[논문 리뷰] Group Handover for Drone-Mounted Base Stations

Yücel Aydın, Güneş Karabulut Kurt외 2명|arXiv (Cornell University)|2020. 12. 16.

UAV Applications and Optimization참고 문헌 17인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 드론에 장착된 기지국(UxNB)을 위한 그룹 핸드오버 프로토콜을 제안하여, 지상 기지국에서 UxNB로 다수의 사용자 단말(UE)에 대한 빠르고 안전한 인증 및 집단 핸드오버를 가능하게 한다. 개별 UE 당 자격 증명 공유를 제거하고 지상 BS와 UxNB 간 상호 인증을 활용함으로써 신호 처리 오버헤드를 감소시키고 핸드오버 완료를 가속화함으로써, 스타디움과 같은 고밀도 환경에서의 대역폭 및 QoS를 향상시킨다.

ABSTRACT

The widespread use of new technologies such as the Internet of things (IoT) and machine type communication(MTC) forces an increase on the number of user equipments(UEs) and MTC devices that are connecting to mobile networks. Inherently, as the number of UEs inside a base station's (BS) coverage area surges, the quality of service (QoS) tends to decline. The use of drone-mounted BS (UxNB) is a solution in places where UEs are densely populated, such as stadiums. UxNB emerges as a promising technology that can be used for capacity injection purposes in the future due to its fast deployment. However, this emerging technology introduces a new security issue. Mutual authentication, creating a communication channel between terrestrial BS and UxNB, and fast handover operations may cause security issues in the use of UxNB for capacity injection. This new protocol also suggests performing UE handover from terrestrial to UxNB as a group. To the best of the authors' knowledge, there is no authentication solution between BSs according to LTE and 5G standards. The proposed scheme provides a solution for the authentication of UxNB by the terrestrial BS. Additionally, a credential sharing phase for each UE in handover is not required in the proposed method. The absence of a credential sharing step saves resources by reducing the number of communications between BSs. Moreover, many UE handover operations are completed in concise time within the proposed group handover method.

연구 동기 및 목표

• LTE 및 5G 네트워크에서 지상 기지국과 드론에 장착된 기지국(UxNB) 간 표준화된 상호 인증 메커니즘이 부족한 문제를 해결하기 위해.
• 스포츠 경기장과 같은 고밀도 사용자 단말(UE) 환경에서 신호 처리 오버헤드와 핸드오버 지연을 줄이기 위해.
• 개별 UE 당 자격 증명 공유가 필요 없이 지상 BS에서 UxNB로 다수의 UE를 효율적으로 동시에 오프로딩할 수 있도록 하기 위해.
• 빠르고 안전한 UxNB 배치를 통해 고밀도 트래픽 환경에서 네트워크 용량과 품질 서비스(QoS)를 향상시키기 위해.

제안 방법

• 지상 기지국과 UxNB 간 상호 인증 프로토콜을 제안하여 안전한 통신 채널을 구축한다.
• 지상 기지국에서 UxNB로 다수의 UE를 동시에 핸드오버할 수 있는 그룹 핸드오버 메커니즘을 도입한다.
• 사전에 설정된 자격 증명과 그룹 기반 인증을 활용하여 핸드오버 중 개별 UE 당 자격 증명 공유가 필요 없도록 한다.
• 중앙 집중식 자격 증명 관리 단계를 도입하여 BS 간 통신 오버헤드를 최소화하고 자원 소비를 줄인다.
• 신속하고 안전한 핸드오버 운영을 보장하기 위해 경량 키 교환 메커니즘을 활용한다.
• 기존 LTE 및 5G 표준과의 호환성을 고려하여 상호 운용성과 확장성을 확보한 프로토콜을 설계한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 표준화된 프로토콜이 없는 상황에서 지상 기지국과 드론에 장착된 기지국(UxNB) 간 상호 인증을 어떻게 안전하게 설정할 수 있는가?
• RQ2 개별 UE 당 신호 처리 오버헤드가 발생하지 않도록 고밀도 환경에서 다수의 UE에 대한 핸드오버를 가장 효율적으로 수행하는 방법은 무엇인가?
• RQ3 개별 UE 핸드오버 절차와 비교해 봤을 때, 그룹 기반 핸드오버 메커니즘이 핸드오버 지연과 신호 처리 부하를 줄일 수 있는가?
• RQ4 UxNB 오프로딩 과정에서 자격 증명 공유를 최소화하거나 제거하면서도 보안을 유지할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 기법은 핸드오버 중 개별 UE 당 자격 증명 공유가 필요 없음을 확인하여 기지국 간 신호 처리 오버헤드를 크게 감소시켰다.
• 그룹 핸드오버 메커니즘은 다수의 UE를 동시에 빠르게 오프로딩할 수 있도록 하여 전체 핸드오버 완료 시간을 단축시켰다.
• 경량화되고 표준 호환 가능한 프로토콜을 사용하여 지상 BS와 UxNB 간 상호 인증을 구현함으로써 복잡성 증가 없이도 보안성을 향상시켰다.
• 인터-BS 통신을 최소화함으로써 자원 소비를 줄였고, 고밀도 배포 환경에서의 확장성 향상을 이뤘다.
• 스포츠 경기장과 같은 고밀도 트래픽 지역에서 용량 증강을 위한 UxNB의 신속한 배치를 지원하며, 부하 하에서도 QoS를 유지한다.
• 기존 LTE 및 5G 표준과 호환되어 향후 모바일 네트워크에 실용적으로 통합될 수 있다.