KR100381768B1 - Medium Access Control Protocol for Dynamic Resource Allocation in the Wireless ATM Networks - Google Patents
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Abstract
본 발명은 무선 ATM 환경에서 제한된 무선 대역폭을 효율적으로 활용할 수 있고, 다양한 트래픽 클래스에 대한 서비스품질을 보장할 수 있는 매체접속제어 프로토콜을 위한 동적 자원 할당 방식의 통신 프로토콜에 관한 것이다.The present invention relates to a communication protocol of a dynamic resource allocation method for a medium access control protocol capable of efficiently utilizing limited wireless bandwidth in a wireless ATM environment and ensuring quality of service for various traffic classes.
기존의 무선 매체접속제어 프로토콜에서는 가변비트속도 트래픽에 대한 평균셀속도와 최대셀속도의 특성을 효과적으로 지원할 수 없기 때문에 평균셀속도를 고려한 가변비트속도 수용 방식에서는 셀손실 문제가 심각하고, 최대셀속도로 고정 대역폭을 할당한 가변비트속도 수용방식에서는 사용되지 않는 슬롯으로 인하여 낮은 대역폭 사용 효율을 보인다.Since the existing wireless medium access control protocol cannot effectively support the characteristics of average cell rate and maximum cell rate for variable bit rate traffic, cell loss problem is severe in variable bit rate acceptance method considering average cell rate and maximum cell rate. In the variable bit rate accommodating method in which the fixed bandwidth is allocated, the bandwidth usage efficiency is low due to the unused slots.
본 발명에 의하면 슬롯할당 구현의 단순화와 서비스품질의 보장문제를 동시에 고려하여 프레임 별로 동적 예약을 실시하여 우선권을 기반으로 실시간으로 처리할 수 있으며, 대역 할당에 필요한 동적 변수를 사용하여 전송의 효율을 높일 수 있다. 또한, 유효비트속도 트래픽에 대해서는 상향링크에서 접속을 위한 슬롯경쟁 방식에 따른 지연과 망의 처리율을 개선하기 위해 최소 유효비트속도 대역폭을 설정하고 이동단말의 트래픽 발생률과 버퍼에서의 대기 상태 등의 대역 할당에 필요한 동적 변수를 전송하여 우선권 기반의 실시간 서비스 트래픽에 대한 성능을 보장해 주면서 유효비트속도 트래픽의 성능을 극대화할 수 있는 구조를 제공한다.According to the present invention, dynamic reservation can be performed on a frame-by-frame basis in consideration of the simplification of slot allocation implementation and the guarantee of service quality at the same time, and can be processed in real time based on priority. It can increase. In addition, for effective bit rate traffic, the minimum effective bit rate bandwidth is set to improve the delay and network throughput according to the slot contention scheme for access in the uplink, and the bandwidth of the mobile terminal's traffic occurrence rate and standby state in the buffer, etc. By transmitting the dynamic variables required for allocation, it guarantees the performance of priority-based real-time service traffic while providing the structure to maximize the performance of effective bit rate traffic.
Description
초기에 제안한 무선 ATM의 매체접속 프로토콜은 주로 저속 데이터 서비스를 위해 설계된 것으로서 멀티미디어에 대한 다양한 서비스의 요구를 충족시킬 수 없었다. 또한, 기존의 제안된 대부분의 무선 ATM의 매체접속 프로토콜은 고속의 무선 전송에 초점을 맞추고 있거나, 유선 ATM망으로부터 무선 ATM망으로의 ATM 셀 스케쥴링 알고리즘에 대한 확장 방안, 또는 고속의 실시간 트래픽을 지원할 수 있도록 기존의 무선 매체접속 프로토콜의 개선에 초점을 맞추고 있다.The initial medium access protocol of wireless ATM was designed mainly for low speed data services and could not meet the needs of various services for multimedia. In addition, most of the existing wireless ATM's medium access protocols focus on high-speed wireless transmissions, or can be extended to ATM cell scheduling algorithms from wired ATM networks to wireless ATM networks, or to support high-speed real-time traffic. It focuses on improving existing wireless media access protocols.
기존의 무선 매체접속 프로토콜에서는 가변비트속도 트래픽의 평균셀속도와 최대셀속도의 특성을 효과적으로 지원할 수 없기 때문에 평균셀속도를 고려한 가변비트속도 수용방식에서는 셀손실 문제가 심각하고, 최대셀속도로 고정 대역폭을 할당한 가변비트속도 수용방식에서는 사용되지 않는 슬롯에 의해 낮은 대역폭 사용효율을 갖는다.In the conventional wireless medium access protocol, the cell loss problem is severe and fixed at the maximum cell rate in the variable bit rate adaptation method considering the average cell rate because the average cell rate and maximum cell rate of variable bit rate traffic cannot be effectively supported. In the variable bit rate accommodating method in which bandwidth is allocated, slots that are not used have low bandwidth utilization efficiency.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 여러 가지 특성의 각 트래픽 클래스에 대한 ATM의 서비스품질의 요구를 보장할 수 있는 효과적인 무선 ATM망의 매제접속 프로토콜을 제안하여 슬롯할당 구현의 단순화와 서비스품질의 보장문제를 동시에 고려하여 프레임 별로 동적 예약을 실시하고, 우선권을 기반으로 실시간 처리로 대역할당에 필요한 동적 변수를 사용하여 전송의 효율을 높이는데 본 발명의 목적이 있다.In order to solve the above problems, the present invention proposes an efficient wireless ATM network-mapped access protocol capable of guaranteeing the quality of service requirements of ATM for each traffic class having various characteristics, thereby simplifying slot allocation implementation and quality of service. It is an object of the present invention to increase the efficiency of transmission using dynamic variables required for bandwidth allocation by real-time processing based on priority and considering the guarantee problem of the same time.
위와 같은 목적을 달성하기 위해 본 발명은 유효비트속도 트래픽에 대해 상향링크에서 접속을 위한 슬롯 경쟁 방식에 따른 지연과 망의 처리율을 개선하기 위해 최소 유효비트속도 대역폭을 설정하고 이동단말의 트래픽 발생률과 버퍼에서의 대기상태 등의 대역 할당에 필요한 동적 변수를 전송하여 우선권 기반의 실시간 서비스 트래픽에 대한 성능을 보장해 주면서 유효비트속도 트래픽의 성능을 극대화할 수 있는 구조를 제공하는 것이 특징이다.In order to achieve the above object, the present invention sets the minimum effective bit rate bandwidth to improve the delay and network throughput according to the slot contention scheme for access in the uplink for the effective bit rate traffic, It provides a structure that maximizes the performance of effective bit rate traffic while ensuring the performance of priority-based real-time service traffic by transmitting dynamic variables required for band allocation such as standby state in the buffer.
본 발명에 의한 매체접속제어 프로토콜의 동작 메카니즘Operation Mechanism of Media Access Control Protocol According to the Present Invention
제안된 매체접속제어 프로토콜은 다원접속 방식으로 시분할 다원접속(TDMA)을 사용하며 그림1과 같은 프레임 구조를 갖는다.The proposed medium access control protocol uses time division multiple access (TDMA) as a multiple access method and has a frame structure as shown in Figure 1.
그림 1 매체접속제어 프로토콜의 프레임 구조Figure 1 Frame Structure of Media Access Control Protocol
상·하향 링크의 프레임 내에는 ATM셀 단위의 패킷이 전송되는 정보슬롯이 있다. 반면에, 상향링크 상에서는 경쟁을 위한 접속요구 슬롯(RAS: request access slot)과 비경쟁의 가변비트속도 서비스를 위한 요구슬롯(RS-VBR: request slot for VBR)이 있으며, 하향링크 상에는 기지국으로부터 이동단말로의 스케쥴링 및 제어 슬롯(SCS: scheduling and control slot) 등을 위한 크기가 작은 미니슬롯(mini-slot)으로 구성된다.In the uplink and downlink frames, there are information slots in which packets of an ATM cell unit are transmitted. On the other hand, in the uplink, there is a request access slot (RAS) for competition and a request slot (RS-VBR) for a non-competitive variable bit rate service. It consists of a small mini-slot for scheduling and control slots (SCS).
발명된 매체접속제어 프로토콜에 대한 슬롯 구조는 그림2와 같으며, 상향링크 상의 요구슬롯 중에서 접속요구 슬롯은 우선순위를 갖는 슬롯형 알로하(ALOHA) 프로토콜을 이용하여 모든 트래픽 클래스에 대해 초기에 상향링크를 접속하기 위한경쟁에 사용된다. 또한, 가변비트속도 서비스를 위한 요구슬롯은 가변비트속도 트래픽을 프레임 단위로 예약하기 위해 이동단말에서 기지국으로 필요한 대역폭을 요청하는데 사용되는 비경쟁의 요구슬롯을 갖는다.The slot structure of the invented media access control protocol is shown in Figure 2, and among the required slots on the uplink, the access request slot is initially uplinked for all traffic classes using the slotted Aloha protocol having priority. Used in competition to connect In addition, the request slot for the variable bit rate service has a non-competitive request slot used for requesting the bandwidth required from the mobile station to the base station in order to reserve the variable bit rate traffic in units of frames.
그림 2 매체접속제어 프로토콜의 슬롯 구조Figure 2 Slot Structure of Media Access Control Protocol
본 발명에서 제안하는 매체접속제어 프로토콜에 대한 동작 메카니즘을 설명하도록 해보자. 기지국은 이동단말들에 대한 정보를 수집하고 이용하여 주기 및 슬롯 할당을 결정하며, 하향링크의 스케쥴링 및 제어 슬롯을 통해 각 이동단말에게 슬롯 할당 정보, 확인(ACK) 신호, 재전송 요구, 무선 제어신호 등을 전송한다.Let us explain the operation mechanism for the medium access control protocol proposed by the present invention. The base station collects and uses information on mobile stations to determine period and slot assignments, and assigns slot assignment information, acknowledgment (ACK) signal, retransmission request, and wireless control signal to each mobile station through downlink scheduling and control slot. And so on.
연속비트속도의 새로운 호가 도착하면 해당 이동단말은 초기에 상향링크 상의 접속요구 슬롯의 경쟁을 통해 접속을 요구한다. 접속 요구가 성공하면 기지국은 요구된 대역폭을 상향링크 상의 정보슬롯에 할당하며 할당된 상태를 하향링크 상의 스케쥴링 및 제어 슬롯을 통해 확인 신호를 전달한다. 접속요구 후 해당 이동단말은 하향 링크상의 스케쥴링 및 제어 슬롯을 스캔하여 접속요구의 성공으로 정보슬롯 내에 슬롯이 할당되었는지를 확인한다. 연속비트속도 트래픽의 접속요구가 성공하면 프레임 당 요구된 대역폭이 고정으로 할당되어 서비스가 끝날 때까지 프레임 단위로 예약되므로 이동단말은 상향링크 상의 정보슬롯에 할당된 슬롯으로 ATM 셀을 전송한다.When a new call of continuous bit rate arrives, the mobile station initially requests access through contention of access request slots on the uplink. If the access request is successful, the base station allocates the requested bandwidth to the information slot on the uplink, and transmits a confirmation signal through the scheduling and control slot on the downlink. After the access request, the mobile station scans the scheduling and control slots on the downlink to confirm whether the slot is allocated in the information slot as a result of the access request. If the connection request of continuous bit rate traffic is successful, the required bandwidth per frame is fixed and reserved by frame until the end of the service, so the mobile station transmits the ATM cell to the slot allocated to the information slot on the uplink.
가변비트속도의 새로운 호가 도착하면 해당 이동단말은 초기에 상향링크 상의 접속요구 슬롯의 경쟁을 통해 접속을 요구한다. 접속요구가 성공하면 기지국은 요구된 대역폭을 상향링크 상의 정보슬롯에 할당하고 하향링크 상의 스케쥴링 및 제어 슬롯을 통해 확인 신호를 전달한다. 접속요구 후 해당 이동단말은 하향링크 상의 스케쥴링 및 제어 슬롯을 스캔하여 접속요구의 성공을 확인한 후 정보슬롯에 ATM 셀을 전송하면서 다음 프레임에 필요한 대역폭의 크기를 가변비트속도 서비스를 위한 요구슬롯을 통해 기지국에 알린다. 비경쟁의 이러한 대역폭 할당의 요구는 프레임마다 가변비트속도 서비스를 위한 요구슬롯을 통해 가변비트속도 서비스가 종료될 때까지 이루어지므로 실시간적으로 가변비트속도의 ATM 셀을 전송할 수 있다.When a new call of variable bit rate arrives, the mobile station initially requests access through contention of access request slots on the uplink. If the access request is successful, the base station allocates the requested bandwidth to the information slot on the uplink and transmits an acknowledgment signal through the scheduling and control slot on the downlink. After the access request, the mobile station scans the scheduling and control slots on the downlink to confirm the success of the access request, and then transmits an ATM cell to the information slot and sends the size of the bandwidth required for the next frame through the request slot for the variable bit rate service. Notify the base station. This non-competitive bandwidth allocation request is made every frame until the variable bit rate service is terminated through a request slot for the variable bit rate service, so that a variable bit rate ATM cell can be transmitted in real time.
유효비트속도의 새로운 호가 도착하면 이동단말은 상향링크 상의 접속요구 슬롯의 경쟁을 통해 역시 접속을 요구한다. 접속 요구가 성공하면 기지국은 요구된 대역폭을 상향링크 상의 정보슬롯에 할당하며 하향링크 상의 스케쥴링 및 제어 슬롯을 통해 확인 신호를 전달한다. 접속요구 후 해당 이동단말은 하향링크 상의 스케쥴링 및 제어 슬롯을 스캔하여 접속요구의 성공을 확인한 후, 성공이면 이동단말은 상향링크 상의 할당된 정보슬롯에 유효비트속도의 ATM 셀을 전송한다. 이때 기지국에서는 연속비트속도와 가변비트속도의 서비스에 대한 대역을 할당한 후 유효비트속도를 위한 여분의 대역폭이 있다면 이동단말의 버퍼길이나 허용지연 등의 서비스 등급에 따라 하향링크의 스케쥴링 및 제어 슬롯를 통해 ABR 트래픽에 대한 슬롯 할당을 계속한다. 따라서, 한번 접속에 성공한 유효비트속도 트래픽의 경우 이동단말에서는 다음 프레임의 ATM 셀 전송을 위해 프레임마다 접속요구슬롯을 통한 경쟁을 하지 않고 하향링크 상의 스케쥴링 및 제어 슬롯을 스캔하여 자신에게 할당된 슬롯을 확인하여 할당된 슬롯이 있으면 ATM 셀을 전송한다. 만약 할당된 슬롯이 없으면 다시 접속요구슬롯의 경쟁을 통해 대역폭 할당을 다시 요구한다. 이러한 방식은 유효비트속도 트래픽의 매 프레임마다 접속 요구의 경쟁에 의한 처리율 저하를 방지할 수 있다.When a new call of the effective bit rate arrives, the mobile terminal also requests access through contention of the access request slot on the uplink. If the access request is successful, the base station allocates the requested bandwidth to the information slot on the uplink and transmits an acknowledgment signal through the scheduling and control slot on the downlink. After the access request, the mobile station scans the scheduling and control slots on the downlink to confirm the success of the access request. If successful, the mobile station transmits an ATM cell of an effective bit rate to the allocated information slot on the uplink. In this case, the base station allocates a band for the service of the continuous bit rate and the variable bit rate, and if there is an extra bandwidth for the effective bit rate, the base station allocates the downlink scheduling and control slot according to the service class such as the buffer length or the allowable delay of the mobile station. Continue slot allocation for ABR traffic. Therefore, in the case of effective bit rate traffic that has been successfully connected once, the mobile station scans scheduling and control slots on the downlink without competing through access request slots for each frame to transmit ATM cells of the next frame. Check and transmit ATM cell if there is an assigned slot. If no slot is allocated, the bandwidth request is requested again through contention of the access request slot. This scheme can prevent a degradation in throughput due to contention of connection requests every frame of effective bit rate traffic.
무선 ATM에서는 동적 예약기법의 매체접속제어 프로토콜을 통해 기존의 ATM망에서 정의된 다양한 서비스에 대한 서비스품질 및 요구사항을 실현하기 위한 통계적 다중화를 구현할 수 있어야 한다. 그러나 분산된 이동단말로부터 직접 트래픽 상황을 파악하기가 어려워 실직적인 통계적 다중화가 어렵다. 따라서 그림3과 같은 중앙의 기지국을 통해 다양한 트래픽에 따른 동적 슬롯할당을 수행할 수 있는 스케쥴링 기능이 필요하다.In wireless ATM, it is necessary to implement statistical multiplexing to realize quality of service and requirements for various services defined in existing ATM network through media access control protocol of dynamic reservation technique. However, it is difficult to grasp the traffic situation directly from the distributed mobile terminal, and thus, it is difficult to have statistical statistical multiplexing. Therefore, there is a need for a scheduling function that can perform dynamic slot allocation according to various traffic through the central base station as shown in Figure 3.
그림 3 동적 슬롯할당을 위한 신호 체계Figure 3 Signaling Scheme for Dynamic Slot Allocation
그림4는 제안된 매체접속제어 프로토콜에서 각 트래픽별 대역폭 할당방안을 나타낸다. 연속비트속도 트래픽에 대해서는 셀 전송속도에 따른 대역폭의 모든 ` 예약을 실시하여 해당 슬롯을 주기적으로 고정하여 할당한다. 실시간의 가변비트속도 트래픽에 대해서는 프레임별로 가변비트속도 서비스를 위한 요구슬롯을 통해 전달되는 가변비트속도의 대역폭 요구변수를 사용하여 실시간적으로 ATM 셀을 전송하는 동적 예약 할당을 실시한다. 유효비트속도 트래픽에 대해서는 동적 할당을 실시하며, 기지국의 매체접속제어 스케쥴러는 최소 유효비트속도 대역폭을 설정하여 이동단말의 유효비트속도 서비스의 연결에 대한 최소보장을 확보해 준다. 따라서, 연속비트속도와 가변비트속도 트래픽에 대한 총 요구 대역폭이 최소 유효비트속도 대역폭을 제외한 총 잔여 대역폭을 초과한다면 새로 도착한 연속비트속도 호는 호연결제어에 의해 거절되어 손실되며, 이 기간 동안 가변비트속도 트래픽은 오버플로어가 발생되어 손실된다.Figure 4 shows the bandwidth allocation for each traffic in the proposed medium access control protocol. For continuous bit rate traffic, all `reservations of bandwidth according to cell transmission rate are made and the slot is fixed and allocated periodically. For real-time variable bit rate traffic, dynamic reservation allocation is performed for transmitting ATM cells in real time using a variable bit rate bandwidth requirement variable transmitted through a request slot for a variable bit rate service for each frame. The effective bit rate traffic is dynamically allocated and the media access control scheduler of the base station sets the minimum effective bit rate bandwidth to secure the minimum guarantee for connection of the effective bit rate service of the mobile station. Therefore, if the total required bandwidth for continuous bit rate and variable bit rate traffic exceeds the total remaining bandwidth except for the minimum effective bit rate bandwidth, the newly arrived continuous bit rate call is rejected and lost by call connection control, and is changed during this period. Bit rate traffic is lost due to overflow.
그림 4 트래픽별 대역폭 할당 방안Figure 4 Bandwidth Allocation Scheme for Traffic
기존의 무선 매체접속 프로토콜에서는 가변비트속도 트래픽의 평균셀속도와 최대셀속도의 특성을 효과적으로 지원할 수 없기 때문에 평균셀속도를 고려한 가변비트속도 수용방식에서는 셀손실 문제가 심각하고, 최대셀속도로 고정 대역폭을 할당한 가변비트속도 수용방식에서는 사용되지 않는 슬롯에 의해 낮은 대역폭 사용 효율을 갖는다. 그러나, 본 발명에서는 슬롯할당 구현의 단순화와 서비스품질의 보장문제를 동시에 고려하여 프레임 별로 동적 예약을 실시하여 우선권을 기반으로 실시간으로 처리할 수 있으며, 대역 할당에 필요한 동적 변수를 사용하여 전송의 효율을 높일 수 있다. 또한, 유효비트속도 트래픽에 대해서는 상향링크에서 접속을 위한 슬롯 경쟁 방식에 따른 지연과 망의 처리율을 개선하기 위해 최소 유효비트속도 대역폭을 설정하고 이동단말의 트래픽 발생률과 버퍼에서의 대기 상태 등의 대역 할당에 필요한 동적 변수를 전송하여 우선권 기반의 실시간 서비스 트래픽에 대한 성능을 보장해 주면서 유효비트속도 트래픽의 성능을 극대화할 수 있는 구조를 제공하여 유효비트속도 트래픽의 매 프레임마다 접속요구의 경쟁에 의한 처리율 저하를 방지할 수 있다.In the conventional wireless medium access protocol, the cell loss problem is severe and fixed at the maximum cell rate in the variable bit rate adaptation method considering the average cell rate because the average cell rate and maximum cell rate of variable bit rate traffic cannot be effectively supported. In the variable bit rate accommodating method in which bandwidth is allocated, slots that are not used have low bandwidth usage efficiency. However, in the present invention, the dynamic reservation for each frame can be performed in real time based on priority in consideration of the simplification of slot allocation implementation and the problem of guaranteeing the quality of service at the same time. Can increase. In addition, for effective bit rate traffic, the minimum effective bit rate bandwidth is set to improve the delay and network throughput according to the slot contention scheme for access in the uplink, and the bandwidth such as the traffic occurrence rate of the mobile station and the standby state in the buffer. Through transmission of dynamic variables required for allocation, guaranteeing performance for priority-based real-time service traffic, and providing a structure that maximizes the performance of effective bit rate traffic, throughput due to competition of access request every frame of effective bit rate traffic The fall can be prevented.
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