Ⅰ서 론

재난 안전 통신망은 2003년 대구 지하철 참사 이 후 국가재난대응을 위한 통신망 구축 필요성이 제 기되었지만, 2005년부터 통합지휘무선통신망을 구 축하던 중 예산 확보가 원활하지 않아 중단된 상태 였다. 이로 인해 현재 재난 발생 시 구조 및 대응기 관의 통신방식이 서로 다른 상태이며 노후화 되어 있다. 그러던 중 지난해 발생 했던 세월호 침몰사고 를 계기로 국가 전체의 초기 재난대응 역량을 강화 하는 차원에서 재난안전통신망 본격적으로 추진되 기 시작했다. 정부는 각 분야 전문가들을 통하여 국 내외 동향 및 기술조사, 전문가 검토 등의 과정을 거쳐 2014년 7월 31일 재난안전통신망 구축 기술방 식을 선정하고 결과를 발표하였다. 기존의 음성 중 심의 협대역 서비스는 재난 상황 대응에 한계가 있기 때문에 동영상 전송 등 멀티미디어 기능이 포함된 광대역 서비스 제공을 위하여 재난안전통신망을 LTE기반의 PS-LTE(Public Safety-Long Term Evolution) 로 제시하였다. PS-LTE는 기존의 LTE 기술에 재난 안전 통신에 필요한 기능이 추가 된 것으로 PS-LTE 는 3GPP의 Release13 에서 표준화를 진행하고 있다 [1-4].

현재 재난안전통신망의 주요 논란의 핵심은 사 업비(예산), 기지국의 수량과 커버리지 문제에 따른 자가망과 상용망의 활용 부분이다. 현재 구축비용 과 구축에 소요되는 시간의 절감을 이유로 상용망 의 활용이 중요시되고 있다[5]. 상용망을 사용 할 경우 평상시에는 재난 안전 트래픽의 양이 작기 때 문에 사용자들의 트래픽을 기지국이 충분히 커버 할 수 있지만, 재난이 발생하면 재난안전 트래픽의 양이 크게 증가하기 때문에 사용자들의 트래픽이 기지국의 전체 대역폭을 초과할 수 있다. 또한 재난 이 발생하면 일반인 사용자의 통화도 폭주하기 때 문에 기지국의 전체 대역폭을 더 많이 초과하게 된 다. 이때, 사용자들의 대역폭을 어떻게 할당해 줄 것인지가 큰 쟁점이 될 수 있다. 이를 대비 하여 미 국의 NPSBN은 소방, 경찰 등 재난 대응 기관에게 는 ‘Primary 등급 사용자’ 권한을 일반인 사용자들 에게는 ‘Secondary 등급 사용자’로 분류하는 망이 용 정책과 기존 LTE 기술인 QCI(Quality Class Indicator) 기술을 통해 재난대응 요원이 사용하는 재난 어플 리케이션의 중요도 별로 네트워크 서비스 품질을 보장 하고자한다[6-7].

본 논문에서는 재난안전통신망에서 다양한 이유 로 기지국의 용량이 초과하는 경우에 재난상황의 다양한 특성을 동시에 고려한 우선순위를 이용하여 대역폭을 할당해 더 높은 효율의 서비스를 제공하 는 방법을 제안하며 구성은 다음과 같다. 제 2 장에 서는 재난상황의 특성을 고려한 우선순위를 이용하 여 대역폭을 할당하는 방법을 제안하며, 제 3 장에 서는 실험을 통해 성능을 평가한다. 제 4 장에서는 본 논문의 결론을 도출한다.

Ⅱ본 론

1재난안전통신망에서 대역폭 할당 방법

본 절에서는 재난안전통신망에서 대역폭 할당을 위해 재난환경의 특성을 고려한 우선순위 결정 하 고 대역폭을 할당하는 방법을 설명한다. Fractional Knapsack Problem을 적용하여 대역폭 할당 문제를 정의하고 Greedy algorithm을 통해 최적의 해를 찾 아내는 방법을 설명한다.

1)재난환경 특성을 고려한 우선순위 결정 방법

본 논문에서 제안하는 방법은 아래의 파라미터 를 통하여 우선순위를 결정한다.

<Table 1>은 우선순위를 정의하기 위해 사용하는 파라미터이다. 파라미터는 계급, 거리, 활동내용으 로 나뉘어져 있으며, C는 재난상황에서의 사용자의 계급으로 통제센터, 현장 지휘관, 현장 활동대원, 일반인 순으로 중요도가 감소한다. D는 재난 발생 지역과 사용자의 거리로 0km ~ 5km 까지 정의하며 반비례하게 적용한다. M은 재난상황에서 사용자가 하고 있는 활동 내용으로 구조 및 구호활동, 긴급 대피, 재정 지원 및 임시시설 마련, 주민경보 시스 템의 가동, 긴급 대응, 잔 해물 제거 및 방제, 주민 피해상황 조사 및 평가, 재난 심리 상담 순으로 중 요도가 감소한다. 그리고 α, β, γ는 우선순위 가중 치로 정해져 있는 값이 아닌 통제 센터나 상위 기 관의 관리자가 발생한 재난의 종류나 시간의 경과 에 따라 계급, 거리, 활동내용 중 중요하다고 생각 하는 파라미터에 가중치를 줄 수 있도록 하는 파라 미터이다.

사용자의 우선순위 V_i는 각 우선순위 파라미터 에 가중치를 곱한 값을 합하여 구하며 수식은 (1)과 같다. 이때 C_i, D_i, M_i는 사용자 i의 계급, 거리, 활 동 내용 값이며, 이중 계급 파라미터 C_i는 현재 정 량적으로 나와 있는 값이 없다. 본 논문에서는 재난 상황에서의 효율적인 명령하달을 위하여 지휘체계 상에서 계급의 사용자가 높은 중요도를 가진다고 판단하여 통제센터, 현장 지휘관, 현장 활동대원, 일반인을 4:3:2:1의 비율로 정의 하였으며 값은 <Table 2>와 같다. 거리 파라미터 D_i는 반비례로 적 용하며 0보다는 크다.

M_i의 값은 한국위기 관리 논집의 재난관리체계 우선순위 연구에서 활동 내용의 중요도를 수치화 한 값을 사용하여 정의 하였으며 값은 <Table 3>과 같다[8].

2)Knapsack Problem 통한 대역폭 할당 문제 정의

본 논문에서 제안하는 방법은 대역폭 할당 문제 를 Knapsack Problem으로 정의 한다. Knapsack Problem이란 흔히 가방 채우기 문제라고 하는데 한 정된 가방용량에 가방에 넣은 아이템의 총 가치가 최대가 되도록 아이템을 채우는 문제이다[9].

Knapsack Problem은 파라미터가 <Table 4>와 같을 때 ∑ i ∈ A w i ≤ W를 만족하면서 ∑ i ∈ A V i가 최대가 되도록 A⊆S 를 만족하는 A를 결정하는 문제이다.

Knapsack Problem은 0-1 Knapsack Problem과 Fractional Knapsack Problem으로 구분된다. 0-1 Knapsack Problem은 가방에 넣는 아이템을 쪼갤 수 없는 경우이고 Fractional Knapsack Problem은 쪼갤 수 있는 경우이다. 0-1 Knapsack Problem의 경우는 아이템을 쪼갤 수 없기 때문에 빈 공간이 남을 수 있지만 Fractional Knapsack Problem의 경우에는 빈 공간이 남았을 때 남은 아이템을 쪼개서 넣을 수 있기 때문에 빈 공간이 남지 않는다. 0-1 Knapsack Problem은 동적 계획법(Dynamic Programming)으로 풀 수 있고, Fractional Knapsack Problem은 Greedy algorithm으로 풀 수 있다. 본 논문에서는 사용자의 트래픽을 나누어 할당할 수 있는 경우기 때문에 Fractional Knapsack Problem을 사용하여 대역폭 할 당 문제를 정의 하였다. Fractional Knapsack Problem 에 적용하기 위한 각 파라미터는 <Table 5>와 같이 정의 하였다.

제안하는 방법은 할당된 사용자들의 트래픽 (Weight)의 총합이 기지국의 전체 대역폭(Knapsack Capacity)을 초과 하지 않으면서 트래픽이 할당된 사용자들의 트래픽 우선순위 (Value)가 가장 높도록 하는 방법을 찾는 것이다.

3)Greedy algorithm

Fractional Knapsack Problem은 아이템을 쪼개어 가방에 넣을 수 있는 방법이다. Fractional Knapsack Problem은 Greedy algorithm으로 최적의 해를 구할 수 있다. 아이템을 작은 조각으로 분해할 수 있음으 로 아이템의 무게 당 가치 (V_i/W_i)를 계산하고 그 값이 큰 아이템부터 가방 용량 W 가 가득 찰 때까 지 순서대로 채워 최적의 해를 구한다. Greedy algorithm의 순서도는 <Fig. 1> 과 같다.

Ⅲ실 험

1실험 환경

본 논문에서 제안한 재난안전통신망에서 우선순 위를 고려한 대역폭 관리 방법의 성능을 평가하기 위하여 실험을 진행하였다. 실제 트래픽을 사용하 기에는 제약이 따르기 때문에 트래픽 모델 파라미 터를 통해 트래픽을 생성하여 실험을 진행하였다. 트래픽은 FTP 서비스, VoD 서비스, VoIP 서비스 3 가지를 사용하였으며, 각 종류에 따른 트래픽 모델 파라미터는 <Table 6>와 같다[10].

2실험 결과

본 절에서는 제안하는 방법의 성능비교를 위하 여 계급 우선 할당 방법과 균등할당 방법을 비교하 였다. 계급 우선 할당 방법은 재난 발생 지역과의 거리, 활동내용을 고려하지 않고 계급이 높은 순서 대로 할당하는 방법이기 때문에 보다 낮은 효율을 가진다.

균등 할당 방법은 기지국의 용량을 사용자들에 게 동일하게 나누어 할당하는 방법이다. 이때는 아 주 적은 대역폭을 나누어 가지기 때문에 통신이 원 활하게 되지 않을 가능성이 높다.

1)시나리오 실험

본 실험은 35분 동안 임의로 생성한 시나리오에 서의 실험이다. 이 실험은 사용자들이 그룹을 만들 어 같은 활동과 같은 종류를 사용하고 있는 시나리 오다. 첫 번째로 1번 그룹은 구조 및 구호 활동을 하는 사용자들로 VoIP 서비스를 사용하고 있다. 두 번째로 2번 그룹은 잔해물 제거 및 방제 활동을 하 고 있는 사용자들로 VoD 서비스를 사용하고 있다. 세 번째로 3번 그룹은 주민피해상황 조사 및 평가 활동을 하고 있는 사용자들로 FTP 서비스를 사용하 고 있다. 4번 그룹은 일반인 사용자 들이며 FTP, VoD, VoIP 서비스를 다양하게 사용하고 있다. 또한 우선순위 가중치 α, β, γ 는 각각 1로 고정하였다. 본 시나리오를 그림으로 나타낸 것이 <Fig. 2> 이다.

<Fig. 2> 에서는 같은 그림에서 그룹으로 표현하 기 위하여 같은 그룹의 사용자가 같은 방향에 모여 있는 것처럼 보이지만 실제로는 같은 그룹의 사용 자도 모든 방향으로 서로 분산되어 있다. 통제 센터 를 제외한 구조 및 구호 활동과 잔해물 제거 및 방 제 활동을 하고 있는 사용자들은 재난 발생 지역과 비교적 가까운 거리에 위치하고 있고 주민 피해상 황 조사를 하고 있는 사용자들은 비교적 먼 거리에 위치하고 있다. 일반인들 같은 경우에는 규칙 없이 임의의 위치에 위치하고 있는 시나리오다.

본 실험에서 기지국의 전체 대역폭은 5.5 MB이 며 사용자들의 1분당 트래픽의 총합은 약 7~8MB로 기지국의 전체 대역폭을 초과하는 양이다.

<Fig. 3>은 본 실험에서의 할당된 사용자들의 Value 의 합의 35분간의 평균이다. 할당된 사용자들의 Value 의 합의 평균은 제안하는 방법이 제일 높고 계급 우선 할당 방법, 균등 할당 방법의 순으로 낮아진다.

계급 우선 할당은 재난 발생 지역과의 거리나 사용 자의 활동내용을 고려하지 않고 계급이 높은 순서대 로 대역폭을 할당하여 거리가 가까워 우선순위가 높 은 일반인들을 제외하였기 때문에 제안하는 방법보다 할당된 사용자들의 Value의 합의 평균이 약 13.73만큼 적은 것을 볼 수 있다. 다음으로 균등할당 방법은 사 용자의 우선순위와 관계없이 기지국의 용량을 사용자 들에게 동일하게 나누어 할당하였기 때문에 제안하는 방법보다 약 124.86만큼 적은 것을 볼 수 있다.

<Fig. 4>는 본 실험에서의 전체 실행시간 35분 동안 계급별로 손실되는 트래픽량을 백분율로 나타 낸 것이다. 첫 번째로 균등 할당 방법의 경우에는 트래픽이 낮은 통제센터를 제외하고 현장 지휘관, 현장 활동대원, 일반인 계급에서 균일하게 손실되 는 것을 볼 수 있다. 다음으로 계급 우선 할당 방법 은 재난 발생 지역과의 거리, 활동내용을 고려하지 않고 계급이 높은 순서대로 대역폭을 할당하여 재 난 발생 지역과의 거리가 가까워 우선순위가 높을 수 있는 일반인들의 트래픽이 손실 되었다. 마지막 으로 제안하는 방법은 재난 발생 지역과의 거리가 가까워 우선순위가 높은 일반인들의 트래픽을 할당 해주고 재난 발생 지역과 거리가 멀면서 활동내용 의 중요도가 낮아 우선순위가 낮은 활동대원의 트 래픽을 할당하지 않아 할당된 사용자의 Value의 합이 높은 것을 알 수 있다. 본 실험에서 제안하는 방법이 계급 우선 할당 방법, 균등 할당 방법 보다 Value가 높음으로 성능이 더 좋다는 것을 알 수 있다.

2)재난 안전 사용자와 일반인의 비율변경 실험

본 실험은 재난 안전 사용자와 일반인의 비율을 변경하며 한 실험이다. 전체 30명의 사용자중 재난 안전 사용자와 일반인의 비율을 1 : 3, 1 : 2, 1 :1, 2 : 1, 3 : 1로 변경하며 실험 하였다. 이때 사용자의 계급을 제외한 재난 발생 지역과의 거리, 사용자의 활동내용, 사용자가 사용하는 트래픽의 종류는 랜덤 하게 변경하며 실험하였고, 각 비율 당 1000번 반복 하여 실험을 진행하였다. 또한 앞의 실험과 동일하 게 우선순위 가중치 α, β, γ 는 각각 1로 고정하였다.

<Fig. 5>은 본 실험에서의 실험 사용 트래픽이다. 앞 선 실험들과 동일하게 기지국의 전체 대역폭으로 5.5 MB이다. 기지국내에 있는 모든 사용자들의 트래픽의 합은 약 11 MB 이고 기지국의 전체 대역폭을 초과하는 양이다. 본 실험에서 재난 안전 사용자들이 늘어나면서 일반인의 트래픽이 점점 줄어드는 것을 볼 수 있다.

<Fig. 6>은 본 실험에서의 할당된 사용자들의 Value의 합이다. 재난 안전 사용자들이 늘어나면서 할당된 사용자들의 Value의 합이 전체적으로 증가 하는 것을 볼 수 있다. 또한 재난 안전 사용자의 비 율이 낮을 때, 많을 때 모두 제안하는 방법의 할당 된 사용자들의 Value의 합이 높은 것을 볼 수 있다. 본 실험으로 재난 안전 사용자와 일반인의 비율이 달라져도 제안하는 방법이 계급 우선 할당 방법이 나 균등 할당 방법 보다 성능이 좋다는 것을 확인 할 수 있다.

3)매뉴얼을 통한 시나리오에서 가중치 선정 실험

α, β, γ 는 우선순위 가중치이다. 정해져 있는 값 이 아닌 발생한 재난의 종류와 시간의 경과에 따라 서 관리자가 변경 할 수 있도록 하는 값이지만 본 실험에서는 전라남도에서 제작한 현장대응활동 표 준매뉴얼을 통해 시나리오를 생성하고, 시나리오의 조건을 만족하면서 Value값이 제일 높은 가중치를 찾는 실험이다[11].

이때 가중치는 비율로 적용하기 때문에 수식 (2) 를 만족해야 하며 α, β, γ 는 0.01의 단위로 변경하며 실험하였고 총 4,851개의 α, β, γ 의 조합으로 실험 을 진행 하였다.

Ⅳ결 론

현재 재난 안전 통신망에서 구축비용과 구축시 간의 소요를 이유로 상용망의 활용이 중요시 되고 있다. 상용망을 사용 할 경우 평상시에는 재난 안전 트래픽의 양이 작기 때문에 사용자들의 트래픽을 기지국이 충분히 커버 할 수 있지만, 재난이 발생하 면 재난안전 트래픽의 양이 크게 증가하기 때문에 사용자들의 트래픽이 기지국의 전체 대역폭을 초과 할 수 있다. 또한 재난이 발생하면 일반인 사용자의 통화도 폭주하기 때문에 기지국의 전체 대역폭을 더 많이 초과하게 된다. 이때, 사용자들의 대역폭을 어떻게 할당해 줄 것인지가 중요 하다. 그렇기 때문 에 본 논문은 재난상황에서 중요한 특성인 사용자 의 계급, 재난 발생 지역과의 거리, 활동 내용을 이 용해 우선순위를 적용하여 대역폭을 할당하는 방법 을 제시하였다.

고정된 시나리오, 시간에 따라 바뀌는 시나리오, 재난 안전 사용자의 비율을 늘리며 다른 특성은 랜 덤으로 하는 시나리오에서 제안하는 방법과 계급 우선 할당 방법, 균등 할당 방법을 비교하였다. 할 당된 사용자들의 Value의 합, 손실된 트래픽율을 비 교했을 때 제안한 방법의 성능이 더 좋은 것을 확 인 할 수 있었다. 또한 재난 매뉴얼을 참고하여 각 각의 시나리오를 생성하고 각각의 시나리오에 따른 최적의 우선순위 가중치를 선정하였다.

본 논문에서는 실제의 트래픽이 아닌 트래픽 모 델 파라미터를 통해 생성한 트래픽을 통해 시뮬레 이션을 진행하였다. 향후에는 실제 재난상황과 유 사한 환경의 실제 트래픽을 통하여 실험을 하는 것 이 필요한 것으로 판단된다.