10장. 채널 상태 정보 및 Full-Dimension MIMO

※ 4G LTE-Advanced Pro and The Road Road to 5G 한국어 판 내용을 바탕으로 정리한 것입니다.

 

이번 장의 주요 내용은 다음과 같다.

단말이 네트웍에게 CSI 보고를 전송하면, 네트웍은 이를 바탕으로 스케줄링 결정을 한다.

또한 최근에는 Full-Dimension MIMO(FD-MIMO)를 위해 CSI보고가 개선되었다.

 

그럼 이제 자세히 알아보도록 하자.

 

 

CSI 보고 구성

 

CSI 보고는 현재의 채널 조건에 대한 정보를 제공하며,

조합은 전송 모드에 따라 달라진다.

 

① Rank Indication(RI):

단말로의 DL-SCH 전송에 사용하길 바라는 layer의 개수,

즉 선택된 경로의 수에 관한 정보이며 주파수 비선택적이다.

따라서 최대 1개의 RI가 전체 대역폭에 걸쳐 보고된다.

또한 RI는 공간 다중화를 지원하는 모드 중 하나이다.

 

여기서 rank란 선형대수에 나오는 rank를 떠올리면 된다.

예를 들어, 2개의 경로를 사용하기 위해서는 rank=2여야 한다.

또한 안테나가 2개 존재할 경우, bit 0은 rank1만 사용함을 의미하고,

 

bit 1은 rank 1,2를 모두 사용함을 의미한다.

 

② Precoder matrix indication(PMI):

코드북에 이미 정의된 행렬들 중 RI에 포함된 layer의 개수에 따라

DL-SCH 전송에 권고하는 프리코딩 행렬의 인덱스를 의미한다.

PMI는 주파수 선택적일 수도 있고, 비선택적일 수도 있다.

 

참고로 프리코딩 행렬의 기능에 대해 설명하자면

만일 여러 안테나가 프리코딩 행렬을 이용하여 합쳐진 data를 전송/수신하면,

단말은 프리코딩 행렬을 이용하여 선택적으로 해석할 수 있는 것이다.

 

만일 네트웍이 가장 최신 단말의 권고를 따른다면,

네트웍은 하향링크 스케줄링 할당에 1비트 지시자로 확인만 해주면 된다.

하지만 그렇지 않은 경우에는, 하향링크 스케줄링 할당에 사용되는 프리코딩 정보를 명시적으로 포함해주어야 한다.

이때에는, 시그널링 양을 줄이기 위해 하나의 프리코딩 행렬만 시그널링 된다.

즉, 주파수 비-선택적이 된다.

또한 네트웍은 단말 단위가 아닌, 전송 rank만 덮어쓰도록 할 수도 있다.

 

단말이 선택하는 프리코딩 행렬 집합은 안테나 element개수가 아닌, 안테나 포트의 개수에 따라 달라진다.

새로 도입된 8개의 안테나 포트에 대해서는

2개 및 4개의 안테나 포트를 만들때와는 다른 방법으로 코드북이 만들어지는데,

가깝게 위치한 cross-polarized 안테나이기에 W = W1 x W2와 같이 모든 프리코딩 행렬이 만들어지게 된다.

여기서 W1은 빔포밍과 같은 장기 특성(오랫동안 유지되는 특성) 및 wideband 요인을 나타내며,

W2는 편파 특성과 같은 단기 특성(짧은 시간 안에 바뀌는 특성) 및 주파수 선택적 요인을 나타낸다.

 

마지막으로 2개, 4개, 8개의 안테나 포트에 대하여

네트웍은 단말이 권고하는 프리코딩 행렬을 선택하는 데 있어 일정한 제약을 가할 수 있다.

이를 코드북 제한이라고 하며,

이는 실제 사용되는 안테나 구성에 있어서 도움이 되지 않는 프리코딩 행렬을 보고하는 것을 막기 위함이다.

 

③ Channel-quality indication(CQI):

권고된 RI, PMI가 사용될 경우, 10% 이하의 BLER(block error rate)로 수신될 수 있는 최대 MCS를 의미한다.

SINR 대신 CQI를 사용하는 이유는 서로 다른 단말의 수신기 구현을 고려하고,

단말에 대한 시험을 간소화하기 위해서이다.

 

④ CSI-RS resource indicator(CRI):

단말이 여러 개의 빔을 관찰하도록 설정되어 있을 때, 단말이 선호하는 빔을 알려준다.

이 때, 안테나 별로 관찰할지, 빔 별로 관찰할지를 정할 수 있다.

*안테나는 물리적, 빔은 신호적 요소로 볼 수 있다.

안테나는 각각 안테나 element 신호의 세기를 관리한다.

 

CRI는 빔포밍된 CSI 기준 신호와 함께 사용된다.

*안테나가 빔을 모아서 한 방향으로 전송하는 것을 이른다.

 

위 보고들은 단말의 제안으로 eNB가 따를 수도 있고, 안 따를 수도 있으며

실제 사용되는 정확한 값은 DL 스케줄링 할당에 포함되어 있다.

 

 

 

CSI 보고에는 두 타입이 있다.

 

① 주기적 보고: PUCCH 자원 상으로 전송된다.

하지만 만일 단말이 PUSCH 자원을 가지고 있다면, PUSCH 자원 상으로 전송된다.

 

② 비주기적 보고: 네트웍의 명시적인 요청이 있을 때(data를 전송하려 할 때) 전송된다.

네트웍은 상향링크 스케줄링 승인에 포함된 '채널 상태 요청' 표시(flag)를 통하여 이를 요청한다.

비주기적 보고는 항상 동적으로 할당되는 PUSCH 자원 상으로 전달되며

주기적 보고보다 더 크기가 크고, 더 자세한 정보를 담고 있다.

 

아래에서 더 자세히 알아보자.

 

 

비주기적 CSI 보고

 

LTE에는 3가지의 비주기적 보고 모드가 지원된다.

 

① 광대역 보고: 전체 대역폭에 대하여 하나의 평균 CQI값이 제공되는 반면,

PMI 보고는 주파수 선택적이다. 즉, 동일한 크기의 서브밴드(4-8개의 자원 블록) 별로 보고된다.

여기서 CQI 및 PMI는 RI에 의하여 알려지는 채널 rank를 가정하고 계산되며,

그렇지 않은 경우에는 rank-1을 가정한다.

광대역 보고는 아래의 주파수 선택적 보고에 비해 크기가 작다.

 

② 단말 선택 보고: 단말이 가장 좋은 M개의 서브밴드를 선택하여 보고한다.

따라서 하나의 광대역 CQI + M개의 서브밴드 지시자 + M개 서브밴드의 평균 채널 품질 즉, 하나의 CQI를 보고한다.

이 때 M값은 1에서 6사이의 값이 되며, 설정되는 전송 모드에 따라 PMI와 RI 역시 같이 보고될 수 있다.

 

③ 설정된 보고: 단말이 보고해야하는 서브밴드를 네트웍이 설정해준다.

따라서 하나의 광대역 CQI + 서브밴드 당 하나의 CQI를 보고한다.

설정된 보고 역시 설정되는 전송 모드에 따라 PMI와 RI 역시 같이 보고될 수 있다.

 

 

 

주기적 CSI 보고

 

주기적 CSI 보고는 제한된 payload 크기만을 지원하므로

빨리 변하는 PMI, CQI는 상대적으로 느리게 변하는 RI에 우선하며,

만일 PMI 보고가 설정되었을 경우, 광대역 PMI를 전송한다.

즉, 오버헤드를 줄이기 위해 주파수 선택적 PMI를 지원하지 않는다.

 

주기적 CSI 보고는 두가지 모드를 지원한다.

 

① 광대역 보고: 하나의 CQI 값으로 전체 셀 대역폭에 걸친 평균 채널 품질을 반영한다.

만일 PMI 보고가 설정되었다면, 전체 대역폭에 걸친 하나의 PMI가 보고된다.

 

② 단말 선택 보고: 총 대역폭을 1-4개의 bandwidth part로 나눈 뒤,

단말은 각 bandwidth part 안에서 가장 좋은 서브밴드를 선택한다.

이 때 역시 payload 크기에 제한이 있으므로 단말은 복수 개의 bandwidth part에 대해 돌아가면서 보고한다.

 

 

 

간섭 추정

 

간섭 추정은 단말이 측정하는 것으로,

주기적/비주기적에 관계없이 채널 상태 보고는 채널의 특성 및 간섭 레벨 측정을 필요로 한다.

 

채널 이득은 CRS 또는 CSI-RS라는 reference signal을 이용한다.

*채널 이득(gain): 송신에 비해 얼마나 잘/못 수신했는지를 나타낸다.(dB)

*CRS(cell-specific reference signal): CSI 획득, 셀 선택, 핸드오버 결정에 사용되는 신호이다.

*CSI-RS(channel state information-reference signal): CRS에 비해 낮은 시간/주파수 밀도를 갖는다.

 

간섭 레벨 측정은 인접한 셀들이 송신을 하는 지의 여부에 따라 크게 달라진다.

실제적으로 간섭은 CRS 상의 잡음으로서 측정되는데, 아래의 식이 사용된다.

 

간섭 레벨에 대한 추정값 = 적절한 자원 엘리먼트 상에서 수신된 신호 - reference 신호의 성분

 

하지만 이는 만일 셀 부하가 낮은 경우에는 종종 과다하게 추정하는 결과를 낳는다는 단점이 있다.

또한 단말은 복수 개의 서브프레임에 걸쳐서 간섭 레벨을 평균 낼 수 있는데,

이렇게 할 경우 단말에 의하여 간섭이 어떻게 측정되는 지에 대한 불확실성이 더 커지게 된다.

 

위 단점을 극복하고, 다양한 CoMP 방식을 지원하기 위해 CSI-IM(Interference Measurement) 설정이 도입되었다.

*CoMP: 셀 간 협력 기술을 뜻한다.

 

CSI-IM 방식은 어떠한 자원 엘리먼트가 간섭 측정에 사용되는지를 네트웍이 제어할 수 있도록 하였는데,

CSI-IM 설정은 특정 서브프레임 내의 단말이 간섭 측정에 사용해야 하는 자원 엘리먼트의 집합을 말한다.

즉, CSI-IM 설정에 해당하는 자원 엘리먼트 내의 수신 전력이 간섭의 추정값으로 사용된다.

 

일반적으로 CSI-IM 자원은 해당 단말에 대하여 설정되는 zero-power CSI-RS 자원이 된다.

하지만 이 둘은 목적이 다른데,

CSI-IM은 단말이 간섭 레벨을 측정해야 하는 자원 엘리먼트의 집합을 지정하기 위해 정의되는 것이며,

zero-power CSI-RS는 PDSCH 매핑과 겹치는 것을 피하기 위한 자원 엘리먼트의 집합을 지정하기 위해 정의되는 것이다.

*해당 자원 엘리먼트에는 PDSCH가 매핑되지 않았다고 가정하고, 충돌이 나지 않게 비워놓는다.

 

 

 

FD-MIMO

 

많은 수의 안테나 엘리먼트를 더 잘 활용하기 위해 안테나 포트 수를 늘렸으며,

더 많은 수의 안테나 포트를 고려하여 CSI 피드백을 개선하였다.

또한 더 많은 사용자를 지원하기 위해 sounding reference 신호의 수도 증가시켰다.

 

많은 수의 안테나 엘리먼트에 대한 CSI 피드백은 엘리먼트별 보고 및 빔별 보고의 두가지로 분류된다.

 

엘리먼트별 보고는 CSI 보고 클래스A라고도 하는데

각각의 CSI reference 신호가 안테나 엘리먼트에 매핑되고

피드백은 모든 서로 다른 CSI reference 신호에 대한 측정을 기반으로 한 고차원의 프리코더 행렬로 구성된다.

따라서 이는 안테나 개수가 적을 때에 적합하다.

 

CSI 보고 클래스 A는 어레이 이득이 없기 때문에 커버리지 문제가 발생할 수 있으며,

이를 보상하기 위해 전력 부스팅을 고려할 수 있다.

*어레이 이득: 일반 엘리먼트로 보냈을 때보다 신호를 얼마나 더 많이/적게 받았나.

 

반면 빔별 보고는 CSI 보고 클래스B라고도 하는데,

각 CSI reference 신호가 모든 안테나 엘리먼트를 사용하여 빔포밍된 것을 의미한다.

단말은 자신이 측정하도록 설정된 빔포밍된 CSI reference 신호를 측정하고,

그 중에서 이후 데이터 전송에 적합한 빔을 권고하게 된다.

이 방식은 매우 많은 수의 안테나 엘리먼트를 가진 경우에 적합하다.

 

CSI 보고 클래스 B는 CSI reference 신호가 빔포밍 되기 때문에

엘리먼트별 방식에 비해 커버리지에서 이점을 가질 수도 있다.

다만 단말이 채널 전체를 추정하는 것은 아니기 때문에 잠재적으로 덜 강인할 수 있다.