KR20210066334A

KR20210066334A - 엣지 게이트웨이와 엣지 서버를 이용한 링크 스케줄링 방법 및 이를 위한 장치

Info

Publication number: KR20210066334A
Application number: KR1020190155437A
Authority: KR
Inventors: 조성래; 이윤성; 나웅수
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2019-11-28
Filing date: 2019-11-28
Publication date: 2021-06-07

Abstract

본 발명은 IoT(internt of things) 단말이 주기적으로 모니터링 트래픽을 상기 모니터링 트래픽과 관련된 엣지 게이트웨이 또는 엣지 서버로 전송하는 단계, 상기 엣지 게이트웨이에서 상기 모니터링 트래픽을 전처리하여 상기 엣지 서버로 전송하는 단계, 상기 엣지 서버에서 상기 IoT 단말로부터 수신한 모티러링 트래픽과 상기 엣지 게이트웨이에 의해 전처리된 모니터링 트래픽을 저장하고 처리하는 단계 및 상기 엣지 서버에서 네트워크 관리와 관련된 제어 메시지를 상기 IoT 단말과 상기 엣지 게이트웨이로 전송하는 단계를 포함하는 엣지 IoT 시스템의 스케줄링 방법을 제공한다.

Description

엣지 게이트웨이와 엣지 서버를 이용한 링크 스케줄링 방법 및 이를 위한 장치{METHOD FOR LINK SCHEDULING USING AN EDGE GATEWAY AND A EDGE SERVER AND AN APPARATUS FOR PROCESSING THE METHOD}

본 발명은 엣지 게이트웨이와 엣지 서버 간 또는 엣지 게이트와 엣지 게이트서버 간의 자원을 조정하는 체계를 위한 링크 스케쥴링 알고리즘 기법을 제안한다.

IoT 기술은 디지털 변환을 통하여 다양한 산업들을 가속화하였다. 엣지 컴퓨팅 기반 스마트 팩토리에서, 엄청난 수의 IoT 장치들은 엄청난 양의 실시간 데이터를 생산한다. 이러한 빅 데이터는 엣지 게이트웨이(EG)들과 엣지 서버(ES)들 중에서 실시간 데이터 처리를 위해 효율적인 라우팅을 요구한다.

기존 클라우드 컴퓨팅의 대안으로 등장한 엣지 컴퓨팅 시설은 사물 인터넷 (IoT : Internet of Things) 시스템에서 대규모 데이터 처리를 지원하여 데이터 센터의 부담을 줄여주는 장점을 가지고 있으나 제한된 컴퓨팅 성능과 통신 범위를 고려할 때, 일부 엣지 서버에서 대규모의 사물 인터넷 종단 장치 (ID : IoT Device)들을 수용하지 못하는 문제점이 있다.

IoT 시스템은 엄격한 실시간 통신 요구 사항을 갖춘 ID들로 구성된 고도의 자동화된 운영 환경을 특징으로 가진다. 또한, ID 수가 매년 증가하므로 더 높은 데이터 전송률에 대한 요구사항외에도 상당한 양의 데이터가 생성된다. 이러한 역동적인 흐름을 감안할 때, 엣지 컴퓨팅은 IoT 시스템 환경에서 유망한 기술이다.

기존의 엣지 IoT 시스템은 ID, EG 및 ES와 같은 스마트 제조 시스템의 상호 연결 장비를 포함하여 유선 통신 매체를 사용한다. 이 때문에 상호 연결 장비의 양이 증가할 때, 장비들의 배치 비용이 엄청나게 증가하게 되고 이는 곧 네트워크의 확장성에 영향을 미친다는 것을 의미한다.

반대로 무선 엣지 기반 IoT 시스템은 특별한 시설이 없고 새로운 장치들을 쉽게 배포할 수 있는 장거리 서비스와 같은 확장성의 이점을 가진다. 물론 이는 기존의 셀룰러 네트워크나 충분히 넓은 대역폭 통신 프로토콜을 통해서 해결할 수 있는 문제다.

무선 엣지 기반 IoT 시스템은 자원의 제약이 주어지게 되면 서비스 기능을 향상시키기 위한 효율적인 자원 관리가 엣지 기반 어플리케이션 단계에서 새로운 해결 과제로 여겨지고 있다. 특히 ES와 EG는 무선 엣지 기반 IoT 시스템 환경에서 무선 자원을 공유하므로 오케스트레이터 (Orchestrator)의 역할을 하는 ES는 이들 간의 간섭을 관리해야한다. 더 높은 데이터 전송률과 서비스 품질을 제공한다는 목표로 오케스트레이터가 무선 자원을 EG에게 우선적으로 할당하는 것을 선호할 수 있어 더 나은 네트워크 처리량과 스펙트럼 효율성을 달성할 수 있지만, 이는 EG에 작업량이 집중되어 EG 간에 빈번한 간섭이 발생할 수 있다는 문제점을 가지고 있다.

본 발명에서 개시하고 있는 일 실시예에 따르면, 기존 무선 백홀 네트워크 시스템에서 중요하게 대두되어 온 문제점 중 하나인 백홀 라우팅 링크 스케줄링을 통한 자원 할당 문제를 해결할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 백홀 네트워크를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 충돌/결점 라우팅 테이블의 작성을 설명하기 위한 도면이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.

제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급될 때에는 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 포함한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명은 무선 엣지 기반 스마트 제조 시스템을 위한 EG 간의 저장소와 컴퓨팅 용량 및 간섭을 고려하여 큐-백로그 기반 자원 오케스트레이션 체계를 제안하다. 이 체계는 라그랑지안(Ragrangian)과 Karush-Kuhn-Tucker(KKT) 조건을 통하여 EG와 ES 간의 무선 자원 할당 비율을 결정할 수 있다.

단일 채널을 가정하는 기존의 다른 연구와 달리 본 발명은 LTEWLAN 집계 기술을 사용하여 라이센스와 비 라이센스 채널인 LTE 및 Wi-Fi의 이중 채널을 가정하는 엣지 기반 IoT 네트워크를 모델링하였다. 이 가정을 통하여 제안된 방식에서는 비 라이센스 채널의 가용한 자원을 고려하여 라이센스 채널의 자원을 오케스트레이션한다.

본 발명에서 개시하고 있는 무선 백홀 시스템 모델은 EG들과 ES, 그리고 산업용 장비들 간의 멀티홉 통신을 지원한다. 산업용 장비들은 EG에게 통신 요청 프레임을 보냄으로써 통신한다. 각 EG는 방향성 안테나를 통하여 근처의 산업용 장비들로부터 무선 백홀 트래픽을 수집하고 수집한 트래픽을 코어 네트워크인 ES에게 전달한다. 또한, EG들 간에도 멀티홉 통신이 가능하다고 가정한다. 방향성 안테나는 전환 가능한 빔 안테나와 페이즈 배열 안테나로 분류할 수 있으며, 제안하는 EG에 장착되는 안테나는 전환 가능한 빔 안테나를 사용한다고 가정한다. 방향성 안테나는 M개의 안테나 빔들로 이루어져 있고, 각각의 빔은 전 범위를 커버하기 위하여 서로 겹치지 않고 균등하게 분할되어 있으며 사용되는 .전송 전력과 전송 범위 또한 동일하다.

앞서 설명한 가정에 따라 제안하는 무선 백홀 네트워크 모델은 도 1과 같이 그래프 G로 표현할 수 있으며 아래와 같다.

N은 모든 EG들의 집합을 나타내고, E는 모든 방향성 엣지를 나타내며 이는 다음과 같다.

이 때, α와 β는 각각 백홀 네트워크에 포함되는 EG의 수와 엣지의 수이다. 엣지를 표현할 때, 예를 들어 EG(n₁)에서 EG(n₂)로 트래픽을 보댄다고 할 때, 두 EG 간의 엣지 e는 다음과 같이 표현된다.

또한, 무선 백홀 네트워크는 데이터 흐름을 나타내는 F 집합과 수직 채널을 나타내는 K 집합으로 이루어져 있다.

이를 통하여 엣지 e에서의 채널 수용량 r_e를 도출할 수 있으며 이는 다음과 같다.

W는 채널의 대역폭을 나타내고, N₀는 소음 전력 스펙트럼 밀도를 나타내며 I는 무선 백홀 간섭을, P_T, G_T, G_R은 각각 EG의 전송 전력, 방향성 빔의 송신기의 gain값과 수신기의 gain값을 나타낸다.

도 1에서와 같이 가정한다면, 4분할된 방향성 안테나를 장착하고 있고, α는 5, β는 10이 되어 5개의 EG들과 10개의 엣지들로 구성된 그래프로 제안하는 모델을 표현할 수 있다. 이 때, 각 빔들은 방향성을 가지고 있으므로 해당 방향에 간섭이 발생하지 않는다면 동시적으로 통신이 이루어질 수 있다.

본 발명에서 제안하는 모델에서 모든 EG들은 고정되어 있으며 주기적으로 hello 메시지를 통하여 서로의 정보를 교환하여 거대한 네트워크 토폴로지를 구성한다. 이 때, 모든 EG들로부터 정보를 수집하는 ES는 도 2와 같이 충돌/결점 테이블 기법을 통하여 테이블을 구성하고 그래프를 유지한다. 이를 통하여 동 시간대에 어떤 엣지들이 서로 스케쥴이 가능한지 확인할 수 있으며 각 충돌/결점 그래프는 다음과 같이 각각 표현된다.

본 발명에서 제안하는 무선 백홀 네트워크 모델에서 네트워크 링크를 효율적으로 스케쥴링하기 위하여 각 엣지들의 가중치를 다음과 같이 표현한다.

또한, 시간 개념을 도입하였을 때, 시간 t에 해당하는 엣지 e가 가지는 가중치는 다음과 같이 표현된다.

이 때, Q_e(t)는 시간 t에서 엣지 e에서의 백로그 크기에 대한 총합을 의미하고, r_e(t)는 시간 t에서 링크 e의 획득할 수 있는 비율을 의미한다. 즉, 엣지(링크)의 가중치는 t시간에 동시에 일어나는 큐 백로그의 크기와 연관되어 있다. 여기서 Q_e(t)는 다음과 같이 정의된다.

u_e(t)와 λ_e(t)는 각각 e의 큐에서부터 떠나는 비트 수와 추가되는 비트 수를 나타낸다.

결과적으로 본 발명에서 제안하는 링크 스케줄링 알고리즘의 목적은 가중치들의 합을 최대화하는 링크들, 채널, 데이터 전송률, 라우팅 흐름을 찾는 것이다. 따라서, 목적함수는 다음과 같이 가중치를 최대화하는 함수로 설계된다.

이 때,

는 다음과 같이 두 가지의 경우를 나타내는 지시 변수이다.

그러나, 목적 함수처럼 단순히 무게를 최대화하는 링크들의 집합을 찾는 것은 스마트 제조업과 같은 실생활에서는 실현할 수 없는 문제가 있으므로, 다음과 같은 제약조건이 필요하다: 1) 흐름 보존 제약 조건, 2) 링크 수용 제약 조건, 3) 채널 맞춤 제약 조건, 4) 채널 제약 조건, 5) 전송 간 간섭 제약 조건, 6) 전송 간 공평성 제약 조건.

1) 흐름 보존 제약 조건

시간 t에서 링크 e에서의 특정 데이터 전송률로 전송이 이루어지는 것을 흐름 f라고 정의한다. 이 때, 근원 노드로부터 나가는 흐름을 s(f), 목적 노드로 들어가는 흐름을 d(f)라고 표현하고 노드 n에서 노드 m으로의 방향성 링크를

로 표현하였을 때, 흐름 보존 제약 조건은 다음과 같다.

이 대, d_f는 흐름 f의 평균 데이터 전송률을 나타낸다.

2) 링크 수용 제약 조건

각 방향성 링크의 평균 데이터 전송률은 방향성 링크의 평균 용량을 초과할 수 없으므로 다음과 같은 제약 조건이 필요하다.

3) 채널 맞춤 제약 조건

서로 다른 두 노드 n과 m은 반드시 같은 채널을 통하여 통신이 이루어져야 한다. 따라서 채널 k가 방향성 링크

에게 할당되었는지를 나타내는 할당 지시 변수를

로 나타내고 이는 다음과 같다.

위의 식에 따라서 제약 조건은 다음과 같다.

4) 채널 제약 조건

동시간대에 여러 가지 링크들이 채널을 할당받는 경우에, 하나의 채널에 2쌍 이상의 방향적 링크들이 할당받으려하여 간섭이 발생하는 경우를 고려하여 다음과 같은 제약 조건이 존재한다.

이 때, M은 안테나의 개수이다.

뿐만 아니라 데이터를 수신하거나 전송하는 과정 중에서 채널이 할당받았다면 다음과 같은 조건이 필요하다.

5) 전송 간 간섭 제약 조건

노드는 동일한 채널로부터 여러 수신 방향성 링크를 통해 동시에 데이터를 수신할 수 없다. 따라서, 충돌과 결함문재를 피하기 위하여 다음과 같은 제약 조건이 필요하다.

이 때, N(e)는 엣지 e에 대한 이웃들의 집합을 의미한다.

6) 전송 간 공평성 제약 조건

각 노드들은 데이터를 전송하거나 수신할 때마다 에너지를 소모한다. 스마트 제조업같은 환경을 고려해봤을 때, EG는 효율적인 에너지 사용 또한 고려해야하는 대상이다. 따라서 공평성과 함께 EG들의 공평성을 보장하기 위해서 Jain’s Fairness Index 기법을 사용하여 다음과 같은 제약 조건을 필요로 한다.

이 때, τ는 공평성 제한수치를 나타낸다.

앞의 6가지 제약 조건을 모두 고려하였을 때, 목적함수는 다음과 같이 정의한다.

subject to

이렇게 정의한 목적함수는 많이 복잡하고 고려해야하는 변수들이 너무 많아 풀기에 많은 시간이 소요된다. 따라서 문제의 스케일을 줄이기 위하여 단일 채널 환경에 대해서만 고려하도록 하고, 채널의 수용치를 초과할 수 없도록 가정한다. 이 가정을 통하여 흐름 보전, 링크 수용치, 그리고 채널 맞춤 제약 조건이 제거되어 순수한 최대 무게 독립 집합 (MWIS : Maximum Weight Independent Set) 문제로 간주하고 풀 수 있다. 이를 풀기 위해서 휴리스틱 알고리즘을 제안한다. 제안하는 휴리스틱 알고리즘은 다음과 같을 수 있다.

1. 이웃 EG가 가장 많은 EG를 탐색한다.

2. 두 개 이상의 EG가 발견되면 알고리즘은 연결도니 EG 링크 수가 적은 EG를 선택한다.

3. 그렇지 않으면 EG를 무작위로 선택한다.

4. 선택한 EG에 연결된 가장 높은 가중치의 엣지가 먼저 예약되고 모든 엣지들에 이러한 방식으로 타임 슬롯을 할당한다.

5. 선택한 EG의 모든 엣지가 예약되면 해당 EG가 후보 목록에서 제거되고, 모든 EG의 엣지가 예약될 때까지 프로세스를 계속 진행한다. 특히, 다른 엣지를 스케줄링하는 프로세스에서, 알고리즘은 공간 재사용을 최대화하고 이를 항당하는 타임 슬롯을 찾는다.

6. 모든 엣지가 예약이 되면 Jain’s Fairness 지수를 활용하여 EG간 공정성을 측정한다. 만약 통신 간 공정성 제약 조건이 충족되지 않으면 가중치가 가장 낮은 엣지를 찾고 예약을 계속한다.

본 발명에서 제안하는 링크 스케줄링 알고리즘은 복잡한 MWIS 문제를 효율적으로 처리하고 짧은 시간 내에 백홀 라우팅 링크 스케줄링 경과를 제공한다. 본 발명에서 제안하는 알고리즘의 효과를 측정하기 위하여 다음과 같은 성능 지표를 통하여 성능 검증을 시행하였다.

1) 총 백홀 네트워크 처리량 (Gb/s)

2) 평균 지연시간 (ms)

3) 패킷 손실률 (%)

4) Jain의 공정성 지표

또한, 성능 검증 시뮬레이터로 OPNET 시뮬레이터를 사용하여 성능 검증을 시행하였으며 기존의 백홀 라우팅 네트워크의 자원 할당 알고리즘들과 비교하였을 때 위의 4가지 지표면에서 성능이 우수하다는 것을 검증하였다.

이를 통하여, 본 발명에서 제안하는 알고리즘이 기존 무선 백홀 네트워크 시스템에서 중요하게 대두되어 온 문제점 중 하나인 백홀 라우팅 링크 스케줄링을 통한 자원 할당 문제를 해결할 수 있다.

이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 사람이라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims

IoT(internt of things) 단말이 주기적으로 모니터링 트래픽을 상기 모니터링 트래픽과 관련된 엣지 게이트웨이 또는 엣지 서버로 전송하는 단계;
상기 엣지 게이트웨이에서 상기 모니터링 트래픽을 전처리하여 상기 엣지 서버로 전송하는 단계;
상기 엣지 서버에서 상기 IoT 단말로부터 수신한 모티러링 트래픽과 상기 엣지 게이트웨이에 의해 전처리된 모니터링 트래픽을 저장하고 처리하는 단계; 및
상기 엣지 서버에서 네트워크 관리와 관련된 제어 메시지를 상기 IoT 단말과 상기 엣지 게이트웨이로 전송하는 단계를 포함하는,
엣지 IoT 시스템의 스케줄링 방법.