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펑운 지
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IT 기획시리즈 차세대통신기술 8 IT 기획시리즈 차세대통신기술 8 LTE-Advanced Relay 기술 장일두 LG-Nortel, 주임연구원 sugmjjang@lg-nortel.com 신홍섭, 박동주, 권경인 LG-Nortel, CTO Div. 1. 서론 2. LTE-Advanced Relay 종류와기능및특징 3.

1 IT 기획시리즈 차세대통신기술 8 IT 기획시리즈 차세대통신기술 8 LTE-Advanced Relay 기술 장일두 LG-Nortel, 주임연구원 sugmjjang@lg-nortel.com 신홍섭, 박동주, 권경인 LG-Nortel, CTO Div. 1. 서론 2. LTE-Advanced Relay 종류와기능및특징 3. LTE-Advanced Relay 기술동향 4. 결론 1. 서론 ITU-R 에서는 3 세대이후의차세대이동통신시스템인 IMT-Advanced 의표준화작업을진행하고있다. IMT-Advanced 는정지및저속이동상태에서 1Gbps, 고속이동상태에서 100Mbps 의데이터전송률로 기반의멀티미디어서비스지원을목표로하고있다. 현재 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 는 IMT-Advanced 의요구사항을충족시키기위한시스템표준으로 2005 년부터표준화작업이진행되고있는 OFDMA/SC-FDMA 전송방식기반인 LTE(Long Term Evolution) 시스템을개선한 LTE-Advanced 를준비하고있다. LTE-Advanced 는 IMT-Advanced 를위한유력한후보중의하나이다. LTE-Advanced 를위해논의가진행중인주요기술로는릴레이 (relay), 스펙트럼집성, 상하향링크 MIMO, 셀간간섭제어등의기술들이있다. 본고에서는 LTE-Advanced 의주요기술들중에서릴레이기술에대하여소개한다. 2 장에서는 relay 종류와기능및특징에대하여소개하고, 3 장에서는 relay 시스템의문제점중에서 SI(self-interference) 에대하여설명한다. SI 를방지하기위해 3GPP 에서고려중인 MBSFN 서브프레임을이용하는방법에대하여알아보고, 현재고려중인방법외에 SI 를측정할수있는방법에대하여설명하고, 이를이용한 SI cancellation 방안에대하여고려해본다. 마지막으로 4 장에서결론을맺는다. * 본내용과관련된사항은 LG-Nortel 장일두주임연구원 ( ) 에게문의하시기바랍니다. ** 본내용은필자의주관적인의견이며 IITA 의공식적인입장이아님을밝힙니다. 31

2 주간기술동향통권 1391 호 LTE-Advanced Relay 종류와기능및특징릴레이는셀내의음영지역해소를목적으로사용할수있으며, 셀경계지역에릴레이를설치하여효과적인셀커버리지확장과 throughput 을향상시킬목적으로사용될수있다. 릴레이시스템은 ( 그림 1) 과같이 enodeb 와 간통신과정에릴레이를거쳐통신을수행하는방법이다. 릴레이는백홀링크 (backhaul link) 에있어유선이아닌무선백홀을이용하므로새로운 enodeb 의추가나유선백홀의설치가필요없는장점이있다. 단, LTE-Advanced 시스템에서릴레이는현재표준화가작업중인 Rel-8 단말과의 backward compatibility 를만족시켜야하는요구조건이있다. Backhaul link Access link enodeb Relay ( 그림 1) Relay 시스템 가. enodeb 와릴레이의무선백홀주파수밴드에따른분류릴레이는 enodeb 와통신을하는무선백홀의주파수밴드에따라 inband relay 와 outband relay 가있다. enodeb 와릴레이간링크 (backhaul link) 에사용되는주파수밴드가릴레이와 간링크 (access link) 에사용되는주파수밴드와같은경우를 inband relay, 다른경우를 outband relay 라고한다. Outband relay 를사용하면추가의주파수자원이필요하므로주파수사용효율이떨어지지만, 릴레이적용시발생하는문제점중하나인 SI 현상을방지할수있다. SI 란릴레이의송신안테나와수신안테나에서동일시간에동일한밴드로신호를송 / 수신할경우에송신안테나의신호에의해수신안테나에발생하는인터피어런스를말한다. 반면에 inband relay 는주파수자원의낭비는없으나 SI 현상을방지하기위한별도의기술이필요하다. 나. 릴레이에서의 scheduling 기능에따른분류 릴레이는자체 scheduling 기능유무에따라 distributed scheduling 과 centralized scheduling 방식릴레이가있다. 릴레이의 Layer2 에릴레이자체적 scheduling mechanism 을가지는경 32

3 IT 기획시리즈 차세대통신기술 8 우를 distributed scheduling 방식이라하고, 그렇지못한경우를 centralized scheduling 방식릴레이라고한다. 후자의경우릴레이의 schduling 은 enodeb 에서수행된다. Centaralized scheduling 방식은 enodeb scheduler 가 enodeb relay 뿐만아니라, relay 간 scheduling 을해주어야하기때문에릴레이는 enodeb 에 relay link 상태에관련한정보전달로인한리소스의낭비가발생한다. 또한 enodeb 로부터 scheduling 정보를전달받아야하는지연이발생하게된다. 그러나인터피어런스제거를위한 resource coordination 이나현재논의되고있는 CoMP(Coordinated Multi-point processing) 의구현이용이하다는장점이있다. 반면 distributed scheduling 방식은 resource scheduling 을위한추가적정보교환이필요없으나 interference coordination 또는 CoMP 의수행에서는 centralized scheduling 방식보다어려움이있는것으로알려져있다. 다. Relay protocol layer 의기능에따른분류 릴레이는 protocol layer 의기능에따라서 L0, L1, L2 그리고 L3 relay 로나누어진다. ( 그림 2) 는 L1/L2/L3 relay 의 user plane 관점에서 protocol layer 의구조를보여준다. RN enb RN enb RN enb L1 Relay L2 Relay L3 Relay ( 그림 2) Relay protocol layer 구조 [3] (1) L0/L1 relay L0/L1 relay 는수신한신호를단순증폭시켜재전송하는방식의릴레이이다. L0 relay 는현재사용되고있는 analog repeater 로수신한신호의증폭 / 재전송으로인한지연이매우짧아서 Rel-8 단말과의 backward compatibility 조건을쉽게만족시킬수있는장점이있다. 하지만모든대역의신호를증폭하여재전송하므로인접셀이나릴레이에간섭을발생시키는단점이있다. L1 relay 는 advanced repeater 로전력제어기능이나시간 / 주파수선택적재전송기능을가지는것이다. L1 relay 는적어도하나이상의심볼구간지연이발생하며, 노이즈 (noise) 성분이데이터성분과같이증폭되기때문에수신 SNR 성능이감소되는단점이있다. 33

4 주간기술동향통권 1391 호 (2) L2 relay L2 relay 는 decode/re-encode 기능을수행할수있는것으로수신신호를디코더하여 error correction 을수행한후 re-encode 를거쳐재전송하는방식의릴레이이다. L2 realy 는적어도하나이상의재전송구간지연이발생하게된다. 하지만 relay 수신안테나에서발생한노이즈성분을제거하여재전송하므로수신 SNR 을개선할수있어서 L1 relay 보다성능면에서개선되는장점이있다. (3) L3 relay L3 relay 는 serving enodeb 와다른 PCI(Physical Cell ID), synchronization signals, RS (Reference Signal) 과제어채널을전송할수있으며, 고유한 scheduling 등 enodeb 가가지는대부분의기능을포함하는방식으로서비스를받는 에게 L3 relay 는독립된 enodeb 처럼보이게된다. 따라서, L3 relay 를사용하게되면 Rel-8 와의 backward compatibility 를쉽게이룰수있으며, decode/re-encode 를수행할수있어서노이즈성분이재전송되는것을방지할수있는장점이있다. 3. LTE-Advanced Relay 기술동향 이장에서는릴레이를사용하는경우발생하는 SI 현상에대하여알아보고, 현재 3GPP 에서 논의가진행되는 L3 relay 관련기술과앞으로추가적으로고려되어야할사항들을소개한다. 가. SI 현상 SI 는 ( 그림 3) 의하향링크예처럼릴레이와 사이사용주파수밴드와 enodeb 와릴레 BTS Self-interference channel RN RX RN TX enodeb RN ( 그림 3) 릴레이하향링크에서의 SI 발생 34

5 IT 기획시리즈 차세대통신기술 8 이사이사용주파수밴드가같은경우, 릴레이전송안테나로 에전송한신호가자신의수 신안테나로수신되게되어 enodeb 로부터신호를수신하는데있어간섭을발생시키는현상 을의미한다. 이러한 SI 는하향링크구간뿐만아니라상향링크구간에서도나타나게된다. 나. TD 서브프레임을이용한릴레이 SI 를방지하기위해서는릴레이가 enodeb 로부터데이터를수신하는시간에는하향링크를전송하지않아야한다. 이를위해서 3GPP 에서는 accesslink 와 backhaul link 사이에 TD (Time Division) 서브프레임을사용하는방법을고려하고있다. 이경우추가적으로고려할사항은 backward compatibility 이다. 현재 LTE 표준에따르면 가 TD 프레임동안 RS 를포함한어떤신호도받지못하게된다면 가오동작을할가능성이있다. 이를방지하기위해 MBSFN 서브프레임을이용하는것이하나의방안으로논의되고있다. 이것은현재의 Rel-8 의표준에는존재하지만실제적으로는 Rel-9 이후에적용이되는 MBSFN 서브프레임을이용하는것이다. 따라서, MBSFN 으로알려진서브프레임동안 Rel-8 는디코더를수행하지않으므로이구간을 TD 릴레이방식을위한백홀링크에사용하는것이다. MBSFN 서브프레임을이용한전송은 ( 그림 4) 와같이이루어지며, 여기서는서브프레임 3 번과 8 번이 MBSFN 으로지정되어있는경우이다. ( 그림 4) Inband relay 에서상하향링크송수신을위한 MBSFN 서브프레임의예 [3] 릴레이는 에게 MBSFN 이라고알려진구간 (subframe #3, #8) 에서만 enodeb 로부터데이터를수신할수있다. 이와같이릴레이가데이터를수신하는시간에서는데이터를전송하지않음으로써 SI 를방지할수있다. 또한, 릴레이는단말들에게데이터를전송하게시간구간에는 enodeb 로부터데이터를수신할수없다. 같은방법으로상향링크에서도시간을분리하여데이터를송수신하게된다. 35

6 주간기술동향통권 1391 호 < 표 1> MBSFN patterns[3] MBSFN pattern subframe# x 1 x x 2 x x x 3 x x x x 4 x x x x x 5 x x x x x x 현재의 LTE 표준에서 MBSFN 서브프레임이허용되는위치는서브프레임 1, 2, 3, 6, 7, 8 번이있을수있으며, 가능한 MBSFN 서브프레임전송의조합은 < 표 1> 과같이 6 가지의경우가있다. 그러나, MBSFN 서브프레임을적용하게되면 ( 그림 5) 와같이백홀의용량이줄어들게된다. 그림에서는릴레이를위하여서브프레임 1 번이할당되었을경우이다. 릴레이는서브프레임 1 번에 2( 릴레이를통하여서비스되는단말들 ) 에서브프레임 1 번이 MBSFN 서브프레임이라는것을제어채널로알려준다. 이것은릴레이와연결된 Rel-8 들을위해반드시필요하게되며, 1 또는 2 심볼구간을점유한다. 따라서, 릴레이는 SI 현상으로인해서브프레임 1 번의처음 1 또는 2 심볼구간동안 enodeb 로부터정상적인제어채널정보를수신하지못하게된다. 따라서, 릴레이를위한 enodeb 의제어채널은 PDSCH 구간에할 제어채널 1 enb R-PCFICH 와 R-PDCCH enodeb 제어채널 Relay RX Selfinterference 제어채널수신못함 Relay TX X MBSF N 8 9 PCFICH, PDCCH ( 그림 5) MBSFN 서브프레임적용시추가적제어채널위치 36

7 IT 기획시리즈 차세대통신기술 8 당되어야할것이다. 릴레이측면에서보면, enodeb 가전송하는제어채널의길이를알지못하므로, 릴레이를위한제어채널의시작점또한미리알려주어야할것이다. 결과적으로 relay 가데이터를수신할수있는구간이 2 심볼줄어들게되며, 데이터채널의일부를제어채널을위해할당해주어야하기때문에데이터 throughput 의감소로나타나게되는단점이된다. 다. TD 서브프레임을이용하지않는릴레이 TD 서브프레임을사용하는가장큰이유는 SI 의발생을방지하기위해서이다. 따라서상황에따라 SI 가발생하지는않는경우에는 TD 릴레이방식을적용하지않아도된다. 또한 MBSFN 서브프레임과같은 TD 서브프레임이아닌다른접근방식도고려되어야한다. SI 의양을측정한후주변환경에적당한릴레이적용방안을결정하는것이가능할것이고, SI 가존재하는환경이더라도측정된 SI 채널정보를이용하여 SI 를 cancellation 하는방안도가능할것이다. (1) 릴레이가설치되는환경에따른불필요성 SI 가발생하지않는환경으로릴레이의전송안테나와수신안테나간이격이완벽히이루어진경우이다. 이러한예로릴레이가지하공간의 에게만서비스하는경우, 건물의내부와외부에송수신안테나가설치되어건물의벽에의해전파가차단되는경우가해당될수있다. 또한릴레이의송수신안테나에지향성을가지게하여 SI 를감소시키는방법도적용가능하다. SI 가없거나영향이미비한경우라하더라도릴레이는 enodeb 의효과적인 resource scheduling 을돕기위해 SI 채널정보를측정 / 보고하는기능이필요할것이다. (2) SI 측정 / 제거에의한방법 SI 를식별하는방안으로릴레이설치시에환경에대한정확한정보를입력하거나설치후 SI 를측정하는방법이있다. 일반적으로릴레이가고정된위치에설치되는경우, SI 는 quaistatic 성향을나타내며이로인하여상당히정확한측정이가능하다. 또한 L0/L1 relay 와달리측정을위한레퍼런스신호를이용할수있어더욱정확한측정 / 제거를가능하게한다. SI 를측정하기위해서는추가적인기준신호또는기존의 relay RS 를이용하는방안이있다. 기존의 RS 를이용하는방안은추정을위한별도의고안을필요로하지않으나, intra-cell interference 에취약하여환경에따라정확한측정이어려울수있다. 추가적인기준신호를이용하는방식은릴레이가 enodeb 에서사용하지않는데이터영역에기준신호를전송하여 SI 채널을거친신호가수신되면, 그것을측정하여 SI 성분을추정하여알아내는방식이다. SI 채널측정을위한기준신호의전송구조예는 ( 그림 6) 과같다. 37

8 주간기술동향통권 1391 호 Relay one antenna port NodeB 0th antenna training sequence patter n NodeB 1st antenna training sequence pattern R2 NodeB 2nd antenna training sequence pattern R3 NodeB 3rd antenna training sequence pattern R0 Relay 0th antenna training sequence pattern Relay 1st antenna training sequence pattern Relay 2nd antenna training sequence pattern Relay 3rd antenna training sequence pattern Resource element (k,l) Relay two antenna ports Not used for transmission on this antenna port Reference symbols on this antenna port R1 R1 Relay four antenna ports R 2 R 2 R 2 R 3 R 3 R 3 R1 R1 even-numbered slots odd-numbered slots even-numbered slots odd-numbered slots R 2 R 3 l 6 even-numbered slots odd-numbered slots even-numbered slots odd-numbered slots Antenna port 0 Antenna port 1 Antenna port 2 Antenna port 3 ( 그림 6) Self-interference 제거를위한기준신호의적용예 ( 그림 6) 은 enodeb 와릴레이가각각 1, 2, 4 개의전송안테나를가지는경우이다. R1, R2, R3, R4 는 enodeb 가전송하는기준신호이고, 처음의 3 심볼구간은 enodeb 가전송하는제어채널의할당영역을가리킨다. 릴레이는 enodeb 가사용하는기준신호와제어채널영역을제외한부분에 SI 채널측정을위한기준신호를전송하게되며, 릴레이가사용하는전송안테나의수에따라시공간영역이중복되지않는구조를취한다. 위와같이기준신호를전송하면릴레이의송신안테나로부터수신안테나사이의 SI 채널의특성을측정할수있으며, 이를기반으로 SI 에의한영향을제거할수있다. SI 의영향을제거하게되면릴레이가송수신을동시에수행할수있게되어주파수효율성을높일수있게된다. 릴레이가고정된위치에설치되는경우에는 SI 채널특성이 quasi-static 가될가능성이있으므로, 릴레이에서전송해야하는기준신호의전송회수를줄일수있어서적은리소스로사용으로도효과적인 SI 채널을측정할수있다. 또한릴레이가이동성을가지는경우에도사용이가능하나, 기준신호를위해요구되는리소스가증가하게된다. 38

9 IT 기획시리즈 차세대통신기술 8 릴레이를지원하기위해 MBSFN 과같은 TD sub-frame 을사용하면, relay 가하향링크전송을하는구간에는 enodeb 로부터데이터를수신하지못하므로, 데이터를전송할수있는리소스가감소하게된다. 이것은백홀용량의감소로릴레이에연결된단말로의충분한데이터전송을보장하지못하게되어셀 throughput 이감소하게된다. 하지만, 릴레이가 SI 를제거할경우양방향으로의계속적인송수신을수행할수있는구조가되므로, 셀 throughput 의감소가일어나지않으며, enodeb 와릴레이에서의 scheduling 방법도간단해진다. 또한, 현재표준의변화를요구하지않는장점이있다. 마. 추가연구사항 L3 relay 는여러단말의데이터를동일한 SDU 로집성, 동일한암호화키를사용, 동일한 PDU 내에서로다른 패킷의 RoHC(Roburst Header Compression) 를적용하게되므로릴레이에서이것을다시분해하기위한복잡성이증가하게된다. 따라서, 릴레이를고려하는경우시스템전체에미치는영향에대하여도조사가이루어져야한다. 이동통신망에설치되는릴레이의수가증가하게되면셀간간섭이증가하게될것이므로이를줄이는방안에대한연구가필요할것으로생각된다. 셀간간섭제어를위해서는 LTE- Advanced 에서논의가진행되고있는 CoMP(Coordinated MultiPoint) 기술들을릴레이시스템에도적용하는것이바람직할것으로여겨진다. 4. 결론본고에서는현재 LTE-Advanced 에서진행되고있는릴레이기술에관하여소개하였다. 릴레이사용시문제가되고있는 SI 에대처하기위한방식으로현재 3GPP 에서고려되고있는 MBSFN 서브프레임을이용하는방법과문제점에대해서설명하였다. SI 에대처하는다른방안으로측정및제거할수있는방법에소개하였으며, SI 의측정및제거를이용하여셀용량이증가될수있음을설명하였다. < 참고문헌 > [1] 3GPP TS V8.5.0, Physical Channels and Modulation, [2] 3GPP TR V0.3.1, Further Advancedments for E-URTA Physical Layer Aspects [3] 3GPP TSG RAN WG1 #56, R , On the design of relay node for LTE-advanced, Texas Instruments 39

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[ 차세대이동통신 ] 3GPP LTE Rel-14 에서의 V2X 표준화동향 서론 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 에서는 LTE(Long Term Evolution) 의릴리즈 (Release)-14 버전 (version) 을위한연구과제 (Study Item, SI) 중하나로써, V2X에대한연구를 2015년 3/4분기부터시작하여