블루투스 시스템에서 효율적인 mac 스케쥴링 기법

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


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)


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


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


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 .



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 .


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


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


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 .


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


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


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


서비스된 슬롯에 대한 throughput (SCO 1 개 있는 경우 )


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 .


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 .



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(


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


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


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


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


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


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


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

istepi

pollT

i istep

블루투스 시스템에서 효율적인 mac 스케쥴링 기법

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