The number of smartphone users has increased tremendously. The mobile data traffic is also explosively increasing as the number of smart phone users increases. According to the Cisco report, the number of smartphone users and the total mobile data traffic demand is expected to be 6 billions and 190 exabytes per month in the year 2018, which is 2 times larger and 10.55 times larger than the year 2013’s numbers, respectively.
Due to the increase of users and mobile data, wireless cellular network face to a dual threat. First, there are some users who are not always cooperative (i.e., some users can report “wrong” feedbacks in various ways, (i) the users can inflate CQI (Channel Quality Indicator) via fabricating communication chipset with the goal of receiving more service than the fair share (selfish objective) or blocking other users’ service (malicious objective) (ii) a cellphone maker may intentionally include the channel feedback inflation module in order to win a larger market share). Second, the increase of mobile data can be a heavy burden of cellular networks because of congestion among users and overloaded traffic at base stations (BSs). To solve the mobile data explosion problem, some researchers study on offloading the cellular traffic to other networks (i.e., Wi-Fi offloading).
We study the following two-folds solution to handle the dual threat of wireless cellular network. First, we first revisit the channel feedback fabrication problem. In 3G/4G systems, as a scheduler, PFS (Proportional Fair Scheduler) and its variants have been widely deployed, where BSs use CQI from users as a channel feedback. Series of recent papers have shown that PFS may not perform as expected, when these client-side feedbacks such as CQI or NACK are fabricated. However, the prior works on channel feedback fabrication do not consider all relevant components in practice. Thus, we revisit the problem by jointly considering all known components such as adaptive modulation and coding (AMC), hybrid automatic repeat request (HARQ), outer loop link adaptation (OLLA) and PFS as a whole. To consider many practical fabrication scenarios, we study both cases when only a single feedback and a smart combinations of multi-feedbacks are exploited for selfish and/or malicious purposes. From these studies, we draw in-depth findings with practical implications, most of which are in sharp contrast to those in prior work on the security of PFS.
Second, we study the economic effects of such user-oriented delayed Wi-Fi offloading. Delayed Wi-Fi offloading that has been recently proposed as a low-cost solution of alleviating mobile data explosion, where it is a technology that offloads traffic from cellular toWi-Fi by persuading users into delaying their delay-tolerant traffic and thus enlarging users’ chance to meetWi-Fi. However, it is still questionable whether delayedWi-Fi offloading would be actively adopted in practice or not (e.g., users’ unhappiness due to deferring of the data transmission, and providers’ unhappiness due to reduction of cellular usage). Thus, we study the economic effects of the offloading service in two market models using game theory: (i) monopoly and (ii) duopoly with one multi-service provider. First, in the monopoly market with a single provider, we model a two-stage game, where the provider selects an Wi-Fi usage price for which users are the price-takers. Second, in the duopoly market, we consider a situation that both providers, say A and B, offer cellular service and only A launches the offloading service as a separate service from the original cellular service, thus allowing the users in B, to subscribe to the offloading service from A, but with some incurring dual subscription cost. In those two markets, we analyze the behavior at equilibrium and conduct extensive numerical computations. Our results give us useful insights into how economically viable the offloading service is.
지금의 무선 셀룰러망에서는 사용자 수의 급격한 증가, 모바일 트래픽의 증가 로 인해서 다음과 같은 문제점들이 있다. 첫째, 많은 수의 사람들이 스마트폰, 스마트패드를 이용하여 무선 셀룰라망을 이용하고 있으며 셀룰러망에서도 과거 인터넷에서와 같이 해커들과 같은 악의적인 사용자가 증가하고 있다. 또한 스마트폰 시장의 급격한 성장으로 스마트폰에 들어가는 통신칩 제조사들은 현재 시장 점유율을 높이기 위해서 고군분투하고 있으며, 자신들이 좀 더 많은 시장 점유율을 차지하기 위해서 악의적으로 칩내에 다른 단말의 통신을 방해하거나 혹은 자신들의 칩의 성능을 높이는 모듈을 탑재할 가능성이 있다.
둘째, 현재 무선 셀룰러망에서는 스마트폰 및 스마트패드의 보급과 콘텐츠의 디지털화 등으로 인해서 사용자와 모바일 데이터 트래픽이 급격하게 증가하고 있으며, 이러한 추세는 앞으로도 계속될 것으로 예상된다. 이러한 폭증하고 있는 데이터를 수용하기 위해서 무선 셀룰러망에서 이종망으로 전송하는 오프로딩 기술이 각 광을 받고 있으며, 이 중에서도 트래픽의 지연가능성(예를 들어 비실시간 전송이 가능한 파일들)과 단말의 이동성을 이용하여 오프로딩 되는 양을 증가시킬 수 있는 Delayed Wi-Fi 오프로딩 기술이 널리 각광을 받고 있다. 하지만 실제 통신사측에서는 이러한 오프로딩 기술이 셀룰러망을 이용한 수익을 낮출 수 있다는 우려감 때문에 선뜻 도입을 하지 못하고 있는 실정이다.
본 학위 논문에서는 셀룰러망의 두 가지 약점을 보안할 수 있는 방안으로 보안적인 측면과 경제적인 측면을 살펴본다. 첫째, 보안적인 측면으로, 셀룰러망의 소중한 채널 자원을 효율적으로 사용하기 위해 고안된 기회적 스케줄러의 취약성을 분석한다. 현재 3G/4G망에서 널리 사용되고 있는 기회적 스케줄러인 PFS 스케줄러 혹은 그 변종들은 단말의 채널 피드백 정보를 이용하여 효율적인 동작을 수행한다. 가장 대표적인 단말의 피드백 정보로 단말에 효과적인 data rate을 제공하기 위해 (적합한 modulation과 coding 걸어주기 위해) 단말로부터 채널 정보인 Channel Quality Indicator (CQI) 정보와 단말에게 reliable한 통신을 하기 위한 ACK, NACK 등이 있다. 이러한 피드백 정보들은 단말만이 알 수 있는 정보이기 때문에 쉽게 조작이 가능하다. 과거 단말의 거짓 채널 정보에 대한 PFS의 취약성에 대한 연구들은 실제 무선 셀룰러망에서 동작하고 있는 중요 구성 요소들을 무시한 채에 분석되었기 때문에, 본 학위 논문에서는 이를 재조사한다. 본 연구에서는 무선 셀룰러망의 중요 구성요소인 adaptive modulation and
coding (AMC), hybrid automatic repeat request (HARQ), outer loop link adaptation (OLLA), 그리고 PFS를 함께 고려하면서 단말이 CQI, ACK, NACK 을 거짓 보고하였을 때 어떠한 현상이 발생하는지를 조사한다. 특히, 무선
셀룰러 망에서 널리 사용되고 있는 OLLA는 단말이 거짓보고하는 CQI를 보정해줄 수 있는 능력을 가지고 있음에도 불구하고 과거 많은 연구들에서는 이를 무시한 제한된 시스템 조건을 가지고서만 취약성 분석을 하였다. 또한 다수 개의 피드백을 동시에 거짓 보고하는 경우에 대해서도 분석을 하여 새로운 취약성을 발견하고, 무선 셀룰러망의 채널 거짓보고 현상에 대한 취약성을 없앨 수 있는 대처기법을 제안한다.
둘째, 경제적 측면으로, delayed Wi-Fi 오프로딩 기술이 실제로 통신사에서 서비스 형태로 제공되어 사용될 수 있는지 대한 경제성을 게임이론을 이용하여 분석한다. 특히 과거의 많은 관련 연구들은 사용자가 지연전송을 하였을 때의 불편감 감소를 모델링하지 않아 비현실적인 모델링을 하였기에 본 연구에서는 이를 반영하여 좀 더 현실적인 환경에서의 결과를 살펴본다. 경제성 분석을 통하여 delayed Wi-Fi 오프로딩 서비스가 사용자와 통신에게 모두 이익이 되는 서비스 임을 입증하였다. 특히, 약 28\%의 사용자들이 오프 로딩 서비스에 참여할 것이라는 결과를 도출하였으며, 오프로딩 서비스를 사용하는 사람들에게는 14\% 전송료 절약 효과가 있음을 볼 수 있엇다. 또한 오프로딩 서비스를 도입하는 통신사는 20\%의 수익 증가가 있으며, 사용자의 행복도 역 시 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 또한 monopoly 시장 뿐 아니라 두 개의 통신사가 경쟁하는 상황에서 하나의 통신사가 먼저 오프로딩 서비스를 도입하였을 때, 그 경제적인 효과가 어떻게 되는지 또한 분석하였다. 오프로딩 서비스를 먼저 도 입하는 통신사는 나중에 도입하는 통신사에 비해서 더 많은 수익을 창출할 수 있음을 도출하여 오프로딩 서비스가 통신사에게 이익이 됨을 증명하였다.
