KR20110137108A - 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 시스템 및 그 방법 - Google Patents

다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 시스템 및 그 방법 Download PDF

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KR20110137108A
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Abstract

본 발명은 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 시스템 및 그 방법을 개시한다. 즉, 업링크 환경인 IMAC(Interfering Multiple access channel)과 다운링크 환경인 IBC(Interfering Broadcasting Channel)에서 내부 셀(Intra-Cell) 및 외부 셀(Inter-Cell) 간 간섭문제를 동시에 해결하기 위하여 간섭정렬(Interference Alignment) 기법을 적용한다. 또한, 상기 기법을 적용하기에 앞서 간섭정렬을 위한 조건식을 이용하여 자기구성화를 수행하고, 그 후 간섭정렬 알고리즘을 통해 간섭에 대한 자기최적화를 수행함으로써, 내부 셀 및 외부 셀 간섭문제를 동시에 해결하여 셀 가장자리에 있는 사용자의 수신 성능을 향상시킬 수 있다.

Description

다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 시스템 및 그 방법{SYSTEM AND METHOD FOR INTERFERECNE CANCELLATION IN MULTICELL MULTIUSER ENVIRONMENT}
본 발명은 이동통신망의 다중셀 환경에서 간섭을 제거하기 위한 방안에 관한 것으로, 더욱 상세하게는, 다중 셀 다중 사용자 환경(multicell multiuser)에서 분산된 노드들 간 SON(Self-Organizing Network)을 형성하여 외부 셀(Inter-Cell) 간섭 및 내부 셀(Intra-Cell) 간섭을 동시에 감소시키는 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
통신 커버리지를 셀로 분할하는 개념 정립 단계인 셀룰러 이동통신 초기 단계에서부터 최근 차세대 4G시스템 도입이 가시화 되고 있는 현 단계까지 간섭 문제는 여러가지 기술적인 문제 중 가장 중요한 이슈로 대두되고 있다.
기존의 전통적인 셀룰러 시스템에서는 이러한 간섭문제를 중앙 집중적인 제어에 의해 관리해 왔지만 펨토 셀 및 차세대 4G 시스템이 도입됨에 따라 이동통신 시스템의 네트워크 구조가 다계층 구조로 변화되고 시스템에서 관리해야 할 개체의 수가 기하급수적으로 증가하게 되어 중앙집중적인 관리가 원천적으로 불가능 해지는 환경이 되었다.
이와 관련하여, 기존의 간섭문제에 대한 연구는 주로 하나의 셀에 다중사용자(singlecell multiuser)가 존재하는 환경에서 셀 내부 간섭(multiuser interference)에 대한 연구이거나 다중 셀 단일사용자 (mulitcell singleuser) 환경에서 셀 외부 간섭문제에 대한 연구에 집중되어 왔다.
최근에는 다중 셀 단일사용자 환경에서 셀 외부 간섭 문제를 해결하기 위한 간섭정렬 기법이 제안되었고, 분산적인 간섭정렬 알고리즘과 간섭정렬을 위한 조건식이 제안되었다.
그러나, 실제적인 셀룰러 시스템 환경인 다중 셀 다중 사용자 환경(multicell multiuser)에서 내부 셀 및 외부 셀 간섭문제를 동시에 고려할 경우, 기존 환경에서 사용한 간섭정렬 조건식과 간섭정렬 알고리즘을 그대로 적용할 수 없다는 문제가 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 상술한 바와 같이 다중 셀 다중 사용자 시스템의 업링크 환경인 IMAC(Interfering Multiple access channel)과 다운링크 환경인 IBC(Interfering Broadcasting Channel)에서 발생하는 내부 셀(Intra-Cell) 및 외부 셀(Inter-Cell) 간섭 문제를 SON(Self-Organizing Network)의 자기구성화 및 자기최적화 과정을 통해 동시에 해결하기 위한 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 시스템 및 그 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일면에 따라 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 시스템이 제공되며: 이 시스템은, 다수의 셀 영역에 각각 위치하며, 각각이 위치한 셀 영역 상에서 인접한 기지국과 데이터를 송수신하는 사용자단말기; 및 다수의 상기 사용자단말기가 위치하는 각각의 셀 영역에서 기 설정된 제1조건식을 만족하는 지정된 파라미터에 대한 설정을 통해 인접한 기지국과의 네트워크를 형성하여 채널정보를 교환하고, 상기 채널정보를 기반으로 상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대한 간섭을 감소시키기 위해 기 설정된 제2조건식을 만족하는 지정된 파라미터를 산출하여 사용자단말기에 피드백하는 기지국을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 일면에 따라 셀 영역에 위치한 다수의 사용자단말기와 데이터를 송수신하는 기지국이 제공되며: 이 기지국은, 다수의 사용자단말기가 위치하는 셀 영역에서 기 설정된 제1조건식을 만족하는 지정된 파라미터에 대한 설정을 통해 인접한 기지국과의 네트워크를 형성하여 채널정보를 교환하는 자기구성화부; 및 상기 채널정보를 기반으로 상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대한 간섭을 감소시키기 위해 기 설정된 제2조건식을 만족하는 지정된 파라미터를 산출하여 사용자단말기에 피드백하는 자기최적화부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 자기구성화부는, 상기 다수의 사용자단말기가 위치하는 각각의 셀 영역의 업링크환경(IMAC,Interfering Multiple access channel) 및 다운링크환경(IBC, Interfering Broadcasting Channel)에서 기 설정된 상기 제1조건식을 만족하는 상기 지정된 파라미터를 설정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 자기구성화부는, 간섭정렬 가능 여부를 판단하기 위해 기 설정된 상기 제1조건식을 만족하는 송신단 안테나수, 수신단 안테나수, 및 데이터스트림을 포함하는 상기 지정된 파라미터를 설정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 자기최적화부는, 상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대한 업링크환경(IMAC,Interfering Multiple access channel) 및 다운링크환경(IBC, Interfering Broadcasting Channel)에서 상기 제2조건식을 만족하는 상기 지정된 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 자기최적화부는, 상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대해 설정값을 만족하는 임시 파라미터를 선택하고, 상기 선택된 임시 파라미터를 상기 제2조건식을 만족할 때까지 갱신하여 상기 지정된 파라미터로 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 자기최적화부는, 상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대해 셀 내부 간섭 및 셀 외부 간섭을 동시에 정렬하기 위한 프리코딩 행렬 및 간섭정렬을 위한 공간 정보를 포함하는 상기 기 설정된 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 또 다른 일면에 따라 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 방법이 제공되며: 이 방법은, 다수의 사용자단말기가 위치하는 셀 영역에서 기 설정된 제1조건식을 만족하는 지정된 파라미터를 설정하여 인접한 기지국과의 네트워크를 형성하는 네트워크형성단계; 상기 형성된 네트워크상에서 채널정보를 수신하는 채널정보수신단계; 상기 수신된 채널정보를 기반으로 상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대한 간섭을 감소시키기 위해 기 설정된 제2조건식을 만족하는 지정된 파라미터를 산출하는 파라미터산출단계; 및 상기 산출된 파라미터를 사용자단말기에 피드백하는 정보피드백단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 네트워크형성단계는, 다수의 상기 사용자단말기가 위치하는 각각의 셀 영역의 업링크환경(IMAC,Interfering Multiple access channel) 및 다운링크환경(IBC, Interfering Broadcasting Channel)에서 기 설정된 상기 제1조건식을 만족하는 상기 지정된 파라미터를 설정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 네트워크형성단계는, 간섭정렬 가능 여부를 판단하기 위해 기 설정된 상기 제1조건식을 만족하는 송신단 안테나수, 수신단 안테나수, 및 데이터스트림을 포함하는 상기 지정된 파라미터를 설정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 파라미터산출단계는, 상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대한 업링크환경(IMAC,Interfering Multiple access channel) 및 다운링크환경(IBC, Interfering Broadcasting Channel)에서 상기 제2조건식을 만족하는 상기 지정된 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 파라미터산출단계는, 상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대해 설정값을 만족하는 임시 파라미터를 선택하는 파라미터선택단계; 및 상기 선택된 임시 파라미터를 상기 제2조건식을 만족할 때까지 갱신하여 상기 지정된 파라미터로 산출하는 파라미터갱신단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 파라미터산출단계는, 상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대해 셀 내부 간섭 및 셀 외부 간섭을 동시에 정렬하기 위한 프리코딩 행렬 및 간섭정렬을 위한 공간 정보를 포함하는 상기 기 설정된 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 한다.
본원 발명에 따른 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 시스템 및 그 방법에 따르면, 다중 셀 다중 사용자 시스템의 IMAC(Interfering Multiple access channel) 환경과 IBC(Interfering Broadcasting Channel) 환경에서 간섭정렬(Interference Alignment)의 가능 여부를 판단해 주는 간섭정렬 조건식을 제공함으로써 분산된 노드들이 자기구성화 과정을 수행할 수 있다. 또한 간섭정렬 알고리즘을 통해 간섭에 대한 자기최적화 과정을 수행함으로써 내부 셀 및 외부 셀 간섭문제를 동시에 해결하여 셀 가장자리에 있는 사용자의 수신 성능을 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 시스템의 개략적인 구성도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 다중 셀 다중 사용자 시스템의 다운링크환경(IBC, Interfering Broadcasting Channel)을 나타내는 구성도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 셀 다중 사용자 시스템의 업링크환경(IMAC,Interfering Multiple access channel)을 나타내는 구성도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 [수학식 4]를 해석한 구성도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 기지국의 개략적인 구성도.
도 6 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 기지국의 자기구성 및 자기최적화 동작에 대한 실 적용예를 설명하기 위한 도면.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 시스템의 개략적인 구성도.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 시스템의 개략적인 구성도를 도시한다.
도 1에 도시된 바와 같이, 상기 시스템은, 다수의 셀 영역에 각각 위치하여 각각이 위치한 셀 영역 상에서 인접한 기지국과 데이터를 송수신하는 사용자단말기(100) 및 상기와 같이 사용자단말기(100)가 위치하는 다중 셀 다중 사용자 환경(multicell multiuser)에서 기 설정된 조건식을 토대로 외부 셀(Inter-Cell) 간섭 및 내부 셀(Intra-Cell) 간섭을 동시에 감소시키는 각각의 기지국(200)을 포함하는 구성을 갖는다. 여기서, 상기 다중 셀 다중 사용자 환경(multicell multiuser)은 마크로 셀(macro cell)과 펨토 셀(femto cell)이 공존하는 다중 셀 기반에서 각각의 셀에 복수의 사용자단말기(100)가 위치하는 환경을 지칭하는 것으로, 이와 같은 다중 셀 다중 사용자 환경에서는 마크로 셀간의 간섭, 펨토 셀간의 간섭, 그리고 마크로 셀과 펨토 셀 간의 간섭에 해당하는 외부 셀(Inter-Cell) 간섭 그리고, 마크로 셀 내부 간섭과 펨토 셀 내부 간섭에 해당하는 내부 셀(Intra-Cell) 간섭이 존재할 수 있다.
나아가, 이와 같은 다중 셀 다중 사용자 환경은 다운링크환경(IBC, Interfering Broadcasting Channel) 및 업링크환경(IMAC,Interfering Multiple access channel)으로 구분될 수 있다.
우선, 도 2를 참조하여 다운링크환경(IBC, Interfering Broadcasting Channel)을 살펴보면 다음과 같다.
도 2의 경우
Figure pat00001
개의 셀이 존재하고 각 셀마다
Figure pat00002
개의 사용자단말기(100)가 있는 IBC 시스템을 도시하고 있다. 상황에 따라 각 셀은 마크로 셀이나 펨토 셀 혹은 이들의 조합으로 구성될 수 있다. 본 발명에서는 설명의 편의를 위하여 각 셀마다
Figure pat00003
가 동일하다고 가정함으로 각 셀의 사용자단말기(100)를
Figure pat00004
로 나타낸다.
이와 관련하여,
Figure pat00005
번째 셀의
Figure pat00006
번째 사용자단말기(100)의 수신신호를 일반적인 수식으로 나타내면 아래의 [수학식 1]과 같다.
[수학식 1]
Figure pat00007
이 시스템에서 송신단인 기지국(200)의 안테나수와 수신단인 사용자단말기(100)의 안테나수는 각각
Figure pat00008
와
Figure pat00009
로 나타낸다. [수학식 1]에서
Figure pat00010
는 t번째 기지국(200)과 g번째 셀의 k번째 사용자단말기(100) 사이의
Figure pat00011
채널 매트릭스를 나타내고,
Figure pat00012
는 g번째 셀의 k번째 사용자단말기(100)를 위해 사용되는
Figure pat00013
프리코딩 행렬을 나타내며,
Figure pat00014
는 g번째 기지국(200)이 g번째 셀의 k번째 사용자단말기(100)로 전송하는
Figure pat00015
전송신호 벡터를 나타낸다. 여기서
Figure pat00016
는 각 송신단에서 접속한 사용자단말기(100)에게 전송하고자 하는 데이터스트림수이다. 그리고
Figure pat00017
는 g번째 셀의 k번째 사용자단말기(100)에 해당하는
Figure pat00018
크기의 백색 가우시안 잡음 벡터를 나타내며, N(0,1)과 같은 분포를 따른다.
다음, 도 3을 참조하여 업링크환경(IMAC,Interfering Multiple access channel)을 살펴보면 다음과 같다.
도 3의 경우,
Figure pat00019
개의 셀이 존재하고 각 셀마다
Figure pat00020
개의 사용자단말기(100)가 있는 IMAC 시스템을 도시하고 있다.
이와 관련하여, g번째 기지국(200)이 자신의 셀 안의 t번째 사용자단말기(100)로부터 수신한 신호를 아래의 [수학식2]와 같이 일반적으로 표현할 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00021
이 시스템에서는 송신단인 사용자단말기(100)의 안테나수와 수신단인 기지국(200)의 안테나수는 각각
Figure pat00022
와
Figure pat00023
로 나타낸다. [수학식 2]에서
Figure pat00024
는 t번째 셀의 l번째 사용자단말기(100)와 g번째 기지국(200) 사이의
Figure pat00025
채널 매트릭스를 나타내고,
Figure pat00026
는 g번째 셀의 k번째 사용자단말기(100)가 사용하는
Figure pat00027
프리코딩 행렬을 나타내며
Figure pat00028
는 g번째 셀의 k번째 사용자단말기(100)가 전송하는
Figure pat00029
전송신호 벡터를 나타낸다. 여기서,
Figure pat00030
는 사용자단말기(100)가 기지국(200)으로 전송하고자 하는 데이터스트림수이다.
Figure pat00031
는 g번째 기지국(200)에서 발생하는
Figure pat00032
크기의 백색 가우시안 잡음 벡터를 나타내며, N(0,1)과 같은 분포를 따른다.
상기 기지국(200)은 상술한 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭정렬을 통해 간섭을 위해 기 설정된 조건식을 만족하는 지정된 파라미터에 대한 설정을 수행하여 인접한 기지국과의 네트워크를 형성하여 채널정보를 교환하기 위한 자기구성화 즉, 자기설정(Self-Configuration)을 수행한다. 보다 구체적으로, 기지국(200)은 다중 셀 다중 사용자 환경에서 간섭정렬 알고리즘을 통해 간섭을 제거하기 위해서 먼저 다중 셀 다중 사용자 시스템이 간섭정렬을 위한 조건을 만족하는지 알아보아야 한다. 따라서, 상기 다중 셀 다중 사용자 시스템을 이차 선형 방정식 시스템으로 간주하고 시스템의 방정식과 미지수 수를 비교함으로써 상기 시스템의 해가 존재하는지, 즉 간섭정렬 알고리즘을 통해 간섭을 제거할 수 있는지를 확인한다. 이러한 간섭정렬을 위한 조건식은 간섭정렬을 위해 인접한 노드들 사이에 네트워크를 형성할 수 있게 한다.
즉, 다중 셀 다중 사용자 IBC 환경에서 아래의 [수학식 3]과 [수학식 4]를 만족하는 프리코딩 행렬
Figure pat00033
와 수신단필터 행렬
Figure pat00034
이 존재한다면 셀 내부 간섭 및 셀간의 간섭정렬이 가능하다.
[수학식 3]
Figure pat00035
[수학식 4]
Figure pat00036
여기서, 모든 채널 행렬의 성분은 i.i.d(independent and identically distributed)라고 가정한다. 또한, [수학식 3]은 간섭 성분들로 내부 셀 및 외부 셀 간섭들이다. 이러한 간섭성분은 [수학식 3]의 조건에 의해 모두 사라지고 [수학식 4]를 만족하는 자기신호 성분의 랭크(rank)가 데이터 스트림수
Figure pat00037
가 되게 하는
Figure pat00038
,
Figure pat00039
가 있다면 간섭정렬이 가능하다. 따라서 [수학식 3]과 [수학식 4]를 동시에 고려하여 다중 셀 다중 사용자 환경에서 상기 두 식을 만족하는 해 (
Figure pat00040
,
Figure pat00041
)가 있을 조건을 구해야 한다.
한편, [수학식 3]과 [수학식 4]를 동시에 고려하여 생성되는 방정식의 수와 미지수의 수를 계산하기 위해서 상기 [수학식 3]과 [수학식 4]를 아래의 [수학식 5]와 같이 표현한다.
[수학식 5]
Figure pat00042
상기 [수학식 5]에서
Figure pat00043
는 각각 프리코딩 행렬
Figure pat00044
와 수신단 필터행렬
Figure pat00045
의 열벡터이다. 이와 관련하여 상기 [수학식 5]를 통해 필요한 방정식의 수는 하기 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
Figure pat00046
한편, [수학식 5]에서
Figure pat00047
와
Figure pat00048
은 각각 [수학식 3]과 [수학식 4]를 만족하는 행렬
Figure pat00049
와
Figure pat00050
의 열수를 나타낸다.
다음으로, [수학식 3]과 [수학식 4]를 만족하는 미지수의 수를 알아본다. 하나의 행렬
Figure pat00051
와
Figure pat00052
에서 필요한 최소한의 미지수 수는 각각
Figure pat00053
와
Figure pat00054
이다. 따라서 전체적으로 필요한 미지수의 수는 아래의 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
Figure pat00055
상기 [수학식 7]에서
Figure pat00056
는 전송단 안테나수로서 IBC환경에서는
Figure pat00057
로, IMAC 환경에서는
Figure pat00058
로 나타낼 수 있다. 또한,
Figure pat00059
는 수신단 안테나수를 의미하며, IBC환경에서는
Figure pat00060
로, IMAC 환경에서는
Figure pat00061
로 나타낼 수 있다. 다중 셀 다중 사용자 시스템에서 간섭정렬을 위한 해가 존재하려면 상기 시스템에서 구한 미지수의 수가 방정식의 수보다 많거나 같아야 한다. 이와 관련하여 아래의 [수학식 8]은 IBC 시스템에서 간섭정렬을 위한 해가 존재할 조건식이다.
[수학식 8]
Figure pat00062
한편, 업링크 환경인 IMAC 시스템에서도 상기 [수학식 8]과 같은 조건식이 간섭정렬을 위해 동일 하게 사용될 수 있다. 따라서 다중 셀 다중 사용자 시스템의 IBC나 IMAC 환경에서 간섭정렬을 통해 간섭을 제거하기 위해서는 인접한 노드들이 상기 [수학식 8]과 같은 조건식을 만족하도록 네트워크를 형성하여야 한다.
상기 시스템에서 전송단 안테나수와 수신단 안테나수가 각각 M과 N개로 동일하고, 전송하고자 하는 데이터스트림수도 D개로 동일한 경우 시스템의 해가 있을 조건은 하기 [수학식 9]와 같다.
[수학식 9]
Figure pat00063
아울러, 기지국(200)은 상술한 바와 같이 다중 셀 다중 사용자 환경에 대한 자기구성화가 완료될 경우, 형성된 네트워크로부터 수신되는 채널정보를 기반으로 기 설정된 조건식을 만족하는 지정된 파라미터를 산출함으로써, 상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기(100) 각각에 대한 간섭을 감소시키기 위한 자기최적화(Self-Optimization)를 수행한다. 보다 구체적으로, 기지국(200)은 G개의 셀이 있고 각 셀마다 단일 사용자단말기(100,K=1)가 있는 간섭 채널 환경에서 셀간 간섭을 위해 제안된 기법인 반복 간섭정렬 알고리즘을 G개의 셀이 있고 각 셀마다 K명의 사용자가 존재하는 다중 셀 다중 사용자 환경에 확장 적용한다. 다시 말해, 기지국(200)은 다중 셀 다중 사용자 환경의 셀 내부 간섭과 셀간 간섭을 동시에 정렬하기 위한 프리코딩 행렬
Figure pat00064
와 간섭을 위한 간섭공간
Figure pat00065
을 반복적인 알고리즘을 통해 찾는다. 여기서, 업링크 환경인 IMAC과 다운링크 환경인 IBC에서 적용되는 간섭정렬 알고리즘은 동일하다.
한편, 아래의 [수학식 10]은 간섭정렬을 위한 목적함수를 일반적으로 표현한 것이다.
[수학식 10]
Figure pat00066
이와 관련하여, [수학식 1]과 [수학식 2]에서 살펴본 바와 같이 업링크에서 고려되는 간섭채널과 다운링크에서 고려되는 간섭채널이 서로 구분되어야 하기 때문에, IBC 환경에서는 [수학식 10]의
Figure pat00067
에서
Figure pat00068
는
Figure pat00069
로
Figure pat00070
는
Figure pat00071
로 설정하여
Figure pat00072
가 되고, IMAC환경에서
Figure pat00073
의
Figure pat00074
는
Figure pat00075
로
Figure pat00076
는
Figure pat00077
로 설정하여
Figure pat00078
가 된다. 여기서
Figure pat00079
는 g번째 셀의 k번째 사용자단말기(100)를 위한 간섭정렬 부공간인
Figure pat00080
에 대한 직교정규한(orthonormal)한 기저를 나타내며,
Figure pat00081
는 g번째 셀의 k번째 사용자단말기(100) 입장에서 간섭이 되는 채널을 나타낸다. 이때, 간섭이 되는 채널은 셀 내부 간섭과 셀간의 간섭 모두를 포함한 것이다. 따라서 [수학식 10]이 의미하는 바는 간섭성분
Figure pat00082
을
Figure pat00083
간섭 공간에 정사영시킨
Figure pat00084
성분과
Figure pat00085
성분과의 차이를 최소화하는 것이다. 다시 말해, 간섭정렬의 에러를 최소화하는
Figure pat00086
와
Figure pat00087
를 산출함으로써, 이를 통해 도 4에 도시한 바와 같이 간섭성분들을 간섭을 위한 공간인
Figure pat00088
로 정렬시킨다.
이하에서는, 도 5를 참조하여, 기지국(200)의 보다 구체적인 구성을 설명하도록 한다. 즉, 기지국(200)은 다중 셀 다중 사용자 환경에 대한 자기설정(Self-Configuration)을 수행하는 자기구성화부(210) 및 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기(100) 각각에 대한 간섭을 감소시키는 자기최적화(Self-Optimization)를 수행하는 자기최적화부(220)를 포함하는 구성을 갖는다.
상기 자기구성화부(210)는 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭정렬을 통해 간섭을 위해 기 설정된 조건식을 만족하는 지정된 파라미터에 대한 설정을 수행하여 인접한 기지국과의 네트워크를 형성하여 채널정보를 교환하기 위한 자기구성화 즉, 자기설정(Self-Configuration)을 수행한다. 보다 구체적으로, 자기구성화부(210)는 상술한 [수학식 8]의 간섭정렬 조건식을 통해 송신단, 수신단 안테나수 및 데이터스트림수 등의 파라미터를 설정한다.
[수학식 8]
Figure pat00089
이를 통해 자기구성화부(210)는 인접한 기지국과의 네트워크를 형성하고, 형성된 네트워크의 기지국들 간 채널정보를 서로 교환함으로써 자기구성화를 수행한다.
상기 자기최적화부(220)는 다중 셀 다중 사용자 환경에 대한 자기구성화가 완료될 경우, 형성된 네트워크로부터 수신되는 채널정보를 기반으로 기 설정된 조건식을 만족하는 지정된 파라미터를 산출함으로써, 상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기(100) 각각에 대한 간섭을 감소시키기 위한 자기최적화(Self-Optimization)를 수행한다. 보다 구체적으로, 자기최적화부(220)는 다운링크와 업링크 환경에서 모든 기지국이 자기 최적화 과정을 수행한다고 가정하고, 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭을 제거한다. 즉, 자기최적화부(220)는
Figure pat00090
(identity matrix)를 만족하는 임의의
Figure pat00091
프리코딩 행렬
Figure pat00092
를 모든 셀 t와 사용자 l에 대해서 선택한다. 또한, 자기최적화부(220)는 아래의 [수학식 11]을 통해 모든 셀 g와 사용자 k에 대한
Figure pat00093
를 계산한다.
[수학식 11]
Figure pat00094
여기서,
Figure pat00095
는 행렬 H의 가장 큰
Figure pat00096
개의 고유값(eigenvalue)에 해당하는 고유벡터(eigenvectors)를 나타내고 는 행렬 H의 가장 큰
Figure pat00098
개의 고유값(eigenvalue)에 해당하는 고유벡터(eigenvectors)를 나타낸다.
이를 토대로, 자기최적화부(220)는 아래의 [수학식 12]를 통해 모든 t,l에 대해
Figure pat00099
을 계산한다.
[수학식 12]
Figure pat00100
한편, 자기최적화부(220)는
Figure pat00101
와
Figure pat00102
를 구하는 과정을 상술한 [수학식 10]의 목적함수가 수렴할 때까지 반복하고, 상기 목적함수가 수렴되면 아래의 [수학식 13]을 통해
Figure pat00103
로부터 수신단에서 사용되는 필터 행렬
Figure pat00104
를 산출함으로써, 산출된 프리코딩 행렬을 피트백을 통해 사용자단말기(100)에 전달한다.
[수학식 10]
Figure pat00105
[수학식 13]
Figure pat00106
여기서,
Figure pat00107
는 간섭을 정렬시킬 공간인
Figure pat00108
에 직교한 부공간을 나타낸다.
참고로, 도 6 내지 8을 참조하여 상술한 기지국(200)의 자기구성 및 자기최적화 동작에 대한 실 적용예를 설명하기로 한다.
도 6은 마크로셀과 펨토셀이 공존하는 다중 셀 IBC 시스템에서 자기구성 및 자기최적화를 통한 SON(Self-Organizing Network) 기능의 실시예를 도시하고 있다.
즉, 도 6에 도시된 바와 같이, 다중 셀 IBC 시스템은 하나의 마크로 셀과 인접한 2개의 펨토셀이 SON을 형성하며, 이때 마크로셀과 펨토 셀에는 각각 2명의 사용자가 있다고 가정한다. 이때, 각 펨토 기지국은 인접한 펨토 셀의 사용자와 마크로셀의 사용자에게 간섭을 주고 마크로 기지국은 인접한 펨토셀 사용자들에게 간섭을 준다. 또한 각각의 셀 내부 간섭이 존재한다.
도 7은 상기 도 6의 실시예와 같은 환경에서 간섭정렬 알고리즘을 적용했을 때의 성능그래프를 도시하고 있다. 여기서, 그래프의 가로축은 전송파워를 나타내며, 세로축은 합 전송률을 나타낸다. 또한 합 전송률의 기울기는 degree of freedom(DoF)를 나타낸다.
즉, 도 7에 도시된 바와 같이 인접한 3개의 셀이 존재하고 각 셀마다 수신 안테나 개수가 2개인 2명의 사용자가 있는 환경에서 기지국이 전송하고자 하는 데이터스트림수가 1일 때 간섭정렬 조건식을 이용하여 간섭정렬이 가능한 전송안테나수(M)를 상술한 [수학식 9]로부터 하기 [수학식 14]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
Figure pat00109
[수학식 14]
Figure pat00110
이때, 송신 안테나수가 상기 [수학식 14]를 만족하는 경우, 즉 각 기지국이 6개의 송신 안테나를 사용하는 경우 합 전송률의 기울기가 정확한 DoF 6을 나타내는 반면, 5개의 송신 안테나를 사용한 경우 현저하게 낮은 DoF를 보임으로써 간섭정렬이 제대로 수행되지 못함을 확인할 수 있다.
도 8은 셀의 수가 2이고 각 셀마다 수신 안테나 개수가 2개인 2명의 사용자가 존재하는 환경에서의 성능그래프를 도시하고 있다. 여기서, 기지국이 전송하고자 하는 데이터스트림수가 1일 때 간섭정렬식을 이용하여 구한 송신 안테나수는 4 이상이다.
즉, 도 8에 도시된 바와 같이 송신 안테나가 3일 때는 현저하게 낮은 DoF를 보이는 반면, 송신 안테나가 4일 때의 경우 합 전송률의 기울기가 요구되는 DoF 4와 동일하게 됨을 확인함으로써 간섭정렬이 제대로 수행되었음을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 시스템에 따르면, 업링크 환경인 IMAC(Interfering Multiple access channel)과 다운링크 환경인 IBC(Interfering Broadcasting Channel)에서 내부 셀(Intra-Cell) 및 외부 셀(Inter-Cell) 간 간섭문제를 동시에 해결하기 위하여 간섭정렬(Interference Alignment) 기법을 적용한다. 또한, 상기 기법을 적용하기에 앞서 간섭정렬을 위한 조건식을 이용하여 자기구성화를 수행하고, 그 후 간섭정렬 알고리즘을 통해 간섭에 대한 자기최적화를 수행함으로써, 내부 셀 및 외부 셀 간섭문제를 동시에 해결하여 셀 가장자리에 있는 사용자의 수신 성능을 향상시킬 수 있다.
이하에서는, 도 9를 참조하여, 본 발명에 따른 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 방법을 설명하기로 한다. 여기서, 설명의 편의를 위해 전술한 도 1 내지 도 8에 도시된 구성은 해당 참조번호를 언급하여 설명하기로 한다.
먼저, 기지국(200)은 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭정렬을 통해 간섭을 위해 기 설정된 조건식을 만족하는 지정된 파라미터에 대한 설정을 수행하여 인접한 기지국과의 네트워크를 형성한다(S110). 바람직하게는, 자기구성화부(210)가 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭정렬을 통해 간섭을 위해 기 설정된 조건식을 만족하는 지정된 파라미터에 대한 설정을 수행하여 인접한 기지국과의 네트워크를 형성한다. 보다 구체적으로, 자기구성화부(210)는 상술한 [수학식 8]의 간섭정렬 조건식을 통해 송신단, 수신단 안테나수 및 데이터스트림수 등의 파라미터를 설정한다.
[수학식 8]
Figure pat00111
그리고 나서, 기지국(200)은 채널정보를 교환한다(S120). 바람직하게는, 자기구성화부(210)가 형성된 네트워크의 기지국들 간 채널정보를 서로 교환함으로써 자기구성화를 수행한다.
그런 다음, 기지국(200)이 자기최적화를 위한 임의의 파라미터를 선택한다(S130-S140). 바람직하게는, 자기최적화부(220)가
Figure pat00112
(identity matrix)를 만족하는 임의의
Figure pat00113
프리코딩 행렬
Figure pat00114
를 모든 셀 t와 사용자 l에 대해서 선택한다. 또한, 자기최적화부(220)는 아래의 [수학식 11]을 통해 모든 셀 g와 사용자 k에 대한
Figure pat00115
를 계산한다.
[수학식 11]
Figure pat00116
여기서,
Figure pat00117
는 행렬 H의 가장 큰
Figure pat00118
개의 고유값(eigenvalue)에 해당하는 고유벡터(eigenvectors)를 나타내고
Figure pat00119
는 행렬 H의 가장 큰
Figure pat00120
개의 고유값(eigenvalue)에 해당하는 고유벡터(eigenvectors)를 나타낸다.
다음으로, 기지국(200)이 자기최적화를 위한 지정된 파라미터를 산출하고, 목적함수의 수렴상태를 확인한다(S150-S170). 바람직하게는, 자기최적화부(220)가 아래의 [수학식 12]를 통해 모든 t,l에 대해
Figure pat00121
을 계산하고, 이후
Figure pat00122
와
Figure pat00123
를 구하는 과정(S140,S150)을 [수학식 10]의 목적함수가 수렴할 때까지 반복한다.
[수학식 12]
Figure pat00124
[수학식 10]
Figure pat00125
이후, 기지국(100)이 산출된 파라미터를 최적화하여 사용자에게 피드백한다(S180-S190). 바람직하게는, 자기최적화부(220)는 목적함수가 수렴될 경우, 아래의 [수학식 13]을 통해
Figure pat00126
로부터 수신단에서 사용되는 필터 행렬
Figure pat00127
를 산출함으로써, 산출된 프리코딩 행렬을 피트백을 통해 사용자단말기(100)에 전달한다.
[수학식 13]
Figure pat00128
여기서,
Figure pat00129
는 간섭을 정렬시킬 공간인
Figure pat00130
에 직교한 부공간을 나타낸다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 방법에 따르면, 업링크 환경인 IMAC(Interfering Multiple access channel)과 다운링크 환경인 IBC(Interfering Broadcasting Channel)에서 내부 셀(Intra-Cell) 및 외부 셀(Inter-Cell) 간 간섭문제를 동시에 해결하기 위하여 간섭정렬(Interference Alignment) 기법을 적용한다. 또한, 상기 기법을 적용하기에 앞서 간섭정렬을 위한 조건식을 이용하여 자기구성화를 수행하고, 그 후 간섭정렬 알고리즘을 통해 간섭에 대한 자기최적화를 수행함으로써, 내부 셀 및 외부 셀 간섭문제를 동시에 해결하여 셀 가장자리에 있는 사용자의 수신 성능을 향상시킬 수 있다.
지금까지 본 발명을 바람직한 실시 예를 참조하여 상세히 설명하였지만, 본 발명이 상기한 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 또는 수정이 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 사상이 미친다 할 것이다.
본 발명에 따른 다중 셀 환경에서의 간섭 제거 시스템 및 그 방법은 다중 셀 다중 사용자 환경(multicell multiuser)에서 분산된 노드들 간 SON(Self-Organizing Network)을 형성하여 외부 셀(Inter-Cell) 간섭 및 내부 셀(Intra-Cell) 간섭을 동시에 감소시킨다는 점에서 기존 기술의 한계를 뛰어 넘음에 따라 관련 기술에 대한 이용만이 아닌 적용되는 장치의 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있는 발명이다.
100: 사용자단말기
200: 기지국
210: 자기구성화부 220:자기최적화부

Claims (13)

  1. 다수의 셀 영역에 각각 위치하며, 각각이 위치한 셀 영역 상에서 인접한 기지국과 데이터를 송수신하는 사용자단말기; 및
    다수의 상기 사용자단말기가 위치하는 각각의 셀 영역에서 기 설정된 제1조건식을 만족하는 지정된 파라미터에 대한 설정을 통해 인접한 기지국과의 네트워크를 형성하여 채널정보를 교환하고, 상기 채널정보를 기반으로 상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대한 간섭을 감소시키기 위해 기 설정된 제2조건식을 만족하는 지정된 파라미터를 산출하여 사용자단말기에 피드백하는 기지국을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 시스템.
  2. 셀 영역에 위치한 다수의 사용자단말기와 데이터를 송수신하는 기지국에 있어서,
    다수의 사용자단말기가 위치하는 셀 영역에서 기 설정된 제1조건식을 만족하는 지정된 파라미터에 대한 설정을 통해 인접한 기지국과의 네트워크를 형성하여 채널정보를 교환하는 자기구성화부; 및
    상기 채널정보를 기반으로 상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대한 간섭을 감소시키기 위해 기 설정된 제2조건식을 만족하는 지정된 파라미터를 산출하여 사용자단말기에 피드백하는 자기최적화부를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 자기구성화부는,
    다수의 상기 사용자단말기가 위치하는 각각의 셀 영역의 업링크환경(IMAC,Interfering Multiple access channel) 및 다운링크환경(IBC, Interfering Broadcasting Channel)에서 기 설정된 상기 제1조건식을 만족하는 상기 지정된 파라미터를 설정하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 자기구성화부는,
    간섭정렬 가능 여부를 판단하기 위해 기 설정된 상기 제1조건식을 만족하는 송신단 안테나수, 수신단 안테나수, 및 데이터스트림수를 포함하는 상기 지정된 파라미터를 설정하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 자기최적화부는,
    상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대한 업링크환경(IMAC,Interfering Multiple access channel) 및 다운링크환경(IBC, Interfering Broadcasting Channel)에서 상기 제2조건식을 만족하는 상기 지정된 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 자기최적화부는,
    상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대해 설정값을 만족하는 임시 파라미터를 선택하고, 상기 선택된 임시 파라미터를 상기 제2조건식을 만족할 때까지 갱신하여 상기 지정된 파라미터로 산출하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 자기최적화부는,
    상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대해 셀 내부 간섭 및 셀 외부 간섭을 동시에 정렬하기 위한 프리코딩 행렬 및 간섭정렬을 위한 공간 정보를 포함하는 상기 기 설정된 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  8. 다수의 사용자단말기가 위치하는 셀 영역에서 기 설정된 제1조건식을 만족하는 지정된 파라미터를 설정하여 인접한 기지국과의 네트워크를 형성하는 네트워크형성단계;
    상기 형성된 네트워크상에서 채널정보를 수신하는 채널정보수신단계;
    상기 수신된 채널정보를 기반으로 상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대한 간섭을 감소시키기 위해 기 설정된 제2조건식을 만족하는 지정된 파라미터를 산출하는 파라미터산출단계; 및
    상기 산출된 파라미터를 사용자단말기에 피드백하는 정보피드백단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 네트워크형성단계는,
    다수의 상기 사용자단말기가 위치하는 각각의 셀 영역의 업링크환경(IMAC,Interfering Multiple access channel) 및 다운링크환경(IBC, Interfering Broadcasting Channel)에서 기 설정된 상기 제1조건식을 만족하는 상기 지정된 파라미터를 설정하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 방법.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 네트워크형성단계는,
    간섭정렬 가능 여부를 판단하기 위해 기 설정된 상기 제1조건식을 만족하는 송신단 안테나수, 수신단 안테나수, 및 데이터스트림수를 포함하는 상기 지정된 파라미터를 설정하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 방법.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 파라미터산출단계는,
    상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대한 업링크환경(IMAC,Interfering Multiple access channel) 및 다운링크환경(IBC, Interfering Broadcasting Channel)에서 상기 제2조건식을 만족하는 상기 지정된 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 파라미터산출단계는,
    상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대해 설정값을 만족하는 임시 파라미터를 선택하는 파라미터선택단계; 및
    상기 선택된 임시 파라미터를 상기 제2조건식을 만족할 때까지 갱신하여 상기 지정된 파라미터로 산출하는 파라미터갱신단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 방법.
  13. 제 12 항에 있어서,
    상기 파라미터산출단계는,
    상기 네트워크상의 다수의 셀 영역 및 사용자단말기 각각에 대해 셀 내부 간섭 및 셀 외부 간섭을 동시에 정렬하기 위한 프리코딩 행렬 및 간섭정렬을 위한 공간 정보를 포함하는 상기 기 설정된 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 다중 사용자 환경에서의 간섭 제거 방법.
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