http://dx.doi.org/ 10.5515/KJKIEES.2012.23.11.1256 ISSN 1226-3133 (Print)
3차원 주파수 재사용 패턴의 성능 및 반송파 결합을 사용하는 시스템으로의 적용 방안
Performance of 3-Dimensional Frequency Reuse Patterns and Their Application to Carrier-Aggregated Systems
성 지 훈․성 원 진 Jihoon Sung․Wonjin Sung
요 약
셀룰러 이동통신의 주요 성능 열화 요인으로 작용하는 셀 간 간섭을 제어하기 위하여, 인접한 셀 간에 주파수 자원을 선택적으로 할당하는 주파수 재사용 기법을 활용할 수 있다. 기존의 주파수 재사용 패턴에 대한 연구는
주로 2차원 공간에 제한되어 있었기 때문에, 도심 지역의 사무용 빌딩과 같이 사용자가 밀집된 지역에 설치된
펨토셀에 적용하기 위해서는 3차원 공간에서의 주파수 재사용 방식에 대한 연구가 필요하다. 본 논문에서는 3차
원 공간에서 사용 가능한 주파수 패턴들을 제안하고, 각 패턴별 성능을 채널 용량 측면에서 분석한다. 특히, LTE- Advanced 시스템의 요소 반송파 결합 기술을 고려시 제안 방식의 적용을 통해 보다 유연한 3차원 주파수 재사용 패턴을 생성할 수 있음을 보이고, 시뮬레이션을 통해 제안 방식의 성능을 평가한다.
Abstract
Assigning different frequency resources among adjacent cells, namely the frequency reuse technique can be utilized to mitigate intercell interference, which is a major cause of performance degradation in cellular systems. Since most of conventional frequency reuse patterns are limited to the two-dimensional environment, the research for the three-di- mensional frequency reuse would be beneficial especially for the implementation of femto cells in downtown office buildings. We propose frequency reuse patterns in three-dimensional space and evaluate their performance of each pa- ttern in terms of channel capacity. In particular, we show that the proposed three-dimensional frequency reuse patterns can be applied for carrier-aggregated transmission of LTE-Advanced systems. The performance of the proposed patterns is evaluated using computer simulation.
Key words : Frequency Reuse, Celluar Systems, LTE, Carrier Aggregation, Channel Capacity
「본 연구는 한국연구재단의 중견연구자지원사업(No. 2012-0005315) 및 방송통신위원회의 방송통신인프라원천기술개발사업(KCA- 2012-12-911-01-109)의 지원으로 수행되었음.」
서강대학교 전자공학과(Dept. of Electronic Engineering, Sogang University)
․Manuscript received August 29, 2012 ; Revised October 12, 2012 ; Accepted October 30, 2012. (ID No. 20120829-099)
․Corresponding Author : Wonjin Sung (e-mail : [email protected])
Ⅰ. 서 론
스마트폰, 태블릿 PC의 보급과 함께 멀티미디어 서비스 수요가 증가하고 있다. 따라서 무선 채널에
서 전송되는 데이터의 양이 증가하는 추세이다. 이 에 따른 트래픽 증가는 이동 통신 시스템의 부하 증 가로 시스템 전체의 서비스 품질 열화를 가져올 수 있다. 이러한 품질 열화를 해결하고 더 나은 사용자
경험을 제공하기 위해 고속 무선 데이터 전송 기술 의 연구와 도입이 활발히 이루어지고 있으며, 이러 한 고속 데이터 전송을 위해서는 낮은 간섭 환경이 요구된다.
광대역 통신을 위해서 요소 반송파 결합 기술 (CA: Carrier Aggregation)을 사용할 수 있다. CA는 두 개 이상의 서로 떨어진 요소 반송파를 결합하여 사 용함으로써 대역폭의 증가에 의한 전송 속도 향상을 기대할 수 있다. 하지만 CA에 사용할 추가적인 대역 확보에 상당한 비용이 들고, CA를 지원하지 않는 기 존 단말에 대한 성능 향상을 기대할 수 없다는 문제 가 있다.
셀 간 간섭을 완화하기 위해서GSM과 같은 시스 템에서는 2차원 공간의 주파수 재사용을 활용하였 다. 주파수 재사용 기법은 사용할 수 있는 주파수 대 역을 분할하여 인접 셀 간 서로 같은 주파수를 사용 하지 않도록 할당하는 것이다. LTE-Advanced와 같은 통신 규격에서는 고도화된 인접 셀 간 간섭 조정 기 술(eICIC: enhanced Inter Cell Interference Coordina- tion), 지리적으로 분산된 기지국 간 협력적 전송(Co- MP: Coordinated Multi-Point transmission and recep- tion)과 같은 기술이 적용되고 있다. 간섭 완화 기술 인eICIC는 almost blank subframe(ABS) 적용을 통해 셀 내부의 소형 기지국과 간섭을 조정하게 된다. 이 때 ABS로 설정된 서브프레임은 데이터 전송을 할 수 없는 문제가 있다. CoMP 기술은 인접 기지국간 협력을 통해 단말을 서비스함으로써 간섭을 완화하 고 전송 효율을 높이는 방법이다. 하지만 CoMP 전 송 데이터를 기지국간 공유하기 때문에 시스템의 복 잡도가 증가하는 문제가 있다. 또한, 펨토셀의 도입 을 통한 셀의 소형화로 셀룰러 시스템 전체의 채널 용량을 증가시키는 방법이 사용되고 있다[1],[2].
하지만 셀의 소형화를 통해 시스템의 채널 용량 을 증가시키고자 할 때 기지국간 간섭이 미치는 영 향이 점점 커져 성능 열화가 발생할 문제점이 있다.
특히 도심 건물과 같은 높은 사용자 밀집도를 가지 는3차원 공간에서 많은 양의 트래픽을 서비스하기 위해 펨토셀을 이용할 경우 기지국간 거리가 가까워 져 인접 기지국의 신호에 의한 간섭이 전송 성능에
을 통한 인접 셀 간 간섭 조정을 사용할 수 있다.
특히 기존의 연구 결과를 통해 셀룰러 시스템에 서 기지국간 간섭을 완화하기 위한 방법 중 하나로 주파수 재사용, 부분적 주파수 재사용 기법을 도입 할 경우 성능에 미치는 영향이 알려져 있다[3],[4]. 또 한, 기존 연구들에서 3차원 공간으로 주파수 재사용 기법을 확장하는 방법에 대한 연구가 진행되었다
[5],[6]. 이를 바탕으로 실내 환경에서 무선 통신 단말
기를 통한 고속 데이터 전송 서비스의 확산에 대응 하기 위해 주파수 재사용을 사용하는 펨토셀을 도입 하기 위한 구체적 패턴 제안 및 성능 분석이 필요한 상황이다. 따라서 본 논문에서는 정방형 3차원 공간 에서 사용 가능한 주파수 재사용 패턴에 대해 성능 을 평가하고, 특히 LTE 시스템의 CA를 적용할 경우, 생성 가능한 패턴의 제안과 성능을 분석하는 것을1 차적인 목표로 한다.
본 논문의 구성은 다음과 같다. Ⅱ장에서는 본 논 문의 시스템 모델과 시뮬레이션 환경을 정의하며,
Ⅲ장에서는3차원 공간에서 사용 가능한 주파수 재 사용 패턴과 요소 반송파 결합 패턴을 제안한다. Ⅳ 장에서 제안한 패턴에 대한 채널 용량 측면의 성능 평가를 수행하여 우수한 성능을 보이는 패턴을 확인 하며, Ⅴ장에서 결론을 맺는다.
Ⅱ. 시스템 모델
2-1 시스템 모델
3차원 주파수 재사용 패턴을 배치하기 위한 공간 으로 도심 지역의 빌딩 구조와 유사한 그림1과 같 은 정육면체 셀을 고려한다[5]. 기지국은 각 변의 길
이가 L인 단위 셀 내부의 중앙에 배치되어 있으며, 기지국의 안테나는 방향성이 없다고 가정하였다. 성 능 평가를 위한 시뮬레이션은 그림1과 같이 L=1인 단위 셀이x, y, z 축을 따라 7개씩 총 343개의 셀에 대해 수행하였다. 이러한 시뮬레이션 공간에서 가장 앞면의 왼쪽 최상단 셀을 원점으로 하여(4, 4, 4)에 위치한 셀을 중심 셀이라고 명명한다.
대역폭이 W인 전송 대역에서 수신기의 신호 대 잡음 간섭비(SINR: Signal-to-Interference Plus Noise Ratio)가 Γ 일 때 얻을 수 있는 채널 용량은 Shannon 의 채널 용량 공식에 의해
log
(1)표 1. 재사용 패턴과 기본 패턴
Table 1. Reuse patterns and basic patterns.
생성 방법 A 생성 방법 B
패턴명 기본 패턴 반복 패턴 패턴명 기본 패턴 반복 패턴
1A 2B
4A 3B
8A 4B
8A’ 8B
<주파수 번호>
8B’
와 같이 나타낼 수 있다. 사용자와 서비스 받는 기지 국과 거리를 d0, 간섭 기지국과의 거리를 di, di 거리 에 위치한 간섭 기지국들의 개수를kdi, 경로 감쇄 상 수 α, 잡음 전력을 σ2라고 할 때 모든 셀의 기지국 이 동일한 전력으로 전송을 할 경우, SINR은
≥
(2) 와 같이 표현할 수 있다. 펨토셀과 같은 소형 셀 환 경에서는SINR에서 잡음 전력 σ2이 주변 기지국으 로부터 오는 간섭에 비해 무시할 수 있을 정도로 작 기 때문에 식 (2)를 간단히 정리하여
≈
≥
(3) 와 같이SINR을 표현할 수 있다.
주파수 재사용을 사용하는 시스템에서는 전체 대 역폭W를 주파수 재사용률 R로 분할하여 인접한 셀 간에 동일한 대역을 사용하지 않도록 할당한다. 주 파수 재사용 기법을 시스템에 적용할 경우, 주파수 재사용을 사용하지 않는 시스템보다 동일 주파수 대 역을 사용하는 셀의 개수가 줄어들게 되어 식(3)의 kdi가 작은 값을 갖게 된다. 따라서 분모 항의 크기가 줄어들게 되어SINR 및 전송 성능의 증가를 기대할 수 있다. 시스템 용량 측면에서 각 셀에서 사용할 수 있는 주파수는 총 대역폭W가 R개의 대역으로 분할 되어 채널 용량은
log
(4) 와 같이 변형된다. 따라서 높은 R을 갖는 시스템에 서는 Γ의 증가에 따른 채널 용량 증가가 상쇄될 수 있다. 그러므로 주파수 재사용을 적용한 시스템의 효율적 운용을 위해서는 식(4)의 채널 용량을 최대 화하는 R과 이때의 패턴을 찾아야 한다.
Ⅲ. 3차원 재사용 패턴의 제안
3-1 패턴 생성 방식 A
기본 패턴의 x, y, z 축 방향으로 배치된 셀의 개 수를 D 라고 할 때 D×D×D개 또는 D×D×1개의 서 로 다른 주파수를 사용하는 셀로 구성된 기본 재사 용 패턴 블록을 생성할 수 있다. 패턴 생성 방식 A는 이러한 기본 단위 패턴 블록을 반복하여 적층하는 방법이다. 패턴명은 주파수 재사용률 R에 대해
“RA”와 같이 표기한다.
R=1, 4, 8에 대한 생성 방식 A를 통한 기본 패턴 및 반복 패턴은 표1과 같이 나타낼 수 있으며, 4A와 8A’ 패턴은 동일 주파수를 사용하는 인접 기지국과 최소 거리를 증가시키기 위해 각 레이어별로 어긋나 게 배치하는 방법을 적용하였다.
표 2. 중심 기지국과 동일 주파수를 사용하는 인접 기지국의 개수
Table 2. Number of neighboring BSs using same fre- quency with center BS.
패턴
di
1A 6 12 8 6 24 24 12
4A 0 4 0 6 0 8 12
8A 0 0 0 6 0 0 12
8A' 0 0 0 4 4 0 4
2B 0 12 0 6 0 24 12
3B 0 6 2 0 12 6 6
4B 0 6 0 0 0 12 12
8B 0 6 0 0 0 6 6
8B’ 0 2 1 0 4 3 4
표 3. CA 적용된 기본 패턴 Table 3. CA applied basic patterns.
기본 패턴
R=3/2
R=4/3
R=4/2 R=8/3
R=8/2 R=8/4
패턴 생성 방식 A에서는 확장된 정육면체 또는 정사각형 형태의 기본 블록을 사용하기 때문에, 주 파수 재사용율R이 D2 또는 D3일 경우에만 사용 가 능하다. 따라서 R=3과 같은 시스템을 위한 다른 방 식의 패턴 생성 방법이 필요하다. 패턴 생성 방식 B 는 기본 패턴을 가지지 않고 주파수 대역을 각 셀에 순차적으로 배열하는 방법이다. 행간 주파수 배열의
표 4. CA 적용 패턴의 유효 간섭 셀 분포
Table 4. Distribution of effective interference cells of CA applied patterns.
R di
3/2 6/2 18/2 10/2 6/2 36/2 30/2 18/2 4/2 0 24/2 0 12/2 0 48/2 24/2
8/2 0 0 16/2 12/2 0 0 24/2
4/3 12/3 28/3 16/3 18/3 48/3 56/3 36/3 8/3 4/3 8/3 16/3 18/3 16/3 16/3 36/3 8/4 8/4 24/4 16/4 24/4 32/4 48/4 48/4
을 생성할 수 있다. 패턴명은 주파수 재사용률 R에 대해 “RB”와 같이 표기한다. 표 1에 R=2, 3, 4, 8인 패턴에 대해 나타내었고, 8B’는 행간 주파수 배열에 서3칸의 지연을 적용한 경우이다.
3-3 CA를 적용하는 경우로의 확장
주파수 재사용을 사용하는 시스템에서 성능은 동 일 주파수를 사용하는 간섭 셀과의 거리에 영향을 받는다. 이 때 중심 셀의 기지국으로부터 di(di<3) 거 리에 위치한 기지국의 개수를kdi라 할 때, 각 패턴별
(a) R=1, 2, 3, 3/2, 4, 4/2, 4/3
(b) R=8, 8/2, 8/3, 8/4
그림 2. CA와 주파수 재사용 패턴에 따른 채널 용량 Fig. 2. Channel capacity of UE according to frequency
reuse patterns and CA.
로 동일 주파수를 사용하는 간섭 셀과의 거리는 표 2와 같다. 동일한 주파수 재사용률을 가지는 패턴 중 중심 셀과 동일한 주파수를 사용하는 가까운 거 리의 인접 기지국 개수가 적은3B, 4A, 8A가 우수한 성능을 보일 것으로 예상되므로 이를 기본 패턴으로 하여 CA를 적용한다.
추가적인 요소 반송파(CC: Carrier Component)의 배치는 각 패턴의 기본 주파수에 새로운CC를 추가 적으로 더하는 순차적 방법과 추가되는 CC를 기본 주파수와 가장 멀게 배치하는 대칭적 방법을 이용하 여 할당하였다.
한 셀에서 추가 CC를 포함하여 사용할 수 있는 총 주파수 대역의 개수를K라고 한다. 이 때 중심 셀 과 간섭을 일으키는 셀의 개수는 대역별 평균 간섭 셀의 개수를 사용한다. 중심 셀에서 사용 중인 n번 째CC와 간섭을 일으키는 거리 d에 위치한 셀의 개
수를 kd,CCn이라 할 때 유효 간섭 셀의 개수는
CC (5)
와 같이 정의할 수 있다. 이 때 K=2인 경우, R=3/2, 4/2, 8/2의 패턴이 가능하며, K=3일 때에는 R=4/3, 8/3 의 패턴이, K=4인 경우 R=8/4의 패턴을 생성 가능하 다. 표 3은 CA 적용된 재사용 패턴의 주파수 배열을 나타내며, 표 4의 유효 간섭 셀의 분포를 통해 중심 셀에서 사용하는 주파수와 같은 대역을 사용하는 셀 들의 거리와 개수를 알 수 있다.
그림 3. 경로 감쇄 상수의 변화에 따른 채널 용량 Fig. 3. Channel capacity according to pathloss expo-
nent.
Ⅳ. 성능 평가
Ⅲ장의 패턴에 대하여 시뮬레이션을 통해 채널 용량 측면의 성능을 평가한다. 각 재사용 패턴을 배 열한 뒤 중심 셀에 사용자를 분포한 뒤 성능을 평가 하였다. 각 패턴에 대해 셀 중앙 지역 사용자, 셀 경 계 지역 사용자, 셀 사용자 평균 측면에서 분석을 하 였다. 셀 사용자 평균 성능은 중심 셀에 균등 분포된 사용자를 바탕으로 성능을 평가한다.
셀 중앙 지역 사용자는 기지국에서 셀 크기 L과 β에 비례한 거리만큼 떨어져 위치한다. 시뮬레이션 에서는 β=0.2의 값을 적용하였다. 셀 경계 지역 사 용자는 정육면체 셀의 꼭짓점에 위치한다. 사용자 평균 시뮬레이션을 위한 사용자 분포는L=1인 셀에 서BS의 위치를 (0, 0, 0)이라 할 때 셀의 x, y, z 축으 로[—0.45, +0.45] 사이에 0.1 간격으로 총 1,000개의 지점에 대해 균등 분포하였다. 이 때 셀 중심 지역 사용자에 의한 평균 채널 용량의 편향을 고려하여 정육면체 셀 중심의[—0.3, +0.3] 구간의 216개 지점 을 제외한 사용자에 대한 평균값을 측정하였다. 식 (3)과 식 (4)를 통해 채널 용량을 구하였으며, 경로 감쇄 상수 α=3.76인 환경을 기본으로 고려하였다[7]. 또한, 경로 감쇄 상수가 성능에 미치는 영향을 분석 하기 위해서 α의 값을 변경시켜가며 추가적인 실험 을 수행하였다.
그림 2(a), (b)에서 셀 중앙 지역 사용자, 셀 경계 지역 사용자, 셀 사용자 평균 측면의 각 패턴별 성능 을 확인할 수 있다. 셀 중앙 지역 사용자 전송률 측 면에서 가장 우수한 성능을 보이는 것은R=1인 패턴 이다. 셀 중앙 지역 사용자의 경우 서비스 받고 있는 기지국의 신호 전력이 간섭 기지국의 신호 전력보다 크기 때문에 주파수 재사용에 따라 사용할 수 있는 주파수의 대역폭이 감소할수록 성능도 감소하는 것 을 확인할 수 있다. 셀 사용자 평균 측면에서 가장 우수한 패턴은2B이며, 셀 중앙 사용자의 경우와 마 찬가지로 주파수 재사용률 증가에 따라 성능이 감소 한다.
한편, 셀 경계 지역 사용자 측면에서는 주파수 재 사용률이 높아짐에 따라 더 우수한 성능을 보이는
표 5. CA와 주파수 재사용 패턴에 따른 셀 경계 사 용자와 평균 사용자 채널 용량
Table 5. Channel capacity of cell edge UE and ave- rage channel capacity according to frequency reuse patterns and CA.
패턴 1A 2B 3B 3B
(R=3/2) 4B
셀 경계 0.128 0.134 0.132 0.129 0.111
평균 0.875 0.905 0.797 0.772 0.670
패턴 4A 4A
(R=4/2) 4A
(R=4/3) 8B 8A
셀 경계 0.149 0.134 0.129 0.164 0.204
평균 0.709 0.808 0.773 0.361 0.556
패턴 8B’ 8A’ 8A
(R=8/2) 8A (R=8/3)
8A (R=8/4)
셀 경계 0.192 0.204 0.149 0.138 0.134
평균 0.459 0.558 0.697 0.687 0.728
단위: bps/Hz
수를 사용하는 인접 기지국과의 거리가 멀어짐으로 써 간섭 전력의 양이 줄어들어 높은 주파수 재사용 률을 가지는 8A, 8A’의 패턴에서 0.204 bps/Hz의 가 장 좋은 성능을 보이고 있다. 셀 사용자 평균과 셀 경계지역 사용자의 전송률은 표5를 통해 확인할 수 있다.
또한 셀 경계지역 사용자 전송률이 가장 우수한 8A의 패턴과 셀 사용자 평균 측면에서 가장 우수한 패턴인2B를 경로 감쇄 상수의 변화에 따른 사용자 전송률 측면의 성능에 대한 실험을 수행하였다. 그 림3의 결과에서 모든 경우 경로 감쇄 상수가 증가 함에 따라 채널 용량이 증가하는 것을 확인할 수 있 는데, 이는 식 (3)의 분모항인 간섭 성분이 더 빠르게 감소했기 때문이다. 즉, 거리에 따른 신호의 감쇄가 큰 환경에서는 간섭 기지국의 신호 감쇄가 서비스 받는 기지국의 신호보다 빠르게 일어나기 때문에, 사용자 전송률 측면의 성능이 증가하게 된다. 또한, n개의 바닥, q개의 벽을 투과하여 들어오는 신호의 경우 α=2인 경로 감쇄에
(6)σ=3 dB, NLOS 환경에서는 σ=4 dB의 표준 편차의 대수 정규 분포를 따르는 차폐 효과가 추가된다.[7]
따라서 벽, 바닥의 통과로 인한 신호 감쇄를 추가로 고려할 경우, 경로 감쇄의 증가에 따라 추가적인 셀 경계 지역 사용자의 성능 향상을 기대할 수 있다.
3차원 공간의 주파수 재사용 패턴 중 우수한 성능 을 보인3B, 4A, 8A 패턴에 대하여 CA를 적용한 표 3의 패턴의 결과를 그림 2(a), (b)에서 확인할 수 있 다. 시뮬레이션 결과 CA를 적용한 주파수 재사용 패 턴과 동일한 주파수 재사용률을 가지는 기본 패턴의 경우, 유사한 성능을 가지는 것을 확인할 수 있다.
동일한 주파수 재사용률을 가지는8A (R=8/2)와 4A 패턴, 4A (R=4/2)와 2B 패턴이 유사한 성능을 가지는 것을 확인할 수 있다. 추가 CC를 배치하여 K=2, 3, 4로 증가시켜감에 따라 셀 중앙 지역 사용자의 전송 률이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 동일한 주파수 재사용률을 가지는CA를 적용하지 않은 기 본 패턴과 비교했을 때 사용자 전송률이 비슷하거나 오히려 떨어지는 성능을 보인다.
Ⅴ. 결 론
펨토셀이 적용된 빌딩과 같이 높은 간섭 환경에 서 인접 기지국의 간섭에 의해 셀 경계 지역 사용자 의 전송률이 제한되었다. 3차원 공간에서 주파수 재 사용 패턴을 적용한 결과, 셀 경계 지역 사용자 측면 에서 전송률이 개선되었으며, 주파수 재사용률이 높 은 패턴일수록 우수한 성능을 보인다. 또한, 같은 주 파수 재사용률에 대하여 생성 방법 A가 생성 방법 B의 패턴보다 채널 용량 측면에서 우수한 성능을 보 인다. CA를 적용할 경우, 적절한 CC 배치를 통해 동 일한 주파수 재사용률의 기본 패턴과 동일한 성능을 가지는 배열을 제안하였으며, 이를 통해 3차원 주파 수 재사용의 유연한 적용이 가능함을 보였다. 제안 한 패턴들은 시스템 내부의 사용자간 공평성을 보장
할 수 있는 특징을 가지며, 평균 채널 용량 측면을 고려한 적절한 재사용 패턴 적용을 통해 이동 통신 시스템에서 효율적인 실내 펨토셀 운영이 가능하다.
식(6)과 같은 투과 신호의 감쇄 효과와 차폐현상 에 의한 신호 감쇄 모델을 적용할 경우, 더욱 실제와 유사한 환경에서 성능 평가가 가능하며, 추후 후속 연구로 실제적인 환경 변수를 추가하여 진행할 수 있다.
참 고 문 헌
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성 지 훈
2012년 2월: 서강대학교 전자공학 과 (공학사)
2012년 2월～현재: 서강대학교 전 자공학과 석사과정
[주 관심분야] 이동무선통신, MI- MO, Cognitive Radio
성 원 진
