KR101208083B1 - 2계층 네트워크에서 다운링크 빔 형성 장치 및 방법 - Google Patents

2계층 네트워크에서 다운링크 빔 형성 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

2계층 네트워크에서 상황에 따라 최적화된 빔 형성을 제공하는 장치 및 방법이 제공된다. 매크로셀 기지국과 백하울 링크로 연결된 펨토셀 액세스 포인트는, 매크로셀 기지국으로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제1 채널 벡터, 매크로셀 기지국으로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제2 채널 벡터를 백하울 링크를 통해서 매크로셀 기지국으로부터 수신하는 통신부와, 수신된 제1 채널 벡터, 수신된 제2 채널 벡터, 펨토셀 액세스 포인트로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제3 채널 벡터 및 펨토셀 액세스 포인트로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제4 채널 벡터를 이용하고, 복수의 매크로셀 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제1 MSE(mean square error) 및 복수의 홈 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제2 MSE를 제약 조건으로 하여, 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 계수를 결정하는 빔형성 계수 결정부와, 결정된 빔형성 계수를 이용하여, 각 홈 유저로 전송할 정보 신호에 대한 빔 형성을 수행하는 빔 형성부를 포함한다.

Description

2계층 네트워크에서 다운링크 빔 형성 장치 및 방법{Apparatus and method for downlink beamforming in two tier network}
본 발명은 다운링크 빔 형성 장치 및 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 2계층 네트워크에서 상황에 따라 최적화된 빔 형성을 제공하는 장치 및 방법에 관한 것이다.
펨토셀(femtocell)은 1,000조 분의 1(10-15)를 뜻하는 "펨토(femto)"와 이동통신에 있어 하나의 기지국이 담당하는 서비스 구역 단위인 "셀(cell)"을 합친 조어로서, 펨토셀 액세스 포인트는 가정이나 사무실 등 실내에서 사용되는 초소형 이동 통신용 기지국을 의미한다.
펨토셀 기술은 이동 전화의 실내 음영 지역(shadow area)을 해소하기 위해 개발된 기술로서, 펨토셀 액세스 포인트는 매크로셀 기지국의 관할 영역(cell coverage)내에 위치한다. 이와 같이, 펨토셀 액세스 포인트와 매크로셀 기지국을 모두 포함하여 구성된 네트워크를 2-계층 네트워크(2 tier network)라고 한다.
2계층 네트워크에서 상황에 따라 최적화된 빔 형성을 제공하는 장치 및 방법을 제공한다.
일 측면에 따른 매크로셀 기지국과 백하울 링크로 연결된 펨토셀 액세스 포인트는, 매크로셀 기지국으로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제1 채널 벡터, 매크로셀 기지국으로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제2 채널 벡터를 백하울 링크를 통해서 매크로셀 기지국으로부터 수신하는 통신부와, 수신된 제1 채널 벡터, 수신된 제2 채널 벡터, 펨토셀 액세스 포인트로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제3 채널 벡터 및 펨토셀 액세스 포인트로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제4 채널 벡터를 이용하고, 복수의 매크로셀 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제1 MSE(mean square error) 및 복수의 홈 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제2 MSE를 제약 조건으로 하여, 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 계수를 결정하는 빔형성 계수 결정부와, 결정된 빔형성 계수를 이용하여, 각 홈 유저로 전송할 정보 신호에 대한 빔 형성을 수행하는 빔 형성부를 포함한다.
다른 측면에 따른, 펨토셀 액세스 포인트와 백하울 링크로 연결된 매크로셀 기지국은, 펨토셀 액세스 포인트로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제3 채널 벡터, 펨토셀 액세스 포인트로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제4 채널 벡터를 백하울 링크를 통해서 펨토셀 액세스 포인트로부터 수신하는 통신부와, 수신된 제3 채널 벡터 및 제4 채널 벡터, 매크로셀 기지국으로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제1 채널 벡터, 매크로셀 기지국으로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제2 채널 벡터를 이용하고, 복수의 매크로셀 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제1 MSE(mean square error) 및 복수의 홈 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제2 MSE를 제약 조건으로 하여, 매크로셀 기지국의 빔형성 계수를 결정하는 빔형성 계수 결정부와, 결정된 빔형성 계수를 이용하여, 각 매크로셀 유저로 전송할 정보 신호에 대한 빔 형성을 수행하는 빔 형성부를 포함한다.
또 다른 측면에 따른 매크로셀 기지국과 백하울 링크로 연결된 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 방법은, 매크로셀 기지국으로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제1 채널 벡터, 매크로셀 기지국으로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제2 채널 벡터를 백하울 링크를 통해서 매크로셀 기지국으로부터 수신하는 단계와, 수신된 제1 채널 벡터, 수신된 제2 채널 벡터, 펨토셀 액세스 포인트로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제3 채널 벡터, 펨토셀 액세스 포인트로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제4 채널 벡터를 이용하고, 복수의 매크로셀 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제1 MSE 및 복수의 홈 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제2 MSE를 제약 조건으로 하여, 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 계수를 결정하는 단계와, 결정된 빔형성 계수를 이용하여, 각 홈 유저로 전송할 정보 신호에 대한 빔 형성을 수행하는 단계를 포함한다.
또 다른 측면에 따른 펨토셀 액세스 포인트와 백하울 링크로 연결된 매크로셀 기지국의 빔형성 방법은, 펨토셀 액세스 포인트로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제3 채널 벡터, 펨토셀 액세스 포인트로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제4 채널 벡터를 백하울 링크를 통해서 펨토셀 액세스 포인트로부터 수신하는 단계와, 수신된 제3 채널 벡터, 제4 채널 벡터, 매크로셀 기지국으로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제1 채널 벡터 및 매크로셀 기지국으로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제2 채널 벡터를 이용하고, 복수의 매크로셀 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제1 MSE 및 복수의 홈 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제2 MSE를 제약 조건으로 하여, 매크로셀 기지국의 빔형성 계수를 결정하는 단계와, 결정된 빔형성 계수를 이용하여, 각 매크로셀 유저로 전송할 정보 신호에 대한 빔 형성을 수행하는 단계를 포함한다.
시스템 복잡도를 최소화하는 동시에 사용자의 서비스 품질을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2계층 네트워크 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매크로셀 기지국 및 펨토셀 액세스 포인트의 구성 및 동작을 나타내는 도면이다.
도 3은 도 2의 펨토셀 빔형성 계수 결정부의 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 4는 도 2의 매크로셀 빔형성 계수 결정부의 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 방법을 나타내는 순서도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 매크로셀 기지국의 빔형성 방법을 나타내는 순서도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예를 상세하게 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 명세서에서, 볼드체 대문자는 매트릭스를 나타내고, 볼드체 소문자는 열벡터(column vector)를 나타낸다. 윗첨자 T는 전치(transpose)를 나타내고, †는 공액 전치(transpose conjugate)를 나타낸다.
Figure 112011006361169-pat00001
는 복소수 영역을 나타내고,
Figure 112011006361169-pat00002
는 음이 아닌 실수 세트를 나타내고,
Figure 112011006361169-pat00003
는 양의 실수 세트를 나타낸다.
모든 요소들이 1인 벡터를 1로 나타나고, 단위 행렬을 I로 나타낸다. |·|는 절대값을 나타내고, ∥·∥는 표준 유클리드 놈(standard Euclidean norm)을 나타내고, ∥·∥F는 프로베니우스 놈(Frobenius norm)을 나타낸다. 정방 행렬(square matrix)의 트레이스 연산자(trace operator)는 tr(·)로 나타낸다.
Figure 112011006361169-pat00004
은 평균이 μ이고, 분산이 σ2인 CSCG(circularly symmetric complex Gaussian distribution)을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 2계층 네트워크 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1에의 2계층 네트워크는, 하나의 매크로셀 네트워크 및 하나의 펨토셀 네트워크를 포함한다. 여기에서는, 다중 안테나 매크로셀 기지국 및 다중 안테나 펨토셀 액세스 포인트를 포함하는 다운링크 2 계층 네트워크를 고려한다.
도 1을 참조하면, 매크로셀 네트워크는 매크로셀 기지국(100) 및 L개의 매크로셀 유저(10a, 10b, 10c)를 포함한다. 매크로셀 기지국(100)은 매크로셀 네트워크에 포함된 매크로셀 유저(10a, 10b, 10c)로 각각 신호를 전송하는 송신기이다. 매크로셀 기지국(100)은 Nm개의 안테나를 포함할 수 있다. 매크로셀 유저(10a, 10b, 10c)는 매크로셀 기지국(100)에 의해 형성되는 매크로셀 네트워크에 존재하며, 전송되는 신호를 수신하도록 구성된 수신 단말을 나타낸다.
펨토셀 네트워크는 펨토셀 액세스 포인트(200) 및 K개의 홈 유저(20a, 20b)를 포함할 수 있다. 펨토셀 액세스 포인트(200)는 펨토셀 네트워크에 포함된 홈 유저(20a, 20b)로 각각 신호를 전송하는 송신기이며, 펨토셀 기지국이라 할 수도 있다. 펨토셀 액세스 포인트(200)는 Nf개의 안테나를 포함할 수 있다. 홈 유저(20a, 20b)는 펨토셀 액세스 포인트(200)에 의해 형성되는 펨토셀 네트워크에 존재하며, 전송되는 신호를 수신하도록 구성된 수신 단말을 나타낸다.
도 1에는 3개의 매크로셀 유저(10a, 10b, 10c) 및 2개의 홈 유저(20a, 20b)가 도시되어 있으나, 매크로셀 유저 및 홈 유저의 개수에 제한되지 않는다.
매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200)는, 공통 주파수 대역으로 매크로셀 유저(10a, 10b, 10c) 및 홈 유저(20a, 20b)로 동시에 신호를 전송할 수 있다. 각각의 매크로셀 유저(10a, 10b, 10c) 및 홈 유저(20a, 20b)에는 하나의 안테나가 포함될 수 있다.
도 1에서 매크로셀 기지국(100)으로부터 매크로셀 유저(10a, 10b, 10c)로의 링크를 나타내는 라인(11, 12, 13) 및 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 펨토셀 네트워크에 포함된 홈 유저(20a, 20b)로의 링크를 나타내는 라인(21, 22)이 목적하는 링크들을 나타낸다. 매크로셀 기지국(100)으로부터 홈 유저(20a, 20b)로의 링크를 나타내는 라인(31) 및 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 매크로셀 유저(10a, 10b, 10c)로의 링크를 나타내는 라인(32)은 교차 계층 간섭(cross-tier interference)을 나타낸다.
매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200)는 백하울 링크(50)로 연결될 수 있다. 백하울 링크(50)는 예를 들어, 유선 인터넷 망일 수 있으며, 대역폭이 제한되는 네트워크일 수 있다. 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200)는 백하울 링크(50)를 통해서 채널 상태 정보(Channel State Information; CSI)를 교환할 수 있다.
채널 상태 정보(CSI)는 매크로셀 기지국(100)으로부터 매크로셀 유저(MUl)로의 랜덤 채널 벡터(
Figure 112011006361169-pat00005
), 매크로셀 기지국(100)으로부터 홈 유저(HUk)로의 랜덤 채널 벡터(
Figure 112011006361169-pat00006
), 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 매크로셀 유저(MUl)로의 랜덤 채널 벡터(
Figure 112011006361169-pat00007
), 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 홈 유저(HUk)로의 랜덤 채널 벡터(
Figure 112011006361169-pat00008
)를 포함한다. 매크로셀 기지국(100)으로부터 매크로셀 유저(MUl)로의 랜덤 채널 벡터(
Figure 112011006361169-pat00009
), 매크로셀 기지국(100)으로부터 홈 유저(HUk)로의 랜덤 채널 벡터(
Figure 112011006361169-pat00010
)는 매크로셀 기지국(100)에서 측정되어 알려지는 값이고, 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 매크로셀 유저(MUl)로의 랜덤 채널 벡터(
Figure 112011006361169-pat00011
), 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 홈 유저(HUk)로의 랜덤 채널 벡터(
Figure 112011006361169-pat00012
)는, 펨토셀 액세스 포인트(200)에서 측정되어 알려지는 값이다.
매크로셀 기지국(100)은 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 채널 상태 정보즉, 매크로셀 유저(MUl)로의 랜덤 채널 벡터(
Figure 112011006361169-pat00013
), 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 홈 유저(HUk)로의 랜덤 채널 벡터(
Figure 112011006361169-pat00014
)를 백하울 링크(50)를 통해 수신하여, 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 각각의 빔형성 최적화를 수행하여, 매크로셀 기지국(100)의 빔 형성 계수(
Figure 112011006361169-pat00015
)를 계산하고, 펨토셀 액세스 포인트(200)의 빔 형성 계수(
Figure 112011006361169-pat00016
)를 계산할 수 있다. 이때, 매크로셀 기지국(100)은 복수의 매크로셀 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제1 MSE(mean square error) 및 복수의 홈 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제2 MSE를 제약 조건으로 하여, 크로셀 기지국(100)의 빔 형성 계수(
Figure 112011006361169-pat00017
)를 결정할 수 있다.
또한, 펨토셀 액세스 포인트(200)는 매크로셀 기지국(100)으로부터 채널 상태 정보, 즉, 매크로셀 기지국(100)으로부터 매크로셀 유저(MUl)로의 랜덤 채널 벡터(
Figure 112011006361169-pat00018
), 매크로셀 기지국(100)으로부터 홈 유저(HUk)로의 랜덤 채널 벡터(
Figure 112011006361169-pat00019
)를 수신하여, 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 각각의 빔형성 최적화를 수행하여, 매크로셀 기지국(100)의 빔 형성 계수(
Figure 112011006361169-pat00020
)를 계산하고, 펨토셀 액세스 포인트(200)의 빔 형성 계수(
Figure 112011006361169-pat00021
)를 계산할 수 있다. 이때, 펨토셀 액세스 포인트(200)는 복수의 매크로셀 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제1 MSE 및 복수의 홈 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제2 MSE를 제약 조건으로 하여, 펨토셀 액세스 포인트(200)의 빔형성 계수(
Figure 112011006361169-pat00022
)를 결정할 수 있다.
이하에서는, 설명의 편의를 위하여, 펨토셀 액세스 포인트(200)가 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 각각에 대한 빔형성 최적화를 수행하는 동작을 중심으로 설명한다. 펨토셀 액세스 포인트(200)는 여러 가지 상황을 고려하여 빔형성 최적화 문제를 처리한다.
펨토셀 액세스 포인트(200)는 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200)의 총 전송 전력이 최소화되도록 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 각각에 대한 빔형성 최적화를 수행할 수 있다. 또한, 펨토셀 액세스 포인트(200)는 홈 유저(20a, 20b) 각각에 대한 서비스 품질 밸런싱을 최적화하도록매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 각각에 대한 빔형성 최적화를 수행할 수 있다. 또한, 펨토셀 액세스 포인트(200)는 2계층 네트워크 구조로 인한 간섭을 최소화하도록 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 각각에 대한 빔형성 최적화를 수행할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200)의 구성 및 동작을 나타내는 도면이다.
매크로셀 기지국(100)은, 빔 형성부(110), 송신 어레이(120), 매크로셀 빔 형성 계수 결정부(130) 및 MBS 통신부(140)를 포함한다. 정보 신호(Sm,1)은 매크로셀 유저(MU1)로 전송될 신호를 나타내고, 정보 신호(Sm ,2)는 매크로 셀 유저(MU2)로 전송될 신호를 나타내고, 정보 신호(Sm ,L)는 매크로셀 유저(MUL)로 전송될 신호를 나타낸다.
빔 형성부(110)는 매크로셀 기지국(100)의 안테나의 빔형성 계수(
Figure 112011006361169-pat00023
)를 이용하여, 매크로셀 유저(MUL)에 대한 정보 신호(Sm ,L)를 가중하고, 합성하여 각 매크로셀 유저(MUL)로 전송한다. 빔형성 계수(
Figure 112011006361169-pat00024
)는 매크로셀 기지국(100)의 안테나 벡터에 대응한다. 여기에서,
Figure 112011006361169-pat00025
이다.
송신 어레이(120)는 L개의 안테나를 포함할 수 있다.
매크로셀 빔 형성 계수 결정부(130)는 빔 형성부(110)에서 이용할 빔 형성 계수(
Figure 112011006361169-pat00026
)를 결정하여, 빔 형성부(110)에 설정한다. 매크로셀 빔 형성 계수 결정부(130)는 도 1의 백하울 링크(50)를 통해 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 수신된 채널 상태 정보를 이용하여 빔 형성 계수(
Figure 112011006361169-pat00027
)를 결정할 수 있다.
매크로셀 빔 형성 계수 결정부(130)는 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200)의 총 전송 전력이 최소화되도록 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 각각에 대한 빔형성 계수를 결정할 수 있다. 또한, 매크로셀 빔 형성 계수 결정부(130)는 홈 유저(20a, 20b) 각각에 대한 서비스 품질 밸런싱을 최적화하도록 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 각각에 대한 빔형성 계수를 결정할 수 있다. 또한, 매크로셀 빔 형성 계수 결정부(130)는 2계층 네트워크 구조로 인한 간섭을 최소화하도록 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 각각에 대한 빔형성 계수를 결정할 수 있다.
MBS 통신부(140)는 펨토셀 액세스 포인트(200)의 FAP 통신부(240)와 백하울 링크(도 1의 50)를 통해 통신을 수행하도록 구성된다.
한편, 펨토셀 액세스 포인트(200)은, 빔 형성부(210), 송신 어레이(220), 펨토셀 빔 형성 계수 결정부(230) 및 FAP 통신부(240)를 포함한다. 정보 신호(Sf ,1)는 홈 유저(HU1)로 전송될 신호를 나타내고, 정보 신호(Sf ,2)는 홈 유저(HU2)로 전송될 신호를 나타내고, 정보 신호(Sf ,K)는 홈 유저(HUK)로 전송될 신호를 나타낸다.
빔 형성부(210)는 펨토셀 액세스 포인트(200)의 안테나 벡터(
Figure 112011006361169-pat00028
)를 이용하여, 홈 유저(HUK)에 대한 정보 신호(Sf ,K)를 가중하고, 합성하여 각 홈 유저(HUK)로 전송한다. 안테나 벡터(
Figure 112011006361169-pat00029
)는 빔 형성 계수를 나타낸다. 여기에서,
Figure 112011006361169-pat00030
이다.
송신 어레이(220)는 K개의 안테나를 포함할 수 있다.
FAP 통신부(240)는 매크로셀 기지국(100)의 MBS 통신부(140)와 백하울 링크(도 1의 50)를 통해 통신을 수행하도록 구성된다.
펨토셀 빔 형성 계수 결정부(230)는 빔 형성부(210)에서 이용할 빔 형성 계수(
Figure 112011006361169-pat00031
)를 결정하여, 빔 형성부(210)에 설정한다. 펨토셀 빔 형성 계수 결정부(230)는 도 1의 백하울 링크(50)를 통해 매크로셀 기지국(100)으로부터 수신된 채널 상태 정보를 이용하여 빔 형성 계수(
Figure 112011006361169-pat00032
)를 결정할 수 있다.
펨토셀 빔 형성 계수 결정부(230)는 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200)의 총 전송 전력이 최소화되도록 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 각각에 대한 빔형성 계수를 결정할 수 있다. 또한, 펨토셀 빔 형성 계수 결정부(230)는 홈 유저(20a, 20b) 각각에 대한 서비스 품질 밸런싱을 최적화하도록 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 각각에 대한 빔형성 계수를 결정할 수 있다. 또한, 펨토셀 빔 형성 계수 결정부(230)는 2계층 네트워크 구조로 인한 간섭을 최소화하도록 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 각각에 대한 빔형성 계수를 결정할 수 있다.
MUl를 l번째 매크로셀 유저이고, HUk를 k번째 홈 유저로 하고, 여기에서,
Figure 112011006361169-pat00033
이고,
Figure 112011006361169-pat00034
라고 한다. 그러면, MUl에서 수신된 신호(ym ,l)는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011006361169-pat00035
또한, HUk에서 수신된 신호(yf ,k)는 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011006361169-pat00036
여기에서,
Figure 112011006361169-pat00037
는 매크로셀 기지국(100)에서 송신된 신호 벡터를 나타내고,
Figure 112011006361169-pat00038
는, 펨토셀 액세스 포인트(200)에서 송신된 신호 벡터를 나타낸다.
Figure 112011006361169-pat00039
는 매크로셀 기지국(100)으로부터 매크로셀 유저(MUl)로의 랜덤 채널 벡터인 제1 채널 벡터를 나타내고,
Figure 112011006361169-pat00040
는 매크로셀 기지국(100)으로부터 홈 유저(HUk)로의 랜덤 채널 벡터인 제2 채널 벡터를 나타낸다.
Figure 112011006361169-pat00041
은 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 매크로셀 유저(MUl)로의 랜덤 채널 벡터인 제3 채널 벡터를 나타내고,
Figure 112011006361169-pat00042
는 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 홈 유저(HUk)로의 랜덤 채널 벡터인 제4 채널 벡터를 나타낸다.
Figure 112011006361169-pat00043
및
Figure 112011006361169-pat00044
는 각각 AWGN(zero-mean complex additive white Gaussian noise)를 나타낸다.
매크로셀 기지국(100)의 송신 신호(xm)는 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011006361169-pat00045
펨토셀 액세스 포인트(200)의 송신 신호(xf)는 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011006361169-pat00046
여기에서,
Figure 112011006361169-pat00047
는 매크로셀 유저(MUl)에 대한 송신 빔형성 벡터를 나타내고,
Figure 112011006361169-pat00048
는 홈 유저(HUk)에 대한 송신 빔형성 벡터를 나타낸다.
Figure 112011006361169-pat00049
는 매크로셀 유저(MUl)에 대한 정보 신호를 나타내고,
Figure 112011006361169-pat00050
는 홈 유저(HUk)에 대한 정보 신호를 나타낸다. 여기에서,
Figure 112011006361169-pat00051
가 성립한다.
매크로셀 기지국(100)의 안테나 벡터를
Figure 112011006361169-pat00052
로 하고, 펨토셀 액세스 포인트(200)의 안테나 벡터를
Figure 112011006361169-pat00053
로 나타낼 수 있다.
매크로셀 유저(MU1)에서의 총 누설 신호량은
Figure 112011006361169-pat00054
와 같이 나타낼 수 있다. 매크로셀 유저(MU1)에서 측정되는 총 간섭 신호량은
Figure 112011006361169-pat00055
로 나타낼 수 있다.
이 경우, 매크로셀 유저(MUl)에 대한 SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio)은 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011006361169-pat00056
또한, 홈 유저(HUk)에 대한 SINR은 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011006361169-pat00057
모든 매크로셀 유저(20a, 20b, 20c) 및 홈 유저(10a, 10b)에서 선형 MMSE(minimum mean square error) 필터를 이용하는 경우, 매크로셀 유저(MUl)에 대한 MSE는 SINR과 수학식 7과 같은 관계가 있다.
Figure 112011006361169-pat00058
또한, 홈 유저(HUk)에서, MSE는 SINR과 수학식 8과 같은 관계가 있다.
Figure 112011006361169-pat00059
MSE 측정값은, 각 개별 송신 정보 시퀀스가 각 수신기, 즉, 매크로셀 유저(20a, 20b, 20c) 및 홈 유저(10a, 10b)에서 얼마나 정확하게 복원될 수 있는지를 나타낸다.
이하에서, 2개의 네트워크간에 백하울 링크들을 통해서 완전한 글로벌 CSI가 가정되는 경우, 일 실시예에 따르면, QoS(Qiality of Service) 척도로서 수학식 7 및 수학식 8의 MSE를 이용하여 집중화된(centralized) 빔 형성 최적화 문제를 공식화할 수 있다.
도 3은 도 2의 펨토셀 빔 형성 계수 결정부(230)의 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
펨토셀 빔 형성 계수 결정부(230)는 FAP 통신부(240)를 통해 매크로셀 기지국(100)으로부터 수신된 제1 채널 벡터, 수신된 제2 채널 벡터, 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제3 채널 벡터 및 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제4 채널 벡터를 이용하고, 복수의 매크로셀 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제1 MSE(mean square error) 및 복수의 홈 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제2 MSE를 제약 조건으로 하여, 상기 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 계수를 결정할 수 있다. 펨토셀 빔 형성 계수 결정부(230)는, 전송 전력 최소화부(232), 서비스 품질 밸런싱부(234) 및 간섭 최소화부(236)를 포함할 수 있다.
A. 전송 전력 최소화 문제
네트워크 수명에 직접 관련된 무선 통신에서 송신 전력은 중요한 자원이므로, 시스템 레벨 관점에서 QoS 제약 조건을 유지하면서 평균 송신 전력을 최소화하는 것은 중요하다. 또한, 무선 오염(radio pollution), 글로벌 CO2 방출, 및 온실 효과(greenhouse effect)로 인한 평균 송신 전력을 제한하려는 추세가 증가하고 있다. 따라서, 규제 당국은 매크로셀 유저(MU) 및 홈 유저(HU)들에서 QoS 요구사항들에 제한을 받는 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 사이의 네트워크 간섭을 줄이도록 총 전송 전력을 제한할 것이다.
펨토셀 빔 형성 계수 결정부(230)의 전송 전력 최소화부(232)는 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200)의 총 전송 전력이 최소화되도록 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 각각에 대한 빔형성 계수를 결정할 수 있다.
전송 전력 최소화부(232)는 복수의 매크로셀 유저 및 복수의 홈 유저에 대해 MSE를 일정 최대 허용 레벨 이하가 되도록 제한하면서 총 전송 전력이 최소화되도록 빔형성 매트릭스(
Figure 112011006361169-pat00060
)와 빔형성 매트릭스(
Figure 112011006361169-pat00061
)를 최적화하도록 구성될 수 있다.
이를 위하여, 전송 전력 최소화부(232)는 다음의 선형 프로그램(linear program)인 수학식
Figure 112011006361169-pat00062
를 이용하여 매크로셀 빔 형성 계수(
Figure 112011006361169-pat00063
) 및 펨토셀 빔 형성 계수(
Figure 112011006361169-pat00064
)를 결정할 수 있다. 이는 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011006361169-pat00065
수학식 9는, 목적 함수
Figure 112011006361169-pat00066
가 최소로 되는 미지수
Figure 112011006361169-pat00067
및
Figure 112011006361169-pat00068
를 결정하는 것을 나타낸다. s.t.(subject to)는 목적 함수
Figure 112011006361169-pat00069
에 대한 제약 조건을 나타낸다. 즉, 복수의 매크로셀 유저에 대한 제1 MSE(MSEm ,l(Wm,Wf))가 제1 임계값(εm,l) 이하이고 복수의 홈 유저에 대한 제2 MSE(MSEf ,k(Wm,Wf))가 제2 임계값(εf,k) 이하인 제약 조건이 이용된다.
여기에서, 전송 전력 최소화부(232)는
Figure 112011006361169-pat00070
를 수학식 10과 같은 SOCP(second-order cone program)인 컨벡스 최적화 문제로 계산할 수 있다.
Figure 112011006361169-pat00071
여기에서, 빔형성 벡터의 회전각(angular rotation)은 제약조건에 영향을 미치지 않으므로,
Figure 112011006361169-pat00072
에 대한 해법은 각각의
Figure 112011006361169-pat00073
및
Figure 112011006361169-pat00074
이 실수가 음이 아닌 실수 부분(nonnegative real part) 및 0인 허수 부분을 가지도록 한정시킨다.
B. MSE 밸런싱 문제
펨토셀 빔 형성 계수 결정부(230)의 서비스 품질 밸런싱부(234)는 홈 유저들(HU) 각각에 대한 서비스 품질 밸런싱을 최적화하도록 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 각각에 대한 빔형성 계수를 결정할 수 있다.
이를 위해, 서비스 품질 밸런싱부(234)는 복수의 홈 유저들(HU) 사이에 공정성을 보장하기 위하여, MSEf ,k/εf,k의 비율이 모든 홈 유저들(HU) 사이에서 균형잡히도록 빔형성 계수를 최적화할 수 있다. 가중치 εf,k는 각 홈 유저들(HU)의 QoS 및 지연 요구사항에 기초하여 상이한 홈 유저들(HU) 사이에 우선순위를 매기는데 이용될 수 있다.
이러한 방법은 페이딩(fading) 또는 매크로셀 시스템의 근접으로 인한 상이한 간섭 조건에도 블구하고 홈 유저들(HU)의 QoS를 유사하게 만족시키는 것을 보장할 것이다. 여기에서는, 펨토셀 시스템에서 MSE 밸런싱 문제를 공식화하지만, 또한 유사하게 매크로셀 시스템에 대한 MSE 밸런싱 문제를 공식화할 수 있다. 여기에서, 설계 목적은, 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200)의 개별 전송 전력뿐만 아니라 매크로셀 유저들(MU)의 QoS 품질 보장을 위한 매크로셀 유저들(MU)의 MSE들을 제한하면서, 홈 유저들(HU) 간의 최대 정규화된 MSE가 최소화되도록 빔형성 매트릭스 W m 와 W f 를 최적화하는 것이다.
이는, 다음의 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011006361169-pat00075
슬랙 변수(slack variable)
Figure 112011006361169-pat00076
을 도입하면,
Figure 112011006361169-pat00077
는 수학식 12와 같다.
Figure 112011006361169-pat00078
수학식 12에서 제1 제약 조건은 non-convex이어서, 홈 유저들에 대한 서비스 품질 밸런싱을 위한 문제 Pmse는 컨벡스 최적화 문제가 되지 않는다. 그러나, 소정의 τ, Pmse(τ)에 대해서는 수학식 13과 같이 컨벡스와 유사한 문제가 된다.
Figure 112011006361169-pat00079
실행가능한 세트들은 준 컨벡스(quasi-convex)이므로, 서비스 품질 밸런싱부(232)는 Pmse를 바이섹션 방법(bisection method)을 이용하여 컨벡스 실행가능 문제의 시퀀스를 통해 효율적으로 풀 수 있다. 이 절차는 다음과 같은 알고리즘으로 요약된다.
<Pmse를 푸는 알고리즘>
1.
Figure 112011006361169-pat00080
이고, 허용오차(tolerance)
Figure 112011006361169-pat00081
가 되도록
Figure 112011006361169-pat00082
및
Figure 112011006361169-pat00083
를 초기화한다.
2.
Figure 112011006361169-pat00084
를 고정하여, 컨벡스 실행가능성 문제
Figure 112011006361169-pat00085
를 풀어서,
Figure 112011006361169-pat00086
및
Figure 112011006361169-pat00087
를 획득한다.
3.
Figure 112011006361169-pat00088
가 실행가능하면,
Figure 112011006361169-pat00089
로 설정하고, 그렇지 않으면,
Figure 112011006361169-pat00090
로 설정한다.
4. 차이값
Figure 112011006361169-pat00091
이 허용오차
Figure 112011006361169-pat00092
보다 작으면 중지한다. 그렇지 않으면, 단계 1로 진행한다.
5. 단계 2로부터 획득된
Figure 112011006361169-pat00093
및
Figure 112011006361169-pat00094
를 출력한다.
C. 네트워크 간섭 최소화 문제
무선 송신 및 스펙트럼 언더레이(spectrum underlay)의 방송 특성으로 인하여, 매크로셀 및 펨토셀 네트워크들의 공존은 그들의 각각의 수신기들에서 간섭을 생성함으로써 개개의 링크들의 수신 품질을 불가피하게 저하시킨다. 따라서, QoS가 MU들 및 HU들 각각에서 만족되면서 네트워크 간섭 레벨을 최소화할 필요가 있다. 이런 식으로, 네트워크 간섭 레벨이 허용되는 한 동일한 스펙트럼을 재사용하도록 부가적인 언더레이 시스템이 설계될 수 있다.
펨토셀 빔 형성 계수 결정부(230)의 간섭 최소화부(236)는 2계층 네트워크 구조로 인한 간섭을 최소화하도록 매크로셀 기지국(100) 및 펨토셀 액세스 포인트(200) 각각에 대한 빔형성 계수를 결정할 수 있다.
간섭 최소화부(236)는, QoS 품질 보장을 위해 각 사용자의 MSE를 제한하면서 가중되는 네트워크 간섭이 최소화되도록 빔형성 매트릭스 Wm 및 Wf를 최적화한다. 즉, 복수의 매크로셀 유저에 대한 제1 MSE(MSEm ,l(Wm,Wf))가 제1 임계값(εm,l) 이하이고 복수의 홈 유저에 대한 제2 MSE(MSEf ,k(Wm,Wf))가 제2 임계값(εf,k) 이하인 제약 조건이 이용된다.
이는 수학식 14와 같은 식 Pip로 나타낼 수 있다.
Figure 112011006361169-pat00095
여기에서, Pip는 다음과 같은 컨벡스 최적화 문제로서 수학식 15와 같은 문제가 된다.
Figure 112011006361169-pat00096
전술한 빔 형성 계수 결정 과정은, 채널 상태 정보가 완벽하다는 가정하에서 수행되었으나, 무선 전파 채널의 본질적으로 시간에 변하는 특성과 사용자의 이동성으로 인하여 완벽한 채널 상태 정보가 항상 가능한 것은 아니다.
일 실시예에 따르면, 최악의 경우를 고려한 강건한 알고리즘을 이용하여 채널 불확실 효과를 경감할 수 있다. 채널 상태 정보(CSI)를 가능한 값을 제한된 범위 내에서 결정적 변수로 가정하여, 즉, 추정된 채널 벡터가 일정한 알려진 크기의 제한된 범위에 있는 추정 에러를 가지는 것으로 가정하여, 채널 상태 정보의 불확실성을 처리할 수 있다.
수학식 16과 같이 채널 공분산 불확실도를 모델링할 수 있다.
Figure 112011006361169-pat00097
Figure 112011006361169-pat00098
Figure 112011006361169-pat00099
Figure 112011006361169-pat00100
여기에서,
Figure 112011006361169-pat00101
는 매크로셀 기지국(100)으로부터 매크로셀 유저(MUl)로의 추정된 채널 공분산 매트릭스를 나타내고,
Figure 112011006361169-pat00102
는 매크로셀 기지국(100)으로부터 홈 유저(HUk)로의 추정된 채널 공분산 매트릭스를 나타낸다.
Figure 112011006361169-pat00103
는 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 매크로셀 유저(MUl)로의 추정된 채널 공분산 매트릭스를 나타내고,
Figure 112011006361169-pat00104
는 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 홈 유저(HUk)로의 추정된 채널 공분산 매트릭스를 나타낸다.
Figure 112011006361169-pat00105
및
Figure 112011006361169-pat00106
는
Figure 112011006361169-pat00107
및
Figure 112011006361169-pat00108
로 주어진 한계 프로베니우스 놈을 가지고 대응하는 불확실도를 나타낸다.
즉, 빔형성 계수 결정부(230)는, 제1 채널 벡터, 제2 채널 벡터, 제3 채널 벡터 및 제4 채널 벡터 각각에 대한 불확실성을, 소정 범위에 속하는 프로베니우스 놈(Frobenius norms)으로 모델링하고, 상기 모델링된 불확실성을 이용하여, 최악의 경우(worst case)를 가정하여, 매크로셀 기지국(100)의 빔형성 계수를 결정할 수 있다.
이를, 전술한 송신 전력 최소화 문제에 대입하면, 다음과 같은 수학식 17로 나타낼 수 있다.
Figure 112011006361169-pat00109
이 식에서, 가장 최악의 경우(worst case), 즉, 위의 식에서 분자의 값은 최소로 되고, 분모의 값은 최대로 되는 경우는 다음과 같은 수학식 18로 나타낼 수 있다.
Figure 112011006361169-pat00110
Figure 112011006361169-pat00111
및
Figure 112011006361169-pat00112
으로 놓으면, 랭크-1 제약조건(rank-1 constraint)를 무시하여, SDP(semi-definite program)으로 다음과 같이, 전송 전력을 최소화하기 위하여, Wm ,l 및 Wf ,k의 트레이스 값, 즉, 행렬의 주대각선 요소의 합을 나타내는 다음의 수학식 19로 변환할 수 있다.
Figure 112011006361169-pat00113
위의 수식은, 빔형성 계수 결정부(230)는, 표준 컨벡스 최적화 알고리즘(standard convex optimization algorithm)을 이용하여 풀어서, 최적화된 매크로셀 기지국(100)의 빔 형성 계수 및 펨토셀 액세스 포인트(200)의 빔 형성 계수를 계산할 수 있다.
이와 같이, 표준 컨벡스 최적화 알고리즘을 이용하여 알고리즘의 복잡도가 최소화될 수 있다.
도 4는 도 2의 매크로셀 빔형성 계수 결정부의 구성의 일 예를 나타내는 도면이다.
매크로셀 빔형성 계수 결정부(130)는, 수신된 제3 채널 벡터 및 수신된 제4 채널 벡터, 매크로셀 기지국(100)으로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제1 채널 벡터, 매크로셀 기지국(100)으로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제2 채널 벡터를 이용하고, 복수의 매크로셀 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제1 MSE(mean square error) 및 복수의 홈 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제2 MSE를 제약 조건으로 하여, 매크로셀 기지국(100)의 빔형성 계수를 결정할 수 있다. 제1 채널 벡터 및 제2 채널 벡터는 매크로셀 기지국(100)에서 알고 있거나 측정가능한 값이다.
매크로셀 빔형성 계수 결정부(130)는, 전송 전력 최소화부(132), 서비스 품질 밸런싱부(134) 및 간섭 최소화부(136)를 포함할 수 있다. 전송 전력 최소화부(132), 서비스 품질 밸런싱부(134) 및 간섭 최소화부(136)는 도 3의 펨토셀 빔형성 계수 결정부(230)에 포함된 전송 전력 최소화부(232), 서비스 품질 밸런싱부(234) 및 간섭 최소화부(236)에 각각 대응하는 동작을 수행하도록 구성될 수 있다.
전송 전력 최소화부(132), 서비스 품질 밸런싱부(134) 및 간섭 최소화부(136)는 각각, 매크로셀 기지국(100)의 빔형성 계수를 결정하기 위하여 컨벡스 최적화(convex optimization) 알고리즘을 이용할 수 있다.
전송 전력 최소화부(132)는, 매크로셀 기지국(100)의 전송 전력 및 펨토셀 액세스 포인트의 전송 전력의 합이 최소화되고, 복수의 매크로셀 유저에 대한 제1 MSE가 제1 임계값 이하이고, 복수의 홈 유저에 대한 제2 MSE가 제2 임계값 이하인 제약 조건을 만족하도록 매크로셀 기지국(100)의 빔형성 계수를 결정할 수 있다.
서비스 품질 밸런싱부(134)는, 복수의 홈 유저 각각에 대한 MSE가 밸런싱되고, 복수의 매크로셀 유저 각각에 대한 MSE가 소정의 임계치 이하가 되도록 매크로셀 기지국(100)의 빔형성 계수를 결정할 수 있다. 다른 방법으로, 서비스 품질 밸런싱부(134)는 복수의 매크로셀 유저 각각에 대한 MSE가 밸런싱되고, 복수의 홈 유저 각각에 대한 MSE가 소정의 임계치 이하가 되도록 매크로셀 기지국(100)의 빔형성 계수를 결정할 수 있다.
간섭 최소화부(136)는, 복수의 홈 유저 각각에 대하여, 2계층 네트워크 구조로 인한 네트워크 간섭량을 최소화하도록 매크로셀 기지국(100)의 빔형성 계수를 결정할 수 있다. 이 경우에도, 복수의 매크로셀 유저에 대한 제1 MSE가 제1 임계값 이하이고 복수의 홈 유저에 대한 제2 MSE가 제2 임계값 이하인 제약 조건을 만족하도록 매크로셀 기지국(100)의 빔형성 계수를 결정할 수 있다.
전송 전력 최소화부(132), 서비스 품질 밸런싱부(134) 및 간섭 최소화부(136)는 각각, 제1 채널 벡터, 제2 채널 벡터, 제3 채널 벡터 및 제4 채널 벡터 각각에 대한 불확실성을, 소정 범위에 속하는 프로베니우스 놈(Frobenius norms)으로 모델링하고, 모델링된 불확실성을 이용하여, 최악의 경우(worst case)를 가정하여, 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 계수를 결정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 매크로셀 기지국과 백하울 링크로 연결된 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 방법을 나타내는 순서도이다.
펨토셀 액세스 포인트(200)는 매크로셀 기지국(100)으로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제1 채널 벡터, 매크로셀 기지국(100)으로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제2 채널 벡터를 백하울 링크를 통해서 매크로셀 기지국(100)으로부터 수신한다(510).
펨토셀 액세스 포인트(200)는 수신된 제1 채널 벡터, 수신된 제2 채널 벡터, 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제3 채널 벡터, 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제4 채널 벡터를 이용하고, 복수의 매크로셀 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제1 MSE(mean square error) 및 복수의 홈 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제2 MSE를 제약 조건으로 하여, 펨토셀 액세스 포인트(200)의 빔형성 계수를 결정한다(520).
펨토셀 액세스 포인트(200)는 결정된 빔형성 계수를 이용하여, 각 홈 유저로 전송할 정보 신호에 대한 빔 형성을 수행한다(530).
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 펨토셀 액세스 포인트와 백하울 링크로 연결된 매크로셀 기지국의 빔형성 방법을 나타내는 순서도이다.
매크로셀 기지국(100)은 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제3 채널 벡터, 펨토셀 액세스 포인트(200)로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제4 채널 벡터를 백하울 링크를 통해서 펨토셀 액세스 포인트(100)로부터 수신한다(610).
매크로셀 기지국(100)은 수신된 제3 채널 벡터, 수신된 제4 채널 벡터, 매크로셀 기지국(100)으로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제1 채널 벡터 및 매크로셀 기지국(100)으로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제2 채널 벡터를 이용하고, 복수의 매크로셀 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제1 MSE(mean square error) 및 복수의 홈 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제2 MSE를 제약 조건으로 하여, 매크로셀 기지국(100)의 빔형성 계수를 결정한다(620).
매크로셀 기지국(100)은 결정된 빔형성 계수를 이용하여, 각 매크로셀 유저로 전송할 정보 신호에 대한 빔 형성을 수행한다(630).
본 발명의 일 양상은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현될 수 있다. 상기의 프로그램을 구현하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록 장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 디스크 등을 포함한다. 또한, 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록 매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어, 분산 방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 저장되고 실행될 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 일 실시예에 불과할 뿐, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현할 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허 청구범위에 기재된 내용과 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.

Claims (16)

  1. 매크로셀 기지국과 백하울 링크로 연결된 펨토셀 액세스 포인트로서,
    상기 매크로셀 기지국으로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제1 채널 벡터, 상기 매크로셀 기지국으로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제2 채널 벡터를 백하울 링크를 통해서 상기 매크로셀 기지국으로부터 수신하는 통신부;
    상기 수신된 제1 채널 벡터, 상기 수신된 제2 채널 벡터, 상기 펨토셀 액세스 포인트로부터 상기 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제3 채널 벡터 및 상기 펨토셀 액세스 포인트로부터 상기 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제4 채널 벡터를 이용하고, 상기 복수의 매크로셀 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제1 MSE(mean square error) 및 상기 복수의 홈 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제2 MSE를 제약 조건으로 하여, 상기 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 계수를 결정하는 빔형성 계수 결정부; 및
    상기 결정된 빔형성 계수를 이용하여, 각 홈 유저로 전송할 정보 신호에 대한 빔 형성을 수행하는 빔 형성부를 포함하는 펨토셀 액세스 포인트.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 빔형성 계수 결정부는,
    상기 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 계수를 결정하기 위하여 컨벡스 최적화(convex optimization) 알고리즘을 이용하는 펨토셀 액세스 포인트.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 빔형성 계수 결정부는,
    상기 매크로셀 기지국의 전송 전력 및 상기 펨토셀 액세스 포인트의 전송 전력의 합이 최소화되고, 상기 복수의 매크로셀 유저에 대한 제1 MSE가 제1 임계값 이하이고 상기 복수의 홈 유저에 대한 제2 MSE가 제2 임계값 이하인 제약 조건을 만족하도록, 상기 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 계수를 결정하는 펨토셀 액세스 포인트.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 빔형성 계수 결정부는,
    상기 복수의 홈 유저 각각에 대한 제2 MSE가 밸런싱되도록 상기 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 계수를 결정하는 펨토셀 액세스 포인트.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 빔형성 계수 결정부는,
    상기 복수의 매크로셀 유저 각각에 대한 제1 MSE가 밸런싱되도록 상기 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 계수를 결정하는 펨토셀 액세스 포인트.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 빔형성 계수 결정부는,
    상기 복수의 홈 유저 각각에 대하여, 상기 매크로셀 기지국에 의해 형성되는 매크로셀 네트워크 및 상기 펨토셀 액세스 포인트에 의해 형성되는 펨토셀 네트워크를 포함하는 2계층 네트워크 구조로 인한 네트워크 간섭량을 최소화하고, 복수의 매크로셀 유저에 대한 제1 MSE가 제1 임계값 이하이고 상기 복수의 홈 유저에 대한 제2 MSE가 제2 임계값 이하인 제약 조건을 만족하도록, 상기 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 계수를 결정하는 펨토셀 액세스 포인트.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 빔형성 계수 결정부는,
    상기 제1 채널 벡터, 상기 제2 채널 벡터, 상기 제3 채널 벡터 및 상기 제4 채널 벡터 각각에 대한 불확실성을, 프로베니우스 놈(Frobenius norms)으로 모델링하고, 상기 모델링된 불확실성을 이용하여, 최악의 경우(worst case)를 가정하여, 상기 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 계수를 결정하는 펨토셀 액세스 포인트.
  8. 펨토셀 액세스 포인트와 백하울 링크로 연결된 매크로셀 기지국으로서,
    상기 펨토셀 액세스 포인트로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제3 채널 벡터, 상기 펨토셀 액세스 포인트로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제4 채널 벡터를 상기 백하울 링크를 통해서 상기 펨토셀 액세스 포인트로부터 수신하는 통신부;
    상기 수신된 제3 채널 벡터 및 상기 제4 채널 벡터, 상기 매크로셀 기지국으로부터 상기 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제1 채널 벡터, 상기 매크로셀 기지국으로부터 상기 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제2 채널 벡터를 이용하고, 상기 복수의 매크로셀 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제1 MSE(mean square error) 및 상기 복수의 홈 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제2 MSE를 제약 조건으로 하여, 상기 매크로셀 기지국의 빔형성 계수를 결정하는 빔형성 계수 결정부; 및
    상기 결정된 빔형성 계수를 이용하여, 각 매크로셀 유저로 전송할 정보 신호에 대한 빔 형성을 수행하는 빔 형성부를 포함하는 매크로셀 기지국.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 빔형성 계수 결정부는,
    상기 매크로셀 기지국의 빔형성 계수를 결정하기 위하여 컨벡스 최적화(convex optimization) 알고리즘을 이용하는 매크로셀 기지국.
  10. 제8항에 있어서,
    상기 빔형성 계수 결정부는,
    상기 매크로셀 기지국의 전송 전력 및 상기 펨토셀 액세스 포인트의 전송 전력의 합이 최소화되고, 상기 복수의 매크로셀 유저에 대한 제1 MSE가 제1 임계값 이하이고, 상기 복수의 홈 유저에 대한 제2 MSE가 제2 임계값 이하인 제약 조건을 만족하도록 상기 매크로셀 기지국의 빔형성 계수를 결정하는 매크로셀 기지국.
  11. 제8항에 있어서,
    상기 빔형성 계수 결정부는,
    상기 복수의 홈 유저 각각에 대한 MSE가 밸런싱되도록 상기 매크로셀 기지국의 빔형성 계수를 결정하는 매크로셀 기지국.
  12. 제8항에 있어서,
    상기 빔형성 계수 결정부는,
    상기 복수의 매크로셀 유저 각각에 대한 MSE가 밸런싱되도록 상기 매크로셀 기지국의 빔형성 계수를 결정하는 매크로셀 기지국.
  13. 제8항에 있어서,
    상기 빔형성 계수 결정부는,
    상기 복수의 홈 유저 각각에 대하여, 상기 매크로셀 기지국에 의해 형성되는 매크로셀 네트워크 및 상기 펨토셀 액세스 포인트에 의해 형성되는 펨토셀 네트워크를 포함하는 2계층 네트워크 구조로 인한 네트워크 간섭량을 최소화하도록 상기 매크로셀 기지국의 빔형성 계수를 결정하는 매크로셀 기지국.
  14. 제8항에 있어서,
    상기 빔형성 계수 결정부는,
    상기 제1 채널 벡터, 상기 제2 채널 벡터, 상기 제3 채널 벡터 및 상기 제4 채널 벡터 각각에 대한 불확실성을, 프로베니우스 놈(Frobenius norms)으로 모델링하고, 상기 모델링된 불확실성을 이용하여, 최악의 경우(worst case)를 가정하여, 상기 매크로셀 기지국의 빔형성 계수를 결정하는 매크로셀 기지국.
  15. 매크로셀 기지국과 백하울 링크로 연결된 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 방법으로서,
    상기 매크로셀 기지국으로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제1 채널 벡터, 상기 매크로셀 기지국으로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제2 채널 벡터를 상기 백하울 링크를 통해서 상기 매크로셀 기지국으로부터 수신하는 단계;
    상기 수신된 제1 채널 벡터, 상기 수신된 제2 채널 벡터, 상기 펨토셀 액세스 포인트로부터 상기 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제3 채널 벡터, 상기 펨토셀 액세스 포인트로부터 상기 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제4 채널 벡터를 이용하고, 상기 복수의 매크로셀 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제1 MSE 및 상기 복수의 홈 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제2 MSE를 제약 조건으로 하여, 상기 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 계수를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 빔형성 계수를 이용하여, 각 홈 유저로 전송할 정보 신호에 대한 빔 형성을 수행하는 단계를 포함하는 펨토셀 액세스 포인트의 빔형성 방법.
  16. 펨토셀 액세스 포인트와 백하울 링크로 연결된 매크로셀 기지국의 빔형성 방법으로서,
    상기 펨토셀 액세스 포인트로부터 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제3 채널 벡터, 상기 펨토셀 액세스 포인트로부터 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제4 채널 벡터를 상기 백하울 링크를 통해서 상기 펨토셀 액세스 포인트로부터 수신하는 단계;
    상기 수신된 제3 채널 벡터, 상기 제4 채널 벡터, 상기 매크로셀 기지국으로부터 상기 복수의 매크로셀 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제1 채널 벡터 및 상기 매크로셀 기지국으로부터 상기 복수의 홈 유저로의 채널 상태 정보를 나타내는 제2 채널 벡터를 이용하고, 상기 복수의 매크로셀 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제1 MSE 및 상기 복수의 홈 유저에 대한 서비스 품질을 나타내는 제2 MSE를 제약 조건으로 하여, 상기 매크로셀 기지국의 빔형성 계수를 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 빔형성 계수를 이용하여, 각 매크로셀 유저로 전송할 정보 신호에 대한 빔 형성을 수행하는 단계를 포함하는 매크로셀 기지국의 빔형성 방법.
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