2017년 12월 원주~강릉구간 고속철도 개통과 함께 250km/h급 철도통합무선망(LTE-R)이 세계 최초로 상용화되었다. LTE-R은 음성 및 영상 통화, 고속 데이터 전송, 커버리지이중화 및 DU 이중화 등 많은 장점이 있으나 UL, DL 각 10MHz의 한정된 대역폭을 사용하므로 효율적인 무선자원 활용이 필요하다. 기존의 Unicast 방식은 주파수 효율이 제안적으로 사용자 수가 증가할 경우 망 부하로 인하여 서비스에 제한이 있으며 이는 안정성과 신뢰성을 보장해야 하는 LTE-R 특성 상 큰 문제로 이어질 수도 있다. 반면 eMBMS를 통한 Multicast 방식을 적용하면 영상데이터와 같은 대용량 데이터 전송수가 늘어도 안정적인 서비스 제공이 가능하다. 본 논문에서는 이론전 계산값과 시험을 통해 LTE-R 망 부하를 고려한 Unicast 기반의 사용자 임계수를 도출하고 향후 LTE-R의 eMBMS 상용화 적용을 위한 고려사항을 제시하고자 한다.
2017년 12월 원주~강릉구간 고속철도 개통과 함께 250km/h급 철도통합무선망(LTE-R)이 세계 최초로 상용화되었다. LTE-R은 음성 및 영상 통화, 고속 데이터 전송, 커버리지 이중화 및 DU 이중화 등 많은 장점이 있으나 UL, DL 각 10MHz의 한정된 대역폭을 사용하므로 효율적인 무선자원 활용이 필요하다. 기존의 Unicast 방식은 주파수 효율이 제안적으로 사용자 수가 증가할 경우 망 부하로 인하여 서비스에 제한이 있으며 이는 안정성과 신뢰성을 보장해야 하는 LTE-R 특성 상 큰 문제로 이어질 수도 있다. 반면 eMBMS를 통한 Multicast 방식을 적용하면 영상데이터와 같은 대용량 데이터 전송수가 늘어도 안정적인 서비스 제공이 가능하다. 본 논문에서는 이론전 계산값과 시험을 통해 LTE-R 망 부하를 고려한 Unicast 기반의 사용자 임계수를 도출하고 향후 LTE-R의 eMBMS 상용화 적용을 위한 고려사항을 제시하고자 한다.
In December 2017, the world's first LTE-R for 250km/h high-speed railway was commercialized with the opening of Wonju-Gangneung high-speed railway. LTE-R has many advantages such as voice and video call, high-speed data transmission, coverage redundancy and DU redundancy. But it requires efficient u...
In December 2017, the world's first LTE-R for 250km/h high-speed railway was commercialized with the opening of Wonju-Gangneung high-speed railway. LTE-R has many advantages such as voice and video call, high-speed data transmission, coverage redundancy and DU redundancy. But it requires efficient use of radio resources because of a limited bandwidth of 10MHz for UL and DL, respectively. The existing unicast scheme has limited high frequency efficiency so when the number of users increases, service is limited due to the network load, which could be a problem for LTE-R in terms of stability and reliability. On the other hand, the multicast scheme via eMBMS can provide stable service even if the number of video users is high. This paper derives the number of unicast scheme users considering the LTE-R network with LAB test and calculation result, and proposes implementation plans and considerations for eMBMS commercialization on LTE-R.
In December 2017, the world's first LTE-R for 250km/h high-speed railway was commercialized with the opening of Wonju-Gangneung high-speed railway. LTE-R has many advantages such as voice and video call, high-speed data transmission, coverage redundancy and DU redundancy. But it requires efficient use of radio resources because of a limited bandwidth of 10MHz for UL and DL, respectively. The existing unicast scheme has limited high frequency efficiency so when the number of users increases, service is limited due to the network load, which could be a problem for LTE-R in terms of stability and reliability. On the other hand, the multicast scheme via eMBMS can provide stable service even if the number of video users is high. This paper derives the number of unicast scheme users considering the LTE-R network with LAB test and calculation result, and proposes implementation plans and considerations for eMBMS commercialization on LTE-R.
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문제 정의
본 논문은 LTE-R 환경에서 한정된 대역폭을 효율적으로 사용하기 위한 영상전송의 임계치를 실험을 통해 확인하고, eMBMS 기술 적용 전·후의 효과를 분석 제시함으로써 향후 eMBMS 기술 적용시 필요성 및 시스템 고려 사항, 구성방안 등을 제시하였다.
제안 방법
QoS는 원주~강릉구간 철도통합무선망(LTE-R)과 동일한 표 4와 같이 설정하여, 영상 PTT 그룹통화는 QCI 2를, GBR (Guaranteed Bit Rate)은 UL 525 kbps, DL 840 kbps로 설정하였다.
Unicast PTT 그룹에 휴대용단말기를 2대씩 추가 또는 제거 후 영상 PTT 그룹통화를 시행하고 영상 지연 발생시 단말 수량을 기록하였으며, 전파환경을 고려한 전계 강도를 강전계·중전계·약전계로 조정하여 동일 시험을 진행하였다.
설정값을 토대로 전계강도별 잔여용량의 평균을 Cavg라고 정의하고, 영상 PTT 그룹통화 시 영상 지연이 발생하는 단말 수량 N을 원주~강릉구간 평균 DL전송 속도를 적용하여 다음과 같이 계산하였다.
시험은 원주~강릉 철도통합무선망(LTE-R)와 동일한 센터설비를 갖추고 있는 KT 연구개발센터에서 eMBMS를 구현하여 시행하였으며, 시험환경에서 Unicast 및 Multicast (eMBMS) 방식의 영상 서비스인 PTT 그룹 영상통화 시험을 시행하였다.
시험환경 전파조건 확인을 위해 스마트폰형 휴대용 단말기를 노트북에 연결하여 DM을 통한 전계강도에 따른 DL 및 UL 데이터 전송속도를 10초씩 5회 측정하였다. 표 7은 측정한 DL 및 UL 데이터 전송속도의 평균값이다.
대상 데이터
Multicast (eMBMS) 시험은 Unicast 시험 완료 후 약전계 환경에서 단말 시료 총 80대(스마트폰형·무전기형 각 40대, RRU당 가용 이용자수로 임의설정)를 대상으로 시행하였다.
시험시행을 위한 시스템 구성 및 절차는 그림 6 및 표 6과 같다. eMBMS 기술 구현을 위해 구성요소인 MCE, MBMS GW, BM-SC는 시연용으로 임시 구성하였다. Unicast PTT 그룹에 휴대용단말기를 2대씩 추가 또는 제거 후 영상 PTT 그룹통화를 시행하고 영상 지연 발생시 단말 수량을 기록하였으며, 전파환경을 고려한 전계 강도를 강전계·중전계·약전계로 조정하여 동일 시험을 진행하였다.
본 논문에서는 임계치 계산을 위해 최대 자원할당이 가능한 4개의 하부 프레임(subframe)을 eMBMS 전용으로 할당하였다.
성능/효과
식 (2)과 (3)을 사용하여 시험환경에서 데이터 전송 속도 및 잔여 용량을 정리하면 표 8과 같다. RSRP 및 잔여 용량이 감소할수록 영상품질 열화 및 지연이 발생함을 확인할 수 있었다.
eMBMS 기반 MCPTT 서비스 시험을 통해 LTE-R 성능이 고려된 전계강도 등 조건 및 사용자 수에 따른 유니캐스트 방식의 한계점과 멀티캐스트 방식을 이용한 유니캐스트 방식의 한계 극복 가능성을 확인하였다.
그러나 eMBMS 적용 후 약전계 환경에서도 총 80대 단말로 시행된 Multicast (eMBMS) 영상 PTT 그룹통화 시 영상 지연 없이 정상적으로 동작함을 확인하였고, 이를 통해 적용전·후 52대(200% 향상) 의 단말 접속이 가능함을 확인하였다.
시험 결과를 바탕으로 동일한 평균 데이터 전송속도 약 35Mbps를 고려할 때 eMBMS 적용 전 Unicast 영상 PTT 그룹통화가 가능한 단말 임계치는 이론값 41대와 실험값 38대가 크게 다르지 않으나, 약전계 환경을 고려하면 이론값 41대와 실험값 28대가 차이가 있음을 확인하였다.
이는 통해 eMBMS 도입전 기 구축된 철도통합무선망 (LTE-R)의 성능을 고려한 1 Cell에서의 이론적 동시 영상 서비스 가능 단말 임계수량은 약 41대임을 확인하였다.
시험 결과 표 9와 같이 eMBMS 적용전 Unicast 영상 PTT 그룹통화 시 영상 지연이 발생하기 시작하는 단말 수량은 강전계에서는 38대, 중전계에서는 32대, 약전계에서는 28대였다. 즉, 전계강도가 낮을수록 영상을 동시에 정상적으로 처리할 수 있는 단말 수량이 감소함을 확인할 수 있었다. 그러나 eMBMS 적용 후 약전계 환경에서도 총 80대 단말로 시행된 Multicast (eMBMS) 영상 PTT 그룹통화 시 영상 지연 없이 정상적으로 동작함을 확인하였고, 이를 통해 적용전·후 52대(200% 향상) 의 단말 접속이 가능함을 확인하였다.
후속연구
따라서 한정된 주파수 대역에서 다수의 사용자에게 안정적인 대용량 영상통화 품질을 제공하기 위해서는 eMBMS 기술의 도입이 필수적이다 판단된다. 앞서 논한 바와 같이 효과적인 eMBMS 기술 적용을 위해서는 LTE-R 서비스별 용량을 정하여, 영상서비스 용량을 명확히 하여야 하며 특히 기술적으로 구현시 DU서비스 지역과 eMBMS 서비스 지역이 상호 충돌되지 않도록 기지국 설정방안 등이 충분히 고려되어야 할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
eMBMS의 장점은?
일반적인 이동통신 기술은 하나의 전송단에서 하나의 수신단으로 데이터를 전달하는 단대단 (point-to-point) 통신 기술인데 반해, MBMS는 하나의 전송단에서 다수의 수신단에 동일한 데이터를 전송하는 단대다 (pointto-multipoint) 통신 기술이다[1]. eMBMS를 통해 대용 량의 콘텐츠를 네트워크 부하 없이 동시에 전달할 수있어. 효율적인 주파수 사용은 물론 도입 비용 최소화, 다양한 신규 서비스(예: 실시간 방송, PTT) 적용 등의 장점이 있다. Use Case로는 스트리밍 서비스와 MCPTT 서비스가 있으며 표 1 및 표 2는 각 서비스를 Unicast 방식 또는 eMBMS를 통한 Multicast 방식으로 사용 시의 차이점을 나타내었다.
eMBMS이 개발된 이유는 무엇인가?
eMBMS(evolved Multimedia Broadcast Multicast Service)는 LTE 네트워크를 통해 동일한 빅 데이터를 다수의 사용자에게 동시에 전송하기 위해 개발되었다. 일반적인 이동통신 기술은 하나의 전송단에서 하나의 수신단으로 데이터를 전달하는 단대단 (point-to-point) 통신 기술인데 반해, MBMS는 하나의 전송단에서 다수의 수신단에 동일한 데이터를 전송하는 단대다 (pointto-multipoint) 통신 기술이다[1].
전체 LTE-R의 가용 데이터 용량에서 철도운영을 위해 필요한 각종 서비스(음성통화 및 문자, 신호데이터 전송, IoT서버시 등) 용량 및 우선 순위를 고려한 eMBMS 자원할당 정책 수립이 필요한 이유는?
eMBMS는 3GPP Release 13을 기준으로 1 프레임당 최대 6개의 하부 프레임을 전용 자원으로 할당이 필요 하다. eMBMS 전용 자원 할당 시 그림 3과 같이 LTE-R의 DL 데이터 전송속도는 감소한다. 따라서 전체 LTE-R의 가용 데이터 용량에서 철도운영을 위해 필요한 각종 서비스(음성통화 및 문자, 신호데이터 전송, IoT서버시 등) 용량 및 우선 순위를 고려한 eMBMS 자원할당 정책 수립이 필요하다.
참고문헌 (10)
J. S. Kim and S. H. Moon, "Evolved-MBMS: Mobile IP TV Technology for 3GPP LTE," The Journal of The Korean Institute of Communication Sciences, vol. 30, no. 2, pp. 66-74, Jan. 2013.
3GPP TS 22.146, Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Stage 1, 3GPP, Sophia Antipolis, France, 2017.
3GPP TS 22.246, Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) user services; Stage 1, 3GPP, Sophia Antipolis, France, 2017.
3GPP TS 23.246, Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS); Architecture and functional description, 3GPP, Sophia Antipolis, France, 2017.
3GPP TR 23.741, Study on enhancements to Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS) for LTE, 3GPP, Sophia Antipolis, France, 2017.
3GPP TS 23.746, Study on System Architecture Enhancements to eMBMS for Television Video Service, 3GPP, Sophia Antipolis, France, 2017.
3GPP TS 23.780, Study on Multimedia Broadcast and Multicast Service (MBMS) usage for mission critical communication services, 3GPP, Sophia Antipolis, France, 2017.
3GPP TS 33.246, Security of Multimedia Broadcast/Multicast Service (MBMS), 3GPP, Sophia Antipolis, France, 2017.
J. W. Heo, "New Mobile Broadcast Age Opened by LTE Broadcast," DIGIECO ISSUE & TREND, pp. 1-7. Aug. 2013.
T. W. Ban, B. C. Jung, and K. Y. Sung, "Analysis of Capacity Efficiency of Broadcasting Service in LTE Network," Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, vol. 16, no. 12, pp. 2614-2618, Dec. 2012.
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