Impact of 5G Latency and Jitter on TAS Scheduling in a 5G-TSN Network: An Empirical Study

본 논문은 5G 의 지연 및 지터가 TSN 의 시간 인식 셰이퍼 (TAS) 스케줄링에 미치는 영향을 실증적으로 분석하여, 5G 지연의 고차 백분위수를 기반으로 TSN 스위치 간 전송 창 오프셋을 정밀하게 조정해야 종단 간 결정론적 통신을 보장할 수 있음을 규명했습니다.

핵심

🎻 배경: 완벽한 리듬이 필요한 공장 (TSN)

현대 공장은 로봇과 기계들이 서로 말을 주고받으며 움직입니다. 이때 중요한 건 **'정확한 타이밍'**입니다.

• TSN (Time-Sensitive Networking): 마치 오케스트라 지휘자처럼, 모든 악기 (기계) 가 정확히 같은 박자에 소리를 내도록 조절하는 시스템입니다.
• TAS (Time-Aware Shaper): 지휘자가 "1 초에 드럼만, 2 초에 피아노만" 치라고 지시하는 시간표입니다. 이 시간표대로만 움직이면 로봇은 절대 실수하지 않습니다.

🚗 문제: 5G 는 '혼잡한 고속도로' (불규칙한 지연)

하지만 공장이 커지면서 로봇이 이동해야 하는 경우가 생겼습니다. 이때 유선 (케이블) 대신 5G 무선 통신을 쓰게 되죠.

• 5G 의 문제: 유선은 레일처럼 일정하지만, 5G 는 혼잡한 고속도로와 같습니다.
  • 차가 많으면 (데이터가 많으면) **지체 (지연)**가 생깁니다.
  • 때로는 1 초 걸리고, 때로는 3 초 걸립니다. (이걸 지터/Jitter라고 합니다.)
• 충돌: 오케스트라 지휘자 (TSN) 가 "지금 치라고!" 했는데, 악기 (로봇) 가 5G 도로의 정체 때문에 3 초 뒤에 도착하면? 리듬이 깨져서 전체 공연이 망칩니다.

🔍 연구 내용: "지휘자와 악기 사이의 '시간 차이'를 어떻게 맞출까?"

저자들은 이 문제를 해결하기 위해 **실제 실험실 (테스트베드)**을 만들어 5G 와 TSN 을 연결하고 실험했습니다. 핵심은 **"시간표 (TAS) 를 어떻게 수정해야 5G 의 불규칙함을 견딜 수 있을까?"**였습니다.

1. 핵심 발견: "너무 일찍 보내지 마세요" (Offset 설정)

지휘자가 악기에게 신호를 보낼 때, 5G 도로의 정체 시간을 고려해서 미리 보내거나 늦게 보내야 합니다.

• 잘못된 경우: 지휘자가 "지금 치라고" 신호를 보내는데, 악기는 5G 정체로 늦게 도착합니다. 다음 박자가 시작될 때까지 기다리다 보면, 리듬이 완전히 깨집니다 (ICI: 사이클 간 간섭).
• 해결책: 지휘자는 "내 신호가 도착할 때까지 기다렸다가, 악기가 도착하면 바로 치게 하라"는 **여유 시간 (Offset)**을 설정해야 합니다.
  • 하지만 이 여유 시간이 너무 길면, 로봇이 너무 늦게 반응해서 공장이 느려집니다.
  • 너무 짧으면, 정체로 인해 신호가 늦어지는 경우를 막지 못합니다.

2. 중요한 규칙: "도로 폭과 교통량"

• 규칙 1: 5G 도로의 정체 폭 (지터) 이 너무 넓으면, 지휘자가 신호를 보낼 수 있는 **시간 창 (Transmission Window)**을 넓게 잡아야 합니다.
• 규칙 2: 만약 다른 차량들 (일반 데이터) 이 5G 도로에 많이 몰리면, 로봇용 신호 (중요 데이터) 도 더 늦어집니다. 이때는 지휘자가 더 큰 여유 시간을 주거나, 차선을 더 넓게 만들어야 합니다.

📊 실험 결과 (실제 데이터로 확인)

저자들은 실제 5G 장비와 스위치를 연결해 실험했습니다.

1. 5G 의 정체는 생각보다 큽니다: 유선 통신은 0.001 초 (마이크로초) 단위지만, 5G 는 10~20 ms(밀리초) 단위로 늦어질 수 있습니다.
2. 적절한 '여유 시간' 설정이 생명: 5G 의 지연 시간 중 99.9% 가 넘지 않는 최대치를 기준으로 여유 시간을 설정해야, 로봇이 절대 실수하지 않습니다.
3. 너무 늦으면 안 됩니다: 여유 시간을 너무 길게 잡으면, 로봇이 지시대로 움직이지만 반응이 느려져 생산성이 떨어집니다.

💡 결론: "유연한 지휘자가 되어야 한다"

이 논문의 핵심 메시지는 다음과 같습니다.

"5G 를 산업 현장에 쓰려면, 고정된 시간표만 믿지 말고, 5G 도로의 혼잡 상황을 실시간으로 파악해서 지휘자의 신호 (TAS) 를 유연하게 조정해야 한다."

• 과거: "무조건 정해진 시간에 움직여라." (유선 방식)
• 미래 (이 논문의 제안): "도로가 막히면 신호를 조금 늦게 보내고, 도로가 비면 빠르게 보내라. 하지만 최대 99.9% 의 경우에는 로봇이 절대 늦지 않도록 여유 있게 설계하라."

이 연구를 통해 공장의 로봇들이 5G 를 사용하면서도, 마치 유선으로 연결된 것처럼 정확하고 안전한 작업을 할 수 있는 길을 열었습니다.

기술 요약

이 논문은 5G-TSN(5G-Time Sensitive Networking) 통합 네트워크 환경에서 5G 의 지연 (Latency) 과 지터 (Jitter) 가 TAS(Time-Aware Shaper) 스케줄링에 미치는 영향을 실증적으로 분석한 연구입니다. 산업용 IoT(IIoT) 환경에서 자율 이동 로봇 (AMR) 등 동적 워크플로우를 지원하기 위해 5G 의 이동성과 TSN 의 결정론적 통신을 결합하려는 시도가 증가하고 있으나, 5G 의 비결정론적 특성이 TSN 의 엄격한 타이밍 요구사항을 저해한다는 문제의식에서 출발했습니다.

다음은 논문의 주요 내용을 기술적으로 요약한 것입니다.

---

1. 연구 배경 및 문제 정의 (Problem)

• 배경: 산업용 사이버 - 물리 시스템 (CPS) 은 낮은 지연과 지터를 보장하는 결정론적 통신이 필수적입니다. TSN(IEEE 802.1Qbv) 은 유선 환경에서 이를 보장하지만, 이동성과 유연성을 위해 5G 와 통합하려는 노력이 활발합니다.
• 문제점: 5G 네트워크는 무선 채널의 특성상 지연과 지터가 변동적 (Stochastic) 입니다. TSN 의 TAS(Time-Aware Shaper) 는 정해진 시간 슬롯에 패킷을 전송하도록 게이트를 제어하는데, 5G 의 변동적인 지연은 TSN 스위치 간의 동기화를 깨뜨려 패킷 손실, 추가 지연, 또는 결정론적 통신의 완전한 붕괴를 초래할 수 있습니다.
• 핵심 질문: 5G 의 지연과 지터 특성을 고려하여 TSN 스위치 간의 전송 창 (Transmission Window) 오프셋을 어떻게 설정해야 End-to-End(E2E) 결정론적 통신을 보장할 수 있는가?

2. 연구 방법론 (Methodology)

• 시스템 모델링:
  • 마스터 (MS) 와 슬레이브 (SL) TSN 스위치가 5G 시스템 (gNB, UPF, UE, TSN 번역기 등) 을 통해 연결된 토폴로지를 가정했습니다.
  • 5G 지연 ($d_{5G}$) 이 유선 링크 지연보다 훨씬 크고 우세함을 가정하고, 이를 TAS 설정의 주요 변수로 분석했습니다.
  • 지연 불확실성 구간 (Uncertainty Interval): 5G 를 통과하는 패킷의 지연 분포를 통계적으로 분석하여 최소 지연과 특정 백분위수 (예: 99.9%) 지연을 기반으로 불확실성 구간을 정의했습니다.
• 실험 환경 (Testbed):
  • 하드웨어: Safran WR-Z16 TSN 스위치 (TAS 지원), Amarisoft SDR 기반의 상용 5G 코어 및 gNB, Quectel 5G 모뎀이 탑재된 NUC 서버.
  • 트래픽: 지연 민감형 (DC, Cyclic-Synchronous), Best-Effort (BE), PTP(동기화) 트래픽을 생성하여 다양한 시나리오를 시뮬레이션했습니다.
  • 실험 변수: 5G 트래픽 부하, TSN 네트워크 주기 ($T_{nc}$), 전송 창 크기 ($W_{i,DC}$), 그리고 MS 와 SL 간의 오프셋 ($\delta_{DC}$) 을 변화시키며 지연과 지터를 측정했습니다.

3. 주요 기여 (Key Contributions)

1. 5G 지연과 TAS 파라미터의 상호작용 분석: 5G 시스템의 지연이 TSN 스위치 간의 게이트 제어 리스트 (GCL) 설정에 미치는 영향을 정량화했습니다. 특히, 고차 백분위수 (High-order percentile, 예: 99.9%) 지연을 기반으로 오프셋을 설정해야 함을 증명했습니다.
2. 결정론적 통신 보장 조건 도출:
   • 조건 1 (오프셋 설정): SL 스위치의 전송 창 시작 시간은 5G 를 통과한 모든 패킷이 도착할 수 있도록 충분히 늦게 설정되어야 합니다 ($\delta_{DC} \ge \hat{D}_{emp, p}$).
   • 조건 2 (ICI 방지): 네트워크 주기 ($T_{nc}$) 에서 전송 창 ($W_{i,DC}$) 을 뺀 값이 5G 에 의해 유발된 지터 ($t_{jit}$) 보다 커야 합니다 ($T_{nc} - W_{i,DC} \ge t_{jit}$). 이를 만족하지 않으면 **인터 - 사이클 간섭 (Inter-Cycle Interference, ICI)**이 발생하여 결정론성이 깨집니다.
3. 실증적 검증: 상용 5G 장비와 TSN 스위치를 활용한 실제 테스트베드를 구축하여 이론적 분석을 검증했습니다. 기존 연구들이 시뮬레이션에 의존했던 것과 달리, 실제 5G 환경의 변동성을 반영한 데이터를 제공했습니다.

4. 실험 결과 (Results)

• 오프셋의 중요성:
  • 오프셋 ($\delta_{DC}$) 이 5G 지연의 99.9 백분위수 (약 15ms) 보다 작으면, 일부 패킷이 다음 네트워크 주기로 밀려나 ICI 가 발생하고 지터가 급증합니다.
  • 오프셋을 20ms 로 설정하면 모든 패킷이 단일 전송 창 내에서 처리되어 결정론적 통신이 보장되지만, 이는 전체 지연을 증가시킵니다.
• 네트워크 주기와 지터의 관계:
  • 네트워크 주기 ($T_{nc}$) 가 너무 짧으면 (예: 6~10ms), 5G 지터 ($t_{jit} \approx 10.5ms$) 를 흡수할 수 있는 여유 공간이 부족해 ICI 가 불가피해집니다.
  • $T_{nc} \ge 17.5ms$ 정도여야 ICI 를 피할 수 있는 조건이 충족됩니다.
• 트래픽 부하의 영향:
  • 동일 우선순위 트래픽: 여러 지연 민감형 트래픽이 같은 우선순위를 공유하면 5G 버퍼에서 큐잉 지연이 증가하여 지연과 지터가 크게 늘어납니다.
  • Best-Effort (BE) 트래픽: BE 트래픽 부하가 증가하면 5G 내부의 자원 경쟁으로 인해 DC 트래픽의 지연 분포가 넓어지고, 이는 다시 오프셋 재설정을 필요로 합니다.

5. 의의 및 결론 (Significance)

• 실용적 가이드라인 제공: 5G-TSN 통합 네트워크에서 TAS 파라미터 (오프셋, 네트워크 주기, 전송 창 크기) 를 어떻게 설정해야 5G 의 변동성을 보상하면서도 결정론적 통신을 유지할 수 있는지에 대한 구체적인 공학적 가이드라인을 제시했습니다.
• ICI 현상의 규명: 5G 지연 변동성으로 인해 패킷이 예상된 전송 창을 벗어나 다음 주기로 넘어가는 '인터 - 사이클 간섭 (ICI)' 현상을 실험적으로 확인하고, 이를 방지하기 위한 수학적 조건을 제시했습니다.
• 미래 방향성: 고정된 오프셋 설정의 한계를 지적하고, 실시간 트래픽 부하와 채널 상태에 따라 오프셋과 TAS 파라미터를 동적으로 조정하는 적응형 알고리즘의 필요성을 강조했습니다. 또한, hold-and-forward 버퍼링 기법이나 6G 기술 (uRLLC 등) 을 통한 지연 완화 연구의 필요성을 제기했습니다.

요약하자면, 이 논문은 5G 의 불확실성을 TSN 의 결정론적 요구사항과 조화시키기 위해, 통계적 지연 상한 (High-percentile delay) 을 기반으로 한 오프셋 조정과 충분한 네트워크 주기 확보가 필수적임을 실험을 통해 입증한 중요한 연구입니다.