KR20030012216A - 고속하향패킷접속시스템의 패킷 스케줄링 알고리즘 - Google Patents

Abstract

본 발명은 3GPP 비동기식(UMTS) 고속하향패킷접속(HSDPA - High Speed Downlink Packet Acsess)시스템의 패킷 스케줄링 알고리즘에 관한 것으로, 특히 패킷의 지연시간, 채널의 상태 및 전송효율을 고려한 다중코드 할당을 통해 패킷의 지연시간을 줄이고 시스템의 전송효율을 높일 수 있는 패킷 스케줄링 알고리즘에 관한 것이다.

본 발명에 따른 HSDPA시스템의 패킷 스케줄링 알고리즘은, 무선운반자(Radio bearer)별 패킷지연시간에 의한 패킷의 우선순위 설정을 위해 임계지연값을 설정하는 단계와; 현재의 패킷지연시간과 상기 임계지연값을 비교하여 각 패킷의 전송 우선순위를 결정하는 단계와; 상기 결정된 우선순위에 따라 우선순위가 높은 패킷에 우선적으로 다중코드를 할당 및 전송해 주는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 무선운반자별로 설정한 상기 임계지연값은, 일정한 시간동안 최대허용지연값을 넘은 패킷의 수가 상향갱신임계값을 넘은 경우에는 임계지연값을 낮추는 단계와; 일정한 시간동안 지연시간이 최대허용지연값을 넘은 패킷의 수가 하향갱신임계값보다 작은 경우에는 임계지연값을 높이는 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고속하향패킷접속시스템의 패킷 스케줄링 알고리즘 {Packet scheduling algorithm for High Speed Downlink Packet Access system }

본 발명은 3GPP 비동기식(UMTS) 고속하향패킷접속 (High Speed Downlink Packet Acsess; 이하 HSDPA라 약칭함)시스템의 패킷 전송 알고리즘에 관한 것으로,특히 패킷의 지연시간, 채널의 상태 및 전송효율을 고려한 다중코드 할당을 통해 패킷의 지연시간을 줄이고 시스템의 전송효율을 높일 수 있는 패킷 전송 스케줄링 알고리즘에 관한 것이다.

좀 더 구체적으로 설명하면, HSDPA시스템에서 단말에 데이터를 효율적으로 전송하기 위해, 무선운반자(Radio bearer)별 패킷지연시간에 따른 패킷의 우선순위 설정을 위해 임계지연값을 설정하고, 현재의 패킷지연시간과 상기 임계지연값을 비교하여 각 패킷의 전송 우선순위를 결정하며, 상기 결정된 우선순위에 따라 우선순위가 높은 패킷에 우선적으로 다중코드를 할당 및 전송해주는 스케줄링 방법에 관한 것이다.

또한 무선운반자별로 설정한 상기 임계지연값은, 일정한 시간동안 최대허용지연값을 넘은 패킷의 수가 상향갱신임계값을 넘은 경우에는 임계지연값을 낮추고, 일정한 시간동안 최대허용지연값을 넘은 패킷의 수가 하향갱신임계값보다 작은 경우에는 임계지연값을 높이도록 하여 채널 상태 등을 고려해 전송효율을 더 탄력적으로 제고할 수 있도록 한 것이다.

일반적으로 일본의 ARIB, 유럽의 ETSI, 미국의 T1, 한국의 TTA 및 일본의 TTC 등은 제3세대 공동프로젝트(Third Generation Partnership Project ; 이하, 3GPP라 약칭함)라는 프로젝트를 통해 음성, 영상 및 데이터와 같은 멀티미디어 서비스를 무선환경에서도 제공할 수 있는 제3세대 이동통신 시스템을 개발 중에 있다.

3GPP를 통한 차세대 이동통신 기술은 유럽 무선통신망 표준인 GSM (GlobalSystem for Mobile Communications)망의 관리기법과 CDMA (Code Division Multiple Access : 코드분할다중화) 기술을 도입하고 발전시켜 고속의 데이터 서비스 제공을 목표로 하고 있다.

3GPP에서는 신속하고 효율적인 프로젝트 운영과 기술개발을 위해, 5개의 기술규격그룹(Technical Specification Groups; 이하, TSG라 약칭함)을 두어 그 활동을 지원하고 있으며, 각 TSG는 부여된 영역과 관련된 표준규격의 개발, 승인, 그리고 그 관리를 책임진다. 이들 중에서 무선접속망(RAN : Radio Access Network)그룹은 제3세대 이동통신시스템에서 새로운 무선접속망의 규정을 목표로, 단말과 UMTS무선망(Universal Mobile Telecommunications Network Terrestrial Radio Access Network;이하, UTRAN이라 약칭함)의 기능, 요구사항 및 인터페이스에 대한 규격을 개발한다.

TSG-RAN그룹은 다시 전체회의(Plenary)그룹과 4개의 운영그룹(Working Group)으로 구성되어 있다. 제1운영그룹(WG1:Working Group 1)에서는 물리계층(제1계층)에 대한 규격을 개발하고, 제2운영그룹(WG2 :Working Group 2)은 데이터링크계층(제2계층) 및 네트워크계층(제3계층)의 역할을 규정한다. 또한, 제3운영그룹에서는 UTRAN내의 기지국, 무선망제어기(Radio Network Controller; 이하, RNC라 약칭함) 및 핵심망(Core Network)간 인터페이스에 대한 규격을 정하며, 제4운영그룹에서는 무선링크성능에 대한 요구조건 및 무선자원관리에 대한 요구사항 등을 논의한다.

도 1은 종래 및 본 발명이 적용되는 3GPP UTRAN의 구조를 나타낸 그림이다. UTRAN은 한 개 이상의 무선망부시스템(Radio Network Sub-systems; 이하 RNS로 약칭함)으로 구성되며, 각 RNS는 하나의 무선망제어기(Radio Network Controller;이하 RNC라 약칭함)와 하나 이상의 Node B(기지국)로 구성된다. 또한, RNC는 GSM망과의 회선교환 통신을 위해 단말교환기(MSC - Mobile Switching Center)와 연결되어 있으며, GPRS(General Packet Radio Service)망과의 패킷교환 통신을 위해 SGSN(Serving GPRS Support Node)와 연결된다.

도 2는 3GPP 무선접속망 규격에 따른 무선 인터페이스 프로토콜의 구조를 나타낸다.

단말(User Equipment)과 UTRAN간의 무선 인터페이스 프로토콜은 수평적으로 물리계층, 데이터링크계층 및 네트워크계층으로 이루어지며, 수직적으로는 프로토콜 구조는 제어신호(Signaling)전달을 위한 제어평면(Control Plane)과 데이터정보 전송을 위한 사용자평면(User Plane)으로 구분된다.

좀 더 구체적으로 도2를 설명하면, 제어평면에는, 제3계층으로 무선자원제어계층(Radio Resource Control Layer;이하, RRC라 약칭함)이 있고, 제2계층에는 무선링크제어계층(Radio Link Control Layer;이하, RLC라 약칭함)과 매체접속제어계층(Medium Access Control Layer; 이하, MAC이라 약칭함)이 있으며, 제1계층으로 물리계층이 있다.

또한, 사용자 평면에서는 제2계층에 RLC계층과 MAC계층이 있으며, 제1계층에는 물리계층이 있다.

물리계층은 다양한 무선전송기술을 이용해 상위 계층에 정보전송서비스(Information Transfer Service) 를 제공한다.

상위에 있는 MAC계층과는 전송채널(Transport Channel)을 통해 연결되어 있으며, 전송채널을 통해 MAC계층과 물리계층 사이의 데이터가 이동한다. 전송채널은 단말이 독점적으로 이용할 수 있는지, 또는 여러 개의 단말이 공유해서 사용하는지에 따라 각각 전용전송채널 (Dedicated Transport Channel)과 공용전송채널 (Common Transport Channel)로 구분된다.

MAC계층은 무선자원과 MAC파라미터의 재할당 서비스를 제공한다. 이 서비스는 RRC가 무선자원의 재할당을 요청하거나, MAC파라미터 변경을 요청할 때 수행된다.

MAC계층은 논리채널(Logical Channel)을 통해 RLC계층과 연결되어 있으며, 전송되는 정보의 종류에 따라 다양한 논리채널이 제공된다. 일반적으로 제어평면의 정보를 전송할 경우에는 제어채널(Control Channel)을 이용하고, 사용자 평면의 정보를 전송하는 경우는 트래픽채널(Traffic Channel)을 사용한다.

RLC계층은 무선링크의 설정 및 해제 서비스를 제공한다. 또한, 사용자평면의 상위계층으로부터 내려온 RLC 서비스데이터단위(Service Data Unit; 이하, SDU라 약칭함)와 관련된 분할 및 연결 (Segmentation and Concatenation) 기능을 수행한다.

RLC SDU는 RLC계층에서 처리용량에 맞게 크기가 조절된 후 헤더(Header)정보가 더해져 프로토콜데이터단위(Protocol Data Unit; 이하, PDU라 약칭함)의 형태로 MAC계층에 전달된다. 이때, RLC계층에는 상위계층에서 내려온 RLC SDU 또는 RLC PDU들을 저장하기 위한 RLC버퍼가 존재한다.

RRC는 임의의 영역에 위치한 모든 단말에 정보를 방송해주는 정보방송서비스(Information broadcast service)를 제공한다. 또한, 제3계층에서의 제어신호교환을 위한 제어평면신호처리를 담당하여, 단말과 UTRAN간 무선자원의 설정, 유지 및 해제 기능을 갖는다.

특히, RRC는 무선접속운반자(Radio Access Bearer)의 설정, 유지 및 해제 기능과, 무선자원접속에 필요한 무선 자원의 할당, 재배치 또는 해제 기능을 갖는다. 이때, 무선운반자는 단말과 UTRAN간의 데이터 전달을 위해 제2계층에 의해 제공되는 서비스를 의미한다. 즉, 하나의 무선운반자가 설정된다는 것은 특정 서비스를 제공하기 위해 필요한 프로토콜 계층 및 채널의 특성을 규정하고, 각각의 구체적인 파라미터 및 동작 방법을 설정하는 과정을 의미한다.

현재 3GPP의 제2운영그룹을 중심으로 하향링크의 전송속도를 획기적으로 높일 수 있는 기술에 대한 논의가 이루어지고 있다. 이 새로운 시스템은 고속데이터패킷접속(High Speed Data Packet Access; 이하, HSDPA라 약칭함)이라 정의되며, 3GPP표준안인 Release '99의 기능을 발전시켜 음성과 고속의 패킷데이터 서비스를 지원하기 위한 다양한 기술들이 제안되고 논의 중에 있다.

HSDPA시스템은 Release '99표준안의 전송채널(Transport channel) 중 하나인 하향공유채널(Downlink Shared Channel; 이하 DSCH라 약칭함)의 용량과 기능을 확장 발전시켜 고속의 패킷데이터 서비스를 지원한다. 이때, 기능이 확장된 DSCH는 HS-DSCH라고 명명되고, 무선통신 시스템의 성능향상을 위해 다음과 같은 기술들을 이용한다.

첫째, 적응형 변조 및 코딩 (Adaptive Modulation and Coding; 이하 AMC라 약칭함)방법: 무선 채널의 상태는 단말의 이동이나 패이딩(Fading)등의 영향에 의해 시간에 따라 신호의 품질이 변한다. 따라서, 현재의 채널 상태에 맞는 적절한 변조방법이나 코딩율(Coding Rate)을 선택함으로써 최적의 전송속도로 통신이 가능하다.

예를 들어, 채널의 상태가 좋은 곳에서는 64QAM과 같은 고도(高度)의 변조방법(Higher Order modulation)과 큰 코딩율을 사용해 고속의 패킷 전송이 가능하지만, 채널의 상태가 좋지 않은 곳에서는 QPSK와 같은 저도(低度)의 변조방법(Lower Order modulation)과 작은 코딩율을 사용하는 것이 바람직하다.

이를 위해, HSDPA시스템에서 단말은 UTRAN에서 보내오는 파일럿(Pilot)신호의 세기를 관찰하여 UTRAN에 보고하고, UTRAN은 이를 바탕으로 적절한 변조및코딩(Modulation and Coding Scheme:이하 MCS라 약칭함) 수준(Level)을 선택하여 패킷의 변조방법과 코딩율을 결정한다.

둘째, 혼합형 자동재전송요구 (Hybrid Automatic Repeat reQuest ; 이하 HARQ라 약칭함) 방법: 자동재전송요구방법(ARQ)과 오류정정부호를 결합한 방법으로 기존의 ARQ방법이 단순히 전송에 실패한 데이터를 재전송했던 것에 반해, HARQ에서는 이전에 전송했던 패킷과 재전송된 패킷을 결합하여 보다 좋은 오류정정효과가 나타나도록 한다.

셋째, 신속한 셀 선택 (Fast Cell Selection;이하 FCS라 약칭함)방법: 단말은 여러 개의 셀(Cell) 중에서 가장 채널의 상태가 좋은 하나의 셀을 선택하여 데이터를 전송 받는다. 따라서, 기존의 소프트핸드오버(Soft Handover) 상황처럼, 단말이 여러 개의 셀로부터 데이터를 동시에 전송 받게 될 때 발생할 수 있는 간섭문제를 줄일 수 있어 시스템의 용량을 늘리는데 도움이 된다. 이때, 단말은 셀 선택정보를 상향링크로 전송할 필요가 있다.

넷째, 동적인 다중코드 할당 (Multicode Allocation)방법: UTRAN은 각 단말에 할당된 다중코드의 수를 늘림으로써 해당 단말에 대한 데이터의 전송속도를 높일 수 있다. HSDPA시스템내의 여러 단말들은 한정된 다중코드를 공유하게 되므로, 다중코드의 할당은 단말들간의 우선순위나 시스템 전송효율을 높일 수 있도록 할당되어야 한다.

상기에서 설명한 각 기술들은 고속의 데이터를 전송하기 위한 핵심 기술들이지만, 기본적으로 UTRAN과 단말사이의 신속한 제어 정보의 교환을 기본조건으로 한다.

따라서 HSDPA시스템에서는 단말과 UTRAN사이의 반응시간을 빠르게 하기 위해 도 3과 같이 Node B에서 데이터의 전송을 위한 일부 기능을 담당한다. Node B에 위치한 MAC계층의 부계층은 MAC-hs부계층이라 불리며, MAC-hs부계층은 HSDPA시스템에서 고속의 패킷전송을 지원하기 위한 기능(HARQ방법 및 패킷 스케줄링 포함)을 수행하며 RLC계층으로부터 내려온 패킷을 저장할 수 있는 버퍼를 가지고 있어, 단말의 요구에 따라 신속히 패킷을 전송할 수 있다.

도 3의 구성요소 중 Node B는 RNC에 의해서 관리되며, RNC는 무선자원의 관리를 담당한다. Node B의 직접적인 관리를 맡고 있는 RNC를 제어RNC(Control RNC)라고 하며, CRNC는 공용무선자원의 관리를 담당한다. 각 단말에 할당된 전용무선자원(Dedicated Radio Resources)을 관리하는 곳은 담당RNC(Serving RNC)라 불리며, 핸드오프 중에도 담당RNC는 변하지 않는다. 제어RNC와 담당RNC는 동일할 수 있으나, 단말이 담당RNC의 영역을 벗어나 다른 RNC의 영역으로 이동하는 경우에는 제어RNC와 담당RNC는 다를 수 있다. Node B와 RNC사이의 인터페이스를 Iub라고 칭하며, 두 RNC사이의 인터페이스를 Iur이라 부른다.

부연하여 HSDPA시스템의 MAC계층에 대하여 조금 더 자세히 살펴보도록 한다. MAC계층은 RLC계층으로부터 내려오는 논리채널과 물리계층으로 연결되는 전송채널간의 맵핑(Mapping)을 담당하고 있으며, 논리채널의 우선순위에 따른 스케줄링을 수행한다. 또한, HS-DSCH를 통해 데이터가 전송될 경우에는, HARQ를 위한 제어도 담당한다.

MAC계층은 도 4와 같이 MAC-d부계층, MAC-c/sh부계층 및 MAC-hs부계층의 3가지 부계층으로 나뉘어진다. MAC-d부계층은 담당RNC에 있으면서 특정 단말에 대한 전용논리채널들을 관리하고, MAC-c/sh부계층은 제어RNC에 위치해서 공용전송채널들을 관리하며, MAC-hs부계층은 Node B에 위치해 HS-DSCH를 관리한다.

도 4를 참고로 RLC계층으로부터 내려온 데이터가 MAC계층에서 어떤 처리과정을 거쳐 전송채널로 전달되는지 살펴보자. RLC계층으로부터 전용논리채널을 통해 내려온 RLC PDU는 MAC-d의 채널스위칭을 통해 경로가 결정된다. 전용전송채널로 스위칭되는 경우에는 MAC-d부계층에서 관련 헤더가 첨부되어 DCH(Dedicated Channel)를 통해 물리계층으로 내려간다.

그러나 공용전송채널로 스위칭되는 경우에는 MAC-c/sh부계층에서 관련 헤더가 첨부되고 다른 논리채널들과 다중화되어 PCH(Paging Channel), FACH(Forward Access Channel), DSCH와 같은 공용전송채널로 보내진다.

만약 HSDPA시스템의 HS-DSCH채널을 이용하게 된다면 MAC-c/sh부계층은 단순히 MAC-d로부터 내려온 패킷을 MAC-hs부계층으로 전달해주는 역할을 수행한다. MAC-hs부계층으로 전달된 데이터는 MAC-hs부계층의 버퍼에 저장된 후 MAC-hs부계층에 의한 스케줄링에 의해 적절한 시기에 단말로 전송된다.

한편, 고속의 패킷 서비스를 지원하는 HSDPA시스템에서는 한정된 무선자원을 여러 단말들에 배분해 주기 위해 패킷전송을 위한 스케줄링 알고리즘이 필요하다. 사용되는 스케줄링 알고리즘에 따라 시스템의 성능과 효율이 결정되므로, 보다 간단하고 효율적인 스케줄링 알고리즘의 개발이 절실하다.

즉, 주어진 무선자원을 언제 어떤 단말에 얼마만큼의 전송속도로 전송하느냐에 따라 각 단말의 서비스 품질뿐만 아니라 시스템 전체의 전송효율이 결정된다.

종래에 있어, 스케줄링 문제는 다음과 같은 두 가지 방식으로(혹은 이 두 가지 방식을 결합하여) 접근되고 있다.

(방법 1) 시스템의 전송 효율을 최대화하기 위한 방법

셀 내에 있는 단말 중, 채널상태가 가장 좋은 단말에게 무선자원의 대부분을 할당하는 방법이다. 가장 좋은 채널상태를 갖는 단말에 무선자원을 우선적으로 할당해주고, 할당 후 남은 무선 자원은 그 다음으로 채널상태가 좋은 단말에 할당해 주는 과정을 거친다. 이 방법은 현 상태에서 전송 가능한 최대속도로 데이터를 전송하므로, 시스템의 효율(System Throughput)을 극대화 할 수 있는 방법이다.

그러나 채널상태가 좋지 않은 단말에 대해서는 전송할 데이터가 많더라도 무선 자원을 할당하지 않을 수 있으므로 정상적인 서비스를 제공하지 못할 수 있다.

(방법 2) 단말간의 공평성(Fairness)을 위한 라운드로빈(Round Robin) 방법

모든 단말에 평등하게 무선자원을 분배하는 방법으로, 채널상태와 관계없이 공평하게 무선자원을 할당한다. 따라서, UTRAN은 각 단말의 위치나 채널상태 및 데이터량 등에 관계없이 공평한 기회를 부여한다. 즉, 각 단말은 다른 단말과 동일한 수신기회를 갖게 된다. 한 예로써, 시분할다중화(Time Division Multiplexing) 방식을 이용해 전송하는 경우 모든 단말은 동일한 주기를 갖고 데이터를 수신하도록 설정할 수 있다.

그러나 채널상태가 좋지 못한 단말에 많은 자원을 할당해 줄 수 있으므로, 시스템의 전체적인 이용효율이 떨어질 수 있다.

결론적으로 상기의 두 가지 방법은 스케줄링 방법 중 매우 극단적인 방법들이다. 즉, 방법 1은 시스템의 이용효율을 극대화하는 대신 단말들간의 공평성을 보장해 주지 못한다. 한편, 방법 2는 단말의 공평성은 보장해 주지만 무선자원의 이용효율은 크게 떨어지게 된다.

따라서, 실제로 사용하는 스케줄링 방법에서는 상기 두 가지 방법을 적절히 조화시킬 필요가 있다.

본 발명은 상기한 종래의 불공평하고 비효율적인 무선자원의 분배 문제를 해결하기 위해 안출된 것으로서, HSDPA시스템에서 각 단말의 채널상태, 패킷의 지연시간 및 서비스에 따른 우선순위를 고려하는 패킷전송 스케줄링 알고리즘을 제안해 서비스의 품질을 보장하고 시스템의 전송효율을 높일 수 있는 방법을 제시한다.

도 1은 종래 및 본 발명이 적용되는 3GPP UTRAN의 구조

도 2는 3GPP 무선접속망 규격에 따른 무선 인터페이스 프로토콜의 구조

도 3은 HSDPA시스템을 지원하는 무선접속망의 구성요소별 프로토콜 계층구조.

도 4는 HSDPA시스템의 MAC계층 구조

도 5는 단말의 코드할당 과정 및 각 단말의 무선운반자별 전송량 할당 과정을 나타내는 흐름도

도 6은 무선운반자 i를 위한 임계지연값 을 갱신하는 과정을 나타낸 흐름도

본 발명에 따른 HSDPA시스템의 패킷 전송 스케줄링 알고리즘은, 무선운반자(Radio bearer)별 패킷지연시간에 의한 패킷의 우선순위 설정을 위해 임계지연값을 설정하는 단계와; 현재의 패킷지연시간과 상기 임계지연값을 비교하여 각 패킷의 전송 우선순위를 결정하는 단계와; 상기 결정된 우선순위에 따라 우선순위가 높은 패킷에 우선적으로 다중코드를 할당 및 전송해주는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 패킷의 우선순위 결정을 위해, 현재의 패킷 지연시간과 임계지연값을 비교해 긴급패킷과 일반패킷으로 구분하며, 현재의 패킷지연시간이 임계지연값보다 큰 경우를 긴급패킷으로 분류하여 다중코드를 우선적으로 할당 및 전송하고, 현재의 패킷지연시간이 임계지연값보다 작은 경우를 일반패킷으로 분류하여 긴급패킷의 전송 후 남은 다중코드를 전송에 사용하는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명은 무선운반자별로 설정한 상기 임계지연값에 대해, 일정한 시간동안 최대허용지연값을 넘은 패킷의 수가 상향갱신임계값을 넘은 경우에는 임계지연값을 낮추고, 일정한 시간동안 최대허용지연값을 넘은 패킷의 수가 하향갱신임계값보다 작은 경우에는 임계지연값을 높이며, 만약 상기 일정시간동안 최대허용지연값을 넘긴 패킷의 수가 하향갱신임계값과 상향갱신임계값 사이에 있을 때에는 임계지연값을 변경하지 않는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 목적, 특징들은 첨부한 도면을 참조한 실시 예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 HSDPA시스템의 패킷 전송 스케줄링 알고리즘을 설명한다.

본 발명에서는 하나의 셀 내에 N개의 단말이 있는 경우, 무선 자원인 다중코드의 할당을 통해 패킷의 전송지연시간을 줄이고 시스템의 전송효율을 높일 수 있는 스케줄링 방법을 제안한다.

각 단말에는 여러 개의 서비스가 공존할 수 있으므로, 단말 k에 있는 무선베어러 수를라고 가정한다.

또한, 채널의 환경은 시간에 따라 변하기 때문에 단말의 채널상태는 단말의 물리계층에 의한 측정에 의해 UTRAN에 보고된다고 가정하자. 즉, UTRAN이 해당 단말에 데이터를 전송할 때 사용할 MCS(Modulation and Coding Scheme)수준은 주어진다고 가정한다.

특정 서비스를 지원하기 위해 해당 패킷의 지연시간이 허용되는 최대값을 최대허용지연시간으로 정의하면, 서비스의 종류에 따라 요구되는 패킷의 최대허용지연값은 다를 수 있으며, 최대허용지연값은 무선운반자의 설정시 결정될 수 있다. 이때, 패킷의 지연시간이 최대허용지연값을 넘을 때까지 패킷이 전송되지 못한다면제대로 서비스를 제공해 줄 수 없는 상태가 되므로, 지연시간이 최대허용지연값에 근접한 패킷에 대해서는 그렇지 않은 패킷에 비해 우선적으로 전송해 주어야 한다.

우선적인 전송이 필요한 패킷인지 여부를 판단하기 위해, 지연시간의 임계값으로 라는 파라미터를 도입한다. 이 파라미터를 임계지연값이라고 하면, 패킷의 지연시간과 임계지연값과의 비교를 통해 모든 패킷을 다음과 같은 두 가지 종류로 구분한다. 일반적으로, 임계지연값은 항상 최대허용지연값보다는 작은 값을 갖게 되고, 상기 임계지연값의 정확한 설정은 뒤에서 설명하기로 한다.

**긴급패킷(Urgent Packet): 패킷의 지연시간이 임계지연값()보다 큰 패킷

**일반패킷(Normal Packet): 패킷의 지연시간이 임계지연값()보다 작은 패킷.

이때, 임계지연값()은 최대허용지연값과 마찬가지로 무선운반자에 따라 다른 값을 가질 수 있으며, 무선운반자 i에 대한 값을라고 하자.

제안된 스케줄링 방법은 시스템의 이용효율을 최대화하는 것이 하나의 목적이지만, 편파적인 할당으로 인해 특정 단말에서 긴급패킷이 발생하게 되는 경우, 이들 긴급패킷을 일반패킷보다 우선적으로 전송할 수 있도록 해 단말간의 공평성도 보장할 수 있도록 한다. 제안된 스케줄링 방법은 다음과 같이 3단계를 거쳐 다중코드를 분배한다.

1. 긴급패킷을 위한 코드할당 : 긴급패킷이 있을 경우, 긴급패킷이 있는 단말에 우선적으로 코드를 할당한다.

2. 일반패킷을 위한 코드할당 : 상기 긴급패킷을 위한 코드할당과정 이후에 무선자원이 남는 경우 시스템의 이용효율을 높이기 위해 채널의 상태가 좋은 단말의 일반패킷에 우선적으로 코드를 할당한다.

3. 무선운반자간 전송량 할당 : 상기 긴급패킷 및 일반패킷을 위한 코드할당과정을 통해 하나의 단말이 전송할 수 있는 전송량이 결정된다. 하나의 단말에는 여러 개의 무선운반자가 존재할 수 있으므로, 각 단말에 주어진 자원은 무선운반자 사이의 우선순위에 따라 무선운반자별 전송량이 할당된다.

이하 상기의 과정들을 자세히 살펴보도록 하자.

(1) 긴급패킷을 위한 코드할당

UTRAN은 단말의 물리계층으로부터 보고된 채널상태에 따라 현재의 채널 상태에 맞는 MCS수준을 결정할 수 있으므로, 하나의 다중코드를 사용할 때 전송가능한 데이터량이 결정된다. 각 패킷의 전송이 하나의 TTI(Transmission Time Interval)단위로 이루어진다고 할 때, 단말 k에 대해 t번째 TTI동안에 하나의 다중코드를 이용하여 전송할 수 있는 데이터의 전송비트 수를라고 하고, 단말 k의 모든 긴급패킷을 전송하는데 필요한 다중코드의 수를라 하자.

단말 k의 무선베어러 i의 버퍼에 있는 긴급패킷의 양을라고 하면, 단말 k에 있는 총 긴급패킷의 수는로 표현된다. 따라서,를 전송하는데 필요한 정확한 다중코드의 수(소수점 이하 포함)는 다음과 같이 표현된다.

이때, 필요한 다중코드의 합이 시스템에서 제공할 수 있는 최대 다중코드의 수(M)보다 크게 된다면 각 단말은 필요한 모든 다중코드를 할당 받을 수 없게 된다. 따라서,인 경우에는 다음과 같은 식에 의해를 표준화(Normalization)한다.

상기 수학식 (1)과 (2)에서 구한 다중코드의 수는 소수점 이하의 값을 갖게 될 수 있다. 하지만, 실제로 다중코드는 정수로만 할당될 수 있으므로 이를 고려해야 한다. 따라서, 수학식 (1)과 (2)의 값에서 소수점 이하의 값을 버린 다중코드의 수를라고 하면, 상기는 다음과 같은 양자화(Quantization)식에 의해 나타낼 수 있다.

이때,는 x를 넘지 않는 최대 정수를 의미한다.

수학식(3)의 양자화 과정을 거치면, 할당된 총 다중코드의 수가 M보다 작을수 있다. 이 경우, 남은 다중코드를 긴급패킷의 전송에 사용할 수 있도록 하는 과정을 거친다.

즉, 상기 수학식(3)을 통해 각 단말에 다중코드를 할당하고 남은 다중코드의 개수를라고 하면,가 된다.

인 경우에는,. 수학식(3)의 과정을 통한 할당 후에도 배정할 다중코드가 남아 있다고 할 수 있으므로, 양자화 과정을 거치면서 가장 손실이 컸던 단말에 우선적으로 남은 코드를 할당해준다. 양자화 과정을 거쳐 누락된 다중코드의 수는 1보다 작은 값을 갖게 되므로 추가로 하나씩을 할당해주면 된다. 즉,인 단말에 대해의 값이 큰 단말부터중 하나씩의 다중코드를 추가 배정한다. 따라서, 긴급패킷의 전송을 위해 단말 k에 할당된 다중코드의 수는 다음과 같은 식에 의해 표현된다.

(2) 일반패킷을 위한 코드할당

상기 긴급패킷을 위한 코드 할당과정을 거친 후에도개의 코드가 남아 있다면, 이 코드들을 이용해 일반패킷의 전송을 위한 코드를 할당한다. 일반패킷에 대한 코드할당은 다음과 같이 시스템의 전송효율을 극대화 시킬 수 있도록 채널상태가 좋은 단말에 대해 우선적으로 코드를 할당한다.

(2-A)버퍼에 일반패킷이 있는 단말에 대하여 채널 상태가 좋은 (MCS수준이 큰) 순서대로 단말을 배열한다.

(2-B)같은 MCS수준인 단말은 일반패킷의 양이 많은 순서대로 배열한다.

(2-C)가장 큰 MCS수준을 갖는 단말들에 대하여 남은 코드를 라운드로빈 방식으로 할당한다. 이때, 더 이상 코드가 필요하지 않는 단말은 코드 분배에서 제외시킨다.

(2-D)상기 (2-C)의 과정을 거친 후에도 코드가 남아 있다면, 그 다음으로 작은 MCS수준을 갖는 단말에 대하여 (2-C)의 과정을 반복한다.

상기의 과정을 통해 추가로 단말 k에 할당된 다중코드의 수를라 하면, 단말 k에 할당된 총 다중코드의 수는 다음식과 같이 표현된다.

(3) 무선운반자간 전송량 할당

가 결정되었으므로, 하나의 TTI동안에 단말 k가 전송할 수 있는 최대의 데이터량인를 구할 수 있다.

단말 k의 무선운반자 i의 버퍼내에 있는 모든 패킷의 양을라고 하면,단말 k의 총데이터량은이며, 이 값이보다 큰 경우에는 무선운반자간 우선순위에 따른 스케줄링이 필요하다. 즉, 요구되는 전송량이 전송할 데이터량보다 적은 경우에는 특정 무선운반자의 데이터는 전송되지 못하게 되므로, 각 무선운반자별 데이터가 얼마나 전송될지를 결정해야한다. 이를 위해, 무선운반자간 상대적인 우선순위를 결정하는 가중치(Weighting Factor)를 두도록 한다. 단말 k의 무선운반자 j의 상대적인 가중치를라고 하면, 단말 k에 대한 가중치 집합는 다음과 같이 표현할 수 있다. 이때, 각 가중치는 클수록 더 많은 데이터가 전송될 수 있음을 의미한다.

예를 들어, 두개의 무선운반자가 존재하고 이들의 가중치가으로 표현된다면, 두번째 무선운반자는 첫번째 무선운반자의 3배에 해당되는 데이터를 전송할 수 있다.

하나의 단말내부에서 무선운반자간의 전송량 할당은 상기 수학식 (7)과 [참고문헌 1]의 "Max-Min Fair Share Scheme"을 이용할 수 있다. 단말 k의 무선운반자 i를 위한 데이터 전송량 는 다음의 조건에 따라 할당된다.

(3-1) 인 경우

긴급패킷을 모두 전송할 수 없는 조건이다. 긴급패킷들에 대하여 우선적으로를 할당한다. 무선베어러간의 데이터량 분배는 각 베어러간의 가중치에 의한 "Max-Min Fair Scheme"[1]을 이용하도록한다.

(3-2) 인 경우

버퍼내의 모든 패킷을 전송할 수 있는 용량이므로,이다.

(3-3) 인 경우

긴급데이터는 모두 전송이 가능하지만, 일반패킷에 대해서는 일부만 전송이 가능한 용량이므로, 먼저 긴급 데이터에 대하여 전송량을 우선적으로 할당하고, 남는 전송량인을 이용하여 일반패킷에 대한 전송량을 할당 한다. 남은 용량을 할당하는 방법은 각 무선베어러(운반자)의 가중치에 의한 "Max-Min Fair Scheme"[1]을 이용하도록 한다.

도 5는 상기 방법에 따른 단말의 코드할당 과정 및 각 단말의 무선운반자별 전송량 할당 과정을 나타내는 흐름도이다.

UTRAN은 현재 전송을 위해 저장하고 있는 각 단말의 버퍼를 검사하여, 무선운반자의 임계지연값에 따라 버퍼내에 있는 패킷을 긴급패킷과 일반패킷으로 구분한다. (단계 51)

긴급패킷이 존재하는 경우, 긴급패킷에 대한 우선적인 코드할당을 수행하고, 이후에 코드가 남는다면 일반패킷을 위해 코드를 할당한다. (단계 52,53,54,55).

각 단말에 대하여 할당된 코드수가 정해진 후에는 각 단말별로 전송할 수 있는 데이터량이 결정되므로, 이 전송량을 각 무선운반자별로 가중치에 따라 할당한다.(단계 56, 57).

도 6은 무선운반자 i에 대한 임계지연값값을 갱신하는 과정을 나타낸 흐름도이다.

무선운반자 i에서 긴급패킷과 일반패킷을 결정짓는데 사용되는 임계지연값인는 그 값을 정확히 결정하기가 쉽지 않고, 채널의 상태나 데이터량에 따라 적절한 값이 다를 수 있다. 즉, 셀 내의 단말 수와 채널의 상태 및 데이터의 양 등의 요인에 따라 최적의 임계지연값들은 가변적일 수 있다. 따라서, 값을 고정적으로 정하지 않고, 현 전송조건에 맞도록 적응적인 방법을 사용해 그 값을 결정해주는 방법을 사용한다. 일정기간동안 최대허용지연값을 넘은 패킷의 수를 관찰하여 이 값이 상향갱신임계값()보다 크거나 하향갱신임계값()보다 작으면 임계지연값()을 갱신해 적절한 임계지연값을 설정하도록 한다.

()를 시간에서 갱신된값이라고 하고, 관찰시간인동안에 패킷의 지연시간이 최대 지연시간을 넘은 패킷의 수가라고 하자. 이때,의 값이보다 큰 경우에는()의 값을()보다 작게 하여, 지연시간이 최대허용지연값을 넘는 패킷수를 줄일 수 있으며(단계 63,64), 마찬가지로()의 값이보다 작은 경우에는()의 값을()보다 높여주는 방법(단계 65)으로 불필요한 무선자원의 할당을 피할 수 있다.

또한 상기()가과범위에 있을때에는 임계지연값을 갱신하지않는다. (단계 66)

상기 각 단계는 미리 정해진 관찰시간마다 이루어진다 (단계 67).

이때, 무선운반자 i에 대한()값의 증감 단위를 단위갱신값()이라고 하면, 다음과 같은 식에 의해()를 갱신하도록 한다.

이때, 무선운반자 i에 대한 임계지연값이 너무 커지거나 작아지지 않도록 하기 위해 임계지연값에 대한 최소값과 최대값을 지정할 필요가 있다. 단말 i에 대한 임계지연값의 최소값을라고 정의하고, 임계지연값의 최대값을라고 설정하자. 따라서, 수학식(8)을 통해 갱신된 임계지연값이 최소값보다 작아지면 최소값으로 설정하고, 최대값보다 커지면 최대값을 설정해, 지정된 범위를 벗어나지 않도록한다.

상기에서 설명한 바와 같이, 본 발명은 무선운반자별 임계지연값을 설정하고, 현재의 패킷 지연시간과 최대허용지연값을 비교하여 패킷 전송의 우선순위를 결정하는 스케줄링 방법에 관한 것으로, 현재의 패킷지연시간이 임계지연값보다 큰 경우를 긴급패킷으로 분류하여 다중코드를 우선적으로 할당 및 전송하는 스케줄링 방법에 관한 것이다.

또한 무선운반자별로 설정한 상기 임계지연값은, 일정한 시간동안 최대허용지연값을 넘은 패킷의 수가 상향갱신임계값을 넘은 경우에는 임계지연값을 낮추고, 일정한 시간동안 최대허용지연값을 넘은 패킷의 수가 하향갱신임계값보다 작은 경우에는 임계지연값을 높이도록 하여 채널 상태 등을 고려해 전송효율을 더 탄력적으로 제고할 수 있도록 한것이다

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예를 설명하였으나, 본 발명은 다양한 변화와 변경 및 균등물을 사용할 수 있다. 본 발명은 상기 실시 예를 적절히 변형하여 동일하게 응용할 수 있음이 명확하다.

따라서 상기 기재 내용은 하기 특허청구범위의 한계에 의해 정해지는 본 발명의 범위를 한정하는 것이 아니다.

본 발명에서는 HSDPA시스템에서 각 단말의 채널상태, 패킷의 지연시간 및 서비스에 따른 우선순위를 고려하면서 시스템의 전송효율을 극대화 할 수 있는 스케줄링 알고리즘을 이용하여 제한된 무선자원을 각 단말에 효율적으로 분배할 수 있다.

Claims (11)

1. 무선 데이터전송 시스템에 있어서,

   무선운반자(Radio bearer)별 또는 서비스별로 패킷지연시간에 따른 패킷의 우선순위 설정을 위해 임계지연값들을 설정하는 단계와; 현재의 패킷지연시간과 상기 임계지연값들을 비교하여 각 패킷의 우선순위를 결정하는 단계와; 상기 결정된 우선순위에 따라 우선순위가 높은 패킷에 우선적으로 무선자원을 할당 및 전송해주는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 방법.
2. 제 1항에 있어서, 현재의 패킷 지연시간과 임계지연값들을 비교하여 패킷의 우선순위를 결정하며, 현재의 패킷지연시간이 클수록 높은 전송 우선순위를 갖는 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 방법.
3. 제 2항에 있어서, 패킷지연시간이 이웃한 임계지연값들 사이에 있는 패킷들은 동일한 우선순위를 갖는 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 방법.
4. 제 1항에 있어서, 무선자원의 할당은 전송할 패킷들의 우선순위에 따라 단말별로 다중코드를 분배함으로써 이루어지는 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 방법.
5. 제 4항에 있어서, 특정 단말에 대한 다중코드의 할당은 상기 단말내의 각 우선순위에 따른 패킷들에 대하여 이루어지며, 특정 단말에 할당된 총 다중코드의 수는 각 우선순위에 따른 패킷의 전송을 위해 할당된 모든 다중코드의 수를 합한 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 방법.
6. 제 5항 있어서, 특정 단말에서 특정 우선순위를 갖는 패킷들의 전송을 위한 다중코드를 할당할 경우, 이 패킷들을 전송할 수 있는데 충분한 최소의 다중코드를 할당하는 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 방법
7. 제 4항에 있어서, 높은 우선순위를 갖는 패킷들의 전송을 위해 다중코드를 할당한 후 남은 다중코드를 그 다음으로 우선순위가 높은 패킷들의 전송에 사용하고 이런 할당방법을 반복하는 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 방법.
8. 제 5항 또는 7항에 있어서, 특정 단말에 할당된 다중코드의 수가 정해져 한번에 전송할 수 있는 데이터 전송량이 결정된 후 단말내의 무선운반자 또는 서비스에 따른 전송량은 무선운반자별 또는 서비스별로 설정된 상대적인 가중치를 이용하여 할당하는 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 방법.
9. 제 1항에 있어서, 임계지연값들의 설정을 위해, 일정한 관찰시간동안 특정 무선운반자 또는 서비스에 대하여 최대허용지연값을 넘은 패킷의 수가 상향갱신임계값을 넘은 경우에는 임계지연값들을 낮추는 단계와; 일정한 시간동안 지연시간이 최대허용지연값을 넘은 패킷의 수가 하향갱신임계값보다 작은 경우에는 임계지연값들을 높이는 단계; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 방법.
10. 제 9항에 있어서, 일정한 관찰시간동안 특정 무선운반자 또는 서비스에 대하여 최대허용지연값을 넘은 패킷의 수가 상향갱신임계값보다 작고 하향갱신임계값보다 큰 경우에는 현재의 임계지연값들을 그대로 유지하는 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 방법.
11. 제 9항에 있어서, 임계지연값들의 동작 가능한 범위를 설정하기 위해 상기 임계지연값들의 하한값과 상한값을 설정하는 것을 특징으로 하는 패킷 스케줄링 방법.