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차세대무선 IP 네트워크에서의종단간서비스품질 (QoS) 제공! "#$%&'&$(&()!$*!+,-!.(/0+$0.(/!1234&+5!$*!6-#%&7-'!&(!+,-!8-9+!:-(-#3+&$(!;&#-4-''!<"! 8-+=$#>' 류승완 (S.W. Ryu) 배정숙 (J.S. Bae) 조철회 (C.H. Cho) 김성희 (S.H. Kim) 광대역무선MAC연구팀선임연구원스마트객체연구팀연구원스마트객체연구팀책임연구원스마트객체연구팀책임연구원, 팀장 차세대통신시스템은다양한 IP 멀티미디어응용을지원하고, 유비쿼터스서비스를제공할수있도록다양한유무선통신시스템들이 IP 기반의멀티네트워크로통합될것이다. 이러한차세대통신시스템에서 IP 기반멀티미디어응용을효율적으로지원하기위하여종단간 QoS 제공이중요한문제가된다. 본고에서는 3 세대이동통신과차세대백본네트워크 (NGN) 에서연구되고있는 QoS 제공방안을살펴본다. 그리고, 3 세대이후의통신시스템을위하여 IP 네트워크에기반을두고이질적인무선시스템들의통합에대해연구하고있는프로젝트에서 All-IP 화에따른종단간 QoS 제공방안을살펴본다. 그리고, 다양한통신시스템들이 IP 기반의백본네트워크로통합되어 All-IP 화된차세대통신시스템의개략적구조를제시하고, 이를기반으로종단간 QoS 제공을위하여연구되어야할주요사항들을살펴본다. I. 서론 21세기에들어 IT의고도화로다양한디지털정보가확산됨으로써글로벌화, 지식산업화, 그리고디지털화된정보통신사회로의전환이급속히이루어지고있다. 이러한전환은다양한디지털정보의제공을위한디지털콘텐츠산업의발달로가속화되고있다. 이와더불어, 최적으로연결된상태로언제, 어디서나 멀티미디어정보서비스를이용하고자하는요구가크게부상하고있다. 따라서이를충족시키기위하여다양한통신환경에서의멀티미디어서비스제공의중요성이크게부각되고있으며, 특히이동통신환경에서의대용량고속멀티미디어무선통신기술이강조되고있다. 현재일부국가에서서비스가진행중인 Universal Mobile Telecommunication Systems(UMTS) 나 cdma2000과같은 3세대이동통신시스템은무선인터페이스상에서 2Mbps 급의고속데이터전 송률을제공할뿐아니라, 이동사용자에 IP 멀티미디어서비스를제공할수있는특징을가지고있다. 그러나차후에등장하게될다양한응용들을위한고속대용량멀티미디어 IP 서비스와유비쿼터스서비스를지원하기위하여 IMT-2000 이후의시스템, 즉, 4세대이동통신시스템에대한연구가진행되고있다. 4세대이동통신시스템에대한표준화는아직가시화되지는않았지만 ITU-R WP 8F을통해각국의핵심기술연구와더불어진행되고있다. 현재 ITU-R WP 8F에서는세계시장과기술동향그리고, 개발국가의요구사항을고려하여 IMT-2000 시스템의향후개발목표와 IMT-2000 이후의시스템의목표를정의하고있다. ITU-R WP 8F에서는 IMT-2000 이후의시스템이고속이동환경에서는 100Mbps, 저속이동환경에서는 1Gbps 의데이터전송률을제공할것으로보고있다. 그리고, 셀룰러, WPAN, WLAN, 디지털방송, 고정무선접속네트 9

전자통신동향분석제 19 권제 1 호 2004 년 2 월 워크등의연동을통해언제, 어디서나최적화된모바일접속을제공할것으로예상하고있다. 다양하고이질적인통신시스템들의연동은 All- IP 네트워크에대한다양한연구가이루어지고있는만큼 IP 기반의멀티네트워크를통하여이루어질것으로예측된다 [1]-[3]. 따라서 4세대이동통신시스템은 IP 기반의멀티네트워크를중심으로다양한유무선통신시스템들이통합하여고속의이동성및글로벌로밍을제공하고, 고품질의멀티미디어서비스를제공하여유비쿼터스서비스를실현할수있을것으로예상된다 [4]. 차세대통신시스템은다양한 IP 멀티미디어응용을지원하고, 유비쿼터스서비스를제공할수있도록다양한유무선통신시스템들이 IP 기반의멀티네트워크로통합될것이다. 이러한차세대무선통신에서 IP 기반멀티미디어응용을효율적으로지원하기위하여종단간 QoS 제공이중요한문제가된다. 다양한유무선시스템들의 IP 기반의백본에연결되어있는구조에서종단간 QoS를제공하기위해서는응용의특성에따라소스및대응단말이접속하는접속네트워크에서의 QoS 제공과 IP 백본에서의 QoS 제공이함께이루어져야한다. 여기에서접속네트워크와 IP 백본네트워크를연결하는 IP 게이트웨이에서의역할이중요시된다. 본고에서는우선 3세대이동통신시스템과 Next Generation Networks(NGN) 에서연구되고있는 QoS 제공방안을살펴본후다양한유무선시스템들이 IP 기반의백본네트워크로통합되어있는차세대통신시스템에서종단간 QoS를제공하기위한방안을제안하고자한다. 본문서의구성은다음과같다. 제 II장에서는 3GPP와 3GPP2 등에서제안된 3세대시스템에서이루어지고있는종단간 QoS 지원방안과 3세대 (3GPP) 이동통신에서정의된각트래픽클래스의정의와특징을살펴본다. 그리고, NGN에서 IP 백본네트워크를기반으로이루어지고있는 QoS 제공방안도살펴보기로한다. 제 III장에서는다양한통신시스템들이 IP 기반의백본네트워크로통합되어 All-IP 화된시스템구조에서종단간 QoS 제공을위하여고려해야할사항을살펴본다. 또한 3세대이후시스템인 Beyond 3G(B3G) 의네트워크를위하여유럽에서연구되고있는 IST의 BRIAN/MIND와 WINE GLASS, 그리고일본의 e-japan MIRAI 등의프로젝트들을중심으로종단간 QoS 제공을위한연구사항들을살펴본다. 마지막으로, 제 IV장에서는다양한통신시스템들이 IP 기반의백본네트워크로통합되어 All-IP화된개략적차세대통신시스템구조를제시하고이를기반으로종단간 QoS 제공을위하여연구되어야할주요사항들을살펴본다. II. 3 세대및 NGN 에서의 QoS 제공방안 현재까지종단간 QoS 지원을위한연구는무선분야에서는 3세대이동통신 (3G) 인 IMT-2000 규격은 3GPP/3GPP2를중심으로연구되어왔으며 4 세대이동통신 (4G) 은아직초보단계의연구가진행되고있어시스템의구조나시스템에관한본격적인연구는이루어지지않은상태이다. 한편 IP 기반의차세대유선네트워크인 NGN에서의 QoS 제공에대한연구는 IETF를주축으로활발히이루어지고있다. 본장에서는기존연구로서우선 3G와 NGN에서의연구동향에대하여살펴보기로한다. 1. 3 세대이동통신에서의종단간 QoS 연구동향현재까지의무선네트워크는 ( 즉 2G까지 ) 유선네트워크와유사한 Signaling System 7(SS7) 기반의 Circuit-Switched(CS) 네트워크로서주로음성서비스제공을위주로설계되었다. 3세대시스템인 IMT-2000은음성이외의고속데이터및멀티미디어서비스까지제공하는것을목표로하며 3GPP와 3GPP2에서각각별도의두가지규격을설계하였다. 이러한두가지의규격중 3GPP에서설계된규격은 UMTS로서이는 GSM 기반의핵심네트워크 10

차세대무선 IP 네트워크에서의종단간서비스품질 (QoS) 제공 에 W-CDMA를사용하는 UMTS Terrestrial Radio Network(UTRAN) 를포함한다 [2]. 3GPP2에서는 cdma2000을기반으로한 3G 규격을제안하였다 [5]. 또한, 급증하는무선네트워크에서의데이터트래픽의수요에부응하고 QoS를희생시키지않으면서기존음성서비스를제공하기위해코어네트워크의 IP화가진행되고있다. 본절에서는 3GPP와 3GPP2에서설계된두개의 3G 규격및시스템들을살펴보고또한 3G 서비스로정의된네가지클래스들을살펴보기로한다. 가. 3GPP 3GPP에서제안된 3G 시스템은 UMTS로서이는 W-CDMA에근거한무선전송방식을취하고있으며크게두개의서브시스템으로구성된다 [6]. 첫째서브시스템은 UTRAN으로노드 B와 Radio Network Controller(RNC) 로이루어진다. 노드 B 는 GSM에서의 Base Transceiver System(BTS) 과거의유사한기능들을수행하며 RNC는 GSM에서의 Base Station Controller(BSC) 와유사한기능들을수행한다. 따라서 UTRAN은기존의회선교환기반의서비스는물론패킷교환서비스도수용하며, 회선교환서비스를 Mobile Switching Cen- ter(msc) 에그리고패킷교환서비스를 IP 코어네트워크에연결하여서비스를제공하고있다. UMTS는 IP-based Multimedia Subsystem (IMS) 과 UTRAN의 VoIP나 MMoIP 등의 IP 기반의멀티미디어서비스제공을위한 IP 트랜스포트등의기술도입을통해 All-IP화하고있다 [1],[7]. ( 그림 1) 과 ( 그림 2) 는 3GPP All-IP UMTS 코어네트워크와 IP 기반 UTRAN의개략적구조들을보여주고있다 [1]-[3]. ( 그림 3) 은 Third Generation Internet Protocol Forum(3GIP) 에서제시한 IP 기반의 3G 네트워크참조모델이다 [1]. 이 All-IP 네트워크의참조모델은 General Packet Radio Services(GPRS) 의진화를기반으로제안되어있으며, 이에더하여 IP 기반의무선네트워크에서의호제어를위한기능및미디어제어를위한 VoIP 제어기능을수용하고있다. 그림에서 GPRS 기능들인 Serving GPRS Support Node(SGSN) 와 Gateway GPRS Support Node(GGSN) 의주변에그려진이러한기능요소들이패킷교환서비스도메인을형성하며, 그중 MGW는변환되는트래픽을전달하는트랜스포트종단점의역할을수행한다. 한편 MSC 서버및 GMSC 서버등은 IP 트랜스포트위에구현된기존회선교환서비스도메인의호및신호제어기능들이다. RNC lub interface Node B IP edge router IP router IP edge router Node B IP edge router IP backbone IP router IP edge router lur interface Node B ( 그림 1) 3GPP 의 All-IP 시스템구조 RNC 11

전자통신동향분석제 19 권제 1 호 2004 년 2 월 SCP Home environment RNC HSS GERAN MGCF Media gateway PSTN MSC Server RNC CSCF UTRAN Multimedia call server External IP network SGSN IP backbone GGSN Signaling Data ( 그림 2) 3GPP 의 IP 기반 UTRAN 구조 Applications & Services Legacy Mobile Signaling Network Alternative Network Mh Ms SGW Mm Multimedia IP Networks Gr E-HLR Gc Cx CSCF Mr Gm MRF Mg Gi TE MT ERAN Gi MGCF R Um Iu-ps Iu TE MT UTRAN R Uu E-SGSN Gp Gn Gf EIR E-GGSN Gi MGW Mc PSTN/ Legacy/External Gn GGSN SGSN Other PLMN Signaling Interface Signaling and Data Transfer Interface ( 그림 3) 3GPP 의 All-IP 네트워크참조모델 12

차세대무선 IP 네트워크에서의종단간서비스품질 (QoS) 제공 CDMA2000 1x BTS HLR BSC/ PCF MSC/VLR PSTN CDMA2000 1x EV-DO AN PDSN HA PCF Internet CDMA2000 1x EV-DO handset AN-AAA AAA ( 그림 4) cdma2000 기반의 IMT-2000 시스템구조 Services Resource Mgmt, Service Mgmt, Call Mgmt, Mobility Mgmt WWW PSTN Voice Signaling Gateway vocoder Core IP Transport Network Wireless Gateway Gateway Packet Gateway Enterprise Intranets BSC (RNC) CDMA-RAN IP Transport Other RAN Fixed Wireless Business Residential ( 그림 5) 3GPP2 의 All-IP 기반네트워크모델 나. 3GPP2 3GPP2에서설계된 IMT-2000 규격은 cdma 2000을근간으로발전한 3G 시스템이다 [5]. 기본시스템구조는 3GPP에서설계된 UMTS와유사한구조를가지며, 가장큰차이점은패킷데이터서비스를위해 Packet Data Service Node(PDSN) 가 존재한다는점이다. PDSN은 UMTS에서의 SGSN 과 GGSN의기능들과비슷한역할들을수행한다. ( 그림 4) 는 3GPP2에서설계된시스템의개략적구조를보여준다. 3GPP2에서는 3GPP에서와마찬가지로베어러서비스에의해연결이이루어진다. PDSN은백본네트워크에연결하는게이트웨이로네트워크또는 13

전자통신동향분석제 19 권제 1 호 2004 년 2 월 이동국이설정한정책에의해상향에서마킹을하향으로마킹해제를수행한다. 마킹에의해무선구간의서비스는유선네트워크에서제공하는서비스형태로전환되어유선네트워크를거쳐목적지에전해진다. 예로유선네트워크가 DiffServ 형태의 QoS 를제공한다면 PDSN에서는무선서비스들이유선네트워크의 DiffServ에서정의하는 QoS 클래스를갖는 IP 연결로매핑된다. ( 그림 5) 는 3GPP2의 All-IP화를위한 IP 기반의네트워크모델을보여준다 [4]. IP 코어네트워크는호처리와관리에필요한모든기능을서버의형태로보유하며, 타네트워크와의연동도담당한다. 기반네트워크에연결된모든접속네트워크들은접속게이트웨이를통하여연동하며, 여기서미디어의변환및신호방식변환이이루어진다. ( 그림 5) 와같은네트워크구성을통하면 RAN들은단지서브넷의개념으로코어네트워크에접속하게되며, 이는코어네트워크의입장에서보아이종의여러무선접속네트워크들을수용하기에유리한형태가된다. 다. 3GPP에서의 QoS 서비스클래스 3GPP/3GPP2에서는주로지연에대한민감도 (delay sensitivity) 에따라각종서비스들을 4가지클래스로분류한다 [6]. 이러한 QoS 서비스클래스는 conversational, streaming, interactive, background 등이다. Background 클래스는데이터가어떤정해진시간내에목적지에도착해야한다는제한이없으며이메일서비스가대표적인예이다. Interactive 클래스는데이터가어떤정해진시간내에목 적지에도착해야한다는제한이있으며, 왕복시간 (round-trip time) 이하나의중요한특성이되며, 웹브라우징, 데이터베이스검색, 서버접속등이해당된다. Streaming 클래스에서는정보개체간시간이하나의제약이되지만어느정도의전송지연은허용되며, 오디오 / 비디오스트리밍서비스가좋은예이다. 마지막으로 Conversational 클래스에서는정보개체간시간이하나의제약이되어아주작은전송지연이허용되며, VoIP, 화상회의등이좋은예이다. < 표 1> 에서는상기 4가지각 QoS 서비스클래스들의특징을나타내고있다. 3G 무선네트워크에서는차별화된서비스를제공하기위해각서비스들을상기와같이네가지의클래스로분류하고있으나종단간 QoS를각각의클래스에제공하기위해서는유선네트워크와만나는지점에서유선네트워크가제공하는서비스들로의매핑이이루어진다. 현재유선네트워크에서는 Diff- Serv가가장유력한서비스차별화방법으로대두되고있으나이는무선네트워크의 3G에서정의된 QoS 서비스클래스들과는다른제공서비스종류와요구사항들을요구하고있다. 2. NGN IP 기반의네트워크에서종단간 QoS의제공을을가능하게하기위하여 NGN은 IETF에서제안한 IntServ 및 Diffserv 모델, 두모델을통합한기법, 그리고, MPLS 기술들을적용하고있다. 본절에서는 IETF에서제안한 QoS 차별화기술들에대하여간략히소개한다. < 표 1> UMTS 각서비스클래스별특징 특징 UMTS service classes Conversational Streaming Interactive Background Max. bit rate(kbps) <2048 <2048 <2048-overhead <2048-overhead Max. packet size(bytes) 1500(or 1502) 1500(or 1502) 1500(or 1502) 1500(or 1502) Packet error ratio 10-2, 7 10-3, 10-3, 10-4, 10-5 10-1, 10-2, 7 10-3, 10-3, 10-4, 10-5 10-3, 10-4, 10-6 10-3, 10-4, 10-6 Transfer delay(ms) 100(max.) 250(max.) - - 14

차세대무선 IP 네트워크에서의종단간서비스품질 (QoS) 제공 가. IntServ IP 기반의네트워크에서종단간 QoS의제공을가능하게하기위하여 NGN은 IETF에서제안한 IntServ 및 Diffserv 모델, 두모델을통합한기법, 그리고, MPLS 기술들을적용하고있다. 본절에서는 IETF에서제안한 QoS 차별화기술들에대하여간략히소개한다. Integrated Services(IntServ)[8] 에서는필요한경우에서비스품질이보장될수있도록개개의플로에링크대역폭등의자원을예약한다. RSVP가양단과네트워크의자원요구사항, 자원이용성, 자원예약의설정및제거등에대한정보를교환할수있는시그널링프로토콜로사용될수있다. 제공되는서비스로는신뢰성있고좀더확장된최선형서비스 (best-effort service) 를요하는응용을위한부하제어형서비스 (controlled load service) 와고정된지연한계를요하는응용을위한보장형서비스 (guaranteed service) 가있다. 그러나, IntServ 구조는다음과같은문제점을가진다. 상태정보의양이데이터흐름수에비례하여증가한다. 이는백본라우터에거대한스토리지와프로세싱오버헤드를요한다. 그러므로, 이러한구조는핵심네트워크에서의확장성을제공하지않는다. 모든라우터가 Resource reservation Protocol(RSVP), 승인제어, MF classification, 패킷스케줄링등을지원하여야하므로라우터에요구사항이많다. 나. RSVP Resource reservation Protocol(RSVP)[9] 은응용이 QoS 요구사항을네트워크에전달할때사용할수있는네트워크제어프로토콜로자원승인제어를제공해준다. 자원들이사용될수있으면, RSVP는예약을승인하고, 트래픽분류기 (traffic classifier) 를설치한다. RSVP는 OSI 계층에서전송계층에위치하고라우팅프로토콜과함께동작하 며, 라우팅프로토콜이계산하는경로를따라동적접속리스트를설치한다. RSVP는통신세션을목적지주소, 전송계층프로토콜타입, 목적지포트번호의조합에의해식별한다. 데이터플로의전송경로에있는라우터들은특정 QoS 계약사항을데이터플로에제공할수있다. 반면에, 라우터에진입한최선형트래픽은그러한서비스계약사항을받을수없고, 자원이사용될수있는만큼만받게된다. RSVP의주요메시지는 PATH와 RESV이다. PATH는통신세션을시작하는소스가전송하는메시지로, 데이터경로에있는노드에상태정보를설치하고, 소스의능력을기술한다. RESV는통신세션의수신자가발생시키는메시지로, PATH가전달되어온경로의역으로전송되어, 전송경로에있는각노드에 QoS 상태를설치한다. 이러한상태는목적지의특정 QoS 자원요구사항과연관된다. RSVP 예약상태는주기적으로갱신되어야하는임시상태이므로, RSVP와 RESV 메시지는주기적으로재전송되어야한다. 상태는갱신되지않으면, 제거된다. RSVP는이밖에도 QoS 상태에대한정보를제공하거나통신세션경로를따라명확하게 QoS 상태를제거하는부가적인메시지를갖는다. 다. DiffServ IntServ와 RSVP의구현과전개의어려움으로인하여, Differentiated Services(DiffServ)[10] 모델이등장하였다. DiffServ에서는 QoS를위한시그널링이제거되고, 각네트워크요소에서유지되어야하는상태정보의수가크게감소되었다. DiffServ 네트워크는패킷들을 IP 헤더에있는 6 비트의 Diffserv Code Point(DSCP) 에기반을둔클래스로분류하고, 패킷에적절한지연한계, 지터한계, 대역폭등을제공하여해당클래스에 QoS 파라미터들을적용한다. 이를 Behavior Aggregate (BA) classification 이라한다. 각 Diffserv 라우터에서, 패킷은 DSCP가호출하는 Per-Hop Behav- 15

전자통신동향분석제 19 권제 1 호 2004 년 2 월 ior(phb) 를따른다. PHB는 BA에속하는패킷에대한노드의패킷스케줄링, 큐잉, 단속, 셰이핑등의동작을말한다. 라. MPLS MultiProtocol Label Switching(MPLS)[11] 네트워크는고속 IP 전송을위한백본솔루션을제공하고, 차별화된 IP 서비스를위한적절한 QoS 경로를지원한다. MPLS 는하위계층기술에독립적이고, MPLS 전송부는 label-swapping 알고리듬에기반을둔다. 계층 2 기술에서 label field(atm VPI/VCI, Frame Relay DLCI 필드 ) 를지원하는경우, native label은 MPLS label 을캡슐화한다. 그러나, 계층 2 기술이 label 필드를지원하지않으면, MPLS label 은계층 2와 IP 헤더사이에삽입되는표준 MPLS 헤더에서캡슐화된다. MPLS 헤더는어떠한링크계층이라도 MPLS label 을전송하는것을허용하므로, label switched path 에서의 label-swapping 이가능해진다. LSR들은 Allowable speed와 priority를포함하는가상연결의파라미터들을정의할수있고, 대역폭, QoS, 보안들을관리하는능력을중요시한다. III. 3 세대이후시스템에서의종단간 QoS 제공 1.. All-IP 화와종단간 QoS 3G에서는회선교환기반의서비스와패킷교환기반의서비스가공존하며각각분리된서비스를제공한다. 예를들어, ( 그림 4) 에서 3GPP2에서설계된개략적시스템구조를살펴보면음성위주의회선교환서비스와데이터및멀티미디어를위한패킷교환서비스가각각다른경로와다른네트워크요소들에의해제공되는것을알수있다. 그러나, IP 기술의진화와광범위한사용은 IP 서비스를수용할수있는 3G 무선시스템을탄생시켰을뿐아니라향후의 B3G 또는 4G 무선시스템과유선네트워크를포함하는통신시스템의 All-IP화를이끌어 가고있다 [6]. 따라서 B3G 또는 4G에서는음성, 데이터, 멀티미디어, 웹브라우징, 시그널링등모든형태의정보들이패킷을통해종단사용자와네트워크간에전달되고서비스가이루어질것이다. 또한셀룰러시스템뿐만아니라 WLAN 등다른다양한형태의무선플랫폼들이통합되어 IP 기반의서비스를제공할수있는구조로진화할것이다. 결과적으로 4G에서는심리스네트워킹을제공할뿐아니라 NGN과 IP를기반으로결합된하나의네트워크개념으로진화하여유비쿼터스네트워킹을기반으로서비스를제공하게될것이다. 이러한 IP 기반의시스템및서비스모델에서종단간양질의무선서비스를제공하기위해서는유선 IP 네트워크와연결하는 IP 게이트웨이 (IP gateway) 가존재하게되는데이는두가지의기능을수행한다. 첫째는무선사용자들에의해서요구되는각종의 IP 기반의서비스를수용하기위한효율적무선자원관리 (radio resource management) 와트래픽컨디셔닝 (traffic conditioning) 을수행하게된다. 여기에는호수락제어 (call admission control), 패킷스케줄링, 큐관리등이포함된다. 또다른기능으로는이러한무선서비스를종단간으로제공하기위해유선네트워크와연계하는기능이다. 이러한유선네트워크와의연계를위해상향링크의경우 ( 하향링크의경우 ) 무선서비스들의요구사항들을유선네트워크에서제공되는서비스로매핑 ( 매핑해제 ) 을수행하게된다. 이경우사용자에의해요구된다양한무선개별서비스흐름들은몇개의서비스클래스중하나로분류되며, 이러한각각의서비스클래스들은 IP 게이트웨이에서유선네트워크에서제공하는서비스클래스중하나로매핑되어유선네트워크를거쳐종단에있는목적지로전달된다. 따라서향후의 All-IP 기반의유무선연동네트워크에서종단간의 QoS를보장하기위해서는무선구간에서의 QoS 제공방안은물론유선네트워크인 NGN에서의 QoS 제공방안그리고유무선연동시에제공되어야하는 QoS 제공방안에대해서도연구되어야할것이다. 한편다양한유무선시스템들 16

차세대무선 IP 네트워크에서의종단간서비스품질 (QoS) 제공 이 IP 기반의백본네트워크로통합되어있는차세대통신시스템에서는특히근거리영역에서저비용으로고속데이터전송률을지원하여 4세대시스템에서그역할이기대되고있는 WLAN이이동통신네트워크와통합되는구조로진화해가고있어이를고려한무선 IP 네트워크에서 QoS를제공하고제어하기위한방안또한주요연구과제의하나로부상하고있다. 2. 연구동향 IP 네트워크에기반을두고이질적인무선시스템을통합하는몇가지연구프로젝트들이현재진행되고있으며특히유럽에서 Information Society Technologies(IST) 등을중심으로활발히추진되고있다. 대표적인예로써, IST의 Broadband Radio for IP-based Networks(BRAIN)[12] 와후속프로젝트인 Mobile IP based Network Developments(MIND)[13], Wireless IP Networks as a Generic Platform for Location Aware Services Support(WINE GLASS)[14] 등이유럽에서추진되고있다. 일본에서는 Multimedia Integrated Network by Radio Innovation(MIRAI) [15] 등이추진되고있다. 이러한프로젝트들은주로 UMTS를중심으로한 3세대이동통신 (3G) 과 3 세대이후시스템 (B3G) 에서 All-IP 화에따른 QoS 제공방안을연구하는데초점을맞추어진행되고있으며, 다양한무선접속이가능한 RAN의구조를정립하는것도하나의중요한이슈로다루고있다. 그러나아직은본격적인연구보다는 B3G를위한개념정립단계에있다. 가. IST BRAIN/MIND BRAIN[12] 프로젝트는 2G 또는 3G 이동통신시스템을보충하는 IP 기반의이동무선접속시스템을설계하여, 이동사용자를위한 IP 기반광대역응용과서비스들의단절없는접속을용이하게하고, 무선광대역인터넷접속을위한개방형구조를제 안하여, 이를통해기존이동서비스를보충하는 20Mbps까지의고속서비스를제공하는것을목표로하였다. BRAIN 네트워크는 BRAIN Network (BAN), BRAIN Mobility Gateways (BMGs), BRAIN Router(BAR), IP 기반코어네트워크로구성된다. 이러한네트워크구성요소들은네트워크의진화와적응성을용이하게하기위하여, 표준 IETF 프로토콜에서가져온것이다. 접속네트워크는 IP에기반을두고, 접속라우터 (BAR) 는이동노드및접속네트워크와인터페이스한다. 게이트웨이는접속네트워크와코어네트워크간에위치한다. ( 그림 6) 에서 BRAIN에서제시하는네트워크구조를보여주고있다. BRAIN에서의 QoS는 IETF에서제안한 IntServ, RSVP, DiffServ 등의 QoS 제공기법들에기반을두고있는데, 기본적인 QoS 구조는네트워크를통한응용요구사항의통신을위하여 IntServ 파라미터와 RSVP 시그널링을사용하고, 실제적인패킷핸들링은 DiffServ 기법에의해제공하는것이다. BRAIN 의후속인 MIND[13] 에서는 BRAIN 에서제안된네트워크구조와프로토콜을기반으로 ad-hoc 네트워크에대한지원까지포함하도록확장되었다. 그러므로, QoS 측면에서도 BRAIN 에서연구된기본 QoS 문제에덧붙여 ad-hoc 환경에서의무선자원관리, QoS 인터워킹기법, QoS 라우팅문제까지고려된다. 나. WINE GLASS IST의 WINE GLASS[14] 프로젝트에서는 UMTS와 WLAN을포함하는무선인터넷구조에서이동성 (mobility) 과 soft-guaranteed QoS를제공할 IP 기반기법의개발과무선모바일사용자에게위치인식 (location-aware) 및 QoS 인식 (QoS-aware) 응용서비스를제공하는것을목적으로한다. 이를위하여 ( 그림 7) 과같이 UTRAN이 UMTS 코어네트워크없이직접 Iu 인터페이스를사용하여 Mobile IPv6 백본네트워크에직접연결되고, RNC는특성화된경계라우터인 UTRAN-IP 게이트웨이를통하여백본에연결된다. 이러한접근방법으로세션, 17

전자통신동향분석제 19 권제 1 호 2004 년 2 월 DHCP AAA Server Policy Server Backbone IP Network BAR For 132.146.111.38 QoS context and policy Session key g3ft7tc74gf7 Session id 5356562784 BRAIN Mobility Gateway (BMG) BRAIN Router (BAR) Tunneling Anchor Point Anchor 132.146.111.38 BAR IP@ Session key g3ft7tc74gf7 Session id 5356562784 Terminal with BRENTA Terminal IP@ 132.146.111.38 HIPERLAN Mac-id Session key g3ft7tc74gf7 Session id 5356562784 ( 그림 6) BRAIN 네트워크구조 UTRAN Administrative Domain A WLAN optional Link-level micro-mobility (Intra-domain, same access network type) Intra-domain macro-mobility between access networks of the same type (Mobile IPv6) Intra-domain macro-mobility between access networks of different types (Mobile IPv6) Inter-domain macro-mobility between access networks of the same type (Mobile IPv6) Inter-domain macro-mobility between access networks of different types (Mobile IPv6) Appl Server AAA HA QoS Policy Server (if necessary) AD Backbone IPv6, Mobile-IPv6 DiffServ R HA IWU RNC UTRAN-IP Gateway R HA IWU RNC UTRAN-IP Gateway HA R WLAN subnet HA R NodeB NodeB NodeB NodeB 3 AP 4 AP 5 AP 8 1 2 Internet R WLAN subnet 6 7 R Administrative Domain B Appl Server AAA HA AD Backbone QoS Policy Server (if necessary) R WLAN subnet HA AP R HA IWU RNC UTRAN-IP Gateway NodeB NodeB ( 그림 7) B3G 를위한 WINE GLASS 의네트워크구조 18

차세대무선 IP 네트워크에서의종단간서비스품질 (QoS) 제공 이동성, 인증관리등이 IP와 UMTS 레벨에서중복되지않도록함으로써유무선 LAN 등의다른 IP 접속기술들과쉽게통합될수있도록한다. 종단간 QoS 제공측면에서 WINE GLASS 프로젝트는높은오류와통신환경에민감한무선통신시스템환경을고려하여 soft-guaranteed QoS 제공에중점을두고있으며, 이를위하여다음과같은방법들을제시하고있다. 모바일환경에 IntServ/RSVP를적용하고 IP 백본에 DiffServ를적용한다. 무선시스템에서의통신자원이제한적이므로, UTRAN에서 CAC를수행한다. Application level, IP level, UTRAN access level 에서모두 QoS 클래스를정의한다. 이동터미널에서 packet marking과 application level QoS 클래스를대응하는 DSCP로매핑하는역할을수행한다. 이동터미널과 UTRAN-IP 게이트웨이에서모두 IP와 UTRAN간 QoS 매핑을수행한다. 다. MIRAI e-japan MIRAI[15] 프로젝트에서는다양한무선접속시스템들의이음새없는통합을가능하게할새로운기술개발을목적으로, 다양한무선접속기술과다양한 QoS 요구사항, 다양한프로토콜에적합한유연한개방형구조설계와공통툴, 공통플랫폼, 공통접속방법의연구및개발에중점을두고있다. 특히, SDR 기술이다양한무선네트워크에접속하기위한다중서비스무선터미널을개발하는데사용되고, 다양한무선네트워크를위한공통플랫폼은무선지원 IPv6 네트워크에기반을둔다. 다른무선접속네트워크와분리된기본접속네트워크가무선시스템발견, 시그널링, 페이징등을위한방법으로사용된다. MIRAI 에서제안하는네트워크개념은 ( 그림 8) 과같다. MIRAI 네트워크를구성하고있는주요개체들은 Common Core Network(CCN), Basic Network(BAN), Multiservice User Terminal (MUT) 등이다. CCN은인터넷에서모든 MUT들이대응노드와통신할수있도록공통플랫폼을제공하는 IPv6 네트워크이다. RAN의모든접속점들이 CCN에연결되며, CCN에서는 RAN 간의 QoSguaranteed routing 과심리스핸드오버등을제공한다. BAN은모든 MUT들이공통플랫폼에접속할수있도록공통제어 / 시그널링채널을제공한다. 이는기본적으로위치갱신과페이징을제공하는데사용되며, 모든다른무선시스템에대한무선시스템발견과수직핸드오버를제공한다. BAN은기지국과터미널등의무선접속컴포넌트로구성되어, RAN 이지원하는것보다넓은커버리지영역을가지며, 시그널링전송을위한신뢰성있는통신기법을가진다. MUT는다중무선시스템이장착되고, BAN과통신하기위하여 BAC를가진다. 또한 MUT에는 CCN에접속하기위하여 SDR 기술에기반을둔하나이상의무선서브시스템들이장착된다. 종단간 QoS를제공하기위한관련태스크들은 CCN에서수행되는데, 게이트웨이를경유하여연결되는외부네트워크에서사용될수있는 IP QoS 구조와상호작용하고, 외부네트워크와무선접속네트워크간에 QoS 매핑등을한다. 이상의프로젝트에서제안한네트워크들은모두현재개발중인것으로, 2010년경에활용될수있을것으로기대된다. 그런데, 이들은사용자와코어네트워크를연결하기위해사설 RAN에기반을두고있다. 사설 RAN은제어및사용자데이터의 QoS 요구사항을만족시키도록만들어질수있으나, 무선통신시스템의이음새없는통합을지체시키는몇가지단점을가진다. 이는사설네트워크가설치및유지를위해높은비용을요구하고, 제어평면에서의프로토콜스택이사설네트워크마다다르다는것이다. 그러므로네트워크간의게이트웨이에서변환이필요하다. 그러나이로인해게이트웨이에서심각한통신병목현상이발생하고, 무선통신시스템의확장성과이음새없는통합을저해하는특징을가진다. 19

전자통신동향분석제 19 권제 1 호 2004 년 2 월 Internet(IPv6) Gateway router Global(macro) mobility management Servers Common core network(ipv6) Base stations Local(micro) mobility management System B System A Basic access network s service area System C ( 그림 8) MIRAI 네트워크개념 Horizontal handover Vertical handover IV. 3 세대이후무선 IP 시스템에서종단간 QoS 제공을위한연구방향 다양한유무선통신시스템들이 IP 기반의백본네트워크에연결되어있는구조에서종단간 QoS를제공하기위해서는응용의특성에따라소스및대응단말이접속하는접속네트워크에서의 QoS 제공과 IP 백본네트워크에서의 QoS 제공, 그리고, 이들간의연동이고려되어야한다. 또한, 접속네트워크와 IP 백본네트워크를연결하는 IP 게이트웨이의역할이중요시된다. ( 그림 9) 는 IP 기반의차세대통신시스템에서의종단간 QoS가보장되기위한개념적인유무선네트워크구조와이를통한 QoS 서비스의제공개념을간략히제시하고있다. 종단간서비스는다양한무선접속네트워크에접속하는종단노드에의해요청되며, QoS를포함한서비스의특성은요청을유발한응용의요구에의해주어진다. 제공하고자하는종단간 QoS는소스측단말과접속네트워크 (access network) 간에, 그리고, 대응단말과대응단말이접속하는접속네트워크간에설정되는 access bearer service에대한 QoS, 그리고, Diffserv나 Intserv 등을수용한 IP 백본네트워크에서의 external bearer service에의한 QoS를모두제공함으로써보장될수있다. 이를위해서응용의요구에대해적합한 QoS를제공할수있는 access bearer service로의매핑과 access bearer service 와 external bearer service 간의 QoS 매핑이이루어져야한다. 예를들어 ( 그림 9) 에서보여지는바와같이종단노드가접속할수있는접속네트워크는 UMTS, cdma2000, WLAN, wired internet 등의다양한통신시스템을수용할수있어야하고, IP 백본네트워크에서는 QoS 제공을위한 IntServ 및 Diffserv 모델, 그리고, 두모델을통합한기법, MPLS 기술등을수용할수있어야한다. 각접속네트워크는 QoS 매핑및트래픽컨디셔닝, 그리고, 입구라우터 (ingress router) 의기능을가지는 IP 게이트웨이에의해 IP 백본네트워크에연결된다. 따라서향후 B3G/4G 에서제공될 All-IP 기반의무선 IP 네트워크에서효과적인종단간의 QoS를제공하기위해서는이를제공하는주요서브시스템으로서 IP 게이트웨이의역할과 QoS 제공을위한프레 20

차세대무선 IP 네트워크에서의종단간서비스품질 (QoS) 제공 End-to-End QoS Bearer QoS External Bearer QoS Bearer QoS End Node Network IP Gateway IP Backbone Network IP Gateway Network End Node ( 그림 9) IP 백본네트워크에통합된차세대통신시스템에서의종단간 QoS 임워크에대한연구가중요하다. 이와관련되어연구가이루어져야할항목들은다음과같다. IP 게이트웨이에서의무선자원관리방안연구 : QoS 보장을위한승인제어 (admission control), 버퍼관리 (buffer management), 패킷스케줄링 (packet scheduling) 기법들을포함 효과적인유무선 QoS 클래스간의매핑방법제안 : 패킷지연, 패킷손실등과관련된각트래픽클래스의 QoS 요구사항들과유무선구간에서제공되는각각의 QoS 특성을고려하여효과적인유무선간의 QoS 매핑방법을도출 효과적인종단간 QoS 제공을위한 IP 게이트웨이의기능프레임워크정의 : All-IP화에따른유무선네트워크의진화에적응하고다양한유무선통신시스템들을수용할수있는 IP 게이트웨이기능정립 참고문헌 [1] L. Bos and S. Leroy, Toward an All-IP-Based UMTS System Architecture, IEEE Network Magazine, Jan./Feb. 2001, pp.36-45. [2] G. Patel and S. Dennet, The 3GPP and 3GPP2 Movements Toward an All-IP Mobile Network, IEEE Personal Communications Magazine, Aug. 2000, pp.62-64. [3] T. Robles et al., QoS Support for an All-IP System Beyond 3G, IEEE Communication Magazine, Aug. 2001, pp.64-72. [4] D. Brown et al., Integration of Wireless Technology and Next Generation Networks: An Evolutionary View, White paper, Telcordia Technologies, Aug. 2000. [5] End-to-end Quality of Service in cdma2000 Networks, White paper, Ericsson, Jan. 2002. [6] H. Holma and A. Toskala, WCDMA for UMTS, John Wiley and Sans, Ltd., 2000. [7] N. Rivera and A. Sethuraman, All-IP 3G Architecturs for UNRAN: a First Look, Rutger Univ. Technical paper, http://www.winlab.rutgers.edu/~nrivera/ All_IP_3G.pdf [8] R. Barden et al., Integrated Services in the Internet Architecture: an Overview, RFC 1633, June 1994. [9] B. Braden et al., Resource Reservation Protocol(RSVP)-Version 1 Functional Specification, RFC 2205, Sep. 1997. [10] S. Brake et al., An Architecture for Differentiated Services, RFC 2475, Dec. 1998. [11] E. Rosen et al., MultiProtocol Label Switching Architecture, RFC 3031, Jan. 2001. [12] IST BRAIN project(ist-1999-10050), http://www. ist-brain.org/ [13] IST MIND project(ist-2000-28584), http://www. ist-mind.org/ [14] WINE GLASS, D12, (Phase-2)Research Results on IP-based UMTS Core Network, 2002. [15] G. Wu, M. Mizuno, and P. Havinga, MIRAI Architecture for Heterogeneous Network, IEEE Communications Magazine, Feb. 2002, pp.126-134. 21