무선 링크를 위한 우선순위 채널 할당 document_id A220623108749

지난 몇년간, 유선 및 무선 데이터 네트워크는 모두 흔한 위치(common place)로 되고 비교적 저가이다. 이들 네트워크는 많은 형태를 취하고 많은 다른 프로토콜을 이용하며 각종 데이터를 반송한다. 예컨대, 이 데이터는 음성, 음악, 비디오, 웹 페이지, 문서, 파일, 은행/금융거래(bank/financial transaction) 등을 나타낼 수 있다. 각종 데이터를 반송하는 패킷 네트워크(packet network: 패킷망)에서는, 일부 패킷의 전달은 다른 패킷의 전달보다 더 긴급하다. 긴급한 패킷은 고우선순위(또는 우선순위보다 더 확대되는 용어인 높은 "서비스 품질(quality of service)")를 갖는다. 전통적인 유선 네트워크의 경우, 다중 우선순위(multi-priority) 트래픽 흐름을 관리하기 위한 잘 알려진 메커니즘이 있다. 이들 메커니즘은 OSI 스택(stack)의 네트워크 계층의 인트서브(IntServ: Integrated Service) 또는 DiffServ(Differentiated Service) 및 링크 계층(link layer)의 멀티 프로토콜 라벨 스위칭(Multiprotocol Label Switching: MPLS, 라벨을 기초로 패킷을 처리하는 고속 레이블 스위칭 기술)을 포함한다. 이들 메커니즘에 있어서, 네트워크 상으로 보내지는 각 패킷은 그 우선순위 또는 서비스 형태(type of service)를 정의하는 데이터 필드를 가진다. 예컨대, "서비스 형태"는 인터넷 프로토콜 패킷 내의 데이터 필드의 이름이다. 네트워크 라우터 또는 스위치에 도달하는 패킷은, 그들의 우선순위에 따라 버퍼[또는 큐(queue: 대기행렬)] 내에 배치된다. 라우터의 인출선(outgoing wire)이 사용되고 있지 않을 때는, 라우터는 그 버퍼를 시험하고 비어 있지 않은 가장 높은 우선순위의 버퍼로부터 패킷을 전송한다. 단순한 경우, 예컨대 레벨 1이 가장 긴박하고 라우터가 현재 레벨 2 및 3에 대한 버퍼 내의 패킷을 갖는 4가지 레벨의 우선순위가 있으면, 레벨 2 버퍼로부터의 패킷을 선택하여 네트워크 내의 다음 노드로 전송하게 될 것이다. 우선순위 레벨 1 및 2에 대한 버퍼가 비어 있는 경우에만, 라우터는 레벨 3 버퍼로부터 패킷을 전송하게 될 것이다. 그렇지만, 대부분의 서비스 품질 메커니즘은, 저우선순위의 데이터 스트림이 완전히 차단되고 있지 않음을 보증하기 위해 순정기준(fairness metric) 및 트래픽 미터링 시스템(traffic metering system)을 포함하고 있다. 이들 종래기술의 메커니즘은, 각 유선 링크가 일정한 용량을 갖고 그 용량이 다른 링크와 무관한 유선 네트워크에 적절하다. 그렇지만, 일부 링크의 용량이 작고 총 용량이 수개의 링크에서 공유될 때 문제가 발생한다. 이것은, 제한된 양의 스펙트럼이 수개의 무선 링크 사이에서 공유되는 무선 네트워크에서 흔히 있는 일이다. 전형적으로, 링크의 용량은 bps(bits per second: 비트/초)로 측정된다. 링크 용량은 이따금씩 링크의 대역폭이라 불리지만, 헤르츠(Hertz: Hz)로 측정되는 채널의 스펙트럼 폭(spectral width)을 위해 "대역폭"이라는 용어가 더 적절히 사용된다. 각 링크가 다른 링크와 무관한 일정한 용량을 갖는다는 가정 하에 현존하는 네트워크 프로토콜이 확립되기 때문에, 많은 무선 네트워크가 무선 링크에 대한 가정을 강요한다. 따라서, 이들 네트워크는 이동하는 우선순위 데이터에서 불충분하다. 2개의 무선 노드 B 및 C가 노드 A와 통신하고 있는 경우를 생각해 보자. 노드 A는 유선 네트워크에 접속된다. 노드 A의 일례로서 무선 액세스 포인트(Access Point: AP)가 있다. 노드 B 및 C는 각각 100패킷의 데이터를 보낼 필요가 있다. 노드 B의 경우, 그 패킷의 90퍼센트가 우선순위 1이고 10퍼센트가 우선순위 3이다. 노드 C의 경우는, 그 패킷의 90퍼센트가 우선순위 2이고 10퍼센트가 우선순위 4이다. IEEE 802.11a와 같은 무선 프로토콜을 이용함으로써, 노드 B 및 C는 CSMA C/D(carrier sense multiple acess with collision detection) 방식을 이용하는 기법을 통해 무선 매체에 대해 동일한 액세스를 갖는다. 노드 B 및 C는 패킷을 동등하게 보내려고 할 것이다. 평균적으로, 이들 노드는 거의 동일한 비율로 패킷을 송신할 것이다. 따라서, 노드 B 및 C로부터의 링크는 노드 B가 더 높은 우선순위 데이터를 보내고 있더라도 거의 동일한 용량을 가진다. 그 결과, 노드 C의 우선순위 2 데이터는 노드 B의 우선순위 1 데이터와 동일한 비율로 네트워크를 통해 전송될 것이다. 이러한 문제는, 다른 노드에서 2가지 데이터 흐름이 발생하기 때문에 일어난다. 노드 B의 라우터는 우선순위 3보다 앞서 우선순위 1 데이터를 전송할 수 있지만, 노드 C가 공유 스펙트럼의 용량의 절반을 이용해서 우선순위 2 데이터를 전송하는 것을 방지할 수 없다. 이러한 문제를 처리하기 위한 시도로서, 일부 무선 네트워크 프로토콜은 네트워크 오퍼레이터(또는 관리자)가 각 패킷의 "서비스 형태" 필드에서의 우선순위값에 무관하게 각 노드에 다른 우선순위를 할당하도록 한다. 즉, 노드 우선순위는 각 링크에 용량을 동적으로 할당하기 위해 사용된다. IEEE 802.16 허브-지선망(hub-and-spoke: 중심-지선망) TDMA 표준은 이들 프로토콜의 표준의 일례이다. 우리의 예를 노드 A, B 및 C로 계속하면, IEEE 802.16 프로토콜을 이용하는 네트워크 오퍼레이터는 노드 C보다 노드 B에 더 높은 우선순위를 할당할 수 있다. 노드 B 및 C는 각각 그들의 버퍼가 송신해야 할 패킷을 많이 가지고 있다는 것을 노드 A에 신호로 알린다(802.16은 버퍼 충만(buffer fullness)을 신호로 알리기 위한 프로토콜을 포함하고 있음). 허브(hub)로서의 노드 A는, 노드 B가 더 높은 우선순위를 갖기 때문에 TDMA 슬롯의 대부분에 노드 B를 할당한다. 이것은, 노드 B가 그 90퍼센트인 우선순위 1 데이터의 패킷을 송신하고 있는 동안 정상적으로 동작한다. 그렇지만, 노드 B가 우선순위 1 패킷이 떨어져서 우선순위 3 패킷을 송신하기 시작할 때는 (우선순위에 기초해서 데이터를 송신하는 관점으로부터) 불충분하다. 그 결과, 노드 할당 우선순위 메커니즘은 고우선순위 노드가 저우선순위 데이터만을 송신하고 있는 경우를 인식하지 못한다. 그들 패킷의 우선순위와 무관하게 송신해야 할 패킷이 얼마든지 있는 한 노드 B에 더 많은 용량을 부여한다. 이것은, 이용가능한 스펙트럼의 불충분한 이용의 원인이 된다. 세번째 어프로치(approach)는 일부의 무선 군사 네트워크(wireless military network)에서 취해진다. 예컨대, Link16 네트워크는 예를 들어 각 노드에 TDMA 슬롯을 할당함으로써 미리 용량을 할당한다. 이것은, 각 노드가 다소의 용량을 가진다는 것을 보증한다. 그렇지만, 현재 전투작전에 참여하고 있지 않은 노드로부터 나오는 데이터인지 적의 포탄을 받아 도움을 요청하는 노드로부터 나오는 데이터인지와 무관하게, 각 노드가 그 최대한의 할당을 가지기 때문에, 스펙트럼의 유효한 이용이 불가능하다. 후자의 노드는 분명히 우선순위를 가져야 하지만, 고정 할당(fixed-assignment) 네트워크는 동적인 필요를 지원하기 위해 용량을 동적으로 재할당할 수 없다. IntServ/RSVP 프로토콜 한 조는 조금 더 동적이다. 조작 전에 네트워크 용량 모두를 할당하는 대신에, RSVP는 노드가 새로운 스트림을 시작하기를 원할 때마다 패킷의 스트림에 대한 용량을 확보하도록 한다. 이것은, 시작된 후에는 패킷의 인가된 스트림이 차단되지 않는다는 것을 보증한다. 그렇지만, 네트워크 용량 전부가 확보되면, RSVP는 새로운 스트림이 그 우선순위와 무관하게 임의의 용량을 가지도록 할 수 없다. 인간 중심(human-in-the-loop: HITL)의 공유용량 음성 네트워크만 우선순위에 기초해서 용량을 동적으로 할당할 수 있다. 이것들은 조종사 및 항공교통관제(Air Traffic Control: ATC), 경찰, 및 많은 군사력(military force)에 의해 사용되는 전통적인 푸쉬-투-토크(Push-to-Talk: PTT) 음성 무선장치(vioce radio)이다. 사용자가 음성 메시지를 다른 사용자에게 송신하기를 원하는 경우는, 아무도 통화하지 않을 때까지 기다리고, 통화하기 위해 버튼을 누르며, 통화를 시작하고, 두 사용자가 동시에 통화를 시작하면 정지하고 다시 시작한다. (이러한 관점에서, 음성 채널은 CSMA/CD와 같이 작용한다.) 그렇지만, 802.11a와 달리, 어떤 사람이 가장 큰 네트워크 용량을 가지는지를 결정하기 위한 우선순위 기법(priority scheme)이 있다. 조종사가 비상 사태를 알리면, 다른 조종사는 가능한 한 많은 채널을 쓰면 안된다. "쏜 총알, 경찰관 피격(shots fired, officer down)"을 의미하는 것과 같은 어떤 경찰 부호(police code)는 다른 경찰관이 그 채널을 클리어하는 것을 필요로 한다. 미공군(US Army)에 있어서, 핵폴발(nuclear blast) 보고서는 다른 메시지 전체에 걸쳐 우선순위를 가진다. 이들 사람 사이의 협정(human-to-human agreement)은 제한된 용량을 갖는 공유채널을 통해 가장 긴급한 음성 메시지의 유효하고 급속한 전송을 허용한다. 많은 제품이 무선 통신 네트워크를 사용한다. 이들 대다수 제품들은 (사용자 관점으로부터) 우선순위가 동적으로 변화하는 데이터를 송신한다. 예컨대, 항공기는 그 온보드(on-board) 시스템의 건강 상태에 관한 데이터를 주기적으로 송신할 수 있다. 시스템이 건강한 동안에는, 전송 데이터율(data rate)이 낮고 전송의 우선순위가 낮다. 따라서, 무선 스펙트럼의 다른 사용자가 네트워크의 용량의 일부를 사용할 수 있어야 한다. 그렇지만, 항공기 상의 시스템이 실패하기 시작할 때, 항공기는 더 높은 우선순위를 갖는 더 많은 데이터를 송신하도록 프로그래밍될 수 있고, 따라서 지상의 오퍼레이터가 비행을 계속하는 것이 안전한지 여부를 평가할 수 있다. 이것은, 무인 항공기에 대해서 뿐만 아니라 유인 항공기의 비행 시험에 대해서도 공통 상황이다. 이와 같은 사건(event) 중에는, 필요하면 비상사태의 요구를 만족시키기 위해 실패를 경험하고 있는 항공기에 더 큰 네트워크 용량을 할당해야 한다. 그 결과, 무선 스펙트럼의 다른 사용자는 문제가 해결될 때까지 작은 용량을 가질 것이다. 그렇지만, 현재의 메커니즘은 용량이 자동화되어 재할당되는 것을 불가능하게 한다. 따라서, 더 높은 우선순위 데이터를 우선적으로 전송하기 위해 다른 우선순위와 동적 데이터율을 갖는 데이터를 반송하는 자동화된 무선 네트워크에 대한 필요성이 있다.