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Sharp 논문 정리

May 2022

개요

SHARP: Towards the Integration of Time-Sensitive Communications in Legacy LAN/WLAN IT와 OT를 하나의 네트워크로 처리할 수 있을 만큼 5G는 high data rate, high reliability, low latency, connectivity를 제공합니다. 그러나 스마트공장과 같은 closed-loop 환경에서는 Ultra-Reliable, Low-Latency Communication(URLLC) with a high refresh rate 또는 periodic URLLC이 필요합니다. 그런 환경은 WLAN이 적합한 네트워크이지만 기존 WLAN으로는 스마트공장에서 원하는 성능을 낼 수 없습니다. 그것을 해결하기 위해 Synchronous and Hybrid Architecture for Real-Time Performance (SHARP)를 제안합니다. SHARP는 TSN을 통해 periodic URLLC을 지원하며 802.11 기반 TSN을 위한 무선 확장이기도 합니다. 그러나 SHARP는 URLLC만 지원한다는 의미는 아니며 Best-Effort traffic입니다. 이 논문은 어떻게 interference-free 상태와 무선 SHARP를 조절할 지 그리고 802.11로 SHARP를 사용할 수 있을 지에 집중했습니다. 우리는 SHARP 네트워크를 OMNeT으로 구현했으며 그 성능 결과를 시뮬레이팅했습니다.

소개

Ultra-Reliable Communications (URC)는 무선 통신 기술을 위한 다음 단계입니다. IoT, 스마트 탈것, 자동화 공장에 쓰이며 이를 위해서는 high data rate와 URC가 필요합니다. 5G에서 Ultra-Reliable and Low-Latency Communications (URLLC)가 되기 위해서는 2가지 조건을 만족해야합니다.

한정된 노드 수 (10-100)에서 매우 낮은 지연시간(1ms)
높은 신뢰성(Packet Error Rate(PER)이 $10^{-5}$ 미만)

URLLC는 2가지 세부 사항으로 나누어집니다. aperiodic URLLC, periodic URLLC 줄여말해서 AURRLC, PURRLC라고 하겠습니다. 5G는 둘 모두를 지원해야합니다. 5G의 목표 PER은 $10^{-9}$이하이며 지연 시간은 각 패킷 뿐만 아니라 한 컨트롤 사이클 내에서 패킷들에서도 낮아야합니다. 공장은 20-100개의 센서를 가지고 있으며 0.5-1 ms 내로 데이터를 동기화하고 전송해야합니다.

여튼 현재 WLAN 기술로는 위의 요구사항을 충족시킬 수 없으므로 SHARP를 제안하여 충족시키고자합니다. 유선에서는 Ethernet Time Sensitive Networking (TSN) 네트워크입니다. 무선에서는 이 TSN의 확장이라고 볼 수 있습니다. 새로운 PHY와 TDMA MAC을 사용한

무선 SHARP는 PURLLC를 지원할 만큼 성능은 충분하지만 IT traffic을 지원하지 않습니다. 802.11과의 호환성을 제공하는 것이 옳을 거라 생각합니다. 802.11을 지원하면 비표준 솔루션을 사용하는 것과 달리 상용 장치와 통신할 수 있고 이미 구축된 네트워크에 더 쉽게 통합할 수 있는 장점이 있습니다. 그러기 위해서 무선 SHARP는 802.11 표준(MAC, PHY)을 지원할 뿐만 아니라 URLLC 기능을 관리할 때 802.11과 충돌이 없어야합니다. 그래서 LAN/WLAN에서 OT와 IT 트래픽을 지원하기 위해 legacy 네트워크에 통합하는 방법을 주로 다룹니다.

SHARP 설명

SHARP는 PER, 지연 시간, 결정성(determinism)에서 염격한 요구 사항이 있는 시나리오를 위해 설계된 하이브리드 네트워크 아키텍처입니다. 유선에서는 TSN, 무선에서는 802.11g 기반 새로운 무선 통신 시스템을 사용합니다.

무선 SHARP 성능을 더욱 향상시키기 위해 정의해야 하는 몇 가지 세부 사항이 있습니다. 본 논문에서는 MAC 계층을 약간 업그레이드하고 PHY 계층 정의를 재검토합니다.

A. 네트워크 토폴로지

트리 구조는 높은 확장성, 구성 용이성, 고성능 사이의 절충으로 URLLC의 요구 사항을 충족하기 위한 최상의 옵션으로 선택되었습니다. 네트워크는 TSN 네트워크, TSN 네트워크에 접속하기 위한 SHARP Access Points(APs), 각 SHARP AP에 무선으로 연결된 여러 노드로 구성되어있습니다. SHARP AP에 연결된 노드는 RT 노드(SHARP 노드) 또는 802.11 노드가 될 수 있으며 일부 노드는 유선으로 연결될 수 있습니다.

B. MAC 계층

무선 SHARP MAC은 TDMA 기반 MAC으로 SuperFrame 내 재전송을 통해 높은 신뢰성과 낮은 지연시간을 갖도록 설계되었습니다.

SuperFrame은 RT 기간과 Legacy 기간의 두 기간으로 나뉩니다. RT 기간은 무선 SHARP 전송을 담당하는 반면 legacy 기간은 모든 노드에서 Best-Effort 정보를 전송하는 데 사용합니다. RT 기간은 더 세부적으로 4개의 기간 RT DownLink(DL) 기간, DL RTx/CC 기간, RT UpLink(UL) 기간, UL RTx 기간으로 나뉘어집니다. UL RTx 기간은 legacy 기간의 시작을 공유합니다.

legacy 기간은 2개의 기간 Best-Effort(BE) 기간과 Controlled Phase(CP) 기간으로 나뉩니다. CP 기간은 RT 기간이 시작하기 전에 충돌을 피하기 위해 802.11 노드 엑세스를 연기하는 데 사용됩니다.

C. PHY 계층

preamble: 네트워크 통신에서 두 개 이상의 시스템간에 전송 타이밍을 동기화하기 위해 사용되는 신호

무선 SHARP의 PHY는 802.11g PHY 계층의 변형을 기반으로 합니다. 지금은 802.11g 코더가 사용되는데, 그 이유는 간단하고 잘 알려진 코더이기 때문입니다. 그러나 좋은 성능을 내기 위해 미래에는 수정될 겁니다. 무선 SHARP PHY의 구별되는 특징은 packet rate를 크게 증가시키는 낮은 프레임 오버헤드입니다. 낮은 오버헤드는 MAC 오버헤드 최적화와 하나는 DL 프레임, 다른 하나는 UL 프레임에서 정의된 이중 파형을 통해 달성할 수 있습니다. 한편, PURLLC 트래픽의 주기성은 PHY 레밸에서 프레임 집합(frame aggregation)을 사용하여 모든 downlink packet을 하나의 downlink 프레임으로 전송하기 위해 사용됩니다. 이 기술을 통해 무선 SHARP는 서로 다른 사용자에게 다른 신뢰성을 제공할 수 있습니다. (downlink 프레임 내부의 각 서브 프레임은 서로 다른 변조 방식을 사용할 수 있음) 이를 위해 각 서브 프레임의 OFDM 심볼은 preamble과 함께 하나의 프레임에 첨부(attached)됩니다. TDMA MAC와 영구 스케줄러(persistent scheduler) 덕분에 모든 노드는 프레임 내에서 서브 프레임의 위치와 변조를 알고 있으므로 이것은 쉽게 찾을 수 있습니다. 반면, UL 프레임에서는 단축된 preamble을 사용하며 AP에서 검출 복잡도를 줄이기 위해 노드에서 동적 전력 제어 및 주파수 보정을 수행한다.

A. 무선 SHARP와 802.11 호환성

무선 SHARP와 802.11의 호환성은 시간 다중화를 통해 얻어집니다. 호환성은 SHARP AP가 802.11 노드와 통신할 수 있을 뿐만 아니라 RT 기간 동안 전송하지 않도록 해야합니다. 이는 802.11이 random access 절차를 사용하기 때문에 어렵습니다. 다름의 4가지 상태를 만족해야 충돌 없이 SHARP 노드와 802.11 노드가 공존할 수 있습니다.

802.11 노드는 RT 기간 동안 채널에 접속 할 수 없어야 합니다. 충돌 유형(a)
SuperFrame에서 재전송이 필요한 경우 RTx UL/BE 기간 동안 전송된 802.11 프레임이 없어야 합니다. 충돌 유형(b)
BE 기간 동안 802.11 노드에 의해 전송된 802.11 프레임은 RT 기간을 차지해서는 안됩니다. 충돌 유형(c)
겹치는 인접 채널에서 802.11 전송이 없어야 합니다. 충돌 유형(d)

4가지 상태에 대한 자세한 설명은 표를 참고하시길 바랍니다. BE 동안 802.11 프레임 사이의 충돌이 Carrier Sense Multiple Access의 충돌 회피(CSMA/CA) 방식의 의해 일어날 수 있습니다.

1. Virtual Carrier Sense blocking through CTS-to-self

모든 SuperFrame이 시작되기 전에 AP는 적어도 하나의 Clear-To-Send(CTS) 프레임을 낮은 802.11g rate(예를 들어 12 Mbps)로 보내야 합니다. CTS의 내용은 다음과 같습니다:

duration 필드는 다음 SuperFrame RT 기간 + SuperFrame 시작까지 남은 시간으로 설정해야합니다.
도착 MAC 주소 필드는 AP MAC 주소로 설정해야합니다.

duration 필드는 프레임을 받은 모든 802.11 노드가 Network Allocation Vector(NAV)를 duration 필드로 설정해야함을 지시합니다. NAV는 채널이 idle인지 busy인지 가상으로 알기 위해 가상으로 알기 위해 노드에서 사용하는 하강 카운터입니다. 값이 0 us보다 크면 채널이 busy, 값이 0 us이면 채널이 idle임을 가정하여 스테이션이 중간에 엑세스 할 수 있습니다.

이 메커니즘은 유형(a) 충돌을 방지하는 데 사용됩니다. 그러나 잘못된 채널 조건으로 인해 일부 802.11 노드에서 프레임이 올바르게 복조되지 않을 수 있으므로 두 가지 추가 메커니즘이 포함됩니다:

2. SIGNAL symbol in DL frame

DL 프레임에서 사용되는 무선 SHARP long preamble Wavefrom은 802.11g와 호환됩니다. preamble의 3번째 필드인 SIGNAL 심볼은 802.11g 노드에서 프레임 디코딩 정보 중에서 전송된 프레임 방송(airtime) 시간을 알기 위해 사용됩니다. 프레임 방송(airtime) 시간은 수신 모드에서 802.11g 노드를 차단하거나 RT 기간 무선 채널에 접속하는 것을 거부하는 데 사용될 수 있습니다. 이를 위해 SIGNAL 심볼의 MCS(Modulation and Coding Scheme) 필드가 0(최저 PHY rate, 6 Mbps)으로 설정되고 길이(length) 필드 값은 802.11노드가 첫번째 DL 프레임 방송(airtime) duration과 RT 기간이 동일함을 감지합니다. 이 잘못된 프레임은 Frame Check Sequence(FCS) 필드로 인해 높은 확률($1-1/2^{32}$)로 폐기됩니다. length field 계산:

\[length = \lfloor{(t_{RT})/T_{OFDMS} \cdot NBPS - N_{SB} - N_{PB} \over 8}\rfloor,\]

$t_{RT}$는 전체 RT 기간, $T_{OFDMS}$는 각 OFDM 심볼(4 us)의 기간, $NBPS$는 각 OFDM 심볼의 비트 수 (MCS = 0일때, 24 비트), $N_{SB}$와 $N_{PB}$는 service와 padding zeros로 값은 16과 6입니다. 연산자 $\lfloor \cdot \rfloor$는 내림하여 정수로 만드는 연산자입니다.

3. PHY Carrier sense in RT 기간

PHY Carrier sense는 802.11에서 채널이 busy인지 idle인지 RF 채널의 에너지를 지속적으로 읽어서 판단하는 메커니즘입니다. RT 기간이 무선 전송에 의해 완전히 점유되기 때문에 채널은 802.11 노드에 대한 RT 기간 동안 사용 중인 것으로 나타나야 합니다. 802.11 표준은 채널이 사용 중인지 여부를 결정하기 위해 감지된 최소 전력을 62 dBm과 같이 상대적으로 높은 Rx 전력으로 정합니다.

4. STA에서 RTS/CTS 메커니즘 활성화(선택 사항)

802.11에서 RTS/CTS 메커니즘은 숨겨진 노드 문제와 프레임 충돌 줄이기를 위해 사용됩니다. 무선 SHARP에서는 802.11 노드로 인해 발생한 트래픽을 제어하는데 유용하게 쓰입니다. RTS/CTS를 사용하여 802.11 트래픽 예측 가능성 및 제어를 향상시킵니다. 그러나 RTS/CTS 메커니즘이 airtime을 낭비해 Best-Effort traffic rate이 감소합니다.

RTS/CTS 메커니즘이 활성화되면 AP는 RTS 프레임에서 요청한 채널 점유 시간($t_{d,RTS})이 남은 Best-Effort time $t_{BEr} 빼기 CTS 프레임 전송에 필요한 시간 $t_{CTS}$ 그리고 Short InterFrame Space (SIFS) $t_{SIFS}$ (16 us)와 비교하여 처리합니다. RTS 프레임이 요청하는 채널 점유 시간은 CTS 응답 프레임, 데이터 프레임, ACK 프레임 전송 그리고 3개의 SIFS 기간을 포함합니다.

\[t_{BEr} - t_{CTS} - t_{SIFS} > t_{d,RTS\cdot}\]

위의 식이 참이면 AP는 RTS 프레임에 노드의 MAC 주소를 포함하는 CTS 프레임으로 응답하여 데이터 전송을 시작해야합니다. 반면에 거짓이라면 AP는 응답하지 않습니다.

5. CP before RT period

CP는 유형(c) 충돌을 피하고 적어도 하나의 CTS-to-self 프레임의 전송을 보장하는 메커니즘으로 사용됩니다. 그러기 위해서 SHARP AP는 Best-Effort 기간이 끝나기 전 microseconds 안에 채널에 엑세스 해야합니다. CP가 시작되고 채널이 idle이 되자마자 CP가 끝날 때까지 CTS-to-self 프레임 버스트(burst)를 전송해야합니다. 그러므로, CP 시작 시채널이 idle이면 AP는 CTS 프레임을 전송해야합니다. 반면에 현재 전송이 있는 경우 AP는 현재 전송이 끝날 때까지(ACK를 포함) 기다려야합니다. 이 메커니즘은 SHARP AP가 아닌 802.11 노드에서 사용하도록 고안되었습니다. CTS-to-self 프레임은 하위 섹션 III.A.1에 따라 채워져야합니다.

CP 기간은 802.11 프레임이 RT 기간을 방해하지 않고 CTS-to-self 프레임을 전송하기에 충분한 시간이 있음을 보장할 만큼 충분히 높아야합니다. CP 기간은 CTS/RTS 메커니즘 활성화 여부에 따라 다릅니다:

RTS/CTS 비활성화: CP 기간은 프레임 전송 시간, ACK, CTS-to-self, 3 SIFS 합과 같아야합니다. $t_{CP} = t_{frame} + t_{ACK} + 3 \cdot t_{SIFS, sta} + t_{CTS,}$
RTS/CTS 활성화: CP 기간은 RTS 프레임 전송 시간, CTS-to-self, 2 SIFS 합과 같아야합니다. $t_{CP} = t_{RTS} + t_{CTS} + 2 \cdot t_{SIFS,sta\cdot}$

6. 802.11 frames maximum duration

최대 802.11 프레임 사이즈는 프레임 교환이 Best-Effort 기간을 초과하지 않도록 작아야 합니다. 802.11 노드가 작은 프레임을 보내는 것을 강제하는 2가지 메커니즘을 사용했습니다.

802.11 basic rate configuration
Link 계층에서 Maximum Transmission Unit(MTU) 사이즈

7. Use of SIFS in UL RTx request frames

802.11 노드가 주 DL 프레임의 디코딩을 종료하면 프레임의 복조된 오류와 backoff 기간이 더해진 Extended Interframe space(EIFS) 기간 (88 us)을 기다리며 CSMA/CA 메커니즘을 이용해 중간 접속을 할 수 있습니다. 따라서, RTx 요청을 수행해야 하는 경우 EIFS 기간보다 짧은 시간에 전송해야합니다. 표준 SIFS 기간(16 us)은 마지막 UL 프레임을 복조하고 RTx 요청을 생성하여 802.11 노드가 전송할 수 없도록 하는 데 충분한 시간이므로 적합한 옵션입니다. SIGNAL 심볼은 III.A.2로 채워져야하지만 $T_{RT}$는 RTx 요청에 재전송을 더한 시간과 같아야합니다.

8. Deactivate Fragmentation

dot11FragmentationThreshold 매개변수는 Best-Effort 기간이 끝날 때 조각 버스트로 인해 발생할 수 있는 간섭을 피하기 위해 최대값으로 설정해야합니다.

9. Deactivate probe requests (선택 사항)

SHARP 인접 라디오 채널에서 전송된 Probe 요청은 SHARP 네트워크에 심각한 간섭을 일으킬 수 있습니다. (충돌 유형(d)) 이로 인해 802.11 노드는 active 스캔이 아닌 passive 스캔을 사용해야합니다.

10. Smart frequency planning

마지막으로, 동일 채널 간섭을 피하기 위해 동일한 채널 또는 중첩되는 인접 채널에 있는 SHARP AP는 무선 네트워크 간의 간섭을 피하기 위해 분리되어야 합니다.

B. Channel access flow in 802.11 nodes

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