In this dissertation, our primary goal is to assign the least interfered channel to the radio based on the accurate interference estimation in multi-channel multi-radio wireless mesh networks. As the multi-channel and multi-radio are available to mesh nodes to accommodate the increasing demand for the wireless Internet service, the interference-aware channel allocation becomes important. Especially, with the least interfered channels, the network performance can be improved by minimizing effects of interference, such as contentions and collisions.
The interference area consists of the contention area and the hidden area. These areas vary with the data rate, the transmit power and the radio propagation property that determines the path loss. To estimate the degree of interference in each channel accurately, the correct interference area decision is important. Thus, we propose a method, flexible interference estimation (FINEST), for the accurate interference estimation adapting to the varying interference area. We study the problem of finding the list of interfering nodes accurately. Especially, we find contending node lists and hidden node lists separately to reflect the actual effects of interference for the channel allocation.
Within the interference area, mesh nodes share channels with co-located external wireless nodes, such as WLAN nodes and Ad-hoc nodes. To estimate the interference more accurately, mesh nodes should consider the interference from both internal mesh nodes and external nodes. Since mesh nodes are not able to share the traffic load information directly with external nodes, they estimate the amount of external interference. To do so, each mesh node periodically monitors all available channels and captures packets from external nodes. To estimate the external interference more efficiently, we suggest a new wireless mesh node model. Since the default channel and default radio usage wastes the limited resources during the normal state, all multiple radios are utilized for data communication and one of them is temporally used for the channel monitoring without network disconnection. Moreover, we investigate the overlapped monitoring problem caused by physically adjacent mesh nodes that capture same packets from same external nodes simultaneously.
Based on the accurately estimated interference information, we propose a novel distributed interference-aware channel allocation algorithm (ICA). We use the achievable throughput model as a novel channel allocation metric considering the actual channel occupying time and the number of contending and hidden nodes. In addition, the channel assignment priority is given to heavily loaded mesh nodes. We evaluate the network performance of our algorithm and it improves the network throughput substantially compared to previous works by minimizing internal/external interference with efficient multi-channel and multi-radio utilization.
최근 무선 인터넷 서비스의 사용량이 늘어나면서 무선 메쉬 네트워크 (WMN)는 다중 채널과 다중 라디오를 사용함으로써 이를 지원한다. 다중 채널의 사용은 사용 가능한 주파수 대역을 확장시키고, 간섭에 의한 성능 저하를 줄인다. IEEE 802.11표준에 따르면 2.4 GHz 대역에서는 3개, 5 GHz 대역에서는 12개의 중첩되지 않는 채널을 지원하고 있다. 또한 메쉬노드에는 한 개 이상의 라디오를 장착할 수 있고, 이를 이용하여 동시에 여러 채널을 사용할 수 있다. 이러한 환경에서 메쉬 노드는 어떠한 채널을 선택하여 통신을 하는가가 중요한 연구 주제로 주목 받고 있다. 특히 채널 별 간섭 량을 인지한 후 채널을 할당하는 알고리즘은 간섭 량이 제일 적은 채널을 선택하여 사용함으로써, 채널 선점을 위한 경쟁 (contention), 충돌 (collision)을 최소화하여 무선 메쉬 네트워크의 성능을 향상 시킬 수 있다. 따라서 본 논문의 목표는 각 메쉬 노드가 분산 방식을 통해 주변의 간섭 량을 정확히 예측하고, 가장 간섭 량이 적은 채널을 선정하여 라디오에 할당하는 것이다.
실제 메쉬 노드의 데이터 전송에 간섭을 일으키는 범위는 경쟁 범위 (contention area)와 충돌 범위(collision area)로 구분된다. 또한 이러한 간섭 범위는 송신노드와 수신노드 사이에 사용되는 전송속도, 전송파워, 그리고 두 노드 사이의 신호 감쇠에 따라 변한다. 송신노드와 수신노드 사이의 데이터 전송에 영향을 끼치는 간섭 량을 정확히 예측하기 위해서는 간섭 범위의 결정이 중요하다. 따라서 우리는 유동적인 간섭 범위에 적응하면서 간섭 노드와 간섭 량을 예측하는 기법을 제안한다. 또한 간섭 범위의 종류에 따라 실제 간섭의 영향이 다른 것을 인지하고, 이를 채널 할당에 반영하기 위해, 경쟁 노드 리스트와 충돌 노드 리스트를 구분하여 예측한다.
앞에서 정의된 간섭 범위 안에는 실제 메쉬 노드들 뿐만 아니라 IEEE 802.11기반의 무선랜, 애드혹 네트워크와 같은 이기종 무선 장비들이 함께 공존하게 된다. 정확한 간섭 량 예측을 위해서는 메쉬 노드가 내부/외부의 간섭을 모두 고려하여야 한다. 메쉬 노드는 메시징 기법을 통해 직접적으로 이기종 장비들과 서로의 채널 사용량을 알 수 없다. 따라서 메쉬 노드는 주기적으로 라디오를 이용하여 사용 가능한 채널을 모니터링 함으로써 외부 간섭 량을 예측하게 된다. 본 논문에서는 효율적인 라디오 사용을 위한 새로운 무선 메쉬 노드 모델을 제안한다. 모니터링을 위한 기존의 고정 채널과 고정 라디오를 활용하는 방법은 제한된 자원의 낭비를 초래함으로써, 성능 향상의 저해 요인이 되어왔다. 우리는 이러한 고정 채널과 고정 라디오의 사용 없이 채널을 모니터링하며 네트워크의 연결을 유지하는 기술을 제안한다. 또한 외부 간섭 량을 모니터링 할 때, 인접한 다수의 메쉬 노드에 의해 중복적으로 모니터링이 발생하는 중복 예측 문제에 대한 연구도 진행한다.
간섭 량 예측 기법을 통해 얻어진 정확한 채널 별 간섭 량 정보를 이용하여 최종적으로 분산 방식의 채널 할당 기법을 제안한다. 기존의 채널 사용량 비교 메트릭 대신 본 논문에서는 실제 각 채널 별 점유시간과 경쟁노드 수, 충돌 노드 수 정보를 이용하여 전송 최대 달성 량을 계산함으로써 가장 간섭이 적은 채널을 선정하게 된다. 또한 전송 량이 많이 메쉬 노드에게 채널 선정의 우선권을 부여 함으로써 채널 사용 효율이 증가한다. 제안된 기법들을 적용하여 네트워크 시뮬레이션을 통해 무선 메쉬 네트워크의 성능향상 및 다중 채널과 라디오의 사용 효율을 검증한다.
