KR20210123544A - 초고밀도 네트워크를 위한 협력 기지국 설정방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초고밀도 네트워크를 위한 협력 기지국 설정방법에 관한 것으로, 초고밀도 무선 네트워크 환경에서 주기지국의 제어부가 송수신부를 통해 다른 기지국들과 통신하여 협력 기지국을 설정하는 방법에 있어서, 단말에서 수신된 기지국들의 수신 링크 파워를 확인하고, 가장 강한 수신 링크 파워를 가지는 기지국을 주기지국으로 설정하고, 상기 주기지국의 수신 링크 파워에 대한 주기지국을 제외한 각 기지국들의 수신 링크 파워의 비를 구하고, 각 기지국들의 수신 링크 파워의 비가 설정 값 이상인 기지국들을 협력 기지국으로 설정한다.

Description

초고밀도 네트워크를 위한 협력 기지국 설정방법{Cooperative base station setting method for ultra-high density network}

본 발명은 초고밀도 네트워크를 위한 협력 기지국 설정방법에 관한 것으로, 더 상세하게는 무선 통신 시스템에서 협력 기지국을 선택하는 방법에 관한 것이다.

무선 통신 시스템은 급속도로 발전해 나가고 있으며, 특히 최근에는 사용자의 다양한 요구로 인해 고속의 대용량 데이터 서비스를 지원하는 것이 필수적인 형태로 발전하고 있다.

특히 5G 무선 통신 네트워크 도입에 따라 데이터량이 계속적으로 증가하며, 무선 데이터의 트래픽(traffic) 수요를 충족시키기 위하여, 무선 통신 시스템은 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 방향으로 개발되어야 한다.

데이터 전송률 증가를 위해 주로 주파수 효율성(spectral efficiency)을 개선하는 방향으로 기술 개발을 추구하였으나, 주파수 효율성의 개선 만으로는 폭증하는 무선 데이터 트래픽 수요를 만족시키기 어렵게 되었다.

상술한 문제점을 해결하기 위한 하나의 방안으로서, 매우 넓은 주파수 대역을 사용하는 것이 있다. 기존의 이동 통신 셀룰러(cellular) 시스템에서 사용되는 주파수 대역은 일반적으로 10GHz이하로서, 넓은 주파수 대역 확보가 매우 어렵다. 따라서, 더 높은 주파수 대역에서 광대역 주파수를 확보해야 할 필요성이 있다. 넓은 주파수 대역을 확보하기 위해 초고주파, 다시 말해 밀리미터(mm) 웨이브(wave) 시스템이 도입될 수 있다. 밀리미터 웨이브 시스템에서는 주파수 특성에 따른 전파 경로 손실을 완화시키고 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해 빔포밍(Beam-Forming) 기술이 고려되고 있다.

하지만 빔포밍 기술만으로는 셀 경계 지역에 위치하는 사용자의 대용량 서비스를 효율적으로 지원하기 어렵고, 밀리미터 웨이브 대역의 채널 특성에 의해 안정적인 링크 또한 보장하기 어렵다. 예를 들어 하나의 통신 링크(송수신 빔 조합(Tx-Rx Beam pair))만 존재하는 경우 갑작스런 장애물에 의해 통신이 두절되는 상황이 발생할 수도 있다.

이러한 문제점을 해결하기 위한 기술로 다수의 기지국들이 상호간에 협력하여 하나의 단말(Mobile Station: MS)에게 서비스를 제공하는, 즉 기지국 간 협력 통신을 사용하는 통신 시스템이 제안되었다.

이러한 협력 기지국 그룹을 형성하는데 있어 주로 간섭을 완화하거나 수신 신호 대 간섭과 노이즈 비율을 크게하기 위한 방안들이 고려될 수 있다. 하지만 밀리미터 웨이브 빔포밍 시스템에서는 링크의 신뢰성 또한 매우 중요한 고려 사항이고 따라서 이러한 신뢰성 측면을 고려하여 기지국 그룹을 형성하는 방안을 필요로 하게 되었다.

협력 기지국을 선택하는 방식에 대하여 "R. Tanbourgi, S. Singh, J. G. Andrews, and F. K. Jondral, "A tractable model for non-coherent joint-transmission base station cooperation", in IEEEE Trans. Wireless Commun., vol 13, no. 9, Sep. 2014.(이하 선행문헌이라 약칭함)"에는 고정된 거리 내에서 기지국들을 협력 기지국으로 채택하거나, 고정된 수의 기지국들을 협력 기지국으로 선택할 때의 네트워크 성능을 분석하였다.

도 1은 선행문헌에 기재된 시스템 모델의 예시도이다.

이에 도시한 바와 같이 사용자 단말(1)의 중심으로 소정의 반경(D) 내에 위치하는 기지국(BS)들 중 설정된 수의 기지국들을 모두 협력 기지국들(Cooperative BSs)로 설정할 수 있다.

또한, 미리 설정한 면적인 협력 영역(Cooperative Reagion)을 설정하여, 사용자 단말(1)을 중심으로 협력 영역 내의 모든 기지국(BS)들을 모두 협력 기지국들(Cooperative BSs)로 설정할 수 있다.

그러나 초고밀집 환경에서는 기지국과 단말의 거리, 기지국의 높이 등 통신 성능에 영향을 미치는 요소들이 다양하게 작용하게 된다.

이러한 요소들의 고려 없이 면적을 이용한 협력 영역을 설정하는 방식이나 특정한 협력 기지국의 수를 미리 설정하고, 단말과 가깝게 위치하는 순서에 따라 설정된 수 만큼의 협력 기지국을 설정하게 되면, 네트워크 성능이 오히려 저하될 수 있는 문제점이 있었다.

또한, 각 기지국의 안테나 높이와 단말의 높이 차에 따라 채널 페이딩(channel fading) 및 패스 로스(pathloss)가 변화된다.

도 2는 높이가 다른 두 기지국에 대한 기지국밀도에 따른 LoS(Line of Sight)의 확률분포를 나타낸다.

이때 사용자 단말의 높이는 1.5m로 고정된 것으로 하며, 각각 사용자 단말로부터 높이가 10m인 기지국 안테나와 25m인 기지국 안테나에 대한 확률분포를 도시하였다.

이에 도시한 바와 같이 기지국 안테나의 높이에 따라, 기지국의 밀도-LoS의 관계에는 차이가 있으며, 이는 기지국 안테나와 사용자 단말 사이의 거리의 차이에 의한 것임을 할 수 있다.

이처럼 안테나의 높이, 건물 등의 장애물의 유무에 따라 네트워크 성능을 다시 평가할 필요가 있으나, 종래에는 이러한 안테나 위치 및 장애물에 대한 고려 없이 정해진 수 또는 영역 범위에 의해서 협력 기지국을 선정하기 때문에 네트워크 성능이 저하된다.

또한, 감소하는 셀 커버리지 영역으로 인해, 짧은 거리 내에서 모바일 사용자를 위한 핸드 오버의 수가 증가할 것이고, 이는 무선 네트워크의 귀로(backhaul)에서 압력을 증가시키게 된다.

따라서 초고밀도 네트워크에서는 전력 제어와 함께 정교한 핸드 오버 관리가 필요하다.

이러한 조건들을 만족하도록 하기 위해 앞서 설명한 바와 같이 빔 포밍이나 스케쥴링의 조정, 협력 기지국에 의한 협력 전송을 사용하고 있지만, 종래 협력 전송은 협력 기지국들 사이에서 전형적인 사용자 단말에 채널 상태 정보의 공유를 요구한다.

협력 전송에서, 하나 이상의 협력 기지국이 데이터를 사용자 단말에 동시 전송함으로써, 전체 수신 신호 전력을 증가시킨다.

이처럼 다양한 CoMP(Coordinated Multi Point) 전략 중 JT(Joint Transmission)는 성능 향상 측면에서 가장 효과적인 것으로 알려져 있다.

종래 다양한 CoMP JT 전략이 고안되었지만, CoMP 전략은 대부분 스파스(sparse) 셀룰러 네트워크를 위해 개발된 것으로, 초고밀도 네트워크(UDN)에서 기지국의 치밀화는 CoMP 기술의 구현에 몇가지 과제를 야기한다.

예를 들어, CoMP 전송/협력을 위해 고정 된 수의 가장 강한 또는 가장 가까운 기지국을 이용하는 CoMP 기술은 UDN 시나리오에서 모든 강한 간섭 기지국을 처리하지 못할 수 있다.

이는 UDN에서 CoMP 전송에 포함되지 않은 기지국 중 강한 간섭 기지국이 여전히 존재할 수 있기 때문이다.

즉, 'N'인 최강 또는 가장 가까운 기지국이 CoMP 전송에 관여하는 경우, (N + 1) 번째의 기지국은 기지국 밀도가 증가함에 따라 큰 간섭 전력을 생성 할 수 있다. 따라서 UDN에는 CoMP 전송을위한 새로운 디자인이 요구된다.

또한, CoMP JT에 대한 기존 연구는 LoS/NLoS 전송의 영향 및 기지국 안테나 높이와 같은 UDN의 고유한 기능을 고려하지 않았다.

사용자 단말과 관련 기지국 사이의 안테나 높이 차이는 개방 액세스 네트워크의 상이한 계층에서 서로 다른 양상으로 나타나며, 상이한 계층의 단말을 상이한 기지국과 연관시키는 것 또한 전체 네트워크 성능에 영향을 주게 되기 때문에 새로운 협력 기지국 선택 방법이 요구된다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 협력 네트워크의 설정시 네트워크 성능에 영향을 줄 수 있는 요소들을 감안하여, 최적의 협력 기지국을 선택하는 방법을 제공함에 있다.

특히, 단말과 기지국 안테나 높이의 차이, 장애물의 유무를 반영하여 최적의 협력 기지국을 선택하는 방법을 제공함에 목적이 있다.

상기와 같은 기술적 과제를 해결하기 위한 본 발명 초고밀도 네트워크를 위한 협력 기지국 설정방법은, 초고밀도 무선 네트워크 환경에서 주기지국의 제어부가 송수신부를 통해 다른 기지국들과 통신하여 협력 기지국을 설정하는 방법에 있어서, 단말에서 수신된 기지국들의 수신 링크 파워를 확인하고, 가장 강한 수신 링크 파워를 가지는 기지국을 주기지국으로 설정하고, 상기 주기지국의 수신 링크 파워에 대한 주기지국을 제외한 각 기지국들의 수신 링크 파워의 비를 구하고, 각 기지국들의 수신 링크 파워의 비가 설정 값 이상인 기지국들을 협력 기지국으로 설정한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 설정 값의 제어에 의해 협력 기지국의 수를 조절할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 수신 링크 파워의 비는, 상기 주기지국의 수신 링크 파워에 대하여 각 계층의 기지국들의 평균 수신 링크 파워의 비를 구할 수 있다.

본 발명의 다른 측면에 따른 협력 기지국 설정방법은, 초고밀도 네트워크 환경에서 주기지국의 수신 링크 파워를 기준으로 설정하는 단계와, 상기 주기지국의 수신 링크 파워를 기준으로 다른 기지국들의 수신 링크 파워의 비를 산출하는 단계와, 산출된 수신 링크 파워의 비가 설정 값 이상인 기지국들을 협력 기지국으로 설정하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 설정 값을 조절하여 협력 기지국의 평균 수를 조절할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 설정 값을 조절하여 협력 기지국 집합 크기를 조절할 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 수신 링크 파워는, 단말과 상기 기지국의 안테나 간의 수평적 거리 및 높이의 차에 의해 변경될 수 있다.

본 발명의 실시예에서, 상기 수신 링크 파워는, 장애물에 의해 변경될 수 있다.

본 발명은 주기지국의 신호에 대비하여 설정된 강도 이상의 신호를 나타내는 기지국들만 협력 기지국으로 선택함으로써, 네트워크 에너지 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

특히 본 발명은 협력 기지국 선택을 위한 영역이나 협력 기지국의 수를 특정하지 않고, 주신호를 기준으로 설정된 강도 이상의 신호를 가지는 기지국들을 모두 협력 기지국으로 선택함으로써, 시스템의 유연성을 높이고, 네트워크 에너지 효율을 높일 수 있는 효과가 있다.

주신호를 기준으로 설정된 강도 이상의 신호를 가지는 기지국을 선택하는 것은, 기지국의 높이와 단말까지의 거리에 따라 변화되는 채널 페이딩(channel fading) 및 패스 로스(pathloss)를 고려하는 것으로, 본 발명은 초고밀도 네트워크의 통신환경에서 기지국의 높이, 거리, 장애물을 고려한 협력 네트워크의 구성이 가능한 효과가 있다.

도 1은 종래 협력 기지국 선택을 설명하기 위한 시스템 구성도이다.
도 2는 기지국 안테나 높이차에 따른 기지국 밀도와 LoS 확률 분포의 상관 그래프이다.
도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 협력 기지국 선택 방법을 설명하기 위한 시스템 구성도이다.
도 4는 본 발명의 이해를 돕기 위한 설명도이다.
도 5에는 전체 기지국의 밀도(λb)에 대한 1계층의 기지국 밀도(λb,1)의 비((λb,1)/(λb))에 대한 커버리지 확률(Ρcov(ν,λb)) 그래프이다.
도 6은 1계층 기지국의 비((λb,1)/(λb))의 값을 0.2로 고정한 상태에서 협력 기지국의 수 평균(Navg)을 2와 3으로 정한 상태에서 커버리지 확률(Ρcov(ν,λb))의 시뮬레이션 결과 그래프이다.
도 7과 도 8은 각각 송신 면적 스펙트럼 효율(Tx ASE)과 수신 면적 스펙트럼 효율(Rx ASE) 그래프이다.
도 9와 도 10은 각각 총 기지국 밀도(λb) 함수에 따른 송신 NEE(ζt(ν,λb))와 수신 NEE(ζr(ν,λb))의 그래프이다.

본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예에 대한 설명은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다. 첨부된 도면에서 구성요소는 설명의 편의를 위하여 그 크기를 실제보다 확대하여 도시한 것이며, 각 구성요소의 비율은 과장되거나 축소될 수 있다.

'제1', '제2' 등의 용어는 다양한 구성요소를 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소는 위 용어에 의해 한정되어서는 안 된다. 위 용어는 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 수 있다. 예를 들어, 본 발명의 권리범위를 벗어나지 않으면서 '제1구성요소'는 '제2구성요소'로 명명될 수 있고, 유사하게 '제2구성요소'도 '제1구성요소'로 명명될 수 있다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 표현하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 발명의 실시예에서 사용되는 용어는 다르게 정의되지 않는 한, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 통상적으로 알려진 의미로 해석될 수 있다.

또한, 본 발명은 무선 통신 네트워크에서 협력 기지국을 선택하는 방법에 관한 것이며, 일반적인 개방형 액세스 네트워크 모델(open access network model)에 적용된다.

개방형 액세스 네트워크 모델은 다수의 기지국으로 구성되며, 다수의 기지국 각각은 서로 다른 계층에 속할 수 있다. 각 기지국의 계층(tier)은 안테나의 높이에 따른 개별 다운링크 전송 전력에 의해 구분되는 것으로 한다.

각 기지국의 전송 전력의 강도 검출은 사용자의 단말(예를 들어 스마트폰)에서 이루어지며, 가장 강도가 강한 주기지국은 다른 기지국들의 정보를 브로드캐스트할 수 있다.

각 기지국은 상호 통신이 가능하여 정보를 확인할 수 있으며, 주 기지국은 단말의 통신과 관련하여 다른 기지국을 협력 기지국으로 설정할 수 있다. 또한 각 기지국은 단말과 통신 가능한 것으로 한다.

이를 위하여 각 기지국은 송수신부를 포함하며, 송수신부를 제어하는 제어부를 포함하는 것으로 한다.

본 발명에서 구체적으로 설명되는 협력 기지국 선택방법은, 스마트폰 등의 사용자 단말과 기지국들간의 통신 결과에 따라 주기지국의 제어부가 다른 기지국을 협력 기지국으로 설정하는 과정이며, 이 과정에서 각 기지국들의 송수신부가 사용된다.

즉, 본 발명의 협력 기지국 선택방법은 이하에서 특별한 설명이 없더라도, 단말과 기지국들, 주기지국과 협력 기지국 간의 통신을 통해 필요한 정보를 수집한 주기지국의 제어부에 의해 이루어지는 과정으로 이해될 수 있다.

이하에서는, 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예에 따른 초고밀도 네트워크를 위한 협력 기지국 선택방법에 대하여 상세히 설명하기로 한다.

도 3은 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 초고밀도 네트워크를 위한 협력 기지국 선택방법의 설명을 위한 시스템 구성도이다.

도 3에 도시한 바와 같이 사용자 단말(30)을 중심으로 소정의 무선 통신 네트워크 영역(40)이 결정된다.

이 영역 내에는 다수의 기지국들(10, 20)이 클러스터를 이루고 있으며, 이때 다수의 기지국들(10, 20)은 설치 위치에 따라 사용자 단말(30)과의 수평 방향으로의 거리차와 함께 높이의 차를 함께 가지고 있다.

즉, 평면적인 네트워크가 아닌 삼차원의 입체적인 네트워크를 형성하게 된다. 이때 건물, 나무, 간판 등의 장애물(50)에 의한 수신감도의 영향이 있다.

특히 초고밀도 네트워크에서는 기지국의 수 및 단말의 수가 증가하게 되며, 따라서 더욱 다양한 장애물의 영향 및 단말과 기지국 안테나의 높이 차이가 발생하게 된다.

본 발명에서 다수의 기지국들(10, 20)은 높이와 개별 다운 링크 전송 전력(downlink transmission power)에 따라 계층(tier)을 구분한다.

또한, 각 계층의 기지국들(10, 20)은 동종의 포아송 포인트 프로세스(homogeneous Poisson Point Process, PPP)에 따라 분배되는 것으로 한다.

예를 들어 j-계층에 속하는 기지국들은 독립적으로 균일한 PPP Φ_b,j함수이며, 강도(λb,j(j = 1, 2, 3,... ,K)를 따른다.

또한, 사용자 단말(30)은 강도(λu)에 따르는 PPP Φu를 따른다고 가정한다.

각 기지국(10, 20)으로부터 다운 링크에서 상요자에게 수신된 신호 및 간섭, 경로 손실과 소규모 체널 페이딩, 경로 손실 지수는 전라 링크의 LoS/NLoS 특성 셀 내에서는 고려하지 않는 것으로 한다.

그리고 CoMP JT(Coordinated MultiPoint Joint Transmission)가 다운 링크에 적용되고, 동일한 사용자 단말에게 서비스를 제공하는 모든 기지국들(10, 20)은 전송을 위해 동일한 시간-주파수 자원을 사용하는 것으로 한다.

일반적인 손실 없이, 모든 포인트 프로세스를 이동시켜 전형적인 사용자 단말(수신기)가 원점에 있고, 전파 링크 유형(c)을 갖는 j번째 계층의 i번째 기지국으로부터 사용자 단말(30)에 수신된 신호 전력은 아래의 수학식1로 표현되는 것으로 한다.

위의 수학식1에서 δj는 j계층 기지국의 다운 링크 전송 전력이며, g_j,i ^(c)는 독립 채널 페이딩 이득 파라미터이며, α_c는 2와 같거나 큰 값으로 전파 링크 유형(c)에 대한 경로 손실 지수이며, x_i,j는 j계층의 i번째 기지국과 사용자 단말(30) 사이의 3차원 거리를 나타낸다.

상기 j계층의 i번째 기지국과 사용자 단말(30)과의 수평 거리를 y_i,j라 정의하고, j계층의 i번째 기지국과 사용자 단말(30)과의 높이 차를 h_j라 정의하면, 상기 x_i,j는 아래의 수학식 2에 의해 정의된다.

상기 전파 링크 유형(c)는 c∈[L, N]으로 정의되며, 전파 링크의 LoS/NLoS 특성을 나타낸다. 그리고 g_j,i ^(c) ~ Γ(m^(c), 1/m^(c))에서 소규모 채널 페이딩 분포에서 Nakagami-m 계수를 나타낸다.

네트워크에서 기지국(10, 20)과 사용자 단말(30) 사이의 무선 통신 링크가 LoS인지 아니면 NLoS인지의 여부는 송신 및 수신 안테나 사이의 무선 링크의 경로에 장애물(50) 또는 차단의 존재에 의해 결정된다.

도시 환경에서 가장 일반적인 장애물(50)은 건물이다.

기하학적으로 기지국(10, 20)과 사용자 단말(30) 사이에 LoS링크를 가질 확률은 기지국(10, 20)과 사용자 단말(30)의 개별 높이뿐만 아니라 건물의 높이에 의해 결정된다.

따라서, 기지국(10, 20)과 사용자 단말(30) 사이의 전파 링크의 특성을 고려하려면, 기지국(10, 20)과 사용자 단말(30)의 높이차와 네트워크 내의 건물(장애물) 높이와 위치의 영향을 개별적으로 고려하는 것이 중요하다.

사용자 단말(30)로부터 링크 거리 x를 갖는 j번째 계층의 기지국의 LoS확률은 아래의 수학식 3으로 정의될 수 있다.

여기서 erf(x)는 아래의 수학식 4로 정의된다.

수학식 3에서 ε는 건물들에 의해 커버되는 네트워크 면적의 일부이며, Υ는 단위 면적내의 건물 수 평균, ρ는 네트워크 환경 내에서 건물의 높이 평균을 나타낸다.

위의 수학식 3에서 LoS 확률(p_L(x))은 링크 거리(x)에 따라 감소하게 된다.

NLoS 확률(p_N(x))는 1-p_L(x)로 정의된다.

상기한 다양한 조건들을 고려하여, 본 발명에서는 CoMP JT를 위한 상대 수신 링크 전력 기반 접근법을 이용하여 단말과 기지국(협력 기지국)을 설계한다.

이를 위하여 각 계층의 기지국의 평균 수신 링크 파워(average received link power, ARLP)를 고려한다. 또한 사용자 단말(30)에서 가장 강한 수신 링크 파워를 가지는 기지국(여기서는 부호 10)의 수신 링크 파워와 각 계층의 ARLP를 비교한다.

이와 같은 과정에 의해 사용자 단말(30)과 가장 강한 수신 링크 파워를 제공하는 기지국(10)에 대하여, 각 계층에서 협력 기지국(20)의 수를 동적으로 조정할 수 있다.

즉, 협력 기지국(20)의 수를 미리 설정하지 않고, 수신 링크 파워가 가장 강한 기지국(10)의 수신 링크 파워에 대한 다른 기지국(20)들의 ARLP를 비교하여, 일정한 수준 이상의 기지국(20)들을 모두 협력 기지국으로 설정할 수 있다.

기지국(10)은 모든 기지국들의 특정 계층에 속할 수 있다.

일반적으로 손실없는 전송을 위하여, 링크 유형 c0, 링크 거리 x0이며 j번째 계층의 i번째 기지국이 단말(30)에 가장 강한 수신 링크 파워를 제공하는 기지국(10)이라 가정한다.

이러한 가정 하에서 링크 유형이 c이고, j번째 계층에서 i번째 위치하는 기지국(20)이 아래의 수학식 5를 만족하는 경우 협력 기지국으로 선택될 수 있다.

상기 수학식 5는 링크 유형 c0, 링크 거리 x0이며 j번째 계층의 i번째 기지국(10)의 ARLP에 대한 링크 유형이 c이고, j번째 계층에서 i번째 위치하는 기지국(20)의 ARLP를 나타낸다. 수학식 5에서 η_j,k는 상대 링크 파워비(relative link power ratio, RLPR)을 나타낸다.

상기 상대 링크 파워비의 값을 고정하면, 주기지국(10)의 다운 링크 파워에 대한 상대적인 협력 기지국(20)의 다운 링크 파워의 강도 기준을 정할 수 있다.

상기 RLPR을 높이면 협력 기지국(20)의 수는 줄어들고, RLPR을 낮추면 협력 기지국(20)의 수는 증가하게 된다.

사용자 단말(30)에 대한 협력 기지국의 수는 링크 거리 뿐만 아니라 주기지국(10)의 계층 및 링크 유형에도 의존하게 된다. 따라서 본 발명에 따라 선택되는 협력 기지국(20)의 수는 아래의 수학식 6으로 정의될 수 있다.

수학식 6에서 전파 링크 유형(c0)은 c0∈[L, N]이고, Θ_j ^(c)(x0, k, c0)은 υ_j,kx₀ ^(αc0/αc)에 수렴한다. 그리고 υ_j,kx는 (δj/δk)^1/αc이며, Φ_b,j ^(c)는 링크 유형(c)을 가지는 j번째 계층으로부터 사용자 단말까지의 기지국 세트이다.

도 4는 본 발명의 이해를 돕기 위한 설명도이며, 이에 도시한 바와 같이 중앙의 사용자 단말(30)에 무선 통신 서비스를 제공하기 위하여 협력하는 기지국들(10,21,22)을 도시하였다.

도 4에는 2계층(tier 2)에 속하는 두 기지국(10, 22)과 1계층(tier 1)에 속하는 하나의 기지국(21)을 도시하였다.

주기지국(10)은 2계층에 속하며, ARLP는 P₂ ^(L)(x₀)이다.

2계층의 다른 기지국(22)의 ARLP는 P₂ ^(N)(x_2,1)이며, 1계층의 기지국(21)의 ARLP는 P₁ ^(L)(x_1,1)로 표현할 수 있다.

상기 기지국(21,22) 모두의 ARLP는 주기지국(10)의 ARLP에 대하여 설정된 비율 이상의 값을 나타내는 것으로 가정하면, 기지국(21,22)은 모두 협력 기지국이 된다.

위의 정의에 따라 CoMP JT 전략의 전체 성능은 메인 링크인 주기지국(10)과의 링크 거리, 링크 유형 및 계층에 의존한다.

본 발명은 사용자 단말(30)에 대한 주기지국(10)의 거리 분포의 표현을 도출한다.

사용자 단말(30)의 상기 주기지국(10)까지의 거리는 메인 링크 거리(X₀)로 표현되고, 링크 유형 c0를 가지며 k번째 계층(도 4에서는 2번째 계층)으로부터의 거리가 된다. 메인 링크 거리(X₀)는 아래의 수학식 7로 정의된다.

수학식 7에서 Θ_j ^(c)(r, k, c0)은 υ_j,kr^(αc0/αc)이고, pc(x)는 링크거리 x에 대한 c유형 링크를 가질 확률이다. A_C0,k로 표현되는 주기지국(10)이 k번째 계층으로부터 사용자 단말(30)에 대한 링크 유형 cO를 가질 확률은 아래의 수학식 8로 정의된다.

위에서 제안한 상대 수신 전력 기반 CoMP 전송 전략의 성능을 분석하기 위해 간섭 제한 채널 환경에서 커버리지 확률, 면적 스펙트럼 효율(ASE) 및 네트워크 에너지 효율(NEE)인 성능 메트릭을 확인할 수 있다.

커버리지 확률 메트릭은 원하는 수신 신호 대 간섭 전력비(received signal-to-interference power ratio, SIR)를 달성 할 확률을 정의하는 것이고, ASE는 단위 면적당 총 네트워크 처리량을 측정하고, 네트워크 에너지 효율(NEE)은 네트워크의 단위 에너지 소비 당 정보 속도를 결정한다.

- 커버리지 확률

사용자 단말(30)의 수신 SIR이 계층, 링크 유형 및 주기지국(10)까지의 링크 거리에 의존하는 것은 당연하며, SIR의 트래쉬 홀드값(γ)이 주어졌을 때, 초고밀도 네트워크에서 K 계층 내의 다운로드 링크 전송을 위한 사용자 단말(30)의 커버리지 확률(Pcov(γ,λb))는 아래의 수학식 9로 정의된다.

상기 λb는 (λ_b,1, λ_b,2,...,λ_b,k)^T이며, λ_b,k는 k계층의 기지국 밀도이다.

γ_c0,k(r)은 k번째 계층이고 링크 거리 r을 가지며, 링크 타입이 c₀인 메인 링크 기지국인 주기지국(10)에 대한 사용자 단말(30)의 수신 SIR이며, γ_c0,k(r)은 아래의 수학식 10으로 정의된다.

위의 수학식 10에서 Pcomp,c₀,k(r)은 주기지국(10)을 포함한 모든 협력 기지국(21,22)로부터의 총 수신 신호 전력을 나타낸다는 점에 유의한다.

Ic₀,k(r)는 공동 전송으로 인한 트 외부의 모든 기지국으로부터 일반 사용자단말에 수신된 총 간섭 전력이다.

Pcomp,c₀,k(r) 및 Ic₀,k(r)는 각각 다음과 같이 정의될 수 있다.

- ASE

ASE의 평균은 전체 네트워크 처리장의 척도가 된다.

종래 ASE는 다운 링크에서 단위 면적당 사용자 단말(30)의 SE(Shannon limit spectral efficiency)의 합에 기초하여 정의된다.

그러나 ASE에 대한 위의 정의는 기지국과 단말 위치에서의 무작위성을 설명하지 못하며, 가우시안 간섭을 가정하는데 이 간섭이 인접한 다른 기지국에 의해 영향을 받을 때 오류가 발생할 수 있다.

또한, 네트워크가 사용자 단말의 임의의 작은 수신 SIR에 의해 동작할 수 있다는 가정을 하였으나, 이는 매우 실현가능하지 않은 문제점이 있었다. 이러한 정의는 이후의 연구에서 일부 수정되기는 하였지만, 기지국의 밀도가 사용자 단말의 밀도에 비하여 상당히 높은 경우 적용하기 어렵다.

이는 사용자 단말에서 전체 수신 신호 전력은 협력에서 모든 활성 전송 링크 기지국으로부터 수신된 신호의 합이기 때문에 다중 기지국 시나리오에서 링크 당 ASE를 결정하는 것은 매우 어렵기 때문이다.

따라서 본 발명에서는 기지국의 밀도를 이용하여 정의되는 ASE를 송신 ASE로 정의하고, 사용자 단말의 밀도를 이용하는 ASE는 수신 ASE로 정의한다.

K계층 오픈 네트워크를 위한 CoMP JT의 송신 ASE는 아래의 수학식 13으로 정의된다.

수학식 13에서 Sj(γ,λb)는 본 발명에서 J제안하는 CoMP JT 시나리오 내의 j번째 계층 기지국에 의하여 제공되는 전송 링크(per-transmission link)이다.

또한 수신 ASE는 아래의 수학식 14로 주어진다.

상기 수학식 14에서 Ru(γ,λb)는 사용자 단말당 SE를 뜻한다.

- NEE

네트워크 에너지 효율(NEE) 메트릭은 ASE와 네트워크의 에너지 소비 총합(NEC, Network Energy Consumption) 모두에 의존한다.

에너지 소비 총합(NEC)은 기지국과 사용자 단말에서의 회로 전력 소모를 모두 포함한다.

따라서, 기지국과 사용자 단말 회로에서의 전력 소비를 확인해야 한다. 또한 상기 네트워크 에너지 효율은 NEC에 대한 ASE의 비로 정의된다.

다운링크 전송을 위한 j계층 기지국에서의 에너지 소비 총합은 아래의 수학식 15로 정의된다.

수학식 15에서 P_rf,j ^(b)는 j번째 계층의 기지국에서의 안테나 파워 소비량이며, P_fix,j는 제어신호, 백홀(backhaul), 냉각 등에 사용하는 고정 전력 소비량이다.

1/Kj는 j번째 계층의 기지국에서의 전력 증폭기의 영향이다. 마지막으로 수학식 15의 마지막단은 필터 프로세싱 매치에 기인하는 상기 기지국의 신호 처리 전력 소비량으로서, B는 모든 밴드폭에 대한 신호 처리, C₀는 결합 블록의 유지(duration of coherence block), LBS,j는 기지국의 연산 영향, Uj는 j번째 계층에서 하나의 기지국에 관계된 사용자 단말의 평균 수를 나타낸다.

이와 마찬가지로 사용자 단말의 에너지 소비 총합은 아래의 수학식 16으로 나타낼 수 있다.

수학식 16에서 P_rf ^(u)는 단말에서 안테나 파워 소비량이며, Prate는 레이트 의존 전력 소비량을 나타낸다. 따라서 K계층 네트워크에서 단위 영역당 전체 네트워크 전력 소비량은 수학식 17로 정의할 수 있다.

송신 NEE는 수학식 13의 송신 ASE를 이용하여 아래의 수학식 18과 같이 정의할 수 있으며, 유사하게 수신 NEE는 수학식 14의 수신 ASE를 이용하여 수학식 19와 같이 정의할 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 효과를 수치적인 결과(numerical results)로 확인한다. 특히 밀도가 높은 도시 환경에 대하여 수치 시뮬레이션을 통해 본 발명의 상대 수신 링크 전력 기반 CoMP 전송 방식의 성능을 분석한다.

시뮬레이션을 위하여 대규모(macro) 및 소규모(micro) 기지국들로 구성된 2 계층의 초고밀도 네트워크(UDN)를 고려한다.

이때 시스템 매개변수를 표 1에 나열하였다.

LoS와 NLoS 링크에 대한 경로 손실 지수는 각각 α_L=2.5, α_N=3.5로 정하고, Nakagami-m 파라미터는 LoS와 NLoS 각각에 대하여 m^(L)=10, m^(N)=1로 가정한다.

본 수치 시뮬레이션에서 사용자 단말의 밀도는 상수이며, λu=3x10^-3/m²으로 한다.

- 기지국 밀도 비의 영향

도 5에는 전체 기지국의 밀도(λb)에 대한 1계층의 기지국 밀도(λb,1)의 비((λb,1)/(λb))에 대한 커버리지 확률(Ρcov(ν,λb))을 도시하였다. 도 5의 (a)는 협력 기지국의 수 평균(Navg)을 2로 하고, 도 5의 (b)는 Navg를 3으로 한 것이다.

전체 기지국 밀도(λb)는 10^-4/m², 5x10^-4/m², 10^-3/m²로 차등화하였다.

이에 도시한 바와 같이 주어진 협력 기지국의 수 평균(Navg)와 기지국 밀도(λb)에서, 커버리지 확률(Ρcov(ν,λb))은 증가하다가, 임계값 이후에는 감소된다.

이러한 결과는 전체 기지국의 밀도가 낮을 때에는 1계층의 기지국의 수가 증가할수록 사용자 단말의 1계층 기지국과 연결될 확률이 증가한다. 그러나 (λb,1)/(λb)가 임계값을 넘어서면, 1계층의 기지국의 밀도 증가가 전체 수신 간섭 전력(total received interface power)을 매우 증가시켜 Ρcov(ν,λb)가 감소하기 때문으로 이해할 수 있다.

상기 (λb,1)/(λb)의 최대값인 임계값은 전체 기지국의 밀도(λb) 증가에 따라 감소한다. 다시 말해서 바이어스 되지 않은 CoMP JT의 경우 높은 기지국 밀도(λb)에서 네트워크의 모든 기지국들을 2계층으로 두는 것이 간섭의 영향을 줄이기에 적당하다.

또한, 임계값은 협력 기지국의 수 평균(Navg)의 증가에 따라 증가하게 된다.

이는 협력 기지국의 수 평균을 증가시키면 더 많은 간섭 전력을 완화시키기 때문에 주어진 전체 기지국 밀도(λb)에 대해 1계층 기지국들의 밀도(λb,1)를 더 증가시킬 수 있기 때문이다.

이는 본 발명이 종래와 비교할 때 더 높은 간섭 완화 능력을 갖는 다는 것을 나타낸다.

- 전체 기지국 밀도의 영향

도 6은 1계층 기지국의 비((λb,1)/(λb))의 값을 0.2로 고정한 상태에서 협력 기지국의 수 평균(Navg)을 2와 3으로 정한 상태에서 커버리지 확률(Ρcov(ν,λb))의 시뮬레이션 결과이다.

또한, 도 7과 도 8에 각각 송신 면적 스펙트럼 효율(Tx ASE)과 수신 면적 스펙트럼 효율(Rx ASE)를 도시하였다.

이를 참조하면 전체 기지국의 밀도가 증가할수록 커버리지 확률과 면적 스펙트럼 효율이 향상되고, 임계값 이후에는 감소하는 것을 확인할 수 있다.

이는 전체 기지국의 밀도가 매우 낮은 경우, 기지국의 밀도 증가는 수신 신호 전력을 크게 증가시키는 LoS 링크를 가지는 협력 기지국들의 확률을 증가시키기 때문이다. 반면 전체 기지국의 밀도가 충분히 커지는 경우 LoS 간섭 링ㅋ느로 인한 총 간섭 전력의 증가는 수신 신호 전력의 증가를 막기 때문에, 전체 성능은 임계값 이후에 감소하게 되기 때문이다.

도 6에는 본 발명 뿐만 아니라 종래 전송 시나리오도 함께 도시하였다.

공정한 비교를 위하여 모든 파라미터는 동일하게 설정하였다.

본 발명과 종래 전송 방식을 비교하면 총 기지국의 밀도가 10^-4/m²인 경우 커버리지 확률 및 면적 스펙트럼 효율에서 적어도 7% 이상 차이가 있음을 알 수 있다.

이와 같은 차이는 총 기지국 밀도가 상당히 낮을 때, 본 발명의 방식을 사용할 때 사용자 단말이 협력 기지국 수 평균 이상과 연결될 가능성은 무시할 수 있는 반면, 연결되는 협력 기지국 수가 적거나 같은 가능성은 높기 때문이다.

그러나 총 기지국 밀도가 충분히 큰 경우, 사용자 단말과 연결되는 협력 기지국 수가 협력 기지국 수 평균보다 클 확률은 총 기지국 밀도의 증가에 따라 증가한다.

이는 본 발명이 총 기지국 밀도가 충분히 높은 경우에 종래의 전송 방식에 비하여 더 우수한 성능을 나타냄을 의미한다.

이러한 우수성은 송신 ASE 성능 지표에서 특히 분명하게 나타난다.

예를 들어 총 기지국의 밀도가 5x10^-3/m²이고, 협력 기지국 수의 평균이 2인 경우 본 발명이 종래의 기술보다 거의 24% 더 높은 성능을 발휘하게 된다.

따라서 본 발명은 초고밀도 네트워크 영역에서의 전송에 더 적합하다.

- 네트워크 에너지 효율(NEE) 성능

협력 기지국 수의 평균(Navg)이 2와 3인 경우에 대하여 총 기지국 밀도의 함수를 분석하여, 본 발명의 전송방식의 네트워크 에너지 효율 성능을 해석한다.

아래의 표 2에 전송 및 회로 전력 소비 매개 변수를 가정하였다.

NEE 성능을 분석하기 위하여 도 9와 도 10에 각각 총 기지국 밀도(λb) 함수에 따른 송신 NEE(ζt(ν,λb))와 수신 NEE(ζr(ν,λb))를 도시하였다.

CoMP 전송 없는 NEE를 도시한 결과이다.

도 9와 도 10을 참조하면 본 발명은 총 기지국 밀도가 충분히 높은 경우 종래에 비하여 NEE 성능의 향상됨을 확인할 수 있다.

또한 이 경우 협력 기지국 수의 평균이 증가할수록 NEE 성능이 향상됨을 확인할 수 있다.

이는 초고밀도 네트워크에서 본 발명이 커버리지 확률과 ASE 성능을 향상시킬 뿐만 아니라 CoMP가 없는 기존의 방식에 비하여 에너지 효율이 높다는 것을 뜻한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명은 단말(30)에 수신된 각 기지국들의 평균 수신 링크 파워(ARLP)를 확인하여, 평균 수신 링크 파워(ARLP)가 가장 강한 기지국을 주기지국(10)으로 정하고, 주기지국(10)의 ARLP에 대한 각 기지국의 ARLP의 비를 구하여, 기준값 이상의 ARLP 비를 가지는 다른 기지국들을 협력 기지국(20)으로 정한다.

이와 같은 방식은 각 기지국들의 채널 페이딩(Channel fading) 및 패스로스(pathloss)를 반영함으로써, 네트워크 성능을 높일 수 있다.

이상에서 본 발명에 따른 실시예들이 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 분야에서 통상적 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 범위의 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 다음의 청구범위에 의해서 정해져야 할 것이다.

10:(주)기지국 20:(협력) 기지국
30:단말

Claims (8)

1. 초고밀도 무선 네트워크 환경에서 주기지국의 제어부가 송수신부를 통해 다른 기지국들과 통신하여 협력 기지국을 설정하는 방법에 있어서,
   단말에서 수신된 기지국들의 수신 링크 파워를 확인하고,
   가장 강한 수신 링크 파워를 가지는 기지국을 주기지국으로 설정하고,
   상기 주기지국의 수신 링크 파워에 대한 주기지국을 제외한 각 기지국들의 수신 링크 파워의 비를 구하고,
   각 기지국들의 수신 링크 파워의 비가 설정 값 이상인 기지국들을 협력 기지국으로 설정하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 설정 값의 제어에 의해 협력 기지국의 수를 조절하는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 수신 링크 파워의 비는,
   상기 주기지국의 수신 링크 파워에 대하여 각 계층의 기지국들의 평균 수신 링크 파워의 비를 구하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 초고밀도 네트워크 환경에서 주기지국의 수신 링크 파워를 기준으로 설정하는 단계;
   상기 주기지국의 수신 링크 파워를 기준으로 다른 기지국들의 수신 링크 파워의 비를 산출하는 단계;
   산출된 수신 링크 파워의 비가 설정 값 이상인 기지국들을 협력 기지국으로 설정하는 단계를 포함하는 방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 설정 값을 조절하여 협력 기지국의 평균 수를 조절하는 방법.
6. 제4항에 있어서,
   상기 설정 값을 조절하여 협력 기지국 집합 크기를 조절하는 방법.
7. 제4항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서,
   수신 링크 파워는,
   단말과 상기 기지국의 안테나 간의 수평적 거리 및 높이의 차에 의해 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.
8. 제7항에 있어서,
   상기 수신 링크 파워는,
   장애물에 의해 변경되는 것을 특징으로 하는 방법.

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