KR100240634B1 - 코드분할 다중접속 네트워크에서 매체 접근 제어 프로토콜 - Google Patents

Abstract

본 발명은 코드분할 다중접속(Code Division Multiple Access ;CDMA) 네트워크에서 매체 접근 제어(Media Access Control ;MAC) 프로토콜에 관한 것이다.

무선 비동기식 전송 모드(Wireless Asynchronous Transfer Mode ;W-ATM)에 적용될 수 있는 MAC 프로토콜은 서로 다른 서비스 품질을 원하는 다양한 요구를 만족시킬 수 있어야 한다. 또한 채널이 슬롯화된 환경에서는 한 슬롯에 동시에 패킷을 전송하는 터미널의 수가 동시에 접근 한다면 지나친 상호 간섭으로 인해 성능이 저하되는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여 본 발명에서는, 한 슬롯에서 사용 가능한 코드의 수에 제한을 두기 위하여 사용 가능한 최대 코드 수를 결정한 후 모든 터미널이 주어진 코드를 공유하도록 하고 각 터미널은 필요에 따라 매 슬롯마다 코드를 부여받도록 하며, 패킷 전송 전에 프래픽 특성에 따라 자원을 예약하거나 임의 접근 방식으로 패킷을 전송하게 하므로써 데이터 트래픽에 대한 서비스를 가능하게 하고 각 트래픽의 서비스 품질에 따라 각 터미널을 차등있게 서비스할 수 있는 CDMA 네트워크에서 MAC 프로토콜이 제시된다.

Description

코드분할 다중접속 네트워크에서 매체 접근 제어 프로토콜

본 발명은 코드분할 다중접속(Code Division Multiple Access ;이하 CDMA라 함) 네트워크에서 매체 접근 제어(Media Access Control ;이하 MAC라 함) 프로토콜 프레임의 구조에 관한 것으로, 특히 슬롯화된 패킷 CDMA 환경 하에서 상호 간섭을 최소한으로 줄이며 다양한 서비스를 제공할 수 있는 CDMA 네트워크에서 MAC 프로토콜에 관한 것이다.

무선 비동기식 전송 모드(Wireless Asynchronous Transfer Mode ;W-ATM)에 적용될 수 있는 MAC 프로토콜은 서로 다른 서비스 품질을 원하는 다양한 요구를 만족시킬 수 있어야 한다. 또한 채널이 슬롯화된 환경에서는 한 슬롯에 동시에 패킷을 전송하는 터미널의 수가 동시에 접근 한다면 지나친 상호 간섭으로 인해 성능이 저하되는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 한 슬롯에서 사용 가능한 코드의 수에 제한을 두기 위하여 사용 가능한 최대 코드 수를 결정한 후 모든 터미널이 주어진 코드를 공유하도록 하고 각 터미널은 필요에 따라 매 슬롯마다 코드를 부여받도록 하며, 패킷 전송 전에 프래픽 특성에 따라 자원을 예약하거나 임의 접근 방식으로 패킷을 전송하게 하므로써 데이터 트래픽에 대한 서비스를 가능하게 하고 각 트래픽의 서비스 품질에 따라 각 터미널을 차등있게 서비스할 수 있는 CDMA 네트워크에서 MAC 프로토콜을 제공하는데 그 목적이 있다.

상술한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 CDMA 네트워크에서 MAC 프로토콜은 한 슬롯에서 사용 가능한 코드의 수에 제한을 두기 위해 사용 가능한 최대 코드 수를 결정한 후 모든 터미널이 주어진 코드를 공유하도록하여 각 터미널이 필요에 따라 매 슬롯마다 코드를 부여받으며, 이때 터미널은 패킷 전송 전에 트랙픽 특성에 예약 방식 또는 임의 접근 방식으로 자원을 할당받으므로써 패킷을 전송하며, 데이터 트래픽에 대해서 라운드 로빈 예약 방식과 임의 접근 경쟁 방식을 사용하여 패킷을 전송하도록 하고, 한 프레임에 여러개의 슬롯을 할당하므로써 그래픽의 서비스 품질에 따라 각 터미널을 차등있게 서비스할 수 있는 것을 특징으로 한다.

도 1은 한 슬롯에 전송된 패킷의 상태를 설명하기 위해 도시한 기능도.

도 2는 본 발명에 따른 매체 접근 제어 프로토콜을 설명하기 위해 도시한 프레임의 구조도.

도 3은 라운드 로빈 방법을 설명하기 위해 도시한 기능도.

도 4는 음성 터미널의 동작을 설명하기 위해 도시한 기능도.

도 5는 데이터 터미널의 동작을 설명하기 위해 도시한 기능도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 한 슬롯에 전송된 패킷의 상태를 설명하기 위해 도시한 기능도이고, 도 2는 본 발명에 따른 매체 접근 제어 프로토콜을 설명하기 위해 도시한 프레임의 구조도이다. 또한 도 3은 라운드 로빈 방법을 설명하기 위해 도시한 기능도이며, 도 4(a) 내지 4(c)는 음성 터미널의 동작을, 도 5는 데이터 터미널의 동작을 설명하기 위해 도시한 기능도이다.

ATM에서 서로 다른 서비스 품질을 만족시키기 위해, 한 프레임에 여러개의 슬롯을 할당하므로써 여러 종류의 데이터 트래픽에 대한 서비스가 가능해지고 각 트래픽의 서비스 품질에 따라 각 터미널을 차등있게 서비스하기 위해, 본 발명에 고려한 트래픽은 주기적 트래픽과 비주기적 트래픽이다. 주기적 트래픽의 대표적인 형태로 음성 트래픽이 고려되었고 비주기적 트래픽으로는 임의의 시간에 발생하는 데이터 트래픽이 고려되었다. 음성 트래픽의 경우 토크(talk) 구간과 사일런트(silent)구간이 반복적으로 발생하고 토크(talk)구간 동안에는 일정한 간격으로 패킷이 발생하므로 주기적 트래픽으로 간주 될 수 있다. 주기적 트래픽은 음성에서 볼 수 있는 것과 같이 지연에 민감한 특성을 갖기 때문에 어느 정도 이상 지연된 패킷은 폐기가 되고 이로 인해 패킷 폐기율이 성능 평가의 척도가 된다. 데이터 트래픽의 경우 폐기된 패킷은 항상 재 전송되므로 패킷 전송 지연이 성능 평가의 척도가 된다. 또한 데이터 트래픽은 많은 양의 데이터를 가지고 있지만 지연에 크게 구애 받지 않는 트래픽과 적은 양의 데이터를 가지고 있으며 작은 지연을 원하는 트래픽이 있다고 가정한다.

본 발명에서 가정한 네트워크 환경에 있어서, 시간축은 일정한 크기의 슬롯으로 나누어 지고 몇개의 슬롯이 결합되어 한 프레임을 구성한다. 한 슬롯 시간 동안에는 여러 터미널들이 서로 다른 코드를 사용해 패킷을 전송하게 된다. 많은 터미널들이 동시에 한 슬롯에 패킷을 보내서 발생하는 상호 간섭에 의한 성능 저하를 방지 하기 위해서, 또한 한정된 코드 자원을 효율적으로 사용하기 위해서 공유 코드 개념을 사용한다. 주어진 환경하에서 사용 가능한 공유 코드의 집합이 주어지면 네트워크 내의 터미널은 공유 코드 중 한 코드를 할당 받아 혹은 임의로 선택하여 패킷을 전송하게 된다. 각 슬롯이 시작되는 시점에서 기지국(Base Station ;이하 BS라 함)은 주어진 코드 중 사용 가능한 코드 즉, 예약되지 않은 코드를 모든 터미널에게 알려 준다. 경쟁 모드에 있는 터미널은 이 예약되지 않은 코드중 하나의 코드를 임의로 선택해서, 이 코드를 이용해 패킷을 보내게 된다. 이때에 코드의 수 결정이 문제가 된다. 즉 코드 수가 많으면 많을수록 패킷을 보낼 수 있는 확률도 높아 지게 되어 성능을 높일 수 있게 된다. 또한 상호 간섭을 일으키지 않으면서, 한 슬롯당 전송 가능한 터미널의 최대 수도 중요한 변수이다. 어떤 수의 터미널이 각기 다른 코드를 가지고 전송할 때 얻을 수 있는 최대의 전송률을 기본으로 하여 주어진 환경에서 한 슬롯당 최대 사용자의 수를 결정한다.

도 1을 참조하여, 한 슬롯에 전송된 패킷의 상태에 대해 다음과 같은 상황을 가정해 본다. 모든 터미널이 다른 코드를 선택해서 보냈다면 전송된 모든 패킷은 기지국(BS)에 아무런 문제 없이 전송될 것이다(슬롯 K+1과K+3의 경우). 만일 둘 이상의 터미널이 같은 코드를 선택한 경우 다음과 같이 두 가지 상황을 고려할 수 있다. 같은 코드를 사용한 터미널의 패킷은 충돌에 의해 폐기 된다(슬롯 K의 코드C의 경우). 이때 만일 이 슬롯에 패킷을 전송한 터미널의 수가 슬롯 당 최대 사용자 수를 넘을 경우 (슬롯 K의 경우 적어도 4명 이상)는 다른 코드를 사용한 패킷에도 영향을 주어서 그 슬롯에 전송된 모든 패킷이 폐기 된다. 그러나 이 슬롯에 패킷을 전송한 터미널의 수가 슬롯 당 최대 사용자수보다 작을 경우(슬롯 K+2 의 경우 B 코드를 사용한 터미널의 수가 2일 경우) 같은 코드를 사용해 전송된 패킷만 폐기되고 다른 코드(코드 A)를 사용한 패킷은 정확히 전달된다.

도 2를 참조하여 본 발명에 따른 프레임의 구조를 살펴본다. 프레임 전송률은 음성 트래픽의 패킷 도착률로 정해진다. 즉, 음성 트래픽은 한 프레임당 한 개의 패킷만 보내면 주어진 전송률을 만족시킬 수 있도록 한 프레임당 슬롯의 수와 슬롯당 비트의 수가 주어진 환경하에서 구해진다. 본 발명에 따른 프레임은 도시된 바와 같이 세 구간으로 나뉘어진다.

구간 1은 예약 요청 구간이다. 일반적으로 예약 요구 등의 제어 메시지는 사용자의 실제 데이터 보다 작은 정보량을 요구하기 때문에 그림에서와 같이 크기가 작은 몇 개의 서브 슬롯으로 다시 나눌 수 있다. 나눌 수 있는 최대의 수는 주어진 파라미터 값들에 의해 최적값이 구해질 수 있다. 이 구간은 다시 두개의 부분으로 구분되는데, 첫번째 부분은 음성 터미널을 위한 예약 요청 서브 슬롯이고, 두 번째 부분은 데이터 터미널을 위한 라운드 로빈 예약 요청 서브 슬롯이다. 음성 트래픽의 경우 토크(talk) 구간이 시작되는 시점에서 한 개의 슬롯을 예약하기 위한 메시지를 보내게 된다.

구간 2는 음성 예약/라운드 로빈 예약 구간 이다. 음성 터미널의 예약 요청에 의해 예약된 자원은 이 구간에 할당된다. 또한 데이터 터미널의 경우 구간 3에서 할당 되지 못한 터미널이 존재하고 구간 2에 사용 가능한 자원이 존재 하면 구간 2에 데이터 터미널의 자원이 예약된다. 이 구간에서의 자원 할당은 BS에 의해 제어되기 때문에 충돌이나 간섭이 발생하지 않는다고 가정할 수 있다. 또한 예약된 자원은 구간 2의 모든 슬롯에 균등하게 배분되도록 할당된다. 이 경우 한 슬롯의 코드 사용 상황이 항상 BS에 의해 감시되기 때문에 BS는 각각의 터미널에게 그 슬롯의 상황에 맞는 전력 레벨(power level)을 요청 할 수 있다. 만일 한 슬롯에 슬롯당 최대 사용자가 접근하는 경우는 드물다면, 요구되는 터미널의 전력 레벨(power level)을 줄일 수가 있다.

구간 3은 라운드 로빈 예약/임의 접근 경쟁 구간이다. 이 구간은 두 가지 형태의 접근이 허용된다. 라운드 로빈 예약 요청에 의한 데이터 터미널의 자원은 이 구간에 할당된다. 또한 작은 양의 데이터를 가지고 작은 접근 지연을 원하는 데이터를 위해 임의 접근도 허용된다. 이때 경쟁에 의해 접근하는 터미널은 현재 슬롯의 상태, 즉 코드 예약 상황을 고려해 접근 허용 여부를 결정 받는다.

본 발명에 따른 MAC 프로토콜의 프레임이 적용되는 터미널의 상태는 예약 모드, 라운드 로빈 예약 모드 및 경쟁 모드로 나누어 진다. 먼저, 터미널의 상태가 예약 모드인 경우, 예약 슬롯을 이용해 성공적으로 한 슬롯을 예약한 음성 터미널은 BS로 부터 한 개의 슬롯을 할당 받게 된다. 이때 사용하게 될 코드도 함께 부여 받게 된다. 토크(Talk) 구간 동안 이 터미널은 주어진 슬롯의 할당받은 코드를 독점적으로 사용하게 된다. 그리고 토크(talk) 구간이 끝나는 시점에서 예약은 해제되고, 해제된 자원은 다른 터미널에게 할당된다. BS에게 예약을 해제하는 시점을 알리기 위해 전송되는 패킷의 한 비트가 이 용도로 사용된다. 이 비트가 1이면 예약을 계속 유지하라는 것, 즉 보낼 패킷이 존재함을 뜻하고 0 이면 예약의 해제를, 즉 토크(talk) 구간의 끝이므로 보낼 패킷이 없음을 의미한다. 둘째, 라운드 로빈 예약 모드인 경우, 데이터 터미널은 호 설정 과정에서 예약 요청에 필요한 라운드 로빈 예약 요청 서브 코드 즉, 서브 슬롯에 할당된 코드를 서브 코드 자원을 할당 받는다. 도 3에 도시된 바와 같이, 한 라운드 로빈 주기 동안 모든 터미널이 한번 이상의 예약 요청을 할 수 있도록 주기의 길이를 결정한다. 이때, 한 라운드 로빈 주기 당 프레임 수 K는 다음의 [수학식 1]과 같다.

이때, M은 한 프레임 당 라운드 로빈 예약 요청 자원의 수, S는 한 라운드 로빈 주기 동안의 총 서브 코드의 수 그리고 M_d는 호 요청이 받아 들여진 데이터 터미널의 수를 나타낸다.

버퍼에 보낼 패킷이 있는 데이터 터미널은 라운드 로빈 예약 요청 슬롯에 자기의 차례가 돌아 오면 주어진 서브 코드를 이용해 예약 요청을 한다. 이때 BS 는 라운드 로빈 예약/임의 접근 경쟁 구간(도 2의 구간 3)에 있는 자원을 할당해 준다. 할당된 자원은 매 프레임 마다 이 터미널이 독점적으로 사용할 수 있게 된다. 만일 버퍼에 더 이상 보낼 데이터가 없다면 할당된 자원을 해제하게 된다. 이 후에 새로운 패킷이 생성되면 위에서와 같은 동작을 반복한다. 터미널은 자원을 할당 받을때 트래픽의 특성에 따라 하나 혹은 둘 이상의 자원을 할당 받을 수 있다. 또한 할당할 자원이 부족할 경우에는 트래픽의 특성 즉, 우선 순위에 의해 자원을 할당해 각 트래픽의 서비스 품질을 만족 시켜줄 수 있도록 노력한다. 셋째, 경쟁 모드인 경우, 제안된 MAC 프로토콜에는 자원을 획득하기 위한 두 가지의 경쟁 형태 즉, 예약 슬롯에서의 음성 터미널들의 경쟁 및 데이터 터미널이 임의 접근 방식에 의해 패킷을 전송하려고 할 때 발생하는 경쟁이다. 먼저, 예약 슬롯에서의 음성 터미널들의 경쟁을 살펴보면, 이 슬롯에서 한 터미널의 예약 메세지 도착률은 대략 1 / (평균 토크 구간 길이 + 평균 사일런트 구간 길이)로 매우 작기 때문에, 어느 정도의 자원이 주어 진다면 매우 작은 예약 서브 패킷 폐기율을 유지 할 수 있다.토크(Talk) 구간이 시작되면 음성 터미널은 우선 여러 개의 서브 슬롯 중 한 개를 임의로 선택한 다음, 사용 가능한 코드(예약 슬롯의 경우 모든 코드가 사용 가능) 중 임의로 한 개를 선택한 후, 선택된 서브 슬롯 과 코드를 이용해서 예약 메시지를 전송한다. 만일 간섭이나 충돌에 의해 예약 패킷이 폐기된다면 그 터미널은 다음 프레임에 다시 전송을 시도하게 된다. 그런데 음성 트래픽의 경우 지연에 민감 하기 때문에 어느 시간 이상 지연된 패킷은 쓸모가 없어져서 각 터미널에서 전송되지 않고 폐기된다. 본 발명에서는 최대 허용 지연 시간을 한 프레임 시간으로 정했기 때문에 한번의 예약 요청 메시지 폐기에 의해 한 개의 패킷이 폐기 된다. 데이터 터미널이 임의 접근 방식에 의해 패킷을 전송하려고 할 때 발생하는 경쟁의 경우, 이 터미널은 우선 사용 가능한 코드 중 임의로 한 개를 선택 한다. 그리고 그 슬롯에 이미 예약된 코드의 수에 의해 이 슬롯에 패킷을 전송할 지의 여부를 결정한다. 만일 많은 수의 코드가 이미 예약되어 있다면 간섭이나 충돌에 의해 다른 예약된 코드들에 영향을 주지 않기 위해 전송 확률을 작게 해야 할 것이다. 만일 작은 수의 코드만이 예약되어 있다면 상대적으로 간섭이나 충돌의 확률이 작기 때문에 전송 확률을 높게 해도 된다. 이러한 관점에서 슬롯 접근 함수가 주어지고, 각 터미널은 이 함수에 의해 전송 여부를 결정한다. 만일 터미널이 이 슬롯에 전송이 허용되지 않는다면 이 터미널은 다음 슬롯에서 위에서와 같은 동작을 반복한다.

마지막으로 음성 터미널과 데이터 터미널의 동작을 설명한다.

도 4(a) 내지 4(c)는 음성 터미널의 동작을 나타낸다. 도 4(a)에서 음성 터미널은 토크(talk) 구간이 시작되면, 생성된 비트 스트림을 버퍼에 저장하고 한 프레임 시간 동안 저장된 데이터에 헤더 등을 붙여 패킷을 생성한다. 음성 터미널은 토크(talk) 구간 동안 사용할 자원을 할당 받게 된다. 이때 그림 4(b)와 같이 예약 요청 메세지를 보내게 된다. 그림 4(b) 에서는 두번째 서브 슬롯과 코드 A가 사용되었고 메세지가 성공적으로 전송되어 BS로부터 (슬롯2 코드C) 자원을 할당 받는다. 그림 4(c) 에서와 같이 프레임 K에서 K+9 동안 토그(talk) 구간에서 생성된 패킷을 모두 전송하고 예약한 자원을 해제 한다.

도 5는 데이터 터미널의 동작을 나타낸다. 데이터 터미널의 예약 서브 코드가 라운드 로빈 주기의 (K-1) 번째 프레임에 할당 되었다고 한다면, 위의 데이터 트래픽 생성 그림에서 세번째 프레임 동안에 첫번째 패킷이 발생 했지만 예약 요청을 할 수 없기 때문에 (k-1)프레임이 시작될 때까지 기다린다. 그 동안 발생된 패킷은 터미널의 버퍼에 저장된다. (K-1)프레임에 예약 요청 서브 코드를 이용해 한 개의 슬롯을 구간 3에 할당 받고 버퍼에 있는 패킷의 전송을 시작한다. 버퍼의 모든 패킷을 전송한 후 자원을 해제한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 각 터미널이 코드를 공유하도록 하여 다중 접근에서 발생할 수 있는 간섭을 줄일 수 있고, 이에 의해 터미널이 경쟁 모드에 있을 경우는 사용 가능 코드 중 하나를 임의로 선정해 패킷을 전송하고 예약 모드에 있을 경우는 주어진 슬롯에서 예약된 코드를 독점적으로 사용할 수 있게 된다. 또한 데이터 터미널이 발생 시킬 수 있는 간섭을 줄이기 위해 트래픽의 특성에 따라 라운드 로빈 방식이 사용되거나 또는 작은 지연을 위해 임의 접근 방식이 병행되어 사용하였으며, 터미널이 접근할 수 있는 영역은 프레임의 일정 구간으로 한정하고, 이미 예약된 터미널의 수에 비례해 전송 여부를 결정하므로써 임의 접근 터미널이 발생 시킬 수 있는 간섭을 줄일 수 있으며, 한 프레임에 여러개의 슬롯을 할당하므로써 여러 종류의 데이터 트래픽에 대한 서비스가 가능하고, 각 트래픽의 서비스 품질에 따라 각 터미널을 차등 있게 서비스할 수 있는 효과가 있다.

Claims (2)

1. 한 슬롯에서 사용 가능한 코드의 수에 제한을 두기 위해 사용 가능한 최대 코드 수를 결정한 후 모든 터미널이 주어진 코드를 공유하도록하여 각 터미널이 필요에 따라 매 슬롯마다 코드를 부여받으며, 이때 터미널은 패킷 전송 전에 트랙픽 특성에 예약 방식 또는 임의 접근 방식으로 자원을 할당받으므로써 패킷을 전송하며, 데이터 트래픽에 대해서 라운드 로빈 예약 방식과 임의 접근 경쟁 방식을 사용하여 패킷을 전송하도록 하고, 한 프레임에 여러개의 슬롯을 할당하므로써 그래픽의 서비스 품질에 따라 각 터미널을 차등있게 서비스할 수 있는 것을 특징으로 하는 코드분할 다중접속 네트워크에서 매체 접근 제어 프로토콜.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 프레임은 음성 터미널을 위한 예약 요청 서브 슬롯 및 데이터 터미널을 위한 라운드 로빈 예약 요청 서브 슬롯으로 나누어 지는 예약 요청 구간과,

   상기 음성 터미널의 예약 요청에 의해 예약된 자원이 할당되고, 상기 데이터 터미널의 경우 구간 3에서 할당 되지 못한 터미널이 존재하고 구간 2에 사용 가능한 자원이 존재 하면 구간 2에 데이터 터미널의 자원이 예약되며, 기지국에 의해 자원 할당이 제어되기 때문에 충돌이나 간섭이 발생하지 않고, 예약된 자원이 모든 슬롯에 균등하게 배분되도록 할당되며, 기지국으로 각각의 터미널이 해당 슬롯의 상황에 맞는 전력 레벨을 요청하는 음성 예약/라운드 로빈 예약 구간과,

   라운드 로빈 예약 요청에 의한 데이터 터미널의 자원이 할당되고 작은 양의 데이터를 가지고 작은 접근 지연을 원하는 데이터를 위해 임의 접근이 허용되며, 경쟁에 의해 접근하는 터미널은 현재 슬롯의 상태를 고려하여 접근 허용 여부를 결정 받는 라운드 로빈 예약/임의 접근 경쟁 구간을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 코드분할 다중접속 네트워크에서의 매체 접근 제어 프로토콜 프레임의 구조.

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