KR101194829B1 - 임의 접속 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 임의 접속(Random Access) 메시지를 사용하여 이동 단말이 기지국에 접속하는 방식에 관한 것이다. 본 발명은 여러 개의 이동단말이 동시에 기지국에 접속을 요구할 경우 발생하는 충돌을 축소하는 방식에 관한 발명이다.

현재 IEEE 802.16 프로토콜에서 사용하고 있는 이진 지수 후진(Binary Exponential Back-off) 알고리즘에 기지국 임의 접속 방식은 메시지를 전송할 때 마다 채널 접속을 위해 경쟁하게 된다. 때때로 이들 경쟁들은 메시지 충돌을 낳게 되며 충돌된 메시지들은 임의로 선택되는 미래의 시간에 재전송하게 된다. 따라서 접속을 요구하는 이동단말의 수가 증가할 경우에는 과도한 임의 접속 메시지들의 의한 시스템 성능 저하가 불가피 하다.

본 발명은 임의 접속 메시지에 의한 충돌이 발생할 경우 기지국에서 충돌 해결 기법을 사용하여 충돌이 발생한 이동단말에게 다음에 송신할 접속 구간내의 타임 슬롯을 할당하여 충돌의 회수를 최소하는 방법에 관한 발명이다.

임의 접속(Random Access), 충돌 해결(conflict-resolution), 이진 지수 후진 알고리즘(Binary Exponential Backoff Algorithm)

Description

임의 접속 제어 방법{METHOD FOR CONTROLLING RANDOM ACCESS}

도 1: 상향 채널 구조.

도 2: 충돌해결 알고리즘의 충돌해결 트리.

기지국 접속 프로토콜은 채널 접속 알고리즘과 충돌해결 알고리즘의 두 개의 서로 다른 알고리즘으로 구성된다고 생각할 수 있다. 채널접속 알고리즘은 단말이 새로운 메시지를 언제 처음으로 전송하는 지를 결정하며 충돌 해결 알고리즘은 메시지 전송을 실패했을 때 언제 메시지를 재전송할 지를 결정한다, 예를 들면 슬롯 알로하(Slotted ALOHA)에서의 채널 접속 알고리즘은 메시지의 도착시간을 각 슬롯의 마지막 시점으로 하며, 충돌해결 알고리즘은 각각의 충돌된 메시지들이 미래의 임의 시점에 재전송되도록 다시 스케줄링한다.

본 발명은 임의 접속 메시지에 의한 충돌이 발생할 경우 기지국에서 충돌 해결 기법을 사용하여 충돌이 발생한 이동단말에게 다음에 송신할 접속 구간내의 타임 슬롯을 할당하여 충돌의 회수를 최소하는 방법이다.

현재 IEEE 802.16 프로토콜에서 사용하고 있는 이진 지수 후진(Binary Exponential Back-off) 알고리즘에서의 충돌해결은 기지국에 의해 제어되는 초기 후진 윈도우(Initial bakcoff window)와 최대 후진 윈도우(Maximum back-off window)에 기초하여 다음과 같이 행해진다. 대역폭을 요청하고자 하는 단말은 임의 후진 윈도우 와 최대 후진 윈도우 의 값을 UCD(Uplink Channel Descriptor) 메시지에 정의되어 있는 후진 시작점(request backoff start)와 후진 끝점(request back-off end)으로부터 얻는다. 이때 후진 시작점/후진 끝점(request backoff start/end)의 값이 4이면 윈도우의 크기는 16이 되고 10이면 1024가 된다. 단말은 임의로 후진 윈도우(backoff window)내의 하나의 값을 선택한다. 이 숫자는 단말이 대역폭 요청 메시지를 전송하기 전에 그냥 보내야 할 충돌(contention) 슬롯의 수(random access 구간내의 슬롯)를 나타낸다. 단말은 대역폭 요청 메시지를 전송한 후 이하 계속되는 맵(MAP)에서 씨디엠에이 할당메시지(CDMA_Allocation_IE)를 기다린다. 이를 수신하면 대역폭 요청 절차를 끝내게 되고, T16 타이머내에 이를 수신하지 못하면 대역폭 요청 절차가 실패한 것으로 간주하고 단말은 후진 윈도우를 최대 후진 윈도우를 초과하지 않는 한 두배로 증가시킨다. 위 과정을 최대 반복 횟수 만큼 시도하고 그래도 성공하지 못하면 해당 프로토콜 데이터 유닛(PDU: Protocol Data Unit)는 폐기된다.

현재 IEEE 802.16 프로토콜에서 사용하고 있는 이진 지수 후진(Binary Exponential Back-off) 알고리즘에 기지국 임의 접속방식은 메시지를 전송할 때 마 다 채널 접속을 위해 경쟁하게 된다. 때때로 이들 경쟁들은 메시지 충돌을 낳게 되며 충돌된 메시지들은 임의로 선택되는 미래의 시간에 재전송하게 된다. 따라서 접속을 요구하는 이동단말의 수가 증가할 경우에는 과도한 임의 접속메시지들의 의한 시스템 성능 저하가 불가피 하다.

본 발명은 임의 접속메시지에 의한 충돌이 발생할 경우 기지국에서 충돌 해결 기법을 사용하여 충돌이 발생한 이동단말에게 다음에 송신할 접속 구간내의 타임 슬롯을 할당하여 충돌의 회수를 최소하는 방법에 관한 발명이다.

도 1은 상향 채널 구조를 나타낸 것이다.

상향 채널이 다음 <도 1>에서 보는 바와 같이 데이터를 보내기 위한 구간과 대역폭 요청을 위한 임의 접속구간으로 구성된다. 또한 하향채널에는 각 슬롯에서의 충돌 발생 여부를 기지국이 단말에게 알려줄 수 있는 피드백 절차가 하향 맵(DL- MAP)에 필요하다. 5ms 주기로 상향링크와 하향링크 프레임을 시분할 듀플렉스(TDD: Time Division Duplex) 방식으로 전송하는 시스템에서 프레임 단위로만 피드백한다.

충돌해결 기법에 의한 임의접속이 이루어지려면 기지국은 특정 슬롯에서 충돌이 발생한 단말들이, 임의접속 구간내의 어떤 인접한 두 개의 슬롯에서 데이터를 전송해야 하는지를 단말들에게 하향 맵(DL-MAP)을 통하여 알려준다. 이는 하향 맵 메시지가 다음 도2에서 보는 바와 같이 임의 접속구간내의 슬롯 번호와 이전에 충돌이 발생한 슬롯 번호를 포함하고 있으면 가능하다. 즉 도2는 이전에 슬롯 46에서 충돌이 발생한 단말들이 현재 프레임의 슬롯 75와 76을 이용하여 전송하도록 하는 것을 나타낸다. 이때 임의접속 구간내의 슬롯 번호의 주기가 충분히 커서 충돌이 발생한 슬롯 번호와 오버랩이 발생하지 않아야 한다.

본 발명의 기본 개념은 상기 충돌해결 기법을 사용하여 충돌 발생시, 다음 번 메시지를 재전송할 때에는 충돌 발생 가능성을 줄이기 위해서 특정 2개의 슬롯에는 특정한 하나의 슬롯에서 충돌이 발생한 단말들만 메시지를 전송하도록 하는 방식을 택한다. 즉 어떤 프레임에서 향후 해결해야 할 충돌된 슬롯의 수가 n개라 하면 현재 프레임의 슬롯 x, x+1에서는 슬롯

에서 충돌이 발생한 단말들이, 슬롯 x+2, x+3에서는 슬롯

에서 충돌이 발생한 단말들이, 슬롯 (x+2n-2), (x+2n-1)에서는 슬롯

에서 충돌이 발생한 단말들이 메시지를 전송하도록 하는 방식이다.

향후 해결해야 할 충돌한 슬롯의 수는 기지국이 하나의 프레임에서 충돌이 발생한 슬롯의 수를 알 수 있다면 다음과 같이 구해질 수 있다.

를 i번째 프레임 시작시 앞으로 해결해야 할 충돌된 슬롯의 수라 하고

를 i번째 프레임에서 충돌 해결을 위해서 인접한 2개의 슬롯이 할당된 충돌의 수,

를 i번째 프레임에서 새로이 발생한 충돌된 슬롯의 수라 하면 i+1번째 프레임부터 향후 해결해 야 할 충돌된 슬롯의 수

은 다음과 같이 구해질 수 있다.

한편 하나의 프레임이 r개의 임의 접속 슬롯으로 이루어져 있다면

는 0~r/2 개의 값을 가질 수 있다. 따라서 i번째 프레임에서 해결해야 할 충돌의 수

가 r/2 를 초과한다면 r/2/

만큼의 충돌만 i번째 프레임에서 해결하도록 한다. 이는 전체 충돌이 발생한 단말 중 r/2/

만큼의 단말만 대역폭 요청 메시지를 재전송하도록 하는 것과 동일하다고 볼 수 있으므로, 충돌이 발생한 단말들이 각각 [0, 1] 사이의 난수를 뽑아 r/2/

보다 적으면 재전송하도록 한다.

그리고 새로운 호의 대역폭 요청 메시지들은 위와 같이 충돌된 메시지들을 재전송하는 구간이 결정되면 임의 접속구간내의 나머지 슬롯에서 전송하도록 한다.

다음은 위의 본 발명의 알고리즘을 요약한 결과이다.

충돌해결 알고리즘

하나의 프레임이 r개의 임의 접속 슬롯으로 이루어진다고 하자.

1. i번째 프레임에서 향후 해결해야 할 충돌된 슬롯의 수를

라 하자.

1) 만약

<= r/2 이면 처음 (1, r) 슬롯에서 현재까지 충돌된 모든 단말들이 대역폭 요청 메시지를 전송하도록 한다.

2) 만약

> r/2 이면 현재 충돌된 모든 단말 중 r/2/

개의 단말들만 처음 1 ~ r 슬롯에서 대역폭 요청 메시지를 전송하도록 한다.

2. 새로운 호들도 대역폭 요청 메시지를 임의접속 전 구간에서 전송하도록 한다.

본 발명은 이상에서 살펴본 바와 같이 바람직한 실시 예를 들어 도시하고 설명하였으나, 상기한 실시 예에 한정되지 아니하며 본 발명의 정신을 벗어나지 않는 범위 내에서 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변경과 수정이 가능할 것이다.

이상에서 상술한 본 발명 “충돌해결 기법을 사용한 기지국 임의 접속 방법”의 성능을 시뮬레이션에 의해 분석하면 다음과 같다.

이진 지수 후진 알고리즘의 성능은 최고 후진 윈도우, 최대 후진 윈도우, 최대반복 회수 등의 값에 따라 약간 다르게 나타날 수 있다. 본 시뮬레이션에서는 최대 후진 윈도우의 값은 1024로, 최대 반복 회수는 16으로 가정하였다.

충돌해결 알고리즘의 성능은 기지국 접속구간이 50개의 슬롯으로 구성되어 있다고 가정하다.

부하	평균접속시간		충돌비율
	Exp. Back	Conf. Res_rev	Exp. Back	Conf. Res_rev
5%	52.41	52.58	0.11	0.05
10%	55.19	55.22	0.24	0.11
15%	59.20	57.79	0.40	0.18
20%	65.77	60.82	0.64	0.26
25%	76.17	64.19	0.97	0.35
30%	102.16	67.80	1.55	0.45

상기 시뮬레이션의 결과에 의하면 평균접속시간은 30%의 부하에서 약 32%, 충돌 비율은 약 70% 감소하는 효과를 보인다.

Claims (3)

1. 기지국의 임의 접속 제어 방법으로서,

   상향 채널의 임의 접속 구간을 복수의 슬롯으로 분할하는 단계, 그리고

   제1 프레임에서 상기 복수의 슬롯 중 소정의 슬롯에서 충돌이 발생한 복수의 단말이, 제2 프레임에서 상기 복수의 슬롯 중 인접한 두 개의 슬롯으로 메시지를 전송하도록, 상기 인접한 두 개의 슬롯을 지정하여 상기 복수의 단말 중 적어도 하나의 단말로 전송하는 단계

   를 포함하는 임의 접속 제어 방법.
2. 제1항에서,

   상기 복수의 슬롯의 개수가 r개이고, 상기 제2 프레임에서 해결해야 하는 충돌의 수가 n개이고, 상기 n이 r/2 이하이면, 충돌된 모든 단말에게 각각 상기 복수의 슬롯 중 인접한 두 개의 슬롯을 지정하는 임의 접속 제어 방법.
3. 삭제

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