Performance analysis of mobile AP using beamforming and grouping in express highway environment

Abstract

최근 스마트폰 사용 대수가 급증하고 있으며 미국에서는 그 수가 2018년도 까지 2 억 2 천만대로 급증할 것으로 예상되고 있다. 뿐만 아니라 스마트폰을 이용한 데이터 사용 중 비디오를 이용한 데이터 사용이 증가할 것으로 예상되고 있다. 이러한 스마트폰 트래픽의 증가를 지원하기 위해, 높은 데이터 속도가 필요하며, 사용자의 이동성과 관계 없이 안정된 서비스를 지원할 수 있어야 한다. 하지만 현존하는 통신 시스템들은 작은 이동성을 가진 유저들에게 최적화 되어 있으며, 큰 이동성을 갖는 유저들에게는 그 성능이 감소한다. 특히, 고속도로를 달리는 버스와 같이 다수의 유저들이 밀집되어 빠른 속도로 동시에 움직히는 환경에서는 더욱 심해진다. 이 환경에서, 많은 유저들은 동시에 핸드오버를 시작하며 이는 짧은 시간 동안 많은 양의 핸드오버를 발생시켜 시그널 오버헤드를 증가시킨다. 뿐만 아니라 수신 신호 세기가 감소함에 따라 채널 용량이 현저하게 감소하기도 한다.

본 논문에서는 고속도로 환경에서 빔포밍과 그룹화를 사용하는 mobile AP 기반 의 통신 방안을 제안하였다. 기존의 고속버스는 다수의 유저들이 독립적으로 존재하며 제각기 기지국과 통신을 하였다. Mobile AP 를 이용할 경우, 기지국은 버스 안의 다수의 유저들을 하나의 그룹으로 생각할 수 있다. Mobile AP 의 동작 순서는 다음과 같다. 먼저 기지국은 다수의 유저들에게 보낼 데이터를 유저들 각각이 아닌 mobile AP에 모아서 전송한다. 이후 mobile AP는 받은 데이터들을 각각의 UE들에게 전달한다. Mobile AP 는 버스 천장 위에 설치되어 있어 안테나 설치를 위한 공간적 제약이 없으며, 전력 또한 버스를 통해 전달받을 수 있어 mobile AP를 동작하기 위한 전력 제한이 없다. Mobile AP 사용을 통하여 서비스 환경은 기존의 버스 환경, multiuser MISO 모델,에서 단일 MIMO 모델로 변화될 수 있으며 mobile AP의 다수의 안테나들를 이용하여 여러가지 이점을 얻을 수 있다.

Mobile AP는 다수의 안테나들를 통하여 서비스 받고 있는 기지국으로부터의 수신 신호 세기를 향상시킬 수 있으며, 그룹화를 통하여 시그널 오버헤드 또한 줄일 수 있다. 또한 데이터 용량을 증대 시킬 수 있음을 분석하였으며 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 특히, 채널 상황이 가장 좋지 않은 두 기지국 중간 지점에서 최대 5 배의 데이터 용량 증대를 확인하였으며, 이를 통해 극한 환경에서 제안된 시스템이 높은 성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다. Mobile AP 사용 환경에서는 강화된 수신 신호 세기를 통해 기존 시스템보다 최대 100배 낮은 handover failure probability 를 얻을 수 있음을 분석하였고 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 뿐만 아니라 제안된 모델에서의 ping-pong 현상 및 time-to-trigger 에 따른 radio link failure rate 수식을 도출하였으며, ping-pong 현상을 최소화 하기 위한 최적의 time-to-trigger 값을 분석하였다. 분석한 결과는 시뮬레이션을 통해 성능을 확인하였다.

핵심어: 모바일 AP, 빔포밍, 고속도로