Transcript 패킷 크기에 따른 히든 노드의 영향력(1/2) - MMLab

2004 ETRI-SNU 과제 최종발표회
이정근, 이호진, 조기덕
서울대학교 MMLAB
2005.1.25
1
MMLAB
Contents

Downlink Node Cooperation with node selection
schemes

Performance Degradation in Multihop Wireless
Networks with DATA and VOICE mixed traffic

DCMA: Distributed and Asynchronous MAC
protocol for MIMO ad hoc networks

Results
2
MMLAB
Downlink Node Cooperation
with node selection schemes
3
MMLAB
Cooperative Communication

Transmit (Spatial) Diversity effectively combat the effects of
channel fading

Cooperative Communication
 Single-antenna mobiles in a multi-user scenario can “share” their
antennas in a manner that creates a virtual MIMO system
4
MMLAB
RX node cooperation to enhance
downlink capacity

Virtual Antenna Array: special form of cooperative communication
Amplify
and
Forward
5
MMLAB
Node Cooperation

Cluster / Group
 Closely packed nodes
 Benefit from the antenna diversity among themselves (node
cooperation) is deemed to form a cluster.

Wireless technologies convergence
 Co-existence of various wireless communication technologies ; Wi-Fi,
cellular networks, and Bluetooth networks
 Equip a mobile node (laptop, palmtop, PDA, etc) with multiple wireless
communication interfaces

Goal
 Our goal is to extend the node cooperation for ad hoc networks to a
infrastructure-based wireless networks
 Also show how to form a cluster of wireless nodes by adaptively using
MIMO antenna selection schemes
6
MMLAB
System Model



Only Downlink RX cooperation
Inter-cluster and intra-cluster channels are orthogonal
Inter-cluster distance >> intra-cluster distance
 Inter-cluster channel gain is normalized to one
 Intra-cluster channel gain is G
7
MMLAB
Intra-Cluster Channel

Optimal Multiplexing
 Allocation of optimal rates (referring to section without any
multiplexing overhead such as guard time in TDMA )
 Theoretical upper bound

The achievable rate sum
8
MMLAB
Down Link Capacity

Relayed Signal at the destination node
is noise amplification factor

Performance with
different
9
MMLAB
Node cooperation Downlink capacity
N = # of nodes
10
MMLAB
Clustering with node selection

The destination node forms a receiving cluster by selecting the
"best" N relaying nodes out of neighboring nodes.
 reduce the size, complexity, and thus cost of cooperation, due to the
requirement of multiple RF chains.

Optimum node selection
 select those neighbor nodes that allow a maximization of the rate, thus
computationally intensive

Channel correlation based selection (CBM)
 Eliminate those nodes whose channel vector has large mutual
information or correlation with other node’s channel

Mutual information based method (MIBM)
 Eliminate those nodes whose channel vector has large mutual
information or correlation with other node’s channel

Relaying power based selection (PBM)
 Select nodes with highest received signal power
11
MMLAB
Performance of node selection schemes

BS power = 1, Relaying Power = 1/10
In terms of Inter-Cluster distance
12
MMLAB
Performance of node selection schemes
In terms of Intra-cluster distance
13
MMLAB
Conclusion

The receiver cooperation gives the same advantage
gains to multiple-antenna receiving in MIMO system
 Except the cost due to relaying received signals to the target
node

Node selection is needed to reduce this cost effectively

Suboptimal selection algorithms
 RPBM, CBM, MIBM
 Performance in cooperative systems act much differently as it is
applied to MIMO systems
14
MMLAB
Performance Degradation in
Multihop Wireless Networks
with DATA and VOICE mixed
traffic
15
MMLAB
내용


서론
데이터와 보이스 혼재시 히든 노드 문제
 패킷 크기에 따른 히든 노드의 영향력
 보이스 세션의 영향력



HMAC(Hidden-aware MAC)
성능평가
결론
16
MMLAB
서론

히든 노드 문제
 멀티 홉 무선망에서 성능하락의 주 원인
 4 way-handshake로도 완벽히 해결되지 않음
 기존의 연구에서는 패킷 특성을 고려하지 않음
17
MMLAB
패킷 크기에 따른 히든 노드의 영향력(1/2)



ns-2, 802.11(1Mbps), AODV
메인 플로우: CBR 1500bytes, 1Mbps
히든 플로우의 rate는 64Kbps로 고정
18
MMLAB
패킷 크기에 따른 히든 노드의 영향력(2/2)

결과 분석
 1500bytes 패킷 전송 시간: 1500 x 8 / 1Mbps = 12msec 이상(헤
더 길이 포함시 패킷 길이 더 길어짐)
 64Kbps, 80bytes => 10msec 간격으로 패킷 전송
 => 반드시 충돌 발생!
 직관적으로 히든 플로우의 offered load가 커지면 히든 노드의
영향력이 커질 것이라고 예상
 히든 플로우의 offered load가 작아도 패킷 크기가 작으면 영향
력이 상당히 커짐! => VoIP!!!(보이스)
19
MMLAB
보이스 세션의 영향력(1/2)

Main Flow
 Data : CBR, 200Kbps, 1500bytes

Hidden Flow
 Voice :CBR, 64Kbps, 80bytes, or
 Data : CBR 64Kbps, 1500bytes
20
MMLAB
보이스 세션의 영향력(2/2)
1000.00
64 Kbps session
DATA session 5
DATA session 4
DATA session 3
DATA session 2
DATA session 1
throughput (Kbps)
800.00
600.00
400.00
200.00
0.00
5 DATA sessions(200 Kbps)
5 DATA sessions(200 Kbps) + 1 DATA
session(64Kbps)
21
MMLAB
5 DATA sessions(200 Kbps) + 1 VOICE
session(64 Kbps)
HMAC(1/4)




상대적으로 RTS 패킷의 전송 성공율은 높음
CTS 정보를 relay하게!
각 노드는 자신의 위치를 알고 있는 것 가정
Hello msg에 자신의 위치 정보 추가 => 이웃의 위치 또
한 알게됨
22
MMLAB
HMAC(2/4)
1.
2.
3.
4.
5.
6.
이웃노드가 hidden node의 피해를 받는지 detect
이웃노드가 hidden node의 피해를 받고 자신의 다른 이
웃이 피해를 주는 것이면 피해 받는 이웃 노드에게
report
피해 받는 이웃 노드는 report를 받고 RelayList 갱신
RTS 수신시 RelayList 검색
Relay list에 relay node가 존재하면 sendHCTS()
존재하지 않으면 sendCTS()
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MMLAB
HMAC(3/4)
TA(transmitter address),
RL(receiver location)추가
T
R
I
H
CTS
I는 CTS를 overhear하고
CTS.Duration, CTS.RA, CTS.RL,
CTS.TA 저장
Data
R이 CTS.Duration이 지나기 전
에 ACK을 전송하지 않으므로
충돌 detect
Collision
REP
RA(:CTS.TA - R), TA( I),
DTA(Degraded Transmitter
Address:CTS.RA - T)
RelayList Update
DTA <- REP.DTA(T)
RNA <- REP.RA(I)
TS <- NOW
24
MMLAB
HMAC(4/4)
T
R
RTS
I
H
RTS.TA(T)를 키로 해서 Relay List
검색
HCTS
TA(R), RA(T), RNA <RelayRlist.RNA(I)
Data
NAV
set
ACK
25
MMLAB
Result(1/2)
26
MMLAB
Result(2/2)
900.00
800.00
700.00
throughput (Kbps)
600.00
VOICE Session
DATA session 5
DATA session 4
DATS session 3
DATA session 2
DATA session 1
500.00
400.00
300.00
200.00
100.00
0.00
802.11
HMAC
27
MMLAB
Conclusion



Offered load가 동일하더라도 packet 크기에 따
른 히든 노드의 영향력 차이 지적
Voice Session의 해악 지적
간단한 해결 알고리즘 제안
28
MMLAB
DCMA: MIMO 애드혹 통신망
을 위한 분산 비동기 MAC 프로
토콜
29
MMLAB
서론(1/2)

기존 연구들





스마트 지향성 안테나에 대한 연구 활발
MIMO에 대한 연구는 아직 초기 단계
동기화된 패킷 전송 가정
중앙관리적 동작
MIMO Spatial Multiplexing
 하나의 채널을 통해 독립적인 여러 개의 스트림을 보낸다


노드들의 동기화가 필요없는 Heterogeneous 네트워크
환경에서의 통신을 위한 ad hoc MAC 프로토콜을 제시한
다
DCMA-MAC: Dual Channel Multiple Antennas MAC
30
MMLAB
서론(2/2)

자유도
 K개의 안테나를 가진 MIMO 안테나 시스템 : 자유도 K (degree
of freedom)
 K개의 신호를 받거나 제거할 수 있다
 모든 Rx 노드 j의 주변에서 이루어지고 있는 전송에 사용되는 안
테나의 숫자 Ti의 합보다 Rx 노드 j의 자유도 Kj가 크거나 같으면
주변에서 이루어지고 있는 전송을 성공적으로 제거하면서 자신
의 전송을 할 수 있게 된다.

for RX node j ,
TX node i
31
MMLAB
Ti  K j
DCMA-MAC : Basic Idea

2 channels
 Control channel : RTS, CTS, PTS, ACK
 Data channel : Data

RTS, CTS
 안테나의 숫자를 나타내는 필드 추가
 RTS : 자신이 전송에 사용할 안테나 숫자 표시
 CTS : 전송에 사용하는 안테나, 남은 안테나 숫자 표시

New Control message
 PTS : 수신 중에 안테나를 추가로 사용하는 경우
32
MMLAB
DCMA-MAC : Operation Scenario
R : RTS
A : Control
C : CTS
C(3)
B(4)
E(2)
T
DATA
DATA
P(1)
P(0)
DATA
D(2)
B : Control
C(1,3)
ACK
C(1,0)
ACK
R(2)
C : Control
T
Data
DATA
ACK
C(2,0)
D : Control
R(1)
E : Control
T
Data
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MMLAB
T : Training Sequence
R(1)
Data
A(1)
P : PTS
DATA
ACK의 문제

ACK의 역할
 전송이 성공적이었음을 알림
 노드의 자유도를 주변 노드에 알려줌

ACK가 겹치지 않도록 하기 위해
 RTS, CTS의 duration 정보 이용
 다른 전송과 ACK가 겹치지 않으면 전송을 시작할 수 있다
34
MMLAB
Hidden Node Problem

Hidden Node Problem
 A 노드가 B 노드에게 전송
 C 노드가 전송을 한다면 충돌

DCMA-MAC
 Training이 되어 있다면 충돌이 일어나지 않는다
 충돌의 개념을 바꾸었음
A(1)
C(3)
D(2)
B(4)
E(2)
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MMLAB
Exposed Node Problem

Exposed Node Problem
 B 노드가 A노드에게 전송
 B 노드의 RTS를 들은 C노드는 전송을 할 수 없다

DCMA-MAC
 Data 채널과 Control 채널 분리
 C노드의 데이터 전송과 A노드의 ACK가 충돌할 수 없으므로 전송 가능
A(1)
C(3)
D(2)
B(4)
36
MMLAB
성능 평가

자유도 1일 때
 DCMA와 802.11 DCF with
SM이 차이가 없음
2.5
DCMA
802.11 DCF with SM

자유도 2이상
 DCMA가 802.11 DCF보다
좋은 성능을 보임
 자유도가 커지면서 동시에
허용할 수 있는 전송의 숫
자가 많아짐
 Spatial reuse 증가
Throughput(bits/sec))
2
1.5
1
0.5
0
1
2
3
DOFs of B
37
MMLAB
4
결론

DCMA-MAC






MIMO 안테나의 SM 기술을 이용
Data 채널, Control 채널
Heterogeneous Network
Asynchronous Network
Exposed node problem
Hidden node problem
38
MMLAB
Results




Jeongkeun Lee, Sungjin Kim, Taekyoung Kwon, and Yanghee Choi,
Jaewook Shin and Aesoon Park, "Downlink Node Cooperation with
Node Selection Diversity" to appear in Proc. IEEE VTC 2005-Spring,
Stockholm, Sweden, May 2005.
조기덕, 이정근, 권태경, 최양희, 신재욱, 박애순, "DCMA: MIMO 애
드혹 통신망을 위한 분산 비동기 MCA 프로토콜," 통신학회 추계종
합학술대회, 대전, November, 2004. PDF
이호진, 이정근, 최낙중, 권태경, 최양희, 신재욱, 박애순, "멀티 홉
무선망에서 데이터와 보이스 혼재시 급격한 성능 하락," 통신학회
추계종합학술대회, 대전, November, 2004.
이정근, 권태경, 최양희, 신재욱, 박애순, "Performance
Improvement Using Receiver Node Selection in Receiver
Cooperative Downlink Systems," 통신학회 추계종합학술대회, 대전,
November, 2004. PDF
39
MMLAB
2005 MMLAB Research Agenda

Sensor Tracking & Localization





Non-cooperative enemy target tracking
Energy-efficient localization & reporting
Energy-efficient sensor deployment
Test-bed system using Berkeley MOTE
Cross-layer approach to MANET
 Improve spatial reuse factor in layer 2 and 3

P2P Overlay network
 Mobility management
 New Architecture
40
MMLAB