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1 IEEE MMR 동향 Trend of IEEE Mobile Multi-hop Relay 차세대이동통신특집 김영일 (Y.I. Kim) 신정채 (J.C. Shin) 조호신 (H.S. Cho) 안지환 (J.H. Ahn) 황승구 (S.K. Hwang) Wibro 무선시스템연구팀팀장경북대학교전자전기컴퓨터공학부정보통신공학경북대학교전자전기컴퓨터공학부정보통신공학무선시스템연구그룹그룹장이동통신연구단단장 목차 Ⅰ. 서론 Ⅱ. 중계기방식과종류 Ⅲ. MMR 기술동향 Ⅳ. 결론 중계기 (relay station) 는기존의이동통신시스템에서음영지역해소를위해도입되어현재사용중인기술이다. 중계기기술은단순히증폭후전달 (amplify-and-forward) 방식에서디코딩후전달 (decode-and-forward), 재구성 / 재조합후전달 (reconfiguration/reallocation-and-forward) 등지능화된형태로진화하고있다. 특히, 차세대이동통신시스템에서지능화된다수의중계기도입은기지국증설비용과백홀 (backhaul) 통신망의유지비용을줄이는동시에커버리지확대와데이터처리율향상을위해불가피할것으로예상된다. 이에본고에서는중계기방식과종류등일반적인사항에대해살펴보고, 최근표준화활동이시작되어이슈화되고있는 IEEE MMR의동향에관해기술한다. 91

2 I. 서론 현재표준화가진행중인 3G LTE, IEEE , 등다수의차세대이동통신시스템의공통적인개발목표는향상된데이터전송속도이다. 이를구현하기위해 OFDM, MIMO, 스마트안테나등의최신기술등이도입될것으로예상된다. 그러나, 제한된송신전력하에서높은전송속도는낮은 E b /N o 를가지게되어오류율을증가시키고, 전송가능거리를줄어들게한다. 또한, 기존의이동통신시스템에서사용중인 2GHz 이하의주파수대역에비해높은 2~6GHz의고주파대역사용이불가피할것으로예상되어도심지역의음영지역 (shadowing zone) 이증가할것으로보인다 [1]. 음영지역해소를통한커버리지 (coverage) 확대와데이터처리율 (throughput) 향상을해결하기위해가장쉬운방법으로는기지국의수를증가시키는방법이있다. 기존의이동통신시스템에서기지국커버리지는통상 2~5km인데반해차세대이동통신시스템에서는경우에따라서수백미터에불과할것으로예상되므로, 많은수의기지국증설이필요하다. 물론, 가입자의수가기지국증설에따라선형적인증가를보인다면, 기지국증설이효과적일수있으나선진국의경우가입자수는이미포화상태에다다른점을고려한다면기지국증설은그리효과적이지는못하다. 이에해결책으로제시된기술이중계기 (relay station) 를활용한방식이다. 중계기 (relay station) 는기존의이동통신시스템에서음영지역해소를위해도입되어현재사용중인기술이다. 중계기기술은단순히증폭후전달 (amplify-and-forward) 방식에서디코딩후전달 (decode-and-forward), 재구성 / 재조합후전달 (reconfiguration/reallocation-and-forward) 등지능화된형태로진화하고있다. 특히, 차세대이동통신시스템에서지능화된다수의중계기도입은기지국증설비용과백홀 (backhaul) 통신망의유지비용을줄이는동시에커버리지확대와데이터처리율향상을위해불가피할것으로예상된다. 이에본고 에서는중계기방식과종류등일반적인사항에대해살펴보고, 최근표준화활동이시작되어이슈화되고있는 IEEE MMR의동향에관해기술한다. Ⅱ. 중계기방식과종류 중계기 (Relay Station: RS) 는기지국 (Base Station: ) 과단말 (Mobile Station: ) 사이를이어주는중계자역할을하는기기이다. ( 그림 1) 의 (a) 는중계기를통하지않고기지국과단말이직접적 (directly) 으로통신하는경우이고, (b) 는기지국과단말을중계기가이어주는경우를나타낸다. (a) 의경우일반적으로단일홉 (single hop) 이라부르고, (b) 의경우홉의수에따라다르지만일반적으로멀티홉 (multi-hop) 이라부른다. 중계기또는중계방식은이동성 (mobility), 데이터전달 (forwarding), 다이버시티 (diversity), 무선접속기술방식 (access technology) 등에따라분류할수있다. 먼저, ( 그림 2) 와같이이동성에따라고정형 (fixed), 유목형 (nomadic), 이동형 (mobile) 으로분류할수있다 [2]. 고정된형태의중계기는가장일반적인형태이며많이사용되는형태이다. 유목형중계기는각종이벤트나전시회등한시적 (tem- Node (a) 단일홉 (single hop) Hop RS RS (b) 멀티홉 (multi-hop) ( 그림 1) 단일홉과멀티홉중계방식의토폴로지 92

김영일외 / IEEE 802.16 MMR 동향 poral) 으로많은가입자가모이는경우에설치하여원활한서비스를제공한다. 이동형중계기는기차, 버스등에사용자가단체로움직이는경우에유용하게사용될수있으며, 네트워크모빌리티 (Network mobility, NEMO) 개념으로생각할수있다. 데이터전달방식에따라증폭후전달, 디코딩후전달, 재조합 / 재구성후전달등으로나눌수있다.

재조합 / 재구성후전달방식은중계기가기지국의일부역할을담당하는것으로기지국으로부터할당받은무선자원을중계기와단말사이의채널상태에적합하도록 재구성및재할당하는방식이다. 앞의두방식에비해중계기의비용및복잡도가높은것이단점이며, 채널상태에따른최적의자원운용이가능하다. 다이버시티특성에따라중계기는일반적인중계방식과상호협조형중계 (cooperative relay) 방식으로나눌수있다.

3 김영일외 / IEEE MMR 동향 poral) 으로많은가입자가모이는경우에설치하여원활한서비스를제공한다. 이동형중계기는기차, 버스등에사용자가단체로움직이는경우에유용하게사용될수있으며, 네트워크모빌리티 (Network mobility, NEMO) 개념으로생각할수있다. 데이터전달방식에따라증폭후전달, 디코딩후전달, 재조합 / 재구성후전달등으로나눌수있다. 우선증폭후전달방식은기존중계기시스템에서사용하던방식으로단순히 RF 전력을증폭하여단말에게전달하는방법으로구현이비교적단순하지만잡음 (noise) 또한증폭되는단점이있다. 디코딩후전달방식은신호전달에앞서디코딩을통해에러검출등의기능을수행하고다시인코딩 (reencoding) 하여전달하는방식이다. 증폭후전달방식에비해지능화된중계기로볼수있으며구조가복잡해지는단점을가지고있다. 재조합 / 재구성후전달방식은중계기가기지국의일부역할을담당하는것으로기지국으로부터할당받은무선자원을중계기와단말사이의채널상태에적합하도록 재구성및재할당하는방식이다. 앞의두방식에비해중계기의비용및복잡도가높은것이단점이며, 채널상태에따른최적의자원운용이가능하다. 다이버시티특성에따라중계기는일반적인중계방식과상호협조형중계 (cooperative relay) 방식으로나눌수있다. 일반적인중계방식은하나의경로 (path) 를따라전달되는형태인데반해, 상호협조 용어해설 네트워크이동성 (NEMO, NEtwork MObility): 기차와비행기그리고선박같은이동수단에탑승한많은승객들이하나의네트워크를구성하여움직이는경우승객들의이동성을지원하는기술이다. 각각의호스트가이동하는개념이아닌네트워크자체가이동하며승객들에게투명한이동성을제공하는것을목표로한다. IETF(Internet Engineering Task Force) 의 NEMO 워킹그룹을중심으로표준화작업이활발히진행되고있으며이동성지원방안표준화, 경로최적화문제, 멀티 - 호밍 (Multi-homing), 핸드오프 (Handoff) 등의성능향상방안이주된해결과제이다. RS3 RS4 RS1 RS2 Nomadic RS -2-1 Move Mobile RS (a) 고정형중계기 (b) 유목형중계기 (c) 이동형중계기 ( 그림 2) 이동성에따른중계기분류 Relay 1 First stage Virtual array antenna Second stage Relay 1 Relay 3 Source Source Destination Destination Relay 2 Relay 2 Relay 4 (a) Single-stage concept ( 그림 3) Cooperative Relay 개념 (b) Multi-stage concept 93

4 형중계방식은전파의브로드캐스팅 (broadcasting) 되는성질을이용하여다이버시티이득을얻고자제안된방식이다. ( 그림 3) 과같이단일-단계 (singlestage) 와다수-단계 (multi-stage) 로생각할수있다. 특히다수- 단계방식은분산된 (distributed) MIMO 방식혹은가상배열안테나 (virtual arrays antenna) 로해석가능한방식이다. 원활한상호협조형중계방식도입을위해서는중계기간의동기 (synchronization), 채널상태정보 (channel state information) 등이필요하다. 무선접속방식에따른중계기는동질적 (homogeneous) 구성과이질적 (heterogeneous) 구성으로나뉜다. 동질적구성은 와 RS 사이의무선접속방식이 RS와 사이의방식과동일한경우를말한다. 이질적구성은 ( 그림 4) 와같이 와 RS 사이의무선접속방식이 RS와 사이의방식과상이한경우를말하며통신환경에가장적합한통신시스템을선택하여통신할수있다. 통신가능한후보기술들을, RS, 모두물리계층에서갖추고있어야하며 ABC 개념이포함되어있다 [4]. Relay Radio 1 Radio 2 Source Destination ( 그림 4) Heterogeneous Relay 개념 Ⅲ. MMR 기술동향 1. IEEE MMR 표준화현황 IEEE MMR SG은 < 표 1> 과같이 2005 년 7월 22일에 38차정기회의에서부터정식 SG로승인을받아 6개월간의활동이이뤄졌다 [4] 년 1월 41차회의에서제출한 PAR이최근집행부의승인을받아 2006년 3월 30일 IEEE j Relay TG 이름으로정식프로젝트그룹화되었다. 2. Relay 모드와 Mesh 모드 IEEE 에서지원하는네트워크토폴로지는 PMP 모드와 Mesh 모드가있다 와 16e에서필수사항으로명시된 PMP 모드는기지국을중심으로다수의단말이접속하는트리구조를가지며모든트래픽은기지국을통해서만내부또는외부로전달된다. 이에반해, Mesh 모드는 의 OFDM 모드에서만사용될수있는선택적사항으로, 단말간 (inter-) 의통신이기지국을거치지않고이웃단말들에의해라우팅되어직접적으로이루어지는구조를가진다 [2],[5],[6]. < 표 2> 는 MMR과 Mesh 네트워크의차이점을정리한것이다 [2]. MMR은 PMP 모드를따르므로트리구조를가지지만 Mesh는이웃하는다수의노드들간에네트워크가형성되는구조를가진다. < 표 1> IEEE MMR SG 일정표 연도 월 Session Actions 7월 #38 Plenary* Propose to form SG Approved 2005년 9월 #39 Interim** SG: 1st meeting 11월 #40 Plenary SG: 2nd meeting 1월 #41 Interim SG: 3rd meeting Complete a PAR 3월 #42 Plenary PAR approved 16j Relay TG 2006년 5월 #44 Interim TG: 1st meeting 7월 #45 Plenary TG: 2nd meeting 9월 #46 Interim TG: 3rd meeting 11월 #47 Plenary TG: 4th meeting * Plenary session: 정기총회, ** Interim session: 임시총회 94

5 김영일외 / IEEE MMR 동향 < 표 2> Mesh 네트워크와 Relay 네트워크의비교 Relay network Mesh network Infrastructure Client Infrastructure Client Tree Multi-connection to other nodes SS/ SS/ Network topology RS RS SS/ /RS /RS /RS /RS /RS SS/ Purpose Who is the repeater? Licensed band? SS/ Fixed RS Nomadic RS Mobile RS SS/ Coverage extension Throughput enhancement Nomadic RS SS/ that has relay function /RS SS/ Inter- communication for backhaul All of /RS Business use: Licensed band Other one: Unlicensed band SS/ Inter-SS/ communication (such as ad-hoc mode) All of SS/ MMR 시스템은 PMP 모드에서기지국과단말사이에위치하여커버리지확대와데이터처리율향상을목표로한다. 이에비해 Mesh는기지국간 (inter- ) 의통신에있어백홀망을거치지않고통신과단말들간의직접통신이가능하게하는데목표를두고있다. 물론, MMR 네트워크에서다수의 RS를거쳐신호가전달되는경우 RS간 (inter-rs) 의통신이발생하지만, 반드시기지국을통해서상대방 (destination) 에게전달되므로 Mesh 네트워크와는분명한차이점이있다. 신호증폭의주체는 MMR의인프라관점에서 FRS, NRS, MRS의형태가가능하며, 클라이언트관점에서는 MMR 기능을탑재한단말이역시증폭기 (repeater) 역할을수행할수있 용어해설 메시네트워크 (Mesh Network): PMP(Point-to-Multi- Point) 방식이반드시인프라를통해통신이가능한데비해메시네트워크는인프라를통하지않고단말간의통신이가능한기술이다. 광대역전송과이동성을필요로하는시스템에적용가능하며멀티호핑 (Multihopping) 또는무선중계기에의한커버리지확장이용이하다. IEEE s, , a 등의표준화작업이수행중에있다. 다. 이에반해 Mesh는모든단말간그리고기지국간의통신이가능하므로신호증폭의주체는역시모든단말과기지국이될수있다. Mesh 모드역시장점을가지고있지만, 물리계층과 MAC 계층에서 PMP 모드와의호환성부족, 특히 e의단말에서는 Mesh 모드를지원하지않는등의이유로 IEEE j Relay 프로젝트에서는 Mesh 모드를제외하여 PMP 모드에서의 MMR을중심으로표준화가진행될것으로예상된다. 3. IEEE j Relay 프로젝트 MMR을지원하기위한, RS, 의표준화요구사항은 < 표 3> 과같이정리할수있다 [4]. 우선, 는기존의방식과기능을그대로사용하고새로이추가되는기능은없다. 즉, 는 RS의존재를느낄필요없이마치 와직접연결이된것처럼행동하면된다. RS는 PMP 모드와 MMR 모드를지원할수있어야한다. 또한, 다수의 RS로부터도착하는트래픽을취합 (aggregation) 하여 로전송할수있어야한다. 기존의 가 MMR 모드를지원하는 MMR-로지능화되기위해서는 FRS, NRS, 95

MRS 등다양한형태를가진다수의 RS로부터도착하는트래픽취합기능이필요하며, -RS 간의통신을위한새로운 MAC 프로토콜이추가되어야한다. ( 그림 5) 와 < 표 4> 는 RS 도입의목적에따른 2가지시나리오를설명하고있다 [4]. 먼저첫번째시나 < 표 3> IEEE 802.

6 MRS 등다양한형태를가진다수의 RS로부터도착하는트래픽취합기능이필요하며, -RS 간의통신을위한새로운 MAC 프로토콜이추가되어야한다. ( 그림 5) 와 < 표 4> 는 RS 도입의목적에따른 2가지시나리오를설명하고있다 [4]. 먼저첫번째시나 < 표 3> IEEE j Relay Project Scope Entity Mobile station Relay station Base station 1st scenario High rate RS low New function No change Supports PMP & MMR links Supports aggregation of traffic from multiple RSs MAC protocol to support multi-hop communication between RSs Add support for MMR links Add support for aggregation of traffic from multiple RSs MAC protocol to support multi-hop communication between and RS -1 high rate coverage Out of Coverage 2nd scenario RS high low rate coverage RS high coverage DL broadcast(map msg, DCD, etc.) UL random access(ranging code) DL/UL unicast data traffic & unicast control msg -2 ( 그림 5) RS 도입목적에따른 2 가지시나리오 리오를살펴보면, 의위치가 영역내에있지만낮은신호품질때문에 의브로드캐스팅된제어정보만을직접수신할수있는경우, RS는단지데이터채널을증폭하여단말에게전달할수있다. 이경우, 셀영역의확대측면보다는사용자데이터처리율향상이목표라할수있다. 다이버시티측면에서상호협조형중계방식으로볼수있다. 또한 RS- 링크를기지국이직접제어하는방식이므로, 중앙집중식 (centralized) 이라할수있다. 두번째시나리오는 영역밖에위치하여서비스를받지못하는 를위해도입한 RS가셀커버리지를확대시키는경우를나타낸다. 제어채널과트래픽채널모두 RS에서중계하여 와 간의통신이가능하게해주는방식이다. 초기망진입, 레인징 (ranging) 등의과정을 RS가 를대신하여수행한다. RS- 링크를 RS가직접제어하는분산된형태를가진다. 또한, 첫번째시나리오에비해상대적으로 RS의복잡도 (complexity) 와성능 (capability) 이높아야한다 [4]. ( 그림 6) 은 MMR 모드를지원하기위한프레임구조와간단한 RS 배치를예시한다. -RS와 RS- 링크는서로다른반송파주파수를사용하며모든 와 RS 사이의정확한동기가필요하다. RS는시간영역에서 모드와 모드를교대로수행한다고가정한다. RS의 모드는 로부터수신한신호를 또는 RS에게재송신하는경우와 또는 RS로부터상향링크신호를수신하는경우를말한다. 모드는 로부터신호를수신하는경우와 또는 RS로부터수신한상향링크신호를 < 표 4> RS 도입목적에따른 2 가지시나리오비교 1st Scenario(Centralized control) 2nd Scenario(Distributed control) Objective Higher user throughput at low SINR region Cell coverage extension Relaying channels RS capabilities Only unicast traffic channel Low capability Relay data traffic only Control messages are provided through a direct link from RS- link control by Both broadcast control channel and unicast traffic channel High capability Transmit DL control messages Provide with Network_Entry procedure on behalf of RS- link control by RS 96

Switch to RS RS Switch to RS (a) 1개의 RS 사용시프레임구조 f 1 DL sub-frame RS1 RS2 f 2 UL sub-frame RS2 BH DL RS1 BH DL RS1 BH UL RS2 BH

mode, f 2) RS2 RS2 RS RS RS (b) 2 개의 RS 를사용한경우의프레임구조 f 1 f 2 RS1 f 1 RS2 DL sub-frame UL sub-frame frame () ' RS1 BH DL RS1 RS1

7 김영일외 / IEEE MMR 동향 f 1 RS DL sub-frame UL sub-frame frame () Backhaul DL Backhaul UL ' RS RS BH bursts ( mode, ) RS frame ( mode, f 1) Switch to RS RS Switch to RS (a) 1개의 RS 사용시프레임구조 f 1 DL sub-frame RS1 RS2 f 2 UL sub-frame RS2 BH DL RS1 BH DL RS1 BH UL RS2 BH UL frame () ' RS2 ' RS1 RS1 RS2 RS1 BH bursts ( mode, ) RS1 frame ( mode, f 1) RS RS1 RS1 RS RS2 BH bursts ( mode, ) RS2 frame ( mode, f 2) RS2 RS2 RS RS RS (b) 2 개의 RS 를사용한경우의프레임구조 f 1 f 2 RS1 f 1 RS2 DL sub-frame UL sub-frame frame () ' RS1 BH DL RS1 RS1 BH UL RS1 RS2 RS1 BH bursts ( mode, ) RS1 frame ( mode, f 1) RS1 RS1 RS2 BH DL RS2 BH UL ' RS1 RS2 RS2 RS1 RS1 RS1 RS2 BH bursts ( mode, f 1) RS2 frame ( mode, f 2) RS2 RS1 RS2 RS2 RS1 RS2 (c) 멀티 - 홉 RS 를사용한경우의프레임구조 ( 그림 6) RS 배치에따른프레임구조의변화 97

8 에게재송신하는경우를말한다. 프레임헤더 (Frame Header: ) 는중계기를거치지않고통신하는 /SS를위한제어신호들이며프리앰블 (preamble), FCH, DL/UL-MAP, D/UCD 등으로구성된다. ' 은모든 RS에게전달되는동일한프레임헤더정보이며 에비해단순화된 (simplified) 정보들을전송한다. 또한, 여기서백홀은 - RS간의통신을나타낸다 [7]. ( 그림 6) 의 (a) 는단순히 1개의 RS를사용하여신호를전달한경우이다. RS가백홀구간즉, 의신호를수신할때와송신할때 모드로전환되고 로부터받은신호를영역내의 에게전달하거나또는 로부터신호를받을때는 모드로전환된다. (b) 는 2개의 RS를동시에사용하여신호를전달한경우이다. (a) 의경우와동일하게각각의 RS 에게전달되는상 / 하향링크신호들은시간영역에서서로다른위치를차지하여전송된다. (c) 는 1개의 RS가다른 RS에연결되어신호가전달되는경우이다. 는 RS2의데이터를 RS1을통해송수신한다. 따라서, RS1은 로부터신호를송수신할때 모드로, RS2의신호를송수신할때 모드로각각동작한다. 표준화단계에서단말기구조의변경은없으며, 주로중계기와기지국에관한새로운표준이제정될것으로예상된다. 약어정리 ABC Always Best Connected D/UCD Downlink/Uplink Channel Descriptor DL/UL-MAP Downlink/Uplink-MAP FCH Frame Control Header FRS Fixed Relay Station LTE Long-Term Evolution MAC Media Access Control MIMO Multiple Input Multiple Output MMR Mobile Multi-hop Relay MRS Mobile Relay Station NRS Nomadic Relay Station OFDM Orthogonal Frequency Division Multiplexing PAR Project Authorization Request PMP Point-to-Multi-Point SG Study Group SS Subscriber Station TG Task Group Ⅳ. 결론 참고문헌 본고에서는중계기방식과종류등일반적인사항에대해살펴보고, 최근표준화활동이시작된 IEEE MMR 기술동향에관해기술하였다. IEEE j Relay TG로정식승인을받은상태이며, 향후활발한표준화활동이기대된다. 트리구조의 MMR 링크구조는 OFDM 기반의 Mesh 모드와는차별성을가지며, PMP 모드와의후방향호환성 (backward compatibility) 을유지해야한다. 중계기형태는고정형, 유목형, 이동형이예상되며, 중계기능을갖춘사용자단말도상황에따라중계기로사용될수있다. 물리계층에서는 MMR에적합한향상된프레임구조가필요하며, MAC 계층에서도역시새로운프로토콜의제안이요구된다. 향후 [1] Ralf Pabst et al., Relay-Based Deployment Concepts for Wireless and Mobile Broadband Radio, IEEE Comm. Magazine, Vol.42, Issue 9, Sep. 2004, pp [2] IEEE C /013, Mobile Multi-hop Relay Networking in IEEE , July [3] Song Chong, Wireless Relay and Mesh Network, KICS 12th Wireless Communications Workshop, Feb. 2006, pp [4] IEEE mmr-06/005, Mobile Multihop Relay Tutorial, Mar [5] IEEE Standard , IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed Broadband Wireless Access System, Oct

9 김영일외 / IEEE MMR 동향 [6] IEEE Standard e-2005, IEEE Standard for Local and Metropolitan Area Networks Part 16: Air Interface for Fixed and Mobile Broadband Wireless Access Systems, Feb [7] IEEE C802.16mmr-05/025, A Frame Structure for Mobile Multi-hop Relay with Different Carrier Frequencies, Nov

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½Éº´È¿ Ãâ·Â Standard and Technology of Full-Dimension MINO Systems in LTE-Advances Pro Massive MIMO has been studied in academia foreseeing the capacity crunch in the coming years. Presently, industry has also started