KR20130102757A - 2계층 네트워크에서 간섭 정렬을 이용한 다운링크 빔 형성 방법 - Google Patents

2계층 네트워크에서 간섭 정렬을 이용한 다운링크 빔 형성 방법 Download PDF

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KR20130102757A
KR20130102757A KR1020120023839A KR20120023839A KR20130102757A KR 20130102757 A KR20130102757 A KR 20130102757A KR 1020120023839 A KR1020120023839 A KR 1020120023839A KR 20120023839 A KR20120023839 A KR 20120023839A KR 20130102757 A KR20130102757 A KR 20130102757A
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Abstract

2계층 네트워크에서 간섭 정렬을 이용한 다운링크 빔 형성 방법이 제공된다. 본 발명의 실시예에서는 다운링크에서 2계층 네트워크를 고려하였는데, 2계층 네트워크는 다중 전송 안테나를 갖는 하나의 매크로셀 기지국과 다수의 폐쇄형 접속 MIMO 펨토셀이 공존하고 있다. 매크로셀 사용자 장치와 펨토셀 사용자 장치 모두 복수의 수신 안테나를 가지고 있어서, 본 발명의 실시예에서는 계층내 그리고 계층간 간섭을 완화하기 위하여 선별 간섭 정렬(OIA) 기법을 이용한다. 그리고 동일한 스펙트럼에 공존하는 매크로셀 사용자 단말과 펨토셀 사용자 단말의 개수를 감소시키기 위하여, 본 발명의 실시예에서는 무작위 스펙트럼 할당 기법을 추가로 사용한다.

Description

2계층 네트워크에서 간섭 정렬을 이용한 다운링크 빔 형성 방법{Method for downlink beamforming in two tier network using interference alignment}
본 발명은 다운링크 빙 형성 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 2계층 네트워크에서 간섭 정렬(Interference Alignment, IA)을 이용하여 다운링크 빔을 형성하는 방법에 관한 것이다.
이동통신 네트워크에서 대역폭에 대한 요구와 전력 소모를 줄이고자 하는 동기로 인하여 셀의 크기를 축소하려는 연구가 활발히 진행되고 있다. 셀의 크기를 축소시키면 사용자 단말과 기지국 사이의 거리를 감소시켜서 사용자 단말의 전력 소모를 줄이고 스펙트럼 자원을 재사용함으로써 네트워크 용량을 향상시킬 수 있다. 소규모 셀 네트워크를 전개하는 상대적으로 경제적인 방법으로 펨토셀(femtocell)네트워크가 알려져 있다.
펨토셀은 1,000조 분의 1(10-15)를 뜻하는 "펨토(femto)"와 이동통신에 있어 하나의 기지국이 담당하는 서비스 구역 단위인 "셀(cell)"을 합친 조어로서, 펨토셀 액세스 포인트(Femtocell Access Point, FAP)는 가정이나 사무실 등 실내에서 사용되는 초소형 이동 통신용 기지국을 의미한다. 펨토셀 기술은 이동 통신에서 실내 음영 지역(shadow area)을 해소하기 위해 개발된 기술로서, 펨토셀 액세스 포인트(FAP)는 매크로셀 기지국(Macrocell Base Station, MBS)의 관할 영역(cell coverage) 내에 위치한다. 펨토셀 액세스 포인트(FAP)와 매크로셀 기지국(MBS)을 모두 포함하여 구성된 네트워크를 2계층 네트워크(two-tier network) 또는 다계층 네트워크(multi-tier network)라고 한다.
이와 같이, 짧은 통신 거리를 갖는 펨토셀은 저전력 실내 기지국으로 활용되어 이동통신 네트워크의 커버리지를 확장할 수 있으며, 댁내나 기업체 내에서 고속 데이터 서비스를 제공할 수 있다. 이러한 소규모 셀 네트워크는 무선 운영자(wireless operator)들에게도 매력적인데, 왜냐하면 펨토셀은 사용자 부동산에 설치될 수 있으며, 사용자의 기존 광대역 인터넷 연결에 백하울(backhaul)로서 역할을 할 수 있기 때문이다. 이와 같이, 무선 운영자에게는 추가적인 설치 비용이나 에너지 공급 비용 또는 장소 임대 비용 등이 발생하지 않는다.
펨토셀은 이론적으로 셀 크기의 감소를 통해 보다 높은 용량과 에너지 효율을 제공할 수 있지만, 다른 한편으로는 모든 무선 운영자들이 해야할 과제 또한 증가시킨다. 예를 들어, 무선 운영자들은 셀 계획, 장소 획득, 파라미터 고안 및 조정 등이 그것이다. 셀 밀도가 증가함에 따라서, 주파수/공간 재사용(frequency/space reuse), 전력 제어(power control), 및 안테나 방향 조절(antenna tilting) 등에 기초한 전통적인 오프라인 계획 기법은 늘어나는 장치들의 숫자로 인한 간섭에 대처할 수가 없다. 따라서 펨토셀의 성공적인 배치와 매크로셀 트래픽에 대하여 서비스 품질(Quality of Service, Qos)의 보장을 위해서는 간접 관리(interference management)가 중요하다.
펨토셀과 같은 폐쇄형 접속 시스템에서는, 펨토셀 소유자에 의하여 한정된 사용자 단말들만이 네트워크에 접속할 수 있다. 개방형 접속 시스템과 비교했을 때, 폐쇄형 접속 시스템은 보다 보안성이 높고 네트워크 부하가 낮은 장점이 있다. 그러나, 폐쇄형 접속 시스템은 계층간 간섭에 아주 취약하다는 단점이 있다. 간섭 정렬(Interference Alignment, IA)은 이러한 단점을 해결하기 위하여 최근에 제안된 방법인데, 이에 의하면 선형 빔 형성 기법을 이용하여 수신단에서 간섭이 간섭 부공간(interference subspace)에서 정렬되지만 전송하기 원하는 신호는 비간섭 부공간(interference-free subspace)에서 정렬되도록 전송단에서 빔 형성 행렬(beamforming matrics)을 정렬한다. 수신단에서는 원하는 신호가 비간섭 부공간에 투사되도록 단순히 영점-강제 수신 벡터(zero-forcing receiving vector)를 적용할 수 있다.
이러한 간섭 정렬 기법은 다양한 유형의 간섭 네트워크에서 제안이 되었다. 예를 들어, C. B. Chae, S. H. Kim, 및 R. W. Heath Jr.에 의한 "Network coordinated beamforming for cell-boundary users: Linear and nonlinear apporaches"(IEEE J. Select. Topics Signal Process., vol. 3, no. 6, pp. 1094-1105, Dec. 2009), S. M. Perlaza, N.Fawaz, S. Lasaulce, 및 M. Debbah에 의한 "From spectrum pooling to space pooling: Opportunistic interference alignment in MIMO cognitive network"(IEEE trans. Signal Process., vol. 58, no. 7, pp. 3728-3741, Jul. 2010), W. Shin, N. Lee, W. Noh, 및 H. H. Choi에 의한 "Hierarchical interference alignment for heterogeneous networks with multiple antennas"(in Proc. IEEE Int. Conf. Commun., Kyoto, Japan, 2011, pp. 1-6), C. Suh, M. Ho, 및 D. N. C. Tse에 의한 "Downlink interference alignment"(IEEE trans. Commun., vol. 59, no. 9, pp. 2616-266, Seo. 2011) 등에서 간섭 정렬을 이용한 기법이 제안되어 있다. 하지만, 이들 논문에서는 펨토셀 액세스 포인트(FAP)들의 임의적인 위치나 간섭 정렬을 위한 채널 상태 정보(Channel State Information, CSI)의 불완전성이 고려되지 않고 있다.
펨토셀 네트워크가 매크로셀 네트워크 내에 조밀하게 또한 임의의 위치에 무작위로 배치된 2계층 네트워크에서 계층내 간섭은 물론 계층간 간섭을 완화할 수 있는 간섭 정렬을 이용한 다운링크 빔 형성 방법을 제공한다.
상기한 과제를 해결하기 위한 본 발명의 일 실시예는 하나의 다중 입출력(MIMO) 매크로셀과 다수의 MIMO 펨토셀이 공존하는 2계층 네트워크에서 간섭 정렬을 이용한 다운링크 빔 형성 방법으로서, 상기 MIMO 매크로셀에서 서브채널을 공유하는 매크로셀 사용자 장치(MUE) 각각이 상기 다수의 MIMO 펨토셀 중에서 최단 간섭 펨토셀 액세스포인트(FAP)를 식별하여 영점-강제 수신 벡터를 결정하는 제1 단계, 상기 매크로셀 사용자 장치(MUE) 각각이 상호 직교하도록 매크로셀 기지국(MBS)에서의 전송 빔포밍 벡터를 결정하는 제2 단계, 간섭 정렬 기법을 이용하여 상기 FAP에서의 전송 빔포밍 벡터를 결정하는 제3 단계, 및 상기 간섭 정렬 기법에 따라 정렬된 간섭 부공간에서 직교하도록 각 펨토셀 사용자 단말(FUE)에서의 수신 빔포밍 벡터를 결정하는 제4 단계를 포함한다.
상기 실시예의 일 측면에 의하면, 상기 제3 단계에서는 상기 간섭 정렬 기법을 이용하여 상기 FUE에 대한 상기 각 FAP로부터의 간섭과 상기 MBS로부터의 간섭이 정렬되도록 할 수 있다.
상기 실시예의 다른 측면에 의하면, 상기 영점-강제 수신 벡터는 하기 수학식 (E-1)일 수 있다.
Figure pat00001
수학식 (E-1)
상기 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 상기 MBS에서의 전송 빔 포밍 벡터는 하기 수학식 (E-2)일 수 있다.
Figure pat00002
수학식 (E-2)
상기 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 상기 제3 단계에서 j번째 FAP에서의 전송 빔포밍 벡터는 하기 수학식 (E-3)을 만족할 수 있다.
Figure pat00003
수학식 (E-3)
상기 실시예의 또 다른 측면에 의하면, 상기 FUE에서의 빔포밍 벡터는 하기 수학식 (E-4)를 만족할 수 있다.
Figure pat00004
수학식 (E-4)
본 발명의 실시예에 의하면, 다수의 펨토셀 네트워크가 매크로셀 네트워크 내에 조밀하게 또한 임의의 위치에 무작위로 배치된 2계층 네트워크에서 계층내 간섭은 물론 계층간 간섭을 완화함으로써, 2계층 네트워크에서의 데이터 처리량을 최대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용될 수 있는 2계층 네트워크의 구성의 일례를 보여 주는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2계층 네트워크에서 간섭 정렬을 이용한 다운링크 빔 형성 방법의 일례를 보여 주는 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 사용되는 용어들은 실시예에서의 기능을 고려하여 선택된 용어들로서, 그 용어의 의미는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 후술하는 실시예들에서 사용된 용어의 의미는, 본 명세서에 구체적으로 정의된 경우에는 그 정의에 따르며, 구체적인 정의가 없는 경우는 당업자들이 일반적으로 인식하는 의미로 해석되어야 할 것이다.
그리고 본 명세서에서, 볼드체 대문자는 매트릭스(matrix)를 나타내고, 볼드체 소문자는 열벡터(column vector)를 나타내며, 비볼드체 소문자는 스칼라(scalar)를 나타낸다. 윗첨자
Figure pat00005
,
Figure pat00006
, 및
Figure pat00007
는 각각 전치(transpose), 공액 복소수(complex conjugate), 및 공액 전치(transpose conjugate)를 나타낸다. 그리고
Figure pat00008
단위 매트릭스는
Figure pat00009
로, 추적 연산자는
Figure pat00010
로,
Figure pat00011
는 절대값,
Figure pat00012
는 표준 유클리드 놈(standard euclidean norm)을 나타낸다. 그리고 K 차수의 유클리드 벡터 공간(Euclidean vector space)에서 음이 아닌 오싼트(orthants)는
Figure pat00013
로 나타내고, 양의 오싼트는
Figure pat00014
로 나타낸다. 그리고
Figure pat00015
은 평균이 μ이고, 분산이 σ2인 CSCG(circularly symmetric complex Gaussian distribution)을 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예가 적용될 수 있는 2계층 네트워크의 구성의 일례를 보여 주는 도면이다. 도 1에서 2계층 네트워크는 하나의 매크로셀 네트워크(macrocell network) 및 다수의 펨토셀 네트워크(femtocell network)를 포함한다. 본 실시예에서는 매크로셀 기지국(Macrocell Base Station, MBS)과 매크로셀 사용자 장치(Macrocell User Equipment, MUE)를 포함하는 매크로셀 네트워크와 펨토셀 액세스 포인트(femtocell Access Point, FAP)와 펨토셀 사용자 장치(Femtocell User Equipment, FUE)를 포함하는 펨토셀 네트워크 모두 송신기와 수신기가 모두 다중 안테나를 갖는 MIMO(Multiple Input Multiple Output) 네트워크를 고려한다.
그리고 도면에 도시되지는 않았지만, 매크로셀 기지국(MBS)과 펨토셀 액세스 포인트(FAP)는 백하울 링크(backhaul link)로 연결될 수 있다. 백하울 링크는 예를 들어, 유선 인터넷 망일 수 있으나 여기에 한정되는 것은 아니다. 백하울 링크는 대역폭이 제한되는 네트워크일 수 있다. 매크로셀 기지국(MBS) 및 펨토셀 액세스 포인트(FAP)는 이러한 백하울 링크를 통해서 채널 상태 정보(Channel State Information, CSI) 등과 같은 네트워크 관리에 필요한 정보는 물론 효율적인 간섭 제거를 위하여 필요한 정보를 서로 교환할 수 있다.
도 1을 참조하면, 매크로셀 네트워크는 반지름
Figure pat00016
의 원형 영역
Figure pat00017
을 셀 커버리지(cell coverage)로 갖는 하나의 매크로셀 기지국(MBS)과 하나 이상(
Figure pat00018
개)의 매크로셀 사용자 장치(MUE)를 포함한다. 다운링크에서 매크로셀 기지국(MBS)은 매크로셀 네트워크에 포함된 매크로셀 사용자 장치(MUE)로 각각 신호를 전송하는 송신기이다. 매크로셀 기지국(MBS)은
Figure pat00019
(2이상의 정수)개의 안테나를 포함할 수 있으며, 매크로셀 사용자 장치(MUE) 또한 다수 개의 안테나를 포함할 수 있다. 매크로셀 사용자 장치(MUE)는 매크로셀 기지국(MBS)에 의해 형성되는 매크로셀 내트워크에 존재하며, 다운링크에서는 매크로셀 기지국(MBS)으로부터 전송되는 신호를 수신하도록 구성된 수신기이다.
매크로셀 네트워크에 포함되는 펨토셀 네트워크의 개수는 임의적인데, 본 발명의 실시예는 펨토셀 네트워크가 많은 경우에 유용하게 적용될 수 있다. 다수 개의 펨토셀 네트워크는 각각 펨토셀 액세스 포인트(FAP) 및 하나 이상의 펨토셀 사용자 장치(FUE)를 포함할 수 있다. 다운링크에서 펨토셀 액세스 포인트(FAP)는 펨토셀 네트워크에 포함된 펨토셀 사용자 장치(FUE)로 각각 신호를 전송하는 송신기이며, 펨토셀 기지국이라고도 할 수 있다. 펨토셀 액세스 포인트(FAP)는
Figure pat00020
(2이상의 정수)개의 안테나를 포함할 수 있다. 펨토셀 사용자 장치(FUE)는 펨토셀 액세스 포인트(FAP)에 의해 형성되는 펨토셀 네트워크에 존재하며, 다운링크에서는 펨토셀 액세스 포인트(FAP)로부터 전송되는 신호를 수신하도록 구성된 수신기이다. 펨토셀 사용자 장치(FUE) 또한 2개 이상의 안테나를 포함할 수 있다.
본 실시예에서는 다수의 펨토셀 액세스 포인트(FAP)들은 강도(intensity)
Figure pat00021
로 균일 포이종 포인트 프로세스(homogeneous Poisson Point Process(PPP))
Figure pat00022
에 따라서 공간적으로 배치되어 있는 것으로 가정한다. 따라서 매크로셀 기지국(MBS)의 셀 커버리지 내에 존재하는 펨토셀 액세스 포인트(FAP)의 평균 개수는
Figure pat00023
로 주어질 수 있다. 그리고 각 펨토셀 액세스 포인트(FAP)는 반지름
Figure pat00024
(<<
Figure pat00025
)의 셀 커버리지를 가지며,
Figure pat00026
(1 또는 그 이상)개의 펨토셀 사용자 단말(FUE)이 각 펨토셀의 원주 상에 균일하게 분포되어 있는 것으로 가정한다.
그리고 본 실시예에서는 이용 가능한 전체 스펙트럼이 B개의 서브채널(subchannel)로 분할되는데, 각 서브채널은 대역폭 W(Hz)를 가진다. 그리고 매크로셀 기지국(MBS)은 매크로셀 계층에서
Figure pat00027
개의 매크로셀 사용자 장치(MUE)를 위하여 이들 모든 서브채널을 사용할 수 있다. 그리고
Figure pat00028
개의 매크로셀 사용자 장치(MUE)를 하나 이상의 매크로셀 사용자 그룹으로 나누는데, 각 매크로셀 사용자 그룹은 b개의 서브채널을 공유하는
Figure pat00029
개의 매크로셀 사용자 장치(MUE)로 구성되어 있다.
Figure pat00030
개의 매크로셀 사용자 장치(MUE)를 포함하는 MUE의 일 그룹은
Figure pat00031
으로 나타낸다. 각 매크로셀 사용자 그룹들 사이의 간섭을 피하기 위하여, 각 그룹에 할당되는 b개의 서브채널은 상호 직교하는 것으로 가정한다. 따라서, 다중 사용자 MIMO를 사용함으로써, 주어진 b 서브채널의 집합에 대하여 매크로셀 기지국(MBS)은 각 매크로셀 사용자 그룹 내에서 동시에
Figure pat00032
개의 매크로셀 사용자 장치(MUE)에게 서비스를 제공할 수 있다.
펨토셀 계층에서 FAP는 F-ALOHA 스펙트럼 접속 전략(spectrum access strategy)을 적용한다. 이에 의하면, 각 FAP는 B개의 서브채널들 중에서 b개 서브채널들로 구성된 일 그룹에 독립적으로 그리고 균등한 확률로 정확하게 접속할 수 있다. 따라서 F-ALOHA 스펙트럼 접속 전략에 의하면, 각 서브채널에서 FAP의 평균 개수를 스펙트럼 접속 확률(spectrum access probability) p = b/B로 감소시킬 수 있다. 각 FAP 내에서, 다중 접속 전략으로는 시간 분할 다중 접속(Time Division Multiple Access, TDMA)을 사용하여, 선택된 b 서브채널의 집합에서 각 시간 슬롯에 하나의 FUE에게 서비스를 제공한다. 그 결과, 셀 커버리지 내에서 액티브한 사용자 단말의 평균 개수는
Figure pat00033
이 된다. 다시 말하면, 주어진 시간 슬롯과 주어진 b 서브채널 그룹에 대하여,
Figure pat00034
개의 MUE가 임의의 개수의 FUE들과 공존할 것인데, 이 임의의 개수의 FUE들은 강도
Figure pat00035
의 포이종 포인트 프로세스(Poisson Point Process(PPP))
Figure pat00036
에 따라서 공간적으로 분포된다.
두 계층 모두에 대하여, 다운링크 채널은 경로 손실(path loss)과 레일레이 페이딩(Rayleigh fading)의 조합에 의하여 특징이 지워질 수 있다. 고정된 거리
Figure pat00037
에서의 경로 손실 함수는
Figure pat00038
이다(여기서,
Figure pat00039
는 경로 손실 계수(pass loss exponent)이다). 후술하는 명세서에서
Figure pat00040
,
Figure pat00041
, 및
Figure pat00042
는 각각 실외 링크(outdooe link), 실내 링크(indoor link), 및 실내와 실외 사이의 링크(link between indoor and outdoor)의 경로 손실 계수를 나타낸다. 매크로셀 계층에 대하여, MBS로부터 i번째 FAP의 FUE로의 랜덤 채널 매트릭스는
Figure pat00043
로 나타내고, MBS로부터 i번째 MUE로의 랜덤 채널 매트릭스는
Figure pat00044
로 나타내는데, 여기서 상기 매트릭스의 각 엔트리(entry)는
Figure pat00045
로 분포된다. 펨토셀 계층에 대하여, j번째 FAP로부터 i번째 FAP에 있는 FUE로의 랜덤 채널 매트릭스는
Figure pat00046
로 나타내고, j번째 FAP로부터 k번째 MUE로의 랜던 채널 매트릭스는
Figure pat00047
로 나타내는데, 여기서 상기 매트릭스의 각 엔트리도 또한
Figure pat00048
로 분포된다.
각 FAP(또는 MBS)는 각각의 사용자 단말로 전송 빔포밍 벡터(transmit beamforming vector)를 적용하여 신호를 전송한다. i번째 FAP로부터 그것의 FUE로의 전송 빔포밍 벡터를
Figure pat00049
로 나타내고, MBS로부터 j번째 MUE로의 전송 빔포밍 벡터를
Figure pat00050
로 나타낼 경우에, 그룹
Figure pat00051
내에서의 0번째 FUE와 0번째 MUE에서의 수신 신호는 각각 수학식 1과 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure pat00052
Figure pat00053
여기서,
Figure pat00054
와
Figure pat00055
는 각각 그룹
Figure pat00056
내에서 펨토셀 i와 MUE l에서 FUE에 대한 소망하는 신호(desired signal)를 나타내며, 따라서
Figure pat00057
와
Figure pat00058
가 된다. 게다가,
Figure pat00059
와
Figure pat00060
는 각각 평균 0이고 분산
Figure pat00061
을 갖는
Figure pat00062
와
Figure pat00063
AWGN(Additive White Gaussian Noise) 노이즈 벡터이다. 그리고 i번째 FUE와 i번째 MUE의 수신 빔포밍 벡터(receive beamforming vector)를 각각
Figure pat00064
와
Figure pat00065
라고 하면, 상기 수학식 1과 수학식 2에 상기 수신 빔포밍 벡터를 적용한 후의 수신 신호는 각각 수학식 3과 수학식 4가 된다.
Figure pat00066
Figure pat00067
슬리브냑의 이론(Slivnyak's Theorem)에 따르면, 네트워크에서 임의의 노드에서 관찰된 간섭의 통계치는 그 노드가 균일 PPP를 형성하면 동일하다는 것에 주의하라. 따라서 후술하는 본 발명의 실시예에 따른 간섭 정렬을 이용한 다운링크 빔 형성 방법에서 각 계층에서의 전형적인 수신자(typical receiver)를 고려할 수 있는데, 이것은 각각 0번째 FUE와 0번째 MUE로 표시될 수 있다.
종래의 간섭 정렬 기법에 따르면, 계층간 간섭(cross-tier interference) 및 계층내 간섭(intra-tier interference)을 임의의 수신 신호 부공간에 정렬하므로, 간섭을 무효화시키고 또한 비간섭 부공간에서 원하는 신호를 검출하기 위하여 수신 빔포밍 벡터를 적용할 수 있다. 그러나 FAP의 개수가 아주 많고 또한 이들 FAP가 무작위로 배치가 되는 경우에는, FAP로부터의 모든 간섭을 없애는 것은 상당히 어려운 문제가 되고 있다. 하지만, 본 발명의 실시예에 의하면, 가장 가까운 간섭자(nearest interferer)만을 취소시키는 선별 간섭 정렬(Opportunistic Interference Alignment, OIA) 기법을 이용한다.
이하, 이에 관하여 도 2를 참조하여 본 발명의 실시예에 관하여 구체적으로 설명한다. 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 2계층 네트워크에서 간섭 정렬을 이용한 다운링크 빔 형성 방법의 일례를 보여 주는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 소정의 서브채널 집합에 대하여,
Figure pat00068
개의 MUE로 구성된 집합의 각 MUE는
Figure pat00069
개의 최단 간섭 FAP(nearest interfering FAP)를 식별한다(10). 전술한 바와 같이, 네트워크에서 이용 가능한 전체 스펙트럼은 B개의 서브채널(subchannel)로 분할되며, 이 경우에 각 서브채널은 대역폭 W(Hz)를 가진다. 그리고 '
Figure pat00070
개의 MUE'는 B개의 서브채널 중에서 특정한 서브채널을 사용하는 MUE들의 그룹이다.
단계 10에서 최단 간섭 FAP를 식별하는 것은 모든 간섭 링크에 대하여 직교하도록 각 MUE의 영점-강제 수신 벡터(zero-forcing receiving vector) 또는 수신 빔포밍 벡터
Figure pat00071
를 설계하기 위한 것이다. 여기서, 최단 간섭 FAP는 해당 서브채널을 사용하는 FAP로서, 각 MUE와의 거리가 가장 가까운 1개 또는 그 이상의 FAP일 수 있다. 이것은 단지 조건
Figure pat00072
을 만족할 경우에만 가능한데, 여기서
Figure pat00073
는 식별된 최단 간섭 FAP(identified nearest interfering FAP)의 개수이다. 이 조건이 충족되면, i번째 MUE의 수신 빔포밍 벡터는 수학식 5로 주어질 수 있다.
Figure pat00074
다음으로,
Figure pat00075
개의 MUE가 서로 상호 직교하도록 MBS에서의 전송 빔포밍 벡터(transmit beamforming vector)를 설계한다(12). 단계 10에서
Figure pat00076
개의 MUE의 수신 빔포밍 벡터가 이미 결정되었으므로, 본 단계에서 전송 빔포밍 벡터를 설계할 때는
Figure pat00077
개의 MUE가 서로 상호 직교하는 것을 고려해야 한다. 이에 의하면, 전송 빔포밍 벡터는 수학식 6으로 결정될 수 있다.
Figure pat00078
다음 단계에서는 간섭 정렬(IA)의 개념을 적용하여 각 FAP에서의 전송 빔포밍 벡터를 설계한다. 보다 구체적으로, 각 FAP로부터 그것의 최단 희생 FUE로의 계층내 간섭이 MBS로부터 이 희생 FUE로의 계층간 간섭과 정렬이 되도록, 각 FAP에서의 전송 빔포밍 벡터가 결정될 수 있다(14). 수학적으로는 j번째 FAP에서의 전송 빔포밍 벡터는 수학식 7의 조건을 만족하여,
Figure pat00079
이고, i는 최단 희생 FUE의 사용자 단말 인덱스가 될 수 있다.
Figure pat00080
마지막으로, 각 FUE에서의 수신 빔포밍 벡터를 설계한다(16). 계층내 간섭과 계층간 간섭은 전술한 단계 14에서 이미 정렬이 되었으므로, 각 FUE에서의 수신 빔포밍 벡터는 정렬된 간섭 부공간에서 직교하도록 수학식 8과 같이 결정이 될 수 있다.
Figure pat00081
이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따라서 실현 가능한 전송 및 수신 빔포밍 벡터를 설계하기 위해서는 전술한 단계 10과 단계 14에서의 조건인
Figure pat00082
과
Figure pat00083
에 추가하여, 다음의 수학식 9의 조건을 충족해야 한다.
Figure pat00084
이상에서 설명한 바와 같이, 본 발명의 실시예에서는 다운링크에서 2계층 네트워크를 고려하였는데, 2계층 네트워크는 다중 전송 안테나를 갖는 하나의 매크로셀 기지국과 다수의 폐쇄형 접속 MIMO 펨토셀이 공존하고 있다. 매크로셀 사용자 장치와 펨토셀 사용자 장치 모두 복수의 수신 안테나를 가지고 있어서, 본 발명의 실시예에서는 계층내 그리고 계층간 간섭을 완화하기 위하여 선별 간섭 정렬(OIA) 기법을 이용한다. 그리고 동일한 스펙트럼에 공존하는 매크로셀 사용자 단말과 펨토셀 사용자 단말의 개수를 감소시키기 위하여, 본 발명의 실시예에서는 무작위 스펙트럼 할당 기법을 추가로 사용한다.
MBS : 매크로셀 기지국
MUE : 매크로셀 사용자 장치
FAP : 펨토셀 액세스 포인트
FUE : 펨토셀 사용자 장치

Claims (6)

  1. 하나의 다중 입출력(MIMO) 매크로셀과 다수의 MIMO 펨토셀이 공존하는 2계층 네트워크에서 간섭 정렬을 이용한 다운링크 빔 형성 방법으로서,
    상기 MIMO 매크로셀에서 서브채널을 공유하는 매크로셀 사용자 장치(MUE) 각각이 상기 다수의 MIMO 펨토셀 중에서 최단 간섭 펨토셀 액세스포인트(FAP)를 식별하여 영점-강제 수신 벡터를 결정하는 제1 단계;
    상기 매크로셀 사용자 장치(MUE) 각각이 상호 직교하도록 매크로셀 기지국(MBS)에서의 전송 빔포밍 벡터를 결정하는 제2 단계;
    간섭 정렬 기법을 이용하여 상기 FAP에서의 전송 빔포밍 벡터를 결정하는 제3 단계; 및
    상기 간섭 정렬 기법에 따라 정렬된 간섭 부공간에서 직교하도록 각 펨토셀 사용자 단말(FUE)에서의 수신 빔포밍 벡터를 결정하는 제4 단계를 포함하는 다운링크 빔 형성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 제3 단계에서는 상기 간섭 정렬 기법을 이용하여 상기 FUE에 대한 상기 각 FAP로부터의 간섭과 상기 MBS로부터의 간섭이 정렬되도록 하는 것을 특징으로 하는 다운링크 빔 형성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 영점-강제 수신 벡터는 하기 수학식 (E-1)인 것을 특징으로 하는 다운링크 빔 형성 방법.
    Figure pat00085
    수학식 (E-1)
  4. 제1항에 있어서,
    상기 MBS에서의 전송 빔 포밍 벡터는 하기 수학식 (E-2)인 것을 특징으로 하는 다운링크 빔 형성 방법.
    Figure pat00086
    수학식 (E-2)
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제3 단계에서 j번째 FAP에서의 전송 빔포밍 벡터는 하기 수학식 (E-3)을 만족하는 것을 특징으로 하는 다운링크 빔 형성 방법.
    Figure pat00087
    수학식 (E-3)
  6. 제1항에 있어서,
    상기 FUE에서의 빔포밍 벡터는 하기 수학식 (E-4)를 만족하는 것을 특징으로 하는 다운링크 빔 형성 방법.
    Figure pat00088
    수학식 (E-4)
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104158573A (zh) * 2014-07-01 2014-11-19 北京邮电大学 消除干扰的预编码方法及系统
KR101631411B1 (ko) * 2015-03-26 2016-06-16 인하대학교 산학협력단 2계층 이기종 셀룰러 통신 네트워크 모델링 방법 및 장치
KR101683389B1 (ko) * 2015-07-30 2016-12-06 연세대학교 산학협력단 주파수 효율을 개선하기 위한 펨토 기지국의 빔포밍 방법 및 장치
US11533094B2 (en) 2018-10-26 2022-12-20 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Systems and methods for providing forced full orthogonality for beams in a MU/MIMO radio system

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN104158573A (zh) * 2014-07-01 2014-11-19 北京邮电大学 消除干扰的预编码方法及系统
CN104158573B (zh) * 2014-07-01 2018-04-13 北京邮电大学 消除干扰的预编码方法及系统
KR101631411B1 (ko) * 2015-03-26 2016-06-16 인하대학교 산학협력단 2계층 이기종 셀룰러 통신 네트워크 모델링 방법 및 장치
KR101683389B1 (ko) * 2015-07-30 2016-12-06 연세대학교 산학협력단 주파수 효율을 개선하기 위한 펨토 기지국의 빔포밍 방법 및 장치
US11533094B2 (en) 2018-10-26 2022-12-20 Telefonaktiebolaget Lm Ericsson (Publ) Systems and methods for providing forced full orthogonality for beams in a MU/MIMO radio system

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