[논문]DVB-S2 ACM 시스템을 위한 효율적인 채널 예측 및 패킷 스케줄링 기법

강동배; 박만규; 장대익; 오덕길

DVB-S2 ACM 시스템을 위한 효율적인 채널 예측 및 패킷 스케줄링 기법
Efficient Channel Estimation and Packet Scheduling Scheme for DVB-S2 ACM Systems 원문보기

통신위성우주산업연구회논문지 = The Journal of Korea Society of Communication and Sapce Technology, v.7 no.1, 2012년, pp.65 - 74

강동배 (과학기술연합대학원대학교 이동통신및디지털방송공학전공) , 박만규 (한국전자통신연구원 위성방통융합연구팀) , 장대익 (한국전자통신연구원 위성방통융합연구팀) , 오덕길 (한국전자통신연구원 위성방통융합연구팀)

초록
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다양한 유형의 사용자 패킷들이 다중화 되어 사용자 단말(RCST, Return Channel via Satellite Terminal)들에게 전달되는 위성 포워드링크에서 패킷들 간의 중요도에 따른 QoS 보장은 매우 중요하다. 특히 강우와 같은 기상상태에 따라 무선 채널 상태가 변화하는 위성망의 경우에는 가용 대역폭을 고려하면서 QoS가 보장 되도록 패킷을 처리해야 한다. DVB-S2에서는 강우감쇠에 대한 대책으로서 적응형 부호 및 변조(Adaptive Coding and Modulation, ACM) 기법을 사용하여 전송효율을 증가시킨다. 하지만 위성링크의 전송 지연시간이 크기 때문에, RCST들이 피드백 하는 리턴채널 데이터를 기반으로 전송모드를 결정하는 ACM 기법을 효율적으로 적용하기 위해서는 채널 예측 알고리즘이 필요하다. 이에 본 논문에서는 RCST가 피드백 하는 강우감쇠 값 데이터와 미리 저장된 참조데이터를 이용하여 위성 링크의 채널을 예측하는 알고리즘 및 QoS와 공평성을 동시에 보장하는 스케줄링 기법을 제안한다. 성능평가 결과 제안하는 알고리즘이 채널을 정확히 예측함은 물론 QoS를 보장하면서 동시에 각 RCST들 간의 사용 대역폭의 공평성을 지원함을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The QoS guarantee for the forward link in satellite communication networks is very important because there are a variety of packets with multiplexing. Especially, the packets are processed depending on the available bandwidth in satellite network changing the wireless channel state in accordance with weather condition. The DVB-S2 increases the transmission efficiency by applying the adaptive coding and modulation (ACM) techniques as a countermeasure of rain attenuations. However, the channel estimation algorithm is required to support the ACM techniques that select the MODCOD values depending on the feedback data transmitted by RCSTs(Return Channel via Satellite Terminal) because satellite communication networks have a long propagation delay. In this paper, we proposed the channel estimation algorithm using rain attenuation values and reference data and the packet scheduling scheme to support the QoS and fairness. As a result of performance evaluation, we showed that proposed algorithm exactly predicts the channel conditions and supports bandwidth fairness to the individual RCST and guarantees QoS for user traffics.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

ACM 기법은 채널 상태가 좋은 지역으로는 높은 MODCOD를 사용하여 전송하고 채널 상태가 나쁜 경우 낮은 MODCOD로 전송하기 때문에 채널상태에 따라 지상 단말간의 데이터 전송율의 차이가 발생하게 된다. 따라서 본 논문에서는 ACM 기법을 사용하면서 지상의 단말에게 동일한 전송율을 제공할 뿐만 아니라 지상의 단말들에게 QoS를 보장할 수 있는 스케줄러를 제안하였다. 그림 6에 ACM 기법을 사용하면서 단말들의 공평성(fairness) 및 QoS를 보장하기 위한 표준 모델을 나타내었다.
ACM을 적용한 시스템에서는 지상의 단말들이 기상상태에 따라 수신하는 패킷의 양이 다르기 때문에 공평성을 보장할 수 없다. 따라서 본 논문에서는 MODCOD 스케줄러에 ACM을 사용하여도 지상의 단말이 모두 동일한 양의 처리율을 가지는 스케줄링 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘의 성능평가를 위해 각각의 MODCOD 큐에 대한 패킷 처리율 및 MODCOD 큐에 할당된 타임슬롯의 개수를 비교하였다.
또한 채널 정보가 들어있는 피드백 데이터는 전송계층 프로토콜로 UDP와 같은 신뢰성 없는(unreliable) 전송 프로토콜을 사용하게 될 경우 패킷 손실이 발생하게 되면 더 오랜 과거의 값이 샘플 값으로 사용될 수 있다. 따라서 본 논문에서는 과거의 데이터를 기반으로 현재의 채널상태를 예측할 수 있는 기법을 제안하였다.
하지만 위성링크의 전달지연시간(propagation delay)이 길기 때문에 수신된 기상정보 데이터는 과거의 값이 된다. 따라서 본 논문에서는 수신된 강우감쇠정보 데이터와 미리 저장된 기상정보 참조데이터를 이용하여 채널을 예측하는 알고리즘을 제안한다.
이를 해결하기 위해서 중심국에서는 정확한 MODCOD 결정을 위해 채널의 상태를 예측하는 기법이 추가되어야 한다. 따라서 본 논문에서는 수신된 샘플 SNR 데이터와 미리 저장된 참조값(Reference data)을 이용하여 채널 상태를 예측하고 예측된 결과를 바탕으로 MODCOD를 결정하는 방법을 제안한다.
본 절에서는 채널 적응형 부호 및 변조기법의 개념 및 모듈의 구성 및 기능에 대해 서술하였다. 또한 위성통신에서 ACM 기법을 사용하면서 발생할 수 있는 문제점에 대해 서술한다.
본 절에서는 채널 적응형 부호 및 변조기법의 개념 및 모듈의 구성 및 기능에 대해 서술하였다. 또한 위성통신에서 ACM 기법을 사용하면서 발생할 수 있는 문제점에 대해 서술한다.

제안 방법

QoS 스케줄러에 라운드로빈 스케줄링 알고리즘을 적용한 경우 패킷 처리율을 그림 13에 나타내었다. 그림 (a)에서 보는 바와 같이 입력 트래픽을 변화 시켜가면서 ACM을 사용한 시스템의 전체 처리율을 비교하였다. 입력 트래픽이 낮은 경우 들어오는 패킷을 모두 처리하였으며 일정 트래픽이 넘어가면 시스템이 처리할 수 있는 최대 처리율에 도달하는 것을 알 수 있다.
QoS 및 공평성을 제공하기 위하여 적용한 계층적인 스케줄러에 대한 QoS 그룹 별 평균 패킷 지연시간을 분석하였다. QoS제공을 확인하기 위하여 그림 12와 같이 QoS 스케줄러에 (a) 라운드로빈 스케줄링 알고리즘을 적용한 경우와 (b) 우선순위 스케줄링 알고리즘을 적용한 경우의 평균 패킷 지연시간을 분석하였다.
데이터, 음성, 멀티미디어 등 다양한 패킷이 존재하는 위성 네트워크에서 패킷 종류에 따른 QoS 보장을 위해 BSM(Broadband Satellite Multimedia) 그룹에서는 위성네트워크를 위한 QoS 시스템 구조(ETSI-BSM-QoS)를 표준화 하였다[15]. 또한 QoS 보장을 위해 차별화서비스(Differentiated Service, DiffServ) 기반의 QoS 모델을 정의하였다.
라운드로빈 스케줄링을 적용한 경우 QoS를 보장해줄 수 없기 때문에 QoS 스케줄러에 우선순위별로 패킷을 처리하는 우선순위 스케줄링 알고리즘을 적용하였다. 그림 14에 우선순위 스케줄링 알고리즘을 적용한 경우 패킷 처리율에 대해 나타내고 있다.
본 논문에서는 ACM 기법을 사용하는 시스템에서 과거의 샘플데이터와 미리 저장된 참조데이터를 이용한 채널 예측 알고리즘을 제안하고 그에 따른 예측의 정확도를 평가하였으며 기존의 CCM과 제안된 예측기법을 적용한 ACM 기법의 패킷 처리율을 비교하였다. 또한 QoS 및 공평성(fairness) 제공을 위한 스케줄러의 구조 및 기법을 제안하였고 제안된 스케줄링 기법이 지상의 단말들에게 QoS 뿐만 아니라 공평성도 함께 제공됨을 컴퓨터시뮬레이션을 통해 증명하였다.
9를 가진다. 시뮬레이션에 대한 성능을 증명하기 위하여 기상상태가 좋을 때부터 강우가 심한 경우까지 4가지 경우에 대한 시뮬레이션을 수행하였으며 그에 대한 결과는 그림 10과 같다.
차별화서비스는 사용자에게 패킷들을 클래스 단위로 나누어 패킷간의 우선순위를 정의한다. 이러한 서비스를 제공하기 위해서 IP 패킷 헤더에 DS 영역을 사용하여 패킷에 표시하는 방법을 사용한다. 현재 표준안으로 제안된 DS 바이트는 6개의 비트가 패킷 전달 방식에 관련된 PHB를 결정하는 DSCP로 할당되어 있다.
또한 강우가 많은 지역은 낮은 MODCOD로 전송하고 맑은 지역은 높은 MODCOD로 전송하기 때문에 서로 다른 기상상태를 가지는 RCST들은 불공평한(unfair) 서비스를 받게 된다. 이에 본 논문에서는 ACM을 사용하면서 동시에 QoS 및 공평성(fairness)을 제공하는 스케줄링 알고리즘을 제안하고 그에 대한 성능평가를 실시한다.
중심국에서는 긴 전송지연 시간으로 인하여 부정확한 MODCOD 선택을 예방하기 위해 지상의 단말로부터 피드백 받은 SNR과 중심국에 저장된 참조 값을 이용하여 현재의 채널 상태를 예측하였다. 채널을 예측하기 위해 사용된 식 (1)과 식 (2)의 오프셋(offset) 값 α 및 #는 각각 0.
지상의 단말들에게 공평성(fairness)을 제공하기 위해서 그림 7과 같은 계층적인 스케줄링 기법을 제안하였다. 패킷이 입력 인터페이스를 통해 들어오게 되면 패킷 분류기에서 입력된 패킷을 QoS 그룹에 따라 분류하여 버퍼에 저장한다.
시뮬레이션에 사용된 환경설정은 표 1에 나타내었다. 채널 예측을 위한 시뮬레이션은 정확도를 높이기 위해 시뮬레이션 시간을 증가하여 수행하였으며, 사용된 샘플 값 및 참조 값은 천리안 위성에서 실측한 데이터를 기반으로 시뮬레이션 하였다.
MODCOD 스케줄러에 공평성을 제공하는 스케줄링 알고리즘을 적용하였기 때문에 각각의 MODCOD 큐에 대한 처리율을 같은 것을 알 수 있다. 타임슬롯의 할당결과와 마찬가지로 공평성을 제공하기 위하여 낮은 전송율을 가지는 낮은 MODCOD에게 많은 타임슬롯의 개수를 보장하여 높은 MODCOD와의 공평성을 제공하였다.
DiffServ는 흐름단위가 아닌 흐름들의 집합(Aggregation) 단위로 QoS를 보장해주는 모델이다. 패킷의 종류와 우선순위에 따라 EF(Expedite Forwarding), AF(Assured Forwarding), BE (Best Effort) 그룹으로 구분하여 라우터에서는 QoS 그룹에 따라 패킷을 전달하도록 하여 구현이 간단하면서도 확장성의 문제도 해결하였다. 즉, End-to-End 플로우를 사용하지 않고 PHB(Per Hop Behavior)[8]를 사용하여 대규모의 인터넷망에서도 적용할 수 있는 확장성을 가지고 있다.

대상 데이터

본 논문에서 사용된 샘플 값과 참조 값은 지난 1년 동안 천리안위성[14]에서 측정된 실제 SNR 값을 이용하였다.
이러한 서비스를 제공하기 위해서 IP 패킷 헤더에 DS 영역을 사용하여 패킷에 표시하는 방법을 사용한다. 현재 표준안으로 제안된 DS 바이트는 6개의 비트가 패킷 전달 방식에 관련된 PHB를 결정하는 DSCP로 할당되어 있다. 즉 DSCP에 사용된 6비트를 가지고 패킷의 클래스를 구분하고 우선순위를 부여하게 된다.

데이터처리

QoS 및 공평성을 제공하기 위하여 적용한 계층적인 스케줄러에 대한 QoS 그룹 별 평균 패킷 지연시간을 분석하였다. QoS제공을 확인하기 위하여 그림 12와 같이 QoS 스케줄러에 (a) 라운드로빈 스케줄링 알고리즘을 적용한 경우와 (b) 우선순위 스케줄링 알고리즘을 적용한 경우의 평균 패킷 지연시간을 분석하였다.
따라서 본 논문에서는 MODCOD 스케줄러에 ACM을 사용하여도 지상의 단말이 모두 동일한 양의 처리율을 가지는 스케줄링 알고리즘을 제안하였다. 제안한 알고리즘의 성능평가를 위해 각각의 MODCOD 큐에 대한 패킷 처리율 및 MODCOD 큐에 할당된 타임슬롯의 개수를 비교하였다.
S_i는 단말에서 측정되어 전송된 샘플 SNR 값을 나타낸다. 즉 이전 시간에 추정된 SNR 값과 단말에서 측정된 SNR 값을 이용하여 평균을 계산한다. 식 (1)에서 계산된 평균값을 바탕으로 식 (2)에서 과거 값을 기반으로 계산된 평균값과 미래를 예측할 수 있는 값인 참조 값의 가중치를 γ로 하여 현재시간의 SNR을 예측하고 예측된 SNR을 기반으로 MODCOD를 결정한다.

이론/모형

ACM은 단일 송수신기에 의해 연결되는 점대점(point-to-point) 링크에서 사용되는 방식으로 시간적으로 변화하는 위성 채널의 기상 환경에서 높은 대역 효율을 제공하기 위한 기술이다. DVB-S2 ACM 모뎀은 고정된 심볼 전송율(symbol rate)을 가지며 TDM(Time Division Multiplexing) 방식을 이용하여 서로 다른 데이터를 다중화(Multiplexing)하여 전송한다. 즉, ACM을 적용한 시스템은 프레임별(frame by frame)로 부호율 및 변조방식이 변화하게 된다[10].
QoS 스케줄러에 의해 스케줄링 된 패킷들이 지상의 단말의 피드백 정보를 바탕으로 채널 상태를 예측하고 MODCOD를 선택하여 해당 MODCOD 큐로 이동하게 된다. MODCOD 스케줄러에서는 지상의 단말간의 공평성(fairness)제공을 위해 가중치기반의 라운드로빈 스케줄링 알고리즘(weighted round robin scheduling algorithm)을 적용하였다. 공평성을 제공하기 위한 각각의 MODCOD 큐에 대한 가중치는 식 (4)와 같이 계산된다.
즉, 우선순위 스케줄링 알고리즘을 적용하면 위성네트워크에서 QoS 제공이 가능하다. 따라서 본 논문에서는 QoS 스케줄러에 우선순위 스케줄링 알고리즘을 적용하였다.
데이터, 음성, 멀티미디어 등 다양한 패킷이 존재하는 위성 네트워크에서 패킷 종류에 따른 QoS 보장을 위해 BSM(Broadband Satellite Multimedia) 그룹에서는 위성네트워크를 위한 QoS 시스템 구조(ETSI-BSM-QoS)를 표준화 하였다[15]. 또한 QoS 보장을 위해 차별화서비스(Differentiated Service, DiffServ) 기반의 QoS 모델을 정의하였다.
본 논문에서는 성능평가를 위해 큐잉 시뮬레이터인 sim++[16]을 이용하였으며 실제 위성네트워크 환경을 유지하도록 하였다. 시뮬레이션에 사용된 환경설정은 표 1에 나타내었다.
ACM을 사용하는 시스템에 지상의 단말들에게 공평성을 제공하면 전체 처리율이 떨어진다. 이에 대한 효율 감소를 최소화하기 위해 우선순위 스케줄링 기법을 적용하였다. 그림 12와 13의 (b)를 비교해 보면 라운드로빈 스케줄링 알고리즘의 경우보다 우선순위 스케줄링 알고리즘을 적용했을 때 높은 우선순위인 EF, AF 그룹의 패킷이 많이 차지하고 있는 것을 알 수 있다.

성능/효과

그에 반해 링크상태가 나쁜 지역은 낮은 MODCOD가 설정되어 전송속도나 낮으므로 상대적으로 많은 기간의 타임슬롯을 할당하여 채널 상태가 서로 다르고 다른 전송율을 갖지만 전체 처리율은 동일한 상태를 유지하게 된다. 따라서 본 논문에서 제안된 가중치 기반의 라운드로빈 알고리즘을 적용하면 ACM을 제공하는 시스템에서 공평성(fairness)를 제공할 수 있다.
본 논문에서는 ACM 기법을 사용하는 시스템에서 과거의 샘플데이터와 미리 저장된 참조데이터를 이용한 채널 예측 알고리즘을 제안하고 그에 따른 예측의 정확도를 평가하였으며 기존의 CCM과 제안된 예측기법을 적용한 ACM 기법의 패킷 처리율을 비교하였다. 또한 QoS 및 공평성(fairness) 제공을 위한 스케줄러의 구조 및 기법을 제안하였고 제안된 스케줄링 기법이 지상의 단말들에게 QoS 뿐만 아니라 공평성도 함께 제공됨을 컴퓨터시뮬레이션을 통해 증명하였다.
시뮬레이션의 결과 4가지 상황 모두 과거의 SNR을 기반으로 변화하는 SNR에 대하여 정확히 예측함을 알 수 있었다. 제안된 예측 방법의 경우 가중이동평균필터(Weighted Moving Average Filter)를 사용하여 주기적으로 피드백 되는 SNR의 변동(fluctuation)을 감소시킬 수 있었다.
또한 그림 (b)를 보면 서로 다른 MODCOD 레벨이 같은 처리율을 갖는 것을 알 수 있다. 우선순위 스케줄링 알고리즘도 라운드로빈 스케줄링 알고리즘을 적용했을 때와 마찬가지로 낮은 MODCOD 레벨에 많은 양의 타임슬롯이 할당되고 높은 MODCOD 레벨에 적은양의 MODCOD가 할당된 것을 알 수 있다.
위의 결과와 같이 라운드로빈 스케줄링 알고리즘을 적용할 경우 MODCOD 노드간의 공평성은 제공하지만 QoS는 제공할 수 없음을 알 수 있다.
시뮬레이션의 결과 4가지 상황 모두 과거의 SNR을 기반으로 변화하는 SNR에 대하여 정확히 예측함을 알 수 있었다. 제안된 예측 방법의 경우 가중이동평균필터(Weighted Moving Average Filter)를 사용하여 주기적으로 피드백 되는 SNR의 변동(fluctuation)을 감소시킬 수 있었다.
그림 12와 13의 (b)를 비교해 보면 라운드로빈 스케줄링 알고리즘의 경우보다 우선순위 스케줄링 알고리즘을 적용했을 때 높은 우선순위인 EF, AF 그룹의 패킷이 많이 차지하고 있는 것을 알 수 있다. 즉 손해 보는 처리율을 최대한 우선순위가 낮은 BE 패킷으로 채우기 위해 우선순위 스케줄링 알고리즘사용이 적합함을 알 수 있다.
하지만 본 논문에서는 QoS 스케줄러에 우선순위 스케줄링 기법을 적용함으로써 감소되는 처리율을 BE 그룹의 패킷이 차지하게 된다. 즉, QoS 스케줄러에 우선순위 스케줄링 알고리즘을 적용함으로써 QoS를 보장함과 동시에 감소되는 시스템 효율을 최소화하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	ACM 기술의 전송 특징은?	DVB-S2에서 강우감쇠에도 링크효율을 증가시킬 수 있는 ACM 기술은 QPSK 1/4부터 32APSK 9/10까지 27개의 서로 다른 MODCOD를 제공하며 지상의 RCST들에게 피드백(feedback) 받은 기상상태 정보에 따라 최적의 MODCOD를 선택하여 프레임 단위로 전송한다. 하지만 위성링크의 전달지연시간(propagation delay)이 길기 때문에 수신된 기상정보 데이터는 과거의 값이 된다.
	DVB-S2이란?	DVB-S2[1,2,3] 표준은 기존의 위성 디지털 TV 표준인 DVB-S[4]를 보완하기 위해 유럽 전기통신 표준화기구(ETSI)가 채택한 광대역 위성 서비스의 2세대 표준이다. DVB-S2 표준에서는 높은 전송 효율을 가질 수 있도록 16APSK, 32APSK 등의 고차 변조방식과 함께 LDPC 부호와 BCH 부호를 연접한 채널 오류정정(FEC) 부호를 사용함으로써 1세대 표준인 DVB-S에 비해 약 30%의 용량 이득을 얻었다.
	ACM 기술의 한계는?	DVB-S2에서 강우감쇠에도 링크효율을 증가시킬 수 있는 ACM 기술은 QPSK 1/4부터 32APSK 9/10까지 27개의 서로 다른 MODCOD를 제공하며 지상의 RCST들에게 피드백(feedback) 받은 기상상태 정보에 따라 최적의 MODCOD를 선택하여 프레임 단위로 전송한다. 하지만 위성링크의 전달지연시간(propagation delay)이 길기 때문에 수신된 기상정보 데이터는 과거의 값이 된다. 따라서 본 논문에서는 수신된 강우감쇠정보 데이터와 미리 저장된 기상정보 참조데이터를 이용하여 채널을 예측하는 알고리즘을 제안한다.

참고문헌 (16)

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상세보기
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상세보기
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Sim++ Version 1.0, http://www.cis.ufl.edu/fishwick/ simpack/simpp.ps

저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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