네트워크 시뮬레이션 공방

OPNET의 Erceg 모델은 IEEE 모델[1]을 사용한 것으로, 원래의 Erceg 모델[2]과는 약간 다른다. 물론, 이 IEEE 모델[1]은 WiMAX를 위해 정의된 것이므로 OPNET Erceg 모델은 표준에 잘 맞다고 볼 수 있다.

Gamma 계산시 OPNET Erceg 모델은 원래의 Erceg 모델[2]에 비해 간략화되어 있다. Shadow fading(s) 역시 OPNET Erceg 모델은 원래의 Erceg 모델[2]에 비해 간략화되어 있으며, 지정된 표준편차 값을 가지는 lognormal 분포함수를 이용하여 시뮬레이션 수행시에 랜덤하게 생성된다.
Frequency 보정 항목(PLf)과 Antenna Height 보정항목(PLh)은 원래의 Erceg 모델[2]에는 없고 IEEE 모델[1]에서 추가된 것이다. 이는 원래의 Erceg 모델[2]이 1.9GHz 주파수 대역을 사용하고 단말 안테나가 2미터 높이에 위치한 경우를 가정한 것이기 때문에, 그 차이를 보정해주기 위해서이다. Frequency 보정항목(PLf)은 [3, 4]에 기반한 것이며, Antenna Height 보정항목(PLh)은 [5, 6]에 기반한 것이다.

[1] V. Erceg, etal., "Channel Models for Fixed Wireless Applications," IEEE 802.16.3c-01/29r4, July 2001.
[2] V. Erceg, et al., "An empirically based path loss model for wireless channels in suburban environments," IEEE JSAC, vol. 17, no. 7, July 1999, pp. 1205-1211.
[3] Chu, T.-S. and Greenstein, L.J., "A Quantification of Link Budget Differences Between the Cellular and PCS Bands," IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 48, no. 1, January 1999, pp. 60-65.
[4] Jakes W.C. and Jr. Reudink D.O., "Comparison of mobile radio transmission at UHF and X band," IEEE Trans. Veh. Technol., vol. 16, pp10-13, Oct. 1967.
[5] K.V.S. Hari, and Carl Bushue, "Interim Channel Models for G2 MMDS Fixed Wireless Applications," IEEE 802.16.3c-00/49r2, November 2000.
[6] Y. Okumura, E. Ohmori, T. Kawano, and K. Fukuda, "Field Strength and its Variability in VHF and UHF Land-Mobile Radio Service," Rev. Elec. Comm. Lab. No.9-10pp. 825 - 873, 1968.

Erceg은 NLOS 환경에서의 pathloss 모델로서 다음과 같은 수식에 의해서 계산된다. Terrain Type에 따라 A(Hilly/Moderate-to-Heavy Tree Density), B(Hilly/Light Tree Density or Flat/Moderate-to-Heavy Tree Density), C(Flat/Light Tree Density)로 구분되며, 각 경우에 따른 계수값은 다음 그림과 같다.

Frequency 보정 항목(PLf)과 Antenna Height 모정 항목(PLh)은 원래의 Erceg 모델[2]이 1.9GHz 주파수 대역을 사용하고 단말 안테나가 2미터 높이에 위치한 경우를 가정한 것이기 때문에, 그 차이를 보정하기 위한 것이다.
이 pathloss 수식은 shadow fading을 포함하며, shadow fading 값은 GUI를 통해 설정된 표준편차 값을 이용하여 시뮬레이션 수행시에 랜덤하게 생성된다.
Erceg 모델의 입력값과 출력값을 개념적으로 살펴보면, 거리, 주파수, 기지국 높이, 단말 높이, 지형 종류를 입력받아서 shadow fading을 포함하는 pathloss 값을 결과값으로 출력한다.

[1] V. Erceg, etal., "Channel Models for Fixed Wireless Applications," IEEE 802.16.3c-01/29r4, July 2001.
[2] V. Erceg, et al., "An empirically based path loss model for wireless channels in suburban environments," IEEE JSAC, vol. 17, no. 7, July 1999, pp. 1205-1211.

OPNET WiMAX 모델은 TMM(Terrain Modeling Module)을 사용하지 않을 경우에 대하여 다음의 4가지 pathloss 모델을 별도로 제공한다.

- Free Space
- Suburban Fixed (Erceg)
- Outdoor to indoor and Pedestrian Environment
- Vehicular Environment

Free Space 모델은 LOS 환경에 대한 것으로 pathloss는 다음의 식으로 계산된다.

Suburban Fixed (Erceg) 모델은 NLOS 환경에 대한 것으로 IEEE Erceg 모델[1]에서 기술하는 pathloss를 적용하는 것이며, 다시 Terrain Type에 따라 A, B, C로 구분된다. 이 pathloss 수식은 shadow fading을 포함한다[2].

Outdoor to indoor and Pedestrian Environment 모델은 NLOS 환경에 대한 것으로 ITU-R M.1225[3]에 정의된 Outdoor to indoor and pedestrian test environment에서 기술하는 pathloss를 적용하는 것이다. 이 모델은 shadow fading에 대한 조건을 포함한다.

Vehicular Environment 모델은 NLOS 환경에 대한 것으로 역시 ITU-R M.1225[3]에 정의된 Vehicular test environment에서 기술하는 pathloss를 적용하는 것이다. 이 모델 역시 shadow fading에 대한 조건을 포함한다.

[1] V. Erceg, etal., "Channel Models for Fixed Wireless Applications," IEEE 802.16.3c-01/29r4, July 2001.
[2] V. Erceg, et al., "An empirically based path loss model for wireless channels in suburban environments," IEEE JSAC, vol. 17, no. 7, July 1999, pp. 1205-1211.
[3] ITU-R Recommendation M.1225, "Guidelines for evaluation of radio transmission technologies for IMT-2000," 1997.

다음의 그림은 OPNET WiMAX 모델에서 제공하는 PHY 파이프라인 스테이지 모델의 구조를 기능별 블럭으로 개념적으로 구분하여 나타낸 것으로, 파이프라인 스테이지 코드를 분석하기전에 살펴보면 많은 도움이 된다.

WiMAX 모델의 PHY 기능은 크게 Pathloss, Co-channel interference, Multipath fading의 3가지 블럭으로 나누어진다. Pathloss는 송신자와 수신자 사이에서 발생하는 신호 감쇄로서 IEEE Erceg 모델과 ITU Vehicular/Pedestrian 모델, 그리고 Free Space 모델을 지원한다. 또한 pathloss에는 shadow fading도 포함된다.
Co-channel interference는 동일한 주파수(Sub-carrier)를 사용하는 burst간의 충돌에 의한 신호감쇄로서, 시간/주파수가 얼마나 중첩되는냐에 따라 계산된다.
Multipath fading은 신호가 여러 경로로 수신되는 과정에서 그 합성 신호의 강도가 시공간적으로 변하는 현상이며, 주기적으로 multipath 채널 모델에 따라 그 영향이 새로 계산된다.

OPNET WiMAX 모델에서는 ASN-GW를 위한 별도의 노드 모델을 제공하지 않으며, 일반적인 라우터 모델을 ASN-GW로 사용한다. 하지만, 단순히 라우터를 BS에 연결한다고 해서 ASN-GW로 동작하는 것은 아니며 BS와 ASN-GW로 사용할 라우터 사이에 터널링을 설정해 주어야 한다. BS에 반드시 ASN-GW가 연결될 필요는 없다.

다음 그림은 표준[1]에서 정의하고 있는 MS-initiated HO 절차(Figure J.3 참조)이며, "WiMAX 모델(97) - Handover"에서 설명한 OPNET WiMAX 모델에 구현된 절차는 MS-initiated HO와 일치한다. BS-initiated HO(Figure J.4참조)는 OPNET WiMAX 모델에서 지원하지 않는다.

[1] IEEE 802.16-2009, "Air Interface for Broadband Wireless Access Systems", 2009

Handover는 MS의 이동에 따라 현재의 BS(serving BS)보다 더 신호강도가 좋은 BS가 발견되면 해당 BS (target BS)로 연결을 바꾸는 것이며, OPNET WiMAX 모델에서도 지원한다. 다음 그림은 OPNET WiMAX 모델에서의 (MS 요청에 의한) Handover 절차를 나타낸 것이다.

Scanning 과정에서 serving BS보다 더 신호강도가 좋은 target BS가 발견되면, serving BS로 MOB_MSHO-REQ 메시지를 보내서 Handover를 시작한다. Serving BS는 MOB_MSHO-REQ에 대한 응답으로 MOB_BSHO-RSP 메시지를 MS로 전송한다. (ASN-GW를 사용하는 경우라면 이 사이에 HO_Req 메시지를 target BS로 전송하고 HO_Rsp 메시지를 응답받는 과정이 필요하다. 이 경우에 대해서는 이후에 다시 다루도록 하겠다.) MS가 MOB_BSHO-RSP 메시지를 수신하면 MOB_HO-IND 메시지를 serving BS로 최종적으로 전송한 후, target BS에 대한 initial ranging 절차를 시작한다.
이러한 과정을 wimax_ss_control 프로세스 모델의 State diagram에서 추적해보면, 다음 그림과 같은 천이 과정을 따른다.

다음 그림은 표준[1]에서 정의하고 있는 관계(association)을 맺지 않는 Neighbor BS Scanning 절차중 MS 요청에 의한 경우인데([1]의 FIgure D.1, Figure D.3 참조), "WiMAX 모델(94) - Neighbor BS Scanning"에서 설명한 OPNET WiMAX 모델에 구현된 절차는 이와 일치한다. (BS 요청에 의한 Neighbor BS Scanning 절차도 표준과 동일하게 OPNET WiMAX 모델에서 지원된다)

[1] IEEE 802.16-2009, "Air Interface for Broadband Wireless Access Systems", 2009

Scanning은 HO를 하기전에 주변 기지국(BS)들로부터의 수신신호 강도를 측정하는 것이며, OPNET WiMAX 모델에서도 사용된다. 다음 그림은 OPNET WiMAX 모델에서의 (MS 요청에 의한) Scanning 절차를 나타낸 것이다.

MS에 수신된 신호의 SNR이 기준값 이하로 떨어지면 MOB_SCN-REQ 메시지를 전송하여 Scaning 절차를 시작한다. (BS에 의해서 Scanning이 시작되는 경우라면 MOB_SCN-REQ 메시지는 생략된다) MOB_SCN-REQ 메시지를 수신한 BS는 MOB_SCN-RSP 메시지를 통해 언제부터 얼마 동안의 시간동안 Scanning을 수행할 것인지를 MS에게 알려준다.
MOB_SCN-RSP 메시지를 수신한 MS는 지정된 시간(offset_M 시간이후)부터 주변 BS들로부터 수신되는 신호의 SNR을 (DL-MAP이 수신될 때마다) 측정한다. 주변 BS들의 목록은 MOB_NBR-ADV 메시지("WiMAX 모델(91) - Neighbor Advertisement" 참조)를 통해 알려진 것을 사용한다.
이러한 과정을 wimax_ss_control 프로세스 모델("WiMAX 모델(9) - wimax_ss_control 프로세스 모델" 참조)의 State diagram에서 추적해보면, 다음 그림과 같은 천이 과정을 따른다.

다음 그림은 표준[1]과 OPNET WiMAX 모델 MOB_NBR-ADV 메시지 구조를 비교하여 나타낸 것이다([1]의 Table 144 참조). MOB_NBR-ADV 메시지 필드중에서 OPNET WiMAX 모델의 wimax_mgmt_mob_nbr_adv 패킷 포맷에 실제로 표현되는 부분은 녹색으로 표시된 부분들이며, OPNET WiMAX 모델에서는 MAC PDU에 해당하는 부분(MAC Header, CRC)도 wimax_mgmt_mob_nbr_adv 패킷 포맷에 포함되어 있다.

OPNET WiMAX 모델에서 Neighbor 한개당 정보양은 DCD_settings 54비트와 UCD_settings 96비트를 포함하여 272비트로 정의되는데, 이는 표준[1]에 정의된 MOB_NBR-ADV 메시지 필드들중 몇가지 옵션 필드들을 포함한 크기로 생각된다.
Neighbor에 대한 정보 필드 구성은 표준과는 완전히 다르며, 해당 BS 정보 구조체에 대한 포인터만 가지고 있다. 시뮬레이션에서는 이 포인터를 통해 대상 BS의 모든 정보를 읽어올 수 있으므로 동작상에는 아무런 문제가 없다.

[1] IEEE 802.16-2009, "Air Interface for Broadband Wireless Access Systems", 2009