[논문]빔기반 공간 활용 5세대 이동통신 기술 연구

이주용; 길계태; 고성원; 박종근; 노윤석; 오상민; 임한영; 최일도; 이경태

[국내논문] 빔기반 공간 활용 5세대 이동통신 기술 연구 원문보기

電子工學會誌 = The journal of Korea Institute of Electronics Engineers, v.42 no.10 = no.377, 2015년, pp.73 - 84

이주용 (한국과학기술원 IT 융합연구소) , 길계태 (한국과학기술원 IT 융합연구소) , 고성원 (한국과학기술원 IT 융합연구소) , 박종근 (한국과학기술원 IT 융합연구소) , 노윤석 (한국과학기술원 IT 융합연구소) , 오상민 (한국과학기술원 IT 융합연구소) , 임한영 (한국과학기술원 IT 융합연구소) , 최일도 (한국과학기술원 IT 융합연구소) , 이경태 (한국과학기술원 IT 융합연구소)

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문제 정의

본 논문에서는 이러한 5세대 이동통신 기술 개발을 위한 여러 측면에서 진행되고 있는 연구들을 정리하였다.
하지만, 소형셀의 개수가 많아지면 모든 소형셀 기지국을 유선으로 연결하는 데는 한계가 있고, 소형셀의 유연한 망 구축을 위해 무선 백홀망 구축이 필요하다. 본 장에서는 산간, 도서 지역 등 이동통신 커버리지로부터 제외된 음영지역의 액세스 망을 지원하기 위한 빔 기반 무선 백홀망 기술로써 무선 백홀 스위치와 고정/이동 액세스 포인트로 구성되는 초광역 무선 백홀망 기술에 대해서 설명한다^[4].
앞으로 대형 안테나 어레이 무선 백홀 스위치의 안테나를 전부 사용한 세밀빔으로 셀을 형성하는 방식뿐만 아니라, 안테나를 여러 개의 서브 어레이로 나누어 사용하여 그룹빔으로 셀을 형성하는 방식에 대해 연구를 진행할 예정이다. 세밀빔과 그룹빔을 함께 운용함으로써 얻을 수 있는 이득을 검증해보고자 한다.
이에 따라 최근 밀리미터파 채널 모델링에 대한 연구가 많이 진행 중에 있다. 이번 장에서는 후보 주파수들 중 특히 28 GHz 대역에서 수행하고 있는 채널 측정에 대한 측정 시스템과 측정 환경에 대해서 소개한다.
본 논문에서는 5세대 이동통신을 위해서 여러 측면에서 진행되고 있는 연구를 기술하였다. 5세대 이동통신은 많은 안테나를 활용하여 다수의 빔을 기반으로 저전력으로 용량 증대를 달성할 수 있는 기술로 발전하고 있다.

제안 방법

초광역 무선 백홀망 기술의 성능 평가를 위해서 10km2의 영역에서 400 개 안테나 엘리먼트로 구성된 무선 백홀 스위치를 1 대를 중심으로 35 대의 고정 액세스 포인트가 있는 환경에서 무선 백홀 스위치-이동 액세스 포인트 간 SINR 및 주파수 효율을 구하여 성능 분석을 진행하였다. 이때, 빔의 사이드로브 제어를 통해 빔 간 간섭을 -30 dB까지 제거한 세밀빔 설계를 활용하였다.
무지향성 안테나처럼 전범위에서 신호를 송수신할 수 없기 때문에, 송신 단과 수신단을 자동 회전 모듈에 부착하여 전 방향을 스캔하며 측정을 진행하게 된다. 채널의 임펄스 응답은 송신단에서 250 Mcps (Mega chip per second) PN 신호를 발생시키고, 수신단에서 PN 신호의 상관 특성을 이용한 슬라이딩 상관기를 이용해 구한다. 송수신단의 시간 동기는 함수 발생기 (function generator)와 유선 케이블을 통해 맞춰지며, 이를 통해 10도 간격으로 측정된 각각의 채널 정보들을 합쳐 하나의 전 방향 정보를 구할 수 있다.
마지막으로 도심 환경에 대한 측정은 대전 월평동의 이마트 트레이더스 근방에서 이루어졌다. 송신단은 워커힐 모텔의 5층에 설치되었다.
본 장에서는 UCA OAM 기술의 개념에 대해 소개하고 이 새로운 전송방식이 LoS 채널환경에서 갖는 mode capacity를 분석하였다. 시뮬레이션 결과들은 LoS환경에서 수신 UCA 반경이 λ/2일 때 반경이 4λ인 송신 UCA를 통해 10 m이상의 거리에서 5개의 mode를 전송할 수 있음을 보여주었다.
패턴/편파/빔 기술의 이득을 확인하기 위한 다양한 연구가 진행되었다. 우선적으로 패턴/편파/빔의 이득을 얻을 수 있는 안테나 개발 및 패턴/편파/빔이 고려된 채널 모델을 제안하고 성능 분석을 수행하였다. <그림 7(a)>는 패턴/편파 안테나 기반 시스템의 송수신 구성과 다이폴 안테나 기반 송수신 구성을 보여주고 있다.

대상 데이터

28 GHz 대역에 대한 채널 측정을 수행하기 위해 개발한 측정시스템의 블록 다이어그램을 <그림 3>에 나타내었다. 28 GHz 대역은 기존 셀룰러 대역에 비해 공기에 대한 손실이 크므로, 수백 미터 범위의 신호를 검출하기 위해 송수신단에 24.5 dBi의 이득을 갖는 10도 빔 폭의 혼 안테나를 이용하였다. 무지향성 안테나처럼 전범위에서 신호를 송수신할 수 없기 때문에, 송신 단과 수신단을 자동 회전 모듈에 부착하여 전 방향을 스캔하며 측정을 진행하게 된다.
실외 환경에 대한 측정은 KAIST 교내에서 이루어졌다. 송신단은 KAIST 내의 전자동 4층 세미나실에 설치되었다. <그림 5(a)>는 채널 측정이 수행된 송수 신단의 위치를 표기한 평면도이며, <그림 5(b)>는 송신단 위치에서 바라본 전경이다.

이론/모형

이때, 빔의 사이드로브 제어를 통해 빔 간 간섭을 -30 dB까지 제거한 세밀빔 설계를 활용하였다. 채널 모델의 경우, long-term fading 모델은 3GPP SCM^[5]의 path loss model을 인용하였고, short-term fading 모델은 one-ring model^[6]을 확장하여 활용하였다.

성능/효과

총 8개 스트림을 지원하며, 각 안테나간 correaltion은 5 % 미만으로 설계되었다. 측정된 각 안테나의 S11 특성은 약 -15dB로 만족할 만한 성능을 보여준다. <그림 14>는 제작된 6-port 임피던스 로딩 보드를 보여준다.
또한, 에서 T-R distance가 큰 값을 가지는 region에서 mode 0가 SISO 시스템에 비하여 18 dB의 SNRgain을 가짐을 알 수 있다.
시뮬레이션 결과들은 LoS환경에서 수신 UCA 반경이 λ/2일 때 반경이 4λ인 송신 UCA를 통해 10 m이상의 거리에서 5개의 mode를 전송할 수 있음을 보여주었다.
이는 패턴/편파 특성이 다른 안테나를 작은 공간에 집적하므로 한정된 공간을 이용하여 채널용량을 증대시킬 수 있는 방안이다. 본 기술을 통하여 한정된 공간에서 많은 안테나를 활용하고, 저복잡도로 많은 빔 전송을 가능하게 함으로써 용량 증대를 달성할 수 있다.
<그림 7(b)>는 각 송수신 구성 환경에서 측정된 채널을 활용하여 달성 가능한 용량을 보이고 있다. 이를 통해 기존 MIMO 안테나와 비교하여 차지하는 크기가 적지만, 패턴/편파 안테나 기반의 집적 안테나 구조가 전송용량 측면에서 이득을 가지는 것을 확인할 수 있다. <그림 8(a)>는 제안하고 있는 또 다른 패턴/편파 안테나이며, <그림 8(b)>는 여러 가지 채널 환경에서의 용량을 비교하고 있다.

후속연구

앞으로 대형 안테나 어레이 무선 백홀 스위치의 안테나를 전부 사용한 세밀빔으로 셀을 형성하는 방식뿐만 아니라, 안테나를 여러 개의 서브 어레이로 나누어 사용하여 그룹빔으로 셀을 형성하는 방식에 대해 연구를 진행할 예정이다. 세밀빔과 그룹빔을 함께 운용함으로써 얻을 수 있는 이득을 검증해보고자 한다.
더 나아가, 기존의 빔포밍 시스템이 아닌 새로운 하이브리드 빔포밍 기술 검증 시뮬레이터 및 검증 시스템을 구현하여 고정/이동 액세스 포인트를 대상으로 좀 더 효율적이고 넓은 커버리지에서의 실제적인 초광역 무선 백홀망 기술 성능 분석을 수행할 계획이다.
현재 설명된 채널 환경들에 대한 측정 결과들을 바탕으로 경로 손실을 분석하고, 시간 지연 확산, 초과 지연 평균, 송신 각도 범위, 수신 각도 범위, 클러스터 개수 등의 공간 채널 모델에 필요한 파라미터들을 도출을 진행하고 있다. 이 값들은 기존 환경에 대한 추가 측정과 새로운 환경에서의 측정을 지속적으로 수행함으로써 계속 보완될 예정이다.
해당 연구는 실제 이동 통신망의 상용 모뎀과 단말을 연동한 상태에서 기존 4G 기술과 비교를 위한 성능 테스트를 진행 중에 있다. 또한 해당 기술에 대한 표준화를 진행하여 앞으로의 미래 5G 이동통신 기술의 핵심 기술로 인정받을 수 있도록 진행할 예정이다.
해당 연구는 실제 이동 통신망의 상용 모뎀과 단말을 연동한 상태에서 기존 4G 기술과 비교를 위한 성능 테스트를 진행 중에 있다. 또한 해당 기술에 대한 표준화를 진행하여 앞으로의 미래 5G 이동통신 기술의 핵심 기술로 인정받을 수 있도록 진행할 예정이다.
시뮬레이션 결과들은 LoS환경에서 수신 UCA 반경이 λ/2일 때 반경이 4λ인 송신 UCA를 통해 10 m이상의 거리에서 5개의 mode를 전송할 수 있음을 보여주었다. 본 연구에서 발견된 UCA OAM 기술이 갖는 유효전송거리의 제약 문제는 다양한 공간 활용 방식을 통해 개선할 계획이다.
다만, 많은 안테나를 활용하는 빔기반 공간 활용 전송 기술에서 RF 단의 복잡도와 baseband 단의 복잡도를 줄여주기 위한 기술들이 개발되는 것이 필요하다. 디지털 빔포밍과 아날로그 빔포밍을 함께 사용하는 하이브리드 빔포밍은 baseband 단의 복잡도를 줄이는데 기여할 수 있을 것으로 보이며, 단일 RF 기술은 RF 단의 복잡도를 줄이는데 기여할 수 있을 것으로 기대된다. 마지막으로 LoS 환경의 전송시 용량 증대를 달성할 수 있는 OAM기술은 무선 백홀의 용량을 획기적으로 높일 수 있는 유망한 기술로 생각된다.
마지막으로 LoS 환경의 전송시 용량 증대를 달성할 수 있는 OAM기술은 무선 백홀의 용량을 획기적으로 높일 수 있는 유망한 기술로 생각된다. 본 논문에서 언급된 다양한 5세대 관련 기술들은 여러 측면에서 융, 복합화됨으로써 차세대이동통신 기술을 위한 기반으로 역할을 할 수 있을 것으로 생각된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	4 세 대 이 동 통 신은 무엇으로 150Mbps의 용량을 달성하는가?	4 세 대 이 동 통 신 은 O F D M(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기술과 MIMO(Multiple Input Multiple Output)기술을 통하여 LTE 20 MHz 대역에서 150 Mbps의 용량을 달성하고 있다. 5세대 이동통신은 저전력으로 1000배의 용량 증대, 수많은 IoT 디바이스 수용을 목표로 기술개발이 진행되고 있다[1].
	5세대 이동통신은 무엇을 목표로 기술개발이 진행 중인가?	4 세 대 이 동 통 신 은 O F D M(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기술과 MIMO(Multiple Input Multiple Output)기술을 통하여 LTE 20 MHz 대역에서 150 Mbps의 용량을 달성하고 있다. 5세대 이동통신은 저전력으로 1000배의 용량 증대, 수많은 IoT 디바이스 수용을 목표로 기술개발이 진행되고 있다[1].
	저전력으로 1000배의 용량 증대를 위해서는 무엇이 필요한가?	저전력으로 고용량 증대를 달성할 수 있는 5세대 이동통신을 위해서 소형셀을 충분히 활용하고, 많은 안테나를 사용하여 다수의 빔으로 동시 전송하는 기술 개발이 필요하다. 또한 주파수 자원을 확보하기 위해서 6 GHz 이하 대역 또는 밀리미터파 대역을 포함한 6 GHz 이상 대역의 주파수 자원에 대한 다각도의 논의가 진행되고 있다[2-3].

참고문헌 (17)

이주용, 조동호, "5세대 이동통신 기술의 현황 및 전망," SK Telecommunications Review, 24권 2호, pp.202-209 2014년 4월
T. S. Rappaport, S. Sun, R. Mayzus, H. Zhao, Y. Azar, K. Wang, G. N. Wong, J. K. Schulz, M. Samimi, and F. Gutierrez, "Millimeter Wave Mobile Communications for 5G Cellular: It Will Work!," IEEE Access Journal, Vol 1, No. 1, March, 2013.
S. Hur, Y.-J. Cho, J. Lee, N.-G. Kang, J. Park and H. Benn, "Synchronous Channel Sounder Using Horn Antenna and Indoor Measurements on 28 GHz," 2014 IEEE International Black Sea Conference on Communications and Networking (BlackSeaCom), pp. 83-87, May 27-30, 2014.
고성원, 김효지, 이주용, 조동호 "대형 어레이 안테나 기반 초광역 무선 백홀망 시스템," The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, Vol.40, No. 07, pp.1354-1362, 2015년 7월

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3GPP, Spatial channel model for multiple input multiple output (MIMO) simulations(Sept, 2003), 2015, from http://www.3gpp.org/ftp/Specs/html-info/25996.htm.
S. Da-Shan, et al., "Fading correlation and its effect on the capacity of multielement antenna systems," IEEE Trans. Commun., vol. 48, no. 3, pp. 502-513, Mar. 2000.

상세보기
M. R. Andrews, P. P. Mitra, and R. deCarvalho. "Tripling the capacity of wireless communications using electromagnetic polarization," Nature, vol. 409, pp. 316-318, Jan. 2001.

상세보기
Sung Ho Chae, Sang Won Choi, and Sae-Young Chung. "On the multiplexing gain of K-user line-of-sight interference channels." Communications, IEEE Transactions on 59.10 (2011): 2905-2915.

상세보기
Osama N. Alrabadi et. al., "MIMO Transmission Using a Single RF Source: Theory and Antenna Design", IEEE Trans. on Antennas and Prop., Vol. 60, No. 2, 2012.
Kyoungtae Lee, Il-do Choi, and Juyong Lee, "Design of Impedance Loading Board Supporting Load-modulated Beamspace MIMO Single RF System", International Symposium on Antennas and Propagation (APS), 2015.
Il-do Choi, Kyoungtae Lee, and Juyong Lee, "L-shaped Slot Antenna Design for Load-modulated Beamspace- MIMO System", International Symposium on Antennas and Propagation (APS), 2015.
J. D. Jackson, Classical Electrodynamics, Wiley, New York, 1962.
B. Thide,H. Then, J. Sjoholm,K. Palmer, J. Bergman, T.D. Carozzi, Y. N. Istomin, N. H. Ibragimov, and R. Khamitova, "Utilization of photon orbital angular momentum in the lowfrequency radio domain," Phys. Rev. Lett., vol. 99, no. 8, pp. 087701-087701-4, Aug. 2007.

상세보기
S. M. Mohammadi, L. K. S. Daldorff, J.E. S.Bergman, R.L.Karlsson, B. Thide, K. Forozesh, T. D. Carozzi, and B. Isham, "Orbital angular momentum in radio-A system study," IEEE Trans. Antennas Propag., vol. 58, no. 2, pp. 565-572, Feb. 2010.

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Yan, Y.; Xie, G.; Lavery, M. P. J.; Huang, H.; Ahmed, N.; Bao, C.; Ren, Y.; Cao, Y.; Li, L.; Zhao, Z.; Molisch, A. F.; Tur, M.; Padgett, M. J.; Willner, A. E. (2014). "High-capacity millimetrewave communications with orbital angular momentum multiplexing". Nature Communications 5: 4876.

상세보기
F. E. Mahmouli and S. D. Walker, "4-Gbps uncompress video transmission over a 60-GHz orbital angular momentum wireless channel," IEEE wireless commun. lett., vol. 2, no. 2, pp. 223-226, Apr. 2013.

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Jian Wang, et. al., "Terebit free-space data transmission employing orbital angular momentum multiplexing," Nature Photon., vol. 6, pp. 488-496, July 2012.

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