KR101113338B1

KR101113338B1 - 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101113338B1
Application number: KR1020080116889A
Authority: KR
Inventors: 정준영; 권오형; 이수인
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2008-11-24
Filing date: 2008-11-24
Publication date: 2012-02-29
Also published as: KR20100058169A; US20100128739A1; US8098685B2

Abstract

본 발명의 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법은, 네트워크의 상황에 따라 설정되는 변수 정보를 수신하는 단계, 상기 수신된 변수 정보를 이용하여 지연 시간 이득을 최대로 하는 패킷 시간 간격 값을 계산하는 단계, 상기 패킷 시간 간격 값으로 상기 네트워크의 채널 간 대역을 할당하는 알고리즘을 설정하는 단계 및 상기 알고리즘에 따라 CMTS(Cable Modem Termination System)를 운용하는 단계를 포함한다.

DOCSIS, CMTS, CM, 패킷 시간 간격, 대역 할당 알고리즘

Description

케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SCHEDULING BANDWIDTH IN CABLE NETWORK}

본 발명은 케이블 네트워크의 대역 스케줄링 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 닥시스(DOCSIS) 3.0 규격을 따르는 케이블 네트워크에서 상향 채널 대역 할당에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT성장동력기술개발지원사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-S-005-01, 과제명: HFC망에서의 IP기반 초고속 멀티미디어 전송기술 개발].

닥시스(DOCSIS: Data-Over-Cable Interface Specification) 3.0 표준 HFC망에서의 데이터 전송 프로토콜인 닥시스(DOCSIS)는 하향(Downstream)은 TDM(Time Division Multiplexing) 방식, 상향(Upstream)은 TDMA(Time Division Multiple Access) 방식을 사용하여 타임슬롯(Time Slot) 기반으로 각각의 모뎀을 제어하는 구조를 가지고 있기 때문에 DOCSIS Layer에서 VoIP나 지연에 민감한 멀티미디어 데이터에 대해 QoS 적용이 가능하다.

닥시스(DOCSIS) 3.0에서의 멀티캐스트는 CMTS(Cable Modem Termination System)와 케이블 모뎀(CM) 간의 닥시스 특성(DOCSIS Specific) 제어 프로토콜을 새롭게 추가하였다.

또한, 닥시스(DOCSIS) 규격에서는 CMTS에서 구현되는 Allocation MAP (MAP) 스케줄링 알고리즘에 대하여 특정 표준을 정의하지 않고 제조사에 따라 상이하게 구현될 수 있도록 하고 있다.

종래의 닥시스(DOCSIS) 2.0에서는 상, 하향 각 1채널 사용으로 하향 최대 42Mbps, 상향 최대 30Mbps급 서비스를 지원했었으나, 닥시스(DOCSIS) 3.0에서는 모뎀에서 각 채널들을 결합해서 동시에 여러 채널을 사용함으로써 대역폭 확대를 가능하게 하다.

따라서, 채널 결합을 이용하는 닥시스(DOCSIS) 3.0 네트워크에서 대역 요청 충돌을 감소시키고 이에 따라 네트워크 지연 시간을 줄일 수 있는 채널 대역 할당에 대한 방안이 필요한 실정이다.

본 발명은 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 대역 할당 시 세그먼트 프레임들을 적절한 시간 간격을 두고 배치하여 피기백 대역 요청의 기회를 높여줄 수 있는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 경쟁 슬롯에서의 충돌 확률을 낮추고 이로 인해 전체적인 프레임 지연을 줄일 수 있는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법 및 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 닥시스 케이블 3.0 네트워크에서의 접근 지연 시간에 대하여 우수한 알고리즘을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 네트워크의 통과율(Throughput )을 높여 네트워크의 효율성을 증대시킬 수 있는 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기의 목적을 달성하고, 상술한 종래기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일실시예에 따른 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법은, 네트워크 상황에 따라 설정되는 변수 정보를 수신하는 단계, 상기 수신된 변수 정보를 이용하여 지연 시간 이득을 최대로 하는 패킷 시간 간격 값을 계산하는 단계, 상기 패킷 시간 간격 값으로 채널 간 대역 할당 알고리즘을 설정하는 단계 및 상기 대역 할당 알고리즘에 따라 CMTS(Cable Modem Termination System)를 운용하는 단계를 포함한다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법은, 상기 네트워크를 주기적으로 모니터링 하는 단계, 상기 모니터링 결과, 상기 네트워크에 변동 상황이 발생하는지 여부를 판단하는 단계, 상기 판단 결과, 상기 네트워크가 변동된 경우 상기 네트워크의 상기 변동 상황에 따라 변경된 상기 변수 정보를 재수신 하는 단계를 더 포함할 수 있다.

또한, 본 발명의 일실시예에 따른 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 장치는, 네트워크 상황에 따라 설정되는 변수 정보를 수신하는 수신부, 상기 수신된 변수 정보를 이용하여 지연 시간 이득을 최대로 하는 패킷 시간 간격 값을 계산하는 연산부, 상기 패킷 시간 간격 값으로 채널 간 대역 할당 알고리즘을 설정하는 설정부, 상기 대역 할당 알고리즘에 따라 CMTS(Cable Modem Termination System)를 운용하는 운용부, 상기 네트워크를 주기적으로 모니터링 하는 모니터링부, 상기 모니터링 결과, 상기 네트워크에 변동 상황이 발생하는지 여부를 판단하는 판단부를 포함하고, 상기 수신부 상기 판단 결과, 상기 네트워크가 변동된 경우 상기 네트워크의 상기 변동 상황에 따라 변경된 상기 변수 정보를 재수신하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따르면 대역 할당 시 세그먼트 프레임들을 적절한 시간 간격을 두고 배치하여 피기백 대역 요청의 기회를 높여줄 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 경쟁 슬롯에서의 충돌 확률을 낮추고 이로 인해 전 체적인 프레임 지연을 줄일 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 닥시스 케이블 네트워크에서의 접근 지연 시간에 대하여 우수한 알고리즘을 제공 할 수 있다.

또한, 본 발명에 따르면 네트워크의 통과율(Throughput )을 높여 네트워크의 효율성을 증대시킬 수 있다.

이하 첨부 도면들 및 첨부 도면들에 기재된 내용들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명하지만, 본 발명이 실시예에 의해 제한되거나 한정되는 것은 아니다.

한편, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는, 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 장치의 구성을 도시한 블록도이다.

본 발명의 일실시예에 따른 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 장치(100)는, 수신부(110), 연산부(120), 설정부(130), 운용부(140), 모니터링부(150) 및 판 단부(160)로 구성될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법의 전체적인 과정은 다음과 같다.

먼저, 수신부(110)는 네트워크 상황에 따라 설정되는 변수 정보를 수신한다.

다음으로, 연산부(120)는 상기 수신된 변수 정보를 이용하여 지연 시간 이득을 최대로 하는 패킷 시간 간격 값을 계산한다.

이때, 상기 변수 정보는 상기 네트워크 구동 초기 상황에서 상기 CMTS 운용 시 설정되는 고정 변수 정보 및 상기 네트워크의 성능 목표 값으로 설정되는 목표 변수 정보를 포함한다.

즉, 본 발명을 이용하는 사용자는 상기 고정 변수 정보로 맵(MAP)의 길이(

), 소정의 미니 슬롯의 길이 (

), 상기 맵내에서 경쟁 슬롯의 비(

), 결합된 상향 채널의 수(

), DBS(Data Backoff Start), DBE(Data Backoff End), 모듈 정보 전송율(Modulation Rate) 또는 모듈 포맷(Modulation Format) 등을 설정 할 수 있으며, 상기 목표 변수 정보로 그룹화하여 하나의 결합 채널을 공유하는 케이블 모뎀(CM: Cable Modem)의 수 정보 또는 상기 네트워크에 대한 부하 정보등을 설정 할 수 있다.

다음으로, 설정부(130)는 상기 패킷 시간 간격 값으로 상기 네트워크의 채널 간 대역을 할당하는 알고리즘을 설정한다.

최종적으로, 운용부(140)는 상기 알고리즘에 따라 CMTS(Cable Modem Termination System)를 운용한다.

또한, 본 발명의 대역 스케줄링 장치(100)는 모니터링부(150)를 이용하여 상기 네트워크를 주기적으로 모니터링 할 수 있으며, 판단부(160)를 이용하여 상기 모니터링 결과, 상기 네트워크에 변동 상황이 발생하는지 여부를 판단한다.

이때, 본 발명의 제어부는 상기 판단 결과, 상기 네트워크가 변동된 경우 수신부를 통하여 상기 네트워크의 상기 변동 상황에 따라 변경된 상기 변수 정보를 재수신하여, 상기 과정을 반복 수행 할 수 있도록 한다.

이러한, 본 발명의 일실시예에 따른 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법을 아래에서 더욱 상세히 설명하도록 한다.

본 발명의 일실시예에 따른 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법은 최근에 발표된 닥시스(DOCSIS) 3.0 규격을 채택하여 하향 채널 결합 및 상향 채널 결합 기술을 도입함으로써, 하향 및 상향 채널의 대역폭을 증가할 수 있도록 한다.

즉, 본 발명의 일실시예에 따르면 닥시스(DOCSIS) 3.0 규격에서는 CMTS 및 케이블 모뎀(CM: Cable Modem)의 처리 능력에 따라 대역폭을 증가할 수 있으며, 닥시스 3.0 규격의 채널 결합 기술에 대한 대역 스케줄링 방법을 제시한다.

본 발명의 일실시예에 따른 채널 결합 과정은 대역 할당을 위한 스케줄링 과정의 한 부분으로 CMTS에 의해 제어되며, 케이블 모뎀이 주어진 서비스 플로에 대해 그 서비스 플로에 해당하는 상향 채널들 중 하나의 채널에 대역 요청을 하면, CMTS는 그 서비스 플로에 대한 상향 채널들 중에서 하나 또는 이상의 채널에 대역을 할당할 지를 선택할 수 있음을 기초로 한다.

또한, 본 발명의 CMTS는 개개의 상향 채널들을 통한 대역 할당에 대한 책임을 가지며, 어떤 결합 그룹 내 채널들에 대한 실시간 로드 밸런스를 할 수 있다.

또한, 본 발명의 케이블 모뎀은 다수의 채널들을 통해 대역 할당을 받은 경우, 전송 데이터를 각 채널에 할당된 대역 및 시간에 따라 분리하여 전송할 수 있다. 이때, 각각의 채널에 할당된 대역은 시간 축에서 어긋나게 배치될 수도 있으며, 동일한 시점에 배치될 수도 있다.

또한, 본 발명의 CMTS는 케이블 모뎀이 요청한 대역에 대해 어떻게 대역을 분할할 것인가를 결정 할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 따라 서로 다른 미니 슬롯 크기를 가지는 4개의 상향 채널들에 대한 대역 할당의 예를 도시한다.

예를 들어, 본 발명은 도 2에 도시된 바와 같이 블록 E와 D는 음성 서비스를 지원하는 다른 서비스 플로에 대역이 할당된 것을 표현할 수 있으며, CMTS는 A의 대역 요청에 대해 채널 1과 2를 사용하여 대역을 할당할 수 있고, B의 대역 요청에 대해서는 채널 3과 4를, C에 대해서는 전 채널을 사용하여 대역을 할당 할 수 있다.

본 발명에서는 닥시스 3.0 규격에서의 다수의 채널을 이용하여 대역 스케줄링을 해야 하므로 복잡도가 증가함에 있어, 채널 결합을 이용하는 닥시스 3.0 네트워크에서 대역 요청 충돌을 감소시키고 이에 따라 네트워크 지연 시간을 줄일 수 있는 대역 스케줄링 방법을 다음과 같이 제시한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 닥시스에서 피기백(piggyback)의 메커니 즘의 예를 도시한 도면이다.

본 발명은 도 3에 도시된 바와 같이, 피기백(piggyback) 메커니즘을 이용하여 대역 스케줄링 방법을 제공할 수 있다.

예를 들어, 본 발명에서 제공되는 피기백 메커니즘은 케이블 모뎀으로 데이터 패킷 1이 입력되면 케이블 모뎀은 CMTS로 MAP 0 구간에 대역 요청한다. 이때, CMTS는 케이블 모뎀의 대역요청에 대해 MAP 1 구간에 대역을 할당한다.

다음으로, 본 발명은 케이블 모뎀에서 데이터 패킷 1에 대해 할당 받은 대역으로 패킷을 전송하기 전 패킷 2가 CM으로 입력되면, 패킷 1의 전송 시 피기백 대역 요청이 가능하다. 따라서, 본 발명은 피기백 요청이 MAP 1 구간에서 이루어지므로 MAP 2 구간에서 패킷 2에 대한 대역 할당되며, 마찬가지로, 패킷 3에 대해서도 패킷 2의 전송 전에 입력되었으므로 피기백 대역 요청이 가능하지만, 패킷 4의 경우에는 패킷 3의 전송 전에 패킷이 입력되지 않아 피기백 요청이 불가능하므로 다시 대역 요청 과정을 거쳐야 한다.

도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 대역 할당의 예를 도시한 도면이다.

종래의 닥시스 2.0의 경우에는 도 4에 도시된 바와 같이, MAP i 구간에서 대역 요청 시점으로부터 MAP i+1 구간에서 패킷을 전송하기까지의 시간 간격이 t라고 하면, 상기 t 시간 내에 케이블 모뎀으로 패킷이 입력된 경우 피기백 대역 요청이 가능하다.

그러나, 본 발명의 일실시예에 따른 닥시스 3.0의 경우에는 닥시스 2.0과 동일한 양의 대역을 할당 받지만, 도 4에 도시된 바와 같이, 4개의 채널에 대해 시간 간격을 두고 나누어 할당하는 것이 가능하므로 피기백 대역 요청이 가능한 시간이 t+t'로 증가 시킬 수 있다. 즉, 본 발명에 따르면, 증가된 t' 시간만큼 패킷 도착 확률이 증가함으로써 피기백 요청 가능성도 높아지게 된다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따라, 피기백 대역 요청의 효과를 극대화 할 수 있는 대역 할당 스케줄링 방법을 아래에서 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 일실시예에 따라, 패킷 도착 간격 시간(Packet inter-arrival time) 분포로 형태(Shape) 파라미터

와 위치(Location) 파라미터

를 가지는 파레토(Pareto) 분포를 가정한다.

기본적인 파레토 분포의 학률 밀도 함수와 확률 분포 함수는 각각 아래의 수학식 1과 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.

그리고, 패킷 도착간격 시간 t에 대한 평균값은 아래의 수학식 3과 같다.

이때, 상기

는 패킷 도착률(Packet arrival rate)을 의미하고, 예를 들어, 상기 확률 분포는

인 경우 무한(infinite) 분산 값을 가지며,

인 경우에는 무한의 평균과 분산 값을 가질 수 있다.

또한, 상기 각 CM에서 상향 채널로 전송하는 데이터 패킷 길이의 분포는 예를 들어 표 1과 같을 수 있으며, 평균 데이터 패킷 길이

은 368.1 바이트 일 수 있다.

[표 1] 패킷 크기 분배

Packet size (byte)	64	128	256	512	1024	1518
Probability	0.6	0.06	0.04	0.02	0.25	0.03

따라서, 상기 각각의 케이블 모뎀에 대한 패킷 도착률인

는 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.

이때, 상기

는 상향채널 대역폭,

는 현재 네트워크 상에 있는 케이블 모뎀의 수이며,

는 네트워크에 제공된 부하(Offered Load)를 나타내며, 제공된 부하는 채널 용량(Capacity) 대 제공된 트래픽의 비로 정의될 수 있다.

이때, 상기 트래픽 소스의 버스트성(burstiness)은

에 의해 조정될 수 있는데, 예를 들어, 1.3의 값을 가정할 수 있다. 따라서, 위치 파라미터

는 수학식 4로부터

와 같이 유추할 수 있다.

결과적으로 주어진 상기

에 대해 각 케이블 모뎀의 상위 계층에서 상기와 같은 트래픽이 발생하고, 발생된 상기 트래픽은 MAC - 특정 구역 내 정보통신망인 LAN에 사용되는 네트워크 모델인 이더넷의 물리적인 주소 - 계층 전송 큐에 전달될 수 있다.

또한, 상기 케이블 모뎀으로 새로운 패킷이 도착할 때, 앞서 수신한 패킷을 처리하기 위해 상기 CMTS로부터 대역을 수여(grant)받은 케이블 모뎀은 새로 도착한 패킷에 대한 대역 요청을 피기백 할 수 있으며, 그렇지 않은 경우에는 경쟁 과정을 통해 대역 요청이 CMTS에 도달하여야 한다.

이때,

개의 케이블 모뎀에 수학식 3의 패킷 도착률인

를 가지는 소스 트래픽이 입력된다고 가정하고, 하나의 경쟁 슬롯에서 케이블 모뎀이 대역 요청을 할 확률인

를 구하면 아래의 수학식 5와 같을 수 있다.

이때,

는 MAP의 길이이며

는 결합된 상향 채널의 수, 그리고

는 채널 당 하나의 MAP 구간에 포함되는 대역요청 기회 TO(Transmission Opportunity)의 수를 의미하며, 하나의 미니슬롯 내에 대역 요청 메시지가 전송될 수 있다면 하나의 MAP에 TO의 수인

는 하나의 MAP에 포함되는 경쟁슬롯의 수인

와 동일하다. 본 명세서상에서는

를 가정한다.

상기와 같은 경우, 하나의 경쟁 슬롯에서 대역 요청이 성공할 확률인

은

개의 케이블 모뎀 중 하나의 케이블 모뎀만이 대역 요청을 할 확률과 동일하므로 아래의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.

또한, 하나의 경쟁 슬롯에서 충돌이 발생할 확률은 모든 경우에 대해 대역 요청이 성공할 확률과 상기 케이블 모뎀도 대역 요청을 하지 않을 확률을 빼주는 것과 같으므로 아래의 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.

상기 하나의 경쟁 슬롯에서 충돌이 발생할 확률을 통하여 상기 케이블 모뎀이 대역 요청을 한 경우

번째 대역 요청 시도에서 대역요청이 성공할 확률인

은 아래의 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.

따라서, 상기 케이블 모뎀이 대역 할당을 받기 위한 평균 대역 요청에 대한 횟수인

는 아래의 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.

본 발명의 일실시예에 따른 닥시스에서는 경쟁 슬롯에서의 충돌 해결을 위해 Truncated Binary Exponential Back-off (TBEB) 알고리즘을 사용할 수 있는데, TBEB 알고리즘은 MAP 메시지 내 DBS(Data_Backoff_Start) 와 DBE(Data_Backoff_End) 값을 전달받은 케이블 모뎀에 의해 수행될 수 있다.

예를 들어, 상기 케이블 모뎀이 대역 요청을 할 때, 먼저 상기 DBS 값을 이 용하여 백-오프 윈도우(Back-off Window)를 0 ~ 2^DBS 1로 설정하고 윈도우(Window) 내에서 랜덤하게 백-오프(Back-off) 값을 설정할 수 있다.

또 다른 예로, DBS가 4이면 0 ~ 15의 백-오프 윈도우(Back-off Window)가 설정되고 랜덤하게 선택된 값이 11이라면 상기 케이블 모뎀은 11번의 TO를 지연한 후 대역 요청 메시지를 전송할 수 있다.

그러나, 앞에서 전송한 대역 요청 메시지가 충돌이 난 경우, 상기 케이블 모뎀은 상기 백-오프 윈도우를 0 ~ 2^DBS+1로 2배 증가 시키고 증가된 상기 윈도우 내에서 다시 상기 백-오프 윈도우 값을 랜덤하게 선택할 수 있다.

즉, 연속해서 충돌이 날 경우 상기 케이블 모뎀은 2배씩 상기 백-오프 윈도우를 증가시킬 수 있으나, 단 증가된 상기 백-오프 윈도우가 2^DBE-1에 도달하게 되면 더 이상 상기 윈도우가 증가하지 않기 때문에, 상기 케이블 모뎀의 최대 재전송 횟수는 16으로 제한될 수도 있다.

또한, 상기 백-오프로 인한 평균 지연 시간을 살펴보기 위하여 대역 요청 횟수에 따른 평균 백-오프 값을 다음과 같이 구하기로 한다.

예를 들어, 0 ~ 15의 상기 백-오프 윈도우에서 백-오프 기대값은 7.5가 될 수 있으며, 만약 충돌이 발생하여 다시 대역요청을 하는 경우에는 상기 백-오프 윈도우가 0 ~ 31로 증가하면, 상기 백-오프 기대값은 15.5가 될 수 있다.

따라서, 상기와 같은 예에 비추어 예상해 보면, 상기 두 번의 대역 요청에 대한 평균 백-오프 기대값은 7.5+15.5, 즉, 23이 된다. 따라서 대역 요청 횟수인

에 대한 총 백-오프 값을

이라 하면 상기 평균 백-오프 값(지연 TO 또는 슬롯)인

은

와

를 각각 DBS, DBE 값이라 할 때, 아래의 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.

따라서, 상기 MAP 내에서 경쟁 슬롯의 비인

을 고려하면 상기 백-오프로 인한 평균 지연은

슬롯이 될 수 있다. 즉,

번의 대역 요청 후 대역을 할당 받았을 경우, 상기 백-오프를 고려한 상기 패킷의 평균 접근 지연(Access Delay)인

은 아래의 수학식 11과 같이 표현할 수 있다.

이때, 상기

는 대역 요청에 대한 소요 시간으로

로 표현될 수 있 고, 상기

는 데이터 패킷 전송을 위한 평균 소요 시간으로 평균 데이터 패킷의 길이인

를 적용하여

로 표현될 수 있다. 이때, 상기

는 상향 채널 용량을 의미한다.

수학식 11에서

값으로 식(9)의 평균 대역 요청 횟수인

값, 즉

을 대입함으로써 충돌 확률에 따른 평균 접근 지연 시간인

를 아래의 수학식 12와 같이 표현할 수 있다.

이때, 전술한 바와 같이, 상기

는 상기 대역 요청에 대한 소요 시간이고, 상기

는 패킷 전송을 위한 평균 소요 시간이고, 상기

는 맵내에서 경쟁 슬롯의 비이고, 상기

은 소정의 미니 슬롯의 길이이고, 상기

는 하나의 경쟁 슬롯에서 충돌이 발생할 확률이고, 상기 B는 상향 채널의 대역폭이고, 상기 E는 소정의 케이블 모뎀(CM: Cable Modem)이 상기 대역을 할당 받기 위한 평균 대역 요청 횟수이고, 상기

은

에 대한 총 Back-off 값이고, 상 기

는 상기 Back-off 를 고려한 패킷의 평균 접근 지연(Access Delay) 값을 나타낼 수 있다.

본 과정까지는 피기백 대역 요청을 고려하지 않고, 평균 접근 지연 시간을 구하는 과정을 설명하였다. 하지만, 피기백 대역 요청을 고려하면, 수학식 6에서 대역 요청을 하는 케이블 모뎀의 수인

는 아래의 수학식 13과 같이 표현 될 수 있다.

이때, 상기

는 수학식 3의 상기 PDF이며, 상기

는 상기 피기백 대역 요청이 가능한 시간 간격이다. 즉, 케이블 모뎀으로 _ 시간 내에 상기 패킷이 입력되는 경우에 한해서 피기백 대요 요청이 가능해 진다.

따라서, 수학식 6은

대신 수학식 13의

를 사용하여 수학식 14와 같이 달리 표현될 수 있다.

또한, 수학식 7도 수학식 13과 수학식 14의 결과를 반영하여 수학식 15와 같이 달리 표현될 수 있다.

결과적으로, 피기백 대역 요청을 고려한 경우, 수학식 13의 충돌 확률에 따른 평균 접근 지연 시간인

은 수학식 16과 같이 표현될 수 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법을 닥시스에서 기본적으로 널리 사용되는 FCFS(First Come First Served) 방법과 비교하기로 한다.

도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법과 FCFS(First Come First Served) 방법을 비교한 예를 도시한 도면이다.

이때, 상기 상향 채널들에 대한 대역할당은 두 방법 모두 균등할당을 가정한다.

도 4에 도시된

는 상기 피기백 대역 요청이 가능한 시간이며, 이전 MAP 구간에서 대역 요청을 하여 다음 MAP 구간에서 데이터를 전송하기 전에 케이블 모뎀으로 패킷이 입력되면 피기백 대역 요청이 이루어 지므로 일반적으로

의 값은 MAP 전송주기에 가깝다. 즉,

일 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 대역 스케줄링 방법에서 피기백 대역 요청 효과를 최대로 하기 위해 어느 정도의 시간 간격,

으로 세그먼트 패킷을 분산시켜야 하는 지를 결정할 수 있다.

앞서 설명한 수학식 16은 결국 피기백 요청이 가능한 시간 간격인

에 대한 함수로 표현될 수 있다. 또한, 수학식 16의

는 본 발명의 일실시예에 따르면,

로 변경될 수 있다.

따라서, 상기

는,

가 될 수 있다.

최종적으로, 본 발명의 일실시예에 따라 상기 지연 시간 이득을 최대로 하는 세그먼트 패킷 시간 간격인

는 아래의 수학식 17을 통해 구할 수 있다.

이때, 상기

는 상기 패킷 시간 간격 값이고, 상기

은 피기백 대역 요청이 가능한 시간이며, 상기

는 상기

에 대한 충돌 확률에 따른 평균 접근 지연 시간이고, 상기

은 상기

과

의 합에 따른 평균 접근 지연 시간이며,

은 상기 지연 시간 이득의 최대값이고, 상기

는 상기 MAP의 길이를 나타낸다.

결론적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법은, 전술한 과정에 따라 상기 지연 시간 이득(

)을 최대로 하는 패킷 시간 간격인

을 계산 할 수 있고, 상기 계산된 패킷 시간 간격 값으로 채널 간 대역 할당 알고리즘을 설정한 후, 상기 대역 할당 알고리즘에 따라 상기 CMTS를 운용 할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일실시예에 따라 상기 지연 시간 이득을 최대로 하는 패킷 시간 간격을 계산하여, 상기 패킷 시간 간격 값에 따른 대역 할당 알고리즘으로 상기 CMTS를 운영함으로써, 피기백 대역 요청 확률을 높여 접근 지연 시간을 줄일 수 있으며, 결국 접근 지연 시간을 감소시켜, 네트워크의 통과율(Throughput )을 높이고, 네트워크의 효율성을 증대시킬 수 있다.

이러한, 본 발명의 일실시예에 따른 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법을 도 6을 참조하여 요약하면 다음과 같다.

이때, 본 발명의 일실시예에 따른 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법은, 대역 스케줄링 장치(100)를 이용하여 대역 스케줄링을 하는 방법에 준하므로, 대역 스케줄링 장치(100)의 단계 구성을 모두 포함하며, 그에 따른 상세한 내 용은 생략하여 설명하기로 한다.

도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법을 도시한 흐름도이다.

먼저, 도 6에 도시된 바와 같이, 수신부(110)는 네트워크 상황에 따라 설정되는 변수 정보를 수신한다(S610).

다음으로, 연산부(120)는 상기 수신된 변수 정보를 이용하여 지연 시간 이득을 최대로 하는 패킷 시간 간격 값을 계산한다(S620).

이때, 상기 변수 정보는 상기 네트워크 구동 초기 상황에서 상기 CMTS 운용 시 설정되는 고정 변수 정보 및 상기 네트워크의 성능 목표 값으로 설정되는 목표 변수 정보를 포함할 수 있다.

다음으로, 설정부(130)는 상기 패킷 시간 간격 값으로 상기 네트워크의 채널 간 대역을 할당하는 알고리즘을 설정한다(S630).

최종적으로, 운용부(140)는 상기 알고리즘에 따라 CMTS(Cable Modem Termination System)를 운용한다(S660).

또한, 본 발명의 대역 스케줄링 장치(100)는 모니터링부(150)를 이용하여 상기 네트워크를 주기적으로 모니터링 할 수 있으며(S640), 판단부(160)를 이용하여 상기 모니터링 결과, 상기 네트워크에 변동 상황이 발생하는지 여부를 판단한다(S650).

이때, 본 발명의 제어부는 상기 판단 결과, 상기 네트워크가 변동된 경우 수신부를 통하여 상기 네트워크의 상기 변동 상황에 따라 변경된 상기 변수 정보를 재수신하여(S670), 상기 과정을 반복 수행 할 수 있도록 한다.

본 발명에 따른 실시예들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.　 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.　 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.　 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(Floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 　프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 닥시스에서 피기백(piggyback)의 메커니즘의 예를 도시한 도면이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100: 대역 스케줄링 장치

110: 수신부

120: 연산부

130: 설정부

140: 운용부

150: 모니터링부

160: 판단부

Claims

네트워크의 상황에 따라 설정되는 변수 정보를 수신하는 단계;

상기 수신된 변수 정보를 이용하여 지연 시간 이득을 최대로 하는 패킷 시간 간격 값을 계산하는 단계;

상기 패킷 시간 간격 값으로 상기 네트워크의 채널 간 대역을 할당하는 알고리즘을 설정하는 단계; 및

상기 알고리즘에 따라 CMTS(Cable Modem Termination System)를 운용하는 단계

를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법.
제1항에 있어서,

상기 네트워크를 주기적으로 모니터링 하는 단계;

상기 모니터링 결과, 상기 네트워크에 변동 상황이 발생하는지 여부를 판단하는 단계; 및

상기 판단 결과, 상기 네트워크가 변동된 경우 상기 변동 상황에 따라 변경된 상기 변수 정보를 재수신 하는 단계

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법.
제1항에 있어서,

상기 변수 정보는

상기 네트워크 구동 초기 상황에서 상기 CMTS 운용 시 설정되는 고정 변수 정보 및 상기 네트워크의 성능 목표 값으로 설정되는 목표 변수 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법.
제3항에 있어서,

상기 고정 변수 정보는, 맵(MAP)의 길이(
), 소정의 미니 슬롯의 길이 (
), 상기 맵내에서 경쟁 슬롯의 비(
), 결합된 상향 채널의 수(
), DBS(Data Backoff Start), DBE(Data Backoff End), 모듈 정보 전송율(Modulation Rate) 또는 모듈 포맷(Modulation Format) 중 적어도 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법.
제3항에 있어서,

상기 목표 변수 정보는,

그룹화하여 하나의 결합 채널을 공유하는 케이블 모뎀(CM: Cable Modem)의 수 정보 또는 상기 네트워크에 대한 부하 정보중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법.
제1항에 있어서,

상기 수신된 변수 정보를 이용하여 지연 시간 이득을 최대로 하는 패킷 시간 간격 값을 계산하는 상기 단계는,

다음의 수학식 18에 의해 이루어지는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법.

(상기
는 상기 패킷 시간 간격 값이고, 상기
은 피기백 대역 요청이 가능한 시간이며, 상기
는 상기
에 대한 충돌 확률에 따른 평균 접근 지연 시간이고, 상기
은 상기
과
의 합에 따른 평균 접근 지연 시간이며,
은 상기 지연 시간 이득의 최대값이고, 상기
는 상기 MAP의 길이를 나타냄.)
제6항에 있어서,

상기 피기백 대역 요청을 고려하지 않는 경우, 상기 수학식 1에 따른 상기 충돌 확률에 따른 평균 접근 지연 시간인
는 다음의 수학식 19에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법.

(상기
는 상기 대역 요청에 대한 소요 시간이고, 상기
는 패킷 전송을 위한 평균 소요 시간이고, 상기
는 맵내에서 경쟁 슬롯의 비이고, 상기
은 소정의 미니 슬롯의 길이이고, 상기
는 하나의 경쟁 슬롯에서 충돌이 발생할 확률이고, 상기 B는 상향 채널의 대역폭이고, 상기 E는 소정의 케이블 모뎀(CM: Cable Modem)이 상기 대역을 할당 받기 위한 평균 대역 요청 횟수이고, 상기
은
에 대한 총 Back-off 값이고, 상기
는 상기 Back-off 를 고려한 패킷의 평균 접근 지연(Access Delay) 값을 나타냄.)
제6항에 있어서,

상기 피기백 대역 요청을 고려한 경우, 상기 수학식 1에 따른 상기 충돌 확률에 따른 평균 접근 지연 시간인
는 다음의 수학식 20에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법.

(상기 T는 피기백 대역 요청이 가능한 시간 간격이고, 상기
는 상기 대역 요청에 대한 소요 시간이고, 상기
는 상기 T에 대한 패킷 전송을 위한 평균 소요 시간이고, 상기
는 맵내에서 경쟁 슬롯의 비이고, 상기
은 소정의 미니 슬롯의 길이이고, 상기
는 상기 T에 대한 하나의 경쟁 슬롯에서 충돌이 발생할 확률이고, 상기 B는 상향 채널의 대역폭이고, 상기 E는 소정의 케이블 모뎀(CM: Cable Modem)이 상기 대역을 할당 받기 위한 평균 대역 요청 횟수이고, 상기
은 상기 T에 따른
에 대한 총 Back-off 값이고, 상기
는 상기 Back-off 를 고려한 패킷의 평균 접근 지연(Access Delay) 값을 나타냄.)
제7항에 있어서,

상기 경쟁 슬롯 중 어느 하나에서 충돌이 발생할 확률인 상기
는 다음의 수학식 21에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법.

(상기
는 상기 경쟁 슬롯 중 어느 하나에서 상기 대역 요청이 성공할 확률이고, 상기
는 상기 케이블 모뎀이 상기 대역을 요청할 확률이고, 상기 k는 상기 케이블 모뎀의 개수를 나타냄.)
제8항에 있어서,

상기 경쟁 슬롯 중 어느 하나에서 충돌이 발생할 확률인 상기
는 다음의 수학식 22에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법.

(상기
는 상기 경쟁 슬롯 중 어느 하나에서 상기 T에서 상기 대역 요청이 성공할 확률이고, 상기
는 상기 케이블 모뎀이 상기 대역을 요청할 확률이고, 상기 k(T)는 상기 케이블 모뎀의 개수를 나타냄.)
제9항에 있어서,

상기 경쟁 슬롯 중 어느 하나에서 상기 대역 요청이 성공할 확률인 상기
는 다음의 수학식 23에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법.
제10항에 있어서,

상기 T 에서의 상기 경쟁 슬롯 중 어느 하나에서 상기 대역 요청이 성공할 확률인 상기
는 다음의 수학식 24에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 방법.
제1항 내지 제12항 중 어느 한 항의 방법을 수행하는 프로그램을 기록한 컴퓨터 판독 가능 기록 매체.
네트워크의 상황에 따라 설정되는 변수 정보를 수신하는 수신부;

상기 수신된 변수 정보를 이용하여 지연 시간 이득을 최대로 하는 패킷 시간 간격 값을 계산하는 연산부;

상기 패킷 시간 간격 값으로 상기 네트워크의 채널 간 대역을 할당하는 알고리즘을 설정하는 설정부;

상기 알고리즘에 따라 CMTS(Cable Modem Termination System)를 운용하는 운용부;

상기 네트워크를 주기적으로 모니터링 하는 모니터링부; 및

상기 모니터링 결과, 상기 네트워크에 변동 상황이 발생하는지 여부를 판단하는 판단부

를 포함하고,

상기 수신부 상기 판단 결과, 상기 네트워크가 변동된 경우 상기 네트워크의 상기 변동 상황에 따라 변경된 상기 변수 정보를 재수신하는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 장치.
제14항에 있어서,

상기 변수 정보는 상기 네트워크 구동 초기 상황에서 상기 CMTS 운용 시 설정되는 고정 변수 정보 및 상기 네트워크의 성능 목표 값으로 설정되는 목표 변수 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 장치.
제14항에 있어서,

상기 고정 변수 정보는, 맵(MAP)의 길이(
), 소정의 미니 슬롯의 길이 (
), 상기 맵내에서 경쟁 슬롯의 비(
), 결합된 상향 채널의 수(
), DBS(Data Backoff Start), DBE(Data Backoff End), 모듈 정보 전송율(Modulation Rate) 또는 모듈 포맷(Modulation Format) 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 장치.
제16항에 있어서,

상기 목표 변수 정보는,

그룹화하여 하나의 결합 채널을 공유하는 케이블 모뎀(CM: Cable Modem)의 수 정보 또는 상기 네트워크에 대한 부하 정보 중 어느 하나 이상을 포함하는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 장치.
제16항에 있어서,

상기 연산부는 다음의 수학식 25에 의해 수신된 변수 정보를 이용하여 지연 시간 이득을 최대로 하는 패킷 시간 간격 값을 계산하는 것을 특징으로 하는 케이블 네트워크에서의 대역 스케줄링 장치.

(상기
는 상기 패킷 시간 간격 값이고, 상기
은 피기백 대역 요청이 가능한 시간이며, 상기
는 상기
에 대한 충돌 확률에 따른 평균 접근 지연 시간이고, 상기
은 상기
과
의 합에 따른 평균 접근 지연 시간이며,
은 상기 지연 시간 이득의 최대값이고, 상기
는 상기 MAP의 길이를 나타냄.)