게 된다. 이러한 다중홉 통신 특성이 여러 장점들을 갖고 있지만, 라우팅 문제, 무선 채널 경쟁 문제, hidden/exposed 단말 문제 등과 같은 해결해야 할 문제들도 갖고 있다. 이러한 문제들로 인해, 무선 다중홉 경로를 통한 통신 성능은 심각하게 제한되고 있다. 또한, 인터넷에서 광범위하게 사용되고 있는 TCP 프로토콜은 무선 ad hoc 네트워크에서 열악한 성능을 보여준다. 무선 ad hoc 네트워크에서 TCP의 이러한 열악한 성능은 다중홉 경로때문에 성능이 제한되는 영향도 있지만, TCP 동작의 근본 가정의 영향도 있다. TCP는 패킷 손실을 네트워크 혼잡의 신호로 판단하고, 그 결과로 혼잡 제어 및 회피 절차를 수행하게 된다. 무선 ad hoc 네트워크에서는 다중홉 통신 경로의 문제로 인해 패킷 손실은 빈번하게 발생하게 된다. 이러한 패킷 손실은 TCP가 불필요한 혼잡 제어 절차를 수행하게 만들고, 결과적으로 TCP가 열악한 성능을 보이게 만든다.
무선 다중홉 네트워크에서 TCP의 성능을 파악하기 위해, IEEE 802.11 DCF 모드를 사용하는 무선 다중홉 네트워크의 성능과 이러한 다중홉 경로상에서 동작하는 TCP의 성능을 분석한다. Hidden 단말 문제를 고려한 IEEE 802.11 DCF 모드의 분석을 기반으로 다중홉 상황의 분석을 수행한다. 그리고 Gupta의 TCP 분석 모델을 기반으로 무선 다중홉 네트워크에서 TCP의 최대 성능을 계산한다. 분석 결과, 무선 다중홉 네트워크에서 정규화된 네트워크 처리 성능은 hidden/exposed 단말 문제로 인해 약 0.1 정도로 심각하게 제한된다. 더욱이, hidden 단말의 문제로 인해 증가된 패킷 손실 확률의 영향으로 TCP는 열악한 성능을 나타낸다.
무선 다중홉 네트워크에서 TCP의 성능을 개선하기 위해서 빠른 재전송 방식과 전송률 제한 방식 등 두가지 알고리즘을 제안한다. 빠른 재전송 방식은 여분의 패킷을 전송하는 방식으로 TCP의 불필요한 혼잡 제어 절차 수행과 패킷 전송 멈춤 현상을 막는 방식이다. 이 빠른 재전송 방식의 사용으로 약 100% 정도의 TCP 성능 향상을 얻을 수 있다. 두번째 제한 방식인 전송률 제한 방식은 TCP 계층으로부터 나가는 패킷 전송 부하를 제한하는 방식이다. 이렇게 TCP 패킷 부하를 제한하여 패킷 손실률을 낮출 수 있고, 그 결과로 전송률 제한 방식을 사용하는 경우 TCP의 성능은 약 80% 정도 향상 될 수 있다.
마지막으로, 연동망에서 전송 신뢰성을 향상시키기 위해서 QoS 지원을 고려한 새로운 핸드오프 절차를 제안한다. 제안한 방식은 이미 연결된 네트워크를 통하여 핸드오프 협상 절차를 수행하는 것으로, 이러한 방식을 이용해 단말은 더 나은 핸드오프 대상 네트워크를 선택할 수 있게 되고, 결과적으로 핸드오프 성공 확률을 높일 수 있게 된다. 더욱이, 이러한 핸드오프 협상 절차의 수행과정에서 Mobile IP 선등록 방식을 수행할 수 있어, Mobile IP 등록을 위한 지연시간을 줄일 수 있다.
