KR102209576B1 - The method of link scheduling for data processing and the apparatus thereof - Google Patents

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KR102209576B1
KR102209576B1 KR1020190083169A KR20190083169A KR102209576B1 KR 102209576 B1 KR102209576 B1 KR 102209576B1 KR 1020190083169 A KR1020190083169 A KR 1020190083169A KR 20190083169 A KR20190083169 A KR 20190083169A KR 102209576 B1 KR102209576 B1 KR 102209576B1
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Abstract

본 발명은 밀리미터파(mmWave) 대역의 5G 이동통신에 활용되는 링크 스케쥴링 방법 및 그 장치에 관한 것에 관한 것이다. 본 발명은 실시간으로 복잡한 MWIS(Maximum Weight Independent Set) 문제를 해결하여 상대적으로 짧은 시간에 백홀 링크 스케쥴링 결과를 계산할 수 있다.The present invention relates to a link scheduling method and apparatus used for 5G mobile communication in a millimeter wave (mmWave) band. The present invention can solve a complex MWIS (Maximum Weight Independent Set) problem in real time and calculate a backhaul link scheduling result in a relatively short time.

Description

데이터 처리를 위한 링크 스케쥴링 방법 및 그 장치{The method of link scheduling for data processing and the apparatus thereof}TECHNICAL FIELD The method of link scheduling for data processing and the apparatus thereof

본 발명은 데이터 처리를 위한 링크 스케쥴링 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 밀리미터파(mmWave) 대역의 5G 이동통신에 활용되는 링크 스케쥴링 방법 및 그 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a link scheduling method and apparatus for data processing, and more particularly, to a link scheduling method and apparatus used for 5G mobile communication in a millimeter wave (mmWave) band.

새로운 비즈니스 요구 사항과 사물인터넷(Internet of Things, IoT)와 같은 새롭게 등장하는 기술은 제조 회사의 환경을 스마트 제조로 전환하고 있다. 스마트 제조 시스템에서 다양한 IoT 기반 제조 장비는 컨텍스트(context) 인식을 통해 산업용 IoT 네트워크에서 대규모 감각 정보를 생성, 처리 및 교환한다. New business requirements and emerging technologies such as the Internet of Things (IoT) are transforming manufacturing companies' environments into smart manufacturing. In a smart manufacturing system, various IoT-based manufacturing equipment generates, processes, and exchanges large-scale sensory information in an industrial IoT network through context recognition.

이렇게 축적된 데이터는 실시간 처리를 위해 네트워크 IoT 장치를 연결하기 위해 더 큰 대역폭과 효율적으로 재구성 가능한 라우팅 프로토콜을 필요로 한다.This accumulated data requires greater bandwidth and efficiently reconfigurable routing protocols to connect network IoT devices for real-time processing.

현재 WirelessHart, ZigBee, ISA 100 및 WiFi와 같은 무선 산업용 통신을 위한 여러 표준이 있다. 기존의 산업용 무선 시스템은 센서 정보 및 트래픽 제어에 비교적 낮은 데이터 전송률을 제공한다. 이러한 유형의 기술은 무선 센서 네트워크의 마지막 마일, 특히 스마트 제조 시스템의 모바일 제조 장비에 사용될 수 있다.There are currently several standards for wireless industrial communications such as WirelessHart, ZigBee, ISA 100 and WiFi. Existing industrial wireless systems provide relatively low data rates for sensor information and traffic control. This type of technology can be used for the last mile of wireless sensor networks, especially mobile manufacturing equipment in smart manufacturing systems.

유선 제품은 일반적으로 더 높은 속도를 지원하지만 일반적으로 대형 제조 현장에서는 배선 비용이 많이 든다. 이 문제를 해결하기 위해 밀리미터파(이하, mmWave라고 지칭함) 60GHz 스펙트럼에서 사용할 수 있는 엄청난 양의 대역폭이 스마트 제조의 무선 백홀 (backhaul)과 같은 대규모 데이터 용량 및 고속 데이터 전송 방식을 가능하게 한다.Wired products generally support higher speeds, but wiring is usually expensive in large manufacturing sites. To solve this problem, the enormous amount of bandwidth available in the millimeter wave (hereinafter referred to as mmWave) 60 GHz spectrum enables large data capacity and high-speed data transmission methods such as the wireless backhaul of smart manufacturing.

약 60 GHz의 mmWave 대역에서 초당 기가비트 전송은 획득 가능한 것으로 알려져 있다. mmWave 대역에서 높은 신호 감쇠로 인해 간섭 가능성을 낮추면서 더 나은 공간 재사용을 가능하게 하는 지향성 안테나 (높은 안테나 이득)가 주로 이 대역에서 사용된다.It is known that gigabit transmission per second can be obtained in the mmWave band of about 60 GHz. Directional antennas (high antenna gain) are mainly used in this band, which allows for better spatial reuse while lowering the probability of interference due to high signal attenuation in the mmWave band.

도 1을 참조하면, 에지 게이트웨이(Edge Gateways, EG)는 로컬 IoT 트래픽을 집계하며 에지 게이트웨이(EG)와 EG 및 에지 서버 (Edge Server, ES) 사이의 방향 연결 링크 (방향 링크)를 통해 라우팅 될 수 있다. 도 1에 도시된 바와 같이, Edge X Foundry 층 아키텍처는 4개의 서비스 계층으로 구성되며 각 서비스 계층은 여러 개의 내장된 마이크로 서비스 모듈로 구성된다. Referring to Figure 1, Edge Gateways (EG) aggregate local IoT traffic and be routed through a directional link (directional link) between the Edge Gateway (EG) and the EG and Edge Server (ES). I can. As shown in Fig. 1, the Edge X Foundry layer architecture is composed of four service layers, and each service layer is composed of several embedded microservice modules.

특히, 지원 서비스 계층의 스케줄링 마이크로 서비스는 백홀 라우팅을 수행하는 반면, 디바이스 서비스 계층의 mmWave 마이크로 서비스는 산업용 IoT 네트워크를 통한 지향성 안테나 (지향성 통신)를 사용하여 통신을 지원하는데 사용할 수 있다.In particular, the scheduling microservice of the support service layer performs backhaul routing, while the mmWave microservice of the device service layer can be used to support communication using a directional antenna (directional communication) through an industrial IoT network.

로컬에 집계된 실시간 트래픽은 총 평균 종단 간 전송 지연을 줄이기 위해 백홀 링크에 대한 효율적인 스케줄링 알고리즘을 필요로 한다. 또한 지향성 안테나를 사용하는 라우팅은 네트워크 처리량을 향상시키고 최소 총 에너지를 소모한다.Locally aggregated real-time traffic requires an efficient scheduling algorithm for the backhaul link to reduce the total average end-to-end transmission delay. Additionally, routing using directional antennas improves network throughput and consumes minimal total energy.

지향성 안테나(방향성 라우팅)를 기반으로 하는 다양한 라우팅 프로토콜이 있는데, 전통적으로 사전 행동적 또는 반응적 접근으로 분류 될 수 있다. 사전 행동적 접근은 라우팅 지연을 줄이기 위해 로컬 라우팅 테이블에 라우팅 경로를 설정한다. 반응적 접근은 필요할 때 라우팅 경로를 찾는다. There are various routing protocols based on directional antennas (directional routing), which can traditionally be classified as proactive or reactive approaches. The proactive approach sets routing paths in the local routing table to reduce routing delays. Reactive approach finds routing paths when needed.

그러나, 상기 기술들은 모두 전통적인 모바일 애드 혹 라우팅 (MANET)에 기반하고 청각 장애(deafness)를 효과적으로 교정하지 않기 때문에 종단간 전송 지연에 의해 제한된다. 청각 장애 문제는 노드가 그것에 대한 통신 요청 프레임에 응답하지 않을 때 발생하며, 결과적으로 송신자는 더 많은 요청 프레임을 전송하므로 경쟁 시간이 길어진다. 실시간 제어 정보 또는 감각 데이터가 목적지 엣지 게이트웨이(EG)에서 손실되거나 도착할 수 없으므로 지능형 제조 시스템에서 한계가 악화될 수 있다. 따라서 스마트 생산 시스템에는 실시간 데이터 전달을 향상시키는 기술이 필요한 실정이다.However, these techniques are all based on traditional mobile ad hoc routing (MANET) and are limited by end-to-end transmission delays because they do not effectively correct deafness. The hearing impairment problem occurs when a node does not respond to a communication request frame for it, and as a result, the sender transmits more request frames, resulting in a longer contention time. Limits can be exacerbated in intelligent manufacturing systems as real-time control information or sensory data is lost or cannot arrive at the destination edge gateway (EG). Therefore, a technology to improve real-time data transmission is required for smart production systems.

본 발명은 상기 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 최대 무게 독립 세트(Maximum Weight Independent Set, 이하 MWIS라 지칭함) 기반의 스마트 제조 시스템에서 스마트 모바일 에지를 위한 새로운 방향 라우팅 링크 스케줄링 알고리즘을 제안한다.The present invention has been devised to solve the above problem, and proposes a new directional routing link scheduling algorithm for a smart mobile edge in a smart manufacturing system based on a maximum weight independent set (hereinafter referred to as MWIS).

이 알고리즘은 충돌/난청 그래프를 사용하여 엣지 게이트(EG) 간의 난청 문제 가능성을 낮춤으로써, 전송 지연을 명시적으로 줄이도록 설계되었다. 스마트 제조 시스템에서 모든 엣지 게이트는 엣지 서버(ES)의 통제하에 작동한다. 그러므로 엣지 서버는 충돌-난청 그래프를 유지하고 엣지 게이트(EG) 간의 방향성 링크가 서로 간섭하는지 또는 동시에 스케줄링될 때 난청 문제를 발생시키는지를 결정한다.This algorithm is designed to explicitly reduce the transmission delay by using a collision/hearing loss graph to reduce the likelihood of a hearing loss problem between edge gates (EG). In a smart manufacturing system, all edge gates operate under the control of an edge server (ES). Therefore, the edge server maintains a collision-hearing loss graph and determines whether the directional links between the edge gates (EG) interfere with each other or cause a hearing loss problem when scheduled at the same time.

링크 스케줄링 결과는 엣지 서버(ES)에 의해 계산되고 제어 채널을 통해 모든 EG에 전달된다. 본 발명에서 제안된 알고리즘은 엣지 게이트웨이(EG)를 최대 독립 개수의 순서로 도 고려하고 최대 트래픽 부하를 갖는 링크에 타임 슬롯을 할당함으로써 실시간으로 복잡한 MWIS 문제를 해결한다. The link scheduling result is calculated by the edge server (ES) and delivered to all EGs through the control channel. The algorithm proposed in the present invention solves the complex MWIS problem in real time by considering edge gateways (EG) in the order of the maximum independent number and allocating time slots to the link having the maximum traffic load.

대규모 실시간 백홀 트래픽과 mmWave 기술의 특성을 고려할 때 지향성 안테나를 사용하면 EG 간의 무선 간섭을 줄이고 패킷 처리량을 크게 향상시킬 수 있다. 스케줄링 과정에서 본 발명의 일 실시예에 따른 알고리즘은 링크 사이의 공간 재사용을 최대화하는 시간 슬롯을 발견하고 할당한다.Considering the characteristics of large-scale real-time backhaul traffic and mmWave technology, the use of a directional antenna can reduce radio interference between EGs and significantly improve packet throughput. In the scheduling process, the algorithm according to an embodiment of the present invention discovers and allocates time slots that maximize space reuse between links.

본 발명의 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다. The technical problems of the present invention are not limited to the technical problems mentioned above, and other technical problems that are not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

본 발명의 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링 방법은 복수 개의 노드를 포함하는 백홀망 기반의 네트워크 시스템에서 데이터 처리를 위한 링크 스케쥴링 방법으로, 상기 복수 개의 노드들 중 스케쥴링을 실시할 어느 하나의 노드를 선택하는 단계(a); 상기 선택한 노드에 연결된 복수개의 링크들에 대하여 충돌-난청 제약을 고려하여 순차적으로 스케쥴링하는 단계(b); 상기 복수 개의 노드들 중 선택되지 않은 나머지 노드들 중 어느 하나의 노드를 선택하여 첫 시간 구간부터 상기 스케쥴링 단계(b)를 반복하는 단계(c); 모든 링크들의 스케쥴링이 1번씩 완료되면, 각각의 시간 구간에 대하여 상기 충돌-난청 제약을 만족하는 링크를 서치하는 단계(d); 상기 서치된 링크를 해당 시간 구간에 스케쥴링하여 채널 활용을 수행하는 단계(e); 모든 시간구간에 대하여 채널 활용도를 산출하는 단계(f);상기 채널 활용도에 기초하여 공정성 제약을 산출하는 단계(g); 상기 공정성 제약이 소정의 값 미만인 경우, 상기 복수 개의 링크들 중 채널 활용도가 가장 낮은 링크를 선택하는 단계(h); 상기 링크를 추가 시간 구간에 스케쥴링하는 단계(i); 상기 (f) 내지 (h) 단계를 반복하는 단계(j); 및 상기 공정성 제약이 소정의 값 이상인 경우, 스케쥴링을 종료하는 단계(k)를 포함할 수 있다.The link scheduling method according to an embodiment of the present invention is a link scheduling method for data processing in a backhaul network-based network system including a plurality of nodes, and selects any one node to perform scheduling among the plurality of nodes. Step (a); (B) sequentially scheduling a plurality of links connected to the selected node in consideration of collision-hearing loss constraints; (C) repeating the scheduling step (b) from a first time interval by selecting any one of the remaining unselected nodes among the plurality of nodes; (D) searching for a link that satisfies the collision-hearing-loss constraint for each time interval when scheduling of all links is completed once at a time; (E) performing channel utilization by scheduling the searched link in a corresponding time interval; Calculating channel utilization for all time intervals (f); calculating fairness constraints based on the channel utilization (g); (H) selecting a link with the lowest channel utilization among the plurality of links when the fairness constraint is less than a predetermined value; (I) scheduling the link in an additional time interval; (J) repeating steps (f) to (h); And when the fairness constraint is greater than or equal to a predetermined value, terminating the scheduling (k).

본 발명의 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링 방법은 상기 어느 하나의 노드를 선택하는 단계에서, 상기 스케쥴링을 실시할 노드로 선택되는 노드는 가장 많은 링크를 가지는 노드인 것을 특징으로 할 수 있다.In the link scheduling method according to an embodiment of the present invention, in the step of selecting any one node, a node selected as a node to perform the scheduling may be a node having the most links.

본 발명의 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링 방법은 상기 어느 하나의 노드를 선택하는 단계에서, 노드들이 가진 링크 수가 모두 같은 경우에는 어느 하나의 노드를 랜덤하게 선택할 수 있다. In the link scheduling method according to an embodiment of the present invention, in the step of selecting any one node, when all the links have the same number of nodes, any one node may be randomly selected.

본 발명의 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링 방법에서, 상기 충돌-난청 제약은 하기 수학식을 만족하는 것일 수 있다.In the link scheduling method according to an embodiment of the present invention, the collision-hearing loss constraint may satisfy the following equation.

Figure 112019070647974-pat00001
Figure 112019070647974-pat00001

여기서 i, j는 링크, t는 시간 슬롯,

Figure 112019070647974-pat00002
는 링크 i와 링크 j가 동시에 스케쥴링 되었을 때 난청이 발생하면 1이고 난청이 발생하지 않으면 0,
Figure 112019070647974-pat00003
는 링크 i와 링크 j가 동시에 스케쥴링 되었을 때 충돌이 발생하면 1이고 충돌이 발생하지 않으면 0, di(t)={0,1}는 t 시간 슬롯에 스케쥴링 되면 1이고 스케쥴링되지 않으면 0,
Figure 112019070647974-pat00004
을 만족한다.Where i, j are links, t are time slots,
Figure 112019070647974-pat00002
Is 1 if hearing loss occurs when link i and link j are scheduled at the same time, 0 if no hearing loss occurs,
Figure 112019070647974-pat00003
Is 1 if a collision occurs when link i and link j are scheduled at the same time, 0 if no collision occurs, d i (t)={0,1} is 1 if scheduled in time slot t, and 0 if not scheduled,
Figure 112019070647974-pat00004
Is satisfied.

본 발명의 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링 방법은 상기 채널 활용도(

Figure 112019070647974-pat00005
)는 하기 수학식에 의해 산출될 수 있다.The link scheduling method according to an embodiment of the present invention includes the channel utilization (
Figure 112019070647974-pat00005
) Can be calculated by the following equation.

Figure 112019070647974-pat00006
Figure 112019070647974-pat00006

여기서,

Figure 112019070647974-pat00007
는 링크 i의 가중치,
Figure 112019070647974-pat00008
는 t 시간 슬롯에서 스케쥴링 되면 1이고, 스케쥴링되지 않으면 0이다.here,
Figure 112019070647974-pat00007
Is the weight of link i,
Figure 112019070647974-pat00008
Is 1 if scheduled in time slot t, and 0 if not scheduled.

본 발명의 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링 방법에서 상기 공정성 제약은 하기 수학식을 만족할 수 있다.In the link scheduling method according to an embodiment of the present invention, the fairness constraint may satisfy the following equation.

Figure 112019070647974-pat00009
Figure 112019070647974-pat00009

여기서,

Figure 112019070647974-pat00010
는 공정성 임계치,
Figure 112019070647974-pat00011
는 채널 활용도,
Figure 112019070647974-pat00012
는 임의의 수이다.here,
Figure 112019070647974-pat00010
Is the fairness threshold,
Figure 112019070647974-pat00011
Is the channel utilization,
Figure 112019070647974-pat00012
Is an arbitrary number.

본 발명의 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링 방법에서 상기 링크를 추가 시간 구간에 스케쥴링하는 단계(i)는 상기 추가 시간 구간에 대하여 상기 충돌-난청 제약을 만족하는 링크를 서치하여 스케쥴링하는 단계(l)를 더 포함할 수 있다.In the link scheduling method according to an embodiment of the present invention, the step (i) of scheduling the link in an additional time interval is the step of searching and scheduling a link that satisfies the collision-hearing loss constraint for the additional time interval (l) It may further include.

본 발명의 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링 방법에서 상기 네트워크 시스템은 스마트 팩토리인 것을 특징으로 할 수 있다.In the link scheduling method according to an embodiment of the present invention, the network system may be a smart factory.

본 발명의 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링 방법에서 백홀망은 밀리미터파(mmWave) 대역을 이용하는 것일 수 있다.In the link scheduling method according to an embodiment of the present invention, the backhaul network may use a millimeter wave (mmWave) band.

본 발명의 일 실시예에 따른 링크 스케쥴 장치는 복수 개의 노드를 포함하는 백홀망 기반의 네트워크 시스템 내 데이터 처리를 위한 것으로, 제1 스케쥴링부, 제2 스케쥴링부 및 제3 스케쥴링부를 포함할 수 있다.The link scheduling apparatus according to an embodiment of the present invention is for processing data in a network system based on a backhaul network including a plurality of nodes, and may include a first scheduling unit, a second scheduling unit, and a third scheduling unit.

본 발명의 일 실시예에 따른 상기 제1 스케쥴링부는, 상기 복수 개의 노드들 중 스케쥴링을 실시할 어느 하나의 노드를 선택하고, 상기 선택한 노드에 연결된 복수개의 링크들에 대하여 충돌-난청 제약을 고려하여 순차적으로 스케쥴링하며, 상기 복수 개의 노드들 중 선택되지 않은 나머지 노드들 중 어느 하나의 노드를 선택하여 첫 시간 구간부터 상기 스케쥴링을 반복할 수 있다.The first scheduling unit according to an embodiment of the present invention selects any one node to perform scheduling among the plurality of nodes, and considers collision-hearing loss constraints for a plurality of links connected to the selected node. The scheduling may be sequentially performed, and the scheduling may be repeated from the first time interval by selecting any one of the remaining nodes that are not selected from among the plurality of nodes.

본 발명의 일 실시예에 따른 제2 스케쥴링부는, 모든 링크들의 스케쥴링이 1번씩 완료되면, 각각의 시간 구간에 대하여 상기 충돌-난청 제약을 만족하는 링크를 서치하고, 상기 서치된 링크를 해당 시간 구간에 스케쥴링하여 채널 활용을 수행할 수 있다.When the scheduling of all links is completed once, the second scheduling unit according to an embodiment of the present invention searches for a link that satisfies the collision-hearing-loss constraint for each time interval, and uses the searched link for a corresponding time interval. Channel utilization can be performed by scheduling in.

본 발명의 일 실시예에 따른 제3 스케쥴링부는, 모든 시간구간에 대하여 채널 활용도를 산출하고, 상기 채널 활용도에 기초하여 공정성 제약을 산출하고,A third scheduling unit according to an embodiment of the present invention calculates channel utilization for all time intervals, calculates fairness constraints based on the channel utilization,

상기 공정성 제약이 소정의 값 미만인 경우, 상기 복수 개의 링크들 중 채널 활용도가 가장 낮은 링크를 선택하며, 상기 링크를 추가 시간 구간에 스케쥴링하고, 상기 채널 활용도 및 상기 공정성 제약 산출과 채널 활용도가 가장 낮은 링크를 선택하는 것을 반복하며, 상기 공정성 제약이 소정의 값 이상인 경우, 스케쥴링을 종료할 수 있다.When the fairness constraint is less than a predetermined value, a link with the lowest channel utilization is selected among the plurality of links, the link is scheduled for an additional time period, and the channel utilization and the fairness constraint calculation and the channel utilization are the lowest. Link selection is repeated, and when the fairness constraint is greater than or equal to a predetermined value, scheduling may be terminated.

본 발명의 일 실시예에 따른 채널 활용은 각 시간 구간에서 스케쥴링 되지 않은 빈 시간구간에 대하여 충돌-난청 제약을 만족하는 링크를 더 스케쥴링하여 최대한 빈 시간구간을 줄이는 오퍼레이션을 지칭할 수 있다.Channel utilization according to an embodiment of the present invention may refer to an operation that reduces the free time period as much as possible by further scheduling a link that satisfies the collision-hearing loss constraint for an unscheduled free time period in each time period.

본 발명에서 제안된 알고리즘은 엣지 게이트웨이(EG)를 최대 독립 개수의 순서를 고려하고 최대 트래픽 부하를 갖는 링크에 타임 슬롯을 할당함으로써 실시간으로 복잡한 MWIS 문제를 해결하여 상대적으로 짧은 시간에 백홀 링크 스케쥴링 결과를 계산한다.The algorithm proposed in the present invention solves the complex MWIS problem in real time by considering the order of the maximum number of independent edge gateways (EG) and allocating time slots to the link with the maximum traffic load, resulting in the scheduling of the backhaul link in a relatively short time. Calculate

본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 알고리즘의 전송 공정성을 위해 Jain의 fairness index 방법을 사용하여 전송 Fairness 제약 조건을 수치적으로 분석하고, 알고리즘의 효율성은 처리량, 지연, 패킷 손실률 및 전송 공정성을 포함하는 성능 메트릭을 평가함으로써 측정되었다. For the transmission fairness of the proposed algorithm according to an embodiment of the present invention, the transmission fairness constraint is numerically analyzed using Jain's fairness index method, and the efficiency of the algorithm includes throughput, delay, packet loss rate and transmission fairness. Was measured by evaluating the performance metric.

시뮬레이션 결과는 제안된 기법이 기존의 mmWave 라우팅 기법보다 성능이 우수하다는 것을 보여준다. Simulation results show that the proposed scheme is superior to the existing mmWave routing scheme.

본 발명의 효과들은 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.The effects of the present invention are not limited to the above-mentioned effects, and other effects not mentioned will be clearly understood by those skilled in the art from the following description.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 네트워크 시스템의 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 제조 시스템 백홀 네트워크의 예를 도시한다.
도 3은 본 발명이 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링 알고리즘의 코드이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링을 수행하는 복수 개의 노드 및 링크를 나타낸다.
도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링을 나타내는 시간 슬롯을 나타낸다.
도 7은 정규화된 트래픽 부하에 대한 백홀 네트워크 처리량의 그래프를 나타낸다.
도 8은 평균 지연 대 정규화 트래픽로드를 나타낸다.
도 9는 패킷 손실률 대 정규화 된 트래픽 부하를 나타내는 그래프이다.
도 10은 백홀 네트워크 처리량 대 대규모 네트워크의 정규화 된 트래픽로드를 나타낸다.
도 11은 대규모 네트워크에서 평균 지연 대 정규화 된 트래픽로드를 나타낸다.
1 is a conceptual diagram of a network system according to an embodiment of the present invention.
2 shows an example of a smart manufacturing system backhaul network according to an embodiment of the present invention.
3 is a code of a link scheduling algorithm according to an embodiment of the present invention.
4 shows a plurality of nodes and links that perform link scheduling according to an embodiment of the present invention.
5 and 6 show time slots representing link scheduling according to an embodiment of the present invention.
7 shows a graph of backhaul network throughput versus normalized traffic load.
8 shows the average delay versus normalized traffic load.
9 is a graph showing packet loss rate versus normalized traffic load.
Figure 10 shows the backhaul network throughput versus the normalized traffic load of a large network.
Figure 11 shows the average delay versus normalized traffic load in a large network.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.In the present invention, various modifications may be made and various embodiments may be provided, and specific embodiments will be described in detail with reference to the drawings. However, this is not intended to limit the present invention to a specific embodiment, it is to be understood to include all changes, equivalents, and substitutes included in the spirit and scope of the present invention. In describing each drawing, similar reference numerals have been used for similar elements.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.Terms such as first, second, A, and B may be used to describe various elements, but the elements should not be limited by the terms. These terms are used only for the purpose of distinguishing one component from another component. For example, without departing from the scope of the present invention, a first component may be referred to as a second component, and similarly, a second component may be referred to as a first component. The term and/or includes a combination of a plurality of related items or any of a plurality of related items.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. When a component is referred to as being "connected" or "connected" to another component, it should be understood that it may be directly connected to or connected to the other component, but other components may exist in the middle. something to do. On the other hand, when a component is referred to as being "directly connected" or "directly connected" to another component, it should be understood that there is no other component in the middle.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.The terms used in the present application are only used to describe specific embodiments, and are not intended to limit the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In the present application, terms such as "comprise" or "have" are intended to designate the presence of features, numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof described in the specification, but one or more other features. It is to be understood that the presence or addition of elements or numbers, steps, actions, components, parts, or combinations thereof, does not preclude in advance.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 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 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.Unless otherwise defined, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art to which the present invention belongs. Terms as defined in a commonly used dictionary should be interpreted as having a meaning consistent with the meaning in the context of the related technology, and should not be interpreted as an ideal or excessively formal meaning unless explicitly defined in this application. Does not.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다. Throughout the specification and claims, when a certain part includes a certain component, it means that other components may be further included rather than excluding other components unless otherwise stated.

명세서 및 청구범위 전체에서 에지(edge)는 링크를 지칭할 수 있고, 상기 두 용어들은 혼용될 수 있다.Throughout the specification and claims, an edge may refer to a link, and the two terms may be used interchangeably.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

무선 백홀 네트워크 시스템 모델Wireless backhaul network system model

우선, 무선 백 홀 시스템 모델이 스마트 제조 환경에서 EG, ES 및 백홀 네트워크 간의 다중 홉 통신을 지원한다고 가정하고, 모든 EG와 ES가 스위치 빔 지향성 안테나를 갖추고 있다고 가정한다. 제조설비(manufacturing equipment, ME)는 ME 근처에 위치한 EG에 통신 요청 프레임을 전송하여 EG와 통신한다.First, it is assumed that the wireless backhaul system model supports multi-hop communication between EG, ES and backhaul network in a smart manufacturing environment, and all EG and ES are equipped with switch beam directional antennas. The manufacturing equipment (ME) communicates with the EG by transmitting a communication request frame to the EG located near the ME.

각 EG는 ME에서 무선 백홀 트래픽을 수집하고, 이 트래픽을 지향성 안테나를 사용하여 ES에 전달한다. 백홀 트래픽이 ES에 도달하면 이 트래픽을 코어 네트워크로 전달한다. 또한 무선 백홀 네트워크는 EG 간의 다중 홉 통신을 지원한다고 가정한다. 따라서 각 EG는 메시 토폴로지를 구축하고 ES를 제외한 다른 EG와의 멀티 홉 통신을 수행 할 수 있다. 도 1에 도시 된 바와 같이, 각각의 ME는 EG, 모든 EG는 인접한 EG와 연결된다. ES는 유선 백홀을 통해 클라우드 네트워크에 연결되고 방향성 안테나를 사용하여 백홀 트래픽을 EG로 전달한다.Each EG collects wireless backhaul traffic from the ME, and passes this traffic to the ES using a directional antenna. When backhaul traffic reaches the ES, it passes this traffic to the core network. In addition, it is assumed that the wireless backhaul network supports multi-hop communication between EGs. Therefore, each EG can build a mesh topology and perform multi-hop communication with other EGs except ES. As shown in Figure 1, each ME is connected to an EG, and all EGs are connected to an adjacent EG. The ES connects to the cloud network via a wired backhaul and uses a directional antenna to pass backhaul traffic to the EG.

일반적으로 방향성 안테나는 스위치 방식 빔 안테나와 페이즈 배열 안테나를 사용하는 두 가지 유형으로 분류된다. 본 발명에서는 무선 백홀 네트워크 (wireless backhaul network)와 같은 다양한 연구에서 광범위하게 채택 된 스위치 빔 안테나 (switched beam antenna)를 사용하나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 모든 EG는 M으로 표시되는 안테나 빔과 동일한 개수로 구성된다고 가정한다. 모든 빔은 모든 방향을 커버하고 동일한 송신 커버리지 영역 및 송신 전력을 갖기 위해 중첩되지 않는다.In general, directional antennas are classified into two types using a switched beam antenna and a phase array antenna. In the present invention, a switched beam antenna widely adopted in various studies such as a wireless backhaul network is used, but is not limited thereto. It is assumed that all EGs are composed of the same number of antenna beams indicated by M. All beams do not overlap to cover all directions and have the same transmission coverage area and transmission power.

그러나 EG가 무선 트래픽을 전송할 때 하나의 빔만이 해당 시간에 작동하여 전송된 트래픽을 원하는 수신자에게 보내고 다른 빔은 단일 채널의 사용으로 인해 차단된다. 무선 백홀 트래픽을 수신하는 수령자 EG는 통신을 요청한 EG쪽으로 지향성 빔을 조정한다.However, when the EG transmits radio traffic, only one beam operates at that time to send the transmitted traffic to the desired recipient, and the other beam is blocked due to the use of a single channel. Receiving the wireless backhaul traffic, the recipient EG adjusts the directional beam toward the EG that requested the communication.

무선 백홀 트래픽을 전송하기 위해 EG는 빔 ID, 빔 방향 및 채널 가중치를 포함하여 인접한 EG에 대한 정보를 필요로 한다. 이웃하는 EG들에 관한 정보는 헬로우 메시지를 통해 협력 채널 (예를 들어, ISM 대역들)을 통해 주기적으로 수집되고, 획득 된 정보는 EG의 빔 테이블에 저장된다.In order to transmit wireless backhaul traffic, the EG needs information on adjacent EGs, including beam ID, beam direction, and channel weight. Information on neighboring EGs is periodically collected through a cooperative channel (eg, ISM bands) through a hello message, and the obtained information is stored in the beam table of the EG.

본 발명의 일 실시예는 무선 백홀 네트워크를 유향 그래프 G = (N,

Figure 112019070647974-pat00013
)로 모델링했다. 여기서 N은 모든 EG의 집합을 나타내며
Figure 112019070647974-pat00014
는 모든 방향성 에지의 집합이다. 무선 백홀 네트워크는 한 세트의 데이터 흐름과 한 세트의 직교 채널로 구성된다. EG (n1)가 무선 백홀 트래픽을 다른 EG (n2)로 보내는 경우 G의 방향성 에지 e = (n1, n2)로 표시된다. EG 세트는 N = {n1, n2, .. 여기서, α는 무선 백홀에서 EG의 수를 나타내고, 각각의 ni는 e로 표시되는 에지를 갖는다. 에지 집합은
Figure 112019070647974-pat00015
= {e1, e2, ..., eβ}로 표현되며, 여기서 β는 무선 백홀상의 에지 수를 나타낸다.In one embodiment of the present invention, a wireless backhaul network is directed graph G = (N,
Figure 112019070647974-pat00013
). Where N represents the set of all EGs
Figure 112019070647974-pat00014
Is the set of all directional edges. A wireless backhaul network consists of a set of data flows and a set of orthogonal channels. When EG (n 1 ) sends wireless backhaul traffic to another EG (n 2 ), it is denoted by G's directional edge e = (n 1 , n 2 ). The EG set is N = {n 1 , n 2 , .. where α represents the number of EGs in the wireless backhaul, and each n i has an edge denoted by e. Edge set
Figure 112019070647974-pat00015
= {e 1 , e 2 , ..., e β }, where β represents the number of edges on the wireless backhaul.

우리는 또한 노드 n의 전송 범위 내에 위치하는 노드 n의 이웃 노드 집합으로서 N (n)을 정의했다.We also defined N(n) as the set of neighboring nodes of node n that are located within the transmission range of node n.

또한 에지 e의 채널 용량 re를 다음과 같이 유도 할 수 있었다. In addition, the edge e r e of the channel capacity could be derived as follows.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112019070647974-pat00016
Figure 112019070647974-pat00016

W는 무선 백홀의 채널 대역폭, N0는 잡음 전력 스펙트럼 밀도, I는 무선 백홀 간섭, PT는 EG의 송신 전력, GT 및 GR은 송신기 EG 및 수신기 EG의 지향성 빔 이득이고, λ는 지향성 빔의 파장이고, 4π는 지향성 안테나가 4 개의 섹터를 반영하고, d는 송신기 EG와 수신기 EG 사이의 거리를 나타낸다.W is the channel bandwidth of the wireless backhaul, N 0 is the noise power spectral density, I is the wireless backhaul interference, P T is the transmit power of the EG, G T and G R are the directional beam gain of the transmitter EG and receiver EG, and λ is the directivity. Is the wavelength of the beam, 4π is the directional antenna reflects 4 sectors, d is the distance between the transmitter EG and the receiver EG.

간섭 모델Interference model

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 스마트 제조 시스템 백홀 네트워크의 예를 도시한다.2 shows an example of a smart manufacturing system backhaul network according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 기법에서 ES와 모든 EG는 지향성 안테나를 갖추고 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, n0 내지 ni로 각각 표시된 5 개의 EG와 함께 ES가 존재한다. 집합 N = {n1, n2, ..., n5} 및

Figure 112019070647974-pat00017
= {e1, e2, ..., e10}은 EGs의 수 (α)가 5이고 에지의 수 (β)가 10임을 나타낸다. EG에는 4 개의 색인으로 구성된 지향성 안테나가 장착되어 있다. n1이 n5로 트래픽을 보내려고 하면 n2와 n4는 대상 빔이 차단되어 통신 할 수 없다. 그러나 n1이 n5로 무선 백홀 트래픽을 전송하면 다른 EG 중 하나가 e1과 e6을 통해 통신을 시도 할 수 있다.In the scheme proposed according to an embodiment of the present invention, the ES and all EGs are equipped with a directional antenna. As shown in FIG. 2, ES exists with 5 EGs denoted by n 0 to n i , respectively. Set N = {n 1 , n 2 , ..., n 5 } and
Figure 112019070647974-pat00017
= {e 1 , e 2 , ..., e 10 } indicates that the number of EGs (α) is 5 and the number of edges (β) is 10. The EG is equipped with a directional antenna consisting of four indexes. When n 1 tries to send traffic to n 5 , n 2 and n 4 cannot communicate because the target beam is blocked. However, if n 1 transmits wireless backhaul traffic to n 5 , one of the other EGs can try to communicate through e 1 and e 6 .

결과적으로 일부 EG는 방향성 안테나를 사용하여 트래픽을 동시에 전송할 수 있지만 모든 빔은 차단되지 않는다. 예를 들어, e1과 e4는 간섭없이 통신을 동시에 실행할 수 있다. EG 및 그 에지가 근거리 환경에 의존하기 때문에, 공정한 통신을 위해서는 빔 및 채널 스케줄링이 필요하다. As a result, some EGs can transmit traffic simultaneously using a directional antenna, but all beams are not blocked. For example, e 1 and e 4 can communicate simultaneously without interference. Since the EG and its edges depend on the near-field environment, beam and channel scheduling is required for fair communication.

충돌 / 난청 그래프Crash / Hearing Loss Graph

본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 기법에서, 무선 백홀 내의 모든 EG는 고정되어 있으며 주기적으로 자신의 정보를 hello 메시지로 교환하여 메쉬 네트워크 토폴로지를 구축한다.In the scheme proposed according to an embodiment of the present invention, all EGs in the wireless backhaul are fixed, and their information is periodically exchanged with a hello message to establish a mesh network topology.

hello 메시지에는 EG 위치, 데이터 속도 및 빔 인덱스와 같은 정보가 포함되며 무 지향성 안테나를 통해 전달된다. 최신 hello 메시지를 받은 후 EG는 제공된 정보로 업데이트한다.The hello message contains information such as EG position, data rate and beam index, and is carried over an omni-directional antenna. After receiving the latest hello message, EG updates with the information provided.

ES는 모든 EG가 핵심 네트워크에 액세스하기 위해 무선 백홀 트래픽을 ES에 전송하기 때문에 모든 EG의 정보를 얻을 수 있다. 따라서 ES는 서로 다른 링크가 서로 간섭하는지 여부를 결정하는 충돌 / 난청 그래프를 유지한다. The ES can get the information of all EGs because it sends wireless backhaul traffic to the ES for all EGs to access the core network. Thus, the ES maintains a collision/hearing loss graph that determines whether different links are interfering with each other.

[표 1][Table 1]

Figure 112019070647974-pat00018
Figure 112019070647974-pat00018

표 1에서 보듯이 일부 에지는 동시에 스케줄 될 수 없다. 예를 들어, n3과 n4 사이에 연결된 e6이 예약 된 경우 e1 또는 e4를 동시에 예약 할 수 있다. 그러나 e2는 e8 및 e10을 제외하고 다른 EG에 간섭을 일으키기 때문에 다른 에지와 동시에 스케줄 될 수 없다.As shown in Table 1, some edges cannot be scheduled at the same time. For example, if e 6 connected between n 3 and n 4 is reserved, e 1 or e 4 can be reserved at the same time. However, since e 2 interferes with other EGs except for e 8 and e 10 , it cannot be scheduled simultaneously with other edges.

이 충돌 그래프 (C)는 다음과 같이 정의된다.This collision graph (C) is defined as follows.

[수학식 2][Equation 2]

Figure 112019070647974-pat00019
Figure 112019070647974-pat00019

충돌 그래프와 유사하게, ES는 청각 장애 (deafness) 그래프를 유지하는데, 이는 다른 링크가 동시에 스케줄링 될 때 청각 문제가 발생 하는지를 결정한다. 난청 그래프 (F)는 다음과 같이 정의된다.Similar to the collision graph, the ES maintains a deafness graph, which determines if a hearing problem occurs when different links are scheduled at the same time. The hearing loss graph (F) is defined as follows.

[수학식 3][Equation 3]

Figure 112019070647974-pat00020
Figure 112019070647974-pat00020

전송 추정을 기반으로 한 링크 스케줄링 알고리즘Link scheduling algorithm based on transmission estimation

본 발명의 일 실시예는 무선 백홀 네트워크의 목적 함수를 MWIS 문제의 형태로 공식화하고 MWIS 문제를 해결하기 위한 링크 스케줄링 알고리즘으로 구현될 수 있다.An embodiment of the present invention can be implemented as a link scheduling algorithm for formulating an objective function of a wireless backhaul network in the form of an MWIS problem and solving the MWIS problem.

문제 공식화 Formulate the problem

본 발명의 일 실시예에 따른 알고리즘에서는 ES가 모든 EG의 정보를 가지고 있고 모든 EG가 ES의 제어하에 서로 통신하기 때문에 ES가 무선 백홀 네트워크 링크를 스케줄링하는 역할을 한다고 가정한다. 우선적으로 W = {w1, w2, ..., wβ}에 의해 에지의 집합을 나타낸다. 여기서 β는 무선 백홀의 에지 수이다. 그러면, 시간 슬롯 t에서의 에지 e의 무게, we(t)는 다음과 같이 주어진다.In the algorithm according to an embodiment of the present invention, it is assumed that the ES has the information of all EGs and all the EGs communicate with each other under the control of the ES, so that the ES plays a role of scheduling a wireless backhaul network link. Firstly, the set of edges is represented by W = {w 1 , w 2 , ..., w β }. Where β is the number of edges of the wireless backhaul. Then, the weight of the edge e in time slot t, w e (t), is given as follows.

[수학식 4][Equation 4]

Figure 112019070647974-pat00021
Figure 112019070647974-pat00021

여기서 Qe(t)는 에지 e에서의 백 로그 크기의 합이고, re(t)는 수학식 1에 의해 정의된 시간 슬롯 t에서의 링크 e의 달성 가능한 레이트를 나타낸다. 가중치의 정의는 시간에 따라 변하는 순간적 대기열 백 로그 크기와 연관되어있다. 따라서, 이 정의는 전송 처리량의 정의와 다르며, 이는 정의상 시간 평균된 양이다. 에지 e에서의 큐 백 로그 크기는 하기 수학식 5에 따라 진화한다.Here, Q e (t) is the sum of the backlog size at the edge e, and r e (t) represents the achievable rate of the link e in the time slot t defined by Equation 1. The definition of the weight is related to the instantaneous queue backlog size that changes over time. Thus, this definition differs from the definition of transmission throughput, which by definition is a time averaged amount. The queue back log size at the edge e evolves according to Equation 5 below.

[수학식 5][Equation 5]

 

Figure 112019070647974-pat00022
 
Figure 112019070647974-pat00022

여기에서 μe(t) 및 λe(t)는 e의 큐를 떠나는 비트의 수 및 e의 큐에 추가 된 비트의 수를 각각 나타낸다.Where μ e (t) and λ e (t) denote the number of bits leaving the queue of e and the number of bits added to the queue of e, respectively.

또한, 채널을 차지하는 모든 시간 슬롯 t ∈ T는 동일한 길이를 갖는다 고 가정하고, 여기서 T는 시간 슬롯들의 세트이다. 개념적으로, 제안된 스케줄링 알고리즘의 목적은 가능한 모든 독립적인 세트에 대한 가중치의 합을 최대화하는 링크, 채널, 데이터 속도 및 라우팅 흐름을 찾는 것이다. 따라서 목적 함수는 다음과 같이 가중치를 최대화하는 링크 집합을 찾도록 설계되었다. Further, it is assumed that all time slots t ∈ T occupying the channel have the same length, where T is a set of time slots. Conceptually, the purpose of the proposed scheduling algorithm is to find links, channels, data rates and routing flows that maximize the sum of weights for all possible independent sets. Therefore, the objective function is designed to find a link set that maximizes the weight as follows.

[수학식 6][Equation 6]

Figure 112019070647974-pat00023
Figure 112019070647974-pat00023

여기서

Figure 112019070647974-pat00024
는 지표 변수이며 두 가지 경우로 표현 될 수 있다.here
Figure 112019070647974-pat00024
Is an indicator variable and can be expressed in two cases.

[수학식 7][Equation 7]

Figure 112019070647974-pat00025
Figure 112019070647974-pat00025

그러나 스마트 제조 시스템에서는 단순히 무게를 최대화하는 링크 세트를 찾는 문제는 현실적으로 불가능하다. 그러므로 본 발명에서는 청각 장애 관리, 충돌 관리 및 흐름 보존과 같은 제약이 고려될 수 있다. However, in a smart manufacturing system, the problem of simply finding a link set that maximizes weight is practically impossible. Therefore, constraints such as hearing impairment management, collision management, and flow preservation may be considered in the present invention.

1) 흐름 보존 제약 (flow conservation constraint) : 각 흐름 f는 소스 노드 s(f)로부터 목적지 노드 d(f)까지의 다중 경로를 따라 시간 슬롯 t 동안 링크 e상의 특정 데이터 속도로 전송된다. 노드 n에서 노드 m까지 방향성 링크를

Figure 112019070647974-pat00026
로 표시한다. 그런 다음, 다음의 흐름 보존 제약 조건은 다음과 같이 주어진다.1) Flow conservation constraint: Each flow f is transmitted at a specific data rate on link e during time slot t along multiple paths from source node s(f) to destination node d(f). Directional link from node n to node m
Figure 112019070647974-pat00026
Denoted by Then, the following flow conservation constraint is given as

[수학식 8][Equation 8]

Figure 112019070647974-pat00027
Figure 112019070647974-pat00027

여기서 df는 흐름 f의 평균 데이터 속도를 나타낸다. Where d f represents the average data rate of flow f.

2) 링크 용량 제약 : 각 방향성 링크를 통한 평균 데이터 속도가 방향성 링크를 통한 평균 용량을 초과 할 수 없기 때문에 다음과 같은 제약이 있다.2) Link capacity restrictions: Since the average data rate through each directional link cannot exceed the average capacity through directional links, the following restrictions apply.

[수학식 9][Equation 9]

Figure 112019070647974-pat00028
Figure 112019070647974-pat00028

3) 채널 일치 제한 : 두 노드 n과 m은 동일한 채널을 통해 통신해야한다. 따라서, 채널 k가 방향성 링크

Figure 112019070647974-pat00029
에 할당되는지 여부를 나타내는 채널 할당 표시 자로
Figure 112019070647974-pat00030
를 정의한다. 즉, 아래 수학식 10과 같이 정의될 수 있다.3) Restriction of Channel Matching: Two nodes n and m must communicate through the same channel. Thus, channel k is a directional link
Figure 112019070647974-pat00029
As a channel assignment indicator indicating whether it is assigned to
Figure 112019070647974-pat00030
Defines That is, it may be defined as in Equation 10 below.

[수학식 10][Equation 10]

Figure 112019070647974-pat00031
Figure 112019070647974-pat00031

수학식 (10)으로부터, 우리는 수학식 11를 도출 할 수 있다.From Equation (10), we can derive Equation 11.

[수학식 11][Equation 11]

Figure 112019070647974-pat00032
Figure 112019070647974-pat00032

4) 채널 제약 : 동일한 채널을 통해 서로 다른 방향성 링크 쌍을 여러 번 할당하는 경우 여러 채널을 링크에 할당 할 수 있다. 그러나, 동일한 채널이 단일 링크 상에 2 쌍 이상의 방향성 안테나 쌍에 할당되면, 다른 쌍의 지향성 안테나로부터의 송신간에 간섭이 발생한다.4) Channel restrictions: When different directional link pairs are allocated multiple times through the same channel, multiple channels can be allocated to the link. However, if the same channel is assigned to two or more pairs of directional antennas on a single link, interference occurs between transmissions from different pairs of directional antennas.

이 문제를 해결하기 위해 동일한 링크에 할당 된 지향성 안테나 쌍에 다른 직교 채널을 할당해야 한다. 따라서, 방향성 링크에 할당 된 채널의 수는 방향성 링크에 할당 된 지향성 안테나의 쌍의 수와 같아야 한다.To solve this problem, different orthogonal channels must be assigned to a pair of directional antennas assigned to the same link. Therefore, the number of channels allocated to the directional link should be equal to the number of pairs of directional antennas allocated to the directional link.

[수학식 12][Equation 12]

Figure 112019070647974-pat00033
Figure 112019070647974-pat00033

여기서 M은 안테나의 수를 나타낸다. 또한, 노드 n이 채널 k에서 나가는 방향성 링크를 통해 노드 m으로 데이터를 전송하거나 채널 k에서 들어오는 방향성 링크를 통해 노드 m에서 데이터를 수신하는 경우, 채널 k를 링크

Figure 112019070647974-pat00034
에 할당되어야 한다.Here, M represents the number of antennas. In addition, when node n transmits data to node m through a directional link outgoing from channel k or receives data from node m through a directional link coming from channel k, link channel k.
Figure 112019070647974-pat00034
Should be assigned to

따라서 다음과 같은 제약 조건을 정의한다. Therefore, the following constraints are defined.

[수학식 13][Equation 13]

Figure 112019070647974-pat00035
Figure 112019070647974-pat00035

5) 전송 간섭 제약 : 노드는 동일한 채널상의 다수의 수신 방향성 링크를 통해 동시에 데이터를 수신 할 수 없다. 따라서, 전송 노드 간의 충돌 / 청각 장애를 피하고 실현 가능한 링크 스케줄링 방안을 보장하기 위해 다음과 같은 실현 가능한 스케줄링 제약 조건을 정의한다.5) Transmission interference restriction: A node cannot simultaneously receive data through multiple receive directional links on the same channel. Therefore, the following feasible scheduling constraints are defined to avoid collision/hearing impairment between transmitting nodes and to ensure a feasible link scheduling scheme.

[수학식 14][Equation 14]

Figure 112019070647974-pat00036
Figure 112019070647974-pat00036

여기서 N(e)는 e에 대한 이웃 에지들의 집합을 나타낸다.

Figure 112019070647974-pat00037
+
Figure 112019070647974-pat00038
≥1,이라면 e'는 N (e)에 포함된다.Here, N(e) represents a set of neighboring edges for e.
Figure 112019070647974-pat00037
+
Figure 112019070647974-pat00038
If ≥1, e'is included in N (e).

6) 전송 공정성 제약 : 각 노드는 데이터를 수신/전송할 때마다 에너지를 소비한다. 스마트한 제조 환경에서, 각 EG의 잔여 에너지의 양은 효율적인 통신 및 실시간 데이터의 송/수신에 중요하다. 따라서 공정성 제약은 모든 EG가 균등하게 전송 될 수있는 기회를 확증하고 EG 간의 에너지 소비를 공정하게 균등화시킨다. Jain 's Fairness Index를 사용하여 다음의 공정성 제약 조건을 설정한다.6) Transmission Fairness Constraints: Each node consumes energy whenever it receives/transmits data. In a smart manufacturing environment, the amount of residual energy in each EG is important for efficient communication and transmission/reception of real-time data. Thus, fairness constraints confirm the opportunity for all EGs to be transmitted evenly and equalize energy consumption between EGs fairly. The following fairness constraints are set using Jain's Fairness Index.

[수학식 15][Equation 15]

Figure 112019070647974-pat00039
Figure 112019070647974-pat00039

여기서 τ는 공정성 임계 값을 나타낸다. Here, τ represents the fairness threshold.

7) 목적 함수 : 수학식(8)에서 수학식(15)까지 목적 함수를 아래와 같이 설계 할 수 있다.7) Objective function: The objective function from Equation (8) to Equation (15) can be designed as follows.

[수학식 16][Equation 16]

Figure 112019070647974-pat00040
Figure 112019070647974-pat00040

중앙 집중식 링크 스케줄링 문제Centralized link scheduling problem

목적 함수 (16)는 복잡하고 다양한 해법을 사용하여 해결하는데 상당한 시간을 요구한다.The objective function (16) is complex and requires considerable time to solve using a variety of solutions.

따라서 문제의 규모를 줄이기 위해 단일 채널 환경을 가정했으며 타임 슬롯에서 전송되는 데이터의 양은 채널 용량을 초과 할 수 없다. 따라서 본 발명에서는 흐름 보존, 링크 용량 및 채널 일치 제한을 제거하고 순수한 MWIS 문제로서 목표 기능을 감소시킬 수 있었다. Therefore, in order to reduce the scale of the problem, a single channel environment was assumed, and the amount of data transmitted in a time slot cannot exceed the channel capacity. Therefore, in the present invention, flow conservation, link capacity, and channel matching restrictions were removed, and the target function could be reduced as a pure MWIS problem.

MWIS 문제를 해결하기 위해 MWIS는 잘 알려진 비결정론적 다항식 시간 경도(NP-hard) 문제이기 때문에 본 발명의 일 실시예에서는 다양한 휴리스틱 및 근사 알고리즘을 제안한다. In order to solve the MWIS problem, MWIS is a well-known nondeterministic polynomial time-hardness (NP-hard) problem, and thus various heuristics and approximation algorithms are proposed in an embodiment of the present invention.

본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 기법에서 스케줄링 링크는 ES에 의해 실시간으로 계산되어 제어 채널을 통해 모든 EG에 전달된다. 또한 각 EG는 제어 채널을 통해 대기열 백 로그 크기를 정기적인 간격으로 ES에 보고한다. 본 발명의 일 실시예에서는 각 채널의 주파수 중 일부를 사용하는 언더 레이 제어 채널을 가정한다.In the scheme proposed according to an embodiment of the present invention, the scheduling link is calculated in real time by the ES and transmitted to all EGs through the control channel. In addition, each EG reports the queue backlog size to the ES at regular intervals via the control channel. In an embodiment of the present invention, an underlay control channel using some of the frequencies of each channel is assumed.

도 3은 본 발명이 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링 알고리즘의 코드이고, 도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링을 수행하는 복수 개의 노드 및 링크를 나타내며, 도 5 및 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링을 나타내는 시간 슬롯을 나타낸다. 3 is a code of a link scheduling algorithm according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 shows a plurality of nodes and links performing link scheduling according to an embodiment of the present invention, and FIGS. 5 and 6 are Represents a time slot representing link scheduling according to an embodiment of.

도 3 내지 도 6을 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 링크 스케쥴링의 순서를 설명한다. 첫째, 이웃 EG 수가 가장 많은 EG가 발견된다 (5 행). 두 개 이상의 EG가 발견되면 알고리즘은 EG의 연결된 링크 수가 적은 EG를 선택한다. 그렇지 않으면 EG를 임의로 선택한다 (6 - 11 행). 선택된 EG에 연결된 가장 높은 가중치를 갖는 에지가 먼저 스케쥴되고 모든 에지가 이러한 방식으로 시간 슬롯을 할당받는다(14 - 22 행). 선택된 EG의 모든 에지가 스케쥴 될 때, 대응하는 EG는 후보리스트로부터 제거되고 모든 EG의 에지가 스케쥴 될 때까지 프로세스가 계속된다. 특히, 다른 에지들을 스케줄링하는 과정에서, 알고리즘은 공간 재사용을 최대화하고 그것을 할당하는 시간 슬롯을 발견한다. 모든 에지가 스케쥴되면, 우리는 Jain's 공정성 지수를 사용하여 EG 간의 공정성을 측정한다. 공정성 측정을 하기 전의 스케쥴링 단계는 도 5에 도시되었고, 공정성을 측정하여 공정성 제약을 고려한 스케쥴링 단계는 도 6에 도시되었다.A sequence of link scheduling according to an embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 3 to 6. First, the EG with the highest number of neighboring EGs is found (row 5). If more than one EG is found, the algorithm selects an EG with a small number of linked EGs. Otherwise, EG is chosen randomly (rows 6-11). The edge with the highest weight connected to the selected EG is scheduled first and all edges are assigned time slots in this way (lines 14-22). When all edges of the selected EG are scheduled, the corresponding EG is removed from the candidate list and the process continues until all edges of the EG are scheduled. In particular, in the process of scheduling other edges, the algorithm maximizes space reuse and finds a time slot to allocate it. When all edges are scheduled, we measure the fairness between EGs using Jain's fairness index. The scheduling step before the fairness measurement is performed is illustrated in FIG. 5, and the scheduling step in which fairness is measured and the fairness constraint is considered is illustrated in FIG. 6.

공정성 제약이 소정의 값 미만인 경우 가장 낮은 가중치를 가진 에지를 찾고 스케줄링을 계속한다 (24 - 27 행). 따라서, 도 6에 도시된 바와 같이 새로운 시간 슬롯(t6, t7)을 추가하여 추가된 시간 슬롯에 상기 가장 낮은 가중치를 가진 에지를 스케쥴링하며, 공정성 제약이 소정의 값 미만인 경우 상기 단계를 반복한다. If the fairness constraint is less than a predetermined value, the edge with the lowest weight is found and scheduling continues (lines 24-27). Therefore, as shown in FIG. 6, the edge with the lowest weight is scheduled in the added time slot by adding a new time slot (t 6 , t 7 ), and if the fairness constraint is less than a predetermined value, the step is repeated. do.

제안된 휴리스틱 알고리즘은 복잡한 MWIS 문제를 효율적으로 처리하고 짧은 시간 내에 백홀 라우팅 링크 스케줄링 결과를 제공한다. 이는 지능형 제조 네트워크 시스템이 명령을 처리하고 실시간으로 ME의 상태를 모니터링하는 데 적합하다.The proposed heuristic algorithm efficiently handles complex MWIS problems and provides backhaul routing link scheduling results within a short time. It is suitable for intelligent manufacturing network systems to process commands and monitor the status of the ME in real time.

휴리스틱 알고리즘의 성능을 복잡성 측면에서 평가하기 위해 각 단계의 계산 복잡도를 다음과 같이 분석했다. 스케줄링 단계에서는 목표 EG 검색이 일 실시예로 사용되었으며, 목표 EG를 찾는 N 개의 비교가 필요하다. 목표 EG는 인접 노드의 최대 수를 가진다. 그러나, 최악의 경우, N 노드는 동일한 수의 이웃 노드를 가질 수 있다. 따라서, 스케줄링 알고리즘은 N의 크기에 대해 2 차이다. 마지막으로 전체 알고리즘은 계산 복잡도를 O(N2)로 취할 수 있다.In order to evaluate the performance of the heuristic algorithm in terms of complexity, the computational complexity of each step was analyzed as follows. In the scheduling step, a target EG search was used as an example, and N comparisons to find the target EG are required. The target EG has the maximum number of adjacent nodes. However, in the worst case, N nodes may have the same number of neighboring nodes. Hence, the scheduling algorithm is quadratic for the size of N. Finally, the overall algorithm can take computational complexity as O(N 2 ).

성능 평가Performance evaluation

제안된 알고리즘은 OPNET 시뮬레이터를 사용하여 구현되었다. 시뮬레이션에서는 총 네트워크 처리량, 지연, 패킷 손실률 및 공정성의 결과에 중점을 두었다. 시뮬레이션을 수행하기 위해, 우리는 그림 2에 따라 무선 백홀 네트워크 토폴로지가 구축되었다고 가정했다. 시뮬레이션 매개 변수의 세부 구성은 표 2에 나와있다. The proposed algorithm was implemented using the OPNET simulator. The simulation focused on the results of total network throughput, delay, packet loss rate and fairness. To perform the simulation, we assumed that a wireless backhaul network topology was built according to Figure 2. The detailed configuration of the simulation parameters is shown in Table 2.

[표 2][Table 2]

Figure 112019070647974-pat00041
Figure 112019070647974-pat00041

또한, 시뮬레이션에서 우리는 모든 EG가 이미 라우팅 정보를 획득하고 스케줄링 지연을 10ms로 설정했다고 가정했다. 또한 라우팅 정보는 시뮬레이터의 매트릭스에 의해 구현되었다.Also, in the simulation, we assumed that all EGs have already acquired routing information and set the scheduling delay to 10ms. Also, routing information is implemented by the simulator's matrix.

도 7는 정규화된 트래픽 부하에 대한 백홀 네트워크 처리량의 그래프를 나타낸다. 7 shows a graph of backhaul network throughput versus normalized traffic load.

예를 들어, 트래픽 로드 2는 들어오는 트래픽이 백홀 시스템의 각 EG에서 단일 링크의 평균 용량의 두 배가 되도록하는 것을 의미한다. 사용된 모든 방식의 처리량은 트래픽 부하가 증가함에 따라 급속히 증가했다. 특히 무차별 대입 방식은 모든 계획 중에서 가장 높은 증가율을 보였다. 트래픽 부하가 많은 상황에서 본 발명의 일 실시예에 따라 τ = 0.9로 설정된 알고리즘은 기존 기법보다 27 % 이상을 달성했다. For example, traffic load 2 means that incoming traffic is twice the average capacity of a single link on each EG in the backhaul system. Throughput of all the methods used increased rapidly as the traffic load increased. In particular, the indiscriminate substitution method showed the highest increase rate among all plans. In a situation where there is a heavy traffic load, the algorithm set to τ = 0.9 according to an embodiment of the present invention achieves more than 27% of the existing scheme.

그러나 많은 수의 노드가 배치 될 경우 무차별 대입 방식은 확장성이 없다. DSR 기반 백홀 라우팅 방식은 라우팅 경로 설정에 필요한 오버 헤드로 인해 가장 낮은 성능을 보였다. 5G를 위한 공간 분할 다중 접속(Spatial division multiple access, SDMA) 기반 자원 관리 기법이 링크 스케줄링을 최적화하지만, 총 처리량은 본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 방식보다 적다.However, when a large number of nodes are deployed, the brute force substitution method is not scalable. The DSR-based backhaul routing method showed the lowest performance due to the overhead required for routing path setup. A spatial division multiple access (SDMA) based resource management scheme for 5G optimizes link scheduling, but the total throughput is less than that proposed according to an embodiment of the present invention.

이는 SDMA 기반 자원 관리 기법이 단일 홉 링크만을 고려한 링크 스케줄링을 최적화하기 때문이다. 따라서, 프레임은 중간 GW에서 손실 될 수 있고 종단 간 지연은 증가 할 수 있다.This is because the SDMA-based resource management scheme optimizes link scheduling considering only a single hop link. Thus, the frame can be lost in the intermediate GW and the end-to-end delay can increase.

흥미롭게도 본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 알고리즘의 성능은 더 높은 τ에서 더 우수한 것을 발견할 수 있다. 이는 높은 링크 간의 전송의 공정성이 엔드 투 엔드(end to end) 처리량을 증가 시킨다는 것을 의미한다.Interestingly, it can be found that the performance of the algorithm proposed according to an embodiment of the present invention is better at higher τ. This means that high link-to-link transmission fairness increases end-to-end throughput.

도 8는 평균 지연 대 정규화 트래픽로드를 나타낸다.8 shows the average delay versus normalized traffic load.

도 8에서 제안한 기법과 DSR 기반 기법의 평균 지연은 각각 트래픽 부하 2와 0.5에서 급격히 증가한다. 우리는 더 높은 트래픽 부하에서 지연 성능을 더 조사하여 본 발명에 따라 제안된 기법 (τ = 0.9)의 지연이 트래픽 부하가 3.5 일 때 느리게 증가한다는 것을 발견했다. The average delay of the scheme proposed in FIG. 8 and the DSR-based scheme rapidly increases at traffic loads 2 and 0.5, respectively. We further investigated the delay performance at higher traffic loads and found that the delay of the proposed scheme (τ = 0.9) according to the present invention increases slowly when the traffic load is 3.5.

본 발명의 다른 실시예에 따라 낮은 공평성 제약 (τ = 0.5 및 τ = 0.7)을 갖는 기법에서 트래픽 부하 = 2 일 때 평균 지연이 증가한다. 이는 패킷을 버리는 불균형 링크 스케줄링 때문이다. DSR 기반 방식에서, 노드는 라우팅 경로를 찾아야 하므로 시그널링 오버 헤드를 겪는다. 결과적으로 네트워크 지연이 증가한다. 또한, 5G에 대한 무선 자원 관리 방식은 1 홉 동안 링크 스케줄링을 수행하기 때문에, 중간 GW에서 병목 현상이 발생하여 높은 지연을 나타낸다.In a scheme with low fairness constraints (τ = 0.5 and τ = 0.7) according to another embodiment of the present invention, the average delay increases when traffic load = 2. This is due to unbalanced link scheduling that discards packets. In the DSR-based scheme, a node suffers signaling overhead because it has to find a routing path. As a result, network latency increases. In addition, since the radio resource management scheme for 5G performs link scheduling for one hop, a bottleneck occurs in the intermediate GW, indicating a high delay.

도 9은 패킷 손실률 대 정규화 된 트래픽 부하를 나타내는 그래프이다.9 is a graph showing packet loss rate versus normalized traffic load.

도 9에 도시된 패킷 손실율 성능 곡선의 추세는 지연 성능의 경향과 유사하다. 본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 기법 (τ = 0.9)은 트래픽로드가 4인 경우에도 패킷 손실이 거의 발생하지 않았다. 반면, DSR 기반 방식과 낮은 공정성 제약 (τ = 0.5 및 τ = 0.7)을 갖는 제안된 기법에 대해 각각 패킷의 63 % 이상, 30 %가 폐기되었다.The trend of the packet loss rate performance curve shown in FIG. 9 is similar to that of the delay performance. In the proposed scheme (τ = 0.9) according to an embodiment of the present invention, even when the traffic load is 4, packet loss hardly occurs. On the other hand, for the DSR-based scheme and the proposed scheme with low fairness constraints (τ = 0.5 and τ = 0.7), more than 63% and 30% of packets were discarded, respectively.

표 3는 트래픽로드가 5 일 때 Jain의 공정성 지수를 보여준다. Table 3 shows Jain's fairness index when the traffic load is 5.

[표 3][Table 3]

Figure 112019070647974-pat00042
Figure 112019070647974-pat00042

표에서 알 수 있듯이 본 발명의 일 실시예에 따라 제안된 모든 방식은 공정성 제약 조건을 거의 충족한다. brute-force 접근 방식은 0.9341의 최고 점수를 얻는다. 이 결과는 이 시나리오에서 τ에 대한 최적 값이 0.9341임을 의미한다.As can be seen from the table, all schemes proposed according to an embodiment of the present invention almost satisfy the fairness constraint. The brute-force approach scores a top score of 0.9341. This result implies that the optimal value for τ in this scenario is 0.9341.

도 10은 백홀 네트워크 처리량 대 대규모 네트워크의 정규화 된 트래픽로드를 나타내고, 도 11은 대규모 네트워크에서 평균 지연 대 정규화된 트래픽로드를 나타낸다.FIG. 10 shows backhaul network throughput versus normalized traffic load of a large network, and FIG. 11 shows average delay versus normalized traffic load in a large network.

도 10과 도 11은 각각 1km × 1km 토폴로지 (보다 스트레스가 많은 환경)에 100GW를 배치했을 때 처리량과 지연 결과를 나타낸다. 그래프에서 보는 바와 같이 네트워크 처리량은 이전 결과와 유사하며 모든 시스템에서 트래픽이 증가함에 따라 처리량이 포화 상태임을 확인할 수 있다. 지연의 경우 전체적으로 증가한 것을 확인할 수 있다. 그러나 본 발명에 따라 제안된 기법의 지연은 EdgeX Foundry가 제안한 목표 종단 간 지연 시간 인 300ms 이내임을 알 수 있다. 따라서 본 발명에 따라 제안된 기법은 스마트 제조 시스템에서 실시간 데이터 처리에 적합하다.10 and 11 respectively show throughput and delay results when 100GW is placed in a 1km×1km topology (a more stressful environment). As shown in the graph, the network throughput is similar to the previous result, and it can be seen that the throughput is saturated as traffic increases in all systems. In the case of delay, it can be seen that the overall increase. However, it can be seen that the delay of the scheme proposed according to the present invention is within 300 ms, which is the target end-to-end delay time proposed by EdgeX Foundry. Therefore, the technique proposed according to the present invention is suitable for real-time data processing in a smart manufacturing system.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 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.The above description is merely illustrative of the technical idea of the present invention, and those of ordinary skill in the art to which the present invention pertains will be able to make various modifications and variations without departing from the essential characteristics of the present invention. Accordingly, the embodiments disclosed in the present invention are not intended to limit the technical idea of the present invention, but to explain the technical idea, and the scope of the technical idea of the present invention is not limited by these embodiments. The scope of protection of the present invention should be interpreted by the following claims, and all technical ideas within the scope equivalent thereto should be interpreted as being included in the scope of the present invention.

Claims (10)

복수 개의 노드를 포함하는 백홀망 기반의 네트워크 시스템에서 데이터 처리를 위한 링크 스케쥴링 방법에 있어서,
상기 복수 개의 노드들 중 스케쥴링을 실시할 어느 하나의 노드를 선택하는 단계(a);
상기 선택한 노드에 연결된 복수개의 링크들에 대하여 충돌-난청 제약을 고려하여 순차적으로 스케쥴링하는 단계(b);
상기 복수 개의 노드들 중 선택되지 않은 나머지 노드들 중 어느 하나의 노드를 선택하여 첫 시간 구간부터 상기 스케쥴링 단계(b)를 반복하는 단계(c);
모든 링크들의 스케쥴링이 1번씩 완료되면, 각각의 시간 구간에 대하여 상기 충돌-난청 제약을 만족하는 링크를 서치하는 단계(d);
상기 서치된 링크를 해당 시간 구간에 스케쥴링하여 채널 활용을 수행하는 단계(e)
모든 시간구간에 대하여 채널 활용도를 산출하는 단계(f);
상기 채널 활용도에 기초하여 공정성 제약을 산출하는 단계(g);
상기 공정성 제약이 소정의 값 미만인 경우, 상기 복수 개의 링크들 중 채널 활용도가 가장 낮은 링크를 선택하는 단계(h);
상기 링크를 추가 시간 구간에 스케쥴링하는 단계(i);
상기 (f) 내지 (h) 단계를 반복하는 단계(j); 및
상기 공정성 제약이 소정의 값 이상인 경우, 스케쥴링을 종료하는 단계(k)를 포함하는 링크 스케쥴링 방법.
In a link scheduling method for data processing in a backhaul network-based network system including a plurality of nodes,
Selecting any one node to perform scheduling among the plurality of nodes (a);
(B) sequentially scheduling a plurality of links connected to the selected node in consideration of collision-hearing loss constraints;
(C) repeating the scheduling step (b) from a first time interval by selecting any one of the remaining unselected nodes among the plurality of nodes;
(D) searching for a link that satisfies the collision-hearing-loss constraint for each time interval when scheduling of all links is completed once at a time;
(E) performing channel utilization by scheduling the searched link in a corresponding time interval
Calculating channel utilization for all time intervals (f);
Calculating a fairness constraint based on the channel utilization (g);
(H) selecting a link with the lowest channel utilization among the plurality of links when the fairness constraint is less than a predetermined value;
(I) scheduling the link in an additional time interval;
(J) repeating steps (f) to (h); And
And (k) terminating scheduling when the fairness constraint is greater than or equal to a predetermined value.
제 1 항에 있어서,
상기 어느 하나의 노드를 선택하는 단계에서,
상기 스케쥴링을 실시할 노드로 선택되는 노드는 가장 많은 링크를 가지는 노드인 것을 특징으로 하는 링크 스케쥴링 방법.
The method of claim 1,
In the step of selecting any one node,
The link scheduling method, characterized in that the node selected as the node to perform the scheduling is a node having the most links.
제 1 항에 있어서,
상기 어느 하나의 노드를 선택하는 단계에서, 노드들이 가진 링크 수가 모두 같은 경우에는 어느 하나의 노드를 랜덤하게 선택하는 링크 스케쥴링 방법.
The method of claim 1,
In the step of selecting any one node, if all the nodes have the same number of links, a link scheduling method in which one node is randomly selected.
삭제delete 삭제delete 삭제delete 제 1 항에 있어서,
상기 링크를 추가 시간 구간에 스케쥴링하는 단계(i)는
상기 추가 시간 구간에 대하여 상기 충돌-난청 제약을 만족하는 링크를 서치하여 스케쥴링하는 단계(l)를 더 포함하는 링크 스케쥴링 방법.
The method of claim 1,
The step (i) of scheduling the link in an additional time interval
And (l) searching for and scheduling a link that satisfies the collision-hearing loss constraint for the additional time interval.
제 1 항에 있어서,
상기 네트워크 시스템은 스마트 팩토리인 것을 특징으로 하는 링크 스케쥴링 방법.
The method of claim 1,
The network system is a link scheduling method, characterized in that the smart factory.
제 1 항에 있어서,
상기 백홀망은 밀리미터파(mmWave) 대역을 이용하는 것인 링크 스케쥴링 방법.
The method of claim 1,
The link scheduling method in which the backhaul network uses a millimeter wave (mmWave) band.
복수 개의 노드를 포함하는 백홀망 기반의 네트워크 시스템 내 데이터 처리를 위한 링크 스케쥴링 장치에 있어서,
제1 스케쥴링부, 제2 스케쥴링부 및 제3 스케쥴링부를 포함하고,
상기 제1 스케쥴링부는,
상기 복수 개의 노드들 중 스케쥴링을 실시할 어느 하나의 노드를 선택하고,
상기 선택한 노드에 연결된 복수개의 링크들에 대하여 충돌-난청 제약을 고려하여 순차적으로 스케쥴링하며,
상기 복수 개의 노드들 중 선택되지 않은 나머지 노드들 중 어느 하나의 노드를 선택하여 첫 시간 구간부터 상기 스케쥴링을 반복하고,
상기 제2 스케쥴링부는,
모든 링크들의 스케쥴링이 1번씩 완료되면, 각각의 시간 구간에 대하여 상기 충돌-난청 제약을 만족하는 링크를 서치하고,
상기 서치된 링크를 해당 시간 구간에 스케쥴링하여 채널 활용을 수행하며,
상기 제3 스케쥴링부는,
모든 시간구간에 대하여 채널 활용도를 산출하고,
상기 채널 활용도에 기초하여 공정성 제약을 산출하고,
상기 공정성 제약이 소정의 값 미만인 경우, 상기 복수 개의 링크들 중 채널 활용도가 가장 낮은 링크를 선택하며,
상기 링크를 추가 시간 구간에 스케쥴링하고,
상기 채널 활용도 및 상기 공정성 제약 산출과 채널 활용도가 가장 낮은 링크를 선택하는 것을 반복하며,
상기 공정성 제약이 소정의 값 이상인 경우, 스케쥴링을 종료하는 데이터 처리를 위한 링크 스케쥴링 장치.
In the link scheduling apparatus for data processing in a network system based on a backhaul network including a plurality of nodes,
Including a first scheduling unit, a second scheduling unit and a third scheduling unit,
The first scheduling unit,
Selecting any one node to perform scheduling among the plurality of nodes,
The plurality of links connected to the selected node are sequentially scheduled in consideration of collision-hearing loss constraints,
Selecting any one of the remaining unselected nodes among the plurality of nodes and repeating the scheduling from the first time interval,
The second scheduling unit,
When the scheduling of all links is completed once, a link that satisfies the collision-hearing loss constraint is searched for each time interval,
Channel utilization is performed by scheduling the searched link in a corresponding time period,
The third scheduling unit,
Channel utilization is calculated for all time periods,
Calculate fairness constraints based on the channel utilization,
When the fairness constraint is less than a predetermined value, a link having the lowest channel utilization among the plurality of links is selected,
Scheduling the link in an additional time period,
Repeating the calculation of the channel utilization and the fairness constraint and selecting the link with the lowest channel utilization,
When the fairness constraint is greater than or equal to a predetermined value, a link scheduling apparatus for processing data to terminate scheduling.
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