In this paper, we propose new network simulator architecture to simulate the performance of multi-channel multi-radio mesh network in the NS-2. We add Multi-radio abstraction layer to manage multiple radio instances, and we are able to simulate regardless of the number of channels and radios in each node. Most of all, we implement some important procedures for realistic multi-channel multi-radio experiments such as channel switching mechanism and multiple radio usage policy. Using this architecture, we evaluate the performance when all of nodes utilize 3 radios according to the number of available channels. Simulation results show that the performance can be improved up to 2.15 times compared to using 2 radios. Also, we study the capacity of VoIP calls in the wireless mesh network environment. We figure out that mesh network can support 5 times more voice calls than wireless LAN.
무선랜 메쉬 네트워크는 무선랜 핫스팟의 확장 및 재난, 군사지역, 그리고 공공장소에서의 통신망 구축 등을 목적으로 하는 무선 백본 네트워크이다. 그러므로 빠르고 신뢰성 있는 송수신이 보장되어야 하며, 이를 위해 다수의 채널과 라디오를 사용하는 MAC 프로토콜들이 지속적으로 제안되어 왔다. 특히 Hybrid Multi-Channel Protocol (HMCP) 의 경우 다수의 채널을 사용하는 프로토콜 중 가장 좋은 성능을 나타낼 뿐만 아니라, 시스템 아키텍쳐 설계 및 구현이 이루어졌으며 메쉬 네트워크 실제 응용에 가장 가까운 프로토콜로 알려져 있다. 하지만, 네트워크 중간에 위치하는 HMCP 노드의 경우 접속해야 하는 채널의 수에 비해 송신을 담당하는 Switchable 라디오의 개수가 비교적 적으므로 Bottleneck 현상이 발생하는 문제가 있다. 이를 해결하기 위해 2개 이상의 Switchable 라디오를 사용하거나, 1개 이상의 Broadcast 라디오를 사용하는 방안을 생각해볼 수 있지만 유무선 네트워크 환경을 시뮬레이션 하는 가장 대표적인 시뮬레이터인 NS-2 에서는 이러한 다중채널 다중라디오 MAC Protocol을 지원하지 않으므로 명확하게 성능향상의 여부를 알기 힘들다. 기존 NS-2 에서는 단일 채널과 단일라디오만을 이용한 무선랜 시뮬레이션만을 지원하고, 채널 간 스위칭과 다중라디오 스케줄링과 같은 개념이 구현되어있지 않으므로 이를 지원하는 시뮬레이터의 필요성이 증대되어 왔다.
이에 본 논문에서는기존 HMCP방식을 확장시켜 2개 이상의 Switchable 라디오와 1개 이상의 Broadcast 라디오가 존재하는 경우에 대한 모바일 노드 아키텍쳐를 제안하고, 다중채널 다중라디오 환경을 지원하도록 NS-2를 확장시켜 성능을 측정하였다. 또한 채널 간 스위칭 시 Switching Delay를 적용하고, 라디오 간 스케줄링 방식을 추가로 지정 할 수 있도록 하여 보다 현실적인 시뮬레이션이 가능하도록 하였다.
시뮬레이션 결과, Chain Topology에서 통신하는 경우, 이웃하는 두 노드 간 채널간섭으로 인해 사용 가능한 채널이 적은 경우에서는 성능저하가 뚜렷하게 나타났다. 만약 5개의 채널을 사용할 수 있는 환경이라면, 5 hop까지의 통신에서는 각 노드가 서로 다른 Fixed 채널을 사용하므로 최대의 성능을 보이지만 6 hop 이상인 경우에는 채널간섭으로 급격한 성능저하를 보인다. 또한, 1개의 Fixed 라디오와 2개의 Switchable 라디오를 사용하는 FSS (Fixed-Switchable-Switchable) 방식에서 5개의 채널을 사용하여 통신하는 경우, FS (Fixed-Switchable) 방식으로 통신하는 것에 비해 1.2 ~ 1.8배 더 좋은 성능을 보였으며, 12개의 채널을 사용할 경우에는 최대 2.15배 더 좋은 성능을 보였다. 특히 TCP를 사용하는 환경에서는 중간 노드에서 Switchable 라디오의 ACK 전송지연이 발생하므로, FS가 FSS에 비해 비교적 낮은 성능을 보이는 것으로 분석되었다.
가로세로 500m 인 공간에 50개의 노드를 임의로 배치한 Random Topology에서는, 네트워크 트래픽의 양이 많아질수록 중간노드가 모든 채널에 대해 보내야 할 데이터가 있기 때문에 FS와 FSS가 더욱 확연한 성능차이를 보였다. FSS는 FS에 비해 최소 1.4배, 최대 3.1배의 높은 성능을 보였으며, 이 차이는 사용 가능한 채널의 수가 늘어 날수록 더 커졌다. 현실적으로 무선 메쉬네트워크는 대부분 Random Topology에서 동작하게 되므로, FSS를 사용하는 경우 전체적인 네트워크 성능을 극대화 시킬 수 있을 것으로 분석된다.
앞서 언급했듯이, 무선 메쉬네트워크는 재난 및 군사지역에서 신속하고 신뢰성 있는 통신을 목표로 연구되고 있다. 이에 본 논문에서 제안한 모바일 노드가 유사시 가장 기본적으로 수행되어야 하는 Voice Call을 얼마나 수용할 수 있는지 본 시뮬레이터를 사용하여 모의실험 해 보았다.
단일채널과 단일라디오를 사용하는 경우에서, 20ms의 비 교적 짧은 간격으로 패킷을 생성하고 RTS/CTS를 사용하지 않았을 때는 55개의 Voice Call을 지원해줄 수 있다. 하지만 FS 만을사용하더라도 261개의 Voice Call을 수용할 수 있으므로 5배 가까운 성능향상을 볼 수 있었다. 또한 80ms의 Packetization을 사용하는 경우 최대 1000개의 Voice Call을 수용할 수 있음을 확인하였다.
이 밖에도, Path환경에 따라 Route를 다르게 적용시키는 Adaptive path selection과 무음 구간에서 패킷을 전송하지 않는 Silence suppression기법을 적용시킬 경우, VoIP의 성능을 최소 7배 이상 향상시킬 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서는, 다중채널 다중라디오 무선 메쉬네트워크 환경에서 성능을 극대화 시킬 수 있는 새로운 모바일 노드의 아키텍쳐를 제안하고, 이를 모의실험하기 위한 시뮬레이터를 구현하여 Chain/Random Topology 에서 성능향상을 확인하였다. 또한 이를 기반으로 재난 등 긴급상황에서 필수적인 Voice Call의 수용능력을 평가해보았고, 기존의 단일채널 단일라디오를 사용하는 것 보다 다중채널 다중라디오를 사용하여 RTS/CTS 미사용, 긴 Packetization, Adaptive Path Selection, Silence Suppression기법을 사용하는 것이 성능을 극대화시킬 수 있는 방법임을 확인하였다. 본 연구를 토대로 무선 메쉬네트워크를 사용해 실시간 영상전송 시스템을 구축한다면, 재난 상황이나 전쟁 상황에서 더욱 효과적인 전술 확립을 위한 기반기술로 사용할 수 있다.
