리얼타임 LTE/Wi-Fi 공존 테스트베드

모바일 장비의 사용은 계속해서 기하급수적으로 증가하는 추세입니다. 표준화 기관에서는 4G 기술을 개선하는 동시에 새로운 5G 기술을 도입하여 데이터 속도와 네트워크의 용량을 향상시키려는 노력이 진행되고 있습니다[1].  

이 백서는 비면허 스펙트럼을 활용하여 셀룰러 네트워크의 용량을 개선하려는 연구에 초점을 맞춥니다. 비면허 스펙트럼, 특히 5GHz 대역을 활용하기 위해서는 해당 대역에서 기존의 기술을 이용하거나(Wi-Fi) 셀룰러 기술을 변형하여 채널을 직접 셀룰러 PHY 및 MAC 계층에 집합시켜야 합니다. 두 번째 방법에 대해서는 기존 및 향후에 구성될 Wi-Fi 네크워크에 미치는 영향이라는 측면에서 셀룰러 및 Wi-Fi 에코시스템과 관련하여 여러 가지 이견이 제시되어 왔습니다. 여느 혁신 기술과 마찬가지로, 실제와 유사한 테스트베드를 사용한 프로토타이핑은 성능과 장단점을 파악하기 위한 최선의 방법입니다. 따라서 엔지니어와 연구자들이 실제와 비슷한 환경에서 이러한 알고리즘의 성능 장단점을 비교하고 평가해볼 수 있도록 중립적이며 손쉽게 변경 가능한 프로토타이핑 플랫폼은 가치가 있습니다. 이 백서에서는 NI USRP RIO 하드웨어와 NI LabVIEW Communications System Design Suite 기반의 이러한 플랫폼을 설명합니다. 

백서는 다음과 같이 구성됩니다. 섹션 2는 셀룰러 네트워크에서 비면허 대역을 활용하기 위해 제안되거나 이미 사용되고 있는 다양한 방법을 개괄적으로 살펴봅니다. 이 섹션에서는 무선 통신 에코시스템 중에서 가장 활발하게 논의되고 있는 LTE-U(LTE-Unlicensed) 및 LAA(License Assisted Access)라는 두 가지 방식에 필요한 설계 타겟 및 PHY 개선 사항을 자세히 살펴봅니다. 섹션 3은 NI LabVIEW Communications System Design Suite와 포함된 802.11/LTE 어플리케이션 프레임워크를 사용하여 해당 용례를 위한 프로토타이핑 플랫폼을 구축하는 방법을 설명합니다. 섹션 4는 LTE-U 및 LAA의 성능과 Wi-Fi에 미치는 영향과 관련하여 플랫폼을 사용하여 얻은 결과를 제공합니다.

LTE/Wi-Fi 공존 환경

셀룰러 네트워크 제공업체들은 특히 수요가 높은 핫스팟을 중심으로 하여 트래픽을 Wi-Fi 네트워크에 가끔씩 떠넘기는 형태로 이미 비면허 대역을 활용하고 있습니다[2]. LTE Release-13을 타겟으로 하는 3GPP의 LTE/Wi-Fi 집합(LWA) 작업 아이템[3]은 여기서 한 단계 더 나아가 PDCP(packet data convergence protocol) 계층에서의 LTE와 Wi-Fi 집합을 지원합니다. 이 두 경우 모두 Wi-Fi 무선 인터페이스가 비면허 대역에서 사용됩니다. 다음 섹션에서는 비면허 대역에서 LTE 기반 무선 인터페이스를 사용하는 기술을 살펴봅니다.

비면허 LTE (LTE-U)

LTE-U 포럼[4]에서 개발된 LTE-U는 비면허 대역이 LTE 하위 계층에 직접 통합되는 첫 배포 기술로 기대를 모으고 있습니다. 이 독점 기술의 핵심 멤버로는 Qualcomm, Verizon, Ericsson, Samsung 등이 있습니다.

LTE-U에서는 비면허 대역이 LTE 캐리어 집합 프레임워크 내에서 2차 셀(SCell)로 사용됩니다. 면허 등록된 앵커가 1차 셀(PCell) 역할을 할 것입니다. 현재 스펙에서 비면허 대역은 기회가 있을 때만 다운링크(DL) 트래픽에만 사용됩니다. 향후에는 업링크(UL)도 고려될 것입니다.

LTE-U는 그림 1과 같이 LTE 웨이브폼의 주기 점유율 버전을 사용하여 비면허 채널에 접근합니다. LTE-U는 LTE-U 네크워크와 Wi-Fi 네트워크가 더욱 원활하게 공존할 수 있도록 알고리즘을 구현합니다. LTE-U 액세스 포인트(AP)는 Wi-Fi 및 기타 LTE-U 전송을 활발하게 살피며 네트워크 사용 패턴을 파악합니다. Wi-Fi 전송을 능동적으로 수신하면 채널 유형(1차/2차), 패킷 유형, 패킷 길이 등을 해석할 수 있습니다. 이 정보는 채널 활용을 평가하는데 사용할 수 있으며, 그 결과 동적으로 채널을 선택하고 주기 점유율을 조정할 수 있게 됩니다. LTE-U가 주기 점유율을 조정하는 데 사용하는 온라인 알고리즘을 CSAT(carrier sense adaptive transmission)라고 부릅니다[5]. 주기 점유율은 T_ON 및 T_OFF 값을 적절하게 변경하거나 T_ON 기간을 건너뛰어 주기적으로 더 긴 T_OFF 시간을 만들어 수정할 수 있습니다. 주기 점유율 분해능은 LTE 서브프레임(1ms) 경계에 있습니다.

그림 1: LTE-U 파형 예

LTE-U를 추진하는 사람들은 이러한 네트워크를 배포해도 Wi-Fi 네트워크 성능이 크게 저하되지 않는다는 결과를 보여주었습니다[6]. 그러나 [7]과 같은 논문으로도 알 수 있듯이, 일각에서는 이러한 의견에 동의하지 않습니다. 비면허 채널을 공정하게 공유하는데 필수적이라고 생각하는 LBT(listen before talk) 메커니즘(지연 주기 및 지수 백오프를 갖춘 Wi-Fi에서의 CSMA/CA)을 LTE-U가 구현하지 않기 때문입니다. 유럽과 일본 등 일부 국가는 비면허 대역에 반드시 LBT를 사용하도록 규정하고 있으므로 이러한 지역에는 LTE-U를 배포할 수 없습니다. LTE-U의 본질에 대한 논쟁 때문에 LBT 없이 LTE-U를 배포할 수 있는 미국의 FCC와 같은 규제기관은 에코시스템에서 받은 피드백을 검토하고 추가적인 규제의 필요성을 평가하고 있습니다[8].

면허 지원 접근 (LAA)

LAA는 비면허 대역에서 LTE에 대한 표준 기반 접근 방식입니다. 3GPP는 현재 LAA의 스펙을 작성하고 있으며 초기 버전은 LTE Release-13에 포함되어 발표될 것입니다[9]. LTE-U와 마찬가지로 비면허 캐리어는 DL용으로만 사용되는 SCell의 역할을 하며, 항상 앵커로 동작하는 면허 등록 PCell이 존재합니다. UL 작업은 향후 개정판에서 고려될 것입니다.

LTE-U와의 주요 차이점은 LAA의 경우 전 세계를 대상으로 설계되었기 때문에 LBT 프레임워크가 포함되어 있다는 점입니다. 현재 다양한 옵션이 논의되고 있으며, 초기 지연 주기와 지수 백오프가 있는 Wi-Fi와 비슷한 시스템이 포함될 예정입니다. 그림 2는 웨이브폼 예이며, 여기서 LBT는 채널을 감지하고 최대 10 LTE 서브프레임까지 전송 기회(TXOP)를 잡는데 사용됩니다.

Wi-Fi 제공업체들은 그들 스스로 공개 표준 구축 과정에 참여할 수 있으며 LBT 설계가 뛰어난 공존 성능을 달성하는데 필수적이라고 생각하기 때문에 LTE-U보다 LAA를 선호합니다.

그림 2: LAA 웨이브폼 예

3GPP는 LTE/Wi-Fi 공존 가능성이라는 연구 주제를 중심으로 하여 LAA를 추진하기 시작했으며[10], 특히 다음 설계 목표를 충족시킬 수 있는지 여부를 평가하고 있습니다.

• 지역에 관계없이 사용될 수 있는 글로벌 솔루션으로, 예를 들어 LBT를 구현하면 LBT의 의무 사용이 규정되어 있는 지역에서도 표준 준수 가능
• LAA와 Wi-Fi의 효과적이고 공정한 공존
• 여러 LAA 운영 노드 사이의 효과적이고 공정한 공존

기술 보고서[11]에서는 이 두 가지의 공존이 가능하다고 결론짓고, 보다 자세히 연구해야 할 몇 가지 PHY 개선 사항을 제시했습니다. 중요한 개선 사항 몇 가지가 섹션 2.3에 설명되어 있습니다. 이러한 PHY 향상에 대한 자세한 스펙은 작업 항목[9]의 일부가 될 것입니다.

한편 LTE-U는 주로 비면허 채널 접근에 LBT를 사용하도록 규정되어 있지 않은 미국, 한국, 중국, 인도 등의 지역을 대상으로 합니다. 따라서 LTE-U의 설계 목표는 위의 LAA 목록에서 마지막 두 가지입니다.

섹션 2.2에서 언급한 설계 목표를 충족시키기 위해 LAA를 지원할 수 있는 다음과 같은 기능이 제안되었습니다.

• 유휴 채널 진단을 포함한 채널 접근 프레임워크
• 최대 전송 기간이 제한되어 있는 비연속 전송
• 캐리어 선택을 위한 UE 지원 및
• AGC, 다양한 정밀도의 시간 및 주파수 동기화

이를 위해서는 다음 PHY 개선 사항을 도입해야 합니다.

• 불연속 전송(DTX)
• 송신 전 수신(LBT)

LTE-U의 경우, 주기 점유율과 천공법(puncturing)이 LTE 서브프레임 단위의 분해능에서 LTE 프레임 구조에 적용됩니다. 불연속 전송의 구현은 LTE-U 패턴에 대한 지원을 포함하도록 할 수 있습니다.

불연속 전송

비면허 스펙트럼의 경우, 일본과 같은 일부 국가에서는 연속 전송을 허용하지 않으며 전송 버스트의 최대 기간에 제한을 두고 있습니다. 뿐만 아니라 몇 명의 사용자가 동시에 매체를 공유하게 되므로 채널에 연속 접근하는 것이 불가능할 때도 있으며 이는 공정한 매체 공유를 위해서도 바람직하지 않습니다. 지금까지 LTE와 기타 셀룰러 표준이 연속 전송이 가능한 라이센스 스펙트럼 내에서 사용되어 왔으므로, 비연속 전송 기능을 추가하게 되면 몇 가지 설계상의 어려움이 생깁니다.

송신 전 수신

3GPP는 LAA의 글로벌 솔루션을 목표로 하며 일부 국가에서는 비면허 채널에 LBT를 의무적으로 사용하도록 규정하고 있으므로, LBT 기능은 LAA에 필수적입니다. [11]의 섹션 7.2.16과 섹션 8.2에는 다양한 LBT 방법이 제시되어 있으며, 광범위한 성능 평가의 결과가 [11]의 섹션 8.3과 부록 B에서 제공됩니다. LBT 카테고리 4(Cat 4)는 대부분의 사용 예에 적합하다고 식별된 것입니다. 이 백서 전체에 걸쳐 LBT Cat 4 절차는 그림 3과 같이 취급될 것이며, 이는 [11]의 그림 7.2.1.6-1 DL LAA SCell Cat 4 LBT 절차의 흐름도에 상응합니다.

LBT Cat 4 절차는 디바이스에 전송할 패킷이 있을 때 시작됩니다. 디바이스는 그 다음 초기 유휴 채널 진단(iCCA)을 실시하여 지정된 시간 동안 해당 채널이 유휴 상태인지 확인합니다. 채널이 비어 있는 것으로 판단되면 전송을 진행할 수 있습니다. 그렇지 않은 경우 디바이스는 슬롯에 따라 임의의 백오프 절차를 실시하며, 이 때 임의의 수는 경쟁 창이라 부르는 지정된 간격 내에서 선택됩니다. 흐름도의 확장 CCA(eCCA) 부분에서 볼 수 있는 것처럼 채널이 유휴 상태로 판명되면 백오프 카운트다운이 시작되며, 백오프 카운터가 0이 되면 전송이 시작됩니다.

각각 [12]와 [13]에서 확인할 수 있는 802.11과 LTE 어플리케이션 프레임워크는 이 LTE/Wi-Fi 공존 프로토타이핑 예에서 기반 역할을 합니다. 아키텍처 및 프레임워크 구현에 대한 자세한 정보는 [14]의 802.11 어플리케이션 프레임워크 관련 백서 및 [15]의 LTE 어플리케이션 프레임워크 백서에서 확인할 수 있습니다. 이 백서의 나머지 부분에서는 LTE 어플리케이션 프레임워크 아키텍처 및 구현에 대한 지식이 있다고 가정합니다.

LAA 채널 접근 프레임워크는 802.11 채널 접근 체계와 매우 비슷하므로, LTE 어플리케이션 프레임워크 내에서 802.11 채널 접근과 관련된 모듈을 재사용하는 것은 LAA LBT 기능을 구현할 때 가장 기본적으로 생각할 수 있는 방법 중 하나입니다.

기존 LTE 어플리케이션 프레임워크를 확장하여 비연속 전송 및 Cat 4 LBT를 구현하기 위해서는 다음 모듈/서브시스템에 그림 4, 5 같은 아키텍처 변경이 필요합니다.

• 비연속 송수신을 위한 리소스 맵퍼, TX 트리거 메커니즘, 동기화 단위의 제어.
• LBT를 위한 새로운 채널 감지 유닛과 TX 트리거 메커니즘의 통합.

그림 4: TX의 아키텍처 변경 사항

그림 5: RX의 아키텍처 변경 사항

이 섹션에서는 비연속 전송 및 LBT 카테고리 4를 구현하는 방법을 설명합니다.

불연속 전송

불연속 전송은 전체 LTE 스케줄링 방식의 주요 변경 사항입니다. LTE 어플리케이션 프레임워크에서는 OFDM 기호 리소스 블록 할당 기능과 임베디드 TX 트리거 메커니즘을 활용하여 이 기능을 구현할 수 있습니다. 두 가지가 다음에서 설명됩니다.

라디오 프레임 내에서 각 OFDM 기호에 대해 리소스 블록 할당을 정의할 수 있습니다. 이 할당은 호스트에서 두 단계로 수행됩니다.

1. 그림 6과 같이 서브프레임 단위로 하나의 라디오 프레임
2. 그림 7과 같이 PRB에서 서브프레임 단위 및 OFDM 기호 단위.

이 방법을 사용하면 LAA의 최대 전송 작업 시간 및 LTE-U의 주기 시간, 천공법, 마스터 주기의 설정을 지원할 수 있는 유연성을 확보하게 됩니다.

그림 6: 서브프레임 단위의 무선 프레임 정의

그림 8: 라디오 프레임 기반 트리거 또는 LBT 기반 트리거를 선택

그림 9: TXOP 서브프레임으로 비연속 전송을 하기 위해 DL 트랜스미터 수정

그림 10: TXOP 서브프레임으로 비연속 전송을 하기 위해 DL 리시버 조정

송신 전 수신 카테고리 4

그림 11은 LBT Cat 4 구현 사례의 설정 기능을 보여줍니다. "고정 백오프”가 비활성화되면 임의의 백오프 절차가 적용됩니다. 현재의 버전에는 HARQ 피드백이 포함되지 않았기 때문에 백오프는 항상 [0, CWmax-1]의 사이에서 선택됩니다. 또한 에너지 감지 임계값을 설정할 수 있습니다.

그림 11: LBT Cat 4 설정 기능

LBT Cat 4 최상위 레벨 모듈은 그림 12와 같이 NI 802.11 어플리케이션 프레임워크의 상태 머신과 전력 측정 유닛으로 구성되어 있습니다. 이 상태 머신의 목적은 LBT Cat 4 절차를 기반으로 하여 전력 측정 유닛을 제어함으로써 유휴 채널 진단을 수행하고 적절한 시기에 비연속 전송을 트리거하는 것입니다. 그림 13의 상태 머신은 그림 3의 LBT 절차를 따릅니다.

현재 버전의 코드는 LAA LBT를 위한 802.11 프리앰블 감지 기능이 없지만, NI 802.11 어플리케이션 프레임워크에 필요한 블록이 있으므로 기능을 확장하여 프리앰블 감지 기능을 구현할 수 있습니다.

그림 12: LBT Cat 4 최상위 모듈

초기 결과

기본 원칙을 보다 잘 이해하기 위해 그림 14 및 15와 같이 LTE eNB를 나타내는 하나의 USRP RIO와, UE 및 상용 Wi-Fi 부품을 사용하여 간단한 장치를 구성하였습니다. NI 802.11 어플리케이션 프레임워크를 USRP와 함께 사용해도 Wi-Fi 네트워크를 모방할 수 있습니다.

그림 14: 기본 LTE/Wi-Fi 공존 구성

그림 15: 실험실 환경에서 기본 LTE/Wi-Fi 공존 구성

그림 16에는 LTE-U 사용 사례에 대한 첫 번째 실험 결과가 나와 있습니다. 이 경우, 연속적인 DL 서브프레임 수와 라디오 프레임 한 개 사이의 비율을 변경하여 LTE-U 주기 점유율을 달리했습니다. 이 그래프는 그에 따른 Wi-Fi와 LTE-U 링크의 처리량 변화를 나타냅니다. 결과는 예상과 일치하며 LTE-U 주기 점유율을 낮출 때 높은 처리량과 높일 때 낮은 처리량을 보여줍니다.

그림 16: 다양한 주기 점유율 비율에 따른 레거시 Wi-Fi 802.11a와 LTE-U의 정규화된 처리량.

그림 17은 LAA eNB의 CCA 에너지 감지 임계점 다르게 설정했을 때 Wi-Fi 11ac VHT40과 LAA LBT Cat 4 시스템의 처리량이 각각 어떻게 변하는지 보여줍니다. Wi-Fi 11ac VHT40 노드와 LAA 노드 모두 -67dBm 정도의 RSSI로 서로를 보고 있습니다.

보다 많은 실험 및 결과는 3GPP에서 발간한 [16] 및 [17]에서 확인할 수 있습니다.

그림 17: LAA CAA 에너지 감지 임계점을 달리했을 때 LBT cat 4를 갖춘 Wi-Fi 802.11ac VHT40 및 LAA의 처리량

결론

NI 802.11 및 LTE 어플리케이션 프레임워크는 LTE와 Wi-Fi 간의 공존에 대한 연구를 지원하는 중립적 플랫폼에 대한 새로운 수요를 충족하는 어플리케이션을 구축하는 데 사용되었습니다.  이미 제안되었거나 구상된 모든 방법은 차후에 이 테스트 베드를 사용하여 구현될 수 있습니다. 

이 백서에서는 LTE와 Wi-Fi의 PHY 계층 공존을 연구할 수 있도록 기본적인 개념 및 아키텍처, 필수적인 구성 요소를 살펴보았습니다. 구체적으로 다음과 같은 기능의 설계에 대해 논의하였습니다.

• 불연속 전송
• 송신 전 수신

비연속 전송 기능을 구현하면 LTE-U뿐만 아니라 LAA도 지원할 수 있게 됩니다. 이 기능은 손쉽게 설정이 가능하므로 CSAT 알고리즘과 같은 알고리즘을 간단하게 플러그인하여 LTE-U 주기 점유율을 제어할 수 있습니다. 비연속 전송을 설정 가능한 LBT Cat 4와 함께 조합하면 LAA 채널 접근 프레임워크의 기초를 구축할 수 있으며 추가적인 연구는 물론 실제 실험에도 활용 가능합니다. 초기 실험 결과는 테스트베드와 도구가 LTE-U는 물론 LAA에도 준비되어 있음을 입증했습니다.

이 프로토타입을 사용하면 LTE-U의 주기 점유율, LAA의 TXOP, CCA 에너지 감지 임계점, 경쟁 창 크기를 손쉽게 설정할 수 있기 때문에 다양한 실험을 통해 LTE와 Wi-Fi가 공존할 수 있는 방법 및 다양한 사용 예에서 파라미터를 최적화하는 방법을 보다 심도 깊게 이해할 수 있습니다. 개방형 아키텍처는 보다 정교한 공존 체계로의 쉬운 수정과 확장을 가능하게 합니다.

NI 802.11 및 LTE 어플리케이션 프레임워크를 기반으로 한 LTE/Wi-Fi 공존 프로토타이핑의 예는 다음 경우에 즉시 사용할 수 있는 솔루션입니다.

• 개발 엔지니어들이 테스트베드 내에서 중립적 솔루션을 실험할 때
• 배포 엔지니어들이 특정 배포 사용 예와 시나리오에 적절한 운영 지점을 탐색할 때
• 과학자들이 고정 및 애드혹 무선 시스템의 융합을 연구할 때
• D2D[18], LWA[3], MulteFire[19] 등의 다른 LTE / Wi-Fi 공존 방식을 테스트하고 프로토타이핑하기 위해 기능을 확장할 때. 

다음 단계

• LTE 어플리케이션 프레임워크에 대해 자세히 알아보기
• 802.11 어플리케이션 프레임워크에 대해 자세히 알아보기
• 소프트웨어 평가판 다운로드

참고문헌