WiFi 통신망으로의 LTE 트래픽분산알고리즘 2 학년 7 반 7 번김다윗 지도교사 : 임종범 초록 LTE 트래픽이급증하며그에따른통신성능저하가심화되고있다. 하지만 LTE 통신에할당된대역폭은한정적이고단기간내에통신망확충역시불가능하다. 이와같은상황에서특정알고리즘에따라통신사에

WiFi 통신망으로의 LTE 트래픽분산알고리즘 2 학년 7 반 7 번김다윗 지도교사 : 임종범 초록 LTE 트래픽이급증하며그에따른통신성능저하가심화되고있다. 하지만 LTE 통신에할당된대역폭은한정적이고단기간내에통신망확충역시불가능하다. 이와같은상황에서특정알고리즘에따라통신사에서구축한 WiFi 통신망으로 LTE 트래픽을분산시킨다면성능저하를최소화할수있다. 이때각사용자가 LTE와 WiFi 통신을선택하는알고리즘이최적화되어있을수록성능저하최소화가효과적이다. 본논문에서는 LTE, WiFi 통신망에서제공가능한한계성능과접속사용자들의요구성능, 그리고통신망의한계트래픽에따라 LTE와 WiFi 중하나의통신망을선택하는알고리즘을제안했다. 알고리즘의구체화와평가를위해알고리즘수식으로표현했으며이를 MatLab에서 4변수그래프로구현해성능저하정도를시각적으로비교했다. Ⅰ. 서론 최근우리나라의 LTE 통신서비스의가입자수가 2,000만명을넘어섰다. 2011년여름, 통신 3사가주요거점에 LTE 통신망을구축하며동시에서비스를시작한이후채 2년이지나지않은시점이다. 통신사들은가입자확보를위해 LTE 서비스가입시의각종혜택을제공하는등적극적인마케팅을펼쳤고제조사들은이에발을맞추어주력제품을 LTE 모델로출시했다. 우리나라의스마트폰사용자수가약 3,500만명이라는것을감안한다면스마트폰사용자의절반이상이 LTE 통신을사용한다는것이다. LTE 통신은통신성능이기존 3 세대 WCDMA 통신에비해월등히우수하고단위패킷당 요금도저렴하기때문에한명의가입자가사용하는트래픽이증가했다. 때문에 3 세대 통신에비해가입자증가에따른전체트래픽증가는폭발적일수밖에없다. 정부는

CDMA, Analog TV 에주어졌던유휴대역폭을수년내에 LTE 통신에할당하는계획을발표 했고통신사역시커버리지를확충하고있지만폭발적인트래픽증가를감당하기에는역 부족이다. 통신망이트래픽증가를감당하지못함에따라데이터통신성능저하가심각하다. 특히 LTE 트래픽이집중되는일부지역에서는 WCDMA 통신성능과큰차이가없을정도이다. 이와같은상황에서통신 3사가서울주요번화가를비롯해곳곳에구축한 WiFi 통신망으로 LTE 트래픽을분산시킨다면성능저하를최소화할수있다. 통신사는경쟁적으로주요거점에 WiFi 통신망을구축하고있으며 2012년 11월현재국내통신 3사가구축한 WiFi Zone의수는모두 150만개이상으로추정된다.[1] LTE 트래픽이집중되는주요거점에는대부분 WiFi 통신망이구축되어있으며 LTE 와 WiFi 통신간전환도효율적이다. 또한대역폭확대와대규모의하드웨어적투자없이 소프트웨어적으로구현할수있다. 따라서본논문에서는 LTE, WiFi 통신망에서제공가능한한계성능과접속사용자들의요구성능, 그리고통신망의한계트래픽등다양한요소를고려해 LTE와 WiFi 통신을선택하는알고리즘을제시했다. 또한이를구체화해수식으로표현했으며이를 MatLab에서 4변수그래프로구현해알고리즘을시각적으로평가했다. Ⅱ. 선행연구 LTE 서비스도입에따른폭발적인트래픽증가에대한분석및예측은이미이루어졌다. 한국통신학회논문지에발표된 LTE 서비스도입에따른유도된수요발생에관한실증연구 에서는 LTE 트래픽증가의특성을분석하고이를바탕으로앞으로의트래픽증가추세를예측했다. 이논문에따르면 2012년 8월, LTE 사용자의일인당월평균데이터트래픽이 3세대통신사용자에비해 7.3배가넘는특성을보이며계속해서증가하고있다. 때문에기존예측보다훨씬높은증가추세를보인다. LTE 트래픽의급격한증가는 LTE 통신으로의가입자이동이둔화되는시점까지계속될것으로예측했다.[2]

35000 30000 25000 20000 15000 10000 5000 0 2012년 2012 1월년 20122 월년 2012 3월년 2012 4월년 2012 5월년 2012 6월년 2012 7월년 2012 8월년 2012 9월년 2012 10월년 2012 11월년 12 2013 월년 1월 그림 1 무선데이터트래픽월별통계 ( 단위 : TB) 방송통신위원회에서 2013년 3월에발표한 무선데이터트래픽월별통계 에서는 LTE 트래픽의급격한증가를확인할수있다. 2012년 1월에는 2,800TB의트래픽이발생했지만 2013년 1월에는 30,000TB 이상의트래픽이발생했다. 단 1년사이에발생트래픽이 10배이상이증가한것이다.[3] 이와같이 LTE 트래픽의급격한증가에따른성능저하를최소화하기위한방법으로 LTE 이외의통신규격으로의트래픽분산방안은한논문에서제안되었다. 정보과학회논문지에발표된 사용자중심버티컬핸드오버를통한대용량모바일트래픽분산메커니즘제안 에서는차세대통신규격인 LTE-Advanced(Long Term Evolution-Advanced) 망과 W-LAN망사이의핸드오버를통한트래픽분산에관해다루었다. LTE 다음세대기술인 LTE-A 통신의트래픽을 W-LAN 통신으로분산시키는과정에서의핸드오버방안에대해제안하며이에대한알고리즘을제시하고 Network Simulator 3를이용해평가했다.[4] 본논문에서는핸드오버 Real Time Traffic에요구되는핸드오버와같은기술적인요소보다는통신망과사용자의특성에따른효율적인통신망선택알고리즘제안과설계및평가에집중했다. 또한 Network Simulator 3에서의수식적인평가보다는알고리즘을수식으로표현한후이를 Matlab에서그래프로구현해시각적으로평가했다. Ⅲ. 알고리즘제안

LTE 통신의트래픽을 WiFi 통신망으로분산시키는알고리즘은통신망과사용자의특성을 고려해야한다. 통신망의경우각통신망이제공할수있는한계성능과한계트래픽이 존재하고사용자의경우요구하는통신성능의차이가있다. LTE 통신망의트래픽이초과되면무조건적으로초과트래픽을 WiFi 통신망으로분산시키는알고리즘은여러문제를유발한다. 통신사에서구축한 WiFi 통신망중다수는 Wibro 기반으로기술적한계가있어통신성능이 LTE에비해상당히떨어진다. Wibro 통신의기술적한계가 LTE에비해낮으며 Wibro 통신과 WiFi 통신사이의변환이필요하기때문이다. 또한 WiFi 신호간간섭역시통신성능을저하시킨다. 즉높은통신성능을요구하는사용자가 WiFi 통신에접속하면심각한성능저하가발생한다. 실제로사용자가요구하는트래픽은선형적으로존재하기때문에평가가거의불가능하다. 따라서알고리즘의평가를위해각사용자가요구하는통신성능에따라 3개의군으로분류했다. 1군은가벼운웹서핑및음원스트리밍위주의사용자, 2군은이미지가존재하는페이지등무거운웹서핑과 SD 급동영상스트리밍위주의사용자, 3군은파일의업로드또는다운로드와 HD 급동영상스트리밍위주의사용자로가정했다. 실제상황에적용할알고리즘은사용자군의숫자가많을수록효율성이높을것이다. 논본문에서는구체적인수식으로의표현과시각적인평가를위해군의수를 3개로제한했다. 알고리즘설계및평가의편의를위해양방향통신은고려하지않았다. LTE, WiFi 통신망의동시접속사수는제한을두지않았다. 기술적인한계는있지만 LTE 통신망의경우주변기지국에접속할수있기때문에사실상한계가존재하지않으며 WiFi 통신망역시동시접속기기의한계가수백대로발전했기때문이다. 요구성능 제공성능 요구성능 수식 1 평가지표 알고리즘의평가는각군의속하는사용자수가같은상황에서의성능저하정도를비교 하는방식으로이루어졌다. 성능저하정도를나타낼평가지표는각사용자의요구성 능과제공성능차의비로결정했다. 즉사용자가제공받는통신성능이요구하는통신

성능보다높으면가점이없지만반대의경우요구성능과제공성능의차를요구성능으 로나누었다. 그리고모든사용자에대한값을더해알고리즘을평가했다. 즉평가지표 의값이클수록성능저하가심하다. 수식 1 은평가지표를간단히한것이다. 각사용자에제공되는통신성능은통신망의한계성능과트래픽에따라결정되도록설 계했다. 통신망의한계트래픽이초과되지않는경우통신망은한계성능을제공할수 있지만한계트래픽이초과되면접속사용자의요구성능을같은비로삭감한다. 본논문에서는각통신망과사용자의특성을고려해설계한 통신망, 사용자특성고려알고리즘, LTE 통신망의초과트래픽을무작위로 WiFi 통신망으로분배하는 무작위분배알고리즘, 그리고 LTE 통신망만을사용하는 LTE 통신망사용알고리즘, 이상 3가지알고리즘을비교, 분석했다. 통신망, 사용자특성고려알고리즘과무작위분배알고리즘은 Microsoft 사의 Visio 를 이용해아래와같은순서도로표현했다. 1. 통신망, 사용자특성고려알고리즘

그림 2 통신망, 사용자특성고려알고리즘의순서도 2. 무작위분배알고리즘

그림 3 무작위분배알고리즘의순서도 각알고리즘에의마침단계에서평가지표를산출하도록했다. Ⅳ. 알고리즘의수식표현 수식으로의표현과평가를위해각통신망과사용자의특성은다음과같이설정했다. 아 래값은예측값이며실제알고리즘의평가시에는통신사에서데이터를수집해좀더 정확한수치를대입할수있다. 항목미지수값 ( 단위 : Mbps)

LTE 한계성능 t2 30 LTE 한계트래픽 m2 15000 WiFi 한계성능 t3 3 WiFi 한계트래픽 m3 15000 1군요구성능 t11 1 2군요구성능 t12 5 3군요구성능 t13 20 표 1 통신망과사용자의특성 그리고 1, 2, 3 군에속하는사용자수는각각 n11, n12, n13 으로두고변수로설정했다. 즉각군의사용자수의변화에따른통신성능저하정도를비교하려는것이다. 평가 지표는 k 로두었다. 1. 통신망, 사용자특성고려알고리즘 1) : 2) 그렇지않다면 1)) 이고 : 2)) 그렇지않다면 1))) : 2))) 그렇지않다면 : 1)))) 이고 2)))) 그렇지않다면 1))))) : 2))))) 그렇지않다면

2. 무작위분배알고리즘 1) : k=0 2) 그렇지않다면 1)) : 2)) 그렇지않다면 1))) : 2))) 그렇지않다면 3. LTE 통신망사용알고리즘 @ : () 안값이양인경우는더하고음인경우에는더하지않는다. Ⅴ. 알고리즘의평가 알고리즘을수식으로표현했을때의변수가서로독립적인 3개이기때문에평가지표를고려하면 4변수방정식이된다. 그렇기때문에 2차원, 3차원그래프로는표현이불가능하다. 따라서 MatLab의색지정기능을이용해각군에속하는사용자수를공간좌표의축으로설정하고평가지표는색온도개념으로표현했다.

그림 4 4변수방정석의표현방정식은위와같이표현된다. x, y, z축에대한각점에서의 k 값에따라색이결정되며값과색의관계는좌측에표시된다. 각군에대한사용자수, 즉 n11, n12, n13는각각 x, y, z에대응시켰으며 1에서 1000명까지지정했다. MatLab 에서알고리즘수식은다음과같이표현된다. 1. 변수지정 clear; clc; n1 = 0 : 10 : 1000; n2 = 0 : 10 : 1000; n3 = 0 : 10 : 1000; [n11, n12, n13] = meshgrid(n1,n2,n3); m3 = 15000; m2 = m3; t11 = 1; t12 = 5;

t13 = 20; t2 = 3; t3 = 30; 2. 방정식입력 1) 통신망, 사용자특성고려알고리즘 k = zeros(length(x),length(y),length(z)); for i = 1 : length(x) n11 = x(i); for j = 1 : length(y) n12 = y(j); for m = 1 : length(z) n13 = z(m); if m2 > t11 * n11 + t12 * n12 + t13 * n13 k(i,j,m) = 0; else if m3 < t11 * n11 && t11 * n11 > t12 * n12 + t13 * n13 y1 = t11 * (t11*n11+t12*n12+t13*n13)/(2*t11) - m3; y2 = t11 * (n11 - (t11*n11+t12*n12+t13*n13)/(2*t11) + t12*n12+t13*n13 - m2); k(i,j,m) = y1 * (y1 > 0) + y2 * (y2 > 0); else if m2 < t12*n12 + t13*n13 k(i,j,m) = 0; else if m3 < t11*n11 + t2 * t12 && t11*n11 + t12 * n12 + t13 > n13 y1 = t11*n11 + t2 *

(-t11*n11+t12*n12+t13*n13)/(t12+t2) - m3; y2 = t12 *(n12-(-t11*n11+t12*n12+t13*n13)/(t12+t2))+t13*n13-m2; k(i,j,m) = y1 * (y1 > 0) +(t12-t2)*n12 + y2 * (y2 > 0); else if m2 < t13*n13 k(i,j,m) = 0; else y1 = t11*n11+t12*n12+(-t11*n11-t12*n12+t13*n13)/(t13+t2)-m3; y2 = t13*(n13 - (-t11*n11-t12*n12+t13*n13)/(t13+t2))-m2; k(i,j,m) = y1 * (y1 > 0) +(t12-t2)*n12 + (t13-t2)*n13 + y2 * (y2 > 0); 2) 무작위분배알고리즘 k = zeros(length(x),length(y),length(z)); for i = 1 : length(x) n11 = x(i); for j = 1 : length(y) n12 = y(j);

for m = 1 : length(z) n13 = z(m); if m2 > t11 * n11 + t12 * n12 + t13 * n13 - m2 k(i,j,m) = 0; else if m2 > t12*n12+t13*n13 k(i,j,m) = t11*n11-m3; else if m2 > t13*n13 k(i,j,m) = (t11*n11+t2*n12-m3)+(t12-t2)*n12; else k(i,j,m) = t11*n11+t12*n12+t13*n13-m2-m3; 3)LTE 통신망사용알고리즘 fv = isocaps(x,y,z,k,200,'below'); p = patch(fv, 'FaceColor','interp','EdgeColor','none'); colormap('jet'); colorbar; daspect([1 1 1]) view(3); axis tight k = t11.*n11+t12*n12+t13*n13;

3. 공간좌표구현및채색 fv = isocaps(x,y,z,k,10000,'below'); p = patch(fv, 'FaceColor','interp','EdgeColor','none'); colormap('jet'); colorbar; daspect([1 1 1]) view(3); axis tight Ⅵ. 결과및고찰 1. 통신망, 사용자특성고려알고리즘 n13 n12 n11 그림 5 통신망, 사용자특성고려알고리즘평가 극히좁은구간을제외하고는성능저하가없다. 성능저하가있는구간역시평가지표 가 4 로매우낮은편이다. 선으로나타난성능저하구간은 n13 값에무관하게나타난

다. 이는 MatLab 에서의구현과정에서문제가있었던것으로보인다. WiFi 통신망으로의 LTE 트래픽분산이매우효과적으로이루어졌다. WiFi 통신망의제공 성능한계를고려해요구성능이낮은사용자를우선적으로 WiFi 통신에접속하도록지 정했기때문에성능저하가최소화되었다. LTE 트래픽을 WiFi 로분산시키는알고리즘은통신망과사용자의특성을고려해야함을 보여준다. 2. 무작위분배알고리즘 n13 n12 n11 그림 6 무작위분배알고리즘평가무작위분배알고리즘에서는통신망, 사용자특성고려알고리즘과비교해상대적으로더많은구간에서성능저하가나타났다. 하지만 WiFi 통신망으로의분산이이루어진만큼평가지표값이 500을넘지않아성능저하가어느정도최소화되었음을알수있다.

WiFi 통신망이제공할수있는한계성능보다요구성능이낮은 1 군, 2 군의영향은거의 받지않는다. 그리고 WiFi 통신망에접속했을때성능저하가큰 3 군의사용자수의영 향을많이받음을볼수있다. 이는 WiFi 통신망으로 LTE 트래픽을분산시켰을때의성능저하감소효과가있음을보 여준다. 3. LTE 통신망사용알고리즘 n13 n12 n11 그림 7 LTE 통신망사용알고리즘평가 LTE 통신망사용알고리즘에서는평가지표값이 2500이넘는경우가있으며이는전체적인성능저하가매우심각하다는것을보여준다. 그림 7에서확인할수있듯이 LTE 통신망의트래픽한계가초과된상태에서추가사용자가발생하면이사용자의요구성능전체가성능저하로반영되기때문에통신성능저하가극단적으로크다는것을보여준

다. Ⅶ. 결론 본논문에서는각통신망과사용자의특성을고려한알고리즘, LTE 통신망의초과트래픽을무작위로 WiFi 통신망으로분산시키는알고리즘, LTE 통신망만을사용하는알고리즘을비교했다. 각알고리즘을순서도로작성한후, 이로부터평가지표를산출하는과정을수식으로표현한후이를 MatLab에서 4변수그래프로구현해시각적으로비교했다. 4변수그래프의구현은다른방법들보다 3개의독립변수들의변화에따른성능저하정도의변화비교에효과적이다. 본논문에서변수로설정했고실제상황에서트래픽발생에영향을미치는각군의사용자수가모두독립적이기때문에일반적인 3차원그래프로는 2개의군에속하는사용자의수의변화에따른평가지표의변화밖에관찰할수없다. 3개의군에속하는사용자의수를변수로지정한다면그래프와같이시각적인방법으로는비교할수가없다. 본논문에서는평가지표에하나의좌표축을할당하지않고이를색온도개념으로설정함으로서 3차원공간에서 4변수그래프를구현했다. 3개의알고리즘을비교해 WiFi 통신망으로의 LTE 트래픽분산알고리즘의효율향상을위해서는통신망과사용자의특성을고려해야함을보였다. 무작위로트래픽을분산시키는알고리즘은요구성능이높은사용자가 WiFi 통신망에접속했을때의성능저하가컸다. 또한 WiFi 통신망으로의트래픽분산을통한통신성능개선이효과가매우크다는것을보였다. 통신망의한계트래픽이후에추가되는트래픽은고스란히성능저하를유발하기때문에전체통신망의한계트래픽이조금만늘어나도성능저하의최소화가가능하다. 실제상황에서이를적용하기위해서는사용자의동의가필요하다. WiFi 통신망은 LTE 통신망에비해통신성능과안정성이떨어지기때문에이알고리즘의적용을받는것을동의한사용자는기본요금할인등의혜택이주어져야할것이다. 통신사는급격한트래픽증가로인한성능저하를최소비용으로완화할수있고사용자는일반적인사용시의큰불편함없이혜택을제공받을수있다.

본논문에서제안한알고리즘의한계는 m-voip 등 Real Time Traffic을요구하는작업은 WiFi 통신망을사용할수없는점을고려하지않았다는것과알고리즘평가후좀더많은사용자군수를지정한알고리즘을제안하지않았다는것이다. 사용자군수가많을수록알고리즘의효율이높아진다. 또한알고리즘평가를위해한계트래픽과제공성능, 요구트래픽등통신망, 사용자의특성을임의로설정했다는점도아쉽다. 통신사는좀더정확한데이터를확보할수있을것이다. 기회가된다면이를보완하려고한다.

참고문헌 [1] 통신 3사의 WiFi Zone 구축현황올레모바일공식블로그, <http://smartblog.olleh.com/1015>, (2013.05.25. 확인 ) T WiFi고객센터, <http://www.twifi.co.kr/view/customer/faqview.jsp?no=16>, (2013.05.25. 확인 ) LG U+ zone, <http://zone.uplus.co.kr/>, (2012.11.15. 확인 ) [2] 이상우, 최선미, 박준선, 박명철, LTE 서비스도입에따른유도된수요발생에관 한실증연구, 한국통신학회논문지, 37(8), Page 741-749, 2012.08 [3] 방송통신위원회, 무선데이터트래픽월별통계, 2013.05, Page 1 [4] 민순호, 서창호, 사용자중심버티컬핸드오버를통한대용량모바일트래픽분산 메커니즘제안, 정보과학회논문지, 정보통신 39(2), Page 144-152, 2012.04