BDMA-based Radio Resource Management Technology · 5G (B4G) 이동통신시스템의목표 KEY word-BDMA (Beam Division Multiple Access) ... (Beam Division Multiple Access) 기술(2/2)

Communication and Information Systems LAB

Korea Advanced Institute of Science and Technology

BDMA-based Radio Resource Management Technology

조동호[email protected]


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



Overview of BDMA system


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



5

무선 통신 시스템의 표준화 방향



6

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



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



8

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



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



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



123 sector antenna system 6 sector antenna system

기존 안테나 시스템

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



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



14


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

- 폭이 좁은 빔을 이용하여 다른 셀에 미치는 간섭 억제



15


• 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



16


• 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



Resource allocation strategy in BDMA system



18



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

Beam selection 및 beam formation 고려 필요

19



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



Beam selection problem (2/2)

21



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



Beam formation problem (2/5)

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

23




• 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)




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

25

Θm will converge to optimal value

Gradient




• 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



Dynamic BDMA System


Dynamic BDMA System

28

BDMA system에서의mobility

Self-organizing algorithm

Dynamic환경 변화

고려

DynamicBDMASystem


Dynamic BDMA System

29

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


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


Dynamic BDMA System

31

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)


Dynamic BDMA System

32

Adaptive cooperative beam forming (2/2)


Dynamic BDMA System

33

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


Dynamic BDMA System

34

Self optimization

주변 상황감지


• Self organizing algorithm- 주변 상황 감지- Self optimization


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


Dynamic BDMA System

36

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

Beamforming을 이용하여 넓은영역으로 beam scanning ->충분한 수의 neighbor를 확보


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


Dynamic BDMA System

37


• 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


Conclusions

38

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

Documents

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