WO2020226193A1 - 무선랜 시스템에서 패킷을 송수신하는 방법 및 장치 - Google Patents

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WO2020226193A1
WO2020226193A1 PCT/KR2019/005357 KR2019005357W WO2020226193A1 WO 2020226193 A1 WO2020226193 A1 WO 2020226193A1 KR 2019005357 W KR2019005357 W KR 2019005357W WO 2020226193 A1 WO2020226193 A1 WO 2020226193A1
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김철승
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엘지전자 주식회사
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    • H04W88/00—Devices specially adapted for wireless communication networks, e.g. terminals, base stations or access point devices
    • H04W88/08—Access point devices

Definitions

  • the present specification relates to wireless communication, and more particularly, to a method and apparatus for transmitting and receiving packets in a wireless LAN system.
  • MEC Mobile Edge Computing
  • ETSI European Telecommunications Standards Institute
  • SDN Software Defined Network
  • NFV Network Functions Virtualization
  • An object of the present specification is to provide a method for transmitting and receiving packets in a wireless LAN system and a wireless device using the same.
  • An example of the present specification proposes a method and apparatus for transmitting and receiving packets in a wireless LAN system.
  • This embodiment is performed by an AP, and the AP may correspond to a Wi-Fi SoftAP, which is a wireless network device inside a vehicle Telematics Control Unit (TCU) in a Mobile Edge Clouding (MEC) network environment.
  • TCU vehicle Telematics Control Unit
  • MEC Mobile Edge Clouding
  • An access point broadcasts a beacon frame including allocation information for a contention free period (CFP) and a contention period (CP) to a plurality of STAs (Stations).
  • CCP contention free period
  • CP contention period
  • the AP receives an uplink (UL) packet from a first STA among the plurality of STAs.
  • UL uplink
  • the AP transmits a downlink (DL) packet to a second STA among the plurality of STAs.
  • DL downlink
  • the length of the CFP is determined based on the number of the first STAs and an access category of traffic for the first STA.
  • the UL packets are received as many as the maximum number that can be transmitted within the determined length of the CFP.
  • the DL packets are transmitted as many as the maximum number that can be transmitted during the CP. That is, by adaptively adjusting the length of the CFP according to traffic QoS characteristics, it is possible to balance the packet load between the CFP and the CP. Accordingly, it is possible to improve the downlink throughput and the uplink throughput of the AP.
  • the proposed embodiment prevents the possibility of UL packets being transmitted during CP by transmitting UL packets during CFP, and makes it possible to further transmit DL packets during CP. As a result, more real-time traffic streaming is possible with DL packets, thereby improving overall throughput.
  • the AP may transmit a CF poll (Contention Free Poll) frame to the first STA in a unicast manner.
  • the UL packet may be transmitted to each of the first STAs based on the CF poll frame.
  • the CF poll frame may be transmitted based on priority.
  • the priority may be obtained based on the number of packets waiting in a queue and the access category.
  • the access category may include Access Category_Video (AC_VI), Access Category_Voice (AC_VO), Access Category_Best Effort (AC_BE), and Access Category_Background (AC_BK).
  • the CF poll frame may include an identifier and a MAC address of a third STA supporting Multi User-Multi Input Multi Output (MU-MIMO) among the first STAs.
  • the UL packet may be transmitted from the third STA after the CF poll frame is transmitted and short interframe sub-space (SIFS).
  • SIFS short interframe sub-space
  • the AP may determine the size of the first UL packet that can be transmitted within the transmission period of the beacon frame based on the identifier of the third STA and the data rate of the UL packet.
  • the AP may determine a time to transmit through the MU-MIMO based on the size of the first UL packet.
  • the AP may transmit a Block Ack (BA) for the UL packet to the third STA.
  • BA Block Ack
  • the CF poll frame may be transmitted every time it is transmitted through the MU-MIMO.
  • the BA may be transmitted after receiving the UL packet for the last CF poll frame.
  • the BA may include the MAC address of the third STA.
  • the length of the CFP may be a sum of a first CFP length at which the third STA supporting MU-MIMO transmits a packet and a second CFP length at which a fourth STA supporting SU-MIMO transmits a packet.
  • the first CFP length may be determined based on the number of the third STAs and an access category of traffic to the third STA.
  • the second CFP length may be determined based on the number of the fourth STAs and an access category of traffic to the fourth STA.
  • the DL packet may be transmitted based on a backoff value randomly selected in a contention window during the CP.
  • the size of the contention window may be determined based on the number of the second STAs and an access category of traffic to the second STA.
  • the length of the CP may be a length excluding the length of the determined CFP in the transmission period of the beacon frame.
  • the DL packet may include a packet used for realtime video streaming or VoIP (Voice over Internet Protocol).
  • VoIP Voice over Internet Protocol
  • the plurality of STAs may perform an association procedure with the AP. Based on the association procedure, the capabilities of the plurality of STAs may be checked. The capability may correspond to whether the plurality of STAs support SU-MIMO or MU-MIMO, or whether the plurality of STAs support 802.11ac, a, b, g, n, and the like.
  • the AP may receive high-speed data from a base station through a Telematics Control Unit (TCU).
  • TCU Telematics Control Unit
  • the high-speed data may be transmitted/received in the UL packet or the DL packet based on the QoS (Quality of Service) requirements of the plurality of STAs.
  • QoS Quality of Service
  • the TXOPLimit (CFP) is adaptively adjusted according to the number of Wi-Fi STA connections and the traffic access category, and the size of the contention window of the EDCA is adaptively adjusted so that the Hyundai 5G PoC is It is possible to improve downlink throughput and uplink throughput of Wi-Fi SoftAP.
  • FIG. 1 shows a vehicle gateway according to this embodiment.
  • FIG. 2 is an example of a vehicle TCU in a MEC network environment.
  • FIG. 3 shows an example in which a TCU uses a PC-5 interface and a Wi-Fi interface in a MEC network environment.
  • FIG 4 shows an example of controlling an adaptive channel access period according to the present embodiment.
  • FIG. 6 shows an example of CFP and CP.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a procedure for transmitting and receiving a packet according to the present embodiment.
  • 11 is a diagram for describing an apparatus for implementing the method as described above.
  • FIG. 1 shows a vehicle gateway according to this embodiment.
  • the Telematics Control Unit (TCU) under development as a Hyundai 5G PoC project.
  • the Nissan 5G PoC board is referred to as the TCU for convenience.
  • the TCU is installed inside the vehicle, and there are 5G modem and WiFi Chip inside the TCU.
  • the 5G modem inside the TCU receives 22Gbps data from the 5G base station and delivers it to the WiFi Chip inside the TCU.
  • the WiFi Chip inside the TCU operates as a Wi-Fi Access Point.
  • Passengers in the car have a mobile phone that supports Wi-Fi, and several passengers each access the Wi-Fi Access Point inside the TCU to use Internet streaming services such as YouTube and Facebook with their mobile phones.
  • the Wi-Fi Access Point plays the role of distributing the data downloaded from the 5G base station to the mobile phones connected to the Wi-Fi Access Point.
  • the 5G modem downloads data of 20 Gbps from the 5G base station, but the data that the Wi-Fi AP inside the TCU can download is very low at 500 Mbps.
  • the speed of the Wi-Fi AP becomes very slow. If only one mobile phone is connected to the Wi-Fi AP, you can download video at 500Mbps. If 5 mobile phones are connected to the Wi-Fi AP at the same time, it is not possible to download at 100Mbps per mobile phone, but to stream at 50Mbps per mobile phone (which is a much lower speed).
  • This specification is a technology that distributes data of 20Gbps received from a 5G base station to multiple mobile phones through a Wi-Fi AP at a higher speed.
  • a TCU is installed in the vehicle to communicate with the base station and connect the network with the devices inside the vehicle.
  • the TCU is equipped with a 5G modem and a Wi-Fi AP, so cars equipped with a TCU can download data up to 22Gbps from a 5G base station. Even if the 5G modem delivers the downloaded 20Gbps data to the Wi-Fi AP, it can only transmit 500Mbps due to the limitation of the wireless transmission capability of the Wi-Fi AP. If there are several mobile phones wirelessly connected to the Wi-Fi AP, the wireless transmission speed is much lower than 500Mbps.
  • the present specification provides a technology for providing a high wireless transmission rate even when several mobile phones are connected to a Wi-Fi AP, thereby solving the bottleneck of data transmission.
  • the Wi-Fi AP transmits data in consideration of the processing power of low-performance wireless terminals, enabling the use of real-time data services of low-performance wireless terminals.
  • -Telematics Control Unit downloads the firmware file for upgrade from the 5G base station in the vehicle maintenance center or the Wi-Fi AP installed in the maintenance center, and updates the ECU while simultaneously streaming the real-time video service to multiple wireless terminals.
  • FIG. 2 is an example of a vehicle TCU in a MEC network environment.
  • the 5G modem is applied and data communication is possible at 20Gbps. Since the WiFi SoC multi-user throughout (UDP) 500Mbps in Hyundai 5G PoC, the low throughput of WiFi becomes a bottleneck. It is necessary to improve wireless network throughput between SoftAP and stations.
  • the wireless network device Wi-Fi SoftAP
  • the wireless network device Invent a technology and device that can efficiently allocate and distribute resources between (CAN interface, LTE/5G D2D interface) to ensure QoS without concentrating traffic to a specific device, and to load balance network traffic at the same time.
  • the Wi-Fi QoS Parameter (TXOP) and Static EDCA mechanism defined in 802.11e and Wi-Fi Alliance are used in multi-user situations.
  • the TXOP Limit is adaptively adjusted according to the connection number of the Wi-Fi stations connected to the Wi-Fi AP and the access category of the traffic, and the EDCA contention window size is adaptively adjusted so that the Hyundai 5G PoC's Wi-Fi SoftAP downlink/ It improves uplink throughput.
  • FIG. 3 shows an example in which a TCU uses a PC-5 interface and a Wi-Fi interface in a MEC network environment.
  • the MEC server provides “Baseball” + “Golf” Realtime Video Streaming through a Wi-Fi interface, and VR service through Realtime Streaming to STA3 through an unlicensed band direct interface (PC-5) of a 5G modem. It distributes the interface to do so.
  • the MEC Server Application checks the TCU user's authentication, billing, and unique ID of the TCU and vehicle, and determines the QoS policy and resource distribution policy for devices and Wi-Fi stations connected to the TCU.
  • MEC Server Application can distribute two Video Streaming paths to MEC Server Application to transmit the same data using heterogeneous “D2D + Wi-Fi” dual-interface to support Video Streaming service to a specific station. have.
  • MEC Server Application considers the CPU performance of the TCU and the capabilities of the connected devices (tablets and Wi-Fi stations (whether or not a mobile phone supports D2D + MU-MIMO Wi-Fi, etc.)).
  • Radio frequency, CPU available capability transmits a command to control the transmission of traffic that can be supported by MEC_Application_Client, controls MEC_Application_Client to guarantee the QoS of SoftAP, and according to the policy of MEC_Application_Server, the SoftAP It is possible to determine whether to allow Fi connect and to manage the connection list.
  • MEC Server Application can deliver any traffic (ex; engine control CAN interface: engine control ECU Frame, D2D interface: “VR” video streaming, “golf” video streaming) to interfaces connected to TCU including the following examples.
  • the MEC Server Application can control the QoS Control Parameter by dropping it to the SoftAP to ensure QoS at the level appropriate for each of the following paths.
  • MEC Server Application can set the Adaptive TXOPlimit (CFP period) value to enable traffic load balancing between Uplink and Downlink traffic when STA1 and STA2 use the same wireless channel, and the SoftAP internally adaptive You can set the TXOPLimit (CFP period) value.
  • CCP period Adaptive TXOPlimit
  • MEC Server Application can manage TCU's Resource resource distribution and Traffic distribution/QoS management.
  • SoftAP can also directly determine the CFP (TXOPlimit) period and CP period.
  • MEC_Client_Application(MCA) in TCU is as follows.
  • the MSA gives the MCA a security policy and an authentication policy, so that the MCA can manage the authority to access the devices inside the TCU.
  • MEC_Client_Application running in the application process can be operated within SoftAP and Inter-Process-call or SoftAP.
  • the MCA or SoftAP can perform the Load Balancing operation by itself, or it can perform the Load Balancing operation according to the command issued by the Server application through the MSA->MCA->SoftAP path.
  • FIG 4 shows an example of controlling an adaptive channel access period according to the present embodiment.
  • communication in IEEE 802.11 is performed in a shared wireless medium, it has fundamentally different characteristics from the wired channel environment. For example, in a wired channel environment, communication was possible based on carrier sense multiple access/collision detection (CSMA/CD). For example, once a signal is transmitted from Tx, the channel environment does not change significantly, so it is transmitted without experiencing significant signal attenuation until Rx. At this time, when two or more signals collide, detection was possible. This is because the power sensed at the Rx end momentarily becomes greater than the power transmitted by the Tx.
  • CSMA/CD carrier sense multiple access/collision detection
  • DCF distributed coordination function
  • CSMA/CA carrier sense multiple access/collision avoidance
  • Random backoff count is a pseudo-random integer value, and one of uniform distribution values in the [0 CW] range is selected.
  • CW stands for contention window.
  • the CW parameter takes the CWmin value as an initial value, but if the transmission fails, the value is doubled. For example, if the ACK response for the transmitted data frame is not received, it can be regarded as a collision.
  • the STA selects a random backoff count within the [0 CW] range and continues to monitor the medium while the backoff slot is counted down. In the meantime, when the medium becomes busy, the count down stops. When the medium becomes idle again, the count down of the remaining backoff slots resumes.
  • the terminal uses physical carrier sense and virtual carrier sense to determine whether the DCF medium is busy/idle.
  • Physical carrier sense is achieved at the PHY (physical layer) level and is achieved through energy detection or preamble detection. For example, if it is determined that the voltage level at the Rx terminal has been measured or the preamble has been read, it can be determined that the medium is in a busy state.
  • Virtual carrier sense is configured to prevent other STAs from transmitting data by setting a network allocation vector (NAV), and is performed through a value of the Duration field of the MAC header. Meanwhile, in order to reduce the possibility of collision, a robust collision detect mechanism was introduced, which can be seen in the following two examples. For convenience, it is assumed that the carrier sense range is the same as the transmit range.
  • CP Contention Period
  • CFP Contention Free Period
  • the existing 802.11e protocol operation method is defined in the standard to guarantee the quality of service (QoS) of WiFi.
  • EDCA End Distributed Channel Access
  • CS Contention Window
  • a specific Wi-Fi Station or Wi-Fi AP can exclusively use the corresponding frequency channel for a time called Network Allocation Vector (NAV), and a Wi-Fi Station using the same frequency channel goes to sleep during the NAV period and then goes to NAV. At the end, it scans whether the frequency channel is being used.
  • NAV Network Allocation Vector
  • the Wi-Fi AP When a specific Wi-Fi station successfully transmits a packet to a Wi-Fi AP in the backoff algorithm, the Wi-Fi AP transmits an ACK packet that records the MAC address of the corresponding Wi-Fi station. Although the corresponding Wi-Fi AP must receive the ACK packet, the normal packet transmission procedure has ended once.
  • the packet is transmitted from the AP to the station by applying the same backoff algorithm as above, and one normal packet is downloaded only after receiving an ACK from the station.
  • each Wi-Fi AP and Wi-Fi station each try to occupy a channel in a specific time slot by rotating the Random Backoff algorithm (the above process is repeated).
  • EDCA has the disadvantage of high probability of collision.
  • the collision frequency increases as the number of Wi-Fi stations connected to the same Wi-Fi AP increases, and it is not suitable for Realtime Video Streaming transmission because each collision requires waiting for a specific time.
  • VOIP packets cannot be transmitted and received within the correct delay requirement.
  • CCP Contention Free Period
  • CF-Poll Free Poll
  • Wi-Fi Staion #1 sends a packet to one Wi-Fi AP after receiving the CF-Poll
  • the Wi-Fi AP sends an ACK by designating the recipient address as the MAC address of Wi-Fi Station #1. do.
  • the ACK transmission is also a unicast transmission in which Wi-Fi Station #1 receives only one ACK.
  • the Wi-Fi AP After the Wi-Fi AP transmits an ACK to Station#1, it transmits the CF-Poll's receiver address to the second Station#2 by writing it down as the MAC address of Wi-Fi Staion#2. Station#2 transmits one packet to the Wi-Fi AP, and the Wi-Fi AP receiving the packet transmits an ACK to station#2.
  • TXOPLimit The period that operates in the Contention Free Period method is called TXOPLimit, and if it is set only once when the Wi-Fi modem boots, it cannot be changed. In particular, even if the stations have nothing to send packets through the uplink, time may be wasted as the Wi-Fi AP sends each CF-Poll to all stations connected to it during the CFP period.
  • DCF Distributed Coordination Function
  • the main role of this function is to reserve data transmission for transmission based on CSMA/CA, Backoff, and various IFS (Inter Frame Space).
  • the overall DCF cycle (algorithm) is shown in Figure 5 (of course it looks much more complex than CAMA/CA + backoff).
  • FIG. 5 The specific operation of FIG. 5 is as follows.
  • Step 1 The device (Src) performs Carrier Sensing and checks whether the channel is available (idle). If the channel is empty for a certain period (DIFS: DCF internal frame space), the process proceeds to step 2.
  • DIFS DCF internal frame space
  • Step 2 The Src (Initiator) device sends the RTS to the Dest (Repient) device.
  • Step 3 Since all other devices (devices excluding Src and Dest) update the NAV based on the duration information of the RTS, they do not attempt to acquire a channel until communication between Src and Dest is completed.
  • Step 4 Dest device sends CTS to Src device.
  • Step 5 All other devices update the NAV based on the period information of the CTS.
  • Step 6 After pausing (SIFS: short inter-frame space), the Src device sends data to the Dest device.
  • SIFS short inter-frame space
  • Step 7 Short time after data reception (SIFS), the Dest device sends an ACK to the Src device.
  • SIFS Short time after data reception
  • Step 8 After completion of one data transfer cycle, all devices (including Src and Dest) should have another short interruption (DIFS).
  • DIFS short interruption
  • Step 9 Then all devices are paused for a specific back-off time (this back-off period is randomly determined for each device).
  • FIG. 6 shows an example of CFP and CP.
  • DCF Distributed Coordination Function
  • PCF Point Coordination Function
  • the overall scheduling algorithm of PCF is as follows. As shown in the figure, not all data communication is performed in a CF (Contention Free) method even in PCF. It occurs in the alternating period of CFP (competition period) and CP (competition period). In this embodiment, what happens in the CFP will be mainly focused. See FIG. 5 for what is happening in the CP.
  • the PC Point Coordinator in Access Point
  • the PC controls the radio channel and controls the data scheduling (transmission and reception) of all stations (WLAN user equipment).
  • an access point hijacks a radio channel with a transmission signal during IFS (Inter Frame Space), which no one should transmit.
  • IFS Inter Frame Space
  • B is a beacon
  • PIFS is a Point Inter Frame Space
  • DIFS is a Distributed Inter Frame Space
  • SIFS is a Short Inter Frame Space.
  • FIG. 6 The specific operation of FIG. 6 is as follows.
  • Step 1 AP sends Beacon right after PIFS.
  • PIFS is shorter than DIFS.
  • This beacon is transmitted over the medium (radio channel) while no one is transmitted, so this message is transmitted to all stations (WLAN) without risk of collision.
  • This beacon carries information about the AP's PCF function, at which point the AP controls the radio channel.
  • Step 2 If the AP has data for station A, the AP sends [data] and [CF-Poll] to station A.
  • Step 3 Since the station A obtains a CF-Poll (Grant) from the AP (if there is data for the AP), it can transmit [Data and ACK] to the AP.
  • CF-Poll Grant
  • Step 4 (Assuming the AP has no data for station B) Now the AP sends [Ack] to station A and [CF-Poll] to station B.
  • Step 5 When station B receives a CF-Poll (Grant) from the AP (if there is data on the AP), it can transmit [data] to the AP.
  • CF-Poll Grant
  • Step 6 After the AP grants a CF-Poll (Grant) to all devices, it sends [ACK] to the last station (station B in this case) to notify all devices (stations) that this is the end of the CFP and then [CF-End ].
  • the maximum number (Nmax) of multi-users that can be connected at the same time provided by the WiFi Chip Vendor is set. Actually, in both indoor and out-door environments, only connect is possible by interference and noise, and data service support is often not possible. In the case of Cypress, 8 2x2 SU-MIMO Connections are possible, and a chip vendor guided it that more than 100Mbp can be supported for each connection. It has been confirmed that up to 7 are connected, but if you actually do the UDP traffic continuous transmission/streaming test, you can actually support up to 6 50Mbps. There is a problem that it is much lower than the value guided by the chip vendor.
  • the 802.11e/WFA standard provides only QoS parameters and does not provide detailed QoS control algorithms.
  • Hostapd which is currently widely used as an open source, determines the minimum window size and maximum window size of the Contention Free Period/Contention Period and the Access Category for each traffic as static only once when the system boots as defined in the Hotspot 2.0 standard. do.
  • the SoftAP's Wi-Fi firmware repeats the unnecessary operation of scanning the queue, so that the firmware software inside the Wi-Fi SoC chip actually buffers voice packets with a small delay requirement AC_VO_Queue or AC_VI_Queue where video packets are buffered. Do not have the opportunity to scan frequently.
  • TXOP Limit Size to maximize the throughput transmitted to Wi-Fi Station--> Wi-Fi SoftAP by simultaneously considering the number of connections of the connected Wi-Fi Station and the Access Category (QoS) of each traffic for each connection. Is controlled adaptively.
  • the present specification proposes a technology for improving the throughput of the contention period by itself, the QoS policy of the MSA or the MCA or SoftAP.
  • the Contention Window size defined by Access Category packets to be transmitted to SoftAP->Station are buffered according to the number of Wi-Fi Stations simultaneously connected to Hyundai 5G SoftAP and the Access Category of packets transmitted and received through the connection. It transmits according to the set amount and QoS Scheduling algorithm described later.
  • SoftAP can operate simultaneously with Wi-Fi statio and SoftAP, and can download data by connecting to external Wi-Fi AP and transmit data to multiple terminals connected to SoftAP in consideration of QoS.
  • the uplink (station->SoftAP) and downlink (SoftAP->Station) simultaneously use channels of the same frequency due to the characteristics of the MAC protocol of WiFi, so a large number of stations and Wi-Fi during the CP period in a multi-user situation There is a high possibility that a delay occurs due to a collision caused by the AP random access to the EDCA.
  • the EDCA method by uploading the Uplink packet during the CFP period, the possibility of uploading the packet to the uplink during the CP period is prevented in advance, so that during the CP period, the EDCA method has the opportunity to more often stream realtime traffic to the down link. So that the throughput can be improved.
  • the periodic confirmation information of the multi-user connection algorithm is as follows.
  • the SINR value is determined to be good in the order of small delay, and the SoftAP gives high priority when transmitting to the station.
  • Each group is formed by dividing the stations to transmit and receive in the Contention Free Period (CFP) and the stations to transmit and receive in the Contention Period (CP).
  • CCP Contention Free Period
  • CP Contention Period
  • SoftAP transmits CFP-Poll packets to all stations through the UPLINK during the CFP section by unicast method.
  • G_CFP stations collect stations that support MU-MIMO to form a group G_CFP_MU.
  • G_CFP_SU is formed by collecting stations supporting SU-MIMO among the stations belonging to G_CFP.
  • the address list of G_CFP_MUs is recorded in the recipient address of TXOP, and the CF-Poll is transmitted to the stations according to the weighted priority.
  • step S710 the transmitting device measures the sizes of AC_VI_QUEUE, AC_VO_QUEUE, AC_BE_QUEUE, and AC_BK_QUEUE.
  • AC_VI_QUEUE AC_VI_QUEUE
  • AC_VO_QUEUE AC_VO_QUEUE
  • AC_BE_QUEUE AC_BK_QUEUE
  • AC_BK_QUEUE AC_BK_QUEUE
  • step S720 the transmitting device checks whether each queue is empty.
  • step S730 the transmission device calculates the Tx priority. The more packets waiting in a specific queue and the higher the priority, the higher the possibility of being selected, and fairness can be guaranteed.
  • s(i,t) Queue_Size(i,t)/priority(i)
  • step S750 the element is excluded from the set S above.
  • SoftAP In order for Multi-users (Stations) supporting MU-MIMO to transmit packets through Uplink (MU-MIMO Station -> SoftAP), SoftAP records and broadcasts which stations will simultaneously transmit on the uplink in CF-Poll.
  • a station When a station supports MU-MIMO, it broadcasts after designating multiple Station IDs or multiple Station MAC addresses in a specific bit of the CF-Poll so that QoS packets can be simultaneously transmitted through the Uplink.
  • the packet After waiting for Short Interframe Sub-space (SIFS) time, the packet is sent to the Uplink.
  • SIFS Short Interframe Sub-space
  • stations can improve Uplink Throughput by transmitting packets at the same time during their Uplink transmission period.
  • the Multi-User QoS scheduling algorithm for the order in which packets of which Access Category of which Station are to be transmitted in Contention Free Period and Contention Period will be described later.
  • the multi-user QoS scheduling algorithm is described as follows.
  • the 802.11ac Wi-Fi stations there may be stations that support only SU-MIMO, or there may be stations that support MU-MIMO.
  • Stations may only support 802.11n or 802.11a,b,g,n, ad, ....
  • the MU-MIMO function is not supported.
  • the SoftAP multicasts multiple receiver IDs (station IDs or station MAC addresses) in the CF-Poll so that they can multicast to stations supporting MU-MIMO.
  • SoftAP analyzes Association Packets received from multiple stations to determine the capabilities of each station (MU-MIMO, SU-MIMO, 802.11ac, a,b,g,n support, etc.).
  • Contention Period (CP) Beacon Transmission Interval (100msec)-CFP”.
  • the number of MPDUs is recombined (aggregation) to determine whether to generate A-MPDUs, and the total header + “A-MPDU size” is determined, and the time it takes to transmit at 2X2 SU-MIMO at the current MCS-level (T_AMPDU (i )).
  • SoftAP checks whether the Frame Burst function can be applied to the WiFi Driver, and if the Frame Burst function is supported, it transmits the CF-Poll for each T_AMPDU(i) period. If Frame Burst function is not supported, CF-Poll is transmitted every (T_AMPDU + SIFS) time, after receiving packet from the station, after transmitting the last A-MPDU, BlockACK is transmitted to SoftAP->Station do. At this time, the MAC address of multiple stations is written in the recipient of BlockACK.
  • TXOPlimit is updated so that both MU-MIMO stations and SU-MIMO stations can transmit packets through Uplink. If it is not possible to transmit all Uplink packets within TXOP_limit_max, SoftAP sends PS-Poll to the corresponding station during CP period of the Fragmented Frame that could not be uploaded, giving an opportunity to upload. Of course, during the CP period, the station can randomly access the channel in the EDCA Backoff method and upload the corresponding fragmented frame. If the TXOPLimit size is small and not all of the N AMPDUs are sent within the TXOPLimit period, TXOPlimit can receive all N AMPDUs and send a BlockACK.
  • the algorithm to adaptively change the contention period for downlink transmission packets in the EDCA method during the contention period period is as follows.
  • step 1 the SoftAP sets CFP_default and CP_default values.
  • step 2 the Contention Window Size (AC_xx_CWmin, AC_xx_CWmax) for each AC_VO, AC_VI, AC_BE, and AC_BK is classified as an Access Category.
  • the number of connected STAs checked by SoftAP is defined as follows.
  • N_CFP_UL_MU "The number of MU-MIMO STAs that transmitted packets through the uplink during the CFP period"
  • N_CFP_UL_SU "The number of SU-MIMO STAs that transmitted packets through the uplink during the CFP period"
  • N_CFP_DL_MU "The number of MU-MIMO STAs that transmitted packets through the downlink during the CFP period"
  • N_CFP_DL_SU "The number of SU-MIMO STAs that transmitted packets through the downlink during the CFP period"
  • N_CP_UL_MU "The number of MU-MIMO STAs that transmitted packets over the uplink during the CP period"
  • N_CP_UL_SU "The number of SU-MIMO STAs that transmitted packets through the uplink during the CP period"
  • SoftAP identifies MU-MIMO Stations and SU-MIMO Stations that transmitted packets over the uplink during the initial CFP+CP period. In addition, SoftAP schedules MU-MIMO Stations and SU-MIMO Stations that transmitted packets through the uplink during the CP period to transmit packets through the UPLINK during the CP period.
  • the destination address of the CF-Poll is filled with the addresses or IDs of the MU-MIMO Stations so that packets can be transmitted on the uplink at the same time.
  • SoftAP collects IDs of the corresponding stations in BlockACK to MU-MIMO Stations and sends ACKs at once.
  • SoftAP calculates the time required when SU-MIMO stations transmit packets through uplink after waiting for SIFS after sending Block ACK.
  • the following formula is a method of calculating the Contention Free Period.
  • TIME_Rx_CFP_SU N_CFP_UL_SU X ⁇
  • Case 1 of FIG. 9 shows a network environment in which uplink packet transmission is scheduled in a CFP interval to increase an EDCA downlink transmission opportunity compared to a legacy case.
  • Case 2 of FIG. 9 shows a network environment in which an EDCA downlink transmission opportunity is increased by increasing the CFP interval for scheduling uplink packet transmission more than that of Case 1.
  • Case 3 of FIG. 9 shows a network environment in which the CFP interval for scheduling uplink packet transmission is reduced to that of Case 1 to increase the EDCA downlink transmission opportunity.
  • the backoff algorithm based on the adaptive contention window in the EDCA mechanism is as follows.
  • N_AC_VO the number of stations using Voice
  • N_AC_VI the number of stations using Video
  • N_AC_BE the number of stations using BE
  • N_AC_BK the number of stations using BK
  • CW_AC_VO (CWmin_AC_VO_default) X (N_AC_VO(t)) -1
  • CW_AC_VI (CWmin_AC_VI_default) X (N_AC_VI(t)) -1
  • CW_AC_BE (CWmin_AC_BE_default) X (N_AC_BE(t)) -1
  • CW_AC_BK (CWmin_AC_BK_default) X (N_AC_BK(t)) -1
  • the WiFi AP can change the TXOPlimit adaptively according to the length of the TXOPLimit according to the number of stations connected to the Wi-Fi AP and the type of packet (service) each station wants to upload.
  • the WiFi AP does not give a transmission opportunity (TXOP) to stations that do not send packets through the Uplink during the CFP period, thereby saving time for occupying a radio channel during the CFP period.
  • TXOP transmission opportunity
  • Wi-Fi APs frequently send ACKs, and in order to save time using channels, MU-MIMO-equipped stations do not send ACKs to stations even if each station sends packets through the uplink. Instead, it is possible to save time wasted in sending each ACK by putting the MAC addresses of the corresponding stations in the recipient address in BlockACK and sending them together.
  • the recipient address is written in the CF-Poll, several MU-MIMO Stations are recorded at once, so that the MU-MIMO Stations can simultaneously know the time information to transmit packets through the uplink.
  • the EDCA Backoff algorithm defined in the standard causes frequent collisions when a large number of Wi-Fi stations connect, resulting in poor performance.
  • a packet can be sent on the uplink or on the downlink using the EDCA method.
  • many packets such as Realtime Video Streaming or VOIP can be sent during the CP period.
  • N Number of stations connected to the Wi-Fi AP
  • the station with the best RSSI value is selected first, but if the average data rate that received the service is low, the priority is raised.
  • the algorithm has an advantage that the possibility of collision is low even when a large number of stations are connected.
  • FIG. 10 is a flowchart illustrating a procedure for transmitting and receiving a packet according to the present embodiment.
  • FIG. 10 An example of FIG. 10 is performed by an AP, and the AP may correspond to a Wi-Fi SoftAP, which is a wireless network device inside a vehicle Telematics Control Unit (TCU) in a Mobile Edge Clouding (MEC) network environment.
  • TCU vehicle Telematics Control Unit
  • MEC Mobile Edge Clouding
  • step S1010 the AP (access point) broadcasts a beacon frame including allocation information for a contention free period (CFP) and a contention period (CP) to a plurality of STAs (Stations).
  • CCP contention free period
  • CP contention period
  • step S1020 the AP receives an uplink (UL) packet from a first STA among the plurality of STAs.
  • UL uplink
  • step S1030 the AP transmits a downlink (DL) packet to a second STA among the plurality of STAs.
  • DL downlink
  • the length of the CFP is determined based on the number of the first STAs and an access category of traffic for the first STA.
  • the UL packets are received as many as the maximum number that can be transmitted within the determined length of the CFP.
  • the DL packets are transmitted as many as the maximum number that can be transmitted during the CP. That is, by adaptively adjusting the length of the CFP according to traffic QoS characteristics, it is possible to balance the packet load between the CFP and the CP. Accordingly, it is possible to improve the downlink throughput and the uplink throughput of the AP.
  • the proposed embodiment prevents the possibility of UL packets being transmitted during CP by transmitting UL packets during CFP, and makes it possible to further transmit DL packets during CP. As a result, more real-time traffic streaming is possible with DL packets, thereby improving overall throughput.
  • the AP may transmit a CF poll (Contention Free Poll) frame to the first STA in a unicast manner.
  • the UL packet may be transmitted to each of the first STAs based on the CF poll frame.
  • the CF poll frame may be transmitted based on priority.
  • the priority may be obtained based on the number of packets waiting in a queue and the access category.
  • the access category may include Access Category_Video (AC_VI), Access Category_Voice (AC_VO), Access Category_Best Effort (AC_BE), and Access Category_Background (AC_BK).
  • the CF poll frame may include an identifier and a MAC address of a third STA supporting Multi User-Multi Input Multi Output (MU-MIMO) among the first STAs.
  • the UL packet may be transmitted from the third STA after the CF poll frame is transmitted and short interframe sub-space (SIFS).
  • SIFS short interframe sub-space
  • the AP may determine the size of the first UL packet that can be transmitted within the transmission period of the beacon frame based on the identifier of the third STA and the data rate of the UL packet.
  • the AP may determine a time to transmit through the MU-MIMO based on the size of the first UL packet.
  • the AP may transmit a Block Ack (BA) for the UL packet to the third STA.
  • BA Block Ack
  • the CF poll frame may be transmitted every time it is transmitted through the MU-MIMO.
  • the BA may be transmitted after receiving the UL packet for the last CF poll frame.
  • the BA may include the MAC address of the third STA.
  • the length of the CFP may be a sum of a first CFP length at which the third STA supporting MU-MIMO transmits a packet and a second CFP length at which a fourth STA supporting SU-MIMO transmits a packet.
  • the first CFP length may be determined based on the number of the third STAs and an access category of traffic to the third STA.
  • the second CFP length may be determined based on the number of the fourth STAs and an access category of traffic to the fourth STA.
  • the DL packet may be transmitted based on a backoff value randomly selected in a contention window during the CP.
  • the size of the contention window may be determined based on the number of the second STAs and an access category of traffic to the second STA.
  • the length of the CP may be a length excluding the length of the determined CFP in the transmission period of the beacon frame.
  • the DL packet may include a packet used for realtime video streaming or VoIP (Voice over Internet Protocol).
  • VoIP Voice over Internet Protocol
  • the plurality of STAs may perform an association procedure with the AP. Based on the association procedure, the capabilities of the plurality of STAs may be checked. The capability may correspond to whether the plurality of STAs support SU-MIMO or MU-MIMO, or whether the plurality of STAs support 802.11ac, a, b, g, n, and the like.
  • the AP may receive high-speed data from a base station through a Telematics Control Unit (TCU).
  • TCU Telematics Control Unit
  • the high-speed data may be transmitted/received in the UL packet or the DL packet based on the QoS (Quality of Service) requirements of the plurality of STAs.
  • QoS Quality of Service
  • 11 is a diagram for describing an apparatus for implementing the method as described above.
  • the wireless device 100 of FIG. 11 is a transmitting device capable of implementing the above-described embodiment and may operate as an AP STA.
  • the wireless device 150 of FIG. 11 is a receiving device capable of implementing the above-described embodiment and may operate as a non-AP STA.
  • the transmission device 100 may include a processor 110, a memory 120, and a transmission/reception unit 130, and the reception device 150 includes a processor 160, a memory 170, and a transmission/reception unit 180 can do.
  • the transceivers 130 and 180 transmit/receive radio signals, and may be executed in a physical layer such as IEEE 802.11/3GPP.
  • the processors 110 and 160 are executed in the physical layer and/or the MAC layer, and are connected to the transceivers 130 and 180.
  • the processors 110 and 160 and/or the transceivers 130 and 180 may include an application-specific integrated circuit (ASIC), another chipset, a logic circuit, and/or a data processor.
  • the memories 120 and 170 may include read-only memory (ROM), random access memory (RAM), flash memory, memory card, storage medium, and/or other storage unit.
  • ROM read-only memory
  • RAM random access memory
  • flash memory memory card
  • storage medium storage medium
  • the above-described method may be executed as a module (eg, process, function) that performs the described function.
  • the module may be stored in the memories 120 and 170 and may be executed by the processors 110 and 160.
  • the memories 120 and 170 may be disposed inside or outside the processes 110 and 160 and may be connected to the processes 110 and 160 by well-known means.
  • the processors 110 and 160 may implement the functions, processes, and/or methods proposed in the present specification.
  • the processors 110 and 160 may perform the operation according to the present embodiment described above.
  • FIG. 12 shows a more detailed wireless device implementing an embodiment of the present invention.
  • the present invention described above with respect to the transmitting device or the receiving device can be applied to this embodiment.
  • the wireless device includes a processor 610, a power management module 611, a battery 612, a display 613, a keypad 614, a SIM (subscriber identification module) card 615, a memory 620, and a transceiver 630. ), at least one antenna 631, a speaker 640, and a microphone 641.
  • the processor 610 may be configured to implement the proposed functions, procedures and/or methods described herein. Layers of the air interface protocol may be implemented in the processor 610.
  • the processor 610 may include an application-specific integrated circuit (ASIC), another chipset, a logic circuit, and/or a data processing device.
  • the processor may be an application processor (AP).
  • the processor 610 may include at least one of a digital signal processor (DSP), a central processing unit (CPU), a graphics processing unit (GPU), and a modem (modulator and demodulator).
  • DSP digital signal processor
  • CPU central processing unit
  • GPU graphics processing unit
  • modem modulator and demodulator
  • processor 610 examples include SNAPDRAGONTM series processors manufactured by Qualcomm®, EXYNOSTM series processors manufactured by Samsung®, A series processors manufactured by Apple®, HELIOTM series processors manufactured by MediaTek®, INTEL®. It may be an ATOMTM series processor manufactured by or a corresponding next-generation processor.
  • the power management module 611 manages power for the processor 610 and/or the transceiver 630.
  • the battery 612 supplies power to the power management module 611.
  • the display 613 outputs a result processed by the processor 610.
  • Keypad 614 receives input to be used by processor 610.
  • the keypad 614 may be displayed on the display 613.
  • the SIM card 615 is an integrated circuit used to securely store an IMSI (international mobile subscriber identity) used to identify and authenticate a subscriber in a mobile phone device such as a mobile phone and a computer and a key associated therewith. You can even store contact information on many SIM cards.
  • IMSI international mobile subscriber identity
  • the memory 620 is operatively coupled to the processor 610 and stores various information for operating the processor 610.
  • the memory 620 may include read-only memory (ROM), random access memory (RAM), flash memory, memory card, storage medium, and/or other storage device.
  • ROM read-only memory
  • RAM random access memory
  • flash memory memory card
  • storage medium storage medium
  • other storage device When an embodiment is implemented as software, the techniques described in this specification may be implemented as a module (eg, a procedure, a function, etc.) that performs a function described in this specification. Modules may be stored in memory 620 and executed by processor 610.
  • the memory 620 may be implemented inside the processor 610. Alternatively, the memory 620 may be implemented outside the processor 610 and may be communicatively connected to the processor 610 through various means known in the art.
  • the transceiver 630 is operatively coupled to the processor 610 and transmits and/or receives a radio signal.
  • the transceiver 630 includes a transmitter and a receiver.
  • the transceiver 630 may include a baseband circuit for processing a radio frequency signal.
  • the transceiver unit controls one or more antennas 631 to transmit and/or receive radio signals.
  • the speaker 640 outputs a sound-related result processed by the processor 610.
  • the microphone 641 receives a sound related input to be used by the processor 610.
  • the processor 610 provides a beacon frame including allocation information for a contention free period (CFP) and a contention period (CP) to a plurality of STAs (Stations). It broadcasts, receives an uplink (UL) packet from a first STA of the plurality of STAs, and transmits a downlink (DL) packet to a second STA of the plurality of STAs.
  • CCP contention free period
  • CP contention period

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Signal Processing (AREA)
  • Quality & Reliability (AREA)
  • Mobile Radio Communication Systems (AREA)

Abstract

무선랜 시스템에서 패킷을 송수신하는 방법 및 장치가 제안된다. 구체적으로, AP는 복수의 STA으로 비경쟁 구간(CFP) 및 경쟁 구간(CP)에 대한 할당 정보를 포함하는 비콘 프레임을 브로드캐스트한다. AP는 복수의 STA 중 제1 STA으로부터 상향링크(UL) 패킷을 수신한다. AP는 복수의 STA 중 제2 STA으로 하향링크(DL) 패킷을 송신한다. 상기 CFP의 길이는 제1 STA의 개수 및 상기 제1 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리를 기반으로 결정된다. UL 패킷은 결정된 CFP의 길이 내에서 송신될 수 있는 최대 개수만큼 수신된다. DL 패킷은 CP 동안 송신될 수 있는 최대 개수만큼 송신된다.

Description

무선랜 시스템에서 패킷을 송수신하는 방법 및 장치
본 명세서는 무선 통신에 관한 것으로, 더 상세하게는 무선랜 시스템에서 패킷을 송수신하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
Mobile Edge Computing(MEC)은 무선 기지국에 분산 클라우드 컴퓨팅 기술을 적용하여 다양한 서비스와 캐싱 콘텐츠를 이용자 단말에 가까이 전개함으로써 모바일 코어망의 혼잡을 완화하고, 새로운 로컬 서비스를 창출하는 기술이다. 현재는 European Telecommunications Standards Institute(ETSI)주도로 규격 작업이 진행되고 있으며, 동시에 산업계에서는 LTE 모바일 네트워크에 적용하는 시도들이 이루어지고 있다. 그러나 MEC기술은 Software Defined Network(SDN)/Network Functions Virtualization(NFV) 기술들과 함께 향후 2020년대에 도입될 5G 네트워크의 주요 구성 기술로서 부상하고 있다. 본 명세서에서는 MEC의 개념과 다양한 서비스 시나리오, MEC 플랫폼 구조 및 기술동향 등을 살펴보고, 5G에서의 역할과 앞으로 도전하여야 할 기술적인 과제들에 대하여 분석한다.
본 명세서의 목적은 무선랜 시스템에서 패킷을 송수신하는 방법 및 이를 이용한 무선 장치를 제공하는데 있다.
본 명세서의 일례는 무선랜 시스템에서 패킷을 송수신하는 방법 및 장치를 제안한다.
본 실시예는 AP에 의해 수행되고, 상기 AP는 MEC(Mobile Edge Clouding) 네트워크 환경에서 차량용 TCU(Telematics Control Unit) 내부의 무선네트워크 장치인 Wi-Fi SoftAP에 대응할 수 있다.
AP(access point)는 복수의 STA (Station)으로 비경쟁 구간(Contention Free Period; CFP) 및 경쟁 구간(Contention Period; CP)에 대한 할당 정보를 포함하는 비콘 프레임(beacon frame)을 브로드캐스트한다.
상기 AP는 상기 복수의 STA 중 제1 STA으로부터 상향링크(uplink; UL) 패킷을 수신한다.
상기 AP는 상기 복수의 STA 중 제2 STA으로 하향링크(downlink; DL) 패킷을 송신한다.
상기 CFP의 길이는 상기 제1 STA의 개수 및 상기 제1 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리(Access Category)를 기반으로 결정된다.
상기 UL 패킷은 상기 결정된 CFP의 길이 내에서 송신될 수 있는 최대 개수만큼 수신된다. 상기 DL 패킷은 상기 CP 동안 송신될 수 있는 최대 개수만큼 송신된다. 즉, 상기 CFP의 길이를 트래픽 QoS 특성에 따라 적응적(adaptive)으로 조절하여 CFP와 CP에서의 패킷 로드(load)의 균형을 맞출 수 있다. 이로써, AP의 하향링크 쓰루풋(Throughput)과 상향링크 쓰루풋을 향상시킬 수 있다. 특히, 제안된 실시예는, UL 패킷을 CFP 동안 송신함으로써, CP 동안 UL 패킷이 송신될 가능성을 방지하고, CP 동안 DL 패킷을 더 송신할 수 있게 해준다. 이로써, DL 패킷으로 더 많은 실시간 트래픽 스트리밍이 가능하여 전체적인 쓰루풋이 향상될 수 있다.
상기 AP는 상기 제1 STA으로 CF 폴(Contention Free poll) 프레임을 유니캐스트 방식으로 송신할 수 있다. 상기 UL 패킷은 상기 CF 폴 프레임을 기반으로 상기 제1 STA 각각에 대해 송신될 수 있다.
상기 CF 폴 프레임은 우선 순위를 기반으로 송신될 수 있다. 상기 우선순위는 큐(Queue)에 대기 중인 패킷의 개수 및 상기 액세스 카테고리(access category)를 기반으로 획득될 수 있다. 상기 액세스 카테고리는 AC_VI(Access Category_Video), AC_VO(Access Category_Voice), AC_BE(Access Category_Best Effort) 및 AC_BK(Access Category_Background)를 포함할 수 있다.
상기 CF 폴 프레임은 상기 제1 STA 중 MU-MIMO(Multi User-Multi Input Multi Output)를 지원하는 제3 STA의 식별자 및 MAC 주소를 포함할 수 있다. 상기 UL 패킷은 상기 CF 폴 프레임이 송신되고 SIFS(Short InterFrame Sub-space) 이후에 상기 제3 STA으로부터 송신될 수 있다.
상기 AP가는 상기 제3 STA의 식별자 및 상기 UL 패킷의 데이터 레이트를 기반으로 상기 비콘 프레임의 전송 주기 이내에 보낼 수 있는 제1 UL 패킷의 크기를 결정할 수 있다.
상기 AP는 상기 제1 UL 패킷의 크기를 기반으로 상기 MU-MIMO로 송신하는 시간을 결정할 수 있다.
상기 AP는 상기 UL 패킷에 대한 BA(Block Ack)를 상기 제3 STA으로 송신할 수 있다.
상기 CF 폴 프레임은 상기 MU-MIMO로 송신하는 시간마다 송신될 수 있다. 상기 BA는 마지막 CF 폴 프레임에 대한 UL 패킷을 수신한 이후에 송신될 수 있다. 상기 BA는 상기 제3 STA의 MAC 주소를 포함할 수 있다.
상기 CFP의 길이는 상기 MU-MIMO를 지원하는 상기 제3 STA이 패킷을 송신하는 제1 CFP 길이 및 SU-MIMO를 지원하는 제4 STA이 패킷을 송신하는 제2 CFP 길이의 합일 수 있다. 상기 제1 CFP 길이는 상기 제3 STA의 개수와 상기 제3 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리를 기반으로 결정될 수 있다. 상기 제2 CFP 길이는 상기 제4 STA의 개수와 상기 제4 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리를 기반으로 결정될 수 있다.
상기 DL 패킷은 상기 CP 동안 경쟁 윈도우(contention window)에서 임의로 선택된 백오프 값을 기반으로 송신될 수 있다. 상기 경쟁 윈도우의 크기는 상기 제2 STA의 개수 및 상기 제2 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리를 기반으로 결정될 수 있다. 상기 CP의 길이는 상기 비콘 프레임의 전송 주기에서 상기 결정된 CFP의 길이를 제외한 길이일 수 있다.
상기 DL 패킷은 실시간 비디오 스트리밍(realtime video streaming) 또는 VoIP(Voice over Internet Protocol)에 사용되는 패킷을 포함할 수 있다.
상기 복수의 STA은 상기 AP와 연계(association) 절차가 수행될 수 있다. 상기 연계 절차를 기반으로 상기 복수의 STA의 역량(capability)이 확인될 수 있다. 상기 역량이란 상기 복수의 STA이 SU-MIMO 또는 MU-MIMO를 지원하는지 여부 또는 상기 복수의 STA의 802.11ac, a, b, g, n 등을 지원하는지 여부에 대응할 수 있다.
상기 AP는 기지국으로부터 TCU(Telematics Control Unit)를 통해 고속 데이터를 수신할 수 있다. 상기 고속 데이터는 상기 복수의 STA의 QoS(Quality of Service) 요구사항(requirement)을 기반으로 상기 UL 패킷 또는 상기 DL 패킷으로 송수신될 수 있다.
본 명세서의 일 실시 예에 따르면, Wi-Fi STA의 연결 개수와 트래픽의 액세스 카테고리에 따라서 적응적으로 TXOPLimit(CFP)을 조절하고, EDCA의 경쟁 윈도우의 크기를 적응적으로 조절하여 Honda 5G PoC의 Wi-Fi SoftAP의 하향링크 쓰루풋과 상향링크 쓰루풋을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 실시예에 따른 차량용 게이트웨이를 도시한다.
도 2는 MEC 네트워크 환경에서 차량용 TCU를 도시한 일례이다.
도 3은 MEC 네트워크 환경에서 TCU가 PC-5 인터페이스와 Wi-Fi 인터페이스를 사용하는 일례를 나타낸다.
도 4는 본 실시예에 따른 적응적인 채널 액세스 구간을 제어하는 일례를 나타낸다.
도 5는 DCF 주기의 일례를 나타낸다.
도 6은 CFP와 CP의 일례를 나타낸다.
도 7은 본 실시예에 따른 QoS 스케줄링 알고리즘을 나타낸다.
도 8은 CFP 기본값과 CP 기본값이 설정된 구간을 나타낸 일례이다.
도 9는 CP로 설정된 구간과 CFP로 설정된 구간을 조절하여 하향링크 전송 기회를 증가시키는 일례를 나타낸다.
도 10은 본 실시예에 따른 패킷을 송수신하는 절차를 도시한 흐름도이다.
도 11은 상술한 바와 같은 방법을 구현하기 위한 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 12는 본 발명의 실시예를 구현하는 보다 상세한 무선장치를 나타낸다.
도 1은 본 실시예에 따른 차량용 게이트웨이를 도시한다.
본 명세서는 Honda 5G PoC 프로젝트로 개발중인 Telematics Control Unit(TCU)에 적용될 예정인 기술을 설명한다. Honda 5G PoC 보드를 편의상 TCU라고 지칭한다. TCU는 자동차내부에 설치되어 있으며 TCU 내부에는 5G모뎀과 WiFi Chip이 있다. TCU내부의 5G모뎀은 5G기지국으로부터 22Gbps의 데이터를 수신하여 TCU내부의 WiFi Chip에게 전달해 준다. TCU 내부의 WiFi Chip은 Wi-Fi Access Point로 동작한다. 자동차에 탑승한 승객들은 Wi-Fi가 지원되는 핸드폰을 가지고 있으며, 탑승객 여러 명이 각자 자신의 핸드폰으로 유튜브 및 페이스북 등의 인터넷 스트리밍 서비스를 이용하기 위해서 TCU내부의 Wi-Fi Access Point에 접속한다. Wi-Fi Access Point는 5G기지국에서 다운받은 데이터를 Wi-Fi Access Point에게 접속되어 있는 핸드폰들에게 데이터를 나누어 주는 역할을 수행한다.
도 1을 참조하면, 5G 모뎀이 5G 기지국으로부터 20Gbps의 데이터를 다운받았지만, TCU 내부의 Wi-Fi AP가 다운로드 시켜줄 수 있는 데이터는 500Mbps로 매우 낮다. 특히, Wi-Fi AP에 여러대의 핸드폰이 접속해서 유튜브 비디오스트리밍 및 인터넷을 사용하려고 하면, Wi-Fi AP의 속도가 매우 느려진다. Wi-Fi AP에 핸드폰이 1대만 접속되어 있으면 500Mbps 속도로 비디오를 다운받을 수 있다. Wi-Fi AP에 핸드폰이 5대가 동시에 접속되면 핸드폰 1대당 100Mbps속도로 다운받을 수 있는 것이 아니라, (훨씬 더 낮은 속도인) 핸드폰 1대당 50Mbps속도로 스트리밍 받을 수 있다.
본 명세서는 5G기지국으로부터 받은 20Gbps의 데이터를 Wi-Fi AP를 통해서 여러 대의 핸드폰들에게 데이터를 나눠줄 때, 더 빠른 속도로 나눠주는 기술이다.
차량 내에 기지국과 통신하면서 차량내부의 장치들과 네트워크를 연결하기 위하여 TCU가 설치된다. TCU에는 5G모뎀과 Wi-Fi AP이 탑재되어, TCU을 장착한 자동차들은 5G기지국으로부터 최대 22Gbps까지 데이터를 다운받을 수 있다. 5G모뎀이 다운받은 20Gbps의 데이터를 Wi-Fi AP에게 전달하더라도 Wi-Fi AP의 무선전송능력의 한계로 인하여 500Mbps만 전송할 수 있다. Wi-Fi AP에 핸드폰이 무선으로 여러 개가 접속해 있는 경우에는 무선전송 속도가 500Mbps보다 훨씬 낮은 속도를 제공한다. 본 명세서는 Wi-Fi AP에 핸드폰이 여러 대가 접속해 있더라도 높은 무선전송 속도를 제공하는 기술을 제공하여, 데이터 전송의 병목 현상을 해결한다.
구체적인 해결 방안은 다음과 같다.
[5G기지국에서 고속데이터를 다운받아서 Wi-Fi AP에서 전송]
- 5G모뎀을 통해서 다운받은 데이터를 저장하고 다수의 무선단말기의 각 서비스요구사항에 맞추어서 저장된 데이터를 각각 전송해준다.
- Wi-Fi AP가 성능이 낮은 무선단말기들의 처리 능력을 고려하여 데이터를 전송하여 저성능의 무선단말기들의 실시간 데이터 서비스 이용이 가능하다.
[다운로드 서비스와 업로딩 서비스의 동시 지원]
- 차량내의 Wi-Fi AP가 실시간으로 다운로드 하려는 서비스와 업로딩하려는 서비스를 동시에 지원할 수 있도록 무선채널을 효율적으로 분배하고 관리해준다.
[Station모드와 AP모드를 둘다 지원]
- 차량 정비센터에서 5G기지국 또는 정비센터 내에 설치된 Wi-Fi AP에서 업그레이드용 펌웨어 파일을 Telematics Control Unit이 다운받아서, ECU를 업데이트 하면서 동시에 다수의 무선단말기에게 실시간 비디오서비스를 스트리밍 할 수 있다.
[Wi-Fi Voice 서비스 이용 사례]
- 유튜브로 Video Streaming서비스를 이용하면서 카카오톡 보이스톡으로 전화통화를 할 수 있다.
도 2는 MEC 네트워크 환경에서 차량용 TCU를 도시한 일례이다.
5G모뎀이 적용되어 20Gbps로 데이터통신이 가능한데, Honda 5G PoC에 WiFi SoC multi-user throughout (UDP) 500Mbps이므로, WiFi의 낮은 throughput이 병목이 된다. SoftAP와 Station들간의 무선네트워크 Throughput 향상이 필요하다.
Mobile Edge Clouding(MEC) 네트워크 환경에서 Ultra Low Latency(5msec)을 보장하기 위하여 차량용 TCU에 MEC서버의 인증, 보안, QoS 정책에 따라서, TCU내부의 무선네트워크장치(Wi-Fi SoftAP)와 다른 인터페이스들(CAN interface, LTE/5G D2D인터페이스)간의 자원을 효율적으로 할당하고, 분배하여 Traffic이 특정 장치로 집중되지 않으면서 QoS을 보장함과 동시에 Network Traffic을 Load Balancing을 할 수 있는 기술 및 장치를 발명한다.
특히 SoftAP(802.11ac,ax 등)와 MU/SU-MIMO Wi-Fi station들간에 802.11e와 Wi-Fi Alliance에 정의된 Wi-Fi QoS Parameter(TXOP)와 Static EDCA메커니즘을 Multi-user 상황에서 QoS를 Wi-Fi AP에 접속되어있는 Wi-Fi station들의 Connection Number와 Traffic의 Access Category에 따라서 Adaptive하게 TXOPLimit을 조절하고 EDCA의 Contention Windows 사이즈를 Adaptive하게 조절하여 Honda 5G PoC의 Wi-Fi SoftAP의 Downlink/Uplink Throughput을 향상시킨다.
도 3은 MEC 네트워크 환경에서 TCU가 PC-5 인터페이스와 Wi-Fi 인터페이스를 사용하는 일례를 나타낸다.
5G모뎀은 1Gbps~20Gbps로 수신하였으나 WiFi SoftAP를 통해서 STA1,STA2… 500Mbps만 지원이 가능하다. 도 3을 참조하면, MEC서버는 “야구”+”골프“ Realtime Video Streaming은 Wi-Fi interface을 통해서 서비스하고, VR서비스는 5G모뎀의 unlicensed band direct interface(PC-5)을 통해서 STA3에게 Realtime Streaming 하도록 interface을 분배해준다.
이하에서는 MEC Server Application의 역할을 설명한다.
MEC Server Application은 TCU사용자의 인증, 과금, TCU 및 차량의 고유ID를 확인하고, TCU에 연결된 장치들과 Wi-Fi Station들에 대한 QoS정책 및 자원분배 정책을 결정한다.
또한, MEC Server Application은 특정 Station에게 Video Streaming 서비스를 지원하기 위하여 이종의 “D2D + Wi-Fi” Dual-interface을 이용해서 동일 데이터를 송신하기 위하여 MEC Server Application에게 Video Streaming경로를 2개로 분배할 수 있다.
MEC Server Application은 TCU의 CPU성능 및 연결된 장치(태블릿, Wi-Fi Station들의 capability(핸드폰이 D2D + MU-MIMO Wi-Fi을 지원하는지 여부 등))를 고려하여 각 장치의 능력치와 가용자원(resource: 무선 주파수, CPU가용 능력치)에서 지원할 수 있는 Traffic을 송신하도록 제어하는 명령을 MEC_Application_Client에게 전달하고, MEC_Application_Client가 SoftAP의 QoS를 보장하도록 제어하고, MEC_Application_Server의 정책에 따라서 SoftAP가 Wi-Fi Station의 Wi-Fi connect허용여부를 결정하고 및 connection list의 관리할 수 있다.
MEC Server Application은 아래 사례를 포함하여 TCU에 연결된 인터페이스로 각각 어떤 Traffic(ex; 엔진제어 CAN인터페이스: 엔진제어 ECU Frame, D2D interface: “VR＂비디오스트리밍, “골프” 비디오스트리밍)을 전달할 수 있다.
MEC Server Application->MEC Server Client->SoftAP->STA1(MU-MIMO)
MEC Server Application->MEC Server Client->D2D Interface->STA3(LTE/5G)
MEC Server Application은 아래의 경로에 각각 맞는 수준으로 QoS을 보장할 수 있도록 QoS Control Parameter을 SoftAP에게 내려서 제어할 수 있다.
또한, MEC Server Application은 STA1, STA2가 동일한 무선 채널을 사용하는 경우에, Uplink 트래픽과 Downlink Traffic간의 Traffic load Balancing을 할 수 있도록 Adaptive TXOPlimit(CFP기간)값을 설정할 수도 있고, SoftAP 내부적으로 자체적으로 Adaptive TXOPLimit(CFP기간)값을 설정할 수 있다.
MEC Server Application->MEC Server Client->SoftAP->STA1(MU-MIMO): Frame을 몇 개로 fragmentation시키고, 몇 초 간격으로 CF-Poll을 전송할지 MEC_Server_Application이 결정할 수도 있고 SoftAP가 자체적으로 알고리즘에 의해서 결정할 수도 있다. TXOP sharing을 적용할지 여부도 MSA가 결정하거나 SoftAP가 자체적으로 결정할 수도 있다.
MEC Server Application->MEC Server Client->SoftAP->STA2(SU-MIMO): 위와 동일하다.
또한, MEC Server Application은 TCU의 Resource 자원분배 및 Traffic 분배/QoS 관리를 할 수 있다.
Video Streaming, VR Streaming 등의 서비스 지원을 위하여 WiFi SoftAP이 기능을 Video Streaming(야구)을 STA1에게 Realtime Streaming하도록 Wi-Fi interface을 결정하고, STA2는 카카오톡 보이스톡을 사용할 수 있도록 uplink로 Voice Traffic의 QoS을 보장할 수 있도록 Wi-Fi 의 CFP구간과 CP기간의 길이를 각각 결정하도록 할 수 있다.
SoftAP에서도 직접 CFP(TXOPlimit)기간과 CP기간을 결정하도록 할 수 있다.
TCU에서 MEC_Client_Application(MCA)의 역할은 다음과 같다.
MSA가 MCA에게 보안정책과 인증정책을 내려주어서, MCA가 TCU내부의 장치들간에 액세스할 수 있는 권한을 관리할 수 있다.
Application Process에서 동작하는 MEC_Client_Application은 SoftAP와 Inter-Process-call 또는 SoftAP 내부에서 동작 가능하다.
MCA 또는 SoftAP에서 자체적으로 Load Balancing 동작을 수행할 수도 있고 MSA->MCA->SoftAP경로를 통하여 Server application이 내린 명령에 따라서 Load Balancing동작을 수행할 수도 있다.
도 4는 본 실시예에 따른 적응적인 채널 액세스 구간을 제어하는 일례를 나타낸다.
MEC Server Application 또는 MEC Client Application 또는 SoftAP에 의해 Adaptive 채널액세스기간(CFP = TXOPlimit)를 제어하여, Downlink로 Realtime Video Streaming량을 증가시켜줄 수 있다. Uplink/Down link 채널 대역폭을 MSA에서 보내준 Traffic QoS 특성에 맞추어서 adaptive하게 Load Balancing이 가능하다.
이하에서는, CSMA/CA에 대해 설명한다.
IEEE 802.11에서 통신은 shared wireless medium에서 이루어지기 때문에 wired channel 환경과는 근본적으로 다른 특징을 가진다. 예를 들어 wired channel 환경에서는 CSMA/CD (carrier sense multiple access/collision detection) 기반으로 통신이 가능했다. 예를 들어 Tx에서 한번 signal이 전송되면 채널 환경이 큰 변화가 없기 때문에 Rx까지 큰 신호 감쇄를 겪지 않고 전송이 된다. 이때 두 개 이상의 signal이 collision이 나면 detection이 가능했다. 이는 Rx단에서 감지된 power가 순간적으로 Tx에서 전송한 power보다 커지기 때문이다. 하지만 wireless channel 환경은 다양한 요소들 (예를 들어 거리에 따라 signal의 감쇄가 크다거나 순간적으로 deep fading을 겪을 수 있다)이 채널에 영향을 주기 때문에 실제로 Rx에서 신호가 제대로 전송이 되었는지 혹은 collision이 있는지 Tx는 정확히 carrier sensing을 할 수가 없다. 그래서 802.11에서는 CSMA/CA(carrier sense multiple access/collision avoidance) mechanism인 DCF(distributed coordination function)을 도입했다. 이는 전송할 데이터가 있는 STA(station)들이 데이터를 전송하기 전에 특정 duration(예를 들어 DIFS: DCF inter-frame space)동안 medium을 sensing 하는 clear channel assessment(CCA)를 수행한다. 이 때 medium이 idle 하다면 STA은 그 medium을 이용해 전송이 가능하다. 그렇지만 medium이 busy일 경우는 이미 여러 STA들이 그 medium을 사용하기 위해 대기하고 있다는 가정하에 DIFS 에 추가적으로 random backoff period 만큼 더 기다린 후에 데이터를 전송할 수 있다. 이 때 random backoff period는 collision을 avoidance 할 수 있게 해 주는데 이는 데이터를 전송하기 위한 여러 STA들이 존재한다고 가정할 때 각 STA은 확률적으로 다른 backoff interval값을 가지게 되어 결국 서로 다른 전송 타임을 가지게 되기 때문이다. 한 STA이 전송을 시작하게 되면 다른 STA들은 그 medium을 사용 할 수 없게 된다.
Random Backoff time과 procedure에 대해 간단히 알아보면 다음과 같다. 특정 Medium이 busy에서 idle로 바뀌면 여러 STA들은 data를 보내기 위해 준비를 시작한다. 이 때 collision을 최소화 시키기 위해 데이터를 전송하고자 하는 STA들은 각각 random backoff count를 선택하고 그 slot time 만큼 기다린다. Random backoff count는 pseudo-random integer 값이며 [0 CW] range에서 uniform distribution한 값 중 하나를 선택하게 된다. CW는 contention window를 의미한다. CW parameter는 초기값으로 CWmin값을 취하지만 전송이 실패를 하게 되면 값을 2배로 늘리게 된다. 예를 들어 전송한 데이터 frame에 대한 ACK response를 받지 못했다면 collision이 난 것으로 간주할 수 있다. CW값이 CWmax값을 가지게 되면 데이터 전송이 성공하기 전까지 CWmax값을 유지하도록 하며 데이다 전송이 성공을 하며 CWmin값으로 reset되게 된다. 이때 CW, CWmin, CWmax은 구현과 동작의 편의를 위해 2n-1을 유지하도록 하는 것이 바람직하다. 한편 random backoff procedure가 시작되면 STA은 [0 CW] range안에서 random backoff count를 선택한 후 backoff slot이 count down 되는 동안 계속 해서 medium을 monitoring 하게 된다. 그 사이 medium이 busy 상태가 되면 count down를 멈추고 있다가 medium이 다시 idle해지면 나머지 backoff slot의 count down를 재개한다.
이미 언급했듯이 CSMA/CA의 가장 기본은 carrier sense이다. 단말기는 DCF medium의 busy/idle 여부를 판단하기 위해 physical carrier sense와 virtual carrier sense를 사용한다. Physical carrier sense는 PHY(physical layer)단에서 이루어지며 energy detection나 preamble detection을 통해 이루어진다. 예를 들어 Rx단에서의 voltage level를 측정하거나 preamble을 읽힌 것으로 판단이 되면 medium이 busy한 상태라고 판단할 수 있다. Virtual carrier sense는 NAV(network allocation vector)를 설정하여 다른 STA들이 data를 전송하지 못하도록 하는 것으로 MAC header의 Duration field의 값을 통해 이루어진다. 한편 collision의 가능성을 줄이기 위해 robust collision detect mechanism을 도입을 했는데 그 이유는 다음과 같은 두 가지 예제에서 확인 할 수 있다. 편의를 위해 carrier sense range는 transmit range과 같다고 가정한다.
이하에서는, CP(Contention Period)와 CFP(Contention Free Period)에 대해 설명한다.
기존 802.11e Protocol 동작 방식은 WiFi의 Quality of Service(QoS) 보장을 위해서 표준에 정의된다.
EDCA(Enhance Distributed Channel Access)에 대해 설명하면 다음과 같다.
기존의 Wi-Fi가 무선채널에 접속하기 위해서 사용하는 방식을 Random Backoff라고 한다. 802.11 표준에 Contention Window(CS)가 정의되어 있으며, [0, 2CW-1] 사이의 값을 임으로 한 개를 선택한 후에, 해당 크기의 Time Slot을 Wi-Fi AP또는 Wi-Fi station이 점유하여 사용할 수 있다.
특정한 Wi-Fi Station또는 Wi-Fi AP가 해당 주파수채널을 Network Allocation Vector(NAV)라는 시간 동안 독점적으로 사용할 수 있으며, 동일한 주파수채널을 사용하는 Wi-Fi Station은 NAV기간동안 Sleep에 들어갔다가 NAV가 끝나는 시점에 해당 주파수채널을 사용 중인지 스캔을 한다.
특정 Wi-Fi Station이 백오프 알고리즘에서 성공적으로 Wi-Fi AP에게 패킷을 전송하면, Wi-Fi AP는 해당 Wi-Fi Station의 MAC address을 기록한 ACK패킷을 전송한다. 해당 Wi-Fi AP가 ACK패킷을 수신해야지만 정상적인 패킷 송신 절차가 1회 종료된 것이다.
Wi-Fi AP가 다운로드로 패킷을 송신하기 위해서는 위와 동일한 Backoff 알고리즘을 적용하여 패킷을 AP에서 Station에게 송신을 하고, Station으로부터 ACK을 받아야 정상적인 1개의 패킷이 다운로드 된 것이다.
만약 동일한 주파수 채널에 다수의 단말이 동일한 시간에 접속을 시도하면 충돌이 발생하게 되고 모든 단말기는 패킷을 송수신할 수 없고 특정시간 동안 채널 액세스를 시도하지 않는다. 그 이후에 특정 시간이 지나면, 각 Wi-Fi AP와 Wi-Fi station이 각각 Random Backoff 알고리즘을 돌려서 특정 Time Slot에 채널 점유를 시도한다(위 과정이 반복된다).
다만, EDCA는 충돌발생가능성이 높다는 단점이 있다. 또한, 동일한 Wi-Fi AP에 접속되어 있는 Wi-Fi station의 개수가 늘어날수록 충돌 빈도가 증가하고, 충돌할때 마다 특정시간 동안 기다려야 하므로 Realtime Video Streaming 전송에는 적합하지 않다. 또한, VOIP패킷을 정확한 Delay requirement이내에 패킷을 송수신할 수 없다는 단점도 있다.
다만, EDCA의 단점을 보완하는 방법으로 Contention Free Period(CFP)을 추가할 수 있다.
즉, Wi-Fi Station이 Wi-Fi AP에게 패킷을 송신할 때에 Random backoff 알고리즘을 적용하여 랜덤한 시간에 채널점유를 시도하는 것이 아니라, Wi-Fi AP가 특정 Wi-Fi Station에게 특정한 시점에 Contention Free Poll(CF-Poll)이라는 패킷을 특정 Wi-Fi station#1 에 Unicast 방식으로 특정 Wi-Fi station#1만 업링크로 패킷을 1개 보내도록 지정하는 방식으로 동작시킨다.
특정 Wi-Fi Staion #1이 CF-Poll을 수신한 후에 패킷을 1개 Wi-Fi AP에게 송신하면, Wi-Fi AP는 수신자주소를 Wi-Fi Station#1의 MAC address로 지정하여 ACK을 송신한다. 상기 ACK 송신도 Wi-Fi Station#1이 1개의 ACK만 수신하는 unicast 송신이다.
Wi-Fi AP는 Station#1에게 ACK을 전송한 이후에, 다른 두 번째 Station#2에게 CF-Poll의 수신자 address을 Wi-Fi Staion#2의 MAC address로 적어서 송신한다. Station#2는 1개의 패킷을 Wi-Fi AP에 송신하고, 해당 패킷을 수신한 Wi-Fi AP는 ACK을 station#2에게 송신한다.
다만, CFP를 사용하는 것도 다음과 같은 단점이 있다.
Contention Free Period 방식으로 동작하는 기간을 TXOPLimit이라고 부르며, Wi-Fi 모뎀이 부팅할 때에 1회만 설정되면, 변경할 수 없다. 특히, Station들이 uplink로 패킷을 보낼 것이 없더라도, CFP기간 동안에 Wi-Fi AP가 자신에게 접속되어있는 모든 Station들에게 CF-Poll을 각각 보내므로 시간 낭비가 발생할 수 있다.
도 5는 DCF 주기의 일례를 나타낸다.
DCF (Distributed Coordination Function)는 WLAN MAC 프로토콜의 가장 기본적인 기능 중 하나이다. 이 기능의 주된 역할은 CSMA/CA, Backoff 및 다양한 IFS (Inter Frame Space)를 기반으로 전송을 데이터 전송을 예약하는 것이다. 전반적인 DCF주기 (알고리즘)는 도 5와 같다(물론 CAMA/CA + 백 오프보다 훨씬 복잡해 보입니다).
도 5의 구체적인 동작은 다음과 같다.
단계 1: 장치(Src)가 Carrier Sensing을 수행하고 채널이 사용 가능 (유휴)인지 확인한다. 채널이 일정 기간 (DIFS : DCF 내부 프레임 공간) 동안 비어 있으면 2 단계로 진행한다.
단계 2: Src (Initiator) 장치가 RTS를 Dest (Repient) 장치로 보낸다.
단계 3: 다른 모든 장치 (Src 및 Dest를 제외한 장치)는 RTS의 Duration 정보를 기반으로 NAV를 업데이트하므로 Src와 Dest 사이의 통신이 완료 될 때까지 채널 획득을 시도하지 않는다.
단계 4: Dest 장치는 CTS를 Src 장치로 보낸다.
단계 5: 다른 모든 장치는 CTS의 기간 정보를 기반으로 NAV를 업데이트한다.
단계 6: 일시 정지 (SIFS : 짧은 프레임 간 공간)를 한 후 Src 장치는 Dest 장치에 데이터를 보낸다.
단계 7: 데이터 수신 후 단시간 (SIFS), Dest 장치는 ACK를 Src 장치로 보낸다.
단계 8: 하나의 데이터 전송 사이클 완료 후 모든 장치 (Src 및 Dest 포함)는 또 다른 짧은 중단 (DIFS)을 가져야 한다.
단계 9: 그러면 모든 장치가 특정 백 오프 시간 동안 일시 중지된다 (이 백 오프 기간은 각 장치에 대해 임의로 결정된다).
도 6은 CFP와 CP의 일례를 나타낸다.
현재 WLAN 통신의 대부분에서는 데이터 스케줄링 (즉, 데이터 전송 및 수신)을 위한 특정 센터 컨트롤러가 없다. 대부분의 스케줄링은 DCF (Distributed Coordination Function)를 기반으로 한다. 알고리즘 스케줄링의 또 다른 방법으로, 중앙화 된 컨트롤러로 (적어도 부분적으로) 작동하는 PCF(Point Coordination Function)라는 새로운 알고리즘이 도입되었다. 그러나 PCF는 802.11 사양에서 필수 알고리즘이 아니다. 그것은 사양 자체가 수년 전에 마무리되었다고 생각하는 경우에도 선택 사항이다. DCF는 기본적으로 경합 기반 알고리즘이며 PCF는 경합 없는 알고리즘과 유사하다.
PCF의 전반적인 스케줄링 알고리즘은 다음과 같다. 그림과 같이 PCF에서도 모든 데이터 통신이 CF (Contention Free) 방식으로 수행되는 것은 아니다. 그것은 CFP (무 경쟁 기간)와 CP (경쟁 기간)의 교대 기간에 발생한다. 본 실시예에서는 CFP에서 일어나는 일들을 주로 중점적으로 다룰 것이다. CP에서 무슨 일이 벌어지고 있는지에 관해서는 도 5를 참조할 수 있다.
PCF Operation에서 PC (Point Coordinator in Access Point)는 무선 채널을 제어하고 모든 스테이션 (WLAN 사용자 장치)의 데이터 스케줄링 (전송 및 수신)을 제어한다. 실제로 PCF에서 액세스 포인트는 아무도 전송하지 않아야 하는 IFS (Inter Frame Space) 동안 전송 신호로 무선 채널을 납치한다.
다음은 PCF 동작의 일례이다. (실제로 PC가 각 스테이션을 제어하는 방법에는 여러 가지 변형이 있을 수 있지만 기본 논리는 여기에 표시된 다이어그램과 비슷하다)
상기 도 6에서 B는 비콘이고, PIFS는 Point Inter Frame Space이고, DIFS는 Distributed Inter Frame Space이고, SIFS는 Short Inter Frame Space이다.
도 6의 구체적인 동작은 다음과 같다.
단계 1: AP는 PIFS 직후에 Beacon을 보낸다. (PIFS는 DIFS보다 짧다. 이는 Beacon이 종래의 스케줄링 방법의 IFS 내에서 전송됨을 의미한다. 이 비콘은 아무도 전송되지 않는 동안 매체 (라디오 채널)로 전송되기 때문에 이 메시지는 충돌 위험 없이 모든 스테이션 (WLAN 장치)에 도달한다. 이 비콘은 AP의 PCF 기능에 대한 정보를 전달한다. 이 단계에서 AP는 무선 채널을 제어합니다.
단계 2: AP가 스테이션 A에 대한 데이터를 가지고 있으면 AP는 스테이션 A에 [데이터]와 [CF-Poll]을 보낸다.
단계 3: 스테이션 A는 AP로부터 CF-Poll (Grant)을 얻게 되므로 (AP에 대한 데이터가 있는 경우) AP에 [데이터 및 ACK]를 전송할 수 있다.
단계 4: (AP가 스테이션 B에 대한 데이터가 없다고 가정할 때) 이제 AP는 스테이션 A에 [Ack]를 보내고 스테이션 B에 [CF-Poll]을 보낸다.
단계 5: B 국은 AP로부터 CF-Poll (Grant)을 받으면 (AP에 대한 데이터가 있는 경우) AP에 [데이터]를 전송할 수 있다.
단계 6: AP가 모든 장치에 CF-Poll (Grant)을 부여한 후, 이것이 CFP의 끝인 모든 장치 (스테이션)에게 알리기 위해 마지막 스테이션 (이 경우 B 스테이션)에 대해 [ACK]를 전송하고 [CF-End]를 전송한다.
WiFi Chip Vendor에서 제공하는 동시에 접속이 가능한 multi user의 최대 숫자(Nmax)가 정해져 있다. 실제로는 In-door 및 out-door환경 모두에서 Interference와 Noise에 의해서 Connect만 가능하고, 데이터 서비스 지원이 가능하지 않은 경우가 많다. Cypress의 경우에는 8개 2x2 SU-MIMO Connection가 가능하고, 각 Connection별로 100Mbp이상 지원가능하다고 Chip vendor사에서 가이드 하였다. 7개까지 Connect되는 것을 확인하였으나 UDP Traffic 연속송신/수신(streaming) 테스트를 실제로 해보면, 실제로는 6개까지 50Mbps 지원이 가능함. Chip vendor사에서 가이드한 수치보다 많이 낮다는 문제가 있다.
기존 802.11e, Wi-Fi Alliance Hotspot2.0 기술의 한계가 있다.
802.11e/WFA 표준에서는 QoS파라미터만 제공하고, 세부적인 QoS제어 알고리즘을 제공하지 않는다.
현재 오픈소스로 널리 활용되는 hostapd에는 Hotspot2.0표준에 정의된 수치대로, 시스템이 부팅할 때에 1회만 Static하게 Contention Free Period/Contention Period와 각 트래픽 별 Access Category의 minimum windows size와 maximum window size을 결정한다.
최초 부팅시에만 1회 설정이 되고, 그 이후에는 변경되지 않는다. 따라서, Multi-Connection 및 각 Connection별로 다양한 Access Category를 가진 Traffic을 효율적으로 처리하지 못한다.
Queue가 비어있는데도 SoftAP의 Wi-Fi firmware에서 해당 Queue을 Scan하는 불필요한 동작을 반복하여서, Wi-Fi SoC칩내부의 firmware 소프트웨어가 정작 Delay requirement가 작은 Voice 패킷이 버퍼링되는 AC_VO_Queue 또는 Video 패킷이 버퍼링되는 AC_VI_Queue을 자주 Scanning하는 기회를 가지지 못한다.
Wi-Fi SoC Firmware내부의 AC_VO_QUEUE와 AC_VI_QUEUE가 Overflow가 발생하여 Voice가 끊기거나 Streaming 된 Video가 깨지는 현상이 발생하게 될 수 있다.
본 명세서는 MSA의 QoS정책 또는 MCA또는 SoftAP자체적으로 CFP구간의 Throughput 향상 기술을 제시한다. 특히, 접속된 Wi-Fi Station의 connection 개수와 각 connection별 각 Traffic의 Access Category(QoS) 을 동시에 고려하여 Wi-Fi Station--> Wi-Fi SoftAP로 송신하는 Throughput을 maximize시킬 수 있도록 TXOP Limit Size을 Adaptive 하게 제어한다.
또한, 본 명세서는 MSA의 QoS정책 또는 MCA또는 SoftAP자체적으로 Contention Period의 Throughput 향상 기술을 제시한다. Access Category별로 정의된 Contention Window size을 지정할떄에 Honda 5G SoftAP에 동시에 접속되어있는 Wi-Fi Station의 개수와 해당 connection을 통해서 송수신되는 Packet의 Access Category에 따라서, SoftAP->Station으로 송신하려는 패킷이 버퍼링되어있는 양과 추후에 설명된 QoS Scheduling알고리즘에 따라서 전송한다.
SoftAP는 Wi-Fi statio과 SoftAP로 동시 동작이 가능하며, 외부의 Wi-Fi AP에 접속하여 데이터를 다운받아서, QoS을 고려하여 SoftAP에 접속되어 있는 다수의 단말기에게 데이터를 전송할 수 있다.
본 실시예는 WiFi의 MAC protocol의 특성상 동일한 주파수의 채널을 Uplink(station->SoftAP)와 Downlink(SoftAP->Station)가 동시에 사용하므로 Multi-user상황에서 CP기간에 많은 수의 Station과 Wi-Fi AP가 EDCA Random Access하여 충돌이 발생하여 delay가 발생할 가능성이 크다.
제안된 발명에서는 Uplink packet을 CFP기간에 업로딩함으로서, CP기간동안에 uplink로 packet을 업로딩할 가능성을 미연에 방지하여, CP기간동안 EDCA 방식으로 더 자주 down link로 realtime traffic을 streaming할 수 있는 기회를 가지게 되어서 Throughput이 향상될 수 있다.
다중 사용자 연결 알고리즘의 주기적 확인 정보는 다음과 같다.
1. Wpa_cli status 을 실행하여 접속된 Station들의 connection information(IP number etc) 들을 확인한다.
2. Send ping from SoftAP->each Wi-Fi station and measure Delay(msec)
3. 전송후 Delay이 작은 순서대로 SINR값이 좋은 것으로 판단하고, SoftAP가 Station에게 전송할때에 high priority을 부여함
[일례]
Delay1: 1sec -> priority=1
Delay2: 2sec -> priority=2
Delay3: 3sec -> priority=3
Contention Free Period(CFP)에 송수신할 Station들과 Contention Period(CP)에 송수신할 Station들을 구분하여 각각의 Group을 형성한다.
최초 동작 시에 SoftAP는 CFP-Poll을 모든 Station들에게 unicast방식으로 각 station별로 CFP 구간동안에 UPLINK로 packet을 송신하도록 한다.
SoftAP에서 각 Station으로부터 수신한 Packet을 확인하여, 헤더만있고 payload부분이 없는 Station들은 CP 구간을 이용하는 Station의 집합인 G_CP으로 분류하고, uplink로 패킷을 보낼 데이터가 있는 Station들은 Group_CFP = G_CFP로 분류한다.
G_CFP의 Station들이 MU-MIMO을 지원하는 Station들을 모아서 그룹 G_CFP_MU를 구성한다.
G_CFP에 속한 Station들 중에서 SU-MIMO을 지원하는 Station들을 모아서 G_CFP_SU을 구성한다.
G_CFP_MU들의 주소목록을 TXOP의 수신자 address에 기록하고, weighted priority에 따라서 CF-Poll을 SoftAP이 Station들에게 송신한다.
도 7은 본 실시예에 따른 QoS 스케줄링 알고리즘을 나타낸다.
도 7에 따르면, 트래픽 액세스 카테고리 분류 및 각 액세스 카테고리 당 경합 윈도우 최소/최대 크기를 결정할 수 있다.
S710 단계에서, 송신장치는 AC_VI_QUEUE, AC_VO_QUEUE, AC_BE_QUEUE, AC_BK_QUEUE의 크기를 측정한다. (AC(Access Category): AC_VI(Video), AC_VO(Voice), AC_BK(Background), AC_BE(Best Effort))
S720 단계에서, 송신장치는 각 큐가 empty인지 확인한다.
S730 단계에서, 송신장치는 Tx 우선순위를 계산한다. 특정 큐에 대기중인 패킷이 많고 Priority가 높은수록 선택될 가능성이 높고, Fairness가 보장될 수 있다. s(i,t) = Queue_Size(i,t)/priority(i)
S740 단계에서, 특정시간 t에 s(I,t)로 구성된 weighted Priority 집합 S = {s(1,t), s(2,t), …, s(N,t)} 에서 maximum weighted Priority 원소를 선택하고, HW Queue에 해당 패킷을 넣은 후에 Air로 송신한다.
S750 단계에서, 위 집합 S에서 해당 원소는 제외한다.
이하에서는, 다수의 MU-MIMO Station 동시 송신 지원을 위한 Multi-User QoS Aware TXOP 할당 기법을 설명한다.
MU-MIMO가 지원되는 Multi-user(Station)들이 Uplink (MU-MIMO Station -> SoftAP)로 패킷을 송신하기 위해서 SoftAP가 CF-Poll에 어떤 Station들이 uplink로 동시에 송신할지 기록해서 브로드캐스팅한다.
Station가 MU-MIMO을 지원하는 경우에는 Uplink로 동시에 QoS패킷을 송신할 수 있도록 CF-Poll의 특정 비트에 다수의 Station ID들 또는 다수의 Station MAC address들을 지정한 후 broadcast 한다.
모든 Station들은 broadcasst된 패킷의 특정 비트를 확인하여 자신이 TXOP가 할당된 것을 확인한다.
Short Interframe Sub-space(SIFS) 시간동안 기다린 후에 Uplink로 패킷을 송신한다.
CF-Poll을 브로드캐스팅하여 Station들이 자신의 Uplink 전송주기에 각 Station이 동시에 Packet을 송신하여 Uplink Throughput을 향상시킬 수 있다.
Contention Free Period와 Contention Period에 각각 어떤 Station의 어떤 Access Category의 Packet을 어떤 순서로 송신할 것인지에 관한 Multi-User QoS 스케줄링 알고리즘은 후술하도록 한다.
Multi-User QoS 스케줄링 알고리즘은 다음과 같이 설명한다.
Wi-Fi Station들이 802.11ac 중에서 SU-MIMO만 지원하는 Station이 있을 수도 있고, MU-MIMO을 지원하는 Station이 있을 수도 있다.
Station이 802.11n 또는 802.11a,b,g,n, ad, ....만을 지원할 수 도 있다.
legacy 802.11 protocol (802.11a,b,g,n)의 경우에는 MU-MIMO기능이 지원되지 않는다.
따라서, SoftAP는 MU-MIMO이 지원되는 Station들에게 Multicast할 수 있도록, CF-Poll에 수신자ID(station ID또는 Station MAC address)들을 여러 개를 기록하여 멀티캐스트한다.
Station들중에서 MU-MIMO가 지원되는 Station들만 정상적으로 MU-TXOP메세지를 디코딩하고, Uplink로 패킷을 송신하게 된다.
S: station전체 그룹
Si: i-th station
S = {s1, s2, ..., sn}
그룹 S의 모든 원소들을 대상으로, 아래 방식으로 계산한 User Selection Priority가 최대인 Station s(i)을 선택하여, 먼저 Uplink로 packe을 uploading할수 있는 기회를 부여한다. 즉, 해당 Station의 mac address을 CF-Poll의 수신자 address로 적어넣는다.
Max{
for(i=0; i< N_G_CFP_MU; i++)
{
for(j=0; j < NG_CFP_SU;j++)
{
sum(G_CFP_MU(i,t)) +sum(G_CFP_SU(j,t))
}
}
SoftAP는 다수의 Station으로 부터 수신된 Association Packet을 분석하여 각 Station들의 capability(MU-MIMO, SU-MIMO, 802.11ac, a,b,g,n 지원여부 등)을 파악한다.
LTE/5G모뎀->PCI인터페이스->Application Process(SoftAP)에서 전달받은 각 User(station)별 Access Category별로 SoftAP의 AC_VO_QUEUE, AC_VI_QUEUE, AC_BE_QUEUE, AC_BK_QUEUE 에 버퍼링되어있는 패킷의 양(AC_xxx_QUEUE size)을 파악한다.
뒤에서 소개되는 Contention Free Period(CFP)계산 방법을 통해서, CFP를 파악한 이후에 “Contention Period(CP) = Beacon Transmission Interval(100msec) - CFP”으로 계산한다.
Uplink로 송신가능한 MU-MIMO Station들의 ID와 각 Station들의 Uplink data rate을 합산하여, 각 Station에게 이번 Beacon주기(100msec)이내에 몇 개의 Frame을 보내야되는지 계산해보고, 1개의 최대 MPDU사이즈(UDP: 1470바이트)보다 사이즈가 길면, Frame을 몇 개로 분할해야 하는지를 결정하고, 분할된 Frame을 MSDU로 복사해준 후에, 몇 개의 MSDU를 합쳐서(Aggregation) 1개의 MPDU을 생성해야 하는지 결정한다.
이때 몇 개의 MPDU를 다시 합쳐서(aggregation) A-MPDU을 생성할지 결정하여, 전체 헤더+”A-MPDU사이즈”를 결정하고, 현재 MCS-level로 2X2 SU-MIMO로 송신하면 걸리는 시간(T_AMPDU(i))을 계산한다.
SoftAP는 WiFi Driver에게 Frame Burst기능 적용이 가능한지 확인하고, Frame Burst기능이 지원되면, T_AMPDU(i) 기간별로 CF-Poll을 송신한다. Frame Burst기능이 지원되지 않으면, (T_AMPDU + SIFS)시간마다 CF-Poll을 송신하고, 해당 Station으로부터 패킷을 수신한 이후에, 마지막 A-MPDU을 송신한 이후에, SoftAP->Station에게 BlockACK을 송신한다. 이때 BlockACK의 수신자에는 다수의 Station의 MAC Address가 기재된다.
SU-MIMO을 지원하는 Station들 각각의 uplink로 송신하려는 패킷의 양을 계산하여 위와 동일한 방식으로 “AMPDU+SIFS+ACK”기간을 계산한 후에, 해당 주기가 되면, Station->SoftAP에게 CF-Poll을 송신하고 패킷 수신이 완료되면 SoftAP->Station으로 ACK을 송신한다.
MU-MIMO Station들과 SU-MIMO station들이 모두 Uplink로 패킷송신 할 수 있도록 TXOPlimit을 업데이트한다. 만약, TXOP_limit_max 이내에 모든 Uplink패킷을 송신할 수 없는 경우에는, 업로딩하지 못한 Fragmented Frame을 CP기간동안 SoftAP가 해당 Station에게 PS-Poll을 보내서, 업로딩할 기회를 부여할 수 있다. 물론 CP기간동안에 Station이 EDCA Backoff 방식으로 채널에 랜덤액세스 해서 해당 fragemented frame을 업로딩할 수 있다. TXOPLimit사이즈가 작아서, N개의 AMPDU을 TXOPLimit 기간 이내에 전부 다 보내지 못한 경우에는, TXOPlimit을 모든 N개의 AMPDU을 수신하고 BlockACK을 보낼 수 있다.
도 8은 CFP 기본값과 CP 기본값이 설정된 구간을 나타낸 일례이다.
Contention Period기간동안 EDCA방식으로 Downlink 송신 패킷을 위한 Contention Period를 Adaptive하게 변경하는 알고리즘은 다음과 같다.
단계 1에서, SoftAP에서 CFP_default와 CP_default 값을 설정한다.
단계 2에서, AC_VO,AC_VI, AC_BE, AC_BK별로 Contention Window Size(AC_xx_CWmin, AC_xx_CWmax) 을 Access Category로 구분한다.
SoftAP에서 확인한 connect되어있는 STA들의 개수를 정의하면 다음과 같다.
N_CFP_UL_MU = "CFP 기간동안에 uplink로 패킷을 전송한 MU-MIMO STA의 갯수"
N_CFP_UL_SU = "CFP 기간동안 uplink로 패킷을 전송한 SU-MIMO STA의 갯수"
N_CFP_DL_MU = "CFP 기간동안 downlink로 패킷을 전송한 MU-MIMO STA의 갯수"
N_CFP_DL_SU = "CFP 기간동안 downlink로 패킷을 전송한 SU-MIMO STA의 갯수"
N_CP_UL_MU = "CP 기간동안에 uplink로 패킷을 전송한 MU-MIMO STA의 갯수"
N_CP_UL_SU = "CP 기간동안 uplink로 패킷을 전송한 SU-MIMO STA의 갯수"
SoftAP는 최초 CFP+CP기간동안 uplink로 패킷을 송신하던 MU-MIMO Station들과 SU-MIMO Station들을 파악한다. 또한, SoftAP는 CP기간동안에 uplink로 패킷을 송신하던 MU-MIMO Station들과 SU-MIMO Station들을 CP기간동안에 UPLINK로 패킷을 송신하도록 스케줄링한다.
MU-MIMO Station들의 경우에는 동시에 uplink로 패킷을 송신할 수 있도록 CF-Poll의 Destination Address을 MU-MIMO Station들의 address또는 ID로 채운다. SoftAP는 MU-MIMO Station들에게 BlockACK에 해당 Station들의 ID를 모아서 한꺼번에 ACK을 보내준다. SoftAP는 Block ACK을 송신한 이후에 SIFS을 기다린 후에 SU-MIMO Station들이 uplink로 패킷을 전송할때 필요한 Time을 계산한다.
하기 수식은 Contention Free Period를 계산하는 방법이다.
TIME_Rx_CFP_SU = N_CFP_UL_SU X {
(T_AC_VI_MAX + SIFS + ACK +SIFS)
+ (T_AC_VO_MAX + SIFS + ACK +SIFS)
+ (T_AC_BE_MAX + SIFS + ACK +SIFS)
+ (T_AC_BK_MAX + SIFS + ACK +SIFS)
}
TXOPLimit = Total_TIME_Rx_CFP = TIME_RX_CFP_MU + TIME_RX_CFP_SU
도 9는 CP로 설정된 구간과 CFP로 설정된 구간을 조절하여 하향링크 전송 기회를 증가시키는 일례를 나타낸다.
도 9를 참조하면, uplink packet transmission을 CFP구간에 Station에서 SoftAP로 송신하도록 조절함으로써, SoftAP에서 Station으로 downlink로 EDCA방식으로 패킷을 송신할 기회를 더 많이 가지게 된다. 이로써, downlink throughput 증가하고, Video/Voice Streaming에 유리하게 된다.
도 9의 Legacy 사례에서는 CP 구간에서의 uplink packet transmission으로 인해 EDCA downlink 송신 기회가 많지 않은 네트워크 환경을 도시한다.
도 9의 사례 1은 uplink packet transmission을 CFP 구간으로 스케줄링하여 Legacy 사례보다 EDCA downlink 송신 기회를 증대시키는 네트워크 환경을 도시한다.
도 9의 사례 2는 uplink packet transmission을 스케줄링하는 CFP 구간을 사례 1보다 더 늘려 EDCA downlink 송신 기회를 증대시키는 네트워크 환경을 도시한다.
도 9의 사례 3은 uplink packet transmission을 스케줄링하는 CFP 구간을 사례 1보다 더 줄여 EDCA downlink 송신 기회를 증대시키는 네트워크 환경을 도시한다.
EDCA 메커니즘에서 Adaptive contention window 기반의 backoff 알고리즘은 다음과 같다.
N_total: total Wi-Fi station number
N_AC_VO: the number of stations using Voice
N_AC_VI: the number of stations using Video
N_AC_BE: the number of stations using BE
N_AC_BK: the number of stations using BK
CW_AC_VO = (CWmin_AC_VO_default) X (N_AC_VO(t)) -1
CW_AC_VI = (CWmin_AC_VI_default) X (N_AC_VI(t)) -1
CW_AC_BE = (CWmin_AC_BE_default) X (N_AC_BE(t)) -1
CW_AC_BK = (CWmin_AC_BK_default) X (N_AC_BK(t)) -1
Tx/Rx Timing Determine
CWi(t) = Random[0, CW_ACi(t)]
T= 2CWi (t) - 1
상술한 동작은 다음과 같이 설명할 수 있다.
WiFi AP는 TXOPLimit의 길이를 Wi-Fi AP에 접속되어 있는 Station들의 개수와 각 Station들이 업로딩하려는 패킷(서비스)의 종류에 맞추어서 adaptive하게 TXOPlimit을 변경할 수 있다.
WiFi AP는 CFP기간동안에 Uplink로 패킷을 보낼 것이 없는 station들에게는 송신할 기회(TXOP)을 부여하지 않음으로써, CFP기간동안에 무선채널을 점유하는 시간을 절약할 수 있다. 특히, Wi-Fi AP가 ACK를 자주 보내면서, 채널을 사용하는 시간을 아끼기 위하여, MU-MIMO기능을 탑재한 Station들에게는 각 Station들이 업링크로 패킷을 보내더라도, 각 Station들에게 ACK을 보내지 않고, 한꺼번에 묶어서 BlockACK에 수신자 주소에 해당 Station들의 MAC address을 기재해서 보냄으로써, ACK을 각각 보내느라 낭비되는 시간을 아낄 수 있다. 아울러 CF-Poll에 수신자 주소를 기재할 때에 MU-MIMO Station들을 한번에 여러 개를 기록하여, 동시에 MU-MIMO Station들이 uplink로 패킷을 송신할 Time정보를 알게 할 수 있다.
표준에 정의된 EDCA Backoff 알고리즘은 Wi-Fi station들이 다수개가 접속할 때 빈번하게 충돌이 발생하여 성능이 저하된다.
Contention Period기간동안에 EDCA방식으로 업링크로 패킷을 보낼 수도 있고 다운링크로 패킷을 보낼 수도 있다. 상술한 실시예에 따라, CFP기간동안에 업링크로 패킷을 최대한 많이 보냈으므로, CP기간동안에는 Realtime Video Streaming이나 VOIP같은 패킷을 많이 보낼 수 있다.
Backoff 알고리즘에 Station이 N개인 상황을 고려하여 CW의 값을 “
Figure PCTKR2019005357-appb-I000001
”으로 정의할 수 있다.
상기 수식에서 사용되는 파라미터는 다음과 같다.
Figure PCTKR2019005357-appb-I000002
: Station-j의 평균 data rate
Figure PCTKR2019005357-appb-I000003
: 시간 t에서의 Station-j의 data rate
CWi: 서비스 i의 minimum contention window size
N: Wi-Fi AP에 접속되어있는 Station의 개수
Figure PCTKR2019005357-appb-I000004
: RSSI값이 가장 좋은 Station이 먼저 선택되지만, 서비스를 받았던 평균 data rate가 낮은 경우에는 우선순위가 상승된다.
상기 알고리즘은 많은 수의 Station이 접속해도 충돌가능성이 낮다는 장점이 있다.
상술한 실시예에 따르면, 여러 기법을 적용하여 상향링크로 패킷을 보내는데 걸리는 시간(TXOPlimit)을 줄이고, 아껴진 시간만큼 하향링크로 Realtime Video Streaming, VOIP를 송신함으로써 Throughput을 향상시킬 수 있다.
도 10은 본 실시예에 따른 패킷을 송수신하는 절차를 도시한 흐름도이다.
도 10의 일례는 AP에 의해 수행되고, 상기 AP는 MEC(Mobile Edge Clouding) 네트워크 환경에서 차량용 TCU(Telematics Control Unit) 내부의 무선네트워크 장치인 Wi-Fi SoftAP에 대응할 수 있다.
S1010 단계에서, AP(access point)는 복수의 STA (Station)으로 비경쟁 구간(Contention Free Period; CFP) 및 경쟁 구간(Contention Period; CP)에 대한 할당 정보를 포함하는 비콘 프레임(beacon frame)을 브로드캐스트한다.
S1020 단계에서, 상기 AP는 상기 복수의 STA 중 제1 STA으로부터 상향링크(uplink; UL) 패킷을 수신한다.
S1030 단계에서, 상기 AP는 상기 복수의 STA 중 제2 STA으로 하향링크(downlink; DL) 패킷을 송신한다.
상기 CFP의 길이는 상기 제1 STA의 개수 및 상기 제1 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리(Access Category)를 기반으로 결정된다.
상기 UL 패킷은 상기 결정된 CFP의 길이 내에서 송신될 수 있는 최대 개수만큼 수신된다. 상기 DL 패킷은 상기 CP 동안 송신될 수 있는 최대 개수만큼 송신된다. 즉, 상기 CFP의 길이를 트래픽 QoS 특성에 따라 적응적(adaptive)으로 조절하여 CFP와 CP에서의 패킷 로드(load)의 균형을 맞출 수 있다. 이로써, AP의 하향링크 쓰루풋(Throughput)과 상향링크 쓰루풋을 향상시킬 수 있다. 특히, 제안된 실시예는, UL 패킷을 CFP 동안 송신함으로써, CP 동안 UL 패킷이 송신될 가능성을 방지하고, CP 동안 DL 패킷을 더 송신할 수 있게 해준다. 이로써, DL 패킷으로 더 많은 실시간 트래픽 스트리밍이 가능하여 전체적인 쓰루풋이 향상될 수 있다.
상기 AP는 상기 제1 STA으로 CF 폴(Contention Free poll) 프레임을 유니캐스트 방식으로 송신할 수 있다. 상기 UL 패킷은 상기 CF 폴 프레임을 기반으로 상기 제1 STA 각각에 대해 송신될 수 있다.
상기 CF 폴 프레임은 우선 순위를 기반으로 송신될 수 있다. 상기 우선순위는 큐(Queue)에 대기 중인 패킷의 개수 및 상기 액세스 카테고리(access category)를 기반으로 획득될 수 있다. 상기 액세스 카테고리는 AC_VI(Access Category_Video), AC_VO(Access Category_Voice), AC_BE(Access Category_Best Effort) 및 AC_BK(Access Category_Background)를 포함할 수 있다.
상기 CF 폴 프레임은 상기 제1 STA 중 MU-MIMO(Multi User-Multi Input Multi Output)를 지원하는 제3 STA의 식별자 및 MAC 주소를 포함할 수 있다. 상기 UL 패킷은 상기 CF 폴 프레임이 송신되고 SIFS(Short InterFrame Sub-space) 이후에 상기 제3 STA으로부터 송신될 수 있다.
상기 AP가는 상기 제3 STA의 식별자 및 상기 UL 패킷의 데이터 레이트를 기반으로 상기 비콘 프레임의 전송 주기 이내에 보낼 수 있는 제1 UL 패킷의 크기를 결정할 수 있다.
상기 AP는 상기 제1 UL 패킷의 크기를 기반으로 상기 MU-MIMO로 송신하는 시간을 결정할 수 있다.
상기 AP는 상기 UL 패킷에 대한 BA(Block Ack)를 상기 제3 STA으로 송신할 수 있다.
상기 CF 폴 프레임은 상기 MU-MIMO로 송신하는 시간마다 송신될 수 있다. 상기 BA는 마지막 CF 폴 프레임에 대한 UL 패킷을 수신한 이후에 송신될 수 있다. 상기 BA는 상기 제3 STA의 MAC 주소를 포함할 수 있다.
상기 CFP의 길이는 상기 MU-MIMO를 지원하는 상기 제3 STA이 패킷을 송신하는 제1 CFP 길이 및 SU-MIMO를 지원하는 제4 STA이 패킷을 송신하는 제2 CFP 길이의 합일 수 있다. 상기 제1 CFP 길이는 상기 제3 STA의 개수와 상기 제3 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리를 기반으로 결정될 수 있다. 상기 제2 CFP 길이는 상기 제4 STA의 개수와 상기 제4 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리를 기반으로 결정될 수 있다.
상기 DL 패킷은 상기 CP 동안 경쟁 윈도우(contention window)에서 임의로 선택된 백오프 값을 기반으로 송신될 수 있다. 상기 경쟁 윈도우의 크기는 상기 제2 STA의 개수 및 상기 제2 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리를 기반으로 결정될 수 있다. 상기 CP의 길이는 상기 비콘 프레임의 전송 주기에서 상기 결정된 CFP의 길이를 제외한 길이일 수 있다.
상기 DL 패킷은 실시간 비디오 스트리밍(realtime video streaming) 또는 VoIP(Voice over Internet Protocol)에 사용되는 패킷을 포함할 수 있다.
상기 복수의 STA은 상기 AP와 연계(association) 절차가 수행될 수 있다. 상기 연계 절차를 기반으로 상기 복수의 STA의 역량(capability)이 확인될 수 있다. 상기 역량이란 상기 복수의 STA이 SU-MIMO 또는 MU-MIMO를 지원하는지 여부 또는 상기 복수의 STA의 802.11ac, a, b, g, n 등을 지원하는지 여부에 대응할 수 있다.
상기 AP는 기지국으로부터 TCU(Telematics Control Unit)를 통해 고속 데이터를 수신할 수 있다. 상기 고속 데이터는 상기 복수의 STA의 QoS(Quality of Service) 요구사항(requirement)을 기반으로 상기 UL 패킷 또는 상기 DL 패킷으로 송수신될 수 있다.
도 11은 상술한 바와 같은 방법을 구현하기 위한 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 11의 무선 장치(100)은 상술한 실시예를 구현할 수 있는 송신장치로서, AP STA으로 동작할 수 있다. 도 11의 무선 장치(150)은 상술한 실시예를 구현할 수 있는 수신장치로서, non-AP STA으로 동작할 수 있다.
송신 장치 (100)는 프로세서(110), 메모리(120), 송수신부(130)를 포함할 수 있고, 수신 장치 (150)는 프로세서(160), 메모리(170) 및 송수신부(180)를 포함할 수 있다. 송수신부(130, 180)은 무선 신호를 송신/수신하고, IEEE 802.11/3GPP 등의 물리적 계층에서 실행될 수 있다. 프로세서(110, 160)은 물리 계층 및/또는 MAC 계층에서 실행되고, 송수신부(130, 180)와 연결되어 있다.
프로세서(110, 160) 및/또는 송수신부(130, 180)는 특정 집적 회로(application-specific integrated circuit, ASIC), 다른 칩셋, 논리 회로 및/또는 데이터 프로세서를 포함할 수 있다. 메모리(120, 170)은 ROM(read-only memory), RAM(random access memory), 플래시 메모리, 메모리 카드, 저장 매체 및/또는 다른 저장 유닛을 포함할 수 있다. 일 실시 예가 소프트웨어에 의해 실행될 때, 상기 기술한 방법은 상기 기술된 기능을 수행하는 모듈(예를 들어, 프로세스, 기능)로서 실행될 수 있다. 상기 모듈은 메모리(120, 170)에 저장될 수 있고, 프로세서(110, 160)에 의해 실행될 수 있다. 상기 메모리(120, 170)는 상기 프로세스(110, 160)의 내부 또는 외부에 배치될 수 있고, 잘 알려진 수단으로 상기 프로세스(110, 160)와 연결될 수 있다.
상기 프로세서(110, 160)는 본 명세서에서 제안된 기능, 과정 및/또는 방법을 구현할 수 있다. 예를 들어, 프로세서(110, 160)는 전술한 본 실시예에 따른 동작을 수행할 수 있다.
도 12는 본 발명의 실시예를 구현하는 보다 상세한 무선장치를 나타낸다. 송신장치 또는 수신장치에 대해 전술한 본 발명이 이 실시예에 적용될 수 있다.
무선장치는 프로세서(610), 전력 관리 모듈(611), 배터리(612), 디스플레이(613), 키패드(614), SIM(subscriber identification module) 카드(615), 메모리(620), 송수신부(630), 하나 이상의 안테나(631), 스피커(640) 및 마이크(641)를 포함한다.
프로세서(610)는 본 명세서에서 설명된 제안된 기능, 절차 및/ 또는 방법을 구현하도록 구성될 수 있다. 무선 인터페이스 프로토콜의 계층들은 프로세서(610)에서 구현될 수 있다. 프로세서(610)는 ASIC(application-specific integrated circuit), 다른 칩셋, 논리 회로 및/또는 데이터 처리 장치를 포함할 수 있다. 프로세서는 AP(application processor)일 수 있다. 프로세서(610)는 DSP(digital signal processor), CPU(central processing unit), GPU(graphics processing unit), 모뎀(Modem; modulator and demodulator) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 프로세서(610)의 예는 Qualcomm®에 의해 제조된 SNAPDRAGONTM 시리즈 프로세서, Samsung®에 의해 제조된 EXYNOSTM 시리즈 프로세서, Apple®에 의해 제조된 A 시리즈 프로세서, MediaTek®에 의해 제조된 HELIOTM 시리즈 프로세서, INTEL®에 의해 제조된 ATOMTM 시리즈 프로세서 또는 대응하는 차세대 프로세서일 수 있다.
전력 관리 모듈(611)은 프로세서(610) 및/또는 송수신부(630)에 대한 전력을 관리한다. 배터리(612)는 전력 관리 모듈(611)에 전력을 공급한다. 디스플레이(613)는 프로세서(610)에 의해 처리된 결과를 출력한다. 키패드(614)는 프로세서(610)에 의해 사용될 입력을 수신한다. 키패드(614)는 디스플레이(613) 상에 표시될 수 있다. SIM 카드(615)는 휴대 전화 및 컴퓨터와 같은 휴대 전화 장치에서 가입자를 식별하고 인증하는 데에 사용되는 IMSI(international mobile subscriber identity) 및 그와 관련된 키를 안전하게 저장하기 위하여 사용되는 집적 회로이다. 많은 SIM 카드에 연락처 정보를 저장할 수도 있다.
메모리(620)는 프로세서(610)와 동작 가능하게 결합되고, 프로세서(610)를 동작시키기 위한 다양한 정보를 저장한다. 메모리(620)는 ROM(read-only memory), RAM(random access memory), 플래시 메모리, 메모리 카드, 저장 매체 및/또는 다른 저장 장치를 포함할 수 있다. 실시예가 소프트웨어로 구현되는 경우, 본 명세서에서 설명된 기술들은 본 명세서에서 설명된 기능을 수행하는 모듈(예컨대, 절차, 기능 등)로 구현될 수 있다. 모듈은 메모리(620)에 저장될 수 있고 프로세서(610)에 의해 실행될 수 있다. 메모리(620)는 프로세서(610) 내부에 구현될 수 있다. 또는, 메모리(620)는 프로세서(610) 외부에 구현될 수 있으며, 기술 분야에서 공지된 다양한 수단을 통해 프로세서(610)에 통신 가능하게 연결될 수 있다.
송수신부(630)는 프로세서(610)와 동작 가능하게 결합되고, 무선 신호를 송신 및/또는 수신한다. 송수신부(630)는 전송기와 수신기를 포함한다. 송수신부(630)는 무선 주파수 신호를 처리하기 위한 기저 대역 회로를 포함할 수 있다. 송수신부는 무선 신호를 송신 및/또는 수신하도록 하나 이상의 안테나(631)을 제어한다.
스피커(640)는 프로세서(610)에 의해 처리된 소리 관련 결과를 출력한다. 마이크(641)는 프로세서(610)에 의해 사용될 소리 관련 입력을 수신한다.
송신 장치의 경우, 상기 프로세서(610)는 복수의 STA (Station)으로 비경쟁 구간(Contention Free Period; CFP) 및 경쟁 구간(Contention Period; CP)에 대한 할당 정보를 포함하는 비콘 프레임(beacon frame)을 브로드캐스트하고, 상기 복수의 STA 중 제1 STA으로부터 상향링크(uplink; UL) 패킷을 수신하고, 상기 복수의 STA 중 제2 STA으로 하향링크(downlink; DL) 패킷을 송신한다.

Claims (20)

  1. 무선랜 시스템에서 패킷을 송수신하는 방법에 있어서,
    AP(Access Point)가, 복수의 STA (Station)으로 비경쟁 구간(Contention Free Period; CFP) 및 경쟁 구간(Contention Period; CP)에 대한 할당 정보를 포함하는 비콘 프레임(beacon frame)을 브로드캐스트하는 단계;
    상기 AP가, 상기 복수의 STA 중 제1 STA으로부터 상향링크(uplink; UL) 패킷을 수신하는 단계; 및
    상기 AP가, 상기 복수의 STA 중 제2 STA으로 하향링크(downlink; DL) 패킷을 송신하는 단계를 포함하되,
    상기 CFP의 길이는 상기 제1 STA의 개수 및 상기 제1 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리(Access Category)를 기반으로 결정되고,
    상기 UL 패킷은 상기 결정된 CFP의 길이 내에서 송신될 수 있는 최대 개수만큼 수신되고,
    상기 DL 패킷은 상기 CP 동안 송신될 수 있는 최대 개수만큼 송신되는
    방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 AP가, 상기 제1 STA으로 CF 폴(Contention Free poll) 프레임을 유니캐스트 방식으로 송신하는 단계를 더 포함하되,
    상기 UL 패킷은 상기 CF 폴 프레임을 기반으로 상기 제1 STA 각각에 대해 송신되는
    방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 CF 폴 프레임은 우선 순위를 기반으로 송신되고,
    상기 우선순위는 큐(Queue)에 대기 중인 패킷의 개수 및 상기 액세스 카테고리(access category)를 기반으로 획득되고,
    상기 액세스 카테고리는 AC_VI(Access Category_Video), AC_VO(Access Category_Voice), AC_BE(Access Category_Best Effort) 및 AC_BK(Access Category_Background)를 포함하는
    방법.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 CF 폴 프레임은 상기 제1 STA 중 MU-MIMO(Multi User-Multi Input Multi Output)를 지원하는 제3 STA의 식별자 및 MAC 주소를 포함하고,
    상기 UL 패킷은 상기 CF 폴 프레임이 송신되고 SIFS(Short InterFrame Sub-space) 이후에 상기 제3 STA으로부터 송신되는
    방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 AP가, 상기 제3 STA의 식별자 및 상기 UL 패킷의 데이터 레이트를 기반으로 상기 비콘 프레임의 전송 주기 이내에 보낼 수 있는 제1 UL 패킷의 크기를 결정하는 단계;
    상기 AP가, 상기 제1 UL 패킷의 크기를 기반으로 상기 MU-MIMO로 송신하는 시간을 결정하는 단계; 및
    상기 AP가, 상기 UL 패킷에 대한 BA(Block Ack)를 상기 제3 STA으로 송신하는 단계를 더 포함하고,
    상기 CF 폴 프레임은 상기 MU-MIMO로 송신하는 시간마다 송신되고,
    상기 BA는 마지막 CF 폴 프레임에 대한 UL 패킷을 수신한 이후에 송신되고,
    상기 BA는 상기 제3 STA의 MAC 주소를 포함하는
    방법.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 CFP의 길이는 상기 MU-MIMO를 지원하는 상기 제3 STA이 패킷을 송신하는 제1 CFP 길이 및 SU-MIMO를 지원하는 제4 STA이 패킷을 송신하는 제2 CFP 길이의 합이고,
    상기 제1 CFP 길이는 상기 제3 STA의 개수와 상기 제3 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리를 기반으로 결정되고,
    상기 제2 CFP 길이는 상기 제4 STA의 개수와 상기 제4 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리를 기반으로 결정되는
    방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 DL 패킷은 상기 CP 동안 경쟁 윈도우(contention window)에서 임의로 선택된 백오프 값을 기반으로 송신되고,
    상기 경쟁 윈도우의 크기는 상기 제2 STA의 개수 및 상기 제2 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리를 기반으로 결정되고,
    상기 CP의 길이는 상기 비콘 프레임의 전송 주기에서 상기 결정된 CFP의 길이를 제외한 길이인
    방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 DL 패킷은 실시간 비디오 스트리밍(realtime video streaming) 또는 VoIP(Voice over Internet Protocol)에 사용되는 패킷을 포함하는
    방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 STA은 상기 AP와 연계(association) 절차가 수행되고,
    상기 연계 절차를 기반으로 상기 복수의 STA의 역량(capability)이 확인되는
    방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 AP가, 기지국으로부터 TCU(Telematics Control Unit)를 통해 고속 데이터를 수신하는 단계를 더 포함하되,
    상기 고속 데이터는 상기 복수의 STA의 QoS(Quality of Service) 요구사항(requirement)을 기반으로 상기 UL 패킷 또는 상기 DL 패킷으로 송수신되는
    방법.
  11. 무선랜 시스템에서 패킷을 송수신하는 AP(Access Point)에 있어서,
    메모리;
    트랜시버; 및
    상기 메모리 및 상기 트랜시버와 동작 가능하게 결합된 프로세서를 포함하되, 상기 프로세서는:
    복수의 STA (Station)으로 비경쟁 구간(Contention Free Period; CFP) 및 경쟁 구간(Contention Period; CP)에 대한 할당 정보를 포함하는 비콘 프레임(beacon frame)을 브로드캐스트하고,
    상기 AP가, 상기 복수의 STA 중 제1 STA으로부터 상향링크(uplink; UL) 패킷을 수신하고; 및
    상기 AP가, 상기 복수의 STA 중 제2 STA으로 하향링크(downlink; DL) 패킷을 송신하되,
    상기 CFP의 길이는 상기 제1 STA의 개수 및 상기 제1 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리(Access Category)를 기반으로 결정되고,
    상기 UL 패킷은 상기 결정된 CFP의 길이 내에서 송신될 수 있는 최대 개수만큼 수신되고,
    상기 DL 패킷은 상기 CP 동안 송신될 수 있는 최대 개수만큼 송신되는
    무선장치.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 프로세서가, 상기 제1 STA으로 CF 폴(Contention Free poll) 프레임을 유니캐스트 방식으로 송신하되,
    상기 UL 패킷은 상기 CF 폴 프레임을 기반으로 상기 제1 STA 각각에 대해 송신되는
    무선장치.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 CF 폴 프레임은 우선 순위를 기반으로 송신되고,
    상기 우선순위는 큐(Queue)에 대기 중인 패킷의 개수 및 상기 액세스 카테고리(access category)를 기반으로 획득되고,
    상기 액세스 카테고리는 AC_VI(Access Category_Video), AC_VO(Access Category_Voice), AC_BE(Access Category_Best Effort) 및 AC_BK(Access Category_Background)를 포함하는
    무선장치.
  14. 제12항에 있어서,
    상기 CF 폴 프레임은 상기 제1 STA 중 MU-MIMO(Multi User-Multi Input Multi Output)를 지원하는 제3 STA의 식별자 및 MAC 주소를 포함하고,
    상기 UL 패킷은 상기 CF 폴 프레임이 송신되고 SIFS(Short InterFrame Sub-space) 이후에 상기 제3 STA으로부터 송신되는
    무선장치.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 프로세서가, 상기 제3 STA의 식별자 및 상기 UL 패킷의 데이터 레이트를 기반으로 상기 비콘 프레임의 전송 주기 이내에 보낼 수 있는 제1 UL 패킷의 크기를 결정하고;
    상기 프로세서가, 상기 제1 UL 패킷의 크기를 기반으로 상기 MU-MIMO로 송신하는 시간을 결정하고; 및
    상기 프로세서가, 상기 UL 패킷에 대한 BA(Block Ack)를 상기 제3 STA으로 송신하고,
    상기 CF 폴 프레임은 상기 MU-MIMO로 송신하는 시간마다 송신되고,
    상기 BA는 마지막 CF 폴 프레임에 대한 UL 패킷을 수신한 이후에 송신되고,
    상기 BA는 상기 제3 STA의 MAC 주소를 포함하는
    무선장치.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 CFP의 길이는 상기 MU-MIMO를 지원하는 상기 제3 STA이 패킷을 송신하는 제1 CFP 길이 및 SU-MIMO를 지원하는 제4 STA이 패킷을 송신하는 제2 CFP 길이의 합이고,
    상기 제1 CFP 길이는 상기 제3 STA의 개수와 상기 제3 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리를 기반으로 결정되고,
    상기 제2 CFP 길이는 상기 제4 STA의 개수와 상기 제4 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리를 기반으로 결정되는
    무선장치.
  17. 제11항에 있어서,
    상기 DL 패킷은 상기 CP 동안 경쟁 윈도우(contention window)에서 임의로 선택된 백오프 값을 기반으로 송신되고,
    상기 경쟁 윈도우의 크기는 상기 제2 STA의 개수 및 상기 제2 STA에 대한 트래픽의 액세스 카테고리를 기반으로 결정되고,
    상기 CP의 길이는 상기 비콘 프레임의 전송 주기에서 상기 결정된 CFP의 길이를 제외한 길이인
    무선장치.
  18. 제11항에 있어서,
    상기 DL 패킷은 실시간 비디오 스트리밍(realtime video streaming) 또는 VoIP(Voice over Internet Protocol)에 사용되는 패킷을 포함하는
    무선장치.
  19. 제11항에 있어서,
    상기 복수의 STA은 상기 AP와 연계(association) 절차가 수행되고,
    상기 연계 절차를 기반으로 상기 복수의 STA의 역량(capability)이 확인되는
    무선장치.
  20. 제11항에 있어서,
    상기 AP가, 기지국으로부터 TCU(Telematics Control Unit)를 통해 고속 데이터를 수신하는 단계를 더 포함하되,
    상기 고속 데이터는 상기 복수의 STA의 QoS(Quality of Service) 요구사항(requirement)을 기반으로 상기 UL 패킷 또는 상기 DL 패킷으로 송수신되는
    무선장치.
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