이러한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 특징에 따른 휴대 인터넷(WiBro) 시스템의 기지국(AP)에서 순방향 패킷 스케줄링 장치는, 유선 네트워크로부터 수신한 IP 패킷(SDU)의 IP 헤더를 분석하여 해당 사용자 및 연결 아이디와 우선순위를 결정하기 위한 패킷(SDU) 분류기; 무선 구간 송신 전까지 수신한 IP 패킷을 저장하기 위한 저장 장치; 상기 저장 장치에 저장된 전송될 데이터들을 우선순 위에 따라 전송 순서를 결정하고, 보조 스케쥴링과 주 스케쥴링에 의해 무선 채널 상태에 따라 전송할 데이터의 크기, 및 변조 및 코딩 방법(MCS)을 결정하고, 매 프레임별 송신할 데이터와 데이터의 크기 선택 및 무선구간 패킷 송수신 제어 및 무선 프레임 자원 관리를 위한 스케줄러; 및 스케쥴링 후, 상기 스케줄러로부터 PDU 생성 정보를 제공받아 상기 저장 장치로부터 데이터를 선택하여 MAC PDU 구성 및 데이터 버스트를 생성하여 물리 계층을 통해 사용자 단말기(AT)로 전송하기 위한 PDU 생성기를 포함한다.
또한, 본 발명의 특징에 따른 휴대 인터넷(WiBro) 시스템의 기지국(AP)에서 순방향 패킷 스케줄링 방법은, 휴대 인터넷 서비스를 위한 사용자 단말기(AT), 사용자 단말기(AT)와 사용자 단말기(AT)의 무선 접속 및 네트워크 연결을 지원하는 기지국(AP), 각 사용자 단말기(AT)의 이동성 제어 및 패킷 라우팅 기능을 수행하는 패킷접속 라우터(PAR)를 포함하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서, (a) 유선 네트워크로부터 수신한 IP 패킷(SDU)의 IP 헤더를 분석하여 해당 사용자 및 연결 아이디와 우선순위를 결정하는 단계; (b) 무선 구간 송신 전까지 수신한 IP 패킷을 저장하는 단계; (c) 저장된 전송할 데이터들을 우선순위에 따라 전송 순서를 결정하고, 보조 스케쥴링과 주 스케쥴링에 의해 무선 채널 상태에 따라 전송할 데이터의 크기, 및 변조 및 코딩 방법(MCS)을 결정하고, 매 프레임별 송신할 데이터와 데이터의 크기 선택 및 무선구간 패킷 송수신 제어 및 무선 프레임 자원 관리를 위한 스케쥴링 단계; 및
(d) 상기 스케줄링에 따라 PDU 생성 정보를 제공받아 저장된 데이터를 선택 하여 MAC PDU를 구성과 데이터 버스트를 생성하여 물리 계층으로 전송하는 단계를 포함한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 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. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한. 어떤 부분이 어떤 구성요소를 ”포함“한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 기재한 모듈(module)이란 용어는 특정한 기능이나 동작을 처리하는 하나의 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휴대 인터넷(WiBro) 시스템의 기지국에서 효율적인 순방향 패킷 스케쥴링 장치 및 방법을 자세하게 설명한다.
도 3은 기지국내 순방향 패킷 처리 모듈 구조를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기지국(AP) 내 순방향 패킷 처리 모듈(순방향 트래픽 처리 장치)은 패킷(SDU) 분류기(100), 저장 장치(110), 스케줄러(120), 및 PDU 생성기(130)를 포함한다.
상기 패킷(SDU) 분류기(100)는 유선 네트워크로부터 수신한 IP 패킷(SDU)의 IP 헤더를 분석하여 해당 사용자 및 연결 아이디와 우선순위를 결정한다.
상기 저장 장치(110)는 무선 구간 송신 전까지 상기 수신한 IP 패킷을 저장하고, 소프트 메모리로 구현한다.
상기 스케줄러(120)(이하, AP내 순방향 패킷 스케줄러를 의미)는 상기 저장 장치(110)에 저장된 전송된 데이터들을 우선순위에 따라 전송 순서를 결정하고, 무선 채널 상태에 따라 전송할 데이터의 크기, 및 변조 및 코딩 방법(Modulation and Coding Scheme; 이하 MCS로 칭함)를 결정하고, 매 프레임별 송신할 데이터(그리고 데이터의 크기) 선택 및 무선구간 패킷 송수신 제어 및 무선 프레임 자원 관리 기능을 수행한다.
상기 PDU 생성기(130)는 상기 스케줄러(120)로부터 PDU 생성 정보를 제공받아 상기 저장장치(110)로부터 데이터를 선택하여 MAC PDU 및 데이터 버스트를 생성하여 물리 계층(140)으로 전송한다.
즉, 상기 기지국(AP)은 수신한 트래픽의 상태 정보와 각 사용자의 무선 채널 상태 정보를 바탕으로 스케줄링을 수행하여 MAC-PDU들의 조합으로 구성된 프레임 데이터를 생성하여 물리 계층(140)에 전달, 송신 요구를 수행한다.
특히, 상기 스케줄러(120)는 순방향 트래픽 처리 장치 내에 위치하며 전송될 데이터의 우선 순위에 따라 전송 순서를 결정하고, 무선 채널의 상태에 따라 변조 및 코딩 방법(MCS)을 설정하고, 사용자 단말기(AT) 별로 전송 데이터를 조합하여 지도(MAP) 메시지 및 무선 프레임 데이터를 생성한다. 즉, 무선구간 패킷 송수신 제어 및 무선 프레임 자원 관리 기능을 수행한다. 이를 위해 상기 스케줄러(120)는 상기 저장 장치(110)로부터 저장된 데이터들의 우선 순위, 데이터 용량 등의 버퍼 상태 정보를 전달받고, 물리 계층(140)으로부터 제공된 채널 상태 정보를 전달받아 전송할 데이터 블록의 크기와 변조 및 코딩 방법(MCS)을 결정하고, MAC PDU를 생성하는 상기 PDU 생성기(130)를 제어하여 MAC PDU 구성 및 데이터 버스트를 생성한 후 물리 계층(140)을 통해 해당 사용자 단말기(AT)(10)로 송신한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 순방향 패킷 스케쥴러의 동작 개요도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 기지국(AP)의 순방향 패킷 스케줄러(120)는 실시간 서비스를 고려하는 패킷 기반의 보조 스케줄링과, 시스템 효율(throughput)을 높이면서도 공정성을 보장하는 사용자 기반의 주(main) 스케줄링으로 동작한다. 2단계의 스케줄링이 모두 완료된 후, 저장된 데이타에 대해 PDU를 생성된 프레임 데이터는 물리계층을 통해 무선 구간에 송신된다.
본 발명에서 제안하는 기지국(AP)의 순방향 패킷 스케줄러(120)는 도 4에 도시된 바와 같이 2단계 스케줄링 절차에 따라 동작한다. 즉, 상기 순방향 패킷 스케줄러(120)는 실시간 서비스를 지원하는 연결들에 대해 서비스 대기 중인 각 패킷들의 서비스 대기 시간에 대해 우선 순위 값을 계산하여 높은 우선 순위 값을 갖는 패킷에 대해 MAC 계층에서의 서비스하고 무선 자원을 할당하는 보조 스케줄링을 수행하고, 각 사용자의 링크 상태 및 기 서비스 데이터 속도에 대해 우선 순위 값을 계산하고 이에 따라 서비스 사용자를 결정하여 해당 사용자에 대해 서비스 대기 중인 연결들에 대해 서비스 용량을 결정, MAC 서비스 및 무선 자원 할당을 지원하는 사용자 기반의 주 스케줄링을 수행한다. 상기 스케줄러(120)에서 2단계의 스케줄링을 수행한 후, 발생하는 프레임 데이터는 물리 계층(140)을 통해 무선 구간에 송신된다.
본 발명의 실시예에 따른 휴대 인터넷 기지국(AP)에서 순방향 패킷 스케줄링 방법에 대해 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 기지국(AP)은 매 프레임마다 특정 시간 구간 동안 스케줄링을 수행하는데, 스케줄링 구간에 들어서면 먼저 사용자 단말기-기지국(AT-AP)간 MAC 제어 메시지에 대한 MAC 서비스 및 무선 자원 할당을 수행한다. 서비스 순서는 FCFS(First-Come First-Service)방식을 따른다. 제어 메시지에 대한 스케줄링이 끝나면, 이어서 보조 스케줄링과 주 스케줄링을 수행한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기지국 스케줄러내 보조 스케줄링 부분의 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 보조 스케줄링 부분의 스케줄링 규칙은 수학식 1과 같다.
도 5를 참조하면, 먼저 기지국(AP)의 스케쥴러가 하향링크(DL: downlink) 스 케쥴링을 시작하여(S101) 잔여 서브 채널수 Nrest >0 이면(S102) 보조 스케쥴링을 시작한다.
현재 셀 내에 활성화 상태인 실시간 서비스용 연결(i)에 버퍼링 중인 패킷들에 대해 HOL 패킷으로부터 우선순위 결정 변수(PM
i)를 계산한(S103) 후, 상기 우선순위 결정 변수(PM
i)가 임계값(
)보다 같거나 크면(S104) 해당 패킷정보를 PMQ(이때, PMQ는 PM값이 높은 순서로 패킷 정보를 연결하는 리스트이다)에 정렬 저장한다(S105). 상기 우선순위 결정 변수(PMi)값이 임계값(
)보다 작으면 선택된 연결내 패킷에 대해서 PM값 계산을 중지하고 다른 연결에 대해 PM 계산을 시작한다. PM 계산은 수학식 2를 따른다.
활성화된 모든 실시간 서비스용 연결(Active Connection)에 대해 PM값 계산이 완료되면 다음으로 PMQ(우선순위 결정 변수 PM값이 높은 순서로 패킷 정보를 연결하는 리스트)에서 정렬된 순서대로 패킷들에 대해 MAC 서비스 및 무선 자원 할당을 수행한다. 선택된 패킷들은 무선구간 송신을 위해 MAC PDU에 포함되고, 이에 대해 필요한 무선 자원을 할당 여부를 확인한다. 필요한 무선 자원 할당 계산을 위해 우선 선택된 패킷(ith PMQ item)에 대한 사용자의 채널 상태에 따라 변조 및 코딩 방법(MCS) 레벨을 결정한다(S106). 이때, MCS 레벨은 단말기로부터 매 프레임 마다 수신한 채널 정보(CQI, Channel Quality Indicator, 이하 CQI라 칭함)를 가지고 셀 설정 파라미터인 MCS 결정 테이블(CQI Threshold-MCS레벨)에서 변조 및 코딩 방법(MCS) 레벨을 정한다. 상기 MCS 결정 테이블은 MCS 레벨별 최소 입장 Channel Quality(Minimum Entry Threshold) 및 필수 퇴장 Channel Quality(Mandatory Entry Threshold)로 구성된 테이블로서 각 사용자 단말기의 CQI값을 수신하면 CQI값이 이들 Thresh값 이내에 존재하는 MCS 레벨을 정한다. 해당 사용자 단말기(AT)의 MCS 레벨이 결정되면 서비스할 데이터를 송신하기 위해 필요한 무선 프레임내 필요한 서브 채널 수(Nneeded)를 계산(수학식3 참조)한다(S107).
필요한 서브채널 수(Nneeded)가 현 프레임내 잔여 서브 채널 수(Nrest)보다 작은지를 체크하여(S108), 상기 필요한 서브채널 수(Nneeded)가 상기 현 프레임내 잔여 서브 채널 수(Nrest)보다 작으면 해당 패킷에 대한 자원할당을 완료하고, 필요한 서브채널 수(Nneeded)가 현 프레임내 잔여 서브 채널 수(Nrest)보다 같거나 크면 역으로 가용한 서브채널에 전송 가능한 서비스 데이터 크기를 계산하여 해당 패킷에 대한 연결이 상위 패킷 분할이 가능하다면 전송가능한 패킷의 일부에 대해 PDU 및 버스트(Burst)를 생성하고, MAP IE를 구성하며, 잔여 채널 수(Nrest)를 갱 신하여 MAC PDU를 구성한다(S109).
PMQ(우선순위 결정 변수 PM값이 높은 순서로 패킷 정보를 연결하는 리스트)내 HOL 패킷 정보에 대한 MAC 서비스 및 무선 자원 할당이 완료되면 해당 패킷정보(PMQ Active items)를 삭제하고(S110) 다음 패킷 정보에 대해 동일한 과정을 반복한다. 그러나, 동작 중 무선 자원이 고갈되면 보조 스케줄링 과정을 중지한다. 보조 스케줄링을 통해 실시간 서비스에 대한 QoS를 보장할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기지국 스케줄러내 주 스케줄링 부분의 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
사용자 단말기(AT) 기반의 주 스케줄링 부분은 다음과 같이 동작한다. 기지국(AP)의 스케쥴러에서 하향링크 패킷 스케쥴링(순방향 패킷 스케쥴링)을 시작하여(S201), 현 프레임내 잔여 서브 채널 수 Nrest > 0이면(S202) 현재 활성화 상태인 사용자 단말기(AT)에 대한 우선순위 결정 변수(PMj)를 계산한 후, 사용자단말기 서비스 요청 리스트(AtSvcReqList)에서 최대 우선 순위 결정 변수(max PMi)를 갖는 사용자 단말기(AT)에 대해 우선 서비스한다(S203).
스케줄링 규칙 및 PMj 계산식은 [수학식 4]에 의해 설명된다.
는 사용자 등록시 기지국(AP)과 사용자 단말기(AT)간 협상하는 사용자 우선 순위 요소이고, R
j 는 사용자 단말기를 위해 현재 설정된 트래픽 연결들의 서비스 속도(트래픽 연결 설정시 기지국과 사용자 단말기간 협상하는 최소 서비스 속도)의 합이다. DRC
j(k)는 현재 사용자 단말기의 채널 상태를 나타내는 변수이고, A
j(k)는 사용자(j)를 위해 지금까지 서비스된 평균 데이터 속도이다.
우선 순위 결정 변수(PMj)가 큰 순서대로 사용자들을 정렬하여 높은 우선 수위 결정 변수를 갖는 사용자 단말기(AT)에게 설정된 모든 연결에 대해서 서비스 대기 중인 트래픽의 총용량에 대한 전송할 경우 필요한 무선 자원을 계산한다. 선택된 사용자 트래픽을 위한 MAC 서비스를 위해 필요한 무선 자원 계산은 보조 스케줄링부분에서의 무선 자원 계산 방식과 동일하다. 즉, 사용자의 채널 상태 보고(CQI)에 따라 변조 및 코딩 방식(MCS)을 결정하고 수학식3에 따라 필요한 서브 채널 수(Nneeded)를 계산한다(S204).
상기 필요한 서브 채널 수(Nneeded)가 현 프레임내 잔여 서브 채널 수(Nrest)보다 작으면(S205), 선택된 사용자 단말기(AT)에 대해 대기 중인 모든 패킷들에 대해 무선 자원 할당을 완료한다.
즉, 선택된 사용자 단말기(AT)에 대해 대기 중인 모든 패킷들에 대해 잉여 무선 자원이 없을 때까지 PDU 및 Burst를 생성하고 MAP IE를 구성하고(S207), 잔여 트래픽이 없으면 사용자 단말기의 서비스 요청 리스트(AtSvcReqList)에서 아이템을 해제하고(S208), 잔여 서브채널 수(Nrest)를 갱신한다(S209).
상기 필요한 서브채널 수(Nneeded)가 현 프레임내 잔여 서브 채널 수(Nrest)보다 크면 역으로 가용한 서브 채널에 전송 가능한 서비스 데이터 크기(Callow)를 계산하여 대기중인 트래픽의 일부에 무선 자원 할당 및 MAC PDU 생성하여(S206), S207, S208, S209 과정을 실행한다.
잉여 무선 자원이 있을((Nrest - Nmargin <= 0)) 경우, 다음 사용자 단말기(AT)에 대해 동일한 절차(S203-S209)를 반복한다(S210).
주 스케줄링 부분은 사용자간 공정성과 시스템 효율간 최적의 trade-off를 지원한다고 알려진 PF 알고리즘에 각 사용자의 QoS를 고려한 방식으로 각 사용자의 QoS 협상 사항에 따른 공정성을 보장하면서 시스템 효율을 높이는 장점을 갖는다.
본 발명은 서비스 대기 중인 패킷들에 대해 서비스 우선 순위 결정 변수 계산을 실시간 서비스에 제한하여 수행하고, 대기 중인 모든 패킷이 아닌 임계값 이상의 우선순위 결정 변수를 갖는 패킷에 한정하여 계산하며, 주 스케줄링은 사용자 기반의 우선 순위 결정 변수 계산 및 무선 자원 할당을 이용하므로 동작 시간을 현저히 줄일 수 있다. 5msec 프레임 기반의 와이브로 시스템의 기지국 순방향 패킷 스케줄러는 고속의 트래픽을 5msec간격으로 스케줄링 및 MAC 처리해야 하므로 본 발명에 따른 처리시간 최소화는 큰 장점을 갖는다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체(씨디롬, 램, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.