논문 08-33-05-10 한국통신학회논문지 '08-05 Vol. 33 No. 5 HomePlug AV 네트워크에서의성능향상을위한적응적 Contention Window 조절방식 준회원윤성국 *, 정회원윤정균 *, 김병승 *, 종신회원박세웅 * Adaptive Contention Window Mechanism for Enhancing Throughput in HomePlug AV Networks Sung-Guk Yoon* Associate Member, Jeongkyun Yun*, Byungseung Kim* Regular Members, Saewoong Bahk* Lifelong Member 요 약 HomePlug AV (HPAV) 는댁내에깔려있는전력선을이용하여데이터전송뿐만아니라음향과영상까지전송을목표로 HomePlug Alliance에서제정한표준이다. 이표준은 TDMA와 CSMA/CA 기술을혼합하여사용하는 MAC 기술을사용한다. HPAV의 CSMA/CA 프로토콜은 Contention Window (CW) 와 Deferral Counter (DC) 라는두가지주요한변수를가지고 HPAV 네트워크를제어한다. 본논문에서는 CW와 DC가성능에미치는영향을여러각도에서조명하였고이를기반으로 HPAV MAC의수율을높이기위한적응적 CW 조절방식을제안한다. 여러실험을통해얻은결과 CW가 DC 보다수율에더민감한성질을가지고있어서제안하는방식은 DC 는표준에정의된기본값을사용하고 CW만을조정한다. 제안하는방식은네트워크가과부하가걸려있다면 CW를두배로늘려주고네트워크의부하가적으면 CW를반으로줄여주는단순한방식을이용함으로복잡도를낮춰구현이가능하다는장점이있다. 모의실험과수리분석을통해제안하는방식이여러다양한환경에서좋은성능을보이는것을확인할수있다. Key Words : Contention, CSMA/CA, HPAV, MAC, CW, DC ABSTRACT HomePlug AV (HPAV) is the standard for distribution of Audio/Video content as well as data within the home by using the power line. It uses a hybrid access mechanism that combines TDMA with CSMA/CA for MAC technology. The CSMA/CA protocol in HPAV has two main control knobs that can be used for access control: contention window (CW) size and deferral counter (DC). In this paper, we extensively investigate the impacts of CW and DC on performance through simulations, and propose an adaptive mechanism that adjusts the CW size to enhance the throughput in HPAV MAC. We find that the CW size is more influential on performance than the DC. Therefore, to make controlling the network easier, our proposal uses a default value of DC and adjusts the CW size. Our scheme simply increases or decreases the CW size if the network is too busy or too idle, respectively. We compare the performance of our proposal with those of the standard and other competitive schemes in terms of throughput and fairness. Our simulation and analysis results show that our adaptive CW mechanism performs very well under various scenarios. 본연구는국토해양부의지원과제 ( 차세대항공데이터통신시스템개발 ) 로수행되었습니다. * 서울대학교전기컴퓨터공학부, 뉴미디어통신공동연구소 ({sgyoon, jyun, kbs}@netlab.snu.ac.kr, sbahk@snu.ac.kr), 논문번호 :KICS2007-11-502, 접수일자 :2007 년 11 월 9 일, 최종논문접수일자 : 2008 년 4 월 25 일 318
논문 / HomePlug AV 네트워크에서의성능향상을위한적응적 Contention Window 조절방식 Ⅰ. 서론 최근디지털가전및통신기술의발달로인해홈네트워크에대한관심이증가하고있다. 최근의홈네트워크는가정에서의끊임없는서비스를제공함으로유비쿼터스의시작이되는기술이되고있다. HomePlug Alliance에서표준화한 HomePlug AV (HPAV) 기술 [1] 은 2005년에표준화가완료된전력선기반통신으로서기존의제어데이터위주의전력선통신과는달리최대 150 Mbps로통신이가능한최신전력선통신기술이다. HomePlug 이외의전력선기반통신은 High-Definition Power Line Communication (HD-PLC) [2] 와 Universal Powerline Alliance (UPA) [3] 등이더있지만표준을완료하고현재제품이활발하게나오고있는측면에서 HPAV 가가장앞선기술이라고볼수있다. HomePlug에대한연구는 HPAV의출현전 HomePlug 1.0 기반으로연구되어왔다. HomePlug 1.0은 HPAV와동일한 CSMA/CA 프로토콜을사용한다. 정민영의논문 [4] 은마르코프체인을기반으로 HomePlug CSMA/CA의성능을분석하였고 Campista 등 [5, 6] 은 HomePlug 1.0 CSMA/CA 성능향상기법을제안하였다. Tripathi 등은 [7] 에서모든노드가항상경쟁노드수를알고있다는가정하에서 HomePlug CSMA/CA의최적의수율을얻을수있는기법을제안하였다. 본논문에서는경쟁노드수에상관없이항상고속의수율을얻을수있는방식을제안한다. 본논문에서제안하는방식은기존 [5] 연구와달리공평성의손실없이수율을향상시키고 CSMA/CA 환경에서모든노드가언제나경쟁노드수를알아야한다는비현실적인가정을없애 [7] 현실적으로사용가능하다. 본문에서보일휴리스틱알고리즘의성능은계산복잡도를낮출뿐아니라완전한네트워크정보없이구동할수있게디자인하였다. 홈네트워크에서과부하를고려한다는가정이무리가있을수있지만차후홈네트워크기술이대중화되고보편화되었을경우와 HPAV 표준은 CSMA/CA 부분을이웃한집들과공유하는것을정의하고있다는것을고려한다면홈네트워크에서도경쟁노드에수에관계없이고속의수율을얻는것이중요하다고볼수있다. 이후본논문은다음과같은구성을따른다. Ⅱ 에서는 HPAV MAC에대한간략한설명을담고 Ⅲ에서는시스템모델및분석을한다. Ⅳ에서는여 러가지결과를도시할것이며 Ⅴ에서는결론을맺음으로써본논문을정리할것이다. Ⅱ. HomePlug AV MAC 2.1 혼합방식의접근제어 HPAV에서는다양한요구사항을유연하게대처할수있게그림 1에서보여주는것과같이 TDMA 와 CSMA/CA가혼합된형식의접근방식을제공한다. 이중 TDMA는주기적인시간할당을보장함으로써엄격한 QoS 레벨을맞추기위해사용할수있고 CSMA/CA는위급한데이터의전송이나제어메시지, 최선노력등의데이터전송에적합하다. 또한 HPAV의 CSMA/CA는구버전인 HomePlug 1.0과동일한프로토콜을사용함으로써두버전이혼재한네트워크에서구버전이통신할수있는수단으로사용된다. 이런혼합접근방식을제어하기위해 HPAV MAC 프로토콜은각논리네트워크마다 Central Coordinator (CCo) 를하나씩두어네트워크관리를담당한다. CCo는주기적으로오는비콘영역에서비콘을발송함으로네트워크내에있는노드들을제어한다. 비콘은마치지도과같은기능을담당하여그안에는 CSMA/CA 영역이어디인지 TDMA 영역이어디인지등에대한정보가들어있다. 따라서비콘을수신한같은네트워크에있는노드들은이비콘에있는지도정보를통해자신이언제미디엄에접근해야하는지를알수있다. AC Line Cycle Beacon Period CSMA/CA Region TDMA Region Beacon Region 그림 1. 비콘주기의예 2.2 HomePlug CSMA/CA HomePlug CSMA/CA 1) 는바이너리랜덤백오프알고리즘을사용한다는점에서 IEEE 802.11 CSMA/CA와유사하다. 하지만두프로토콜사이에는 2가지의큰차이점이존재한다. 첫째는 Priority 1) HomePlug 1.0과 HPAV는동일한 CSMA/CA를사용하므로 HomePlug CSMA/CA라는용어를사용한다. 319
한국통신학회논문지 '08-05 Vol. 33 No. 5 Resolution Period (PRP) 이고둘째는 Deferral Counter (DC) 이다. 2.2.1 PRP PRP는각데이터플로우들의우선권을부여하기위해정의한기법이다. PRP는두개의 Priority Resolution Slot (PRS) 로이루어져있는데각 PRS 는비지또는아이들을구분할수있을정도의길이이다. 따라서두 PRS를이용하면 4개의우선순위를표현할수있다. 각노드들은자신의우선순위를표현해야하는슬랏에비지신호를전송하고아니면미디엄상태를파악한다. 자신이듣는중미디엄이비지했다면현재네트워크에자신보다높은우선순위를가진플로우가있다는의미이므로해당노드는경쟁에참여하지않는다. 즉, 우선순위경쟁에서이긴노드들은 IEEE 802.11 CSMA/CA와유사한알고리즘으로경쟁에들어가고우선순위경쟁에서진노드들은높은순위의플로우가전송을마치고다시 PRP가될때까지경쟁에참여하지않는다. 2.2.2 DC PRP가경쟁하기전각프레임들의우선순위에관련한기법이라면 DC는실제경쟁할때사용하는기법이다. DC는 HomePlug에서새롭게추가된매개변수이다. 따라서 HomePlug에서는 BPC, CW, DC 세개의매개변수를가지고동작한다. DC는충돌로인한손실을줄이기위해도입한매개변수이다. DC를사용하면각노드는충돌이일어나지않고도바이너리랜덤백오프를수행한다. DC의구체적인사용은다음과같다. 각 BPC가시작될때에노드는 DC 값을표 1에정의된값으로설정된다. 미디엄이아이들하면앞서언급한것과같이 BC를하나줄이고비지하고 DC가 0이아닌경우 BC와 DC를하나씩감소시킨다. 비지하고 DC가 0인경우노드는패킷전송을시도하지않았음에도바이너리랜덤백오프를수행한다. 그림 2에서 STA2는전송 BPC = 0, CW = 7 (BP, DC) (3, 0) (2, 0) (1, 0) (0, 0) Data STA1 Medium State PRS0 PRS1 Contention State Busy STA2 (5, 0) (4, 0) (3, 0) (2, 0) Backoff due to zero DC BPC = 0, CW = 7 ACK (4, 0) (3, 0) (2, 0) (1, 0) RIFS_AV CIFS_AV PRS0 PRS1 (8, 1) (7, 1) (6, 1) (5, 1) BPC = 0, CW = 7 BPC = 1, CW = 15 그림 2. HomePlug AV CSMA/CA 타이밍다이어그램 표 1. 우선순위와 BPC 에따른 CW 와 DC High Priority Low Priority CW DC CW DC BPC = 0 7 0 7 0 BPC = 1 15 1 15 1 BPC = 2 15 3 31 3 BPC 3 31 15 63 15 을시도하지않았음에도불구하고자신의 DC가 0 이고미디엄이비지하므로백오프를수행하는것을확인할수있다. 즉, DC로인해 HomePlug CSMA/CA에서는충돌없이백오프를수행하므로이는 IEEE 802.11과비교하여상대적으로적은 CW 값으로도비슷한충돌확률을얻을수있다. Ⅲ. 수리분석정리와적응적 CW 조절방식 IEEE 802.11 CSMA/CA는 [8] 에서마르코프체인과포화조건을가정하여분석이되었고 HomePlug CSMA/CA는비슷한조건하에서 [4] 에서분석되었다. 이장에서는그분석방법들을간단히살펴보고적응적 CW 조절방식을소개한다. 3.1 수율분석 는임의의노드관점에서본미디엄이비지할확률이고 는임의의노드가패킷을전송했을때충돌이일어날확률이다. τ를임의의노드가패킷을전송할확률로나타낸다면 와 를아래와같은수식으로나타낼수있다. (1) (2) n은경쟁노드의수이다. 한노드입장에서본마르코프체인모델은 IEEE 802.11의경우 BPC와 CW의두매개변수로분석하였으므로 2차원마르코프체인이되었지만 HomePlug의경우새로운매개변수인 DC의추가로 3차원마르코프체인의형태를가지게된다. 3차원마르코프체인모델을바탕으로 τ를계산하면 (3) 와같이나타낼수있다. m은최대 BPC 스테이지값을의미하고 은 BPC 스테이지 i에서의 320
논문 / HomePlug AV 네트워크에서의성능향상을위한적응적 Contention Window 조절방식 DC 값이다. 는임의의노드가 BPC i 스테이지, DC 값 j, BC 값 k 상태에존재할확률을의미한다. 데이터패킷의전송은 BC가 0인경우에만일어나므로수식 (3) 에서의 τ는임의의노드가 BPC 스테이지와 DC 값에관계없이 BC가 0이되는상태에존재할확률을더한것이다. 는수치적방법으로구할수있다. 을적어도하나의노드가패킷을전송할확률로정하고 을패킷전송이성공할확률로두면두확률을아래와같이표현할수있다. (4) (5) 위수식들을바탕으로수율식을구해보면 (6) 로수율식을정리할수있다. σ는아이들슬랏시간을나타내고 는패킷전송이성공하였을때 걸리는시간, 는패킷전송이충돌이되었을때낭비되는시간이다. 3.2 최적 CW 분석 HPAV는 802.11과비교하여상대적으로작은 CW값을가진다. 이런작은 CW는노드의수가적을때효과를볼수있지만경쟁노드수가커짐에따라수율손실을입게되는단점을가지고있다. 이런문제점을극복하기위해본장에서는경쟁노드수에따른최적 CW 값을분석한다. IEEE 802.11에서의최적 CW 값은 Bianchi의논문 [8] 에서제안되었다. 먼저최적 τ의값을구해보면수율수식 (6) 으로부터아래와같은결과를얻을수있다. (7) 는슬랏시간으로정규화한충돌시간이다. IEEE 802.11에서 τ는 CW에대한식으로아래와같이나타낼수있다. 즉, 최적 CW 값은 (8) (9) 로나타낼수있다. IEEE 802.11에서는 CW와 τ 와의관계를식으로표현할수있어 τ 값으로부터최적 CW를구했다. 하지만같은문제를 HomePlug 에대해서적용시켜보면최적 τ 식 (7) 은동일하게적용시킬수있으나 HPAV에서는 τ를 CW에대한식으로일반화하지못하였으므로직접적인최적 CW 값을도출해낼수없다. 결국, 휴리스틱한접근방식으로각 CW에대한 τ의값을구한다음각 CW의크기가최적 τ의값과가장근접한지찾는방식으로휴리스틱하게최적 CW를찾아갈수있다. 이에대한자세한결과는 Ⅳ-3에서설명한다. 3.3 적응적 CW 조절방식수식 (7, 9) 에서볼수있듯최적 τ와 CW를구하기위해서는현재네트워크에서경쟁에참여하고있는노드의수 (n) 를정확히알아야한다. 그러나실제상황에서모든노드가그수를정확히알고있다는것은그다지현실적인가정이아니다. 따라서본논문에서는 HPAV 네트워크에있는모든노드들이최적 CW를찾아가는휴리스틱알고리즘을제안한다. HPAV 네트워크에있는모든노드들이개별적으로최적 CW 추정알고리즘을수행한다면각각의노드별로 CW 값의차이가있을수도있고노드에게많은부담을줄것이므로적합하지않다. 즉, 그기능을담당하는한노드를설정하고그노드가주기적으로최적 CW 값을브로드캐스트하는것이더현실적인해결책일것이다. 제안하는알고리즘에서이기능을담당하는노드로 Ⅱ-1에서설명한 CCo 를설정한다. 이 CCo의역할중하나는주기적으로비콘을발송하는것이다. 이비콘에최적 CW 값을싣는다면 CCo가이기능을담당하는데에적합하다고볼수있다. 또한 CCo가모든노드의전송을들을수있다고가정한다면 2) CCo는매비콘주기에이번 CSMA/CA 영역에서몇번의성공적인전송이있었고몇번의아이들슬랏이있었으며몇번의충돌이있었는지를알수있다. 이와같은정보로부터 CCo는현재 CW 값이적절한지여부를파악할수있고만약적절하지않다면 CW 값을늘 2) HPAV에서 CCo는모든노드들에대해가장접근성이좋은노드가맡는경향이있고모든노드가비콘을수신할수있어야 HPAV 네트워크가형성되므로이가정은무리한가정이아니다. 321
한국통신학회논문지 '08-05 Vol. 33 No. 5 Listen until next Beacon Region No 표 2. 수리분석및모의실험에사용된 HPAV 시스템매개변수 Yes Proper Number of Success Transmission? No Too few idle slots? Yes Decrease CW size No Too many idle slots? Yes Increase CW size 평균페이로드크기 PHY + MAC Header 시간 PHY 전송속도비콘주기 CIFS_AV RIFS_AV PRS0 PRS1 σ 응답대기시간 46280 bytes 110.48 μsec 150.19 Mbps 33.33 msec 100 μsec 30.72 μsec 35.84 μsec 35.84 μsec 35.84 μsec 140.48 μsec 그림 3. 적응적 CW 조절방식의순서도릴것인지줄일것인지아이들슬랏과충돌의수로부터찾을수있다. CCo는다음비콘주기적합한 CW 값을결정한후이번주기의비콘에그값을담아브로드캐스트하고 HPAV 네트워크에있는모든노드들은해당값으로 CW 값을조정한다. 그림 3은제안한적응적 CW 조절방식의순서도이다. 'Proper number of success transmission 의기준값은 10으로설정하였고 too few idle slots 은 40 too many idle slot 은 80으로설정하였다. Ⅳ-2에서제안한알고리즘의성능결과를보일것이다. 3.4 DC 효과분석 DC에대한분석은 2단계로나누어진행한다. 먼저 DC가변함에따라 τ가어떻게변하는지를살펴보고다음으로 τ가변함에따라수율이어떻게변하는지살펴본다. 첫째 DC의변화에따른 τ의변화를직관적으로살펴보면, HPAV 프로토콜은 DC가 0이고미디엄이비지할때백오프하는알고리즘을가지고있으므로 DC가 1 줄어들면마르코프체인에서한행이사라지는것과같다. 즉, 수식 (3) 의 이 1 줄어드는것과같고없어진확률은다음 BPC로균일하게분산된다. 일반적으로다음 BPC의 CW 크기는현재 BPC의 CW 크기보다 2배크므로분산되어다음 BPC로들어가늘어난 τ의값보다현재 BPC에서행가없어짐으로줄어드는 τ의크기가더큰것을직관적으로알수있다. 결과적으로 DC를감소시키면 τ가감소하게된다. 둘째로 τ에변화에따른수율의변화를살펴보자. 수식 (6) 수율식을 τ에대하여정리하면 (10) 수식 (10) 의분모는 0-1사이에위로볼록한함수의모양이고분자는 0-1사이에단조증가하는함수임을확인할수있다. 즉, 수율은 0-1사이의 τ에대하여위로볼록한함수이므로이는단순히 τ의증감만으로수율이증가또는감소한다는것을말할수없다. 결과적으로, 현재 τ가위치한곳에따라서 τ를증가시킴으로써수율의증가를야기할수도있고감소를야기할수도있다. 이결과에대해서는 Ⅳ-3에서살펴보기로한다. Ⅳ. 수리분석및모의실험결과본장에서는여러수리분석및모의실험에대한결과를기술할것이다. 수리분석에는앞장에서기술한수식으로결과를도출하였으며모의실험은 C++ 로작성한이벤트 -드리븐프로그램을사용하였다. 표 2에있는매개변수들을분석과모의실험에사용하였다. 모든데이터는같은우선순위를가진다고가정하였다. 4.1 CW 변화에따른수율그림 4는 CW 값변화에따른수율을도시한다. 여기서는모의실험에대한결과와수리분석에대한결과모두도시되어있는데두결과의차이가별로없음을확인할수있다. 앞에서언급한것과같이표준 CW는경쟁노드의수가늘어남에따라수율이현격히줄어듦을확인할수있다. 이에 CW 크기를두배, 4배 8배로늘리면서수율의변화를확인하였고그결과큰 CW 값이경쟁이심한상황에서효과적임을확인할수있었다. 위 4가지의 CW 322
논문 / HomePlug AV 네트워크에서의성능향상을위한적응적 Contention Window 조절방식 Throughput (Mbps) 120 110 100 90 80 70 60 Throughput, DC = { 0, 1, 3, 15 } 0 10 20 30 40 50 그림 4. CW 에따른수율그래프 Standard: CW = { 7, 15, 31, 63 } CW = { 15, 31, 63, 127 } CW = { 31, 63, 127, 255 } CW = { 63, 127, 255, 512 } 값을변화시키면 1-50 사이의어느경쟁노드상황에서도약 110 Mbps의수율이상을얻을수있음을확인할수있다. CW와 DC를같이변화시키면조금더좋은수율성능을낼수있으나그수율증가가 1% 내외로큰차이가없어오히려시스템복잡도만증가시킬것이라생각하여 CW의변화로만 Ⅲ-3 알고리즘을제안하였다. 또한 CW = {31, 63, 127, 255} 의경우수율그래프가위로볼록한모습을보여다른 CW 경우와비교되는결과를확인할수있었다. 여기에대한고찰은 Ⅳ-3에서자세히다루도록한다. 4.2 적응적 CW 조절방식그림 5는 Ⅲ-3에서제안한휴리스틱알고리즘의성능을보여준다. Exact Estimation 수율은모든노드들이네트워크에참여한노드수를알고있다는가정하에최적 CW 값을사용한결과이고휴리스틱수율은 Ⅲ-3에서제안한알고리즘으로동작시켰을때얻는수율이다. 위두수율의단위는 Mbps 이다. Number of contending nodes 는해당시간에참여한노드의수를나타낸다. 이실험에서는노드의수를 2개에서 50개까지변화시키며실험해보았다. 전반적인결과로휴리스틱알고리즘이최적알고리즘과별차이가없고적응적알고리즘을사용하지않은경우는경쟁이심한상황에서성능이현격히떨어지는것을확인할수있다. 9초에서 13 초사이는참여노드의수를급격히변화시켜보았다. 그결과갑작스런증가 (10초) 는수율에큰영향이없었으나갑작스런감소 (12초) 는수율에영향을주는것을확인할수있다. 그이유는노드들이 CW 사이즈를바꾸어도이미그순간가지고있는 BC의수가매우크기때문에아이들슬랏으로낭비되는시간이많기때문이다. 따라서 BC값이원래로돌아온 1초후에 (13초) 수율은다시원래수준으로회복하는것을확인할수있다. Exact Estimation 경우보다휴리스틱경우가더성능이좋은경우가있는것은정확히추정한경우라도시간간격이작은기간 (1초) 동안에는휴리스틱보다충돌이더많이일어나는경우도있기때문이다. 4.3 DC 변화에따른수율그림 6은 CW = {31, 63, 127, 255} 로고정하고 DC 값들을변화시키며측정한수율그래프이다. 실선이기본 DC 값이며그그래프를기준으로최대값이오른쪽에있는것이 DC를감소시킨것이며왼편에있는것이 DC를증가시킨것이다. 수식 (7) 에의한결과와 CW에따른 τ의값을그림 7에나타내었다. 그림에서실선이경쟁노드수에따른최적 τ의값을보여준다. CW = {31, 63, 127, 255} 인경우는 20 근처에서최적 τ와교차점을갖는다. 즉, 그림 6에서기본 DC 값인실선은 20 근 Adaptive Adjustment of CW Throughput, CW = { 31, 63, 127, 255 } Throughput (Mbps) or 140 120 100 80 60 40 20 Exact Estimation Heuristic Standard Throughput (Mbps) Throughput (Mbps) 112 110 108 106 104 102 100 DC = { 0, 1, 3, 15 } DC = { 0, 0, 0, 0 } DC = { 1, 3, 7, 15 } DC = { 3, 7, 15, 31 } DC = { 7, 15, 31, 63 } 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Time (Second) 98 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 그림 5. 적응적 CW 조절방식과 HPAV 표준방식의수율비교 그림 6. 다양한 DC 값에다른수율그래프 323
한국통신학회논문지 '08-05 Vol. 33 No. 5 0.12 0.1 Optimal tau Standard, CW = { 7, 15, 31, 63 } CW = { 15, 31, 63, 127 } CW = { 31, 63, 127, 255 } CW = { 63, 127, 255, 511 } 1 Fairness Standard, CW = { 7, 15, 31, 63 } and DC = { 0, 1, 3, 15 } CPI, CW = { 7, 15, 31, 63 } and DC = { 0, 0, 0, 0 } Proposed, Adaptive CW and DC = { 0, 1, 3, 15 } 0.95 Transmission Probability (tau) 0.08 0.06 0.04 Fairness Index 0.9 0.85 0.8 0.02 0.75 0 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 0.7 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 그림 7. CW 에따른최적의 τ 그림 9. 공평성비교 Throughput (Mbps) 120 110 100 90 80 70 60 Throughput Standard, CW = {7, 15, 31, 63} and DC = {0, 1, 3, 15} CPI, CW = {7, 15, 31, 63} and DC = {0, 0, 0, 0} Proposed, Adaptive CW and DC = {0, 1, 3, 15} 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 그림 8. 수율비교 처에서수율최대값을갖는다. 또한그림 7에서교차점을전후하여교차점에멀어질수록점점그차이가늘어남을확인할수있다. 이는그림 6에서실선이최대치를중심으로위로볼록모양의그래프를가지는것과동일한결과이다. 그림 4의다른 CW 그래프들은그림 7에서접점이없고계속최적값에접근하기만하므로수율그래프가위로볼록하지않고오직 CW={31, 63, 127, 255} 의경우만위로볼록한것이다. Ⅲ-4에서분석한바와같이 DC를줄이면 τ가줄어드는것을확인할수있다. 즉, 그림 7의원래의위치에서그래프가아래로내려갈것이고최적곡선과의교차점은오른쪽으로움직일것이다. 즉, 그림 6의그래프에서 DC = {0, 0, 0, 0} 의경우원래의그래프보다오른쪽으로평행이동한결과와동일한것을확인할수있다. 반대의경우도마찬가지로분석하면그림 6에서원래의그래프보다왼쪽으로움직이는것을확인할수있다. 4.4 다른방식들과의비교분석 HomePlug를기반으로수행한연구가운데성능 향상기법을제시하는논문은크게 2가지를찾을수있다. Campista 등은 [5] 에서 HomePlug CSMA/CA 수율향상방식을제안하였다. 제안하는방식은 DC = {0, 0, 0, 0} 으로설정하는것이고이를 Contention window Proactive Increase (CPI) 라고명명하였다. CPI는백오프를자주하여충돌을방지하는방식이다. 이방식은표준보다수율을향상시키긴하였지만경쟁노드가많아짐에따라수율이떨어지는문제점을그대로가지고있다. Tripathi 등은 [7] 에서최적의수율을얻을수있는방식을제한했으나모든노드가언제나경쟁노드수를정확히알고있다는가정을하였기때문에현실적이지못하다. 따라서본장에서는 CPI와성능비교를하는것을주된목적으로한다. 그림 8에서본논문에서제안하는방식과 CPI 그리고표준방식의수율을비교하였다. CPI가낮은경쟁상황 (n이 8이하인상황 ) 에서최고의성능을보이지만 CPI는표준의수율감소형태를그대로재연한다. 하지만본논문에서제안하는방식은경쟁상황에상관없이항상좋은수율을보인다. 그림 9에서는공평성을비교하였다. 공평성은 Jain의공평성지수 [9] 를가지고평가하였다. 공평성지수는아래수식으로얻을수있다. (11) 공평성지수가 1일때가장공평한자원할당이고 1/n인경우가가장불공평한자원할당이다. 본논문에서제안한방식은 CPI에비해공평성을 5 % 정도향상시켰다. CPI는표준보다공평성이낮아공평성을손해로수율을올리는반면본논문에서제안하는방식은전반적으로수율과공평성모두에서향상을가져온다. 324
논문 / HomePlug AV 네트워크에서의성능향상을위한적응적 Contention Window 조절방식 Ⅴ. 결론본논문에서는 HPAV 네트워크에서경쟁노드에수에관계없이고속의수율을얻을수있는기법을제안하였다. 위제안은수리분석및모의실험을통해검증하였다. 본논문에서의제안하는기법은기존의기법들과는달리공평성의희생없이수율을향상시켰으며 CSMA/CA에서사용할수있는현실적인가정으로실제구동중에도잘돌아갈수있다. 마지막으로이논문에서는 HPAV의독특한매개변수인 DC 값에대한수율변화와공평성의변화를고찰하였다. Discrimination for Resource Allocation in Shared Systems, DEC TR-301, Littleton, MA, 1984. 윤성국 (Sung-Guk Yoon) 준회원 2006년서울대학교전기공학부학사 2006년 ~ 현재서울대학교전기컴퓨터공학부석박사통합과정 < 관심분야 > 차세대무선네트워크 참고문헌 [1] HomePlug AV Specification, HomePlug Powerline Alliance, Dec. 2005. [2] High-Definition Powerline Communication, http://www.hd-plc.org [3] Universal Powerline Alliance, http://www.upaplc.org [4] Min Young Chung, Myoung-Hee Jung, Tae-Jin Lee, and Yutae Lee, Performance Analysis of HomePlug 1.0 MAC with CSMA/CA, IEEE J. Sel. Areas Commun., Vol. 24, No.7, pp.1411 1420, Jul. 2006. [5] Miguel Elias M. Campista, Lu ıs Henrique M. K. Costa, and Otto Carlos M. B. Duarte, Improving the Data Transmission Throughput over the Home Electrical Wiring, in Proc. LCN 2005, Sydney, Australia, Nov. 2005, pp.318-325. [6] Miguel Elias M. Campista, Lu ıs Henrique M. K. Costa, and Otto Carlos M. B. Duarte, Improving the Multiple Access Method of CSMA/CA Home Networks, in Proc. CCNC 2006, Las Vegas, Nevada, USA, Jan. 2006, pp.645-649. [7] K. Tripathi, J.-D. Lee, H. Latchman, J. McNair and S. Katar, Contention Window based Parameter Selection to Improve Powerline MAC Efficiency for Large Number of Users, in Proc. ISPLC, Orlando, Florida, USA, Mar. 2006, pp.189-193. [8] G. Bianchi, Performance analysis of the IEEE 802.11 distributed coordination function, IEEE J. Sel. Areas Commun., Vol. 18, No.3, pp.535 547, Mar. 2000. [9] R. Jain, D. Chiu, and W. Hawe, A Quantitative Measure of Fairness and 윤정균 (Jeongkyun Yun) 정회원 2001년서울대학교전기공학부학사 2003년서울대학교전기컴퓨터공학부석사 2008년서울대학교전기컴퓨터공학부박사과정 < 관심분야 > 차세대무선네트워크김병승 (Byungseung Kim) 정회원 2002년고려대학교전기공학부학사 2002년 ~ 현재서울대학교전기컴퓨터공학부석박사통합과정 < 관심분야 > 네트워크보안박세웅 (Saewoong Bahk) 종신회원 1984년서울대학교전기공학과학사 1986년서울대학교전기공학과석사 1991년 Univ. of Pennsylvania 박사 1991년 ~1996년 AT&T Bell Lab. 1994년 ~ 현재서울대학교전기컴퓨터공학부교수 < 관심분야 > 차세대무선네트워크, 네트워크보안 325