논문 2012-50-5-4
IP기반 차세대 모바일 네트워크에서 사용자 이동패턴에 기반한 QoS 보장기법
( A Novel QoS Provisoning Scheme Based on User Mobility Patterns in IP-based Next-Generation Mobile Networks )
양 승 보*, 정 종 필** ( Seungbo Yangⓒ and Jongpil Jeong )
요 약
미래의 무선 시스템은 사용자가 이동하며 생활하는 것을 지원해야 한다. 이동성은 매우 다른 특성을 가진 여러 개의 중첩 네트워크의 사용을 통해 제공 될 것이다. 이러한 네트워크는 오늘날의 인기 있는 데스크탑 서비스인 웹 브라우징, 쌍방향 멀티 미디어 및 모바일 화상회의 등의 원활한 제공을 지원해야 한다. 따라서 이러한 모바일 시스템 설계의 주요 과제 중 하나는 서 비스 품질(QoS) 보장이 될 것이며 이것은 애플리케이션이 다양한 네트워킹 인프라 아래에서 요구하는 것에 따라 보장해야 한 다. 우리는 응용 프로그램에 QoS 보장을 제공하는 자원의 예약 및 적응 기법을 사용할 필요가 있다. 그러나 전체 서비스 예약 및 사전 구성은 지나치게 많아서 결과가 매우 비효율적이고 신뢰할 수도 없는 방식이다. 이것을 극복하기 위해 사용자의 이동 성 패턴을 이용할 수 있다. 사용자의 움직임을 미리 알고 있을 경우, 예약 및 구성 절차는 사용자가 방문할 가능성이 있는 네 트워크의 영역으로 제한할 수 있다. 제안한 Proxy-UMP기법은 다른 기법들에 비해 탐색비용의 증가에 민감하지 않으며, SMR(Session Mobility Ratio)증가에 따라 총비용의 증가율이 적은 것을 보여준다.
Abstract
Future wireless systems will be required to support the increasingly nomadic lifestyle of people. This support will be provided through the use of multiple overlaid networks which have very different characteristics. Moreover, these networks will be required to support the seamless delivery of today’s popular desktop services, such as web browsing, interactive multimedia and video conferencing to the mobile devices. Thus one of the major challenges in the design of these mobile systems will be the provision of the quality of service (QoS) guarantees that the applications demand under this diverse networking infrastructure. We believe that it is necessary to use resource reservation and adaptation techniques to deliver these QoS guarantee to applications. However, reservation and pre-configuration in the entire service region is overly aggressive, and results in schemes that are extremely inefficient and unreliable. To overcome this, the mobility pattern of a user can be exploited. If the movement of a user is known, the reservation and configuration procedure can be limited to the regions of the network a user is likely to visit. Our proposed Proxy-UMP is not sensitive to increase of the search cost than other schemes and shows that the increasing rate of total cost is low as the SMR increases.
Keywords: Proxy-UMP, User Mobility Patterns, Mobility Management, Proxy Mobile IPv6, PBS, MPBS
Ⅰ. 서 론
일상생활에서 많은 모바일 사용자가 특정 경로를 매
* 정회원, 성균관대학교 컴퓨터공학과 (Deptment of Computer Science, SungKyunKwan University)
ⓒ Corresponding Author(E-mail:[email protected]) 접수일자 2013년1월29일, 수정완료일 2013년4월22일
일 이동하는 것을 볼 수 있다. 예를 들어, 사람은 지정 된 도로를 운전해서 사무실까지 도착하고 하루 중 대부 분을 사무실에서 머무르며, 퇴근 후 아침에 집에서 사 무실까지 이용한 도로를 따라 집으로 돌아온다. 그리고 우편집배원 경우 매일 정해진 경로에 따라 우편을 배달 한다. 이와 같이 네트워크가 모바일 사용자의 일상적인 경로 정보를 알고 있다면, 위치 업데이트 신호 트래픽
부담을 해결할 수 있다. 이러한 패턴을 바탕으로 PBS (Profile-Based Scheme)[1]를 제안하였다. 이 기법에서 는 사용자의 일상 정보가 프로파일에 저장된다. 사용자 가 자신의 여정을 잘 따른다면 위치 업데이트가 필요하 지 않으며 업데이트 트래픽도 줄일 수 있다. 그리고 Le -Zi 업데이트 기법[2]에서 사용자 움직임 내역은 네트워 크로 전송되고 등록된 데이터는 사용자의 검색 트리를 구성하는 데 사용된다. 그리고 사용자 이동성 패턴 기 반의 이동성관리 기법[3]에서는 UMP(User Mobility Pat terns)를 통해 사용자의 움직임을 기반으로 한 관리기 법을 제안하며 사용자가 특정 Cell에 있는지에 대한 확 률은 UMP에서의 확률을 기준으로 파생된다. 이 기법 에서 페이징은 동시에 이루어지거나 확률이 낮은 순서 에 따라 하나씩 운영할 수 있다. 위의 구조에서 위치 업 데이트 비용은 총 탐색 비용을 감소시킬 수 있다. 하지 만 교통량, 날씨 또는 다른 이유 때문에 사용자가 기존 의 경로를 이탈할 수 있다. 이 경우에 모바일 단말기의 정보는 즉시 업데이트되어야 한다.
본 논문에서는 PMIPv6(Proxy Mobile IPv6)[9] 네트 워크 기반으로 MPBS(Mobility Pattern Based Scheme)
[4]를 확장하고자 한다. IETF(Internet Engineering Task Force)에서는 이동성관리 기법의 중요 프로토콜 로 MIPv6[5]를 제안했으나, MIPv6는 시그널링을 전송하 는데 있어 사용자들에게 불편을 가져다 줄 수 있는 몇 가지의 약점을 가지고 있다[16]. MIPv6에서 시그널링을 전송하는데 있어서 HA(Home Agent)와 CN (Correspondent Node) 그리고 MN간에 거리가 멀 경우 에는 매우 비싼 비용을 들여서 BU(Binding Update)를 수행해야 한다는 것이다. 그와 같은 상황에 대한 보완 기능을 가진 몇 가지 프로토콜은 이미 다음과 같이 제 안되었다. FMIPv6(Fast Handover for MIPv6)[6], HMIPv6(Hierarchical MIPv6)[7] 그리고 이 두 가지 기 능을 상호 보완한 F-HMIPv6(Fast Handover for Hierarchical MIPv6)[8] 그리고 최근에는 네트워크 기반 의 프로토콜인 PMIPv6(Proxy MIPv6)와 F-PMIPv6 (Fast Handover for Proxy MIPv6)[10] 등도 있으며, 이 기종망에서 글로벌 끊김 없는 핸드오버를 위한 PMMP (Peer-to-Peer Mobility Management Protocol)[17]도 제 안되었다. 그러나 IP기반 차세대 모바일 네트워크는 모 바일 사용자 수와 이동성, 서비스의 품질(QoS)에 대한 추가 수요의 증가로 현재 이동성관리 기법에 대한 새로 운 도전에 직면해있다고 할 수 있다. 정보 교환으로 인 해 위치관리 시그널링 트래픽 부담은 사용자 수의 증가
와 함께 증가하게 된다. 통계적으로 90 % 이상의 시그 널링 트래픽이 일부 고밀도 도시 지역[11]에서 위치 업데 이트에 대해 자동으로 생성되는 것을 확인할 수 있으며 이러한 트래픽 증가는 위치관리 도메인 크기가 작은 현 재의 이동성관리 기법과 함께 추가로 네트워크 시그널 링 부담을 심화시키고 있다[2, 5]. 이러한 원인들로 인해 모바일 단말은 이동성과 관련한 어떠한 작동도 요구하 지 않는 네트워크 기반의 이동성 프로토콜에서 사용자 의 이동성 패턴을 고려한 이동성관리 기법만이 위에 언 급한 문제를 해결할 수 있는 대안이 될 것이다.
본 논문은 새로운 이동성 패턴 기반의 Proxy-UMP 기법을 제안한다. 모바일 사용자의 SMR(Session Mobil ity Ratio)은 PBS기법에서 매우 중요하다는 것을 입증 하며, 트래픽 절감은 제한된 SMR의 특정범위 아래에 형성되는 것을 보여준다. Proxy-UMP는 사용자의 상태 에 따라 다른 탐색기법을 사용하여 UMP 비용을 최소 화시킬 수 있다. 이 기법은 UMP을 사용하여 위치 업데 이트 및 탐색 트래픽 부담을 최소화하는 데 사용된다.
기본적인 아이디어는 이동성 패턴 프로파일에 시간 정 보를 포함하는 것이다. 따라서 다른 위치 업데이트와 탐색방식은 다른 사용자 상태를 기반으로 사용할 수 있 다. 수학적 분석결과는 Proxy-UMP는 PMIPv6과 PBS 기법보다 훨씬 적은 신호 트래픽을 생성하고, Proxy-U MP에서 탐색 지연이 매우 짧은 것으로 나타났다. 차세 대 무선통신 시스템에서 서비스 제공자는 사용자의 서 비스 요구에 따라 네트워크 리소스를 할당해서 사용자 중심의 서비스를 제공할 것이다. Proxy-UMP 장점은 시스템이 사용자의 미래 위치를 예측할 수 있다는 것이 다. 그리고 리소스를 사용자의 우선 순위가 높은 애플 리케이션에 미리 할당할 수도 있다.
본 논문은 다음과 같이 구성되어있다. Ⅱ장 관련연구 에서 PMIPv6 구조, PBS기법을 상세하게 설명한다.Ⅲ3 장 에서는 제안기법인 Proxy-UMP을 설명한다. Ⅳ장 성능분석에서는 신호 전달 비용을 모델링하고 성능평가 를 위한 네트워크 아키텍처와 성능평가 결과를 분석하 며, Ⅴ장 결론에서 논문의 결론을 언급한다.
Ⅱ. 관련 연구
1. Proxy Mobile IPv6 개요
이동성 관리기법이란 모바일 단말이 이동하는 경우 에 엑세스 라우터와 연결을 유지할 수 있도록 하는 기 술이다. MIPv6의 여러 프로토콜도 이를 위한 MN의 이
그림 1. PMIPv6 구조 Fig. 1. Structure of PMIPv6.
동성을 규약 하는 것이다. 그러나 MIPv6는 이동 단말 과 엑세스 라우터 사이의 시그널링으로 인한 무선구간 에서의 자원사용량 증가, 한정된 성능 및 자원 등 이동 성 지원에 제약이 많다. 이런 문제점이 대두되어 네트 워크 기반으로 PMIPv6(Proxy MIPv6)[9]가 정의되었다.
[그림 1]은 PMIPv6의 구조에 대해서 설명하고 있다.
PMIPv6는 LMA(Local Mobility Anchor)와 MAG(M obile Access Gateway), 그리고 AAA(Authentication, Authorization and Accounting) 서버의 새로운 구성요 소로 이루어져 있다. LMA는 도메인에서 MN에 대한 일종의 HA역할을 한다. MAG는 주로 AR(Access Rout er)에 위치한다. 그러므로 MAG는 MN이 직접적으로 접속하는 첫 번째 홉이 되며, MN을 대신해서 시그널링 을 수행한다. MN이 L2 접속인증을 수행하게 되며, 이 과정에서 MN을 MAG에게 알리게 된다. MAG은 AAA 와의 인증 과정을 수행한다. MAG는 MN을 담당해야 하는 LMA에 PBU(Proxy Binding Update) 메시지를 보내어 단말의 현재 위치를 갱신한다. 해당 PBU(Proxy Binding Ack)를 수신한 LMA는 단말의 서비스를 위해 서 MAG에 PBA 메시지를 보내게 된다. 그리고 LMA 는 MAG의 주소를 이용하여 LMA와 MAG간 양방향 터널을 만들고 서비스를 준비하게 된다. MAG는 자신 에게 접속된 MN에게 LMA가 할당해준 HNP(Home Ne twork Prefix)와 IP 주소를 할당하는 메시지를 RA로
보낸다. 연결설정이 완료되면 MAG는 해당 MN에서 오 는 모든 트래픽을 LMA와 연결된 터널을 이용하여 LM A에게 전송하게 되며, LMA는 외부에서 오는 모든 트 래픽을 해당 MN을 관리하는 MAG에 전송하게 된다.
2. PBS 기법
PBS(Profile-Based Scheme)[1]에서 네트워크가 각 사 용자의 대부분 이동경로 목록의 레코드를 유지 관리한 다. 이것은 사용자의 위치 분포 확률이 사전에 알려져 있다고 가정한다. 이것은 모바일 단말기에서 제공하거 나 사용자의 호출 내역에 따라 네트워크에 의해 추정 할 수 있다. 위치 목록은 스위치에 저장되고, 목록을 업 데이트하는 데 필요한 정보는 모바일 스위치 결제 센터 내에 저장된다. 사용자의 이동 일정은 다음과 같이 정 의할 수 있다. 는 레코드 목록에서 RA(Register Are a) 중 한 경우 이고 사용자의 대부분의 이동일정은 로 정의할 수 있으며 RA안에 있는 세트 수가 k이다.
사용자가 RA에서 의 확률은 이다. 시스템은 약간 의 시간 간격T를 위해(, )의 구조를 유지한다. 를 벗어날 사용자의 확률은 다음과 같다.
(1)
> 0 경우에는 목록에서 사용자를 찾지 못할 가능 성이 있다. 사용자가 엄격하게 이동일정을 따른다면
에서 로밍을 유지 및 등록할 필요가 없다. 사용자가 목록에서 벗어난 지역으로 이동하면 모바일 단말기는 수동으로 네트워크에 등록해야 한다. 따라서 터미널은 반드시 목록의 사본을 보관해야 한다. 어떤 가 추가 되거나 삭제될 때마다 목록을 네트워크에서 단말기로 전송하고 업데이트해야 한다. 사용자를 위해 호출요청 이 도착하면 RA는 목록에서 를 내림차순 순서로 탐 색한다. 사용자가 에 벗어난 지역에 있을 때 데이터 베이스는 이와 같은 내용에 따라 사용자의 정확한 위치 를 알 수 있다. 위 내용을 토대로 PBS는 증가된 탐색비 용의 부담은 위치 업데이트 비용으로 효과적이게 총 비 용을 줄일 수 있으며 이동경로 목록의 길이에 따라 탐 색지연과 무선연결 비용이 낮아지는 것을 분석했다.[1]
그리고 탐색지연은 사용자가 발견되기 전에 호출되어야 하는 데 필요로 하는 RA의 수 측면과, 알려진 세 가지 확률들에 따라 예상되는 것에 도출되었다[1].
사실, PBS 기법의 총 비용이 사용자의 CMR(call-to-
mobility ratio)과 긴밀한 관계를 갖고 있다는 것은 직관 적으로 알 수 있으며 작은 CMR이란 사용자가 호출 도 착률에 비해 상대적으로 높은 이동 속도를 가지고 것을 의미한다. PBS는 대부분의 업데이트 비용을 절감하고 효율적으로 수행할 수 있다.
Ⅲ. 사용자 이동패턴에 기반한 이동성관리
1. 시스템 아키텍처
차세대 무선 통신 네트워크의 경우 사용자의 다양한 클래스에 따른 서로 다른 서비스 요구 사항들이 있다.
다른 서비스 요구 사항들은 통화 내역, 이동성 패턴, 그 리고 더 높은 QoS 보장을 위해 비용을 지불하는 동의 를 기반으로 사용자에게 할당할 수 있다. 이러한 목표 를 달성하기 위해서는 네트워크의 사용자 프로파일에 사용자 정보를 수집하고 저장해야 한다. 예를 들어 UM P가 알려져 있다면 몇 가지 자료 또는 정보를 통해 일 정한 지역의 사용자에 대해 대비할 수 있다. 이러한 정 보 수집 및 배포 등의 추가적인 작업부하가 현재 배포 된 무선 통신 데이터베이스 시스템에 통합되는 경우, 신호 및 데이터베이스 검색 트래픽은 시스템 프로세스 성능에 비해 과부하 될 수 있다. 무거운 트래픽 로드로 인한 지연은 시스템 성능을 심각하게 저하시킬 수 있 다. 문제를 해결하기 위해, VMN(Virtual Management Network) 개념을 제안한다[4]. 가상 관리 네트워크(VM N)는 지능적인 기능을 처리하는 기존의 무선 모바일 네 트워크 위에 관리 네트워크를 중첩한 것으로 새로운 기 능의 LMA를 제안하는 것이다. 무선 모바일 네트워크 에 대한 신호 전달 네트워크가 공통채널 신호 네트워크 라고 가정하면 LMA는 하드웨어 기반 또는 소프트웨어 기반이 될 수 있으며, MAG와 LMA 모두 연결할 수 있 다. 각 LMA는 MAG의 선택 세트를 담당하고 동적으로 네트워크의 최신 트래픽 부담에 따라 구성할 수 있다.
VMN는 운영, 관리 및 네트워크 유지 관리와 사용자
그림 2. 시스템 아키텍처 Fig. 2. System architecture.
정보를 수집 관리 (OA & M, Operations, Administrati on and Management) 센터로 연결할 수 있다. 본 논문 에서는 이 중에서 위치관리 문제에 집중했다.
2. Proxy-UMP 기법의 작동절차
Proxy-UMP기법은 사용자가 업데이트 비용과 사용 자 탐색 비용을 줄이는 방법이다. PBS와 비교해서 위 치 의 체류 시간 와 입력하는 사용자시간
가 사용자 프로파일에 추가된다. LMA는 각 사용 자에 대해 등의 목록을 유지한다. 사용자 집합의 원소 개수를 k라고 가정하며 튜플은 목록에서
에 있지만 에 따라 적용되지 않는다. 예를 들어 사용자 프로파일에 24시간 동안 접속할 수 있는 모든 위치에 대한 정보를 포함하는 경우, 목록은 사용자가 모든 를 방문하는 시간에 의해 정렬된다. 따라서 i = j에 대해 와 는 같다. Proxy-UMP 기법에서는
를 사용자의 패턴을 벗어난 것으로 정의한다.
(2)
의 경우는 사용자가 목록에서 등록된 MAG 밖 으로 이동하는 확률이다. 이러한 상황을 ‘패턴의 범위 밖에 있다’ 라고 하고, 그렇지 않는 경우를 ‘패턴의 범위 안에 있다’ 라고 한다.
[그림 3]은 Proxy-UMP의 개념도를 보여준다. 사용 자는 MAG_A1에 살고 있고 MAG_A4사무실에서 근무 를 하고 있으며 사무실에 도착하기 전에 MAG_A2와 MAG_A3를 통과하게 된다. 그리고 MAG_A5에 있는 식당에서 점심식사를 한다. 만약 사용자가 평소 이동하 는 경로에 대한 정보가 프로파일에 저장되어 있다면 네 트워크는 위치 프로파일과 하루 중 현재 시간을 기준으 로 사용자를 찾을 수 있다. 이 기법은 보다 정확하게 사 용자의 동작을 정의하며 사용자가 UMP를 수행할 때 위치 업데이트 트래픽이 줄어드는 것을 명확하게 확인 할 수 있다.
사용자가 Proxy-UMP 기법으로 수행하는 패턴은 두 가지 종류가 있다. 사용자가 에 시간동안 들어갔 을 때 의 체류시간을 로 입력하고 의 체류시간 이 가 되면 사용자는 시간 순서 패턴을 따르는 것이 며 오직 프로파일의 순서에 따라 MAG에 사용자가 들어오고 나갈 경우에는 시퀀스 패턴을 따르는 것이다.
예를 들어 예상치 못한 도로 정체는 사용자를 사무실
그림 3. Proxy-UMP의 개념도 Fig. 3. Concept of Proxy-UMP.
까지 모든 MAG에 접속을 느리게 만든다. 그러나 여전 히 예전과 같은 경로를 따른다. 일련의 패턴에 따라 사 용자가 시간 순서 패턴을 따르는 것이 확실하지만 시퀀 스 패턴에 따르고 시간 순서 패턴은 따르지 않을 수 있 다. 그리고 사용자는 몇 가지 이유로 기존 자신의 경로 를 벗어날 수 있기 때문에 UMP를 통해 사용자가 얼마 나 가까운지 알아 내야한다. 이런 이유로 차세대 시스 템을 위한 모바일 터미널은 더 지능적인 기능을 통합해 야 한다. 사용자가 네트워크 서비스 영역에서 배회하고 있을 때, 모바일 터미널이 MAG_ID와 MAG로 들어가 고 나가는 시간을 기록할 수 있다고 가정한다. 사용자 의 실제 경로 정보를 UAP(User Area Pattern)로 정의 한다. UAP는 UMP를 주기적으로 업데이트하는 데 사 용할 수 있다. 시간 경과 또는 사용자가 MAG 경계를 교차점으로 이동하면 휴대 단말기가 아닌 UMP와 UAP 를 비교하여 사용자가 어떤 패턴을 따르는지 알 수 있 다. UAP는 UMP와 동일한 형식으로 되어 있다. 시간 정보를 고려하지 않으면 UAP는 으로 표현할 수 있 으며 길이는 m으로 표현한다. 시간과 관계없이 수정된 거리에서 UMP와 UAP의 유사성을 비교할 수 있다[12]. 모바일 사용자의 일반적인 움직임은 다음과 같은 규칙 작업을 통해 수정된 UAP로 모델링 할 수 있다고 가정 한다.
1) UMP의 MAG 중 L 의 i 위치를 삽입하면 UAP 에 제공( )
2) UMP의 MAG 중 MAG_를 삭제하면 UAP에 제공( )
3) UMP의 MAG_가 다른 MAG L로 변경하면 UAP에 제공( )
그 결과, UMP와 UAP 사이의 수정된 시간 간격은 이동된 움직임에 대한 가중치의 합이 된다. 수정된 시 간간격이 임계값 보다 작으면 사용자가 일반적인 움직 임의 의도를 나타내는 시퀀스 패턴을 따른다고 말할 수 있다. 그러나 복잡한 네트워크 토폴로지와 대형 시스템 의 경우, 공간적 가중치 계산이 더 많이 관여할 수 있으 므로 시간 간격을 정확히 할당하고 공간 가중치를 계산 하는 방법을 점차적으로 연구 할 것이며, 본 논문에선 다음과 같이 일반적인 가중치를 정의한다. 삽입비용
는 L이 의 인접한 MAG이면 1, 그렇지 않으면
∞ 이며 삭제비용 는 에서 이미 삭제 되었으면 0, 그렇지 않으면 1이다. 그리고 수정비용
는 L이 의 인접한 MAG이면 1, 그렇지 않으면
∞ 이다. 앞에서 설명한 내용을 기반으로 정확하게 사용 자의 동작을 정의하여 사용자가 를 입력하면 다음 요구사항이 충족되는 경우에만 ‘시간 시퀀스 패턴을 따 르고 있다’라고 한다. 시간 시퀀스 패턴을 다음과 같이 표현한다.
1) ∈
2) 3)
는 사용자가 를 입력하는 실제시간이고
는 현재 시스템 시간이며, 는 시간패턴 임계값이다.
첫 번째 조건은 프로파일에 있는 사용자를 제한하고 두 번째 및 세 번째 조건은 약간의 시간 임계값 내에 입력 및 를 들어가고 나가는 사용자를 제한한다.
다음은 시퀀스 패턴을 표현한 것이다.
1) ∈
2) or 3)
UAP가 B라고 가정한다면, UAP 와 UMP 사이의 수 정한 거리는 이며, 수정한 거리 임계값 은 N에서 비교한 결과가 정확 하게 보장할 수 있을만큼 선택한 패턴의 길이이다.
Proxy-UMP 기법에서 사용자는 MAG에 있을 때 표 1에 정의된 네 가지 상태 중 하나가 될 수 있다.
네 가지 상태를 정의하는 이유는 네트워크가 서로 다
상태 정의
1 사용자가 시간 시퀀스 패턴을 따를 때
2 사용자가 시퀀스 패턴을 따를 때
3 사용자가 두 패턴을 따르지 않으나 ∈
4 ∉
표 1. MAG에서의 사용자 상태 Table 1. User states in MAG.
른 상태의 사용자들에게 각기 다른 사용자 탐색 기법을 호출할 수 있기 때문이다. 사용자는 네트워크에 언제고 상태 변경 내용을 통보해야 한다. Proxy-UMP 기법에 서는 업데이트 메시지에 사용자의 상태 정보가 포함되 어 있다고 가정하며 네트워크에 사용자의 현재 상태를 알 수 있도록 휴대 단말기는 항상 업데이트 메시지를 보낸다. 사용자가 상태 1, 2 또는 3인 경우 현재상태가 변경되지 않고 유지되는 한 위치 업데이트 메시지를 전 송할 필요가 없다. 사용자가 상태 4이면, 모바일 단말기 는 사용자가 새로운 MAG에 들어갈 때 마다 네트워크 에 위치를 업데이트를 해야 한다. 사용자의 일상 정보 를 충분히 수집할 수 있다면 사용자는 상태 1, 2 또는 3 일 확률이 높으며, 업데이트 비용은 줄어들 수 있다. 그 리고 Proxy-UMP 기법에서는 접속 요청이 왔을 때 네 트워크가 사용자의 현재 상태에 따라 서로 다른 사용자 탐색 기법을 사용할 수 있다. 사용자가 상태 1에 있으 면 네트워크는 MAG위치에 있는 사용자를 현재 시스템 시간과 기억한 시간에 따라 확인할 수 있다. 예를 들어 현재 시간은 t이며 사용자가 상태 1일 때 접속 요청이 도착하면 네트워크 ≤ ≤ 가 일치하는 레코 드를 검색할 수 있다. 그런 다음 사용자를 에서 찾을 수 있으나 사용자가 저장된 영역으로만 이동하며 다음 위치에 들어가는 것일 때 가능하다. 만약 사용자가 상 태를 변경하지 않는 경우에 다음 MAG위치에 대한 저 장된 정보가 필요하다. 사용자가 상태 2일 경우 마지막 위치 업데이트를 따를 때 MAG에 위치하지 않아도 알 수 있다. 사용자가 시퀀스 패턴을 따르고 있기 때문에 네트워크는 사용자 프로파일 안에 마지막으로 업데이트 된 후 반드시 MAG들 중 특정 한 곳에 위치한다는 정 보가 있다는 것을 알고 있다. 따라서 상태2는 시간 정 보가 없기 때문에 모든 MAG를 저장하고 있는 영역에 있을 확률 에 대해 내림차순 순서로 호출하여 알 수 있다. 사용자가 상태 3에 있는 경우 네트워크는 사용자 가 A에 있는지 알고 있다. 사용자를 찾을 때까지 A안 에 있는 모든 MAG에 위치할 확률 에 대해 내림차순
순서에 따라 호출되며, 그 위치는 PBS에서와 동일하다.
사용자가 상태 4이면 네트워크는 사용자의 정확한 위치 를 알 수 있도록 각 MAG를 탐색한다.
Ⅳ. 성능분석
새로운 방식에 대한 성능분석을 수행하고 결과를 도 출한다. PBS와 Proxy-UMP의 위치 관리 방식에 대한 총 시그널링 비용을 분석한다. 사용자의 움직임은 다른 임의의 요소가 결과에 영향을 크게 미치기 때문에 근접 한 형태를 얻기 어렵다. 따라서 본 논문에서는 각 방식 의 비용을 계산하고 시뮬레이션을 통해 성능 비교를 수 행한다.
1. 비용 모델링
본 논문에서는 [그림 4]와 같이 육각형 평면을 고려 한다. 1/6의 확률로 자신의 이웃 중 한 곳에 이동한다.
MN이 네트워크 도메인 밖으로 이동하기 전까지 처음 의 셀에서 다른 셀로 이동하게 되는데 이동한 단계를 k 로 정의한다. 라우팅 확률이 동일하다고 가정하여 네트 워크 도메인에서 셀의 상태를 아래 [그림 4]에서와 같 이 4개의 유형으로 분할한다. 유형을 구분하는 방법[13]
을 참고하였다.
[그림 4]에서 3개의 선을 그어 6개의 동일한 크기로 네트워크 도메인을 분할하였다. 교차하는 두 부분은 네 트워크 도메인의 구조에 영향을 미치지 않는다. 예를 들어 표시된 셀이 다른 셀에서 볼 때 동일한 상대적인 위치에 있다면, 두 개의 셀은 함께 그룹화 되고 동일한
그림 4. 성능분석을 위한 네트워크 구조
Fig. 4. Network architecture for performance analysis.
그림 5. 육각형 셀 구조의 상태 전이 다이어그램 Fig. 5. Hexagonal cell structure of the state transition
diagram.
유형으로 할당된다. 같은 유형의 셀에서 MN은 동일한 라우팅 패턴으로 셀을 벗어나게 된다.
[그림 5]에서 상태 전이 다이어그램을 보면, 이 모델 에서는 상태가 일시적으로 변화되지는 않지만 하나의 상태에서 순환하게 되는 것을 알 수 있다. 따라서 일반 적인 마코프 체인 속성은 제안된 모델의 동작을 분석하 기 위해 적용할 수 있다[14].
P가 일반적인 전이 확률의 행렬이라 하면 상태의 수 가 m 일 때 일정한 상태(제한) 확률 벡터PI를 구할 수 있다.
and (3)
일반적인 마코프 체인에 대한 기본행렬 란 1) A는 P에 의해 결정되는 제한되는 행렬이며, 은 확률행렬 A를 수렴한다.
2) A는 모든 항목에 1로 하는 열벡터일 때, A의 각 행은 동일한 확률벡터 , 로 구성된다.
3) I는 단위행렬이다. 아래와 같이 계산된다.
(4) A행렬은 P의 n제곱 중에서 가장 높은 값을 사용하여 얻을 수 있고 각 행의 항목은 수렴하게 된다. 행렬은 일반적인 마코프 체인의 다양한 동작을 표현한다. 이 행렬을 사용하여 프로세스가 특정 상태에 있는 횟수를 계산한다[14].
는 처음 단계 k 에서 상태 에 있는 프로세스 의 횟수라 하고 상태에서 로 넘어가는 프로세스의
횟수를 와 같이 계산하며
와 는 행렬과 A(또는)행렬에서 구할 수 있다.
상태부터 k단계까지 경계 업데이트의 전체 수는 프로 세스 (예: 그림 5 에서1*,2*,3*, 4*) 상태에서 시작하여 별표 상태에 있는 횟수의 전체 합으로 계산할 수 있다.
따라서 분석 모델의 위치 업데이트 평균 수( )는 아 래와 같다.
(5)
은 처음 상태에서 시작하여 1* 상태가 될 프 로세스의 횟수이며 는 에서 상태에서 시 작되어 1* 상태에 있을 프로세스의 횟수이다. 아래 수 식은 정규화한 것이다.
(6)
위치등록을 위한 비용을 라 하고 특정MAG를 찾는 비용을 라 정의한다. 와 는 세 방식에 대해 동일하기 때문에 세션요청 전달처리를 위 한 비용은 고려하지 않는다. 또한 세션 요청의 도착 진 행과정에 대한 비용분석은 두 개의 연속적인 세션 요청 사이에서 이루어진다[15].
처음으로 등록할 때, 사용자는 하나의 MAG에 임의 로 등록되며, 상태 1을 명시하도록 설정되어 있다. 상태 4는 다른 상태들과 다르다. 상태 4에서 사용자는 실제 로 어떤 패턴도 따르지 않는다. 따라서 사용자가 상태 1, 2 또는 3에 있을 때 사용자가 패턴 안에 있다고 말할 수 있으며, 상태 4 일 때 사용자가 패턴 밖에 있다고 말 할 수 있다. 또한 사용자가 패턴 안에 있을 확률은 90
%라고 가정한다. 상태 1, 2, 3에서 사용자의 조건에 대 한 확률은 각각 0.8, 0.15, 0.05이다.
∙ ∙ ×
(7)
∙ ∙
∙ ∙ ×
(8)
는 SMR이다. 그리고 사용자의 프로파일에 있는 MAG의 수가 k라 가정한다. PBS방식의 경우, MAG의 평균 개수 E(K)로 정의하며 사용자가 발견되기 전에
호출 되어야 한다. 따라서 PBS방식의 총 비용은 다음 과 같다.
∙ ∙
×
(9)
∙ ∙
∙ ∙ ×
(10)
Proxy-UMP에 대한 총 비용의 분석은 더 복잡하다.
사용자가 i와 상태에서 탐색비용의 확률을
로 정의하는 경우 i상태에서 세션 요청이 도착했을 때 Proxy-UMP의 총 비용은 다음과 같다.
Pr
∙ ∙
×
∙ ∙ ×
∙
(11)
Pr
∙ ∙
∙ ∙ ×
∙ ∙
∙ ∙ ×
∙
(12) Proxy-UMP기법에 대한 총 비용을 계산하는
를 계산해야 한다. Proxy-UMP에서 세션 요
청이 도착하면 사용자가 상태 1인 경우, MAG는 사용 자의 현재 프로파일에 따라 검색된다. 그러나 현재 MAG가 검색되자마자 사용자가 다음 MAG로 이동할 가능성이 있다. 다음 MAG는 응답이 현재의 지역에서 미리 정의된 시간 내에 되돌아오지 않는 경우에 사용자 가 발견되었는지 확인해야 한다. 는 0을 의 미하는 정규분포와 분산 σ을 따른다고 가정한다. 탐색 메시지가 도착했을 때 사용자가 바로 다음 MAG로 이
동하는 확률은 ∆ 이다. 탐색만료 시간 이 매우 짧기 때문에, 사용자가 호출하는 동안 하나 이 상의 MAG를 교차하는 확률은 무시한다.
∆
∆∙ (13)
상태 2의 경우 세션 요청이 도착하면 사용자의 첫 번 째 m(m<k) MAG가 없기 때문에 다음 MAG만 세션 요청이 필요하다.
따라서 사용자가 다음 MAG에 있을 확률에 따라 달 라진다. 본 논문에서는 호출이 도착하기 전에 등록된 m MAG를 교차하여 지났으며, 이고 이라 가정하며,
MAG를 그리고 의 조건부 확률 분포를 이 용하여 계산한다. 세션 요청을 받은 MAG의 평균개수 가 이면 는 다음과 같이 쓸 수 있다.
∙ (14)
실제 상황에서는 조건부 확률을 계산하기 어려울 수 있다. 그러나 Proxy-UMP 방식은 네트워크를 검색할 확률 의 내림차순에 따라 다음 MAG를 찾아야하기 때문에 계산할 필요가 없다. 그 부 분은 같은 양수의 값이기 때문에 순서에 영향을 미치지 않는다. 그래서 은 PBS방식에서와 같고
는 PMIPv6기법과 동일하다.
∙ (15)
상태 업데이트 메시지를 등록 메시지와 동일한 내용 으로 적용한다. 업데이트 비용을 로 정규 화하며, 탐색비용은 일반적으로 ‘업데이트 비용보다 적 다’라고 정의한다[1]. MAG가 ≤ 는 하 나에 대한 탐색비용을 가정하므로 SMR, 탐색비용
, 사용자분포확률 , 사용자가 패턴 밖에 있을
확률 이 PBS와 Proxy-UMP방식의 성능에 영향을 미 치는지에 대해 알아보았다. 본 논문에서는 세 가지의 균등, 선형 및 지수분포가 있다고 가정한다[1]. MAG의 i 번째에 있는 사용자의 조건부 확률을 나타내는
또는 로 확률 분포의 정의는 다음과 같이 주어진다.
1)균일분포:
(16) 2)선형분포:
(17) 3)지수분포:
(18) b는 상수이다.
손실 없이 와 가 동일하다고 가정하며 프로파일 의 순서는 ≠ 이면 ≠ 이다.
2.수치분석 결과
Proxy-UMP는 위치를 업데이트하는 시그널링 트래 픽 부하를 줄일 수 있다. [그림 6]에서 PMIPV6 방식으 로 Proxy-UMP의 상대 위치를 업데이트 하는 비용을 보여준다. 이 시뮬레이션에서는 패턴 밖에 있을 확률은
= 0.1이고 세 가지 상태에서 사용자의 확률은 비용 모 델링에서 서술한 내용과 같이 설정된다. 그 내용을 적 용하면 [그림 6] Proxy-UMP방식에서 Intra와 Inter에 서의 위치업데이트 비용을 볼 수 있다. 일반적으로 Intr a보다 Inter가 위치 업데이트 비용이 큰 것을 알 수 있 다. Proxy-UMP 방식에서의 Intra장점은 많은 탐색비용 을 증가시키지 않고 전체 비용을 줄일 수 있다는 것이 다. 네트워크는 PBS-based PMIPv6와 Proxy-UMP 방 식에서 사용자의 정확한 위치를 알아내고자 하나 이상
Parameter Value Description
m 2 MAG를 교차할 때의 위치
i 9 MAG가 i번째 위치할 때
K 0.1 Out-of-pattern(패턴 밖에 있을 확률) pi1 0.8 상태 1의 확률
pi2 0.15 상태 2의 확률 pi3 0.5 상태 3의 확률
pi4 0 상태 4의 확률
Ubu 10.24 위치 업데이트 비용
RS 16 Router Solicitation RA 64 Router Advertisement PBU 90 Proxy Binding Update PBA 82 Proxy Binding Ack
표 2. 성능분석 파라미터
Table 2. Parameters for performance analysis.
그림 6. PMIPv6에서 Proxy-UMP의 위치 업데이트비용 비율
Fig. 6. Location update cost ratio of the Proxy-UMP scheme to PMIPv6.
그림 7. PBS-based PMIPv6와 Proxy-UMP의 총 비용 비 율
Fig. 7. Total costs ratio of the Proxy-UMP scheme to PBS-based PMIPv6.
의 MAG를 탐색한다. 다음 내용으로 Proxy-UMP와 P BS-based PMIPv6의 호출 전달 절차 중에 일부 지연을 소개한다.
[그림 7]에서는 동일한 조건에서 PBS-based PMIPv6 와 Proxy-UMP의 총 비용 비율이다. 탐색비용은 10kb 로 동일한 조건을 적용하였으며, 탐색지연은 사용자 분 포에 따라 다를 수 있으나 일반적인 균등 분포를 적용 하였다. [그림 7]에서 전체 비용에 차이가 나는 것은 탐 색지연이 발생했기 때문이다. Proxy-UMP의 탐색지연 이 PBS-based PMIPv6의 탐색지연보다 작다는 것을 알 수 있는데. PBS-based PMIPv6방식에서 목록에 있 는 모든 MAG가 호출 될 수 있기 때문이다. 탐색지연 은 사용자의 응답 인스턴트에 첫 MAG로 전송되는 순
간부터 경과된 시간이다.
Proxy-UMP 방식에서 사용자가 패턴 안에 있을 때, 사용자 상태가 3인 경우에만 모든 MAG를 순차적으로 호출하지 않는다. 사용자의 상태가 1이면 하나의 MAG 에만 시간이 호출되며 상태 2에서 MAG들 중 필요한 특정 MAG가 호출되는 경우 탐색비용은 한 MAG에 대 한 탐색지연으로 간주한다. 시뮬레이션에서 모든 MAG 에 대한 탐색비용이 동일하다고 가정한다. 결과를 보면 SMR이 낮을 때, Proxy-UMP 방식에 대한 탐색지연이 PBS-based PMIPv6 방식 보다 약 30% 감소했다. PBS -based PMIPv6방식보다 Proxy-UMP 방식이 MAG에 의해 영향을 받지 않는 이유는 SMR이 낮을 때 사용자 가 상대적으로 높은 이동 가능성을 가지고 있기 때문이 다. SMR이 클 때 사용자는 상대적으로 오랜 시간 MA G에 머물게 된다. PBS-based PMIPv6방식은 PMIPv6 보다 적은 탐색비용으로 사용자를 찾을 수 있다. 그러
그림 8. PMIPv6에서 균일분포를 적용한 Proxy-UMP와 PBS-based PMIPv6의 총 비용
Fig. 8. Total costs of Proxy-UMP and PBS-based PMIPv6 to PMIPv6 with uniform distribution.
나 Proxy-UMP 총 탐색비용은 여전히 PBS-based PM IPv6방식의 80 % 이상 적다.
그래서 본 논문에서 Proxy-UMP가 PBS-based PMI Pv6를 사용할 때보다 탐색지연을 감소시키긴 하지만, 두 방식에 대한 총 비용을 조사하여 두 방식이 기존의 PIMPV6 방식 보다 나은 성능을 제공하는지 확인하려 고 한다.
[그림 8, 9, 10]은 세 가지 확률 분포와 다른 탐색비 용으로 PMIPV6의 총 비용에 Proxy-UMP 및 PBS-bas ed PMIPv6 총 비용의 비율을 나타내었다. 앞의 경우들 은 사용자가 패턴 안에 있을 확률을 90 %로 가정하였 고 두 가지 방식 모두의 총 비용은 또는 같은 패 턴 밖에 있을 확률과 서로 상관관계 있다는 것을 직관 적으로 알 수 있다. PBS-based PMIPv6방식에 대한 비 용은 탐색비용의 증가와 함께 매우 빠르게 증가되는 것 을 볼 수 있다. 탐색비용이 5kb/s일 때, PBS-based PM
그림 9. PMIPv6에서 선형분포를 적용한 Proxy-UMP와 PBS-based PMIPv6의 총 비용
Fig. 9. Total costs of Proxy-UMP and PBS-based PMIPv6 to PMIPv6 with linear distribution.
IPv6방식은 SMR이 매우 낮은 경우에만 Proxy-UMP와 비슷하게 비용이 절약되지만 사용자가 네트워크에 업데 이트를 많이 하게 되면 업데이트 비용은 증가 한다. 그 러나 SMR의 증가로 PBS-based PMIPv6방식에 대한 탐색비용은 더 중요한 역할을 담당하고 있으며 총 비용 은 빠르게 증가한다. Proxy-UMP의 총 비용은 PBS-ba sed PMIPv6에 비해 훨씬 더 느리게 증가한다. 무선 멀 티미디어 네트워크에서 데이터 서비스는 탐색비용이 높 을수록 대역폭을 많이 소비한다. Proxy-UMP 총 비용 은 탐색비용이 증가할수록 PBS보다 증가율이 적다. [그 림 9]에서 PBS-based PMIPv6방식의 총 비용은 탐색 비용이 작은 경우 Proxy-UMP 방식과 큰 차이를 보이 지 않는다. 지수 분포에선 MAG를 찾는 비용이 다른 분포 보다 작기 때문이다. 탐색비용이 작은 경우 총 비 용은 작을 수 있지만 지수 분포에서 PBS-based PMIP v6의 총 비용은 탐색비용이 클수록 Proxy-UMP 방식
그림 10. PMIPv6에서 지수분포를 적용한 Proxy-UMP와 PBS-based PMIPv6의 총 비용
Fig. 10. Total costs of Proxy-UMP and PBS-based PMIPv6 to PMIPv6 with exponential distribution.
보다 증가율이 크다.
[그림 11]에서 PBS-based PMIPv6 및 Proxy-UMP 모두에 대한 총 비용은 사용자가 안에 있을 확률로 증가시켰다. 그 결과, Proxy-UMP 비용은 PBS-based PMIPv6보다 적다. 탐색비용이 큰 경우, [그림 12] 에서와 같이 PBS-based PMIPv6에 대한 모든 분포에 대한 총 비용은 Proxy-UMP 세 가지 분포들 보다 작다. 이 결과로 PBS-based PMIPv6 방식은 매우 제한된 조건에서만 네트워크 성능을 향상시킬 수 있는 것으로 확인하였다.
[그림 12]를 보면 사용자가 패턴 밖에 있을 경우에도 Proxy-UMP의 총 비용은 여전히 PBS-based PMIPv6 보다 작다. 사용자가 패턴 밖에 있을 확률은 두 수치의 모든 비용에 대한 비율과 동일하다. 그 이유는 사용자 가 패턴 밖에 있을 확률이 1일 때, 프로파일 목록에 있
그림 11. Proxy-UMP와 PBS-based PMIPv6에서 패턴 밖 에 있을 확률에 대한 효과 (SMR=1,탐색비용
=5kb)
Fig. 11. Effects of user out-of-pattern probability on Proxy-UMP and PBS-based PMIPv6 , with Search cost = 5kb and SMR = 1.
