KR20120017576A - 무선통신 시스템에서의 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법 및 그 장치 - Google Patents

무선통신 시스템에서의 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법 및 그 장치 Download PDF

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KR20120017576A
KR20120017576A KR1020100080249A KR20100080249A KR20120017576A KR 20120017576 A KR20120017576 A KR 20120017576A KR 1020100080249 A KR1020100080249 A KR 1020100080249A KR 20100080249 A KR20100080249 A KR 20100080249A KR 20120017576 A KR20120017576 A KR 20120017576A
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Abstract

본 발명은 무선통신 시스템에서의 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 각 트래픽 플로우가 지연(delay) 관점에서 가지는 긴급성(urgency)을 우선순위함수로서 적용하여 지연에 민감한 트래픽들이 신호 절단(outage)을 경험하는 확률을 낮추고, 지연에 민감한 트래픽 플로우들의 긴급성이 낮은 경우에는 전체 트래픽 플로우들을 데이터 처리량(throughput) 관점에서 최적화되도록 스케쥴링함으로써, 패킷지연과 데이터 처리량(throughput) 두 측면을 모두 고려할 수 있는 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법 및 그 장치를 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법에 있어서, 트래픽 플로우에 대한 긴급성(urgency)을 계산하는 긴급성 계산 단계; 상기 계산된 긴급성이 임계치보다 큰 트래픽 플로우가 있는지를 판단하는 단계; 상기 판단 결과, 상기 계산된 긴급성이 상기 임계치보다 큰 트래픽 플로우들이 있으면, 상기 계산된 긴급성이 상기 임계치보다 큰 트래픽 플로우들 중에서 해당 슬롯(slot)을 할당할 경우 긴급성의 감소폭이 가장 큰 트래픽 플로우를 선정하는 단계; 및 상기 판단 결과, 상기 계산된 긴급성이 상기 임계치보다 큰 트래픽 플로우가 없으면, 데이터 처리량(throughput) 관점의 스케쥴링 알고리즘에 따라 상기 해당 슬롯에 할당할 트래픽 플로우를 선정하는 단계를 포함한다.

Description

무선통신 시스템에서의 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법 및 그 장치{Method and apparatus for downlink packet scheduling in a wireless communication system}
본 발명은 무선통신 시스템에서의 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법 및 그 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 다수의 사용자 트래픽을 공유된 무선 자원을 통해 각 사용자 수신기(사용자 단말)로 전송해야 하는 무선 기지국에서 매 스케쥴링 시점마다 하향 링크(다운링크)로 전송할 사용자 트래픽 플로우를 선정하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
무선통신 시스템에서 중요한 이슈 사항들 중 하나는 무선통신 시스템을 통하여 전송되는 트래픽 플로우들에 대하여 요구되는 수준의 서비스 품질(QoS : Quality of Service)을 만족시키는 것이다. 그 이유는 하나의 기지국이 사용할 수 있는 주파수 자원은 한정되어 있는 반면에, 다수의 사용자들로 전송할 전체 트래픽의 합이 주어진 무선 자원을 통해 전송할 수 있는 용량을 초과하게 될 경우, 패킷지연과 버퍼 오버 플로우가 발생하여 사용자 트래픽에 대한 서비스 품질(QoS)을 만족시키지 못하는 일이 발생하기 때문이다.
도 1a는 본 발명이 적용되는 무선통신 시스템의 하향 링크에 대한 일실시예 구성도이다.
일반적으로, 사용자 트래픽에 대한 서비스 품질(QoS)을 제공하기 위하여 중요한 역할을 하는 구성 요소가 무선 기지국의 다운링크 스케쥴러(즉, 패킷 스케쥴러, 13)이다. 무선 기지국에서 하향 링크로 전송되어야 하는 사용자 트래픽 플로우들(다운링크 트래픽)은 도 1에 도시된 바와 같이 트래픽 분류기(traffic classifier, 11)에 의해 각 트래픽 플로우별로 지정된 버퍼 메모리(12)에 저장되며, 다운링크 스케쥴러(즉, 패킷 스케쥴러, 13)는 이 트래픽 플로우들 중에서 매 TTI(Transmit Time Interval)마다 어떤 트래픽 플로우의 패킷들을 사용자 단말(14) 측으로 무선 채널(Wireless Channel)을 통하여 송신할 것인가를 결정한다.
참고로, 하나의 TTI 안에는
Figure pat00001
개의 슬롯(slot)들이 존재하고, 하나의 슬롯(slot)은 TDMA(Time Division Multiple Access) 시스템의 경우에는 시간 영역 슬롯(time-domain slot)을 나타내고, OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 시스템의 경우에는 시간과 주파수 영역의 2차원 슬롯(slot)을 나타낸다. 따라서 다운링크 스케쥴러(즉, 패킷 스케쥴러, 13)는 매 TTI(
Figure pat00002
)마다
Figure pat00003
개의 트래픽 플로우들을 선정하게 된다. 예를 들어, TDMA 시스템의 경우에는 매 슬롯 주기(
Figure pat00004
)마다 1개 트래픽 플로우 선정 작업을 수행하는 방식으로 구현할 수 있다. 또한, OFDMA 시스템의 경우에도 TDMA 시스템과 마찬가지로 매 TTI에서 가상의 슬롯 주기(
Figure pat00005
)마다 1회의 트래픽 플로우를 선정하는 방식으로 구현할 수 있다.
한편, 이러한 트래픽 플로우 선정 과정에서 어떤 기준을 적용하는가에 따라 시스템의 전체 데이터 처리량(throughput)과 각 트래픽 플로우에 대한 서비스 품질(QoS)이 결정되기 때문에, 각 사용자 트래픽 플로우가 요구하는 서비스 품질(QoS) 수준을 골고루 만족시키면서 동시에 시스템의 전체 데이터 처리량(throughput)을 최대화할 수 있는 스케쥴링 방법이 요구되고 있다.
이러한 요구사항을 만족시키기 위하여 지금까지 제시된 다양한 스케쥴링 방법들 중에서 대표적인 스케쥴링 방식으로는 라운드 로빈(Round-Robin) 방식, 맥스(Max) C/I(Carrier to Interference) 방식, PF(Proportional Fair) 방식, M-LWDF(Modified Largest Weighted Delay First) 방식, 및 EXP(Exponential Rule) 방식 등이 있다.
이러한 각 스케쥴링 방식에 대해 좀 더 상세히 살펴보면 다음과 같다.
먼저, 라운드 로빈(Round-Robin) 방식은, N개의 트래픽 플로우가 존재하는 경우에 일정한 순서(예를 들면, 트래픽 플로우 인덱스(index)가 증가하는 순서)에 따라 매 슬롯(slot)을 통해 전송할 트래픽 플로우를 선정하는 방식이다. 이러한 라운드 로빈(Round-Robin) 방식은 모든 트래픽 플로우들에게 동일한 지분만큼의 전송기회를 부여하기 때문에 무선 자원을 모든 트래픽 플로우들에게 공평하게 배분할 수 있으나, 사용자별로 다른 무선 링크의 용량을 고려하지 않기 때문에 전체 시스템의 데이터 처리량(throughput)을 최적화하지 못하는 한계를 가진다.
다음으로, 맥스(Max) C/I 방식은 버퍼에 전송할 패킷이 있는 트래픽 플로우들 중에서 해당 무선 채널의 순간 채널 용량(instantaneous channel capacity)이 가장 양호하여 가장 많은 데이터를 전송할 수 있는 트래픽 플로우를 선정하여 그 트래픽 플로우에게 전송 기회를 부여하는 방식이다. 이러한 맥스(Max) C/I 방식은 매 슬롯(slot)을 통해 가장 많은 데이터를 전송할 수 있는 트래픽 플로우를 선정하기 때문에 시스템의 전체 데이터 처리량(throughput)을 최대화할 수 있는 장점이 있으나, 트래픽 플로우들의 서비스 품질(QoS)이나 공평성(fairness)을 고려하지 못하는 한계점을 가지고 있다.
다음으로, PF 방식은 타임(time) t에서 슬롯(slot)을 할당함에 있어서, 하기의 [수학식 1]과 같이 각 트래픽 플로우에 대하여 해당 슬롯(slot)을 통해 전송 가능한 데이터(data)의 양
Figure pat00006
와 바로 이전 슬롯(slot)까지 할당한 결과에 의해 전송된 트래픽 플로우 k의 총 데이터(data)의 양(즉, 데이터 처리량)
Figure pat00007
의 비율을 우선순위함수(priority function)로서 계산하고, 이렇게 계산된 우선순위함수가 가장 큰 트래픽 플로우를 해당하는 대상 슬롯(slot)을 통해 전송하기로 선정하는 방식이다.
Figure pat00008
여기서,
Figure pat00009
는 현재 시점에서 버퍼에 대기중인 데이터량과 해당 슬롯(slot)의 채널 용량 중의 작은 값을 갖는다. 타임 t에서 슬롯(slot)이 트래픽 플로우 k에 할당된 경우에
Figure pat00010
와 같이 표현되며, 그렇지 않은 경우
Figure pat00011
가 된다.
이러한 PF 방식에 의하면,
Figure pat00012
가 시간에 따라 변화하지 않는 경우에는 각 트래픽 플로우들의 데이터 처리량(throughput)이
Figure pat00013
에 비례하는 값을 갖게 되기 때문에, 채널용량이 큰 사용자에게는 좀 더 많은 전송기회를 부여하고, 채널용량이 적은 사용자에게는 상대적으로 적은 전송기회를 부여하게 된다. 이러한 PF 방식은 맥스(Max) C/I 방식과 비교할 때 전체 데이터 처리량(throughput)을 조금 희생하고 공평성(fairness)을 개선한 방법으로 볼 수 있다.
그러나 이러한 PF 방식의 한계점은, 라운드 로빈(Round-Robin) 방식 및 맥스(Max) C/I 방식과 마찬가지로 패킷지연을 고려하지 않기 때문에 지연에 민감한 트래픽 플로우(delay-sensitive traffic flow)에 대한 서비스 품질(QoS)을 제공하기 어렵다는 점이다.
참고로, PF 방식은 모든 트래픽 플로우들의 데이터 처리량(throughput)의 곱을 최대화하는 방식임을 수학적으로 증명할 수 있다.
다음으로, M-LWDF 방식은 상기 PF 방식의 변경으로서, M-LWDF 방식에 의해 선정되는 트래픽 플로우의 인덱스(index)는 하기의 [수학식 2]와 같이 표현된다.
Figure pat00014
여기서,
Figure pat00015
는 타임 t에 트래픽 플로우 k의 버퍼 메모리에서 대기중인 첫 번째 패킷(Head-of-the-line Packet)이 버퍼 메모리에서 기다린 시간(delay), 즉, HPD(Head-of-the-line Packet Delay)를 나타내고,
Figure pat00016
는
Figure pat00017
와 같이 정의되는 변수로서,
Figure pat00018
는 트래픽 플로우 k의 패킷들에 요구되는 패킷지연 임계치(delay threshold)이고,
Figure pat00019
는 트래픽 플로우 k의 신호 절단율(outage rate)의 허용 가능한 최대치를 나타낸다.
참고로, 트래픽 플로우 k의 신호 절단율(outage rate)은 그 HPD
Figure pat00020
가 패킷지연 임계치
Figure pat00021
보다 크게 되는 비율로서,
Figure pat00022
와 같이 표현된다.
이러한 M-LWDF 방식은, PF 방식이 우선순위를 정하는 데 있어서 각 플로우들의 데이터 처리량(throughput)만을 고려한 것과 달리, 각 트래픽 플로우의 HPD를 선형적 가중치(linear weight)로서 적용함으로써 HPD가 큰 트래픽 플로우에 대하여 좀 더 우선권을 부여한 것이 특징이다.
다음으로, EXP 방식도 마찬가지로 PF 방식의 변경으로서, EXP 방식에 의해 선정되는 트래픽 플로우의 인덱스(index)는 하기의 [수학식 3]과 같이 표현된다.
Figure pat00023
이러한 EXP 방식은, M-LWDF 방식이 우선순위를 정하는 데 있어서 각 트래픽 플로우의 HPD를 선형적 가중치(linear weight)로서 적용한 것과 달리, 각 트래픽 플로우의 HPD를 지수적 가중치(exponential weight)로서 적용함으로써 패킷지연이 큰 트래픽 플로우에 대하여 M-LWDF 방식의 경우보다 좀 더 우선권을 부여한 것이 특징이다.
전술한 바와 같이, M-LWDF 방식과 EXP 방식은 공통적으로 데이터 처리량(throughput)만을 고려한 PF 방식에 비하여 추가적으로 트래픽 플로우들의 패킷지연 요구사항을 반영하였기 때문에 패킷지연에 민감한 트래픽 플로우들이 존재하는 시스템에 적용할 경우 PF 방식에 비하여 장점을 가진다.
그러나 상기 M-LWDF 방식과 EXP 방식이 가지는 한계점은, 그 우선순위함수들이 PF 방식의 우선순위함수에서 주먹구구식으로 변형된 것이기 때문에 성능면에서 최적성을 주장할 수 없고, 그에 따라 이러한 M-LWDF 방식이나 EXP 방식보다 개선된 성능의 다른 방식이 존재할 수 있다는 점이다.
따라서 상기와 같은 종래 기술들은 전술한 바와 같은 문제점이 있으며 그에 따라 "각 사용자 트래픽 플로우가 요구하는 서비스 품질(QoS) 수준을 골고루 만족시키면서 동시에 시스템의 전체 데이터 처리량(throughput)을 최대화할 수 있는 스케쥴링 방법"이 여전히 요구되고 있으며, 이러한 문제점을 해결하고 상기 요구에 부응하고자 하는 것이 본 발명의 과제이다.
따라서 본 발명은 무선통신 시스템에서 패킷지연에 민감한 트래픽 플로우들과 패킷지연에 덜 민감한 트래픽 플로우들이 적절한 스케쥴링 없이 공통의 무선 자원을 사용하여 전송될 경우, 패킷지연에 민감한 트래픽 플로우들의 신호 절단율(outage rate)이 증가하는 점을 개선할 수 있는 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법 및 그 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
즉, 본 발명은 각 트래픽 플로우가 지연(delay) 관점에서 가지는 긴급성(urgency)을 우선순위함수로서 적용하여 지연에 민감한 트래픽들이 신호 절단(outage)을 경험하는 확률을 낮추고, 지연에 민감한 트래픽 플로우들의 긴급성이 낮은 경우에는 전체 트래픽 플로우들을 데이터 처리량(throughput) 관점에서 최적화되도록 스케쥴링함으로써, 패킷지연과 데이터 처리량(throughput) 두 측면을 모두 고려할 수 있는 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법 및 그 장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 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 발명의 방법은, 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법에 있어서, 트래픽 플로우에 대한 긴급성(urgency)을 계산하는 긴급성 계산 단계; 상기 계산된 긴급성이 임계치보다 큰 트래픽 플로우가 있는지를 판단하는 단계; 상기 판단 결과, 상기 계산된 긴급성이 상기 임계치보다 큰 트래픽 플로우들이 있으면, 상기 계산된 긴급성이 상기 임계치보다 큰 트래픽 플로우들 중에서 해당 슬롯(slot)을 할당할 경우 긴급성의 감소폭이 가장 큰 트래픽 플로우를 선정하는 단계; 및 상기 판단 결과, 상기 계산된 긴급성이 상기 임계치보다 큰 트래픽 플로우가 없으면, 데이터 처리량(throughput) 관점의 스케쥴링 알고리즘에 따라 상기 해당 슬롯에 할당할 트래픽 플로우를 선정하는 단계를 포함한다.
또한, 상기 본 발명의 방법은, 모든 슬롯에 대하여 상기 긴급성 계산 단계부터 반복 수행하여 각 슬롯에 할당할 트래픽 플로우를 선정하는 단계를 더 포함한다.
한편, 상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는, 하향 링크 패킷 스케쥴링 장치에 있어서, 트래픽 플로우에 대한 긴급성(urgency)을 계산하기 위한 긴급성 계산부; 상기 긴급성 계산부에서 계산된 긴급성이 임계치보다 큰 트래픽 플로우가 있는지를 판정하기 위한 긴급성 판정부; 및 상기 긴급성 판정부에서의 긴급성 판정 결과에 따라, 상기 계산된 긴급성이 상기 임계치보다 큰 트래픽 플로우들 중에서 해당 슬롯(slot)을 할당할 경우 긴급성의 감소폭이 가장 큰 트래픽 플로우를 선정하거나, 상기 계산된 긴급성이 상기 임계치보다 큰 트래픽 플로우가 없는 경우 데이터 처리량(throughput) 관점의 스케쥴링 알고리즘에 따라 상기 해당 슬롯에 할당할 트래픽 플로우를 선정하기 위한 스케쥴링 수행부를 포함한다.
상기와 같은 본 발명은, 매 TTI에서 긴급성(urgency)이 제로(zero)보다 큰 트래픽 플로우들 중에서 해당 슬롯(slot)을 할당할 경우 긴급성(urgency)의 감소폭이 가장 큰 트래픽 플로우를 선정하여 해당 슬롯(slot)을 통해 데이터(data)를 전송하도록 함으로써, 패킷지연에 민감한 트래픽 플로우들의 신호 절단율(outage rate)을 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은, 긴급성(urgency)이 제로(zero)보다 큰 트래픽 플로우가 없는 경우에 PF 스케쥴링 등과 같은 데이터 처리량(throughput) 관점의 스케쥴링 방식을 적용함으로써, 패킷지연만을 고려하여 스케쥴링하는 경우에 비하여 전체 데이터 처리량(throughput)의 열화를 감소시킬 수 있는 효과가 있다.
도 1a는 본 발명이 적용되는 무선통신 시스템의 하향 링크에 대한 일실시예 구성도,
도 1b는 본 발명에 따른 무선통신 시스템에서의 하향 링크 패킷 스케쥴링 장치의 일실시예 구성도,
도 2는 본 발명에 따른 무선통신 시스템에서의 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법에 대한 일실시예 흐름도,
도 3은 타임 t+Δt에서의 HPD(Head-of-the-line Packet Delay)에 따른 긴급성(urgency)의 변화를 나타내는 도면,
도 4는 트래픽 플로우 k를 위한 버퍼의 일실시예 구성도,
도 5는 시뮬레이션 결과로 얻어진 각 사용자 링크의 채널 용량에 따른 이더넷(Ethernet) 트래픽 플로우들의 신호 절단율(outage rate)을 나타내는 도면,
도 6은 시뮬레이션 결과로 얻어진 각 사용자 링크의 채널 용량에 따른 비디오 트래픽 플로우들의 신호 절단율(outage rate)을 나타내는 도면,
도 7은 사용자 링크의 채널용량에 따른 모든 트래픽 플로우들의 초당 평균 데이터 처리량(throughput)을 나타내는 도면이다.
상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 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 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.
도 1b는 본 발명에 따른 무선통신 시스템에서의 하향 링크 패킷 스케쥴링 장치의 일실시예 구성도이다.
도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 무선통신 시스템에서의 하향 링크 패킷 스케쥴링 장치(다운링크 스케쥴러)는, 각 버퍼에서 전송 대기중인 트래픽 플로우들의 HOL(Head-Of-the-Line) 패킷에 대한 긴급성(urgency)을 계산하기 위한 긴급성 계산부(131), 상기 긴급성 계산부(131)에서 계산된 긴급성(urgency)이 임계치인 제로(zero)보다 큰 트래픽 플로우가 있는지를 판정하기 위한 긴급성 판정부(132), 및 상기 긴급성 판정부(132)에서의 긴급성 판정 결과에 따라, 상기 계산된 긴급성(urgency)이 임계치인 제로(zero)보다 큰 트래픽 플로우들 중에서 해당 슬롯(slot)을 할당할 경우 긴급성(urgency)의 감소폭이 가장 큰 트래픽 플로우를 선정하거나, 상기 계산된 긴급성(urgency)이 임계치인 제로(zero)보다 큰 트래픽 플로우가 없는 경우 PF 스케쥴링 방식 등과 같은 데이터 처리량(throughput) 관점의 스케쥴링 알고리즘에 따라 해당 슬롯(slot)에 할당할 트래픽 플로우를 선정하기 위한 스케쥴링 수행부(133)를 포함한다.
도 2는 본 발명에 따른 무선통신 시스템에서의 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법에 대한 일실시예 흐름도로서, 본 발명에서 제안하는 다운링크 스케쥴러가 해당 슬롯(slot)을 할당하는 절차를 나타내고 있다.
먼저, 각 버퍼에서 전송 대기중인 트래픽 플로우들의 HOL(Head-Of-the-Line) 패킷에 대한 긴급성(urgency)을 계산한다(21).
이후, 상기 계산된 긴급성(urgency)이 임계치인 제로(zero)보다 큰 트래픽 플로우가 있는지를 판단한다(22).
상기 판단 결과(22), 상기 계산된 긴급성(urgency)이 임계치인 제로(zero)보다 큰 트래픽 플로우들이 있으면, 상기 계산된 긴급성(urgency)이 임계치인 제로(zero)보다 큰 트래픽 플로우들 중에서 해당 슬롯(slot)을 할당할 경우 긴급성(urgency)의 감소폭이 가장 큰 트래픽 플로우를 선정한다(23).
상기 판단 결과(22), 상기 계산된 긴급성(urgency)이 임계치인 제로(zero)보다 큰 트래픽 플로우가 없으면, PF 스케쥴링 방식 등과 같은 데이터 처리량(throughput) 관점의 스케쥴링 알고리즘에 따라 해당 슬롯(slot)에 할당할 트래픽 플로우를 선정한다(24).
그리고 상기 각 과정(21 내지 24)을 모든 슬롯(slot)에 대하여 반복 수행하여 각 슬롯(slot)에 할당할 트래픽 플로우를 선정한다.
상기와 같은 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법을 무선통신 시스템의 기지국에 적용함으로써, 각 TTI마다 각각의 슬롯(slot)을 사용하여 전송할 트래픽 플로우들을 선정할 수 있다.
전술한 바와 같은 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법 및 그 장치에 대한 구체적인 실시예를 도 3 내지 도 7을 참조하여 좀 더 상세히 설명하면 한다.
타임 t에서 선정되는 트래픽 플로우를
Figure pat00024
라고 정의하면 타임 t-Δt까지의 스케쥴링 디시젼(scheduling decision)은
Figure pat00025
와 같이 쓸 수 있다. 따라서
Figure pat00026
로 쓸 수 있다. 타임 t에서 슬롯(slot)을 할당할 임의의 후보 트래픽 플로우를
Figure pat00027
로 표시하고 타임 t까지의 후보 스케쥴링 디시젼(scheduling decision)을 S로 표시하면,
Figure pat00028
로 쓸 수 있다.
특정 스케쥴링 디시젼(scheduling decision) S를 적용할 경우, 타임 t+Δt에서 임의의 트래픽 플로우 k가 갖는 긴급성(urgency)은 하기의 [수학식 4]와 같이 정의된다.
Figure pat00029
여기서,
Figure pat00030
이고,
Figure pat00031
는 스케쥴링 디시젼(scheduling decision) S에 따라서 타임 t에서 슬롯(slot)에 트래픽 플로우를 할당할 경우에 타임 t+Δt에서 예상되는 트래픽 플로우 k의 HPD를 나타낸다. 또한,
Figure pat00032
는 0과 1사이의 실수로서, 트래픽 플로우들의 통계적 특성을 고려하여 결정해야 하는 설계 변수이다.
이처럼, 상기 [수학식 4]에서는 타임 t에서 해당 슬롯에 트래픽 플로우를 할당할 경우에 타임 t+Δt에서 예상되는 트래픽 플로우의 HPD(Head-of-the-line Packet Delay)와, 타임 t+Δt에서 예상되는 트래픽 플로우의 패킷들에 요구되는 패킷지연 임계치(delay threshold)를 이용하여, 각 버퍼에서 전송 대기중인 트래픽 플로우들의 HOL 패킷에 대한 긴급성을 계산한다.
도 3은 타임 t+Δt에서의 HPD(Head-of-the-line Packet Delay)에 따른 긴급성(urgency)의 변화를 나타내는 도면이다.
다시 말하면, 도 3은 상기 [수학식 4]와 같이 긴급성(urgency)을 정의할 경우에
Figure pat00033
에 따른 긴급성(urgency)의 변화를 도시한 도면이다. 도 3에 도시된 바와 같이
Figure pat00034
가
Figure pat00035
보다 작을 때는 긴급성(urgency)이 제로(zero)이고,
Figure pat00036
보다 큰 경우는 선형적으로 증가함을 알 수 있다.
본 발명에서는 타임 t에서 해당 슬롯(slot)에 대한 스케쥴링을 결정함에 있어서, 그 결과로 타임 t+Δt에 나타날 것으로 예상되는 트래픽 플로우들의 긴급성(urgency)의 합을 최소화시킬 수 있는 방법을 찾고자 한다. 이 문제는 하기의 [수학식 5]와 같이 표현된다.
Figure pat00037
여기서, Ω는 모든 트래픽 플로우들의 집합을 나타내고,
Figure pat00038
는 하기의 [수학식 6]과 같이 쓰여진다.
Figure pat00039
여기서,
Figure pat00040
는 타임 t에서 해당 슬롯(slot)을 트래픽 플로우 k에 할당하는 경우(즉,
Figure pat00041
인 경우)에 예상되는 넥스트 HPD(next Head-of-the-line Packet Delay)를 가리킨다.
상기 [수학식 6]을 적용하면, 상기 [수학식 5]는 하기의 [수학식 7]과 같이 전개된다.
Figure pat00042
상기 [수학식 7]은 하기의 [수학식 8]과 같이 다시 쓸 수 있다.
Figure pat00043
도 4는 트래픽 플로우 k를 위한 버퍼의 일실시예 구성도로서, 본 발명에 따른 상기 [수학식 8]을 타임 t에 모든 후보 트래픽 플로우 k에 대하여 계산하기 위해서 필요한 트래픽 플로우 k를 위한 버퍼 구성도를 나타낸다.
도 4에서
Figure pat00044
는 버퍼의 i번째 위치(position)에 있는 패킷(packet)들이 도착한 시점을 나타내는 M-bit 시간 변수로서,
Figure pat00045
까지의 값을 갖는다. 도 4에서
Figure pat00046
와
Figure pat00047
는 각각 시간
Figure pat00048
에 버퍼에 도착하여 전송을 기다리는 패킷들의 길이의 합과 그 패킷 데이터(data)의 저장 메모리(버퍼)에 대한 포인트(point) 변수를 나타낸다.
버퍼 구성이 도 4와 같이 주어질 때, 트래픽 플로우 k에 대한 HPD와 넥스트(next) HPD는 다음과 같이 계산된다. 먼저, 트래픽 플로우 k의 HOL 패킷의 도착시간이
Figure pat00049
이므로, HPD는 하기의 [수학식 9]와 같이 구할 수 있다.
Figure pat00050
여기서, mod()는 모듈러(modular) 연산자를 나타낸다. 다음으로, 타임 t에서 트래픽 플로우 k가 슬롯(slot)을 할당받을 경우에 그 넥스트 HOL 패킷이 될 패킷(packet)이 있는 버퍼 위치(position)의 인넥스(index)를
Figure pat00051
라고 정의하면, 이 패킷(packet)의 타임 t까지의 대기시간은 하기의 [수학식 10]과 같이 구할 수 있다.
Figure pat00052
여기서, 넥스트 후보 HOL 패킷의 버퍼 인덱스(buffer index)
Figure pat00053
는 하기의 [수학식 11]과 같은 방법으로 구할 수 있다.
Figure pat00054
여기서,
Figure pat00055
는 해당 슬롯(slot)을 트래픽 플로우 k가 사용할 때 전송가능한 데이터(data)의 양이다.
한편, 본 발명에서 제안하는 기술의 성능을 검증하기 위하여 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 컴퓨터 시뮬레이션에는 8명의 사용자들이 각각 1개씩의 트래픽 플로우를 수신하는 경우를 가정하였으며, 8명 중에서 4명의 사용자는 이더넷(Ethernet) 트래픽을 수신하고, 나머지 4명의 사용자는 비디오 트래픽을 수신하고자 하는 것으로 가정하였다. 컴퓨터 시뮬레이션에서 이더넷(Ethernet) 트래픽 플로우의 패킷지연 임계치는 100 ms를 가정하였고, 비디오 트래픽 플로우의 패킷지연 임계치는 50 ms인 것으로 가정하였다.
이더넷(Ethernet) 트래픽 플로우의 발생을 위하여 패킷의 길이가 하기의 [표 1]과 같은 분포를 갖는 것을 가정하였고, 연속적인 패킷들 사이의 인터어라이벌 타임(interarrival time)은 파레토(Pareto) 분포를 갖도록 하였으며, 이때 파레토 인덱스(Pareto index,
Figure pat00056
)와 패킷들의 도착 비율(arrival rate, λ)은 각각 1.2와 100을 적용하였고, 인터어라이벌 타임(interarrival time)의 최소치는
Figure pat00057
을 적용하였다. 하기의 [표 1]은 이더넷(Ethernet) 트래픽에 적용된 패킷 길이의 분포를 나타내고 있다.
Figure pat00058
비디오 트래픽 플로우의 발생을 위하여 384 Kbps 비디오 트래픽을 가정하였다. 구체적으로, 비디오 프레임의 속도는 20 frames/sec이고, 비디오 프레임당 48개의 슬라이스(slice)가 발생하며, 각 슬라이스의 크기(size)는 평균이 50 bytes이고 20~125 bytes의 범위에서 트렁케이티드 파레토(truncated Pareto) 분포를 갖도록 하였으며, 슬라이스들 사이의 인터어라이벌 타임(interarrival time)은 0.5 ms이고 2.5/12~12.5/12 ms의 범위에서 트렁케이티드 파레토(truncated Pareto) 분포를 갖는 것으로 가정하였다.
도 5는 시뮬레이션 결과로 얻어진 각 사용자 링크의 채널 용량에 따른 이더넷(Ethernet) 트래픽 플로우들의 신호 절단율(outage rate)을 나타내는 도면이고, 도 6은 시뮬레이션 결과로 얻어진 각 사용자 링크의 채널 용량에 따른 비디오 트래픽 플로우들의 신호 절단율(outage rate)을 나타내는 도면이다.
도 5와 도 6에 도시된 두 개의 도면들로부터 본 발명에서 제안한 기술("TRDSM"으로 표시함)이 기존의 다른 방식들에 비하여 지연에 민감한 비디오 트래픽 플로우들에게 상대적으로 낮은 신호 절단율(outage rate)을 경험하게 하며, 동시에 지연에 상대적으로 덜 민감한 이더넷(Ethernet) 트래픽의 신호 절단율(outage rate)의 악화도 방지하고 있음을 알 수 있다.
이처럼, 본 발명은 매 TTI에서 긴급성(urgency)이 제로(zero)보다 큰 트래픽 플로우들 중에서 해당 슬롯(slot)을 할당할 경우 긴급성(urgency)의 감소폭이 가장 큰 트래픽 플로우를 선정하여 해당 슬롯(slot)을 통해 데이터(data)를 전송하도록 함으로써, 패킷지연에 민감한 트래픽 플로우들의 신호 절단율(outage rate)을 감소시킬 수 있다.
도 7은 사용자 링크의 채널용량에 따른 모든 트래픽 플로우들의 초당 평균 데이터 처리량(throughput)을 나타내는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제안한 기술("TRDSM"으로 표시함)이 기존의 방식들과 전체 데이터 처리량(throughput) 측면에서 손실이 없음을 알 수 있다.
이처럼, 본 발명은 긴급성(urgency)이 제로(zero)보다 큰 트래픽 플로우가 없는 경우에 PF 스케쥴링 등과 같은 데이터 처리량(throughput) 관점의 스케쥴링 방식을 적용함으로써, 패킷지연만을 고려하여 스케쥴링하는 경우에 비하여 전체 데이터 처리량(throughput)의 열화를 감소시킬 수 있다.
한편, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 무선통신 시스템에서의 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 상기 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 가능하다.
그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
본 발명은 무선통신 시스템에서의 하향 링크 패킷 스케쥴링 등에 이용될 수 있다.
131 : 긴급성 계산부 132 : 긴급성 판정부
133 : 스케쥴링 수행부

Claims (18)

  1. 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법에 있어서,
    트래픽 플로우에 대한 긴급성(urgency)을 계산하는 긴급성 계산 단계;
    상기 계산된 긴급성이 임계치보다 큰 트래픽 플로우가 있는지를 판단하는 단계;
    상기 판단 결과, 상기 계산된 긴급성이 상기 임계치보다 큰 트래픽 플로우들이 있으면, 상기 계산된 긴급성이 상기 임계치보다 큰 트래픽 플로우들 중에서 해당 슬롯(slot)을 할당할 경우 긴급성의 감소폭이 가장 큰 트래픽 플로우를 선정하는 단계; 및
    상기 판단 결과, 상기 계산된 긴급성이 상기 임계치보다 큰 트래픽 플로우가 없으면, 데이터 처리량(throughput) 관점의 스케쥴링 알고리즘에 따라 상기 해당 슬롯에 할당할 트래픽 플로우를 선정하는 단계
    를 포함하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    모든 슬롯에 대하여 상기 긴급성 계산 단계부터 반복 수행하여 각 슬롯에 할당할 트래픽 플로우를 선정하는 단계
    를 더 포함하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 긴급성 계산 단계는,
    각 버퍼에서 전송 대기중인 트래픽 플로우들의 HOL(Head-Of-the-Line) 패킷에 대한 긴급성을 계산하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 긴급성 계산 단계는,
    타임 t에서 상기 해당 슬롯에 트래픽 플로우를 할당할 경우에 타임 t+Δt에서 예상되는 트래픽 플로우의 HPD(Head-of-the-line Packet Delay)와, 타임 t+Δt에서 예상되는 트래픽 플로우의 패킷들에 요구되는 패킷지연 임계치(delay threshold)를 이용하여, 상기 각 버퍼에서 전송 대기중인 트래픽 플로우들의 HOL 패킷에 대한 긴급성을 계산하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 긴급성 계산 단계는,
    하기의 [수학식 4]와 같이 긴급성을 계산하는 것을 특징으로 하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법.
    [수학식 4]
    Figure pat00059

    (여기서,
    Figure pat00060
    이고,
    Figure pat00061
    는 스케쥴링 디시젼(scheduling decision) S에 따라서 타임 t에서 상기 해당 슬롯에 트래픽 플로우를 할당할 경우에 타임 t+Δt에서 예상되는 트래픽 플로우 k의 HPD를 나타내며,
    Figure pat00062
    는 0과 1사이의 실수로서 트래픽 플로우들의 통계적 특성을 고려하여 결정해야 하는 설계 변수이고,
    Figure pat00063
    는 트래픽 플로우 k의 패킷들에 요구되는 패킷지연 임계치임)
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 계산된 긴급성은,
    스케쥴링 디시젼 S에 따라서 타임 t에서 상기 해당 슬롯에 트래픽 플로우를 할당할 경우에 타임 t+Δt에서 예상되는 트래픽 플로우 k의 HPD인
    Figure pat00064
    가
    Figure pat00065
    보다 작을 때는 제로(zero)이고,
    Figure pat00066
    보다 큰 경우에는 선형적으로 증가하는 것을 특징으로 하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 긴급성 계산 단계는,
    타임 t에서 상기 해당 슬롯에 트래픽 플로우를 할당할 경우에 타임 t+Δt에서 예상되는 트래픽 플로우들의 긴급성의 합을 하기의 [수학식 5]를 이용하여 최소화시키는 것을 특징으로 하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법.
    [수학식 5]
    Figure pat00067

    (여기서, Ω는 모든 트래픽 플로우들의 집합을 나타냄)
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 타임 t+Δt에서 예상되는 트래픽 플로우 k의 HPD(
    Figure pat00068
    )는,
    하기의 [수학식 6]과 같이 계산하는 것을 특징으로 하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법.
    [수학식 6]
    Figure pat00069

    (여기서,
    Figure pat00070
    는 타임 t에서 상기 해당 슬롯을 트래픽 플로우 k에 할당하는 경우(즉,
    Figure pat00071
    인 경우)에 예상되는 넥스트 HPD를 나타냄)
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 긴급성 계산 단계는,
    상기 [수학식 5]를 하기의 [수학식 8]과 같이 계산하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법.
    [수학식 8]
    Figure pat00072

    (여기서,
    Figure pat00073
    는 타임 t에서 트래픽 플로우 k의 HPD를 나타냄)
  10. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 데이터 처리량 관점의 스케쥴링 알고리즘은,
    PF(Proportional Fair) 스케쥴링 방식인 것을 특징으로 하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 방법.
  11. 하향 링크 패킷 스케쥴링 장치에 있어서,
    트래픽 플로우에 대한 긴급성(urgency)을 계산하기 위한 긴급성 계산부;
    상기 긴급성 계산부에서 계산된 긴급성이 임계치보다 큰 트래픽 플로우가 있는지를 판정하기 위한 긴급성 판정부; 및
    상기 긴급성 판정부에서의 긴급성 판정 결과에 따라, 상기 계산된 긴급성이 상기 임계치보다 큰 트래픽 플로우들 중에서 해당 슬롯(slot)을 할당할 경우 긴급성의 감소폭이 가장 큰 트래픽 플로우를 선정하거나, 상기 계산된 긴급성이 상기 임계치보다 큰 트래픽 플로우가 없는 경우 데이터 처리량(throughput) 관점의 스케쥴링 알고리즘에 따라 상기 해당 슬롯에 할당할 트래픽 플로우를 선정하기 위한 스케쥴링 수행부
    를 포함하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 긴급성 계산부는,
    각 버퍼에서 전송 대기중인 트래픽 플로우들의 HOL(Head-Of-the-Line) 패킷에 대한 긴급성을 계산하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 장치.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 긴급성 계산부는,
    타임 t에서 상기 해당 슬롯에 트래픽 플로우를 할당할 경우에 타임 t+Δt에서 예상되는 트래픽 플로우의 HPD(Head-of-the-line Packet Delay)와, 타임 t+Δt에서 예상되는 트래픽 플로우의 패킷들에 요구되는 패킷지연 임계치(delay threshold)를 이용하여, 상기 각 버퍼에서 전송 대기중인 트래픽 플로우들의 HOL 패킷에 대한 긴급성을 계산하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 장치.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 긴급성 계산부는,
    하기의 [수학식 4]와 같이 긴급성을 계산하는 것을 특징으로 하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 장치.
    [수학식 4]
    Figure pat00074

    (여기서,
    Figure pat00075
    이고,
    Figure pat00076
    는 스케쥴링 디시젼(scheduling decision) S에 따라서 타임 t에서 상기 해당 슬롯에 트래픽 플로우를 할당할 경우에 타임 t+Δt에서 예상되는 트래픽 플로우 k의 HPD를 나타내며,
    Figure pat00077
    는 0과 1사이의 실수로서 트래픽 플로우들의 통계적 특성을 고려하여 결정해야 하는 설계 변수이고,
    Figure pat00078
    는 트래픽 플로우 k의 패킷들에 요구되는 패킷지연 임계치임)
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 긴급성 계산부는,
    타임 t에서 상기 해당 슬롯에 트래픽 플로우를 할당할 경우에 타임 t+Δt에서 예상되는 트래픽 플로우들의 긴급성의 합을 하기의 [수학식 5]를 이용하여 최소화시키는 것을 특징으로 하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 장치.
    [수학식 5]
    Figure pat00079

    (여기서, Ω는 모든 트래픽 플로우들의 집합을 나타냄)
  16. 제 15 항에 있어서,
    상기 타임 t+Δt에서 예상되는 트래픽 플로우 k의 HPD(
    Figure pat00080
    )는,
    하기의 [수학식 6]과 같이 계산하는 것을 특징으로 하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 장치.
    [수학식 6]
    Figure pat00081

    (여기서,
    Figure pat00082
    는 타임 t에서 상기 해당 슬롯을 트래픽 플로우 k에 할당하는 경우(즉,
    Figure pat00083
    인 경우)에 예상되는 넥스트 HPD를 나타냄)
  17. 제 16 항에 있어서,
    상기 긴급성 계산부는,
    상기 [수학식 5]를 하기의 [수학식 8]과 같이 계산하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 장치.
    [수학식 8]
    Figure pat00084

    (여기서,
    Figure pat00085
    는 타임 t에서 트래픽 플로우 k의 HPD를 나타냄)
  18. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데이터 처리량 관점의 스케쥴링 알고리즘은,
    PF(Proportional Fair) 스케쥴링 방식인 것을 특징으로 하는 하향 링크 패킷 스케쥴링 장치.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN109617835A (zh) * 2018-12-25 2019-04-12 中国电子科技集团公司第五十四研究所 一种适用于集中式tdma网络的多优先级时隙分配方法
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