KR101801487B1 - Ｐｓ­ｌｔｅ시스템에서 공공 안전 사용자 우선순위 기반 자원 할당 및 로드 밸런싱을 위한 사용자 선택 방법 및 시스템 - Google Patents

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Abstract

사용자 우선순위 기반 자원 할당 및 사용자 선택 방법 및 시스템이 제시된다. 본 발명에서 제안하는 사용자 우선순위 기반 자원 할당 및 사용자 선택 방법은 사용자들을 공공안전 우선순위에 따라 효율적으로 스케줄링하기 위한 상황정보를 수집하는 단계, 상기 수집된 상황정보를 이용하여 상기 사용자들을 기지국과 결합하는 단계, 상기 공공안전 우선순위에 따라 공공안전 사용자들 및 비공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행하는 단계, 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 위치를 고려하여 간섭 감소를 위한 전력제어를 수행하는 단계, 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자에 대한 추가 간섭 감소를 위해 SDN 기반의 eICIC를 수행하는 단계를 포함한다.

Description

ＰＳ­ＬＴＥ시스템에서 공공 안전 사용자 우선순위 기반 자원 할당 및 로드 밸런싱을 위한 사용자 선택 방법 및 시스템{Method and System for Public Safety Users Priority based Resource Allocation and User Association for Load Balancing in PS­LTE System}
본 발명은 PS-LTE(Public Safety-LTE) 시스템에서 로드 밸런싱과 간섭 감소를 위한 공공 안전 사용자 접속 우선순위 기반의 mPC(mobile personal cell, 이동형 개인셀) 사용자 결합과 사용자 위치 및 설치 상황에 기반한 상황 인지적 자원 할당(user location and deployment situation based context-aware resource allocation, LCDs-CARA) 방법 및 시스템에 관한 것이다.
차세대(5G) 이동통신 시스템은 데이터 전송 속도를 1,000배 향상 시키는 것을 목표로 하고 있다. 이러한 데이터 전송 속도에 도달하기 위해서는 기존의 매크로셀(macrocell) 기반의 동종 네트워크 내에 저전력의 스몰 셀(small cell)들이 추가 계층으로 요구된다.
더욱이, 5G 시스템이 낮은 전력 소비, 높은 이동성과 낮은 지연성 적용의 용이함, 공공 안전 상황에 대한 안정성, 그리고 어디에서나 동일한 사용자 경험을 제공할 수 있는 장점들 때문에, 기존의 네트워크 중심의 접근이 아닌 사용자 중심적 접근에 집중하고 있다.
이러한 목표들은 언제 어디서나 자신들의 트래픽 양과 상황에 맞게 연결되고 싶어하는 사용자들의 욕구를 충족시킬 수 있는 중앙집중적으로 관리되는 SDN(software-define networking) 기반의 5G mPC 구조를 도입하여 해결할 수 있다.
mPC는 대상 지역 가까이에 설치함으로써 공공안전 상황과 상업지구 같은 높은 트래픽 발생지역에서 처리량(throughput)과 QoS(quality of service)를 향상시킬 수 있는 가능성이 있다. 또한 mPC는 더 많은 사용자들을 mPC에 결합시킴으로써 오프로딩의 이득을 가져올 수 있다.
하지만 비 계획적인 mPC의 설치는 mPC가 자연적으로 갖는 이동성 때문에 야기되는 동적 자원할당 문제와 심한 채널간 간섭 문제로 이어져 심각한 사용자 결합 문제를 발생시킨다.
이는 동적으로 자원을 할당하고 특히 공공안전 상황에서 변화하는 망 상황에 따라 사용자들을 mPC와 결합시키는 기능이 없는 기존의 자원 할당과 사용자 결합 기법들의 사용을 제한한다.
한국 등록특허공보 10-1365938호(2014.02.17.)
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이종네트워크에서 eNB와 함께 mPC 설치 후 발생하는 네트워크의 용량을 저하시키는 심각한 간섭과 사용자 결합 문제를 해결하고, PS-LTE 시스템에서 로드 밸런싱과 간섭 감소를 위한 공공 안전 사용자 연결 우선순위 기반의 mPC 사용자 결합과, 사용자 위치 및 설치 상황에 기반한 상황인지적 자원할당 방법 및 시스템을 제공하는데 있다.
일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 사용자 우선순위 기반 자원 할당 및 사용자 선택 방법은 사용자들을 공공안전 우선순위에 따라 효율적으로 스케줄링하기 위한 상황정보를 수집하는 단계, 상기 수집된 상황정보를 이용하여 상기 사용자들을 기지국과 결합하는 단계, 상기 공공안전 우선순위에 따라 공공안전 사용자들 및 비공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행하는 단계, 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 위치를 고려하여 간섭 감소를 위한 전력제어를 수행하는 단계, 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자에 대한 추가 간섭 감소를 위해 SDN 기반의 eICIC를 수행하는 단계를 포함한다.
상기 사용자들을 공공안전 우선순위에 따라 효율적으로 스케줄링하기 위한 상황정보를 수집하는 단계는 사용자들의 위치 정보를 셀의 경계 또는 셀의 중앙으로 구분하여 계산하고, 사용자들의 접속 우선순위 정보는 기지국으로 응급 접속 요청을 보내는 사용자들의 수에 기반하여 수집하고, 설치 상황을 공공안전용 설치 또는 상업용 설치로 구분하여 기지국으로 응급서비스 요청을 보내는 사용자들의 수에 따라 결정한다.
상기 수집된 상황정보를 이용하여 상기 사용자들을 기지국과 결합하는 단계는 상기 사용자들을 미리 정해진 사용자 결합 방정식에 따라 공공안전 우선순위 제한 내에서 상기 사용자들과 가장 가까운 기지국에 결합한다.
상기 공공안전 우선순위에 따라 공공안전 사용자들 및 비공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행하는 단계는 높은 접속 우선순위로 공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행한 후, 라운드 로빈 스케줄링에 따라 상기 공공안전 사용자들에게 평균 데이터률이 최대화되도록 자원들이 분배된다.
높은 접속 우선순위로 공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행한 후 남은 자원들을 비공공안전 사용자들에게 MCALOHA(multi-channel slotted ALOHOA) 프로토콜을 이용하여 랜덤으로 할당한다.
상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 위치를 고려하여 간섭 감소를 위한 전력제어를 수행하는 단계는 분할 전력 제어를 이용하여 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 전력제어를 수행하고, 미리 정해진 SINR을 만족할 경우 사용자 선택 방법을 종료하고, 미리 정해진 SINR을 만족하지 못할 경우, 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자에 대한 추가 간섭 감소를 위해 SDN 기반의 eICIC를 수행한다.
또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 사용자 우선순위 기반 자원 할당 및 사용자 선택 시스템은 사용자들을 공공안전 우선순위에 따라 효율적으로 스케줄링하기 위한 상황정보를 수집하는 상황정보 수집부, 상기 수집된 상황정보를 이용하여 상기 사용자들을 기지국과 결합하는 사용자 결합부, 상기 공공안전 우선순위에 따라 공공안전 사용자들 및 비공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행하는 자원 할당부, 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 위치를 고려하여 간섭 감소를 위한 전력제어를 수행하는 전력 제어부, 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자에 대한 추가 간섭 감소를 위해 SDN 기반의 eICIC를 수행하는 간섭 조정부를 포함한다.
상기 상황정보 수집부는 사용자들의 위치 정보를 셀의 경계 또는 셀의 중앙으로 구분하여 계산하고, 사용자들의 접속 우선순위 정보는 기지국으로 응급 접속 요청을 보내는 사용자들의 수에 기반하여 수집하고, 설치 상황을 공공안전용 설치 또는 상업용 설치로 구분하여 기지국으로 응급서비스 요청을 보내는 사용자들의 수에 따라 결정한다.
상기 사용자 결합부는 상기 사용자들을 미리 정해진 사용자 결합 방정식에 따라 공공안전 우선순위 제한 내에서 상기 사용자들과 가장 가까운 기지국에 결합시킨다.
상기 자원 할당부는 높은 접속 우선순위로 공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행한 후, 라운드 로빈 스케줄링에 따라 상기 공공안전 사용자들에게 평균 데이터률이 최대화되도록 자원들을 분배한다.
상기 자원 할당부는 높은 접속 우선순위로 공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행한 후 남은 자원들을 비공공안전 사용자들에게 MCALOHA 프로토콜을 이용하여 랜덤으로 할당한다.
상기 전력 제어부는 분할 전력 제어를 이용하여 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 전력제어를 수행하고, 미리 정해진 SINR을 만족할 경우 사용자 선택 방법을 종료한다.
상기 간섭 조정부는 상기 전력 제어부를 통한 전력제어를 수행한 후, 미리 정해진 SINR을 만족하지 못할 경우, 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자에 대한 추가 간섭 감소를 위해 SDN 기반의 eICIC를 수행한다.
본 발명의 실시예들에 따르면 사용자들의 트래픽 로드와 상황에 따라 연결성을 사용자들의 요구에 맞게 충족시킬 수 있고, 중앙에서 관리되는 SDN(software-define networking) 구조에 기반한 5G mPC(mobile personal cell)를 제안한다. 본 발명의 실시예들에 따른 mPC는 대상이 되는 지역에 가깝게 설치함으로써, 공공안전 상황이나 상업 구역 같은 높은 트래픽 발생 지역에서의 처리율과 서비스 품질(QoS)을 향상시킬 수 있다. 또한, mPC는 더 많은 사용자들을 mPC에 결합 시킴으로써 오프로딩의 이득을 가져올 수 있다. 또한, mPC가 설치된 공공안전 상황에서 호 차단 확률(cell blocking probability: CBP)과 다른 BS간의 간섭을 줄임으로써 mPC 처리량을 최대화 시킬 수 있는 사용자 결합과 자원 할당 문제의 해결 방안을 제안한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 데이터 전송 속도 및 응급 상황을 대상으로 하는 5G mPC의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치와 사용자 접속 우선순위와 설치 상황에 기반한 상황 인지형 자원할당을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공공 안전 사용자 우선순위 기반 자원 할당 및 로드 밸런싱을 위한 사용자 선택 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공공 안전 사용자 우선순위 기반 자원 할당 및 로드 밸런싱을 위한 사용자 선택 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LCDs-CARA(user location and deployment situation based context-aware resource allocation, 사용자 위치 및 설치 상황에 기반한 상황 인지형 자원할당) 기법의 성능을 평가한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LCDs-CARA 기법이 전력제어 상황에 따라 간섭에 미치는 영향을 확인하기 위한 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LCDs-CARA 기법 하에서 사용자 당 평균 수신되는 신호 대 간섭 잡음비를 나타내는 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LCDs-CARA 기법에서 사용자들의 평균 처리율을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 로딩 상황에 대한 LCDs-CARA 기법 및 C-SRA(conventional static resource allocation) 기법을 비교하는 그래프이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 LCDs-CARA 기법에서 로드 밸런싱을 나타내는 그래프이다.
본 발명은 mPC가 설치된 공공안전 상황에서 호 차단 확률(call blocking probability, CBP)과 다른 기지국(base station, BS) 간의 간섭을 줄임으로써 mPC의 처리량을 최대화 시킬 수 있도록 하는 사용자 결합과 자원 할당 문제 해결 방안을 함께 다룬다.
고정된 스몰 셀(fixed small cells)로 이루어진 이종 네트워크 상에서 유틸리티 함수들을 최적화 시킴으로써 사용자 결합 문제를 해결하기 위한 종래기술들은 사용자 결합과 자원할당 문제를 별도로 고려하여 시스템 처리량이나 네트워크 효율을 최적화 시키는 방법을 제안하였기 때문에 한계가 있다.
따라서 본 발명에서는 PS-LTE(Public Safety-LTE) 시스템에서 로드 밸런싱과 간섭 감소를 위한 공공 안전 사용자들의 접속 우선순위 기반의 mPC 사용자 결합과 사용자 위치 및 설치 상황에 기반한 상황 인지형 자원할당(LCDs-CARA) 기법을 제안한다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 높은 데이터 전송 속도 및 응급 상황을 대상으로 하는 5G mPC의 실시예를 나타내는 도면이다.
도 1과 같이, 높은 데이터 전송 속도 및 응급 상황을 대상으로 하는 5G mPC는 LTE HetNet(Long-Term Evolution Heterogeneous networks) 환경에 설치한다. eNB(eNodeB), mPC(Mobile personal cell), CUEs(Cellular UEs), PS UEs(Public safety UEs), Non-PS UEs(non-public safety users) 등을 포함하고, 휴대전화, 공공안전 사용자 단말 및 비공공안전 사용자 단말 모두 같은 채널을 사용한다. CUEs, PS UEs, Non-PS UEs 간에 동일 자원을 동시에 사용하기 때문에 간섭이 발생한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위치와 사용자 접속 우선순위와 설치 상황에 기반한 상황 인지형 자원할당을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 PS-LTE(Public Safety-LTE) 시스템에서 로드 밸런싱과 간섭 감소를 위한 공공 안전 사용자 접속 우선순위 기반의 mPC 사용자 결합과 사용자 위치 및 설치 상황에 기반한 상황 인지적 자원 할당(LCDs-CARA) 기법을 제안한다. 종래기술과 비교하면, 제안하는 LCDs-CARA기법의 주요 장점은 다음과 같다.
본 발명의 실시예에 따르면 mPC의 통신 범위 확장(cell range extension, CRE)의 오프셋을 적용하는 동안 접속 우선순위에 따라 mPC 상에서 공공안전과 비공공안전 사용자들을 결합시킬 수 있다.
mPC상에서 공공안전 사용자들과 비공공안전 사용자들을 결합시킨 뒤, 사용자의 위치 정보와 같은 상황 정보가 사용자들 간의 자원할당에 활용되고, 공공 안전 사용자의 수에 따라 오프로드된 구역에서 mPC 스펙트럼 접속률이 동적으로 조정된다.
또한 공공안전 사용자들과 비공공안전 사용자들 간의 간섭을 감소시키기 위해 업링크(uplink, UL) 전력 제어를 이용하여 시스템 레벨의 시뮬레이션에서 공공안전 사용자들과 비공공안전 사용자들 간의 간섭 감소를 확인한다.
더 나아가 mPC에서 오프로드된 사용자들 간의 간섭과 낮은 우선순위로 인해 오프로드가 허용되지 않은 사용자들 간의 간섭을 줄이기 위해, 향상된 셀간의 간섭 조정 eICIC(enhanced intercell interference coordination) 기법을 적용하였다.
앞서 설명한 문제점들을 해결하기 위해, PS-LTE 시스템에서 로드 밸런싱과 간섭 감소를 위한 공공안전 사용자들의 연결 우선순위에 기반한 mPC 사용자 결합과, 사용자 위치 및 설치 환경에 기반한 상황인지적 자원할당(LCDs-CARA) 기법을 제안한다.
본 발명에서는 LTE-Advanced(LTE-A) 시스템의 업링크(UL)가 고려된다. 그리고, 성능분석을 위하여 M개의 마이크로셀(macrocells)(eNBs) 사이트가 각 사이트마다 L개의 육각형 섹터(hexagonal sectors)(예를 들어, L = 3)를 갖고, 각각의 섹터마다 N개의 mPC가 랜덤하게 설치된 K-tier(예를 들어, K=2) 이종 네트워크 환경을 가정한다.
하나의 사용자 u는 한번에 하나의 BS와만 결합할 수 있고, 총 R개의 리소스블록들(RBs) 중에서 non-blank(n) 또는 blank(b) 리소스블록(RBs) 중에 하나를 제공받을 수 있다.
ABS 기간을 TABS 라고 표기하면, n ≤ TABS 일 때, u = n/TABS 가 ABS(almost blank subframe) 비율이 된다.
본 발명에서는 두 가지 지표 변수를 사용한다: 1) 결합 지표 변수 (association indicator variables)
Figure 112016109118090-pat00001
는 사용자 u 가 BS j 와 non-ABS (n) 또는 blank (b) RB를 사용하여 결합된 것을 나타내고, 2) 공공안전 우선순위 지표 변수 (PS priority indicator variable)는 사용자 u가 비공공안전 사용자일 경우,
Figure 112016109118090-pat00002
이고, 공공안전 사용자일 경우,
Figure 112016109118090-pat00003
이다.
사용자들을 공공안전 우선순위와 부하 조건에 따라 BS j와 결합시켜야 하므로 non-blank와 blank RBs 에 대해 eNB j 에 걸린 정규화된 부하(normalized load)는 다음과 같다.
Figure 112016109118090-pat00004
Figure 112016109118090-pat00005
mPC j 는 공공안전 사용자가 비공공안전 사용자보다 매우 적어 충분한 빈 리소스블록 RBs들이 비공공안전 사용자에게도 가용한 특별한 경우를 제외하고는, 공공안전 사용자만이 ABS 기간 동안 blank RBs (b)를 위한 주파수 대역에 접속할 수 있는 높은 우선순위를 갖는다. 따라서 (b) RBs인 동안 mPC j 에 걸리는 정규화된 부하는 (normalized load)는 다음과 같이 계산된다
Figure 112016109118090-pat00006
Figure 112016109118090-pat00007
와
Figure 112016109118090-pat00008
는 (n) 또는 (b) RBs를 사용하여 BS j 와 결합된 사용자 u 에게 요구되는 각각의 RBs의 개수다. 따라서, BS j 에 걸리는 총 부하는 다음과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112016109118090-pat00009
따라서 신호 대 간섭잡음비(signal-to-interference and noise ratio, SINR)는 non-blank (n)와 blank (b)에 대한 위 부하 조건들에 기반하여 다음과 같이 계산된다.
Figure 112016109118090-pat00010
Figure 112016109118090-pat00011
본 발명에서는 최소한의 경로손실과 공공안전 사용자 우선순위에 따른 사용자 결합을 제안하므로, 거리 D 에 위치하고 k-tier에서 PLu,j 의 경로손실을 가진 사용자 u 는 다음 함수를 최대화 시킨다면 BS j와 결합될 수 있다.
Figure 112016109118090-pat00012
이와 유사하게, 처리량을 최대화시키기 위해 공공안전 사용자의 우선순위 제약을 만족 시키면서, 공공안전 사용자들 및 비공공안전 사용자들의 평균 비율에 대한 최대치 함수를 제안한다. 공공안전 우선순위를 적용하여 평균 비율을 최대화하는 문제에서 총합의 활용은 다음과 같다.
Figure 112016109118090-pat00013
사용자 결합과 우선순위 제약을 고려하여 BS와 결합된 사용자들의 호 차단 확률(call blocking probability, CBP)을 최소화 해야 하기 때문에, CBP 최소화 문제는 다음과 같이 정리될 수 있다.
Figure 112016109118090-pat00014
이고,
여기에서 CBPu,j는 다음과 같다.
Figure 112016109118090-pat00015
다음으로, 위에서 정의된 최적화 문제들을 최대화 또는 최소화 시키고, 사용자들을 공공안전 우선순위에 따라 mPC에 결합시키기 위한 상황 인지형 자원 할당 기법을 제안한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 공공 안전 사용자 우선순위 기반 자원 할당 및 로드 밸런싱을 위한 사용자 선택 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
제안하는 공공 안전 사용자 우선순위 기반 자원 할당 및 로드 밸런싱을 위한 사용자 선택 방법은 사용자들을 공공안전 우선순위에 따라 효율적으로 스케줄링하기 위한 상황정보를 수집하는 단계(310), 상기 수집된 상황정보를 이용하여 상기 사용자들을 기지국과 결합하는 단계(320), 상기 공공안전 우선순위에 따라 공공안전 사용자들 및 비공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행하는 단계(330), 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 위치를 고려하여 간섭 감소를 위한 전력제어를 수행하는 단계(340), 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자에 대한 추가 간섭 감소를 위해 SDN 기반의 eICIC를 수행하는 단계(360)를 포함한다.
단계(310)에서, 사용자들을 공공안전 우선순위에 따라 효율적으로 스케줄링하기 위한 상황정보를 수집한다. 사용자들의 위치 정보를 셀의 경계 또는 셀의 중앙으로 구분하여 계산하고, 사용자들의 접속 우선순위 정보는 기지국으로 응급 접속 요청을 보내는 사용자들의 수에 기반하여 수집한다. 그리고, 설치 상황을 공공안전용 설치 또는 상업용 설치로 구분하여 기지국으로 응급서비스 요청을 보내는 사용자들의 수에 따라 결정한다.
다시 말해, 본 발명의 실시예에 따르면 사용자들을 공공안전 우선순위에 따라 효율적으로 스케줄링하기 위해 상황정보(context-information, CI)를 이용한다. 이때, 다음 세가지 종류의 CI를 고려한다.
먼저, 사용자 위치 정보는 사용자의 위치가 셀(cell)의 경계(edge)에 있는지 중앙에 있는지를 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따르면 사용자들은
Figure 112016109118090-pat00016
에 따라 cell-edge인지 cell center인지가 구분된다. 만약,
Figure 112016109118090-pat00017
이면 사용자 u는 BS j에 대해 cell-edge 사용자로 구분되고, 그렇지 않으면 cell center 사용자로 계산된다.
사용자 접속 우선순위 정보는 BS로 응급 접속 요청을 보내는 사용자들의 수에 기반하여 수집한다. 본 발명에서 사용자들은 공공안전 사용자와 비공공안전 사용자의 두 종류로 나뉜다.
마지막으로 공공안전용 또는 상업용 설치로 나뉘는 설치 상황은 BS로 응급 서비스 요청을 보내는 사용자들의 수에 따라 결정된다. 본 발명의 실시예에서는 공공안전 사용자들이 비공공안전 사용자 수보다 더 많은 공공안전 시나리오만을 대상으로 모델링하였다.
단계(320)에서, 상기 수집된 상황정보를 이용하여 상기 사용자들을 기지국과 결합한다. 사용자들을 미리 정해진 사용자 결합 방정식에 따라 공공안전 우선순위 제한 내에서 상기 사용자들과 가장 가까운 기지국에 결합한다.
단계(320)에서, LCDs-CARA 기법은 사용자들의 CI정보를 이용해 사용자를 BS j 와 결합시킨다. 앞서 언급했듯이, 최소 경로손실 기반의 결합이 가장 최적화된 접근방법이다. 따라서 사용자 결합 방정식에 따라 사용자들은 공공안전 우선순위 제한 안에서 가장 가까운 BS에 결합될 것이다. 더 많은 수의 사용자들을 mPC에 오프로드 시키기 위해서 바이어스 팩터(bias factor)가 사용된다. 바이어스 팩터는 mPC의 통신 범위(cell range)를 증가시켜주고, 결과적으로 더 많은 사용자들을 mPC에 결합시킨다. 이러한 오프로딩은 셀-경계(cell-edge) 사용자의 처리량을 증가시키는데 도움을 줄 수 있다.
단계(330)에서, 상기 공공안전 우선순위에 따라 공공안전 사용자들 및 비공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행한다. 높은 접속 우선순위로 공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행한 후, 라운드 로빈 스케줄링에 따라 상기 공공안전 사용자들에게 평균 데이터률이 최대화되도록 자원들이 분배된다. 그리고, 높은 접속 우선순위로 공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행한 후 남은 자원들을 비공공안전 사용자들에게 MCALOHA 프로토콜을 이용하여 랜덤으로 할당한다.
다시 말해, 모든 자원들이 높은 접속 우선순위의 공공안전 사용자들을 위해 예약된다. 그 뒤, 이 자원들은 라운드 로빈 스케줄링(round robin scheduling)에 따라 높은 우선순위 사용자들에게 평균 데이터률이 최대화되도록 분배된다.
낮은 우선순위의 비공공안전 사용자들에게는 남은 자원들이 MCALOHA(multi-channel slotted ALOHOA) 프로토콜을 이용하여 랜덤하게 할당될 것이다. 비공공안전 사용자간의 충돌을 감소시킴으로써 자원할당의 효율성을 증대시키기 위해, 충돌이 매우 높은 경우에는 에너지 감지와 연합한 MCALOHA-ES(MCALOHA with energy sensing)가 사용될 수 있다. MCALOHA-ES 자원 할당에서는 자원이 할당되는 동안 사용자 단말 u가 가용한 리소스블록 R에 대해 수신된 에너지 레벨을 고려하고, 최소로 수신된 에너지에 따라 리소스블록을 다음과 같이 선택한다.
Figure 112016109118090-pat00018
단계(340)에서, 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 위치를 고려하여 간섭 감소를 위한 전력제어를 수행한다. 분할 전력 제어를 이용하여 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 전력제어를 수행하고, 단계(350)에서 미리 정해진 SINR을 만족하는지 판단한다. 미리 정해진 SINR을 만족할 경우 제안하는 사용자 선택 방법을 종료한다.
반면에, 미리 정해진 SINR을 만족하지 못할 경우, 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자에 대한 추가 간섭 감소를 위한 단계(360)에서 SDN 기반의 eICIC를 수행한다.
다시 말해, 간섭 감소를 위한 공공안전 및 비공공안전 사용자 전력 제어 단계에서 모든 사용자들은 전체 전송 전력(full transmission power)이 할당되어 시스템 상에 설치 된다. 바이어스 팩터(bias factor) 증가에 의한 mPC 통신 범위 확장과 전체 전력(Full power) 할당 때문에 이웃한 사용자들로부터 높은 간섭 지수(high interference indicator, HII)를 수신하게 되어 eNB/mPC에서 높은 간섭 상황이 감지된다. 이러한 상황을 제어하기 위해, 분할 전력 제어(Fractional Power Control, FPC)가 공공안전 사용자와 비공공안전 사용자들의 위치를 고려하여 적용될 수 있다. 따라서, 공공안전 사용자와 비공공안전 사용자들의 전력은 아래의 식을 이용하여 계산될 수 있다.
Figure 112016109118090-pat00019
FPC를 이용해 공공안전 사용자와 비 공공안전 사용자들의 전력을 제어한 후, 공공안전 사용자들이 CBP 최소화 문제를 수행하고, 아래의 SINR 조건도 만족시킬 경우, 여기서 절차는 종료된다.
Figure 112016109118090-pat00020
반면에, SINR 조건을 만족하지 못할 경우, eICIC를 적용시키는 단계(360)로 진행될 것이다.
단계(360)에서, 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자에 대한 추가 간섭 감소를 위해 SDN 기반의 eICIC를 수행한다. mPC에 접속된 공공안전 사용자가 FPC를 적용하여 앞서 설명한 SINR 조건이 충족되지 않는 경우, 바이어스 팩터(bias factor)를 도입함으로써 발생한 문제를 SDN 기반의 중앙 관리 eICIC를 이용하여 추가 간섭 감소를 수행한다.
거의 빈 서브프레임 ABS(almost blank subframe)은 eNB로부터 전송되는 데이터 신호가 없고, 다만 시스템을 위해 요구된 가장 중요 정보만이 eNB에 접속된 기존의 비공공안전 사용자들을 지원하기 위해 전송될 때의 전송 서브프레임으로 정의된다.
만약 ABS가 전송되지 않을 경우 여전히 CRE(Cell Range Expansion)를 적용함으로써 mPC로부터 오프로드된 사용자들이 높은 전력의 전송 신호를 eNB로부터 수신하게 되어 CRE가 더 큰 간섭을 야기하므로 eNB로부터 ABS 전송을 필요로 한다.
그러면 eNB가 ABS를 전송하는 서브프레임 동안 저전력 mPC는 오프로드된 공공안전 사용자들 또는 비공공안전 사용자들을 스케쥴링 할 수 있다. 따라서, 제안된 LCDs-CARA 기법은 추가적으로 간섭을 줄일 수 있고, 따라서 시스템의 처리량과 셀-경계 처리량을 최대화 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 공공 안전 사용자 우선순위 기반 자원 할당 및 로드 밸런싱을 위한 사용자 선택 시스템의 구성을 나타내는 도면이다.
본 실시예에 따른 사용자 선택 시스템(400)은 프로세서(410), 버스(420), 네트워크 인터페이스(430), 메모리(440) 및 데이터베이스(450)를 포함할 수 있다. 메모리(440)는 운영체제(441) 및 자원할당 및 사용자 선택 루틴(442)을 포함할 수 있다. 프로세서(410)는 상황정보 수집부(411), 사용자 결합부(412), 자원 할당부(413), 전력 제어부(414), 간섭 조정부(415)를 포함할 수 있다. 다른 실시예들에서 사용자 선택 시스템(400)은 도 4의 구성요소들보다 더 많은 구성요소들을 포함할 수도 있다. 그러나, 대부분의 종래기술적 구성요소들을 명확하게 도시할 필요성은 없다. 예를 들어, 사용자 선택 시스템(400)은 디스플레이나 트랜시버(transceiver)와 같은 다른 구성요소들을 포함할 수도 있다.
메모리(440)는 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체로서, RAM(random access memory), ROM(read only memory) 및 디스크 드라이브와 같은 비소멸성 대용량 기록장치(permanent mass storage device)를 포함할 수 있다. 또한, 메모리(440)에는 운영체제(441)와 자원할당 및 사용자 선택 루틴(442)을 위한 프로그램 코드가 저장될 수 있다. 이러한 소프트웨어 구성요소들은 드라이브 메커니즘(drive mechanism, 미도시)을 이용하여 메모리(440)와는 별도의 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체로부터 로딩될 수 있다. 이러한 별도의 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체는 플로피 드라이브, 디스크, 테이프, DVD/CD-ROM 드라이브, 메모리 카드 등의 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체(미도시)를 포함할 수 있다. 다른 실시예에서 소프트웨어 구성요소들은 컴퓨터에서 판독 가능한 기록 매체가 아닌 네트워크 인터페이스(430)를 통해 메모리(440)에 로딩될 수도 있다.
버스(420)는 사용자 선택 시스템(400)의 구성요소들간의 통신 및 데이터 전송을 가능하게 할 수 있다. 버스(420)는 고속 시리얼 버스(high-speed serial bus), 병렬 버스(parallel bus), SAN(Storage Area Network) 및/또는 다른 적절한 통신 기술을 이용하여 구성될 수 있다.
네트워크 인터페이스(430)는 사용자 선택 시스템(400)을 컴퓨터 네트워크에 연결하기 위한 컴퓨터 하드웨어 구성요소일 수 있다. 네트워크 인터페이스(430)는 사용자 선택 시스템(400)을 무선 또는 유선 커넥션을 통해 컴퓨터 네트워크에 연결시킬 수 있다.
데이터베이스(450)는 자원할당 및 사용자 선택을 위해 필요한 모든 정보를 저장 및 유지하는 역할을 할 수 있다. 도 4에서는 사용자 선택 시스템(400)의 내부에 데이터베이스(450)를 구축하여 포함하는 것으로 도시하고 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며 시스템 구현 방식이나 환경 등에 따라 생략될 수 있고 혹은 전체 또는 일부의 데이터베이스가 별개의 다른 시스템 상에 구축된 외부 데이터베이스로서 존재하는 것 또한 가능하다.
프로세서(410)는 기본적인 산술, 로직 및 사용자 선택 시스템(400)의 입출력 연산을 수행함으로써, 컴퓨터 프로그램의 명령을 처리하도록 구성될 수 있다. 명령은 메모리(440) 또는 네트워크 인터페이스(430)에 의해, 그리고 버스(420)를 통해 프로세서(410)로 제공될 수 있다. 프로세서(410)는 상황정보 수집부(411), 사용자 결합부(412), 자원 할당부(413), 전력 제어부(414), 간섭 조정부(415)를 위한 프로그램 코드를 실행하도록 구성될 수 있다. 이러한 프로그램 코드는 메모리(440)와 같은 기록 장치에 저장될 수 있다.
상황정보 수집부(411), 사용자 결합부(412), 자원 할당부(413), 전력 제어부(414), 간섭 조정부(415)는 도 3의 단계들(310~360)을 수행하기 위해 구성될 수 있다.
사용자 선택 시스템(400)은 상황정보 수집부(411), 사용자 결합부(412), 자원 할당부(413), 전력 제어부(414), 간섭 조정부(415)를 포함할 수 있다.
상황정보 수집부(411)는 사용자들을 공공안전 우선순위에 따라 효율적으로 스케줄링하기 위한 상황정보를 수집한다. 사용자들의 위치 정보를 셀의 경계 또는 셀의 중앙으로 구분하여 계산하고, 사용자들의 접속 우선순위 정보는 기지국으로 응급 접속 요청을 보내는 사용자들의 수에 기반하여 수집한다. 그리고, 설치 상황을 공공안전용 설치 또는 상업용 설치로 구분하여 기지국으로 응급서비스 요청을 보내는 사용자들의 수에 따라 결정한다.
다시 말해, 본 발명의 실시예에 따르면 사용자들을 공공안전 우선순위에 따라 효율적으로 스케줄링하기 위해 상황정보(context-information, CI)를 이용한다. 이때, 다음 세가지 종류의 CI를 고려한다.
먼저, 사용자 위치 정보는 사용자의 위치가 셀(cell)의 경계(edge)에 있는지 중앙에 있는지를 나타낸다. 본 발명의 실시예에 따르면 사용자들은
Figure 112016109118090-pat00021
에 따라 cell-edge인지 cell center인지가 구분된다. 만약,
Figure 112016109118090-pat00022
이면 사용자 u는 BS j에 대해 cell-edge 사용자로 구분되고, 그렇지 않으면 cell center 사용자로 계산된다.
사용자 접속 우선순위 정보는 BS로 응급 접속 요청을 보내는 사용자들의 수에 기반하여 수집한다. 본 발명에서 사용자들은 공공안전 사용자와 비공공안전 사용자의 두 종류로 나뉜다.
마지막으로 공공안전용 또는 상업용 설치로 나뉘는 설치 상황은 BS로 응급 서비스 요청을 보내는 사용자들의 수에 따라 결정된다. 본 발명의 실시예에서는 공공안전 사용자들이 비공공안전 사용자 수보다 더 많은 공공안전 시나리오만을 대상으로 모델링하였다.
사용자 결합부(412)는 상기 수집된 상황정보를 이용하여 상기 사용자들을 기지국과 결합한다. 사용자들을 미리 정해진 사용자 결합 방정식에 따라 공공안전 우선순위 제한 내에서 상기 사용자들과 가장 가까운 기지국에 결합한다.
LCDs-CARA 기법은 사용자들의 CI정보를 이용해 사용자를 BS j 와 결합시킨다. 앞서 언급했듯이, 최소 경로손실 기반의 결합이 가장 최적화된 접근방법이다. 따라서 사용자 결합 방정식에 따라 사용자들은 공공안전 우선순위 제한 안에서 가장 가까운 BS에 결합될 것이다. 더 많은 수의 사용자들을 mPC에 오프로드 시키기 위해서 바이어스 팩터(bias factor)가 사용된다. 바이어스 팩터는 mPC의 통신 범위(cell range)를 증가시켜주고, 결과적으로 더 많은 사용자들을 mPC에 결합시킨다. 이러한 오프로딩은 셀-경계(cell-edge) 사용자의 처리량을 증가시키는데 도움을 줄 수 있다.
자원 할당부(413)는 상기 공공안전 우선순위에 따라 공공안전 사용자들 및 비공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행한다. 높은 접속 우선순위로 공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행한 후, 라운드 로빈 스케줄링에 따라 상기 공공안전 사용자들에게 평균 데이터률이 최대화되도록 자원들이 분배된다. 그리고, 높은 접속 우선순위로 공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행한 후 남은 자원들을 비공공안전 사용자들에게 MCALOHA 프로토콜을 이용하여 랜덤으로 할당한다.
다시 말해, 모든 자원들이 높은 접속 우선순위의 공공안전 사용자들을 위해 예약된다. 그 뒤, 이 자원들은 라운드 로빈 스케줄링(round robin scheduling)에 따라 높은 우선순위 사용자들에게 평균 데이터률이 최대화되도록 분배된다.
낮은 우선순위의 비공공안전 사용자들에게는 남은 자원들이 MCALOHA(multi-channel slotted ALOHOA) 프로토콜을 이용하여 랜덤하게 할당될 것이다. 비공공안전 사용자간의 충돌을 감소시킴으로써 자원할당의 효율성을 증대시키기 위해, 충돌이 매우 높은 경우에는 에너지 감지와 연합한 MCALOHA-ES(MCALOHA with energy sensing)가 사용될 수 있다. MCALOHA-ES 자원 할당에서는 자원이 할당되는 동안 사용자 단말 u가 가용한 리소스블록 R에 대해 수신된 에너지 레벨을 고려하고, 최소로 수신된 에너지에 따라 리소스블록을 다음과 같이 선택한다.
Figure 112016109118090-pat00023
전력 제어부(414)는 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 위치를 고려하여 간섭 감소를 위한 전력제어를 수행한다. 분할 전력 제어를 이용하여 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 전력제어를 수행하고, 미리 정해진 SINR을 만족하는지 판단한다. 미리 정해진 SINR을 만족할 경우 제안하는 사용자 선택 방법을 종료한다.
반면에, 미리 정해진 SINR을 만족하지 못할 경우, 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자에 대한 추가 간섭 감소를 위해 간섭 조정부(450)를 통해 SDN 기반의 eICIC를 수행한다.
다시 말해, 간섭 감소를 위한 공공안전 및 비공공안전 사용자 전력 제어 단계에서 모든 사용자들은 전체 전송 전력(full transmission power)이 할당되어 시스템 상에 설치 된다. 바이어스 팩터(bias factor) 증가에 의한 mPC 통신 범위 확장과 전체 전력(Full power) 할당 때문에 이웃한 사용자들로부터 높은 간섭 지수(high interference indicator, HII)를 수신하게 되어 eNB/mPC에서 높은 간섭 상황이 감지된다. 이러한 상황을 제어하기 위해, 분할 전력 제어(Fractional Power Control, FPC)가 공공안전 사용자와 비공공안전 사용자들의 위치를 고려하여 적용될 수 있다. 따라서, 공공안전 사용자와 비공공안전 사용자들의 전력은 아래의 식을 이용하여 계산될 수 있다.
Figure 112016109118090-pat00024
FPC를 이용해 공공안전 사용자와 비 공공안전 사용자들의 전력을 제어한 후, 공공안전 사용자들이 CBP 최소화 문제를 수행하고, 아래의 SINR 조건도 만족시킬 경우, 여기서 절차는 종료된다.
Figure 112016109118090-pat00025
반면에, SINR 조건을 만족하지 못할 경우, 추가 간섭 감소를 위해 간섭 조정부(450) 통해 eICIC를 적용시킨다.
간섭 조정부(415)는 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자에 대한 추가 간섭 감소를 위해 SDN 기반의 eICIC를 수행한다. mPC에 접속된 공공안전 사용자가 FPC를 적용하여 앞서 설명한 SINR 조건이 충족되지 않는 경우, 바이어스 팩터(bias factor)를 도입함으로써 발생한 문제를 SDN 기반의 중앙 관리 eICIC를 이용하여 추가 간섭 감소를 수행한다.
거의 빈 서브프레임 ABS(almost blank subframe)은 eNB로부터 전송되는 데이터 신호가 없고, 다만 시스템을 위해 요구된 가장 중요 정보만이 eNB에 접속된 기존의 비공공안전 사용자들을 지원하기 위해 전송될 때의 전송 서브프레임으로 정의된다.
만약 ABS가 전송되지 않을 경우 여전히 CRE(Cell Range Expansion)를 적용함으로써 mPC로부터 오프로드된 사용자들이 높은 전력의 전송 신호를 eNB로부터 수신하게 되어 CRE가 더 큰 간섭을 야기하므로 eNB로부터 ABS 전송을 필요로 한다.
그러면 eNB가 ABS를 전송하는 서브프레임 동안 저전력 mPC는 오프로드된 공공안전 사용자들 또는 비공공안전 사용자들을 스케쥴링 할 수 있다. 따라서, 제안된 LCDs-CARA 기법은 추가적으로 간섭을 줄일 수 있고, 따라서 시스템의 처리량과 셀-경계 처리량을 최대화 할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 LCDs-CARA 기법의 성능을 평가한 그래프이다.
제안하는 적응적 LCDs-CARA 기법의 성능을 종래기술의 정적 자원 할당 기법 C-SRA(conventional static resource allocation)과 비교한다. mPC의 이동하는 속성에 따라 얻어지는 장점을 확인하기 위해, 이종 네트워크 환경에 설치된 고정된 스몰 셀과도 성능을 비교한다.
움직이는 mPC를 위한 랜덤 워크 이동성 모델(Random walk mobility model)에서 하나의 mPC는 현재 위치에서 랜덤하게 이동할 방향과 속도를 선택하여 새로운 위치로 이동한다. 새로운 속도와 방향은 미리 정의된 범위들, 다시 말해 [Speed_min, Speed_max]와 [0, 2π] 안에서 선택된다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 LCDs-CARA 기법이 전력제어 상황에 따라 간섭에 미치는 영향을 확인하기 위한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 시뮬레이션 결과는 공공안전 사용자들과 비 공공안전 사용자들의 위치와 설치 환경을 고려하여 전력 제어(power control, PC)가 적용된 case 2에서 제안한 기법이 매우 적은 간섭을 주는 것을 보여준다. 도 6의 결과는 전력제어(PC)를 쓰지 않은 LCDs-CARA 기법이 전체 사용자의 3%만이 낮은 간섭 범위에 있는 것에 비해 전력제어와 함께 LCDs-CARA를 적용함으로써 전체 사용자의 70% 정도가 -100 dBm에서 -80 dBm 사이의 낮은 간섭 구간에 위치함을 명확하게 보여준다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 LCDs-CARA 기법 하에서 사용자 당 평균 수신되는 신호 대 간섭 잡음비를 나타내는 그래프이다.
도 7에서 보여지는 시뮬레이션 결과에 따르면, 종래기술의 C-SRA 기법은 접속 우선순위에 따른 동적 자원할당을 하지 않아 심각한 신호 대 간섭잡음비 손실이 있는 것을 알 수 있다. C-SRA 기법에서 신호 대 간섭잡음비 저하의 또 다른 주요 이유는 CRE 영역이다. 이는 C-SRA에서 사용자는 바이어스(bias)를 이용하여 스몰 셀들로부터 오프로드 되는데, 오프로드 된 사용자들은 eNB로부터 여전히 높은 간섭 전력을 받기 때문이다.
따라서, 이러한 상황에 대처하기 위해 제안하는 공공안전 우선순위 기반 사용자 결합 LCDs-CARA(LCDs-CARA w. PS UA) 기법에서는 사용자들에게 자원을 할당할 때 사용자들의 우선순위와 mPC의 로딩 조건을 고려한다. 또한 제안하는 기법은 간섭 감소를 위해 FPC와 eICIC 기법을 적용함으로써 더욱 개선된 신호 대 간섭잡음비를 갖도록 한다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 LCDs-CARA 기법에서 사용자들의 평균 처리율을 나타내는 도면이다.
제안된 PS UA를 수행하는 LCDs-CARA와 종래기술의 C-SRA에서 사용자 처리율을 경계일 경우, 평균일 경우, 그리고 피크(peak)일 경우 각각에 대하여, 다시 말해 5%, 50%, 그리고 95%에서의 누적분포함수(CDF)를 비교한다. 이러한 비교를 통해 제안하는 PS UA를 수행하는 LCDs-CARA가 경계(edge), 평균(average), 피크(peak)에서 모두 더 좋은 처리율 성능을 나타냄을 확인할 수 있다. 특히 도 8에서와 같이, 사용자 단말의 평균 처리율은 공공안전 우선순위 기반 사용자 결합을 쓸 경우와 그렇지 않은 경우 각각 95.5% 과 52.91%의 향상을 보였다.
도 9는 본 발명의 일 실시예에 따른 서로 다른 로딩 상황에 대한 LCDs-CARA 기법 및 C-SRA 기법을 비교하는 그래프이다.
제안된 LCDs-CARA 기법에서의 호 차단 확률 (CBP) 감소는 도 9에서 서로 다른 로딩 상황의 사례에 대한 공공안전 사용자들이 제안된 LCDs-CARA 기법과 C-SRA 기법으로 비교되었다. 제안된 LCDs-CARA 기법이 모든 로딩 조건들에 대해 C-SRA 기법보다 좋은 성능을 보였다. 이는 높은 로딩 상황에서 공공안전 사용자가 언제나 mPC에 오프로드하는 것이 허용되기 때문에 결과적으로 호 차단확률이 감소되는 것이다.
또 다른 측면으로, 공공안전 사용자들은 제안된 LCDs-CARA 기법에서 우선순위화 되어서, 비 공공안전 사용자들이 C-SRA 기법에서와 비교할 때 조금 높은 호 차단 확률을 겪게 된다. 그 이유는 명확한데, 비공공안전 사용자들은 mPC에 오프로딩 되는 기회가 적어서 CBP가 증가되는 것이다. 하지만 제안하는 LCDs-CARA 기법에서 전체 시스템의 CBP가 감소되므로 이 정도의 저하는 보완될 수 있다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 LCDs-CARA 기법에서 로드 밸런싱을 나타내는 그래프이다.
제안된 LCDs-CARA 기법에서의 로딩 밸런스(Load balancing)은 도 10에 나타난 시뮬레이션 결과와 같이 사용자 수가 증가됨에 따라 로드 밸런싱 지수(load balancing index, LBI) 가 감소하는 것을 볼 수 있다. 이는 제한된 자원들의 가용성이 떨어지면서 시스템이 불균형적으로 되기 때문이다. LCDs-CARA 기법은 공공안전 사용자와 전체 시스템에 대해 C-SRA 기법보다 높은 LBI를 달성할 수 있음을 확인할 수 있다.
예를 들어, 셀당 60명 정도의 사용자들이 있는 경우에 LCDs-CARA 기법과 C-SRA를 비교해보면, 공공안전 사용자와 전체 시스템에 대해 각각 4.3% 와 1.4%의 LBI 이득이 있다.
LCDs-CARA 기법에서 더욱 균형 있게 부하가 분산된 이유는 mPC에 오프로드 될 때 공공안전 사용자들에 대해 우선순위를 부여했기 때문이다. 그에 반해 C-SRA는 사용자들이 오프로딩 시 동일 확률을 가지기 때문에 스몰 셀에서의 균형에 방해가 되어 LCDs-CARA 기법보다 낮은 LBI를 갖게 된다.
5G 시스템은 기존의 네트워크 중심의 접근에 비해 사용자 중심의 접근에 초점을 맞추고 있다. 이는 적은 전력 소모, 높은 이동성과 낮은 지연 응용과의 적합성, 공공안전 상황에 대한 안전성, 그리고 어디에서나 동일한 사용자 경험 제공이 가능하기 때문이다.
이러한 목표들은 사용자들의 트래픽 로드와 상황에 따라 유비쿼터스(ubiquitous) 연결성을 사용자들의 요구에 맞게 충족시킬 수 있는, 중앙에서 관리되는 SDN(software-define networking) 구조에 기반한 5G mPC(mobile personal cell)에서 달성 가능하다.
mPC는 대상이 되는 지역에 가깝게 설치함으로써, 공공안전 상황이나 상업 구역과 같은 높은 트래픽 발생 지역에서의 처리율과 서비스 품질(QoS)을 향상시킬 수 있는 가능성을 가진다.
또한 mPC는 더 많은 사용자들을 mPC에 결합 시킴으로써 오프로딩의 이득을 가져올 수 있다. 하지만 비 계획적인 mPC의 설치는 mPC가 자연적으로 갖는 이동성 때문에 야기되는 동적 자원할당 문제와 심한 채널간 간섭 문제로 이어져 심각한 사용자 결합 문제를 발생시킨다.
본 발명은 mPC가 설치된 공공안전 상황에서 호 차단 확률(CBP)과 다른 BS간의 간섭을 줄임으로써 mPC 처리량을 최대화 시킬 수 있도록 하는 사용자 결합과 자원 할당 문제 해결 방안을 제안한다.
또한 mPC간 그리고 기존 매크로 셀 네트워크 간의 동일 채널 간섭의 문제가 고려되었고, 결론은 상향링크 전력 조절과 향상된 셀간의 간섭 협력/조절 기법(eICIC, enhanced inter-cell interference coordination)의 적합성을 확인하였다.
요약하면, 본 발명은 PS-LTE 시스템에서 새로운 공공안전 우선순위 기반 사용자 결합과 간섭 감소 및 로드 밸런싱을 위한 상황 인지형 자원 할당 기법을 제안한다. 제안하는 LCDs-CARA 기법은 사용자들이 mPC와 결합하고 자원이 할당 될 때, mPC가 이동하는 속성과 사용자들의 공공안전 우선순위를 고려하여 상황 정보를 다룬 기법이다. 이는 종래기술의 정적 자원 할당기법과 비교할 때, 사용자 처리량과 로드 밸런싱, 그리고 호 차단 확률 감소에 큰 이득을 가져왔다. 예를 들어, 제안된 LCDs-CARA 기법을 이용하면 사용자들의 평균 처리량과 로드 밸런싱 이득이 각각 95.5%와 4.3%나 된다. 또한 호 차단 확률은 크게 감소되었다. 이것은 높은 우선순위를 갖는 공공안전 사용자와 낮은 우선순위의 비공공안전 사용자가 로딩 상황에 따라 mPC의 스펙트럼에 접속할 수 있는 기회를 갖고, 리소스 블록이 시스템 안에서 사용자의 위치와 우선순위를 고려해 동적으로 할당되기 때문이다. 게다가, mPC 최적의 ABS 뮤팅(muting) 비율이 CRE 바이어스 팩터(bias factor)가 8.5 dB일때, 2/8임을 확인할 수 있었다. 이러한 감소의 이유는 주로 바이어스 오프셋이 더 많은 사용자가 고정된 스몰 셀 또는 mPC에서 오프로드 하는 시도를 증가시키기지만, 높은 로딩 조건들이 처리율을 낮추기 때문이다. 따라서, 이러한 처리율 저하의 손실을 보완하기 위해서는 설치된 mPC나 고정된 스몰 셀들의 밀도를 높여야 한다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.　 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.　 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.　 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.　 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.　 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다.　 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다.　 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.　 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.　 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.　 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.　 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.　 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (13)

  1. 사용자 우선순위 기반 자원 할당 및 사용자 선택 방법에 있어서,
    사용자들을 공공안전 우선순위에 따라 효율적으로 스케줄링하기 위한 상황정보를 수집하는 단계;
    상기 수집된 상황정보를 이용하여 상기 사용자들을 기지국과 결합하는 단계;
    상기 공공안전 우선순위에 따라 공공안전 사용자들 및 비공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행하는 단계;
    상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 위치를 고려하여 간섭 감소를 위한 전력제어를 수행하는 단계; 및
    상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자에 대한 추가 간섭 감소를 위해 SDN 기반의 eICIC를 수행하는 단계
    를 포함하는 사용자 우선순위 기반 자원 할당을 이용한 사용자 선택 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 사용자들을 공공안전 우선순위에 따라 효율적으로 스케줄링하기 위한 상황정보를 수집하는 단계는,
    사용자들의 위치 정보를 셀의 경계 또는 셀의 중앙으로 구분하여 계산하고, 사용자들의 접속 우선순위 정보는 기지국으로 응급 접속 요청을 보내는 사용자들의 수에 기반하여 수집하고, 설치 상황을 공공안전용 설치 또는 상업용 설치로 구분하여 기지국으로 응급서비스 요청을 보내는 사용자들의 수에 따라 결정하는
    사용자 우선순위 기반 자원 할당을 이용한 사용자 선택 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 수집된 상황정보를 이용하여 상기 사용자들을 기지국과 결합하는 단계는,
    상기 사용자들을 미리 정해진 사용자 결합 방정식에 따라 공공안전 우선순위 제한 내에서 상기 사용자들과 가장 가까운 기지국에 결합하는
    사용자 우선순위 기반 자원 할당을 이용한 사용자 선택 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 공공안전 우선순위에 따라 공공안전 사용자들 및 비공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행하는 단계는,
    미리 정해진 접속 우선순위로 공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행한 후, 라운드 로빈 스케줄링에 따라 상기 공공안전 사용자들에게 평균 데이터률이 최대화되도록 자원들이 분배되는
    사용자 우선순위 기반 자원 할당을 이용한 사용자 선택 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    미리 정해진 접속 우선순위로 공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행한 후 남은 자원들을 비공공안전 사용자들에게 MCALOHA 프로토콜을 이용하여 랜덤으로 할당하는
    사용자 우선순위 기반 자원 할당을 이용한 사용자 선택 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 위치를 고려하여 간섭 감소를 위한 전력제어를 수행하는 단계는,
    분할 전력 제어를 이용하여 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 전력제어를 수행하고, 미리 정해진 SINR을 만족할 경우 사용자 선택 방법을 종료하고,
    미리 정해진 SINR을 만족하지 못할 경우, 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자에 대한 추가 간섭 감소를 위해 SDN 기반의 eICIC를 수행하는
    사용자 우선순위 기반 자원 할당을 이용한 사용자 선택 방법.
  7. 사용자 우선순위 기반 자원 할당 및 사용자 선택 시스템에 있어서,
    사용자들을 공공안전 우선순위에 따라 효율적으로 스케줄링하기 위한 상황정보를 수집하는 상황정보 수집부;
    상기 수집된 상황정보를 이용하여 상기 사용자들을 기지국과 결합하는 사용자 결합부;
    상기 공공안전 우선순위에 따라 공공안전 사용자들 및 비공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행하는 자원 할당부;
    상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 위치를 고려하여 간섭 감소를 위한 전력제어를 수행하는 전력 제어부; 및
    상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자에 대한 추가 간섭 감소를 위해 SDN 기반의 eICIC를 수행하는 간섭 조정부
    를 포함하는 사용자 우선순위 기반 자원 할당을 이용한 사용자 선택 시스템.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 상황정보 수집부는,
    사용자들의 위치 정보를 셀의 경계 또는 셀의 중앙으로 구분하여 계산하고, 사용자들의 접속 우선순위 정보는 기지국으로 응급 접속 요청을 보내는 사용자들의 수에 기반하여 수집하고, 설치 상황을 공공안전용 설치 또는 상업용 설치로 구분하여 기지국으로 응급서비스 요청을 보내는 사용자들의 수에 따라 결정하는
    사용자 우선순위 기반 자원 할당을 이용한 사용자 선택 시스템.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 사용자 결합부는,
    상기 사용자들을 미리 정해진 사용자 결합 방정식에 따라 공공안전 우선순위 제한 내에서 상기 사용자들과 가장 가까운 기지국에 결합시키는
    사용자 우선순위 기반 자원 할당을 이용한 사용자 선택 시스템.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 자원 할당부는,
    미리 정해진 접속 우선순위로 공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행한 후, 라운드 로빈 스케줄링에 따라 상기 공공안전 사용자들에게 평균 데이터률이 최대화되도록 자원들을 분배하는
    사용자 우선순위 기반 자원 할당을 이용한 사용자 선택 시스템.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 자원 할당부는,
    미리 정해진 접속 우선순위로 공공안전 사용자들에게 자원할당을 수행한 후 남은 자원들을 비공공안전 사용자들에게 MCALOHA 프로토콜을 이용하여 랜덤으로 할당하는
    사용자 우선순위 기반 자원 할당을 이용한 사용자 선택 시스템.
  12. 제7항에 있어서,
    상기 전력 제어부는,
    분할 전력 제어를 이용하여 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자의 전력제어를 수행하고, 미리 정해진 SINR을 만족할 경우 사용자 선택 방법을 종료하는
    사용자 우선순위 기반 자원 할당을 이용한 사용자 선택 시스템.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 간섭 조정부는,
    상기 전력 제어부를 통한 전력제어를 수행한 후, 미리 정해진 SINR을 만족하지 못할 경우, 상기 공공안전 사용자 및 상기 비공공안전 사용자에 대한 추가 간섭 감소를 위해 SDN 기반의 eICIC를 수행하는
    사용자 우선순위 기반 자원 할당을 이용한 사용자 선택 시스템.
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CN111935753A (zh) * 2020-08-28 2020-11-13 重庆邮电大学 一种负载均衡的用户关联与资源分配方法
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