공부 | 무선 통신 - 13

LTE

LTE

• Ultra-mobile broadband access 가 가능
• 모든 패킷이 네트워크
• peak data rates를 충족함
• handover가 자연스럽게 이루어짐
• 음성 전화를 패킷망으로 처리됨 (voIP=voLTE) 더이상 서킷 스위칭 지원하지 않음
• spread spectrum(3G)이 OFDM으로 처리됨

3G -> 4G LTE로 오면서 일어난 변화

Long Term Evolution(LTE)

evovled NodeB (eNodeB)

• 3세대 기지국(BS) : NodeB
• 4세대 기지국 : eNodeB (evolved NodeB)
• CDMA 대신 OFDMA 기반
• Radio Network Controller 대신 자체 제어기능 보유
  • 무선 자원 제어, 접속 제어, 이동선 관리 지원
  • 3세대에선 RNC의 기능

LTE 구조

• 무선 엑세스망 (RAN, E-UTRAN) : 단말기 - 기지국간 무선접속
• 코어 망 (Core Network, EPC) : 중앙에서 단말/기지국 제어 및 데이터 제공

4세대 LTE 단말기로부터 인터넷 망까지의 흐름

• UE
• eNodeB
• S-GW : 서빙 게이트웨이
  • 기지국-코어망 연결
• p-GW : 패킷망 게이트워에
  • 외부 인터넷망 연결
• 인터넷망

EPC(코어망)의 기능

이동성 관리 (Mobility management)

• X2 인터페이스 : 같은 MME 하에 조정된 RAN 내에서 이동시사용
• S1 인터페이스 : 다른 MME로 이동 시 사용

Inter-cell interface coordination (ICIC, 셀간 간섭 제어)

• 인접 셀에서 동일한 주파수 사용
• 목표는 보편적인 주파수 재사용 (N=1, 재사용계수=1)
  • UE(디바이스)가 가장자리에 있을때의 간섭을 피해야 함 (간섭 제어)
    • 간섭 무작위화, 제거, 조정 등의 방법
• eNodeB는 다음 지표를 제공
  • 고간섭

LTE 네트워크

• MIMO, OFDM 사용
  • 다운링크에서 ODFMA 사용
  • 업링크에서 SC-FDMA 사용
    • 더 나은 에너지 비용 및 효율성

OFDMA, SC-OFDM

• OFDM은 여러 QPSK 심볼을 보냄(N=4 subacrriers) 높은 PAPR(Peak to average ratio)을 가짐
  • 모바일 디바이스에서 부담
  • 다운링크에서 사용
• SC-FDMA 하나의 QPSK 심볼을 보내 신호의 변동이 적음
  • 업링크에서 사용
• 업링크와 다운링크 방식이 다른 이유
  • 모바일 디바이스의 전력 효율성

LTE Radio Access Network

TDD, FDD 둘 다 사용

• TDD (Time Division Duplexing)
  • uplink, downlink가 동일 주파수 대역에서 시간상 교대되어 전송됨
• FDD (Frequency Division Duplexing)
  • uplink, downlink가 다른 주파수 대역에서 전송됨

Cyclic prefixes (CP)

• 전파 지연에 따른 심볼 간섭에 의해 발생할 수 있는 직교성 파괴를 방지하기 위해 맨 뒤의 신호를 복사하여 앞으로 삽입
  • 직교성을 유지하기 위한 방법
  • 신호가 지연되는 등의 간섭으로 직교성이 깨지는 것을 방지한다

Resource Block

LTE는 무선통신에서 데이터 전송을 위한 다양한 물리적 자원을 효율적으로 관리하여 사용합니다. 여기서 Resource Block은 이러한 물리적 자원의 단위입니다.

• Normal CP : 7개의 slot당 OFDM symbol 구성
• Extended CP : 6개의 OFDM symbol
  • Extended CP 사용시 처리량 감소, but multipath에 대한 더 나은 보상
• Radio frame은 10ms
• special subframe 포함
• Resource Block 구성
  • 12개 subcarriers
  • 6~7개 OFDM symbols
  • 따라서, 총 72 or 84개의 resource block

추가설명

• RB는 (정상적 CP의 경우) 7개의 심볼에 12개의 부반송파를 곱한 값인 84개의 RE로 구성됨
• RE는 하나의 OFDM 심볼동안 지속되는 하나의 반송파

LTE-Advanced

• 반송파 결합 (Carrier Aggregation)
• MIMO enhancements to support higher dimensional MIMO
• Relay nodes
• Heterogeneous networks involving small cells such as femtocells, picocells, and relays
• Cooperative multipoint transmission and enhanced intercell interference coordination
• Voice over LTE

Carrier Aggregation (반송파 결합)

• 최대 3개의 Component carriers를 결합
• 최대 100MHz까지 결합
• 접근법
  • Intra-band contiguous : 서로 인접한 carrier
  • Intra-band noncontiguous : 동일한 대역에 속하는 여러 CC가 비연속적으로 사용
  • Inter-band noncontiguous : 다른 대역 사용

Enchanced MIMO

• 8x8 로 확장해 8개의 병렬 레이어 지원
• MIMO는 최대 4개의 모바일이 동시에 신호 수신 가능
  • eNodeB는 매 subframe간 multi-user와 single-user 사이를 전환할 수 있음
• 다운링크 참조 신호는 채널 측정에 중요한 역할을 수행

Replaying

Relay Node (중계 노드)

• 신호세기가 약한 셀 변방 영역에 중계국 배치
• eNodeB의 커버리지 영역 확장
• 작은 셀 반경을 가진 새로운 기지국으로 작동

Heterogeneous network (이기종 네트워크)

Hetnet : 대형 셀과 소형 셀의 네트워크를 통합하여 이루어진 네트워크

• Small cells
  • 저전력 엑세스 노드
  • 10m~수백 미터 범위 제공ㄴ
  • 저속, 정지 상태의 사용자에게 유용
• Macro cells
  • 몇 킬로미터 수준의 범위 제공
  • 높은 이동성을 가진 사용자에게 적합
• Femtocell
  • 저전력, 단거리 자체 기지국
  • 주거용

Netwrok densification (네트워크 밀집화)

• 소형 셀을 사용하는 과정

CoMP (Coordinated Multipoint Transmission and Reception)

CoMP : LTE-Advanced에서 기지국들이 서로 협력하여 셀간 간섭 문제를 해결하는 기법

• Release 8 : ICIC 제공
  • 셀 경계 단말들에게 서로 다른 주파수 자원을 할당함으로써 셀간 간섭을 줄임
  • 소형 셀에서는 간섭 문제, Release 10에서 향상된 ICIC 제공
• Release 11에서 CoMP 구현됨
  • 분산 안테나, 셀간 스케쥴링
  • Coordincated scheduling/coordincated beamforming (CS/CB)
    • nulling : 빔포밍으로 단말기 방향으로만 쏨
  • Joint processing (JT)
  • Dynamic point selection (DPS)

5G

• 4G 대비 대역폴 10배 이상
• 공격적인 MIMO 기술
  • 수십-수백 개의 안테나
  • 세밀한 빔포밍
• 더 많은 주파수 : milimeter band
  • 저대역 : 2GHz 이하
  • 중대역 : 6GHz 이상
  • 고대역 : 26GHz

RAN

• D-RAN (Distributed RAN)
  • 기지국 간 기능이 서로 연동되지 않음. 즉, 분산되어 작동
• C-RAN (Centralized RAN)
  • 중앙집중식으로 작동. 현재 사용하는 방식
• O-RAN (Open RAN)
  • 하드웨어 종속적이지 않음

NOMA (Non-Orthogonal MA)

• 전력 제어(할당)을 통한 다중접속 기술
• 먼거리에 위치한 사용자에게 더 높은 전력을 할당
• 강한 신호부터 디코딩하여 약한 신호를 받는 사용자에게 방해되지않음

위성

GEO MEO LEO

• GEO 정지궤도 (자전속도와 동일)
  • 자전속도와 동일
  • 높은 커버리지
  • 약한 신호
  • 신호 전송 지연
• MEO 중궤도
  • 2000km 이상 높이
  • GPS가 위치함
• LEO 저궤도
  • 2000km 이하 높이
  • 빠른 속도
  • 커버리지가 낮지만, 지연시간이 낮고, 대역폭 효율성이 높음
  • 기지국으로 기능할 수 있음

GPS

• 각 3개의 위성과 거리를 통해 위치를 특정한다
  • 하나의 위성으로 구 범위의 위치를 특정하고
  • 두개의 위성으로 원 범위의 위치를 특정하고
  • 3개의 위성으로 두개의 점 위치를 특정하고, 지구를 기준으로 위치를 특정한다.
  • 4번개의 위성으로 시간 신호를 보정하여 정확한 위치를 특정한다