The growing customer demand for bandwidth-intensive services is accelerating the need to design an efficient 'last mile' access network in a cost-effective manner. Traditional 'Quadruple-play' applications which refer to a bundle of services with voice, video, Internet, and wireless and premium rich-media applications such as multimedia, interactive gaming, and metaverse need to be delivered over the access network to the end users in a satisfactory and economical way. Thus, besides its enormous transport bandwidth requirement, today's access infrastructure should bring operational efficiencies, such as mobility and untethered convenience to end users. Therefore, this dissertation proposes and investigates a novel convergence network paradigm, optical and wireless broadband access network, a combination technology of high-capacity optical access and untethered wireless access networks.
This dissertation begins with the motivation and a compilation of research contributions. Then, it introduces both traditional optical broadband access networks and a novel Passive Optical Network (PON) design model, and provides a comprehensive outline of mobility protocols in research aspects, coupled with various design models, and the pros and cons of efficiency to manage the network. A convergence of PON and wireless could be an attractive solution for broadband network access, and enables the two technologies to complement each other. It also speaks for why the combination of optical and wireless technologies could provide an improved solutions for future network design.
Since both optical and wireless networks - two very diverse technologies - exist in a converged manner, a trade-off is needed while designing the network. This means that neither the optical nor the wireless part should be over- or under-provisioned to develop an efficient solution. Therefore, this dissertation presents two design aspects of optical and mobile converged network in detail.
Regarding fast handoff, this dissertation focuses on how to guarantee fast handoff and quality of service in optical and mobile convergence networks. Once the network is deployed, the PON system needs to adopt mobility protocols, such as Mobile IPv6(MIPv6), Hierarchical Mobile IPv6 (HMIPv6), and Fast Handoff Mobile IPv6 (FMIPv6) which are able to manage handoff efficiently, in order to support mobility. Accordingly, we suggest a new mobility management scheme that fits with the optical and mobile convergence network.
The other is settlement of problem with upper layer protocol of Proxy Mobile IPv6 (PMIPv6) through lower layer PON technology. This dissertation explores the constraint route optimization of PMIPv6 model coupled with convergence network in order to achieve an optimal design. PMIPv6 protocol provides network based IP mobility management to a mobile node without requiring the mobile node to participate in IP mobility related signaling. However, PMIPv6 is not able to exploit the existing route optimization protocol defined for MIPv6. Consequently, we propose an efficient way by exploiting a novel optical and mobile convergence.
In conclusion, this dissertation introduces a novel network architecture for future access networks and investigates design concepts, network protocols, and business drivers behind the need for this converged network model.
무선 네트워크는 기존의 IP 기반의 UMTS/WLAN/WiBro 등과 같은 3G 망에서 4G의 차세대 무선 네트워크로 지속적으로 발전되고 있다. 이러한 IP기반의 차세대 무선 액세스 네트워크들의 주요 핵심 사항들 중 하나는 급속도로 증가하는 가입자들을 수용하고 가입자들이 요구하는 광 대역의 멀티미디어 서비스들을 제공할 수 있는 무선 액세스 네트워크 기술을 개발하는 것이다. 또한, 최근에 Video on Demand(VoD), Voice over IP(VoIP) 등과 같은 멀티미디어 실시간 서비스에 대한 증가 추세들을 고려할 때, 차세대 무선 액세스 네트워크에서는 언제 어디서나 끊김 없이 품질이 보장된 실시간 서비스를 제공할 수 있는 IP기반의 이동성 지원 방안의 개발이 요구된다. 특히, 차세대 무선 액세스 네트워크에서 광 대역의 서비스를 제공하기 위하여 높은 주파수의 대역을 사용함에 따라 발생하는 이동 노드의 빈번한 핸드오프를 효율적으로 관리할 수 있는 이동성 지원 기술 개발이 필수적이다. 이에 따라, 무선 액세스 망에 증가하는 가입자들과 광 대역의 서비스들을 수용하기 위하여 기존 유선 네트워크의 광대역 액세스 네트워크 기술인 Passive Optical Network(PON) 기술을 무선 액세스 네트워크에 도입하는 방안이 대두되고 있다. 무선 기술의 이동성과 광대역 서비스가 가능한 PON 기술을 결합 시키기 위해서는 무엇보다도 가입자에게 이동성을 제공하기 위한 IP 기반의 Mobile IPv6 (MIPv6), Hierarchical Mobile IPv6 (HMIPv6), Fast Handoffs for MIPv6 (FMIPv6), Proxy Mobile IPv6 (PMIPv6)등과 같은 프로토콜을 먼저 고려하여야 할 것이다.
PON 기술은 가입자에게 광 대역 서비스를 제공 할 수 있는 유선 액세스 네트워크 기술로서, 다중 접속 방식에 따라 시분할 다중화(TDM: Time Division Multiplexing), 파장분할 다중화(WDM: Wavelength Division Multiplexing) 그리고 부반송 파 다중화(SCM: Subcarrier Multiplexing) 방식으로 구분된다. 특히, LAN-PON은 광전송단말기(OLT: Optical Line Terminal)를 거치지 않고 하나의 광종단장치(ONU: Optical Network Unit)와 이웃한 광종단장치들 간에 데이타를 전송할 수 잇는 구조를 제공함으로 네트워크 대역폭을 좀 더 효율적으로 사용할 수 있다.
무선 네트워크에서 가입자들에게 이동성을 제공 해주기 위해서 Internet Engineering Task Force(IETF)에서 제안된 MIPv6는 대표적인 IP 기반 이동성 지원 프로토콜이다. 그러나 MIPv6는 넓은 지역에 느린 이동성 지원을 위해 설계되었기 때문에 빠른 속도로 빈번히 이동하는 이동 노드 (MN: Mobile Node)에 대하여 실시간 서비스를 제공하는 데 어려움이 있다. 이에 따라, 이동이 빈번한 MN를 고려하여 보다 빠르고 효율적인 이동성 관리 프로토콜인 HMIPv6, FMIPv6, PMIPv6 등과 같은 프로토콜들이 IETF를 중심으로 제안되고 활발히 연구되고 있다. 계층적인 이동성 지원 방안을 제공하는 HMIPv6는 Mobile Anchor Point(MAP) 영역 안의 지역적 등록과정을 통하여 핸드오프 지연시간과 시그널링 부하를 줄임으로써 MIPv6의 성능 향상을 가져왔다. 또한, FMIPv6는 링크 계층의 트리거(L2 Trigger)를 사용하여 MN의 이동성을 미리 감지함으로써 예측적으로 Layer 3(L3) 핸드오프를 시작하기 때문에 IP 계층에서의 핸드오프 지연시간을 줄일 수 있다. PMIPv6 기술은 이동 단말이 어떠한 IP 이동성 프로토콜 시그널링에도 관여하지 않는다. 즉, 이동 단말이 이동성 관리의 주요 역할을 수행하던 기존 MIPv6와는 달리 PMIPv6에서는 네트워크 측면에서, 통신 사업자가 IP 이동성 관리를 처리한다는 것이다. 결군 기존 MIPv6의 경우 복잡한 표준 사양이 탑재된 단말만이 이동하면서 인터넷 서비스를 받을 수 있었지만, PMIPv6에서는 IPv6 기능을 가졌다면 어떤 단말이라도 이동하면서 인터넷 서비스를 받을 수 있다.
하지만, 이런 차세대 PON-무선 네트워크에서 품질이 보장된 광 대역의 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해서는 해결해야 할 몇 가지 문제점들이 있다. 이런 문제들 중, 본 논문에서는 핸드오프 문제와 PMIPv6에서 경로 최적화 문제를 다루고 있으며, 이를 PON 기반의 무선 액세스 네트워크 및 효율적인 이동성 지원 프로토콜을 제안한다. 제안된 차세대 무선 액세스 네트워크는 LAN-PON 기술을 활용하여 광 대역의 무선 액세스 네트워크를 구성하며, 새롭게 제안된 LAN-PON 구조를 활용하여 서브 액세스 네트워크간의 빠르고 효율적인 로컬 데이터 및 핸드오프 데이터를 전송한다. 제안된 IP 기반의 이동성 지원 프로토콜은 초기 데이터 전송 시 이동 노드에게 최적화된 경로를 제공함으로써 PMIPv6에서 데이터 전송의 효율성을 증가시킨다. 또한, 제안된 방식은 HMIPv6와 FMIPv6의 장점들을 효과적으로 결합하여 빠르고 효율적인 핸드오프를 지원함으로써 MN에게 품질이 보장된 신뢰성 있는 서비스를 제공한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. Ⅱ장에서는 개론으로 PON 및 MIPv6와 같은 모바일 프로토콜, 제안된 LAN-PON 구조 및 LAN-PON로컬 데이터 전송 과정에 대하여 살펴본다. 더불어, Ⅲ장과 IV장에서 제안된 IP 기반의 이동성 지원 방안 및 빠른 핸드오프 절차, 경로 최적화에 대하여 기술하며 제안된 방식과 기존의 방식의 성능 비교분석에 대해 시뮬레이션을 통하여 알아보고 제안된 방식의 우수성을 보인다. 마지막으로 Ⅴ장에서는 결론을 내린다.