KR20060005779A - 티디엠에이 기반의 매체 접속 제어에서 지연시간 민감성을고려한 충돌 해결 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 MAC(Medium Access Control) 프로토콜 적용 기술에 관한 것이다.

본 발명에서는 무선 환경의 한정된 자원인 무선 매체(Wireless Medium)상에서 전송권을 획득하기 위해 무선 단말들이 동시에 접근하면 충돌(Collision)이 발생하게 되는데, 이를 서비스 품질별로(우선순위) 차별화하여 높은 서비스 품질 트래픽의 충돌을 가능한 빨리 해결하기 위한 방법이다. 이 방법은 무선 MAC 구간의 상향 프레임 구조를 결정할 때, 경쟁 구간의 적당한 크기를 우선순위에 따라 차별적으로 결정할 수 있으며, 망의 상황에 따라 적응적(Adaptive)으로 결정할 수 있는 이론적 배경을 제시한다.

MAC, 무선 매체, TDMA, 매체 접속 제어

Description

티디엠에이 기반의 매체 접속 제어에서 지연시간 민감성을 고려한 충돌 해결 방법{Collision resolution scheme considering delay sensitivity for TDMA based MAC Protocol}

도 1은 본 발명의 실시예에 대한 기지국측에서의 동작 흐름도이다.

도 2는 스플리팅 알고리즘의 예시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예인 무선 MAC의 상향 프레임 구조도이다.

도 4는 본 발명의 실시예의 각 그룹의 분할 및 병합과정 예시도이다.

본발명은 무선 MAC(Medium Access Control) 프로토콜 적용 기술에 관한 것이다. 특히, 무선 환경의 한정된 자원인 무선 매체(Wireless Medium)상에서 전송권을 획득하기 위해 무선 단말들이 동시에 접근하면 충돌(Collision)이 발생하게 되는데, 이를 서비스 품질별로(우선순위) 차별화하여 높은 서비스 품질 트래픽의 충돌을 가능한 빨리 해결하기 위한 방법에 관한 것이다.

즉, 본발명은 무선 MAC 구간의 상향 프레임 구조를 결정할 때, 경쟁 구간의 적당한 크기를 우선순위에 따라 차별적으로 결정할 수 있으며, 망의 상황에 따라 적 응적(Adaptive)으로 결정할 수 있는 발명에 관한 것이다.

무선 MAC 프로토콜에서는 단말의 등록 절차 혹은 대역 요구등 제어 메시지나 사용자 데이터 전달이 경쟁 구간에서 일어나도록 규정하고 있다. 이러한 목적으로 경쟁 기반의 프로토콜을 사용하는 것은 상당히 효율적이지만, 충돌(collision)현상에 대한 적절한 대비책이 필요하다. 충돌이란 무선 단말이 전송한 두 개 이상의 메시지들이 동시에 전송을 시작하여 데이터를 유실하는 결과를 초래하는 현상을 말한다. 충돌이 발생하면, 이를 해결하기 위한 추가적인 대역이 필요하게 되어 처리율이 감소하게 되고, 또한 등록 요구나 대역 할당 요구가 전달되는 시간이 지연(Delay) 되므로 경쟁 기반의 프로토콜들에게는 충돌 해결 방안이 처리율에 큰 영향을 미치게 된다.

종래에 제시된 경쟁 기반의 프로토콜은 일정영역에서 기지국의 제어 아래 동작하는 Centralized 무선 MAC 프로토콜이 보편적으로 사용되며, 도 1에서처럼 단말(MT)과 기지국(BS)상의 주파수 사용방법에 따라 TDMA-FDD(Time Division Multiple Access-Frequency Division Duplexing)와 TDMA-TDD(TDMA-Time Division Duplexing)방식으로 나뉜다. 이들의 대표적인 예로는 TDMA-FDD의 PRMA/DA(Packet Reservation Multiple Access with Dynamic Allocation)와 TDMA-TDD의 MASCARA(Mobile Access Scheme based on Contention and Reservation for ATM)가 대표적이다.

이들 프로토콜들은 기지국과 요구-할당(Demand-Assignment)방식으로 동작을 하며, 무선매체 접근을 위해 보편적으로 S-ALOHA(Slotted ALOHA) 기술을 사용하고 있으며, S-ALOHA 기법의 기본 철학은 충돌에 의해 재전송되는 메시지들을 시간적으로 넓게 퍼뜨림으로써 계속적인 충돌 발생을 줄이는데 있다. 즉, 충돌된 메시지들의 경쟁 윈도우 크기를 넓혀 서로 다른 시간에 접근할 수 있는 확률을 높이고자 하는데 있다. S-ALOHA 데이터 흐름은 도 2에 도시한 바와 같다.

이와 같이 경쟁구간을 사용하며, 접근방식으로 S-ALOHA를 사용하는 기법들을 비차별적인 MAC 프로토콜(Non-discriminative)이라 정의한다.

종래기술들의 프레임(Frame)은 도 1에서처럼 경쟁구간(Contention Period)과 예약구간(Reserved Period)로 구성되며, 단말은 데이터 전송을 위해 경쟁구간에서 다른 단말들과 경쟁을 통해 전송권을 획득하여야 하며, 획득한 전송권으로 예약구간을 통해 경쟁 없이 데이터등을 전송할 수 있다. 경쟁구간에서 충돌이 발생하게 되면 충돌이 발생한 단말은 다음과 같은 절차를 통해 충돌을 해결한다.

종래에 제안된 충돌 해결 절차는 다음과 같다.

① 새로운 패킷이 발생한 무선단말은 자신의 경쟁윈도우(Contention Window) 범위내에서 임의의 값(Radom Value)값을 생성하여 접근 가능한 타임슬롯(Time Slot)을 기다려 전송한다. 임의의 값 결정은 다음과 수식에 의해 결정된다.

[수학식 1]

② 전송결과를 기다린다. 이때 전송결과는 다음번 프레임에서 알 수 있다.

③ 만약 충돌이 발생하였다면, 자신의 경쟁윈도우를 증가시켜 재전송을 시도한다. 이때 윈도우 크기는 다음 수식과 같이 결정된다.

[수학식 2]

,

④ 재전송이 특정 횟수동안 계속 반복되어도 충돌이 해결되지 못한다면 해당 패킷을 폐기(Drop)한다.

상기 종래기술은 전송권 획득을 위한 경쟁구간에서의 무선 단말의 초기 접근(Initial Access)시나 충돌 후 재전송(Collision Resolution)시에 전송하고자하는 단말 트래픽의 서비스 품질(QoS:Quality of Service)을 전혀 고려하고 있지 않는다는 문제가 있다. 이로 인해, 경쟁구간에서 서로 다른 서비스 품질을 요구하는 트래픽들의 충돌이 발생하게 되며, 높은 서비스 품질을 요구하는 트래픽들의 지연이나 폐기(Drop)등의 문제가 발생하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해선 몇 가지 수정을 통해 문제를 해결할 수 있다.

① 프레임상의 경쟁구간에서는 서로 다른 서비스 품질을 가진 트래픽들이 전송되기 때문에 높은 서비스 품질을 요구하는 트래픽과 낮은 서비스 품질의 트래픽의 충돌이 발생한다. 이는 초기접근단계나 충돌해결단계에 모두 해당한다.

② 충돌발생 후 충돌 해결을 위해 모든 단말은 경쟁윈도우 범위를 수정하게 되는데, 이때 서비스 품질에 상관없이 모두 같은 크기를 갖게 되며, 재전송시 초기 접근 트래픽 및 재전송 트래픽과의 또 다른 충돌을 야기할 수 있다.

이는 경쟁구간에서 발생하는 충돌을 효율적으로 대처하고 있지 못하기 때문이 며, 이로 인해 전반적인 네트워크 성능을 저하시킨다. 즉, 단말 트래픽들 간에 기존의 기술은 중요한 성능평가 요소 중 하나인 지연(Delay) 및 네트워크 처리율(Throughput)을 고려하지 않는다.

본발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본발명의 목적은 TDMA 기반의 무선 MAC 프로토콜 상에서 높은 서비스 품질을 요구하는 트래픽들이 공유자원인 무선매체에 접근할 때, 서비스 품질이 낮은 트래픽보다 빠르게 데이터를 전송할 수 있고 지연 및 전체적인 네트워크 성능(Throughput)을 개선하기 위한 발명을 제공하는데 있다.

상기 본발명의 목적을 달성하기 위한 기술적 사상으로서, 상기 종래기술에서 다음과 같은 두 가지 단계를 추가 수정을 함으로서 이루어지는 발명을 제시한다.

① 무선 매체 상향구간의 경쟁구간을 서비스 품질에 따라 접근이 가능하도록 도 3에서처럼 구분하여, 기존 기술의 경쟁구간에서 서로 다른 서비스 품질의 트래픽들이 충돌이 발생하여 높은 서비스 품질 요구 트래픽의 지연등이 발생하는 단점을 보안하고,

② 경쟁 구간의 길이를 망의 상황에 맞게 동작하기 위해서는 충돌 해결 알고리즘이 적응적(adaptive)인 상태 변화를 일으킬 필요가 있다. 본발명은 무선 프레임상의 경쟁구간의 길이를 트래픽 상태에 따라 적응적으로 동작할 수 있으며 이를 토대로 경쟁 구간의 길이를 산출할 수 있는 방법을 제시한다.

이하, 본발명의 실시예에 대한 구성 및 작용을 첨부한 도면을 참조하면서 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예인 무선 MAC의 상향 프레임 구조도이다.

도 4는 본 발명의 실시예의 각 그룹의 분할 및 병합과정 예시도이다.

본발명은 무선 MAC 프로토콜을 위한 지연 민감도를 고려한 충돌 해결 방안을 제시하고 적응적인 경쟁 구간의 길이 및 높은 서비스 품질의 트래픽의 빠른 충돌 해결을 통한 전반적인 네트워크 성능 향상을 목표로 한다. 도 3은 본발명에서 가정하고 있은 무선 MAC의 상향 프레임 구조로 각 단말의 서비스 품질별로 접근이 가능하도록 구간을 정의하였으며, 높은 서비스 품질의 트래픽의 충돌 해결을 위해 네트워크 상황에 적응적인 구간(CRP:Collision Resolution Peroid)을 정의하였다.

본발명도 대부분의 무선 MAC 프로토콜로 동작하는 요구-할당(demand-assignment) 방식의 형태를 가진다.

이러한 환경 하에서 도 3을 참조하여 본발명을 자세히 설명하기로 하고, 상기 제시한 문제점을 해결하는 과정을 상세히 설명하기로 한다.

무선 단말에 발생한 트래픽을 전송하기 위해 무선 단말과 네트워크의 기지국간의 동작을 보면, 초기 접근 단계와 충돌 해결 단계로 나누어 볼 수 있으며 단말과 기지국으로 나누어 이들 동작을 정의한다.

먼저, 초기 접근 단계로 무선 단말들에서 수행되는 경쟁 구간 접근 과정은 다음과 같다.

a) 버퍼에 전송해야 할 데이터가 발생하면, 발생한 데이터의 서비스 품질을 결정하는 단계와,

b) 기지국으로부터 경쟁 구간 접근 정보 및 서비스 품질별 접근 구간에 대한 정보를 수신하는 단계와,

c) 수신한 기지국 정보를 통해 자신이 접근해야 할 구간과 S-ALOHA에 따라 타임슬롯을 결정하는 단계와,

d) 결정된 타임슬롯을 기다린 후 메시지를 전송하고 전송 결과를 기다리는 단계와,

e) 기지국으로부터 경쟁 구간 접근 결과 정보를 수신하는 단계와,

f) 접근 결과가 성공이라면, 다음 프레임의 예약구간에 데이터를 전송하고, 만약, 결과가 실패라면 충돌 해결 단계(f)를 통해 재전송을 시도하는 단계를 포함하여 이루어진다.

위의 단말의 경쟁 구간 접근 과정을 살펴보면, 기지국으로부터 두 가지의 정보를 수신하여야 함을 알 수 있다.

첫 번째 정보는 경쟁 구간 접근 정보로써, 서비스 품질별로 접근 가능 구간에 대한 정보와 접근할 수 있는 경쟁 구간의 타임 슬롯 위치이다. 즉, 기지국의 방송정보를 통해 자신이 접근해야 할 서비스 구간과 타임슬롯(Time Slot)의 위치만을 파악하면 된다.

단말이 기지국으로부터 수신하여야 할 두 번째 정보는 경쟁 구간 접근 결과 정보이다. 본 실시예에서는 전송 성공, 전송 실패로 구분한다. 각 단말은 이 두 가지 상태에 따라서 재전송할 것인지, 다음 상위 계층 데이터를 대기하는 상태로 넘어갈 것인 지를 결정할 수 있다. 전송 실패에는 경쟁구간에서의 충돌로 인한 실패이다.

상기한 바와 같이, 기지국은 단말에게 두 가지의 정보를 전달하고 있음을 알 수 있다. 중요한 사항은 기지국은 프레임을 통해 성공한 단말만을 예약 구간에 할당하게 된다. 경쟁에 실패한 단말들은 기지국의 정보에 따라 재전송을 시도해야 하는데 이러한 충돌 해결과정에서 본 발명은 단말과 기지국등이 기존 기술들에 추가된 기능을 수행한다.

먼저, 프레임 구조의 경쟁구간을 도 3처럼 서비스별로 높은 서비스 품질요구 트래픽과 낮은 서비스 품질요구 트래픽이 따로 접근 할 수 있도록 나누며, 높은 서비스 품질요구 트래픽의 충돌 해결을 위한 구간을 충돌 상황에 적응적으로 설정한다.

본발명의 충돌해결을 위해 단말과 기지국은 다음과 같은 추가 작업을 수행한다.

먼저, 높은 서비스 품질 트래픽을 전송한 무선 단말의 충돌 해결을 위한 경쟁 구간 접근 과정은 다음과 같다.

A) 기지국에서 방송한 다음 프레임상에서 충돌해결 구간 정보를 수신하는 단계와,

B) 충돌해결구간의 크기를 아래 수식으로 자신의 경쟁 윈도우로 세팅하는 단계와,

[수학식 3]

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C) 세팅한 경쟁윈도우상에서 다음 접근할 타임슬롯을 결정하는 단계와,

D) 결정된 타임슬롯을 기다린 후 메시지를 전송하고 전송 결과를 기다리는 단계와,

E) 기지국으로부터 경쟁 구간 접근 결과 정보를 수신하는 단계와,

F) 접근 결과가 성공이라면, 다음 프레임의 예약구간에 데이터를 전송하고, 만약, 결과가 실패라면 충돌 해결 단계를 통해 재전송을 시도하는 단계를 포함하여 이루어진다.

낮은 서비스 품질 트래픽을 전송한 무선 단말은 앞서 언급한 종래기술 방법을 이용하여 접근한다.

이를 위해 기지국에서는 각 구간의 충돌 타임슬롯을 파악한 후 이에 대한 정보를 파악하고, 높은 서비스 품질요구 트래픽의 충돌을 위한 충돌해결 구간(CRP)을 다음 프레임에 구간을 설정하여야 한다.

본발명을 이용하면 앞에서 제시했던 기존 TDMA 기반의 무선접근제어 프로토콜의 문제를 해결 할 수 있다.

즉, 첫째, 경쟁구간을 서비스별로 나누어 접근할 수 있도록 함으로써 높은 서비스 품질 트래픽과 낮은 서비스 품질 트래픽간의 충돌을 방지할 수 있으며, 이로 인한 높은 서비스 품질 트래픽의 지연을 방지할 수 있다.

둘째, 높은 서비스 품질 트래픽의 충돌 해결을 위한 구간을 기존 접근 기법인 S-ALOHA의 약간의 수정으로 망의 상황에 맞게 경쟁구간을 설정하고 동작할 수 있게 함으로써 매 프레임마다 충돌해결을 할 수 있도록 하였다. 이러한 방법으로 높은 서비스 품질 트래픽이 보다 빠르게 충돌을 해결할 수 있도록 하였다.

도 4는 본발명의 동작과정을 보인 것이다. 도 4의 예는 예를 들어 설명하기 위해 적은 수의 단말을 선택한 것이며, 서비스 품질(q)에 따라 접근하며, 시도횟수(i)에 따라 커지는 기존 방법보다 작은 크기의 경쟁윈도우로 빠르게 접근가능하다.

본발명에 의하면, 무선 MAC 프로토콜에서 경쟁 구간의 지연 민감도를 고려한 충돌 해결 방법을 제시함으로써 프로토콜의 전반적인 성능을 향상시키고, 전체 상향 프레임 내에서 경쟁 구간의 길이를 적응적으로 계산할 수 있는 효과가 있으며, 기존 기술의 큰 변형 없이 사용할 수 있다는 효과가 있다.

Claims (5)

1. 프레임 구조의 경쟁구간을 서비스별로 높은 서비스 품질요구 트래픽과 낮은 서비스 품질요구 트래픽이 따로 접근 할 수 있도록 서비스별로 나누는 단계와,

   상기 높은 서비스 품질요구 트래픽의 충돌 해결을 위한 구간을 충돌 상황에 적응적으로 설정하는 단계를 포함하는 무선 MAC 프로토콜에서 경쟁 구간의 지연 민감도를 고려한 충돌 해결 방법.
2. 초기 접근 단계와 충돌 해결 단계를 포함하는 무선 단말에 발생한 트래픽을 전송하기 위해 무선 단말과 네트워크의 기지국간의 동작에 있어서,

   상기 초기 접근 단계로 무선 단말들에서 수행되는 경쟁 구간 접근 과정,

   a) 버퍼에 전송해야 할 데이터가 발생하면, 발생한 데이터의 서비스 품질을 결정하는 단계와,

   b) 기지국으로부터 해당 정보를 수신하는 단계와,

   c) 수신한 기지국 정보를 통해 자신이 접근해야 할 구간과 S-ALOHA에 따라 타임슬롯을 결정하는 단계와,

   d) 결정된 타임슬롯을 기다린 후 메시지를 전송하고 전송 결과를 기다리는 단계와,

   e) 기지국으로부터 경쟁 구간 접근 결과 정보를 수신하는 단계와,

   f) 접근 결과가 성공이라면, 다음 프레임의 예약구간에 데이터를 전송하고, 만약, 결과가 실패라면 충돌 해결 단계(f)를 통해 재전송을 시도하는 단계를 포함하는 무선 MAC 프로토콜에서 경쟁 구간의 지연 민감도를 고려한 충돌 해결 방법.
3. 청구항 2에 있어서,

   상기 기지국으로부터 수신하는 정보는 경쟁 구간 접근 정보 및 서비스 품질별 접근 구간에 대한 정보인 것을 특징으로 하는 무선 MAC 프로토콜에서 경쟁 구간의 지연 민감도를 고려한 충돌 해결 방법.
4. 초기 접근 단계와 충돌 해결 단계를 포함하는 무선 단말에 발생한 트래픽을 전송하기 위해 무선 단말과 네트워크의 기지국간의 동작에 있어서,

   높은 서비스 품질 트래픽을 전송한 무선 단말의 충돌 해결을 위한 경쟁 구간 접근 과정은,

   A) 기지국에서 방송한 다음 프레임상에서 충돌해결 구간 정보를 수신하는 단계와,

   B) 충돌해결구간의 크기를 자신의 경쟁 윈도우로 세팅하는 단계와,

   C) 세팅한 경쟁윈도우상에서 다음 접근할 타임슬롯을 결정하는 단계와,

   D) 결정된 타임슬롯을 기다린 후 메시지를 전송하고 전송 결과를 기다리는 단계와,

   E) 기지국으로부터 경쟁 구간 접근 결과 정보를 수신하는 단계와,

   F) 접근 결과가 성공이라면, 다음 프레임의 예약구간에 데이터를 전송하고, 만약, 결과가 실패라면 충돌 해결 단계를 통해 재전송을 시도하는 단계를 포함하는 무선 MAC 프로토콜에서 경쟁 구간의 지연 민감도를 고려한 충돌 해결 방법.
5. 청구항 4에 있어서,

   상기 충돌해결구간의 크기는 아래 수식과 같은 것을 특징으로 하는 무선 MAC 프로토콜에서 경쟁 구간의 지연 민감도를 고려한 충돌 해결 방법.

   [수학식 4]

   

   ,

   

   

   

   여기에서,

   CW _i 는 경쟁윈도우, T _bo 는 임의 값, T _ts 는 타임슬롯을 나타냄

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