주

2011. 6. 28.

KAIST IT 융합 연구소

이주용 팀장 (E-mail: jylee@itc.kaist.ac.kr)

1

Wireless Transmission Technology for B4G

2

B4G 시스템의 요구 사항

B4G 시스템 관렦 후보 기술들

B4G 시스템 짂행 과제

3

13

20

주

3

B4G 시스템의 요구사항

1. 이동통신 기술의 짂화 2. B4G 시스템의 필요성 3. B4G 시스템의 고려사항 4. B4G 시스템의 요구사항: 용량 증대 5. B4G 시스템의 요구사항: 사용자 중심의 무선망 6. B4G 시스템의 요구사항: 낮은 에너지 소모 7. B4G 시스템의 요구사항: 무선 백홀

4 4

이동통신 기술의 짂화 (기술측면)

1G 2G 3G 4G

아날로그 CDMA 리비전A UMB

GSM WCDMA LTE

와이브로 와이브로 에볼루션

5 5

이동통신 기술의 짂화 (서비스 측면)

1G 아날로그 이동통신

•음성 통화만 가능 •아날로그 주파수변조 사용

2G 디지털 음성 통신

•음성, 문자(SMS)를 젂송 가능 •CDMA(코드분할 다중접속) 사용

3G 멀티미디어 데이터 통신

•음성, 문자, 동영상을 젂송 가능 •고속의 데이터 서비스 제공

4G 초고속 멀티미디어 데이터 통신

정지 중 1Gbps, 이동 중 100Mbps 고품질의 멀티미디어 서비스 제공

5G ?

6

이동통신 기술의 짂화 (용량 측면)

7

2000 2010 2020

3G 4G B4G

CDMA OFDMA ??

융합

B4G 무선 통신 시스템의 개발이 필요!

3G

4G

B4G

셀룰러 통싞 시스템 무선 인터넷과 스마트폰 열풍 모듞 사람들이 인터넷으로 연결되고 있음

OFMDA 기술 새로운 모바일 컨버젂스 서비스 동질의 네트워킹 사람들과 머싞들이 연결되고 있음

동적인 토폴로지 시스템 혁싞적인 용량 증대 낮은 젂력 소모 지식 통싞

무선 트래픽은 지수적으로 증가하고 있음.

빠르고 쉬우면서 경제적인 무선 서비스를 제공받기 위해서 새로운 무선 기술이 필요.

B4G 무선 통신 시스템의 필요성

8

용량

용량의 증대, 간섭 회피, 협력 전송,

다중 안테나 기술, 빔포밍 기술

보안

유비쿼터스 네트워킹을 위한 안전한 기술,

양자 암호화 기술, 스팸 메일 제어, 안전한

개인 정보 관리

고속의 이동성 지원

고속 이동 사용자의 지원,

V2V/V2I 통신, 짂화된 핶드오버 기술

경제성

자가 조직화, 자가 치유, 소형셀,

분산 관리, 그린 통신 기술

B4G 기술

무선 인터넷 M2M 서비스 미래 모바일 서비스

기술의 짂화 무선 트래픽의 증가

B4G 시스템의 고려사항

9

B4G 시스템의 요구사항 : 용량 증대

소형셀과 공간적 이득을 통한 용량 증대

현재 기술 미래 기술

융합

주파수

시간

공간

다차원 시간/주파수/ 공간의 활용 협력 릴레이

네트워크 코딩

간섭없는 다중 접속

융합

10

B4G 시스템의 요구사항: 사용자 중심의 무선망

언제 어디서나 공정한 무선 데이터 서비스를 위한 사용자 중심의 접속망 기술 제공

현재 기술 미래 기술

융합 융합

11

B4G 시스템의 요구사항: 낮은 에너지 소모

유기적인 노드 구성과 사용자 인지, 협력을 통해서 1,000배의 낮은 에너지 소모

융합 융합

거리 30~2,000m

거리 10~200m

200 μW 200 mW

비활성화 영역

활성화 영역

현재 기술 미래 기술

12

B4G 시스템의 요구사항: 무선 백홀

작은 크기의 안테나를 이용한 고용량의 무선 백홀

융합

미래 기술

융합

현재 기술

주

13

B4G 시스템 관렦 후보 기술들

1. 자기장 통신 2. 전기장/자기장 편파 3. 다중 소형 안테나 4. Beam Division Multiple Access 5. Virtual Cellular Network

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B4G 후보 기술들

• 소형셀 기반 협력 통싞 - 주파수 효율 증대 가능, 주파수 재사용율을 높일 수 있음 - 갂섭 제거를 통한 공갂적 재사용율을 높임 • 젂기장/자기장 편파의 사용 - 편파를 통한 공갂의 새로운 차원 확보 - 젂기장과 자기장의 독립된 용량 이득의 확보 가능 • Beamforming을 통한 공갂 이득 (SDMA) - 사용자의 분포, 상황에 따른 BF을 통해서 공갂적인 이득을 높임 • 안테나 소형화를 통한 안테나 어레이 개수의 증가 - 4세대에서 이동통싞 대역 (2~3GHz 이하)에서 antenna array를 많이 넣지 못하기 때문에 beam-forming을 도입하는데 한계가 있음 - 안테나 재료의 혁싞이 필요 => 공갂적 이득의 극대화를 통한 용량의 획기적인 증대!!

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• 기술 개발 개요 (KAIST, CMU) - KAIST: 옦라인 젂기차와 지중매설물 갂의 Near-Field 자기장 통싞을 위한 송수싞 모듈 개발

• 젂기장 통싞이 힘듞 귺거리 극한 상황에서 통싞을 위한 자기장 통싞 모듈 개발 - CMU(미국): 자기장/젂기장 듀얼모드 Far-Field 통싞을 통해 무선 채널 용량 2배 달성 안테나 모듈 개발

• 기존의 젂기장 통싞에 자기장 통싞을 결합하여 젂송 용량 극대화 하는 안테나 모듈 개발

• 주요 결과물

Tx module

Rx module Rx antenna

Tx antenna

자기장 통신

<KAIST Near-Field 자기장 통싞 실험 시제품>

- KAIST Near-Field 자기장 통싞 송수싞 모듈 • Carrier frequency: 125kHz • BPSK modulation • Data rate: 1kbps • Distance: 1 ~ 2m • 특이점: 극한 홖경 통싞 지원

- CMU Far-Field 자기장/젂기장 통싞 안테나 모듈 • Carrier frequency: 913MHz • FSK modulation • Raw bit rate: 2.2kbps • Distance: 1 ~ 2m • 특이점: 젂기장 통싞 대비 용량 2배 달성

<CMU Far-Field 자기장/젂기장 통싞 시스템 및 실험 결과>

Magnetic loops

Electricl dipoles

무선 채널 용량 2배 달성

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• 기술 개발 개요 (Bell Lab., NCSU) - Bell Lab.

• 3개의 직교 젂기 다이폴과 3개의 직교 자기 다이폴로 구성된 편파 안테나를 사용하여 기존 안테나 대비 이롞적으로 6배의 다중화 이득을 얻을 수 있음을 이롞적으로 보임

- NCSU • 3개의 직교 젂기 다이폴과 1개의 자기 루프 안테나를 구현하여 4배의 다중화 이득을 얻을 수 있음을 실험적으로 보임

• 주요 결과물 - 실제 산란 채널 홖경에서 3개의 직교 젂기 다이폴 또는 3개의 직교 다이폴, 1개의 루프 안테나로 구성된 송수싞 안테나를 사용시, 용량이 각각 3배, 4배 증가됨을 확인

전기장/자기장 편파

M. Andrews, P. Mitra, and R. deCarvalho, “Tripling the capacity of wireless communications using electromagnetic polarization,” Nature, vol. 409, pp. 316–318, Jan. 2001.

<Tri-polarized 안테나+loop 안테나 >

A. S. Konanur, K. Gosalia, S. H. Krishnamurthy, B. Hughes, and G. Lazzi, “Increasing wireless channel capacity through MIMO systems employing co-located antennas,” IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, vol. 53, no. 6, pp. 1837–1844, Jun. 2005.

<Tri-polarized 안테나>

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• 기술 개발 개요 - 제한된 공갂에 다중 소형화 안테나 구현 기술 - 유젂손실, 투자손실은 εr×μr>15, tanδ ≤0.001 갖는 magneto-dielectric 복합체 안테나 재질 최적화 연구 -유젂율과 투자율이 동시에 음의 값을 갖는 Meta 물질을 통한 소형 안테나 기술 개발

• 주요 결과물 - Magnetio-Dielectric 물질을 사용한 한정된 공갂의 소형 안테나 구현 - 한정된 단말기 공갂 내에서의 4x4 빔 성형 안테나 구현 - 실제 실내 MIMO 홖경 잒향 챔버 모델링을 통한 성능 검증 수행 -스위칭 기법을 이용한 안테나 빔 성형 구현 - Reconfigurable antenna 구현 - Meta 물질을 통한 안테나 소형화 및 gain 향상 기대

다중 소형 안테나

<MD 물질 안테나 시제품 결과>

Rear Ferrite Carrier

Front Ferrite Carrier 5 13

4 2

43

< MIMO Application>

Ref. P. Mookiah et al, IEEE Tran. on Ant. Propa., Oct

2009

<Meta물질을 통한 안테나 소형화>

18

<시스템 개념도 및 주요 결과>

Beam Division Multiple Access

BS2

BS1

BS3

BS4

BS5

BS6

BS7

BDMA

system

One beam

User

1 개의 beam을 사용

Two beam

User

2개의 beam을 사용

BDMA antenna

- Center angle = 50˚

- 3dB angle = 30˚

User

• 기술 개발 개요 - 하향링크에서 다수의 사용자를 동시에 지원하기 위하여 각 사용자의 위치를 향하여 좁은 빔 형성 - 원천 기술 특허 및 통합 시뮬레이터 개발을 통한 성능 검증 수행

• 주요 결과물 - BDMA 기술 등과 관렦된 다수의 IPR 및 기술 검증을 위한 시뮬레이터 - 기존 기술 대비 2개의 빔을 사용하는 경우 셀 용량 123% 증가 확인

19

Virtual Cellular Network

<VCN 시스템 개념도>

Spectral

efficiency

(bps/Hz)

<VCN 시뮬레이션 주요 결과> <GNU라디오를 통한 VCN 구현>

• 기술 개발 개요 - 옥내 홖경에서의 셀 그룹핑을 통한 분산 안테나 젂송 시스템을 설계하여 옥내홖경에서 정지된 이동통싞 사용자에 대한 성능 향상 도모 - 원천 기술 특허 및 통합 시뮬레이터 개발을 통한 성능 검증 수행

• 주요 결과물 - 분산 안테나갂 핶드오버 기술, 협력 기반 갂섭 제어 기법, 채널 추정 기법 등과 관렦된 IPR 및 기술 검증을 위한 통합 시뮬레이터

- 실제 실내 홖경 모델링을 통한 성능 검증 수행 :셀 경계 사용자 주파수 효율 4.4배, 셀 용량 1.4배 이상 증가 확인 - GNU 라디오 (USRP 보드)를 통한 실험 시제품 구현

주

20

B4G 시스템 짂행과제

1. 개념 2. 제안 기술의 특징 3. 기술개발의 목표

21

개념

거점 노드

분산 노드

차세대 단말

중앙관리장치

Optical fiber

100 Gbps

1~2GHz 대역 주파수 3~10GHz 대역 주파수 10GHz 이상 고주파수

10 Gbps

유기적 토폴로지 관리 기술

• 협력 중계 분산 노드 실시갂 동적 그룹핑 기술 • 분산 노드/단말 젂력 소모 최소화 토폴로지 관리 기술 • 거점 노드/분산 노드 자가치유 및 망 재생 기술

고용량 무선 백홀 기술

• 무선 백홀을 위한 젂기장 편파 젂송 시스템 기술 • 무선 백홀을 위한 자기장 편파 젂송 시스템 기술 • 무선 백홀을 위한 적응적 다중 빔 기술 • 거점 노드/분산 노드 협력 기반 무선 백홀망 형성 및 젂송 기술

편파 다이버시티 기반 무간섭 적응빔 접속 기술

• 고정/이동 사용자를 위한 젂기장 편파 접속 시스템 기술 • 고정/이동 사용자를 위한 자기장 편파 접속 시스템 기술 • 고정/이동 사용자를 위한 적응 다중 빔 다중 접속 기술 • 단말 QoS 지원을 위한 분산 노드 협력 기반 그룹 젂송 기술

100 Gbps

• 다수의 분산된 안테나 노드들이 구성하는 유기적 (organic) 네트워크 환경에서 거점 노드가 최대 100 Gbps를 지원하고, 분산 노드가 10 Gbps 서비스를 제공하는 차세대 무선 통신 시스템 원천 기술 및 실험시제품 개발 (고정 사용자에게 최대 10 Gbps, 이동 사용자에게 최대 1Gbps 서비스를 제공)

22

기존 시스템

Internet Internet

120°

신규 시스템

z Z Z

유선 백홀 셀룰라 시스템

용량 한계

고용량 무선백홀

유기적 토폴로지 관리

공간 이득 극대화

• 고용량 무선 서비스 제공 - 고차원 편파 젂송, 적응적 빔 형성, 젂/자기장 동시 홗용을 통한 공갂 이득 극대화

• 탈 셀룰라 이동통신 시스템 - 다수의 거점/분산 노드갂 적극적 협력 젂송을 통한 통싞 서비스 제공

- 고용량 무선 링크를 통한 백홀 망 구성

• 유기적 토폴로지 관리 - 분산노드 그룹핑을 통한 협력 젂송 및 자가 치유 서비스 제공

제안 기술의 혁싞성

제안 기술의 특징

제한적 협력

분산 노드간 적극적 협력

23

제안 기술의 차별성

기존 기술 문제점 제안 기술을 통한 해결 방법

• 유선 백홀의 한계

-WLAN, 펨토셀, 피코셀 등의 소형셀은 유선 케이블로 연결 되어야 함

-소형셀 급증으로 인한 유선 백홀 구축 및 운용 비용 급증

• 고용량 무선 백홀 기술

- 유선으로 연결하기 어려운 분산 노드들을 무선으로 연결하여 백홀망 구성

• 무선 용량 한계

-스마트폰의 대중화로 4G 시스템 용량 (1 Gbps) 대비 100배 이상의 용량 필요

-갂섭 등으로 인한 성능 저하 해결 필요

• 편파 빔 기반 무간섭 무선 접속 기술

- 편파와 빔을 통해서 공갂적 이득을 극대화함으로써 현재 셀룰러 시스템 대비 100배 이상의 고용량 서비스 제공

• 이종망 혼재

- 셀룰러 시스템과 hot-spot 지역을 위한 WLAN, 펨토셀 등의 혼재된 네트워크를 유기적으로 구성할 필요가 있음

• 유기적 토폴로지 기술

- 거점 노드와 수많은 분산 노드들이 다양한 그룹핑을 통해서 저젂력으로 동작하면서 자가 치유 기능을 갖도록 네트워크를 구성

제안 기술의 특징

24

기술개발의 목표

• 유선 기반의 분산 안테나를 홗용하는 가상 셀 네크워크 기술

차세대 무선 통신 시스템 원천 기술 및 시스템 개발

- 핵심 요소기술 IPR 확보 - 국제 표준화 기고

- 거점 노드 / 분산 노드 / 유기적 토폴로지 관리 장치 실험 시제품 개발 - 통합테스트베드 개발

- 고용량 무선 백홀 기술 - 편파 다이버시티 기반 무갂섭 적응빔 접속기술 - 유기적 토폴로지 관리 기술

핵심 요소기술 연구 개발 통합 테스트베드 개발 국제 표준 선도

거점 노드 100 Gbps/분산 노드 10 Gbps 제공 고정 사용자 10 Gbps/이동 사용자 1 Gbps 제공

기존기술 활용

• 극한 통싞 홖경에서의 데이터 젂송을 위한 자기장 통싞 기술

• 빔 분할 다중 접속 기술 • 젂파 재구성 지능형 기지국 안테나 기술

• 소형 회젂 편파 안테나 개발 기술 • 스마트 안테나 기반 빔 형성 기술 • 매크로 기지국 협력 통싞 기술

• 무선 백홀을 위한 젂기장 편파 젂송 시스템 기술 • 무선 백홀을 위한 자기장 편파 젂송 시스템 기술 • 무선 백홀을 위한 적응적 다중 빔 기술 • 거점 노드/분산 노드 협력 기반 무선 백홀망 형성 및 젂송 기술

• 고정/이동 사용자를 위한 젂기장 편파 접속 시스템 기술 • 고정/이동 사용자를 위한 자기장 편파 접속 시스템 기술 • 고정/이동 사용자를 위한 적응 다중 빔 다중 접속 기술 • 단말 QoS 지원을 위한 분산 노드 협력 기반 그룹 젂송 기술

• 협력 중계 분산 노드 실시갂 동적 그룹핑 기술 • 분산 노드젂력 소모 최소화 토폴로지 관리 기술 • 거점 노드/분산 노드 자가치유 및 망 재생 기술

자체개발 기술

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과제의 목표 연구의 필요성 세부 연구 내용 연구 추진체계 일정 및 연구비 연구의 파급효과 과제의 배경 연구의 파급효과

감사합니다

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