KR20060067327A - 무선 휴대 인터넷 시스템에서 ａｒｑ 제어 장치 및 제어방법 - Google Patents

무선 휴대 인터넷 시스템에서 ａｒｑ 제어 장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선 휴대 인터넷 시스템에서 TCP 성능 향상을 위한 ARQ 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 무선 휴대 인터넷 시스템에서의 ARQ 제어 방법은, 가입자 단말이 기지국과 통신을 통해 초기화를 수행하고, 무선링크 채널 품질을 수신하는 단계; 상위 블록으로부터 SDU를 전달받으면 SDU 버퍼에 저장하고, 해당 서비스 플로우에 대하여 기지국과 연결을 설정하는 단계; 상기 서비스 플로우에 대한 QoS 정보 및 ARQ 정보 및 주파수간 간섭비 및 전력대 잡음비(CINR)를 수신하여 업링크 스케쥴러에 전송하는 단계; 상기 SDU의 TCP 헤더를 검사하여 TCP 시퀀스 번호 정보를 저장하는 단계; 및 상기 QoS 정보, ARQ 정보 및 CINR과 TCP 혼잡 윈도우의 크기를 기초로 하여 MAC ARQ 윈도우의 크기를 제어하는 동적 서비스 변경(DSC) 절차를 수행하는 단계를 포함한다.
전술한 본 발명의 구성에 의하여 TCP 혼잡 제어 기능과 MAC ARQ 기능의 재전송 중복 기능을 최소화할 수 있다.
무선 휴대 인터넷, 스케쥴러, 업링크, 핸드오프, MAC ARQ, DSA, DSC, TCP

Description

무선 휴대 인터넷 시스템에서 ＡＲＱ 제어 장치 및 제어 방법{A apparatus for ARQ controlling in wireless portable internet system and method therof}
도 1은 무선 휴대 인터넷 시스템에서의 TCP 전송 구조를 도시하고 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 다른 가입자 단말의 ARQ 제어 장치의 구성을 도시한 블록도이다.
도 3a는 TCP 계층 윈도우 크기와 MAC ARQ 윈도우 크기의 관계를 도시하고 있다.
도 3b는 동적 서비스 변경에 따른 TCP 계층의 혼잡 윈도우와 MAC ARQ 윈도우의 시간에 따른 관계를 도시한 그래프도 이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 MAC ARQ 윈도우 제어 및 스케쥴링을 위한 구조도를 도시하고 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 상향링크 전송 방법을 도시한 순서도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 상향링크 데이터 송수신과, 동적 서비스 변경 방법을 도시한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라서 핸드오프시에 ARQ 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
본 발명은 무선 휴대 인터넷 시스템에서 TCP 성능 향상을 위한 ARQ 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
종래의 무선 데이터 통신에서 TCP 성능을 향상하기 위한 기술로서는, 연결 분리 접근법(split-connection approach), 링크 레이어 접근법(link layer approach), 프로토콜 기반 접근법(Protocol-based approach)이 있다.
종래의 기술에서는, 상기의 제안된 방법에서 연결 분리 접근법은 무선 링크 구간에서 발생하는 패킷 오류가 유선망에 영향을 주지 않기 위하여 TCP 연결을 분리해 유선 구간에서는 기존의 TCP를 사용하고 무선 구간에서는 무선 환경에 적합한 새로운 프로토콜을 사용하는 방법이다.
이 방법은 무선 구간의 효율성을 극대화 할 수 있지만 기지국에서 유선 프로토콜과 무선 프로토콜 사이의 교환이 이루어져야 하고, 기지국이 모든 연결에 대한 매핑 정보를 저장해야 하기 때문에 기지국에 많은 부하를 가져오는 단점이 있다.
또한, 링크 레이어 접근법은 연결 분리 접근법과 달리 유무선 간의 연결을 분리하지 않고 기지국에서 TCP 패킷을 보관하고 관찰하여 무선 구간의 상태가 좋지 않아 패킷이 손실되거나 효율적이지 못한 경우에 보관하고 있던 패킷을 이용해 이를 극복하는 방법이다.
이 접근법은 종단간 TCP 연결을 유지하면서 무선 TCP 성능을 향상시킬 수 있지만, 기지국이 모든 TCP 연결에 대한 매핑 정보와 각 연결에 사용된 패킷을 보관 해야 하기 때문에 기지국 부하가 여전히 크다.
또한, 프로토콜 기반 접근법은 TCP 프로토콜을 수정하거나 발전된 TCP 프로토콜 버전을 사용함으로써 무선 TCP 성능을 향상시키는 접근법이다.
이 접근법은 기지국의 도움 없이도 적용할 수 있고 하부 시스템의 구조와 무관하게 동작하는 이점이 있으나 이 접근법에 속하는 대부분의 기법들이 유선 구간의 TCP 모듈의 수정을 필요로 한다.
한편, 이동 무선 환경, 특히 무선 인터넷 시스템에서는 에러율 최소화와 에러 정정 능력 향상을 위해서 ARQ(Auto Repeat reQuest) 알고리즘이 제안되고 있다. ARQ 는 전송된 각각의 패킷에 대해 ACK 또는 NACK 메시지를 참조하거나, 수신되지 않을 때는 타임 아웃 시간의 경과를 고려하여 손실된 패킷을 재전송하는 방법이다.
한편, 무선 휴대 인터넷 시스템은 TCP 계층과 더불어 무선 환경을 설정하는 MAC 계층에서 ARQ 동작을 수행하게 된다. 따라서, 효율적인 ARQ 동작과 TCP 성능 향상을 위해서는 전술한 종래 기술적 과제를 해결하기 위해서는, 동적으로 변화하는 무선 환경에서 TCP 의 수신 윈도우의 변화에 따라 MAC ARQ 계층의 윈도우 크기도 변경할 수 있어야 하며, MAC 계층의 재전송 기능과 중복되지 말아야 한다.
또한, 각각의 QoS(Quality of Service)를 가지는 여러 서비스 플로우(Service Flow)가 있을 경우 ARQ 윈도우의 크기 변경에 대한 정보와 무선 링크 채널 상태에 대한 정보가 스케쥴링 스케줄링 정책에 반영될 수 있어야 한다.
더불어, 핸드오프(Handoff)시에는 타임아웃에 의한 재전송에 의해 TCP 종단간의 전송 기간이 급격히 늘어나는 것을 방지할 수 있어야 한다.
그러므로, 전술한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 무선 휴대 인터넷 시스템에서 TCP 윈도우의 변화에 따라 MAC ARQ 윈도우의 크기를 DSC(Dynamic Service Change) 절차를 통하여 유연하게 조절할 수 있는 ARQ 제어 장치 및 그 방법을 제공한다.
또한, 본 발명은, 무선 휴대 인터넷 시스템에서 MAC ARQ의 재전송 기능과 TCP 계층의 재전송 기능이 중복되지 않도록 MAC ARQ 윈도우 크기를 조절하고 이를 업링크 스케줄링 정책에 반영할 수 있는 ARQ 제어 장치 및 제어 방법을 제공한다.
또한, 물리계층(Physical Layer)로부터 무선 채널 링크에 대한 정보를 획득하여 MAC ARQ 윈도우 크기 변경 및 업링크 스케줄링 정책에 반영하며, 핸드오프시 TCP 수신자의 재전송 타임 아웃(Retransmission Time Out)의 발생 횟수를 줄여 Fast Retransmission, Fast Recovery가 가능하도록 하는 ARQ 제어 장치 및 제어 방법을 제공한다.
전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 한 특징에 따른 ARQ 제어 장치는, 전원 인가시, 초기화 및 기지국과 연결 설정을 수행하여, 협상된 ARQ 관련 정보를 수신하는 연결 제어기; 초기화 수행후 현재의 주파수간 간섭비 및 전력대 잡음비(CINR) 값을 주기적으로 측정하고, 핸드오프의 필요성이 있을시 이를 상기 연결제어기에 전달하는 전력제어 및 핸드오프제어기; 인터넷 서비스를 제공하는 종단장치로부터 SDU(Service Data Unit)을 전달받아 TCP 패킷의 시퀀스 번호를 갱신 하고 이를 저장하는 SDU 버퍼; 상기 SDU 버퍼로부터 TCP 패킷을 전달받아 이를 일정 크기의 MAC ARQ 블록으로 분할하여 프레그먼트 버퍼에 저장하는 ARQ 송신기; 상기 ARQ 송신기로부터 수신된 프레그먼트로부터 MAP PDU를 생성하여 업링크 전송하는 PDU 프레이머(framer); 상기 연결제어기로부터 수신된 각각의 서비스 플로우에 대한 QoS 정보 및 MAC ARQ 윈도우 크기 및 MAC ARQ 블록 크기 정보와, 상기 전력 제어 및 핸드오프 제어기로부터 수신된 CINR 값을 기초로 하여, 각 서비스 플로우별로 MAC PDU 생성을 상기 PDU 프레이머에 지시하는 업링크 스케쥴러를 포함한다.
여기서, 상기 연결 제어기는, 상위 블록으로부터 새로운 서비스 플로우 데이터 패킷을 감지할 때 마다, 서비스 플로우를 생성하는 DSA(Dynamic Service Addition)절차를 수행한다.
또한, 상기 연결 제어기는, 현재 MAC ARQ 윈도우 크기 및 ARQ 블록의 크기를 포함하는 ARQ 관련 정보의 변경 필요한 경우 기지국과 재협상하는 DSC 절차를 수행한다.
또한, 본 발명의 특징에 따른 ARQ 제어 방법은, 가입자 단말이 기지국과 통신을 통해 초기화를 수행하고, 무선링크 채널 품질을 수신하는 단계;
상위 블록으로부터 SDU를 전달받으면 SDU 버퍼에 저장하고, 해당 서비스 플로우에 대하여 기지국과 연결을 설정하는 단계; 상기 서비스 플로우에 대한 QoS 정보 및 ARQ 정보 및 주파수간 간섭비 및 전력대 잡음비(CINR)를 수신하여 업링크 스케쥴러에 전송하는 단계; 상기 SDU의 TCP 헤더를 검사하여 TCP 시퀀스 번호 정보를 저장하는 단계; 및 상기 QoS 정보, ARQ 정보 및 CINR과 TCP 혼잡 윈도우의 크기를 기초로 하여 MAC ARQ 윈도우의 크기를 제어하는 동적 서비스 변경(DSC) 절차를 수행하는 단계를 포함한다.
여기서, 본 발명의 특징에 따른 ARQ 제어 방법은, 상기 업링크 스케쥴러가 PDU 생성량을 결정하는 단계; PDU 프레이머가 상기 PDU 생성량에 대응하는 MAC PDU를 업링크 전송하기 위하여, 상기 SDU 소정 크기로 분할한 프레그먼트를 저장하는 단계; 및 상기 전송된 MAC PDU 에 대응하는 프레그먼트를 ARQ 송신기의 전송 버퍼에 일시 저장하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 TCP 혼잡 윈도우 크기는 상기 SDU 버퍼에 저장된 SDU 과 상기 전송 버퍼내의 TCP 패킷의 시퀀스 번호를 이용할 수 있다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.
도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다. (어떤 부분이 다른 부분과 연결되어 있다고 할 때, 이는 직접적으로 연결되어 있는 경우뿐 아니라 다른 소자를 사이에 두고 전기적으로 연결되어 있는 경우도 포함한다.)
이제 본 발명의 실시예에 따른 ARQ 제어 장치 및 제어 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다.
IEEE 802.16r과 같은 무선 휴대 인터넷 시스템에서, TCP(Transmission Control Protocol)는 슬라이딩 윈도우(Sliding Window)와 혼잡 제어(Congestion Control)를 통하여 패킷의 흐름이 네트워크 상황에 유연하게 적응 한다. TCP는 ARQ에 기반한 전송 프로토콜로써 순서적이며 신뢰성 있는 데이터 전송을 위하여 Cumulative ACK와 byte-based 시퀀스 번호(sequence number)를 사용한다.
TCP 혼잡 제어는 전송중인 패킷의 양을 조절하는 것이며, 이를 위하여 TCP는 점진적 증가/배수적 감소(Additive Increase/Multiplicative Decrease), 슬로우 스타트(Slow Start), 고속 재전송(Fast Retransmission)과 고속 복구(Fast Recovery)를 결합하여 사용한다. 실험에 따르면 유선망에서 패킷 손실의 99% 이상이 전송 에러가 아닌 버퍼 초과에 의해서 발생한다. 따라서 TCP는 재전송 타임 아웃을 망의 과부하로 인한 혼잡 신호로써 해석하여 전송 속도를 줄인다. 점진적 증가/배수적 감소는 망이 혼잡 상태일 때 혼잡 윈도우(CWND; Congestion Window)를 이전 값의 절반으로 줄여 지수적으로 감소시키며, 계속해서 패킷이 손실되면 CWND를 최소1까지 감소시킨다. 다시 TCP 수신자가 ACK를 보낼 때 마다 일정량을 증가 시킨다.
슬로우 스타트 모드는 TCP 연결을 시작할 때 CWND를 선형적이 아닌 매 Round-Trip Time(RTT) 마다 두 배씩 증가시켜 망에서 전송 가능한 최대 대역폭에 빠르게 접근하기 위한 방법으로 어떤 임계값(SSTHRESH: Slow Start Threshold)에 도달하면 혼잡 회피(Congestion Avoidance) 모드로 전환된다. 이 모드에서느 매 ACK가 도착할 때마다 현재 CWND의 역수만큼씩 증가하여 한 RTT내에서 한 세그먼트 씩 선형적으로 증가하게 된다.
고속 재전송(Fast Retransmission)은 송신자가 3개의 중복 ACK를 수신하면 타임 아웃을 기다리지 않고 손실된 패킷을 재전송하는 방법으로 타임아웃 발생횟수를 줄일 수 있다. 고속 복구(Fast Recovery) 기능은 고정 재전송후에 파이프 안에 패킷 수가 급격하게 줄어드는 것을 막기 위하여 3개의 중복 ACK를 수신하면 SSTHRESH를 현재 CWND의 반으로 설정하고 새로운 CWND를 1/2 * CWND + 3으로 설정하고 손실된 패킷을 재전송하고, 중복 ACK가 도착할 때 마다 CWND를 1씩 증가시킨다. CWND의 값이 충분히 커지면 새로운 패킷을 전송한다. 재전송된 패킷에 대한 ACK가 도착하면 CWND를 SSTHRESH로 설정하고 혼잡 회피(Congestion Avoidance)모드로 동작한다.
여기서 고속 재전송(Fast Retransmission)을 수행하게 하는 3개의 중복 ACK는 패킷이 손실되었다는 것만을 의미하는 것이 아니다. 즉 수신자는 새로운 패킷을 수신했을 경우에만 중복 ACK를 전송할 수 있기 때문에 두 개의 송신자 수신자 사이에 아직 패킷이 전송 중임을 나타낸다. 따라서 고속 재전송을 수행한 이후에 급격하게 슬로우 스타트를 하게 되는 것은 망의 자원을 낭비되는 것이 된다.
이러한 기법을 적용하여 무선 링크 상에서 TCP 성능을 위한 방법이 제시되었으며 종래기술에서 기술하였듯이 기지국이 모든 TCP 연결 정보를 저장하고 검색하고 매핑하는 과부하 문제를 야기하거나 기존 유선 TCP 모듈을 변경해야 하는 문제가 있다. 본 발명에서는 상기 기능이 MAC 계층에서 이뤄질 수 있게 하여 기지국의 부하를 줄이면서도, 상 기존의 TCP 모듈의 변경할 필요가 없는 ARQ 제어 장치 및 제어 방법을 제공한다.
도 1은 무선 휴대 인터넷 시스템에서의 TCP 전송 구조를 도시하고 있다.
본 발명이 적용되는 무선 휴대 인터넷 시스템은, 무선으로 연결된 종단 장치(TES; Terminal Equipment Subststem)(10)과, 가입자 단말(SS)(11), 기지국(20)을 포함한다. 그리고, 상기 기지국(20)에 유선으로 연결된 TCP 수신자(30)를 더 포함할 수 있다.
여기서, 종단 장치(10)는 MAC을 제외한 네트워크 프로토콜이 위치하는 장치이며, 가입자 단말(11)은 별개의 운영체제와 처리장치를 구비하여 기지국(11)과 MAC 운용체계에 따라 무선 통신을 수행하게 된다. 여기서 종단 장치(10)는 노트북이나 PDA 등으로 예시될 수 있으며, 가입자 단말(11)은 USB나 PCMCIA 인터페이스를 통하여 상기 종단장치(10)와 연결될 수 있다. 본 발명의 명세서는 그 기능을 구분하기 위하여 각각 "종단장치(10)"과 "가입자 단말(11)"로 칭한다.
종단 장치(10) 및 가입자 단말(11)은 그 기능을 구분하여 설명하기 위하여 분리하여 설명하였지만 하나의 제품에 통합하여 구현될 수 도 있다.
가입자 단말(11)은 전술한 IEEE 802.16 표준에 따라 기지국과 무선 통신하게 된다. 단말기는 종단장치에서 발생하는 패킷을 TDMA(Time Division Multiple Access) MAC 운용방식에 따라 기지국에 전달하고 기지국은 이를 다시 TCP 수신자(30)로 전송한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 다른 가입자 단말(11)에 포함된 ARQ 제어 장치(100)의 구성을 도시한 블록도이다.
본 발명의 실시예에 ARQ 제어 장치(100)는 연결 제어기(110), 업링크 스케쥴러(111), ARQ 송신 제어기(112), ARQ 송신기(113), PDU 프레이머(114),SDU 수신 버퍼(115), 전력 제어 및 핸드 오프 제어기(116), PDU 디프레이머(117), ARQ 수신기(118), SDU 송신 버퍼(119)를 포함한다.
ARQ 제어 장치(100)는 연결 제어기(110)에 의하여 전원 인가와 동시에 기지국과 초기화 과정을 진행하게 된다. 연결제어기(100)는 제어 메시지를 PDU 프레이머(114)로 전송하게 되고 PDU 프레이머(114)는 UL-MAP(업링크 MAP 정보)에 지시된 업링크 대역(bandwidth)에 해당하는 대역으로 MAC PDU를 생성하고, 이를 상향링크로 전송한다.
기지국은 이에 대한 MAC 관리 메시지를 응답으로 전송하게 되고 이때 PDU 디프레이머(117)는 이를 연결제어기(110)에 다시 전송하게 되어 초기화 과정이 이루어진다. 한편 PDU 디프레이머는 물리계층으로부터 무선링크 채널의 품질을 보고받아 이를 전력제어 및 핸드오프제어기(116)에 전달하며 이 정보는 업링크 스케줄러(111)에게도 전달된다.
초기화 과정이 완료되면 종단 장치(10)로부터 전송된 SDU는 수신 SDU 버퍼(115)에 저장된다. 이 때 연결제어기(110)는 TCP 데이터 패킷을 전송하기 위하여 서비스 플로우(Service Flow)를 생성한다.
무선 휴대 인터넷에서는 서비스 플로우의 생성은 DSA(Dynamic Service Addition) 절차를 통하여 이루어진다. 이때 기지국과 가입자 단말간에 해당 서비스 플로우에 대한 QoS(Quality of Service)와 ARQ 적용 여부 그리고 ARQ 메커니즘에 대한 세부 사항 등을 협상하게 된다. DSA 과정을 통하여 서비스 플로우가 생성되는 경우 이 연결은 CID(Connection Identifier)에 의해서 구분되며 이 정보와 해당 서비스 플로우에 대한 QoS 정보는 업링크 스케줄러(111)에 전달된다. 여기서 커넥션(Connection)은 MAC 동위계층(peer)들 사이의 맵핑 관계로 정의한다.
이러한 DSA 과정은 업링크와 다운링크에 대하여 각각 수행되며 이때 ARQ 대한 정보는 업링크 DSA 절차시는 ARQ 송신기(113)에 전달되고, 다운링크 DSA 절차시는 ARQ 수신기(118)에 전달된다. DSA 과정이 성공하게 되면 ARQ 송신기(113)는 SDU 수신 버퍼(115)내의 SDU를 ARQ 블록 크기에 따라 프레그먼트를 수행한다.
업링크 스케줄러(111)는 분할된 프레그먼트를 전달하기 위한 대역폭 요청(Bandwidth Request)절차를 수행하고 PDU 프레이머(114)에 해당 서비스 플로우 별로 일정 양의 MAC PDU를 생성하여 전송할 것을 지시한다. PDU 프레이머(114)는 ARQ 송신기로부터 해당 양만큼의 프레그먼트를 가져와 MAC PDU를 생성하고 이를 상향 링크로 전송한다.
그리고 전송된 프레그먼트는 ARQ 관리를 위하여 ARQ 송신기에 보관한다. 이 보관된 프레그먼트는 하향 데이터 버스트(Burst)의 ARQ-Feedback Message에 해당되는 ACK가 있을 경우 삭제한다.
하향 데이터 구간에서 전송된 MAC PDU는 PDU 디프레이머(117)를 거쳐 MAC 헤더 검증후 ARQ 프레그먼트 형태로 ARQ 수신기(118)에 전송된다. 이때 상향 링크에 대한 ARQ Feedback 메시지는 ARQ 송신기(113)로 전달된다. ARQ 수신기(112)에 전송된 ARQ 프레그먼트들은 재결합 과정을 거쳐 SDU 송신 버퍼(119)로 전송되고 다시 종단 장치(10)로 전달되어 종단 장치 사용자에게 웹 서비스를 제공하게 된다.
본 발명의 실시예에 따른 가입자 단말 장치(100)의 ARQ 제어 동작은 이하에 상세히 설명한다.
도 3a는 TCP 계층 윈도우 크기와 MAC ARQ 윈도우 크기의 관계를 도시하고 있다.
도 3a에 도시된 바와 같이, TCP 계층에서 byte-based 시퀀스 번호를 가지는 복수의 데이터는 block-based 시퀀스 번호를 가지는 ARQ 블록으로 분할되어 버퍼에 저장되게 된다. 여기서, 어두운 색으로 표시된 데이터는 전송후 ACK를 수신한 데이터에 해당한다.
여기서, MAC ARQ 블록의 크기와 윈도우 크기는 전술한 DSA 과정중 기지국과의 협상에 의해 결정된다. 따라서, MAC ARQ 윈도우는 TCP 윈도우의 크기와 무선 링크 채널 환경에 따라 상이하게 지정될 수 있다.
도 3b는 동적 서비스 변경에 따른 TCP 계층의 혼잡 윈도우와 MAC ARQ 윈도우의 시간에 따른 관계를 도시한 그래프도 이다.
앞서 기술한 바와 같이 서비스 연결이 설정되면 종단 장치의 TCP 계층은 슬로우 스타트를 시작하고 혼잡 윈도우(CWND: Congestion Window) 크기를 증가시키기 시작하며 SSTHRESH(Slow Start Threshold) 도달하면 혼잡 회피(Congestion Avoidance)모드로 전환하여 슬로우 스타트 모드로 전환된다.
만약 TCP 계층이 윈도우 크기를 꾸준히 증가시킴에도 불구하고 MAC 계층에서는 TCP 계층에 대한 정보가 없는 경우 ARQ 윈도우 크기를 변경 없이 계속 유지되게 된다. 이 경우 MAC ARQ 블록에서의 전송이 계속 늦어지게 되고 결국, TCP 수신자는 중복 ACK를 송신자로 전송하게 된다.
이 과정에서 TCP 송신자는 혼잡(congestion)이 발생한 것으로 인식하고 고속 재전송(Fast Retransmission), 고속 복구(Fast Recovery) 기능을 수행하게 되고 TCP 패킷을 중복 전송하게 된다. 따라서, 도 3b에 도시된 DSC 1 절차를 통하여 MAC ARQ 윈도우 크기를 작게 하면 더욱 TCP 계층에 의한 중복 재전송 패킷의 숫자는 늘어나게 될 것이다.
그러나, 만약 DSC 2 절차를 통하여 현재 TCP 계층의 윈도우 크기에 상관없이 MAC ARQ 윈도우 크기를 크게 한다면 TCP 계층의 전송은 원활하게 이루어지겠지만 그만큼 다른 서비스 플로우의 흐름이 영향을 받게 된다. 만약 이때 무선 링크의 채널 상태가 양호하지 못한 경우, MAC ARQ 블록에 의한 재전송이 더 증가하게 된다.
따라서, TCP 성능을 향상시키기 위해서는 TCP 계층의 혼잡 윈도우 크기 변화와 무선 채널 링크의 상태 변화에 따라 MAC ARQ 윈도우 크기가 유연하게 반응하는 것이 바람직하다. 그리고 이러한 MAR ARQ 윈도우 크기의 변화가 TDMA MAC 방식을 따르는 단말기는 업링크 스케줄러의 스케줄링 정책(Scheduling Policy)에 반영되는 것이 바람직하다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 MAC ARQ 윈도우 제어 및 스케쥴링을 위한 구조도를 도시하고 있다.
종단 장치(10)에서 발생하는 TCP 데이터 패킷은 ARQ 제어 장치(100)로 전달되고, SDU 수신 버퍼(115)에 저장된다. 전술한 DSA 절차에 생성된 서브 플로우 #n 에 의해 TCP CWND 값이 갱신된다.
한편 저장된 SDU는 업링크 전송 환경이 양호한 경우에는 단말기와 기지국간에 정의된 프레그먼트 크기로 분할되어 프레그먼트 버퍼(113a)에 저장되고, 전송환경이 불량한 경우에는 폐기된다.
저장된 프레그먼트는 기본적으로 각 서비스 플로우의 QoS를 만족할 수 있도록 업링크 스케줄러의 weighted- fair-queuing 스케줄링 정책에 따라 기지국에 대역 요청을 신청하고 할당된 대역에 MAC PDU를 생성하고 이를 전송한다. 이때 전송되는 양은 현재의 ARQ 윈도우 크기만큼 전송하게 되며, 전송된 프레그먼트는 전송 버퍼(113b)에 저장된다.
전송 버퍼(113b)에 저장된 프레그먼트는 기지국에서 ACK 메시지를 받는 경우 삭제되며 일정기간 동안 ACK를 받지 못하는 경우 재전송 버퍼에 전송되고 업링크 스케줄러(111)에 의해서 재전송된다. 이때 업링크 스케줄러(111)는 TCP 패킷의 헤더를 검색하여 TCP CWND 값을 추측한다.
또한, SDU 수신 버퍼(115)의 현재 상태와, 현재를 기점으로 하여 일정기간 보고된 주파수간 간섭비 & 전력대 잡음비(CINR: Carrier-to-Interference-and-noise ratio)평균값을 이용하여 현재 전송 버퍼(113b)의 MAC ARQ의 윈도우 크기가 적정한지를 판단하다.
만약, MAC ARQ 윈도우의 크기가 적정치 않으면, 링크 레이어 ARQ 기법에 의해 TCP 혼잡제어 기법이 재전송을 중복수행하지 않도록 , 적정한 MAC ARQ 윈도우 크기를 가질 수 있는 DSC 절차가 필요함을 연결제어기에 통보한다. 단 잦은 DSC 절 차는 오히려 성능에 해가 되므로 일정 임계값을 두어 임계값 이상의 차이가 있는 경우에만 DSC 절차를 요구한다. 상기 적절한 임계값은 실험과 같은 통계적 경험으로부터 도출될 수 있다.
그리고, 변경된 MAC ARQ 윈도우 크기에 대한 정보를 업링크 스케줄러(111)에 전달하여 스케줄링에 대한 가중치(예를 들어, QoS, MAC ARQ Window 크기, CINR)를 조정하여 실제 MAC PDU 생성시 변경된 MAC ARQ 윈도우 크기에 대한 정보가 상향 전송시에 반영될 수 있도록 한다.
한편, 핸드오프시에는 수 ms 동안 TCP 데이터 패킷이 전달되지 못하는 경우가 있으며, 이때 TCP 수신자는 TCP ACK 패킷을 전달받지 못하여 타임 아웃이 발생할 때까지 더 이상의 작업을 진행하지 못하게 된다. 이를 막기 위하여 핸드오프 시작 기점에서 SDU 수신 버퍼(115)에서 발생하는 3개의 중복 ACK를 검색하여 중복 ACK 버퍼에 저장하고 업링크 스케줄러(111)에 알린다. 핸드오프 완료시 우선하여 3개의 중복 ACK를 전달하므로써 타임 아웃 발생전에 TCP 수신자가 고속 재전송 및 고속 복구 기능을 수행 할 수 있도록 한다. 상기 중복 ACK 버퍼는, ARQ 송신기 내에서 구비된 임의의 버퍼를 할당하여 사용할 수 있다.
즉, 수신자는 새로운 패킷을 수신했을 경우에만 중복 ACK를 전송할 수 있기 때문에 두 종단장치(10)와 TCP 수신자(30) 사이에 아직 패킷이 전송 중임을 알 수 있다. 따라서 고속 재전송을 수행한 이후에 급격한 슬로우 스타트를 수행하지 않는 것이, 망의 자원의 장비를 막을 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 상향링크 전송 방법을 도시한 순서도이다.
가입자 단말 장치에 전원이 인가되면, 연결 제어기(110)는 기지국과 통신을 통해 초기화를 수행한다. 상기 초기화 과정을 통해, 연결제어기는 무선 링크 채널의 품질을 보고 받아 이를 전력 제어 및 핸드오프 제어기(116)와 업링크 스케줄러(111)에 전달한다(S100).
초기화 과정이 성공적으로 이루어지고 종단 장치로부터 데이터 패킷을 전달 받는 경우(S110), DSA 절차를 통하여 기지국과 해당 서비스 플로우에 대한 연결을 설정을 한다(S120). DSA 절차를 통해 MAC 계층에서의 CID(Connection ID)를 통해 가입자 단말 장치와 기지국과 연결이 설정된다. 여기서 커넥션(Connection)은 MAC 동위계층(peer)들 사이의 맵핑 관계로 정의하며, 생성된 서비스 플로우만큼의 CID가 존재할 수 있다.
이후 종단장치로부터 오는 패킷은 SDU 수신 버퍼에 저장되고 이때 TCP 시퀀스 번호 정보도 저장 및 갱신된다. 한편 DSA 과정을 통하여 연결 설정이 이루어지면 이때 기지국과 협상된 서비스 플로우에 대한 QoS 정보와 ARQ 관련 정보를 업링크 스케줄러에 전달하여 스케줄링 정책에 반영되도록 한다(S130).
한편 전력제어 및 핸드오프 제어기(116)는 이 시점부터 CINR 값을 측정하여 스케줄러에 보고하여 MAC ARQ 윈도우 크기의 변경시 이용할 수 있도록 한다(S140).
또한, SDU 수신 버퍼는 TCP 헤더를 검사하여 TCP 시퀀스 번호 정보를 저장한다(S150). 한편, ARQ 송신기(113)는 SDU 수신 버퍼로부터 SDU를 전달받아 일정 크기로 분할한다.
전술한 단계가 완료되면, 가입자 단말은 UL-MAP 의 정보에 기초하여 상향링 크 전송을 수행하거나, 수신된 QoS 및 ARQ 정보에 따라 동적 서비스 변경(DSC) 절차를 수행하게 된다(S200).
도 6은 본 발명의 실시예에 따른, 상향링크 데이터 송수신과, 동적 서비스 변경 방법을 도시한 흐름도이다.
전술한 바와 같이, 초기화와 DSA를 통해 가입자 단말과 기지국과 연결이 설정되면, 단계(S210)에서 업링크 스케줄러는 각 서비스 플로우의 QoS 정보, MAC ARQ 윈도우 크기 정보 등을 참조하여 PDU 프레이머에 PDU 생성량을 지시한다(S210).
업링크 스케쥴러로부터 지시를 받은 PDU 프레이머는 일정한 크기로 분할된 SDU를 ARQ 송신기로부터 전달받아 상기 PDU 생성량에 대응하는 MAC PDU로 변환하여 상향링크를 통해 전송한다(S220).
이때, ARQ 송신기는 전송된 프레그먼트를 전송버퍼에 저장하고 TCP 시퀀스 번호를 갱신하게 된다(S230). 그리고 수신된 하향 데이터 버스트(Downlink Data Burst)에 ARQ Feedback 메시지를 통해 ACK를 받는 경우에는 해당 프레그먼트를 상기 전송 버퍼에서 삭제한다(S240).
한편, 단계(S250)에서, 업링크 스케줄러는 매 프레임마다 현재 SDU 버퍼내의 패킷과 전송 버퍼내의 TCP 패킷의 시퀀스 번호를 이용하여 TCP 혼잡 윈도우(CWND) 크기를 추정한다(S250).
이 때, TCP 혼잡 윈도우가 충분히 크고, CINR 값이 양호하며, 그러나 현재 MAC ARQ 윈도우 크기가 작은지를 판단한다(S260).
여기서, TCP 혼잡 윈도우의 크기와 MAC ARQ 크기가 미리 정해진 값이 이상 차이가 나지 않는 경우에는 별도의 DSC 절차는 생략할 수 있다. 그러나, CINR 값이 양호하면서, TCP 혼잡 윈도우의 크기에 비하여 MAC ARQ 윈도우 크기가 작아 TCP 계층의 중복 전송을 야기하는 경우, 스케줄러는 중복 전송이 발생하지 않도록 MAC ARQ 윈도우 크기 변경을 위해 연결제어기에 DSC 절차를 요구한다(S270).
상기 DSC 절차가 요구되면, 연결제어기는 MAC ARQ 윈도우의 크기를 증가시켜, TCP 계층의 중복 전송을 방지할 수 있도록 업링크 스케쥴러에 변경된 ARQ 정보를 전달하여, 이후 스케줄링 정책에 반영되도록 한다.(S280). 여기서, 무선 링크 채널 환경이 양호하지 못한 경우에는 MAC ARQ 블록에 의한 재전송이 늘어나게 되므로, 스케쥴러는 TCP 윈도우 크기변화와 무선 링크 채널의 상태 변화에 따라 MAC ARQ 윈도우 크기가 유연하게 반응하도록 스케줄링 하는 것이 바람직하다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따라서 핸드오프시에 ARQ 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 7에 도시된 ARQ 제어 방법은 도 5 및 도 6에 도시된 본 발명의 실시예가 이뤄지는 환경에서 구현된다.
단계(S300)에서, 가입자 단말의 전력 제어 및 핸드오프 제어기는 핸드오프의 시작을 접수하게 된다(S300). 상기 핸드오프의 시작은 주기적을 측정한 CINR의 값으로부터 도출될 수 있다.
핸드 오프의 시작이 감지되면, 가입자 단말은 종단 장치로부터 3개의 중복 ACK 메시지가 있는지 검색하게 된다(S310).
여기서, 3개의 중복 ACK 메시지가 검색되는 경우에는 상기 ACK 메시지는 중 복 ACK 버퍼에 저장하고, 이를 업링크 스케쥴러에 통보한다(S320).
한편, 핸드오프가 종료되는 경우에, 상기 전력 제어 및 핸드오프 제어기가 핸드오프 종료를 접수하고, 이를 스케쥴러에 통보한다(S330).
상기 핸드오프 종료의 통보를 받은 스케쥴러는 상기 중복 ACK 버퍼에 저장된 ACK 메시지를 우선적으로 전송하게 된다(S340).
전술한 구성에 의하여, 핸드오프시에 ACK 메시지를 수신하지 못하여 작업을 진행하지 못하는 TCP 수신자는 핸드오프 종료시 우선적으로 중복 ACK 메시지를 수신함으로써 타임아웃을 대기하지 않고, TCP 수신자가 전술한 고속 재전송 및 고속 복구 기능을 수행할 수 있다.
따라서, 본 발명의 실시예에 따르면, 핸드오프 종료시에 급격하게 TCP 혼잡 윈도우가 작아져서 자원이 낭비되는 현상을 방지할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따르면 무선 휴대 인터넷 단말 장치에서 TCP 윈도우의 변화에 따라 MAC ARQ 윈도우의 크기를 DSC(Dynamic Service Change) 절차를 통하여 유연하게 조절할 수 있다.
또한, 무선 휴대 인터넷 단말기에서 MAC ARQ의 재전송 기능과 TCP 계층의 재 전송 기능이 중복되지 않도록 MAC ARQ 윈도우 크기를 조절하고 이를 업링크 스케줄링 정책에 반영할 수 있다.
또한, 물리계층(Physical Layer)으로부터 무선 채널 링크에 대한 정보를 획득하여 MAC ARQ 윈도우 크기 변경 및 업링크 스케줄링 정책에 반영할 수 있다.
또한, 핸드오프시 TCP 수신자의 재전송 타임 아웃(Retransmission Time Out)의 발생 횟수를 줄여 고속 재전송 및 고속 복구 기능을 수행 가능하도록 하다.
또한, 무선 휴대 인터넷 TCP 성능 개선을 위한 부분이 단말 장치 MAC 계층의 소프트웨어에서 이루어질 수 있으므로, 종래의 기술에서 기지국에서 모든 TCP 연결마다 정보를 보관하거나 관리함에 의해 요구되는 부하가 요구되지 않으며, 기존 TCP 모듈의 변경으로 인한 유선 TCP 모듈의 변경할 필요가 없다.

Claims (13)

  1. 무선 휴대 인터넷 시스템에서 동적 서비스 변경이 가능한 ARQ 제어 장치에 있어서;
    전원 인가시, 초기화 및 기지국과 연결 설정을 수행하여, 협상된 ARQ 관련 정보를 수신하는 연결 제어기;
    초기화 수행후 현재의 주파수간 간섭비 및 전력대 잡음비(CINR) 값을 주기적으로 측정하고, 핸드오프의 필요성이 있을시 이를 상기 연결제어기에 전달하는 전력제어 및 핸드오프제어기;
    인터넷 서비스를 제공하는 종단장치로부터 SDU(Service Data Unit)을 전달받아 TCP 패킷의 시퀀스 번호를 갱신하고 이를 저장하는 SDU 버퍼;
    상기 SDU 버퍼로부터 TCP 패킷을 전달받아 이를 일정 크기의 MAC ARQ 블록으로 분할하여 프레그먼트 버퍼에 저장하는 ARQ 송신기;
    상기 ARQ 송신기로부터 수신된 프레그먼트로부터 MAP PDU를 생성하여 업링크 전송하는 PDU 프레이머(framer);
    상기 연결제어기로부터 수신된 각각의 서비스 플로우에 대한 QoS 정보 및 MAC ARQ 윈도우 크기 및 MAC ARQ 블록 크기 정보와, 상기 전력 제어 및 핸드오프 제어기로부터 수신된 CINR 값을 기초로 하여, 각 서비스 플로우별로 MAC PDU 생성을 상기 PDU 프레이머에 지시하는 업링크 스케쥴러
    를 포함하는 ARQ 제어 장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 연결 제어기는, 상위 블록으로부터 새로운 서비스 플로우 데이터 패킷을 감지할 때 마다, 서비스 플로우를 생성하는 DSA(Dynamic Service Addition)절차를 수행하는 ARQ 제어 장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 연결 제어기는, 현재 MAC ARQ 윈도우 크기 및 ARQ 블록의 크기를 포함하는 ARQ 관련 정보의 변경 필요한 경우 기지국과 재협상하는 DSC 절차를 수행하는 ARQ 제어 장치.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 ARQ 송신기는 PDU 프레이머에 전송된 프레그먼트를 다시 전송 버퍼에 저장하고, ARQ 피드백 메시지에 의해 ACK 된 경우 상기 전송 버퍼에 저장된 프레그먼트를 삭제하는 ARQ 제어 장치.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 스케쥴러는 상기 SDU 버퍼내의 패킷과 전송 버퍼내의 TCP 헤더를 이용하여, TCP 연결에 대한 혼잡 윈도우를 추정하여, TCP 계층과 MAC ARQ 계층의 중복 전송이 발생할 경우, 상기 DSC 절차를 위해 이를 상기 연결제어기에 통보하는 ARQ 제어 장치.
  6. 제 4 항에 있어서,
    다운링크 버스트를 전송받아 MAC 헤더 및 CRC를 제거하고, 관리 메시지는 상기 연결 제어기에 전달하고, ARQ 프레그먼트를 추출하여 이를 ARQ 수신기에 전달하고, 이 중 ARQ Feedback 메시지는 상기 ARQ 송신기에 전달하는 PDU 디프레이머; 및
    상기 PDU 디프레이머로부터 ARQ 프레그먼트를 전달받아 SDU를 생성하고, 생성된 SDU를 상위 블록에 전달하고, 성공적으로 수신이 이루어진 ARQ 프레그먼트에 대한 ARQ Feedback메시지를 생성하여 기지국에 알리고, 일정기간 재결합되지 않는 ARQ 프레그먼트를 버리는 ARQ 수신기;
    를 더 포함하는 ARQ 제어 장치.
  7. 제 5 항에 있어서,
    상기 업링크 스케쥴러는 상기 CINR 값이 양호하고, 상기 추정된 TCP 혼잡 윈도우가 상기 MAC ARQ 윈도우의 크기보다 임계값이상 클 경우에 상기 MAC ARQ 크기를 증가시키도록 DSC 절차를 연결 제어기에 통보하는 ARQ 제어 장치.
  8. 제 4 항에 있어서
    상기 전력 제어 및 핸드오프 제어기는 핸드오프 시작 및 종료를 접수하고, 상기 핸드오프 시작시 복수의 중복 ACK 메시지를 검색 및 저장하고, 상기 핸드오프 종료시 상기 복수의 중복 ACK 메시지를 우선 전송하도록 제어하는 ARQ 제어 장치.
  9. 무선 휴대 인터넷 시스템에서의 ARQ 제어 방법에 있어서,
    가입자 단말이 기지국과 통신을 통해 초기화를 수행하고, 무선링크 채널 품질을 수신하는 단계;
    상위 블록으로부터 SDU를 전달받으면 SDU 버퍼에 저장하고, 해당 서비스 플로우에 대하여 기지국과 연결을 설정하는 단계;
    상기 서비스 플로우에 대한 QoS 정보 및 ARQ 정보 및 주파수간 간섭비 및 전력대 잡음비(CINR)를 수신하여 업링크 스케쥴러에 전송하는 단계;
    상기 SDU의 TCP 헤더를 검사하여 TCP 시퀀스 번호 정보를 저장하는 단계; 및
    상기 QoS 정보, ARQ 정보 및 CINR과 TCP 혼잡 윈도우의 크기를 기초로 하여 MAC ARQ 윈도우의 크기를 제어하는 동적 서비스 변경(DSC) 절차를 수행하는 단계
    를 포함하는 ARQ 제어 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 업링크 스케쥴러가 PDU 생성량을 결정하는 단계;
    PDU 프레이머가 상기 PDU 생성량에 대응하는 MAC PDU를 업링크 전송하기 위하여, 상기 SDU 소정 크기로 분할한 프레그먼트를 저장하는 단계;
    상기 전송된 MAC PDU 에 대응하는 프레그먼트를 ARQ 송신기의 전송 버퍼에 일시 저장하는 단계를 더 포함하는 ARQ 제어 방법.
  11. 제 10 항에 있어서,
    상기 SDU 버퍼에 저장된 SDU 과 상기 전송 버퍼내의 TCP 패킷의 시퀀스 번호를 이용하여 TCP 혼잡 윈도우의 크기를 추정하는 단계를 더 포함하는 ARQ 제어 방법.
  12. 제 10 항에 있어서,
    상기 동적 서비스 변경(DSC) 절차는, 상기 CINR 값이 양호한 경우, 상기 TCP 혼잡 윈도우의 크기가 MAC ARQ 윈도우 크기보다 임계값보다 큰 경우에, 상기 MAC ARQ 윈도우의 크기를 증가시키는 ARQ 제어 방법.
  13. 제 9 항에 있어서,
    전력 제어 및 핸드오프 제어기가 가입자 단말의 핸드오프의 시작을 감지하는 단계;
    상기 핸드오프의 시작이 감지되면, 상위블록으로부터 복수의 중복 ACK 메시지를 감지하여 버퍼에 저장하는 단계;
    상기 전력 제어 및 핸드오프 제어기가 가입자 단말의 핸드오프의 종료를 감지하는 단계; 및
    상기 핸드오프가 감지되면, 우선적으로 상기 복수의 중복 ACK 메시지를 전송하는 단계를 포함하는 ARQ 제어 방법.
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