ieee 802.16e 그룹가지 제안들[3-8]은 대부분 타겟 기지국이 이미 결정되어 있는...

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工學碩士學位審査論文

IEEE 802.16e에서 그룹 기반의 빠른 스캐닝 기법

Fast Group Scanning Scheme in IEEE 802.16e Networks

2008年 8月

仁荷大學校情報通信大學院

情報通信工學科

崔在傕




2008年 8月

指導敎授兪相朝

이 論文을 工學碩士學位論文으로 提出함.

仁荷大學校情報通信大學院

情報通信工學科

崔在傕




2008年 8月

主審金在明

副審兪相朝

委員鄭在學

i

요 약

이동성을 보장하는 IEEE 802.16e 네트워크에서 MS는 자신이 핸드오버 할

타겟 BS를 결정하기 위해 스캐닝 과정을 수행한다. IEEE 802.16e 네트워크에서

동작하는 BS는 각각의 MS에 대한 위치정보를 관리하지 않으므로 스캐닝 스

케쥴을 요청한 각각의 MS들에게 위치적으로 고려되지 않은 이웃 BS 채널들

을 제공하게 된다. MS는 적절한 타겟 BS 채널을 발견하기까지 긴 시간을 스

캐닝 과정에 머무르게 된다. 이러한 스캐닝 과정은 반복적인 스캔 구간에 의

해 MS의 서비스 품질을 저하시키거나 MS가 이후의 핸드오버를 시작할 적절

한 타이밍을 놓치게 하는 등의 문제점을 내제하고 있다. 따라서 본 논문에서

는 IEEE 802.16e의 여러 MS들이 그룹을 형성하여 분산적으로 스캐닝을 수행

하고 그 결과를 공유함으로써 보다 빠르고 효율적으로 타겟 BS를 발견할 수

있는 그룹 스캐닝 기법을 제안한다. 제안된 기법은 직접 그룹을 형성하는 MS

들 뿐만 아니라 동일한 셀 내에서 유영하는 다른 MS들에게도 유용하게 적용

될 수 있다.

ii

Abstract

The mobile station which is about to do handover in IEEE 802.16e networks scans its

neighboring base station channels to decide its next target base station. However, due to

the lack of location information of its subscribers, the serving base station cannot provide

any reliable candidate channel which is actually attachable by the scanning mobile

stations, which makes the mobile station suffer from the long scanning time. Sometimes,

long scanning time may cause the degradation of quality of service due to repeatable

scan-duration or failure to start the handover procedure in time. To overcome these

problems, in this paper, we propose a new protocol so called fast group scanning scheme,

in which multiple mobile stations form a group to scan their neighboring base station

channels simultaneously. Main contribution of this proposal is to find and decide a

reliable target base station within a short scanning time. The fast group scanning scheme

can be deployed to the cell network of the serving base station with a dynamic

neighboring base station list management.

iii

목 차

요 약 ........................................................................................................................ i

Abstract........................................................................................................................ ii

목 차 ...................................................................................................................... iii

그림 목차.................................................................................................................... v

표 목차 ...................................................................................................................... vi

Abbreviation and Acronyms........................................................................................ vii

제 1 장 서론 .......................................................................................................... 1

제 2 장 관련 연구................................................................................................. 5

2.1 IEEE 802.16e에서의 스캐닝 과정 ............................................................... 5

2.2 스캐닝 관련 연구 ........................................................................................ 9

제 3 장 그룹 스캐닝 기법 ................................................................................. 12

3.1 그룹 스캐닝 동작의 개요......................................................................... 12

3.2 그룹의 형성 ............................................................................................... 15

3.3 동적 이웃 BS 채널 관리 기법 ................................................................ 20

3.4 그룹 스캐닝 ............................................................................................... 23

3.5 임의의 LTJ-MS를 위한 ELJ-MS 정보 갱신............................................ 27

제 4 장 스캐닝 시간 분석 ................................................................................. 29

4.1 스캐닝 시간의 비교 .................................................................................. 29

iv

4.2 최대 스캐닝 시간 분석............................................................................. 32

제 5 장 모의실험................................................................................................. 36

제 6 장 결 론..................................................................................................... 46

참 고 문 헌 ............................................................................................................ 48

v

그림 목차

(그림 1) IEEE 802.16e에서의 스캐닝 과정 .............................................................8

(그림 2) 그룹 스캐닝 동작 개요.......................................................................... 13

(그림 3) 그룹 영역의 정의 ................................................................................... 16

(그림 4) 그룹 형성 과정 – MS 측 ....................................................................... 18

(그림 5) 그룹 형성 과정 – BS 측........................................................................ 19

(그림 6) DNL 갱신장치의 동작 개요 ................................................................... 22

(그림 7) 그룹 스캐닝 과정 ................................................................................... 24

(그림 8) 스캐닝 시간 비교 ................................................................................... 30

(그림 9) 모의실험 토폴로지 ................................................................................. 36

(그림 10) 스캐닝 시간의 비교 분석 .................................................................... 39

(그림 11) 스캔 구간의 반복 횟수 비교 분석..................................................... 40

(그림 12) Fs와 Fi의 비율에 따른 스캐닝 시간 분석 ......................................... 42

(그림 13) 두 번째 그룹과 LTJ-MS의 스캐닝 시간 ............................................ 44

vi

표 목차

(표 1) 스캐닝 시간 파라미터 ............................................................................... 29

(표 2) 모의실험 환경 파라미터............................................................................ 37

vii

Abbreviations and Acronyms

ACS : Adaptive Channel Scanning

BS : Base Station

CH : Channel

DCD : Downlink Channel Descriptor

DL-MAP : Downlink Map

DNL : Dynamic Neighboring Base Station Channel List

ELJ : Early Joining

FMIPv6 : Fast Handovers for Mobile Internet Protocol version 6

Grp : Group

ID : Identifier

IEEE : Institute of Electrical and Electronics Engineers

IP : Internet Protocol

LTJ : Late Joining

MAC : Medium Access Control

MFU : Most Frequently Used strategy

MRU : Most Recently Used strategy

MS : Mobile Station

N : Normal

NS : Not Scanned

PH : Preparing Handover

QoS : Quality of Service

RSS : Received Signal Strength

SS : Successful Scanned

TCH : Target Channel

UCD : Uplink Channel Descriptor

UL-MAP : Uplink Map

viii

US : Unsuccessful Scanned

WiBro : Wireless Broadband

WiMAX : Worldwide Interoperability for Microwave Access


1

제 1 장 서 론

차세대 무선 통신 기술 중의 하나인 휴대인터넷 기술 IEEE 802.16e-2005[1]

는 향상된 무선 인터페이스를 기반으로 높은 데이터 전송률을 지원하며, 사용

자의 이동성을 보장하고 넓은 영역을 커버하는 광대역 무선 통신 기술이다.

이는 기존의 고정 단말을 지원하는 IEEE 802.16-2004[2] 기술을 보다 발전시킨

것으로 IEEE 802.16e 워킹 그룹을 중심으로 2005년 표준이 제정되었으며, 모바

일 와이맥스(Mobile WiMAX), 와이브로(WiBro) 기술 등으로 일컬어지기도 한다.

이러한 휴대인터넷 기술은 설계단계에서부터 높은 데이터 전송률을 보장하고,

다양한 사용자들의 각기 다른 서비스 품질(quality of service) 요구상황에 따라

네트워크 성능을 최적화 할 수 있도록 고안되었다. 또한 IP(Internet Protocol)

주소를 지원하여 차세대 통신 기술로서의 장래성이 유망하며, 직교 주파수 분

할 다중 접속(OFDMA : orthogonal frequency division multiple access)을 사용함으로

서 유연한 자원 분배가 가능할 뿐만 아니라, 하드 핸드오버(hard handover) 및

소프트 핸드오버(soft handover)와 같은 다양한 핸드오버 방식을 통해 단말의

이동성을 지원한다.

휴대인터넷 기술의 가장 큰 장점은 명칭에서 알 수 있듯이 휴대가 용이한

단말을 이용하여 인터넷을 사용할 수 있다는 것이다. 이동 중인 단말이

제 1 장 서 론

2

지속적으로 서비스를 이용하기 위해서는 핸드오버 과정의 수행이 필수적이다.

특히 현재 연결 중이던 기지국과의 연결을 먼저 끊고, 새로운 기지국과의

연결을 시도하는 하드 핸드오버 과정은 일시적인 링크 끊김 현상으로 인한

데이터의 지연을 필연적으로 수반하기 때문에, 이로 인한 서비스 품질의

저하를 해결하기 위한 연구가 현재에도 계속되고 있다.

이동 단말은, 원활한 핸드오버의 수행을 위해 자신이 다음으로 연결하게 될

기지국을 탐색하는 스캐닝(scanning) 과정을 수행한다. 스캐닝 과정은 단말이

핸드오버를 수행할 때와 같이 데이터의 지연을 발생시킨다. 핸드오버

과정에서의 데이터 지연이 새로운 기지국과의 연결을 설정하는 오랜 기간

동안 발생하는 것에 비하면, 스캐닝 과정에서의 데이터 지연은 단말과 현재의

기지국과의 긴밀한 협상을 기반으로 스케쥴 되기 때문에 상대적으로 짧거나

서비스의 품질을 저하시키지 않는 범위 내에서 발생한다. 하지만, IEEE

802.16e에서는 이처럼 짧은 서비스 지연이 적절한 다음 기지국 채널을

발견하기까지 반복적으로 발생할 수 있기 때문에 서비스 품질이 온전히

보장된다고 할 수는 없다. IEEE 802.16e에서의 MAC(Medium Access Control)

계층 핸드오버 및 IP 계층 핸드오버(e.g., FMIPv6)와 관련한 주제를 다루는 몇

가지 제안들[3-8]은 대부분 타겟 기지국이 이미 결정되어 있는 상황을 전제로

하고 있는 반면, IEEE 802.16e에서의 효율적인 스캐닝 방법 혹은 빠른 타겟

BS의 선출 방법 등에 관한 연구는 상대적으로 미비한 실정이다.

제 1 장 서 론

3

IEEE 802.16e에서는 현재의 기지국이 단말에게 스캔을 수행할 이웃 기지국

채널 목록을 제공하고 단말은 이들에 대한 스캔을 시도하게 된다. 하지만,

IEEE 802.16e의 기지국은 단말에 대한 위치 정보를 관리하지 않기 때문에

스캔을 수행하려는 단말에게 위치적으로 최적화 된 이웃 기지국 채널 목록을

제공할 수 없다. 따라서 단말은 자신에게 적합한 기지국 채널을 스캔 할

때까지 스케쥴 된 기간 동안 반복적인 스캔을 수행하게 되어 긴 시간을

스캐닝 과정에 머무르게 된다. 이는 스캔 구간의 반복에 의한 서비스 지연과

적절한 핸드오버 시기를 지연시키는 등의 문제를 초래할 수 있다. 최악의

경우, 단말은 결국 다음 기지국의 채널을 결정하지 못한 채로 현재 기지국의

서비스 영역을 벗어나게 된다. 이 같은 상황은 단말이 이용 중인 서비스의

품질을 심각하게 왜곡시킬 뿐만 아니라 단말로 하여금 초기 네트워크

엔트리(initial network entry) 과정을 통째로 다시 수행하도록 하는 심각한

문제를 일으킨다. 따라서 본 논문에서는 단말이 다음 기지국 채널을 보다

빠르게 결정할 수 있는 그룹 스캐닝 기법을 제안한다. 그룹 스캐닝 기법은

각자가 독립적으로 스캐닝을 수행하는 기존의 방법과는 달리, 인접한 지역의

단말들 간에 그룹을 형성하여 스캐닝을 수행하도록 하는 기법이다. 제안된

그룹 스캐닝 기법은 그룹을 형성하는 단말들에게 빠른 스캐닝 시간을 보장할

수 있을 뿐만 아니라, 한번 스캐닝 된 정보들이 셀 내의 모든 단말들에 의해

재사용 될 수 있도록 한다.

제 1 장 서 론

4

본 논문의 구성은 다음과 같다. II장에서는 기존 IEEE 802.16e에서의 스캐닝

과정과 발생 가능한 문제점을 설명하고 그와 관련된 기존의 연구들을

소개한다. III장에서는 제안된 그룹 스캐닝 방법의 개요와 세부 단계별 과정을

전반적으로 다루며, IV장에서는 기존의 스캐닝 과정과 제안된 그룹 스캐닝

방법의 스캐닝 시간을 수식적으로 고찰한다. V장에서는 모의실험을 통해 그룹

스캐닝 기법의 개선된 성능을 살펴보며, 마지막 VI장에서 본 논문의 결론을

맺는다.


5

제 2 장 관련 연구

본 장에서는 IEEE 802.16e의 스캐닝 과정을 설명하고, 발생 가능한 문제점을

해결하기 위한 기존의 연구들을 소개한다. 본 논문에서 단말은 MS(mobile

station), 현재의 기지국은 서빙 BS(serving base station), 이웃의 기지국은 이웃

BS(neighboring base station) 그리고 스캐닝 과정을 통해 결정된 다음의

기지국은 타겟 BS(target base station)로 표기한다.

2.1 IEEE 802.16e에서의 스캐닝 과정

IEEE 802.16e의 스캐닝 과정은 동기화(synchronization) 과정과 레인징(ranging)

과정으로 나뉜다. 이중 동기화 과정은 MS가 이웃 BS의 채널로 이동하여 DL-

MAP (Downlink-Map), UL-MAP(Uplink-Map), DCD(Downlink Channel Descriptor),

UCD (Uplink Channel Descriptor)를 수신하는 과정이다. DL-MAP, UL-MAP 메시지

는 매 프레임 구간의 초기에 서빙 BS에 의해 전송되는 브로드캐스트 메시지

로, 매체 자원의 효율적인 분배를 목적으로 한다. 즉, 각각의 MS들은 DL-MAP,

UL-MAP 브로드캐스트를 통해 자신에게 할당된 서브채널(sub-channel)과 심볼

시간(symbol time or OFDMA symbol number)을 인식하고, 해당 구간 동안 서빙


6

BS로부터의 메시지를 다운링크 하거나 자신의 메시지를 업링크 할 수 있다.

DCD와 UCD 메시지는 다운링크 혹은 업링크 되는 데이터들의 버스트 프로파

일(burst profile) 특성을 비롯한 물리적 정보를 포함하며, 수초에 달하는 긴 전

송주기를 갖는다.

IEEE 802.16e에서는 레인징 과정의 수행 방식에 따라 다음과 같이 네 가지

의 스캔 방식이 있다.

• Scanning without Association : MS는 하나 또는 그 이상의 BS와 동기화를

시도하고 신호품질을 체크한다.

• Scanning with Association level 0 : 이웃 BS들은 스캔을 시도하는 MS를 알

지 못하며, 단지 경쟁 기반의 레인징 구간을 제공한다. MS는 해당 BS에

게 레인징 요청 메시지(MOB_RNG-REQ)를 보내고, 이에 대한 응답 메

시지(MOB_RNG-RSP)를 기다리는 등, 레인징 절차를 수행한다.

• Scanning with Association level 1 : 서빙 BS와 이웃 BS는 사전 협상을 통해

스캔을 시도하는 MS에게 비 경쟁 기반의(dedicated) 레인징 구간을 제공

한다. MS는 해당 BS에게 레인징 요청 메시지를 보내고, 이에 대한 응답

메시지를 기다리는 등, 레인징 절차를 수행한다.

• Scanning with Association level 2 : Scanning with Association level 1과 유사하

게 동작하나, MS가 이웃 BS에게 직접 레인징 응답 메시지를 수신하기


7

위해 대기하지 않고, 이를 서빙 BS를 통해 전달(forwarding) 받는 등의

레인징 절차를 수행한다.

레인징 과정은 스캐닝 과정의 선택사항으로써, 동기화 과정을 끝낸 MS가

이웃 BS와의 전송 전력을 맞추거나 보다 정확한 시간동기를 위해 전송 시간

을 조정하는 등의 과정이다. 본 논문은 스캔을 시도할 이웃 BS 채널의 수를

감소시키는 방법을 제안하는 것이므로, 레인징 과정의 수행 방식과 관계없이

동일하게 적용이 가능하다. 따라서 본 논문에서는 레인징 과정 없이 동기화

과정만을 수행하는 결합 없는 스캔(Scan without Association) 과정만을 고려한다.

그림 1은 전반적인 MS의 스캐닝 과정을 나타낸 것이다. 서빙 BS는

자신에게 속한 MS들에게 주기적으로 이웃 BS들의 채널을 광고하는

메시지(MOB_NBR-ADV)를 전송한다. 광고 메시지에는 MS가 스캐닝 과정의

이웃 BS 채널에 대한 DCD, UCD 정보가 포함되어 있다. BS들은 상호간에

DCD, UCD 정보를 백본망을 통해 주고 받아 자신에게 속한 MS들에게

브로드캐스트 함으로써, 긴 전송주기를 가진 이들 메시지를 MS가 직접

수신하지 않아도 그 정보를 획득할 수 있도록 도와준다.


8

(그림 1) IEEE 802.16e에서의 스캐닝 과정

스캐닝 과정은 MS에 의해 요청(MOB_SCN-REQ)되거나, MS의 신호 상태를

관찰하던 서빙 BS의 판단에 의해 스케쥴(unsolicited MOB_SCN-RSP) 된다.

이후의 스캐닝 스케쥴 정보는 서빙 BS의 응답 메시지(MOB_SCN-RSP)에

포함된다. 스캐닝 스케쥴은 세 가지 파라미터로 구성되어 있다. 첫째로, 스캔

구간(scan duration)은 MS가 서빙 BS로부터 서비스를 일시적으로 중단하고

이웃 BS의 채널로 이동하여 스캐닝을 시도하는 구간이다. 스캔 구간 동안

MS를 목적지로 하는 데이터들은 서빙 BS에서 버퍼링(buffering) 된다. 둘째로,


9

인터리빙 구간(interleaving interval)은 스캔 구간이 종료되고 MS가 서빙 BS로

다시 돌아와 정상적인 서비스를 수행하는 구간이다. 스캔 구간동안 서빙 BS에

버퍼링 되어 있던 데이터들은 인터리빙 구간동안 MS로 포워딩(forwarding)

된다. MS가 한 번의 스캔 구간동안 모든 이웃 BS의 채널들을 스캔한다고

단정할 수 없기 때문에 스캔 구간과 인터리빙 구간은 반복적으로 발생하게

된다. 이때 허용된 반복횟수가 세 번째 파라미터이다.

MS는 스캐닝 과정 중에 획득한 결과들을 주기적(periodic report)으로 혹은

이벤트 발생 기반(event-triggered report)으로 서빙 BS에게 보고한다. 이러한

과정을 통해 적절한 타겟 BS를 결정한 MS는 이후 핸드오버가 요구되면 해당

타겟 BS로 핸드오버를 수행한다.

2. 2 스캐닝 관련 연구

앞서 설명한 것과 같이 IEEE 802.16e에서의 스캐닝 과정은 스캔 구간과 인

터리빙 구간이 반복되면서 진행된다. 스캔 구간동안 버퍼링 되는 데이터들은

스캔 구간이 종료되고 인터리빙 구간이 시작되는 시점까지의 지연시간을 반드

시 갖게 된다. MS와 서빙 BS는 현재이용 중인 서비스 품질에 대한 요구조건

들을 명확히 알고 있기 때문에, 스캐닝 과정중의 서비스 지연시간은 핸드오버

과정중의 서비스 지연시간과는 달리 현재의 서비스 품질을 고려하여 설계된다.


10

그러나 여러 MS들이 동시에 스캐닝을 수행하는 경우에는 서빙 BS의 제한적

인 데이터 처리량으로 인해, 여러 MS들로의 데이터가 동시에 서빙 BS에 버퍼

링 되면서 메모리의 포화상태를 야기하거나, 각각의 인터리빙 구간 동안 포워

딩 되는 데이터들이 트래픽 오버헤드(traffic overhead)를 발생시킬 수 있다. 이

에 대해 [9]에서는 여러 MS들의 동시적인 스캐닝 상황에서도 최상의 서비스

품질을 보장할 수 있는 ‘적응적 채널 스캐닝 기법’(ACS : Adaptive Channel

Scanning)을 제안하였다. ACS 기법은 동시에 스캔 구간을 점유하는 MS의 수를

줄이고, 임의의 MS가 스캔을 하는 동안 사용하지 않는 자원(bandwidth)을 인

터리빙 구간 중에 있는 다른 MS들에게 할당하여 자원의 효율성을 높일 수 있

으며, 원활한 데이터의 포워딩을 보장할 수 있음을 보였다. 그러나 여러 MS들

의 스캔 구간과 인터리빙 구간을 동시에 설정해야 하기 때문에, 임의의 MS가

필요이상으로 짧은 스캔 구간을 가지게 되는 경우에는 한 번에 스캔할 수 있

는 채널의 수가 줄어들게 되어 전체적인 스캐닝 시간이 기존보다 오히려 증가

할 수 있다는 단점이 있다.

빠른 스캐닝을 위한 기존의 연구로 서빙 BS가 스캐닝을 계획하는 MS에게

이력 기반(history-based)의 이웃 BS 채널을 제공하는 방법이 있다[10]. 이는

이웃 BS 채널들을 ‘가장 자주 발생하는 BS 채널 순서(MFU : Most Frequently

Used stragegy)’ 혹은 ‘가장 최근에 발생한 BS 채널 순서(MRU : Most Recently

Used strategy)’로 상황에 맞게 분류하여 MS에게 제공하여 보다 빠른


11

스캐닝을 보장하는 방법이다. 그러나 이러한 방법은 사전에 경로가 설정되어

있거나 일정 이웃 기지국 채널들에 대해서 순위를 매길 수 있을 정도로

집중적인 핸드오버가 발생하는 등의 제한적 환경에만 적용이 가능하다.


12

제 3 장 그룹 스캐닝 기법

3. 1 그룹 스캐닝 동작의 개요

본 논문에서는 인접한 지역의 MS들 간에 그룹을 구성하여 이웃 BS 채널을

스캐닝 하는 그룹 기반의 스캐닝 기법을 제안한다. 빠른 그룹 스캐닝 기법은

인접한 지역에서 유영하는 MS들을 기반으로 그룹을 생성하고, 생성된 그룹의

각 MS들이 서빙 BS로부터 분산된 이웃 BS 채널들을 할당 받아 각각

스캐닝을 수행하도록 한다. 핸드오버를 목적으로 스캔을 시도하는 MS가

존재한다면, 해당 MS와 인접한 지역에 존재하는 MS들도 가까운 미래에

스캐닝을 시도할 확률이 높을 것이다. 이러한 가정은 그룹을 기반으로 하고

있는 스캐닝 기법의 설정에 설득력을 더해준다.

그림 2는 그룹 스캐닝 동작의 개요를 표현한 것으로 그룹을 구성하고 있는

각 MS의 상태와 각각의 그룹이 이용하는 이웃 BS 채널의 목록을 나타내고

있다. 스캐닝이 필요한 MS는 자신의 주변에 그룹이 존재하는지를 판단하고

그룹 ID(identifier)와 자신의 상태 정보를 포함한 스캐닝 스케쥴을 서빙

BS에게 요청한다. 그룹이 존재하지 않는 경우, MS는 그룹 ID를 생략한 채

자신의 상태정보를 포함한 스캐닝 스케쥴을 서빙 BS에 요청한다. 이는 기존

IEEE 802.16e의 스캐닝 과정 중에 사용되는 메시지에 간단한 그룹 ID와 MS


13

상태 정보만을 추가한 형태이다. 그룹 ID는 서빙 BS의 주기적인 광고

메시지(MOB_NBR-ADV)를 통해 브로드캐스트 되거나, MS의 요청에 의해

유니캐스트(unicast) 될 수 있다.

rsp

…

…

rsp

(그림 2) 그룹 스캐닝 동작 개요

모든 MS는 N(normal), ELJ(Early Joining), LTJ(Late Joining) 그리고 PH(Preparing

Handover) 중 하나의 상태로 분류된다.

• N : 스캐닝 스케쥴을 획득하기 이전의 MS로서, 기본적인 MS의 동작을

수행하는 모든 MS의 상태를 말한다.


14

• ELJ : ELJ는 스캐닝이 필요한 MS가 자신의 주변에서 그룹 스캐닝중인

MS를 발견하지 못하거나 스캐닝이 당장 필요하지 않더라도 스캐닝을

미리 준비할 수 있는 MS가 그룹 광고 메시지를 받았을 때, 그룹의

형성에 참여하고 그룹 내의 다른 ELJ들과 함께 그룹 스캐닝을

수행하는 상태이다.

• LTJ : LTJ는 스캐닝을 계획하는 MS가 자신의 주변에서 그룹 스캐닝을

수행중인 MS를 발견하였을 때 별도의 그룹을 형성하지 않고, 발견된

MS가 속한 그룹의 스캐닝 결과를 이용하여 스캐닝을 수행하는

상태이다.

• PH : PH는 ELJ 상태의 MS가 핸드오버를 준비해야 할 시기가

임박했음을 나타내는 상태이다. ELJ에서 PH로 상태가 천이된 MS는

LTJ와 마찬가지로 자신이 속한 그룹의 스캐닝 결과를 이용하여

스캐닝을 수행한다. 만일 PH 상태의 MS가 유력한 타겟 BS 채널을

과거에 자신이 스캔한 적이 있다면, 해당 그룹의 스캔 결과가 아직

유효한 경우 과거의 결과를 그대로 이용할 수 있다.

MS는 이미 그룹을 형성한 ELJ-MS가 존재하는 경우에만 LTJ 혹은 PH

상태로 설정될 수 있다. 상태가 N인 MS로부터 스캐닝 스케쥴을 요청 받은

서빙 BS는 기존의 그룹에 포함될 MS(ELJ)인지, 새로운 그룹의 형성을


15

요청하는 MS(ELJ)인지, 기존의 그룹을 발견한 MS(LTJ)인지를 판단하고

적절한 이웃 BS 채널을 할당한다.

서빙 BS는 그룹별로 이웃 BS 채널을 관리하는 동적 이웃 BS 채널

관리(Dynamic Neighboring BS Channel Management) 동작을 수행한다. 이는 하나

이상의 그룹이 존재하는 상황에서 N상태의 MS가 그룹 ID 없이 스캐닝을

요청할 때, 해당 MS를 시작으로 새로운 이웃 BS 채널 목록을 생성하고

관리하는 기법이다. 서빙 BS는 이미 존재 하는 그룹의 채널 상태 목록을

토대로, 새로운 그룹의 ELJ-MS들에게 보다 신뢰성 있게 채널을 할당한다.

이는 간단히 기존의 그룹에서 유력한 타겟 BS 채널을 새로운 그룹의 ELJ-

MS들에게 가장 나중에 할당하는 방법이다.

3. 2 그룹의 형성

MS들로 구성된 그룹의 형성은 적절한 그룹 영역의 정의를 기반으로 한다.

본 논문에서는 그룹 영역의 형성 절차를 위해 그림 3-(a)와 같이 RSS(Received

Signal Strength) 임계값(threshold)을 기반으로 한 그룹의 영역을 정의하였다.


16

(그림 3) 그룹 영역의 정의

이 때 사용되는 RSS 및 RSS 임계값들은 다음과 같이 정의된다.

• RSSBS : MS가 수신한 서빙 BS의 RSS

• RSSELJ : MS가 수신한 ELJ 상태의 이웃 MS의 RSS

• Thr_scn : MS가 스캔을 요청하게 되는 RSSBS

• Thr_ready : MS가 ELJ 혹은 LTJ 상태가 될 수 있는 RSSBS

• Thr_grp : MS가 ELJ 혹은 LTJ 상태가 될 수 있는 RSSELJ

여기서 RSSELJ와 Thr_grp와 같이 임의의 MS가 다른 MS의 전송을 수신하는

것을 가능토록 하기 위해, 본 논문에서는 그림 3-(b)와 같이 MS가 특정 MS의

업링크 구간을 센싱하여 RSS를 측정하는 방법을 제안한다. UL-MAP 메시지는

IEEE 802.16e의 임의의 BS와의 연결을 최초로 시도하는 MS조차도 네트워크


17

엔트리(network entry) 과정을 수행함에 있어서, 대역 요청(bandwidth request)과

같은 메시지 전송을 목적으로 해석이 가능한(decodable) 메시지이다. 서빙

BS는 각 MS들의 업링크 구간을 할당하기 위해, 매 프레임의 초기에 UL-MAP

메시지를 브로드캐스팅 한다. 따라서 서빙 BS가 UL-MAP 메시지의 특정

부분을 지시한다면 이를 수신할 수 있는 모든 MS들은 스스로의 판단에 의해

해당 업링크 구간에 대한 센싱을 시도할 수 있게 된다. 이때 임의의 MS가

특정 MS의 업링크 구간을 센싱하게 되더라도 업링크하는 MS와 서빙 BS간에

설정된 보안 요소(private key) 및 데이터의 변조기법(modulation) 등으로 인해

실제 전송되는 데이터를 해석하는 것은 불가능한 것으로 간주한다. 결국, 본

논문에서는 특정 업링크 구간의 센싱을 통해, 해당 업링크 구간을 사용 중인

MS의 RSS만을 측정할 수 있다.


18

(그림 4) 그룹 형성 과정 – MS 측


19

(그림 5) 그룹 형성 과정 – BS 측

그림 4와 5는 각각 MS측과 BS측에서의 그룹 형성 과정을 나타낸다. 이미

존재하는 그룹에 대한 광고는 서빙 BS에 의해 주기적으로 브로드캐스트

되거나, 특정 MS의 요청에 의해 유니캐스트(unicast) 될 수 있다.

그림 4와 같이 MS는 스캐닝 스케쥴을 요청하기 전에, 자신과 인접한

지역에 그룹 스캐닝을 하고 있는 MS가 있는지를 판단한다. 그룹이 존재하는

경우, MS는 서빙 BS로부터 획득한 그룹 내 MS의 업링크 신호를 측정해 본

후, 해당 MS가 자신과 인접한 MS인지를 판단한다. 이러한 판단을 근거로


20

MS는 보통 상태와 그룹 ID(그룹이 발견되지 않은 경우 생략)를 포함한

스캐닝 스케쥴 요청 메시지를 전송하고, BS로부터 이에 대한 응답 메시지를

수신하여 이후의 그룹 스캐닝 동작을 수행한다.

그림 5와 같이, MS로부터 스캐닝 스케쥴 요청 메시지를 수신한 BS는

메시지에 포함된 그룹 ID를 참조하여, 해당 MS가 특정 그룹과 함께 그룹

스캐닝을 수행할 수 있는지를 판별한다. 그룹 ID가 포함되지 않은 메시지의

수신 시, BS는 스케쥴을 요청한 MS를 기준으로 한 새로운 그룹을 형성을

도모하며 MS를 ELJ 상태로 천이한다. 반면, 그룹 ID가 포함된 메시지가

수신된 경우에는, 해당 그룹이 타겟으로 적절한 이웃 BS 채널을 현재

관리하고 있는 경우에만 MS를 LTJ 상태로 천이한다. 즉, 해당 그룹이

타겟으로 적절한 이웃 BS 채널을 현재 관리하고 있지 않다면, MS는 ELJ로

천이되어 해당 그룹의 다른 ELJ-MS들과 함께 적절한 타겟 BS 채널을

발견하기 위한 그룹 스캐닝을 수행하게 될 것이다. 그룹 스캐닝에 대한

자세한 사항은 3.4절에서 설명할 것이다.

3. 3 동적 이웃 BS 채널 관리 기법

동적 이웃 BS 채널 관리 기법은 서빙 BS가 각각의 그룹 내, 혹은 그룹

외의 MS들에게 가장 적절한 이웃 BS 채널을 제공하기 위한 방법으로, 그룹별


21

동적 이웃 BS 채널 목록(DNL : Dynamic Neighboring BS channel List)을 관리하는

방법이다. 이를 위해 서빙 BS 내부에 동적 이웃 BS 채널 갱신장치(DNL update

engine)을 정의하였으며, 주요 동작은 각 MS로부터의 스캔 결과 보고

메시지를 통한 그룹별 채널 상태의 갱신과 각 MS의 상태를 고려한 채널의

할당이다. 그룹별 채널 상태를 고려하기 위하여, DNL 갱신장치는 존재하는

그룹의 수만큼 DNL을 관리한다.

임의의 그룹에 대한 DNL을 관리함에 있어, DNL 갱신장치는 그룹 내

MS로부터의 스캔 결과 보고 메시지의 수신 시마다 이웃 BS 채널들을, 아직

스캐닝이 시도되지 않은 채널 상태 NS(Not Scanned), 성공적으로 스캔된 채널

상태 SS(Successful Scanned) 그리고 이미 스캐닝이 시도되었지만 적절한 타겟

채널로 사용될 수 없는 채널 상태 US(Unsuccessful Scanned) 이상 세 가지로

분류하여 관리한다. 각 채널 상태들의 우선순위는 SS, NS, US 순서로 구성되며,

이 중 SS 상태는 스캐닝 결과로 보고된 RSS값이 큰 순서로 구성되어 있다.

이와 같이 우선순위를 설정하는 것은, 각 MS의 상태에 따라 적절한 채널을

할당하기 위함이다. 즉, DNL 갱신장치는 이러한 채널 상태 정보의 실시간

갱신을 바탕으로 ELJ-MS들에게는 NS 상태의 채널들을, LTJ-MS 및 PH-

MS들에게는 SS 상태의 채널들을 할당해주게 된다.

한편, 기존의 그룹에 참여하지 않고 새롭게 구성된 그룹은, 기존의 그룹과

영역적으로 배타적인 관계에 있으므로, DNL 갱신장치에 의해 우선순위를


22

역순(reverse order)으로 분류한 채널 목록을 구성한 후, 이를 새로운 그룹의

초기 채널 목록 상태로 제공한다. 이는 기존 그룹의 US 상태 채널들을 가장

높은 우선순위로, SS 상태 채널들을 가장 낮은 우선순위로 구성하는 것이다.

이와 같은 초기 채널 목록 상태의 조정으로 인해 새롭게 형성된 그룹들은

보다 신뢰성 있는 초기 채널 목록을 바탕으로 그룹 스캐닝을 수행할 수 있게

된다. 그림 6은 이상에서 설명한 DNL 갱신장치의 동작 개요를 나타낸 것이다.

(그림 6) DNL 갱신장치의 동작 개요


23

3. 4. 그룹 스캐닝

그룹이 형성되면, 해당 그룹은 서빙 BS가 할당한 스케쥴 기간 동안 각자가

할당 받은 이웃 BS 채널들에 대해 스캐닝을 실시한다. 그림 7은 이러한 그룹

스캐닝 과정의 한 예이다. 그림 7에서 첫 번째 그룹(Grp 1)을 형성하고 있는

세 개의 ELJ-MS는 서빙 BS로부터 각각 다른 이웃 BS 채널을 할당받으며

스캐닝을 실시한다. 각각의 ELJ들은 매 스캔 구간의 종료 시에 스캔 결과를

보고함으로써 동일 그룹에 속한 임의의 MS들 모두가 스캔 결과를 실시간으로

공유할 수 있도록 한다. 그림에서 서빙 BS가 관리하고 있는 이웃 BS 채널은

총 10개이다. 각 MS들의 스캐닝 과정은 다음과 같다.


24

Sca

nC

H 9

& 1

0

Sca

nC

H 1

& 2

Sca

nC

H 3

& 4

Sca

nC

H 5

Sca

nC

H 7

& 8S

can

CH

6

Dete

ct 1st E

LJ 3

RSSELJ

> Thr_grp

Sca

n

CH

4 Sca

nC

H 4

1st E

LJs

Dete

ction

Fail

Rec

eiv

e s

ca

nn

ing

res

ults

Allo

ca

te n

eig

hb

or b

ase

sta

tion

ch

an

ne

l

(그림 7) 그룹 스캐닝 과정


25

• Grp 1 ELJ 1 : 첫 번째 그룹에 속한 MS로서, 첫 스캔 구간에서 CH5,

CH6의 이웃 BS 채널을 할당받는다. 최초의 스케쥴 된 스캔 구간동안

CH5에 대한 스캔을 시도하였고, CH6에 대한 스캔 시도는 마무리 되지

않았으므로 이후에 재 할당된다. CH5에 대한 스캔 결과, 해당 채널의

신호강도가 미약하거나 혹은 측정되지 않을 경우, 타겟 BS 채널로

적합하지 않음을 보고(No RSS)하게 된다.


CH4의 이웃 BS 채널을 할당받는다. 해당 MS는 스캔 구간동안 할당된

두 채널을 모두 스캔한 후, CH4가 타겟 BS 채널로 적절한 채널임을

서빙 BS에게 보고하였다. 함께 보고되는 RSS 정보는 해당 채널에 대한

스캔을 실시하던 동안의 평균 RSS이다. 이는 타겟 BS 채널로 보고되는

이웃 BS 채널이 다수 존재할 때, 그 중 가장 신호강도가 좋은 타겟 BS

채널을 구분하기 위함이다. 해당 MS는 적절한 타겟 BS 채널을 이미

발견하였지만, 자신이 당장 핸드오버가 필요한 것은 아니기 때문에

다음 스캔 구간에서 CH9와 CH10에 대한 스캔을 시도하게 된다.


CH2의 이웃 BS 채널을, 두 번째 스캔 구간에서 CH7, CH8의 이웃 BS

채널을 할당받는다. 해당 MS는 두 번의 스캔 구간동안 타겟 BS 채널로

적절한 채널을 발견하지 못함을 서빙 BS에게 보고한다. 이후, 해당


26

MS는 핸드오버가 임박한 MS로 판단되어 서빙 BS로부터, 타겟 BS

채널로 가장 유력한 CH4를 할당 받는다. CH4의 스캔을 통해 타겟 BS를

결정한 해당 MS는 정상적으로 핸드오버를 준비 할 수 있게 된다.

• Grp 1 LTJ : 첫 번째 그룹에 속한 MS로서, 그룹의 형성단계에서

스캐닝을 요청할 때에 그림과 같이 자신이 센싱한 그룹의 ID와 자신의

상태를 함께 전송한다. 이를 수신한 서빙 BS는 이미 해당 그룹에서의

유력한 채널정보를 알고 있으므로, 해당 MS의 상태를 LTJ로

설정하면서, 유력한 타겟 BS 채널을 스케쥴 해준다. 이러한 LTJ 상태의

MS의 경우에는 스스로 스캐닝에 참여하는 시간이 ELJ에 비해 더욱

짧은 편이다.

• Grp 2 ELJ 1 : 두 번째 그룹에 속한 MS로서, 그룹의 형성 단계에서 현재

존재하는 첫 번째 그룹을 발견하지 못한 MS이다. 따라서 해당 MS는

두 번째 그룹을 형성하기 시작하는 ELJ로 설정되면서 두 번째 그룹을

만드는 MS가 된다. 그룹을 형성한 해당 MS는 DNL 갱신장치에 의해

첫 번째 그룹 스캐닝 결과를 참조한 역 상태 순(reverse neighboring base

station channel list)으로 이웃 BS 채널을 할당 받게 된다.


27

3. 5. 임의의 LTJ-MS를 위한 ELJ-MS 정보 갱신

최초에 그룹을 형성한 ELJ-MS들은 언제든지 그룹이 형성된 영역으로부터

이탈할 수 있는 이동성을 가지고 있기 때문에, 이러한 MS들에 대해서는 서빙

BS에 의해 그 유효성이 관리되어야 한다. 이러한 관리를 기반으로 임의의

LTJ-MS는 특정 그룹의 MS들을 센싱하고 해당 정보들을 이용할 수 있기

때문이다.

ELJ-MS의 업링크 메시지가 서빙 BS에 설정된 특정 값보다 작은 신호로

수신되는 경우(e.g., 핸드오버를 수행하지 않은 MS가 서빙 BS의 셀 영역을

이탈한 경우)이거나, 특정 값보다 큰 신호로 수신되는 경우(e.g., MS가 셀의

중심부로 재 진입하는 rollback 현상), 혹은 ELJ-MS가 핸드오버를 통해 타겟

BS로 이동한 경우에는 서빙 BS가 해당 MS를 광고 메시지로부터 직접 배제할

수 있다.

서빙 BS에 의해 직접 관리가 어려운 상황은 특정 ELJ-MS가 핸드오버 하지

않고 그룹의 영역을 이탈한 경우와 그룹 자체가 다른 지역으로 이동해가는

경우이다. 이러한 현상에 대한 발견과 조치는 다음과 같은 관점에서

추가적으로 논의될 필요가 있다.

• Proactive concept : ELJ-MS들이 주기성을 가지고 이웃 BS 채널을

간단히 센싱 해보거나 재차 스캐닝 해보는 방법으로, 만일 그룹이 재차


28

시도해 본 스캐닝의 결과가 이전의 결과와 상이한 것으로 판명된다면,

이는 그룹이 전체적으로 이동한 상황이거나, 혹은 임의의 MS가 그룹을

이탈한 상황으로 간주된다. ELJ-MS들은 이러한 상황을 서빙 BS에게

보고하여 적절한 후속조치를 취해야 한다.

• Reactive concept : 특정 ELJ-MS의 센싱을 통해 해당 그룹의 타겟 BS

채널을 스캔하게 된 LTJ-MS가, 그룹 스캐닝 기법에 따라 적절한 타겟

BS 채널에 대한 스캐닝을 시도하고, 그에 실패한 경우를 이용하는

것으로, 이는 LTJ-MS가 그룹에 참여하도록 유도하게 된 ELJ-MS의

신뢰성을 평가하는 계기가 된다. 그러나 이 경우에도 특정 ELJ-MS가

그룹으로부터 이탈한 것인지, 그룹이 전체적으로 이동한 것인지를

판별하기 위해서는 Proactive concept으로 전환될 필요성이 요구된다.

• MS들간의 그룹 존속 검토 : Proactive concept과 Reactive concept은 모두

MS들이 속한 그룹의 존속여부를 판별해야 한다. 각각의 MS들은

일관되지 않게 이동할 수 있으므로, 초기의 중심 위치에 있던 MS가 늘

그룹의 중심에 위치한다고 보장할 수는 없다. 따라서, 그룹 스캐닝이

시작된 이후부터는, 그룹 내 MS들이 그룹 내 다른 MS들의 업링크

전송을 주기적으로 센싱 해보는 방법과 같이, 자신과 다른 MS들과의

관계를 명확히 하기 위한 방법이 필요하다.


29

제 4 장 스캐닝 시간 분석

4. 1. 스캐닝 시간의 비교

그림 8은 기존 IEEE 802.16e에서의 스캐닝 시간과 제안하는 그룹 기반의

스캐닝 기법에서의 스캐닝 시간을 도식적으로 나타낸 것이다. 그림 8에서

사용되는 파라미터들은 표 1에 나타내었으며 tTCH를 제외한 모든

파라미터들은 IEEE 802.16e-2005[1]에서의 정의에 따른다. 그림 7에서는 tTCH를

T21과 같은 값으로 가정하였다.

(표 1) 스캐닝 시간 파라미터


30

(그림 8) 스캐닝 시간 비교

그림 8-(a)은 기존의 스캐닝 과정으로써, 서빙 BS가 제공하는 이웃 BS 채널

중 네 번째로 스케쥴 된 채널이 타겟 BS 채널인 상황이다. MS는 반복적인

스캔 구간 동안 세 차례의 T21를 경유한 후 비로소 타겟 BS 채널의 동기화에

성공할 수 있다. 이때 소요된 시간을 TMS라 한다. 실제로 MS가 타겟 BS

채널과의 동기화에 성공한 시간은 TMS보다 조금 앞서지만 MS는 스케쥴 된

스캔 구간을 따르기 때문에 TMS 시간이 되어서야 자신의 스캐닝 결과를 서빙


31

BS에게 보고할 수 있게 된다. MS는 TMS 시간 까지 총 두 번의 서비스

버퍼링과 포워딩을 반복하였음을 알 수 있다.

그림 8-(b)는 세 개의 ELJ-MS들이 그룹 기반으로 스캐닝을 수행하는

상황이다. 각 ELJ-MS들에게 스케쥴 된 스캔 구간과 인터리빙 구간은 각각이

이용 중인 서비스의 상황을 고려하여 설정되었고, 그림 8-(a)에서와 같이 서빙

BS는 이웃 BS 채널 목록의 네 번째 순서로 타겟 BS 채널을 스케쥴 하는

것으로 간주한다. 첫 번째와 두 번째 이웃 BS 채널들은 ELJ 1에게, 세 번째와

네 번째 이웃 BS 채널들은 ELJ 2에게 할당되었다. ELJ 3에도 역시 두 개의

이웃 BS 채널이 할당되었다. 모든 ELJ-MS들은 이후의 스캔 구간 동안에도

계속해서 서빙 BS로부터 순서대로 이웃 BS 채널들을 할당 받아 스캐닝

과정을 수행할 수 있다.

그림에서 ELJ 1과 ELJ 3은 첫 번째 스캔 구간 동안 타겟 BS 채널을

발견하지 못하였다. 반면, ELJ 2는 자신의 첫 번째 스캔 구간에서 타겟 BS

채널에 대한 동기화를 완료하고 TELJ2 시간(첫 번째 스캔 구간의 종료 시)에

이를 보고하게 된다. ELJ 1이나 ELJ 3이 핸드오버가 임박했음을 인지한 경우,

이들은 서빙 BS에게 이를 알림으로써 자신들의 두 번째 스캔 구간에서 바로

타겟 BS 채널을 할당 받을 수 있게 된다. 이때에는 서빙 BS가 이미 발견한

타겟 BS 채널과의 동기화에 요구되는 예상 시간만큼을 스캔 구간으로 스케쥴

할 수 있다. 결국 그림에서 ELJ 1, ELJ 2, ELJ 3는 각각 TELJ1, TELJ2, TELJ3 시간


32

만에 타겟 BS 채널과의 동기화에 성공할 수 있게 된다. 이는 그룹 스캐닝을

하는 모든 ELJ-MS들이 TMS 시간보다 짧은 시간 안에 타겟 BS 채널을 결정할

수 있음을 말한다. 스캐닝 시간이 짧아진 만큼 각각의 ELJ-MS들은 서비스의

버퍼링과 포워딩 횟수 또한 줄일 수 있게 된다.

이와 같이 그룹 스캐닝 기법은 다수의 MS들에 의해 동일한 시간동안 많은

채널의 정보를 얻을 수 있도록 한다. 따라서 그룹 스캐닝 기법의 성능은 서빙

BS가 타겟 BS 채널을 늦게 스케쥴 할수록 기존에 비해 좋아진다고 할 수

있다. 그러나 그림 8에서 서빙 BS가 타겟 BS 채널을 첫 번째나 두 번째에

스케쥴 한다면, 오히려 그룹 스캐닝 기법이 기존에 비해 좋지 않은 성능을

나타내기도 한다.

4. 2. 최대 스캐닝 시간 분석

본 절에서는 기존의 스캐닝 기법과 제안된 그룹 스캐닝 기법의 성능을

수식적으로 분석하기로 한다. 서빙 BS가 관리하는 이웃 BS 채널의 총 수를

N이라 하자. 대부분의 경우 서빙 BS는 이미 이웃 BS들에 대한 DCD, UCD

정보를 알고 있으므로, 스캔을 시도하는 MS들 역시 서빙 BS의 이웃 BS 광고

메시지(MOB_NBR-ADV)를 통해 이들 정보를 획득한 상태라고 가정한다.

tTCH는 타겟 BS 채널의 동기화에 필요한 시간이다. 동기화를 위해 MS가 이웃


33

BS 채널로부터 직접 수신해야 하는 메시지는 DL-MAP과 UL-MAP 뿐이며,

이들은 서빙 BS가 매 프레임마다 브로드캐스팅 되므로, tTCH는 수 프레임에

해당하는 작은 값을 갖는다. 기존의 스캐닝 기법에서 N개의 채널을

스캔하는데 필요한 전체 스캔 구간을 T21 단위로 구하면 식 (1)을 얻는다.

( ) ( ) TCHSD

alconvention tTNNT +´-= 211max (1)

이때 필요한 모든 인터리빙 구간은 식 (2)와 같이 인터리빙 구간의 개수를

세는 방식으로 구할 수 있다.

( ) ( ) fdifds

SDalconventionII

alconvention tFtF

NTNT ´´

úúû

ú

êêë

ê

´=

maxmax (2)

기존의 스캐닝 기법에서 N개의 이웃 BS 채널을 스캔하는 MS의 최대

스캐닝 시간은 식 (3)과 같다.

( ) ( ) ( )

( ) ( ) fdifds

TCHTCH

IIalconvention

SDalconvention

Scanalconvention

tFtF

tTNtTN

NTNTNT

´´úúû

ú

êêë

ê

´

+´-++´-=

+=

2121

11

maxmaxmax

(3)

동일한 조건에서 nELJ(>1)개의 ELJ-MS가 그룹 스캐닝을 하는 상황을

가정하자. 수식의 간결화를 위해 모든 ELJ-MS들의 Fs와 Fi를 동일한 값으로

간주한다. 임의의 ELJ-MS가 스캔을 맡게 될 최대 이웃 BS 채널의 수는 식


34

(4)와 같다.

é ùELJNn nNC ELJ /= (4)

만일 네 개의 ELJ-MS가 일곱 개의 이웃 BS 채널을 스캔하게 된다면,

임의의 ELJ-MS가 스캔을 맡게 될 최대 이웃 BS 채널은 두 개이다. 그룹

스캐닝에 참여한 ELJ-MS중 임의의 ELJ-MS는 타겟 BS 채널을 직접 스캔하고

이를 서빙 BS에 보고할 것이다. 이때까지 타겟을 직접 스캔하지 못한 다른

ELJ-MS들은 서빙 BS로부터 타겟 BS 채널을 할당받고 이를 스캔함으로써

타겟 BS 채널의 발견을 마무리 할 수 있다. 따라서 임의의 ELJ-MS가 타겟

BS 채널을 발견 할 때까지 스캐닝을 시도하는 이웃 BS 채널의 수는 식 (5)와

같다.

1max += NnNn ELJELJ

CC (5)

이제 식 (1)-(3)에서와 같이 수식을 전개하면, 식 (6)-(8)을 얻을 수 있다.

( ) ( ) TCHNnSDproposed tTCNT ELJ +´-= 211maxmax (6)

( )( )

fdi

fds

SDproposedII

proposed tFtF

NTNT ´´

úúû

ú

êêë

ê

´=

maxmax (7)


35

( )

( ) ( )

( ) ( ) fdifds

TCHNn

TCHNn

IIproposed

SDproposed

Scanproposed

tFtF

tTCtTC

NTNT

NT

ELJ

ELJ´´

úúû

ú

êêë

ê

´

+´-++´-=

+=

21

21

1max1max

maxmax

max

(8)

식 (3)과 (8)은 각각 기존의 스캐닝 기법과 그룹 스캐닝 기법의 최대 스캐닝

시간이다. 그룹 스캐닝 기법의 ELJ-MS가 기존의 스캐닝 기법에 비해 더 짧은

스캐닝 시간을 갖는 이유는 식 (4)에서 볼 수 있듯이 각 ELJ-MS들이

스캔하게 될 이웃 BS 채널의 수가 N개에서 NnELJCmax 개로 감소하기 때문이다.


36

제 5 장 모의실험

모의실험을 위한 각 MS 및 BS의 위치와 네트워크 환경 파라미터는 그림 9

및 표 2와 같다.

(그림 9) 모의실험 토폴로지


37

(표 2) 모의실험 환경 파라미터

이웃 BS 채널의 개수

(NCH)3 ~ 20

타겟 BS 채널의 개수

(TCH)1

ELJ-MS의 개수 2 ~ 4

tfd 4ms

Fs 30 ~ 70 frames

Parameters Value

Fi

T21

tTCH

R (보고 주기)

30 ~ 70 frames

40 ~ 80 ms (10 ~ 20 frames)

12 ms (3 frames)

1(for triggered mode) / 2(for periodic mode)

보고 주기 R은 기존의 IEEE 802.16e에서의 스캐닝 시간을 측정하기 위한

보고시기를 설정한 것으로, MS가 스캐닝 결과를 주기적으로 보고하는

경우에는 매 두 번의 반복횟수(iteration)마다 보고하도록 하고 이벤트

발생기반으로 보고하는 경우에는 매 반복횟수마다 보고하도록 하였다.


38

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

periodic (R=2)

triggered (R=1)

proposed(2 ELJ-MS)

proposed(3 ELJ-MS)

proposed(4 ELJ-MS)

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

periodic (R=2)

triggered (R=1)proposed(2 ELJ-MS)

proposed(3 ELJ-MS)

proposed(4 ELJ-MS)

00.2

0.40.6

0.81

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Any MS(2 ELJ-MS)Group (2 ELJ-MS)

00.20.40.60.8

1

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Any MS(3 ELJ-MS)Group (3 ELJ-MS)

00.20.40.60.8

1

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Any MS(4 ELJ-MS)

Group (4 ELJ-MS)

0

0.2

0.4

0.6

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Any MS(2 ELJ-MS)

Group (2 ELJ-MS)

0

0.2

0.4

0.6

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Any MS(3 ELJ-MS)

Group (3 ELJ-MS)

0

0.2

0.4

0.6

3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

Any MS(4 ELJ-MS)

Group (4 ELJ-MS)

(그림 10) 스캐닝 시간의 비교 분석

그림 10은 서빙 BS가 다양한 개수의 이웃 BS 채널 상황에서, 기존의 IEEE

802.16e에서의 평균 스캐닝 시간과 제안하는 그룹 스캐닝 기법에서 ELJ의

개수에 따른 평균 스캐닝 시간을 나타낸다.


39

실험 (a)와 (b)에서 좌측의 그래프는 그룹 내의 임의의 ELJ-MS가 타겟 BS

채널을 발견한 순간, 즉, 그룹이 최초로 타겟 BS 채널을 발견한 시간을

평균한 것이다. 실험 결과, 서빙 BS가 관리하는 이웃 BS 채널의 수가

증가하더라도, 제안된 기법은 기존의 스캐닝 기법에 비해 짧은 시간 이내에

스캐닝을 완료함을 나타낸다. 특히, 그룹을 구성하는 MS가 증가할수록, 그룹

내 각 MS마다 스캔을 시도해볼 수 있는 이웃 BS채널의 수는 천천히

증가하므로, 기존의 스캐닝 기법에 비해 향상된 결과를 기대할 수 있음을

보여준다.

우측의 그래프에서는 그룹 내 임의의 ELJ-MS 각각에 대한 평균 스캐닝

시간을 나타내었다. 이는 그룹 스캐닝의 수행 중간에, 적절한 타겟 BS 채널이

선택되는 경우, 그룹에 참여하는 모든 ELJ-MS들로 하여금, 기존의 방법보다

빠른 스캐닝 시간을 보장하는 것을 보여준다. 결국 제안된 그룹 스캐닝

기법이 기존의 스캐닝 방법에 비해 보다 빠른 시간 안에 타겟 BS 채널을

발견할 수 있음을 나타낸다.

또한, 실험 (a)와 (b)는 각각 T21 값을 80ms(20frames)와 40ms(10frames)로

설정하고 이들간의 비교를 통해, 제안하는 그룹 스캐닝의 성능과는 별도로,

T21이 스캐닝 시간에 미치는 영향을 나타낸다. (a)와 (b)의 비교를 통해,

시간(T21)이 크게 설정된 경우 평균 스캐닝 시간이 증가함을 알 수 있다. 이는,

MS가 타겟으로 적절하지 않은 채널에서 동기화를 시도할 때, 해석 가능한


40

DL-MAP을 수신할 수 없음에도 불구하고, 이를 위해 사전에 정의된 T21시간을

머무르기 때문에 발생하는 결과이다. 따라서 T21은 작은 값을 가질수록 스캐닝

시간이 감소할 것으로 예상할 수 있다.

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

5.5

3 5 7 9 11 13 15 17 19

periodic (R=2)

triggered (R=1)

proposed(2 ELJ-MS)

proposed(3 ELJ-MS)

proposed(4 ELJ-MS)

0.8

1

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

3 5 7 9 11 13 15 17 19

periodic (R=2)

triggered (R=1)

proposed(2 ELJ-MS)

proposed(3 ELJ-MS)

proposed(4 ELJ-MS)

(그림 11) 스캔 구간의 반복 횟수 비교 분석


41

그림 11에서는 측정된 스캐닝 구간동안 스캔 구간의 반복 횟수를 실험한

결과이다. 스캔 구간의 반복 횟수는 곧, MS가 이용 중인 서비스의 버퍼링과

포워딩 횟수를 말하는 것으로 서비스의 지연이 몇 회 반복되는 가를 나타낸다.

서비스 지연의 반복횟수가 적을수록 지터(jitter)와 같은 요인의 감소를 기대할

수 있으므로 더 나은 서비스를 보장하는 셈이다. 실험 결과 (a), (b)에서 볼 수

있듯이 제안된 그룹 스캐닝 기법은 빠른 스캐닝 동작에 의해, 스캔 구간의

반복횟수 측면에서도 보다 유용한 결과를 나타낸다.


42

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

1.6

3 5 7 9 11 13 15 17 19

Fs:Fi=3:7

Fs:Fi=1:1

Fs:Fi=7:3

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

3 5 7 9 11 13 15 17 19

Fs:Fi=3:7

Fs:Fi=1:1

Fs:Fi=7:3

0

0.05

0.1

0.15

0.2

0.25

0.3

0.35

0.4

0.45

3 5 7 9 11 13 15 17 19

Fs:Fi=3:7

Fs:Fi=1:1

Fs:Fi=7:3

(그림 12) Fs와 Fi의 비율에 따른 스캐닝 시간 분석


43

그림 12는 스캔 구간과 인터리빙 구간의 비율에 따른 평균 스캐닝 시간을

관찰한 것이다. 실험에서는 스캔 구간과 인터리빙 구간의 합을 100으로

고정시킨 상태에서 그 비율을 조정하였다. 실험 결과, MS가 어떠한 종류의

스캔 구간 비율을 갖더라도 그룹 스캐닝 기법을 사용하는 것이 기존의 스캐닝

기법보다 빠르게 타겟 BS 채널을 스캔하는 것을 관찰 할 수 있다.

스캐닝 스케쥴에서 스캔 구간과 인터리빙 구간의 비율은 MS가 이용하는

서비스 품질에 의해 결정되는 요소라고 할 수 있다. 이는 곧, 시간 지연에

민감한 서비스를 이용중인 MS 일수록, Fs를 되도록 작은 구간으로 할당하는

것이 바람직함을 의미한다. 그러나 그림 12-(a), (b), (c)의 결과와 같이, Fs가

작은 비율로 스케쥴 되는 경우에는 일시적인 채널 이탈 시간이 줄어드는 반면,

전체적인 스캐닝 시간은 늘어날 수 있음에 유의해야 한다.


44

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

periodic triggered 2 ELJ-MS 3 ELJ-MS LTJ-MS

T 21=40ms, F s=F i=50, NCH=12

avg

. scannin

g tim

e(s

) .

Single

Group 1

Group 2

(그림 13) 두 번째 그룹과 LTJ-MS의 스캐닝 시간

마지막으로 그림 13에서는 그룹 스캐닝 기법의 효과가 동일한 서빙 BS에

접속 중인 임의의 MS에게로 확장될 수 있다는 것을 단적으로 보여준다. 이웃

BS 채널의 개수(NCH)는 12개로 설정하였다. 실험 결과, 임의의 그룹이 타겟

BS 채널을 발견하기까지의 평균시간은 기존의 스캐닝 기법(single)에서보다

짧은 시간이 요구되는 것을 알 수 있다. 특히 첫 번째 그룹 스캐닝이 시작된

이후에 새로이 그룹 스캐닝을 시작하는 그룹의 경우에도 첫 번째 그룹의

스캐닝 결과를 이용하는 DNL 갱신장치에 의해 보다 신뢰성 있는 이웃 BS

채널 목록을 제공받기 때문에, 첫 번째 그룹의 초기 상황과 비교했을 때, 더

짧은 시간 이내에 타겟 BS 채널을 발견할 수 있음이 관찰된다. LTJ-MS의

경우는 이미 그룹에 의해 타겟 BS 채널이 발견된 상황에 나타난 경우로


45

가정하였으며, 이러한 MS의 경우 매우 짧은 시간 안에 타겟 BS 채널을

발견할 수 있음을 알 수 있다.


46

제 6 장 결 론

본 논문에서는 기존의 IEEE 802.16e에서 타겟 BS를 선정하기 위한 MS의

스캐닝 과정에서 발생하는 문제점을 지적하고 이를 해결하기 위해 그룹의

생성과 그룹 스캐닝 절차를 통한 그룹 기반의 스캐닝 기법을 제안하였다.

그리고 모의실험의 결과를 통해 제안하는 그룹 스캐닝 기법의 성능이

시간적으로 빠른 타겟 BS 채널의 발견을 보장하는 것을 보였다. 제안하는

기법은 기존의 스캐닝 방법과 비교하여 다소 복잡한 동작 절차를 가지며

스캐닝에 참여하는 모든 MS들로 하여금 매 스캔 구간의 종료 시 마다 그

결과를 보고하도록 하므로 네트워크의 트래픽을 일시적으로 증가시킬 수 있는

약점도 가지고 있다. 하지만 한 번 그룹이 생성된 후에는 그룹 스캐닝에

참여하는 ELJ-MS들의 유지관리를 통해 이후의 LTJ-MS들에게 가장 빠른

스캐닝 시간을 보장함으로써 점차적으로 이러한 트래픽 오버헤드를 줄일 수

있을 것으로 기대된다.

그룹 기반의 스캐닝 기법은 셀 내부를 유영하는 MS의 수가 증가 할수록

비슷한 지역에서 동시적으로 스캐닝을 수행하는 여러 MS들을 그룹으로

관리하여 보다 빠른 스캐닝을 보장할 수 있다. 이는 특히 이웃 BS 채널의

수가 많을수록 기존의 스캐닝 기법보다 월등히 성능을 보장하며, 더 많은

제 6 장 결 론

47

그룹이 형성될수록 점점 더 빠른 스캐닝 시간을 기대할 수 있는 확장성을

제공한다.

참 고 문 헌

48

참 고 문 헌

[1] IEEE Std 802.16e-2005, "IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks

–Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems

–Amendment 2: Physical and medium access control layers for combined fixed and

mobile operation in licensed band and corrigendum 1", February 2006.

[2] IEEE Std 802.16-2004, "IEEE Stanadrd for Local and Metropolitan Area Networks -

Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access systems.", October 2004.

[3] J. Park, D. Kwon, Y. Suh, "An Intergrated Handover Scheme for Fast Mobile IPv6

over IEEE 802.16e Systems", in Proc. of IEEE VTC 2006-Fall, pp. 1-5, September

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Broadband Wireless Access", Lecture Notes in Computer Science, Volume 3515, pp.

527-534, May 2005.

[5] H. Jang, J. Jee, Y. Han, S. Park, J. Cha, "Mobile IPv6 Fast Handover IEEE 802.16e

Networks", draft-jang-mipshop-fh80216e-02, February 2006.

[6] S. Choi, G. Hwang, T. Kwon, A. Lim, and D. Cho, "Fast Handover Scheme for Real-

Time Downlink Services in IEEE 802.16e BWA System", in Proc. of IEEE VTC

2005-Spring, pp. 2028-2032, June 2005.

참 고 문 헌

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[7] S. Cho et al. "Hard Handoff Scheme Exploiting Uplink and Downlink Signals in

IEEE 802.16e Systems", in Proc. of IEEE VTC 2006-Spring, pp. 1236-1240, May

2006.

[8] D. Lee, K. Kyamakya, and J. Umondi, "Fast Handover Algorithm for IEEE 802.16e

Broadband Wireless Access System.", in Proc. of IEEE ISWPC 2006, pp. 1-6,

January 2006.

[9] R. Rouil and N. Golmie, "Adaptive Channel Scanning for IEEE 802.16e", in Proc. of

IEEE MILCOM 2006, pp. 1-6, October 2006.

[10] P. Boone, M. Barbeau, and E. Kranakis, "Strategies for Fast Scanning and

Handovers in WiMax/802.16", in Proc. of IEEE ACCESSNETS 2007, pp. 1-7,

August 2007.

[11] C. Eklund, R. Marks, K. Stanwood, "IEEE Standard 802.16: A Technical Overview

of the WirelessMANTM Air Interface for Broadband Wireless Access", IEEE

Communications Magazine, Volume 40, Issue 6, pp. 98-107, June 2002.

[12] D. Cho, J. Song, M. Kim, K. Han, "Performance Analysis of the IEEE 802.16

Wireless Metropolitan Area Network", in Proc. of IEEE DFMA 2005, pp. 130-136,

February 2005.

[13] K. Wongthavarawat, A. Ganz, "Packet scheduling for QoS support in IEEE 802.16

broadband wireless access systems", International Journal of Communication

Systems, Volume 16, No. 1, pp. 81-96, February 2003.

참 고 문 헌

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[14] G. Chu, D. Wang, S. Mei, "A QoS architecture for the MAC protocol of IEEE 802.16

BWA system", in Proc. of IEEE ICCCAS 2002, pp. 435-439, July 2002.

[15] Y. Xiao, "Energy Saving Mechanism in the IEEE 802.16e Wireless MAN", IEEE

Communications Letters, Volume 6, Issue 7, pp. 595-597, July 2005.

[16] B. Michel, "WiMax/802.16 Threat Analysis", in Proc. ACM Q2SWinet 2005, pp. 8-

15, October 2005.

[17] R. Rouil and N. Golmie, "Effects of IEEE 802.16 Link Parameters and Handover

Performance for Select Scenarios", IEEE 802.21 session #13 in Denver Colorado,

February 2006.

[18] X. Jing and D. Raychaudhuri, "Spectrum Co-existence of IEEE 802.11b and 802.16a

Networks Using Reactive and Proactive Etiquette Policies", Mobile Networks and

Applications, Volume 11, Issue 4, pp. 539-554, August 2006.

[19] B. Bhandari, R. Kumar, S. Maskara, "Uplink Performance of the IEEE 802.16

Medium Access Control (MAC) Layer Protocol", in Proc. IEEE ICPWC 2005, pp. 5-

8, January 2005.

51

감사의 글

우선, 여러모로 부족한 저를 거두어 주시고, 이렇게 2년여간의 석사 과정을

무사히 마칠 수 있도록 지도해 주신, 저의 지도교수님, 유상조 교수님께 감사

드립니다. 무엇인가를 얻고자 한다면 열정을 가지고 즐겁게 하라는 교수님의

말씀을 언제나 잊지 않을 것입니다. 또한, 아직 많이 서투름에도 불구하고,

앞으로도 더 많은 것을 배울 수 있도록 한 번 더 기회를 주신 것에 대해서도

진심으로 감사의 말씀을 드립니다. 제게는 긴 여정이 될 박사 과정 동안, 제

자신을 이겨내고 더욱 정진하는 것이 가장 큰 의미이며, 그것이 곧, 교수님께

보답하는 길이라는 마음가짐으로 열정을 다하겠습니다.

그리고, 부족한 졸업 논문을 살펴주시고, 이후에도 최선을 다하라고,

격려해주신 김재명 교수님, 정재학 교수님께도 감사의 말씀을 드립니다.

결코 짧지 않지만, 어느새 지나버린 지난 2년 동안 많은 추억을 함께한

멀티미디어 통신망 연구실의 모든 선후배님들께도 감사의 말씀을 전하며,

그들의 건승을 기원합니다.

무엇보다도 사랑하는 부모님께 감사 드립니다. 언제나 저를 응원해 주시고,

저의 의사를 존중해 주시는 부모님께 이 논문이 작은 선물이나마 될 수

있기를 간절히 바랍니다. 아들은 앞으로도 세상에서 가장 아들다운 아들이

52

되겠습니다. 그리고, 언제나 부모님을 사랑합니다.

끝으로, 언제까지나 소리 없이 마음으로 지지해주는, 제게 하나뿐인 소중한

정현이에게 감사의 마음을 전합니다.

53

학술 활동

[1] 최재각, 유상조, "IEEE 802.16e에서 동적 이웃 BS 리스트를 이용한 빠른 그

룹 스캐닝 기법”, 한국통신학회 추계종합학술대회, 2007.11.

[2] 나도현, 하오난, 최재각, 유상조, "지능형 무선인지 기술 기반 네트워크 환

경에서 정책기반 채널 센싱 구조 및 알고리즘", JCCI 2008, 2008. 4.

[3] 최재각, 유상조, "IEEE 802.16e에서 그룹 기반의 빠른 스캐닝 기법", 한국통

신학회 논문지, Vol. 33, No. 6, pp. 624 – 634

[4] Jae-Kark Choi, Nan Hao, Sang-Jo Yoo, "Fast Group Scanning Scheme with Dynamic

Neighbor Base Station List in IEEE 802.16e Networks”, IEEE CIT 2008, 2008. 7.

[5] Nan Hao, Jae-Kark Choi, Sang-Jo Yoo, “Cooperative Channel Operation MAC

Protocol for WLAN based Indoor Cognitive Radio Network Systems”, IEEE CIT

2008, 2008. 7.

54

수행 프로젝트

[1] 초 광대역 무선통신 연구센터 (UWB-ITRC) : 제 4 세부과제 – 초광대역

(UWB) 무선전송 및 시스템 응용기술 (지식경제부 대학 IT 연구센터)

[2] (국고) 지능형 유비쿼터스 물류기술연구사업단 (한국학술진흥재단)

[3] 초 광대역 무선통신을 위한 지능형 무선인지 핵심기술

연구 (한국과학재단- 특정기초연구)

목차제 1 장 서론제 2 장 관련 연구2.1 IEEE 802.16e에서의 스캐닝 과정2.2 스캐닝 관련 연구

제 3 장 그룹 스캐닝 기법3.1 그룹 스캐닝 동작의 개요3.2 그룹의 형성3.3 동적 이웃 BS 채널 관리 기법3.4 그룹 스캐닝3.5 임의의 LTJ-MS를 위한 ELJ-MS 정보 갱신

제 4 장 스캐닝 시간 분석4.1 스캐닝 시간의 비교4.2 최대 스캐닝 시간 분석

제 5 장 모의실험제 6 장 결 론참 고 문 헌

ieee 802.16e 그룹가지 제안들[3-8]은 대부분 타겟 기지국이 이미 결정되어 있는...

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