Today, as mobile communication and computing technologies are significantly improving, many people enjoy the convenience of mobile application services through portable devices, such as smart-phones and tablet computers. Based on these advances, we are approaching the era of the Internet-of-Things (IoT) in which light-weight computing substrates are installed in real world objects so that they become parts of the Internet world. In an effort to realize the vision of the IoT, this dissertation proposes to exploit user location and mobility-related features to improve the performance of wireless mobile computing systems. Specifically, it explores the following two issues.
As the first result of this dissertational research, we present a new distributed hash table (DHT) for wireless mobile environments, especially for when a higher level of mobility and membership dynamics occur together. In this DHT paradigm, a publish/look-up process consists of a sequence of spatial motion tracking of the rendezvous node that is responsible for directory information. Thus, we name the protocol Motion-MiX-DHT (MX-DHT). As opposed to conventional topology-based DHT schemes that suffer from frequent disconnections of the logical topology caused by user mobility, MX-DHT provides robust publish/look-up paths exploiting one-hop encounter records as the milestones for motion tracking. This is inspired by two mobility-related features: the mobility capacity effect and motion-mix property. By leveraging the mobility capacity effect, which implies mobility-assisted data dissemination, motion tracking is successfully done with a low-cost search-and-forward process. Join/leave operation also consists of a low-cost one-hop signaling process depending on the motion-mix property. Consequently, in high-speed mobility and dynamic membership environments, MX-DHT achieves a significant reduction in the communication costs of publish/look-up and join/leave operations as compared to conventional mobile DHT schemes. An extensive set of experiments showed that MX-DHT is a cost-effective solution to providing various distributed services (e.g., domain name service, P2P file sharing, distributed file system, cloud storage, and so on) in a wide range of wireless mobile networks with dynamic mobility and membership changes (e.g., vehicular or human-carried device networks).
The second focus of this dissertation is developing an analytical method to estimate the mean cell-sojourn time in 2-tier heterogeneous (e.g., macro/pico, macro/femto or macro/Wi-Fi) networks, which have been widely used to increase the capacity density of mobile systems. In heterogeneous networks, accurate estimation of the mean cell- sojourn time is critical for evaluating the performance of the network and its applications. It is especially important to analyze the cell- sojourn times of mobile users, as they reside in different network tiers: either macro-cell-only or small-cell-covered areas. However, because small cells are deployed in an irregular manner, it is difficult to derive the analytical mean cell sojourn time in a macro-cell-only area. We propose a novel approach to resolve this difficulty. Based on the location distribution features of general random walk mobility, we developed a simple but effective trick that approximates a heterogeneous network to a discrete grid so that it becomes tractable, making it possible to derive the analytical mean sojourn time in the macro-cell-only area. Simulation results confirm that the proposed method has excellent accuracy for general random walk mobility models, including random waypoint, Brownian motion, and Levy walk.
In this dissertational research, user location and mobility-related properties such as mobility capacity effect, motion-mix property, and uniform location distribution feature, play important roles to achieve the above contributions. Considering that these features are satisfied well in various user mobility models including random waypoint, Brownian motion, Manhattan, urban vehicular, and Levy walk, our proposed works can be applicable to a wide range of mobile computing services. MX-DHT can be used as a data discovery/sharing protocol for autonomous local ad hoc communication. And, our cell sojourn time estimation method may contribute to optimize infrastructured wireless Internet access. By interworking these technologies, flexible pervasive Internet connectivity can be established so that we can realize various IoT services.
무선 통신 및 이동컴퓨팅 기술이 눈부시게 발전함에 따라, 오늘날의 많은 사람들은 스마트폰 및 태블릿 컴퓨터 등의 휴대용 기기를 통해 다양한 종류의 모바일 응용 서비스를 편리하게 이용할 수 있게 되었다. 이를 바탕으로 향후에는 각종 사물에 컴퓨팅 기기를 내장시켜서 실세계와 인터넷 세계를 잇는 사물인터넷 (IoT: Internet-of-Things) 기술이 실현될 것으로 기대되고 있다. IoT 실현을 위한 연구의 일환으로, 본 박사 학위 논문에서는 휴대용 기기 사용자들이 지니는 위치 및 이동 특성을 활용하여 이동컴퓨팅 시스템의 성능을 개선하기 위한 두 가지 연구 결과를 기술하였다.
첫 번째 연구에서는 무선 이동컴퓨팅 환경을 위한 분산 해쉬 테이블 (DHT: distributed hash table) 기법을 제안하였다. 제안하는 DHT 기법은 시스템의 멤버쉽 변동성과 사용자 이동성이 활발한 환경을 위해 제안된 것으로 공간 상에서 움직이는 디렉토리 정보의 이동궤적 추적(spatial motion tracking)에 기반한 정보의 등록/색인 (publish/look-up) 서비스를 제공한다. Motion-MiX-DHT(MX-DHT)라는 이름은 이러한 특징을 반영한 것이다. 현재 널리 사용되는 논리 토폴로지 기반 DHT 기법들은 사용자 이동성이 활발한 환경에서 잦은 토폴로지 단절이 발생하며, 이로 인해 성능이 급격하게 저하되는 문제점을 안고 있다. 반면 MX-DHT는 이동궤적 추적에 기반한 안정적인 publish/look-up 서비스를 제공한다. 이동궤적 추적은 단일 홉 목격정보(one-hop encounter record)를 일종의 표지판으로 사용하여 이루어진다. MX-DHT의 효율성 및 안정성은 고속 이동성 환경에서 사용자들이 보이는 이동성 용량 효과(mobility capacity effect)와 이동궤적 결합 속성 (motion-mix property)을 기반으로 한다. 이동성 용량 효과란 노드의 이동성이 정보의 전달력을 함축한다는 것으로, MX-DHT는 해당 특성을 적극적으로 활용하여 저비용의 표지판 검색 및 패킷 전달 과정(search-and-forward process)의 형태로 등록/색인 서비스를 구현한다. 또한 DHT의 중요한 기능 중 하나인 시스템 진입/퇴거 (join/leave) 프로토콜 역시 이동궤적 결합 속성에서 착안한 저비용의 단일 홉 메시지 교환으로 구현된다. 결국 MX-DHT는 고속 이동성과 사용자 변동성이 혼재된 상황에서, 기존의 DHT 기법에 비해 적은 통신 비용(communication cost)로 안정적인 디렉토리 서비스(= 등록/색인)와 멤버쉽 관리(= 진입/퇴거) 기능을 제공할 수 있다. MX-DHT는 이동성과 사용자 변동성이 활발한 무선 환경(예: 차량 및 휴대용 기기 무선망)에서 다양한 분산형 서비스(도메인 네임 서비스, P2P 파일 공유, 분산 파일 시스템, 클라우드 서비스 등)를 구현할 때 응용될 수 있을 것으로 사료된다.
두 번째 연구에서는 2계층으로 이루어진 이기종 (macro/pico, macro/femto 또는 macro/Wi-Fi 등) 셀룰라 접속망(access network)에서 해석적 평균 셀 체류시간을 근사적으로 추정하는 방법을 고안하였다. 평균 셀 체류시간(= 핸드오버율의 역수)의 추정은 셀룰라 접속망 및 각종 연동 서비스의 설계 및 사전 분석에 매우 중요한 역할을 한다. 현재는 원, 사각형을 포함한 다양한 모양의 단일 셀에 대해 평균 체류시간을 예상할 수 있는 일반적인 프로시져가 이미 제안되어 있다. 반면 2계층 이기종 셀룰라 접속망의 경우 서비스 영역이 ScA(Small-cell-covered Area)와 MoA(Macro-cell-only Area)라는 두 가지 종류로 나누어지며, 이들 각각에 대한 평균 체류시간을 따로 계산해야 한다. 이 경우 소형셀의 임의배치(random deployment)로 인해 MoA가 불규칙한 모양을 지니기 때문에 평균 체류시간의 추정이 매우 어려워진다. 따라서 본 연구에서는 일반화된 임의 이동성이 지닌 위치 분포 특성 (location distribution features of general random walk mobility)에 착안하여, 2계층 이기종 셀룰라 망을 이산적 격자 (discrete grid) 구조로 근사화시켜 표현하는 것을 제안하였다. 이 경우 사용자의 이동성이 격자 사이의 이산적 스텝(discrete step)으로 근사화되는데, 이를 바탕으로 MoA의 근사화된 평균 체류시간 역시 매우 쉽게 계산할 수 있다. 컴퓨터 시뮬레이션을 이용한 모의 실험 결과에 따르면, 제안하는 근사화 추정 기법이 random waypoint, Brownian motion 및 Levy walk을 포괄하는 다양한 형태의 사용자 이동성 시나리오에서 우수한 정확도를 보임을 알 수 있었다.
본 학위 논문을 구성하는 두 가지 연구에서 초점을 맞춘 것은 사용자의 이동 특성이다. 본 저자들은 random waypoint, Manhattan, Brownian motion, Levy walk 및 urban vehicular 이동성 모형을 포괄하는 다양한 시나리오에서 사용자들이 보이는 여러 특성(이동성 용량 효과, 이동궤적 결합 속성 및 위치 분포 특성)이 각종 무선망 시스템의 구현 및 해석에 유용한 이론적 토대로 사용될 수 있음을 주목하였다. 이들을 기반으로 고안된 것이 바로 MX-DHT와 2계층 이기종 셀룰라 네트워크의 체류시간 해석법이다. MX-DHT로 구축된 모바일 디렉토리 서비스와 제안하는 체류시간 해석법을 통해 최적화된 이기종 네트워크 서비스를 적절히 조합한다면 각종 사용자 기기 자율망, 가전망 및 차량망을 구성하는 IoT 객체 간의 연결성을 개선할 수 있다. 따라서 제안하는 학위 논문 연구는 향후 IoT 융합 및 협력 기술의 발전에 일조할 수 있을 것이라 사료된다.
