NS-3 기반의 mmWave 대역 RF 성능 분석 및 검증

Abstract

The mmWave bands in 5G is essential for providing key services in nextgeneration mobile communications, such as URLLC, mMTC, and eMBB, due to its wide bandwidth. Particularly, the high-frequency mmWave bands are utilized for high performance communication by providing rapid data transmission. Furthermore, the deployment and management of 5G networks require considerations such as frequency spectrum, base station deployment, communication protocols, and the need to conduct communication performance evaluations. The typical performance evaluation method involves experimenting across various environments by constructing testbeds, however, it is hindered by the significant time and resources. To enhance performance and operational efficiency, simulations are predominantly utilized. This study implements a channel model for the mmWave bands using the network simulator NS-3 and verifies its reliability and effectiveness through RF performance verification. The channel model for the mmWave spectrum is implemented using 5G-LENA, and the simulation results are analyzed by comparing them with the references from 3GPP. The channel model is constructed based on parameters related to channel characteristics, beamforming, antenna configuration, scenarios, and parameters defined in 3GPP TR 38.901. Specifically, the simulation scenario only considers the Open scenario within the Indoor Hotspot (InH) among the options of Open and Mixed. As this scenario lacks walls or obstacles, it models the signal between the base station and the transmitter based on Line-of-Sight (LOS) probability. Furthermore, both the base station and terminal antennas utilize models defined by 3GPP, adjusting the panel angles based on azimuth and elevation angles. The simulation results are within the specified ranges permitted by the 3GPP standards, and the verification of these results is conducted using REM (IPSD/SINR/SNR). The channel model implemented in this study is constructed considering the characteristics of the mmWave spectrum and the propagation attributes across various environments. This model is utilized for high performance communication by providing network deployment and optimization, thereby improving network coverage, maximizing signal strength, and minimizing interference. Furthermore, the simulation results can be applied to real 5G network deployment, offering RF performance evaluation and verification by altering parameters based on various environments and conditions. Channel modeling is expected to be applicable not only in 5G but also in 6G, enabling communication system designs, performance predictions, as well as network configuration and enhancements. In particular, 6G is expected to offer faster transmission and shorter latency than 5G, including both mmWave and sub-mmWave bands. Therefore, it is expected that the channel model implemented in this study, once meeting the requirements necessary for 6G, will also be applicable in the context of 6G.|5G의 mmWave 대역은 광대역폭으로 차세대 이동통신의 주요 서비스인 URLLC, mMTC, eMBB 등의 제공을 위해 필수적이다. 특히, 고주파 mmWave 대역은 빠른 데이터 전송 속도를 제공하여 고성능의 통신에 활용된다. 또한, 5G는 네트워크 구축 및 관리에는 주파수 스펙트럼, 기지국 배치, 통신 프로토콜 등을 고려해야 하며, 통신 성능 평가를 진행해야 한다. 일반적인 성능 평가 방식은 테스트배드 구축을 통해 다양한 환경에서 실험하지만, 많은 시간과 비용이 소모되는 단점이 있다. 네트워크 시뮬레이터는 실제 환경 구축의 단점을 해결하고, 네트워크 성능 개선과 효율적인 운영에 활용된다. 본 연구는 네트워크 시뮬레이터인 NS-3를 활용하여 mmWave 대역의 채널 모델을 구현하고, RF 성능 검증을 동한 신뢰성과 유효성을 확인한다. mmWave 대역의 채널 모델은 5G-LENA를 활용하여 구현하고, 시뮬레이션 결과는 3GPP의 레퍼런스와 비교하여 분석한다. 채널 모델은 채널의 특성, 빔포밍, 안테나 구성, 시나리오 등에 대한 파라미터와 3GPP TR 38.901에서 정의하는 파라미터를 기반으로 구성한다. 특히, 시나리오는 Indoor Hotspot(InH)의 Open과 Mixed 중에서 Open의 시나리오를 기반한다. 이 시나리오는 벽이나 장애물이 없기 때문에, LOS 확률로 기지국과 단말 간의 신호를 모델링한다. 또한, 기지국과 단말의 안테나는 모두 3GPP에서 정의하는 모델을 사용하며, 방위각과 고도각에 따라 패널의 각도를 조절하여 사용한다. 시뮬레이션 결과는 3GPP 표준에서 허용하는 범위 내에 있으며, REM(IPSD/SINR/SNR)을 활용하여 결과를 검증한다. 본 연구에서 구현한 채널 모델은 mmWave 대역의 특성과 다양한 환경에 대한 전파 특성을 고려하여 구성한다. 이 모델은 네트워크 배치 및 최적화를 제공하여 네트워크 커버리지 개선, 신호 강도 최대화, 간섭 최소화로 고성능의 통신에 활용된다. 또한, 시뮬레이션 결과는 실제 5G 네트워크 구축에 적용할 수 있으며, 다양한 환경 및 조건에 따라 파라미터를 변경하여 RF 성능 평가 및 검증을 제공한다. 향후 채널 모델링은 통신 시스템 설계, 성능 예측, 네트워크 구성 및 개선이 가능하여 5G의 이후 세대인 6G에서도 활용이 가능할 것으로 예상된다. 특히, 6G는 mmWave 대역과 sub-mmWave 대역을 포함하여 5G보다 더 빠른 전송 속도와 짧은 지연 시간을 제공할 것이다. 따라서, 본 연구에서 구현한 채널 모델이 6G에서 필요한 요구 사항을 충족하게 되면, 6G에서도 적용이 가능할 것으로 예상된다.