[논문 리뷰] 60 GHz Multi-Gigabit Indoor WLANs: Dream or Reality?

Swetank Kumar Saha, Viral Vijay Vira외 2명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 14.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 23인용 수 10

한 줄 요약

이 논문은 상용 802.11ad 하드웨어를 사용하여 다이나믹한 실내 사무실 환경에서 일반 목적의 멀티기가비트 60 GHz WLAN을 구현할 수 있는지 검토한다. 인간에 의한 차단과 비선형 시각(비선로) 전파와 같은 도전 과제가 존재하지만, 클라이언트당 2~3개의 액세스 포인트를 사용할 경우 지속적인 600 Mbps 이상의 전송 속도를 확보하면서 100% 연결 유지 시간을 보장할 수 있음을 실험적으로 입증하였다. 이는 다중 액세스 포인트 배치와 효율적인 비추출 관리 기법을 결합할 경우 60 GHz가 고속도 실내 무선 네트워크에 실현 가능한 선택지가 될 수 있음을 시사한다.

ABSTRACT

The millimeter-wave (mmWave) technology, recently standardized by IEEE 802.11ad, is emerging as an attractive alternative to the traditional 2.4/5GHz wireless systems, promising multi-Gigabit wireless throughput. However, the high attenuation and vulnerability to blockage of 60 GHz links have limited its applications (until recently) to short-range, line-of-sight, static scenarios. On the other hand, the question of whether it is feasible to build general-purpose WLANs out of mmWave radios in dynamic indoor environments with non-line-of-sight links remains largely unanswered. In this paper, through extensive measurements with COTS 802.11ad hardware in an indoor office environment, we investigate the question of whether the mmWave technology, in spite of its unique propagation characteristics, can serve as a viable choice for providing multi-Gigabit ubiquitous wireless indoor connectivity. We study the range of 60 GHz transmissions in indoor environments, the impact of antenna height, location, orientation, and distance on 60 GHz performance, the interaction among metrics from different layers of the network stack, the increased opportunities for spatial reuse, and the impact of human blockage. Our results reveal a number of challenges that we have to address for 60 GHz multi-gigabit WLANs to become a reality.

연구 동기 및 목표

• 동적 사용자 이동성과 비선로(비선로) 조건을 수반하는 복잡한 실내 기업 환경에서 일반 목적의 멀티기가비트 60 GHz WLAN을 구현할 수 있는지 평가하기.
• 실세계 사무실 환경에서 프로토콜 스택의 여러 계층에서 802.11ad 준수 상용 오프더쇼프트(Off-the-Shelf, COTS) 기기들의 성능을 평가하기.
• 안테나 높이, 위치, 방향, 거리 및 인간에 의한 차단이 60 GHz 링크 품질과 전송 속도에 미치는 영향을 조사하기.
• 공간 재사용 기회 및 다중 액세스 포인트 배치의 효과성에 대해 인간에 의한 차단 상황에서도 연결성을 유지할 수 있는지 탐색하기.

제안 방법

• 실제로 사용되는 대학 사무실 빌딩에서 상용 802.11ad 준수 기기를 사용하여 광범위한 실세계 측정을 수행하여 이론적 모델보다 실용적 관련성을 확보하였다.
• 다양한 조건에서 물리계층(RSSI, 데이터 전송 속도), 링크 계층, 전송 계층(TCP 전송 속도)의 링크 성능을 평가하였다.
• 다양한 거리(최대 32.5피트)와 위치(복도, 복도, 실험실)에서 정적 및 이동 중 인간 차단을 제어적으로 시행하여 재연결 시간과 링크 내성에 영향을 분석하였다.
• 클라이언트 핸드오버 시나리오를 모의하기 위해 근접한 거리에 여러 액세스 포인트(1, 2 또는 3개)를 설치하고 15시간 동안 1초 단위로 TCP 전송 속도를 측정하였다.
• 다양한 인간 존재 조건 하에서 TCP 전송 속도의 누적분포함수(CDF)를 분석하여 가용성과 성능을 평가하였다.
• 윌로시티 라디오에서 실시간 액세스 포인트 전환에 제약이 있음에도 불구하고, 이전의 60 GHz 피코셀 연구와 유사한 방법론을 사용하여 다중 액세스 포인트 클라이언트 연결을 시뮬레이션하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 비선로 링크와 빈번한 인간에 의한 차단이 존재하는 다이나믹한 실내 환경에서 60 GHz 멀티기가비트 WLAN이 신뢰할 수 있는 연결을 확보할 수 있는가?
• RQ2 안테나 높이, 위치, 방향, 거리가 60 GHz 링크 성능에 여러 프로토콜 스택 계층에서 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 인간 이동성과 정적 차단이 60 GHz WLAN에서 링크 장애 지속 시간과 재연결 시간에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ4 클라이언트당 다수의 액세스 포인트를 배치하면 실사내 사무실 환경에서 연결 유지 시간과 전송 속도를 크게 향상시킬 수 있는가?
• RQ5 링크 계층 지표(RSSI, 데이터 전송 속도)와 전송 계층 성능(TCP 전송 속도) 간의 상호작용이 실질적인 60 GHz 구현 환경에서 어떻게 나타나는가?

주요 결과

• 통제 실험에서 이동 중 인간에 의한 차단(일시적)으로 인해 재연결 시간이 15.34~16.6초로 나타났으며, 이는 이전 연구에서 보고된 바보다 훨씬 길었다.
• 송신기 또는 수신기 근처의 정적 인간 차단은 중간 링크 차단보다 더 긴 단절 시간을 유발하였으며, 일부 사례에서는 재연결 시간이 16초를 초과하였다.
• 단일 액세스 포인트만 존재할 경우 링크의 단절 시간은 5% 미만이었지만, 800 Mbps 이상의 전송 속도는 전체 시간의 5% 미만에서만 확보되었다.
• 클라이언트당 두 개의 액세스 포인트를 사용할 경우, 가능한 세 가지 조합 모두 최고 전송 속도 시나리오에서 0% 단절 시간을 달성하여 100% 가용성이 가능함을 시사하였다.
• 세 개의 액세스 포인트를 사용한 설정에서, 클라이언트가 항상 최고의 액세스 포인트에 연결된 경우 중앙값 TCP 전송 속도는 약 680 Mbps였고, 단절이 전혀 발생하지 않았다.
• 15시간에 이르는 실외 실험 결과, 인간 존재로 인해 전송 속도가 심각하게 저하되었지만, 다수의 액세스 포인트가 존재할 경우 빈번한 단절은 발생하지 않았다. 이는 다중 액세스 포인트 배치의 유용성을 강조한다.