KR101152813B1 - 무선 통신 시스템에서의 스케줄링 방법 - Google Patents

무선 통신 시스템에서의 스케줄링 방법 Download PDF

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Abstract

무선 통신 시스템에서의 스케줄링 방법이 개시(disclose)된다. 이 방법은 (a) 무선 통신 시스템에 포함된 N개의 단말들 중에서 n(<N)개의 단말을 선택하는 단계; (b) 상기 선택된 단말로부터 채널 상태 정보를 보고받아, 상기 선택된 단말 중 적어도 하나에 무선 자원을 할당하는 단계; (c) 해당 단말이 상기 할당 받은 무선 자원으로 송신 또는 수신을 수행하는 단계; 및 (d) n개의 단말을 새로이 선택하여 상기 (b) 단계로 복귀하는 단계를 포함하고, 상기 선택된 단말을 제외한 나머지 단말은 상기 (b) 및 (c) 단계에서 송수신 기능을 비활성화한다. 따라서, 공평성(fairness)를 유지하면서 에너지 면에서 효율적인 무선 셀룰라 망을 제공할 수 있다.

Description

무선 통신 시스템에서의 스케줄링 방법 {scheduling method for wireless communication system}
본 발명은 무선 통신 시스템에서의 스케줄링에 관한 것으로, 보다 상세하지만 제한됨이 없이는(more particularly, but not exclusively) 공평성(fairness)를 유지하면서 에너지 면에서 효율적인 무선 셀룰라 망을 위한 스케줄링 방법에 관한 것이다.
통신 시스템에서 에너지 절감(energy saving) 기술은 네트워크 수명과 직접 관련되며, 특히, 유비쿼터스 통신 환경, 멀티미디어 서비스 환경, 무선 기기의 소형화 등의 최근 기술 트랜드에 따라, 더욱 중요하게 평가되고 있다.
현재 제안된 에너지 절감 기술의 대표적인 예로는, 송/수신할 데이터가 없는 경우 송수신기(예컨대, RF 모듈)를 파워 오프하는 기법 및 주어진 성능(예컨대, 오율, 전송 효율, 전송 지연) 제한 조건 하에, 최소의 전력을 할당하는 기법(예컨대, Adaptive Modulation and Coding)을 들 수 있다.
전자의 기법은 송수신기의 파워 오프 등을 통하여 전력 절감이 이루어지는 취침 기간(sleeping period)과 송/수신 동작을 수행하는 활성 기간(active period) 를 주기적으로 발생시키거나 제어함으로써 에너지 절감 면에서는 다소 장점이 있지만, 높은 전송 효율을 얻을 수 없다는 단점이 있다.
후자의 기법은 채널 상태에 대한 적응을 통하여 우수한 전송 효율을 얻을 수 있으며, 특히, 후자의 기법을 다중 사용자 환경으로 확장한 대표적인 스케줄링 기법인 기회적(opportunistic) 스케줄링 기법은 다중사용자 다양화(multi-user diversity) 이득에 따른 전송 효율 증가를 얻을 수 있다. 그러나, 이러한 기회적 스케줄링 기법은 모든 사용자로부터의 채널 상태 정보(channel state information)에 대한 궤환(feedback)을 필요로 하므로, 정보 궤환에 따른 에너지 및 무선 자원의 추가적인 소모를 야기한다. 특히, MIMO 환경 또는 다중 반송파(예컨대, OFDM) 환경에서는 더욱 많은 정보의 궤환이 요구되므로 그 추가적인 소모는 더욱 증가된다. 이와 관련하여 부분적 정보 궤환(partial information feedback) 기법(예컨대, 채널 상태가 우수한 일부 부채널에 대한 정보만 보고하거나, 채널 상태가 우수한 경우에 한하여 보고하는 기법)이 제안되었지만, 궤환되는 정보량을 최소화하여 무선 자원의 추가 소모를 최소화하는데 그 초점을 맞추었을 뿐, 소모되는 에너지에 대해서는 크게 고려되지 않았다. 채널 상태 정보를 보고하기 위해서는, 채널 상태 정보를 획득하는 동작(예컨대, 파일롯 신호, 프리앰블 등을 수신하여 채널 품질을 추정하는 동작) 및 채널 상태 정보를 송신하는 동작에 따른 에너지가 소모되는데, 특히, 전자의 동작에 따른 에너지 소모는 종래의 기법에서 전혀 고려되지 않았다고 볼 수 있다.
이러한 배경을 볼 때, 에너지 면에서 효율적인 무선 셀룰라 망을 위한 스케 줄링 기법이 요구되며, 보다 바람직하게는(more preferably), 특정 사용자에게 기회가 지나치게 편중되지 않도록 하는 스케줄링 기법이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 공평성(fairness)를 유지하면서 에너지 면에서 효율적인 무선 셀룰라 망을 위한 스케줄링 방법을 제공하는 데 있다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명의 일 측면은 무선 통신 시스템의 스케줄러가 N(>1)개의 단말들에 대한 스케줄링을 수행하는 방법에 있어서, (a) 상기 N개의 단말들 중에서 n(<N)개의 단말을 선택하는 단계; (b) 상기 선택된 단말로부터 채널 상태 정보를 보고받아, 상기 선택된 단말 중 적어도 하나에 무선 자원을 할당하는 단계; (c) 해당 단말이 상기 할당 받은 무선 자원으로 송신 또는 수신을 수행하는 단계; 및 (d) n개의 단말을 새로이 선택하여 상기 (b) 단계로 복귀하는 단계를 포함하는 스케줄링 방법을 제공한다.
일실시예에 따라, 상기 선택된 단말을 제외한 나머지 단말은 상기 (b) 단계 및 (c) 단계에서 송수신 기능을 비활성화한다.
일실시예에 따라, 상기 선택된 단말은 상기 (b) 단계에서 채널 상태 정보를 획득하여 송신하는 기간, 및 할당 받은 무선 자원에 해당하는 기간을 제외한 나머지 기간 동안 송수신 기능을 비활성화한다.
일실시예에 따라, 상기 n은 상기 단말들이 소모하는 에너지에 대한 통신 시 스템 효율이 최대가 되도록 선택된 자연수 값이다.
일실시예에 따라, 상기 (b) 단계는, 평균 전송률 대비 현재의 채널 상태로 예측되는 전송률이 가장 우수한 단말에 무선 자원을 할당하는 단계를 포함한다.
일실시예에 따라, 상기 스케줄러는, 상기 무선 통신 시스템에 소속된 기지국에 위치한다.
상기의 기술적 과제를 이루기 위해 본 발명의 다른 측면은 무선 통신 시스템의 스케줄러가 N(>1)개의 단말들에 대한 스케줄링을 수행하는 방법에 있어서, (a) 상기 단말들을 그룹화하여 제1 내지 제M(>1) 그룹을 생성하고, 각 그룹에 대한 관리 기간을 결정하는 단계; (b) 상기 그룹들 중 하나를 선택하는 단계; (c) 상기 선택된 그룹에 해당하는 관리 기간 동안 상기 선택된 그룹에 포함된 단말 중 적어도 일부로부터 채널 상태 정보를 보고받아 무선 자원 할당을 수행하는 단계; 및 (d) 이전에 선택된 그룹과는 다른 그룹을 선택하여 상기 (c) 단계로 복귀하는 단계를 포함하는 스케줄링 방법을 제공한다.
일실시예에 따라, 상기 선택된 그룹을 제외한 나머지 그룹에 포함된 단말은 상기 (c) 단계의 관리 기간 동안 송수신 기능을 비활성화한다.
일실시예에 따라, 상기 (a) 단계는 각 그룹에 대한 비취침 단말 - 채널 상태 정보를 보고하는 단말 - 의 갯수 nm (Nm보다 작은 자연수로서, m은 그룹 인덱스로서 1 내지 M 사이에 있는 자연수, Nm은 해당 그룹의 그룹원 수를 나타냄)를 결정하는 단계를 포함한다.
일실시예에 따라, 상기 (c) 단계는, (c1) 상기 선택된 그룹의 단말들 중에서 nm개의 단말을 선택하는 단계; (c2) 상기 선택된 단말로부터 채널 상태 정보를 보고받아, 상기 선택된 단말들 중 적어도 하나에 무선 자원을 할당하는 단계; 및 (c3) 해당 단말이 상기 할당 받은 무선 자원으로 송신 또는 수신을 수행하는 단계를 포함한다.
일실시예에 따라, 상기 선택된 단말들을 제외한 나머지 단말들은 상기 (c2) 및 (c3) 단계에서 송수신 기능을 비활성화한다.
일실시예에 따라, 상기 (c) 단계는, (c4) nm개의 단말을 새로이 선택하여 상기 (c2) 단계로 복귀하는 단계를 더 포함한다.
일실시예에 따라, 상기 nm은 해당 그룹의 단말들이 소모하는 에너지에 대한 상기 해당 그룹의 통신 시스템 효율이 최대가 되도록 선택된 자연수 값이다.
일실시예에 따라, 상기 (a) 단계는, 채널 상태의 통계적 특성이 유사한 단말들을 동일한 그룹에 포함시키는 단계를 포함한다.
일실시예에 따라, 상기 (a) 단계는 상기 각 그룹에 대한 관리 기간을 그룹원 수에 비례하도록 결정하는 단계를 포함한다.
상기에서 제시한 본 발명의 실시예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 본 발명의 모든 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아 니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 공평성(fairness)를 유지하면서 에너지 면에서 효율적인 무선 셀룰라 망을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 무선 기기의 동작 시간, 네트워크 수명 및 셀 효율을 적정 수준으로 유지하면서, 총 전송 트래픽을 최대화할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 관한 설명은 본 발명의 구조적 내지 기능적 설명들을 위하여 예시된 것에 불과하므로, 본 발명의 권리범위는 본문에 설명된 실시예들에 의하여 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 된다. 즉, 본 발명의 실시예들은 다양한 변경이 가능하고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 본 발명의 기술적 사상을 실현할 수 있는 균등물들을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
한편, 본 발명에서 서술되는 용어의 의미는 다음과 같이 이해되어야 할 것이다.
"제1", "제2" 등의 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하기 위한 것으로 이들 용어들에 의해 본 발명의 권리범위가 한정되어서는 아니 된다. 예를 들어, 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.
"및/또는"의 용어는 하나 이상의 관련 항목으로부터 제시가능 한 모든 조합을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 예를 들어, "제1 항목, 제2 항목 및/또는 제3 항목"의 의미는 "제1 항목, 제2 항목 및 제3 항목 중 적어도 하나 이상"을 의미 하는 것으로, 제1, 제2 또는 제3 항목뿐만 아니라 제1, 제2 및 제3 항목들 중 2개 이상으로부터 제시될 수 있는 모든 항목의 조합을 의미한다.
본 발명에서 기재된 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
본 발명에서 기술한 각 단계들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 단계들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
여기서 사용되는 모든 용어들은 다르게 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미를 지니는 것으로 해석될 수 없다.
본 발명의 일실시예에 따른 스케줄링 방법은 채널 상태 정보의 획득(예컨대, 채널을 센싱하여 수신 신호대 잡음비를 산출) 및 채널 상태 정보의 송신에 소모되는 에너지도 고려하여, 단말들을 취침 단말, 휴지(idle) 단말, 활성 단말로 분류하여 관리한다. 여기서, 취침 단말은 해당 기간 동안 송수신 기능을 비활성화하고, 휴지 단말은 해당 기간 중 보고 동작(채널 상태 정보의 획득 및 송신)에 사용되는 기간을 제외한 나머지 기간 동안 송수신 기능을 비활성화하며, 활성 단말은 보고 동작 및 할당된 무선 자원에 해당하는 기간을 제외한 나머지 기간 동안 송수신 기능을 비활성화한다. 본 명세서에서, 송수신 기능을 비활성화한다는 것은 송수신 동작을 수행할 때 보다 적은 에너지를 소모(예컨대, RF 모듈의 전원 오프)를 의미하며, 편의상, 채널 상태 정보를 보고하는 단말(즉, 휴지 단말 및 활성 단말)을 비취침 단말로 칭한다.
이렇게 에너지 소모 면에서 세 가지 단말로 분류/관리하는 본 발명의 일실시예에 따른 기회적 스케줄링은 비취침 단말 수를 최적화하여 에너지 면에서 높은 전송 효율을 얻을 수 있으며, 부가적으로 공평성을 제공할 수 있다.
본 명세서에서는, 스케줄러를 구비한 기지국과 N개의 단말이 존재하는 무선 셀룰러 망을 편의상 전제하여, 본 발명의 기술적 사상을 설명하겠지만, 본 발명의 범주는 다양한 무선 통신 시스템에 적용 가능함은 이 분야에 종사하는 자라면 충분히 이해할 수 있다.
또한, 본 명세서에서는, 선택된 하나의 단말에게 하나의 타임 슬롯이라는 무선 자원을 할당하는 통신 시스템을 편의상 전제하여, 본 발명의 기술적 사상을 설 명하겠지만, 본 발명의 범주는 동시에 여러 단말에게 무선 자원을 할당하는 OFDMA 통신 시스템 등 다양한 통신 시스템에도 적용 가능함은 이 분야에 종사하는 자라면 충분히 이해할 수 있다.
또한, 본 명세서에서는, 수신 SNR을 채널 상태 정보에 포함되는 정보로 편의상 전제하여 설명하겠지만, 수신 SNR 말고도, 수신 신호 세기(RSS), 비트 오율(BER) 등 다양한 측정 값이 사용될 수도 있음은 이 분야에 종사하는 자라면 충분히 이해할 수 있다.
또한, 본 명세서에서는, 타임 슬롯을 할당하기 전에 해당 타임 슬롯에 대한 채널 상태 정보를 보고 받는 프레임 구조(예컨대, 타임 슬롯 마다, 해당 타임 슬롯 이전에 수신 SNR 추정용 파일롯 신호 또는 프리앰블이 전송되고, 그에 따른 채널 상태 정보가 전송되는 프레임 구조)를 편의상 전제하여 설명하겠지만, 본 발명의 범주는 다양한 프레임 구조에도 적용 가능함은 이 분야에 종사하는 자라면 충분히 이해할 수 있다.
또한, 각 단말에 대한 취침 모드와 비취침 모드 간의 스위칭은 단말과 스케줄러 간의 약속된 방식, 스케줄러가 별도의 제어 채널을 사용하여 스위칭 제어하는 방식 등으로 구현 가능하며, 또한, 각 단말에 대한 휴지 모드와 활성 모드 간의 스위칭은 스케줄러가 별도의 제어 채널을 통하여 제어하는 방식 등으로 구현 가능함은 이 분야에 종사하는 자라면 충분히 이해할 수 있으므로 이에 대한 구체적인 설명은 본 명세서에서 생략한다.
또한, 본 명세서에서는, 매 타임 슬롯마다 비취침 단말들을 갱신하는 것을 편의상 전제하여 설명하겠지만, 그 갱신하는 시점 또는 주기는 다양하게 구현 가능함은 이 분야에 종사하는 자라면 충분히 이해할 수 있다.
본 명세서에서는, 본 발명의 실시예들을 편의상, EPF(Energy based Proportional Fair), EPF-A(Averaging), EPF-G(Grouping)으로 편의상 칭하여 설명한다. 여기서, EPF는 모든 단말들이 채널 상태의 통계적 특성(예컨대, 평균 수신 SNR)이 동일한 대칭 망(symmetric network)에서 효과적이며, EPF-A, 및 EPF-G는 채널 상태의 통계적 특성이 다른 단말들이 존재하는 비대칭(asymmetric) 망에 효과적인 스케줄링 기법이다.
EPF-G는 나머지 기법과는 달리 그룹 기반의 스케줄링 기법이므로, EPF, EPF-A를 먼저 설명하고, EPG-G는 그 다음에 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스케줄링 방법을 나타내는 흐름도로서, 보다 상세하게는 EPF 및 EPF-A에 따른 스케줄링 방법을 나타낸다.
먼저, S100 단계에서 기지국의 스케줄러는 비취침 단말 수 n을 결정한다. 여기서, EPF 및 EPF-A는 비취침 단말 수 n을 결정하는 방식만 차이가 있으며, 그 결정 방식에 대해서는 후술한다.
S110 단계에서, 기지국의 스케줄러는 n개의 비취침 단말들을 결정한다. 나머지 N-n개의 단말들은 자연스럽게 취침 단말로 결정된다. 여기서, n개의 비취침 단말들을 결정하는 방법의 예로는, N개의 단말 중에서 n개의 단말을 랜덤하게 결정하 는 방식, 라운드 로빈 방식으로 결정하는 방식을 들 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 전자의 방식에 따르면, 매 루프마다, 랜덤 선택된 결과를 스케줄러로부터 해당 단말에게 전달되는 시그널링이 필요할 수도 있지만, 후자의 방식에 따르면, 매 루프마다 비취침 단말이 결정되므로 관련 시그널링을 최소화할 수 있다는 효과를 가진다.
S120 단계에서, 기지국은 단말에서 채널 상태 정보를 획득하는 데 필요한 신호, 예컨대, 파일롯 신호를 송신한다.
S130 단계에서, 비취침 단말들은 수신된 파일롯 신호를 기초로 수신 SNR을 추정하고, 그 추정된 값을 포함하는 채널 상태 정보를 송신한다. 이때, 취침 단말들은 송수신 기능을 비활성화하여 에너지 절감을 도모한다.
S140 단계에서, 기지국은 비취침 단말들로부터 수신되는 채널 상태 정보를 기초로, 활성 단말(즉, 수신 또는 송신을 위해 타임 슬롯이 할당되는 단말)을 결정한다. 활성 단말을 결정하는 방법의 예로는, 비취침 단말들 중 채널 상태가 가장 우수한 비취침 단말을 활성 단말로 결정하는 방법, 비례 공평 알고리즘처럼 평균 전송률 대비 현재의 채널 상태로 예측되는 전송률이 가장 우수한 비취침 단말을 활성 단말로 결정하는 방법 등을 들 수 있다.
그 다음, S150 단계에서, 활성 단말은 할당 받은 타임 슬롯 동안 송신 기능 및/또는 수신 기능을 활성화한다.
해당 타임 슬롯에 따른 시간이 지나면, S110 단계로 복귀하여 n개의 비취침 단말들을 새로이 선택되며, 그 결과, 새로운 타임 슬롯에 대한 S120 내지 S150의 동작이 수행된다.
도 2는 도 1의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 세로축에는 단말의 식별자(User ID)가 도시되어 있으며, 가로축에는 타임 슬롯 인덱스가 도시되어 있다. 스케줄러의 단위 처리 시간은 파일롯 신호가 전송되는 시간, 채널 상태 정보가 전송되는 시간, 및 타임 슬롯을 포함하나, 도 2에서는, 편의상, 타임 슬롯만이 도시되었는데, 이는 해당 타임 슬롯이 사용(또는 할당)되기 이전에 파일롯 신호 및 채널 상태 정보가 전송되면 족하기 때문이다.
도 2에서, 원으로 표시된 단말은 비취침 단말이고, 원으로 표시되지 않은 단말은 취침 단말이며, 검은색 원으로 표시된 단말은 활성 단말이고, 하얀색 원으로 표시된 단말은 휴지 단말을 나타낸다. 즉, 타임 슬롯에 원으로 표시된 단말은 그 타임 슬롯이 사용되기 전(즉, 시작 전 또는 시작 시점)에 채널 상태 정보의 획득을 위한 수신 기능을 활성화하고, 채널 상태 정보의 송신을 위한 송신 기능을 활성화하되, 특히, 검은색 원으로 표시된 단말은 그 타임 슬롯 동안에도 송신하기 위해 송신 기능을 활성화하거나, 수신하기 위해 수신 기능을 활성화한다. 원으로 표시되지 않은 단말들은 적어도 해당 타임 슬롯과 관련된 시간(채널 상태 정보를 획득하거나 송신하기 위한 시간, 및 해당 타임 슬롯 기간을 포함함) 동안 송수신 기능을 비활성화한다.
도 1을 참조하여 도 2를 설명하면 다음과 같다. 셀 내의 단말 수 N이 10이고, 그 단말들에 대한 채널 상태의 통계적 특성에 따라 비취침 단말수 n이 4로 결 정된다(S100 단계). 그 다음, 제1 타임 슬롯의 시작 시점에 제1 내지 제4 단말(User ID 1, 2, 3, 4)이 비취침 단말로 선택되고(S110 단계의 첫째 루프), 제1 타임 슬롯의 시작 시점에 파일롯 신호가 송신된다(S120 단계의 첫째 루프). 그 다음, 비취침 단말들은 수신한 파일롯 신호를 기초로 얻어지는 채널 상태 정보를 기지국에 송신한다(S130 단계의 첫째 루프), 그 다음, 기지국은 수신된 채널 상태 정보를 기초로, 제2 단말(User ID 2)을 활성 단말로 결정한다(S140 단계의 첫째 루프). 그 결과 활성 단말은 할당 받은 제1 타임 슬롯 동안 송신 기능(송신을 위한 타임 슬롯을 할당 받은 경우) 및/또는 수신 기능(수신을 위한 타임 슬롯을 할당 받은 경우)을 활성화하여 제1 타임 슬롯에 따른 송신 동작 및/또는 수신 동작을 수행한다(S150 단계의 첫째 루프). 그 다음, 제2 내지 제5 단말(User ID 2, 3, 4, 5)이 새로운 비취침 단말로 선택되어(S110 단계의 둘째 루프), 제2 타임 슬롯과 관련된 처리가 마찬가지로 수행된다.
한편, 도 2에서는 라운드 로빈 방식으로 비취침 단말들이 결정됨을 알 수 있으나, 이러한 방식 말고도 랜덤하게 결정되는 방식 등 다양한 방식도 본 발명의 범주에 속함은 이 분야에 종사하는 자라면 충분히 이해할 수 있다. 특히, 라운드 로빈 방식 및 랜덤하게 결정하는 방식은 공평성을 유지한다는 면에서 효과적이며, 특히, 비취침 모드와 취침 모드 간의 스위칭을 수행하는 단말을 1개로 최소화하는 도 2와 같은 라운드 로빈 방식은 모드 스위칭에 따른 시간 및 에너지 소모를 최소화한다는 측면에서도 효과적이다.
이하에서는, EPF에 따른 n 결정 방식 및 EPF-A에 따른 n 결정 방식을 설명하고자 한다.
여기서, 스케줄러의 단위 처리 시간(즉, 파일롯 신호의 전송, 채널 상태 정보의 전송, 및 타임 슬롯을 포함하는 시간)에 소모되는 단말 에너지 총합 e(n)은 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009004905078-pat00001
여기서, α,β, 및 γ는 각각 활성 단말, 휴지 단말, 취침 단말이 소모하는 에너지로서, 상술한 특성에 따라, α>β>γ의 관계를 갖는다.
여기서, 각 단말의 수신 SNR의 확률 변수(random variable)가 레일리 감쇠(Rayleigh fading) 채널 특성을 가지고, 정적(stationary) 및 에르고드적(ergodic)인 독립 동일 분포(independent identically distributed)를 가지는 상황 즉, 대칭 망이라 가정할 경우, n개의 단말의 수신 SNR에 대한 조인트 확률 분포(joint probability distribution)는 수학식 2로 표현될 수 있다.
Figure 112009004905078-pat00002
여기서, Zk는 k(k=1, 2, …, n)번째 단말의 SNR에 대한 확률 변수(random variable)이고, z0는 동일 분포 조건에 따른 모든 단말의 평균(mean) SNR이다.
한편, 대역폭 W, 및 수신 SNR 값 z에 따른 샤논 용량(Shannon capacity) Wlog(1+z) 및 상술한 Zk의 확률 분포 특성을 이용하면, k번째 단말의 전송 효율에 대한 확률 분포 Gk(s)는 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure 112009004905078-pat00003
상술한 Zk의 동일 분포 조건을 이용하면, n개의 비취침 단말의 전송 효율에 대한 조인트 확률 분포 Gn(s)는 수학식 4로 정리될 수 있다.
Figure 112009004905078-pat00004
수학식 4를 이용하면, 통신 시스템 효율(즉, 셀 효율) r(n)은 수학식 5로 주어진다. 본 명세서에서, 통신 시스템 효율은 통신 시스템(또는 셀) 내의 무선 자원 당 전송되는 정보량을 나타내는 의미로 사용된다.
Figure 112009004905078-pat00005
EPF에 따른 n 결정 방식은 수학식 1의 e(n)에 대한 수학식 5의 r(n)을 최대로 하는 값으로 결정하며, 이는 다음과 같은 최적화 문제의 해를 구하는 것과 같다.
Figure 112009004905078-pat00006
이 최적화 문제는 n의 자연수 제한 조건을 실수 제한 조건으로 완화(relax)하는 방법, 기타 실험치로 구하는 방법 등을 통하여 그 최적 해 n*을 구할 수 있다. 전자의 방법에 따른 일실시예를 설명하면 다음과 같다.
최적화 문제 (P)에서, n의 자연수 제한 조건을 완화시켜 x의 실수 제한 조건으로 대체하면, 최적화 문제 (P)에서의 U(n)은 연속(continuous) 버전의 유틸리티 함수
Figure 112009004905078-pat00007
가 된다. 이 Uc(x)의 미분 값이 0가 되게 하는 x의 값 xo가 [1, N]의 범위 안에 있으면, n*은 xo보다 크거나 같은 최소의 자연수 또는 xo보다 작거나 같은 최대의 자연수이며, xo가 [1, N]의 범위 안에 없으면, n*은 1, N중에서 xo과 가까운 수가 된다.
도 3은 대칭 망에서, 비취침 단말 수에 따른 에너지 대비 전송 효율 곡선을 나타내며, 특히, 셀 내의 단말수가 100이고, 모든 단말들이 평균 수신 SNR z0=10dB을 가질 때의 Uc(x)를 도시한 것이다.
도 3에서, 실선(solid line)은 MATLAB을 통한 수치 분석(numerical analysis) 결과이고, "+" 심볼은 실험치 결과(simulation results)를 나타낸다.
도 3을 참조하면, xo는 3.4이므로, 최적해 n*은 3으로 결정된다.
한편, 도 3과 같은 곡선을 이루는 이유를 간단히 설명하면 다음과 같다. 채널 상태를 보고하는 단말의 갯수가 증가할수록 다중 사용자 다양화 이득에 따라 로그 스케일로 전송 효율이 증가되는 성질이 있는 반면, 채널 상태를 보고하는 데 소모되는 총 에너지가 선형적으로 증가되는 성질을 가지기 때문에, 비취침 단말수가 증가될수록 전송 효율이 단조 증가되다가, 최고점에 머무르면 단조 감소하게 된다.
이하에서는, 비대칭 망에서 효과적인 EPF-A 및 EPF-G에서 사용되는 n 결정 방식을 설명하고자 한다.
최적화 문제 (P)를 비대칭 망 즉, 모든 단말의 평균 SNR이 동일하지 않는 환경으로 확장하되 공평성을 유지하면서 일반화하면 다음과 같은 최적화 문제
Figure 112009004905078-pat00008
의 해를 구하는 것과 같다.
Figure 112009004905078-pat00009
여기서,
Figure 112009004905078-pat00010
는 타임 슬롯 t에서 k번째 단말의 비취침 모드 여부를 알리는 지시 함수(indicator function)으로서, 비취침 모드이면 1로 그렇지 않으면 0의 값을 가 진다.
Figure 112009004905078-pat00011
는 각 단말의 지시 함수를 모은 벡터이다. zk는 k번째 단말의 평균 수신 SNR을 나타낸다.
최적화 문제
Figure 112009004905078-pat00012
의 해를 구하기 위해, EPF-A에 따른 n 결정 방법은 모든 단말의 평균 SNR에 대한 평균인
Figure 112009004905078-pat00013
을 수학식 4의 z0에 대입한 후, EPF와 동일한 방식(즉, 수학식 5를 이용하여 최적화 문제
Figure 112009004905078-pat00014
의 해를 구하는 방식)을 이용하여 n을 결정한다.
도 4는 비대칭 망을 예시하는 도면이다.
도 4를 참조하면, 기지국과 가까준 제1 티어(tier)에는 6개의 단말이 원형 분포하며, 기지국과 상대적으로 먼 제2 티어에는 10개의 단말이 원형 분포함을 알 수 있다. 무선 채널 상태는 다양한 파라미터에 의존되지만, 거리만을 고려한 경우, 제1 티어의 단말들은 동일한 평균 수신 SNR값 z1을 가지며, 제2 티어의 단말들은 동일한 평균 수신 SNR값 z2(거리만을 고려하였을 때에는 z1 보다 작은 값임)을 갖게 된다. 따라서, EPF-A에 따른 n 결정 방식에 따르면, z0는 (6z1+10z2)/16으로 산출된다.
한편, 도 4에서 최적해 n*이 3과 5로 표기되었는데, 이는 16개의 단말 모두가 평균 수신 SNR이 z1일 때의 상황에서 EPF 방식으로 구한 최적해가 3이고, 16개의 단말 모두가 평균 수신 SNR이 z2일 때의 상황에서 EPF 방식으로 구한 최적해가 5임을 의미한다.
따라서, EPF-A에 따라 결정된 최적해 n*이 4인 경우, 제1 티어의 단말들 및 제2 티어의 단말들이 각각 3개의 비취침 단말 및 5개의 비취침 단말로 관리되는 상황 보다 전송 효율 면에서 약간의 손해를 볼 가능성이 있다.
따라서, EPF-G에 따른 스케줄링 방법은 평균 수신 SNR이 유사한 단말들을 하나의 그룹에 포함시켜 그룹 단위로 스케줄링을 수행한다. 도 4를 참조하여, EPF-G에 따른 스케줄링 방법을 설명하면 다음과 같다. 먼저, 스케줄러는 제1 티어의 6개의 단말을 제1 그룹에, 제2 티어의 10개의 단말을 제2 그룹에 포함시키고, 각 그룹에 대한 관리 기관 및 비취침 단말수(도 4에 따르면, 제1 그룹의 비취침 단말수는 3, 제2 그룹의 비취침 단말수는 5임)를 결정한다. 그 다음, 스케줄러는 제1 그룹 및 제2 그룹을 번갈아 선택한다. 선택된 그룹의 단말들은 해당 관리 기간 동안 EPF와 동일한 방식으로 스케줄링이 수행되며, 선택되지 않은 그룹의 단말들은 취침 단말로 동작하게 된다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 스케줄링 방법을 나타내는 흐름도로서, 보다 상세하게는 EPF-G에 따른 스케줄링 방법을 나타낸다.
먼저, S500 단계에서, 기지국 스케줄러는 단말들을 제1 내지 제M 그룹으로 그룹화하고, 각 그룹에 대한 관리 기간 및 비취침 단말수(n1, n2, ..., nm,..., nM) 를 결정한다. 일실시예에 따른 그룹화 방식은 채널 상태가 유사한 단말들을 동일한 그룹에 포함시키는 방법을 들 수 있다. 일실시예에 따른 관리 기간을 결정하는 방법의 예로는, 공평성을 위해, 그룹원 수에 비례하는 타임 슬롯 수를 관리 기간으로 결정하는 방법을 들 수 있다. 일실시예에 따른 비취침 단말수를 결정하는 방법은 각 그룹마다 EPF 방식으로 비취침 단말수를 결정하는 방식을 들 수 있다. 예컨대, 제m 그룹의 비취침 단말수 nm는 제m 그룹의 그룹원 수, 및 제m 그룹에 속하는 단말들의 평균 수신 SNR인 zm을 기초로 상술한 EPF 방식에 따라 결정될 수 있다.
S510 단계에서, 기지국 스케줄러는 제1 내지 제M 그룹 중에서 하나를 선택한다.
S520 단계에서, 현재 선택된 그룹의 단말들은 해당 관리 기간 동안 도 1을 통하여 상술한 EPF 스케줄링 방법과 마찬가지로 스케줄링되며, 선택되지 않은 그룹의 단말들은 취침 단말로서의 동작을 수행한다.
해당 관리 기간이 만료되면, S510 단계로 복귀하여 새로운 그룹이 선택되어 후속 단계를 반복하게 된다.
한편, S510 단계에서, 그룹을 선택하는 방법의 예로는, 간편하게 공평성을 유지하는 방법 중 하나인 라운드 로빈 방식을 들 수 있으나, 본 발명의 범주는 반드시 이에 한정되는 것은 아니다.
도 6은 도 5의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 6에서 세로축, 가로축 등의 각종 표기 및 스케줄러의 단위 처리 시간은 도 2와 마찬가지로 설명된다. 도 4에서는, 제1 내지 제6 단말이 제1 그룹에 포함되어 있으며, 제7 내지 제16 단말이 제2 그룹에 포함되어 있으며, 제1 그룹의 관리 기간은 6개의 타임 슬롯으로, 제2 그룹의 관리 기간은 10개의 타임 슬롯으로 결정되어 있음을 알 수 있다. 이는 바람직한 일실시예에 따라 관리 기간이 그룹원 수에 비례하도록 결정된 것에 따른 것이다.
또한, 도 6을 참조하면, 제1 그룹에 대한 스케줄링이 수행될 때(즉, 제1 그룹의 관리 기간 동안)에는, 제1 그룹의 단말들은 도 2와 마찬가지 원리로 동작되고 제2 그룹의 모든 단말들은 취침 모드에 있음을 알 수 있다. 그 반대로 제2 그룹에 대한 스케줄링이 수행될 때(즉, 제2 그룹의 관리 기간 동안)에는 제1 그룹의 모든 단말들이 취침 모드에 있고, 제2 그룹의 단말들은 도 2와 마찬가지 원리로 동작되고 있음을 알 수 있다.
도 7은 본 발명을 Mobile WiMAX의 프레임 구조에 적용하였을 때의 취침 단말, 휴지 단말 및 활성 단말의 동작 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 하향 부프레임(sub-frame)은 프리앰블&MAP 구간, 및 하향 버스트 구간이 포함되며, 상향 부프레임은 채널 상태 정보 송신 구간 및 상향 버스트 구간이 포함된다. 취침단말들은 해당 프레임 동안 송수신 기능을 비활성화하고, 비취침 단말(휴지 단말 및 활성 단말)은 프리앰블 등으로 수신 SNR을 추정하기 위해 프리앰블&MAP 구간 동안 수신 기능을 활성화하고, 추정된 수신 SNR을 포함하는 채 널 상태 정보를 송신하기 위해 채널 상태 정보 송신 구간 동안 송신 기능을 활성화한다. 특히, 활성 단말은 MAP을 통하여 자신으로 향하는 하향 버스트가 있다고 판단되는 경우, 해당 하향 버스트에 해당하는 기간 동안 수신 기능을 활성화하고, MAP을 통하여 자신에게 할당된 상향 무선 자원이 있는 경우, 해당 무선 자원에 해당하는 동안 송신 기능을 활성화하여 상향 버스트를 송신한다.
도 8은 대칭 망에서 본 발명의 스케줄링 기법(EPF)과 기존 기법의 성능을 비교한 테이블을 나타낸다.
도 8에는, MAX 스케줄링 기법(이하, MAX)과 비례 공평 스케줄링 기법(이하, PF)이 동일한 라인에 정리되었는데, 그 이유는 모든 단말의 수신 SNR이 동일한 확률 분포를 가지는 대칭 망에서, MAX와 PF의 성능은 동일하기 때문이다.
도 8을 참조하면, 셀 효율 면에서는, PF, EPF, 라운드 로빈 스케줄링 기법(이하, RR)의 순으로 우수함을 알 수 있다. 이는 채널 상태를 고려하지 않는 RR의 특성, 활성 단말이 될 수 있는 후보 단말(즉, 채널 상태 정보를 보고하는 단말)의 수가 많아 다중 사용자 다양화 이득이 큰 PF의 특성 등에서 기인된다.
도 8을 참조하면, 네트워크 수명 면에서는, RR, EPF, PF의 순으로 우수함을 알 수 있다. 이는 채널 상태 정보를 보고할 필요가 없어 에너지 소모가 작은 RR의 특성, 모든 단말이 채널 상태 정보를 보고해야 하는 PF의 특성 등에서 기인된다.
도 8을 참조하면, 총 전송 트래픽 면에서는, EPF, RR, PF의 순으로 우수함을 알 수 있다. 이는 각 스케줄링 기법의 상술한 셀 효율 및 네트워크 수명의 특성에 따라 기인된 것이며, 특히, EPF가 성능이 가장 우수한 이유는 소모 에너지 면에서 높은 전송 효율을 얻을 수 있도록 설계되었기 때문이다.
도 9 내지 도 12는 각각 비대칭 망에서 본 발명의 스케줄링 기법(EPF-A, EPF-G)과 기존의 스케줄링 기법을 셀 효율, 네트워크 수명, 총 전송 트래픽, 공평성 인덱스 면에서 비교한 성능 그래프이다.
도 9 내지 도 11을 참조하면, 도 8과 마찬가지의 성능 특성을 나타내고 있음을 알 수 있다.
또한, 도 12를 참조하면, 본 발명의 스케줄링 기법이 공평성 인덱스 면에서도 충실함을 알 수 있다.
본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의해 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 케리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다. 그리고, 본 발명을 구현하기 위한 기능적인(functional) 프로그램, 코드 및 코드 세그먼트들은 본 발명이 속하는 기술분 야의 프로그래머들에 의해 용이하게 추론될 수 있다.
이러한 본원 발명인 장치는 이해를 돕기 위하여 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위에 의해 정해져야 할 것이다.
상기에서 제시한 본 발명의 실시예들은 다음의 장점들을 포함하는 효과를 가질 수 있다. 다만, 본 발명의 모든 실시예들이 이를 전부 포함하여야 한다는 의미는 아니므로, 본 발명의 권리범위는 이에 의하여 제한되는 것으로 이해되어서는 아니 될 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 공평성(fairness)를 유지하면서 에너지 면에서 효율적인 무선 셀룰라 망을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 무선 기기의 동작 시간, 네트워크 수명 및 셀 효율을 적정 수준으로 유지하면서, 총 전송 트래픽을 최대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 스케줄링 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 2는 도 1의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 대칭 망에서, 비취침 단말 수에 따른 에너지 대비 전송 효율 곡선을 나타낸다.
도 4는 비대칭 망을 예시하는 도면이다.
도 5는 본 발명의 다른 일실시예에 따른 스케줄링 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 도 5의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명을 Mobile WiMAX의 프레임 구조에 적용하였을 때의 취침 단말, 휴지 단말 및 활성 단말의 동작 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 대칭 망에서 본 발명의 스케줄링 기법과 기존 기법의 성능을 비교한 테이블을 나타낸다.
도 9 내지 도 12는 각각 비대칭 망에서 본 발명의 스케줄링 기법과 기존의 스케줄링 기법을 셀 효율, 네트워크 수명, 총 전송 트래픽, 공평성 인덱스 면에서 비교한 성능 그래프이다.

Claims (15)

  1. 무선 통신 시스템의 스케줄러가 N(>1)개의 단말들에 대한 스케줄링을 수행하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 N개의 단말들 중에서 n(<N)개의 단말을 선택하는 단계;
    (b) 상기 선택된 단말로부터 채널 상태 정보를 보고받아, 상기 선택된 단말 중 적어도 하나에 무선 자원을 할당하는 단계;
    (c) 상기 무선 자원을 할당 받은 적어도 하나의 단말이 상기 할당 받은 무선 자원으로 송신 또는 수신을 수행하는 단계; 및
    (d) n개의 단말을 새로이 선택하여 상기 (b) 단계로 복귀하는 단계를 포함하고,
    상기 선택된 단말을 제외한 나머지 단말은 상기 (b) 및 (c) 단계에서 송수신 기능을 비활성화하는 스케줄링 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선택된 단말은 상기 (b) 단계에서 채널 상태 정보를 획득하여 송신하는 기간, 및 할당 받은 무선 자원에 해당하는 기간을 제외한 나머지 기간 동안 송수신 기능을 비활성화하는 스케줄링 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 n은
    상기 N개의 단말들이 소모하는 에너지에 대한 통신 시스템 효율이 최대가 되도록 선택된 자연수 값인 스케줄링 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 n은
    Figure 112010058327729-pat00029
    (여기서, r(n)은 n 및 채널 상태의 통계적 특성에 따라 결정되는 상기 무선 통신 시스템의 평균 효율, e(n)은 상기 N개의 단말들이 상기 (b) 단계의 동작 기간 동안 소모하는 에너지로서,
    Figure 112010058327729-pat00016
    의 관계를 가지며, α, β, 및 γ는 각각 무선 자원을 할당 받는 단말, 상기 선택된 단말 중 무선 자원을 할당 받지 않는 단말, 상기 선택된 단말을 제외한 나머지 단말이 상기 (b) 단계의 동작 기간 동안 소모하는 에너지를 나타냄)로 결정되는 자연수 값인 스케줄링 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 (b) 단계는,
    평균 전송률 대비 현재의 채널 상태로 예측되는 전송률이 가장 높은 단말에 무선 자원을 할당하는 단계를 포함하는 스케줄링 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 채널 상태 정보는,
    수신 신호대 잡음비를 포함하는 스케줄링 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    이전에 선택된 n개의 단말과는 적어도 일부가 다른 n개의 단말을 새로이 선택하여 상기 (b) 단계로 복귀하는 단계를 포함하는 스케줄링 방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 (d) 단계는,
    라운드 로빈 방식으로 상기 n개의 단말들을 새로이 선택하여 상기 (b) 단계로 복귀하는 단계를 포함하는 스케줄링 방법.
  9. 제1항에 있어서, 상기 스케줄러는,
    상기 무선 통신 시스템에 소속된 기지국에 위치하는 스케줄링 방법.
  10. 무선 통신 시스템의 스케줄러가 N(>1)개의 단말들에 대한 스케줄링을 수행하는 방법에 있어서,
    (a) 상기 N개의 단말들을 그룹화하여 제1 내지 제M(>1) 그룹을 생성하고, 각 그룹에 대한 관리 기간을 결정하는 단계;
    (b) 상기 제1 내지 제M 그룹들 중 하나를 선택하는 단계;
    (c) 상기 선택된 그룹에 해당하는 관리 기간 동안 상기 선택된 그룹에 포함된 단말 중 적어도 일부로부터 채널 상태 정보를 보고받아 무선 자원 할당을 수행하는 단계; 및
    (d) 이전에 선택된 그룹과는 다른 그룹을 선택하여 상기 (c) 단계로 복귀하는 단계를 포함하고,
    상기 선택된 그룹을 제외한 나머지 그룹에 포함된 단말은 상기 (c) 단계의 관리 기간 동안 송수신 기능을 비활성화하는 스케줄링 방법.
  11. 제10항에 있어서,
    상기 (a) 단계는 각 그룹에 대한 비취침 단말 - 채널 상태 정보를 보고하는단말 - 의 갯수 nm (Nm보다 작은 자연수로서, m은 그룹 인덱스로서 1 내지 M 사이에 있는 자연수, Nm은 제m 그룹의 그룹원 수를 나타냄)를 결정하는 단계를 포함하고,
    상기 (c) 단계는,
    (c1) 상기 선택된 그룹의 단말들 중에서 nm개의 단말을 선택하는 단계;
    (c2) 상기 선택된 단말로부터 채널 상태 정보를 보고받아, 상기 선택된 단말들 중 적어도 하나에 무선 자원을 할당하는 단계; 및
    (c3) 상기 무선 자원을 할당 받은 적어도 하나의 단말이 상기 할당 받은 무선 자원으로 송신 또는 수신을 수행하는 단계를 포함하고,
    상기 선택된 단말들을 제외한 상기 선택된 그룹 내의 나머지 단말들은 상기 (c2) 및 (c3) 단계에서 송수신 기능을 비활성화하는 스케줄링 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 (c) 단계는,
    (c4) nm개의 단말을 새로이 선택하여 상기 (c2) 단계로 복귀하는 단계를 더 포함하는 스케줄링 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 nm은
    제m 그룹의 단말들이 소모하는 에너지에 대한 상기 제m 그룹의 통신 시스템 효율이 최대가 되도록 선택된 자연수 값인 스케줄링 방법.
  14. 삭제
  15. 제10항에 있어서, 상기 (a) 단계는,
    상기 각 그룹에 대한 관리 기간을 그룹원 수에 비례하도록 결정하는 단계를 포함하는 스케줄링 방법.
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