Cross-Layer Based Service-Specific Mobility Management Platform for Heterogeneous Network Environments

Abstract

차세대 네트워크 환경에서는 다양한 특성을 가진 무선 시스템이 상호 중첩된 영역을 가지기도 하면서 공존하게 된다. 한편 두 개 이상의 무선 인터페이스를 갖추고 다양한 서비스를 동시에 받을 수 있는 이동 단말들도 등장하고 있다. 이와 같은 환경에서 이동 사용자가 로밍하면서 끊김 없는 통신을 지속할 수 있도록 해 주고, 더 나아가 여러 개의 공존하는 무선 액세스 시스템을 효과적으로 활용함으로써 응용의 서비스품질 요구에 대한 만족도를 높여주는 포괄적인 해결책이 필요하다. 차세대 네트워크 환경에서 응용 서비스의 품질 요구에 대한 만족도를 높여주기 위해서는 끊김없는 핸드오버 방안뿐만 아니라 여러 개의 무선 액세스 시스템들이 중첩되어 있는 영역에서 사용자의 이익을 극대화할 수 있는 최적의 액세스 네트워크를 선택하는 방안에 대한 연구가 필요하다. 그런데 이에 관한 기존연구들은 하나의 단말에 여러 개의 응용이 통신 중인 경우라 하더라도 해당 단말에 대해서 액세스 네트워크 하나만이 선택된다. 그러나 하나의 액세스 네트워크가 다양한 응용의 서비스품질 요구사항을 모두 만족시킬 수 없기 때문에, 액세스 네트워크 선택을 통해 서비스 품질과 액세스 네트워크 활용을 최적화하고자 한다면 서비스 별 액세스 네트워크 선택이 가능해야 한다. 따라서 차세대 통신에서는 단말에 대한 최적의 액세스 네트워크 선택이 아닌 서비스 별 최적의 액세스 네트워크 선택이 지원될 수 있어야 진정한 의미의 서비스품질 지원이 이루어 질 수 있다. 그러므로 본 학위논문에서는 여러 개의 공존하는 무선 액세스 시스템을 효과적으로 활용함으로써 응용 서비스 별 서비스 품질 요구에 대한 만족도를 최적화할 수 있는 포괄적인 이동성 관리 플랫폼을 제안하고자 한다. 본 논문의 연구결과를 요약하면 다음과 같다. 첫째, SCTP (Stream Control Transmission Protocol)에 기반한 동질 네트워크 간 수평적 핸드오버에 대해 종단 간 이동성을 관리하는 방안에 대한 연구를 수행하였다. 제안하는 방안은 전송 성능 향상을 위해 2계층 정보를 이용하여 새로운 IP 주소를 추가하거나 이전 IP 주소를 삭제하는 시점을 결정하는 방안과 이동 단말에서 데이터 전송 경로 변경을 결정하는 방안을 제안하였다. 또한 트랜스포트 계층에서 명시적으로 핸드오버 발생을 발견한다는 점을 이용하여 핸드오버 지연과 핸드오버로 인한 오류를 복구하는 시간을 최소화할 수 있는 빠른 오류 복구 방안을 제안하였다. 시뮬레이션 결과를 통하여 제안하는 트랜스포트 계층에서의 종단 간 이동성 지원 방안이 Mobile IPv6 (MIPv6) 등 기존 네트워크 계층 이동성 지원 방안들이 수반하는 오버헤드보다 더 낮은 오버헤드를 가지며 전송 성능이나 핸드오버 지연 측면에서 MIPv6와 유사하거나 더 좋은 성능을 보임을 알 수 있었다. 둘째, 차세대 네트워크 환경에서 이동 사용자의 응용 서비스의 품질 만족도를 높여주기 위해서는 서비스 별로 핸드오버 여부 판단 및 핸드오버 할 네트워크 선택이 이루어져야 하고, 핸드오버 수행 후, 서비스 별로 전송/응용 계층에 적합한 제어를 적용할 수 있어야 한다. 이에 본 학위논문에서는 cross-layer 기반 서비스 별 이동성 관리 플랫폼을 제안하였다. 제안하는 플랫폼은 종단 사용자의 단말에서 동작하며, 계층 간 효율적인 통신을 위한 모듈인 Monitoring Agent, Profile 데이터베이스와, 응용 별 핸드오버 결정 및 네트워크 선택과 심리스 핸드오버를 위해 각 응용에 적합한 전송/응용 제어를 적용하는 Decision Engine (DE), 응용 별 종단 간 이동성 관리를 수행하는 IP Agent 등 4개의 기능적 모듈로 구성된다. 제안하는 플랫폼은 기존 프로토콜에 미치는 영향을 최소화하여 현재의 무선 네트워크 기술로부터 무리없이 진화할 수 있고, 핸드오버 최적화 메커니즘 방안들에 대한 다양한 연구들의 결과를 적용할 수 있는 유연한 플랫폼을 제공한다. 셋째, 제안하는 플랫폼의 DE에서 수행되는 핸드오버 트리거링 메커니즘과 서비스 유형 별 핸드오버 결정 메커니즘에 대해 연구하였다. 제안하는 핸드오버 트리거링 메커니즘은 제안한 플랫폼의 계층 간 통신구조를 활용함으로써 프로토콜 계층에 관계없이 핸드오버 결정 메커니즘이 수행될 필요가 있는 모든 상황에 대해, 그 상황을 감지하는 즉시 DE로 이벤트를 발생시킨다. 또한 각 계층의 MA 간 정보교환 및 DE가 수신한 이벤트들을 종합하여 처리할 수 있는 간단한 규칙을 가짐으로써 SDE가 불필요하게 수행되는 것을 피할 수 있다. 그리고 서비스 유형 별 핸드오버 결정을 수행하기 위해 선택하려는 네트워크가 서비스 품질을 만족시키는 정도와 더불어 핸드오버가 각 응용 서비스의 품질에 미치는 영향을 함께 고려한 점수(score)함수를 각 SDE내에 정의하였다. 시뮬레이션을 통해 제안하는 플랫폼을 이용하여 접속 가능한 액세스 네트워크를 서비스 별로 적합하게 선택함으로써 실행 중인 각 서비스가 요구하는 각기 다른 QoS 제약사항들을 만족시켜 향상된 QoS를 제공함을 알 수 있었다.;An inevitable trend in the next generation wireless networks is coexistence of such different wireless access systems in a complementary manner. Mobile terminals (MTs) will also be equipped with multi-radio interfaces and execute diverse services from voice services to multimedia services and data services. Thus, there is a significant desire to provide a complete solution that enables mobile users seamlessly roam between access networks while enjoying a plethora of such diverse services. Under these circumstances, critical to the satisfaction of service users is being able to select and utilize the best access technologies among the available ones as well as seamless handovers. All of the existing solutions, however, only focus on per-node mobility management: an MT chooses a single access network at any given time regardless of how many different services have connections to the network. With the air interface capability limited to the single wireless access technology and/or a single point of attachment at a time, and with the mobile devices targeted for a specific service and/or running a single service at a time, per-node based network selection is sufficient for obtaining best service available from the user perspective. However, with the advances in the technologies, if it becomes possible for an MT running one or more services while attached through multiple wireless access technologies simultaneously, the per-node mobility management paradigm may no longer be considered as effective enough to deliver satisfactory Quality of Service (QoS) appropriate for each user service. In this dissertation, therefore, we envision a comprehensive architectural platform for mobility management protocols that allow end-users to dynamically and fully take advantage of different access networks. We summarize our results as follows: Firstly, we proposed a Stream Control Transmission Protocol (SCTP) based end-to-end mobility management scheme for horizontal handover occurred between homogeneous networks. The proposed scheme utilized the link layer signal strength information in order to determine when to add or delete end-point IP addresses of MT and how to change data delivery paths when handover happens. Exploiting the fact that the transport layer is aware of the mobility, we also proposed a fast error recovery algorithm in order to cope with handover efficiently. Through a series of simulations, the performance of the proposed scheme over plain IPv6 was compared with the Mobile IPv6 (MIPv6) and its variants (i.e., HMIPv6 and FMIPv6) with TCP Reno on top of them. The simulation results presented the performance gains of the proposed scheme, which is possible within the context of transport layer mobility management, compared to the plain TCP Reno whose session mobility is supported by MIPv6 and its variants. Secondly, in order for a mobile user to satisfy QoS requirements in heterogeneous network environments, it is required that handover decision and network selection that optimizes the handover performance in terms of each service requirements, and it is also required that transport and/or application specific control and adjustment when handover occurs. Therefore, we proposed a cross-layer based service-specific mobility management platform for heterogeneous network environments. We utilized two key approaches in order to accomplish the objectives of the proposed platform: End-to-end mobility management and Cross-layer design approach. The proposed platform consists of four functional modules: Monitoring Agents (MAs), and Profile Database (PDB) were defined to achieve an efficient cross-layer communication, IP Agent to implement end-to-end mobility management, and Decision Engine (DE) to conduct handover decision, network selection, and transport/ application control adjustment for seamless handovers. The platform presented in this dissertation minimizes the impact on the existing protocols and infrastructures, and thus the evolution from the existing layered protocol stack can be smooth. Further, the presented platform indeed provides a flexible architectural framework to utilize the various handover optimization techniques together. Thirdly, we proposed the handover decision triggering mechanism and the service-specific handover decision mechanism in DE of the proposed platform. The proposed handover triggering mechanism generated every event that handover decision can be needed in heterogeneous wireless network environments. In order to avoid unnecessary handover decision triggering, we also utilized simple rules which can suppress unnecessary handover decision triggering in DE, and communications between MAs by exploiting cross-layer approach of the proposed platform. In order to decide service-specific handover decision, we define the score function that considers not only QoS requirement for each service class and monetary cost but also the impact of the number of handovers on QoS. Our simulation results confirms that the proposed platform provides a better QoS guarantee than the per-node mobility management mechanisms as it selectively utilizes the optimal available networks depending on different QoS constraints of each service class and also enables specific control and adjustment for each of the service.