Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 13, No. 11 pp. 5458-5464, 2012 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2012.13.11.5458 B3G 이종액세스망에서의자원관리프레임워크연구 이종찬 1, 이기성 2* 1 군산대학교컴퓨터정보공학과, 2 호원대학교컴퓨터 게임학부 The Design of Framework for Resource Management in B3G Heterogeneous Access Networks Jong-Chan Lee 1 and Gi-Sung Lee 2* 1 Dept. of Computer Information Eng., Kunsan National University 2 Div. of Computer and Game, Howon University 요약상이한망이공존하는 LTE-Advanced에서기존음성서비스에적용된절차적이고정적인제어방식으로는서비스연속성을효과적으로지원하는것은현실적으로어렵다고여겨진다. 본연구에서는 지원을기반으로서비스연속성을효과적으로지원하기위한자원관리프레임워크를제시하고자한다. 제안된자원관리프레임워크는이동단말기및기지국의상태정보변화에따라관련기능- ISHO, 셀선정, 자원할당, 부하제어, 매핑등-의설정을동적으로제어하고, 각각의기능들이변화에적응하여조정되고재구성하는과정을주고받으면서서비스연속성을만족시키기위하여상호작용한다. 이를위하여 4 종류의 ISHO를지원하기위한각모듈간의연계순서도를기술하고, ISHO 시나리오가고려된다. Abstract In LTE-Advanced that different networks coexist, it is considered that it is actually difficult to provide service continuity with a procedural and static control method applied to the existing voice service. This research suggests a resource management framework to support the service continuity effectively based on support. In other words, as context information of mobile terminal and base station changes, set-up of related functions such as ISHO, cell selection, source allocation, load control, and mapping is adapted; each function fits into the change, exchanges the process of reorganization, and interacts; these actions go toward to satisfy service continuity. For this aim, the sequence diagram between the function modules for supporting four kind of ISHO is described and then a scenario for ISHO is considered. Key Words : LTE-Advanced, ISHO, Resource Allocation, PEP, PDP 1. 서론 WCDMA 망이 R6까지발전하면서다운링크 (downlink) 14.4Mbps, 업링크 (up-link) 5.8Mbps의고속데이터를지원할수있게되었지만, 향후 4세대이동통신으로진화하기위해서는망의구조와성능을높여야할필요성이제기되었다. 이에따라 ITU는 4G 이동통신기술을 IMT-Advanced로규정하고, 높은전송률, 망융합, 끊임 이논문은 2011년도군산대학교교수장기국외연수경비의지원에의하여연구되었음 * Corresponding Author : Gi-Sung Lee Tel: +82-10-2866-5170 email: ygslee@howon.ac.kr 접수일 12년 09월 04일수정일 12년 10월 04일개재확정일 12년 11월 08일 없는연결 (seamless connection) 등을특징으로정의하고있으며, 현재위의요건을충족시키는기술로서 3GPP의 LTE(Long Term Evolution)-Advanced가주목받고있다 [1-3]. LTE-Advanced에서는 Hot-spot( 예를들어 WiFi) 영역위주로고속데이터통신을지원하고, Hot-spot 이외의지역에는기존의시스템과의연동을통해어느지역에서든하나의 MT로 Terminal mobility와 Session mobility 시에서비스연속성을제공해야한다. 그러나상 5458
B3G 이종액세스망에서의자원관리프레임워크연구 이한망이공존하는 LTE-Advanced에서서비스연속성을효과적으로지원하는것은현실적으로어려운문제로서 LTE-Advanced 망을형성하는리소스및망의형상 ( 대역, 에러율등 ) 들이가변적으로변하기때문에기존음성서비스에적용된절차적이고, 인위적이고, 정적인제어방식으로는제어가불가능하다고판단하고있다. 특히다양하고이질적인통신시스템들은 All-IP 기반의다중망을통하여연동되며 [4-7], 이러한 All-IP 기반멀티미디어응용을효율적으로지원하기위하여이종으로구성되는액세스망에서의자원관리 (resource management) 가중요한문제가된다. 다양한유무선시스템들의 IP 기반의백본에연결되어있는구조에서사용자및운영자가원하는 를제공하기위해서는응용의특성에따라소스및대응단말이접속하는접속망에서의효율적인자원관리방안의제공이필수적이다 [7-9]. 따라서다양한이종의액세스망들이공존하는융합망환경에서 TE/H-BS/H-AN/IP-CN에위치하는계층별자원관리블록간의연계성을갖는자원관리망을구축하고시스템운영자의자원운영정책과망의상태에따라적응적으로자원을관리함으로서사용자및운영자가원하는목표품질을보장하고, 계획된유효서비스영역을유지하고, 높은시스템용량을제공할수있다. 이를위하여정책기반의자원관리 ( Adaptive Resource Management; 이하 QARM) 프레임워크를제안한다. 또한이를기반으로 MT의이동및현재상태그리고이종망의상태등에따라 3 종류의시스템간핸드오버 (inter-system handover; 이하 ISHO) 를지원하기위한, 각모듈간의연계순서도및 ISHO 시나리오를제시한다. 이는 3 종류의 ISHO 특성에따라, 망관리자의이종망운영정책에근거하며, 자원관리기능들이가변적으로변화하고이변화된자원관리기능들을적용함으로서, 최적의성능을갖도록한다. 2. 이종망과 QARM QARM의정책응용계층은 RM-PMT( Management Tool) 로서자원관리정책을지시하고변경하고디스플레이하는사용자인터페이스를제공한다. 또한관리되고있는장치의자원관리상태를표시한다. 정책제어계층은 RM-PR( Repository) 와 ( Decision Point) 로구성된다. RM-PR은정책정보를저장하고입출력하는디렉토리서비스저장장치이고, RM- PDP는실제정책을결정하고각각의하위기지국에결정된정책을전달하는장치이다. (RM- Enforce- ment Point; 이하 ) 는실제자원관리가발생하는부분이다. 이부분이실제정책실행점이되며정책서버가실제각이종망의상황을모니터링하고각정책에대한데이터베이스를가지고있어서이종망각각의기지국에대하여세션제어 (session control), 제어 ( control), 핸드오버제어등을망상황에따라동적으로제어하게된다. 정책서버와하위기지국과의통신은 COPS를사용한다. 이러한정책은사람이이해할수있는형태로망관리자에의해 RM-PMT를사용해서만든다. RM-PMT는이를해석하여시스템에알맞은형태로 RM-PR에다시저장한다. 는복잡한정책변환과해석을통해정책결정을수행하고 는 가보내준정책결정에따라그에맞는자원관리를수행한다 [10]. WLAN Session Control Decision COPS Client control Request Handover Control Server Management Tool Event Detection Device Discovery Decision Device Configuration COPS Server Decision Session Control Request COPS Client LDAP control Handover Control 3GE-AS Repository User information information [ 그림 1] 정책교환 ( ) [Fig. 1] Exchange ( ) 그림 1과같이 와 간에정책교환및설정을위해 COPS를사용한다. COPS는급변하는이종망상황에따라또는가입자가입조건의변화에따라동적으로정책이바뀌는경우에사용한다. 동적으로이벤트가발생하면 는즉시정책을결정하고 COPS 서버를사용하여그정책이필요한 ( 하위의기지국또는제어국 ) 의 COPS 클라이언트에게 COPS 프로토콜을사용하여정책- 세션제어, 제어, 핸드오버제어를요구한다. 3. 의자원관리프레임워크 3.1 기반구조 QARM 은서비스제공을위하여 SLA(Service Level 5459
한국산학기술학회논문지제 13 권제 11 호, 2012 Agreement) 기반의 관리방안을적용한다. SLA가사용자와의계약에의하여생성될때, 각망에서자원을제공하거나할당하기위하여제공되는한개이상의 SLS(Service Level Specifications) 가생성된다. SLS로부터의 파라미터는 QARM에전송되고, 이를근거로하여, 사용자의 수준이각이종망에서제공된다. 본연구에서제안한 QARM의구조가그림 2에보인다. 동일한 수준을유지할수없다면 재협상 (Renegotiation) 이필요하다. M-ISHO adapter는이러한 M-ISHO 시의 조정에관여한다. 로부터 ISHO 요구에대한 COPS REQ를수신한 의 IA monitor는정보분석을수행하고, 이결과를 IA ruler 에게전송한다. IA ruler는분석결과가조건에부합할경우, 정책규칙 (rule) 을 M-ISHO admitter에게전송하고, M-ISHO는수락여부를결정하며, Cell selector에서 ISHO할최적의셀을선정한다. IA Monitor MISHO Ruler MISHO Cell Admitter Selector MISHO Adapter Renegotiator (MISHO_REQ) misho_req_ruler misho_req_admitter misho_req_selector misho_req_adapter adaptation misho_req_renego renegotiation misho_ack_renego misho_ack_adapter [ 그림 2] 자원관리를위한 모듈 [Fig. 2] for Resource Management 3.2 의핸드오버관련제어구조 이종망상에서발생하는 ISHO는이동을통한핸드오버뿐만아니라셀내에서서비스중에 가저하될경우, 특정접속망의부하가가중할경우그리고높은수준의 로의요구가발생할경우에발행할수있다. 각기다른특성을갖는 ISHO의수용여부를결정하기위하여 ISHO admitter는 4 개의하위모듈을두고, ISHO 요구를처리한다. 이종망에서고려해야할 ISHO를분류하면표 1과같다 [11-16]. [ 표 1] ISHO 의분류 [Table 1] Classification of ISHOs 기능 U-ISHO (Upgrading ISHO) M-ISHO (Moving ISHO) B-ISHO (Balancing ISHO) D-ISHO (Degrading ISHO) 역할 증대요구에의하여발생 MT 의이동에의하여발생 특정셀또는접속망의부하가가중할경우에발생 저하 ( 전송지연, 패킷손실 ) 에의하여발생 3.2.1 M-ISHO 처리절차 M-ISHO 시에고려해야할사항은세션에대하여정해진 수준에대한재정의이다. 만일 ISHO 이후에도 (MISHO_ACK) Enforcement misho_ack_selector misho_ack_admitter misho_ack_ruler [ 그림 3] QARM 에서의 M-ISHO 처리절차도 [Fig. 3] M-ISHO procedure in QARM 이후, 선정된이종망셀로의 변경을요구한다. 변경요청을받은 M-ISHO adapter 는선정된핸드오버셀에서제공가능한 수준을결정하고, 해당세션에대해 에적합한자원을할당한다. 하지만만일서비스 수준변경이불가피할경우세션에대한재협상을수행한다. 그림 3에 M-ISHO 처리절차를보인다. 3.2.2 B-ISHO Load balancer에의하여이루어지는부하분산은특정셀에트래픽과부하발생할경우동일한 를유지하면서이종망으로의 ISHO를통하여부하를분산시키는기능을수행한다. 만일동일한 를유지하면서다른이종망으로의부하분산 (load balancing) 이가능하다면일부세션에대한 ISHO이가능하다. 그림 4는이종망으로의부하분산과정을보이고있다. LB monitor의정보분석에의하여과부하 (overload) 가감지되면이를 LB ruler에게통보하여정책결정을받는다. Load balancer는정책규칙에근거한우선순위에의하여 ISHO를수행할서비스세션들을선정한후, 선정된세션에대하여 B-ISHO 수락여부결정, 셀선정, 5460
B3G 이종액세스망에서의자원관리프레임워크연구 조정, 그리고재협상이필요하다면 재협상을통하여부하제어과정을수행한다. Reporting information (BISHO_REQ) Enforcement LB Monitor bisho_req_ruler bisho_ack_ruler LB Ruler bisho_req_balancer bisho_ack_balancer Load Balancer Balancing decision BISHO Admitter bisho_req_admitter Cell Selector bisho_req_selector bisho_req_adapter BISHO Adapter adaptation bisho_req_renego Renegotiator bisho_ack_renego bisho_ack_adapter bisho_ack_selector bisho_ack_admitter [ 그림 4] QARM 에서의 B-ISHO 처리절차도 [Fig. 4] B-ISHO procedure in QARM 3.2.3 U-ISHO 처리절차 renegotiation 세션의 상승요구로인하여 U-ISHO를수행할수있다. MT로부터 향상요구가발생하면, 는 에게 COPS REQ 메시지를보낸다. 향상에관한 COPS REQ 메시지를수신한 는이미설정된정책규칙을통해알맞은정책결정을하고해당 에게정책에맞는실행을할수있도록정책정보를포함하여 메시지를전달한다. COPS DEC 메시지를받은 는이정책결정에맞는행동 (action) 을실행하고 메시지를 에게되돌려보낸다. 그림 5에그절차를보인다. 4. 시나리오 4.1 M-ISHO 시나리오 기존의핸드오버처럼 MT가서비스지역을벗어나면서발생하는신호세기기반의 ISHO이다. 만일 WiFi이 LTE-AS 지역내부에설치되어있다면, 이경우발생하는 ISHO는 WiFi에서부터 LTE-AS로의핸드오버이다. 이과정을그림 6에보인다. MT가 WiFi 지역을벗어난다면 WiFi AP로도달하는전파의신호세기가낮아지면서 LTE-AS의 E-Node B로부터의신호세기가증가한다. MT는 M-ISHO REQ 메시지를 WG(WiFi Gateway)-PEP를경유하여 에게전달한다. 는 E-SN-PEP에게 M-ISHO를위한연결설정에대한요구와 MT에대한정보를제공하고, E-SN-PEP는 E-SN과 Node B에대해핸드오버에대한연결재설정을요구한다. 이를통하여 LTE-AS 망에서 MT 에대한새로운연결설정및자원할당이수행되며, 이결과를 에전송한다. 연결에대한승인을받은 는 E-SN-PEP를통하여 MT에대해 ISHO의성공적인수행을유도한다. MT AP WG-PEP E-SN-PEP E-Node B MISHO_REQ COPS REQ (MISHO_REQ) MISHO admission, Cell selection, Qo S adaptation (MISHO_ACK) MISH O_ACK (CONF_REQ) CONF_REQ Bearer & connection setup CONF_ACK (CO NF_ACK) (CO NF_COMP) CO NF_COMP WLAN Detachment IA Monitor UISHO Ruler UISHO Cell Admitter Selector UISHO Adapter Renegotiator COMP_ACK MT movement (UISHO_REQ) uisho_req_ruler 3GE-AS Attachment HA ND OV ER_CO MP (UISHO_ACK) Enforcement uisho_ack_ruler uisho_req_admitter uisho_req_selector uisho_req_adapter adaptation uisho_req_renego renegotiation uisho_ack_renego uisho_ack_adapter uisho_ack_selector uisho_ack_admitter [ 그림 5] QARM 에서의 U-ISHO 처리절차도 [Fig. 5] U-ISHO procedure in QARM [ 그림 6] M-ISHO 시나리오 [Fig. 6] M-ISHO Scenario 4.2 U-ISHO 시나리오 U-ISHO는기존의 MT의이동에의한 ISHO가아닌종단간 상승을위하여수행하는핸드오버로서세션의서비스중에다른중첩된이종망으로 상승을위하여세션의 ISHO를수행해야한다. LTE-AS에서 WiFi로 상승을위한 U-ISHO를수행하기위해서는, WiFi에서는 LTE-AS의서비스수준보다더높은트래픽전송수준을제공해야한다. 또한 WiFi에서심각한트래픽과 5461
한국산학기술학회논문지제 13 권제 11 호, 2012 부하로인하여정상적인서비스가어려울경우 LTE-AS 로의서비스전환을수행해야한다. 그림 7은 LTE-AS 망에서 MT가 상승을위하여 WiFi으로 U-ISHO를수행하는절차를보인다. MT가 LTE-AS에서 WiFi 지역에진입할경우또는 LTE-AS와 WiFi의중첩지역에있을경우, 수준을높이기위하여 U-ISHO를수행할수있으며, 이를위하여 상승을위한 ISHO 요구메시지를 E-SN-PEP에게전달한다. U-ISHO 요구메시지를받은 E-SN-PEP는 에게요구메시지를전달하고, 는 상승을위한자원상태를조사하고 상승이가능하면, 이를 E-SN-PEP에게회신하고 WG-PEP를통하여 WiFi에서 U-ISHO를위한연결설정및자원할당을수행한다. 연결설정후에 MT에대해 상승을위한 ISHO 수행을전달한다. 만일 WiFi에서의트래픽과부하로인하여 상승이여의치않을경우 U-ISHO admitter가 상승을위한 MT의 ISHO 요구를거절한다. U-ISHO admitter는자원점유지표와 MT의외부프로파일을참조하여해당네트워크의자원상태를확인한후에, ISHO 수락여부를결정하고이를 MT에게전달한다. MT E-Node B E-SN-PEP WG-PEP AP 종망에서는부하분산에의하여망의이용률을높일수있다. 여기서고려해야할사항은부하분산수행여부의판단으로서, 이는수행에대한시점과가능성을말한다. 수행시점은셀의과부하를감지하고 B-ISHO 여부를결정하는시점을의미하고, B-ISHO 가능성은 B-ISHO가결정된세션과동일한 의제공여부를의미한다. MT AP BISHO_REQ BISHO_ACK WLAN Detachment CONF_COMP COMP_ACK [ 그림 8] B-ISHO 시나리오 [Fig. 8] B-ISHO Scenario WG-PEP E-SN-PEP E-Node B (BISHO_REQ) (BISHO_ACK) (CONF_COMP) MT movement BISHO admission, Cell selection, adaptation (CONF_REQ) (CONF_ACK) CONF_REQ Bearer & connection setup CONF_ACK 3GE AS Attachment HANDOVER_COMP UISHO_REQ UISHO_ACK CONF_COMP 3GE-AS Detachment COMP_ACK COPS REQ (UISHO_REQ) UISHO admission, Cell selection, adaptation (UISHO_ACK) (CONF_REQ) CONF_REQ Bearer & connection setup CONF_ACK (CONF_ACK) (CONF_COMP) MT movement WLAN Attachment HANDOVER_COMP B-ISHO는 LTE-AS에서 WiFi, WiFi에서 LTE-AS로발생할수있다. 과부하가감지되면 Load balancer는우선순위에근거하여 ISHO를수행할세션들을선정한후, 선정된세션에대하여 B-ISHO 수락여부결정, 셀선정, 조정, 그리고재협상이필요하다면 재협상을통하여부하제어과정을수행한다. 이를그림 8에보인다. 우선순위를근거로이종망으로 B-ISHO를권고받은 MT는, B-ISHO 승인메시지를 WG-PEP를통하여 RM- PDP에전달하고, 는 E-SN-PEP를통하여연결설정및자원할당을요구한다. 이에따라, LTE-AS 에서 MT에대한새로운연결설정및자원할당이수행되며, 이결과를 에전송하고, 연결에대한승인을받은 는 U-ISHO를수행한다. [ 그림 7] U-ISHO 시나리오 [Fig. 7] U-ISHO Scenario 4.3 B-ISHO 시나리오 의 LB monitor는정책활성화조건 (condition of firing policy; CFP) 에근거하여수집된정보를분석하고, 분석결과에따라 는 B-ISHO를수행한다. LTE에서의부하분산은이종망을구성하는각각의망에서발생하는트래픽과부하에대한처리방안으로서, 이 5. 결론 LTE-Advanced에서는 Hot-spot 영역위주로고속데이터통신을지원하고, Hot-spot 이외의지역에는기존의시스템과의연동을통해어느지역에서든하나의이동단말기로단말이동과세션이동시에서비스연속성을제공해야한다. 이를위하여본연구에서는정책기반의 5462
B3G 이종액세스망에서의자원관리프레임워크연구 자원관리프레임워크를제안하고이를기반으로 4 종류의 ISHO를지원하기위한, 각모듈간의연계순서도및 ISHO 시나리오를제시하였다. 향후본논문에서제안된 ISHO 구조의구체화및알고리즘을고도화하기위한세부적인연구가필요하다. References [1] Hyun-Ho Choi; Dong-Ho Cho., Takeover: a new vertical handover concept for next-generation heterogeneous networks, IEEE Transaction on Vehicular Technology, Vol. 4, pp 2225-2229, June 2005. [2] K. Ayyappan and R. Kumar, " Based Vertical Handoff Scheme for Heterogeneous Wireless Networks," International Journal of Research and Reviews in Computer Science, Vol. 1, No. 1, pp. 1-6, 2010. [3] S. Frattasi and H. Fathi, "Defining 4G Technology from the User's Perspective", IEEE Network, Vol. 20, Issue 1, pp. 35-41, Jan.-Feb. 2006. [4] A.H. Khan, M.A. Qadeer, J.A. Ansari, and S. Waheed, "4G as a Next Generation Wireless Network," International Conference on Future Computer and Communication, pp. 334-338, Apr. 2009. [5] S. Ryu, D. Oh, G. Sihn, and K. Han. "Research Activities on the Next Generation Mobile Communications and Services in Korea," IEEE Communications Magazine, Vol.43, No.9, pp.122-131, September, 2005. [6] D. Lee and J. Lee, "Handover Control Method Using Resource Reservation in Mobile Multimedia Networks," IEICE Transaction on Communications, Vol. 92-B, No. 8, pp. 2684-2697, Aug. 2009. [7] Simone Frattasi, Hanane Fathi., "Defining 4G Technology from the User s Perspective," IEEE Network, Volume 20, Issue 1, January.-Feburary. pp. 35-41, 2006. [8] P.Khadivi, T.D.Todd, S.Samavi, H.Saidi and D.Zhao, Mobile Ad Hoc Relaying in Hybrid LAN/Cellular Systems for Dropping Probability Reduction, Proceedings of the 9th CDMA International Conference (CIC 2006), Korea, pp.25-28, March 2006. [9] K.Ayyappan and R. Kumar, " Based Vertical Handoff Scheme for Heterogeneous Wireless Networks," International Journal of Research and Reviews in Computer Science (IJRRCS), Vol. 1, No. 1, pp. 1-6, 2010. [10] J. Lee, G. Lee, "An End-to-End Control Method for Heterogeneous Networks, Korea Academy-Industrial Cooperation Society," Vol. 10, No. 10, pp. 2715-2720, Oct. 2009. [11] G. Lee, S. Jeong, J. Lee, S. Park, "A -based Resource Management Framework for Improvement of Mobile Terminals in heterogeneous Network," Korea Society of Computer Information, Vol. 15, No. 11, pp. 125-133, Nov. 2010. [12] Ki-Young Cho, Ho-Seok Nam, Seung-Cheon Kim, Jun-Nyun Kim, "A Study on the Performance Analysis of Wireless Networks for Mobile Convergence in V2V Environments", Journal of The Institute of Webcasting, Internet and Telecommunication, VOL.11, No.3, pp. 161-168, June, 2011. [13] Hae-SeongCho,Ju-PhilCho, "Implementation of Wireless Automatic Control System for Vehicle Interior Environment", Journal of The Institute of Webcasting, Internet and Telecommunication, VOL.10, No.5, pp. 287-291, October, 2010. [14] Jong-Young Ahn, Young-Sub Kim, Sung-Su Kim, Kang-In Hur, "A study on Non-contacted Transmitter Switch for Vehicle", Journal of The Institute of Webcasting, Internet and Telecommunication, VOL.10, No.5, pp. 245-249, October, 2010. [15] JunyoungHeo, "-guaranteed Routing for Wireless Sensor Networks", Journal of The Institute of Webcasting, Internet and Telecommunication, VOL. 11, No. 6, pp.23-29, December, 2011. [16] Sun-Jin Oh, "Design and Evaluation of a Weighted Intrusion Detection Method for VANETs", Journal of The Institute of Webcasting, Internet and Telecommunication, VOL.11, No.3, pp. 181-188, June, 2011. 이종찬 (Jong-Chan-Lee) [ 정회원 ] 1996 년 8 월 : 숭실대학교컴퓨터공학과 ( 공학석사 ) 2000 년 8 월 : 숭실대학교컴퓨터공학과 ( 공학박사 ) 2000 년 10 월 ~ 2005 년 4 월 : 한국전자통신연구원선임연구원 2005 년 4 월 ~ 현재 : 국립군산대학교컴퓨터정보공학과부교수 < 관심분야 > 차세대이동통신, 센서네트워크, 무선멀티미디어 5463
한국산학기술학회논문지제 13 권제 11 호, 2012 이기성 (Gi-Sung Lee) [ 정회원 ] 1993 년 2 월 : 숭실대학교컴퓨터공학과 ( 공학사 ) 1996 년 8 월 : 숭실대학교컴퓨터공학과 ( 공학석사 ) 2001 년 8 월 : 숭실대학교컴퓨터공학과 ( 공학박사 ) 2001 년 9 월 ~ 현재 : 호원대학교컴퓨터 게임학부교수 < 관심분야 > 이동멀티미디어통신, 모바일컴퓨팅, 컴퓨터네트워크보안 5464