2014 년 8 월전자공학회논문지제 51 권제 8 호 Journal of The Institute of Electronics and Information Engineers Vol. 51, NO. 8, August 2014 http://dx.doi.org/10.5573/ieie.2014.51.8.003 논문 2014-51-8-1 5 세대이동통신을위한 MMB 시스템및채널모델 (MMB System and Channel Model for 5th Generation Mobile Communication ) 문상미 *, 김보라 *, 사란쉬말리크 *, 김지형 **, 이문식 **, 김대진 ***, 황인태 *** * (Sangmi Moon, Bora Kim, Saransh Malik, Jihyung Kim, Moon-Sik Lee, Daejin Kim, and Intae Hwang c ) 요 약 최근폭증하는모바일데이터트래픽을수용하기위하여밀리미터파 (mmwave) 가큰관심을받고있으며, 4 세대 LTE-A (Long Term Evolution-Advanced) 표준을기반으로 MMB (Millimeter Mobile Broadband) 시스템의필요성이대두되고있다. 현재 mmwave 통신채널에대한많은연구가이루어지고있으며, MMB 채널환경에대한성능분석또한관심의대상이다. 본논문에서는 5 세대이동통신을위한 MMB 시스템을설계하고 mmwave 의전파특성분석을통한채널모델을제안한다. 또한 MMB 시스템의 28 GHz 대역에서 MMB 채널환경에대한성능을비교분석한다. Abstract Millimeter wave (mmwave) has attracted great interest recently and the necessity of Millimeter Mobile Broadband (MMB) system has appeared based on the 4 Generation Long Term Evolution-Advanced (LTE-A) Specification. Currently, there are many studies about the mmwave communication channel. And it is subject of interest to analyze the performance in MMB channel environments. In this paper, we design the MMB system for 5th Generation mobile communication and propose channel models through the analysis of the mmwave propagation characteristics. Also, we have analyzed the performance of the MMB system of 28 GHz band in MMB channel environments. Keywords : 5th Generation, Channel model, MMB, mmwave * 학생회원, *** 평생회원, 전남대학교전자컴퓨터공학부 (School of Electronics & Computer Engineering Chonnam National University) ** 정회원, 한국전자통신연구원통신인터넷연구소무선근접통신연구실 (Wireless Proximity Communications Research Section, Communications Internet Research Laboratory, Electronics and Telecommunications Research Institute) c Corresponding Author(E-mail: hit@jnu.ac.kr) 본연구는미래창조과학부및정보통신산업진흥원의대학IT연구센터육성지원사업의연구결과로수행되었음 (NIPA-2014-H0301-14-1014) 이논문은 2013년도정부 ( 교육부 ) 의재원으로한국연구재단의기초연구사업지원을받아수행된것임 (NRF-2013R1A1A2007779) 본연구는미래창조과학부가지원한 2014년정보통신방송 (ICT) 연구개발사업의연구결과로수행되었음접수일자 : 2014년04월22일, 수정일자 : 2014년07월15일, 수정완료 : 2014년08월04일 (1687)
4 5 세대이동통신을위한 MMB 시스템및채널모델문상미외 Ⅰ. 서론최근스마트폰의급격한보급과음성위주의이동통신서비스가무선멀티미디어콘텐츠를중심으로하는데이터위주의서비스로전환됨에따라데이터트래픽이기하급수적으로증가하고있다. 에릭슨업체의트래픽예측치보고서에따르면, 그림 1과같이데이터트래픽의경우매년 2배씩증가하였다. 시스코보고서또한모바일트래픽의폭발적증가를예측하고있으며, 이와같은예측을기반으로 5세대이동통신이실현될 2020년에는현재의 1000배에달하는데이터트래픽에대한요구가발생할것으로예상된다 [1~2]. 트래픽폭증에대처하기위해향후다양한기술이개발될것이나이러한기술개선만으로는지속적으로증가하는트래픽을수용하기어려울것이다. 따라서그이전까지이동통신을위해사용되지않았던주파수대역을추가로확보하기위한노력이전세계적으로이루어지고있다. 최근들어, 60 GHz WPAN/WLAN 표준기술 [3] 개발및관련제품의출시에힘입어 10 GHz 이상의주파수대역인 mmwave 주파수대역을셀룰라이동통신에활용하고자하는노력이강구되고있다. 하지만, mmwave 는현재사용되고있는 3 GHz 이하주파수와는다른채널특성을갖는다. 일반적으로 mmwave 주파수는높은경로손실이발생하는데, 이는상대적으로짧은파장과넓은대역폭에기인한다. 즉, 짧은파장으로인해수신안테나실효개구면크기가작아송신신호를받아들이는양이작고또한사용하는넓은대역폭은상대적으로높은열잡음을초래하여 SNR (Signal to Noise Ratio) 값을작게만든다. 그리고대기산소및수증기에의한감쇄가 3 GHz 이하주 파수에서보다크게발생한다 [4~5]. 또한도플러및다중경로에의한페이딩의특성은다음과같다. 무선채널의도플러는반송주파수와이동속도에따라달라진다. 따라서반송파주파수는 3-60 GHz 이고이동속도 3-350km/h 일때도플러천이는 10 Hz 에서 20 khz 범위에서발생한다. 다중경로의경우이에대한연구가활발히진행되고있으며, 현재이동통신주파수대역보다낮은 delay spread를갖는다. 본논문에서는 5세대이동통신을위한 MMB (mmwave Mobile Broadband) 시스템을설계하고 mmwave 의전파특성분석을통해채널에적합한 PDP (Power Delay Profile) 및최대도플러주파수를적용함으로써채널모델링이이루어진다. 논문의구성은다음과같다. 제 Ⅱ장에서는 MMB 시스템의송 수신단구조와슬롯및프렘임구조에대해설계하고제 Ⅲ장에서는 mmwave 전파특성분석및채널모델링에대하여기술하였다. 제 Ⅳ장에서는모의실험을통해제안한 MMB 시스템의채널모델에대한에러율과전송률에대하여성능을분석한다. 마지막으로제 Ⅴ장에서결론을맺는다. Ⅱ. MMB 시스템의개요 1. MMB 시스템의송 수신단구조 MMB 시스템에서는최대데이터전송속도를높이기위해 MIMO 기술을사용한다. MIMO (Multiple Input Multiple Output) 기술을사용함으로써크게다이버시티와멀티플렉싱이득을얻을수있다. 본논문에서는멀티플렉싱이득을얻을수 spatial multiplexing을적용한다. 또한, OFDM (Orthogonal Frequency 그림 1. 모바일네트워크에서전세계데이터트래픽 Fig. 1. Global total data traffic in mobile network. 그림 2. MMB 시스템송 수신단블록도 Fig. 2. Block diagram of transmitter and receiver in MMB system. (1688)
2014 년 8 월전자공학회논문지제 51 권제 8 호 5 Journal of The Institute of Electronics and Information Engineers Vol. 51, NO. 8, August 2014 Division Multiplexing) 기술을사용하여고속의데이터전송을각부반송파관점에서저속의데이터전송으로변환하여채널왜곡영향을줄인다. 따라서 MMB 시스템은 MIMO-OFDM 을기반으로설계하였으며, 송 수신단구조는그림 2와같다. 송신단은데이터소스로부터생성된비트정보는 Modulation 에서 PSK/QAM 데이터심볼로변환된다. 그후데이터심볼은 Resource element 맵핑후 IFFT를거쳐 OFDM 심볼로변조된다. 변조된 OFDM 심볼은 CP (Cyclic Prefix) 삽입블록을통과한후채널로전송된다. 채널로전송된 OFDM 심볼은무선채널을통과하여수신단에도착한다. AWGN 잡음이추가된 OFDM 심볼은 CP 제거블록을통과한후 FFT를통해 OFDM 복조된다. FFT 이후 Resource element 디맵핑을거쳐수신된데이터는채널에의하여크기와위상이왜곡되어있으므로 MIMO 등화기를거쳐채널보상이이루어진다. MIMO 등화기를통과한데이터심볼은 Demodulation 과정을통해정보비트로변환된다. MMB 시스템은무선채널의 delay spread를고려하여 270kHz의부반송파간격을지원하며자세한내용은제 III장에서살펴본다. 또한다른길이의 CP, 즉 normal CP (0.46us) 와 extended CP (0.93us) 를지원한다. 어떤종류의 CP를사용하는가에따라한슬롯에포함되는 OFDM 심볼의개수가달라진다. Normal CP의경우 30개의 OFDM 심볼이한슬롯을구성하며, 표 1. MMB 시스템전송파라미터 Table 1. Transmission Parameters of MMB system. Transmission BW Subframe duration Subcarrier spacing Sampling frequency 62.5 69.12 125 138.24 250 1 ms 270 khz 276.48 MHZ 500 552.96 MHZ 1 GHz 1106 FFT size 256 512 1024 2048 4096 Number of occupied subcarriers 216 432 864 1728 3456 Number of OFDM symbols per slot 30/27 (Normal/Extended CP) Number of available RBs 12 24 48 96 192 CP length (μs/samples) Normal 0.46/32 0.46/64 0.46/128 0.46/256 0.46/512 Extended 0.93/64 0.93/128 0.93/256 0.93/512 0.93/1024 extended CP의경우 27개의 OFDM 심볼이한슬롯을구성한다. MMB 시스템은최소 62.5 부터최대 1GHz 대역까지지원가능하며, 이에따른전송파라미터는표 1과같다. 2. MMB 시스템의프레임및슬롯구조 가. MMB 시스템의슬롯구조 MMB 전송신호는시간영역에서 개의 OFDM 심볼과주파수영역에서 개의부반송파로이루어진 RB(Resource Block) 단위로자원할당이이루어진다. 따라서한 RB은 개의 Resource element로 이루어진다. 여기서 는 18개의부반송파로구성되며, 은 CP 길이에따라한슬롯은 30개또는 27개의 OFDM 심볼로구성된다. MMB 시스템전송신호는그림 3에나타난바와같이 개의부반송파와 개의 OFDM 심볼로구성된 Resource grid로주어진다. MMB 시스템 RB 의개수 는전송대역폭에따라다르며다음표 2 와같이주어진다. 표 2. 전송대역폭에따른 RB의개수 Table 2. The number of RBs for different transmission bandwidth. Bandwidth () 62.5 125 250 500 1000 Subcarrier spacing 270 khz RB Bandwidth 4.86 Number of available RBs 12 24 48 96 192 나. MMB 시스템의프레임구조그림 4는 MMB 시스템의프레임구조를보여주고있으며, MMB 시스템의 TTI (Transmission Time Interval) 는 125us의시간길이를가지는한슬롯이다. 한슬롯은 CP 길이에따라 30개또는 27개의 OFDM 심볼로이루어진다. 그리고 8개의슬롯은 1ms 길이의서브프레임을구성하며 10개의서브프레임이모여 10ms 프레임을구성한다. 이는 4세대 LTE-Advanced 시스템과같은길 이로써기존의시스템에서도적응적동작이가능하다. (1689)
6 5 세대이동통신을위한 MMB 시스템및채널모델문상미외 특성실험측정값을통해 mmwave 채널을위한 PDP 를제안한다. 실험환경은크게도시환경에서 I2O(Indoor to Outdoor)/O2I(Outdoor to Indoor) 와 Outdoor 이다. 또한 Outdoor은 LoS(Line of Sight) 와 NLoS(Non LoS) 로구분된다. 더자세한실험환경은참고문헌 [6] 과 [7] 에서확인할수있다. I2O/O2I, Out-LOS, Out-NLOS 환경에서실험측정값을기반으로 MMB 채널의 PDP를정리하면표 3과같다. 채널의주파수선택적특성은 coherence 대역폭에따라정의된다. max (1) 그림 3. MMB 시스템 Resource gird Fig. 3. Resource gird of MMB system. 여기서 max 는최대 delay spread 이고, MMB 채널의 coherence 대역폭을계산하면표 4와같다. 그림 5는각 MMB 채널에대하여대역폭 18 에서 CFR (Channel Frequency Response) 를나타내고있다. 표 3, 4와그림 5를통해주파수영역에서 mmwave 의채널특성을살펴보면, 최대 delay spread는 1388.4us (coherence 대역폭 0.7) 로 3GHz의주파수를사용하고있는현재 LTE-A 채널보다 delay spread 감소 (coherence 대역폭증가 ) 로 CFR 채널변화가늦어지는 표 3. MMB 채널의 Power Delay Profile Table 3. Power Delay Profile of MMB channel. 그림 4. MMB 시스템프레임구조 Fig. 4. Frame structure of MMB system. Ⅲ. mmwave 전파특성분석및채널모델링본논문에서는 mmwave의주파수대역중 28 GHz 대역에대하여전파특성을분석하고실험을통한측정값을기반으로각채널모델에적합한 PDP 및도플러주파수를적용함으로써채널모델링을제안한다. 1. 주파수영역에서채널특성본절에서는실제환경에서 28 GHZ 대역에서채널 MMB Channel Excess tap delay [ns] Relative Power [db] MMB-A (I2O/O2I) [0 35 50 75] [0.0-12.0-18.0-19.0] MMB-B [0.0 14.0-10.0 [0 175 412.5 525 753.5] (Out-LOS) -16.0-20.0] MMB-C (Out-NLOS) [0 100 238 304 373 642 1388.4] [0.0-10.0 2.0-3.0-9.7-19.2-20.0] 표 4. MMB 채널의 Coherence 대역폭 Table 4. Coherence bandwidth of MMB channel. MMB Channel max MMB-A (I2O/O2I) 75 13.3 MMB-B (Out-LOS) 753.5 1.3 MMB-C (Out-NLOS) 1388.4 0.7 (1690)
2014 년 8 월전자공학회논문지제 51 권제 8 호 7 Journal of The Institute of Electronics and Information Engineers Vol. 51, NO. 8, August 2014 여기서 는최대도플러주파수이며, 다음식과같이나타낸다. (3) 여기서 는수신단의이동속도, 는빛의속도이고 는반송파주파수를나타낸다. 식 (2) 와 (3) 을통해반송파주파수 28 GHz에서 coherence 시간과최대도플러주파수를정리하면표 5 와같다. 그림 6은표 5에대하여 2 슬롯 (250us) 동안 CIR (Channel Impulse Response) 이다. 표 5와그림 6을통해시간영역에서 mmwave의채널특성을살펴보면, 최대도플러주파수는 9kHz (coherence 시간 =110us) 로 LTE-A 채널보다최대도 그림 5. MMB 채널의 CFR Fig. 5. CFR of MMB Channels. 확인할수있다. 따라서 OFDM 시스템의부반송파간격이 15kHz (LTE-Advanced) 에서 270kHz (MMB) 으로증가가능하다. 2. 시간영역에서채널특성 경로들의지연시간은주파수도메인에서주파수선택적페이딩을일으키는채널에영향을미친다. 그러나다중경로채널은시간도메인에서채널에영향을주는송신기와수신기에의해변화를겪는다. 시간도메인에서채널의특성은 coherence 시간에따라정의된다. (2) 그림 6. MMB 채널의 CIR Fig. 6. CIR of MMB Channels. 표 5. 28GHz 대역에서 coherence 시간과최대도플러주파수 Table 5. Coherence Time and Maximum doppler frequency in 28GHz band. Velocity * Carrier freq. 28GHz 3 km/h 80 0.08 12.500 12500.0 40 km/h 1040 1 0.962 961.5 160 km/h 4150 4 0.241 241.0 350 km/h 9070 9 0.110 110.3 (1691)
8 5 세대이동통신을위한 MMB 시스템및채널모델문상미외 플러주파수증가 (coherence 시간감소 ) 로 CIR 변화가빨라진것을확인할수있다. 따라서 OFDM 시스템의슬롯의시간이 500us (LTE-Advanced) 에서 125us (MMB) 으로감소가능하다. Ⅳ. 모의실험결과분석 본장에서는제 Ⅲ장에서제안된채널환경에서 MMB 시스템의성능을분석하기위하여모의실험을수행하였다. 모의실험은그림 2와같이 28GHz 대역의 MMB 시스템을기반으로이루어졌으며, 주요파라미터값들은표 6과같다. 그림 7과 8은각각 MMB 환경에서최대도플러주파수가 9070Hz인채널의 BER과 FER에대한에러율이다. MMB 채널 A와 B는각각최대 tap delay가 75ns와 753.5ns이다. 이는 Extended CP의길이 930ns가최대 tap delay보다크기때문에 ISI (Inter Symbol Interference) 의영향이없다. 하지만 MMB 채널 C의 그림 7. MMB 채널환경에서 BER 성능 Fig. 7. BER performance of MMB channel environments. 표 6. 모의실험파라미터 Table 6. Simulation Parameters. Parameter Carrier Frequency Bandwidth Sample frequency Subframe duration Subcarrier spacing Value 28 GHz 500 552.96 1 ms 270 khz FFT size 2048 Occupied subcarriers 1728 No. of subcarriers/rb 18 No. of available RBs 96 CP size (samples) No. of OFDM symbols/slot Modulation scheme Noise Antenna Configuration Channel models Equalizer 512 (Extended CP) 27 (Extended CP) 16QAM AWGN 4x4 MMB channel models: MMB-A/MMB-B/MMB-C = 9070Hz ( =350km/h) Zero Forcing 그림 8. MMB 채널환경에서 FER 성능 Fig. 8. FER performance of MMB channel environments. 경우최대 tap delay가 1388.4ns로 CP 길이보다커 ISI 가발생하여성능이열화된것을알수있다. Throughput은통신채널을통해성공적으로데이터가전달될수있는속도로 FER과관련있으며다음과같이표현된다. (4) 여기서 R은이론적인최대데이터속도이다. 본논문에서는 500 전송대역폭에서 4 4 Spatial Multiplexing, 16QAM 및 Extended CP를적용하여이론적인최대데이터속도는 5972 Mbps이다. 그림 9는그림 8의 FER과이론적인최대데이터속도를통해계산한 Throughput 결과이다. MMB 채널 (1692)
2014 년 8 월전자공학회논문지제 51 권제 8 호 9 Journal of The Institute of Electronics and Information Engineers Vol. 51, NO. 8, August 2014 그림 9. MMB 채널환경에서 Throughput 성능 Fig. 9. Throughput performance of MMB channel environments. A와 B는 CP를통해 ISI를제거하여최대 Throughput 이 5000Mbps 이상이지만, MMB 채널 C는 ISI의영향에의해최대약 4300 Mbps 값을갖는것을알수있다. Ⅴ. 결론 본논문에서는 5세대이동통신을위한 MMB 시스템을설계하고 mmwave 의전파특성분석을통해채널에적합한 PDP 및최대도플러주파수를적용함으로써채널모델을제안하였다. mmwave는기존 3GHz 이하주파수와비교했을때주파수영역에서 delay spread가감소 (coherence 대역폭증가 ) 하고, 시간영역에서는최대도플러주파수가증가 (coherence time 감소 ) 하는특성을갖는다. 또한, 제안한 MMB 채널 A, B 및 C에서최대도플러주파수가 9070Hz에대하여모의실험을통해성능을분석하였다. 모의실험결과 MMB 채널 A와 B는 ISI 제거하여성능열화가없지만, MMB 채널 C의경우 ICI 의영향으로성능열화가발생한것을확인하였다. 향후연구과제로 MMB 채널특성에맞는참조신호 (reference signal) 매핑과채널추정기법을고려할수있다. [2] Cisco, Cisco Visual Networking Index: Global Mobile Daa Traffic Forecast Update, 2013-2018, Cisco white paper, Feb. 2014. [3] IEEE std 802.11ad-2012, Part 11: Wireless LAN medium Access Control (MAC) and Physical Layer (PHY) Specifications - Amendment 3: Enhancement for very High Throughput in the 60GHz Band, May 2013. [4] 백정기, 위성통신에서의전파전파및초고주파기술, 대한전자공학회, 전자공학회지, 제 19 권제 10 호, pp. 993-1008, 1992 년 10 월. [5] 윤영근, 김종호, 비가시환경에서의밀리미터대역전파전파특성, 2009 년도대한전자공학회하계종합학술대회, 제 32 권제 1 호, pp.326-329. [6] Zhao, H., Mayzus, R., Sun, S., Samimi, M., Schulz, J. K., Azar, Y., Wang, K., Wong, G. N., Gutierrez, Jr., F., Rappaport, T.S., 28 GHz Millimeter Wave Cellular Communication Measurements for Reflection and Penetration Loss in and around Buildings in New York City, 2013 IEEE International Conference on Communications (ICC), June 2013. [7] Azar, Y., Wong, G. N., Wang, K., Mayzus, R., Schulz, J. K., Zhao, H., Gutierrez, F., Hwang, D., Rappaport, T. S., 28 GHz Propagation Measurements for Outdoor Cellular Communications Using Steerable Beam Antennas in New York City, t2013 IEEE International Conference on Communications (ICC), June 2013. REFERENCES [1] Ericsson report, Ericsson Mobility report, June 2013. (1693)
10 5 세대이동통신을위한 MMB 시스템및채널모델문상미외 저자소개 문상미 ( 학생회원 ) 2012 년 2 월전남대학교전자컴퓨터공학부학사 2012 년 3 월 현재전남대학교전자컴퓨터공학과석사과정 < 주관심분야 : 이동통신, ICIM, D2D> 김보라 ( 학생회원 ) 2012 년 2 월전남대학교전자컴퓨터공학부학사 2012 년 3 월 현재전남대학교전자컴퓨터공학과석사과정 < 주관심분야 : 이동통신, CoMP> 사란쉬말리크 ( 학생회원 ) 2010 년라지프간디공과대학 IT 학과학사 2013 년 2 월전남대학교전자컴퓨터공학과석사 2012 년 3 월 현재전남대학교전자컴퓨터공학과박사과정 < 주관심분야 : MIMO, OFDM, Relay, Massive MIMO> 김지형 ( 정회원 ) 2000 년 2 월연세대학교전기전자공학과학사 2002 년 2 월연세대학교전기전자공학과석사 2007 년 2 월연세대학교전기전자공학과박사 2007 년 2 월 ~ 현재한국전자통신연구원선임연구원 < 주관심분야 : 무선이동통신시스템, OFDM(A), D2D, Mesh, Ad-hoc Systems> 이문식 ( 정회원 ) 1997 년 2 월성균관대학교공학사 1999 년 8 월 GIST 공학석사 2005 년 1 월 GIST 공학박사 2008 년 2 월 2009 년 2 월미국 Stanford 대학 Post-Doc 2005 년 1 월 현재 ETRI 통신인터넷연구소무선근접통신연구실실장 / 책임연구원 < 주관심분야 : 5G 이동통신, D2D 통신, M2M 통신 > 김대진 ( 평생회원 ) 1984 년서울대학교전자공학과학사 1986 년한국과학기술원전기및전자공학과석사 1991 년한국과학기술원전기및전자공학과박사 1991 년 7 월 ~1996 년 12 월 LG 전자멀티미디어연구소책임연구원 1997 년 현재전남대학교전자컴퓨터공학부교수 < 주관심분야 : 디지털통신, 디지털방송 > 황인태 ( 평생회원 ) 1990 년 2 월전남대학교전자공학과학사 1992 년 8 월연세대학교전자공학과석사 1999 년 9 월 ~2004 년 2 월연세대학교전기전자공학과박사 1992 년 8 월 ~2006 년 2 월 LG 전자책임연구원 2006 년 3 월 ~ 현재전남대학교전자컴퓨터공학부교수 < 주관심분야 : 디지털통신, 무선통신시스템, 차세대이동통신, MIMO, OFDM, MIMO-OFDM, Relay, ICIM, CoMP, MTC> (1694)