Today’s smartphones and user devices are equipped with multiple radio interfaces increasingly. Aggregating theses multiple radio interfaces and using them concurrently will increase a user’s communication speed immediately, but at the expense of increased power consumption. In this paper, we develop a mathematical performance model of an adaptive radio activation scheme by which a radio interface is activated only when needed for performance increase and deactivated otherwise. The developed model shows that the adaptive scheme reduces delay significantly and almost halves power consumption below a certain level of traffic input.
복수 개의 무선 인터페이스를 결합하여 무선 통신링크의 전송 용량을 향상시키기 위한 연구가 최근 들어 활발하게 이루어지고 있다[1-5]. 이는 최신 스마트폰의 대부분이 셀룰러통신과 Wi-Fi 등 복수 개의 무선 인터페이스를 갖추고 있고, 액세스 네트워크 장비(듀얼밴드 액세스포인트, Wi-Fi 통합형 펨토셀 등) 또한 비슷한 양상을 보이기 때문이다. 복수 개의 무선 인터페이스를 결합하는 것은 링크계층 기법[6], 다중경로 TCP[7-9] 등의 방법을 이용해 실현할 수 있고, 기존 인터페이스의 변경없이 즉시 다중채널 무선 시스템을 구축할 수 있다는 장점을 갖는다.
하지만, 사용자 단말이 복수 개의 무선 인터페이스를 동시에 사용할 경우, 전력 소모가 크게 증가할 수 있다. 본 논문에서는 단일 인터페이스를 통해서 원하는 성능수치를 달성할 수 없을 경우에만 추가적인 인터페이스를 활성화시키는 기법을 고려한다. 이 기법에서 단말은 자신의 버퍼 상태에 따라 무선 인터페이스를 적응적으로 활성화시킴으로써 성능 향상과 동시에 전력 소모를 절감할 수 있다.
본 논문은 이중 인터페이스 결합 시스템에서 이러한 적응적 인터페이스 활성화 기법의 수학적 성능 분석 모델을 제시한다. 이를 위해 마코브 체인을 이용하여 단말 버퍼의 상태를 모델링하고, 이로부터 성능지표를 구한다. 도출된 성능 모델은 패킷 발생률, 딜레이 성능 요구 조건, 결합으로 인한 성능 손실 등 다양한 동작 환경 및 설정에 대해 적응적 활성화 기법의 전송 딜레이 성능과 전력 소모를 예측할 수 있게 한다.
성능 모델로부터 도출된 수치 결과로부터 적응적 활성화 기법은 단일 인터페이스 사용 대비 딜레이 성능향상 효과가 있을 뿐만 아니라, 상당한 정도의 전력 소모 절감 효과가 있음을 보인다. 딜레이 성능 향상은 패킷 발생률이 높을수록, 전력 소모 절감은 패킷 발생률이 낮을수록 커지는 것을 볼 수 있다. 이러한 딜레이 성능과 전력 소모 간의 트레이드오프 효과는 적응적 활성화 기법에서 딜레이 요구 성능을 어떻게 설정하는지에 따라 달라짐도 보인다.
사용자 단말은 두 개의 무선 인터페이스를 이용하여 액세스 망에 접속한다. 이 중 하나의 인터페이스는 항상 활성화되어 있고 이를 제1 인터페이스라 한다. 다른 하나의 인터페이스는 활성화/비활성화가 가능하고 제2인터페이스라 한다. 데이터 패킷은 λ의 레이트로 발생하고 먼저 단말의 버퍼에 저장된 후, 활성화되어 있는 인터페이스로 보내져 무선으로 전송된다. 만약에 두 개의 인터페이스가 모두 활성화되어 있으면 버퍼의 패킷은 순서대로 각각의 인터페이스에 번갈아가면서 보내진다. 각 인터페이스의 전송 속도는
단말은 버퍼에 패킷이
단말의 버퍼 상태는 다음과 같은 1차원 마코브 체인(Markov chain)으로 표현할 수 있다. 이 때, 마코브 체인의 상태는 단말 버퍼에 있는 패킷의 개수이다. 단말 버퍼는 최대
위의 마코브 체인에서 평형(equilibrium) 상태의 단말 버퍼가 상태
위 식으로부터, 1 ≤
그 다음으로 버퍼의 패킷 개수가
와 같다.
이 때,
전체 상태 확률의 합은 1고, 이는 아래와 같이 표현할 수 있다.
위 식은
위 식에 식 (2)와 (4)를 대입하면,
이 되고, 두 번째와 세 번째 항의 합을 구하면
만약에
위에서 괄호 안의 첫 번째 항을
마찬가지로
위에서 구한
두 인터페이스가 항상 활성화되어 있는 경우에는 전송 속도는 항상 2
하나의 인터페이스만을 사용하는 경우를 고려하면 전송 속도는 항상
적응적 활성화 기법에서
이 경우,
제1 인터페이스가 깨어 있을 때와 수면 모드일 때의 전력 소모를 각각
마찬가지로 제2 인터페이스의 상태는 아래와 같이 달라진다.
시간
간단한 표현을 위해
패킷 발생은 Poisson 분포를 따르므로,
두 인터페이스가 항상 활성화되어 있는 경우 제1 인터페이스의 전력 소모는 앞의 경우와 동일하다. 제2 인터페이스의 경우에는 버퍼의 패킷 개수가 1개 이하가 될 경우 수면 모드로 전환된다. 이외의 경우에는 활성화되어 있다. 따라서, 이 경우의 평균 전력 소모는 아래와 같이 구할 수 있다.
하나의 인터페이스만을 사용하는 경우를 고려하면 인터페이스의 수면 모드 진입은 버퍼가 비어 있고 시간
이 장에서는 앞에서 제시한 적응적 인터페이스 활성화 기법의 성능 모델을 통해 기법의 딜레이 성능과 전력 소모를 알아본다. 전력 소모량을 도출하기 위해 [11,12]에 제시된 Atheros 칩셋의 소비전력 프로파일을 사용한다. 두 인터페이스에 대해서 동일한 소비 전력 프로파일을 적용한 경우를 고려한다.
그림 2는 패킷 발생률 λ에 따른 제시된 기법의 딜레이 성능과 단일 인터페이스 사용 대비 향상 정도를 보이고 있다. 그림에서 보이는 것처럼 제시된 기법은 큰 폭의 전송 딜레이 감소를 갖는다. 이는 버퍼에 패킷이 많을 때 이중 인터페이스를 활성화시켜 전송 속도를 높임으로써 패킷이 버퍼에서 기다리는 시간을 줄이기 때문이다. 제시된 기법의 향상 폭은 패킷 발생 레이트 λ가 클수록 더 커지는 것을 볼 수 있다. 한편 결합 팩터
그림 3은 다양한 경우에 대해서 전력 소모를 비교하고 있다. 여기에서
본 논문에서는 이중 무선 인터페이스를 결합하여 사용 시 단말의 버퍼 상태에 따라 무선 인터페이스를 적응적으로 활성화시킴으로써 전력 소모를 절감하기 위한 기법의 성능 모델을 도출하였다. 도출된 성능 모델은 무선 단말의 버퍼가 갖는 패킷의 개수 변화를 마코브체인으로 모델링하고, 이로부터 다양한 동작 환경에 대해 적응적 활성화 기법의 전송 딜레이 성능과 전력 소모를 예측할 수 있게 한다. 이를 통해 대상 환경에서 기법의 최적 동작을 가능하게 할 수 있다. 논문에서는 모델을 이용해 넓은 범위의 패킷 발생 레이트에 대해 기존 및 적응적 활성화 기법의 성능 수치를 얻고 이를 분석하였다.