Mobile Ad hoc Network에서 안정된 멀티미디어 데이터 전송을 위한 클러스터 기반 라우팅 프로토콜 설계

Abstract

Mobile ad hoc network는 기지국과 같은 중앙 집중식 통제 없이 이동 노드들로만 구성된 무선 네트워크로서, 노드들 서로가 multi-hop 경로를 통해 통신을 한다. 따라서 이동 노드들의 이동성으로 인하여 네트워크의 위상(topology)이 수시로 변화하기 때문에 네트워크의 안정성(stability)을 유지하기 힘들다. 그리고 노드들의 이동성 때문에 데이터 전송을 위한 경로의 설정 및 유지가 힘들다는 단점을 가지고 있다. Mobile ad hoc network는 무선 환경의 낮은 대역폭(bandwidth)과 높은 전송 오류, 경로의 불안정성 등의 이유로 거리-벡터(distance-vector)나 link-state 라우팅 프로토콜(routing protocol)과 같은 유선망에서 사용되는 라우팅 프로토콜을 직접 사용할 수 없다. 본 논문에서는 동적 무선 환경과 무선망의 제한된 대역폭을 고려한 효과적인 적응형 클러스터 라우팅 알고리즘(adaptive cluster routing algorithm)을 제시하였다. 적응형 클러스터 라우팅 알고리즘은 ad hoc network를 구성하는 전체 노드들 중에 자신과 한 홉(1-hop) 떨어져 있는 노드들을 클러스터로 형태로 생성한다. 이렇게 형성된 노드들 중에 연결성(connectivity)이 가장 높은 노드를 클러스터 리더(cluster leader)로 선출하는 알고리즘을 사용하였다. 연결성이란 임의의 한 노드의 전송 범위 안에 있는 한 홉 떨어져 있는 노드의 개수를 의미한다. 연결성이 가장 좋은 노드를 클러스터 리더로 선출하는 이유는 클러스터 리더가 클러스터 내의 모든 노드들에 대한 동기화 라우팅 메시지 전달, 데이터 전송 등을 관리하기 때문이다. 이렇게 클러스터 리더를 선출하여 클러스터 내의 모든 노드를 책임지게 함으로써 네트워크의 안정성을 높일 수가 있고, 데이터 전송을 위한 소스 노드나 목적지 노드의 경로의 강건함을 증가시켰다. 그리고 패킷의 플러딩(flooding) 기법이 ad hoc network의 성능을 결정짓는 중요한 요소가 된다. 패킷의 플러딩은 라우팅 프로토콜, 서비스 탐색 프로토콜, 주소 자동 프로토콜에 사용되기 때문이다. 이웃 노드들간의 자원 경쟁 및 패킷 충동 현상이 발생하여 네트워크 성능에 심각한 영향을 줄 수 있는 브로드캐스트 스톰(broadcast storm)을 줄이기 위해서 모든 노드가 플러딩을 수행하는 것이 아니고 단지 클러스터 리더의 플러딩만을 인정하는 제한된 브로드캐스트 메커니즘을 제시하였다. 본 논문의 실험에서는 제안한 적응형 클러스터 라우팅 프로토콜의 성능을 분석하기 위해서 클러스터간의 연결 수준과 클러스터들의 안정성을 결정하기 위하여 성능 특징을 분석하였다. 그리고 기존의 라우팅 프로토콜과 제안한 적응형 클러스터 라우팅 프로토콜과 패킷 전송량, 패킷의 지연 시간, 경로 수정의 수 등으로 비교하였다. 그리고 제안한 클러스터 라우팅 프로토콜에서 제한된 브로드캐스트 매커니즘을 적용 했을 때와 그렇지 않았을 때도 비교 실험하였다. 본 논문의 실험 결과로 기존의 알고리즘에 비해 소스 노드와 목적지 노드간의 홉 수는 많지만 노드들의 이동 속도가 증가하여도 패킷 지연 시간이나 패킷 전송량 등에서 좋은 성능을 보여주고 있다. 즉, 기존의 알고리즘에 비해 경로의 설정 및 유지에 있어서 안정성을 보이고 있으며, 네트워크 전역의 제어 패킷의 양도 훨씬 줄일 수 있게 되었다.|Mobile ad hoc network as mobile network composed mobile nodes without central concentration control like base station communicate through multi-hop route among nodes. Accordingly, it is hard to maintain stability of network because topology of network change at any time owing to movement of mobile nodes. And, it has disadvantage that creation and maintenance of route for data transmission is hard owing to movement of nodes. Mobile ad hoc network cannot use directly routing protocol used in wire network like distance-vector or routing protocol because of low bandwidth and high transmission error of mobile environment, instability of route. In this thesis, we presented cluster based routing protocol using mechanism only cluster leader performs flooding considering dynamic mobile environment and limited bandwidth of mobile network. Cluster based routing algorithm create nodes apart from itself as 1-hop in whole nodes composing ad hoc network to cluster form. Algorithm which elect node that has the highest connectivity in composed nodes like this cluster leader is used. Connectivity means the number of node at intervals of 1-hop in transmission range of any node. The reason node which has the best connectivity is elected to cluster leader is that cluster leader manage synchronization routing massage transmission and data transmission about whole nodes in cluster. Stability of network is improved and robustness of route of source node or goal node for data transmission is increased by electing cluster leader and taking the responsibility for every nodes in cluster like this. And, flooding technique of packet become important key which decide capacity of ad hoc network as it use to routing protocol, service search protocol, and address automatic protocol. We presented mechanism which recognize flooding of only cluster leader not every node to decrease broadcast storm which have an deep effect on network capacity because resource competition and packet collision state among neighborhood nodes occur. In experience of this thesis, capacity characteristic was analyzed in order to decide connection level between clusters stability of clusters to analyze capacity of cluster based routing protocol. And, existing routing protocol and proposed cluster based routing protocol, packet transmission quantity, and etc were compared. The result of analyzing capacity and stability of proposed cluster based routing protocol, the number of cluster leader at size of network and different moving speed maintained average 21% of the number of whole node and the number of gateway node maintained average 40% of the number of whole node. What the number of gateway node present a lot means sturdiness of path establishment and maintenance between nodes. And the number of member node in cluster also maintained almost constant level regardless of size of network and moving speed. Above result is that stability of proposed cluster based routing protocol is proved. Proposed method showed mostly excellent capacity in comparison experience of routing protocol like existing AODV or DSR and proposed cluster based routing protocol in this thesis. Proposed method showed capacity improvement of average 23.5% compared with DSR and 13.5% compared with AODV when the number of node in packet transmission quantity are 50, 150, 250, and 400. As experience result of this thesis, proposed method has the large number of hop between source and destination node compared with existing algorithm, but it showed good capacity packet delay time or packet transmission quantity though moving speed of nodes increased. In other word, it had stability and decreased amount of control packet in every network at creation and maintenance of route compared with existing algorithm.