KR102456845B1 - 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치 및 방법 - Google Patents

이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치는, 주파수 공유형 위성 및 셀룰러 네트워크에서 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치에 있어서, 프로세서(processor) 및 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령이 저장된 메모리(memory)를 포함하고, 상기 적어도 하나의 명령은 상기 프로세서가, 모든 셀룰러 기지국에게 초기 간섭 임계치로 동일한 간섭량을 설정하는 단계(a), MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이상인 기지국들의 집합을 선정하는 단계(b), 상기 기지국들의 집합에 포함된 기지국들부터 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량을 구하여 해당 기지국들의 간섭량 조건을 낮추는 단계(c), 상기 기지국들의 집합에 포함되지 않은 나머지 기지국들의 집합에 포함된 기지국들에게 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량의 값을 동일하게 분배하여 간섭 임계값을 부여하는 단계(d), 및 각각의 셀룰러 기지국에 대해서 재설정된 허용 간섭량을 고려하여 잔여 허용 간섭량이 없을 때까지 상기 단계(b) 및 단계(d)를 반복하는 단계(e)를 수행하도록 구성된다.

Description

이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치 및 방법{APPARATUS FOR INTERFERENCE MITIGATION BASED ON DUAL BEAMFORMING AND METHOD THEREOF}
본 발명은 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 이종 네트워크 간의 간섭을 완화하는 기법에 관련한 것으로, 특히 위성 네트워크에서 사용하는 주파수 대역을 셀룰러 혹은 지상 네트워크에서 사용 및 재사용을 위한 위성 지구국의 파일럿 신호 전송 방법 및 셀룰러 혹은 지상 네트워크의 송신기의 빔포밍과 그에 대한 파라미터 결정 방법에 관련한 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치 및 방법에 관한 것이다.
현재 연구되는 위성 네트워크와 셀룰러 네트워크 간의 간섭과 관련한 문제에 빔포밍 기술이 접목되어 해결되고 있다. 빔포밍 기술 중 최대 비 전송(Maximum Ratio Transmission, MRT) 기술은 구현 복잡도가 낮으며 단순히 채널 값만을 요구함으로 많은 연구에서 고려하는 빔포밍 기술이다.
하지만 종래 최대 비 전송(MRT) 빔포밍만을 사용하는 단일 빔포밍 사용하는 기술의 경우, 최대 비 전송(MRT) 빔포밍을 통한 간섭이 간섭 허용량 이상인 경우에는 최대 전송 전력을 사용하지 못하는 에너지 효율성 측면에서의 단점이 있었다.
고정 위성 서비스(Fixed Satellite Service, FSS)는 하향 링크와 상향 링크의 통신을 위해 각각 3.7 ~ 4.2Ghz 와 28Ghz 대역을 사용하고 있다. 하지만 5G를 지원하기 위해 셀룰러 네트워크의 주파수 대역이 26.5Ghz ~ 29.5Ghz까지 확장되었다. 이는 위성과 셀룰러 간의 간섭을 야기할 수 있다. 또한, 6Ghz 이하 셀룰러 네트워크 대역인 3.4 ~ 3.7Ghz 대역 역시 FSS의 하향 링크와 인접대역에 있으므로 심각한 간섭을 고려하지 않을 수 없다.
전술한 간섭을 해결하기 위한 필요성과 관련하여 현재까지 고려하지 않았던 위성과 셀룰러 간 간섭을 완화하기 위하여 위성 네트워크의 주파수 분할 이중화 (Frequency Division Duplexing, FDD) 특성을 이용한 셀룰러 지구국의 채널 정보 획득 및 두 개의 간단한 디지털 단 빔포밍(beamforming)을 사용하여 복잡성 및 에너지 효율성을 높이는 것이 가능하다.
그러나, 종래의 기술 대부분은 아날로그 단 빔포밍의 사용으로 인해 빔포밍의 복잡성 문제뿐만 아니라 수신각 정보의 필요로 피드백 양이 증가하는 문제가 있다.
또한, 기존 디지털 빔포밍 기법의 경우 단일 빔포밍 기법으로 인해 제한 간섭량 이하의 송신 전력을 사용할 수 있으므로 에너지 효율성이 감소하는 문제가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 위성과 셀룰러 간의 동일 주파수 사용을 위해 셀룰러 기지국으로부터 발생하는 간섭으로부터 위성 지구국을 보호하기 위한 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치를 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은, 초기 MRT 빔포밍 비율에 따라 전송 셀룰러 기지국을 선택하는 기법을 통해서 상대적으로 큰 간섭을 미치는 셀룰러 기지국을 우선적으로 전송 셀룰러 기지국에서 제외함으로써, 위성 지구국에서 허용하는 전체 간섭량을 간섭이 낮은 셀룰러 기지국에게 분배하여 셀룰러 네트워크 전체 전송률(sum rate)을 향상하는 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치는, 주파수 공유형 위성 및 셀룰러 네트워크에서 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치에 있어서, 프로세서(processor); 및 프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령이 저장된 메모리(memory); 를 포함하고, 상기 적어도 하나의 명령은 상기 프로세서가: 모든 셀룰러 기지국에게 초기 간섭 임계치로 동일한 간섭량을 설정하는 단계(a); MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이상인 기지국들의 집합을 선정하는 단계(b); 상기 기지국들의 집합에 포함된 기지국들부터 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량을 구하여 해당 기지국들의 간섭량 조건을 낮추는 단계(c); 상기 기지국들의 집합에 포함되지 않은 나머지 기지국들의 집합에 포함된 기지국들에게 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량의 값을 동일하게 분배하여 간섭 임계값을 부여하는 단계(d); 및 각각의 셀룰러 기지국에 대해서 재설정된 허용 간섭량을 고려하여 잔여 허용 간섭량이 없을 때까지 상기 단계(c) 및 단계(d)를 반복하는 단계(e);수행하도록 구성될 수 있다.
상기 장치는, 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치의 에너지 효율적 이중(dual) 빔포밍 기법을 이용한 간섭 관리 기술에 있어서,
Figure 112021045690685-pat00001
번째 셀룰러 기지국에서 위성 지구국까지의 간섭량을 허용 간섭량 임계값
Figure 112021045690685-pat00002
이하로 제한하면서 최대 비 전송(Maximum Ratio Transmission, MRT) 빔포밍과 제로 포싱(zero forcing)(ZF) 빔포밍을 동시에 활용하여 송신 전력을 항상 최대로 사용할 수 있다.
빔포밍 비율은 MRT와 ZF 각각의 빔포밍에 할당된 전력의 비율이고, 상기 장치는 전체
Figure 112021045690685-pat00003
개의 셀룰러 기지국 중에서 MRT에 대한 빔포밍 비율이 특정 임계값 이상인 셀룰러 기지국만 해당 셀룰러 단말기에 신호를 전송할 수 있다.
Figure 112021045690685-pat00004
번째
Figure 112021045690685-pat00005
셀룰러 기지국의 MRT 빔포밍 비율은, MRT 빔포밍에 의한 간섭량과 각 기지국에 할당된 초기 허용 간섭량 임계값
Figure 112021045690685-pat00006
에 의해 수학식 1에 의하여 정의될 수 있다.
Figure 112021045690685-pat00007
번째 셀룰러 기지국의 MRT 빔포밍 벡터인
Figure 112021045690685-pat00008
는, 하기 수학식 2로 정의될 수 있다.
초기 설정에서는 각 셀룰러 기지국의 허용 간섭량 임계치를 균등하게 분배하는 것으로,
Figure 112021045690685-pat00009
는 위성 지구국이 허용하는 전체 간섭량일때,
Figure 112021045690685-pat00010
으로 가정될 수 있다.
MRT의 빔포밍 비율이 MRT의 빔포밍 비율에 대한 임계값인
Figure 112021045690685-pat00011
보다 큰 경우에 해당하는
Figure 112021045690685-pat00012
개의 셀룰러 기지국만이 해당 셀룰러 단말기에게 신호가 전송될 수 있다.
신호를 전송하는 각 셀룰러 기지국에서의 빔포밍 알고리즘 및 허용 간섭량 할당 알고리즘은,
Figure 112021045690685-pat00013
번째
Figure 112021045690685-pat00014
셀룰러 기지국은 허용 간섭량 할당 알고리즘에 의해 할당된 간섭량
Figure 112021045690685-pat00015
를 고려하여 MRT 빔포밍 비율을 결정하고, 이는 하기 수학식 3으로 표현될 수 있다.
Figure 112021045690685-pat00016
번째 셀룰러 기지국에서 MRT 빔포밍 벡터의 비율이 1보다 작은 경우, 즉, MRT에 의한 간섭량이
Figure 112021045690685-pat00017
인 경우에, 셀룰러 기지국은 위성 지구국까지의 채널을 널링(nulling)하는 빔포밍인 ZF 빔포밍 벡터를 추가적으로 MRT 빔포밍 벡터와 결합해서 사용하고, 이때
Figure 112021045690685-pat00018
번째 셀룰러 기지국의 ZF 빔포밍 벡터
Figure 112021045690685-pat00019
는 수학식 4으로 표현될 수 있다.
ZF의 빔포밍 비율
Figure 112021045690685-pat00020
는 전력 정규화를 위해 수학식 5와 같이 정의되고, 빔포밍 벡터
Figure 112021045690685-pat00021
에 할당된 신호는 위성 지구국의 디지털 단에 간섭으로써 미치는 영향이 0이 될 수 있다.
Figure 112021045690685-pat00022
번째 셀룰러 기지국의 송신 신호는 하기 수학식 6으로 표현될 수 있다.
Figure 112021045690685-pat00023
번째 셀에서의 셀룰러 단말기와 위성 지구국의 수신 신호
Figure 112021045690685-pat00024
와
Figure 112021045690685-pat00025
는 하기 수학식 7로 표현될 수 있다.
이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치가 셀룰러 네트워크의 전체 전송률을 향상시키기 위한 각 셀에서 대한 간섭 제한량을 설정하기 위하여, 각 셀룰러 기지국에서 위성에 미치는 간섭량을 계산한 후 중앙 처리부(central processor)에 전달될 수 있다.
본 발명의 다른 목적을 달성하기 위한 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법은, (a) 모든 셀룰러 기지국에게 초기 간섭 임계치로 동일한 간섭량을 설정하는 단계; (b) MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이상인 기지국들을 선정하는 단계; MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이하인 기지국들의 집합에 포함된 기지국들부터 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량을 구하여 해당 기지국들의 간섭량 조건을 낮추는 단계; (c) MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이하인 기지국들의 집합을 제외한 나머지 기지국들의 집합에 포함된 기지국들에게 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량의 값을 동일하게 분배하여 간섭 임계값을 부여하는 단계; 및 (d) 각각의 셀룰러 기지국에 대해서 재설정된 간섭 허용량을 고려하여 잔여 허용 간섭량이 없을 때까지 (a) 단계 내지 (d) 단계를 반복하는 단계; 를 포함할 수 있다.
상기 (a) 모든 셀룰러 기지국에게 초기 간섭 임계치로 동일한 간섭량을 설정하는 단계는, 중앙 처리부가 모든 간섭량을 고려하여
Figure 112021045690685-pat00026
의 조건을 만족하는 간섭 임계값을 할당하는 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법일 수 있다.
상기 (b) MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이상인 기지국들을 선정하는 단계는, MRT 빔포밍 비율이
Figure 112021045690685-pat00027
이고, MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이
Figure 112021045690685-pat00028
이하인 기지국들의 집합을
Figure 112021045690685-pat00029
(Residual)로 정의하고, 나머지 기지국들의 집합이
Figure 112021045690685-pat00030
(Exceed)로 정의하고, 집합
Figure 112021045690685-pat00031
에 포함된 기지국들은
Figure 112021045690685-pat00032
가 1보다 작지만 MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이
Figure 112021045690685-pat00033
이상인 기지국들을 선정하는 단계일 수 있다.
상기 (c) MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이하인 기지국들의 집합에 포함된 기지국들부터 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량을 구하여 해당 기지국들의 간섭량 조건을 낮추는 단계는, 집합
Figure 112021045690685-pat00034
에 포함된 기지국들부터 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량
Figure 112021045690685-pat00035
이 수학식 8로 표현될 수 있다.
상기 (d) MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이하인 기지국들의 집합을 제외한 나머지 기지국들의 집합에 포함된 기지국들에게 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량의 값을 동일하게 분배하여 간섭 임계값을 부여하는 단계는, 수학식 9로 표현될 수 있다.
본 발명에 의하면, 초기 최대 비 전송(MRT) 빔포밍 비율에 따라 전송 셀룰러 기지국을 선택하는 기법을 통해서 상대적으로 큰 간섭을 미치는 셀룰러 기지국을 우선적으로 전송 셀룰러 기지국에서 제외하므로, 위성 지구국에서 허용하는 전체 간섭량을 간섭이 낮은 셀룰러 기지국에게 분배함으로써 셀룰러 네트워크 전체 전송률(sum rate)을 향상시킬 수 있다.
또한, 셀룰러 기지국들에게 각각의 간섭량을 고려하여 개별적인 허용 간섭량을 할당해주는 기법을 사용하는 동시에 셀룰러 네트워크의 성능 중심의 최대 비 전송(MRT) 빔포밍과 셀룰러 기지국과 위성 지구국간의 간섭을 없애는 ZF 빔포밍을 통해 셀룰러 기지국에게 최대 송신 전력을 사용할 기회를 제공하여 위성 지구국의 전체 간섭량 조건을 만족하면서 네트워크 전체 전송률을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치의 주파수 공유형 위성 및 셀룰러 네트워크 모델을 도시한 구성도이다.
도 2는 도 1의 MRT 빔포밍 및 MRT 빔포밍 비율 임계치 기반전송 셀룰러 기지국 결정 블록 다이어그램이다.
도 3은 도 1의 ZF 빔포밍 벡터 생성에 대한 블록 다이어그램이다.
도 4는 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법의 각 송신 셀룰러 기지국에서의 이중 빔포밍 알고리즘이다.
도 5는 도 4의 각 송신 셀룰러 기지국의 간섭 허용량 할당 알고리즘이다.
도 6은 도 4의 셀룰러 기지국의 안테나 수에 따른 셀룰러 네트워크의 전체 전송률 성능을 도시한 그래프이다.
도 7은 도 4의 셀룰러 기지국의 최대 전송 전력에 따른 셀룰러 네트워크의 전체 전송률 성능을 도시한 그래프이다.
도 8은 도 4의 위성 지구국의 전체 허용 간섭량에 따른 셀룰러 네트워크의 전체 전송률 성능을 도시한 그래프이다.
도 9는 도 4의 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
명세서 전체에서 망(network)은, 예를 들어, WiFi(wireless fidelity)와 같은 무선인터넷, WiBro(wireless broadband internet) 또는 WiMax(world interoperability for microwave access)와 같은 휴대인터넷, GSM(global system for mobile communication) 또는 CDMA(code division multiple access)와 같은 2G 이동통신망, WCDMA(wideband code division multiple access) 또는 CDMA2000과 같은 3G 이동통신망, HSDPA(high speed downlink packet access) 또는 HSUPA(high speed uplink packet access)와 같은 3.5G 이동통신망, LTE(long term evolution)망 또는 LTE-Advanced망과 같은 4G 이동통신망, 및 5G 이동통신망 등을 포함할 수 있다.
명세서 전체에서 단말(terminal)은 이동국(mobile station), 이동 단말(mobile terminal), 가입자국(subscriber station), 휴대 가입자국(portable subscriber station), 사용자 장치(user equipment), 접근 단말(access terminal) 등을 지칭할 수도 있고, 단말, 이동국, 이동 단말, 가입자국, 휴대 가입자 국, 사용자 장치, 접근 단말 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
여기서, 단말로 통신이 가능한 데스크탑 컴퓨터(desktop computer), 랩탑 컴퓨터(laptop computer), 태블릿(tablet) PC, 무선전화기(wireless phone), 모바일폰(mobile phone), 스마트 폰(smart phone), 스마트 워치(smart watch), 스마트 글래스(smart glass), e-book 리더기, PMP(portable multimedia player), 휴대용 게임기, 네비게이션(navigation) 장치, 디지털 카메라(digital camera), DMB (digital multimedia broadcasting) 재생기, 디지털 음성 녹음기(digital audio recorder), 디지털 음성 재생기(digital audio player), 디지털 영상 녹화기(digital picture recorder), 디지털 영상 재생기(digital picture player), 디지털 동영상 녹화기(digital video recorder), 디지털 동영상 재생기(digital video player) 등을 사용할 수 있다.
명세서 전체에서 기지국(base station)은 접근점(access point), 무선 접근국(radio access station), 노드B(node B), 고도화 노드B(evolved nodeB), 송수신 기지국(base transceiver station), MMR(mobile multihop relay)-BS 등을 지칭할 수도 있고, 기지국, 접근점, 무선 접근국, 노드B, eNodeB, 송수신 기지국, MMR-BS 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
도 1은 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치의 주파수 공유형 위성(10) 및 셀룰러 네트워크 모델을 도시한 구성도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치는, 주파수 공유형 위성(10) 및 셀룰러 네트워크(90)를 포함한다.
본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치는, 프로세서(processor, 50), 프로세서(50)를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령이 저장된 메모리(memory)를 포함하되, 적어도 하나의 명령은, 모든 셀룰러 기지국(30-1, …, 30-N)에게 초기 간섭 임계치로 동일한 간섭량을 설정하는 명령, MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이상인 기지국(30)들을 선정하는 명령, MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이하인 기지국(30)들의 집합에 포함된 기지국(30)들부터 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량을 구하여 해당 기지국(30)들의 간섭량 조건을 낮추는 명령, MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이하인 기지국(30)들의 집합을 제외한 나머지 기지국들의 집합에 포함된 기지국(30)들에게 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량의 값을 동일하게 분배하여 간섭 임계값을 부여하는 명령 및 각각의 셀룰러 기지국(30)에 대해서 재설정된 간섭 허용량을 고려하여 잔여 허용 간섭량이 없을 때까지 반복하는 명령을 포함한다.
본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치의 셀룰러 네트워크(90)에서 위성 지구국(20)의 간섭 채널 획득을 위해서는 하향 링크 위성 네트워크의 주파수를 통해 위성 지구국(20)이 파일럿 신호(pilot signal)를 전송해야 한다. 이러한 신호 전송은 위성 네트워크의 낮은 주파수 점유율 및 높은 전파 지연을 활용하여 충분히 구현 가능하다.
본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치의 에너지 효율적 이중(dual) 빔포밍 기법을 이용한 간섭 관리 기술은
Figure 112021045690685-pat00036
번째 셀룰러 기지국(30-i)에서 위성 지구국(20)까지의 간섭량을 허용 간섭량 임계값
Figure 112021045690685-pat00037
이하로 제한하면서 최대 비 전송(Maximum Ratio Transmission, MRT) 빔포밍과 제로 포싱(zero forcing)(ZF) 빔포밍을 동시에 활용하여 송신 전력을 항상 최대로 사용하는 기술이다.
본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치는 에너지 효율성을 향상시키기 위해서 전체
Figure 112021045690685-pat00038
개의 셀룰러 기지국(30-1, … , 30-M) 중에서 MRT에 대한 빔포밍 비율이 특정 임계값 이상인 셀룰러 기지국(30)만 해당 셀룰러 단말기(40)에 신호를 전송한다. 여기서, 빔포밍 비율이란 MRT와 ZF 각각의 빔포밍에 할당된 전력의 비율을 의미한다.
Figure 112021045690685-pat00039
번째
Figure 112021045690685-pat00040
셀룰러 기지국(30-M)의 MRT 빔포밍 비율은 MRT 빔포밍에 의한 간섭량과 각 기지국(30)에 할당된 초기 허용 간섭량 임계값
Figure 112021045690685-pat00041
에 의해 하기 수학식 1과 같이 주어진다.
Figure 112021045690685-pat00042
여기서,
Figure 112021045690685-pat00043
는 셀룰러 기지국(30)의 최대 송신 전력이며,
Figure 112021045690685-pat00044
는
Figure 112021045690685-pat00045
개의 안테나를 가지는
Figure 112021045690685-pat00046
번째 셀룰러 기지국(30-M)으로부터 위성 지구국(20)까지 채널, 그리고,
Figure 112021045690685-pat00047
는
Figure 112021045690685-pat00048
번째 셀룰러 기지국(30-M)의 MRT 빔포밍 벡터를 의미하며 하기 수학식 2와 같다.
Figure 112021045690685-pat00049
여기서,
Figure 112021045690685-pat00050
는 셀룰러 기지국(30)으로부터 셀룰러 단말(40)까지의 채널을 의미한다.
초기 설정에서는 각 셀룰러 기지국(30)의 허용 간섭량 임계치를 균등하게 분배하는 것으로 가정한다. 즉,
Figure 112021045690685-pat00051
이며, 여기서
Figure 112021045690685-pat00052
는 위성 지구국(20)이 허용하는 전체 간섭량이다. 위에서 언급한 바와 같이 MRT의 빔포밍 비율이 MRT의 빔포밍 비율에 대한 임계값인
Figure 112021045690685-pat00053
보다 큰 경우에 해당하는 셀룰러 기지국(40)만이 해당 셀룰러 단말기(40)에게 신호를 전송한다. 그로 인해 총
Figure 112021045690685-pat00054
개의 셀룰러 기지국(30-1, … , 30-M) 중 위 조건에 만족하는
Figure 112021045690685-pat00055
개의 셀룰러 기지국(30-1, … , 30-N)만이 신호를 전송한다고 가정한다.
도 2는 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치의 MRT 빔포밍 및 MRT 빔포밍 비율 임계치 기반 전송 셀룰러 기지국(30) 결정 블록 다이어그램을 도시한 것이다.
도 2를 참조하면, 신호를 전송하는 각 셀룰러 기지국(30)에서의 빔포밍 알고리즘 및 허용 간섭량 할당 알고리즘은 다음과 같다.
MRT 빔포밍 및 MRT 빔포밍 비율 임계치 기반 전송 셀룰러 기지국(30) 결정 블록 다이어그램은 MRT 빔포머(Beamformer)(210), MRT BF 비(ratio) 계산기(calculator)(220), 트랜스미션(Transmission) 온/오프(On/Off)(230)를 포함한다.
Figure 112021045690685-pat00056
번째
Figure 112021045690685-pat00057
셀룰러 기지국(30-i)은 허용 간섭량 할당 알고리즘에 의해 할당된 간섭량
Figure 112021045690685-pat00058
를 고려하여 MRT 빔포밍 비율을 결정한다. 이는 하기 수학식 3과 같이 표현된다.
Figure 112021045690685-pat00059
만약
Figure 112021045690685-pat00060
번째 셀룰러 기지국(30-i)에서 MRT 빔포밍 벡터의 비율이 1보다 작은 경우, 즉, MRT에 의한 간섭량이
Figure 112021045690685-pat00061
인 경우에 셀룰러 기지국(30)은 위성 지구국(20)까지의 채널을 널링(nulling)하는 빔포밍인 ZF 빔포밍 벡터를 추가적으로 MRT 빔포밍 벡터와 결합해서 사용한다. 이때
Figure 112021045690685-pat00062
번째 셀룰러 기지국의 ZF 빔포밍 벡터
Figure 112021045690685-pat00063
는 하기 수학식 4와 같다.
Figure 112021045690685-pat00064
여기서,
Figure 112021045690685-pat00065
는 배열
Figure 112021045690685-pat00066
의
Figure 112021045690685-pat00067
번째 열 벡터 (column vector)이고, ZF의 빔포밍 비율
Figure 112021045690685-pat00068
는 전력 정규화를 위해 하기 수학식 5와 같이 정의된다.
Figure 112021045690685-pat00069
여기서,
Figure 112021045690685-pat00070
이고,
Figure 112021045690685-pat00071
이며,
Figure 112021045690685-pat00072
이다.
그러므로, 빔포밍 벡터
Figure 112021045690685-pat00073
에 할당된 신호는 위성 지구국(20)의 디지털 단에 간섭으로써 미치는 영향이 0이 된다.
도 3은 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치의 ZF 빔포밍 벡터 생성에 대한 블록 다이어그램을 도시한 것이다.
도 3을 참조하면, ZF 빔포밍 벡터 생성에 대한 블록 다이어그램은 ZF 빔포머(Beamformer, 310-1, … , 310-N), ZF BF 비(Ratio) 계산기(Calculator) & 최적(Optimal) ZF BF 벡터(Vector) 선택기 (Selector)(320-1, …, 320-N)을 포함한다.
최종적으로
Figure 112021045690685-pat00074
번째 셀룰러 기지국(30-i)의 송신 신호는 하기 수학식 6과 같다.
Figure 112021045690685-pat00075
여기서,
Figure 112021045690685-pat00076
는
Figure 112021045690685-pat00077
번째 셀룰러 기지국(30)의 변조 신호이다.
Figure 112021045690685-pat00078
번째 셀에서의 셀룰러 단말기(40-i)와 위성 지구국(20)의 수신 신호
Figure 112021045690685-pat00079
와
Figure 112021045690685-pat00080
는 하기 수학식 7과 같다.
Figure 112021045690685-pat00081
Figure 112021045690685-pat00082
여기서,
Figure 112021045690685-pat00083
는 위성(10)으로부터 위성 지구국(20)까지의 채널을 의미하며,
Figure 112021045690685-pat00084
는 위성(10)의 신호 그리고
Figure 112021045690685-pat00085
와
Figure 112021045690685-pat00086
는 각각 셀룰러 단말기(40)와 위성 지구국(30)에서의 잡음을 의미한다.
도 4는 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법의 각 송신 셀룰러 기지국(30)에서의 이중 빔포밍 알고리즘을 도시한 것이다.
도 4를 참조하면, 도 1 내지 도 3에서 설명한 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치를 이용한 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법의 각 송신 셀룰러 기지국(30)에서의 이중 빔포밍 알고리즘이 개시된다.
본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법에서 고려하는 셀룰러 네트워크(90)의 경우, 중앙 처리부(50)에서 전체적인 허용 간섭량을 계산하여 각 셀룰러 기지국(30)에게 피드백을 해야 한다. 이러한 네트워크는 5G 네트워크에서 C-RAN (Cloud Radio Access Network)과 같은 시스템에서 유선 백홀(backhaul)을 이용하여 구현이 가능하다.
도 5는 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법의 각 송신 셀룰러 기지국(30)의 간섭 허용량 할당 알고리즘을 도시한 것이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치에서 셀룰러 네트워크(90)의 전체 전송률을 향상시키기 위해서는 각 셀에 대한 간섭 제한량을 적절하게 설정해야 한다.
먼저, 각 셀룰러 기지국(30)에서 위성(10)에 미치는 간섭량을 계산한 후 중앙 처리부(50)에 전달한다. 중앙 처리부(50)는 모든 간섭량을 고려하여
Figure 112021045690685-pat00087
의 조건을 만족하는 간섭 임계값을 다음과 같이 할당한다.
S1000 단계는 모든 셀룰러 기지국에게 초기 간섭 임계치로
Figure 112021045690685-pat00088
으로 동일한 간섭량을 설정한다.
S2000 단계는 MRT 빔포밍 비율이
Figure 112021045690685-pat00089
임에도 불구하고 MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이
Figure 112021045690685-pat00090
이하인 기지국(30)들의 집합을
Figure 112021045690685-pat00091
(Residual)로 정의하며, 나머지 기지국(30)들의 집합은
Figure 112021045690685-pat00092
(Exceed)로 정의한다. 즉, 집합
Figure 112021045690685-pat00093
에 포함된 기지국(30)들은
Figure 112021045690685-pat00094
가 1보다 작음에도 불구하고 MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이
Figure 112021045690685-pat00095
이상인 기지국들을 의미한다.
S3000 단계는 집합
Figure 112021045690685-pat00096
에 포함된 기지국(30)들부터 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량
Figure 112021045690685-pat00097
를 하기 수학식 8과 같이 구하며, 해당 기지국(30)들의 간섭량 조건을 낮춘다(S3000).
Figure 112021045690685-pat00098
S4000 단계는 집합
Figure 112021045690685-pat00099
에 포함된 기지국(30)들에게
Figure 112021045690685-pat00100
의 값을 동일하게 분배함으로써 더 많은 간섭 임계값을 하기 수학식 9와 같이 부여한다(S4000).
Figure 112021045690685-pat00101
여기서,
Figure 112021045690685-pat00102
는 집합의 크기 (cardinality)를 의미한다.
S5000 단계는 각각의 셀룰러 기지국(30)에 대해서 재설정된 간섭 허용량을 고려하여 위의 과정을
Figure 112021045690685-pat00103
이 될 때까지, 즉, 잔여 허용 간섭량이 없을 때까지 약 2 ~ 4회를 반복한다.
도 6은 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치의 셀룰러 기지국(30)의 안테나 수에 따른 셀룰러 네트워크(90)의 전체 전송률 성능을 도시한 그래프이다.
도 6을 참조하면, 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치의 성능 그래프로, ZF 빔포밍만을 사용한 경우와, MRT 빔포밍만을 사용한 경우와, 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법을 사용하는 경우의 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률을 비교하고 있다. 여기서, 변수
Figure 112021045690685-pat00104
는 위성 지구국과 셀룰러 기지국 사이의 최대 거리를 의미한다.
도 6의 그래프에서, X축은 기지국의 송신 안테나 수이고, Y축은 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률[bps/Hz]이다. 사각형은 ZF 빔포밍만을 사용하는 경우, 삼각형은 MRT 빔포밍만을 사용하는 경우, 마름모는 본 발명의 듀얼 빔포밍을 사용하는 경우에서, 기지국(30)의 송신 안테나 수에 따른 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률[bps/Hz]과의 관계를 보여준다.
도 6의 그래프를 해석하면, 기지국(30)의 송신 안테나 수가 대략 7개 이하인 경우에는 ZF 빔포밍만을 사용한 경우가 MRT 빔포밍만을 사용하는 경우보다 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률[bps/Hz]이 약간 높지만, 기지국(30)의 송신 안테나 수가 대략 7개를 초과하면, MRT 빔포밍만을 사용한 경우가 ZF 빔포밍만을 사용한 경우보다 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률[bps/Hz]이 점점 증가한다. 그러나, 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법의 듀얼 빔포밍을 사용한 경우는 ZF 빔포밍만을 사용한 경우 또는 MRT 빔포밍만을 사용하는 경우보다 기지국(30)의 송신 안테나 수의 전 영역에서 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률이 더 높은 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치의 셀룰러 기지국(30)의 최대 전송 전력에 따른 셀룰러 네트워크(90)의 전체 전송률 성능을 도시한 것이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치의 성능 그래프로, ZF 빔포밍만을 사용한 경우와, MRT 빔포밍만을 사용한 경우와, 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법을 사용하는 경우의 셀룰러 기지국의 최대 송신 전력을 비교하고 있다. 여기서, 변수
Figure 112021045690685-pat00105
는 위성 지구국(20)과 셀룰러 기지국(30) 사이의 최대 거리를 의미한다.
도 7의 그래프에서, X축은 셀룰러 기지국(30)의 최대 송신 전력이고, Y축은 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률[bps/Hz]이다. 사각형은 ZF 빔포밍만을 사용하는 경우, 삼각형은 MRT 빔포밍만을 사용하는 경우, 마름모는 본 발명의 듀얼 빔포밍을 사용하는 경우에서, 셀룰러 기지국(30)의 최대 송신 전력에 따른 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률[bps/Hz]과의 관계를 보여준다.
도 7의 그래프를 해석하면, 셀룰러 기지국(30)의 최대 송신 전력이 대략 25dB 이하인 경우에는 MRT 빔포밍만을 사용한 경우가 ZF 빔포밍만을 사용하는 경우보다 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률[bps/Hz]이 약간 높지만, 셀룰러 기지국(30)의 최대 송신 전력이 대략 25dB를 초과하면, ZF 빔포밍만을 사용한 경우가 MRT 빔포밍만을 사용한 경우보다 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률[bps/Hz]이 점점 증가한다. 그러나, 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법의 듀얼 빔포밍을 사용한 경우는 ZF 빔포밍만을 사용한 경우 또는 MRT 빔포밍만을 사용하는 경우보다 셀룰러 기지국(30)의 최대 송신 전력의 전 영역에서 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률이 더 높은 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치의 위성 지구국(20)의 전체 허용 간섭량에 따른 셀룰러 네트워크(90)의 전체 전송률 성능을 도시한 것이다.
도 8을 참조하면, 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치의 성능 그래프로, ZF 빔포밍만을 사용한 경우와, MRT 빔포밍만을 사용한 경우와, 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법을 사용하는 경우의 위선 지구국(20)의 전체 허용 간섭량을 비교하고 있다. 여기서, 변수
Figure 112021045690685-pat00106
는 위성 지구국(20)과 셀룰러 기지국(30) 사이의 최대 거리를 의미한다.
도 8의 그래프에서, X축은 위성 지구국(20)의 전체 허용 간섭량이고, Y축은 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률[bps/Hz]이다. 사각형은 ZF 빔포밍만을 사용하는 경우, 삼각형은 MRT 빔포밍만을 사용하는 경우, 마름모는 본 발명의 듀얼 빔포밍을 사용하는 경우에서, 셀룰러 기지국(30)의 최대 송신 전력에 따른 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률[bps/Hz]과의 관계를 보여준다.
도 8의 그래프를 해석하면, 위성 지구국(20)의 전체 허용 간섭량이 대략 -15dB 이하인 경우에는 ZF 빔포밍만을 사용한 경우가 MRT 빔포밍만을 사용하는 경우보다 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률[bps/Hz]이 높지만, 셀룰러 기지국(30)의 최대 송신 전력이 대략 -15dB 를 초과하면, MRT 빔포밍만을 사용한 경우가 ZF 빔포밍만을 사용한 경우보다 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률[bps/Hz]이 점점 증가한다. 그러나, 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법의 듀얼 빔포밍을 사용한 경우는 ZF 빔포밍만을 사용한 경우 또는 MRT 빔포밍만을 사용하는 경우보다 위성 지구국(20)의 전체 허용 간섭량의 전 영역에서 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률이 더 높은 것을 알 수 있다.
도 9는 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법의 순서도가 도시된다.
도 9를 참조하면, 본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법은 S1100 단계 내지 S1500 단계를 포함한다.
S1100 단계는 모든 셀룰러 기지국(30)에게 초기 간섭 임계치로 동일한 간섭량을 설정하는 단계이다.
S1200 단계는 MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이상인 기지국(30)들을 선정하는 단계이다.
S1300 단계는 MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이하인 기지국(30)들의 집합에 포함된 기지국(30)들부터 네트워크(90) 전체 잔여 허용 간섭량을 구하여 해당 기지국들의 간섭량 조건을 낮추는 단계이다.
S1400 단계는 MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이하인 기지국(30)들의 집합을 제외한 나머지 기지국(30)들의 집합에 포함된 기지국(30)들에게 네트워크(90) 전체 잔여 허용 간섭량의 값을 동일하게 분배하여 간섭 임계값을 부여하는 단계이다.
S1500 단계는 각각의 셀룰러 기지국(30)에 대해서 재설정된 간섭 허용량을 고려하여 잔여 허용 간섭량이 없을 때까지 S1200 단계 내지 S1400 단계를 반복하는 단계이다.
본 발명의 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치 및 방법에 의하면, 초기 최대 비 전송(MRT) 빔포밍 비율에 따라 전송 셀룰러 기지국(30)을 선택하는 기법을 통해서 상대적으로 큰 간섭을 미치는 셀룰러 기지국(30)을 우선적으로 전송 셀룰러 기지국(30)에서 제외하므로, 위성 지구국(20)에서 허용하는 전체 간섭량을 간섭이 낮은 셀룰러 기지국(30)에게 분배함으로써 셀룰러 네트워크(90) 전체 전송률(sum rate)을 향상시킬 수 있다.
또한, 셀룰러 기지국(30)들에게 각각의 간섭량을 고려하여 개별적인 허용 간섭량을 할당해주는 기법을 사용하는 동시에 셀룰러 네트워크(90)의 성능 중심의 최대 비 전송 MRT 빔포밍과 셀룰러 기지국(30)과 위성 지구국(20)간의 간섭을 없애는 ZF 빔포밍을 통해 셀룰러 기지국(30)에게 최대 송신 전력을 사용할 기회를 제공하여 위성 지구국(20)의 전체 간섭량 조건을 만족하면서 네트워크(90) 전체 전송률을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함될 수 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함할 수 있다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
또한, 상술한 방법 또는 장치는 그 구성이나 기능의 전부 또는 일부가 결합되어 구현되거나, 분리되어 구현될 수 있다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (18)

  1. 주파수 공유형 위성 및 셀룰러 네트워크에서 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치에 있어서,
    프로세서(processor); 및
    프로세서를 통해 실행되는 적어도 하나의 명령이 저장된 메모리(memory); 를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 명령은 상기 프로세서가:
    모든 셀룰러 기지국에게 초기 간섭 임계치로 동일한 간섭량을 설정하는 단계(a);
    MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이상인 기지국들의 집합을 선정하는 단계(b);
    상기 기지국들의 집합에 포함된 기지국들부터 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량을 구하여 해당 기지국들의 간섭량 조건을 낮추는 단계(c);
    상기 기지국들의 집합에 포함되지 않은 나머지 기지국들의 집합에 포함된 기지국들에게 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량의 값을 동일하게 분배하여 간섭 임계값을 부여하는 단계(d); 및
    각각의 셀룰러 기지국에 대해서 재설정된 허용 간섭량을 고려하여 잔여 허용 간섭량이 없을 때까지 상기 단계(b) 및 단계(d)를 반복하는 단계(e); 를 수행하도록 구성되는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치.
  2. 청구항 1에 있어서, 상기 장치는,
    에너지 효율적 이중(dual) 빔포밍 기법을 이용한 간섭 관리 기술에 기반하고,
    Figure 112021045690685-pat00107
    번째 셀룰러 기지국에서 위성 지구국까지의 간섭량을 허용 간섭량 임계값
    Figure 112021045690685-pat00108
    이하로 제한하면서 최대 비 전송(Maximum Ratio Transmission, MRT) 빔포밍과 제로 포싱(zero forcing, ZF) 빔포밍을 동시에 활용하여 송신 전력을 항상 최대로 사용하는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치.
  3. 청구항 2에 있어서,
    빔포밍 비율은 MRT와 ZF 각각의 빔포밍에 할당된 전력의 비율이고,
    상기 장치는 전체
    Figure 112021045690685-pat00109
    개의 셀룰러 기지국 중에서 MRT에 대한 빔포밍 비율이 특정 임계값 이상인 셀룰러 기지국만 해당 셀룰러 단말기에 신호를 전송하는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치.
  4. 청구항 3에 있어서,
    Figure 112022090579019-pat00110
    번째
    Figure 112022090579019-pat00111
    셀룰러 기지국의 MRT 빔포밍 비율이 MRT 빔포밍에 의한 간섭량과 각 기지국에 할당된 초기 허용 간섭량 임계값
    Figure 112022090579019-pat00112
    에 의해 수학식 1에 의하여 정의되는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치.
    (수학식 1)
    Figure 112022090579019-pat00113

    여기서,
    Figure 112022090579019-pat00114
    는 셀룰러 기지국의 최대 송신 전력이며,
    Figure 112022090579019-pat00115
    는
    Figure 112022090579019-pat00116
    개의 안테나를 가지는
    Figure 112022090579019-pat00117
    번째 셀룰러 기지국으로부터 위성 지구국까지 채널,
    Figure 112022090579019-pat00118
    는
    Figure 112022090579019-pat00119
    번째 셀룰러 기지국의 MRT 빔포밍 벡터.
  5. 청구항 4에 있어서,
    Figure 112021045690685-pat00120
    번째 셀룰러 기지국의 MRT 빔포밍 벡터인
    Figure 112021045690685-pat00121
    이 수학식 2로 정의되는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치.
    (수학식 2)
    Figure 112021045690685-pat00122


    여기서,
    Figure 112021045690685-pat00123
    는 셀룰러 기지국으로부터 셀룰러 단말까지의 채널.
  6. 청구항 2에 있어서,
    초기 설정에서는 각 셀룰러 기지국의 허용 간섭량 임계치를 균등하게 분배하는 것으로,
    Figure 112021045690685-pat00124
    가 위성 지구국이 허용하는 전체 간섭량일때
    Figure 112021045690685-pat00125
    으로 가정되는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치.
  7. 청구항 2에 있어서,
    MRT의 빔포밍 비율이 MRT의 빔포밍 비율에 대한 임계값인
    Figure 112021045690685-pat00126
    보다 큰 경우에 해당하는
    Figure 112021045690685-pat00127
    개의 셀룰러 기지국만이 해당 셀룰러 단말기에게 신호가 전송되는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    Figure 112022090579019-pat00128
    번째
    Figure 112022090579019-pat00129
    셀룰러 기지국에서의 MRT 빔포밍 비율은 소정의 허용 간섭량 할당 알고리즘에 의해 할당된 간섭량
    Figure 112022090579019-pat00181
    를 고려하여 수학식 3에 의해 정해지는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치.
    (수학식 3)
    Figure 112022090579019-pat00131

    (여기서,
    Figure 112022090579019-pat00182
    는 셀룰러 기지국의 최대 송신 전력,
    Figure 112022090579019-pat00183
    는
    Figure 112022090579019-pat00184
    개의 안테나를 가지는
    Figure 112022090579019-pat00185
    번째 셀룰러 기지국으로부터 위성 지구국까지의 채널,
    그리고,
    Figure 112022090579019-pat00186
    는
    Figure 112022090579019-pat00187
    번째 셀룰러 기지국의 MRT 빔포밍 벡터임)
  9. 청구항 8에 있어서,
    Figure 112022090579019-pat00132
    번째 셀룰러 기지국에서 MRT 빔포밍 벡터의 비율이 1보다 작은 경우인 MRT에 의한 간섭량이
    Figure 112022090579019-pat00133
    인 경우에, 셀룰러 기지국은 위성 지구국까지의 채널을 널링(nulling)하는 빔포밍인 ZF 빔포밍 벡터를 추가적으로 MRT 빔포밍 벡터와 결합해서 사용하고,
    Figure 112022090579019-pat00134
    번째 셀룰러 기지국의 ZF 빔포밍 벡터
    Figure 112022090579019-pat00135
    는 수학식 4로 표현되는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치.
    (수학식 4)
    Figure 112022090579019-pat00136

    (여기서,
    Figure 112022090579019-pat00137
    는 배열
    Figure 112022090579019-pat00138
    의
    Figure 112022090579019-pat00139
    번째 열 벡터 (column vector).
    Figure 112022090579019-pat00188
    는
    Figure 112022090579019-pat00189
    번째 셀룰러 기지국의 MRT 빔포밍 비율,
    Figure 112022090579019-pat00190
    는
    Figure 112022090579019-pat00191
    번째 셀룰러 기지국의 ZF 빔포밍 비율임)
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 ZF 빔포밍 비율
    Figure 112022090579019-pat00140
    은 전력 정규화를 위해 수학식 5와 같이 정의되고, 상기 ZF 빔포밍 벡터
    Figure 112022090579019-pat00141
    에 할당된 신호는 위성 지구국의 디지털 단에 간섭으로써 미치는 영향이 0이 되는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치.
    (수학식 5)
    Figure 112022090579019-pat00142

    (여기서,
    Figure 112022090579019-pat00143
    이고,
    Figure 112022090579019-pat00144
    ,
    Figure 112022090579019-pat00145
    이며,
    Figure 112022090579019-pat00192
    ,
    Figure 112022090579019-pat00193
    는 각각 실수부분, 허수부분을 나타내는 기호임)
  11. 청구항 10에 있어서,
    Figure 112022090579019-pat00146
    번째 셀룰러 기지국의 송신 신호는 수학식 6으로 표현되는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치.
    (수학식 6)
    Figure 112022090579019-pat00147

    (여기서,
    Figure 112022090579019-pat00148
    는
    Figure 112022090579019-pat00149
    번째 셀룰러 기지국의 변조 신호임)
  12. 청구항 11에 있어서,
    Figure 112022090579019-pat00150
    번째 셀에서의 셀룰러 단말기와 위성 지구국의 수신 신호
    Figure 112022090579019-pat00151
    와
    Figure 112022090579019-pat00152
    는 수학식 7로 표현되는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치.
    (수학식 7)
    Figure 112022090579019-pat00153

    Figure 112022090579019-pat00154

    (여기서,
    Figure 112022090579019-pat00194
    는 i번째 셀에서의 셀룰러 기지국으로부터 셀룰러 단말까지의 채널,
    Figure 112022090579019-pat00195
    는 j번째 셀에서 i번째 셀의 셀룰러 단말까지의 채널,
    Figure 112022090579019-pat00196
    는 i번째 셀룰러 단말에서의 잡음,
    Figure 112022090579019-pat00197
    는 위성으로부터 위성 지구국까지의 채널,
    Figure 112022090579019-pat00198
    는 위성의 신호,
    Figure 112022090579019-pat00199
    는 셀룰러 기지국으로부터 위성 지구국까지의 채널,
    Figure 112022090579019-pat00200
    는 위성 지구국에서의 잡음을 나타냄.)
  13. 청구항 2에 있어서,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치가 셀룰러 네트워크의 전체 전송률을 향상시키고 각 셀에 대한 간섭 제한량을 설정하기 위하여, 각 셀룰러 기지국에서 위성에 미치는 간섭량을 계산한 후 중앙 처리부(central processor)에 전달되는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화를 위한 장치.
  14. (a) 모든 셀룰러 기지국에게 초기 간섭 임계치로 동일한 간섭량을 설정하는 단계;
    (b) MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이상인 기지국들을 선정하는 단계;
    (c) MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이하인 기지국들의 집합에 포함된 기지국들부터 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량을 구하여 해당 기지국들의 간섭량 조건을 낮추는 단계;
    (d) MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이하인 기지국들을 제외한 나머지 기지국들의 집합에 포함된 기지국들에게 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량의 값을 동일하게 분배하여 새로운 간섭 임계값을 부여하는 단계; 및
    (e) 각각의 셀룰러 기지국에 대해서 재설정된 간섭 허용량을 고려하여 잔여 허용 간섭량이 없을 때까지 (b) 단계 내지 (d) 단계를 반복하는 단계; 를 포함하는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법.
  15. 청구항 14에 있어서, 상기 (a) 모든 셀룰러 기지국에게 초기 간섭 임계치로 동일한 간섭량을 설정하는 단계는,
    중앙 처리부가 위성 지구국이 허용하는 전체 간섭량을 고려하여
    Figure 112022090579019-pat00159
    (여기서, Q는 위성 지구국이 허용하는 전체 간섭량, Qi는 i번째 셀룰러 기지국에 대한 허용 간섭량 임계값을 나타냄)의 조건을 만족하는 간섭량 임계값을 할당하는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법.
  16. 청구항 14에 있어서, 상기 (b) MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이상인 기지국들을 선정하는 단계는,
    MRT 빔포밍 비율이
    Figure 112021045690685-pat00160
    이고, MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이
    Figure 112021045690685-pat00161
    이하인 기지국들의 집합을
    Figure 112021045690685-pat00162
    (Residual)로 정의하고, 나머지 기지국들의 집합이
    Figure 112021045690685-pat00163
    (Exceed)로 정의하고,
    집합
    Figure 112021045690685-pat00164
    에 포함된 기지국들은
    Figure 112021045690685-pat00165
    가 1보다 작지만 MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이
    Figure 112021045690685-pat00166
    이상인 기지국들을 선정하는 단계인,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법.
  17. 청구항 16에 있어서, 상기 (c) MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치 이하인 기지국들의 집합에 포함된 기지국들부터 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량을 구하여 해당 기지국들의 간섭량 조건을 낮추는 단계는,
    수학식 8에 의해, 상기 집합
    Figure 112022090579019-pat00167
    에 포함된 기지국들부터 상기 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량(
    Figure 112022090579019-pat00168
    )을 구하는 단계를 포함하는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법.
    (수학식 8)
    Figure 112022090579019-pat00169

    (여기서, Qr은, 상기 집합 R에 속하는 r번째 셀룰러 기지국에서의 잔여 간섭량 즉, MRT 빔포밍 비율이 1일 때 MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량과 초기 간섭 임계치(Qi)의 차이,
    Figure 112022090579019-pat00201
    은 r번째 셀룰러 기지국으로부터 위성 지구국까지의 채널,
    Figure 112022090579019-pat00202
    은 r번째 셀룰러 기지국의 MRT 빔포밍 벡터,
    Figure 112022090579019-pat00203
    은 r번째 셀룰러 기지국의 MRT 빔포밍 비율,
    Figure 112022090579019-pat00204
    는 셀룰러 기지국의 최대 송신 전력임)
  18. 청구항 17에 있어서, 상기 (d) MRT 빔포밍 벡터로 인해 발생하는 간섭량이 초기 간섭 임계치(Qi) 이하인 기지국들을 제외한 나머지 기지국들의 집합(E)에 포함된 기지국들에 대한 상기 새로운 간섭 임계값(Qi')은 수학식 9로 표현되는 바와 같이 상기 네트워크 전체 잔여 허용 간섭량(Qres)의 값을 상기 나머지 기지국들의 집합(E)에 포함된 기지국들에 동일하게 분배하여 정해지는,
    이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 방법.
    (수학식 9)
    Figure 112022090579019-pat00205

    (여기서,
    Figure 112022090579019-pat00171
    는 집합의 크기 (cardinality)를 의미함)
KR1020210050758A 2020-04-20 2021-04-19 이중 빔 포밍에 기반한 간섭 완화 장치 및 방법 KR102456845B1 (ko)

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