KR20140089890A - 무선 통신 시스템에서 셀 간 간섭 제거 방법 및 장치 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 셀 간 간섭 제거 방법 및 장치 Download PDF

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KR20140089890A
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Abstract

본 발명의 일 실시 예에 따르는 단말의 신호 송수신 방법은 기지국으로부터 신호를 수신하는 단계; 상기 수신한 신호를 기반으로 노이즈 포함 신호대 간섭 비율(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)의 기대치를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 SINR의 기대치를 기반으로 빔포밍 기법을 선택하는 단계를 포함한다. CoMP 환경에서 Adaptive ICIC를 적용하여 WSR을 극대화 하되 계산의 복잡도를 줄이되 그 성능은 기존의 방식을 통해 결정하는 것과 큰 차이가 없는 방법 및 장치를 제공함으로써 보다 원활한 통신 환경을 구축하고, 품질이 향상된 통신 환경을 사용자에게 제공할 수 있다. 또한 기지국과 통신하는 단말이 선호하는 빔포밍 방식을 선택함에 있어 그 복잡도를 낮춤으로써 시스템의 복잡도가 줄어들고, 보다 빠른 연산 속도와 높은 전력 효율성을 제공할 수 있다. 또한 기지국이 보다 용이하게 최적의 통신환경을 가지는 사용자 그룹 및 빔포밍 기법 그룹을 선택할 수 있도록 한다.

Description

무선 통신 시스템에서 셀 간 간섭 제거 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ADAPTIVE INTER-CELL INTERFERENCE CANELLATION FOR WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 무선 통신 시스템에서 성능 향상을 보다 낮은 복잡도로 구현하기 위한 방법 및 장치이다. 보다 구체적으로 무선 통신 시스템에서 복수의 셀간 간섭 제거를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 셀(Cell) 간 간섭을 효율적으로 처리하여 이동통신 시스템의 성능을 향상시키는 기법들이 활발히 연구되고 있다. 다중 셀 협력 통신 - CoMP(Coordinated Multiple Point transmission / reception) 시스템에서 기지국 간 데이터 공유 없이 채널 정보 공유를 통한 협력 전송 기법 - CS/CB(Coordinated Beamforming / Coordianted Scheduling)으로는 적응적 인접 셀 간섭 제거 기법(Adaptive inter-cell interference cancellation: 이하 Adaptive ICIC라 칭함)이 있다.
Adaptive ICIC는 송신단에서 복잡한 빔포밍 기법대신 단일 셀 빔포밍(MRT)과 과 Zero-forcing(ZF)빔포밍(BF), 두 기법 중 하나를 적절히 선택하는 기법을 제안 하였다. 하지만 이와 같은 Adaptive ICIC의 경우 하나의 셀 내에 여러 명의 사용자가 있는 환경에서 인접 셀 사용자의 스케줄링으로 인한 간섭을 고려하기 힘들었고, 간섭을 고려 하기 위해서는 연산 량 또는 기지국 사이의 공유 데이터의 양이 늘어나는 문제점이 있었다.
본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 제안된 것으로 보다 낮은 복잡도를 통해 Adaptive ICIC를 구현할 수 있는 방법 및 장치를 제공한다. 또한 CoMP 환경에서 가중치(Weight Sum-rate, WSR)를 극대화 하면서 시스템의 복잡도를 낮출 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상술한 과제를 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시 예에 따르는 단말의 신호 송수신 방법은 기지국으로부터 신호를 수신하는 단계; 상기 수신한 신호를 기반으로 노이즈 포함 신호대 간섭 비율(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)의 기대치를 계산하는 단계; 및 상기 계산된 SINR의 기대치를 기반으로 빔포밍 기법을 선택하는 단계를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르는 단말은 기지국으로부터 신호를 수신하는 송수신부; 및 상기 수신한 신호를 기반으로 노이즈 포함 신호대 간섭 비율(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)의 기대치를 계산하고 상기 계산된 SINR의 기대치를 기반으로 빔포밍 기법을 선택하는 제어부를 포함한다.
본 발명의 다른 실시 예에 따르는 기지국의 신호 송수신 방법은 1개 이상의 단말에 신호를 송신하는 단계; 상기 송신한 신호를 기반으로 상기 1개 이상의 단말이 선택한 빔포밍 기법을 수신하는 단계; 상기 1개 이상의 단말이 선택한 빔포밍 기법별로 상기 단말에 전송량을 최대화 할 수 있는 단말을 비교하는 단계; 및 상기 비교 결과를 기반으로 빔포밍 기법 및 단말을 선택하는 단계를 포함한다.
또한 본 발명의 다른 실시 예에 따르는 신호를 송수신 하는 기지국은 1개 이상의 단말에 신호를 송신하고, 상기 송신한 신호를 기반으로 상기 1개 이상의 단말이 선택한 빔포밍 기법을 수신하는 송수신부; 및 상기 1개 이상의 단말이 선택한 빔포밍 기법별로 상기 단말에 전송량을 최대화 할 수 있는 단말을 비교하고, 상기 비교 결과를 기반으로 빔포밍 기법 및 단말을 선택하는 제어부를 포함한다.
CoMP 환경에서 Adaptive ICIC를 적용하여 WSR을 극대화 하되 계산의 복잡도를 줄이되 그 성능은 기존의 방식을 통해 결정하는 것과 큰 차이가 없는 방법 및 장치를 제공함으로써 보다 원활한 통신 환경을 구축하고, 품질이 향상된 통신 환경을 사용자에게 제공할 수 있다.
또한 기지국과 통신하는 단말이 선호하는 빔포밍 방식을 선택함에 있어 그 복잡도를 낮춤으로써 시스템의 복잡도가 줄어들고, 보다 빠른 연산 속도와 높은 전력 효율성을 제공할 수 있다.
또한 기지국이 보다 용이하게 최적의 통신환경을 가지는 사용자 그룹 및 빔포밍 기법 그룹을 선택할 수 있도록 한다.
도 1은 실시 예에 따른 통신 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 2는 실시 예에 따른 단말의 동작을 나타낸 순서도이다.
도 3은 실시 예에 따른 기지국의 동작을 나타낸 순서도이다.
도 4a 내지 4c는 실시 예에 따른 셀 별 사용자 분포를 나타낸 도면이다.
도 5a 내지 5b는 실시 예에 따른 통신 시스템의 통신 성능을 나타내는 도면이다.
도 6a 내지 6b는 실시 예와 다른 통신 방법들의 통신 성능을 비교하는 도면이다.
이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
도 1은 실시 예에 따른 통신 시스템의 구조를 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하면 제1기지국(110), 제2기지국(120) 및 제3기지국(130)은 각각 제1셀(112), 제2셀(122) 및 제3셀(132)의 단말과 신호를 송수신 할 수 있다. 그러나 실시 예에 따라 상기 각 기지국은 다른 셀에 있는 단말과 신호를 송수신 할 수 있다.
또한 제1기지국(110), 제2기지국(120) 및 제3기지국(130)은 각각 백홀 링크(backhaul link)(140)을 통해 연결 될 수 있으며, 백홀 링크(140)를 통해 각 기지국은 데이터를 공유할 수 있다. 실시 예에 따라 상기 공유하는 데이터는 상기 각 기지국에 단말로부터 수신한 정보를 포함할 수 있으며 상기 수신한 정보는 채널 상태 정보 및 각 단말이 선택한 빔포밍 방식을 포함할 수 있다.
실시 예에서 제1단말(114), 제2단말(124) 및 제3단말(134)는 각각 제1셀(112), 제2셀(122) 및 제3셀(132)안에 위치한다. 한편 실시 예에서 제1기지국(110), 제2기지국(120) 및 제3기지국(130)은 각각 제1단말(114)에 CoMP를 수행할 수 있다. 이때 스케줄링을 위한 방법 선택이 문제될 수 있다.
보다 구체적으로 도 1은 L-cell CoMP CS/CB 시스템에서 셀 개수 L이 총 3개인 시스템이다. 이 때 상기 각 기지국은
Figure pat00001
개의 송신 안테나를 가지고
Figure pat00002
명의 단일 안테나 사용자(단말)와 통신하는 것을 가정할 수 있다. 그러나 상기 기지국이 통신하는 단말은 단일 안테나 사용자에 한정되지 않으며 복수개의 안테나를 사용하는 단말과도 통신할 수 있다.
또한 각 기지국은 사용자의 채널 상태 정보(Channel State Information,CSI)를 교환 할 수 있다. 실시 예에 따라서 백홀 링크(140)의 전송량을 줄이기 위해 상기 각 기지국 상기 각 단말에 전송하는 데이터를 공유하지 않을 수 있다.
각 시간 슬롯에 사용자들은 셀 안에 독립적이고 무작위 하게 분포되어 있을 수 있다. 또한 상기 각 기지국들은 하나의 사용자만 지원한다고 가정하였을 때, 기지국
Figure pat00003
에
Figure pat00004
번째 사용자를
Figure pat00005
으로 나타내고 사용자
Figure pat00006
의 수신 신호는 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
여기서
Figure pat00008
는
Figure pat00009
를 만족하는 빔포밍 벡터이고,
Figure pat00010
는 기지국
Figure pat00011
에서의 데이터 부호다.
Figure pat00012
는 사용자
Figure pat00013
에서 BS
Figure pat00014
로의 채널을 나타내고,
Figure pat00015
는 가우시안 노이즈를 나타내며,
Figure pat00016
는 거리에 의한 pathloss 모델을 나타낸다. 추가적으로
Figure pat00017
를
Figure pat00018
로 정의할 수 있다.
또한 실시 예에서 상기 각 기지국들이 같은 곳에 위치하고 있지 않기 때문에 상기 각 기지국 파워 제한을 가지고, 수신단에서 하나의 사용자만 검출하는 상황을 가정할 수 있다.
이와 같은 경우 사용자
Figure pat00019
에 개인의 전송률
Figure pat00020
는
Figure pat00021
로 나타낼 수 있고,
Figure pat00022
는 사용자
Figure pat00023
의 수신 SINR을 다음과 같이 나타낸다.
Figure pat00024
실시 예에서는 사용자의 fairness를 고려한 가중치 합계 비율(Weight Sum-rate, WSR)성능을 최대화할 수 있다. 또한 상기 각기지국들에 의한
Figure pat00025
명의 선택된 사용자 집합을
Figure pat00026
로 나태낼 때, WSR인
Figure pat00027
을 다음과 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00028
여기서
Figure pat00029
는 가중치 계수로 정의 될 수 있으며 실시 예에 따라 상기 각 기지국에 기 설정되거나 상황에 따라 결정될 수 있다.
일 실시 예에 다르면 Adaptive ICIC 기법은 각 기지국에서 단일 사용자를 가정할 수 있다. 통신 시스템에서
Figure pat00030
조건일 때, 최대 파워 송신을 가정함으로써 어떠한 최적 손실도 없이 송신단의 파워 조절을 고려하지 않고 기지국은 단말에 신호를 전송할 수 있다. 또한 Adaptive ICIC 기법은 각 기지국에서 측정한 단말의 local CSI를 바탕으로 사용자의 fading 채널 상태와 위치에 따라 각 기지국이
Figure pat00031
(Maximum Ratio Transmission)와 (Zero Forcing Beamforming), 두 개의 기법 중 하나를 적절히 선택함으로써 통신 성능의 향상을 가지고 올 수 있다.
상기와 같은 경우, 하나의 셀 안에 다수의 사용자가 있는 환경에서는 최적의 빔포밍 집합
Figure pat00033
과 상기 셀 알의 다수의 사용자중 특정 사용자를 선택하는 사용자 선택과정을 진행해야 한다. 따라서 WSR을 최대화 하기 위해 사용자 집합
Figure pat00034
과 기법집합
Figure pat00035
을 함께 선택해야 하므로 시스템의 복잡도가 증가할 수 있다. 이와 같이 시스템의 복잡도가 증가하는 문제를 설명하면 다음과 같다.
Figure pat00036
상기 수학식 4의 최적의 해
Figure pat00037
는 가능한 모든 사용자와 빔포밍 기법의 조합들로 구한 WSR의 비교를 통해 구할 수 있다.
이와 같이 모든 사용자와 빔포밍 기법의 조합을 통해 최적의 해를 구하는 것은, exhaustive search의 형태로
Figure pat00038
의 복잡도를 가지므로
Figure pat00039
또는
Figure pat00040
이 매우 커질 때 계산 량이 늘어나게 된다. 또한 모든
Figure pat00041
에 대해서
Figure pat00042
를 계산하기 위해 기지국들이 매 송신마다 모든 사용자의 global CSI를 공유해야 하므로 backhaul link들의 제한적인 전송률에 너무 많은 부담을 발생시킨다. 한편 실시 예에서
Figure pat00043
의 경우 ergodic sum-rate을 채택하여 순간적인 CSI 교환을 필요로 하지 않지만 ergodic sum-rate의 closed-form수식 계산은 순간적인 전송률 계산보다 복잡한 바 이 역시 사용자의 수가 많아질 경우 많은 계산량을 필요로 한다.
또한, small scale fading이 고려 되지 않는 경우 성능 저하를 가지고 올 수 있다. 따라서 수학식 4의 해를 구하여 시스템의 성능을 향상 시키기 위해서는 기지국간 CSI 교환을 줄이고 복잡도를 낮출 필요성이 있다.
따라서 실시 예에서는 Adaptive ICIC를 보다 낮은 복잡도로 진행하기 위해 다음의 절차를 체택할 수 있다.
먼저 단말은
Figure pat00044
기대치 분석을 통한 간단한 한계점 기준을 사용하여 각각의 사용자의 선호하는 빔포밍 기법을 선택하고, 상기 단말이 선택한 빔포밍 기법을 상기 단말에 대응하는 기지국에 피드백 할 수 있다.
또한 기지국은 상기 수신한 피드백을 기반으로 최적 사용자 그룹 및 빔포밍 그룹을 포함하는 해인
Figure pat00045
를 찾기 위해 순차적인 사용자 스케줄링 알고리즘을 각 기지국이 공동으로 수행할 수 있다. 이에 대한 자세한 설명은 후술하도록 한다.
도 2는 실시 예에 따른 단말의 동작을 나타낸 순서도이다.
도 2를 참조하면 단말은 단계 210에서 기지국으로부터 신호를 수신할 수 있다. 상기 수신되는 신호는 파일럿 신호, 제어 채널 관련 신호를 포함할 수 있으며 신호의 종류는 한정되지 않는다.
단계 220에서 상기 단말은 상기 수신한 신호를 기반으로 노이즈 포함 신호대 간섭 비율(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)을 계산할 수 있다. 실시 예에서 SINR은 SINR 기대치 분석을 통해 이루어 질 수 있다.
보다 구체적으로 실시예에서 상기 단말은 SINR 기대치 분석을 위해 상기 단말에 협력적 전송을 할 수 잇는 기지국이 각 시간 슬롯에서 동일한 빔포밍 기법을 사용한다고 가정할 수 있다.
Figure pat00046
수학식 5와 같은 가정이 없을 경우 기지국과 신호를 송수신 하는 사용자가 L명일 경우
Figure pat00047
가지의 송신 모드가 설정 가능하나, 상기 수학식 5와 같은 가정을 통해 송신 모드 중에서 오직 두 개의 경우 (
Figure pat00048
또는
Figure pat00049
)만을 고려할 수 있다.
따라서 빔포밍 기법 집합은
Figure pat00050
로 감소하고, 빔포밍 기법 집합
Figure pat00051
를 선택하는 문제는 2진법의 선택이 되어 Adaptive ICIC 의 복잡도가 줄어들 수 있다.
수학식 5에 대한 가정을 통해 SINR 기대치를 분석하는 경우에도 성능의 저하는 크지 않으며 이에 대한 설명은 도 5에 관한 부분에서 후술하도록 한다.
실시 예에 따라 사용자
Figure pat00052
의 빔포밍 기법을
Figure pat00053
이라고 나타내고, 선택한
Figure pat00054
을
Figure pat00055
번째 기지국에 피드백한다. 수학식 5의 가정을 통해 각각의 사용자단에서 전송률을 최대화 하는
Figure pat00056
을 선택하는 문제는 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00057
여기서
Figure pat00058
는 모든 기지국에서 같은 빔포밍 기법
Figure pat00059
를 적용하였을 때, 사용자
Figure pat00060
의
Figure pat00061
을 나타낸다. 하지만 사용자들은 이웃한 기지국들에 빔포밍 기법을 알 수 없으며
Figure pat00062
일 경우 상기 사용자 자신의 빔포밍 기법역시 알 수 없으므로, 수신단에서 실제의
Figure pat00063
을 추정하기 어렵다.
이 경우에 각각의 사용자들은
Figure pat00064
기대치분석을 통해 송수신 성능의 척도로 사용할 수 있다.
Figure pat00065
이와 같이 수학식 7을 만족할 경우 사용자
Figure pat00066
은
Figure pat00067
를 선택하고 다른경우는
Figure pat00068
을 선택할 수 있다. 위의 연산에서 기대치는 모든 랜덤 변수에 대한 것이 아닌, 오직 알 수 없는 빔포밍 벡터들에 대한 것일 수 있다.
실시 예에서 빔포밍 기법이
Figure pat00069
인 경우, 수학식 2에서의
Figure pat00070
에 대한 사용자
Figure pat00071
의
Figure pat00072
기대치는 Jensen's inequality를 사용하여 다음과 같이 근사적으로 구할 수 있다.
Figure pat00073
또한 실시 예에서 빔포밍 기법이
Figure pat00074
인 경우는 수학식 2에서 간섭 항들은
Figure pat00075
의 영향을 무시 할 수 있는바 구해지는 SINR 기대치는 다음과 같다.
Figure pat00076
상기 수학식 8 및 9를 기반으로 수학식 7의 빔포밍에서 MRT 기법 선택에 제안된 기준은 다음과 같이 얻을 수 있다.
Figure pat00077
이 기준식은 만약 간섭 파워가 강할 경우(
Figure pat00078
보다 클 경우) 사용자
Figure pat00079
은
Figure pat00080
을 선호할 수 있따. 반면에 간섭 파워가
Figure pat00081
을 넘지 않을 경우 사용자
Figure pat00082
은
Figure pat00083
로 지원되는 것을 선호할 수 있다.
단계 230에서 상기 단말은 단계 220에서 수행된 SINR의 기대치 분석을 통해 선호하는 빔포밍 기법을 선택할 수 있다.
단계 240에서 상기 단말은 선택된 빔포밍 기법을 상기 기지국에 피드백 할 수 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이 수학식 6의 가정으로 인해 제안된 수학식 10의 분석을 통해 사용자는 자신의 간섭 채널만을 사용하여 완전히 분산 방식으로 작동 될 수 있다. 그럼에도 불구하고 성능 감소는 그리 크지 않으며 이에 대한 내용은 후술한다.
또한 수학식 10을 계산하는 복잡도는 이전의 빔포밍 기법을 모두 고려하는 계산에 비해 그 계산 복잡도가 낮은 바, 각각의 사용자들의 빔포밍 기법을 선택하는 복잡도 역시 낮아질 수 있다. 또한 각각의 사용자가 선호하는 빔포밍 기법을 기지국에 피드백 과정에서 자신의 기지국에 빔포밍 선택
Figure pat00084
을 전달하기 위하여 오직 하나의 비트만 추가적으로 요구된다.
도 3은 실시 예에 따른 기지국의 동작을 나타낸 순서도이고, 도 4a 내지 4c는 실시 예에 따른 셀 별 사용자 분포를 나타낸 도면이다.
도 3 및 도 4를 참고하면, 단계 310에서 상기 기지국은 단말로 신호를 송신할 수 있다. 상기 송신되는 신호는 파일럿 신호, 제어 채널 관련 신호를 포함할 수 있으며 신호의 종류는 한정되지 않는다.
단계 320에서 상기 기지국은 상기 단말로부터 단말이 선호하는 빔포밍 기법을 수신할 수 있다. 상기 기지국은 신호를 송수신 할 수 있는 단말기 전체로부터 선호하는 빔포밍 기법을 수신할 수 있다. 또한 실시 예에 따라 상기 선호하는 빔포밍 기법은 상기 단말이 도 2의 단계 220 및 230의 방법을 통해 선호하는 빔포밍 기법을 선택할 수 있다.
단계 330에서 상기 기지국은 빔포밍 기법 별로 최적의 사용자를 선택할 수 있따. 상기 기지국과 신호를 송수신 하는 모든 사용자들이 이미 선호하는 빔포밍 기법
Figure pat00085
을 선택하였기 때문에 상기 기지국(기지국의 인덱스는
Figure pat00086
)은 사용자들의 피드백
Figure pat00087
을 기반으로 두 개의 그룹으로 나눌 수 있다. 하나는
Figure pat00088
을 피드백 한 사용자들의 그룹으로
Figure pat00089
으로 정의하고, 나머지
Figure pat00090
를 피드백한 사용자 그룹을
Figure pat00091
로 정의할 수 있다. 따라서
Figure pat00092
을 대체하는 새로운 두 집합을 다음과 같이 정의 할 수 있다.
Figure pat00093
도 4의 (a)는 제1셀(410), 제2셀(420) 및 제3셀(430)은 각각 두개의 사용자 그룹을 가진다. 두개의 그룹은 각각 MRT를 선택한 사용자와 ZF를 선택한 사용자이다.
도 4의 (b)는 제1셀(440), 제2셀(450) 및 제3셀(460)은 일부의 셀(실시 예에서는 제3셀(460))이 1개의 빔포밍 기법이 선택하였고, 도 4의 (c)는 제1셀(470), 제2셀(480) 및 제3셀(490)은 일부의 셀(실시 예에서는 제2셀(480) 및 제3셀(490)이 1개의 빔포밍 기법이 선택하였다.
도 4의 (b)에서도 모든 기지국이 성능 감소가 크지 않은 하나의 사용자를 지원하기 위해 당연히
Figure pat00094
기법을 선택할 수 있다. 반면, 도 4의 (c)에서는 수학식 5의 가정 아래, 제2셀(480) 및 제3셀(490)의 기지국이 작동하기 어려울 수 있으나
Figure pat00095
가 매우 작지 않는 그런 발생 확률은 아주 낮을 수 있다.
Figure pat00096
개의 셀에 어떠한
Figure pat00097
과
Figure pat00098
Figure pat00099
에서
Figure pat00100
와
Figure pat00101
둘 다 일어날 확률은
Figure pat00102
의 상한을 가진다.
결과적으로, 이 확률은 무시할만하므로 도 4의 (a)와 같은 고려를 고려할 수 있다. 상기와 같은 사용자 분류를 통해서 수학식 4의 내용을 다음과 같이 수정 할 수 있다.
Figure pat00103
여기서
Figure pat00104
와
Figure pat00105
은 다음에 의해 결정된다.
Figure pat00106
Figure pat00107
수학식 12를 기반으로 수학식 13 및 수학식 14으로 분리하여 각각의 기법을 위한 두 개의 최적 집합
Figure pat00108
와
Figure pat00109
가 구할 수 있다.
단계 340에서 각 기법 별 선택된 최적의 사용자의 전송률을 비교할 수 있다. 다시 말해 그리고 선택된 사용자 집합의 사용자들의 WSR를 최종의 해
Figure pat00110
를 결정하기 위해 비교한다.
이 경우 수학식 13 및 수학식 14를 풀기 위해 전체 search 크기가 최악의 경우에 여전히
Figure pat00111
이다. 따라서 실시 예에서 search 공간을 줄이기 위해 제시된 알고리즘은 각각의 기지국에서
Figure pat00112
와
Figure pat00113
에 각 사용자를 순차적으로 찾는다. 이를 위해, 수학식 8 및 수학식 9를 기반으로 각 사용자 개인의 전송률을 다음과 같이 근사화 할 수 있다.
Figure pat00114
또한, 대응하는 근사 WSR을 다음과 같이 정의할 수 있다.
Figure pat00115
이러한 근사를 사용하여
Figure pat00116
와
Figure pat00117
를 찾기 위한 각 과정은 다음 실시 예에서 서술될 수 있다.
먼저
Figure pat00118
을 찾는 실시예는 다음과 같다. 총 L개의 기지국이 있으며 각 기지국은 셀을 구성할 수 있다.
1. 초기화 : n번째 기지국이
Figure pat00119
m번째 기지국
Figure pat00120
에
Figure pat00121
를 송신할 수 있다. 상기 송신은 백홀을 통해 이루어 질 수 있다.
2. 셀 1 : 기지국 1은
Figure pat00122
중 다음과 같은
Figure pat00123
를 선택할 수 있다.
Figure pat00124
또한 그 인덱스, 웨이트, 및 유효한 채널(effective channel)을 모든 다른 기지국에 전송할 수 있다.
3. 셀2 에서 셀 L-1 : n번째 기지국은 WSR을 최대화 할 수 있는
Figure pat00125
를 선택할 수 있다. 여기서 WSR은 대략적인 추정치로 구할 수 있으며 아래와 같이 구할 수 있다.
Figure pat00126
그리고 구해진
Figure pat00127
의 사용자 정보를 남은 L-n개의 기지국에 전송할 수 있다.
4. 셀 L : 주어진
Figure pat00128
및 그 사용자 정보를 중 기지국 L은 다음과 같은
Figure pat00129
를 선택한다.
Figure pat00130
다음으로
Figure pat00131
을 찾는 실시예는 다음과 같다. 총 L개의 기지국이 있으며 각 기지국은 셀을 구성할 수 있다.
1. n<L 인 셀 n에서: 기지국 n은
Figure pat00132
를 최대화 함으로써 최고 성능을 가지는 ZFBF 사용자를 전체 ZFBF사용자 그룹에서 독립적으로 선택하고 (
Figure pat00133
) 그 사용자 인덱스, 웨이트(weight), 바람직한
Figure pat00134
및 빠지는(leakage)
Figure pat00135
중 하나 이상을 기지국 L에 보고한할 수 있다.
2. 셀 L : 최종적으로 기지국 L은 WSR을 기반으로
Figure pat00136
를 다음과 같이 얻을 수 있다.
Figure pat00137
Figure pat00138
와
Figure pat00139
의 해들은
Figure pat00140
개의 기지국 사이의 스케줄링 순서에 좌우될 수 있다. 그러나 실시 예에서 순서를 고정시킨 경우도 성능 향상의 효과가 있을 수 있다.
상기에서 설명한 과정을 거친 뒤에
Figure pat00141
와
Figure pat00142
을 얻을 수 있다. 마지막으로 수학식 12에서의
Figure pat00143
와
Figure pat00144
의 비교를 통해 최적의 사용자와 빔포밍 기법 그룹
Figure pat00145
을 결정할 수 있다.
실시 예에서 제안된 Adaptive ICIC 기법에 대한 전반적인 알고리즘을 설명하였다. 실시 예에 따른 방법을 사용할 경우 기존의 방법에 비해 비해 인접 기지국 간의 정보 교환 오버헤드가 줄어 들게 된다. 둘째, 각 기지국에서의 후보 사용자들의 수가
Figure pat00146
명이기 때문에 기지국에서 순차적인 스케줄링을 수행하기 위한 전체 search 복잡도는
Figure pat00147
밖에 되지 않는다. 반면, 기존의 기법은 exhaustive search 스케줄링을 위하여 복잡도
Figure pat00148
만큼을 필요로 한다. 따라서 실시 예에서 제안된 방법을 통해 search의 복잡도가 감소할 수 있다.
도 5a 내지 5b는 실시 예에 따른 통신 시스템의 통신 성능을 나타내는 도면이다.
도 5를 참고하면, 기존의 실시 예와 수학식 5의 가정을 사용했을 때의 sum rate 값의 비교를 하고 있다.
510은 사용자 K=5에 기존과 같이 빔포밍 기법을 각자 다르게 선택하는 것을 가정한 경우이다. 또한 520은 K=5에 수학식 5의 가정을 적용한 경우이다.
530은 사용자 K=10에 기존과 같이 빔포밍 기법을 각자 다르게 선택하는 것을 가정한 경우이다. 또한 540은 K=10에 수학식 5의 가정을 적용한 경우이다.
550은 사용자 K=4에 기존과 같이 빔포밍 기법을 각자 다르게 선택하는 것을 가정한 경우이다. 또한 560은 K=4에 수학식 5의 가정을 적용한 경우이다.
570은 사용자 K=8에 기존과 같이 빔포밍 기법을 각자 다르게 선택하는 것을 가정한 경우이다. 또한 580은 K=8에 수학식 5의 가정을 적용한 경우이다.
도면을 참고하면 불구하고 일정한 사용자의 수를 가질 때 수학식 5에 따른 가정을 적용한 경우에도 의한 성능감소는 매우 적다. 그 이유는 수학식 4의 최적의 해
Figure pat00149
는 다른 기지국간에 다른 기법이 쓰인 해일 수 있지만, 협력적인 스케줄러는 언제나 거의 같은 성능을 가지는 다른 보조 최적의 해의 집합
Figure pat00150
(수학식 5의 가정을 만족하는)을 찾을 수 있다.
도 6a 내지 6b는 실시 예와 다른 통신 방법들의 통신 성능을 비교하는 도면이다.
도 6a 내지 6b를 참조하면 실시 예에 따른 성능 향상을 다음과 같은 시뮬레이션 결과로 확인할 수 있다. 실험 환경은 다음과 같다. 셀 반경
Figure pat00151
은 0.5
Figure pat00152
이며, 사용자는 셀 범위 내에 랜덤하고 균일하게 분포되어 있다. pathloss exponent는
Figure pat00153
으로 설정하고, Small scale fading으로 uncorrelated Rayleigh fading 채널을 사용하였다. 사용자의 가중치를 계산하기 위해 Proportional Fair (PF) 스케줄링 알고리즘이 쓰였다.
제안된 기법(search 사이즈
Figure pat00154
)의 성능 비교를 위해 다음의 CS/CB 또는 JP(Joint processing)기법들을 고려 하였다.
1. Optimal exhaustive search (
Figure pat00155
): 순간적인 WSR을 최대화 하기 위해 수학식 4에 모든 가능한 조합을 고려한 기법.
2. Reduced set exhaustive search (
Figure pat00156
) : Search 공간
Figure pat00157
가 수학식 5으로 동질인 경우 (
Figure pat00158
)로 제한된 기법
3. Conventional adaptive ICIC(
Figure pat00159
) : 에르고딕 WSR의 비교를 통한 최적의
Figure pat00160
을 결정한 기법.
4. CS/CB upper bound (
Figure pat00161
) : 2-cell의 경우, 시스템 upper bound는 exhaustive 스케줄링을 결합한 Pareto optimal solution에서 얻어진 기법.
5. Inter-cell Time-division Multiple Access(TDMA) (
Figure pat00162
) 1. : Baseline 기법으로 각 송신과정에서 오직 하나의 셀만 최대 가중치 개인 전송률을 가진 사용자를 지원 하는 기법.
6. JP with ZFBF (
Figure pat00163
) : 최대 기지국 협력과 exhaustive search를 통한 ZFBF기법. 3-cell인 경우 upper bound로 간주할 수 있다.
7. Distributed MRT (
Figure pat00164
) : 마지막으로,
Figure pat00165
빔포밍을 통한 exhaustive 분산 단일 셀 기법과 구분 사용자 스케줄링이 적용된 기법.
도 6a는
Figure pat00166
와
Figure pat00167
일 때, 2-cell 네트워크의 average sum-rate 성능을 보여주고 있다.
도6b는
Figure pat00168
와
Figure pat00169
일 때, 3-cell 네트워크의 average sum-rate 성능을 보여주고 있다.
실시 예에서 제안된 기법은 낮은 복잡도를 가짐에도 불구하고 exhaustive search 경우와 같은 최적의 기법과 거의 동일한 throughput 이득을 얻는다는 것을 알 수 있다. 본 발명에서는 공동 최적 기법에 계산 복잡도를 낮추기 위해 WSR을 최대화 하는 관점에서 각 기지국에서 최선의 빔포밍 기법에 최선의 사용자를 스케줄링을 하는 두 단계로 이루어진 간단한 adaptive ICIC기법을 제시하였다. 제안된 기법은 많은 수의 사용자가 있을 때에도 단지 복잡도가 선형적으로 증가하고 상대적으로 적은 백홀 대역폭을 요구하여 실제적인 통신 환경에서 이점을 가진다.
실시 예에서 기지국 및 단말은 각각 다른 엔티티와 신호를 송수신할 수 있는 송수신부 및 상기 송수신부를 통해 송수신 되는 데이터를 기반으로 연산을 수행할 수 있는 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시 예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구의 범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구의 범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.
한편, 본 명세서와 도면에는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 개시하였으며, 비록 특정 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 발명의 이해를 돕기 위한 일반적인 의미에서 사용된 것이지, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 여기에 개시된 실시 예 외에도 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형 예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다.

Claims (20)

  1. 단말의 신호 송수신 방법에 있어서,
    기지국으로부터 신호를 수신하는 단계;
    상기 수신한 신호를 기반으로 노이즈 포함 신호대 간섭 비율(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)의 기대치를 계산하는 단계; 및
    상기 계산된 SINR의 기대치를 기반으로 빔포밍 기법을 선택하는 단계를 포함하는 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 SINR의 기대치를 계산하는 단계는 상기 기지국으로부터 신호를 수신하는 다른 단말이 모두 동일한 빔포밍 기법을 사용하는 가정을 기반으로 SINR의 기대치를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    SINR의 기대치를 계산하는 단계는 상기 단말의 전송률을 기반으로 SINR의 기대치를 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 빔포밍 기법은 단일 셀 빔포밍(MRT) 및 제로포싱(Zero-forcing)빔포밍 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 선택한 빔포밍 기법을 상기 기지국으로 보고하는 단계를 더 포함하는 방법.
  6. 신호 송수신 하는 단말에 있어서,
    기지국으로부터 신호를 수신하는 송수신부; 및
    상기 수신한 신호를 기반으로 노이즈 포함 신호대 간섭 비율(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)의 기대치를 계산하고 상기 계산된 SINR의 기대치를 기반으로 빔포밍 기법을 선택하는 제어부를 포함하는 단말.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 SINR의 기대치를 계산하는 단계는 상기 기지국으로부터 신호를 수신하는 다른 단말이 모두 동일한 빔포밍 기법을 사용하는 가정을 기반으로 SINR의 기대치를 계산하는 것을 특징으로 하는 단말.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 제어부는 SINR의 기대치를 계산하는 단계는 상기 단말의 전송률을 기반으로 SINR의 기대치를 계산하는 것을 특징으로 하는 단말.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 빔포밍 기법은 단일 셀 빔포밍(MRT) 및 제로포싱(Zero-forcing)빔포밍 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 단말.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 송수신부는 상기 선택한 빔포밍 기법을 상기 기지국으로 보고하는 것을 특징으로 하는 단말.
  11. 기지국의 신호 송수신 방법에 있어서,
    1개 이상의 단말에 신호를 송신하는 단계;
    상기 송신한 신호를 기반으로 상기 1개 이상의 단말이 선택한 빔포밍 기법을 수신하는 단계;
    상기 1개 이상의 단말이 선택한 빔포밍 기법별로 상기 단말에 전송량을 최대화 할 수 있는 단말을 비교하는 단계; 및
    상기 비교 결과를 기반으로 빔포밍 기법 및 단말을 선택하는 단계를 포함하는 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 빔포밍 기법을 수신하는 단계는
    상기 단말이 상기 송신한 신호를 기반으로 계산된 노이즈 포함 신호대 간섭 비율(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)을 기반으로 선택된 빔포밍 기법을 수신하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제11항에 있어서,
    상기 단말을 비교하는 단계는 상기 1개 이상의 단말이 측정한 간섭파워를 기반으로 비교하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    인접한 기지국으로부터 상기 인접한 기지국이 선택한 빔포밍 기법 및 상기 단말 정보를 수신하는 단계를 더 포함하는 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 빔포밍 기법 및 단말을 선택하는 단계는
    상기 1개 이상의 단말이 선택한 빔포밍 및 상기 수신한 인접한 기지국이 선택한 빔포밍 기법 및 상기 단말 정보를 기반으로 빔포밍 기법 및 단말을 선택하는 단계를 포함하는 방법.
  16. 신호를 송수신하는 기지국에 있어서,
    1개 이상의 단말에 신호를 송신하고, 상기 송신한 신호를 기반으로 상기 1개 이상의 단말이 선택한 빔포밍 기법을 수신하는 송수신부; 및
    상기 1개 이상의 단말이 선택한 빔포밍 기법별로 상기 단말에 전송량을 최대화 할 수 있는 단말을 비교하고, 상기 비교 결과를 기반으로 빔포밍 기법 및 단말을 선택하는 제어부를 포함하는 기지국.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 송수신부는 상기 단말이 상기 송신한 신호를 기반으로 계산된 노이즈 포함 신호대 간섭 비율(Signal to Interference plus Noise Ratio, SINR)을 기반으로 선택된 빔포밍 기법을 수신하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 제어부는 단계는 상기 1개 이상의 단말이 측정한 간섭파워를 기반으로 비교하는 것을 특징으로 하는 기지국.
  19. 제16항에 있어서,
    상기 송수신부는 인접한 기지국으로부터 상기 인접한 기지국이 선택한 빔포밍 기법 및 상기 단말 정보를 수신하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제19항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 1개 이상의 단말이 선택한 빔포밍 및 상기 수신한 인접한 기지국이 선택한 빔포밍 기법 및 상기 단말 정보를 기반으로 빔포밍 기법 및 단말을 선택하는 것을 특징으로 하는 방법.
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WO2023249177A1 (ko) * 2022-06-24 2023-12-28 고려대학교산학협력단 Mu-miso 시스템을 위한 것으로서 채널 오류에 강인한 wmmse 빔포밍 매트릭스 설계 방법 및 장치

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