채널 특성을 고려한 5G MIMO 통신 시뮬레이터

Abstract

5G was commercialized in Korea for the first time in the world, and as 5G mobile communication technology has recently developed, efforts are being made to improve the performance level of communication technology by grafting 5G technology to vehicles and terminals. Nevertheless, while a commercial tool (REMCOM) exists for radar systems, interpretation is limited for other applications such as mobile communication in a 5G environment. A channel representing a space existing between a transmitter and a receiver is a parameter that can influence communication performance, and in particular, its value and importance are gradually emerging in that most of the current communication is wireless. Through the research presented in this paper, it can be extended to various radio application system analysis through changing the scenario (channel and flow chart) as well as the radar/communication system. In addition, by building an analysis platform in a dynamic environment, it has the advantage of being able to more realistically simulate the actual operating environment. In this paper, we propose a communication simulator for 5G mm-Wave band, and the simulator not only reflects the actual communication process and system structure (Tx & Rx: reflects the latest base station and terminal structure), but also complies with the standards stipulated by 3GPP. In the case of the MIMO 5G communication simulator considering the channel characteristics presented in this paper, the development was carried out using the existing QAMCOM Model and System Vue Tool as reference models. It is valuable in terms of overcoming the disadvantages of the tool (adding MIMO function, enabling overall communication performance, etc.). In addition, a format called JSON File is used to secure differentiation from the existing development model so that the user can use the simulator without directly accessing the code or without professional knowledge of the code. In the case of a channel model, which can be said to be one of the most important factors in designing a 5G communication system, modeling was conducted in two ways. First, a statistical method was used to statistically simulate the entire channel by looking at the trends and result values of the partial channels. In another way, a deterministic method was used to accurately predict the propagation of radio waves in a given environment based on physical theories. The 5G communication simulator presented in this paper shows the communication performance obtained under the channels modeled by the two methods presented above. By looking at the result, the appropriate values of the parameters (number of pilot subcarriers, Tx transmission power, distance between Tx and Rx, etc.) that determine the channel state can be identified according to the given environment. That is, through the 5G communication simulator, the user can check the communication performance under the desired scenario. And by analyzing this result value, not only can channel parameter values suitable for the given environment be obtained, but also communication performance can be checked through a parameter called EVM (Error Vector Magnitude), which indicates the difference between the signal actually sent from the Tx and the signal received from the Rx.

5G가 세계 최초로 한국에서 상용화 되었고 최근 5G 이동통신 기술이 발달함에 따라 차량 및 단말기에 5G 기술을 접목시켜 통신 기술 수준을 향상시키려는 노력이 계속되고 있다. 그럼에도 불구하고 레이다 시스템의 경우 상용 툴(REMCOM)이 존재하는 반면, 5G 환경에서의 이동통신과 같은 다른 분야에 대해서는 해석이 한정적인 상황이다. 이와 더불어 5G 이동통신 기술이 발달함과 더불어 무선 통신 채널에 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 송신기와 수신기 사이에 존재하는 공간을 나타내는 채널은 통신의 성능을 좌지우지할 수 있는 파라미터이며, 특히 현재 이루어지고 있는 대다수의 통신이 무선이라는 점에서 점점 그 가치 및 중요성이 대두되고 있다. 본 논문에서 제시한 연구내용을 통해 레이다/통신시스템 뿐만 아니라 시나리오(채널 및 순서도)의 변경을 통해 다양한 전파 응용 시스템 해석으로 확장할 수 있다. 추가로 동적 환경에서의 해석 플랫폼 또한 구축함으로써 실제 운용 환경을 더 현실적으로 모사한다는 장점을 가진다. 본 논문에서는 5G mm-Wave대역용 통신 시뮬레이터를 제안하며, 해당 시뮬레이터는 실제 통신 프로세스 및 시스템 구조(송수신기: 최신 기지국과 단말기 구조를 반영)를 반영하였을 뿐만 아니라, 3GPP에서 규정한 내용을 준수하고 있다. 본 논문에서 제시한 채널 특성을 고려한 MIMO 5G 통신 시뮬레이터'의 경우 기존의 QAMCOM사의 모델과 System Vue이라는 상용 툴을 Reference 모델로 삼아 개발을 진행하였으며, 해당 툴의 단점을 극복(MIMO 기능 추가, 전반적인 통신 프로세스 지원가능 등등) 하였다는 측면에서 가치가 있다. 그 외에도 사용자가 직접 코드에 접근하지 않고도, 혹은 코드에 대한 전문적인 지식이 없어도 해당 시뮬레이터를 사용할 수 있게끔 JSON 파일이라는 형식을 활용하여 기 개발 모델과 차별성을 확보하였다. 5G 통신 시스템을 설계함에 있어 가장 중요한요소 중 하나라고 할 수 있는 채널 모델의 경우 크게 2가지로 모델링을 진행하였다. 첫째는 부분적인 채널의 경향 및 결과 값을 보고 전체의 채널을 통계적으로 모사하는 Statistical 한 방법을 사용하였으며, 이외의 다른 방법으로는 주어진 환경의 전파전파현상을 물리 이론을 바탕으로 정확하게 예측하는 Deterministic한 방법을 활용하였다. 본 논문에서 제시한 5G 통신 시뮬레이터는 앞에서 제시한 2가지 방법으로 모델링한 채널 하에서 얻은 통신 성능을 보여준다. 결과를 보고 채널의 상태를 결정 짓는 파라미터(Pilot Subcarrier의 개수, 송신기의 송신 전력, 송수신기간 거리 등등)의 타당한 값들을 주어진 환경에 따라 파악할 수 있다. 즉 해당 5G 통신 시뮬레이터를 통해 사용자는 자신이 원하는 시나리오 하에서의 통신성능을 확인할 수 있고 이 결과값을 분석하여 주어진 환경에 맞는 채널 파라미터 값을 얻을 뿐만 아니라 송신기에서 실제 보낸 신호와 수신기에서 받은 신호 간의 차이를 나타내는 EVM(Error Vector Magnitude)과 같은 파라미터를 통해 통신성능이 확인 가능하다.