KR101332910B1 - 다중 셀에서 협력 전송 및 비협력 전송을 수행하는 스케쥴링 방법 - Google Patents

다중 셀에서 협력 전송 및 비협력 전송을 수행하는 스케쥴링 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 셀에서 스케쥴링 방법에 관한 것으로서, 본 발명은 각 셀 당 하나의 기지국이 위치하며, 둘 이상의 다중 셀로 이루어지는 셀룰러 망에서 단말에 대한 전송 스케쥴링(scheduling)을 수행하는 스케쥴러(scheduler)에서의 스케쥴링 방법에 있어서, 상기 스케쥴러는 내부 단말(inner user) 그룹과 외부 단말(outer user) 그룹이 공유하여 사용할 수 있는 무선 자원을 할당하는 제1단계, 상기 스케쥴러는 각 단말의 스케쥴링 메트릭(scheduling metric) 값을 확인하는 제2단계, 상기 스케쥴러는 각 단말의 스케쥴링 메트릭 값 확인 결과, 외부 단말의 스케쥴링 메트릭 값이 최대이면, 해당 외부 단말에 대해 둘 이상의 기지국에서 신호를 송신하는 협력(cooperative) 전송을 수행하는 제3단계, 상기 스케쥴러는 각 단말의 스케쥴링 메트릭 값 확인 결과, 내부 단말의 스케쥴링 메트릭 값이 최대이면, 해당 내부 단말에 대해 해당 내부 단말이 속해 있는 셀의 기지국에서 신호를 송신하는 비협력(non-cooperative) 전송을 수행하는 제4단계 및 상기 스케쥴러는 아직 할당되지 않은 무선 자원을 사용할 수 있는 단말 그룹이 존재하는 한, 상기 제2단계 내지 제4단계를 반복하는 제5단계를 포함한다. 본 발명에 의하면 협력 전송 및 비협력 전송을 동시에 지원함으로써, 협력 전송과 비협력 전송의 사용자 수에 비례하여 다중 사용자 이득을 얻을 수 있는 효과가 있다.

Description

다중 셀에서 협력 전송 및 비협력 전송을 수행하는 스케쥴링 방법 {Scheduling method for implementing coordinate and non-coordinate transmission in multicell}
본 발명은 다중 셀에서 스케쥴링 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 다중 셀에서 협력 전송 및 비협력 전송을 수행하는 스케쥴링 방법에 관한 것이다.
최근 활발히 연구가 진행되는 차세대 통신 시스템인 4세대(4G: 4th Generation) 통신 시스템에서는 고속의 전송 속도를 가지면서도, 대용량의 다양한 서비스 품질(QoS: Quality of Service)을 가지는 서비스들을 사용자들에게 제공하기 위해 활발한 연구가 진행되고 있다.
이러한 4G 통신 시스템에는, 고속 통신을 가능하게 하고 많은 통화량을 수용하면서도 사용자 간의 자원을 공평하게 할당할 수 있도록 매 스케쥴링 시점마다 각 사용자의 현재 전송율과 평균전송율의 비율이 가장 좋은 사용자에게 자원을 할당하는 방식을 도입하였다. 이러한 스케쥴링 방식중에 대표적인 방식은 비례공정 (PF: proportional fair) 스케쥴링 방식이 있다. 그러나 이 방식은 각 사용자의 기대 수율을 예측하기 쉽지 않다.
이러한 문제를 보완하기 위해 각 사용자의 전송율 누적 분포함수를 이용한 누적 분포함수 기반의 스케쥴러를 도입할 수 있다. 이 방식은 기존의 PF 스케쥴러 방식과 유사한 성능을 얻을 수 있으며 각 사용자의 수율을 미리 예측할 수 있는 장점이 있다.
누적 분포함수 기반의 스케쥴링 기법을 설명하면 다음과 같다.
Rayleigh 페이딩 채널 환경에서 모든 사용자가 무선자원을 평균적으로 균일하게 나누어 갖는다고 가정할 때, 모든 사용자의 수율을 더한 총수율은 다음과 같다.
Figure 112011098012590-pat00001
이때, Tk는 유저(user) k의 쓰루풋(throughput) 즉, 수율이다.
[수학식1]에서 총 수율은 사용자 수가 증가하면 제한없이 지속적으로 증가함을 알 수 있다. 그러나 주어진 무선자원을 여러 사람이 나누어 가지므로 각 사용자 당 수율은 감소한다. 이러한 효과를 다중 사용자 이득이라고 한다.
각 사용자에게 균일하지 않게 무선자원을 할당하는 기법은 다음과 같다.
시스템에 K 명의 사용자가 존재하고 타임 슬롯(time slot) n에서 각 사용자의 전송율은 Rk(n)이며 해당사용자의 전송율에 대한 누적분포함수는
Figure 112011098012590-pat00002
이다.
각 사용자의 전송율은 전송시점 및 사용자들에 대해 통계적으로 독립이라는 가정하에, 다음 조건을 만족한다면 타임 슬롯(time slot) n 을 사용자 k*(n)에 할당한다.
Figure 112011098012590-pat00003
여기서,
Figure 112011098012590-pat00004
이다.
이와 같은 전송기법은 사용자 k로 하여금 마치 시스템에 자신을 포함하여 1/wk 명의 가상사용자가 존재하며, 이러한 사용자들과 무선자원을 공유하여 통신을 하는 것처럼 보이게 한다.
이때, 사용자 k 는 평균적으로 전체 무선자원 중 wk 만큼의 무선자원을 할당받을 수 있으며, 가상 사용자 수 1/wk 는 반드시 자연수일 필요는 없다.
또한 사용자 k 의 평균 수율은 아래 수학식과 같다.
Figure 112011098012590-pat00005
4세대 셀룰러망은 이를 구성하는 모든 기지국들이 동일한 주파수를 사용하는 특성을 가진다. 이는 셀과 셀이 만나는 영역에 존재하는 단말들에게 신호를 전송할 때 해당 기지국들이 서로 협력하여 전송을 하지 않으면 성능을 급격하게 떨어지게 되어 통신이 거의 불가능하게 된다. 이러한 현상을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
도 2 및 도 3은 일반적인 비협력 전송기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 신호의 전력이 간섭의 전력보다 매우 크므로 셀 중심에 있는 내부 단말(inner user)의 신호대 간섭 전력비 (SIR: signal to interference power ratio)는 매우 크다. 따라서 이러한 내부 단말은 인접 기지국에서 동일한 무선자원을 사용한다 하더라도 통신에 아무런 문제가 없다.
각 셀에서 기지국은 그 셀을 중심으로 그려진 원의 내부에 존재하는 단말에게 신호를 보낼 수 있다. 두 셀의 가운데에 있는 빨간색 단말은 셀 0과 셀 1로부터 모두 신호를 받을 수 있다.
반면에 셀 0에 속한 파란색 단말은 셀 1의 기지국에서 발생하는 신호를 인식할 수 없다. 왜냐하면 거리가 너무 많이 떨어져 있어 신호의 감쇄가 극심하기 때문이다.
도 2에서 셀 0의 기지국에서 자신의 영역에 속해 있는 단말에게 전송하는 신호는 셀 1에 속해 있는 단말의 입장에서는 간섭에 불과하므로 파란색 점선으로 표현하고 I라 표시하였다.
그에 반해 셀 1의 기지국에서 자신의 영역에 속해 있는 단말에게 전송하는 신호는 해당 단말입장에서는 신호이므로 파란색 실선으로 표현하고 S라 표시하였다. 따라서, 해당 단말의 수신신호의 SIR은 S/I가 된다.
그런데 I는 너무나 멀리 떨어진 기지국으로부터 오는 간섭신호이므로 감쇄가 너무 심해 약한 반면, S는 매우 가까이 있는 기지국으로부터 오는 신호이므로 감쇄가 상대적으로 거의 없다. 따라서 S/I값이 크게 되므로 통신에는 문제가 없다.
도 3을 참조하면, 셀의 외곽에 있는 외부 단말(outer user)의 SIR은 1에 가까울 정도로 매우 낮으므로, 인접셀에서 동일한 무선자원을 사용할 경우 통신이 거의 불가능하다.
도 2와는 달리 외부 단말(outer user)의 경우는 셀 0과 셀 1의 기지국들로부터 전송되는 신호가 비슷한 감쇄를 겪게 된다.
예를 들어, 외부 단말(outer user)이 셀 1에 소속되어 있고, 해당 기지국으로부터 신호를 받는다고 하면, 수신신호의 S/I이 매우 낮으므로 통신이 거의 불가능하다.
일반적으로 이러한 문제를 회피하기 위해 인접 셀에서 사용하는 무선자원은 서로 다른 주파수를 사용하게 하는 주파수 재사용 기법을 사용하지만, 주파수 재사용 기법은 각 셀에서 사용하는 무선자원의 양을 그만큼 제한하게 되므로, 1996년 CDMA 기반의 IS-95 시스템이 등장한 이후 3세대 이동통신이라 불리우는 W-CDMA와 4세대 LTE/WiBro에 이르기까지 모든 셀에서 동일한 주파수를 사용한다. 참고로, 이때의 주파수 재사용율은 1이라 한다.
CDMA 기반의 시스템은 이러한 외부 셀(outer cell)의 S/I 값이 너무 낮아 통화가 불가능한 현상을 막기 위해 매우 긴 스프레딩 코드(spreading code)를 사용하여 실질 데이터 비트당 S/I 값을 높인다.
그러나 OFDM 기반의 4세대 시스템은 그러한 방법을 사용하기 적절치 않아 다음과 같은 협력 전송기법을 사용한다.
도 4는 일반적인 협력 전송 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 셀 0과 셀 1이 동시에 동일한 무선자원을 사용하여 외부 단말(outer user)에게 데이터를 전송한다.
이러한 협력 전송기법은 비협력 전송기법에 비해 2배의 무선자원을 소모해야 한다. 따라서, 협력전송에 비해 2배 이상의 전송율이 나오지 않으면 오히려 전체적인 무선자원의 전송효율이 감소하게 된다는 문제점이 있다.
다시 말하면, 외부 단말(Outer user)의 S/I 값을 적정 수준으로 유지하기 위해 셀 0과 셀 1이 동시에 동일한 정보를 포함한 신호를 동일한 주파수를 이용하여 전송하게 된다. 이때, 동일한 정보를 포함한다 하더라도 반드시 신호가 동일할 필요는 없으며 각 기지국이 전체 정보의 일부만을 전송하여 단말에서 양쪽신호를 합성해야만 원래 정보를 합성할 수 있는 경우도 포함한다.
이러한 경우는 간섭이 없지만 실제환경에서는 두 개 이상의 셀로 구성된 시스템이므로 다른 셀로부터 간섭신호가 올 수 있다.
하지만 셀 0과 셀 1로부터 오는 신호가 상대적으로 다른 셀로부터 오는 신호보다는 강할 것이므로 S/I값은 높을 것이고 원활한 통신이 가능할 것이다.
이 경우에서는 두 개의 셀이 동일한 무선자원을 사용하므로 비협력 전송기법에 비해 2배의 무선자원을 사용하게 된다. 따라서 전송효율 관점에서만 봤을 때, 2배 이상의 전송율이 나오지 않는다면 협력전송을 사용할 이유가 없다.
이와 같이 협력전송은 2배이상의 무선자원을 사용해야 하므로 많은 단말에게 협력전송을 지원해 줄 수 없다. 즉, 협력전송을 지원받는 단말 (즉, 외부단말)의 수는 비협력 전송 단말 (즉, 내부단말)의 수에 비해 매우 작을 수 밖에는 없다. 또한 구현의 편의성을 고려한다면 사용하는 무선자원을 2개 부분으로 분리하여 각각을 협력 및 비협력 전송에 사용할 것이다.
그러나 앞서 살펴본 스케쥴링 기법을 고려한다면 적은 수의 협력전송 단말은 충분한 다중사용자이득을 얻지 못하게 되어 4세대 이동통신의 가장 큰 요구사항 중 하나인 높은 주파수 효율을 달성하기 어려울 것이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 주어진 무선자원 하에서 다중 사용자 이득을 얻을 수 있도록, 사용자 그룹별로 무선자원을 미리 분할하지 않고, 협력 전송 및 비협력 전송 기법을 동시에 지원하는 스케쥴링 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명의 다른 목적은 내부 단말과 외부 단말들이 소속된 그룹과 관계없이 평균적으로 동일한 비율의 무선자원을 할당받으면서도 충분한 다중 사용자 이득을 얻을 수 있게 하는 것이다.
본 발명의 목적은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 각 셀 당 하나의 기지국이 위치하며, 둘 이상의 다중 셀로 이루어지는 셀룰러 망에서 단말에 대한 전송 스케쥴링(scheduling)을 수행하는 스케쥴러(scheduler)에서의 스케쥴링 방법에 있어서, 상기 스케쥴러는 내부 단말(inner user) 그룹과 외부 단말(outer user) 그룹에 무선 자원을 할당하는 제1단계, 상기 스케쥴러는 각 단말의 스케쥴링 메트릭(scheduling metric) 값을 확인하는 제2단계, 상기 스케쥴러는 각 단말의 스케쥴링 메트릭 값 확인 결과, 외부 단말의 스케쥴링 메트릭 값이 최대이면, 해당 외부 단말에 대해 둘 이상의 기지국에서 신호를 송신하는 협력(cooperative) 전송을 수행하는 제3단계, 상기 스케쥴러는 각 단말의 스케쥴링 메트릭 값 확인 결과, 내부 단말의 스케쥴링 메트릭 값이 최대이면, 해당 내부 단말에 대해 해당 내부 단말이 속해 있는 셀의 기지국에서 신호를 송신하는 비협력(non-cooperative) 전송을 수행하는 제4단계 및 상기 스케쥴러는 무선 자원을 사용할 수 있는 단말 그룹이 존재하는 한, 상기 제2단계 내지 제4단계를 반복하는 제5단계를 포함한다.
셀 0부터 셀 M까지 다중 셀을 포함하는 셀룰러 망에서, 상기 제1단계에서 상기 스케쥴러는 각 셀의 타임 슬롯(time slot)을 동일한 크기의 M개의 타임 슬롯 그룹으로 분할하여 무선 자원을 할당할 수 있다.
상기 제3단계에서, 셀 0과 셀 m의 인접영역에 존재하는 외부 단말의 스케쥴링 메트릭 값이 최대가 되면, 상기 스케쥴러는 상기 셀 0과 셀 m에 해당되는 타임 슬롯을 해당 외부 단말에 동시에 할당할 수 있다.
I0는 셀 0의 내부 단말 그룹이고, Im은 셀 m의 내부 단말 그룹이고, Om는 셀 0과 셀 m 이 인접한 영역에 존재하는 외부 단말 그룹이라고 할 때, 타임 슬롯 그룹(Time slot group) m에 있는 타임 슬롯(time slot) n은
Figure 112011098012590-pat00006
의 수학식을 만족하는 단말 k*(n)에게 할당될 수 있다.
k*(n)∈I0 이면, 셀 0의 타임 슬롯(time slot) n 이 해당 단말에게 할당된다. 또한, 이 경우 셀 0의 타임 슬롯을 사용하여 비협력 전송이 수행되었으므로 셀 m의 타임 슬롯은 사용되지 않았다. 따라서,
Figure 112011098012590-pat00007
의 수학식을 만족하는 단말 j*(n)∈Im 에게 셀 m의 타임 슬롯(time slot) n을 추가로 할당할 수 있다.
상기 스케쥴링 메트릭에 사용되는 가중 파라미터(weight parameter) wk ,m를 이용하여 각 단말이 평균적으로 할당받는 무선자원율을 조절할 수 있다.
Figure 112011098012590-pat00008
그에 반해 제안하는 기법은 사용자 그룹별로 무선자원을 분할하지 않으므로 해당 사용자들은 전체 가용자원의 1/M을 사용한다고 볼 수 있다. 이러한 상황에서 다음과 같은 가중 파라미터를 사용하면,
Figure 112011098012590-pat00009
Figure 112011098012590-pat00010
이다.
각 단말의 평균 수율 성능 Tk는 아래와 같다.
Figure 112011098012590-pat00011
이는 내부 및 외부 단말 그룹이 사용하는 무선자원을 분리하는 기존의 방식과 비교하면 내부사용자는 ½ 확률로 2(I+O) 다중사용자이득을 얻고 ½ 확률로 I 다중사용자 이득을 얻는다. 그에 반해 기존 스케쥴링 기법은 I 사용자 이득을 얻는다. 외부 사용자는 (I+O)/M 다중 사용자 이득을 얻는다. 그에 반해 기존 스케쥴링 기법은 (O/M) 다중사용자 이득을 얻는다. 또한, 각 단말은 그룹에 관계없이 평균적으로 전체 무선자원의 (1/(I+O))를 할당 받을 수 있다.
상기 가중 파라미터(weight parameter) wk , m 를 조절하는 방식으로 QoS(quality of service) 제어를 수행하되,
Figure 112011098012590-pat00012
k∈Om 일 경우, 단말 k 는 평균적으로 셀 0과 셀 m의 모든 무선 자원 중 (wk,m/M)만큼의 무선자원을 할당받으며, (1/wk ,m)에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻고, k∈I0 일 경우, 단말 k 는 셀 0의 타임 슬롯 그룹 m의 전체 무선자원 중 평균적으로 (2wk ,m/M)의 무선자원을 할당받으며, ½ 의 확률로 (1/wk ,m) 명에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있고, ½ 의 확률로 (1/θk,m) 에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있으며, 여기서, 이다.
해당 단말의 평균수율 Tk는 평균수율 수학식인
Figure 112011098012590-pat00014
을 만족할 수 있다.
상기 QoS를 조정하는 방식으로, 새로운 단말이 시스템에 입장하는 것을 관리하기 위한 시스템 입장 관리(admission control)를 수행하되, 상기 평균수율 수학식의 계산을 미리 수행해서 기존 단말들의 최소 보장 평균 수율값을 모두 만족할 경우에만, 상기 새로운 단말의 입장을 허용할 수 있다.
본 발명에 의하면 협력 전송 및 비협력 전송을 동시에 지원함으로써, 협력 전송과 비협력 전송의 사용자 수에 비례하여 다중 사용자 이득을 얻을 수 있는 효과가 있다. 즉, 특정 방식의 전송을 이용하는 사용자의 수가 상대적으로 작더라도, 전체 사용자 수가 많다면 그에 비례한 다중 사용자 이득을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명은 QoS(Quality of Service) 제어를 통한 시스템 입장관리를 수행함으로써, 기존 단말들의 최소 보장 평균수율 값을 만족시킬 수 있다는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스케쥴링 시스템에서 스케쥴링 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 2 및 도 3은 일반적인 비협력 전송기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 일반적인 협력 전송 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스케쥴링 시스템 모델이다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스케쥴링 시스템 모델이다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스케쥴링 시스템 모델이다.
이하, 첨부된 도면을 참조해서 본 발명의 실시예를 상세히 설명하면 다음과 같다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 명세서 전반에 걸쳐서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라, 다른 구성요소를 더 포함할 수 있다는 것을 의미한다.
본 발명은 각 셀 당 하나의 기지국이 위치하며, 둘 이상의 다중 셀로 이루어지는 셀룰러 망에서 단말에 대한 전송 스케쥴링(scheduling)을 수행하는 스케쥴러(scheduler)에서의 스케쥴링 방법을 제안한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스케쥴링 시스템에서 스케쥴링 방법을 보여주는 흐름도이다.
도 1을 참조하면, 스케쥴러는 내부 단말(inner user) 그룹과 외부 단말(outer user) 그룹에 무선 자원을 할당한다(S101).
그리고, 각 단말의 스케쥴링 메트릭(scheduling metric) 값을 확인한다(S103).
각 단말의 스케쥴링 메트릭 값 확인 결과, 외부 단말의 스케쥴링 메트릭 값이 최대이면(S105), 해당 외부 단말에 대해 둘 이상의 기지국에서 신호를 송신하는 협력(cooperative) 전송을 수행한다(S107).
또는, 각 단말의 스케쥴링 메트릭 값 확인 결과, 내부 단말의 스케쥴링 메트릭 값이 최대이면(S105), 해당 내부 단말에 대해 해당 내부 단말이 속해 있는 셀의 기지국에서 신호를 송신하는 비협력(non-cooperative) 전송을 수행한다(S109).
그리고, 무선 자원을 사용할 수 있는 단말 그룹이 존재하는 한, S103 단계 내지 S109 단계를 반복한다.
도 5는 본 발명의 제1 실시예에 따른 스케쥴링 시스템 모델이다.
도 5는 협력 전송 및 비협력 전송을 지원하기 위한 스케쥴링 시스템 구성으로서, 2개의 셀(0,1)로 구성된 실시예이다.
도 5를 참조하면, 각 셀은 전체 무선자원 중 (I/(I+O))의 비율을 스케쥴링을 통해 내부 단말(inner user) 그룹에게 자원을 할당하고, (O/(I+O)) 비율을 스케쥴링을 통해 외부 단말(outer user) 그룹에게 할당한다.
내부 단말의 수는 I, 외부 단말의 수는 O이므로 각 사용자는 평균적으로 전체 무선자원의 (1/(I+O))만큼의 무선자원을 할당받을 수 있게 된다.
즉, 본 발명의 스케쥴링 시스템은 내부 단말 또는 외부 단말 그룹에게 해당 그룹의 사용자들 간에 누적확률분포함수기반의 스케쥴링 기법을 이용하여 무선자원을 할당한다.
여기서 무선자원은 타임 슬롯(time slot)이나 주파수 채널(frequency channel) 또는 시간-주파수 슬롯(time-frequency slot) 등 다양한 할당 방식을 채택할 수 있다.
이때, 모든 기지국들의 자원분할 방식은 동일해야 한다. 왜냐하면 협력전송 시 동일무선자원을 동일 시간에 외부 단말(outer user)에게 할당해야 하기 때문이다.
본 발명에서 모든 무선자원은 각 단말의 소속 그룹과 관계없이 할당될 수 있다. 즉, 외부 단말그룹인지 외부 단말 그룹인지 관계없이 무선자원이 할당될 수 있다.
만약 외부 단말(outer user)의 스케쥴링 메트릭값이 가장 크다면, 양쪽 기지국이 동일한 시간에 동일한 무선자원을 사용하여 해당 단말에게 데이터를 전송한다. 즉, 협력전송을 수행한다.
만약 셀 0에 속해 있는 내부 단말(inner user)의 스케쥴링 메트릭값이 가장 크다면, 해당 단말에게 셀 0의 무선자원을 사용하여 비협력 전송을 수행한다. 그리고 나서, 셀 1에 속해 있는 내부 단말(inner user)들을 대상으로 해당 단말들 중 스케쥴링 메트릭값이 가장 큰 단말에게 셀 1의 무선자원을 사용하여 비협력 전송을 수행한다. 이상의 방식은 셀 1의 경우도 마찬가지 방식으로 수행된다.
본 발명의 이러한 방식에 대하여 수식을 사용하여 표현하면 다음과 같다. 우선 다음 수학식을 정의한다.
Figure 112011098012590-pat00015
이때, I0(I1)은 셀 0(셀 1)의 내부 단말 그룹이고, O는 외부 단말 그룹이다.
만약 k*(n)∈O 이면, 타임 슬롯(time slot) n 은 양 기지국에서 동시에 할당된다.
만약 k*(n)∈I0 이면, 셀 0의 타임 슬롯(time slot) n 이 해당 단말에게 할당되며, 추가적으로 셀 1의 타임 슬롯(time slot) n 이 다음 수학식을 만족하는 셀 1에 속한 단말에게 할당된다.
Figure 112011098012590-pat00016
여기서, j*(n)∈I1 이다.
이때, 스케쥴링 메트릭에 사용되는 가중 파라미터(weight parameter) wk를 이용하여 각 단말이 평균적으로 할당받는 무선자원율을 조절할 수 있다.
Figure 112011098012590-pat00017
Figure 112011098012590-pat00018
구체적으로 [수학식 6]을 사용하면, 각 단말은 전체 무선자원 중(1/I+O) 만큼의 무선자원을 평균적으로 할당받을 수 있게 되며, 이는 일반적인 스케쥴링 기법에서의 자원할당율과 동일함을 알 수 있다.
본 발명에서 제안하는 방법을 적용할 경우의 평균 수율은 다음 수학식과 같다.
Figure 112011098012590-pat00019
본 발명에서 제안하는 스케쥴링 방법을 일반적인 스케쥴링 기법과 비교하면, 내부 단말(Inner user)은 ½ 의 확률로 2(I+O) 명에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있고, ½ 의 확률로 I명에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있다.
외부 단말(Outer user)은 (I+O) 명에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있는데, 기존 기법의 경우 O명에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있었다.
따라서, 외부 단말(outer user)의 수 O 이 작을 경우, 기존 기법에 비해 본 발명에서 제안하는 외부 단말(outer user)의 수율성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
이제, 두 셀에 속해 있는 단말의 수가 다른 경우를 설명하기로 한다.
먼저, 셀 1의 내부 단말(inner user) 수가 셀 0의 내부 단말(inner user) 수보다 많은 경우를 고려하자. 즉, I1 > I0인 경우이다.
다음과 같이 외부 단말(outer user) 그룹에서 전체 자원 중
Figure 112011098012590-pat00020
만큼을 할당한다고 하자. 이렇게 할당하게 되면 셀 1의 내부 단말(inner user)에게도 충분한 수준의 무선자원을 할당할 수 있게 된다.
이 경우, 셀 0과 셀 1의 내부 단말(inner user) 그룹에게 할당되는 무선자원율은 μ=(1-η)이 된다.
이 경우, I0에 속해 있는 각 단말은 평균적으로 셀 0이 가진 전체의 무선자원 중 (μ/I0)에 해당하는 무선자원을 할당받을 수 있다.
I1에 속해 있는 각 단말은 평균적으로 셀 1이 가진 전체의 무선자원 중 1/(I1+O) 에 해당하는 무선자원을 할당받을 수 있다.
O에 속해 있는 각 단말은 평균적으로 양쪽 셀이 가지고 있는 전체의 무선자원 중 1/(I1+O)에 해당하는 무선자원을 할당받을 수 있다.
이 조건을 만족할 수 있는 가중 파라미터(weight parameter)는 다음과 같다.
Figure 112011098012590-pat00021
Figure 112011098012590-pat00022
이때, 단말 k의 수율 성능은 다음과 같다.
Figure 112011098012590-pat00023
본 발명에서 제안하는 스케쥴링 방법을 기존의 스케쥴링 기법과 비교하면, 셀 0의 내부 단말(inner user)은 ½ 의 확률로 (2I0/μ) 명의 다중 사용자 이득을 얻고, ½의 확률로 I0 명의 다중 사용자 이득을 얻을 수 있다.
셀 1의 내부 단말(inner user)은 ½의 확률로 2(I1+O) 명의 다중 사용자 이득을 얻고, ½의 확률로 I1 명의 다중 사용자 이득을 얻을 수 있다.
외부 단말(Outer user)의 경우 (I1+O)명의 다중 사용자 이득을 얻을 수 있다. 기존 방법의 경우 O명의 다중 사용자 이득을 얻을 수 있었다.
이처럼, 외부 단말(Outer user) 수가 적다면, 본 발명에서 제안된 스케쥴링 방법은 외부 단말(outer user)의 수율 성능을 향상시킬 수 있다.
이제 본 발명의 일 실시예에 따른 스케쥴링 방법에서 QoS(quality of service) 제어에 대해 설명하기로 한다.
본 발명은 임의의 단말 k의 QoS(quality of service), 즉 여기서는 해당 단말의 평균 수율을 다음과 같이 wk 를 적절히 조절함으로써 조절할 수 있다.
Figure 112011098012590-pat00024
k∈O 일 경우, 단말 k 는 평균적으로 전체 무선자원 중 wk 에 해당하는 무선자원을 양 기지국으로부터 할당받으며, (1/wk)에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있다.
k∈Im 일 경우, 단말 k 는 평균적으로 셀 m의 전체 무선자원 중 2wk 에 해당하는 무선자원을 할당 받는다. 또한, ½ 의 확률로 (1/wk) 명에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있으며, ½ 의 확률로 (1/θk,m) 에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있다. 이때,
Figure 112011098012590-pat00025
이다.
최종적으로, 해당 단말의 평균수율은 다음과 같다
Figure 112011098012590-pat00026
시스템의 입장관리(admission control)도 이러한 방식을 이용하여 수행할 수 있다.
예를 들어, 새로운 단말이 시스템에 들어오기를 원할 경우를 가정해 보면, [수학식 10]의 계산을 미리 수행해서 기존 단말들의 최소 보장 평균수율값을 모두 만족할 경우에만 해당 단말의 입장을 허용한다. 이를 통해 기존 단말들의 최소 보장 평균수율값을 만족시킬 수 있다.
도 6은 본 발명의 제2 실시예에 따른 스케쥴링 시스템 모델이다.
도 6은 협력 전송 및 비협력 전송을 지원하기 위한 스케쥴링 시스템 구성으로서, 다수의 셀(0,1,...,M)로 구성된 실시예이다.
도 6을 참조하면, 셀 0의 타임 슬롯(time slot)들은 동일한 크기의 M개의 타임 슬롯(time slot) 그룹으로 분할한다. 따라서, 각 그룹은 전체 자원의 1/M을 차지한다.
또한, 타임 슬롯(time slot) 그룹 m은 셀 0의 내부 단말(inner user)들과 셀 m과 셀 0의 인접영역에 존재하는 외부 단말(outer user)들에게 할당된다.
본 발명에서 타임 슬롯(time slot) 그룹 m에 해당하는 시간 구간 동안에, 해당 외부 단말(outer user) (즉, 셀 m과 셀 0의 인접영역에 존재하는 외부 단말)의 스케쥴링 메트릭(scheduling metric)이 최대가 되면 셀 0과 셀 m의 해당되는 타임 슬롯(time slot)을 동시에 할당한다.
만약 셀 0의 내부 단말(inner user)의 스케쥴링 메트릭(scheduling metric)이 최대가 되면 해당 단말에게 셀 0의 무선자원을 할당한다. 그리고 나서, 셀 m의 내부 단말(inner user)들 중 스케쥴링 메트릭(scheduling metric)이 최대가 되는 단말을 선택하여 셀 m의 무선자원을 할당한다.
이를 수식으로 표현하면 다음과 같다. 타임 슬롯 그룹(Time slot group) m에 있는 타임 슬롯(time slot) n은 다음 조건을 만족하면 단말 k*(n)에게 할당된다.
Figure 112011098012590-pat00027
이때, I0는 셀 0의 내부 단말 그룹이고, Im은 셀 m의 내부 단말 그룹이고, Om는 셀m의 외부 단말 그룹이다.
만약 k*(n)∈Om 이면, 타임 슬롯(time slot) n 은 셀 0과 셀 m에서 동시에 할당된다.
만약 k*(n)∈I0 이면, 셀 0의 타임 슬롯(time slot) n 이 해당 단말에게 할당되며, 다음 식을 만족하는 단말 j*(n)∈Im 에게 셀 m의 타임 슬롯(time slot) n을 할당한다.
Figure 112011098012590-pat00028
이때, 스케쥴링 메트릭에 사용되는 가중 파라미터(weight parameter) wk,m를 이용하여 각 단말이 평균적으로 할당받는 무선자원율을 조절할 수 있다.
Figure 112011098012590-pat00029
Figure 112011098012590-pat00030
수학식 13에서 Om 에 속한 각 단말은 평균적으로 협력전송에 참여하는 모든 셀들이 가진 전체의 무선자원 중 (1/I+O)만큼의 무선자원을 할당 받는다.
Im에 속한 각 단말은 타임 슬롯 그룹(time slot group) m에 해당되는 시간구간 동안 평균적으로 셀 m이 가진 무선자원 중 (1/M(I+O))만큼의 무선자원을 할당받는다. 하지만 타임 슬롯 그룹(time slot group)의 수가 M개 이므로, 결과적으로 (1/I+O)만큼의 무선자원을 할당받게 된다.
본 발명에서 제안하는 방법을 적용할 경우의 평균 수율 성능은 다음 수학식과 같다.
Figure 112011098012590-pat00031
본 발명에서 제안하는 스케쥴링 방법을 일반적인 스케쥴링 기법과 비교하면, 내부 단말(Inner user)은 ½ 의 확률로 2(I+O) 명에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있고, ½ 의 확률로 I명에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있다.
외부 단말(Outer user)은 (I+O)/M 명에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있는데, 기존 기법의 경우 O/M명에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있었다.
따라서, 외부 단말(outer user)의 수 O 이 작을 경우, 기존 기법에 비해 본 발명에서 제안하는 외부 단말(outer user)의 수율 성능을 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
이제, 인접 영역의 셀에 속해 있는 외부 단말의 수가 다른 경우를 설명하기로 한다.
먼저, 인접영역에 존재하는 outer user의 수가 다를 경우를 고려하면, 이때도 마찬가지로 각 타임 슬롯 그룹(time slot group)은 동일한 크기의 무선자원을 사용한다고 가정한다.
셀 0과 인접한 모든 영역에 존재하는 외부 단말(outer user)수는
Figure 112011098012590-pat00032
이라 가정한다.
또한, 이 경우에도 본 발명의 스케쥴링 기법은 동일하다. 이때의 시스템 모델이 다음 도 7에 도시되어 있다.
도 7은 본 발명의 제3 실시예에 따른 스케쥴링 시스템 모델이다.
도 7을 참조하면, 타임 슬롯 그룹(Time slot group) m은 다음 수학식과 같은 기준으로 외부 단말(outer user) 그룹에게 할당할 무선자원 비율을 결정한다.
Figure 112011098012590-pat00033
이때, 셀 0과 m의 내부 단말(inner user) 그룹에 할당되는 타임 슬롯 그룹(time slot group) m의 자원의 비율은 μm=(1-ηm) 이 된다.
이 경우, I0에 속하는 각 단말은 평균적으로 셀 0의 전체 무선자원의
Figure 112011098012590-pat00034
에 해당하는 무선자원을 할당받는다.
Om에 속하는 각 단말은 평균적으로 셀 0과 셀 m의 전체 무선자원의
Figure 112011098012590-pat00035
에 해당하는 무선자원을 할당 받는다.
이를 만족하는 가중 파라미터(weight parameter)는 다음과 같다.
Figure 112011098012590-pat00036
Figure 112011098012590-pat00037

이때, 단말 k의 수율 성능은 다음과 같다.
Figure 112011098012590-pat00038
본 발명에서 제안하는 스케쥴링 방법을 기존의 스케쥴링 기법과 비교하면, 셀 0의 내부 단말(inner user)은 ½ 의 확률로 (2I0/μm) 명의 다중 사용자 이득을 얻고, ½의 확률로 I0 명의 다중 사용자 이득을 얻을 수 있다.
셀 0과 셀 m이 인접한 영역의 외부 단말(Outer user)의 경우, (Om/ηm)명의 다중 사용자 이득을 얻을 수 있다. 기존 방법의 경우 Om명의 다중 사용자 이득을 얻는다.
이처럼, 외부 단말(Outer user) 수가 적다면, 본 발명에서 제안된 스케쥴링 방법은 외부 단말(outer user)의 수율 성능을 향상시킬 수 있다.
이제 본 발명의 일 실시예에 따른 스케쥴링 방법에서 QoS(quality of service) 제어에 대해 설명하기로 한다.
전술한 바와 마찬가지로, 가중 파라미터(weight parameter) wk , m 를 적절히 조절함으로써 단말의 평균수율을 조절할 수 있다.
Figure 112011098012590-pat00039
k∈Om 일 경우, 단말 k 는 평균적으로 셀 0과 셀 m의 모든 무선 자원 중 (wk,m/M)만큼의 무선자원을 할당받으며, (1/wk ,m)에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있다.
k∈I0 일 경우, 단말 k 는 셀 0의 타임 슬롯 그룹 m의 전체 무선자원 중 평균적으로 (2wk ,m/M)의 무선자원을 할당받는다. 또한, ½ 의 확률로 (1/wk ,m) 명에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있으며, ½ 의 확률로 (1/θk,m) 에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있다. 여기서,
Figure 112011098012590-pat00040
이다.
최종적으로, 해당 단말의 평균수율은 다음과 같다
Figure 112011098012590-pat00041
시스템의 입장관리(admission control)도 이러한 방식을 이용하여 수행할 수 있다.
예를 들어, 새로운 단말이 시스템에 들어오기를 원할 경우를 가정해 보면, [수학식 18]의 계산을 미리 수행해서 기존 단말들의 최소 보장 평균 수율값을 모두 만족할 경우에만 해당 단말의 입장을 허용한다. 이를 통해 기존 단말들의 최소 보장 평균수율값을 만족시킬 수 있다.
이상 본 발명을 몇 가지 바람직한 실시예를 사용하여 설명하였으나, 이들 실시예는 예시적인 것이며 한정적인 것이 아니다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 지닌 자라면 본 발명의 사상과 첨부된 특허청구범위에 제시된 권리범위에서 벗어나지 않으면서 다양한 변화와 수정을 가할 수 있음을 이해할 것이다.
inner user 내부 단말 outer user 외부 단말

Claims (10)

  1. 각 셀 당 하나의 기지국이 위치하며, 둘 이상의 다중 셀로 이루어지는 셀룰러 망에서 단말에 대한 전송 스케쥴링(scheduling)을 수행하는 스케쥴러(scheduler)에서의 스케쥴링 방법에 있어서,
    상기 스케쥴러는 내부 단말(inner user) 그룹과 외부 단말(outer user) 그룹에 무선 자원을 할당하는 제1단계;
    상기 스케쥴러는 각 단말의 스케쥴링 메트릭(scheduling metric) 값을 확인하는 제2단계;
    상기 스케쥴러는 각 단말의 스케쥴링 메트릭 값 확인 결과, 외부 단말의 스케쥴링 메트릭 값이 최대이면, 해당 외부 단말에 대해 둘 이상의 기지국에서 신호를 송신하는 협력(cooperative) 전송을 수행하는 제3단계;
    상기 스케쥴러는 각 단말의 스케쥴링 메트릭 값 확인 결과, 내부 단말의 스케쥴링 메트릭 값이 최대이면, 해당 내부 단말에 대해 해당 내부 단말이 속해 있는 셀의 기지국에서 신호를 송신하는 비협력(non-cooperative) 전송을 수행하는 제4단계; 및
    상기 스케쥴러는 아직 할당되지 않은 무선 자원을 사용할 수 있는 단말 그룹이 존재하는 한, 상기 제2단계 내지 제4단계를 반복하는 제5단계를 포함하되,
    셀 0부터 셀 M까지 다중 셀을 포함하는 셀룰러 망에서, 상기 제1단계에서 상기 스케쥴러는 각 셀의 타임 슬롯(time slot)을 동일한 크기의 M개의 타임 슬롯 그룹으로 분할하여 무선 자원을 할당하는 것을 특징으로 하는 스케쥴링 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제3단계에서,
    셀 0과 셀 m의 인접영역에 존재하는 외부 단말의 스케쥴링 메트릭 값이 최대가 되면, 상기 스케쥴러는 상기 셀 0과 셀 m에 해당되는 타임 슬롯을 해당 외부 단말에 동시에 할당하는 것을 특징으로 하는 스케쥴링 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    I0는 셀 0의 내부 단말 그룹이고, Im은 셀 m의 내부 단말 그룹이고, Om는 셀 0과 셀 m 이 인접한 영역에 존재하는 외부 단말 그룹이라고 할 때,
    타임 슬롯 그룹(Time slot group) m에 있는 타임 슬롯(time slot) n은
    Figure 112011098012590-pat00042

    의 수학식을 만족하는 단말 k*(n)에게 할당되는 것을 특징으로 하는 스케쥴링 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    k*(n)∈I0 이면, 셀 0의 타임 슬롯(time slot) n 이 해당 단말에게 할당되며,
    Figure 112011098012590-pat00043

    의 수학식을 만족하는 단말 j*(n)∈Im 에게 셀 m의 타임 슬롯(time slot) n이 할당되는 것을 특징으로 하는 스케쥴링 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 스케쥴링 메트릭에 사용되는 가중 파라미터(weight parameter) wk,m를 이용하여 각 단말이 평균적으로 할당받는 무선자원율을 조절할 수 있으며, 이때,
    Figure 112011098012590-pat00044
    Figure 112011098012590-pat00045

    인 것을 특징으로 하는 스케쥴링 방법.
  7. 제6항에 있어서,
    각 단말의 평균 수율 성능 Tk는
    Figure 112011098012590-pat00046

    인 것임을 특징으로 하는 스케쥴링 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 가중 파라미터(weight parameter) wk , m 를 조절하는 방식으로 QoS(quality of service) 제어를 수행하되,
    Figure 112011098012590-pat00047

    k∈Om 일 경우, 단말 k 는 평균적으로 셀 0과 셀 m의 모든 무선 자원 중 (wk,m/M)만큼의 무선자원을 할당받으며, (1/wk ,m)에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻고,
    k∈I0 일 경우, 단말 k 는 셀 0의 타임 슬롯 그룹 m의 전체 무선자원 중 평균적으로 (2wk ,m/M)의 무선자원을 할당받으며, ½ 의 확률로 (1/wk ,m) 명에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있고, ½ 의 확률로 (1/θk,m) 에 해당하는 다중 사용자 이득을 얻을 수 있으며, 여기서,
    Figure 112011098012590-pat00048
    인 것을 특징으로 하는 스케쥴링 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    해당 단말의 평균수율 Tk는 평균수율 수학식인
    Figure 112011098012590-pat00049

    을 만족하는 것임을 특징으로 하는 스케쥴링 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 QoS를 조정하는 방식으로, 새로운 단말이 시스템에 입장하는 것을 관리하기 위한 시스템 입장 관리(admission control)를 수행하되,
    상기 평균수율 수학식의 계산을 미리 수행해서 기존 단말들의 최소 보장 평균 수율값을 모두 만족할 경우에만, 상기 새로운 단말의 입장을 허용하는 것을 특징으로 하는 스케쥴링 방법.
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KR20080096536A (ko) * 2006-01-11 2008-10-30 퀄컴 인코포레이티드 협동 및 비협동 모드의 동작에 관한 통신 방법 및 장치
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