KR102094988B1 - 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법 - Google Patents

다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 실시예에 따른 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법은 LIA 혼잡 제어 기법에 따라 메인 네트워크 경로의 혼잡 윈도우 크기를 1/2로 줄이기 이전에, 메인 네트워크 경로의 채널 신호대 잡음비를 측정하여, 메인 네트워크 경로의 혼잡 윈도우 크기를 최적화할 수 있다. 그러므로 다중 경로를 통해 전송할 수 있는 데이터 전송량이 항시 최대로 유지되도록 할 수 있다.

Description

다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법{CONGESTION WINDOW CONTROL METHOD FOR MULTIPATH TRANSMISSION CONTROL PROTOCOL}
본 발명은 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 다중경로 전송제어프로토콜에서 최적의 데이터 오프로딩을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
차세대 이동통신 네트워크인 5G 네트워크는 높은 데이터 전송율과 낮은 지연율을 필요로 하는 증강현실(Augmented Reality, AR), 가상현실(Virtual Reality, VR), 자율주행차와 같은 다양한 차세대 응용들을 지원할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 5G 서비스의 요구사항을 만족시키기 위해 3GPP(3rd Generation Partnership Project)는 5G NR(New Radio) 기술의 표준화를 준비중이다. 5G에서 이용되는 밀리미터파(Millimeter-wave) 기술은 기존 셀룰러 망의 3 GHz 대역과 비교했을 때 훨씬 넓은 대역폭을 지원하기 때문에 5G NR 서비스 시나리오 중 하나인 초광대역 이동 통신(enhanced Mobile Broadband: eMBB) 서비스를 실현하기 위해 필수적인 역할을 할 것으로 보인다.
하지만 밀리미터파 신호는 높은 경로 감쇄(path-loss)를 가지며 건물, 나무, 사람 등과 같은 장애물(blockage)에 의한 영향을 극심하게 받게 된다. 이러한 밀리미터파의 채널 특성 때문에 5G 네트워크에서는 물리 계층(Physical layer)과 MAC 계층(Media Access Control layer)뿐만 아니라 전송 계층(transport layer)에서의 신중한 설계가 필요하게 되었다. 상기한 바와 같이, 밀리미터파 신호는 장애물에 취약하기 때문에 LOS(Line-Of-Sight)에서 NLOS(Non- Line-Of-Sight) 상태로의 변화를 겪게 되고, 이로 인해 급작스런 수신신호 퀄리티의 저하를 겪게 된다. 즉 NLOS 지역의 밀리미터파는 낮은 신호세기를 가지기 때문에, NLOS 지역에 있는 통신 기기는 LOS 지역에 있는 통신 기기보다 더 많은 패킷 수신 실패를 겪게 된다. 이는 밀리미터파 링크의 높은 패킷 손실률(Packet Loss Rate: 이하 PLR)로 이어지게 된다.
이에 최근 전송 계층에서 다중경로 전송제어프로토콜(Multipath Transmission Control Protocol: 이하 MPTCP)에 대한 연구가 활발하다. 높은 전송 성능을 목표로 하는 MPTCP는 다수의 네트워크 인터페이스를 동시에 셋업하고 관리할 수 있다. 그러나 MPTCP를 이용하는 경우에도 장애물에 취약한 밀리미터파 링크의 채널 특성은 여전히 전송 계층의 성능을 심각하게 저해할 수 있다.
이러한 문제를 해소하기 위해 일반적으로 TCP(Transmission Control Protocol)는 가산적 증가 배수적 감소(Additive Increase Multiplicative Decrease: 이하 AIMD)기법에 따라 혼잡 윈도우(congestion window)의 크기를 조절한다. AIMD 기법은 패킷 손실이 발생할 때마다, 혼잡 윈도우의 크기를 배수적(예를 들면, 1/2)로 줄이며, 패킷 손실이 발생되지 않으면 ACK를 확인할 때 RTT(Round-Trip-Time)마다 혼잡 윈도우 크기를 1 mss(maximum segment size)씩 가산적으로 증가시킨다.
그러나 상기한 바와 같이, AIMD 기법은 증가 보다 감소에 더 큰 변화율을 가지므로, 패킷 손실률이 높아지면 TCP 전송률이 크게 감소되는 문제가 있다.
한국 공개 특허 제10-2014-0111092호 (2014.09.18 공개)
본 발명의 목적은 다중경로에 각각 대한 혼잡 윈도우, RTT 및 패킷 손실률과 같은 경로 상태를 반영하여 전송 데이터를 오프로딩 시킴으로써, 경로 상태에 따른 전송량을 최대로 유지할 수 있는 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 채널의 신호대 잡음비에 응답하여, 혼잡 윈도우의 절단율을 다중경로의 경로별 패킷 손실률에 기반하여 연산하고, 연산된 혼잡 윈도우의 절단율에 따라 혼잡 윈도우의 크기를 감소시킴으로써, 다중경로 전송 제어프로토콜의 데이터 오프로딩을 최적화 할 수 있는 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치는 지정된 다중경로 다중 경로(rNR, rLTE) 중 메인 네트워크 경로(rNR)에 대한 신호대 잡읍비(이하 SNR)을 측정하고, 측정된 SNR이 기지정된 임계값 미만인지 판별하는 SNR 측정부; 상기 SNR이 상기 임계값 미만이면 활성화되고, 기지정된 시간 주기(TI)마다 다중 경로(rNR, rLTE) 각각에 대한 혼잡 윈도우의 크기(wNR, wLTE), 패킷 손실률(pNR, pLTE) 및 RTT(τNR, τLTE)과 전송해야할 트래픽의 양(Rapp)에 따라 기설정된 방식으로 다중 경로를 이용하여 데이터를 전송할 수 있는 전체 전송량(
Figure 112018086530544-pat00001
)이 최대가 되도록 혼잡 윈도우의 크기를 가변하기 위한 최적 절단율(αopt)을 계산하는 절단율 연산부; 및 상기 시간 주기(TI)로 인가되는 상기 최적 절단율(αopt)에 따라 상기 메인 네트워크 경로(rNR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(wNR)를 가변하는 혼잡 윈도우 제어부; 를 포함한다.
상기 절단율 연산부는 수학식
Figure 112018086530544-pat00002
에 따라 상기 최적 절단율(αopt)을 계산할 수 있다.
상기 혼잡 윈도우 제어부는 상기 메인 네트워크 경로(rNR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(wNR)를 (αopt*wNR)로 가변할 수 있다.
상기 혼잡 윈도우 제어부는 가변된 혼잡 윈도우의 크기(αopt*wNR)에 따라 상기 메인 네트워크 경로(rNR)로 데이터를 전송할 최적 전송량(
Figure 112018086530544-pat00003
= αopt * xNR)을 결정하고, 상기 트래픽의 양(Rapp)에서 상기 메인 네트워크 경로(rNR)의 최적 전송량(
Figure 112018086530544-pat00004
)을 제외한 나머지를 다른 경로로 전송하기 위해 최적 전송량(
Figure 112018086530544-pat00005
=
Figure 112018086530544-pat00006
* xLTE)을 결정할 수 있다.
상기 메인 네트워크 경로는 상기 다중 경로 중 RTT가 가장 작은 경로이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 방법은 지정된 다중경로 다중 경로(rNR, rLTE) 중 메인 네트워크 경로(rNR)에 대한 신호대 잡읍비(이하 SNR)을 측정하는 단계; 측정된 SNR이 기지정된 임계값 미만인지 판별하는 단계; 상기 SNR이 상기 임계값 미만이면, 기지정된 시간 주기(TI)마다 다중 경로(rNR, rLTE) 각각에 대한 혼잡 윈도우의 크기(wNR, wLTE), 패킷 손실률(pNR, pLTE) 및 RTT(τNR, τLTE)과 전송해야할 트래픽의 양(Rapp)에 따라 기설정된 방식으로 다중 경로를 이용하여 데이터를 전송할 수 있는 전체 전송량(
Figure 112018086530544-pat00007
)이 최대가 되도록 혼잡 윈도우의 크기를 가변하기 위한 최적 절단율(αopt)을 계산하는 단계; 및 상기 최적 절단율(αopt)에 따라 상기 시간 주기(TI)로 상기 메인 네트워크 경로(rNR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(wNR)를 가변하는 단계; 를 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법은 LIA 혼잡 제어 기법에 따라 메인 네트워크 경로의 혼잡 윈도우 크기를 1/2로 줄이기 이전에, 메인 네트워크 경로의 채널 신호대 잡음비를 측정하여, 메인 네트워크 경로의 혼잡 윈도우 크기를 최적화할 수 있다. 그러므로 다중 경로를 통해 전송할 수 있는 데이터 전송량이 항시 최대로 유지되도록 할 수 있다.
도1 은 MPTCP의 스택 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도2 는 MPTCP의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 MPTCP 시스템을 나타낸다.
도4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 장치를 나타낸다.
도5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 방법을 나타낸다.
도6 은 도5 의 OBR 기법을 소프트웨어 프로그램으로 구현하기 위한 OBR 알고리즘을 나타낸다.
도7 은 본 발명의 실시예에 따른 OBR 기법의 성능을 시뮬레이션한 도면이다.
본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다.
이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 설명함으로써, 본 발명을 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 설명하는 실시예에 한정되는 것이 아니다. 그리고, 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략되며, 도면의 동일한 참조부호는 동일한 부재임을 나타낸다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 명세서에 기재된 "...부", "...기", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도1 은 MPTCP의 스택 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도2 는 MPTCP의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도1 에서 (a)는 기존의 TCP 통신을 위한 스택 구조를 나타내고, (b)는 MPTCP 통신을 위한 스택 구조를 나타낸다. (b)에 도시된 바와 같이 MPTCP에서는 TCP 계층을 하나의 MPTCP 계층과 그 하위에 다수의 TCP 서브플로우(subflow)로 구분하고, 다수의 TCP 서브 플로우 개수에 대응하여 IP 계층 또한 또한 다수 개로 구분한다.
여기서 TCP 서브플로우는 각각의 네트워크 인터페이스를 통해 설정된 종단간 연결에 흐르는 패킷의 흐름을 의미한다.
즉 도2 에 도시된 바와 같이, MPTCP에서는 하나의 어플리케이션(Application) 또는 호스트(Host)가 각각 서로 다른 다수의 경로를 구성하고, 다수의 경로를 통해 동시에 하나의 데이터를 송수신할 수 있다.
도2 에서는 클라이언트(client)-서버(server)의 2개의 호스트가 MPTCP 통신 방식에 따라 3개의 서로 다른 경로를 통해 통신을 수행하는 경우를 도시하였다.
도2 에 나타난 바와 같이, 2개의 호스트는 각각 3개의 경로를 통해 통신을 수행하며, 이중 제1 경로(TCP sub-flow1)는 6mbps의 속도로 통신을 수행할 수 있고, 제2 경로(TCP sub-flow2)는 2mbps의 속도로 통신을 수행할 수 있으며, 제3 경로(TCP sub-flow3)는 1mbps의 속도로 통신을 수행할 수 있다.
따라서 2개의 호스트는 3개의 경로를 통해 9mbps의 속도로 통신을 수행할 수 있게 되며, 3개의 경로 중 적어도 하나가 혼잡하거나 차단되더라도, 데이터를 송수신 할 수 있게 된다.
즉 MPTCP는 다수의 경로를 이용하므로, 특정 경로에 혼잡(congestion)이 발생하거나 연결이 끊어지더라도 다른 경로를 통해 연속적으로 데이터를 주고 받을 수 있어 항상 최선의 연결을 보장하는 장점이 있다.
도3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 MPTCP 시스템을 나타낸다.
현재 3GPP에서는 5G 네트워크의 최초 버전으로 5G NR과 4G LTE 자원을 동시에 이용하는 NSA(non-standalone)을 고려하고 있다. 이에 도3 에서도 5G NR과 4G LTE의 이종 네트워크 경로를 이용하는 MPTCP를 도시하였다. 즉 MPTCP는 단지 상이한 경로를 통한 데이터 전송을 의미하는 것이 아니라 이종 네트워크의 경로를 이용할 수 있다.
MPTCP를 이용한 5G NR과 LTE의 어그리게이션(aggregation)은 5G eMBB 서비스의 높은 데이터 전송량 요구조건을 만족시키기 위한 기술 중 하나이다. 하지만 5G NR과 LTE가 어그리게이션 되어 동시에 사용될 지라도, 상기한 바와 같이, 밀리미터파의 장애물에 취약한 채널 특성은 전송 계층의 성능을 심각하게 저하할 수 있다. 이에 5G NR 경로의 혼잡 윈도우 크기를 조절하여 최적의 오프로딩(offloading)을 통해 최적의 전송률을 달성할 필요가 있다.
이하에서는 MPTCP가 일예로 5G NR과 4G LTE 네트워크를 이용하는 것으로 가정하여 설명한다. 즉 경로(r)은 5G NR 네트워크의 경로(rNR)과 4G LTE 네트워크의 경로(rLTE)를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예에 따른 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법은 5G NR과 4G LTE 네트워크뿐만 아니라 서로 다른 네트워크를 이용하는 MPTCP에 모두 적용될 수 있다.
도4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 장치를 나타낸다.
도4 를 참조하면, 본 실시예에 따른 혼잡 윈도우 제어 장치는 SNR 측정부(110), 데이터 입력부(120), 절단율 연산부(130) 및 혼잡 윈도우 제어부(140)를 포함한다.
우선 SNR 측정부(110)는 다수의 전송 경로 중 적어도 하나의 경로에 대한 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio: 이하 SNR)(
Figure 112018086530544-pat00008
)를 측정한다. 특히 SNR 측정부(110)는 다수의 경로 중 혼잡 윈도우의 크기를 조절할 필요가 있는 메인 네트워크 경로의 신호대 잡음비(이하 SNR)을 측정한다. 여기서 메인 네트워크 경로는 MPTCP의 다수의 경로 중 RTT가 가장 작은 경로를 의미하며, 5G NR 일 수 있다.
그리고 SNR 측정부(110)는 측정된 SNR(
Figure 112018086530544-pat00009
)이 기지정된 임계값(
Figure 112018086530544-pat00010
) 미만인지 판별하고, SNR(
Figure 112018086530544-pat00011
)이 임계값(
Figure 112018086530544-pat00012
) 미만이면 절단율 연산부(130)를 활성화한다.
한편 데이터 입력부(120)는 전송할 데이터를 혼잡 윈도우 제어부(140)로 전달한다. 여기서 전송할 데이터는 어플리케이션 계층에서 생성되어 전송되어야 하는 데이터로서, 데이터의 크기는 전송할 트래픽의 양(Rapp)이다. 데이터 입력부(120)는 트래픽의 양(Rapp)을 절단율 연산부(130)로 전달한다.
활성화된 절단율 연산부(130)는 기설정된 시간 주기(TI)마다 혼잡 윈도우의 크기를 조절하기 위한 최적 절단율(αopt)을 계산한다. 본 실시예에서 최적 절단율(αopt)은 MPTCP에서 다수의 경로를 이용하여 데이터를 전송할 수 있는 전체 전송량의 기대값(
Figure 112018086530544-pat00013
)이 최대가 되도록, 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 가변하기 위한 파라미터를 의미한다. 또한 최적 절단율(αopt)은 메인 네트워크 경로의 혼잡 윈도우의 크기를 가변하는 절단율(α, 여기서, 0 ≤ α ≤ 1)의 최적화 값을 의미한다. 즉 5G NR 네트워크의 절단율(αNR)의 최적화 값을 의미할 수 있다.
따라서 최적 절단율(αopt)을 계산하기에 앞서, MPTCP 전체 전송량의 기대값(
Figure 112018086530544-pat00014
)을 우선 계산해야 하며, MPTCP 전송량의 기대값(
Figure 112018086530544-pat00015
)을 계산하기 위해서는 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기에 따른 MPTCP 전송량의 변화량을 계산해야 한다.
5G NR과 4G LTE 과 같은 특정 네트워크의 경로(r)에서의 혼잡 윈도우 크기, 패킷 손실률(packet loss rate: PLR), RTT(round-trip-time) 및 전송량을 각각 wr, pr, τr, xr 이라 하고, 경로(r)에서 Ack 수신 시 마다 발생하는 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기 증가량과 경로(r)에서 패킷 손실 시 마다 발생하는 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기 감소량을 각각 Ir, Dr이라 하면, 경로(r)에서 RTT(τr) 동안 발생하는 혼잡 윈도우 크기(wr)의 총 변화량(??wr)은 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112018086530544-pat00016
수학식 1에서
Figure 112018086530544-pat00017
는 1개의 패킷 전송에 대한 혼잡 윈도우 크기 변화의 기대값을 나타내며, 혼잡 윈도우 크기(wr)는 RTT동안 경로(r)을 통해 전송되는 패킷의 수를 의미한다.
그리고 수학식 1로부터 경로(r)에서 RTT(τr) 동안의 전송량 변화량(
Figure 112018086530544-pat00018
)은 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
Figure 112018086530544-pat00019
수학식 2에서
Figure 112018086530544-pat00020
는 경로(r)에서 혼잡 윈도우 크기(wr)의 변화량을 의미한다.
상기한 바와 같이, 절단율 연산부(130)는 기설정된 시간 주기(TI)로 최적 절단율(αopt)을 계산하며, 시간 주기(TI)이 매우 짧은 시간(예를 들면 10ms)이면, 경로(r)에서 시간 주기(TI)동안의 전송량(xr)은 1차 함수로 근사화될 수 있다. 따라서 시간 주기(TI)동안의 평균 전송량(
Figure 112018086530544-pat00021
)은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018086530544-pat00022
한편 MPTCP는 일반적으로 스케쥴링 방식으로 가장 기본적인 MPTCP 스케쥴링 방식인 LowRTT(Lowest-RTT-First) 방식을 이용하고, 혼잡 제어 방식으로는 LIA(Linked-Increase Algorithm)를 이용한다.
LowRTT 스케줄링 방식에 의하면, 다수의 네트워크 경로 중 RTT가 작은 경로는 이용률을 최대로 하여 스케쥴링하고, RTT가 큰 경로에서는 RTT가 작은 경로에서는 RTT가 작은 경로로 전송하지 못하는 나머지 패킷들을 전송하도록 스케쥴링하게 된다.
도3 에서와 같이, MPTCP가 5G NR과 LTE 2개의 경로를 이용하도록 구성된 경우, LowRTT 스케줄링 방식에서는 기본적으로 RTT가 작은 메인 네트워크 경로인 5G NR 경로의 이용률(
Figure 112018086530544-pat00023
)을 최대로 설정하고, LTE의 이용률(
Figure 112018086530544-pat00024
)은 어플리케이션 계층에서 생성되는 트래픽의 양(Rapp), 즉 전송할 데이터의 크기에 의해 조절된다. 어플리케이션 계층에서 생성되는 트래픽의 양(Rapp)은
Figure 112018086530544-pat00025
를 만족하며, 5G NR의 이용률(
Figure 112018086530544-pat00026
)은 5G NR 경로가 혼잡하지 않는 경우에 최대(
Figure 112018086530544-pat00027
= 1)로 설정되므로, LTE 경로의 이용률(
Figure 112018086530544-pat00028
)은
Figure 112018086530544-pat00029
를 만족하도록 설정된다.
여기서 절단율(α)는 메인 네트워크인 5G NR에 대한 절단율을 의미하며, 5G NR과 LTE 전송량(xNR, xLTE)는 현재 혼잡 윈도우 크기(wNR, wLTE)와 현재 RTT(τNR, τLTE)에 기반하여 계산된 전송량(xNR = wNR/τNR, xLTE = wLTE/τLTE 을 의미한다.
상기한 바와 같이, 절단율 연산부(130)는 MPTCP 전송량의 기대값(
Figure 112018086530544-pat00030
)을 최대로 하는 절단율(α)을 최적 절단율(αopt)로 연산하며, 이에 따른 최적화 조건은 수학식 4로 설정될 수 있다.
Figure 112018086530544-pat00031
수학식 4 의 조건은 LTE 경로의 이용률(
Figure 112018086530544-pat00032
)은 상계(upper bound)가 1(
Figure 112018086530544-pat00033
≤ 1)이고, 절단율(α)는 0 ≤ α ≤ 1의 범위 내의 값이기 때문이다.
그리고 LIA 혼잡 제어 기법을 이용하므로, 5G NR 경로와 LTE 경로에서의 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기 증가율(INR, ILTE)과 감소율(DNR, DLTE)은 각각 수학식 5 및 6으로 계산된다.
Figure 112018086530544-pat00034
Figure 112018086530544-pat00035
LIA 혼잡 제어 기법은 수학식 5 및 6에 따라 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 증가시키는 경우에는 5G NR 경로에 대한 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 절단율(α)로 변경한 경우의 전송량과 LTE 경로의 전송량 중 큰 값을 갖는 쪽을 선택하여, 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 증가 시킨다. 반면, 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 감소시키는 경우에는 각 경로의 혼잡 윈도우 크기를 1/2로 감소시킨다.
따라서 LIA 혼잡 제어 기법은 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 1/2로 감소시켜, 전송량의 감소가 매우 크다는 문제가 있다. 이에 본 실시예에서는 LIA 혼잡 제어 기법이 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기가 1/2로 줄이지 않도록, LIA 혼잡 제어 기법이 적용되기 이전에 측정된 SNR(
Figure 112018086530544-pat00036
)을 기반으로 메인 네트워크 경로의 최적 절단율(αopt)을 연산하고, 연산된 최적 절단율(αopt)에 따라 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 선제적으로 가변한다.
최적 절단율(αopt)을 연산하기 위해서는 우선 5G NR 경로와 LTE 경로 각각에서의 전송량 변화량(
Figure 112018086530544-pat00037
,
Figure 112018086530544-pat00038
)을 계산할 필요가 있다. 수학식 2와 함께 수학식 5 및 6을 참조할 때, 5G NR 경로와 LTE 경로 각각에서의 전송량 변화량(
Figure 112018086530544-pat00039
,
Figure 112018086530544-pat00040
)은 수학식 7 및 8과 같이 계산될 수 있다.
Figure 112018086530544-pat00041
Figure 112018086530544-pat00042
그리고 수학식 3과 수학식 7 및 8 에 의해 MPTCP 전송량의 기대값(
Figure 112018086530544-pat00043
)은 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112018086530544-pat00044
한편 수학식 9 의 MPTCP 전송량의 기대값(
Figure 112018086530544-pat00045
)은 수학식 10으로 근사화 될 수 있다.
Figure 112018086530544-pat00046
수학식 10의 근사화된 MPTCP 전송량의 기대값(
Figure 112018086530544-pat00047
)은 2차 함수의 형태이기 때문에, 근사화된 MPTCP 전송량의 기대값(
Figure 112018086530544-pat00048
)을 최대화하는 절단율(α)을 계산할 수 있다. 상기한 바와 같이, MPTCP 전송량의 기대값(
Figure 112018086530544-pat00049
)을 최대화하는 절단율(α)은 메인 네트워크인 5G NR에서 최적 절단율(αopt)이며, 수학식 11에 따라 계산될 수 있다.
Figure 112018086530544-pat00050
수학식 11을 참조하면, 최적 절단율(αopt)은 (xLTEpLTE/2xNRpNR)과 ((Rapp-xLTE)/xNR) 중 큰 값과 1을 비교하여 작은 값으로 계산된다. 이는 상기한 바와 같이, 최적 절단율(αopt)은 0 ≤ αopt ≤ 1의 범위의 값으로 설정되어야 하기 때문이다.
절단율 연산부(130)는 최적 절단율(αopt)이 계산되면, 계산된 최적 절단율(αopt)을 혼잡 윈도우 제어부(140)로 전달한다.
혼잡 윈도우 제어부(140)는 최적 절단율(αopt)에 따라 메인 네트워크인 5G NR 경로(rNR)의 혼잡 윈도우 크기를 (αopt*wNR)로 최적화하고, 최적화된 혼잡 윈도우의 크기에 따라 5G NR 경로로 데이터를 전송할 최적 전송량(
Figure 112018086530544-pat00051
)을 결정한다. 5G NR 경로로 전송할 최적 전송량(
Figure 112018086530544-pat00052
)은 최적 절단율(αopt)과 전송량(xNR)의 곱(
Figure 112018086530544-pat00053
= αopt * xNR)으로 계산될 수 있다. 한편 혼잡 윈도우 제어부(140)는 어플리케이션 계층에서 생성되는 트래픽의 양(Rapp)에서 5G NR 경로로 전송할 최적 전송량(
Figure 112018086530544-pat00054
)를 제외한 나머지를 LTE 경로로 전송하기 위해 LTE 경로의 최적 전송량(
Figure 112018086530544-pat00055
)를 결정한다. LTE 경로로 전송할 최적 전송량(
Figure 112018086530544-pat00056
)은 전송량(xLTE)과 LTE 경로의 이용률(
Figure 112018086530544-pat00057
)의 곱으로 계산(
Figure 112018086530544-pat00058
=
Figure 112018086530544-pat00059
* xLTE)될 수 있다. 그리고 결정된 경로별 전송량(
Figure 112018086530544-pat00060
,
Figure 112018086530544-pat00061
)에 따라 데이터 입력부(120)에서 인가되는 데이터를 분산하여 서로 다른 경로를 통해 전송한다.
활성화된 절단율 연산부(130)가 기지정된 시간 주기(TI)마다 최적 절단율(αopt)을 연산하여 전달하므로, 혼잡 윈도우 제어부(140) 또한 시간 주기(TI)마다 네트워크인 5G NR 경로(rNR)의 혼잡 윈도우 크기를 (αopt*wNR)로 최적화하여 데이터를 전송할 수 있다.
혼잡 윈도우 제어부(140)는 최적 절단율(αopt)이 1인 경우, 혼잡 윈도우의 크기는 (1*wNR)로 최적화되므로, 가변하지 않는다. 즉 현재 혼잡 윈도우의 크기(wNR, wLTE)가 유지된다. 또한 혼잡 윈도우 제어부(140)는 SNR 측정부(110)에서 측정된 SNR(
Figure 112018086530544-pat00062
)이 임계값(
Figure 112018086530544-pat00063
) 이상이면, 현재 혼잡 윈도우의 크기(wNR, wLTE)를 유지한다.
그러나 경우에 따라서 혼잡 윈도우 제어부(140)는 SNR 측정부(110)에서 측정된 SNR(
Figure 112018086530544-pat00064
)이 임계값(
Figure 112018086530544-pat00065
) 이상이면, LIA 혼잡 제어 기법에 따라 5G NR 경로와 LTE 경로에서의 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 수학식 5 및 6의 증가율(INR, ILTE)만큼 증가시키도록 구성될 수 있다.
상기에서는 혼잡 윈도우 제어부(140)가 혼잡 윈도우의 크기(wNR, wLTE)를 조절할 뿐만 아니라 데이터 입력부(120)로부터 데이터를 인가받고, 결정된 경로별 전송량에 따라 전송하는 것으로 설명하였으나, 혼잡 윈도우 제어부(140)는 혼잡 윈도우의 크기(wNR, wLTE)만을 조절하고, 데이터는 별도의 구성을 통해 전송되도록될 수도 있다.
도5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 방법을 나타낸다.
도4 를 참조하여, 도5 의 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 방법을 설명하면, 우선 SNR 측정부(110)가 MPTCP의 다중 경로 중 적어도 하나, 특히 메인 네트워크 경로(rNR)의 SNR(
Figure 112018086530544-pat00066
)을 측정한다(S10).
그리고 측정된 SNR(
Figure 112018086530544-pat00067
)이 기지정된 임계값(
Figure 112018086530544-pat00068
) 미만인지 판별한다(S20). 만일 측정된 SNR(
Figure 112018086530544-pat00069
)이 기지정된 임계값(
Figure 112018086530544-pat00070
) 이상이면, 혼잡 윈도우의 크기(wNR, wLTE)를 유지한다(S80). 그러나 상기한 바와 같이, 혼잡 윈도우 제어부(140)는 SNR 측정부(110)에서 측정된 SNR(
Figure 112018086530544-pat00071
)이 임계값(
Figure 112018086530544-pat00072
) 이상이면, LIA 혼잡 제어 기법에 따라 5G NR 경로와 LTE 경로에서의 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 수학식 5 및 6의 증가율(INR, ILTE)만큼 증가시킬 수도 있다.
반면, 측정된 SNR(
Figure 112018086530544-pat00073
)이 기지정된 임계값(
Figure 112018086530544-pat00074
) 미만이면, SNR 측정부(110)는 절단율 연산부(130)를 활성화하고, 활성화된 절단율 연산부(130)는 기설정된 시간 주기(TI)에 도달하였는지 판별한다(S30). 기설정된 시간 주기(TI)에 도달하면, 절단율 연산부(130)는 각 경로(rNR, rLTE)에 대한 현재 혼잡 윈도우의 크기(wNR, wLTE), 패킷 손실률(PLR)(pNR, pLTE), RTT(τNR, τLTE)을 획득한다. 또한 데이터 입력부(130)으로부터 전송할 데이터의 크기, 즉 트래픽의 양(Rapp)을 확인한다(S40).
그리고 절단율 연산부(130)는 획득된 각 경로(rNR, rLTE)에 대한 현재 혼잡 윈도우의 크기(wNR, wLTE), 패킷 손실률(PLR)(pNR, pLTE), RTT(τNR, τLTE) 및 트래픽의 양(Rapp)을 기초로, 수학식 11에 따라 최적 절단율(αopt)을 계산하여 획득한다(S50).
혼잡 윈도우 제어부(140)는 절단율 연산부(130)에서 계산된 최적 절단율(αopt)을 인가받고, 최적 절단율(αopt)이 1인지 판별한다(S60). 최적 절단율(αopt)은 0 ≤ αopt ≤ 1의 범위의 값을 가지므로, 최적 절단율(αopt)의 값 1은 최대값을 의미한다. 따라서, 최적 절단율(αopt)이 1이면, 혼잡 윈도우 제어부(140)는 메인 네트워크 경로인 5G NR 네트워크(rNR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(wNR)를 변경하지 않고 유지한다(S80).
반면, 최적 절단율(αopt)이 1이 아니면, 즉 최적 절단율(αopt)이 1 미만이면, 메인 네트워크 경로(rNR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(wNR)를 (αopt*wNR)로 변경한다(S70).
그리고 혼잡 윈도우 제어부(140)는 최적화된 혼잡 윈도우의 크기(αopt*wNR)에 따라 5G NR 경로로 데이터를 전송할 최적 전송량(
Figure 112018086530544-pat00075
= αopt * xNR)을 결정하고, LTE 경로의 최적 전송량(
Figure 112018086530544-pat00076
=
Figure 112018086530544-pat00077
* xLTE)을 결정한다. 그리고 결정된 경로별 전송량에 따라 데이터 입력부(120)에서 인가되는 데이터를 분산하여 서로 다른 경로를 통해 전송할 수 있다.
상기한 바와 같이, 트래픽의 양(Rapp)과 혼잡 윈도우의 크기(wNR, wLTE), 패킷 손실률(PLR)(pNR, pLTE), RTT(τNR, τLTE)에 따라 다중 경로 각각으로 전송될 전송량을 조절하는 본 실시예의 혼잡 윈도우 제어 방법을 OBR(Offloading by Restriction) 기법이라 할 수 있다.
도6 은 도5 의 OBR 기법을 소프트웨어 프로그램으로 구현하기 위한 OBR 알고리즘을 나타내고, 도7 은 본 발명의 실시예에 따른 OBR 기법의 성능을 시뮬레이션한 도면이다.
도7 은 본 실시예에 따른 OBR 기법의 패킷 손실률(PLR) 대비 전체 전송량(
Figure 112018086530544-pat00078
)의 변화를 기존의 MPTCP의 혼잡 제어 기법인 LIA와 MOA와 비교하여 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도7 에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 OBR 기법은 MOA 대비 평균 6.21%, 4.08% 성능 이득 (pLTE=0.1%, pLTE=0.3%), LIA 대비 평균 28.89%, 25.54% 성능 이득 (pLTE=0.1%, pLTE=0.3%)을 얻을 수 있다는 것이 확인되었다. 즉 OBR 기법이 MPTCP의 전체 전송량(
Figure 112018086530544-pat00079
)을 크게 증가 시킬 수 있음이 확인되었다.
결과적으로 본 발명의 실시예에 따른 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법은 LIA 혼잡 제어 기법에 따라 메인 네트워크 경로의 혼잡 윈도우 크기를 1/2로 줄이기 이전에, 메인 네트워크 경로의 채널 SNR(
Figure 112018086530544-pat00080
)을 측정하여, 메인 네트워크 경로의 혼잡 윈도우 크기(wNR)를 (αopt*wNR)로 최적화한다. 따라서, 다중 경로를 통해 전송할 수 있는 데이터 전송량이 항시 최대로 유지되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행 시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 다중경로 전송제어프로토콜(이하 MPTCP)을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치에 있어서,
    지정된 다중경로 다중 경로(rNR, rLTE) 중 메인 네트워크 경로(rNR)에 대한 신호대 잡읍비(이하 SNR)을 측정하고, 측정된 SNR이 기지정된 임계값 미만인지 판별하는 SNR 측정부;
    상기 SNR이 상기 임계값 미만이면 활성화되고, 기지정된 시간 주기(TI)마다 다중 경로(rNR, rLTE) 각각에 대한 혼잡 윈도우의 크기(wNR, wLTE), 패킷 손실률(pNR, pLTE) 및 RTT(τNR, τLTE)과 전송해야할 트래픽의 양(Rapp)에 따라 기설정된 방식으로 다중 경로를 이용하여 데이터를 전송할 수 있는 전체 전송량(
    Figure 112019123973223-pat00081
    )이 최대가 되도록 혼잡 윈도우의 크기를 가변하기 위한 최적 절단율(αopt)을 계산하는 절단율 연산부; 및
    상기 시간 주기(TI)로 인가되는 상기 최적 절단율(αopt)에 따라 상기 메인 네트워크 경로(rNR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(wNR)를 가변하는 혼잡 윈도우 제어부; 를 포함하되,
    상기 혼잡 윈도우 제어부는
    상기 메인 네트워크 경로(rNR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(wNR)를 (αopt*wNR)로 가변하는 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 절단율 연산부는
    수학식
    Figure 112018086530544-pat00082

    에 따라 상기 최적 절단율(αopt)을 계산하는 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 장치.
  3. 삭제
  4. 제1 항에 있어서, 상기 혼잡 윈도우 제어부는
    가변된 혼잡 윈도우의 크기(αopt*wNR)에 따라 상기 메인 네트워크 경로(rNR)로 데이터를 전송할 최적 전송량(
    Figure 112019123973223-pat00083
    = αopt * xNR)을 결정하고, 상기 트래픽의 양(Rapp)에서 상기 메인 네트워크 경로(rNR)의 최적 전송량(
    Figure 112019123973223-pat00084
    )을 제외한 나머지를 다른 경로로 전송하기 위해 최적 전송량(
    Figure 112019123973223-pat00085
    =
    Figure 112019123973223-pat00086
    * xLTE)을 결정하는 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 메인 네트워크 경로는
    상기 다중 경로 중 RTT가 가장 작은 경로인 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 장치.
  6. 다중경로 전송제어프로토콜(이하 MPTCP)을 위한 혼잡 윈도우 제어 방법에 있어서,
    지정된 다중경로 다중 경로(rNR, rLTE) 중 메인 네트워크 경로(rNR)에 대한 신호대 잡읍비(이하 SNR)을 측정하는 단계;
    측정된 SNR이 기지정된 임계값 미만인지 판별하는 단계;
    상기 SNR이 상기 임계값 미만이면, 기지정된 시간 주기(TI)마다 다중 경로(rNR, rLTE) 각각에 대한 혼잡 윈도우의 크기(wNR, wLTE), 패킷 손실률(pNR, pLTE) 및 RTT(τNR, τLTE)과 전송해야할 트래픽의 양(Rapp)에 따라 기설정된 방식으로 다중 경로를 이용하여 데이터를 전송할 수 있는 전체 전송량(
    Figure 112019123973223-pat00087
    )이 최대가 되도록 혼잡 윈도우의 크기를 가변하기 위한 최적 절단율(αopt)을 계산하는 단계; 및
    상기 최적 절단율(αopt)에 따라 상기 시간 주기(TI)로 상기 메인 네트워크 경로(rNR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(wNR)를 가변하는 단계; 를 포함하되,
    상기 혼잡 윈도우 크기(wNR)를 가변하는 단계는
    상기 메인 네트워크 경로(rNR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(wNR)를 (αopt*wNR)로 가변하는 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 방법.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 최적 절단율(αopt)을 계산하는 단계는
    기지정된 시간 주기(TI)마다 다중 경로(rNR, rLTE) 각각에 대한 혼잡 윈도우의 크기(wNR, wLTE), 패킷 손실률(pNR, pLTE) 및 RTT(τNR, τLTE)과 전송해야할 트래픽의 양(Rapp)을 획득하는 단계; 및
    수학식
    Figure 112018086530544-pat00088

    에 따라 상기 최적 절단율(αopt)을 계산하는 단계; 를 포함하는 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 방법.
  8. 삭제
  9. 제6 항에 있어서, 상기 혼잡 윈도우 크기(wNR)를 가변하는 단계는
    가변된 혼잡 윈도우의 크기(αopt*wNR)에 따라 상기 메인 네트워크 경로(rNR)로 데이터를 전송할 최적 전송량(
    Figure 112019123973223-pat00089
    = αopt * xNR)을 결정하는 단계; 및
    상기 트래픽의 양(Rapp)에서 상기 메인 네트워크 경로(rNR)의 최적 전송량(
    Figure 112019123973223-pat00090
    )을 제외한 나머지를 다른 경로로 전송하기 위해 최적 전송량(
    Figure 112019123973223-pat00091
    =
    Figure 112019123973223-pat00092
    * xLTE)을 결정하는 단계; 를 더 포함하는 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 방법.
  10. 제6 항에 있어서, 상기 메인 네트워크 경로는
    상기 다중 경로 중 RTT가 가장 작은 경로인 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 방법.
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