KR20070050579A - 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케쥴링장치 및 방법 - Google Patents

휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케쥴링장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 IEEE 802.16 WirelessMAN 기반의 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케쥴링 장치 및 방법에 관한 것이다.휴대 인터넷 서비스를 위한 사용자 단말기(AT), 사용자 단말기(AT)와 사용자 단말기(AT)의 무선 접속 및 네트워크 연결을 지원하는 기지국(AP), 각 사용자 단말기(AT)의 이동성 제어 및 패킷 라우팅 기능을 수행하는 패킷접속 라우터(PAR)를 포함하는 휴대 인터넷 시스템의 상기 기지국(AP)에서 순방향 패킷 스케줄러는 실시간 서비스를 고려하는 패킷 기반의 보조 스케줄링 부분과 시스템 효율(throughput)을 높이면서도 공정성을 보장하는 사용자 기반의 스케줄링 부분으로 구성되어 동작한다. 2단계의 스케줄링이 모두 완료된 후, 생성된 프레임 데이터는 물리계층을 통해 무선 구간으로 사용자 단말기로 송신된다. 따라서, 본 발명에 따르면 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 스케줄링 방법에 의해 실시간 서비스를 위한 QoS를 지원함과 동시에 사용자 QoS를 고려한 공정성과 시스템 효율성을 제공하고, 프레임 기반의 스케줄링 처리 시간을 현저히 줄이는 효과가 있다.
와이브로, 휴대 인터넷, 순방향 스케쥴링, AP, 기지국, Broadband Wireless Access

Description

휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케쥴링 장치 및 방법{Apparatus and method for downlink packet scheduling in base station of the Portable Internet System}
도 1은 종래의 휴대 인터넷(WiBro) 시스템의 구성도이다.
도 2는 휴대 인터넷(WiBro) 시스템의 무선 프레임 구성도이다.
도 3은 기지국내 순방향 패킷 처리 모듈 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 순방향 패킷 스케줄러의 동작 개요도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기지국 스케줄러내 보조 스케줄링 부분의 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기지국 스케줄러내 주 스케줄링 부분의 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100: 패킷 분류기 110: 저장 장치
120: 스케줄러 130: PDU 생성기
140: 물리계층
본 발명은 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케쥴링(downlink packet scheduling) 장치 및 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 IEEE 802.16 WirelessMAN 기반의 휴대 인터넷(WiBro) 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케쥴링 장치 및 방법에 관한 것이다.
IEEE 802.16 WirelessMAN 기반의 와이브로(WiBro) 시스템은 2.3GHz 주파수 대역에서 스펙트럼 사용 효율을 보장하는 무선 전송 기술을 사용하여 유선 인터넷에서 제공하는 다양한 형태의 IP 기반 무선 데이터 서비스(스트리밍 비디오, FTP, 메일, 채팅)등의 영상 및 고속 패킷 데이터 전송을 제공하는 3.5세대 이동통신 시스템이다.
도 1은 종래의 휴대 인터넷(WiBro) 시스템의 구성도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 와이브로(WiBro: Wireless Broadband) 시스템은 휴대 인터넷 서비스를 사용하기 위한 사용자 단말기(Access Terminal; 이하 AT라 칭함), 사용자 단말기(10)(AT)와 사용자 단말기(10)(AT)의 무선 접속 및 네트워크 연결을 지원하는 기지국(20)(Access Point; 이하 AP라 칭함), 및 각 단말기의 이동성 제어 및 패킷 라우팅 기능을 수행하는 패킷 접속 라우터(30)(Packet Access Router, 이하 PAR라 칭함)를 포함한다.
상기 사용자 단말기(10)(AT)는 상기 기지국(AP)(20)에 등록 절차를 수행한 이후에 무선 데이터 서비스를 받을 수 있다. 또한, 웹접속, FTP 등 각기 다른 서비스 특성을 갖는 서비스 연결을 위해 상기 기지국(AP)(20)과의 협상을 통해 다른 QoS 요구 사항을 갖는 다수 개의 트래픽 연결을 설정할 수 있다.
상기 기지국(AP)(20)은 상기 사용자 단말기(AT)(10)의 접속 제어, 유선 구간과 무선 구간 사이의 패킷 정합, 무선 송수신 제어, 무선 대역 관리 등의 기능을 수행한다.
상기 패킷 접속 라우터(30)(PAR)는 각 사용자 단말기(AT)(10)의 이동성 제어 및 패킷 라우팅 기능을 수행한다.
상기 와이브로(WiBro) 시스템은 무선 구간에서 고속 패킷 데이터 전송을 지원하기 위해 프레임 단위로 데이터 송수신을 수행하고, OFDM/FDMA/TDD(Orthogonal Frequency Division Multiplexing/Frequency Division Multiple Access/Time Division Duplex) 무선 전송 방식을 기반으로 동작하는 구조이다.
도 2는 휴대 인터넷(WiBro) 시스템의 무선 프레임 구성도이다.
프레임은 하향링크 프레임과 상향링크 프레임으로 구성된다. 매 프레임마다 프레임의 맨 앞에 프레임 구성 정보를 포함하는 지도(MAP) 메시지를 송신하고 이어서 데이터 버스트(Burst)가 전송된다. 따라서, 무선 관리를 수행하는 스케줄러(scheduler)에서는 매 프레임마다 각각의 사용자 데이터 송신을 위해 소요되는 서브 채널을 할당/관리하고, 이에 대한 정보를 바탕으로 지도(MAP) 메시지를 구성한다.
지도(MAP) 메시지는 하향 트래픽을 위한 DL-MAP과 상향 트래픽을 위한 UL-MAP으로 구성되며, 각각의 MAP은 GMH(Generic MAC Header)와 데이터 버스트의 정보를 알려주는 IE(Information Element)와 CRC(Cyclic Redundance Check)로 구성된 다. IE를 통해 데이터의 영역(region)을 정하고 각 영역에 필요한 정보를 저장하여 알려준다.
각 IE중 Normal DIUC(DL Interval Usage Code) IE, HARQ DL MAP IE, Normal UIUC(UL Interval Usage Code) IE, HARQ UL MAP IE 등은 데이터 버스트의 내용을 참조하고 실제 어떤 사용자에게 전달이 되는가 등에 정보를 포함한다.
상향링크(Uplink) 프레임은 상향링크 제어 심볼(UL control symbol) 내에 CQICH, ACKCH, CDMA Ranging을 포함한다. CDMA 레인징(CDMA ranging) 채널은 CDMA Code를 이용한 랜덤접속을 하기 위한 정보이고, CQICH는 적응적인 변조(adaptive modulation)을 위한 것이고, ACK는 HARQ를 위한 ACK정보이다.
OFDM/FDMA/TDD 방식에 따르면 부반송파 그룹으로 구성된 서브 채널 단위로 데이터 송수신이 이루어진다. 또한, 매 프레임마다 프레임의 맨 앞에 프레임 구성 정보를 포함하는 지도(MAP) 메시지를 송신하고 이어서 다수 개의 데이터 버스트(Data Burst)(각 사용자별로 송신할 PDU들의 조합으로서 한 버스트를 송신하기 위해 동일한 무선 채널 파라미터를 적용함)를 전송한다. 따라서, 무선 관리를 수행하는 상기 기지국(AP)(20)은 매 프레임마다 각각의 사용자 데이터 송/수신을 위해 소요되는 서브 채널을 할당/관리하고, 이에 대한 정보를 바탕으로 지도(MAP) 메시지를 구성하고, 상기 사용자 단말기(AT)(10)는 지도(MAP) 메시지를 수신하여 자신에게 할당된 상/하향 데이터 버스트 정보를 획득한 후 해당 데이터 버스트를 송/수신하게 된다.
일반적으로 대부분의 무선 통신 시스템에서는, 시스템의 전체적인 효율이나 전송 특성은 사용하는 스케줄링(Scheduling) 알고리즘에 의해 크게 좌우된다. 따라서, 사용하는 스케줄링은 사용 목적에 따라 다양하게 구현될 수 있는데, 대표적인 경우가 시스템의 전송 효율을 극대화하는 방법과 단말간의 공평성(Fairness)를 보장하기 위한 방법이다.
첫 번째 방법은 채널 상태가 가장 좋은 단말기에게 무선 자원의 대부분을 할당하는 방법으로 시스템의 효율(System Throughput)을 극대화할 수 있는 방법이다. 하지만 채널 상태가 좋지 않은 단말기는 아무리 전송할 데이터가 많더라도 무선 자원을 할당받지 못해 제대로 서비스를 받지 못할 수 있는 단점이 있다.
두 번째 방법은 모든 단말에 골고루 무선 자원을 분배하는 방법으로 채널 상태와 관계없이 모든 단말기에 공평하게 무선 자원을 할당하는 방법이다. 이 방법은 채널 상태가 좋지 못한 단말기에 많은 자원을 할당해 줌으로 써 시스템의 전체적인 이용 효율이 떨어질 수 있는 단점이 있다. 즉, 위의 두 가지 극단적인 방안은 각각의 치명적인 단점을 가지고 있다. 따라서, 최근의 무선 시스템은 시스템 효율성과 공정성을 효율적으로 트레이드 오프(trade-off)하여 전체 시스템 성능을 높일 수 있는 방안으로 평가되는 Proportional-Fairness(이하 PF라 칭함) 방식을 선호한다. 그러나, PF 방식은 각 사용자간 다른 QoS 요구 사항 및 실시간 서비스에 대해 고려되었지 못하다는 단점이 있다.
기존의 무선통신 시스템은 단일 서비스 지원을 보장하는데 반해, 와이브로(WiBro) 시스템은 실시간 서비스, 비-실시간 서비스 및 최선형 서비스 등과 같은 다양한 멀티미디어 서비스를 지원하는 시스템이다. 따라서, 각 서비스별 QoS 요구 사항 역시 고려되는 스케줄링 방안이 요구된다. 또한, 와이브로 시스템을 위한 스케줄러는 무선 송신을 보장하기 위해 AMC(Adaptive Modulation & Coding) 기법을 적용하는 시스템 요구 사항에 따라 스케줄러가 사용자의 채널 상황에 따라 적정한 변조 및 코딩 방법(MCS: Modulation and Coding Schme) 레벨을 결정해야 한다. 상기 기술한 문제점에 덧붙여 구현의 용이성을 위해서는 프레임 기반의 와이브로 시스템 동작 요건을 맞추기 위해 프레임 동기에 정확히 맞춰서 그 전에 스케줄링을 수행하고, 지도(MAP) 메시지를 구성해야 하므로 성능과 함께 처리 시간의 최소화를 보장해야 한다.
이와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은, IEEE 802.16 WirelessMAN 기반의 와이브로(WiBro) 시스템에서 기지국(AP)에서 순방향 패킷 스케줄러에 의해 실시간 서비스를 고려하여 각 사용자간 QoS에 따른 공정성 및 시스템 효율을 높이고, 처리 시간을 줄이는, 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케쥴링 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
이러한 기술적 과제를 달성하기 위하여 본 발명의 특징에 따른 휴대 인터넷(WiBro) 시스템의 기지국(AP)에서 순방향 패킷 스케줄링 장치는, 유선 네트워크로부터 수신한 IP 패킷(SDU)의 IP 헤더를 분석하여 해당 사용자 및 연결 아이디와 우선순위를 결정하기 위한 패킷(SDU) 분류기; 무선 구간 송신 전까지 수신한 IP 패킷을 저장하기 위한 저장 장치; 상기 저장 장치에 저장된 전송될 데이터들을 우선순 위에 따라 전송 순서를 결정하고, 보조 스케쥴링과 주 스케쥴링에 의해 무선 채널 상태에 따라 전송할 데이터의 크기, 및 변조 및 코딩 방법(MCS)을 결정하고, 매 프레임별 송신할 데이터와 데이터의 크기 선택 및 무선구간 패킷 송수신 제어 및 무선 프레임 자원 관리를 위한 스케줄러; 및 스케쥴링 후, 상기 스케줄러로부터 PDU 생성 정보를 제공받아 상기 저장 장치로부터 데이터를 선택하여 MAC PDU 구성 및 데이터 버스트를 생성하여 물리 계층을 통해 사용자 단말기(AT)로 전송하기 위한 PDU 생성기를 포함한다.
또한, 본 발명의 특징에 따른 휴대 인터넷(WiBro) 시스템의 기지국(AP)에서 순방향 패킷 스케줄링 방법은, 휴대 인터넷 서비스를 위한 사용자 단말기(AT), 사용자 단말기(AT)와 사용자 단말기(AT)의 무선 접속 및 네트워크 연결을 지원하는 기지국(AP), 각 사용자 단말기(AT)의 이동성 제어 및 패킷 라우팅 기능을 수행하는 패킷접속 라우터(PAR)를 포함하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서, (a) 유선 네트워크로부터 수신한 IP 패킷(SDU)의 IP 헤더를 분석하여 해당 사용자 및 연결 아이디와 우선순위를 결정하는 단계; (b) 무선 구간 송신 전까지 수신한 IP 패킷을 저장하는 단계; (c) 저장된 전송할 데이터들을 우선순위에 따라 전송 순서를 결정하고, 보조 스케쥴링과 주 스케쥴링에 의해 무선 채널 상태에 따라 전송할 데이터의 크기, 및 변조 및 코딩 방법(MCS)을 결정하고, 매 프레임별 송신할 데이터와 데이터의 크기 선택 및 무선구간 패킷 송수신 제어 및 무선 프레임 자원 관리를 위한 스케쥴링 단계; 및
(d) 상기 스케줄링에 따라 PDU 생성 정보를 제공받아 저장된 데이터를 선택 하여 MAC PDU를 구성과 데이터 버스트를 생성하여 물리 계층으로 전송하는 단계를 포함한다.
아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
또한. 어떤 부분이 어떤 구성요소를 ”포함“한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서에서 기재한 모듈(module)이란 용어는 특정한 기능이나 동작을 처리하는 하나의 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현할 수 있다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 휴대 인터넷(WiBro) 시스템의 기지국에서 효율적인 순방향 패킷 스케쥴링 장치 및 방법을 자세하게 설명한다.
도 3은 기지국내 순방향 패킷 처리 모듈 구조를 나타낸 도면이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 기지국(AP) 내 순방향 패킷 처리 모듈(순방향 트래픽 처리 장치)은 패킷(SDU) 분류기(100), 저장 장치(110), 스케줄러(120), 및 PDU 생성기(130)를 포함한다.
상기 패킷(SDU) 분류기(100)는 유선 네트워크로부터 수신한 IP 패킷(SDU)의 IP 헤더를 분석하여 해당 사용자 및 연결 아이디와 우선순위를 결정한다.
상기 저장 장치(110)는 무선 구간 송신 전까지 상기 수신한 IP 패킷을 저장하고, 소프트 메모리로 구현한다.
상기 스케줄러(120)(이하, AP내 순방향 패킷 스케줄러를 의미)는 상기 저장 장치(110)에 저장된 전송된 데이터들을 우선순위에 따라 전송 순서를 결정하고, 무선 채널 상태에 따라 전송할 데이터의 크기, 및 변조 및 코딩 방법(Modulation and Coding Scheme; 이하 MCS로 칭함)를 결정하고, 매 프레임별 송신할 데이터(그리고 데이터의 크기) 선택 및 무선구간 패킷 송수신 제어 및 무선 프레임 자원 관리 기능을 수행한다.
상기 PDU 생성기(130)는 상기 스케줄러(120)로부터 PDU 생성 정보를 제공받아 상기 저장장치(110)로부터 데이터를 선택하여 MAC PDU 및 데이터 버스트를 생성하여 물리 계층(140)으로 전송한다.
즉, 상기 기지국(AP)은 수신한 트래픽의 상태 정보와 각 사용자의 무선 채널 상태 정보를 바탕으로 스케줄링을 수행하여 MAC-PDU들의 조합으로 구성된 프레임 데이터를 생성하여 물리 계층(140)에 전달, 송신 요구를 수행한다.
특히, 상기 스케줄러(120)는 순방향 트래픽 처리 장치 내에 위치하며 전송될 데이터의 우선 순위에 따라 전송 순서를 결정하고, 무선 채널의 상태에 따라 변조 및 코딩 방법(MCS)을 설정하고, 사용자 단말기(AT) 별로 전송 데이터를 조합하여 지도(MAP) 메시지 및 무선 프레임 데이터를 생성한다. 즉, 무선구간 패킷 송수신 제어 및 무선 프레임 자원 관리 기능을 수행한다. 이를 위해 상기 스케줄러(120)는 상기 저장 장치(110)로부터 저장된 데이터들의 우선 순위, 데이터 용량 등의 버퍼 상태 정보를 전달받고, 물리 계층(140)으로부터 제공된 채널 상태 정보를 전달받아 전송할 데이터 블록의 크기와 변조 및 코딩 방법(MCS)을 결정하고, MAC PDU를 생성하는 상기 PDU 생성기(130)를 제어하여 MAC PDU 구성 및 데이터 버스트를 생성한 후 물리 계층(140)을 통해 해당 사용자 단말기(AT)(10)로 송신한다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 순방향 패킷 스케쥴러의 동작 개요도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 기지국(AP)의 순방향 패킷 스케줄러(120)는 실시간 서비스를 고려하는 패킷 기반의 보조 스케줄링과, 시스템 효율(throughput)을 높이면서도 공정성을 보장하는 사용자 기반의 주(main) 스케줄링으로 동작한다. 2단계의 스케줄링이 모두 완료된 후, 저장된 데이타에 대해 PDU를 생성된 프레임 데이터는 물리계층을 통해 무선 구간에 송신된다.
본 발명에서 제안하는 기지국(AP)의 순방향 패킷 스케줄러(120)는 도 4에 도시된 바와 같이 2단계 스케줄링 절차에 따라 동작한다. 즉, 상기 순방향 패킷 스케줄러(120)는 실시간 서비스를 지원하는 연결들에 대해 서비스 대기 중인 각 패킷들의 서비스 대기 시간에 대해 우선 순위 값을 계산하여 높은 우선 순위 값을 갖는 패킷에 대해 MAC 계층에서의 서비스하고 무선 자원을 할당하는 보조 스케줄링을 수행하고, 각 사용자의 링크 상태 및 기 서비스 데이터 속도에 대해 우선 순위 값을 계산하고 이에 따라 서비스 사용자를 결정하여 해당 사용자에 대해 서비스 대기 중인 연결들에 대해 서비스 용량을 결정, MAC 서비스 및 무선 자원 할당을 지원하는 사용자 기반의 주 스케줄링을 수행한다. 상기 스케줄러(120)에서 2단계의 스케줄링을 수행한 후, 발생하는 프레임 데이터는 물리 계층(140)을 통해 무선 구간에 송신된다.
본 발명의 실시예에 따른 휴대 인터넷 기지국(AP)에서 순방향 패킷 스케줄링 방법에 대해 좀더 상세히 설명하면 다음과 같다.
상기 기지국(AP)은 매 프레임마다 특정 시간 구간 동안 스케줄링을 수행하는데, 스케줄링 구간에 들어서면 먼저 사용자 단말기-기지국(AT-AP)간 MAC 제어 메시지에 대한 MAC 서비스 및 무선 자원 할당을 수행한다. 서비스 순서는 FCFS(First-Come First-Service)방식을 따른다. 제어 메시지에 대한 스케줄링이 끝나면, 이어서 보조 스케줄링과 주 스케줄링을 수행한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기지국 스케줄러내 보조 스케줄링 부분의 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시예에 따른 보조 스케줄링 부분의 스케줄링 규칙은 수학식 1과 같다.
Figure 112005064968316-PAT00001
도 5를 참조하면, 먼저 기지국(AP)의 스케쥴러가 하향링크(DL: downlink) 스 케쥴링을 시작하여(S101) 잔여 서브 채널수 Nrest >0 이면(S102) 보조 스케쥴링을 시작한다.
현재 셀 내에 활성화 상태인 실시간 서비스용 연결(i)에 버퍼링 중인 패킷들에 대해 HOL 패킷으로부터 우선순위 결정 변수(PMi)를 계산한(S103) 후, 상기 우선순위 결정 변수(PMi)가 임계값(
Figure 112005064968316-PAT00002
)보다 같거나 크면(S104) 해당 패킷정보를 PMQ(이때, PMQ는 PM값이 높은 순서로 패킷 정보를 연결하는 리스트이다)에 정렬 저장한다(S105). 상기 우선순위 결정 변수(PMi)값이 임계값(
Figure 112005064968316-PAT00003
)보다 작으면 선택된 연결내 패킷에 대해서 PM값 계산을 중지하고 다른 연결에 대해 PM 계산을 시작한다. PM 계산은 수학식 2를 따른다.
Figure 112005064968316-PAT00004
활성화된 모든 실시간 서비스용 연결(Active Connection)에 대해 PM값 계산이 완료되면 다음으로 PMQ(우선순위 결정 변수 PM값이 높은 순서로 패킷 정보를 연결하는 리스트)에서 정렬된 순서대로 패킷들에 대해 MAC 서비스 및 무선 자원 할당을 수행한다. 선택된 패킷들은 무선구간 송신을 위해 MAC PDU에 포함되고, 이에 대해 필요한 무선 자원을 할당 여부를 확인한다. 필요한 무선 자원 할당 계산을 위해 우선 선택된 패킷(ith PMQ item)에 대한 사용자의 채널 상태에 따라 변조 및 코딩 방법(MCS) 레벨을 결정한다(S106). 이때, MCS 레벨은 단말기로부터 매 프레임 마다 수신한 채널 정보(CQI, Channel Quality Indicator, 이하 CQI라 칭함)를 가지고 셀 설정 파라미터인 MCS 결정 테이블(CQI Threshold-MCS레벨)에서 변조 및 코딩 방법(MCS) 레벨을 정한다. 상기 MCS 결정 테이블은 MCS 레벨별 최소 입장 Channel Quality(Minimum Entry Threshold) 및 필수 퇴장 Channel Quality(Mandatory Entry Threshold)로 구성된 테이블로서 각 사용자 단말기의 CQI값을 수신하면 CQI값이 이들 Thresh값 이내에 존재하는 MCS 레벨을 정한다. 해당 사용자 단말기(AT)의 MCS 레벨이 결정되면 서비스할 데이터를 송신하기 위해 필요한 무선 프레임내 필요한 서브 채널 수(Nneeded)를 계산(수학식3 참조)한다(S107).
Figure 112005064968316-PAT00005
필요한 서브채널 수(Nneeded)가 현 프레임내 잔여 서브 채널 수(Nrest)보다 작은지를 체크하여(S108), 상기 필요한 서브채널 수(Nneeded)가 상기 현 프레임내 잔여 서브 채널 수(Nrest)보다 작으면 해당 패킷에 대한 자원할당을 완료하고, 필요한 서브채널 수(Nneeded)가 현 프레임내 잔여 서브 채널 수(Nrest)보다 같거나 크면 역으로 가용한 서브채널에 전송 가능한 서비스 데이터 크기를 계산하여 해당 패킷에 대한 연결이 상위 패킷 분할이 가능하다면 전송가능한 패킷의 일부에 대해 PDU 및 버스트(Burst)를 생성하고, MAP IE를 구성하며, 잔여 채널 수(Nrest)를 갱 신하여 MAC PDU를 구성한다(S109).
PMQ(우선순위 결정 변수 PM값이 높은 순서로 패킷 정보를 연결하는 리스트)내 HOL 패킷 정보에 대한 MAC 서비스 및 무선 자원 할당이 완료되면 해당 패킷정보(PMQ Active items)를 삭제하고(S110) 다음 패킷 정보에 대해 동일한 과정을 반복한다. 그러나, 동작 중 무선 자원이 고갈되면 보조 스케줄링 과정을 중지한다. 보조 스케줄링을 통해 실시간 서비스에 대한 QoS를 보장할 수 있다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 기지국 스케줄러내 주 스케줄링 부분의 동작 흐름도를 나타낸 도면이다.
사용자 단말기(AT) 기반의 주 스케줄링 부분은 다음과 같이 동작한다. 기지국(AP)의 스케쥴러에서 하향링크 패킷 스케쥴링(순방향 패킷 스케쥴링)을 시작하여(S201), 현 프레임내 잔여 서브 채널 수 Nrest > 0이면(S202) 현재 활성화 상태인 사용자 단말기(AT)에 대한 우선순위 결정 변수(PMj)를 계산한 후, 사용자단말기 서비스 요청 리스트(AtSvcReqList)에서 최대 우선 순위 결정 변수(max PMi)를 갖는 사용자 단말기(AT)에 대해 우선 서비스한다(S203).
스케줄링 규칙 및 PMj 계산식은 [수학식 4]에 의해 설명된다.
Figure 112005064968316-PAT00006
Figure 112005064968316-PAT00007
는 사용자 등록시 기지국(AP)과 사용자 단말기(AT)간 협상하는 사용자 우선 순위 요소이고, Rj 는 사용자 단말기를 위해 현재 설정된 트래픽 연결들의 서비스 속도(트래픽 연결 설정시 기지국과 사용자 단말기간 협상하는 최소 서비스 속도)의 합이다. DRCj(k)는 현재 사용자 단말기의 채널 상태를 나타내는 변수이고, Aj(k)는 사용자(j)를 위해 지금까지 서비스된 평균 데이터 속도이다.
우선 순위 결정 변수(PMj)가 큰 순서대로 사용자들을 정렬하여 높은 우선 수위 결정 변수를 갖는 사용자 단말기(AT)에게 설정된 모든 연결에 대해서 서비스 대기 중인 트래픽의 총용량에 대한 전송할 경우 필요한 무선 자원을 계산한다. 선택된 사용자 트래픽을 위한 MAC 서비스를 위해 필요한 무선 자원 계산은 보조 스케줄링부분에서의 무선 자원 계산 방식과 동일하다. 즉, 사용자의 채널 상태 보고(CQI)에 따라 변조 및 코딩 방식(MCS)을 결정하고 수학식3에 따라 필요한 서브 채널 수(Nneeded)를 계산한다(S204).
상기 필요한 서브 채널 수(Nneeded)가 현 프레임내 잔여 서브 채널 수(Nrest)보다 작으면(S205), 선택된 사용자 단말기(AT)에 대해 대기 중인 모든 패킷들에 대해 무선 자원 할당을 완료한다.
즉, 선택된 사용자 단말기(AT)에 대해 대기 중인 모든 패킷들에 대해 잉여 무선 자원이 없을 때까지 PDU 및 Burst를 생성하고 MAP IE를 구성하고(S207), 잔여 트래픽이 없으면 사용자 단말기의 서비스 요청 리스트(AtSvcReqList)에서 아이템을 해제하고(S208), 잔여 서브채널 수(Nrest)를 갱신한다(S209).
상기 필요한 서브채널 수(Nneeded)가 현 프레임내 잔여 서브 채널 수(Nrest)보다 크면 역으로 가용한 서브 채널에 전송 가능한 서비스 데이터 크기(Callow)를 계산하여 대기중인 트래픽의 일부에 무선 자원 할당 및 MAC PDU 생성하여(S206), S207, S208, S209 과정을 실행한다.
잉여 무선 자원이 있을((Nrest - Nmargin <= 0)) 경우, 다음 사용자 단말기(AT)에 대해 동일한 절차(S203-S209)를 반복한다(S210).
주 스케줄링 부분은 사용자간 공정성과 시스템 효율간 최적의 trade-off를 지원한다고 알려진 PF 알고리즘에 각 사용자의 QoS를 고려한 방식으로 각 사용자의 QoS 협상 사항에 따른 공정성을 보장하면서 시스템 효율을 높이는 장점을 갖는다.
본 발명은 서비스 대기 중인 패킷들에 대해 서비스 우선 순위 결정 변수 계산을 실시간 서비스에 제한하여 수행하고, 대기 중인 모든 패킷이 아닌 임계값 이상의 우선순위 결정 변수를 갖는 패킷에 한정하여 계산하며, 주 스케줄링은 사용자 기반의 우선 순위 결정 변수 계산 및 무선 자원 할당을 이용하므로 동작 시간을 현저히 줄일 수 있다. 5msec 프레임 기반의 와이브로 시스템의 기지국 순방향 패킷 스케줄러는 고속의 트래픽을 5msec간격으로 스케줄링 및 MAC 처리해야 하므로 본 발명에 따른 처리시간 최소화는 큰 장점을 갖는다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체(씨디롬, 램, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다.
이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 의하면, IEEE 802.16 WirelessMAN 기반의 휴대 인터넷(WiBro) 시스템의 기지국(AP)에서 순방향 패킷 스케줄링 방법에 따르면, 시스템 효율 및 각 사용자의 QoS요구사항에 따른 공정성을 최대한 보장하 며, 또한 실시간 서비스를 위한 지연 성능을 보장할 수 있다. 또한, 패킷 기반의 스케줄링을 실시간 서비스에 제한함으로써 스케줄링 처리 시간을 줄이는 효과를 기대할 수 있다.

Claims (14)

  1. 휴대 인터넷(WiBro) 시스템의 기지국(AP)에서 순방향 패킷 스케줄링 장치에 있어서,
    네트워크로부터 수신한 IP 패킷(SDU)의 IP 헤더를 분석하여 해당 사용자 및 연결 아이디와 우선순위를 결정하기 위한 패킷(SDU) 분류기;
    무선 구간 송신 전까지 수신한 IP 패킷을 저장하기 위한 저장 장치;
    상기 저장 장치에 저장된 전송될 데이터들을 우선순위에 따라 전송 순서를 결정하고, 보조 스케쥴링과 주 스케쥴링에 의해 무선 채널 상태에 따라 전송할 데이터의 크기, 및 변조 및 코딩 방법(MCS)을 결정하고, 매 프레임별 송신할 데이터와 데이터의 크기 선택 및 무선구간 패킷 송수신 제어 및 무선 프레임 자원 관리를 위한 스케줄러; 및
    스케줄링 후, 상기 스케줄러로부터 PDU 생성 정보를 제공받아 상기 저장 장치로부터 데이터를 선택하여 MAC PDU 구성 및 데이터 버스트를 생성하여 물리 계층을 통해 사용자 단말기(AT)로 전송하기 위한 PDU 생성기
    를 포함하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케줄링 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 스케줄러는, 기지국(AP) 내 순방향 패킷 스케줄러인 것을 특징으로 하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케줄링 장치.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 스케줄러는,
    상기 기지국(AP)에서 매 프레임마다 특정 시간 구간 동안 스케줄링을 수행하여 사용자 단말기-기지국(AT-AP)간 MAC 제어 메시지에 대한 FCFS(First-Come First-Service)순으로 MAC 서비스 및 무선 자원을 할당하고 제어 메시지에 대한 스케줄링 후, 패킷 기반의 보조 스케줄링과, 사용자 단말기(AT) 기반의 주 스케줄링을 수행하는 것을 특징으로 하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케줄링 장치.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스케줄러는,
    상기 보조 스케줄링을 실행하여 실시간 서비스를 지원하는 연결들에 대해 서비스 대기 중인 각 패킷들의 서비스 대기 시간에 대해 우선 순위(PMi) 값을 계산하여 기준치 보다 높은 우선 순위 값을 갖는 패킷에 대해 MAC 계층에서 서비스하여 무선 자원을 할당하는 것을 특징으로 하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케줄링 장치.
  5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 스케줄러는,
    상기 주 스케쥴링을 실행하여 각 사용자의 링크 상태 및 기 서비스 데이터 속도에 대해서 우선 순위(PMi) 값을 계산하고, 우선 순위(PMi) 값에 따라 서비스 사용자 단말기(AT)를 결정하여 해당 사용자 단말기(AT)에 대해 서비스 대기 중인 연결들에 대해 서비스 용량을 결정, MAC 서비스 및 무선 자원 할당을 지원하는 것을 특징으로 하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케줄링 장치.
  6. 휴대 인터넷 서비스를 위한 사용자 단말기(AT), 사용자 단말기(AT)와 사용자 단말기(AT)의 무선 접속 및 네트워크 연결을 지원하는 기지국(AP), 각 사용자 단말기(AT)의 이동성 제어 및 패킷 라우팅 기능을 수행하는 패킷접속 라우터(PAR)를 포함하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케줄링 방법에 있어서,
    (a) 유선 네트워크로부터 수신한 IP 패킷(SDU)의 IP 헤더를 분석하여 해당 사용자 및 연결 아이디와 우선순위를 결정하는 단계;
    (b) 무선 구간 송신 전까지 수신한 IP 패킷을 저장하는 단계;
    (c) 저장된 전송할 데이터들을 우선순위에 따라 전송 순서를 결정하고, 보조 스케쥴링과 주 스케쥴링에 의해 무선 채널 상태에 따라 전송할 데이터의 크기, 및 변조 및 코딩 방법(MCS)을 결정하고, 매 프레임별 송신할 데이터와 데이터의 크기 선택 및 무선구간 패킷 송수신 제어 및 무선 프레임 자원 관리를 위한 스케쥴링 단계; 및
    (d) 상기 스케줄링에 따라 PDU 생성 정보를 제공받아 저장된 데이터를 선택하여 MAC PDU를 구성과 데이터 버스트를 생성하여 물리 계층으로 전송하는 단계
    를 포함하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케줄링 방법.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 보조 스케줄링은,
    (c1) 현재 셀 내에 활성화된 실시간 서비스용 연결(i)에 버퍼링 중인 패킷들에 대해 HOL 패킷으로부터 우선순위 결정 변수(PMi)를 계산하는 단계;
    (c2) 상기 우선순위 결정 변수(PMi)가 임계값(
    Figure 112005064968316-PAT00008
    )보다 같거나 크면 해당 패킷정보를 PMQ(이때, PMQ는 PM값이 높은 순서로 패킷 정보를 연결하는 리스트이다)에 정렬 저장하는 단계;
    (c3) 상기 우선순위 결정 변수(PMi)값이 임계값(
    Figure 112005064968316-PAT00009
    )보다 작으면 선택된 연결내 패킷에 대해 PM값 계산을 중지하고 다른 활성화된 모든 실시간 서비스용 연결(Active Connection)에 대해 PM 계산을 시작하는 단계;
    (c4) PM값 계산이 완료된 후, PMQ(우선순위 결정 변수 PM값이 높은 순서로 패킷 정보를 연결하는 리스트)에서 정렬된 순서대로 패킷들에 대해 MAC 서비스 및 무선 자원을 할당하여 선택된 패킷들(ith PMQ item)에 대한 사용자 단말기의 채널 상태에 따라 변조 및 코딩 방법(MCS) 레벨을 결정하는 단계;
    (c5) 선택된 사용자 단말기(AT)의 MCS 레벨이 결정되면 서비스할 데이터를 송신하기 위해 필요한 무선 프레임내 필요한 서브 채널 수(Nneeded)를 계산하는 단계;
    (c6) 상기 필요한 서브채널 수(Nneeded)가 현 프레임내 잔여 서브 채널 수(Nrest)보다 작으면 해당 패킷에 대한 자원할당을 완료하고, 필요한 서브채널 수가 현 프레임내 잔여 서브 채널 수보다 같거나 크면 역으로 가용한 서브채널에 전송 가능한 서비스 데이터 크기를 계산하여 해당 패킷에 대한 PDU 및 버스트를 생성하고, MAP IE를 구성하며, 잔여 채널 수(Nrest)를 갱신하여 MAC PDU를 구성하는 단계;
    (c7) PMQ내 HOL 패킷 정보에 대한 MAC 서비스 및 무선 자원 할당이 완료되면 해당 패킷정보(PMQ Active items)를 삭제하고 다음 패킷 정보에 대해 동일한 과정을 반복하는 단계; 및
    (c8) 동작 중 무선 자원이 고갈되면 보조 스케줄링을 중지하는 단계
    를 포함하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케줄링 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 우선순위 값은, 다음 수학식에 의해
    Figure 112005064968316-PAT00010
    결정되는 것을 특징으로 하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케줄링 방법.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 MCS 레벨은 사용자 단말기(AT)로부터 매 프레임 마다 수신한 채널 정보(CQI, Channel Quality Indicator)를 가지고 셀 설정 파라미터인 MCS 결정 테이블에서 변조 및 코딩 방법(MCS) 레벨을 결정하는 것을 특징으로 하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케줄링 방법.
  10. 제 7 항에 있어서,
    상기 선택된 사용자 단말기(AT)를 위해 활성화된 실시간 서비스용 모든 연결(i)에서 대기 중인 트래픽 용량에 대해 무선 자원을 할당하기 위해 계산하는 상기 필요한 무선 프레임내 필요한 서브 채널 수(Nneeded)는 다음 수학식에
    Figure 112005064968316-PAT00011
    의해 계산되는 것을 특징으로 하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케줄링 방법.
  11. 제 7 항에 있어서,
    상기 주 스케쥴링은,
    (c9) 기지국(AP)의 스케쥴러에서 하향링크 패킷 스케쥴링(순방향 패킷 스케쥴링)을 시작하여, 현 프레임내 잔여 서브 채널 수 Nrest > 0이면 현재 활성화 상 태인 사용자 단말기(AT)에 대한 우선순위 결정 변수(PMj)를 계산하는 단계;
    (c10) 사용자단말기 서비스 요청 리스트(AtSvcReqList)에서 최대 우선 순위 결정 변수(max PMi)를 갖는 사용자 단말기(AT)에 대해 우선 서비스하는 단계;
    우선 순위 결정 변수(PMj)가 큰 순서대로 사용자 단말기들을 정렬하여 높은 우선 수위 결정 변수를 갖는 사용자 단말기에게 설정된 모든 연결에 대해 서비스 대기 중인 선택된 트래픽을 위한 MAC 서비스를 위해 필요한 무선 자원을 계산하여, 사용자의 채널 상태 보고(CQI)에 따라 변조 및 코딩 방식(MCS)을 결정하고 필요한 서브 채널 수(Nneeded)를 계산하는 단계;
    (c11) 상기 필요한 서브 채널 수(Nneeded)가 현 프레임내 잔여 서브 채널 수(Nrest)보다 작으면, 선택된 사용자 단말기(AT)에 대해 대기 중인 모든 패킷들에 대해 잉여 무선 자원이 없을 때까지 PDU 및 Burst를 생성하고, MAP IE를 구성하고, 잔여 트래픽이 없으면 사용자 단말기의 서비스 요청 리스트(AtSvcReqList)에서 아이템을 해제하고, 잔여 서브채널 수(Nrest)를 갱신하여 무선 자원을 할당하는 단계;
    (c12) 상기 필요한 서브채널 수(Nneeded)가 현 프레임내 잔여 서브 채널 수(Nrest)보다 크면 역으로 가용한 서브 채널에 전송 가능한 서비스 데이터 크기(Callow)를 계산하여 대기중인 트래픽의 일부에 무선 자원 할당 및 MAC PDU 생성하는 단계; 및
    (c13) 잉여 무선 자원이 있을((Nrest - Nmargin <= 0)) 경우, 다음 사용자 단말기(AT)에 대해 동일한 절차를 반복하는 단계
    를 포함하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케줄링 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 최대 우선 순위(max PMi) 값은,
    Figure 112005064968316-PAT00012
    는 사용자 등록시 기지국(AP)과 사용자 단말기(AT)간 협상하는 사용자 우선 순위 요소이고, Rj 는 사용자를 위해 현재 설정된 트래픽 연결들의 서비스 속도의 합이고, DRCj(k)는 현재 사용자 단말기(AT)의 채널 상태를 나타내는 변수이고, Aj(k)는 사용자(j)를 위해 지금까지 서비스된 평균 데이터 속도일 때, 다음 수학식에
    Figure 112005064968316-PAT00013
    의해 결정되는 것을 특징으로 하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케줄링 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 채널 상태를 나타내는 DRCj(k)를 결정하도록, 상향 프레임을 통해 수신된 CQI 값을 통해 변조 및 코딩 방식(MCS)을 결정하고, 이에 따라 초당 서브-캐리어에 대한 데이터 전송률을 결정하는 것을 특징으로 하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케줄링 방법.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 단계 (c13)은,
    선택된 사용자 단말기(AT)로 데이터 송신을 위해 필요한 무선자원이 잉여 자원보다 작을 경우 잉여 자원에 대해 할당 가능한 데이터 용량을 계산하여 제한된 데이터에 대하여 MAC 서비스를 제공하는 것을 특징으로 하는 휴대 인터넷 시스템의 기지국에서 순방향 패킷 스케줄링 방법.
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