KR100505969B1 - 이동통신 시스템의 패킷 스케줄링 시스템 및 방법 - Google Patents

이동통신 시스템의 패킷 스케줄링 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동통신 시스템의 스케줄링 시스템 및 방법에 관한 것이다.
본 발명의 스케줄링 시스템 및 방법에 적용된 알고리즘에 따르면, 입력된 실시간 트래픽 패킷에 대한 패킷 손실 확률을 계산하고, 계산된 패킷 손실 확률이 최대 패킷 손실 요구 확률을 초과하는지 여부에 따라 가중치를 달리하여 우선순위를 결정한다. 이때, 가중치는 계산된 패킷 손실 확률이 최대 패킷 손실에 근접할수록 높게 설정된다. 그리고 나서, 결정된 우선순위에 따라 패킷 스케줄링을 수행한다.
이와 같은 스케줄링 알고리즘은 실시간 트래픽에서의 최대 패킷 손실률을 보장하면서도 시스템 용량을 증가시킬 수 있다.

Description

이동통신 시스템의 패킷 스케줄링 시스템 및 방법{A PACKET SCHEDULING SYSTEM AND A METHOD OF MOBILE TELECOMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 패킷 스케줄링 시스템 및 스케줄링 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 무선 멀티미디어 환경에서 실시간 음성 트래픽 데이터 및 실시간 비디오 트래픽 데이터를 서비스하기 위한 패킷 스케줄링 시스템 및 방법에 관한 것이다.
차세대 무선 통신 시스템은 보장된 서비스 품질(quality of service; 이하 'QoS'라 함)로 실시간 음성 및 비디오를 포함하는 광대역 멀티미디어 서비스를 이동 단말 사용자에게 제공할 것으로 기대되고 있다.
무선 통신 환경 하에서 제한된 자원을 효율적으로 이용하기 위해, 무선 자원을 다수의 사용자들에게 공평하게 분배하는 패킷 스케줄링 알고리즘에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 특히, 차세대 무선 통신 시스템에서는 각 서비스에 대한 QoS를 충족시킴과 동시에 시스템 용량(system capacity)을 동시에 만족시킬 수 있는 패킷 스케줄링 알고리즘이 필요하다.
현재 많은 패킷 스케줄링 알고리즘이 연구되고 있는데, 그 중 무선 채널 환경에서 실시간 트래픽의 지연과 처리량 성능을 보장하기 위한 스케줄링 방법으로 M-LWDF(Modified Largest Weighted Delay First)가 제안되고 있다.
이 알고리즘은 우선 순위 (priority metric, )에 기초하여, 가장 높은 우선 순위를 가지는 사용자에게 우선적으로 서브채널을 할당하는 방식이다.
M-LWDF 알고리즘은 지연에 민감한 서비스(delay-sensitive service)를 위해 고안된 것으로, 각 사용자 i에게 요구되는 최대 지연 요건 을 고려한다.
슬롯 타임 t에서의 모든 서브채널에 대하여, 대응하는 우선 순위()는 다음의 수학식 1로 주어지며, 가장 높은 우선 순위()를 가지는 사용자에게 우선적으로 서비스가 수행된다.
여기서, 는 사용자 i에 대한 패킷 지연 (즉, 사용자 i가 큐(queue) i에서 대기하는 시간, 구체적으로 큐i의 선두 라인(head of line)의 패킷 지연)이고, 는 사용자 i에 대한 채널 용량(채널 전송률)이며, 는 사용자 i에 대한 평균 채널 전송률이다. 또한, 이고, 는 를 초과하는 의 최대 확률 값이다.
한편, 평균채널 전송률는 다음의 수학식 2에 의해 갱신되어 진다.
여기서, Tc는 지수적 필터링(exponential filtering)에 대한 시정수이며, 예컨대, Tc=1000슬롯(1초)이다.
한편, 동일한 서비스 클래스에 속하는 모든 사용자들에 대하여 와 가 동일하다면, 상기 수학식 1은 다음의 수학식 3과 같이 재정의될 수 있다.
그러나, 종래의 패킷 스케줄링 알고리즘에 따르면, 실시간 트래픽의 경우 최대 패킷 손실률을 만족 못하는 패킷들에 대한 평균 차단(outage) 확률에 의해 시스템 용량이 제한되는 문제점이 있었다. 따라서, 실시간 트래픽의 경우 최대 패킷 손실률을 보장하면서도 사용자의 수(시스템 용량)를 증가시키는 알고리즘이 필요하였다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 상기와 같은 문제를 해결하기 위한 것으로서, 각 서비스에 대한 QoS를 충족시킴과 동시에 시스템 용량을 동시에 만족시킬 수 있는 실시간 패킷 스케줄링 방법 및 장치를 제공하기 위한 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 이동통신 시스템의 패킷 스케줄링 방법은
(a) 입력된 실시간 트래픽 패킷에 대한 패킷 손실 확률을 계산하는 단계;
(b) 상기 계산된 패킷 손실 확률이 최대 패킷 손실 요구 확률을 초과하는지 여부에 따라 가중치-상기 가중치는 상기 계산된 패킷 손실 확률이 상기 최대 패킷 손실에 근접할수록 높게 설정됨-를 달리하여 우선순위를 결정하는 단계; 및
(c) 상기 단계(b)에서 결정된 우선순위에 따라 패킷 스케줄링을 수행하는 단계를 포함한다.
한편, 본 발명의 특징에 따른 이동통신 시스템의 패킷 스케줄링 시스템은
상위 계층으로부터 수신하는 데이터 중 실시간 트래픽 데이터를 입력버퍼에 저장하며, 저장된 트래픽 데이터에 대응하는 서비스 품질정보를 관리하는 서비스 품질 관리부;
상기 저장된 실시간 트래픽 데이터의 서브 채널당 패킷 손실 확률을 계산하는 서브채널당 패킷손실 계산부; 및
상기 서브채널당 패킷손실 계산부에 의해 계산된 패킷 손실 확률과, 최대 패킷 손실 요구 확률에 기초하여 우선순위를 결정한 후, 우선 순위에 기초하여 패킷 스케줄링을 수행하는 패킷 스케줄러를 포함한다.
한편, 본 발명의 특징에 따른 기록매체는 이동통신 시스템의 실시간 패킷 스케줄링 기능을 가지는 프로그램이 기록된 기록매체로서,
입력된 실시간 트래픽 패킷에 대한 패킷 손실 확률을 계산하는 기능;
상기 계산된 패킷 손실 확률이 최대 패킷 손실 요구 확률을 초과하는지 여부에 따라 가중치-상기 가중치는 상기 계산된 패킷 손실 확률이 상기 최대 패킷 손실에 근접할수록 높게 설정됨-를 달리하여 우선순위를 결정하는 기능; 및
결정된 우선순위에 따라 패킷 스케줄링을 수행하는 기능을 포함하는 프로그램이 기록된 것을 특징으로 한다.
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 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
먼저, 본 발명의 실시예에 따른 패킷 스케줄링 알고리즘에 대하여 상세히 설명한다.
실시간 트래픽 데이터를 서비스하는 경우, 최대 전송 지연을 만족하지 못하면 손실이 발생된다. 따라서, 실시간 서비스의 경우 요구되는 최대 패킷 손실 확률에 대한 QoS를 만족해야 한다.
(1) 서브패널당 패킷 손실 확률(Per-Subchannel packet loss probability)
패킷 손실율(packet loss rate; PLR)은 실시간 트래픽에 대한 QoS 조건을 달성하는 것으로 정의될 필요가 있다. 실시간 트래픽 서비스의 경우, 패킷 손실율은 최대 지연 요건 이상의 지연에 기인한다. 만일, 1%의 패킷 에러율(packet error rate; PER)을 가지는 채널 환경에서 전송이 발생하면 패킷의 오류가 1% 증가하고, 오류가 발생한 패킷에 대한 재전송을 수행하면 결국 패킷 전송의 지연이 커져 패킷 손실이 증가하게 된다. 그러나, 실시간 트래픽에서는 일반적으로 재전송을 수행하지 않을 수 있기 때문에, 본 발명의 실시예에서도 재전송을 수행하지 않고 성능을 산출하였다.
이 경우 패킷 손실율은 채널 손상(channel impairment)에 기인한 패킷 에러율(PER)과 요구되는 최대 지연 요건을 초과하는 패킷으로부터 계산되는 패킷 손실 율의 합으로서 정의된다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 사용자 i에 대한 패킷 손실 확률(packet loss probability; PLPi)을 다음의 수학식 4로 정의한다.
여기서, 는 서브채널당 사용자 i에게 손실된 패킷의 총수이며, 는 서브채널당 사용자 i에게 서비스된 패킷의 총수이다.
그리고, i 번째 사용자에 대한 차단(outage) 확률 (Pout)은 다음의 수학식 5에 의해 정의된다.
여기서, 는 최대 패킷 손실 요구 확률(PLPi max)보다 큰 패킷 손실 확률을 가지는 사용자의 총수를 나타내며, 는 실시간 트래픽 사용자의 총수를 나타낸다.
(2) 패킷 손실 확률(PLP) 기반 패킷 스케줄링 알고리즘
본 발명의 실시예에 따른 알고리즘은 PLPi(t)와 최대 패킷 손실 요구 확률(PLPi max) 사이의 관계에 의해 결정된다.
본 발명의 실시예에 따른 우선 순위는 다음의 수학식 6으로 정의된다.
여기에서 는 보다 작은 양수이다. 수학식 6로부터 알 수 있듯이, PLPi(t)의 크기에 따라 서로 다른 사용자들 사이의 의 차는 점점 커지게 된다. 따라서, PLPi(t)가 최대 패킷 손실 요구 확률(PLPi max)에 가까울수록 사용자가 스케줄링될 기회가 커지게 된다.
삭제
요컨대, 의 값이 일정하다고 하면, 인 경우 PLPi(t)가 커질수록 우선순위가 작아지고, 인 경우에는 PLPi(t)가 작을수록 우선순위가 작아진다. 따라서, PLPi(t)가 최대 패킷 손실 요구 확률(PLPi max)에 가까울수록 우선순위가 커지게 되기 때문에, 사용자가 스케줄링될 기회가 커지게 된다.
또한, 본 발명의 실시예에 따르면 지연값 를 추가적으로 반영함으로써, 입력버퍼에서 지연시간이 큰 사용자에게 우선순위를 부여하여 지연시간을 감소시킬 수 있다. 또한 값을 반영함으로써 좋은 채널의 사용자에게 우선순위를 부여하여 처리량(throughput)을 증가시키면서도 사용자간 공정성을 향상시킬 수 있다.
이처럼 본 발명의 실시예에 따른 패킷 스케줄링 알고리즘은 실시간 트래픽에서의 최대 패킷 손실률을 보장하면서도 시스템 용량을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 패킷 스케줄링 시스템의 세부적인 구성을 도시한 도면이다.
도 1에 도시되어 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 패킷 스케줄링 시스템(220)는 기지국(Base Station, 200) 내에 포함되어 있으며, 기지국(200)은 적어도 한 개 이상의 사용자 단말기(301~300n)와의 데이터 송수신을 통해 채널 상태에 관한 정보(버퍼 상태 등)를 패킷 스케줄링 시스템(220)으로 제공한다.
패킷 스케줄링 시스템(220)은 적어도 한 개 이상의 사용자 단말기(301~300n)로 전송할 실시간 트래픽 데이터에 대한 우선 순위를 결정한다.
이처럼, 본 발명의 실시예에서는 패킷 스케줄링 시스템(220)이 기지국(200) 내에 포함되어 상위 계층으로부터 수신하는 데이터 중 실시간 트래픽 데이터에 대해 스케줄링하는 것에 대해 설명하나, 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며 각종 이동 통신 시스템 내에 포함되어 실시간 트래픽 데이터를 스케줄링 할 수 있다.
본 발명의 실시예에 따른 패킷 스케줄링 시스템(220)은 서비스 품질 관리부(QoS Management, 222), 서브채널당(per-subchannel) 패킷 손실 계산부 (per-subchannel packet loss calculator, 224)와 패킷 스케줄러(226)를 포함한다.
서비스 품질 관리부(222)는 상위 계층으로부터 수신하는 IP(Internet Packet) 데이터 중 실시간 트래픽 데이터를 입력 버퍼(Buffer, 미도시)에 저장한 후, 대응하는 서비스 품질(QoS) 정보를 관리한다.
서브채널당(per-subchannel) 패킷 손실 계산부(224)는 각각의 사용자에 대하여 서비스 품질 관리부(222)에 저장되어 있는 패킷의 서브채널당 패킷 손실 확률을 수학식 4에 기초하여, 계산한다.
패킷 스케줄러(226)는 서브채널당(per-subchannel) 패킷 손실 계산부(222)에 의해 계산된 패킷 손실 확률과, 패킷 에러율과 최대 패킷 손실 요구 확률(PLPi max )에 기초하여, 수학식 6 에서 정의된 우선 순위를 결정한 후 우선 순위에 기초하여 패킷 스케줄링을 수행한다.
구체적으로 본 발명의 실시예에 따른 패킷 스케줄러는 패킷 손실 확률PLPi(t)이 최대 패킷 손실 요구 확률(PLPi max)에 가까울수록, 입력버퍼에서 지연시간이 클수록, 좋은 채널 상태를 가지고 있는 사용자에게 우선순위를 부여한다.
다음은, 본 발명의 실시예에 따른 스케줄링 메카니즘을 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 패킷 스케줄러(226)에서 수행되는 패킷 스케줄링 메카니즘을 설명하기 위한 도면이다.
실시간 음성 버퍼(110, 120)와, 실시간 비디오 버퍼(130, 140)를 가지는 전송시스템에서, k 명의 실시간 음성 사용자와, m 명의 실시간 비디오 사용자가 각각 실시간 음성 버퍼(110, 120)와, 실시간 비디오 버퍼(130, 140)에 쌓이게 된다.
이때, 본 발명의 실시예에 따른 패킷 스케줄링 알고리즘은 일차적으로 실시간 음성 서비스에 우선 순위를 주고, 실시간 비디오 서비스에 다음 우선순위를 준다. 그리고, 실시간 음성 서비스간 또는 실시간 비디오 서비스간의 우선 순위는 수학식 6 에 정의된 우선 순위에 기초한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 패킷 스케줄링 알고리즘이 OFDMA/FDD (orthogonal frequency division multiplexing accss/frequency division duplex) 시스템에 장착되었을 때의 동작의 예를 설명하는 순서도이다.
도 3을 참조하면, k명의 실시간 음성 사용자와 m명의 실시간 비디오 사용자가 있으며, 각각의 주파수 축은 서브 캐리어 축을 나타내는 로 표기된다고 가정한다. 그리고, 가 미리 설정된 의 최대값(도3에서는 12)보다 크면, 스케줄링 작업은 종료된다.
도 3를 참조하면, 가장 먼저 의 값을 '0'으로 설정하고(S201), 실시간 음성 버퍼(110, 120)가 비어있는지를 판단한다(S202).
상기 단계(S202)에서 실시간 음성 버퍼가 비어있다면 실시간 음성 데이터에 대한 스케줄링 작업은 종료되며, 실시간 음성 버퍼(110, 120)가 비어 있지 않다면 사용자에 대하여 상기 수학식 6 에 우선 순위(s)값을 계산하고(S203), 이 처음에 설정한 12보다 작은지를 판단한다. (S204).
상기 단계 S204에서, 가 12보다 작다면, 가 보다 크거나 같은지를 판단한다. (S205) 여기서, 는 스케줄링 갱신 시간(t) 이전에 처리되지 않고 남은 사용자 a의 패킷으로 정의하고, 는 사용자 a의 채널 정보인 신호 대 간섭비를 수신하여 그 값에 따라 결정되는 전송 방법에 의한 전송 데이터 크기를 나타낸다. 따라서, 전송할 데이터의 크기는 매 슬롯마다 그리고 사용자마다 달라질 수 있게 된다. 여기서, 사용자 a는 수학식 6에 의해 우선 순위가 가장 높은 값을 가지는 사용자를 의미한다.
상기 단계 S205에서, 가 보다 크거나 같으면, 스케줄러는 사용자 a에 대하여 만큼 서비스를 수행할 수 있도록 스케줄링하고, 값을 1 증가시킨 후, 로 정의하여 가 12보다 커질 때까지 되풀이한다(S207).
상기 단계 S205에서, 가 보다 작으면, 스케줄러는 사용자 a에 대하여 만큼 서비스 하도록 스케줄링하고, 의 값을 1 증가시킨 후(S206) 상기 단계(S204)부터의 과정을 되풀이한다.
상기와 같이 실시간 음성 사용자에 의한 데이터가 실시간 음성 버퍼(110, 120)에 존재하는 동안 상기 단계 S203 내지 단계 S207의 과정이 되풀이되어 패킷 스케줄링 된다.
그리고, 상기 단계 S202에서 실시간 음성 버퍼가 비어 있다면, 다음으로 실시간 비디오 버퍼가 비어 있는지를 확인한다(S208). 이때 실시간 음성 버퍼를 우선으로 확인하는 것은 데이터의 특성상 실시간 비디오보다 실시간 음성에 우선순위를 두어 전송해야하기 때문이다.
그리고, 실시간 비디오 데이터에 대한 스케줄링도 실시간 음성과 마찬가지로 단계 S208내지 단계 S213을 되풀이한다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것은 아니며, 그 외에 다양한 변경이나 변형이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명에 따르면 실시간 트래픽에서의 최대 패킷 손실률을 보장하면서도 시스템 용량을 증가시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 패킷 스케줄링 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 패킷 스케줄러에서 수행되는 패킷 스케줄링 메카니즘을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 패킷 스케줄링 알고리즘의 동작 순서도이다.

Claims (10)

  1. (a) 입력된 실시간 트래픽 패킷에 대한 패킷 손실 확률을 계산하는 단계;
    (b) 상기 계산된 패킷 손실 확률이 최대 패킷 손실 요구 확률을 초과하는지 여부에 따라 가중치-상기 가중치는 상기 계산된 패킷 손실 확률이 상기 최대 패킷 손실에 근접할수록 높게 설정됨-를 달리하여 우선순위를 결정하는 단계; 및
    (c) 상기 단계(b)에서 결정된 우선순위에 따라 패킷 스케줄링을 수행하는 단계를 포함하는 이동통신 시스템의 패킷 스케줄링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 패킷 손실 확률은 다음의 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 이동통신 시스템의 패킷 스케줄링 방법.
    여기서,는 패킷 손실 확률, 는 서브채널당 사용자 i에게 손실된 패킷의 총수이며, 는 서브채널당 사용자 i에게 서비스된 패킷의 총수임.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b)단계는 사용자에 대한 패킷 지연을 추가로 이용하여 우선순위를 결정하는 것을 특징으로 하는 이동통신 시스템의 패킷 스케줄링 방법.
  4. 제1항 또는 제3항에 있어서,
    상기 (b)단계는 사용자의 채널 전송 환경을 추가로 이용하여 우선순위를 결정하는 것을 특징으로 하는 이동통신 시스템의 패킷 스케줄링 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 채널 전송 환경은 사용자의 채널 전송률에 대한 평균 채널 전송률의 비에 의해 결정되는 것을 특징으로 하는 이동통신 시스템의 패킷 스케줄링 방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 우선 순위는 다음의 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 이동통신 시스템의 패킷 스케줄링 방법.
    여기서, 는 보다 작은 양수, 는 사용자 i의 패킷 손실 확률, 는 사용자 i의 최대 패킷 손실 요구 확률, 는 사용자 i의 평균 패킷 전송률, 는 패킷 전송률 , 는 사용자 i의 패킷지연임.
  7. 상위 계층으로부터 수신하는 데이터 중 실시간 트래픽 데이터를 입력버퍼에 저장하며, 저장된 트래픽 데이터에 대응하는 서비스 품질정보를 관리하는 서비스 품질 관리부;
    상기 저장된 실시간 트래픽 데이터의 서브 채널당 패킷 손실 확률을 계산하는 서브채널당 패킷손실 계산부; 및
    상기 서브채널당 패킷손실 계산부에 의해 계산된 패킷 손실 확률과, 최대 패킷 손실 요구 확률에 기초하여 우선순위를 결정한 후, 우선 순위에 기초하여 패킷 스케줄링을 수행하는 패킷 스케줄러를 포함하는 이동통신 시스템의 패킷 스케줄링 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 패킷 스케줄러는 패킷 손실 확률이 최대 패킷 손실 요구 확률을 초과하는지 여부에 따라 가중치-상기 가중치는 상기 계산된 패킷 손실 확률이 상기 최대 패킷 손실에 근접할수록 높게 설정됨-를 달리하여 우선순위를 결정하는 것을 특징으로 하는 이동통신 시스템의 패킷 스케줄링 시스템.
  9. 제7항 또는 제8항에 있어서,
    상기 패킷 스케줄링 시스템은 OFDMA/FDD 시스템에 적용되는 것을 특징으로 하는 이동통신 시스템의 패킷 스케줄링 시스템.
  10. 이동통신 시스템의 실시간 패킷 스케줄링 기능을 가지는 프로그램이 기록된 기록매체에 있어서,
    입력된 실시간 트래픽 패킷에 대한 패킷 손실 확률을 계산하는 기능;
    상기 계산된 패킷 손실 확률이 최대 패킷 손실 요구 확률을 초과하는지 여부에 따라 가중치-상기 가중치는 상기 계산된 패킷 손실 확률이 상기 최대 패킷 손실에 근접할수록 높게 설정됨-를 달리하여 우선순위를 결정하는 기능; 및
    결정된 우선순위에 따라 패킷 스케줄링을 수행하는 기능을 포함하는 프로그램이 기록된 기록매체.
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