어느덧 4번째 정리 글이네요. 오늘은 Coordinated MultiPoint(CoMP)에 대해 정리할까 합니다. CoMP는 앞서 다루었던 OFDM, MIMO, Carrier Aggregation에 비해 비교적 최근의 기술(Beyond LTE-A 기술로 3GPP release. 11에서 다루고 있는 듯 합니다.) 입니다. 그래서인지 내용이 잘 깔끔하면서도 자세하게 정리된 자료를 찾기가 쉽지 않네요. 그렇다고 제가 조각조각 모아서 잘 정리할 능력은 부족하고… 그래서 CoMP는 상식(?)적인 선에서 정리해야 할 듯 합니다. ^^

 

5. Coordinated MultiPoint (CoMP)

CoMP란 "기지국(eNodeB)간에 서로 잘 협조해서 Inter-Cell Interference(ICI)를 없애자!" 를 목표로 하는 기술입니다. 그러면 ICI를 먼저 알아야겠지요. ICI란 그림 1과 같이 옆동네(neighbor) cell로부터 흘러들어오는 방해전파입니다. 따라서 cell-edge에 위치한 user equipment(UE)는 자신의 serving cell신호도 약한 데 거기에 더하여 옆동네 cell 신호까지 잡음으로 들어오니 통신하기가 매우 곤란해집니다.

Figure 1 Inter-Cell Interference

(그림 원본 : http://3gppltee.blogspot.kr/2012/09/what-is-icic-inter-cell-interference.html )

따라서 ICI를 없애기 위해 많은 노력을 기울이게 되는데 LTE (3GPP rel. 8)에서는 Inter-Cell Interference Coordination 이라는 기술을 사용하게 됩니다. 이것은 다음 그림 2에 잘 표현되어 있습니다. cell-edge부분을 보시면, 인접셀들간에 다른 frequency resource를 사용하도록 설계되어 있습니다. (각 색깔이 해당되는 영역에서 사용하는 frequency band라고 할 때, 색깔이 겹치는 edge가 없습니다.) 즉, 해당 frequency band에서는 interference가 발생하지 않도록 설계되었다는 것이지요.

Figure 2 Inter-Cell Interference Coordination

(그림 원본 : http://www.citi.sinica.edu.tw/~rchang/research.htm )

 

하지만, ICI coordination 기법은 성능상의 한계가 존재하므로, 보다 강력한 방법을 찾으려고 했습니다. 그래서 탄생한 것이 CoMP입니다.

 

5.1. CoMP Scenarios based on the Information Sharing (Downlink)

3GPP LTE-A CoMP Study에서 CoMP Scenario를 제시하였다고 하는데, 이것은 cell 구조에 대한 분류이므로 CoMP를 이해하는 데 있어서는 크게 도움이 되지 않는 것 같습니다. 따라서, 본 블로그(whyDSP.org)에서는 Cell간 정보 공유의 관점에서 CoMP를 살펴봅니다. 참고로 여기서 말하는 정보 공유(information sharing)이란, 기지국(정확히는 transmission point – eNodeB일 수도 있고, small cell일 수도 있고)간에 어떤 정보를 주고받는다는 의미입니다. 이렇게 기지국간에 정보를 공유하기 위해서는 transmission point가 Backhaul이라는 통신채널로 연결이 되어 있어야 합니다. (그림 3 참조) 이것이 ICI coordination 기법 같이 소극적인 방법이 아닌, 보다 적극적으로 ICI를 관리할 수 있도록 만들어줍니다.

Figure 3 Backhaul in CoMP

(그림 원본 : http://www.3gpp.org/ftp/tsg_ran/WG1_RL1/TSGR1_54/Docs/R1-082942.zip )

이 backhaul을 통해 공유되는 정보는 크게 두 가지 입니다. 하나는 Channel 정보(Channel State Information at Transmitter, CSIT)이고, 다른 하나는 실제로 UE에 보낼 Data 입니다.

Scenario 1 : No CSIT Sharing / No Data

먼저 UE1이 TP1 cell내에 있고, UE2가 TP2 cell 내에 있는 상황을 가정해봅시다. 그리고 TP1은 UE1에서 어떤 data를 전송하고 싶어합니다. Scenario 1은 TP1이 Channel 정보도 Data도 TP2에게 공유해주지 않는 시나리오 입니다. 즉, 아무것도 안하는 그냥 LTE 시나리오라는 것이죠. 따라서, Scenario 1에서는 앞서 설명드린 바와 같이 Inter-Cell Interference Coordination 기법을 사용할 수 있겠네요.

Scenario 2 : No CSIT Sharing / Full Data Sharing

TP1이 UE1에게 전송할 Data를 TP2에게도 Backhaul을 통해 알려줍니다. 즉, TP1이 TP2의 안테나를 빌려쓰는 형국이 되겠지요. 대신 TP2는 TP2와 UE1간의 채널정보는 전혀 알지 못하므로, Open-Loop 방식( http://whyDSP.org/210 참고)만을 사용할 수 있습니다. 따라서 Scenario 2에서는 Open-Loop MIMO 나 Open-Loop Transmit Diversity 방식을 사용하여 보다 효율적으로 전송을 할 수 있습니다.

Scenario 3 : CSIT Sharing / No Data Sharing

TP1가 TP2에게 channel관련 정보를 알려줍니다. 가령, 너가 지금 사용하고 있는 거는 우리 UE님에게 interference로 작용하니 그거 사용하지마.. 라던가, 우리 UE님이 요거, 요거를 사용하면 방해가 안된다는구나.. 알겠지?? 모 이런 정보를 TP2에게 알려줍니다. 물론 TP2도 TP1에게 해당 정보를 알려줄 수 있을 테구요.

이러한 Scenario 3환경에서 사용하는 방법이 Coordinated Scheduling/Coordinated Beamforming(CS/CB)입니다.

Coordinated Scheduling이란 TP들이 협력해서 Inter-Cell Interference를 유발하지 않도록 적절히 time-frequency resource를 scheduling해서 사용한다는 것입니다. Coordinated Beamforming 은 TP들이 협력해서 beamforming을 하는 것이 아님에 주의해야 합니다. 즉, TP1에 안테나가 4개 있고, TP2에 안테나가 4개 있다고 할 때, CB을 이용한다고 해서 8개의 안테나를 이용하는 것이 아닙니다. TP1이 4개의 안테나를 이용하여 beamforming을 할 때 TP2쪽에 방해를 안하고 해보자.. 이런 개념이라고 생각하시면 됩니다.

Data sharing은 안하고, CSIT만 공유되니 backhaul overhead가 뒤에 설명한 Scenario 4보다는 크지 않다는 장점이 있겠네요.

이제부터가 제가 정보의 부족으로 헤매이는 부분인데요. CS/CB의 개념은 사실 간단하니 여기저기에 설명이 많은데, 정작 3GPP 표준에서는 어떤 구체적인 알고리즘을 사용하는 지에 대해 찾기가 쉽지 않네요. 3GPP에서 아직 알고리즘이 확정이 되지 않은 것인지 아닌지도 사실 모르겠습니다. ^^;; (제가 표준화 회의에 참석하는 것도 아니고 하하하) 그래도 뭐 대충 흐름이라는 것이 있을 테니, 핵심 흐름 정도만 짚고 넘어가보려고 합니다.

CS/CB는 큰 틀에서 Null-Steering Beamformer의 개념으로 접근하는 것 같습니다. 즉, "너가 지금 사용하고 있는 거는 우리 UE님에게 interference로 작용하니 그거 사용하지마" 라고 TP들끼리 관련 정보를 주고 받는 거죠. 아래 그림 4는 CS/CB의 대표적인 방법인 PMI Coordination 기법을 설명해주는 그림입니다. (cell-edge) UE1은 TP1 및 TP2로부터 받은 신호를 이용해 H11, H12 채널에 대한 정보를 취득하고 이를 TP1에게 알려줍니다. 마찬가지로 (cell edge) UE2는 H21, H22에 대한 정보를 TP2에게 알려줍니다. TP1과 TP2는 UE로부터 받은 채널정보들을 backhaul을 통해 서로 교환합니다. 그리고 H11, H12, H21, H22 를 이용하여 각자 사용할 Precoding Matrix Indicator (PMI) 를 선택합니다. 그렇게 선택된 PMI를 사용하면 TP1은 UE1 쪽으로는 beamforming을 UE2쪽으로는 nulling을 하는 beampattern을 얻을 수 있습니다. 마찬가지로 TP2는 UE2쪽으로는 beamforming을, UE1 쪽으로는 nulling을 하겠지요. (그림 5 참조)

 

Figure 4 Interference Suppression by PMI Coordination

(그림 원본 : http://gssst.iitkgp.ac.in/GSProjects/DIM/Interference%20Avoidance%20by%20Coordinated%20Scheduling%20and%20Joint%20transmission.htm )

 

Figure 5 Beamforming and Nulling in PMI Coordination

(그림 원본 : http://gssst.iitkgp.ac.in/GSProjects/DIM/DIM_Coordinated_Scheduling_V2.pdf )

근데 여기서 H11 ~ H22 채널정보라는 애매모호한 단어를 사용했는데, 실제로 정확히 어떤 정보가 전송되는지는 제가 파악을 못했네요(CQI?PMI?RI?). 나중에 다시 제대로 정리할 기회가 있겠지요.

 

Scenario 4 : CSIT Sharing / Data Sharing

TP1과 TP2가 channel 정보 뿐 아니라 data 까지 sharing하는 환경입니다. 당연히 가장 많은 일을 할 수 있는 mode이겠지요. 이 Scenario에서 가장 많이 이야기되는 방법이 Joint Transmission 입니다. 위에서 CS/CB는 TP1에 4개 안테나와 TP2에 4개 안테나가 있을 때, 4개의 안테나를 사용하는 방법이라고 말씀드렸습니다. Joint Transmission은 이 둘을 합쳐서 8개의 안테나로 사용하는 network MIMO 의 형태입니다. (eNodeB 여러 개를 묶어 하나의 Super eNodeB인 것처럼 사용한다고도 볼 수 있습니다.) 8개의 안테나처럼 사용하려면 당연히 TP간에 data가 sharing 될 수 밖에 없겠지요. 대신 backhaul overhead가 가장 심하게 됩니다.

Joint Transmission은 Non-Coherent방식과 Coherent방식으로 나뉩니다. Non-coherent 방식은 쉽게 이야기 하면 각 eNodeB의 안테나를 Diversity로 활용하는 것이고, Coherent방식은 Beamforming으로 활용하는 것이라고 볼 수 있습니다. 앞서 살펴본 바(ex. cyclic delay diversity)와 같이 diversity 개념에서는 각 TP간에 싱크가 맞지 않아도 됩니다. 하지만 beamforming은 각 안테나 element간의 phase 차이에 매우 민감하므로 각 TP간에 싱크가 딱딱 맞아야 합니다. 따라서 이론적인 성능은 Coherent방식이 뛰어나겠지만, 실제 구현이 쉽지 않겠지요. 따라서 3GPP에서는 Non-coherent 방식 위주로 이야기가 흘러가는 것 같습니다.

먼저 다음 3가지 Non-Coherent Transmissoin 방식을 살펴보죠.

  • SFN + Precoding

    TP와 UE간 channel정보를 고려해서 precoding matrix를 결정한 후, 같은 data에 precoding matrix만 곱해서 각 TP의 안테나를 통해 전송합니다. 간단하죠 ^^. 물론 precoding matrix를 위한 channel정보는 UE로부터 feedback받은 상황입니다. (TP간에 공유는 SFN+precoding (or local precoding ) 방식에서는 필요없을 것 같기도 하네요. )

  • CDD + Precoding

    위와 같지만 같은 data가 아닌 cyclic delay를 입힌 data를 사용합니다.

Figure 6 Non-Coherent Joint Transmission : CDD + Precoding 개념도

(원본 그림 : R1-090942, Aspects of Joint Processing for Downlink CoMP )

 

  • SFBC + Precoding

    data를 Space-Frequency Block Code ( http://whyDSP.org/210 에 보시면, STBC 대신 SFBC가 많이 쓰인다고 댓글에 전문가 분께서 적어두셨습니다 ^^) 에 맞게 전송합니다. 그런데 SFBC(Alamouti Code)는 2개의 eNodeB간에 협력할 때만 사용가능합니다. 3개 이상의 송신 안테나를 위한 Alamouti Code가 없기 때문이죠. 그래서 3개 이상의 TP가 협력을 하는 상황에서는 다른 모드로 바꾸어주어야 합니다.

Figure 7 Non-Coherent Joint Transmission : SFBC + Precoding 개념도

(원본 그림 : R1-090942, Aspects of Joint Processing for Downlink CoMP )

 

이번에는 Coherent 방식입니다.

  • Global Precoding

    Global Precoding이란 그냥 TP1의 안테나와 TP2의 안테나를 한데 묶어서 하나의 안테나인 것 처럼 사용하겠다는 것입니다. 수식으로 보는 편이 더 깔끔할텐데, 귀차니즘으로 수식은 안적습니다 ㅋ

Figure 8 Coherent Joint Transmission : Global Precoding

(원본 그림 : R1-090942, Aspects of Joint Processing for Downlink CoMP )

  • Phase Correction + Precoding

    이것은 TP2에 time delay를 보상해서 receiver side에서 coherent combining을 할 수 있도록 만들어주는 방법입니다. 가장 기초적인 delay and sum beamformer형태라고 볼 수 있겠지요. 앞서 말씀 드린대로 arriving time 을 matching하는 것이 쉽지 않아서 실제로 사용하기에는 까다롭다고 합니다.


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  1. 윤석현 2013.09.09 23:07 신고

    비교적 최신 기술에 대해 잘 요약해 놓으셨습니다.
    고생 많이 하셨을 것 같은데 ... 잘 보고 갑니다. ^^;

  2. sey 2013.10.02 17:48 신고

    안녕하세요.
    협력통신에 대해 공부하는 학생입니다.
    정말 많은 도움을 받았습니다. 감사합니다.
    그런데 궁금한게 있어서요.
    Joint Transmission에서 Dynamic cell selection이라는 기능은
    두셀 중 신호가 강한쪽을 선택하고 나머지는 간섭을 일으키지 않도록 채널을 변경해주는 기술이잖아요.
    여기서 noncoherent joint transmission이 Dyanamic cell selection인가요?

    • DCS는 말그대로 dynamic하게 cell을 바꾸어주는 것일테고, 그것은 중앙의 어떤 BS가 처리하는 것으로 알고 있습니다. 따라서 두 셀에서 동시에 data를 전송하는 Joint Transmission을 하지는 않을 것으로 생각됩니다.
      중앙 BS에서 Joint Processing은 하겠지만요..
      따라서 Non-Coherent JT가 DCS는 아닐 것 같다는게 제 생각입니다.
      (저도 그냥 공부하는 입장이라 ^^;;; 제가 틀렸을수도 있어요. )

    • sey 2013.10.02 20:21 신고

      아 빠른답변 너무 감사합니다 ㅎㅎ
      그런데 DCS는 beamforming하지 않는걸로 알고있는데...
      제가 알고 있는 개념은
      CoMP 기술중 크게 CS/CB, Joint Processing 나뉘고
      Joint processing에서 Joint Transmission과 Dynamic Cell Selection 두 방법이 있는데
      Joint Transmission은 인접 셀과 같은 데이터를 동시에 셀 경계자에게 보내줘서 신호를 증폭시켜주고
      제가 언급한 DCS는 셀 경계 사용자가 두 셀의 신호중 높은 쪽을 선택하는 방법으로 알고 있는데
      맞나요?
      아 선생님께서 설명한 내용은 joint Processing 중에서 Joint Transmission에서 또 하위 개념을 설명하신거군요.

      그리고 시나리오 4가지중에서 1번 상황에서 4번상황이 될 수 있나요?

    • 전반적인 내용은 sey님이 제대로 알고 계신 것 같습니다.
      마지막 질문하신 시나리오 1번이 4번이 될 수 있냐는 질문은 제가 이해를 못하겠네요 ^^;;; 1번은 어떤 정보도 sharing이 안되는 시나리오이고, 4번은 모든 정보가 sharing되는 상황이니 다르지 않을까요?

  3. kyj 2014.08.20 10:49 신고

    안녕하세요 CoMP에 대해 공부하는 학생입니다.
    많은 도움이 되었습니다 감사해요!
    그런데 혹시 4가지 시나리오에 Dynamic cell selection이 들어가는 경우는 없을까요?

    • Scenario 4 쪽 (Joint Processing) 에 들어간다고 보면 되지 않을까요?
      Non-Coherent 그림들에서 한쪽 기지국의 weight를 0으로 놓는다고 생각하면 될 거 같은데요.

  4. kyj 2014.08.20 11:16 신고

    RRE와 eNodeB가 어떻게 다른건가요ㅠㅠ?
    저는 그냥 기지국이라고만 생각했는데 다른거죠?

    • 기지국이 여러가지 종류가 있는 것으로 알고 있습니다.
      eNodeB는 macro cell 을 구성하는 기지국이고,
      RRH는 그보다는 작은 범위의 간단한 기지국인 것 같습니다.

      보다 자세한 내용은 하기 문헌을 참고하시면 될 것 같네요.

      http://www.kics.or.kr/Home/UserContents/20130410/130410_143948877.pdf

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