KR20160104464A - 전이중 셀룰라 네트워크의 전력 할당 및 단말 선택 방법 - Google Patents

전이중 셀룰라 네트워크의 전력 할당 및 단말 선택 방법 Download PDF

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KR20160104464A
KR20160104464A KR1020150027545A KR20150027545A KR20160104464A KR 20160104464 A KR20160104464 A KR 20160104464A KR 1020150027545 A KR1020150027545 A KR 1020150027545A KR 20150027545 A KR20150027545 A KR 20150027545A KR 20160104464 A KR20160104464 A KR 20160104464A
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장진영
정민근
김기연
양민호
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Abstract

전이중 셀룰라 네트워크의 전력 할당 및 단말 선택 방법이 개시된다. 개시된 방법은, 하향링크 기지국이 송신 전력을 결정하는 단계;상향링크 단말의 송신 전력을 결정하는 단계;하향링크 단말이 상향링크 단말로부터의 단말 간 간섭을 측정하는 단계;하향링크 단말이 단말 간 간섭을 송신기에 궤환하는 단계;기지국이 하향링크 서비스 단말과 상향링크 서비스 단말을 선택하는 단계;선택된 단말은 같은 시간/주파수 자원에서 동시에 신호를 전송하는 단계를 포함한다.

Description

전이중 셀룰라 네트워크의 전력 할당 및 단말 선택 방법{Method for Selecting Terminal and Allocating Power in Full-duplex Cellular Network}
본 발명은 전이중 셀룰라 네트워크의 전력 할당 및 단말 선택 방법에 관한 것이다.
최근 전이중 (full duplex, FD) 방식의 통신 시스템은 무선 통신 시스템의 전송률을 높이는 기술로 각광받고 있다. 기존의 통신 기기들은 송신과 수신을 동시에 할 경우 자기 간섭 (self interference, SI)에 의해 통신이 제대로 이루어지지 못하여 반이중 (half duplex, HD) 방식을 주로 사용해왔다. 최근 SI를 효과적으로 제거하는 기술에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있으며, 이를 통해 FD 방식의 통신 시스템의 구현 가능성이 현실화되고 있다.
FD 기기는 자기 간섭 제거를 위한 고성능의 RF 소자와 복잡도가 높은 비선형 연산을 필요로 하며, 따라서 이를 단말에 적용하기는 다소 어려울 것으로 예측된다. 최근에는 기지국이 FD 방식으로 동작하고, 단말은 HD 방식으로 동작하는 셀룰라 네트워크가 많이 고려되고 있으며, 이 때 상향링크 단말이 하향링크 단말에 주는 간섭을 제어하는 기술을 설계할 필요가 있다.
본 발명은 전이중 기지국과 여러 개의 반이중 단말이 서로 통신하는 셀룰라 네트워크에서 기지국과 단말이 HD 셀룰라 네트워크의 전송 용량을 달성하는 기법을 이용해 서로 통신할 때, 대역폭 효율을 최대화하는 전력 할당 방법 및 단말의 선택 방법을 제안한다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 하향링크 기지국이 송신 전력을 결정하는 단계;상향링크 단말의 송신 전력을 결정하는 단계;하향링크 단말이 상향링크 단말로부터의 단말 간 간섭을 측정하는 단계;하향링크 단말이 단말 간 간섭을 송신기에 궤환하는 단계;기지국이 하향링크 서비스 단말과 상향링크 서비스 단말을 선택하는 단계;선택된 단말은 같은 시간/주파수 자원에서 동시에 신호를 전송하는 포함하는 전이중 셀룰라 네트워크의 전력 할당 및 단말 선택 방법이 제공된다.
FD 기지국과 HD 단말이 기존 HD 시스템의 전송 용량을 달성하는 기법을 이용해 서로 통신할 때, 본 발명을 이용하면 이 시스템의 최대의 대역폭 효율을 얻을 수 있다.
도 1은 본 발명의 전이중 셀룰라 네트워크의 전력 할당 및 단말 선택 방법이 적용되는 시스템 모형을 도시한 그림,
도 2는 적은 복잡도로 준최적의 단말을 선택할 수 있도록 하기 위한 의사코드를 도시한 도면.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 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. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
본 발명은 FD로 동작하는 기지국과 HD로 동작하는 다수의 단말이 서로 통신하는 셀룰라 네트워크를 가정하며, 본 고에서는 이를 FD 셀룰라 네트워크라고 명명한다. 기지국은 하향링크 단말에게 데이터를 전송하고, 상향링크 단말은 기지국에게 데이터를 전송한다. 이 때, 하향링크와 상향링크는 같은 주파수와 시간을 사용한다. 이 시스템 모형에서 상향링크 수신기인 기지국은 스스로가 전송한 하향링크 신호로부터 간섭을 받게 되며, 이를 자기 간섭이라고 한다. 하향링크 수신기인 하향링크 단말은 상향링크 단말이 전송한 신호로부터 간섭을 받으며, 이를 단말 간 간섭이라고 한다. 도 1은 본 발명의 전이중 셀룰라 네트워크의 전력 할당 및 단말 선택 방법이 적용되는 시스템 모형을 도시한 그림이다.
기지국과 단말은 논리적으로 하나의 안테나를 가지고 있다고 가정한다. 여기서 논리적이라함은 각각 하나의 상향링크 기저대역 채널(baseband channel)과 하향링크 기저대역 채널을 가짐을 의미하며, 특히 FD로 동작하는 기지국은 구현 방식에 따라 물리적으로 상향링크 안테나와 하향링크 안테나를 같이 쓰는 방법 혹은 다르게 쓰는 방법을 포함한다.
시스템은 다음과 같이 동작한다. 기지국은 파일럿(pilot)을 전송하고, 하향링크 단말은 이를 통해 하향링크 채널을 측정한다.
상향링크 단말들은 서로 다른 파일럿을 기지국에 전송하고, 기지국은 이를 통해 상향링크 채널을 측정한다.
하향링크 단말은 상향링크 단말로부터의 단말간 간섭량을 측정하고, 앞서 측정한 하향링크 채널과 단말간 간섭량을 기지국에 궤환한다.
상기 채널 및 간섭량 측정 단계와 궤환 단계를 수행한 후에, 기지국은 이를 바탕으로 서비스할 하향링크 단말과 상향링크 단말을 선택한다.
기지국은 선택한 단말에게 자원을 할당하고, 기지국과 선택된 단말은 다음의 방식으로 데이터를 송수신한다. 하향링크에서는 기지국이 하향링크 단말에게 중첩 코딩 (superposition coding)으로 신호를 전송하고, 하향링크 단말은 단말 간 간섭을 잡음 처리하고 하향링크 간섭을 (successive interference cancellation, SIC) 수신한다. 상향링크에서는 상향링크 단말이 동시에 신호를 전송하며, 기지국은 상향링크 신호를 SIC 수신한다.
이하 데이터를 송수신 할 때, 대역폭 효율을 최대화하는 문제를 세우고 이를 해결하는 방식을 제안한다. 전체 하향링크 단말의 수를
Figure pat00001
, 상향링크 단말의 수를
Figure pat00002
라고 할 때, i번째 하향링크 단말의 수신 신호는 다음의 수학식 1로 표현할 수 있다.
수학식 1에서
Figure pat00004
는 기지국으로부터 하향링크 단말 i까지의 채널,
Figure pat00005
은 하향링크 단말 i를 위한 하향링크 송신 신호,
Figure pat00006
는 상향링크 단말 j에서 하향링크 단말 i까지의 단말간 간섭 채널,
Figure pat00007
는 상향링크 단말 h의 송신신호,
Figure pat00008
는 AWGN이다.
또한 기지국의 수신 신호는 다음의 수학식 2로 표현할 수 있다
Figure pat00009
위 수학식 2에서,
Figure pat00010
는 상향링크 단말 j로부터 기지국까지의 채널,
Figure pat00011
는 자기 간섭 채널,
Figure pat00012
는 AWGN이다.
Figure pat00013
는 하향링크 단말 i에 할당되는 송신 전력으로 기지국의 평균 송신 전력은
Figure pat00014
이다. 또한
Figure pat00015
는 상향링크 단말 j의 평균 송신 전력이고, AWGN 잡음 전력은 편의상
Figure pat00016
로 정규화되었다고 가정한다.
Figure pat00017
와
Figure pat00018
는 각각 서비스를 할 수 있는 하향링크 단말의 후보 집합과 상향링크 단말의 후보 집합으로 표기하고
Figure pat00019
와
Figure pat00020
를 만족한다.
기지국은 자기 간섭을 제거할 수 있으며, 이를 무시할 수 있는 수준으로 제거했다고 할 때, 상기 FD 셀룰라 네트워크의 대역폭 효율은 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00021
위 수학식 3에서,
Figure pat00022
는
Figure pat00023
,
Figure pat00024
,
Figure pat00025
가 결정되었을 때 하향링크 단말 i (
Figure pat00026
)가 SIC 가능한 하향링크 단말으 집합으로 다음의 수학식 4와 같이 정의된다.
Figure pat00027
보다 상세히 설명하면,
Figure pat00028
는 하향링크 단말 보다 채널 세기 대 단말간 간섭 및 잡음비가 작은 하향링크 단말의 집합이다. 즉
Figure pat00029
에 속하는 상향링크 단말들이 동시에 송신 전력
Figure pat00030
(
Figure pat00031
)로 신호를 전송할 때, 하향링크 단말 i는
Figure pat00032
에 속한 하향링크 단말의 간섭을 완벽하게 제거 가능하다.
위 수학식 3에서 대역폭 효율은 하향링크 단말의 후보 집합(
Figure pat00033
), 상향링크 단말의 후보 집합(
Figure pat00034
), 하향링크 단말에게 할당하는 송신 전력(
Figure pat00035
), 상향링크 단말의 송신 전력
Figure pat00036
에 의해 결정된다.
본 발명은 이 시스템의 대역폭 효율을 최대화하는 방법을 제안한다.
다음의 수학식 5는 대역폭 효율 최대화 문제를 나타낸다.
Figure pat00037
위 수학식 5에서, 첫 번째 조건과 두 번째 조건은 각각
Figure pat00038
와
Figure pat00039
가 하향링크 단말의 전체 집합과 상향링크 단말의 전체 집합의 부분 집합임을 뜻한다. 세 번째 조건은 기지국의 송신 전력 제한을 뜻하며,
Figure pat00040
을 만족한다. 네 번째 조건은 상향링크 단말의 송신 전력 제한을 뜻하며,
Figure pat00041
을 만족한다. 다섯 번째 조건은 각 단말에 할당된 전력이 양수임을 뜻한다.
상기 기지국과 상향링크 단말의 최대 송신 전력 제한값은 다음과 같이 결정될 수 있다.
Figure pat00042
는 기지국 송신 앰프의 출력 최대값 혹은 허용 가능한 자기 간섭량을 고려한 제한값으로 설정될 수 있다.
Figure pat00043
은 상향링크 단말
Figure pat00044
의 송신 앰프의 출력 최대값 혹은 상향링크 수신을 위한 전력 제어값으로 설정될 수 있다. 여기서 상향링크 수신을 위한 전력 제어값은, 예를 들어 HD 셀룰라 네트워크의 LTE 시스템에서 사용하는 상향링크 단말의 전력 제어값이 포함될 수 있다.
다음으로 수학식 5의 최적값이 가지는 조건을 정리한다. 먼저 대역폭 효율을 최대화하는 최적의 하향링크 단말의 수는 하나이며, 이를 하향링크 단말
Figure pat00045
라고 할 때 최적의 하향링크 송신 전력은
Figure pat00046
이다. 또한 대역폭 효율을 최대화하는 상향링크 단말
Figure pat00047
의 송신 전력은
Figure pat00048
혹은
Figure pat00049
이다.
상기 조건에 의해 수학식 5의 최적 기법은 최적의 하향링크 단말 하나와
Figure pat00050
를 선택하는 문제와 등가이며, 이는 아래 수학식 6으로 표현할 수 있다.
Figure pat00051
위 수학식 6에서,
Figure pat00052
는 하나의 하향링크 단말 i와
Figure pat00053
가 선택되고, 하향링크 단말
Figure pat00054
를 위한 송신 전력이
Figure pat00055
, 상향링크 단말
Figure pat00056
의 송신 전력이
Figure pat00057
인 경우의 대역폭 효율로 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
Figure pat00058
수학식 6에서,
Figure pat00059
는 총
Figure pat00060
가지 경우의 수가 있다.
Figure pat00061
를 계산하는 것을 하나의 연산이라고 할 때, 수학식 6의 연산 복잡도는
Figure pat00062
가 된다. 이 방식은
Figure pat00063
가 커질수록 높은 복잡도를 요구하며, 본 발명에서는 준최적의 저복잡도 단말 선택 기법을 함께 제시한다.
제안하는 저복잡도 단말 선택 기법은 상향링크 단말을 선택할 때, 신호 대 누설 간섭 및 잡음비 (signal to leakage interference and noise ratio, SLNR)가 큰 순서대로 순차적으로 선택해보는 그리디(greedy) 방식을 이용한다. 하향링크 단말
Figure pat00064
에 대한 상향링크 단말 i의 SLNR은 다음과 같다.
Figure pat00065
Figure pat00066
를
Figure pat00067
에서 SLNR이 i번째로 큰 상향링크 단말의 인덱스라고 할 때, 제안하는 저복잡도 단말 선택 기법은 하나의 하향링크 단말
Figure pat00068
가 주어진 경우, 상향링크 단말은 대역폭 효율이 증가하는 경우에 한해
Figure pat00069
가 큰 순서대로 하나씩 순차적으로 선택하게 된다. 결과적으로 이를 모든 하향링크 단말에 대해 수행한 뒤 대역폭 효율이 가장 높아지는 단말의 조합을 최종적으로 선택하게 되며, 이 때의 연산 복잡도는 최대
Figure pat00070
가 된다. 저복잡도 단말 선택기법은
Figure pat00071
의 연산 외에,
Figure pat00072
를 계산하는 단계,
Figure pat00073
를 크기 순서로 정리하는 단계를 포함한다. 그러나 이를 고려하더라도 수학식 6의 연산 복잡도인
Figure pat00074
보다는 훨씬 적으며, 특히
Figure pat00075
의 값이 큰 경우에는 훨씬 적은 복잡도로 준최적의 단말을 선택할 수 있다. 상기 저복잡도 단말 선택 기법은 도 2의 의사 코드(pseudocode)로 표현할 수 있다.
이상과 같이 본 발명에서는 구체적인 구성 요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (1)

  1. 하향링크 기지국이 송신 전력을 결정하는 단계;상향링크 단말의 송신 전력을 결정하는 단계;하향링크 단말이 상향링크 단말로부터의 단말 간 간섭을 측정하는 단계;하향링크 단말이 단말 간 간섭을 송신기에 궤환하는 단계;기지국이 하향링크 서비스 단말과 상향링크 서비스 단말을 선택하는 단계;선택된 단말은 같은 시간/주파수 자원에서 동시에 신호를 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 전이중 셀룰라 네트워크의 전력 할당 및 단말 선택 방법.
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