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Efficient and QoS-aware MAC Scheduling Schemes in Bluetooth for Next Generation Wireless Personal Area Network Systems : 차세대 WPAN 시스템을 위한 블루투스의 효율적인 Qos 기반 MAC 스케쥴링 기법 원문보기

  • 저자

    주양익

  • 학위수여기관

    고려대학교 대학원

  • 학위구분

    국내박사

  • 학과

    전자공학과

  • 지도교수

  • 발행년도

    2004

  • 총페이지

    xi, 95p.

  • 키워드

    MAC Scheduling Schemes 블루투스 WPAN시스템;

  • 언어

    eng

  • 원문 URL

    http://www.riss.kr/link?id=T10074253&outLink=K  

  • 초록

    본 논문에서는 블루투스(Bluetooth) 시스템을 위한 효율적인 MAC 스케쥴링(scheduling) 기법을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 피코넷(piconet) 및 스캐터넷(scatternet) 환경에서 모두 적용이 가능하며, 현재 블루투스 표준의 단점을 극복하면서, 표준에 위배되지 않고 적용될 수 있도록 설계되었으며, 시뮬레이션을 통해 그 성능을 검증하였다. 우선 본 논문의 3장에서는 피코넷 환경에서의 효율적인 스케쥴링 방안이 제안되었다. 블루투스는 기본적으로 라운드로빈(Round Robin: RR)방식으로 스케쥴링되므로, 폴링(polling)된 슬레이브(slave)의 큐(queue) 내부에 전송할 데이터가 없는 경우 POLL 혹은 NULL 패킷의 전송으로 인해 많은 슬롯이 낭비될 수 있다. 따라서 본 논문은 블루투스 피코넷 환경에서의 이러한 문제점을 극복하기 위한 방안으로 Diff-KFP 방식을 제안하였다. 이 방식은 수율(throughput) 및 지연(delay) 성능을 향상시키며, 각 마스터(master) 슬레이브 쌍(pair)마다의 QoS 요구사항을 충족시킴으로써 차등화 된 서비스를 보장할 수 있다. 두 번째로, 본 논문에서는 블루투스 스캐터넷 환경에서의 효율적 스케쥴링 방안을 제안하였다. 두 피코넷 사이의 브릿지(bridge) 노드 내부의 스캐터넷 스케쥴러(scheduler)가 단순히 라운드로빈 방식으로 동작한다면, 피코넷에서와 마찬가지로 POLL 혹은 NULL 패킷으로 인한 채널의 손실이 발생하며, 특히 스캐터넷 환경에서는 서로 동기가 맞지 않는 두 피코넷 간의 스위칭에서 삽입되는 보호 구간(guard time)으로 인한 슬롯의 손실이 발생한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 표준에서는 스캐터 모드(scatter mode)라는 블루투스의 효율적 스캐터넷 동작을 지원하기 위한 연결 모드를 정의하고, 스캐터 모드에서의 스케쥴링 방안으로 크레딧 방식(credit scheme)을 제안하였다. 이 방식은 브릿지 노드의 모든 링크에 대해 공평한 서비스 기회를 할당하도록 한다. 하지만, 서로 다른 블루투스 기기들의 다양한 트래픽 특성을 고려한다면, 균등한 채널의 할당은 무선 자원의 낭비를 초래하며, 각 링크별 서비스의 QoS를 보장할 수 없다. 따라서 본 논문의 4장에서는 이러한 문제점을 해결하기 위해 ARC 방식과 최적의 N_(switch_th) 값을 결정하는 두 가지 알고리즘을 제안하였다. 두 방안 모두 각 링크별 QoS를 보장하기 위해 스캐터넷 표준에서 정의된 QoS 파라미터인 T_(scatter_poll)을 이용하여 효율적인 스케쥴링을 수행하며, 특히 최적의 N_(switch_th) 값을 선택함으로써 피코넷 스위칭의 횟수를 효과적으로 감소시켜서, 피코넷 스위칭에 수반되는 슬롯의 낭비 및 수율의 감소를 극복하며 아울러 전력 효율성을 향상시킬 수 있다. 본 논문에서 제안된 블루투스 MAC 스케쥴링 알고리즘들은 기존 방식들에 비해 수율 및 지연 등의 일반적인 성능을 향상시킬 수 있으며, 차세대 WPAN 기기에서 요구되는 QoS 특성을 각 기기별 혹은 각 링크별 특성을 반영하여 충족시킬 수 있다. 그리고 전력 제한된(power limited) WPAN 기기들의 전력 효율성 또한 향상시킬 수 있는 장점을 갖는다. 또한 기존의 표준에 적용 가능하며, 제안된 알고리즘의 핵심적인 부분은 블루투스 뿐만 아니라 다른 무선 통신 시스템에서도 적용될 수 있고, 특히 WPAN 혹은 유비쿼터스(ubiquitous) 네트워크 기기와 같은 전력 제한된 환경에 적합한 방안이므로, 차세대 WPAN 시스템의 성능 향상에 기여할 수 있을 것으로 사료된다.


    In this dissertation, efficient scheduling policies for Bluetooth Medium Access Control (MAC) are proposed considering both intra- and inter-piconet environment and their performances are evaluated via simulations. The proposed algorithms are compliant with the current Bluetooth specification [1] and are designed for overcoming its some drawbacks. Firstly, a novel intra-piconet scheduling scheme is proposed. Since Bluetooth is basically operated with Round Robin (RR) scheduling policy, many slots may be wasted by POLL or NULL packets when there is no data waiting for transmission in the queues of the polled pair. To overcome this link wastage problem in Bluetooth piconet scheduling, several algorithms have been proposed. However, they have some limitations such as heavy signaling overhead or no consideration of QoS (Quality of Service). Therefore, in the first part of this dissertation, an efficient Bluetooth MAC piconet scheduling algorithm, Differentiated K-Fairness Policy (Diff-KFP), is proposed to guarantee improved throughput and delay performance and to lead to differentiated services, satisfying QoS requirement of each master-slave pair. Next, in this dissertation, efficient and QoS-aware MAC scheduling algorithms for Bluetooth scatternet are also designed. If the inter-piconet scheduler in a bridge node between piconets is operated simply by the RR policy, a number of time slots may be wasted due to the guard time for piconet switching and the exchange of POLL-NULL packet. Recently, in order to tackle the problem in Bluetooth scatternet scheduling, several algorithms have been proposed. Although they can provide all of the links of a bridge node with fair service opportunities, they may cause waste of wireless resources since different Bluetooth devices may have various traffic characteristics. In addition, since Bluetooth devices are often required to operate under limited battery capacity, the number of unnecessary piconet switching has to be minimized for the power-efficient operation of a Bluetooth scatternet. Therefore, the second part of this dissertation proposes two mechanisms to support the power-efficient operation of a Bluetooth scatternet while guaranteeing various QoS requirements of Bluetooth devices. Simulation results demonstrate the superiority of the schemes proposed in this dissertation. The proposed scheduling policies improve not only the performances such as throughput and delay but the power-efficiency, that is one of the most important points of view in the battery operated devices, e.g., Bluetooth. Furthermore, they also support QoS, complying with the current Bluetooth specification.


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