5 GHz 비면허대역 무선랜과의 상호공존을 위한 LTE 시스템의 채널접속방법에 관한 연구 A Study on Channel Access Mechanism of LTE for Coexistence with Wi-Fi on 5 GHz Unlicensed Spectrum원문보기
무선 트래픽이 급증함에 따라 활용 가능한 주파수 자원을 확보하고, 기존 사용자와 공동으로 주파수를 사용하기 위한 상호공존 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 이동통신 무선접속표준을 제정하는 3GPP에서도 면허대역에서 제공되던 이동통신시비스를 5 GHz 비면허대역으로 확장하기 위한 표준기술 개발을 시작하였다. 캐리어 집성기술을 기반으로 면허대역의 보조 캐리어로 5 GHz 대역을 활용하는 시나리오를 가정하고 있으며, 기존 Wi-Fi 시스템과 상호공존할 수 있는 기술개발이 핵심 요구사항으로 정의되었다. 3GPP에서는 각국의 기술기준을 모두 만족할 수 있는 단일 기술개발을 목표로 삼고 있으므로, 현재 유럽 기술기준의 Listen-Before-Talk 기반 Frame based Equipment와 Load based Equipment 채널접속방법을 Wi-Fi와 주파수 자원을 공유하기 위한 기술로 우선 검토하고 있다. 본 논문에서는 두 가지 방식에 대하여 설명하고, 비면허대역 LTE 표준에 적용하는 경우, 구현 및 표준관점에서의 고려할 사항을 정의하고 있다. 또한, 세 가지 동작 시나리오에서 파일전달지연시간과 전송률의 성능지표로 두 방식의 성능을 비교 분석한다.
무선 트래픽이 급증함에 따라 활용 가능한 주파수 자원을 확보하고, 기존 사용자와 공동으로 주파수를 사용하기 위한 상호공존 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 이동통신 무선접속표준을 제정하는 3GPP에서도 면허대역에서 제공되던 이동통신시비스를 5 GHz 비면허대역으로 확장하기 위한 표준기술 개발을 시작하였다. 캐리어 집성기술을 기반으로 면허대역의 보조 캐리어로 5 GHz 대역을 활용하는 시나리오를 가정하고 있으며, 기존 Wi-Fi 시스템과 상호공존할 수 있는 기술개발이 핵심 요구사항으로 정의되었다. 3GPP에서는 각국의 기술기준을 모두 만족할 수 있는 단일 기술개발을 목표로 삼고 있으므로, 현재 유럽 기술기준의 Listen-Before-Talk 기반 Frame based Equipment와 Load based Equipment 채널접속방법을 Wi-Fi와 주파수 자원을 공유하기 위한 기술로 우선 검토하고 있다. 본 논문에서는 두 가지 방식에 대하여 설명하고, 비면허대역 LTE 표준에 적용하는 경우, 구현 및 표준관점에서의 고려할 사항을 정의하고 있다. 또한, 세 가지 동작 시나리오에서 파일전달지연시간과 전송률의 성능지표로 두 방식의 성능을 비교 분석한다.
With explosion of wireless traffic it is required to further investigate the technologies on acquiring available spectrum resources and on sharing frequency with existing users. In 3GPP, it is started to study on feasibility and functional requirement of LTE standard in order to extend cellular serv...
With explosion of wireless traffic it is required to further investigate the technologies on acquiring available spectrum resources and on sharing frequency with existing users. In 3GPP, it is started to study on feasibility and functional requirement of LTE standard in order to extend cellular services offered on only licensed band to 5 GHz unlicensed band. Operating scenario on LTE in unlicensed band is focused on carrier aggregation with licensed band, and the coexistence with Wi-Fi services in 5 GHz band is concerned as a major requirement. For a single global solution framework for licensed assisted access to unlicensed spectrum, listen-before-talk(LBT) mechanism of European regulation for fair access to channel under the coexistence environments is currently examined in 3GPP. In this paper, we evaluate two types of LBT, frame based equipment and load based equipment, with considering LTE carrier aggregation feature and performances of file transferred time and throughput.
With explosion of wireless traffic it is required to further investigate the technologies on acquiring available spectrum resources and on sharing frequency with existing users. In 3GPP, it is started to study on feasibility and functional requirement of LTE standard in order to extend cellular services offered on only licensed band to 5 GHz unlicensed band. Operating scenario on LTE in unlicensed band is focused on carrier aggregation with licensed band, and the coexistence with Wi-Fi services in 5 GHz band is concerned as a major requirement. For a single global solution framework for licensed assisted access to unlicensed spectrum, listen-before-talk(LBT) mechanism of European regulation for fair access to channel under the coexistence environments is currently examined in 3GPP. In this paper, we evaluate two types of LBT, frame based equipment and load based equipment, with considering LTE carrier aggregation feature and performances of file transferred time and throughput.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
특히 유럽 5 GHz 기술기준에 정의된 두 가지 LBT 방식을 준수해야 하므로, 두 방식이 비면허대역 LTE 시스템의 표준개정 범위와 동작 성능에 미치는 영향이 검토되어야 한다[3]. 따라서 본 논문에서는 현재 3GPP에서 LBT 기술로 고려하고 있는 유럽 두 가지 LBT 방식을 상세하게 소개하고, 세 가지 시나리오 환경에서의 두 방식에 따른 파일전송시간과 전송률을 비교분석하여, 비면허대역 LTE 시스템의 채널접속방식을 결정하는데 활용될 수 있는 성능 결과를 제시한다.
본 논문에서는 현재 3GPP에서 표준화 중인 5 GHz 비면허대역에서의 LTE 표준기술에 대한 동향과 Wi-Fi와 상호공존을 위해 검토되고 있는 LBT 기술을 다루었다. 유럽의 LBT 기술 기준으로 제안된 LBE와 FBE 방식에 대한 설명과 다양한 동작 시나리오에서의 각 방식의 성능분석 결과를 제시하여, LBE 기반의 비면허대역 LTE가 우수한 전송률과 파일전송시간 성능을 갖는 것을 확인하였다.
가설 설정
기술기준과 관련하여 무선채널 점유상태 판단은 LTE는 eNodeBs, Wi-Fi는 APs와 Stations이 신호 전송 전에 CCA를 수행하며, 비면허대역 LTE의 최대채널점유 시간은 일본의 기술기준을 고려하여 4 ms로 한다. 무선채널의 영향은 채널접속 관점의 성능 분석에 초점을 맞춰 Error free 환경을 가정하고, 각 무선기기의 전송 신호를 다른 무선기기가 모두 검출할 수 있는 것으로 한다. 표 2는 유럽 LBT 기술기준 등 시뮬레이션에 적용된 파라메터를 정리한 것이다.
성능 지표는 각 기지국에 도착한 파일이 수신단에 도달할 때까지 소요되는 파일전달 시간(File Transferred Time: FTT)과 전송률(Throughput)에 대한 누적분포함수 Cumulative Distribution Function (CDF)와 평균값을 사용한다. 서로 다른 환경에서의 FBE와 LBE의 성능을 비교하기 위하여 그림 2와 같이 세 가지 시나리오를 가정한다. 시나리오 Ⅰ과 Ⅱ는 FBE와 LBE 중 하나의 방식만 존재하는 경우와 두 방식이 공존하는 환경이고, 시나리오 Ⅲ은 FBE 또는 LBE가 Wi-Fi와 공존하는 환경으로 Wi-Fi는 LBE와 유사한 IEEE802.
실험에 적용된 ITBS=7, 25 조건은 LBE와 FBE 사이의 성능 차이가 상대적으로 줄어드는 점 외에는 ITBS=0과 유사한 패턴이므로 본 논문에 따로 제시하지는 않는다. 세 가지 시나리오에서 채널 점유를 시도하는 무선국의 총 수는 6개로 가정하며, 각각은 0.5 Mbytes의 FTP 파일이 2.5s의 도착율(File Arrival Rate)을 갖는 트래픽 모델을 사용한다. 시나리오 Ⅲ의 경우, 5개 Wi-Fi Station이 AP로 각각 QPSK, 1/2 코드율(13 Mbps)을 사용하여 데이터를 전송하는 것으로 한다.
제안 방법
본 장에서는 3장에서 제기한 성능 관점 이슈를 검증하기 위하여 세 가지 시나리오 조건에서 두 방식의 시뮬레이션 수행 결과를 분석한다. LTE 시스템에 적용될 상세 LBT 표준기술은 3GPP에서 현재 논의 중이므로 면허 및 비면허대역 캐리어 집성(Carrier Aggregation) 동작에 따른 영향은 배제하고, 비면허대역의 무선채널접속 방식에 따른 영향만을 비교 분석한다. 성능 지표는 각 기지국에 도착한 파일이 수신단에 도달할 때까지 소요되는 파일전달 시간(File Transferred Time: FTT)과 전송률(Throughput)에 대한 누적분포함수 Cumulative Distribution Function (CDF)와 평균값을 사용한다.
본 장에서는 3장에서 제기한 성능 관점 이슈를 검증하기 위하여 세 가지 시나리오 조건에서 두 방식의 시뮬레이션 수행 결과를 분석한다. LTE 시스템에 적용될 상세 LBT 표준기술은 3GPP에서 현재 논의 중이므로 면허 및 비면허대역 캐리어 집성(Carrier Aggregation) 동작에 따른 영향은 배제하고, 비면허대역의 무선채널접속 방식에 따른 영향만을 비교 분석한다.
일부 대역에서 동작하고 있는 레이더 시스템을 보호할 수 있도록 각 국가의 5 GHz 비면허대역 기술기준을 검토하고, 이를 표준기술에 반영하기로 하였다. 이와 함께 면허대역에서 독점적으로 운용되던 LTE 시스템이 경쟁기반의 무선채널접속방식을 사용하는 Wi-Fi 시스템과 공평하게 자원을 공유하도록 Listen-Before-Talk(LBT) 기반의 상호공존 기술을 표준기능 요구사항으로 정의하였다. 특히 유럽 5 GHz 기술기준에 정의된 두 가지 LBT 방식을 준수해야 하므로, 두 방식이 비면허대역 LTE 시스템의 표준개정 범위와 동작 성능에 미치는 영향이 검토되어야 한다[3].
표준기술 관점에서는 3rd Generation Partnership Project(3- GPP)가 면허대역의 이동통신 시스템을 5 GHz 비면허대역에서도 활용할 수 있도록 새로운 LTE 표준기술 개발을 시작하고 있다. 일부 대역에서 동작하고 있는 레이더 시스템을 보호할 수 있도록 각 국가의 5 GHz 비면허대역 기술기준을 검토하고, 이를 표준기술에 반영하기로 하였다. 이와 함께 면허대역에서 독점적으로 운용되던 LTE 시스템이 경쟁기반의 무선채널접속방식을 사용하는 Wi-Fi 시스템과 공평하게 자원을 공유하도록 Listen-Before-Talk(LBT) 기반의 상호공존 기술을 표준기능 요구사항으로 정의하였다.
이론/모형
LTE 시스템에 적용될 상세 LBT 표준기술은 3GPP에서 현재 논의 중이므로 면허 및 비면허대역 캐리어 집성(Carrier Aggregation) 동작에 따른 영향은 배제하고, 비면허대역의 무선채널접속 방식에 따른 영향만을 비교 분석한다. 성능 지표는 각 기지국에 도착한 파일이 수신단에 도달할 때까지 소요되는 파일전달 시간(File Transferred Time: FTT)과 전송률(Throughput)에 대한 누적분포함수 Cumulative Distribution Function (CDF)와 평균값을 사용한다. 서로 다른 환경에서의 FBE와 LBE의 성능을 비교하기 위하여 그림 2와 같이 세 가지 시나리오를 가정한다.
성능/효과
그러나 실제 환경에서 모든 단말이 기지국(eNodBe)에 의하여 제어되고 스케줄링 되는 LTE 시스템은 하나의 셀 단위로 채널접속을 시도할 가능성이 높으므로, 모든 STA들이 채널접속을 시도하는 Wi-Fi에 비하여 접속에 참여하는 무선국의 수가 상대적으로 작아질 수 있다. 따라서 FBE로 LTE를 운용하더라도 전체 시스템 성능의 개선 효과가 높아지지 않을 수 있으므로 LBE 방식으로 LTE를 운용하는 것이 시스템 및 비면허대역 LTE 성능관점에서 효과적일 것으로 판단된다.
따라서 그림 8과 9의 LBE와 FBE 의 기울기가 그림 5와 6의 기울기와 다른 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다. 세 가지 시나리오의 시뮬레이션 결과로부터 Wi-Fi와 LTE가 공존하는 상황에서 전체 네트워크 성능을 최대화하려면 비면허대역 LTE를 FBE 방식으로 고려할 수 있으나, LTE의 성능을 최대화하기 위해서는 LBE 방식이 요구되는 것을 확인할 수 있었다. 그러나 실제 환경에서 모든 단말이 기지국(eNodBe)에 의하여 제어되고 스케줄링 되는 LTE 시스템은 하나의 셀 단위로 채널접속을 시도할 가능성이 높으므로, 모든 STA들이 채널접속을 시도하는 Wi-Fi에 비하여 접속에 참여하는 무선국의 수가 상대적으로 작아질 수 있다.
본 논문에서는 현재 3GPP에서 표준화 중인 5 GHz 비면허대역에서의 LTE 표준기술에 대한 동향과 Wi-Fi와 상호공존을 위해 검토되고 있는 LBT 기술을 다루었다. 유럽의 LBT 기술 기준으로 제안된 LBE와 FBE 방식에 대한 설명과 다양한 동작 시나리오에서의 각 방식의 성능분석 결과를 제시하여, LBE 기반의 비면허대역 LTE가 우수한 전송률과 파일전송시간 성능을 갖는 것을 확인하였다.
반면, LBE의 경우, 정의된 COT=4 m마다 ECCA의 백오프를 수행해야하고, 서로 다른 무선국의 동일한 백오프 카운터 값 선택에 의한 충돌이 발생하여 FBE에 비하여 상대적으로 성능이 열하된다. 평균적인 성능 결과인 그림 4에서도 Throughput과 FTT 모두 FBE가 LBE에 비하여 우수한 결과가 도출되었다. 그림 5, 6은 시나리오 Ⅱ의 결과로써 총 6개의 비면허대역 LTE eNodeB가 존재하고, 이중 FBE와 LBE를 사용하는 비율(F:L)에 따른 분석 결과이다.
후속연구
두 가지 LBT 방식을 비면허대역 LTE에 적용한다면 구현 및 동작관점과 성능관점에서 검토되어야 할 것이다. LTE의 캐리어 집성을 고려할 때 1 ms의 기본 서브프레임 단위로 면허대역과 비면허대역 Cell들이 동기가 이루어져야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
IoE의 가장 중요한 요구사항은 무엇인가?
"Connected House", "Connected Car" 등의 공간 제약을 극복하고 생활의 편리성을 증대할 수 있는 다양한 서비스 모델이 소개되고 있으며, IoE를 지원하기 위한 무선통신 기술 관련 연구가 학계 및 표준단체에서 활발히 논의되고 있다. 그러나 IoE의 가장 중요한 요구사항은 향후 폭발적으로 증가하게 될 통신모듈에 의한 무선 트래픽을 수용할 수 있는 전파자원 확보이다. 이를 위해 각국에서는 주파수 회수/재배치나 밀리미터파 대역과 같은 신규 주파수를 확보, 발굴하고 있으며, 서로 다른 이기종 시스템이 수직적 또는 수평적으로 상호 공존하며 동일 대역을 공동으로 사용하는 방안을 검토하고 있다.
일본의 LBT와 유럽의 FBE와 LBE의 성능 지표 분석을 위해 무엇을 사용하였는가?
LTE 시스템에 적용될 상세 LBT 표준기술은 3GPP에서 현재 논의 중이므로 면허 및 비면허대역 캐리어 집성(Carrier Aggregation) 동작에 따른 영향은 배제하고, 비면허대역의 무선채널접속 방식에 따른 영향만을 비교 분석한다. 성능 지표는 각 기지국에 도착한 파일이 수신단에 도달할 때까지 소요되는 파일전달 시간(File Transferred Time: FTT)과 전송률(Throughput)에 대한 누적분포함수 Cumulative Distribution Function (CDF) 와 평균값을 사용한다. 서로 다른 환경에서의 FBE와 LBE 의 성능을 비교하기 위하여 그림 2와 같이 세 가지 시나리오를 가정한다.
전파자원 확보를 위해 각국에서는 어떠한 노력을 하고 있는가?
그러나 IoE의 가장 중요한 요구사항은 향후 폭발적으로 증가하게 될 통신모듈에 의한 무선 트래픽을 수용할 수 있는 전파자원 확보이다. 이를 위해 각국에서는 주파수 회수/재배치나 밀리미터파 대역과 같은 신규 주파수를 확보, 발굴하고 있으며, 서로 다른 이기종 시스템이 수직적 또는 수평적으로 상호 공존하며 동일 대역을 공동으로 사용하는 방안을 검토하고 있다. 최근 5 GHz 대역과 관련한 다양한 논의도 이러한 주파수이용 정책의 일환으로 볼 수 있다.
참고문헌 (5)
FCC 13-22, "Notice of proposed rulemaking", Feb. 2012.
DIGITALEUROPE, "DE position on additional spectrum in 5 GHz", 2012.
ETSI EN 301 893, Harmonized European Standard, "Broadband Radio Access Networks(BRAN); 5 GHz high performance RLAN(v1.7.1)", Jun. 2012.
3GPP TR 36.889 v0.1.1, "Study on Licensed-Assisted Access to Unlicensed Spectrum(Release 13)", Sep. 2014.
IEEE802.19-14/0082r0, Overview of EU LBT and its Effectiveness for Coexistence of LAA LTE and Wi-Fi, Nov. 2014.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.