16장. DUAL CONNECTIVITY

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

 

단말이 통신하기 위해서는 단말과 네트웍 사이에 최소한 하나의 연결이 필요하다.

기본적으로 단말은 하향링크/상향링크 전송을 처리하는 하나의 셀에 연결되며

RRC 시그널링뿐만 아니라 모든 사용자 데이터가 이 셀에서 처리된다.

 

Dual Connectivity는 단말이 여러 셀에서 네트웍과 연결되는 기술을 의미한다.

 

자세한 시나리오는 아래와 같다.

 

Dual connectivity의 사용 시나리오

① 사용자 평면 결합: 단말이 복수 개의 사이트와 데이터를 송수신함으로써 데이터 속도를 높일 수 있다.

동일한 스트림이 복수 개의 안테나 사이트에서 수신되는 상향링크 CoMP와는 달리,

서로 다른 노드로부터 각기 다른 스트림이 송수신 되는 것에 유의한다.

 

② 제어평면/사용자 평면 분리: 제어 평면 통신은 한 노드에서 다루어지며 사용자 평면은 다른 노드에 의해 다루어진다.

여기서 제어 평면은 L1/L2 제어 시그널링이 아니라,

RRC 시그널링과 같이 상위 계층에서 전송되는 제어 시그널링을 나타내는 것에 유의한다.

단말이 두 개의 셀에 연결되어 있을 때, L1/L2 제어 시그널링은 각 셀마다 처리된다.

 

③ 상향링크-하향링크 분리: 하향링크와 상향링크가 서로 다른 사이트에서 처리된다.

 

④ 제어 평면 다이버시티: 두 노드로부터 RRC 명령이 전송된다.

heterogeneous 구축 환경에서 이동성을 구현하는 것이 한가지 예가 될 수 있다.

 

 

dual connectivity는 단말이 자체 스케줄러를 가지고 서로 X2 인터페이스로 연결된 두 개의 eNodeB

즉, master eNodeB와 secondary eNodeB에 동시에 연결되어 있는 것이다.

따라서 master eNodeB와 secondary eNodeB는 모두 자체적으로 스케줄링을 처리하고

자체적인 타이밍 관계가 있기 때문에

짧은 지연에 고용량의 백홀(ideal backhaul)을 요구하는 CA, CoMP와 달리

이상적이지 않은 백홀에서도 기술을 구현할 수 있다.

 

※ CA는 같은 기지국의 여러 carrier를 하나로 합치는 기술이다.

CoMP는 같은 기술을 사용하는 다른 기지국을 함께 사용하는 기술인 반면

dual connectivity는 다른 기술을 사용하는 다른 기지국을 함께 사용하는 기술이다.

 

참고로 master eNodeB, secondary eNodeB 설정은 단말에 따라 다르며 CA는 두 eNodeB에서 각각 사용될 수 있다.

즉 단말은 각각 두 노드 내에서 여러 셀에 연결될 수 있다.

master eNodeB는 master 셀 그룹(MCG) 내의 전송에 대한 스케줄링을 담당하고

secondary eNodeB는 secondary 셀 그룹(SCG)를 담당한다.

*셀(cell): 이동통신에서 하나의 기지국이 포괄하는 지역을 의미한다.

 

단말은 dual connectivity에 관련된 두 개의 eNodeB 모두에 대하여 동시에 송수신을 할 수 있다고 가정한다.

→ dual connectivity가 두 eNodeB 간의 동적인 조정(언제 누구에게 보낼 것인지)을 필요하지 않는다고 가정한다.

또한 두 셀 그룹은 서로 중첩되지 않는 주파수 대역을 사용한다고 가정한다.

→ 대역 간 dual connectivity만 지원된다.

 

 

 

구조

 

dual connectivity의 두 가지 구조

eNodeB들 사이에는 X2 인터페이스가 사용되고

master eNodeB와 코어망 사이에는 S1-c 인터페이스가 사용되는 구조가 dual connectivity에도 사용된다.

master eNodeB는 항상 S-GW에 직접적인 S1-u 인터페이스를 갖지만

secondary eNodeB는 구조에 따라 S-GW로 S1-u 인터페이스를 직접 가질 수도 있고 그렇지 않을 수도 있다.

*S-GW: Serving Gateway, user 담당자

 

사용자 평면 부분에서 secondary eNodeB를 통해 단말로 데이터를 라우팅하는 두 가지 방식이 있다.

 

① secondary eNodeB를 통해 전송되는 데이터가 S1 인터페이스를 통하여 secondary eNodeB로 직접 전송되는 경우

: 백홀에 대한 요구가 적지만, 무선 접속망 상단으로 dual connectivity가 알려지게 되어

이동성 관점에서 단점이 될 수 있다.

즉, secondary 셀 그룹을 빈번하게 변경하는 시나리오를 예로 들 수 있으며

사용자 평면 결합은 다중 경로 TCP(multipath TCP)와 같은 방법을 통해 달성할 수 있다.

즉, 두 데이터 흐름의 결합은 무선 접속망이 아닌 코어망 위의 TCP 전송 계층에서 이루어진다.

 

② secondary eNodeB가 전송할 데이터가 master eNodeB를 통하여 라우팅 되는 경우

: 백홀 요구 사항이 높지만, 두 eNodeB간 결합이 무선 인터페이스에 근접해야 수행되고

다중 경로 TCP가 필요하지 않으므로 더 높은 성능을 제공할 수 있다.

또한 secondary eNodeB의 변경을 초래하는 이동성이 코어망에 보이지 않기 때문에

피코셀 간의 핸드오버가 잦은 heterogeneous 구축에서 이로울 수 있다.

 

 

사용자 평면의 프로토콜 구조는 분할 베어러(split bearer)에 대한 지원을 추가한 단일 eNodeB의 경우와 동일하다.

*베어러(bearer): 데이터가 흐르는 길

*분할 베어러(split bearer): bearer가 갈라지는 지점이 기지국일 때

SGW가 다르면 길이 달라지므로 2개의 bearer로 취급하지만, 기지국까지 하나의 bearer로 내려왔다가

기지국에서 bearer가 갈라지게 되면 이를 분할 베어러라고 한다.

 

무선 베어러는

① master eNodeB로부터 전송된 베어러,

② secondary eNodeB로부터 전송된 베어러,

③ 두 eNodeB 사이에서 전송된 분할 베어러

이렇게 세 가지 유형이 있다.

 

 

 

물리 계층 영향

 

각 셀 그룹에 대하여 하나씩 존재하는 총 두 개의 물리 계층은 자체적인 데이터 전송,

관련 제어 시그널링, 랜덤액세스 등을 통해 서로 독립적으로 동작한다.

그러나 두 셀 그룹의 물리 계층 사이에는 타이밍 및 전력 차이와 같은 상호 의존적인 부분도 존재한다.

 

 

 

타이밍

 

셀 그룹 내에서는 모든 component 반송파의 수신은 33us의 윈도우 내에 있어야 한다.

반면에 셀 그룹 간에는 동기화에 대한 요구 사항이 없기 때문에, 두 가지 경우가 있을 수 있다.

 

① 동기 dual connectivity: 두 개의 셀 그룹의 서브프레임 경계가 단말단에서 33us 이내로 정렬된 경우

② 비동기 dual connectivity: 두 개의 셀 그룹의 서브프레임 경계가 단말단에서 임의의 타이밍을 갖는 경우

 

동기 dual connectivity인 경우에는 단일 RF 체인을 사용하여 둘 다 처리할 수 있지만

비동기 dual connectivity인 경우에는 그렇지 않을 수 있다.

또한 비동기식 단말은 동기 또는 비동기 dual connectivity에서 동작할 수 있지만

동기식 단말은 동기 dual connectivity에서만 동작할 수 있다.

 

 

 

전력 제어

 

전력 설정은 각 셀 그룹마다 개별적이지만, 규제에서는 단말당 최대 송신 전력을 지정하므로

전력을 공유함에 있어서 셀 그룹 간에 종속성이 생긴다.

따라서 단말이 최대 송신 전력에 도달할 때

서로 다른 셀 그룹 내의 개별 채널의 전력을 적절히 스케일링할 필요가 있다.

 

참고로 수신기는 서브프레임에 걸쳐서 송신 전력이 변하지 않는다고 가정할 수 있으므로

송신 전력의 변화는 서브프레임 경계에서 일어나야 한다.

 

동기 및 비동기 동작

위 그림을 보면 master 셀 그룹의 서브프레임 m에서 이용가능한 송신 전력은 

동기인 경우에는 하나의 서브프레임의 영향을 받지만

비동기인 경우에는 secondary 셀 그룹의 2개의 서브프레임에 영향을 받는다.

 

따라서 셀 그룹 사이에서 송신 전력을 공유하는 두 가지 방법이 있다.

 

최대 송신 전력에 도달할 때 전력 제어 모드 1 및 모드 2의 동작

① 전력 제어 모드 1: 동기 동작에서만 가능한 모드로 셀 그룹에 걸친 전력을 조정한다.

즉, 모든 셀을 같은 방식으로 취급하며 서브프레임 경계에서만 송신 전력을 변경할 수 있다.

 

② 전력 제어 모드 2: 비동기 동작을 지원하는 유일한 모드로

각 셀 그룹 내에서 반송파 간에 전력 제어를 수행한다.

최대 전력 비율로 표시되는 셀 그룹별로 가능한 최소 보장 전력은 RRC 시그널링을 통하여 설정되며

전력 제한이 필요한 경우, 각 셀 그룹은 적어도 각각의 최소 보장 전력까지는 전력을 할당받고,

남은 전력은 우선 더 먼저 일어나는 전송에 관련된 셀 그룹에게 주어진다.

 

비동기 동작은 서브프레임 경계가 유지되지 않은 것을 의미하므로

하나의 셀 그룹에 대한 송신 전력은 그 셀 그룹의 서브프레임 경계에서 변경될 수 있지만

그 순간 다른 셀 그룹의 전력은 변하지 않고 유지되어야 한다.

따라서 서브프레임 m이 시작되는 시점에서 남은 전력은 secondary 셀 그룹에게 주어져

서브프레임 n 동안 전력이 변하지 않도록 유지하는데 사용하며,

이 동작 이후에 남아있는 모든 전력은 서브프레임 m의 master 셀 그룹에 주어진다.

 

 

 

Dual connectivity의 스케줄링

 

스케줄링은 각 eNodeB에서 독립적으로 수행된다.

이와 유사하게 DRX도 각 셀 그룹에 대해 개별적으로 설정된다.

다만 분할 베어러에 대한 데이터를 어떻게 분할할지에 대해서는

데이터 양이 크면 두 셀 그룹을 통해 전송되고,

그렇지 않은 경우에는 셀 그룹 중 하나에서만 전송된다.

 

스케줄링을 위한 단말 보고로는 버퍼 상태(데이터 양), 전력 헤드룸 보고(가용 전력)이 있는데

eNodeB는 스케줄링 중인 셀 그룹에만 관심이 있기 때문에

버퍼 상태는 셀 그룹별로 보고되는 반면

전력 헤드룸 보고는 전력이 두 개의 셀 그룹에 걸쳐서 공유되기 때문에

가상 보고 또는 실제 보고를 사용해서 전해진다.

 

MCG(master 셀 그룹)에 대한 전력 헤드룸 보고(SCG에 대한 보고도 유사함)

가상 보고: 다른 셀 그룹이 사용하는 전력은 설정된 기준 포맷으로 주어진다.

실제 보고: 실제 전송중이라면, 다른 셀 그룹이 실제 사용하는 전력이 사용된다.

 

참고로 규격에서 primary component 반송파는 MCG에서는 PCell로 표시되고,

SCG에서는 PSCell로 표시되며

secondary component 반송파는 두 셀 그룹 모두에서 SCell로 표시된다.