BDMA-based Radio Resource Management Technology · 5G (B4G) 이동통신시스템의목표 KEY...

Communication and Information Systems LAB

Korea Advanced Institute of Science and Technology

BDMA-based Radio Resource Management Technology

조동호dhcho@ee.kaist.ac.kr

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Contents

01 Overview of BDMA system ····· 4

02 Beam-forming in BDMA system ····· 9

03 Resource allocation strategy in BDMA

system ····· 17

04 Dynamic BDMA system ····· 27

05 Conclusion ····· 38

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Overview of BDMA system

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Overview of BDMA System

4

• NTT Docomo, 삼성, ETRI에서 독자 시스템 정의 및 testbed 구축

• Throughput 증가를 위한 femto/pico cell 구조 연구

• 네트워크 구축 비용 및 backbone throughput bottleneck 문제연구

• 3GPP LTE-Advanced의 self-backhauling, self-organizing network, bandwidth aggregation

Cellular based throughput

enhancement

• Coverage 문제 해결을 위한 WLAN mesh network 표준화(IEEE 802.11s)

• WMAN 이동성 표준화 (IEEE 802.16e)• Relay, multi-hop 이용 coverage 확대 (IEEE 802.16j)• Mobile WiMAX Evolution (IEEE 802.16m)

WLAN/WMAN based

coverage/mobility

extension

무선 통신 시스템의 표준화 방향

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Overview of BDMA System

5

무선 통신 시스템의 표준화 방향

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Overview of BDMA System

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4G 이동통신대비 3C (Capacity,

Cost, Cost) 의 획기적개선 및 친환경

통신

전력 소모 및간섭 등에의한 자원낭비 감소

주파수자원의

공간 재활용극대화

5G (B4G) 이동통신 시스템의 목표

KEY word

- BDMA (Beam Division Multiple

Access)-Group cooperation

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Overview of BDMA System

7

빔 분할 다중 접속 (Beam Division Multiple Access) 기술 (1/2)

• 시간, 주파수, 코드, 공간 자원 외에 빔을 분할하여 사용

• SDMA와 다르게 채널 정보를 몰라도 상대 BS나 MS의 위치 정보를안다고 가정하여 적응적으로 빔을 형성하여 통신함

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빔 분할 다중 접속 (Beam Division Multiple Access) 기술 (2/2)

• Beam-forming을 사용한 다중접속 방식

• BS간 backhauling 망과 BS-MS 통신 모두에 사용

• 주기적 위치 feedback을 통해 상대 BS 또는 MS의 위치 정보를안다고 가정

• 기존 이동통신 주파수 대역 뿐 아니라 고주파수 대역 (예: 28GHz, 40GHz, 60GHz)의 사용

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Beam-forming in BDMA System

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Beam-forming in BDMA System

10

( )2

3

min 12 , where 180 180mdB

A A⎡ ⎤⎛ ⎞θ⎢ ⎥θ = − − ≤ θ ≤⎜ ⎟θ⎢ ⎥⎝ ⎠⎣ ⎦

Mainlobe beamwidth Number of antenna Max. sidelobe (dB) Beamwidth (deg)

30° 7 -22.24 28.80

Antenna Pattern

• 기존 3 or 6 sector antenna- Antenna gain (IEEE 802.16j [1])

- Beam-forming antenna (by simulation result)

θ3dB: 3dB beamwidth (3 sector: 70°, 6 sector: 35°)Am: 최대 감쇠 값 (3 sector: 20dB, 6secotr: 23dB)

[1] Multi-hop Relay system evaluation methodology, IEEE 802.16j-06/013r3

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Beam-forming in BDMA System

11

3 sector antenna 6 sector antenna

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100-25

-20

-15

-10

-5

0

Azimuth in degrees

Gai

n in

dB

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100-25

-20

-15

-10

-5

0

Azimuth in degrees

Gai

n in

dB

-100 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100-25

-20

-15

-10

-5

0

Azimuth in degrees

Gai

n in

dB

Beam-forming antenna (Mainlobe beamwidth: 30°)

Antenna Pattern (2/2)

• Beam-forming antenna

- 안테나 특성이 좋음

- 다수의 안테나 사용

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Beam-forming in BDMA System

123 sector antenna system 6 sector antenna system

기존 안테나 시스템

• 하나의 셀을 3개 혹은 6개의 섹터로 나누어 섹터 별로 하나의 안테나를 이용

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Beam-forming in BDMA System

13

θ

Adaptive Sector Antenna System (1/4)

• BS가 단말의 위치에 따라 적응적으로 안테나의 방향을 설정

• 하나의 셀을 다수의 가상 섹터로 나눔

• 하나의 가상 섹터에 동시에 하나의 단말만을 서비스함

단말의 위치에 따라안테나의 방향을 변경

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Beam-forming in BDMA System

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Adaptive Sector Antenna System (2/4)

• 적응적 안테나 기술- 서비스 받는 단말의 위치에 따라 빔 방향을 적응적으로 조절하여송신 이득 개선

- 폭이 좁은 빔을 이용하여 다른 셀에 미치는 간섭 억제

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Beam-forming in BDMA System

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Adaptive Sector Antenna System (3/4)

• 적응적 빔 폭 조절- 서비스 받는 단말의 위치 및 상태에 따라 적응적으로 빔 폭을 조절

Sector 1

Sector 3

MSMS

MS

MS

MS

BS

NLOS 상태에있는 단말

이동성이빠른 단말

셀 가장자리에위치한 단말

고정 단말

Narrowbeam

Widebeam

Sector 2

장애물

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Beam-forming in BDMA System

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Adaptive Sector Antenna System (4/4)

• 주파수 자원 재사용의 극대화

- 빔 별로 주파수를 재사용하여 자원 재사용 효율 개선

• 빔 별 파워 할당 기술 적용

- Water-filling algorithm- Minimum rate 보장 algorithm- 균등 파워 할당 algorithm

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Resource allocation strategy in BDMA system

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Resource allocation strategy in BDMA system

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Resource allocation strategy in BDMA system

• 기존 시스템과의 차이- 기존 시스템과는 달리 BDMA system에서는 beam resourceallocation 문제를 고려해야 함

Beam selection 및 beam formation 고려 필요

19

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Resource allocation strategy in BDMA system

Beam selection problem (1/2)

• BS는 단말이 사용할 beam을 설정- 대략적인 beam angle 및 beam width 설정- 단말의 위치 정보 및 rotating beam 기반 CQI feedback을 사용하여최적의 beam을 찾음> 가능한 모든 angle로 beam을 전송하고 단말이 가장 높은 SINR을가진 beam을 선택함으로써 최적의 수신 beam을 찾을 수 있음

> 단말의 송신 beam도 channel reciprocity에 의해 찾을 수 있음

• 단말의 상황에 따라서 narrow beam 혹은 wide beam 사용- Wide beam: 단말의 이동 속도가 빠르고 NLOS 상황에있어서 SINR이 낮은 단말

- Narrow beam: 단말의 이동 속도가 느리고 LOS가 보장되는 단말

20

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Resource allocation strategy in BDMA system

Beam selection problem (2/2)

21

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Resource allocation strategy in BDMA system

Beam formation problem (1/5)• 각 beam의 power (Pm) 및 direction(θm)을 결정 (optimization)• 고려할 사항

- Side lobe of beam: 각 beam들은 side lobe를 가지고 있고 이러한side lobe가 inter-beam interference를 미침

- Beam pattern을 closed form function으로 얻기 어려우므로 G(θm)라는 generalized function으로 modeling (θm는 beam의 angle)

- 각 user에게 하나의 beam이 할당될 경우의 문제에 대해서 다룸

220 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6 1.8 2

-100

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

0

10Number of Antenna: 17

ω/π

Mag

nitu

de (

dB)

Side lobe of beam Main lobe: signal

Side lobe: interference

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Resource allocation strategy in BDMA system

Beam formation problem (2/5)

• Optimization problem (maximize sum rate)- Find Pm and θm

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Resource allocation strategy in BDMA system

Beam formation problem (3/5)

• Beam power(Pm)와 beam direction(θm)을 한꺼번에 optimize 하기어려움

• Beam direction과 beam power를 iterative 하게 optimize optimal solution으로 converge

24

Optimizebeam

direction (θm)

Optimizebeam

power (Pm)

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Resource allocation strategy in BDMA system

Beam formation problem (4/5)

• Beam direction(θm) optimization• Optimal solution(θm) can be found by using gradient method

25

Θm will converge to optimal value

Gradient

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Resource allocation strategy in BDMA system

Beam formation problem (5/5)

• Beam power (Pm) optimization• Optimal solution can be found by using KKT (Karush-Kuhn-Tucker)

condition

26

MIWF case - 기존의 Modified Iterative

Water Filling solution과 동일

m-th beam이 다른 beam에미치는 interference의 영향 정도

m-th beam의Inverse SINR

n-th user의 m-th subcarrier에서의 Inverse SINR

n-th user의 m-th subcarrier 사용이다른 user들에게 미치는 영향 정도

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Dynamic BDMA System

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Dynamic BDMA System

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BDMA system에서의mobility

Self-organizing algorithm

Dynamic환경 변화

고려

DynamicBDMASystem

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Dynamic BDMA System

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Mobility support in BDMA system (1/2)

• BDMA 시스템에서의 이동성

- 각 단말은 일정한 속도로 움직임

- 단말이 빠른 속도로 움직일 경우 위치 estimation에 오차 발생

> 단말 속도가 120km/h : 100ms에 3.33m이동

> 단말 속도가 36km/h : 100ms에 1m이동

> BDMA 시스템에서는 단말의 위치 기반 beam forming을 이용하여

data를 전송하므로 이동성이 문제가 됨

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Mobility support in BDMA system (2/2)

Dynamic BDMA System

Adaptive Cooperative Beam Forming

기본 아이디어: 다수의 BS를 동시에 이용하여 data를 전송하여 위치 추정

오차 및 channel 변화의 영향을 줄임

유사한 기존 방안:

Similar to Coordinated Multi Point tx/rx (CoMP)

기존 방안과의 차이: 단말의 상황 (속도)에 따라서 adaptive하게

cooperation 하는 BS수를 조절

30

CoMP

CoMP에서는 다수의기지국을 동시에 사용하여

단말에게 데이터 전송

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Dynamic BDMA System

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Pros- Reliable data

transmission 가능

- Beam forming 사용으로인한 작은 inter-cell

interference

Cons- 기지국간 cooperation

어려움(복잡도 및 sync 문제)

- 동시에 여러 BS를 사용하므로 cell throughput

감소 가능

Adaptive cooperative beam forming (1/2)

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Dynamic BDMA System

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Adaptive cooperative beam forming (2/2)

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Dynamic BDMA System

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Self organizing algorithm for BDMA system (1/5)

• Self organizing algorithm의 필요성- BDMA 시스템에서의 channel 변화> BDMA 시스템에서는 channel 변화의 영향이 큼

(LOS vs. Non LOS)- 현재 통신 시스템에서 self organizing network에 대한 수요 증가

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Dynamic BDMA System

34

Self optimization

주변 상황감지

Self organizing algorithm for BDMA system (2/5)

• Self organizing algorithm- 주변 상황 감지- Self optimization

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Dynamic BDMA System

35

Self organizing algorithm for BDMA system (3/5)• 주변 상황 감지

- Beam scanning: beam forming을 이용하여 directional하게scanning을 함> Search range 증가> Neighbor의 개수 증가> Scanning 시간 증가> 복잡도 증가

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Dynamic BDMA System

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Omni-directional 안테나를이용하여 전방향 scanning-> 네트워크 밀도(ρ) 추정

Beamforming을 이용하여 넓은영역으로 beam scanning ->충분한 수의 neighbor를 확보

Self organizing algorithm for BDMA system (4/5)

• 주변 환경을 고려한 beam scanning- Omni-directional 안테나를 이용한 scanning으로 네트워크 밀도를추정하여 최적의 빔 폭을 결정

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Dynamic BDMA System

37

Self organizing algorithm for BDMA system (5/5)

• Self optimization- 각 BS는 독립적으로 자신의 beam direction 및 power를 update- 각 BS들은 자신의 SINR을 높이기 위해서 beam direction 및 power를주변 cell의 interference가 적은 쪽으로 설정

Similar to Iterative Water Filling

BS1

User

BS2User

BS beam direction powercell interference

BS1

User

BS2User

User User

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Conclusions

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Resource allocation in BDMA system

• BDMA system- Beam 분할을 이용한 새로운 다중 접속 시스템

3C 문제 해결- Adaptive antenna sector system> 단말의 SINR(throughput) 증가

- Resource allocation in BDMA system> Beam selection 및 beam formation

- Dynamic BDMA system> 다수 BS의 동시 사용을 통한 mobility support> 주변 상황 감지 및 self optimization