KR20080086594A - 다중 홉 중계 방식을 사용하는 광대역 무선 통신시스템에서 무선자원 재사용을 고려한 기회적 패킷스케줄링 장치 및 방법 - Google Patents

다중 홉 중계 방식을 사용하는 광대역 무선 통신시스템에서 무선자원 재사용을 고려한 기회적 패킷스케줄링 장치 및 방법 Download PDF

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KR20080086594A KR1020070028455A KR20070028455A KR20080086594A KR 20080086594 A KR20080086594 A KR 20080086594A KR 1020070028455 A KR1020070028455 A KR 1020070028455A KR 20070028455 A KR20070028455 A KR 20070028455A KR 20080086594 A KR20080086594 A KR 20080086594A
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Abstract

본 발명은 다중 홉 중계 방식을 사용하는 광대역 무선 통신 시스템에서 무선자원 재사용을 고려한 기회적 패킷 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것으로, 다중 홉 중계방식을 사용하는 광대역 무선 통신 시스템에서 무선자원 재사용을 고려한 기회적 패킷 스케줄링 방법에 있어서, 각 단말 경로별로 사용자 단말과 중계기가 보고하는 채널정보를 수집하는 과정과, 상기 채널정보를 이용하여 각 홉별로 자원 재사용 그룹 내에서 최대 자원할당 크기와 상기 자원 재사용 그룹의 각 단말별 자원할당 크기를 초기화하는 과정과, 상기 자원 재사용 그룹 내에서 최대 자원할당 크기와 상기 자원 재사용 그룹의 각 단말별 자원할당 크기를 이용하여 같은 자원 재사용 그룹 내의 다른 기지국 또는 중계기에 의해 사용된 자원의 재사용 여부를 판단하는 과정과,상기 자원 재사용 여부를 반영하여 해당 사용자 단말 경로의 현재 무선자원 효율을 계산하는 과정을 포함하여, 프레임 내에서 자원 재사용률을 높일 수 있는 사용자 단말에 상대적으로 높은 우선 순위를 부여함으로써 시스템 무선 자원 효율을 증가시키고, 무선 자원 분배의 형평성을 개선시킬 수 있는 이점이 있다.
Figure P1020070028455
다중 홉 중계, 중계기, 무선자원 재사용, 패킷 스케줄링.

Description

다중 홉 중계 방식을 사용하는 광대역 무선 통신 시스템에서 무선자원 재사용을 고려한 기회적 패킷 스케줄링 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR OPPORTUNISTIC PACKET SCHEDULING IN WIDEBAND WIRELESS ACCESS COMMUNICATION SYSTEM BASED MULTI-HOP RELAY}
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 홉 중계방식의 광대역 무선 통신 시스템에서 셀 내 주파수 재사용 패턴 예시도,
도 2는 다중 홉을 위한 하향링크 프레임 구조 및 자원할당 예시도,
도 3은 무선자원 낭비 발생 예시도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 홉 중계방식의 광대역 무선 통신 시스템에서 무선자원 재사용을 고려한 기회적 패킷 스케줄링 흐름도,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 홉 중계방식을 사용하는 광대역 무선통신 시스템에서 기회적 패킷 스케줄링 장치도,
도 6은 본 발명에 따른 무선자원 재사용 예시도,
도 7은 본 발명에 따른 스케줄링시 사전식 비교가 필요한 경우의 예,
도 8은 본 발명에 따른 홉 별 실제 필요한 무선단위 자원 예시도 및,
도 9는 본 발명에 따른 상태변수(S)의 갱신 예시도.
본 발명은 다중 홉 중계 방식을 사용하는 광대역 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 특히, 공간적 무선자원 재사용하는 중앙집중식 기회적 패킷 스케줄링 장치 및 방법에 관한 것이다.
패킷 스케줄링(packet scheduling)은 우선순위지표(priority metric)에 따라 패킷의 서비스 순서를 결정하는 것으로, 무선 패킷 전송 시스템에서는 상기 패킷 스케줄링을 통해 QoS(Quality of Service)를 보장하고, 무선 자원의 효율을 극대화하며, 사용자 간 공정한 자원 할당을 수행한다.
기존 무선 패킷 전송 시스템에서는 기지국과 사용자 단말 간 채널상태를 반영하는 기회적(opportunistic) 스케줄링 기법이 제안되었다. 상기 기회적 스케줄링 기법은 일반적으로 사용자의 데이터 패킷이 시분할 방식으로 전송되는 시분할 다중화(Time Division Multiplexing : TDM) 또는 시분할 다중 접속(Time Division Multiple Access : TDMA) 시스템에서 매시간 슬롯마다 기지국과 사용자 단말 간 채널 상태를 반영하여 데이터의 전송 기회를 부여할 사용자를 결정한다. 예를 들어, 여러 사용자 단말 중에서 평균 데이터 전송률 대비 현재의 데이터 전송률이 가장 높은 사용자에게 해당 시간 슬롯 동안 데이터 전송 기회를 부여한다. 여기서, 상기 시간 슬롯 또는 시간은 데이터를 전송하기 위한 무선자원이며, 상기 채널 상태는 주로 현 시점에서 기지국과 사용자 단말 간 전송 가능한 최대 전송 속도로 나타낸다.
상기 기회적 스케줄링 기법의 하나인 비례 공정(Proportional Fair : 이하 'PF'라 칭함) 스케줄링을 살펴보면, 기존 단일 홉의 광대역 무선통신 시스템에서 상기 PF 스케줄링 기법은 셀 내에 전송할 데이터가 있는 N개의 사용자 단말들이 있다고 가정할 시, 기지국은 상기 N개의 사용자 단말들로부터 채널 상태를 수집하고, 상기 수집된 채널 상태로부터 각 사용자 단말들의 최대 전송 가능 데이터 전송률 Ri(t)를 결정한다. 여기서, 상기 Ri(t)는 단위 시간당 전송 가능한 데이터의 양(bit/sec)으로, 단위 무선자원으로 전송 가능한 데이터의 양, 즉 무선 자원 효율로 해석될 수 있으며, 상기 i는 1에서 N까지의 값을 가진다. 이후, 각 사용자 단말에 대해 평균 전송률
Figure 112007022993411-PAT00001
대비 순간 최대 가능 전송률 비, 즉
Figure 112007022993411-PAT00002
를 계산한다. 이때, 가장 큰
Figure 112007022993411-PAT00003
을 가지는 사용자 단말 j가 선택되어 해당 시간 슬롯 동안 데이터를 전송하기 위한 기회를 갖는다.
여기서, 상기 PF 스케줄링의 우선순위지표는 하기 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007022993411-PAT00004
한편, 근래에 무선 패킷 전송 시스템에서 단일 홉 전송으로부터 커버리지의 확장과 시스템 효율 증대를 위해 중계기를 통한 다중 홉 전송이 도입되고 있다. 상기 다중 홉 중계기 망 시스템에서 셀 내의 사용자 단말과 중계기는, 지속적으로 자신의 채널 상태를 추정하고, 상기 추정된 채널 상태를 기지국에 보고한다. 이때, 상기 기지국은 셀 내에 있는 링크들의 채널 상태를 기반으로 중앙 집중 방식의 패킷 스케줄링을 한다. 여기서, 상기 기지국과 사용자 단말 간의 경로 설정은 상기 채널 상태를 반영하여 별도의 과정을 통해 이루어지는 것으로 가정한다.
상기 무선 다중 홉 중계기 망에서 상기 패킷 스케줄링의 구현을 위해 기존 셀룰러 시스템에서의 기회적 스케줄링 기법을 적용하는 방안을 고려할 수 있다. 기존의 셀룰러 시스템에서는, 기지국과 사용자 단말 간에 단일 링크에 의해 직접 연결되므로 상기 스케줄링을 위한 우선 순위 지표의 중요 인자인 최대 전송 가능 전송률 Ri(t)를 결정하는데 혼돈의 여지가 없었다. 하지만, 상기 무선 다중 홉 중계기 망에 상기 기회적 스케줄링 기법을 직접 적용할 경우, 상기 기지국과 사용자 단말 간의 경로가 다중 홉으로 구성될 수 있어 상기 Ri(t)를 결정하는 방법으로 여러 가지가 가능하다.
예를 들어, 특정 홉 링크의 채널 상태, 즉 기지국과 사용자 단말 사이의 경로에서 최초 홉 또는 최종 홉의 채널 상태만을 반영하여 상기 Ri(t)를 결정할 수 있다. 하지만, 상기 기지국과 사용자 단말 간 경로 상의 링크 중 해당 링크의 채널 상태만이 급속히 열화 되거나 혹은 양호해진다면, 상기 Ri(t)는 경로 상의 전체 홉 들의 채널 상태를 제대로 반영할 수 없게 되어 사용자 단말과 기지국 사이의 현재 채널 상태를 반영하는 기회적 스케줄링의 개념에 반하게 된다. 즉, 경로의 부정확한 채널 정보를 기반으로 패킷 스케줄링을 할 경우, 사용자 다이버시티의 이득의 감소로 시스템의 효율이 저하될 수 있다. 또한, 기지국과 사용자 단말 간에 데이터 전송을 위해 어떤 경로를 이용하는가 혹은 몇 홉의 링크를 거치는가에 따라 단위 데이터를 보내는데 소요되는 무선 자원의 양이 달라질 수 있음에도, 이를 패킷 스케줄링에 반영하지 않음으로써 사용자 단말에 대한 무선 자원 분배의 공평성이 저하될 수 있다.
그리고, 다중 홉 전송 시스템에서 셀 내 공간적 무선자원 재사용이 이루어지는 경우, 무선자원 재사용 패턴을 고려하지 않지 않는다면, 무선자원 효율만을 반영한 스케줄링 기법은 무선자원 낭비를 발생시킬 수 있다.
따라서, 상기 기존 셀룰러 시스템에서의 기회적 스케줄링 기법을 상기 무선 다중 홉 중계기 망에 적용하기 위해서는 기지국과 사용자 단말 간 데이터 전송을 위한 경로 상에 있는 모든 링크의 채널 상태와 해당 데이터가 전송되기 위해 필요한 무선 자원의 양을 통합적으로 정량화하는 지표와 무선자원 재사용 계수를 고려한 우선순위지표를 스케줄링에 반영할 필요가 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 다중 홉 중계방식을 사용하는 광대역 무선 통신 시스템에서 기회적 패킷 스케줄링 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중 홉 중계방식을 사용하는 광대역 무선 통신 시스템에서 기존 셀룰러 시스템에서의 기회적(opportunistic) 스케줄링 기법을 확장 적용하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중 홉 중계방식을 사용하는 광대역 무선 통신 시스템에서 다중 홉 상의 모든 링크들의 채널 상태를 반영하여 기회적 스케줄링 기법을 적용함으로써 시스템의 효율성을 증대시키고 무선 자원 분배의 공평성을 제고할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중 홉 중계방식을 사용하는 광대역 무선 통신 시스템에서 공간적 무선자원 재사용률을 높여 무선자원 낭비를 방지하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 다중 홉 중계방식을 사용하는 광대역 무선 통신 시스템에서 무선자원 재사용을 고려한 기회적 패킷 스케줄링 방법에 있어서, 각 단말 경로별로 사용자 단말과 중계기가 보고하는 채널정보를 수집하는 과정과, 상기 채널정보를 이용하여 각 홉별로 자원 재사용 그룹 내에서 최대 자원할당 크기(
Figure 112007022993411-PAT00005
)와 상기 자원 재사용 그룹의 각 단말별 자원할당 크기를 초기화하는 과정과, 상기 자원 재사용 그룹 내에서 최대 자원할당 크기와 상기 자원 재사용 그룹의 각 단말별 자원할당 크기를 이용하여 같은 자원 재사용 그룹 내의 다른 기지국 또는 중계기에 의해 사용된 자원의 재사용 여부를 판단하는 과정과, 상기 자원 재사용 여부를 반영하여 해당 사용자 단말 경로의 현재 무선자원 효율을 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 다중 홉 중계방식을 사용하는 광대역 무선 통신 시스템에서 무선자원 재사용을 고려한 기회적 패킷 스케줄링 장치에 있어서, 각 단말 경로별로 사용자 단말과 중계기가 보고하는 채널정보를 이용하여 각 홉별로 자원 재사용 그룹 내에서 최대 자원할당 크기와 상기 자원 재사용 그룹의 각 단말별 자원할당 크기를 초기화한 후, 상기 자원 재사용 그룹 내의 다른 기지국 또는 중계기에 의해 사용된 자원의 재사용 여부를 반영하여 해당 사용자 단말 경로의 현재 무선자원 효율을 계산하는 현재 무선자원 효율 계산부와. 상기 사용자 단말별로 평균 무선자원 효율과 현재 무선 자원 효율의 비로 스케줄링 우선순위 지표를 계산하는 스케줄링 우선 순위 지표 계산부와, 상기 스케줄링 우선순위 지표가 가장 큰 사용자 단말을 선택하고, 상기 선택된 사용자 단말을 스케줄링하는 최대 우선순위지표 사용자 선택부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하, 본 발명은 다중 홉 중계방식을 사용하는 광대역 무선 통신 시스템에서 무선자원 재사용을 고려한 기회적 패킷 스케줄링 장치 및 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 홉 중계방식의 광대역 무선 통신 시스템에서 셀 내 주파수 재사용 패턴 예를 도시하고 있다. 제안하는 스케줄링 기법을 적용하기 위한 환경은 다중 홉 중계기 전송 시스템으로 기지국과 사용자 단말 간의 경로는 중계기를 거쳐 복수의 홉으로 구성될 수 있다. 그리고 시스템 내 중계기 도입을 통한 시스템 수율 증대(capacity enhancement)를 위해 셀 내 공간적 주파수 재사용이 이루어진다. 이와 같은 환경에서 스케줄러는 기지국, 중계기, 사용자 단말로부터 보고되는 셀 내의 전역적인 정보를 바탕으로 다이버시티 부채널 모드(diversity subchannel mode)에서 중앙집중적(centralized) 방식으로 패킷 스케줄링 및 무선자원할당을 한다.
상기 도 1을 참고하면, 기지국(BS)을 중심으로 7개의 중계기(RS)가 있어 단말 MSi가 중계기(R3 ,2,2)에 연결되고 다시 상기 중계기(R3 ,2,2)는 중계기(R2 ,2,2)를 통해 상기 기지국과 연결된다. 여기서, Rh ,a,b,는 h번째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서 b번째 노드의 자원할당 영역을 의미한다.
상기 도 1에 기반하여 프레임 구조 및 자원할당 예를 상기 도 2를 참조하면, R1,1,1는 첫번째 홉의 첫번째 자원 재사용 그룹 내에서 MS1의 자원할당 영역이고, R2 ,1,1과 R2 ,1,2는 두번째 홉의 첫 번째 자원 재사용 그룹 내에서 MS1의 자원할당 영역과 두번째 홉의 첫 번째 자원 재사용 그룹 내에서 MS2의 자원할당 영역이다. R2 ,2,1과 R2 ,2,2는 두 번째 홉의 두 번째 자원 재사용 그룹 내에서 MS1의 자원할당 영역과 두 번째 홉의 두 번째 자원 재사용 그룹 내에서 MS2의 자원할당 영역이다. 마찬가지로 3번째 홉도 R3 ,1,1과 R3 , 1,2 R3 ,2,1과 R3 ,2,2와 같이 자원할당 영역을 나타낼 수 있다.
여기서, 단말에 대해 홉마다 채널상태가 다르게 변화로 홉 별로 필요한 자원할당이 달라지므로 경우에 따라서 추가적 자원을 사용하는 경우와 자원 재사용으로 추가적 자원사용을 하지 않는 경우가 발생할 수 있다. 만약, 스케줄링 시 무선자원 효율만 고려한다면 하기 도 3에서처럼 무선자원이 낭비될 수 있다. 여기서, 본 발명에서는 스케줄링시, 각 홉에 대한 무선자원 효율과 함께, 추가적인 자원이 필요한 홉에 대해서 같은 홉에서 같은 주파수 사용 그룹 내에 사용가능한 무선자원을 이용한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 홉 중계방식의 광대역 무선 통신 시스템에서 무선자원 재사용을 고려한 기회적 패킷 스케줄링 방법 절차를 도시하고 있다.
상기 도 4를 참조하면, 기지국 스케줄러는 400 단계에서 프레임마다 셀 내의 사용자 단말과 중계기가 추정하여 보고하는 채널정보를 수집한다. 즉, 시간 t에 셀 내에 전송할 패킷을 가진 사용자 단말 집합 G(t) 및 각 링크의 SINR 정보를 수집한다. 또한, 그 외 스케줄링 관련 정보는 기지국과 중계기들 간의 공간적 무선자원 재사용 패턴이 결정됨으로써 얻어진다. 상기 스케줄링 관련 정보를 설명하는 하기 <표 1>를 참조하기로 한다.
Symbol Description
G(t) BS 셀 내 MS의 집합, {MS1 , MS2 ˙˙˙ MSn}
di(t) BS와 MSi 경로 간의 홉수
Ni ,h(t) MSi 의 h 홉에서 송신 노드의 인덱스
CQIi ,h(t) MSi 의 h 홉에서의 CQI
ai ,h(t) MSi 의 h 홉에서의 송신 노드의 주파수 그룹 인덱스
bi ,h(t) MSi 의 h 홉에서의 송신 노드의 주파수 그룹 내 노드 인덱스
이후, 상기 기지국 스케줄러는 402 단계에서 스케줄러 상태변수(
Figure 112007022993411-PAT00006
,
Figure 112007022993411-PAT00007
)를 초기화한다. 여기서, 상기
Figure 112007022993411-PAT00008
는 h번째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서 b번째 노드의 자원할당 크기이고, 상기
Figure 112007022993411-PAT00009
는 h 번째 홉의 a 번째 자원 재사용 그룹 내에서
Figure 112007022993411-PAT00010
의 최대값이다.
이후, 상기 기지국 스케줄러는 404 단계에서 단말별 다중 홉 경로의 무선자원 효율(
Figure 112007022993411-PAT00011
)을 갱신한다. 여기서, 상기 무선자원 효율
Figure 112007022993411-PAT00012
는 단위 대역을 통해 단위 시간당 전송 가능한 데이터의 양, 즉 기지국과 사용자 단말 i 사이에 경로를 통해 단위 무선자원으로 전송 가능한 데이터 양으로 정의할 수 있으며, 그 단위는 [bit]/[Hz][Sec] 혹은 [bps]/[Hz]가 될 수 있다. 이때,
Figure 112007022993411-PAT00013
는 한 비트의 데이터를 보내는데 필요한 무선 자원의 양이 된다. 또한, 무선 다중 홉 중계기 시스템에서 기지국과 사용자 단말 사이에 데이터 전송을 위해 홉 경로가 설정되어 있다고 하면, 기지국으로부터 사용자 단말 간에 한 비트의 데이터를 전송하기 위해 필요한 무선 자원의 양은 경로 상에 있는 각 홉에서의 무선 자원의 양의 합, 즉
Figure 112007022993411-PAT00014
로 나타낼 수 있다. 여기서, 상기 ri ,h(t)는 시간 t에 사용자 단말 i의 h번째 홉에서의 무선자원 효율이다. 따라서, 시간 t에 기지국과 사용자 단말 i 간 경로의 무선자원 효율(
Figure 112007022993411-PAT00015
)은 하기 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112007022993411-PAT00016
이로써, 상기 경로 상의 모든 홉의 채널 상태를 반영하면서, 다중 홉 경로에서 단위 무선 자원당 전송 가능 데이터 량을 하나의 수치로 정량화할 수 있다.
여기서, 셀 내 무선 자원 재사용이 이루어지는 경우, 같은 무선자원 그룹 내의 다른 기지국 또는 중계기에 의해 이미 사용된 자원을 재사용한다면, 해당 자원에 대해서는 추가적인 자원을 필요로 하지 않는다고 볼 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 다중 홉 전송 시스템에서 셀 내 무선 자원 재사용이 이루어지는 경우, 무선자원 재사용을 고려하여 무선자원 효율(
Figure 112007022993411-PAT00017
)로 하기 <수학식 3>을 제안한다.
Figure 112007022993411-PAT00018
Figure 112007022993411-PAT00019
여기서, mi ,h 값의 결정은 하기 <수학식 4>으로 결정할 수 있다.
Figure 112007022993411-PAT00020
여기서, 상기
Figure 112007022993411-PAT00021
는 h번째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서
Figure 112007022993411-PAT00022
의 최대값이고, 상기
Figure 112007022993411-PAT00023
는 h번째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서 b번째 노드의 자원 할당 영역(region)의 크기이고, 상기 a(N)는 노드 N의 자원 재사용 그룹 인덱스, b(N)는 노드 N의 자원 재사용 그룹 내 노드 인덱스이다.
상기 mi ,h의 값을 결정함에 있어, 이미 사용된 무선자원을 재사용되는 링크에서는 데이터 전송을 위해 실질적으로 추가적인 자원이 필요치 않으므로, 기지국과 단말 간 전송 경로의 무선자원효율 계산시 해당 링크에서 단위 데이터 전송을 위해 필요한 무선자원의 양을 나타내는
Figure 112007022993411-PAT00024
의 항을 제외하여야 한다. 따라서, mi ,h는 MSi의 경로 상의 각 홉에 대해 정해지는 변수로서, 해당 홉에서의 전송을 위해 할당될 자원이 다른 기지국 또는 중계기의 의해 이미 사용이 되어 재사용되는 경우에는 ‘0’의 값을, 처음으로 할당되어 사용되는 경우에는 ‘1’의 값을 갖는다.
상기 <수학식 3>에서 무선자원 효율,
Figure 112007022993411-PAT00025
의 물리적 의미를 도 6을 참조하여 설명하면, 이번 스케줄링 시점(scheduling instance)에 사용자 단말, MS1 , MS2 ,에 데이터 전송의 기회를 부여할 때, 기지국과 사용자 단말 MS1 또는 MS2 경로에 대해 실질적으로 필요한 무선자원의 양으로부터 도출한 경로의 무선자원 효율이다. 즉, 상기 <수학식 3>을 스케줄링 우선 순위 지표에 반영함으로써. 프레임 내에서 자원 재사용률을 높일 수 있는 MS1 단말에 상대적으로 높은 우선순위를 부여하여(반면, MS2 단말에 상대적으로 낮은 우선순위를 부여) 시스템 무선자원 효율을 증대시킬 수 있다.
이후, 상기 기지국 스케줄러는 406 단계에서 상기 무선자원 효율을 이용하여 단말별 스케줄링 우선 순위 지표를 갱신한다. 상기 스케줄링 우선 순위 지표는 하기 <수학식 5>와 같이 산출된다.
Figure 112007022993411-PAT00026
여기서, 상기
Figure 112007022993411-PAT00027
는 단말 MSi의 무선자원 효율 지표이고, 상기
Figure 112007022993411-PAT00028
는 평균 무선자원 효율 지표이다. 상기 평균 무선자원 효율 지표
Figure 112007022993411-PAT00029
는 하기 <수학식 6>으로 계산 및 갱신된다.
Figure 112007022993411-PAT00030
Figure 112007022993411-PAT00031
여기서, 상기 tc는 가중치 상수로써, 상기 평균값을 구하기 위한 슬라이딩 윈도우 사이즈와 관련이 있으며, 시스템에 따라 적절한 값으로 선택할 수 있다.
이후, 상기 기지국 스케줄러는 408 단계에서 z=1,2에 대해 최대 우선 순위 지표를 갖는 사용자 단말의 집합(Mz)을 구한다. 여기서, z는 스케줄링 우선 순위를 결정함에 있어 사전식 비교를 하기 위한 것으로, z=1인 경우(무선자원 재사용 단말이 하나인 경우)에 대해서 우선적으로 스케줄링 우선 순위 지표를 비교하여 최대의 스케줄링 우선 순위 지표를 갖는 사용자 단말에 대해 스케줄링을 한다. 만약, 최대 스케줄링 우선 순위 지표를 갖는 사용자 단말이 복수로 발생하는 z=2인 경우(무선자원 재사용 단말이 복수인 경우)에 대해서 최대 스케줄링 우선 순위 지표를 갖는 사용자를 스케줄링한다. 이와 같이, 상기 사전식 비교를 하는 이유는 도 7에 나와있는 것처럼 기지국과 사용자 단말 간 경로 상에서 자원 재사용되는 홉이 일치하는 경우 스케줄링 우선 순위 지표가 동률이 되므로, 경로 상에서의 무선 자원 재사용 여부를 고려치 않은 경로의 무선자원효율로 우선 순위를 재비교함으로써 시스템의 무선 자원 효율을 증대시키기 위해서이다. 즉, 2번째 홉과 3번째 홉에서 단말 MS1, MS2은 모두 자원 재사용되는 경우에 스케줄링 우선순위 지표가 동률이 발생하게 되면, 무선 자원 재사용 여부(mi ,h)를 고려치 않고 스케줄링 우선순위 지표를 사용한다.
이후, 상기 기지국 스케줄러는 410 단계에서 최대 우선 순위 지표를 갖는 사용자 단말이 하나일 경우, 412 단계로 진행하여 해당 단말(하나의 최대 우선 순위 지표를 갖는 사용자 단말)의 데이터를 스케줄링한다. 반면, 최대 우선 순위 지표를 갖는 사용자 단말이 하나 이상일 경우, 422 단계로 진행하여 기설정된(또는 임의의) 방법에 따라, 하나의 단말을 선택하여 스케줄링한다.
이후, 상기 기지국 스케줄러는 414 단계에서 경로 상의 홉 별 필요한 무선 단위 자원 및 실제 무선 단위 자원의 개수를 산출한다.
다중 홉 전송에서 기지국에서 사용자 단말까지 데이터를 전송함에 있어 저장후 전달(store and forward) 방식이 아닌 기지국에서 사용자 단말까지 한 프레임 내에 전송을 하는 (cut-through) 방식을 사용하는 경우, 홉 별 필요로 하는 무선 단위 자원(radio resource unit)의 수는 하기 <수학식 7>로 계산한다,
Figure 112007022993411-PAT00032
여기서, pkh는 MSk의 h홉에서 필요 단위 무선자원의 개수이고, CEIL(n)는 주어진 값(n)보다는 크지만 가장 근접하는 최소값을 구하는 함수이고, rkh는 MSk의 h홉에서 실질적으로 필요한 무선자원 단위의 개수이다. 즉, 이번 사용자별 스케줄링 시점에 스케줄링된 사용자 단말이 전송할 데이터의 양은 링크의 채널 상태가 가장 좋은 홉에서의 무선 단위 자원으로 전송 가능한 데이터의 양으로 하고, 그 외의 나머지 홉에서는 그 홉들의 링크의 채널 상태로부터 도출된 무선 단위 자원으로 전송 가능한 데이터의 양으로부터 해당 데이터를 전송하기 위해 필요한 무선 단위 자원의 개수를 구한다.
셀 내 공간적 무선 자원 재사용이 되는 경우, 사용자 단말을 스케줄링하여 데이터를 전송하는데 홉 별로 실질적으로 필요한 무선 단위 자원의 양은 도 9의 예와 같이 하기 <수학식 8>과 계산한다.
Figure 112007022993411-PAT00033
여기서, 상기
Figure 112007022993411-PAT00034
는 MSk의 h홉에서 실질적으로 필요한 단위 무선자원의 개수이고, pkh는 MSk의 h홉에서 필요 단위 무선자원의 개수이고, 상기
Figure 112007022993411-PAT00035
는 h번째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서
Figure 112007022993411-PAT00036
의 최대값이고, 상기
Figure 112007022993411-PAT00037
는 h번째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서 b번째 노드의 자원 할당 영역(region)의 크기이다.
이후, 상기 기지국 스케줄러는 416 단계에서 프레임이 가득 찼는지 검사하고, 상기 프레임에 여유가 있을 시, 418 단계로 진행하여 기지국, 중계기에 할당되는 무선 단위 자원의 개수를 갱신한다. 여기서, 프레임이 가득 찼는지 검사는 하기 <수학식 9>을 만족할 때까지 상기 404 단계 내지 420 단계를 반복수행한다.
Figure 112007022993411-PAT00038
그리고, 이번 스케줄링 시점에 스케줄링된 사용자 단말 MSk을 전송하는데 사용된 무선 자원 영역에서 무선 단위 자원의 수를 하기 <수학식 10>을 이용하여 갱신한다. 하기 도 9에 상기 무선단위 자원 수의 갱신 예를 나타내고 있다.
Figure 112007022993411-PAT00039
이후, 상기 기지국 스케줄러는 420 단계에서 사용자 단말별 평균 무선자원 효율을 갱신한다(상기 <수학식 6>을 이용하여 갱신). 본 발명의 실시 예에서 고려하는 시스템에서는 한 프레임 동안 채널 상태가 변하지 않는 것으로 가정하였기 때문에 한 프레임 내에서 사용자 단말들은 동일한 무선 자원 효율을 유지하며, 프레임 내에서 가용 부채널을 최대로 이용하여 데이터를 전송할 수 있을 때까지 스케줄링을 반복 실시한다. 상기 프레임이 가득 찼을 시(상기 <수학식 9>를 만족할 때), 즉 한 프렘임에 대한 스케줄링이 완료될 시, 상기 기지국 스케줄러는 본 발명의 알고리즘을 종료한다(다음 프레임 스케줄링).
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 홉 중계방식을 사용하는 광대역 무선통신 시스템에서 기회적 패킷 스케줄링 장치의 구성을 도시한 블럭도이다. 상기 기회적 패킷 스케줄링 장치는 현재 무선 자원 효율 계산부(500), 스케줄링 우선 순위 지표 계산부(502), 평균 무선 자원 효율 계산부(504), 최대 우선 순위 지표 사용자 선택부(506), 무선 단위 자원 계산부(508)를 포함하여 구성된다.
상기 도 5을 참조하면, 상기 현재 무선 자원 효율 계산부(501)는 셀 내의 사용자 단말과 중계기로부터 수신되는 채널 상태 정보, 즉 시간 t에 셀 내에 전송할 패킷을 가진 사용자 단말 집합과 각 링크의 SINR 정보를 이용하여 현재 무선 자원의 효율 값을 계산하고, 상기 계산된 현재 무선 자원 효율 값을 상기 스케줄링 우선 순위 지표 계산부(502) 및 평균 무선 자원 효율 계산부(504)로 출력한다. 다시 말해, 각 사용자 단말별로 상기 각 링크의 SINR에 대응하는 MCS 레벨을 결정한 후, 상기 MCS 레벨에 따라 부호화된 패킷 크기와 총 부채널 수를 계산하고, 상기 계산된 부호화된 패킷 크기와 총 부채널 수를 이용하여 상기 기지국과 해당 사용자 단말 경로의 무선 자원 효율 값을 계산하되, 해당 홉에서의 전송을 위해 할당될 자원이 다른 기지국 또는 중계기의 의해 이미 사용이 되어 재사용되는 경우에는 해당 홉의 무선자원 효율 값을 제외하고, 처음으로 할당되어 사용되는 경우에는 해당 홉의 무선자원 효율을 포함시킨다(상기 수학식 3 참조).
상기 스케줄링 우선 순위 지표 계산부(502)는 상기 현재 무선 자원 효율 계산부(500)로부터 입력되는 시간 t에서의 현재 무선 자원 효율 값과 상기 평균 무선 자원 효율 계산부(504)로부터 입력되는 시간 t-1에서의 평균 무선 자원 효율 값을 이용하여 스케줄링 우선 순위 지표를 계산하고, 상기 계산된 우선 순위 지표를 상기 최대 우선 순위 지표 사용자 선택부(506)로 출력한다.(상기 <수학식 5> 참조)
상기 스케줄링 우선 순위 지표 계산시, 사전식 비교를 고려하여 z=1인 경우(무선자원 재사용 단말이 하나인 경우)에 대해서 mi ,h값을 1로 설정하고, 최대 스케줄링 우선 순위 지표를 갖는 사용자 단말이 복수로 발생하는 z=2인 경우(무선자원 재사용 단말이 복수인 경우)에 대해서 mi ,h값을 0으로 설정하여 계산한다.
상기 평균 무선 자원 효율 계산부(504)는 상기 현재 무선 자원 효율 계산부(401)로부터 입력되는 현재 무선 자원 효율 값과 상기 최대 우선 순위 지표 사용자 선택부(506)로부터 입력되는 현재 프레임에 스케줄링된 사용자 정보를 이용하여 평균 무선 자원 효율 값을 계산 및 갱신하고, 상기 계산된 평균 무선 자원 효율 값을 상기 스케줄링 우선 순위 지표 계산부(502)로 출력한다. (상기 <수학식 6> 참조)
상기 최대 우선 순위 지표 사용자 선택부(506)는 상기 스케줄링 우선 순위 지표 계산부(502)로부터 입력되는 스케줄링 우선 순위 지표 중 최대 우선 순위 지표를 가지는 사용자를 선택하고, 상기 선택된 사용자에게 데이터 전송의 기회를 부여한다. 또한, 상기 선택된 사용자의 평균 무선 자원 효율을 계산하기 위한 입력 파라미터 값, 즉 해당 패킷 크기와 부채널 수를 사용자 큐(도시하지 않음)로부터 입력받아 상기 평균 무선 자원 효율 계산부(504)로 출력한다.
상기 무선 단위 자원 계산부(508)는 기지국에서 사용자 단말까지 한 프레임 내에 전송을 하는 (cut-through) 방식을 사용하는 경우, 이번 사용자별 스케줄링 시점에 스케줄링된 사용자 단말이 전송할 데이터의 양은 링크의 채널 상태가 가장 좋은 홉에서의 무선 단위 자원으로 전송 가능한 데이터의 양으로 하고, 그 외의 나머지 홉에서는 그 홉들의 링크의 채널 상태로부터 도출된 무선 단위 자원으로 전송 가능한 데이터의 양으로부터 해당 데이터를 전송하기 위해 필요한 무선 단위 자원의 개수를 구한다.
한편 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 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 다중 홉 중계기 방식을 사용하고, 셀 내에서 공간적 주파수 재사용(또는 무선 자원 재사용)을 하는 무선 접속 통신 시스템에서 기존 셀룰러 시스템에서의 기회적(opportunistic) 스케줄링 기법을 중앙 집중적 방식으로 확장 적용하기 위한 장치 및 방법을 제공함으로써, 프레임 내에서 자원 재사용률을 높일 수 있는 사용자 단말에 상대적으로 높은 우선 순위를 부여함으로써 시스템 무선 자원 효율을 증가시키고, 무선 자원 분배의 형평성을 개선시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (17)

  1. 다중 홉 중계방식을 사용하는 광대역 무선 통신 시스템에서 무선자원 재사용을 고려한 기회적 패킷 스케줄링 방법에 있어서,
    각 단말 경로별로 사용자 단말과 중계기가 보고하는 채널정보를 수집하는 과정과,
    상기 채널정보를 이용하여 각 홉별로 자원 재사용 그룹 내에서 최대 자원할당 크기(
    Figure 112007022993411-PAT00040
    )와 상기 자원 재사용 그룹의 각 단말별 자원할당 크기를 초기화하는 과정과,
    상기 자원 재사용 그룹 내에서 최대 자원할당 크기와 상기 자원 재사용 그룹의 각 단말별 자원할당 크기를 이용하여 같은 자원 재사용 그룹 내의 다른 기지국 또는 중계기에 의해 사용된 자원의 재사용 여부를 판단하는 과정과,
    상기 자원 재사용 여부를 반영하여 해당 사용자 단말 경로의 현재 무선자원 효율을 계산하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 해당 사용자 단말별 현재 무선자원 효율은 각 홉별 자원 재사용 여부를 고려한 무선자원 효율 역수의 합으로 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 해당 사용자 단말별 현재 무선자원 효율은 하기 <수학식 11>로 계산되는 것을 특징으로 방법.
    Figure 112007022993411-PAT00041
    Figure 112007022993411-PAT00042
    여기서, 상기
    Figure 112007022993411-PAT00043
    는 단말(i)의 다중 홉의 무선자원 효율, 상기 ri ,h는 h홉의 무선자원 효율이고, mi ,h 값의 결정은 하기 <수학식 12>로 결정됨.
    Figure 112007022993411-PAT00044
    여기서, 상기
    Figure 112007022993411-PAT00045
    는 h번째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서
    Figure 112007022993411-PAT00046
    의 최대값이고, 상기
    Figure 112007022993411-PAT00047
    는 h번째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서 b번째 노드의 자원 할당 영역(region)의 크기이고, 상기 a(N)는 노드 N의 자원 재사용 그룹 인덱스, b(N)는 노드 N의 자원 재사용 그룹 내 노드 인덱스, 상기 z는 사전식 비교 값임.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 사용자 단말별로 평균 무선자원 효율 대비 현재 무선 자원 효율의 비로 스케줄링 우선순위 지표를 계산하는 과정과,
    상기 스케줄링 우선순위 지표가 가장 큰 사용자 단말을 선택하고, 상기 선택된 사용자 단말을 스케줄링하는 과정과,
    상기 스케줄링된 사용자 단말의 홉 별 필요 무선단위자원과 실제 무선단위 자원 개수를 계산하는 과정과,
    상기 사용자 단말의 홉 별 필요 무선단위자원과 상기 실제 무선단위 자원 개수를 이용하여 자원 재사용 그룹의 각 단말별 자원할당 크기를 갱신하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 사용자 단말의 홉 별 필요 무선단위자원은 하기 <수학식 13>을 이용하여 갱신하는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112007022993411-PAT00048
    여기서, pkh는 MSk의 h홉에서 필요 단위 무선자원의 개수이고, CEIL(n)는 주어진 값(n)보다는 크지만 가장 근접하는 최소값을 구하는 함수이고, rk ,h는 MSk의 h홉에서 실질적으로 필요한 무선자원 단위의 개수임.
  6. 제 4항에 있어서,
    상기 실제 무선단위 자원 개수는 하기 <수학식 14>을 이용하여 갱신하는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112007022993411-PAT00049
    여기서, 상기
    Figure 112007022993411-PAT00050
    는 MSk의 h홉에서 실질적으로 필요한 단위 무선자원의 개수이고, pkh는 MSk의 h홉에서 필요 단위 무선자원의 개수이고, 상기
    Figure 112007022993411-PAT00051
    는 h번째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서
    Figure 112007022993411-PAT00052
    의 최대값이고, 상기
    Figure 112007022993411-PAT00053
    는 h번째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서 b번째 노드의 자원 할당 영역(region)의 크기임.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 각 단말별 자원할당 크기는 하기 <수학식 15>로 갱신하는 것을 특징으로 하는 방법.
    Figure 112007022993411-PAT00054
    상기
    Figure 112007022993411-PAT00055
    는 h번째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서 b번째 노드의 자원 할당 영역(region)의 크기이고, pkh는 MSk의 h홉에서 필요 단위 무선자원의 개수임.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 스케줄링 우선순위 지표가 최대인 사용자 단말이 하나 이상일 때, 자원 재사용 여부를 고려하지 않은 경로의 무선자원 효율로 우선순위를 재비교하는 것을 특징으로 방법.
  9. 다중 홉 중계방식을 사용하는 광대역 무선 통신 시스템에서 무선자원 재사용을 고려한 기회적 패킷 스케줄링 장치에 있어서,
    각 단말 경로별로 사용자 단말과 중계기가 보고하는 채널정보를 이용하여 각 홉별로 자원 재사용 그룹 내에서 최대 자원할당 크기와 상기 자원 재사용 그룹의 각 단말별 자원할당 크기를 초기화한 후, 상기 자원 재사용 그룹 내의 다른 기지국 또는 중계기에 의해 사용된 자원의 재사용 여부를 반영하여 해당 사용자 단말 경로의 현재 무선자원 효율을 계산하는 현재 무선자원 효율 계산부와.
    상기 사용자 단말별로 평균 무선자원 효율과 현재 무선 자원 효율의 비로 스케줄링 우선순위 지표를 계산하는 스케줄링 우선 순위 지표 계산부와,
    상기 스케줄링 우선순위 지표가 가장 큰 사용자 단말을 선택하고, 상기 선택된 사용자 단말을 스케줄링하는 최대 우선순위지표 사용자 선택부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 스케줄링된 사용자 단말의 홉 별 필요 무선단위자원과 실제 무선단위 자원 개수를 계산하는 무선단위자원 계산부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 해당 사용자 단말별 현재 무선자원 효율은 각 홉별 자원 재사용 여부를 고려한 무선자원 효율 역수의 합으로 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 해당 사용자 단말별 현재 무선자원 효율은 하기 <수학식 16>로 계산되는 것을 특징으로 장치.
    Figure 112007022993411-PAT00056
    Figure 112007022993411-PAT00057
    여기서, 상기
    Figure 112007022993411-PAT00058
    는 단말(i)의 다중 홉의 무선자원 효율, 상기 ri ,h는 h홉의 무선자원 효율이고, mi ,h 값의 결정은 하기 <수학식 17>로 결정됨.
    Figure 112007022993411-PAT00059
    여기서, 상기
    Figure 112007022993411-PAT00060
    는 h번째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서
    Figure 112007022993411-PAT00061
    의 최대값이고, 상기
    Figure 112007022993411-PAT00062
    는 h번째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서 b번째 노드의 자원 할당 영역(region)의 크기이고, 상기 a(N)는 노드 N의 자원 재사용 그룹 인덱스, b(N)는 노드 N의 자원 재사용 그룹 내 노드 인덱스, 상기 z는 사전식 비교 값임.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 현재 무선자원 효율 계산부는
    상기 사용자 단말의 홉 별 필요 무선단위자원과 상기 실제 무선단위 자원 개수를 이용하여 자원 재사용 그룹의 각 단말별 자원할당 크기를 갱신하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 사용자 단말의 홉 별 필요 무선단위자원은 하기 <수학식 18>을 이용하 여 갱신하는 것을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112007022993411-PAT00063
    여기서, pkh는 MSk의 h홉에서 필요 단위 무선자원의 개수이고, CEIL(n)는 주어진 값(n)보다는 크지만 가장 근접하는 최소값을 구하는 함수이고, rk ,h는 MSk의 h홉에서 실질적으로 필요한 무선자원 단위의 개수임.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 실제 무선단위 자원 개수는 하기 <수학식 19>을 이용하여 갱신하는 것을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112007022993411-PAT00064
    여기서, 상기
    Figure 112007022993411-PAT00065
    는 MSk의 h홉에서 실질적으로 필요한 단위 무선자원의 개수이고, pkh는 MSk의 h홉에서 필요 단위 무선자원의 개수이고, 상기
    Figure 112007022993411-PAT00066
    는 h번째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서
    Figure 112007022993411-PAT00067
    의 최대값이고, 상기
    Figure 112007022993411-PAT00068
    는 h번 째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서 b번째 노드의 자원 할당 영역(region)의 크기임.
  16. 제 9항에 있어서,
    상기 각 단말별 자원할당 크기는 하기 <수학식 20>로 갱신하는 것을 특징으로 하는 장치.
    Figure 112007022993411-PAT00069
    상기
    Figure 112007022993411-PAT00070
    는 h번째 홉의 a번째 자원 재사용 그룹 내에서 b번째 노드의 자원 할당 영역(region)의 크기이고, pkh는 MSk의 h홉에서 필요 단위 무선자원의 개수임.
  17. 제 9항에 있어서,
    상기 스케줄링 우선순위 지표가 최대인 사용자 단말이 하나 이상일 때, 자원 재사용 여부를 고려하지 않은 경로의 무선자원 효율로 우선순위를 재비교하는 것을 특징으로 장치.
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