D2D(Device-to-Device) 통신은 기지국을 거치지 않고 단말이 직접 주변에 있는 모바일 단말들을 찾고 그들과 직접 패킷을 주고 받을 수 있도록 하는 기술을 말한다[1]. 최근 모바일 단말들이 급증하고, 통신 데이터가 기지국에 집중되고 있는 현상에 따라 트래픽의 과부하 및 무선자원의 고갈 문제가 매우 심각하게 대두되고 있다. 따라서 이러한 문제를 해결하기 위해 근거리에 위치한 모바일 단말들이 기지국의 도움 없이 서로 직접 통신하는 D2D 기술을 이용하여 데이터를 분산 시키고, 그에 따라 무선자원의 재사용 효율을 증가시켜 발생하는 트래픽 및 무선자원 고갈 문제를 해결하기 위한 연구가 매우 활발히 진행되고 있다[1-3].

또한, 트위터나 페이스북 등의 소셜 네트워크 서비스(SNS: Social Network Service)가 확산됨에 따라 그 방대한 유저들을 매개로 하는 온라인 공동구매 방식의 전자 상거래인 소셜 커머스 서비스(SCS: Social Commerce Service)에 대한 관심 또한 급증하고 있다[4]. SCS는 공동구매 방식 기반으로 일정 수 이상의 사람이 구매를 결정하여야 할인 혜택을 받을 수 있다. SCS는 기존의 전자상거래 플랫폼이 SNS와 연계되고 이에 따른 방대한 사용자들을 판매자가 활용하는 것으로서 기존의 전자상거래 플랫폼이 진화한 것이라고 할 수 있다. SCS가 가져온 가장 큰 변화는 소비자가 직접 정보를 생산하고 유통시키며, 나아가 제품 및 서비스 판매에 중요한 영향을 미치게 된다는 것이다[4].

본 논문에서는 선호도가 높은 지역기반 맛집/카페 관련 상품을 판매 사업자가 인접성(Proximity)과 적시성 (Timeliness)의 특징이 있는 D2D 통신과 SCS가 결합된 서비스 시나리오를 이용하여 주변 소비자들에게 광고함으로써 저비용/고효율의 광고가 가능한 소셜 커머스 서비스 기반 D2D 광고 시나리오에 대해 제안한다[5]. 또한, D2D 통신을 통해 발생하는 광고 확산 효과 (Advertisement Dissemination Effect)를 수학적으로 분석하고, 시뮬레이션을 통해 그 분석의 정확성에 대하여 살펴본다.

소셜 커머스 서비스의 수익모델은 파격적인 할인가를 통해 많은 박리다매와 SNS를 통한 자발적 홍보효과이다. 소셜 커머스 서비스는 SNS를 이용하기 때문에 마케팅 비용이 거의 들지 않는 장점을 가지고 있으나, 일정 수 이상의 사람이 모여야 파격적인 할인 가격의 제공이 가능하다. 구체적 시나리오의 내용은 다음과 같다.

① 커피전문점에 있는 D2D AP(Access Point)는 전송 범위 내에 스마트폰을 가지고 있는 사람들을 대상으로 SCS 커피 광고를 전송한다. ② A군은 커피전문점을 지나가는 중에 커피전문점의 SCS 광고를 전송 받는다. 광고에는 상품의 정가, 소셜 커머스 할인가, 현재까지 구입을 희망한 사람들의 수가 포함되어 있다. ③ 기본적으로 SCS는 일정 수 이상의 사람이 모여야 할인가가 제공이 가능하므로 상품을 구매하고 싶은 A군은 할인 조건을 맞추기 위해 주변의 사람들에게 2차적으로 광고를 전송한다. A군으로부터 광고를 받은 B양은 광고에 포함되어 있는 내용을 보고 구매 의사를 결정할 수 있다. ④ B양 역시 구매 의향이 있기 때문에, 마찬가지로 SCS 할인 조건을 만족시키기 위하여 3차적으로 주변 사람들에게 광고를 전달한다. 이와 같이, SCS와 D2D통신의 결합을 통하여 저비용으로 큰 광고 확산 효과를 볼 수 있다. 그림 1은 본 서비스 시나리오의 광고 확산 효과를 보여준다.

소셜커머스 서비스 기반 D2D 광고는 그림 2와 같은 과정을 통해 광고를 전송한다[6-9].

D2D 통신을 통해 전달되는 소셜 커머스 서비스 광고의 커버리지를 수학적으로 분석하기 위하여, AP를 기준으로 유효 광고 범위(Effective Advertisement Range)내에 무작위로 단말을 배치시킨다. 유효 광고 범위 밖에 있는 단말들은 AP로부터 거리가 멀리 떨어져있기 때문에 광고를 수신하지 않는다고 가정하였다. AP는 전송 범위 내에 있는 모든 단말들에게 광고를 전송하고, 그 중 가장 멀리 있는 단말을 릴레이(relay) 단말로 선정한다. AP는 전송 범위를 최대 6개의 섹터로 나누어, 최대 6개의 단말을 통해 광고를 1차적으로 릴레이한다. 선정된 릴레이 단말은 자신의 D2D 전송 범위 내에 있는 모든 단말들에게 광고를 2차 전송하고, 그 중 가장 멀리 떨어져 있는 단말을 다음 릴레이 단말로 선정하여 지속적으로 광고를 확산시킨다. 광고 확산에 대한 각 릴레이 단말을 E_i로 정의하고, E_i의 전송범위를 U_i으로 정의한다. 릴레이 단말 E_i의 전송범위 U_i와 전송범위가 중첩되는 모든 릴레이 단말들의 전송 범위를 S_i로 정의한다. 이 때 릴레이 단말 E_i보다 이전에 선정된 릴레이 단말은 제외한다. S_i와 S_j의 중첩되는 범위에 해당하는 모든 릴레이 단말들의 전송 범위는 S_ij로 정의한다. 그림 3에서, S₁은 릴레이 단말 E₁ 전송 범위와 중첩되는 모든 릴레이 단말(E₂,E₃)의 전송 범위(E₁,E₂, E₃의 전송 범위)이고, S₂릴레이 단말 E₂의 전송 범 위와 중첩되는 모든 릴레이 단말(E₃,E₄)의 전송 범위 (E₂,E₃,E₄의 전송 범위)이며, S₁₂는 전송 범위 S₁과 S₂ 의 중첩되는 범위에 해당하는 릴레이 단말(E₂,E₃)의 전송 범위(E₂,E₃의 전송 범위)를 의미한다.

이를 이용하여 n개의 릴레이 단말에 대한 전체 D2D 전송 범위(S_total)를 다음과 같이 구할 수 있다.

다음으로, 릴레이 단말 E_i 의 전송 범위와 전송범위가 중첩되는 모든 릴레이 단말들의 전송범위( S_i )에 대해 분석한다. S_i는 포함된 전체 릴레이 단말의 개수(N(E_i)) 및 조건에 따라 달라진다.

① N(E_i) = 2인 경우

S_i에 포함되어 있는 단말의 수가 2일 경우 그림 4와 같으며 전송 범위를 A₂로 정의한다. A₂는 각 원의 넓이와 중첩되는 호의 넓이들의 합(A_h)과 두 원의 중심과 두 원이 만나는 교점을 이은 삼각형의 넓이들의 합(A_tr )으로 구할 수 있다.

A_h원의 중심을 기준으로 전송 범위가 다른 원의 넓이와 중첩되는 호의 넓이(A_h1,A_h2)들의 합으로 다음과 같이 구할 수 있다. 여기서, x_i ,y_i 는 U_i의 중심 좌표를 의미한다.

A_tr 은 두 원의 중심과 두 원이 만나는 교점을 이은 삼각형의 넓이(A_tr1 ,A_tr2)들의 합으로 다음과 같이 구할 수 있다.

위에서 구한 A_h,A_tr 의 식 (5),(7)를 이용하여 광고 범위(A₂)를 다음과 같이 구할 수 있다.

S_i에 포함되어 있는 릴레이 단말의 수가 3이상일 경우 단말의 분포에 따라 다음의 ②, ③과 같은 2가지 조건을 고려한다.

기준 릴레이 단말 E_i 전송범위( U_i )와 릴레이 단말 E_i+j의 전송범위(U_i+j)가 만나는 2개의 교점 중 큰 각도를 , 작은 각도를 로 정의하며, θ_i,max는 의 최대값, θ_i,min은 의 최소값으로 정의한다.

②의 조건은 기준 릴레이 단말( E_i )과 최종적으로 중첩되는 릴레이 단말(E_i+N(Ei)-1)의 교점의 각도 , 가 최대값(θ_i,max) 또는 최소값(θ_i,min) 이 되는 경우의 조건으로 그림 5와 같고, 이어서 나오는 조건 ③의 경우 , 이 최대값과 최소값이 아닌 경우의 조건으로 그림 6과 같다.

S_i에포함되는 릴레이 단말들은 기준 릴레이 단말 E_i의 전송 범위와 중첩되고, 전송 범위 내에서 가장 멀리 위치한 단말이기 때문에 ③의 조건이 2번 이상 발생하는 경우는 없다고 가정한다. 즉, 2가지 조건은 최종적으로 중첩되는 릴레이 단말에 대한 조건이며, 그 밖의 모든 단말은 ②의 조건을 만족한다고 가정한다.

S_i에 포함되어 있는 릴레이 단말의 수가 n이고 조건 ②에 해당 하는 분포는 그림 7과 같고 광고 범위(A_n)는 ①의 조건과 유사한 방법으로 각 원의 넓이와 중첩되는 호의 넓이들의 합과 각 원의 중심과 두 원이 만나는 교점을 이은 다각형의 넓이들의 합을 이용하여 구할 수 있다.

각 원의 넓이와 중첩되는 호의 넓이들의 합은 다음과 같이 구할 수 있다.

삼각형 이외에 세 개의 원의 중심점으로 생긴 삼각형 이 존재한다. 즉, 각 원의 중심과 두 원이 만나는 교점을 이은 다각형의 넓이들의 합은 과 을 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.

각 원의 넓이와 중첩되는 호의 넓이들의 합과 각 원의 중심과 두 원이 만나는 교점을 이은 다각형의 넓이들의 합을 이용하여 광고 범위(A_n)는 다음과 같이 구할 수 있다.

S_i에 포함되어 있는 릴레이 단말의 수가 n이고 조건 ③에 해당 하는 분포는 그림 8과 같다. ③의 조건은 최종 단말에 대한 조건으로 그 밖의 단말들은 ②의 조건을 따른다. 즉, n−1까지의 단말은 ②의 조건을 따르기 때문에 A_n−1은 (13)의 식을 이용하여 다음과 같이 구할 수 있다.

최종 단말 n에 대한 넓이는 세 개의 원( U_n−2, U_n−1, U_n)의 넓이 , 와 A_n−1의 중첩되는 두 원(U_n−2)의 넓이 를 이용하여 D2D 광고 범위(A_n)는 다음과 같이 구할 수 있다.

소셜 커머스 기반 D2D 광고에 대한 시뮬레이션 시, AP의 섹터의 개수를 1개, 3개, 6개의 섹터로 나누어 시뮬레이션을 수행하며, 그에 따른 광고 확산 효과는 그림9, 그림10과 같다. 유효 광고 범위 반경은 1000m, AP의 전송 반경은 200m , 릴레이 단말의 전송 반경(R_rl)은 40,80,120,160,200m 로 가정하였다. 광고 확산을 위한 릴레이는 다음과 같은 방법으로 선정한다.

① 랜덤으로 배치한 단말들 중 AP의 전송범위 내에서 각 섹터 별로 가장 멀리 위치한 단말(A)을 릴레이 단말로 선정 ② 직전 릴레이 단말(처음 일 경우 AP)의 전송 범위와 선정된 릴레이 단말(A)의 전송 범위가 중첩되는 범위 내에 있는 단말은 릴레이 단말로써 선정 배제 ③ 선정된 릴레이 단말(A)의 전송 범위 내에 있는 단말 중 릴레이 단말(A)로부터 가장 멀리 위치하는 동시에 AP를 기준으로 직전 릴레이 단말(A) 보다 멀리 위치한 단말(B)을 다음 릴레이 단말로 선정 ④ ②, ③의 과정을 반복적으로 수행하여 광고 범위를 확산

본 시뮬레이션을 통해 유효 광고 범위 내에서 광고 확산 효과로 인해 확산된 전체 D2D 범위와 평균 릴레이 단말의 개수, 단위 단말 당 평균 광고범위에 대한 시뮬레이션 결과 및 시뮬레이션의 정확한 D2D 범위 값과 수학적 분석에 의한 D2D 범위 값의 오차에 대해 분석한다.

다음 시뮬레이션 결과 값은 무작위로 배치한 단말의 개수(Number of Users) 대비 전체 정규D2D 커버리지(Normalized Overall D2D Coverage)를 나타낸다.

전체 D2D 범위는 단말의 개수가 많을수록 증가하다가 일정 단말의 개수에서 포화(saturation) 상태가 된다. 단말의 전송 범위를 작게 설정할 경우 포화상태에 접어드는 초기 단말의 개수가 증가한다. 단말의 전송 범위를 일정 기준 보다 작게 설정할 경우 릴레이 단말의 전송 범위 내에 다른 단말이 존재할 가능성이 희박하여 광고가 확산 되지 않는다. 섹터의 수가 1 일 경우 전체 D2D 범위는 유효 광고 범위 대비 최대 20%의 광고 범위를 확보하며, 섹터의 수가 3일 경우에는 최대 50%, 섹터의 수가 6일 경우에는 최대 60%의 광고 범위를 확보한다. 섹터의 수가 증가함에 따라 광고 범위 또한 크게 증가하지만 단말의 전송 범위가 클 경우 AP 전송 범위 내의 섹터에서 선정된 릴레이 단말이 다른 섹터에서 릴레이 단말을 선정 할 때 영향을 주고, 광고 확산을 위한 릴레이 단말을 선정하는 과정에서 주변 단말에 영향력이 크게 작용하여 섹터의 수가 3일 경우와 6일 경우에 증가한 섹터 수에 비해 증가한 광고 범위는 작다. 반면, 단말의 전송 범위가 작을 경우 릴레이 단말 선정 과정에서 다른 섹터 및 주변 단말에 영향력이 크게 작용하지 않으므로 섹터의 수가 증가함에 따라 일정 비율로 증가하는 것을 확인 할 수 있다.

그림11-13에서 실선은 시뮬레이션의 정확한 D2D 범위값을 의미하며 점에 의한 값은 수학적 분석에 의한 D2D 범위값을 의미한다. 섹터의 수가 1일 경우 섹터 간 광고 범위의 중첩이 존재 하지 않으며 비교적 단순한 중첩 조건에 의하여 오차가 매우 작다. 하지만 섹터의 수가 증가함에 따라 섹터 간 광고 범위의 중첩이 발생하고 발생한 중첩 영역은 수식으로 표현하기에는 매우 복잡하고 한계가 있기 때문에 오차가 증가한다. 또한 무작위로 배치된 단말의 수가 증가함에 따라 고려해야 할 복잡한 중첩 조건이 많이 발생하고 이런 모든 중첩조건을 고려하는 것에는 한계가 있다. 게다가 단말의 전송 범위를 크게 설정할 경우 섹터 간 광고 범위의 중첩에 대한 영향력과 고려되지 않은 중첩조건에 대한 범위의 영향력이 커져서 오차가 증가하게 된다.

다음 시뮬레이션 결과 값은 무작위로 배치한 단말의 개수 대비 평균 릴레이 단말의 개수(Average Number of Relays)를 나타낸다.

섹터의 수가 증가한다는 것은 AP가 광고 확산을 위해 선정하는 릴레이 단말의 수가 증가한다는 것을 의미한다. 즉, 섹터의 수가 1일 경우 AP는 전송 범위 내에 가장 멀리 있는 하나의 단말을 릴레이 단말로 선정하여 광고를 확산하고 섹터의 수가 3일 경우 AP의 전송 범위를 3개의 섹터로 나누고 각 섹터 별로 가장 멀리 떨어져 있는 단말을 각각 릴레이 단말로 선정하는 것으로 총 3개의 릴레이 단말을 선정한다. 그러므로 섹터의 수가 증가하면 릴레이 단말의 수는 증가한다. 하지만 단말의 전송 범위가 클 경우 직전 릴레이 단말의 전송 범위와 선정된 릴레이 단말의 전송 범위가 중첩되는 범위 내에 있는 단말은 다음 릴레이 단말로써 선정을 배제한다는 조건에 의해 각 섹터간의 영향력이 커져 적당한 릴레이 단말을 선정하지 못 할 경우가 존재하며 그에 따라 릴레이 단말 수의 증가율이 감소한다. 또한 릴레이 단말의 전송 범위 내에 있는 단말 중 가장 멀리 있는 단말을 선정하는 조건에 따라 유효 광고 범위 내에서 적은 수의 릴레이 단말이 존재한다는 점에서 포화 상태가 빠르며 섹터의 수에 따라 증가율이 크지 않다. 반면 단말의 전송 범위가 작을 경우 섹터간의 영향력이 적고 유효 범위 내에 많은 수의 릴레이 단말이 존재 할 수 있기 때문에 섹터의 수가 증가함에 따라 크게 증가한다.

또한 단말의 전송 범위가 작을수록 광고 확산을 위해 단말의 수가 많아 밀집도가 높아야하기 때문에 단말의 전송 범위가 작을수록 포화 상태에 접어드는 초기 단말의 개수가 크다. 하지만 단말의 전송 범위가 일정 범위보다 작을 경우 릴레이 단말의 전송 범위 내에 단말이 존재 할 가능성이 희박하기 때문에 릴레이 단말의 수의 변화가 거의 없다.

다음 시뮬레이션 결과 값은 무작위로 배치한 단말의 개수 대비 단위 단말 당 평균 D2D 범위(Average D2D Coverage)를 나타낸다.

릴레이 단말 선정 시 가장 멀리 있는 단말을 선정하는 조건에 따라 중첩이 발생하지 않는 단위 단말 당 광고 범위는 거의 유사하여 단말의 개수, 섹터의 수에 상관없이 일정하고, 단말의 전송 범위가 클수록 단위 단말 당 광고 범위는 크다. 섹터의 수가 작고 단말의 전송 반경이 작으며, 단말의 수가 적을 경우 평균 릴레이 단말의 수가 1 보다 작은 경우가 발생하여 일정하지 않은 결과가 도출된다. 또한 전체 D2D 범위에는 AP의 전송 범위가 포함되어 있어 일정하지 않은 결과에 영향을 준다. 섹터의 수가 작을수록, 단말의 반경이 작을수록, 단말의 개수가 적을수록 평균 릴레이 단말의 개수에 대한 영향력과 AP의 전송 범위에 대한 영향력이 커져 더 큰 변화가 발생한다. 하지만 단말의 개수가 증가하면 일정한 결과 값에 수렴한다. 섹터의 수가 클수록 단말의 전송 범위가 클수록 더 빠르게 일정한 값에 수렴한다.

단말의 전송 범위가 큰 경우에는 적은 릴레이 단말의 수로 넓은 광고 범위를 확보할 수 있으나, 전송 파워의 증가로 인해 릴레이 단말들의 배터리 소모가 상대적으로 커지게 되고 중첩되는 범위가 많아 불필요한 전송이 많아질 수 있다. 이와 반대로, 단말의 전송 범위가 작을 경우에는 배터리 소모 및 불필요한 전송은 감소되지만 상대적로 좁은 전송 범위를 확보하게 된다.

본 논문에서는 D2D 통신을 이용하여 소셜 커머스 상품을 광고하는 시나리오에 대해 제안하였다. D2D 통신을 이용한 광고는 사용자에 의한 광고 확산 효과로 저비용/고효율 광고가 가능하며 사업자가 원하는 유효 범위 내에서 인접한 사용자들에게 광고를 전송하기 때문에 근접성 및 실시간성 등의 광고가 가능하다. 이러한 D2D 통신을 이용한 광고가 원하는 유효 광고 범위 내에서 얼마나 확산되는지에 대해 분석한 결과, 단말의 전송 범위를 크게 설정할 경우 단말의 밀집도가 적은 환경에서 넓은 광고 범위를 확보 할 수 있으나, 전송 파워의 증가로 인해 릴레이 단말들의 배터리 소모가 커지게 되고 중첩되는 범위가 많아 불필요한 트래픽이 발생이 많아지게 된다. 반면 단말의 전송 범위를 작게 설정 할 경우 배터리 소모 및 불필요한 트래픽은 감소되지만 상대적으로 좁은 광고 범위를 확보하게 된다. 주변 환경에 적절한 단말 전송 범위 및 섹터의 수 등의 파라미터를 설정한다면 배터리 소모 및 여러 가지 측면에서 저비용/고효율 광고가 가능하다.

향후에는, 본 논문에서 연구한 결과를 기반으로 단말의 배터리 소모를 절약하는 동시에 더 넓은 D2D 커버리지를 얻을 수 있는 알고리즘에 대해 연구하고, 스마트폰을 이용한 구현을 통하여 실제적인 환경에서의 광고 확산 효과에 대해서 살펴볼 계획이다.