[논문 리뷰] Massive MIMO and Millimeter Wave for 5G Wireless HetNet: Potentials and Challenges

Tadilo Endeshaw Bogale, Long Bao Le|arXiv (Cornell University)|2015. 10. 21.

Advanced MIMO Systems OptimizationEngineering참고 문헌 17인용 수 17

한 줄 요약

이 논문은 증가하는 데이터 용량, 초고신뢰성 저지연 통신, 에너지 효율성 문제를 해결하기 위해 매크로셀과 밀리미터 웨이브(mmWave) 기술을 통합한 5G 이질적 네트워크(HetNet) 아키텍처를 제안한다. 이중 대역, 계층적 세포 연결 및 이동 중계기를 활용함으로써 최적화된 빔포밍과 하이브리드 주파수 대역 사용을 통해 스펙트럼 효율성 향상을 크게 달성하였으며, 기존 매크로셀 전용 배치 대비 2–3배의 합산 속도 향상을 입증하였다.

ABSTRACT

There have been active research activities worldwide in developing the next-generation 5G wireless network. The 5G network is expected to support significantly large amount of mobile data traffic and huge number of wireless connections, achieve better cost- and energy-efficiency as well as quality of service (QoS) in terms of communication delay, reliability and security. To this end, the 5G wireless network should exploit potential gains in different network dimensions including super dense and heterogeneous deployment of cells and massive antenna arrays (i.e., massive multiple input multiple output (MIMO) technologies) and utilization of higher frequencies, in particular millimeter wave (mmWave) frequencies. This article discusses potentials and challenges of the 5G heterogeneous wireless network (HetNet) which incorporates massive MIMO and mmWave technologies. We will first provide the typical requirements of the 5G wireless network. Then, the significance of massive MIMO and mmWave in engineering the future 5G HetNet is discussed in detail. Potential challenges associated with the design of such 5G HetNet are discussed. Finally, we provide some case studies, which illustrate the potential benefits of the considered technologies.

연구 동기 및 목표

• 5G 네트워크에서 1000배 높은 네트워크 용량과 초고신뢰성 저지연 통신에 대한 증가하는 수요를 충족시키기 위해.
• 현재 4G 네트워크의 스펙트럼 및 에너지 효율성 한계를 극복하기 위해 매크로 MIMO와 mmWave 기술을 통합함으로써.
• 마이크로파 및 mmWave 대역을 활용하여 커버리지, 용량, 이동성 지원 간의 균형을 맞춘 하이브리드 HetNet 아키텍처를 설계하기 위해.
• 고속 이동 환경에서의 빔포밍, 간섭 관리, 이동성과 같은 실용적 구현 과제를 조사하기 위해.
• 실제 전파 모델과 시스템 수준 시뮬레이션을 사용하여 이동 중계기 및 이중 대역 소셀을 활용한 사례 연구를 통해 성능 향상을 입증하기 위해.

제안 방법

• mmWave 소셀이 내부 영역(반지름 a)의 유저 기기(UE)를, 마이크로파 소셀이 중간 영역(반지름 b)의 유저 기기를, 매크로셀이 외부 영역(반지름 > b)을 커버하는 이중 대역, 계층적 세포 연결 전략을 제안한다.
• 매크로셀 다운링크에서 다중 사용자 블록 대각선화(BD) 빔포밍을 사용하여 사용자 간 간섭을 억제한다.
• 매크로 기지국에서 이동 중계기로의 링크에서 단일 값 분해(SVD) 빔포밍을 사용하여 mmWave 대역에서 스펙트럼 효율성을 최대화한다.
• 매크로 기지국과 이동 중계기 사이의 무선 링크를 하이브리드 path loss 및 레이일레이 페이딩 모델로 모델링하며, 경로 손실 지수 3.8, 기준 거리 1.6 km, d₀에서 평균 경로 손실 134 dB의 파rameter를 사용한다.
• UE가 내부에 균일하게 분포된 25.91m × 3.10m의 기차를 사용한 고속 이동 시나리오를 시뮬레이션하며, 직접 매크로셀 전송 대비 중계기 지원 전송 방식을 비교한다.
• 노이즈 계수, 안테나 이득, 열노이즈를 고려하여 1.8 GHz에서 5 MHz 대역폭에서 샤논의 용량 공식을 사용해 합산 속도를 계산한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 매크로 MIMO와 mmWave 기술이 함께 스펙트럼 효율성을 향상시키고 초밀도 HetNet 구현을 지원하는 방식은 무엇인가?
• RQ2 기차와 같은 고속 이동 환경에서 mmWave 주파수에서의 이동 중계기 사용이 성능에 미치는 기여는 무엇인가?
• RQ3 이중 대역, 계층적 세포 연결 전략을 어떻게 설계하여 mmWave 용량과 마이크로파 커버리지 간의 균형을 맞추어 최적의 시스템 성능을 달성할 수 있는가?
• RQ4 하이브리드 마이크로파/mmWave HetNet 환경에서 빔포밍 기법(BD 대비 SVD) 중 어느 것이 더 효과적인가?
• RQ5 전파 매개변수(경로 손실, 페이딩, 대역폭)가 mmWave 기반 이동 중계기 시스템에서 구현 가능한 속도에 미치는 영향은 무엇인가?

주요 결과

• 이동 중계기 지원 시나리오는 직접 매크로셀 전송 대비 2–3배 높은 합산 속도를 달성하여 고속 이동 환경에서 mmWave 중계의 효과성을 입증하였다.
• 이동 중계기의 안테나 수를 늘일수록 구현 가능한 속도가 크게 향상되었으며, 이는 mmWave 링크에서 매크로 MIMO의 스펙트럼 효율성 향상 효과를 확인하는 데 기여하였다.
• 이중 대역 소셀 아키텍처는 mmWave 유저 기기의 매크로셀 간섭을 성공적으로 격리시켜 고밀도 도시 지역에서 고용량 서비스를 가능하게 하였다.
• 중계기 지원 시나리오에서 매크로 기지국과 이동 중계기 사이의 mmWave 링크가 주요 속도 제한 요소로 나타났으며, 이는 강력한 빔포밍과 채널 추정의 중요성을 강조하였다.
• 시뮬레이션 결과는 마이크로파로 커버리지를, mmWave로 용량을 제공하는 하이브리드 배치 방식이 상당한 스펙트럼 효율성 향상을 달성할 수 있음을 검증하였다.
• 제안된 아키텍처는 고용량 mmWave와 신뢰성 있는 마이크로파 대역을 조합함으로써 터치 인터넷(1ms 지연) 및 3D 영상, 전자의료(e-Health)와 같은 고속도 응용 분야를 포함한 다양한 5G 사용 사례를 지원할 수 있다.