공학 석사학위 논문

D2D 통신을 고려한 공간정보 기반중앙제어 Full Duplex MAC 프로토콜

Spatial Information Based Centralized Full Duplex MAC Protocol Considering D2D Communications

아 주 대 학 교 대 학 원

전 자 공 학 과

김 원 경

D2D 통신을 고려한 공간정보 기반중앙제어 Full Duplex MAC 프로토콜

Spatial Information Based Centralized Full Duplex MAC Protocol Considering D2D Communications

지도교수 김 재 현

이 논문을 공학 석사학위 청구논문으로 제출함.

2017 년 2 월

아 주 대 학 교 대 학 원

전 자 공 학 과

김 원 경

김원경의 공학 석사학위 논문을 인준함.

아 주 대 학 교 대 학 원

2016년 12 월 20 일

감사의 글

대학원 생활은 많은 것을 공부하고, 경험할 수 있는 귀중한 시간이었습니다.

학교생활을 마치며 사회로 나아가는 이 시점에서 앞으로 저에게 도움을 준 많

은 분들에게 실망시키지 않는 사람이 되고자 노력하겠습니다. 논문을 완성할

수 있도록 도움을 주신 모든 분들께 이 글로서 감사한 마음 전달합니다.

먼저 지난 2년간 많은 격려와 지도 편달로 함께해 주신 김재현 교수님께 감

사드립니다. 교수님의 가르침으로 보다 성장할 수 있는 원동력이 되었습니다.

바쁘신 중에도 저의 부족한 석사학위 논문 심사와 지도해주신 이교범 교수님과

홍송남 교수님께도 진심으로 감사드립니다.

대학원 생활 동안 저와 함께해 준 선후배와 동기들에게도 감사드립니다. 2년

간의 희로애락을 모두 함께 겪으며 서로에게 힘이 되어주며 함께 했기에 무사

히 졸업할 수 있던 것 같습니다. 저는 비록 졸업하지만, 앞으로도 지속적으로

연락을 하며 지내고 싶고 저에게 도움을 주신 모든 분들의 앞날에 밝은 미래가

함께하길 바랍니다.

마지막으로 항상 저를 응원해 주시는 부모님께 감사드립니다.

2017년 2월

김 원 경

논문요약

채널 용량 확보를 위한 차세대 무선랜의 핵심 기술로서, full duplex 통신 기

술이 각광받고 있다. Full duplex 통신 기술은 기존의 half duplex 통신 기술

대비 이론상 최대 2배의 채널 용량을 확보할 수 있다. 또한, 사물인터넷 네트

워크 기반의 효율적인 데이터 송·수신을 위해 device to device(D2D) 통신

에 대한 고려 역시 필요하다. D2D 통신과 캐싱을 활용하여, 백홀 링크의 트래

픽 로드를 줄이고 보다 효과적인 데이터 송·수신을 가능하게 할 수 있다.

이에 본 논문에서는 공간정보를 기반으로 하여, 효율적으로 D2D 통신을 제

어할 수 있는 중앙제어 full duplex MAC 프로토콜을 제안한다. 본 논문에서

제안하는 스케줄링 알고리즘은, 공간정보만을 기반으로 하여 모든 전송을 제어

하며, 채널 동시 접속 노드의 수를 최대화 한다. 초기에 각 노드의 이웃노드 정

보를 수집하여 이를 공간정보로 활용하며, 수집절차는 네트워크 구성이 변경되

었을 때에만 수하여 스케줄링 오버헤드를 줄일 수 있다. 제안하는 스케줄링 알

고리즘은 이웃노드 정보를 기반으로 하여 스케줄링에 따른 오버헤드를 줄이는

동시에 효과적으로 D2D 통신을 제어해 채널 동시 접속 노드의 수를 최대화

하여 처리율 성능을 높일 수 있다.

연구 결과, 기존의 half duplex 대비 높은 처리율을 얻을 수 있었으며, 효과

적인 제어를 통해 D2D 통신 환경에서 기존의 full duplex 방식 대비 높은 처

리율 성능을 보였다. 또한, 기존 방식과 비교해 평균 패킷 지연시간을 줄였음을

확인하였고, 제안하는 프로토콜은 노드의 분포가 외곽에 밀집해 있을수록 높은

성능을 보였다. 이는 향후, D2D 통신과 full duplex 기반의 네트워크에서 보다

효율적인 통신과 높은 성능을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

Full duplex, MAC 프로토콜, 차세대 무선랜, D2D 통신, 중앙제어 프로토콜

본문차례

제 1 장 서론 ····································································································· 1

제 2 장 관련 연구 ··························································································· 2

제 1 절 Full duplex 통신기술 ········································································· 2

제 2 절 분산제어 full duplex MAC 프로토콜 ············································· 5

제 3 절 중앙제어 full duplex MAC 프로토콜 ············································ 10

제 3 장 D2D 통신을 고려한 중앙제어 full duplex MAC프로토콜 ··· 17

제 1 절 제안하는 프로토콜 ··············································································· 17

제 2 절 스케줄링 알고리즘 ··············································································· 23

제 3 절 시스템 모델 및 성능분석 ··································································· 29

제 4 장 결론 ···································································································· 40

참고문헌 ············································································································· 41

Abstract ············································································································ 46

그림차례

그림 1. Half duplex와 full duplex 채널 사용 비교 ····························· 2

그림 2. 자가 간섭과 자가 간섭 제거 ························································· 3

그림 3. 자가 간섭 제거 회로 구조 예 ······················································· 4

그림 4. False alarm과 miss detection 오류 ········································· 6

그림 5. Busy tone을 사용하지 않는 full duplex MAC 프로토콜 순서도 8

그림 6. Janus 프로토콜의 전송 절차 예 ················································ 11

그림 7. Uplink 와 downlink 프레임 크기 비교 ··································· 14

그림 8. 스케줄링에 따른 전송절차의 예 ················································· 15

그림 9. 고려한 네트워크 구조 ··································································· 17

그림 10. 제안하는 full duplex MAC 프로토콜의 전송 절차 예 ······ 19

그림 11. 제안한 패킷별 프레임 구조 ······················································ 20

그림 12. Full duplex pair 방식에 따른 통신 제약 반경 비교 ········· 23

그림 13. 제안하는 스케줄링 알고리즘 ···················································· 25

그림 14. 네트워크 구조의 예 ···································································· 27

그림 15. 시스템 모델 ·················································································· 29

그림 16. 시뮬레이션 시나리오의 예 ························································ 31

그림 17. 노드 개수에 따른 평균 처리율 ················································ 33

그림 18. 노드 수에 따른 평균 패킷 지연 ·············································· 34

그림 19. 노드 수에 따른 평균 전송 슬롯 수 ········································ 35

그림 20. 노드 분포에 따른 비교를 위한 네트워크 구조 ···················· 36

그림 21. 노드 분포에 따른 성능 분석 ···················································· 37

그림 22. 성능 분석 시나리오 ···································································· 37

그림 23. Half duplex 노드 비율에 따른 평균 처리율 성능 분석 ··· 38

표 차례

표 1. 노드별 hidden 관계 테이블 예 ······················································ 14

표 2. 이웃 노드 관계 테이블 예 ······························································· 21

표 3. 전송 정보와 이웃노드 테이블 예 ··················································· 28

표 4. 시나리오에 따른 스케줄 테이블 ····················································· 28

표 5. 시뮬레이션 파라미터 ········································································· 31

1

제 1 장 서론

Full duplex 통신 기술은 채널 용량 부족 문제를 해결하기 위한 차세대 무선

랜의 핵심기술로 각광받고 있다 [1]. 이론 상 기존의 half duplex 통신 기술

대비 최대 두 배의 채널 용량을 확보할 수 있는 기술로 디바이스 수의 증가로

인해 예상되는 채널 부족 문제를 일정 부분 해결할 수 있는 기술이다 [2-5].

이에 full duplex 통신 기술 관련하여 PHY 기술, MAC 기술 등 다양한 분야

에서 연구가 진행되고 있다.

네트워크 효율성 및 채널 접속 지연 시간 단축과 백홀 링크의 트래픽 로드를

줄이기 위해 D2D 통신이 연구 되고 있다 [6-9]. 기존 AP를 필수적으로 거쳐

야 하는 데이터 교환 방식 대비 D2D 통신을 기반으로 필요한 데이터를 가지

고 있는 다른 디바이스에서 직접 수신 하여 네트워크 처리율 향상을 도모할 수

있다. 나아가 사물인터넷 기반의 센서 네트워크 등에서는 기기간의 정보 교환

을 위해 D2D 통신을 이용하여 직접 송·수신하여 효율적인 정보 교환을 가능

하게 할 수 있다.

Full duplex 통신 기술을 기반으로 하는 D2D 통신 방식에 대한 연구는 부

족한 실정이다. Full duplex 기반의 네트워크에서 효율적으로 D2D 통신을 제

어하지 못한다면 패킷 충돌 등으로 인해 오히려 네트워크 효율을 저하시키는

요인이 될 수 있다. D2D 통신을 고려할 경우, 네트워크 곳곳에서 동시에 채널

에 접속하고자 하는 노드의 수가 급증하기 때문에 효율적인 채널 자원 할당 기

술이 요구된다. 이에 따라 본 논문에서는 RTS/CTS 교환 절차 없이

hidden/exposed 노드 문제를 해결할 수 있고, 충돌율 감소에 이점이 있는 중

앙제어 방식을 연구한다. 나아가 효율적인 D2D 통신 관리를 위한 스케줄링 방

법을 연구하며, 스케줄링 오버헤드를 줄일 수 있는 방안을 연구하고 제안한다.

성능 분석을 위해 시뮬레이터를 설계하고, 성능 검증을 통해 제안하는 프로토

콜이 차세대 무선랜 환경에서 효율적인 통신 제어가 가능함을 확인한다.

2

제 2 장 관련 연구

제 1 절 Full duplex 통신기술

최근 채널 용량을 늘리기 위한 차세대 무선랜의 핵심 기술인 full duplex 통

신 기술에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다 [10-17]. 동일 시간대에 동일

한 채널에서 송·수신을 진행할 수 있어 기존 half duplex 대비 이론상 최대

2배의 채널 용량을 확보할 수 있다. 그림 1은 half duplex와 full duplex의 채

널 사용의 차이를 나타낸다. Half duplex 통신의 경우 하나의 채널에서 송신

또는 수신의 단방향 통신만을 지원하는 반면, full duplex 통신의 경우 하나의

채널에서 송·수신을 동시에 진행할 수 있다. Full duplex 통신은 두 가지의

전송 시나리오를 고려할 수 있다. 첫 번째로 AP와 노드가 서로 송신할 데이터

가 있을 경우, 하나의 채널을 이용해 AP와 하나의 단말이 송·수신을 진행하

는 symmetric 전송 케이스를 고려할 수 있다. 두 번째로 AP로 데이터를 송신

할 노드와 AP의 데이터를 수신할 노드가 다른 asymmetric 전송 케이스를 고

려할 수 있다.

< Half duplex > < Full duplex >

그림 1. Half duplex와 full duplex 채널 사용 비교

Figure 1. Channel usage comparison between half duplex and full duplex

3

두 경우 모두 동일한 채널을 사용하여 데이터를 송·수신하기 때문에, half

duplex 대비 채널에 접속한 노드의 수는 2배로 볼 수 있고 이는 채널 용량을

2배 확보할 수 있다.

Full duplex를 구현하기 위한 제반 기술로는 자가 간섭 제거 기술이 요구된

다. 그림 2는 자가 간섭과 자가 간섭 제거를 나타낸다. 자가 간섭은 송신 신호

가 수신 안테나에 미치는 간섭을 의미한다. 즉, 하나의 디바이스가 같은 채널에

서 송·수신을 동시에 진행할 때, 송신 신호가 수신 신호에 미치는 간섭을 의

미하며, full duplex 통신을 위해서는 이를 제거해야 한다. 실제 full duplex

통신을 위해서는 약 –110dB의 자가 간섭 제거가 필요하다 [18]. 자가 간섭

제거를 위해 아날로그 단, 그리고 디지털 단에서의 자가 간섭 신호 제어를 통

해 자가 간섭을 제거 하는 기술이 연구되고 있으며 많은 연구 결과에서 해당

성능을 만족하는 결과를 보이고 있다. 그림 3은 일반 적으로 사용 되는 자가

간섭 제거 회로도의 예를 나타낸다 [18]. 목표 수치인 –110dB 수준의 자가

간섭 제거를 만족하기 위해 RF 즉 아날로그 단에서 –50~80dB 수준의 자가

간섭 제거가 이루어지고, 디지털 단에서 –60dB 가량의 자가 간섭 제거가 이루

어진다. 두 파트에서의 효과적인 자가 간섭 제거 기술의 연구 개발 결과로 총

–110dB 이하의 자가 간섭 레벨까지의 제어가 가능해 졌다 [19-24].

< 자가 간섭 > < 자가 간섭 제거 >

그림 2. 자가 간섭과 자가 간섭 제거

Figure 2. Self interference and self interference cancellation

4

그림 3. 자가 간섭 제거 회로 구조 예

Figure 3. Example of self interference cancellation circuit

이에 차세대 무선랜 기술과 관련하여 mmWave, MU-MIMO 기술 등 다양

한 기술과 결합한 PHY 레벨의 full duplex 통신 기술 연구가 보다 활발해 지

고 있다.

실제 full duplex 통신 기술을 구현하기 위해서는 PHY 레벨의 프로토콜뿐

아니라, MAC 레벨에서의 프로토콜 연구가 필요하다. 즉 채널의 사용 외에도

채널 접속 알고리즘에 대한 연구가 필요하다. Full duplex MAC 프로토콜은

크게 분산제어 방식과 중앙제어 방식으로 나뉘어 연구가 진행되고 있다. 분산

제어 방식의 경우 기존의 CSMA/CA를 기반으로 하며, 각 노드가 경쟁을 통해

채널을 선점하는 방식이다. 그러나 CSMA/CA 등의 다중 접속 알고리즘들은,

기존의 half duplex를 기반으로 최적화 되어있기 때문에, full duplex 통신에

적용할 경우 충돌율의 증가와 더불어 busy tone 등의 추가적인 오버헤드가 발

생한다.

중앙제어 방식의 경우 AP가 중앙에서 모든 전송을 제어 하는 방식으로 스케

5

줄링 알고리즘을 기반으로 한다. 분산제어 방식에 비해 비교적 충돌에 자유롭

고 busy tone의 사용은 불필요한 반면, 스케줄링을 위한 정보 수집 절차가 필

요하다. 이렇듯 full duplex MAC 프로토콜은 각기 서로 다른 장·단점을 지닌

분산제어 방식과 중앙제어 방식으로 제안되고 있다.

제 2 절 분산제어 full duplex MAC 프로토콜

분산제어 full duplex MAC 프로토콜의 경우 각 노드와 AP가 back-off 등

의 알고리즘을 기반으로 동작하며 경쟁을 통해 채널을 선점하는 방식이다. 분

산제어 방식은 CSMA/CA, CSMA/CD 등의 다중 채널 접속 알고리즘을 기반

으로 하여 연구 및 제안 되고 있다. 기본적으로 경쟁을 통한 채널 선점 방식을

사용하는 분산제어 방식의 full duplex MAC 프로토콜들은, 패킷 충돌로 인한

재전송 오버헤드 문제가 있다. 또한 전송시간 비대칭 시 hidden node 문제로

인해 발생되는 추가 전송으로 인한 충돌 문제가 있다. 이를 해결하기 위한 방

안으로 busy tone을 이용하여 충돌을 방지하고 있다. 그러나 busy tone의 경

우 아무런 정보성 없는 단순 신호로 네트워크 전력 소모량 낭비 및 채널 낭비

의 문제를 야기하고 있다. 이를 해결하기 위한 방안으로 다양한 연구 결과 들

이 제안 되고 있으나, 패킷 충돌의 문제는 여전히 남아있는 상태이다. 본 절에

서는 최근 제안되고 있는 다양한 분산제어 방식의 full duplex MAC 프로토콜

에 대해 논의한다.

가. CSMA/CD 기반의 cross layer 프로토콜 [25]

L. Song의 연구는 CSMA/CD 기반의 채널 센싱 알고리즘을 연구한다. Full

duplex 통신을 이용하여, 데이터 송신과 동시에 채널을 감지하여 패킷 충돌 시

간을 최소화 하는 기술에 대한 연구를 진행한다.

6

그림 4. False alarm과 miss detection 오류

Figure 4. False alarm and miss detection error

기존의 full duplex와는 달리, 채널에서 송·수신을 동시에 진행하는 대신 송

신 중에 채널 감지를 통해 CSMA/CD 기술을 이용하여 패킷 충돌 시 즉각적으

로 송신을 멈출 수 있도록 프로토콜을 제안하였다. 이를 통해 충돌 시간을 줄

여 처리율 성능을 향상 시키고자 한다. 그러나 residual self interference

(RSI) 문제로 인해 채널을 잘못 감지 할 경우 문제가 되고 있다. RSI는 자가

간섭 신호가 완벽하게 제거 되지 않고 남아있는 간섭을 의미하며, 그림 4는 이

로 인해 발생할 수 있는 두 가지 오류 케이스를 나타낸다. False alarm의 경

우 패킷에 충돌이 없음에도 불구하고 채널 감지 시 RSI로 인해 패킷이 충돌이

라 판단하여 송신을 멈추는 오류를 의미한다. Miss detection의 경우 RSI로

인해 패킷이 충돌이 났음에도 불구하고 이를 감지하지 못해 송신을 멈추지 않

는 오류를 의미한다. 두 경우 모두 충돌 시간 제어에 실패하는 케이스로 처리

율 저하의 원인이 된다. 해당 연구에서는 이러한 오류 케이스를 확률적으로 분

석하고, 수학적인 모델링을 통해 제안하는 프로토콜의 성능 분석과 시뮬레이션

을 통한 검증을 진행했다. 시뮬레이션 결과 L. Song이 제안 하는 프로토콜은

데이터 패킷의 길이가 증가함에 따라 기존 방식과 비교해 처리율 저하가 나타

나는 추세를 보였고, 또한 uplink 트래픽만을 고려한 한계점이 존재한다. 해당

프로토콜은 데이터 패킷의 길이가 짧을 때에는 RSI로 인한 오류율이 낮아 기

존 방식 대비 높은 처리율을 보이지만, 데이터 패킷의 길이가 늘어남에 따라

RSI 오류율이 함께 증가하여 처리율 측면에서 손해를 볼 수 있다.

7

나. Busy tone 없이 전송시간 비대칭 문제 해결을 위한 full duplex MAC

프로토콜 [26]

J. K. Kim의 연구는 노드 사이의 전송시간 비대칭 문제를 기존의 busy

tone 없이 해결할 수 있는 프로토콜을 제안한다. Busy tone의 경우 아무런 정

보도 갖지 않은 단순한 신호로, 다른 노드로 부터의 전송시도로부터 현재 수신

중인 데이터 패킷을 보호하기 위해 사용된다. 단지 현재 해당 노드가 수신불가

상태임을 알리기 위해 사용되는 busy tone은 채널 자원 낭비와 전력 소모량

증가 문제를 내포하고 있다. 이에 효율 적인 채널 자원 사용과 전력 소모량 감

소를 위해 busy tone을 프로토콜에서 제외할 필요가 있다. 이에 J. K. Kim의

연구는 전송시간 비대칭 문제를 busy tone 없이 풀어내는 연구를 통해, 새로

운 프로토콜을 제안한다. 그림 5는 해당 논문에서 제안하는 프로토콜의 순서도

를 나타낸다. J. K. Kim의 연구에서 제안하는 프로토콜은 전송시간의 비대칭

문제를 busy tone 없이 해결하기 위해, 데이터 전송이 먼저 완료된 단말이

ACK 패킷을 먼저 수신한다. ACK 패킷을 수신한 단말은 주위 단말에 flag 패

킷을 전송하고, flag 패킷을 수신한 단말들은 back-off counter를 멈춘다. 이

후 잔여 데이터를 수신하게 된다. 송신할 데이터가 남아 있는 노드 주위의 노

드 중 전송할 데이터가 잔여 데이터의 크기보다 작은 노드는 해당 노드에 데이

터 전송을 시도하게 된다. 이러한 알고리즘을 통해 J. K. Kim의 연구 결과는

busy tone 대신 길이가 짧은 flag 패킷을 이용해 전송시간 비대칭 문제를 해

결하고, 비대칭 시간 동안 추가로 수신이 가능한 노드가 수신할 수 있도록 하

여 처리율을 높이고 네트워크 전력 소모량을 줄이는 연구 결과를 냈다. 그러나

J. K. Kim의 연구 결과는 symmetric pair 로 최초 데이터 전송이 시작되는

상황만을 고려하였고, 데이터 패킷 충돌 문제가 여전히 남아있는 문제점이 있

다.

8

그림 5. Busy tone을 사용하지 않는 full duplex MAC 프로토콜 순서도

Figure 5. Flow chart of full duplex MAC protocol with using busy tone

9

다. Capture effect를 고려한 분산제어 full duplex MAC 프로토콜 [27]

A. Tand의 연구는 SIR 맵을 이용하여 데이터 패킷 전송여부를 결정하는 방

식의 프로토콜을 제안한다. 해당 연구에서 SIR맵을 기반으로 하여 capture

effect를 고려할 수 있다. Capture effect란 수신하고자 하는 신호의 세기가

간섭으로 작용하는 신호 세기의 합보다 월등히 강할 경우 원하는 신호를 정상

적으로 수신할 수 있는 효과를 말한다. 해당 논문에서 제안하는 방식은 RTS

프레임에 SIR 필드를 추가하여 이웃 노드들과의 SIR 관계를 함께 전송하고,

RTS를 수신한 노드는 이 값을 기준으로 하여 전송 가능 여부를 판단한 뒤

CTS프레임을 전송하게 된다. 일련의 과정을 통해 다른 노드의 전송에 영향을

받고 있다 하여도, capture effect를 고려하여 전송이 가능할 경우 추가로 전

송을 진행하게 되어 네트워크 처리율 향상을 가져올 수 있다. SIR 맵의 지속적

인 수집과 업데이트를 위해 다음 수식 (1)이 사용된다.

(1)

이 때, 는 weight factor로 0과 1사이의 값을 갖는다. 수식 1에 의해 지속

적으로 SIR 맵을 업데이트 하고 이를 기반으로 전송 가능 여부를 판단한다.

SIR에 대한 고려와 capture effect의 적용을 통해 A. Tand의 연구 결과는 처

리율 향상을 이루었으나, weight factor 등의 시스템 파라미터에 따라 성능이

좌우 된다. 또한 D2D 통신을 효율적으로 제어하기 위한 알고리즘이 적용되지

않았으며 패킷 충돌로 인한 오버헤드 역시 해결되지 않았다.

10

제 3 절 중앙제어 full duplex MAC 프로토콜

중앙제어 full duplex MAC 프로토콜의 경우 AP에 의해 모든 전송이 제어

되는 방식으로 스케줄링 알고리즘을 근간으로 제안되고 있다. 기본적으로 스케

줄링을 기반으로 동작하는 중앙제어 full duplex MAC 프로토콜은 분산제어

방식 대비 비교적 패킷 충돌로부터 자유롭고, RTS/CTS 교환 절차 없이

hidden/exposed node 문제를 일정 부분 해결할 수 있는 이점이 있다. 반면

스케줄링을 위한 별도의 절차가 필요하기 때문에 정보 수집 절차로부터 오버헤

드가 생긴다. 이에 수집 절차에 소모되는 오버헤드를 감소할 필요가 있으며, 이

를 통해 처리율 증가와 효율적인 네트워크 전송 제어를 가능케 할 수 있는 스

케줄링 알고리즘에 대한 연구가 지속되고 있다. 제 3 절에서는 최근 제안되고

있는 다양한 중앙제어 방식의 full duplex MAC 프로토콜에 대해 논의한다.

가. Janus [28]

Janus는 대표적인 중앙제어 full duplex MAC 프로토콜의 하나이다. 그림 6

은 Janus 프로토콜의 개략적인 전송 절차의 예를 나타낸다. 중앙제어 방식으로

동작하는 Janus 프로토콜의 경우 총 5개의 전송 단계로 구성된다. Probe

phase에서 AP가 probe packet를 전송해 네트워크 내에 데이터를 송신할 노

드가 있는 지 여부를 묻고, 이에 대한 응답으로 전송할 데이터가 있는 노드는

request flag 전송을 통해 송신할 데이터가 있음을 알린다. Collection phase

에서는 AP가 RI(Request Information) 패킷을 통해 각 노드로부터 전송할

패킷 정보 요청을 하며, 이에 대한 응답으로 각 노드는 RRI(Reply Request

Information) 패킷을 송신한다.

11

그림 6. Janus 프로토콜의 전송 절차 예

Figure. 6. Example flow of Janus protocol

12

Schedule phase에서 스케줄링이 진행되고 AP는 스케줄링 패킷을 통해 각

노드에 스케줄링 정보를 알린다. 이후 data phase에서는 스케줄링 된 정보에

따른 데이터 송·수신이 이루어지고 ACK phase에서 ACK flag교환을 통해

성공적으로 수신 했는지 여부를 확인한다. Janus 프로토콜은 각 단말이 AP로

전송하려는 데이터의 크기 정보와 데이터 전송 시 다른 노드로 인한

interference level 정보를 바탕으로 네트워크 처리율이 최대가 되도록 스케줄

링을 진행한다. 데이터 전송과 관련된 대부분의 정보를 수집하여 스케줄링을

진행하기 때문에, 단말 수의 증가에 따라 스케줄링을 위해 수집하는 정보량이

급격하게 증가하게 된다. 또한 지속적인 정보 업데이트가 필요하므로 스케줄링

에 요구되는 시간과 데이터양 측면의 오버헤드가 증가하게 되는 단점이 있다.

Janus에서는 lingering factor(LF)를 제안하고, 이를 기반으로 스케줄링을 진

행한다. LF는 수식 (2)와 같이 정의된다.

(2)

이 때, 와 는 각각 송신 예정인 큐의 전송 속도의 새로운 값과 이전

값을 나타낸다. Janus는 수식 (2)를 통해 계산한 LF값을 기준으로 하여

completion time()을 계산하며 이는 수식 (3)에 의해 계산된다.

(3)

수식 (2),(3)을 통해 계산된 LF와 을 기준으로 하여 Janus 스케

줄러는 수신 채널과 송신 채널의 길이가 다른 경우 이 양수이며, 가

장 작은 LF를 갖는 송신 패킷을 적절한 전송속도로 할당한다. 송·수신 채널

의 길이가 같은 경우에는 남은 송신 채널을 half duplex로 할당하거나 랜덤하

게 송신 큐에서 골라 할당한다. 이와 같은 스케줄링 알고리즘을 통해 전체 전

송을 스케줄링 함으로써, Janus는 기존의 분산제어 대비 높은 처리율을 얻었

다. 또한, 스케줄링을 통해 노드의 수가 많아질수록 전송에 필요한 오버헤드를

줄였다. 그러나 Janus는 노드가 많아짐에 따라 스케줄링에 소모되는 시간적 오

13

버헤드와, 스케줄링에 필요한 정보 수집에 소모되는 정보 오버헤드가 함께 증

가한다. 추가적으로 D2D 통신을 위한 효율적인 알고리즘은 적용되지 않았다.

이에 Janus 프로토콜을 D2D 환경에 그대로 적용할 경우 성능 저하가 일어날

수 있다.

나. Hidden chain을 이용한 중앙제어 full duplex MAC 프로토콜 [29]

H. Ahn은 노드 간의 hidden chain 관계를 이용한 중앙제어 full duplex

MAC 프로토콜을 제안하며, 노드 간의 exposed/hidden 관계를 이용하는 알고

리즘을 연구 한다. 이 때, exposed 관계는 서로의 상향링크 전송을 수신 가능

한 관계를 의미하며, hidden 관계는 서로의 상향링크 전송을 수신 할 수 없는

관계를 의미한다. 다시 말해, 노드가 서로 exposed 관계일 경우 서로의 전송

에 영향을 주는 관계이며, hidden 인 경우 서로의 전송이 영향을 주지 않는 관

계를 나타낸다. 기존 제안된 full duplex MAC protocol은 실제 네트워크에서

나타나는 상향링크와 하향링크 사이의 패킷 양의 비대칭을 고려하지 않아 실제

논문에서 발표된 만큼의 성능을 낼 수 없다. 이에 [29]의 연구는 상·하향링크

사이의 데이터 길이의 비대칭을 고려하여 노드 간의 hidden chain 관계를 이

용해 처리율을 향상하고자 한다. 그림 7은 앞서 설명한 상·하향링크 사이의

데이터 길이 비대칭을 나타낸다. OFDM 환경을 가정하고 제안하는 H. Ahn이

제안하는 프로토콜은 하나의 subcarrier 채널을 컨트롤 채널로 활용한다. AP

는 컨트롤 채널을 통해 쿼리를 전송하며, 쿼리를 통해 프레임크기의 밸런스를

맞추기 위한 정보를 획득한다. 하향링크 전송 시간이 충분할 경우 쿼리를 이용

해 추가적인 전송을 할당한다. 이 때, 쿼리에는 현재 하향링크 수신 스테이션의

association ID(AID) 또는 하향링크 수신 스테이션과 hidden 관계에 있는 다

른 노드의 AID를 포함하여 상향링크 트래픽을 제어한다. H. Ahn이 제안하는

스케줄링 알고리즘에서는 하향링크 데이터를 수신중인 노드가 쿼리 수신의 우

선권을 갖기 때문에, 상향링크 전송의 우선권을 갖는다.

14

(a)

(b)그림 7. Uplink 와 downlink 프레임 크기 비교

(a) 이상적인 프레임 크기 (b) 실제 트래픽에서의 프레임 크기Figure 7. Uplink and downlink frame size comparison

(a) Ideal frame size (b) Frame size in real-world traffic

상향링크 데이터가 없을 경우에는 자신의 AID만을 포함하여 신호를 전송하

고, 이를 통해 다른 노드가 해당 노드와의 hidden terminal 관계를 획득할 수

있도록 한다. 다른 노드의 경우 현재의 하향링크 노드와 exposed 관계인 경우

에는 어떤 신호도 전송하지 않는다. 상향링크 트래픽의 제어는 AP에 의해 결

정되며, AP는 현재의 하향링크 전송과 hidden 관계에 있는 노드들 중 랜덤하

게 hidden chain을 결정하여 상향링크 전송을 할 수 있도록 한다.

표 1. 노드별 hidden 관계 테이블 예

Table 1. Example of hidden node relationship table

노드 Hidden 관계인 노드

A B

B A, C, D

C B, E

D B

E C

F H, G

15

그림 8. 스케줄링에 따른 전송절차의 예

Figure 8. Example flow of scheduled transmissions.

16

표 1은 네트워크의 hidden 관계 테이블의 예를 나타내며, 그림 8은 표 1의

이웃노드 관계에서 스케줄링 된 전송절차의 예를 나타낸다. H. Ahn이 제안하

는 스케줄링 방식은 Janus와는 달리 하향링크 전송 중에 잔여 하향링크 패킷

의 길이를 기준으로 판단하여 상향링크 트래픽의 전송을 제어한다. 즉, 전체 전

송을 한 번에 제어하지 않고, 하향링크의 전송 시간 충분히 남아있는 경우에만

다음 전송을 할당하는 방식으로 스케줄링을 진행한다. 이에 하향링크 패킷의

길이가 충분한 경우에만 추가 전송을 통한 처리율 이득을 가져올 수 있다. 추

가적으로 AP와 각 노드 간의 전송만을 고려하였기 때문에 D2D 통신 네트워크

에서는 효율성이 낮아질 수 있다.

17

제 3 장 D2D 통신을 고려한

중앙제어 full duplex MAC 프로토콜

제 1 절 제안하는 프로토콜

본 절에서는 제안하는 프로토콜에 대한 내용을 다룬다. 제안하는 프로토콜은

공간정보를 기반으로 하는 중앙제어 full duplex MAC 프로토콜이며, 효율적인

D2D 통신 제어를 위한 스케줄링 알고리즘을 포함한다. 그림 9는 본 논문에서

고려한 네트워크 구조를 나타낸다. 본 논문에서는 하나의 AP와 N개의 노드로

구성된 네트워크를 고려하였으며, 추가적으로 D2D 통신을 고려한다. D2D 통

신을 고려함으로써, 향후 채널 부족 현상을 보다 완화할 수 있다. 또한, 원하는

데이터가 인근 노드에 있을 경우 AP를 거치지 않고 직접 데이터를 수신하여

네트워크 효율을 보다 높일 수 있다. 백홀 링크의 트래픽 로드를 줄이고 네트

워크 효율을 증가시키고자 하는 연구는 캐싱 및 D2D 토신의 다양한 분야에서

그림 9.네트워크 구조

Figure 9. Network topology

18

연구되고 있다. 이에 본 논문에서 제안하는 프로토콜은 네트워크 효율 증가를

위해 D2D 통신을 고려한다. 또한, 효율적인 D2D 통신 제어를 위해 중앙제어

방식을 채택한다. 분산제어 방식 대비 패킷 충돌로부터 비교적 자유로운 중앙

제어 방식의 채택을 통해 보다 원활한 송·수신 제어가 가능하다. 중앙제어

full duplex MAC 프로토콜의 단점인, 스케줄링 오버헤드를 최소화하기 위해,

수집 단계를 최소화 하며, 공간정보를 활용하여 D2D 통신 제어를 용이하게 한

다.

제안하는 프로토콜은 one-tier 네트워크를 가정한다. 즉, 다중 홉 방식의 데

이터 전송은 없는 것으로 가정한다. 또한 AP의 송·수신 반경 내에서 가능한

통신만을 고려하며 모든 데이터 패킷의 크기와 전송 시간은 동일한 것으로 가

정한다. 그림 10은 제안하는 full duplex MAC 프로토콜의 전송 절차의 예를

나타낸다. 각 노드의 이웃노드 정보를 공간정보로 활용하고 D2D 통신을 고려

하는 제안하는 프로토콜은, 한 번의 전송 슬롯에서 2개 이상의 전송을 가능하

게 한다. 제안하는 중앙제어 full duplex MAC 프로토콜은 Janus와 유사하게

총 5개의 단계로 구성된다. 각 단계 별로 수행하는 절차는 다음과 같다.

가. 요청 단계(Request phase)

요청 단계는 제안하는 프로토콜의 시작 단계로 AP가 브로드캐스팅을 통해

연결 되어 있는 모든 노드에 요청 패킷(Request packet)을 송신한다. 요청 패

킷에는 노드별 정보 패킷(Information packet) 송신 스케줄 정보가 포함되어

있다. 해당 스케줄 정보에는 AP에 연결되어 있는 모든 노드의 스케줄이 포함

되어 있기 때문에, 요청 패킷을 수신한 노드는 네트워크에 새로운 노드가 추가

또는 감소되었는지 여부를 확인할 수 있다. 이 때, AP는 노드가 네트워크에 추

가된 순서대로 정보 패킷 송신 순서를 할당한다. 그림 11-(a)는 제안하는 요

청 패킷의 프레임 구조를 나타낸다. 요청 패킷은 노드별 정보 패킷 전송 타이

밍을 알리기 위한 노드의 주소와 전송 시간 정보를 포함하는 필드로 구성된다.

19

그림 10. 제안하는 full duplex MAC 프로토콜의 전송 절차 예

Figure 10. Example flow of proposed full duplex MAC protocol

20

(a) 요청 패킷(Request packet)

(b) 초기 정보 패킷 (Initial information packet)

(c) 일반 정보 패킷(General information packet)

(d) 스케줄 패킷(Schedule packet)

그림 11. 제안한 패킷별 프레임 구조

Figure 11. Frame structure of proposed packets

나. 정보 수집 단계(Information collect phase)

정보 수집 단계는 AP가 스케줄링을 위한 정보를 수집하기 위한 단계이다.

요청 단계에서 요청 패킷을 받은 노드들은 전송 정보를 정보 패킷을 통해 AP

로 전송한다. 이때, 요청 패킷의 스케줄링 정보를 기반으로 하여 네트워크 구성

이 변경된 경우 각 노드는 이웃 노드 정보를 함께 전송하며, 이 때 사용되는

정보 패킷의 프레임 구조는 그림 11-(b)와 같다. 전송할 데이터가 없는 경우

에도 이웃 노드 정보를 전송하며 프레임 구조는 그림 11-(c)와 같다. 네트워

크 구성 변경이 없는 경우 전송할 데이터가 있는 노드만 해당 패킷의 목적지

노드 정보를 AP로 정보 패킷을 송신하게 된다.

21

각 노드는 이전에 정보 패킷을 송신한 노드의 패킷 수신 가능 여부를 기준으

로 이웃 노드 정보를 수집하고, 스케줄링 된 스스로의 전송 타이밍 까지 수집

된 데이터를 기반으로 이웃 노드 정보를 AP에 송신한다. 표 2는 이웃 노드 관

계의 예를 나타낸다. 표 2의 이웃 노드 관계를 기준으로 하였을 때, 노드 1부

터 3의 순서로 정보 패킷을 송신하게 된다. 이 때 노드 1은 정보 패킷을 가장

처음 전송하는 노드이기 때문에, 이웃노드 정보는 별도로 송신하지 않는다. 이

후 노드 2는 노드 1의 전보 패킷을 수신할 수 있기 때문에 자신의 테이블에

노드 1과 이웃관계임을 추가하여 AP로 송신한다. 끝으로 노드 3은 노드 2의

정보 패킷은 수신하지 못하고, 노드 1의 정보 패킷은 수신하였기 때문에 자신

과 노드 1이 이웃관계임을 AP에 송신한다. 일련의 과정을 통해 마지막 노드의

정보 패킷까지 수신한 AP는 네트워크 내의 모든 노드의 이웃 노드 테이블을

구성할 수 있다.

다. 스케줄 단계(Schedule phase)

수집한 이웃 노드 정보와 전송 정보를 기반으로 하여 스케줄 단계에서 요청

된 전송에 대한 스케줄링을 진행한다. 스케줄링은 전송슬롯 단위로 각 전송을

할당하는 방식으로 진행되며, 자세한 스케줄링 절차는 제 2절에서 다루도록 한

다. 스케줄링을 마친 AP는 브로드캐스팅을 통해 스케줄 패킷(Schedule

packet)을 모든 노드에 송신한다.

표 2. 이웃 노드 관계 테이블 예

Table 2. Example of neighbor node table

Node ID Neighboring nodes

1 AP

2 AP, 3

3 AP, 2

22

스케줄 패킷은 각 노드에 스케줄링 된 전송 슬롯에 관한 정보를 알리기 위해

사용되며, 노드별 할당된 전송 슬롯(Transmission slot) 정보를 테이블의 형

태로 포함한다. 스케줄 패킷의 프레임 구조는 그림 11-(d)와 같다. 노드별 스

케줄링 정보를 알리기 위한 노드 주소 및 할당된 전송 슬롯 정보를 포함하는

필드로 구성된다.

라. 데이터 전송 단계(Data transmission phase)

AP에 의해 할당된 스케줄링 정보에 따라 데이터 단계에서 데이터의 송·수

신이 이루어진다. 데이터 패킷의 프레임 구조는 기존과 동일하게 사용한다. 각

노드는 수신한 스케줄 패킷의 정보를 통해 할당된 전송슬롯의 정보를 확인한

다. 이후 각 노드와 AP는 할당된 전송슬롯에서 송·수신을 진행한다. 충돌을

회피하며 동시 채널 접속 노드 수를 최대화 하도록 스케줄링 되었기 때문에,

제안하는 프로토콜에서는 데이터 패킷의 충돌을 방지할 수 있다.

마. ACK 단계 (Acknowledgement phase)

ACK 단계에서는 데이터 전송 단계에서 수신한 슬롯 타이밍에 ACK를 송·

수신 한다. 데이터 패킷과 마찬가지로, ACK 패킷의 프레임 구조는 기존과 동

일하다. 각 노드와 AP는 데이터 패킷을 수신한 것과 동일한 순서로 ACK 패킷

을 송·수신한다. 데이터 패킷과 마찬가지로 스케줄링 정보를 기반으로 송·수

신을 진행하기 때문에 ACK 패킷의 충돌을 방지할 수 있다.

이와 같이 제안하는 공간정보 기반의 중앙제어 full duplex MAC 프로토콜

은 다섯 단계로 구분되며, 이를 매 전송 사이클 마다 해당 단계들을 반복한다.

23

제 2 절 스케줄링 알고리즘

제 1 절에서는 제안하는 full duplex MAC 프로토콜의 전체적인 전송 절차

와 단계에 대해 알아보았다. 제 2절에서는 D2D 통신을 효과적으로 제어하고,

네트워크 효율성을 높이기 위한 스케줄링 알고리즘에 대해 논의한다.

가. Symmetric full duplex pair와 Asymmetric full duplex pair간 공간

활용 효율성 비교

채널 동시 접속 노드 수의 증가를 통한 효율성 증대를 위해 두 가지 가능한

full duplex pair 방식의 공간 활용 효율성 비교가 필요하다. 각각의 경우에 따

라 송·수신에 제약이 걸리는 반경이 달라지기 때문이다. 송·수신 제약이란

송신 또는 수신이 불가능 해지는 노드를 의미한다. 노드 1이 노드 2에게 데이

터를 송신 중이라 가정하면, 노드 1의 주변노드는 노드 1의 송신신호에 의해

다른 신호를 수신할 수 없다. 노드 2의 주변 노드의 경우 노드 2의 수신에 방

해를 주지 않아야하기 때문에, 송신이 불가능하다. 그림 12는 이러한 제약 범

위를 개략적으로 보여준다.

(a) Symmetric pair 시 (b) Asymmetric pair 시

그림 12. Full duplex pair 방식에 따른 통신 제약 반경 비교

Figure 12. Restriction area comparison between

symmetric and asymmetric full duplex pair

24

그림 12-(a)는 노드 1과 2가 symmetric full duplex pair를 맺은 경우에

제약이 걸리는 영역을 나타내며, 그림 12-(b)는 노드 1, 2 그리고 3이

asymmetric full duplex pair를 맺은 경우에 제약이 걸리는 영역을 나타낸다.

붉은색 실선은 송·수신이 모두 불가능한 영역을 의미하며, 노란색의 점파선과

푸른색의 파선은 각각 수신과 송신이 불가능한 영역을 나타낸다. 모든 노드의

송·수신 반경이 동일하다고 가정했을 때, 그림에서 볼 수 있듯이 symmetric

pair를 맺은 경우가 제약이 걸리는 영역이 적다.

모든 노드의 위치가 uniform 분포를 따른다고 가정했을 때, full duplex

pair를 맺은 노드 이외의 노드가 추가적으로 송·수신을 할 확률은 제약 영역

내에 다른 노드가 적을수록 높아진다. 즉 모든 노드의 위치가 uniform 분포를

따르는 경우 제약 영역이 적은 symmetric full duplex pair가 상대적으로 공

간 활용도 측면에서 유리하다고 볼 수 있다.

이에 스케줄링 시 공간 활용 효율이 높은 symmetric pair에 우선권을 부여

한다. 이를 통해 공간적인 관점에서 채널 동시 접속 노드 수를 보다 늘릴 수

있다.

나. 스케줄링 알고리즘

그림 13은 제안하는 스케줄링 알고리즘의 순서도를 나타낸다. 제안하는 스케

줄링 알고리즘은 각 노드의 이웃노드 정보를 기반으로 하여 채널 동시 접속 노

드 수를 최대화 한다. 이웃노드 정보를 토대로 전송 할당의 우선순위를 정하고,

이를 기준으로 full duplex 통신 가능 여부를 판단한 뒤 마지막으로 할당된 전

송 외에 추가적으로 동시 전송이 가능한 노드가 있는지 파악한다. 일련의 과정

을 통해 full duplex 통신의 이점을 살리고, 공간적인 정보를 활용하여 채널 동

시 접속 노드 수를 2개 이상으로 늘릴 수 있다. 이를 통해 기존의 full duplex

MAC 프로토콜보다 효율적으로 D2D 통신을 제어하고 채널 효율을 높일 수 있

다.

25

그림 13. 제안하는 스케줄링 알고리즘

Figure 13. The proposed scheduling algorithm

26

제안하는 스케줄링 알고리즘은 전송 슬롯의 단위로 데이터 송·수신을 제어

한다. 이웃 노드의 수가 가장 적은 노드의 전송을 우선적으로 할당한다. 이는

이웃 노드의 수가 적은 노드일수록 송신 시, 송·수신에 제약이 걸리는 노드의

수가 적기 때문이다. 이후 할당된 전송과 symmetric full duplex pair로 전송

이 가능한 노드가 있는지 탐색한다. 즉 송신할 데이터의 목적지 노드의 주소가

할당된 노드인 전송을 탐색하여 할당한다. symmetric full duplex pair가 불

가능할 경우 asymmetric full duplex pair 전송이 가능한 노드가 있는지 탐색

하여 할당한다. Full duplex 통신이 할당이 되었거나 가능한 경우가 없는 경

우, 이웃노드 정보를 활용하여 현재 할당된 통신에 의한 제약이 없는 다른 가

능한 전송이 있는지 탐색하여 할당한다. 이 후 다시 추가로 할당 된 전송과

full duplex 통신이 가능한 노드가 있는지 탐색을 하는 등의 과정을 반복한다.

현재 슬롯에 가능한 모든 전송이 할당된 후, 다음 슬롯으로 넘어가 같은 스케

줄링 과정을 반복하며 해당 과정은 요청된 모든 전송이 할당 될 때 까지 반복

된다. 요청 받은 모든 전송이 할당된 경우 스케줄링을 종료하고 스케줄 패킷을

생성하여 브로드캐스팅을 통해 모든 노드에 스케줄 정보를 알린다.

다. 스케줄링 시나리오

그림 14는 스케줄링 절차를 설명하기 위한 네트워크 구조의 예를 나타낸다.

네트워크 구조에 따라, 스케줄링 알고리즘을 기반으로 스케줄링 시나리오를 구

성하면 다음과 같다. 표 3은 스케줄링 시나리오에 사용될 전송 정보와 이웃노

드 테이블을 나타낸다.

표 3의 정보를 기반으로 스케줄링 알고리즘을 적용하면, 먼저 이웃 노드가

가장 적은 노드 5가 첫 번째 전송 슬롯에 할당된다. 이후 노드 5와

symmetric full duplex pair 통신이 가능한 AP가 함께 할당된다. 첫 번째 전

송 슬롯에 AP가 포함되었으므로 다른 노드는 전송이 불가능하다. 두 번째 전

송 슬롯에는 남아있는 전송 중 이웃 노드가 가장 적고 ID가 가장 낮은 노드 1

27

이 우선 할당된다. 노드 1의 전송과 symmetric full duplex pair 통신이 가능

한 노드 2가 함께 할당되며, 노드 3의 전송은 노드 1과 2와 이웃하지 않으므

로 함께 할당이 가능하다. 노드 3과 노드 4의 전송이 symmetric full duplex

pair 통신이 가능하며 앞의 전송들에 영향을 주지 않으므로 함께 할당이 되며

스케줄링이 종료된다. 일련의 과정을 거쳐 시나리오에 따라 완성된 스케줄 테

이블은 표 4와 같다. 스케줄링을 통해 전송 슬롯 1에서는 기존의 full duplex

MAC 프로토콜과 동일하게 한 번에 2개의 전송이 가능하다. 슬롯 2에서는 공

간정보를 활용하여 스케줄링에 적용하여 동시에 4개의 노드가 전송을 한다. 제

안하는 공간 정보를 활용하는 스케줄링 알고리즘을 통해 채널 동시 접속 노드

수를 늘릴 수 있다.

그림 14. 네트워크 구조의 예

Figure 14. Example of network topology

28

표 3. 전송 정보와 이웃노드 테이블 예

Table 3. Example of transmission and neighbor node information

노드 ID 목적지 노드 이웃 노드

AP 2 1 2 3 4 5

1 2 2 AP

2 1 1 AP

3 4 4 AP

4 3 3 AP

5 AP AP

표 4. 시나리오에 따른 스케줄 테이블

Table 4. Schedule table based on the scenario

전송 슬롯 전송 노드

1 노드 5 AP

2 노드 1 노드 2 노드 3 노드 4

29

제 3 절 시스템 모델 및 성능 분석

제 1 절에서 제안하는 D2D 통신을 고려한 중앙제어 full duplex MAC 프로

토콜에 대해 설명하고, 제 2절에서는 제안하는 스케줄링 알고리즘에 대해 설명

했다. 제 3절에서는 제안하는 프로토콜의 성능 분석을 위한 시스템 모델과 시

뮬레이션을 통해 제안하는 프로토콜의 성능을 검증한다.

가. 시스템 모델

본 논문에서는 그림 14와 같은 시스템 모델을 고려한다. 하나의 AP와 N개

의 노드로 구성된 네트워크를 고려하며, N개의 노드들은 AP의 통신 반경 내에

uniform 분포를 따라 배치된다.

그림 15. 시스템 모델

Figure 15. System model

30

시뮬레이션 시나리오에 따라 노드의 개수에 따른 성능 분석, 노드의 분포에

따른 성능 분석 그리고 half duplex 노드의 비율에 따른 성능 분석을 진행한

다.

또한, 통신은 AP와 노드간의 통신 뿐 아닌 D2D 통신을 추가로 고려하며 멀

티 홉 통신을 제외한 one-tier 네트워크를 가정한다.

나. 시뮬레이션 환경

본 논문에서는 OPNET을 이용하여 시뮬레이터를 설계하고 구현하였다. 그림

15는 AP와 노드의 프로세스 모델을 나타낸다. 그림 16은 OPNET을 이용해

구현한 시뮬레이터 기반의 시뮬레이션 시나리오의 예를 나타낸다. 그림 16의

시나리오는 중앙의 AP와 AP의 반경 내에 uniform 분포로 배치된 35개의 노

드로 구성된 시나리오를 나타낸다. OPNET 기반의 시뮬레이터 설계를 통해 노

드의 분포에 따라 시뮬레이션을 진행하고 성능 분석을 진행한다.

시뮬레이션에서 AP와 노드의 송·수신 반경은 동일한 것으로 가정하였다.

또한 노드의 이동성은 고려하지 않았으며, 중앙제어 채널 전송 속도와 패킷의

크기는 일정한 것으로 가정하였다. 기타 시뮬레이션 파라미터는 표 5와 같으며

일반적으로 사용되는 값을 사용하였다 [26, 30].

31

그림 16. 시뮬레이션 시나리오의 예

Figure 16. Example of simulation scenario

표 5. 시뮬레이션 파라미터

Table 5. Simulation Parameters

파라미터 값

채널 전송 속도 18 Mbps

데이터 패킷 크기 1500 Byte

요청 패킷 크기 3 Byte

정보 패킷 크기 4 Byte

스케줄 패킷 크기 9 Byte

SIFS 16 sec

노드 개수 5 ~ 35 개

노드 분포 반경 20 m

32

다. 성능 분석

본 논문에서 제안하는 프로토콜의 처리율은 수식 (4)와 같이 구할 수 있다.

Total TimeTransmittedData

×∞ × ×

×data size (4)

수식 (4)에서 N은 AP를 포함하는 노드의 수를 의미하며, M은 전송 주기 별

전송 슬롯의 수를 의미한다. 는 각각 요청 패킷, 정보

패킷, 스케줄 패킷, 데이터 패킷, 그리고 ACK 패킷의 전송에 필요한 시간을

의미한다. N의 경우 시뮬레이션 시나리오에 따라 변경 되며, M의 경우 전송

주기 별 스케줄링 정보에 따라 달라진다. 처리율에 대한 수학적 분석은 시뮬레

이터를 통해 평균 전송 슬롯의 개수를 측정하여 분석할 수 있다. 그러나 본 논

문에서는 보다 정확한 평균 처리율 성능 분석을 위해 실제 시뮬레이션을 통해

측정한 평균 처리율을 사용한다.

그림 17은 OPNET 시뮬레이터를 이용한 처리율 성능 분석 결과를 나타낸

다. 노드의 분포가 uniform 분포를 따를 때, 노드의 개수를 5개부터 5개씩 증

가하며 평균 처리율 성능을 분석한다. 기존의 CSMA/CA 기반의 half duplex

및 D2D 통신을 고려한 half duplex 방식과의 평균 처리율 비교를 통해 제안

하는 full duplex MAC 프로토콜의 성능을 입증한다. 그림 17의 결과에서 기

존의 CSMA/CA 기반의 half duplex MAC 프로토콜은 노드 수의 증가에 따라

성능 저하가 적은 반면, D2D 통신을 고려한 half duplex MAC 프로토콜의 경

우 노드 수의 증가에 따라 성능 저하가 비교적 크게 나타난다. 이는 D2D 통신

제어에 있어, 분산제어 방식 대비 효과적인 스케줄링 알고리즘 기반의 중앙제

어 방식이 효과적임을 나타낸다.

33

그림 17. 노드 개수에 따른 평균 처리율

Figure 17. Average throughput performance depending on number of nodes

또한, full duplex 통신을 기반으로 하는 제안 하는 중앙제어 MAC 프로토콜

은 공간정보를 활용하여 효과적인 스케줄링 알고리즘을 통해 노드 수 증가에

따른 성능 저하가 비교적 적게 나타나는 것을 확인할 수 있다. 제안하는 중앙

제어 full duplex MAC 프로토콜의 경우 기존의 half duplex MAC 프로토콜

대비 평균 51%의 처리율 성능 증가를 이루었고, D2D 통신을 고려한 half

duplex MAC 프로토콜 대비 71%의 평균 처리율 성능 증가를 이루었다. 이는

full duplex 통신을 고려함으로써 채널 사용량 이득으로 인한 평균 처리율 증

가와, 효과적인 스케줄링을 통한 안정적인 D2D 통신 제어를 통한 평균 처리율

의 증가로 볼 수 있다.

그림 18은 앞의 결과와 같은 조건에서 평균 패킷지연 성능 분석 결과를 나

타낸다. 본 논문에서 평균 패킷지연 성능은 성공적인 패킷 송신 사이의 시간을

34

뜻한다. 제안하는 프로토콜의 평균 패킷지연 성능은 수식 (5)에 의해 계산할

수 있다.

수식 (5)의 N은 AP를 포함한 노드의 수를 의미하며, 는 전송 주기 별

× × × (5)

평균 전송 슬롯의 수를 의미한다. 수식 (5)를 통해 평균적인 전송 주기의 시간

을 계산할 수 있고, 이를 통해 평균 패킷 지연 성능을 분석할 수 있다. 보다 정

확한 성능 분석을 위해 그림 18의 시뮬레이션 결과는 각 노드별 전송 성공 시

간 간격의 평균을 측정하였으며, 정확한 송신 여부를 판단하기 위해 ACK 수신

시간 사이의 간격을 측정하여 평균값을 도출했다.

5 10 15 20 25 30 350

5

10

15

20

25

30

35

40

45

Number of Nodes

Ave

rage

del

ay (

mse

c)

Proposed FD

Half Duplex w/D2D

Half Duplex wo/D2D

그림 18. 노드 수에 따른 평균 패킷 지연

Figure 18. Average delay performance depending on number of nodes

35

그림 18의 결과에서 노드 개수에 관계없이 D2D 통신을 고려한 half duplex

프로토콜에서 평균 패킷 지연이 가장 크게 나타나며, 제안하는 중앙제어 full

duplex MAC 프로토콜에서 평균 패킷 지연이 가장 낮게 나타난다. 이는 효과

적인 제어 알고리즘 없이 D2D 통신을 고려할 경우 오히려 성능 저하가 발생

할 수 있음을 의미한다. 이는 기존의 분산제어 방식을 통해 D2D 통신을 제어

할 경우 오히려 패킷 충돌 확률이 증가하기 때문으로 볼 수 있다. 반면 제안하

는 프로토콜의 경우 효과적인 D2D 통신의 제어가 가능하다.

또한 제안하는 중앙제어 full duplex MAC 프로토콜의 경우 노드 수의 증가

에 따라 평균 패킷 지연시간이 비교적 일정하게 증가하는 경향성을 보인다. 이

는 제안하는 프로토콜이 효율적인 스케줄링 알고리즘을 통해 노드 수에 따라

평균 전송 슬롯의 수 역시 유사하게 증가하기 때문이다.

5 10 15 20 25 30 350

5

10

15

20

25

30

35

Number of Nodes

Abe

rage

Tx

Slo

ts

그림 19. 노드 수에 따른 평균 전송 슬롯 수

Figure 19. Average number of Tx_slots depending on number of nodes

36

(a) 외곽 밀집 (b) 중앙 밀집

그림 20. 노드 분포에 따른 비교를 위한 네트워크 구조

Figure 20. Network topology to compare depending on nodes distribution

그림 19는 동일한 환경에서 측정한 평균 전송 슬롯 수를 나타낸 그래프이다.

수식 (5)와 그림 19의 결과를 통해 제안하는 중앙제어 full duplex MAC 프로

토콜의 평균 패킷 지연 성능이 전송 주기 별 평균 전송 슬롯의 수와 관계있음

을 증명할 수 있다. 제안하는 중앙제어 full duplex MAC 프로토콜의 스케줄링

성능은 공간 정보를 기반으로 하기 때문에, 노드의 분포에 따라 성능이 달라진

다. 노드의 분포에 따른 성능을 비교 분석하기 위해 그림 20과 같은 네트워크

구조를 고려한다.

그림 20-(a)는 AP를 기준으로 노드가 외곽에 밀집 된 네트워크 구조를 나

타내며, 그림 20-(b)는 노드가 상대적으로 중앙에 밀집 된 네트워크 구조를

나타낸다. 이웃노드 정보를 공간정보로 활용하는 제안하는 스케줄링 알고리즘

은 노드 사이의 평균 거리가 멀수록 높은 성능을 나타낸다. 각각의 성능을 비

교하기 위해 그림 20의 환경에서 시뮬레이션을 통한 평균 처리율과 패킷 지연

성능을 측정한 결과는 그림 21과 같다. 그림 21에서 붉은 그래프는 노드의 분

포가 외곽에 밀집한 네트워크의 평균 처리율과 평균 패킷 지연 성능 나타내며,

푸른색의 그래프는 중앙에 밀집 했을 때의 성능을 나타낸다.

37

Throughput(Mbps) Delay(msec)0

2

4

6

8

10

12

14

16

18

20

Center Densed

Outskirts Densed

그림 21. 노드 분포에 따른 성능 분석

Figure 21. Performance analysis depending on nodes’ distribution

그림 22. 성능 분석 시나리오

Figure 22. Scenarios for performance evaluation

38

시뮬레이션에서 노드의 수는 15개로 고정하였고, 기타 파라미터는 앞의 시뮬

레이션과 동일하게 유지했다. 그림 21의 결과에서 볼 수 있듯이, 제안하는 프

로토콜은 노드 사이의 거리가 멀수록 높은 성능을 나타낸다. 이는 노드 사이의

거리가 멀어짐에 따라, 다른 노드가 송·수신 제약 영역 밖에 위치하여 추가

적인 전송이 가능할 확률이 증가하기 때문이다. 그림 22는 half duplex 노드의

비율에 따른 성능 분석을 위한 시나리오 모델을 나타낸다. 이 때, 화살표는 노

드 사이에 통신이 가능함을 의미한다. 그림 22의 네트워크 구조에서 half

duplex 노드의 비율에 따른 평균 처리율 성능 분석 결과는 그림 23과 같으며,

시뮬레이션에서 제안하는 중앙제어 full duplex MAC 프로토콜의 AP는 full

duplex 통신이 가능한 것으로 가정하였다.

그림 23. Half duplex 노드 비율에 따른 평균 처리율 성능 분석

Figure 23. Average throughput performance analysis

depending on half duplex node ratio

39

그림 23의 결과에서 초록색 그래프는 기존의 half duplex 방식인

CSMA/CA 기반의 프로토콜의 평균 처리율 성능을 나타내며, 나머지 그래프는

각각 half duplex 노드의 수가 5개, 3개, 0개 일 때의 성능을 나타낸다. 성능

분석 결과 제안하는 중앙제어 full duplex MAC 프로토콜은 기존의

CSMA/CA 기반의 프로토콜과 비교해 최대 83%의 평균 처리율 성능의 향상

을 보인다. 또한 네트워크 전체가 half duplex 노드로 구성된 경우에도 73%의

평균 처리율 성능 향상을 보인다. 이는 기존의 CSMA/CA 기반의 프로토콜과

달리 중앙제어 방식으로 패킷 간 충돌이 없으며, 제안하는 프로토콜의 AP는

full duplex가 가능한 상황으로 가정하였기 때문으로 분석할 수 있다. 제안하는

프로토콜의 경우 half duplex 노드의 비율에 따라 평균 처리율 성능이 크게 차

이가 나지 않는 것을 확인할 수 있는데, 이는 공간정보를 활용한 스케줄링을

통한 효과적인 D2D 통신의 제어를 통해 처리율 이득을 보이기 때문으로 분석

할 수 있다. 즉, half duplex 노드의 비율이 높다 하더라도 채널 동시 접속 노

드 수의 평균이 비교적 적게 줄어들기 때문에 half duplex 노드가 공존하는 네

트워크에서도 비교적 높은 처리율을 보일 수 있다.

앞의 성능 분석 결과들을 종합하면, 제안하는 MAC 프로토콜은 full duplex

환경에서 D2D 통신을 효율적으로 제어할 수 있다. 이를 위해 공간제어를 기반

으로 하는 스케줄링 알고리즘 기반의 중앙제어 방식으로 동작한다. D2D 통신

을 고려할 때, 노드 수의 증가에 따른 처리율의 감소량과 패킷 지연 시간 증가

량이 비교적 일정한 편으로 CSMA/CA 기반의 프로토콜이나 D2D 통신을 고려

한 half duplex 통신에 비해 효과적이다. 또한, 네트워크에 half duplex 노드

의 비율의 증가에 따른 성능 저하가 비교적 적어 half duplex 노드와 full

duplex 노드가 공존하는 네트워크에서도 평균 처리율 향상을 도모할 수 있을

것으로 기대된다. 또한, 제안하는 중앙제어 full duplex MAC 프로토콜을 통해

향후 IoT 등의 센서 네트워크에 적용 시 효율적인 D2D 통신의 스케줄링을 통

해 채널 효율 증가를 통한 처리율 향상을 도모할 수 있을 것으로 기대할 수 있

다.

40

제 4 장 결론

본 논문은 새로운 중앙제어 full duplex MAC 프로토콜을 제안한다. 제안하

는 프로토콜은 D2D 통신을 효율적으로 제어해 채널 효율을 높이고 처리율 성

능을 향상시키기 위해 공간 정보 기반의 스케줄링 알고리즘을 포함한다. 제안

하는 프로토콜은 full duplex 기반의 D2D 네트워크에서 효율적인 스케줄링을

통해 평균 패킷 지연과 처리율 성능에서 이득을 가져올 수 있다. 공간정보를

활용하여 채널 동시 접속 노드 수를 최대화 하는 알고리즘을 통해 D2D 통신

을 효율적으로 제어하고, RTS/CTS 절차 없이 hidden/exposed 노드 문제를

해결할 수 있다. 스케줄링에 필요한 오버헤드를 최소화 하여 중앙제어 방식의

이점을 보다 살릴 수 있고, 안정적인 송·수신을 가능하게 한다. 시뮬레이션 결

과 제안하는 프로토콜은 기존의 CSMA/CA 기반의 프로토콜 및 D2D 통신을

고려한 half duplex 프로토콜에 비해 높은 처리율 성능을 보였으며, 낮은 평균

패킷 지연을 보였다. 이는 full duplex 기반으로 동작하는 제안하는 프로토콜의

채널 용량 증가로 인한 결과로 볼 수 있다. 또한 제안하는 프로토콜은 모든 노

드가 half duplex 노드인 경우에도 처리율 이득을 나타내며, 이는 D2D 통신을

보다 효율적으로 제어할 수 있기 때문이다. 끝으로 제안하는 프로토콜은 노드

의 분포가 외곽에 밀집되어 있을수록 높은 성능을 보이는데, 이는 공간 정보를

기반으로 스케줄링을 하는 제안하는 알고리즘의 특성 상 노드 사이의 평균 거

리가 멀수록 높은 처리율 성능을 낼 수 있다.

시뮬레이션 및 성능 분석 결과에 따라 제안하는 프로토콜은 향후 채널 용량

부족 문제 해결을 위한 full duplex 기반의 네트워크에서 보다 효율적인 송·

수신을 지원할 수 있을 것으로 기대된다. 이에 더해 D2D 통신 기반의 센서 네

트워크 등에서 효과적인 스케줄링을 통해 처리율과 평균 패킷 지연 측면에서

성능 증가를 가져올 수 있을 것으로 기대된다.

41

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46

Abstract

For the next generation high efficiency net-works, full duplex

communication is being spotlighted as the key technology. Because the

full duplex communications uses same channel for transmit and receive

at the same time, it can double the channel capacity. As the number of

smart devices such as smart phone and tablet PC increases, the

channel capacity will fall short. This can also increases the traffic

loads to backhaul links. Device to device(D2D) communications can be

considered with caching technology to reduce the traffic load of

backhaul link. In order to make benefit while considering D2D

communications, proper MAC protocol should be considered. Therefore,

in this paper we proposes a novel MAC protocol to handle D2D

communications efficiently.

There are two types of full duplex MAC protocols. The one is

distributed type, and the other one is centralized type. In distributed

type full duplex AP and nodes compete each other to get the channel

to transmit data. Because most of full duplex type MAC protocols are

proposed based an CSMA/CA, which is optimized for half duplex

communications, they still suffers from collision problems.

Unlike distributed type full duplex MAC protocols, centralized types

has less problem with collision issues. Moreover, they also can solve

the hidden/exposed node problems without using RTS/CTS

mechanisms. Because centralized type full duplex MAC protocols are

based on scheduling algorithms, they does not need to consider hidden/

exposed node problems. In order to maximize the benefits of

47

centralized type full duplex MAC protocols, the scheduling overhead

should be reduced. Therefore, in order to reduce the scheduling

overhead while efficiently controling D2D communications, this paper

proposes a novel scheduling algorithms based on spatial informations.

Our scheduling algorithms can maximize the number of nodes in

channel by using neighboring nodes’ information as a spatial

information. The simulation results has shown higher average

throughput performance compare to those of traditional half duplex

protocol based on CSMA/CA scheme. As the performance of D2D

communication protocol based on half duplex scheme has shown worse

compare to those of CSMA/CA scheme, the results can prove that

proper MAC protocols are needed in order to handle D2D

communications efficiently.

Because a proposed full duplex had shown best performance, it

might can support a next generation full duplex networks with high

efficiency and performance.