Cell-free network란?
전통적인 cell 구조의 근본적인 한계를 극복하기 위해, "셀로 구별하지 않는 (cell-free)" 분산형 협력 네트워크 구조를 의미한다.
이러한 구조를 이용하여 유저 서비스의 균일화(Quality of Service), 간섭 최소화, 확장성·신뢰성·에너지 효율성 향상 등 다방면의 이점을 실현함으로써, 6G 세대 무선 통신 핵심 기술 중 하나로 꼽히고 있다.
등장배경
Cell-free network 구조의 등장배경으로 다음과 같이 크게 두 가지로 나눌 수 있다.
1. Cell edge problem
기존의 전통적인 cell 기반의 cellular system에서는 기지국(Base Station, BS)마다 coverage cell을 나누고 각 기지국이 자신의 cell 내 유저에게 서비스를 제공해왔다.
이때, cell 경계 부근 사용자들은 최소 두 개 이상의 cell 경계 영역에 걸쳐 위치하게 되는데, 이러한 cell 간의 전력 차이로 인해 수신 신호 품질이 급격히 저하되고, 간섭(inter-cell interference)이 심해지는 ‘셀 엣지 문제(cell-edge problem)’에 직면한다.
2. 네트워크 밀집화의 한계
Cellular system에서는 capacity 및 coverage를 확장하기 위해서, 소형 기지국(pico/femto cell)을 촘촘히 배치하는 "네트워크 밀집화"를 추진해왔다. 그러나, 다음과 같은 문제들에 직면한다.
- 촘촘한 배치로 인한 간섭 관리 비용 급증
- 소규모 기지국간 동기화 및 자원 할당 복잡도 증가
- 각 기지국당 처리 능력(컴퓨팅/backhaul)이 제한적
이러한 한계로 인하여 고도의 밀집화는 사실상 실효성이 떨어진다.
Cell-free MIMO 네트워크의 장점
1. 균일한 성능 보장
분산된 AP(access point를 의미함. Fig.1에서는 RRU(remote radio unit)로 표기)들이 협력 송수신(cooperative transmission)을 수행하므로, 어떤 지점에서도 복수의 AP 신호를 동시에 수신한다.
전통적 cell 경계의 “edge” 개념이 사라져, 대역폭 및 데이터율이 네트워크 전체에 걸쳐 평탄(flat)하게 유지 가능하다.
2. 간섭 억제 및 주파수 효율성 향상
AP 간 채널 상태 정보(channel state information)를 공유하고, 빔포밍(beamforming)을 통해 강한 간섭을 적극적으로 "무효화(zero-forcing, MMSE 등)"할 수 있다.
이에 따라 각 유저에 대한 신호대간섭비(signal-to-interference-plus-noise ratio, SINR)가 크게 개선되어, 주파수 효율성(spectral efficiency [bits/s/Hz])이 기존 cellular network 대비 월등히 증가한다.
3. Massive MIMO system으로의 확장
Massive MIMO가 제공하는 공간다중화 이득(multiplexing gain)을 물리적으로 분산하여, 대규모 안테나 배열의 설치·운용 제약의 완화를 이끌어 낼 수 있고, 또한 소규모 AP 다수를 저비용·저전력으로 촘촘히 배치가 가능하기 때문에 각 AP 별 전력·계산 자원 부담 완화를 할 수 있다.
4. 유연한 확장성(Scalability)
AP를 추가할 때마다 네트워크 capacity가 점진적으로 증가한다.
특히, 중앙 집중형 기지국 capacity 한계에 구애받지 않고, 중앙처리장치(CPU)와의 프론트홀(fronthaul) 연결만 확보되면 확장 가능하다.
5. 향상된 견고성(Robustness) 및 가용성
특정 AP가 고장이 날 경우, 주변의 다른 다수 AP가 자동으로 보완하여 통신 성능의 robustness를 보장한다.
이로 인해 네트워크 전체의 서비스 중단 위험이 크게 감소한다.
6. 사용자 중심의 동적 클러스터링(Dynamic clustering)
모든 AP가 모든 사용자에게 동시에 협력하는 대신, 사용자별 채널 환경에 따라 동적·선별적 AP 클러스터(user-centric clustering)를 형성하여 운용 가능하다.
이는 불필요한 신호 처리를 줄이고, fronthaul 및 연산 부담을 최적화하여 에너지 효율성(energy efficiency)을 증가시킬 수 있다.
마치며
기존의 cellular network는 cell-free network의 special case라 할 수 있다.
Cell-free network에서 유저는 하나의 기지국에게 서비스를 받도록 설정한다면, cell로 구별되는 coverage가 생성되게 되어 cellular network로 볼 수 있게 된다.
앞으로의 통신 발전 측면에서 바라보면, 많은 multiplexing gain 및 degree-of-freedom (DoF) gain을 확보하여 통신 속도를 증가시킬 수 있는 cell-free network가 주목받는 것은 당연한 현상이다.
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