KR100986649B1 - 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는, (1) 각 사용자가 인접 셀에 미치는 간섭의 양을 측정하는 단계, (2) 상기 단계 (1)에서 측정된 간섭의 양이 큰 순서대로 상기 각 사용자를 정렬하는 단계, (3) 상기 단계 (2)에서 정렬된 각 사용자에게 부분 공간 간섭 정렬을 적용했을 때 전체 시스템의 합 용량을 산출하는 단계, (4) 상기 단계 (3)에서 산출한 합 용량이 소정의 크기 이상이 되면 해당 사용자를 선택하는 단계, 및 (5) 상기 단계 (4)에서 선택된 사용자에게 부분 공간 간섭 정렬을 적용하여 데이터 전송을 시작하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.
본 발명은 기존에 제안된 부분 공간 간섭 정렬 방법의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로, 인접 셀에 미치는 간섭이 강한 사용자를 선택하여 해당 사용자에 한해 부분 공간 간섭 정렬을 적용함으로써 연산 복잡도를 줄이고 높은 합 용량을 유지할 수 있는, 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

Description

다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법{USER SELECTION METHOD OF SUBSPACE INTERFERENCE ALIGNMENT IN MULTI-CELL UPLINK SYSTEMS}

본 발명은 부분 공간 간섭 정렬을 적용할 사용자를 선택하는 방법에 관한 것으로서, 보다 구체적으로는 인접 셀에 미치는 간섭이 강한 사용자에 한해 간섭 정렬을 적용하여 연산 복잡도를 줄이는 동시에 높은 합 용량을 유지하기 위한 사용자 선택 방법에 관한 것이다.

셀룰러 네트워크 환경에서 셀 경계에 위치한 사용자는 인접 셀의 기지국 및 사용자로 인한 간섭을 많이 받는다. 특히 주파수 재사용률이 1인 시스템은, 모든 셀이 동일한 주파수 대역을 사용하기 때문에 다른 시스템에 비해 인접 셀 간 간섭의 영향을 많이 받는다. 이는 해당 사용자의 합 용량(Sum-rate capacity)을 낮추어 서비스의 질(Quality of Service)을 저하시키고 전체 시스템의 합 용량도 감소시킨다. 이러한 문제를 개선하기 위해 효율적으로 간섭을 제어하는 기술이 필요하다.

현재 사용되고 있는, 셀 간 간섭을 제어하는 방법으로는, 소프트 주파수 재사용(Soft Frequency Reuse, 이하 "SFR"라고 함) 방법, 멀티 셀(Multi-cell) MIMO(Multiple-Input Multiple-Output) 방법 등이 있다.

SFR 방법은 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(Long-Term Evolution) 표준안에서 제안하고 있다. 구체적으로, SFR 방법은 셀을 안쪽 셀과 바깥쪽 셀로 구분하여 안쪽 셀은 전체 대역을 모두 할당하고 바깥쪽 셀은 부 대역을 할당하는 방법이다. SFR 방법은 바깥쪽 셀의 사용자가 적은 경우, 남는 자원을 안쪽 사용자가 빌려 쓸 수 있는 장점이 있다. 하지만, 바깥쪽 사용자가 많은 경우에는 안쪽의 자원을 빌려오지 못하기 때문에 부분 주파수 재사용(Fractional Frequency Reuse, 이하 “FFR”라고 함) 방법과 마찬가지로 사용자 분포 불균형에 따른 주파수 효율이 낮아지는 단점이 있다.

멀티 셀 MIMO 방법은 LTE-Advanced 표준안에서 제안하고 있다. 구체적으로, 멀티 셀 MIMO 방법은 일대일 MIMO 기술을 응용하여 셀 경계에 위치한 사용자에 대해 하향 링크의 성능을 향상시키는 방법으로 Coordinated Multipoint Transmission(CoMP)라고도 한다. 이와 같은 멀티 셀 MIMO 방법은, 인접한 둘 이상의 셀의 기지국이 협력 통신을 통해 성능을 향상시키고 간섭을 억제한다. 그러나 멀티 셀 MIMO 방법은 협력하는 셀 간에 모든 사용자들에 대한 전송 데이터 자체를 공유하기 위한 오버헤드와 시간 지연이 발생하는 문제점이 있다.

이러한 문제점을 해결하는 제어 방법으로는 여러 사용자가 존재하는 간섭 채널 환경에서 간섭을 완벽히 제거하는 것이 아니라 다른 사용자의 간섭을 하나로 정렬시켜서 전체 시스템의 합 용량을 향상시키는 간섭 정렬(interference alignment) 방법이 있다.

간섭 정렬 방법은 모든 사용자가 다른 사용자로부터의 간섭 신호를 가용한 자유도(degrees of freedom, 이하 “DOF”라 함)의 절반 내에 위치시킴으로써 나머지 절반 내에서는 간섭이 전혀 없는 통신을 할 수 있게 하는 기술이다. 자유도란 송수신 노드 간에 간섭이 없는 채널의 수를 의미한다. 이 방법은 각 사용자가 네트워크 내의 모든 채널 정보를 알고 있어야 적용이 가능하다. 또한, 한 사용자에 대한 간섭 정렬이 나머지 사용자들에 대한 간섭 정렬을 보장하지 않기 때문에 분산 네트워크가 아닌 다중 셀 환경에서는 적용이 용이하지 않다.

이러한 문제점을 보완하는 방법으로는 부분 공간 간섭 정렬 방법이 있다. 부분 공간 간섭 정렬 방법은 각 사용자의 채널 행렬을 크로네커 곱 형태를 갖는 두 개의 행렬로 분리하여 인접 셀로부터의 간섭을 전체 수신 신호 공간 내에서 다차원을 갖는 부분 공간으로 정렬하는 방법이다. 그러나 이 방법은 채널 행렬의 크기가 사용자 수의 제곱에 비례하여 증가하기 때문에 셀 내의 사용자의 수가 늘어날수록 연산이 복잡해진다. 또한 기지국으로부터 멀리 떨어져 있는 다른 셀의 사용자의 간섭 신호의 세기는 상대적으로 작기 때문에 모든 사용자를 간섭 정렬시키는 것은 시스템 복잡도 측면에서 비효율적이다.

본 발명은 기존에 제안된 부분 공간 간섭 정렬 방법의 상기와 같은 문제점들을 해결하기 위해 제안된 것으로서, 인접 셀에 미치는 간섭이 강한 사용자를 선택하여 해당 사용자에 한해 부분 공간 간섭 정렬을 적용함으로써 연산 복잡도를 줄이고 높은 합 용량을 유지할 수 있는, 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법을 제공하는 것을 그 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따른 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법은,

(1) 각 사용자가 인접 셀에 미치는 간섭의 양을 측정하는 단계;

(2) 상기 단계 (1)에서 측정된 간섭의 양이 큰 순서대로 상기 각 사용자를 정렬하는 단계;

(3) 상기 단계 (2)에서 정렬된 각 사용자에게 부분 공간 간섭 정렬을 적용했을 때 전체 시스템의 합 용량을 산출하는 단계;

(4) 상기 단계 (3)에서 산출한 합 용량이 소정의 크기 이상이 되면 해당 사용자를 선택하는 단계; 및

(5) 상기 단계 (4)에서 선택된 사용자에게 부분 공간 간섭 정렬을 적용하여 데이터 전송을 시작하는 단계를 포함하는 것을 그 구성상의 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 단계 (1)에서,

각 사용자가 인접 셀에 미치는 간섭의 양은 아래 수학식에 의해 측정될 수 있다.

여기서, I_ik는 간섭의 양, P_ik ^m은 셀 i 내의 사용자 k에서 기지국 m으로 전송된 신호의 수신 전력이다.

바람직하게는, 상기 단계 (3)에서,

정렬된 각 사용자에게 부분 공간 간섭 정렬을 적용한 후의 전체 시스템의 합 용량은 아래 수학식에 의해 산출될 수 있다.

바람직하게는, 상기 단계 (4)는,

상기 단계 (2) 및 단계 (3)을 반복하여 상기 산출한 합 용량이 미리 정해진 값 이상이 되면 해당 사용자를 선택하며,

상기 미리 정해진 값은 전체 다중 셀 상향링크 시스템 측면에서 설정하는 합 용량이며, 상기 시스템의 최대 합 용량보다 작을 수 있다.

더욱 바람직하게는,

상기 미리 정해진 값은 상기 시스템의 최대 합 용량의 0.9 내지 0.98배일 수 있다.

본 발명에서 제안하고 있는 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법에 따르면, 다중 셀 환경에서 각 사용자가 인접 셀에 미치는 간섭을 측정하고 이 값이 큰 순서대로 간섭 정렬을 적용할 사용자를 선택함으로써, 연산 복잡도를 낮추고 높은 합 용량을 유지시킬 수 있다.

도 1은 다중 셀 환경에서의 간섭 환경을 도시한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법의 흐름을 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법에서 기지국과 사용자의 분포를 도시한 도면.
도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법의 합 용량을 도시한 도면.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 바람직한 실시예를 상세히 설명한다. 다만, 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 유사한 기능 및 작용을 하는 부분에 대해서는 도면 전체에 걸쳐 동일한 부호를 사용한다.

덧붙여, 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 ‘연결’ 되어 있다고 할 때, 이는 ‘직접적으로 연결’ 되어 있는 경우뿐만 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 ‘간접적으로 연결’ 되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 구성요소를 ‘포함’ 한다는 것은, 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.

본 명세서에서 이동국(Mobile Station, MS)은 단말(terminal), 이동 단말(Mobile Terminal, MT), 가입자국(Subscriber Station, SS), 휴대 가입자국(Portable Subscriber Station, PSS), 사용자 장치(User Equipment, UE), 접근 단말(Access Terminal, AT) 등을 지칭할 수도 있고, 단말, 이동 단말, 가입자국, 휴대 가입자 국, 사용자 장치, 접근 단말 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.

본 명세서에서 기지국(Base Station, BS)은 접근점(Access Point, AP), 무선 접근국(Radio Access Station, RAS), 노드B(Node-B), eNB(Evolved Node-B), 송수신 기지국(Base Transceiver Station, BTS), MMR(Mobile Multihop Relay)-BS 등을 지칭할 수도 있고, 접근점, 무선 접근국, 노드B, eNB, 송수신 기지국, MMR-BS 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.

이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 부분 공간 간섭 정렬 방법에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다.

도 1은 다중 셀 환경에서의 간섭 환경을 도시한 도면이다. 본 발명의 일 실시예에 따른 부분 공간 간섭 정렬 방법은 일반적인 다중 셀에서 적용이 가능하다. 도 1에 도시된 바와 같이, 부분 공간 간섭 정렬 방법은, 예를 들어 셀이 3개인 경우 각 셀 내에 K명의 사용자, 즉 이동국이 있는 경우에 적용할 수 있다. 이때, 3개의 셀은 제1 셀(100), 제2 셀(200) 및 제3 셀(300)을 포함한다. 또한, 기지국은 제1 셀(100)에 위치하는 제1 기지국(150), 제2 셀(200)에 위치하는 제2 기지국(250), 및 제3 셀(300)에 위치하는 제3 기지국(350)을 포함한다. 이러한, 환경에서 부분 공간 간섭 정렬 방법을 아래와 같이 정의할 수 있다.

먼저, 각 다중 셀의 상향 링크의 간섭 상황에서, 제1 기지국(150)에서 받은 신호(y^a)는 다음 수학식 1과 같이 나타낸다.

여기서, K는 각 셀 내의 이동국 수이다. 또한, H _ik ^j∈C^{n ×n}은 특정 셀(i)에 위치하는 이동국(k)과 기지국(j) 간의 채널이고, 각 대각 성분이 채널의 주파수 응답으로 이루어진 대각 행렬이다. v _ik∈C^{n ×1}은 특정 셀(i)에 위치하는 이동국(k)의 송신 벡터이고 x_ik∈C는 전송 심볼, w ^j∈C^{n ×1}은 기지국(j)에서의 부가 가우시안 잡음이다. 또한,

은 전체 신호가 차지하는 공간의 차원이다.

이때, 각 이동국(k)은 자신이 속한 셀의 채널과 인접 셀의 기지국과의 채널을 알고 있다고 가정하고 다음 수학식 2와 같이 채널을 분리한다.

다음으로, 송신 벡터를 다음 수학식 3과 같이 생성한다.

여기서,

이다.

상기 수학식 2와 수학식 3을 이용하여, 제1 기지국(150)에서 받은 신호(y^a)는 다음 수학식 4와 같이 나타낸다.

여기서, 두 번째 항과 세 번째 항은 인접 셀로부터의 간섭이다. 또한, 수신 단에서

과 직교하는 임의의 벡터를 곱해줌으로써 간섭을 정렬할 수 있다.

부분 공간 간섭 정렬을 적용했을 때 각 사용자는 기지국으로 신호를 전송하기 전에 채널을 분리한다. 이때 크로네커 곱의 역 연산 과정이 필요한데 임의의 행렬에 대해서 이러한 연산을 하는 방법은 알려져 있지 않다. 그러므로 nearest Kronecker product problem(NKP) 방법을 사용하여 우회적으로 채널을 분해할 수 있다.

각 사용자는 인접 셀의 개수만큼 NKP를 수행한다. 이때 채널 행렬의 크기는 셀 내의 사용자의 개수의 제곱에 근사하게 비례한다. 따라서 사용자가 증가할수록 송신 벡터를 계산하는데 요구되는 연산 복잡도 또한 사용자의 수의 제곱에 근사하게 비례하여 증가한다.

실제 다중 셀 다중 사용자 환경에서는 자신의 기지국과 가까운 거리에 위치한 사용자는 상대적으로 인접 셀의 기지국에 미치는 간섭 신호의 세기가 작다. 이 경우 인접 셀의 기지국에서 간섭 신호를 잡음으로 간주하여 처리해도 전체 시스템 성능에 큰 영향을 미치지 않는다. 따라서 간섭 신호를 상대적으로 많이 주는 셀 경계 지역에 위치하여 강한 간섭을 야기하는 사용자에 한해서 간섭 정렬을 적용하는 것이 시스템의 전체적인 복잡도를 낮추면서도 높은 합 용량을 유지할 수 있다.

부분 공간 간섭 정렬에서 각 사용자는 다른 기지국의 신호를 수신하여 복호할 수 있기 때문에 자신이 속한 셀의 채널과 인접 셀의 기지국과의 채널을 알 수 있다. 그리고 동일 셀 내의 사용자끼리는 간섭을 미치지 않는다고 가정하면, 각 셀의 상향링크 신호의 합 용량은 아래 수학식 5와 같다.

여기서, c_α는 셀 α 내의 사용자에 대한 상향링크 합 용량이고, P_ik ^j는 셀 i 내의 사용자 k에서 기지국 j로 전송된 신호의 수신 전력을 의미하며, 그리고 u는 참조벡터 v _r과 직교하는 수신 벡터이다.

만일 모든 사용자에게 간섭 정렬을 적용하는 경우, 상기 수학식 5에서 간섭 신호

는 모두 제거되기 때문에 c_α는 다음 수학식 6과 같이 주어진다.

전체 L개의 셀 관점에서 전체 사용자에 대해서 간섭 정렬을 적용했을 때 합 용량은 다음 수학식 7과 같다.

채널 용량은 C=log₂(1+SINR)이므로 SINR이 커질수록 채널 용량도 증가한다. 만일 한 셀만의 송신 전력을 키우면 해당 셀의 합 용량도 증가한다. 그러나 다중 셀 환경에서는 한 셀 내의 송신 전력을 증가시키면 인접 셀에서도 자신의 셀의 SINR을 증가시키기 위해 송신 전력을 같이 증가시키기 때문에 간섭도 증가하여 전체 SINR을 증가시키지 못한다. 따라서 본 발명에서는 인접 셀에 미치는 간섭을 제어함으로써 SINR을 증가시키는 방법을 사용한다. 그리고 시스템 복잡도를 줄이기 위해 유효한 간섭을 미치는 사용자를 선택하고 이 사용자들을 간섭 정렬시키는 방법을 제안한다. 이때 선택된 사용자에게 간섭 정렬을 적용한 후의 전체 셀의 합 용량은 다음 수학식 8 및 수학식 9와 같다.

본 발명에서 제안하고 있는 방법은, 부분 공간 간섭 정렬 사용자 선택을 통해 얻을 수 있는 합 용량 C_sel이 C_IA에 최대한 근접하도록 하는 것이다. 상기 수학식 8에서 {i^*, k^*}는 각각 간섭 정렬을 적용하도록 선택된 사용자의 셀 인덱스와 사용자 인덱스의 집합이다. 이때 선택된 사용자는 송신벡터 v _ik ^*를 식과 같이 계산하고 선택되지 않은 사용자인 경우 각각의 부반송파에 대해서 가중치를 주지 않고 모든 부반송파가 동일한 이득으로 전송되도록 한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법의 흐름을 도시한 도면이다. 도 2에 도시된 바와 같이 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법은, 각 사용자가 인접 셀의 기지국에 미치는 간섭의 양을 측정하는 단계(S100), 단계 S100에서 측정된 각 사용자의 간섭이 큰 순서대로 사용자를 정렬하는 단계(S200), 단계 S200에서 정렬된 사용자에게 부분 공간 간섭 정렬을 적용했을 때 전체 시스템의 합 용량을 산출하는 단계(S300), 단계 S300에서 산출한 합 용량이 허용된 합 용량 이상이 되면 해당 사용자를 선택하는 단계(S400), 및 단계 S400에서 선택된 사용자에게 부분 공간 간섭 정렬을 적용하여 데이터 전송을 시작하는 단계(S500)를 포함한다.

단계 S100에서는, 각 사용자가 인접 셀에 미치는 간섭의 양을 측정한다. 모든 사용자는 각각 자신이 인접 셀에 미치는 간섭의 양을 측정한다. 이때 각 사용자가 인접 셀의 기지국에 미치는 간섭의 양은 다음 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.

측정된 간섭 정보 I_ik는 각 기지국으로 전송되게 된다.

단계 S200에서는, 단계 S100에서 측정된 간섭의 양이 큰 순서대로 상기 각 사용자를 정렬한다. 전체 기지국은 모든 사용자의 간섭 정보를 공유하여 간섭이 강한 순서대로 사용자를 정렬한다.

사용자를 정렬하는 방법은, 먼저 다음 수학식 11에 의해 전체 셀 내에서 I_ik가 가장 큰 사용자를 선택한다.

여기서, i^*와 k^*는 각각 선택된 사용자의 셀 인덱스와 사용자 인덱스를 의미한다. 상기 수학식 11에서 선택된 사용자를 다음 수학식 12와 같이 정렬한다.

여기서, B와 U는 각각 정렬된 사용자의 셀 인덱스와 사용자 인덱스로 이루어진 집합이다.

단계 S300에서는, 단계 S200에서 정렬된 각 사용자에게 부분 공간 간섭 정렬을 적용했을 때 전체 시스템의 합 용량을 산출한다. 정렬된 사용자에 한해서 간섭 정렬을 적용했을 때의 수학식 8에 의해 합 용량 C_sel을 계산한다.

단계 S400에서는, 단계 S300에서 산출한 합 용량이 소정의 크기 이상이 되면 해당 사용자를 선택한다. 각 단계에서 계산된 C_sel이 미리 정해진 C_THR 값 이상이 될 때까지 반복한다. 여기서 C_THR는 전체 시스템 측면에서 설정하는 합 용량으로, 최대 합 용량보다 적게 정한다. 예를 들어 최대 합 용량의 90% 정도로 합 용량을 얻기 위해서 C_THR=0.9·C_opt로 놓을 수 있다. 즉, C_sel≥C_THR가 될 때까지 단계 S200 및 단계 S300을 반복하여 합 용량이 시스템의 허용하는 합 용량 이상이 되면 해당 합 용량을 산출하는데 간섭 정렬을 적용한 사용자를 선택하게 된다.

단계 S500에서는, 단계 S400에서 선택된 사용자에게 부분 공간 간섭 정렬을 적용하여 데이터 전송을 시작한다. 이런 방법으로 데이터 전송을 하게 되면 높은 합 용량을 유지할 수 있게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 모든 사용자에 대해서 간섭 정렬을 수행하지 않기 때문에 전체 시스템 측면에서의 연산 복잡도가 줄어든다. 또한 요구되는 문턱 값 이상의 합 용량을 얻을 수 있기 때문에 높은 합 용량을 유지할 수 있는 장점이 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법을 적용한 실험 예를 도 3 및 도 4를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법에서 기지국과 사용자의 분포를 도시한 도면이다. 도 3에는 전체 3 개의 다중 셀 환경에서의 기지국과 사용자 분포를 나타내었다. 셀 커버리지는 1㎞이고 각 사용자는 기지국과 셀 경계점을 잇는 육각 격자 구역 내에 임의로 위치하도록 설정한다. 채널은 레일리 페이딩 채널(Rayleigh fading channel)을 가정하였고 모든 사용자는 각 기지국으로의 채널을 완벽히 알고 있다고 가정한다. 채널 정보 교환과 사용자 선택으로 인한 전송 시간 지연은 없다고 가정한다. 각 사용자의 송신 전력은 10dBm으로 고정하고 별도의 송신 전력 제어는 고려하지 않는다고 가정한다. 잡음 전력 밀도는 -150dBm으로 가정한다. 그리고 path loss exponent는 3.76로 가정한다.

도 4a 내지 도 4c는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법의 합 용량을 도시한 도면이다. 가로축은 선택된 사용자의 수이며, 세로축은 세 개의 셀의 각각의 상향링크 합 용량의 합이다.

도 4a는, 각 셀마다 5명씩 총 15명의 사용자가 존재하는 환경에서 제안된 사용자 선택 방법을 적용했을 때 전체 합 용량을 나타낸 것이다. 여기서 최대 합 용량은 C_opt=69.5bps/㎐이다. C_THR=0.9C_opt로 설정하면 C_THR=62.6bps/㎐가 된다. 7명을 선택한 경우의 합 용량은 C₇=64.3bps/㎐로 5.2bps/㎐만의 성능 열화가 발생한다. 전체 사용자 중 간섭 정렬을 수행하는 사용자 수는 47%이지만 전체 합 용량 손실은 7.5%에 불과함을 알 수 있다. 이는 제안된 사용자 선택 방법을 적용했을 때 전체 시스템의 연산량을 53% 감소시키지만 단 7.5%만의 성능 저하가 발생함을 알 수 있다. 다른 예로 도 4a에서 합 용량을 전체의 95%로 설정하는 경우, C_THR=0.95C_opt가 되고, 이를 계산하면 C_THR=66bps/㎐가 된다. 이때 9명을 선택하면 합 용량은 C9=67.5bps/㎐이다. 이때 연산량은 40% 감소하지만 전송률 저하는 2.9%에 불과하다.

도 4b는 셀 당 사용자가 10명일 때 제안된 사용자 선택 방법을 적용했을 때의 합 용량을 나타낸 것이다. 도 4b와 같이 셀 당 사용자가 10명일 때 허용 손실이 10%인 경우 총 14명을 선택하면 연산량은 53.3% 감소하고 성능 저하는 8.2%이다. 반대로 허용된 손실이 5%인 경우 총 16명을 선택하면 연산량이 46.7% 감소하고 4.6%의 성능 저하가 발생한다.

도 4c에서 셀 당 사용자가 15명일 때 허용된 손실이 10%이면, 총 21명을 선택하여 연산량이 64.4% 감소하고 8.7%의 성능 저하가 생긴다. 허용된 손실이 5%인 경우 총 24명을 선택하여 연산량을 57.8% 줄이는 대신 성능은 4.5% 감소하게 된다.

선택된 사용자 수가 전체 사용자의 약 50%가 될 때까지는 사용자 수가 증가함에 따라 합 용량이 선형적으로 증가하다가 그 이후부터는 증가 폭이 점차 줄어드는 것을 알 수 있다. 전체 사용자 수가 증가할수록 이러한 현상은 더욱 두드러진다. 도 4b에서 전체 30명의 사용자의 90%인 27명의 사용자를 선택했을 때의 합 용량은 최대 합 용량에 비해 거의 변화가 없다. 반면 도 4c에서 전체 45명 중 66.7%인 30명을 선택했을 때의 합 용량은 최대 합 용량과 거의 비슷하다. 선택되지 않은 사용자의 비율이 같다면 전체 사용자 수가 많을수록 선택되지 않은 사용자가 미치는 간섭의 양이 상대적으로 더 적다. 또한 전체 사용자 수가 많을수록 간섭신호의 크기가 작은 사용자의 수가 늘어나기 때문에 선택된 사용자 수의 비율이 같더라도 SINR은 더욱 빠르게 최대값에 도달하게 된다. 따라서 제안된 방법은 전체 사용자 수가 증가할수록 더욱 효과적이다.

이로써, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬 방법의 사용자 선택 방법은 인접 셀에 미치는 간섭이 큰 사용자에 한해 부분 공간 간섭 정렬을 적용함으로써, 전체 시스템의 연산 복잡도를 줄이는 동시에 높은 합 용량을 유지할 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예는 장치 및 방법을 통해서만 구현이 되는 것은 아니며, 본 발명의 실시예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.

이상 설명한 본 발명은 본 발명이 속한 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 다양한 변형이나 응용이 가능하며, 본 발명에 따른 기술적 사상의 범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야 할 것이다.

100: 제1 셀 150: 제1 기지국
200: 제2 셀 250: 제2 기지국
300: 제3 셀 350: 제3 기지국
S100: 각 사용자의 간섭의 양을 측정하는 단계
S200: 간섭의 양이 큰 순서대로 사용자를 정렬하는 단계
S300: 각 사용자에게 부분 공간 간섭 정렬을 적용했을 때 전체 시스템 합 용량을 산출하는 단계
S400: 산출한 합 용량이 소정의 크기 이상이 되면 해당 사용자를 선택하는 단계
S500: 선택된 사용자에게 부분 공간 간섭 정렬을 적용하여 데이터 전송을 시작하는 단계

Claims (5)

1. 다중 셀 상향링크 시스템에서 인접 셀의 기지국에 미치는 간섭에 따라 간섭 정렬을 적용할 사용자를 선택하는 방법으로서,
   (1) 각 사용자가 인접 셀에 미치는 간섭의 양을 측정하는 단계;
   (2) 상기 단계 (1)에서 측정된 간섭의 양이 큰 순서대로 상기 각 사용자를 정렬하는 단계;
   (3) 상기 단계 (2)에서 정렬된 각 사용자에게 부분 공간 간섭 정렬을 적용했을 때 전체 시스템의 합 용량을 산출하는 단계;
   (4) 상기 단계 (3)에서 산출한 합 용량이 소정의 크기 이상이 되면 해당 사용자를 선택하는 단계; 및
   (5) 상기 단계 (4)에서 선택된 사용자에게 부분 공간 간섭 정렬을 적용하여 데이터 전송을 시작하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법.
   
2. 제1항에 있어서, 상기 단계 (1)에서,
   각 사용자가 인접 셀에 미치는 간섭의 양은 아래 수학식에 의해 측정되는 것을 특징으로 하는 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법.
   

   

   
   여기서, I_ik는 간섭의 양, P_ik ^m은 셀 i 내의 사용자 k에서 기지국 m으로 전송된 신호의 수신 전력을 나타내며, H _ik ^j∈C^n×n은 특정 셀(i)에 위치하는 이동국(k)과 기지국(j) 간의 채널로서, 각 대각 성분이 채널의 주파수 응답으로 이루어진 대각 행렬을 나타낸다. 또한, tr(A)은 정사각행렬 A의 대각선 원소들의 합을 의미하는 행렬연산자를 나타낸다.
   
3. 제1항에 있어서, 상기 단계 (3)에서,
   정렬된 각 사용자에게 부분 공간 간섭 정렬을 적용한 후의 전체 시스템의 합 용량은 아래 수학식에 의해 산출되는 것을 특징으로 하는 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법.
   

   

   
   여기서, C_sel은 셀 sel 내의 사용자에 대한 상향링크 합 용량이고, P_ik ^j는 셀 i 내의 사용자 k에서 기지국 j로 전송된 신호의 수신 전력을 의미하며, u는 참조벡터 v _r과 직교하는 수신 벡터이다. 또한, H _ik ^j∈C^n×n은 특정 셀(i)에 위치하는 이동국(k)과 기지국(j) 간의 채널로서, 각 대각 성분이 채널의 주파수 응답으로 이루어진 대각 행렬을 나타내고, v _ik∈C^n×1은 특정 셀(i)에 위치하는 이동국(k)의 송신 벡터를 나타내며, K는 각 셀 내의 이동국 수를, L은 셀 관점을 나타내는 전체 개수이다.
   
4. 제1항에 있어서, 상기 단계 (4)는,
   상기 단계 (2) 및 단계 (3)을 반복하여 상기 산출한 합 용량이 미리 정해진 값 이상이 되면 해당 사용자를 선택하며,
   상기 미리 정해진 값은 전체 다중 셀 상향링크 시스템 측면해서 설정하는 합 용량이며, 상기 시스템의 최대 합 용량보다 작은 것을 특징으로 하는 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법.
   
5. 제4항에 있어서,
   상기 미리 정해진 값은 상기 시스템의 최대 합 용량의 0.9 내지 0.98배인 것을 특징으로 하는 다중 셀 상향링크 시스템에서 부분 공간 간섭 정렬의 사용자 선택 방법.

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