忠南大學校 情報通信工學部 11 Data Communications Lab.

블루투스 시스템에서 효율적인MAC 스케쥴링 기법

2004/ 3 / 192004/ 3 / 19

김 한 집김 한 집

忠南大學校 情報通信工學部 22 Data Communications Lab.

목 차목 차

요 약

서 론

기존의 블루투스 MAC 스케쥴링 RR(Round Robin)

KFP (K-Fairness Policy)

새로운 블루투스 MAC 스케쥴링 M-KFP (Modified KFP)

기존의 블루투스 MAC 스케쥴링 T-D PP (Throughput-Delay Priority Policy)

새로운 블루투스 MAC 스케쥴링 MTDPP (Modified TDPP)

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요 약요 약

Piconet 을 구성하고 있는 블루투스 시스템에서 각 master-slave pair 에 대해 효율적이고 차등화된 대역폭을 할당하여 전체적인 성능 개선과 QoS 를 지원할 수 있는 알고리즘을 제안

기존에 알고리즘은 각 쌍마다의 서비스 기회에 대한 우선순위와 각 쌍의 트래픽 특성을 고려한 비교적 효율적인 알고리즘이지만 데이터 트래픽이 정적인지 동적인지에 따라 성능이 일정하지 않으며 signaling 에 대한 overhead 가 큼

기존에 제안된 블루투스 시스템을 위한 알고리즘을 개선하여 throughput 과 delay 측면에서의 향상된 성능을 보임

忠南大學校 情報通信工學部 44 Data Communications Lab.

서 론서 론

블루투스 작은 크기 , 저렴한 가격 , 적은 전력소모를 특징으로 하는 근거리 무선통신을 위한 기술

2.4 GHz ISM 대역을 사용하고 양방향 전송을 위해 시간분할방식 (TDD) 를 사용한다 .

Piconet : 하나의 master 와 최대 7 개의 slave 를 갖는 가장 간단한 네트웍

master 는 짝수번째 slot, slave 는 홀수번째 slot 사용하여 전송 데이터 전송은 master-slave 의 쌍 (pair) 단위로 이루어짐 Master 의 polling 을 통해서 slave 에 대한 스케쥴링이 이루어지므로 스케쥴링은 항상 master 중심으로 이루어짐

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기존의 블루투스 기존의 블루투스 MAC MAC 스케쥴링스케쥴링

라운드 로빈 (Round Robin)

가장 간단한 방법으로 여러 개의 master-slave 쌍에 균일하게 데이터 전송의 기회를 부과 .

전송할 데이터가 없는 경우도 자신에게 할당된 슬롯에서 데이터를 포함하지 않는 POLL-NULL sequence 를 교환함으로 시스템의 효율을 떨어뜨림 .

형평성 측면에서는 최적이지만 슬롯에 대한 낭비를 초래 .

다양한 전송률을 요구하는 블루투스 시스템에는 적합하지 않음 .

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기존의 블루투스 기존의 블루투스 MAC MAC 스케쥴링스케쥴링

KFP (K-Fairness Policy) 스케쥴링 알고리즘 큐 상태를 기반으로 한 PP(Priority Policy) 알고리즘 패킷의 여유 비트를 이용하여 큐 상태 정보를 교환하고 이를 바탕으로 전송할 데이터가 있는 쌍을 우선적으로 폴링 .

링크사용정도에 따라 클래스를 나누고 이에 대해 적절한 우선순위를 줌 Master 에 3 슬롯 크기의 패킷 , slave 에 1 슬롯 크기의 패킷 : 100% Master 에 3 슬롯 크기의 패킷 , slave 에 데이터 없음 : 75% Master 에 데이터 없음 , slave 에 1 슬롯 크기의 패킷 : 50%

K 라는 서비스 기회 차이의 한계값을 설정함 (Qmax – Qmin < K 이면 만족 )

서비스가 특정 쌍에 치우치지 않고 형평성을 유지하기 위함 . 문제점

Throughput 만 고려하고 형평성을 고려하지 않았음 . 트래픽이 동적으로 변화하는 경우 throughput 과 형평성이 보장되지만

한계값 K 이후에는 시스템이 RR 방식으로 동작하여 성능이 저하됨 .

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새로운 블루투스 새로운 블루투스 MAC MAC 스케쥴링스케쥴링

M-KFP (Modified KFP)

각 큐의 상태에 따라 클래스를 다르게 부여하여 높은 클래스를 가진 쌍이 우선적으로 전송

낮은 클래스를 가진 쌍은 높은 클래스를 가진 쌍에게 자신이 전송할 수 있는 기회를 양보

각 쌍은 카운터를 가지고 있음 서비스를 양보하면 감소 , 양보 받으면 증가

각 쌍별로 양보에 대한 한계값을 주어 가장 큰 카운터값과 각 쌍의 카운터 값과의 차와 한계값을 비교

각 쌍별 한계값을 다르게 줌으로써 각 쌍마다 양보할 수 있는 횟수에 차별을 둠 .

데이터 전송량이 적고 , 데이터에 대해 delay 가 발생해도 큰 상관없는 쌍에 대해서는 큰 한계값을 주고 , 데이터에 민감한 쌍에 대해서는 한계값을 작게 주어 양보를 많이 할 수 없게 함

실시간의 전송을 원하는 쌍은 한계값을 0 으로 줌으로 양보를 하지 않게 함

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블루투스 시스템의 LMP(Link Manager Protocol) 에서는 각 기기의 QoS 에 대한 요구를 수용하기 위해 LMP_Quality_of_service 메시지를 이용하여 최대 폴링 간격 (Tpoll) 과 재 전송 횟수 (NBC) 를 정함

한계값은 최대 폴링 간격에는 비례하고 , piconet 을 구성하고 있는 slave 수에는 반비례해야 하므로 각 쌍의 최대 폴링 간격을 piconet 을 구성하고 있는 slave 의 수로 나눈 값을 넘지 않는 최대 정수 값으로 정한다 .

(n: piconet 을 구성하고 있는 slave 수 )

연결된 상태에서도 자신이 요구하는 QoS 의 변화를 전송되는 패킷을 이용하여 master 에게 알리면 한계값을 조정할 수 있음 .

][ ,

n

Tk ipolli

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각 쌍의 양보에 대한 한계값을 작게 부여 자신의 큐 상태를 알릴 수 있는 기회가 자주 발생 , 지연측면의 성능이

향상됨 시스템 throughput 의 감소를 방지하기 위해 클래스가 낮거나 전송할 데이터가 없는 경우에도 한계값에 도달하여서 서비스를 하는 경우 , 서비스 하는 쌍의 카운터값을 자신이 가지고 있는 Ki(i 번째 쌍에게 부여되는 한계값 ) 만큼 올려줌 .

전체 쌍의 값의 합을 0 으로 유지하기 위해 가장 높은 카운터를 가지고 있는 쌍의 카운터 값을 양보의 한계값에 도달한 쌍의 ki 만큼 내려줌으로써 한계값에 도달한 이후 계속적으로 RR 형태의 서비스하는 것을 막을 수 있다 .

RR 에 비해 복잡한 알고리즘 , 기존의 큐 상태기반 알고리즘에 비해서도 약간 복잡함 .

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시뮬레이션 1 개의 master 와 5 개의 slave

MP(Markov Process) 와 이진 상태의 MMPP(two-state Markov Modulated Poisson Prosess)

MP : 지속적으로 같은 전송할 데이터량을 생성하는 기기 (1, 2, 3 번째 쌍 ) MMPP : 전송할 데이터량이 순간순간 달라지는 기기 (4, 5 번째 쌍 )

표 1 은 각 쌍의 큐에 데이터가 생성되는 분포 , 표 2 는 각 쌍별 한계값

KFP 의 경우 K 값을 500, M-KFP 의 경우 3 번째 쌍은 30, 나머지는 20

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서비스된 슬롯에 대한 throughput 과 delay (SCO 링크가 없는 경우 )

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그림 3 KFP 의 경우 큰 K 값이지만 한계값을 넘은 경우 RR 형태로 서비스 됨 M-KFP 의 경우 양보의 횟수가 한계값 K 를 넘은 경우도 카운트 변화를 통해

RR 형태로 되는 것을 막음 그림 4

패킷이 생성된 시점에서 전송되는 시간까지의 지연 KFP 경우 서비스 시간이 길어지면 throughput 이 하락하기 때문에 서비스된

슬롯이 증가하면 delay 도 증가함 그림 5, 6

시간이 지나면 KFP 방식은 성능이 급격히 떨어지는 반면 , M-KFP 는 시간과 무관하게 지속적인 성능 가짐

그림 4 와 6 의 비교 SCO link 가 존재하면 시스템의 지연성분이 증가함

SCO link 는 지속적으로 전체 link 의 1/3 만큼 요량을 사용하기 때문

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서비스된 슬롯에 대한 throughput (SCO 1 개 있는 경우 )

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그림 7 각 쌍의 QoS 요구조건에 따른 변화 관찰

두 번째 쌍의 K2 만 변화시키고 나머지 쌍들은 20 으로 K 를 고정 K2 를 5 씩 줄여갈 때 나머지 쌍들과의 한계값의 차이에 따른 polling 비율의 변화임

그림 8 두 번째 쌍의 한계값이 작아질수록 패킷에 대한 delay 이가 작아짐

Delay 에 민감한 기기는 작은 한계값을 할당하면 polling 간격이 줄어들고 패킷 delay 도 줄일 수 있다 .

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시뮬레이션 결과 각 쌍에 대해 양보할 수 있는 한계값을 다르게 부여하여 각 기기가 요구하는 QoS 를 고려할 수 있음 .

한계값의 차이는 각 쌍이 가지는 데이터 전송기회를 다르게 하여 데이터의 delay 를 조절할 수 있다 .

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기존의 블루투스 기존의 블루투스 MAC MAC 스케쥴링스케쥴링

T-D PP(Throughput-Delay Priority Policy) 방식 우선순위를 결정하는 방식에 있어 아래 수식을 기반으로 하여 throughput 측면에서의 효과적인 스케쥴링과 형평성을 고려한 delay 측면의 성능 향상

T: 슬롯의 활용정도를 기준으로 결정된 우선순위 ( 클래스 ) 값 D: 지연 측면을 고려하기 위해 반영된 파라미터 ( 카운터 ), 양보한 경우 그 값이

증가되며 양보를 받은 경우 그 값은 감소된다 . :throughput 과 delay 에 대한 시스템 성능에 대한 가중치를 나타내는

파라미터 , 이 값이 크면 throughput 을 고려 , 작으면 delay 와 형평성 측면의 성능을 고려하여 우선 순위를 할당

Polling 주기가 긴 경우 를 작게 , 주기가 짧은 경우는 상대적으로 큰 값으로 설정 문제점

서비스 시간이 길어지면 카운터 (D) 의 값이 증가하여 T 값이 P 에 영향을 주지 못함

일정 시점 이후에는 T 의 영향보다 D 의 영향이 상대적으로 크게 증가하여 스케쥴링의 효율성이 떨어진다 .

DTp )1(

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새로운 블루투스 새로운 블루투스 MAC MAC 스케쥴링스케쥴링

MTDPP 방식 시간이 길어지면 발생하는 D 의 문제점 해결을 위해 각 master-slave 쌍에 트래픽 발생 특성에 따라 카운터 변화량의 적절한 단계값 을 부여

D 의 지속적인 증가로 인한 서비스 기회의 낭비 방지 , 카운터의 증가와 감소의 크기를 동일하게 설정하여 서비스 시간이 길어져도 카운터 값 일정하게 유지

을 각 쌍마다 트래픽 특성에 따라 다르게 줄 수 있어 QoS 특성을 반영 그림 2

각 master-slave 쌍을 RR 방식으로 관찰 우선순위 P 가 높은 쌍을 우선적으로 서비스 우선순위가 낮은 쌍은 서비스 기회를 양보하고 자신의 카운터 값을 자신의

만큼 증가시키고 , 양보 받은 쌍은 자신의 카운터 값을 자신의 만큼 감소시킴

은 트래픽이 많은 쌍은 큰 값을 , 상대적으로 적은 쌍은 작은 값을 할당 . Polling 주기가 짧은 쌍의 무선자원의 독점을 막고 , polling 주기가 긴 쌍에게 할당을 슬롯을 줄임으로 효율 향상

istep

istep

istep

istep

istep

忠南大學校 情報通信工學部 2222 Data Communications Lab.

忠南大學校 情報通信工學部 2323 Data Communications Lab.

mir(minimum integer ratio) 함수 단계값의 결정 과정을 표현하기 위한 식

L : 인수 의 최소공배수 인수의 역수의 정수비를 나타냄

각 master-slave 쌍의 단계값 는 폴링 주기 , 과 아래 식을 이용하여 결정되며 각 master-slave 쌍에 할당된다 .

각 쌍마다 적절한 카운터 단계값의 설정과 를 통해서 서비스 우선순위 조절이 가능 .

nxx ~1

istep pollT

忠南大學校 情報通信工學部 2424 Data Communications Lab.

시뮬레이션 패킷 크기는 1, 3, 5 의 크기이고 , SCO link 가 없는 환경 5 개의 master-slave 쌍 (1,2,3 은 정적인 트래픽을 발생시키기 위해 포아송 과정 (MP) 를 사용하고 4, 5 는 동적인 트래픽 상태를 위해 MMPP 를 사용 )

사용 빈도에 따른 클래스를 할당 , 높은 클래스에 상대적으로 큰 T 값 대응

忠南大學校 情報通信工學部 2525 Data Communications Lab.

忠南大學校 情報通信工學部 2626 Data Communications Lab.

그림 3 다양한 에 대한 각 쌍의 throughput 의 변화를 도시 값만 변화시키고 나머지 쌍의 는 0.5 로 고정 각 클래스마다 대응되는 T 는 각 클래스 별로 높은 클래스부터 차례로 5t,

4t,3t,2t,1 (t=10) 로 대응시킴 를 각가 60,100,300,150,150 슬롯으로 가정하여 는

5,3,1,2,2 로 결정하여 2000 슬롯동안 관찰 이 증가하면 첫번째 쌍의 throughput 증가 , 두 번째 쌍은

throughput 감소 나머지 세 쌍의 throughput 변화는 트래픽 발생빈도가 상대적으로 낮음

1 i

ipollT . istep

1

忠南大學校 情報通信工學部 2727 Data Communications Lab.

忠南大學校 情報通信工學部 2828 Data Communications Lab.

그림 4 의 영향을 살펴보기 위함 를 각 쌍마다 0.6, 0.4, 0.1, 0.3, 0.3 으로 고정 , 첫번째 쌍을 제외한 나머지 단계값 를 모두 1 로 고정

첫번째 쌍의 단계값 이 증가함에 다라 첫번째 쌍의 성능 향상과 두 번째 쌍의 성능 저하가 일어남

두 번째 쌍은 첫번째 쌍에게 우선순위를 양보 , 나머지 세 쌍의 성능은 비교적 데이터 양이 없으므로 변화가 없음 .

전반적인 성능 향상을 위해 두 번째 쌍에게도 적절한 단계값 설정 필요

MTDPP 알고리즘의 두가지 주요 파라미터인 와 의 조정을 통해 시스템 성능을 조절할 수 있음

istep

ii

istep

istep

i istep

忠南大學校 情報通信工學部 2929 Data Communications Lab.

忠南大學校 情報通信工學部 3030 Data Communications Lab.

그림 5 KFP 방식과의 성능 비교 T 는 각 클래스 별로 높은 클래스를 갖는 차례로 5t, 4t, 3t, 2t, 1(t=10) 는 각각 5, 3, 1, 2 ,2 로 설정 의 영향을 관찰하기 위해 case 1 의 는 각각 0.6, 0.4, 0.1 ,0.3,

0.3 ( 비교적 우수한 성능을 보이는 경우 ) 이고 case 2 는 모두 0.5 로 가정

각 master-slave 쌍의 데이터 트래픽 발생 특성을 고려한 case 1 의 경우가 case 2 의 경우보다 우수한 성능을 가지지만 의 영향이 의 영향보다 크므로 차이가 작음 .

그림 6 Delay 성능도 MTDPP 방식의 case 1 의 경우에 가장 우수함

각 master-slave 쌍의 polling 주기 , 과 같은 QoS 파라미터를 적절한 와 에 매핑하여 QoS 를 충족시킬 수 있을 것이다 .

istep

i i

istep i

pollT iistep

忠南大學校 情報通信工學部 3131 Data Communications Lab.

시뮬레이션 결과 와 의 조정을 통해 서비스별로 다양한 요구사항의 충족이 가능

블루투스 LMP 계층에서의 대표적인 QoS 파라미터인 과 같은 파라미터를 제안된 알고리즘의 적절한 및 로 대응 시킴으로써 시스템의 전반적인 성능 향상 가능

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pollT

i istep