KR20020097029A - 패킷 데이터 시스템의 성능을 강화하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

패킷 데이터 시스템의 성능을 강화하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

시스템 내에서 데이터 패킷들의 손실을 제어하기 위한 장치 및 방법으로서, 패킷들은 소스(110)로부터 상이한 대역폭들을 가진 복수의 링크들(108,102)을 통하여 패킷 발송자(106)에 의해 목적지(100)에 전송된다. 패킷 발송자는 제 1 버퍼(116)내의 패킷들의 평균치를 능동적으로 감시하고, 평균치가 미리 정해진 임계치보다 크면, 패킷 발송자는 데이터 패킷들을 보내는 것을 중지하도록 소스에게 신호한다. 그후 소스는 압축된 패킷들을 패킷 전송자로 다시 전송할 수 있을 때까지 네트워크(112)로부터 수신한 패킷들을 압축하여 제 2 버퍼(118)내에 저장한다. 소스의 버퍼가 가득차게 되면, 소스는 압축을 수행하기 전에, 네트워크로부터 수신한 모든 패킷들을 버린다. 제 1 버퍼내의 패킷들의 평균치가 임계치보다 작으면, 패킷 발송자는 압축된 패킷들을 목적지로 전송하도록 다시 소스에게 신호한다.

Description

패킷 데이터 시스템의 성능을 강화하기 위한 장치 및 방법 {Apparatus and method for enhancing performance in a packet data system}
발명의 분야
본 발명은 통신 시스템들의 분야에 관한 것으로, 보다 특별하게는, CDMA(Code Division Multiple Access) 통신 시스템에 관한 것이다.
발명의 배경
현존하는 3GPP2 (3rdGeneration Partnership Project) 아키텍처에서, APN(Access Provider Network)은 RAN(Radio Access Network)기반의 CDMA IS-2000, PDSN(Packet Data Serving Node)을 포함하는 다른 네트워크 구성요소들을 포함한다. APN내의 PDSN은 라우팅된 네트워크를 통해 RAN내의 PCF(Packet Control Function)에 연결되어 있다. PDSN과 PCF사이의 논리적인 인터페이스는 RAN-PDSN(RP) 인터페이스라고 불린다. RP 인터페이스는 또한, A10-A11 인터페이스 또는 아쿼터(Aquater) 인터페이스라고 불린다. RAN 및 PDSN과 통신하는 MS(Mobile Station)는 액세스 프로토콜로서 PPP(Point-to-point protocol)를 사용한다. PPP 프레임들은 RAN을 거쳐 PDSN에 터널링(tunneled)된다.
PPP는 헤더(header) 압축, 페이로드(payload) 압축 및 암호화(encryption)와 같은 기능들을 위한 매카니즘들을 지원한다. PPP 프레임들은 MS 및 PDSN에서 종결된다. PPP 프레임들은 GRE(Generic Routing Encapsulation) 프로토콜을 이용하는 RF 인터페이스를 통하여 PCF 및 PDSN 사이에 전송된다. PPP 프레임들은 에어(air)-인터페이스를 통하여 RAN 및 MS사이에 전송된다.
RAN은 시그널 패이딩이 발생하기 쉬운 낮은 대역폭 무선 링크를 통해 MS와 인터페이스 한다. RAN은 비교적 높은 대역폭의 안정된 유선 링크를 통해 PDSN과 인터페이스 한다. 대역폭의 차이는 RAN이 MS로 패킷들을 전송시킬 수 있는 비율보다 PDSN이 RAN으로 더 높은 비율로 패킷들을 전송시킬 수 있기 때문에, PDSN 및 MS 사이의 패킷손실의 원인이 될 수 있다. PDSN으로부터 PCF로 전송된 단일(single) GRE 패킷의 손실은, MS에서 다중 PPP 프레임들의 손실로 전환될 수 있다. 압축된 패킷들의 경우에, GRE 패킷 손실들은 MS로 향한 패킷들의 더 큰 유효 손실의 결과로 나타날 수 있다. 예컨대, 델타 압축 알고리즘들(delta compression algorithms)이 패킷 헤더들을 압축하는데 사용되거나, 또는 LZW(Lempel, Ziv and Welch)기반 페이로드 압축이 사용될 때, MS로 향한 패킷들에 대한 GRE 패킷 손실들의 영향이 확대된다. 또한, RAN내의 GRE 패킷 손실에 이어 MS에 도달한 압축된 패킷은 압축 상태가 MS와 PDSN사이에서 재처리되지 않는한 MS상에서 정확하게 압축해제되지(decompressed)않을 것이다. 이러한 방식의 다중 패킷들의 손실은 제한된 대역폭 무선 링크의 효과적인 사용뿐만 아니라 MS에서 작동하는 어플리케이션 모두에 불리하게 작용한다. MS로 향한 패킷들의 큰 유효 손실은, 프레임 경계부들을 포함하는 바이트 스트림들(byte streams)이 PCF 상에서 또는 PCF 및 MS사이의 어떤 중간 노드상에서 손실될 때, 압축되지 않은(non-compressed) 패킷들의 경우에도 발생할 수 있다.
따라서, 패킷들이 소스로부터 목적지로 상이한 대역폭들을 가진 복수의 링크들을 통하여 전송되는 시스템에서, 패킷들의 손실을 제어하기 위한 장치 및 방법이 필요하다.
도 1은 본 발명에 따른 패킷들의 손실을 제어 하는 방법 및 장치를 지원하는 네트워크 구성요소들간 관계를 도시한 블록도.
도 2는 본 발명에 따른 패킷들의 손실의 제어에 대한 바람직한 실시예를 위한 PCF상에서의 논리 흐름도.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 PCF로 패킷들을 전송하는 것을 중단하기 위한 PDSN상에서의 논리 흐름도.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 PCF로 패킷들을 전송하기 위한 PDSN상에서의 논리 흐름도.
실시예들의 상세한 설명
본 발명은 데이터 패킷들이 소스로부터 목적지로 상이한 대역폭들을 가진 복수의 링크들을 통하여 전송되는 시스템에서, 패킷들의 손실을 제어하기 위한 장치 및 방법이다. 바람직한 실시예에서, 본 발명은 "Inter -Operability Specification(IOS) for CDMA 2000 Access Network Interfaces", TIA/EIA/IS-2001-A, Ballot Version December 2000(이하에서는 "IOS"라고 지칭함)에서 정의된 cdma2000 시스템에 구현된다. 그러나, 다른 실시예들에서는, 본 발명은 TDMA(time division multiple access) 시스템, FDMA(frequency division multiple access) 시스템 혹은 OFDM 시스템에서 구현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 바람직한 실시예가 구현될 수 있는 3GPP2 cdma2000 시스템(100)의 관련된 부분의 구조를 도시한 블록도이다. 시스템은 소스를 포함하는데, 바람직하게는 이더넷(Ethernet) 또는 WAN(Wide Area Network) 인터페이스(114)를 통해 인터넷 프로토콜(IP) 패킷들을 수신하기 위한 PSN(Packet Switched Network)(112)와 연결된 PDSN(110)이다. PDSN(110)은 바람직하게는 패킷들을 GRE 패킷들에 싸인 PPP 프레임들로 변환하고, 그들을 비교적 높은 대역폭의 RP 인터페이스(108)을 거쳐 패킷 발송자(packet forwarder, 패킷들을 한 지점에서 다른 지점으로 전송하는 임의의 장치)로 전송한다.
바람직한 실시예에서, 패킷 발송자는 RAN(104)내의 PCF(106)이다. 이 분야의 통상적인 기술을 소유한 자는 RAN(104)이 도 1에 도시되지 않은 다른 장치들을 포함하고 있음을 안다.
PCF(106)는 낮은 대역폭 RF 링크(102)를 통하여 목적지, 바람직하게는 MS(100)로 계속적으로 전송하기 위하여 패킷들을 임시 저장하기 위한 버퍼(116)을유지한다. RAN(104)이 패킷들의 전송을 위한 무선 자원들(radio resources)을 MS(100)로 스케쥴(schedule)하는 것이 불가능할 때, PCF는 PDSN(110)으로부터 수신한 패킷들을 버퍼(116)내에 저장한다. PCF 버퍼(116)가 다 차고(full), RAN(104)이 패킷들의 전송을 위한 무선 자원들을 스케쥴하는 것이 여전히 불가능하면, 패킷들은 손실 될 것이다. PCF(106)는 PDSN(110)으로부터 패킷들을 수신하는 것만큼 빠르게 수신 패킷들을 MS(100)로 전송할 수 없기 때문에, PCF(106)는 PDSN(110)으로부터 수신한 데이터 패킷들을 저장한다. 본 발명에서 사용될 수 있는 PDSN(110) 및 PCF(106)(RAN(104)내의)는 IOS의 섹션2.14에 보다 자세하게 설명되어 있다. 이 분야의 통상적인 기술을 소유한 자는 데이터 패킷들을 PDSN으로 전송하기 위한 임의의 네트워크 및 PCF로부터 데이터 패킷들을 수신하기 위한 임의의 MS가 본 발명에 사용될 수 있음을 알 수 있다.
바람직한 실시예에서, 본 발명의 장치 및 방법은, 혼잡 사건(congestion event)이 RAN(104)에서 검출될 때, PDSN(110)으로부터 MS(100)로의 패킷 데이터 전송 성능을 강화시키기 위한 제어 방식(control scheme)을 사용한다. 혼잡 사건은 무선링크 열화, 시스템 부하(overload) 및 시그널링(signaling, 즉, 시그널링 메시지들이 적절한 방식으로 교환되지 않음)을 포함할 수 있으나, 이것들에 제한되지는 않는다. 본 발명의 바람직한 실시예는 관련된 어플리케이션들의 성능을 강화한다. 부가적으로, 바람직한 실시예는 MS(100)상에서 부정확하게 압축해제 될 압축 프레임들의 에어 인터페이스를 통한 전송을 최소화시킴으로써 상대적으로 낮은 대역폭 무선 링크의 활용을 개선한다.
PCF(106)는 패킷 데이터 세션(session)과 관련된 버퍼(116)의 상태를 능동적으로 감시한다. 패킷 데이터 세션은 MS(100)와 PSN(112)사이의 공유된 상태(shared state)로 정의된다. 버퍼(116)의 상태는 버퍼(116)내의 패킷들의 평균치가 미리 정의된 임계치(threshold) 이상 또는 이하인지를 표시한다. 패킷들의 평균치가 임계치를 넘었다고 상태가 표시하면, 퍼텐셜(potential) 혼잡 사건이 발생하게 되고, PCF(106)는 PDSN(110)이 PCF(106)로 패킷들을 전송하는 것을 정지하도록 명령한다. (이 동작이 취해져, PCF(106)의 패킷 드로핑(dropping)의 발생이 감소된다.) PDSN(110)은 또한 PSN(112)로부터 수신된 패킷들을 저장하기 위한 버퍼(118)를 포함한다. 바람직한 실시예에서, PDSN 버퍼(118)가 가득 차지 않으면, PDSN(110)은 PSN(112)으로부터 수신된 패킷들을 압축하고, 버퍼(118)내에 압축된 패킷들을 저장한다. 그러나, PDSN 버퍼(118)가 가득 차면, PDSN(106)은 압축을 실시하기 전에 PSN(112)으로부터 수신한 패킷들을 드롭한다. PCF(116)가 버퍼내의 패킷들의 평균치가 임계치 이하로 떨어져 있음을 감지하면, PCF(106)는 PDSN(110)에 명령하여 패킷들의 전송을 재개한다.
상술한 동작들에도 불구하고, PCF(106)는 링크층의 멈춤(abort) 때문에 압축된 패킷을 드롭하거나, 다른 RAN(104)장치들에서의 패킷 드롭을 검출할 수 있다. 드롭이 일어나면, PCF(106)는 CCP(Compression Control Protocol) 리셋(reset) 요청 메시지나 헤더 압축 CONTEXT-STATE 메시지(압축 실행의 형태에 의존하는)를 PDSN(110)에게 보낸다. 이 메시지들은 PDSN(110)상에서 CCP 혹은 헤더 압축 재동기화(resynchronization) 과정을 시작한다. 다른 실시예어서는, 대역이탈(out-of-band) 제어 신호가 PCF(106)으로부터 PDSN(110)으로 보내져, 압축 상태 재동기화가 시작된다. 이 경우에, PDSN(110)은 PCF(106)로부터 대역이탈 신호를 수신하고, 압축 재동기화 과정을 시작한다. 헤더 및 페이로드 압축 재-동기화를 위한 과정들은 다음 문서에서 정의되어 있다: (1)Network Working Group; Request for Comments:2507; M.Degermark et al, Lulea University of Technology, February 1999, (2) Network Working Group; Request for Comments:2508; S, Casner et al., Cisco Systems, February 1999, (3) Network Working Group, Request for Comments:1962; D Rand; Novell; June 1996, (4) Network Working Group; Request for Comments: 1144;V. Jacobson; LBL; February 1990, 및 (5)Network Working Group; Request for Comments: draft-ietf-rohc-rtp -09.txt에 기초한 3095(by Carsten Burmeister; February 26, 2001). 재동기화 과정은 PDSN(110) 및 MS(100) 모두에서 압축과 관련된 상태 정보를 리셋한다. CCP 재동기화의 완료 전에, MS(100)에 의해 수신된 모든 PPP 프레임들은 압축과 관련된 상태 정보가 아직 초기화되지 않았기 때문에 거부된다.
도2 내지 4의 순서도들을 참조하여, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 도2에서, 단계(202)에서, 방법은 PCF(106)에서 혼잡 사건을 검출하고, PDSN(110)이 데이터 패킷들을 보내는 것을 중지하도록 지시하기 위하여 "off" 신호를 PDSN(110)으로 보낸다(단계(204)). 바람직한 실시예에서, 혼잡 사건은 가득찬 PCF 버퍼이다. PCF(106)가 혼잡 사건의 해소(clear)를 검출하면(단계(206)), PDSN(110)이 데이터 패킷들을 보내는 것을 재개하도록 지시하기 위하여 "on" 신호를 PDSN(110)으로 보낸다(단계(208)). 단계(210)에서, PCF(106)는 MS(100)로의 계속적인 전송을 위하여 PDSN(110)으로부터 수신된 데이터 패킷들을 PCF 버퍼(116)내에 저장한다.
도 3의 순서도는 PCF(106)으로부터 "off"신호를 수신할 때(단계 302) PDSN(110)상의 바람직한 방법을 자세히 설명한다. 단계(304)에서, PDSN(110)은 패킷들을 PCF(106)로 보내는 것을 중지한다. 단계(306)에서, PDSN(110)은 PSN(112)로부터 패킷들이 현재 수신하고 있는지 판단한다. PDSN(110)이 PSN(112)로부터 패킷을 수신하고 있지 않다면, 방법은 단계(318)에서 종료된다. PDSN(110)이 패킷들을 수신하고 있다면, 버퍼(118)가 가득찼는지 여부가 결정된다.(단계 308). 바람직한 실시예에서, PDSN 버퍼(118)가 가득차지 않았다면, PDSN(110)은 수신된 패킷들을 압축하고(단계(310)), 압축된 패킷들을 그것의 버퍼(118)내에 저장하고 (단계 (312)), 방법은 종료된다(단계(318)). PDSN 버퍼(118)가 가득 차 있다면, PDSN (110)은 PSN(112)으로부터 수신된 패킷들을 드롭시키고(단계(314)), 방법은 종료된다(단계(318)).
도4의 순서도는 PCF(106)으로부터 "on"신호를 수신하였을 때(단계(402)) PDSN(110)에서의 바람직한 방법을 자세히 설명한다. 단계(404)에서, 방법은 PDSN 버퍼(118)내에 임의의 압축된 패킷들이 있는지를 판단한다. 저장된 패킷들이 없으면, 방법은 단계(410)에서 종료된다. 압축된 패킷들이 있으면, 방법은 버퍼(118)로부터 압축된 패킷들을 가져오고(단계(406)), 압축된 패킷들을 PCF(106)으로 보내고(단계(408)), 방법은 종료된다(단계(410)).
본 발명의 장치 및 방법은 MS(100)로 향한 패킷들에 대한 패킷 데이터 세션의 성능을 강화한다. 방법은 PDSN(110) 및 PCF(106)사이의 알려진 시그널링 메시지들의 확장을 제공한다. 부가적으로, 본 발명은 MS(100)상에서 부정확하게 압축해제될 압축 패킷들의, 에어 인터페이스(102)를 통한 전송을 제거함으로써 무선 자원들의 사용을 강화한다. PDSN(110)은 PCF(106)로부터 수신된 "off"신호를 사용하여, MS(100)로 향한 패킷들을 저장하거나 드롭한다. 패킷들이 압축되기 전에 PDSN(110)에서 드롭되기 때문에, MS(100)상에서 다중 PPP 프레임들의 손실이 회피되고, 따라서 성능이 증가한다.
본 발명의 바람직한 실시예에서, PCF(106)는 압축 PPP 프레임들을 포함한 패킷이 PCF(106)상에 드롭될 때, CCP 리셋 요청 메시지 및/또는 헤더 압축 CONTEXT-STATE 메시지를 PDSN으로 보내서 각각 CCP 재동기화 과정 및 헤더 압축 재동기화 과정을 시작하도록 한다. 이러한 메시지들은 또한 PCF(106)가 다른 RAN 장치들로부터 손실 표시를 수신하면 보내진다. 패킷 손실은 버퍼 오버플로우(overflow) 또는 링크층의 멈춤 때문에 발생할 수 있다. 다른 실시예에서, PCF(106)는 대역이탈 제어 신호를 PDSN(110)으로 보내어 압축 상태 재동기화를 시작한다.
본 발명의 방법이 없을 때, PCF(106) 또는 PCF(106)와 MS(100)사이의 임의의 중간 노드 상에서 드롭된, 압축 PPP 프레임(들)을 포함하는 패킷은 MS(100)상에서 PPP 프레임들의 손실을 초래할 수 있다. MS(100)는 계속적으로 PPP 프레임들을 PDSN(110)으로부터 수신한 뒤에, 손실된 PPP 프레임들을 검출한다. MS(100)에서의 PPP 프레임 손실의 검출 및 CCP 및 헤더 압축 재동기화 과정들을 시작하는 MS(100)는 높은 대기시간을 초래하고, 무선 자원들을 소비한다.
당업자는 본 발명의 범위와 정신을 벗어나지 않고 본 발명의 장치와 구성을 다양하게 수정 및 변경할 수 있음을 인식할 것이다. 예를 들면, 방법에서, PSDN은 PSN(112)으로부터 수신된 패킷들을 저장하고, 패킷들을 PCF(106)로 보내기 전에 압축한다. 또한, MS(100)로 전송하기 위해 상기 패킷들은 PSN(112)로부터 수신된 패킷들을 압축하는 것에 대하여 또는 대신에 PDSN(110)은 암호화할 수 있다.
본 발명은 데이터 패킷들이 소스로부터 목적지로 상이한 대역폭을 가진 복수의 링크들을 통해 전송되는 시스템에서, 패킷들의 손실을 제거한다.

Claims (10)

  1. 제 1 링크(108)를 통하여 패킷 발송자(106)와 통신하는 소스(110) 및 상기 제 1 링크의 대역폭보다 낮은 대역폭을 갖는 제 2 링크(102)를 통하여 상기 패킷 발송자와 통신하는 목적지(100)를 구비하고, 상기 패킷 발송자가 상기 소스로부터 상기 목적지로 전송을 위하여 송신된 데이터 패킷을 저장하는 제 1 버퍼(116)를 감시하는 통신 시스템에서, 데이터 패킷들의 손실을 제어하는 방법은::
    상기 제 1 버퍼에 저장된 데이터 패킷들의 양을 판단하는 단계(202)와;
    상기 양이 제 1 임계치(threshold)를 넘으면, 패킷들의 전송을 멈추도록 상기 소스로 신호를 보내는 단계(204)를 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 데이터 패킷들은 전송 전에 상기 소스에 의해 압축되는(310) 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 통신 시스템은 상기 압축되지 않은 데이터 패킷들을 상기 소스로 전송하는 네트워크(112)를 더 포함하고, 상기 소스는 상기 압축된 데이터 패킷들을 저장하기 위한 제 2 버퍼(118)를 포함하며, 상기 방법은:
    압축된 데이터 패킷들의 전송을 중단하는 단계(304)와;
    상기 제 2 버퍼 내의 압축된 데이터 패킷들의 수가 제 2 임계치보다 큰지를 판단하는 단계(308); 및
    상기 수가 상기 제 2 임계치보다 크면, 상기 네트워크로부터 수신된 상기 압축되지 않은 데이터 패킷들을 버리는 단계(314)를 더 특징으로 하는 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 수가 상기 제 2 임계치보다 작으면, 상기 네트워크로부터 수신한 상기 압축되지 않은 데이터 패킷들을 압축하는 단계(310)와;
    상기 압축된 데이터 패킷들을 상기 제 2 버퍼에 저장하는 단계(312)를 더 특징으로 하는 방법.
  5. 제 2 항에 있어서, 상기 통신 시스템은 상기 소스에 압축되지 않은 데이터 패킷들을 전송하는 네트워크(112)를 더 특징으로 하고, 상기 소스는 상기 압축되지 않은 데이터 패킷들을 저장하기 위한 제 2 버퍼(118)를 유지하고, 상기 방법은:
    압축된 데이터 패킷들의 전송을 중단하는 단계(304)와;
    제 2 버퍼 내의 압축된 데이터 패킷들의 수가 제 2 임계치보다 큰지를 판단하는 단계(308); 및
    상기 수가 상기 제 2 임계치보다 크면, 상기 네트워크로부터 수신된 상기 압축되지 않은 데이터 패킷들을 버리는 단계(314)를 더 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 수가 상기 제 2 임계치보다 작으면, 상기 압축되지 않은 데이터 패킷들을 상기 제 2 버퍼 내에 저장하는 단계를 더 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 버퍼내의 데이터 패킷들의 양이 상기 제 1 임계치보다 작을 때 상기 소스가 상기 패킷 발송자에 패킷들을 보내는 것을 시작하도록 신호하는 단계(206,208)를 더 특징으로 하는 방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 패킷 발송자에서의 패킷 손실을 검출하는 단계; 및
    압축 상태의 재동기화를 시작하도록 메시지를 상기 소스에 보내는 단계를 더 특징으로 하는 방법.
  9. 통신 시스템 내 데이터 패킷들의 손실을 감소시키기 위한 장치로서,
    네트워크(112)와;
    압축되지 않은 데이터 패킷들을 수신하기 위해 상기 네트워크에 동작적으로 연결된 소스(110)와;
    압축된 데이터 패킷들을 제 1 대역폭을 가진 제 1 통신링크를 통하여 수신하기 위해 상기 소스에 동작적으로 연결된 패킷 발송자(106)와;
    상기 소스로부터 수신한 압축된 데이터 패킷들을 저장하기 위해 상기 패킷 발송자에 연결된 제 1 버퍼(116)와;
    상기 압축된 데이터 패킷들을 상기 제 1 대역폭보다 낮은 제 2 대역폭을 가진 제 2 통신 링크를 통하여 수신하기 위한 목적지(100)를 포함하고;
    상기 패킷 발송자는 상기 제 1 버퍼 내에 저장된 압축된 데이터 패킷들의 양이 임계치보다 크다는 것을 검출하였을 때, 상기 소스에게 압축된 데이터 패킷들을 보내는 것을 중단하도록 명령하는, 장치.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 소스(110)는 상기 제 2 버퍼 내에 상기 압축된 데이터 패킷들을 저장하기 전에 상기 네트워크로부터 수신된 상기 압축되지 않은 데이터 패킷들을 압축하는 장치.
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