KR20110033079A - 다중 송수신 노드를 가지는 인접 셀 간섭 관리 방법 및 장치 - Google Patents

다중 송수신 노드를 가지는 인접 셀 간섭 관리 방법 및 장치 Download PDF

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KR20110033079A
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Abstract

다중 송수신 노드를 갖는 무선 시스템에서의 간섭 제어 방법이 개시된다. 다중 송수신 노드를 갖는 무선 시스템에서의 간섭 제어 방법은 복수의 수신 노드들이 서로의 채널 정보를 공유하고, 각 수신 노드가 공유된 채널정보를 이용하여 프리코딩 행렬을 계산하여 송신 노드로 피드백하고, 각 송신노드는 상기 피드백받은 각자의 프리코딩 행렬을 이용하여 송신 신호를 수신 노드로 전송함으로써 간섭을 제어한다. 수신 노드들 사이에 채널정보를 공유하는 것만으로도 완벽한 간섭정렬을 할 수 있고, 셀간 간섭뿐 아니라 셀내 간섭 환경에서도 적용할 수 있다.

Description

다중 송수신 노드를 가지는 인접 셀 간섭 관리 방법 및 장치{Methods of Mitigating Interference in Wireless System having multiple-transmitting/receiving nodes using received channel information}
본 발명은 다중 송수신 노드를 가지는 무선 시스템에서의 간섭을 제어하는 방법에 관한 것이다.
디지털 무선통신 기술의 발전으로 다중 노드 (multiple node)간에 복합적인 송수신 관계를 갖는 무선통신 시스템을 필요로 한다. 이러한 시스템이 해결해야 하는 가장 큰 문제는 다중 노드간의 간섭을 제어하는 것이다.
셀룰라 이동통신 시스템에서 다중 노드간의 간섭은 크게 셀내 간섭(intra-cell interference)과 셀간 간섭(inter-cell interference)으로 구분된다. 셀내 간섭의 일례는 하나의 송신 셀이 다중 사용자에게 신호를 전송할 때 발생하고 하나의 송신 노드가 모든 송신 신호를 알고 있으므로 송신시 적극적인 협력(cooperation)이 가능하다. 이러한 적극적인 협력의 일례는 다중 사용자 (multiuser) 환경에서 dirty-paper 코딩이다. 반면, 셀간 간섭의 일례는 다중 송신 셀이 각자 자신의 사용자에게 신호를 전송할 때 발생하며, 하나의 송신 노드는 자신의 송신 신호만 알기에 셀간의 적극적인 협력이 불가능하다.
4세대 이동통신 시스템의 규격을 제정하고 있는 단체 중 하나인 3GPP에서는 셀간 간섭을 제어하기 위해 CoMP(Coordinated multi-point transmission)기술을 도입하고 있으며, 셀내 간섭 환경의 일례는 다중사용자 다중안테나 (multiuser MIMO)에 해당한다.
셀간 간섭이 존재하는 채널의 용량(capacity)에 접근하기 위해서는 반드시 송신 노드에 모든 채널행렬 (channel matrix)을 포함한 채널정보 (channel state information)가 알려져야 한다. 최근에 소개된 간섭정렬 (interference alignment, [참고논문 1: Cadambe and Jafar, “Interference alignment and degrees of freedom of the K-user interference channel,” IEEE Trans. Info. Theory])기술은 셀간 간섭 환경에서 최대 공간다중이득 (spatial multiplexing gain or degrees of freedom)을 얻는 기술로 알려졌다. 이는 높은 SNR에서는 채널용량을 얻을 수 있다는 것을 의미한다. 하지만, 간섭정렬 기술은 송신 노드들뿐 아니라 수신 노드들 모두가 모든 노드간의 채널을 알아야 한다는 것을 전제로 하여 구현 상에 큰 어려움이 있다.
한편, 셀내 간섭이 존재하는 환경인 다중사용자 다중안테나 시스템의 채널용량은 dirty-paper 코딩 기술에 의해 얻을 수 있음은 증명되었다. 하지만, dirty-paper 코딩을 구현하기에는 lattice code 등과 같은 매우 복잡한 코딩 기술이 요구될뿐더러, 역시 송신 노드에서 모든 링크의 채널정보를 알아야 하는 어려움이 있다.
본 발명의 목적은 상기 문제점을 해결하기 위해 수신 노드들이 서로의 채널정보를 공유하여 간섭을 제어할 수 있는 다중 송수신 노드를 갖는 무선시스템에서의 간섭 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 일측면에 따른 다중 송수신 노드를 갖는 무선시스템에서의 간섭 제어 방법은 소정 그룹에 속하는 복수의 수신 노드들 중 하나의 수신 노드가 송신 노드와 단말기 페어링 절차를 수행하는 단계와, 상기 하나의 수신 노드가 상기 소정 그룹에 속하는 다른 수신 노드와 채널 정보를 공유하는 채널 정보 공유 절차를 수행하는 단계를 포함한다. 상기 소정 그룹은 복수의 셀의 경계에 위치하여 강한 간섭을 받는 복수의 사용자 단말들을 상기 복수의 수신 노드로서 포함할 수 있다. 상기 하나의 수신 노드는 마스터 사용자 단말이 될 수 있다. 상기 단말기 페어링 절차는 상기 마스터 사용자 단말은 인접 셀로부터 전송된 파일럿 신호를 수신하여 채널 측정을 수행하는 단계와, 상기 마스터 사용자 단말은 강한 간섭을 미치는 인접 셀의 식별 부호(cell ID)를 자신의 서빙 셀로 보고하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 단말기 페어링 절차는 상기 서빙 셀에서는 셀 경계지역의 사용자 단말들로부터 상기 강한 간섭을 미치는 인접 셀의 식별 부호의 보고를 취합하여 상기 서빙 셀의 주변 셀과의 중첩지역에 있는 사용자 그룹을 분류하고, 상기 중첩지역의 사용자 단말들에게 상기 서빙셀과 상기 주변 셀간의 미리 약속된 시그널링 및 데이터 자원을 배정하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 채널 정보 공유 절차는 상기 소정 그룹에 속하는 복수의 수신 노드들간에 D2D(device-to-device)를 통하여 상기 복수의 수신 노들들의 채널 정보를 송수신할 수 있다. 상기 채널 정보 공유 절차는 상기 마스터 사용자 단말은 상기 복수의 수신 노드들의 채널 정보를 이용하여 상기 사용자 그룹내 각 사용자 단말의 프리코딩 행렬을 결정하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 채널 정보 공유 절차는 상기 마스터 사용자 단말은 상기 결정된 프리코딩 행렬을 상기 사용자 그룹내의 각 사용자 단말에게 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 다중 송수신 노드를 갖는 무선시스템에서의 간섭 제어 방법은 상기 각 수신 노드에서 상기 공유된 채널 정보를 이용하여 결정된 프리코딩 행렬을 상기 송신 노드로 피드백하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 채널 정보 공유 절차는 상기 소정 그룹에 속하는 복수의 수신 노드들간에 애드-혹(ad-hoc) 네트워크를 통하여 상기 복수의 수신 노들들의 채널 정보를 송수신할 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 다른 측면에 따른 다중 송수신 노드를 갖는 무선시스템에서의 간섭 제어 방법은 소정 그룹에 속하는 각 수신 노드들이 서로의 채널정보를 공유하는 단계와, 상기 각 수신 노드에서 상기 공유된 채널 정보를 이용하여 프리코딩 행렬을 계산하여 송신 노드로 피드백하는 단계를 포함한다. 상기 각 수신노드에서는 간섭 정렬을 위해 상기 프리코딩 행렬을 계산하여 상기 송신 노드로 피드백하여 상기 간섭 정렬을 수행함으로써 사용자간의 간섭을 제어할 수 있다. 상기 소정 그룹은 복수의 셀의 경계에 위치하여 강한 간섭을 받는 복수의 사용자 단말들을 포함할 수 있다. 상기 각 수신 노드는 각 수신 노드의 주변 셀들로부터 파일롯 신호를 수신하여 채널 측정을 수행하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 측면에 따른 다중 송수신 노드를 갖는 무선시스템에서의 간섭 제어 방법은 복수의 수신 노드들이 서로의 채널 정보를 공유하고, 각 수신 노드가 공유된 채널정보를 이용하여 프리코딩 행렬을 계산하여 송신 노드로 피드백하고, 각 송신 노드는 상기 피드백받은 각자의 프리코딩 행렬을 이용하여 송신 신호를 수신 노드로 전송함으로써 간섭을 제어한다.
본 발명의 목적을 달성하기 위한 또 다른 측면에 따른 다중 송수신 노드를 갖는 무선시스템에서의 간섭 제어 방법은, 각 수신 노드는 각 송신 노드로부터 전송된 파일럿 신호를 이용하여 다중 송신 노드와의 채널 상태를 측정하여 다중 송신 노드와의 채널 정보를 획득하는 단계와, 각 수신 노드는 ad-hoc 네트웍을 통해 서로의 채널 정보를 공유하여 전체 채널 정보를 획득하는 단계와, 각 수신 노드는 상기 전체 채널정보를 이용하여 프리코딩 행렬을 계산하는 단계와, 수신 노드 i(i는 자연수)는 송신 노드 i로 프리코딩 행렬을 피드백하는 단계와, 각 송신 노드는 상기 피드백받은 각자의 프리코딩 행렬을 이용하여 송신 신호를 수신 노드로 전송하는 단계를 포함한다.
종래의 간섭정렬 기술은 송수신 노드 모두 채널정보를 안다는 것을 전제로 하여 구현성에 큰 제약을 받는다. 하지만, 본 발명에서 제안한 다중노드 송수신 방법은 수신 노드들 사이에 채널정보를 공유하는 것만으로도 완벽한 간섭정렬을 할 수 있고, 간섭정렬 기술의 구현성을 크게 높일 수 있다. 본 발명은 셀간 간섭뿐 아니라 셀내 간섭 환경에서도 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 각각 3개의 송수신 노드를 가지는 무선 시스템에서의 셀간 간섭 제어 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수신 노드들간의 채널 정보 공유를 통한 셀간 간섭 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수신 노드들간의 채널 정보 공유를 통한 셀간 간섭 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 도 3의 사용자 페어링(pairing) 또는 단말기 페어링 절차를 설명하기 위한 개념도이다.
도 5는 도 3의 단말기 페어링 절차를 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 도 3의 채널 정보 공유 절차를 설명하기 위한 순서도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 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 문맥상 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.
먼저, 본 발명에서 제안하는 간섭제어 방식은 간섭정렬이라는 주요 기술에 한정되지 않고 CS(Coordinated scheduling)/CB(Coordinated beamforming) CoMP(Coordinated multi-point transmission)와 같은 협력 빔포밍을 이용한 간섭제어 기술에 적용될 수 있다. 본 발명이 적용되는 대표 분야는 셀간 간섭과 셀내 간섭환경에서의 간섭정렬이며, 다중 송수신 노드를 갖는 무선 시스템에서 다운 링크(downlink)에서의 간섭 정렬을 통한 간섭 제어뿐만 아니라 업링크(uplink)에서의 간섭정렬을 통한 간섭을 제어를 포함하며, 송수신 안테나는 단일 안테나(single antenna)와 다중안테나(multiple antenna) 환경을 포함한다.
이하에서는 도 1과 같이 각각 K=3개의 송수신 노드와 각각 M개의 다중 송수신안테나 환경을 예로 들어 설명한다. 여기서 M은 짝수를 가정한다. 보다 다양한 환경은 [참고문서 1]을 참고할 수 있다.
상기 도면에서 채널 행렬
Figure pat00001
는 i번째 수신 노드와 j번째 송신 노드간의 다중안테나 채널을 표시한다.
i번째 송신 노드는
Figure pat00002
차원의 프리코딩 (precoding) 행렬
Figure pat00003
를 이용하여 M/2개의 스트림
Figure pat00004
을 아래 수식과 같은 M차원 벡터
Figure pat00005
로 전송한다.
Figure pat00006
한편, K=3개의 송신 노드의 전송신호에 의해 i번째 수신 노드는 아래 수식과 같은 신호벡터를 수신한다.
Figure pat00007
여기서,
Figure pat00008
는 i번째 수신 노드의 잡음 벡터이다. 종래의 간섭정렬 기술에는 모든 송수신 노드가 전체 채널
Figure pat00009
을 알아야 하는 전제 조건이 있다. 즉, 종래의 간섭정렬 기술에서는 송신 노드(예를 들어 기지국) 및 수신 노드(예를 들어 사용자 단말)가 전체 채널
Figure pat00010
을 알아야 한다. 이러한 경우, 각각의 송수신 노드는 다음과 같은 프리코딩 행렬
Figure pat00011
을 계산할 수 있다.
Figure pat00012
여기서, E, F, G는 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00013
먼저,
Figure pat00014
는 다음과 같이 정할 수 있다.
Figure pat00015
여기서,
Figure pat00016
는 E의 i번째 고유벡터(eigenvector)이다.
이제
Figure pat00017
는 수식 3, 4를 이용하여 구할 수 있다. 이러한 프리코딩 행렬을 이용하여 송신 노드들이 각자의 신호를 전송하면, 수신 노드들은 간섭제거를 위해 제로-포싱(zero-forcing)을 수행한다. 이를 위해 수신 노드 역시 채널정보
Figure pat00018
를 이용하여
Figure pat00019
를 계산하고 제로-포싱(zero-forcing)을 하면 M/2개의 간섭이 없는 다중안테나 경로(path)를 확보할 수 있다.
일례로 M=2라 가정하면, 수신 노드 1에서 간섭정렬 기술에 의해 송신 노드 2, 3의 프리코딩된 채널은
Figure pat00020
(여기서, a는 임의의 상수이다)과 같이 정렬되어 수신 노드 1은 다음과 같은 신호를 수신하게 된다.
Figure pat00021
여기서,
Figure pat00022
이다.
상기 수신신호는 2차원 벡터이므로 두 개의 기저(basis)로 표현이 된다. 이중 하나의 기저(basis)를
Figure pat00023
가 점유하고 나머지 기저(basis)에 송신 노드 2, 3의 신호가 겹쳐지게 된다. 즉, 복호하고자하는 신호
Figure pat00024
는 수신신호 벡터의 첫번째 열에 위치한다.
또한, 상기 수학식 6에서 보듯이 수신 노드 1의 수신신호는 다중안테나 시스템의 수신신호와 유사하게 표현될 수 있으며, 따라서 제로-포싱(zero-forcing)을 통하여 간섭을 완벽하게 제거하거나 낮은 신호대잡음비 환경에서는 MMSE(Minimun mean square error) 필터링을 통해 간섭을 완화하여
Figure pat00025
를 통해 송신 메시지를 복호할 수 있다.
상기 종래의 간섭정렬 기술은
Figure pat00026
개의 다중노드에서 모든 송신 노드 i와 수신 노드 i간에 M/2개의 간섭이 없는 다중안테나 경로(path)가 존재하게 하는 방법을 제안한다. 즉, 나머지 M/2개의 경로(path)에
Figure pat00027
번째 송신 노드에서 오는 모든 간섭신호를 정렬할 수 있다는 것이 핵심 아이디어이다. 이는 각 노드는 M/2개의 공간다중이득(spatial multiplexing gain)을 얻을 수 있고, 역(converse)에 의해 이보다 큰 공간다중이득을 얻을 수 없음이 증명된다.
상술한 대로, 종래의 간섭정렬 기술은 송수신 노드가 모든 채널정보를 알아야 하는 전제조건이 있고 이는 구현에 큰 어려움이 됨은 주지의 사실이다.
본 발명은 수신 노드(예를 들어 사용자 단말)만이 채널정보
Figure pat00028
를 알아도 간섭정렬을 할 수 있는 방법을 제안한다. 먼저, 수학식 3, 4, 5 에서처럼 수신 노드는 제로-포싱(zero-forcing)을 하기 위해 채널정보
Figure pat00029
를 알고 프리코딩 행렬
Figure pat00030
를 계산해야 한다. 이처럼 수신 노드(예를 들어 사용자 단말)에서 계산된 프리코딩 행렬을 각각의 송신 노드(예를 들어 서빙 기지국)에 피드백하면 송신 노드는 별도로 동일한 프리코딩 행렬을 계산할 필요가 없으므로 채널정보를 필요로 하지 않게 된다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 수신 노드들간의 채널 정보 공유(channel state information (CSI) sharing)를 통한 셀간 간섭 방법을 설명한다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 수신 노드들간의 채널 정보 공유를 통한 셀간 간섭 방법을 설명하기 위한 개념도이다. 도 2에서는 예를 들어 3개 셀(기지국)로 이루어진 시스템의 다운링크를 예로들어 본 발명의 일실시예에 따른 간섭 정렬 절차를 설명한다. 도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 수신 노드들간의 채널 정보 공유를 통한 셀간 간섭 방법을 설명하기 위한 순서도이다.
도 4는 도 3의 사용자 페어링(pairing) 또는 단말기 페어링 절차를 설명하기 위한 개념도이고, 도 5는 도 3의 단말기 페어링 절차를 설명하기 위한 순서도이다.
도 6은 도 3의 채널 정보 공유 절차를 설명하기 위한 순서도이다.
이하, 도 2 내지 도 6을 참조하여, 3개 셀(기지국)로 이루어진 시스템의 다운링크를 예로들어 보다 상세하게 본 발명의 일실시예에 따른 수신 노드들간의 채널 정보 공유를 통한 셀간 간섭 방법을 도시한다.
본 발명의 일실시예에 따른 수신 노드들간의 채널 정보 공유를 통한 셀간 간섭 방법은 셀 1, 2, 3의 경계(cell edge)에 위치하여 강한 간섭을 받는 간섭 정렬 사용자 그룹(도 2의 (a) 및 도 4 참조) 중에 선정된 마스터 사용자(master user)에 의해 단말기 페어링(pairing) 절차를 수행할 수 있다. 상기 간접 정렬 사용자 그룹 분류를 통해서 각 셀 당 대상 사용자는 하나 이상이 될 수 있다. 따라서, 각 셀 당 하나의 사용자끼리 단말기 페어링 절차가 필요하다. 이를 위해 먼저 간접정렬 사용자 그룹 중에 중심부(cell center) 위치 여부, 단말기 능력(capability) 등을 고려하여 마스터 사용자(master user)를 선정하여 마스터 사용자로 하여금 사용자 페어링(또는 단말기 페어링) 및 후술할 간섭정렬 프리코딩 행렬 계산을 하도록 할 수 있다.
도 3을 참조하면, 마스터 사용자의 단말기 1은 서빙 기지국과 단말기 페어링(pairing) 절차를 수행(단계 300)한다.
단말기 페어링(pairing) 절차를 수행한후, 마스터 사용자의 단말기 1은 상기 강한 간섭 (본 발명의 실시예들에서 “강한” 간섭은 여러 간섭 중에서 보다 지배적인 (dominant) 간섭을 의미함)을 받는 사용자 그룹에 속하는 각각의 사용자 단말기와 채널 정보 공유 절차를 수행(단계 310)한다. 단계 310의 채널 정보 공유 절차를 통해 각 사용자 단말(또는 수신 노드)은 D2D(Device-to-device) 혹은 ad-hoc 네트웍을 통해 서로의 채널정보를 송수신하여 전체 채널정보
Figure pat00031
를 획득한다. 이를 위해 각 사용자 단말(또는 수신 노드)간의 링크가 형성되어야 하고 이를 위해 필요한 제어 정보들은 통상적으로 알려진 절차에서 사용되는 제어 정보들을 사용할 수 있다. 또한, 각 사용자 단말(또는 수신 노드)은
Figure pat00032
를 이용하여
Figure pat00033
를 계산할 수 있다.
이하, 도 2, 도 4 및 도 5를 참조하여 도 3의 단말기 페어링 절차를 보다 상세히 설명한다.
도 2의 셀 경계지역에 위치하는 1번 사용자 단말(또는 수신 노드)는 각 셀(기지국)로부터 전송된 파일럿 신호-예를 들어 CSI-RS(channel state information-reference signal) 신호-를 이용하여 1번 사용자 단말 주변의 다중 셀과의 채널을 측정한다(단계 301)(도 2의 (a) 참조). 여기서, 1번 사용자 단말은 채널 측정을 통해 1번 사용자 단말 주변의 다중 셀과의 채널정보
Figure pat00034
를 얻을 수 있다. 도 2 (a)의 1번 사용자를 제외한 나머지 사용자 단말인 2번, 3번 사용자 단말(또는 수신 노드)도 동일하게 채널 측정(channel measurement)을 수행한다.
1번 사용자 단말은 인접 셀 신호의 세기(strength)를 측정하여 강한 간섭(strong interference)을 미치는 인접 셀의 식별부호(cell ID)를 자신의 서빙 셀(serving cell)로 보고한다(단계 303). 도 4를 참조하면, 셀 1(cell 1)은 1번 사용자 단말의 서빙 셀이다.
셀 1은 셀 경계지역(cell edge)의 사용자들의 보고를 취합하여 셀 2,3 과의 중첩지역(overlapped region)에 있는 간접 정렬 사용자 그룹을 분류하고 해당 중첩지역의 사용자들에게 셀 1,2,3간에 미리 약속된 시그널링(signaling) 및 데이터 자원(time/frequency resource for control signaling and data stream)을 배정하고 셀간 동기(synchronization)를 맞춘다(단계 305). 이러한 단말기 페어링 절차에 의해 도 4의 사용자 2(USER 2)는 셀 1,2,3 중첩지역에 위치하지 않음을 알 수 있으므로 셀 1,2,3의 간접 정렬 사용자 그룹에서 배제됨을 알 수 있다. 따라서, 본 단말기 페어링 절차를 통해 셀 1,2,3 중첩지역의 간접정렬 사용자 그룹을 분류할 수 있다.
간섭 정렬 사용자 그룹에 속하는 사용자 단말간에는 먼저 타이밍 동기가 설정된다(단계 311).
셀 1,2,3의 간접 정렬 사용자 그룹내 마스터 사용자 단말은 배정받은 상향 링크 시그널링 자원을 통해 파일럿 신호(pilot signal, 일례로 SRS(Sounding Reference Signal))를 간접 정렬 사용자 그룹내 각 사용자 단말로 송출한다(단계 313). 이 때, 각 사용자 단말은 간섭 정렬 사용자 그룹 내 사용자들의 파일럿 신호를 복조할 수 있어야 한다.
간접 정렬 사용자 그룹내 각 사용자는 이러한 파일럿 신호들을 수신하여 채널 측정을 수행하고(단계 315), 송신에 필요한 전력 제어(transmit power control; TPC), 변조 및 부호(modulation and coding selection; MCS) 레벨, 송신 다이버시티(TX diversity)와 같은 MIMO 파라미터 등을 안정적으로 결정하고 변조 및 부호(modulation and coding selection; MCS) 레벨, 송신 다이버시티(TX diversity)와 같은 MIMO 파라미터 등을 포함하는 송신 정보(transmission parameter)를 마스터 사용자 단말로 전송을 한다(단계 319). 이러한 절차를 통해 마스터 사용자를 비롯한 간섭 정렬 사용자 그룹 내 모든 사용자는 서로의 채널정보를 안정적으로 수신하여 공유할 수 있다.
마스터 사용자는 모든 채널 정보를 이용하여 상술한 간섭정렬 방식을 통해 간섭 정렬 사용자 그룹내 모든 사용자 간의 조합에서 주파수 효율성, 간섭정렬 이득, 사용자 간의 공평성(fairness) 등을 고려하여 사용자들끼리 사용자 페어링을 수행하고 간섭 정렬 사용자 그룹 내 각 사용자의 프로코딩 행렬을 계산하여 결정한다(단계 321). 마스터 사용자는 이렇게 결정된 페어링 정보와 프리코딩 행렬을 간섭정렬 사용자 그룹의 각 사용자 단말(또는 중첩 지역(overlapped region)내 사용자 단말)에게 전송한다.
상기와 같이 간섭 정렬 그룹내 사용자 단말끼리 채널 정보를 공유하는 절차를 수행한후에, 도 2의 (c)에 도시된 바와 같이, 간섭 정렬 사용자 그룹 내 각 사용자는 자신의 서빙 셀로 페어링 및 프리코딩 정보를 보고(report)한다. 여기서, 사용자 단말(또는 수신 노드) i는 자신의 서빙 셀 i로 프리코딩 행렬
Figure pat00035
을 피드백한다. 각 셀이 피드백받은 각자의 프리코딩 행렬을 이용하여 송신 신호를 전송하면 각각의 수신 노드에서 셀간 간섭이 정렬되어 사용자 단말(또는 수신 노드)는 제로-포싱(zero-forcing)을 통해 간섭을 제거하고 자신의 메시지를 복호할 수 있다.
이때 셀 1,2,3이 하나의 상위 셀(super cell)로 묶인 경우에는 마스터 사용자가 자신의 서빙 셀로만 페어링 및 프리코딩 정보를 보고하면 상위 셀을 거쳐서 모든 셀이 페어링 정보 및 프리코딩 정보와 같은 필요한 정보를 획득할 수 있다.
상술한 본 발명의 일실시예에 따른 간섭 제어 방법외에 다른 간섭 제어 방법들이 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 간섭 제어 방법에서는, 수신 노드(또는 사용자 단말)간 채널 정보를 공유하기 위해 D2D(Device-to-device)와 같은 무선 접속 기술을 사용할 수 있고 또는 와이파이(WIFI)와 같은 이종의 무선접속기술을 사용할 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 간섭 제어 방법에서는, 각 사용자가 송신하는 파일럿 신호는 종래대로 각자의 서빙 셀로 보내는 파일럿 신호일 수 있으며 간섭 정렬 사용자 그룹내 사용자들을 위한 별도의 파일럿 신호일 수도 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 간섭 제어 방법에서는, 셀 1,2,3의 경계 중심부에 융합 노드(fusion center) 혹은 릴레이 노드(relay node)를 두어 상기 마스터 사용자의 역할을 대신 담당하게 하여 마스터 사용자로 선택된 단말기에서의 배터리 소모 등과 같은 문제점이 발생되는 것을 회피할 수 있다.
이하, 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 CS(Coordinated scheduling)/CB(Coordinated beamforming) CoMP를 위한 단말기 페어링 절차를 설명한다.
먼저, 상위 페이링(Coarse pairing) 절차를 설명한다.
기지국은 셀-에지의 풀-버퍼(full-buffer) 단말들을 CQI를 이용하여 인식할 수 있고, 상기 단말들에게 간섭을 일으키는 셀 ID를 서빙 기지국으로 보고하도록 함으로써 강한 간섭을 일으키는 기지국을 인식할 수 있다(eNB can recognize cell-edge full-buffer UEs (e.g., by using CQI) and dominantly interfering eNBs (e.g, by making the UEs report the interfering cell IDs to the serving eNB). 기지국은 상기 간섭을 일으키는 셀 ID 정보를 이용하여 coarse pairing 절차를 수행한다(eNB can perform a coarse pairing according to the above information).
이 상위 페어링을 도 4를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 1번과 2번 사용자의 서빙 셀은 셀-에지에 있는 1번, 2번 사용자가 보고한 간섭 셀 정보를 보고 1번 사용자는 2번, 3번 인접셀에게 간섭을 받고 있음을 알 수 있고 반면 2번 사용자는 3번, 4번 인접셀에게 간섭을 받음을 알 수 있다. 이러한 정보를 이용하여 1번 사용자는 1번, 2번, 3번 셀의 중첩지역에 위치한 셀-에지 사용자 그룹에 속하는 것으로 분류 (페어링) 된다.
그다음, 상세 페어링(Fine pairing) 절차를 설명한다.
상기 coarse pairing을 이용하여, CoMP 기지국들은 단말이 특정 CoMP UE set에 속하는지 여부를 단말에게 알려주고, 상기 CoMP UE set에 지정된 제어 자원(예를 들어 SRS(sounding reference signal))을 할당한다(Using the coarse pairing, CoMP eNBs inform a UE of whether it belongs to a particular CoMP UE set, and assign a control (SRS, etc) resource designated to the CoMP UE set).
CoMP UE는 상기 조율된 자원으로 SRS를 전송한다(CoMP UE transmits SRS with the coordinated resource).
CoMP UE들은 CSI(channel status information)를 서로 공유한다(CoMP UEs share CSI).
마스터 단말은 CoMP UE set 내에서 단말 페어링을 수행하고, 다른 단말들에게 상기 페어링 결정 및 프리코딩 행렬을 알려준다(Master UE performs UE pairing among the CoMP UE set and informs other UEs of the pairing decision and precoding matrices). 각각의 단말은 프리코딩 행렬을 기지국에게 피드백한다(Each UE feeds a precoding matrix (or PMI) back to eNB).
CSI 채널 정보는 도 6에 도시된 바와 같이 D2D(Device-to-device)를 통해 공유(Sharing CSI via D2D)할 수 있다. CoMP UE는 상기 지정된 제어 자원을 이용할 수 있고(CoMP UEs use the above designated control resource), TPC, MCS 및 다른 전송 파라미터(TX parameter)의 결정은 최악의 UE(User Equipment)의 조건에 따라서 달라질 수 있다(Determination of TPC, MCS, and other TX parameters depends on the condition of the worst case UE)
상기의 본 발명의 실시예들에 따른 간섭 제어 방법에서는 다운링크를 기준으로 설명하였으나, 시스템의 업링크에서도 동일한 절차로 간섭정렬을 통해 업링크 간섭을 제어할 수도 있다.
상술한 간섭정렬 기술은 원래 셀간 간섭 상황에서 적용되지만, 다음은 다중사용자 환경에서 셀내 간섭을 제어하는 기술로도 사용될 수 있다. 일례로, 다중사용자 다중안테나(multi-user MIMO)시스템의 다운링크를 고려할 수 있다.
다중사용자 다중안테나 시스템 역시 효과적인 간섭 제어를 위해 단일 셀이 다중사용자의 전체 채널정보를 알아야 한다. 하지만 본 발명의 실시예들에 따르며, 수신 노드들이 서로의 채널정보를 공유하면 간섭 정렬을 위한 프리코딩 행렬을 각 수신 노드가 계산할 수 있으며 각자의 프리코딩 행렬을 송신 노드로 피드백하여 간섭 정렬을 수행할 수 있다. 이 경우, 더티-페이퍼(dirty-paper) 코딩 기술과 같이 다중사용자 다중안테나 채널의 용량을 얻을 수는 없지만, 송신 노드가 채널정보를 알 필요가 없기 때문에 구현성이 크게 향상되며 간섭정렬을 통해 채널 용량에 근접하는 성능을 얻을 수 있게 된다.
낮은 신호대잡음비에서 송신노드의 송신 전력을 각자의 수신노드간의 좋은 다중송수신안테나 채널 방향(eigen direction 또는 eigenmode)으로 송신 전력을 분배함으로서 얻는 프리코딩 이득을 얻기 위하여, 본 발명의 또 다른 실시예에서는 상술한 수학식 3의 간섭 정렬 조건식을 선형 프리코딩 최적화 문제의 조건식으로 포함하도록 하여 다음과 같은 간섭정렬 방식을 사용할 수 있다. 이 경우, 적절한 최적화 알고리즘을 통해 프리코딩 이득을 얻는 동시에 간섭정렬을 할 수 있다.
다음 방식은 수신노드가 채널정보를 공유해야 하는 제약을 받지 않는 장점이 있다.
먼저, 특이값 분해(singular value decomposition ; 이하 SVD)에 의해 채널행렬은 다음 수학식 7과 같이 표현된다.
Figure pat00036
여기서,
Figure pat00037
는 단위 행렬(unitary matrix)이고
Figure pat00038
는 특이값(singular value)으로 이뤄진 대각 행렬(diagonal matrix)이다.
제안방식을 따르는 i번째 송신 노드는
Figure pat00039
차원의 프리코딩 (precoding) 행렬
Figure pat00040
를 이용하여 M/2개의 스트림
Figure pat00041
을 아래 수학식 8과 같은 M차원 벡터
Figure pat00042
로 전송한다.
Figure pat00043
한편, K=3개의 송신 노드의 전송신호에 의해 i번째 수신 노드는 아래 수학식 9와 같은 신호벡터를 수신한다.
Figure pat00044
다음으로, 첫번째 수신 노드의 경우, 프리코딩 이득을 얻기 위해 다음과 같이
Figure pat00045
를 곱한다.
Figure pat00046
여기서 주목할 점은
Figure pat00047
는 간섭정렬에 영향을 미치지 않는다는 것이다. 수학식 3과 같은 간섭정렬을 위한 프리코딩 행렬 조건을 여전히 만족시킬 수 있다는 것이다. 이 때, 수학식 3은 다음 조건식으로 대체된다.
Figure pat00048
여기서,
Figure pat00049
는 다음과 같이 주어진다.
Figure pat00050
이제, 상기 수신신호로 프리코딩 이득을 어떻게 얻을 수 있는지 기술하겠다.
일례로 M=2라 하자. 이 경우, 수신 노드 1에서 상기 간섭정렬 조건식에 의해 송신 노드 2, 3의 프리코딩된 채널은
Figure pat00051
과 같이 정렬되어 수신 노드 1의 수신신호는 다음과 같이 표현된다.
Figure pat00052
여기서,
Figure pat00053
,
Figure pat00054
,
Figure pat00055
이다.
수학식 10의 수신신호를 제로-포싱(zero-forcing) 혹은 MMSE 필터링으로 간섭을 제거하면 앞서 기술한대로 복호하고자 하는 신호
Figure pat00056
는 수신신호 벡터의 첫 번째 열에 위치함을 알 수 있다.
상기 송수신 방식에 의한 프리코딩 이득은 첫 번째로
Figure pat00057
를 통해 확인할 수 있다. 송신신호를
Figure pat00058
으로 프리코딩하고 수신신호에
Figure pat00059
를 곱함으로
Figure pat00060
은채널의 고유 방향(eigen direction)으로 전송되고 이는 첫 번째 열에 송신전력이 집중됨을 의미한다. 그 이유는 대각 행렬
Figure pat00061
는 첫 번째 대각 요소(diagonal element)부터 순서대로 큰 특이값(singular value)을 갖기 때문이다.
프리코딩 이득의 두 번째 이유는 수학식 13에서
Figure pat00062
와
Figure pat00063
는 랜덤 빔포밍 행렬의 역할을 하고 이를 이용하여 opportunistic 스케줄링을 통해 높은 프리코딩 이득을 얻을 수 있는
Figure pat00064
와
Figure pat00065
일때, 간섭정렬을 수행함이 가능하다는 것이다.
이상 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.
G: 사용자 그룹

Claims (14)

  1. 다중 송수신 노드를 갖는 무선 시스템에서 간섭 제어 방법에 있어서,
    소정 그룹에 속하는 복수의 수신 노드들 중 하나의 수신 노드가 송신 노드와 단말기 페어링 절차를 수행하는 단계; 및
    상기 하나의 수신 노드가 상기 소정 그룹에 속하는 다른 수신 노드와 채널 정보를 공유하는 채널 정보 공유 절차를 수행하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중사용자 시스템에서의 간섭 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 소정 그룹은 복수의 셀의 경계에 위치하여 강한 간섭을 받는 복수의 사용자 단말들을 상기 복수의 수신 노드로서 포함하는 것을 특징으로 하는 다중사용자 시스템에서의 간섭 제어 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 하나의 수신 노드는 마스터 사용자 단말인 것을 특징으로 하는 다중사용자 시스템에서의 간섭 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 단말기 페어링 절차는
    상기 마스터 사용자 단말은 인접 셀로부터 전송된 파일럿 신호를 수신하여 채널 측정을 수행하는 단계; 및
    상기 마스터 사용자 단말은 강한 간섭을 미치는 인접 셀의 식별 부호(cell ID)를 자신의 서빙 셀로 보고하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중사용자 시스템에서의 간섭 제어 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 단말기 페어링 절차는
    상기 서빙 셀에서는 셀 경계지역의 사용자 단말들로부터 상기 강한 간섭을 미치는 인접 셀의 식별 부호의 보고를 취합하여 상기 서빙 셀의 주변 셀과의 중첩지역에 있는 사용자 그룹을 분류하고, 상기 중첩지역의 사용자 단말들에게 상기 서빙셀과 상기 주변 셀간의 미리 약속된 시그널링 및 데이터 자원을 배정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중사용자 시스템에서의 간섭 제어 방법.
  6. 제3항에 있어서, 상기 채널 정보 공유 절차는
    상기 소정 그룹에 속하는 복수의 수신 노드들간에 D2D(device-to-device)를 통하여 상기 복수의 수신 노들들의 채널 정보를 송수신하는 것을 특징으로 하는 다중사용자 시스템에서의 간섭 제어 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 채널 정보 공유 절차는
    상기 마스터 사용자 단말은 상기 복수의 수신 노드들의 채널 정보를 이용하여 상기 사용자 그룹내 각 사용자 단말의 프리코딩 행렬을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중사용자 시스템에서의 간섭 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 채널 정보 공유 절차는
    상기 마스터 사용자 단말은 상기 결정된 프리코딩 행렬을 상기 사용자 그룹내의 각 사용자 단말에게 전송하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중사용자 시스템에서의 간섭 제어 방법.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 각 수신 노드에서 상기 공유된 채널 정보를 이용하여 결정된 프리코딩 행렬을 상기 송신 노드로 피드백하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중사용자 시스템에서의 간섭 제어 방법.
  10. 제3항에 있어서, 상기 채널 정보 공유 절차는
    상기 소정 그룹에 속하는 복수의 수신 노드들간에 애드-혹(ad-hoc) 네트워크를 통하여 상기 복수의 수신 노들들의 채널 정보를 송수신하는 것을 특징으로 하는 다중사용자 시스템에서의 간섭 제어 방법.
  11. 다중사용자 시스템에서의 간섭 제어 방법에 있어서,
    소정 그룹에 속하는 각 수신 노드들이 서로의 채널정보를 공유하는 단계; 및
    상기 각 수신 노드에서 상기 공유된 채널 정보를 이용하여 프리코딩 행렬을 계산하여 송신 노드로 피드백하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중사용자 시스템에서의 간섭 제어 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 각 수신노드에서는 간섭 제어를 위해 상기 프리코딩 행렬을 계산하여 상기 송신 노드로 피드백하여 상기 간섭 정렬 혹은 CS(Coordinated scheduling)/CB(Coordinated beamforming) CoMP(Coordinated multi-point transmission)를 수행함으로써 사용자간의 간섭을 제어하는 것을 특징으로 하는 다중사용자 시스템에서의 간섭 제어 방법.
  13. 제11항에 있어서, 상기 소정 그룹은 복수의 셀의 경계에 위치하여 강한 간섭을 받는 복수의 사용자 단말들을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중사용자 시스템에서의 간섭 제어 방법.
  14. 제11항에 있어서, 상기 각 수신 노드는 각 수신 노드의 주변 셀들로부터 파일롯 신호를 수신하여 채널 측정을 수행하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중사용자 시스템에서의 간섭 제어 방법.
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