KR20060020812A

KR20060020812A - 서비스 지연 시간 및 채널 상태를 이용한 하향링크 패킷스케쥴링 방법

Info

Publication number: KR20060020812A
Application number: KR1020040069495A
Authority: KR
Inventors: 류승완; 유병한; 서현화; 윤철식
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2004-09-01
Filing date: 2004-09-01
Publication date: 2006-03-07
Also published as: WO2006025701A1; KR100660054B1; US7986699B2; US20070280260A1

Abstract

1. 청구범위에 기재된 발명이 속한 기술분야

본 발명은 서비스 지연 시간 및 채널 상태를 이용한 하향링크 패킷 스케쥴링 방법에 관한 것임.

2. 발명이 해결하려고 하는 기술적 과제

본 발명은 통신 시스템의 실시간 및 비실시간 트래픽이 혼재하는 트래픽 환경 하에서 시간 지연에 따른 트래픽 특성 및 채널 상태(Channel State)를 반영한 우선 순위에 근거하여 스케쥴링함로써, 음성 등의 실시간 서비스와 데이터 등의 비실시간 서비스를 함께 효율적으로 스케쥴링할 수 있는 하향링크 패킷 스케쥴링 방법을 제공하는데 그 목적이 있음.

3. 발명의 해결방법의 요지

본 발명은, 다수의 사용자 단말로 우선 순위에 따라 패킷을 스케쥴링하여 전송하는 통신 시스템에서의 하향링크 패킷 스케쥴링 방법에 있어서, 상기 패킷을 입력받아 패킷 일반정보를 저장하는 패킷 저장 단계; 상기 입력받은 패킷에 대한 사용자 긴급도(Urgency)를 결정하는 사용자 긴급도 결정 단계; 상기 사용자 긴급도를 이용하여 우선 순위를 결정하는 우선 순위 결정 단계; 및 상기 우선 순위에 근거하여 패킷을 전송하는 패킷 전송 단계를 포함함.

4. 발명의 중요한 용도

본 발명은 패킷 스케쥴링 시스템 등에 이용됨.

패킷 스케쥴링, 서비스 지연 시간, 채널 상태, 실시간 트래픽, 비실시간 트래픽, 긴급도, 시간 효용 함수

Description

서비스 지연 시간 및 채널 상태를 이용한 하향링크 패킷 스케쥴링 방법{Method for Downlink Packet Scheduling using Service Delay Time and Channel State}

도 1은 본 발명에 따른 서비스 지연 시간 및 채널 상태를 이용한 하향링크 패킷 스케쥴링 방법의 일실시예 흐름도,

도 2는 본 발명에 따른 사용자 대표 긴급도 및 우선 순위 결정 과정에 대한 일실시예 상세 흐름도,

도 3은 본 발명에 따른 우선 순위에 따른 패킷 전송 과정에 대한 일실시예 상세 흐름도,

도 4는 실시간(좌측) 및 비실시간(중앙 및 우측) 트래픽의 지연에 따른 시간 효용 함수를 나타내는 도면,

도 5는 실시간 트래픽의 경화된 시간 효용 함수가 “z 형태”의 연속함수로 변환되는 과정의 일실시예를 나타내는 도면,

도 6은 실시간 트래픽의 변환된 이산적 시간 효용 함수를 나타내는 도면,

도 7은 비실시간 트래픽의 시간 효용함수로서 연속적 단조 감소 함수를 이산적 불연속 단조 감소 함수로 변환하는 예를 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 통신 시스템에서의 하향링크(Downlink) 패킷 스케줄링 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 이동 무선 환경에서 운용되는 무선 및 이동 통신 시스템의 실시간 및 비실시간 등의 각종 트래픽이 혼재되어 있는 하향링크에서 트래픽의 종류별 특성을 고려하면서 효율적인 하향링크 패킷 스케쥴링을 제공하기 위한 방법에 관한 것이다.

현재까지 제안된 무선 환경 하에서의 종래의 패킷 스케쥴링 방법은 주로 CDMA-1x-EVDO(HDR)를 위해 제안된 것들이 주를 이루고 있으며, 이러한 종래의 패킷 스케쥴링 방법은 CDMA 환경 하에서 데이터 서비스를 위해 제안된 것들로서 무선 환경의 특성을 고려하면서 처리할 수 있는 데이터 양을 많게 하여 시스템의 처리량(Throughput)을 극대화하는 것에 목표를 두고 설계되었다.

종래 기술 중 대표적인 방식으로는 PF(Proportional Fair) 방식, M-LWDF(Modified-Largest Weighted Delay First) 방식 및 비례 지연 스케쥴링 방식이 있다.

PF 알고리즘은 CDMA-1x-EVDO(HDR) 시스템에서의 데이터 서비스를 주목표로 하여 설계된 패킷 스케쥴링 알고리즘이다.

PF 알고리즘의 목적은 평균값에 비해 현재의 상대적인 무선채널 상태가 좋은 단말(UE, User equipment)들의 장시간(long-term)의 처리량(throughput)을 최대화 하는 것이다. PF 방식을 간략히 살펴보면 다음과 같다.

현재의 스케쥴링(scheduling) 시간 t에 기지국은 각 UE에서 오는 신호를 입력받아 각 UE에 연결된 채널의 현재 채널 상태인 R_k(t)와 평균 처리량(throughput)인 T_k(t)를 아래의 [수학식 1]과 같이 구한다.

여기서, t_c는 이동평균 처리량(throughput)인 T_k(t)를 구하기 위한 저역 통과 필터링(low pass filtering) 모수로서 일반적으로 t_c는 1000 타임슬롯(timeslots) 이 권고되어 사용된다.

이후, 스케쥴러는 평균 처리량(throughput)과 비교하여 상대적으로 가장 좋은 채널 상태를 가진 UE를 아래의 [수학식 2]와 같이 선택한 후 data를 전송한다.

하지만, 이 알고리즘은 CDMA-EVDO 시스템의 데이터 서비스를 위해 고안된 것으로 음성 및 스트리밍(streaming)등의 실시간 서비스는 지원하지 못한다(스트리밍 서비스는 대표적인 실시간 서비스인 음성통화(Voice Traffic)과 구별되기는 하지만 근사 실시간(AST, almost real-time)서비스로서 실시간 서비스로 분류될 수 있다.).

또한, 처리량(throughput)인 T_k(t)를 계산하는 저역 통과 필터링(low pass filtering)으로 인해 상대적으로 서비스 시간이 짧은 서비스에는 부적합하다.

한편, M-LWDF 방식은 CDMA-EVDO(HDR) 시스템에서 데이터 서비스인 비실시간 트래픽은 물론 스트리밍(streaming) 서비스 같은 실시간 트래픽까지도 지원하는 스케쥴링 방법이다.

M-LWDF 알고리즘의 목표는 각 트래픽 서비스들의 지연(delay)을 높은 확률을 가지고 미리 정해진 값(threshold) 보다 작게 유지시키는 것이다.

이를 위해 각 사용자 또는 트래픽 클래스들은 트래픽 특성 및 서비스 특성에 따라 고유의 지연 임계치(delay threshold) 및 이에 따른 확률 값을 가지며, 지연 및 처리량(throughput)에 대한 요구 기준은 아래의 [수학식 3]과 같다.

Pr{W_k> τ_k} ≤ δ_k

T_k < t_k

여기서, Pr은 지연 요구사항(Delay Requirement), W_k는 HOL(Head of Line) 지연 값, τ_k는 HOL 지연의 최대 허용 임계치(Maximum Allowable Threshold), δ_k는 W_k가 τ_k보다 커지는 것에 대한 허용 가능한 확률 값이고 T_k는 최소 요구 처리량(throughput)이다.

이와 같은 요구사항에 따른 패킷 스케쥴링 알고리즘은 아래의 [수학식 4]와 같다.

γ _k= a_k/T_k(t)

a_k= -(logδ_k)/τ_k

여기서, R_k(t)는 사용자(user) k가 지원할 수 있는 데이터 레이트(rate)이고, W_k(t)는 사용자(user) k의 HOL(head-of-line) 지연 시간이며, γ _k는 임의의 양수 값이다. 이 알고리즘은 각 사용자(user)마다 γ _k값을 달리하는 것을 통해 트래픽 종류별 혹은 사용자(user) 별로 지연 요구사항을 달리하는 것을 통해 서비스 차별화를 반영할 수 있다.

하지만, 스케쥴링의 우선 순위를 정하는데 중요한 역할을 하는 값인 γ _k를 각 트래픽 종류별로 혹은 사용자 별로 최적의 값으로 정하는 것이 대단히 곤란하여 직관적인 값을 사용하는 등의 문제가 있다.

마지막으로, 비례 지연 스케쥴링은 패킷데이터 전송을 스케줄링하기 위한 방법에 관한 것이다.

상기 비례 지연 스케쥴링에서 사용되는 사용자 우선 순위 함수인 PF(Priority function)는 사용자 패킷 지연 시간의 함수로서 계산된다. 주어진 사용자가 임계치를 위반하는 지연 시간을 가질 때 사용자의 PF는 조절된다.

예를 들어, 지연함수는 PF 계산에 적용되며, 지연함수는 주어진 사용자의 평균 데이터율 및 미결정 데이터를 가진 활성세트의 모든 사용자에게 요구된 평균 데이터율을 적용한다.

상기 비례 지연 스케쥴링에서 사용하는 알고리즘은 지연에 민감한 항을 포함하기 위해 비례 페어 우선 순위함수 PF를 수정하여 지연요청과 일관된 스케쥴링을 제공함으로써, 개별 사용자에 대한 특정 지연 요청을 만족시킨다.

시스템 사용자의 지연요청시간인 d가 존재하고, 각 기지국은 각 사용자에게 지연 시간의 임계치인 τ_i를 할당한다.

각 사용자의 데이터 레이트가 DRC이고 처리량(throughput)이 T라면 비례 페어를 정하는 식은 DRC/T가 되거나, 또는 상기의 식에 비례함수인 g(d)를 곱하여 (DRC/T)g(d)가 된다.

여기서, 특정 사용자의 임계치함수 g(di)=1+k*(max(0,(d_i-τ_i))가 된다. 따라서 특정 사용자에 대한 스케쥴링 우선 순위 함수 PFi=(DRCi/Ti)g(di)가 된다. 이 스케쥴링 방법은 주어진 통신 시스템의 요청, 성능 및 범위와 일치하는 임의의 다양한 지연함수를 수행할 수 있기는 하지만 채널 상태를 고려한 패킷스케쥴링은 지원하지 못한다.

전술한 종래 방법들은 CDMA-EVDO(HDR) 시스템에서의 패킷 스케쥴링을 다루었고, 음성, 스트리밍(streaming) 등의 실시간(RT) 트래픽보다는 비실시간(NRT) 트래픽에 대한 효율적 패킷 스케쥴링에 초점을 맞추어 고안된 것으로서 실시간 및 비실시간 트래픽이 혼재된 트래픽(mixed traffic) 환경 하에서는 효율적인 패킷 스케쥴링에는 부적합한 문제가 있다.

따라서, 음성은 별도의 전용 채널을 통해 서비스되고 나머지 서비스들인 인터랙티브(interactive), 백그라운드(background) 그리고 스트리밍(streaming) 서비스들만 스케쥴링을 하는 3세대 시스템인 광대역 CDMA(W-CDMA) 기반의 UMTS(universal Mobile Telecommunication System)를 제외한 패킷 기반의 시스템에서는 비실시간 트래픽뿐만 아니라 음성 등의 실시간 트래픽도 스케쥴링의 대상이 되어 실시간 및 비실시간 트래픽의 특성을 모두 고려한 스케쥴링이 필요하다.

또한, 매 스케쥴링 시간인 TS(timeslot)마다 1개의 사용자를 선택하는 CDMA-EVDO와는 달리 매 TS(timeslot) 마다 복수의 사용자를 선정하여 패킷을 전송할 수 있는 패킷 스케쥴링 방법이 요구되며, 서비스를 위해 유입되는 트래픽은 시간에 따라 트래픽의 양과 트래픽 종류별 구성이 변하므로 이를 고려하여 서비스 품질을 높일 수 있는 적응적이고 효과적인 패킷 스케쥴링 방법이 요구된다.

즉, 지연에 민감한 (delay-sensitive) 실시간 트래픽의 특성을 잘 반영함과 동시에 패킷 손실에 민감하고(loss-sensitive), 처리량(throughput)이 중요한 성능 지표가 되는 비실시간 트래픽의 특성도 잘 반영할 수 있도록, 처리량(throughput)과 밀접한 관련이 있는 무선 채널의 상태 (channel state)는 물론 지연에 대한 요구사항도 모두 반영할 수 있으며, 나아가 시간에 따른 트래픽의 양과 트래픽 종류별 구성 변화를 고려하여 서비스 품질을 높일 수 있는 적응적이고 효과적인 패킷 스케쥴링 방법이 요구된다.

본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 통신 시스템의 실시간 및 비실시간 트래픽이 혼재하는 트래픽 환경 하에서 시간 지연에 따른 트래픽 특성 및 채널 상태(Channel State)를 반영한 우선 순위에 근거하여 스케쥴링함로써, 음성 등의 실시간 서비스와 데이터 등의 비실시간 서비스를 함께 효율적으로 스케쥴링할 수 있는 하향링크 패킷 스케쥴링 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 시간에 따른 트래픽 양과 트래픽 종류별 구성의 변화에 따라 스케쥴링 우선 순위를 적응적으로 할당하여 서비스 품질을 최대한 만족시키는 하향링크 패킷 스케쥴링 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 다수의 사용자 단말로 우선 순위에 따라 패킷을 스케쥴링하여 전송하는 통신 시스템에서의 하향링크 패킷 스케쥴링 방법에 있어서, 상기 패킷을 입력받아 패킷 일반정보를 저장하는 패킷 저장 단계; 상기 입력받은 패킷에 대한 사용자 긴급도(Urgency)를 결정하는 사용자 긴급도 결정 단계; 상기 사용자 긴급도를 이용하여 우선 순위를 결정하는 우선 순위 결정 단계; 및 상기 우선 순위에 근거하여 패킷을 전송하는 패킷 전송 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 서비스 지연 시간 및 채널 상태를 이용한 하향링크 패킷 스케쥴링 방법의 일실시예 흐름도이다.

우선, 패킷 스케쥴링하여 전송할 패킷이 도착하면 이를 입력받아 각 사용자 별로 구분하고, 사용자 내에 여러 종류의 트래픽 패킷이 있는 경우에는 트래픽 종류별로 다수의 버퍼에 분류하여 저장하고, 패킷 일반정보를 저장한다(10). 이 때, 상기 패킷 일반정보는 도착 시간(Arrival Time), 트래픽 종류(Packet Type), 패킷 크기(Packet Size) 및 최대 지연 시간(Deadline)을 포함한다.

이어서, 상기 전송할 패킷에 대한 각 사용자의 대표 긴급도(Urgency) 및 우선 순위를 결정하고(20), 상기 우선 순위에 따라 패킷을 전송한다(30).

상기 "20" 및 "30" 과정에 대하여는 이하 도 2 및 도 3을 각각 참조하여 상세하게 후술하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 사용자 대표 긴급도 및 우선 순위 결정 과정에 대한 일실시예 상세 흐름도이다.

우선, 각 사용자의 트래픽 종류별로 존재하는 버퍼의 맨 앞에 있는 HOL 패킷의 긴급도 값을 비교하여 가장 큰 것을 해당 사용자의 대표 긴급도로 결정한다(22). 여기서, 상기 긴급도(urgency)는 지연 시간에 대한 각 트래픽 종류별 민감도를 반영한 값으로서, 시간 효용 함수(Time-utility function)로 표현된다. 본 발명의 핵심이 되는 개념인 상기 긴급도(urgency) 및 채널 상태에 대하여는 관련 도면 을 참조하여 상세히 후술하기로 한다.

이어서, 사용자의 채널 상태 및 상기 대표 긴급도를 결합하여 해당 사용자의 스케쥴링 우선 순위인 사용자 우선 순위를 결정한다(24). 따라서, 모든 사용자들의 채널 상태가 동일하다면 긴급도를 우선적으로 반영하여 음성 등의 실시간 트래픽에 높은 우선 순위를 부여하게 된다.

이어서, 사용자의 트래픽 종류별로 트래픽 우선 순위를 긴급도에 근거하여 결정한다(26).

도 3은 본 발명에 따른 우선 순위에 따른 패킷 전송 과정에 대한 일실시예 상세 흐름도이다.

우선, 패킷 전송 시스템에서 하나의 스케쥴링 단위시간 동안 전송 가능한 수(N)의 사용자를 상기 사용자 우선 순위 값의 순서에 따라 결정한다(32).

이어서, 결정된 전송 대상 사용자들의 현재 채널 상태 값에 따라 전송 가능한 전송 용량을 결정한다(34).

이어서, 사용자 우선 순위가 높은 순서대로 상기 트래픽 우선 순위에 따라 해당 사용자에게 결정된 상기 전송 용량만큼 패킷을 전송한다(36).

도 4는 실시간(좌측) 및 비실시간(중앙 및 우측) 트래픽의 지연에 따른 시간 효용 함수를 나타내는 도면이다.

일반적으로 효용(utility) 함수란 주어진 조건의 변화에 따른 만족도를 나타 내는 함수를 말하는 것으로서, 상기 시간 효용 함수(time-utility function)는 지연(delay)에 따른 긴급도를 표현한 것이다.

상기 시간 효용 함수는 지연(delay)에 대해 증가하지 않는 비증가(non-increasing) 함수 또는 단조 감소 함수(monotonic decreasing function)로 나타난다. 따라서, 시간에 따른 긴급도의 변화는 지연에 따른 시간 효용 함수의 1차 도함수의 절대값으로 측정할 수 있다. 예를 들어 시간 t에서의 사용자 k의 시간 효용 함수가 U_k(t)라면 1차 도함수는 U^' _k(t)이고, 이 시점에서의 지연에 따른 순간적인 효용감소 효과는 │U^' _k(t)│가 된다. 따라서, 모든 사용자들의 채널 상태가 똑 같다면 패킷 스케쥴링의 시간 효용 함수의 1차 도함수의 절대값인 │U^' _k(t)│에 의해 스케쥴링 우선 순위가 결정된다.

따라서, 본 발명의 바람직한 일실시예에 따른 긴급도는 시간 효용 함수의 1차 도함수의 절대값(│U^' _k(t)│)을 말한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 비실시간 트래픽의 경우에는 지연 시간이 증가함에 따라 서서히 감소하는 형태의 함수 곡선을 보이는 반면, 실시간 트래픽의 경우는 최대 지연 시간(deadline) D1 근처에서 시간 효용 함수의 값이 급격히 감소하는 형태의 함수 곡선을 가진다. 따라서, 실시간 트래픽의 경우는 비연속적인 경화된 (hard) 효용곡선의 형태를 보이는 비연속(non-continuous) 함수이기 때문에 1차 도함수를 구할 수 없게 되는 문제가 있는데, 이는 “z 형태”의 연속함수로 변환함으로써 해결할 수 있다.

도 5는 실시간 트래픽의 경화된 시간 효용 함수가 “z 형태”의 연속함수로 변환되는 과정의 일실시예를 나타내는 도면이다.

경화된 시간 효용 함수인 실시간 트래픽의 시간 효용 함수는 도 4에 도시된 바와 같이 원래의 함수와 유사한 성질을 갖는 “z 형태”의 연속함수로 변환함으로써, 비연속 함수인 실시간 트래픽 시간 효용 함수의 1차 도함수를 구할 수 있다.

전술한 바와 같이, 비실시간 트래픽의 시간 효용 함수는 지연 시간에 대한 단조 감소 함수인데, 단조 감소 함수는 밀접한 관련이 있는 단조 증가 함수를 이용하면 쉽게 얻을 수 있다. 예를 들어 단조 증가 함수인 지수 분포 함수(exponential function)를 이용하면 지연 시간에 따른 단조 감소 함수를 쉽게 얻을 수 있다.

전술한 바와 같이, 모든 사용자의 채널의 상태가 동일하다고 가정하면, 스케쥴링 우선 순위를 결정하기 위해 필요한 값은 임의의 시간 t에서의 시간 효용 함수의 절대적인 크기가 아니라 효용 값의 시간에 따른 절대적인 감소율인 │U^' _k(t)│이므로, 모든 시간 효용 함수가 최대 효용치가 1인 값을 갖도록 정규화해서 사용해도 된다.

따라서, 단조 감소 함수인 비실시간 트래픽의 시간 효용 함수는 정규화한 지수 분포를 이용하여 얻을 수 있다.

단조 증가 함수인 지수 분포를 이용하는 예를 들면, 우선 지수 분포는 최대 지연 시간인 D_i값에 대해 정규화한 지수 분포는 아래의 [수학식 5]와 같다.

f(t,D_i) = exp(at) / exp(D_i)

0 ≤ t ≤ D_i

이 때, 상기 정규화한 지수 분포를 이용한 단조 감소 함수인 비실시간 트래픽의 시간 효용 함수(U_NRT(t))는 아래의 [수학식 6]과 같다.

U_NRT(t) = 1 - f(t,D) = 1 - exp(at) / exp(D)

한편, 비실시간 트래픽들간의 차별화는 단조 감소율의 차별화를 통해 달성될 수 있다. 지수 분포를 이용하는 예를 들면, 지수 분포의 모수 값을 달리 설정하는 것으로 긴급도를 달리할 수 있다. 즉, 상기 [수학식 6]의 a값을 달리함으로써 시간 효용 함수 값에 차별화를 주어 긴급도에 따른 스케쥴링 우선 순위를 다르게 할 수 있다.

따라서, 지연 시간에 대한 긴급도를 고려한 하향링크 패킷 스케쥴링의 우선 순위는 만일 모든 채널들의 상태가 동일하다 가정할 때 아래의 [수학식 7] 같이 설 정할 수 있다.

│U^' _RT-Voice(t)│ > │U^' _RT-Video(t)│ > │U^' _NRT-Data1(t)│ > │U^' _NRT-Data2(t)│

여기서, U_RT-Voice(t)는 실시간 음성 트래픽의 시간 효용 함수, U_RT-Video(t)는 실시간 비디오 트래픽의 시간 효용 함수이고, U_NRT-Data1(t) 및 U_RT-Data2(t)는 비실시간 데이터 트래픽의 시간 효용 함수이다.

패킷 스케쥴링은 매 정해진 시간 간격인 TS(Time-slot) 마다 수행되므로 긴급도를 나타내는 시간 효용 함수도 이산적 스케쥴링 시간에 맞추어 이산적 함수로 적용되어야 한다.

이 때, 매 스케쥴링 시간마다 모든 사용자 또는 모든 트래픽들의 연속 함수의 1차 도함수 값을 계산하지 않고 이산적 시간 효용 함수를 사용하여 얻는 값을 사용하면 된다.

이러한 이산적 시간 효용 함수를 적용한 예를 실시간과 비실시간 트래픽의 경우를 각각 도 6 및 도 7을 참조하여 설명하면 다음과 같다.

도 6은 실시간 트래픽의 변환된 이산적 시간 효용 함수를 나타내는 도면이다.

실시간 트래픽의 연속적인 z-형태 시간 효용 함수는 도 6에 도시된 바와 이산적 함수로 변환될 수 있다. 이 경우의 이산적 긴급도 │U^' _k(t)│는 아래의 [수학식 8]과 같다.

여기서, D₁은 긴급도가 0이 아닌 값을 갖기 시작하는 시점이고, D는 이 실시간 트래픽의 최대 지연 시간(deadline)이다. 따라서, D₁은 원래의 경화된 시간 효용 함수가 이산적 함수로 변환되었을 경우 최대 지연 시간(deadline)의 하나의 단위 스케쥴링 시간 전 시간인 "D₂-1"이 된다.

하지만, 실제 시스템에서 하나의 스케쥴링 시간에 N개까지의 사용자들을 처리할 수 있는데, 전체 트래픽 중 실시간 트래픽의 양이 매우 많다면 어떠 실시간 트래픽들은 스케쥴링되지 못하고 최대 지연 시간을 지나게 되어 서비스 받지 못하고 해당 패킷이 손실되거나 서비스의 품질이 나빠지는 경우가 발생하게 된다.

따라서, 실시간 서비스들은 최대 지연 시간이 다가오기 전 스케쥴링 시간부터 긴급도 값을 가질 수 있어야 한다. 예를 들어 최대 지연 시간으로부터 단위 스케쥴링 시간(Unit timeslot)의 정수배(n) 시간 전부터 긴급도 값을 갖도록 하면 된 다.

즉, 이산적 시간 t=0,1,2,…에서의 긴급도인 │U^' _k(t)│는 아래의 [수학식 9]와 같이 정의할 수 있다.

│U^' _k(t)│=max{│U^' _k(t)│,│U^' _k(t+1)│,│U ^' _k(t+2)│,…,│U^' _k(t+nt)│}

또한, 상기의 이산적 긴급도는 아래의 [수학식 10]과 같이 정의할 수 있다.

이 경우, 상기 정수 값(n)을 도착하는 전체 트래픽 양과 이를 구성하는 실시간 트래픽 양에 따라 가변적으로 적용함으로써, 트래픽양 및 트래픽 구성의 시간적 변화에 따른 적응적 스케쥴링이 가능하도록 한다.

예를 들어, 실시간 트래픽의 양 및 전체 트래픽에서 차지하는 비중이 적을 경우, 정수 값 n은 작아도 된다.

하지만, 만일 실시간 트래픽의 양이 많아지거나 전체 트래픽에서 차지하는 비율이 높아질 경우에는 상기한 정수 값 n은 증가할 수 있다.

예를 들어, 실시간 트래픽양이 증가하여 실시간 트래픽의 패킷 손실 확률 (Packet loss rate)이 소정의 값보다 커지거나, 실시간 트래픽들의 지연 시간이 최대 지연 시간 값에 근접하는 형태를 보일 경우, 실시간 트래픽의 지연에 따른 손실을 줄이기 위해 n값을 증가시킨다.

이 경우, 실시간 트래픽들은 비실시간 트래픽들에 비해 더 많은 수의 단위 스케쥴링 시간동안 우선 순위를 가지게 된다.

반대의 경우, 즉 실시간 트래픽의 양이 줄어들 경우는 실시간 트래픽의 패킷 손실 확률(Packet loss rate)이 미리 정해진 값보다 작아지거나 실시간 트래픽들의 지연 시간이 미리 정해진 값에 근접하는 형태를 보일 경우 정수 값 n을 줄여 실시간 트래픽에 주어진 우선 순위를 점차 줄여나갈 수 있다.

비실시간 트래픽의 경우에도 이산적 스케쥴링 시간에 맞도록 연속적 단조 감소 함수(continuous monotonic decreasing function)를 이산적 단조 감소 함수로 변환해야 한다.

이 경우 연속적 단조 감소함수를 각 시간별 구간으로 나누고 각 구간 내에서는 선형 단조 감소 함수 값을 갖는 이산적 불연속 단조 감소 함수로 변환해서 사용할 수 있다.

도 7에 도시된 바와 같은 순간적인 긴급도 변화량은 아래의 [수학식 11]과 같다.

여기서, U¹은 0부터 D₁구간의 1차 도함수이고, U²는 D₁부터 D₂구간의 1차 도함수이며, U³는 D₂부터 D구간의 1차 도함수이다.

이하에서는, 본 발명에 따른 서비스 지연 시간 및 채널 상태를 이용한 하향링크 패킷 스케쥴링 방법에서 스케쥴링 우선 순위를 결정하는데 있어 전술한 긴급도와 함께 고려되는 채널 상태에 대하여 설명한다.

효율성은 일반적으로 제한된 주어진 자원의 이용도에 관한 것으로, 무선 자원의 경우에는 제한된 무선 채널의 수(혹은 대역폭)가 제한된 가용 자원에 해당된다. 따라서, 이용 가능한 채널의 채널 상태 (channel state)가 효율성을 나타내는 주요 지표로 사용될 수 있다. 예를 들어, 현재 시간의 순간적(instantaneous) 채널 상태(R_k(t)), 평균적 채널 상태(T_k(t)) 또는 순간적(instantaneous) 채널 상태와 평균적 채널 상태의 비(R_k(t)/T_k(t)) 등으로 표현되는 채널 상태를 효율성의 지표로 사용할 수 있다.

본 발명에 따른 바람직한 일실시예로서의 채널 상태는 아래의 [수학식 12]와 같이 정의되는 이동 지수 평균(T_k(t))을 사용한다. 여기서, 이동 지수 평균도 광의로는 평균적 채널 상태에 포함된다고 볼 수 있으므로 기호는 동일하게 T_k(t)로 사용하기로 한다.

T_k(t) = αT_k(t-1) + (1-α)R_k(t)

여기서, α는 이동 지수 평균을 구하기 위한 모수로서 0과 1사이의 값을 갖는다. 또한, 1/α는 채널 상태의 이동 지수 평균을 구하기 위해 고려되는 과거 채널 상태 값의 범위(window size)가 된다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

상기와 같은 본 발명은, 무선 및 이동통신 시스템의 기지국에서 음성 등의 실시간 서비스와 데이터 등의 비실시간 서비스를 함께 효율적으로 스케쥴링할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명은 실시간 및 비실시간 트래픽 등 이종 트래픽들이 혼재되어 있는 트래픽 환경에서 각 트래픽들의 특성인 지연 시간의 긴급도와 무선 채널의 상태를 함께 고려하면서 동시에 스케쥴링할 수 있는 효과가 있다.

또한, 상기와 같은 본 발명은, 지연 시간의 긴급도를 고려하여 실시간 트래픽 등 지연에 민감한 트래픽의 서비스품질을 만족시키면서 동시에 무선 채널 상태를 고려하여 무선 채널의 상태가 좋은 사용자에게 우선 순위를 부여하여 시스템 전체의 성능을 높일 수 있으며, 타임슬롯에 상응하여 이산적으로 우선 순위를 부여함으로써 시간에 따른 실시간 트래픽양과 트래픽 구성의 변화 등을 고려하여 적응적으로 스케쥴링할 수 있는 효과가 있으며, 나아가 요구되는 서비스 품질을 최대한 만족시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

다수의 사용자 단말로 우선 순위에 따라 패킷을 스케쥴링하여 전송하는 통신 시스템에서의 하향링크 패킷 스케쥴링 방법에 있어서,

상기 패킷을 입력받아 트래픽 종류 별로 분류하여 저장하고, 패킷의 최대 지연 시간 정보를 저장하는 패킷 저장 단계;

상기 최대 지연 시간 정보를 이용하여 상기 입력받은 패킷에 대한 사용자 긴급도(Urgency)를 결정하는 사용자 긴급도 결정 단계;

상기 사용자 긴급도를 이용하여 우선 순위를 결정하는 우선 순위 결정 단계; 및

상기 우선 순위에 근거하여 패킷을 전송하는 패킷 전송 단계

를 포함하는 하향링크 패킷 스케쥴링 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 우선 순위 결정 단계는,

채널 상태 및 상기 사용자 긴급도에 근거하여 사용자별 스케쥴링 우선 순위를 결정하는 사용자 우선 순위 결정 단계; 및

상기 사용자 내 패킷의 트래픽 종류별 스케쥴링 우선 순위를 트래픽의 긴급도를 이용하여 결정하는 트래픽 우선 순위 결정 단계

를 포함하는 하항링크 패킷 스케쥴링 방법.
제 2 항에 있어서,

상기 패킷 전송 단계는,

스케쥴링 단위 시간 동안 전송 가능한 수의 전송 대상 사용자를 상기 사용자 우선 순위에 근거하여 결정하는 전송 대상 사용자 결정 단계;

상기 전송 대상 사용자의 전송 용량을 전송 시점의 채널 상태에 따라 결정하는 전송 용량 결정 단계; 및

상기 사용자 우선 순위, 트래픽 우선 순위 및 전송 용량에 근거하여 패킷을 전송하는 전송 단계

를 포함하는 하항링크 패킷 스케쥴링 방법.
제 1 항에 있어서,

상기 사용자 긴급도는,

상기 사용자 내의 트래픽 종류별로 존재하는 버퍼의 HOL 패킷 긴급도 중 가장 큰 것인 것을 특징으로 하는 하향링크 패킷 스케쥴링 방법.
제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 긴급도는,

트래픽 종류별 시간 효용 함수의 1차 도함수로 표현되는 것을 특징으로 하는 하향링크 패킷 스케쥴링 방법.
제 5 항에 있어서,

상기 긴급도는,

상기 트래픽 종류가 실시간 트래픽인 경우에는 하기 [수학식 1]과 같은 것을 특징으로 하는 하향링크 패킷 스케쥴링 방법.

[수학식 1]

(여기서 │U^' _k(t)│는 긴급도, D는 최대 지연 시간, α는 상수이고 n은 정수임.)
제 5 항에 있어서,

상기 긴급도는,

상기 트래픽 종류가 비실시간 트래픽인 경우에는 하기 [수학식 2]와 같은 시간 효용 함수를 이산적 불연속 함수로 변환하여 구한 것을 특징으로 하는 하향링크 패킷 스케쥴링 방법.

[수학식 2]

U_NRT(t) = 1 - exp(at) / exp(D)

(여기서, U_NRT(t)는 비실시간 트래픽의 시간 효용 함수이고, D는 지연 시간임.)
제 2 항 또는 제 3 항에 있어서,

상기 채널 상태는,

사용자 단말이 접속한 무선 채널의 평균적 채널 상태인 것을 특징으로 하는 하향링크 패킷 스케쥴링 방법.
제 8 항에 있어서,

상기 평균적 채널 상태는,

하기 [수학식 3]과 같은 이동 지수 평균을 사용하는 것을 특징으로 하는 하향링크 패킷 스케쥴링 방법.

[수학식 3]

T_k(t) = αT_k(t-1) + (1-α)R_k(t)

0≤α≤1

(여기서, T_k(t)는 평균적 채널 상태이고 R_k(t)는 순간 채널 상태임.)