KR20140047849A

KR20140047849A - 펨토 기지국간의 간섭 해결을 위한 펨토셀 망운영 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR20140047849A
Application number: KR1020120114076A
Authority: KR
Inventors: 장경희; 왕양
Original assignee: 인하대학교 산학협력단
Priority date: 2012-10-15
Filing date: 2012-10-15
Publication date: 2014-04-23
Also published as: KR101393244B1

Abstract

펨토 기지국간의 간섭 해결을 위한 펨토셀 망운영 시스템 및 방법이 개시된다. 펨토셀 망운영 방법은, 펨토셀 망운영(Operation & Maintenance, O&M) 방법에 있어서, 복수의 펨토 기지국으로부터 상기 복수의 펨토 기지국이 관리하는 펨토 단말의 간섭 기지국 리스트를 수신하는 단계, 상기 수신된 간섭 기지국 리스트에 기초하여 상기 복수의 펨토 기지국간의 간섭 관계를 나타내는 간섭 그래프를 생성하는 단계, 상기 생성된 간섭 그래프에 기초하여 상기 복수의 펨토 기지국을 복수의 그룹으로 분류하는 단계 및 버텍스(vertex) 컬러링(coloring) 이론에 기반하여, 상기 복수의 그룹에 포함된 적어도 하나 이상의 펨토 기지국으로 자원을 할당하는 단계를 포함한다.

Description

펨토 기지국간의 간섭 해결을 위한 펨토셀 망운영 시스템 및 방법{FEMTOCELL OPERATION ＆ MAINTENANCE SYSTEM AND METHOD FOR MINIMIZATION OF INTERFERENCE BETWEEN FEMTO BASE STATIONS}

본 발명의 실시예들은 펨토 기지국간의 간섭 해결을 위한 펨토셀 망운영 시스템 및 방법에 관한 것이다.

무선 링크에서의 시스템 용량을 향상시키기 위해서는 전송단과 수신단을 서로 근처에 위치시키는 것이 효과적이다. 이에 따라, WCDMA(Wideband Code Division Multiple Access), CDMA2000(Code Division Multiple Access 2000), WiMAX(Worldwide Interoperability for Microwave Access)와 같은 고속 무선 통신 시스템에서는 시스템 용량의 향상을 위하여 커버리지가 작은 펨토셀(femto-cell) 기술을 적용하고 있다. 이러한 펨토셀 기술은 셀 수율 및 실내 커버리지 향상, 에너지 효율, 그리고 비용적인 측면에서 매우 효과적이다. 이러한 이유로, LTE(Long Term Evolution) 시스템에서도 펨토셀을 주요한 네트워크 구성요소의 하나로 채택하고 있다.

하지만, LTE 펨토셀은 3GPP에서 정의한 모든 대역을 사용할 수 있고, 펨토셀 전용 주파수 대역을 필요로 하지 않는다는 특징이 있어, 매크로셀(macro-cell)과 펨토셀 사이, 펨토셀과 펨토셀 사이에 치명적인 동일 채널 간섭을 야기할 수 있다는 문제점이 있다. 예를 들어, 매크로 기지국(eNB)과 펨토 기지국(HeNB)이 혼재하는 LTE 환경의 계층망에서, 하향링크에서는 펨토 기지국이 매크로 단말기(MUE)에 영향을 미치는 간섭이 발생된다는 문제점이 있다. 또한, 펨토셀 간에는 전체 대역폭을 공유함에 따라 근접 펨토셀 간에 동일 채널이 재사용될 경우 간섭이 발생되어 시스템의 성능이 저하되는 문제점이 존재한다.

따라서, 펨토셀이 존재하는 네트워크에서 동일 채널 간섭을 제어하기 위하여 자원의 주파수 구분 및 시간 구분, 전력할당 등의 측면에서 동일 채널 간섭을 관리할 수 있는 방안이 요구된다.

간섭 그래프(interference graph)를 이용하여 간섭 관계에 있는 펨토셀들에 상이한 채널 자원을 할당함으로써, 복잡도의 큰 증가 없이 펨토셀 간 간섭을 피하거나 최소화 시킬 수 있는 펨토셀 망운영 시스템 및 방법을 제공한다.

하나의 서브프레임 시간 내에 펨토셀의 자원 할당을 완료할 수 있는 펨토셀 망운영 시스템 및 방법을 제공한다.

간섭 관계에 따라 펨토 기지국들을 그룹화 함으로써 펨토셀 그룹 간 및 동일 그룹 내 이웃 펨토 기지국 간 간섭을 방지할 수 있는 펨토셀 망운영 시스템 및 방법을 제공한다.

펨토셀 망운영(Operation & Maintenance, O&M) 방법에 있어서, 복수의 펨토 기지국으로부터 상기 복수의 펨토 기지국이 관리하는 펨토 단말의 간섭 기지국 리스트를 수신하는 단계, 상기 수신된 간섭 기지국 리스트에 기초하여 상기 복수의 펨토 기지국간의 간섭 관계를 나타내는 간섭 그래프를 생성하는 단계, 상기 생성된 간섭 그래프에 기초하여 상기 복수의 펨토 기지국을 복수의 그룹으로 분류하는 단계 및 버텍스(vertex) 컬러링(coloring) 이론에 기반하여, 상기 복수의 그룹에 포함된 적어도 하나 이상의 펨토 기지국으로 자원을 할당하는 단계를 포함하는 펨토셀 망운영 방법이 제공된다.

일측에 따르면, 상기 펨토 단말에서 기설정된 스레스홀드 이상의 크기를 갖는 신호가 수신되는 경우, 상기 신호를 전송한 펨토 기지국의 식별자가 상기 펨토 단말에서 상기 펨토 단말을 관리하는 펨토 기지국으로 전송될 수 있다. 이 경우, 상기 간섭 기지국 리스트는, 상기 식별자를 적어도 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

다른 측면에 따르면, 상기 자원을 할당하는 단계는, 서로 다른 그룹으로 분류된 펨토 기지국들에게 동일한 자원을 할당하고, 동일한 그룹으로 분류된 펨토 기지국들 중 상기 간섭 그래프를 통해 간섭 관계에 있는 펨토 기지국들에 대해서는 서로 다른 자원을 할당하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 자원을 할당하는 단계는, 상기 복수의 펨토 기지국들 각각이 이용 가능한 서브채널과 간섭 관계에 있는 매크로셀 단말의 수를 계산하는 단계 및 상기 계산된 매크로셀 단말의 수가 최소인 서브채널을 상기 적어도 하나 이상의 펨토 기지국에 재할당하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

또 다른 측면에 따르면, 상기 복수의 펨토 기지국들 각각은, 전력 제어 게임 이론에 기반한 페이오프 함수를 통해 전송 전력 레벨이 결정될 수 있다. 이때, 상기 페이오프 함수는, 물리 자원 블록(Physical Resource Block, PRB) 당 데이터율의 효율(data rate efficiency)에 기초하여 상기 펨토 단말에 대한 이득을 나타내는 보상 함수 및 특정 펨토 기지국의 전송 전력과 해당 펨토 기지국을 제외한 나머지 펨토 기지국들의 전송 전력의 벡터에 기초하여 펨토셀이 전송 전력을 증가시키는 것을 제한하는 패널티 함수를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.

펨토셀 망운영 시스템에 있어서, 복수의 펨토 기지국으로부터 상기 복수의 펨토 기지국이 관리하는 펨토 단말의 간섭 기지국 리스트를 수신하는 간섭 기지국 리스트 수신부, 상기 수신된 간섭 기지국 리스트에 기초하여 상기 복수의 펨토 기지국간의 간섭 관계를 나타내는 간섭 그래프를 생성하는 간섭 그래프 생성부, 상기 생성된 간섭 그래프에 기초하여 상기 복수의 펨토 기지국을 복수의 그룹으로 분류하는 그룹 분류부 및 버텍스 컬러링 이론에 기반하여, 상기 복수의 그룹에 포함된 적어도 하나 이상의 펨토 기지국으로 자원을 할당하는 자원 할당부를 포함하는 펨토셀 망운영 시스템이 제공된다.

간섭 그래프(interference graph)를 이용하여 간섭 관계에 있는 펨토셀들에 상이한 채널 자원을 할당함으로써, 복잡도의 큰 증가 없이 펨토셀 간 간섭을 피하거나 최소화 시킬 수 있다.

하나의 서브프레임 시간 내에 펨토셀의 자원 할당을 완료할 수 있다.

간섭 관계에 따라 펨토 기지국들을 그룹화 함으로써 펨토셀 그룹 간 및 동일 그룹 내 이웃 펨토 기지국 간 간섭을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 듀얼-스트라이프(dual-stripe) 모델에서 그룹핑된 펨토셀들을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 단말, 펨토셀 및 펨토셀 망운영 시스템을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 펨토셀 망운영 시스템의 내부 구성을 설명하기 위한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 펨토셀 망운영 방법을 도시한 흐름도이다.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

본 발명의 실시예들은 크로스-티어(cross-tier) 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(Long Term Evolution) 네트워크에서 간섭을 최소화하기 위한 채널 할당 스킴(channel allocation scheme) 및 전력 제어 스킴(power control scheme)의 프레임워크에 관한 것이다. 예를 들어, 펨토셀 사이에서 간섭을 완화시키기 위해 채널 할당 스킴(channel allocation scheme)이 이용될 수 있으며, 이러한 채널 할당 스킴은 간섭 관계에 있는 단말기들(MUEs)의 최소 수를 보존하는 간섭 그래프(interference graph)에 기반할 수 있다. 또한, 전력 제어 알고리즘에 기반한 게임 이론(game theory)이 주위의 매크로셀(macrocell) 사용자들(MUEs)에 대한 간섭을 줄이기 위해 이용될 수 있다.

예를 들어, 기정의된 스레스홀드에 기초한 간섭 그래프가 구성될 수 있으며, 펨토셀들에게 간섭 관계의 단말기의 수를 최소로 유지하기 위해 서브채널이 할당될 수 있다. 또한, 전력 제어를 위해, 데이터 도달율(achieved data rates)에 따른 보상(rewards) 및 인접한 펨토셀들과 관련된 간섭에 따른 패널티에 기반한 페이오프 함수(payoff function)가 이용될 수 있다.

Ⅰ. 시스템 모델( System Model )

이하에서는 N _M 개의 매크로셀 기지국들과 N _F 개의 펨토셀 기지국들을 갖는 LTE 매크로-펨토 하향링크(downlink) 네트워크를 고려하여 본 발명의 실시예들에 대해 설명한다. 시스템 대역폭 B는 M 개의 물리적 자원 블록(PRBs)로 나누어질 수 있고, 전체 대역폭은 아래 수학식 1을 이용하여 계산될 수 있다.

매크로셀 기지국(이하, 매크로셀)과 펨토셀 기지국(이하, 펨토셀)에서의 PRB 당 최대 전송 전력은 각각 P _M 및 P _F 로 표현될 수 있다. 설명의 편의를 위해, 시간과 주파수 도메인은 완벽하게 동기화되어 있다가 가정한다. 이러한 네트워크 환경에서, 펨토셀들 각각은 하나의 활동(active) 펨토 사용자 장비(Femto User Equipment, 이하 "FUE")에게 서비스를 제공하고, 매크로셀들 각각은 매크로 사용자 장비들(Macro User Equipments, 이하, "MUEs")에게 서비스를 제공한다. 이때, 매크로셀들의 집합 {1, 2, ..., N _M }에서 빅팀 셀(victim cell) v로서 하나의 매크로셀이 선출될 수 있으며, 나머지 (N _M - 1) 개의 매크로셀들이 선출된 빅팀 셀을 둘러싸고 있을 수 있다. 펨토셀들과 MUEs들은 모두 빅팀 셀에 배치될 수 있다. FUEs와 MUEs는 방이나 사무실에 위치하기 때문에 이동성이 없거나 매우 낮은 경우가 고려될 수 있다. 펨토셀들은 동일한 주파수 대역폭을 매크로셀과 공유하고, 펨토셀들의 가동(behaviors)은 사용자(customer)에 의해 제어된다. 따라서, 펨토셀과 매크로셀간의 자원 할당에서 조정의 부족으로 인해, MUE와 MUE에게 서비스를 제공하는 기지국간의 통신 링크에 있어서 동일 채널 간섭(co-channel interference)은 매우 좋지 않은 영향을 끼친다. 게다가, 서로 인접한 펨토셀들은 펨토셀들간의 간섭에 의해 하향링크 서브채널들을 믿을 수 있게(reliable) 유지할 수 없다. 이러한 문제를 해결하기 위한 하나의 실시예로, LTE 캐리어(carrier)를 분할하고, 펨토셀들이 펨토셀들의 전송 전력을 허용한도 내에서 조절할 수 있도록 허용하는 방법이 이용될 수 있다.

펨토셀 n에서 PRB m 상의 FUE에 의해 관측되는 수신 SINR(Signal to Interference-plus-Noise Ratio)은 아래 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.

여기서, 벡터

는 각각의 펨토셀의 PRB m상의 전송 전력 벡터를 의미할 수 있고, 벡터

는 각각의 매크로셀의 PRB m상의 전송 전력 벡터를 의미할 수 있다. 또한,

는 펨토셀 n의 PRB m에서의 전송 전력을,

는 매크로셀 j의 PRB m에서의 전송 전력을 의미할 수 있다. PRB m이 펨토셀 k에서 이용 가능할 때,

는 1의 값을, PRB m이 펨토셀 k에서 이용 가능하지 않은 경우,

는 0의 값을 가질 수 있다.

는 펨토셀 k와 펨토셀 n에 의해 서비스되는 FUE간의 경로손실(pathloss)을,

는 매크로셀 j와 펨토셀 n에 의해 서비스되는 FUE간의 경로손실을 각각 의미할 수 있다.

는 펨토셀 n과 펨토셀 n이 서비스하는 FUE간의 경로손실을 의미할 수 있고,

는 부가 백색 가우스 잡음(additive white Gaussian noise)의 노이즈 전력을 의미할 수 있다.

동일한 방법으로, 빅팀 셀에서 PRB m상의 MUE u의 SINR은 아래 수학식 3과 같이 계산될 수 있다.

링크 적응(link adaptation)은 이용되는 변조 및 부호화 스킴이 달성된 SINR에 기초하여 선택되도록 수행될 수 있다. 링크 적응을 만들기 위해, SINR은 감쇠되고(attenuated) 잘라진(truncated) 샤논 바운드(Shannon bound)에 의해 캐퍼시티(capacity)에 맵핑될 수 있다.

SINR

이 주어지면, FUE n에 의한 PRB m상의 스펙트럼 효율(spectral efficiency)는 아래 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.

이때, [bps/Hz]에서

이고,

는 실행 손실들(implementation losses)을 나타내는 감쇠팩터(attenuation factor)를 의미할 수 있다.

및

는 가능한 변조 및 부호화 스킴에 의해 지원되는 최소 SINR과 최대 SINR을 각각 의미할 수 있다. 이때, 동일한 링크 적응 방법이 MUE에도 적용될 수 있다.

이런 이유로, 펨토셀 n에서 FUE의 데이터 도달율(achieved data rates)은 아래 수학식 5와 같이, 빅팀 매크로셀 v에서 MUE u의 데이터 도달율은 아래 수학식 6과 같이 주어질 수 있다.

여기서,

는 펨토셀 n에서 가용한 PRB들의 수를,

는 MUE u에 할당된 PRB들의 수를 각각 의미할 수 있다.

즉, 수학식 5 및 수학식 6으로부터 FUE와 MUE의 데이터 도달율이 전력 벡터 (

)와 채널 할당 (

)에 의존적임을 알 수 있다.

이후에서는, MUE와 FUE를 위해 요구된 데이터율(data rates)을 동시에 보장하기 위한 방법을 설명한다. 매크로셀은 운영자에 의해 동작되고, 펨토셀 사용자(customer)에 의해 제어된다. 따라서, 매크로셀의 기능은 펨토셀에 비해 높은 우선순위를 가질 수 있다. 즉, 펨토셀이 매크로셀의 가동(behaviors)에 대한 권한을 부여할 수 없다. 다시 말해, 펨토셀에 의해 매크로셀의 전력과 채널 할당이 변경될 수 없다. 따라서, 벡터

는 상수(constant)로서 고려될 수 있으며,

는 변경될 수 없다. 결과적으로, MUE와 FUE를 위해 요구된 데이터율을 동시에 보장하기 위한 문제는 어떻게 펨토셀의 전력을 제어하고 채널을 할당할 것인가에 대한 문제로 변경되며, 이러한 문제를 해결하기 위해, 본 발명의 실시예들에서는 펨토셀들을 위해, 분산된 채널 할당과 전력 제어에 기반한 게임 이론이 이용될 수 있다.

Ⅱ. 펨토셀을 위해 제안된 채널 할당 기반의 그래프와 게임 전력 제어 방법( Proposed Graph Based Channel Allocation and Game Power Control Method for Femtocells )

1. 간섭 관계의 MUEs의 최소 수를 보존하는 간섭 그래프(Interference Graph preserving Minimum Number of Interfered MUEs, IG-MIM)에 기초한 펨토셀을 위한 채널 할당

A. 간섭 그래프의 구성(construction)

간섭 그래프 G(V,E)는 네트워크 토폴로지에 기초하여 구성될 수 있다. 버텍스(vertex) V는 펙토셀들을, 엣지 E는 펙토셀들간의 간섭 관계를 각각 나타낼 수 있다. 간섭 그래프는 셀 특유의 기준 신호(cell-specific reference signal)의 수신 전력을 측정하여 구성될 수 있다. 여기서, 셀 특유의 기준 신호는 셀 특유의 스크램블링 시퀀스(scrambling sequence)를 가질 수 있고, 각각의 펨토셀에 의해 고정된 전력으로 전송될 수 있다. 따라서, 펨토셀 k와 간섭 관계에 있는 펨토셀 n에서 FUE의 수신 SINR은 아래 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.

버텍스 V _n 와 버텍스 V _k 간의 엣지는, 펨토셀 n 또는 펨토셀 k에 의해 서비스되는 FUE의 수신 SINR이 기-정의된 스레스홀드

미만이어야 한다는 필요충분조건이 존재한다. 이러한 필요충분조건은 아래 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.

이때, 동일한 서브채널은 엣지가 존재하는 어떠한 펨토셀간에도 재사용될 수 없다.

B. 채널 할당(Channel Allocation)

초기화: 스레스홀드

에 기반하여, 각각의 펨토셀은 인접한 펨토셀들과 엣지가 구성될 수 있고, 펨토셀의 식별자(ID)를 포함하는 이웃 관계 테이블(Neighbor Relation Table, NRT)을 저장할 수 있다. 각각의 펨토셀이 인접한 펨토셀들과 X2 인터페이스를 통해 통신할 수 있다고 가정하자. 각각의 펨토셀은 이웃한 펨토셀들과 NRT를 교환할 수 있고, NRT를 적어도 포함하는 정보의 교환 후에, 각각 다른 펨토셀들의 저장된 식별자를 갖는 펨토셀들은 그룹을 형성할 수 있다. 도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 듀얼-스트라이프(dual-stripe) 모델에서 그룹핑된 펨토셀을 도시한 도면이다.

그룹 (G _k )에서, 간섭 그래프는 상술한 수학식 8에 기반하여 결정될 수 있으며, 각각의 펙토셀을 채색해야 하는 색의 최소 수 N _k 가 계산될 수 있다. 이러한 색의 최소 수 N _k 는 그래프의 유채색(chromatic color)를 결정하는데 이용될 수 있다. 각각의 그룹의 유채색 N _k 가 얻어지면, 전체 대역폭은 색에 의해 표현되는 N _k 개의 서브채널들로 나누어질 수 있다. 여기서, 엣지를 공유하는 두 펨토셀에 서로 다른 색을 할당하는 방법과 같은 버텍트 컬러링 알고리즘(vertex coloring algorithm)이 펨토셀들에 색을 할당하기 위해 이용될 수 있다.

최적화: 최적화를 위해, 모든 펨토셀들을 위한 가장 개연성 있는(most probable) 간섭 프리(interference free) 서브채널이 결정될 수 있다. 만약, 많은 수의 활동 MUEs가 특정 펨토셀 주위에 존재하고, MUEs가 특정 펨토셀의 서브채널 내에 동시적으로 위치하는 MUEs에 할당된 PRBs를 갖는다면, 그때 매우 많은 간섭이 발생될 수 있다. 펨토셀들로부터 높은 간섭을 경험한 주위의 MUEs의 정보를 어떻게 얻을 것인가에 대한 기술들은 이미 잘 알려져 있으며, 펨토셀들은 이미 잘 알려진 기술들을 이용하여 펨토셀들의 이용가능한 서브채널들과 간섭 관계에 있는 MUEs의 수를 계산할 수 있다. 이 경우, 이러한 간섭 채널들이 이웃한 펨토셀들에게 할당되지 않도록 하고, 펨토셀이 간섭 관계에 있는 MUEs의 최소 수를 갖는 서브 채널을 선택하도록 할 수 있다. 초기화와 최적화의 단계를 나타내는 IG-MIM 채널 할당 알고리즘은 다음 표 1과 같이 주어질 수 있다.

제안된 IG-MIM 채널 할당 알고리즘

1. 간섭 그래프 G (V, E ) 생성
2. 각각의 펨토셀이 이웃한 펨토셀들과 NRT 교환 및 그룹 형성
3. 각 그룹에서 유채색을 계산
4. 버텍스 컬러링 알고리즘에 기반하여, 펨토셀들이 색(서브채널)을 선택
5. 각각의 펨토셀에서 추가로 이용 가능한 색(추가 서브채널)을 검색
6. 각각의 이용 가능한 서브채널에서, 각 서브채널과 간섭 관계에 있는 MUEs의 수를 계산
7. 펨토셀과 간섭 관계에 있는 MUEs의 수가 최소인 서브채널을 재할당

2. 게임 이론에 기반한 펨토셀을 위한 전력 제어

지금까지는 전력 제어의 수행 없이 각각의 펨토셀들에 서브채널을 할당하는 방법에 대해서 설명하였다. 이후에서는, 펨토셀들을 위한 효용-기반(utility-based) 비-협력(non-cooperative) 게임 전력 제어(Game Power Control, GPC) 스킴에 대해 설명한다.

펨토셀들을 위한 인덱스 집합

일 때, 비-협력 게임 전력 제어는

와 같이 표현될 수 있다.

및

는 펨토셀 n의 PRB m상의 전송 전력과 페이오프(payoff) 함수의 도메인을 각각 기술하는 전략 집합들(strategy sets)이다.

와 같이 표현되는 전력 벡터는 전체 펙토셀들의 PRB m의 선택된 전력 레벨과 관련된 게임의 출력을 의미할 수 있다. 주어진 펨토셀 n을 위해,

는 펨토셀 n을 제외한 모든 펨토셀들의 전송 전력의 벡터를 의미할 수 있다.

는 펨토셀 n에 의해 서비스되는 FUE에서 다른 펨토셀로부터 수신된 간섭 전력을 의미할 수 있다.

모든 펨토셀들을 위해, PRB m상의 전력 제어 게임 페이오프 함수는 다음 수학식 9와 같이 표현될 수 있다.

여기서,

는 전력 레벨

를 갖는 펨토셀 n에 의해 서비스되는 FUE에 대한 이득을 나타내는 보상 함수를,

는 펨토셀 n의 PRB m당 데이터율의 효율을 의미할 수 있다. 또한,

는

에 의해 나누어지는 패널티 함수를,

는 높은 간섭을 경험한 펨토셀들이 더 적은 패널티를 갖도록 보증하기 위한 요소일 수 있다.

따라서, 각각의 펨토셀은 적합하고 안정된(suitable and stable) 전송 전력 레벨

를 얻음으로써, 개별적으로 페이오프 함수

를 최대화할 수 있다. 이러한 게임 이론 모델이 안정적인 해결책을 갖기 위한 몇 가지 제약이 존재한다. 일반적으로, 게임 이론 모델은 내쉬 균형(Nash Equilibrium)을 만족해야 한다.

내쉬 균형 제약은 아래 1) 및 2)와 같다.

1)

는 비어있지 않고(nonempty), 볼록하며(convex), 조밀한(compact) 특정 유클리드 공간(Euclidean space)

의 서브셋이다.

2) 페이오프 함수

는

에서 연속적이고,

에서 준오목(quasi-concave)하다.

A. 페이오프 함수

내쉬 균형 이론에 따르면, 보상 함수와 패널티 함수는 다음 수학식 10 및 수학식 11과 같이 주어질 수 있다.

여기서, 수학식 10은 보상 함수를, 수학식 11은 패널티 함수를 각각 의미할 수 있다. 보상 함수는 펨토셀이 FUEs에게 높은 데이터율을 제공하는 것을 권장하고, 패널티 함수는 펨토셀이 전송 전력을 증가시키는 것을 막아, 이웃한 펨토셀들에 의해 서비스를 제공받는 FUEs에 대한 간섭을 줄일 수 있다.

및

는 매칭 파라미터들(matching parameters)을 의미할 수 있다.

B. 내쉬 균형(Nash Equilibrium)의 증명

이 비어있지 않고(nonempty), 볼록하며(convex), 조밀한(compact) 특정 유클리드 공간(Euclidean space)

의 서브셋임은 명확하다. 또한, 수학식 10 및 수학식 11은 페이오프 함수가

에서 연속적임을 나타내고 있다. 따라서, 이후에서는 페이오프 함수가

에서 오목함을 증명한다. 우선, 페이오프 함수의 제1 계도함수와 제2 계도함수가 아래 수학식 12 및 수학식 13과 같이 얻어질 수 있다.

이때, 캐퍼시티(capacity)를 매칭하기 위해 감쇠되고(attenuated) 잘라진(truncated) 샤논 바운드(Shannon bound)가 이용될 수 있다. 수학식 4에 기초하여, 아래 수학식 14와 같은 결과를 얻을 수 있다.

이때,

가 0보다 크다고 가정하면, 다음 수학식 15와 같은 결과를 얻을 수 있다.

즉, 페이오프 함수는 정확하게 오목 함수이고 내쉬 균형

를 갖는다.

C. 게임 솔루션(Game Solusions)

내쉬 균형을 갖는 게임 모델이 정의되었으나, 내쉬 균형은 간격

내에 있지 않을 수 있다. 이런 이유로, 게임 솔루션은 내쉬 균형이 간격

내에 있는 경우와

를 벗어난 경우의 두 가지 상황을 갖는다.

만약, 내쉬 균형이 간격

내에 있다면, 그때 수학식 12를 영(zero)이 되도록 만드는 내쉬 균형이 게임의 솔루션

이다. 이는 아래 수학식 16과 같이 표현될 수 있다.

만약, 내쉬 균형이 간격

를 벗어나 있다면, 펨토셀 전력은 영보다 항상 커야 한다. 따라서, 내쉬 균형은

보다 커야 한다.

이기 때문에, 보상 함수는

에서 단조증가(monotonically increasing) 함수이고,

는 페이오프 함수를 간격

내에서 최대로 만든다. 이 경우, 게임의 솔루션은

=

로서 주어질 수 있다.

도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 펨토셀 망운영 시스템의 개괄적인 모습을 도시한 도면이다. 도 2는 펨토셀 망운영 시스템(200)이 제1 영역(210) 내지 제4 영역(240)에 포함된 4개의 펨토셀을 관리하는 일례를 나타내고 있다. 예를 들어, 제3 단말은 제1 펨토셀 내지 제4 펨토셀 모두로부터 영향을 받을 수 있다. 다시 말해, 제1 펨토셀 내지 제4 펨토셀간에 간섭 영향이 발생하게 되기 때문에, 펨토셀 망운영 시스템(200)은 각 펨토셀들간의 간섭 영향을 최소화할 수 있도록 각 펨토셀들로의 채널 자원 할당을 제어할 수 있다. 펨토셀 망운영 시스템(200)은 각 펨토셀들에 대해 간섭 그래프 이론을 적용하여, 서로 간섭 관계에 있는 펨토셀들을 동일 그룹으로 분류하여 채널 자원을 할당할 수 있다. 이때, 동일한 그룹으로 분류되어 간섭 그래프로 연결되어 있는 펨토셀들에 대해서는 서로 다른 부분의 통신 자원을 할당하고, 서로 다른 그룹간에는 동일한 부분의 통신 자원을 할당함으로써, 펨토셀들간의 간섭 영향을 최소화할 수 있다.

우선, 펨토 단말들(예를 들어, 도 2의 제1 단말 내지 제4 단말) 각각은 주변의 펨토셀들(예를 들어, 도 2의 제1 펨토셀 내지 제4 펨토셀) 각각에 대한 신호 세기를 측정하고, 측정된 신호가 기결정된 임계값보다 큰 펨토셀이 발견되는 경우, 발견된 펨토셀의 식별자를 자신을 관리(serving)하는 펨토셀로 전송할 수 있다.

이때, 펨토셀들 각각은 자신이 관리하는 펨토 단말로부터 입력된 식별자 정보들을 펨토셀 망운영 시스템(200)으로 전송할 수 있다.

펨토셀 망운영 시스템(200)은 전송된 식별자 정보에 기초하여 펨토셀들간의 간섭 그래프를 생성하고, 생성된 간섭 그래프에 기초하여 템토셀들을 그룹별로 분류한 후, 전체 대역폭을 그룹에 따라 서로 다른 부분으로 분류할 수 있다. 이때, 펨토셀 망운영 시스템(200)은 각각의 그룹간 관계에 기초하여 버텍스 컬러링 이론에 다라 각각의 펨토셀들에게 자원을 할당할 수 있다. 이때, 각각의 그룹은 서로 다른 개수의 버텍스를 가질 수 있으며, 펨토셀 망운영 시스템(200)은 간섭 그래프로 연결되어 있는 서로 다른 버텍스(서로 다른 펨토셀들)에게 서로 다른 부분(예를 들어, 서로 다른 주파수 대역)의 자원을 할당할 수 있다.

도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 펨토셀 망운영 시스템의 내부 구성을 설명하기 위한 블록도이고, 도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 펨토셀 망운영 방법을 도시한 흐름도이다.

본 실시예에 따른 펨토셀 망운영 시스템(300)은 도 2를 통해 설명한 펨토셀 망운영 시스템(200)에 대응할 수 있으며, 도 3에 도시된 바와 같이, 간섭 기지국 리스트 수신부(310), 간섭 그래프 생성부(320), 그룹 분류부(330) 및 자원 할당부(340)를 포함할 수 있다.

또한, 본 실시예에 따른 펨토셀 망운영 방법은 도 4에 도시된 바와 같이, 단계(410) 내지 단계(440)를 포함할 수 있으며, 각각의 단계들은 펨토셀 망운영 시스템(300)에 의해 수행될 수 있다.

단계(410)에서 펨토셀 망운영 시스템(300)은 복수의 펨토 기지국으로부터 복수의 펨토 기지국이 관리하는 펨토 단말의 간섭 기지국 리스트를 수신한다. 예를 들어, 도 2에서 제3 단말이 제1 펨토셀 내지 제4 펨토셀의 신호크기를 체크하여 기설정된 값 이상의 신호크기를 갖는 제2 펨토셀 및 제4 펨토셀이 확인되는 경우, 제3 단말은 제2 펨토셀과 제4 펨토셀의 식별자를 제3 단말을 관리하는 제3 펨토셀로 전송할 수 있다. 이때, 제3 펨토셀은 제2 펨토셀과 제4 펨토셀의 식별자를 포함하는 제3 단말에 대한 간섭 기지국 리스트를 생성하여 펨토셀 망운영 시스템(300)으로 전송할 수 있다. 즉, 펨토 단말에서 기설정된 스레스홀드 이상의 크기를 갖는 신호가 수신되는 경우, 상기 신호를 전송한 펨토 기지국의 식별자가 펨토 단말에서 펨토 단말을 관리하는 펨토 기지국으로 전송될 수 있다. 이 경우, 간섭 기지국 리스트는, 상기 식별자를 적어도 포함할 수 있다. 이러한 단계(410)은 펨토셀 망운영 시스템(300)에 포함된 간섭 기지국 리스트 수신부(310)에 의해 수행될 수 있다.

단계(420)에서 펨토셀 망운영 시스템(300)은 수신된 간섭 기지국 리스트에 기초하여 복수의 펨토 기지국간의 간섭 관계를 나타내는 간섭 그래프를 생성한다. 즉, 펨토셀 망운영 시스템(300)은 간섭 기지국 리스트에 포함된 식별자에 기초하여 간섭 그래프를 생성할 수 있다. 간섭 그래프를 생성하는 방법에 대해서는 앞서 자세히 설명하였기에 반복적인 설명은 생략한다. 단계(420)은 펨토셀 망운영 시스템(300)에 포함된 간섭 그래프 생성부(320)에 의해 수행될 수 있다.

단계(430)에서 펨토셀 망운영 시스템(300)은 생성된 간섭 그래프에 기초하여 복수의 펨토 기지국을 서로 다른 그룹으로 분류한다. 간섭 그래프를 이용한 그룹 분류에 대해서도 이미 자세히 설명한 바 있다. 단계(430)은 펨토셀 망운영 시스템(300)에 포함된 그룹 분류부(330)에 의해 수행될 수 있다.

단계(440)에서 펨토셀 망운영 시스템(300)은 버텍스 컬러링 이론에 기반하여, 복수의 그룹에 포함된 적어도 하나 이상의 펨토 기지국으로 자원을 할당한다. 이때, 펨토셀 망운영 시스템(300)은 단계(440)에서 서로 다른 그룹으로 분류된 펨토 기지국들에게 동일한 자원을 할당하고, 동일한 그룹으로 분류된 펨토 기지국들 중 간섭 그래프를 통해 간섭 관계에 있는 펨토 기지국들에 대해서는 서로 다른 자원을 할당할 수 있다.

또한, 단계(440)은 복수의 펨토 기지국들 각각이 이용 가능한 서브채널과 간섭 관계에 있는 매크로셀 단말의 수를 계산하는 단계(미도시) 및 계산된 매크로셀 단말의 수가 최소인 서브채널을 적어도 하나 이상의 펨토 기지국에 재할당하는 단계(미도시)를 포함할 수 있다. 이러한 단계들에 대해서는 표 1을 통해 이미 설명한 바 있다. 단계(440)은 펨토셀 망운영 시스템(300)에 포함된 자원 할당부(340)에 의해 수행될 수 있다.

이와 같이, 본 발명의 실시예들에 따르면, 간섭 그래프(interference graph)를 이용하여 간섭 관계에 있는 펨토셀들에 상이한 채널 자원을 할당함으로써, 복잡도의 큰 증가 없이 펨토셀 간 간섭을 피하거나 최소화 시킬 수 있다. 또한, 하나의 서브프레임 시간 내에 펨토셀의 자원 할당을 완료할 수 있고, 간섭 관계에 따라 펨토 기지국들을 그룹화 함으로써 펨토셀 그룹 간 및 동일 그룹 내 이웃 펨토 기지국 간 간섭을 방지할 수 있다.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치, 또는 전송되는 신호 파(signal wave)에 영구적으로, 또는 일시적으로 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.

실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 실시예의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

300: 펨토셀 망운영 시스템
310: 간섭 기지국 리스트 수신부
320: 간섭 그래프 생성부
330: 그룹 분류부
340: 자원 할당부

Claims

펨토셀 망운영(Operation & Maintenance, O&M) 방법에 있어서,
복수의 펨토 기지국으로부터 상기 복수의 펨토 기지국이 관리하는 펨토 단말의 간섭 기지국 리스트를 수신하는 단계;
상기 수신된 간섭 기지국 리스트에 기초하여 상기 복수의 펨토 기지국간의 간섭 관계를 나타내는 간섭 그래프를 생성하는 단계;
상기 생성된 간섭 그래프에 기초하여 상기 복수의 펨토 기지국을 복수의 그룹으로 분류하는 단계; 및
버텍스(vertex) 컬러링(coloring) 이론에 기반하여, 상기 복수의 그룹에 포함된 적어도 하나 이상의 펨토 기지국으로 자원을 할당하는 단계
를 포함하는 펨토셀 망운영 방법.
제1항에 있어서,
상기 펨토 단말에서 기설정된 스레스홀드 이상의 크기를 갖는 신호가 수신되는 경우, 상기 신호를 전송한 펨토 기지국의 식별자가 상기 펨토 단말에서 상기 펨토 단말을 관리하는 펨토 기지국으로 전송되고,
상기 간섭 기지국 리스트는, 상기 식별자를 적어도 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토셀 망운영 방법.
제1항에 있어서,
상기 자원을 할당하는 단계는,
서로 다른 그룹으로 분류된 펨토 기지국들에게 동일한 자원을 할당하고, 동일한 그룹으로 분류된 펨토 기지국들 중 상기 간섭 그래프를 통해 간섭 관계에 있는 펨토 기지국들에 대해서는 서로 다른 자원을 할당하는 것을 특징으로 하는 펨토셀 망운영 방법.
제1항에 있어서,
상기 자원을 할당하는 단계는,
상기 복수의 펨토 기지국들 각각이 이용 가능한 서브채널과 간섭 관계에 있는 매크로셀 단말의 수를 계산하는 단계; 및
상기 계산된 매크로셀 단말의 수가 최소인 서브채널을 상기 적어도 하나 이상의 펨토 기지국에 재할당하는 단계
를 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토셀 망운영 방법.
제1항에 있어서,
상기 복수의 펨토 기지국들 각각은, 전력 제어 게임 이론에 기반한 페이오프 함수를 통해 전송 전력 레벨이 결정되고,
상기 페이오프 함수는, 물리 자원 블록(Physical Resource Block, PRB) 당 데이터율의 효율(data rate efficiency)에 기초하여 상기 펨토 단말에 대한 이득을 나타내는 보상 함수 및 특정 펨토 기지국의 전송 전력과 해당 펨토 기지국을 제외한 나머지 펨토 기지국들의 전송 전력의 벡터에 기초하여 펨토셀이 전송 전력을 증가시키는 것을 제한하는 패널티 함수를 포함하는 것을 특징으로 하는 펨토셀 망운영 방법.
펨토셀 망운영 시스템에 있어서,
복수의 펨토 기지국으로부터 상기 복수의 펨토 기지국이 관리하는 펨토 단말의 간섭 기지국 리스트를 수신하는 간섭 기지국 리스트 수신부;
상기 수신된 간섭 기지국 리스트에 기초하여 상기 복수의 펨토 기지국간의 간섭 관계를 나타내는 간섭 그래프를 생성하는 간섭 그래프 생성부;
상기 생성된 간섭 그래프에 기초하여 상기 복수의 펨토 기지국을 복수의 그룹으로 분류하는 그룹 분류부; 및
버텍스 컬러링 이론에 기반하여, 상기 복수의 그룹에 포함된 적어도 하나 이상의 펨토 기지국으로 자원을 할당하는 자원 할당부
를 포함하는 펨토셀 망운영 시스템.