KR20050054676A - 누적분포함수를 이용한 무선 패킷 스케줄링 방법 - Google Patents

Abstract

다수의 단말과 상기 단말들로부터 피드백 되는 하향 채널에 대한 전송률을 근거로 각 단말에 자원을 할당하는 중앙제어기로 구성되는 통신 시스템에 있어서, 본 발명에 따른 스케줄링 방법에서는 상기 중앙제어기가 각 단말에 대한 전송률의 균일확률변수를 생성하고, 상기 균일확률변수를 스케줄링 우선도로 변환하고, 상기 각 단말에 대한 스케줄링 우선도 비교하여, 상기 스케줄링 우선도가 가장 큰 단말에 자원을 할당한다.

Description

누적분포함수를 이용한 무선 패킷 스케줄링 방법 {WIRELESS PACKET SCHEDULING METHOD USING CUMULATIVE DISTRIBUTION FUNCTION}

본 발명은무선통신시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선통신시스템에서 단말별 전송률 누적분포함수를 이용한 패킷 스케줄링 방법에 관한 것이다.

무선 통신 기술의 급속한 발전과 더불어 최근에는 이동 통신 분야에서도 기존의 음성 서비스 뿐만 아니라 다양한 멀티미디어 데이터 서비스가 제공 및 개발되고 있다.

이동 통신 망에서 고속의 전송속도를 요하는 멀티미디어 서비스를 효과적으로 지원하기 위해서 CDMA의 고속데이터서비스(High Data Rate: HDR)와 3GPP의 고속하향패킷접속(High Speed Downlink Packet Access: HSDPA)와 같은 다양한 기술들이 채택되어 왔다. 이와 같은 고속의 멀티미디어 서비스를 효과적으로 제공하고 시스템의 용량을 최대화 하기 위해서 다양한 스케줄링 알고리즘이 이용되고 있다.

음성 트래픽 보다 지연에 덜 민감한 데이터 트래픽을 시변 채널인 무선 채널에서 각각의 사용자에 대해 채널 상태가 좋을 때만 데이터 전송을 한다면 높은 전송률을 얻을 수 있을 것이다. 이러한 아이디어가 반영된 예로 CDMA 1x EV/DO 하향 데이터 전송을 들 수 있다. CDMA1x EV/DO 시스템에서는 단말이 자신이 받을 수 있는 최고의 전송률을 기지국에 피드백하고 기지국에서는 모든 단말기로부터 받은 전송률을 바탕으로 패킷 스케줄링을 수행한다.

가장 높은 평균 전송률을 내는 스케줄링 방법은 무조건 제일 높은 전송률을 요구하는 단말기를 선택하는 최대 전송율 (maximum rate: MR) 스케줄링이다. 그러나, 사용자들이 모두 같은 채널을 사용하지 않기 때문에 채널 상황에 따라 사용자간 평균 전송률이 차이가 나는 공평성(fairness) 문제가 발생한다. 이를 극복하기 위한 방안으로 비례 공평 (proportional fair: PF) 스케줄링, 적시전송 (Opportunistic Transmission) 스케줄링 등 다양한 스케줄링 알고리즘이 제안되어 왔다.

PF 스케줄링은 현재까지 각 사용자가 서비스 받은 평균 전송률에 비해 현재 피드백 된 전송률이 큰 사용자를 선택하는 방식으로 이를 통해 비례 균등하게 사용자에게 자원을 분배한다. 그러나, PF 스케줄링은 기본적으로 현재의 순간 전송률과 평균 전송률의 비가 모든 사용자 별로 균일하게 분포한다는 가정을 전제로 한다. 따라서, 이러한 조건이 만족되지 않는 일반적인 경우에는 평균적으로 높은 전송률을 갖는 사용자가 평균적으로 낮은 전송률을 갖는 사용자보다 자주 서비스를 받게 되어 채널이 좋지 않은 사용자는 불이익을 받게 된다. 또한, PF 스케줄링에서는 각 사용자별로 다른 요구 서비스 품질(QoS)를 만족시킬 수 있는 방법이 없다.

한편, 적시전송 스케줄링은 사전에 각 사용자가 받는 평균 서비스 횟수에 대한 비율을 설정하고, 이 평균 서비스 횟수의 비율을 만족시키는 조건에서 각 사용자가 받는 평균 전송률의 합을 최대로 만드는 스케줄링 방식이다. 적시 전송 스케줄링에서는 각 사용자가 받는 평균 서비스 비율만 맞추어 주기 때문에, PF와 마찬가지로 채널이 좋지 않은 사용자보다 채널이 좋은 사용자가 좀 더 유리하다.

예를 들어, 2명의 사용자에 대해 스케줄링하는 경우, 사용자 1은 평균 전송률이 100이고, 사용자 2는 평균 전송률이 20이고, 가우시안 분포를 따르며, 각 사용자의 평균 서비스 횟수의 비를 1:1이라고 가정하자. 만약 현재 사용자 1 및 사용자 2로부터의 피드백 값이 각각 121과 40이라면 적시전송 스케줄링에서는 현재 전송률과 평균 전송률과의 차가 각각 21과 20이 되어 사용자 1을 선택하게 된다. 하지만, 사용자 1과 사용자 2는 각각 평균 전송률에 비해서 21%와 100% 큰 전송률을 피드백 한 것으로 사용자 2의 경우 매우 드물게 일어나는 아주 좋은 채널 환경에 있었는데도 서비스를 받지 못하게 딘다 .따라서, 사용자 2가 서비스를 받기 위해서는 상대적으로 더 좋은 채널을 사용하는 사용자 1의 채널 상태가 사용자 2사용자 2의 채널 보다 좋지 안아야 하기 때문에 사용자 2에 대한 평균 전송률은 떨어지게 된다. 만약 사용자 1 대신 평균 전송률이 10인 사용자 3과 사용자 2가 경쟁을 하는 경우에는 사용자 2가 사용자 3보다 더 유리하게 된다. 즉, 기준이 되는 사용자와 다른 사용자의 채널의 상대적인 관계에 의해서 서비스를 받는 평균 전송률에 차이가 발생하게 된다. 결국, 경쟁에 참여하는 사용자에 따라서 서비스를 받는 평균 전송률이 달라지기 때문에 사용자 별로 전송률에 대한 QoS가 다를 경우 이를 맞추어 주기 위한 방법이 없다.

본 발명은상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로 본 발명의 목적은 각 사용자로부터 피드백 된 정보로부터 현재 전송률이 얼마나 드물게 발생한 좋은 전송률인지를 수치화하고 이를 사용자간에 비교하여 그 값이 가장 큰 사용자를 우선적으로 스케줄링하는 무선 패킷 스케줄링 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 특정 사용자의 현재 전송률 정보를 이전에 피드백 되었던 전송률 정보와 비교함으로써 모든 사용자의 전송률의 분포가 서로 다르더라도 절대적으로 전송률을 비교함으로써 공평성을 개선한 무선 패킷 스케줄링 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의일 국면에 있어서, 다수의 단말과 상기 단말들로부터 피드백 되는 하향 채널에 대한 전송률을 근거로 각 단말에 자원을 할당하는 중앙 제어기로 구성되는 통신 시스템에서, 스케줄링 방법은 각 단말에 대한 전송률의 균일확률변수를 생성하고 상기 균일확률변수를 스케줄링 우선도로 변환하고 상기 각 단말에 대한 스케줄링 우선도 비교하고 상기 스케줄링 우선도가 가장 큰 단말에 자원을 할당하는 것을 특징으로 한다. 상기 균일확률변수 생성과정은 각각의 단말로부터 해당 단말에 대해 서비스 가능한 전송률을 주기적으로 수신하고, 상기 수신된 전송률의 누적분포함수를 생성하고, 상기 누적분포함수를 이용하여 균일확률변수를 생성하는 것을 더욱 포함한다.

본 발명의 또 다른 일 국면에 있어서, K개의 단말들과 각 단말 k로부터 피드백 되는 하향 채널에 대한 전송률 정보 를 근거로 n번째 타임슬롯을 할당할 단말을 선택하는 기지국으로 구성되는 무선통신 시스템에서 본 발명의 스케줄링 방법은 각 단말 k로부터 수신되는 전송률 정보를 이용하여 균등확률변수 를 생성하고 상기 균등확률변수 를 스케줄링 우선도 로 변환하고 상기 각각의 단말에 대한 우선도 를 비교하고 가장 큰 우선도 (여기서, )를 가지는 단말에 n번째 타임슬롯을 할당한다. 상기 균등확률변수 는 상기 전송률 정보 에 대응하는 전송률 의 누적분포함수 인 것을 특징으로 한다. 상기 누적분포함수는 전송률에 대한 확률밀도함수를 이용하여 갱신되며, 상기 확률밀도함수를 라 하고 누적분포함수를 라 할 때, 상기 확률밀도함수는 수학식 (여기서, 여기서 이고, 1A 는 만약 조건 A가 만족되면 1이고 그렇지 않으면 0인 지시자 )에 의해 갱신되고, 상기 누적분포함수는 수학식 에 의해 갱신되는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 패킷 스케줄링 방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명은무선 채널을 사용하기 위해, 단말에서 기지국으로 피드백 되는 채널 정보의 통계적 특성을 이용하여 스케줄링의 우선순위를 결정하는 무선 패킷 스케줄링 방법으로서 현재 사용되고 있는 무선 채널 스케줄링 알고리즘의 공평성을 개선하여 여러 사용자의 요구 서비스 품질을 만족시킬 수 있도록 한다.

도 1은 본 바람직한 실시예에 따른 무선 패킷 스케줄링 방법이 적용되는 무선 접속망을 보인 개략도이다.

도 1에서 보는 바와 같이, 기지국(10)은 무선 채널 (30)을 통해 각각의 사용자 단말 (20, 25)에 데이터 서비스를 제공하고 있다. 상기 기지국(10)은 각각의 단말(23, 25)로 전송될 패킷 데이터를 수신하여 저장하는 버퍼들 (13, 15)을 포함하며 상기 버퍼들(13, 15)에 저장된 데이터는 스케줄러(17)에 의해 우선순위가 높은 순으로 해당 단말(23, 25)로 전송된다. 상기 스케줄러(17)는 상기 단말들(23, 25)로부터 주기적으로 피드백 되는 채널 상태 정보를 이용하여 각각의 단말에 대한 스케줄링 우선순위를 할당한다.

상기와 같이 구성된 무선접속망에서, 각각의 단말 (13(15))은 하향 채널을 측정하여 상기 하향 채널이 지원할 수 있는 최대 전송률을 계산하여 상기 기지국(10)으로 피드백 한다.

상기 기지국(10)의 스케줄러(17)는 각각의 사용자 단말 k (13(15))로부터 수신되는 피드백 정보에 포함된 최대 전송률을 추출하여 각 단말 k (k=1, 2, ?, K)에 대한 채널 분포(히스토그램)를 추정하여 누적분포함수(cumulative distribution function: cdf) (k=1, 2, ?, K)를 생성한다. 상기 스케줄러(17)는 상기 누적 분포함수를 이용하여 각 사용자 k의 타임슬롯 n에서의 우선순위를 구한다. n번째 타임슬롯에서 사용자 k의 우선순위 k*(n)은 다음 수학식 1에 의해 구해진다.

여기서 Rk(n)은 단말 k에 대해 타임슬롯 n을 통해 전송할 수 있는 최대 전송률이고, 는 단말 k에 할당된 가중치 (weight factor)로서, 이다.

상기 스케줄러(17)는 상기 수학식 1의해 구해진 각각의 단말 k에 대한 우선순위 k*(n)를 비교하여 가장 큰 우선순위를 가진 단말에 n번째 타임슬롯을 할당한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 패킷 스케줄링 방법을 설명하기 위한 순서도이다.

본 발명에 따른 패킷 스케줄링 방법에서는 K개의 단말기들이 자원을 할당 받기 위해 경쟁을 하고 각 단말 k에 대한 최대 전송률 , 가정한다. 또한, 만약 이 최대 전송률이면 단말 k는 n번째 타임슬롯에 전송률 인덱스 를 기지국으로 피드백 한다. 단말 k의 전송률에 대한 확률밀도함수(pdf)는 로 누적분포함수는 (여기서, k=1, 2, ?, K, m=1, 2, ?, M)로 나타낸다. 설명에 편의를 위해, 를 0으로 설정한다.

도 2에서 보는 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 패킷 스케줄링 방법에서는, 먼저 단말 k가 전송률 인덱스 를 기지국에 피드백 한다(S21). 상기 전송률 인덱스 를 수신하면 (S21) 상기 기지국의 스케줄러는 간격으로 균등확률변수 을 생성하고(S22) 상기 균등확률변수 를 단말 k에 대한 스케줄링 우선도 (scheduling metric) 로 변환한다(S23).

상기 스케줄러는 각각의 단말에 대한 우선도를 구한 후 이들을 비교하여 우선도가 가장 큰 단말을 선택한다(S24). 최대 우선도는 다음 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.

우선도가 가장 큰 단말이 선택되면, 상기 기지국은 우선도가 가장 큰 단말 에 n번째 타임슬롯을 할당하여 데이터를 전송하고 (S25). 다음 수학식 2 및 수학식 3에 따라 해당 단말에 대한 확률밀도함수 와 누적분포함수는 를 갱신한다(S26).

여기서 이고, 1A 는 만약 조건 A가 만족되면 1이고 그렇지 않으면 0인 지시자이다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스케줄링 방법과 MR 스케줄링 및 적시전송 스케줄링 방법을 스케줄링 공평성 측면에서 비교 실험한 결과를 보인 그래프이다.

상기 성능비교실험은 전체 단말의 수 K=5, 각 사용자의 전송률 평균 m=10, 그리고 각 단말 k=1, 2, 3, 4, 5 에 대한 표준편차 가1.2, 1.4, 1.6, 1.8, 2.0 환경에서 실행되었다.

도 3에서 보는 바와 같이, MR 스케줄링 방법은 전송 시간 측면에서 공평하지 않음을 보이고 있고 변동이 큰 단말이 더 많은 시간을 점유하고 있음을 알 수 있다. 반면, 적시 전송 스케줄링 방법과 본 발명의 스케줄링 방법에서는 각각의 단말이 거의 동일한 전송시간을 점유하는 것을 알 수 있다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스케줄링 방법과 적시전송 스케줄링 방법을 평균 서비스 수신량에 대한 타 단말들의 분포 영향 측면에서 비교 실험한 결과를 보인 그래프이다. 이 실험에서, 다른 사용자의 분포는 유지시킨 상태에서 사용자 5의 표준편차를 1과 2인 경우로 나누어서 실험하였다.

도 4에서 보는 바와 같이, 적시전송 알고리즘의 경우 단말 5의 표준 편차(다시 말해, 단말 5의 분포)가 변동에 따라 평균 단말 서비스 수신량이 변한다는 것을 알 수 있다. 따라서, 단말 5의 표준편차가 증가 하면 어떤 단말의 평균 서비스 수신량은 감소하게 된다. 더욱이, 스케줄링 이득과 표준 편차의 비가 유지되지 않는다.

반면, 본 발명에 따른 스케줄링 방법의 경우, 단말 5의 표준 편차의 변화와 무관하게 단말 1 내지 단말 4의 평균 서비스 수신량이 동일하게 유지됨을 알 수 있다.

상기 도 3 및 도 4의 비교실험 결과, 본 발명에 따른 스케줄링 방법이 공평성 면이나 스케줄링 이득 면에서 적시전송 스케줄링 방법 보다 좋은 성능을 보임을 알 수 있다.

상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 스케줄링 방법에서는 타 단말의 확률 분포에 관계 없이 특정 단말의 수신률 분포를 근거로 스케줄링 할 단말을 선택하기 때문에 각 사용자의 서비스 평균 수신률을 미리 예측하는 것이 가능하다.

또한, 여러 단말의 채널이 균일(identical)하지 않을 때에도 각 단말은 마치 타 단말의 채널이 자신의 채널과 균일한 채널인 것처럼 보게 된다.

또한, 각 단말의 요구 사항이 다른 경우에도, 각각의 단말에 대해 효과적인 서비스를 제공할 수 있다.

또한, 채널 상태가 좋지 않은 사용자에 대한 평균 전송률이 어느 정도 이상으로 쉽게 맞추어 줄 수 있다.

도 1은 본 바람직한 실시예에 따른 무선 패킷 스케줄링 방법이 적용되는 무선 접속망을 보인 개략도

도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 무선 패킷 스케줄링 방법을 설명하기 위한 순서도

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스케줄링 방법과 MR 스케줄링 및 적시전송 스케줄링 방법을 스케줄링 공평성 측면에서 비교 실험한 결과를 보인 그래프

도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 스케줄링 방법과 적시전송 스케줄링 방법을 평균 서비스 수신량에 대한 타 단말들의 분포 영향 측면에서 비교 실험한 결과를 보인 그래프이다.

Claims (17)

1. 다수의 단말과 상기 단말들로부터 피드백 되는 하향 채널에 대한 전송률을 근거로 각 단말에 자원을 할당하는 중앙 제어기로 구성되는 통신 시스템에 있어서,

   각 단말에 대한 전송률의 균일확률변수를 생성하고

   상기 균일확률변수를 스케줄링 우선도로 변환하고

   상기 각 단말에 대한 스케줄링 우선도 비교하여

   상기 스케줄링 우선도가 가장 큰 단말에 자원을 할당하는 것을 특징으로 하는 스케줄링 방법.
2. 제 1항에 있어서, 상기 균일확률변수는 상기 각 단말에 대한 전송률의 누적분포함수인 것을 특징으로 스케줄링 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 균일확률변수 생성과정은:

   각각의 단말로부터 해당 단말에 대해 서비스 가능한 전송률을 주기적으로 수신하고

   상기 수신된 전송률의 누적분포함수를 생성하고

   상기 누적분포함수를 이용하여 균일확률변수를 생성하는 것을 더욱 포함하는 스케줄링 방법.
4. 다수의 단말과 상기 단말들로부터 피드백 되는 하향 채널에 대한 전송률 시지자를 근거로 각 단말에 특정 자원을 할당하는 기지국으로 구성되는 무선통신 시스템에 있어서,

   상기 전송률 지시자에 대한 균일확률변수를 생성하고

   상기 균일확률변수를 스케줄링 우선도로 변환하고

   각각의 단말에 대한 스케줄링 우선도를 비교하고

   상기 스케줄링 우선도의 값이 가장 큰 단말에 타임슬롯을 할당하는 스케줄링 방법.
5. 제 4항에 있어서, 상기 균일확률변수는 각 단말에서 피드백 된 전송률 지시자의 누적분포함수인 것을 특징으로 하는 스케줄링 방법.
6. 다수의 단말과 상기 단말들로부터 피드백 되는 하향 채널에 대한 전송률 시지자를 근거로 각 단말에 n번째 타임슬롯을 할당하는 기지국으로 구성되는 무선통신 시스템에 있어서,

   상기 전송률 지시자에 대응하는 전송률의 균일확률변수를 생성하고

   상기 균일확률변수를 스케줄링 우선도로 변환하고

   각각의 단말에 대한 스케줄링 우선도를 비교하고

   상기 스케줄링 우선도의 값이 가장 큰 단말에 상기 n번째 타임슬롯을 할당하는 스케줄링 방법.
7. 제 6항에 있어서, 상기 균일확률변수는 각 단말에서 피드백 된 전송률 지시자가 지시하는 전송률의 누적분포함수인 것을 특징으로 하는 스케줄링 방법.
8. K개의 단말들과 각 단말 k로부터 피드백 되는 하향 채널에 대한 전송률 정보 를 근거로 n번째 타임슬롯을 할당할 단말을 선택하는 기지국으로 구성되는 무선통신 시스템에 있어서,

   각 단말 k로부터 수신되는 전송률 정보를 이용하여 균등확률변수 를 생성하고

   상기 균등확률변수 를 스케줄링 우선도 로 변환하고

   상기 각각의 단말에 대한 우선도 를 비교하고

   가장 큰 우선도 (여기서, )를 가지는 단말에 n번째 타임슬롯을 할당하는 스케줄링 방법.
9. 제 8항에 있어서, 상기 균등확률변수 는 상기 전송률 정보 에 대응하는 전송률 의 누적분포함수 인 것을 특징으로 하는 스케줄링 방법.
10. 제 8항에 있어서, 상기 누적분포함수 를 갱신하는 것을 더욱 포함하는 스케줄링 방법.
11. 제 10항에 있어서, 상기 누적분포함수의 갱신은 전송률에 대한 확률밀도함수를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 스케줄링 방법.
12. 제 11항에 있어서, 상기 누적분포함수 갱신과정은 상기 확률밀도함수를 갱신하는 것을 더욱 포함하는 스케줄링 방법.
13. 제 12항에 있어서, 상기 확률밀도함수를 라 하고 누적분포함수를 라 하면,

    상기 확률밀도함수는 수학식 (여기서, 여기서 이고, 1A 는 만약 조건 A가 만족되면 1이고 그렇지 않으면 0인 지시자 )에 의해 갱신되고

    상기 누적분포함수는 수학식 에 의해 갱신되는 것을 특징으로 하는 스케줄링 방법.
14. 제 8항에 있어서, 상기 균등확률변수 는 상기 전송률 정보 의 값의 누적분포함수 인 것을 특징으로 하는 스케줄링 방법.
15. 제 14항에 있어서, 상기 누적분포함수의 갱신은 전송률에 대한 확률밀도함수를 이용하여 수행되는 것을 특징으로 하는 스케줄링 방법.
16. 제 15항에 있어서, 상기 누적분포함수 갱신과정은 상기 확률밀도함수를 갱신하는 것을 더욱 포함하는 스케줄링 방법.
17. 제 16항에 있어서, 상기 확률밀도함수를 라 하고 누적분포함수를 라 하면,

    상기 확률밀도함수는 수학식 (여기서, 여기서 이고, 1A 는 만약 조건 A가 만족되면 1이고 그렇지 않으면 0인 지시자)에 의해 갱신되고

    상기 누적분포함수는 수학식 에 의해 갱신되는 것을 특징으로 하는 스케줄링 방법.