KR100730238B1 - 이기종 무선 네트워크 시스템 및 그의 데이터 통신방법 - Google Patents

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KR100730238B1
KR100730238B1 KR1020060000602A KR20060000602A KR100730238B1 KR 100730238 B1 KR100730238 B1 KR 100730238B1 KR 1020060000602 A KR1020060000602 A KR 1020060000602A KR 20060000602 A KR20060000602 A KR 20060000602A KR 100730238 B1 KR100730238 B1 KR 100730238B1
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이수경
서성훈
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연세대학교 산학협력단
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Abstract

효율적인 데이터 송수신을 위한 이기종 무선 네트워크 시스템 및 그의 데이터 통신방법에 관한 것으로, 핵심 네트워크에 위치하여, 외부 네트워크의 접속점으로부터 단말 노드로 유입되는 데이터를 개별적으로 저장하고, 개별적으로 저장된 데이터의 양에 따라 데이터를 무선 접속 네트워크를 통해 단말 노드로 직접 전송하거나 또는 외부 네트워크의 접속점을 통해 단말 노드로 전송할지를 선택적으로 제어하는 네트워크 제어부와, 적어도 하나 이상의 무선 인터페이스를 장착하고, 네트워크 제어부의 제어신호에 따라 적어도 하나 이상의 무선 인터페이스 중 하나의 인터페이스만을 활성화하거나, 또는 복수의 인터페이스를 활성화시키는 단말 노드를 포함하여 구성될 수 있다.
단말 노드, 네트워크 제어부, 핵심 네트워크, 인터페이스

Description

이기종 무선 네트워크 시스템 및 그의 데이터 통신방법{Heterogeneous Wireless Networks System and Method for Communicating Data Using the Same}
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 이기종 무선 네트워크 시스템을 설명하기 위한 도면,
도 2는 본 발명에 따른 핵심 네트워크 구성요소의 사용자별 버퍼에서의 도착 프로세스를 IBP(Interrupted Bernoulli Process)로 모델화한 도면,
도 3은 대기 구간동안 인터페이스에서 소모된 초당 에너지 소모율을 보여주는 도면,
도 4는 대기 구간의 변화에 따른 사용자별 버퍼에서의 평균 패킷 손실률을 도시한 도면,
도 5는 대기 구간의 변화에 따른 무선랜 인터페이스가 켜져 있는 총 구간을 도시한 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 : 단말 노드 2 : 접속점
3 : 네트워크 제어부 4 : 기지국
5 : 서빙 GPRS 지원 노드 6 : 게이트웨이
본 발명은 이기종 무선 네트워크 시스템에 관한 것으로, 특히 효율적인 데이터 송수신을 위한 이기종 무선 네트워크 시스템 및 그의 데이터 통신방법에 관한 것이다.
일반적으로, 기존의 이기종 무선 네트워크에서는 단말 노드의 가장 중요한 척도인 패킷 데이터 전송률을 높이기 위하여 수직적 핸드오프(Vertical Handoff) 기법으로 신호 세기(Signal Strength)를 비교하는 방법이 사용되었다.
이 방식은 단말 노드에 장착된 다중 인터페이스들 중 상대적으로 신호 세기가 가장 높은 인터페이스를 선택한 다음, 현재 송/수신중인 데이터 전송을 선택된 인터페이스로 변환하여 데이터 전송률을 최적화시킬 수 있도록 한다.
이 경우, 장착된 모든 인터페이스들에 대한 신호 세기의 주기적인 확인을 위해 단말 노드의 인터페이스마다 개별적인 에너지 소모가 필요하다.
그러나, 종래의 신호 세기 비교 방법은 인터페이스의 선택이 결정되기까지 걸리는 시간이 빠르다는 장점을 가지고 있으나, 무선 인터페이스의 에너지 대부분이 대기 상태에 소모되기 때문에 단말 노드의 에너지 자원이 낭비될 수밖에 없는 문제가 있었다.
또한, 네트워크의 환경의 변화로 인하여, 빈번한 인터페이스 변환에 따른 핑퐁 효과로 성능이 저하되는 단점도 가지고 있었다.
한편, 또 다른 수직적 핸드오프 기법으로는 GPS(Global Positioning System) 수신기를 이용하여 단말 노드가 무선랜(Wireless Local Area Network)의 핫스팟(Hotspot) 영역을 벗어나는 경우, 해당 인터페이스를 끔으로써 단말 노드의 에너지소모를 줄이는 방법이 제안되기도 하였다.
그러나, 그 방법 역시, 단말 노드의 현재 위치를 파악하기 위해서는 GPS가 위치 탐색을 해야하므로, 추가적인 에너지 소모가 발생하였다.
이와 같은, 기존의 이기종 무선 네트워크 시스템에서는, 데이터 송/수신이 이루어지지 않는 대기 시간 동안에도 단말 노드에 장착되어 있는 인터페이스마다 에너지가 소모되므로, 대기 시간이 긴 경우에는 불필요한 에너지 소모로 인하여 단말 노드의 전체 배터리 가용시간이 줄어들 수 있고, 짧은 기간의 지속시간을 갖는 트래픽 형태에 대하여 빈번하게 인터페이스를 켜고 꺼야하는 성능 부하의 문제점들이 있었다.
즉, 기존의 이기종 무선 네트워크에서는, 단말 노드에서 무선이라는 환경을 고려할 때, 한정된 무선 자원의 활용은 물론 에너지 자원의 사용에 따른 비용까지 고려하지 않는 문제점들이 있었다.
본 발명의 목적은 이러한 종래 기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 단말 노드의 불필요한 에너지 소모 및 성능 부하를 줄일 수 있는 이기종 무선 네트워크 시스템 및 그의 데이터 통신방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 다른 목적은 전송할 데이터 패킷의 손실률을 줄일 수 있는 이기종 무선 네트워크 시스템 및 그의 데이터 통신방법을 제공하는데 있다.
무선 접속 네트워크에 위치하는 적어도 하나의 단말 노드와, 외부 네트워크에 위치하는 적어도 하나의 접속점(Access Point)과의 데이터 통신 서비스를 제공하기 위한 핵심 네트워크를 포함하는 본 발명에 따른 이기종 무선 네트워크 시스템은, 상기 핵심 네트워크에 위치하여, 상기 외부 네트워크의 접속점으로부터 상기 단말 노드로 유입되는 데이터를 개별적으로 저장하고, 상기 개별적으로 저장된 데이터의 양에 따라 상기 데이터를 상기 무선 접속 네트워크를 통해 상기 단말 노드로 직접 전송하거나 또는 상기 외부 네트워크의 접속점을 통해 상기 단말 노드로 전송할지를 선택적으로 제어하는 네트워크 제어부와, 적어도 하나 이상의 무선 인터페이스를 장착하고, 상기 네트워크 제어부의 제어신호에 따라 상기 적어도 하나 이상의 무선 인터페이스 중 하나의 인터페이스만을 활성화하거나, 또는 복수의 인터페이스를 활성화시키는 단말 노드를 포함하여 구성될 수 있다.
여기서, 네트워크 제어부는, 상기 외부 네트워크의 접속점으로부터 상기 단말 노드로 유입되는 데이터를 개별적으로 저장하는 버퍼와, 상기 개별적으로 저장되는 데이터의 양이 소정의 임계값에 도달하는지를 확인하고, 상기 데이터의 양이 상기 임계값 미만이면 상기 데이터를 상기 무선 접속 네트워크를 통해 상기 단말 노드로 전송하며, 상기 데이터의 양이 상기 임계값 이상이면 상기 단말 노드에 해당 정보를 통지하고 상기 단말 노드의 인터페이스 활성화 완료 통지 및 상기 데이터를 상기 외부 네트워크를 통해 상기 접속점으로 전송하는 제어기를 포함하여 구성될 수 있다.
그리고, 단말 노드는, 상기 데이터를 송수신하기 위한 적어도 하나 이상의 인터페이스, 및 상기 적어도 하나 이상의 인터페이스 중 특정 인터페이스를 활성화하여 페이징 방법으로 상기 데이터를 수신하고, 상기 네트워크 제어부로부터 상기 데이터 양에 대한 정보를 수신하며, 상기 정보에 상응하여 비활성화되어 있는 적어도 하나의 인터페이스를 활성화시키고, 상기 인터페이스 활성화 완료 통지를 상기 네트워크 제어부로 송신하며, 상기 외부 네트워크의 접속점으로부터 데이터를 수신하는 단말 제어기를 포함하여 구성될 수 있다.
또한, 본 발명의 이기종 무선 네트워크 시스템은, 무선 접속 네트워크에 위치하여, 네트워크 제어부와 단말 노드와의 무선 데이터 통신을 연결하기 위한 기지국과, 데이터 전송을 위해 상기 네트워크 제어부에 연결되는 서빙 GPRS 지원 노드와, 상기 서빙 GPRS 지원 노드와 상기 접속점들과의 인터넷 접속을 하기 위한 게이트웨이를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
본 발명에 따른 이기종 무선 네트워크 시스템의 데이터 통신방법은, 외부 네트워크의 접속점으로부터 유입되는 데이터를 개별적으로 저장하는 단계와, 상기 개별적으로 저장된 데이터의 양이 소정의 임계값에 도달하는지를 확인하는 단계와, 상기 확인 결과, 상기 데이터의 양이 상기 임계값 이상이라면, 상기 단말 노드에 해당 정보를 통지하여 상기 단말 노드의 적어도 하나 이상의 인터페이스 중 비활성화된 인터페이스를 활성화로 변환시키는 단계와, 상기 단말 노드로부터 상기 인터페이스 활성화 완료 통지를 수신하는 단계와, 상기 데이터를 전송할 상기 외부 네트워크의 접속점을 선택하는 단계와, 상기 선택된 외부 네트워크의 접속점을 통해 상기 단말 노드의 적어도 하나 이상의 인터페이스 중 상기 활성화로 변환된 인터페이스로 상기 데이터를 전송하는 단계를 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고, 본 발명에 따른 이기종 무선 네트워크 시스템의 데이터 통신방법은, 인터페이스가 비활성 상태인 단말 노드의 내부 버퍼에, 생성된 데이터를 저장하는 단계와, 상기 인터페이스에 전원을 인가하여 활성화시키고, 현재 상기 단말 노드가 위치하는 셀에서 신호 세기가 가장 우수한 외부 네트워크의 접속점을 찾아 선택하는 단계와, 상기 선택된 접속점에 대한 신호 세기가 접속 임계값에 도달하는지 판단하는 단계와, 상기 선택된 접속점이 상기 접속 임계값에 도달하지 않는다면, 상기 데이터를 송신할 인터페이스를 기존 인터페이스로부터 다른 인터페이스로 변경되지 않도록, 상기 기존의 인터페이스만을 활성화시켜 상기 기존의 인터페이스를 통해 상기 데이터를 송신하는 단계를 포함하여 이루어질 수도 있다.
또한, 본 발명에 따른 이기종 무선 네트워크 시스템의 데이터 통신방법은 단말 노드가 이동하여 페이징 방법을 이용하는 상기 무선 접속 네트워크의 셀 정보가 변경되는 단계와, 상기 변경된 셀에서 신호 세기가 가장 우수한 외부 네트워크의 접속점을 찾아 선택하는 단계와, 상기 송수신할 데이터가 존재하는지를 확인하는 단계와, 상기 송수신할 데이터가 존재한다면, 상기 선택된 접속점에 대한 신호 세기가 접속 임계값에 도달하는지 판단하는 단계와, 상기 선택된 접속점이 상기 접속 임계값에 도달하지 않는다면, 상기 데이터를 송수신할 인터페이스를 기존 인터페이스로부터 다른 인터페이스로 변경되지 않도록, 상기 기존의 인터페이스만을 활성화시켜 상기 기존의 인터페이스를 통해 상기 데이터를 송수신하는 단계를 포함하여 이루어질 수도 있다.
본 발명의 다른 목적, 특징 및 잇점들은 첨부한 도면을 참조한 실시예들의 상세한 설명을 통해 명백해질 것이다.
이하 본 발명의 바람직한 일 실시 예에 따른 구성 및 작용을 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1a 및 도 1b는 본 발명에 따른 이기종 무선 네트워크 시스템 및 그 제어방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 1a는 단말 노드의 무선랜 인터페이스의 비활성 상태일 때의 데이터 전송로를 보여주는 도면이고, 도 1b는 단말 노드의 무선랜 인터페이스의 활성 상태일 때의 데이터 전송로를 보여주는 도면이다.
도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명은 무선 접속 네트워크에 위치하는 적어도 하나의 단말 노드(1), 외부 네트워크에 위치하는 다수의 접속점(AP; access point)(2), 그리고 그들과의 데이터 통신 서비스를 제공하기 위한 핵심 네트워크에 위치하는 네트워크 제어부(RNC; Radio Network Controller)(3)로 크게 구성될 수 있다.
여기서, 네트워크 제어부(3)는 핵심 네트워크(Core Network)에 위치하고, 외부 네트워크의 접속점(2)으로부터 단말 노드(1)로 유입되는 데이터를 개별적으로 저장하고, 개별적으로 저장된 데이터의 양에 따라 데이터를 무선 접속 네트워크를 통해 단말 노드(1)로 직접 전송하거나 또는 외부 네트워크의 접속점(2)을 통해 단말 노드(1)로 전송할지를 선택적으로 제어할 수 있다.
그리고, 단말 노드(1)는 적어도 하나 이상의 무선 인터페이스들을 장착할 수 있다.
본 발명에서는 실시예로서 2개의 인터페이스가 장착된다.
하나는 페이징을 수행하는 제 1 인터페이스(1a)이고, 다른 하나는 무선랜 인터페이스인 제 2 인터페이스(1b)이다.
제 2 인터페이스(1b)는 평상시 비활성화 상태이다가 네트워크 제어부(3)의 제어신호에 따라 활성화 상태로 바뀐다.
즉, 단말 노드(1)는 네트워크 제어부(3)의 제어신호에 따라 적어도 하나 이상의 무선 인터페이스 중 하나의 인터페이스만을 활성화하거나, 또는 복수의 인터페이스를 활성화시킨다.
상세한 설명은 후술하기로 한다.
그리고, 네트워크 제어부(3)는 버퍼(도시하지 않음)와 제어기(도시하지 않음)로 크게 구성될 수 있다.
여기서, 버퍼는 외부 네트워크의 접속점(2)으로부터 단말 노드(1)로 유입되는 데이터를 개별적으로 저장한다.
그리고, 제어기는 개별적으로 저장되는 데이터의 양이 소정의 임계값에 도달하는지를 확인한다.
이어, 제어기는 데이터의 양이 임계값 미만이면, 데이터를 무선 접속 네트워크를 통해 단말 노드(1)로 전송하고, 데이터의 양이 임계값 이상이면, 단말 노드(1)에 해당 정보를 통지하고 단말 노드(1)의 제 2 인터페이스(1b) 활성화 완료 통 지 및 데이터를 외부 네트워크를 통해 접속점(2)으로 전송한다.
이 때, 버퍼의 크기는 데이터의 임계값보다 더 큰 것이 바람직하다.
그리고, 제어기는 저장된 데이터를 스케줄링 방식에 따라 단말 노드(1)로 전송할 수 있다.
또한, 단말 노드(1)는 데이터를 송수신하기 위한 제 1, 제 2 인터페이스(1a, 1b)들과, 단말 제어기(도시하지 않음)를 포함할 수 있다.
여기서, 단말 제어기는 제 1 인터페이스(1a)를 활성화하여 페이징 방법으로 데이터를 수신한다.
이어, 단말 제어기는 네트워크 제어부(3)로부터 데이터 양에 대한 정보를 수신하고, 정보에 상응하여 비활성화되어 있는 제 2 인터페이스(1b)를 활성화시킨다.
다음, 단말 제어기는 인터페이스 활성화 완료 통지를 네트워크 제어부(3)로 송신하고, 외부 네트워크의 접속점(2)으로부터 데이터를 수신한다.
그리고, 단말 제어기는 데이터 송수신을 완료함으로써, 활성화에서 비활성화로 변경된 제 2 인터페이스(1b)의 전원을 차단시킨다.
한편, 본 발명은 도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 네트워크 제어부(3)와 단말 노드(1) 사이에는 기지국(4)이 위치하고, 네트워크 제어부(3)와 접속점(2) 사이에는 서빙 GPRS 지원 노드(SGSN)(5)와 게이트웨이(6)가 위치한다.
여기서, 기지국(4)은 무선 접속 네트워크에 위치하여, 네트워크 제어부(3)와 단말 노드(1)와의 무선 데이터 통신을 연결한다.
그리고, 서빙 GPRS 지원 노드(5)는 데이터 전송을 위해 네트워크 제어부(3) 에 연결되고, 게이트웨이(6)는 서빙 GPRS 지원 노드(5)와 접속점(2)들과의 인터넷 접속을 하기 위한 것이다.
여기서, 게이트웨이(6)는 네트워크 제어부(3) 및 서빙 GPRS 지원 노드(5)를 통해 단말 노드(1)의 인터페이스 활성화 완료 통지를 수신하면, 선택된 접속점(2)의 SSID(Service Set IDentifier)와 MAC 주소를 서빙 GPRS 지원 노드(5)를 통해 네트워크 제어부(3)로 전송한다.
그리고, 게이트웨이(6)는 접속점(2) 선택시, 수직적 핸프오프 방법을 이용한다.
이와 같이, 구성되는 본 발명에 따른 이기종 무선 네트워크 시스템의 데이터 통신방법은 다음과 같다.
먼저, 하향 트래픽의 경우를 설명하면, 네트워크 제어부(3)는 외부 네트워크로부터 유입되는 단말 노드(1)을 목적지로 하는 데이터를 개별적으로 저장하고, 개별적으로 저장된 데이터의 양이 소정의 임계값에 도달하는지를 확인한다.
이어, 네트워크 제어부(3)는 확인 결과, 데이터의 양이 임계값 이상이라면, 단말 노드에 해당 정보를 통지한다.
이 때, 단말 노드(1)는 단말 노드(1)의 인터페이스들 중 비활성화된 제 2 인터페이스(1b)를 활성화로 변환시키고, 인터페이스 활성화 완료 통지를 네트워크 제어부(3)로 송부한다.
그리고, 네트워크 제어부(3)는 단말 노드(1)로부터 인터페이스 활성화 완료 통지를 수신하면, 게이트웨이(6)는 선택된 접속점(2)의 SSID(Service Set IDentifier)와 MAC 주소를 서빙 GPRS 지원 노드(5)를 통해 네트워크 제어부(3)로 전송한다.
다음, 네트워크 제어부(3)는 선택된 외부 네트워크의 접속점(2)을 통해 단말 노드(1)의 인터페이스들 중 활성화로 변환된 제 2 인터페이스(1b)로 데이터를 전송한다.
그러나, 활성화로 변환된 제 2 인터페이스(1b)는 일정 시간동안 데이터를 수신하지 않으면, 다시 비활성화되도록 전원이 차단될 수 잇다.
한편, 네트워크 제어부(3)는 확인 결과, 데이터의 양이 임계값 미만이라면, 데이터를 무선 접속 네트워크를 통해 단말 노드(1)로 전송한다.
다음은 본 발명의 상향 트래픽의 경우를 설명한다.
단말 노드(1)는 내부 버퍼에, 생성된 데이터를 저장하고, 데이터 송신을 위해, 제 2 인터페이스(1b)에 전원을 인가하여 활성화시킨다.
이어, 단말 제어기는 현재 단말 노드(1)가 위치하는 셀에서 신호 세기가 가장 우수한 외부 네트워크의 접속점(2)을 찾아 선택하고, 선택된 접속점(2)에 대한 신호 세기가 접속 임계값에 도달하는지 판단한다.
선택된 접속점(2)이 접속 임계값에 도달하지 않는다면, 단말 제어기는 데이터를 송신할 인터페이스를 제 1 인터페이스(1a)로부터 제 2 인터페이스(1b)로 변경되지 않도록, 제 1 인터페이스(1a)만을 활성화시켜 활성화된 제 1 인터페이스(1a)를 통해 데이터를 송신한다.
그러나, 선택된 접속점(2)이 접속 임계값에 도달한다면, 단말 제어기는 데이 터를 송신할 인터페이스를 제 1 인터페이스(1a)에서 제 2 인터페이스(1b)로 변경되도록, 제 2 인터페이스(1b)를 활성화시켜 변경된 제 2 인터페이스(1b)를 통해 데이터를 송신할 수 있다.
한편, 단말 노드가 이동하는 경우의 데이터 통신방법은 다음과 같다.
먼저, 단말 노드가 이동하여 페이징 방법을 이용하는 무선 접속 네트워크의 셀 정보가 변경된다면, 단말 제어기는 변경된 셀에서 신호 세기가 가장 우수한 상기 외부 네트워크의 접속점(2)을 찾아 선택한다.
이어, 단말 제어기는 송수신할 데이터가 존재하는지를 확인한다.
만일, 송수신할 데이터가 존재한다면, 단말 제어기는 선택된 접속점(2)에 대한 신호 세기가 접속 임계값에 도달하는지 판단하고, 선택된 접속점(2)이 접속 임계값에 도달하지 않는다면, 데이터를 송수신할 인터페이스를 제 1 인터페이스(1a)로부터 제 2 인터페이스(1b)로 변경되지 않도록, 제 1 인터페이스(1a)만을 활성화시켜 제 1 인터페이스(1a)를 통해 데이터를 송수신한다.
그러나, 단말 제어기는 송수신할 데이터가 존재하지 않는다면, 변경된 셀에서 신호 세기가 가장 우수한 상기 외부 네트워크의 접속점을 찾아 선택하는 단계를 반복 수행한다.
또한, 선택된 접속점(2)이 접속 임계값에 도달한다면, 단말 제어기는 데이터를 송수신할 인터페이스를 제 1 인터페이스(1a)로부터 제 2 인터페이스(1b)로 변경되도록, 제 2 인터페이스(1b)를 활성화시켜 변경된 제 2 인터페이스(1b)를 통해 데이터를 송수신한다.
이와 같이, 본 발명에 따른 이기종 무선 네트워크에서, 단말 노드(1)는 현재 연결 지점에 따라서 인터페이스의 상태가 활성/비활성 상태로 전이된다.
셀룰러 네트워크의 핵심 네트워크 구성요소에 존재하는 사용자별 버퍼에는 외부로부터 유입되는 데이터의 저장 및 단말로의 저장이 이루어지고, 셀룰러 네트워크의 기지국을 통한 페이징 정보가 단말 노드로 전달된다.
셀룰러 네트워크의 핵심 네트워크 구성요소에는 하위 구조에 존재하는 이기종 네트워크의 접속 지점에 대한 정보가 등록된다.
핵심 네트워크의 구성요소에 존재하는 사용자별 버퍼에 누적되는 패킷의 양이 특정 임계치 미만인 경우, 외부로부터 유입되는 트래픽에 대한 서비스는 셀룰러 네트워크에 대한 인터페이스로 처리가 되고, 사용자별 버퍼에 누적되는 패킷의 양이 특정 임계치에 도달하는 경우, 기지국을 거점으로 페이징 방법을 통해서 단말 노드로 통지가 되고, 단말 노드는 기존에 서비스 받고 있던 인터페이스를 제외한 장착하고 있는 전송 대역폭이 더 높은 이기종 인터페이스의 전원을 켜 활성 상태로 진입되고, 유입되는 트래픽의 처리를 위한 접속 지점을 인터페이스 선택 기법에 따라 변경한다.
인터페이스 선택 기법에 따른 변경이 진행되는 동안 핵심 네트워크 구성요소의 사용자별 버퍼에 누적되는 패킷과 그 이후에 유입되는 트래픽들에 대한 처리는 변경된 이기종 인터페이스의 경로로 전달 및 라우팅된다.
트래픽의 처리가 종료 된 후 변경된 인터페이스로의 유입 데이터가 존재되지 않는 경우, 일정 시간 이후 다시 상기 인터페이스의 전원을 차단시켜 비활성 상태 로 진입시킨다.
이러한 핵심 네트워크 구성요소의 사용자별 버퍼에 누적되는 패킷을 고려하여 단말 노드의 인터페이스를 선택하기 위한 정책 및 방법은 아래와 같다.
설명에 앞서, 단말 노드의 활성/비활성 상태는 시간의 함수로 on 구간(ton)과 off 구간(toff)으로 나타낸다.
도 2로부터 ton과 toff에 머무를 확률은 각각
Figure 112006000351717-pat00001
와
Figure 112006000351717-pat00002
로 나타낸다.
on과 off 구간이 지수 분포를 갖고, 각각의 평균은
Figure 112006000351717-pat00003
과
Figure 112006000351717-pat00004
이 된다.
이 때, 트래픽이 ton 구간동안
Figure 112006000351717-pat00005
의 평균을 갖는 포아송(Poisson) 분포로 도착한다고 가정한다.
핵심 네트워크 구성요소의 사용자별 버퍼에 대한 분석을 위해서 N은 사용자 별 버퍼에 저장될 수 있는 최대 패킷 수, 즉, 버퍼의 크기 이다.
도 2와 같이, 트래픽의 버스트 크기에 사용자별 버퍼의 임계치 n을 설정하면 핵심 네트워크 구성요소의 사용자별 버퍼에서의 도착 프로세스는 IBP(Interrupted Bernoulli Process)로 모델화 된다.
n=N으로 설정된 경우, toff 구간동안 버퍼에 저장되는 패킷(콘텐츠)의 크기는 0 이어야 한다.
버퍼가 처음으로 ton 상태로 전환될 때, 그 이후에 계속되는 ton으로의 매 전환 시마다, 패킷은 평균
Figure 112006000351717-pat00006
의 확률로 버퍼에 도착하고, 일시적인 트래픽은 페이징 방법을 사용하는 인터페이스를 통해서 평균
Figure 112006000351717-pat00007
의 확률로 전송된다.
이에 따른 사용자별 버퍼는 도 2과 같이 Markov 체인으로 구성된다.
Pi를 버퍼에 i만큼의 패킷을 포함하고 있을 steady-state 확률이라고 한다면, steady-state 확률은 아래의 수학식 1과 같다.
Figure 112006000351717-pat00008
이기종 인터페이스가 켜진 순간부터의 경과 시간을 t, 이기종 인터페이스를 초기화 하는 소요되는 시간을 ti라 하고,
Figure 112006000351717-pat00009
이고
Figure 112006000351717-pat00010
이라 할 때,
Figure 112006000351717-pat00011
이므로 수학식 1을 통해서 이기종 인터페이스가 비활성 상태에서 켜질 확률은 아래의 수학식 2와 같다.
Figure 112006000351717-pat00012
n=N인 경우로부터, n=k 인 경우에 이기종 인터페이스가 활성 상태로 전이될 확률은 아래의 수학식 3과 같다.
Figure 112006000351717-pat00013
이기종 인터페이스가 초기화 되는 동안, 핵심 네트워크 구성요소는 데이터 패킷을 페이징 방법을 사용하는 인터페이스로 보낸다.
단말 노드로부터 이기종 인터페이스가 준비되었다는 메시지를 핵심 네트워크 구성요소가 받자마자, 데이터 트래픽은 이기종 인터페이스를 통해서 전달된다.
이와 같은, 소프트 핸드오프에서는 핵심 네트워크로 부터의 데이터 전송률과 사용자별 버퍼 크기에 따라서 패킷의 손실이 발생되는데, 버퍼의 크기가 N일 때, n=N인 경우
Figure 112006000351717-pat00014
일 때 패킷이 손실될 확률은 아래의 수학식 4와 같다.
Figure 112006000351717-pat00015
도 2와 같이, n=1인 경우 트래픽의 첫 번째 패킷이 핵심 네트워크의 사용자별 버퍼에 도착하자마자 이기종 인터페이스를 비활성 상태에서 켜지기 위한 확률은 아래의 수학식 5와 같다.
Figure 112006000351717-pat00016
버퍼가 N개의 패킷으로 채워지기 전에 이기종 인터페이스의 초기화가 완료되 면 핵심 네트워크 구성요소에서는 패킷 손실이 발생되지 않는다. 즉,
Figure 112006000351717-pat00017
인 조건에서
Figure 112006000351717-pat00018
이다.
핵심 네트워크의 구성요소의 사용자별 버퍼에 저장되어있는 예상 패킷의 수 E[i]는 아래의 수학식 6과 같이 계산된다.
Figure 112006000351717-pat00019
이기종 인터페이스 중 일반적인 방식의 무선랜 인터페이스는 "에너지 절약 대기 모드"라는 방식을 채택하고, 대기 구간 동안 접속 지점으로 부터의 주기적인 비콘 신호를 획득하기 위해서 깨어나는 과정을 수행한다.
획득된 비콘 신호를 통해서 접속 지점에 버퍼링되는 유입 트래픽의 존재 유무를 확인하고, 존재하는 경우 접속 지점으로부터 데이터를 모두 수신하고 수신이 완료되면 다시 대기 상태로 복귀한다.
도 2과 같이 대기 상태에 머무르며 접속 지점으로부터 비콘 신호를 받기 위해 깨어날 확률을 w, 접속 지점으로부터 비콘 신호를 받고난 후 다시 수면 모드로 진입할 확률을 s 라고 할 때, 무선랜 인터페이스가 대기 구간동안 켜질 확률은 아래의 수학식 7과 같다.
Figure 112006000351717-pat00020
계산의 단순화를 위해 접속 지점에 위치한 버퍼의 크기가 핵심 네트워크의 사용자별 버퍼의 크기와 동일하다고 가정하면 제안된 사용자별 버퍼 관리 기법의 n=1인 경우와 동일한 효과를 얻을 수 있다.
대기 구간동안에 소모된 평균적으로 소모된 에너지의 계산을 위해, Ci와 Cib는 각각 대기 구간동안에 비콘/데이터를 받기위해서 주기적으로 깨어나는데 소모되는 에너지와 초당 소모되는 기본 에너지를 나타낸다.
Cia는 비활성 상태에서 깨어나 활성 상태로의 진입하는 경우 소모되는 단위 시간당 에너지이다.
이기종 무선 네트워크의 통신 프로토콜에서는 대기 상태 동안에 단말 노드는 비활성 상태로 전환되므로 기본 에너지 소모(Cib)는 불필요하다.
주어진 평균 대기 구간 toff에서 평균 에너지 소모는 아래 수학식 8과 같다.
Figure 112006000351717-pat00021
일반적으로 Cia는 Cib보다 큰 값을 사용하므로 본 발명에서는 Cia와 Cib의 값에 각각 1과 0.75를 사용하였고 Ci는 0.01이라고 가정한다.
먼저, on 구간동안 단말 노드로의 하향 전송률을 80 Kbps로 설정하고 ton은 120초와 360초로 설정함을 가정한다.
또한, 이기종 인터페이스의 초기화 시간 ti는 1초로 설정하고 버퍼 사이즈 Lb는 20 Kbyte로 설정한다.
일반적인 무선랜 인터페이스의 에너지 절약모드에서, 비콘 신호는 약 100ms의 고정된 간격으로 전송된다.
그러므로, 비콘 구간 s-1은 약 100ms로 설정된다.
LBEACON을 비콘 관리 프레임의 길이라고 하고, 일반적인 비콘 프레임의 길이는 대략 50 byte이다.
비콘 신호를 처리하기 위한 시간 1/w는 B를 채널 비트률이라고 할 때
Figure 112006000351717-pat00022
로 표현된다.
도 3을 참조하면, 지수적 분포 지속 기간으로 on과 off 상태에 각각 채널이 유지되고 포아송 프로세스에 따라서 사용자별 버퍼에 트래픽이 도착한다고 하였을 때, ton이 120초와 360초일 때 ton 동안에 BS로의 데이터 전송률인 R값이 40과 50 Kbps인 경우, 대기 구간이 30에서 360초 사이의 변화에 따른 무선랜 인터페이스에 의해서 대기 구간동안에 소모되는 초당 에너지를 나타낸다.
n=N 이거나 n=1로 설정된 방법은 일반적인 무선랜 보다 단위 시간당 에너지 소모율에 비추어 더 나은 성능을 발휘한다.
활성 구간동안의 데이터 전송률이 낮은 경우(즉, 40Kbps), n=N인 경우가 n=1인 경우 보다 데이터 전송률이 50Kbps 대비 각각 12%(ton=120)와 30%(ton=360) 에너지 소모율이 향상되었음을 확인할 수 있다.
작은 활성 구간(ton=120)에 대해도 ton=360과 비교하였을 때, 약 7%(40Kbps)와 26%(50Kbps)의 성능향상을 얻을 수 있다.
이 결과들로부터 데이터 전송률이 낮거나 활성 구간이 작은 경우 n=N으로 설정한 방법이 대기 구간동안에 초당 소모되는 에너지에 대해서 n=1로 설정한 방법과 비교하여 더 나은 성능을 발휘함을 확인할 수 있다.
도 4는 n=N으로 설정한 방법에 대한 패킷 손실률을 보인다.
본 발명에서는 파워 소모율과 데이터 손실 사이에서 트레이드오프가 존재하는데, 즉 임계치 n을 높게 설정하는 경우 본 발명에서 제시하는 방법은 데이터 손실의 비용에 따른 에너지 소모가 낮아지므로, 데이터 손실 성능에 우선순위를 부여하고자 하는 경우 임계치 n은 반드시 1로 설정해야 한다.
도 5는 단말 노드에 장착된 이기종 인터페이스의 전원이 켜져 있는 총 기간을 대기 구간으로 나타낸 결과이다.
이기종 인터페이스가 켜져 있는 구간을 살펴보았을 때, 본 발명은 일반적인 무선랜 방법보다 더 나은 성능을 발휘한다.
따라서, 이기종 인터페이스가 켜져 있는 비율을 줄임으로써, 실제 인터페이스가 켜져 있는 전체 기간이 줄어듦을 확인할 수 있는데, 이는 단말 노드가 깨어나지 않고 대기 상태에 머무를 수 있기 때문이다.
도 3, 도 4, 및 도 5에서 일반적인 무선랜은 이기종 인터페이스를 트래픽이 갖는 패턴에 상관없이 대기 시간 동안에 주기적으로 깨워야 하기 때문에 인터페이 스의 켜져 있는 비율이 트래픽 패턴에 의해서 영향 받지 않음을 확인할 수 있다.
본 발명의 방법은 도 5에서의 켜져 있는 전체 기간의 결과 및 도 3의 대기 구간동안의 에너지 소모율의 결과를 참조하여 에너지 소모를 줄인 효율적인 방법임을 확인할 수 있다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술 사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정이 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 실시예에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허 청구의 범위에 의하여 정해져야 한다.
본 발명에 따른 이기종 무선 네트워크 시스템 및 그의 데이터 통신방법은 다음과 같은 효과가 있다.
본 발명은 이기종 무선 네트워크에서 트래픽을 송수신하기 위해서 셀룰러 네트워크의 구성요소에 위치한 사용자별 버퍼에 유입되는 패킷의 양을 분석하여 이를 페이징 방법을 사용하여 단말 노드에게 알려줌으로써, 이기종 인터페이스의 에너지 소모율을 줄일 수 있고, 또한 사용자별 버퍼에서 발생될 수 있는 패킷 손실률을 줄이는데 효율적이다.

Claims (17)

  1. 무선 접속 네트워크에 위치하는 적어도 하나의 단말 노드와, 외부 네트워크에 위치하는 적어도 하나의 접속점(access point)과의 데이터 통신 서비스를 제공하기 위한 핵심 네트워크를 포함하는 이기종 무선 네트워크 시스템에 있어서,
    상기 핵심 네트워크에 위치하여, 상기 외부 네트워크의 접속점으로부터 상기 단말 노드로 유입되는 데이터를 개별적으로 저장하고, 상기 개별적으로 저장된 데이터의 양이 임계값 미만이면 상기 데이터를 상기 무선 접속 네트워크를 통해 상기 단말 노드로 직접 전송하거나 또는 개별적으로 저장된 데이터의 양이 임계값 이상이면 상기 데이터를 상기 외부 네트워크의 접속점을 통해 상기 단말 노드로 전송할지를 선택적으로 제어하는 네트워크 제어부; 및
    적어도 하나 이상의 무선 인터페이스를 장착하고, 상기 네트워크 제어부의 제어신호에 따라 상기 적어도 하나 이상의 무선 인터페이스 중 하나의 인터페이스만을 활성화하거나, 또는 복수의 인터페이스를 활성화시키는 단말 노드;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이기종 무선 네트워크 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 네트워크 제어부는,
    상기 외부 네트워크의 접속점으로부터 상기 단말 노드로 유입되는 데이터를 개별적으로 저장하는 버퍼; 및
    상기 개별적으로 저장되는 데이터의 양이 소정의 임계값에 도달하는지를 확인하고, 상기 데이터의 양이 상기 임계값 미만이면 상기 데이터를 상기 무선 접속 네트워크를 통해 상기 단말 노드로 전송하며, 상기 데이터의 양이 상기 임계값 이상이면 상기 단말 노드에 해당 정보를 통지하고 상기 단말 노드의 인터페이스 활성화 완료 통지 및 상기 데이터를 상기 외부 네트워크를 통해 상기 접속점으로 전송하는 제어기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이기종 무선 네트워크 시스템.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 버퍼의 크기는 상기 데이터의 임계값보다 더 큰 것을 특징으로 하는 이기종 무선 네트워크 시스템.
  4. 제 2 항에 있어서, 상기 제어기는 상기 저장된 데이터를 스케줄링 방식에 따라 상기 단말 노드로 전송하는 것을 특징으로 하는 이기종 무선 네트워크 시스템.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 단말 노드는,
    상기 데이터를 송수신하기 위한 적어도 하나 이상의 인터페이스; 및
    상기 적어도 하나 이상의 인터페이스 중 특정 인터페이스를 활성화하여 페이징 방법으로 상기 데이터를 수신하고, 상기 네트워크 제어부로부터 상기 데이터 양에 대한 정보를 수신하며, 상기 정보에 상응하여 비활성화되어 있는 적어도 하나의 인터페이스를 활성화시키고, 상기 인터페이스 활성화 완료 통지를 상기 네트워크 제어부로 송신하며, 상기 외부 네트워크의 접속점으로부터 데이터를 수신하는 단말 제어기;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이기종 무선 네트워크 시스템.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 단말 제어기는 상기 데이터 송수신을 완료함으로써, 상기 활성화에서 비활성화로 변경된 인터페이스의 전원을 차단시키는 것을 특징으로 하는 이기종 무선 네트워크 시스템.
  7. 제 1 항에 있어서, 상기 무선 접속 네트워크에 위치하여, 상기 네트워크 제어부와 상기 단말 노드와의 무선 데이터 통신을 연결하기 위한 기지국;
    상기 데이터 전송을 위해 상기 네트워크 제어부에 연결되는 서빙 GPRS 지원 노드; 및
    상기 서빙 GPRS 지원 노드와 상기 접속점들과의 인터넷 접속을 하기 위한 게이트웨이;
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 이기종 무선 네트워크 시스템.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 게이트웨이는 상기 네트워크 제어부 및 서빙 GPRS 지원 노드를 통해 상기 단말 노드의 인터페이스 활성화 완료 통지를 수신하면, 선택된 접속점의 SSID(Service Set IDentifier)와 MAC 주소를 상기 서빙 GPRS 지원 노드를 통해 상기 네트워크 제어부로 전송하는 것을 특징으로 하는 이기종 무선 네트워크 시스템.
  9. 제 8 항에 있어서, 상기 게이트웨이는 상기 접속점 선택시, 수직적 핸드오프 방법을 이용하는 것을 특징으로 하는 이기종 무선 네트워크 시스템.
  10. 무선 접속 네트워크에 위치하여 적어도 하나 이상의 인터페이스를 갖는 단말 노드와, 외부 네트워크에 위치하는 적어도 하나의 접속점(Access Point)과의 데이터 통신 서비스를 제공하기 위해 핵심 네트워크에 위치하는 네트워크 제어부를 포함하는 이기종 무선 네트워크 시스템의 데이터 통신방법에 있어서,
    상기 외부 네트워크의 접속점으로부터 유입되는 데이터를 개별적으로 저장하는 단계;
    상기 개별적으로 저장된 데이터의 양이 소정의 임계값에 도달하는지를 확인하는 단계;
    상기 확인 결과, 상기 데이터의 양이 상기 임계값 이상이라면, 상기 단말 노드에 해당 정보를 통지하여 상기 단말 노드의 적어도 하나 이상의 인터페이스 중 비활성화된 인터페이스를 활성화로 변환시키는 단계;
    상기 단말 노드로부터 상기 인터페이스 활성화 완료 통지를 수신하는 단계;
    상기 데이터를 전송할 상기 외부 네트워크의 접속점을 선택하는 단계; 및
    상기 선택된 외부 네트워크의 접속점을 통해 상기 단말 노드의 적어도 하나 이상의 인터페이스 중 상기 활성화로 변환된 인터페이스로 상기 데이터를 전송하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이기종 무선 네트워크 시스템의 데이터 통 신방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 확인 결과, 상기 데이터의 양이 상기 임계값 미만이라면, 상기 데이터를 상기 무선 접속 네트워크를 통해 상기 단말 노드로 전송하는 것을 특징으로 하는 이기종 무선 네트워크 시스템의 데이터 통신방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 활성화로 변환된 인터페이스는 일정 시간동안 상기 데이터를 수신하지 않으면 비활성화되도록 전원이 차단되는 것을 특징으로 하는 이기종 무선 네트워크 시스템의 데이터 통신방법.
  13. 무선 접속 네트워크에 위치하여 적어도 하나 이상의 인터페이스를 갖는 단말 노드와, 외부 네트워크에 위치하는 적어도 하나의 접속점(Access Point)과의 데이터 통신 서비스를 제공하기 위해 핵심 네트워크에 위치하는 네트워크 제어부를 포함하는 이기종 무선 네트워크 시스템의 데이터 통신방법에 있어서,
    상기 인터페이스가 비활성 상태인 상기 단말 노드의 내부 버퍼에, 생성된 데이터를 저장하는 단계;
    상기 인터페이스에 전원을 인가하여 활성화시키고, 현재 상기 단말 노드가 위치하는 셀에서 신호 세기가 가장 우수한 외부 네트워크의 접속점을 찾아 선택하는 단계;
    상기 선택된 접속점에 대한 신호 세기가 접속 임계값에 도달하는지 판단하는 단계; 및
    상기 선택된 접속점이 상기 접속 임계값에 도달하지 않는다면, 상기 데이터를 송신할 인터페이스를 기존 인터페이스로부터 다른 인터페이스로 변경되지 않도록, 상기 기존의 인터페이스만을 활성화시켜 상기 기존의 인터페이스를 통해 상기 데이터를 송신하거나, 상기 선택된 접속점이 상기 접속 임계값에 도달한다면, 상기 데이터를 송신할 인터페이스를 기존의 인터페이스에서 다른 인터페이스로 변경되도록, 상기 다른 인터페이스를 활성화시켜 상기 변경된 다른 인터페이스를 통해 상기 데이터를 송신하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이기종 무선 네트워크 시스템의 데이터 통신방법.
  14. 삭제
  15. 무선 접속 네트워크에 위치하여 적어도 하나 이상의 인터페이스를 갖는 단말 노드와, 외부 네트워크에 위치하는 적어도 하나의 접속점(Access Point)과의 데이터 통신 서비스를 제공하기 위해 핵심 네트워크에 위치하는 네트워크 제어부를 포함하는 이기종 무선 네트워크 시스템의 데이터 통신방법에 있어서,
    상기 단말 노드가 이동하여 페이징 방법을 이용하는 상기 무선 접속 네트워크의 셀 정보가 변경되는 단계;
    상기 변경된 셀에서 신호 세기가 가장 우수한 외부 네트워크의 접속점을 찾아 선택하는 단계;
    상기 송수신할 데이터가 존재하는지를 확인하는 단계;
    상기 송수신할 데이터가 존재한다면, 상기 선택된 접속점에 대한 신호 세기가 접속 임계값에 도달하는지 판단하거나, 송수신할 데이터가 존재하지 않는다면, 상기 변경된 셀에서 신호 세기가 가장 우수한 상기 외부 네트워크의 접속점을 찾아 선택하는 단계를 반복 수행하는 단계; 및
    상기 선택된 접속점이 상기 접속 임계값에 도달하지 않는다면, 상기 데이터를 송수신할 인터페이스를 기존 인터페이스로부터 다른 인터페이스로 변경되지 않도록, 상기 기존의 인터페이스만을 활성화시켜 상기 기존의 인터페이스를 통해 상기 데이터를 송수신하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 이기종 무선 네트워크 시스템의 데이터 통신방법.
  16. 삭제
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 선택된 접속점에 대한 신호 세기가 접속 임계값에 도달하는지 판단하는 단계에서,
    상기 선택된 접속점이 상기 접속 임계값에 도달한다면, 상기 데이터를 송수신할 인터페이스를 기존 인터페이스로부터 다른 인터페이스로 변경되도록, 상기 다른 인터페이스를 활성화시켜 상기 변경된 인터페이스를 통해 상기 데이터를 송수신하는 것을 특징으로 하는 이기종 무선 네트워크 시스템의 데이터 통신방법.
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