KR20040068698A

KR20040068698A - Ｉｐ망에서 음성트래픽의 소요회선수 산출 및 패킷레벨대역 설계 방법

Info

Publication number: KR20040068698A
Application number: KR1020030005201A
Authority: KR
Inventors: 김윤기; 이훈
Original assignee: 주식회사 케이티
Priority date: 2003-01-27
Filing date: 2003-01-27
Publication date: 2004-08-02

Abstract

본 발명은 IP망에서 음성트래픽의 소요회선수 및 패킷레벨 대역 설계 방법에 관한 것이다. 본 발명은 게이트웨이틀 통하여 기존의 공중전화 교환망(Public Switched Telephone Network: PSTN) 가입자를 수용하는 경우 가입자에 대하여 기존의 PSTN에서 제공하는 수준의 서비스 품질을 보장하기 위하여 게이트웨이 입력단에서 음성 트래픽의 양을 직접 측정하여 소요회선수를 산출하고, 산출된 소요회선수를 바탕으로 게이트웨이와 NAS(Network Access Server)간의 음성트래픽 대역용량을 설계하는 방법을 제공한다. 본 발명은 VoIP 네트워크 시스템의 대역자원을 효율적으로 관리하여 가입자에게 일정한 수준의 통화 서비스품질을 보장하는 효과를 제공한다.

Description

ＩＰ망에서 음성트래픽의 소요회선수 산출 및 패킷레벨 대역 설계 방법{Method for Calculating Lines for Voice Traffic in IP Network and Designing Packet Level Bandwidth}

본 발명은 IP망에서 음성트래픽의 소요회선수 및 패킷레벨 대역 설계 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 게이트웨이틀 통하여 기존의 공중전화 교환망(Public Switched Telephone Network: PSTN) 가입자를 수용하는 경우 가입자에 대하여 기존의 PSTN에서 제공하는 수준의 서비스 품질을 보장하기 위하여 게이트웨이 입력단에서 음성 트래픽의 양을 직접 측정하여 연결레벨에서의 소요회선수를 산출하고, 산출된 소요회선수를 바탕으로 게이트웨이와 NAS(Network Access Server)간의 음성트래픽에 대하여 패킷레벨의 대역용량을 설계하는 방법에 관한 것이다.

기존의 전화서비스는 두 이용자간 회선형 연결 서비스로서 두 이용자간에 통화중인 회선은 다른 사람이 사용할 수 없었다. 따라서, 두 이용자가 실제적으로 주고받는 정보가 없어도 항상 채널은 점유상태에 있게 되어, 망의 효율적 운영 측면에서 자원의 낭비가 심했다. 한편, 통신망 기술의 변화 및 인터넷 기술의 발전에 의해 인터넷상에서 데이터 전달의 고속화가 가능하게 됨에 따라, IP(Internet Protocol) 망에서 음성 트래픽을 다중화하여 처리하여도 통화자는 품질의 열화를 느낄 수 없을 정도의 VoIP(Voice over IP)가 등장하게 되었다. 그러나, 상당한 규모의 가입자가 존재하는 대규모 네트워크에서는 음성 트래픽량이 매우 큰 경우도 고려하여 음성 트래픽 대역을 설계하여야 음성 품질이 열화되지 않는 통화 서비스를 제공할 수 있으나, 종래의 음성 트래픽 처리는 가입자의 규모가 크지 않은 초기 상황을 바탕으로 이루어져 가입자가 포화되는 경우 음성품질이 열화되는 문제점이 있었다.

또한, 종래의 음성트래픽 소요회선수 설계 방법은 운용중인 네트워크의 트래픽을 실시간으로 직접 측정하지 않고 가입자의 평균적 서비스 이용형태를 기준으로 소요 회선수를 산출하였으므로 수시로 변하는 호레벨 회선 연결 상태를 반영하지 못하고 산출된 소요회선수의 정확성이 저하되는 문제점이 있다. 그리고, 음성 패킷과 데이터 패킷이 각각 사용하는 음성 대역폭과 데이터 대역폭의 배분에 대해 패킷의 서비스 차별화 정책을 반영한 음성트래픽 대역 설계법이 없어 효율적으로 대역을 사용하지 못하였다.

따라서, 본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위한 것으로, IP망의 게이트웨이 입력단에서 호레벨의 트래픽량을 직접 측정하고 통계적 처리를 통하여 동적으로 변하는 입력측의 회선수에 대한 신뢰성 높은 대표치를 산출하고, 산출된 회선수를 바탕으로 NAS에서의 패킷 차별화 정책을 고려한 NAS 출력측의 음성트래픽 대역폭을 예측하는 방법을 제시한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 IP망을 이용한 음성서비스 제공 네트워크 시스템의 개략도;

도 2는 본 발명에 따른 회선 점유 일 실시예를 나타내는 그래프; 및

도 3은 NAS의 패킷서비스 차별화 정책을 나타내는 도면이다.

본 발명은 게이트웨이와 NAS(Network Access Server)로 구성된 IP망을 통해 음성서비스를 제공할 때, 게이트웨이의 입력단에서의 소요회선수를 산출하는 방법을 제공한다.

게이트웨이 입력단에서 음성 호의 회선별 점유시간을 모니터링하고, 모니터링한 결과로부터 음성트래픽 부하 A를 구한다. 이러한 과정을 m번 반복하여 얻어진 음성트래픽 부하열 A₁, A₂, …, A_m의 평균α와분산 σ²를 구하고, 음성트래픽 부하의 신뢰구간에 따른 유효 음성트래픽 부하 Γ를 구한다. 유효 음성트래픽 부하 Γ로부터 Erlang-B공식을 통해 음성트래픽 소요회선수를 산출한다.

먼저 음성트래픽 부하 A는 하기의 식으로 구해진다.

여기서, N은 음성트래픽을 모니터링하는 구간에서 점유된 회선수의 최대값, t_i는 점유된 회선이 i개인 시간 간격이다.

본 발명은 또한 NAS가 입력되는 패킷을 음성패킷과 데이터 패킷으로 분류하여 각각 음성 버퍼와 데이터 버퍼로 저장한 후 음성패킷을 우선적으로 처리하는 VoIP 시스템에서 NAS의 출력단에서의 음성 대역폭을 설계하는 방법을 제공한다.

일정수준 이하의 지연만이 발생하도록 음성 패킷이 NAS 시스템내에서 체재하는 시간을 설정한다. 음성 트래픽 강도 ρ_v를로부터 구하고, 음성트래픽 강도 ρ_v로부터 설정된 체제 시간을 만족하는 데이터 트래픽 강도 ρ_d를 구한다. 여기서, V는 소요회선수, C는 NAS의 총대역, B는 음성부호화 방식에 따른 최대 데이터 생성속도이다. 음성 대역폭 C_v에는 C_v= V×B에 의해 정해진 대역을 할당하고, 데이터 대역폭 C_d에는 ρ_dC이하로 할당한다.

음성패킷이 NAS 시스템내에서 체재하는 시간 Sv는 하기의 식으로 주어진다..

여기서, λ_{v ,}λ_d는 각각 음성패킷과 데이터 패킷의 평균 도착률, 1/μ_{v ,}1/μ_d는 각각 음성패킷과 데이터 패킷의 서비스 시간의 평균, σ_v ²,σ_d ²는 각각 음성패킷과 데이터 패킷의 서비스 시간의 분산이다.

이하 본 발명에 따른 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 구체적으로 설명한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 IP 망을 이용하여 음성서비스를 제공하는 네트워크 시스템 구조를 나타낸다. 전화기는 트렁크 게이트웨이나 액세스 게이트웨이를 통하여 IP망에 연결된다. 게이트웨이에 연결되는 가입자군은 PSTN을 통하여 접속되며, PBX(Private Branch Exchange)와 같은 사설음성망을 통하여 접속될 수도 있다. PSTN측에서는 호를 회선단위로 인식하고, IP측에서는 중첩된 호군에 의하여 발생되는 패킷을 하나의 파이프(pipe)가 처리한다. 따라서, 게이트웨이를 중심으로 입력단에서는 호레벨 트래픽을 측정하여 호레벨의 소요회선수를 산출하고, NAS(Network Access Server)의 출력단에서는 음성가입자에 의한 총 소요대역을 패킷레벨에서의 대역폭으로 산출한다.

먼저, 도 2를 참조하여 게이트웨이 입력단에서의 소요회선수를 계산하는 방법을 살펴본다.

도 2는 게이트웨이 입력단에서 시간에 따라 음성트래픽이 각 회선을 점유하는 상태의 일 실시예를 나타낸다.

t_ij를 점유된 회선의 수가 i개인 시간 구간중에서 j번째로 발생한 시간구간의 시간이라 할 때, t_i와 T를 수학식 1로서 정의한다.

여기서, N은 음성트래픽 측정 구간에서 점유된 회선의 최대값이다.

따라서, t_i는 점유된 회선이 i개인 시간 구간의 시간을 의미하고, T는 점유된 회선의 수가 1개부터 N개인 시간의 총합을 의미한다.

음성트래픽 부하 A는 회선의 총 점유시간을 T로 나눈 값으로서 수학식 2와 같이 정의 된다.

전술한 방법으로 음성트래픽을 m번 측정하여 얻은 음성트래픽 부하열 A₁, A₂, …, A_m의 평균α와분산σ²를 구한다. 음성트래픽 부하열이 정규분포를 따른다고 가정할 때, 신뢰구간 95%에서 유효 음성트래픽 부하 Γ 는α+ 1.96σ가 된다. 이렇게 구한 Γ를 수학식 3의 Erlang-B공식에 대입하면 게이트웨이 입력단에서의 소요회선수를 계산할 수 있다.

여기서, V는 소요회선수이고, GOS(Grade of Service)는 음성서비스 수준을 나타내며, 통상 99%이다.

다음으로, NAS 출력단에서의 음성용 대역폭 설계법을 살펴본다.

도 3은 NAS의 패킷서비스 차별화 정책을 나타낸다. NAS(10)의 입력단에는 수학식 3에서 구한 소요회선인 V개의 연결이 활성상태에 있고, 연결의 지속시간은 패킷의 길이에 비해서 충분히 크다는 가정을 한다. NAS(10)에 입력된 패킷은 패킷 분류기(11)에 의해 음성패킷과 데이터 패킷으로 분류되어 각각 음성 버퍼(12)와 데이터 버퍼(13)에 저장된다. NAS(10)의 출력링크측 서버는 음성 버퍼(12)와 데이터 버퍼(13)에 저장된 패킷을 서비스함에 있어서 엄격한 우선순위를 적용한다.

즉, 서버는 우선 음성 버퍼(12)를 방문한다. 음성 버퍼(12)에 음성 패킷이 존재하는 한 계속해서 음성버퍼(12)에 저장된 음성 패킷을 처리한다. 서버가 음성 버퍼(12)의 패킷을 서비스한 후 더 이상 음성버퍼(12)에 음성 패킷이 존재하지 않으면 즉시 데이터 버퍼(13)로 이동하며 만약 데이터 버퍼(13)에 데이터 패킷이 존재하면 1개의 데이터 패킷을 서비스한다. 데이터 버퍼(13)에서의 서비스가 종료되면 서버는 다시 음성 버퍼(12)를 탐색한 후, 전술한 동작을 반복한다. 데이터 패킷의 서비스 도중에 음성 패킷이 음성 버퍼(12)에 도착하더라도 일단 서비스를 시작한 데이터 패킷은 서비스가 끝날 때까지 계속 서비스를 받는다. 여기서, 음성 버퍼(12)와 데이터 버퍼(13)간의 이동시간은 무한히 작은 것으로 가정한다.

V개의 입력 인터페이스로부터 V개의 출력 인터페이스로 나가는 패킷의 분포가 균일하다고 가정을 하면, 입출력 인터페이스가 각각 V개인 V×V의 대기행렬모델의 해석은 V개의 입력 인터페이스와 오직 하나의 출력 인터페이스를 가진 대기행렬모델로 간략화된다.

패킷 도착 프로세스에 대해, 음성 패킷과 데이터 패킷의 도착분포는 포아송 분포(Poisson Distribution)를 따른다고 가정하고, 음성 패킷과 데이터 패킷의 서비스 시간 분포는 일반 분포(General Distribution)을 따른다고 가정한다. 음성 패킷과 데이터 패킷의 평균 도착률을 각각 λ_{v ,}λ_d라 하고, 음성 패킷과 데이터 패킷의 서비스 시간의 평균을 각각 1/μ_{v ,}1/μ_d라 하고, 음성 패킷과 데이터 패킷의 서비스 시간의 분산을 각각 σ_v ²,σ_d ²라고 하면, 음성 트래픽의 강도와 데이터 트래픽의 강도는 각각로 표시된다.

음성 버퍼(12)의 지연시간 성능 해석을 위하여 Sv를 음성 패킷의 시스템내 체제시간(sojourn time)이라 하고, Wv를 음성 패킷의 음성 버퍼(12)에서의 대기시간(waiting time)이라 하면, 음성패킷의 시스템내 체제시간은 음성 버퍼(12)에서의 대기시간과 서버에서의 서비스시간의 합이므로 수학식 4의 관계가 성립한다.

수학식 4에서 우변의 두번째 항은 음성 트래픽의 특성에서 주어지므로, 음성 패킷의 시스템내 체제시간을 구하기 위해서는 음성버퍼(12)에서의 대기시간인 Wv 를 구해야 한다. 음성 버퍼(12)가 서비스 차별화 정책에 의해서 서비스를 받는 경우, 음성 버퍼(12)에 존재하는 음성 패킷이 데이터 버퍼(13)에 존재하는 데이터 패킷 보다 항상 우선적으로 서비스를 받으므로 음성 버퍼(12)에 존재하는 음성 패킷의 평균 대기시간은 단일 클래스(class) M/G/1 큐잉(queuing)시스템의 평균 대기시간 정의를 이용하면 구해진다. M/G/1 큐잉 시스템은 패킷의 도착이 포아송 분포를 따르고 패킷의 서비스 시간이 일반적인 분포를 따르며 서버가 하나인 대기행렬 시스템을 뜻한다. 음성 버퍼(12)에 패킷이 없을 경우에 서버가 데이터 버퍼(13)에 있는 데이터 패킷을 서비스하기 때문에 단일 클래스 M/G/1 큐잉 시스템의 평균 대기시간의 정의로부터 수학식 5와 같은 결과를 얻을 수 있다.

여기서, Qv는 음성 버퍼(12)에 존재하는 음성 패킷 수의 기대치이고, R은 서버에 의하여 서비스 중에 있는 패킷의 잔여 서비스 시간의 기대치이다.

리틀 공식(Little's Formula)에 의해서 수학식 5를 정리하면 수학식 6과 같이된다.

패킷의 도착률이 포아송 분포를 따른다는 가정에 의해 패킷의 잔여 서비스 시간 R을 구함에 있어 PASTA(Poisson Arrival See Time Average)의 성질을 이용하면 수학식 7이 얻어진다.

여기서, τ_k는 이미 서버가 처리 중인 패킷의 잔여 서비스 시간을 나타내며, 편의상 k=1은 음성 패킷, k=2는 데이터 패킷인 경우를 나타낸다. 그리고,는 랜덤 (random)변수인 패킷 서비스시간의 2차 모멘트(moment)를 나타내며, 위에서 정의한 트래픽 파라미터를 고려하여를 정리하면 수학식 8과 같다.

수학식 7과 수학식 8을 수학식 6에 대입하여 정리하면 음성 버퍼(12)에서의 음성패킷의 대기시간을 수학식 9와 같이 구할 수 있다.

또한, 수학식 9를 수학식 4에 대입하여 음성패킷이 시스템내에서 체제하는 총시간을 구할 수 있다. 수학식 9와 수학식 4로부터 음성 패킷 및 데이터 패킷이 가지는 고유의 트래픽 특성인 평균 서비스 시간 즉, 패킷 길이 1/μ_k(k=1,2) 및 길이의 변이 σ_k ²을 알 수 있다면 음성 버퍼(12)에서 음성패킷이 시스템 내에서 겪을 지연시간 즉, 체제시간을 추정할 수 있다.

한편, Wv에 대한 목표치가 주어진다면 수학식 9로부터 음성패킷과 데이터 패킷에 의하여 발생되는 트래픽 강도를 계산할 수 있고, 음성패킷과 데이터 패킷의 트래픽 강도는 각각이므로, NAS(10) 출력단의 전체 대역 C 중에서 음성패킷과 데이터 패킷이 차지하는 대역 Cv와 Cd는 각각 수학식 10과 같이 구할 수 있다.

NAS(10)의 출력단에서 음성서비스만을 위한 총 음성소요 대역폭은 수학식 11과 같이 게이트웨이의 소요회선수 V와 음성 호(call) 한 연결당 소요대역 B와의 곱으로 나타난다.

C_v= V×B

음성호 한 연결당 소요대역은 최대 데이터 생성속도로 나타내며, 음성의 부호화 방식에 의존한다. 음성의 부호화 방식에 따른 소요대역 B는 표 1과 같다.

ITU-T	부호화 방식	최대 데이터 생성속도 B(단위:kbps)
G.711	PCM	64
G.726	ADPCM	32
G.729	CS-ACELP	8
G.723.1	MP-MLQ	6.4

수학식 11의 대역은 설계레벨에서 필요한 이상적인 대역이고, 실제로 네트워크상에서 패킷이 서비스될 때에는 음성과 데이터가 대역 C를 공유하고 음성 패킷이 데이터 패킷보다 우선적으로 서비스를 받는 환경에 있으므로 음성패킷의 시스템 내에서의 지연시간을 일정수준 이하로 유지하려면 음성과 대역을 공유하는 데이터의 대역을 일정 수준으로 제한할 필요가 있다. 따라서, C > C_v+ C_d의 관계가 성립한다.

수학식 10과 수학식 11로부터 C_v는 같은 값을 가져야 하므로 음성 및 데이터 공유 링크에서 음성에 할당될 음성 트래픽 강도 ρ_v는 수학식 12로 구해진다.

본 발명에서 최종적으로 구하고자 하는 것은 NAS(10)의 출력단의 링크의 대역이므로 C는 고정된 값으로 가정할 때, V와 B가 정해지면 수학식 12로부터 ρ_v를구할 수 있고, 따라서 수학식 9를 만족시키기 위한 ρ_d값의 상한치를 구할 수 있다. ρ_d값의 상한치를 구하면 수학식 10으로부터 데이터 패킷을 위한 대역 C_d를 구할 수 있다. 즉, 하나의 공유대역 상에서 음성과 데이터가 동시에 제공될 때 음성 패킷에 일정 수준의 지연을 보장하기 위하여 음성패킷에 대해서는 수학식 11에서 정한 값만큼의 대역을 상시적으로 할당하여야 하고 데이터 패킷에 할당하여야 할 대역 Cd는 수학식 10의 값 이하로 유지되도록 한다.

본 발명은 게이트웨이 입력단에서 호레벨 음성트래픽을 수시로 측정하여 소요회선수를 계산하고, 계산된 소요회선수를 바탕으로 NAS 출력단에서의 음성 소요대역폭을 계산함으로써 네트워크의 대역자원을 효율적으로 관리하여 가입자에게 일정한 수준의 통화 서비스품질을 보장하는 효과를 제공한다.

Claims

게이트웨이와 NAS(Network Access Server)로 구성된 IP망을 통해 음성서비스를 제공할 때, 게이트웨이의 입력단에서의 소요회선수를 산출하는 방법에 있어서,

(a) 게이트웨이 입력단에서 음성 호의 회선별 점유시간을 모니터링하고,

(b) 상기 모니터링한 결과로부터 음성트래픽 부하 A를 구하고,

(c) 상기 (a),(b)단계를 m번 반복하여 얻어진 음성트래픽 부하열 A₁, A₂, …, A_m의 평균 α와분산 σ²를 구하고,

(d) 음성트래픽 부하의 신뢰구간에 따른 유효 음성트래픽 부하 Γ를 구하고,

(e) 상기 유효 음성트래픽 부하 Γ로부터 하기의 Erlang-B공식을 통해 음성트래픽 소요회선수를 산출하는 방법.

(여기서, V는 소요회선수, GOS(Grade of Service)는 서비스 수준)
제 1항에 있어서, 상기 음성트래픽 부하 A는 하기의 식으로 구해지는 음성트래픽 소요회선수 산출 방법.

(여기서, N은 음성트래픽을 모니터링하는 구간에서 점유된 회선수의 최대값, t_i는 점유된 회선이 i개인 시간 구간의 시간)
제 1항에 있어서, 상기 신뢰구간이 95%일 때 상기 유효 음성트래픽 부하 Γ는 α+ 1.96σ인 음성트래픽 소요회선수 산출 방법.
NAS(Network Access Server)가 입력되는 패킷을 음성패킷과 데이터 패킷으로 분류하여 각각 음성 버퍼와 데이터 버퍼로 저장한 후 음성패킷을 우선적으로 처리하는 VoIP(Voice over IP)시스템에서 NAS의 출력단에서의 음성 대역폭을 설계하는 방법에 있어서,

음성 패킷이 NAS 시스템내에서 체재하는 시간을 설정하고,

음성 트래픽 강도 ρ_v를(여기서, V는 소요회선수, C는 NAS의 총대역, B는 음성부호화 방식에 따른 최대 데이터 생성속도)로부터 구하고,

상기 구해진 음성 트래픽 강도 ρ_v로부터 상기 설정된 체제 시간을 만족하는 데이터 트래픽 강도 ρ_d를 구하고,

상기 음성 대역폭 C_v에는 C_v= V×B에 의해 정해진 대역을 할당하고, 상기데이터 대역폭 C_d에는 ρ_dC이하로 대역을 할당하는 음성 대역폭 설계 방법.
제 4항에 있어서, 상기 음성패킷이 NAS 시스템내에서 체재하는 시간 Sv는 하기의 식으로 주어지는 음성 대역폭 설계 방법.

(여기서, λ_{v ,}λ_d는 각각 음성패킷과 데이터 패킷의 평균 도착률, 1/μ_{v ,}1/μ_d는 각각 음성패킷과 데이터 패킷의 서비스 시간의 평균, σ_v ²,σ_d ²는 각각 음성패킷과 데이터 패킷의 서비스 시간의 분산)