KR20100086633A - 부분 주파수 재사용을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 전송전력을 할당하기 위한 방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 부분 주파수 재사용을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 전송전력을 할당하기 위한 방법 및 장치에 관한 것으로, 부분 주파수 재사용을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 전송전력을 할당하기 위한 방법은, 인접 셀간 간섭 변화를 최소화하기 위한 전력제어 주기를 확인하는 과정과, 상기 전력제어 주기에, 주파수 재사용에 따른 잉여 전력을 조절하는 과정을 포함하여, 부분 주파수 재사용으로 인한 잉여 전력을 분배하도록 하여 주파수 사용 효율을 향상시킬 수 있다.

부분 주파수 재사용률, 전력제어. CQI, CINR.

Description

부분 주파수 재사용을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 전송전력을 할당하기 위한 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ALLOCATING TRANSMISSION POWER IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM BASED ON FRACTIONAL FREQUENCY REUSE}

본 발명은 전력제어에 관한 것으로, 특히 부분 주파수 재사용을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 효율적으로 전송전력을 할당하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

일반적으로 셀룰러 무선통신 시스템에서는 한정된 주파수 자원을 효율적으로 사용하기 위하여 공간적으로 떨어진 두 지역에서 같은 주파수 자원을 사용하도록 하고 있다. 즉, 동일 주파수는 일정 거리를 두고 재사용되는데 이를 주파수 재사용(frequency reuse)이라 칭한다. 다시 말해, 주파수 재사용은 동일한 주파수가 몇 개의 셀마다 다시 사용되는지를 나타내는 값이다. 상기 주파수 재사용이 클수록 동일한 주파수를 사용하는 셀간 거리가 커지게 되어 동일한 주파수 사용으로 인한 간섭의 영향이 적어진다.

한편 최근의 무선 이동통신 시스템에서는 한정된 무선 자원을 보다 효율적으로 활용하고 또한 망 설계의 용이성 등을 고려하여 모든 주파수를 모든 셀에서 동시에 사용하도록 하는 주파수 재사용 1을 적용하고 있다. 즉, 모든 셀에서 동일한 주파수 자원을 사용함으로써, 각 셀의 경계지역에 위치한 사용자 단말은 낮은 신호대 간섭비로 인해 성능저하가 발생하기 때문에 이를 보완하기 위해 부분 주파수 재사용(Fractional Frequency Reuse: 이하 "FFR"라 칭함) 기법을 도입하고 있다. 상기 FFR 기법은 주파수 효율을 높이기 위해 주파수 재사용 "1"을 사용하여, 발생하는 인접 셀간 동일 채널 간섭(Co-Channel Interference: CCI)을 줄이기 위한 기법이다.

도 1은 FFR을 기반으로 하는 셀룰러 시스템의 자원 사용을 개략적으로 도시한 것이다.

상기 도 1을 참조하면, 각 셀의 중심 지역에서는 주파수 재사용 1인 F1을 모든 셀에서 사용하며, 각 셀 외곽에서는 나머지 주파수 재사용 3인 F2, F3 및 F4을 선택적으로 사용하도록 하여 동일채널 간섭 영향을 줄이도록 하고 있다.

예를 들어, OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템은 다수 부반송파를 통해 통신을 수행하는데, 다수 부반송파를 그룹으로 구분하여(F1, F2, F3, F4), F1은 주파수 재사용 1로 사용하고, F2, F3, F4은 주파수 재사용 3으로 사용할 수 있다.

도 2는 주파수 재사용 1인 영역과 주파수 재사용 3인 영역에서 각 영역별 전송 전력을 조절하여 부분 주파수 재사용을 적용하는 예를 보인 것이다.

상기 도 2 (a)를 참조하면, 주파수 재사용 1 영역에서는 모든 기지국이 전력을 사용하고, 주파수 재사용 3 영역에서는 CCI를 고려하여 일부만 사용하고 나머지는 비워두는 것이다. 예를 들어, 주파수 재사용 3 영역에서 BS1은 F2를 사용하고 F3, F4를 사용하지 않고, BS2는 F3을 사용하고 F2, F4을 사용하지 않고, BS3은 F2를 사용하고 F1, F3을 사용하지 않는다. 이를 Hard FFR 칭한다.

상기 도 2 (b)를 참조하면, 주파수 재사용 1 영역에서는 모든 기지국이 전력을 사용하고, 마찬가지로 주파수 재사용 3 영역에서 모두 다 사용하되 CCI에 따른 영향을 줄이기 위해 일부 영역에서는 상대적으로 낮은 전송 전력을 갖도록 전력을 조절한다. 이를 Soft FFR라 칭한다. 예를 들어, 주파수 재사용 3 영역에서, BS1은 F2를 사용하고 또한 F2에 상대적으로 낮은 전송 전력을 갖는 F3, F4를 사용한다. BS2는 F3를 사용하고 또한 F3에 상대적으로 낮은 전송 전력을 갖는 F2, F4를 사용한다. 그리고 BS3는 F4를 사용하고 또한 F4에 상대적으로 낮은 전송 전력을 갖는 F2, F3을 사용한다.

상술한 바와 같이, FFR 기법에서는 셀의 경계지역에서의 수신 성능을 보장하기 위해 각 셀이 전체 주파수 자원 중 일부를 사용하지 않고 비워 두거나 또는 낮은 전력으로 사용한다. 기지국은 이때 발생하게 되는 잉여 전력을 주파수 재사용 1 또는 주파수 재사용 3인 영역에서 활용할 수 있으며, 이를 통해 신호 품질의 개선 및 셀의 서비스 커버리지 확장 등이 가능하게 된다. 이를 위해서, FFR 기법에서 잉여 전력을 효율적으로 사용하기 위한 방법 및 장치가 필요하다.

한편, 인접한 셀끼리 동일한 시간에 전력 조절을 수행하는 경우, 인접 셀간 간섭의 변화를 예측하기 어려워 FFR 기법에 따른 잉여 전력을 효율적으로 사용하기 어렵다.

본 발명의 목적은 부분 주파수 재사용을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 전송전력을 할당하기 위한 방법 및 장치를 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 부분 주파수 재사용을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 인접 셀로부터의 간섭을 최소화하기 위한 방법 및 장치를 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 부분 주파수 재사용을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 전송전력을 할당하기 위한 방법에 있어서, 인접 셀간 간섭 변화를 최소화하기 위한 전력제어 주기를 확인하는 과정과, 상기 전력제어 주기에, 주파수 재사용에 따른 잉여 전력을 조절하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 부분 주파수 재사용을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 전송전력을 할당하기 위한 장치에 있어서, 인접 셀간 간섭 변화를 최소화하기 위한 전력제어 주기를 확인하는 예비 스케줄러와, 상기 전력제어 주기에, 주파수 재사용에 따른 잉여 전력을 조절하는 전력분배 조절기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이, 부분 주파수 재사용을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 인접 셀들이 서로 다른 시간에 전력제어를 수행함으로써, 인접 셀로부터의 간섭을 최소화할 수 있다. 또한, 부분 주파수 재사용으로 인한 잉여 전력을 분배하도록 하여 주파수 사용 효율을 향상시킬 수 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명은 부분 주파수 재사용(Fractional Frequency Reuse: 이하 "FFR"라 칭함)을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 인접 셀간 동일채널 간섭(Co-Channel Interference: CCI)을 줄이기 위해 각 셀이 사용하지 않고 비워두는 영역(예: 부반송파)으로 인해 발생하게 되는 잉여 전력의 활용 방안에 대한 것이다.

이하, 본 발명은 FFR을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 전송전력을 할당 하기 위한 방법 및 장치에 대해 설명하기로 한다.

설명의 이해를 돕기 위해서, FFR이 적용된 시스템에서 주파수 재사용 1 영역과 주파수 재사용 3인 영역에서 사용하는 전송 전력의 분배 비율을 조절하는 예를 들어 설명할 것이다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 FFR을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 인접 셀로부터의 간섭 변화에 따른 영향을 최소화하기 위한 전력제어 주기 예를 도시하고 있다.

주파수 재사용에 따른 전력분배를 할 시, 인접 셀 간섭 영향을 유지하도록 하기 위해서, 인접한 기지국들은 서로 다른 시간에 전력조절을 수행하도록 하면서 동시에 전력조절을 수행하는 기지국의 수를 줄이도록 해야 한다.

만약, 인접한 셀이 서로 같은 시간에 전력 조절을 수행하는 경우 매 프레임마다 간섭 신호의 크기가 급변하게 되므로 오히려 전력 조절에 의한 부작용이 커지게 되는 우려가 있다.

예를 들어, 각 셀의 전력 조절 주기를 3 프레임(주파수 재사용 3에 결정됨)으로 가정하였을 때, N번째 프레임에서 {0, 7, 9, 11, 13, 15, 17} 기지국이 전력 조절을 수행하고 나머지 기지국들은 이전 N-1번째 프레임에서의 전송 전력을 그대로 유지한다. 그리고 N+1번째 프레임에서는 {1, 3, 5, 10, 14, 18} 기지국이 전력 조절을 수행하고 나머지 기지국들은 이전 N번째 프레임에서의 전송 전력을 그대로 유지한다. 마찬가지로 N+2번째 프레임에서는 {2, 4, 6, 8, 12, 16} 기지국이 전력 조절을 수행하고 나머지 기지국들은 N+1번째 프레임에서의 전송 전력을 그대로 유지한다. 다시 N+3번째 프레임에서는 N번째 프레임에서와 마찬가지로 {0, 7, 9, 11, 13, 15, 17} 기지국들이 전력 조절을 수행하며, 이와 같은 과정을 순환 반복하도록 한다.

만약, 각 셀의 전력 조절 주기를 3보다 더 큰 값으로 적용하게 되면 개별 기지국의 전력조절 주기는 길어져서, 채널변화에 따라 전력제어를 빠르게 수행할 수 없지만, 전력을 조절하는 인접 셀의 수가 줄어들게 되므로 인접 셀로부터의 간섭영향을 최소화할 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 FFR을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 인접 셀로부터의 간섭을 최소화하기 위한 전송전력을 할당하기 위한 흐름도를 도시하고 있다.

도 4를 참조하면, 기지국은 400 단계에서 주파수 재사용 계수에 따른 CQI (Channel Quality Indicator) 값을 해당 단말들로부터 수신한다.

이후, 상기 기지국은 402 단계에서 주파수 재사용 영역에 따른 전력분배가 필요한지를 판단한다. 예를 들어, 셀 내 단말의 분포 및 개별 사용자 단말의 QoS(Quality of Service) 조건 등에 따라 주파수 재사용 영역에 따른 전력분배를 결정할 수 있다.

이후, 상기 기지국은 404 단계에서 인접 셀 간섭에 따른 전력조절 주기를 확인한다. 예를 들면, 상기 도 3에서 주파수 재사용 3을 사용하는 경우, N번째 프레 임에서 {0, 7, 9, 11, 13, 15, 17} 기지국이 전력조절을 수행하고, N+1번째 프레임에서는 {1, 3, 5, 10, 14, 18} 기지국이 전력조절을 수행하고, N+2번째 프레임에서는 {2, 4, 6, 8, 12, 16} 기지국이 전력조절을 수행함으로써, 인접 셀로부터의 간섭영향을 최소화할 수 있다. 상기 인접 셀 간섭에 따른 전력조절 주기는 운용자에 의해 기정의될 수 있으며, 또는 기지국과 협상을 통해 결정될 수 있다.

이후, 상기 기지국은 406 단계에서 해당 주기에 408 단계로 진행하여 전력제어를 수행한다.

예를 들어, 도 6에서와 같이 해당 기지국의 n번째 프레임에서 각 주파수 재사용 영역(reuse partition)에서의 전송 전력을 p_{n ,1}, p_{n ,2}, p_{n ,3}, p_{n ,4} 라고 하면 각 영역에서의 전송 전력의 합은 하기 <수학식 1>처럼 기지국의 전체 전송 전력 P 와 같다. 한편, F3와 F4 영역의 경우 인접한 타 기지국에서 주파수 재사용 3 영역으로 사용하고 있는 영역에 해당하며, 별도의 전력 조절 과정을 통해 전송 전력이 결정된다.

각 주파수 재사용 영역에서 전송 전력의 조절에 따른 CINR(Carrier-to-Interference-plus-Noise-Ratio) 값의 변화는 하기 <수학식 2>, <수학식 3>과 같이 근사화할 수 있다. 예를 들어, F1에서 전송 전력을 Δp[Watt] 만큼 낮추고 Δp 만큼의 전력을 F2 영역에 할당한다고 가정하면 F1 영역에서 사용자 단말의 CINR의 크 기는 인접 셀 간섭 영향이 그대로 유지된다고 가정하였을 때(상기 도 3에처럼 인접 기지국이 다른 시점에 전력제어를 수행함으로써 인접 셀 간섭 영양이 유지된다고 가정할 수 있음) 하기 <수학식 2>와 같이 표현된다.

여기서, BW(x)는 x 영역의 대역폭을 나타낸다. F1으로부터의 잉여 전력 Δp을 F2 영역에서 사용할 경우, 사용자 단말의 CINR 크기는 하기 <수학식 3>와 같이 표현된다.

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 FFR을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 인접 셀로부터의 간섭을 최소화하기 위한 전송전력을 할당하기 위한 장치를 도시하고 있다.

상기 도 5를 참조하면, 기지국은 CQI 피드백 처리기(500), 전력 분배제어기(502), 스케줄러(504), 전송전력 조절기(506), 예비 스케줄러(508)로 구성된다.

상기 CQI 피드백 처리기(500)는 셀 내 활성된(active) 상태인 개별 단말로부 터 주파수 재사용 1 영역 및 주파수 재사용 N 영역의 CQI 값을 보고받고, 이를 전력분배 제어기(502)로 제공한다.

상기 전력 분배제어기(502)는 주파수 재사용 1인 영역과 주파수 재사용 N인 영역의 전송전력을 결정한다. 상기 전력 분배제어기(502)는 셀 내 단말의 분포 및 개별 사용자 단말의 QoS(Quality of Service) 조건 등에 따라 주파수 재사용 영역에 따른 전력분배를 결정할 수 있다.

상기 스케줄러(504)는 결정된 전송 전력에 따라 개별 사용자 단말들을 스케줄링하며 상기 전송전력 조절기(506)는 상기 전력 분배제어기(502)에서 결정된 전송 전력에 맞게 전송 전력을 조절한다.

상기 전력 분배제어기(502) 및 상기 예비 스케줄러(508)는 다음과 같은 절차를 통해 F1과 F2 영역에서의 전송 전력을 결정한다.

먼저, 상기 예비 스케줄러(508)는 이전 프레임(n-1번째)의 전송전력을 기준으로 F1과 F2에 할당될 단말을 선택한 후 변경된 전송전력을 반영한 CQI 값을 이용하여 할당 MCS(Modulation & Coding Scheme) 레벨 및 대역폭 산출을 수행한다.

이후, 상기 전력 분배제어기(502)는 결정된 전력할당에 따른 예상 주파수 효율 값 (T_ori)을 계산하고, T_select = T_ori 으로 초기화한다.

이후, 상기 전력 분배제어기(502)는 인접 셀 간섭에 따른 전력조절 주기에 F1의 전송 전력을 일정 크기(Δp_TX)만큼 낮추고, 그 만큼의 전력을 F2 영역에 할당 한다.

상기 예비 스케줄러(508)는 F1과 F2에 할당될 단말을 선택 및 변경된 전송 전력을 반영한 CQI 값을 이용하여 할당 MCS 레벨 및 대역폭 산출한다.

이후, 결정된 전력할당에 따른 예상 주파수 효율 값 (T_new)을 계산하고, T_new > T_select 이고 아이들(idle) 단말이 발생하지 않으면 T_new = T_select로 변경하고, Δp_{F1 ,} Δp_F2를 저장한다.

이후, 위의 과정을 M 번 반복 수행한다.

반면, 인접 셀 간섭에 따른 전력조절 주기에 F1의 전송 전력을 일정 크기(Δp_TX)만큼 높이고 그 만큼의 전력을 F1에서 낮춘다.

상기 예비 스케줄러(508)는 F1과 F2에 할당될 단말을 선택 및 변경된 전송 전력을 반영한 CQI 값을 이용하여 할당 MCS 레벨 및 대역폭 산출하고, 전력할당에 따른 예상 주파수 효율 값(T_new) 계산한다.

T_new > T_select 이고 아이들(idle) 단말이 발생하지 않으면 T_new = T_select로 변경, Δp_{F1 ,} Δp_F2를 저장한다.

이후, 위의 과정을 M 번 반복 수행한다.

결정된 전송 전력 변경 값 Δp_{F1 ,} 과Δp_F2 값을 스케줄러(504) 및 전송전력 조절기(506)로 전달한다.

이상의 전력 조절 과정에서 Δp_TX의 절대 값과 전력 조절 과정의 반복 횟수 (M) 값을 조절하여 프레임당 전력 조절의 최대 범위를 조절할 수 있게 된다.

상기 전력 분배 제어기(502)에서 결정된 전송 전력 조절값을 바탕으로 기지국 스케줄러(504)는 단말에 대해 스케줄링 과정을 수행하며, 최종적으로 조절된 전송 전력으로 신호를 송신하게 된다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 FFR을 기반으로 하는 셀룰러 시스템의 자원 사용 예시도,

도 2는 주파수 재사용 1인 영역과 주파수 재사용 3인 영역에서 각 영역별 전송 전력을 조절하여 부분 주파수 재사용을 적용하는 예시도,

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 FFR을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 인접 셀로부터의 간섭 변화에 따른 영향을 최소화하기 위한 전력제어 주기 예시도,

도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 FFR을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 인접 셀로부터의 간섭을 최소화하기 위한 전송전력을 할당하기 위한 흐름도,

도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 FFR을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 인접 셀로부터의 간섭을 최소화하기 위한 전송전력을 할당하기 위한 장치도 및,

도 6은 해당 기지국의 n번째 프레임에서 각 주파수 재사용 영역에 따른 전력분배 예시도.

Claims (10)

1. 부분 주파수 재사용을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 전송전력을 할당하기 위한 방법에 있어서,

   인접 셀간 간섭 변화를 최소화하기 위한 전력제어 주기를 확인하는 과정과,

   상기 전력제어 주기에, 주파수 재사용에 따른 잉여 전력을 조절하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전력제어 주기는 상기 주파수 재사용을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 전력제어 주기는 인접 셀들간 전력제어 시점이 상이하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1항에 있어서,

   상기 주파수 재사용에 따른 잉여 전력을 조절하는 과정은,

   이전 프레임에 할당된 전력에 따른 해당 단말의 CQI 값을 이용하여 제 1 MCS 레벨 및 대역폭을 산출하는 과정과,

   상기 주파수 재사용에 따른 잉여 전력을 적어도 하나 이상의 주파수 대역으로 할당한 후, 해당 단말의 CQI 값을 이용하여 제 2 MCS 레벨 및 대역폭을 산출하는 과정과,

   상기 제 1 MCS 레벨 및 대역폭과 상기 제 2 MCS 레벨 및 대역폭을 비교하여 잉여 전력을 갱신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제 4항에 있어서,

   상기 주파수 재사용에 따른 잉여 전력을 조절하는 과정은,

   반복수행되어 잉여 전력을 갱신하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 부분 주파수 재사용을 기반으로 하는 무선통신 시스템에서 전송전력을 할당하기 위한 장치에 있어서,

   인접 셀간 간섭 변화를 최소화하기 위한 전력제어 주기를 확인하는 예비 스케줄러와,

   상기 전력제어 주기에, 주파수 재사용에 따른 잉여 전력을 조절하는 전력분 배 조절기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 6항에 있어서,

   상기 전력제어 주기는 상기 주파수 재사용을 고려하여 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.
8. 제 6항에 있어서,

   상기 전력제어 주기는 인접 셀들간 전력제어 시점이 상이하도록 결정되는 것을 특징으로 하는 장치.
9. 제 6항에 있어서,

   상기 전력분배 조절기는

   이전 프레임에 할당된 전력에 따른 해당 단말의 CQI 값을 이용하여 제 1 MCS 레벨 및 대역폭을 산출하고,

   상기 주파수 재사용에 따른 잉여 전력을 적어도 하나 이상의 주파수 대역으로 할당한 후, 해당 단말의 CQI 값을 이용하여 제 2 MCS 레벨 및 대역폭을 산출하고,

   상기 제 1 MCS 레벨 및 대역폭과 상기 제 2 MCS 레벨 및 대역폭을 비교하여 잉여 전력을 갱신하는 것을 특징으로 하는 장치.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 전력분배 조절기는 상기 주파수 재사용에 따른 잉여 전력조절을 반복수행되어 잉여 전력을 갱신하는 것을 특징으로 하는 장치.

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