KR101061709B1 - 인접 셀 간섭도를 이용한 패킷 스케쥴링 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 인접 셀 간섭도를 이용한 패킷 스케쥴링 방법에 관한 것으로, 종래의 패킷 스케쥴링 알고리즘에 인접 셀의 간섭도(Loading Factor)를 반영함으로써, 높은 공정성과 높은 수율을 동시에 보장하는 패킷 스케쥴링 방법을 제공하고자 한다.

이를 위하여, 본 발명은, 패킷 스케쥴링 방법에 있어서, 현재 전송률 및 평균 전송률에 근거하여 사용자 단말의 우선 순위 값을 계산하는 우선 순위 계산 단계; 인접 셀의 간섭도(Loading Factor)를 추정하고, 상기 계산된 우선 순위 값에 상기 추정된 인접 셀의 간섭도를 적용하여 우선 순위 값을 갱신하는 간섭도 반영 단계; 및 상기 갱신된 우선 순위 값에 따라 상기 사용자 단말과의 채널을 할당하는 채널 할당 단계를 포함하며, 무선 인터넷 등에 이용된다.

패킷 스케쥴링, 인접 셀의 간섭도, 우선 순위

Description

인접 셀 간섭도를 이용한 패킷 스케쥴링 방법{Method for scheduling packet using loading factor of adjacent cell}

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 패킷 스케쥴링 알고리즘의 개념도,

도 2는 전체 AMC 레벨에 대한 각 AMC 레벨에 속하는 사용자 단말의 비율을 나타낸 일실시예 히스토그램,

도 3은 비례 상수에 따른 시스템 수율(Throughput)을 나타낸 그래프,

도 4는 기준 레벨(m)에 따른 시스템 수율을 나타낸 그래프,

도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 패킷 스케쥴링 방법의 흐름도,

도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 사용자 단말 수 및 LP에 따른 각 알고리즘별 수율을 비교한 그래프이다.

* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

100 : 패킷 스케쥴러 110 : 사용자 단말

120 : 인접 셀의 간섭도를 반영한 PF 알고리즘 130 : 가중치 적용 과정

140 : 본 발명에 따른 우선 순위 값

본 발명은 패킷 스케쥴링 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 인접 셀의 간섭도(Loading Factor)의 측정을 통한 AMC(Adaptive Modulation & Coding) 기반의 패킷 스케쥴링 방법에 관한 것이다.

최근 WWW, E-mail, 멀티미디어 등의 무선 패킷 데이터 서비스에 대한 관심이 증가하고 있다. 이러한 패킷 데이터 서비스를 위해서는 한정된 무선 자원의 효율성을 최대화해야 한다. 그러나 최대 전송률 및 최적 QoS(Quality of Service) 등에 대한 사용자의 다양한 요구를 수용하는 것과 무선 자원의 효율성을 최대화하는 것은 서로 상충된다.

예를 들어, 이동 통신 시스템의 기지국으로 다수의 사용자가 접속한 경우, 무선 자원의 효율성을 최대화하기 위해서는 가장 높은 전송률을 갖는 사용자에게 패킷 데이터 서비스를 해야 한다. 하지만, 이는 낮은 신호대 잡음비를 갖는 사용자에게 불공정할 뿐만 아니라 요구 QoS에 대한 보장도 불가능하게 한다.

이러한 상충된 문제를 해결하기 위해, 무선 패킷 데이터 서비스 시 채널 상태를 고려하여 사용자, 전송률 및 전송 순간을 제어하는 패킷 스케쥴링 알고리즘이 사용되고 있다.

현재 사용되는 패킷 스케쥴링 알고리즘은 비례적 공정(PF : Proportional Fairness) 알고리즘과 공정-비례적 공정(F-PF:Fairness-Proportional Fairness) 알 고리즘이 있다.

상기 두 알고리즘의 기본 아이디어는, 이동 통신 시스템의 기지국이 하기 [수학식 1]과 같이 사용자의 우선 순위 값(PM:Priority Metric)을 계산한 후, 우선 순위 값이 높은 사용자 순서대로 패킷 데이터 서비스를 위한 링크를 할당하는 것이다.

여기서, R _i (n)은 n 번째 슬롯에서 i 번째 사용자 단말에 지금까지 할당된 평균 전송률이고, r _i (n)는 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)에 따른 n 번째 슬롯에서 i 번째 사용자 단말의 채널 상태에 따라 지원 가능한 전송률이다.

이때, PF 알고리즘은 [수학식 1]의 R_i(n), 즉 사용자 i의 평균 전송률을 하기 [수학식 2]와 같이 갱신한다.

여기서, t_c는 임의의 상수로, R_i(n-1)과 r_i(n-1) 간의 가중치 관계를 나타낸다.

반면, P-PF 알고리즘은 [수학식 1]의 R _i (n), 즉 사용자 i의 평균 전송률을 하기 [수학식 3]과 같이 갱신한다.

P-PF 알고리즘은 PF 알고리즘과 달리 사용자의 현재 전송률을 거듭제곱하여 반영함으로써 공정성(fairness)을 높인다.

즉, PF 알고리즘을 이용하여 패킷 스케쥴링을 하면 전체 시스템의 수율을 극대화할 수 있지만 공정성은 떨어지고, P-PF 알고리즘을 이용하여 패킷 스케쥴링을 하면 공정성은 높일 수 있지만 전체 시스템의 수율이 떨어지는 문제점이 있다.

한편, 최근에는 정지 또는 저속의 이동 환경에서도 고속의 인터넷 접속이 가능한 무선 인터넷 서비스를 위한 표준화 작업이 추진되고 있다. 국내에서 추진되는 무선 인터넷 서비스 표준화는 다중접속 방식으로 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access)를 고려하고 있다.

OFDMA 방식은 주파수 재사용도 K=1로 동작할 수 있으며, 이때 발생하는 인접 셀 간의 간섭은 적응 변조 및 부호화(AMC:Adaptive Modulation & Coding)에 의해 제어된다. 종래의 CDMA2000 1x EV-DO 시스템에서와 달리 OFDMA의 다중 채널 구조에서는 다수의 사용자가 광대역 채널을 공유하기 때문에 인접 셀 로딩에 따라 성능이 직접적으로 영향을 받는다.

따라서 주파수 재사용도 K=1을 적용한 OFDM 시스템에서 모든 사용자 단말들 간의 공정성을 유지하면서도 수율 저하가 상대적으로 적은 새로운 방식의 패킷 스케쥴링 알고리즘이 요구된다.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로, 종래의 패킷 스케쥴링 알고리즘에 인접 셀의 간섭도(Loading Factor)를 반영함으로써, 높은 공정성과 높은 수율을 동시에 보장하는 패킷 스케쥴링 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 패킷 스케쥴링 방법에 있어서, 현재 전송률 및 평균 전송률에 근거하여 사용자 단말의 우선 순위 값을 계산하는 우선 순위 계산 단계; 인접 셀의 간섭도(Loading Factor)를 추정하고, 상기 계산된 우선 순위 값에 상기 추정된 인접 셀의 간섭도를 적용하여 우선 순위 값을 갱신하는 간섭도 반영 단계; 및 상기 갱신된 우선 순위 값에 따라 상기 사용자 단말과의 채널을 할당하는 채널 할당 단계를 포함한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

설명에 앞서, 본 발명에 따른 바람직한 실시예에 사용된 각종 변수 값은 [표 1]과 같으며, 사용자 단말의 전송률은 하기 [표 2]를 사용하여 결정한다.

[표 1]에 나타낸 바와 같이, 본 실시예가 적용된 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템은 10MHz의 채널 대역폭을 갖고, 최대 24Mbps의 전송률을 지원한다. 또한, 본 실시예가 적용된 OFDMA 시스템은 QPSK, 16-QAM, 64-QAM의 변조 방식과 R=1/3의 컨벌루셔널 터보 코드(Convolutional Turbo Code) 방식을 적용한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 패킷 스케쥴링 알고리즘의 개념도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 기지국의 패킷 스케쥴러(100)는 사용자 단말(110)로부터 채널의 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)을 전송받고, 종래의 F-PF(Fairness-Proportionally Fairness) 알고리즘을 이용하여 사용자 단말(110)의 우선 순위 값을 계산한다(120). 사용자 단말의 우선 순위 값을 계산한 후 사용자 단말을 저속/고속 모드 그룹으로 나누고, 고속 모드 그룹에 속하는 사용자 단말의 우선 순위 값에 인접 셀의 간섭도(LP:Loading Factor)에 근거한 가중치를 적용한다(130). 그리고 우선 순위 값을 갱신한다(130).

구체적으로 살펴보면, 기지국의 패킷 스케쥴러(100)는 사용자 단말(110)로부터 채널의 SINR을 전송받고, 종래의 F-PF 알고리즘을 이용하여 사용자 단말(110)의 우선 순위 값(

)을 하기 [수학식 4]와 같이 계산한다.

,

여기서,

은 n 번째 슬롯에서 i 번째 사용자 단말에 지금까지 할당된 평균 전송률이고, r _i(n)는 상기 전송된 SINR에 따른 n 번째 슬롯에서 i 번째 사용자 단말의 채널 상태에 따라 지원 가능한 전송률이다.

종래의 패킷 스케쥴러는 [수학식 4]와 같이 계산한 우선 순위 값 순서대로 사용자 단말(110)로 전송 링크를 할당한다. 그러나 본 발명에 따른 패킷 스케쥴러(100)는 [수학식 4]와 같이 계산한 우선 순위 값에 인접 셀의 간섭도(LP)에 근거한 가중치를 적용하여 우선 순위 값을 갱신하고, 갱신한 우선 순위 값 순서대로 사용자 단말(110)로 전송 링크를 할당한다.

이에 앞서, 본 발명이 제안하는 인접 셀의 간섭도를 추정하는 방법을 살펴본다.

먼저, 이동 통신 시스템의 기지국은 사용자 단말(110)로부터 채널 상태 정보인 SNR(Signal to Noise Ratio) 값을 전송받고, 사용자 단말(110)이 속하는 AMC 레벨을 [표 1]과 같은 테이블로부터 결정한다. 기지국은 해당하는 AMC 레벨의 변조 기법(modulation)과 코드 레이트(code rate)로 사용자 단말(110)로 패킷을 전송한다.

이때, 기지국의 패킷 스케쥴러(100)는 SNR에 근거해서 결정한 사용자 단말(110)의 AMC 레벨을 종합하여, 전체 K개의 AMC 레벨에 속하는 사용자 단말 수에 대한 m개의 AMC 레벨에 속하는 사용자 단말 수의 비율을 하기 [수학식 5]와 같이 계산한다. [수학식 5]와 같이 계산한 결과는 도 2에 도시된 바와 같이 히스토그램으로 표현할 수 있다.

다음으로, [수학식 5]와 같이 계산한 값, 즉 총 사용자 단말 수에 대한 특정 AMC 레벨에 속하는 사용자 단말 수의 비율이 일정 기준 이상이면, 패킷 스케쥴러(100)는 계산한 비율에 근거하여 하기 [표 2]와 같은 간섭도 추정 기준으로부터 간섭도를 추정한다.

예를 들어, [표 1]과 같이 총 12개의 AMC 레벨이 있고, 12개의 AMC 레벨에 속하는 총 사용자 단말 수에 대한 AMC 레벨 9, 10, 11(m=9, 10, 11)에 속하는 사용자 단말 수의 비율이 80% 이상인 경우, [표 2]의 간섭도 추정 기준으로부터 추정한 간섭도 값은 0.1이 된다.

상술한 바와 같이 인접 셀의 간섭도를 추정한 후, 패킷 스케쥴러(100)는 추정한 간섭도에 대한 가중치(weight) 값 W(n)을 하기 [수학식 6]과 같이 결정한다.

이때, 비례 상수

는 가중치 값 W(n)이 0 ∼ 1 사이가 되도록 결정한다. 바람직하게는 추정 간섭도가 높을 때 비례 상수

값도 높게 하는데, 도 3을 참조하여 설명한다.

도 3은 비례 상수에 따른 시스템 수율(Throughput)을 나타낸 그래프로, 가로축은 사용자 단말의 수이고 세로축은 섹터당 수율을 나타낸다.

도 3의 참조부호 310은 간섭도가 0.2이고 비례 상수

가 1.0인 경우이고, 참조부호 320은 간섭도가 0.2이고 비례 상수

가 0.5인 경우이다. 참조부호 310, 320와 같이 간섭도가 낮을 경우에는 비례 상수

에 따른 수율의 차이가 거의 없다.

도 3의 참조부호 330은 간섭도가 0.8이고 비례 상수

가 1.0인 경우이고, 참조부호 340은 간섭도가 0.8이고 비례 상수

가 0.5인 경우이다. 참조부호 330, 340과 같이 간섭도가 높을 경우에는 비례 상수

에 따른 수율의 차이가 발생한다. 즉, 상술한 바와 같이, 간섭도가 높을 경우에 비례 상수

값도 높게 결정하면 시스템 수율이 향상된다.

다음으로, 패킷 스케쥴러(100)는 총 k개의 AMC 레벨을 저속 모드 그룹(Low Data Rate Group)과 고속 모드 그룹(High Data Rate Group)으로 나눈다. AMC 레벨을 두 그룹으로 나누는 기준 레벨 m은 전산 실험을 통해 결정한다, m 값이 9이면 AMC 레벨 10 이상의 사용자 단말을 고속 모드 그룹으로 결정하고, 나머지 레벨의 사용자 단말은 저속 모드 그룹으로 결정한다. 이때, 바람직하게는 기준 레벨 m은 높은 값으로 결정하는데 도 4를 참조하여 설명한다.

도 4는 기준 레벨(m)에 따른 시스템 수율을 나타낸 그래프로, 간섭도가 0.2(410), 0.4(420), 0.6(430), 0.8(440)일 때의 기준 레벨에 따른 시스템 수율을 나타낸다. 가로축은 기준 레벨이고, 세로축은 기준 레벨에 따른 수율을 나타낸다.

도 4에 도시된 바와 같이, 간섭도에 상관없이 기준 레벨이 높을수록 시스템 수율은 향상된다. 따라서 바람직하게는 기준 레벨 m은 높은 값으로 결정한다.

이후, 패킷 스케쥴러(110)는 고속 모드 그룹(R_H)에 속하는 사용자 단말들의 우선 순위 값에 [수학식 6]과 같이 계산한 가중치를 곱하여 하기 [수학식 7]과 같이 우선 순위 값을 갱신한다. 즉, [수학식 4]와 같이 계산한 우선 순위 값에 [수학식 6]과 같이 계산한 가중치를 곱하여 사용자 단말의 우선 순위 값을 갱신한다.

[수학식 7]과 같이 우선 순위 값을 갱신하고, 패킷 스케쥴러(110)는 우선 순위 값이 가장 높은 사용자 단말 순서대로 하기 [수학식 8]과 같이 전송 링크를 재할당한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 패킷 스케쥴링 방법의 흐름도이다.

먼저, 기지국의 패킷 스케쥴러(100)는 사용자 단말로부터 채널의 SINR을 전 송받아 해당하는 AMC 레벨을 결정한다(510).

이후, 평균 전송률 및 상기 전송된 SINR에 따른 현재 전송률을 이용한 종래의 공정-비례적 공정 알고리즘에 따라 사용자 단말의 우선 순위 값을 계산한다(520).

다음으로, 총 사용자 단말 수에 대한 m 개의 특정 AMC 레벨에 속하는 사용자 단말의 비율을 계산하고, 계산된 비율을 이용하여 인접 셀의 간섭도를 추정한다(530).

이후, 추정한 간섭도에 소정의 파라미터를 곱하여 간섭도 가중치를 계산한다(540).

이후, 상기 AMC 레벨을 저속 모드 그룹과 고속 모드 그룹으로 나누고, 고속 모드 그룹에 속하는 사용자 단말의 우선 순위 값에 상기 가중치를 곱하여 우선 순위 값을 갱신한다(550).

마지막으로, 전체 사용자 단말의 우선 순위 값을 비교하여 우선 순위 값이 높은 순서대로 전송 링크를 할당한다(560).

도 5에 도시된 흐름도는 본 발명의 바람직한 일실시예이며, 상기 과정은 흐름 순서를 달리하여 이루어질 수 있다.

도 6은 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 사용자 단말 수 및 인접 셀의 간섭도에 따른 각 알고리즘별 수율을 비교한 그래프로, 가로축은 사용자 단말의 수이고 세로축은 섹터당 수율을 나타낸다.

본 실시예에서, 종래의 비례적 공정(PF) 알고리즘을 이용한 스케쥴링 방식은 평균 전송률에 가중치를 부여하기 위해 t_c 값을 1/2로 설정한다. 본 발명에 따른 스케쥴링 방식은 비례 상수

를 1.0으로 하고, 추정 간섭도 값이 0.2인 경우와 0.8인 경우로 나누어 수율을 측정한다.

도 6의 참조부호 610은 간섭도가 0.2이고 t_c가 1000인 PF 알고리즘이고, 참조부호 620은 간섭도가 0.2이고 t_c가 1/2인 PF 알고리즘이다. 도 6에 도시된 바와 같이, PF 알고리즘의 수율은 t_c에 따른 차이가 거의 없이 가장 높게 나타난다. 도 6의 참조부호 650은 간섭도가 0.2인 F-PF 알고리즘으로, 수율이 가장 낮다.

반면, 도 6의 참조부호 630 및 640은 간섭도가 0.2 및 0.8인 본 발명에 따른 알고리즘으로, 수율은 F-PF 알고리즘보다 높고 PF 알고리즘보다 낮다. 또한, 본 발명에 따른 알고리즘은 간섭도가 0.8인 경우보다 간섭도가 0.2인 경우에 수율이 더 높다. 즉, 본 발명에 따른 알고리즘은 동일한 전송률을 갖더라도 인접 셀의 간섭도가 작은 경우에 수율이 높다.

도 6에 도시된 바와 같이, 공정성(fairness)을 고려하지 않고 사용자 단말 수에 따라 수율을 비교하면 사용자 단말 수에 따른 수율은 PF 알고리즘이 가장 높고, F-PF 알고리즘의 가장 낮다.

공정성을 고려하여 각 알고리즘별 수율을 구체적으로 비교하면 다음과 같다. 사용자 단말 수가 14이고 간섭도가 0.2일 때, 사용자 단말별 수율을 비교하면 하기 [표 4]와 같다.

상기 [표 4]와 같이, PF 알고리즘의 사용자 단말별 평균 수율은 가장 높고 t_c에 따른 수율의 차이가 거의 없지만, 사용자 단말별 최고 수율과 최저 수율 간의 편차가 가장 크다. F-PF 알고리즘의 사용자 단말별 평균 수율은 가장 낮지만, 사용자 단말별 최고 수율과 최저 수율 간의 편차가 가장 작아 높은 공정성을 보장한다. 즉, PF 알고리즘과 F-PF 알고리즘은 수율과 공정성을 동시에 보장하지 못한다.

반면, 본 발명에 따른 알고리즘의 사용자 단말별 평균 수율은 [표 4]와 같이 PF 알고리즘과 F-PF 알고리즘의 중간을 유지하며, 공정성은 F-PF 알고리즘에 근접한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명은, 종래의 패킷 스케쥴링 방식에 인접 셀의 간섭도(LP)를 반영함으로써, 전체 시스템의 높은 수율과 공정성을 동시에 보장하여 신뢰성 있는 통신이 가능하게 한다.

Claims (4)

1. 패킷 스케쥴링 방법에 있어서,

   현재 전송률 및 평균 전송률에 근거하여 사용자 단말의 우선 순위 값을 계산하는 우선 순위 계산 단계;

   인접 셀의 간섭도(Loading Factor)를 추정하고, 상기 계산된 우선 순위 값에 상기 추정된 인접 셀의 간섭도를 적용하여 우선 순위 값을 갱신하는 간섭도 반영 단계; 및

   상기 갱신된 우선 순위 값에 따라 상기 사용자 단말과의 채널을 할당하는 채널 할당 단계

   를 포함하는 패킷 스케쥴링 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 우선 순위 계산 단계는,

   하기의 [수학식]과 같이 상기 평균 전송률을 갱신하는 공정-비례적 공정(Fairness-Proportional Fairness) 알고리즘을 이용하는 것을 특징으로 하는 패킷 스케쥴링 방법.

   [수학식]

   

   여기서,

   

   은 상기 평균 전송률이고, r _i(n)는 상기 현재 전송률이며, t_c는 임의의 상수로서, 상기 평균 전송률과 상기 현재 전송률 간의 가중치 관계를 나타냄.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 간섭도 반영 단계는,

   상기 인접 셀의 간섭도를 추정하고, 상기 추정된 인접 셀의 간섭도에 근거하여 가중치를 결정하는 가중치 결정 단계;

   상기 사용자 단말을 저속 모드 그룹 및 고속 모드 그룹으로 분할하는 그룹 분할 단계; 및

   상기 고속 모드 그룹에 속하는 사용자 단말의 우선 순위 값에 상기 결정된 가중치를 적용하여 우선 순위 값을 갱신하는 우선 순위 갱신 단계

   를 포함하는 패킷 스케쥴링 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 가중치 결정 단계는,

   총 사용자 단말 수에 대한 특정 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio) 레벨에 속하는 사용자 단말 수의 비율에 근거하여 상기 인접 셀의 간섭도를 추정하는, 패킷 스케쥴링 방법.

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