KR100546481B1 - 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법 - Google Patents

이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법에 관한 것으로써, 이동통신망의 기지국에 의해 커버되는 지역의 전파환경을 최적화하기 위해 그 지역의 전파감쇄 효과와 통화량 분포를 분석하여 해당 기지국의 안테나 최적값인 방위각, 경사각 및 출력을 자동으로 계산하여 설치할 수 있도록 함으로써 인력에 의한 현장에서의 반복작업을 최소화할 뿐만 아니라 여러 기지국 안테나의 최적화를 동시에 수행할 수 있는 이점이 있다.
기지국, 안테나, 최적화, 방위각, 경사각, 송출전력, 통화량, 의사거리, 전파감쇄

Description

이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법{METHOD FOR OPTIMIZING ANTENNA CONFIGURATION OF BASE STATION IN MOBILE NETWORK}
도 1은 본 발명에 의한 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따라 사이트와 빈간의 의사거리를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 1-섹터 기지국의 방향각을 나타낸 함수 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따라 셀 분할한 보로노이 다이어그램이다.
도 5는 본 발명에 따라 셀 분할 후 셀 레벨링을 한 보로노이 다이어그램이다.
도 6은 본 발명에 따라 섹터 영역과 섹터간 핸드오프 영역을 나타낸 도면이다.
도 7은 본 발명에 따라 섹터의 통화량 중심을 나타낸 도면이다.
도 8은 본 발명에 따라 안테나의 경사각을 구하기 위해 나타낸 도면이다.
도 9는 본 발명에 따른 섹터의 가상 커버리지를 나타낸 도면이다.
본 발명은 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법에 관한 것으로써, 보다 상세하게는 이동통신망의 기지국에 의해 커버되는 지역의 전파환경을 최적화하기 위해 그 지역의 전파감쇄 효과와 통화량 분포를 분석하여 해당 기지국의 안테나 최적값인 방위각, 경사각 및 출력을 자동으로 계산하여 설치할 수 있도록 함으로써 인력에 의한 현장에서의 반복작업을 최소화할 뿐만 아니라 여러 기지국 안테나의 최적화를 동시에 수행할 수 있도록 한 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법에 관한 것이다.
일반적으로 PCS(Personal Communication Service)나 CDMA(Code Division Multiple Access)시스템에 의한 이동통신망을 최적화하기 위해서는 기지국 기본시험, 커버리지 최적화, 시스템 용량 최적화, 교환기가 하드 핸드오프 최적화, 호품질 최적화 및 위치등록 성공률 최적화 등의 단계를 거쳐 최적화시키게 된다.
이때 커버리지 최적화하여 전파환경을 높이기 위해서 기지국의 안테나를 설치할 때 안테나의 방위각, 경사각, 출력 등이 최적화되도록 조절하여 설치함으로써 해당 지역의 전파환경을 높여 커버리지를 최적화하였다.
그런데, 이와 같은 값을 최적화하기 위해서는 현장에서 운용자의 경험 및 대략적인 판단에 의해 조절하고 측정하는 과정을 반복하면서 단순히 전파감쇄 지수를 사용하여 파일롯의 출력 세기를 조절하고 또한 기지국 중심의 높이에 따라 안테나의 고저를 조절하였으며, 기지국의 출력으로 커버리지를 조절하지 못한 경우에는 안테나의 경사각을 조절함으로써 커버리지를 조절하였다.
그리고, 전반적인 커버리지가 커서 주변 기지국간의 핸드오프 영역이 너무 커서 상호간의 간섭이 심할 경우에는 안테나의 방위각을 약 3도에서 5도로 조정하여 간섭을 줄이는 조치를 취하였다. 또한, 단말기의 수신 세기 또는 핸드오프의 성공률을 높이기 위해서는 주요 도로의 단말기가 서비스 되도록 안테나의 메인 방향 자체를 바꾸는 조치를 취함으로써 커버리지를 최적화 하였다.
이와 같이 기지국 안테나를 최적화하기 위해서는 운영자의 경험 및 대략적인 판단에 의해 현장에서의 반복작업 및 측정에 의해 기지국 안테나를 최적화함에 따라 한번에 최적화 할 수 있는 기지국의 개수가 한정될 뿐만 아니라 최적화하기 위해 막대한 인력 및 시간이 소요되는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 창작된 것으로서, 본 발명의 목적은 이동통신망의 기지국에 의해 커버되는 지역의 전파환경을 최적화하기 위해 그 지역의 전파감쇄 효과와 통화량 분포를 분석하여 해당 기지국의 안테나 최적값인 방위각, 경사각 및 출력을 자동으로 계산하여 설치할 수 있도록 함으로써 인력에 의한 현장에서의 반복작업을 최소화할 뿐만 아니라 여러 기지국 안테나의 최적화를 동시에 수행할 수 있는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법을 제공함에 있다.
상기와 같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 최적화를 위해 분석대상이 되는 지역과 해당 기지국의 정보를 통해 분석영역을 설정하고 분석영역에 대한 전파감쇄를 분석하는 단계와, 기지국을 중심으로 전파감쇄에 의한 의사거리함수를 통해 분석영역들을 근접한 사이트에 할당하여 셀을 분할하는 단계와, 셀을 분할 한 후 인접한 기지국간 통화량 분포에 따른 밸런스지수를 의사거리함수에 반영하여 셀을 재분할하는 단계와, 셀을 재분할한 후 기지국의 각 섹터 영역에 대해 통화량이 고르게 분산되고 이웃하는 섹터 영역들의 경계에서 소프터 핸드오프가 적은 각 섹터의 방위각을 각각 설정하는 단계와, 각 섹터의 방위각을 설정한 후 기지국을 중심으로 거리에 대한 각 섹터내의 통화량 밀도를 구한 후 통화량 밀도의 무게중심으로 주빔이 향하도록 각 섹터의 경사각을 각각 설정하는 단계와, 각 섹터의 경사각을 각각 설정한 후 각 섹터별로 섹터내의 분석영역에서 양호한 파일롯 Ec/Io를 갖는 분석영역이 일정비율 이상이 되도록 각 섹터별 송출전력을 설정하는 단계와, 각 섹터별 송출전력을 설정한 후 실제 트래픽을 의사거리함수에 반영하여 셀을 새롭게 분할 한 후 각 섹터의 방위각, 경사각, 송출전력을 설정하는 단계를 반복하는 최적화 향상 단계로 이루어진 것을 특징으로 한다.
위에서 셀을 재분할하기 위한 의사함수는
Figure 112004000107095-pat00001
인 것을 특징으로 한다.
단, -
Figure 112004000107095-pat00002
는 전파감쇄에 의한 의사거리 함수,
-
Figure 112004000107095-pat00003
는 통화량 밸런스를 위한 파라미터
이때
Figure 112004000107095-pat00004
는 인접한 기지국간 통화량 밸런스를 위해 다음 식에 의해서 구해지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112004000107095-pat00005
단, - T(S) : 분석영역내 통화량,
-
Figure 112004000107095-pat00006
: 인접한 기지국들의 통화량 평균
- K : 통화량 밸런스 지수 (>0)
- F : 보정인자 (>0)
또한, 셀을 재분할 하는 단계 이후 각 사이트에 대해 최소 커버리지 반경 및 최대 커버리지 반경을 설정하여 최소 커버리지 반경 이내의 분석영역은 항상 해당 사이트의 셀에 할당하고 최대 커버리지 반경 밖의 분석영역은 해당 사이트의 셀에서 제외시키는 단계를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
각 섹터의 방위각을 설정하는 단계에서 방위각을 설정하기 위해 다음 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112004000107095-pat00007
단, -
Figure 112004000107095-pat00008
: 각 섹터
-
Figure 112004000107095-pat00009
: 섹터별 통화량 편차
-
Figure 112004000107095-pat00010
: 섹터간 소프터 핸드오프 영역에 속해 있는 총통화량
-
Figure 112004000107095-pat00011
: 각 섹터의 통화량
각 섹터의 방위각을 설정하는 단계에서 각 섹터의 방위각을 순차적으로 가변하면서 최소값이 되도록 반복하여 설정하는 것을 특징으로 한다.
위에서 경사각을 설정하기 위한 통화량 밀도는 다음 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112004000107095-pat00012
단. -
Figure 112004000107095-pat00013
: 섹터의 방위각 범위
- r : 기지국으로부터의 거리
- T : 통화량
또한, 통화량 분포의 무게중심을 다음 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112004000107095-pat00014
각 섹터별 송출전력을 설정하는 단계에서 각 섹터별로 송출전력을 설정한 후 섹터별 간섭에 의한 파일롯 Ec/Io의 변화가 없을 때까지 반복하여 각 섹터별 송출전력을 설정하는 것을 특징으로 한다.
이때 각 섹터별 송출전력은 다음 식에 의해 반복적으로 구해지는 것을 특징 으로 한다.
- (Ec/Io)tgt ≤(Ec/Io)μ일 때
new Power = old Power + (Ec/Io)tgt -(Ec/Io)μ
- (Ec/Io)tgt >(Ec/Io)μ 일 때
new Power = old Power + α((Ec/Io)tgt -(Ec/Io)μ)
단, - (Ec/Io)μ = 100- (양호한 파일롯 Ec/Io 비율 ; (Ec/Io)tgt)
- α : 1 이하의 상수
위에서 최적화 향상 단계에서 실제 트래픽은 양호한 파일롯 Ec/Io를 갖는 분석영역의 통화량 합인 것을 특징으로 한다.
이때 셀을 새롭게 분할하기 위한 의사거리함수는 아래 식에 의한 것을 특징으로 한다.
Figure 112004000107095-pat00015
단. -
Figure 112004000107095-pat00016
-
Figure 112004000107095-pat00017
: 인접한 기지국간의 양호한 파일롯 Ec/Io에 의한 평균 통화량
- KG : 셀 분할의 변화효과를 조절하기 위한 상수
셀을 새롭게 분할 한 후 반복하는 단계에서 방위각, 경사각, 송출전력의 변화가 없을 때까지 반복하는 것을 특징으로 한다.
위에서 기지국은 3섹터 기지국인 것을 특징으로 한다.
한편, 기지국이 1섹터나 2섹터인 경우 전파감쇄에 의한 의사거리함수에 안테나의 수평게인과 수직게인을 부가하여 산출하는 것을 특징으로 한다.
위에서 기지국이 1섹터나 2섹터인 경우 의사거리함수는 다음 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 한다.
Figure 112004000107095-pat00018
단, - Kh, Kv : 셀 분할을 위한 상수
- θ, φ : 섹터 t의 안테나 주빔과 반직선 tb가 이루는 수평 및 수직각
-
Figure 112004000107095-pat00019
, : 섹터 t의 안테나의 수평 및 수직 게인
또한, 기지국이 1섹터나 2섹터로 구성된 경우 경사각이나 송출전력 만을 최적화하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 또한 본 실시예는 본 발명의 권리범위를 한정하는 것은 아니고, 단지 예시로 제시된 것이다.
도 1은 본 발명에 의한 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법을 설명하기 위해 순차적으로 나타낸 흐름도이다.
먼저 주어진 영역에서의 이동통신망 구성을 최적화하기 위하여 분석대상이 되는 지역과 해당 기지국의 정보를 이용하여 최적화 시나리오를 구성한다. 이를 위 해서는 분석영역(area)을 설정하고 사이트 집합을 그 위에 배치한다.
이때 분석영역은 고도 정보, 지형의 특성(산, 강 등), 건물 및 도로 정보, 거주적 특성(인구밀집도시, 공원 등) 등의 지리정보와 분석 단위 영역별 통화량 분포 등의 정보를 입력한다.
그런다음, 위에서 설정한 분석영역 위에 기지국에 대한 정보, 기지국 위치, 안테나 타워의 높이, 안테나 정보 등을 입력한 사이트 집합을 배치한다.
이때 분석영역의 크기는 정사각형, 삼각형 등의 다각형 형태로 통화량, 전파감쇄정도, 파일롯 Ec/Io 등의 분석 결과를 값으로 가지고 있으며, 분석영역의 해상도는 해상도가 높으면 분석영역의 크기는 작아지지만 분석과 최적화 수행시 시간이 많이 걸리기 때문에 이를 고려하여 크기를 설정한다.
그리고, 이후 분석영역 각각을 빈(bin)이라고 부르기로 한다.
이렇게 설정된 빈의 전파감쇄(passloss) 모델을 설정하고 시스템, 망환경 관련 파라미터를 설정한다. 이와 같이 빈에 각종 입력정보와 설정된 사항을 바탕으로 빈들에 대한 전파감쇄 분석을 수행한다(S10).
이와 같이 분석영역인 빈을 설정하고 전파감쇄를 분석한 후 사이트를 중심으로 전파감쇄에 의한 의사거리함수를 통해 빈들을 가장 근접한 사이트에 할당하여 셀을 분할한다(S20).
즉, 의사거리함수를 구성하여 그 거리함수에 따라 주어진 빈들을 셀들로 분할하여 사이트별로 가상 커버리지를 설정한다.
이때 도 1에 도시된 바와 같이 사이트(s)와 빈(b)사이의 의사거리(pseudo-distance) 함수는
Figure 112004000107095-pat00020
으로써 pathloss(s,b)는 사이트(s)와 빈(b)사이의 전파감쇄 모델에 따른 함수이고
Figure 112004000107095-pat00021
는 사이트별로 다른 값을 갖는 값으로써 사이트 주변의 통화량 분포, 지형(고도, 빌딩의 높이) 분포 등을 고려하여 정해지는데 먼저
Figure 112004000107095-pat00022
는 1로 설정하고
Figure 112004000107095-pat00023
는 0으로 설정하여 주변의 통화량 분포나 지리적 특성을 고려하지 않고 셀을 분할한다.
이때, 대부분의 기지국은 3개의 섹터를 가지지만 1개의 섹터 또는 2개의 섹터를 가진 기지국들도 실제로 배치될 수 있다.
따라서, 이렇게 1-섹터 또는 2-섹터 기지국들에 대해서는 S를 1-섹터 또는 2-섹터 기지국이라고 하고 t를 S의 한 섹터라고 할 때 우선 섹터 t와 각각의 빈 b사이의 의사거리함수 ms(b)를 다음과 같이 정의한다.
Figure 112004000107095-pat00024
여기서, Kh = 3/4 , Kv = 1 로써 적당한 셀 분할을 위해 선택된 상수들이고 θ와 φ는 섹터 t의 안테나 주빔과 반직선 tb가 이루는 수평 및 수직각의 크기이고
Figure 112004000107095-pat00025
와
Figure 112004000107095-pat00026
는 섹터 t의 안테나의 수평 및 수직 게인이다. 또한 함수 f는 구간 [0, 360]에서 정의된 도 2와 같은 함수로써 t의 안테나 주빔이 향하는 방향각에서는 '0'으로 정의되고 그 외의 방향각에서는 '1'로 정의되어 의사거리 함수에서 수직게인의 반영여부를 판정하게 되며 안테나의 주빔이 미치지 않는 영역에서는 거리가 멀리 설정되도록 하고 있다.
이와 같이 1-섹터나 2-섹터 기지국의 경우에도 사이트 S의 각 섹터와 빈 사이의 거리함수로 설정할 수 있게 된다.
각 빈별로 주위 사이트까지의 거리들을 위의 의사거리함수들을 이용하여 구하고, 구한 거리들 중 가장 작은 값을 가지게 하는 사이트에 빈을 귀속시킨다. 이것은 수학적으로
Figure 112004000107095-pat00027
으로 표현된다.
이렇게 각각의 빈들을 주위의 어느 한 사이트에 속하도록 하여 주어진 분석영역을 사이트가 중심에 있는 셀들로 분할한다.
이와 같이 영역을 분할한 것을 일반적으로 보로노이 다이어그램(Voronoi diagram)이라고 부르며 도 3과 같이 구성된다.
이렇게 일차적으로 전파감쇄 만을 통해 셀을 분할 한 후 인접한 사이트간 통화량 밸런스를 고려하여 주변 사이트에 비해 통화량이 많은 사이트는 셀의 크기를 줄여 사이트 용량 면에서 더 효율적이고 합리적으로 셀을 재분할한다(S30).
이를 구체적으로 설명하면 셀을 재분할하기 위한 의사거리 함수
Figure 112004000107095-pat00028
는 주변 사이트의 통화량 분포를 반영하여 결정한다.
여기서 는 미리 설정되어 있던 사이트 S의 의사 거리함수이며,
Figure 112004000107095-pat00029
는 통화량 밸런스를 향상시키기 위한 모수(parameter)이다. 즉, 주변기지국에 비해 통화량이 많은 사이트의 의사거리함수는
Figure 112004000107095-pat00030
의 값을 크게 설정하고, 통화량이 적은 사이트에 는
Figure 112004000107095-pat00031
의 값을 작게 설정한다.
이때, 각 사이트 s에 대한
Figure 112004000107095-pat00032
는 다음과 같은 방법에 의해 반복하여 적절한 값을 찾데 이 과정을 셀 레벨링(cell leveling)이라고 한다.
첫째, 셀 레벨링 최대 반복 회수 N, 보정 인자(Adjustment factor) F (>0)와 통화량 밸런스 지수(Traffic balance index) K (>0)를 설정한다. F가 작을수록 의사거리함수가 미세하게 조정되어 보다 정밀한 레벨링이 가능하며, K가 작을수록 통화량 밸런스 조건이 강하게 적용된다. 물론, 이 값들은 수행시간 및 시스템 용량을 고려하여 설정한다.
둘째, 통화량 분포를 고려하지 않고, 전파감쇄에 의해 셀 분할을 수행하여 를 구한다.
셋째, 각 사이트에 대한 통화량 분포
Figure 112004000107095-pat00033
의 값을 모두 0으로 설정한 뒤, 다음 과정을 N회 반복한다.
① 각 사이트 S가 담당하고 있는 영역 내 통화량 T(S)를 구한다.
② 사이트간의 인접성을 나타내는 사이트 인접그래프(Adjacency graph)를 그린다.
③ 각 사이트 S에 대해 인접하는 사이트들의 통화량 평균
Figure 112004000107095-pat00034
을 구한다.
④ 각 사이트 S 에 대해, 새로운 통화량 분포
Figure 112004000107095-pat00035
를
Figure 112004000107095-pat00036
로 설정하고, 각 의사 거리함수는
Figure 112004000107095-pat00037
로 둔다.
⑤ ④에서 변경된 값이 있으면, 이를 적용하여 다시 셀 분할을 수행하고, 변경된 값이 없으면, 셀 레벨링을 정지한다.
이와 같은 셀 레벨링을 거쳐 분할된 셀을 재분할함에 따라 도 4와 같이 각 빈에 통화량이 균등하게 분포하였다. 따라서 각 사이트의 통화량은 셀의 크기에 비례하며, 셀의 크기가 고를수록 통화량 밸런스가 더욱 향상된다.
이때, 인접 사이트와의 통화량 밸런스를 고려할 때 1-섹터의 경우에는 통화량의 3배값을 2-섹터의 경우에는 3/2배 값을 통화량 기준치로 하여 인접 사이트와 통화량을 비교하여 셀 레벨링을 수행한다.
이와 같이 셀 레벨링을 N=30, F=1, K=0.5로 진행한 결과 도 2와 비교할 때 도 3의 ○ 표시된 부분이 셀 레벨링 효과가 크게 나타난 것을 알 수 있다.
그렇게 셀 재분할을 수행한 후 각 사이트에 대해서 최소 커버리지 반경 및 최대 커버리지 반경을 설정하여 최소 커버리지 반경 이내의 영역은 항상 그 사이트의 셀 영역에 포함시키고 최대 커버리지 반경 밖의 영역은 조건 없이 그 사이트의 셀 영역에서 제외함으로써 지리적인 특징에 의해 일반적이지 않은 빈은 강제적으로 조절한다.
이렇게 셀을 재분할한 후 사이트의 각 섹터 영역에 대해 통화량이 고르게 분산되고 이웃하는 섹터 영역들의 경계에서 소프터 핸드오프가 적은 각 섹터의 방위각을 각각 설정한다(S40).
즉, 안테나의 방향각을 설정할 때 고려해야 할 것은 통화량 밸런스, 소프터(softer) 핸드오프의 양으로써 통화량이 골고루 분산되어 어느 한 섹터에만 통화량이 몰려있지 않도록 해야 하고, 이웃하는 섹터들의 경계에서 소프터 핸드오프가 많이 일어나지 않도록 해야 한다.
하나의 사이트는 일반적으로 3개의 섹터를 가지고 있다고 가정하고 방향각을 설정한다.
만약, 사이트가 1개나 2개의 섹터로 이루어졌을 경우 방향각은 운영자의 의도에 따라 정해진다고 볼 수 있어 방향각의 최적화는 수행하지 않고 정해진 방향각을 통해 경사각이나 송출전력의 최적화만을 수행하게 된다.
따라서, 세 개의 섹터를 각각
Figure 112004000107095-pat00038
라고 쓸 때 섹터별 통화량 편차는
Figure 112004000107095-pat00039
라고 쓰고, 섹터간 소프터 핸드오프 영역에 속해 있는 총통화량을
Figure 112004000107095-pat00040
라고 쓴다. 여기서
Figure 112004000107095-pat00041
는 각 섹터의 통화량을 나타내고,
Figure 112004000107095-pat00042
는 두 섹터 간에 존재하는 소프터 핸드오프의 양을 나타낸다.
앞에서 언급했듯이 통화량이 골고루 분산되어 어느 한 섹터에만 통화량이 몰려있지 않도록 해야 하고, 이웃하는 섹터들의 경계에서 소프터 핸드오프가 많이 일 어나지 않도록 해야 할 경우
Figure 112004000107095-pat00043
와
Figure 112004000107095-pat00044
가 최소가 되어야 한다.
그런데, 이 문제는 다중 목적함수를 가지는 최적화 문제로 볼 수 있어 두 함수를 동시에 최소화하는 안테나 방향 구성(configuration)
Figure 112004000107095-pat00045
가 존재하지 않을 수가 있기 때문에 다음과 같은 목적함수로 구성할 수 있다.
Figure 112004000107095-pat00046
여기서, M의 윗첨자 w는 0에서 1사이의 값을 가지며, 아래첨자 op는 최적화(optimal)라는 의미로써 이것은 다음에 나오는 부분 최적(suboptimal) 개념과 구별하기 위하여 사용한 것이고,
Figure 112004000107095-pat00047
는 세 안테나의 방향을 가리킨다.
섹터가 3개가 있다고 가정할 경우 3개의 안테나 방향을 결정해야 할 때 각의 최소단위가 1도라고 하면, 가능한
Figure 112004000107095-pat00048
의 수는 모두 360×360×360 = 46,656,000 가지가 된다. 여기에 주어진 분석 영역 내에 있는 사이트의 수까지 곱하면 더 큰 수가 된다. 따라서 목적함수의 값을 하나 계산할 때마다 섹터내의 통화량을 계산해야 하므로 이 모든 경우에 대하여 위의 목적함수 값을 계산하는 것은 매우 비효율적이다.
그래서, 다음과 같이 크게 두 단계로 나누어 부분 최적(sub-optimal)의 안테나의 방향각을 설정한다.
먼저, 일차적으로 안테나 방향을 결정한다. 즉, 섹터화 할 사이트의 영역을 Ω라고 하고, 세 개의 섹터를 각각
Figure 112004000107095-pat00049
이라고 하고, 섹터 Sα의 영역을 Ω안에서 안테나 주 빔(beam) 방향
Figure 112004000107095-pat00050
에서 좌우로 C/2 만큼 펼쳐진 부채꼴 모양이라고 한다. 이때 C는 140∼160도 정도의 값으로 안테나 빔의 폭에 의존하게 된다.
마찬가지로 다른 섹터
Figure 112004000107095-pat00051
에 대해서도 마찬가지로 정의한다.
그런다음, 각 섹터의 주빔 방향
Figure 112004000107095-pat00052
가 서로 120도를 이루고 있다고 가정하고, 이때의 각 섹터 내의 총통화량을 각각
Figure 112004000107095-pat00053
라고 하고, 각 핸드오프 영역에서의 통화량을 각각
Figure 112004000107095-pat00054
라고 가정한다.
이를 도면으로 나타내면 도 5와 같이 나타낼 수 있다.
그러면, 섹터간 통화량 불균형 V와 핸드오프 영역에서의 총통화량 H를 각각 다음과 같이 정의할 수 있다.
Figure 112004000107095-pat00055
Figure 112004000107095-pat00056
그런데 하나의 안테나 주빔 방향만 결정되면 다른 섹터들의 안테나 주빔 방향은 자동으로 결정되므로 위의 V와 H는 섹터 Sα의 안테나 주빔 방향
Figure 112004000107095-pat00057
)에 대한 함수라고 보아도 무방하다.
따라서, 위와 같은 조건 하에서 최적화 목적함수는
Figure 112004000107095-pat00058
라고 표현할 수 있다.
여기서 첨자 subop는 sub-optimal의 약자로써 위에서 언급된
Figure 112004000107095-pat00059
의 해 θ를 최소화하지 못할 수도 있기 때문에 부분 최적화의 목적함수의 최소화하는 각을
Figure 112004000107095-pat00060
라고 하면 각 안테나 주빔 방향은
Figure 112004000107095-pat00061
이 된다.
즉, 항상
Figure 112004000107095-pat00062
가 되므로 최소화하기 위한
Figure 112004000107095-pat00063
는 부분 최적화(sub-optimal)한 해가 된다.
따라서, 원래의 목적함수
Figure 112004000107095-pat00064
를 더 작게 하는 해가 존재할 가능성이 존재하게 된다.
이렇게 3개의 안테나의 주빔 방향을 120도 간격으로 결정한 후 안테나 주빔 방향을 주어진 범위 내에서 조금씩 변화시켜 앞 단계에서 구한 최소값보다 더 작은 값이 나오도록 반복한다.
안테나의 허용 가능한 방향각의 변화 범위를 -N≤λ≤N 이라고 할 때 다음과 같은 순서에 의해 방향각을 설정한다.
① 첫 번째 섹터의 안테나 방향을 λ= -N,…,-1.0.1.…,N 만큼 차례대로 변화시켜서 기존의 값보다 더 작은 값을 가지게 하는 안테나의 방향각을 찾는다.
A. λ= -N,…,-1.0.1.…,N 에 대하여
Figure 112004000107095-pat00065
이 최소가 되게 하는
Figure 112004000107095-pat00066
를 찾는다.
B.
Figure 112004000107095-pat00067
이면
Figure 112004000107095-pat00068
으로 변환하고,
C. 그렇지 않으면
Figure 112004000107095-pat00069
의 값을 그대로 둔다.
② 두 번째 섹터의 안테나 방향을 λ= -N,…,-1.0.1.…,N 만큼 차례대로 변화시켜서 기존의 값보다 더 작은 값을 가지게 하는 안테나 방향각을 찾는다.
A. λ= -N,…,-1.0.1.…,N 에 대하여
Figure 112004000107095-pat00070
이 최소가 되게 하는
Figure 112004000107095-pat00071
를 찾는다.
B.
Figure 112004000107095-pat00072
이면
Figure 112004000107095-pat00073
로 변환하고,
C. 그렇지 않으면
Figure 112004000107095-pat00074
의 값을 그대로 둔다.
③ 세 번째 섹터의 안테나 방향을 λ= -N,…,-1.0.1.…,N 만큼 차례대로 변화시켜서 기존의 값보다 더 작은 값을 가지게 하는 안테나 방향각을 찾는다.
A.λ= -N,…,-1.0.1.…,N 에 대하여
Figure 112004000107095-pat00075
이 최소가 되게 하는
Figure 112004000107095-pat00076
를 찾는다.
B.
Figure 112004000107095-pat00077
이면
Figure 112004000107095-pat00078
로 변환하고,
C. 그렇지 않으면
Figure 112004000107095-pat00079
의 값을 그대로 둔다.
④ 다시
Figure 112004000107095-pat00080
으로 돌아가 주어진 범위 내에서 각도를 변화시켜 ③단계에서의 함수값 보다 작은지 확인한다.
Figure 112004000107095-pat00081
에 대해서도 같은 과정을 반복한다.
⑤ 한 주기를 반복한 후 두 번 연속으로 이전 보다 작아지지 않으면 중단한다.
이와 같이 각 섹터별로 방향각을 반복적으로 변화시키면서 섹터별 통화량 편차량과 섹터간 소프터 핸드오프 영역에서의 총통화량이 최소가 되는 안테나의 방향 각을 설정한다.
이렇게 안테나의 방향각을 설정한 후 사이트를 중심으로 거리에 대한 각 섹터내의 통화량 밀도를 구한 후 통화량 밀도의 무게중심으로 주빔이 향하도록 각 섹터의 경사각을 각각 설정한다(S50).
섹터 내 통화량 밀도 (
Figure 112004000107095-pat00082
)을
Figure 112004000107095-pat00083
으로 정하면 밀도함수는 사이트에서의 거리 r에 대한 일변수 함수가 된다. 여기서
Figure 112004000107095-pat00084
는 앞의 단계에서 결정된 섹터의 범위이다.
따라서 통화량 분포의 무게중심은 도 6에 도시된 바와 같이 정해지며
Figure 112004000107095-pat00085
으로 구해진다.
섹터 내 통화량 중심을 구했으면, 도 7에 도시된 바와 같이 안테나의 높이(지형을 고려)를 h라고 할 때, 섹터 내 통화량 중심까지의 거리
Figure 112004000107095-pat00086
에 의해 경사각 t0는
Figure 112004000107095-pat00087
으로 구해진다.
이와 같이 각 섹터의 경사각을 각각 설정한 후 각 섹터별로 섹터의 전체 커버리지 영역에서 양호한 파일롯 Ec/Io를 갖는 커버지리 영역이 일정비율 이상이 되도록 각 섹터별 송출전력을 설정한다(S60).
안테나의 전력은 각 채널이 차지하는 전력의 총합으로 그 중 오버헤드 채널의 전력은 커버리지에 중대한 영향을 미치는 것으로써 전력을 높이면 분명히 안테나가 미치는 영역이 커지지만 인접 섹터와 다른 셀 들에는 간섭으로 작용하므로 무조건 높게 책정할 수 없어 송출전력의 최적화를 수행하게 된다.
즉, 도 8과 같이 송출전력 최적화에서는 셀 분할과, 안테나 방위각의 최적화에서 얻은 각 섹터별 가상 커버리지를 해당 섹터가 적절히 커버되도록 설정하게 된다.
우선 양호한 파일롯 Ec/Io의 기준치 (Ec/Io)tgt 을 설정한다. 이때 일반적으로 양호한 Ec/Io의 값은 -10∼-11dB 이다. 그리고, 섹터별 가상 커버리지 지역의 통화량 및 전파감쇄 등을 감안하여 기준치 이상의 파일롯 Ec/Io값을 가지는 영역의 목표 비율을 Covtgt (%)로 설정하고 μ=100-Covtgt 로 설정한다.
① 모든 섹터들에 최적화된 방향각과 경사각과 초기의 전력값을 적용하여 섹터내 각 빈마다 Ec/Io를 측정하고 섹터별로 Ec/Io 분포를 구한다.
② 섹터별로 그 섹터의 가상 커버리지에서 하위 μ %에 해당하는 Ec/Io, 즉 (Ec/Io)μ 를 찾는다.
③ 섹터별로 다음과 같이 새로운 송출 전력을 구한다.
- (Ec/Io)tgt ≤(Ec/Io)μ일 때
new Power = old Power + (Ec/Io)tgt -(Ec/Io)μ
- (Ec/Io)tgt >(Ec/Io)μ 일 때
new Power = old Power + α((Ec/Io)tgt -(Ec/Io)μ)
이때 송출전력의 단위는 dBm이고 Ec/Io의 단위는 dB로써 상수 α는 1 이하의 상수로써 과다한 전력의 상승을 억제하기 위해 적절히 선택되며 송출전력을 최적화하기 위해 반복적으로 여러 번 수행될 수 있으며 각 반복 과정에서 α를 다르게 적용할 수 있다.
이와 같이 각 섹터별 송출전력을 설정한 후 설정된 각 섹터의 방위각, 경사각, 송출전력을 검증하여 이전에 설정된 값과 변화되었는가 판단하여 최적값이 향상되고 있을 경우 실제 트래픽인 양호한 파일롯 Ec/Io를 갖는 분석영역의 통화량 합을 의사거리함수에 반영하여 셀을 새롭게 분할 한 후 각 섹터의 방위각, 경사각, 송출전력을 설정하는 최적화 과정을 반복하여 최적화를 향상시키게 된다(S70)(S80).
그러나, 각 섹터의 방위각, 경사각, 송출전력이 이전에 설정된 값과 변화되지 않을 경우에는 최적화가 완료된 것을 판단하여 종료하게 된다.
이와 같이 일차적으로 각 섹터의 방위각, 경사각, 송출전력에 대한 최적값을 산출한 후 그 최적화 결과를 검증하여 다음의 최적화에 반영하는 과정을 반복하여 최적화 성능을 향상시키게 된다.
따라서, 일차적인 최적화가 끝날 때마다 각 섹터별로 실제 트래픽을 계산한 다. 이때 실제 트래픽은 여러 가지 기준에 의해 구할 수 있으나 본 발명에서는 이전의 최적화에서 파일롯 Ec/Io의 값이 커버리지 기준치보다 큰 빈들에서의 통화량을 합한 값으로 설정한다. 이전의 셀 분할과 실제 통화량 분포를 이용하여 셀 분할을 새롭게 하게 된다.
이를 구체적으로 다시 설명하면 바로 전 과정의 셀 분할에서 사용된 사이트 S에 대한 거리함수를
Figure 112004000107095-pat00088
라고 하고 최초의 의사거리 함수에서 전파감쇄만을 이용한 거리함수를
Figure 112004000107095-pat00089
라고 할 때 의사거리함수는
Figure 112004000107095-pat00090
일 것이다. 이때 사이트 S에서의 트래픽은 해당 섹터들의 트래픽들의 합으로 계산하고
Figure 112004000107095-pat00091
라고 한다. 그리고 이전 셀 분할에서의 인접그래프(Adjacency Graph)를 이용하여 사이트 S에 인접한 사이트들의 통화량의 평균값을
Figure 112004000107095-pat00092
라고 할 때 사이트 S에서의 새로운 거리함수
Figure 112004000107095-pat00093
를
Figure 112004000107095-pat00094
으로 설정한다.
단, 새로운 통화량
Figure 112004000107095-pat00095
로 하되 상수 KG=3 은 셀 분할의 변화효과를 조절하기 위해 적절히 선택된 값이다.
이렇게 사이트별로 설정된 거리함수
Figure 112004000107095-pat00096
를 이용해 새롭게 셀 분할을 하게 된다.
이와 같이 셀 분할을 새롭게 한 후 이를 이용하여 위에서 설명한 방위각, 경사각, 송출전력의 변화가 없을 때까지 반복하여 최적화 과정을 반복하여 최적화를 향상시키게 된다.
상기한 바와 같이 본 발명은 이동통신망의 기지국에 의해 커버되는 지역의 전파환경을 최적화하기 위해 그 지역의 전파감쇄 효과와 통화량 분포를 분석하여 해당 기지국의 안테나 최적값인 방위각, 경사각 및 출력을 자동으로 계산하여 설치할 수 있도록 함으로써 인력에 의한 현장에서의 반복작업을 최소화할 뿐만 아니라 여러 기지국 안테나의 최적화를 동시에 수행할 수 있는 이점이 있다.

Claims (17)

  1. 최적화를 위해 분석대상이 되는 지역과 해당 기지국의 정보를 통해 분석영역을 설정하고 분석영역에 대한 전파감쇄를 분석하는 단계와,
    상기 기지국을 중심으로 전파감쇄에 의한 의사거리함수를 통해 분석영역들을 근접한 사이트에 할당하여 셀을 분할하는 단계와,
    상기에서 셀을 분할 한 후 인접한 기지국간 통화량 분포에 따른 밸런스지수를 상기 의사거리함수에 반영하여 셀을 재분할하는 단계와,
    상기에서 셀을 재분할한 후 상기 기지국의 각 섹터 영역에 대해 통화량이 고르게 분산되고 이웃하는 섹터 영역들의 경계에서 소프터 핸드오프가 적은 각 섹터의 방위각을 각각 설정하는 단계와,
    상기에서 각 섹터의 방위각을 설정한 후 상기 기지국을 중심으로 거리에 대한 상기 각 섹터내의 통화량 밀도를 구한 후 통화량 밀도의 무게중심으로 주빔이 향하도록 상기 각 섹터의 경사각을 각각 설정하는 단계와,
    상기에서 각 섹터의 경사각을 각각 설정한 후 상기 각 섹터별로 섹터내의 분석영역에서 양호한 파일롯 Ec/Io를 갖는 분석영역이 일정비율 이상이 되도록 상기 각 섹터별 송출전력을 설정하는 단계와,
    상기에서 각 섹터별 송출전력을 설정한 후 실제 트래픽을 상기 의사거리함수에 반영하여 셀을 새롭게 분할 한 후 상기 각 섹터의 방위각, 경사각, 송출전력을 설정하는 단계를 반복하는 최적화 향상 단계
    로 이루어진 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
  2. 제 1항에 있어서, 상기에서 셀을 재분할하기 위한 의사함수는
    Figure 112004000107095-pat00097
    인 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
    단, -
    Figure 112004000107095-pat00098
    는 전파감쇄에 의한 의사거리 함수,
    -
    Figure 112004000107095-pat00099
    는 통화량 밸런스를 위한 파라미터
  3. 제 2항에 있어서, 상기 는 인접한 기지국간 통화량 밸런스를 위해 다음 식에 의해서 구해지는 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
    Figure 112004000107095-pat00100
    단, - T(S) : 분석영역내 통화량
    -
    Figure 112004000107095-pat00101
    : 인접한 기지국들의 통화량 평균
    - K : 통화량 밸런스 지수 (>0)
    - F : 보정인자 (>0)
  4. 제 1항에 있어서, 상기에서 셀을 재분할하는 단계 이후 상기 각 사이트에 대해 최소 커버리지 반경 및 최대 커버리지 반경을 설정하여 최소 커버리지 반경 이내의 분석영역은 항상 해당 사이트의 셀에 할당하고 최대 커버리지 반경 밖의 분석영역은 해당 사이트의 셀에서 제외시키는 단계
    를 더 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
  5. 제 1항에 있어서, 상기에서 각 섹터의 방위각을 설정하는 단계에서 방위각을 설정하기 위해 다음 식에 의해 설정하는 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
    Figure 112004000107095-pat00102
    단, -
    Figure 112004000107095-pat00103
    : 각 섹터
    -
    Figure 112004000107095-pat00104
    : 섹터별 통화량 편차
    -
    Figure 112004000107095-pat00105
    : 섹터간 소프터 핸드오프 영역에 속해 있는 총통화량
    -
    Figure 112004000107095-pat00106
    : 각 섹터의 통화량
  6. 제 1항에 있어서, 상기에서 각 섹터의 방위각을 설정하는 단계에서 각 섹터의 방위각을 순차적으로 가변하면서 최소값이 되도록 반복하여 설정하는 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
  7. 제 1항에 있어서, 상기 경사각을 설정하기 위한 통화량 밀도는 다음 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
    Figure 112004000107095-pat00107
    단. -
    Figure 112004000107095-pat00108
    : 섹터의 방위각 범위
    - r : 기지국으로부터의 거리
    - T : 통화량
  8. 제 1항 또는 제 7항에 있어서, 상기 통화량 분포의 무게중심은 다음 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
    Figure 112004000107095-pat00109
  9. 제 1항에 있어서, 상기 각 섹터별 송출전력을 설정하는 단계에서 각 섹터별로 송출전력을 설정한 후 섹터별 간섭에 의한 파일롯 Ec/Io의 변화가 없을 때까지 반복하여 각 섹터별 송출전력을 설정하는 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
  10. 제 9항에 있어서, 상기 각 섹터별 송출전력은 다음 식에 의해 반복적으로 구하는 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
    - (Ec/Io)tgt ≤(Ec/Io)μ일 때
    new Power = old Power + (Ec/Io)tgt -(Ec/Io)μ
    - (Ec/Io)tgt >(Ec/Io)μ 일 때
    new Power = old Power + α((Ec/Io)tgt -(Ec/Io)μ)
    단, - (Ec/Io)μ = 100- (양호한 파일롯 Ec/Io 비율 ; (Ec/Io)tgt)
    - α : 1 이하의 상수
  11. 제 1항에 있어서, 상기 최적화 향상 단계에서 실제 트래픽은 양호한 파일롯 Ec/Io를 갖는 분석영역의 통화량 합인 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
  12. 제 1항에 있어서, 상기에서 셀을 새롭게 분할하기 위한 의사거리함수는 아래 식에 의한 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
    Figure 112004000107095-pat00110
    단. -
    Figure 112004000107095-pat00111
    -
    Figure 112004000107095-pat00112
    : 인접한 기지국간의 양호한 파일롯 Ec/Io에 의한 평균 통화량
    - KG : 셀 분할의 변화효과를 조절하기 위한 상수
  13. 제 1항에 있어서, 상기에서 셀을 새롭게 분할 한 후 반복하는 단계에서 방위각, 경사각, 송출전력의 변화가 없을 때까지 반복하는 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
  14. 제 1항에 있어서, 상기 기지국은 3섹터 기지국인 것을 특징으로 하는 이동통 신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 기지국이 1섹터나 2섹터인 경우 전파감쇄에 의한 의사거리 함수에 안테나의 수평게인과 수직게인을 부가하여 산출하는 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 의사거리함수는 다음 식에 의해 구해지는 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
    Figure 112004000107095-pat00113
    단, - Kh, Kv : 셀 분할을 위한 상수
    - θ, φ : 섹터 t의 안테나 주빔과 반직선 tb가 이루는 수평 및 수직각
    -
    Figure 112004000107095-pat00114
    , : 섹터 t의 안테나의 수평 및 수직 게인
  17. 제 1항에 있어서, 상기 기지국이 1섹터나 2섹터로 구성된 경우 경사각이나 송출전력 만을 최적화하는 것을 특징으로 하는 이동통신망의 기지국 안테나 최적화 방법.
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