KR20100058790A - 무선 인지 통신 시스템에서 우선 사용자 출현 빈도를 고려한 하향링크 스케줄링 기법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 무선 인지 통신 시스템에서의 하향 전송 시 우선 사용자가 사용하지 않는 유휴 주파수 자원을 효율적으로 사용하는데 있어, 기존의 무선 통신 시스템에서 대표적으로 사용되는 비례 공평성 스케줄링을 그대로 적용할 경우 발생하는 본래의 자원 할당 성능이 저하되는 문제가 우선 사용자의 출현을 고려하지 않음으로 인해 발생하는 것임에 착안하여 현재 스케줄링 주기까지 누적된 각 무선 채널별 우선 사용자 출현 빈도 정보를 고려하여 스케줄링을 수행함으로써 유휴 자원을 효율적으로 할당하기 위한 스케줄링 방법에 관한 것이다.

Cognitive Radio, 우선 사용자 출현빈도, 하향링크 스케줄링, 자원 할당, CR 노드

Description

무선 인지 통신 시스템에서 우선 사용자 출현 빈도를 고려한 하향링크 스케줄링 기법 { Downlink Scheduling Algorithm based on Incumbent User Occurrence for Cognitive Radio Communication System }

발명은 중앙 집중형 무선 인지 라디오 (CR: Cognitive Radio) 통신 시스템에서 하향 전송 시 우선 사용자 (IU: Incumbent User)가 사용하지 않는 유휴주파수 자원을 CR 노드 (CR node)들에게 효율적으로 할당하기 위한 스케줄링 (Scheduling) 방법에 관한 것이다.

최근 급속히 발전하는 다양한 형태의 무선 통신 기술은 일상생활뿐만 아니라 산업 전반에 걸쳐 더욱 밀접하게 사용되고 있다. 그중 WCDMA (Wideband Code Division Multiple Access), IMT-2000, WiBro 등과 같은 무선 통신 기술의 급격한 발달은 많은 정보를 손쉽게 어디서나 이용할 수 있는 기회를 제공하였다. 그러나 다양한 무선 기술의 등장은 모든 주파수 대역의 자원을 소모하게 하였으며, 특히 낮은 주파수 대역은 여분의 주파수 대역이 없는 상황이다. 이러한 주파수 자원은 국가의 무형재산으로 인식되고 있으며, 자원은 한정되어 있는 반면 이에 대한 수요는 급격하게 증가하고 있는 실정이다. 특히, 특정 대역에서의 대역 할당이 우선 사 용자 위주로 이루어지기 때문에 시간적, 공간적, 지역적으로 유휴 주파수가 발생할 수 있지만 이는 특정 무선 통신 시스템에 할당된 것으로 다른 목적으로의 재사용이 불가능하다. 이러한 문제를 해결하기 위해 유휴 주파수를 재사용하고 무선 주파수 자원의 효율성 증대를 위해 연구되고 있는 것이 CR 기술이다.

이동 통신 시스템에서 사용자에게 자원을 할당하기 위한 스케줄링 방식 중 널리 사용되는 방식인 비례 공평성 (PF: Proportional Fairness) 스케줄링 방식은 전체 전송량을 향상시키면서 이동 단말기 (MS: Mobile Station)들 간 채널 품질에 따른 공평성 (Fairness)을 제공하는 스케줄링 방식이다. 하향 링크 스케줄링을 위하여 이러한 비례 공평성 스케줄링 기법을 사용하는 기지국에서는 매 스케줄링 주기마다 각 이동 단말들로부터 피드백 (Feedback)받은 채널 품질 정보 (CQI: Channel Quality Information)를 통해 각 사용자별 무선 채널 상태와 평균 전송량을 구한 후 이를 활용하여 무선 자원을 사용자에게 할당한다. 자원을 할당할 사용자를 결정하는 구체적인 방법은 수학식 1과 같다.

[ 수학식 1]

여기서 i 는 사용자를 나타내는 인덱스 (Index)이며, R _i (t)는 사용자 i 의 현재 전송량을 의미한다. 또한 T _i (t)는 사용자 i 의 평균 전송량을 의미하며 매 스케줄링 주기마다 수학식 2에 의해 갱신한다.

[ 수학식 2]

여기서 t_c는 상기의 평균 전송량을 계산하기 위해 사용되는 가중치이다. 이러한 수학식 1과 수학식 2를 통해 가장 큰 R _i (t)/ T _i (t) 값을 갖는 사용자가 해당 스케줄링 주기의 무선자원을 할당받게 된다.

본 발명에서 고려하는 무선 인지 통신 시스템에서는 우선 사용자의 출현 시 자원을 우선 사용자에게 우선적으로 할당하게 된다. 따라서 기존의 비례 공평성 스케줄링을 무선 인지 통신 시스템에 그대로 적용할 경우 CR 노드별 채널의 품질만을 고려할 뿐 해당 채널의 우선 사용자의 출현 여부를 고려하지 않아 CR 노드가 스케줄링을 통해 자원을 할당받았음에도 불구하고 우선 사용자의 출현으로 인해 전송을 하지 못하는 문제가 발생한다. 이러한 문제로 인해 비례 공평성 스케줄링의 의도와는 다른 자원 할당이 이루어져 본래의 성능을 나타내지 못하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 본 발명에서는 기지국과 각 CR 노드간 무선 채널 상태뿐만 아니라 각 무선 채널에서의 우선 사용자 출현 빈도를 추가적으로 고려한다. 이를 통해 높은 채널 상태와 낮은 우선 사용자 출현 빈도를 가지는 무선 채널일수록 CR 노드에 먼저 할당함으로써 우선 사용자의 출현으로 인한 전송 실패를 줄여 유휴 주파수 자원을 보다 효율적으로 사용할 수 있는 비례 공평성 기반 하향링크 스케줄링 방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 무선 인지 통신 시스템에서 우선 사용자가 출현함에 따라 발생하는 CR 노드의 전송 실패로 인해 비례 공평성 스케줄링의 성능이 저하되는 문제점을 해결하기 위해 기존의 비례 공평성 스케줄링 방법에 우선 사용자의 출현 빈도를 추가적으로 고려하여 스케줄링이 이루어진다.

이를 위해 먼저, CR 노드들로부터 각각 피드백 받은 채널 품질 정보를 통해 CR 노드들의 채널별 전송 가능한 최대 전송량을 구하는 제 1단계와, 현재 스케줄링 주기까지 누적된 각 무선 채널별 우선 사용자 출현 빈도 정보를 활용하여 이를 현재 전송량에 곱함으로써 낮은 우선 사용자 출현 빈도를 갖는 무선 채널에 높은 가중치를 주는 제 2단계, 상기 두 단계와 각 CR 노드의 평균 전송량을 고려하여 CR 노드에 자원 블록을 할당하는 제 3단계, 마지막으로 스케줄링 이후 다음 스케줄링에 사용할 평균 전송량을 갱신하는 제 4단계를 포함하는 무선 인지 통신 시스템에서 우선 사용자 출현 빈도를 고려한 하향링크 스케줄링 방법을 제공한다.

본 발명은 기존 무선 통신 시스템의 하향링크 전송에 대표적으로 사용되는 비례 공평성 스케줄링 방법을 무선 인지 통신 시스템의 하향링크 전송에 적용함에 있어 우선 사용자 출현 빈도를 추가적으로 고려하여 채널 품질이 높고 우선 사용자 출현 빈도가 낮은 채널에 가중치를 더 주어 무선 자원을 각 CR 노드에게 할당하게 된다. 이에 따라 CR 노드가 스케줄링을 통해 자원을 할당받았음에도 불구하고 우선 사용자의 출현으로 인해 전송 실패가 발생함으로써 발생하는 비례 공평성 스케줄링의 성능 저하를 감소시킴으로써 매우 한정적인 무선 인지 통신 시스템의 유휴 주파수 자원을 효율적으로 사용할 수 있는 방법을 제공한다.

본 발명의 기술요지는 무선 인지 통신 시스템에서의 하향 전송 시 우선 사용자가 사용하지 않는 유휴 주파수 자원을 효율적으로 사용하는 데 있어, 기존의 무 선 통신 시스템에서 대표적으로 사용되는 비례 공평성 스케줄링을 그대로 적용할 경우 발생하는 본래의 자원 할당 성능이 저하되는 문제가 우선 사용자의 출현을 고려하지 않음으로 인해 발생하는 것임에 착안하여 현재 스케줄링 주기까지 누적된 각 무선 채널별 우선 사용자 출현 빈도 정보를 고려하여 스케줄링을 수행함으로써 이러한 문제를 최소화함에 있다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명에서 고려하는 무선 인지 통신 시스템의 기지국 내 존재하는 하향링크 스케줄러 (Scheduler)를 개념적으로 도시한 구조도로써 무선 인지 통신 시스템의 기지국 내 존재하는 스케줄러(100), CR 노드의 데이터를 할당할 자원 블록(200), n개의 CR 노드 큐(300), 채널 품질 정보(110), 우선 사용자 출현빈도 정보(120)를 포함한다.

무선 인지 통신 시스템에서의 하향 전송 스케줄링은 크게 다음과 같은 과정을 통해 이루어진다. 먼저, 기지국은 CR 노드들로부터 각각 피드백 받은 채널 품질 정보를 통해 기지국과 CR 노드간 채널별 전송 가능한 최대 전송량을 알 수 있다. 이와 더불어 현재 스케줄링 주기까지 누적된 각 무선 채널별 우선 사용자 출현 빈도 정보(120)를 수집한다. 상기 두 정보를 활용한 스케줄링 알고리즘을 통해 현재 전송주기에 전송할 CR 노드와 자원을 할당할 자원 블록을 선택하게 된다. 이때 사용되는 자원 블록은 우선 사용자가 사용하고 있는 자원 블록이 아닌 유휴 자원 블록을 대상으로 한다. 이와 같은 방법으로 유휴 자원 블록 수만큼의 스케줄링의 반 복을 통해 모든 유휴 자원 블록에 CR 노드의 패킷을 할당함으로써 하나의 전송 시구간 (TTI: Transmit Time Interval)의 하향링크 스케줄링이 이루어진다. 마지막으로 다음 스케줄링에 사용할 CR 노드별 평균 전송량을 갱신한다. 이러한 과정의 반복으로 매 전송주기마다 스케줄링을 통해 유휴 자원을 활용한 기지국과 CR 노드간의 통신이 이루어진다.

본 발명에서 제공하는 스케줄링 알고리즘은 비례 공평성 스케줄링 알고리즘을 기반으로 우선 사용자의 출현 빈도를 추가적으로 고려한 스케줄링 알고리즘이며, 이는 수학식 3을 통해 결정된다.

[ 수학식 3]

수학식 3에서 I ^*(t)는 스케줄링을 통해 각 자원 블록(200)에 자원을 할당 받은 사용자의 그룹을 의미하며, I 는 시점 t 에서 CR 노드 큐(300)에 하향 데이터가 존재하는 CR 노드 그룹을 의미한다.

현재 시구간에서 우선순위 함수 Pr(i,j,t)의 값을 최대로 하는 CR 노드 i 와 패킷을 전송할 자원 블록 j 를 결정하고, 이와 같은 과정의 반복을 통해 전송할 CR 노드의 그룹 I ^*(t)를 결정한다. 이때, 우선순위 함수 Pr(i,j,t)는 하기 수학식 4와 같다.

[ 수학식 4]

상기 수학식 4에서 R _i (t)는 전송 시구간 t 에서 CR 노드 i 가 자원 블록 j 에 자원을 할당할 경우 채널 상태에 따른 송신 가능한 데이터양을 나타내며, 이는 변조 기법과 코딩기법에 따라 결정되게 된다.

F _j (t)는 자원 블록 j 의 우선 사용자의 출현 빈도를 나타낸다. 또한, T _i (t)는 현재 시점 까지 CR 노드 i 에게 송신한 스케줄링 주기 당 평균 전송량을 의미한다.

수학식 4와 같이 1-F _j (t)를 R _ij (t)에 곱해줌으로써 우선 사용자 출현 빈도가 낮을수록 높은 가중치를 주게 되어 채널 품질이 높고 우선 사용자 출현 빈도가 낮은 자원 블록이 우선적으로 선택되게 된다. 따라서 우선 사용자의 출현으로 스케줄링을 통해 자원을 할당 받은 CR 노드가 전송을 하지 못하는 빈도를 줄임으로써 비례 공평성 스케줄링의 성능 저하 문제를 최소화 할 수 있다. 이때 사용되는 F _j (t)는 수학식 5를 통해 구할 수 있다.

[ 수학식 5]

상기 수학식 5에서 A _j (t)는 전송 시구간 t 에서의 자원 블록 j 에 대한 우선 사용자 출현 여부를 나타내며, 0또는 1의 값을 가진다(A_j(t)∈{0,1}). 즉, 이러한 A_j(t)의 합을 통해 현재 TTI까지의 우선 사용자의 출현 횟수를 알 수 있다. N_TTI는 현재까지 운용된 총 TTI개수이다. 따라서 상기 수학식 5와 같이 우선 사용자가 출현한 횟수에 현재까지 운용된 TTI 횟수를 나눔으로써 자원 블록 j 의 우선 사용자 출현 빈도를 산출할 수 있게 된다.

한편, 평균 전송량 T _i (t)는 다음 전송 주기의 스케줄링을 위해 매 전송 시구간 마다 갱신되며 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.

[ 수학식 6]

상기 수학식 6은 지수 가중 이동 평균(EWMA: Exponential Weighted Moving Average)의 형태이며, 두 수식중 상위 수식은 전송 주기 t 에 자원을 할당받은 CR 노드의 평균 전송량 갱신 방법을 나타내며, 하위 수식은 자원을 할당 받지 못한 CR 노드의 평균 전송량 갱신 방법을 나타낸다. 이는 자원을 할당 받지 못한 CR 노드의 경우 해당 전송 주기의 전송량이 없으므로 지수가중 이동 평균의 현재 전송량이 0이 되어 과거의 평균값만으로 평균 전송률을 갱신하기 때문이다.

도 2는 본 발명에 따른 무선 인지 통신 시스템에서 기지국의 스케줄링 과정을 개략적으로 도시한 흐름도이다.

스케줄링을 위해서는(S101) 먼저, 우선 사용자의 미사용으로 인해 가용할 수 있는 자원 블록(S102)을 검출한다. 그리고 CR 노드들로부터 각각 피드백 받은 채널 품질 정보(110)와 우선 사용자의 출현 빈도 정보(120)를 이용해서 자원 블록의 정보를 수집한다(S103). 상기 두 정보를 통해 CR 노드들의 채널별 전송 가능한 최대 전송량을 구하고, 각 CR 노드의 평균 전송량을 고려하여 Pr(i,j,t)값이 최대로 하는 CR 노드와 자원 블록을 선택하여 자원을 할당한다(S104). 다음으로 스케줄링 이후 다음 스케줄링에 사용할 평균 전송량 T _i (t)을 갱신하는데, CR 노드별로 해당 자원 블록에서 스케줄링 된 CR 노드인지를 판단한다(S105).

상기 판단 결과 전송 시구간 t 에 CR 노드 i 가 해당 자원 블록 j 에 할당 받은 경우 상기 수학식 6 (a)에 따라 다음 자원 블록에서의 스케줄링을 위한 평균 전송량을 산출하여 갱신한다(S106).

반면, 전송 시구간 t 에 CR 노드 i 가 해당 자원 블록 j 에 할당 받지 못한 경우에는 상기 수학식 6 (b)에 따라 다음 자원 블록에서의 스케줄링을 위한 평균 전송량을 산출하여 갱신된다.(S107).

이와 같은 과정을 해당 시스템내의 모든 자원 블록에 대해 실시(S108)한 후 스케줄링을 종료한다(S109).

도 1은 본 발명에서 고려하는 무선 인지 통신 시스템의 기지국 내 존재하는 하향링크 스케줄러 (Scheduler)를 개념적으로 도시한 구조도

도 2는 본 발명에 따른 무선 인지 통신 시스템에서 기지국의 스케줄링 과정을 개략적으로 도시한 흐름도

Claims (3)

1. 무선 인지 통신 시스템의 기지국 내 존재하는 하향링크 스케줄링 방법에 있어서,

   상기 스케줄러에서 우선 사용자가 사용하지 않는 유휴 주파수 자원을 해당 스케줄러를 이용해 할당하는 과정을 특징으로 하는 스케줄링 방법
2. 제 1항에 있어서,

   상기 스케줄링 방식은 비례 공평성 (Proportional Fairness) 스케줄링 방식에서 무선 채널별 우선 사용자 출현 빈도 정보를 활용하여 이를 현재 전송량에 곱함으로써 낮은 우선 사용자 출현 빈도를 갖는 무선 채널에 높은 가중치가 부여되는 스케줄링 방법
3. 제 1항에 있어서,

   상기 비례 공평성 스케줄링 방식에서 자원 블록들 각각에 우선 사용자의 출현 빈도 F _i (t)를 구하는 것을 특징으로 하는 스케줄링 방법.

Images