WiBro 망에서의 그룹통신 시스템의 설계 및 구현 = Design and Implementation of Group Communication System over WiBro

국문 초록 (Abstract)

본 논문에서는 실제 선박을 건조하는 조선소의 요구사항을 수렴해서 WiBro(Wireless Broadband) 망에서 PTT(Push To Talk) 서비스를 제공하는 그룹통신 시스템(GoW : GCS over WiBro)을 설계하고 구현하였다. GoW는 현재 그룹통신에서 사용되고 있는 무전기나 TRS(Trunked Radio System)와 같은 주파수 기반 그룹통신 시스템의 한계를 극복하고, 차세대 ALL-IP 기반 네트워크 통합 환경을 대비하는 WiBro 기반 그룹통신 시스템이다. GoW는 무전기의 동일채널 이용으로 발생하는 혼신 및 간섭과 보안에 취약한 문제점과 TRS의 경우 다수 사용자가 공용의 주파수를 이용함으로써 접속이 지연되는 문제점을 극복하는 VoIP 음성 서비스 기술이다.
본 논문에서 설계하고 구현한 GoW는 WiBro 망에서 최초로 구현된 그룹통신 서비스로 SIP(Session Initiation Protocol)를 기반으로 서버와 단말간의 메시지 교환 프로토콜과 발언권 제어 프로토콜을 설계하였고, GoW의 시스템 구조는 확장성과 안정성을 고려해서 설계 되어 확장성 지원을 위한 다중서버 구성과 안정성 지원을 위한 이중화 구성이 가능하다.
특히 GoW는 초기접속 지연시간의 단축을 위하여 그룹통화를 위한 그룹 세션을 미리 생성해 두는 방식인 Pre-established Session 방식을 사용하였고, 그룹통신 중심의 경량 프레즌스 서비스를 고안하고 적용함으로써 서버의 성능 저하와 네트워크 트래픽을 최소화하면서 프레즌스 서비스를 제공할 수 있도록 하였다. 또한 GoW에서는 메인 메모리에 데이터를 저장하는 MMDBMS(Main Memory Database Management System)를 적용하여 경성 실시간 그룹통신이 요구되는 환경에서도 원활한 서비스를 제공할 수 있도록 하였다.
GoW는 개별통화와 그룹통화 외에 사용자 요구사항에 의해 비상호출(긴급발언권 요청, 그룹복귀 요청, 긴급통화 요청), 문자 메시지, 원격단말제어(lock/unlock, 단말 사용기간 설정), 검색서비스, 통화통계 등의 추가적인 기능을 지원한다.
본 논문에서 구현된 GoW가 WiBro 망에서 다수의 사용자와 다수의 그룹에게 PTT 서비스를 제공한다는 것을 검증하기 위해서 성능 측정과 분석을 통한 음성품질과 성능에 대한 평가가 수행되었다. 음성품질과 성능에 대한 평가 결과 GoW에서 제시한 성능 요구사항을 만족함을 확인할 수 있었다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study has designed and implemented a GoW (group communication system over WiBro) provides push-to-talk (PTT) services in a WiBro network environment by collecting the requirements from shipbuilding yards. The GoW is a WiBro-based group communication system for the next-generation All-IP integrated network environment. It helps overcome the limitations that are shown in frequency-based group communication systems such as trunked radio systems (TRS) or walkie-talkies. The GoW also represents VoIP service technology which helps overcome the problems of crosstalk, interference and security vulnerability which may be caused by using the same channel in a radio system and the problem of connection latency which may be triggered by the use of the same frequency band by a number of users in a TRS.
The GoW, the first group communication system to be implemented on the WiBro network, has server-UE (user equipment) signaling and floor control protocols designed based on the session initiation protocol (SIP). The structure of the GoW system designed with considerations for scalability and reliability enables a multi-server configuration for scalability and a duplex configuration for reliability.
Especially, the GoW used a Pre-established Session method which is to establish a group session prior to group communication to reduce the initial connection delay. As a group communication-oriented lightweight presence service is applied, the communication system can minimize the degradation of server performance and network traffic while providing the presence service. Also, with the application of a main-memory database management system (MMDBMS) which is designed to store data in the main memory, the GoW works effectively even in the environment where hard real-time group communication is required.
In addition to individual and group communications, the GoW supports additional features such as emergency calling, text messaging, remote UE control, search and call statistics.
In this study, an analytical evaluation of voice quality and server performance was conducted to verify that the GoW can provide the PTT service to multiple groups and users in the WiBro network environment. The evaluation results showed that the group communication system's performance requirements were satisfied.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서론 1
• 2. 연구 배경 5
• 2.1 PTT(Push To Talk) 5
• 2.1.1 PTT 개요 5
• 2.1.2 TRS(Trunked Radio System) 7
• 2.2 IMS(IP Multimedia Subsystem) 13
• 2.2.1 IMS 개요 13
• 2.2.2 IMS 아키텍터 15
• 2.3 OMA PoC(Push to talk Over Cellular) 17
• 2.3.1 PoC 개요 17
• 2.3.2 PoC 구조와 세션 설정 19
• 2.3.3 PoC 특성 23
• 2.4 SIP(Session Initiation Protocol) 32
• 2.4.1 SIP 개요 32
• 2.4.2 SIP 네트워크 구성 33
• 2.4.3 SIP 메시지 37
• 2.4.4 SIP 트랜잭션 40
• 2.4.5 SIP 다이얼로그 41
• 2.4.6 일반적인 SIP 시나리오 44
• 3. GoW의 설계 및 구현 49
• 3.1 GoW의 요구사항 49
• 3.1.1 사용자 기능적 요구사항(User Functional Requirements) 49
• 3.1.2 사용자 비기능적 요구사항(User Non-functional Requirements) 50
• 3.2 GoW의 시스템 구조 51
• 3.3 GoW의 서버와 단말간의 프로토콜 52
• 3.3.1 단말의 등록 53
• 3.3.2 그룹세션 설정 53
• 3.3.3 발언권 제어 54
• 3.3.4 그룹 변경 57
• 3.3.5 긴급발언권 요청 57
• 3.3.6 그룹복귀 요청 58
• 3.3.7 전체그룹복귀요청 59
• 3.3.8 긴급통화 요청 59
• 3.3.9 사용자 검색 60
• 3.3.10 그룹통신 수신 차단/해제 61
• 3.3.11 개별통신 61
• 3.3.12 원격 단말사용 제어 62
• 3.3.13 서버 문자메시지 전송 64
• 3.3.14 프레즌스 서비스 65
• 3.4 GoW 서버의 구현 66
• 3.4.1 SIP Stack 블록 68
• 3.4.2 Proxy 블록 71
• 3.4.3 Registrar 블록 76
• 3.4.4 PTT 블록 79
• 3.4.5 Presence 블록 80
• 3.4.6 Search 블록 83
• 3.4.7 Statistics 블록 84
• 3.5 GoW 데이터 저장소(MMDBMS) 86
• 3.5.1 Database 설계 86
• 3.6 GoW의 프레즌스 서비스 98
• 3.6.1 그룹통신 중심의 경량 프레즌스 서비스 98
• 3.6.2 프레즌스 서비스의 개요 98
• 3.6.3 SIMPLE 99
• 3.6.4 GoW의 그룹통신 중심의 프레즌스 상태 분류 101
• 3.6.5 단말과 프레즌스 서비스 간의 메시지 교환 103
• 3.6.6 단말 정보 및 그룹통신 그룹 정보의 구성 106
• 3.7 GoW의 다중서버 및 이중화 구성 109
• 3.7.1 시스템 용량 산정 109
• 3.7.2 구조의 확장성(Scalability) 113
• 3.7.3 GoW의 다양한 시스템 구성 114
• 4. GoW의 성능 평가 119
• 4.1 QoS의 개요 119
• 4.2 음성품질 측정 방법 120
• 4.3 음성품질에 영향을 주는 요소 121
• 4.4 GoW의 성능 측정 및 평가 124
• 4.4.1 성능 측정 환경 구성 124
• 4.4.2 성능 측정 및 분석 결과 129
• 5. 결론 및 향후 연구과제 142
• [참고문헌] 144
• [Abstract] 148