KR101002126B1

KR101002126B1 - 무선통신망의 계층셀 환경하에서의 순방향 전력 제어 방법

Info

Publication number: KR101002126B1
Application number: KR1020040016944A
Authority: KR
Inventors: 정부영; 안기환
Original assignee: 주식회사 케이티
Priority date: 2004-03-12
Filing date: 2004-03-12
Publication date: 2010-12-16
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: KR20050091477A

Abstract

본 발명은 무선통신망의 계층셀 환경하에서의 순방향 전력 제어 방법에 관한 것으로, 무선통신망의 계층셀 환경하에서, 순방향 링크에 있어서 각각의 기지국이 공간적으로 분리된 안테나를 사용하여 다중경로를 제공하는 STD(Selective Transmit Diversity) 기법을 이용함으로써, 각 이동국이 다중경로 중에서 가장 강한 경로의 신호에 접속할 수 있도록 하기 위한 순방향 전력제어 방법을 제공하고자 한다.

이를 위하여, 본 발명은, 무선통신망에 적용되는 계층셀 환경하에서의 순방향 전력 제어 방법에 있어서, 서로 다른 크기의 셀이 공존하는 계층적 셀 환경하의 순방향 링크상에서, 각각의 기지국이 공간적으로 분리된 다중 안테나를 사용하여 다중경로를 제공하고, 각 안테나로부터 직교 파일럿 신호를 전송하는 STD(Selective Transmit Diversity) 기법을 이용하여 신호를 전송하는 전송단계; 이동 단말이 상기 직교 파일럿 신호를 감시하여, 가장 강한 순방향 전송 경로를 제공하는 안테나를 선정하는 순방향 전송 경로 선정단계; 및 상기 선정된 안테나가 상기 이동 단말로 가장 강한 신호 경로를 제공하는 신호 경로 제공단계를 포함하되, 상기 STD 기법은, 한 개의 안테나만이 한 번에 전송을 하기 위하여 선택되며, 상기 선택된 안테나가 상기 다중 안테나 사이에서 가장 강한 신호를 전송할 수 있도록 다중경로를 제공한다.

전력제어, 순방향 링크, STD, 마이크로셀, 매크로셀, 계층셀

Description

무선통신망의 계층셀 환경하에서의 순방향 전력 제어 방법{Forward Power Control Method in Hierarchical cell Architecture of Wireless Communication network}

도 1 은 종래의 전력제어 장치에 대한 구성도.

도 2 는 본 발명에 따른 계층셀 환경하에서의 순방향 전력 제어 방법을 나타낸 일실시예 설명도.

도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 순방향 전력 제어 방법 중 마이크로셀의 위치에 따른 성능 분석표.

도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 순방향 전력 제어 방법 중 멀티셀로부터 구해지는 평균 순방향 성능에 따른 결과 분석표.

도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 순방향 전력 제어 방법 중 순방향 성능상에서의 마이크로셀 클러스터 크기의 영향을 나타낸 결과 분석표.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명

21 : 매크로셀 22 : 마이크로셀

본 발명은 코드분할다중접속(CDMA : Code Division Multiple Access) 셀룰라 이동통신시스템, 개인휴대통신시스템(PCS : Personal Communication System), 주파수공용통신시스템(TRS : Trunk Radio System), 외국에서 사용중인 타 이동통신시스템, 현재 북미방식과 유럽방식으로 추진되고 있는 IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000), UMTS(Universal Mobile Telecommunication System) 등과 같은 차세대 이동통신망 등과 같은 무선통신망의 계층셀 환경하에서 서로 다른 크기의 셀들이 공존하도록 전력제어 기법을 제공하기 위한 순방향 전력제어 방법에 관한 것이다.

종래에는 계층적 구조를 고려함이 없이 단일 셀 내에서만 STD(Selective Transmit Diversity) 기술을 사용하는 기법에 관한 연구가 일부 진행되었다.

현재, CDMA(Code Division Multiple Access) 방식에 있어서 단일 계층 내에서의 전력제어 기법만을 다뤄왔으며, 또한 용량을 제한시키는 주된 요인이 역방향 링크로 인정되어 왔다. 그러나 차세대이동통신(IMT-2000) 시스템에 있어서는 서로 다른 크기를 갖는 셀들이 공존하는 계층적 셀 구조를 가지게 되며, 비대칭 무선 데이터 서비스의 개발 및 보급으로 인하여 순방향 링크의 성능이 더욱 중요할 수가 있다.

도 1 은 종래의 전력제어 장치에 대한 구성도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 이동단말기(11)의 송신신호는 다중경로의 무선채널부(12)를 통과한 후 이동단말기(11)가 속한 기지국 및 인접기지국의 복조부(13)를 통해 디스프레딩 복조된다.

이어서, 각 복조부(13)를 통해 복조된 신호들은 기지국제어기에서 이들 신호를 비교하여 최대값을 갖는 신호를 선택적 결합부(14)를 통해 선택한다. 이렇게, 선택된 신호의 신호대 잡음비(S/N)는 비교부(15)를 통해 임계값과 비교된 후 전력제어부(16)로 전달되어 송신전력 증감 명령을 제어한다. 이러한 과정은 핸드오버 시에도 적용된다.

이와 같이, 종래에는 셀들이 겹치지 않는 비계층셀에서 전력제어가 이루어진다.

한편, CDMA 계층셀 시스템은 시스템의 용량을 증가시킬 수 있는 방법 중의 하나로, 매크로셀은 통화량이 적은 넓은 지역을 커버하며 마이크로셀은 매크로셀 내에 지속적 또는 일시적으로 통화량이 많이 몰리는 일부 지역을 커버하는 작은 셀이다. 따라서 마이크로셀을 매크로셀 내 호 집중 현상(Hotspot)이 발생하는 지역에 다이나믹하게 설치할 수 있으며, 이를 통해 호 집중 현상(Hotspot)을 마이크로셀이 수용할 수 있다.

그러나 종래의 전력제어 장치에서는 CDMA 셀룰러 시스템에서 일부 지역에 호가 몰리는 호 집중 현상(Hotspot)을 마이크로셀로 커버하지 않으면 전체적인 시스템 성능 및 용량이 저하된다. 또한, 종래의 넓은 지역을 커버하는 매크로셀 내에 환경적인 변화가 생기면 이로 인해 일부 지역에 지속적 또는 일시적으로 호가 집중될 수 있는 우려가 있다.

따라서 현재는 서로 다른 크기의 셀이 공존하는 무선통신망의 계층셀 환경에서 효율적으로 전력제어를 이루기 위한 방안이 필수적으로 요구된다.

본 발명은, 상기한 바와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 무선통신망의 계층셀 환경하에서, 순방향 링크에 있어서 각각의 기지국이 공간적으로 분리된 안테나를 사용하여 다중경로를 제공하는 STD(Selective Transmit Diversity) 기법을 이용함으로써, 각 이동국이 다중경로 중에서 가장 강한 경로의 신호에 접속할 수 있도록 하기 위한 순방향 전력제어 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 무선통신망에 적용되는 계층셀 환경하에서의 순방향 전력 제어 방법에 있어서, 서로 다른 크기의 셀이 공존하는 계층적 셀 환경하의 순방향 링크상에서, 각각의 기지국이 공간적으로 분리된 다중 안테나를 사용하여 다중경로를 제공하고, 각 안테나로부터 직교 파일럿 신호를 전송하는 STD(Selective Transmit Diversity) 기법을 이용하여 신호를 전송하는 전송단계; 이동 단말이 상기 직교 파일럿 신호를 감시하여, 가장 강한 순방향 전송 경로를 제공하는 안테나를 선정하는 순방향 전송 경로 선정단계; 및 상기 선정된 안테나가 상기 이동 단말로 가장 강한 신호 경로를 제공하는 신호 경로 제공단계를 포함하되, 상기 STD 기법은, 한 개의 안테나만이 한 번에 전송을 하기 위하여 선택되며, 상기 선택된 안테나가 상기 다중 안테나 사이에서 가장 강한 신호를 전송할 수 있도록 다중경로를 제공한다.

삭제

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 2 는 본 발명에 따른 계층셀 환경하에서의 순방향 전력 제어 방법을 나타낸 일실시예 설명도로서, 매크로셀(큰 타원)(21)과 마이크로셀(작원 타원)(22)이 공존하는 환경에 대해 나타낸 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 매크로셀(21)에서는 기지국이 L 개의 안테나를 가지고 있으며, 마이크로셀(22)에서도 기지국은 L개의 안테나를 가지고 있다.

따라서 도 2는 상기와 같이 매크로셀(21)과 마이크로셀(22)이 공존하는 환경에서 각 셀 내의 기지국들의 순방향에서 STD 기법을 사용하여 신호를 송신하고, 단말은 이들 중에서 가장 양호한 경로의 신호를 채택하여 사용하는 과정을 나타낸 것이다.

이러한 방법이 실제로 사용되는 경우의 성능은 후술되는 설명과 같이 수식을 통한 분석과 시뮬레이션을 통하여 입증된다.

서로 다른 크기의 셀들이 공존하게 되는 환경하에서 안테나들은 충분히 분리되어, 동일한 기지국으로부터의 모든 잠재적인 전송경로는 서로 상관되지 않는 페이딩, 그러나 상관된 새도우잉을 갖는다고 가정한다.

지금 매크로셀(21)과 마이크로셀(22) 내의 기지국은 양자 모두 L개의 안테나를 각각 갖는다고 가정한다. 즉, 이동 단말은 잠재적인 2L개의 안테나 중에서 가장 양호한 안테나를 선정하게 된다.

이 셀의 lth 전송경로에 의한 전체 순방향 전송 전력이라고 하자. 이동 단말들은 균일하게 분포하기 때문에, 한 셀 내의 각 전송 가지는 이동 단말에 의하여 선택될 동일한 확률을 가지게 되고, 따라서 하기의 [수학식1]과 같이 가정할 수가 있다.

이때, 이동 단말 i를 위한 순방향 전송 전력은 하기의 [수학식 2]와 같다.

여기서, 는 셀의 i번째 전송 가지와 관련된 링크 이득이다.

이때, 하기의 [수학식 3]과 같은 수식이 성립하게 된다.

여기서,

이다.

N과 M은 각각 마이크로셀(22)과 매크로셀(21) 내의 이동 단말의 대수이다. 마이크로셀(22)에 연결된 N'개의 마이크로셀 이동 단말과, 매크로셀(21)에 연결된 M'개의 매크로셀 이동 단말이 있다고 가정하자. 각 전송 가지는 선택될 동일한 기회를 가지기 때문에, 각 기지국 가지에 의한 전체 순방향 전송 전력은 하기의 [수학식 4]와 같다.

매쓰매티카를 사용하여 분석한 결과,

값의 수렴치를 얻기 위해서는 15미만의 반복 루프가 필요하다.

즉, 본 발명은 순방향 링크에서 각각의 기지국이 공간적으로 분리된 안테나를 사용하여 다중경로를 제공하고, 각 안테나로부터 직교 파일럿 신호가 전송되는 STD 기술을 사용하는 기법을 제시하는 것이다.

이때, 서로 다른 안테나들이 서로 간에 충분히 상관되지 않게 하기 위하여, 안테나 간격은 파장의 수십 배 정도 이격시킨다. 이러한 파일럿 신호를 감시하여, 이동 단말은 가장 강한 순방향 전송경로를 제공하는 안테나를 선정할 수 있으며(Mobile-assisted), 그 안테나로 하여금 더 강한 신호를 제공하는 안테나가 나타날 때까지 신호를 전송하도록 한다. 따라서 STD를 사용하는 경우에, 단지 한 개의 안테나만이 한 번에 전송을 하기 위하여 선택되며, 선택된 안테나는 다중 안테나들 사이에서 가장 강한 신호 경로를 제공한다.

STD와 비-STD 기법의 중요한 차이는 STD는 기지국당 다중의 잠재적인 전송 경로를 제공하는 반면에, 비-STD는 기지국당 한 개의 경로만을 제공한다는 것이다. 그러나 STD와 비-STD 양자는 모두 전송할 안테나를 한 번에 한 개만을 선택한다. 안테나 분리를 통한 다이버시티 이득은 공간과 시스템 복잡도가 그리 심각한 제한 요소가 아닌 경우에 사용될 수 있다.

도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 순방향 전력 제어 방법 중 마이크로셀의 위치에 따른 성능 분석표로서, 시스템 부하가 셀당 24개의 이동 단말로 고정된 반면에, 마이크로셀 위치 d_c 의 함수로서 분석한 순방향 성능 결과와 시뮬레이션 순방향 성능 결과를 비교한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 시뮬레이션 결과에 따르면 본 발명에서 제안하는 기법이 상당히 우수한 특성을 나타냄을 알 수 있다. 도 3에서 분석한 결과와 시뮬레이션 결과 사이의 차이는 가정으로 인하여 L = 3인 경우에 L = 2인 경우보다 크다는 것을 알 수 있다. 그러나 그 차이는 그것이 0.3 dB내인 것을 고려한다면 여전히 적은 것이다.

도 4 는 본 발명의 일실시예에 따른 순방향 전력 제어 방법 중 멀티셀로부터 구해지는 평균 순방향 성능에 따른 결과 분석표로서, 3개의 마이크로셀로 이루어진 한 개의 클러스터와 3개의 매크로셀로 구성된 환경을 가정한 상태에서 분석한 결과 를 나타낸 것이다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에서 제안하는 기법, 즉 "서로 다른 크기의 셀이 공존하는 환경하에서 순방향 전력 제어에 있어서, STD를 사용하는 기법"의 이점은 다중 셀 위치로 인한 추가적인 다이버시티 효과로부터의 시스템 이점인 도 4의 결과들로부터 더욱 분명하다.

비록 성능은 다소 변화하지만 STD는 효과적으로 순방향 성능상에서의 마이크로셀 클러스터 위치의 영향을 중화시킨다. STD를 사용하지 않는 경우에, 클러스터가 매크로셀 기지국(BS)에 너무 근접하게 되면 성능은 열화된다(즉, 마이크로셀들로 이루어진 클러스터가 이보다 큰 매크로셀의 기지국에 너무 근접하게 되면 순방향 성능이 많이 열화된다.).

도 4로부터 STD를 사용하지 않는 경우에 346m와 1385m의 클러스터 위치 사이의 차이로부터 약 1.5dB의 성능 차이를 볼 수 있다. 한 가지 흥미로운 것은 STD를 사용하는 경우에는 d_c 가 감소함에 따라서 성능이 다소 개선되는 것인데(즉, 도 4에서 보면, STD를 사용하지 않는 경우에 있어서 마이크로셀들로 이루어진 클러스터의 중심위치와 매크로셀의 기지국 간의 거리가 1385m인 경우-검은 사각형-가 346m인 경우 -검은 원-보다 성능이 우수하다.), 이는 STD를 사용하지 않는 경우와는 반대이다(즉, STD 기법을 사용하게 되면 매크로셀과 마이크로셀 각각의 안테나 숫자를 3으로 가정하는 경우에 마이크로셀들로 이루어진 클러스터 중심위치와 매크로셀의 기지국 간의 거리가 346m인 경우가 1385m인 경우보다 성능이 우수하다.).

d_c 가 줄어들게 되면, 비록 다른 계층 사이의 상호 간섭이 증가하지만, STD는 궁극적으로 성능 개선을 야기시키는 계층간 다이버시티 효과가 증가되는 이점이 있다.

도 5 는 본 발명의 일실시예에 따른 순방향 전력 제어 방법 중 순방향 성능상에서의 마이크로셀 클러스터 크기의 영향을 나타낸 결과 분석표로서, 검은색 포인터들은 단일 마이크로셀을 나타내고, 흰색 포인터들은 각각 상대되는 마이크로셀 3개로 이루어진 셀 클러스터의 경우를 나타내는 것이다.

다만, 도 5는 본 발명에서 제안하는 기법을 직접적으로 설명하는 것은 아니나, 본 발명을 사용하는 경우에 다른 측면에서 예상될 수 있는 단점을 분석하고, 그러한 경우에 있어서도 전체 용량증가 측면에서 보면 허용할 수 있는 수준이라는 것을 보여주기 위한 분석 결과를 나타낸 것이다.

즉, 도 5는 단일 셀 클러스터와 3개의 셀 클러스터 간의 성능 비교를 보여준다. IMT-2000과 같이 서로 다른 크기의 셀이 공존하게 되는 환경하에서 순방향 송신에서 STD를 사용하는 경우에, 순방향 성능은 마이크로셀 클러스터(마이크로셀 클러스터라 함은 마이크로셀들로 이루어진 집단을 커버하는 원을 가리킨다.) 크기에 따라서 좌우되고, 클러스터 내의 마이크로셀 숫자의 증가는 성능을 열화시키게 된다. 추가적인 다이버시티 영향은 마이크로셀 증가로 인한 간섭의 증가를 완전히 보상하기에는 분명히 부족하다. 그러나 이렇게 추가되는 마이크로셀들로 인하여 얻어지는 용량 이득을 고려한다면 성능 열화는 무시할 만하다.

예를 들어, 도 5에서 타겟(target) CIR(Committed Information Rate)을 -14dB로 설정하는 경우 단일 셀 클러스터를 갖는 3개의 매크로셀 시스템은 L=3이고, d _c =1385인 경우 셀당 26개 MS의 용량을 갖는다. 동일한 설정 상태에서, 3개 셀 클러스터를 갖는 시스템은 1개의 셀당 24개 MS의 용량을 갖지만, 이러한 셀들이 3개 있는 것이므로, 전체 시스템 용량은 추가되는 마이크로셀들로 인하여 훨씬 크다.

STD는 순방향 성능을 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라, 더욱 강력한 결함을 위해 추가적인 BS 안테나 요소를 개선시킬 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명은 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하다는 것이 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 명백할 것이다.

상기한 바와 같은 본 발명은, 순방향 링크에 있어서 각각의 기지국이 공간적으로 분리된 안테나를 사용하여 다중경로를 제공하는 STD(Selective Transmit Diversity) 기법을 이용함으로써, 순방향 성능을 개선시킬 수 있을 뿐만 아니라 더욱 강력한 결합을 위해 추가적인 BS 안테나 요소를 제공할 수 있으므로 역방향 링크 성능을 개선시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims

삭제
무선통신망에 적용되는 계층셀 환경하에서의 순방향 전력 제어 방법에 있어서,

서로 다른 크기의 셀이 공존하는 계층적 셀 환경하의 순방향 링크상에서, 각각의 기지국이 공간적으로 분리된 다중 안테나를 사용하여 다중경로를 제공하고, 각 안테나로부터 직교 파일럿 신호를 전송하는 STD(Selective Transmit Diversity) 기법을 이용하여 신호를 전송하는 전송단계;

이동 단말이 상기 직교 파일럿 신호를 감시하여, 가장 강한 순방향 전송 경로를 제공하는 안테나를 선정하는 순방향 전송 경로 선정단계; 및

상기 선정된 안테나가 상기 이동 단말로 가장 강한 신호 경로를 제공하는 신호 경로 제공단계를 포함하되,

상기 STD 기법은,

한 개의 안테나만이 한 번에 전송을 하기 위하여 선택되며, 상기 선택된 안테나가 상기 다중 안테나 사이에서 가장 강한 신호를 전송할 수 있도록 다중경로를 제공하는 것을 특징으로 하는 순방향 전력 제어 방법.
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