IEEE 802.15.3e 초고속 근접통신 표준기술 동향

가. Connection Topology

근접통신 시스템에서 연결은 항상 두 기기 간에 제한하며, 연결 구조는 P2P여야 한다.

나. Media Access Mechanism

근접통신 P2P 시스템은 기본적으로 다음 기능을 제공해야 한다.

· 네트워크 고유 ID가 없어도 링크 설정 가능해야 함.

· 네트워크 연결 형태는 항상 두 기기 간에만 구성되어야 함.

· 링크 설정 시간은 기기들이 active state에 이르기까지 2msec 이하여야 함.

· 빔포밍과 같은 기술을 사용하지 않아도 주위의 다른 시스템과 공간적 분할됨을 제공해야 함.

· 데이터 전송을 시작하기 전에 CSMA/CA 방식을 사용하지 않아야 함.

· 연결이 이루어진 이후에는 주기적인 관리 프레임 전송을 하지 않음.

다. QoS

근접통신 P2P 연결이므로 별도의 QoS 기법을 적용하지 않는다.

라. Security

전송거리의 제한이 있으므로, 근접통신 P2P 시스템에서는 PHY 또는 MAC 계층에서의 security 기능을 생략할 수 있다.

마. Power Management

근접통신 P2P 시스템은 아주 짧은 시간 동안 active state에서 데이터를 전송하게 되므로, standby state에 서는 소비 전력이 낮도록 설계되어야 한다. 또한, active state에서도 소비 전력이 낮게 설계되어야 하고, 별도의 전력관리 기법을 요구하지 않는다.

가. Operating Frequency Band

근접통신 P2P 시스템에서는 60GHz 주파수 대역을 사용하며, IEEE 802.15.3c 채널 구조 기반으로 사용한다. Ch2은 기본 채널(default channel)이며, ch2와 ch3 사용을 지원해야 하며, 채널 본딩이나 채널 결합을 사용할 수 있다.

나. Transmission Range

최대 전송거리는 두 기기 간 최소 전송속도로 동작하고 있을 때 touch 동작운영이 가능한 근접거리로 하되, 어떠한 빔포밍이나 빔 스티어링 기법 없이도 10cm 이내를 유지할 수 있어야 한다. 또한, 두 기기 간 거리가 최대 전송거리를 벗어나면 두 기기 간 연결은 끊어져야 한다.

다. Spectral Efficiency

Multiple Input Multiple Output(MIMO) 기술이 사용 될 수도 있다.

라. Data Rate

사용 주파수 방법이나 채널 모델 등을 고려하여 앞에서 제시한 애플리케이션들을 만족시키기 위해서는 PHY 계층에서 최대 100Gbps를 제공해야 한다.

마. Link Budget

근접통신 P2P에서 사용하는 link budget에 대한 예시는 <표 1>과 같다.

<표 1>

Link Budget 예시

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IEEE 802.15.3e TG에서는 제안된 기고서의 유효성을 검증하기 위해서 PHY 계층 및 MAC 계층의 평가 범주를 정하였고, 아울러 근접통신 P2P 시스템이 갖추어야 할 평가 범주도 정의하였다.

가. PHY Criteria

1) 통신 거리: 연결 거리가 10cm일 때 링크 버짓의 값들을 시연할 수 있어야 함.

2) 동작 주파수 대역: 60GHz 비 면허대역

3) 전파 간섭: 비록 밀집 환경일지라도 15.3e 기기 상호 간 간섭 없이 동작 가능해야 함.

4) 공존성: 빔포밍 기술을 적용하지 않고 동작할 때 동일한 주파수 대역을 사용하는 다른 시스템과 함께 동작할 수 있어야 함.

5) PHY SAP에서 전송속도 산출: 미국, 유럽, 한국, 일본 등에서 사용하는 공통 주파수 대역에서 100Gbps를 만족하는 동작모드가 있어야 함.

6) 안테나 form factor: 앞의 PHY 평가 범주를 충족할 수 있는 안테나는 스마트폰과 같은 모바일 기기 내부에서 동작가능하고, 배치도 할 수 있도록 작아야 함.

나. MAC Criteria

1) 연결설정 시간: 2 msec 이내

2) ‘연결설정 기간’에 대한 정의: ‘두 기기가 관리 프레임으로부터 필요한 정보를 모두 정상적으로 수신한 때로부터 association 완료가 될 때까지’로 정함.

3) P2P: 두 기기 사이의 점대점 연결로 제한함.

4) No identifiers: 연결설정 과정에서 네트워크 ID(PNID)의 교환 없이 진행될 것

5) NO CSMA: 프레임 전송에 앞서서 채널센싱(CSMA)을 하지 않음.

6) 두 기기 간 Association 완료가 되고 나면, 주기적인 관리 프레임 송수신은 없음.

7) 데이터 성능은 MAC SAP에서 산출할 수 있어야 함.

8) 임의적 또는 다발적 오류가 있더라고 에러 감지와 복구를 통하여 심각한 성능 감쇄를 방지해야 하고, 또한 불안정한 상태로 천이되지 않아야 함.

다. System Criteria

1) Touch action: 두 기기가 서로 공간적으로 정렬을 하지 않더라도, 안테나 간 거리가 1cm 이내로 서로 접근하면 두 기기는 연결설정을 시작하여야 함.

2) 연결해제: 두 기기 간 거리가 10cm 이상 벗어나면 즉시 연결을 해지해야 함.

3) 효율적 설계: 단순한 설계로 저지연, 고성능을 달성해야 함.

4) 모바일 기기는 에너지 효율성이 좋아야 함.

IEEE 802.15.3e에서의 MAC superframe은 (그림 4)와 같으며, 이는 IEEE 802.15.3c에서 사용하던 Con-tention Access Period(CAP)만 사용하고, Channel Time Allocation Period(CTAP)는 사용하지 않는다[7].

(그림 4)

HRCP MAC Superframe Structure[7]

MAC superframe 동작은 (그림 5)와 같이 unassociated phase에서 연결설정이 이루어지며 2msec 이내에 연결구성이 되어야 한다. 두 기기 간 연결설정이 완료되면 associated phase로 전환되며, 이때부터는 비콘 전송이 중지된다[8].

(그림 5)

HRCP MAC Superframe 동작[8]

HRCP superframe 주기는 28.5usec로, 비콘을 포함한 access slot의 개수는 4개로 잠정 논의 중이다.

연결된 두 기기 간 연결해지는 연결해지 요청메시지를 전송하거나, 두 기기 간 거리가 10cm를 벗어나면 진행된다.

근접통신에서 사용되는 두 기기간의 연결절차는 (그림 6)과 같이 비콘을 전송하는 기기(PPC)에서는 Device Identification(DEVID)을 무작위로 선출하여 비콘에 실어 전송하고, 비콘을 인지한 기기는 연결설정 요청메시지를 전송한다.

(그림 6)

MAC Association 절차[8]

PPC에서 DEV1으로부터 연결요청을 수신하면 DEV1으로 연결 응답 메시지를 전송하면서 PPC에서는 비콘 송신을 중지한다.

IEEE 802.15.3e TG에서는 티켓 게이트 서비스를 위해서 서비스를 받고 연결해지한 기기와 연이어서 새롭게 연결하려는 기기를 구분하기 위해 DEVID를 무작위로 추출하도록 제시하고 있다. PPC에서 비콘을 통해 NEXT DEVID를 실어서 보내면, 연결요청하고자 하는 DEV는 DEVID에 PPC로부터 수신 NEXT DEVID를 할당하여 PPC로 연결요청메시지를 전송한다. 그러면, PPC에서는 수신하고자 하는 DEVID가 맞는 확인한 후에 연결설정을 진행한다.

한편, PPC에서는 연결 응답 메시지를 전송한 이후 Associa-tion Timeout Period(ATP) 동안에 응답이 없으면, 세션이 종료된 것으로 인식한다. 이럴 때 PPC는 새로운 NEXT DEVID를 작위로 추출한 후 다음 세션 동작을 진행한다.

이는 사용자의 실수로 잦은 touch approaching으로 인한 오류와 해킹에 의한 오용을 방지하고자 하는 것이다.

MAC SAP 인터페이스를 통해 MAC Service Data Unit(MSDU)을 수신하면, MAC Packet Data Unit (MPDU)에 적재를 할 때, MSDU 크기가 MPDU 보다 크면, MSDU를 분할하여 2개 이상의 MPDU에 나누어 적재하게 된다. 이를 위해 MAC subheader에는 fragmentation flag를 두어서 MSDU의 분할 여부를 설정하게 된다. 현재 표준에서 논의되고 있는 MPDU 한 블록의 최대 크기는 (8kB -1)이며, superframe에는 최대 255개의 subframe을 결합(aggregation)할 수 있다. 이에 대한 구조는 (그림 7)과 같다[9].

(그림 7)

MAC Aggregation 구조[9]

역으로, MAC 프레임을 PHY로 수신하였을 때는 (그림 8)과 같이 subframe과 이웃한 subframe과의 관계를 식별하여 분할된 MPDU라면 조각 모음을 통해 하나의 MSDU를 구성한다.

(그림 8)

MAC Disaggregation 구조[9]

IEEE 802.15.3e에서 사용하는 Interframe Space (IFS)는 Short IFS(SIFS)와 Recovery IFS(RIFS)를 사용한다.

SIFS는 PPC와 DEV간 송수신간 동기가 정상적으로 동작되는 구간에서 사용되며, RIFS는 두 기기 간 주어진 기간에 프레임을 주고받지 못하는 복구 과정에서 사용한다. RIFS는 Short RIFS와 Long RIFS로 나눈다.

가. HRCP-OOK PHY Frame Structure

(그림 9)

OOK PHY Frame Structure[10]

On-Off Keying(OOK) PHY frame은 (그림 9a)와 같이 preamble, frame header, payload로 구성된다. Preamble은 OOK 파형으로 변조되며, 각 preamble의 각 필드는 (그림 9b)와 같이 128 bit Golay sequence a128 & b128으로 구성된다[10].

SYNC 필드는 프레임 검출을 위해 사용하고, SFD 필드는 첫 code는 분리자(delimiter) 및 CES 선택을 위해 사용하고, 연이은 3codes는 본딩 채널과 spreading factor를 포함하고 있는 OOK MCS 관련 변수를 위해 사용한다.

나. Channel Bonding

OOK PHY는 (그림 10)과 같이 4가지의 채널 운용모드를 제시하고 있다. OOK PHY는 채널 본딩 방식을 지원한다. 기본 채널(default channel)은 ch2이며, 2채널 본딩은 ch2와 ch3를, 3채널 본딩은 ch1, ch2 그리고 ch3를, 4채널 본딩은 ch1, ch2, ch3, 그리고 ch4를 본딩하여 사용한다.

(그림 10)

OOK PHY에서 채널 본딩 유형[10]

다. HRCP-OOK PHY의 MCS

<표 2>

HRCP-OOK PHY MCS 유형

HRCP-OOK PHY의 Modulation and Coding Selection(MCS)은 <표 2>와 같이 7가지이며, 이는 채널 본딩과 spreading factor 조합으로 분류되며, FEC 유형은 RS(240, 224) code를 사용한다.

OOK 방식으로 전송할 수 있는 최대 전송속도는 6.5 Gbps이다.

가. Single Carrier PHY Frame Structure

HRCP-SC PHY frame은 (그림 11)과 같이 preamble, header, payload 필드로 구성된다. Preamble 프레임 구조에서 각 SYNC, SFD, CES의 반복 회수가 다를 뿐, 각 기능 및 역할은 유사하다[11].

(그림 11)

SC PHY에서 채널 본딩 유형[11]

나. Channel Aggregation

HRCP-SC PHY는 개별 채널을 결합(aggregation)하여 사용할 수 있다. 다만, spectral mask 구현 복잡도를 고려하여 인접하지 않은 채널 간 aggregation을 제시하고 있다.

다. HRCP-SC PHY 기타사항

HRCP-SC PHY는 빠른 수신 처리를 위해 수신 프레임의 모든 payload를 복조하지 않고, PHY 헤더에 오류가 없으면 나머지 부분을 복조하는 2단계 복조방식을 제공한다.

라. HRCP-SC PHY의 MCS

아래 <표 3a>는 채널을 하나만 사용하고 256 QAM에 LDPC(1440, 1344)를 사용하는 FEC 14/15 rate일 때 최대 13Gbps를 제공하며, 모두 7가지의 MCS 유형을 제공한다[11].

또한, HRCP-SC PHY는 MIMO 안테나를 사용하여 전송효율을 향상 시킬 수 있는 MCS 유형을 <표 3b>와 같이 별도로 제시하고 있다[12].

<표 3>

HRCP-SC PHY의 MCS 유형

[i]

<a>Single Channel MCS 유형[11]

[ii]

<b>MIMO 안테나 환경에서의 MCS 유형[12]