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Where, When, and How mmWave is Used in 5G and Beyon

Kei Sakaguchi, Thomas Haustein, Sergio Barbarossa, Emilio Calvanese Strinati, Antonio Clemente, Giuseppe Destino, Aarno Pärssinen, Ilgyu Kim, Heesang Chung, Junhyeong Kim, Wilhelm Keusgen, Richard J. Weiler, Koji Takinami, Elena Ceci, Ali Sadri, Liang Xain, Alexander Maltsev, Gia Khanh Tran, Hiroaki Ogawa, Kim Mahler, Robert W. Heath

arXiv:1704.08131v1cs.NI

TL;DR

이 논문은 다양한 5G 네트워크에서 mmWave를 배치하기 위한 시나리오, use case, enabling technology에 대한 논의가 제한적이라는 문제를 다룬다. mmWave와 MEC를 소개한 뒤, 관련 시나리오, 아키텍처, prototype을 포함한 네 가지 deployment example을 시간순으로 제시한다. 또한 2018 평창 동계 올림픽 기간의 moving hotspot용 28 GHz backhaul을 포함해 네 가지 5G mmW use case를 제시한다.

  • 문제

    이 논문은 다양한 5G 네트워크에서 mmWave를 배치하기 위한 시나리오, use case, enabling technology에 대한 논의가 제한적이라는 문제를 다룬다.

  • 방법

    이 논문은 mmWave와 MEC를 소개한 뒤, 관련 시나리오, 아키텍처, prototype을 포함한 네 가지 deployment example을 시간순으로 제시한다.

  • 결과

    이 논문은 2018 평창 동계 올림픽 기간의 moving hotspot용 28 GHz backhaul을 포함해 네 가지 5G mmW use case를 제시한다.

  • 시사점 및 한계

    mmWave와 MEC는 ultra-high data rate와 low-latency communication을 모두 요구하는 다양한 5G 및 beyond 애플리케이션을 위한 기술로 제시된다.

  • 시사점 및 한계

    mmWave link는 blockage 또는 interference로 인해 channel intermittency를 겪을 수 있으며, 이에 따라 blocking event를 상쇄하기 위한 multilink communication이 필요하다.

Abstract

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Wireless engineers and business planners commonly raise the question on where, when, and how millimeter-wave (mmWave) will be used in 5G and beyond. Since the next generation network is not just a new radio access standard, but instead an integration of networks for vertical markets with diverse applications, answers to the question depend on scenarios and use cases to be deployed. This paper gives four 5G mmWave deployment examples and describes in chronological order the scenarios and use cases of their probable deployment, including expected system architectures and hardware prototypes. The paper starts with 28 GHz outdoor backhauling for fixed wireless access and moving hotspots, which will be demonstrated at the PyeongChang winter Olympic games in 2018. The second deployment example is a 60 GHz unlicensed indoor access system at the Tokyo-Narita airport, which is combined with Mobile Edge Computing (MEC) to enable ultra-high speed content download with low latency. The third example is mmWave mesh network to be used as a micro Radio Access Network (μ-RAN), for cost-effective backhauling of small-cell Base Stations (BSs) in dense urban scenarios. The last example is mmWave based Vehicular-to-Vehicular (V2V) and Vehicular-to-Everything (V2X) communications system, which enables automated driving by exchanging High Definition (HD) dynamic map information between cars and Roadside Units (RSUs). For 5G and beyond, mmWave and MEC will play important roles for a diverse set of applications that require both ultra-high data rate and low latency communications.

1. 서론

5G는 새로운 무선 액세스 표준만 도입하는 대신 다양한 분야와 애플리케이션을 위한 여러 네트워크를 통합하므로, 사업자는 다양한 네트워크 구성을 제공해야 한다. 이 논문은 고속·저지연 5G 통신을 지원하는 mmWave의 활용 위치, 시점, 방식을 다루는 네 가지 use case를 통해, 네트워크 densification, massive MIMO, MEC와 결합된 mmWave를 검토한다.

  • 1. 서론: 5G의 핵심적 새로움은 다양한 분야와 애플리케이션을 위한 여러 네트워크를 통합하는 데 있으며, 이에 따라 사업자는 다양한 네트워크 집합을 제공해야 한다.애플리케이션에는 multimedia, VR/AR, M2M/IoT, automotive, Smart City 서비스가 포함된다 [2].
  • 1. 서론: mmWave, network densification, massive MIMO는 초고속 access와 backhaul을 가능하게 하며, 이 논문은 28 GHz와 비면허 60 GHz에 초점을 둔다.이 근거는 향후 주파수에도 적용된다. 28 GHz는 3GPP NR에 사용될 예정이며 [5], 60 GHz는 IEEE802.11ad/WiGig에서 사용된다.
  • 1. 서론: 이 논문은 네 가지 5G use case와 예상 시장 진입 시기를 통해 mmWave가 어디서, 언제, 어떻게 사용될지를 다룬다.초고속과 저지연을 결합하는 메커니즘으로 MEC를 제시하며, 이후 절에서 deployment scenario와 위치를 구체화한다.
  • 1. 서론: 실행 중인 지하철에서 시연된 millimeter-wave prototype system은 1.25 Gbps의 peak data rate를 달성했다.이 system은 2017년 이월에 시연되었으며, 운행 중인 지하철에서 시연된 세계 최초의 이러한 prototype으로 소개되었다.
  • 1. 서론: 한국, 미국, 일본에서 28 GHz와 60 GHz의 잠재력이 존재하더라도, 초기 mmWave deployment에는 scenario, use case, enabling technology에 대한 더 심층적인 논의가 필요하다.이 논문은 2018년 PyeongChang winter Olympics를 위한 28 GHz technology로 시작한 뒤, Tokyo-Narita airport의 60 GHz technology로 넘어간다.

3. 고정 무선 액세스와 이동 핫스팟을 위한 28 GHz 실외 백홀

이 절에서는 고정 무선 액세스와 이동 핫스팟을 위한 28 GHz 실외 mmWave 백홀을 소개하며, 2018 PyeongChang Olympics에서 시연 예정인 5G CHAMPION end-to-end PoC 를 포함한다. 해당 deployment는 beamforming, heterogeneous access, virtualized networking, MEC를 활용해 broadband, ultra-high-rate, mobile, short-latency 서비스를 제공하는 것을 목표로 한다.

  • 28 GHz 선정 근거: 28 GHz 대역은 licensed spectrum의 이용률이 낮고, 500 meters 이상의 cellular link를 지원하며, 더 높은 주파수에 비해 multipath와 non-line-of-sight 기능을 보존하기 때문에 선호된다.Numerology를 수정하면 기존 기술을 cost-effective wireless backhaul과 신속한 feature deployment에 맞게 조정할 수 있다.
  • 5G CHAMPION deployment: 5G CHAMPION project 는 운용 중인 Olympic PoC에서 28 GHz beamforming backhaul, reconfigurable transceiver, distributed 또는 centralized MEC, caching, virtualized core networking을 결합한다.이 platform은 fixed hotspot, moving hotspot, high-speed train, short-latency application을 지원한다.
  • 목표 use case와 KPI: 이 PoC는 stationary hotspot connectivity 최소 100 Mbps, 20 Gbps mmWave link, 최대 500 km/h 속도의 content delivery, 5 ms 미만의 end-to-end latency를 목표로 한다.Broadband와 inter-system interoperability 요구사항과 함께 over-the-air latency 목표는 2 ms다.
  • Moving-hotspot architecture: Moving-hotspot architecture는 도로변 MHN NodeB와 차량 탑재 MHN Terminal Equipment를 연결하며, 이 장비가 mmWave를 통해 onboard Wi-Fi user의 traffic을 backhaul한다.South Korean design은 빠르게 이동하는 차량에서 broadband service를 제공하기 위해 carrier aggregation, high-performance handover, polarization-based digital MIMO를 사용한다.
  • Link-level performance: 2x2 MIMO backhaul simulation에서는 1 GHz bandwidth로 5 Gbps를 달성할 수 있으며, average spectral efficiency는 최대 10 bps/Hz에 이른다.이 결과는 PyeongChang demonstration에 하나의 mTE를 사용한다고 가정한다.
  • Hardware prototype: 27.4–31.7 GHz에서 동작하는 400-element analogue beamforming array는 20.8 dBi maximum broadside gain을 달성하며, 40°와 60° tilt에서 scanning loss는 각각 2.5 dBi와 5 dBi다.이 array는 1-bit tunable phase state와 circular polarization을 사용한다.

4. Mobile Edge Computing을 활용한 60 GHz 실내 액세스

이 절에서는 공항, 역, 쇼핑몰과 같은 장소에서 저지연·고처리량 서비스를 제공하기 위해 MEC와 결합한 60 GHz 비면허 실내 mmWave 액세스를 소개한다. Narita Airport prototype은 초고속 콘텐츠 전송을 시연했으며, caching, computation offloading, multilink access를 통해 latency, energy, blockage 제약에 대응한다.

  • Deployment scenarios: 60 GHz 비면허 실내 액세스는 사업자가 기지국을 직접 구축하기 어려운 가정, 사무실, 공항, 역, 열차, 버스, 경기장, 박물관, 쇼핑몰을 대상으로 한다.이러한 장소는 공간적 범위가 제한적이지만 대용량 video transfer와 augmented-reality 서비스를 요구한다.
  • Mobile Edge Computing: MEC는 access point를 통해 사용자 가까이에 computing과 caching을 배치하며, context-predicted prefetching은 backhaul link가 열악하더라도 대용량 download에서 사용자가 체감하는 latency를 줄인다.지하철 승객과 같은 이동 사용자의 경우, 역이나 철도 노선을 따라 배치된 MEC server가 사용자의 이동에 맞춰 prefetching을 조정할 수 있다.
  • Applications and offloading: MEC-hosted augmented-reality 서비스는 사용자를 따라가는 지역화된 실시간 정보를 제공하며, computation offloading은 mobile-device battery 부담을 줄인다.이러한 애플리케이션은 위치와 시청 방향 인식, 높은 computational capacity, 낮은 latency를 요구한다.
  • System architecture: 이 시스템은 low-rate WLAN 또는 LTE 사용자를 high-rate mmWave link를 통해 인근 MEC 서비스에 연결하고, mmWave backhaul을 사용해 cloud-enhanced access point를 조정한다.여러 mmWave link는 분산된 사용자에게 local-cloud 동시 액세스를 제공하며, 장애물이나 비슷한 방향을 향한 사용자로 인해 간헐적으로 발생하는 blockage를 완화한다.
  • Prototype implementation: WiGig access-point prototype은 360° coverage와 최대 3개의 동시 link를 위해 3개의 60 GHz beamforming module을 사용했으며, 10 Gbps 유선 AP 연결과 40 Gb/s edge cache를 탑재했다.Narita 구성에서는 10 x 5 m 영역을 커버하는 3개의 AP와 IEEE 802.11ad/WiGig dongle을 장착한 4K tablet 9대를 사용했다.
  • Experimental demonstration: 1.7 Gbps 최대 throughput을 통해 9일간 진행된 Narita Airport demonstration에서 압축된 2시간 분량의 고해상도 video를 10 seconds에 download할 수 있었다.이 demonstration에는 816명이 참여했으며, 긍정적 피드백의 99.3%가 실용화에 대한 높은 기대를 나타냈다.

5. µ–RAN을 위한 mmWave Mesh Networks

밀집 도심 5G 시나리오에서 mmWave mesh network는 공간적·시간적으로 변하는 트래픽을 따라 LTE-gateway와 mmWave small-cell backhaul link를 동적으로 연결해 비용 효율적인 µ-RAN을 구성할 수 있다. 시뮬레이션 결과, 트래픽 인지 제어는 에너지 사용량을 줄이며 WiGig prototype은 유연한 backhaul과 access를 지원한다.

  • 5.1 밀집 도심 시나리오: 밀집 도심 network densification은 mobile device, augmented-reality sensor, connected camera에서 발생하는 높고 동적인 트래픽에 대응하지만, 다수의 small-cell BS는 CAPEX와 OPEX를 증가시킨다.mesh backhaul은 square, street canyon, station과 같은 밀집 시나리오에서 이러한 deployment cost를 완화하는 해결책으로 제시된다.
  • 5.1 System architecture: µ-RAN은 LTE macro cell 위에 mmWave small-cell BS를 배치하며, LTE macro BS가 공간적으로 균일하지 않고 시간에 따라 변하는 트래픽을 위한 mmWave gateway 역할을 한다.Access와 backhaul은 세 개 또는 네 개의 sector를 사용해 macro layer와 small-cell layer 간 connectivity를 통합한다.
  • 5.2 트래픽 및 에너지 관리: 에너지 관리 알고리즘은 먼저 수요에 따라 small-cell ON/OFF 상태를 결정하고, 다음으로 전력 소모를 최소화하는 backhaul path를 생성한 뒤, 마지막으로 고립된 small-cell을 효율적으로 재활성화한다.이 3단계 절차는 small-cell activation과 backhaul path를 공동으로 최적화하기 어려운 문제를 다룬다.
  • 5.2 트래픽 및 에너지 관리: mesh는 트래픽이 수요가 낮은 야간과 주간 hotspot 사이에서 이동함에 따라 small-cell BS를 동적으로 활성화하고 gateway-to-hotspot backhaul link를 구성한다.오전 3시에는 활성 상태인 small-cell BS가 적고 대부분의 사용자가 LTE에 연결된다. 오후 3시경에는 왼쪽 위 구역에 hotspot이 나타나고 이에 대응하는 backhaul link가 구성된다.
  • 5.2 트래픽 및 에너지 관리: Network-centric ON은 µ-RAN 내부의 adaptive user association을 통해 에너지 소비를 약 절반으로 줄인다.비교에서는 하루 동안 트래픽이 변하는 상황에서 Network centric ON, User centric ON, Always ON을 평가하며, 특히 자정에 가장 큰 이점이 나타난다.
  • 5.3 Prototype hardware: mmWave PoC platform은 최대 400 m까지 point-to-point backhaul coverage를 제공하며, line of sight 200 m에서 최대 2 Gbps IP throughput을 달성하고 약 20 W를 소비한다.IEEE 802.11ad/WiGig platform은 adaptive beam switching과 access link도 지원하며, antenna system은 41 dBm EIRP와 steering capability를 제공한다.

6. Automated Driving을 위한 mmWave 기반 V2V/V2X

mmWave 기반 V2V/V2X는 엄격한 throughput, latency, range 요구사항하에서 차량과 roadside unit 간 HD-map 및 sensor 정보 교환을 통해 automated driving을 지원한다. 제안 아키텍처는 실시간 주행 의사결정을 지원하기 위해 직접 mmWave D2D link, cooperative perception, 후보 licensed frequency band를 사용한다.

  • 요구사항: Enhanced V2V/V2X는 안전한 automated driving을 위해 raw 또는 lightly processed sensor data를 교환할 수 있도록 link당 1 Gbps, 10 ms 미만의 latency, 150–300 m range를 요구한다.이러한 요구사항은 Release 15 이후 3GPP의 enhanced V2X, 즉 eV2X 관련 작업을 촉진했다.
  • 시스템 아키텍처: mmWave V2V/V2X는 차량 탑재 OBU와 RSU 사이의 직접 D2D link를 사용해 HD map을 교환하면서 1 Gbps 및 10 ms 미만 목표를 충족한다.이 아키텍처는 주변 OBU와 RSU 사이의 실시간 HD-map 교환을 위해 설계되었다.
  • Cooperative perception: OBU와 RSU는 수신한 HD map을 local sensor data와 융합하고, cooperative perception을 적용해 가시 범위를 넓힌 뒤, 그 결과 map을 인접 unit과 공유한다.융합된 map은 automated-driving 의사결정을 지원하며, RSU sensing은 가려진 물체의 탐지를 돕는 고유한 bird’s-eye view도 제공할 수 있다.
  • Cooperative perception: 높이 6 m인 가로등에 장착되고 40 m 간격으로 배치된 다수의 RSU는 복잡한 도심 환경에서 도로를 지속적으로 모니터링하여 숨은 물체, 장비가 없는 차량, 자전거, 보행자를 탐지할 수 있다.이 배치는 도로를 따라 배치된 다수 RSU로 구현되는 cooperative perception을 보여준다.
  • 주파수 선택: 이 논문은 네 가지 mmWave V2V/V2X 후보를 제시한다: 31.8–33.4 GHz, 40.5–42.5 GHz, 47.0–50.2 GHz, 66.0–71.0 GHz.후보 band는 1 GHz 이상의 bandwidth를 제공하고, 국제 IMT band를 사용하며, interference를 제한하도록 licensed되어야 하고, PLMN이 사용 불가능할 때 독립적으로 동작해야 한다.

7. 결론

결론은 5G에서 단계적으로 mmWave를 배치하는 방안을 개괄한다. 28 GHz backhaul은 이동형 hotspot에, MEC와 결합된 60 GHz access는 공항 콘텐츠 전달에 사용되며, 2020년경에는 mmWave mesh network가 뒤따른다. 또한 mmWave와 MEC가 초고속 및 저지연 요구를 모두 충족한다고 강조한다.

  • 단계적 배치: 28 GHz mmWave는 버스와 같은 이동형 hotspot에 backhaul을 제공하며, 2018 PyeongChang Winter Olympics 5G entertainment system과 미국에서의 동시 사용을 지원한다.이 배치는 세계 최초의 5G entertainment system으로 제시된다.
  • 단계적 배치: MEC와 결합된 60 GHz mmWave는 2018년 Tokyo-Narita airport에서 smartphone과 tablet을 위한 주문형 콘텐츠 다운로드를 가능하게 한다.이 서비스는 2020 Tokyo Summer Olympics에 참석하는 방문객을 위한 Omotenashi를 지원하며, 초고속과 저지연을 목표로 한다.
  • 단계적 배치: 세 번째 배치 단계는 2020년경 mmWave mesh network를 도입하는 것이다.제공된 문단은 이 단계만 식별하며, 추가적인 배치 세부사항은 제시하지 않는다.
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