밀리미터파 고속 이동 백홀 시스템 설계 및 성능 분석
Design and Performance Analysis of Millimeter Wave High-Speed Mobile Backhaul Systems
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초록
본 논문에서는 최대 400km/h까지 움직이는 이동체에 1Gbps 이상의 무선 데이터 전송이 가능한 27GHz의 MHN 밀리미터파 고속이동백홀 시스템을 제안하고, 무선백홀에서의 밀리미터파 통신을 위한 상·하향링크의 물리계층 전송규격을 설계하였다. 무선백홀의 상·하향링크는 모두 OFDM 기반의 광대역 무선전송 방식을 사용하며, 송수신 빔형성 기술과 1x2 안테나 구성에 의한 다이버시티 기술을 사용한다. 고속에서의 도플러 주파수 영향을 극복하고 신호의 코히런트 복조를 위해 채널 추정에 사용되는 상향링크 DMRS 및 하향링크 CRS를 설계하고, TDD 방식에 적용 가능한 상향링크의 송신 AFC 기술을 제안한다. 전산모의실험을 통해 고속열차 환경(400km/h)은 라이시안 페이딩 채널에서 분석하였고, 지하철 환경(80km/h)은 레일리 페이딩 채널에서 성능을 분석하였다. 전송대역폭이 500MHz일 때 전산모의실험 결과, 라이시안 페이딩 채널에서는 상향링크 391.7Mbps와 하향링크 578.1Mbps의 데이터 전송율과 레일리 페이딩 채널에서는 상향링크 401.2Mbps와 하향링크 1380.2Mbps의 데이터 전송율을 달성할 수 있었다. 본 전산모의실험은 한 개의 무선백홀 링크에 대한 성능으로써, MHN은 이동체가 두 개의 기지국과 동시에 통신하기 때문에 고속이동백홀의 전체 전송용량은 두 배로 증가한다. 따라서 본 논문에서 제안하는 MHN 고속이동백홀 시스템의 밀리미터파 광대역 무선전송 기술은 고속으로 움직이는 이동체에 Gbps급 데이터 전송이 가능하다. 또한 이동통신에 밀리미터파 주파수를 사용한 본 연구결과는 최근 많은 관심을 받고 있는 밀리미터파 통신방식의 5세대 이동통신 시스템 연구 및 개발에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.
Abstract
In this paper, a 27GHz high-speed mobile backhaul system for MHN is proposed. The system can supply more than 1Gbps to vehicles moving up to 400km/h. The physical layer specifications of millimeter wave communication for backhaul are also suggested. The backhaul uplink and downlink use OFDM based broadband wireless transmission, transmit/receive beamforming, and 1x2 diversity schemes. In order to overcome the Doppler frequency effects and carry out channel estimation for coherent demodulation, the uplink DMRS and downlink CRS are designed. Furthermore, a transmitter AFC algorithm that is applicable in time division duplex mode is proposed. The performance of the proposed high-speed mobile backhaul system was analyzed through computer simulations under a Rician fading channel in the case of a high-speed train (400km/h) scenario and a Rayleigh fading channel in the case of a subway (80km/h) scenario. At 500MHz bandwidth, the simulation results showed that throughputs were 391.7Mbps (uplink) and 578.1Mbps (downlink) in a Rician fading channel and throughputs were 401.2Mbps (uplink) and 1380.2Mbps (downlink) in a Rayleigh fading channel. These results were obtained under the condition of one backhaul link. Because the vehicles can communicate with two base stations at the same time in MHN, all performance measures increase twofold. Therefore, broadband wireless transmission of the proposed high-speed mobile backhaul system will make it possible to provide Gbps data service to high-speed vehicles by utilizing millimeter wave frequency. In addition, this study will contribute to the research and development of millimeter wave mobile communication systems for 5G cellular.
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