LTE와 WiFi 결합 시스템 설계 및 구현

초록

본 논문은 3GPP 표준에 부합하는 LTE‑WiFi Aggregation(LWA) 프레임워크를 설계하고, 오픈소스 OpenAirInterface 기반 SDR 환경에서 구현한다. WLAN AP를 eNodeB에 직접 연결하고, PDCP 계층에서 트래픽을 분할·오프로드함으로써 실내 셀룰러 성능을 향상시킨다. 또한, LTE와 WiFi 간 흐름 제어를 활용한 유연한 스케줄링과 패킷 재정렬 기법을 제안하고, 실험을 통해 안정적인 오프로드 및 재정렬 기능을 검증한다.

상세 분석

본 연구는 기존 LTE‑WiFi 상호연동 방식과 달리, 코어 네트워크를 거치지 않고 WLAN AP와 eNB를 직접 연결하는 LWA 구조를 채택하였다. 핵심은 PDCP 계층에서의 트래픽 분할이다. PDCP는 암호화·압축·시퀀싱을 담당하므로, 여기서 LTE와 WiFi 사이에 패킷을 분배하면 상위 계층의 투명성을 유지하면서도 두 무선 매체의 전송 특성을 동시에 활용할 수 있다. 논문은 이를 위해 PDCP PDU를 헤더에 간단한 흐름 식별자와 순번을 삽입하고, WiFi 전송 시 발생할 수 있는 지연 변동성을 고려한 재정렬 버퍼를 설계하였다. 재정렬 알고리즘은 수신된 순번을 기준으로 버퍼에 저장하고, 연속된 순번이 도착하면 즉시 상위 계층으로 전달한다. 이 과정에서 타임아웃을 도입해 패킷 손실 시에도 지연을 최소화한다.

또한, LTE와 WiFi 간의 흐름 제어는 eNB가 PDCP 레벨에서 전송 윈도우를 동적으로 조정함으로써 구현된다. WiFi 채널이 혼잡하거나 전송률이 낮아지면 eNB는 LTE 쪽 전송 비중을 늘려 전체 시스템 스루풋을 유지한다. 반대로 WiFi가 충분히 여유가 있으면 오프로드 비율을 높여 LTE 자원을 절감한다. 이러한 적응형 스케줄링은 실시간 트래픽에 특히 유리하며, 기존 LWA 사양에서 정의된 “Split Mode”을 실험적으로 검증한다.

구현 측면에서는 OpenAirInterface(OAI)와 USRP N210 SDR을 활용하였다. OAI의 LTE PHY·MAC·RLC·PDCP 스택을 그대로 사용하면서, PDCP 모듈에 WiFi 오프로드 인터페이스를 삽입하였다. WiFi 측은 Linux 기반 hostapd와 mac80211 드라이버를 이용해 AP 역할을 수행하고, UDP 소켓을 통해 PDCP와 데이터를 교환한다. 이때, 시간 동기화는 GPSDO를 이용해 10 ns 수준으로 맞추었으며, 패킷 손실률과 지연 변동성을 최소화하기 위해 PHY 레이어에서 OFDM 파라미터를 LTE와 동일하게 설정하였다.

실험 결과는 실내 환경에서 LTE와 2.4 GHz WiFi를 병행했을 때, 단일 LTE 셀 대비 평균 스루풋이 1.8배 향상되고, 지연은 30 % 감소함을 보여준다. 특히, WiFi 전용 트래픽이 급증하는 상황에서도 재정렬 버퍼가 안정적으로 동작해 패킷 순서 오류가 거의 발생하지 않았다. 이러한 결과는 제안된 LWA 프레임워크가 기존 셀룰러 인프라에 저비용으로 WiFi 자원을 활용할 수 있음을 입증한다.