5G 지연과 진동이 TSN TAS 스케줄링에 미치는 영향

** 본 논문은 산업용 사물인터넷(IIoT) 서비스가 요구하는 초저지연·저진동 통신을 실현하기 위해 5G 프라이빗 네트워크와 Time‑Sensitive Networking(TSN) 백본을 결합한 아키텍처를 제시한다. TSN의 핵심 메커니즘인 IEEE 802.1Qbv Time‑Aware Shaper(TAS)는 각 스위치 출력 포트에서 Gate Control List(GCL)를 이용해 미리 정의된 시간 슬롯에만 특정 우선순위 큐를 열어, 패킷 전송을 정밀하게 스케줄링함으로써 결정론적 지연을 보장한다. 그러나 5G 무선 접속은 전파 환경, 스케줄링, 코어 처리 등 여러 단계에서 스토캐스틱 지연과 진동을 발생시키며, 이는 TSN 스위치 간 전송 윈도우 정렬을 방해한다. 논문은 세 가지 주요 기여를 제시한다. 첫째, 인접 TSN 스위치 사이에 5G 링크가 삽입될 때 발생하는 지연 구성요소(무선 전파 지연, gNB·UPF 처리 지연, 스케줄링 지연 등)를 상세히 분석하고, 각 요소가 TAS 파라미터(전송 윈도우 길이, 오프셋, 사이클 기간)와 어떻게 상호작용하는지를 수식화한다. 둘째, 이러한 분석을 바탕으로 결정론적 통신을 유지하기 위한 조건을 도출한다. 핵심 조건은 (a) TAS 전송 윈도우 오프셋 ≥ 5G 지연의 p‑th 백분위수, (b) TAS 사이클 기간 ≥ (5G 피크‑투‑피크 진동 + 전송 윈도우 길이)이며, 오프셋이 과도하면 윈도우 간 겹침이 발생해 결정론성이 깨질 수 있음을 강조한다. 셋째, 상업용 5G 프라이빗 네트워크와 802.1Qbv 지원 TSN 스위치를 이용한 실험 테스트베드를 구축하고, 다양한 트래픽 시나리오(단일 고우선순위 흐름, 다중 동시 흐름, 저우선순위 흐름 혼합)를 적용해 실측 데이터를 수집했다. 실험 결과는 다음과 같다. 5G 다운링크 지연은 평균 2 ms, 99.9 % 백분위수에서 5 ms에 도달했으며, 진동(peak‑to‑peak jitter)은 약 1.2 ms였다. TAS 오프셋을 4 ms로 설정하면 일부 패킷이 예정된 전송 윈도우를 놓쳐 비결정론적 지연이 발생했으며, 6 ms로 늘리면 모든 패킷이 윈도우 안에 들어가지만 전체 E2E 지연이 평균 3 ms 추가되었다. 또한, 동일 우선순위 흐름을 두 배로 늘렸을 때 지연 진동이 30 % 증가해 오프셋을 7 ms로 재조정해야 했다. 저우선순위 흐름이 존재할 경우, 5G 네트워크 내 QoS 격리가 충분히 이루어지지 않아 고우선순위 흐름의 지연이 15 % 악화되는 현상이 관찰되었다. 이러한 실험적 근거를 토대로 논문은 5G‑TSN 통합 설계 시 다음과 같은 실무 가이드를 제시한다. 1) 5G 지연 통계(특히 고퍼센트 백분위수)를 사전에 측정하고, 해당 값을 기반으로 TAS 전송 윈도우 오프셋을 설정한다. 2) 오프셋을 최소화하면서도 결정론성을 보장하기 위해 사이클 기간을 충분히 크게 잡아 5G 진동을 포함한다. 3) 5G 네트워크에서 QoS 흐름을 명확히 매핑하고, 고우선순위 흐름에 대한 격리를 강화한다. 4) 시스템 운영 중 5G 지연 변동이 크게 변할 경우, 동적 재조정 메커니즘을 도입한다. 결론적으로, 5G‑TSN 통합은 무선 이동성을 확보하면서도 TSN의 결정론적 특성을 유지할 수 있는 실현 가능한 경로임을 입증한다. 다만, 5G 특유의 지연·진동을 정량적으로 파악하고, 이를 TAS 파라미터에 반영하는 설계·운영 전략이 필수적이다. 향후 연구에서는 실시간 동적 파라미터 조정 알고리즘, 다중 경로 5G‑TSN 구조, 그리고 초저지연을 요구하는 Isochronous 애플리케이션에 대한 확장 가능성을 탐색할 예정이다. **