KR20040110044A

KR20040110044A - CDMA2000 1x EV-DO 시스템에서 다양한 멀티미디어트래픽을 전송하기 위한 스케줄러(BBS:Buffer BasedScheduler)개발

Info

Publication number: KR20040110044A
Application number: KR1020030040427A
Authority: KR
Inventors: 김영용; 홍태철
Original assignee: 김영용; 홍태철
Priority date: 2003-06-20
Filing date: 2003-06-20
Publication date: 2004-12-29

Abstract

(1) 발명이 속한 기술분야

본 발명은 셀룰러 망(cellular)분야에서 효율적으로 무선 자원을 관리하고 여러 사용자들에게 이를 분배해주기 위한 기지국에서의 스케줄링 알고리즘이다.

(2) 발명의 목적

3G 망에서 실시간 멀티미디어 서비스를 효율적으로 지원하기 위한 기술의 쟁점은 스트리밍 기술의 뒷받침 없이는 불가능하다. 대부분의 이동 단말은 경량화와 시스템의 단순화가 매우 중요하기 때문에 기존의 PC환경에서와는 다르게 충분한 저장 용량을 확보할 수 없다. 이 때, 실시간 멀티미디어 트래픽을 스트리밍 기술을 이용하여 전송하여야만 이러한 한계를 어느 정도 극복할 수 있다. 스트리밍 기술을 각 이동 단말에 효율적으로 지원하기 위해서 기지국에서는 각 단말 들의 저장 공간(buffer) 상태를 수시로 점검하여 각 시간 슬롯마다 전송 자원을 다르게 분배해주어야 하는데 본 발명에서는 이러한 스트리밍 기술의 특성을 충분히 고려하여 기지국에서 효율적으로 전송 자원을 분배하기 위한 스케줄링 알고리즘을 제안한 것이다.

(3) 발명의 구성

CDMA 1x EV-DO 시스템의 역방향 링크에서는 DRC (date rate request channel)를 통하여 매 1.67ms 마다 각사용자 단말의 채널 상황을 기지국에 알려줄 수 있다. 이때, 본 발명에서는 이 정보와 함께 버퍼상태 정보 즉, 총 버퍼 크기와현재의 버퍼 용량의 비에 대한 정보를 추가하여 기지국에 알려주게 된다. 기지국은 실시간 스트리밍 서비스에 대해 이 정보를 활용하여 스케줄링에 반영하게 된다. 한편, best effort 서비스에 대해서는 기존의 PF 스케줄링 방식을 차용하여 그에 따른 보상을 해주게 된다. 즉, 스트리밍 서비스를 효율적으로 지원하기 위해서는 어느 정도의 버퍼크기가 요구되는데 이는 초기 상태의 버퍼 양 (Bi) 과 대응된다. 이 양이 많을수록 지연 시간 변화(jitter)에 대해서 더 잘 견딜 수 있게 된다. Bc 값은 이전 시간 슬롯에서의 버퍼 양에서 한 시간 슬롯 주기 동안에 소비한 데이터 양을 스케줄링에 반영하게 되는데, 이 정보에 의하면 현재 버퍼 에 저장된 데이터의 양이 적을수록 먼저 기지국에서 이동 단말에 전송자원을 서비스해주는 방식이라는 것을 알 수 있다. 이는 실시간 서비스에서 치명적인 정보 고갈에 따른 굶주림(starvation) 현상을 미리 막는데 큰 역할을 할 수 있다. 한편, 본 발명에서는 일반적인 IP 서비스와 같은 best effort 서비스에 대해서도 고려를 하였는데 best effort 서비스가 스케줄링 함수에 의해 선택된다면, 스케줄러는 사용자의 대한의 결과값을 다시 계산한다. 이 계산에서는 각 플로우(flow) 사이에 PF 알고리즘을 적용한다. 이 방법을 사용함으로써, 스케줄러는 스트리밍 서비스 뿐만 아니라 best effort 서비스에 대해서도공평성을 보장해 줄 수 있게 된다.

(4) 발명의 효과

본 발명의 장점은 기존의 PF 스케줄러에서 지원되지 못했던 실시간 서비스와 M-LWDF 스케줄러를 사용했을 때의 best effort 서비스에 대한 성능저하를 개선할수 있다는 것이다. 다른 실시간 서비스와는 다르게 평균 지연시간 값보다 채널 상황에 따라 변하는지연 시간 변화(jitter)값에 더욱 더 민감한 스트리밍 서비스의 특성을 고려하여 버퍼양을 스케줄링의 주요 척도로 설정함으로써 기지국은 시시각각 변하는 전송 환경에 따라서 무선 자원을 효율적으로 분배해줄 수 있다.

Description

CDMA2000 1x EV-DO 시스템에서 다양한 멀티미디어 트래픽을 전송하기 위한 스케줄러(BBS: Buffer Based Scheduler)개발{BBS(Buffer Based Scheduler) for CDMA 1x EV-DO type system supporting diverse multimedia traffic}

CDMA 1x EV-DO 시스템을 기반으로 한 스케줄러 로는 PF(Proportional Fairness) 스케줄러 와 M-LWDF (Modified-Largest Weighted Delay First) 스케줄러 등이 이미 제안되었다. PF 스케줄러는 Qualcomm 에서 제안된 방식으로 각 사용자의 RF 상태의 추이를 계속 유지하면서 각 사용자의 평균적인 C/I (carrier to interference) 을 지원할 수 있는 데이터 율을 제공한다. 즉, 기지국의 스케줄러에서는 시시각각 변하는 무선 전송 환경에 대하여 적응적인 평균값(moving average)를 계산하여 이 정보를 바탕으로 전송 자원의 양을 결정한다. 이 스케줄러는 best effort 서비스를 여러 사용자에게 공평하게 제공해 줄 수 는 있으나 그러한 공평성에 중점을 두다 보니 best effort 트래픽과는 특성이 다른 지연시간의 제한이 중요한 제약이 되는 실시간 서비스에 대한 지원은 이루어지지 않았다는 것이 단점으로 지적될 수 있다.

한편, M-LWDF 스케줄러(1도) 는 Lucent 에서 제안한 것으로 PF 스케줄러 에서 지원하지 못하는 다양한 QoS 요구 사항을 제공해주기 위해 설계되었다. M-LWDF 스케줄러는 각 시간 슬롯 마다 HOL(head of line) 지연 시간 값 (W(t)) 과 채널 용량(r(t)), 그리고 QoS 요구사항에 따른 적절한 상수의 곱을 계산하여 그 값이 가장 큰 큐(queue)를 서비스해주는 방식이다. 이 방식은 실시간 서비스의 QoS를 보장해주기 위해서 필수적으로 고려해야 할 척도인 지연시간 제한값을 중요하게 고려한 만큼 실시간 서비스에 대해서는 최적화 되어 있다고 볼 수 있지만 그 이외의 best effort 서비스에 대한 고려가 이루어지지 않은 것이 단점이 된다.

CDMA 1x EV-DO 시스템은 기존의 CDMA 시스템에 비해 더 높은 데이터 율(최대 2.4Mbps )를 지원하는 3G 이동통신 시스템의 핵심 기술이다. 이 기술은 국내에서도 SK Telecom 이나 KTF에서 이미 실용화되었고 외국의 몇몇 나라에서도 점점 실용화 되어가고 있는 추세이다. 이 기술에서 지원되는 높은 데이터 율은 기존의 CDMA 시스템에서 음성위주의 서비스를 지원했던 것과는 달리 사용자에게 다양한 멀티미디어 서비스의 지원을 가능하게 할 수 있다. 사용자들은 자신의 단말기를 통하여 영화, 뮤직비디오 등과 같은 VOD 서비스 뿐만 아니라 실시간으로 TV방송도 즐길 수 있다. 이와 같은 실시간 멀티미디어 서비스를 효율적으로 지원하기 위한 기술의 쟁점은 스트리밍 기술의 뒷받침 없이는 불가능하다. 대부분의 이동 단말은 경량화와 시스템의 단순화가 매우 중요하기 때문에 기존의 PC환경에서와는 다르게 충분한 저장 용량을 확보할 수 없다. 이 때, 실시간 멀티미디어 트래픽을 스트리밍 기술을 이용하여 전송하여야만 이러한 한계를 어느 정도 극복할 수 있다. 스트리밍 기술을 각 이동 단말에 효율적으로 지원하기 위해서 기지국에서는 각 단말들의 저장 공간(buffer) 상태를 수시로 점검하여 각 시간 슬롯마다 전송 자원을 다르게 분배해주어야 하는데 본 발명에서는 이러한 스트리밍 기술의 특성을 충분히 고려하여 기지국에서 효율적으로 전송 자원을 분배하기 위한 스케줄링 알고리즘을 제안한다. 본 발명의 핵심적인 제안은 역방향 채널를 통하여 각 이동단말은 자신의 총 버퍼 크기와 현재 자신의 버퍼 양의 비를 기지국에 알려주면 기지국은 이 정보를 통하여 전송 자원의 순서 (scheduling order)를 차등하여 분배하게 된다. 본 발명에서의 스케줄러는 실시간 스트리밍 서비스에 대해서 최적화되어 있으며, 스트리밍 서비스가 아닌 best effort 서비스에 대해서도 충분히 고려하여 이러한 서비스에 대해서는 PF 방식에 기초한 스케줄링을 적용하여 최적화하도록 지원하였다.

제 1도 M-LWDF 스케줄러의 동작원리

제 2도 이동 단말에서의 C/I와 버퍼상태정보 전송

제 3도 Bi 와 Bc 로 구성된 버퍼의 상태정보

제 4도 log scale을 사용하는 이유

제 5도 BBS 의 스케줄링 절차

본 발명의 구성을 설명하기 위해서 우선, 2도에서와 같이 기지국이 각 사용자 단말을 통하여 채널상황과 버퍼의 상태정보를 전송 받는다. 이 때, 기존에 제안된 스케줄러 와 차별되는 버퍼상태 정보에 관한 자세한 그림은 3도 에서 나타나 있다. CDMA 1x EV-DO 시스템의 역방향 링크에서는 DRC (date rate request channel)를 통하여 매 1.67ms 마다 각 사용자 단말의 채널 상황을 기지국에 알려줄 수 있다. 이 때, 본 발명에서는 이 정보와 함께 버퍼 상태 정보 즉, 총 버퍼 크기와 현재의 버퍼 용량의 비에 대한 정보를 추가하여 기지국에 알려주게 된다. 기지국은 실시간 스트리밍 서비스에 대해 이 정보를 활용하여 스케줄링에 반영하게 된다. 한편, best effort 서비스에 대해서는 기존의 PF 스케줄링 방식을 차용하여 그에 따른 보상을 해주게 된다. 본 발명의 동작원리를 더욱 자세하게 설명하기 위한 알고리즘은 다음과 같은 식과 표로 표현할 수 있다.

[수학식 1]

스케줄링을 위한 각 사용자의 스케줄링을 위한 척도 계산식

[표1 ]

데이터 타입에 따른 S 값의 설정

는 초기 버퍼의 양을 의미하고는 현재의 버퍼양을 의미한다. 스케줄러는 위 식을 각 사용자에 대해서 계산하고 그 값이 가장 큰 사용자를 선택한다. 한 편,값은 서비스 type 을 의미하는 것으로 기본적으로 1의 값을 갖는다. VoIP의 경우에 서비스에 대한 우선권은 전송 환경에 따라 다르게 설정된다. 이는 VoIP 서비스의 경우에는 스트리밍 서비스보다 더 엄격한 지연 시간 제한를 요구하기 때문에 다른 우선권을 부여하기 위해서 이다. 전송 환경에 따라서 부하가 클수록 VoIP 서비스에 대한 우선권은 높아진다. 본 발명은 VoIP 서비스보다는 스트리밍 서비스에 최적화되도록 설계되었다. 그 이유는 1x EV-DO 시스템은 기존의 CDMA 1x 시스템과 듀얼 모드(dual mode)로 동작하는 것이 일반적이므로 음성에 관련된 서비스는 CDMA 1x 시스템에서 충분히 지원해 줄 수 있기 때문에 1x EV-DO 에서는 데이터 위주의 서비스만을 고려한 것이다.

본 발명에서 제안한 알고리즘에서 스트리밍 서비스에 대한 S의 값은 log 스케일을 적용하였는데, 그 이유는 4도에서 나타난다. 만약, Bc 의 값이 작다면 Bi/Bc 의 값은 4도의 (a)에서 보는 바와 같이 매우 커진다. 4도의 (a)에서 s와 t사이의 간격은 매우 작지만 그에 따른 Bi/Bc 의 값은 매우 커진다. 이러한 결과는 스케줄링 결정을 내릴 때, 큰 문제를 야기할 수 밖에 없다. 하지만, 4도의 (b)에서와 같이 log 스케일을 사용하게 되면 Bc값이 작더라도 버퍼 상태 정보를 적절히 이용할 수 있게 된다. 스트리밍 서비스와 관련하여 S값의 존재는 스트리밍 서비스의 특성을 가장 잘 반영한 척도라 할 수 있다. 스트리밍 서비스를 효율적으로 지원하기 위해서는 어느 정도의 버퍼 크기가 요구되는데 이는 초기 상태의 버퍼링 양 (Bi) 과 대응된다. 이 양이 많을수록 지연시간의 변화(jitter)에 대해서 더 잘 견딜 수 있게 된다. Bc 값은 이전 시간 슬롯에서의 버퍼 양에서 한 시간 슬롯 주기 동안에 소비한 data양을 빼고, 새롭게 기지국에서 전송된 data 양을 더한 값이다. 이와 같이 설정된 Bi/Bc 값을 계산하여 스케줄링에 반영하게 되는데, 이 정보에 의하면 현재 버퍼에 저장된 데이터의 양이 적을수록 먼저 기지국에서 이동 단말에 전송자원을 서비스해주는 방식이라는 것을 알 수 있다. 이는 실시간 서비스에서 치명적인 정보 고갈에 따른 굶주림(starvation) 현상을 미리 막는데 큰 역할을 할 수 있다.

한 편, [수학식 1] 에서 표현된 스케줄링 원리를 사용한다면 best effort 서비스에 대한 공평성을 보장해 줄 수 없다. 그렇게 때문에 이에 덧붙여서 5도와 같은 스케줄링 방법을 추가하였다. Best effort 서비스가 스케줄링 함수에 의해 선택된다면, 스케줄러 는 사용자의 대한 [수학식 1] 의 결과값을 다시 계산한다. 이 계산에서는 각 플로우(flow) 사이에 PF 알고리즘을 적용한다. 이 방법을 사용함으로써, 스케줄러는 스트리밍 서비스 뿐만 아니라 best effort 서비스에 대해서도 공평성을 보장해 줄 수 있게 된다.

CDMA 1x EV-DO 시스템에서 제안된 스케줄러들은 각각 다른 목적을 위해 설계되었기 때문에 각각은 장단점이 존재할 수 밖에 없다. 본 발명에서는 서비스의 스트리밍 type 에 따라서 그에 따른 성능을 보장해 줄 뿐만 아니라 best effort 서비스에 대해서도 특정 양만큼의 전송 자원을 제공해 줄 수 있다. 특히, 본 발명의 장점은 기존의 PF 스케줄러 에서 지원되지 못했던 실시간 서비스와 M-LWDF 스케줄러를 사용했을 때의 best effort 서비스에 대한 성능저하를 개선할 수 있다는 것이다. 다른 실시간 서비스와는 다르게 평균 지연 시간값 보다 채널 상황에 따라 변하는 지연시간의 변화(jitter) 값에 더욱 더 민감한 스트리밍 서비스의 특성을 고려하여 버퍼양을 스케줄링의 주요 척도로 설정함으로써 시시각각 변하는 전송 환경에따라서 기지국이 그에 상응하는 데이터율로 각각의 사용자 단말에 스케줄링 해 줄 수 있게 된다. 이는 VOD 서비스에서 버퍼양의 고갈에 따른 굶주림(starvation) 현상을 미리 막을 수 있는 역할을 해 줄 수 있다. 이와 같은 이유로 본 발명은 가변적인 전송 환경과 다양한 트래픽 특성에 맞게 보다 효율적으로 적응할 수 있는 스케줄러라고 할 수 있다.

Claims

스케줄링을 위한 각 사용자의 스케줄링을 위한 척도 계산식 ( [수학식 1] )을 바탕으로 하여 스케줄링을 결정하는 단계
청구항 1에 있어서 기지국에서 각 사용자 단말로부터 받은 채널정보에 포함된 버퍼상태의 비(버퍼크기/현재버퍼 된 양)에 대한 정보( [수학식 1] 에서 S값에 해당)를 log scale로 변환시켜서 스케줄링에 반영하는 단계
청구항 1에 있어서 Best effort 서비스에 대한 스케줄링에는 [수학식 1] 에서의 S값을 2로 설정하여 기존의 PF(Proportional Fairness) 스케줄러와 같은 동작을 하게 함으로써 다른 서비스와의 공평성을 보장해주는 단계