Relay Communication Scheme for Conflict Avoidance in Wireless USB System

In this paper, firstly, performance degradation due to the Private Distributed Reservation Protocol (DRP) conflict problem caused by devices' mobility is analyzed. And a novel relay transmission protocol combined with Private DRP conflict resolution is proposed to overcome the performance degradation at Private DRP conflicts. In order to give the loser device due to Private DRP conflicts another chance to maintain resources, the proposed relay transmission protocol executed at each device helps the loser device reserve another indirect link maintaining the required resources via a relay node. ※ 본 연구는 2013년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No. 2009-0093828)과 미래창조과학 부 및 정보통신산업진흥원의 IT융합 고급인력과정 지원사업(NIPA-2014-H0401-14-1009) 및 2013년도 정부(미래창조과학부)의 재원 으로 한국연구재단(No.2011-0029321)의 지원을 받아 수행된 연구임의 연구결과임. First Author : Mokpo National University Institute Research of Information Science and Engineering, jjin300@gmail.com, 정회원 ° Corresponding Author : Mokpo National University Department of Information & Electronics Engineering, srlee@mokpo.ac.kr, 정회원 * Mokpo National University Dept. of Information and Communication Engineering, khkim@mokpo.ac.kr, 정회원 논문번호:KICS2014-05-170, Received May 2, 2014; Revised August 12, 2014; Accepted August 12, 2014 I. 서 론 UWB (Ultra Wide-Band) 전송 기술은 초고속 근 거리 무선 네트워크 (High-Rate Wireless Personal Area Network : HR-WPAN)를 실현시킬 수 있는 기 술로서, 초고속 WPAN을 구성하는 UWB 디바이스들 논문 / 무선 USB 통신 시스템에서 충돌 회피를 위한 릴레이 통신 기법 697 은 10m 거리 내에 있는 이웃디바이스들과 최대 480Mbps 속도로 통신이 가능하다. 최근 몇 년간, 무선 홈 네트워크 환경에서의 고품질 멀티미디어 서 비스에 대한 요구가 점차 증대되고 있다. 와이미디어 연합은 170개 이상의 회사들이 모여 UWB 기반의 물 리 계층과 MAC계층에 대한 표준을 발표하였다 . 최 근에, 와이미디어 연합은 무선 USB(Universal Serial Bus), 무선 1394, 무선 IP, 블루투스와 같은 다양한 어 플리케이션의 적용을 가능하게 하는 와이미디어 D-MAC(Distributed-MAC)의 표준을 발표하였다. 와이 미디어 D-MAC은 분산적 매체 접근 방식을 지원한다. 무선 USB는 유선 USB의 성공을 기반으로 하여 UWB 기술을 USB기술과 결합시켜서, 유선 USB와 같은 PAN 뿐만 아니라, WPAN 어플리케이션에도 적 용이 가능하도록 하였다. 무선 USB 프로토콜은 기존 의 USB 2.0과의 호환을 위해 호스트와 디바이스들 사이의 고속의 통신 링크를 정의하였기 때문에, 유선 USB 어플리케이션에도 쉽게 적용할 수 있다. 이러한 무선 USB의 호환성은 기존의 PC, 노트북, 스마트폰, 태블릿등 다양한 시스템에 손쉽게 적용이 가능하다. 이러한 높은 호환성을 바탕으로 여객선과 같은 선박에서 사용자가 소지하고 있는 기존의 시스 템에 선박의 운항정보와 같은 정보를 무선으로 전송 하여 제공하는 것이 가능하다. 또한, 멀티미디어 스트 리밍 서비스를 승객들에게 제공하는 것도 가능할 것 이다. 무선 USB는 ‘hub and spoke’ 모델을 이용하여 무 선 USB 호스트와 디바이스들을 연결한다 . 무선 USB 호스트는 중앙에서 ‘hub’의 역할을 하며, 각각의 무선 USB 디바이스는 ‘spoke’의 종단에 위치한다. 각 각의 spoke는 호스트와 디바이스사이의 점대점 연결 을 의미한다. 이와 같이, 하나의 호스트와 여러 개의 디바이스에 의해 형성된 네트워크를 무선 USB 클러 스터라고 부른다. 모든 무선 USB 클러스터에는 단 하나의 호스트만 이 존재하며, 무선 USB 호스트는 무선 USB 클러스 터내에 있는 무선 USB 디바이스들과 데이터를 주고 받는다. 또한, 자신의 클러스터 내에 존재하는 무선 USB 디바이스들에게 타임 슬롯을 할당하며, 무선 USB 디바이스들과의 데이터 교환을 스케쥴링한다. 무선의 특성 때문에, 무선 USB 프로토콜은 장치들 의 이동성을 고려해야한다. 그러나, 현재 무선 USB 프로토콜은 무선 USB 장치들의 이동성을 지원하지 않 는다. 따라서, 무선 USB 장치들로 구성되는 홈 네트워 크 환경에서, Private DRP(Distributed Reservation Protocol) 충돌이 빈번하게 발생할 수 있다. 이러한 Private DRP 충돌이 발생하게 되면, 충돌을 겪는 모 든 DRP 예약 구간들 중 단지 하나의 DRP 예약 구간 만이 예약된 DRP 구간을 유지하고, 나머지 DRP 예 약들은 DRP 예약이 종료되어, DRP 예약 협상을 다 시 시작해야 한다. 따라서, 현재 무선 USB 표준 기술 은 이동 디바이스 환경에서 이러한 3홉 범위의 빈번 한 Private DRP 예약 충돌로 인해 채널 타임슬롯들을 낭비할 수 있고, 추가적인 송수신 전력을 Private DRP 예약 재협상 과정에서 소모할 수 있다. 이는 DRP 전 송 시의 QoS 성능을 악화시킨다. 특히, 사람의 이동이 빈번한 여객선과 같은 환경에서 다수의 승객들이 멀 티미디어 데이터 서비스를 이용할 경우, 이러한 데이 터 충돌로 인한 QoS 성능 저하는 사용자에게 심각한 불편을 초래할 수 있다. 또한, 선박내의 다양한 모니 터링 데이터들이 충돌로 인해 손실된다면, 심각한 결 과를 초래할 수 있다. 그러나, 현재 무선 USB 표준 기 술에서는 이러한 3홉 범위의 충돌을 방지하기 위한 기술이 정의되어 있지 않다. 본 논문에서는 무선 USB 프로토콜에서, 디바이스 들의 이동성으로 인해 발생하는 Private DRP 예약 충 돌 현상을 분석한다. 그리고 Private DRP 예약 충돌 시 발생하는 성능 저하를 감소시키기 위해 Private DRP Conflict Resolution 방식과 Private DRP 릴레이 통신 기술을 제안한다. 본 논문에서 제안하는 Private DRP 릴레이 통신 프로토콜은 충돌대상 디바이스에게 예약된 자원을 유지할 수 있도록 Direct Link 뿐만 아 니라, Private DRP 예약 충돌 시 릴레이 노드를 경유 하여 또 다른 Indirect Link 링크를 빠르게 예약할 수 있는 분산적인 자원 예약 프로토콜을 제안한다. II. 무선 USB 표준 기술의 문제점 2.1 무선 USB 표준의 자원 예약 기법 무선 USB는 WiMedia MAC과 PHY 기술을 사용 한다. WiMedia MAC은 QoS를 지원하기 위해 TDMA 기반의 DRP 기법을 제공하며, MAC 계층 자 원을 이용하기 위한 다양한 기술을 포함하고 있다 . 무선 USB 표준은 WiMedia 표준에서 제공하는 ‘Private DRP’ 예약 블록들을 통해 WiMedia MAC 수퍼 프레임 내에서 캡슐화되는 WUSB 채널을 정의한다. 무 선 USB 채널은 MMC (Micro-scheduled Management Commands)라고 불리는 제어 패킷들에 의해 스케쥴 링된다. MMC 패킷들은 ‘Private DRP’ 예약 블록에 서 무선 USB 호스트에 의해 전송된다. MMC는 The Journal of Korea Information and Communications Society '14-08 Vol.39C No.08 698 그림 1. WiMedia D-MAC을 통한 WUSB 디바이스들간의 데이터 교환 사례 Fig. 1. The example of data exchange between wireless USB devices through WiMedia MAC WUSB 프로토콜을 구성하는 가장 중요한 기본 요소 로서, 무선 USB 디바이스들이 무선 USB 클러스터에 대한 정보를 검색하고, 자신의 정보를 전달한다. 또한, 전력을 제어하고 높은 수율을 얻기 위한 효율적인 데 이터 전송이 가능하도록 스케쥴링하는 역할을 한다. 그림 1은 WiMedia MAC과 무선 USB 표준간의 관계 를 나타낸다. 무선 USB 호스트는 WiMedia MAC 프 로토콜을 구현하여 WiMedia 디바이스들과 자원을 공 유할 수 있다 . 따라서, 무선 USB 호스트는 WiMedia MAC에서 ‘Private DRP’ 기법을 이용하여 필요한 자원을 연속적으로 예약하여 무선 USB 채널 들을 설정하고 유지한다. 무선 USB디바이스는 전체 WiMedia MAC 프로토콜을 구현할 수 있다. 그러나, 보통은 무선 USB 프로토콜이 WiMedia MAC 슈퍼프 레임 내에서 동작하기 위해 필요한 기능만을 구현하 도록 요구되고 있다. 무선 USB 호스트는 반드시 자신의 비컨 프레임 내 에 DRP IE를 포함시킴으로써, 다른 WiMedia 디바이 스들이 예약한 자원에 접근하지 못하도록 하여, 자신 이 설정한 무선 USB 채널을 보호한다. 무선 USB 호 스트가 활성화되면, 무선 USB 채널을 설정하기 위해 필요한 무선 자원을 선택한다. 호스트는 선택한 무선 자원을 Private DRP 예약 정보에 포함시킨다. 생성한 Private DRP 예약정보를 비컨에 포함시켜 전송하면, 주변의 무선 USB 디바이스들과 WiMedia 디바이스 들은 무선 USB 호스트가 설정한 무선 USB 채널을 인식할 수 있다. 수신한 비컨 프레임을 바탕으로 무선 USB 호스트와 디바이스들은 필요한 자원을 Private DRP 기법을 이용하여 예약할 수 있다. 따라서, 무선 USB 디바이스는 어떤 MAS (Medium Access Slots) 들이 무선 USB 호스트와 통신 시에 예약 가능한 가 를 결정할 수 있어야 한다. 무선 USB 클러스터에는 다양한 WiMedia 디바이스들이 존재하기 때문에, 무 선 USB 디바이스는 다음과 같은 값들을 읽음으로써, 무선 USB 호스트의 DRP IE임을 확인하게 된다: ⦁Reservation Type 필드값 : Private ⦁Stream Index 필드값 : 설정한 무선 USB Channel 의 stream index. ⦁Owner DevAddr 필드값: 설정한 무선 USB Channel의 Broadcast Cluster ID 그림 2는 현재 무선 USB 프로토콜에서의 DRP 예 약 동작 절차를 나타낸다. 무선 USB 호스트는 특정 무선 USB 디바이스의 예약 가능한 자원 정보를 얻기 위해 GetStatus(MAS Availability) request를 전송한 다. GetStatus(MAS Availability) request를 무선 USB 호스트로부터 수신한 무선 USB 디바이스는 예약 가 능한 MAS 들에 대한 정보를 자신의 이웃 디바이스들 의 비컨들을 수신하여 그 정보를 수집하게 된다. 무 선 USB 디바이스는 GetStatus(MAS Availability) request의 bmMASAvailability (MAS Availability) 필드에 예약가능한 MAS에 관한 정보를 입력하여 무 선 USB 호스트에게 응답한다. 그림 3은 GetStatus(MAS Availability) request의 포맷을 나타낸다. bmMASAvailability (MAS Availability) 필드는 256 비트 길이를 갖는다. bmMASAvailability (MAS Availability) 필드의 각 비트는 WiMedia D-MAC 계층의 수퍼프레임을 구성 하는 각각의 MAS 슬롯에 해당하여 그 비트가 ‘1’의 논문 / 무선 USB 통신 시스템에서 충돌 회피를 위한 릴레이 통신 기법 699 그림 2. 무선 USB 프로토콜의 Private DRP 예약 프로세스 Fig. 2. Private DRP reservation process of wireless USB protocol 그림 3. GetStatus(MAS Availability) request의 포맷 Fig. 3. The format of GetStatus(MAS Availability) request 그림 4. SetWUSBData(DRP Info) request의 포맷 Fig. 4. The format of SetWUSBData(DRP Info) request 값을 갖는 것은 그 디바이스가 해당 MAS 슬롯에서 예약이 가능함을 나타내고, ‘0’의 값은 해당 MAS슬 롯이 새로이 예약될 수 없음을 나타낸다. 무선 USB 호스트가 무선 USB 디바이스의 응답을 수신하게 되 면, 해당 디바이스와 통신 가능한 유효한 MAS들을 선택하게 되고, 그 후 무선 USB 호스트는, SetWUSBData(DRP Info) request를 전송한다. SetWUSBData(DRP Info) request는 해당 무선 USB 디바이스가 자신의 비컨에 담아 전송하게 되는 DRP IE를 구성하기 위해 사용된다. 그림 4는 SetWUSBData(DRP Info) request의 포 맷을 나타낸다. BmAttributes 필드 값들은 WiMedia MAC의 DRP IE를 구성하기 위해 사용된다. DRP 예 약 요청이 발생한 경우, Conflict Tie-breaker 비트는 0 또는 1의 값으로 랜덤하게 설정하며, DRP 충돌 해 결 시에 사용된다. DRP IE Data 필드는 디바이스가 전송하는 DRP IE에 반드시 포함 되어야 하는 DRP 예약 블록들을 나타낸다. 무선 USB 호스트가 SetFeature(TX DRP IE) request를 무선 USB 디바이 스에게 전송하면, 무선 USB 디바이스는 DRP IE 정 보필드 값들을 포함하는 비컨을 전송하기 시작한다. 그림 5는 SetFeature(TX DRP IE) request의 포맷을 나타낸다. DRP 예약을 종료하기 위해, 무선 USB 호 스트는 ClearFeature(TX DRP IE) request를 전송하 여 무선 USB 디바이스가 자신의 비컨 내에서 해당 DRP IE를 전송하는 것을 중단하도록 한다, The Journal of Korea Information and Communications Society '14-08 Vol.39C No.08 700 그림 6. 2홉 범위의 DRP 예약 충돌에 대한 현재 해결 방식에 대한 예제 Fig. 6. Example for the current resolution of 2-hop range DRP reservation conflicts bmRequest Type (=00000000B) bRequest (=SET_FEATURE) wValue (=WUSB_DEVICE) wIndex (=TX DRP IE) 2 octets 1 octet 2 octets 1 octet wLength (=0)