한국산학기술학회논문지 Vol. 10, No. 10, pp. 2715-2720, 2009 이종망을위한종단간 QoS 제어방안 이종찬 1, 이기성 2* 1 국립군산대학교컴퓨터정보공학과, 2 호원대학교컴퓨터 게임학부 An End-to-End QoS Control Method for Heterogeneous 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 요약이종망환경에서멀티미디어서비스의 QoS를보장하는것은 3GE 시스템개발을위한중요한이슈이다. 이동단말기가이종망간의이동시끊임없는서비스 (seamless service) 를지원하기위해서는종단간 (end-to-end) 협상정보에근거하여사용자의 QoS를보장할수있는 QoS 운영구조 (QoS management structure) 를제공해야한다. 본논문에서는 SLA(Service Level Agreement) 에기반한종단간 QoS 제어방안을제시한다. 이를위하여, QoS 지원을위한 SLA 제어구조및알고리즘을제안하고, 시뮬레이션을통하여평균지연과패킷손실률을평가한다. 제안된방식을적용한시스템이기존의망보다더좋은성능을보인다. Abstract Supporting Quality of Service (QoS) for multimedia services in heterogeneous mobile networks is a part of key issue for Three Generation Evolution (3GE) development. A QoS management structure needs to guarantee the QoS of moving users based on an end-to-end negotiation to support the seamless service when MT is moving between the heterogeneous networks. We propose an end-to-end negotiation method based on SLA(Service Level Agreement). For this aim, the SLA control and algorithm for supporting MT's QoS is considered. Simulation is focused on the average delay and packet loss rate, and the results show that our proposed method provides mobile terminals with the optimal performance. Key Words : SLA(Service Level Agreement), QoS control method, heterogeneous networks 1. 서론 이동단말기 (Mobile Terminal; 이하 MT) 가이종망 (Heterogeneous Networks) 이계층적으로혼재되어있는환경하에서동적인서비스략의질 (QoS; quality of Service) 보장이필수적이다. 이를위하여가입자는망운영자의운영정책, 사용자의선호도그리고접속망의상태에따라접속망에선택적으로접속하고사업자는최적의통합자원관리 (Resource Management) 및이동성관리 (Mobility Management) 체계를구축함으로서, 무선자원의효과적사용과이종망의트래픽분배를통한수 용능력의증대방법을제공할필요가있다. 이를위하여단일한무선접속망을모든지역을커버할수있도록설치하는것이아니라 hot-spot 영역위주로고속데이터통신을지원하고, hot-spot 영역외의지역에는기존의시스템과의연동을통해어느지역에서든하나의 MT로최적의서비스를제공해야한다 [1-3]. 따라서단말이다중무선통신시스템들이계층적으로혼재되어있는환경을이동하면서끊임없는서비스를지원하기위하여계층적이종망간의핸드오버에대한지원이필요하며이러한계층적이종망간핸드오버를이루기위해서는종단간 (end-to-end) 협상된 QoS 정보에근 이논문은 2009 년호원대학교교내연구비의지원에의하여연구되었음. * 교신저자 : 이기성 (ygslee@howon.ac.kr) 접수일 09 년 07 월 31 일수정일 (1 차 09 년 09 월 16 일, 2 차 09 년 10 월 06 일 ) 게재확정일 09 년 10 월 14 일 2715
한국산학기술학회논문지제 10 권제 10 호, 2009 거하여사용자의 QoS를보장할수있는 QoS 운영구조를제공해야한다. 그러나모든접속망은각각의시스템특성및역할을가지고있으므로특정한시간, 특정한장소에서특정한서비스의협상된 QoS 효율적으로보장하기위한 QoS 운영구조를구축하는것은복잡한문제다 [4-5]. 다양한유무선통신시스템들이 IP 백본네트워크에연결되어있는융합망구조에서종단간 QoS를제공하기위하여, 응용의특성에따라소스및대응단말기가접속하는접속네트워크에서의 QoS 제공과 IP 백본망에서의 QoS 제공, 그리고이들간의연동이고려되어야한다. 본연구에서는이를효율적으로지원하기위하여응용의특성에따라각시스템의특성에알맞은 SIQ (SLAs of Initiating end-to-end QoS) 를오프라인으로구축하고이를근거로종단간 QoS를제공할수있는 SLA(Service Level Agreement) 에기반한구조화된종단간 QoS 협상방안을제공한다. 또한구축된 SIQ를통하여접속망내 QoS 제어를수행하는운영구조를제시한다. 본연구는오프라인으로협약된 SIQ에근거하여 - 종단간 QoS 보장을위하여- 접속네트워크에서의 QoS 제공과 IP 백본망에서의 QoS 제공, 그리고이들간의연동을수행하는방법, 그리고이종망간핸드오버시 SIQ에근거하여재협상을수행하여끊김없는서비스를수행하는방법을제시한다. 2. 정책기반의 SLA 를이용한종단간협상 USER (application) SLA A SLA B SLA C SLA D Off line ASP (Application Service Providers: ASP) 중심으로 QoS 제공및제어를수행하며, ASP는사용자의 QoS 요구사항을토대로네트워크사업자와네트워크자원사용에대한협상을수행해야한다. 이종망에서멀티미디어서비스의 QoS는유저에따라다르고 ( 즉유저마다요구사항 (Perceived QoS requirement) 이다르다 ), 시스템에따라다르며 ( 즉특정시스템에서수용가능한 Application과그능력이다르다 ), 서비스자체에따라다르다 ( 즉서비스자체의특성을가장잘반영할수있는접속망이있다 ). 따라서 QoS 기술개발을위해서는먼저최종사용자가요구하고인지하는 QoS에대한정의및분석을필요로한다. 분석된사용자및응용서비스의 QoS 요구사항을토대로, ASP 는망사업자와의협상을통해구체적인네트워크 QoS 제공계획을세워사용자의세션처리요구에대응한다. 2.1 SLA 협약구조융합망기반에서 IP 멀티미디어서비스를제공하기위하여 SLA 기반 QoS 제공은상위의서비스정책수립에서부터하위 PDU (Packet Data Unit) 를조절하는계층적 QoS 관리방안으로서, 그림 2는 SLA를통한 QoS 관리서비스모델을나타내고있다. SLA 기반 QoS 수준이정해지면정해진서비스에대한 SLS(Service Level Specifications) QoS 클래스의파라미터가결정된다. 따라서협약된 QoS 서비스수준에대한 QoS 파라미터에의하여각시스템파라미터들에대한관리를통하여네트워크서비스에대한 QoS 수준을맞춘다. Service Level Agreement (SLA) SLA Creation phase Service Level Specifications (SLSs SLSs) SLS Creation phase System D System C System B System A QoS Management QoS Management phase [ 그림 1] SLA 협약구조그림 1은융합망에서사용자와서비스공급자간의 SLA 협약구조를보인다. QoS는최종사용자에의해인식및평가되고, 주관적인기준을가질수있다. QoS 문제는하부망계층이아닌종단사용자간의통신문제로서 QoS 제공방안도응용서비스및사용자의 QoS 특성등을토대로이루어져야한다. 따라서종단간 QoS 기술은종단사용자 (end users) 및응용서비스사업자 System control QoS Execution phase [ 그림 2] SLA 협약절차 SLS는 SLA에서정해진서비스제공을위한각 QoS spec과파라미터를사용한다. SLA에의하여서비스제공자와사용자가특정서비스에대해협약을하게되면 SLS에의하여 SLA에서지정된서비스의지원 QoS spec 2716
이종망을위한종단간 QoS 제어방안 과파라미터를선택한다. 지정서비스를위한지원 QoS spec과파라미터의범위및세부사항이정해지면그것에따라제공서비스를제어하는것이다. 따라서 SLS를통하여지정서비스의 QoS를위한정성적및정량적인세부 QoS 파라미터를하위 QoS management level에전달한다. 2.2 정책기반제어구조무선망의이종의접속망으로구성되는융합망환경에서자원제어의통합된관리를수행하는시스템으로자원관리정책서버 (Resource Management-Policy Server) 와자원관리정책수행장치 (Resource Management-Policy Enforcement Device) 로구분되며, 정책서버는정책응용계층 (policy application layer), 정책제어계층그리고정책전달계층 (policy delivery layer) 으로구분된다. 그림 3에계층별기능을보인다. 세션정책은신규세션연결및종료, 핸드오버수 행여부결정, 셀선정정책을수행한다. QoS 정책은 이종 망간의 QoS 조정 (QoS Adaptation), QoS 조정에따른재협상, 부하분산, QoS 매핑정책을수행한다. 핸드오버정책은이종망간의핸드오버정책을수 행한다. RM-PEP(Resource Management-Policy Enforcement Point; 이하 RM-PEP) 는실제자원관리가발생하는부분 이다. 이부분이실제정책실행점이되며정책서버가 실제각융합망의상황을모니터링하고각정책에대한 데이터베이스를가지고있어서융합망의각각의기지국 에대하여세션제어, QoS 제어, 핸드오버제어등을망 상황에따라동적으로제어하게된다. 정책서버와하위 기지국과의통신은 COPS를사용한다. RM-PMT LDAP RM-PR LDAP RM-PDP COPS User information (User ID, SLA 정보, Priority) Policy information (Policy Action List) Event Detection ( 시스템상태 monitoring, 운영자 / 정책저장소의정보변화 ) Device Discovery Policy Decision (Session Policy, QoS Policy, Handover Policy) Device Configuration 2.3 종단간협상방법세션의설정시, SLA에서정해진수준의전송을위하여시스템수준을제어하면서 SLS를통하여정의된 QoS 수준을유지하는기능을수행한다. 응용서비스의 QoS를위한정성적및정량적인세부 QoS 파라미터를 RM-PDP 에전달하고, RM-PDP는 RM-PEP를제어하여 SLS 매핑에서정해진 QoS 수준을해당세션의종료시까지유지한다. 그림 4는 SLA의운영구조를보인다. RM-PEP Session control, QoS control, Handover control Mobile User SLA Service Provider Information Reporting SLS [ 그림 3] 정책기반자원운영구조 RM-PDP(Resource Management-Policy Decision Point) 는실제정책을결정하고각각의하위기지국에결정된정책을전달하는장치로서이벤트검출 (event detection), 정책결정 (policy decision), 장비발견 (device discovery) 그리고장비구성 (device configuration) 등의 4가지기능으로나눌수있다. 이벤트검출은각이종망의상태의변화 ( 전송지연, 데이터손실, 망부하등 ) 또는운영자또는정책저장소로부터의정보변화를인지하여이와관련된절차를수행하기위한기능이다. 정책결정은이벤트검출에의해트리거한정책을결정하는기능으로정책저장소로부터해당정책을받아그정보를바탕으로정책을결정한다. 다음의세가지정책을수행한다. QoS Excution QoS Decision (RM-PEP) (RM-PDP) [ 그림 4] SLA의운영구조이종망간핸드오버발생시, 고려해야할가장중요한요소는끊임없는 QoS의제공이다. 즉, 이미제공받고있는 QoS가이기종시스템에접속되어도사용자의 QoS 요구에부합되는서비스를제공하기위한 QoS 파라미터로정확하게조정이이루어져야한다. 일반적으로시스템이다르면사용되는 QoS 파라미터에도차이가있을수있으므로사용자의세션설정시협약된 SLA 수준을만족시키기가어려울수있다. 예를들어, 3GE-AS에서 WLAN 으로의핸드오버가발생할경우, 낮은전송률을가진시 2717
한국산학기술학회논문지제 10 권제 10 호, 2009 스템에서높은전송률을가진시스템으로의핸드오버이므로끊임없는 QoS를제공하는데어려움이없으나, 이종망간핸드오버가발생할경우 3GE-AS의자원부족으로트래픽은손실될수도있다. 이문제를해결하기위한방안으로아래의두가지방안을고려할수있다. 1 접속망으로유입되는데이터의양자체를줄인다. 2 동적 SLA 기반의재협상을수행한다. 전자의경우, 고용량의멀티미디어를사용자가만족할만한 QoS로서비스하기위해서사용자가원하는정보의중요도에따라, 트래픽을분류해서데이터를전송하는비디오압축및스트리밍기술, 최악의경우, 고전송률로제공해야하는비디오트래픽영상부분을버리고음성데이터를전송하는방식을고려할수있다. 후자의경우, SLA QoS 파라미터를바탕으로기존에서비스중인이기종시스템과선정된이종시스템, 그리고응용서비스의이전 SLA의파라미터와선정된 SLA QoS 파라미터를비교 분석하여재협상여부를결정하는기능을수행한다. 하위의분석결과가생성되면재협상을명령한다. 선정된이종망에서이전 (Old) 시스템의 QoS를보장할수없을때재협상을수행한다. 선정된이종망에서 QoS를향상시키기를원할때재협상을수행한다. 두시스템의협약된 QoS가동일하거나, 선정된이종망의 QoS 범위가이전시스템의 QoS 값을포함한다면재협상을수행하지않고, 이종망간핸드오버결과를 ASP에게보고하고재협상절차를대신한다. 융합망에서망접속과이종망간핸드오버시제어절차는다음과같다. 1. MT는 MC (Mobility Control), MIP (Mobile IP), SIP (Session Initiation Protocol) 등록을수행한다. 2. 각정보가 RM-PDP에게전송되어분배되고, 세션요구를기다린다. 3. MT가상대호스트와응용계층의연결을시도할경우, 그요구 ( 서비스번호포함 ) 는 RM-PDP에전송된다. 1 RM-PDP는최적의접속망을선택한다. 2 RM-PDP는 SLA 정보 (ASP와협상에의하여결정 ) 를기반으로선정된접속망에알맞은사용자의 SLA에근거한 QoS 프로파일을결정한다. 4. RM-PDP은선정된셀정보와 QoS 프로파일정보를 MT의 SIP SM (session manager) 에게전달한다. 1 SIP SM은 SIP에의존하여종단간세션협상을맺는다. 이때 RM-PDP로부터전달받은 QoS 프로파일정보를기반으로협상을맺는다. 2 SIP SM의종단간세션협상에있어서선택된접속망의특성에알맞은 QoS 적용기술을선택하여망내부및망간적용을수행한다. 5. MT는서비스를수행한다. 6. MT가이종접속망으로이동할경우 RM-PDP의 MC, MIP, SIP 등록과인증하여핸드오버절차를수행한다. 이를위하여 RM-PDP는최적의셀선정을수행한다. 7. 이종접속망간의핸드오버일경우, 선정된접속망과의서비스 QoS 협상을통하여 QoS 조정 (adaptation) 을수행한다. 조정된 QoS 정보를기반으로 SM는이종접속망의경계까지세션협상을다시수행한다. 필요하다면종단간재협상 (renegotiation) 을수행한다. 8. 세션협상이일어나는지역망의특성에알맞은 QoS 정책을선택하여적용한다. 3. 시뮬레이션및분석 멀티미디어서비스는다양한전송률, 전송지연, 지속시 간등을갖는다. 따라서제안된방법의멀티미디어서비스 에대한영향을분석하기위하여, 표 1과같이실시간과비실 시간서비스를각각고려하였다. 그림 5는전체적인시뮬레 이션환경을보이고있다. 평가시스템은중첩된셀상의계 층셀로구성되며, 각셀에대해자원관리자 (resource manager) 는 MT의세션제어에관여한다. [ 표 1] 선정요소의수준에대한소속함수값 서비스 전송률 지연 손실률 고음질음성 32k 150ms 0.5 VOD 10-20M 150ms 1 화상회의 64-384k 150ms 1 www < 2M 20s 0 FTP < 20M 10s 0 RM-DB는각이종망의자원및부하등의상황정보를 저장하고, 메시지큐및소켓은상황정보를입력하기위한 프리미티브를위하여사용되고, 셀선정기의주파수선정 감시기에연결된다. 2718
이종망을위한종단간 QoS 제어방안 0.06 Packet Loss rate(%) 0.05 0.04 0.03 0.02 0.01 with Policy -Based SLA without Policy -Based SLA 0 0.01 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Session arrival rate (sec) [ 그림 5] 전송지연의비교평가 [ 그림 7] 패킷손실률비교평가 그림 6에서는이종망상에서발생하는전송지연을보인다. 세션이증가함에따라, 정책기반 SLA를적용한시스템의전송지연이현저한향상을보임을알수있다. 이에반하여이종망에서기존의방식을적용할경우, QoS의저하의발생시, 자체적인처리방법을수행할지라도데이터의처리및복구에근본적인한계가있으므로지속적으로지연이증가하게된다. 그러나제안된방식을적용할경우, 세션부하 0.04이상에서전송지연이현저히감소함을알수있다. 그이유는서비스중인접속망에서멀티미디어세션의 QoS 저하가발생할경우에 QoS 변이를최소화하기위하여 SLA에의하여최적의접속망으로의서비스를절체하고전송률을효과적으로조정하므로서비스의연속성을보장할수있기때문으로판단된다. 4. 결론 본논문에서는, 이종망환경에서멀티미디어세션의종단간끊임없는 QoS를제공할수있는 SLA에기반한종단간 QoS 협상방안을제시하였다. 정책기반으로계약된 SLA의 QoS 기준만족여부를평가하고종단간, 그리고이종망간의 QoS 조정을수행함으로서끊임없는 QoS 를실현할수있다. 제안방식은서비스의평균지연및패킷손실률에서성능향상을보였다. 이는서비스중인접속망에서멀티미디어세션의 QoS 저하가발생할경우에 QoS 변이를최소화한결과로서판단된다. 추후최적의종단간협상방법은계속적으로연구되어야하며, 3GE 이동통신서비스및구현에대한더많은연구가필요하다. 1200 Transmission delay (ms) 1000 800 600 400 200 0 with Policy-Based SLA without Policy -Based SLA 0.01 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 Session arrival rate (sec) [ 그림 6] 전송지연의비교평가 그림 7은패킷손실률을보인다. SLA의 QoS 기준만족여부를평가하고정책에기반하여, QoS가상이한이기종시스템에접속되어도 QoS 요구에부합하기위하여 QoS 조정이이루어진다. 결과로부터, 제안된각각의개별시스템에비하여 1.3배이상의성능향상을보임을알수있다. 참고문헌 [1] S. Ryu, D. Oh, G. Sihn, and K. Han. Research Activities on the Next Generation Mobile Communications and Services in Korea, IEEE Comm. magazine, Vol.43, No.9, pp.122-131, Sep. 2005. [2] T. Guenkova-Luy, A.J. Kassler and D. Mandato, End-to-End Quality-of-Service Coordination for Mobile Multimedia Applications, IEEE Journal on Selected Areas in Communications, vol. 22, pp. 889-903, 2004. [3] Mario Munoz et, al., ''A New Model for Service and Application Convergence in B3G/4G Networks,'' IEEE Wireless Communication, Vol.11, No.5, pp.6-12, Oct. 2004, [4] Hyun-Ho Choi; Dong-Ho Cho., Takeover: a new 2719
한국산학기술학회논문지제 10 권제 10 호, 2009 vertical handover concept for next-generation heterogeneous networks, In IEEE Transaction on Vehicular Technology, Vol. 4, pp 2225-2229, June 2005. [5] Simone Frattasi, Hanane Fathi., Defining 4G Technology from the User s Perspective, IEEE Network, Volume 20, Issue 1, Jan.-Feb. pp. 35-41, 2006. 이기성 (Gi Sung Lee) [ 종신회원 ] 1993 년 2 월 : 숭실대학교컴퓨터학과 ( 공학사 ) 1996 년 2 월 : 숭실대학교컴퓨터학과 ( 공학석사 ) 2001 년 8 월 : 숭실대학교컴퓨터학과 ( 공학박사 ) 2001 년 9 월 ~ 현재 : 호원대학교컴퓨터 게임학부교수 < 관심분야 > 이동통신, 네트워크보안, 데이터베이스관리, 멀티미디어 이종찬 (Jong Chan Lee) [ 정회원 ] 1996 년 2 월 : 숭실대학교컴퓨터학과 ( 공학석사 ) 2000 년 2 월 : 숭실대학교컴퓨터학과 ( 공학박사 ) 2000 년 10 월 ~ 2005 년 3 월 : 한국전자통신선임연구원 2005 년 3 월 ~ 현재 : 군산대학교컴퓨터정보공학과조교수 < 관심분야 > 이동통신, RFID 2720