TDMA 기반의 네트워크 자원 관리 방식은 주파수 대역을 시간 슬롯으로 나누어 여러 노드가 동일한 주파수를 시간적으로 분할하여 사용하는 방식이다. 이를 통해 여러 사용자가 동시에 주파수 대역을 공유할 수 있으며, 특히 통신 충돌을 방지하기 위해 각 노드가 정해진 시간 슬롯 동안만 통신을 허용한다. 하지만 이러한 고정된 할당 방식은 노드의 이동성과 네트워크의 동적 변화를 고려하지 않기 때문에 Ad-hoc 네트워크 환경에서는 많은 제약을 가진다[5].

기존의 TDMA 기반 채널 할당 방식은 주로 중앙 집중식 방식으로, 고정된 네트워크 토폴로지를 가정하고 각 노드에 정해진 시간 슬롯을 사전에 할당한다. 이 방식은 네트워크가 고정된 환경에서 비교적 안정적으로 작동할 수 있지만, 노드가 자주 이동하거나 네트워크 구성원이 동적으로 변하는 Ad-hoc 네트워크 환경에서는 효율적이지 않다. 특히 다음과 같은 문제점들이 발생한다.

• • 채널 충돌 : Ad-hoc 네트워크는 노드가 자주 이동하므로, 새로운 노드가 기존에 사용 중인 슬롯에 진입할 때 충돌이 발생할 수 있다. 이는 데이터 손실을 야기하며, 재전송에 따른 네트워크 성능 저하로 이어진다.
• • 자원 낭비 : 고정된 할당 방식에서는 트래픽이 적거나 통신이 없는 노드에게도 시간 슬롯이 할당될 수 있다. 이는 자원의 비효율적 사용을 초래하며, 네트워크의 전체 성능을 저하시킨다.
• • 지연 증가 : 고정된 시간 슬롯 할당 방식은 트래픽이 급증하거나 노드 수가 증가할 때 지연을 증가시킨다. 추가적인 슬롯 할당이 어렵기 때문에 대기 시간이 길어지고 네트워크 전체의 처리량이 저하된다.

제안된 알고리즘은 Ad-hoc 네트워크 환경에서 네트워크 자원을 동적으로 최적화할 수 있도록 설계되었다. 각 노드가 네트워크의 상태 변화에 실시간으로 반응하며, 충돌을 최소화하고 자원의 효율성을 극대화하는 것을 목표로 한다. 알고리즘은 다음과 같은 절차로 작동한다.

• • 노드 상태 정보 수집 및 교환
  각 노드는 주기적으로 자신의 상태 정보를 인접한 노드들과 교환한다. 상태 정보는 해당 노드의 트래픽 양, 현재 할당된 슬롯 수, 충돌 발생 여부 등의 데이터를 포함한다. 이러한 정보를 바탕으로 각 노드는 현재의 네트워크 상황을 실시간으로 파악할 수 있다.
• • 슬롯 충돌 탐지 및 재할당
  인접한 노드 간의 충돌을 피하기 위해, 각 노드는 주기적으로 자신의 할당된 슬롯이 다른 인접 노드와 겹치는지 확인한다. 충돌이 탐지된 경우, 해당 노드는 다른 시간 슬롯으로 전환하여 충돌을 회피하는 방식을 취한다. 이를 위해 각 노드는 사용 가능한 시간 슬롯 목록을 유지하며, 충돌이 발생하지 않는 슬롯으로 동적으로 재할당된다.
• • 동적 트래픽에 따른 슬롯 재분배
  각 노드는 트래픽 양의 변동에 따라 할당된 슬롯 수를 동적으로 조정한다. 트래픽 양이 증가한 노드는 추가적인 슬롯을 요청하고, 반대로 트래픽 양이 감소한 노드는 할당된 슬롯을 다른 노드에게 양보함으로써 자원의 낭비를 최소화한다. 슬롯 재분배는 네트워크 자원 사용률을 극대화하는 핵심 요소이다.
• • 충돌 최소화 및 네트워크 효율성 최적화
  제안된 알고리즘은 충돌이 최소화된 상태에서 네트워크의 전체 자원 사용률을 최대화하도록 설계되었다. 각 노드는 인접 노드와의 협력을 통해 동적으로 자원을 재분배하며, 이 과정에서 충돌 확률을 줄이고 네트워크의 지연 시간을 최소화한다.
• • 종료 조건
  알고리즘은 네트워크 내 모든 노드가 충돌 없이 슬롯을 할당받고 트래픽 요구를 충족하는 상태가 되었을 때 안정적으로 작동을 종료한다. 네트워크 상황이 변동할 경우, 알고리즘은 이를 감지하고 다시 시작하여 동적으로 자원을 할당한다.

제안된 알고리즘의 성능을 분석하기 위해, 네트워크 내에서의 채널 할당을 최적화하는 수학적 모델을 수립한다[6]. 주요 목적은 채널 충돌을 줄이고, 네트워크 지연을 최소화하며, 자원 사용 효율성을 극대화하는 것이다. 이를 위해 제안된 알고리즘은 다음과 같은 세 가지 수식을 활용하여 네트워크 자원 할당을 최적화한다.

제안된 알고리즘의 성능을 평가하기 위해 노드 수를 1부터 100까지 순차적으로 증가시키며 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 통해 노드 수가 증가함에 따른 네트워크 성능 변화를 분석하고, 고정 TDMA와 제안된 동적 TDMA 채널 할당 알고리즘 간의 성능 차이를 비교하였다. 채널 충돌 확률, 네트워크 지연 시간, 트래픽 처리량, 자원 사용률 등의 주요 성능 지표를 사용하여 성능을 평가하였다.

시뮬레이션은 NS-3와 MATLAB을 사용하여 설정되었으며, 1개의 노드에서 시작하여 100개의 노드에 이르기까지 노드 수를 순차적으로 증가시키면서 실험을 진행하였다.

• • 네트워크 토폴로지 : 노드는 1개에서 100개까지 순차적으로 증가시키며, 각 노드는 통신 범위 200m 내에 무작위로 배치되었다. 네트워크 토폴로지의 변화에 따라 각 노드는 임의의 위치에서 다른 노드와 통신하며, 이동 속도는 1m/s로 고정되었다.
• • 시간 슬롯 : 전체 주파수 대역은 10MHz로, 각 노드가 사용할 수 있는 시간 슬롯의 길이는 10ms로 설정되었다.
• • 트래픽 모델 : 각 노드는 Poisson 분포를 따르는 트래픽을 발생시키며, 평균 트래픽 발생률은 1초당 100kbps로 설정되었다. 노드 수가 증가함에 따라 트래픽 양도 동적으로 증가한다.
• • 평가 지표 : 충돌 확률, 지연 시간, 트래픽 처리량, 자원 사용률을 주요 성능 지표로 설정하여 각 노드 수에 대한 성능을 평가하였다.

다음과 같은 시나리오를 설정하여 1부터 100까지의 노드 수 변화에 따른 제안된 동적 TDMA 채널 할당 알고리즘의 성능을 평가하였다:

노드 수 증가에 따른 성능 평가: 노드 수를 1개에서 100개까지 순차적으로 증가시키며, 노드 수에 따른 충돌 확률, 지연 시간, 트래픽 처리량, 자원 사용률을 측정하였다. 이를 통해 노드 수가 증가함에 따라 네트워크의 부하가 어떻게 변화하고, 제안된 알고리즘이 이를 어떻게 처리하는지를 분석하였다.

고정 TDMA와 동적 TDMA 비교: 고정 TDMA 방식과 제안된 동적 TDMA 방식 간의 성능을 비교하여, 각 노드 수에서 제안된 알고리즘이 기존 방식보다 우수한 성능을 발휘하는지 확인하였다[7]. 특히 노드 수가 많아질수록 동적 TDMA 방식이 자원을 효율적으로 사용하고 충돌을 최소화하는지 중점적으로 분석하였다[8].

시뮬레이션 결과, 노드 수가 증가함에 따라 제안된 동적 TDMA 채널 할당 알고리즘은 고정 TDMA 방식에 비해 우수한 성능을 보였다. 다음은 주요 성능 지표에 대한 평가 결과이다.

3.4.1 채널 충돌 확률

그림 1과 같이 노드 수가 증가할수록 고정 TDMA 방식에서는 채널 충돌 확률이 급격히 증가하는 경향을 보였다. 50개 이상의 노드가 존재할 때, 고정 TDMA 방식에서는 충돌 확률이 30%에 도달했으나, 제안된 동적 TDMA 방식에서는 5% 이하로 유지되었다. 이는 노드 간 충돌을 동적으로 피할 수 있는 제안된 알고리즘의 효율성을 보여준다.

Fig. 1.  
Channel collision probability

3.4.2 네트워크 지연 시간

그림 2과 같이 노드 수가 증가함에 따라 고정 TDMA 방식에서는 지연 시간이 급격히 증가하였다. 노드 수가 100개에 도달했을 때 고정 TDMA 방식에서는 150ms 이상의 지연 시간이 발생한 반면, 동적 TDMA 방식에서는 70ms 이내로 지연 시간이 제한되었다. 이는 트래픽 요구에 맞게 슬롯을 할당하는 동적 방식의 장점을 보여준다.

Fig. 2.  
Network delay time

3.4.3 트래픽 처리량

그림 3과 같이 제안된 동적 TDMA 방식은 고정 TDMA 방식에 비해 더 높은 트래픽 처리량을 유지하였다. 노드 수가 증가할수록 고정 TDMA 방식에서는 트래픽 처리량이 감소했지만, 동적 TDMA 방식에서는 처리량이 일정하게 유지되었으며, 노드 수가 100개에 도달했을 때 동적 TDMA 방식은 약 920kbps의 트래픽 처리량을 보였다.

Fig. 3.  
Traffic throughput

3.4.4 자원 사용률

그림 4와 같이 자원 사용률 측면에서도 제안된 동적 TDMA 방식이 고정 방식보다 훨씬 효율적이었다. 노드 수가 100개로 증가했을 때, 고정 TDMA 방식에서는 자원 사용률이 60% 미만으로 떨어졌으나, 동적 TDMA 방식에서는 자원 사용률이 90% 이상으로 유지되었다. 이는 트래픽 양에 맞춰 동적으로 자원을 재분배하는 알고리즘의 장점이다.

Fig. 4.  
Resource utilization