MBSFN서비스에서 주파수 효율적인 적응형 수직빔 틸팅

진정현, 권도일, 김덕경*

인하대학교 정보통신공학과

swqasw12345@gmail.com, ambivalence7@inha.edu, kdk@inha.ac.kr

Adaptive Vertical Tilting for Frequency-Efficient MBSFN service

Jung Hyun Jin, Doyle Kwon, Duk Kyung Kim*

Department of Information and Communication Engineering, Inha University

요 약

MBSFN(MBMS Single Frequency Network)환경에서는 일반적인 Unicast 서비스와는 달리 이웃셀로부터의 신호가 간섭이

아님에도 불구하고 Unicast 서비스와 동일한 안테나 수직빔 틸팅을 그대로 적용하고 있다. 본 논문에서는 MBSFN 영역

내에 멀티캐스트 서비스를 요청하는 단말이 있는 셀과 아닌 셀을 구분하여, 안테나 수직빔 각도를 최적화시킴으로써

주파수대역 사용 효율을 증대시킬 수 있는 적응형 안테나 수직빔 틸팅 방안을 제안한다. 다중셀 환경 모의실험을 통해

MBSFN 셀들의 안테나 수직빔 각도를 다양하게 변화시키면서 신호대비간섭잡음비 및 주파수효율을 관찰한 결과, Unicast

경우와 비교하여 최적의 수직각도를 적용한 제안한 방안의 주파수효율이 약 40% 향상됨을 알 수 있었다.

Ⅰ. 서 론

MBMS(Multimedia Broadcast/Multicast Service)는 하

나의 송신기가 다수의 수신기에 동일한 데이터를 보내는

일대다 통신으로 재난 상황에서 체계적인 명령체계와 주

파수효율성을 위해 MBMS를 이용한 그룹통신이 요구된

다[1]. 일반적인 Unicast의 경우, 서비스해주는 셀의 신호

를 제외하면 전부 간섭이기 때문에 간섭을 최소화하기

위해 일반적으로 자신 셀 영역의 70%에 수직빔의 중심

부가 가리키도록 수직빔 틸팅을 함으로써 이웃 셀로 신

호가 간섭으로 미치는 양을 최소화하고 있다. 하지만

Unicast와 다르게 MBSFN(MBMS Single Frequency

Network)은 복수개의 기지국들이 동일한 정보를 같은 자

원으로 다수의 단말들에게 전송하기 때문에 단말 관점에

서 여러 기지국으로부터의 수신신호가 셀 간의 간섭이

아닌 하나의 기지국으로부터 큰 다중 경로 채널을 통과

하여 온 신호처럼 보이게 한다. 따라서 이웃 셀로부터의

신호는 간섭이 아니며 Unicast처럼 이웃 셀에 미치는 영

향이 적도록 수직빔 틸팅을 할 필요가 없다.

eMBMS에 관한 기존연구[2]처럼 일반적으로 Unicast

와 MBSFN의 안테나 수직빔 틸팅을 동일하게 사용하고

있다. 하지만, 본 논문에서는 멀티캐스트 서비스를 요구

하는 단말들이 있는 셀과 아닌 셀을 구분하여 각각의

MBSFN 기지국들의 수직빔을 단말이 있는 셀에게 향하

도록 안테나 수직빔 틸팅 기법을 적용한다. 단말의 입장

에서, 단말이 없는 이웃한 셀로부터 오는 신호의 수직빔

이 자신의 셀을 향하고 있기 때문에 안테나 이득이 증가

한다. 또한, 자신의 셀의 안테나 수직빔은 이웃 셀에 미

칠 영향보다 셀 내의 단말들에게 큰 수신전력이 전송되

도록 설정한다. 모든 단말들에게 동일한 MCS(Modul-

ation and Coding Scheme)레벨로 전송하는 MBSFN은

최악의 단말들 또한 디코팅을 할 수 있도록 낮은 MCS를

사용하기 때문에 안테나 수직빔 틸팅 기법을 통해 단말

들의 신호대비 간섭잡음비(Signal to Interference plus

Noise Ratio, SINR)를 증가시키면 기존보다 더 높은

MCS레벨을 전송하여 성능향상을 기대할 수 있다.

Ⅱ. 적응형 안테나 수직빔 틸팅과 실험 결과 분석

1. 적응형 안테나 수직빔 틸팅

MBSFN 은 채널상태가 나쁜 단말들도 디코딩할 수

있도록 낮은 MCS 레벨을 설정하기 때문에 채널상태가

나쁜 단말들의 SINR 을 증가시킨다면 보다 높은

MCS 레벨의 전송이 가능할 것이다. 또한 단말들이 없는

MBSFN 기지국의 안테나 수직빔 틸팅을 단말들이 있는

셀을 향하도록 조정하여 단말들의 품질을 향상시킬 수

있다.

각 MBSFN 기지국의 안테나 수직빔 틸팅을 결정하는

순서는 다음과 같다.

1) 해당 셀에 단말들의 존재 여부

A. 존재할 경우, 목표 셀 후보 군은 자신의 셀과

단말이 있는 다른 MBSFN 셀

B. 없을 경우, 목표 셀 후보 군은 단말이 있는

MBSFN 셀

2) 목표 셀 후보 군중 수직빔의 방향에 일치하는 셀

선택

3) 목표 셀에 최적인 안테나 수직빔 틸팅

A. 자신의 셀인 경우, 자신의 셀에 최적화된

수직각도 6°로 틸팅

B. 다른 MBSFN 셀인 경우, 목표 셀과 자신의

셀의 거리가 멀수록 수직각도가 낮아지며

목표 셀의 70%을 수직빔의 중심부가

가리키도록 틸팅

MBSFN 기지국마다 안테나 수직빔 틸팅을 수행하며

적절한 틸팅값은 목표 셀에 따라 달라진다. 1)과정을

통해 기지국의 수직빔이 향할 목표 셀의 후보를

결정하게 되며 2)과정에서 수직 틸팅을 하였을 경우

최대의 성능향상을 보이는 셀을 목표 셀로 결정하게

된다. [그림 1(위)]처럼 셀에 단말들이 각자 있을 때

자신의 셀의 최적화된 안테나 수직빔 틸팅을 하며 [그림

한국통신학회 2016년도 동계종합학술발표회

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1(아래)]처럼 단말이 없는 기지국은 수직빔이 목표 셀을

향하도록 안테나 수직빔 틸팅을 한다.

그림 1 적응형 안테나 수직패턴 예시

2. 모의실험 및 성능 결과

실험에 사용되는 시스템 모델은[그림 2]처럼 19 개의

site 와 각각 3 개의 섹터로 구성되어 있으며 MBSFN

기지국의 안테나 수직각도만 변경하고 그 외 기지국의

안테나 수직각도는 12°로 고정한다.

그림 2 MBSFN 시스템 모델

임의의 MBSFN 셀 3 곳에서 단말들을 랜덤하게 분포시

키며 [그림 1(위)]처럼 적응형 안테나 수직빔 틸팅을 수

행한다. 단, 셀에 단말이 없는 경우 [그림 1(아래)]처럼

목표 셀을 향해 수직빔 틸팅을 수행해야 하지만 본 논문

에서는 고려하지 않는다. 즉, 모든 MBSFN 셀들은 단말

을 상관하지 않고 수직빔 틸팅을 동일하게 변경한다. 실

험에 사용된 파라미터는 [표 1]과 같다.

표 1. 실험 파라미터 파라미터 값

셀 레이아웃 19 cell sites, 3sectors per site

ISD 500m

대역폭 𝐵𝐵 10MHz

기지국 전송 전력 46dBm

반송파 주파수 2GHz

잡음 밀도 𝑁𝑁𝑜𝑜 -174dBm/Hz 안테나 패턴 TR 36.814

MBSFN 영역에 있는 단말들의 SINR 은 (1)식처럼 자

신의 셀 신호와 나머지 MBSFN 기지국의 수신신호의 신

호와 간섭의 합으로 표현된다.

SINR =𝑃𝑃𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠𝑠

𝑃𝑃𝑠𝑠𝑠𝑠𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑖𝑠𝑠𝑖𝑖𝑖𝑖 + 𝑃𝑃𝑠𝑠𝑜𝑜𝑠𝑠𝑠𝑠𝑖𝑖

=∑ 𝑤𝑤𝑖𝑖𝑃𝑃𝑖𝑖,𝑟𝑟𝑟𝑟𝑖𝑖∈𝜑𝜑

∑ (1−𝑤𝑤𝑖𝑖)𝑃𝑃𝑖𝑖,𝑟𝑟𝑟𝑟𝑖𝑖∈𝜑𝜑 +∑ 𝑃𝑃𝑗𝑗,𝑟𝑟𝑟𝑟𝑗𝑗∉𝜑𝜑 +𝑁𝑁𝑜𝑜𝐵𝐵 (1)

𝜑𝜑 는 MBSFN 기지국 집합, 𝑃𝑃𝑠𝑠,𝑖𝑖𝑟𝑟 와 𝑤𝑤𝑠𝑠 는 𝑖𝑖 번째

기지국으로부터 오는 수신전력과 지연에 따른 신호와

간섭비, 𝑁𝑁𝑜𝑜는 잡음밀도, 𝐵𝐵는 대역폭 이다[3].

MBSFN 기지국의 수직 각도를 15°에서 6°로 감소할수

록 수직빔의 중심부가 셀의 바깥쪽을 가리키게 되며 셀

중심부의 높은 SINR 은 안테나 이득의 감소 때문에 낮아

지지만 셀 외곽의 낮은 SINR 은 반대로 증가한다. 수직

각도가 6°일 때 낮은 SINR 이 최대가 되며 6°보다 더 증

가하여 3°가 될 경우, 수직빔의 중심부가 목표 셀 외곽을

넘어 더 멀리 가리키므로 해당 셀의 SINR 은 전체적으로

감소한다.

SE = log2(1 + 𝑆𝑆𝑆𝑆𝑁𝑁𝑆𝑆) (2)

이렇게 구한 SINR 을 이용하여 (2)식의 Shannon

capacity 를 통해 주파수효율을 구할 수 있으며 SINR 이

가장 높은 6°일 때 최대 주파수효율을 보인다. Unicast

와 동일한 수직각도인 12°와 비교할 경우 약 40%의 성

능을 향상시킬 수 있다.

그림 3 MBSFN 수직각도에 따른 SINR CDF

Ⅲ. 결론

MBSFN 의 적응형 안테나 수직빔 틸팅은 각 안테나

소자의 입력 위상을 조정함으로써 전기적인 방법으로

조정할 수 있으며, MBSFN 서비스 영역내 기지국들의

수직빔 틸팅을 적응적으로 조정하는 간단한 방법으로

최대 40% 정도의 주파수효율을 증대시킬 수 있었다.

ACKNOWLEDGMENT

본 연구는 미래창조과학부 및 정보통신기술진홍센터의 산업

원천기술 개발사업(R 0101-15-0057) 및 SK 텔레콤의 지원에

의해 수행되었음.

참 고 문 헌

[1] T. Doumi et al., “LTE for Public Safety Networks” IEEE

Communications Magazine, Vol. 51, No. 2, pp. 106-112,

February, 2013

[2] A. de la Fuente et al., “Joint Multicast/Unicast

Scheduling with Dynamic Optimization for LTE Multicast

Service”, 20th European Wireless Conference, 2014.

[3] R. Rebhan and J. Zander “On the Outage Probalbility in

Single Frequency networks for Digital Broadcasting”,

IEEE Transaction on Broadcasting, Vol. 39, No. 4, pp. 395,

December, 1993.

2 4 6 8 10 12 14 16

tilt

1.2

1.4

1.6

1.8

2

2.2

2.4

2.6

2.8

3

3.2

spec

tral e

ffici

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[bps

/Hz]

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