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이동통신망에서 저지연 상향링크 전송 기법
Low Latency Uplink Transmission Scheme in Mobile Communication Networks 원문보기

한국통신학회논문지 = The Journal of Korean Institute of Communications and Information Sciences, v.42 no.1, 2017년, pp.77 - 87  

배덕현 (LG Electronics) ,  이현석 (Yonsei University, Department of Electrical and Electronic Engineering) ,  이장원 (Yonsei University, Department of Electrical and Electronic Engineering)

초록
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현재 사용되고 있는 LTE/LTE-A 이동통신망의 성능은 일반적인 무선 통신 서비스를 제공하는데 충분히 높은 대역폭과 낮은 지연시간을 제공하고 있지만, 차세대 이동통신망의 주요 서비스가 될 가상현실, 원격 제어 등의 초저지연 서비스를 지원하기 위해서는 수 ms 수준의 낮은 지연시간이 필요하다. 그러나 LTE/LTE-A 시스템에서의 상향링크 전송은 단말이 전송에 필요한 무선자원을 획득하기 위해 기지국으로부터 자원을 할당받는 스케줄링 승인 과정이 선행되어야 한다. 이 과정은 고정적인 지연시간을 가져오고, 상향링크 전송에서 낮은 지연시간을 달성하는데 걸림돌이 된다. 따라서 본 논문에서는 이러한 스케줄링 승인 과정으로 인해 발생하는 지연시간을 줄이기 위해 새로운 상향링크 전송 방법인 Cut-in 상향링크 전송방법을 제안한다. 제안하는 상향링크 전송방법의 검증을 위해 모의실험을 수행하였으며, 이 결과를 통하여 제안하는 상향링크 전송방법이 기존 LTE/LTE-A 상향링크 전송 방법보다 낮은 지연시간을 발생시킴을 보인다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Even though current LTE/LTE-A mobile networks provide enough high data rate and low latency to support conventional wireless services, to support ultra-low delay services, such as virtual reality and remote control, in the next generation mobile communication network, it is required to provide very ...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 논문에서는 기지국이 단말의 상향링크 트래픽을 파악하는 순간에 단말에게 4 서브프레임 이내의 자원을 할당할 수 있는 방법인 Cut-in 상향링크 전송방법을 제안하고자 한다. 이를 위해 본 절에서는 Cut-in 상향링크 전송에서 기지국이 자원을 할당하는 방법, Cut-in 상향링크 전송에서 4 서브프레임 이내의 자원을 할당받았을 때 다른 단말과의 충돌을 방지하는 방법을 제시하고, 마지막으로 수식을 통해 Cut-in 상향링크 전송방법이 얻을 수 있는 성능에 대해 분석한다.
  • 본 논문에서는 현재 사용되는 LTE/LTE-A 이동통신 시스템의 상향링크 지연시간을 상향링크 전송 절차에 따라 분석하였으며, 상향링크 지연시간을 감소시킬 수 있는 새로운 상향링크 전송 방법에 대해 연구하였다. 그리고 기존 LTE/LTE-A 상향링크 전송이 가지는 한계점인 스케줄링 요청과 상향링크 승인이 가지는 고정된 지연시간을 줄이기 위해서 고정된 자원을 단말에게 할당하여 지연시간을 감소시키는 예약된 상향링크 자원이라는 개념을 제시한다.
  • 본 절에서는 단말이 상향링크 전송 자원을 할당 받는데 발생하는 지연시간을 감소시키기 위한 Cut-in 상향링크 전송방법을 제안한다. 자원할당으로 인한 지연시간을 줄이기 위해서는 자원을 미리 할당하거나 지속적으로 할당하는 방법이 고려될 수 있다[15].
  • 이 논문에서는 낮은 지연시간을 요구하는 서비스를 위한 새로운 상향링크 전송방법을 제시한다. 제시하는 상향링크 전송 방법은 기존 LTE/LTE-A 이동통신 시스템의 큰 변경 없이 몇 개의 시그널링과 새로운 자원할당 방법을 추가하는 것으로 기존 방법보다 낮은 지연시간을 획득할 수 있다.
  • 따라서 단말이 4 서브프레임 이내의 예약받은 상향링크 자원을 사용하기 위해서는 단말간의 충돌을 방지하는 추가적인 절차가 필요하다. 이 절에서는 상향링크 자원을 예약 받은 단말이 사전에 할당된 단말과 충돌하기 전에 기지국이 사전에 할당된 단말의 전송을 뒤로 미룸으로써 단말간의 충돌을 피할 수 있는 스케줄링 해제 절차에 대해 설명한다.
  • 따라서 사용하는 변조 및 코딩 방법에 따라 다른 상향링크 지연시간을 획득할 수 있고, Cut-in 상향링크 전송을 사용하는 단말의 수와 해당 단말들에 발생하는 저지연 트래픽의 양에 따라서 기존 단말에 미치는 영향이 달라질 수 있다. 이러한 성능 변화와 기존 단말에 미치는 영향을 확인하기 위해서 실험을 설계하고 수행하였다. 먼저 동일한 시스템 상황에서 저지연 서비스를 이용하는 단말그룹이 제안하는 상향링크 방법을 사용한 경우와 사용하지 않은 경우에 대해 지연시간의 변화에 대해 관찰한다.

가설 설정

  • 게이밍 트래픽의 inter-arrival time d는 기본적으로 40 ms의 고정된 값으로 하였다[17]. tUE는 웹 브라우징을 위한 HTTP request를 전달하는 상향링크 트래픽을 발생시킨다고 가정하고 HTTP request의 크기는 정규 로그 분포 모델을 사용하였다[18,19]. 실제 시스템에서 스케줄링 요청 주기는 1 ms부터 80 ms까지의 길이를 가질 수 있고, 1 ms, 2 ms의 주기는 저지연 전송을 위해 사용된다.
  • 기지국이 기존의 상향링크 승인 메시지를 보내는 데에는 각 단말의 채널추정과 이를 고려한 기지국의 상향링크 스케줄링 과정이 필요한 반면, 강제 스케줄링 해제 요청 메시지를 전달하는 데에는 과거의 스케줄링 정보만이 필요하다. 따라서 강제 스케줄링 해제 메시지를 전송하기 위해서는 기존의 상향링크 승인 메시지보다 더 적은 시간이 소요될 것이라고 가정할 수 있다. 기존의 상향링크 전송방법에서 기지국이 스케줄링 요청을 확인하고 상향링크 승인 메시지를 전송하는데 4 서브프레임의 시간이 필요하다.
  • 4.1 모의실험 모델

    모의실험 환경으로 하나의 셀에 하나의 기지국과 다수의 단말이 존재하는 상황을 가정하였다. 셀의 반경은 500 m이고, 단말은 셀 범위 안에서 균일한 분포를 갖는다.

  • 실제 시스템에서 스케줄링 요청 주기는 1 ms부터 80 ms까지의 길이를 가질 수 있고, 1 ms, 2 ms의 주기는 저지연 전송을 위해 사용된다. 본 실험에서 sUE는 2 ms, tUE는 8 ms의 스케줄링 요청 주기를 가지는 것으로 가정하였다. 본 실험에서 말하는 지연시간은 트래픽 모델에서 발생한 패킷이 전송 버퍼에 들어간 시점부터 기지국으로부터 전송 성공에 대한 응답을 받기까지의 시간이다.
  • 실제 LTE/LTE-A 시스템의 상향링크 전송의 최소 자원할당 단위는 1 RBP(resource block pair)이고, 하나의 단말은 하나의 서브프레임에서 주파수 축으로 연속된 RBP만을 할당받을 수 있다. 본 실험에서 상향링크 전송이 필요한 단말은 한번에 두개의 RBP를 할당받는다고 가정하였다. 제안하는 상향링크 전송에서 sUE는 스케줄링 요청 전송 후 고정된 자원을 사용하기 때문에, 하나의 서브프레임에서 스케줄링 요청을 전송하는 sUE의 수는 사용 가능한 RBP의 수에 제한된다.
  • 제안하는 상향링크 전송의 경우, 단말이 망에 접속할 때 예약 가능한 상향링크 자원과 전송에 사용될 변조 및 코딩 방법을 미리 할당 받는다. 예약 가능한 상향링크 자원을 사용하는 모든 단말들은 16QAM을 사용하는 MCS 14를 할당 받는 것으로 가정하였다[21]. 전송 블록의 에러율은 MIESM 방식을 통해 도출하였다[22,23].
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
상향링크 자원을 예약한 단말의 장점은? 상향링크 자원을 예약한 단말은 자신이 사용할 무선자원에 대한 정보를 획득했기 때문에 상향링크 승인메시지를 수신하지 않고도 상향링크 전송을 수행할 수 있다. 상향링크 자원 예약은 단말이 전송시점에 겪는 무선채널의 상태에 따라 그 위치를 변경할 수 없는 지정된 자원 할당 방법이므로 단말이 사용하는 트래픽을 고려하여 일반적인 자원 할당보다 낮은 수준의 변조 및 코딩 방법을 사용한다.
무선자원의 일부를 경쟁 기반의 무선자원으로 지정하여 랜덤 엑세스(random access)를 통해 스케줄링 요청을 하는 방법의 문제점은? LTE/LTE-A에서는 단말이 무선자원을 획득하기 위해서 지정된 자원 기반의 스케줄링 요청이나, 무선자원의 일부를 경쟁 기반의 무선자원으로 지정하여 랜덤 엑세스(random access)를 통해 스케줄링 요청을 하는 방법이 사용된다. 이러한 자원 획득 과정은 추가적인 지연시간을 발생시키고, 초저지연 서비스의 지연시간 요구사항을 충족시키는데 큰 걸림돌이 된다. 기존의 LTE/LTE-A 이동통신에서는 상향링크 자원할당으로 인한 지연시간과 오버헤드를 줄이기 위해 준정적 스케줄링을 하나의 방법으로 제시한다[5].
Cut-in 상향링크 방법이란? Cut-in 상향링크 방법을 사용하는 단말은 상향링크 전송 시 고정된 변조 및 코딩 방법으로 예약 가능한 상향링크 자원을 사용하고, 기존 단말의 전송을 뒤로 미루고 우선적으로 전송한다. 따라서 사용하는 변조 및 코딩 방법에 따라 다른 상향링크 지연시간을 획득할 수 있고, Cut-in 상향링크 전송을 사용하는 단말의 수와 해당 단말들에 발생하는 저지연 트래픽의 양에 따라서 기존 단말에 미치는 영향이 달라질 수 있다.
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참고문헌 (25)

  1. D.-H. Bae, H.-S. Lee, and J.-W. Lee, "Low latency uplink transmission," in Proc. Int. Conf. Electron. Inform. Commun (ICEIC), 2017. 

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  3. G. Fettweis, "The tactile internet: Applications and challenges," IEEE Veh. Technol. Mag., vol. 9, no. 1, pp. 64-70, Mar. 2014. 

  4. H. S. Seo, J. S. Jung, and S. S. Lee, "Scenario and network performance evaluation for a do not pass warning service based on vehicle-to-vehicle communications," J. KICS, vol. 38, no. 3, pp. 227-232, Mar. 2013. 

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  7. K. D. Lee, S. Kim, and B. Yi, "Throughput comparison of random access methods for M2M service over LTE networks," in Proc. IEEE Globecom Workshops (IEEE GC Wkshps), pp. 373-377, 2011. 

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  9. 3GPP, Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA); Study on latency reduction techniques for LTE (Release 14), TR 36.881, Jun. 2016. 

  10. H. Tran, M. Hasegawa, Y. Murata, and H. Harada, "Representation of user satisfaction and fairness evaluation for user-centric dynamic spectrum access," in Proc. IEEE Int. Symp. Personal, Indoor, Mobile Radio Commun. (IEEE PIMRC), pp. 838-842, May 2009. 

  11. S. W. Jeon and W. Y. Shin, "Dynamic opportunistic interference alignment for random-access small-cell networks," J. KICS, vol. 39, no. 11, pp. 675-681, Nov. 2014. 

  12. Y. Chen and W. Wang, "Machine-to-machine communication in LTE-A," in Proc. IEEE Veh. Technol. Conf. (IEEE VTC-Fall), pp. 1-4, Sept. 2010. 

  13. K. Zhou, N. Nikaein, R. Knopp, and C. Bonnet, "Contention based access for machine-type communications over LTE," in Proc. IEEE Veh. Technol. Conf. (IEEE VTC-Spring), pp. 1-5, May 2012. 

  14. 3GPP, Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA) and evolved universal terrestrial radio access network (E-UTRAN); overall description; stage 2, TS 36.300, Sept. 2015. 

  15. Y. S. Lee, J. S. Lee, J. S. Lim, H. W. Park, and H. J. Noh, "Multiple slot reservation for rapid data traffic transmission in the satellite random access channel," J. KICS, vol. 40, no. 10, Oct. 2015. 

  16. N. Nikaein, R. Knopp, F. Kaltenberger, L. Gauthier, C. Bonnet, D. Nussbaum, and R. Ghaddab, "OpenAirInterface 4G: an open LTE network in a PC," in Proc. Int. Conf. Mobile Comput. Netw. (MobiCom), Sept. 2014. 

  17. I. Alyafawi, E. Schiller, T. Braun, D. Dimitrova, A. Gomes, and N. Nikaein, "Critical issues of centralized and cloudified LTE-FDD radio access networks," in Proc. IEEE Int. Conf. Commun. (IEEE ICC), pp. 5523-5528, June 2015. 

  18. NGMN Alliance, NGMN radio access performance evaluation methodology, NGMN, White paper, pp. 1-37, Jan. 2008. 

  19. H. K. Choi and J. O. Limb, "A behavioral model of web traffic," in Proc. IEEE Int. Conf. Network Protocols (IEEE ICNP), pp. 327-334, Oct. 1999. 

  20. G. Piro, N. Baldo, and M. Miozzo, "An LTE module for the Ns-3 network simulator," in ICST SimuTools, pp. 415-422, 2011. 

  21. 3GPP, Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); Physical layer procedures, TS 36.213, May 2014. 

  22. K. Ramadas and R. Jain, Wimax system evaluation methodology, Wimax Forum, White paper, 2007. 

  23. M. Taranetz, T. Blazek, T. Kropfreiter, M. Muller, S. Schwarz, and M. Rupp, "Runtime precoding: Enabling multipoint transmission in LTE-Advanced system-level simulations," IEEE Access, vol. 3, pp. 725-736, Jun. 2015. 

  24. 3GPP, Evolved universal terrestrial radio access (E-UTRA); Further advancements for E-UTRA physical layer aspects, TS 36.814, May 2010 

  25. H. Holma, and A. Toskala, LTE for UMTS: Evolution to LTE-advanced., John Wiley & Sons, 2011. 

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