[논문 리뷰] LTE Standard-Compliant D2D Communication: Software-defined Radio Implementation and Evaluation

S. C. Jain, Yi Zhang외 1명|arXiv (Cornell University)|2019. 04. 29.

Advanced MIMO Systems Optimization참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 SDR 기반으로 LTE 리lease 12 호환 D2D 통신의 첫 번째 소프트웨어 정의된 무선(software-defined radio, SDR) 구현을 제시한다. 이는 사이드링크, 릴레이, 동적 모드 선택을 포함한다. 개방형 srsLTE 플랫폼과 USRP 하드웨어를 기반으로 구축되었으며, GUI를 통해 라디오 파rameter를 실시간 제어할 수 있고, 측정 가능한 SNR, Throughput, BLER 성능 지표를 통해 D2D 릴레이를 통한 셀 범위 확장을 시연한다.

ABSTRACT

In this paper, we describe the design and implementation of D2D communication functionality for LTE. To our knowledge, this is the first such implementation that is compliant with the LTE Release 12 standard. In this paper, we design and demonstrate an experiment on mode selection between infrastructure mode and D2D communication mode in LTE networks. We implement our system on a software-defined radio SDR testbed, augmenting the open-source LTE eNodeB and UE implementation provided by the srsLTE software suite. Our measurements demonstrate the cell extension capabilities of D2D and quantify the SNR and throughput obtained by a subscriber when directly served by the eNodeB and when provided connectivity through the relay UE. Our implementation of sidelink, relaying, and mode selection functionality enables experimentation and prototyping of D2D communication that can assist in standardization, research, and development.

연구 동기 및 목표

• D2D 통신을 위한 LTE 리lease 12 호환 사이드링크 물리계층을 SDR 기반으로 처음으로 개발하기 위해.
• srsLTE 개방형 플랫폼에 완전한 사이드링크, 릴레이, 동적 모드 선택 기능을 확장하기 위해.
• eNodeB, 릴레이 UE, 원격 UE에 대해 GUI를 통해 실시간 실험과 파rameter 제어를 가능하게 하기 위해.
• 셀 커버리지 확장을 위한 D2D 릴레이 성능을 SNR, Throughput, BLER 측면에서 평가하기 위해.
• LTE 및 5G 네트워크에서 D2D 및 프록시미티 서비스의 표준화, 연구 및 개발을 지원하기 위해.

제안 방법

• 3GPP LTE 리lease 12 기준에 부합하는 사이드링크 물리계층을 구현한 srsLTE 개방형 SDR 플랫폼을 확장하였다.
• SC-FDMA 웨이브포트를 사용한 물리적 사이드링크 공유채널(PSSCH)을 구현하고, 제어 신호 전송을 위한 PSCCH를 통합하였다.
• eNodeB로부터 다운링크 데이터를 수신하고, 이를 사이드링크를 통해 원격 UE로 재전송할 수 있는 릴레이 UE를 설계하였다.
• 네트워크 상태에 따라 직접 다운링크(eNodeB) 또는 D2D 릴레이(릴레이 UE) 간에 전환할 수 있는 동적 모드 선택 메커니즘을 원격 UE에 개발하였다.
• GTK+ 3.0 및 리눅스 소켓 통신을 사용하여 주파수, 이득, MCS 인덱스, PRB, RNTI 등의 실시간 조정을 위한 GUI 컨트롤러를 구축하였다.
• 테스트베드의 모든 노드에서 실시간 라디오 송수신을 위해 USRP 하드웨어와 UHD 드라이버를 활용하였다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 개방형 SDR 플랫폼에서 완전한 LTE 리lease 12 사이드링크가 실제로 구현 가능한가?
• RQ2 릴레이 UE를 통한 D2D 릴레이 통신은 직접 다운링크 통신 대비 SNR, Throughput, BLER에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ3 D2D 릴레이 기능을 통해 셀의 가시 범위는 얼마나 확장될 수 있는가?
• RQ4 실시간 채널 상태에 기반한 다운링크 및 사이드링크 간의 동적 모드 선택은 얼마나 효과적인가?
• RQ5 GUI 기반 실시간 파arameter 제어 시스템은 D2D 및 프록시미티 서비스에 대한 영리한 실험을 가능하게 하는가?

주요 결과

• SDR를 사용하여 LTE 리lease 12 호환 사이드링크 통신을 성공적으로 구현하였으며, 이는 첫 번째 구현 사례이다.
• 릴레이 UE를 통한 D2D 릴레이 기능으로 셀 커버리지가 확장되어 저SNR의 가장자리 영역에서도 연결성이 확보되었다.
• 직접 다운링크 및 릴레이된 D2D 링크에 대해 Throughput 및 SNR 성능을 정량화하여 성능 기준을 제공하였다.
• 모드 선택 결정의 핵심 지표로 블록 에러율(BLER) 측정치를 수집하고 분석하였다.
• GUI 기반 실시간 제어 시스템을 통해 모든 노드에서 MCS 인덱스, 주파수, 이득, PRB 등의 라디오 파arameter를 동적으로 조정할 수 있었다.
• 개방형 SDR 플랫폼을 활용한 D2D 및 릴레이 기능의 프로토타이핑 및 테스트의 실현 가능성을 입증하였다.