이동통신 네트워크 환경에서 이동성을 고려한 공평하고 효율적인 자원 관리 방법

Abstract

본 논문에서는 이동통신 환경에서의 에너지 효율적인 핸드오버 기법과 공평한 주파수 자원 할당 기법을 제안한다. 이동통신 시스템에서는 단말과 기지국 모두 자원 관리가 요구되는데, 단말은 주로 휴대폰과 같은 배터리에 의존하는 장치이기 때문에 저전력을 위한 자원 관리가 필요하며, 기지국은 자신의 범위 내에 있는 단말에게 공평한 서비스를 제공해야하기 때문에 주파수 자원에 대한 관리가 필요하다.

단말이 전력을 소모하는 상황은 다양하지만 그 중 이종 네트워크 환경에서 핸드오버 시 탐색에 소모하는 전력은 대부분의 경우 불필요한 소모이다. 왜냐하면 최종적으로 선택될 대상 네트워크는 하나인데 탐색은 모든 네트워크에 대해 수행하기 때문이다. 따라서 본 논문에서는 이종 네트워크 환경에서의 핸드오버 시 수행하는 탐색의 전력 소모를 최소화하기 위해 IEEE 802.21 Media Independent Handover의 정보 서비스 기반의 에너지 효율적인 탐색 기법을 제안한다. 제안하는 기법에서는 MIH 정보 요소 (Information Element)에 유효 시간을 부여하고 퍼지이론을 통해 유효성을 판단하여 유효 정도에 따라 탐색을 수행하지 않거나 부분적으로 수행하거나 혹은 전체 탐색을 수행한다.

기지국의 경우 일반적으로 기반 시설이 있는 고정된 기지국 환경에서는 어떤 단말이 특정 기지국으로부터 불평등한 자원을 받는 위치에 있다 하더라도 기지국의 배치에 따라 다른 기지국으로부터 더 많은 자원을 받을 수 있다. 따라서 자원 할당 기법보다 기지국의 배치가 더 중요한 요소이다. 그러나 UAV 기지국과 같이 제한된 소수의 기지국이 이동하면서 서비스를 제공하는 경우 통신 범위의 경계에 있는 단말은 더 적은 주파수 자원을 할당 받게 된다. 따라서 본 논문에서는 주파수 자원의 불공평한 할당 문제를 해결하기 위해 고정된 경로에서 공평하게 자원을 할당하는 방법과 경로 계획을 통해 가변적으로 경로를 변경하는 계획법을 제안한다.

제안하는 할당 기법은 단말의 남은 서비스 가능 시간을 고려하여 우선순위를 결정하고 이에 따라 차등적으로 자원을 할당하는 기법이다. 단말의 서비스 가능 시간을 고려하기 때문에 짧은 시간 내에 더 많은 자원을 할당하여 서비스가 단절되는 상황에 대한 사전 보상이 가능하다.

다음으로 제안하는 경로 계획법은 강화학습을 기반으로 하여 초기에 설정된 기본 경로를 벗어나지 않는 범위 내에서 경로를 변경한다. 경로 변경의 기준은 처리량과 만나는 단말의 수이며 이를 통해 처리량을 올리면서 공평성을 보장하는 경로를 설정한다. 또한 강화학습의 특성 상 충분한 사전 학습이 선행되는 경우 단말의 배치에 대한 사전 정보가 없어도 공평한 자원 할당이 가능한 장점이 있다.

또한 본 논문에서는 제안하는 기법들을 각각의 시뮬레이션을 통해 성능을 평가하였다. 제안하는 탐색 기법은 전체 탐색 기법 및 기존 MIH 기법보다 더 낮은 전력을 소모하는 것을 확인하였고, 자원 할당 기법은 기존 할당 기법보다 공평하게 자원을 할당하는 것을 확인하였다. 또한 제안하는 경로 계획법을 통해 기본 경로에서 이탈하지 않으면서 공평성과 처리량이 모두 개선된 것을 확인하였다.