KR100747902B1

KR100747902B1 - 이동 통신 단말기에서 데이터를 수신할 때 수신 윈도우의크기를 조절하는 방법

Info

Publication number: KR100747902B1
Application number: KR1020060013601A
Authority: KR
Inventors: 김병문; 김금호
Original assignee: 주식회사 팬택앤큐리텔
Priority date: 2006-02-13
Filing date: 2006-02-13
Publication date: 2007-08-08

Abstract

본 발명은 이동통신 단말기와 송신단이 TCP에 의하여 무선으로 연결되는 이동통신 시스템에서 상기 단말기가 상기 송신단으로부터 데이터를 수신할 때 수신 윈도우(Advertised Window, AWND)의 크기를 조절하는 방법에 관한 것이다.

더욱 구체적으로, 본 발명은 이동 통신 단말기에서 각 망(예를 들어, IS95 A/B, 1X/EV-DO, WCDMA, HSDPA(고속하향패킷접속) 등)의 대역폭, 왕복지연시간(Round Trip Time, RTT), 및 비트 오율(bit error rate, BER)을 고려하여, TCP의 수신 윈도우 크기를 조절하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 대역폭이 상이한 여러 가지 통신 시스템에 접속하는 단말기에 적용할 수 있으며, 단일 망에 접속하는 경우에도 무선망 상태(예를 들어, 비트 오율)가 변화하는 환경에 유용하게 사용될 수 있다.

Description

이동 통신 단말기에서 데이터를 수신할 때 수신 윈도우의 크기를 조절하는 방법 {A method for controlling the size of advertised window in mobile communication terminal for receiving data}

도 1은 본 발명이 적용되는 통신 시스템의 프로토콜 스택을 도시한 것.

도 2는 본 발명에 따라 TCP 연결시 수신 윈도우의 크기를 조절하는 방법에 대한 순서도.

도 3은 본 발명에 따라 수신 윈도우의 크기를 계산할 때에 사용되는 지표값 α에 관한 수학식을 그래프로 도시한 것.

도 4는 본 발명에서 지표값 α=1로 고정한 경우 및 종래기술에 따른 경우에 대하여 송신단의 혼잡 윈도우 동작을 도시한 것.

도 5는 본 발명에서 비트 오율 등을 고려하여 지표값 α를 변동시키는 경우와 α=1로 고정한 경우의 혼잡 윈도우 동작을 비교한 것.

본 발명은 이동통신 단말기와 송신단이 TCP에 의하여 무선으로 연결되는 이동통신 시스템에서 상기 단말기가 상기 송신단으로부터 데이터를 수신할 때 수신 윈도우(Advertised Window, AWND)의 크기를 조절하는 방법에 관한 것이다. 더욱 구체적으로, 본 발명은 이동 통신 단말기에서 각 망(예를 들어, IS95 A/B, 1X/EV-DO, WCDMA, HSDPA(고속하향패킷접속) 등)의 대역폭, 왕복지연시간(Round Trip Time, RTT), 및 비트 오율(bit error rate, BER)을 고려하여, TCP의 수신 윈도우 크기를 조절하는 방법에 관한 것이다. 본 발명은 대역폭이 상이한 여러 가지 통신 시스템에 접속하는 단말기에 적용할 수 있으며, 단일 망에 접속하는 경우에도 무선망 상태(예를 들어, 비트 오율)가 변화하는 환경에 유용하게 사용될 수 있다.

종래의 무선 통신에서 TCP의 수신 윈도우의 크기는 적용되는 통신망의 대역폭과 왕복지연시간에 따라 적절한 값을 선택한 후에 고정하여 사용한다. 예를 들어, 퀄컴의 MSM5100 칩에서는 536*4[byte]의 크기를 사용하고, 퀄컴의 MSM6100 칩에서는 1024*16[byte]의 크기를 사용하며, 퀄컴의 MSM6550 칩에서는 1024*45[byte]의 크기를 사용한다.

TCP의 수신 윈도우 크기는 유선망과 같이 망 상태의 변동이 거의 없는 경우에는 대역폭과 왕복지연시간이 일정하기 때문에 수신 윈도우의 크기가 한번 적절하게 선택되기만 하면 된다.

그러나, 한 개의 무선 단말기가 대역폭이 상이한 여러 개의 무선 통신 시스템에 접속하거나 지역적으로 비트 오율의 차이가 많이 나는 경우에는 전송률의 저하나 부하의 증가가 나타날 수 있다. 구체적으로 설명하면, 대역폭이 크고, 망 환경이 우수한 경우에는 TCP의 수신 윈도우가 작을 때에 전송률이 저하될 수 있다. 반대로, 대역폭이 작거나 망 상태가 열악한 경우에 TCP의 수신 윈도우가 크다면, 전송 속도는 개선되지 아니하면서, 단말기의 자원을 낭비하고, 송신단과 무선 구간의 부하만 가중시킨다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명에서는 수신 단말기가 대역폭이 크고 망 환경이 우수한 경우에는 가능한 한 큰 값의 수신 윈도우의 크기를 송신단에 통보하여 송신단의 혼잡 윈도우(congestion window, CWND)의 최대값을 증가시킨다. 따라서, 송신단은 그만큼 많은 데이터를 한번에 전송할 수 있게 되어, 송신율을 증가시킨다.

반대로, 대역폭이 작거나 망 환경이 좋지 않은 경우에는 수신 윈도우의 크기를 작게 하여 송신단에 통보한다. 따라서, 송신단은 혼잡 윈도우의 최대값이 작아지므로, 상대적으로 적은 양의 데이터만을 보낼 수 있고, 수신 단말기는 그 만큼의 메모리를 절약할 수 있으며, 송신단과 무선 구간은 그 만큼 부하가 감소된다.

따라서, 본 발명의 목적은 수신 윈도우의 크기를 조절하는 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명은 이동통신 단말기와 송신단이 TCP에 의하여 무선으로 연결되는 이동통신 시스템에서 상기 단말기가 상기 송신단으로부터 데이터를 수신할 때 수신 윈도우의 크기를 조절하는 방법에 관한 것이다.

본 발명에 따라 단말기의 수신 윈도우 크기를 조절하는 방법은,

상기 단말기와 상기 송신단을 TCP 통신 프로토콜로 연결하는 과정에서 수신 윈도우 크기의 초기값을 계산하여 상기 송신단으로 송신하는 단계(a)(S10, S20, S30);

상기 단말기에서 정상적으로 TCP 데이터를 송수신시 현재의 연결상태에 따른 수신 윈도우 크기를 계산하여 송신단에 전달하는 단계(b) (S40,S50,S60,S70); 및

상기 단계(b)에서 핸드오프 발생시 상기 단말기에서 수신 윈도우 크기의 초기값을 다시 계산하여 송신단에 전달하는 단계(c)(S50,S20,S30)를 포함한다.

본 발명에서, 상기 단계(b)는 상기 단말기가 상기 송신단으로부터 데이터를 수신하는 동안에 계속하여 수행된다. 또한, 본 발명에서, 상기 단말기에 대하여 핸드오프가 발생하여 이동통신 망의 종류가 상이해진 경우에는, 상기 단계(c)가 다시 실행된다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 구체적으로 설명한다. 그러나, 본 발명이 하기 실시예에 의하여 제한되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명이 적용되는 통신 시스템의 프로토콜 스택을 도시한 것이다. 상기 도면에는 IS95 A/B, 1X/EV-DO, WCDMA, 및 HSDPA 등의 각각의 망을 함께 도시하였다. 수신측인 이동통신 단말기와 서비스 제공업자의 서버인 송신단(이하 송신단)은 기지국(BS), 안테나(AN), 및 기지국제어기(RNC, radio network controller) 등을 통하여 TCP/IP 프로토콜에 의하여 무선으로 연결된다. 상기 프로트콜 스택은 응용계층(Application-Service), 트랜스포트 계층(TCP), 인터넷 계층(IP), 및 네트 워크 액세스 계층(PPP/PDCP, RLP/RLC, Ethernet)으로 구성된다.

송신단은 수신측 단말기에 서비스를 제공하기 위해서 무선 통신으로 연결하여야 한다. 이를 위하여, 상기 송신단과 이동 통신 단말기는 우선적으로 데이터 전송 프로토콜인 TCP에 의하여 연결되어야 한다. 본 발명은 상기 프로토콜 스택에서 TCP(①) 간의 송수신에 적용된다.

상기 TCP 프로토콜은 망의 병목현상을 해소하고, 효율적으로 데이터를 전송하기 위하여, 슬라이딩 윈도우(sliding window) 기법 및 혼잡 제어(congestion control)를 사용한다.

상기 슬라이딩 윈도우 기법은 TCP 헤더 내에 존재하는 윈도우 필드를 사용하여 상호간에 윈도우 통지(window advertisement)를 통하여 윈도우의 크기를 조절할 수 있다.

혼잡 제어는 송신단이 망 상태를 보고 스스로 망 상의 데이터 흐름을 조절하는 방법이다. 혼잡 윈도우(CWND)란 송신 측에서 혼잡 제어를 수행하기 위하여 관리하는 윈도우이며, 그 크기를 조절함으로써 혼잡 제어를 적절히 수행할 수 있다. 혼잡 윈도우의 크기는 처음에는 1*세그먼트 크기로 설정되며, 그 이후에는 지수적으로 증가한다. 소정의 임계치(threshold)에 이르게 되면 선형적으로 증가한다. 상기 혼잡 윈도우가 증가하여, 수신측으로부터 전달받은 수신측 윈도우의 크기 값에 이르게 되면, 증가를 멈춘다. 즉, 상기 수신측 윈도우는 상기 혼잡 윈도우의 최대값이 된다. 수신측 윈도우는 수신측이 한번에 수신할 수 있는 할당된 버퍼(메모리)를 의미하며, 상기 수신측 윈도우 값은 TCP 패킷 전송 시 TCP 헤더의 윈도우 필드에 설정되어 상대방으로 전달된다.

도 2는 본 발명에 따라 TCP 연결시 수신 윈도우의 크기를 조절하는 방법에 대한 순서도이다.

먼저, 이동통신 단말기와 송신단 사이에 TCP 연결을 시작하고(S10), 상기 단말기에서 수신 윈도우 크기의 초기치를 계산(S20)하여 송신단에 송신한다(S30). 상기 수신 윈도우 크기의 초기치는 현재 사용되는 통신 시스템의 대역폭, 및 평균 왕복지연시간 등으로 고려하여 하기 수학식 1과 같이 계산된다:

[수학식 1]

상기식에서,

함수

는 x보다 크지 않은 최대 정수를 나타내고,

Bandwidth는 대역폭을 나타내며,

RTT는 왕복지연시간을 나타내고,

Segment_size는 TCP 패킷 1개의 크기로서, 예를 들어, 512[bytes] 또는 1024[bytes]와 같이 미리 정해지고,

W는 수신 윈도우의 크기로서, 상기 Segment_size의 정수배(예를 들어, 1024×16[bytes]) 값을 갖는다.

상기 대역폭은 사용되는 통신 시스템의 종류에 따라 결정되는 값이고, 상기 평균왕복지연시간은 수신 단말기가 임의의 패킷을 보내어 수신 확인 메시지(Ack)를 받을 때까지의 시간을 체크하여 미리 계산할 수 있다. 상기 수신 단말기는 상기 수신 윈도우 크기의 초기값을 TCP 헤더의 윈도우 필드에 설정하여 송신한다.

이후, TCP에 의한 연결이 완료되어 데이터가 수신되면(S40), 수신 단말기에서 수신 윈도우 크기를 다시 계산한다(S60). 이 때에는 현재 망 상태에서 핸드오프가 일어나지 아니하였으므로, 대역폭의 변화는 발생하지 않는다.

따라서, 상기 수신 윈도우의 크기를 계산할 때에는 비트 오율 BER을 고려하여 지표값 α를 하기 수학식 2와 같이 계산한다:

[수학식 2]

상기식에서,

BER은 비트 오율이고,

a는 망 설계시 요구되는 최소 BER 값이며, b는 망 설계시 허용되는 최대 BER 값이다. 따라서, 상기 BER은 a≤BER≤b의 범위를 갖는다.

또한, 상기 지표값 α으로는 0.5≤α≤1.5의 범위를 갖는 것으로 제한하는 것이 바람직하다. 지표값 α가 이러한 범위를 벗어나는 경우에는, 수신 윈도우 크기에 대한 제어 동작 성능이 저하될 수 있다.

도 3은 상기 수학식 2를 그래프로 도시한 것이다.

현재 망 상태의 비트 오율에 따라 계산되는 상기 지표값 α를 이용하여 수신 윈도우의 크기를 하기 수학식 3과 같이 계산한다:

[수학식 3]

상기식에서,

함수

, W, Bandwidth, RTT, 및 Segment_size는 상기 정의한 바와 같고,

지표값 α는 상기 수학식 2와 같이 정의된다.

상기 계산된 수신 윈도우 값은 TCP 헤더의 수신 윈도우 필드에 기록하여, 수신 확인 메시지(Ack)를 송신단에 송신한다(S70).

상기한 바와 같이 수신 윈도우의 크기가 설정된 후에, 핸드오프(하드 핸드오프)가 발생하여 이동 통신 망의 종류가 상이해진 경우에는(S50), 대역폭 및 왕복지연시간 등이 변화하게 된다. 따라서, 다시 단계(S20)으로 돌아가서, 변화된 망 상태에 따른 수신 윈도우 초기값을 송신(S30)하고, 이후 데이터를 수신하게 되면(S40), 수신 단말기에서 다시 적합한 수신 윈도우 값을 재계산하여(S60), TCP 헤더의 수신 윈도우 필드에 기록하고, 수신 확인 메시지(Ack)를 송신하게 된다(S70).

이와 같이 수신 윈도우 크기의 초기치를 계산하고, 이후 망 상태에 따라 수신 윈도우를 재계산하는 과정(S20 내지 S460)은 처음 TCP 연결 시 및 핸드오프 시 , 수신한 데이터에 대해 ACK 송신시 마다 항상 수행된다. 따라서, 핸드오프가 발생한 경우에도, 수신 윈도우의 크기를 현재 망의 종류 및 상태에 적합하게 조절할 수 있다.

이하에서는, 본 발명에 따른 수신 윈도우의 크기를 제어하는 경우 송신단의 혼잡 윈도우 동작을 종래 기술과 비교한다.

도 4는 본 발명에서 상기 수학식 2와 같이 정의되는 지표값 α=1로 고정한 경우, 종래의 방식으로서 수신 윈도우의 크기가 10[Kbytes]로서 상대적으로 작은 값을 갖는 경우 및 수신 윈도우의 크기가 64[Kbytes]로서 상대적으로 큰 값을 갖는 경우에 대하여 송신단의 혼잡 윈도우 동작을 모의 실험한 결과이다.

상기 도 4에서 그래프가 그리는 면적은 TCP의 전송량을 나타내며, 시간(time)축을 분할하는 선분은 핸드 오프 시점을 나타낸다.

상기 도 4에서 황색 그래프(①)는 종래의 방식으로서 수신 윈도우의 크기가 64[Kbytes]로서 상대적으로 큰 값을 갖는 경우에 대한 송신단의 혼잡 윈도우 동작을 도시한 것이다. 이러한 경우, HSDPA 망에 접속한 구간에 대해서는 정상적인 성능을 낼 수 있다. 그러나, 1x 망 또는 IS95 A/B 망의 경우에는 윈도우 사이즈에 비해서 대역폭이 현저히 작기 때문에, 수신 윈도우의 크기만큼 데이터가 전송되지 않는다. 그러므로, 송신단에서 무선망에서 지원하는 대역폭 이상의 데이터를 보내 는 경우에는 망의 정체만이 증가될 뿐이다.

상기 도 4에서 청색 그래프(②)는 종래의 방식으로서 수신 윈도우의 크기가 10[Kbytes]로서 상대적으로 작은 값을 갖는 경우에 대한 송신단의 혼잡 윈도우 동작을 도시한 것이다. 이러한 경우, 대역폭이 작은 IS95 A/B 망에 접속한 구간에 대해서는 충분한 성능을 나타낼 수 있다. 그러나, 대역폭이 큰 EV-DO, WCDMA, 또는 HSDPA 망에서는 제공되는 대역폭만큼 혼잡 윈도우가 증가되지 못한다. 따라서, 망 자원을 효율적으로 사용하지 못하게 되며, TCP 전송 성능이 저하된다.

상기 도 4에서 적색 그래프(③)는 본 발명에서 지표값 α=1로 고정한 경우 송신단의 혼잡 윈도우 동작을 도시한 것이다. 이러한 경우, 대역폭이 작은 망에서는 송신단에 작은 값의 수신 윈도우 크기를 통지하기 때문에 전송되는 데이터의 양이 적절히 제한된다. 대역폭이 큰 망에서는 송신단에 큰 값의 수신 윈도우 크기를 통지하기 때문에 많은 데이터를 수신할 수 있다. 따라서, 제공되는 대역폭을 충분히 활용할 수 있다.

상기 도 4의 적색 그래프(③)는 지표값 α=1로 고정한 경우이므로, 동일 망에서 위치에 따른 비트 오율의 차이를 고려하지 아니하였다. 즉, 동일한 망을 사용하였을 때, 망 상태가 좋은 경우와 그렇지 않은 경우에 대하여 고려하지 아니하였다.

도 5는 본 발명에서 비트 오율 등을 고려하여 지표값 α를 변동시키는 경우와 상기 도 4의 적색 그래프(③)와 같이 α=1로 고정한 경우를 서로 비교한 그래프이다.

상기 비교 실험예에서는 통신 시스템에 따라서 수신 윈도우 크기의 기본값은 하기 표 1과 같다고 가정하였다:

[표 1] 통신 시스템 종류에 따른 수신 윈도우 크기의 기본값

본 실험예에서 통신 시스템 환경은 차례로 1x, EV-DO, HSDPA, 및 IS95 A/B로 핸드오프되었다고 가정하였다. 또한, 1x 통신망에서는 비트오율이 낮아서 지표값 α가 1.3으로 계산되었고, HSDPA 통신망에서는 비트오율이 높아서 지표값 α가 0.7로 계산되었다고 가정하였다.

상기 모의 실험에서 1x 망 지역(①)에서는 지표값 α=1.3이다. 따라서, 지표값 α가 1인 경우에 비하여 상대적으로 수신 윈도우의 크기가 증가하며, 송신단으로 하여금 더 많은 데이터를 전송하게 한다.

EV-DO 망 지역(②) 및 IS95 A/B 망 지역(③)에서는 비트 오율이 일반적인 수준이므로, 지표값 α가 1로 설정된 경우와 동일하게 동작한다.

WCDMA의 HSDMA 망에서는 지표값 α가 0.7이므로, 지표값 α가 1인 경우에 비하여 상대적으로 수신 윈도우의 크기가 감소되며, 송신단으로 하여금 데이터 전송률이 감소되도록 한다.

본 발명에 따라 수신 윈도우의 크기를 조절하는 경우, 통신 망의 자원을 효 율적으로 사용하며, 전송률을 최적화하고, 송신단과 무선 구간 사이의 부하를 감소시킬 수 있다. 또한, 수신 단말기는 여분의 버퍼(메모리)를 다른 곳에 활용할 수 있다. 본 발명은 다중-모드(multi-mode) 다중-대역(multi-band) 휴대폰(MM-MB 폰)에서 유용하게 사용될 수 있다.

본 발명에 따른 실시예는 상술한 것으로 한정되지 않고, 본 발명과 관련하여 통상의 지식을 가진자에게 자명한 범위내에서 여러 가지의 대안, 수정 및 변경하여 실시할 수 있다.

Claims

이동통신 단말기와 송신단이 무선구간을 포함하여 TCP에 의하여 연결되는 이동통신 시스템에서 상기 이동통신 단말기가 상기 송신단으로부터 데이터를 수신할 때 수신 윈도우의 크기를 조절하는 방법으로서,

상기 이동통신 단말기와 상기 송신단을 무선구간을 포함하여 TCP 통신 프로토콜에 의하여 연결하는 과정에서 상기 이동통신 단말기가 수신 윈도우 크기의 초기값을 계산하여 상기 송신단으로 송신하는 단계(a);

상기 이동통신 단말기에서 정상적으로 TCP 데이터를 송수신 시 현재의 연결상태에 따른 수신 윈도우 크기를 계산하여 상기 송신단에 전달하는 단계(b); 및

상기 단계(b)에서 핸드오프 발생시 상기 이동통신 단말기에서 수신 윈도우 크기의 초기값을 다시 계산하여 상기 송신단에 전달하는 단계(c)를 포함하는 것을 특징으로 하는 이동 통신 단말기에서 데이터를 수신할 때 수신 윈도우 크기를 조절하는 방법.
제 1 항에 있어서, 상기 단계(a)에서 수신 윈도우 크기의 초기값은 하기 수학식 1에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 이동 통신 단말기에서 데이터를 수신할 때 수신 윈도우 크기를 조절하는 방법:

[수학식 1]

상기식에서,

함수
는 x보다 크지 않은 최대 정수를 나타내고,

Bandwidth는 대역폭을 나타내며,

RTT는 왕복지연시간을 나타내고,

Segment_size는 TCP 패킷 1개의 크기이며,

W는 수신 윈도우의 크기이다.
제 1 항에 있어서, 상기 단계(b)에서 수신 윈도우 크기는 하기 수학식 3에 의하여 계산되는 것을 특징으로 하는 이동 통신 단말기에서 데이터를 수신할 때 수신 윈도우 크기를 조절하는 방법:

[수학식 3]

[수학식 2]

상기식에서,

함수
, W, Bandwidth, RTT, 및 Segment_size는 상기 수학식 1에서 정의한 바와 같고,

지표값 α는 상기 수학식 2와 같이 정의되며,

BER은 비트 오율이고,

a는 망 설계시 요구되는 최소 BER 값이며,

b는 망 설계시 허용되는 최대 BER 값이다.
제 3 항에 있어서, 상기 지표값 α는 0.5≤α≤1.5의 범위를 갖는 것을 특징으로 하는 이동 통신 단말기에서 데이터를 수신할 때 수신 윈도우 크기를 조절하는 방법.
제 1 항 또는 제 3 항에 있어서, 상기 단계(b)는 상기 이동통신 단말기가 상기 송신단으로부터 데이터를 수신하는 동안에 계속하여 수행되는 것을 특징으로 하는 이동 통신 단말기에서 데이터를 수신할 때 수신 윈도우 크기를 조절하는 방법.