KR20070054407A - 무선통신 시스템의 전송 제어 방법 - Google Patents

무선통신 시스템의 전송 제어 방법 Download PDF

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KR20070054407A
KR20070054407A KR1020050112364A KR20050112364A KR20070054407A KR 20070054407 A KR20070054407 A KR 20070054407A KR 1020050112364 A KR1020050112364 A KR 1020050112364A KR 20050112364 A KR20050112364 A KR 20050112364A KR 20070054407 A KR20070054407 A KR 20070054407A
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Abstract

본 발명의 전송 제어 방법은, 상위 계층의 다수의 서비스에 대한 연결을 제공하는 전송제어계층(transport control protocol: TCP)의 혼잡제어 메카니즘 (congestion control:CC)과 매체접속제어계층(Media Access Control: MAC)의 자동 재송 요구 메카니즘(Automatic Repeat Request: ARQ)을 이용하여 전송 제어를 수행하는 무선 통신 시스템에 있어서, 각 연결에 대해 상기 CC의 재전송 만료시한(RTO)과 재전송 허용시한 그리고 ARQ 의 재전송 만료시한(ARQ_RETRY_TIMEOUT)을 설정하고; 상기 CC의 RTO를 기반으로 상기 ARQ의 재전송 허용시간(ARQ_BLOCK_LIFETIME)을 설정하고; 상기 MAC에서 ARQ_RETRY_TIMEOUT이 만료되어 데이터 전송에 실패하면 해당 데이터를 재전송 만료시한으로부터 계산된 ARQ의 재전송 허용시간 내에 재전송을 시도한다. 본 발명의 전송 제어 방법에서는 TCP 계층의 RTO 값에 따라 MAC 계층의 재전송 지속도(ARQ Persistence)를 결정함으로써 무선 환경에서의 TCP 성능을 향상시킬 수 있다.
무선통신, TCP, 혼잡제어 (congestion control), 자동재송요구(ARQ)

Description

무선통신 시스템의 전송 제어 방법{TRANSMISSION CONTROL METHOD OF WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
도 1A은 종래의 광대역 무선 통신 시스템의 전송 제어 방법에서 TCP의 RTO가 큰 값으로 유지되고 있고 MAC의 ARQ_BLOCK_LIFETIME은 작게 설정된 경우의 전송 제어 과정을 설명하기 위한 개념도;
도 1B는 종래의 광대역 무선 통신 시스템의 전송 제어 방법에서 TCP의 RTO 값이 작게 유지되고 있고 MAC의 ARQ_BLOCK_LIFETIME이 크게 설정된 경우의 전송 제어 과정을 설명하기 위한 개념도;
도 2A는 본 발명의 전송 제어 방법에서 RTO 값이 충분히 큰 경우의 전송 제어 예를 보여주는 예시도; 그리고
도 2B는 본 발명의 전송 제어 방법에서 RTO 값이 작게 설정되어 있는 경우의 전송 제어 예를 보여주는 예시도이다.
본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선통신 시스 템의 상위 계층 전송 제어 메카니즘을 고려하여 매체접속제어 계층의 재전송 기능을 제어함으로써 전송 효율을 향상시킬 수 있는 전송 제어 방법에 관한 것이다.
표준화가 진행 중인 IEEE 802.16과 같은 광대역 무선 접속 통신 시스템에서는 송수신단의 응용 프로그램이 데이터를 송수신하기 위해 인터넷 표준 프로토콜 집합(TCP/IP)의 전송 계층(Transport Layer)을 담당하는 전송제어프로토콜/사용자데이터그램프로토콜(Transport Control Protocol/User Datagram Protocol: TCP/UDP)을 이용한다.
TCP는 신뢰성 있는 데이터 전송을 보장하기 위해 흐름 제어 (flow control)기능과 혼잡 제어 (congestion control) 기능을 갖추고 있다. 다시 말해, TCP는 신뢰성 있는 데이터 전송을 위해 재전송 기능을 수행한다. 이와는 별도로 매체 접속 제어 (Medium Access Control: MAC) 계층에는 물리계층에서 발생한 데이터 손실을 복구하기 재전송 기능이 포함되어 있다. 802.16 규격에서는 MAC 계층에서의 데이터 전송 및 재전송을 위해 자동 재송 요구 (Automatic Repeat Request: ARQ) 방식을 이용한다. ARQ 방식은 송신단에서 전송한 데이터를 수신하지 못한 경우 수신단이 해당 정보를 송신단에 알려주어 재전송하도록 하는 기능이다.
MAC 계층에서 사용하고 있는 ARQ 방식에서는 슬라이딩 윈도우 프로토콜(Sliding Window Protocol)이고 확인 (Acknowledge)을 위해 선택적 확인(Selective Ack), 누적 확인 (Cumulative Ack), 선택적 누적 확인(Cumulative with Selective), 블록 시퀀스 누적 확인 (Cumulative Ack with Block Sequence Ack)등의 알고리즘을 이용한다.
ARQ 메카니즘은 연결마다 개별적으로 동작하며 연결은 협상을 통해 이루어지고 하나의 연결에서는 ARQ 트래픽과 비 ARQ 트래픽이 혼합되어 데이터가 전송될 수 있다. 다른 MAC 프로토콜과 유사하게 ARQ가 적용되는 영역은 단방향 연결에 제한되는 특성을 갖는다. ARQ 궤환 정보는 기본 관리 연결 (Basic Management Connection)을 통해서 독립적인 MAC 관리 메시지로 전달되거나 기존 연결을 통해 피기백(piggyback)하여 전송될 수 있다.
ARQ 메커니즘에 사용되는 파라미터들은 다음과 같다.
(1) ARQ_BLOCK_LIFETIME: 하나의 ARQ 블록이 ARQ 전송 상태에 의해서 관리되는 최대 시간 간격으로서, 블록의 초기 전송 시 시작된다. 만약 블록의 전송 또는 재전송 후 ARQ_BLOCK_LIFETIME 내에 수신단으로부터 ACK를 받지 못하면 해당 블록은 폐기된다.
(2) ARQ_RETRY_TIMEOUT: 하나의 블럭이 최종적으로 전송된 후 타이머가 동작을 시작하고 해당 블럭에 대한 ACK을 받지 못하면 ARQ_RETRY_TIMEOUT 후 재전송을 하게 된다.
(3) ARQ_SYNC_LOSS_TIMEOUT: 데이터의 전송이 이루어지고 있을 때 송신단과 수신단의 동기를 잃었다고 판단하기 전까지 ARQ_TX_WINDOW_START나 ARQ_RX_WINDOW_START 가 같은 값에 머무를 수 있는 최대 시간 간격이다. 즉, 송신단에서는 ARQ_TX_WINDOW_START가 갱신될 때마다 ARQ_SYNC_LOSS 타이머가 재설정되고 수신단에서는 수신된 블록이 ARQ_RX_WINDOW_START와 일치하면 ARQ_SYNC_LOSS 타이머를 재설정한다.
(4) ARQ_RX_PURGE_TIMEOUT: 수신측이 ARQ_RX_WINDOW 범위 내에 수신된 블럭에 대하여 ARQ_RX_WINDOW_START 를 증가시키지 않고 ARQ_RX_WINDOW 가 기다릴 수 있는 최대 시간 간격이다. 이 타이머는 WINDOW START에 해당하는 블럭이 수신되지 않았으나, ARQ_RX_WINDOW 범위 내에 성공적으로 수신된 블럭이 있을 때 재설정된다. 만약 ARQ_RX_PURGE_TIMEOUT이 만료되면 수신측은 해당 블럭에 대해서 수신되지 않음으로 인식하고 ARQ_RX_WINDOW_START 를 다음 수신하기를 기대하는 블럭의 시퀀스 번호로 증가시킨다.
일반적으로 ARQ 방식에서는 링크가 패킷 지연을 얼마나 오랫동안 허용하는지 정도를 나타내기 파라미터로서 지속성(Persistence)을 사용한다. 지속성은 링크를 통해서 트래픽의 신뢰성 있는 전송을 보장하기 위해 손실된 데이터를 재전송하는 정도를 의미한다. 지속성은 완전 지속성(Perfectly-persistence), 고- 지속(High-persistence), 및 저-지속(Low-persistence)의 3가지 수준으로 분류되며, 지속성이 높을수록 다른 계층과의 상호영향이 크게 발생하게 된다. 따라서, 저-지속성 방식은 재전송을 수행하는 횟수나 시간의 한계를 낮은 수준으로 유지하기 때문에 TCP 재전송 만료(Retransmission Time-Out:RTO) 타이머와 상호 영향이 줄어든다.
그러나, 종래의 유선망에서 사용하던 TCP의 혼잡제어 방식은 유선 환경에 적합하게 설계되어 있어서 패킷의 손실을 네트워크의 혼잡에 의한 것으로 판단하기 때문에 유선 보다 높은 에러가 발생하는 무선환경에서는 부적절한 혼잡 제어를 수행하게 된다. 따라서 전송하는 데이터의 출력(throughput)을 급격하게 줄이게 되고 무선 환경에서 전체 TCP 성능은 크게 저하된다. 무선 망에서의 TCP 혼잡 제어 방식 의 문제점을 보완하여 무선망 위에서의
IEEE 802.11 시스템에서는 상위계층의 TCP와 하위 계층인 MAC에 각각 재전송 기능이 있으며 이 두 계층간에 존재하는 재전송 기능의 상호 작용이 MAC 계층과 TCP 계층의 기능 동작에 중요한 문제가 되고 있다. TCP와 MAC 계층 간 상호 동작에서 발생하는 문제는 MAC 계층의 ARQ 지속도(persistence)가 높게 설정이 되어 있는 경우 상위 계층인 TCP에서 타임 아웃이 발생할 가능성이 많아지게 되고 낮게 설정이 되어 있는 경우 충분히 복구될 수 오류임에도 불구하고 손실로 판단하는데 있다. 현재 IEEE 802.16 광대역 무선 통신 시스템의 ARQ 규격에서는 손실된 프레임을 재전송하는데 있어서 고정된 재전송 시간인 ARQ_BLOCK_LIFETIME을 유지하고 있다.
도 1A은 종래의 광대역 무선 통신 시스템의 전송 제어 방법에서 TCP의 RTO가 큰 값으로 유지되고 있고 MAC의 ARQ_BLOCK_LIFETIME은 작게 설정된 경우의 전송 제어 과정을 설명하기 위한 개념도로서, MAC 계층에서 시간 t0 에 전송된 블럭에 대한 ACK를 ARQ_RETRY_TIMEOUT 이 만료되기 전에 받지 못해 시간 t1에 해당 블럭을 재전송하였지만 재전송 블럭에 대한 ARQ_RETRY_TIMEOUT의 만료 시점인 t3 전인 시점 t2에서 ARQ_BLOCK_LIFETIME이 만료되어 해당 블럭이 포함된 데이터는 t2에서 폐기된다. 이 경우 TCP RTO가 만료되는 시점 t4까지는 시간이 많이 남아 있기 때문에 재전송을 통해 해당 블록이 포함된 프레임을 복구할 수 있음에도 불구하고 데이터를 폐기해야 하기 때문에 TCP 전송 효율이 떨어진다.
도 2B는 종래의 광대역 무선 통신 시스템의 전송 제어 방법에서 TCP의 RTO 값이 작게 유지되고 있고 MAC의 ARQ_BLOCK_LIFETIME이 크게 설정된 경우의 전송 제어 과정을 설명하기 위한 개념도로서, MAC 계층에서 t0 시간에 전송된 블럭에 대한 ACK를 수신하지 못하여 ARQ_BLOCK_LIFETIME이 종료가 만료되기 전까지 수회에 걸쳐 재전송을 시도하고 있지만 t4에 TCP RTO가 만료되어 TCP 계층에서 타임 아웃에 의한 재전송 동작이 수행되게 된다. 이러한 경우 TCP의 성능 열화가 크게 발생하게 된다.
이러한 고정된 지속도(ARQ_BLOCK_LIFETIME)를 사용하는 경우 복구를 좀더 수행하게 되면 복구될 수 있는 많은 프레임들이 해당 고정된 타이머가 만료되어 수신 실패로 간주된다. 이와 같이 프레임에 손실이 많이 발생하는 상황에서 낮은 지속도를 고정적으로 유지하게 되면 많은 프레임들이 복구되지 못하게 되어 상위 계층인 TCP에는 하나의 윈도우 내에서 여러 개의 세그먼트 손실이 발생하여 타임아웃이 발생하게 되고, 결구 TCP 열화의 원인이 된다. 반대로 무선환경에서 재전송 에러가 지속적으로 발생하는 경우에 높은 지속도를 유지하게 되면 MAC 계층에서 ARQ에 의해 많은 전송 시간이 소요되게 되고 이러한 상황에서 TCP 타이머가 만료되어 TCP 성능이 저하된다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 TCP의 RTO 시간을 고려하여 MAC의 ARQ_BLOCK_LIFETIME 을 결정함으로써 전송 효율을 최대화 할 수 있는 전송 제어 방법을 제공하는 것이다.
상기한 목적을 달성하기 위해, 매체접속제어 계층의 재전송 메카니즘과 전송 계층의 혼잡 제어 메카니즘을 이용하여 전송제어를 하는 송신기와 수신기를 포함하는 통신 시스템에 있어서 본 발명의 전송 제어 방법은 상기 전송계층에서 재전송을 위해 허용하는 재전송 만료시한과 이를 기반으로 정의되는 재전송 허용시한, 그리고 매체접속제어 계층에서 1회 재전송을 위해 허용하는 재전송 만료시한을 설정하고; 상기 전송계층의 재전송 만료시한에 따라 상기 매체접속제어 계층의 재전송 허용시한을 설정하고; 상기 매체접속제어 계층의 재전송 허용시한 전에 상기 매체접속제어 계층이 데이터 전송을 성공하지 못하면, 상기 전송계층에서 상기 전송계층의 재전송 허용시한 동안 해당 데이터에 대한 전송시도를 한다.
바람직하게는, 상기 매체접속제어 계층의 재전송 허용시한은 상기 전송 계층의 재전송 만료시한 보다 항상 작다.
본 발명의 다른 일 국면에 있어서, 상위 계층의 다수의 서비스에 대한 연결을 제공하는 전송제어계층(transport control protocol: TCP)의 혼잡제어 메카니즘 (congestion control:CC)과 매체접속제어계층(Media Access Control: MAC)의 자동 재송 요구 메카니즘(Automatic Repeat Request: ARQ)을 이용하여 전송 제어를 수행하는 무선 통신 시스템에서의 전송 제어 방법은 각 연결에 대해 상기 CC의 재전송 만료시한(RTO)과 재전송 허용시한 그리고 ARQ 의 재전송 만료시한(ARQ_RETRY_TIMEOUT)을 설정하고; 상기 CC의 RTO를 기반으로 상기 ARQ의 재전송 허 용시간(ARQ_BLOCK_LIFETIME)을 설정하고; 상기 MAC에서 ARQ_RETRY_TIMEOUT이 만료되어 데이터 전송에 실패하면 해당 데이터를 재전송 만료시한으로부터 계산된 ARQ의 재전송 허용시간 내에 재전송을 시도하는 것을 포함한다.
바람직하게는, 상기 ARQ_BLOCK_LIFETIME은 상기 TCP의 RTO 보다 짧다.
바람직하게는, 상기 ARQ_BLOCK_LIFETIME은 수학식:
ARQ_BLOCK_LIFETIME=MIN[MIN(RTO1,RTO2,RTO3,...,RTOn)-β
에 의해 산출되며, 여기서 RTOn은 n번째 연결에 대한 RTO 값이고, β는 보정값이다.
바람직하게는, 상기 β는 2 x ARQ_RETRY_TIMEOUT이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 통신 시스템의 전송 제어 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
본 발명의 전송 제어 방법에서는 상위 계층의 성능 저하를 막기 위해 링크 계층의 지속도(Persistence)를 무선 상황에 맞게 적절히 조절한다. MAC 계층의 ARQ 기능은 완전 지속도(Perfectly-Persistence)를 유지하면 동작한다. 따라서, 손실된 블록이 복구될 때까지 재전송을 시도한다. 이러한 상황에서 블록이 손실되어 지속적인 재전송을 진행하는 중에 상위 TCP에서 관리하는 TCP RTO가 일정한 임계치를 넘게 되면 MAC 계층으로 TCP RTO 만료 시점이 되었다는 정보를 알려주게 된다. RTO 만료시점 정보를 받으면 MAC 계층에서는 해당 블록의 복구를 포기하고 복구 기능을 TCP로 넘기게 되고, TCP 계층에서는 고속 재전송/복구 (Fast Retransmit/Fast Recovery) 또는 재전송 만료(Retransmission Timeout)에 의해 손실된 블록을 복구한다. 본 발명의 전송 제어 방법은 단말에서 기지국으로 데이터를 전송하는 경우에 적용된다.
도 2A 및 도 2B는 본 발명의 일실시예에 따른 전송 제어 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2A는 RTO 값이 충분히 큰 경우의 전송 제어 예를 보여주는 도면으로서, 해당 단말과 네트워크 서버 간에 TCP연결이 이루어져 있는 상태에서 단말이 시간 t0에 데이터를 전송을 시작한다. 단말에서는 호연결이 이루어 질 때 MAC 계층의 ARQ_RETRY_TIMEOUT값을 설정한다. 본 발명의 일 실시예에서는 ARQ_BLOCK_LIFETIME은 RTOthreshold 값으로 결정된다. 그리고 RTOthreshold 값은 RTO 값을 주기적으로 검사하여 업데이트 한다.
채널 상황이 좋지 않아서 해당 블록의 전송을 실패하면, 단말은 동일 블록을 지속적으로 재전송한다.
MAC 계층에서는 다수의 상위 계층 연결을 지원하기 위한 MAC 엔티티(entity)들이 존재하므로 본 실시예에서는 여러 TCP 연결에 설정된 RTO 중 최소값을 갖는 RTO를 이용하여 수학식 1와 같이 RTOthreshold를 구한다.
ARQ_BLOCK_LIFETIME=MIN[MIN(RTO1,RTO2,RTO3,...,RTOn)- β
여기서 β는 TCP RTO 값으로부터 RTOthreshold 값을 구할때 보정하는 값으로 2 X ARQ_RETRY_TIMEOUT 이다. 수학식 1에 의해 구해진 RTOthreshold는 MAC의 ARQ_RETRY_LIFETIME으로 설정된다.
도 2B는 RTO 값이 작게 설정되어 있는 경우의 전송 제어 예를 보여주는 도면으로서, MAC 계층에서의 여러 번의 재전송 과정 중에 RTOthreshold 에 이르면, MAC 계층은 재전송 블럭을 폐기하고, 폐기된 블럭에 해당하는 데이터는 TCP 재전송을 통해 복구된다.
본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상기한 바와 같이, 본 발명의 전송 제어 방법에서는 TCP 계층의 RTO 값에 따라 MAC 계층의 재전송 지속도(ARQ Persistence)를 결정함으로써 무선 환경에서의 TCP 성능을 향상시킬 수 있다.

Claims (6)

  1. 매체접속제어 계층의 재전송 메카니즘과 전송 계층의 혼잡 제어 메카니즘을 이용하여 전송제어를 하는 송신기와 수신기를 포함하는 통신 시스템에 있어서,
    상기 전송계층에서 재전송을 위해 허용하는 재전송 만료시한과 이를 기반으로 정의되는 재전송 허용시한, 그리고 매체접속제어 계층에서 1회 재전송을 위해 허용하는 재전송 만료시한을 설정하고;
    상기 전송계층의 재전송 만료시한에 따라 상기 매체접속제어 계층의 재전송 허용시한을 설정하고;
    상기 매체접속제어 계층의 재전송 허용시한 전에 상기 매체접속제어 계층이 데이터 전송을 성공하지 못하면, 상기 전송계층에서 상기 전송계층의 재전송 허용시한 동안 해당 데이터에 대한 전송시도를 하는 전송 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 매체접속제어 계층의 재전송 허용시한은 상기 전송 계층의 재전송 만료시한 보다 항상 작은 것을 특징으로 하는 전송 제어 방법.
  3. 상위 계층의 다수의 서비스에 대한 연결을 제공하는 전송제어계층(transport control protocol: TCP)의 혼잡제어 메카니즘 (congestion control:CC)과 매체접속 제어계층(Media Access Control: MAC)의 자동 재송 요구 메카니즘(Automatic Repeat Request: ARQ)을 이용하여 전송 제어를 수행하는 무선 통신 시스템에 있어서,
    각 연결에 대해 상기 CC의 재전송 만료시한(RTO)을 기반으로 재전송 허용시한 을 설정하고 그리고 ARQ 의 재전송 만료시한(ARQ_RETRY_TIMEOUT)은 초기 호 접속시 설정되고;
    상기 CC의 RTO를 기반으로 상기 ARQ의 재전송 허용시간(ARQ_BLOCK_LIFETIME)을 설정하고;
    상기 MAC에서 ARQ_RETRY_TIMEOUT이 만료되어 데이터 전송에 실패하면 해당 데이터를 재전송 만료시한으로부터 계산된 ARQ의 재전송 허용시간 내에 재전송을 시도하는 전송 제어 방법.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 ARQ_BLOCK_LIFETIME은 상기 TCP의 RTO 보다 짧은 것을 특징으로 하는 전송 제어 방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 ARQ_BLOCK_LIFETIME은 수학식:
    ARQ_BLOCK_LIFETIME=[MIN(RTO1,RTO2,RTO3,...,RTOn)-β
    에 의해 산출되며, 여기서 RTOn은 n번째 연결에 대한 RTO 값이고, β는 보정값인 것을 특징으로 하는 전송 제어 방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 β는 2 x ARQ_RETRY_TIMEOUT인 것을 특징으로 하는 전송 제어 방법.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101398589B1 (ko) * 2007-11-15 2014-05-23 삼성전자주식회사 무선 네트워크에서 티시피 성능 향상을 위한 장치 및 방법

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