[논문]동종네트워크 상에서 셀 소형화 간섭 완화 기법 및 성능 분석

장예옥; 조은형; 홍인기

doi:10.7840/kics.2014.39c.10.937

동종네트워크 상에서 셀 소형화 간섭 완화 기법 및 성능 분석
Effect of Interference Mitigation Technique and Performance Analysis for Small Cell in Homogeneous Networks 원문보기

한국통신학회논문지. The Journal of Korea Information and Communications Society. 통신이론 및 시스템, v.39C no.10, 2014년, pp.937 - 945

장예옥 (Kyunghee University Department of Electronic Radio Engineering) , 조은형 (Kyunghee University Department of Electronic Radio Engineering) , 홍인기 (Kyunghee University Department of Electronic Radio Engineering)

초록
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LTE/LTE-adv. 서비스 도입에 따라 높은 데이터 전송률을 요하는 다양한 서비스들이 제공되면서 모바일 트래픽은 더욱 가파르게 증가하고 있다. 이러한 트래픽 수요의 폭발적인 증가에 대응하기 위한 새로운 주요 기술로 소형셀 기술이 각광받고 있다. 소형셀 기술은 셀 반경을 현격히 줄여서 소형 기지국의 수를 증가시킴으로써 수용 가능한 트래픽 양을 늘릴 수 있다. 본 논문은 동종네트워크의 outdoor 환경에서 소형셀 도입에 따른 셀 치밀화(cell densification) 효과에 대해 셀 분할 효과와 단위 면적당 UE 수를 별도로 고려하여 SINR(Signal to Interference-Noise Ratio)과 UE(User Equipment)당 평균 수율 변화를 분석하였다. 또한 셀이 소형화되면 셀 간 간격이 좁아지면서 인접셀 간 간섭이 심화되어 SINR이 열화되기 때문에 본 논문은 간섭 제어가 적절하게 이루어졌을 때의 SINR 이득을 보임으로써 소형셀 환경에서의 간섭 제거 기법의 효과를 검증하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As various services requiring high data rate are supported by introducing LTE/LTE-adv., mobile traffic increases rapidly. To cope with the continuous growth of traffic demand, small cell technology is considered as one of the most promising one. Small cell can increase system capacity by increasing the number of base stations with reduced cell radius. In this paper, we analyze the effect of cell densification with small cells in terms of SINR and average UE throughput considering cell split and the number of UE per unit area. As the cell becomes smaller, SINR degradation arises from high ICI(Inter Cell Interference) and we evaluate the effect of interference mitigation scheme in small cell environment where the proper interference mitigation technique is applied.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 SLS를 통해 셀 소형화 도입 시, 최적의 송신 전력값을 설정한다. 또한 동종네트워크에서 셀을 소형화 하면, cell densification 효과에 의한 수신 전력 이득 및 주파수 재사용 효율 증가와 셀 소형화에서 비롯되는 간섭 사이의 trade-off가 발생하기 때문에 이에 대하여 분석하였다. 이를 위해, 셀 반경 감소를 통한 cell densification 효과가 수신 전력 및 간섭양의 변화와 평균 사용자 수율에 미치는 영향을 비교 분석하고, 나아가 셀 소형화에서 문제시되는 간섭에 대해 적절한 간섭 제어를 수행하였을 때의 셀 소형화 효과를 분석하였다.
또한 기존의 셀 분할 기법에서도 어느 한계 이상의 셀 소형화는 셀 간 간섭문제로 셀 분할효과가 크지 않으므로 이에 대한 분석도 필요하다. 본 논문에서는 SLS를 이용하여 동종 네트워크에서의 소형셀 도입에 따른 cell densification(셀 치밀화) 효과를 분석한다. 동종네트워크 환경에서 셀 소형화의 효과를 분석하기 위해 각 셀 반경에 따른 변수값들에 대한 조정이 필요하다.
특히, 송신 전력은 사용자의 수신 전력 및 셀 간 간섭에 큰 영향을 미치므로 셀 소형화에 따른 성능 분석 시 중요한 변수이다. 본 논문에서는 SLS를 통해 셀 소형화 도입 시, 최적의 송신 전력값을 설정한다. 또한 동종네트워크에서 셀을 소형화 하면, cell densification 효과에 의한 수신 전력 이득 및 주파수 재사용 효율 증가와 셀 소형화에서 비롯되는 간섭 사이의 trade-off가 발생하기 때문에 이에 대하여 분석하였다.
간섭 제거 기법은 크게 LS(Least Squares)^[14,15], ZF(Zero Forcing)^[16] 등의 detection algorithm을 이용하는 signal processing 방식과 VBLAST(Vertical Bell Laboratories Layered SpaceTime)^[17], SIC(Successive Interference Cancellation)^[18-20]와 같은 cancellation 방식으로 나눌 수 있다. 본 절에서는 복잡도가 낮은 SIC로 구현가능 한 가장 큰 간섭부터 M개의 간섭을 cancellation하는 간섭 제거 기법이 적용되었을 때의 cell densification 효과를 분석하고 간섭 제거 기법의 필요성을 보였다. 그림 9는 간섭 제거 기법의 효과를 보여주는 SINR 그래프이다.

가설 설정

각 사용자는 하나의 기지국에서만 서비스 받는 것으로 가정하고, 주파수 재사용 계수는 1로 한 섹터 안의 UE들은 동일한 주파수 자원을 공유한다. 주파수 자원은 한 RB(Resource Block) 당 12개의 subcarriers로 50개의 RB이 있고, 3개의 RB이 한 RBG(Resource Block Group)이 되어 총 17개의 RBG으로 구성되어있다^[12].

제안 방법

식 (2)를 보면 송신 전력에 증가함에 따라 수신 전력과 간섭양도 증가함을 알 수 있다. 그러나 일정 송신 전력 이상에서는 SINR이 saturation 되기 때문에 시뮬레이션을 통해 outdoor환경에서 ISD가 60m일 때 최대의 SINR을 갖는 최소 송신 전력을 구하였다. 송신 전력에 따른 SINR 분석을 위해 한 UE에 대해 UE의 위치와 LOS/NLOS 적용 환경을 고정하여 randomness를 제거한 후, indoor환경에서 사용되는 18dBm을 기준으로 임의 송신 전력을 지정하여 성능을 비교하였다.
^[13] ISD(Inter-Site Distance)에 따라 적용된 경로 손실 모델은 표 3^[10]과 같다. 먼저 ISD와 기지국과 UE 간의 거리에 따라 표 2^[10]의 LoS(Line of Sight) 확률을 적용하여 LoS와 NLoS 상태를 결정하고, 표 3의 경로 손실 모델에 따라 path loss를 계산한다. Outdoor환경에서 ISD가 60m인 경우, 제시된 모델이 없기 때문에 200m의 LoS 확률과 경로 손실 모델을 적용하였는데 LoS확률과 경로 손실 모델이 거리에 따른 함수이기 때문에 큰 문제가 없다.
본 논문에서는 셀이 소형화될 때의 성능 비교를 위한 metric으로 SINR(Signal to Interference-Noise Ratio) 값과 UE당 goodput을 사용하였다. k번째 UE의 SINR은 식 (2)^[11]를 통해 계산된다.
본 논문에서는 주파수의 효율적 운용과 폭증하는 모바일 트래픽의 해결책으로 주목 받는 소형셀 기술이 시스템 용량에 가져오는 실제적 효과를 셀 분할 효과 측면과 셀 당 UE 수를 고려한 측면으로 나누어 분석하였다. 셀 소형화의 효과를 검증하기 위해 먼저 지정된 변수값이 없는 outdoor환경에서 ISD가 60m인 소형셀의 송신 전력값을 SLS를 통해 구하였다.
상향 링크와 하향 링크의 트래픽 불균등으로 인해 더 큰 용량이 필요한 하향 링크가 전체 시스템의 성능을 나타내기 때문에 본 논문에서는 동종 네트워크(homogeneous networks) 시스템 상에서 무선 채널 환경을 적용한 하향 링크의 SLS(System Level Simulation)을 통해 성능을 비교한다. 표 1의 시뮬레이션의 환경과 파라미터 및 식(1)-(3)의 수식은 ITU-R의 권고안^[10]과 IEEE 802.
본 논문에서는 주파수의 효율적 운용과 폭증하는 모바일 트래픽의 해결책으로 주목 받는 소형셀 기술이 시스템 용량에 가져오는 실제적 효과를 셀 분할 효과 측면과 셀 당 UE 수를 고려한 측면으로 나누어 분석하였다. 셀 소형화의 효과를 검증하기 위해 먼저 지정된 변수값이 없는 outdoor환경에서 ISD가 60m인 소형셀의 송신 전력값을 SLS를 통해 구하였다. 이 송신 전력이 적용된 셀 소형화에 대한 SLS 결과 분석을 통해서 소형셀을 이용한 cell densification 효과로 500m에서 60m까지 ISD를 줄일 때, 기존 시스템보다 하나의 기지국이 서비스하는 UE 수가 75명에서 최대 1명으로 줄어들기 때문에 무선 자원 측면에서 이득을 얻게 되어 0.
그러나 일정 송신 전력 이상에서는 SINR이 saturation 되기 때문에 시뮬레이션을 통해 outdoor환경에서 ISD가 60m일 때 최대의 SINR을 갖는 최소 송신 전력을 구하였다. 송신 전력에 따른 SINR 분석을 위해 한 UE에 대해 UE의 위치와 LOS/NLOS 적용 환경을 고정하여 randomness를 제거한 후, indoor환경에서 사용되는 18dBm을 기준으로 임의 송신 전력을 지정하여 성능을 비교하였다. 그림 3과 같이 전력이 15dBm에서 30dBm일 때까지는 송신 전력이 증가함에 따라 SINR 이득이 있는 반면, 30dBm 이상에서는 SINR 개선 효 과가 적었다.
또한 동종네트워크에서 셀을 소형화 하면, cell densification 효과에 의한 수신 전력 이득 및 주파수 재사용 효율 증가와 셀 소형화에서 비롯되는 간섭 사이의 trade-off가 발생하기 때문에 이에 대하여 분석하였다. 이를 위해, 셀 반경 감소를 통한 cell densification 효과가 수신 전력 및 간섭양의 변화와 평균 사용자 수율에 미치는 영향을 비교 분석하고, 나아가 셀 소형화에서 문제시되는 간섭에 대해 적절한 간섭 제어를 수행하였을 때의 셀 소형화 효과를 분석하였다.
그러나 수신 전력이 증가함과 동시에, 인접 기지국으로부터 받는 간섭 신호의 전력 또한 증가하여 셀 소형화가 실제 SINR과 throughput에 미치는 영향을 SLS을 통하여 분석할 필요가 있다. 이에 앞서, 소형셀의 효과를 측정하기 위해 먼저 outdoor환경에서 셀 간 거리가 60m인 소형셀에 대한 최적의 송신 전력을 구하였다.
반면, 셀 커버리지의 단위 면적당 UE 수를 동일하게 한 case 2에서는 셀이 소형화될수록 셀 당 UE수가 줄어 들기 때문에 셀 내 UE에게 case 1에 비해 많은 무선 자원 할당이 가능하다. 표 4와 같이 ISD가 500m인 경우에 한 섹터 당 UE 수를 75명으로 설정하고, 단위 면적당 UE의 수를 동일하게 하기 위해 섹터 당 UE 수에 셀 간 거리 비의 제곱배를 역으로 곱하여 계산하였다. 앞서 말한 것과 같이 셀 반경이 줄어들면 간섭양의 큰 증가로 SINR이 감소하지만, 동시에 셀 내 UE 수가 줄어들면서 한 UE 당 사용 가능한 자원양이 증가하여 그림 8에서 볼 수 있듯이 평균 UE goodput이 향상된다.

데이터처리

#은 시스템에 적용된 HARQ 기법에 의해 BLER이 일정 기준 이하일 경우, 전송에 오류가 있다고 판정되어 다음 프레임에서 재전송이 이루어지므로 오류 없이 수신되는 goodput으로 계산된다. k번째 UE가 F^DL 만큼의 프레임을 통해 받은 bits를 전체 시뮬레이션 시간인 T_sim로 나누어 k번째 UE의 평균 goodput을 구한다.

이론/모형

주파수 자원은 RBG단위로 UE에게 할당하며, PF(Proportional Fairness) 스케쥴링 알고리즘을 통해 자원을 할당하였다. 데이터 전송에는 AMC(Adaptive Modulation and Coding), HARQ(Hybrid ARQ) 기법이 적용되었다. AMC 기법을 적용하기 위해 각 UE는 자신이 서비스 받는 기지국에 채널 정보를 피드백하고 피드백의 지연시간은 3ms이다.
주파수 자원은 한 RB(Resource Block) 당 12개의 subcarriers로 50개의 RB이 있고, 3개의 RB이 한 RBG(Resource Block Group)이 되어 총 17개의 RBG으로 구성되어있다^[12]. 주파수 자원은 RBG단위로 UE에게 할당하며, PF(Proportional Fairness) 스케쥴링 알고리즘을 통해 자원을 할당하였다. 데이터 전송에는 AMC(Adaptive Modulation and Coding), HARQ(Hybrid ARQ) 기법이 적용되었다.
상향 링크와 하향 링크의 트래픽 불균등으로 인해 더 큰 용량이 필요한 하향 링크가 전체 시스템의 성능을 나타내기 때문에 본 논문에서는 동종 네트워크(homogeneous networks) 시스템 상에서 무선 채널 환경을 적용한 하향 링크의 SLS(System Level Simulation)을 통해 성능을 비교한다. 표 1의 시뮬레이션의 환경과 파라미터 및 식(1)-(3)의 수식은 ITU-R의 권고안^[10]과 IEEE 802.16m의 EMD(Evaluation Methodology Document)^[11]를 참고하였다. 한 클러스터에 7개의 육각셀이 존재하고 각 셀은 3개의 섹터로 구성되며 wrap-around 모델을 적용하였다.
16m의 EMD(Evaluation Methodology Document)^[11]를 참고하였다. 한 클러스터에 7개의 육각셀이 존재하고 각 셀은 3개의 섹터로 구성되며 wrap-around 모델을 적용하였다. 각 셀의 중심에 기지국이 위치하며 다음과 같은 안테나 패턴을 사용한다.

성능/효과

그러나 기지국 간 거리가 감소됨에 따른 잦은 핸드오버(handover)가 발생하여 이동성(mobility) 지원에 취약하고 이동성 취약의 문제는 초고속 데이터 전송 지원이 필수적인 5G 시스템에 큰 제약이 될 수 있다. 또한 소형셀 기술이 도입되면 인접 셀 간의 거리가 줄어 셀 간 간섭이 증가하고, 셀의 수가 늘어나면서 증가한 셀 경계 UE(User Equipment)들에게 셀 간 간섭(Inter-Cell Interference:ICI)이 매우 크게 작용하여 전체 시스템 성능 저하를 가져오기 때문에 이를 보완하는 다양한 기술도 같이 적용되어야 기대하는 만큼의 성능 향상을 이룰 수 있다.
간섭 제거 기법이 적용되었을 때, ISD에 따라 정도가 다르지만 전체적으로 SINR이 향상되는 것을 볼 수 있다. 또한 제거하는 간섭의 수 M을 증가시킬수록 SINR이 더욱 향상되었다. ISD가 500m에서 60m로 셀이 소형화될수록 간섭 제거 기법의 효과가 줄어들기 때문에 소형셀의 간섭 문제를 보다 효과적으로 해결할 간섭 제거 기법이 필요하다.
셀 소형화의 효과를 검증하기 위해 먼저 지정된 변수값이 없는 outdoor환경에서 ISD가 60m인 소형셀의 송신 전력값을 SLS를 통해 구하였다. 이 송신 전력이 적용된 셀 소형화에 대한 SLS 결과 분석을 통해서 소형셀을 이용한 cell densification 효과로 500m에서 60m까지 ISD를 줄일 때, 기존 시스템보다 하나의 기지국이 서비스하는 UE 수가 75명에서 최대 1명으로 줄어들기 때문에 무선 자원 측면에서 이득을 얻게 되어 0.104Mbps에서 3.82Mpbs로 전체 시스템 성능을 향상시키는 것을 볼 수 있다. 그러나 셀 반경이 일정 수준 이하로 작아짐에 따라 셀 간 간섭이 증가하여 SINR이 열화되기 때문에 이를 개선할 필요가 있다.

후속연구

그러나 셀 반경이 일정 수준 이하로 작아짐에 따라 셀 간 간섭이 증가하여 SINR이 열화되기 때문에 이를 개선할 필요가 있다. 간섭 제거 기법 중 하나인 interference cancellation 기법을 적용하여 가장 큰 간섭부터 M개의 간섭을 제거할 때, SINR이 최소 2.5dB에서 최대 20dB 만큼 향상되는 것을 볼 수 있었으나 셀 소형화에서는 효율적이지 못하여 전체 간섭을 보다 효과적으로 완화할 수 있는 기법에 대한 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소형셀 기술의 단점은?	또한 매크로 기지국에 비해 설치비용이 절감되고, 서비스 영역의 확장 및 높은 데이터율을 제공할 수 있다. 그러나 기지국 간 거리가 감소됨에 따른 잦은 핸드오버(handover)가 발생하여 이동성(mobility) 지원에 취약하고 이동성 취약의 문제는 초고속 데이터 전 송 지원이 필수적인 5G 시스템에 큰 제약이 될 수 있다. 또한 소형셀 기술이 도입되면 인접 셀 간의 거리가 줄어 셀 간 간섭이 증가하고, 셀의 수가 늘어나면서 증가한 셀 경계 UE(User Equipment)들에게 셀 간 간섭(Inter-Cell Interference:ICI)이 매우 크게 작용하여 전체 시스템 성능 저하를 가져오기 때문에 이를 보완하는 다양한 기술도 같이 적용되어야 기대하는 만큼의 성능 향상을 이룰 수 있다.
	3GPP에서 고려하는 소형셀 배치 시나리오는 어떻게 나눌 수 있는가?	이기종 네트워크에서는 다양한 소형셀 배치 시나리오가 제안되는 가운데, 3GPP에서 고려하는 소형셀 배치 시나리오는 그림 2와 같이 크게 4가지로 나눌 수 있다[3]. 첫 번째 시나리오에서는 소형셀이 기존의 매크로셀(macro cell) 네트워크에 중첩되도록 배치된다. 이 때, 매크로셀과 소형셀은 같은 주파수 대역을 사용하는 것으로 가정하기 때문에 하향링크에서 소형셀이 매크로셀로부터 겪는 간섭은 매우 크다. 그렇기 때문에 이 시나리오에서는 매크로셀과 소형셀의 간섭을 제어하기 위해 ABS(Almost Blank Subframe), CoMP(Coordinated Multi Point)와 같은 간섭 제어 기법을 요한다. 소형셀 의 환경이 indoor와 outdoor로 나뉘는 두 번째와 세 번째 시나리오는 그림 2-(b)와 같이 매크로셀과 소형 셀이 서로 다른 주파수 대역을 사용하는 것으로, 매크로셀과 소형셀 간의 간섭은 없다. 이 경우에는 같은 주파수 대역을 쓰는 소형셀들 간 간섭을 제어하는 기술이 필요하다. 마지막 소형셀 배치 시나리오는 indoor 배치 시나리오이다. 이 시나리오는 outdoor 서비스 영역과 매크로셀이 존재하지 않고, indoor환경에서의 소형셀만 고려한다. 이 외에도 다양한 소형셀 배치 시나리오가 제안되는 가운데, 그림 2-(b)의 시나리 오에서 제어 신호와 데이터 신호를 분리하여 제어 신호는 기존의 매크로셀 단위로, 데이터는 소형셀 단위 로 전달되는 시나리오가 주목받고 있다.
	소형셀 기술의 접근 방식에는 어떤 것이 있는가?	소형셀 기술의 접근 방식으로는 동종 네트워크(homogeneous network)와 이기종 네트워크(heterogeneous network)가 있다. 그림 1과 같이 동종 네트워 크에서의 소형셀은 해당 서비스 영역을 다수의 셀이 나누어 서비스함으로써 cell densification 효과를 가져온다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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