KR100307590B1 - 무선 atm 통신 시스템 - Google Patents
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Abstract
본 발며은 무선 ATM 통신 시스템에 관한 것으로서, 기지국(AP); 적어도 하나의 무선 터미널; 및 소정의 무선 ATM MAC 프로토콜을 사용하는 무선링크를 통해 기지국과 적어도 하나의 무선터미널간의 ATM 데이터 전송을 제어하는 매체접근제어수단을 포함함을 특징으로 하고, 무선 ATM MAC 프로토콜에서 사용되는 전송프레임은 프레임 헤더, 기지국에서 무선단말기로의 상향링크 전송를 위한 상향링크 필드 및 무선단말기에서 기지국으로의 하향링크 전송을 위한 하향링크필드 순으로 구성되는 프레임 구조를 가진다.
본 발명에 의하면, 다양한 트래픽 특성에 따른 QoS를 보장할 수 있는 전송프레임 구조 및 MAC 프로토콜을 제공한다. 본 발명에 의한 MAC 프로토콜은 고정 길이의 전송 프레임을 상하향 링크 필드로 구분하고 그 경계를 가변할 수 있다. 그리고 본 발명에 의한 전송프레임은 효율적인 버스트 구조를 통해 프레임 오버헤드를 최소화하였으며, AP의 스케쥴링 처리 시간을 충분히 보장한다.
Description
본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 무선 비동기전송모드(ATM) 시스템에서의 매체접근제어(MAC) 프로토콜 및 매체접근제어(MAC) 프레임 구조에 관한 것이다.
무선 비동기전송모드(Ayschronous Transfer Mode, 이하 ATM 이라 함)에서의 매체접근제어(Media Access Control, 이하 MAC 이라 함) 프로토콜은 독립적으로 분산되어 있는 이동 단말기들을 대상으로 ATM 이 추구하는 통계적 다중화 기능을 무선 매체를 통해 확장하는 역하을 한다. MAC 프로토콜은 다양한 서비스 특성에 따라 동적으로 변화는 대역요구사항과 전송 지연시간 및 셀 손실 등의 서비스 품질을 동시에 만족시켜야 하며, 분산된 이동 단말기들에게 자원을 공평하면서도 효율적으로 사용할 수 있는 접속환경을 제공하여야 한다.
이를 이해 전송프레임 내의 슬롯 할당은 최소의 대역으로 각 트래픽의 서비스 품질(Quality of Service, 이하 QoS 라 함)를 보장하는 한편, 슬롯 할당 절차의 단순성을 고려해서 설계되어야 하므로 각 서비스의 트래픽 발생특성을 고려한 슬롯할당 알고리즘이 필요하다. 트래픽 발생 주기를 예측할 수 있는 일정비트율(Constant Bit Rate, 이하 CBR 이라 함) 트래픽의 경우 주기적인 폴링 또는 고정적인 슬롯할당을 적용함으로써 별도의 복잡한 동적 슬롯 할당 알고리즘을 요구하지 않는다. 반면, 가변비트율(Variable Bit Rate, 이하 VBR이라 함) 트래픽의 경우 트래픽 발생률의 순시적인 변동특성과 QoS 요구사항을 동시에 고려하여 최적으 슬롯 할당이 수행되어야 무선 구간에서의 통계적 다중화 이득을 극대화 할 수 있으므로 단말의 순시적인 트래픽 변동사항을 반영할 수 있도록 동적 파라미터(Dynamic Parameter, 이하 DP라 함)를 전송해야 한다. 스케쥴링에 필요한 DP의 내역을 가능한 한 단순화하여 무선접속 구간에서의 전송효율성을 극대화할 수 있어야 하며, 시변적인 슬롯 요구량을 적시에 반영할 수 있는 DP 전송방안도 동시에 고려되어 한다. DP 저송 지연이 발생될 수 있는 요인은 상향링크에 지정된 슬롯을 통해 경쟁방식으로 패킷을 전송할 때 경쟁에 따른 지연시간과 in-band 시그널링에 의해 핏기-백(piggy-back)되어 DP를 전송할 경우, 특정 단말에 상향링크의 슬롯 할당이 이루어지지 않아 DP 전송의 기회를 상실할 경우로 크게 분류될 수 있다. 한편 지연시간에 대한 요구사항이 엄격하지 않은 nrt-VBR(non real time VBR), ABR(Available Bit Rate) 또는 UBR(Unspecified Bit Rate) 트래픽은 슬롯 할당후에 남는 슬롯에 대하여 경쟁 또는 비경쟁 방식으로 자원을 공유할 수 있다.
그 밖에도 MAC 프로토콜은 프레임 오버헤드를 최소화하기 위한 효율적인 슬롯 맵 방식과 한 단말기에 할당된 여러 개의 슬롯을 하나의 연속적인 단위로 전송하는 버스트 구조 등을 고려하므로써 대역효율성을 극대화 시켜야 한다.
일반적으로 종래의 전송프레임은 다음과 같은 문제점을 가지고 있다. 전송프레임의 프레임 헤더 다음에 하향링크(Downlink), 상향링크(Uplink) 순서로 프레임이 구성된다. AP(Access Point)는 상향링크에서의 슬롯할당 요청을 다 수신한 다음에야 다른 프레임의 슬롯할당을 결정할 수 있다. 이 때 상향링크 다음에 바로 프레임 헤더에 그 슬롯할당 결정 내용을 실어야 함으로 계산할 수 있는 시간이 매우 작다.
그리고 슬롯할당에 관련된 모든 판단을 AP에서 수행함으로써, AP에 큰 부하가 걸리는 문제점이 발생하였다. 특히 CBR 트래픽의 경우 고정된 비트율로 데이터가 발생된다. 이러한 트래픽을 고정슬롯에 할당하지 않으면 하드웨어 복잡도가 증가하고 delay variance가 발생하기 쉽다.
그리고 DP를 데이터 부분에 piggy backing 시키고 전송할 데이터가 없는 경우에는 경쟁방식으로 DP를 보낸다. 경쟁방식으로 DP를 보내는 것은 서비스 QoS 보장에 어려움을 가져온다.
본 발명이 이루고자하는 기술적 과제는 고속 무선전송시스템에서 각 단말의 다양한 서비스 요구사항을 효율적으로 만족시키면서 데이터를 전송할 수 있는, 전송프레임을 사용하는 무선 ATM 통신 시스템을 제공하는 것이다.
도 1은 프레임 헤더 뒤에 하향링크, 상향링크 순으로 구성된 전송프레임을 도시한 것이다.
도 2는 프레임 헤더 뒤에 상향링크, 하향링크 순으로 구성된 전송프레임을 도시한 것이다.
도 3은 본 발명에 의한 C-FD3R MAC 프로토콜에서의 프레임 구조를 도시한 것이다.
도 4는 SYNC 구간에서 CBR 트래픽을 위한 동적 슬롯 조정을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 상향링크 버스트 헤더의 구조를 도시한 것이다.
도 6은 잔존시간에 기초한 결정적(deterministic) 스케쥴링의 예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 해당 VC의 셀간 도착간격과 해당 CTD 의 관계를 설명하기 위한 도면이다.
도 8는 매체접근 제어수단을 포함하는, 전송프레임을 처리하고 생성하는 AP(Access Point)의 기능블록을 도시한 것이다.
도 9는 매체접근 제어수단을 포함하는, 전송프레임을 처리하고 생성하는 WT(Wireless Terminal)의 기능블록을 도시한 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명에 의한 무선 ATM 시스템은, 기지국(AP); 적어도 하나의 무선 터미널; 및 소정의 무선 ATM MAC 프로토콜을 사용하는 무선링크를 통해 상기 기지국과 적어도 하나의 무선터미널간의 ATM 데이터 전송을 제어하는 매체접근제어수단을 포함함을 특징으로 하고, 상기 무선 ATM MAC 프로토콜에서 사용되는 전송프레임은 프레임 헤더, 기지국에서 무선단말기로의 상향링크 전송를 위한 상향링크 필드 및 무선단말기에서 기지국으로의 하향링크 전송을 위한 하향링크필드 순으로 구성되는 프레임 구조를 가진다.
상기 상향링크 필드와 하향링크 필드 간의 경계는 가변이고, 상기 상향링크 필드는 호 설정 및 해제 시그널링 메시지 전송을 위한 경쟁필드; 고정된 시간 대역의 슬롯을 할당받는 동기필드; 및 요청에 의해 슬롯을 할당받는 예약필드로 이루어지고, 상기 하향링크 필드는 고정된 시간 대역의 슬롯을 할당받는 동기필드; 및 요청에 의해 슬롯을 할당받는 예약필드로 이루어짐이 바람직하다.
상기 상향링크 필드는 동기필드가 예약필드 앞에 위치하고, 상기 하향링크 필드는 예약필드가 동기필드 앞에 위치함이 바람직하다.
상기 동기필드는 CBR 트래픽을 위한 것이며, 상기 예약필드는 rt-VBR, nrt-VBR, ABR 및 UBR 트래픽을 위한 것이며, 상기 동기필드 및 예약필드는 상기 무선 터미널에 할당되는 슬롯 또는 슬롯의 집합체인 버스트로 이루어짐이 바람직하다.
상기 프레임 헤더는 네트웍 ID, 기지국 ID, 링크동기정보, 예약필드에서 서비스되는 터미널 수 및 슬롯할당 결과를 나타내는 버스트 맵을 포함한다.
상기 링크동기정보는 호가 해제되거나 추가될 때 상향링크 및 하향링크 동기를 맞추기 위한 상향링크 동기정보 및 하향링크 동기정보로 이루어지고, 상기 상향링크 동기정보 및 하향링크 동기정보는 프레임 상의 참조 위치를 나타내는 참조 오프셋 및 호가 해제되거나 추가되는 버스트의 슬롯 수를 나타내는 변이값으로 구성됨이 바람직하다.
상기 버스트 맵은 터미널 ID, 상향링크 맵 및 하향링크 맵으로 구성되고,
상기 상향링크 맵 및 하향링크 맵은 프레임에서의 위치를 나타내는 오프셋 및 무선 터미널에 할당된 슬롯 수로 이루어짐이 바람직하다.
상기 버스트는 적어도 프리엠블, 버스트 헤더를 포함하고, 예약필드의 버스트헤더는 네트웍 ID, 기지국 ID, 무선터미널 ID, 현재 프레임 내에서 할당받은 슬롯 개수, 무선단말기 내에서 rt-VBR 트래픽의 특성을 갖는 가상채널(VC)들의 동적파라미터 집합을 나타내는 동적파라미터 맵(DP Map) 및 하향링크로 전송된 데이터 수신 여부를 응답하는 응답 맵(ACK Map)을 포함함이 바람직하다.
상기 DP 맵은 VBR에 대해서는 트래픽 클래스 정보, 프레임에서의 잔류시간 및 요구한 슬롯 수를 포함하고, ABR 및 UBR에 대해서는 트래픽 클래스 정보 및 버퍼에 있는 셀 수를 포함하는 것이 바람직하다.
상기 응답 맵(ACK Map)은 이동 가상채널 구별자(MVCI) 및 응답정보(ACK Information)를 포함하고, 예약필드에서의 슬롯 또는 버스트 할당은 rt-VBR 에 우선적으로 배정하여 rt-VBR의 QoS를 보장함이 바람직하다.
예약필드에서의 슬롯 또는 버스트 할당은 nrt-VBR, ABR 및 UBR 트래픽에 대해서는 가중 라운드 로빈(weighted round robin)방식에 의해 결정하고, DP 전송은 piggy-backing 방식으로 이루어지고, 특정단말에 상향일크의 슬롯 할당 이루어지지 않아 DP 전송 기회를 상실한 경우, rt-VBR을 소정의 요구 시간안에 전달하기 위해 예측 잔여시간(predicted residual time)을 사용하여 슬롯할당을 하고, DP를 piggy-backing 한 버스트가 무선구간에서 손실된 경우, 이전에 수신된 DP를 토대로 슬롯 할당을 함이 바람직하다.
순시적인 트래픽에 있어서, 무선단말기가 필요한 슬롯수보다 적은 슬롯을 할당받은 경우 해당 가상채널(VC)의 QoS를 보장하기 위해, 셀 폐기 또는 implicit UPC 제어를 사용하고, 상향링크의 슬롯 할당 스케쥴링은 기지국 및 무선단말기에서 각각 이루어지는 분산 스케쥴링임이 바람직하다.
이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다. 본 발명에 의한 무선 통신시스템은 AP(Acess Point)에 해당하는 기지국(base station)과 적어도 하나의 무선 터미널(WT) 및 무선 ATM MAC 프로토콜을 사용하는 무선링크를 통해 상기 기지국과 적어도 하나의 무선터미널간의 ATM 데이터 전송을 제어하는 매체접근제어수단을 포함하여 이루어진다.
상기 무선 ATM MAC 프로토콜에서 사용되는 기본적인 전송프레임 구조는 고정된 시분할 슬롯들로 구성된다. 그리고 전체 프레임은 상햐향 링크 필드로 구분되고 그 경계는 가변적인 ATDD(Adaptive Time Division Duplexing) 방식을 채택한다. 각 링크 필드는 기본적으로 동기필드와 예약필드로 구분된다. 프레임의 선두는 프리앰블(preambl)과 프레임 헤더(frame header)로 구성되며 그 다음으로 상향링크(uplink), 하향링크(down link) 순으로 구성된다. AP(Access Point)의 상향링크 스케쥴러(Scheduler)가 현재 전송 프레임의 상향링크를 통해 얻은 각 DP 정보를 토대로 다음 전송 프레임의 상향링크 슬롯을 할당하기 위해, 허용가능한 시간인 스케쥴링 시간한도(scheduling time-bound)를 고려해 볼 때, 도 1과 같이 프레임 헤더 뒤에 하향링크, 상향링크 순으로 구성할 경우 AP가 현재 프레임의 상향링크로부터 얻은 DP 정보를 토대로 guard time과 preamble 슬롯 시간을 합한 시간인 수십 ㎲ 이내에 상향링크 스테쥴링을 완료해햐 다음 프레임 헤더에서 슬롯 할당 정보를 통보할 수 있을 것이다. 물론 기존의 프레임 구조에서는 프레임 끝부분에 경쟁슬롯들을 배치하여 어느정도 scheduling time-bound 를 확장시킬 수 있겠지반 실제 시스템을 고려해 볼 때 완전한 해결책이 될 수 없다.
따라서, 도 2와 같이 프레임 헤더 뒤에 상향링크, 하향링크 순으로 구성하게 되면 scheduling time-bound 가 하향링크 구간과 guard time 그리고 preamble 슬롯 시간을 합한 시간인 수 msec가 되므로 AP의 상향링크 스케쥴링 소요시간을 충분히 보장할 수 있다. 따라서 제안된 전송 프레임은 preamble, 프레임 헤더, 상향링크, 그리고 하향링크 순으로 구성하였다.
상향링크는 호설정/해제 시그널링 메시지 전송을 위한 고정길이의 경쟁필드, CBR 트래픽을 위한 동기필드, 그리고 rt-VBR, nrt-VBR, ABR, UBR 트래픽을 위한 예약필드로 구성된다. 마찬가지로 하향 링크도 경쟁필드를 제외한 동기필드와 예약필드로 구성된다.
프레임의 프레임 헤더는 도 3에서와 같이 Network ID, AP ID 뿐만아니라 상하향 동기필드에서의 DTDM(Dynamic TDM)을 위한 정보(Sync U/L information, Sync D/L information), 예약필드에서 서비스되는 단말의 수(# of terminal in reserved field), 그리고 예약필드내에서의 단말기 당 버스트 맵(Burst map) 들과 CRC로 구성된다.
그밖에 선택적으로 포함될 수 있는 정보들로는 무선구간의 상태정보(예: 무선구간의 부하상태), AP에서 WT로 보내지는 호설정/해제 메시지(broadcast), 시그널링 메시지에 대한 ACK 등을 고려할 수 있다.
상향 동기필드에서의 DTDM을 위한 정보 Sync U/L information 은 참조 옵셋(reference offset)과 음수의 변이값(Shift value(-)(in slot))로 구성된다. 이는 동기필드 내에서의 새로운 호의 추가 및 기존 호의 해제 시에 동기필드를 유지하기 위한 Dynamic TDM 방식을 위해 도 4와 같이 사용된다. 도 4(a)의 상태를 기준으로 볼 때, 도 4(b)는 새로운 호가 추가될 때의 경우로서 새로운 호의 추가시에는 상향링크의 동기필드는 연속적으로 뒤로 확장된다. 도 4(c)와 같이 슬롯 11-16을 사용하던 호가 해제될 경우, 프레임 헤더를 통해 Sync U/L information (11,5) 값을 방송한다. 11번째 슬롯 이후에 동기 슬롯을 할당받아 사용하고 있는 WT 들은 자신의 동기슬롯을 5슬롯 만큼 감소시켜 주게 된다. 마찬가지로 Sync D/L information 도 같은 구조를 갖지만 새로운 호 추가시 앞쪽으로 확장되고 변이값도 양수를 갖는다는 차이가 있다. 이는 하향링크의 경우 프레임 끝부분을 기준으로 상향링크의 경우 프레임의 시작부를 기준으로 동기를 유지하기 때문이다.
예약필드에서 서비스 되는 단말의 수(# of terminal in reserved field) 만큼 버스트 맵(Burst Map) 들이 존재하게 되는데 하나의 버스트 맵은 WT ID, U/L map 그리고 D/L map 으로 구성된다. 하나의 U/L map 또는 D/L map 은 프레임 내의 오프셋과 길이(in slot)로 구성된다.
3. 버스트 구조
버스트는 도 5와 같은 구조를 갖는다. 버스트 선두에는 0.5 슬롯 길이의 preamble 과 0.5 슬롯 길이의 버스트 헤더를 갖는다. 버스트 헤더는 Net ID, AP ID, WT ID를 포함하고 현재 프레임 내에서 할당받은 슬롯수(# of assigned slots), DP 맵, ACK 맵 그리고 CRC 로 구성된다. DP 맵은 단말내에서 rt-VBR 트래픽의 특성을 갖는 VC 들의 DP 집합들로서 각각의 DP는 residual frame time(in frame)과 요구 슬롯수(# of required slots)로 구성된다.
ACK 맵은 하향링크로 전송된 데이터에 대한 ACK 들의 집합으로서 각각의 ACK 은 VC를 구분할 수 있는 MVCI 와 ACK 정보로 구성된다.
데이터 버스트는 다시 동기필드 내의 Sync 버스트와 예약필드내의 Reserved 버스트로 구분할 수 있다. 이들은 동일한 구조를 갖지만 Sync 버스트는 버스트 헤더 내에 DP 맵과 ACK 맵이 존재하지 않는다는 특징이 있다.
버스트를 구성하는 슬롯들은 무선 접속면에서의 기본 전송단위로서 64바이트의 무선 ATM 셀과 동일하다.
4. 프레임 주기(길이)
프레임 주기는 각 서비스들의 CTDmax 중 가장 작은 CTD 보다는 작아야 한다. 이는 모든 서비스의 CTD를 만족시키기 위한 필요조건이다.
MAC 프로토콜에서는 모든 CBR 트래픽이 프레임 주기 단위로 ATM 셀로 패킹되어 동기모드로 전송된다고 가정한다. 만약 저속 CBR 트래픽의 경우, 프레임 주기가 너무 짧으면 ATM 셀로 패킹될 때 padding 이 커지므로 자원의 효율성이 떨어진다. 이러한 측면에서 볼 때, 프레임 주기는 길수록 좋다.
프레임 주기 | 1 msec | 3 msec | 5 msec | 10 msec |
Bytes/Cell | 8 | 24 | 40 | 80 |
또한 프레임 주기가 길면 상대적으로 파워절감(power saving) 효과를 얻을 수 있다. 예를 들어, 200슬롯 주기내에 상하향 링크로 각각 4개의 슬롯을 사용하는 단말이 100슬롯 길이의 프레임을 사용했을 때와 200슬롯 길이의 프레임을 사용했을 경우를 비교해 보자, 200 슬롯 길이의 플에미을 사용했을 경우 프레임 헤더부가 4개의 슬롯을 차지한다고 가정하면 단말의 평균 sleep 시간은 63 슬롯이 된다. 반면 100 슬롯 길이의 프레임을 사용했을 경우 프레임 헤더부가 2개의 슬롯을 차지한다고 가정하면, 단말의 평균 sleep 시간을 31 슬롯이 된다. 따라서 두 경우를 비교해 볼 때 micro sleep mode 의 파워절감 효과는 프레임 길이가 길수록 유리함을 알 수 있다.
반면, 제안된 MAC 프로토콜에서는 totally contention-free 의 특성상 프레임 길이가 짧아야 될 제약조건이 제거된다.
따라서 본 발명에 의한 MAC 프로토콜의 전송 프레임 주기는 각 서비스들의 CTDmax 중 가장 작은 CTD 보다 작아야 한다는 upper bound 만 준수된다면 가능한 한 길게 하는 것이 유리하다는 결론을 얻을 수 있다.
5. 스케쥴링
스케쥴링 알고리즘은 무선 ATM 서비스를 위해 unified bandwidth-on-demand 플랫폼을 형성하는데 있어서 매우 중요하다. 특히, 가변비트율 트래픽을 위해 통계적 다중화를 추구하는 WATM MAC 프로토콜에서의 핵심요소 중의 하나이다.
1) AP의 상향링크 스케쥴링
CBR 트래픽의 VC들을 갖는 단말들은 해당 Sync 버스트를 사용하도록 하고 새로운 호의 설정 또는 기존 호의 해제시에는 DTDM 방식에 의해 동기필드를 유지시킴으로써 CTD와 CVD를 만족시킨다.
예약필드에서는 각 단말들이 상향링크로 전송한 Reserved 버스트 헤더부 내의 DP 맵을 토대로 우선적으로 rt-VBR 트래픽의 VC들이 다음 프레임에서 필요로 하는 슬롯수 만큼 해당 단말들에게 할당시킨다. 즉, 각 VC들이 전송한 DP 내의 residual time과 요구 슬롯수를 토대로 슬롯을 할당시키므로 실시간성 트래픽들에 대한 CTD와 CVD를 보장하게 된다.
만약 rt-VBR 트래픽의 VC들이 다음 프레임에서 필요로하는 슬롯수의 총합이 가용슬롯 수보다 작을 경우, nrt-VBR, ABR 또는 UBR 트래픽의 VC들을 갖는 단말들에게 라운드-로빈(round-robin) 방식으로 슬롯을 할당시키거나 동적 파라미터(static parameter)를 참조해 가중 라운드-로빈(weighted round-robin) 방식으로 슬롯을 할당시킨다. weighted round-robin 방식일 경우, weight 는 트래픽에 다른 우선순위(예:nrt-VBR -> ABR -> UBR 순)나 데이터 발생률에 대한 정보 등을 토대로 결정될 수 있다.
위와 같이 각 단말별로 다음 프레임에서 할당받을 수 있는 슬롯수가 결정되면, 그 슬롯수의 길이를 갖는 Reserved 버스트를 다음 프레임 헤더를 통해 각 단말에게 통보한다.
2) WT의 상향링크 스케쥴링
WT의 상향링크 스케쥴러는 VC별로 관리한다. CBR 트래픽을 갖는 VC는 호설정시에 자신의 동기 버스트를 할당받게 되므로 WT의 상향링크 스케쥴러의 역할은 거의 없다. 단지 프레임 헤더 내에 동기정보가 있을 때마다 동기 버스트의 위치를 변경시켜 주어야 한다.
rt-VBR 트래픽을 갖는 VC는 전송버퍼로 들어오는 무선 ATM 셀의 residual time(in slots)을 관리해야 한다. 이를 토대로 WT의 상향링크 스케쥴러는 앞으로 몇번째 프레임에 몇 개의 슬롯을 할당받아야 할지를 결정해야 한다. 도 6은 rt-VBR 트래픽의 VC에 대한 WT의 상향링크 스케쥴러의 동작원리를 도식화한 것이다. 도 6(a)에서 보면, 무선 ATM 셀들이 현재 프레임을 통해 전송될 때 전송버퍼내에 있는 셀들의 residual time (in slots)을 토대로 DP를 결정하게 된다. 만약 프레임 주기를 20 slots 라고 가정하면, 전송 버퍼내 선두 셀의 residual time은 29(in slots)이므로 현재 프레임(20 in slots) 다음에 처리해야 한다. 또한 다음 프레임 내에 처리해야 될 셀들이 4개(residual time:29,30,35 and 39 in slots) 이므로 DP(1,4)를 piggy-back 으로 전송하게 된다. 다음 프레임 헤더를 통해 4개의 슬롯을 할당받게 되면 해당 프레임을 통해 이들 4개의 셀들을 전송하게 되고, 이 때 전송버퍼내 선두 셀의 residual time 은 47(in slots) 이므로 다음 두 번째 프레임에서는 반드시 처리해야 한다. 또한 다음 두 번째 프레임에서 처리해야 할 될 셀들이 3개(residual time:47, 50, 52)이므로 DP(2,3)을 piggy-back으로 전송하게 된다.
만일 요구한 슬롯이 예약된 후 동적 파라미터 요구한 슬롯을 m, 프레임의 수를 n의 쌍으로 표현되는 동적 파라미터를 DP[m,n]이라 하고, 프레임 길이를 LF, 지연제한에 대한 참조를 갖는 버퍼의 i번째 위치에서 큐잉된 셀의 residual life time 을 ΤR (i) 이라 하면, DP[m,n]에서의 n 과 m은 수학식 1 및 수학식 2로 표현된다.
도 6(b)는 도 6(a)의 경우와 마찬가지로 DP(1,4)를 전송해서 다음 프레임에서 4개의 슬롯을 할당받아 4개의 셀들을 전송하게 된다. 이 때 전송버퍼내에 셀들이 도착하지 않아 비어 있을 경우엔 요구 슬롯수가 0 이된다. 이렇게 되면 이후에 상향링크 슬롯을 할당받을 수 있을 기화가 상실되므로 DP의 piggy-back 방식을 유지할 수 없다. 따라서 이 경우엔 해당 VC의 동적파라미터(Static Parameter,SP)를 토대로 predicted residual time(in frame)을 결정하고 요구 슬롯수를 1로 하여 보낸다. 여기서 R은 VC의 정적 파라미터(SP)에 기초한 프레임에서의 예측잔여시간(predicted residual time)이다.
도 6(c)는 도 6(a)와 마찬가지로 DP(1,4)를 전송해서 다음 프레임에서 4개의 슬롯을 할당받지 못하고 3개의 슬롯을 할당받은 경우가 된다. 이 때 WT는 4번째 셀을 폐기시키거나 그 밖의 implicit UPC(Usage Parameter Control) 제어 수행하게 된다.
도 6(a)는 해당 VC의 셀간 도착간격이 해당 CTD 보다 작을 경우에 해당된다. 이런 경우엔 항상 전송버퍼에 무선 ATM 셀들이 대기하게 된다.
도 7(a)는 이를 도식화한 것이다. 데이터율이 23kbps - 1Mbps 이고 CTD = 30msec 일 경우, 최저 15msec 당 1셀이 발생되므로 도 7(a)에 도시된 바와 같이 적어도 2개의 셀이 항상 버퍼에 대기하게 되고, 최고 0.5msec 당 1 셀이 발생되므로 최대 60개의 셀이 버퍼에 대기하게 된다.
도 7(b)는 해당 VC 의 셀간 도착간격이 해당 CTD보다 같거나 클 경우에 해당된다. 이러한 경우 셀이 전송될 때 전송버퍼는 항상 비어 있게 된다. 도 7(b)는 이를 도식화한 것이다. 데이터율이 16Kbps 이고 CTD=30msec 일 경우 60msec 당 1셀이 발생되므로 셀이 전송될 때 항상 전송버퍼는 비어 있게 된다.
rt-VBR 트래픽을 크게 도 7(a)에 속할 경우와 데이터 전송률의 최대치와 최저치와의 차이가 매우 커서 도 7(a)와 (b)를 모두 포함할 경우, 그리고 도 7(b)에 속할 경우로 분류할 수 있다. 그러나 무선 ATM 시스템에서 예상가능한 서비스들을 기준으로 볼 때, 첫 번째 경우가 일반적일 것으로 예상되며 세 번째 경우는 거의 없을 것으로 예상된다.
3) DP 전송방식
시변적인 슬롯 요구량을 적시에 반열할 수 있는 DP 전송 방안은 경쟁방식과 piggy-backing 하는 in-band 방식으로 구분할 수 있다. DP 전송 지연이 발생될 수 있는 요인은 상향 링크에 지정된 슬롯을 통해 경쟁방식으로 패킷을 전송할 때 경쟁에 다른 지연시간과 in-band 시그널링에 의해 piggy-back 되어 DP를 전송할 경우 특정 단말에 상향링크의 슬롯 할당이 이루어지지 않아 DP전송의 기회를 상실할 경우로 크게 분류될 수 있다.
본 발명에 의한 MAC 프로토콜에서는 순시적으로 변화하는 rt-VBR 트래픽 특성을 적시에 반영시키기 위해 경쟁방식에 의한 DP 전송을 피하고, piggy-back 으로 전송하는 것을 원칙으로 한다.
DP를 piggy-back 방식으로 전송했을 때 발생할 수 있는 문제점은 크게 특정 단말에 상향링크의 슬롯 할당이 이루어지지 않아 DP 전송의 기회를 상실할 경우와 DP를 piggy-backing 한 버스트가 무선구간에서 손실될 경우로 볼 수 있다.
전자의 경우는 residual time을 도입함으로써 특정 단말에 대한 상향링크의 슬롯 할당이 보장되므로 DP 전송의 기회상실로 인한 문제를 극복할 수 있다. 후자의 경우는 이전에 수신된 DP를 토대로 슬롯할당을 함으로써 이러한 문제를 극복할 수 있다. 즉, 이전에 수신된 DP의 내역이 (2,3) 이었다면, AP는 손실된 DP값으로 (2,3)을 사용한다. 이는 트래픽이 순시적인 변화가 크지 않을 경우에 가장 적합할 것이다. 그러나 순시적인 변화가 큰 트래픽일 경우, 실제로 필요한 슬롯수보다 많은 슬롯을 할당받거나 적은 슬롯을 할당받게 된다. 필요한 슬롯수보다 많은 슬롯을 할당받은 경우는 별 문제가 되지 않지만 적게 할당받은 경우는 셀 폐기 또는 implicit UPC 제어를 통해 해당 VC의 QoS를 보장해야 한다.
QoS특성 | 트래픽 분류 | 지연 제한 | DP[n,m] | 슬롯 예약 정책 | ||
m | n | 전송모드 | 우선권 | 동적 폴링 | ||
지연민감 | CBR | max_CTD/CVD | N/A | SYNC | 1 | Deterministic |
rt-VBR | max_CTD/CDV | 식 2 | 식 1 | RES | 2 | |
지연둔감 | nrt-VBR | mean_CTD | 3 | Probabi-listic | SD | |
ABR | N/A | Nq | 4 | WRR | ||
UBR | N/A | 5 |
상기 표 2에서, 식 2는이고, 식 1은이다. 그리고 LF는 프레임의 길이,는 지연제한에 대한 참조를 갖는 버퍼의 i번째 위치에서 큐잉된 셀의 실질 또는 예측된 residual life time 이다. Nq 는 버퍼에서 기다리는 셀의 수, SD는 Semi-Deterministic, WRR(Weighted Round Robin)은 가중 라운드 로빈을 나타낸다.
상기 표 2는 다른 ATM 트래픽 클래스에 적용되는 DP의 형태와 슬롯 예약 정책을 요약한 것이다. 모든 형태의 ATM 서비스 클래스에 대한 슬롯 할당은 동적 폴링 스킴(dynamic polling scheme)에 기초하고 있다. 상기 동적 폴링 스킴은 contention free MAC 프로토콜에 대한 기반을 제공한다. CBR 트래픽 클래스는 고정슬롯 할당에 의해 진정한 동기 전송모드로 서비스된다. 반면, rt-VBR 클래스는 주어진 max_CTD 하에서의 결정 슬롯 스케쥴링(determinisitic slot scheduling)에 의해 서비스된다. CTD는 nrt-VBR을 평균적인 의미에서 보장하기 위한 것이 때문에 트래픽 요구에 대한 residual lifetime 이 변함에 따라 semi-deterministic 방식으로 스케쥴된다. 마지막으로, ABR 및 UBR 트래픽 클래스들은 가장 낮은 우선순위로 가중 라운드 로빈 정책 하에서 서비스된다. 즉 CBR, VBR 트래픽 클래스가 서비스되고 난 후 남는 슬롯을 할당받는다.VBR, ABR, 및 UBR 서비스 클래스들에 대한 트래픽 요구의 동적성질로 인해, 동적 파라미터들이 요구되고, 각각은 트래픽특성과 QoS 요구에 의존하여 다른 형태의 정보를 전송한다. 특히, 동적 파라미터들은 delay-sensitive 트래픽에 대해 결정(deterministic) 스케쥴링을 지원하기 위해 최적화된다.
한편, 도 8는 매체접근 제어수단을 포함하는, 상기 전송프레임을 처리하고 생성하는 AP(Access Point)의 기능블록을 도시한 것으로서, 크게 ATM 셀을 WATM 셀로, WATM 셀을 ATM 셀로 변환하는 셀변환부, 스케쥴러, 프레임 헤더를 생성하고 하향링크 버스트를 구성하는 전송프레임 생성부, WT로부터의 전송프레임의 버스트에서 DP 및 WATM 셀을 추출하는 전송프레임 해체부로 이루어진다. 상기 스케쥴러는 송신큐로부터 콘텐트(contents)를 수신하고, 프레임 해체부로부터 추출된 DP를 받아들여 버스트 맵 정보를 생성한다.
도 9는 매체접근 제어수단을 포함하는, 상기 전송프레임을 처리하고 생성하는 WT(Wireless Terminal)의 기능블록을 도시한 것으로서, 크게 ATM 셀을 WATM 셀로, WATM 셀을 ATM 셀로 변환하는 셀변환부, 스케쥴러, 스케쥴러로부터 DPs 및 버스트 위치를 수신하여 상향링크 버스트를 생성하는 버스트 생성부, AP로부터 수신한 전송프레임에서 스쥴러로부터 수신한 버스트 위치를 이용하여 프레임 헤더 및 WATM 셀을 추출하는 전송프레임 디코더로 이루어진다. 상기 스케쥴러는 송신큐로부터 콘텐트(contents)를 수신하고, 전송프레임 디코더로부터 추출된 프레임 헤더를 받아들여 버스트 위치, DPs 를 생성한다.
본 발명에 의하면, 다양한 트래픽 특성에 따른 QoS를 보장할 수 있는 전송프레임 구조 및 MAC 프로토콜을 제공한다. 본 발명에 의한 MAC 프로토콜은 고정 길이의 전송 프레임을 상하향 링크 필드로 구분하고 그 경계를 가변할 수 있다. 그리고 본 발명에 의한 전송프레임은 효율적인 버스트 구조를 통해 프레임 오버헤드를 최소화하였으며, AP의 스케쥴링 처리 시간을 충분히 보장한다.
동기필드는 CBR 트래픽의 CTD 및 CVD를 보장한다. 그리고 예약필드에서는 rt-VBR, nrt-VBR, ABR 및 UBR 트래픽을 서비스한다. rt-VBR 트래픽은 DP와 SP(Static Parameter)를, 나머지 트래픽들에 대해서는 호설정시의 SP를 토대로 스케쥴링하므로써 트래픽 특성에 따른 우선순위를 보장하고 DP 내에 residual time(in frame)을 도입함으로써 실시간성 트래픽의 CTD와 CVD를 보장한다. 또한 본 발명에 의한 MAC 프로토콜은 DP 내의 residual time(in frame)을 이용하여 DP를 piggy-back 방식만으로도 전송가능하게 하므로써 totally contention-free 로 동작하게 된다. 단 경쟁필드(contention field)는 상향링크에서의 호설정/해제 시그널링 메시지 전송을 위해서만 필요하게 된다.
또한 본 발명에 의한 MAC 프로토콜에서는 rt-VBR 트래픽 특성을 갖는 VC가 DP를 통해 요구한 슬롯수보다 실제 할당된 슬롯수가 적을 경우 해당 WT가 implicit UPC를 수행하도록 함으로써 과부하시에도 해당 VC의 특성 서비스 QoS를 최대한 반영시킬 수 있다.
Claims (17)
- 기지국(AP);적어도 하나의 무선 터미널; 및소정의 무선 ATM MAC 프로토콜을 사용하는 무선링크를 통해 상기 기지국과 적어도 하나의 무선터미널간의 ATM 데이터 전송을 제어하는 매체접근제어수단을 포함함을 특징으로 하고,상기 무선 ATM MAC 프로토콜에서 사용되는 전송프레임은프레임 헤더, 기지국에서 무선단말기로의 상향링크 전송를 위한 상향링크 필드 및 무선단말기에서 기지국으로의 하향링크 전송을 위한 하향링크필드 순으로 구성되는 프레임 구조를 가지는, 무선 ATM 통신 시스템.
- 제1항에 있어서, 상기 상향링크 필드와 하향링크 필드 간의 경계는 가변임을 특징으로 하는 무선 ATM 통신 시스템.
- 제2항에 있어서, 상기 상향링크 필드는호 설정 및 해제 시그널링 메시지 전송을 위한 경쟁필드;고정된 시간 대역의 슬롯을 할당받는 동기필드; 및요청에 의해 슬롯을 할당받는 예약필드로 이루어지고,상기 하향링크 필드는고정된 시간 대역의 슬롯을 할당받는 동기필드; 및요청에 의해 슬롯을 할당받는 예약필드로 이루어짐을 특징으로 하는 무선 ATM 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 상향링크 필드는동기필드가 예약필드 앞에 위치하고,상기 하향링크 필드는예약필드가 동기필드 앞에 위치함을 특징으로 하는 무선 ATM 시스템.
- 제4항에 있어서, 상기 동기필드는CBR 트래픽을 위한 것이며,상기 예약필드는rt-VBR, nrt-VBR, ABR 및 UBR 트래픽을 위한 것임을 특징으로 하는 무선 ATM 시스템.
- 제3항에 있어서, 상기 동기필드 및 예약필드는상기 무선 터미널에 할당되는 슬롯 또는 슬롯의 집합체인 버스트로 이루어짐을 특징으로 하는 무선 ATM 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 프레임 헤더는네트웍 ID, 기지국 ID, 링크동기정보, 예약필드에서 서비스되는 터미널 수 및 슬롯할당 결과를 나타내는 버스트 맵을 포함함을 특징으로 하는 무선 ATM 시스템.
- 제7항에 있어서, 상기 링크동기정보는호가 해제되거나 추가될 때 상향링크 및 하향링크 동기를 맞추기 위한 상향링크 동기정보 및 하향링크 동기정보로 이루어지고,상기 상향링크 동기정보 및 하향링크 동기정보는프레임 상의 참조 위치를 나타내는 참조 오프셋 및 호가 해제되거나 추가되는 버스트의 슬롯 수를 나타내는 변이값으로 구성됨을 특징으로 하는 무선 ATM 시스템.
- 제7항에 있어서, 상기 버스트 맵은터미널 ID, 상향링크 맵 및 하향링크 맵으로 구성되고,상기 상향링크 맵 및 하향링크 맵은프레임에서의 위치를 나타내는 오프셋 및 무선 터미널에 할당된 슬롯 수로 이루어짐을 특징으로 하는 무선 ATM 시스템.
- 제6항에 있어서, 상기 버스트는적어도 프리엠블, 버스트 헤더를 포함하고,예약필드의 버스트헤더는 네트웍 ID, 기지국 ID, 무선터미널 ID, 현재 프레임 내에서 할당받은 슬롯 개수, 무선단말기 내에서 rt-VBR 트래픽의 특성을 갖는 가상채널(VC)들의 동적파라미터 집합을 나타내는 동적파라미터 맵(DP Map) 및 하향링크로 전송된 데이터 수신 여부를 응답하는 응답 맵(ACK Map)을 포함함을 특징으로 하는 무선 ATM 시스템.
- 제10항에 있어서, 상기 DP 맵은VBR에 대해서는 트래픽 클래스 정보, 프레임에서의 잔류시간 및 요구한 슬롯 수를 포함하고,ABR 및 UBR에 대해서는 트래픽 클래스 정보 및 버퍼에 있는 셀 수를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 ATM 시스템.
- 제10항에 있어서, 상기 응답 맵(ACK Map)은이동 가상채널 구별자(MVCI) 및 응답정보(ACK Information)를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 ATM 시스템.
- 제5항에 있어서, 예약필드에서의 슬롯 또는 버스트 할당은rt-VBR 에 우선적으로 배정하여 rt-VBR의 QoS를 보장함을 특징으로 하는 무선 ATM 시스템.
- 제13항에 있어서,예약필드에서의 슬롯 또는 버스트 할당은nrt-VBR, ABR 및 UBR 트래픽에 대해서는 가중 라운드 로빈(weighted round robin)방식에 의해 결정함을 특징으로 하는 무선 ATM 시스템.
- 제10항에 있어서,DP 전송은 piggy-backing 방식으로 이루어지고,특정단말에 상향일크의 슬롯 할당 이루어지지 않아 DP 전송 기회를 상실한 경우, rt-VBR을 소정의 요구 시간안에 전달하기 위해 예측 잔여시간(predicted residual time)을 사용하여 슬롯할당을 하고,DP를 piggy-backing 한 버스트가 무선구간에서 손실된 경우, 이전에 수신된 DP를 토대로 슬롯 할당을 함을 특징으로 하는 무선 ATM 시스템.
- 제10항에 있어서,순시적인 트래픽에 있어서, 무선단말기가 필요한 슬롯수보다 적은 슬롯을 할당받은 경우 해당 가상채널(VC)의 QoS를 보장하기 위해, 셀 폐기 또는 implicit UPC 제어를 사용함을 특징으로 하는 무선 ATM 시스템.
- 제1항에 있어서, 상향링크의 슬롯 할당 스케쥴링은기지국 및 무선단말기에서 각각 이루어지는 분산 스케쥴링임을 특징으로 하는 무선 ATM 시스템.
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