[논문 리뷰] NR-U and WiGig Coexistence in 60 GHz Bands

Natale Patriciello, Sanjay Goyal외 5명|arXiv (Cornell University)|2020. 01. 14.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 10인용 수 11

한 줄 요약

이 논문은 60 GHz 비제한 대역에서 3GPP NR-U와 IEEE 802.11ad(WiGig) 간 공존 연구를 위한 오픈소스 ns-3 시뮬레이터 확장 기능을 제시한다. Listen-Before-Talk(LBT) 및 도우티 사이클 기반 채널 접근 메커니즘을 평가하여, LBT 또는 도우티 사이클링을 사용하는 NR-U가 WiGig의 전송률이나 지연에 악영향을 주지 않음을 입증함으로써, 밀리미터파 비제한 대역에서 공정한 공존이 가능하다는 것을 입증한다.

ABSTRACT

In December 2019, the 3GPP defined the road-map for Release-17, which includes new features on the operation of New Radio (NR) in millimeter-wave bands with highly directional communications systems, i.e., up to 52.6 GHz. In this paper, a system-level simulation based study on the coexistence of NR-based access to unlicensed spectrum (NR-U) and an IEEE technology, i.e., 802.11ad Wireless Gigabit (WiGig), at 60 GHz bands is conducted. For NR-U, an extension of NR Release-15 based model is used such that the 60 GHz regulatory requirements are satisfied. First, the design and capabilities of the developed open source ns-3 based simulator are presented and then end-to-end performance results of coexistence with different channel access mechanisms for NR-U in a 3GPP indoor scenario are discussed. It is shown that NR-U with Listen-Before-Talk channel access mechanism does not have any adverse impact on WiGig performance in terms of throughput and latency, which demonstrates that NR-U design fulfills the fairness coexistence objective, i.e., NR-U and WiGig coexistence is proven to be feasible.

연구 동기 및 목표

• 60 GHz 대역에서 NR-U와 WiGig 간의 재현 가능하고 고정밀도의 시스템 수준 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 다양한 NR-U 채널 접근 메커니즘—LBT, 도우티 사이클, 항상 케어(무중단)—이 WiGig 성능 지표인 전송률, 지연, 채널 점유도에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 특히 방향성 빔포밍이 적용된 실내 환경에서 밀리미터파 비제한 대역에서 NR-U 설계가 공정한 공존 목표를 충족하는지 검증하기 위해.
• 60 GHz 규제 준수를 포함한 NR-U 및 WiGig에 대한 전체 스택, 종단 간 모델을 포함하여 오픈소스 ns-3 시뮬레이터를 확장하기 위해.
• 미래의 비제한 대역 밀리미터파 대역에서 다중 RAT 공존에 대한 연구를 위해 공개 가능한 시뮬레이션 프레임워크를 제공하기 위해.

제안 방법

• NR-15 기반 기존 ns-3 모델을 확장하여 NR-U에 대한 60 GHz 규제 요구사항을 통합하였다.
• 3GPP NR-U 및 IEEE 802.11ad(WiGig)에 대한 고정밀도, 전체 스택 모델을 통합하였으며, 방향성 빔포밍 및 밀리미터파 전파 모델을 포함하였다.
• 세 가지 NR-U 채널 접근 메커니즘을 구현: Listen-Before-Talk(LBT), 도우티 사이클 기반 접근(LTE-U를 영감으로), 그리고 항상 케어(무중단) 기준선.
• 다양한 사용자, 다양한 흐름, 혼합된 NR-U 및 WiGig 노드를 포함한 3GPP 실내 시나리오에서 종단 간 시스템 수준 시뮬레이션을 수행하였다.
• 밀리미터파 전파 특성을 반영하기 위해 방향성 전송 및 빔포밍을 고려한 현실적인 3D 채널 모델을 사용하였다.
• 주요 지표인 채널 점유도, 종단 간 지연, NR-U 및 WiGig 장치의 전송률을 측정하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LBT 채널 접근 방식을 사용하는 NR-U가 60 GHz 대역에서 WiGig의 전송률 및 지연에 악영향을 미치는가?
• RQ2 도우티 사이클 기반 NR-U 접근 방식이 LBT와 비교해 WiGig와의 공존 성능 및 공정성 측면에서 어떻게 다른가?
• RQ3 무중단, 항상 케어 상태의 NR-U 전송이 동일한 60 GHz 대역 내 WiGig 노드에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 방향성 빔포밍 및 밀리미터파 전파 특성이 NR-U와 WiGig 간의 공존 공정성 향상에 얼마나 기여하는가?
• RQ5 오픈소스 시뮬레이션 도구는 비제한 대역 밀리미터파 대역에서 다중 RAT 공존에 대한 재현 가능하고 협업 가능한 연구를 가능하게 하는가?

주요 결과

• LBT 채널 접근 방식을 사용하는 NR-U는 WiGig의 전송률이나 지연에 악영향을 주지 않으며, 60 GHz 대역에서 NR-U와 WiGig 간 공정한 공존이 가능함을 입증한다.
• 모든 NR-U 구성에서 WiGig 장치의 중앙값 전송률은 최대 달성 가능한 속도에 근접해 있으며, 항상 케어 NR-U 설정을 제외한 경우에만 채널 경쟁으로 인해 성능 저하가 발생한다.
• NR-U와 공존할 경우 WiGig 장치는 다른 WiGig 장치와 공존할 때보다 백오프 시간이 감소하여, NR-U가 더 유리한 공존 이웃임을 시사한다.
• LBT 또는 도우티 사이클 접근 방식을 사용할 경우 NR-U 장치의 종단 간 지연 표준편차가 크게 낮아지며, 이는 방향성 수신 및 HARQ 병합 덕분이다. 반면 WiGig는 비방향성 수신 및 손실된 ACK로 인해 더 높은 변동성을 보인다.
• 항상 케어 NR-U 설정은 WiGig 성능을 심각하게 악화시키며, 일부 스테이션(STA)은 지속적인 채널 경쟁으로 인해 연결 수락에 실패한다. 이는 무중단 전송이 WiGig에 대해 공정하지 않음을 확인한다.
• 구체적인 LBT 범주(예: gNB 전용 LBT 대비 gNB 및 UE 모두에서 LBT)는 공정성에 미치는 영향이 미미하며, 방향성 및 밀리미터파 전파 특성이 공존 행동을 지배하기 때문이다.