Portable Internet, WLAN, Cellular 망간의연동old.hsn.or.kr/workshop/hsn2005/document/session2/2_2.pdf · 2014. 4. 3. · 3G cellular LAN 2G ce llular IEEE802.15 IEEE802.15.3a

HSN2005

Portable Internet, WLAN, Cellular 망간의 연동

장영민

국민대학교전자정보통신공학부

[email protected]

Wireless Networks & Communications Lab. -2-

Contents▣통신방송 인터넷 융합망

▣국제 표준화 동향

▣휴대 인터넷과 무선 LAN/Cellular간 연동

▣Seamless Vertical Handover 방안

▣결론

통신방송 인터넷 융합망


광대역 통합 서비스▣ 4G Networks (System beyond IMT-2000)


광대역 통합 서비스 (Cont.)▣ 이용자 중심의 서비스 이용환경 요구

▣ 사업자의 새로운 수익원 창출

▣ 기술 진화 방향

◈통신 (유/무선), 방송, 컴퓨팅 서비스가 융합

– 유/무선 화상전화 및 HD급 VoD 연동 서비스, 공중 무선 LAN, 양방향 데이타방송.

◈음성/데이터 통합서비스

– 회선망 -> 패킷망– VoIP, 멀티미디어 영상전화, 통합메시징, 다자간통화, MMoIP, MM메신저서

비스, 주문형 영화(VOD), 주문형 음악(MOD), 주문형 게임(GOD)

◈통신/방송 융합 서비스

– 맞춤형방송, 컨텐츠 대화형방송, 시청자 참여형방송– 지상파 DMB, 위성 DMB 방송 서비스, 개인방송, IP―TV 사업

◈ BcN 킬러 애플리케이션 개발


광대역 통합 서비스 (Cont.)▣Service 영역

Mbps1 10 1000.1 1,000

Wide Area Network (WAN)-Large coverage-High cost

Local Area Network/Access- Hot Spots - High speed- Moderate cost

IEEE802.11

Out

door

Stationary

Walk

Vehicle

Indo

or

Stationary/Desktop

Walk

Personal Area Network- Small area- Very low speed- Low cost

3Gcellular

LAN

2G cellular

IEEE802.15IEEE802.15.3a

(UWB)

2.3GHz휴대인터넷

(HPi)

무선LAN과 3G의 서비스 gap을해소하는 경쟁/보완적 서비스

Mbps1 10 1000.1 1,000

Wide Area Network (WAN)-Large coverage-High cost

Local Area Network/Access- Hot Spots - High speed- Moderate cost

IEEE802.11

Out

door

Stationary

Walk

Vehicle

Indo

or

Stationary/Desktop

Walk

Personal Area Network- Small area- Very low speed- Low cost

3Gcellular

3Gcellular

LAN

2G cellular

2G cellular

IEEE802.15IEEE802.15.3a

(UWB)

2.3GHz휴대인터넷

(HPi)

무선LAN과 3G의 서비스 gap을해소하는 경쟁/보완적 서비스

국제표준화 동향


연동 표준화 동향▣ ETSI BRAN

◈ HIPERLAN/2와 3G 시스템간의 연동을 위한 요구사항 및 구조 정의

◈ ETSI TR 101 957 V1.1.1 Aug. 2001

▣ 3GPP

◈ TS 23.234 V6.3.0 3GPP system to Wireless Local Area Network (WLAN) interworking; System description 을 중심으로 3단계 표준화마무리 작업 중

◈ TS 33.234 V6.3.0 Wireless Local Area Network (WLAN) interworkingsecurity

◈ TS 24.234 V6.1.1 3GPP system to Wireless Local Area Network (WLAN) interworking; User Equipment (UE) to network protocols; Stage 3

◈ TS 22.234 V7.0.0 Requirements on 3GPP system to Wireless Local Area Network (WLAN) interworking

◈ 2004년 12월: 연동관련 표준화 2005년 3월 회의까지 완료 예정

◈ 4단계 시나리오의 표준화는 추후 시작할 것이며 상당한 시간이 소요될것으로 예상


연동 표준화 동향 (Cont.)▣ 3GPP2

◈3GPP 보다 약간 늦게 표준화 작업 시작◈S.R0087-0 Version 1.0, 3GPP2 – WLAN Interworking:

– Stage 1 Requirements

▣ IEEE 802.21 (Media Independent Handoff)

◈ IEEE WNG SC에서 연동에 대한 논의가 시작됨

◈04년 1월 회의에서 IEEE 802.21 WG 결성

◈04년 5월 California 회의에서 논의된 사항– Media Independent Triggers, Global Network Neighborhood

◈04년 11월: 13개의 Proposal 발표

◈05년 1월:– Layer 2.5 역할 정의– Trigger 기능 정의– Handover scenario 정의(수정 보완)


연동 표준화 동향 (Cont.)▣ IETF

◈2004. 11 Washington, 61th IETF Meeting

– mip6 : Mobility for IPv6 WG

– Binding update, Mobile IPv4/MIPv6 Interoperability 등

– mobopts: IP mobility optimization RG

– Edge Handover

– L2 trigger for handover enhancement

– Fast handover for Hierarchical MIPv6

– EAP: Extensible authentication protocol WG

– Network Discovery and Selection Problem


3GPP 기반 연동 구조3GPP 연동 Scenario Definition :1. Common Billing and customer care between WLAN and 3GPP

• Simplest form of integration, which provides only a common billing and customer care to the subscriber

2. 3GPP based access control and based charging.

• A SIM card based authentication.3. Access to Packet Domain based services from WLAN

• e.g. IP based multimedia services (IMS) such as VoIP, Video Telephony

4. Session continuity between WLAN and 3GPP systems

• Services are continued without the need for user interaction.5. Seamless services

• Follows Inter radio access network handoff requirements.6. Access to 3G Circuit Switched services


3GPP 기반 연동 구조 (Cont.)▣ 3GPP PS based services (Roaming reference model )


3GPP 기반 연동 구조 (Cont.)▣ WLAN / 3G interworking architecture for scenario 3 (roaming case).


802.21 MIH 기능▣802.21 Handover 요구사항

◈서비스 연속성

◈ 어플리케이션 클래스

– ATM이나 UMTS에서 정의된 클래스를 따름

◈ QoS

– 핸드오버 프로세스에 관여된 각 네트워크의 QoS 정보를 획득하기위한 수단을 제공

◈ 네트워크 발견

– 네트워크 발견을 위해 상위 계층에서 서비스를 제공

◈ 네트워크 선택

– 핸드오버 절차의 시작 전에 네트워크의 효율적인 선택을 하는 서비스를 제공


802.21 MIH 기능 (Cont.)▣802.21 Handover 요구사항 (Cont.)

◈보안

– 개별적인 액세스 기술에 따라 보안 요구사항을 매핑할 수 있는 수단을 제공

◈ 파워 관리

– 효율적인 네트워크 스캐닝 절차를 채택하여 효과적인 단말 파워관리를 제공

◈ 단말 이동에 따른 핸드오버

– 무시할 만큼의 QoS 저하


802.21 MIH 기능 (Cont.)▣ MIH 참조 모델


802.21 MIH 기능 (Cont.)▣MIH 참조 모델 (Cont.)◈User Plane 와 Management Plane 로 구분

◈MIH HLCF

– MIH 상위계층 컨버전스 기능을 말하며, MIH 핸드오버와 이동성 관리의 인터페이스를 제공

◈MIH HO

– MIH 핸드오버 기능을 하며, 링크 Quality, 서비스, 가입자 등의 기준에 따른 핸드오버를 결정

◈MIH LLCF

– 하위계층의 컨버전스 기능을 하며, Physical 계층과 MAC 계층의이벤트를 수집


802.X and 3GPP 연동▣802.21 Logical 망 구조

Media Access

Multi-StackMS

AccessGateway

IntranetIntranet

CoN

802 AN (1)

3GPP RAN (1)

802.3

802.21 allows handovers acrossHeterogeneous

technologies

HA

Tunnel

IPV4

802.11

802.16802.15

SGSN

PDG(GGSN)

(FA)

WAG

3GPP CN (1)

InternetInternet

BTS/Node B

BSC/RNC

Access Router

LocalAAA

802 AN (X)

3GPP RAN (X)

3GPP CN (X)

HomeNetwork

HomeNetwork

HomeAAA

Tunn

el PLMNPLMN

Tunnel

AAAServer

Tunnel

Diamter /IPsec

Diameter/IPsec


802.X and 3GPP 연동 (Cont.)▣System Access, 802.X and 3GPP

802.X MA/AG802.X/3GPP MS 3GPP CN

IP/MIP MIHHO MAC/PHY/ AAA MAC/PHY/AAA MIHHO DHCP/DNS PDG 3GPP AAA

Upon power up, 802.X MS

ex ecutes scanning

MIH_MACINFO

MIH retriev es system info and triggers 3GPP authentication and

association procedures. System info can be retriev ed from beacon or by

query a data base when a 802.21 flag is detected within the beacon frame

Obtain local IP address (v ia ARP or DHCP)

NTW_DISC_STATE BEACON1

4

3

2

6

MIH_MACORDER

Get local IP address

3GPP

Based on the NAI, the AG triggers EAP-AKA authentication and relay

messages to 3GPP AAA. The AG might route AAA messages to other servers

to prov ide, e.g., basic services

At any point in time, MIH might update the content of the system

info carried within the beacon frame

MIH_MACCONFIG

WAG

Cellular Authentication and Authorization

IPSec Tunnel

EAPOL

EAPOL

EAP-AKA

EAPOLEAP-AKA

At any point in time, MIH might report events to register

listeners. Listeners register to the information serv ice and not

to specific events

INITIALIZATION


802.X and 3GPP 연동 (Cont.)▣System Access, 802.X and 3GPP (Cont.)

802.X MA/AG802.X/3GPP MS 3GPP CN

MIP/IP DHCP/DNS PDG

7

10

9

8

3GPP

Get PDG address based on FQDN [W-APN, PLMN Id]

MS derives FQDN from W-APN Network Id and Operator Id

DNS returns PDG IP (I.e.,

tunnel end-point)

802.x MS -PDG Tunnel (Internet Key Exchange (IKEv 2) Protocol )

11

12

Agent Solicitation/Agent Advertisement

Registration Request/Registration Reply HA

Compute CoA

Register CoA

FA-HA HAMS-PDG TunnelUser data can be routed from HA to

MS via PDG13

WAG

WAG-PDG802 AG-PDG/WAG

MIP/IP

Tunnels can be established

betw een MS-PDG (directly), AG-

WAG-PDG or MS-WAG-PDG

MS-PDG/WAG WAG-PDG

STEADY STATE

MIHHO

At any point in time, MIH might report events to register

listeners. Listeners register to the information serv ice and not

to specific events


802.X and 3GPP 연동 (Cont.)▣Handover from 802.X to 3GPP

802.X MA/AG802.X/3GPP MS 3GPP RAN/CN

3GPP MIHHO MAC/PHY MAC/PHY MIHHO

MIH_PHY_EVENT

MIH_MAC_EVENT

MIH Processes and filters events and Measurements

Handov er Ev aluation

MIP

User data flow in progress between MS and correspondent node over 802.x via 3GPP PD G.

Note tha t PDP Contex t is active at the GGSN

CoN

HO PREPARE STATE

MIH_HO_PREPAR E

3GPP LL/HL Preparation (E.g, Routing Area Update)

MS selects 3GPP cell and it updates routing

area

New SGSN requests Contex t

transfer from PDG

1

5

4

3

2

6

7

8

STEADY STATE


802.X and 3GPP 연동 (Cont.)▣Handover from 802.X to 3GPP (Cont.)

HC

HC

HC

New SGSN802.X AG GGSN

3GPP MIHHO802.X

PDG(TTG)New RANMS

PDG buffers DL packets and forw ards copy through new GTP tunnel

APPL

RNC uses transferred contex t to handle packet stream

CoN

802.x -AG and PD Tunnel (E.g., L2TP)

Packet Data Protocol Contex t (E.g., Header Compression)

Access Netw ork independent HC

HC

HC

HC

HCHC

GTP Tunnel

GTP Tunnel

UL data stream is sw itched towards 3GPP side

PDP CONTEXT IS TRANSFERRED TOWARDS new RNC

HANDOVER IS COMPLETE

PDP contex t is transferred from PDG to Target RNC trhough new SGSN

New GTP TunnelNew GTP Tunnel

Tunnel is established betw een 802.x MS and PDg (E.g., L2TP)

GTP Tunnel ov er Gn’ interface

GTP Tunnel

9

10

11


802.X and 3GPP 연동 (Cont.)▣Handover from 802.X to 3GPP (Cont.)

802.X MA/AG802.X/3GPP MS 3GPP RAN/CN

3GPP MIHHO MAC/PHY MAC/PHY MIHHOMIP

3GPP LL and HL Connections established

User data flow in progress between MS and correspondent node over 3GPP nework

CoN

MIH_MACORDER (Release)

Tear down old media (e.g., disassociate from 802.x netw ork)

13

MIH_HO_COMPLETE

12

휴대 인터넷과 WLAN/Cellular 간의연동


연동 요구사항

▣연동을 위한 서비스 요구사항

◈Network Selection(수신파워, 선호도 등 고려)

◈연결성(Mobile IPv6)

◈Access Control, 인증, 가입

◈Data 무결성과 비밀성 보장(AKA 인증, USIM 기반)

◈Accounting

◈공통 고지서와 고객 관리

◈로밍

◈세션의 연속성


휴대인터넷 서비스 (Cont.)▣HPi Architecture

HA

HPi-AP

HPi-AT HPi-AT

Uh

Mobile IP

PAR

FA

AAA

NMS(O&M)

Public IP Network

HPi-AP

PAR

W-LAN

HPi-AT

W-LAN AP

Service provider’sIP Network

Uh

Ah Ah

Ih

Ph

Ih

PAR : Packet Access RouterNMS: Network Management System

Interface Reference PointUh : AP-ATAh : AP-PARPh : PAR-PARIh : PAR-INTERNET

Inter AP HandoffInter PAR Handoff

Seamless handoff


HPi 서비스 사업방안▣타망 간의 연동을 통한 상호 보완적인 서비스 제공◈여러 서비스의 장점을 보완할 수 있음

◈높은 data rate + 넓은 coverage


HPi – 무선 LAN 연동▣연동 구조(같은 사업자경우)


HPi – 무선 LAN 연동 (MIPv6)(HPi -> WLAN 예)


HPi - cdma2000 연동▣연동 구조 (다른 사업자 경우)


HPi - cdma2000 연동 (MIPv6)

Registration response

CH setupR-P setup

User Data

Probe setup

Association

EAP-TLS Access-Request & response TLS

MIP solicitation & advertizement

Binding update

Binding update acknowledgement

User Data

BSC

AP PAR Diameter

PDSN RADIUS HA

COA

MIP solicitation & advertizement

PPP 인증 수행

Registration request Registration request

Registration response

(cdma2000 ->HPi 예)

Seamless Vertical Handoff 방안


HMIPv6 기반의 연동 망 구조▣Mobile IPv6 절차


HMIPv6 기반의 연동 망 구조(Cont.)▣ Mobile IPv6

◈ Mobile IPv4의 주소공간, 보안, 라우팅의 효율성 개선

◈ 바인딩 업데이트에 따른 문제 발생

– 잦은 이동으로 인한 추가적인 핸드오프 지연

– 연결이 중단되는 결과 초래

▣ HMIPv6 (Hierarchical Mobile IPv6) 제안

◈ Lack of hierarchy in the MIPv6

◈ 단말이 도메인 내에서 지역적인 등록 수행

◈ Introducing the new protocol agent called MAP (Mobility Anchor

Point)

◈ Inefficient use of resources in the case of local mobility

◈ MAP splits the management of the handoff process into micro

mobility and macro mobility and deals with them separately

◈ 이동성이 많이 요구되는 미래의 IP 기술로 적당하다고 판단됨


HMIPv6 기반의 연동 망 구조 (Cont.)▣HMIPv6 기반의 연동 구조

그림 4.12 HMIPv6 기반의 CDMA/HPi 연동 구조


HMIPv6 기반의 연동 망 구조 (Cont.)▣수직적인 핸드오버 호 흐름도 (HPi → cdma2000)


호 수락 제어

▣제안하는 MAP의 Soft QoS 기반의 호 수락 제어

totalreqoccupied CCC


호 수락 제어 (Cont.)▣Soft QoS 개념◈Critical bandwidth ratio ( )

– 최소한의 만족 허용도– 자원의 효율적인 분배를 위함– = 0.6 : 60% 정도 performance를 낮추어도 트래픽의 QoS에

큰 영향을 미치지 않음

ξ

ξ


호 수락 제어 (Cont.)▣ 큐잉 모델αα ++ NNMM ///

VH λλ +

µ µ2 µN µα )( +N

Vλ

µ)1( +N

N 1+N α+N

VH λλ + VH λλ + Vλ

Hλ

Vλ: Arrival rate of Horizontal handoff call or new call

: Arrival rate of Vertical handoff call

µ : Service rate

N : Maximum number of connections

α : reserved capacity for vertical handoff call by ξ

⎣ ⎦N)1( ξα −=


호 수락 제어 (Cont.)◈ , the steady state probability that the number of calls Is

k in the MAP

where,

kP

⎪⎪

⎩

⎪⎪

⎨

⎧

+≤≤⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +

−≤≤⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ +

= −α

µλ

µλλµλλ

NkNPk

NkPkP Nk

VN

VH

kVH

k

,!

1

10,!

1

0

0

11

00 !

1)()(!

1−

+

=

−−

= ⎥⎥⎦

⎤

⎢⎢⎣

⎡⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ ++⎟⎟

⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛ += ∑∑ kkP

N

Nkk

NkV

NVH

N

k

kVH

α

µλλλ

µλλ


호 수락 제어 (Cont.)▣시뮬레이션 결과◈ = 0.5, = 0.1 ~ 100, = 0.2

0 5 10 15 20 250

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0.08

0.09

0.1

Call arrival rate [calls/sec]

Cal

l blo

ckin

g pr

obab

ility

Hard QoSSoft QoS (ξ = 0.8)Soft QoS (ξ = 0.6)Soft QoS (ξ = 0.4)

Hλ Vλ µ


호 수락 제어 (Cont.)▣Transient Outage Probability Based on Fluid flow

Model◈트래픽 모델 : On-Off 소스

◈State transition rate diagram

))(( VHN λλα ++ ))(1( VHN λλα +−+ ))(1( VH λλα ++ Vαλ Vλα )1( − Vλ

µ)2( +Nµ)1( +NµN µα )( +Nµ µ2


호 수락 제어 (Cont.)▣시간에 따른 Outage 확률◈ =0.4, =0.1, =0.833

0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 510-25

10-20

10-15

10-10

10-5

100

Prediction Time, t [sec]

Out

age

Pro

babi

lity

Soft QoS (Y(0)=0)Soft QoS (Y(0)=2)Soft QoS (Y(0)=4)Hard QoS (Y(0)=0)Hard QoS (Y(0)=2)Hard QoS (Y(0)=4)

Hλ Vλ µ


호 수락 제어 (Cont.)▣호 도착율에 따른 최대 Connection 수◈ =0.4, =0.833, and

0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.310

20

30

40

50

60

70

80

Arrival rate of vertical handover call [calls/sec]

Max

imum

num

ber o

f co

nnec

tions

t=1, Soft QoSt=1, Hard QoSt=5, Soft QoSt=5, Hard QoS

Hλ µ 310−=outQoS


HPi/CDMA 연동을 위한 단말기 구조

▣통합 단말기 요구사항 및 특징

◈Dual mode 단말기

◈상황정보를 이용한 지능적이고 효율적인 핸드오버

◈각각의 안테나 및 RF 장치 구현 SDR 기반

◈ Independent MAC Combined MAC

◈망 접속 및 선택 관리 등을 위해 소프트웨어적으로 기능 지원

– 수동, 자동, 망 우선 모드 등

◈빠른 핸드오프를 위한 채널 예측 모듈 구현

– L2 Trigger 사용– 각 Layer (PHY, MAC 등)로 부터 정보 수집

◈Context-aware user interface 및 모듈 개발 필요


HPi/CDMA 연동을 위한 단말기 구조 (Cont.)

▣Network Selection 문제◈Soft QoS 기반의 Network Selection

◈단말의 이동방향, 속도 인식 고려

◈어플리케이션의 QoS 요구사항 인식

◈파워 소모량

◈User preference

◈Charge

◈Service contents

◈Fault tolerance

◈여러 factor 중에서 단말에서 user의 입장에서 가장 중요한factor에 가중치를 두어 지능적으로 network 선택


HPi/CDMA 연동을 위한 단말기 구조 (Cont.)▣CDMA/HPi 듀얼단말 프로토콜 스택


결론

▣미래의 통합망에서 연동 구조

◈Seamless vertical handover scheme 연구

◈Context-aware vertical handover 모듈 연구

◈향상된 tight coupling 구조 연구

▣Mobile IP를 적용한 통합망 및 단말 플랫폼 개발 중

◈Dual mode 탑재

◈Fast and power-efficient radio system discovery mechanism

◈Preference parameters for network selection

◈각 시스템의 연동 알고리즘의 차이에 따른 재 인증 문제

◈Linux 기반의 연동 testbed 구축 중

◈통합 Gateway 개발 (WLAN+ZigBee)

◈단말 플렛폼 개발 (CDMA+HPi)


결론(Cont.)▣ 경제적인 효과▣ 사용자 편리(Seamless Service)▣ 이종망간의 연동이 필요◈ Ubiquitous Convergence로 가기 위한 초석◈ Cellular (e.g. HSDPA), WLAN, WMAN, WPAN, and Satellite ◈상호 보완적인 성격의 연동 구조

▣ QoS 보장형 연동 구조◈ Mobile IP 기반의 seamless mobility◈ Multi-Radio Access Tech.간의 공통 자원관리◈ Context-aware vertical handover◈ Soft-QoS based network selection algorithm ◈통합 망을 위한 tight coupling 제안◈통합망 환경에서의 통합 인증기술 개발

▣ 연동관련 국제 표준화 기고◈ Seamless handover◈ Intelligent network selection◈ 3GPP/3GPP2/IETF/802.16/802.11s/802.21에 연동 기술 기고 및 표

준화 참여


References▣ 3GPP TS 23.234 V6.3.0, 3rd Generation Partnership Project;

Technical Specification Group Services and System Aspects; 3GPP system to Wireless Local Area Network (WLAN) interworking; System description (Rel. 6)

▣ 21-05-0203-00-0000-InterDigital.doc, “MEDIA INDEPENDENT HANDOVER Functions and Services Specification, ” IEEE 802.21 WG session #6 , Jan. 2005

▣ Salkintzis, A.K., “Interworking techniques and architectures for WLAN/3G integration toward 4G mobile data networks,” IEEE Wireless Communications, June 2004

▣ Rajeev K., “Fast Handovers for Mobile IPv6,” draft-ietf-mipshop-fast-mipv6-02.txt, July 2004

▣ H. Soliman et al., “Hierarchical Mobile IPv6 mobility management (HMIPv6),” draft-ietf-mipshop-hmipv6-02.txt, June 2004

▣ N.A. Fikouras et al., “Policy Based Mobile IPv6 Handover Decision,” draft-iponair-dna-polimand-01.txt, Aug. 2004

▣ 21-04-0087-07-0000, “IEEE P802.21 Media Independent Handover Service Draft Technical Requirements,” Aug. 2004

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