WO2020045797A1 - 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법 - Google Patents

다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법 Download PDF

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WO2020045797A1
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congestion window
lte
opt
mptcp
size
Prior art date
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PCT/KR2019/006224
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정종문
이창성
송수은
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연세대학교 산학협력단
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    • H04L47/10—Flow control; Congestion control
    • H04L47/27—Evaluation or update of window size, e.g. using information derived from acknowledged [ACK] packets
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    • H04L47/10—Flow control; Congestion control
    • H04L47/29—Flow control; Congestion control using a combination of thresholds

Definitions

  • the present invention relates to a congestion window control apparatus and method for a multipath transmission control protocol, and more particularly, to a congestion window control apparatus and method for optimal data offloading in a multipath transmission control protocol.
  • 5G network the next-generation mobile communication network
  • Next-generation mobile communication network is expected to support various next-generation applications such as Augmented Reality (AR), Virtual Reality (VR), and autonomous vehicles that require high data rates and low latency. do.
  • AR Augmented Reality
  • VR Virtual Reality
  • autonomous vehicles that require high data rates and low latency. do.
  • 3GPP 3rd Generation Partnership Project
  • Millimeter-wave technology used in 5G supports much wider bandwidth as compared to the 3 GHz band of existing cellular networks, so the enhanced mobile broadband (eMBB) service is one of the 5G NR service scenarios. It seems to play an essential role to realize that.
  • eMBB enhanced mobile broadband
  • millimeter wave signals have high path-loss and are severely affected by blockages such as buildings, trees and people. Due to the millimeter wave channel characteristics, careful design in the transport layer as well as the physical layer and the media access control layer is required in the 5G network. As described above, since the millimeter wave signal is vulnerable to obstacles, the millimeter wave signal undergoes a change from LOS (Line-Of-Sight) to NLOS (Non-Line-Of-Sight) state, which causes a sudden drop in the received signal quality. Will suffer. In other words, millimeter waves in the NLOS region have low signal strength, so that communication devices in the NLOS region suffer from more packet reception failures than those in the LOS region. This leads to high packet loss rate (PLR) of the millimeter wave link.
  • PLR packet loss rate
  • MPTCP multipath transmission control protocol
  • Transmission Control Protocol generally controls the size of the congestion window according to the Additive Increase Multiplicative Decrease (AIMD) technique.
  • AIMD Additive Increase Multiplicative Decrease
  • the AIMD technique reduces the size of the congestion window in multiples (e.g., 1/2) each time packet loss occurs and, if no packet loss occurs, congestion window every round-trip-time (RTT) when checking ACK. Incrementally increase the size by 1 mss (maximum segment size).
  • the TCP transmission rate is greatly reduced when the packet loss rate is increased.
  • An object of the present invention is to offload transmission data by reflecting path conditions such as congestion window, RTT, and packet loss rate for each of the multipaths, thereby congestion for a multipath transmission control protocol capable of maintaining a maximum amount of transmission according to path conditions.
  • the present invention provides a window control apparatus and method.
  • Another object of the present invention is to calculate the truncation rate of the congestion window based on the packet loss rate per path of the multipath in response to the signal-to-noise ratio of the channel, and reduce the size of the congestion window according to the calculated truncation rate of the congestion window, Disclosed is a congestion window control apparatus and method for a multipath transmission control protocol capable of optimizing data offloading of a multipath transmission control protocol.
  • Congestion window control apparatus for a multipath transmission control protocol for achieving the above object is a signal band for the main network path (r NR ) of the designated multipath multipath (r NR , r LTE )
  • An SNR measuring unit for measuring a ratio (hereinafter SNR) and determining whether the measured SNR is less than a predetermined threshold value; The SNR is activated when the SNR is less than the threshold, and the size of the congestion window (w NR , w LTE ), packet loss rate (p NR ,) for each of the multipaths (r NR , r LTE ) for each predetermined time period (T I ).
  • a truncation rate calculator for calculating an optimal truncation ratio ( ⁇ opt ) for varying the size of the congestion window so that N) is maximum;
  • a congestion window control unit varying the congestion window size w NR for the main network path r NR according to the optimum truncation rate ⁇ opt applied in the time period T I. It includes.
  • the optimum cutting rate ( ⁇ opt ) can be calculated according to.
  • the congestion window controller may vary the congestion window size w NR for the main network path r NR to ( ⁇ opt * w NR ).
  • the main network path is a path with the smallest RTT among the multipaths.
  • Congestion window control method for a multipath transmission control protocol for achieving the above object is a signal band for the main network path (r NR ) of the designated multipath multipath (r NR , r LTE ) Measuring the ratio (hereinafter SNR); Determining whether the measured SNR is less than a predetermined threshold; If the SNR is less than the threshold, the size of the congestion window (w NR , w LTE ), packet loss rate (p NR , p LTE ) for each of the multipaths (r NR , r LTE ) for each predetermined time period T I.
  • the apparatus and method for congestion window control for a multipath transmission control protocol may reduce the congestion window size of the main network path by 1/2 according to the LIA congestion control scheme.
  • the congestion window size of the main network path can be optimized. Therefore, it is possible to keep the maximum amount of data that can be transmitted through the multipath at all times.
  • 1 is a diagram for explaining a stack structure of MPTCP.
  • 2 is a view for explaining the concept of MPTCP.
  • FIG 3 illustrates an MPTCP system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 shows a congestion window control apparatus for MPTCP according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 illustrates a congestion window control method for MPTCP according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 illustrates an OBR algorithm for implementing the OBR technique of FIG. 5 into a software program.
  • FIG. 7 is a diagram simulating the performance of the OBR technique according to an embodiment of the present invention.
  • module refers to a unit that processes at least one function or operation, which may be implemented by hardware or software or a combination of hardware and software.
  • FIG. 1 is a view for explaining the stack structure of MPTCP
  • Figure 2 is a view for explaining the concept of MPTCP.
  • FIG. 1 shows a stack structure for existing TCP communication
  • the MPTCP classifies the TCP layer into one MPTCP layer and a plurality of TCP subflows below it, and also divides the IP layer into a plurality according to the number of TCP subflows. .
  • the TCP subflow refers to the flow of packets through the end-to-end connection established through each network interface.
  • one application or host may configure a plurality of different paths, and may simultaneously transmit and receive one data through the plurality of paths.
  • FIG. 2 two hosts of a client-server communicate with each other through three different paths according to the MPTCP communication method.
  • the two hosts communicate with each other through three paths, and the dual first path (TCP sub-flow1) can communicate at a speed of 6 mbps, and the second path (TCP sub). -flow2) may perform communication at a speed of 2mbps, and the third path (TCP sub-flow3) may perform communication at a speed of 1mbps.
  • two hosts can communicate at a speed of 9mbps through three paths, and can transmit and receive data even if at least one of the three paths is congested or blocked.
  • MPTCP uses a plurality of paths, even if congestion occurs or a connection is lost in a particular path, data can be continuously transmitted and received through another path, thereby ensuring the best connection at all times.
  • FIG 3 illustrates an MPTCP system according to an embodiment of the present invention.
  • 3GPP considers non-standalone (NSA), the first version of a 5G network, to simultaneously use 5G NR and 4G LTE resources.
  • 3 also illustrates MPTCP using heterogeneous network paths of 5G NR and 4G LTE.
  • MPTCP does not just mean data transmission over different paths, but can use paths of heterogeneous networks.
  • MPTCP uses 5G NR and 4G LTE networks as an example. That is the path (r) may include a path to the path (r LTE) of the (r NR) and 4G LTE network 5G NR network.
  • the present invention is not limited thereto, and the congestion window control apparatus and method according to the embodiment of the present invention can be applied to both MPTCP using different networks as well as 5G NR and 4G LTE networks.
  • FIG. 4 shows a congestion window control apparatus for MPTCP according to an embodiment of the present invention.
  • the congestion window control apparatus includes an SNR measuring unit 110, a data input unit 120, a truncation rate calculating unit 130, and a congestion window control unit 140.
  • the SNR measuring unit 110 performs signal-to-noise ratio (SNR) on at least one of a plurality of transmission paths ( Measure In particular, the SNR measuring unit 110 measures the signal-to-noise ratio (hereinafter referred to as SNR) of the main network path, which needs to adjust the size of the congestion window among the plurality of paths.
  • the main network path means a path with the smallest RTT among a plurality of paths of MPTCP, and may be 5G NR.
  • the SNR measuring unit 110 measures the measured SNR ( ) Is a predetermined threshold ( Is less than), and the SNR ( ) Is the threshold ( If less than) to activate the cut rate calculator 130.
  • the data input unit 120 transmits data to be transmitted to the congestion window control unit 140.
  • the data to be transmitted is data to be generated and transmitted at the application layer, and the size of the data is the amount of traffic (R app ) to be transmitted.
  • the data input unit 120 transmits the traffic amount R app to the truncation rate calculator 130.
  • the activated cut rate calculator 130 calculates an optimum cut rate ⁇ opt for adjusting the size of the congestion window for each predetermined time period T I.
  • the optimal truncation rate ⁇ opt is an expected value of the total amount of data that can transmit data using multiple paths in MPTCP.
  • the optimum cutting ratio ⁇ opt means an optimization value of the cutting ratio ⁇ , where 0 ⁇ ⁇ ⁇ 1, which varies the size of the congestion window of the main network path. That is, it may mean an optimization value of the cutting rate ⁇ NR of the 5G NR network.
  • Congestion window size, packet loss rate (PLR), round-trip-time (RTT), and throughput in the path r of a specific network, such as 5G NR and 4G LTE can be calculated as: w r , p r , ⁇ r , x r , and the size increase of the congestion window (cwnd) that occurs every time Ack is received in path r and the decrease in the size of the congestion window (cwnd) that occurs every packet loss in path r , respectively.
  • D r the path (r) the total amount of change (r ⁇ w) of the congestion window size (w r) occurring during the RTT ( ⁇ r) in can be calculated as equation (1).
  • Equation 1 Denotes the expected value of the congestion window size change for one packet transmission, and the congestion window size w r denotes the number of packets transmitted through the path r during the RTT.
  • Equation 2 the change amount of the transmission amount during the RTT ( ⁇ r ) in the path r from the equation (1) ) May be calculated as in Equation 2.
  • Equation (2) Denotes the amount of change in the congestion window size w r in the path r.
  • the cut rate calculator 130 calculates the optimum cut rate ⁇ opt at a predetermined time period T I , and if the time period T I is a very short time (eg 10 ms), The amount of transmission x r during the time period T I in the path r may be approximated as a linear function. Therefore, the average throughput over time period T I ( ) May be expressed as in Equation 3.
  • MPTCP generally uses LowRTT (Lowest-RTT-First), which is the most basic MPTCP scheduling, as a scheduling scheme, and uses Linked-Increase Algorithm (LIA) as a congestion control scheme.
  • LowRTT Low-RTT-First
  • LIA Linked-Increase Algorithm
  • a schedule having a small RTT among a plurality of network paths is scheduled with the maximum utilization rate, and a schedule for transmitting the remaining packets that the RTT cannot transmit on a small path on a small RTT path on a large RTT path.
  • the utilization rate of 5G NR path which is basically a main network path with small RTT, is low in the LowRTT scheduling scheme.
  • LTE utilization ( ) Is controlled by the amount of traffic (R app ) generated at the application layer, that is, the size of data to be transmitted.
  • the amount of traffic (R app ) generated at the application layer is ,
  • the truncation rate ( ⁇ ) is the truncation rate for the main network 5G NR, and the 5G NR and the LTE transmission rate (x NR , x LTE ) are the current congestion window sizes (w NR , w LTE ) and the current RTT ( ⁇ NR).
  • the truncation rate calculating unit 130 is the expected value of the MPTCP transmission amount ( The cutting rate ⁇ maximizing) is calculated as the optimum cutting rate ⁇ opt , and the optimization condition may be set by Equation 4 below.
  • Equation 4 The condition of Equation 4 is the utilization rate of the LTE path ( ) Has an upper bound of 1 ( This is because the cutting ratio ⁇ is a value within a range of 0 ⁇ ⁇ ⁇ 1.
  • the size increase rate (I NR , I LTE ) and the decrease rate (D NR , D LTE ) of the congestion window (cwnd) in the 5G NR path and the LTE path are calculated by Equations 5 and 6, respectively. do.
  • the LIA congestion control technique uses LTE when the size of the congestion window (cwnd) for the 5G NR path is changed to the truncation rate ( ⁇ ) when the size of the congestion window (cwnd) is increased according to equations (5) and (6). By selecting the one with the larger value of the transmission amount of the path, the size of the congestion window (cwnd) is increased. On the other hand, when the size of the congestion window cwnd is reduced, the size of the congestion window of each path is reduced to 1/2.
  • the LIA congestion control technique reduces the size of the congestion window (cwnd) by 1/2, and there is a problem that the reduction of the transmission amount is very large.
  • the SNR measured before the LIA congestion control technique is applied so that the LIA congestion control technique does not reduce the size of the congestion window (cwnd) by 1/2.
  • the optimal cutting ratio ⁇ opt of the main network path is calculated, and the size of the congestion window cwnd is preemptively changed according to the calculated optimal cutting ratio ⁇ opt .
  • Equation 7 the amount of change in the transmission rate in each of the 5G NR path and the LTE path ( , ) Needs to be calculated.
  • Equation 7 the amount of change in the amount of traffic in each of the 5G NR path and the LTE path ( , ) May be calculated as shown in Equations 7 and 8.
  • Equation 10 the expected value of the MPTCP transmission amount ) May be approximated by Equation 10.
  • Expected value of approximated MPTCP transmission amount of Equation 10 ( ) Is a quadratic function, so the expected value of the approximate MPTCP throughput ( We can calculate the cutting rate ( ⁇ ) to maximize).
  • the expected value of the MPTCP transmission rate ( ) Is the optimal cut rate ( ⁇ opt ) in the main network 5G NR, and can be calculated according to Equation (11).
  • the optimal truncation rate ( ⁇ opt ) is smaller than (x LTE p LTE / 2x NR p NR ) and ((R app -x LTE ) / x NR ) by comparing 1 to a smaller value. Is calculated. This is because, as described above, the optimum cutting ratio ⁇ opt should be set to a value in the range of 0 ⁇ ⁇ opt ⁇ 1.
  • the cutting rate calculator 130 transmits the calculated optimal cutting rate ⁇ opt to the congestion window controller 140.
  • the congestion window control unit 140 optimizes the congestion window size of the main network 5G NR path (r NR ) to ( ⁇ opt * w NR ) according to the optimum cutting rate ( ⁇ opt ), and according to the optimized congestion window size.
  • the congestion window control unit 140 transmits the optimal amount of transmission to the 5G NR path in the amount of traffic (R app ) generated in the application layer ( Optimal transmission volume of the LTE path ( Is determined.
  • the congestion window controller 140 Since the activated truncation rate calculator 130 calculates and transmits the optimal truncation rate ⁇ opt for each predetermined time period T I , the congestion window controller 140 also has a 5G NR path that is a network every time period T I. Data can be transmitted by optimizing the congestion window size of (r NR ) to ( ⁇ opt * w NR ).
  • the congestion window control unit 140 does not vary since the size of the congestion window is optimized to (1 * w NR ) when the optimum cutting ratio ⁇ opt is 1. That is, the size of the current congestion window (w NR , w LTE ) is maintained.
  • the congestion window control unit 140 measures the SNR measured by the SNR measurement unit 110. ) Is the threshold ( ), The size of the current congestion window (w NR , w LTE ) is maintained.
  • the congestion window controller 140 may measure the SNR measured by the SNR measuring unit 110. ) Is the threshold ( ), The size of the congestion window (cwnd) in the 5G NR path and LTE path according to the LIA congestion control scheme can be configured to increase by the increase rate (I NR , I LTE ) of Equations 5 and 6.
  • the congestion window control unit 140 not only adjusts the size of the congestion window (w NR , w LTE ) but also receives data from the data input unit 120 and transmits the data according to the determined transmission amount for each path. 140 adjusts only the size of the congestion window (w NR , w LTE ), and the data may be transmitted through a separate configuration.
  • FIG. 5 illustrates a congestion window control method for MPTCP according to an embodiment of the present invention.
  • the SNR measuring unit 110 determines that the SNR (at least one of the multiple paths of the MPTCP, in particular, the main network path r NR ) ) Is measured (S10).
  • the measured SNR ( ) Is a predetermined threshold Determine whether it is less than (S20). If the measured SNR ( ) Is a predetermined threshold ( ), The size of the congestion window (w NR , w LTE ) is maintained (S80). However, as described above, the congestion window control unit 140 measures the SNR measured by the SNR measurement unit 110. ) Is the threshold ( ), The size of the congestion window cwnd in the 5G NR path and the LTE path may be increased by the increase rate (I NR , I LTE ) of Equations 5 and 6 according to the LIA congestion control technique.
  • the SNR measuring unit 110 activates the cutting rate calculating unit 130, and the activated cutting rate calculating unit 130 determines whether the preset time period T I has been reached (S30).
  • the truncation rate calculator 130 may determine the size of the current congestion window (w NR , w LTE ) and the packet loss rate (PLR) (p) for each path r NR , r LTE . NR , p LTE ), and RTT ( ⁇ NR , ⁇ LTE ) are obtained.
  • the size of the data to be transmitted from the data input unit 130 that is, the amount of traffic (Rapp) is checked (S40).
  • the truncation rate calculating unit 130 may determine the size of the current congestion window (w NR , w LTE ), packet loss rate (PLR) (p NR , p LTE ), and RTT ( ⁇ ) for each of the acquired paths r NR and r LTE . Based on NR , ⁇ LTE ) and the amount of traffic R app , an optimal truncation rate ⁇ opt is calculated according to Equation 11 (S50).
  • the congestion window controller 140 receives the optimum cutting rate ⁇ opt calculated by the cutting rate calculating unit 130, and determines whether the optimal cutting rate ⁇ opt is 1 (S60). Since the optimum cutting rate ⁇ opt has a value in the range of 0 ⁇ ⁇ opt ⁇ 1, the value 1 of the optimum cutting rate ⁇ opt means the maximum value. Therefore, if the optimum cutting rate ⁇ opt is 1, the congestion window control unit 140 maintains the congestion window size w NR for the 5G NR network r NR which is the main network path without changing (S80).
  • the optimal cutoff ratio ( ⁇ opt ) is not 1, that is, if the optimum cutoff ratio ( ⁇ opt ) is less than 1, then the congestion window size w NR for the main network path r NR is ( ⁇ opt * w NR (S70).
  • the data applied from the data input unit 120 may be distributed and transmitted through different paths according to the determined transmission amount for each path.
  • the multipath is dependent on the amount of traffic (R app ) and the size of the congestion window (w NR , w LTE ), packet loss rate (PLR) (p NR , p LTE ), RTT ( ⁇ NR , ⁇ LTE )
  • the congestion window control method of this embodiment which controls the amount of transmission to be transmitted in each case, may be referred to as an offloading by restriction (OBR) technique.
  • OBR offloading by restriction
  • FIG. 6 illustrates an OBR algorithm for implementing the OBR technique of FIG. 5 as a software program
  • FIG. 7 is a diagram illustrating the performance of the OBR technique according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a view showing the total amount of transmission versus the packet loss rate (PLR) of the OBR scheme according to the present embodiment.
  • the simulation results are compared with LIA and MOA, the congestion control techniques of MPTCP.
  • the OBR scheme can reduce the total throughput of MPTCP. It can be seen that it can increase significantly.
  • the congestion window control apparatus and method for MPTCP may reduce the congestion window size of the main network path to 1/2 according to the LIA congestion control scheme.
  • the method according to the invention can be implemented as a computer program stored in a medium for execution in a computer.
  • the computer readable media herein can be any available media that can be accessed by a computer and can also include all computer storage media.
  • Computer storage media includes both volatile and nonvolatile, removable and non-removable media implemented in any method or technology for storage of information such as computer readable instructions, data structures, program modules or other data, and includes ROM (readable) Dedicated memory), RAM (random access memory), CD (compact disk) -ROM, DVD (digital video disk) -ROM, magnetic tape, floppy disk, optical data storage, and the like.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Environmental & Geological Engineering (AREA)
  • Data Exchanges In Wide-Area Networks (AREA)

Abstract

본 발명의 실시예에 따른 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법은 LIA 혼잡 제어 기법에 따라 메인 네트워크 경로의 혼잡 윈도우 크기를 1/2로 줄이기 이전에, 메인 네트워크 경로의 채널 신호대 잡음비를 측정하여, 메인 네트워크 경로의 혼잡 윈도우 크기를 최적화할 수 있다. 그러므로 다중 경로를 통해 전송할 수 있는 데이터 전송량이 항시 최대로 유지되도록 할 수 있다.

Description

다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법
본 발명은 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 다중경로 전송제어프로토콜에서 최적의 데이터 오프로딩을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법에 관한 것이다.
차세대 이동통신 네트워크인 5G 네트워크는 높은 데이터 전송율과 낮은 지연율을 필요로 하는 증강현실(Augmented Reality, AR), 가상현실(Virtual Reality, VR), 자율주행차와 같은 다양한 차세대 응용들을 지원할 수 있을 것으로 기대된다. 이러한 5G 서비스의 요구사항을 만족시키기 위해 3GPP(3rd Generation Partnership Project)는 5G NR(New Radio) 기술의 표준화를 준비중이다. 5G에서 이용되는 밀리미터파(Millimeter-wave) 기술은 기존 셀룰러 망의 3 GHz 대역과 비교했을 때 훨씬 넓은 대역폭을 지원하기 때문에 5G NR 서비스 시나리오 중 하나인 초광대역 이동 통신(enhanced Mobile Broadband: eMBB) 서비스를 실현하기 위해 필수적인 역할을 할 것으로 보인다.
하지만 밀리미터파 신호는 높은 경로 감쇄(path-loss)를 가지며 건물, 나무, 사람 등과 같은 장애물(blockage)에 의한 영향을 극심하게 받게 된다. 이러한 밀리미터파의 채널 특성 때문에 5G 네트워크에서는 물리 계층(Physical layer)과 MAC 계층(Media Access Control layer)뿐만 아니라 전송 계층(transport layer)에서의 신중한 설계가 필요하게 되었다. 상기한 바와 같이, 밀리미터파 신호는 장애물에 취약하기 때문에 LOS(Line-Of-Sight)에서 NLOS(Non- Line-Of-Sight) 상태로의 변화를 겪게 되고, 이로 인해 급작스런 수신신호 퀄리티의 저하를 겪게 된다. 즉 NLOS 지역의 밀리미터파는 낮은 신호세기를 가지기 때문에, NLOS 지역에 있는 통신 기기는 LOS 지역에 있는 통신 기기보다 더 많은 패킷 수신 실패를 겪게 된다. 이는 밀리미터파 링크의 높은 패킷 손실률(Packet Loss Rate: 이하 PLR)로 이어지게 된다.
이에 최근 전송 계층에서 다중경로 전송제어프로토콜(Multipath Transmission Control Protocol: 이하 MPTCP)에 대한 연구가 활발하다. 높은 전송 성능을 목표로 하는 MPTCP는 다수의 네트워크 인터페이스를 동시에 셋업하고 관리할 수 있다. 그러나 MPTCP를 이용하는 경우에도 장애물에 취약한 밀리미터파 링크의 채널 특성은 여전히 전송 계층의 성능을 심각하게 저해할 수 있다.
이러한 문제를 해소하기 위해 일반적으로 TCP(Transmission Control Protocol)는 가산적 증가 배수적 감소(Additive Increase Multiplicative Decrease: 이하 AIMD)기법에 따라 혼잡 윈도우(congestion window)의 크기를 조절한다. AIMD 기법은 패킷 손실이 발생할 때마다, 혼잡 윈도우의 크기를 배수적(예를 들면, 1/2)로 줄이며, 패킷 손실이 발생되지 않으면 ACK를 확인할 때 RTT(Round-Trip-Time)마다 혼잡 윈도우 크기를 1 mss(maximum segment size)씩 가산적으로 증가시킨다.
그러나 상기한 바와 같이, AIMD 기법은 증가 보다 감소에 더 큰 변화율을 가지므로, 패킷 손실률이 높아지면 TCP 전송률이 크게 감소되는 문제가 있다.
본 발명의 목적은 다중경로에 각각 대한 혼잡 윈도우, RTT 및 패킷 손실률과 같은 경로 상태를 반영하여 전송 데이터를 오프로딩 시킴으로써, 경로 상태에 따른 전송량을 최대로 유지할 수 있는 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 채널의 신호대 잡음비에 응답하여, 혼잡 윈도우의 절단율을 다중경로의 경로별 패킷 손실률에 기반하여 연산하고, 연산된 혼잡 윈도우의 절단율에 따라 혼잡 윈도우의 크기를 감소시킴으로써, 다중경로 전송 제어프로토콜의 데이터 오프로딩을 최적화 할 수 있는 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치는 지정된 다중경로 다중 경로(r NR, r LTE) 중 메인 네트워크 경로(r NR)에 대한 신호대 잡읍비(이하 SNR)을 측정하고, 측정된 SNR이 기지정된 임계값 미만인지 판별하는 SNR 측정부; 상기 SNR이 상기 임계값 미만이면 활성화되고, 기지정된 시간 주기(T I)마다 다중 경로(r NR, r LTE) 각각에 대한 혼잡 윈도우의 크기(w NR, w LTE), 패킷 손실률(p NR, p LTE) 및 RTT(τ NR, τ LTE)과 전송해야할 트래픽의 양(R app)에 따라 기설정된 방식으로 다중 경로를 이용하여 데이터를 전송할 수 있는 전체 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000001
)이 최대가 되도록 혼잡 윈도우의 크기를 가변하기 위한 최적 절단율(α opt)을 계산하는 절단율 연산부; 및 상기 시간 주기(T I)로 인가되는 상기 최적 절단율(α opt)에 따라 상기 메인 네트워크 경로(r NR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(w NR)를 가변하는 혼잡 윈도우 제어부; 를 포함한다.
상기 절단율 연산부는 수학식
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000002
에 따라 상기 최적 절단율(α opt)을 계산할 수 있다.
상기 혼잡 윈도우 제어부는 상기 메인 네트워크 경로(r NR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(w NR)를 (α opt*w NR)로 가변할 수 있다.
상기 혼잡 윈도우 제어부는 가변된 혼잡 윈도우의 크기(α opt*w NR)에 따라 상기 메인 네트워크 경로(r NR)로 데이터를 전송할 최적 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000003
= α opt * x NR)을 결정하고, 상기 트래픽의 양(R app)에서 상기 메인 네트워크 경로(r NR)의 최적 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000004
)을 제외한 나머지를 다른 경로로 전송하기 위해 최적 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000005
=
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000006
* x LTE)을 결정할 수 있다.
상기 메인 네트워크 경로는 상기 다중 경로 중 RTT가 가장 작은 경로이다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 방법은 지정된 다중경로 다중 경로(r NR, r LTE) 중 메인 네트워크 경로(r NR)에 대한 신호대 잡읍비(이하 SNR)을 측정하는 단계; 측정된 SNR이 기지정된 임계값 미만인지 판별하는 단계; 상기 SNR이 상기 임계값 미만이면, 기지정된 시간 주기(T I)마다 다중 경로(r NR, r LTE) 각각에 대한 혼잡 윈도우의 크기(w NR, w LTE), 패킷 손실률(p NR, p LTE) 및 RTT(τ NR, τ LTE)과 전송해야할 트래픽의 양(R app)에 따라 기설정된 방식으로 다중 경로를 이용하여 데이터를 전송할 수 있는 전체 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000007
)이 최대가 되도록 혼잡 윈도우의 크기를 가변하기 위한 최적 절단율(α opt)을 계산하는 단계; 및 상기 최적 절단율(α opt)에 따라 상기 시간 주기(T I)로 상기 메인 네트워크 경로(r NR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(w NR)를 가변하는 단계; 를 포함한다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따른 다중경로 전송제어프로토콜을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법은 LIA 혼잡 제어 기법에 따라 메인 네트워크 경로의 혼잡 윈도우 크기를 1/2로 줄이기 이전에, 메인 네트워크 경로의 채널 신호대 잡음비를 측정하여, 메인 네트워크 경로의 혼잡 윈도우 크기를 최적화할 수 있다. 그러므로 다중 경로를 통해 전송할 수 있는 데이터 전송량이 항시 최대로 유지되도록 할 수 있다.
도1 은 MPTCP의 스택 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도2 는 MPTCP의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 MPTCP 시스템을 나타낸다.
도4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 장치를 나타낸다.
도5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 방법을 나타낸다.
도6 은 도5 의 OBR 기법을 소프트웨어 프로그램으로 구현하기 위한 OBR 알고리즘을 나타낸다.
도7 은 본 발명의 실시예에 따른 OBR 기법의 성능을 시뮬레이션한 도면이다.
", "모듈", "블록" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다.
도1 은 MPTCP의 스택 구조를 설명하기 위한 도면이고, 도2 는 MPTCP의 개념을 설명하기 위한 도면이다.
도1 에서 (a)는 기존의 TCP 통신을 위한 스택 구조를 나타내고, (b)는 MPTCP 통신을 위한 스택 구조를 나타낸다. (b)에 도시된 바와 같이 MPTCP에서는 TCP 계층을 하나의 MPTCP 계층과 그 하위에 다수의 TCP 서브플로우(subflow)로 구분하고, 다수의 TCP 서브 플로우 개수에 대응하여 IP 계층 또한 또한 다수 개로 구분한다.
여기서 TCP 서브플로우는 각각의 네트워크 인터페이스를 통해 설정된 종단간 연결에 흐르는 패킷의 흐름을 의미한다.
즉 도2 에 도시된 바와 같이, MPTCP에서는 하나의 어플리케이션(Application) 또는 호스트(Host)가 각각 서로 다른 다수의 경로를 구성하고, 다수의 경로를 통해 동시에 하나의 데이터를 송수신할 수 있다.
도2 에서는 클라이언트(client)-서버(server)의 2개의 호스트가 MPTCP 통신 방식에 따라 3개의 서로 다른 경로를 통해 통신을 수행하는 경우를 도시하였다.
도2 에 나타난 바와 같이, 2개의 호스트는 각각 3개의 경로를 통해 통신을 수행하며, 이중 제1 경로(TCP sub-flow1)는 6mbps의 속도로 통신을 수행할 수 있고, 제2 경로(TCP sub-flow2)는 2mbps의 속도로 통신을 수행할 수 있으며, 제3 경로(TCP sub-flow3)는 1mbps의 속도로 통신을 수행할 수 있다.
따라서 2개의 호스트는 3개의 경로를 통해 9mbps의 속도로 통신을 수행할 수 있게 되며, 3개의 경로 중 적어도 하나가 혼잡하거나 차단되더라도, 데이터를 송수신 할 수 있게 된다.
즉 MPTCP는 다수의 경로를 이용하므로, 특정 경로에 혼잡(congestion)이 발생하거나 연결이 끊어지더라도 다른 경로를 통해 연속적으로 데이터를 주고 받을 수 있어 항상 최선의 연결을 보장하는 장점이 있다.
도3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 MPTCP 시스템을 나타낸다.
현재 3GPP에서는 5G 네트워크의 최초 버전으로 5G NR과 4G LTE 자원을 동시에 이용하는 NSA(non-standalone)을 고려하고 있다. 이에 도3 에서도 5G NR과 4G LTE의 이종 네트워크 경로를 이용하는 MPTCP를 도시하였다. 즉 MPTCP는 단지 상이한 경로를 통한 데이터 전송을 의미하는 것이 아니라 이종 네트워크의 경로를 이용할 수 있다.
MPTCP를 이용한 5G NR과 LTE의 어그리게이션(aggregation)은 5G eMBB 서비스의 높은 데이터 전송량 요구조건을 만족시키기 위한 기술 중 하나이다. 하지만 5G NR과 LTE가 어그리게이션 되어 동시에 사용될 지라도, 상기한 바와 같이, 밀리미터파의 장애물에 취약한 채널 특성은 전송 계층의 성능을 심각하게 저하할 수 있다. 이에 5G NR 경로의 혼잡 윈도우 크기를 조절하여 최적의 오프로딩(offloading)을 통해 최적의 전송률을 달성할 필요가 있다.
이하에서는 MPTCP가 일예로 5G NR과 4G LTE 네트워크를 이용하는 것으로 가정하여 설명한다. 즉 경로(r)은 5G NR 네트워크의 경로(r NR)과 4G LTE 네트워크의 경로(r LTE)를 포함할 수 있다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 실시예에 따른 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법은 5G NR과 4G LTE 네트워크뿐만 아니라 서로 다른 네트워크를 이용하는 MPTCP에 모두 적용될 수 있다.
도4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 장치를 나타낸다.
도4 를 참조하면, 본 실시예에 따른 혼잡 윈도우 제어 장치는 SNR 측정부(110), 데이터 입력부(120), 절단율 연산부(130) 및 혼잡 윈도우 제어부(140)를 포함한다.
우선 SNR 측정부(110)는 다수의 전송 경로 중 적어도 하나의 경로에 대한 신호대 잡음비(signal-to-noise ratio: 이하 SNR)(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000008
)를 측정한다. 특히 SNR 측정부(110)는 다수의 경로 중 혼잡 윈도우의 크기를 조절할 필요가 있는 메인 네트워크 경로의 신호대 잡음비(이하 SNR)을 측정한다. 여기서 메인 네트워크 경로는 MPTCP의 다수의 경로 중 RTT가 가장 작은 경로를 의미하며, 5G NR 일 수 있다.
그리고 SNR 측정부(110)는 측정된 SNR(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000009
)이 기지정된 임계값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000010
) 미만인지 판별하고, SNR(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000011
)이 임계값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000012
) 미만이면 절단율 연산부(130)를 활성화한다.
한편 데이터 입력부(120)는 전송할 데이터를 혼잡 윈도우 제어부(140)로 전달한다. 여기서 전송할 데이터는 어플리케이션 계층에서 생성되어 전송되어야 하는 데이터로서, 데이터의 크기는 전송할 트래픽의 양(R app)이다. 데이터 입력부(120)는 트래픽의 양(R app)을 절단율 연산부(130)로 전달한다.
활성화된 절단율 연산부(130)는 기설정된 시간 주기(T I)마다 혼잡 윈도우의 크기를 조절하기 위한 최적 절단율(α opt)을 계산한다. 본 실시예에서 최적 절단율(α opt)은 MPTCP에서 다수의 경로를 이용하여 데이터를 전송할 수 있는 전체 전송량의 기대값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000013
)이 최대가 되도록, 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 가변하기 위한 파라미터를 의미한다. 또한 최적 절단율(α opt)은 메인 네트워크 경로의 혼잡 윈도우의 크기를 가변하는 절단율(α, 여기서, 0 ≤ α ≤ 1)의 최적화 값을 의미한다. 즉 5G NR 네트워크의 절단율(α NR)의 최적화 값을 의미할 수 있다.
따라서 최적 절단율(α opt)을 계산하기에 앞서, MPTCP 전체 전송량의 기대값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000014
)을 우선 계산해야 하며, MPTCP 전송량의 기대값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000015
)을 계산하기 위해서는 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기에 따른 MPTCP 전송량의 변화량을 계산해야 한다.
5G NR과 4G LTE 과 같은 특정 네트워크의 경로(r)에서의 혼잡 윈도우 크기, 패킷 손실률(packet loss rate: PLR), RTT(round-trip-time) 및 전송량을 각각 w r, p r, τ r, x r 이라 하고, 경로(r)에서 Ack 수신 시 마다 발생하는 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기 증가량과 경로(r)에서 패킷 손실 시 마다 발생하는 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기 감소량을 각각 I r, D r이라 하면, 경로(r)에서 RTT(τ r) 동안 발생하는 혼잡 윈도우 크기(w r)의 총 변화량(Δw r)은 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000016
수학식 1에서
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000017
는 1개의 패킷 전송에 대한 혼잡 윈도우 크기 변화의 기대값을 나타내며, 혼잡 윈도우 크기(w r)는 RTT동안 경로(r)을 통해 전송되는 패킷의 수를 의미한다.
그리고 수학식 1로부터 경로(r)에서 RTT(τ r) 동안의 전송량 변화량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000018
)은 수학식 2와 같이 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000019
수학식 2에서
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000020
는 경로(r)에서 혼잡 윈도우 크기(w r)의 변화량을 의미한다.
상기한 바와 같이, 절단율 연산부(130)는 기설정된 시간 주기(T I)로 최적 절단율(α opt)을 계산하며, 시간 주기(T I)이 매우 짧은 시간(예를 들면 10ms)이면, 경로(r)에서 시간 주기(T I)동안의 전송량(x r)은 1차 함수로 근사화될 수 있다. 따라서 시간 주기(T I)동안의 평균 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000021
)은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000022
한편 MPTCP는 일반적으로 스케쥴링 방식으로 가장 기본적인 MPTCP 스케쥴링 방식인 LowRTT(Lowest-RTT-First) 방식을 이용하고, 혼잡 제어 방식으로는 LIA(Linked-Increase Algorithm)를 이용한다.
LowRTT 스케줄링 방식에 의하면, 다수의 네트워크 경로 중 RTT가 작은 경로는 이용률을 최대로 하여 스케쥴링하고, RTT가 큰 경로에서는 RTT가 작은 경로에서는 RTT가 작은 경로로 전송하지 못하는 나머지 패킷들을 전송하도록 스케쥴링하게 된다.
도3 에서와 같이, MPTCP가 5G NR과 LTE 2개의 경로를 이용하도록 구성된 경우, LowRTT 스케줄링 방식에서는 기본적으로 RTT가 작은 메인 네트워크 경로인 5G NR 경로의 이용률(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000023
)을 최대로 설정하고, LTE의 이용률(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000024
)은 어플리케이션 계층에서 생성되는 트래픽의 양(R app), 즉 전송할 데이터의 크기에 의해 조절된다. 어플리케이션 계층에서 생성되는 트래픽의 양(R app)은
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000025
를 만족하며, 5G NR의 이용률(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000026
)은 5G NR 경로가 혼잡하지 않는 경우에 최대(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000027
= 1)로 설정되므로, LTE 경로의 이용률(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000028
)은
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000029
를 만족하도록 설정된다.
여기서 절단율(α)는 메인 네트워크인 5G NR에 대한 절단율을 의미하며, 5G NR과 LTE 전송량(x NR, x LTE)는 현재 혼잡 윈도우 크기(w NR, w LTE)와 현재 RTT(τ NR, τ LTE)에 기반하여 계산된 전송량(x NR = w NR/τ NR, x LTE = w LTE/τ LTE 을 의미한다.
상기한 바와 같이, 절단율 연산부(130)는 MPTCP 전송량의 기대값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000030
)을 최대로 하는 절단율(α)을 최적 절단율(α opt)로 연산하며, 이에 따른 최적화 조건은 수학식 4로 설정될 수 있다.
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000031
수학식 4 의 조건은 LTE 경로의 이용률(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000032
)은 상계(upper bound)가 1(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000033
≤ 1)이고, 절단율(α)는 0 ≤ α ≤ 1의 범위 내의 값이기 때문이다.
그리고 LIA 혼잡 제어 기법을 이용하므로, 5G NR 경로와 LTE 경로에서의 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기 증가율(I NR, I LTE)과 감소율(D NR, D LTE)은 각각 수학식 5 및 6으로 계산된다.
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000034
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000035
LIA 혼잡 제어 기법은 수학식 5 및 6에 따라 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 증가시키는 경우에는 5G NR 경로에 대한 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 절단율(α)로 변경한 경우의 전송량과 LTE 경로의 전송량 중 큰 값을 갖는 쪽을 선택하여, 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 증가 시킨다. 반면, 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 감소시키는 경우에는 각 경로의 혼잡 윈도우 크기를 1/2로 감소시킨다.
따라서 LIA 혼잡 제어 기법은 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 1/2로 감소시켜, 전송량의 감소가 매우 크다는 문제가 있다. 이에 본 실시예에서는 LIA 혼잡 제어 기법이 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기가 1/2로 줄이지 않도록, LIA 혼잡 제어 기법이 적용되기 이전에 측정된 SNR(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000036
)을 기반으로 메인 네트워크 경로의 최적 절단율(α opt)을 연산하고, 연산된 최적 절단율(α opt)에 따라 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 선제적으로 가변한다.
최적 절단율(α opt)을 연산하기 위해서는 우선 5G NR 경로와 LTE 경로 각각에서의 전송량 변화량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000037
,
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000038
)을 계산할 필요가 있다. 수학식 2와 함께 수학식 5 및 6을 참조할 때, 5G NR 경로와 LTE 경로 각각에서의 전송량 변화량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000039
,
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000040
)은 수학식 7 및 8과 같이 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000041
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000042
그리고 수학식 3과 수학식 7 및 8 에 의해 MPTCP 전송량의 기대값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000043
)은 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000044
한편 수학식 9 의 MPTCP 전송량의 기대값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000045
)은 수학식 10으로 근사화 될 수 있다.
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000046
수학식 10의 근사화된 MPTCP 전송량의 기대값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000047
)은 2차 함수의 형태이기 때문에, 근사화된 MPTCP 전송량의 기대값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000048
)을 최대화하는 절단율(α)을 계산할 수 있다. 상기한 바와 같이, MPTCP 전송량의 기대값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000049
)을 최대화하는 절단율(α)은 메인 네트워크인 5G NR에서 최적 절단율(α opt)이며, 수학식 11에 따라 계산될 수 있다.
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000050
수학식 11을 참조하면, 최적 절단율(α opt)은 (x LTEp LTE/2x NRp NR)과 ((R app-x LTE)/x NR) 중 큰 값과 1을 비교하여 작은 값으로 계산된다. 이는 상기한 바와 같이, 최적 절단율(α opt)은 0 ≤ α opt ≤ 1의 범위의 값으로 설정되어야 하기 때문이다.
절단율 연산부(130)는 최적 절단율(α opt)이 계산되면, 계산된 최적 절단율(α opt)을 혼잡 윈도우 제어부(140)로 전달한다.
혼잡 윈도우 제어부(140)는 최적 절단율(α opt)에 따라 메인 네트워크인 5G NR 경로(r NR)의 혼잡 윈도우 크기를 (α opt*w NR)로 최적화하고, 최적화된 혼잡 윈도우의 크기에 따라 5G NR 경로로 데이터를 전송할 최적 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000051
)을 결정한다. 5G NR 경로로 전송할 최적 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000052
)은 최적 절단율(α opt)과 전송량(x NR)의 곱(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000053
= α opt * x NR)으로 계산될 수 있다. 한편 혼잡 윈도우 제어부(140)는 어플리케이션 계층에서 생성되는 트래픽의 양(R app)에서 5G NR 경로로 전송할 최적 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000054
)를 제외한 나머지를 LTE 경로로 전송하기 위해 LTE 경로의 최적 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000055
)를 결정한다. LTE 경로로 전송할 최적 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000056
)은 전송량(x LTE)과 LTE 경로의 이용률(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000057
)의 곱으로 계산(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000058
=
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000059
* x LTE)될 수 있다. 그리고 결정된 경로별 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000060
,
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000061
)에 따라 데이터 입력부(120)에서 인가되는 데이터를 분산하여 서로 다른 경로를 통해 전송한다.
활성화된 절단율 연산부(130)가 기지정된 시간 주기(T I)마다 최적 절단율(α opt)을 연산하여 전달하므로, 혼잡 윈도우 제어부(140) 또한 시간 주기(T I)마다 네트워크인 5G NR 경로(r NR)의 혼잡 윈도우 크기를 (α opt*w NR)로 최적화하여 데이터를 전송할 수 있다.
혼잡 윈도우 제어부(140)는 최적 절단율(α opt)이 1인 경우, 혼잡 윈도우의 크기는 (1*w NR)로 최적화되므로, 가변하지 않는다. 즉 현재 혼잡 윈도우의 크기(w NR, w LTE)가 유지된다. 또한 혼잡 윈도우 제어부(140)는 SNR 측정부(110)에서 측정된 SNR(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000062
)이 임계값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000063
) 이상이면, 현재 혼잡 윈도우의 크기(w NR, w LTE)를 유지한다.
그러나 경우에 따라서 혼잡 윈도우 제어부(140)는 SNR 측정부(110)에서 측정된 SNR(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000064
)이 임계값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000065
) 이상이면, LIA 혼잡 제어 기법에 따라 5G NR 경로와 LTE 경로에서의 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 수학식 5 및 6의 증가율(I NR, I LTE)만큼 증가시키도록 구성될 수 있다.
상기에서는 혼잡 윈도우 제어부(140)가 혼잡 윈도우의 크기(w NR, w LTE)를 조절할 뿐만 아니라 데이터 입력부(120)로부터 데이터를 인가받고, 결정된 경로별 전송량에 따라 전송하는 것으로 설명하였으나, 혼잡 윈도우 제어부(140)는 혼잡 윈도우의 크기(w NR, w LTE)만을 조절하고, 데이터는 별도의 구성을 통해 전송되도록될 수도 있다.
도5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 방법을 나타낸다.
도4 를 참조하여, 도5 의 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 방법을 설명하면, 우선 SNR 측정부(110)가 MPTCP의 다중 경로 중 적어도 하나, 특히 메인 네트워크 경로(r NR)의 SNR(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000066
)을 측정한다(S10).
그리고 측정된 SNR(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000067
)이 기지정된 임계값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000068
) 미만인지 판별한다(S20). 만일 측정된 SNR(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000069
)이 기지정된 임계값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000070
) 이상이면, 혼잡 윈도우의 크기(w NR, w LTE)를 유지한다(S80). 그러나 상기한 바와 같이, 혼잡 윈도우 제어부(140)는 SNR 측정부(110)에서 측정된 SNR(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000071
)이 임계값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000072
) 이상이면, LIA 혼잡 제어 기법에 따라 5G NR 경로와 LTE 경로에서의 혼잡 윈도우(cwnd)의 크기를 수학식 5 및 6의 증가율(I NR, I LTE)만큼 증가시킬 수도 있다.
반면, 측정된 SNR(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000073
)이 기지정된 임계값(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000074
) 미만이면, SNR 측정부(110)는 절단율 연산부(130)를 활성화하고, 활성화된 절단율 연산부(130)는 기설정된 시간 주기(T I)에 도달하였는지 판별한다(S30). 기설정된 시간 주기(T I)에 도달하면, 절단율 연산부(130)는 각 경로(r NR, r LTE)에 대한 현재 혼잡 윈도우의 크기(w NR, w LTE), 패킷 손실률(PLR)(p NR, p LTE), RTT(τ NR, τ LTE)을 획득한다. 또한 데이터 입력부(130)으로부터 전송할 데이터의 크기, 즉 트래픽의 양(Rapp)을 확인한다(S40).
그리고 절단율 연산부(130)는 획득된 각 경로(r NR, r LTE)에 대한 현재 혼잡 윈도우의 크기(w NR, w LTE), 패킷 손실률(PLR)(p NR, p LTE), RTT(τ NR, τ LTE) 및 트래픽의 양(R app)을 기초로, 수학식 11에 따라 최적 절단율(α opt)을 계산하여 획득한다(S50).
혼잡 윈도우 제어부(140)는 절단율 연산부(130)에서 계산된 최적 절단율(α opt)을 인가받고, 최적 절단율(α opt)이 1인지 판별한다(S60). 최적 절단율(α opt)은 0 ≤ α opt ≤ 1의 범위의 값을 가지므로, 최적 절단율(α opt)의 값 1은 최대값을 의미한다. 따라서, 최적 절단율(α opt)이 1이면, 혼잡 윈도우 제어부(140)는 메인 네트워크 경로인 5G NR 네트워크(r NR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(w NR)를 변경하지 않고 유지한다(S80).
반면, 최적 절단율(α opt)이 1이 아니면, 즉 최적 절단율(α opt)이 1 미만이면, 메인 네트워크 경로(r NR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(w NR)를 (α opt*w NR)로 변경한다(S70).
그리고 혼잡 윈도우 제어부(140)는 최적화된 혼잡 윈도우의 크기(α opt*w NR)에 따라 5G NR 경로로 데이터를 전송할 최적 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000075
= α opt * x NR)을 결정하고, LTE 경로의 최적 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000076
=
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000077
* x LTE)을 결정한다. 그리고 결정된 경로별 전송량에 따라 데이터 입력부(120)에서 인가되는 데이터를 분산하여 서로 다른 경로를 통해 전송할 수 있다.
상기한 바와 같이, 트래픽의 양(R app)과 혼잡 윈도우의 크기(w NR, w LTE), 패킷 손실률(PLR)(p NR, p LTE), RTT(τ NR, τ LTE)에 따라 다중 경로 각각으로 전송될 전송량을 조절하는 본 실시예의 혼잡 윈도우 제어 방법을 OBR(Offloading by Restriction) 기법이라 할 수 있다.
도6 은 도5 의 OBR 기법을 소프트웨어 프로그램으로 구현하기 위한 OBR 알고리즘을 나타내고, 도7 은 본 발명의 실시예에 따른 OBR 기법의 성능을 시뮬레이션한 도면이다.
도7 은 본 실시예에 따른 OBR 기법의 패킷 손실률(PLR) 대비 전체 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000078
)의 변화를 기존의 MPTCP의 혼잡 제어 기법인 LIA와 MOA와 비교하여 시뮬레이션한 결과를 나타낸다.
도7 에 나타난 바와 같이, 본 실시예에 따른 OBR 기법은 MOA 대비 평균 6.21%, 4.08% 성능 이득 (p LTE=0.1%, p LTE=0.3%), LIA 대비 평균 28.89%, 25.54% 성능 이득 (p LTE=0.1%, p LTE=0.3%)을 얻을 수 있다는 것이 확인되었다. 즉 OBR 기법이 MPTCP의 전체 전송량(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000079
)을 크게 증가 시킬 수 있음이 확인되었다.
결과적으로 본 발명의 실시예에 따른 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 장치 및 방법은 LIA 혼잡 제어 기법에 따라 메인 네트워크 경로의 혼잡 윈도우 크기를 1/2로 줄이기 이전에, 메인 네트워크 경로의 채널 SNR(
Figure PCTKR2019006224-appb-img-000080
)을 측정하여, 메인 네트워크 경로의 혼잡 윈도우 크기(w NR)를 (α opt*w NR)로 최적화한다. 따라서, 다중 경로를 통해 전송할 수 있는 데이터 전송량이 항시 최대로 유지되도록 할 수 있다.
본 발명에 따른 방법은 컴퓨터에서 실행 시키기 위한 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로 구현될 수 있다. 여기서 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 또한 컴퓨터 저장 매체를 모두 포함할 수 있다. 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함하며, ROM(판독 전용 메모리), RAM(랜덤 액세스 메모리), CD(컴팩트 디스크)-ROM, DVD(디지털 비디오 디스크)-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등을 포함할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (10)

  1. 다중경로 전송제어프로토콜(이하 MPTCP)을 위한 혼잡 윈도우 제어 장치에 있어서,
    지정된 다중경로 다중 경로(r NR, r LTE) 중 메인 네트워크 경로(r NR)에 대한 신호대 잡읍비(이하 SNR)을 측정하고, 측정된 SNR이 기지정된 임계값 미만인지 판별하는 SNR 측정부;
    상기 SNR이 상기 임계값 미만이면 활성화되고, 기지정된 시간 주기(T I)마다 다중 경로(r NR, r LTE) 각각에 대한 혼잡 윈도우의 크기(w NR, w LTE), 패킷 손실률(p NR, p LTE) 및 RTT(τ NR, τ LTE)과 전송해야할 트래픽의 양(R app)에 따라 기설정된 방식으로 다중 경로를 이용하여 데이터를 전송할 수 있는 전체 전송량(
    Figure PCTKR2019006224-appb-img-000081
    )이 최대가 되도록 혼잡 윈도우의 크기를 가변하기 위한 최적 절단율(α opt)을 계산하는 절단율 연산부; 및
    상기 시간 주기(T I)로 인가되는 상기 최적 절단율(α opt)에 따라 상기 메인 네트워크 경로(r NR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(w NR)를 가변하는 혼잡 윈도우 제어부; 를 포함하는 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 장치.
  2. 제1 항에 있어서, 상기 절단율 연산부는
    수학식
    Figure PCTKR2019006224-appb-img-000082
    에 따라 상기 최적 절단율(α opt)을 계산하는 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 장치.
  3. 제1 항에 있어서, 상기 혼잡 윈도우 제어부는
    상기 메인 네트워크 경로(r NR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(w NR)를 (α opt*w NR)로 가변하는 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 장치.
  4. 제3 항에 있어서, 상기 혼잡 윈도우 제어부는
    가변된 혼잡 윈도우의 크기(α opt*w NR)에 따라 상기 메인 네트워크 경로(r NR)로 데이터를 전송할 최적 전송량(
    Figure PCTKR2019006224-appb-img-000083
    = α opt * x NR)을 결정하고, 상기 트래픽의 양(R app)에서 상기 메인 네트워크 경로(r NR)의 최적 전송량(
    Figure PCTKR2019006224-appb-img-000084
    )을 제외한 나머지를 다른 경로로 전송하기 위해 최적 전송량(
    Figure PCTKR2019006224-appb-img-000085
    =
    Figure PCTKR2019006224-appb-img-000086
    * x LTE)을 결정하는 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 장치.
  5. 제1 항에 있어서, 상기 메인 네트워크 경로는
    상기 다중 경로 중 RTT가 가장 작은 경로인 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 장치.
  6. 다중경로 전송제어프로토콜(이하 MPTCP)을 위한 혼잡 윈도우 제어 방법에 있어서,
    지정된 다중경로 다중 경로(r NR, r LTE) 중 메인 네트워크 경로(r NR)에 대한 신호대 잡읍비(이하 SNR)을 측정하는 단계;
    측정된 SNR이 기지정된 임계값 미만인지 판별하는 단계;
    상기 SNR이 상기 임계값 미만이면, 기지정된 시간 주기(T I)마다 다중 경로(r NR, r LTE) 각각에 대한 혼잡 윈도우의 크기(w NR, w LTE), 패킷 손실률(p NR, p LTE) 및 RTT(τ NR, τ LTE)과 전송해야할 트래픽의 양(R app)에 따라 기설정된 방식으로 다중 경로를 이용하여 데이터를 전송할 수 있는 전체 전송량(
    Figure PCTKR2019006224-appb-img-000087
    )이 최대가 되도록 혼잡 윈도우의 크기를 가변하기 위한 최적 절단율(α opt)을 계산하는 단계; 및
    상기 최적 절단율(α opt)에 따라 상기 시간 주기(T I)로 상기 메인 네트워크 경로(r NR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(w NR)를 가변하는 단계; 를 포함하는 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 방법.
  7. 제6 항에 있어서, 상기 최적 절단율(α opt)을 계산하는 단계는
    기지정된 시간 주기(T I)마다 다중 경로(r NR, r LTE) 각각에 대한 혼잡 윈도우의 크기(w NR, w LTE), 패킷 손실률(p NR, p LTE) 및 RTT(τ NR, τ LTE)과 전송해야할 트래픽의 양(R app)을 획득하는 단계; 및
    수학식
    Figure PCTKR2019006224-appb-img-000088
    에 따라 상기 최적 절단율(α opt)을 계산하는 단계; 를 포함하는 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 방법.
  8. 제6 항에 있어서, 상기 혼잡 윈도우 크기(w NR)를 가변하는 단계는
    상기 메인 네트워크 경로(r NR)에 대한 혼잡 윈도우 크기(w NR)를 (α opt*w NR)로 가변하는 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 방법.
  9. 제8 항에 있어서, 상기 혼잡 윈도우 크기(w NR)를 가변하는 단계는
    가변된 혼잡 윈도우의 크기(α opt*w NR)에 따라 상기 메인 네트워크 경로(r NR)로 데이터를 전송할 최적 전송량(
    Figure PCTKR2019006224-appb-img-000089
    = α opt * x NR)을 결정하는 단계; 및
    상기 트래픽의 양(R app)에서 상기 메인 네트워크 경로(r NR)의 최적 전송량(
    Figure PCTKR2019006224-appb-img-000090
    )을 제외한 나머지를 다른 경로로 전송하기 위해 최적 전송량(
    Figure PCTKR2019006224-appb-img-000091
    =
    Figure PCTKR2019006224-appb-img-000092
    * x LTE)을 결정하는 단계; 를 더 포함하는 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 방법.
  10. 제6 항에 있어서, 상기 메인 네트워크 경로는
    상기 다중 경로 중 RTT가 가장 작은 경로인 MPTCP를 위한 혼잡 윈도우 제어 방법.
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