KR20160122584A - 밀리미터파 기반 이동 통신 환경에서의 다중 3d빔 전송 제어 방법 - Google Patents

Abstract

밀리미터파 기반 이동 통신 환경에서의 다중 3D빔 전송 제어 방법이 개시된다.

Description

밀리미터파 기반 이동 통신 환경에서의 다중 3D빔 전송 제어 방법 {Control Method for Multiple 3D Beams Transmission in Millimeter-wave based Wireless Mobile Communication System}

본 발명은 밀리미터파를 이용한 3D 다중빔을 응용하는 이동통신 환경에서 효율적인 빔 전송을 위한 방법을 제안하고, 그 전송 기술과 관련된 상세 제어 방법에 관한 것이다.

매년 지수 함수적으로 증가하는 모바일 데이터 사용량은 급속도로 폭증하여 2020년에는 1000배까지 증가할 것으로 예상되고 있다.

한편, 모바일 사용 특성 변화를 보면, 기존 일반 휴대폰에서 스마트폰 및 태블릿 등의 스마트 단말기 사용으로 24배의 사용량이 증가했고, 모바일 데이터 비율은 음성/문자에서 비디오로 이동(66.4%, 2015년)하여 수십 ~ 수백 배 증가했다.

향후 모바일 클라우드 서비스 및 대용량 실감 미디어 보편화에 따라 모바일 트래픽은 급속도로 증가할 것으로 예상된다. 구체적으로 압축 UHD(Ultra High Definition) 영상 서비스 및 클라우드의 안정적 서비스의 경우 이용자당 최소 800 Mbps 필요할 것으로 예상된다.

이에 기존 LTE(Long Term Evolution) 대비 1000배 용량을 제공하는 기술의 필요성이 대두되었다. 2020년까지 1000배까지 급속도로 증가할 것으로 예상되는 모바일 트래픽에 대비한 기술이 필요하나 현재 기술로는 달성이 어려울 것으로 예상되고 있다.

현재 국내외적으로 서비스가 시작되고 있는 3GPP LTE 방식의 경우 최대 대역폭이 20 MHz로서 셀 당 전송할 수 있는 이론상의 최대 전송용량은 150Mbps(4 ×2 MIMO)이며 현실적으로는 100Mbps 이내이다.

현재 표준화 진행중인 LTE-Advanced 기술의 경우 CA(Carrier Aggregation) 기술을 도입하여 최대 100 MHz까지 사용하고 8 ×8 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 및 CoMP(Coordinated Multi Point Transmission) 기술 등을 도입하더라도 셀 당 전송할 수 있는 전송용량은 1 Gbps 이상 지원하기 어려운 현실이다.

광개토플랜으로 신규 주파수가 확보되어도 글로벌 기관의 모바일 트래픽 예측치(2020년 1000배) 충족에는 미흡하다. 특히, EU(European Union)는 2015년에는 최소 1.2 GHz 이상의 주파수 대역이 필요하며, 2020년에는 2 GHz 이상의 주파수 대역이 필요할 것으로 예측하였다.

따라서 사용자가 증가함에 따라 각 사용자가 전체 셀 용량을 분할하는 현재의 셀룰러 구조를 초월하여 사용자 또는 릴레이 단말의 수가 증가함에 따라 셀의 용량이 함께 증가하는 N-Throughput 개념의 새로운 이동통신 네트워크 구조가 필요하게 되었다.

N-Throughput 개념의 이동통신 시스템이 구현되었을 경우, 각 사용자는 사용자 수의 증가에 상관없이 동일한 체감 서비스 품질을 유지할 수 있어 폭발적으로 증가하는 이동통신 트래픽 수요를 충족시킬 수 있을 것으로 예상되고 있다.

현재 지수함수적으로 증가하는 데이터 요구의 증대에 맞춰 고속 대용량 전송(셀 용량 증대)이 요구되고 있는 시점에서 기존의 셀룰러 대역이 아닌 밀리미터 밴드의 셀룰러 환경으로의 적용 기술 연구가 진행되고 있으나, 그 성과는 미흡한 실정이다.

한편 밀리미터파 셀룰러 이동통신 기술은 아직까지도 특정한 시나리오에 대하여 불분명한 상황이며, 특히 밀리미터파를 이용한 독립망 구성에 대한 이슈와 비독립망 구성시의 운용 방법에 대하여도 현재 한창 연구가 진행되고 있다.

본 발명의 목적은 밀리미터파 기반 이동 통신 환경, 특히 3D 빔포밍을 적용하는 환경에서 기지국의 셀 용량 증대를 위하여 3D 다중 빔을 수용하는 소형셀 기반의 운영 시나리오에서의 효율적인 빔 전송 방법을 다룬다.

도 1은 밀리미터파 기반 셀 운영 방법의 한 예로 기지국(eNB)는 3D 다중 빔을 수용하고, 모든 빔들은 기존의 120° 셀을 커버한다. 단말들은 복수 개의 다중빔으로 형성된 기존 셀룰러 환경에서 기지국과의 통신을 수행하게 된다. 밀리미터파라는 전파 특성 때문에 기존 셀룰러 통신에서의 커버리지(Coverage)를 확보하기 위해서는 송/수신에서 동시에 빔포밍 기법을 적용하게 된다.

이러한 이동통신 환경에서 기지국에서 전송되는 복수의 3D운용(제어) 기술이 중요하게 된다. 그 중에서도 특히 기지국 전력 제어 및 빔간 간섭의 이슈가 해결해야 하는 가장 큰 이슈가 된다. 본 발명에서는 셀 내에 분포하는 단말의 분포에 따라 간섭을 고려한 빔 운용 방법 즉 DBT(Discrete Beam Transmission) 동작에 대한 제어 방법을 제안하고자 한다.

본 발명의 실시예에 따르면, 밀리미터파 기반 이동 통신 환경에서의 다중 3D빔 전송 제어 방법이 제공된다.

본 발명의 실시예에 따르면, 밀리미터파 기반 이동 통신 환경에서의 다중 3D빔 전송 제어 방법을 제공할 수 있다.

도 1 내지 도 7은 각각 본 발명의 실시예를 설명하기 위한 도면이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 3D 다중 빔 기반의 밀리미터파를 적용하는 이동 통신 환경은 도 1과 같은 환경으로, 기지국은 N 개의 다중빔으로 120° 셀을 커버하게 된다.

기본적으로 각각의 Cell은 주파수 Reuse factor 1을 가정, 즉 시스템 밴드가 각 빔별로 독립적으로 운영이 됨을 가정한다. 물론 각각의 빔의 특정 Resource가 다중 사용자 MIMO(MU-MIMO)를 가정하고 동작할 수 있다. 이때 빔은 고정빔(Fixed Beam)을 가정하고 있으나, 고정빔이 아닌 적응형빔(Adaptive Beam) 환경을 가정해도 무방하다.

셀 내의 단말(UE)의 분포 즉, 그림 2와 같은 균일한 분포를 가정하는 경우 모든 빔들은 ‘ON’되어 동작이 되어야 한다. 그림 3의 경우는 특정 시점에 셀 내의 특정 빔 영역에 단말(UE)가 분포하지 않는 경우에도 모든 빔들이 ‘ON’되어 있게 된다. 여기서 빔이‘ON’되어 있다는 의미는 그 빔을 통하여 특정 사용자에게 데이터 전송은 되지 않으나 셀 또는 빔 Specific 정보(소위 말하는 System Information포함) 및 주기적으로 전송되는 물리계층에서의 시그널(혹은 신호, 레퍼런스 신호 포함)이 전송되고 있다는 것을 의미한다. 그림 4의 경우는 셀 내의 단말이 균일하게 분포되어 있으나, 단말이 기지국에 근접하게 위치한 경우이다. 다시 말해서 특정 빔의 사이드로브(Sidelobe) 통신이 가능한 영역에 단말이 위치한 경우를 의미한다. 그림 2,3,4에서 제시한 경우를 포함하여 항상 모든 빔들이 ‘ON’되어 있는 경우를 가정할 수 있다.

한편 기지국의 전체 송신 파워는 다음과 같이 결정된다.

따라서 기지국 송신 전력(

)을 최적화 하기 위해서는 셀 내의 사용자 분포에 따른 송신 빔 제어 기술이 필요하다. 제어 방법은 다음과 같다.

여기서

는

의 값을 가지면, 특히 그 값이 0이 되는 경우가 DBT라고 명명하기로 한다. 그림 5가 DBT(Discrete Beam Transmission)가 적용되는 환경에서의 한 예를 보여주고 있으며, 그 주된 목적은 기지국 전송 전력 Saving과 간섭제어의 목적이 있다. 이러한 DBT를 수행하기 위하여 기지국과 단말은 다음과 같은 동작을 수행하게 된다.

<다중 3D빔 ‘OFF’를 위한 기지국과 단말의 동작>

이 방법은 다중 빔을 수용하는 이동통신 환경에서 다중 빔을 ‘OFF’시키기 위한 방법을 기술한다. 기지국이 빔을‘OFF’시키기 위해서는 이미 기지국에 접속된 사용자에 한하며, 아래의 동작을 수행하게 된다.

- 기지국은 모든 빔에 빔 specific 신호 전송을 수행한다. 빔 specific 신호 전송은 도 6과 같이 시간/주파수/코드로 구분하여 전송 가능하다.

- 단말은 빔 specific한 모든 신호 즉, 시간, 주파수, 또는 코드로 구분되어 전송된 신호를 수신 후에 각 빔에 대한 신호 세기를 측정한다.

- 단말은 측정된 빔 신호 중에서 신호 세기가 가장 큰 빔과 후보 빔들의 식별자(Identifier)정보를 기지국에 보고(단말 피드백)한다. 단말의 피드백은 신호가 가장 큰 빔만을 보내는 경우, 후보 빔들까지 포함하여 피드백 하는 모든 경우를 포함할 수 있다.

- 기지국은 RRC에서 결정된 각 빔별 타이머(timer)를 구동하여 설정된 타이머 내에 단말의 피드백 정보를 기반으로 빔의 ON’,‘OFF’를 결정한다. 이 때 RRC에서 결정되는 빔별 타이머 설정은 동일하게 또는 다른 수치로 설정되는 모든 경우를 포함한다.

<다중 3D빔 ‘ON(Wake-up)’하기 위한 기지국과 단말의 동작>

이 방법은 상기 기지국 3D빔들을 ‘OFF’한 이후에 그 빔들 안에서 새로운 사용자의 접속, 콜 및 서비스 개시 또는 기존의 접속된 사용자가 통신을 요구하는 경우에 있어서 빔들을 ‘ON’을 수행하는 것이다.‘OFF’기지국 빔을 ‘ON’시키기 위하여 기지국은 다음과 같은 동작을 필요로 한다.

1. 이러한 다중빔을 수용하는 이동통신 시스템에서는 LTE의 DRX 동작과 유사하게 3D빔의 ‘ON/OFF’동작을 수행을 위한 빔별 또는 빔 그룹별 DTX, DRX가 정의되어야 한다. 그 DTX 및 DRX 주기는 기 접속된 사용자 및 초기 접속 사용자를 모두 고려하여 설정되어야 한다. 특히 기지국에서의 빔별 또는 빔 그룹별 DRX주기를 설정하는 방법은 셀 별로 주기를 고정하여 운용하는 방법과 빔별 또는 빔 그룹별 DTX주기로부터 빔 탐색을 수행한 단말이 Short 메시지 신호를 시그널 혹은 메시지 형태로 기지국에 전송하고, 이를 수신한 기지국이 단말로부터 전송된 신호를 탐색하여 가변적인 DRX주기로 운용하는 방법을 생각할 수 있다.

2. 설정된 DTX와 DRX 주기 안에서 모든 빔들 또는 빔 그룹들은 빔 Specific(빔 특정)한 신호를 전송 및 단말로부터 전송되는 신호를 수신하여야 한다.

3. 또한 빔별, 빔 그룹별 DTX, DRX 주기 설정은 기 접속된 단말의 동작을 통한 빔 활성화 방법 및 셀에 Camping하고 있는 임의의 단말이 초기 접속을 시도하는 경우를 모두를 포함하여 고려해야 한다.

4. 한편, DTX주기에 셀 내의 모든 단말에서 전송되어야 하는 기본 정보들 특히 빔별 또는 빔 그룹별 시그널 주기 정보는 제공되어야 한다. 또는 도 7과 같이 다운링크 동기 신호(예, LTE/LTE-Adv.에서 정의된 PSS/SSS)의 주기 사이에 빔별 또는 빔 그룹별 식별 가능한 신호가 단말로 전송되어야 한다.

5. DRX 주기는 DTX시에 빔별 또는 빔 그룹별 전송된 신호를 탐색한 사용자가 통신 또는 접속 절차를 수행할 수 있도록 설정되어야 한다. DRX주기를 빔별 또는 빔 그룹별로 동일하게 설정하게 되면, 사용자 단말이 많은 경우에 초기 접속 시의 충돌이 발생할 수 있으므로, DRX 주기를 빔별 또는 빔 그룹별로 다르게 설정할 수도 있다.

(빔별로 정의된 DBT동작에서 ‘OFF빔→ON빔’을 위한 기지국 단말의 동작)

‘OFF’로 설정된 빔에서 도 6과 같이 DTX(Discrete Transmission) 를 수행한다.

- 단말은 빔별로 전송되는 신호를 수신하여 수신 신호 세기를 측정한다.

- 단말은 현재 serving빔으로 측정된 빔별 신호 세기를 피드백한다.

- 기지국은 단말로부터 보고된 측정 신호 세기를 보고,‘OFF’된 빔들 중에서 Enabling이 필요한 빔을 선택한 후, 빔을 ‘ON’빔으로 설정한다.

(빔그룹별로 정의된 DBT동작에서 ‘OFF빔→ON빔’을 위한 기지국 단말의 동작)

기지국은 빔그룹별로 Wake-up 시그널이 정의되어야 한다. 그림 6과 같이 DTX_BG(Discrete Transmission for Beam Groups)에 대한 주기가 설정되어야 하며, 각각의 빔 그룹별로 동일 시간, 동일 주파수에 빔 그룹 식별을 위한 신호가 전송하여야 한다.

본 발명에서는 다중 3D 전송 빔간의 간섭 및 기지국 소비 전력을 고려하여 빔별 또는 빔 그룹별 DBT동작을 제안하고, 그것을 수행하기 위한 DTX/DRX주기 설정 및 빔별 또는 빔 그룹별 전송 신호 설계 및 DBT 동작 주기 설정을 위한 상위레이어로부터의 RRC 메시지 정의 필요, RRC 메시지 내에 빔별 또는 빔 그룹별 타이머 정의를 포함한다.

Claims (1)

1. 밀리미터파 기반 이동 통신 환경에서의 다중 3D빔 전송 제어 방법.

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