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서화 권
5 years ago
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1 차세대이동통신시스템을위한핸드오프방법 A Handoff Method for Next Generation Mobile Communication Systems 이문호청운대학교멀티미디어학과 Moonho Lee Dept. of Multimedia Science, Chungwoon University mhlee@chungwoon.ac.kr -Abstract- 이동멀티미디어환경에서높은가입자밀도를수용하기위하여마이크로 -셀또는피 코- 셀과같이셀의반경이더욱작아져야한다. 이런환경에서문제가되는점은셀들 사이에빈번한핸드오프가발생하게되고이는허용가능한핸드오프처리지연시간을 감소시킨다는것이다. 이것은결국패킷손실뿐만아니라핸드오프실패를가져온다. 이 경우에손실을보상하기위하여재전송이필요한데, 이는시스템성능의감소를가져온 다. 따라서본논문에서는고속의전송율로다양한멀티미디어서비스를수용하는차세 대이동통신망에서이동단말기의셀내위치와이동방향정보를이용하여핸드오프 셀선택을수행하고핸드오프요구전에핸드오프절차를미리수행함으로서핸드오프 시멀티미디어서비스를제공하기위한방안을제안한다. 제안하는방안의성능을평가 하기위하여시뮬레이션에의해핸드오프실패율과패킷손실율을분석하였다

2 1. 서 론 B3G (Beyond Third Generation) 시스템은 3세대시스템과는완전히다른시스템으로보다고 속의전송율로다양한멀티미디어서비스를제공하는것을목표로하고있으며, 이는고속의이동 중에도정지상태와동일한초고속의멀티미디어통신이가능해야함을전제로하고있다. 초고속 의전송율을요구하는다수의사용자를시스템에서수용하기위해서는셀의크기를더욱더줄여 서무선자원의재사용성을증대시켜야한다. 즉주파수사용의효율성을위해셀반경 ( 피코셀의 경우반경 30m, 메가셀인경우반경 10m 로추정됨) 이더욱작아져야한다. 이런환경에서는셀의 반경이더욱작아지고단말기의고속이동성으로인하여더빈번한핸드오프가발생하여망의부 하가커지며, 보다빠른핸드오프처리가요구된다는것이다. 이를보장하지못할경우, 시스템성 능을저하시키므로고속의이동성을고려한핸드오프 기존의 3G (handoff) 기술이필요하다[1]. 셀룰러환경에서는수분에한번씩핸드오프가일어나지만주파수사용의효율성을 위해셀반경이더욱작아지는 B3G에서는핸드오프의수가증가하고핸드오프간시간간격이줄 어들며단말기의이동속도에따라수십초, 수초에한번씩핸드오프를일으키며핸드오프처리 시간이더작아진다. 따라서이전기지국의신호감쇠때문에통신할수없는상황임에도핸드오 프를완료하지못하는상황이발생하고핸드오프가실패할수도있다. 마이크로-셀에서피코-셀 환경으로변하고있는시점에서기존의하드핸드오프방식으로처리시, 작은피코셀환경에서 이동단말기가고속으로이동할때, 핸드오프지연에의하여연결서비스가절단된다[2]. 이러한초고속의멀티미디어서비스를수용하기위하여이동단말기가셀간이동으로핸드오 프를일으킬때사용자가원하는 QoS 를만족시켜야한다[3]. 왜냐하면멀티미디어서비스는음성 서비스와는달리매우짧은시간의통화중단으로인한패킷손실과전달지연은사용자정보에 치명적인손실을초래할수있기때문이다. 따라서고속의이동중에도정지상태와동일한초고 속의멀티미디어통신이가능해야한다. 따라서유선망과대등한 QoS를보장하기위하여무손실 핸드오프가보장되어야한다[3-4]. 기존의 3G 환경에서는수분에한번씩핸드오프가일어나므로 핸드오프시이전셀에남겨진데이터가 QoS에미치는영향이미미하였으며실시간영상데이터 는무시했다. 반면에이동단말기의이동속도에따라수초에한번씩핸드오프를일으키는피코- 셀환경하에서는수초마다남겨진데이터가발생할수있으며, 이를기존과같이무시한다면핸 드오프시수신하지못하고이전셀에남겨진데이터는 QoS 에많은영향을미친다[5-8]. 본논문은핸드오프실패를최소화하기위한방안의하나로서, 핸드오프발생전에 GPS (Global Positioning System) 의위치정보와이동방향추정에근거하여핸드오프셀을선정하고, 핸드오프요구전에선정된셀에망연결 (network connection) 과무선연결 (radio connection) 을 - 2 -

3 설정한후, 핸드오프요구가발생하면핸드오프결정절차에의해핸드오프를수행함으로서이음 매없는 (seamless) 멀티미디어서비스를만족시키는핸드오프방법을제안한다. 본논문은다음과같이구성된다. 2 장에서는위치정의방법과방향예측방법을기술한다. 3장 에서는 2장에서언급한개념을기반으로하여이동단말기의위치에근거한핸드오프방법을제 안한다. 4장에서는제안한방법의성능을평가하기위해시뮬레이션에의해핸드오프실패율을분 석하였다. 5 장에서는결론을기술한다. 2. 위치정의 셀을트랙 (track), 블록 (block) 으로세분하고이들을이동단말기가수신한신호세기와연관 지음으로써셀안에존재하는이동단말기의특정위치를정의할수있다. 이러한셀세분화작업 과수신신호세기 (received signal strength) 연관작업은이동단말기위치추정을수행하기전 에, 셀을블록단위로나누고각각의블록정보를생성하여데이터베이스를구축하는단계를거친 다. 추정기 (estimator) 가기지국 (base station) 에설치되면자동적으로 2 단계정의과정을통하 여셀을블록으로나누고블록정보를생성한다. 시스템은블록정보데이터베이스와 GPS의위치 정보에근거하여이동단말기가위치한블록을추정한다. 그림 1 과같이분할된트랙은이동단말기의이동성을예측하기위하여사용된다. 여기서 Track _1 은활성화셀지역 (active cell area), Track _2 는핸드오프셀선정지역 (handoff cell selection area), Track_3 은핸드오프지역(handoff area) 으로정의한다. 핸드오프지역은활성화 기지국과인접기지국의수신신호세기가핸드오프기준값과허용가능치사이에있는지역을의 미하고이지역내에서가장높은수신신호세기를갖는기지국으로핸드오프가수행된다. Track_2 지역은위치정보에의해다수의블록으로분할되고각블록에대한블록객체가생성 된다. 단말기의위치가Track_2일경우에만핸드오프셀선정절차가수행되며 GPS에의한위치 정보는 Track _2 에서만유효하다. 그외의지역은무시한다. GPS에의한위치정보를 Track _2의 한블록과연관시키고이에해당하는블록객체정보에서이동방향정보를얻는절차를갖는다. Track_3 (x 11, y 11 ) (x 12, y 12 ) Track_2 Track_1 (x 1, y 1 ) (x 14, y 14 ) (x 13, y 13 ) (x, y) ( 그림 1) 트랙분할및벡터를이용한블록인식 - 3 -

4 3. 이동단말기위치에근거한핸드오프 3.1. 핸드오프셀선정 (handoff cell selection) 제안된핸드오프셀선정방법의기본원리는아래와같다. a. GPS 로부터의위치정보, 그리고활성화셀과인접셀들로부터의수신신호세기측정 : 이동 단말기의 GPS 엔진은위성과 GPS 수신기사이의거리를이용한삼각측량법에의하여위치 정보산출한다. 활성화셀및인접셀들의다운링크채널의상태측정을통하여 First candidate cell set 을산출한다. b. 이동단말기가위치한블록결정: 핸드오프시스템은위의 a 항에서언급한위치정보를각 블록객체의 BlockLocationInfo 와비교하여해당되는블록객체를선정한다. c. 1 차유효성검증 : 셀관리모듈의 First candidate cell set과 handoff cell set과의일치여부 로 1 차유효성검사를수행한다. 일치하지않는다면예외처리과정을수행한다. d. 핸드오프셀선정 : 유효성검사결과일치하면결정된블록객체의 handoffcellid로부터핸 드오프셀을결정한다. e. 셀운영테이블갱신 : 핸드오프셀결정알고리즘에의해생성된각종정보에근거하여셀 운영테이블을갱신한다. 그림 2 는핸드오프셀선정방법을보인다. 핸드오프셀선정과정은이동단말기가다른트랙 에위치할경우종료된다. First candidate cell set 과 handoff cell set간의 1차유효성검증이수 행되고둘사이에일치성이없다면예외처리가수행된다. 한개이상의셀이동일하다면핸드오 프시스템은자원이용가능성에근거하여최적의셀을선정한다

5 A M T sc a n s th e G P S re c e iv e r fo r its n e w c o o rd in a te in fo rm a tio n a t fix e d in te rv a l M T m e a su re s th e d o w n lin k c h a n n e l q u a lity fro m th e a c tiv e c e ll a n d th e s u rro u n d in g c e lls G P S e n g in e c o m p u te s th e p s e u d o ra n g e b e tw e e n s a te llite s a n d th e G P S re c e iv e r b a se d o n th e ir tim e d e la y T _ 1 < s ig n a l s tre n g th fro m a c tiv e c e ll < T _ 3 N o C P U c a lc u la te s th e M T s p o sitio n in fo rm a tio n b y tria n g u la tio n u sin g th e p s e u d o ra n g e M T s p o sitio n w ith in a c e ll is c o m p u te d b a s e d o n th e p ro d u c e d in fo rm a tio n Y e s H a n d o v e r c e ll se le c tio sto p H a n d o v e r sy s te m p e rfo r m s th e firs t e ffe c tiv e n e s s in s p e c tio n P e rfo rm th e e x c e p tio n h a n d lin g N o N o Is th a t re s u lt e ffe c tiv e? Y e s i = 0, n Is th e p o sitio n v a lu e in c lu d e d to BlockLocationInfo o f a b lo c k o b je c t i? Y e s H a n d o v e r sy s te m d e te rm in e s h a n d o v e r c e lls fro m NextCellId in fo rm a tio n o f th e b lo c k o b je c t i H a n d o v e r sy s te m r e g iste rs th e fir s t c a n d id a te c e ll se t a n d h an d o v e r c e ll s e t in th e c e ll m a n a g e m e n t ta b le E n d ( 그림 2). 핸드오프셀선정방법 3.2. 핸드오프선처리 (handoff pre-processing) 핸드오프셀선정에의하여생성된핸드오프셀정보를이용하여핸드오프를위한무선레벨의 핸드오프와망레벨의핸드오프를수행한다. 무선레벨의핸드오프: 이전의접속점에서새로운접속점으로무선링크의전환을수행한다. 여 기서는모뎀설정및동기설정등의절차를의미한다. 망레벨의핸드오프: 무선레벨의핸드오프를지원하기위한셀버퍼링및재라우팅 ( 연결경로 의재설정) 을의미하며일부기능을제외하고매크로셀핸드오프를위해수행된다 핸드오프결정 (handoff decision) 핸드오프결정을위하여이동단말기는 3.1 절에서언급한핸드오프셀선정알고리즘으로부터 - 5 -

6 생성된핸드오프셀정보를사용하여인접기지국들을조사한다. 핸드오프결정시, 3 가지가능성 - 이는순방향핸드오프, 역방향핸드오프그리고재설정- 이존재한다. 순방향핸드오프는 handoff cell set과 Second candidate cell set 이동일할경우수행하며, 동일하지않다면역방향핸 드오프가수행된다. 역방향핸드오프절차는기존의 MAHO (Mobile Assist handoff) 와동일하다. 그리고재설정은이동단말기가 Track_2 의다른블록으로위치를변경할경우일어난다. 이동단말기는목적셀을통하여핸드오프시스템에게핸드오프완료를보고하고, 핸드오프시 스템은이동단말기에관련된연결정보의해제를이전셀에요구한다. 이전셀은이동단말기에 할당된모든자원들을해제하고이를핸드오프시스템에보고한다. 두개이상의셀이서비스하는영역 ( 여기서는 Track_3 에해당하는핸드오프지역) 에이동단 말기가존재할때, 이동단말기는핸드오프시스템으로부터의 HO_READY_RSP 메시지의 handoff cell set정보와인접셀하향링크채널품질측정에의하여결정된 Second candidate cell set정보그리고 Second candidate cell set에포함된셀의 throughput ( 자원의부하량) 을고려하여 순방향핸드오프결정조건에맞는최적의셀을결정한다. 이동단말기가측정한인접셀하향링크채널품질이핸드오프결정조건을충족하면, handoff cell set 과 Second candidate cell set의 2 차유효성검사를수행하여, 일치하면순방향핸드오프를 수행한다. 핸드오프가일어나면, 핸드오프지연없이목적기지국과연결되고목적기지국에핸드 오프완료보고를수행한다. 이동단말기가측정한인접셀하향링크채널품질이핸드오프결정조건에일치하면 handoff cell set 과 second candidate cell set 의일치성검사를수행하여, 일치하지않으면역방향핸드오 프를수행한다. 이는기존의 MAHO 와동일한과정을의미한다. 이동단말기는인접셀하향링크 채널품질측정에의하여결정된 second candidate cell 정보를포함한 HO_REQ 메시지를핸드오 프시스템에전송한다. 핸드오프시스템이 HO_REQ 메시지를수신하면이정보와인접셀의무선 자원정보를이용하여해당이동단말기를위한목적셀을결정하고핸드오프수행을 HO_RSP 메시지를통하여이동단말기와목적기지국에명령한다. 순방향핸드오프나역방향핸드오프는이동체가핸드오프지역으로이동할경우( 즉이동단말 기가측정한인접셀하향링크채널품질이핸드오프결정조건에일치한다) 에발생하지만, 재설 정은이동단말기가다른블록으로위치를변경할경우에발생한다. 이후다시선처리가수행되 며그이후절차는동일하다. 4. 시뮬레이션파라미터및결과 본논문에서제안한기법을평가하기위하여시뮬레이터저작도구인 MODSIM을이용하여이 - 6 -

7 동통신용시뮬레이션프로그램인 MOBILESimulatorV6 를개발하고이를바탕으로하여시뮬레이 션을수행하였다. 시뮬레이션에적용한시스템은 B3G 시스템의기본구조에근거한다. 표 1과같 이 ETRI의 B3G 무선전송기술의 1단계요구사항에근거하며셀룰라환경에서 5MHz 주파수대역 폭을사용했을때요구되는이동성에따른셀당최대전송율에근거하여파라미터를설정하였다. < 표 1> 시스템파라미터 Parameter Value Description R B 5MHz Frequency Bandwidth MI R 100m The radius of microcell MA R 10km The radius of macrocell 3 km/h 20M (Bandwidth per channel (C b)) MT speed 60 km/h 2M 250 km/h 384K K 0 db Transmission power K 30 Path loss CI 10d Minimum C/I required 이동단말기의이동경로와이동속도는도로구조에의해영향을받으며방향의변화및속도 의변화는이동단말기의이동패턴을지배한다. 이동단말기의유형에따라고속의이동단말기 와저속의이동단말기로분류하였고저속이동단말기(25%), 즉보행자는정지상태(50%) 와보 행중인상태(50%) 로분류하고고속이동단말기(75%) 는, 즉차량으로분류한다. 고속이동단말기 의이동방향은직진, 좌/ 우회전그리고 U 턴을고려하였다. 좌/ 우회전은직진상태로진행하던이 동단말기가블록에서좌/ 우회전을수행한후다시직진으로진행하는상태를나타낸다. U턴은직 진상태로진행하던이동단말기가한블록에서 U 턴한후역으로직진하는상태를나타낸다. 이 동단말기의속도는일양분포 (uniform distribution) 로결정한다. 이동속도를정지(0 km/hr), 보 행(3~5 km/hr), 자가용(30~100 km/hr), 버스(10~70 km/hr) 로분류하고운행동안동일한속도 를유지한다고가정하였다. 세션의시도는셀내에서고르게발생하며, 세션의발생은포아송분 포 (poisson distribution), 핸드오프발생은평균 75% 인포아송분포를따른다. 멀티미디어트래픽 에대한영향을분석하기위하여, 패킷전송율, 전송지연, 그리고패킷손실률에근거하여표 2에 보인바와같은여섯가지의서비스를고려하였다. 그림 3 은세션도착율에대한핸드오프실패율을보인다. 기존의핸드오프방법은 MAHO 방법 을사용하며, 시스템과관련한고려사항은제외되었다. 소형셀환경, 고속의이동성, 그리고 75% 이상의핸드오프를고려했다. 기존핸드오프방법을위환경에적용할경우, 핸드오프실패율이 현저히증가하는데이는핸드오프처리시간의부족으로인해핸드오프를완료하지못하는상황 이발생하기때문으로판단된다. < 표 2> 멀티미디어서비스 - 7 -

8 Application Packet rate Transmission Packet loss rate delay (%) High Quality Voice 32K 150ms 0.5 VOD, Digital TV 10-20M 150ms 1 Image Conference K 150ms 1 www < 2M 20s 0 Electronic Commerce K 4s 0 FTP < 20M 10s 0 이에비하여제안된핸드오프방식은트래픽부하 0.02이상에서는기존핸드오프방식에비하여 핸드오프실패율이현저히감소함을알수있다. 단지제안된방안의핸드오프실패는 GPS 분석 오류 (resolution error) 가주요인으로분석된다. 이동방향예측의오류는이런 GPS 위치추정오 류에기인하고핸드오프실패의원인이된다. 제안된핸드오프방법은핸드오프셀을미리예측함 으로서핸드오프요구의발생전에핸드오프설정과정을미리수행함으로서핸드오프지연으로 인한핸드오프실패를줄일수있다. Handoover failure rate with Prediction without Prediction Session arrival rate (sec) ( 그림 3) 핸드오프실패율의비교 5. 결론 본논문은고속의전송율로다양한멀티미디어서비스를수용하는차세대이동통신망에서핸드 오프지연에의한연결서비스의절단을최소화하기위해, 이동단말기의셀내위치와이동방향 정보를이용하여핸드오프셀을선택하고, 핸드오프요구전에핸드오프절차를미리수행함으로 써핸드오프실패를방지하는방안을제안하였다. 제안된방법의성능을평가하기위하여핸드오 프실패율을주요성능척도로규정하고, 기존의핸드오프기법과비교분석하였다. 시뮬레이션에 - 8 -

9 의하면기존의방법들에비하여성능이우수함을확인하였다. 참고문헌 [1] Yu Cheng and Weihua Zhuang, "Diffserv Resource Allocation for Fast handover in Wireless Mobile Internet," IEEE Communication Magazine, May 2002, pp [2] GPS Based Predictive Resource Allocation in Cellular Networks [3] AbdulRahman Aljadhai and Taieb F. Znati, "Predictive Mobility Support for QoS Provisioning in Mobile Wireless Environments," IEEE J. Select. Areas Commun., Vol. 19, No. 10, Oct. 2001, pp [4]. W. C. Y. Lee, "Smaller cells for greater performance," IEEE Commun. Mag., pp. 1923, Nov [5] M. Ergen, S. Coleri, B. Dundar, A. Puri, J. Walrand, and P. Varaiya, "Position Leverage Smooth handover Algorithm", IEEE ICN 2002, Atlanta, August [6] C.L.Tan,S.PinkandK.M.Lye."A Fast Handoff Scheme for Wireless Networks", ACM/IEEE WoW-MoM,1999. [7] B.Liang and Z. J. Hass, "Predictive Distance-Based Mobility Management for PCS Network", In Processing of IEEE INFORCOM'99, pp ,. [8] T. Liu, P. Bahl, and I. Chlamtac, "Mobility Modeling Location Tracking, and Trajectory Prediction in Wireless ATM Networks," IEEE J. Select. Areas Commun., Vol. 16, No. 6, 1998, pp

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DBPIA-NURIMEDIA 논문 10-35-03-03 한국통신학회논문지 '10-03 Vol. 35 No. 3 원활한 채널 변경을 지원하는 효율적인 IPTV 채널 관리 알고리즘 준회원 주 현 철*, 정회원 송 황 준* Effective IPTV Channel Control Algorithm Supporting Smooth Channel Zapping HyunChul Joo* Associate