[논문]스마트 소형셀의 용량증대 및 간섭제어 기술 개발

김동구; 채찬병; 김광순; 이용식; 민병욱; 장진영; 정민근; 양민호; 황해광; 임연근; 오택근; 윤홍집

스마트 소형셀의 용량증대 및 간섭제어 기술 개발 원문보기

정보와 통신 : 한국통신학회지 = Information & communications magazine, v.32 no.5, 2015년, pp.87 - 90

김동구 (연세대학교) , 채찬병 (연세대학교) , 김광순 (연세대학교) , 이용식 (연세대학교) , 민병욱 (연세대학교) , 장진영 (연세대학교) , 정민근 (연세대학교) , 양민호 (연세대학교) , 황해광 (연세대학교) , 임연근 (연세대학교) , 오택근 (연세대학교) , 윤홍집 (연세대학교)

초록
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스마트 소형셀은 반경 100 미터 내외의 작은 서비스 영역을 가지며, 소형셀 환경의 무선 채널 및 간섭 특성을 잘 활용하는 다중 안테나 기술과 간섭 제어 기술이 접목된 시스템이다. 본 논문에서는 스마트 소형셀의 요소 기술을 소개하고, 도심형 지형환경에서 시스템 레벨 시뮬레이션으로 LTE 매크로셀 대비 단위 면적당 용량증대를 평가한다. 또한 상용 Software Defined Radio를 활용한 실시간 테스트베드구현으로 요소 기술들의 타당성(feasibility)을 보인다.

AI 본문요약
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문제 정의

스마트 소형셀의 요소 기술과 연구 결과를 요약한다. 본 논문에서는 도심형 실험 지형에서 3D ray tracing tool 기반 시뮬레이션으로 매크로셀 대비 단위 면적당 용량을 비교하고, 실시간 테스트베드를 통해 요소 기술의 타당성을 확인하였다.
스마트 소형셀은 과 같이 전파 수신 고도의 영향과 하드웨어 구현 복잡도를 고려한 3D HBF을 적용하고, 기저 대역(baseband)에서는 저오버헤드 간섭 정렬 기술을 사용하며, 본 논문에서는 이러한 요소 기술을 소개한다.

가설 설정

<그림 5(우)>는 소형셀 환경에서 HBF과 IA의 시뮬레이션의 결과이다. LTE 소형셀은 셀 간 간섭 제어를 사용하지 않고, 전방향 안테나를 사용하는 것을 가정한다. HBF을 사용할 경우 BF 이득으로 인해 전체적인 성능이 향상됨을 알 수 있으며, IA를 사용하면 낮은 SINR을 가지는 사용자의 성능이 향상됨을 확인할 수 있다.
지형은 도넛형태의 5~7층 높이의 불규칙적인 모형의 건물들이 밀집해 있는 도심 지형을 모델링하였다. 매크로 기지국의 높이는 28m에 위치하였으며 안테나 패턴은 미국의 Kathrein사에서 제공하는 패턴을 사용하여 3섹터 빔을 가정하였고 5도의 tilt를 주었다. 소형셀은 인접 셀 간 거리가 100m ~130m에 위치하도록 규칙적으로 배치하였으며, 녹색 동그라미에는 건물의 중간 높이인 12m(4층)에 기지국이 설치되었고, 붉은색 엑스에는 3m(1층)와 17m(7층)에 2개의 기지국이 다른 높이에 설치되었다.
3D ray tracing tool을 이용한 성능 분석은 기존의 2차원 기반 셀 모델에 비해 소형셀 환경을 평가하기에 적합한 것으로 알려져 있다[6]. 성능평가는 균일 분포(uniform distribution)사용자를 가정하여 outdoor-to-indoor 환경에서 시뮬레이션을 하였다. 유저는 가장 수신감도가 좋은 기지국으로부터 서비스 받는다.

제안 방법

BIA는 다수의 간섭 신호를 신호 공간의 특정 부 공간에 정렬하여 다중 사용자 다중 안테나 시스템에서 최적의 다중화 이득을 얻는 간섭제어 알고리즘으로 순시적인 채널 정보를 요구하지 않는다[3]. BIA를 위해서는 채널을 인위적으로 변화시킬수 있어야 하며, 제안 기법은 스마트 소형셀 기지국의 빔방향 스위칭을 통해 이를 수행한다. BIA에서 송신기는 정해진 규칙에 의해 각 사용자의 신호를 시간 축 상에서 포개어 전송하며, 각 수신기는 신호 전송 규칙을 고려하여 수신 빔의 패턴을 변경하를 수신한다.
스마트 소형셀은 <그림 1>과 같이 전파 수신 고도의 영향과 하드웨어 구현 복잡도를 고려한 3D HBF을 적용하고, 기저 대역(baseband)에서는 저오버헤드 간섭 정렬 기술을 사용하며, 본 논문에서는 이러한 요소 기술을 소개한다. 또한 3D ray tracing tool 기반 시뮬레이션을 적용하여 소형셀 네트워크의 용량을 확인하고, 나아가 상용 software defined radio(SDR) 플랫폼을 활용한 테스트베드를 통해 요소 기술에 대한 구현 결과를 소개한다.
<표 1>은 위와 같은 방식으로 LTE 매크로셀과 스마트 소형셀의 평균 용량을 비교하였다. 성능 평가는 매크로셀 기준에서 잡음 제약 환경인 3m 위치(1층 높이)와 간섭 제약 환경인 12m 위치(4층 높이)에서 실시하였다. 스마트 소형셀의 경우 3차원 셀 배치로 인해 건물 내 층 별 평균 용량이 고르게 나타남을 알 수 있다.
셀 배치는 LTE 표준에 근거해 매크로셀과 소형셀 모두 전방향 안테나 를 사용할 때 셀 커버리지의 outage가 –6dB에서 12.5~13%가 나오도록 배치하였다.
송신기는 하나의 무지향성 안테나로 실제 무선 주파수 채널을 통해 신호를 전송하고, 수신기는 HBF이 가능한 2x6 크기의 적응형 위상 배열 안테나를 사용하여 BF된 신호를 수신한다. 수신기는 BF된 채널을 기저 대역에서 추정하며, 이를 이용해 현재 채널 상태에 보다 적합한 BF 계수를 계산한다. 새로운 BF 계수는 RU 제어 보드에 의해 배열 안테나의 위상과 크기에 반영된다.
수신기는 와 같이 이중 편파 안테나의 편파를 선택적으로 수신하는 방식으로 실험한다.
번째 슬롯내의 수신 채널 의 공간 상관관계 특성 이 한 슬롯 내에서 같다고 가정할 때 식 (1)은 Quadratic 형태를 가지게 되며 추가적인 사운딩 과정 없이 번째 슬롯에서의 들의 평균 수신 전력()을 측정하여 를 반복적으로 업데이트한다. 제안 기법은 공간 상관관계의 사전 정보없이 (1)의 BF 계수를 계산하는 방식을 이용해 계산 복잡도를 획기적으로 줄였다.
그림 5-(좌)는 성능 평가를 실시한 지형과 셀 배치 환경을 나타낸 그림이다. 지형은 도넛형태의 5~7층 높이의 불규칙적인 모형의 건물들이 밀집해 있는 도심 지형을 모델링하였다. 매크로 기지국의 높이는 28m에 위치하였으며 안테나 패턴은 미국의 Kathrein사에서 제공하는 패턴을 사용하여 3섹터 빔을 가정하였고 5도의 tilt를 주었다.

대상 데이터

매크로 기지국의 높이는 28m에 위치하였으며 안테나 패턴은 미국의 Kathrein사에서 제공하는 패턴을 사용하여 3섹터 빔을 가정하였고 5도의 tilt를 주었다. 소형셀은 인접 셀 간 거리가 100m ~130m에 위치하도록 규칙적으로 배치하였으며, 녹색 동그라미에는 건물의 중간 높이인 12m(4층)에 기지국이 설치되었고, 붉은색 엑스에는 3m(1층)와 17m(7층)에 2개의 기지국이 다른 높이에 설치되었다. 셀 배치는 LTE 표준에 근거해 매크로셀과 소형셀 모두 전방향 안테나 를 사용할 때 셀 커버리지의 outage가 –6dB에서 12.
5개의 소형셀이 필요하다. 시스템 파라미터는 중심주파수 = 2.6GHz, FFT size = 1024(대역폭: 8.4MHz), 최대 변조 차수 = 64QAM(5/6 code rates), bounce (전파의 최대 반사 횟수) = 4, noise floor = -174dBm/Hz, TX RF chain 수 = 4, RX RF chain 수 = 2, CDI 궤환 비트수 = 6, MIMO transmission mode = LTE TM4를 사용하였다.
테스트베드에 사용된 SDR 플랫폼은 실시간 알고리즘 제어를 위한 임베디드 콘트롤러와 FPGA 모듈, 그리고 송수신기로 구성된다. 테스트베드는 LTE release 8의 하향 링크 규격에 기반한 orthogonal frequency division multiplexing 송수신을 사용하였다[7].
테스트베드에 사용된 SDR 플랫폼은 실시간 알고리즘 제어를 위한 임베디드 콘트롤러와 FPGA 모듈, 그리고 송수신기로 구성된다. 테스트베드는 LTE release 8의 하향 링크 규격에 기반한 orthogonal frequency division multiplexing 송수신을 사용하였다[7].

이론/모형

본 장에서는 벨연구소에서 개발한 3D-ray tracing tool인 Wireless System Engineering을 사용하여 시스템 레벨 시뮬레이션을 실시하였다. 3D ray tracing tool을 이용한 성능 분석은 기존의 2차원 기반 셀 모델에 비해 소형셀 환경을 평가하기에 적합한 것으로 알려져 있다[6].

성능/효과

LTE 소형셀은 셀 간 간섭 제어를 사용하지 않고, 전방향 안테나를 사용하는 것을 가정한다. HBF을 사용할 경우 BF 이득으로 인해 전체적인 성능이 향상됨을 알 수 있으며, IA를 사용하면 낮은 SINR을 가지는 사용자의 성능이 향상됨을 확인할 수 있다.
새로운 BF 계수는 RU 제어 보드에 의해 배열 안테나의 위상과 크기에 반영된다.<그림 7(우)>는 실험 결과이며, 실시간 빔 추적에 의한 신호의 성상도 변화 및 수신 SNR 증가를 통해 원하는 빔방향으로 수렴됨을 확인한다.
스마트 소형셀의 경우 3차원 셀 배치로 인해 건물 내 층 별 평균 용량이 고르게 나타남을 알 수 있다. 이를 매크로 커버리지 면적당 스마트 소형셀의 용량으로 환산할 경우 (매크로 커버리지 내 16.5개 스마트 소형셀), 매크로셀 대비 평균 70.26배 용량이 증대됨을 확인하였다. 특히 총 송신전력은 매크로셀이 40W임에 반해 스마트 소형셀은 2.
26배 용량이 증대됨을 확인하였다. 특히 총 송신전력은 매크로셀이 40W임에 반해 스마트 소형셀은 2.15W로 총 송신전력이 감소하였음에도 불구하고 용량이 증대됨을 확인하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	소형셀 네트워크에서 인접 셀 간 간섭이 큰 문제가 되는 이유는 무엇인가?	소형셀 네트워크는 셀 수의 증가와 불규칙한 커버리지로 인해 인접 셀 간 간섭이 큰 문제가 된다. 기존에는 여러 셀이 협력하여 셀 간 간섭을 공간적으로 제어하는 기법들이 많이 적용되었으나, 송신단에서 정확한 채널 정보가 필요하며 궤환 오버헤드가 크다.
	최근 어떤 빔포밍 구조가 관심을 받고 있는가?	최근에는 많은 수의 안테나를 2차원으로 배열해 3차원(3D) 빔포밍(beamforming, BF)으로 다중 사용자를 지원하는 기술이 시도되고 있다. 동시에 하드웨어 복잡도를 줄이기 위해 디지털 BF과 아날로그 BF으로 구성된 하이브리드 BF(hybrid BF, HBF) 구조가 관심을 받고 있다[1].
	스마트 소형셀은 어떤 시스템인가?	스마트 소형셀은 반경 100 미터 내외의 작은 서비스 영역을 가지며, 소형셀 환경의 무선 채널 및 간섭 특성을 잘 활용하는 다중 안테나 기술과 간섭 제어 기술이 접목된 시스템이다. 본 논문에서는 스마트 소형셀의 요소 기술을 소개하고, 도심형 지형환경에서 시스템 레벨 시뮬레이션으로 LTE 매크로셀 대비 단위 면적당 용량증대를 평가한다.

참고문헌 (8)

X. Huang, Y. J. Guo, and J. Bunton, "A Hybrid Adaptive Antenna Array," IEEE Trans. Wireless Commun.,vol. 9, no. 5, pp. 1770-1779, May 2010.

상세보기
T. Gou, C. Wang, and S. A. Jafar, "Aiming perfectly in the dark-blind interference alignment through staggered antenna switching," IEEE Trans. Signal Process., vol. 59, pp. 2734-2744, Jun. 2011.

상세보기
M. Yang, S.-W. Jeon, and D. K. Kim, "Linear degrees of freedom of MIMO broadcast channels with reconfigurable antennas in the absence of CSIT," in arXiv:cs.IT/1409.5532, Sep. 2014.
H. Chae, J. Jang, and D. K. Kim, "Pre-coder design over two-symbol extension for K-user cyclic interference channels," The Journal of Engineering, 2014.
T. K. Oh, Y.-G. Lim, C.-B. Chae, and Y. Lee, "Dual-Polarization Slot Antenna With High Cross-Polarization Discrimination for Indoor Small-Cell MIMO Systems," IEEE Antennas Wireless Propag. Lett., Vol. 14, pp. 374-377, 2015.

상세보기
임연근, 채찬병. "소형셀 성능 분석을 위한 새로운 평가 방법", 한국통신학회논문지, vol. 39A, no. 12, pp. 1110-1116, 2013.
M. K. Chung, M.S. Sim, J. Kim, D. K. Kim, and C.-B. Chae, "Prototyping Real-Time Full Duplex Radios," in arXiv:cs.IT/1503.03013, Mar. 2015.
김동구, 채찬병, 김광순, 이용식, 민병욱, 장진영, 정민근, 황해광, 오택근, 윤홍집, "실시간 하이브리드 빔포밍 프로 토타이핑," 제 25 회 통신정보 합동학술 대회, 2015년 4월.

저자의 다른 논문 :

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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