본 논문은 long term evolution (LTE) 기반 macro 기지국 platform 구조 연구에 관한 것으로, codeword별 기저 대역 신호 (baseband signal)와 중간 주파수 (intermediate frequency; IF)에 대한 인터페이스 구조를 제안한다. 제안한 구조를 이용하여 massive multiple input multiple output (MIMO) 기술과 같이, 많은 수의 안테나를 사용하는 기지국에 있어서, 안테나수와 상관없이 대용량의 데이터를 원활히 송수신 할 수 있다. 본 논문에서는 LTE 표준 기술 발전 및 그에 따른 시스템의 개발 동향을 분석하고, 종래의 일반적인 구조와 본 논문에서 제안하는 구조에 대하여 비교하여, 데이터 인터페이스 전송량 측면에서 제안 구조가 훨씬 더 좋은 구조임을 확인하였다. 이러한 구조를 제시함으로서 massive MIMO, carrier aggregation (CA), coordinated multi point (CoMP) 기술과 같이 발전하고 있는 LTE 기반 기지국의 플랫폼 (platform) 설계 및 구현에 대하여 새로운 기반을 제공하고자 한다.
본 논문은 long term evolution (LTE) 기반 macro 기지국 platform 구조 연구에 관한 것으로, codeword별 기저 대역 신호 (baseband signal)와 중간 주파수 (intermediate frequency; IF)에 대한 인터페이스 구조를 제안한다. 제안한 구조를 이용하여 massive multiple input multiple output (MIMO) 기술과 같이, 많은 수의 안테나를 사용하는 기지국에 있어서, 안테나수와 상관없이 대용량의 데이터를 원활히 송수신 할 수 있다. 본 논문에서는 LTE 표준 기술 발전 및 그에 따른 시스템의 개발 동향을 분석하고, 종래의 일반적인 구조와 본 논문에서 제안하는 구조에 대하여 비교하여, 데이터 인터페이스 전송량 측면에서 제안 구조가 훨씬 더 좋은 구조임을 확인하였다. 이러한 구조를 제시함으로서 massive MIMO, carrier aggregation (CA), coordinated multi point (CoMP) 기술과 같이 발전하고 있는 LTE 기반 기지국의 플랫폼 (platform) 설계 및 구현에 대하여 새로운 기반을 제공하고자 한다.
This paper shows the research of a platform architecture relates to the LTE-based macro basestation; the proposed platform architecture is designed with the interface between the baseband signal and IF (Intermediate Frequency) per codeword. Using this method, we can smoothly transmit/receive a large...
This paper shows the research of a platform architecture relates to the LTE-based macro basestation; the proposed platform architecture is designed with the interface between the baseband signal and IF (Intermediate Frequency) per codeword. Using this method, we can smoothly transmit/receive a large amounts of data regardless of the number of antenna in a macro base station which is used technology such as massive MIMO. In this paper, We analyzed the evolution of LTE technology and the trend in the development of the LTE-based system. For validation of the proposed architecture, we compare the general architecture of a conventional with the proposed architecture. From the calculation results of transmission quantity data, we see that the proposed architecture can give better performance than the existing architecture. By presenting this architecture, we hope to provide a new foundation for Design and Implementation of a LTE base station platform which is used technology such as massive MIMO, carrier aggregation (CA), coordinated multi point (CoMP).
This paper shows the research of a platform architecture relates to the LTE-based macro basestation; the proposed platform architecture is designed with the interface between the baseband signal and IF (Intermediate Frequency) per codeword. Using this method, we can smoothly transmit/receive a large amounts of data regardless of the number of antenna in a macro base station which is used technology such as massive MIMO. In this paper, We analyzed the evolution of LTE technology and the trend in the development of the LTE-based system. For validation of the proposed architecture, we compare the general architecture of a conventional with the proposed architecture. From the calculation results of transmission quantity data, we see that the proposed architecture can give better performance than the existing architecture. By presenting this architecture, we hope to provide a new foundation for Design and Implementation of a LTE base station platform which is used technology such as massive MIMO, carrier aggregation (CA), coordinated multi point (CoMP).
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문제 정의
본 논문에서는 LTE 기반 기지국 시스템 동향을 파악하고자 세계적으로 널리 사용되고 있는 TI사의 현재 출시하고 있는 DSP 칩에 대하여 표 1과 같이 본 논문과 연관성이 있는 주요 기능을 정리하고, 이러한 DSP를 이용하여 그림 3과 같이 일반화된 구조로 정리하였다. 모뎀 (physical layer; PHY)을 제어하는 기능과 모뎀 기능은 ▩의 블록으로 표시한 DSP에서 수행하며, 중간 주파수 (intermediate frequency; IF)는 □의 블록으로 표시한 FPGA에서 동작한다.
구현 플랫폼의 성능은 L1/L2/L3 layer를 수행하는 처리 능력 (processing power) 및 core 망 및 무선주파수 (radio frequency; RF)의 인터페이스에 대한 데이터 전송량으로 요약할 수 있고 이를 위한 효율적인 구조가 요구된다. 본 논문에서는 많은 수의 안테나를 이용한 기지국 시스템에 대하여, L1 layer 및 RF 인터페이스 구현에 대한 하드웨어적 설계 방안을 제시한다. 여기서, L1 layer는 개방형 시스템 간 상호 접속 (open systems interconnection; OSI) 7 계층 모형의 물리계층 (physical layer; PHY)으로 모뎀 (modulator-demodulator; MODEM)을 의미한다.
본 논문에서는 이러한 문제점 해결을 위한 방안으로, 종래의 안테나 패스별 인터페이스 구조에서 codeword별 인터페이스 구조로 변경함으로써 안테나 증가와 상관없이 PHY와 IF 간 대용량 데이터 전송이 가능하도록 하며, DSP와 FPGA 각각의 장점을 반영한 기지국 모뎀 플랫폼 (platform) 구조를 제안하여, 이를 본 연구 결과를 이용하여 증명하고, 개발 시간 단축과 해당 결과의 재사용률 향상 및 개발 비용 절감을 실현하고자 한다.
본 논문은 LTE 기반 macro 기지국 플랫폼 (platform) 구조 연구에 관한 것으로, massive MIMO 기술과 같이 많은 수의 안테나를 사용하는 기지국에 있어서, 안테나수와 상관없이 대용량의 데이터를 원활히 송수신 할 수 있는 구조를 제안하였다.
본 논문은 많은 수의 안테나를 사용하는 기지국 시스템에 대하여, 모뎀 (physical layer; PHY)과 중간 주파수 (intermediate frequency; IF) 간 인터페이스 문제점을 근본적으로 개선하기 위해서 그림 5와 같은 구조를 제안하며 특징은 아래와 같다.
본 논문은 최대 전송률 (peak data rate)과 신호 대 간섭 및 잡음비 (signal to interference plus noise ratio; SINR) 향상을 위해서 지속적으로 발전하고 있는 LTE 기반 기지국 시스템에 대하여 모뎀 (physical layer; PHY)과 중간 주파수 (intermediate frequency; IF) 간 구조를 제시하여 massive MIMO 기술과 같은 매우 많은 수의 안테나를 사용한 기지국 시스템 플랫폼 구현에 대하여 효과적인 방안을 제시하고자 한다.
제안 방법
LTE 표준 기술 발전 및 그에 따른 시스템 동향을 살펴본 후, 본 논문에서 제안하는 방법을 상세히 기술한다.
본 논문에서 제안한 codeword별 인터페이스 구조에 대하여 표 3의 파라미터를 사용하여 인터페이스 전송량을 계산한다. 하나의 codeword에 대한 라인 비트율 (line bit rate)은 아래와 같다.
성능/효과
(1) FPGA 기반의 개발은 링크 레벨 부동 소수점 시뮬레이터 (link level floating point simulator; LLS)를 구현하여 1차적으로 기능 검증을 한 후, 기능 블록별로 사용하는 bits를 고려하여 링크 레벨 고정 소수점 시뮬레이터 (link level fixed point simulator)를 구현하여 2차적으로 기능 검증 및 성능 검증을 하며, VHSIC hardware description language (VHDL) 또는 Verilog 코딩을 통하여 3차적으로 구현하게 되어 개발 및 검증에는 오랜 시간이 소요되지만, 병렬 처리가 가능하고, 동작 및 수행시간이 흔들리지 않는 기계적인 동작이 가능하다.
(1) Massive MIMO 기술과 같이, 많은 수의 안테나를 사용할 수 있는 LTE 기반 기지국 시스템의 PHY 와 IF 간 인터페이스를 CPRI 1개 port만을 이용하여 원활히 구현 할 수 있다. 다시 말해서, 전송안테나의 수가 64개 또는 그 이상의 안테나 개수를 사용할지라도 인터페이스를 위한 CPRI 1개 port면 충분하다.
(2) DSP 기반의 개발은 LLS를 구현하여 1차적으로 기능 검증을 한 후, DSP에서 동작할 수 있는 코딩을 통하여 2차적으로 구현하며, 1차의 구현한 코드 대부분을 그대로 사용할 수 있기 때문에 FPGA 보다 상대적으로 기능 구현에 소요되는 시간이 짧고, 합성 및 검증 과정도 용이하다.
(2) 기지국 협력 통신 (coordinated multi point; CoMP) 기술과 같이 여러 개의 리모트 레이디오 헤드 (remote radio head; RRH)를 이용한 인터페이스에 있어서, RRH가 매크로 셀과 동일한 셀 아이디를 가지는 시나리오인 경우는 RRH별로 1개의 CPRI port만을 추가하여 원활히 구현 할 수 있고, RRH가 매크로셀과 서로 다른 셀 아이디를 가지는 시나리오인 경우는 처리해야 할 DSP의 처리 시간 (processing time)에 따라 RRH별로 그림 5의 복수 구조로 갈 수 있다.
(4) 동일 기능을 여러 개로 복사하여 병렬적으로 사용해도 시스템 기능 및 성능에 아무런 문제 되지 않는 기능을 구현한다.
(4) 채널의 기능 구현을 위해 소요되는 처리 시간 (processing time)이 짧은 기능은 DSP 기반에서 동작할 수 있도록 한다.
그림 6에서도 알 수 있듯이, 종래의 안테나 패스별 방식은 사용하는 codeword의 개수에 상관없이 안테나 사용 개수에 따라서 전송 용량이 증가하는 것을 알 수 있고, codeword별 인터페이스 방식은 안테나의 개수에 상관없이 codeword 사용 개수에 따라서 전송 용량이 증가하는 것을 알 수 있는데, codeword 1개 사용했을 경우는 0.672 + α [Gbps]이고, codeword 2개 사용했을 경우는 1.344 [Gbps] + α 으로 안테나 인터페이스 방식에 비해서 상당히 적은 인터페이스 전송량이고, CPRI 1 port 만으로 충분함을 보여준다.
또한, 3GPP 표준 기술에 있어서, 최대 전송률 (peak data rate)이 하향링크 3Gbps, 상향링크 1.5Gbps를 전송할 수 있는 Rel-11의 완성으로 LTE-Advanced 시스템의 표준 규격이 마련되었다. 여기에는 Rel-8에 포함되어 있는 효율적 간섭제어(inter-cell interference coordination; ICIC) 기술에 대한 성능상의 한계를 극복한 방안으로 기지국 협력 통신 (coordinated multi point; CoMP) 기술이 제시되었으며, 이것은 기지국 (eNodeB)간에 상호 협조해서 셀간 간섭 을 제거하는 것이다[7,8].
본 논문에서 기술한 각각의 구조에 대한 데이터 인터페이스 전송량은 표 4와 같이 요약되며, 본 논문에서 제안한 codeword별 PHY와 IF 간 데이터 인터페이스 방법은 안테나의 개수에 영향 받지 않고, 1개의 CPRI port를 이용하여 충분히 인터페이스를 할 수 있음을 보여준다.
제안하는 모뎀 (physical layer; PHY)과 중간 주파수 (intermediate frequency; IF) 구조는 안테나 패스 별 인터페이스를 하는 기존의 일반적인 구조에서 codeword별 인터페이스를 수행하는 모뎀 구조로 변경한 것으로, 일반적으로 생각할 수 있는 FPGA 기반 또는 DSP 기반 PHY와 IF 간 데이터 인터페이스 전송량과 본 논문에서 제안하는 구조를 이용한 데이터 인터페이스 전송량 비교를 함으로써 본 논문에서 제안하는 cordword별 인터페이스 구조가 훨씬 더 좋은 구조임을 확인하였고, 하나의 CPRI 포트 (port)만으로 매우 많은 수의 안테나를 사용하는 LTE 기반 기지국 플랫폼의 PHY와 IF 간 인터페이스 구현 가능성을 보여 주었다.
후속연구
또한, FPGA와 DSP의 장점을 활용한 모뎀 구조 설계를 제시하여, 지속적으로 발전하는 LTE 기반 기지국 개발에 대한 타임 투 마켓 (time-to-market)을 최소화 할 수 있을 것으로 기대하며, massive MIMO, 주파수 묶음 (carrier aggregation; CA) 기술, 기지국 협력 통신 (coordinated multi point; CoMP) 기술과 같이 주파수 효율 극대화를 위해 발전하고 있는 LTE 기반 기지국의 플랫폼 설계 및 구현에 대한 새로운 기반을 제공하고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
구현 플랫폼의 성능의 요약은 무엇인가?
이와 같은 제반 기술 제공을 위해서 무엇보다도 중요한 것 중 하나가 구현 플랫폼 (platform) 성능이다. 구현 플랫폼의 성능은 L1/L2/L3 layer를 수행하는 처리 능력 (processing power) 및 core 망 및 무선주파수 (radio frequency; RF)의 인터페이스에 대한 데이터 전송량으로 요약할수 있고 이를 위한 효율적인 구조가 요구된다. 본 논문에서는 많은 수의 안테나를 이용한 기지국 시스템에 대하여, L1 layer 및 RF 인터페이스 구현에 대한 하드웨어적 설계 방안을 제시한다.
DSP core에 대하여 상당히 많은 오버로드가 요구되는 것의 해결책으로 논문에서 제안한것은 무엇인가?
본 논문에서는 이러한 문제점 해결을 위한 방안으로, 종래의 안테나 패스별 인터페이스 구조에서 codeword별 인터페이스 구조로 변경함으로써 안테나 증가와 상관없이 PHY와 IF 간 대용량 데이터 전송이 가능하도록 하며, DSP와 FPGA 각각의 장점을 반영한 기지국 모뎀 플랫폼 (platform) 구조를 제안하여, 이를 본 연구 결과를 이용하여 증명하고, 개발 시간 단축과 해당 결과의 재사용률 향상 및 개발 비용 절감을 실현하고자 한다.
LTE 기반 시스템 중 주파수 효율 극대화를 위한 기술로는 무엇이 있는가?
지속적으로 발전하고 있는 LTE 기반 시스템은 massive MIMO, 주파수 묶음 (carrier aggregation; CA) 기술, 기지국 협력 통신 (coordinated multi point; CoMP) 및 셀 간 간섭 방안 연구와 같은 주파수 효율 극대화를 위한 기술과 실내, 밀집 지역 및 망에서의 증가하는 데이터 트래픽에 효율적 서비스 제공을 위한 소형셀 기술과 단말 간 직접통신 (device to device; D2D) 및 기존 이종 무선 통신 시스템과의 연동을 고려하는 수용 트랙픽 분할 기술이 중점적으로 활발히 연구되고 있다[1-8]. 이와 같은 제반 기술 제공을 위해서 무엇보다도 중요한 것 중 하나가 구현 플랫폼 (platform) 성능이다.
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