처음 스마트폰이 출시된 이후 다양한 모바일 디바이스들의 발전으로 모바일 트래픽의 사용이 폭발적으로 증가하고 있다. 특히 개인 방송, TV콘텐츠를 지원하는 OTT(On-The-Top) 서비스가 발전하고 이를 이용하는 사용자가 많아질수록 높은 전송률을 요구하는 영상 트래픽이 증가하게 되어 망의 과부화가 발생할 수밖에 없다. 본 논문에서는 D2D(Device-to-Device) 통신과 위치기반 서비스를 이용하여, OTT 서비스 트래픽에서 발생하는 망 과부화를 해결할 수 있는 방안을 제시하였다. 무선통신망의 OTT 서비스 트래픽을 효과적으로 처리하기 위하여 기존 셀룰러 네트워크에 위치기반 서비스와 D2D 단말 관리를 수행할 수 있는 D2DS(D2D Server)와 LCS(Location Server) 기능블록을 추가하였다. D2DS와 LCS를 통해 OTT 서비스에서 콘텐츠 제공자나 수신자의 역할을 하는 사용자에게 위치기반 D2D를 제공할 수 있는 절차를 추가로 제안하였다.
처음 스마트폰이 출시된 이후 다양한 모바일 디바이스들의 발전으로 모바일 트래픽의 사용이 폭발적으로 증가하고 있다. 특히 개인 방송, TV 콘텐츠를 지원하는 OTT(On-The-Top) 서비스가 발전하고 이를 이용하는 사용자가 많아질수록 높은 전송률을 요구하는 영상 트래픽이 증가하게 되어 망의 과부화가 발생할 수밖에 없다. 본 논문에서는 D2D(Device-to-Device) 통신과 위치기반 서비스를 이용하여, OTT 서비스 트래픽에서 발생하는 망 과부화를 해결할 수 있는 방안을 제시하였다. 무선통신망의 OTT 서비스 트래픽을 효과적으로 처리하기 위하여 기존 셀룰러 네트워크에 위치기반 서비스와 D2D 단말 관리를 수행할 수 있는 D2DS(D2D Server)와 LCS(Location Server) 기능블록을 추가하였다. D2DS와 LCS를 통해 OTT 서비스에서 콘텐츠 제공자나 수신자의 역할을 하는 사용자에게 위치기반 D2D를 제공할 수 있는 절차를 추가로 제안하였다.
Since the smart phone was first introduced, the amount of mobile traffic has increased explosively. The OTT service with personal broadcasting and TV contents and the number of users have been increased in wired network, and there are needs to expand the OTT service to mobile network. In the case of...
Since the smart phone was first introduced, the amount of mobile traffic has increased explosively. The OTT service with personal broadcasting and TV contents and the number of users have been increased in wired network, and there are needs to expand the OTT service to mobile network. In the case of the OTT service in mobile network, the relative small and finite resource may cause the overload of the network due to the massive and high transfer rate. In this paper, we consider a future situation of the OTT user services in the cellular network and propose a novel D2D communication scheme for location-based OTT service, which can reduce and distribute the amount of video traffics. To effectively handle the traffic of OTT services, we propose D2DS and LCS functional blocks in EPC network, which can provide location-based service and D2D management. And, we suggest additional procedures for the location-based service of both content provider and contents receiver UEs with the operation of the proposed D2DS and LCS function block.
Since the smart phone was first introduced, the amount of mobile traffic has increased explosively. The OTT service with personal broadcasting and TV contents and the number of users have been increased in wired network, and there are needs to expand the OTT service to mobile network. In the case of the OTT service in mobile network, the relative small and finite resource may cause the overload of the network due to the massive and high transfer rate. In this paper, we consider a future situation of the OTT user services in the cellular network and propose a novel D2D communication scheme for location-based OTT service, which can reduce and distribute the amount of video traffics. To effectively handle the traffic of OTT services, we propose D2DS and LCS functional blocks in EPC network, which can provide location-based service and D2D management. And, we suggest additional procedures for the location-based service of both content provider and contents receiver UEs with the operation of the proposed D2DS and LCS function block.
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문제 정의
따라서 본 논문에서는 D2D가 적용된 셀룰러 네트워크에서 위치 기반의 OTT 서비스를 제공하기 위하여 사용자 단말이 네트워크에 D2D 서비스를 등록하여 주변의 OTT 서비스 사용자가 D2D를 이용하여 서비스를 받을 수 있는 방안을 제안하였다. 무선통신망의 OTT 서비스 트래픽을 효과적으로 처리하기 위하여 기존 셀룰러 네트워크에 위치기반 서비스와 D2D 단말 관리를 수행할 수 있는 D2DS(D2D Server)와 LCS(Location Server) 기능블록을 추가하였다.
본 논문에서는 D2D가 적용된 셀룰러 네트워크에서 위치 기반의 OTT 서비스를 제공하기 위하여 사용자 단말이 네트워크에 D2D 서비스를 등록하여 주변의 OTT 서비스 사용자가 D2D를 이용하여 서비스를 받을 수 있는 방안을 제안하여 제안한 망의 효율성과 망 과부화 감소 가능성을 검증하였다.
본 논문에서는 위치 기반 OTT 서비스를 지원하기 위해 기존 셀룰러 네트워크에 대한 D2D 적용방안이다. 제안하는 방안을 검증하기 위해서 D2D 서비스를 적용하기 위한 추가 기능을 구성하여 시뮬레이션을 진행하였다.
가설 설정
carrier frequency는 2 GHz, bandwidth는 10 MHz, eNB의 transmit power는 40 dBM, UE의 max cellular transmit power는 23 dBm, D2D transmit power는 -19 dBm로 고정하고, eNB의 noise figure는 5 dBm으로 설정하였다. UDP video의 크기는 100M Byte로 설정하였으며 UDP video server에 저장되는 콘텐츠는 시뮬레이션 시간동안 계속 저장되어있다고 가정하였다. UDP video server의 capacity는 100 G로 설정하여 최대 1000개의 UDP video stream을 동시에 지원할 수 있게 설정하였다.
그리고 서비스를 받는 단말 중 20%인 단말은 D2D 통신을 수행하며, D2D 단말 중 25%의 단말은 콘텐츠 제공자의 역할을 수행하고 75%의 단말은 콘텐츠 수신자의 역할을 수행한다고 가정하였다. eNB B 영역에서는 100개의 단말이 똑같은 UDP video 서비스를 받고 있고 D2D 단말은 없다고 가정한다. 시뮬레이션은 60초 동안 진행하였으며 시뮬레이션 시작 후 10초가 지났을 때 전체 단말 중 20%가 eNB A에서 eNB B로 핸드오버 한다고 가정하였다.
다음으로 단말의 이동에 따른 단말의 처리량의 변화를 알아보기 위해 eNB A와 B가 존재하는 상황에서 eNB A에서 100개, 120개의 단말이 UDP video server를 통해 UDP video 서비스를 받는다고 가정하였다. 그리고 서비스를 받는 단말 중 20%인 단말은 D2D 통신을 수행하며, D2D 단말 중 25%의 단말은 콘텐츠 제공자의 역할을 수행하고 75%의 단말은 콘텐츠 수신자의 역할을 수행한다고 가정하였다. eNB B 영역에서는 100개의 단말이 똑같은 UDP video 서비스를 받고 있고 D2D 단말은 없다고 가정한다.
다음으로 단말의 이동에 따른 단말의 처리량의 변화를 알아보기 위해 eNB A와 B가 존재하는 상황에서 eNB A에서 100개, 120개의 단말이 UDP video server를 통해 UDP video 서비스를 받는다고 가정하였다. 그리고 서비스를 받는 단말 중 20%인 단말은 D2D 통신을 수행하며, D2D 단말 중 25%의 단말은 콘텐츠 제공자의 역할을 수행하고 75%의 단말은 콘텐츠 수신자의 역할을 수행한다고 가정하였다.
스케쥴링은 UDP send interval을 20 ms로 설정하여 각 단말이 20 ms마다 주기적으로 트래픽을 발생하게 하였다. 단말의 개수는 20~140개로 설정하였으며 셀 영역에 존재하는 단말 중 0%, 20%, 40%의 단말이 D2D를 사용하여 통신을 한다고 가정하였다. 또한, D2D를 사용하는 단말 중 25%의 D2D 단말은 콘텐츠 제공자의 역할을 수행하고 75%의 D2D 단말은 콘텐츠 수신자의 역할을 수행하도록 하였다.
eNB B 영역에서는 100개의 단말이 똑같은 UDP video 서비스를 받고 있고 D2D 단말은 없다고 가정한다. 시뮬레이션은 60초 동안 진행하였으며 시뮬레이션 시작 후 10초가 지났을 때 전체 단말 중 20%가 eNB A에서 eNB B로 핸드오버 한다고 가정하였다.
제안 방법
셀 영역 안에 단말의 분포는 uniform하게 구성하였다. carrier frequency는 2 GHz, bandwidth는 10 MHz, eNB의 transmit power는 40 dBM, UE의 max cellular transmit power는 23 dBm, D2D transmit power는 -19 dBm로 고정하고, eNB의 noise figure는 5 dBm으로 설정하였다. UDP video의 크기는 100M Byte로 설정하였으며 UDP video server에 저장되는 콘텐츠는 시뮬레이션 시간동안 계속 저장되어있다고 가정하였다.
제안한 방안은 기존의 방식과 비교하여 처리량이 약 8 Mbps 정도 차이 났으며 같은 망에 존재하는 단말이 D2D 통신을 이용하여 서비스를 받는 비중이 높아질수록 처리량도 증가하여 망 과부화 감소와 더불어 제안한 방안의 효과가 검증되었다. 또한 단말의 이동에 따른 핸드오버 한 단말과 하지 않은 단말의 핸드오버 전후 처리량 변화를 측정하였다. 측정결과 기존의 방식과 비교하여 제안한 방안은 망에 존재하는 단말의 개수가 동일할 때 서버의 처리량이 감소하여, 사업자 측면에서 효율적인 서비스 관리를 할 수 있음을 검증하였다.
단말의 개수는 20~140개로 설정하였으며 셀 영역에 존재하는 단말 중 0%, 20%, 40%의 단말이 D2D를 사용하여 통신을 한다고 가정하였다. 또한, D2D를 사용하는 단말 중 25%의 D2D 단말은 콘텐츠 제공자의 역할을 수행하고 75%의 D2D 단말은 콘텐츠 수신자의 역할을 수행하도록 하였다. 콘텐츠 제공자가 UDP video server에 콘텐츠 업로드를 완료한 뒤 콘텐츠 수신자에게 service broadcast 하는 시간은 시뮬레이션 시작 후 1초 뒤에 수행하고 모든 콘텐츠 제공자와 수신자가 D2D 링크를 맺도록 설정하였다.
따라서 본 논문에서는 D2D가 적용된 셀룰러 네트워크에서 위치 기반의 OTT 서비스를 제공하기 위하여 사용자 단말이 네트워크에 D2D 서비스를 등록하여 주변의 OTT 서비스 사용자가 D2D를 이용하여 서비스를 받을 수 있는 방안을 제안하였다. 무선통신망의 OTT 서비스 트래픽을 효과적으로 처리하기 위하여 기존 셀룰러 네트워크에 위치기반 서비스와 D2D 단말 관리를 수행할 수 있는 D2DS(D2D Server)와 LCS(Location Server) 기능블록을 추가하였다. D2DS와 LCS를 통해 OTT 서비스에서 콘텐츠 제공자나 수신자의 역할을 하는 사용자에게 위치기반 D2D를 제공할 수 있다.
본 논문에서 제안하는 OTT 서비스 지원을 위한 D2D 통신 적용 모델은 [Fig. 1]과 같으며, 기존 EPC 망에 사용자의 위치 정보, 서비스 알림 등 위치기반 서비스를 관리하는 D2DS(D2D Server)와 사용자의 위치정보, 서비스 알림 등 위치기반 서비스를 관리하는 LCS(Location Server) 기능블록을 추가하였다. D2DS는 MME(Mobility Management Entity), P-GW(PDN-Gateway)와 연결되어 MME에서 수행하는 셀룰러 세션 관리,이동성 관리의 역할와 비슷하게 D2D 단말 등록, 세션 관리, 이동성 관리의 역할을 수행한다.
8]은 셀룰러 네트워크에서 단말이 모두 같은 10 MHz의 대역폭을 가지고 최대 75 Mbps의 전송 속도를 가지고 UDP video server를 통해 UDP video 서비스를 받는다고 가정했을 때, 기존 셀룰러 네트워크를 통해 서비스를 받는 단말의 처리량과 셀룰러 기반의 D2D가 적용됐을 때의 단말의 처리량을 나타낸 결과이다. 셀룰러 기반의 D2D가 적용됐을 때, 총 20%의 단말이 D2D를 이용하여 서비스를 받는 상황과 40%의 단말이 D2D를 이용하여 서비스를 받는 경우를 나누어 측정하였다.
본 논문에서는 위치 기반 OTT 서비스를 지원하기 위해 기존 셀룰러 네트워크에 대한 D2D 적용방안이다. 제안하는 방안을 검증하기 위해서 D2D 서비스를 적용하기 위한 추가 기능을 구성하여 시뮬레이션을 진행하였다. 성능 검증을 위하여 Eclipse IDE(Integrated Development Environment) 기반의 네트워크 시뮬레이터인 OMNet++을 이용하였다(Antonio, 2014).
또한, D2D를 사용하는 단말 중 25%의 D2D 단말은 콘텐츠 제공자의 역할을 수행하고 75%의 D2D 단말은 콘텐츠 수신자의 역할을 수행하도록 하였다. 콘텐츠 제공자가 UDP video server에 콘텐츠 업로드를 완료한 뒤 콘텐츠 수신자에게 service broadcast 하는 시간은 시뮬레이션 시작 후 1초 뒤에 수행하고 모든 콘텐츠 제공자와 수신자가 D2D 링크를 맺도록 설정하였다.
대상 데이터
7]과 같이 도식화하였다. 셀룰러 네트워크는 같은 서브넷(Subnet)에 존재하는 형태이며, 각 셀의 범위를 400 m로 설정하였다. 셀 영역 안에 단말의 분포는 uniform하게 구성하였다.
이론/모형
제안하는 방안을 검증하기 위해서 D2D 서비스를 적용하기 위한 추가 기능을 구성하여 시뮬레이션을 진행하였다. 성능 검증을 위하여 Eclipse IDE(Integrated Development Environment) 기반의 네트워크 시뮬레이터인 OMNet++을 이용하였다(Antonio, 2014).
성능/효과
핸드오버 과정이 완료되고 D2D 링크를 통해 서비스를 받고 있던 콘텐츠 수신 단말들이 다시 셀룰러 링크를 설정하면 eNB A 영역에 남아있는 단말의 개수가 감소하므로 핸드오버 하지 않은 단말의 처리량은 시간이 지날수록 안정되고 단말 개수 감소에 따라 망의 부하가 감소하기 때문에 처리량이 핸드오버 전과 비교하여 증가함을 알 수 있다. 기존 망과 비교하여 핸드오버가 발생했을 때 D2D 링크 해제와 셀룰러 링크 설정 절차로 인해 처리량이 일시적으로 감소하지만 eNB A 영역에서 셀룰러 링크를 이용하여 서비스를 받는 단말에 영향을 주지 않고 우수한 성능을 보장받을 수 있음을 알 수 있다.
핸드오버 과정이 완료되고 핸드오버한 단말들이 다시 셀룰러 링크를 설정하면 단말들이 eNB B 영역에서 다시 UDP video server로부터 서비스를 받거나 콘텐츠 제공자가 이동하여 다시 D2D 링크를 설정하여 서비스를 받기 때문에 핸드오버 후의 처리량은 시간이 지날수록 안정되어 기존과 동일한 처리량을 받을 수 있음을 알 수 있다. 기존 망과 비교하여 핸드오버가 발생했을 때 D2D 링크 해제와 셀룰러 링크 설정 절차로 인해 처리량이 일시적으로 감소하지만 eNB B 영역에서 콘텐츠 제공자의 서비스 등록으로 인해 다시 D2D 링크가 생성되어 기존의 eNB B 영역에서 서비스를 받는 단말에 영향을 주지 않고 기존과 동일한 성능을 보장받을 수 있음을 알 수 있다.
이를 통해 다양한 기기들이 접속하여 위치기반 D2D 서비스를 받을 수 있다. 따라서 본 논문에서 제안한 방안은 점점 증가하는 OTT 서비스 트래픽을 관리하고 새로운 위치기반 서비스를 제공할 수 있다는 장점이 있다.
측정결과 기존의 방식과 비교하여 제안한 방안은 망에 존재하는 단말의 개수가 동일할 때 서버의 처리량이 감소하여, 사업자 측면에서 효율적인 서비스 관리를 할 수 있음을 검증하였다. 또한 단말의 핸드오버가 발생했을 때, 기존 셀룰러 단말에 영향을 주지 않고 향상된 성능을 제공할 수 있음을 검증하였다. 기존의 방안과의 차이점은 사용자가 셀룰러 망에 접속했을 때 D2DS와 LCS를 통한 사용자 등록, 서비스 등록, 서비스 알림 절차이다.
그러나 단말의 개수가 증가하면 노드수의 증가에 따른 망 과부화 현상과 셀룰러 링크와 D2D 링크 간의 간섭현상 증가로 처리량이 낮아짐을 볼 수 있다. 이를 통해 기존의 망에서 OTT 서비스를 제공하는 것 보다 본 논문에서 제안하는 D2D가 적용된 OTT 서비스를 제공하는 것이 사용자에게 높은 서비스 품질을 제공할 수 있음을 알 수 있다.
제안한 방안은 기존의 방식과 비교하여 처리량이 약 8 Mbps 정도 차이 났으며 같은 망에 존재하는 단말이 D2D 통신을 이용하여 서비스를 받는 비중이 높아질수록 처리량도 증가하여 망 과부화 감소와 더불어 제안한 방안의 효과가 검증되었다. 또한 단말의 이동에 따른 핸드오버 한 단말과 하지 않은 단말의 핸드오버 전후 처리량 변화를 측정하였다.
측정 결과 기존 셀룰러 망에 D2D를 통해 서비스를 받는 단말의 비율이 늘어나면 자원 재사용, 망 부하 감소의 효과를 통해 단말이 받을 수 있는 처리량이 증가하는 것으로 나타났다. 그러나 단말의 개수가 증가하면 노드수의 증가에 따른 망 과부화 현상과 셀룰러 링크와 D2D 링크 간의 간섭현상 증가로 처리량이 낮아짐을 볼 수 있다.
또한 단말의 이동에 따른 핸드오버 한 단말과 하지 않은 단말의 핸드오버 전후 처리량 변화를 측정하였다. 측정결과 기존의 방식과 비교하여 제안한 방안은 망에 존재하는 단말의 개수가 동일할 때 서버의 처리량이 감소하여, 사업자 측면에서 효율적인 서비스 관리를 할 수 있음을 검증하였다. 또한 단말의 핸드오버가 발생했을 때, 기존 셀룰러 단말에 영향을 주지 않고 향상된 성능을 제공할 수 있음을 검증하였다.
후속연구
또한 핸드오버로 인해 나가는 단말과 들어오는 단말이 공존할 때의 시나리오도 고려하여 실제 네트워크에 발생할 수 있는 다양한 시나리오에 대한 검증이 필요하다. 그리고 다양한 엑세스 네트워크가 공존하는 HetNets (Heterogeneous Network) 상황에서 제안한 방안을 적용할 수 있는 연구가 필요하며 OTT 뿐만 아니라 다양한 서비스를 고려하여 D2D를 이용한 망 과부화 관리, 이동성 관리와 서비스 제공 절차에 대해 고려해야 할 것이다.
D2DS와 LCS를 통해 OTT 서비스에서 콘텐츠 제공자나 수신자의 역할을 하는 사용자에게 위치기반 D2D를 제공할 수 있다. 기능을 추가함에 따라 기존의 셀룰러 접속 절차, D2D 절차에 비해 처리 절차가 복잡해질 수 있지만 본 논문에서 제안하는 구조와 동작 과정을 통해 망 과부화와 효율적인 서비스 제공이 가능할 것이다. 또한 OTT 서비스 제공자의 위치 기반 멀티미디어 서비스를 통해 익스트림 스포츠, 여행 가이드 등의 새로운 분야에서의 위치기반 OTT 서비스 제공이 가능할 것으로 예상된다.
기능을 추가함에 따라 기존의 셀룰러 접속 절차, D2D 절차에 비해 처리 절차가 복잡해질 수 있지만 본 논문에서 제안하는 구조와 동작 과정을 통해 망 과부화와 효율적인 서비스 제공이 가능할 것이다. 또한 OTT 서비스 제공자의 위치 기반 멀티미디어 서비스를 통해 익스트림 스포츠, 여행 가이드 등의 새로운 분야에서의 위치기반 OTT 서비스 제공이 가능할 것으로 예상된다.
향후 과제로는 하나의 콘텐츠 제공자가 다른 여러 단말과 D2D 링크를 생성하는 시나리오에 대한 연구가 필요하다. 이에 따라 콘텐츠 제공자가 맺은 D2D 링크가 증가할수록 발생할 수 있는 부하에 따른 성능 변동 검증과 보완 방안에 대한 연구도 필요하다. 또한 핸드오버로 인해 나가는 단말과 들어오는 단말이 공존할 때의 시나리오도 고려하여 실제 네트워크에 발생할 수 있는 다양한 시나리오에 대한 검증이 필요하다.
향후 과제로는 하나의 콘텐츠 제공자가 다른 여러 단말과 D2D 링크를 생성하는 시나리오에 대한 연구가 필요하다. 이에 따라 콘텐츠 제공자가 맺은 D2D 링크가 증가할수록 발생할 수 있는 부하에 따른 성능 변동 검증과 보완 방안에 대한 연구도 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
OTT서비스는 무엇을 지원하는가?
처음 스마트폰이 출시된 이후 다양한 모바일 디바이스들의 발전으로 모바일 트래픽의 사용이 폭발적으로 증가하고 있다. 특히 개인 방송, TV 콘텐츠를 지원하는 OTT(On-The-Top) 서비스가 발전하고 이를 이용하는 사용자가 많아질수록 높은 전송률을 요구하는 영상 트래픽이 증가하게 되어 망의 과부화가 발생할 수밖에 없다. 본 논문에서는 D2D(Device-to-Device) 통신과 위치기반 서비스를 이용하여, OTT 서비스 트래픽에서 발생하는 망 과부화를 해결할 수 있는 방안을 제시하였다.
OTT 서비스 트래픽에서 발생하는 망 과부화를 해결할 수 있는 방안은 무엇인가?
본 논문에서는 D2D(Device-to-Device) 통신과 위치기반 서비스를 이용하여, OTT 서비스 트래픽에서 발생하는 망 과부화를 해결할 수 있는 방안을 제시하였다. 무선통신망의 OTT 서비스 트래픽을 효과적으로 처리하기 위하여 기존 셀룰러 네트워크에 위치기반 서비스와 D2D 단말 관리를 수행할 수 있는 D2DS(D2D Server)와 LCS(Location Server) 기능블록을 추가하였다. D2DS와 LCS를 통해 OTT 서비스에서 콘텐츠 제공자나 수신자의 역할을 하는 사용자에게 위치기반 D2D를 제공할 수 있는 절차를 추가로 제안하였다.
OTT 서비스는 사용자가 많아질수록 어떤 현상이 일어나는가?
처음 스마트폰이 출시된 이후 다양한 모바일 디바이스들의 발전으로 모바일 트래픽의 사용이 폭발적으로 증가하고 있다. 특히 개인 방송, TV 콘텐츠를 지원하는 OTT(On-The-Top) 서비스가 발전하고 이를 이용하는 사용자가 많아질수록 높은 전송률을 요구하는 영상 트래픽이 증가하게 되어 망의 과부화가 발생할 수밖에 없다. 본 논문에서는 D2D(Device-to-Device) 통신과 위치기반 서비스를 이용하여, OTT 서비스 트래픽에서 발생하는 망 과부화를 해결할 수 있는 방안을 제시하였다.
참고문헌 (8)
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