시뮬레이션 기반 5G 통신 환경에서 성능향상을 위한 스몰셀 기술 적용 분석 Analysis of Small Cell Technology Application for Performance Improvement in Simulation-based 5G Communication Environment원문보기
최근 스마트 폰의 보급과 컨텐츠 이용에 있어서 주요 트래픽이 IoT 데이터 및 실시간 미디어 데이터로 옮겨감에 따라 모바일 트래픽은 기하급수적으로 증가 중이다. 기존 LTE 시스템에서의 한계를 극복하기 위한 5세대 이동통신기술(5G)은 4G LTE 시스템 대비 1000배의 데이터 트래픽 수용률, 연결 디바이스의 수용, 저지연, 고 에너지 효율, 비용을 충족하는 기술이나 높은 주파수 영역의 사용에 따른 경로손실이 매우 높아 기존 4G LTE 시스템에 비하여 서비스 제공이 어려울 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 스몰셀이나 단말간통신(D2D)등 여러 가지 기술들이 연구중에 있다. 본 논문에서는 5세대 이동통신시스템의 시스템 성능향상을 위한 기술로 스몰셀 기술을 소개한다. 이후 스몰셀 기술 적용 분석과 매크로 통신과 스몰셀 통신에 대한 결정, 전력제어에 대한 제안하는 알고리즘 적용의 결과의 비교로 성능을 분석한다. 분석결과를 통하여 5세대 이동통신 시스템에서 스몰셀 기술을 이용하면 음영지역 개선 및 밀리미터파의 경로손실 문제를 크게 감소하는 효과를 얻을 수 있음을 보인다.
최근 스마트 폰의 보급과 컨텐츠 이용에 있어서 주요 트래픽이 IoT 데이터 및 실시간 미디어 데이터로 옮겨감에 따라 모바일 트래픽은 기하급수적으로 증가 중이다. 기존 LTE 시스템에서의 한계를 극복하기 위한 5세대 이동통신기술(5G)은 4G LTE 시스템 대비 1000배의 데이터 트래픽 수용률, 연결 디바이스의 수용, 저지연, 고 에너지 효율, 비용을 충족하는 기술이나 높은 주파수 영역의 사용에 따른 경로손실이 매우 높아 기존 4G LTE 시스템에 비하여 서비스 제공이 어려울 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위하여 스몰셀이나 단말간통신(D2D)등 여러 가지 기술들이 연구중에 있다. 본 논문에서는 5세대 이동통신시스템의 시스템 성능향상을 위한 기술로 스몰셀 기술을 소개한다. 이후 스몰셀 기술 적용 분석과 매크로 통신과 스몰셀 통신에 대한 결정, 전력제어에 대한 제안하는 알고리즘 적용의 결과의 비교로 성능을 분석한다. 분석결과를 통하여 5세대 이동통신 시스템에서 스몰셀 기술을 이용하면 음영지역 개선 및 밀리미터파의 경로손실 문제를 크게 감소하는 효과를 얻을 수 있음을 보인다.
Recently, mobile traffic is increasing exponentially as major traffic is transferred to IoT and visual media data in the dissemination of mobile communication terminals and contents use. In order to overcome the limitations of the existing LTE system, 5G mobile communication technology (5G) is a tec...
Recently, mobile traffic is increasing exponentially as major traffic is transferred to IoT and visual media data in the dissemination of mobile communication terminals and contents use. In order to overcome the limitations of the existing LTE system, 5G mobile communication technology (5G) is a technology that meets 1000 times data traffic capacity, 4G LTE system acceptance, low latency, high energy efficiency, and high cost compared to 4G LTE system. The path loss due to the use of the frequency domain is very high, so it may be difficult to provide a service compared to the existing 4G LTE system. To overcome these shortcomings, various techniques are under study. In this paper, small cell technology is introduced to improve the system performance of 5G mobile communication systems. The performance is analyzed by comparing the results of small cell technology application, macro communication and small cell communication, and the results of the proposed algorithm application for power control. The analysis results show that the use of small cell technology in the 5th generation mobile communication system can significantly reduce the shadow area and reduce the millimeter wave path loss problem.
Recently, mobile traffic is increasing exponentially as major traffic is transferred to IoT and visual media data in the dissemination of mobile communication terminals and contents use. In order to overcome the limitations of the existing LTE system, 5G mobile communication technology (5G) is a technology that meets 1000 times data traffic capacity, 4G LTE system acceptance, low latency, high energy efficiency, and high cost compared to 4G LTE system. The path loss due to the use of the frequency domain is very high, so it may be difficult to provide a service compared to the existing 4G LTE system. To overcome these shortcomings, various techniques are under study. In this paper, small cell technology is introduced to improve the system performance of 5G mobile communication systems. The performance is analyzed by comparing the results of small cell technology application, macro communication and small cell communication, and the results of the proposed algorithm application for power control. The analysis results show that the use of small cell technology in the 5th generation mobile communication system can significantly reduce the shadow area and reduce the millimeter wave path loss problem.
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가설 설정
중앙에 메인 기지국(MBS)이 존재하고 주변에 6개의 기지국이 배치, 메인 기지국의 반경은 1km이다. 스마트폰들이 랜덤하게 존재하며 스몰셀이 무작위로 배치된다. 대역폭은 TDD 방식으로 할당하며 스몰셀 연결의 조건은 10m 이내로 한다.
이러한 문제를 극복하기 위하여 많은 연구가 진행되고 있고 그 연구 중 하나인 스몰셀 시스템은 5G 시스템에서 중요한 기술 중 하나이다. 스몰셀 시스템은 커버리지 확장 및 시스템 성능향상에 큰 영향을 준다. 이러한 스몰셀 기술을 5G 시스템에 적용하여 시뮬레이션을 통하여 시스템 성능분석을 수행하였으며 매크로통신만을 하는 방식대비 성능향상을 관찰 할 수 있었다.
제안 방법
본 논문에서는 5G 매크로시스템에 일반적인 스몰셀 도입과 제안하는 알고리즘의 적용을 통하여 매크로 시스템에서의 스몰셀 도입 시 보다 나은 성능향상을 위하여 다음과 같이 알고리즘을 제안한다.
대상 데이터
스몰셀-유저간 거리가 10m를 초과할 경우 Outage가 급격히 늘어남에 따라 시스템 시뮬레이션 진행은 10m를 기준으로 진행한다.
데이터처리
SINR 목표값에 대한 사항은 그림4에 대한 SINR의 측정결과에 따라 설정하였으며 모든 통신 연결에 대한 사항은 중앙기지국에서 통제함을 원칙으로 하며 스몰셀의 개수는 10개에서 100개까지 유동적으로 on/off를 통하여 통제한다. 시뮬레이션은 매트랩을 이용하여 수행하였다.
성능/효과
성능분석결과 그래프 결과와 같이 기존 매크로 시스템에 스몰셀을 적용하면 유저수 증가에 따른 부하 시에도 성능이 더 높으며 알고리즘 적용에 따라 더 나은 시스템 성능향상을 할 수 있었다.
94배가 차이나며, 스몰셀 기술이 적용되면서 셀 경계구역이나 기타 통신 성능이 낮은 곳에 대한 대처가 되었음을 확인 할 수 있다. 시나리오2에 해당하는 제안된 알고리즘 방식은 스몰셀만을 적용하였을 때와 비교하여 1.17배에서1.11배 상승하였으며 이는 활성 스몰셀 기지국의 숫자를 유동적으로 조절하여 간섭조절이 된 결과인 것으로 분석된다.
스몰셀 시스템은 커버리지 확장 및 시스템 성능향상에 큰 영향을 준다. 이러한 스몰셀 기술을 5G 시스템에 적용하여 시뮬레이션을 통하여 시스템 성능분석을 수행하였으며 매크로통신만을 하는 방식대비 성능향상을 관찰 할 수 있었다. 제안하는 알고리즘 적용에 대한 시스템 성능개선에 대하여 분석한 결과 매크로 시스템에 스몰셀을 적용할 경우 성능향상 부분을 확인할 수 있었으며 스몰셀 on/off를 통한 간섭제어 기법을 활용한 결과시스템 성능이 더욱 개선되었음을 알 수가 있었다.
이러한 스몰셀 기술을 5G 시스템에 적용하여 시뮬레이션을 통하여 시스템 성능분석을 수행하였으며 매크로통신만을 하는 방식대비 성능향상을 관찰 할 수 있었다. 제안하는 알고리즘 적용에 대한 시스템 성능개선에 대하여 분석한 결과 매크로 시스템에 스몰셀을 적용할 경우 성능향상 부분을 확인할 수 있었으며 스몰셀 on/off를 통한 간섭제어 기법을 활용한 결과시스템 성능이 더욱 개선되었음을 알 수가 있었다.
2GHz)와 4G-LTE 시스템에 대한 SINR의 CDF를 나타낸 그래프이다. 최저 통신서비스 가능한 값(-10dB)를 기준으로 5G의 outage는 20%, 4G-LTE의 outage는 10%로 5G의 outage가 4G-LTE 대비 두 배 더 높음을 그래프로 알 수가 있으며 전반적으로 LTE 통신과 비교하여 5G의 높은 주파수사용에 따른 성능 하락을 관찰 할 수 있었다.
후속연구
밀리미터파를 이용하는 5세대 이동통신시스템에서 스몰셀 기술에 대한 적용은 필수적이며 본 논문에서 제시된 스몰셀 기술과 알고리즘 이외에도 좀 더 효과적인 간섭제어 방식이 5G시스템의 성능향상 관련 연구 주제 중의 하나로서 이와 관련된 지속적인 후속 연구가 필요할 것으로 생각될 수 있을 것이다.
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