Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, No. 2 pp. 878-884, 2013 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.2.878 황성호 1* 1 강원대학교정보통신공학전공 A MAC Protocol for Transmission Power Control in Ad Hoc Networks Sungho Hwang 1* 1 Dept. of Information & Communication Engineering, Kangwon National University 요약본논문에서는애드혹네트워크에서데이터프레임을전송할때마다, 전송파워를동적으로바꾸어전달하는 MAC 프로토콜을제안하였다. IEEE 802.11과는달리, 주변노드들의전송을방지하기위한 RTS/CTS 프레임을사용하지않았다. 그대신에송신터미널과수신터미널사이의 RTS/CTS 프레임내에채널이득과거리정보넣어전송하였다. 이들정보는동적으로전송파워값을구하는데사용된다. 시뮬레이션결과, 제안한 MAC 프로토콜이 GMAC과비교하여프레임평균전달률은증가했고, 평균지연에서는감소하는성능을보였다. Abstract This paper presents a transmission power control MAC protocol that allows terminals to vary transmit power level on data frame basis in ad hoc network. Unlike the IEEE 802.11 approach, we do not use the RTS/CTS packets to silence the neighboring nodes. Instead, channel gain and distance information between transmitter and receiver terminal are inserted in the RTS/CTS packets. These informations are used to dynamically bound the transmission power. Simulation results indicate that, compared to the GMAC, the proposed MAC protocol achieves a increase in the average frame delivery ratio and a decrease in the average frame delay. Key Words : Ad Hoc Networks, Transmission Power Control, IEEE 802.11 1. 서론 IEEE 802.11 표준의 ad hoc 모드는가장널리사용되는 MAC 프로토콜이다. 이프로토콜은 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 패러다임을사용하고, 송신터미널과수신터미널사이에 RTS/CTS (Request-To-Send/Clear-To-Send) 프레임교환을수행한다. RTS/CTS 제어프레임은데이터프레임과 ACK 프레임들을위한전송시간을점유하기위해사용된다. 송신터미널들은고정된최대전송파워 (Transmission Power) 로제어와데이터프레임들을전송하며, RTS/CTS 교환으로인해데이터프레임을송신하는동안다른터미널들로부터의간섭을방지할수있다. RTS/CTS 프레 임을수신한다른터미널들은전송이끝날때까지전송을연기한다. RTS/CTS 교환을은닉터미널문제 (hidden terminal problem) 를줄일수있지만, 두가지단점이있다. 첫번째 RTS/CTS 교환으로인한예약된전송시간동안에는, 다른터미널들이동시전송을할수없다. 두번째항상고정된최대전송파워를사용하므로, 수신된파워는필요이상의파워를사용하는경우가발생한다. 이것은터미널에너지소모와터미널생존시간을줄이는결과를초래한다. 따라서애드혹통신망에서의 TPC(Transmission Power Control) 관련 MAC 프로토콜들에대해많은연구들이이루어졌다 [1]. 본논문에서는기존의논문에서제안한 MAC 프로토 * Corresponding Author : Sungho Hwang (Kangwon National University) Tel: +82-33-570-6403 email: shhwang@kangwon.ac.kr Received January 9, 2013 Revised (1st February 1, 2013, 2nd February 5, 2013) Accepted February 6, 2013 878
콜들을분석하였고, 이중성능이좋은 GMAC [2] 을기준모델로하고이를개선한 MAC 프로토콜을제안하였다. 그리고본논문에서제안한 MAC 프로토콜과 GMAC 을비교및성능분석을수행하였다. 2. 관련연구 애드혹네트워크에서 4개의터미널이 Fig. 1처럼전송한다고가정하자. 터미널 A와 C는각각터미널 B와 D 로전송한다. 터미널 A가터미널 C보다먼저 RTS를보냈고, 터미널 A와 C 최대전송파워내에같이존재한다. IEEE 802.11에서는항상최대전송파워로전송하므로, 터미널 A와 C가최대전송파워범위내에존재하므로동시에전송할수없다. 이러한문제를해결하기위한대표적인논문들은다음과같다. [Fig. 1] Two concurrent transmissions POWMAC [3] 은 single-channel과 single-transceiver 구조를사용하고, 제어와데이터프레임들이하나의채널상에서동작한다. 동시데이터프레임전송시작전에 RTS/CTS 교환을허용하기위해 AW(Access Window) 가사용된다. CTS내의충돌회피정보는전송파워를범위를결정하기위해사용된다. 그러므로공간채널사용이향상되었다. POWMAC은 IEEE 802.11 보다통신망수율 (throughput) 을상당히증가시켰다. Single-channel에서전송파워제어를하는대표적인 POWMAC과비교분석하는많은논문들이발표되었다. 그중무선통신환경하에서경쟁과협력의문제를효율적으로해결할수방법으로게임이론 (Game Theory) 을적용한논문들이나타났다. 게임이론을적용한논문중에서 GMAC [2] 은수율 (throughput) 에서 IEEE 802.11보다 70% 그리고 POWMAC 보다는 25% 정도높은수율을달성하였다. GMAC은 IEEE COMMUNICATION SURVEYS & TUTORIALS에서대표적인 MAC 중하나로다루어지고있고 [4-5], 다른논문들에서도인용되고 있다 [6-8]. POWMAC [3] 에서, 터미널 A는최소전송파워를계산하고, 이최소전송파워에간섭마진 (interference margin) 을더한전송파워값을계산하였다. 간섭마진의값에따라동시전송이가능하다. 를터미널 i와터미널 j사이의거리라고하자. 터미널 A가전송하고있을때, 터미널 C가동시에전송가능하려면, 일경우가능하다. 만약, 터미널들사이의거리가 이면, POWMAC에서는동시에하나의터미널만이전송이가능하다. 그러나 POWMAC에서는 MTI(Maximum Tolerable Interference) 값을고정시켜서비효율적으로동작한다. MTI 값이너무크면, 네트워크내에서불필요한간섭과에너지소비가일어난다. MTI 값이너무작으면가능한동시전송을방해한다. GMAC [2] 은 CSMA/CA를사용하지만 IEEE 802.11과는다른매커니즘을사용한다. 클러스터 (cluster) 내에매스터 (Master) 터미널을둔다. 매스터터미널은클러스터내의이웃하는터미널들의전송파워, SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio), 터미널들사이의채널이득 (channel gain) 을수집한다. GMAC은이웃한터미널들로부터수신한정보를이용하여, 내쉬균형 (NE : Nash Equilibrium) 에따른전송파워값을구한다. GMAC와 POWMAC의성능분석결과 GMAC이프레임전달률과에너지소비에서좋은성능을보여주었다. GMAC에서동시전송이가능한지에대한판단과전송파워값결정이라는두가지관점에서보면다음과같다. 동시전송가능한지에대한판단은, GMAC이 CSMA/ CA하는과정에서터미널들간의채널이득 (channel gain) 을교환함으로써동시전송이가능한지판단한다. 전송파워값결정은매스터터미널이클러스터내에서수집한정보를이용하여내쉬균형 (NE) 에따라전송파워값을계산한다. 전송파워를계산한이후에같은클러스터내의이웃하는터미널들에게계산한전송파워값을전달하고, 같은클러스터내의이웃한터미널들은수신한전송파워를기준으로동일한크기의전송파워값으로데이터프레임을전달한다. GMAC은 IEEE 802.11과 POWMAC에비교하여좋은성능을보여주고있지만, 다음과같은문제점들이있다. 첫번째클러스터내에있는매스터터미널링크에서전송파워를결정하므로, 같은클러스터내의각터미널들은서로다른위치환경에존재하더라도똑같은전송파워로전송해야한다. 두번째매스터터미널이오동작을할경우, 클러스터내에모든터미널들에나쁜영향을미칠수있다. 879
한국산학기술학회논문지제 14 권제 2 호, 2013 본논문에서는동시전송결정부분과전송파워값결정이라는두가지관점에서, 동시전송결정부분은 GMAC과동일하게설정하고, 전송파워결정부분에서는 GMAC과다른방식을사용한다. GMAC에서처럼매스터터미널을두지않는다. 그리고클러스터마다터미널들이각기다른위치에존재하므로, 전송파워는송신터미널이수신터미널간의거리를기준으로전송파워값을결정하여전송한다. 3. 전송파워제어시나리오 본논문에서는다음과같은가정하에시나리오를작성하였다. 하나의데이터프레임을보내는전송시간동안에는채널이득 (channel gain) 의변화가없고, 두터미널사이의채널이득은양방향전송모두똑같다. 3.1 동시전송결정본논문에서의동시전송결정은 GMAC의방식을사용하였다. GMAC은 IEEE 802.11과는달리, 주변터미널들이동시전송을못하게하는 RTS/CTS를사용하지않는다. GMAC은 Fig. 2(a) 처럼 AW(Access Window) 시간동안 RTS/CTS 제어프레임을송수신한다. AW 시간동안터미널들은동시전송을할것인가를결정한다. 송신매스터터미널은현재 AW에서남아있는시간을 RTS 프레임에첨부하여브로드캐스트한다. RTS를수신한수신매스터터미널은계산한채널이득을 CTS 프레임에첨부하여전송한다. CTS 프레임을수신한송신매스터터미널은 DTS (Decide-To-Send) 프레임내에송신매스터터미널과수신매스터터미널의채널이득을넣어서브로드캐스트한다. RTS/CTS/DTS를수신한주변터미널들은동시전송이가능한지를계산하여결정한다. GMAC에서수신매스터터미널에서는데이터전송을위한전송파워값을내쉬균형 (NE) 에따라계산한다. 그리고수신매스터터미널이클러스터내의주위터미널들에게계산한전송파워값을 PTS(Power-To-Send) 프레임에넣어서송신한다. PTS를수신한주변터미널들은수신한전송파워값으로데이터프레임을전송한다. 본논문에서제안한방식을 Proposed 방식이라한다. Fig. 2(b) 에서는 GMAC과같이 RTS/CTS/DTS를사용하여, 동시전송을시작할것인지를결정한다. 차이점은 GMAC과는달리매스터터미널을두지않고모두동등한터미널로동작한다. 따라서 Proposed 방식에서는 PTS 프레임을사용하지않는다. Proposed 방식의세부동작은다음과같다. 여기서터미널 i와터미널 j 사이의채널이득을 라고하자. 1) 터미널 A 터미널 A가전송할데이터프레임이있으면, 먼저채널이사용중인지를감시한다. 만약채널이사용중이지않으면, 최대전송파워로전송한다. 터미널 B로부터 CTS 프레임을수신한후, 터미널 A는 DTS 프레임에 를첨부하여브로드캐스트한다. 2) 터미널 B 터미널 A로부터 RTS를수신한터미널 B는계산한채널이득 와터미널 B의위치정보를 CTS 프레임에첨부하여전송한다. [Fig. 2] Exchange of control and data frames (a) GMAC (b) Proposed 3) 터미널 C 터미널 A와터미널 B사이의 RTS/CTS/DTS 프레임을수신한, 클러스터내의터미널 C는채널이비어있으면 RTS 프레임을전송한다. 터미널 A와터미널 B 사이의 880
RTS/CTS/DTS 교환과정에서수신한 와 를터미널 C는 RTS 프레임에첨부하여전송한다. 터미널 D로부터 CTS를수신한후에, 와 를첨부한 DTS를전송한다. 4) 터미널 D 터미널 C로부터수신한 RTS 프레임을수신한후, 먼저 를계산한다. 만약터미널 D가터미널 A의 DTS 를수신하였다면 를계산하고, 수신하지못했다면 를 0으로한다. 터미널 A와터미널 B 사이의전송과터미널 C와터미널 D 사이의전송이동시에일어날수있는지를계산한다. 동시전송이가능하면, 터미널 D 는 CTS 프레임에, 와터미널 D의위치정보를첨부하여전송한다. 3.2 전송파워결정 Proposed 방식에서전송파워결정은, 송신터미널 A가최대전송파워로 RTS를송신한다. 수신터미널이수신범위내에있으면, Fig. 3(a) 처럼수신터미널이 CTS 프레임에수신터미널의위치정보를넣어전송한다. 송신터미널은송신터미널과수신터미널사이의거리를계산하고, 거리에따른전송파워값을계산하여데이터프레임을전송한다. 수신터미널주변에있는터미널들은 CTS 프레임내의수신위치정보를저장한다. (a) [Fig. 3] Example that illustrates how to compute transmission power control according to Pmax and receiver (a) A terminal (B) in cluster (b) A terminal (B) out of cluster Fig. 3(b) 처럼송신터미널 A가최대전송파워로 RTS 를송신하였을때, 응답이없는경우에는수신터미널이수신범위내에없는것으로간주한다. 이러한경우, 세가지시나리오가능하다. 첫번째송신터미널의주변터 (b) 미널들중에가장가까운터미널의위치를기준으로전송파워를계산하여데이터프레임을전송한다. 두번째송신터미널에서주변터미널들과의거리를전부합하고평균을내어전송파워를계산한다. 세번째송신터미널이주변터미널들중에가장멀리떨어진터미널의거리를기준으로전송파워를계산하는것이다. 4. 실험및고찰 본논문에서사용된시뮬레이션도구는분산객체네트워크시뮬레이터인 NS-2를사용하였다. 사용한파라미터는 Table 1과같다. [Table 1] Simulation Parameters setting Data Packet Size 512 bytes Maximum Transmisson Range 250 meters Maximum Carrier-Sense Range 550 meters Offered Load 0.1 0.9 Simulation Time 3,000 sec 성능평가는다음과같이 3개의 MAC 방식으로수행하였다. - Simple : 동시전송과전송파워제어가없이최대전송파워로만동작하는 MAC 방식 - GMAC : 두가지단계로동작한다. 첫번째단계는협상단계로브로드캐스트프레임을이용하여, 송신터미널과수신터미널사이에서 RTS/CTS/DTS 교환함으로써, 동시전송을할것인지결정한다. 두번째단계는수신매스터클러스터에서계산한전송파워를가지고, 클러스터내의터미널들은동일한전송파워로데이터프레임을전달한다. - Proposed : GMAC과같이두단계로동작한다. 첫번째협상단계에서는브로드캐스트프레임을이용하여, 송신터미널과수신터미널사이의 RTS/CTS/ DTS 주고받으면서, 동시전송을할것인지결정한다. 두번째데이터전송단계에서는 CTS 프레임에서수신터미널위치정보를이용하여, 송신터미널과수신터미널의거리를계산하고, 거리에따른전송파워를계산한다. 881
한국산학기술학회논문지제 14 권제 2 호, 2013 Proposed 방식에서는각각의송신터미널마다수신터미널과의거리를계산하여전송파워를결정하기때문에더좋은성능을보여주고있다. Proposed 방식에서송신터미널의전송범위내에수신터미널이존재할경우, 송신터미널과수신터미널사이의거리를계산하여전송파워값을결정하여데이터프레임을전송한다. [Fig. 4] Frame average delivery ratio with different MAC protocol [Fig. 6] Frame average delivery ratio with different Proposed method [Fig. 5] Frame average delay with different MAC protocol Fig. 4에서는제공된부하에따른프레임의평균전달률을보여주고있다. Proposed 방식이 Simple 방식보다평균 153% 그리고 GMAC 보다는평균 16% 향상하였다. Fig. 5에서는제공된부하에따른프레임의평균지연시간을보여준다. Proposed 방식이 Simple 방식보다평균 65% 그리고 GMAC 보다평균 30% 지연이감소를하였다. Simple 방식은동시전송과전송파워제어를하지않으므로, GMAC이나 Proposed 방식에비해성능이많이떨어진다. GMAC에비해 Proposed 방식이더좋은성능분석결과를볼수있었다. 그이유는첫번째동시전송을결정할때, GMAC과 Proposed 방식은똑같기때문에거의차이가없지만, 전송파워값을결정할때는차이가발생한다. GMAC은수신매스터터미널에서전송파워값을계산하지만, Proposed 방식에서는매스터터미널을사용하지않고완전히각자터미널들이전송파워계산을수행한다. 따라서 GMAC은클러스터내에서터미널들의위치에상관없이동일한전송파워값을사용하는반면, [Fig. 7] Frame average delay with different Proposed method 송신터미널의전송범위밖에수신터미널이존재하는경우, 세가지로나누어서시뮬레이션을수행하였다. 첫번째송신터미널클러스터내에서, 송신터미널과가장가까운터미널까지의거리를기준으로전송파워값을결정하는것이다. 두번째송신터미널이주변터미널들과의거리를전부합하고평균을내어전송파워값을결정한다. 세번째송신터미널클러스터내에서, 송신터미널과가장먼터미널까지의거리를기준으로전송파워값을결정하는것이다. 첫번째방식을 Proposed_min이라하고, 두번째방식을 Proposed_avg, 세번째방식을 882
Proposed_max 라고하였다. Fig. 6에서는제공된부하에따른프레임의평균전달률을보여주고있다. Proposed_min 방식이 Proposed_max 방식보다 17.3% 그리고 Proposed_avg 방식보다 16.9% 향상되었다. Fig. 7에서는제공된부하에따른프레임의평균지연시간을보여준다. Proposed_min 방식이 Proposed_max 방식보다 30% 그리고 Proposed_avg 방식보다 21% 지연이감소하였다. 이러한결과는 Proposed_avg나 Proposed_max와같이전송거리가멀어질수록다른터미널들과충돌이발생할확률이많아지기때문이다. 본논문에서는 Proposed_min 방식성능이가장우수한것으로판단된다. 5. 결론 본논문에서는들을분석하였다. 그중에서성능이우수한 GMAC 프로토콜을개선한새로운 MAC 프로토콜인 Proposed 방식을제안하였다. Proposed 방식은첫번째협상단계에서브로드캐스트를이용하여, 송신터미널과수신터미널사이의 RTS/CTS/DTS 주고받으면서, 동시전송을할것인지결정한다. 두번째데이터전송단계에서는 CTS 프레임내의수신터미널위치정보를이용하여, 송신터미널과수신터미널의거리를계산하고, 거리에따른전송파워값을계산하였다. Proposed 방식의성능분석을위해 NS-2 시뮬레이터를사용하였다. 성능분석은 Simple, GMAC, Proposed 방식으로나누어서수행하였다. 성능분석결과 Proposed 방식이 Simple 방식보다평균전달률에서는 153% 향상과평균지연시간은 65% 감소로훨씬좋은성능을보였다. 또한 GMAC 방식과비교하여평균전달률에서는 16% 향상과평균지연시간은 30% 감소로좋은성능을보였다. 이것은 GMAC은클러스터내에서는터미널들의위치에상관없이동일한전송파워값을사용하지만, Proposed 방식에서는각각의터미널마다송신터미널과수신터미널사이의거리를계산하여전송파워값을결정하기때문에더좋은성능을보여주고있다. 그리고 Proposed 방식에서수신터미널이송신터미널전송범위밖에있을경우에는 Proposed_min 방식의성능이가장우수한것으로나타났다. Proposed_min 방식이 Proposed_max 방식보다평균전달률에서는 17.3% 향상과평균지연시간은 30% 감소로좋은성능을보였다. 또한 Proposed_avg 방식과비교하여평균전달률에서는 16.9% 향상과평균지연시간은 21% 감소로좋은성능을보였다. 향후연구방향은본논문에서제안한 Proposed 방식을싱글채널 (single channel) 이아닌다중채널 (multi-channel) 환경과다양한다중클러스터 (multi-cluster) 환경하에서도적용해볼계획이다. References [1] M. Krunz, A. Muqattash, and S.-J. Lee, "Transmission power control in wireless ad hoc networks: Challenges, solutions, and open issues", IEEE Network, 18(5) pp.8 14, September-October, 2004. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/mnet.2004.1337730 [2] F. Wang, O. Younis and M. Krunz, "GMAC: A Game-theoretic MAC Protocol for Mobile Ad Hoc Networks", Modeling and Optimization in Mobile, Ad Hoc and Wireless Networks, April, 2006. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/wiopt.2006.1666458 [3] A. Muqattash and M. Krunz, "POWMAC: A single-channel powercontrol protocol for throughput enhancement in wireless ad hoc networks", IEEE Journal on Selected Areas in Communications, 23(5) pp.1067 1084, May, 2005. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/jsac.2005.845422 [4] A. D. Domenico, E. C. Strinati, and M-G D. Benedetto, "A Survey on MAC Strategies for Cognitive Radio Networks", IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS, 14(1), pp.21-44, 2012. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/surv.2011.111510.00108 [5] M. Ghazvini, N. Movahedinia, K. Jamshidi and N. Moghim, "Game Theory Applications in CSMA Methods", IEEE COMMUNICATIONS SURVEYS & TUTORIALS, ACCEPTED FOR PUBLICATION. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/surv.2012.111412.00167 [6] W. Li, P. Fan, J. Li, and K. B. Letaief, "A Game Theory Based Wireless Data Access in Energy-limited Networks", Wireless Communications and Mobile Computing Conference, 2008. IWCMC '08. International, pp.718-723, August, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/iwcmc.2008.124 [7] Q. Wang, P. Fan, and K. B. Letaief, "On the Log-normal Fading Networks: Power Control and Spatial Reuse", Proceedings of IEEE International Conference on Communications, ICC 2009, Dresden, Germany, 14-18 June 2009. DOI: http://dx.doi.org/10.1109/icc.2009.5199256 [8] J. Song, and K. Liu, "A novel game-theoretic MAC 883
한국산학기술학회논문지제 14 권제 2 호, 2013 protocol for wireless networks", Consumer Electronics, Communications and Networks (CECNet), 2012 2nd International Conference, April, 2012. 황성호 (Sungho Hwang) [ 정회원 ] 1991 년 2 월 : 성균관대학교전자공학과 ( 공학사 ) 1993 년 2 월 : 성균관대학교대학원전자공학과 ( 공학석사 ) 1996 년 8 월 : 성균관대학교대학원전자공학과 ( 공학박사 ) 1997 년 9 월 ~ 현재 : 강원대학교공학대학정보통신공학전공교수 < 관심분야 > 컴퓨터네트워크, WSN, Ad Hoc Network 884