LTE D2D는 근접한 단말끼리의 직접적인 정보 교환을 통해 셀룰러 시스템의 데이터 트래픽 부하를 해결하는 핵심 기술이다. 특히 D2D 디스커버리는 LTE D2D를 위한 첫 단계로서 단말이 각자의 상태 정보를 주변 단말에게 브로드캐스트 하여 자신을 알리는 과정이다. 디스커버리 메시지 전송의 안정성을 평가하기 위해 시뮬레이션 기반의 성능 평가가 수행되었지만, 한정적인 상황에서 이루어진 경우가 많아 본 논문에서는 일반적인 환경에서 이를 평가할 수 있는 수학적 분석을 제안한다. 제안하는 분석은 확률 기하 이론을 바탕으로 수행되며, 자원 충돌과 인밴드 방사에 의한 간섭의 효과를 모두 고려한다. 우리는 디스커버리 메시지의 수신 성공 확률을 송수신 단말 간의 거리의 함수로 유도하고, 시뮬레이션 결과를 통해 제안하는 분석의 정확도를 확인한다.
LTE D2D는 근접한 단말끼리의 직접적인 정보 교환을 통해 셀룰러 시스템의 데이터 트래픽 부하를 해결하는 핵심 기술이다. 특히 D2D 디스커버리는 LTE D2D를 위한 첫 단계로서 단말이 각자의 상태 정보를 주변 단말에게 브로드캐스트 하여 자신을 알리는 과정이다. 디스커버리 메시지 전송의 안정성을 평가하기 위해 시뮬레이션 기반의 성능 평가가 수행되었지만, 한정적인 상황에서 이루어진 경우가 많아 본 논문에서는 일반적인 환경에서 이를 평가할 수 있는 수학적 분석을 제안한다. 제안하는 분석은 확률 기하 이론을 바탕으로 수행되며, 자원 충돌과 인밴드 방사에 의한 간섭의 효과를 모두 고려한다. 우리는 디스커버리 메시지의 수신 성공 확률을 송수신 단말 간의 거리의 함수로 유도하고, 시뮬레이션 결과를 통해 제안하는 분석의 정확도를 확인한다.
Long Term Evolution device-to-device (LTE D2D) is a key technology to mitigate data traffic load in a cellular system. It facilitates direct data exchange between neighboring users, which is preceded by D2D discovery. Each device advertises its presence to neighboring devices by broadcasting its dis...
Long Term Evolution device-to-device (LTE D2D) is a key technology to mitigate data traffic load in a cellular system. It facilitates direct data exchange between neighboring users, which is preceded by D2D discovery. Each device advertises its presence to neighboring devices by broadcasting its discovery message. In this paper, we develop a mathematical analysis to assess the probability that discovery messages are successfully transmitted at the D2D discovery stage. We make use of stochastic geometry for modeling spatial statistics of nodes in a two dimensional space. It reflects signal to noise plus interference ratio (SINR) degradation due to resource collision and in-band emission, which leads to the discovery message reception probability being modeled as a function of the distance between the transmitter and the receiver. Numerical results verify that the newly developed analysis accurately estimates discovery message reception probabilities of nodes at the D2D discovery stage.
Long Term Evolution device-to-device (LTE D2D) is a key technology to mitigate data traffic load in a cellular system. It facilitates direct data exchange between neighboring users, which is preceded by D2D discovery. Each device advertises its presence to neighboring devices by broadcasting its discovery message. In this paper, we develop a mathematical analysis to assess the probability that discovery messages are successfully transmitted at the D2D discovery stage. We make use of stochastic geometry for modeling spatial statistics of nodes in a two dimensional space. It reflects signal to noise plus interference ratio (SINR) degradation due to resource collision and in-band emission, which leads to the discovery message reception probability being modeled as a function of the distance between the transmitter and the receiver. Numerical results verify that the newly developed analysis accurately estimates discovery message reception probabilities of nodes at the D2D discovery stage.
본 논문에서는 임의의 디스커버리 송신 단말이 임의의 수신 단말에게 디스커버리를 성공적으로 보낼 확률을 수학적으로 분석한다. LTE D2D 시스템이 기본적으로 반이중 (half duplex) 통신이기 때문에 같은 시간 슬롯에서 자원을 선택하여 디스커버리를 보내는 단말들끼리의 통신이 불가능하고, 또한 무작위로 디스커버리 자원을 선택하기 때문에 디스커버리 풀 내에서 같은 자원을 선택한 단말이 여럿일 때 디스커버리 송신 단말들의 주변 단말들에게 큰 간섭을 일으키는 자원 충돌 문제가 존재할 수 있다.
가설 설정
hPPP 환경을 시뮬레이션 상에서 구현하기 위하여 1500 × 1500 m2 공간에 단말의 개수를 일정한 밀도를 가진 푸아송 분포 (Poisson distribution)로 반복하여 결과 값을 뽑아내었고 각 디스커버리 송신 단말은 표준에서 정의된 최대 송신 파워인 23dBm을 사용한다고 가정하였다. 또한 D2D 디스커버리 자원의 크기가 2 RB 쌍이므로 주파수 축으로의 자원 개수를 22개로 지정하였다.
hPPP 환경을 시뮬레이션 상에서 구현하기 위하여 1500 × 1500 m2 공간에 단말의 개수를 일정한 밀도를 가진 푸아송 분포 (Poisson distribution)로 반복하여 결과 값을 뽑아내었고 각 디스커버리 송신 단말은 표준에서 정의된 최대 송신 파워인 23dBm을 사용한다고 가정하였다. 또한 D2D 디스커버리 자원의 크기가 2 RB 쌍이므로 주파수 축으로의 자원 개수를 22개로 지정하였다. SINR threshold는 4dB로 가정하였다.
신호 전파 모델은 레일리 다중경로 페이딩(Rayleigh multipath fading)을 가정하며 파워는 지수파워 페이딩 (exponential power fading) h를 따른다.
제안 방법
본 논문에서는 D2D 디스커버리에서 단말들이 디스커버리 풀 내에서 자원을 무작위로 선택하는 방법인 Type 1에 대한 성능 분석을 이끌어 내었다. 디스커버리 풀 내에서 자원 충돌뿐만 아니라 인밴드 방사와 같은 간섭의 영향을 고려하여 분석의 정확도를 높였고 이를 고려하였을 때와 고려하지 않았을 때를 각각 비교하여 제안하는 분석이 실제에도 쓰일 수 있을 정도로 정확함을 확인하였다.
본 논문에서는 앞서 언급한 문제 외에도 인밴드 방사 (In-band emission)에 의한 간섭 문제도 분석에 고려한다. 본래 OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기반 시스템에서는 사용하는 RB에서 다른 RB로의 간섭이 이론적으로 존재하지 않는다.
셀룰러 시스템에서는 이를 파워 컨트롤을 통해 해결해 왔지만, LTE D2D 시스템에서는 송신 단말이 기본적으로 자신의 메시지를 주변 단말들에게 같은 파워로 브로드캐스팅하기 때문에 수신 단말들의 거리 차이에 의한 근거리/원거리 문제 (Near/Far problem)와 장애물에 의한 신호의 전달 방해 문제를 파워 컨트롤을 통해 해결하는 것이 불가능하다. 우리는 인밴드방사를 고려한 분석과 고려하지 않은 분석을 비교하여 인밴드 방사가 LTE D2D 디스커버리에서 끼치는 영향을 살펴볼 것이다.
데이터처리
본 장에서는 앞 장에서의 분석 결과를 시스템 레벨 시뮬레이션과 비교하고 그 결과에 대해 기술한다. 시뮬레이션 툴로는 MATLAB을 사용하였고, 시뮬레이션 환경은 표 1과 같다.
성능/효과
본 논문에서는 D2D 디스커버리에서 단말들이 디스커버리 풀 내에서 자원을 무작위로 선택하는 방법인 Type 1에 대한 성능 분석을 이끌어 내었다. 디스커버리 풀 내에서 자원 충돌뿐만 아니라 인밴드 방사와 같은 간섭의 영향을 고려하여 분석의 정확도를 높였고 이를 고려하였을 때와 고려하지 않았을 때를 각각 비교하여 제안하는 분석이 실제에도 쓰일 수 있을 정도로 정확함을 확인하였다. 시스템 레벨 시뮬레이션은 상당한 시간을 요구하는데 분석으로부터의 결과는 닫힌 형태 (closed form)로 도출되어 다양한 환경에서의 실제 성능을 빠른 시간 안에 확인할 수 있다.
디스커버리 풀 내에서 자원 충돌뿐만 아니라 인밴드 방사와 같은 간섭의 영향을 고려하여 분석의 정확도를 높였고 이를 고려하였을 때와 고려하지 않았을 때를 각각 비교하여 제안하는 분석이 실제에도 쓰일 수 있을 정도로 정확함을 확인하였다. 시스템 레벨 시뮬레이션은 상당한 시간을 요구하는데 분석으로부터의 결과는 닫힌 형태 (closed form)로 도출되어 다양한 환경에서의 실제 성능을 빠른 시간 안에 확인할 수 있다.
후속연구
또한 D2D 디스커버리뿐만 아니라 통신에서도 이 분석을 기반으로 성능 분석을 이끌어낼 수 있는데, D2D 통신은 SA를 전송하고 데이터 메시지를 전송하는 방식으로 이루어져 있어 이를 보완할 추가적인 분석이 필요하다. 그러므로 우리는 이후 연구에서 일반적인 D2D 통신 환경에서의 성능 분석을 이끌어내고자 한다.
디스커버리 메시지 수신 성공 확률을 통하여 디스커버리 수신 단말이 주변의 다른 단말들의 디스커버리 메시지를 평균적으로 얼마만큼 받았는지 분석할 수 있다. 또한 D2D 디스커버리뿐만 아니라 통신에서도 이 분석을 기반으로 성능 분석을 이끌어낼 수 있는데, D2D 통신은 SA를 전송하고 데이터 메시지를 전송하는 방식으로 이루어져 있어 이를 보완할 추가적인 분석이 필요하다. 그러므로 우리는 이후 연구에서 일반적인 D2D 통신 환경에서의 성능 분석을 이끌어내고자 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
LTE D2D 시스템에서 발생할 수 있는 문제는 무엇인가?
본 논문에서는 임의의 디스커버리 송신 단말이 임의의 수신 단말에게 디스커버리를 성공적으로 보낼 확률을 수학적으로 분석한다. LTE D2D 시스템이 기본적으로 반이중 (half duplex) 통신이기 때문에 같은 시간 슬롯에서 자원을 선택하여 디스커버리를 보내는 단말들끼리의 통신이 불가능하고, 또한 무작위로 디스커버리 자원을 선택하기 때문에 디스커버리 풀 내에서 같은 자원을 선택한 단말이 여럿일 때 디스커버리 송신 단말들의 주변 단말들에게 큰 간섭을 일으키는 자원 충돌 문제가 존재할 수 있다.
LTE D2D란 무엇인가?
LTE D2D는 근접한 단말끼리의 직접적인 정보 교환을 통해 셀룰러 시스템의 데이터 트래픽 부하를 해결하는 핵심 기술이다. 특히 D2D 디스커버리는 LTE D2D를 위한 첫 단계로서 단말이 각자의 상태 정보를 주변 단말에게 브로드캐스트 하여 자신을 알리는 과정이다.
디스커버리와 통신의 목적 차이에 따른 용도 차이점은 무엇인가?
LTE D2D는 크게 디스커버리와 통신이라는 두 가지 과정으로 구분되고 통신에 앞서 디스커버리가 필요하지만 디스커버리는 광고 등을 포함한 상용 목적에, 통신은 재난 통신을 위한 공용 목적으로 사용된다. 또한 이러한 목적의 차이 때문에 디스커버리는 커버리지 내에서만 사용되며 통신은 공공안정성을 위해 커버리지 안팎 모두에서 사용된다는 점이 차이점이라 할 수 있다.
참고문헌 (10)
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