KR100312303B1

KR100312303B1 - 이동통신시스템에서로딩인자를사용하여기지국수결정하는방법

Info

Publication number: KR100312303B1
Application number: KR1019980023184A
Authority: KR
Inventors: 이상준; 유병철
Original assignee: 윤종용; 삼성전자 주식회사
Priority date: 1998-06-19
Filing date: 1998-06-19
Publication date: 2001-12-28
Also published as: AU3392999A; CN1142691C; KR20000002430A; AU731369B2; US6553233B1; CN1241100A

Abstract

일정 영역 내의 이동 단말기에게 무선 통신 서비스를 제공하는 다수의 기지국을 포함하는 이동통신 시스템의 기지국 수 설정방법이, 서비스 지역에 요구되는 Ering 값을 한 기지국이 수용할 수 있는 Erlang 값으로 나누어 소요되는 기지국수를 계산하여 로딩인자에 따른 용량대비 기지국수를 설정하는 과정과, 서비스 지역을 각 지형별로 구분하고 각 해당 면적을 각 지형에 해당하는 한 기지국이 수용할 수 있는 면적으로 나눈 후 해당 면적에서 산출된 기지국들을 합하여 면적대비 총 기지국수를 계산하여 로딩인자에 따른 면적대비 기지국 수를 설정하는 과정과, 용량대비 기지국 수 및 면적대비 기지국 수 중 큰 값을 선택하여 로딩인자에 의한 기지국수를 결정하는 과정으로 이루어진다.

Description

이동통신시스템에서 로딩 인자를 사용하여 기지국 수 결정하는 방법{METHOD FOR DETERMINING NUMBER OF BASE STATIONS USING LOADING FACTORS IN A MOBILE COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 무선 네트워크에서 최적의 기지국 개수 산출 방법에 관한 것으로, 특히 캐패시티와 서비스 영역에 따른 로딩 인자를 결정하여 기지국 수를 산출하는 방법에 관한 것이다.

셀룰러(Cellular) 이동 통신 시스템(Mobile Telecommunication System)은 전체 서비스 지역(Service Area)을 다수의 서비스영역(Coverage)인 셀(Cell)로 분할하여 무선 기지국(Base Station)으로 관할하고, 이러한 기지국들을 교환기로 집중 제어하여, 이동 가입자가 셀 간을 이동하면서도 통화를 계속할 수 있도록 한다. 기지국들은 유선 링크를 통해 이동 교환기(Mobile Switching Center: MSC)로 연결되고, 이동 교환기는 다른 이동 교환기나 공중 교환 전화 네트워크(Public Switched Telephone Network: PSTN)로 연결된다.

셀룰러 이동 통신 시스템은 이동 단말기(Mobile Station: MS)의 사용 주파수가 특정 채널로 고정되어 있는 것이 아니라, 기지국에서 지정해 주는 주파수에 자동 동조된다. 따라서 인접한 셀은 다른 주파수를 사용해야 하지만, 일정 간격 이상 떨어져 있는 셀 간에는 같은 주파수를 재사용할 수 있다. 이와 같이 셀룰러 이동 전화는 서비스 지역을 셀로 분할하여 주파수를 공간적으로 재사용할 수 있도록 하기 때문에, 주파수 이용 효율이 증가되어 많은 가입자를 수용할 수 있다.

코드분할 다중접속(Code Division Multiple Access: CDMA) 기술을 사용하는 이동 통신 시스템은 코드를 사용하여 하나의 주파수에 다수의 가입자를 수용할 수 있다. 도 1 은 공지된 코드분할 다중접속 무선 네트워크의 구조도를 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 일정 셀을 지원하는 기지국(10)(11)(12)(13)과, 다수의 기지국을 이동 교환기로 연결하는 기지국 제어기(Base Station Controller: BSC)(20)(21), 다수의 기지국 제어기를 다른 이동 교환기 또는 공중 교환 전화 네트워크로 연결하는 이동 교환기(30)로 구성된다. 상기 이동 교환기(30)는 방문자 위치등록기(31)에 저장된 가입자 정보를 사용하여, 이동 가입자에게 서비스를 제공한다.

상기된 바와 같이 구성된 셀룰러 이동 통신 시스템에서, 기지국을 설치할 위치와 기지국의 개수를 산출하는 것은 매우 중요한 작업이다. 이때 기지국의 개수를 산출하기 위하여, 가입자의 수와 서비스면적을 고려하여야 한다. 무선 네트워크에서 한 기지국이 서비스할 수 있는 가입자의 수를 구하고자 할 때, 이론적으로 산출된 최대 서비스용량(Traffic)에 시스템이 수용할 수 있는 범위, 즉 로딩 인자(Loading Factor)를 곱하여, 서비스할 수 있는 가입자 수를 구한다. 로딩 인자는 경우에 따라서 선택될 수 있으며, 통상적으로 50% 내지 75%의 범위 내에서 선택된다.

로딩 인자는 서비스 거리 분석 테이블에서 간섭 마진(Interference Margin)에 영향을 주기 때문에, 서비스가능한 셀 반지름(Cell Radius)을 결정하는 데도 적용된다. 즉, 로딩 인자가 증가하면 한 기지국이 서비스할 수 있는 가입자의 수, 즉 서비스용량은 증가되지만, 그 기지국의 셀 반지름, 즉 서비스면적은 감소한다. 그러므로 로딩 인자는 무선 네트워크를 설계할 때 적용된다. 무선 네트워크에서 기지국의 개수를 계산하는 방법은 수학식 1과 같다.

The_num_BTS = Max[(The_num_BTS__traffic),(The_num_BTS__coverage)]

여기서 The_num_BTS는 기지국 개수, The_num_BTS__traffic는 서비스용량에 의한 기지국개수, The_num_BTS__coverage는 서비스면적에 의한 기지국개수

상기와 같은 종래 기술의 경우, 로딩 인자는 서비스 면적에 대한 가입자 분포(Erlang/) 등의 지역적 특성에 관계없이 일관된 로딩 인자를 적용하여 최종 기지국 개수를 도출하였다. 즉, 로딩 인자를 결정할 때 요구되는 서비스용량과 서비스면적을 모두 고려하지 않았다.

종래 기술에 의한 기지국 개수 산출 과정의 첫 번째 예를 들면 다음과 같다.

일정 지역A는 서비스면적 3000내에 100,000 명의 서비스 가입자를 가진다. 상기 서비스면적은 형태학(Morphology)별로, 10%의 밀집도시(Dense Urban) 지역과, 20%의 도시(Urban) 지역, 20%의 외곽도시(Suburban) 지역 및 50%의 시골(Rural) 지역으로 구분된다고 가정한다. 상기 서비스 가입자 수 중 70%는 섹터-셀 영역에 존재하며, 30%는 옴니-셀 영역에 존재한다고 가정한다.

로딩 인자를 50%로 고정한 경우, 주어진 용량(가입자 수)를 수용할 수 있는 기지국 개수는 262개가 되며, 주어진 서비스면적을 수용할 수 있는 기지국 개수는 88개가 된다. 그러므로 두 값 중 더 큰 값을 가지는 262개로 결정한다. 즉, 서비스용량(가입자 수)에 의한 기지국 개수에 의해 최종 기지국 개수가 결정된다.

그러나 상기 지역A와는 달리 용량이 좀더 적게 요구되는 지역의 경우는 면적에 의한 기지국 개수에 영향을 많이 받게 된다. 종래 기술에 의한 기지국 개수 산출 과정의 두 번째 예를 들면 다음과 같다.

지역B는 서비스면적 4000내에 25,000 명의 서비스 가입자를 가진다. 상기 서비스면적과 서비스 가입자 수의 분포는 상기 첫 번째 예와 같다고 가정한다. 이 경우 로딩 인자를 50%로 고정하면, 주어진 서비스용량을 수용할 수 있는 기지국 개수는 66개가 되며, 주어진 서비스면적을 수용할 수 있는 기지국 개수는 118개가 된다. 그러므로 두 값 중 더 큰 값을 가지는 118개로 결정한다. 즉, 서비스면적에 의한 기지국 개수에 의해 최종 기지국 개수가 결정된다.

상기의 두 예에 나타낸 바와 같이, 주어진 서비스용량을 수용할 수 있는 기지국의 개수와 주어진 서비스면적을 수용할 수 있는 기지국 개수는 큰 차이를 가진다. 이것은 지역적인 특성에 따라 로딩 인자를 적절히 적용하지 못했기 때문이다. 즉, 종래 기술에서는 지역적인 특성을 고려하지 않고 로딩 인자를 일괄적으로 적용하였기 때문에, 주어진 서비스용량과 서비스면적을 모두 수용할 수 있는 기지국 개수를 산출할 수 없었다는 문제점이 존재했다.

본 발명은 상기한 바와 같이 동작되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 것으로서, 이동통신 시스템에서 주어진 서비스용량과 서비스면적을 모두 고려한 최적의 기지국 개수를 산출하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한 본 발명은 이동통신 시스템에서 최적의 기지국 개수를 산출하기 위하여, 지역적 특성에 따라 적절하게 로딩 인자를 결정하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 일정 영역 내의 이동 단말기에게 무선 통신 서비스를 제공하는 다수의 기지국을 포함하는 이동통신 시스템의 기지국 수 설정방법이, 서비스 지역에 요구되는 Ering 값을 한 기지국이 수용할 수 있는 Erlang 값으로 나누어 소요되는 기지국수를 계산하여 로딩인자에 따른 용량대비 기지국수를 설정하는 과정과, 상기 서비스 지역을 각 지형별로 구분하고, 각 해당 면적을 각 지형에 해당하는 한 기지국이 수용할 수 있는 면적으로 나눈 후 해당 면적에서 산출된 기지국들을 합하여 면적대비 총 기지국수를 계산하여 로딩인자에 따른 면적대비 기지국 수를 설정하는 과정과, 상기 용량대비 기지국 수 및 면적대비 기지국 수 중 큰 값을 선택하여 로딩인자에 의한 기지국수를 결정하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 한다.

도 1 은 공지된 코드분할 다중접속 무선 네트워크의 구성도를 나타낸 것이다.

도 2 는 로딩 인자의 증가에 따른 서비스용량에 의한 기지국 개수의 변화를 나타낸 도표이다.

도 3 은 로딩 인자의 증가에 따른 서비스면적에 의한 기지국 개수의 변화를 나타낸 도표이다.

도 4 는 본 발명에 의한 로딩 인자 결정을 위한 기지국 개수를 나타낸 도표이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10,11,12,13 : 기지국(BTS)

20,21 : 기지국 제어기(BSC)

30 : 이동 교환기(MSC)

31 : 방문자 위치등록기(VLR)

40 : 공중 교환 전화 네트워크(PSTN)

본 발명은 지역적 특성을 고려하여 로딩 인자를 적용함으로써, 최적의 기지국 개수를 산출한다. 종래 기술에 기재된 첫 번째 예의 경우, 로딩 인자를 75%로 조정한다면, 서비스용량에 의한 기지국 개수는 143개가 되고 서비스면적에 의한 기지국 개수는 133개가 되어, 최종 기지국 개수는 143개가 된다. 이것은 종래 기술에 의한 경우보다 119개가 줄어든 결과이다.

또한 두 번째 예의 경우, 로딩 인자를 40%로 조정한다면, 서비스용량에 의한 기지국 개수는 94개가 되고 서비스면적에 의한 기지국 개수는 104개가 되어, 최종 기지국 개수는 104개가 된다. 이것은 종래 기술의 경우보다 24개가 줄어든 결과이다.

그러므로 본 발명은 일정 지역의 서비스용량과 서비스면적에 따라 적절한 로딩 인자를 결정하는 방법을 제공하고, 그에 따른 최적의 기지국 개수를 산출하는 방법을 제공한다. 본 발명은 서비스용량에 의한 기지국 개수와 서비스면적에 의한 기지국 개수를 일치시키는 로딩 인자를 결정한다.

즉 본 발명은, 먼저 로딩 인자(Loading)가 증가함에 따라 감소하는 서비스용량에 의한 기지국 개수를 구하고, 로딩 인자가 증가함에 따라 증가하는 서비스면적에 의한 기지국 개수를 구한다. 그런 다음 서비스용량에 의한 기지국 개수와 서비스면적에 의한 기지국 개수의 차이를 최소로 하는 로딩 인자를 결정하고, 결정된 로딩 인자에 의해 최종 기지국 개수를 산출한다.

상기한 바와 같이 이동 통신 시스템에서 서비스 지역의 요구 조건을 만족하는 기지국을 계산하는 과정에서 사용하는 파라미터인 로딩인자는 그 증가에 따라 서비스 지역의 용량을 수용하는 기지국의 수들을 감소시키거나, 면적을 수용하는 기지국의 수들을 증가시킨다. 따라서 두 증감이 교차하는 지점이 존재하고, 이 값이 최종 기지국 산출 과정에서 적용될 때 가장 효과적인 기지국의 수를 결정할 수 있다. 본 발명의 실시예에서는 용량 수용 기지국과 면적 수용 기지국을 모두 포함하는 최종 기지국을 계산하는 과정에서 로딩 인자의 적당한 값을 결정하고, 이를 이용하여 이동통신 시스템의 최종 기지국수를 결정하는 방법을 살펴본다.

한 기지국이 서비스할 수 있는 용량을 분석하는 테이블(capacity table)에서 로딩 인자는 기지국 당 서비스할 수 있는 가입자를 결정하는데 큰 영향을 준다. 또한 한 기지국이 서비스 할 수 있는 면적을 분석하는 테이블(Link budget)에서는 기지국당 서비스할 수 있는 면적을 결정하는데 영향을 미친다. 따라서 본 발명의 실시예에서는 용량 기지국과 로딩인자, 면적 기지국과 로딩인자 사이의 관계를 살펴보고, 상기 로딩 인자가 용량과 면적을 수용하는 최종 기지국을 계산하는 과정을 살펴본다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다.

본 발명의 동작 원리를 설명하기 위하여, 서비스면적 3000내에 50,000 명의 서비스 가입자를 가지는 지역C를 가정한다. 상기 서비스면적은 형태학(Morphology)별로, 10%의 밀집도시(Dense Urban) 지역과, 20%의 도시(Urban) 지역, 20%의 외곽도시(Suburban) 지역 및 50%의 시골(Rural) 지역으로 구분된다고 가정한다. 상기 서비스 가입자 수 중 70%는 섹터-셀 영역에 존재하며, 30%는 옴니-셀 영역에 존재한다고 가정한다.

도 2 는 로딩 인자의 증가에 따른 서비스용량에 의한 기지국 개수의 변화를 나타낸 도표이다. 도시된 바와 같이, 로딩 인자가 증가함에 따라 서비스용량에 의한 기지국 개수(1)는 점차 감소한다.

도 3 은 로딩 인자의 증가에 따른 서비스면적에 의한 기지국 개수의 변화를 나타낸 도표이다. 도시된 바와 같이, 로딩 인자가 증가함에 따라 서비스면적에 의한 기지국 개수(2)는 점차 증가한다.

도 4는 로딩인자와 용량 소요 기지국 및 면적 소요 기지국을 포함하는 특성을 도시하는 도면이다.

먼저 로딩 인자에 따른 서비스 용량(capacity) 및 서비스 면적(Link budget)에 대한 영향을 살펴본다.

상기 한 기지국이 수용할 수 있는 룡량을 산출하는 방법은 상기 용량분석 테이블에서 계산된 이론적인 용량(pole capacity)에 로딩인자를 곱하여 실제 각 섹터(sector) 간에 서비스할 수 있는 채널수를 구한다. 그리고 이를 바탕으로 기지국 당 Erlang 값을 계산한다. 여기서 채널과 Erlang 사이에는 비선형(non-linear) 관계이므로, 상기 로딩인자가 커질수록 채널에 대한 Erlang 값은 비례적으로 증가하지는 않는다. 즉, 상기 로딩인자에 따라 채널의 증가량보다 기지국당 Erlang의 증가량이 크며, FA가 증가함에 따라 그 폭은 더 커진다.

그리고 한 기지국이 수용할 수 있는 면적을 산출하는 방법은 상기 면적분석테이블(Link budget)에서 MAPL(Maximum Allowable Path Loss)을 계산할 때 로딩인자가 자기 셀의 가입자에 의한 간섭을 고려한 간섭 마진(Interference_Margin)으로 포함되며, 이를 표현하면 하기 <수학식 2>와 같다.

Interference_Margin = 10*log(1-Loading_factor)

상기 <수학식 2>에서 상기 로딩인자가 증가함에 따라 MAPL 값은 감소하므로, 서비스할 수 있는 면적도 감소하게 된다. 즉, 상기 로딩인자가 증가함에 따라 서비스 면적은 감소하며, 이는 농촌(rural) 지역으로 갈수록 감소하는 폭은 더욱 커진다.

두 번째로 로딩인자에 따른 서비스 지역의 용량과 면적을 수용하기 위한 기지국 수의 변화 폭을 살펴본다. 상기한 바와 같이 로딩인자의 증가에 따라 한 기지국 당 용량은 증가하나, 한 기지국 당 서비스할 수 있는 면적은 감소한다. 그러므로 서비스 지역의 용량을 수용하기 위해 필요한 기지국의 수들은 증가하게 된다. 여기서 상기 로딩인자를 변화시키면서 용량과 면적 대비의 기지국 수 변화를 살펴보아야 한다.

먼저 로딩인자에 따른 용량대비 기지국의 수를 살펴본다. 상기 용량대비 기지국 수는 서비스 지역에 요구되는 Erlang 값을 한 기지국이 수용할 수 있는 Erlang 값으로 나누어 줌으로써 소용되는 기지국 수를 하기 <수학식 3>과 같이 계산할 수 있다.

상기 <수학식 3>에서 한 기지국이 수용할 수 있는 Erlang 값이 커질수록 서비스 지역의 용량을 수용하기 위한 기지국 수는 감소한다. 상기 로딩인자에 대한 용량 소료 기지국 수는 상기 도 2에 도시된 바와 같이 로딩인자가 증가함에 따라 기지국 수는 큰 폭으로 감소하고 있으며, 높은 FA일수록 변화폭은 커진다.

두 번째로 로딩 인자에 따른 면적 기지국 수를 살펴본다. 상기 면적대비 기지국 수는 서비스 지역을 각 지형학(morphology)별 기지국의 면적이 감소하면 서비스 지역을 수용하기 위한 기지국의 수는 증가하게 된다. 도 3은 로딩 인자에 따른 각 지형학별 소요 기지국 수와 총 기지국 수에대한 변화량을 도시하고 있다. 상기 도 3에 도시된 바와 같이 로딩인자가 증가함에 따라 면적 대비 소요 기지국은 증가하고 농촌 지역에 대한 변화량이 가장 크다.

세 번째로 상기 로딩인자에 의한 서비스 지역의 용량과 면적을 고려하여 이동통신시스템의 기지국 수를 결정하는 방법을 살펴본다.

서비스하는 지역의 최종 기지국 수를 결정할 때에는 요구되는 용량과 면적을 모두 고려한 값으로 정의한다. 즉, 상기 최종 기지국 수를 결정할 때에는 상기 <수학식 1>에 나타낸 바와 같이 상기 두 가지 값들 중 가장 큰 값을 취한다. 상기 <수학식 1>은 최종 기지국 수를 결정하는 계산식이며, 상기 BTS__traffic(용량 소요 기지국)과 BTS__coverage(면적 소요 기지국)의 차이가 적게 발생할 때 서비스 지역의 용량과 면적을 모두 수용하는 최종 기지국에 최소 개수가 도출된다. 상기 도 4는 로딩인자와 상기 BTS__traffic(용량 소요 기지국)과 BTS__coverage(면적 소요 기지국)를 모두 포함하는 특성을 도시하고 있다. 상기 도 4에 도시된 바와 같이 서비스 지역의 용량과 면적을 모두 고려하는 최종 기지국 수를 결정할 때 상기 로딩인자 60%를 적용하면 최종 기지국 수는 약 100개 소요된다. 그리고 상기 로딩인자 50%를 적용하면 최종 기지국수는 약 130개가 소요되며, 로딩인자 70%를 적용하면 약 120개의 기지국이 소요된다.

상기한 바와 같이 서비스 지역의 최종 기지국 수를 결정하는 데에는 용량대비 기지국의 수와 면적대비 기지국의 수 중 가장 큰 값을 취한다. 이 계산과정에서 로딩 인자를 조절하여 용량과 면적대비 기지국 수의 차리를 최소값을 만들 때 상기 최종 기지국수는 가장 효율적인 개수가 된다. 이런 기지국의 수를 도출시키는 포인트를 로딩인자의 최적 포인트(optima point)라고 하며, 이 값은 환경에 따라 달라질 수 있다. 실험에 의하면 상기 최적 포인트가 60%로 결정될 때 최종 기지국의 개수가 최소가 된다. 본 발명의 실시예에서는 서비스 지역에서 요구되는 용량과 면적을 고려한 최종 기지국 수를 도출하는데 로딩인자의 최적 포인트를 적용하여 기지국 수를 계산한다.

상술한 바와 같이 본 발명의 실시예는 이동통신 시스템에서 서비스하고자 하는 지역의 특성에 대하여 최적의 로딩 인자를 각기 다르게 산출할 수 있다. 즉, 서비스용량에 의해 결정되는 기지국 개수와 서비스면적에 의해 결정되는 기지국 개수를 모두 고려하여 로딩 인자를 결정함으로써, 지역적인 특성에 맞는 로딩 인자를 결정한다. 그러므로 결과적으로 최적의 기지국 수들을 설정할 수 있는 이점이 있다.

Claims

일정 영역 내의 이동 단말기에게 무선 통신 서비스를 제공하는 다수의 기지국을 포함하는 이동통신 시스템의 기지국 수 설정방법에 있어서, 서비스 지역에 요구되는 Erlang 값을 한 기지국이 수용할 수 있는 Erlang 값으로 나누어 소요되는 기지국수를 계산하여 로딩인자에 따른 용량대비 기지국수를 설정하는 과정과, 상기 서비스 지역을 각 지형별로 구분하고, 각 해당 면적을 각 지형에 해당하는 한 기지국이 수용할 수 있는 면적으로 나눈 후 해당 면적에서 산출된 기지국들을 합하여 면적대비 총 기지국수를 계산하여 로딩인자에 따른 면적대비 기지국수를 설정하는 과정과, 상기 용량대비 기지국 수 및 면적대비 기지국 수 중 큰 값을 선택하여 로딩인자에 의한 기지국수를 결정하는 과정으로 이루어짐을 특징으로 하는 이동통신 시스템에서 로딩인자를 이용한 기지국 수 설정방법.