KR20100123550A - 통신 시스템에서 중첩 셀 간의 간섭을 고려한 자원 할당 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 다중 기반 통신 시스템에서 외부셀과 펨토셀이 중첩된 네트워크 환경에서의 펨토셀 내 자원 할당 방법 및 장치에 관한 것이다.

본 발명에 따르면 상/하향 링크가 구분된 시스템의 상향링크에서 외부셀 이동국에 할당된 자원을 펨토셀 내에서 재사용함으로써, 주파수 효율을 향상시키고 전체 네트워크 용량을 증가시킬 수 있다.

또한 본 발명에서는 펨토셀 내 고속 데이터 서비스 지원을 위해 외부셀 상향링크 구간에서 펨토셀 상/하향링크 동시 지원으로 확장 가능하고, 본 발명은 상용망에서 뿐만아니라 군 전술 환경에서도 응용할 수 있다.

Description

통신 시스템에서 중첩 셀 간의 간섭을 고려한 자원 할당 방법{Method for Resource Allocation considering Overlaid-cell Interference in Communication System}

본 발명은 통신 시스템에서 자원 할당 방법 및 장치에 관한 것으로, 특히 하나의 외부셀(Macrocell) 내에 다수의 펨토셀(Femtocell)이 존재하는 통신 시스템에서 외부셀 및 인접 펨토셀 과의 간섭을 고려하여 상향링크(UL: Uplink)의 자원을 펨토셀 이동국(Femto-MS: Mobile Station)에게 할당하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

또한 본 발명은 지식경제부의 대학 IT 연구센터 육성 지원 사업의 일환으로 정보통신연구진흥원이 주관하는 연구사업을 수행한 결과로부터 도출된 것이다[과제관리번호: IITA-2009-C1090-0902-0003, 과제명: 국방 IT 전술통신 기술 연구].

오늘날 이동통신 기술은 기존의 음성 중심의 서비스에서 벗어나 고속 데이터 서비스 지원을 위한 기술 개발이 진행되고 있다. 차세대 이동통신 기술 개발을 위해 3GPP LTE, Mobile WiMAX 등이 경쟁하는 가운데, 한정된 채널 용량을 보다 효율적으로 사용하기 위한 기술로 펨토셀(Femtocell)이 각광을 받고 있다.

펨토셀은 실내 커버리지(coverage)를 확장하고 통화 품질을 향상시키며 단말의 파워소비를 절약할 수 있는 방식으로서, 가정이나 사무실 등의 실내에서 사용되는 초소형 이동통신용 기지국이다. 1000조분의 1을 의미하는 ‘펨토’와 이동통신에서 한개의 기지국이 담당하는 서비스 구역 단위를 뜻하는 ‘셀’의 합성어인 펨토셀은, 사용자가 댁내 유선IP 망에 초소형 기지국을 연결하여 4-5명 내외의 소수 사용자에게 음성뿐만 아니라 고속 데이터 서비스를 지원할 수 있는 기술이다.

사업자 측면에서의 네트워크 구축비용 절감, 다양한 유무선 융합 서비스 지원 가능 등의 많은 장점을 갖지만, 외부셀과 동일한 주파수 대역을 사용하는 특성으로 인해 셀 간 간섭 문제가 성능에 영향을 미치는 큰 요소로 다루어 진다.

기존 소형 기지국을 갖는 피코셀(Picocell)과 마이크로셀(Microcell) 등에서는 관리상의 편의를 이유로 주파수 대역을 분리하여 사용하는 방식으로 자원 할당이 이루어져 왔다. 그러나 최근에는 주파수 사용 효율 측면과 핸드오버(Hand-over) 등의 문제로 동일 주파수 대역을 공유하여 자원 할당을 하고자 하는 연구가 진행되고 있지만, 완벽하게 동일한 주파수 대역을 외부셀과 펨토셀이 함께 공유하여 사용하는 기술은 아직 부족하다. 특히, 본 발명에서 고려하는 직교 주파수 분할 다중(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기반 시스템에서의 펨토셀 관련 연구는 미비한 실정이다.

본 발명의 목적은 직교 주파수 분할 다중 기반 시스템에서 펨토셀을 적용함에 있어서, 중첩 셀 간의 간섭을 최소로 하는 자원 할당 방식을 제시하여 외부셀과 동일한 주파수 자원을 펨토셀 내에서 재사용함으로써 주파수 효율을 향상시키고 네트워크 용량을 증가시키는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 방법은 직교 주파수 분할 다중 기반의 외부셀과 내부셀이 중첩된 네트워크 환경에서 상기 내부셀의 기지국에서 주파수 자원을 할당하는 방법에 있어서, 적어도 하나 이상의 부채널(sub channel)별로 수신되는 간섭 신호를 계산하는 단계와; 복호가능한 최대 간섭 신호 크기를 나타내는 간섭 신호 임계치를 산출하는 단계와; 상기 산출된 간섭 신호 임계치보다 간섭 신호의 크기가 작은 적어도 하나 이상의 제1 부채널을 포함하는 부채널 세트를 구성하는 단계와; 상기 구성된 부채널 세트를 이용하여 상기 내부셀 내에 위치한 제1 이동국(mobile station)에게 주파수 자원을 할당하는 단계를 포함한다.

상기 구성된 부채널 세트는 상기 외부셀 내에 위치한 제2 이동국에 할당된 상향 또는 하향 링크의 제2 부채널 자원을 포함하며, 상기 내부셀 내에 위치한 제1 이동국은 상기 포함된 제2 부채널의 주파수 자원을 재사용하는 것이 바람직하다.

상기 구성된 부채널 세트의 크기에 맞는 사용 가능한 확산 코드(spread code)를 선택하는 단계와; 상기 선택된 확산 코드를 상기 내부셀 내에 위치한 제1 이동국에게 할당하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

고속 데이터 전송 서비스를 제공하기 위하여 상기 외부셀의 상향링크 구간 내에서 상기 내부셀의 상향 및 하향 링크를 동시에 확장 지원하는 것이 바람직하다.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 도면에 기재된 내용을 참조하여야 한다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

본 발명의 환경은 하나의 외부셀 영역 내에 다수의 펨토셀 기지국 및 외부셀 이동국, 펨토셀 이동국이 존재하고, 외부셀과 펨토셀은 하나의 공통된 주파수 자원을 사용하여 각각의 이동국과 통신을 하는 시스템이다. 외부셀 기지국과 펨토셀 기지국은 백본망을 통해 연결되어 있어 기지국간 데이터를 송/수신이 가능하다. 본 발명은 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA: Orthogonal Frequency Division Multiple Access)과 OFDM-TDMA 등과 같이 직교 주파수 분할 다중 기반 시스템에서, 주파수 분할 다중(FDD: Frequency Division Duplex)이나 시간 분할 다중(TDD: Time Division Duplex)과 같이 상/하향링크가 구분된 시스템에서 적용이 가능하다. 본 발명에서는 직교 주파수 분할 다중 접속 기반, 시간 분할 다중 시스템의 상향링크에서의 자원 할당을 예로 설명한다(물론 하향링크에서의 자원 할당에서도 적용 가능하다). 외부셀 이동국에는 이미 부채널(Sub channel) 자원 할당이 이루어져 있어 통신이 가능하고, 본 발명에서는 펨토셀 내에서 펨토셀 이동국에 대한 자원 할당만을 고려한다.

본 발명의 구성요소는 다음과 같다.

- 외부셀(Macrocell): 외부셀 기지국에 의해 제공되는 통신 가능 영역, 반경은 약 1km 정도이다.

- 펨토셀(Femtocell): 펨토셀 기지국에 의해 제공되는 통신 가능 영역, 반경은 약 30m 이내이다.

- 외부셀 기지국(Macro-BS: Base Station): 외부셀 이동국과 데이터를 송/수신한다.

- 펨토셀 기지국(Femto-AP: Access Point): 펨토셀 이동국과 데이터를 송/수신한다.

- 외부셀 이동국(Macro-MS: Mobile Station): 외부셀 사용자가 통신을 위해 소지하는 단말로 외부셀 기지국과 데이터를 송/수신한다.

- 펨토셀 이동국(Femto-SS: Subscriber Station): 펨토셀 사용자가 통신을 위해 소지하는 단말로 펨토셀 기지국과 데이터를 송/수신한다.

- 백본망(Backbone Network): 외부셀 기지국과 펨토셀 기지국은 유선 IP 망으로 이루어진 백본망으로 연결된다.

- 원 신호(Desired Signal): 상향링크시 이동국이 기지국으로 송신한 신호이다.

- 간섭 신호(Interference Signal): 상향링크시 이동국이 송신한 신호가 같 은 자원을 사용하고 있는 인접 외부셀 기지국이나 펨토셀 기지국으로 영향을 미치는 신호이다.

도 1은 본 발명에서 고려하는 외부셀(100)과 펨토셀(110-140)이 중첩된 네트워크에 대한 구조 및 상향링크 간섭 시나리오를 나타낸다.

외부셀(100) 영역에 위치한 외부셀 이동국(102)은 이미 상향링크 부채널 자원을 할당받고 외부셀 기지국(101)으로 데이터를 전송한다. 이때, 펨토셀(예:120) 내에 위치한 펨토셀 이동국(예:122)이 동일한 부채널 자원을 펨토셀 기지국(예:121)으로부터 할당받아 데이터를 전송하게 되면 외부셀 기지국(101)과 인접 펨토셀 기지국(예:111)으로 간섭 신호를 발생시키게 된다. 수신하는 펨토셀 기지국(예:121) 또한 동일한 부채널 자원을 사용하는 외부셀 이동국(102)과 인접 펨토셀 이동국(132, 142)으로부터 간섭 신호를 수신하게 된다. 본 발명에서는 이러한 두 종류의 간섭 신호를 완화시키는 자원 할당 방법을 제시하여 간섭량을 줄이고 자원 재사용을 통한 주파수 효율을 향상시켜 전체 네트워크 용량을 증가시키고자 한다.

본 발명에서 고려하는 간섭 신호의 종류는 다음과 같다.

- 펨토셀로 들어오는 간섭 신호(Incoming Interference to Femtocell): 동일한 부채널 자원을 사용하는 외부셀 이동국과 인접 펨토셀 이동국에서 송신한 신호로, 목표(Target) 펨토셀 이동국의 신호 수신에 영향을 미치는 간섭 신호이다.

- 펨토셀에서 나가는 간섭 신호(Outgoing Interference from Femtocell): 목표 펨토셀 이동국에서 송신한 신호로, 동일한 부채널 자원을 사용하는 외부셀 이동국과 인접 펨토셀 이동국의 신호 수신에 영향을 미치는 간섭 신호이다.

본 발명에서 제시하는 자원 할당 방법은 크게 두 가지로 구성이 된다. 먼저, 펨토셀로 들어오는 간섭 신호를 완화시키기 위해서 펨토셀 기지국은 부채널별 수신되는 간섭 신호를 계산하여 해당 펨토셀 내에서 사용 가능한 부채널 선택하여 사용한다. 두 번째로, 펨토셀 기지국은 부채널 크기에 맞는 사용 가능한 확산 코드(Spreading Code)를 할당하여 주파수 축으로의 파워(power) 확산을 통해 펨토셀에서 나가는 간섭 신호를 줄인다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 주파수 자원 할당 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.

외부셀 기지국은 기존의 방법과 동일하게 외부셀 이동국에게 자원 할당을 하고 데이터를 송/수신하고, 본 발명에서는 펨토셀 기지국이 자체적으로 간섭량 계산을 통해 사용 가능한 부채널 및 코드를 선택하여 펨토셀 이동국에게 자원 할당 과정을 수행한다.

먼저, 펨토셀로 들어오는 간섭 신호를 완화시키기 위해서 펨토셀 기지국은 부채널 별 간섭 신호의 크기를 측정하여(210), 사용 가능한 부채널 세트를 구성한다(220). 부채널 별 간섭 신호의 크기를 알기 위해서 펨토셀 기지국은 실제로 상향링크 초기 심볼을 수신하여 신호의 크기를 측정한다. 또는 펨토셀은 외부셀과 달리 송신 파워가 약하다는 특성을 가지고 있기 때문에 펨토셀로 들어오는 간섭 신호의 가장 큰 요인이라 할 수 있는 외부셀 이동국 신호 세기를 예측하여 간섭 신호를 크기를 계산하는 방법이 있을 수 있다. 이는 각각의 외부셀 이동국의 위치와 할당 받은 부채널 정보를 백본망과 GPS를 이용하여 이미 펨토셀 기지국이 안다는 전제 하 에 가능하다.

사용 가능한 부채널은 간섭 신호의 크기가 간섭 신호 임계치(ε) 미만인 부채널을 의미하고, 간섭 신호 임계치는 다음 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.

ε = min(Pr) - Γ

여기서 Pr는 펨토셀 기지국에서 수신되는 펨토셀 이동국의 신호 세기를 의미하고, Γ는 목표 신호 대 간섭 및 잡음비(Target SINR)를 의미한다. 펨토셀 이동국이 펨토셀 가장자리에 위치하여 가장 작은 신호세기로 원 신호가 수신되더라도 복구(decoding) 가능한 최대 간섭 신호 크기를 나타내는 것이 간섭 신호 임계치(ε)이다. 펨토셀 기지국은 이러한 간섭 신호 임계치보다 간섭 신호 세기가 작은 부채널을 선택하여 부채널 세트를 구성한다.

다음으로, 펨토셀 기지국은 펨토셀에서 나가는 간섭 신호를 완화시키기 위해서 구성된 부채널 세트의 크기에 맞는 사용 가능한 코드를 선택한다(230). 본 발명에서는 서로 다른 확산 코드를 사용하여 대역 확산된 두 신호는 상호 직교성(Orthgonality)을 유지하여 깨끗이 복구되고, 주파수 축(Frequency Domain)으로의 확산을 통해 부채널 별 송신 파워 값을 낮출 수 있는 확산 코드의 특성을 활용한다. PN(Pseudo random Noise) code와 Walsh code 등의 직교 확산 코드들이 사용 가능하고, 동적인 부채널 세트 크기를 지원하기 위해 OVSF(Orthogonal Variable Spreading Factor) code와 같이 서로 다른 길이의 코드 간 직교성을 유지해 주는 코드 사용도 가능하다. 펨토셀 기지국은 인접 펨토셀 간의 중첩 코드 사용에 따른 코드 간섭을 막기 위해서 백본망을 이용한 코드 할당 정보를 주고받아 코드 정보 테이블을 따로 관리하는 방법으로 사용 가능한 코드를 선택한다.

펨토셀 기지국은 펨토셀 이동국에게 구성된 부채널 세트와 선택된 코드를 할당한다(240). 펨토셀 이동국은 할당받은 코드를 이용하여 주파수 축으로 신호를 확산시키고, 할당받은 부채널 내 부반송파(Subcarrier)에 확산된 신호를 실어서 송신한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 통신 시스템 서브프레임의 구조의 예시 도면이다.

본 명세서에서는 펨토셀 이동국 상향링크 자원 할당만을 예를 들어 설명하므로 펨토셀 상향링크 서브프레임(320) 구조가 달라진다. 외부셀 프레임(330)에서 UL(Uplink) 버스트(Burst) #2, #3, #4, #6은 현재 외부셀 이동국에 할당되어 사용 중에 있다. 펨토셀 기지국은 최초 상향링크 구간에서 OFDMA 심볼(symbol)을 수신하여 간섭 신호 크기를 측정하고 재사용 가능한 UL 버스트를 판단한다. 공간 재사용(Spatial Reuse)의 개념으로 거리상 펨토셀에서 멀리 위치한 외부셀 이동국의 신호가 펨토셀 기지국에서는 약하게 수신되기 때문에 멀리 위치한 외부셀 이동국이 사용하는 UL 버스트를 펨토셀 내에서 재사용 하도록 한다. 도 3에서는 외부셀에서 사용하지 않는 UL 버스트 #1, #5와 간섭 신호 크기가 간섭 신호 임계치 미만으로 판단되어 재사용 가능한 UL 버스트 #2, #4가 펨토셀 기지국에서 선택된 것을 볼 수 있다. 해당 펨토셀 프레임(340)에서는 UL 버스트 #1, #2, #4, #5로 부채널 세트가 구성된다.

펨토셀 이동국은 데이터에 할당받은 코드를 곱하여 주파수 축으로 확산을 시킨 뒤 할당받은 부채널 세트에 실어 송신하게 된다. 주파수 축으로의 코드 확산을 통해 각 부채널 별 실제 송신 파워는 코드 길이만큼 낮아 지게 되고 이는 동일한 부채널을 사용하고 있는 외부셀과 인접 펨토셀에 미치는 간섭을 완화시키는 효과를 가져오게 된다. 해당 펨토셀 기지국은 코드를 알고 있으므로 역확산을 통해 신호를 복구해 내게 된다.

아울러, 본 발명을 이용하는 경우에 다양한 확장 가능한 실시예가 있다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 펨토셀 상/하향 링크 동시 지원 서브프레임의 구조의 예시도면이다.

먼저 펨토셀은 근접 거리에 위치하고 수신 신호 품질이 우수하다는 특성을 활용하여 펨토셀 내에서의 고속 데이터 서비스 지원을 위해 도 4와 같이 상향링크 구간에서 다시 하향(410) 및 상향(420) 링크를 구성할 수도 있다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 군 전술 환경에 적용한 응용 시나리오의 예를 나타낸 도면이다.

상용망에서의 펨토셀을 응용하여 군 전술 정보통신망에서의 중/소대 단위 소규모 작전 네크워크(510,520)를 지원하기 위한 기술로의 응용도 가능하다. 상용 외부셀과 같은 수 km 단위의 대부대 망이 구성된 환경에서 고정 위치의 실내 막사인 전술작전본부(TOC: Tactical Operation Center)와 이동성을 갖는 중/소대 단위의 작전 부대 내 통신을 지원하기 위한 기술로 본 발명을 적용할 수 있다.

상기 다양한 실시예의 본원 발명에 따르면, 외부셀과 공통된 주파수 대역을 사용하는 펨토셀에서 네트워크 성능을 감쇄시키는 가장 큰 요인인 중첩 셀 간의 간섭을 감소시키는 자원 할당을 통해 주파수 효율 향상 및 네트워크 용량 증가를 도모할 수 있다.

또한 직교 주파수 분할 다중 기반 시스템에서의 상향링크 자원 재사용과 외부셀 상향링크 구간 내 펨토셀 상/하향링크 동시 지원을 통해 고속 데이터 서비스 지원을 가능하게 한다.

아울러, 군 전술 환경에서 소규모 작전 부대 내 통신을 지원하는 기술로의 적용이 가능하여 군 전술정보통신망에서의 발전 가능성도 크다고 할 수 있다.

한편, 상술한 본 발명의 주파수 자원 할당 방법은은 컴퓨터에서 실행될 수 있는 프로그램으로 작성가능하고, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 이용하여 상기 프로그램을 동작시키는 범용 디지털 컴퓨터에서 구현될 수 있다.

또한, 상술한바와 같이 본 발명에서 사용된 데이터의 구조는 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 여러 수단을 통하여 기록될 수 있다.

상기 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 마그네틱 저장매체(예를 들면, 롬, 플로피 디스크, 하드디스크 등), 광학적 판독 매체(예를 들면, 시디롬, 디브이디 등)와 같은 저장매체를 포함한다.

이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 외부셀과 펨토셀의 중첩 네트워크 구조 및 상향링크의 간섭 시나리오를 나타내는 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른, 주파수 자원 할당 방법을 설명하기 위한 플로우 차트이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른, 통신 시스템 서브프레임의 구조의 예시 도면이다.

도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른, 펨토셀 상/하향 링크 동시 지원 서브프레임의 구조의 예시도면이다.

도 5는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른, 군 전술 환경에 적용한 응용 시나리오의 예를 나타낸 도면이다.

상기 몇 개의 도면에 있어서 대응하는 도면 번호는 대응하는 부분을 가리킨다. 도면이 본 발명의 실시예들을 나타내고 있지만, 도면이 축척에 따라 도시된 것은 아니며 본 발명을 보다 잘 나타내고 설명하기 위해 어떤 특징부는 과장되어 있을 수 있다.

Claims (4)

1. 직교 주파수 분할 다중 기반의 외부셀과 내부셀이 중첩된 네트워크 환경에서 상기 내부셀의 기지국에서 주파수 자원을 할당하는 방법에 있어서,

   적어도 하나 이상의 부채널(sub channel)별로 수신되는 간섭 신호를 계산하는 단계와;

   복호가능한 최대 간섭 신호 크기를 나타내는 간섭 신호 임계치를 산출하는 단계와;

   상기 산출된 간섭 신호 임계치보다 간섭 신호의 크기가 작은 적어도 하나 이상의 제1 부채널을 포함하는 부채널 세트를 구성하는 단계와;

   상기 구성된 부채널 세트를 이용하여 상기 내부셀 내에 위치한 제1 이동국(mobile station)에게 주파수 자원을 할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 자원 할당 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 구성된 부채널 세트는 상기 외부셀 내에 위치한 제2 이동국에 할당된 상향 또는 하향 링크의 제2 부채널 자원을 포함하며,

   상기 내부셀 내에 위치한 제1 이동국은 상기 포함된 제2 부채널의 주파수 자원을 재사용하는 것을 특징으로 하는 주파수 자원 할당 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 구성된 부채널 세트의 크기에 맞는 사용 가능한 확산 코드(spread code)를 선택하는 단계와;

   상기 선택된 확산 코드를 상기 내부셀 내에 위치한 제1 이동국에게 할당하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 주파수 자원 할당 방법.
4. 제 2 항에 있어서,

   고속 데이터 전송 서비스를 제공하기 위하여 상기 외부셀의 상향링크 구간 내에서 상기 내부셀의 상향 및 하향 링크를 동시에 확장 지원하는 것을 특징으로 하는 주파수 자원 할당 방법.

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