[논문]모바일 핫스팟: 차량 내 WiFi 접속 기술 연구 동향

김영현; 백상헌

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정보와 통신 : 한국통신학회지 = Information & communications magazine, v.30 no.3, 2013년, pp.80 - 88

초록
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본 고에서는 차량 내에서 WiFi 기기를 사용하여 사용자들에게 인터넷 접속 서비스를 제공하는 구조인 모바일 핫스팟 (Mobile Hotspot)에 대한 연구 동향을 기술한다. 모바일 핫스팟과 관련된 연구 주제로는 1) 차량이 이동하더라도 인터넷 서비스를 끊임 없이 제공하는 이동성 관리 기술, 2) 사용자들의 향상된 서비스 품질을 보장하는 기술, 그리고 3) 모바일 핫스팟의 성능을 심도있게 분석하는 연구 등이 있다. 본 고에서는 이와 같은 연구 주제로 진행된 연구 결과를 정리하고 향후 연구 주제를 살펴본다.

AI 본문요약
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문제 정의

본고에서는 빠르게 이동하는 차량 내에서 WiFi를 사용하여 인터넷에 접속하게 할 수 있는 구조인 모바일 핫스팟에 대해 알아보았다. 모바일 핫스팟과 관련된 연구 주제로 차량의 이동성 관리와 서비스 품질 보장 (QoS), 모바일 핫스팟의 성능 분석 등과 관련된 연구를 살펴보았다. 모바일 핫스팟 구조는 현재 기차와 전철, 포터블 릴레이, 스마트 폰의 테더링 어플리케이션 등 다양한 장소와 기기 등에서 실질적으로 활용되고 있는 구조이며 앞으로도 차량 네트워크를 위해 활발히 사용될 것으로 예측된다.
본 고에서는 모바일 핫스팟과 관련하여 발표된 기존 연구 결과들을 정리하고 향후 연구 이슈와 과제를 살펴본다.
위의 문제들을 해결하기 위해, [16]은 모바일 핫스팟에서 양단간 자원 예약 기법인 BSR (Bandwidth-Sharing Reservation) 기법을 제안한다. 본 연구의 주요 아이디어는 자원 예약 관리 기능을 사용자 단말과 상대 노드에서 각각 모바일 핫스팟에 설치된 MR (Mobile Router)과 MR의 HA (Home Agent)로 이전시키는 것이다. 즉, <그림 7>과 같이, 모바일 핫스팟 내의 사용자들의 QoS를 보장하기 위한 터널을 MR이 연결돼 있는 라우터와 MR의 HA 간에 생성한다.
본고에서는 빠르게 이동하는 차량 내에서 WiFi를 사용하여 인터넷에 접속하게 할 수 있는 구조인 모바일 핫스팟에 대해 알아보았다. 모바일 핫스팟과 관련된 연구 주제로 차량의 이동성 관리와 서비스 품질 보장 (QoS), 모바일 핫스팟의 성능 분석 등과 관련된 연구를 살펴보았다.
실제로 모바일 핫스팟 내에서 진행한 성능측정 연구 결과, 불안정한 통신상태와 매우 낮은 uplink throughput 등으로 인해, VoIP (voice over IP)와 같은 실시간 멀티미디어 서비스를 사용하는 데에 제약이 있는 것을 확인하였다 [4]. 이는 모바일 핫스팟 구조에서의 효율적인 이동성 관리와 자원관리 기법 등의 부재로 인한 것으로, 이에 대한 연구의 필요성을 제시하였다.
지난 2009년에 자동차 IT 융합 기술발전을 위해 현대기아 자동차와 정보통신연구진흥원, 마이크로 소프트사가 함께 차량 IT 혁신 센터 (AIIC: Automotive IT Innovation Center) 를 출범하였다. 차량 IT 혁신 센터는 IT 중소 기업의 연구개발 지원은 물론 미래 차량 IT 신기술과 차량용 통신, 텔레매틱스 (telematics), 위치 기반 서비스 (location based service: LBS) 등의 최첨단 기술 개발을 목표로 한다. 이 외에도 첨단 교통 기술과 교통 정보를 활용한 지능적 교통체계의 운영을 위해, 미국과 유럽, 일본 등 세계적으로 ITS (Intelligent Transport System) 프로젝트를 십수 년 전부터 진행하고 있다 [1].

성능/효과

이동 노드의 CoA는 MR의 prefix인 MNP를 이용하여 생성된 주소이기 때문에, 이동 노드의 CoA로 전송되는 패킷들은 MR의 홈 네트워크로 향하고, MR의 HA는 이 패킷을 인터셉트한다. (3) MR의 HA는 패킷을 MR의 CoA로 전달하고, 패킷을 받은 MR은 최종 목적지인 이동 노드의 CoA로 패킷을 전송한다. 위와 같은 과정을 거쳐, 모바일 핫스팟 내의 이동 노드는 상대 노드로부터 패킷을 수신할 수 있다.
즉, 각 서브넷에서 모바일 핫스팟의 효율적인 이동성 관리를 위해 SCM을 새롭게 제안한 것이 PASH 기법의 주요 아이디어이다. PASH 기법에 의해 차량이 핸드오프 시, 차량 내 승객들의 세션을 빠르게 재설립 할 수 있고, 최적의 라우팅 경로를 재구성할 수 있음을 수학적 모델링을 통해 증명하였다.
[22]에서 제안된 분석모델에 의해, 사용자가 차량을 기다리는 시간과 세션의 길이, 교차로의 수, 교차로 사이의 도로 길이 등에 따르는 session handoff probability를 구할 수 있다. 그 결과, BS에서 MR로의 session handoff probability는 사용자가 차량을 기다리는 시간과 반비례인 것이 증명되었다. 또한 교차로의 수가 증가하면 사용자가 차량에서 하차할 때까지의 시간이 길어지므로, MR에서 BS로의 session handoff probability가 감소하는 것이 확인되었다.
[17]에서는 앞 장에서 서술한 NEMO BS 프로토콜과 session initiation protocol 2 (SIP) 기반의 NEMO 프로토콜을 핸드오프 지연 (handoff delay) 관점에서 Rayleigh fading channel 모델과 Markov channel 모델을 사용하여 성능을 비교, 분석하였다. 그 결과, SIP 기반의 NEMO 프로토콜이 NEMO BS 프로토콜보다 터널링 오버헤드와 네트워크 전개 측면에서 강점을 가지지만, 보다 더 긴 SIP 메시지로 인해 SIP 기반의 NEMO 프로토콜의 핸드오프 지연이 NEMO BS 프로토콜보다 더 긴 것을 증명하였다.
즉, 차량이 새로운 BS로 이동하기 전에, 차량과 현재 통신하고 있는 BS는 FMA에게 차량이 새로운 BS로 이동할 것을 알리고, FMA는 이동할 차량의 QoS 요구를 만족하는 무선자원을 할당하도록 새로운 BS에게 시그널링 메시지를 전송한다. 그 결과, 새로운 cell area로 이동하는 차량의 무선 자원을 미리 예약함으로서 data throughput 과 packet loss 측면에서 기존의 기법에 비해 더 효율적인 것을 확인하였다. 그러나 각 차량의 QoS 요구들을 어떻게 병합하고, 관리하는 지에 대한 구체적인 방안이 제시되고 있지 않는 것이 위 연구의 제한점이라 할 수 있다.
구체적으로 [19]에서는, 모바일 핫스팟을 위한 NEMO BS 프로토콜에서 MR과 HA를 구현한 후, 차량이 각각 차량의 홈 네트워크에서 외부 네트워크로 이동할 때와 외부 네트워크에서 다른 외부 네트워크로 이동, 외부 네트워크에서 홈 네트워크로 이동할 때의 핸드오프 지연을 분석한다. 그 결과, 시그널링 메시지 교환을 위한 RTT (Round Trip Time)와, 새로 생성한 주소와 같은 주소를 쓰고 있는 사용자가 있는 지 확인하는 DAD (Duplicate Address Detection) 과정, L2 핸드오프 과정 중, DAD로 인한 지연이 전체의 핸드오프 지연에서 매우 큰 비중을 차지하는 것을 보였고, 이를 해결하기 위해 효율적인 DAD 방안에 대한 연구의 필요성을 제시하였다. [20]에서 제안한 기법은 다음과 같다.
KTX의 경우, WWAN을 위한 무선 접속 기술로 HSDPA가 사용되기 때문에 WiBro를 활용한 포터블 AP보다 낮은 전송속도를 나타내는 것을 볼 수 있다. 그러나, KTX의 경우 매우 불안정한 통신 상태로 인해, 파일을 첨부한 이메일을 전송하는데 매우 큰 어려움을 있는 것을 확인할 수 있었다.
그 결과, BS에서 MR로의 session handoff probability는 사용자가 차량을 기다리는 시간과 반비례인 것이 증명되었다. 또한 교차로의 수가 증가하면 사용자가 차량에서 하차할 때까지의 시간이 길어지므로, MR에서 BS로의 session handoff probability가 감소하는 것이 확인되었다. 이와 유사하게 도로의 길이가 길어지면 사용자가 차량에 탑승하는 시간이 늘어나기 때문에 MR에서 BS로의 session handoff probability 또한 줄어드는 것을 보였다.
그리고 MR은 새롭게 구성한 CoA와 MR의 고유한 주소인 home address (HoA)를 사용하여 binding update (BU) 메시지를 생성한다. 마지막으로 MR이 BU 메시지를 MR의 HA에게 보냄으로서 모바일 핫스팟의 위치 등록은 완료된다.
그러나 차량이 moving phase일 경우, handoff call을 위한 guard channel이 해제되므로, new call은 모든 자원이 사용되고 있지 않으면 인터넷 서비스를 받을 수 있다. 성능 분석 결과, MA-CAC 기법은 기존의 guard channel 기법에 비해 더 많은 handoff call과 new call을 수용함과 동시에 높은 무선 자원 이용률을 보장할 수 있음을 보였다.
[21]에서 제안된 분석모델에 의해, 차량 내의 승객의 수, 차량에 설치된 AP와 외부 BS의 버퍼 크기, WWAN과 WLAN의 bandwidth 등의 영향에 따라 모바일 핫스팟에서의 패킷 전송률을 확인할 수 있다. 우선, 차량 내의 승객의 수가 증가하면, WLAN에서의 더 많은 채널 충돌 (channel collision)으로 인해 패킷 전송률이 감소하는 경향을 보였다. 반면에 AP의 버퍼 크기는 패킷 전송률에 크게 영향을 끼치지 않는 것을 확인했는데, 이는 WLAN의 대역폭이 WWAN의 대역폭보다 훨씬 더 크기 때문이다.
이를 통해, 클러스터의 핸드오프 지연은 일반 NEMO BS 프로토콜에 비해 약 80%정도 줄어드는 것이 확인되었다.

후속연구

이 후, 차량이 서로 다른 서브넷으로 이동하면, active reservation 또는 passive reservation 방법을 통해, 새롭게 접속한 라우터와 MR의 HA간에 터널을 재형성한다. 그러나 [15]와 같이, 차량 내의 QoS 요구들을 어떻게 융합하고, 얼마만큼의 bandwidth 를 예약할 지에 대한 고려는 추가로 연구해야 할 과제이다.
그 결과, 새로운 cell area로 이동하는 차량의 무선 자원을 미리 예약함으로서 data throughput 과 packet loss 측면에서 기존의 기법에 비해 더 효율적인 것을 확인하였다. 그러나 각 차량의 QoS 요구들을 어떻게 병합하고, 관리하는 지에 대한 구체적인 방안이 제시되고 있지 않는 것이 위 연구의 제한점이라 할 수 있다.
최근 MIMO (multiple-input and multiple-output)와 OFDM(Orthogonal frequency-division multiplexing) 등의 기술로 인해 WWAN을 위한 데이터 처리율은 점차 증가하고 있는 추세이다. 따라서 본 고에서 서술한 연구들 외에, 현재 3세대 이동 통신이 아닌 LTE Advanced 등과 같은 4세대 이동통신 기반의 모바일 핫스팟에 대한 연구 또한 필요할 것이다.
모바일 핫스팟과 관련된 연구 주제로 차량의 이동성 관리와 서비스 품질 보장 (QoS), 모바일 핫스팟의 성능 분석 등과 관련된 연구를 살펴보았다. 모바일 핫스팟 구조는 현재 기차와 전철, 포터블 릴레이, 스마트 폰의 테더링 어플리케이션 등 다양한 장소와 기기 등에서 실질적으로 활용되고 있는 구조이며 앞으로도 차량 네트워크를 위해 활발히 사용될 것으로 예측된다. 그러나 상대적으로 낮은 WWAN에서의 데이터 처리율로 인해, 차량 내의 사용자의 수가 많아질 경우, QoS를 만족하지 못하는 이슈는 여전히 해결해야 할 과제이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	모바일 핫스팟 내에서 실시간 멀티미디어 서비스를 사용하는 데에 제약이 있었던 이유는?	그러나 승객들이 느끼는 서비스 수준은 매우 낮은 상태이다. 실제로 모바일 핫스팟 내에서 진행한 성능측정 연구 결과, 불안정한 통신상태와 매우 낮은 uplink throughput 등으로 인해, VoIP (voice over IP)와 같은 실시간 멀티미디어 서비스를 사용하는 데에 제약이 있는 것을 확인하였다 [4]. 이는 모바일 핫스팟 구조에서의 효율적인 이동성 관리와 자원관리 기법 등의 부재로 인한 것으로, 이에 대한 연구의 필요성을 제시하였다.
	모바일 핫스팟의 장점은 무엇인가?	모바일 핫스팟의 장점은 다음과 같다. 우선, 차량 내의 승객들은 외부의 기지국이 아닌 차량에 설치된 AP와 Wi-Fi를 통해 통신을 하기 때문에, 사용자 단말의 배터리를 절약할 수 있고 [3], 보다 나은 무선 채널 상태를 유지할 수 있다. 그리고 실질적으로 외부의 기지국과 연결되어 있는 것은 AP이기 때문에, 차량의 이동성에 따르는 시그널링 메시지 오버헤드를 줄일 수있다. 또한 WWAN을 위한 무선 자원을 절약할 수 있는 장점을 취한다.
	모바일 핫스팟은 무엇인가?	차량 네트워크에서의 대표적인 인터넷 접속 아키텍처로는 모바일 핫스팟 (Mobile Hotspot) 구조가 있다 [2]. 모바일 핫스팟은 <그림 1>과 같이 WLAN (Wireless Local Area Network) 과 WWAN (Wireless Wide Area Network) 두 이질적인 네트 워크가 결합된 구조로서, 빠르게 이동하는 차량 내의 승객들에게 인터넷 서비스를 제공하기 위해 제안된 구조이다. WLAN과 WWAN을 위한 무선접속 기술로는 각각 Wi-Fi (Wireless Fidelity)와 cellular가 대표적으로 활용된다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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