Various routing protocols have been introduced so far, for example, shortest-path based unicast routing, geographic routing, and back-pressure routing. However, these routing protocols cannot simultaneously achieve short delay and high flexibility for dynamic traffic scenarios, which are essentially required to support recent applications. In this stage, field-based routing was introduced as a novel and powerful solution for wireless mesh networks (WMNs) because it can mitigate the limitations of the previous routing by considering distance and traffic dynamics at the same time. In other words, it means that the protocol simultaneously pursues short delays and high adaptability for dynamic traffic situations. It is possible to simultaneously satisfy the two requirements at once from the inspiration by other fields such as physics. In general, physics deals with natural phenomena and analyze it by utilizing mathematics. Most phenomena in nature commonly follow the most reasonable and acceptable rules. In this context, we attempt to adopt the inspiration method by physics because it can give us the important messages proven for a few centuries. In the concrete, we actually adopt a differential equation or electrical circuit equation which implies the principles of a phenomenon in physics through the inspiration. In order to obtain a solution of the equation, some boundary conditions are necessary. Importance of the boundary conditions is already known in mathematics and physics because the solution can change by the conditions. Further, there already exist a few prototypes such as Dirichlet, Neumann, Cauchy, and Robin boundary conditions in those fields. So far, most previous papers related to field-based routing have only focused on how to apply the equation to a network domain. However, we need to ponder on the boundary conditions with the relevant knowledge from mathematics and physics since performance can be directly affected by them. In brief, the above implies that a routing field is changed according to what kinds of boundary conditions are applied because the behavior of field-based routing is strongly governed by the conditions.
In this thesis, we mainly discuss the effect of boundary conditions in field-based routing. Ultimately, we propose new boundary conditions for field-based routing for real future WMNs, as opposed to the existing schemes proposed so far. We evaluate the proposed scheme with the existing schemes with ns-2 simulation results.
무선 메쉬 네트워크는 저렴한 비용으로 광대역 네트워크 인프라를 구축할 수 있는 장점을 가지고 있어 차세대 네트워크로 최근 각광을 받고 있다. 기존에 잘 알려진 유니캐스트 기반 라우팅, 지리적 정보 기반 라우팅, 백프레셔 라우팅 등 다양한 라우팅 프로토콜들로는 위의 무선 메쉬 네트워크를 제대로 지원하지 못한다. 왜냐하면 상기 라우팅 프로토콜들은 최근 여러 응용 서비스들을 지원하기 위해 요구되는 짧은 지연시간 및 다양한 상황에 대한 고도의 유연성을 갖지 못하는 치명적인 단점을 보이기 때문이다. 이러한 시점에서 상기 문제점들을 해결하기 위한 대안으로써 필드 기반 라우팅 프로토콜이 소개되었다. 필드 기반 라우팅은 라우팅 척도로써 거리 요소와 트래픽 혼잡 상황을 동시에 고려한다. 이러한 특성 때문에 필드 기반 라우팅은 짧은 지연시간 및 동적인 트래픽 부하 변화에 대한 높은 적응력을 보이는 큰 장점을 갖는다. 상기에 언급한 두 가지 장점을 동시에 보일 수 있는 근거는 근본적으로 물리계와 같은 다른 분야로부터의 영감법에서 기인한다. 일반적으로 물리계는 자연 현상에 대해 심층적으로 다루고 이를 수학적으로 표현하고 분석한다. 이 때 대부분의 자연 현상들은 기본적으로 안정한 상태를 지향하고자 하는 특성이 있는데, 이러한 특성에 대해서 물리계에서는 이미 오랜 시간에 걸쳐 여러 가지 중요한 결과를 정립해 놓은 상태이다. 그러므로 우리는 물리계에서 정립해 놓은 결과들로부터 힌트를 얻어 이를 네트워크 분야에 적용함으로써 위와 같이 동시에 두 가지 큰 장점을 얻을 수 있는 것이다.
실제로 물리계에서 입증해온 결과들을 네트워크 분야에 적용한다고 할 때는 대부분 물리계에서 특정 현상에 대해서 수학적으로 표현한 모델의 활용을 생각한다. 필드 기반 라우팅의 경우도 물리계에서의 특정 수학적 모델을 활용하는데, 대부분의 경우 미분 방정식 형태를 갖는 수학적 모델 및 전기이론에서 활용되는 수학적 모델들을 활용한다. 이 때, 그 수학적 모델로부터 해를 구하기 위해서는 기본적으로 특정 경계 조건이 필요하다. 그런데 경계 조건에 따라서 해가 달라질 수 있기 때문에, 수학 및 물리계에서는 이미 경계 조건에 대한 중요성이 널리 인지된 상태로써, 디리클레, 뉴만, 코시, 로빈 경계 조건 등의 몇 가지 잘 알려진 모델들이 존재한다. 하지만 유감스럽게도 물리계의 특정 수학적 모델을 활용한다던 필드 기반 라우팅에 대한 기존 연구들은 주로 물리계에서의 수학적 표현을 어떻게 네트워크 분야에 맞게 재해석할 수 있는지에만 초점이 맞춰왔다. 달리 해석하면, 필드 기반 라우팅이 물리계로부터 탄생되었음에도 불구하고 물리계에서 중요하게 인지하고 있는 경계조건에 대해서는 심도있게 연구된 바가 없었다는 것이다. 하지만 필드 기반 라우팅 성능은 경계 조건에 의해 직접적으로 영향을 받을 수 있기 때문에 이에 대한 고려는 반드시 필요하다. 이를 더 구체적으로 설명하면, 필드 기반 라우팅 프로토콜은 기본적으로 거리와 트래픽 상황들을 동시에 고려하여 라우팅 필드라는 것을 형성하고, 이에 따라 라우팅을 하게 된다. 이 때, 상기 라우팅 필드는 실제로 각 노드들의 입장에서 해당 방정식을 만족하도록 하는 해들의 집합으로 표현되는 것이다. 즉, 상기 라우팅 필드는 어떠한 경계조건이 적용되었는지에 따라서 바뀔 수 있다는 것이다. 결과적으로 필드 기반 라우팅은 경계조건에 의해 상당히 큰 영향을 받기 때문에 필드 기반 라우팅의 범주 내에서 경계조건에 대해 심도있는 연구가 필요하다.
본 논문에서는 우선 기존 필드 기반 라우팅에 적용된 경계조건에 대해 살펴보고, 이 경계조건에 의해 야기될 수 있는 한계들을 정리한다. 그런 다음 필드 기반 라우팅의 실현단계까지를 고려하는 획기적인 새 경계조건을 제시한다. 이 때, 상기 제안되는 경계조건은 가상 노드라는 개념을 통해서 정립이 되는데, 이 가상 노드 개념은 기존에 활용되었던 경계조건으로부터의 문제점을 해결할 수 있게 하는 핵심요소가 된다. 기본적으로 성능 평가는 NS-2에 의한 시뮬레이션 결과들을 통해 이루어진다. 얻어진 시뮬레이션 결과들을 분석해보면 제안된 경계조건에 의한 모델이 기존 경계조건에 의한 모델보다 상당히 개선된 성능을 보이게 되는 것을 확인할 수 있다. 이 때, 그 이유는 새롭게 제안된 경계조건이 적용되면 라우팅 필드 형성이 곤란한 상황임에도 불구하고 그러한 상황에 큰 영향을 받지 않으면서 안정된 라우팅 필드를 지속적으로 형성함에 따라 상당히 개선된 적응력을 갖기 때문이다. 향후 이 연구 결과는 현재 진행중인 무선 메쉬 네트워크 테스트베드에서 활용될 전망이다. 또한 궁극적으로는 제안된 경계조건을 통해 어떠한 형태의 네트워크 토폴로지에서도 필드 기반 라우팅이 제대로 동작할 수 있음을 시사했으므로 실제 환경에서 필드 기반 라우팅의 실현 가능성을 높이는데 본 연구 결과가 이바지할 수 있기를 기대한다.
