KR101623830B1 - 무선망에서의 자율적 부하균형 방법 - Google Patents

Abstract

일정 주기마다 이웃 노드의 부하 상태를 고려하여 점진적으로 오버로드 된 노드의 부하를 분배하는 무선망에서의 자율적 부하균형 방법이 제공된다. 본 발명에서 각 노드는, 부하변동 가능량을 산출하여 이웃 노드들에게 전송하는 단계와, 자신의 부하가 임계값 이상이고 자신의 부하변동 가능량이 음수이면 이웃 노드들의 부하변동 가능량에 기초하여 자신의 부하를 이웃 노드들에게 분배하는 단계를 일정 주기마다 반복하여 실행한다. 부하 분배 단계는, 이웃 노드들의 부하변동 가능량에 따라 이웃 노드들을 내림차순으로 정렬하는 정렬단계와, 상기 정렬된 순서대로 이웃 노드들에게 자신의 부하를 분배하되, 자신의 부하변동 가능량을 해당하는 부하가 모두 분배되거나 이웃 노드들의 부하변동 가능량의 총합만큼의 부하가 모두 분배될 때까지 수행하는 분배단계를 포함할 수 있다.

Description

무선망에서의 자율적 부하균형 방법 {Autonomous load balancing method in wireless network}

본 발명은 무선망에서의 자율적 부하균형 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 일정 주기마다 이웃 노드의 부하 상태를 고려하여 점진적으로 오버로드 된 노드의 부하를 분배하는 자율적 부하균형 방법에 관한 것이다.

무선 접속 네트워크는 가변적인 무선 통신 환경에서도 무선 자원을 효율적으로 이용하여 사용자에게 최대의 무선 데이터 속도를 제공할 수 있어야 한다. 이를 위해 다중 안테나, 다중 접속 방식, 송신전력 제어, 스케줄링, 링크 적응 등 다양한 무선 자원 관리 기법들이 개발되어 왔다. 이들은 무선 접속 서비스를 제공하는 노드와 무선 접속 단말 사이에 적용되어 시스템 효율을 증대시켜 왔다.

반면에 네트워크 전체의 관점에서 살펴보면 각 노드에게 부과되는 부하의 불균형으로 인해 네트워크 전체 자원의 이용 효율이 감소될 수 있다. 즉, 일부 노드의 부하가 높고 다른 노드의 부하가 낮은 경우 저부하 노드에 비해 과부하인 노드가 단말에게 제공하는 데이터 속도는 상대적으로 낮아진다. 이 경우 과부하 노드의 부하를 저부하 노드로 분배하게 되면 네트워크 자원의 전체 이용 효율성을 증대 시킬 수 있다.

이를 위해 노드 사이에 부하를 균형있게 분담하기 위한 기법이 요구된다. 다른 한편으로는 무선접속 네트워크의 복잡성이 증가함에 따라 네트워크 설계, 포설 및 운영을 자율화하여 네트워크 운영 효율을 극대화하기 위한 노력이 3GPP 등 표준화 기구를 통해 활발히 진행되고 있다.

본 발명은 노드 사이에서 자율적으로 부하를 균형있게 분담하면서도 시스템의 안정성을 보장할 수 있는 무선망에서의 자율적 부하균형 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는 자연계에 존재하는 동기화 현상에 착안하여 노드 사이의 자율적 부하균형(load balancing) 방법을 제공한다. 자연계 동기화 현상은 상호작용하는 집단을 구성하는 개체들 사이에 발생된다.

본 발명에서는 부하균형을 맞추기 위해 자신의 부하상태를 교환하는 노드들의 집단을 정의하고 이들이 부하를 균일하게 맞추기 위한 과정을 동기화 과정으로 모델링한다. 이를 위해 본 발명에서는 자연계 동기화 현상에 대한 수학적 모델들 중에서 각 진동자 (phase oscillator)의 위상각 동기화 모델인 쿠라모토 모델을 적용한다. 이를 통해 본 발명은 각 노드가 1-홉 이웃 노드의 정보만을 이용하여 과부하 노드가 분배해야 할 부하의 양과 저부하 노드가 수용해야 하는 부하의 양을 자율적으로 결정한다.

본 발명은 복수의 노드로 이루어진 무선망에서의 자율적 부하균형 방법에 관한 것으로서, 각 노드에서 부하변동 가능량을 산출하여 이웃 노드들에게 전송하는 제1단계와, 자신의 부하가 임계값 이상이고 자신의 부하변동 가능량이 음수이면 이웃 노드들의 부하변동 가능량에 기초하여 자신의 부하를 이웃 노드들에게 분배하는 제2단계를 일정 주기마다 반복하여 실행한다.

제2단계는, 이웃 노드들의 부하변동 가능량에 따라 이웃 노드들을 내림차순으로 정렬하는 정렬단계와, 상기 정렬된 순서대로 이웃 노드들에게 자신의 부하를 분배하되, 자신의 부하변동 가능량에 해당하는 부하가 모두 분배되거나 이웃 노드들의 부하변동 가능량의 총합만큼의 부하가 모두 분배될 때까지 수행하는 분배단계를 포함한다.

분배단계에서 이웃 노드에게 분배하는 부하량은, 자신의 부하변동 가능량에서 이웃 노드들에게 현재까지 분배한 부하를 뺀 양과 해당 이웃 노드의 부하변동 가능량 중에서 작은 양으로 결정할 수 있다. 또는, 자신의 부하변동 가능량에서 이웃 노드들에게 현재까지 분배한 부하를 뺀 양과 해당 이웃 노드의 부하변동 가능량 중에서 작은 양보다 같거나 작은 값으로 결정할 수도 있다.

본 발명에 따르면, 노드들은 지역적 정보만을 이용한 자율적 부하 분배 결정을 통해서도 이웃 노드와 부하 균형을 맞출 수 있다.

도 1은 본 발명의 부하 균형 방법이 적용되는 무선망 및 노드의 구성의 일 예를 보여주는 블록도이다.
도 2은 일반적인 무선망의 토폴로지의 한 예를 보여주는 도면이다.
도 3은 본 발명의 자율적 부하균형 방법의 동작 알고리즘을 보여주는 도면이다.
도 4는 본 발명의 방법의 성능을 평가하기 위하여 사용한 토폴로지의 예이다.
도 5는 도 4의 토폴로지에 본 발명의 방법을 적용하였을 때의 노드의 부하수준의 변화를 보여주는 그래프이다.

이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 예로 들어 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 부하 균형 방법이 적용되는 무선망 및 노드의 구성의 일 예를 보여주는 블록도이다.

무선통신망의 노드(100)(4GPP의 경우 기지국 역할을 하는 eNodeB(eNB))는 X2 인터페이스를 통해 이웃 노드들(Node j, Node k)과 연결되어 있다. 일반적으로 노드 사이의 연결은 고속 백홀망(backhaul network)이 이용되므로 X2 인터페이스를 통한 정보 전송 지연은 무시할만큼 작다고 가정한다.

노드(100)는 스케줄러(scheduler)(120), 부하 밸런서(load balancer)(110) 그리고 이웃 노드의 상태 정보를 저장하는 데이터베이스(130)와 자신이 서비스 중인 UE들의 풀에 대한 데이터베이스(140) 등 두 개의 데이터베이스를 포함한다.

일반적으로 서로 다른 UE들이 요구하는 자원양은 상이하며 UE와 노드 사이의 통신 환경은 동적이다. 노드(100)는 서비스 중인 UE의 정보를 데이터베이스(140)를 통해 관리하며 이 정보는 스케줄러(120)가 UE의 서비스 순서를 결정하기 위해 사용한다. 스케줄링 목적에 따라 다양한 스케줄러가 사용될 수 있으나 본 특허는 로드 벨런싱에 관한 것이므로 일반성에 위배됨이 없이 노드는 자신의 자원을 수용한 UE에게 평균적으로 공평하게 할당할 수 있는 스케줄러가 있다고 가정한다.

부하 밸런서(110)는 본 발명의 방법에 따라 노드 사이에 부하를 균등하게 분배하기 위해 동작한다. 부하 밸런서(110)는 주기 T마다 동작하는 일종의 이산 시간 제어기로, 부하 밸런서(110)는 매 T마다 주기적으로 측정된 값을 이용한다. 즉, 시간은 슬롯 지속시간이 T인 슬롯들(

)로 분할 된다. 노드는 슬롯마다 사용된 자원 양을 측정하여 자신의 부하 수준을 결정한다.

즉, 노드 i가 주기 T, 즉 슬롯

동안 측정한 자원의 평균 사용량을 u_i라 하고, 노드 i의 최대 자원양을

로 표기하면, 슬롯

동안 노드 i의 부하 수준 ρ _i 는

가 된다.

매 슬롯의 끝에서 노드는 X2 인터페이스를 통해 이웃 노드들에게 자신의 부하 수준을 전송하고 이와 같은 방법을 통해 노드는 이웃 노드의 상태 정보를 데이터베이스를 통해 관리한다.

이동통신망, 무선센서망, 애드혹 무선망 등의 무선망에서 무선 접속 서비스를 제공하는 노드들은 다른 노드들과 부하를 분담할 수 있다. 예를 들어 도 2의 토폴로지를 갖는 무선망에서 노드 n1은 이웃 노드들(노드 n2~노드 n8)과 부하를 분담할 수 있다.

본 발명에서는 부하균형을 맞추기 위해 자신의 부하상태를 교환하는 노드들의 집단을 정의하고 이들이 부하를 균일하게 맞추기 위한 과정을 동기화 과정으로 모델링한다. 이를 위해 본 발명에서는 자연계 동기화 현상에 대한 수학적 모델들 중에서 각 진동자 (phase oscillator)의 위상각 동기화 모델인 쿠라모토 모델을 적용한다.

쿠라모토 모델은 각 진동자의 위상각이 동기화 되는 현상을 모델링한 것으로서 다음과 같이 기술된다. 각 진동자 i의 고유 주파수를 ω _i , 위상각을 θ _i , 진동자 i와 j 사이의 연관 계수를 K _ij , i의 이웃 진동자의 집합을 N _i 라고 하면 θ _i 의 변화는 수학식 1과 같이 주어진다.

부하균형을 위해서는 과부하인 노드는 분배해야 할 부하의 양과 이웃 노드를 결정해야 하며, 이웃 노드에 비해 부하가 상대적으로 낮은 노드는 수용 가능한 부하의 양을 결정해야 한다. 이를 위해 본 발명에서는 각 진동자의 위상이 동기화되는 현상을 이웃 노드들 사이의 부하균형을 맞추는 과정으로 모델링하였다. 모든 노드들의 타입이 동일하다고 가정하여 ω _i =0, K _ij 를 1로 동일하게 적용한다. N _i 를 노드 i의 이웃 노드의 집합으로 표기하고 위상각을 노드 i의 부하 ρ _i 로 모델링하면 이웃 노드와의 부하균형을 위한 노드 i의 부하 변동 가능량 Δ _i 는 수학식 1에 의해 수학식 2와 같이 결정된다.

는 양수로서 제어 가능한 부하양의 크기를 조정하기 위해 사용된다. Δ _i >0이면 이웃 노드와의 부하균형(즉, 동기화)을 위해 노드 i의 부하는 Δ _i 만큼 증가해야 한다. 따라서, Δ _i >0인 경우 노드 i는 이웃 노드들보다 상대적으로 부하가 낮으며 이웃 노드들로부터 Δ _i 만큼의 부하를 수용할 수 있다는 것을 의미한다.

반대로 Δ _i <0이면 부하 균형을 위해 노드 i는 Δ _i 만큼 노드 i의 부하 ρ _i 를 감소해야 한다. 따라서 이 경우는 노드 i가 이웃 노드들보다 부하가 크며 이웃 노드와의 부하균형을 맞추기 위해서는 Δ _i 만큼의 부하를 감소해야 한다는 것을 의미한다.

부하 균형을 위해 오버로드된 노드 i의 부하를 이웃 노드에게 분배하는 방법은 다양하게 고려할 수 있으며 어떤 방법을 쓰느냐에 따라 노드 측면에서의 안정화 속도와 시스템 측면에서의 안정성 측면에서 차이가 난다. 예를 들어 오버로드인 노드가 자신의 이웃 노드 중 가장 부하가 작은 노드에게 자신의 부하를 모두 분배하는 경우를 상정해보자. 즉, 오버로드 상태인 노드 i가 자신의 부하에서 임계값(예를 들면, 오버로드가 되지 않는 최대 부하량)만큼을 제한 부하를 부하가 가장 낮은 이웃 노드 k에게 분배하는 경우 노드 i는 빠르게 오버로드 상태를 벗어날 수 있지만 한번에 많은 부하를 넘겨 받은 노드 k가 오버로드될 확률이 커지게 된다. 이 경우 노드 k는 또 다시 자신의 부하에서 임계값만큼을 제한 부하를 노드 k의 이웃 중 부하가 가장 낮은 노드에게 분배하게 되고 이 과정이 반복되면 많은 양의 부하가 연속적으로 이웃 노드들 사이에 이동하게 되어 시스템의 안정성을 보장 받을 수 없다.

본 발명에서는 이와 같은 문제를 해결하기 위하여 일정 주기마다 이웃 노드의 부하 상태를 고려하여 점진적으로 오버로드 된 노드의 부하를 분배함으로써 시스템의 안정성을 꾀하고 있다.

이웃 노드의 부하 변동 가능량을 이용하여 점진적으로 부하를 분배하는 본 발명의 자율적 부하 분배 방법을 도 3에 도시하였다. 도 3의 동작은 매 주기 T마다 각 노드에서 수행된다.

먼저, 시스템 내의 노드의 집합을 N이라 하고, 노드 i의 이웃 노드의 집합을 N _i 라고 하면, 라인 0에서 N에 속하는 각 노드 i는 수학식 2에 의해 노드 i의 부하 변동 가능량 Δ _i 를 계산하여 이웃 노드들에게 전송한다.

라인 1에서 노드 i는 자신의 부하가 임계값 이상이고(ρ _i >ρ _th ), 부하 변동 가능량이 음수이면(Δ _i <0) 이웃 노드들에게 자신의 부하 분배를 시작한다. ρ _th 는 노드가 과부하(overload) 상태인지를 점검하기 위한 부하 임계값이다.

라인 2~4에서는 N _i 에 속하는 이웃 노드 j의 부하 변동 가능량(Δ _j )을 고려하여 각 이웃 노드에게 분배할 부하 양을 결정하기 위하여, 노드 i는 이웃 노드의 집합을 부하 변동 가능량(Δ _j )에 따라 내림차순으로 정렬한 후에 관련 변수(j, Δ _ho )를 초기화한다. 라인 2에서

는 노드 의 이웃 노드들을 그들의 부하 변동 가능량에 따라 내림차순으로 정렬한 집합이다.

라인 5에서 과부하인 노드 i는 자신의 부하를 이웃 노드의 부하변동 가능량 Δ _j 에 따라 이웃 노드에게 분배한다. 노드 i의 부하는 이를 수용할 수 있는 이웃 노드들에게만 분배되어야 하므로 노드 i의 부하 분배 과정은 노드 i의 부하가 Δ _i 만큼 모두 분배되거나 이웃 노드들이 수용할 수 있는 최대값인

만큼 부하를 이웃 노드에게 분배할 때까지 반복된다.

라인 5에서 노드 i가 하나의 이웃 노드에게 분배하는 부하량(l _ho )은, 자신의 부하변동 가능량에서 이웃 노드들에게 현재까지 분배한 부하를 뺀 양Δ _ho 과 해당 이웃 노드의 부하변동 가능량 Δ _j 중에서 작은 양으로 결정할 수 있다. 또는, 실시예에 따라서는 이웃 노드에게 분배하는 부하량은, 자신의 부하변동 가능량에서 이웃 노드들에게 현재까지 분배한 부하를 뺀 양과 해당 이웃 노드의 부하변동 가능량 중에서 작은 양보다 같거나 작은 값으로 결정할 수 있다.

도 3의 절차는 주기 T마다 수행되며, 이번 라운드에서 노드 i가 이웃 노드에게 분배한 부하의 양은 노드 i의 부하에서 임계값을 뺀 부하량(ρ _i -ρ _th )보다 작을 수 있다. 이 경우에 노드 i는 이번 라운드 종료 후, 즉 도 3의 절차를 수행한 후에도 오버로드 상태가 된다. 그러나 다시 주기 T 만큼의 시간이 지난 후, 즉 다음번 라운드에서 도 3의 과정이 반복되기 때문에 궁극적으로 노드 i의 부하는 임계값보다 작아지게 된다.

이와 같은 본 발명의 알고리즘의 성능을 모의실험을 통해 평가하였다. 모의실험에서는 각 노드가 서비스하는 셀을 정육각형으로 설정한 후 36개의 노드를 포설하여 도 4와 같이 벌집 모양의 토폴로지를 구성하였다.

과부하를 판단하기 위한 임계값 ρ _th 를 0.7로 설정하고 모든 노드의 최대 자원량

를 1로 동일하게 설정하였다. 특정 무선접속 시스템의 영향을 고려하지 않고 본 발명의 알고리즘의 타당성을 검증하기 위해 노드 n₀, n₇, n₉, n₁₁, n₁₃, n₁₅, n₁₇을 과부하 노드로 지정하고, 이들의 초기 부하는 [ρ _th ,1]에서 균일 (uniform) 분포에 따라 설정하였으며 이 외의 노드들의 부하는 [0,ρ _th )에서 균일분포에 따라 설정하였다.

실험 시작 이후 본 발명의 방법에 의해 부하가 임계값 이하가 되는 과부하 노드의 부하는 다시 [ρ _th ,1]에서 균일 분포에 따라 임의로 설정되게 한 후 노드들의 부하 변화량을 고찰하였다.

도 5는 K=1,

=0.1, T=1초인 경우 토폴로지의 중앙에 위치한 n₀~n₆의 부하 변동을 나타낸다. 도 5에서 가로축은 시간을 나타내며, 그래프에 표시된 한 칸이 1초를 나타낸다. 도 5의 최상측의 그래프부터 아래쪽으로 각각 n₀~n₆의 부하 변동을 보여주고 있다.

초기 과부하인 n₀의 ρ ₀ =0.95는 본 발명의 알고리즘에 의해 이웃 노드에게 분배된다. 도 5에서 보는 바와 같이 초기에 n₆와 n₅의 부하가 다른 노드에 비해 상대적으로 낮기 때문에 n₀의 부하는 이들 노드에게 분배되며 t=5에서 ρ ₀ <ρ _th 로 안정화 된다. t=6에서 ρ ₀ 가 0.78로 상승하면 Δ₀는 이웃 노드들에게

에 따라 순차적으로 분배된다.

n₁의 경우 n₀의 다른 이웃 노드에 비해 부하가 높기 때문에 부하 변동 가능량 Δ₁이 이들보다 상대적으로 작다. 따라서 n₀의 과부하는 n₁에게는 전달되지 않으므로 은 일정하게 유지된다.

본 발명의 방법에 따르면 도 5에 도시한 것처럼 오버로드 상태인 노드 0번의 부하는 3~5번의 라운드가 지나면 임계값 이하로 떨어지는 것을 볼 수 있다.

이상, 본 발명을 몇가지 예를 들어 설명하였으나, 본 발명의 실시예를 구성하는 모든 구성 요소들이 하나로 결합하거나 결합하여 동작하는 것으로 설명되었다고 해서, 본 발명이 반드시 이러한 실시예에 한정되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 목적 범위 안에서라면, 그 모든 구성 요소들이 하나 이상으로 선택적으로 결합하여 동작할 수도 있다. 또한, 그 모든 구성 요소들이 각각 하나의 독립적인 하드웨어로 구현될 수 있지만, 각 구성 요소들의 그 일부 또는 전부가 선택적으로 조합되어 하나 또는 복수 개의 하드웨어에서 조합된 일부 또는 전부의 기능을 수행하는 프로그램 모듈을 갖는 컴퓨터 프로그램으로서 구현될 수도 있다. 그 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 본 발명의 기술 분야의 당업자에 의해 용이하게 추론될 수 있을 것이다. 이러한 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 저장매체(Computer Readable Media)에 저장되어 컴퓨터에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써, 본 발명의 실시예를 구현할 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 저장매체로서는 반도체 기록매체, 자기 기록매체, 광 기록매체, 캐리어 웨이브 매체 등이 포함될 수 있다.

또한, 이상에서 기재된 "포함하다", "구성하다" 또는 "가지다" 등의 용어는, 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 해당 구성 요소가 내재할 수 있음을 의미하는 것이므로, 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

100 노드,
110 부하 밸런서,
120 스케줄러.

Claims (7)

1. 복수의 노드로 이루어진 무선망에서의 자율적 부하균형 방법으로서,
   각 노드에서 각 진동자(phase oscillator)의 위상각 동기화 모델인 쿠라모토 모델에 기초하여 부하변동 가능량을 산출하여 이웃 노드들에게 전송하는 제1단계와,
   자신의 부하가 임계값 이상이고 자신의 부하변동 가능량이 음수이면 이웃 노드들의 부하변동 가능량에 기초하여 자신의 부하를 이웃 노드들에게 분배하는 제2단계
   를 일정 주기마다 반복하여 실행하는 자율적 부하균형 방법.
2. 제1항에 있어서, 제2단계는
   이웃 노드들의 부하변동 가능량에 따라 이웃 노드들을 내림차순으로 정렬하는 정렬단계와,
   상기 정렬된 순서대로 이웃 노드들에게 자신의 부하를 분배하되, 자신의 부하변동 가능량에 해당하는 부하가 모두 분배되거나 이웃 노드들의 부하변동 가능량의 총합만큼의 부하가 모두 분배될 때까지 수행하는 분배단계
   를 포함하는 자율적 부하균형 방법.
3. 제2항에 있어서,
   상기 분배단계에서 이웃 노드에게 분배하는 부하량은, 자신의 부하변동 가능량에서 이웃 노드들에게 현재까지 분배한 부하를 뺀 양과 해당 이웃 노드의 부하변동 가능량 중에서 작은 양으로 결정하는 것을 특징으로 하는 자율적 부하균형 방법.
4. 제2항에 있어서,
   상기 분배단계에서 이웃 노드에게 분배하는 부하량은, 자신의 부하변동 가능량에서 이웃 노드들에게 현재까지 분배한 부하를 뺀 양과 해당 이웃 노드의 부하변동 가능량 중에서 작은 양보다 같거나 작은 값으로 결정하는 것을 특징으로 하는 자율적 부하균형 방법.
5. 삭제
6. 제1항에 있어서,
   

   

   , N_i 를 노드 i의 이웃 노드들의 집합이라 하고, 노드 i의 부하를 ρ_i 라 하고 이웃 노드 j부하를 ρ_j 라 할 때, 상기 부하변동 가능량 Δ_i 는
   

   

   
   에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 자율적 부하균형 방법.
7. 제6항에 있어서, 노드 i의 부하 ρ _i 는
   한 주기동안 사용된 노드 i의 평균 자원량을 u _i 라 하고 노드 i의 최대 자원량을

   

   라 할 때
   ρ _i =

   

   
   에 의해 산출하는 것을 특징으로 하는 자율적 부하균형 방법.
   
   

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