실시간 서비스를 지원받는 단말을 위한 자원할당방법 document_id A220623036231

이하에서는 일반적인 무선접속 시스템에서 사용되는 스케줄링 서비스에 대하여 살펴본다. 또한, 대역폭을 요청하는 방식에 대하여도 살펴본다. 스케줄링 서비스는 상향링크 대역폭 요청 및 그에 따른 자원할당을 효율적으로 수행하기 위한 서비스이다. 또한, 스케줄링 서비스는 연결(Connection)을 통한 데이터 전달의 경우 매채 접근 제어(MAC: Media Access Control) 스케줄러에 의해 지원되는 데이터 처리방법을 말한다. 기지국과 단말의 연결은 하나의 스케줄링 서비스와 관련된다. 스케줄링 서비스는 서비스 동작을 수행하는 일련의 QoS(Quality of Service) 파라미터들에 의해 정의될 수 있다. 스케줄링 서비스에는 발신(outbound) 전송 스케줄링과 상향링크 요청/허가(Uplink request/grant) 스케줄링이 있다. 발신 전송 스케줄링은 데이터를 전송하기 위해 특정 프레임을 선택하거나 대역폭을 할당하는 것을 의미한다. 발신 전송 스케줄링은 기지국(예를 들어, 하향링크인 경우) 또는 단말(예를 들어, 상향링크인 경우)에서 수행될 수 있다. 상향링크 요청/허가 스케줄링은 상향링크 전송을 위한 대역폭을 해당 단말에 제공하거나, 대역폭을 요구할 기회를 해당 단말에게 제공하기 위해 기지국에서 수행한다. 스케줄링 타입 및 관련 QoS 파라미터들을 지정하면 기지국 스케줄러는 상향링크 트래픽의 처리량과 필요한 대기시간을 예측할 수 있으며, 적절한 때에 폴(poll) 또는 허가(grant)를 제공할 수 있다. 상향링크 요청/허가 스케줄링 타입으로서 UGS(Unsolicited Grant Service), rtPS(real time Polling Service), nrtPS(non-real time Polling Service) 및 BE(Best Effort Service) 서비스 타입이 있다. UGS는 일정 크기의 데이터 패킷을 주기적으로 발생시키는 실시간 상향링크 서비스 플로우를 지원하기 위해 설계된 것이다. 예를 들어, 침묵 압축(silence suppresion)이 없는 VoIP(Voice over Internet Protocol) 또는 T1/E1 등이 있다. 또한, USG는 별도의 경쟁(Contention)이나 요청(Request)없이 고정된 크기의 슬롯 할당을 주기적으로 제공할 수 있다. 즉, 대역폭을 고정적으로 할당함으로써, 일정한 자원이 단말에 보장되는 방식이다. rtPS는 화상전화 또는 MPEG(Moving Pictures Experts Group) 비디오와 같이 가변 길이의 데이터 패킷들을 주기적으로 발생시키는 실시간 상향링크 서비스 플로우 기능을 지원하도록 설계된 것이다. rtPS는 실시간 유니캐스트(unicast) 요구 기회들을 주기적으로 단말에 제공할 수 있다. 또한, 서비스 플로우(Service Flow)의 실시간 필요조건을 만족시키며, 이를 바탕으로 단말에서 원하는 자원의 크기를 지정하는 것이 허용된다. 이때, 단말은 주어진 요청 기회만 사용할 수 있고, 경쟁을 통한 요청을 할 수 없다. nrtPS는 유니캐스트 폴 기능을 주기적으로 제공하며, 통신망 폭주 상태에서도 상향링크 서비스 플로우가 요구 기회를 수신할 수 있도록 보장할 수 있다. 일반적으로 기지국은 1초 이하의 간격에서 nrtPS CID들을 폴링한다. nrtPS는 높은 대역폭을 요구하는 파일 전송(File Transfer)과 같은 가변 크기의 버스트성 비실시간적 데이터 트래픽에 사용된다. BE 허가 스케줄링의 목적은 상향링크에서 최선형(Best Effort) 트래픽을 위해 효율적인 서비스를 제공하는 것이다. BE 서비스는 단말에서 경쟁기반의 요구 기회를 이용할 수 있도록 허락하는 방식이다. 따라서 단말에서는 경쟁기반 요구 기회와 유니캐스트 요구 기회, 그리고 데이터 전송기회를 이용할 수 있다. 본 명세서에서는 상향링크 요청/허가 스케줄링 서비스 중에서 실시간 폴링 서비스(rtPS)를 예로 들어서 설명하기로 한다. 다만 다른 스케줄링 서비스들이 사용될 수 있으며 이는 시스템의 요구사항에 따라 달리 적용될 수 있다. 이하에서는 대역폭 할당 및 요청 방식(Bandwidth Allocation and request mechanism)에 대하여 간략히 살펴보도록 한다. 요청(request) 기능은 단말들이 상향링크 대역폭 할당을 필요로 한다는 것을 기지국에 알리기 위해 단말들이 사용하는 방법이다. 일반적인 광대역 무선접속 시스템에서 대역폭을 요청하는 방식에는 기본적인 요청(basic request) 방식과 랜덤 어세스 요청(Random Access Request) 방식이 있다. 기본적인 요청 방식은 기지국의 폴링(polling)에 의해서 단말이 유니캐스트로 상향링크 대역폭 할당을 요청하는 것이다. 또한, 단말은 기지국으로부터 이미 할당받은 대역폭의 남은 영역을 통해 피기백(piggy back)하여 상향링크 대역폭을 요청할 수 있다. 랜덤 어세스 요청 방식은 경쟁 기반(contention base)으로 다수의 단말이 하나의 상향링크 채널을 통해 경쟁적으로 대역폭 요청 메시지을 전송하고 상향링크 대역폭을 할당받는 방식이다. 폴링(polling)이란 하나의 통신회선을 공유하고 있는 장치들이 전송할 데이터가 있는지 여부를 확인하기 위하여 순차적 또는 주기적으로 점검하는 일종의 다중접근 제어(MAC: Multiple Access Control) 방식을 말한다. 특히 무선통신에 있어서의 폴링 방식이란 기지국이 단말에 송신요청의 유무를 순차적으로 확인하고, 요청이 있는 단말에 송신을 허락하는 엑세스 제어(접근제어)방식을 말한다. 즉, 폴링은 기지국이 단말들에게 상향링크 대역폭을 특별하게 할당하기 위한 절차이다. 대역폭 할당 방법은 메시지 형태가 아니라 UL-MAP에 포함되는 일련의 IE(Information Element) 형태로 수행될 수 있다. 일반적으로 폴링은 단말 단위로 수행될 수 있다. 대역폭은 항상 CID(Connection Identifier) 단위로 요구되며, 단말 단위로 할당된다. 도 1은 일반적으로 사용되는 유니캐스트 폴링 방법의 일례를 나타내는 도면이다. 도 1에서 사용되는 실시간 폴링 서비스(rtPS)는 MPEG 비디오와 같이 주기적으로 가변적인 크기의 데이터를 실시간으로 요청하기 위한 단말의 상향링크 스케줄링 타입이다. 도 1을 참조하면, 기지국(Serving BS #1)은 rtPS를 지원하는 단말(MS #1)로 하향링크를 통해 유니캐스트 폴링을 수행한다. 즉, 기지국은 단말이 대역폭 요청을 하기 위해 사용할 수 있는 상향링크 자원을 UL-MAP(UL-MAP_IE)을 사용하여 단말에 할당한다. 이때 UL-MAP 메시지는 주기적으로 전송될 수 있고, 그 주기는 서비스 플로우를 생성하는 과정(DSA)에서 설정된 값을 사용할 수 있다(S101). 단말은 S101 단계에서 할당받은 상향링크 자원을 통해 단말이 기지국으로 전송하려는 데이터 패킷의 크기에 해당하는 대역폭을 기지국에 요청한다. 이때, 단말은 대역폭을 요청하기 위해 BR 헤더(Bandwidth Request header)를 이용할 수 있다(S102). 단말로부터 상향링크 데이터 패킷을 전송하기 위한 대역폭 요청을 수신한 기지국은, 단말이 요청한 대역폭이 할당 가능한 경우에는 해당 상향링크 자원을 단말에 할당한다(S103). 기지국으로부터 상향링크 영역에 대한 대역폭을 할당받은 단말은, 할당받은 전송영역을 통해 상향링크 데이터를 기지국으로 전송할 수 있다(S104). 즉, 일반적으로 rtPS를 제공받는 단말은 도 1에 도시된 절차에 따라 상향링크 자원을 요청하고 할당받을 수 있다. 도 2는 실시간 폴링 서비스를 지원하는 단말이 1개이고 상향링크 자원의 할당 주기가 2인 경우에, 대역폭 요청을 위한 자원할당 방법을 프레임의 순서에 따라 나타낸 도면이다. 도 2에서 가로축은 시간의 순서에 따른 프레임 단위를 나타내고, 세로축은 주파수에 따른 서브채널의 단위를 나타낸다. 하나의 프레임은 하향링크 채널 및 상향링크 채널을 포함할 수 있다. 도 2를 참조하면, 제 N 프레임에서 기지국이 대역폭 요청을 위한 상향링크 채널(channel, 또는 버스트)를 하향링크를 통해 단말에 할당한다. 단말은 제 N 프레임에서 기지국으로부터 할당받은 상향링크 채널(버스트)를 통해 기지국으로 대역폭 요청 헤더(Bandwidth Request header, 이하 BR 헤더)를 전송할 수 있다. 기지국은 제 N+1 프레임에서 하향링크를 통해, 단말이 기지국으로 데이터를 전송하기 위한, 상향링크 대역폭을 단말에 할당한다. 단말은 제 N+1 프레임에서 기지국으로부터 할당받은 상향링크 대역폭을 통해 기지국으로 데이터(data burst #1)를 전송할 수 있다. 단말은 할당받은 상향링크 대역폭을 통해 계속해서 기지국으로 데이터(data burst #2)를 전송할 수 있다. 이때, 기지국은 주기적으로 폴링을 수행할 수 있다. 즉, 기지국은 주기적으로 하향링크를 통해 단말에 대역폭 요청을 위한 상향링크 대역폭을 할당한다. 따라서, 기지국은 제 N+2 프레임에서도 단말에 BR 헤더를 전송하기 위한 상향링크 자원을 할당한다. 이때, 단말에서 기지국으로 전송할 상향링크 데이터가 없는 경우에는 대역폭 요청을 하지 않을 수 있다. 또한, 기지국은 대역폭 요청을 위한 자원영역 할당 과정을 주기적으로 반복할 수 있다. 이와 같은 방법을 통해 실시간 폴링 서비스를 지원받는 단말은 기지국으로부터 주기적으로 상향링크 자원을 할당받을 수 있다. 도 3은 일반적으로 사용되는 유니캐스트 폴링 방법의 다른 일례를 나타내는 도면이다. 도 3은 실시간 폴링 서비스를 지원하기 위한 상향링크 할당 과정을 나타낸다. 이때, 기지국(Serving BS #1)에는 하나 이상의 rtPS를 지원받는 단말이 존재할 수 있으며, 본 명세서에서는 두 개의 rtPS를 지원받는 단말(MS #1 및 MS #2)이 존재하는 경우를 예로서 설명한다. 도 3에서 동일한 도면부호는 같은 단계를 나타내며, 소문자 a 및 b의 첨자는 각 단말에 대한 메시지를 나타내기 위한 식별부호이다. 기지국은 제 N 프레임에서 하향링크로 제 1 단말(MS #1)과 제 2 단말(MS #2) 각각에 UL-MAP_IE를 포함하는 UL-MAP 메시지를 전송한다(S301a, S301b). S301 단계에서 UL-MAP 메시지에 포함된 각각의 UL-MAP_IE는 상향링크 맵 정보로서, 각 단말에 상향링크 대역폭 요청을 위한 자원영역을 할당하기 위한 것이다. 각 단말에 전송되는 UL-MAP_IE는 32 비트(bit)이므로, 기지국은 두 개의 단말에 각각 상향링크 자원영역을 할당하기 위해 64 비트(32-bit * 단말 개수)를 사용해야 한다. 이때, rtPS를 지원받는 단말의 개수가 증가하면, 증가하는 단말의 수만큼 기지국은 각 단말마다 대역폭 요청을 위한 상향링크 자원영역을 할당해야 한다. 따라서, 기지국에서 UL-MAP 메시지의 전송에 따른 오버헤드는 단말의 개수에 비례하여 증가하는 문제점이 발생할 수 있다. 단말은 기지국으로 전송할 상향링크 데이터가 있을 경우, 제 N 프레임에서 단말에 할당된 상향링크 자원영역을 통해 BR 헤더(Bandwidth header(48-bit))를 기지국으로 전송한다(S302a 및 S302b). S302 단계에서 BR 헤더는 단말에서 기지국으로 전송할 데이터의 크기에 해당하는 대역폭을 요청하기 위한 것이다. S302 단계에서 기지국은 제 1 단말 및 제 2 단말로부터 전송된 BR 헤더를 수신함으로써 대역폭 할당을 할 것인지 여부를 판단한다. 기지국은 제 N+1 프레임에서 단말에 대역폭을 할당하기 위한 자원영역 정보를 포함하는 UL-MAP(BW allocation) 메시지를 각 단말에 전송한다(S303a 및 S303b). 각 단말들은 기지국으로부터 UL-MAP 메시지를 통해 각각의 상향링크 대역폭을 할당받았다. 따라서, 각 단말들은 제 N+1 프레임에서 할당받은 전송영역을 통해 상향링크 데이터를 기지국으로 전송할 수 있다(S304a 및 S304b). 만약, 기지국으로 전송할 상향링크 데이터가 없을 경우, 각 단말은 BR 헤더의 BR 영역을 0으로 설정하여 기지국으로 전송한다. 이로써 상향링크 할당 절차는 종료되고 상기 S303 단계 및 S304 단계는 생략될 수 있다. 이때, BR은 단말이 전송할 데이터의 크기를 의미할 수 있다. 또한, 서비스 플로우를 생성하는 과정에서 설정된 주기(또는, interval) 마다 상기 S301 단계 내지 S304 단계가 수행될 수 있다. 도 4는 실시간 폴링 서비스를 지원하는 단말이 2개이고 폴링 주기가 2인 경우에, 상향링크 자원 할당 방법을 프레임의 순서에 따라 나타낸 도면이다. 도 4는 도 3의 방법에 따른 상향링크 자원을 할당하는 방법을 프레임의 순서에 따라 나타낸 것이다. 도 4에서 기지국(Serving BS)은 제 N 프레임에서 UL-MAP_IE를 포함하는 UL-MAP 메시지를 제 1 단말(MS #1) 및 제 2 단말(MS #2)에 전송한다. 이때, UL-MAP_IE는 단말이 기지국으로 전송할 데이터가 있을 경우에, 단말이 기지국으로 상향링크 대역폭을 요청하기 위한 자원영역을 지정한다. 각 단말의 UL-MAP_IE는 32 비트의 크기를 가지며, 따라서 두 개의 단말이 있을 경우 기지국은 64 비트(32 bit * 단말 개수)를 사용하게 된다. 만약, 두 개 이상의 rtPS를 지원하는 단말이 있는 경우라면, 기지국이 UL-MAP 메시지를 전송하는 경우 기지국의 오버헤드는 단말의 개수에 비례하여 커지는 문제점이 발생할 수 있다. 제 N 프레임에서 각 단말은 UL-MAP 메시지를 통해 지시받은 상향링크 영역을 통해 기지국으로 데이터 전송을 위한 대역폭 요청을 할 수 있다. 이때, 각 단말은 BR 헤더를 이용할 수 있다. 기지국은 BR 헤더를 통해 단말에 필요한 대역폭을 인식하고, 이를 각 단말에 할당한다. 이를 위해, 기지국은 제 N+1 프레임에서 하향링크 전송영역을 통해 각 단말에 상향링크 대역폭을 할당한다. 또한, 각 단말은 제 N+1 프레임에서 할당받은 상향링크 대역폭을 통해 기지국으로 데이터를 전송할 수 있다. 기지국은 주기적으로 각 단말에게 대역폭 요청을 위한 상향링크 전송영역을 할당한다. 예를 들어, 도 4에서는 주기가 2 프레임이므로, 기지국은 제 N+2 프레임에서 다시 각 단말에게 상향링크 대역폭 요청을 위한 자원영역을 할당할 수 있다. 이때, 각 단말이 기지국으로 전송할 상향링크 데이터가 없는 경우에는 제 N+3 프레임에서의 데이터 전송과정은 생략될 수 있다. 도 1 내지 도 4를 살펴보면, 일반적으로 사용되는 방법에서는 rtPS 단말의 개수가 많아지는 통신 환경에서는 기지국에서 발생하게 되는 오버헤드는 단말의 개수에 비례하여 계속 증가하는 문제점이 발생할 수 있다.