[논문 리뷰] Millimeter-wave Gbps Broadband Evolution towards 5G: Fixed Access and Backhaul

Zhouyue Pi, Junil Choi외 1명|arXiv (Cornell University)|2015. 07. 14.

Millimeter-Wave Propagation and Modeling참고 문헌 4인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 39 GHz 대역, 동적 빔포밍, 대규모 MIMO를 활용한 밀리미터파 Gbps 광대역(MGB) 시스템을 제안하여 고용량 고정 무선 접근 및 소셀 백홀을 가능하게 한다. 500 MHz 대역폭과 28 dBm 송신 전력(55 dBm EIRP)을 사용할 경우, 1km 이내 96개의 소셀에 대해 11 Gbps 이상의 백홀 용량을 달성하며, 5G Gbps 인fra구조의 실현 가능성을 입증한다.

ABSTRACT

As wireless communication evolves towards 5G, both fixed broadband and mobile broadband will play a crucial part in providing the Gbps infrastructure for a connected society. This paper proposes a Millimeter-wave Gbps Broadband (MGB) system as the solution to two critical problems in this evolution: last-mile access for fixed broadband and small cell backhaul for mobile broadband. The key idea is to use spectrum that is already available in the millimeter wave bands for fixed wireless access with optimized dynamic beamforming and massive MIMO infrastructure to achieve high capacity with wide area coverage. This paper explains the MGB concept and describes potential array architectures for realizing the system. Simulations demonstrate that with 500 MHz of bandwidth (at 39 GHz band) and 28 dBm transmission power (55 dBm EIRP), it is possible to provide more than 11 Gbps backhaul capacity for 96 small cells within 1-km radius.

연구 동기 및 목표

• 5G의 최종 마일 접근 과제를 해결하기 위해 활용도가 낮은 밀리미터파 대역을 활용한다.
• 고대역폭 mmWave 링크를 통해 모바일 백본 네트워크의 소셀 백홀 용량 제약을 해결한다.
• 39 GHz에서 최적화된 빔포밍과 대규모 MIMO 인fra구조를 통해 광역 고용량 무선 연결을 가능하게 한다.
• 밀집된 소셀 배치에 대해 다기가비트 수준의 백홀 용량을 제공할 수 있는지의 실현 가능성을 입증한다.

제안 방법

• 고주파 스펙트럼 효율성을 높이기 위해 39 GHz 밀리미터파 대역에서 500 MHz 대역폭을 활용한다.
• 사용자 장비 방향으로 신호를 집중시키기 위해 동적 빔포밍을 적용하여 링크 신뢰성과 용량을 향상시킨다.
• 기지국에 대규모 MIMO 어레이를 도입하여 다중 데이터 스트림의 공간 multiplexing를 실현한다.
• 충분한 커버리지와 링크 예산 확보를 위해 28 dBm 송신 전력(55 dBm EIRP)으로 시스템을 모델링한다.
• 도시 유사 환경에서의 성능을 시뮬레이션하기 위해 현실적인 경로 손실 및 색잡이 모델을 사용한다.
• 간섭과 빔 정렬 등의 현실적 구현 조건 하에서 시스템 용량을 분석한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 39 GHz 밀리미터파 대역은 밀집된 소셀 배치에 대해 다기가비트 수준의 백홀 용량을 지원할 수 있는가?
• RQ2 동적 빔포밍은 밀리미터파 고정 무선 접근 시스템에서 라인오브사이트 및 라인오브사이트 상황에서 커버리지와 스펙트럼 효율을 어떻게 향상시키는가?
• RQ3 실제 전파 조건 하에서 대규모 MIMO 기반 mmWave 시스템의 구현 가능한 용량은 얼마인가?
• RQ4 빔포밍과 넓은 대역폭을 활용해 단일 기지국이 다수의 소셀에 고속 데이터 전송을 제공할 수 있는가?
• RQ5 Gbps 수준의 백홀 용량을 달성하기 위해 필요한 시스템 파ameters(대역폭, 전력, 어레이 크기)는 무엇인가?

주요 결과

• 39 GHz에서 500 MHz 대역폭과 28 dBm 송신 전력(55 dBm EIRP)을 사용할 경우, 1km 이내 96개의 소셀에 대해 MGB 시스템이 11 Gbps 이상의 백홀 용량을 달성한다.
• 동적 빔포밍은 라인오브사이트 및 라인오브사이트 상황에서 신호 신뢰성과 스펙트럼 효율을 크게 향상시킨다.
• 대규모 MIMO는 공간 multiplexing를 가능하게 하여 다수의 소셀에 동시에 전송을 수행하면서도 상당한 간섭 없이 운영할 수 있다.
• 중간 정도의 경로 손실과 색잡이 조건에서도 시스템은 고속 데이터 전송을 유지하며 도시 유사 환경에서의 강건성을 입증한다.
• 결과적으로 mmWave 대역이 5G 고정 및 이동 통신 백본에 필요한 Gbps 인프라를 지원할 수 있음을 확인한다.
• 제안된 MGB 시스템은 5G 네트워크에서 최종 마일 고정 접근 및 소셀 백홀에 실현 가능한 솔루션이다.