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On Beam-Level Mobility Management for 5G Massive MIMO Cellular Networks

  • 조영훈 (조영훈, 서강대학교 일반대학원)

초록/요약

In this dissertation, we proposed a mobility management scheme for 5G massive MIMO networks based on the beam-level measurement report. First, we investigated the performance of a 5G network by applying the proposed mobility management scheme along with an interference mitigation technique in ultra-dense-cell-networks. Next, we investigated the proposed scheme in a massive MIMO networks where a beam-based architecture and mmWave band are employed, and the mobility management is important for high data rate performance. The proposed mobility management scheme is based on a unific measurement report for both ”cell-level-mobility (handover)” and ”beam-level- mobility (beam switching) based on the channel environment. Furthermore, we newly modeled the user finite-state-machine (FSM) in massive MIMO networks based on which we can evaluate the mobility performance in Monte Carlo system-level simulations. Further, we proposed an application of a unific-measurement-report based mobility management scheme, an iterative approach based on a channel-state-distribution and mobility decision that can improve the mobility-related performances in terms of radio-link-failure (RLF) rate, uplink/downlink overhead, SINR, proper beam pair selection. Besides, by using the FSM model, we evaluated the 5G network performance. By using proposed beam-level-measurement based mobility management with a unific-measurement-report scheme, we can achieve the improvement the mobility-related performances in both beam-switching and handover compared to the previous works. Further, we evaluated the 5G network performance in the practical case of the 5G massive MIMO network in UDN environments. With the application of the unific-measurement report scheme, the beam-individual-offset (BIO) is adjusted to improve the RLF rates and beam selection accuracy, especially with respect to the service continuity on the move. It leads to the converges to the around the minimum value of the 3-dB Loss probability and RLF rates. Overall, by applying the proposed mobility management scheme, we could obtain significantly improved network performance in terms of mitigated RLF rate and efficient beam pair selections. Improved mobility results can confirm that the techniques proposed in this dissertation could be applied to improve the mobility of users, especially when service providers newly construct the next-generation network environment.

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초록/요약

매시브 마이모 네트워크는 5세대 이후의 이동통신 시스템의 요구조건을 달성하기 위한 주요 기술 중 하나이다. 5세대 이후의 이동통신 시스템에서 매시브 마이모 기술을 적용하는 경우, 전통적인 셀 기반 무선접속망과는 다른 빔 기반 무선접속망이 구성된다. 이러한 구조에서는 전통적인 모빌리티 매니지먼트와 다른 모빌리티 매니지먼트 기법이 필요하다. 따라서 본 논문에서는 5세대 이동통신 무선접속망 구조에서 모빌리티 매니지먼트 기법을 적용하는 경우의 성능을 분석하고, 사용자의 통신 품질을 개선하기 위한 발전된 모빌리티 매니지먼트 기법을 제안한다. 첫 째, 소형셀이 등방성 안테나를 사용하는 5세대 초밀집 네트워크에서 무선링크단절 확률을 최소화 하고 기지국간 사용자의 부하 분산을 함과 동시에, 시스템의 용량을 최대화 시킬 수 있도록 조합된 하향링크 전송전력 제어 및 영역 확장 기법을 제안한다. 전송전력 제어 기법을 이용하여 시스템 용량을 최대화하는 간섭제어 기법을 통해 결정된 소형셀의 하향링크 전송전력과 핸드오버시 무선링크 단절을 최소화 하고, 사용자의 부하 분산을 최대로 하는 최적의 커버리지를 형성하도록 결정된 소형셀의 하향링크 전송전력을 구한다. 하나의 하향링크 전송전력 설정으로 두 가지의 목적을 동시에 달성할 수 없기 때문에, 두 가지의 목적을 모두 달성하기 위한 방법으로 영역 확장 기법을 사용한다. 영역 확장 기법을 통해 모빌리티에 연관된 오프셋 변수를 제어할 수 있으며, 시스템의 용량을 최대화하는 하향링크 전송전력으로 시스템 내 모든 기지국의 전송전력을 설정함 과 동시에, 무선링크단절 확률을 최소화 할 수 있다. 둘 째, 5세대 초밀집 네트워크를 위한 매시브 마이모 기술을 적용하는 경우의 변경된 모빌리티 매니지먼트 기법을 분석하고, 변경된 환경에 적용할 수 있는 단일 측정 보고 기반 이동성 지원기법을 제안한다. 또한, 제안한 기법을 실제 차세대 이동통신네트워크 환경을 반영한 환경에서 기존 기법과 비교하여 검증할 수 있도록 하는 단말의 상태 기계 모델을 소개한다. 기존의 셀 기반 레거시 네트워크와 달리 매시브 마이모 기술이 적용된 경우 무선 네트워크는 빔 기반 구조로 변경되며, 변경된 구조로 인해 빔 스위칭 및 핸드오버로 대표되는 두 가지 경우의 단말 이동, 빔 간 모빌리티와 기지국 간 모빌리티를 모두 고려하여야 한다. 이러한 두 가지 경우의 단말 이동이 일어날 때 시스템의 성능 부하를 줄이며, 동시에 단말이 선택하는 기지국 빔의 정확성을 높일 수 있도록 인접한 모든 측정 대상을 빔 단위로 측정하고, 그 결과를 단일 측정 보고 메세지로 전달하는 기법을 제안한다. 제안 기법을 실제 환경에서 비교하기 위해, 레거시 네트워크 에서 기지국 간 모빌리티만 고려하였던 검증된 단말의 상태 기계 모델을 개선하여, 5세대 초밀집 네트워크에서 발생하는 두 가지 경우의 단말 이동이 모두 고려된 단말 상태 기계 모델을 제안한다. 이 모델을 이용하여 제안 기법을 몬테카를로 시스템 레벨 시뮬레이션을 통해 검증할 수 있으며, 다수 측정 보고 기반 모델 및 주기적 채널 상태 보고를 이용하는 기존기법과 성능 비교가 가능하다. 셋 째, 5세대 초밀집 네트워크의 실제 사례에서의 모빌리티 관련 성능을 개선시킬 수 있는 채널 상태 분포 및 모빌리티 결과 기반 반복 접근 기법을 제안한다. 모빌리티 관련 성능 중, 특히 이동 시 서비스 지속성과 관련된 무선링크 단절 과 빔 선택 정확도를 향상시킬 수 있도록 빔 오프셋을 조절한다. 실제 매시브 마이모 기술이 적용된 5세대 초밀집 네트워크 예제 환경에서 제안기법을 적용하고, 그 결과를 보인다. 제안 기법을 적용한 결과, 소형셀이 등방성 안테나를 사용하는 5세대 초밀집 네트워크 환경에서 약전계 영역에 속한 사용자에게 제공 가능한 트래픽이 60 Mbps 이상 증가함을 확인하였다. 또한, 무선링크단절 확률이 12-22%P 가 개선되었으며, 사용자의 분산은 부하 분산만을 목적으로 하는 기존 기법과 비교하여 약 2-5%P 가 개선됨을 확인하였다. 제안하는 단일 측정 보고 기반 이동성 지원 기법 적용 시, 기존기법 적용시에 비해 단일셀 환경 및 매시브 마이모 기술이 적용된 5세대 초밀집 네트워크 환경에서 상,하향링크의 부하량이 65-78% 감소하며 무선링크단절 확률 및 빔 선택 정확도가 2-3%P 개선됨을 확인하였다. 또한, 신호대 잡음비 성능 역시 약전계 역역에서 기존 기법에 비해 최대 20dB 개선되는 결과를 보였다. 추가로, 매시브 마이모 기술이 적용된 5세대 초밀집 네트워크의 특정 사례에 반복 접근 기법을 적용하여 상용 시스템으로의 활용 가능성을 확인한 결과, 빔 선택 정확도가 최적의 값인 약 33% 에 근접하게 수렴하는 것을 확인하였으며, 무선링크단절 확률 역시 0% 에 근접하게 수렴하는 것을 확인하였다. 연구 결과, 차세대 네트워크의 필수 요소인 소형셀이 추가로 설치되는 환경에서 제안 기법이 특히 효과적임을 확인 할 수 있다. 제안 기법은 등방성 안테나가 적용된 소형셀 환경에 적용하는 경우, 상충되는 두 가지의 목적인 시스템의 용량과 최적의 커버리지를 모두 달성하도록 할 수 있다. 또한, 매시브 마이모 기술의 적용으로 인해 간섭제어에 비해 모빌리티 매니지먼트의 중요성이 증가하는 환경에서 이동성과 관련된 성능을 더욱 증가시킬 수 있음을 확인하였다. 제안 기법은 기존 표준에서 기 제안된 자율설정 네트워크와 같은 형태로 설치 가능하며, 중앙집중형, 분리형, 혼합형에 호환 가능하다. 결과적으로, 서비스 제공 사업자가 네트워크를 구축할 때, 특히 이러한 네트워크가 매시브 마이모 기술이 적용된 5G 환경의 초밀집 네트워크인 경우, 본 연구의 제안 기법을 적용하여 사용자에게 높은 성능의 모빌리티를 제공하고 서비스 만족도를 높일 수 있을 것이라 판단된다.

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