Ⅰ서 론

시스코(Cisco)의 “2013-2018 시스코 비주얼 네트 워킹 인덱스 글로벌 모바일 데이터 트래픽 전망보 고서 (Cisco Visual Networking Index Global Mobile Data Traffic Forecast for 2013 to 2018)”에 의하면 전 세계 모바일 데이터 트래픽이 4년간 약 11배 증가 해 2018년에는 연평균 190 엑사바이트(1 엑사바이 트 = 100경 바이트)에 달할 것이라고 밝혔다. 또 대 한민국의 2018년 모바일 데이터 트래픽 총량은 7 엑사바이트를 기록하며 전 세계 수준과 같이 11배 성장할 것으로 내다 봤다. 모바일 트래픽은 주로 셀 룰러 네트워크(cellular network, 3G, LTE, LTE-A 등) 와 Wi-Fi 네트워크를 통하여 발생된다. 그 중 비면 허대역을 사용하는 Wi-Fi 네트워크은 무선 통신 사 업자가 데이터 오프로딩(offload) 등의 목적으로 설 치된 Wi-Fi AP(Access Point)에 의해 구축된 것도 있 지만, 일반 사용자들이 댁내 또는 사무실내에서 설 치한 Wi-Fi AP에 의해 구축된 것도 있다.

사용자들은 Wi-Fi 모뎀이 내장된 스마트폰, 스마 트패드 또는 랩탑컴퓨터 등을 이용하여 무선 인터 넷 서비스를 이용한다. 이런 종류의 단말은 배터리 로 동작하는 시스템이기 때문에 오랜 사용 시간을 확보하기 위해서는 단말의 전력 소모를 최소화할 필요가 있다.

Wi-Fi 네트워크 사용자가 늘어남에 따라 Wi-Fi 단말(STA: Station)의 전력 소모를 Wi-Fi 시스템 관 점에서 줄이기 위한 여러 연구들이 진행되었다. Wi-Fi AP가 전송하는 비콘 프레임의 전송주기를 적 응적으로 바꾸어 전력절약방식(PSM: Power Saving Mode)으로 동작하는 Wi-Fi STA가 전력을 보다 더 절약할 수 있도록 하는 방법에 관한 연구[1], Wi-Fi 단말이 백오프(backoff)를 하는 동안에 일정시간동 안 무선채널이 사용되지 않는 경우에는 다음 백오 프 시간을 보다 짧게 설정하여 데이터 처리량을 증 가시키고, 시간지연을 감소시킴으로써 성능을 향상 시키는 방법에 관한 연구[2], 분산 조정 기능(DCF: Distributed Coordination Function)을 기반으로 하는 Wi-Fi 시스템에서 연속적으로 패킷 전송이 성공하 는 경우에는 경쟁 윈도우(contention window)의 크기 를 조절하여 시스템 성능을 향상시키는 방법에 관 한 연구[3] 등이 있었다. 또한 Wi-Fi AP 부분 가상 비트 지도(partial virtual bit map)을 사용하여 하나의 비콘 구간(beacon interval)동안 수신할 수 있는 Wi-Fi STA만을 깨워 패킷을 전송하여. PSM으로 동 작하고 다른 Wi-Fi STA의 전력소모를 줄이는 방법 [4]에 대한 연구가 수행되었다.

앞의 연구는 데이터 전송 권한을 가진 Wi-Fi STA가 데이터 전송을 완료할 때까지 활성화방식 (active mode)으로 동작한다. 그러나 전송 권한을 획 득한 Wi-Fi STA의 무선채널 상태가 악화되어 데이 터 수신이 실패하고, 이로 인해 재전송 요청이 반복 되는 경우에는 전력 소모 증가와 더불어 시스템 성 능 저하의 문제가 발생한다. 그래서, 본 저자의 논 문 [6]에서 PSM으로 동작하고 있는 Wi-Fi STA가 데이터를 수신하기 위하여 전송 권한을 획득한 경 우라도 Wi-Fi STA의 무선채널 상태가 좋지 않을 때 전송 실패 패킷수가 기준값 이상되는 경우에는 해 당 Wi-Fi STA를 다시 PSM으로 동작하게 하여 무선 채널 상태가 좋은 다른 Wi-Fi STA에게 무선 채널을 양보하게 하는 방법을 제안하였으나 이 방법에는 공정성 문제가 존재하였다.

본 논문은 다음과 같이 구성되어 있다. 2절에서 Wi-Fi 시스템의 PSM 동작과 그 문제점을 설명한다. 3절에서 공정성을 고려하여 이를 해결하기 위한 수 정된 전력절감방식을 제안한다. 4절에서 수정된 전 력절감방식의 성능을 평가한다. 마지막으로 5절에 서 정리하고 결론을 맺는다.

ⅡPSM의 동작 및 문제점

Wi-Fi STA는 전송 데이터가 없는 경우에 전력소 모를 줄이기 위하여 PSM으로 동작한다.[5] PSM은 데이터 수신이 가능한 각성상태(awake state)와 데이 터 수신이 불가능한 수면상태(sleep state)로 구분된 다. PSM으로 동작하는 Wi-Fi STA는 대부분의 시간 을 수면상태로 동작하여 전력소모를 줄인다. 또한 주기적으로 전송되는 비콘(beacon)프레임을 수신하 기 위하여 일정 시간동안 각성상태로 동작한다. 연 이은 각성상태간의 시간인 청취 간격(LI: Listen Interval)은 Wi-Fi STA마다 다를 수 있지만, 비콘 간 격(BI: Beacon Interval)의 배수이다.

<그림 1>은 Wi-Fi 시스템 MAC 프레임 형식 중 프레임 제어 필드의 형식을 나타낸다. Wi-Fi 단말은 PSM으로 동작하기 위하여 PwrMgt (Power Management) 필드를 사용한다. ‘0’은 Wi-Fi STA가 활성 상태로, ‘1’은 PSM으로 동작함을 Wi-Fi AP에 게 알린다. Wi-Fi STA는 PwrMgt 필드를 ‘1’로 설정 하여 Wi-Fi AP에게 전송하고 긍정응답(ACK) 프레 임을 수신한 후에 PSM으로 동작한다.

<그림 2>는 Wi-Fi STA_A가 PwrMgt 필드를 ‘1’로 설정하여 Wi-Fi AP에게 전송한 후 Wi-Fi AP로부터 긍정응답 프레임을 수신한 후에 PSM으로 동작함을 예시한 것이다.

PSM으로 동작하는 Wi-Fi STA는 수면상태에서는 데이터를 수신하지 않는다. 그래서, Wi-Fi AP에 도 착한 데이터를 Wi-Fi AP가 송신하지 못하고 버퍼에 저장해 놓는다. 그리고 Wi-Fi AP는 비콘 프레임의 트래픽 표시 지도(TIM: Traffic Indication Map)에 Wi-Fi STA가 수신해야 하는 데이터가 버퍼에 저장 되어 있음을 표시해 놓는다. 각성상태에서 비콘 프 레임을 수신한 Wi-Fi STA는 TIM 정보를 해독한다.

만약 수신해야 할 데이터가 Wi-Fi AP에 있는 경우 에는 PS(Power Saving)-Poll 프레임을 Wi-Fi AP에게 전송하여 버퍼에 저장되어 있는 데이터를 수신할 준비가 되었음을 알린다. 그러면, Wi-Fi AP는 버퍼 에 저장되어 있던 데이터를 해당 Wi-Fi STA에게 전 송한다. 만약 TIM 정보로부터 Wi-Fi AP의 버퍼에 수신해야 하는 데이터가 없다고 판단하는 경우에는 Wi-Fi STA는 다시 수면상태로 전환된다.

<그림 3>은 Wi-Fi STA의 청취 간격이 다른 값을 가질지라도 다수의 Wi-Fi STA가 동일한 비콘 구간 에서 데이터를 수신하기 위하여 동시에 각성상태로 동작하는 경우에 발생할 수 있는 문제점을 나타낸 다. 다수의 Wi-Fi STA가 우연히 모두 각성상태로 동작하여 Wi-Fi AP내의 버퍼에 저장된 데이터를 수 신하기 위해서는 경쟁을 거쳐 PS-Poll 프레임을 전 송할 수 있는 무선채널을 획득해야 한다. Wi-Fi STA간 무선채널 획득을 위한 경쟁에 있어서 채널 상태를 고려하지 않기 때문에, 상대적으로 채널상 태가 나쁜 Wi-Fi STA(STA_A로 가정)가 무선채널을 획득할 수 있다. 이러한 경우에 나쁜 무선채널 상태 로 인하여 데이터 수신에 실패하여 Wi-Fi AP는 재 전송을 하게 되어 무선채널을 계속해서 점유하는 상황이 발생할 수 있다. 이때, 동일한 비콘 구간에 서 데이터를 수신하기 위하여 각성상태로 동작하고 있는 다른 Wi-Fi STA(STA_B, STA_C)들은 무선채널을 획득하지 못하여 PS-Poll 프레임을 전송하지 못하고 각성상태로 동작하게 된다. 이로 인하여 불필요한 전력을 소비하게 되는 문제점이 발생하고, 데이터 처리량과 시간지연 성능이 저하되는 문제점도 발생 한다.

이러한 문제를 해결하기 위하여 본 저자의 논문 [6]에서 경쟁을 통해 무선채널을 획득한 Wi-Fi STA 의 무선채널 상태가 좋지 않다는 것은 패킷을 전송 하더라도 실패할 가능성이 높다는 것을 의미한다는 것에 착안하였다. 경쟁을 통해 무선채널을 획득한 Wi-Fi STA의 전송 실패 패킷수가 기준값 이상되는 경우에는 해당 Wi-Fi STA이 획득한 무선채널을 무 선 채널 상태가 좋을 수 있는 다른 Wi-Fi STA에게 강제적으로 양보하도록 해당 Wi-Fi STA를 다시 PSM으로 동작하게 하는 방법을 제안하였었다.

Ⅲ공정성 고려한 수정 전력 절감 방식

기 제안된 방법[6]은 ARQ 또는 HARQ에 의해 여 러 번의 재전송 과정을 통해 최종적으로 전송 성공 으로 판정나는 패킷과 재전송 과정을 별로 거치지 않고 단번에 전송 성공한 패킷의 구별이 없다. 즉, 여러 번의 재전송과정을 거쳐 패킷을 수신하는 Wi-Fi STA와 재전송과정 별로 없이 단번에 전송 성 공하는 Wi-Fi STA간의 공정성 문제가 존재하였다.

그림 4는 Wi-Fi STA간의 기회 균등 차원에서 공 정성을 고려하여 전송 실패 패킷수를 기준으로 기 획득한 무선채널의 강제 양보 여부를 결정하는 대 신에 패킷 전송 시도 횟수를 기준으로 기획득한 무 선채널의 강제 양보 여부를 결정하는 방법의 순서 도이다. Wi-Fi AP가 각성상태로 동작하는 Wi-Fi STA로 데이터를 전송하는 경우에, 패킷 전송의 성 공여부에 상관없이 미리 설정된 패킷 전송 시도 횟 수만큼 데이터를 전송한 후에, 해당 Wi-Fi STA로의 데이터 전송을 중지하여 다른 Wi-Fi STA들이 데이 터를 수신할 수 있는 기회를 얻게 하는 방법이다.

그림 5는 패킷 전송 시도 횟수를 제한하는 방법 의 예를 나타내는 그림으로, 패킷 전송 시도 횟수는 N회로 가정하였다. Wi-Fi AP는 각성상태로 동작하 는 Wi-Fi STA 간 경쟁을 통하여 PS-Poll 프레임을 보내 승인된 순서대로 데이터를 전송한다. Wi-Fi AP가 무선채널을 먼저 획득한 Wi-Fi STA_A로 데이 터를 전송하는 동안, 전송 성공여부에 상관없이 M 번의 패킷 전송을 시도한 후에, 다른 Wi-Fi STA_C에 게 데이터를 전송한다. Wi-Fi TAC에게 M번의 패킷 전송 시도를 한 후에, Wi-Fi STA_B에게도 M번의 패 킷 전송을 시도한다. 각 Wi-Fi STA는 패킷 전송 시 도 횟수를 누계하여 M번에 이르게 되면 다시 PSM 으로 동작한다.

Ⅳ모의 실험 결과

<표 1>과 <표 2>는 패킷 전송 시도 횟수 제한 방 법의 성능을 검증하기 위한 시뮬레이션 환경과 조 건이다.

<표 1>은 제안한 패킷 전송 시도 횟수 제한 방법 의 성능을 검증하기 위한 모의 실험 환경이다. 1회 의 모의 실험은 1000개의 비콘구간동안 수행되며, 1000회 반복하여 성능평가를 하였다.

<표 2>는 모의 실험 조건이다. 모의 실험에서는 두 대의 Wi-Fi STA가 PSM으로 동작하고 있다고 가 정한다. 두 대의 Wi-Fi STA는 각각 상태가 나쁜 무 선 채널(E_b/N_O = 0 dB)과 양호한 채널 상태(E_b/N_O = 6 dB)에 있다. Wi-Fi AP가 전송하는 비콘 프레임은 200ms 마다 전송된다. 최대 패킷 전송 시도 횟수 M 은 20, 30, 40, 50으로 설정하였다.

<그림 6>은 패킷 전송 시도 횟수 제한 방법에 따른 각 조건별 Wi-Fi STA 수신기에서 ARQ 또는 HARQ가 이용될 경우의 두 Wi-Fi STA의 데이터 전송량의 합계 인 총 데이터 처리량 결과를 그린 것이다.

패킷 도착률(λ)이 상대적으로 낮은 200이하인 구 간에서는 ARQ 및 HARQ 사용한 경우 모두 제안한 방법과 종래의 방법의 데이터 처리량이 큰 차이가 없다. 그러나, 패킷 도착률이 상대적으로 높은 200 이상의 구간에서는 ARQ 및 HARQ 사용한 경우 모 두 제안한 방법의 데이터 처리량이 종래의 방법보 다 크다는 것을 알 수 있고, HARQ를 사용한 경우가 ARQ를 사용한 경우보다 약 10%정도 총 데이터 처 리량이 크다. 또한 이 구간에서 최대 패킷 전송 시 도 횟수(M)를 적게 할수록 총 데이터 전송량은 더 많아진다. 이는 Wi-Fi AP가 상대적으로 무선채널 상 황이 좋지 않은 Wi-Fi STA로의 패킷 전송 시도 횟 수를 빨리 제한하여 무선채널 상황이 좋은 Wi-Fi STA로의 패킷 전송 시도가 빨리 전환될 수 있게 했 기 때문에 총 데이터 전송량이 커지게 된 것이다.

<그림 7>은 패킷 전송 시도 횟수 제한 방법에 따 른 각 조건별 Wi-Fi STA 수신기에서 ARQ 또는 HARQ가 이용될 경우의 두 Wi-Fi STA에 수신성공 된 패킷의 평균 시간지연 결과를 그린 것이다.

Wi-Fi STA에서 ARQ를 사용하여 패킷을 수신할 경우에는 최대 패킷 전송 시도 횟수(M)를 적게 할 수록 상대적으로 패킷의 시간지연이 적다. 그러나, HARQ를 사용하여 패킷을 수신할 경우에는 최대 패킷 전송 시도 횟수(M)에 상관없이 비슷한 추세를 보이고 있고, ARQ를 사용하는 경우에 비해 약 15% 정도의 평균 시간지연 감소가 있다.

수신 성공된 패킷의 평균 시간 지연은 Wi-Fi AP 에 도착한 시각부터 고려하는 것이 아니라 최초 전 송 시작 시각부터 수신 성공할 때까지의 시간을 측 정한 것이기 때문에 패킷 도착률이 증가함에도 포 화되는 양상을 보이는 것이다. 만약 패킷이 Wi-Fi AP에 도착한 시각부터 시간지연을 측정하면 패킷 도착률이 증가함에 따라 Wi-Fi AP내의 버퍼 크기가 무한대라고 가정하면 급격히 증가할 것이다.

Ⅴ결 론

본 논문에서는 PSM으로 동작하고 있는 다수의 Wi-Fi STA가 데이터를 수신하기 위하여 동일한 비 콘 구간에서 각성상태로 동작하는 경우에, 상대적 으로 무선채널 상황이 좋지 않은 Wi-Fi STA가 무선 채널을 선획득함으로 인해 생길 수 있는 데이터 처 리량 감소 및 시간 지연 증가 문제를 공정성을 고 려하여 해결하기 위하여 패킷 전송 시도 횟수를 제 한하는 방법을 제안하였다. 제안한 방법의 성능 검 증하기 위하여 여러 조건하에서 모의실험을 수행하 였다.

총 데이터 처리량은 패킷도착률이 200이상인 구 간에서 ARQ 및 HARQ를 사용하는 경우 모두에서 종래의 방법보다 커짐을 알 수 있었고, 또한 패킷 전송 시도 횟수를 적게 제한할수록 더 커짐도 알 수 있었다.

패킷의 전송 지연시간은 HARQ를 사용하는 경우 에는 종래의 방법과 별로 차이가 없고, 최대 패킷 전송 시도 횟수의 변화에도 별로 차이가 없다. ARQ를 사용하는 경우에는 특정 구간에서 종래의 방법보다 시간 지연이 소폭 증가하고, 최대 패킷 전 송 시도 횟수를 크게 할 경우에도 소폭 증가함을 알 수 있었다.

제안한 패킷 전송 시도 횟수 제한 방법과 HARQ 를 사용할 경우 전송 시간지연의 변화없이 총 데이 터 처리량을 증가를 얻을 수 있고, 데이터를 수신하 지 않는 Wi-Fi STA는 다시 PSM으로 동작하게 하여 불필요한 전력소모를 줄일 수 있다.