IEEE 802.11 인프라 BSS에서 TCP 공정성 확보를 위한 윈도우 제한 및 ACK 제어 기법

본 논문은 IEEE 802.11 인프라스트럭처 BSS에서 TCP 기반 트래픽이 발생할 때 나타나는 업링크·다운링크 대역폭 비대칭으로 인한 흐름 간 불공정 문제를 체계적으로 분석하고, 이를 해결하기 위한 두 단계 접근법을 제시한다. 첫 번째 단계는 흐름별 TCP 혼잡 윈도우 상한(CW_limit)을 근사적으로 계산하는 분석 모델을 개발하는 것이다. 기존 연구들은 주로 MAC 파라미터 차별화나 QoS 기반 큐 관리에 의존했지만, 본 연구는 AP와 스테이션이 동일한 DCF 매개변수를 사용함에도 불구하고 발생하는 구조적 비대칭을 수학적으로 모델링한다. 모델은 WLAN 전체 전송 용량(B), 업링크 흐름 수(N_u), 다운링크 흐름 수(N_d), 각 흐름의 유선 RTT_i, AP MAC 버퍼 크기(Q), 그리고 TCP가 한 ACK당 확인하는 데이터 패킷 수(k) (Delayed ACK 적용 여부) 등을 변수로 포함한다. AP에 도착하는 총 데이터량은 Σ_i (CW_i·MSS)/RTT_i 로 표현되며, 이를 B·T (T는 관측 시간)와 비교해 버퍼 오버플로우를 방지하도록 CW_i 를 제한한다. 최종적으로 CW_limit 은 선형 함수 형태인 CW_limit ≈ α·B·Q/(N_u+N_d)·k·RTT_avg 로 도출된다. 여기서 α는 실험을 통해 0.9~1.0 사이의 보정 계수로 설정한다. 이 식은 다양한 RTT 분포와 Delayed ACK 환경에서도 적용 가능하도록 일반화되었다. 두 번째 단계는 위 모델을 기반으로 AP에 삽입되는 링크‑계층 접근 제어 블록을 설계하는 것이다. 핵심 아이디어는 업링크 흐름의 TCP ACK 패킷을 선택적으로 억제·필터링함으로써, 다운링크 데이터 패킷이 MAC 큐에서 우선 전송되도록 하는 것이다. 구체적인 동작은 다음과 같다. (1) AP는 일정 간격(예: 100 ms) 동안 관측된 다운링크 평균 전송률 R_down을 계산한다. (2) R_down 에 기반해 목표 ACK 억제 비율 p_ack = min(1, (R_down·T_slot)/Q) 를 산출한다. (3) 각 업링크 ACK가 도착하면, 랜덤하게 p_ack 확률로 해당 ACK를 버퍼에 삽입하지 않는다(즉, 드롭한다). (4) 드롭된 ACK에 대해 TCP는 손실을 감지하고 혼잡 윈도우를 감소시키지만, 이는 다운링크 데이터 흐름에 대한 전송 기회를 늘리는 효과를 만든다. (5) ACK 억제는 일정 수준을 초과하지 않도록 상한을 두고, 필요 시 억제된 ACK를 재전송하도록 설계한다. 시뮬레이션 환경은 802.11g PHY(54 Mbps)와 100 Mbps 유선 백본을 사용했으며, AP 버퍼 크기는 100 패킷, TCP MSS는 1500 바이트, FTP 트래픽을 통해 15개의 업/다운 스트림을 동시에 전송하였다. 실험에서는 (a) 다운링크 전용, (b) 업링크 전용, (c) 혼합 시나리오를 각각 수행하였다. 결과는 다음과 같다. - **공정성**: CW_limit 기반 제한만 적용했을 때도 흐름당 평균 스루풋 차이가 5 % 이하로 감소했으며, ACK 억제 블록을 추가하면 1 % 이하로 거의 완벽한 공정성을 달성했다. - **채널 이용률**: 전체 WLAN 스루풋이 6.5 Mbps에서 7.5 Mbps(≈15 % 증가)로 향상되었다. 이는 AP 버퍼 오버플로우가 감소하고, 다운링크 데이터가 지속적으로 전송되면서 발생한다. - **지연**: 평균 패킷 전송 지연이 30 ms에서 22 ms(≈27 % 감소)로 감소하였다. ACK 억제로 인한 재전송 지연이 최소화된 것이 주요 원인이다. - **다양한 RTT와 Delayed ACK**: RTT가 10 ms~200 ms 사이에 다양하게 분포된 경우에도 모델이 제시한 CW_limit 값이 유효했으며, Delayed ACK(k=2) 적용 시에도 동일한 수준의 공정성과 효율성을 유지했다. 또한, 제안된 접근법은 기존 802.11 하드웨어를 변경할 필요가 없으며, AP 펌웨어 수준에서 소프트웨어만 수정하면 적용 가능하다는 실용적 장점을 강조한다. 이는 현재 대부분의 상용 AP가 펌웨어 업데이트를 지원하므로, 네트워크 운영자가 별도 장비 교체 없이도 불공정 문제를 해결할 수 있음을 의미한다. 결론적으로, 본 논문은 (1) TCP 흐름별 혼잡 윈도우 상한을 근사적으로 계산하는 이론적 모델을 제시하고, (2) 해당 모델을 실시간으로 활용해 ACK 패킷을 제어함으로써 다운링크 데이터 전송을 우선시하는 링크‑계층 접근 제어 블록을 설계하였다. 시뮬레이션 결과는 두 방법이 결합될 때 짧은·긴 시간 모두에서 흐름 간 공정성을 확보하고, 전체 채널 활용도와 지연 성능을 동시에 개선한다는 것을 입증한다.