지난 블로그들에서 살펴본 ICIC와 eICIC에 이어 이번 글에서는 또다른 LTE-A의 셀간 협력 기술인 CoMP를 살펴보겠습니다. 

LTE/LTE-A 초기 단계에서는 최고 속도가 얼마인가가 사업자에게 중요한 marketing point가 되지만, LTE 가입자와 트래픽이 증가함에 따라 최고 속도보다는 실제로 사용자가 느끼는 Quality of Experience (QoE)를 만족시키는 것이 중요해집니다. 예를들면 속도가 뚝 떨어지는 셀 경계 (cell edge)에서 사용자의 throughput을 높이는 것이지요.

 

무선망 용량 증대는 주파수 효율 (spectral efficiency)을 향상시킴으로써 이뤄집니다. 주파수 효율 (bit/sec/Hz)이란 단위 주파수 (Hz) 당 전송율 (bps)로, 주파수 효율이 높으면 같은 대역폭으로 더 많은 data를 전송할 수 있습니다. LTE는 기본적으로 2x2 MIMO 안테나를 사용함으로써 주파수 효율을 높여 광대역 무선 링크를 제공합니다. 기지국 안테나 수를 늘리면 셀 중심에서는 주파수 효율이 더 높아져서 단말 throughput이 더 증가하지만 셀 경계에서는 그 효과가 미미합니다. 뭔가 다른 방법이 필요합니다.  

 

■ CoMP의 정의  

셀 경계에 위치한 단말의 throughput을 높이기 위하여 새로운 형태의 셀 간 협력 기술인 Coordinated Multi-Point (CoMP) 가 등장합니다. CoMP는 이웃한 셀들이 협력하여서 serving 셀 뿐만 아니라 다른 셀들도 같은 단말과 통신할 수 있도록 함으로써 셀 간 간섭을 줄이고 셀 경계에서 단말의 throughput을 높이는 기술입니다. 

 

전통적으로 단말은 하나의 셀 (serving 셀)에 접속하여 통신하였습니다. CoMP가 지원되는 단말은 서로 다른 지점에 위치한 여러 셀들과 통신을 할 수 있는데, 이 셀들을 한 그룹으로 묶으면 가상의 MIMO 시스템으로 동작합니다. 단말로 데이터를 전송하는데 직접 또는 간접으로 참여하는 셀들을 CoMP Cooperating Set이라 하고, 이 중에서 실제로 단말로 데이터를 전송하는 셀(들)을 CoMP 전송 셀(들) (transmission points; TPs)이라고 합니다. 

 

정리하면, CoMP는 셀 간 간섭을 줄여 단말의 셀 경계 throughput 을 높이기 위한 목적으로, 하나 이상의 전송 셀들이 단말과 통신할 수 있는 셀 간 협력 기술입니다. CoMP Cooperating Set에 속한 셀 (이하 CoMP 협력 셀)들은 단말의 채널 정보를 공유하여 전송 셀(들)을 결정합니다.  

 

■ Why CoMP? – ICIC와 eICIC의 문제점 
앞에서 ICIC와 eICIC를 살펴보았는데요, ICIC (Release 8 표준)는 셀 경계 단말들에게 서로 다른 주파수 자원을 할당함으로써 셀 간 간섭을 줄이고, eICIC (Release 10 표준)는 시간 영역에서의 ICIC로 HetNet 환경에서 macro 셀과 small 셀이 협력하여 셀 경계 단말들에게 서로 다른 시간 자원을 할당함으로써 셀 간 간섭을 줄입니다. 

ICIC와 eICIC는 셀 간 간섭을 줄이는 것이 목적으로, 셀 경계에서 단말이 통신할 수 있도록 해주지만 throughput을 높여주지는 못합니다. 주파수 영역 (ICIC)과 시간 영역 (eICIC)에서 무선 자원의 사용을 제한함으로써 간섭을 줄이기 때문이지요. 이웃 셀들 간에 간섭 정보가 long-term으로 갱신되므로 빠르게 변하는 단말의 채널 상태 (예, 단말이 빠르게 이동하거나 음영 지역에 들어갈 때) 는 셀 간 협력에 반영되지 않고 따라서 동적으로 자원을 할당하기에는 한계가 있습니다.       

 

Release 11에서 표준화되기 시작하여 Release 12에서 계속 진행중인 CoMP는 가장 advanced 된 셀 간 협력 기술로, 주파수 효율을 높이기 위해 주파수/시간 영역 외에 공간 영역 자원을 사용합니다. 안테나를 이용해서 beamforming을 하거나 가상의 MIMO 시스템으로 동작하는 것이죠. CoMP는 협력 셀들이 단말의 채널 정보를 매 scheduling마다 공유하므로 단말의 순간적인 채널 상태를 반영하여 joint scheduling을 수행할 수있습니다. Homogeneous 망과 HetNet 모두에 적용할 수 있으며, 셀 간 협력 종류가 다양합니다: CS, CB, JT, DPS (아래 CoMP 종류 참조).

 

■ CoMP에서 사용하는 채널 정보 
채널은 air 상에서 데이터가 전송되는 전송로, 즉 Tx 안테나와 Rx 안테나 사이의 데이터 전송로를 말합니다. 채널 정보를 알면 기지국은 단말 수신 성능이 좋게끔  데이터를 precoding하여 전송해 줄 수 있습니다. 그러기 위해서는 채널 정보가 필요한데 단말이 채널을 측정하여 기지국으로 채널 상태 정보 (Channel State Information; CSI)를 알려줍니다.  

 

기지국은 단말들에게 CSI-RS (CSI Reference Signal) configuration 메시지를 전송하여 어느 셀들의 채널 상태 정보 (CSI)를 어떻게 측정할지 지시하고, 단말은 이에 따라 CSI를 측정하여 serving 셀에게 보고합니다. CSI 정보로는 보통 Channel Quality Indicator (CQI), Precoding Matrix Indicator (PMI), Rank Indicator (RI)가 있습니다. 

 

CQI: 채널 상태를 나타내기 위하여 채널 block error rate (BLER) < 0.1을 만족하는 highest modulation and coding rate (MCR) 값으로 표현됩니다. 0 ~ 15 사이의 값으로 정의되어 있으며 (4 bits), 채널 상태가 좋을수록 높은 MCR이 사용됩니다.  특정한 주파수 영역 (subrange)에 대한 전송 quality를 나타내는 subband CQIs와 전체 채널 대역폭에 대한 전송 quality를 나타내는 wideband CQI가 있습니다.  

PMI: 기지국은 Tx 안테나들을 통해 여러 data stream (layer)들을 전송하는데 precoding matrix는 개별 data stream (layer)들이 안테나들에 어떻게 mapping되는지를 나타냅니다. Precoding matrix를 구하기 위하여 단말은 DL 각 안테나에 대한 channel quality를 측정하여 채널 정보를 구합니다. 채널 정보를 모두 feedback하는 것은 overhead가 매우 크므로, 기지국과 단말에 미리 코드북을 구성해 놓고 해당하는 precoding matrix의 index 만을 전송합니다. 기지국은 채널 상태에 따라 precoding matrix 중에서 최적의 값을 사용합니다.   

RI: DL에서 전송되는 data stream들의 수를 나타냅니다. 예를들어 기지국 - 단말간 2x2 MIMO 일 때, 기지국이 두 안테나로 같은 data stream을 전송하는 transmit diversity MIMO인 경우 RI = 1이고, 다른 data stream을 전송하는 spatial multiplexing MIMO인 경우 R = 2 입니다.  

 

■ CoMP 종류 (CoMP Category)

CoMP 기술은 여러 관점에서 분류되고 있습니다. Backhaul이 ideal 한가 아닌가? eNB간 CoMP가 지원되나 안되나? MIMO 안테나가 한 user만 지원하나 여러 user를 지원하나? DL에 적용되는 기술인가? UL에 적용되는 기술인가? 등...

본 글에서는 DL CoMP에 대해 살펴보겠습니다. CoMP의 목적은 셀 간 간섭을 줄이고 셀 경계 단말의 throughput을 높이기 위한 것으로, 셀(들)이 단말에게 data를 전송할 때 적용할 수 있는 CoMP 기술 종류는 Cell 들간 coordination 정도와 traffic load에 따라 아래와 같이 구분됩니다. 서로 다른 종류가 같이 적용되기도 하지만 여기서는 개념적인 설명을 위하여 개별적으로 설명합니다. 

 

CS/CB (Coordinated Scheduling/Coordinated Beamforming)  
CS와 CB는 셀 경계 단말들의 간섭신호가 최소가 되도록 협력 셀 중에서 하나의 전송 셀을 선택하여 단말에게 전송하는 방법입니다.   

 

1. CS (Coordinated Scheduling)

CS CoMP는 개념적으로는 ICIC처럼 셀 경계 단말들에게 서로 다른 주파수 자원  (RBs or subcarriers)을 할당하여 셀 간 간섭을 줄이는 기술이지만, 기술적으로는 ICIC보다 훨씬 빠른 동작 주기, 복잡한 신호처리 및 정교한 알고리즘이 필요한 앞선 기술입니다. ICIC는 셀 단위로 간섭 정보가 전달되고 CS CoMP는 사용자 단위로 채널 정보가 전달됩니다.

• 첫째, 셀 간 협력 주기가 짧습니다. ICIC 주기는 수십 ~ 수백 msec로 ICIC coordination 결과는 한번 갱신되면 오랫동안 scheduling에 반영됩니다. 반면에 CS CoMP 주기는 1 msec로 매 scheduling마다 CS Coordination 값이 적용됩니다. 따라서 순간적인 단말의 채널 변화에도 동적으로 자원을 할당할 수 있습니다.    
• 둘째, 셀 간 공유하는 정보가 정교하고 정보량이 많습니다. ICIC에서 이웃 셀로 전달되는 정보는 radio block 또는 subcarriers 별 간섭의 세기로 (Interference Coordination in LTE/LTE-A (1): ICIC) 단순합니다. 반면에 CS CoMP에서는 단말들과 협력 셀들 간 채널 정보 (CQI, PMI, RI, SINR 등)가 공유됩니다.   

Figure 1. Coordinated Scheduling (CS)

 

Figure 1에서 셀 경계에 위치한 단말 A1과 B1은 서로 다른 주파수 f3와 f2를 할당받아 간섭을 피함으로써 셀 경계 throughput을 향상시킬 수 있습니다. A1과 B1 모두 상대방의 신호도 같이 수신되는데, 상대방 신호가 간섭으로 작용하지는 않으나 자기 신호를 들을 때 수신 감도를 떨어뜨립니다.    

 

2. CB (Coordinated Beamforming)

CB는 smart antenna 기술을 이용하여 셀 경계 단말들에게 서로 다른 공간 자원 (beam pattern)을 할당합니다. CS를 사용하지 않는 경우 A1과 B1은 같은 주파수 자원 f3를 할당받을 수 있습니다. CB를 적용했을 때 셀 A와 셀 B는 서로 협력하여 셀 경계 단말 A1과 B1에게 서로 다른 공간 자원 (beam pattern 1, beam pattern 2)을 할당합니다. 자기 단말에게는 main beam을 할당하고 인접 셀 단말에게는 null beam을 할당하여 간섭을 피합니다.   

 

Figure 2. Coordinated Beamforming (CB)

 

CB는 단독으로 사용되기 보다 CS와 함께 사용됩니다. Figure 3는 CS와 CB가 함계 사용된 경우로, 셀 A와 셀 B는 협력하여 A1과 B1에게 서로 다른 주파수 자원 (f3, f2)과 함께 서로 다른 공간 자원 (beam pattern 1, beam pattern 2)을 할당합니다. 기본적으로 CS를 통해서 간섭을 피하고 CB를 통해서 수신 품질이 더 좋아지게 됩니다. CB가 같이 사용되면 단말 A1과 B1은 상대방의 신호가 수신되지 않기 때문에 자기 신호를 더 깨끗하게 수신할 수 있게되어 CS만 사용했을 때에 비하여 셀 경계 throughput이 더 향상됩니다.   

 

Figure 3. CS/CB 

 

JP (Joint Processing): JT/DPS (Joint Transmission/Dynamic Point Selection)
JT/DPS는 셀 경계 단말들의 수신 성능을 개선하기 위하여 협력 셀 중에서 여러개의 전송 셀을 선택하여 단말에게 전송하는 방법입니다. 

 

 

 

3. JT (Joint Transmission)
4. DPS (Dynamic Point Selection)