KR100788891B1

KR100788891B1 - 통합 트래픽을 위한 패킷 레벨 자원 할당 방법 및 장치

Info

Publication number: KR100788891B1
Application number: KR1020050127125A
Authority: KR
Inventors: 김동회; 송평중
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2004-12-23
Filing date: 2005-12-21
Publication date: 2007-12-27
Also published as: KR20060073471A

Abstract

본 발명은 셀룰러 시스템에서 복수의 사용자로부터 전송된 복수의 데이터 패킷에 대하여 데이터 패킷 트래픽별로 차별화된 서비스 품질을 제공하는 자원 할당 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 자원 할당 장치는 수신된 복수의 데이터 패킷을 실시간 서비스 트래픽과 비실시간 서비스 트래픽으로 분류하고, 실시간 서비스 트래픽으로 분류된 패킷을 전송한 복수의 사용자에 대한 스케줄링을 수행한다. 그리고 실시간 서비스 트래픽에 해당하는 패킷에 대한 스케줄링이 완료된 후 이용 가능한 채널 자원이 존재하는 경우, 비실시간 서비스 트래픽으로 분류된 패킷을 전송한 복수의 사용자에 대한 스케줄링을 수행하여 개별적인 QoS를 만족하면서 서비스 사용자의 용량을 극대화시킬 수 있다.

QoS, 통합 트래픽, 우선순위, 패킷 손실률, 최소 비트율, 패킷 스케줄링

Description

통합 트래픽을 위한 패킷 레벨 자원 할당 방법 및 장치{METHOD AND DEVICE FOR SCHEDULING RESOURCES OF PACKET LEVEL FOR INTEGRATED TRAFFIC}

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실시간 트래픽에 속하는 패킷들에 대한 서비스 제공 여부를 결정하는 임계값 결정 방법을 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실시간 사용자와 비실시간 사용자들의 정규화 팩터들의 합을 나타내는 도면이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 트래픽이 혼합된 통합 트래픽을 위한 패킷 레벨 자원 할당 방법을 나타내는 동작 흐름도이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 여러 가지 트래픽이 혼합된 통합 트래픽을 지원하기 위한 기지국에서의 하향링크 패킷 스케줄링 방법에 대한 모델이다.

도 5 내지 도 12는 각각 본 발명의 실시예에 따른 성능 분석을 나타내는 도면들이다.

본 발명은 통합 트래픽을 위한 패킷 레벨 자원 할당 방법 및 장치에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 차세대 이동통신 시스템에서 서로 다른 우선순위를 가지는 여러 가지 트래픽이 혼합된 통합 트래픽들의 QoS를 만족하면서 사용자 수를 증가시키는 패킷 레벨에서의 자원 할당 방법 및 장치에 관한 것이다.

종래 기술로서, 대한민국 특허출원번호 제2001-10615호(2001년 2월 28일 출원)에는 "이동통신 시스템의 패킷 데이터 스케줄링 장치 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있다.

구체적으로, 선행 발명은 무선환경에서 데이터 서비스의 품질을 보장하면서 효율성을 높일 수 있는 패킷 데이터 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것으로, 정상 패킷 큐, 에러 링크 패킷 큐 그리고 지연 패킷 큐로 구분함으로써 입력 큐를 3가지로 구분하여 우선순위를 정하여 서비스하고 채널 정보를 활용하여 데이터 서비스의 품질을 보장하면서 효율성을 높이기 위한 것이다.

그런데, 상기 선행 발명은 채널 환경과 버퍼 상태 등을 스케줄링에 사용하는 단순한 방법으로서, 채널정보를 활용하고 큐에 우선순위를 정하되 지연 큐에 여분의 대역을 더 할당하여 전송하게 된다.

한편, 종래 기술로서, 대한민국 특허출원번호 제2000-83690호(2000년 12월 28일 출원)에는 "이동통신 시스템의 서비스품질 우선순위에 따른 호처리 시스템 및 방법"이라는 명칭의 발명이 개시되어 있다.

구체적으로, 상기 선행 발명은 패킷 데이터 서비스 네트워크간 서비스품질(QoS: Quality of Service) 우선순위에 따른 패킷 데이터 우선순위 처리 시스템 및 방법에 관한 것으로서, 패킷 무선 서비스 네트워크에서 QoS 우선순위에 따른 패킷 무선 서비스를 수행하는 시스템에서 입력되는 패킷들을 입력순서에 따라 선입-선출 하는 방식을 적용함으로써, 입력되는 패킷들을 QoS 우선순위에 따라 제어할 수 있다.

그런데, 상기 선행 발명은 선입-선출하는 방식을 적용하는 큐(Que)로 구성된 단순한 방법으로서, QoS 우선순위에 따라 단순 제어가 가능할 뿐이다.

한편, 종래에는 실시간 및 비실시간 서비스가 혼재하는 통합된 트래픽의 경우에는 자원 할당을 위한 두 가지 형태의 다중화가 고려될 수 있다. 첫 번째 다중화 방법은 실시간 서비스를 모두 서비스한 후에 남는 자원을 비실시간 서비스에 대해 할당하는 절대적 우선순위 제어(Priority Queueing) 방식이며, 두 번째 다중화 방법은 서비스별로 정해진 우선순위 인증(priority metric) 값을 근거로 서비스 구분 없이 큰 값의 우선순위를 갖는 사용자를 우선적으로 서비스하는 방식이다.

따라서, 종래의 방법은 여러 가지 트래픽이 혼합된 통합 트래픽 환경 하에서 요구되는 서비스 품질(QoS)을 만족하는 사용자의 수를 극대화하는데 문제점이 많이 있었다. 그러므로, 통합 트래픽 환경에서 사용자 수를 증가시키는데 적합한 새로운 방식을 요구하고 있다.

한편, 다중화 이득을 극대화하기 위해서는 지연시간 제약이 있는 실시간 서비스에 대해서, 해당 사용자들의 지연시간이 최대 허용 가능한 지연시간에 도달할 때, 전체 사용자 용량이 극대화된다. 즉, 실시간 사용자의 지연시간이 최대 허용 가능한 지연시간에 도달하기 전에는 여유 자원은 비실시간 사용자에게 할당함으로써 용량의 극대화가 가능하다. 하지만, 일단 실시간 사용자의 지연 시간이 허용 가능한 지연시간에 도달하게 되면, 추가적으로 한 명의 실시간 사용자가 더 서비스 될 경우, 해당 QoS 요구를 만족하지 못하게 되므로 용량의 한계에 도달하게 된다.

그러나, 종래의 기술에 따른 자원 할당 방법은, 채널 상태의 지속적인 변화와 실시간 및 비실시간 트래픽의 폭주(burstiness)로 인하여 모든 실시간 사용자들의 지연시간이 허용 가능 지연시간에 도달할 수 있을 때까지 자원할당을 지연시켜 대기시킬 수 없기 때문에 완벽한 다중화를 실현하는 것은 매우 비현실적이다. 즉, 실시간 사용자의 지연시간이 허용가능한 지연시간에 도달할 때까지 지연시키게 되면, 순시적인 패킷 손실이 발생할 수 있으며, 이로 인한 성능 열화가 불가피해지는 문제점이 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 실시간과 비실시간 서비스가 혼재할 때, 개별적인 QoS를 만족하면서 이들 서비스 사용자의 용량을 극대화시킬 수 있는 통합 트래픽을 위한 패킷 레벨 자원 할당 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

또한, 본 발명이 이루고자 하는 다른 기술적 과제는 실시간 트래픽에 대해서는 최대 패킷 손실 확률에 대한 QoS를 만족시키고, 비실시간 트래픽에 대해서는 최소 요구 비트율에 대한 QoS를 만족시키면서 시스템 용량을 증가시킬 수 있는 통합 트래픽을 위한 패킷 레벨 자원 할당 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

이러한 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 한 특징에 따르면, 셀룰러 시스템에서 복수의 사용자로부터 전송된 복수의 데이터 패킷에 대하여 데이터 패킷 트래픽별로 차별화된 서비스 품질을 제공하기 위한 자원 할당 장치의 패킷 레벨 자원 할당 방법이 제공된다. 먼저, 수신된 복수의 데이터 패킷을 실시간 서비스 트래픽과 비실시간 서비스 트래픽으로 분류하고, 실시간 서비스 트래픽으로 분류된 패킷을 전송한 복수의 사용자에 대한 스케줄링을 수행한다. 그리고 실시간 서비스 트래픽에 해당하는 패킷에 대한 스케줄링이 완료된 후 이용 가능한 채널 자원이 존재하는 경우, 상기 비실시간 서비스 트래픽으로 분류된 패킷을 전송한 복수의 사용자에 대한 스케줄링을 수행한다.

본 발명의 다른 특징에 따르면, 셀룰러 시스템에서 복수의 사용자로부터 전송된 복수의 데이터 패킷에 대하여 데이터 패킷 트래픽별로 차별화된 서비스 품질을 제공하는 패킷 레벨 자원 할당 장치가 제공된다. 이 패킷 레벨 자원 할당 장치는 실시간 데이터 버퍼, QBPQ(QoS-based priority queuing) 스케줄러 및 PLRBS(packet loss rate-based scheduler) 스케줄러를 포함한다. 실시간 데이터 버퍼는 복수의 사용자 중 실시간 트래픽 사용자로부터 전송된 데이터 패킷을 저장하고, QBPQ 스케줄러는 실시간 데이터 버퍼에 저장된 실시간 트래픽 사용자로부터 전송된 데이터 패킷에 대해 임의의 임계값을 사용하여 서비스 제공 여부를 결정한다. 그리고 PLRBS 스케줄러는 QBPQ 스케줄러에서 서비스를 제공하지 않을 것으로 판단한 사용자를 제외한 상기 복수의 사용자로부터 전송되어 상기 실시간 데이터 버퍼에 저장되어 있는 데이터 패킷에 대하여 PLRBS 스케줄링을 수행한다.

아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여 기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 통합 트래픽을 위한 패킷 레벨 자원 할당 방법 및 장치를 상세히 설명한다.

이동통신 시스템에서 실시간 사용자의 지연시간이 허용가능한 지연시간에 도달하기 전에 충분한 우선순위가 주어져서 순시적인 패킷 손실 성능 열화에 대응할 수 있어야 한다.

이를 위해 본 발명의 실시예에서는 적절한 또는 최적의 지연시간 임계값을 설정하고, 이 임계값을 넘게 되는 경우에만 실시간 사용자를 서비스하고, 그렇지 않은 경우에 비실시간 사용자를 서비스하는 것을 고려할 수 있다. 즉, 최적의 임계값을 설정함으로써, 실시간 및 비실시간 사용자의 용량을 극대화할 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예는 적응형 변조 코딩(Adaptive Modulation and Coding: AMC) 방식에 의해 채널의 대역폭이 가변하는 셀룰러 무선 네트워크에서 지연시간 제약이 있는 실시간 서비스와 비실시간 서비스가 혼재할 때 적합한 호기적 스케줄링(opportunistic scheduling) 방식을 고려하게 된다.

이때, 각 서비스의 QoS 요구로서, 실시간 서비스의 경우에는 요구 패킷 지연 시간을 만족하지 못해 패킷이 폐기되는 확률을 고려하며, 비실시간 서비스의 경우에는 최소 요구 비트율을 만족해야 한다.

또한, 기존의 PF(Proportional Fairness) 방법에서와 마찬가지로 채널의 상태에 따른 순시적인 비트율과 지금까지 서비스된 비트율에 따른 공정성을 고려하면서, 개별 서비스 클래스의 QoS 요구를 반영한다. 즉, 각 개별 서비스 클래스별로 제시된 QoS 요구에 따른 별도의 스케줄링 방법이 고려된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 서로 다른 트래픽 클래스들에 대한 제1 단계의 우선순위 결정 동작은 다음과 같다.

여러 가지 트래픽이 혼합된 통합 트래픽 환경에서 더욱 엄격한 지연 요구가 비실시간 트래픽보다 실시간 트래픽에 주어진다. 따라서, 우선순위는 비실시간 서비스보다 실시간 서비스에 일반적으로 할당된다. 자원들이 PQ(priority queuing) 방식으로 할당된다면 낮은 우선순위를 가지는 비실시간 서비스의 패킷들은 실시간 서비스들의 패킷들에 대한 자원 할당이 완료된 후에만 자원할당이 가능하게 된다.

본 발명의 실시예에 따른 제1 우선순위 결정 단계로서, QBPQ(QoS-based priority queuing)에서 어떤 임계값을 설정한다. 예를 들어, 실시간 트래픽의 경우, HOL 패킷 지연에 대한 최소 지연 요구가 하나의 임계값으로써 사용될 수가 있다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 임의의 임계값(최소 지연 요구값)은 패킷을 서비스할지를 결정할 때 사용될 수 있다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 동일 서비스 클래스에 속하는 사용자들을 위한 제2 단계의 우선순위 결정 동작은 다음과 같다.

제2 우선순위 결정 단계는 트래픽별로 요구되는 QoS 요구에 따라 결정된다. 상기 QoS 요구의 예로써 실시간 사용자들을 위한 패킷 손실률과 비실시간 사용자들을 위한 최소 요구 비트율이 해당된다. 이러한 동작은 각각의 트래픽 클래스별로 개별 QoS를 만족하면서 사용자수를 극대화할 수 있는 별개의 패킷 스케줄링 방법들을 혼합하여 사용함으로써, QoS를 만족하는 사용자들의 수를 극대화할 수 있다.

따라서, 실시간 트래픽의 경우에는, 패킷 손실률을 감소시키는 패킷 스케줄링 방법(packet loss rate-based scheduler: PLRBS)을 사용하고, 비실시간 트래픽의 경우에는 최소 요구 비트율을 고려하는 패킷 스케줄링 방법(minimum-bit rate based scheduler: MBRBS)을 사용하는 것이 하나의 예가 될 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 실시간 트래픽에 속하는 패킷들에 대한 서비스 제공 여부를 결정하는 임계값 결정 방법을 나타내는 도면으로서, HOL(Head-Of-Line) 지연 임계값(Delay Threshold)을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 최대 지연 요구값(

)(120)과 최소 지연 요구값(

) (110)은 특정 서비스에 대한 고정 동작 범위를 나타낸다.

상기 최대 지연 요구값(

)(120)은 실시간(RT) 서비스에 속하는 패킷들을 폐기하기 위한 임계값으로 사용되고, 최소 지연 요구값(

)(110)은 실시간 서비스에 속하는 패킷들에 대한 서비스 여부를 결정짓는 임계값으로 사용된다. 이때, 측정된 실시간(RT) 사용자 i의 HOL 지연값(

)(130)은 특정 서비스의 실질적인 동작을 나타낸다.

상기 파라미터 k의 범위는 0에서 1까지의 범위를 가진다. 예를 들어, 모든 실시간(RT) 서비스 클래스 사용자의 HOL 패킷 지연이 최소 지연 요구값(

)(110)보다 큰 경우, 실시간(RT) 서비스 클래스 사용자가 스케줄링되고, 그렇지 않다면 비실시간(NRT) 서비스 클래스 사용자가 스케줄링된다. 다시 말하면, 시간 t에서

(130)의 값이

(110)보다 크다면 실시간(RT) 사용자를 위한 정책(policy), 즉, 정책 P가 사용되고, 그렇지 않다면 비실시간(NRT) 사용자를 위한 정책, 즉, 정책 Q가 사용된다. 상기 동작을 정리하면 다음 수학식 1로 표현될 수 있다.

이때, 상기 수학식 1은 다음과 같은 3가지 조건들을 만족해야 한다.

(a)

는 임의의 파라미터로서,

로 주어지며,

(110)은

(120)보다는 작다.

(b) 모든 실시간(RT) 사용자들에 대하여 정책 P가 사용된다.

(c) 모든 비실시간(NRT) 사용자들에 대하여 정책 Q가 사용된다.

한편, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 실시간 사용자와 비실시간 사용자들의 정규화 팩터들의 합을 나타내는 도면이다.

도 2를 참조하면, 먼저, 실시간 사용자들의 정규화 팩터는 정책

를 사용하 면서 주어진 QoS를 만족하는

일 때의 실시간 사용자들의 수를 k=0일 때의 실시간 사용자들의 수로 나눈 값(

)(210)으로 정의되고, 또한, 비실시간 사용자들의 정규화 팩터는 정책 Q를 사용하면서 주어진 QoS를 만족하는

일 때의 비실시간 사용자들의 수를 k=1일 때의 비실시간 사용자들의 수로 나눈 값(

)(220)으로 정의된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 실시간(RT) 및 비실시간(NRT) 서비스 클래스 사용자에 대한 QoS 및 성능 측정은 다음과 같다.

먼저, 실시간(RT) 서비스 클래스의 성능은 전체 패킷수에 대한 폐기(drop)된 패킷의 비로 주어지는 패킷 손실률(packet loss rate)로 측정된다. 상기 패킷의 폐기는 해당 패킷 지연이 기설정된 지연(

)을 초과할 때 발생한다. i명의 사용자에 대해 주어진 시뮬레이션 구간동안 폐기된 패킷수 및 전송된 패킷수가 각각

및

라고 하면, i명의 사용자에 대해 시간 t에서 패킷 손실률은 다음 수학식 2와 같이 주어진다.

실시간(RT) 서비스 클래스 사용자에 대해 QoS 요구는 목표 패킷 손실률(

)로 주어지며, 이때,

,

가 된다. 또한, 시스템 정지(outage)는 실시간(RT) 사용자의 수가 패킷 손실률 요구를 충족하지 못하는 것 을 조건으로 할 수 있다. 보다 구체적으로, 시간 t에서 실시간(RT) 서비스 클래스 사용자에 상기 시스템 정지 확률은 다음 수학식 3으로 주어질 수 있다.

여기서,

은 패킷 손실률이 목표 패킷 손실률을 초과하는 사용자의 수를 나타내고,

은 전체 실시간(RT) 서비스 클래스 사용자의 수이다.

한편, 비실시간(NRT) 서비스 클래스의 성능은 패킷 호(Call) 동안에 지원되는 평균 비트율로 측정된다. 사용자 세션 i에 대해 K 패킷 호를 합하면, 평균 비트율은 다음 수학식 4처럼 주어진다.

여기서,

는

및

가 각각 k번째 패킷의 출발 및 도착시간을 나타낼 때, 사용자 세션 i의 k번째 패킷 호 동안에 전송된 비트 수이다. 비실시간(NRT) 서비스 클래스 사용자에 대해, QoS 요구는 목표 최소 비트율(

)로 주어지며, 이때,

,

가 된다. 또한, 시스템 정지(outage)는 비실시간(NRT) 사용자의 수가 최소 비트율 요구를 충족하지 못하는 것을 조건으로 할 수 있 다. 보다 구체적으로, 비실시간(NRT) 서비스 클래스 사용자에 상기 시스템 정지 확률은 다음 수학식 5로 주어질 수 있다.

여기서,

은 최소 비트율이 목표 최소 비트율을 초과하지 않는 사용자의 수를 나타낸다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 스케줄링 방법은 시스템에서 지원될 수 있는 사용자의 수를 최대화하는 것이므로, 목적함수(Objective Function)를 최대화하는 것이라 할 수 있다. 실시간 및 비실시간 서비스 클래스 사용자에 대해 부여되는 운영자의 정책을 고려하기 위해, 상기 목적함수는 각각

및

로 주어지는 지원되는 실시간 및 비실시간 서비스 클래스 사용자의 수를 곱함으로써 주어질 수 있다. 실시간 및 비실시간 서비스 클래스 사용자에 대한 가중치 팩터(weighting factor)가 각각

및

로 주어지는 경우, 실시간 및 비실시간 서비스 클래스 사용자에 대한 목적함수는 다음 수학식 6처럼 주어질 수 있다.

이때, 상기 가중치 팩터는 운영자의 정책에 따라 변경될 수 있지만, 상기

는

보다는 크다. 따라서, 본 발명의 실시예는 상기 목적함수를 최대화시 킬 수 있는 방법을 제공하게 된다.

이하, 실시간 및 비실시간 서비스 클래스 사용자에 대한 스케줄링 정책을 결정하고, 정지(Outage) 성능을 조건으로 개별적인 QoS 요구를 만족하면서, 상기 목적함수를 최대화시키도록 대응 파라미터

를 결정하게 되는데, 다음 수학식 7 및 8처럼 주어질 수 있다.

여기서,

는 가능한 모든 스케줄링 정책의 집합이고,

및

는 실시간 및 비실시간 애플리케이션 사용자에 대한 최대 허용 가능한 정지 확률이다. 또한,

및

은 전술한 수학식 3 및 5로 주어진다. 또한,

및

의 합은 각각 실시간 및 비실시간 사용자에 대한 목적함수이다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 구체적인 스케줄링 정책은 각각 실시간 서비스 클래스에 대해 M-LWDF(Modified Largest Weighted Delay First) 및 PLRBS( packet loss rate-based scheduler) 방식을 적용하고, 비실시간 서비스 클래스에 대해 PF(Proportional Fairness) 및 MBRBS(minimum-bit rate based scheduler) 방 식을 적용하며, 이를 각각 비교한 후 최선의 방법을 선택하게 된다.

1) 정책 P에 대한 M- LWDF 방식

M-LWDF 방식은 각각의 사용자 i에 대해 최대 지연 요구(

)를 고려한다. 슬롯 타임 t에서 각각의 서브채널에 대해, 대응하는 정책 인증(Metric)은 다음 수학식 9로 주어진다.

여기서,

는 버퍼 i에 대한 HOL 패킷 지연이고, 또한,

가 상기

를 초과하는

의 최대 확률일 때,

가 된다. 또한,

는 시간 t에서 사용자 i의 채널 상태, 즉, 채널에 의해 지원되는 실제 속도이다.

는 사용자 i의 평균 페이딩 레벨에 대응하는 속도이다. 상기

및

모두 채널 조건에 따라 달라지기 때문에 시변적(time-varying)으로 적응 변조된다.

가장 높은

를 갖는 사용자는 각각의 결정 시간에 서브채널당 전송신호를 먼저 수신하게 된다. 전술한

및

가 모든 사용자에게 동일하다면, 수학식 9는 다음 수학식 10처럼 간략화될 수 있다.

2) 정책 P에 대한 PLRBS 방식

각각의 사용자

에 대해 전술한 수학식 2의 현재 패킷 손실률(

) 대 최대 패킷 손실률 요구(

)의 비에 의존할 경우, 다음 수학식 11과 같은 상이한 우선순위 인증이 사용될 수 있다.

여기서,

는 0이 아닌 상수로서,

보다는 작은 값을 갖는다.

3) 정책 Q에 대한 PF 방식

PF 스케줄링 방식은 최초에 cdma2000 1x EV-DO 시스템을 위해 설계된 것으로, 비트율 제어(Data Rate Control: DRC) 값에 근거한다. 상기 PF 방식에 대한 우선순위 인증은 다음 수학식 12처럼 주어질 수 있다.

여기서,

는 시간 t에서 사용자 i의 채널 상태이고,

는 사용자 i의 평균 페이딩 레벨에 대응하는 속도이다.

4) 정책 Q에 대한 MBRBS 방식

각각의 비실시간(NRT) 서비스 사용자는 새로운 QoS 파라미터로서 최소 요구 비트율(

)이 주어진다. 본 발명의 실시예에 따른 스케줄링 방식은 최소 요구 비트율을 만족하면서 비실시간(NRT) 서비스 사용자의 수를 최대화할 수 있는 새로운 우선순위 인증을 구하게 된다. 최소 요구 비트율을 충족하는 사용자의 수를 최대화하도록, 슬롯 t에서 모든 서브채널에 대해 상기 우선순위 인증(metric)은 다음 수학식 13처럼 주어진다.

상기

이 상수라고 가정할 경우,

이면,

의 증가는

를 감소시키고,

의 감소는

를 증가시키게 된다.

라면,

가 목표 최소 비트율(

)에 가까워짐에 따라 스케줄되는 사용자의 기회는

가 증가하기 때문에 높아지게 된다. 전술한 우선순위 인증에 의해, 최소 요구 비트율을 만족하는 비실시간 서비스 사용자의 수가 증가할 수 있다. 결과적으로, 평균 비트율이 목표 최소 비트율(

)보다 큰 사용자의 수를 최대화시키게 된다.

한편, 도 3은 본 발명의 실시예에 따른 트래픽이 혼합된 통합 트래픽을 위한 레벨 자원 할당 방법을 나타내는 동작 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에서 사용된 시스템을 OFDMA 시스템이라고 가정하면 다음과 같다.

구체적으로, 실시간 사용자들의 수가 i명이라고 하면 제1 단계(S310)의 우선순위 결정 단계(QoS-Based Priority Queuing: QBPQ)에 의해서 i명의 실시간 사용자에 대한 스케줄링을 수행하고(S311), HOL 패킷의 지연이 최소 지연 요구값(

)보다 큰지 확인하여(S312), HOL 패킷의 지연이 최소 지연 요구값(

)보다 크지 않다면,

를 초과하지 않는 z명을 스케줄링 대상으로부터 제외하게 된다(S313). 이때, 슬롯당 사용될 수 있는 서브채널의 수를 12라고 가정하면, 패킷 스케줄링을 수행하는 동안에 할당된 서브채널들의 수가 12보다 클 경우, 패킷 스케줄링은 중지하게 된다.

이후, 상기 HOL 패킷의 지연이 최소 지연 요구값(

)보다 크다면, (i-z)명의 실시간 사용자가 선택되고, 상기 선택된 (i-z)명의 실시간 사용자에 대하여 제2 단계(S320)의 우선순위 결정 단계로서, 패킷 손실률을 감소시키는 패킷 스케줄링 방법(packet loss rate-based scheduler: PLRBS) 방법으로 스케줄링된다(S320).

이때, (i-z)명의 실시간 사용자에 대한 스케줄링이 완료가 되고, 제3 단계(S330)의 우선순위 결정 단계로서, 서브채널의 수가 여유가 있는지 확인하여, 즉, 잔여 서브채널 수가 최대 서브채널 수보다 작은지 확인하여(S321), 잔여 서브채널 수가 최대 서브채널 수보다 작다면, 비실시간 사용자에 대하여 최소 요구 비트율을 고려하는 스케줄러(MBRBS)를 사용하여 스케줄링을 수행한다(S322).

결국, 상기 제1 단계 및 제2 단계(S310, S320)는 높은 우선순위를 갖는 실시간 서비스에 대한 스케줄링을 수행하고, 제3 단계(S330)는 낮은 우선순위를 갖는 비실시간 서비스에 대한 스케줄링을 수행한다. 또한, 호가 지속되는 동안, 제1 단계 내지 제3 단계를 반복적으로 수행하게 된다.

한편, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 여러 가지 트래픽이 혼합된 통합 트래픽을 지원하기 위한 기지국에서의 하향링크 패킷 스케줄링 방법에 대한 모델로서, 실시간 데이터 버퍼(410), 비실시간 버퍼(420), QBPQ 스케줄러(430), PLRBS 스케줄러(441) 및 MBRBS 스케줄러(442)를 포함할 수 있다.

도 4를 참조하면, 상기 실시간 데이터 버퍼(410)는 i명의 실시간 사용자에 대한 실시간 데이터를 저장하고, 상기 비실시간 버퍼(420)는 j명의 비실시간 사용자에 대한 비실시간 데이터를 저장한다.

상기 QBPQ(420)는 상기 실시간 데이터 버퍼(410)에 저장된 i명의 실시간 사용자에 대한 실시간 데이터에 대해 소정의 임계값, 예를 들어, 최소 지연 요구값(

)을 넘는 경우에 대해 스케줄링을 수행하고, 만일, 최소 지연 요구값(

)을 넘지 않는 z명에 대해서는 스케줄링 대상으로부터 제외하게 된다.

상기 PLRBS 스케줄러(441)는 (i-z)명의 실시간 사용자에 대해 PLRBS 스케줄링을 수행하고, 상기 MBRBS 스케줄러(442)는 상기 PLRBS 스케줄링 이후에도 잔여 채널이 남아 있는 경우, 비실시간 사용자에 대해 MBRBS 스케줄링을 수행하게 된다.

한편, 도 5 내지 도 12는 각각 본 발명의 실시예에 따른 성능 분석을 나타내는 도면들이다.

도 5는 EXP/PF 방식이 사용되고, 가중치 팩터의 비가 상이한 경우의 목적함수와 파라미터(m)의 관계를 나타내는 도면으로서, 전술한 수학식 6에서 각각 상이한 m(0.1, 0.5, 1, 5, 10)값에 따라 실시간 및 비실시간 서비스 클래스가

=

=0.1을 만족하는 목적함수를 나타내는 도면이다. 이때,

일 때, m=0.1에서 목적함수가 최대화되는 것을 알 수 있다. 반면에,

일 때, m=5에서 목적함수가 최대화되는 것을 알 수 있다.

도 6은 EXP/PF 방식이 사용되고, 가중치 팩터의 비가

일 때 정지 확률과 사용자의 수의 관계를 나타내는 도면으로서, 실시간 및 비실시간 트래픽 사용자 수가 증가함에 따라 전술한 수학식 3 및 5에서의 정지 확률을 나타내고 있다. 상기 도 5에서 m=0.1이 최적 값인 것을 알 수 있고, 이때,

=

=0.1을 만족하는 실시간 및 비실시간 서비스 클래스의 수를 고려할 경우, m=1일 때보다 m=0.1에서 실시간 트래픽 사용자의 수가 많은 것을 알 수 있다. 하지만, m=1일 때보다 m=0.1에서 비실시간 트래픽 사용자의 수가 적다. 따라서, 트래픽 클래스마다 지원되는 사용자의 수는 파라미터 m에 따라 달라지는 것을 알 수 있다.

도 7은 M-LWDF 및 PF 방식이 QBPQ 방식일 때의 목적함수와 파라미터 k의 관계를 나타내는 도면이고, 도 8은 PLRBS 및 MBRBS 방식이 QBPQ 방식일 때의 목적함 수와 파라미터 k의 관계를 나타내는 도면이며, 도 9는 상이한 스케줄링 정책이 QBPQ 방식에 대해 사용된 경우의 목적함수와 파라미터 k의 관계를 나타내는 도면이다.

도 7 내지 도 9를 참조하면, QBPQ가 사용될 경우, 실시간 및 비실시간 서비스 클래스에 대해 전술한 수학식 6에서의 목적함수가 파라미터 k 값 및 가중치 팩터에 따라

=

=0.1을 만족하는 것을 나타내는 도면이다. 이때, 상기 QBPQ는 2가지 경우로 구분된다. 첫 번째 경우로서, 실시간 서비스 클래스에 PLRBS 방식을 적용하고, NRT 서비스 클래스에 MBRBS 방식을 적용하는 것(도 7 참조), 두 번째 경우로서, 서비스 클래스에 M-LWDF 방식을 적용하고, NRT 서비스 클래스에 PF 방식을 적용하는 것(도 8 참조)이 있다. 도 9는 각각 상기 2 경우의 목적함수를 나타내고 있다.

도 10은 QBPQ가 사용되고, 가중치 팩터의 비가 상이한 경우, 목적함수와 파라미터 k의 관계를 나타내는 도면으로서,

및

일 때, k=0.1에서 목적함수가 최대가 되는 것을 알 수 있다. 따라서, 정지 성능을 조건으로 개별적인 QoS 요구를 만족하면서 목적함수를 최대화시키기 위해 실시간 및 비실시간 서비스 클래스에 대한 특정한 스케줄링 정책을 적용할 경우, PLRBS 및 MBRBS 방식이 적합하다는 것을 알 수 있다.

도 11은 k=0.1을 갖는 QBPQ 및 PQ 방식이 사용될 때, 목적함수와 파라미터 k의 관계를 나타내는 도면으로서, 수학식 3 및 5에서 정지 확률을 조건으로 나타내 는 PLRBS 및 MBRBS 방식을 사용하는 QBPQ 및 PQ 방식에 대한 결과를 보여준다. 도 11은 전술한 수학식 7 및 8을 만족하는 최적의 k값,

일 때, k=0.1이 존재하는 것을 알 수 있다. 또한, k=0을 갖는 QBPQ가 종래의 PQ 방식과 동일하다는 것을 알 수 있다. 따라서, 정지 확률을 조건으로 k=0.1을 갖는 QBPQ 방식과 종래의 PQ 방식을 비교하면,

=

=0.1을 만족하는 실시간 및 비실시간 트래픽 사용자의 수가 k=0.1을 갖는 QBPQ 방식이 PQ 방식일 때보다 많은 것을 알 수 있다.

도 12는 m=0.1을 갖는 EXP/PF 방식 및 k=0.1을 갖는 QBPQ 방식이 사용될 때, 목적함수와 파라미터 k의 관계를 나타내는 도면으로서, 도 5에서

일 때, m=0.1에서 목적함수가 최대화되는 것을 알 수 있다. 따라서, 정지 확률을 조건으로 k=0.1을 갖는 QBPQ 방식과 m=0.1을 갖는 EXP/PF 방식을 비교하면, 도 12는 k=0.1을 갖는 QBPQ 방식과 m=0.1을 갖는 EXP/PF 방식을 적용할 때 사용자의 수가 증가함에 따른 정지 확률을 나타내고 있다.

상기 k=0.1을 갖는 QBPQ 방식에 대해, 정지 확률이 10% 미만일 것이 요구될 때, 즉,

=

=0.1일 때, 전체 446 실시간 서비스와 301 비실시간 서비스가 동시에 지원될 수 있다. 또한, EXP/PF 방식에 대해서, 전체 410 실시간 서비스와 230 비실시간 서비스가 동시에 지원될 수 있다. 결국,

=

=0.1을 만족하는 실시간 및 비실시간 트래픽 사용자의 수는 PLRBS 및 MBRBS 방식을 사용하는 QBPQ 방식이 종래의 EXP/PF 방식보다 많은 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시예는 종래의 기술에 의해서 산출되는 요구되는 QoS를 만족하는 실시간 및 비실시간 사용자들의 수보다 더 많은 사용자수를 얻을 수가 있게 된다.

이상의 설명에서 본 발명은 특정의 실시예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화가 가능하다는 것을 당업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.

본 발명에 따르면, 실시간과 비실시간 서비스가 혼재할 때, 개별적인 QoS를 만족하면서 이들 서비스 사용자의 용량을 극대화시킬 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면, 적절한 또는 최적의 지연시간 임계값을 설정하고, 이 임계값을 넘게 되는 경우에만 실시간 사용자를 서비스하고, 그렇지 않은 경우 비실시간 사용자를 서비스함으로써, 실시간 트래픽에 대해서는 최대 패킷 손실 확률에 대한 QoS를 만족시키고, 비실시간 트래픽에 대해서는 최소 요구 비트율에 대한 QoS를 만족시키면서 시스템 용량을 증가시킬 수 있다.

Claims

삭제
셀룰러 시스템에서 복수의 사용자로부터 전송된 복수의 데이터 패킷에 대하여 데이터 패킷 트래픽별로 차별화된 서비스 품질을 제공하기 위한 자원 할당 장치의 패킷 레벨 자원 할당 방법에 있어서,

수신된 상기 복수의 데이터 패킷을 실시간 서비스 트래픽과 비실시간 서비스 트래픽으로 분류하는 단계;

패킷의 지연 시간 및 트래픽에 대하여 미리 설정된 임계값을 기초로 실시간 서비스 트래픽으로 분류된 패킷을 전송한 복수의 사용자에 대한 스케줄링 여부를 판단하여 스케줄링을 수행하는 단계; 및

상기 실시간 서비스 트래픽으로 분류된 패킷에 대한 스케줄링이 완료된 후 이용 가능한 채널 자원이 존재하는 경우, 상기 비실시간 서비스 트래픽으로 분류된 패킷을 전송한 복수의 사용자에 대한 스케줄링을 수행하는 단계

를 포함하는 패킷 레벨 자원 할당 방법.
제2항에 있어서,

상기 임계값은 QBPQ(QoS-based priority queuing) 방식에 의하여 결정되는 패킷 레벨 자원 할당 방법.
제2항에 있어서,

상기 임계값은 HOL(head-of-line) 패킷 지연에 대한 최소 지연 요구값으로 설정되고, 상기 패킷의 지연 시간이 임계값을 초과하는 패킷은 폐기하여, 해당 패킷을 전송한 사용자를 스케줄링에서 제외하는 패킷 레벨 자원 할당 방법.
제2항 또는 제4항에 있어서,

상기 패킷의 지연 시간이 상기 임계값에 상기 실시간 서비스 트래픽에 대하여 미리 설정된 가중치를 곱하여 얻은 파라미터보다 작은 경우, 상기 패킷을 전송한 사용자를 스케줄링에서 제외하는 단계를 더 포함하는 패킷 레벨 자원 할당 방법.
제5항에 있어서,

상기 실시간 서비스 트래픽에 대한 스케줄링 단계는,

패킷 손실률을 감소시키는 패킷 스케줄링 방법(PLRBS, packet loss rate-based scheduling)을 사용하는 패킷 레벨 자원 할당 방법.
제2항에 있어서,

상기 실시간 서비스 트래픽에 해당하는 패킷에 대한 스케줄링이 완료된 후 이용 가능한 채널 자원이 존재하지 않는 경우, 상기 비실시간 서비스 트래픽으로 분류된 패킷을 전송한 복수의 사용자에 대한 스케줄링을 중지하는 패킷 레벨 자원 할당 방법.
제2항 또는 제7항에 있어서,

상기 비실시간 서비스 트래픽에 대한 스케줄링 단계에서는,

최소 요구 비트율을 기초로 하여 상기 복수의 사용자에 대한 우선 순위를 할당하여 스케줄링하는 패킷 레벨 자원 할당 방법.
제8항에 있어서,

상기 비실시간 서비스 트래픽에 대해서는 MBRBS(minimum-bit rate based scheduling) 방법을 이용하여 스케줄링하는 패킷 레벨 자원 할당 방법.
제2항에 있어서,

호가 지속되는 동안, 상기 실시간 서비스 트래픽에 대한 스케줄링 단계 및 비실시간 서비스 트래픽에 대한 스케줄링 단계를 반복적으로 수행하는 패킷 레벨 자원 할당 방법.
셀룰러 시스템에서 복수의 사용자로부터 전송된 복수의 데이터 패킷에 대하 여 데이터 패킷 트래픽별로 차별화된 서비스 품질을 제공하는 패킷 레벨 자원 할당 장치에 있어서,

상기 복수의 사용자 중 실시간 트래픽 사용자로부터 전송된 데이터 패킷을 저장하는 실시간 데이터 버퍼;

상기 실시간 데이터 버퍼에 저장된 실시간 트래픽 사용자로부터 전송된 데이터 패킷에 대해 미리 설정된 임계값을 사용하여 서비스 제공 여부를 결정하는 QBPQ(QoS-based priority queuing) 스케줄러; 및

상기 QBPQ 스케줄러에서 서비스를 제공하지 않을 것으로 판단한 사용자를 제외한 상기 복수의 사용자로부터 전송되어 상기 실시간 데이터 버퍼에 저장되어 있는 데이터 패킷에 대하여 PLRBS 스케줄링을 수행하는 PLRBS(packet loss rate-based scheduler) 스케줄러

를 포함하는 패킷 레벨 자원 할당 장치.
제11항에 있어서,

상기 복수의 사용자 중 비실시간 트래픽 사용자로부터 전송된 데이터 패킷을 저장하는 비실시간 데이터 버퍼; 및

상기 PLRBS 스케줄러에서의 스케줄링 이후 잔여 채널이 남아 있는 경우, 상기 비실시간 데이터 버퍼에 저장되어 있는 데이터 패킷에 대하여 MBRBS(minimum-bit rate based scheduler) 스케줄러

를 더 포함하는 패킷 레벨 자원 할당 장치.
제11항 또는 제12항에 있어서,

상기 임계값은 HOL(head-of-line) 패킷 지연에 대한 최소 지연 요구값인 패킷 레벨 자원 할당 장치.
제13항에 있어서,

상기 QBPQ 스케줄러는,

HOL 패킷 지연이 상기 최소 지연 요구값보다 크거나 상기 최소 지연 요구값에 미리 설정된 가중치를 곱하여 얻은 파라미터보다 작은 데이터 패킷을 전송한 사용자를 스케줄링에서 제외하는 패킷 레벨 자원 할당 장치.