KR19990034353A - 케이블모뎀 시스템에 있어서 상향 채널의 대역 할당 방법 - Google Patents

케이블모뎀 시스템에 있어서 상향 채널의 대역 할당 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 케이블모뎀 시스템에 있어서 상향 채널의 대역 할당 방법에 관한 것이다.
이러한 본 발명의 방법은, 다수의 가입자가 각각 케이블모뎀을 통하여 케이블망(20)에 연결되고, CMTS(30)가 상향 채널을 일정 수의 미니슬롯으로 구분한 뒤 MAP 메시지를 전송하여 케이블모뎀에 대역을 할당하며, CMTS와 케이블모뎀간에 MAC 프레임을 이용하여 데이터를 주고받는 케이블모뎀 시스템에 있어서, CMTS에서 상향채널의 미니슬롯 가운데 일부를 예약기반 미니슬롯으로 설정하는 단계와 예약기반 미니슬롯을 모아 다양한 길이의 프레임을 만드는 단계와 각 케이블모뎀에서 요구할 때 전송특성에 따라 알맞은 길이의 프레임을 케이블모뎀에 할당하는 단계로 이루어져, 대역할당시 전송특성에 따라 프레임의 길이를 선택함으로써 대역 할당의 조밀특성을 향상시킬 수 있다.

Description

케이블모뎀 시스템에 있어서 상향 채널의 대역 할당 방법(Method of allocating a bandwidth on the upstream channel in a cable modem system)
본 발명은 케이블모뎀을 이용하여 구축한 시스템에 관한 것으로, 특히 상향 채널의 대역 중 일부를 예약기반 미니슬롯으로 구분하고 예약기반 미니슬롯을 모아 다양한 길이의 프레임을 형성한 뒤, 대역을 할당하는 경우 알맞은 길이의 프레임을 선택, 이용하도록 된 케이블모뎀 시스템에 있어서 상향 채널의 대역 할당 방법에 관한 것이다.
케이블모뎀 네트워크는 원격지 접속 분야에서 종합정보통신망(ISDN), 멀티디지털가입자회선(xDSL) 등과 함께 관심을 끌고 있는 네트워크 시스템으로서, 인터넷, 인트라넷에 접속하여 Mbps 급의 고속 데이터 전송 속도로 가입자에게 재택근무, 영상회의, 웹검색 등의 다양한 서비스를 제공한다.
최근 들어 미국을 중심으로 폭넓은 사용자층을 확보하고 있는 케이블모뎀 네트워크의 개념은 케이블 TV망을 데이터 통신분야에 끌어들인 것으로서 동축케이블을 이용한다는 측면에서는 서로 유사하지만, 케이블 TV는 외부의 동축케이블을 셋톱박스로 연결한 후 이 셋톱박스에 TV를 접속시키는 반면 케이블모뎀 네트워크는 케이블모뎀으로 동축케이블과 PC를 연결하는 방식이다. 이때 케이블모뎀에 접속되는 PC는 1 대일 수도 있고 여러 대일 수도 있다.
케이블모뎀은 워크그룹용, 멀티유저용, 및 개인용으로 구분된다. 워크그룹 케이블모뎀은 PC를 접속시킬 수 있는 포트 수가 4개, 8개 등으로 소규모 그룹을 대상으로 하고, 이를 통해 소형 LAN을 구축할 수 있으며, 멀티유저 케이블모뎀은 도서관, 학교, 공장 등 비교적 규모가 큰 곳에 사용된다.
도 1은 일반적인 케이블모뎀을 이용하여 구축한 네트워크를 도시한 도면으로, 케이블망(20)에 다수개의 케이블모뎀(CM,11~14)이 연결되고 케이블모뎀(11~14)에는 각각 PC가 연결되어 있어, 가입자가 백본망(40)으로부터 인터넷 등의 서비스를 제공받는다.
도 1에서 케이블모뎀 단말시스템(30,CMTS:Cable Modem Termination System)은 헤드엔드에 위치하여 상향 채널 및 하향 채널을 제공하는 역할을 한다. 상기 CMTS(30)는 하향 채널에서 500kbps~30Mbps의 전송 속도로 광대역의 데이터를 방송(broadcast )하고, 각 CM은 상향 채널에서 96kbps~10Mbps의 속도로 협대역의 질의데이터를 점대점 방식으로 전송한다. 케이블모뎀 시스템은 상향 채널에서 일정한 수의 미니슬롯으로 시간 프레임을 구성하고 이 시간 프레임을 단위로 대역을 할당한다.
이때, 상향채널에서 프레임을 이용하여 대역을 할당하는 과정에서 프레임의 크기에 따라 대역할당의 조밀특성이 달라지게 된다. 즉, 프레임의 크기가 크면 대역 할당 단위가 작아져 대역할당의 조밀특성이 개선되지만, 반면에 데이터 전달지연이 커지는 단점이 있다. 따라서, 고정된 길이의 프레임을 사용할 경우, 대역할당의 조밀특성이 좋으면 데이터 전달지연이 발생하고, 데이터 전달지연이 양호하면 대역할당의 조밀특성이 떨어지는 문제점이 있다.
이에 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 케이블모뎀 시스템의 CMTS에서 상향채널의 대역 중 일부를 예약기반 미니슬롯으로 설정하고 예약기반 미니슬롯을 모아 다양한 길이의 프레임을 만들어, 전송특성에 따라 알맞은 길이의 프레임을 선택하여 대역할당을 하기 위한 케이블모뎀 시스템에 있어서 상향 채널의 대역 할당 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 다수의 가입자가 각각 케이블모뎀을 통하여 케이블망에 연결되고, CMTS가 상향 채널을 일정 수의 미니슬롯으로 구분한 뒤 MAP 메시지를 전송하여 케이블모뎀에 대역을 할당하며, CMTS와 케이블모뎀간에 MAC 프레임을 이용하여 데이터를 주고받는 케이블모뎀 시스템에 있어서, 상기 CMTS가 상기 상향채널의 미니슬롯 가운데 일부를 예약기반 미니슬롯(RBM)으로 따로 구분하여 하위 프레임을 형성하는 단계, 상기 예약기반 미니슬롯(RBM)을 모아 다양한 길이의 프레임을 형성하는 단계, 및 대역 할당을 할 경우 전송특성에 따라 알맞은 길이의 프레임을 선택, 이용하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
도 1은 일반적인 케이블모뎀 네트워크와 그 주변 장치를 도시한 도면,
도 2는 일반적인 MAC 프레임의 헤더구조를 나타낸 도면,
도 3의 (가)는 본 발명에 따라 미니슬롯으로 구분된 상향 채널의 일부를 예약기반 미니슬롯으로 설정한 것을 나타내는 도면,
도 3의 (나)는 예약기반 미니슬롯을 모아서 다양한 길이의 프레임을 형성한 것을 나타내는 도면이다.
＊도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
11~14 : 케이블모뎀 20 : 케이블망
30 : CMTS 40 : 백본망
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예에 대하여 자세히 살펴보기로 한다.
먼저, 케이블모뎀을 이용한 통신방식에 있어서의 계층구조를 표 1을 참조하여 설명한다.
계 층 부 계 층
네트워크 계층 -
데이터 연결 계층 논리 연결 제어(LLC) 부계층
연결 보안 부계층
매체 접속 제어(MAC) 부계층
물리 계층 전송 수렴(TC) 부계층
물리 매체 종속(PMD) 부계층
케이블모뎀이 다루는 프로토콜은 인터넷 프로토콜(IP:Internet Protocol)로서, 케이블모뎀 시스템은 IP 메시지의 투명한 전송을 위하여 상기 표 1과 같은 계층적인 구조를 가지고 있다.
케이블모뎀 시스템의 계층 구조는 네트워크 계층, 데이터 연결 계층, 물리 계층과 같이 수직적인 구조로 구분되고, 데이터 연결 계층은 논리 연결 제어(LLC:Logical Link Control) 부계층, 연결 보안(link-security) 부계층, 및 매체 접속 제어(MAC:Medium Access Control) 부계층으로 구분되고, 물리 계층은 전송 수렴(Transmission Convergence) 부계층과 물리 매체 종속(PMD:Physical Medium Dependent) 부계층으로 구분된다.
상기에서 네트워크 계층은 인터넷 프로토콜(IP) 계층으로서 케이블 시스템을 통하여 IP 트래픽을 전송한다. 데이터 연결 계층의 매체 접속 제어(MAC) 부계층은 가변 길이의 PDU를 지원하며, MAC 프로토콜은 CMTS에 의하여 대역할당을 제어하고 상향에서 일정 시간 간격의 미니슬롯으로 스트림을 나누고 가변 길이의 패킷을 지원하여 대역할당의 효율을 증가시키는 등의 특징을 가지고 있다. 물리 계층의 전송 수렴(TC) 계층은 하향의 경우에만 존재하여 디지털 비디오와 같은 추가의 서비스를 제공하며, 물리 매체 종속 (PMD) 부계층은 하향의 경우 64QAM과 256QAM의 변조방식, 리드솔로몬과 트렐리스의 에러정정코드 등의 기능을 지원하고 상향의 경우 QPSK와 16QAM의 변조방식, TDMA, 고정길이 프레임과 가변길이 PDU 등을 지원한다.
한편, 도 1에 도시된 CMTS(30)와 CM(11~14)는 상향스트림(Upsteram) 및 하향스트림(Downstream )에서 기본 전송 단위인 MAC(Medium Access Control) 프레임을 이용하여 데이터를 주고 받는다. MAC 프레임의 구조는 MAC 프레임의 내용을 정의하는 MAC 헤더 및 MAC 헤더에 따라 그 길이와 존재 여부가 정해지는 데이터 PDU(Protocol data Unit)로 구성된다. 상기 MAC 프레임은 상향스트림의 경우 MAC 헤더 앞에 물리 매체 종속(PMD) 부계층 오버헤드가 붙고, 하향스트림의 경우 MPEG 전송 헤더가 붙어서 전송된다.
도 2는 MAC 프레임의 헤더 구조를 나타낸 도면으로, 도 2에 도시된 바와 같이 MAC 프레임은 1바이트의 FC(Frame Control), 1 바이트의 MAC_PARM (Parameter), 2바이트의 LEN(Length), 가변 길이의 EHDR(Extended MAC Header), 2바이트의 HCS(MAC Header Check Sequence)로 구성된다.
상기 FC는 MAC 헤더의 타입을 정의하며, 2비트의 MAC 프레임 제어 타입 필드 FC_TYPE, 5비트의 파라메터 비트 FC_PARM, 상기 EHDR 필드가 존재하는지의 여부를 나타내는 1비트의 EHDR_ON로 구분된다. MAC_PARM은 파라메터 필드로서, 상기 EHDR_ON이 '1'로서 EHDR 필드가 존재함을 나타낼 경우 EHDR 필드의 길이를 나타낸다. LEN은 MAC 프레임의 길이를 나타내는데, MAC 헤더가 요구(Request) 헤더일 경우에는 서비스를 정의하기 위한 SID(Service IDentifier)로 이용되고, HCS는 MAC 프레임 내의 비트 오류를 검출한다.
상기에서 FC_TYPE의 2비트가 '00'이면 MAC 헤더가 패킷 PDU MAC 헤더임을 나타내고 '01'이면 ATM 셀 MAC 헤더임을 나타내고 '10'이면 예약 PDU MAC 헤더임을 나타내고 '11'이면 특정한 MAC 프레임의 제어를 목적으로 한 MAC 헤더임을 나타낸다. FC_TYPE이 '11'일 경우, MAC 헤더는 다음과 같은 특별한 기능을 가진다. 즉, 타이밍 헤더 기능을 갖는 MAC 헤더는 하향채널에서 케이블모뎀의 동기를 위하여 MAC 헤더에 타이밍 정보를 전송하고, MAC 관리 헤더 기능을 갖는 MAC 헤더는 MAC 프레임의 관리 메시지를 전송하고, 요구 MAC 헤더 기능을 갖는 MAC 헤더는 상향스트림에서 케이블모뎀이 대역을 요구하는 절차이고, 연속(Concatenation) 기능을 갖는 MAC 헤더는 연속된 다수개의 MAC 프레임의 사용을 정의한다.
한편, FC_TYPE이 '11'일 경우의 상기 MAC 관리 헤더는 MAC 프레임을 관리하기 위한 메시지를 전송할 때 이용되는데, 하향스트림 채널에서 CMTS에 의해 전송되는 MAC 관리 메시지를 '할당 MAP'이라 한다. CMTS는 상기 할당 MAP을 하향 채널에 전송함으로써 케이블모뎀이 데이터를 전송하기 위한 상향 채널의 대역을 정의한다. MAP의 구조는 고정 길이의 헤더와 가변 길이의 IE(Information Elements)로 구성되며, IE는 14비트의 SID(Service IDentifier), 4비트의 타입 코드(IUC:Interval Usage Code), 14비트의 스타팅 오프셋으로 구분된다. IE의 타입 코드(IUC)에 따른 SID 및 오프셋을 살펴보면 표 2와 같다.
IE 명칭 IUC SID 오프셋
Request 1 any starting offset of REQ region
REQ/Data 2 multicast starting offset of IMMEDIATE Data region
Initial Maintenance 3 broadcast/multicast starting offset of MAINT region(used in initial Ranging)
Station Maintenance 4 unicast starting offset of MAINT region(used in Periodic Ranging)
Short Maintenance 5 unicast starting offset of Data Grant assignment ; if inferred length=0, then it is a Data Grant Pending
Long DataGrant 6 unicast starting offset of Data Grant assignment ; if inferred length=0, then it is a Data Grant Pending
Null IE 7 zero ending offset of the previous grant. Used to bound the length of the last actual interval allocation
Data Ack 8 unicast CMTS sets to 0
Reserved 9~14 any reserved
Expension 15 expanded IUC # of additional 32bit words in this IE
상기에서 Request IE는 상향스트림 데이터 전송을 위한 대역을 요구할 경우 상향스트림 간격을 제공하고, Request/Data IE는 전송될 대역이나 짧은 데이터 패킷을 요구할 경우에 상향스트림 간격을 제공한다. Initial Maintenance IE는 새로운 스테이션을 네트웍에 연결할 경우에 간격을 제공하고 Station Maintenance IE는 스테이션이 정해진 네트웍을 유지해야 할 경우 간격을 제공한다. Data Grant IE는 케이블모뎀이 한 개 또는 그 이상의 상향스트림 PDU를 전송할 수 있는 기회를 제공하는 것으로, Short Data Grant IE는 UCD(Upstream Channel Descirptor)에서 정해진 최대 버스트 크기보다 작거나 같은 경우에 이용되고 Long Data Grant IE는 UCD에 정의된 짧은 데이터(Short Data)의 최대 미니슬롯보다 많은 경우 이용된다. Null IE는 IE 리스트에서 실제적인 할당을 종료하고, Data Acknowledge IE는 데이터 PDU가 전송되었음을 인식한다.
이어서, 본 발명에 따른 케이블모뎀 시스템에 있어서 상향 채널의 대역 할당 방법에 대하여 살펴보기로 한다.
도 3의 (가)는 본 발명에 따라 미니슬롯으로 구분된 상향 채널의 일부를 예약기반 미니슬롯으로 설정한 것을 나타내는 도면이고, 도 3의 (나)는 예약기반 미니슬롯을 모아서 다양한 길이의 프레임을 형성한 것을 나타내는 도면이다.
케이블모뎀 시스템은 상향 채널에서 일정한 수의 미니슬롯으로 시간 프레임을 구성한다. CMTS는 시간 프레임을 매핑하는 정보를 가진 MAP 메시지를 시간 프레임을 주기로 하향 채널로 전송하며, 본 발명에 따라 상향 채널에서 예약기반 방식으로 호를 설정할 수 있도록 하기 위하여 도 3에 도시된 바와 같이 상향채널 시간 프레임의 일부를 예약기반 미니슬롯(RBM:Reserved Based Minislots)으로 따로 구분하여 둔다.
케이블모뎀이 도 3에 도시된 예약기반 미니슬롯을 이용하기 위해서는 첫째, 미니슬롯이 예약되지 않은 상태에서 케이블모뎀이 RBM 설정 요구를 보냈는지를 판단하여 판단결과 케이블모뎀이 RBM 설정 요구를 보냈다면 CMTS쪽으로 RBM 설정요구를 한다.
둘째, 설정시간(TS)내에 CMTS로부터 설정요구에 대한 응답(ACK)이 수신되었는지를 판단하여 판단결과 수신되었으면 케이블모뎀이 RBM을 예약하여 사용하도록 한다.
셋째, 케이블모뎀이 RBM 해제요구를 보냈는지를 판단하여 판단결과 해제요구를 보냈다면 CMTS쪽으로 RBM의 해제를 요구한다.
넷째, 해제시간(TR)이 지나거나 CMTS로부터 해제에 대한 응답(ACK)이 수신되었는지를 판단하여 판단결과 그렇다면 원상태로 돌아가고 판단결과 해제시간이 지나지 않거나 응답(ACK)이 수신되지 않았다면 다시 RBM 해제요구를 한다.
이때, RBM 설정요구는 요구 MAC 헤더에 실어보내지만 RBM 해제요구는 이미 예약된 데이터, 즉 RBM에 실어보내기 때문에 해제요구시에는 충돌이 발생하지 않는다. 따라서 상기에서 살펴본 바와 같이, 케이블모뎀이 RBM 설정요구를 보낸 후 TS이내에 CMTS로부터 ACK 신호가 오지 않으면 전에 보낸 설정요구를 무시하고 원상태로 돌아가고, 케이블모뎀이 RBM 해제요구를 보낸 후 TR이내에 CMTS로부터 ACK 신호가 오지 않는 경우에는 후속 RBM 설정요구에 대한 지연시간을 줄이기 위하여 해제시간(TR)이 지나 ACK 신호없이도 예약된 미니슬롯이 해제된 것으로 간주한다.
CMTS가 예약기반 미니슬롯을 이용하기 위해서는 첫째, 미니슬롯이 예약되지 않은 상태에서 케이블모뎀으로부터 RBM 설정요구가 수신되었는지를 판단하여 판단결과 그렇다면 예약가능한 미니슬롯이 있는지를 판단한다.
둘째, 판단결과 예약가능한 미니슬롯이 있으면 케이블모뎀에 할당해주기 위한 미니슬롯을 예약한다.
셋째, 케이블모뎀으로부터 RBM 해제요구가 수신되었는지를 판단하여 판단결과 해제요구가 수신되었으면 원상태로 돌아간다.
한편, 본 발명에서는 도 3의 (가)에 도시된 예약기반 미니슬롯을 모아서 도 3의 (나)에 도시된 바와 같은 다양한 길이의 프레임을 형성하는데, 이때 한 프레임의 일부는 다른 프레임을 만드는데 이용된다. 예컨대, 도 3의 (나)에서 프레임 1의 길이는 예약기반 미니슬롯 하나의 길이에 해당하고, 프레임 1중에서 뒷부분 1/3이 프레임 2를 만드는데 이용된다. 프레임 2의 길이는 프레임 1을 5개 나열한 길이와 같다. 프레임 3는 다섯 번째 프레임 1의 1/3을 차지하는 프레임 2 중에서 뒷부분 2/3를 차지하며 그 길이는 프레임 2를 2개 나열한 길이와 같다.
만약, 링크의 상향 채널에 주어진 대역폭이 45Mbps이고 예약기반 미니슬롯의 길이를 15라 했을 때, 프레임 1 내지 프레임 3의 대역할당 단위는 다음과 같다.
프레임 1 : 1/15 * 45 Mbps = 3 Mbps
프레임 2 : 1/(15*5) * 45 Mbps = 0.6 Mbps
프레임 3 : 1/(15*5*2) * 45 Mbps = 0.3 Mbps
그리고, 프레임 1 내지 프레임 3에서 할당가능한 대역폭을 살펴보면, 프레임1의 경우 프레임 1의 일부가 프레임 2로 사용되고 있으므로 프레임 1에서 할당가능한 대역폭은 2/3 * 45 Mbps = 30 Mbps이고, 프레임 2의 경우 프레임 2의 일부가 프레임 3으로 사용되고 있으므로 프레임 2에서 할당가능한 대역폭은 13/15 * (45-30) Mbps = 13 Mbps이고, 프레임 3의 경우 할당가능한 대역폭은 45 Mbps에서 30 Mbps와 13 Mbps를 제외한 나머지 2 Mbps이다.
따라서 전송특성에 따라 알맞은 대역할당 단위를 가진 프레임을 선택, 사용할 수 있다. 이때, 대역 할당을 위한 관리 기법으로는 프레임 종류별로 비트맵 테이블을 이용한다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 방법은 케이블모뎀 시스템의 CMTS에서 상향채널의 대역 중 일부를 예약기반 미니슬롯으로 설정하고 예약기반 미니슬롯을 모아 상위 프레임을 만들어, 예약기반 미니슬롯을 모아 한 프레임의 일부가 다른 프레임을 만드는데 이용되도록 다양한 길이의 프레임을 만든 뒤 대역 할당시 알맞은 길이의 프레임을 이용함으로써, 대역 할당의 조밀특성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (1)

  1. 다수의 가입자가 각각 케이블모뎀을 통하여 케이블망(20)에 연결되고, CMTS(30)가 상향 채널을 일정 수의 미니슬롯으로 구분한 뒤 MAP 메시지를 전송하여 케이블모뎀에 대역을 할당하며, CMTS와 케이블모뎀간에 MAC 프레임을 이용하여 데이터를 주고받는 케이블모뎀 시스템에 있어서,
    상기 CMTS(30)가 상기 상향채널의 미니슬롯 가운데 일부를 예약기반 미니슬롯(RBM)으로 따로 구분하여 하위 프레임을 형성하는 단계;
    상기 예약기반 미니슬롯(RBM)을 모아 다양한 길이의 프레임을 형성하는 단계; 및
    대역 할당을 할 경우 전송특성에 따라 알맞은 길이의 프레임을 선택, 이용하는 단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 케이블모뎀 시스템에 있어서 상향 채널의 대역 할당 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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