KR101088314B1 - 무선 로컬 영역 네트워크들내 액세스 포인트들상의 부하를 균형화하는 방법들 및 장치들 - Google Patents

무선 로컬 영역 네트워크들내 액세스 포인트들상의 부하를 균형화하는 방법들 및 장치들 Download PDF

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Abstract

무선랜(WLAN; wireless, local area networks)의 액세스 포인트들상의 부하는 다수의 방법들과 연관된 장치들을 이용하여 최소화된다. 하나의 방법은 가장 혼잡한 액세스 포인트들의 부하를 최소화시키는 반면에 두번째 방법은 최적 최소-최대(우선순위) 부하 균형 솔루션을 이용하여 혼합한 액세스 포인트와 비혼잡한 액세스 포인트상의 부하에 대한 균형을 맞춘다. 최적 솔루션은 다른 것들과의 사이에서 복잡한 변경을 필요로 하지 않는다. 두 방법들은 혼잡을 감소시키기 위해 액세스 포인트의 비콘 메시지들의 송신 출력 레벨들에 대한 조절들을 포함하지만, 액세스 포인트 데이터 트래픽 채널들의 송신 출력 레벨에 대한 조절들을 요하지는 않는다.
액세스 포인트, 비콘 메시지들, 비콘 메시지 출력 레벨, 혼잡 액세스 포인트

Description

무선 로컬 영역 네트워크들내 액세스 포인트들상의 부하를 균형화하는 방법들 및 장치들{METHODS AND DEVICES FOR BALANCING THE LOAD ON ACCESS POINTS IN WIRELESS LOCAL AREA NETWORKS}
본 출원은 "Cell Breathing Techniques for Load Balancing in Wireless LANS"란 제목으로 2006년 4월 20일 출원된 미합중국 분할특허출원번호 제 60/793305 호에 관련되었으며 우선권의 이익을 주장하며, 본 명세서에 충분히 설명되는 바와 같이 본 명세서에서 참조로서 통합된다.
본 발명은 무선 로컬 영역 네트워크들내 액세스 포인트상의 부하를 균형화하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
무선랜들에서, 무선 장치는 모든 이용가능한 채널들을 스캔하여 근처의 액세스 포인트들을 검출한 다음 이러한 액세스 포인트상의 부하 또는 근처의 다른 액세스 포인트들상의 부하를 고려함이 없이 가장 강한 수신 신호 강도 표시자(received signal strength indicator; RSSI)를 갖는 액세스 포인트와 자신을 결합한다. 오퍼레이셔널 IEEE 802.11 무선랜에 관한 최근 논문들은 트래픽 부하들이 무선랜내 액세스 포인트들 중에 불균등하게 할당되는 경우가 종종 있다는 것을 보여주고 있다. 전형적으로, 제 시간에 모든 주어진 포인트에서 몇몇 액세스 포인트들은 과중 한 부하들(소위 "혼잡" 액세스 포인트들)로 인해 어려움을 겪는 경향이 있는 반면에 다른 액세스 포인트들은 그렇지 않다. 이러한 상황은 무선랜내에 부하 불균형을 야기한다. 부하 불균형은 바람직하지 않은데 이는 부하 불균형이 네트워크가 자신의 용량을 완전히 이용하는 것을 방해하고 네트워크가 공평하고 균등한 방식으로 서비스를 제공하지 못하도록 하기 때문이다.
현재 IEEE802.11 무선랜 표준은 부하 불균형을 해결하기 위한 설정 방법을 제공하고 있지 않다. 이러한 결함을 극복하기 위해, 다양한 부하 균형 방안이 학계와 산업계에 의해 제안되었다. 이들 방법들의 대부분은 독점 클라이언트 소프트웨어 또는 사용자에 의해 동작되는 장치들(예를 들면, 컴퓨터들)에 특별하게 설계된 무선랜 카드들을 활용함으로써 사용자-액세스 포인트 결합들을 직접적으로 제어하는 해결책을 고려한다. 이들 해결책들은 액세스 포인트들이 자신의 부하 레벨들을 변경된 비콘 메시지들을 통해서 (종종 단지 "사용자들"로서 언급되는) 사용자 장치들에 브로드캐스팅하며, 각각의 사용자는 최소 부하 액세스 포인트를 선택한다.
비록 이러한 사용자 선택 해결책이 부하 균형을 달성할 수 있다고 하여도, 모든(또는 대부분의) 사용자 장치들에 대한 독점 클라이언트 소프트웨어/하드웨어의 활용은 달성하기 어렵다. 예를 들면, 오늘날의 사용자는 호텔들, 공항들, 쇼핑 센터들 및 대학 캠퍼스들과 같은 다양한 무선랜들을 액세스한다. 이들 상이한 네트워크는 필시 상이한 부하 균형 메커니즘들이 적용된 상이한 체계에 의해 관리된다. 사용자가 각각의 상이한 네트워크에 대해 다수의 상이한 클라이언트 모듈을 갖기를 기대하는 것은 비현실적이다.
따라서, 독점 클라이언트 모듈들 등의 이용을 요구하지 않는 새로운 부하 균형 체계들을 제공하는 것이 바람직하다.
또한, 네트워크의 다른 형태가 부하 균형 도전에 직면한다. 예를 들면, CDMA 셀룰러 네트워크들에서 셀내 활동 사용자 수의 증가는 셀의 기지국들에서 감지된 전체 간섭을 증가시킨다. 이것은 셀을 혼잡하게 만든다. 셀이 혼잡하게 될 때, 셀내에서 사용자들에 의해 동작되고 있는 장치들은 보다 높은 출력 레벨(power level)들에서 송신하여 간섭 효과들을 극복함으로써 장치가 기지국으로 송신중인 신호들이 수용가능한 신호대 간섭비로 수신되는 것을 보장한다. 셀내의 출력 레벨이 증가함에 따라서, 생성된 신호들은 이웃하는 셀들과의 간섭을 증가시킨다. 결과적으로, 이러한 셀들을 포함하는 네트워크의 전반적인 용량은 감소하기 시작한다. 이러한 원하지 않는 간섭의 증가를 극복하기 위해, 소위 "셀 브리딩(cell breathing)" 기법들이 개발되었다. 그러나, 일반적으로, CDMA 네트워크들을 위해 개발된 기존의 셀-브리딩 기법들은 무선랜들에서 잘 동작하지 않는다.
무선랜이 CDMA 네트워크들에서와 같이 유사한 부하-균형 도전들에 직면하기 때문에, 발명자는 기존 셀 브리딩 기법들의 단점을 우선적으로 인식함으로써 이러한 도전들에 대한 해결 방안을 연구하기 시작하였다. 예를 들면, 도 1a를 참조하면, 동일한 최대 출력 레벨로 송신될 것으로 가정되는 3 개의 액세스 포인트 a, b, 및 c를 갖는 무선랜(1)이 도시되어 있다. 단순하게 하기 위해, 사용자의 수를 각각의 액세스 포인트에 할당할 것이다. 도 1a에서, 1번 사용자는 초기에 액세스 포 인트 a에 할당되고 8번 사용자는 액세스 포인트 b에 할당되며, 4번 사용자는 액세스 포인트 c에 할당된다. 본 예에서, 할당된 액세스 포인트의 수 또는 결합된 사용자들의 수로 액세스 포인트의 부하를 정의한다. 이러한 주어진 시나리오에서, 액세스 포인트 b는 액세스 포인트들 a와 c 보다 훨씬 높은 부하를 갖는다. 기존의 셀 브리딩 기법에 따르면, 액세스 포인트 b상의 부하를 감소시키기 위해 자신의 송신 출력이 감소되어야만 한다. 이것은 b의 송신 범위/셀 크기의 축소를 가져온다. 도 1a에서, 범위는 예를 들어 경계선(101)에서 경계선(102)으로 수축된다. 도 1a에 예시된 바와 같이, 액세스 포인트 b로부터 가장 멀리 떨어져 위치된 4명의 사용자들/장치들(1-4)은 이러한 셀 크기의 축소에 의해 영향을 받게 된다. 따라서, 원래의 사이즈에서, 사용자들(1-4)은 셀내와 액세스 포인트 b 송신들의 범위내에 존재한다. 셀이 사이즈(101)에서 사이즈(102)로 수축됨에 따라서 사용자들(1-4)은 액세스 포인트 b의 범위의 매우 가장자리(그리고, 때때로 코스의 범위 바깥)에 위치되는 것을 알 수 있다. 전형적으로, 액세스 포인트 b로부터 멀어짐으로 인해 사용자들(1-4)에 의해 이용된 장치들에서 신호 품질이 저하되는 결과를 가져온다. 보다 낮은 신호 품질의 검출에 반응하여, 사용자들(1-4)에 의해 사용된 장치는 보다 높은 신호 품질에 결합된 액세스 포인트를 선택하기 위해 스캐닝 동작을 개시한다. 예를 들어, 도 1a의 사용자(1-2) 둘은 액세스 포인트들 a로부터 보다 높은 신호 품질을 검출할 수 있는 반면에, 사용자들(3-4)은 액세스 포인트 c로부터 보다 높은 신호 품질을 검출한다. 일단 보다 높은 신호 품질이 검출되면, 기존의 셀 브리딩 기법에 따라서, 사용자는 액세스 포인트 a 와 c 로 각각 이동된다. 도 1b에 예시된 바와 같이, 궁극적인 효과는 무선랜(1)내의 부하/사용자들을 보다 균등하게 할당한다(즉, 세 사용자들은 이제 액세스 포인트 a에 할당되고, 사용자 4는 액세스 포인트 b에 할당되며, 사용자 3은 액세스 포인트 c에 할당된다.).
그러나, 액세스 포인트 b의 송신 출력 감소는 액세스 포인트 b와 자신의 셀내의 모든 사용자들 간의 채널들/링크들의 신호 품질에 영향을 미친다. 따라서, 다른 액세스 포인트로 이동되지 않은 사용자들/장치들(5-8)(즉, 액세스 포인트 b에 결합되어 유지됨) 또한 보다 낮은 신호 품질들을 검출한다. 따라서, 사용자들(5-8)에 의해 사용된 장치들은 보다 낮은 비트 레이트로 통신해야 할 수 있다. 보다 느린 비트 레이트들에서, 사용자들(5-8)로부터 액세스 포인트 b에 송신될 (종종 "트래픽"으로 언급되는) 정보에 대해 보다 오래 걸릴 수도 있다. (액세스 포인트 부하가 사용자들의 수 뿐만이 아니라 효과적인 사용자 작업량을 고려하여 결정된다면)이것은 액세스 포인트 b상의 각각의 사용자들(5-8)에 의해 주어지는 부하를 효과적으로 증가시킨다. 따라서, 액세스 포인트상의 부하를 감소시키는 대신에, 기존의 셀 브리딩 기법들은 부하를 실제로 증가시킬 수 있다.
따라서, 무선 네트워크내의 부하 불균형을 피하거나 최소화하는 방법들 및 장치들을 제공하는 것이 바람직하다. 특히, 무선랜들 내의 부하 불균형들을 최소화하기 위해 사용될 수 있는 보다 효과적인 셀 브리딩 방법들 (및 결합된 장치들)을 제공하는 것이 바람직하다.
발명자들은 무선랜들과 같은 무선 네트워크들 내의 부하 불균형들을 최소화하는 방법들과 장치들을 발견하였지만, 전술한 불균형을 피하지는 못한다. 본 발명에 따르면, 데이터/트래픽을 송신하기 위해 이용된 송신 출력 레벨이 비콘 메시지를 송신하기 위해 이용된 송신 출력 레벨로부터 분리되며, 후자의 송신 출력 레벨만이 감소된다.
데이터를 송신하기 위해 액세스 포인트에 의해 이용된 출력 레벨을 유지함으로써, 액세스 포인트의 범위내의 장치들의 송신 비트 레이트가 유지된다. 그러나, 액세스 포인트내, 또는 액세스 포인트에 접근하는 각각의 사용자/장치가 기존의 액세스 포인트에 할당된(또는 할당되는) 것을 유지할지 또는 현재 할당되거나(또는 할당될 것을 탐색하는) 액세스 포인트로부터 개별 비콘 메시지들의 신호 품질을 검출하고 평가함으로써 다른 액세스 포인트로 전환할 것인지 여부를 판단한다. 결론적으로, 이것은 새로운 사용자들이 액세스 포인트에 할당되는 것을 방해한다. 액세스 포인트가 이미 혼잡한 경우들에, 이것은 액세스 포인트가 더욱 더 혼잡하게 되는 것을 방지한다.
액세스 포인트상의 트래픽 로드를 감소시키는 것은 부하 불균형들을 피할 수 있게하는 솔루션의 일부이다. 나머지 부분은 하나의 액세스 포인트로부터 과부하가 걸리지 않은 이웃하는 액세스 포인트로 트래픽이 향하도록 하거나 방향을 바꾸는 것(집합적으로 "directing")이다.
적절하고 이웃하는 액세스 포인트상의 부하를 증가시키는 반면에 하나의 액세스 포인트상의 트래픽 부하를 감소시키는 조합은 무선랜내의 트래픽 부하를 균형화한다.
주로 국지적인 최적화 발견법에 의존하는 무선랜내의 트래픽 부하의 균형을 맞추기 위한 종래의 시도와는 대조적으로, 본 발명은 최적 셀 면적 방법들(optimal cell dimensioning methods) (및 결합된 장치들)을 사용하여 결정론적 최소-최대 부하 균형 솔루션을 찾아낸다.
특히, 본 발명에 의해 제공되는 방법들 및 장치들은 또한 매력적인데 이는 기존의 대부분의 무선랜 부하 균형화를 위한 제안들과 달리 이러한 방법 및 장치가 사용자 도움 또는 기존의 802.11 표준의 수정을 필요로 하지 않기 때문이다.
대신에, 본 발명에 의해 제공된 방법들은 기존의 장치를 제어하는 소프트웨어를 변경함으로써 구현될 수도 있다. 특히, 예를 들어, 네트워크 작동 센터(NOC)에 있는 네트워크 컨트롤러 또는 관리 유닛에 의해 이용되는 소프트웨어를 변경함으로써 구현될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에서, 이러한 컨트롤러는 액세스 포인트 데이터 트래픽 채널의 송신 출력을 변경함이 없이 액세스 포인트의 비콘 메시지들의 송신 출력을 변경함으로써 액세스 포인트의 셀 크기를 축소시키도록 동작할 수 있다. 이후, 컨트롤러는 셀의 경계 근처의 사용자들/장치들이 덜 혼잡한 액세스 포인트로 향하도록 한다. 오늘날, 이용가능한 액세스 포인트들은 이미 다수의 송신 출력 레벨들을 지원하고, 따라서 발명자들은 본 발명이, 예를 들어, 기존의 액세스 포인트에 소프트웨어 업데이트를 할당/다운로딩함으로써 쉽게 구현될 수도 있다.
더우기, 본 발명에 의해 제공되는 신규한 셀 브리딩 방법들은 특유의 부하 정의에 구속되지 않고 광범위한 부하 정의를 지원한다. 부하 분포는 액세스 포인트에 결합된 사용자의 수처럼 간단할 수도 있거나 효과적인 송신 비트-레이트, 평균 트래픽 요구 또는 배가되는 사용자 부하 분포와 같은 요소들을 고려하여 보다 복잡해질 수도 있다.
본 발명의 다른 실시예들에서, 네트워크 작동 센터(NOC) 등에서 작동하는 본 발명에 의해 제공된 방법들 및 컨트롤러들은 액세스 포인트로부터의 부하 및 관련 정보(예를 들어, 단순 네트워크 관리 프로토콜(SNMP) 메시지들)를 수집한다. 이용가능한 정보의 양에 따라서, 두 모델들 또는 방법들 중 하나(본 명세서에서는 2 단어가 교환가능하게 사용될 수도 있다)가 부하 균형화를 수행하기 위해 이용될 수도 있다. 첫번째는 완전 지식(complete knowledge; CK) 모델이며, 잠재적인 사용자-액세스 포인트 연결들 및 이들의 대응하는 액세스 포인트 부하들은 모든 가능한 비콘 출력 할당들에 대해 선험적으로 알려져있다. 이러한 정보는 쉽사리 이용할 수 있지 않을 수 있기 때문에, 본 발명은 또한 현재의 비콘 출력 할당들만을 위한 사용자-액세스 포인트 연결들 및 액세스 포인트 부하들이 이용가능한 제한 지식(limited knowledge; LK) 모델을 제공한다. CK 모델은 보다 실용적인 LK 모델을 위한 빌딩 블록(building block)으로서의 역할을 한다.
일반적으로, 본 발명에 의해 제공된 각각의 모델은 2단계를 포함한다. 첫번째 단계는 소위 혼잡 부하(congestion load)로 불리우는 가장 혼잡한 액세스 포인트들 상의 부하를 최소화하는 단계이다. 본 발명은 각각의 모델에 대해 최적의 솔루션을 찾아내는 (이후 "방법들" 또는 "방법"으로 언급되는) 2차 다항식 시간 알고리즘들/방법들을 제공한다. 이것은 중요한 성과인데, 이는 부하 균형 문제들이 강한 비결정 난해(NP-Hard)(즉, 정해진 시간내에 해결이 매우 어려움)일 것이라고 알려졌기 때문이다. 더우기, 특별히 중요한 점은 본 발명자가 LK 모델에서 사용될 수 있는 다항-시간 최적 방법을 발견하였다는 것이다. 본 발명에 따르면, 부하 균형 문제들을 해결하기 위해 제공된 솔루션은 현재의 액세스 포인트 출력 레벨 세팅이 최적 출력 레벨 세팅을 좌우하는 한(즉, 각각의 액세스 포인트가 최적 솔루션내 출력 레벨과 동일하거나 높은 출력 레벨을 갖는 경우), 최적 솔루션은 출력 감소 연산의 시퀀스를 실행함으로써 획득되어 질 수 있다는 발명자에 의해 발견된 통찰력에 기초한다. 본 발명에 의해 제공된 하나의 예시적인 방법은, 최대 출력 레벨로부터 시작하여, 액세스 포인트의 선택된 세트의 출력 레벨이 반복적으로 감소된다. CK 모델에서, 병목 설정의 개념이 최적 솔루션으로의 수렴을 보장하기 위해 사용된다. 병목 설정에서 모든 액세스 포인트의 출력 레벨이 감소된 후, 각각의 액세스 포인트의 부하는 출력 레벨 감소에 앞서 초기 혼잡 부하와 동일하거나 엄격히 보다 낮게 유지되도록 보장된다. LK 모델에 대해, 최적 상태 레코딩이라 불리우는 상이한 해결책이 사용되는데, 출력인 더 이상 감소될 수 없을 때까지 혼잡한 액세스 포인트들의 출력 레벨들이 점진적으로 감소되며, 이후 레코딩 내내 베스트 솔루션은 각각의 출력 감소를 찾아낸다.
두번째 단계는 소위 최소-최대 부하 균형 솔루션(들)의 발견의 문제를 해결하기 위한 과정을 포함한다. 비록 본 명세서에서 명확성/간결성을 위해 증명이 생략되었지만, 발명자들은 이것 또한 해결을 위한 강한 비결정-난해이며 솔루션에 근접한 수용가능한 방법이 존재하지 않는다는 것을 발견/증명하였다. 특히, 발명자들은 어떠한 좌표법 근사비를 보장하는 어떠한 방법도 존재하지 않는다는 것을 증명하였으며, 어떠한 프리픽스-합 근사 알고리즘의 근사비는 최소한 P(log n)이며, 여기서 n은 네트워크내 액세스 포인트의 수이다. 구애받지 않고, 발명자들은 최적 솔루션이 두 모델에 대해 다항-시간내에 계산될 수 있는 우선순위 부하 균형으로 불리우는 다양한 최소-최대 문제를 발견하였다. 우선순위 부하 균형에서, 액세스 포인트 부하는 액세스 포인트 연결 사용자들과 독특한 액세스 포인트 우선순위의 집계된 부하 분포들의 순서쌍으로서 규정된다. 최적 상태 레코딩을 이용함으로써, 본 발명의 방법은 최소-최대 우선순위 부하 균형 솔루션(들)의 각각의 좌표를 반복적으로 계산하도록 구성되었다.
도 1a 및 1b는 본 발명의 예시적인 특징들을 예시하기 위해 이용된 무선랜의 예들을 도시하는 도면.
도 2a 및 2b는 본 발명의 예시적인 특징들을 예시하기 위해 이용된 무선랜의 추가적인 예를 도시한 도면.
도 3은 본 발명에 따라서 "병목 설정(bottleneck set)"을 계산하기 위해 이용될 수 있는 소프트웨어 프로그램의 예를 도시하는 도면.
도 4는 본 발명의 완전 지식 방법을 실행하기 위해 이용될 수 있는 소프트웨어 프로그램의 예를 도시하는 도면.
도 5a 내지 5d는 본 발명의 완전 지식 방법의 실행의 결과로서 무선랜에 대한 변경들의 예를 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 제한 지식 방법을 실행하기 위해 이용될 수 있는 소프트웨어 프로그램의 예를 도시하는 도면.
도 7a 내지 7d는 본 발명의 제한 지식 방법의 실행의 결과로서 무선랜에 대한 변경들의 예들을 도시하는 도면.
도 8은 본 발명의 최소-최대 우선순위 부하 균형화 방법을 실행하기 위해 이용될 수 있는 소프트웨어 프로그램의 예를 도시하는 도면.
도 9a 및 9b는 본 발명의 최소-최대 우선순위 부하 균형화 방법의 실행의 결과로서 무선랜에 대한 변경들의 예들을 도시하는 도면.
도 10 내지 13은 본 발명에 의해 제공되는 방법들과 기존의 부하 균형화 방법들간의 차이점을 예시하는 그래프.
도 14(테이블 I)는 본 발명의 설명 및 이러한 설명의 예시적인 수단 전체에 걸쳐 사용된 여러 부호들의 리스트.
도 15(테이블 II)는 본 발명에 의해 제공되는 제한 지식 방법을 실행하는 컨트롤러 등에 대한 예시적인 런타임 통계를 도시하는 표.
도 1a를 다시 참조하면, a-c로 표시된 액세스 포인트들의 세트를 갖는 무선랜(1000)이 도시되어 있다. 비록 도시되지 않았지만, 모든 액세스 포인트들(a-c)은, 예를 들어, 인터넷과 같은 유선 기반구조에 직접적으로 부착될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다. 각각의 액세스 포인트(a-c)는 소정의 송신 범위를 가지며 이러한 범위내에서 사용자들(1-8)만을 위해 역할을 할 수 있다. 더우기, 각각의 액 세스 포인트(a-c)는 다수의 송신 출력 레벨중 하나를 사용하도록 구성될 수도 있다. 간결성을 위해, 액세스 포인트들(a-c)이 이들 범위간에 고차의 오버래핑을 보장하기 위해 전개되는 것으로 가정될 수 있어 모든 액세스 포인트들이 최소 출력 레벨에서 송신되고 있을 때조차 모든 사용자(1-8)가 적어도 하나의 액세스 포인트에 의해 커버되도록 한다.
더우기, 사용자(1-8)는 준정적 이동성 패턴을 갖는 것으로 가정될 수 있다. 즉, 사용자는 자유롭게 이동가능하지만, 이들은 오랜 기간동안 동일한 관련 위치에 머무르려는 경향이 있다. 임의의 주어진 시간동안에, 각각의 사용자(1-8)는 단일 액세스 포인트(a-c)와 연결된다. 각각의 액세스 포인트(a-c)는 자신의 존재를 "광고"하기 위해 비콘 메시지를 주기적으로 송신한다. 사용자가 무선랜(1000)에 들어설 때, 연결된 장치는 비콘 메시지를 검출하기 위해 무선랜(1000)내의 모든 채널을 스캔한다. 비콘 메시지들을 검출한 후, 사용자의 장치가 검출된 각각의 메시지의 RSSI를 측정하기 위해 또한 사용될 수 있다. 전형적으로, 이어 장치는 자신과 가장 강하게 측정된 RSSI와 연결된 액세스 포인트간의 링크를 생성하기 위해 프로세스를 개시한다. 이후, 사용자가 설정한 링크의 신호 품질이 소정 임계치 아래로 떨어질 때마다, 사용자와 연결된 장치는 보다 강한 신호가 존재하는지를 결정하기 위해 모든 비콘 메시지를 다시 한번 스캔하는 프로세스를 개시한다. 보다 강한 신호가 존재하는 경우, 사용자/장치는 보다 강한 신호와 연결된 액세스 포인트와 새로운 링크를 연결하려고 한다.
본 발명의 방법은 단지 새로운 사용자가 혼잡한 액세스 포인트와 연결되어지 지 않도록 함으로써 무선랜내의 액세스 포인트들상의 부하의 균형을 맞춘다. 그러나, 이것은 혼잡한 액세스 포인트에 대한 즉각적인 구원을 제공하지 않을 수 있다. 즉각적인 구원(즉, 부하 감소)을 위해, 혼잡 액세스 포인트와 이미 연결된 사용자/장치는 혼잡 액세스 포인트로부터 멀리 재할당될 필요가 있다. 이렇게 하기 위해, 소위 이러한 사용자로 하여금 다른 액세스 포인트로부터 비콘 메시지를 검출하기 위해 자신들의 스캐닝 동작을 인보크하도록 하는 방법이 필요하다. 이와 같이 할 수 있는 다수의 방법이 있다. 하나의 방법은 액세스 포인트의 셀 범위가 변경된 후 연결 시프트들을 트리거하는 것이다. 이후, 비콘 메시지들의 출력 레벨에 관해서는 논의를 제한한다. 즉, 이후, "송신 출력" 또는 "출력 레벨" 또는 "상태"란 용어들이 사용될 때, 이들은 기타 다른 설명 또는 문장에서 다른 것을 나타내지 않는 한 비콘 메시지들을 송신하기 위해 이용된 출력에만 관계된다.
전술한 바와 같이, 부하 불균형을 최소화하는 첫번째 단계는 무선랜내의 액세스 포인트들상의 부하를 최소화하는 것이다. 본 발명의 일 실시예에서, CK 모델이 부하들을 최소화하기 위해 이용된다. 대안적인 실시예에서, LK 모델이 사용된다.
(예를 들어, NOC내 컨트롤러와 같은) 네트워크가 무선랜내의 모든 사용자-액세스 포인트쌍과 연결된 잠재적인 신호 감쇄들과 부하 분포들을 검출하거나 수집하는 것이 가능할 때 네트워크는 "완전 지식"을 갖는 것으로 이야기될 수 있다. 모든 사용자들이 근처의 모든 액세스 포인트들로부터 RSSI 정보를 수집하여 수집된 정보를 NOC에 위치되는 컨트롤러로 전송할 때 완전 지식 상태는 실현가능하다. 불 행히도, 이러한 능력은 대부분의 기존의 무선랜들에서 현재 이용가능하지 않다. 그럼에도 불구하고, CK 모델은 현재의 부하 및 사용자 할당들을 이용하는 LK 모델에 대한 빌딩 블록으로서 유용하다.
(예를 들어, NOC에 위치된 컨트롤러와 같은) 네트워크가 각각의 액세스 포인트에 현재 할당되는 사용자의 집합 및 할당될 액세스 포인트상의 각각의 이러한 사용자의 부하 분포에 관한 정보를 검출하거나 수집하는 것이 가능할 때 네트워크는 제한 지식을 갖는 것으로 이야기될 수도 있다.
본 발명의 실시예에 따르면, CK 모델에서, 컨트롤러는 무선랜의 상태에 대한 실질적인 변경없이 모든 잠재적인 상태에서 사용자-액세스 포인트 할당들/연결들을 선험적으로 결정하는 것이 가능할 수도 있다. 이것은 원하는 상태를 위해 NOC가 오프-라인 연산들을 수행하는 것을 허용한다. 이러한 오프-라인 연산들은 LK 모델에서 실현가능하지 않다.
최적 균형 상태로의 어느 한쪽 모델의 수렴에 관련한 문제를 극복하기 위해(즉, 혼잡 액세스 포인트상의 부하가 감소됨에도 불구하고, 다른 액세스 포인트상의 부하가 증가), 본 발명은 이어지는 두가지의 추가적인 해결책을 제공한다. CK 모델에 대해, 본 발명은 우선적으로 소위 병목 설정 출력 감소를 계산한다. 이러한 해결책은 최적 상태로 단조롭게 수렴하는 설정 출력 감소들의 시퀀스를 수행하는 단계를 포함한다. 이것은 혼잡 부하가 증가하지 않도록 보장한다. LK 모델에 관해서는, 본 발명은 우선적으로 최적 상태 레코딩을 이용한다. 이러한 해결책에서, 최적 상태의 레코드가 지금까지 지속되는 것으로 발견되었다.
본 발명에 따르면, 병목 설정은 Y까지 상승할 수 있거나 설정 출력 감소에 대한 수행 결과보다 높은 부하를 갖는 모든 액세스 포인트와 마찬가지로 (부하 Y를 갖는) 모든 혼잡 액세스 포인트들을 포함하는 액세스 포인트의 최소 설정 집합으로서 정의될 수 있다. 발명자들은 병목 설정에 대한 공식을 개발하였다. 그러나, 이러한 식은 본 발명을 이해하는데 필요하지 않아 본 명세서에서 생략되었다. 대신에, 병목 설정의 일례를 제시한다.
도 2a에 도시된 무선랜(2000)을 고려하자. 액세스 포인트들 a, b가 동일한 출력 레벨을 가질 때, 액세스 포인트 a의 출력 레벨에서 감소는 자신의 부하를 3에서 1로 감소하는 반면에, 액세스 포인트 b상의 부하는 단지 2로 증가한다. 따라서, 이러한 순간에서 병목 집합은 단지 액세스 포인트 a만을 포함하는 것으로 이야기될 수 있다. 그러나, 도 2b에 예시된 바와 같이, a가 b 보다 낮은 출력 레벨을 가질 때, b의 출력 레벨의 감소에 따라 자신의 부하를 2에서 0으로 감소시키며 a의 부하를 3으로 증가시킨다. 본 경우에 있어서, 병목 집합은 액세스 포인트들 a와 b 둘을 포함한다. 완전함을 위해, 병목 집합을 계산하기 위해 사용될 수 있는 본 발명에 의해 제공된 소프트웨어 프로그램/루틴의 예가 도 3에 도시된다.
컨트롤러가 무선랜의 완전 지식을 갖는 경우에, 무선랜의 병목 집합이 쉽게 계산될 수 있다. 첫번째로, 각각의 액세스 포인트 a와 각각의 사용자간의 RSSI가 계산된다. 이러한 정보는 컨트롤러로 하여금 초기 사용자-액세스 포인트 할당들/연결들, 각각의 액세스 포인트 a상의 부하, 및 최대 부하 Y를 결정하도록 한다. 이들로 부터 컨트롤러는 발명자에 의해 개발된 식을 이용한 병목 집합을 계산할 수 있다. 다시, 비록 전술하였지만 본 발명을 이해하는데 이러한 식의 상세한 내용은 필요하지 않으며, 병목 집합을 계산하기 위해 루틴의 일례가 도 3에 설명된다. 첨언하자면 발명자에 의해 유도된 모든 증명의 순수한 결과를 뒤이어 알게될 것이다: 주어진 무선랜을 위한 병목 집합은 기타 다른 액세스 포인트상의 부하가 최대 부하 Y까지 또는 그 보다 높게 증가하지 않는 사용 출력 감소에 도달되는 혼잡 액세스 포인트의 집합을 포함하는 액세스 포인트의 최소 집합이다. 액세스 포인트들의 병목 집합을 계산함에 따라서, 본 발명에 의해 제공된 컨트롤러는 이어, 컨트롤러가 무선랜의 완전지식을 갖는 무선랜내의 액세스 포인트상의 혼잡를 최소화하기 위해 이러한 집합을 사용한다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, CK 방법은 모든 액세스 포인트들이 최대 출력 상태이고 그들의 최대 송신 출력에서 송신한다는 것을 초기에 가정함으로써 혼잡을 최소화한다. 이후, 본 발명에 따른 컨트롤러에 의해 실행된 CK 방법은 병목 집합을 반복적으로 계산한다. 계산된 집합을 이용하여, 이어 방법은 또다른 출력 감소 작동이 인가될 필요가 있는지 또는 최적 상태가 발견되는지 여부를 판단한다. 이를 위해서, CK 방법은 2가지 종료 조건들(즉, 출력 감속들의 종료시 트리거하는 조건들)을 이용한다. 첫번째 조건은 병목 설정이 액세스 포인트들의 완전 집합과 동일한지를 판단한다. 무선랜내의 모든 액세스 포인트들 상의 부하가 균형을 이루어 출력 감소가 액세스 포인트의 몇몇을 보다 혼잡하도록 할 때 이러한 조건이 충족될 수도 있다. 두번째 조건은 병목 집합이 최소 출력 레벨을 이용하여 송신되는 액세스 포인트를 포함하는지를 결정한다. 포함하는 경우, 병목 집합내 모든 액세 스 포인트들의 출력 레벨은 동등하게 감소될 수 없으며 방법이 종료된다. 전형적으로, 이러한 경우는 무선랜내의 액세스 포인트들 상의 부하가 균형이 이루어지지 않는지 결정하여 혼잡 액세스 포인트들의 출력 레벨을 반복적으로 감소시킴으로써 최대 부하를 감소시키기 위한 시도를 계속한다. 본 발명에 따른 CK 방법을 실행하기 위한 소프트웨어 프로그램 또는 루틴의 예가 도 4에 도시되어 있다.
도 5a는 무선랜(3000)내의 액세스 포인트들 a, b, 및 c상의 혼잡이 본 발명의 예시적인 CK 방법을 이용하여 최소화되는 무선랜(3000)의 예를 도시한다. 도시된 바와 같이, 액세스 포인트 a, b, 및 c에 더하여, 무선랜(3000)은 예시적인 사용자(u1,u2,u3,u4)와 컨트롤러(3001)를 포함한다. 본 발명의 실시예들에 따르면, 액세스 포인트들 a, b, 및 c는 이들과 연결된 사용자들, 부하들 및 추가적인 관련 정보를 컨트롤러(3001)에 제공하도록 동작가능할 수 있다. 이러한 정보를 수신하고 분석하면, 컨트롤러(3001)는 현재 논의중인 CK 방법을 포함하는 본 발명에 의해 제공된 방법들을 실행하도록 동작가능할 수 있다.
계속해서, 각각의 액세스 포인트들 a, b, 및 c는 3가지 다른 출력 레벨 0,1 및 2에서 작동할 수 있다. 도 5a에서, 사용자-액세스 포인트 할당들/연결들은 실선 또는 점선들로 묘사되며, 여기서 실선은 각각의 액세스 포인트들이 동일한 출력 레벨(디폴트 연결)에서 송신할 때를 나타내고 점선은 기타 다른 가능한 연결들을 나타낸다. 각각의 선상의 숫자는 자신이 연결된 액세스 포인트상의 부하에 대한 사용자에 의한 분포를 나타낸다. 예를 들면, u1은 a에만 연결될 수 있고 4의 부하에 분포한다. u3은 각각의 액세스 포인트에 연결될 수 있으며, 2의 부하에 분포한다. 바람직하게, u3은 가장 높은 출력 레벨을 갖는 액세스 포인트를 선택하지만, 동일한 경우 c를 선택한다. c가 a 및 b 보다 낮은 출력 레벨에서 송신되는 경우, b를 선택한다. 별표는 두 출력 레벨의 갭이 사용자 시프트를 위해 요구된다는 것을 표시하며, 예를 들어, 액세스 포인트 a의 출력 레벨이 0이고 액세스 포인트 b의 출력 레벨이 2인 경우에만 u2는 자신의 연결을 a에서 b로 변경할 수 있다.
도 5b에 도시된 초기 상태에서, 모든 액세스 포인트들은 동일한 출력 레벨/인덱스 2를 가지며 각각의 액세스 포인트 a, b, 및 c상의 부하는 각각 7, 0 및 12이다. 본 발명에 의해 제공된 CK 방법의 첫번째 반복에서, 병목 집합("B")이 계산되고 액세스 포인트 c는 집합내에 포함되는 것으로서 식별된다. 결론적으로, u3은 자신의 연결을 액세스 포인트 b로 변경한다. 새로운 사용자-액세스 포인트 연결들 및 부하들이 도 5c에 도시된다. 주목해야 할 것은 b가 계속적으로 혼잡 액세스 포인트라는 것이다. 그러나, 비콘 메시지들을 송신하기 위해 액세스 포인트 c에 의해 사용되는 출력 레벨에서 추가적인 감소들은 사용자 u4로 하여금 자신의 연결을 액세스 포인트 b로 변경하도록 하여, 액세스 포인트 b상의 부하가 17이 되도록 한다. 따라서, 도 5d에 예시된 두번째 반복에서, 병목 집합은 c와 b 둘을 포함할 것이다. 이것은 pc=0이기 때문에 마지막 반복이다. 도 5d에 도시된 최종 상태는 혼잡을 최소화하지만 비혼잡 액세스 포인트상의 부하를 균형있게 하지 않는다. 이것 은 이하 논의될 본 발명의 두번째 단계를 남겨둔다.
또 다른 발견에서, 발명자들은 본 발명에 의해 제공된 CK 방법이 항상 무선랜의 혼잡 부하를 최소화하기 위해 최적 상태를 찾는다는 것을 발견하였다. 발명자들은 이러한 발견을 지지하기 위한 증거를 개발하였다. 그러나, 이들 증거는 본 발명을 이해하는데 필요하지 않으며 정확성과 간결성을 위해 생략되었다. 예를 들어, CK 방법들이 어떻게 혼잡을 최소화하기 위해 사용될 수 있는지의 이해를 위해 증거가 필요하지는 않다.
무선랜의 완전 지식을 얻기 위해 사용할 수 없을 때 혼잡을 최소화하기 위해 사용될 수 있는 본 발명의 다른 실시예에 주목하기로 한다. 본 발명의 제 2 실시예는 LK 방법(들)이다. CK 방법들과 달리, 사전에 액세스 포인트들의 병목 집합이 계산될 수 없다.
그러나, 이러한 장애물은 네트워크(예를 들어, 무선랜)의 상태가 차선(예를 들어, 무선랜에서 액세스 포인트들상의 부하들이 불균형)이고 이러한 상태가 최적 솔루션을 지배하는 한, 혼잡 액세스 포인트의 집합과 연결된 비콘 신호의 출력 레벨에 대해 동시적인 감소의 시퀀스가 최적 상태(즉, 무선랜내의 부하들을 균형화하는 최적 출력 레벨들)로의 수렴 결과를 가져오는 것을 발명자가 발견하였을 때 발명자에 의해 극복되었다. 이러한 발견은 이러한 최적 솔루션과 연결된 종료 조건(즉, 감소들을 중지시킬 때)을 식별하는데 대한 도전과 같은 자체적인 딜레마를 야기하였다. 종료 조건없이 감소의 시퀀스는 결국 차선 솔루션을 생성할 수 있다. 이러한 조건을 결정하기 위해, 본 발명에 의해 제공된 LK 방법들은 최저 혼잡 부하 에 대응하는 모든 액세스 포인트들의 송신 출력 레벨을 기록/저장하는 최적 상태 레코딩 해결책을 사용한다. 보다 상세히, 최적 상태 레코딩 해결책은 2개의 변수들을 정의한다. 첫번째는 기록된 상태(예를 들어, 레벨들)이고 두번째는 기록된 혼잡 부하로서 언급되는 기록된 상태와 연결된 혼잡 부하값을 유지한다.
본 발명의 일 실시예에 따라서, LK 방법은 다음의 단계들을 포함한다. 처음에, 방법은 기록된 상태(예를 들어, 출력 레벨들) 및 기록된 혼잡 부하가 몇몇 값에 대해 초기화되는 최대 출력 상태(예를 들어, 최대 출력 레벨들)에서 모든 액세스 포인트들이 동작하는 단계에서 시작된다. 그런 다음, 혼잡 액세스 포인트들의 집합 D가 반복적으로 계산되고, 집합 D가 최소 출력 레벨에서 액세스 포인트를 포함하지 않는 한, 집합 D에서 액세스 포인트의 출력 레벨을 반복적으로 감소시킨다. 각각의 반복 후 새로운 상태의 현재 혼잡 부하가 측정되고, 현재 측정된 부하가 앞서 저장되고/기록된 혼잡 부하보다 낮다면, 현재의 (감소된) 출력 레벨 및 현재의 혼잡 부하는 사전에 계산된 레벨 및 부하를 대신하여 저장된다. 최종 반복에서 액세스 포인트의 출력 레벨은 최종 저장되고/기록된 (감소된) 출력 레벨들/상태를 이용하여 설정된다. 본 발명의 LK 방법을 실행하기 위한 소프트웨어 프로그램의 예가 도 6에 도시된다. 이러한 방법이 어떻게 컨트롤러 등에 의해 실행될 수도 있는지의 예는 다음과 같다.
도 5a에 도시된 무선랜(3000)을 이용하여, 초기 상태에서, 모든 액세스 포인트들 a, b, 및 c가 동일한 출력 레벨/인덱스 2를 갖는다는 것을 알 수 있다. 도 7a를 참조하면, 예시적인 초기 사용자-액세스 포인트 연결들 및 액세스 포인트 부 하들이 도시되어 있다. 이러한 예시에서, c는 혼잡 액세스 포인트이다. 본 발명에 따라서, LK 방법은 도 7b 및 7c에 예시된 바와 같이 2개의 연속적인 반복들로 액세스 포인트의 출력 인덱스를 2배 감소시킨다. 첫번째 반복 후, c상의 부하는 12에서 10으로 감소되고 이러한 상태가 기록되고/저장된다. 두번째 반복 후, 액세스 포인트 b는 17의 혼잡 부하를 갖는 혼잡 액세스 포인트로 된다. 세번째 반복 후, LK 방법은 액세스 포인트 b의 출력 레벨/지수를 감소시키며 따라서 사용자 u3은 자신의 연결을 변경시킨다. 결과적으로, 액세스 포인트 c는 다시 한번 혼잡 액세스 포인트가 된다. 액세스 포인트 c가 최소 출력 레벨을 사용하여 송신되기 때문에, 방법이 종료된다. 결국, 방법(예를 들어, 컨트롤러)은 도 7b에 예시된 바와 같이 기록된 상태(예를 들어, 액세스 포인트들에 출력 레벨들을 할당)를 사용하여 액세스 포인트들 a, b, 및 c를 구성한다.
전술한 바와 같이, 발명자는 네트워크 혼잡 부하를 최소화하기 위해 LK 방법이 항상 최적 상태를 찾는다는 것을 발견하였다. 다시, 발명자들이 본 발견의 상세한 입증을 개발하였다 하더라도, 이들은 가능한 단순히 하기 위해 논의에서 계속하여 생략된다.
전술한 완전 및 제한 지식 방법은 네트워크 혼잡 부하를 최소화하지만 비혼잡 액세스 포인트상의 부하를 필연적으로 균형있게 하지 않는다. 이를 실현함으로써, 본 발명은 방법들 (및 연결된 장치들, 예를 들어, 컨트롤러들) 둘 모두를 위해 제공한다.
불행하게도, 전형적으로 "비결정 난해(NP-Hard)"(즉, 결정될 수 없는 솔루션에 도달할 때가지 걸리는 시간)인 문제를 해결하도록 요구함으로써, 심지어 개략적인 솔루션조차 발견하기 곤란하다. 이에 불구하고, 발명자들은 최소-최대 우선순위-부하 균형 문제로서 언급되는 최소-최대 문제의 대안을 발견하였으며, 또한 다항식 시간(즉, 결정되고/근사화될 수 있는 시간 기간)에 발견될 수 있는 이러한 대안에 대하여 최적 솔루션을 발견하였다.
발명자에 의해 발견된 솔루션을 제공하기에 앞서, 우선적으로 몇몇 추가적인 배경 정보를 제공한다.
부하 균형 방법의 품질을 평가하기 위해 통상적으로 사용된 해결책은 부하 균형 방법이 최소-최대("최소-최대") 부하 균형 솔루션을 생성하는지 여부를 판단하는 것이다. 비공식적으로, 동일하거나 보다 높은 부하를 갖는 다른 액세스 포인트의 부하를 증가시키지 않고 어떠한 액세스 포인트의 부하를 감소시키는 방법이 존재한다면 네트워크 상태는 최소-최대 부하 균형인 것으로 간주된다. 발명자는 상태 S의 부하 벡터 Y를 내림차순으로 정렬된 각각의 액세스 포인트의 부하를 구성하는 세트로 정의한다. 더우기, 대응하는 부하 벡터 Y가 어떠한 다른 실현가능한 상태 S'의 어떠한 부하 벡터 Y'와 동일하거나 낮은 사전식 값을 갖는다면, 실현가능한 네트워크 상태 S는 최소-최대 부하 균형으로 언급된다.
전술한 바와 같이, 최소-최대 균형 상태를 발견하는 문제는 해결을 위한 비결정 난해(NP-Hard)이다. 발명자들은 이것을 증명하는 상세한 증명을 개발하였지만 앞서와 같이 이들 증명은 본 발명의 설명을 간결하게 하기 위해 생략되었다. 더우기, 발명자들은 심지어 "보다 간단한" 문제, 즉, 알려진 최소 혼잡 부하에 대해 과잉 밀집된 액세스 포인트들의 최소 세트를 식별하는 문제가 비결정 난해(NP-Hard) 자체라는 것을 입증하기 위해 증명들을 또한 개발하였다.
이들 증명 또한 생략되었다. 이들 문제의 솔루션이 비결정 난해(NP-Hard)였다는 것을 인식함으로써, 발명자는 이어 최소-최대 부하 균형 문제의 변형을 발견하였고 이어 다항식 시간에 계산될 수 있는 이러한 변형에 대한 최적 솔루션을 발견하였다. 발명자들에 의해 발견된 변형에서, 이것은 액세스 포인트들의 세트내의 각각의 액세스 포인트는 가중치 w로도 불리우는 고유한 우선순위를 갖는 것으로 가정된다. 가중치는 액세스 포인트의 중요도를 나타낸다. 발명자는 또한 우선순위 부하로 언급된 새로운 액세스 포인트 부하 정의를 개발하였다.
예를 들어, 우선순위 wa를 갖는 액세스 포인트를 고려하며, Ia가 모든 자신의 연결된 사용자들의 총계 부하이도록 하자. ya로 표시된 액세스 포인트 a의 우선순위 부하는 순서쌍 ya=(Ia,wa)으로 정의된다. 간결성을 위해, 액세스 포인트의 우선순위 부하를 "액세스 포인트 부하(AP load)"로 부른다. 따라서, ya=(Ia,wa)가 yb=(Ib,wb) 보다 사전적으로 높은 값을 갖는다면(즉, 다음의 조건 (1) Ia > Ib 또는 (2)Ia = Ib와 wa > wb 중 하나가 만족되면), 액세스 포인트 a는 액세스 포인트 b 보다 높은 부하를 갖는다고 할 수 있다.
동일한 우선순위를 갖는 2 개의 액세스 포인트가 없기 때문에, 동일한 (우선 순위) 부하를 갖는 2개의 액세스 포인트가 존재하지 않는다. 이러한 인식은 발명자로 하여금 다음과 같은 속성, 즉 어떠한 네트워크 상태에서, 혼잡 액세스 포인트의 세트가 항상 단일 액세스 포인트("속성 1")를 포함하는 속성을 발견하게끔 하였다.
최소-최대 부하 균형 문제의 변형을 발견한 다음에, 발명자는 이러한 문제에 대해 솔루션을 찾기 시작하도록 설정하였다. 이들이 발견한 솔루션들은 뒤이은 단락에서 논의된다.
이어지는 설명을 간단히 하기 위해, 본 발명에 의해 발견된 새로운 최소-최대 부하 균형 방법이 전술한 LK 모델과 결합하는 것으로 표현될 것이다. 최소-최대 방법들은 또한 마찬가지로 CK 모델과 결합하여 사용될 수도 있다는 것이 이해되어야 한다.
본 발명의 실시예에서, 본 발명에 의해 제공된 최소-최대 부하 균형 방법은 최적 부하 벡터 Y*를 산출하는 최소-최대 우선순위 부하 균형 상태를 반복적으로 식별한다. 더우기, 어떠한 반복 m에서, 부하 벡터의 m차 좌표의 우선순위 부하를 최소화하기 위해 네트워크 상태를 계산하기 위해 전술한 LK 또는 CK 방법/모델과 같은 루틴을 포함한다. 본 발명에 의해 제공된 최소-최대 방법들은 2가지 요건을 충족시킨다:
(1) 각각의 반복 m의 초기 상태는 최적 상태를 지배하여야 하고;
(2) m차 반복에서 계산된 네트워크 상태는 사전 반복에 의해 이미 결정된 액 세스 포인트상의 부하에 영향을 주지 않아야(부하를 증가시키지 않아야) 한다.
첫번째 요건을 충족시키기 위해, 본 발명에 의해 제공된 하나의 최소-최대 방법은 첫번째 반복의 최대 출력 상태에서 시작되며 각각의 반복이 최적 솔루션의 지배 상태에 의해 종료되는 것을 보장한다. 더우기, 두번째 요건을 충족시키기 위해, 사전 반복에 의해 이미 결정된 부하들을 갖는 고정 액세스 포인트들의 세트 F가 정의된다. 초기에 세트 F는 비어있다. 각각의 반복에서, F가 모든 액세스 포인트를 포함할 때까지 새로운 액세스 포인트가 부가된다. 혼잡 부하 Y를 임의의 고정되지 않은 액세스 포인트상의 최대 부하로서 정의한다. 속성 1로부터, 임의의 주어진 시간에서 혼잡 부하와 연결된 혼잡 액세스 포인트로 불리우는 단일의 고정되지 않은 액세스 포인트만이 존재한다는 것을 따른다.
각각의 반복 m에서 최소-최대 방법은 부하 벡터의 m차 좌표를 최소화하기 위해 LK 방법(또는 CK 방법)을 호출할 수 있다. 반복의 초기에 첫번째 요건이 충족된다고 가정하면, 3 개의 변수들, (1)지금까지 발견한 최적 상태의 혼잡 부하 값을 나타내는 기록된 혼잡 부하 Y, (2)혼잡 부하 Y를 갖는 첫번째 발견된 상태를 나타내는 기록된 상태 변수 S, 및 (3)혼잡 부하와 연결되는 액세스 포인트를 식별하는 기록된 혼잡 액세스 포인트 d, 가 생성되고 저장된다.
본 발명의 다른 실시예에 따라서, 최소-최대 방법은 우선적으로 변수 S,Y 및 d를 초기화한다. 다음에, 방법은 혼잡 액세스 포인트를 반복적으로 식별하고 혼잡 액세스 포인트가 이미 최소 출력 레벨에서 송신중인 경우 방법은 중지된다. 송신중이지 않은 경우, 방법은 혼잡 액세스 포인트의 출력 레벨을 감소시키고 고정 액세스 포인트(즉, 송신 출력 레벨이 이미 사전 반복에서 계산된 액세스 포인트들은 현재 "고정"되거나 설정된다)의 부하와 마찬가지로 혼잡 부하를 평가한다. 고정 액세스 포인트중 하나가 상승된 부하로 어려움을 겪는 경우 방법은 중지된다. 이것은 고정 액세스 포인트의 부하를 보존하기 위해 제 2 요건이 충족된다는 것을 보증한다. 다른 한편, 보다 낮은 혼잡 부하를 갖는 상태가 발견되는 경우 방법은 변수를 갱신함으로써 이러한 상태의 기록을 지속한다. 결국, 방법은 최종 저장된 상태(출력 레벨)에 따라서 액세스 포인트들의 출력 레벨들을 설정하는 과정을 포함하며 기록된 상태 S와 대응하는 혼잡 액세스 포인트 d를 반환한다. 전술한 또 다른 방법에서, 출력 레벨의 감소 후 하나의 액세스 포인트의 출력 레벨이 고정된다. 다음에, 이러한 액세스 포인트가 고정 액세스 포인트들의 세트에 부가된다. 출력 레벨이 고정되지 않은 하나 이상의 액세스 포인트 나머지가 존재하는 경우, 방법은 다른 비고정 액세스 포인트의 출력 레벨을 계산함으로써 계속된다.
다시 한번, (m+1)차 좌표의 부하를 최소화하기 위해 LK 또는 CK 방법들/모델들 중 어느 하나를 호출할 수 있다. 본 발명에 의해 제공된 최소-최대 방법을 나타내는 소프트웨어 프로그램 또는 루틴의 예가 도 8에 도시되어 있다. 다음은 어떻게 컨트롤러가 본 발명에 의해 제공된 최소-최대 방법을 실행하기 위해 구현될 수 있는의 일례이다.
다시 한번, 도 5a에 도시된 무선랜(3000)을 고려하자. LK 방법의 첫번째 호출 후, 도 9a에 서술된 네트워크 상태가 생성된다. 앞서 입증된 바와 같이, 이러한 상태는 부하 벡터의 첫번째 좌표를 최소화하기 위한 다른 상태를 지배한다. LK 방법의 두번째 호출은 도 9b에 도시된 상태를 생성하고, 이러한 상태는 단지 (액세스 포인트의 우선순위들에 관계없이) 이러한 네트워크의 최소-최대 부하 균형 상태이다.
발명자들은 본 발명에 의해 제공된 최소-최대 부하 균형 방법들이 항상 최적 부하 벡터와 최소-최대 부하 균형 솔루션을 찾는다는 것을 발견하였다. 앞서와 같이, 본 발명의 논의를 보다 더 간단히 하기 위해 증명들이 생략되었다.
본 발명의 다른 특징의 논의로 넘어가기 전에, 하나의 추가적인 포인트가 주목할 가치가 있다. 본 발명자들에 의해 발견된 최소-최대 방법의 복잡도는 O(K -/A/4 - /u/)로 (발명자들에 의해 발견된 증명들을 통해) 보여질 수 있다(테이블 I, 라인 6, K, A 및 u의 정의에 대해 각각 1과 13을 참조).
전술한 바와 같이, 본 발명에 의해 제공된 각각의 방법은 컨트롤러 등에 의해 실행될 수도 있다. 더우기, 일단 NOC가 전술한 방법들 중 어느 하나를 실행하면, 무선랜내의 각각의 액세스 포인트와 메시지, 명령 등을 교환하도록 또한 사용될 수도 있으며, 컨트롤러가 본 발명에 의해 제공된 방법들을 실행할 때 액세스 포인트들이 생성되는 출력 레벨 감소들과 사용자 할당/연결 동작을 구현하도록 보장한다.
전술한 최적화 방법을 실행하기 위해 컨트롤러 등을 요구하도록, 매번 무선랜으로부터의 사용자 도착 또는 출발은 진행중인 사용자 세션의 빈번한 연결 변경 및 잠재적인 중단에 이르게 할 수도 있다. 이것을 피하기 위해, 발명자는 연결 변 경의 수와 최적 부하 균형 무선랜을 유지하기 위한 요청간의 균형을 공격하는 온라인 전략을 개발하였다. 이러한 온라인 전략의 모호한 개념들은 "글로벌 최적화(global optimization)"와 "로컬 최적화"를 결합시킨다.
로컬 최적화는 사용자 도착 및/또는 출발때마다 무선랜의 부하가 계속해서 균형이 이루어지는 전략인 반면에, 글로벌 최적화는 본 발명에 의해 제공된 방법이 주기적으로 호출될 때만 또는 로컬 최적화 전략이 부하-균형 상태를 유지하는데 실패하는 경우에 대한 전략을 포함한다. 본 발명의 실시예에 따라서, 온라인 전략은 3개의 구성 파라미터인 최소 부하 임계치, 셀 적응 임계치, 및 시간 임계치를 포함한다. 처음 두 파라미터는 단지 이득을 무시할 수 있을 때 이러한 최적화의 사용을 방지하기 위해 로컬 최적화를 호출할 때와, 활동중인 사용자에 대한 서비스 중단을 방지할 때를 판단한다. 마지막 파라미터는 얼마나 자주 글로벌 최적화가 인보크될 수 있는지를 제어한다.
로컬 최적화 방법은 글로벌 최적화 방법과 다른데, 이는 이하 간단히 설명되는 바와 같이 이들 최적화가 액세스 포인트의 출력 레벨을 감소, 또는 증가시킬 수 있기 때문이다.
본 발명에 의해 제공된 로컬 최적화 방법에서, 각각의 액세스 포인트 a에 대해, 모든 자신의 이웃하는 액세스 포인트들의 세트 Na를 정의하고 ya가 Na내 액세스 포인트상의 평균 부하이도록 정의한다. 액세스 포인트 a상의 부하가 어떠한 이유에 의해서 감소될 때(예를 들어, 사용자 이동들 또는 로컬 최적화 동작들), 본 발명에 의해 제공된 온라인 방법은 새로운 부하 ya가 셀 확장 조건을 충족시키는지 여부를 체크하며, 이 조건은 이웃하는 액세스 포인트의 세트내에서 액세스 포인트 b가 최소 부하 임계치 보다 큰 부하를 갖는지와 새로운 부하 ya가 Na내 액세스 포인트의 평균 부하와 값(1-셀 적응 임계치)을 곱해 계산되는 값보다 작은 값을 갖는지 여부를 판단하고 있다. 이러한 조건이 충족되고 액세스 포인트 a의 출력 인덱스 pa가 최대가 아니면, 본 발명의 온라인 방법은 액세스 포인트의 출력 레벨을 1씩 증가시킨다.
반대로, 액세스 포인트상의 부하가 증가할 때, 본 발명의 온라인 방법은 셀 축소 조건을 체크하며, 이 조건은 ya가 최소 부하 임계치보다 큰지와 Na내 액세스 포인트들의 평균 부하와 값(1+셀 적응 임계치)을 곱해 계산되는 값보다 큰 값을 갖는지 여부를 판단하고 있다. 이러한 조건이 충족되고 액세스 포인트 a의 출력 인덱스 pa가 최소가 아니면, 온라인 방법은 액세스 포인트의 출력 레벨을 1씩 감소시킨다.
마지막으로, 두 조건 중 어느 한 조건이 충족되지만, 로컬 최적화 연산이 출력 레벨을 조절할 수 없다면, 글로벌 최적화가 호출된다.
본 발명의 발명자는 이들 신규 부하 균형 방법과 기존의 두 방법, Strongest-Signal-First(SSF)와 연결 제어 방법의 성능을 비교하기 위해 시뮬레이션을 실행하였다. SSF는 IEEE 802.11 표준에서 이용되는 디폴트 사용자-액세스 포 인트 연결 방법이다. 연결 제어 방법은 사용자-액세스 포인트 연결을 판단하여 최대-최소 공정 대역폭 할당을 성취하지만, 순수하게 신호 강도에 기초한 연결을 판단하지 않는다. 최대-최소 공정성 문제는 비결정 난해(NP-Hard)이기 때문에, 연결 제어 방법은 우선적으로 사용자가 다수의 액세스 포인트와 동시에 연결될 수 있다는 가정하에 분수 최적 솔루션(FRAC)을 계산한 다음, 단일 연결 억제를 충족시키기 위해 어림수를 통해 적분 솔루션(INT)을 얻는다. 발명자들은 벤치마크함으로써 이들 방법들을 선택하였는데, 이는 이들의 솔루션들의 특성들이 알려져 있기 때문이다.
FRAC 솔루션들은 엄격한 성능 상계(즉, 최저 가능 혼잡 부하)를 제공하는 반면에, INT는 2-근사형 솔루션을 보장한다. 더우기, INT는 사용자 수의 증가에 따라서 FRAC에 의해 수렴한다. 발명자들은 이들 방법이 매우 높은 자유도를 갖는 최적 연결 제어 방법보다 성능이 뛰어날 것이라고 기대하지 않는다. INT 솔루션과 이들의 방법을 비교하는 발명자들의 목적은 이들 방법이 INT 방법에서 요구되는 각각의 이동장치에 특별한 클라이언트 소프트웨어에 대한 필요없이 연결 제어 방법에 비길만한 성능을 달성할 수 있다는 것을 보여주기 위함이다. 그러나, 놀랍게도, 발명자의 시뮬레이션들의 결과들은 본 발명에 의해 제공된 방법들이 다양한 부하 조건들에서 INT 솔루션보다 성능이 뛰어나다는 것을 보여준다.
시뮬레이션이 어떻게 수행되었는지의 상세한 방법은 논의의 간결성을 위해 생략되었다. 대신에, 발명자는 이들 시뮬레이션 결과의 간단한 그래프를 포함하였다. 예를 들어, 도 10은 100명의 무작위로 제공된 사용자를 포함하는 부하 균형 기법의 비교를 포함하는 시뮬레이션 결과를 도시한다. 이러한 사용자의 수는 활동 사용자에 대한 액세스 포인트들의 비가 5인 적당하게 부하가 가해진 네트워크를 시뮬레이트하기 위해 선택되었다. Y축은 ya(액세스 포인트 부하)를 나타내는 반면에 X축은 액세스 포인트 출력 레벨/인덱스를 나타낸다. 액세스 포인트가 내림차순으로 이들 ya 값으로 정렬되었다는 것에 주목해야 한다. 각각의 ya 값은 300회 시뮬레이션을 평균함으로써 얻어진다. 정수 x 지수들에 대응하는 점들(단지 표시 목적만으로 그려진 실선들)만이 의미가 있다. 굵은 실선은 발명자의 최소-최대 방법을 나타내며 가는 실선은 발명자의 최소 혼잡 방법을 나타낸다. 비록 두 방법이 동일한 최대 ya 값을 생성하지만, 최소-최대 방법은 최소-혼잡 방법보다 낮은 사전식 차수를 갖는 부하 벡터를 생성한다는 것을 알 수 있다. 굵은 점선은 INT 솔루션을 나타내며 수평의 가는 점선은 FRAC 솔루션을 나타낸다. 최소-최대 솔루션과 INT 솔루션은 SSF 솔루션보다 분명히 더 좋다. 두 산출값은 최대 ya 값들과 매우 유사하며, FRAC 보다 약 35% 높다.
발명자는 또한 50명의 사용자들을 이용하여 유사한 시뮬레이션을 수행하였으며, 이 수행의 결과가 도 11에 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 발명자의 최소-최대 방법(들)은 의미있는 차이만큼 INT 방법보다 성능이 뛰어나다. 흥미있게, FRAC와 SSF와 비교할 때 발명자의 최소-최대 방법의 상대적인 성능은 사용자의 수에 의해 급격하게 영향을 받지 않는다는 것을 보여준다. 동일한 경향이 발명자들에 의해 수행된 다른 시뮬레이션에서 관측되었다. 예를 들어, 200명의 사용자(도 면에 도시되지는 않음)가 사용되었을 때, FRAC와 발명자들의 방법간의 갭은 여전히 35%이다. 네트워크 부하 조건들(즉, 사용자들의 수)에 관계없이 FRAC 솔루션들과 비교할 때 발명적인 최소-최대 방법의 일정하고 상대적인 성능은 본 발명에 의해 제공되는 방법의 많은 강점중의 하나이다.
발명자는 또한 불균형 사용자 분포의 경우를 고려하였다. 예를 들어, 사용자의 20%만이 임의로 분포되고 나머지가 서로 겹치지 않는 2개의 핫스팟에 집중된다. 각각의 핫스팟은 75미터 반경을 갖는 원형 영역일 수 있다. 하나의 핫스팟은 다른 핫스팟보다 2배 많은 사용자를 포함할 수 있다. 이러한 설정은 핫스팟에서 과부하 조건을 야기한다. 도 12는 전체 사용자들의 수가 100명일 때의 예시적인 결과를 도시한다. 본 발명에 의해 제공된 최소-최대 방법은 심지어 핫스팟의 존재(즉, 과부하 조건)시 보다 나은 성능을 발휘하며 INT보다 뛰어나다.
(지금까지 기술된 예는 10개의 출력 레벨을 사용하였다) 출력 레벨의 수의 영향을 조사하기 위해, 발명자는 4가지 다른 출력 레벨의 범위를 시뮬레이션하였다. 도 13에 결과가 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 출력 레벨의 수의 영향은 소정의 출력 레벨들의 수를 넘어서는 차이가 되며, 이 차이는 본 발명의 발명자에 의해 수행된 시뮬레이션에서 5와 10 사이이다.
본 발명의 LK 방법을 실행할 때 컨트롤러가 얼마나 많이 연산을 수행하여야 하는지를 이해하기 위해, 발명자는 이러한 방법의 시뮬레이션을 수행하였으며 출력 레벨 조절 및 사용자 연결 변경의 수를 카운트하였다. 수집된 통계는 테이블 II에 요약되었다. 각각의 테이블 엔트리에 대해, 두 수가 주어지며, 첫번째 수는 LK 방 법을 호출하는 최소-최대 방법을 위한 것인 반면에 두번째 수는 LK(최소 혼잡) 방법/모델만을 위한 것이다. 일반적으로, 후자의 방법은 공정하고 신속히 수렴하는 반면에, 전자의 방법은 약간 오래 걸린다. 예를 들어, 출력 조절 간격이 1초인 경우, 100명의 임의의 사용자 네트워크에서 부하-균형은 LK(최소-혼잡) 방법/모델을 사용할 때 약 33초 걸리며, LK 방법을 호출하는 최소-최대 방법을 사용할 때 2분이 걸리지 않는다. 사용자들의 수 증가는 수렴 시간을 필연적으로 증가시키지 않을 뿐 아니라, 또한 핫스팟의 존재가 필요없다. 실제로, LK(최소 혼잡) 방법/모델을 이용할 때, 수렴 시간이 감소한다.
전술한 설명은 본 발명의 몇몇 예를 설명한다. 그러나, 본 발명의 본질적인 범위는 본 명세서의 청구범위에 의해 결정된다.

Claims (10)

  1. 무선 네트워크내의 부하 균형화 방법에 있어서,
    액세스 포인트들의 하나 이상의 데이터 트래픽 채널들의 현재의 출력 레벨을 유지하는 동시에, 상기 네트워크내 하나 이상의 액세스 포인트들(APs)에 의해 송신되는 하나 이상의 비콘 메시지들(beacon messages)의 현재의 출력 레벨을 변경하는 단계를 포함하는, 부하 균형화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각각의 액세스 포인트상의 부하와 상기 각각의 액세스 포인트에 할당된 하나 이상의 사용자들에 관한 정보를 수집하는 단계를 더 포함하는, 부하 균형화 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 정보는 각각의 액세스 포인트에 대한 현재의 부하 및 현재의 사용자 할당들을 포함하는, 부하 균형화 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 정보는 각각의 액세스 포인트에 대한 잠재적인 부하들과 잠재적인 사용자 할당들을 포함하는, 부하 균형화 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    다항식 시간 기간동안 상기 네트워크내의 혼잡 액세스 포인트들(congested APs)상의 부하들을 최소화하는 단계, 및 다항식 시간 기간동안 상기 네트워크내의 비혼잡 액세스 포인트들상의 부하들을 균형화하는 단계를 더 포함하는, 부하 균형화 방법.
  6. 제 3 항에 있어서,
    상기 액세스 포인트에 대한 최적 출력 레벨 설정과 동일하거나, 또는 보다 큰 각각의 액세스 포인트에 대한 최대 비콘 메시지 출력 레벨을 결정하는 단계;
    상기 결정된 출력 레벨로부터 모든 혼잡 액세스 포인트에 대한 최적 출력 레벨들에 도달될 때까지 상기 네트워크내 혼잡 액세스 포인트들의 비콘 메시지 출력 레벨을 반복적이고 점진적으로 감소시키는 단계;
    상기 감소들 중 하나와 연관되고 또한 상기 네트워크내 균형화된 부하 상태와 연관되는 비콘 메시지 출력 레벨들의 세트를 저장하는 단계; 및
    혼잡을 최소화하기 위해 상기 혼잡 액세스 포인트들에 상기 비콘 메시지 출력 레벨의 세트를 인가하는 단계를 더 포함하는, 부하 균형화 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    각각의 반복적인 출력 레벨 감소 후 혼잡 부하를 결정하는 단계;
    상기 결정된 부하와 저장된 가장 비혼잡한 현재의 부하를 비교하는 단계;
    상기 결정된 부하가 상기 가장 비혼잡한 현재의 부하보다 낮은 경우, 상기 결정된 부하를 다음의 비혼잡한 부하로서 저장하는 단계; 및
    혼잡을 최소화하기 위해 상기 혼잡 액세스 포인트들에 최종 반복 후 저장된 가장 비혼잡한 부하와 연관된 비콘 메시지 출력 레벨들을 인가하는 단계를 더 포함하는, 부하 균형화 방법.
  8. 제 4 항에 있어서,
    네트워크내 최소한의 액세스 포인트들의 세트를 반복적으로 결정하는 단계로서, 세트내 각각의 액세스 포인트가 혼잡 부하를 갖는 혼잡 액세스 포인트이거나 출력 레벨의 감소로 인한 혼잡 부하를 증가시킬 수 있는 부하를 갖는 액세스 포인트인, 상기 네트워크내 최소한의 액세스 포인트들의 세트를 반복적으로 결정하는 단계;
    상기 액세스 포인트에 대한 최적 비콘 메시지 출력 레벨 세팅과 동일하거나, 보다 큰 상기 최소한의 세트내 각각의 액세스 포인트에 대한 최대 비콘 메시지 출력 레벨을 결정하는 단계;
    상기 세트내 모든 액세스 포인트들에 대한 최적 비콘 메시지 출력 레벨들에 도달될 때까지 하나 이상의 반복적인 감소들을 이용하여 상기 결정된 출력 레벨로부터 상기 최소한의 세트내 혼잡 액세스 포인트의 비콘 메시지 출력 레벨을 감소시키는 단계; 및
    혼잡을 최소화하기 위해 상기 혼잡 액세스 포인트들에 상기 비콘 메시지 출력 레벨들의 세트를 인가하는 단계를 더 포함하는, 부하 균형화 방법.
  9. 제 5 항에 있어서,
    상기 액세스 포인트에 대한 최적 비콘 메시지 출력 레벨 설정과 동일하거나, 보다 큰 각각의 액세스 포인트에 대한 비콘 메시지 최대 출력 레벨을 결정하는 단계;
    상기 결정된 출력 레벨로부터 시작하는 상기 네트워크내 식별된 액세스 포인트의 저장된 세트의 부분이 아닌 혼잡 액세스 포인트의 비콘 메시지 출력 레벨을 반복적으로 감소시키는 단계;
    각각의 반복 후, 최적 출력 레벨이 결정된 하나 이상의 혼잡 액세스 포인트들에 대한 비콘 메시지 출력 레벨과 식별을 저장하고, 아직 최적 출력 레벨이 결정되지 않은 액세스 포인트들로부터 다음의 혼잡 액세스 포인트를 결정하는 단계;
    각각의 액세스 포인트들의 최적 출력 레벨이 결정될 때까지 다음 감소된 출력 레벨로부터 상기 반복적인 감소 단계를 반복하는 단계; 및
    혼잡을 최소화하기 위하여 상기 액세스 포인트들에 저장된 비콘 메시지 출력 레벨들을 인가하는 단계를 더 포함하는, 부하 균형화 방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    (i) 액세스 포인트 상의 부하가 감소될 때, 상기 액세스 포인트 상의 새로운 부하가 셀 확장 조건(cell enlargement condition)을 충족시키는지 여부를 결정하고, 상기 셀 확장 조건은 이웃하는 액세스 포인트들의 세트 내의 이웃하는 액세스 포인트가 최소 부하 임계치보다 큰 부하를 갖고 상기 새로운 부하가 모든 이웃하는 액세스 포인트들의 평균 부하와 값(1-셀 적응 임계치)을 곱함으로써 계산되는 값보다 작은 값을 갖는지 여부를 결정하고, 상기 셀 확장 조건이 충족되고 상기 액세스 포인트의 출력 레벨이 조절될 수 있는 경우, 상기 액세스 포인트의 상기 비콘 메시지 출력 레벨을 증가시키고, 상기 셀 확장 조건이 충족되지만 상기 액세스 포인트의 상기 비콘 메시지 출력 레벨이 조절될 수 없는 경우, 상기 액세스 포인트들의 데이터 채널 출력 레벨들에 영향을 주지 않고 상기 무선 네트워크 내의 상기 액세스 포인트들의 최적 비콘 메시지 출력 레벨들을 결정하는 글로벌 부하 균형 최적화 방법을 인보크(invoke)하는 단계, 또는
    (ii) 상기 액세스 포인트 상의 부하가 증가할 때, 새로운 부하가 셀 축소 조건을 충족시키는지 여부를 결정하고, 상기 셀 축소 조건은 이웃하는 액세스 포인트들의 세트 내의 이웃하는 액세스 포인트가 최소 부하 임계치보다 크고 모든 이웃하는 액세스 포인트들의 평균 부하와 값(1+셀 적응 임계치)을 곱함으로써 계산되는 값보다 큰 부하를 갖는지 여부를 결정하고, 셀 축소 임계치 조건이 충족되고 상기 액세스 포인트의 출력 레벨이 조절될 수 있는 경우, 상기 액세스 포인트의 상기 비콘 메시지 출력 레벨을 감소시키고, 상기 셀 축소 조건이 충족되지만 상기 액세스 포인트의 상기 비콘 메시지 출력 레벨이 조절될 수 없는 경우, 상기 액세스 포인트들의 데이터 채널 출력 레벨들에 영향을 주지 않고 상기 무선 네트워크 내의 상기 액세스 포인트들의 최적 비콘 메시지 출력 레벨들을 결정하는 글로벌 부하 균형 최적화 방법을 인보크하는 단계를 더 포함하는, 부하 균형화 방법.
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