KR101435719B1

KR101435719B1 - Ｍｉｍｏ 프리코딩을 고려한 셀 선택 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101435719B1
Application number: KR1020120107771A
Authority: KR
Inventors: 조용수; 김한성
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2012-09-27
Filing date: 2012-09-27
Publication date: 2014-09-02
Also published as: KR20140042042A

Abstract

본 발명은 MIMO 프리코딩을 고려한 셀 선택 방법 및 장치를 개시한다. 본 발명에 따르면, MIMO(Multi Input Multi Output) 통신 시스템에서 서빙 셀을 선택하는 장치로서, 복수의 기지국으로부터 수신되는 동기 신호를 이용하여 복수의 후보 기지국을 선택하는 후보 셀 선택부; 상기 복수의 후보 기지국 각각에 대해 측정된 유효 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)에 기초하여 상기 복수의 후보 기지국 각각의 유효 채널 용량을 계산하는 채널 용량 계산부; 및 상기 계산된 유효 채널 용량이 최대인 후보 기지국에 상응하는 셀을 서빙 셀로 선택하는 서빙 셀 선택부를 포함하는 장치가 제공된다.

Description

ＭＩＭＯ 프리코딩을 고려한 셀 선택 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR SELECTING CELL CONSIDERING MIMO PRECODING}

본 발명은 MIMO 프리코딩을 고려한 셀 선택 방법 및 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, MIMO 환경에서 초기에 최적의 셀 선택을 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

최근 스마트폰의 보급으로 어느 곳에서나 실시간으로 양질의 데이터 서비스를 받기 원하는 사용자들이 급증하고 있다. 이로 인해 셀 중심뿐만 아니라 셀 가장자리에서도 단말들에게 높은 데이터 전송 속도를 지원하는 기술의 필요성이 증가되고 있다. 셀 중심에서는 단순히 안테나 수를 늘려 전송 속도를 증가시키는 것이 가능하지만 셀 가장자리에 있는 단말들은 주변 셀의 간섭 신호로 인해 급격한 성능 저하를 경험하게 되어 셀 간 협력이 없이는 어느 한계점 이상으로는 데이터 전송 속도를 증가시키기 어렵다.

이러한 문제로 인해 전송지점 간에 간섭을 제어하는 기술이 현재 표준 및 학계의 주요 사안으로 대두되고 있으며, 특히 3GPP에서는 이러한 간섭 제어 기술을 CoMP(Coordinated Multi-Point Transmission)라 명명하고 있으며 이에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.

일반적으로 하향 링크에서 CoMP는 JP(Joint Processing)과 CS/CB(Coordinated Scheduling/Coordinated Beamforming) 방식으로 나뉜다.

JP은 서빙 셀을 제외한 주변 셀들의 신호를 간섭 신호로 수신하는 것이 아니라 단말기 주변의 셀들 중에 협력할 셀을 구성하여 협력된 셀로부터 수신되는 신호를 모두 수신함으로써 간섭 신호 없이 셀 가장자리에서 전송 속도를 높이는 방식이며, CS/CB 방식은 주변 셀로부터 수신되는 간섭 신호를 JP와는 다르게 최소화하는 방법으로 전송 속도를 높이는 방식이다.

JP 방식은 다시 JT(Joint Transmission)과 DCS(Dynamic Cell Selection)으로 분류할 수 있다.

Joint Transmission은 협력된 셀, 즉 서빙 셀 뿐만 아니라 주변 셀이 한 단말기를 위해 동일한 자원에 할당하여 데이터를 송신한다. 이를 위해서는 기지국간 백홀을 통해 CSI(Channel State Information)와 송신 데이터를 서로 공유하고 있어야 하므로 시스템 오버헤드의 양이 많아진다. 그러나 이웃 셀로부터 수신되는 간섭 신호들이 사라지기 때문에 SINR(Signal to Interference plus Noise Power Ratio) 이 증가하여 셀 가장자리에서의 전송 속도가 향상된다.

DCS(Dynamic Cell Selection)는 JT와 동일하게 협력된 셀이 데이터와 CSI 정보를 백홀을 통해 공유하고 있어야 한다. JT와 다른 점은 셀 가장자리에 존재하는 단말이 협력된 셀들에게 동시에 동일한 자원을 통해 송수신하지 않고 협력된 셀 중 수신 채널이 가장 좋은 셀을 통해 송수신을 한다. 또한 단말에게 큰 간섭으로 작용하는 것으로 판단되는 전송시점의 전력을 동적으로 제거하도록 제어하여 셀 가장자리 단말의 데이터 수신을 도와주도록 하는 방식은 Dynamic Blacking(DB)을 사용하면 셀 가장자리에서 성능을 더 높일 수 있다. 따라서 DCS, DB 방식들은 SINR을 최대화하여 전송 속도를 향상시킬 수 있다.

CS/CB(Coordinated Scheduling/Coordinated Beamforming) 방식은 다른 전송 지점에 미치는 간섭을 감소시키기 위하여 신호를 전송하는 시간 또는 주파수 자원을 적절히 전송 지점간 조절하거나 셀 가장자리에서 동일한 대역에 신호를 전송할 때 전송하는 빔 방향을 조절하여 간섭 신호를 최소한으로 줄이는 방식이다.

위 방식들을 적용하기 위해서는 단말에게 전송해야 하는 정보들을 협력된 셀들이 서로 공유하고 있어야 한다. Joint Transmission 과 DCS 방식은 협력된 셀의 데이터들을 모두 받기 때문에 상대적으로 CS/CB 방식보다는 성능 개선 효과가 크지만 단말에게 전송해야 하는 데이터와 채널 정보들을 모두 공유해야 하기 때문에 백홀의 부하가 크게 증가하게 된다. CS/CB 방식은 채널의 대한 정보(CQI, RI, PMI 등) 만을 공유하고 데이터는 공유할 필요가 없으며 현재 서빙 셀만 단말에게 전송해야 하는 데이터를 가지고 있으면 된다.

따라서 Joint Transmission과 DCS 방식에 비해 상대적으로 간섭 신호가 더 크기 때문에 성능 개선의 효과가 적지만 공유해야 하는 정보의 양이 적기 때문에 백홀의 부하 증가가 상대적으로 덜하다. 협력된 셀 간의 제한 사항을 고려할 때 실제적으로 CS/CB 방식이 다중 셀 환경에서 효율적으로 간섭 신호를 줄이면서 셀 가장 자리 성능을 높이기에 용이하다.

CS/CB 방식에서는 기지국이 특정 단말에게만 빔을 형성함으로써 간섭을 줄이는 방법을 기본적으로 사용하게 되는데 이 과정에서 단말들은 전송 속도를 최대로 높일 수 있는 기지국을 선택하는 것이 가장 중요하다.

여기서 CS/CB 방식을 사용할 때 서빙 셀을 한번 선택하게 되면 셀 재선택 과정이 있을 때까지는 초기에 선택한 셀과 통신을 해야 한다. 따라서 초기 선택 과정에서 CS/CB 방식에 적합한 셀 선택과정이 필요하다. 그러나 기존 동기 신호를 통해 동기화 및 셀 선택을 할 때 단말은 일반적으로 단일 안테나를 이용하여 동기화 및 셀 선택 과정을 수행하므로 실제 MIMO 채널 환경을 고려할 수 없다.

기지국과 단말은 실제 MIMO 프리코더를 적용하여 데이터를 송수신하게 되는데 초기 셀 선택 시에는 프리코더를 통해 얻을 수 있는 이득을 고려할 수 없기 때문에 기존 동기화 과정에서 찾은 셀이 최적의 셀이라고 볼 수 없다.

여기서 CoMP 기술은 OFDM 시스템의 데이터 영역에 적용된다. 그러나 단말의 전원이 켜지고 가장 처음 이루어지는 동기화 및 셀 선택 과정은 일반적으로 동기 신호를 사용한다. 예컨대, 3GPP LTE에서는 PDSCH(Physical Downlink Shared Channel)에서만 CoMP를 적용하고 초기에 셀 선택을 할 때에는 PSS(Primary Synchronization Signal), SSS(Secondary Synchronization Signal), CRS(Cell Specific Reference Signal)을 통해 선택을 하게 된다.

도 1에서는 3GPP LTE 셀 선택 과정의 순서도이다.

도 1을 참조하면, 단말은 복수의 기지국과 동기화를 진행한다(단계 100), ㅇ이후 S를 통해 index 0,1,2 세 개 중의 하나의 셀 아이디(Cell ID)를 찾게 된다(단계 102).

PSS 시퀀스는 다음과 같이 생성된다.

Zadoff-chu sequence를 통해 생성된 PSS는 3개의 루트 인덱스에 해당하는 시퀀스를 상호상관 취하고 상호상관의 결과가 큰 루트 인덱스를 찾게 되면 Cell ID 를 획득하게 된다. 상호상관을 취하는 수식은 시간영역에서 다음과 같이 주어진다.

여기서,

는 시간영역 수신 신호를 나타내고,

는 루트인덱스

에 해당하는 PSS의 시간영역 시퀀스를 나타낸다. 또한

는 25, 29, 34를 나타내고 순서대로 각각의 루트인덱스에 따라

는 0,1,2로 나타낸다. 또한,

은 PSS의 시간영역 시퀀스의 샘플 수를 나타내고

은 타이밍 오프셋 샘플 수를 나타낸다.

다음으로 SSS를 통해

(Cell ID Group)을 검출한다(단계 104). SSS는 두 개의 m-시퀀스 조합으로 시퀀스를 생성한다. SSS는 총 168개의

(Cell ID Group)으로 구성되어 있으며, SSS 시퀀스의 상호상관을 이용하여 찾게 된다.

SSS의 시퀀스 수식은 다음과 같다.

여기서,

는 주파수영역 수신 신호를 나타내고,

는 168개 중 i번째 SSS 주파수영역 시퀀스를 나타내며,

은 코히어런트 방식 적용 시 PSS에서 추정한 채널 값을 나타낸다. 또한,

는 수신 신호와 i번째 SSS 시퀀스와 상호상관을 취한 결과를 나타낸다. PSS, SSS를 통해 찾은

와

를 통해

을 찾을 수 있다.

을 찾는 수식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

3GPP LTE에서는 총 504개의 서로 다른 Cell ID를 구분할 수 있다. PSS, SSS를 통해 주변 Cell들의 ID를 탐색한 후 후보(Candidate) 셀(기지국)을 구성한다.

다음 단계로서, 후보 셀에 해당하는 CRS(Cell Specific Reference Signal)의 RSRP (Reference Signal Received Power)를 측정하고 RSRP를 기준으로 가장 적합한 셀을 찾고 셀 선택 과정을 마친다(단계 106).

위의 셀 선택 과정은 동기 신호와 Cell Specific Reference Signal의 세기를 기반으로 셀을 선택한다. 셀 선택이 끝난 후 PDSCH 영역을 통해 기지국과 단말은 데이터를 송수신하게 되며 성능을 높이기 위해 다양한 기술을 적용시킬 수 있다.

그 중 앞에서 언급했듯이 CoMP 기술의 하나인 CS/CB방식을 사용함으로 간섭 제어를 하여 셀 가장 자리의 위치한 단말들의 성능을 높일 수 있다. CS/CB 방식은 초기에 단말들이 셀 선택 과정을 통해 서빙 셀에 접속한 이후에 주변 셀들 중 간섭이 큰 셀들을 협력 셀로 구성하고 서빙 셀 이외에 셀들의 간섭신호를 스케줄링과 빔포밍을 통해 제어하게 된다. 이때 CS/CB 방식은 단말들이 초기에 서빙 셀을 결정하게 되면 DCS 방식과 같이 유연하게 셀을 선택할 수 없고 재선택 과정을 수행해야지만 다른 셀에 다시 접속할 수 있다.

따라서 초기에 셀 선택 시 CS/CB 방식을 사용할 때 최적의 성능을 달성할 수 있는 셀을 선택하는 것이 중요하다. 전술한 바와 같이, CS/CB 를 통해 서빙 셀의 신호를 최대화시키고 간섭 신호는 최소화시키면 단말의 SINR이 향상될 수 있다. 그러나 현재 방식에서는 기존 셀 선택 방법인 동기 신호를 통해 서빙 셀을 선택한 후 선택된 서빙 셀을 기준으로 SINR을 높이는 방향으로 CS/CB 방식이 적용된다. 이 경우에 SINR이 개선되어 성능의 증가를 보이겠지만 협력된 셀들 중에 다른 셀을 서빙 셀로 보고 CS/CB 방식을 적용했을 때 현재 서빙 셀 보다 더 좋은 SINR 환경을 얻을 수도 있기 때문에 기존 셀 선택 방식으로 찾은 셀이 최적이라고 보기는 어렵다.

또한 서빙 셀을 선택할 때 SINR만을 고려하고 채널 랭크(rank)를 고려하지 않게 되면 채널 용량 측면에서는 최적의 셀이 아닐 수 있게 된다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래기술의 문제점을 해결하기 위해, 데이터 영역의 프리코딩이 적용된 유효 SINR과 그에 따른 유효 채널 용량을 고려하여 최적을 성능을 낼 수 있는 셀을 선택할 수 있는 MIMO 프리코딩을 고려한 셀 선택 방법 및 장치를 제안하고자 한다.

상기한 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따르면, MIMO(Multi Input Multi Output) 통신 시스템에서 서빙 셀을 선택하는 장치로서, 복수의 기지국으로부터 수신되는 동기 신호를 이용하여 복수의 후보 기지국을 선택하는 후보 셀 선택부; 상기 복수의 후보 기지국 각각에 대해 측정된 유효 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)에 기초하여 상기 복수의 후보 기지국 각각의 유효 채널 용량을 계산하는 채널 용량 계산부; 및 상기 계산된 유효 채널 용량이 최대인 후보 기지국에 상응하는 셀을 서빙 셀로 선택하는 서빙 셀 선택부를 포함하는 장치가 제공된다.

상기 채널 용량 계산부는, 상기 복수의 후보 기지국 중 하나의 기지국(제1 후보 기지국) 신호를 최대화하는 최대 프리코딩 행렬 인덱스를 선택하고, 상기 제1 후보 기지국을 제외한 나머지 후보 기지국 신호를 최소화하는 최소 프리코딩 행렬 인덱스를 선택하는 프리코딩 행렬 인덱스 선택부; 상기 최대 프리코딩 행렬 인덱스 및 상기 최소 프리코딩 행렬 인덱스가 적용된 이후의 상기 복수의 후보 기지국 각각에 대한 유효 SINR을 계산하는 유효 SINR 계산부; 및 상기 계산된 유효 SINR을 이용하여 상기 제1 후보 기지국의 유효 채널 용량이 계산하는 유효 채널 용량 계산부를 포함할 수 있다.

상기 채널 용량 계산부는, Cell Specific Reference Signal을 이용하여 상기 복수의 후보 기지국 각각에 대한 채널을 추정하는 채널 추정부를 포함할 수 있다.

상기 프리코딩 행렬 인덱스 선택부는, 상기 추정된 채널에 대한 채널 랭크를 이용하여 상기 최대 프리코딩 행렬 인덱스 및 최소 프리코딩 행렬 인덱스를 선택할 수 있다.

상기 제1 후보 기지국의 유효 채널 용량은, 상기 제1 후보 기지국의 송신 전력, 잡음 전력, 상기 제1 후보 기지국을 제외한 나머지 후보 기지국의 송신 전력, 수신 전력, 상기 제1 후보 기지국의 송신 안테나 수, 채널 랭크, 채널 벡터, 상기 제1 후보 기지국의 신호를 최대화하는 최대 프리코딩 행렬 및 상기 제1 후보 기지국을 제외한 나머지 후보 기지국의 신호를 최소화하는 최소 프리코딩 행렬 중 적어도 하나를 이용하여 계산될 수 있다.

상기 동기 신호는 PSS(Primary Synchronization Signal), SSS(Secondary Synchronization Signal) 및 CRS(Cell Specific Reference Signal)를 포함하며, 상기 후보 셀 선택부는 상기 PSS를 통해 셀 아이디를 획득하고, 상기 SSS를 통해 셀 아이디 그룹을 획득하며, 상기 셀 아이디 및 셀 아이디 그룹을 이용하여 상기 복수의 후보 기지국을 선택할 수 있다.

상기 유효 채널 용량은 다음의 수학식에 따라 계산될 수 있다.

[수학식]

여기서

,

는 각각 i 번째 후보 기지국의 송신 전력과 잡음 전력을 나타내고,

,

는 각각 간섭 셀의 송신 전력과 상기 제1 후보 기지국을 제외한 나머지 후보 기지국의 수신 전력을 나타내며, 상기 나머지 후보 기지국의 수신 전력은 후보 기지국들이 신호를 전송할 때 신호를 최소화시키는 프리코딩 행렬이 적용된 후 측정되며.

,

은 i 번째 후보 기지국의 송신 안테나의 수와 채널 랭크,

는 i 번째 후보 기지국의 채널 벡터를 나타내고,

,

는 신호를 최대화시키는 i 번째 후보 기지국의 프리코딩 행렬과 신호를 최소화시키는 i 번째 후보 기지국의 프리코딩 행렬임

상기 유효 SINR은 다음의 수학식에 따라 계산될 수 있다.

[수학식]

여기서,

는 i 번째 후보 기지국의 유효 채널 벡터를 나타내며,

,

는 각각 i번째 후보 기지국이 서빙 셀일 때 신호를 최대화시키는 프리코딩 행렬, j번째 간섭 신호를 최소화시키는 프리코딩 행렬이고,

는 평균이 0이고 분산이

인 가산성 백색 잡음임.

상기 서빙 셀은 다음의 수학식에 따라 선택될 수 있다.

[수학식]

여기서

는 i 번째 후보 기지국의 유효 채널 용량,

는 SINR의 대한 수식으로 나타낼 수 있으며

은 i번째 후보 기지국의 유효 SINR임

본 발명의 다른 측면에 따르면, MIMO 통신 시스템의 이동 통신 장치에서 서빙 셀을 선택하는 방법으로서, 복수의 기지국으로부터 수신되는 동기 신호를 이용하여 인접한 복수의 후보 기지국을 선택하는 단계; 상기 복수의 후보 기지국 각각에 대해 측정된 유효 SINR에 기초하여 상기 복수의 후보 기지국 각각의 유효 채널 용량을 계산하는 단계; 상기 계산된 유효 채널 용량이 최대인 후보 기지국에 상응하는 셀을 서빙 셀로 선택하는 단계를 포함하는 서빙 셀 선택 방법이 제공된다.

본 발명의 또 다른 측면에 따르면, MIMO 통신 시스템의 이동 통신 장치에서 서빙 셀을 선택하는 방법으로서, 복수의 기지국으로부터 수신되는 동기 신호를 이용하여 인접한 복수의 후보 기지국을 선택하는 단계; Cell Specific Reference Signal을 통해 상기 복수의 후보 기지국 각각에 대한 채널을 추정하는 단계; 및 상기 추정된 채널 및 코드북을 통해 상기 복수의 후보 기지국과 상기 이동 통신 장치 간의 실제 전송될 데이터 영역의 채널 랭크, 유효 채널 용량 및 유효 SINR 중 적어도 하나를 이용하여 서빙 셀을 선택하는 단계를 포함하는 서빙 셀 선택 방법이 제공된다.

본 발명에 따르면 MIMO 환경을 고려하여 유효 SINR 및 이에 따른 유효 채널 용량을 이용하여 초기에 서빙 셀을 선택하기 때문에 최적의 셀을 선택할 수 있는 장점이 있다.

도 1에서는 3GPP LTE 셀 선택 과정의 순서도.
도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 셀 선택 장치를 도시한 도면.
도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 채널 용량 계산부의 상세 구성을 도시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 셀 선택 과정의 순서도.
도 5는 채널 랭크에 따라 유효 채널 용량을 비교한 도면.
도 6은 본 발명에 따른 모의 실험에서 단말 1개, 기지국 2개가 존재하고 안테나의 수는 각각 4개인 경우를 가정한 것을 도시한 도면.
도 7은 2개의 기지국의 채널 랭크가 1이고 모두 프리코딩을 적용하는 경우와 적용한 경우의 최적의 기지국 선택 확률을 도시한 도면.
도 8은 2개의 기지국의 채널 랭크가 4이고 모두 프리코딩을 적용하는 경우와 적용한 경우의 최적의 기지국 선택 확률을 도시한 도면.
도 9는 채널 랭크가 1인 기지국 1에 프리코딩을 적용하였을 때 기지국 1을 선택할 확률이 증가하는 것과 채널 랭크가 4인 기지국 2에 프리코딩을 적용하였을 때는 거의 변화가 없는 점을 도시한 도면.
도 10은 본 발명에 따른 셀 선택 과정을 통해 최적 성능의 서빙 셀을 선택할 수 있다는 점을 도시한 도면.

본 발명은 CS/CB 방식 중 코드북 기반 프리코딩을 이용한 셀 선택 시 기존 셀 선택 방법보다 셀 가장자리에서 성능이 우수한 셀을 선택할 확률을 높일 수 있는 방법 및 장치를 제안한다.

본 발명은 다중 셀 환경에서 기지국은

개의 송신 안테나를 가지고 있고 단말은

개의 수신 안테나를 가지고 있으며, 기지국과 단말간의 채널은 Cell Specific Reference Signal을 통해 각각에 대해 모두 추정할 수 있고, 단말 주변에 있는 기지국들과 동기가 모두 맞춰져 있는 환경을 가정한다.

도 2는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 셀 선택 장치를 도시한 도면이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 셀 선택 장치는 후보 셀 선택부(200), 채널 용량 계산부(202) 및 서빙 셀 선택부(204)를 포함할 수 있다.

상기 셀 선택 장치는 복수의 안테나를 가지고 복수의 안테나를 갖는 기지국과 OFDM 신호를 송수신하는 이동 통신 단말일 수 있으며, 이하에서는 셀 선택 장치가 이동 통신 단말인 것으로 하여 설명한다.

본 발명에 따른 후보 셀 선택부(200)는 주변에 있는 복수의 기지국이 송신하는 동기 신호를 이용하여 서빙 셀의 후보가 되는 복수의 셀을 선택한다.

전술한 바와 같이, 3GPP LTE 시스템에서 후보 셀 선택부(200)는 PSS, SSS 및 CRS를 통해 서빙 셀의 후보가 되는 복수의 후보 기지국을 선택한다.

도 4에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 후보 셀 선택 과정(단계 400 내지 406)은 전술한 도 1에서의 과정과 동일하다. 다만 단계 106이 RSRP를 기준으로 최적의 셀을 서빙 셀로 선택하는 반면, 본 발명은 단계 406에서 단지 후보 셀만이 선택되며, 하기에서 설명하는 채널 랭크, 유효 SINR 및 유효 채널 용량에 따라 서빙 셀이 선택된다.

채널 용량 계산부(202)는 복수의 후보 기지국 각각에 대해 유효 SINR을 측정하며, 측정된 유효 SINR에 기초하여 복수의 후보 기지국 각각의 유효 채널 용량을 계산하며, 서빙 셀 선택부(204)는 계산된 유효 채널 용량이 최대인 후보 기지국에 상응하는 셀을 서빙 셀로 선택한다.

이와 같은 서빙 셀 선택 과정이 도 4의 단계 408 내지 416에 도시된다.

도 3은 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 채널 용량 계산부의 상세 구성을 도시한 도면이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 채널 용량 계산부(202)는 채널 추정부(300), 프리코딩 행렬 인덱스 선택부(302), 유효 채널 용량 계산부(304), 유효 SINR 계산부(306)를 포함할 수 있다.

채널 추정부(300)는 Cell Specific Reference Signal를 이용하여 선택된 복수의 후보 기지국 각각에 대한 채널을 추정한다. 채널 추정 정보에는 채널 랭크에 관한 정보가 포함된다.

프리코딩 행렬 인덱스 선택부(302)는 채널 추정 정보를 이용하여 각 기지국의 신호를 최대화하는 최대 프리코딩 행렬 인덱스와 신호를 최소화하는 최소 프리코딩 행렬 인덱스를 선택한다.

선택된 인덱스는 유효 채널 용량 계산부(304) 및 유효 SINR 계산부(306)로 입력된다.

본 발명에 따른 유효 채널 용량 계산부(304)과 유효 SINR 계산부(306)는 채널 추정 정보 및 최대/최소 프리코딩 행렬 인덱스를 이용하여 각 기지국의 유효 채널 용량 및 유효 SINR을 계산한다.

본 발명에 따르면, 우선 복수의 후보 기지국 중 하나를 기준으로 유효 채널 용량 및 유효 SINR이 계산된다.

즉, 복수의 후보 기지국 중 하나가 제1 후보 기지국으로 선택되는 경우, 나머지 후보 기지국은 간섭 셀로 간주되어 제1 후보 기지국에 대한 유효 채널 용량 및 유효 SINR이 계산되며, 도 4에 도시된 바와 같이, 모든 후보 기지국에 대한 계산 과정이 반복 수행된다.

보다 상세하게, 제1 후보 기지국의 유효 채널 용량은, 상기 제1 후보 기지국의 송신 전력, 잡음 전력, 상기 제1 후보 기지국을 제외한 나머지 후보 기지국의 송신 전력, 상기 제1 후보 기지국의 신호를 최소화하는 최소 프리코딩 행렬이 적용된 후 측정된 수신 전력, 송신 안테나 수, 채널 랭크, 채널 벡터, 상기 제1 후보 기지국의 신호를 최대화하는 최대 프리코딩 행렬 및 상기 제1 후보 기지국의 신호를 최소화하는 최소 프리코딩 행렬 중 적어도 하나를 이용하여 계산될 수 있다.

이때, 후보 기지국 각각의 유효 채널 용량의 계산 시 유효 SINR이 함께 고려된다.

모든 후보 기지국에 대해 유효 SINR을 기초로 결정된 유효 채널 용량 계산이 수행된 후 서빙 셀 선택부(204)는 최적의 서빙 셀을 선택한다.

본 발명에 따르면, 초기에 채널 랭크, SINR, 채널용량을 함께 고려하여 서빙 셀을 선택하기 때문에 보다 높은 성능을 보장할 수 있다.

이하에서는 본 발명에 따른 서빙 셀 선택 과정을 수학식을 통해 상세하게 설명한다.

이동 통신 단말이 셀 가장자리에 있을 때, OFDM 기반의 셀룰러 시스템의 기지국에서 수신되는 OFDM 신호는 다음과 같이 주어진다.

여기서

는 i 번째 기지국에서 전송하는 k번째 서브케리어에 해당하는

송신 신호벡터이고,

는 i번째 기지국과 단말의 k번째 서브케리어에 해당하는

MIMO 채널벡터를 나타낸다. 또한

는 인접 기지국 수를 나타내며, 수학식 4에서 우변의 첫 번째 항은 서빙 셀의 기지국으로부터 수신되는 신호를 나타내며, 두 번째 항은 인접 기지국으로부터 수신되는 모든 간섭신호를 나타낸다. 또한

는 평균이 0이고 분산이

인 가산성 백색 잡음(Additive White Gaussian Noise, AWGN)을 나타낸다.

프리코딩 행렬 인덱스를 선택하는 수식은 다음과 같이 주어진다.

여기서,

는 각각 i 번째 후보 기지국의 신호를 최대화, 최소화시키는 M개 중 하나의 프리코딩 행렬 인덱스를 나타내고,

는 i 번째 후보 기지국의 프리코딩 행렬 인덱스에 해당하는 프리코딩 행렬을 나타낸다. 또한

은 i 번째 후보 기지국 채널의 랭크(rank)를 나타내며, C는 채널 용량을 나타낸다.

채널 용량을 최대화시키는

를 적용한 유효(effective) 채널의 채널 용량을 각 후보 기지국에 대해 구한다. 각 후보 기지국의 송신전력이 1이라고 가정하였고, 유효 채널 용량을 구하는 식은 다음과 같이 주어진다.

여기서

,

는 각각 i 번째 후보 기지국의 송신 전력과 잡음의 전력을 나타내고,

,

는 각각 간섭 셀의 송신 전력과 서빙 셀을 제외한 주변의 모든 간섭 셀의 수신 전력을 나타낸다. 서빙 셀을 제외한 후보 기지국들의 수신 전력은 후보 기지국들이 신호를 전송할 때 신호를 최소화시키는 프리코딩 행렬이 적용된 후 측정한다.

,

은 i 번째 후보 기지국의 송신 안테나의 수와 채널의 랭크를 나타낸다. 또한

는 i 번째 후보 기지국의 채널벡터를 나타내고,

,

는 신호를 최대화시키는 i 번째 후보 기지국의 프리코딩 행렬과 신호를 최소화시키는 i 번째 후보 기지국의 프리코딩 행렬을 나타낸다.

는 랜덤 변수이므로

는 순시적인 채널 용량을 나타내며, 에르고딕 채널 용량을 구하면

가 된다.

따라서 각 후보 기지국의 대하여 유효 채널 용량을 구할 때 주변에 있는 셀 중 한 셀을 서빙 셀로 선택하고 나머지 셀의 신호를 간섭으로 보고 유효 SINR을 측정하고 측정한 유효 SINR을 바탕으로 유효 채널 용량을 측정할 수 있다.

모든 후보 기지국의 송신 전력을 1로 가정하면, [수학식 6]의 SINR 수식은 [수학식 7]로 다시 표현할 수 있으며, 수식은 다음과 같이 주어진다.

여기서,

는 i 번째 후보 기지국의 유효 채널 벡터를 나타내며,

,

는 각각 i번째 후보 기지국이 서빙 셀일 때 신호를 최대화시키는 프리코딩 행렬, j번째 간섭 신호를 최소화시키는 프리코딩 행렬을 나타낸다.

는 평균이 0이고 분산이

인 가산성 백색 잡음을 나타낸다.

각 후보 기지국에 대해 SINR을 측정한 후 [수학식 6] 에서 구한 유효 채널 용량을 이용하여 유효 채널 용량이 가장 우수한 후보 기지국에 상응하는 셀을 서빙 셀로 선택하게 된다.

[수학식 6]에서 유효 채널 용량은 변수가 SINR인 등가 수식으로 나타낼 수 있으며, 주변의 기지국들 중에서 유효 채널 용량이 가장 우수한 기지국을 서빙 셀로 선택한다. 서빙 셀을 선택하는 수식은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서

는 i 번째 후보 기지국의 유효 채널 용량을 나타낸다.

는 SINR의 대한 수식으로 나타낼 수 있으며

은 i번째 후보 기지국의 유효 SINR을 나타낸다.

기존의 셀 선택 방식들은 동기 신호와 기준 신호의 세기를 이용하여 서빙 셀을 선택한다. 셀 선택 시에 동기 신호와 기준 신호의 세기만을 이용하면 채널 용량 관점에서 봤을 때 최적의 성능을 낼 수 있는 셀이 아니지만 선택될 확률이 존재한다.

도 5는 채널 랭크에 따라 유효 채널 용량을 비교한 것이다. 송신 안테나, 수신 안테나 모두 4개씩 존재한다고 가정하였고, 3GPP LTE의 코드북(codebook)을 사용하였다. 채널 랭크가 1일 때의 신호를 최대화시키는 프리코딩 행렬과 채널 랭크가 4일 때의 신호를 최대화시키는 프리코딩 행렬을 적용하여 유효 채널 용량을 측정하였다.

채널 랭크가 1일 때 유효 채널 용량을 보게 되면 특정 SINR 이상부터는 채널랭크가 4일 때보다 작아지는 것을 볼 수 있다. 채널 랭크가 4일 때 특정 SINR 이상부터는 공간 다중화 이득을 얻을 수 있기 때문에 채널 용량의 차이가 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다.

따라서 동기 신호와 기준 신호의 수신 세기를 기준으로 서빙 셀을 선택하게 되면 현재 SINR 과 채널 랭크를 모두 고려하지 않기 때문에 채널 용량의 관점에서 성능을 판단한다고 할 때 최적의 셀을 선택하는데 한계가 있다.

또한 단말이 주변 기지국들 중의 하나를 선택하고 셀 가장 자리에 있을 때에는 단말이 서빙 셀에 접속을 하고 셀 가장 자리에서 CoMP 방식 중 CS/CB 방식으로 송수신을 한다고 가정할 때 단말은 초기에 접속한 서빙 셀의 신호를 최대화시키도록 빔포밍 및 스케쥴링을 할 것이다. 이 과정 중에 서빙 셀을 제외한 나머지 간섭 셀들의 신호는 최소화되도록 빔포밍 및 스케쥴링을 하게 된다. 서빙 셀은 이미 결정되었기 때문에 다른 협력된 셀 중에 현재 서빙 셀 보다 더 좋은 성능을 낼 가능성이 있지만 현재 서빙 셀과만 송수신을 할 수 있다.

결과적으로 본 발명과 같이 초기 셀 선택 시에 데이터 영역에 적용될 빔포밍을 고려하여 셀을 선택하게 되면 기존 동기 신호와 기준 신호의 세기만을 고려했을 때와는 다르게 채널 랭크에 따른 프리코딩까지 고려하기 때문에 CS/CB 방식을 사용하였을 때 좀 더 좋은 성능을 얻을 수 있는 서빙 셀을 선택할 수 있게 된다.

본 발명은 초기 셀 선택의 관점에서 작성이 되었지만, 핸드오버시 셀 선택 방법으로도 그대로 적용될 수 있다. 또한 본 발명은 CS/CB의 관점에서 작성이 되었지만, CS/CB를 사용하지 않는 비협력통신의 경우에도 간섭항을 무시하고 잡음항만 고려하게 되면 초기 셀 선택 및 핸드오버 시에 그대로 적용될 수 있다.

본 발명에 대해 다음과 같은 모의 실험을 수행하였다.

도 6은 나타난 바와 같이 단말 1개, 기지국 2개가 존재하고 안테나의 수는 각각 4개인 경우를 가정한다. 또한 주변 기지국에서 단말에게 송신하는 신호의 세기는 모두 동일하고, 단말과 두 기지국 사이의 주파수 동기와 타이밍 동기는 모두 맞춰져 있으며, 동기 신호를 통해 주변에 Cell ID는 모두 찾았다고 가정한다.

먼저 두 기지국의 채널 랭크가 동일할 때와 다를 때, 기준 신호의 프리코딩을 적용했을 때(precoding on)와 적용하지 않았을 때(precoding off) 기지국 1을 선택할 확률을 실험하였다.

도 7을 살펴보면 양쪽 기지국의 채널 랭크는 1이며, 양쪽 기지국 모두 프리코딩을 적용하지 않았을 경우 SIR(Signal-to-interference ratio) 이 0dB 일 때 단말이 기지국 1을 선택할 확률이 약 50% 인 것을 확인할 수 있다. 그러나 기지국 1에 프리코딩을 적용시킨 후 동일하게 기지국 1을 선택할 확률을 측정하면 SIR이 0dB 일 때 약 90% 로 기지국 1을 선택하는 것을 볼 수 있다. 두 번째로 두 기지국의 채널 랭크가 4일 때 첫 번째와 동일한 환경에서 단말이 기지국 1을 선택할 확률을 측정하면 프리코딩을 적용했을 때와 적용하지 않았을 때 거의 동일한 결과가 나타남을 도 8에서 확인할 수 있다. 세 번째로 두 기지국의 채널 랭크가 서로 다를 때 기지국 1을 선택할 확률을 측정하였는데 위 결과에서 확인했듯이 채널의 랭크가 낮을수록 프리코딩 이득을 많이 얻을 수 있기 때문에 채널 랭크가 1인 기지국 1에 프리코딩을 적용하였을 때는 기지국 1을 선택할 확률이 증가하였지만 채널 랭크가 4인 기지국 2에 프리코딩을 적용하였을 때는 거의 변화가 없는 것을 도 9에서 확인할 수 있다.

이 결과들을 통해 프리코딩을 적용했을 때 채널의 랭크가 낮을수록 프리코딩 이득을 더 얻을 수 있음을 알 수 있다. 그러나 신호의 세기만을 가지고 기지국을 선택하게 되면 한계가 있다. 채널 랭크에 따라 채널 용량을 측정해보면 비록 프리코딩 이득은 채널 랭크가 1일때가 크지만 특정 SNR이상부터는 채널 랭크가 4일 때가 1일 때보다 커지는 것을 도 3에서 확인할 수 있다. 따라서 단말이 초기에 기지국을 선택할 때 각 기지국과 단말 간의 유효 SINR과 유효 채널 용량까지 고려해야 한다.

도 10에서는 기지국이 2개 단말이 1개 존재하고 SNR은 10dB, SIR은 0dB 환경에서 기존 방법인 기준 신호의 프리코딩이 적용 안 됐을 때의 SINR 을 기준으로 기지국을 선택하고 그 때의 채널 상황에 대한 프리코딩을 적용했을 때 (Conventional Approach) effective 채널 용량과 단말이 초기에 채널 상황에 따라 프리코딩이 고려된 유효 SINR과 유효 채널 용량을 기준으로 기지국을 선택했을 때 (Proposed Approach) 유효 채널 용량을 서로 비교하였다.

도 10의 결과에서 볼 수 있듯이 단말이 초기에 셀을 선택할 때부터 데이터 영역에 적용될 프리코딩 행렬을 고려하면 단말이 셀 가장 자리에 있을 때 기존 셀 선택 방식을 사용할 때보다 채널 용량 관점에서 성능이 좀 더 우수한 셀을 선택할 확률이 높아지는 것을 확인할 수 있다.

상기한 본 발명의 바람직한 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이고, 본 발명에 대해 통상의 지식을 가진 당업자라면 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가가 가능할 것이며, 이러한 수정, 변경 및 부가는 하기의 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 할 것이다.

Claims

MIMO(Multi Input Multi Output) 통신 시스템에서 서빙 셀을 선택하는 장치로서,
복수의 기지국으로부터 수신되는 동기 신호를 이용하여 복수의 후보 기지국을 선택하는 후보 셀 선택부;
상기 복수의 후보 기지국 각각에 대해 측정된 유효 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio)에 기초하여 상기 복수의 후보 기지국 각각의 유효 채널 용량을 계산하는 채널 용량 계산부; 및
상기 계산된 유효 채널 용량이 최대인 후보 기지국에 상응하는 셀을 서빙 셀로 선택하는 서빙 셀 선택부를 포함하며,
상기 채널 용량 계산부는,
상기 복수의 후보 기지국 중 하나의 기지국(제1 후보 기지국) 신호를 최대화하는 최대 프리코딩 행렬 인덱스를 선택하고, 상기 제1 후보 기지국을 제외한 나머지 후보 기지국 신호를 최소화하는 최소 프리코딩 행렬 인덱스를 선택하는 프리코딩 행렬 인덱스 선택부;
상기 최대 프리코딩 행렬 인덱스 및 상기 최소 프리코딩 행렬 인덱스가 적용된 이후의 상기 복수의 후보 기지국 각각에 대한 유효 SINR을 계산하는 유효 SINR 계산부; 및
상기 계산된 유효 SINR을 이용하여 상기 제1 후보 기지국의 유효 채널 용량을 계산하는 유효 채널 용량 계산부를 포함하는 장치.
삭제
제1항에 있어서,
상기 채널 용량 계산부는,
Cell Specific Reference Signal을 이용하여 상기 복수의 후보 기지국 각각에 대한 채널을 추정하는 채널 추정부를 포함하는 장치.
제3항에 있어서,
상기 프리코딩 행렬 인덱스 선택부는,
상기 추정된 채널에 대한 채널 랭크를 이용하여 상기 최대 프리코딩 행렬 인덱스 및 최소 프리코딩 행렬 인덱스를 선택하는 장치.
제4항에 있어서,
상기 제1 후보 기지국의 유효 채널 용량은,
상기 제1 후보 기지국의 송신 전력, 잡음 전력, 상기 제1 후보 기지국을 제외한 나머지 후보 기지국의 송신 전력, 수신 전력, 상기 제1 후보 기지국의 송신 안테나 수, 채널 랭크, 채널 벡터, 상기 제1 후보 기지국의 신호를 최대화하는 최대 프리코딩 행렬 및 상기 제1 후보 기지국을 제외한 나머지 후보 기지국의 신호를 최소화하는 최소 프리코딩 행렬 중 적어도 하나를 이용하여 계산하는 장치.
제1항에 있어서,
상기 동기 신호는 PSS(Primary Synchronization Signal), SSS(Secondary Synchronization Signal) 및 CRS(Cell Specific Reference Signal)를 포함하며,
상기 후보 셀 선택부는 상기 PSS를 통해 셀 아이디를 획득하고, 상기 SSS를 통해 셀 아이디 그룹을 획득하며, 상기 셀 아이디 및 셀 아이디 그룹을 이용하여 상기 복수의 후보 기지국을 선택하는 장치.
제1항에 있어서,
상기 유효 채널 용량은 다음의 수학식에 따라 계산되는 장치.
[수학식]

여기서
,
는 각각 i 번째 후보 기지국의 송신 전력과 잡음 전력을 나타내고,
,
는 각각 간섭 셀의 송신 전력과 상기 제1 후보 기지국을 제외한 나머지 후보 기지국의 수신 전력을 나타내며, 상기 나머지 후보 기지국의 수신 전력은 후보 기지국들이 신호를 전송할 때 신호를 최소화시키는 프리코딩 행렬이 적용된 후 측정되며.
,
은 i 번째 후보 기지국의 송신 안테나의 수와 채널 랭크,
는 i 번째 후보 기지국의 채널 벡터를 나타내고,
,
는 신호를 최대화시키는 i 번째 후보 기지국의 프리코딩 행렬과 신호를 최소화시키는 i 번째 후보 기지국의 프리코딩 행렬임
제7항에 있어서,
상기 유효 SINR은 다음의 수학식에 따라 계산되는 장치.
[수학식]

여기서,
는 i 번째 후보 기지국의 유효 채널 벡터를 나타내며,
,
는 각각 i번째 후보 기지국이 서빙 셀일 때 신호를 최대화시키는 프리코딩 행렬, j번째 간섭 신호를 최소화시키는 프리코딩 행렬이고,
는 평균이 0이고 분산이
인 가산성 백색 잡음임.
제8항에 있어서,
상기 서빙 셀은 다음의 수학식에 따라 결정되는 장치.
[수학식]

여기서
는 i 번째 후보 기지국의 유효 채널 용량,
는 SINR의 대한 수식으로 나타낼 수 있으며
은 i번째 후보 기지국의 유효 SINR임
MIMO 통신 시스템의 이동 통신 장치에서 서빙 셀을 선택하는 방법으로서,
복수의 기지국으로부터 수신되는 동기 신호를 이용하여 인접한 복수의 후보 기지국을 선택하는 단계;
상기 복수의 후보 기지국 각각에 대해 측정된 유효 SINR에 기초하여 상기 복수의 후보 기지국 각각의 유효 채널 용량을 계산하는 단계;
상기 계산된 유효 채널 용량이 최대인 후보 기지국에 상응하는 셀을 서빙 셀로 선택하는 단계를 포함하되,
상기 채널 용량 계산 단계는,
상기 복수의 후보 기지국 중 하나의 기지국(제1 후보 기지국) 신호를 최대화하는 최대 프리코딩 행렬 인덱스를 선택하고, 상기 제1 후보 기지국을 제외한 나머지 후보 기지국 신호를 최소화하는 최소 프리코딩 행렬 인덱스를 선택하는 프리코딩 행렬 인덱스 선택 단계;
상기 최대 프리코딩 행렬 인덱스 및 상기 최소 프리코딩 행렬 인덱스가 적용된 이후의 상기 복수의 후보 기지국 각각에 대한 유효 SINR을 계산하는 단계; 및
상기 계산된 유효 SINR을 이용하여 상기 제1 후보 기지국의 유효 채널 용량을 계산하는 단계를 포함하는 서빙 셀 선택 방법.
삭제