1. 서론 현재무선환경은이동통신망의발달과새로운네트워크의개발및배치로여러 네트워크들이중첩되어있다. 앞으로대표적으로널리퍼져있는 CDMA2000 이동통 신망과 Hotspot지역을중심으로서비스되고있는 WLAN, 국내상용화를앞두고있 는 WiBro 등이각각의특성에맞게배치되어서비스되리라예상된다. 또한현재국 내에서는정부차원의사업으로사용자에게다양한접속망을통한고품질의멀티미 디어서비스를제공하기위한다양한네트워크의융합및통합화가진행되고있다. 이를위해네트워크의구조및이동성제공방안, AAA, QoS등과같은문제해결을 위한통합방안들이계속해서제안되고있다. 하지만, 각네트워크간의상이한서 비스제공범위, 표준및규격으로인해, 단기간내의네트워크통합은어려울것으 로보이며, 현재무선네트워크통합방안에대한연구보다는각네트워크구성요 소들의연동을통한서비스제공에대한연구가주를이루고있다. 이러한연구들 은주로가장넓은영역에퍼져있는 WLAN 의연동을중심으로이루어지고있다. CDMA2000과꾸준한성장을보이고있는 한편, 현재대용량의멀티미디어데이터전송과이동성제공을요구하는사용자 의요구에따라무선및이동환경에서보다높은대역폭의서비스를제공하기위 하여 IEEE 802.16 을비롯한많은규격들이제정되고있으며, 국내에서는한국정보 통신기술협회(TTA) 주관하에 60Km/h의이동성과 50Mbps의데이터서비스를위 한 WiBro 가규격화되고상용화를앞두고있다. WLAN에비해넓은서비스제공 범위및이동성을가지고있는 WiBro가차세대무선접속망으로써의위치를대신 할것으로예상되며, CDMA2000 이동통신망과상대적으로 CDMA2000 이동통신 망에비해고속의데이터전송과저렴한비용으로서비스가가능한 WiBro간의연 동은 WLAN과 CDMA2000 이동통신망간의연동에비해이동성제공, 서비스제 공범위, 비용등의측면에서우세할것으로기대대고있다. 이와같은다양한네트워크간의연동이중요시되면서, 사용자측면에서끊김없 는서비스를제공받기위해서는단지연동구조뿐만아니라연동구조에서단말의 - 1 -
이동을위한핸드오프방안이필수적이다. (Homegeneous Network) 에서이미사용되고있는 현재가장일반적인방법으로동종망 Mobile IP를사용하는방안이존 재하며, Mobile IP의패킷손실및딜레이를감소하기위한 Fast Handoff와같은방 안들이주로사용된다. 이와같은방안들은 L3기반의메시지를서로주고받아핸 드오프를수행하는것으로 L3 메시지의전달하기까지의간격동안의패킷손실과딜 레이가존재할수있다. 본논문에서는이와같은 L3방안들에대한문제점을개선 한 L2 메시지를사용하는 L2 핸드오프방안을제안한다. 본논문의구성은다음과같다. 2 장에서는관련연구에대한내용을기술한다. 2,1절에서는현재활발하게이루어지고있는 3G-WLAN간의연동표준화동향에 대해기술하고, 2.2절에서는기존연구동향에대해기술하고 2.3절에서는이에적 용되는이동성관리기술에대해언급한다. 3장에서는제안하는 L2 핸드오프방안 에대해상세히기술한다. 4장에서는제안한 L2 핸드오프방안에대한성능평가를 기술하고, 마지막으로 5 장에서는본논문의결론를기술한다. - 2 -
2. 관련연구 2.1. 3G-WLAN 연동표준화동향 초기, 3G와 WLAN 을보완재(complementaty) 로볼것인가혹은대체재 (substitutes) 로볼것인가에대한다양한시각이있었으나, 최근에는상호보완관계 로보는시각에지배적이다. 일반이동단말에서는 3G 로서비스하고, 이동단말이특 정 Hot Spot에들어가는경우 WLAN 서비스를받도록하는시나리오로주류를이 루고있다. 3GPP는 99년완성된 Release 99를시작으로 2002년 6월 Release 5을발표하였고 현재 Release 6 의표준화를진행중이다. 멀티미디어전송을위한새로운효율적인 서비스지원구조의도입 (MBPSS) 에대하여연구중이다. 3GPP의 MBPSS 표준 화는사업자들의요청에의해시작되었으며, 현재는 SA와 RAN을중심으로표준화 가진행중이나모든 Task Group 과관련된중요한표준이슈들중의하나이다. 현 재진행중인 Stage 2 작업에서는 MBPSS를제공하기위한기본적사항들만이결정 될예정이며, 세부적인기능과프로시저, 메시지, 프로토콜동작등은 2004년 3월 이후이루어질 Stage 3 작업을통해결정될것이다. 따라서사업자들이 MBPSS 서 비스를실질적으로제공하는것은 Stage 3 작업이충분히마무리되는 2005년초반 이후에나가능할것으로예상된다. 반면, HSDPA가 RAN에만영향이있었던것에 비해, MBPSS는 RAN, CN, T, SA, GERAN 등모든 working group들의표준에 영향을주므로실제서비스가능한시기는이보다더늦추어질가능성이높다. 현재 3G-WLAN 연동표준화는 ETSI BRAN 및 3GPP 등에서수행되고있으며, 연동을위해무선신호의연동, 단말지원, 인증및과금기술, 이동성및 QoS 지원 등과같은기술적인이슈들을고려하며, 단말에서 WLAN과 3G 이동통신망각각의 프로토콜및무선모듈을지원하며, 이동성지원을위한 Mobile IP 등의이동성관 리프로토콜의탑재가요구된다. 3GPP의 TR 22.934에서는 ETSI BRAN 보고서를 바탕으로 WLAN-3G 연동에대한요구사항및시나리오를 Loosely 연동과 Tightly - 3 -
연동의 6 단계로정의하고있다. 연동참조모델측면에서보면, 본래 3GPP에서는 접근제어 (access control) 기능을방문망 (Visited Network) 에서수행하는방안과 홈망 (Home Network) 에서수행하는방안을모두고려하였으나, 결국홈망에서접 근제어를수행하는방향을결론이났다. 한편과금관리는각망간에연동에의해 이루어진다. RAN 관점에서 3GPP Release 5의주요특징은 HSDPA와 IP-transport in the UTRAN 의도입이다. 전자는무선접속측면에서하향고속패 킷전송을가능하게하는방식이고후자는미래 All-IP 통신망의패러다임변화를 대비한초기단계의진화형태이다. Release 6에서는 Release 5의무선접속성능을 강화하기위해 MIMO, Beamforming 운멀티미디어서비스지원을위한 등의주파수효율증대기법과효율적인새로 MBPSS 등의표준화작업이이루어지고있다. 또한 Release 6 이후의시스템성능향상을위한 OFDM, Uplink Enhancement 등의 성능검증이진행중이다. 한편, 3GPP2에서는 3GPP와는달리 3GPP2에서는 Moble IP를이동성프로토콜로 써채택하였으며, 특히 Moble IP는 3G-WLAN 등의이종망간의로밍및이동성지 원에적절히사용될수있을것으로전망되지만, 3GPP2에서는아직 3G-WLAN 연 동에관련해 3GPP와같은세부적인시나리오등을정하고있지는않으며연동표준 화작업을추진하고있지않고, 다만연동요구사항을정의하는데그치고있다. - 4 -
2.2. 기존연구동향 본절에서는현재이루어지고있는 3G-WLAN간의연동을위한연구들에대해 소개한다. 현재 3G-WLAN 을위한별도의표준은존재하지않으며, 다만특정기업 이나단체들의주도하에연동을위한방안연구가활발히이루어지고있다. 또한, 이러한연구들은단말의이동성및끊김없는서비스제공을네트워크의구조적인 관점에서바라보고있다. 대표적으로 Lucent, Motorola, Ericsson, AT&T, Nokia, Alcatel 의연동방안에대한연구가진행되고있다. 현재 Lucent Bell 연구소에서는 CDMA2000 이동통신망과 WLAN의연동을중 심으로 Tightly coupled 연동방안과 Loosely coupled 연동방안두가지를제안하고 있다. 다음은 Lucent Bell 연구소의 Tightly coupled/loosely coupled 연동방안을나 타낸그림이다. 그림 1. Lucent Bell 의 Tightly/Loosely coupled integration - 5 -
Tightly coupled 연동방안에서 WLAN 은단지핵심망(Core Network) 에연결되어 있는하나의 3G RAN(Radio Access Network) 으로취급되어진다. 이경우 WLAN 의 Gateway는자신의 WLAN 네트워크를블랙박스화하여 3G의핵심망이하나의 3G RAN 으로인식할수있도록모든프로토콜을내장하여야한다. 이경우 3G 핵 심망의재구성이복잡하며고비용을필요로한다는단점이존재한다. 또다른방안 인 Loosely coupled 연동방안의경우역시새로운 Gateway가필요하다는것은동 일하지만 Gateway가 3G 핵심망에연결되는것이아니라 Global Internet으로직접 연결된다. Lucent에서는서로다른동작과프로토콜을사용하는 CDMA2000과 WLAN의끊김없는연동을위하여 IOTA라는 Gateway를구현하여제시하고있으 며, 이는이동성지원을위한 Mobile IP, 상호과금인증을위한 RADIUS AAA proxy 의기능, DHCP 서버등의기능을지원한다. 한편, Motorola에서는 GPRS와 WLAN 간의연동방안을제시하고있다. 역시 Tightly coupled 연동방안과 Loosely coupled 연동방안을제시하고있으며, Tightly coupled 연동방안의개념자체는 Lucent Bell 의그것과동일하다. 그림 2. Motorola 의 Tightly coupled integration - 6 -
단지 WLAN 네트워크가분산시스템에연결된여러 AP 를지니며, 기지국처럼동 작하는각 AP마다하나씩담당하는 BSS(Basic Service Set) 의집합인 ESS(Extended Service Set) 으로형성된다. WLAN 네트워크는일반 3G RAN과 3G 핵심망을연결하는표준 Gb 인터페이스 를통해 GPRS의핵심망에접근하게되고핵심망은 WLAN을하나의 3G RAN으로 인식한다. 이경우 GIF(GPRS interworking function) 이라는네트워크구성요소가 필요하게되는데, 이는표준 Gb 인터페이스를통해 WLAN의분산시스템과 SGSN 을연결한다. GIF는 3G 핵심망에 WLAN 네트워크를하나의 Cell로인식하도록동 작한다. Motorola의 Loosely coupled 연동방안에서 WLAN 네트워크는 GPRS 네 트워크가속해있는 Operator IP network 에속해있다. WLAN 네트워크의트래픽은 Operator IP network나일반 Internet 으로직접전송된다. 이접근방식의경우 Operator IP network 서비스를위한 SIM인증방식이 GPRS와 WLAN 네트워크모 두에제공되어야하며, GPRS와 WLAN 네트워크의통합된과금이요구된다. 이접 근방식에서 치를차지한다. CAG (Cellular Access Gateway) 라는네트워크구성요소가중요한위 그림 3. Motorola 의 Loosely coupled integration - 7 -
CAG는 WLAN 네트워크에서 GPRS 네트워크의 SIM 인증을사용하기위한 AAA 서버의기능을제공한다. Loosely Coupled 접근방식에서는이동성제공을위 해 Mobile IP 를사용할수있도록정의하고있다. Ericsson은구체적인연동방안보다는 ABC (Always Best Connected) 라는개념을 소개하고있다. 이개념은단말과여러많은네트워크(WLAN, Bluetooth, 3G 등) 를 이용하여사용자가다른환경에서도적합한네트워크를사용하여항상어플리케이 션에접속할수있도록하는것이다. ABC는비단네트워크와항상연결되어진다는 의미뿐만아니라여러네트워크에접속할수있는환경에서대역폭, 사용하고자하 는어플리케이션, 선호도등을고려하여사용자가현재가용할수있는네트워크 중가장적합한방법을사용하여연결되는것을의미한다. AT&T에서는 Internet Roaming system을제시하고있다이것은 corporate intranet, 네가지형태의무선네트워크(office, residential, public, WLAN, cellular 데이터네트워크), 그리고 Internet 을다룬다. 제시하는시스템의중심목표는 secure IP Mobility 다. 그림 4. Ericsson 의 ABC Concept 기능제공과상이한네트워크로이동시연결을유지하는것이 - 8 -
Internet Roaming system은 corporate intranet에위치하며무선네트워크와인트 라넷에접근하기위한모든인증서를저장하고 SMG의인증서버로써의기능과시 스템관리자에게각사용자의접근권한과인증서를관리할수있는인터페이스를 제공하는 VSA(virtual single account), public Internet과 corporate intranet 사이에 위치하며 VSA의도움을받아위치의추적과다른노드들과의패킷중계를하는 IPSec Gateway인 SMG(secure mobility gateway), 는 IRC(Internet Roaming client) 로구성된다. 사용자의컴퓨터에설치되어있 그림 5. AT&T Nokia에서는 GSM subscriber management와 billing mechanism을 WLAN access 기술과결합한 OWLAN(Operator WLAN) 이라고부르는솔루션을정의하고있다. OWLAN system은 terminal이시작한 IP 데이터서비스에대해 system complexity 를줄여서최적화를수행한다. 설치비용과그복잡도를줄이기위해 OWLAN는 존재하고있는 GPRS charging system 을이용한다. OWLAN 시스템의구조는 - 9 -
public LAN access 네트워크와 IP backbone을통해통신하는 cellular operate site 로구성되어있다. 가장주요한디자인은 IP protocol framework를사용해서 terminal에서 cellular site로전송하기위한표준인 GSM subscriber authentication signaling 이다. OWLAN system 은네가지의중요한물리적인요소들을포함한다: Authentication server, access controller, access point, mobile terminal. 시스템의 구조는 GPRS 네트워크와비슷하다. 각각의구성요소는 GPRS 네트워크에대하여 SGSN에대응되는 AS (Authentication Server), GGSN에대응되는 AC (Access Controller), BTS에대응되는 AP (Access Point) 이존재한다. OWLAN system에서 GPRS 네트워크와많이다른부분은cellular core로전송되는 control signal data이 다. Access controller는 public또는 private 서비스에접속하기위해쓰이는 user data packet을 IP backbone 으로바로보낸다. 이구조는 user IP traffic이 Home network로전달될때 cellular core를통하지못하게하여서 GPRS의 roaming complexity 를피하게해준다. 그결과 WLAN의운용은 cellular core의 load를덜어 주게된다. - 10 -
2.3. L3 핸드오프 이전절에서언급되어진많은 3G-WLAN의연동방안의공동점은실제적인이동 성제공방안이네트워크계층상에서이루어지는메시지교환을통해단말의이동 에따른핸드오프를지원한다는점이다. 다양한네트워크의진화과정이 All-IP 네트 워크로향하고있으며, 이에따라네트워크에서이동성관리는네트워크계층에서 담당하는것이일반화되어있다. 대표적인예로, MIP (Mobile IP), HAWAII, CIP (Cellular IP), DMA (Dynamic Mobility Agent), HMIP (Hierarchical Mobile IP) 등 이있다. 2.3.1. Mobile IPv4 본절에서는핸드오프시단말의이동성을보장할수있는 Mobile IP에대해기술 한다. 현재 Mobile IP는 IPv4와 IPv6에서적용될수있는두가지버전이존재하고 있으며, 본절에서는 MIPv4 에대해기술한다. 다음은 MIPv4 의구성요소및용어정의이다. - MN (Mobile Node) : 이동성을가지는단말을뜻한다. - CN (Correspondant Node) : MN 로패킷을전송/ 수신하는노드를뜻한다. - HN (Home Network) : MN에게 Home Address 를할당하며, MN을관리하는네트워크를 뜻한다. - FN (Foreign Network) - 11 -
: MN이현재방문하고있는 HN 를제외한네트워크를뜻한다. - HA (Home Agent) : MN의 HN에있는라우터중 MN 의등록정보를유지하며, MN이 외부네트워크에존재할경우 를뜻한다. MN으로의패킷전달을담당하는라우터 - FA (Foreign Agent) : MN의 FN에있는라우터중 HA와의터널링을통하여 MN에패킷을전달하는 역할을하는라우터 - Home Address : HA로부터할당받은 IPv6 주소로써하나의 MN은전체네트워크에서 유일한 Home Address 를가진다. - CoA (Care Of Address) : MN이외부망에위치할경우사용되는 IP주소로 FA의주소를 MN의 CoA로사 용한다. - Registration : MN이외부네트워크로이동하였을경우 HA에 CoA와단말의 Home Address를등록하는절차로이를통해 HA는 CoA와 Home Address의목록을유 지한다. Mobile IPv4 의기본개념은다음과같다. 단말은이동시자신의 Home Network에존재하는 HA에자신의 Home Address 와이동한네트워크에서획득한 CoA (Care of Address) 를전달하여갱신한다. HA 는이에대한리스트를유지하며, Home Network상의라우터에단말로의패킷을 - 12 -
자신에게포워딩하도록알린다. 이후 HA는수신된패킷을리스트에등록된 HA와 CoA 의매핑을통하여해당단말에전송한다. 그림 6. Mobile IPv4 CallFlow MN는외부네트워크의 FA의 IP Address를 CoA 로사용한다. 이러한 CoA는 Registration Request 메시지를통해 HA 로전달되어지고, HA은메시지내의정보 를통하여해당단말의 Home Address와 CoA로유지하고있는매핑테이블을갱 신한다. 이러한갱신절차를등록(Registration) 이라고하는데, 이에대한응답으로 HA는 MN에 Registration Reply 메시지를전달한다. 이후 CN이 MN의 Home - 13 -
Address 로패킷을전달하게되면, MN의 HN으로보내어진이패킷은 HA에게로 전달되어진다. HA는패킷의 Home Address로자신이유지하고있는매핑테이블을 대조하여해당 MN의현재 CoA 로패킷을전달한다. 이때 CoA의 FA와 HA간터널 이생성되며, FA는터널을통해전달된패킷을해당 MN 으로전달한다. 2.3.1.Fast Handoff for Mobile IPv4 본절에서는핸드오프시 Mobile IP의 HA까지의등록절차로인해발생하는패킷 손실을줄여보고자제안된 Fast Handoff 방안에대해기술한다. 현재 Mobile IPv4 에서적용될수있는 Low Latency Handoff는 IEEE의 RFC문서에서폐기되어있는 상태이며, 유사한개념으로 Mobile IPv6에서적용될수있는 Fast Handoff for Mobile IPv6가존재하고있으나본논문은전체적인네트워크를 정하고있으므로, Fast Handoff 의개념을적용시키도록한다. Mobile IPv4로가 그림 7 Fast Handoff for Mobile IPv4-14 -
기본개념은단말이새로운네트워크에접속하게되면 Handoff Initiated 메시지 를통해새로접속한 FA 에핸드오프를알리며, 터널생성을요청한다. 이때, 메시지 내에는단말이이전에접속하고있던 FA 의주소가포함되어야하며, 새로운 FA는 이전 FA로 Handoff Request를전달하고응답으로 Handoff Reply를받아서터널을 생성한다. 이후, HA이인터셉트된패킷을이전 FA로보내고이전 FA는이패킷을 받아새로운 FA 로전달한다. 단말은이후전송되는데이터가존재하지않을때등 록과정을수행할수있다. 등록과정이후, HA는새로운 FA 로패킷을전달한다. - 15 -
2.4. 기존연구분석 상기와같은관련연구들은모두연동방안에관해다루고있다. 실제로연동에대 한많은연구가이루어지고있는것이사실이나아직까지는이동성에관한연구가 많이부족한것은사실이다. 상기한연구에서역시일반적인 Mobile IP를사용하여 이동성을제공하는것이일반화되어있으며제시하고있으며, 개별적인방법으로 이동성을제공하도록되어있다. 현재모든네트워크가 All-IP로진화하는것을미 루어볼때, 이러한경향은몇몇방안에국한된것이아니라일반적으로적용되어 진다고보는것이타당하다. 또한, 대부분의연구가 3G 이동통신망과 WLAN 네트 워크간의연동으로이루어지고있으며, 현재 3G 이동통신망과 WiBro 네트워크간 의연동을다룬연구는많지않다. - 16 -
3. L2 핸드오프방안 3.1 L2 핸드오프네트워크구조 본절에서는 L2 핸드오프방안이적용되어지는네트워크구조에대해기술한다. 본논문이제안되는네트워크의구조는 3G 이동통신망중현재국내에널리퍼져 있는 3GPP2의 CDMA2000 이동통신망과곧국내에서상용화를앞두고있는 WiBro 네트워크간의연동망구조이다. L2 연결설정시사용되는 L2 메시지를사용하여핸드오프를수행하려는본방안에 서는 WLAN에서의적용은난해한면이있으므로본논문은 WLAN을제외한 CDMA2000과 WiBro 네트워크와의연동을기반구조로적용한다. 이때, 추가로필요 한네트워크개체는없다. 그림 8. Heterogeneous network Architecture - 17 -
3.2 L2 핸드오프개요 본절에서는 L2 핸드오프의개요에대해기술한다. 본논문에서제안하는 L2 핸 드오프방안에서각네트워크구성요소에추가되는기능은각각다음과같다. - PDSN은 ACR과터널을생성하기위해단말이이전에위치했던 WiBro의 Base Station ID를해당 WiBro의 ACR의 IP Address와매핑하기위한테이블을유지해 야한다. 또한 Origination message 상의핸드오프요청을처리할수있어야한다. - ACR은 PDSN과의터널을생성하기위해단말이이전에위치했던 CDMA2000의 panid (previous Access Network Identification) 를해당 CDMA2000의 PDSN의 IP Address 로매핑하기위한테이블을유지해야한다. 또한 WiBro initial Access 중 핸드오프요청을처리할수있어야한다. - MS은 WiBro 네트워크와 CDMA2000 이동통신망모두에접속할수있어야한 다. 듀얼모드의프로토콜스택과다중안테나가필수적으로요구된다. 본 L2 핸드오프방안은단말이네트워크에 L2 연결을수행하는동시에핸드오프 를위한 PDSN과 ACR간의터널을생성하여패킷손실을감소시키는방안으로 WiBro의 ACR과 CDMA2000의 PDSN 간의 P-P 인터페이스의사용을통해고속의 핸드오프를지원하는방안이다. 본방안에서사용되는프로토콜스택은다음과같 다. - 18 -
그림 9. 제안하는 L2 핸드오프방안의프로토콜스택 - 19 -
3.3 L2 핸드오프동작절차 본절에서는제안하는 L2 핸드오프의동작절차에대해기술한다. 본논문에서는 WiBro 네트워크와 CDMA2000 이동통신망간의핸드오프시나리오 를다음과같이정의한다. - 시나리오 1 : MS가 WiBro 네트워크에서발신 - 시나리오 2 : MS가 CDMA2000 네트워크에서발신 - 시나리오 3 : MS가 WiBro 네트워크에서 WiBro 네트워크로이동 - 시나리오 4 : MS가 CDMA2000 네트워크에서 CDMA2000 네트워크로 이동 - 시나리오 5 : MS가 WiBro 네트워크에서 CDMA2000 네트워크로이동 - 시나리오 6 : MS가 CDMA2000 네트워크에서 WiBro 네트워크로이동 - 시나리오 7 : MS가 WiBro 네트워크에서 CDMA2000 네트워크로이동 후 WiBro 네트워크로이동 - 시나리오 8 : MS가 CDMA2000 네트워크에서 WiBro 네트워크로이동 후 CDMA2000 네트워크로이동 시나리오 1과시나리오 2는일반적인단말의 WiBro 네트워크에서의발신및 CDMA2000 네트워크에서의발신과동일한다. 또한시나리오 3 및시나리오 4의경 우역시 WiBro 네트워크와 CDMA2000 네트워크에서이미정의된일반적인핸드오 - 20 -
프절차를따른다. 그림 10. 시나리오 1 : WiBro 네트워크발신 그림 11. 시나리오 2 : CDMA2000 이동통신망발신 - 21 -
위그림은시나리오 1과시나리오 2의일반적인 WiBro 네트워크와 CDMA2000 이동통신망에서의발신을나타낸다. 그림 12. 시나리오 7 : WiBro->CDMA2000->WiBro 그림 13. 시나리오 8 : CDMA2000->WiBro->CDMA2000-22 -
WiBro 네트워크시나리오 7과시나리오 8은시나리오 1과시나리오 2에서의 DHCP 과정과 PPP Setup 과정을생략한것을제외하고는동일하다. 그림 11과그림 12는시나리오 7과시나리오 8 의동작절차를나타낸다. 중심대상으로써고려되어야할대상은시나리오 5 및시나리오 6 으로, 본논문 이제안하는 L2 핸드오프의동작절차를설명하는데적합하다. 다음은시나리오 5의 동작절차를나타낸다. 그림 14. 시나리오 5 : WiBro-CDMA2000 Handoff 단말이초기부팅이되거나새로운망으로접속하게되면, 단말은새로운네트워 크를찾아내고네트워크와의연결을하기위한, L2 연결설정을수행하게된다. 이 때, L2 연결설정을위한메시지의교환이이루어지게되는데, 이러한메시지교환을 통해미리단말의핸드오프를알리고, L2 연결설정중새로운네트워크로의패킷 경로를확보하여패킷손실과지연을줄이고자하는것이본논문의요지이다. 시나리오 5에서보다시피 MS가 CDMA2000 네트워크로이동하게되면, 최초로 - 23 -
MS는 BTS로 Origination 메시지를전송하게된다. Origination 메시지는 CDMA2000 표준규격에제시된 L2 메시지로, Service Option필드를설정하고 Service Option 의가용한값을사용함으로써, 다른망으로부터의, 즉, WiBro 네트워 크로부터의발신임을알수있도록하며, 이를통해네트워크구성요소간의터널 을생성하도록한다. 양방향터널을생성해야하는구성요소는 Origination 메시지 를수신받은 CDMA2000 이동통신망의 PDSN과 WiBro 네트워크의 ACR 이다. 이 때, 터널생성을요청하는 PDSN은 ACR로의터널생성요청메시지를전달해야 하는데, 이를위해서는 PDSN은 ACR 에대한주소를획득해야한다. 이러한주소획 득방법으로는 CDMA2000에서사용되는 PREV_SID (Previous System Identification), PREV_NID (Previous Network Identification), PREV_PZID (Previous PacketZone Identification) 를 WiBro 네트워크의 Base Station ID와매핑 시키는방법을사용한다. WiBro 네트워크에서는 MS가초기에 Downlink에대한정 보를획득하기위해 DCD(Downlink Channel Description) 메시지를사용하며 DL-MAP (Downlink MAP) 내에 48비트의 Base Station ID 가정의되어있다. 또 한, CDMA2000 이동통신망에서는 15비트의 System Identification과 16비트의 Network Identification, 8비트의 Packet Zone Identification 을정의하고있다. WiBro 네트워크의 48비트의 Base Station ID를 CDMA2000 이동통신망의 PREV_SID, PREV_NID, PREV_PZID에매핑하고남은비트를 RAS의식별 ID로 매핑시킨다면, PDSN과 ACR 내의 IP Address와의매핑을통하여상대에대한정 보를취득할수있다. PDSN은터널생성을요청하는메시지를 ACR 에보내게되는데, 이때 Origination 메시지로부터취득한 PREV_SID, PREV_NID, PREV_PZID와자신의 주소를포함하여보낸다. 이후 L2 연결설정이진행되는중에 PDSN과 ACR은터널 을생성하고 MS 는등록을수행하며, 패킷은 ACR에서 PDSN 으로, PDSN으로부터 MS 로전달되는경로를가진다. - 24 -
시나리오 6은시나리오 5와의반대의경우로 MS가 CDMA2000 이동통신망에서 WiBro 네트워크로이동을수행했을경우이다. 이경우도 WiBro 네트워크와의 L2 연결협상과정에서 ACR과 PDSN 의터널을생성하는데, 시나리오 5와동일하게 PREV_ANID (previous Access Network Identification) 를 WiBro 네트워크에서정 의된 REG-REQ 메시지에포함하여, PDSN 의정보를얻고통신하게된다. 이때, PREV_ANID와 WiBro 네트워크의 ACR 및 CDMA2000 이동통신망의 PDSN의주 소와의매핑테이블은정의하고있지않으나미리배치되어있는것으로가정한 다. 그림 15. 시나리오 6 : CDMA2000-WiBro Handoff - 25 -
4. 성능분석 본방안에대한성능분석은단말이계속이동한다며이동시다른망으로의접속 을시도한다는가정하에이루어지며, 시간에따른패킷손실률및딜레이에대해나 타낸다. 비교대상은대표적인 L3 핸드오프방안과제안하는 L2 핸드오프방안으로 한다. 4.1. 시뮬레이션환경 본논문에서제안한 L2 핸드오프방안의성능검증을위한시뮬레이션환경은그 림과같으며, 단말은 WiBro 네트워크와 CDMA2000 이동통신망을위해각각의네 트워크인터페이스와 Dual Mode Stack 을지원하고, WiBro의 RAN (Radio Access Network) 과 CDMA2000 이동통신망의 RAN 은서로인접된셀이존재하며, 단말은 계속이동한다고가정한다. 그림 16 시뮬레이션환경 - 26 -
4.2. 시뮬레이션모델 본절에서는다음과같이기호를정의한다. : 제안하는 L2 핸드오프의지연시간 : 기존 L3 핸드오프의지연시간 : MN이새로운네트워크를찾는소요시간 : 새로운네트워크에시그널링메시지가전송/ 처리되는시간 : L3 : MN-BTS간소요시간 터널을위한절차소요시간 : MN-RAS간소요시간 : BTS-BSC간소요시간 : BSC-PCF간소요시간 : PCF-PDSN간소요시간 : RAS-ACR간소요시간 : PDSN-HA간소요시간 : ACR-HA간소요시간 : WiBro Ranging : WiBro 소요시간 단말능력협상소요시간 : WiBro flow setup : CDMA2000 PPP setup : ACR-PDSN간소요시간 소요시간 시간 제안하는 L2 핸드오프방안은다음과같은지연시간을가진다. (L2 핸드오프) - 27 -
은단말이해당네트워크의링크를검색하는소요시간이며, 은네트워 크상에서시그널링에소요되는시간을뜻한다. 그러나, 본논문에서제안하는핸드오프방안은 MN이중첩된네트워크에서두개 의링크에모두접속되어있는소프트핸드오프가아니라연결이끊기고접속하는 (break-after-make) 형태의하드핸드오프를고려하고있음으로실질적으로단말이 이전링크와해제를하는시간 를고려하는것은의미가없다. 그림 17 WiBro-CDMA2000 Handoff (Proposed Scheme) 그림 18 CDMA2000-WiBro Handoff (Proposed Scheme) - 28 -
또한, 는그림과같이각시그널링이이루어지는구간간의시간을통해다음과같이계산되어진다. 네트워크에서 이동통신망으로이동시 이동통신망에서 네트워크로이동시 또한, 기존의 L3 핸드오프방안은다음과같은동작절차를보인다. 그림 19 WiBro-CDMA2000 L3 Handoff 그림 20 CDMA2000-WiBro L3 Handoff - 29 -
기존의 수있다. L3 핸드오프방안에대한핸드오프구간은다음과같은식으로표현될 (L3 핸드오프) 기존의 L3 핸드오프방안은단말에이동성을제공하기위한 Mobile IP를사용하 도록하는데, 이는 2.3 절의방안을따라동작하며, 의시간이소요된다. 은다음과같이계산된다. 네트워크에서 이동통신망으로이동시 이동통신망에서 네트워크로이동시 실제적으로 에따른패킷손실구간은핸드오프구간과일치하지않는 다. 패킷손실구간은패킷이 PDSN이나 ACR 에서버퍼링된다는것을감안하면, 에서 구간까지존재하게된다. MN이새로운네트워크에시그널링메시지를전달함으로써 ACR과 PDSN간양 방향터널이생성되는 시간까지의구간부터버퍼링을시작하게되고이때까지의 시간이패킷손실이발생하는구간으로존재한다. 이에반해, 기존의 L3 핸드오프방안에서는제안된방안에서의핸드오프지연시 간을포함하여, L3 터널절차를모두마치는 구간까지패킷손실구간으로 나타난다. 이는 L3 핸드오프방안에서는 MN이 L3 터널절차이전에단말의핸드 오프에대해알수없기때문이다. 현재 Mobile IP기반의이동성제공시지연과패 킷손실을감소하기위해표준화및여러연구가진행되고있으나, 아직까지 WiBro 네트워크와 CDMA2000 이동통신망과같은이기종만간의연구는미약한실 - 30 -
정이다. 본논문의시뮬레이션은다음과같은시나리오를따른다. 그림 21 시뮬레이션시나리오 각 WiBro, CDMA2000, WiBro에서 CDMA2000 로의이동, CDMA2000에서 WiBro 로의이동은각각구간의거리와속도에관련되어,,, 의소요시간을갖는다. 제시하는시나리오에따르면, 초기 MN은 WiBro 영역에서이동을시작한다. 이때 CDMA2000 영역에중첩되지않고독립적으로존재하며, 이러한구간은시나리오상 의구간 1과구간 5 이다. MN이이동하여구간 1-2 간핸드오프가수행되어지며, 이경우는 3장에서제안하고있는시나리오 5 의형태를취하게된다. MN은구간 2-4, 구간 6-8, 구간 8-10에서는 3장의시나리오 7 및 8의형태로 PPP 설정과 EAP-TLS 절차가생략되는핸드오프형태를띄며, 구간 4-5, 구간 10-1에서는 3장 - 31 -
의시나리오 6 의절차를취한다. 본시뮬레이션은실시간스트리밍서비스와웹서핑등의서비스, 두가지의트래 픽모델을가지고수행된다. 실시간스트리밍서비스는일정간격( ) 을가지 고동일한크기의패킷을전송하는트래픽모델을상정하며, 웹서비스는임의의 시간간격 ( ) 으로일정한크기로패킷을전송받는형태의트래픽모델로상정한 다. 다음은본시뮬레이션의매개변수값을나타낸표이다. 표 1 시뮬레이션매개변수 Parameter Value Remarks 100ms MS to BTS 5ms BTS to BSC 2ms BSC to PCF 2ms PCF to PDSN 50ms MN to RAS 5ms RAS to ACR 2ms ACR-PDSN 72ms WiBro Initial Access 16 ms WiBro negotiation 39 ms WiBro flow setup 3015 ms CDMA ppp setup time Parameter Value Variable ( 속도및거리로부터얻어지는값) Variable ( 속도및거리로부터얻어지는값) 5s (exponential distribution) 20 ms (streaming) - 32 -
4.3. 시뮬레이션결과및분석 본논문에서는일반적으로사용자들이많이사용하고있는 Realtime Streaming 서비스와 Web 서핑서비스환경을상정하여시뮬레이션을수행하였다. 시뮬레이션 은제안하고있는 L2 핸드오프방안과이미존재하고있는 L3 핸드오프방안중가장 대표적이라고할수있는 IPv4 네트워크상에서의 Mobile IPv4의패킷손실과지연 시간을감소시키기위해제안된 Low Latency Handoff의 Post Registration과유사 한방안과의비교로수행되었다. Mobile IPv4를선택한이유는 IPv6 네트워크가현 재널리보급된상황이아니며, 현존하는 CDMA2000 이동통신망과새로배치될 WiBro 문이다. 역시기존망과의연동을위해서 IPv4의네트워크로배치될것으로보기때 그림 22부터그림 30에서보이는결과에서나타난바와같이제안된 L2 핸드오프 방안은전체적으로우수한성능을보이고있다. 그림 22부터그림 26까지는각결 과는각각 Web 서핑서비스로상정된버스트한패킷특성을갖는 Interactive service와 CBR(constant bit rate) 의패킷특성을갖는 Realtime service에대하여 속도의변화에따른패킷손실률에대한값을도시화한것이며, 그림 27부터그림 30은그림 22부터그림 26과동일한두서비스에대하여각핸드오프과정중의평 균손실패킷수를도시화하여나타낸다. 그림 22부터그림 26 에서보이는것과같이고속에있어서의패킷손실률은제 안한 L2 핸드오프방안과 L3 핸드오프방안과큰차이를보인다. 특이할만한점은 보행속도로가정한저속에서도제안하는 L2 핸드오프방안과 L3 핸드오프방안간 의차이가존재하고있다는점인데, 이는패킷손실구간을패킷이새로운네트워 크로전달되어지며, 새로운네트워크에서버퍼링이이루어지는순간까지로정의하 였을경우, 제안하는 L2 핸드오프방안은 L2 연결설정과정중 L2 메시지가네트워크 로전달됨에따라바로이전네트워크와의터널링을시작되고 L2 연결설정이완료 되는동안이전네트워크와새로운네트워크간의터널이생성되어새로운네트워크 로패킷이전달되어버퍼링이시작되고, L3 핸드오프방안은패킷손실감소를위 한방안을사용한다하더라도 IP계층의메시지를주고받음으로써절차가이루어지 - 33 -
게되므로두방안의차는항상존재하게된다. 따라서 L3 방안과비교할때, 제안 하는 L2 핸드오프방안은패킷손실률과이에따른핸드오프성능이향상되게된다. 그림 27부터그림 30은매핸드오프시에발생하는손실패킷의수를평균화한값 으로, 버스트한패킷특성을갖는 Interactive Service에서는약간의변동폭이존재 하지만, Realtime Service 에서는항상일정한폭이유지되는것을알수있다. 이는 기존의방안이 L2 연결설정중의발생하는패킷손실외에도추가적인 L3 방안의동 작절차중발생하는패킷손실이추가된다는것을나타내고있다. 그림 22 Packet Loss Ratio(%), Tscan = 0ms - 34 -
그림 23 Packet Loss Ratio(%), Tscan = 100ms 그림 24 Packet Loss Ratio(%), Tscan = 200ms 그림 25 Packet Loss Ratio(%), Tscan = 300ms 5. 결론 - 35 -
그림 26 Packet Loss Ratio(%), Tscan = 500ms 그림 27 Packet Loss Count(#), 5Km/h 그림 28 Packet Loss Count(#), 10Km/h 본논문에서는차세대이동통신으로곧상용화를앞둔 WiBro 네트워크와 CDMA2000 이동통신망간의연동시낮은지연을위한 L2 핸드오프방안을제시 하였다. 제안하는 L2 핸드오프방안을위하여, WiBro 네트워크의 ACR과 CDMA2000 이동통신망의 PDSN 을재정의하고, 전체적인동작절차및고려사항에 - 36 -
그림 29 Packet Loss Count(#), 30Km/h 대해서기술하였다. 본논문에서제안한 L2 핸드오프방안은 L2 메시지를사용함으로써추가되는메 시지가존재하지않으며, 기존의 L3 핸드오프방안에비하여 L3 메시지의시그널링 으로인한고속이동시의패킷손실을감소시킨다. 그러나본방안을적용시키기위 한단말과네트워크개체에대한기능적인추가부분은불가피하며, 별도의네트워 크개체나수정을통해 WLAN 을포함하는연구가더해진다면, 더유용해질것으 로사료된다. 그림 30 Packet Loss Count(#), 60Km/h - 37 -
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