KR102642057B1 - 정수 선형 계획법 기반 기지국 배치 방법 및 장치 - Google Patents

정수 선형 계획법 기반 기지국 배치 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

매크로 다이버시티를 고려한 최적의 기지국 배치 방법은 서비스하고자 하는 영역 내에서 기지국을 배치할 수 있는 복수의 기지국 배치 가능 위치들 및 단말이 서비스를 요구할 수 있는 복수의 서비스 요구 위치들을 정의하는 정의 단계, 상기 복수의 서비스 요구 위치 각각에서 상기 복수의 기지국 배치 가능 위치들 각각에 배치될 기지국으로부터 받는 수신 신호의 세기를 각 원소로 하는 수신 신호 세기 행렬을 생성하는 수신 신호 세기 행렬 생성 단계, 상기 수신 신호 세기 행렬의 대응하는 원소의 수신 신호의 세기를 잡음 전력으로 나눈 값인 신호 대 잡음비가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우에는 1의 값을 가지고 작은 경우에는 0의 값을 가지는 신호 대 잡음비 지표 행렬을 생성하는 지표 행렬 생성 단계 및 상기 신호 대 잡음비 지표 행렬을 기초로 기지국 배치 위치를 결정하는 배치 위치 결정 단계를 포함한다.

Description

정수 선형 계획법 기반 기지국 배치 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DEPLOYING ACCESS POINT BASED ON INTEGER LINEAR PROGRAMMING}
본 발명은 최적의 기지국 배치 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 셀프리 대규모 다중 안테나 시스템에 기반한 네트워크 내에서 매크로 다이버시티를 달성할 수 있도록 하는 정수 선형 계획법 기반 최적의 기지국 배치 방법 및 장치에 관한 것이다.
차세대 통신시스템은 5세대 이동통신 시스템의 주요 서비스 유형으로 정의되는 대규모 사물통신(massive machine type communications: mMTC), 초고신뢰·저지연 통신(ultra-reliable and low-latency communications: URLLC) 및 초광대역 이동통신(enhanced mobile broadband: eMBB) 각각의 요구 성능뿐만 아니라 두 가지 이상의 서비스 요구 성능을 동시에 달성할 수 있는 기술이 필요할 것으로 전망된다.
이를 위해 밀리미터파(millimeter wave: mmWave)와 같은 고주파 대역의 활용과 소형 셀 기지국을 고밀도로 배치하는 기술(network densification)이 주목받고 있다.
셀프리 대규모 다중 안테나(cell-free massive multiple-input multiple-output: CF mMIMO) 시스템은 셀 경계의 정의 없이 다수의 안테나(기지국)를 배치하는 네트워크 구조를 나타낸다.
구체적으로, CF mMIMO 시스템에서는 한 네트워크가 하나의 중앙 처리 유닛(central processing unit: CPU)과 고밀도로 분산하여 배치된 다수의 소형 셀 기지국(access point: AP)으로 구성된다. 이때, 모든 기지국은 CPU와 백홀로 연결되어 협력적으로 네트워크 내 단말을 서비스할 수 있다. 다수의 기지국을 배치함으로써, 네트워크 커버리지를 향상하며, 각 단말은 여러 기지국으로부터 서비스를 받을 수 있으므로, 통신 신뢰성 및 지연 성능을 향상시킬 수 있다.
그러나, 종래에는 이와 같은 CF mMIMO의 장잠에도 불구하고 아직 이러한 시스템을 위한 배치 방법은 제시되지 않았다.
기지국 배치는 무선 네트워크 계획 및 최적화(radio network planning and optimization)의 주요 요소 중 하나로써, 네트워크 구축에 필수 불가결한 요소이다.
이에 따라, 기지국 배치 및 유지보수에 따른 비용을 최소화할 수 있도록 배치되는 기지국 수는 최소화하면서, 네트워크 전 영역에서 셀프리 대규모 다중 안테나 시스템의 매크로 다이버시티를 달성할 수 있도록 하는 기술이 요구된다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기지국 배치 및 유지보수에 따른 비용을 최소화할 수 있도록 배치되는 기지국 수는 최소화하면서, 네트워크 전 영역에서 셀프리 대규모 다중 안테나 시스템의 매크로 다이버시티를 달성할 수 있도록 하는 최적의 기지국 배치 방법 및 장치를 제공하는 것이다.
한 실시예에 따르면, 매크로 다이버시티를 고려한 최적의 기지국 배치 방법이 제공된다. 상기 최적의 기지국 배치 방법은 서비스하고자 하는 영역 내에서 기지국을 배치할 수 있는 복수의 기지국 배치 가능 위치들 및 단말이 서비스를 요구할 수 있는 복수의 서비스 요구 위치들을 정의하는 정의 단계, 상기 복수의 서비스 요구 위치 각각에서 상기 복수의 기지국 배치 가능 위치들 각각에 배치될 기지국으로부터 받는 수신 신호의 세기를 각 원소로 하는 수신 신호 세기 행렬을 생성하는 수신 신호 세기 행렬 생성 단계, 상기 수신 신호 세기 행렬의 대응하는 원소의 수신 신호의 세기를 잡음 전력으로 나눈 값인 신호 대 잡음비가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우에는 1의 값을 가지고 작은 경우에는 0의 값을 가지는 신호 대 잡음비 지표 행렬을 생성하는 지표 행렬 생성 단계 및 상기 신호 대 잡음비 지표 행렬을 기초로 기지국 배치 위치를 결정하는 배치 위치 결정 단계를 포함한다.
한 실시예에 따르면, 상기 배치 위치 결정 단계는, 식 (여기서 은 매크로 다이버시티를 실현하기 위하여 상기 복수의 서비스 요구 위치 각각에서 연결되어야 하는 최소 기지국의 수이고, 는 서비스 요구 위치의 개수만큼의 1로 구성된 열벡터이고, 는 상기 복수의 기지국 배치 가능 위치 각각에 대해 기지국을 배치할 것인지를 나타내는 기지국 배치 행렬로 0과 1을 값만을 가짐)를 만족하면서 배치되는 기지국의 수가 최소가 되도록 하는 기지국 배치 행렬()을 획득하는 단계를 포함한다.
한 실시예에 따르면, 상기 최적의 기지국 배치 방법은 상기 획득한 기지국 배치 행렬()의 원소값이 1인 인덱스에 대응하는 위치에 기지국을 배치하는 단계를 더 포함한다.
한 실시예에 따르면, 상기 정의 단계는 상기 서비스하고자 하는 영역을 제1 간격을 가지는 제1 격자로 분할하고 상기 제1 격자의 격자점들을 상기 복수의 기지국 배치 가능 위치로 정의하는 단계 및 상기 서비스하고자 하는 영역을 제2 간격을 가지는 제2 격자로 분할하고 상기 제2 격자의 격자점들을 상기 복수의 서비스 요구 위치로 정의하는 단계를 포함한다.
한 실시예에 따르면, 매크로 다이버시티를 고려한 최적의 기지국 배치 장치가 제공된다. 상기 최적의 기지국 배치 장치는 서비스하고자 하는 영역 내에서 기지국을 배치할 수 있는 복수의 기지국 배치 가능 위치들 및 단말이 서비스를 요구할 수 있는 복수의 서비스 요구 위치들을 정의하는 정의부, 상기 복수의 서비스 요구 위치 각각에서 상기 복수의 기지국 배치 가능 위치들 각각에 배치될 기지국으로부터 받는 수신 신호의 세기를 각 원소로 하는 수신 신호 세기 행렬 및 상기 수신 신호 세기 행렬의 대응하는 원소의 수신 신호의 세기를 잡음 전력으로 나눈 값인 신호 대 잡음비가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우에는 1의 값을 가지고 작은 경우에는 0의 값을 가지는 신호 대 잡음비 지표 행렬를 생성하는 행렬 생성부, 상기 생성된 신호 대 잡음비 지표 행렬를 저장하는 저장부 및 상기 신호 대 잡음비 지표 행렬을 기초로 기지국 배치 위치를 결정하는 배치부를 포함한다.
한 실시예에 따르면, 상기 배치부는 식 (여기서 은 매크로 다이버시티를 실현하기 위하여 상기 복수의 서비스 요구 위치 각각에서 연결되어야 하는 최소 기지국의 수이고, 는 서비스 요구 위치의 개수만큼의 1로 구성된 열벡터이고, 는 상기 복수의 기지국 배치 가능 위치 각각에 대해 기지국을 배치할 것인지를 나타내는 기지국 배치 행렬로 0과 1을 값만을 가짐)를 만족하면서 배치되는 기지국의 수가 최소가 되도록 하는 기지국 배치 행렬()을 획득한다.
한 실시예에 따르면, 상기 배치부는 상기 획득한 기지국 배치 행렬()의 원소값이 1인 인덱스에 대응하는 위치에 기지국을 배치하도록 제어한다.
한 실시예에 따르면, 상기 정의부는 상기 서비스하고자 하는 영역을 제1 간격을 가지는 제1 격자로 분할하고 상기 제1 격자의 격자점들을 상기 복수의 기지국 배치 가능 위치로 정의하고, 상기 서비스하고자 하는 영역을 제2 간격을 가지는 제2 격자로 분할하고 상기 제2 격자의 격자점들을 상기 복수의 서비스 요구 위치로 정의한다.
본 발명은 셀프리 대규모 다중 안테나 시스템에 기반한 네트워크 내에서 최초로 제시된 매크로 다이버시티를 고려한 최적의 기지국 배치 방법이다.
모의실험을 통해 다수의 시스템 모델을 생성하고 본 발명에서 제시한 기지국 배치 방법을 적용한 결과 모든 영역에 대해 요구 조건인 임계 SNR 이상의 수신 신호 세기를 제공하는 두 개 또는 그 이상의 기지국과 링크 형성 조건을 만족하면서 배치되는 기지국의 수를 최소화할 수 있다.
배치되는 기지국의 수를 최소화하여 기지국 배치 및 유지보수에 따른 비용을 절감할 수 있고, 네트워크 전 영역에서 셀프리 대규모 다중 안테나 시스템의 매크로 다이버시티를 달성할 수 있다.
본 발명에서 제안하는 방법은 차세대 통신시스템의 유망한 기술 중 하나인 셀프리 대규모 다중 안테나(cell-free massive multiple-input multiple-output: CF mMIMO) 시스템에서 최적의 기지국 배치 기술로 활용할 수 있다.
도 1은 한 실시예에 따른 기지국 배치 장치의 블록도이다.
도 2는 한 실시예에 따른 기지국이 배치될 수 있는 임의의 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 한 실시예에 따른 모의실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 4는 한 실시예에 따른 기지국 배치 장치의 기지국 배치 방법을 도시한 흐름도이다.
도 5는 한 실시예에 따른 기지국 배치 장치의 블록도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 단말(terminal)은, 이동국(mobile station, MS), 이동 단말(mobile terminal, MT), 진보된 이동국(advanced mobile station, AMS), 고신뢰성 이동국(high reliability mobile station, HR-MS), 가입자국(subscriber station, SS), 휴대 가입자국(portable subscriber station, PSS), 접근 단말(access terminal, AT), 사용자 장비(user equipment, UE), 기계형 통신 장비(machine type communication device, MTC device) 등을 지칭할 수도 있고, MT, MS, AMS, HR-MS, SS, PSS, AT, UE 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
또한, 기지국(base station, BS)은 진보된 기지국(advanced base station, ABS), 고신뢰성 기지국(high reliability base station, HR-BS), 노드B(node B), 고도화 노드B(evolved node B, eNodeB), 접근점(access point, AP), 무선 접근국(radio access station, RAS), 송수신 기지국(base transceiver station, BTS), MMR(mobile multihop relay)-BS, 기지국 역할을 수행하는 중계기(relay station, RS), 기지국 역할을 수행하는 중계 노드(relay node, RN), 기지국 역할을 수행하는 진보된 중계기(advanced relay station, ARS), 기지국 역할을 수행하는 고신뢰성 중계기(high reliability relay station, HR-RS), 소형 기지국[펨토 기지국(femto BS), 홈 노드B(home node B, HNB), 홈 eNodeB(HeNB), 피코 기지국(pico BS), 매크로 기지국(macro BS), 마이크로 기지국(micro BS) 등] 등을 지칭할 수도 있고, ABS, 노드B, eNodeB, AP, RAS, BTS, MMR-BS, RS, RN, ARS, HR-RS, 소형 기지국 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
도 1은 한 실시예에 따른 기지국 배치 장치의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 한 실시예에 따른 기지국 배치 장치(100)는 정의부(110), 저장부(120), 행렬 생성부(130), 배치부(140)를 포함한다.
정의부(110)는 한 실시예로서, 제1 집합(
Figure 112022087430965-pat00013
)과 제2 집합(
Figure 112022087430965-pat00014
)을 정의할 수 있다. 제1 집합(
Figure 112022087430965-pat00015
)은 서비스를 제공할 영역 내에서 기지국(access point: AP)을 배치할 수 있는 위치의 집합을 정의한 것으로 기지국이 배치될 수 있는 위치를 나타내는 인덱스(index)로 구성될 수 있다. 제2 집합(
Figure 112022087430965-pat00016
)은 서비스를 제공할 영역 내에서 단말(station: STA)이 존재할 수 있는 위치의 집합을 정의한 것으로, 서비스를 요구하는 단말이 존재할 수 있는 위치를 나타내는 인덱스로 구성될 수 있다. 여기서 인덱스로 표시되는 위치는 하나의 점이 아니고 주변을 포함하는 하나의 영역을 의미할 수 있다. 한 실시예로서, 서비스를 제공할 영역 내에서 기지국을 배치할 수 없는 위치에 대하여는 인덱스를 정의하지 않을 수 있다. 또한, 유사하게 서비스가 필요하지 않은 위치, 즉 단말이 존재할 필요가 없거나 존재할 수 없는 위치에 대하여는 인덱스를 정의하지 않을 수 있다. 이에 따라, 제1 집합과 제2 집합은 다음 수학식 1 및 2와 같이 정의될 수 있다. 수학식 1에서
Figure 112022087430965-pat00017
는 기지국을 배치할 수 있는 위치의 개수이고, 수학식 2에서
Figure 112022087430965-pat00018
는 단말이 서비스를 요구할 수 있는 위치의 개수이다.
정의부(110)는 한 실시예로서, 서비스를 제공할 영역 내에서 제1 집합(
Figure 112022087430965-pat00021
)과 제2 집합(
Figure 112022087430965-pat00022
)을 정의하기 위해, 서비스를 제공할 영역을 복수의 격자 영역으로 구획하고, 복수의 격자점(grid point)을 기지국 배치 가능 위치 및 단말이 서비스를 요구할 수 있는 위치로 정의할 수 있다.
도 2는 한 실시예에 따른 기지국이 배치될 수 있는 임의의 영역을 설명하기 위한 도면이다.
도 2를 참조하면, 한 실시예로서, 서비스를 제공할 임의의 영역은 실내 공장일 수 있다. 실내 공장에는 기둥, 기계 등과 같이 무선 신호의 투과 손실을 야기하는 방해물(Blockage)이 구비될 수 있다.
도 2를 참조하면, 한 실시예로서, 정의부(110)는 서비스를 제공할 임의의 영역을 복수의 격자 영역(20)으로 구획할 수 있다. 그리고 정의부(110)는 복수의 격자점(grid point)(10)을 기지국 배치 가능 위치 및 서비스를 요구하기 위하여 단말이 존재할 수 있는 위치로 정의할 수 있다. 여기서 격자 영역은 4개의 격자점으로 구획되는 영역을 나타낼 수 있고, 각 격자 영역의 크기는 동일할 수 있다.
이때, 정의부(110)는 도 2의 예에서 설명의 용이성을 위하여 동일한 격자를 설정하여 기지국 배치 가능 위치와 단말이 서비스를 요구할 수 있는 위치를 정의하였으나, 다른 한 실시예로서, 기지국 배치 가능 위치에 대한 격자와 단말이 서비스를 요구할 수 있는 위에 대한 격자를 서로 상이하게 정의할 수 있다.
한 실시예로서, 정의부(110)는 기지국 배치 가능 위치에 대한 격자를 격자점간 제1 간격(△AP)을 가지도록 정의할 수 있다. 정의부(110)는 각각의 격자점에 대해 기지국 배치 가능 위치로서의 인덱스를 설정할 수 있다. 그리고 정의부(110)는 이러한 인덱스의 집합을 제1 집합으로 정의할 수 있다.
또한, 정의부(110)는 단말이 서비스를 요구할 수 있는 위치에 대한 격자를 격자점간 제2 간격(△STA)을 가지도록 정의할 수 있다. 정의부(110)는 각각의 격자점에 대해 단말이 서비스를 요구할 수 있는 위치로서의 인덱스를 설정할 수 있다. 그리고 정의부(110)는 이러한 인덱스의 집합을 제2 집합으로 정의할 수 있다.
저장부(120)는 한 실시예로서, 수신 신호 세기 행렬 및 신호 대 잡음비 지표 행렬을 저장하고 있을 수 있다.
여기서 수신 신호 세기 행렬 및 신호 대 잡음비 지표 행렬은 행렬 생성부(130)에 의하여 생성되어 저장부(120)에 저장된 것일 수 있다.
한 실시예로서 저장부(120)는 수신 신호 세기 행렬을 획득하고 이를 기초로 획득한 신호 대 잡음비 지표 행렬만을 저장하고 있을 수 있다.
행렬 생성부(130)는 수신 신호 세기 행렬을 생성할 수 있다.
수신 신호 세기 행렬은 한 실시예로서, 단말이 서비스를 요구할 수 있는 위치 각각에서 기지국 배치 가능 위치의 기지국으로부터 받는 수신 신호 세기를 각 원소로 포함할 수 있다.
수신 신호 세기 행렬의 j번째 행과 i번째 열이 만나는 지점에 있는 원소(
Figure 112022087430965-pat00023
)의 값은 제2 집합에 포함되어 있는 인덱스
Figure 112022087430965-pat00024
에 대응하는 위치에 있는 단말이 제1 집합에 포함되어 있는 인덱스
Figure 112022087430965-pat00025
에 대응하는 위치에 배치되는 기지국으로부터 받는 수신 신호 세기를 나타낸다.
한 실시예로서, 수신 신호 세기 행렬의 j번째 행과 i번째 열이 만나는 지점에 있는 원소(
Figure 112022087430965-pat00026
)의 값은 수학식 3을 이용하여 획득할 수 있다.
Figure 112022087430965-pat00028
는 기지국의 송신전력,
Figure 112022087430965-pat00029
는 기지국의 송신 안테나 이득,
Figure 112022087430965-pat00030
은 단말의 수신 안테나 이득,
Figure 112022087430965-pat00031
는 기지국의 i위치와 단말의 j위치 사이의 전파 손실, 소규모 페이딩 등을 고려한 채널 이득을 의미한다.
수신 신호 세기 행렬의 특정 원소의 값을 구하는 수학식 3에 포함된 각 파라미터는 실제 기지국과 단말을 배치하여 구한 것이 아니라 해당 위치에 기지국과 단말이 있다고 가정하고 시뮬레이션이나 수학적 모델링을 통해 구한 것일 수 있다.
행렬 생성부(130)는 한 실시예로서, 저장부(120)에 미리 저장되어 있거나, 미리 계산되어 임시적으로 저장되어 있는 수신 신호 세기 행렬을 바탕으로, 신호 대 잡음비 지표 행렬을 생성할 수 있다.
행렬 생성부(130)는 한 실시예로서, 수학식 4를 이용하여 신호 대 잡음비 지표 행렬(
Figure 112022087430965-pat00032
)을 생성할 수 있다.
Figure 112022087430965-pat00034
는 수신 신호 세기 행렬의 j번째 행 i번째 열의 원소,
Figure 112022087430965-pat00035
는 채널 대역폭을 고려한 잡음 전력,
Figure 112022087430965-pat00036
는 임계 신호대 잡음비를 의미한다.
신호 대 잡음비 지표 행렬의 j번째 행 i번째 열의 원소(
Figure 112022087430965-pat00037
)는 한 실시예로서, 각 원소가 1 또는 0만을 값으로 가질 수 있는데, 서비스 요구 위치 j에서 기지국 배치 가능 위치 i로부터 수신하는 수신 신호 세기(
Figure 112022087430965-pat00038
)를 채널 대역폭(
Figure 112022087430965-pat00039
)으로 나눈 신호 대 잡음비가 미리 설정된 임계값(
Figure 112022087430965-pat00040
)보다 크거나 같으면 1을 값으로 가지고, 보다 작으면 0을 값으로 가진다.
셀프리 대규모 다중 안테나(cell-free massive multiple-input multiple-output: CF mMIMO) 시스템에서 각 단말은 신뢰성 향상을 위해 동시에 두 개 이상의 기지국과 링크 관계를 형성할 수 있다. 이와 유사하게, 본 발명에서 각 단말은 높은 신호 대 잡음비(signal-to-noise ratio: SNR)를 제공하는 M개의 기지국과 상시 링크를 형성할 수 있다. 기지국 배치 완료 후, 단말은 영역 내 어떠한 위치에서도 임계 신호 대 잡음비 이상의 신호 세기를 제공하는 M개의 기지국으로부터 서비스를 받을 수 있다. 본 발명에서 제안하는 방법은 정수 선형 계획법에 기반하여 기지국을 배치함으로써 모든 서비스 요구 위치에서 M개 이상의 기지국으로부터 임계 신호 대 잡음비 이상의 신호 세기를 받을 수 있도록 하는 기지국 배치 방법일 수 있다.
한 실시예로서, 기지국 배치 가능 위치에 기지국을 배치할 것인지를 나타내는 기지국 배치 행렬(
Figure 112022087430965-pat00041
)을 정의할 수 있다. 기지국 배치 행렬(
Figure 112022087430965-pat00042
)의 i번째 원소(
Figure 112022087430965-pat00043
)는 i번째 기지국 배치 가능 위치에 기지국이 배치되는 경우 1의 값을 갖고, 그렇지 않은 경우 0의 값을 가지는 것으로 정의될 수 있다.
본 발명에서 제안하는 정수 선형 계획법의 목적함수는 주어진 도 2에 도시된 것과 같이 임의의 영역에 서비스를 제공하기 위해 배치되는 기지국의 수를 최소화하는 것이다. 즉, 목적함수는 다음 수학식 5와 같이 표현될 수 있는데, 이는 기지국 배치 행렬(
Figure 112022087430965-pat00044
)의 모든 원소를 합하면 배치할 기지국의 수가 되므로 이를 최소화한다는 것이다.
수학식 5의 목적함수를 달성함에 있어 수학식 6 내지 8의 제약조건을 만족하여야 한다.
위의 수학식 6 내지 8에서,
Figure 112022087430965-pat00049
는 j번째 단말이 서비스를 요구할 수 있는 위치와 i번째 기지국을 배치할 수 있는 위치 사이의 수신 신호 세기를 나타내고,
Figure 112022087430965-pat00050
는 채널 대역폭을 고려한 잡음 전력,
Figure 112022087430965-pat00051
는 임계 신호 대 잡음비를 의미한다.
Figure 112022087430965-pat00052
는 단말과 기지국 사이의 링크 연결 관계를 나타내며, 단말이 서비스를 요구할 수 있는 위치 중 j위치에 있는 단말이 기지국 배치 가능 위치 중 i위치에 배치되는 기지국과 링크 관계를 형성하여 서비스를 받는 경우 1의 값을 갖는다.
수학식 6을 참조하면, j위치에 있는 단말이 i위치에 기지국으로부터 서비스를 받고자 하지만(
Figure 112022087430965-pat00053
) i위치에 기지국이 배치되지 않았다면(
Figure 112022087430965-pat00054
), j위치에 있는 단말은 수학식 6을 만족할 수 없다. 따라서, 수학식 6은 j위치에 있는 단말이 i위치에 배치되는 기지국과 링크를 형성하여 서비스를 받는 경우 i위치에는 기지국이 배치되어야 한다는 제약 조건을 나타낸다.
수학식 7은 j위치에 있는 단말이 i위치에 배치되는 기지국과 링크 관계를 형성하려면 수신 신호 세기가 임계 신호 대 잡음비(SNR) 보다 큰 값을 가져야 한다는 제약 조건을 나타낸다. 링크 관계를 형성하지 않는 위치(
Figure 112022087430965-pat00055
)에 대해서는
Figure 112022087430965-pat00056
다 충분히 큰 수 G를 설정한다면, 해당 조건을 만족하므로 모든 j와 i에 대해 조건을 만족할 수 있다.
수학식 8은 단말이 최소 M개의 기지국과 링크가 연결되어야 한다는 제약 조건을 나타낸다. 파라미터(
Figure 112022087430965-pat00057
)는 j번째 서비스 요구 위치에서 i번째 기지국 배치 위치에 배치될 기지국과 링크가 연결되면 1 값을 가지고 링크가 연결되지 않으면 0값을 가지기 때문에 모든 i에 대한 합을 구하면 j번째 서비스 요구 위치에서 링크가 연결된 기지국 배치 위치의 수를 나타내고, 이 값이 M보다 커야 한다는 것은 단말이 최소 M개의 기지국과 링크가 연결되어야 한다는 제약 조건을 나타낸다.
수학식 6 내지 8의 제약조건을 만족하면서 수학식 5의 해가 되는 기지국 배치 행렬(
Figure 112022087430965-pat00058
)이 최종 해가 될 수 있다. 그리고 기지국 배치 행렬(
Figure 112022087430965-pat00059
)에서 1의 값을 가진 위치에 최종적으로 기지국이 배치될 수 있다.
본 발명에서는 수학식 4에 의해 정의되는 원소(
Figure 112022087430965-pat00060
)를 가지는 신호 대 잡음비 지표 행렬에 기초하여, 수학식 5 내지 8을 간소화할 수 있다. 즉, 수학식 4를 참조하면, 신호 대 잡음비 지표 행렬의 j번째 행 i번째 열의 원소(
Figure 112022087430965-pat00061
)는 서비스 요구 위치 j에서 기지국 배치 가능 위치 i로부터 수신하는 신호의 신호 대 잡음비가 미리 설정된 임계값(
Figure 112022087430965-pat00062
)보다 크면 1을 값으로 가지고, 보다 작으면 0을 값으로 가진다. 이를 통해 수학식 7과 8을 하나의 제약조건으로 결합할 수 있다. 그러면 수학식 6, 7 및 8의 제약조건은 다음 수학식 9 및 10으로 간소화될 수 있다. 여기서 수학식 9는 수학식 6이 간소화된 것이다.
수학식 9 및 10의 제약조건은 다음 수학식 11의 단일 제약조건으로 결합될 수 있다.
여기서,
Figure 112022087430965-pat00066
는 신호 대 잡음비 지표 행렬이고,
Figure 112022087430965-pat00067
는 기지국 배치 행렬이고,
Figure 112022087430965-pat00068
은 기준 개수, 즉 매크로 다이버시티를 실현하기 위하여 상기 복수의 서비스 요구 위치 각각에서 연결되어야 하는 최소 기지국의 수이고,
Figure 112022087430965-pat00069
는 서비스 요구 위치의 개수(
Figure 112022087430965-pat00070
)의 1로 구성된 열벡터이다.
따라서, 본 발명에서 제안하는 정수 선형 계획법은 다음 수학식 12의 해가 되는 기지국 배치 행렬(
Figure 112022087430965-pat00071
)을 찾는 것일 수 있다. 그리고 기지국 배치 행렬(
Figure 112022087430965-pat00072
)에서 1의 값을 가진 위치에 최종적으로 기지국이 배치될 수 있다.
배치부(140)는 수학식 12에 나타나 있는 정수 선형 계획법에 기초하여 서비스를 받고자 하는 영역에 배치할 기지국 배치 행렬(
Figure 112022087430965-pat00074
)의 해를 구하고 이를 기초로 최종적으로 기지국 배치 위치를 결정할 수 있다.
도 3은 한 실시예에 따른 모의실험 결과를 나타내는 도면이다.
도 3을 참조하면, 네모 도형은 기지국이 배치된 위치(11)를 나타내고, 동그라미 도형은 서비스 요구 위치 중 수학식 4의 조건은 만족한 위치(12)를 나타낸다. 모의실험에서 모든 영역은 최소한 임계 신호 대 잡음비(SNR) 이상의 수신 신호 세기를 갖는 두 개의 기지국과 연결되는 상황(M=2)을 고려했으며, 결과적으로 모든 영역에 대해 요구 조건을 만족하는 결과를 보였다.
도 4는 한 실시예에 따른 기지국 배치 장치의 기지국 배치 방법을 도시한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 한 실시예에 따른 기지국 배치 방법은 정의부(110)가 서비스하고자 하는 영역 내에서 기지국 배치 가능 위치들 및 단말의 서비스 요구 위치들을 정의하는 단계(S410), 행렬 생성부(130)가 각 서비스 요구 위치에서 기지국 배치 가능 위치의 기지국으로부터 받는 수신 신호 세기를 각 원소로 하는 수신 신호 세기 행렬을 생성하고, 생성한 수신 신호 세기 행렬을 기초로 신호 대 잡음비 지표 행렬(
Figure 112022087430965-pat00075
)을 생성하는 단계(S420) 및 배치부(140)가 신호 대 잡음비 지표 행렬(
Figure 112022087430965-pat00076
)에 기초하여 기지국 배치 위치를 결정하는 단계(S430)를 포함할 수 있다.
서비스하고자 하는 영역 내에서 기지국 배치 가능 위치들 및 단말의 서비스 요구 위치들을 정의하는 단계(S410)는 제1 집합(
Figure 112022087430965-pat00077
)과 제2 집합(
Figure 112022087430965-pat00078
)을 정의할 수 있는데, 제1 집합(
Figure 112022087430965-pat00079
)은 서비스를 제공할 영역 내에서 기지국(access point: AP)을 배치할 수 있는 위치의 집합을 정의한 것으로 수학식 1과 같이 기지국이 배치될 수 있는 위치를 나타내는 인덱스(index)로 구성될 수 있다. 제2 집합(
Figure 112022087430965-pat00080
)은 서비스를 제공할 영역 내에서 단말(station: STA)이 존재할 수 있는 위치의 집합을 정의한 것으로, 수학식 2와 같이 서비스를 요구하는 단말이 존재할 수 있는 위치를 나타내는 인덱스로 구성될 수 있다.
한 실시예에 따라, 정의부(110)는 서비스를 제공할 임의의 영역을 기지국 배치를 위한 복수의 제1 격자 영역과 단말이 서비스를 요구할 수 있는 위치에 대응되는 복수의 제2 격자 영역으로 구획하고, 격자를 형성하는 격자점을 기지국 배치 가능 위치 및 단말의 서비스 요구 위치로 설정하여 제1 집합(
Figure 112022087430965-pat00081
)과 제2 집합(
Figure 112022087430965-pat00082
)을 정의할 수 있다.
수신 신호 세기 행렬 및 신호 대 잡음비 지표 행렬(
Figure 112022087430965-pat00083
)을 생성하는 단계(S420)에서, 행렬 생성부(130)는 수학식 3에 기초하여 수신 신호 세기 행렬을 생성할 수 있다. 수학식 3은 실제 측정된 값을 사용하는 것이 아닌 이론적으로 계산된 값을 사용한 것일 수 있다. 이에 따라, 수신 신호 세기 행렬은 단말이 서비스를 요구할 수 있는 위치 각각에서 기지국 배치 가능 위치에 있는 각각의 기지국으로부터 받는 수신 신호 세기를 나타낸 것일 수 있다.
또한, 행렬 생성부(130)는 수학식 4에 기초하여 신호 대 잡음비 지표 행렬(
Figure 112022087430965-pat00084
)을 생성할 수 있다. 신호 대 잡음비 지표 행렬의 j번째 행 i번째 열의 원소(
Figure 112022087430965-pat00085
)는 서비스 요구 위치 j에서 기지국 배치 가능 위치 i로부터 수신하는 수신 신호 세기(
Figure 112022087430965-pat00086
)를 채널 대역폭(
Figure 112022087430965-pat00087
)으로 나눈 신호 대 잡음비가 미리 설정된 임계값(
Figure 112022087430965-pat00088
)보다 크면 1을 값으로 가지고, 보다 작으면 0을 값으로 가진다.
기지국 배치 위치를 결정하는 단계(S430)에서, 배치부(140)는 수학식 12에 나타나 있는 정수 선형 계획법에 기초하여 서비스를 받고자 하는 영역에 배치할 기지국 배치 행렬(
Figure 112022087430965-pat00089
)의 해를 구할 수 있다. 그리고 기지국 배치 행렬(
Figure 112022087430965-pat00090
)의 값이 1인 인덱스에 대응하는 기지국의 위치에 실제로 기지국을 배치하도록 결정할 수 있다.
도 5는 한 실시예에 따른 기지국 배치 장치의 블록도이다.
도 5를 참조하면, 한 실시예에 따른 기지국 배치 장치(700)는 일종의 컴퓨팅 장치 또는 서버일 수 있으며, 버스(720)를 통해 통신하는 프로세서(710), 메모리(730), 사용자 인터페이스 입력 장치(760), 사용자 인터페이스 출력 장치(770), 및 저장 장치(780) 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 기지국 배치 장치(700)는 또한 네트워크에 결합된 네트워크 인터페이스(790)를 포함할 수 있다. 프로세서(710)는 중앙 처리 장치(central processing unit, CPU)이거나, 또는 메모리(730) 또는 저장 장치(780)에 저장된 명령을 실행하는 반도체 장치일 수 있다. 메모리(730) 및 저장 장치(780)는 다양한 형태의 휘발성 또는 비휘발성 저장 매체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 메모리(730)는 ROM(read only memory)(731) 및 RAM(random access memory)(732)를 포함할 수 있다. 본 발명의 실시예는 컴퓨터에 구현된 방법으로서 구현되거나, 컴퓨터 실행 가능 명령이 저장된 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체로서 구현될 수 있다. 한 실시예에서, 프로세서에 의해 실행될 때, 컴퓨터 판독 가능 명령은 본 기재의 적어도 하나의 양상에 따른 방법을 수행할 수 있다.
한 실시예에 따른 기지국 배치 장치(700)는 프로세서(710) 및 메모리(730)를 포함하고, 프로세서(710)는 메모리(730)에 저장된 프로그램을 실행하여, 서비스하고자 하는 영역 내에서 기지국을 배치할 수 있는 복수의 기지국 배치 가능 위치들 및 단말이 서비스를 요구할 수 있는 복수의 서비스 요구 위치들을 정의하고, 상기 복수의 서비스 요구 위치 각각에서 상기 복수의 기지국 배치 가능 위치들 각각에 배치될 기지국으로부터 받는 수신 신호의 세기를 각 원소로 하는 수신 신호 세기 행렬을 생성하고, 상기 수신 신호 세기 행렬을 기초로 신호 대 잡음비 지표 행렬을 생성하고, 상기 생성한 신호 대 잡음비 지표 행렬에 기초하여 정수 선형 계획법에 따라 기지국 배치 위치를 결정할 수 있다. 한 실시예에 따라 정수 선형 계획법은 복수의 서비스 요구 위치에서 신호 대 잡음비가 임계값보다 큰 기지국의 위치가 미리 설정된 개수(M)이상 되도록 하면서 배치할 기지국의 수를 최소화하는 최적화 기법일 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (8)

  1. 매크로 다이버시티를 고려한 기지국 배치 방법에 있어서,
    서비스하고자 하는 영역 내에서 기지국을 배치할 수 있는 복수의 기지국 배치 가능 위치들 및 단말이 서비스를 요구할 수 있는 복수의 서비스 요구 위치들을 정의하는 정의 단계;
    상기 복수의 서비스 요구 위치 각각에서 상기 복수의 기지국 배치 가능 위치들 각각에 배치될 기지국으로부터 받는 수신 신호의 세기를 각 원소로 하는 수신 신호 세기 행렬을 생성하는 수신 신호 세기 행렬 생성 단계;
    상기 수신 신호 세기 행렬의 대응하는 원소의 수신 신호의 세기를 잡음 전력으로 나눈 값인 신호 대 잡음비가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우에는 1의 값을 가지고 작은 경우에는 0의 값을 가지는 신호 대 잡음비 지표 행렬(
    Figure 112022087430965-pat00091
    )을 생성하는 지표 행렬 생성 단계; 및
    상기 신호 대 잡음비 지표 행렬(
    Figure 112022087430965-pat00092
    )을 기초로 기지국 배치 위치를 결정하는 배치 위치 결정 단계를 포함하는, 기지국 배치 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 배치 위치 결정 단계는,
    식
    Figure 112022087430965-pat00093
    (여기서
    Figure 112022087430965-pat00094
    은 매크로 다이버시티를 실현하기 위하여 상기 복수의 서비스 요구 위치 각각에서 연결되어야 하는 최소 기지국의 수이고,
    Figure 112022087430965-pat00095
    는 서비스 요구 위치의 개수만큼의 1로 구성된 열벡터이고,
    Figure 112022087430965-pat00096
    는 상기 복수의 기지국 배치 가능 위치 각각에 대해 기지국을 배치할 것인지를 나타내는 기지국 배치 행렬로 0과 1을 값만을 가짐)를 만족하면서 배치되는 기지국의 수가 최소가 되도록 하는 기지국 배치 행렬(
    Figure 112022087430965-pat00097
    )을 획득하는 단계를 포함하는, 기지국 배치 방법.
  3. 제2항에서,
    획득한 상기 기지국 배치 행렬(
    Figure 112022087430965-pat00098
    )의 원소값이 1인 인덱스에 대응하는 위치에 기지국을 배치하는 단계를 더 포함하는, 기지국 배치 방법.
  4. 제2항에서,
    상기 정의 단계는,
    상기 서비스하고자 하는 영역을 제1 간격을 가지는 제1 격자로 분할하고 상기 제1 격자의 격자점들을 상기 복수의 기지국 배치 가능 위치로 정의하는 단계; 및
    상기 서비스하고자 하는 영역을 제2 간격을 가지는 제2 격자로 분할하고 상기 제2 격자의 격자점들을 상기 복수의 서비스 요구 위치로 정의하는 단계를 포함하는, 기지국 배치 방법.
  5. 매크로 다이버시티를 고려하여 기지국을 배치하는 기지국 배치 장치에 있어서,
    서비스하고자 하는 영역 내에서 기지국을 배치할 수 있는 복수의 기지국 배치 가능 위치들 및 단말이 서비스를 요구할 수 있는 복수의 서비스 요구 위치들을 정의하는 정의부;
    상기 복수의 서비스 요구 위치 각각에서 상기 복수의 기지국 배치 가능 위치들 각각에 배치될 기지국으로부터 받는 수신 신호의 세기를 각 원소로 하는 수신 신호 세기 행렬 및 상기 수신 신호 세기 행렬의 대응하는 원소의 수신 신호의 세기를 잡음 전력으로 나눈 값인 신호 대 잡음비가 미리 설정된 임계값보다 큰 경우에는 1의 값을 가지고 작은 경우에는 0의 값을 가지는 신호 대 잡음비 지표 행렬(
    Figure 112022087430965-pat00099
    )을 생성하는 행렬 생성부;
    상기 생성된 신호 대 잡음비 지표 행렬(
    Figure 112022087430965-pat00100
    )를 저장하는 저장부; 및
    상기 신호 대 잡음비 지표 행렬(
    Figure 112022087430965-pat00101
    )을 기초로 기지국 배치 위치를 결정하는 배치부를 포함하는, 기지국 배치 장치.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 배치부는,
    식
    Figure 112022087430965-pat00102
    (여기서
    Figure 112022087430965-pat00103
    은 매크로 다이버시티를 실현하기 위하여 상기 복수의 서비스 요구 위치 각각에서 연결되어야 하는 최소 기지국의 수이고,
    Figure 112022087430965-pat00104
    는 서비스 요구 위치의 개수만큼의 1로 구성된 열벡터이고,
    Figure 112022087430965-pat00105
    는 상기 복수의 기지국 배치 가능 위치 각각에 대해 기지국을 배치할 것인지를 나타내는 기지국 배치 행렬로 0과 1을 값만을 가짐)를 만족하면서 배치되는 기지국의 수가 최소가 되도록 하는 기지국 배치 행렬(
    Figure 112022087430965-pat00106
    )을 획득하는, 기지국 배치 장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 배치부는,
    획득한 상기 기지국 배치 행렬(
    Figure 112022087430965-pat00107
    )의 원소값이 1인 인덱스에 대응하는 위치에 기지국을 배치하도록 제어하는, 기지국 배치 장치.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 정의부는,
    상기 서비스하고자 하는 영역을 제1 간격을 가지는 제1 격자로 분할하고 상기 제1 격자의 격자점들을 상기 복수의 기지국 배치 가능 위치로 정의하고,
    상기 서비스하고자 하는 영역을 제2 간격을 가지는 제2 격자로 분할하고 상기 제2 격자의 격자점들을 상기 복수의 서비스 요구 위치로 정의하는, 기지국 배치 장치.
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