WWAN vs WLAN

3G 망의 속도 문제는 사용자의 수가 증가하면서 더욱 심각해졌다. 특히 사용자가 밀집된 지역에서 속도 저하는 매우 크다.

이를 해결하기 위한 여러 방법들이 연구되어 왔다. COMBINE¹은 그 대표적인 방법 중의 하나이다.

Example of COMBINE

COMBINE의 기본 접근 방법은 모바일 기기들이 갖고 있는 여러 네트워크 인터페이스를 함께 사용하는 것이다. 그림처럼 한 사용자가 WWAN을 통해 서버에게 데이터 요청을 할 때, WLAN을 통해서 주위의 다른 사용자들에게 협력을 요청한다. 협력 요청을 받은 사용자들은 같은 데이터를 함께 서버에게 요청하고, 서버는 요청받은 데이터를 WWAN을 통해서 사용자들에게 전송한다. 마지막으로 협력 요청을 받았던 사용자들이 WLAN을 통해 협력 요청자에게 서버로부터 받은 데이터를 전송한다.

물론 여기에는 서버로부터 효율적으로 데이터를 전송받기 위한 데이터 요청 분산 방법이나 모바일 사용자들의 이동 등을 고려한 데이터 교환 방법등이 고려되어 있다. 따라서 이 방법을 사용하면 여러 기기가 협동하여 하나의 데이터를 전송 받음으로써 통신 속도가 느린 WWAN의 단점을 보완할 수 있다.

하지만 여기에는 해결되어야만하는 다양한 문제가 존재한다.

가장 큰 문제점은 프라이버시 문제이다. WWAN을 통해 교환하는 데이터는 웹페이지 같은 public 데이터도 있지만, 이메일과 같은 사적인 데이터도 많다. 이런 데이터는 암호화나 데이터 분산 정책 등을 통하여 프라이버시 문제를 해결해야 할 것이다. 두번째로 큰 문제점은 전력 문제이다. 네트워크 통신에는 많은 전력이 사용된다. 만약 협력하는 사용자들의 전력 소모가 심하다면, 아무도 협력하지 않을 수 밖에 없다. 이 밖에도 용량 문제나 이기적인 사용자들과 같은 여러 문제가 남아있다.

여러 문제가 있음에도 불구하고, 이 기술은 WWAN의 느린 속도를 극복할 수 있는 유용한 방법임에 틀림없다. 훗날 모바일 기기들에도 WiBro와 같은 초고속 모바일 인터페이스가 장착되겠지만, 그전까지는 보다 효율적으로 통신할 수 있는 하나의 대안이 될 듯 싶다.

1. Ananthanarayanan, G., Padmanabhan, V. N., Ravindranath, L., and Thekkath, C. A. 2007. COMBINE: leveraging the power of wireless peers through collaborative downloading. In Proceedings of the 5th international Conference on Mobile Systems, Applications and Services (San Juan, Puerto Rico, June 11 – 13, 2007). MobiSys ’07. ACM, New York, NY, 286-298. DOI= http://doi.acm.org/10.1145/1247660.1247693

대기 시간을 결정하는 방법은 다음과 같다. 모든 무선 기기들은 경합 시간 범위(contention window, cw)라는 값을 갖고 있는데, 충돌이 일어나면 무선 기기들은 0부터 cw 사이에서 랜덤하게 고른 하나의 수의 시간 만큼 대기한다.

두 무선 기기가 같은 랜덤 대기 시간을 결정할 확률은 매우 작으므로 둘 사이에 또 다시 패킷 충돌이 일어날 확률 또한 매우 작아지지만, 여전히 충돌이 일어날 가능성은 남아있다. 따라서 두 번째 충돌 부터는 cw의 값을 증가시켜 같은 대기 시간을 선택할 확률을 더욱 낮춘다. (일반적으로 충돌이 일어날 때마다 cw를 2배씩 증가시키는 Binary Exponential Backoff 알고리즘을 사용한다.)

이러한 접근에는 ‘무선 네트워크에서 둘 이상의 무선 기기가 동시에 패킷을 전송할 경우 반드시 충돌이 발생하여 두 패킷 모두 사용할 수 없다.‘ 라는 전제가 깔려있다. 하지만 이 전제는 실제와 다르다. 실제 네트워크에서는 전파 충돌이 발생하여도 세기가 강한 전파는 형태를 유지하여 전송될 확률이 높다. (Capture effect 라고 하며, 물리에서 파동의 간섭 현상을 생각하면 된다.) 뿐만아니라, 다중 패킷 수신(Multipacket Reception)이라는 한 무선 기기가 둘 이상의 전파를 동시에 수신할 수 있는 기술 또한 개발되어왔다. 이와 같이, 실질적인 기술은 무선 네트워크에서 일반적으로 받아들여지던 전제를 뒤짚음으로써 새로운 방향을 제시하였다.

그리고 마침내, 최근에 발표된 MAC for Networks with Multipacket Reception Capability and Spatially Distributed Nodes¹ 라는 논문에서 무선 네트워크에서 backoff 시간에 대한 통념이 깨어졌다.

저자들은 논문에서 다음과 같이 주장한다. 수신 노드로부터 멀리 위치한 노드들은 가까이 위치한 노드들보다 전송하는 신호의 세기가 약하므로, capture effect에 의해서 수신 노드로부터 멀리 위치한 노드일수록 전송 확률이 낮아진다. 예를 들어, 위의 그림과 같이 S1 ~ S5 5개의 노드들이 동시에 R1에게 데이터를 전송하고 있는 네트워크를 가정해보자. R1은 다중 패킷 수신이 가능하다. 하지만 S1이 다른 노드들에 비해 R1에 가까이 위치하므로 다른 노드들보다 전송 확률이 높다. 만약 다른 노드들이 패킷 전송에 실패한다면, 이들은 backoff 시간 동안 대기한 후 패킷을 재전송 할 것이다. 하지만 가까이 위치한 S1이 여전히 높은 확률로 패킷을 전송하고 있으므로 다른 노드들은 모두 패킷 전송에 실패할 확률이 높다. 이런 현상은 전반적으로 전혀 공평하지 못하다. 오히려 전송 실패가 일어났을 때 빠른 시간 안에 에러를 처리할 수 있도록, 실패가 일어날수록 cw의 값을 감소시켜 먼저 전송할 확률을 증가시켜야 한다는 것이다.

이러한 접근들은 최근에 DB 분야에도 있었다. 가장 효율적인 데이터 저장 방식이라고 알려졌던 row store는 대용량 데이터 처리가 필요함에 따라 column store보다 비효율적일 수 있다는 연구 결과가 나왔고, 심지어 가장 효율적인 데이터 구성 방식이라고 알려졌던 Relational DB 또한 용도에 맞게 다른 종류의 구성 방식을 사용해야 한다는 주장이 제기되고 있다.

시대를 넘어선 불변의 법칙은 존재하지 않는다. 시간이 흐르면서 기존에는 절대 받아들여질 수 없었던 통념들이 뛰어난 방법으로 받아들여질 수도 있다.

자신이 가장 굳게 믿고 있는 통념 하나를 반대로 생각해보자. 엄청난 결과를 얻을지도 모른다.

참고 문헌

1. Celik, G. D., Zussman, G., Khan, W. F., and Modiano, E. 2010. MAC for Networks with Multipacket Reception Capability and Spatially Distributed Nodes. IEEE Transactions on Mobile Computing 9, 2 (Feb. 2010), 226-240.