KR101980655B1 - 무선 통신 시스템에서의 간섭 조정 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수의 셀 내의 각각의 기지국이 해당 셀 내에 위치하는 단말기들의 최소 신호대간섭잡음비를 기준치와 비교하는 과정과, 상기 최소 신호대간섭잡음비가 기준치보다 작을 때 셀 확대 계수를 이용하여 셀 확대를 수행하는 과정을 포함하고, 셀 내의 복수의 단말기들의 최소 신호대간섭잡음비가 기준치보다 클 때까지 상기 셀 확대를 수행하는 무선 통신에서의 간섭 조정 방법을 제시한다.

Description

무선 통신 시스템에서의 간섭 조정 방법{Method for inteference coordination in wireless communication systems}

본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 특히 다수의 셀과 단말기들이 존재하는 셀룰러 네트워크에서의 셀 간 간섭 조정을 위한 방법에 관한 것이다.

4G(4th generation) 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해 개선된 5G(5th generation) 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후(Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE(Long Term Evolution) 이후 (Post LTE) 시스템이라 불리어지고 있다. 이러한 LTE 및 Post LTE 시스템에서 육각 셀 구조를 고려한 주파수 재사용 기법들이 주파수 효율을 위해서 사용되고 있다. 구체적으로, 분할 주파수 재사용(Fractional Frequency Reuse, FFR)과 유연 주파수 재사용(Soft Frequency Reuse, SFR) 기법은 주파수 효율을 올리기 위해서 기지국과 셀 배치가 되어있을 때 사용되는 정적 셀 간 간섭 조정(Inter-Cell Interference Coordination, ICIC) 기법이다. 분할 주파수 재사용(FFR)은 각 셀에 있는 다른 단말기들 간의 자원블록(Resource Block, RB)에 대하여 제한을 두는 반면, 유연 주파수 재사용(SFR)은 사용되는 자원블록들에 대하여 주파수 할당과 파워 분배가 자유롭다.

한편, 종래의 주파수 할당 기법은 각 셀의 위치와 기지국들이 위치가 고정된 육각 셀 구조를 가정하고, 직접적으로 인접한 셀들 간 주파수를 다르게 사용하여 셀 간 간섭을 조정한다. 이러한 방식은 다음과 같은 크게 두 가지의 문제점을 가지고 있다.

첫 번째, 주파수 효율 문제이다. 서로 직접적으로 인접한 셀에서는 서로 다른 주파수 밴드를 사용하기 때문에 모든 셀들이 전체 주파수 대역을 온전히 사용하지 못하고, 이는 주파수 비효율, 더 나아가 전송률 비효율 문제로 이어진다.

두 번째, 기지국의 위치가 고정되지 않고, 유동적인 환경에서는 셀들 간의 지리적 관계가 상시적으로 변하기 때문에 육각 셀 구조로 고정하고 설계된 간섭 조정 기법은 주파수 밴드 분배나 기지국의 송신 출력이 전송률 측면에서 효율적이지 않다.

한국등록특허 제10-1532436호 한국등록특허 제10-1173282호

본 발명은 인접 셀 간 주파수를 분할하여 다르게 사용하지 않고 모든 셀들이 전체 주파수를 공유하는 방식으로 주파수 재사용을 올려 전송률을 증대시킬 수 있는 무선 통신 시스템에서 간섭 조정을 위한 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명은 모든 셀들이 전체 주파수를 공유하는 방식을 이용함으로써 발생되는 셀 간 간섭을 각 셀들이 송신 파워 조절을 통한 셀 확대(Cell Zooming, CZ) 기법을 통하여 조정할 수 있는 무선 통신 시스템에서 간섭 조정을 위한 장치 및 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서의 간섭 조정 방법은 복수의 셀 내의 각각의 기지국이 해당 셀 내에 위치하는 단말기들의 최소 신호대간섭잡음비를 기준치와 비교하는 과정; 및 상기 최소 신호대간섭잡음비가 기준치보다 작을 때 하기 셀 확대 계수를 이용하여 셀 확대를 수행하는 과정을 포함하고, 셀 내의 복수의 단말기들의 최소 신호대간섭잡음비가 기준치보다 클 때까지 상기 셀 확대를 수행한다.

복수의 단말기들이 기준 신호 수신 전력이 가장 큰 셀에 연결되고, 셀 내의 각 기지국은 각자가 할당 가능한 단말기 수만큼 단말기를 수용하는 과정과, 각 셀에서 초과되는 단말기는 인접한 다른 셀에 이양하는 과정을 더 포함한다.

상기 단말기 이양은, 기준 신호 수신 전력의 크기 순으로 인접 셀로 이양한다.

상기 셀 확대 계수는 수학식 1의 보상 함수에서 수학식 2의 비용 함수를 뺀 수학식 3의 유틸리티 함수에 수학식 4의 편미분하여 구한다.

[수학식 1]

[수학식 2]

[수학식 3]

여기서, b는 비용 함수에 대한 가중치.

[수학식 4]

여기서, k_min는 셀 k에서 최소 신호대간섭잡음비를 가진 단말기, r_k는 셀 k의 셀 확대 계수, P_k는 기지국의 송신 출력의 세기,

는 단말기 k_min과 셀 k의 기지국 간 거리, revenue_k는 셀 k에서의 보상 함수, α는 채널의 거리에 따른 감쇄 계수, m_min은 셀 k가 인접 셀 경계에 속해 있는 단말기, δ는 각 셀마다 평균적으로 인접한 셀의 수.

상기 보상 함수는 최소 신호대간섭잡음비를 가진 단말기에서 받는 전송 신호의 세기로 정하고, 상기 비용 함수는 인접 셀 간섭 추정을 기반으로 정한다.

상기 인접 셀 간섭 추정은 셀 k에 속한 최소 신호대간섭잡음비를 가진 단말기 k_min에 대하여 두 번째로 큰 기준 신호 수신 전력를 제공하는 가장 강한 간섭을 주는 셀 m에 있는 경계 단말기들에게 셀 k가 가장 강하게 간섭을 준다고 추정한다.

셀 확대 계수는 송신 출력의 물리적 한계보다 작게 설정한다.

본 발명은 복수의 셀 내의 각각의 기지국이 해당 셀 내에 위치하는 단말기들의 최소 신호대간섭잡음비를 기준치와 비교하여 최소 신호대간섭잡음비가 기준치보다 작을 때 셀 확대 계수를 이용하여 셀 확대를 수행한다. 이러한 본 발명은 인접 셀 간 주파수를 분할하여 다르게 사용하지 않고, 모든 셀들이 전체 주파수를 공유하는 방식으로 주파수 재사용을 증가시켜 주파수 효율과 전송율을 향상시키면서도 각 셀의 최소 신호대간섭잡음비를 요구되는 기준치 이상으로 보장하는 방식으로 셀 간 간섭 조정을 수행한다. 또한, 본 발명은 인접 셀들 간의 지리적인 관계성을 고려하여 기지국과 셀의 위치가 변동하는 유동적인 상황에서 기존의 기법들이 효과적으로 해결하지 못하였던 간섭 조정을 각 셀들이 상호 협력없이 독자적으로 셀 확대 또는 축소를 통하여 해결할 수 있다.

도 1은 인접 셀에 미치는 간섭 추정을 설명하기 위한 개략도.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 무선 통신 시스템에서의 간섭 조정 방법을 설명하기 위한 흐름도.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한 다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

본 발명은 n개의 셀에 m개의 단말기가 존재하는 하향 통신 환경(Downlink)을 가정한다. 각 셀에 있는 기지국과 단말기들은 위치가 지속적으로 변동한다. 각 단말기들은 기준 신호 수신 전력(Reference Signal Received Power)이 가장 큰 셀에 연결하려고 하고, 각 기지국들은 각자가 할당 가능한 단말기 수만큼 수용하고, 추가적으로 요구되는 단말기의 경우 인접 셀로 이양시킨다. 각 셀들은 자신이 관리하는 단말기들 중 신호대간섭잡음비(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)가 가장 작은 단말기를 고려하여 설정한 최저 신호대간섭잡음비(SINR)를 만족시키도록 송신 출력을 조절하는 셀 확대를 한다. 본 발명은 유동적인 셀 환경에서 셀 크기(송신 출력) 설계와 단말기 이양 등을 함께 다루는 셀 간 간섭 조정 기술이다.

본 발명은 각 셀에 있는 기지국들의 유동성으로 인하여 임의의 위치로 분포되어있는 상황을 고려한다. 단말기 이양과 함께 셀 확대를 각 셀의 기지국들이 번갈아가면서 수행하여 각 셀의 단말기의 최소 신호대간섭잡음비(SINR)를 설정한 목표만큼 달성한다. 이때, 각 셀의 기지국들은 서로 직접적으로 셀 확대비나 각 셀의 최소 신호대간섭잡음비(SINR) 등의 정보를 서로 공유하지 못한다. 각 셀이 받을 수 있는 정보는 단말기를 통해서 그 단말기로 들어오는 기지국들의 기준 신호 수신 전력만으로 제한되어 있다. 따라서, 각 기지국들의 송신 출력을 각자가 서로의 도움없이 적절하게 설정해야 하는데, 본 발명에서는 이를 게임 이론을 도입하여 설계한다. 게임 이론에서는 보상함수(revenue)와 비용 함수(cost)로 전체 유틸리티 함수를 구성하게 되고, 유틸리티 함수를 최대화하는 방향으로 셀 확대 계수(송신 출력)을 조절 하게 된다.

우선, 보상 함수(revenue)는 최소 신호대간섭잡음비(SINR)를 가진 단말기에서 받는 전송 신호의 세기로 정한다. 셀 k에서 최소 신호대간섭잡음비(SINR)를 가진 단말기를 k_min이라고 명명한다. 셀 k의 셀 확대 계수, 기지국의 송신 출력의 세기를 각각 r_k, P_k라 하고, 단말기 k_min과 셀 k의 기지국 간 거리를

이라고 하면 셀 k에서의 보상 함수 revenue_k는 다음과 같다.

이때, α는 채널의 거리에 따른 감쇄 계수이며, α≥3을 고려한다.

비용 함수(cost)는 인접 셀 간섭 추정을 기반으로 설계하여 셀 간 간섭이 상호적으로 발생한다는 점에 착안한다. 셀 k에 속한 최소 신호대간섭잡음비(SINR)를 가진 단말기 k_min에 대하여 두 번째로 큰 기준 신호 수신 전력(RSRP)를 제공하는 가장 강한 간섭을 주는 셀 m에 있는 경계 단말기들에게 셀 k가 가장 강하게 간섭을 준다고 추정할 수 있다. 이러한 인접 셀에 미치는 간섭 추정을 도 1에 개략적으로 도시하였다.

이를 고려하여 셀 k가 인접 셀 경계에 속해 있는 단말기 m_min에게 미칠 것으로 추정되는 간섭을 비용 함수로 다음과 같이 설계한다.

이때, δ는 각 셀마다 평균적으로 인접한 셀의 수를 나타낸다.

전체 유틸리티 함수는 각 셀에서 추구하는 보상 함수에서 처벌적으로 작용하는 비용 함수를 뺀 함수이고 다음과 같다.

이때, b는 비용 함수에 대한 가중치이다.

이제 각 셀들이 실질적으로 설정하는 셀 확대 계수를 다음과 같이 편미분을 통하여 유도할 수 있다. 유틸리티 함수를 r_k에 대하여 편미분하면 다음과 같다. 여기서, a의 경우에는 비용 함수에 필요한 가중치이고, 보상 함수와 유틸리티 함수의 차수를 고려하여 물리적 환경에 맞춰 설계해야 한다.

또한, 위에서 구한 평형점이 수렴하기 위한 셀 확대 계수의 범위를 이차 편미분을 통하여 구한다. 즉, 보상 함수와 비용 함수가 동일하여 이들의 차가 0이 되는 셀 확대 계수의 범위를 이차 편미분을 통하여 구한다.

이에 따라, 평형점이 0이되는

를 구하면 다음과 같다.

한편, 위의 식이 오목 함수이기 위해서 0보다 작거나 같은 r_k의 범위를 구하면 다음과 같다.

본 발명의 방법을 수행할 때, 각각의 기지국의 셀 확대 계수는 송신 출력의 물리적 한계로 존재하는 r_max를 고려하여 아래의 범위에서 설계하여야 한다.

한편, 단말기 이양은 다음과 같이 수행한다. 각 단말기들은 기준 신호 수신 전력(Reference Signal Received Power)이 가장 큰 셀에 연결하려고 하고, 각 기지국들은 각자가 할당 가능한 단말기 수만큼 수용을 하고, 초과되는 경우 기준 신호의 크기 순으로 단말기를 수용할 수 있는 다른 인접 셀로 이양한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 셀 간 간섭 조정 방법을 도 2를 이용하여 설명하면 다음과 같다.

우선, 각 셀들은 동일 송신 출력, 즉 동일한 크기에서 시작한다. 각 단말기들을 기준 신호 수신 전력에 맞추어 각 셀에 속하게 하고, 초과되는 경우 위에서 정의한 단말기 이양을 통하여 조절한다. 즉, 각 단말기들은 기준 신호 수신 전력(Reference Signal Received Power)이 가장 큰 셀에 연결하려고 하고, 각 기지국들은 각자가 할당 가능한 단말기 수만큼 수용을 하고, 초과되는 경우 기준 신호의 크기 순으로 단말기를 수용할 수 있는 다른 인접 셀로 이양한다. 이후, 각 셀의 기지국들, 즉 하나의 셀 내에 존재하는 하나의 기지국은 셀 내의 복수의 단말기들의 최소 신호대간섭잡음비를 기준치와 비교하여(S100), 최소 신호대간섭잡음비가 기준치보다 작을 때 위에서 설계한 셀 확대 계수

로 셀 확대를 수행한다(S200).

셀 확대를 수행한 후 핸드오버를 실시한다(S300). 이러한 과정을 모든 셀들이 모두 기준치를 만족할 때까지 반복적으로 실시한다.

본 발명은 상기에서 서술된 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있다. 즉, 상기의 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명의 범위는 본원의 특허 청구 범위에 의해서 이해되어야 한다.

Claims (7)

1. 복수의 셀 내의 각각의 기지국이 해당 셀 내에 위치하는 단말기들의 최소 신호대간섭잡음비를 기준치와 비교하는 과정; 및
   상기 최소 신호대간섭잡음비가 기준치보다 작을 때 하기 셀 확대 계수

   

   를 이용하여 셀 확대를 수행하는 과정을 포함하고,
   

   

   
   (여기서,

   

   는 평형점이 0이되는 셀 확대 계수, P_k는 기지국의 송신 출력의 세기, k_min는 셀 k에서 최소 신호대간섭잡음비를 가진 단말기,

   

   는 단말기 k_min과 셀 k의 기지국 간 거리, α는 채널의 거리에 따른 감쇄 계수, b는 비용 함수에 대한 가중치, δ는 각 셀마다 평균적으로 인접한 셀의 수)
   셀 내의 복수의 단말기들의 최소 신호대간섭잡음비가 기준치보다 클 때까지 상기 셀 확대를 수행하는 무선 통신에서의 간섭 조정 방법.
   
2. 청구항 1에 있어서, 복수의 단말기들이 기준 신호 수신 전력이 가장 큰 셀에 연결되고, 셀 내의 각 기지국은 각자가 할당 가능한 단말기 수만큼 단말기를 수용하는 과정과,
   각 셀에서 초과되는 단말기는 인접한 다른 셀에 이양하는 과정을 더 포함하는 무선 통신에서의 간섭 조정 방법.
   
3. 청구항 2에 있어서, 상기 단말기 이양은, 기준 신호 수신 전력의 크기 순으로 인접 셀로 이양하는 무선 통신에서의 간섭 조정 방법.
   
4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 셀 확대 계수는 수학식 1의 보상 함수에서 수학식 2의 비용 함수를 뺀 수학식 3의 유틸리티 함수에 수학식 4의 편미분하여 구하는 무선 통신에서의 간섭 조정 방법.
   [수학식 1]
   

   

   
   [수학식 2]
   

   

   
   [수학식 3]
   

   

   
   여기서, b는 비용 함수에 대한 가중치.
   [수학식 4]
   

   

   
   여기서, k_min는 셀 k에서 최소 신호대간섭잡음비를 가진 단말기, r_k는 셀 k의 셀 확대 계수, P_k는 기지국의 송신 출력의 세기,

   

   는 단말기 k_min과 셀 k의 기지국 간 거리, revenue_k는 셀 k에서의 보상 함수, α는 채널의 거리에 따른 감쇄 계수, m_min은 셀 k가 인접 셀 경계에 속해 있는 단말기, δ는 각 셀마다 평균적으로 인접한 셀의 수.
   
5. 청구항 4에 있어서, 상기 보상 함수는 최소 신호대간섭잡음비를 가진 단말기에서 받는 전송 신호의 세기로 정하고, 상기 비용 함수는 인접 셀 간섭 추정을 기반으로 정하는 무선 통신에서의 간섭 조정 방법.
   
6. 청구항 5에 있어서, 상기 인접 셀 간섭 추정은, 제 1 셀에 속한 최소 신호대간섭잡음비를 가진 단말기에 대하여 두 번째로 큰 기준 신호 수신 전력를 제공하고 가장 강한 간섭을 주는 제 2 셀에 있는 경계 단말기들에게 제 1 셀이 가장 강하게 간섭을 준다고 추정하는 무선 통신에서의 간섭 조정 방법.
   
7. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 셀 확대 계수는 송신 출력의 물리적 한계보다 작게 설정하는 무선 통신에서의 간섭 조정 방법.

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