WO2022124860A1 - 기지국 안테나의 기울기 각도 최적화 방법 및 장치 - Google Patents

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WO2022124860A1
WO2022124860A1 PCT/KR2021/018786 KR2021018786W WO2022124860A1 WO 2022124860 A1 WO2022124860 A1 WO 2022124860A1 KR 2021018786 W KR2021018786 W KR 2021018786W WO 2022124860 A1 WO2022124860 A1 WO 2022124860A1
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WO
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base stations
network
probability
base station
environment
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PCT/KR2021/018786
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김성준
이제민
김민수
류종열
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경상국립대학교산학협력단
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Publication date
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    • H01Q1/12—Supports; Mounting means
    • H01Q1/22—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/24—Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles with receiving set
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/02—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system using mechanical movement of antenna or antenna system as a whole
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    • H04W—WIRELESS COMMUNICATION NETWORKS
    • H04W24/00—Supervisory, monitoring or testing arrangements
    • H04W24/02—Arrangements for optimising operational condition

Definitions

  • the present invention relates to a base station antenna tilt adjustment method and apparatus. More specifically, it relates to a method and apparatus for optimizing antenna tilt angles of base stations in a network in which both public and terrestrial terminals exist.
  • Unmanned aerial vehicle (UAV)-based communication has several advantages, such as a LoS environment or flexible mobility, and studies considering UAV are receiving attention from various aspects.
  • UAVs can be used as relays to replace unstable direct communications and perform rescue missions for public safety communications.
  • UAVs can perform various missions such as reconnaissance, data dissemination and data collection.
  • UAV-based communication has a higher probability of forming a LoS channel between the UAV and the device.
  • the LoS probability between the UAV and the terrestrial device and the distance-based path loss model for the cellular-to-UAV channel can be modeled.
  • a performance analysis was performed on networks having a public base station (BS) and UAV relays based on these characteristics of UAV communication. Deployment and power allocation for UAVs are designed together to minimize the probability of network outages. The height of the UAV and the antenna bandwidth are optimized together to maximize the communication rate and coverage probability.
  • BS public base station
  • UAVs In mobile networks, UAVs have been studied as mobile nodes, and common optimization of UAV trajectories and spectrum allocations is considered to maximize minimum throughput and to minimize mission completion time.
  • An embodiment of the present invention is based on the above-described problem recognition, even in the case of a network including a public user terminal such as a UAV, the network is configured in consideration of only the user terminal on the ground, thereby solving the problem of deterioration of communication performance. It is possible to provide an apparatus and method for
  • the base station antenna tilt angle in the conventional terrestrial base station is designed for terrestrial devices, so that when the configuration of the conventional base station is directly applied to the UAV network, the UAV transmits a signal from such a base station with significantly reduced power. It is possible to provide an apparatus and method for solving the problems encountered.
  • Another embodiment of the present invention solves a problem in that, in a network in which both a public user terminal and a terrestrial user terminal are used, a problem such as communication interruption occurs with respect to the public user terminal as the base station in the network is configured in consideration of only the terrestrial user terminal It is possible to provide an apparatus and method for doing so.
  • Another embodiment of the present invention achieves optimal communication performance for the public user terminal by determining the antenna tilt angle of the base station in the network in consideration of only the terrestrial user terminal in a network in which both the public user terminal and the terrestrial user terminal are used It is possible to provide an apparatus and a method for solving a problem that cannot be achieved.
  • Another embodiment of the present invention achieves optimization in overall communication performance by determining the configuration of the base station in the network on the premise that the base station communicates only with the terrestrial user terminal in a network in which both the public user terminal and the terrestrial user terminal are used. It is possible to provide an apparatus and a method for solving a problem that cannot be achieved.
  • the apparatus adjusts the base station antenna tilt angle to achieve optimal performance for both the terrestrial terminal and the public terminal based on communication environment information in the network including the public terminal information in the network. It may include a device that
  • An apparatus and method collect communication environment information in a network, and based on the collected communication environment information, first communication performance and , an apparatus and method for determining a communication mode of a base station that can provide better communication performance by calculating the second communication performance when some base stations communicate only with public terminals and the remaining base stations communicate only with terrestrial terminals may include
  • a method of optimizing the tilt angle of antennas installed in the plurality of base stations in a network including a plurality of base stations, performed by a processor of a central server that controls operations of a plurality of base stations collects density information of base stations and terminals in the network, height information of base stations and terminals, and network environment parameter information, and density information and height under a first environment in which all of a plurality of base stations communicate with both public terminals and terrestrial terminals Calculate a first network interruption probability, which is a network interruption probability of the first environment, based on the information, wherein base stations of a first group among a plurality of base stations communicate with a public terminal and base stations of a second group among the plurality of base stations are terrestrial Calculate a second network interruption probability, which is a network interruption probability of the second environment, based on density information and height information in a second environment communicating with the terminal, and compare the first network interruption probability with the second network interruption probability; If the first network interruption probability is less than the second network
  • the step of calculating the first network interruption probability is a step of calculating a probability that a base station having the closest horizontal distance to a k-th terminal among a plurality of base stations and an arbitrary k-th terminal in the first environment is combined, in the first environment Setting a first network interruption probability function that changes according to the antenna inclination angle of a plurality of base stations based on the density information, the height information, the network environment parameter information, and the combination probability, the minimum value of the set first network interruption probability function It may include calculating a first optimal angle that is an antenna tilt angle for generating , and deriving the first network interruption probability according to the first optimal angle.
  • the step of calculating the first network interruption probability is a base station capable of communicating with the k-th terminal with the strongest signal among a plurality of base stations with any k-th terminal under the first environment. Calculating the probability, setting a first network interruption probability function that changes according to the antenna tilt angle of a plurality of base stations based on the density information, height information, network environment parameter information, and the combined probability in the first environment, calculating a first optimal angle that is an antenna tilt angle that generates a minimum value of the first network interruption probability function, and deriving a first network interruption probability according to the first optimal angle.
  • the calculating of the second network interruption probability includes calculating a probability that a base station having the closest horizontal distance to the k-th terrestrial terminal from among the plurality of base stations will be combined with a random k-th terminal under the second environment; Based on the density information, height information, network environment parameter information, and the probability of combining in two environments, a second network interruption probability function that changes according to the antenna tilt angle of the base stations of the first group and the antenna tilt angle of the base stations of the second group is calculated setting, the 2-1 best angle of the first group of base stations and the 2-2 best angle of the second group of base stations and the first group of base stations and the second generating the minimum value of the second network interruption probability function determining an optimal ratio of base stations in the group, and calculating a second network interruption probability according to the optimal ratio and the 2-1 optimal angle and the 2-2 optimal angle.
  • the calculating of the second network interruption probability comprises combining a base station capable of communicating with the k-th terrestrial terminal with the strongest signal among a plurality of base stations and an arbitrary k-th terminal under the second environment. Calculating a probability to do, changing according to the antenna tilt angle of the base stations of the first group and the antenna tilt angle of the base stations of the second group based on the density information, the height information, the network environment parameter information and the combining probability in the second environment setting a second network interruption probability function of determining an optimal ratio of base stations of a first group and a second group of base stations, and calculating the second network interruption probability according to the optimal ratio and the 2-1 optimal angle and the 2-2 optimal angle can do.
  • the network environment parameter information may include a ratio of an area occupied by a building in the network area, a density of buildings in the network area, and an average height of buildings in the network area.
  • the density information may include density information of the interfering base station, and the density information of the interfering base station may be configured to be determined based on a value obtained by dividing the density of the base station by the number of subbands used in the network.
  • the second network interruption probability may be determined by additionally considering the density of terrestrial terminals and the density of public terminals in the network.
  • the density information of the terminal may include density information of the public terminal and density information of the terrestrial terminal
  • the height information of the terminal may include average height information of the public terminal and average height information of the terrestrial terminal.
  • an apparatus for controlling operation of a plurality of base stations in a network to optimize a base station antenna tilt angle includes a memory and at least one connected to the memory and configured to execute computer readable instructions contained in the memory. a processor, wherein at least one processor collects density information of base stations and terminals in the network, height information of base stations and terminals, and network environment parameter information, and all of the plurality of base stations communicate with both public terminals and terrestrial terminals Calculate a first network interruption probability, which is a network interruption probability of the first environment, based on the density information and the height information under the first communication environment, wherein the base stations of a first group among the plurality of base stations communicate with the public terminal and the plurality of base stations Among them, the base stations of the second group calculate a second network interruption probability that is a network interruption probability of the second environment based on the density information and the height information under the second environment communicating with the terrestrial terminal, and the first network interruption probability and the second compare the network interruption probability, and if the first network interruption probability
  • An apparatus and method for optimizing an antenna tilt angle of a base station can determine an antenna tilt angle of a base station in a network so that the overall communication performance including the public terminal can be optimized even in a network including the public terminal.
  • the base station antenna tilt angle optimization apparatus and method according to another embodiment of the present invention can determine the mode of the base station and the ratio of the base station in the network so that the overall communication performance can be optimized in the network including the public terminal. have.
  • an apparatus and method for optimizing a base station antenna tilt angle provides an apparatus and method for determining an optimal base station antenna tilt angle so that a failure such as communication interruption does not occur in a network including a public terminal can do.
  • an apparatus and method for optimizing an antenna tilt angle of a base station enables both a public terminal and a terrestrial terminal to determine an optimal antenna tilt to receive a signal with sufficiently enhanced power from the base station.
  • the present disclosure may provide a modeling method of a base station antenna power gain determined by a base station antenna tilt angle and a horizontal distance between a base station and users (GU or AU).
  • an Inclusive Service Base Station (IS-BS) plan in order to effectively serve both a terrestrial terminal and a public terminal, two types of base station service schemes, an Inclusive Service Base Station (IS-BS) plan, and an Exclusive Service Base Station (ES-BS); Exclusive Service Base Station) plan can be provided.
  • IS-BS Inclusive Service Base Station
  • ES-BS Exclusive Service Base Station
  • the network interruption probability considering the characteristics of the base station antenna power gain and channel components in Line-of-Sight (LoS) and Non-Line-of-Sight (NLoS) environments It can provide a way to derive
  • the present disclosure describes the effect of the total base station density, the interfering base station density, and the density of the user terminal on the optimal base station antenna tilt angle and the proposed service plan, and provides a suitable base station service plan according to the given network design parameters.
  • FIG. 1 schematically illustrates a network environment in which an apparatus for optimizing a base station antenna tilt angle according to an embodiment of the present disclosure operates.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an antenna tilt angle of a base station communicating with terminals according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG 3 illustrates a base station in which an antenna tilt angle is controlled according to an embodiment of the present disclosure.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method for optimizing an antenna tilt angle of a base station according to an embodiment of the present disclosure.
  • 5 is an example of values related to a communication environment to which an apparatus and method for optimizing a base station antenna tilt angle according to an embodiment of the present disclosure are applied.
  • Figure 8 is the network outage probability of the IS-BS plan for different BS height h B and AU height h A is the inclination angle of the BS antenna. is shown as a function of
  • 11 shows the network outage probability as a function of the ratio of GUs for different BS plans and interfering base station densities.
  • Section II we propose a BS service plan for serving all two types of users, and describe the BS antenna power gain and channel model affected by the BS antenna tilt angle. Then, the BS association rule will be described.
  • section III we derive the network outage probability for the proposed BS service plan in the general environment and the noise-limited environment, respectively.
  • section IV the probability of network outage can be evaluated according to various network design parameters. Then, the performance of the IS-BS plan and the performance of the ES-BS plan are compared in various network parameters.
  • a UAV downlink network in the case where a terrestrial base station serves both a ground user terminal (GU) and an aerial user terminal (AU) is considered, and more specifically, a base station (BS) :
  • the BS antenna power gain which is a function of the antenna tilt angle of the base station and the horizontal distance between the BS and the user terminal, can be derived first.
  • the present disclosure introduces a BS service plan for efficiently serving both GUs and AUs, and derives network interruption probability by considering different channel components in LoS and NLoS environments.
  • the two types of BS service plans are the comprehensive service BS (IS-BS) plan and the exclusive service BS (ES-BS) plan.
  • the probability of BS channel network interruption is derived by considering the characteristics of channel fading and BS antenna power gain in LoS and NLoS environments.
  • r k horizontal distance between the k-th user terminal and the BS serving the k-th user terminal
  • na is the nearest BS binding rule
  • sa is the strongest BS binding rule
  • FIG. 1 schematically illustrates a network environment in which an apparatus for optimizing a base station antenna tilt angle according to an embodiment of the present disclosure operates.
  • a plurality of base stations, a plurality of terminals, buildings that may become an obstacle to communication between the base station and the terminals, and a central server for controlling the operation of the base stations are disposed, although not shown in FIG. 1 . can be
  • the network controlled by the central server consists of three areas (A, B, and C), a plurality of base stations are disposed in each area, and a plurality of terminals communicate with these base stations.
  • base stations 100A-1, 100A-2, 100A-3 according to the IS-BS plan are installed, and each base station is a base station designed to communicate with both GUs and AUs, and in FIG. 1 , GUs ( 210a, 210b) and AUs 230a, 230b.
  • Base stations according to the ES-BS plan are installed in areas B and C, and dedicated base stations 100B-1, 100B-2. 100B-3 for communication with the GU and dedicated base stations 100C- for communication with the AU 1, 100C-2, 100C-3).
  • the base stations 100B-1, 100B-2, and 100B-3 are base stations that communicate only with the GU, and communicate with the GUs 210e, 210d, and GU 210c, respectively, and the base stations 100C-1 and 100C-2.
  • 100C-3 is a base station that communicates only with the AU, and may communicate with the AU 230c, AU 230d, and AU 230e, respectively.
  • a line indicated by a dotted line indicates a link between BS and GU
  • a line indicated by a solid line indicates a link between BS and AU.
  • a central server for controlling operations of base stations disposed in the network areas may be disposed inside or outside the network area.
  • the central server may be connected to each base station by wire or wireless to exchange signals or commands with each other.
  • an area covered by base stations controlled by the central server may be referred to as a network of the central server.
  • the central server receives a signal from each base station to receive a signal from each of the base stations in the network area (for example, the network of area A if the central server manages the base stations in area A, area B if the central server manages a plurality of base stations in area B, C, It is possible to collect information about the density of the base stations in the network of C), the height of the base stations, the density of terminals communicating in the cell, and the height of the terminals.
  • the central server may collect environmental parameters in the network. These network environment parameters may be organized through a separate investigation and stored in advance in the database of the central server, or may be received and collected through communication with base stations in the network.
  • the network environment parameter may include a ratio of an area occupied by buildings in the network area, the number of buildings in the network area, and an average height of the buildings in the network area.
  • the network environment parameter may further include a density of a building, a standard deviation of a building height, and the like.
  • the central server calculates the operating conditions of the base station to optimize the communication performance in the network based on the collected information, and sends a signal to the base stations to adjust the mode in which each base station communicates and the tilt angle of each base station antenna. .
  • the central server may include a communication unit capable of communicating with the base stations, a memory capable of storing data, and at least one processor coupled to the memory and configured to execute computer readable instructions contained in the memory.
  • the central server may be implemented in a form that exists separately from the base stations, may be installed in one of a plurality of base stations to control the operation of all base stations, or may be installed in each base station to operate each base station It may be implemented to control
  • the processor may generate operation information to be transmitted to the base station.
  • a processor may include any kind of device capable of processing data.
  • the 'processor' may refer to a data processing device embedded in hardware having a physically structured circuit to perform a function expressed as, for example, a code or an instruction included in a program.
  • a microprocessor As an example of the data processing apparatus embedded in the hardware as described above, a microprocessor, a central processing unit (CPU), a processor core, a multiprocessor, an application-specific integrated (ASIC) circuit) and a processing device such as a field programmable gate array (FPGA), but the scope of the present invention is not limited thereto.
  • CPU central processing unit
  • processor core a processor core
  • multiprocessor a multiprocessor
  • ASIC application-specific integrated circuit
  • FPGA field programmable gate array
  • the memory may include magnetic storage media or flash storage media, but the scope of the present invention is not limited thereto.
  • Such memory may include internal memory and/or external memory, volatile memory such as DRAM, SRAM, or SDRAM, one time programmable ROM (OTPROM), PROM, EPROM, EEPROM, mask ROM, flash ROM, NAND flash memory, etc. , or non-volatile memory such as NOR flash memory, SSD.
  • volatile memory such as DRAM, SRAM, or SDRAM
  • OTPROM one time programmable ROM
  • PROM PROM
  • EPROM EPROM
  • EEPROM electrically erasable programmable ROM
  • mask ROM programmable ROM
  • flash ROM non-volatile memory
  • SSD non-volatile memory
  • flash drive such as a compact flash (CF) card, an SD card, a Micro-SD card, a Mini-SD card, an Xd card, or a memory stick, or a storage device such as an HDD.
  • CF compact
  • the memory of the central server for controlling the base station includes instructions for performing a method to be described below and related programs may be stored therein.
  • the instructions or program stored in the memory may cause the processor to perform operations for generating signals for controlling the base station according to the base station operation policy.
  • This disclosure describes a network model and a channel model of a UAV network. Furthermore, the antenna power gain and BS combining rule according to BS service plans are described.
  • the present disclosure considers a UAV downlink network in which a BS, terrestrial user terminals (GU), and public user terminals (AU) are randomly distributed in the spatial domain.
  • the location of the BSs can be modeled by a homogeneous Poisson Point Process (HPPP) ⁇ B with density ⁇ B .
  • HPPP Poisson Point Process
  • the location of user terminals can be modeled by HPPP ⁇ u,i with density ⁇ i , where i ⁇ G, A ⁇ is the type of users.
  • i G means a terrestrial user terminal
  • i A means a public user terminal.
  • U G is the user index set of the GU and U A is the user index set of the AU.
  • Inclusive service base station (IS-BS) scheme In this scheme, the BS serves both GUs and AUs simultaneously. Therefore, in the IS-BS scheme, the antenna tilt angle of the BS should be designed to efficiently serve both the GU and the AU. In this scheme, there is only one type of BS and the total density of BSs is given by ⁇ B .
  • Exclusive service base station (ES-BS) plan In this plan, BSs are divided into two groups, BS G , which is a BS group for GU, and BS A , which is a BS group for AU. BS G exclusively serves only GUs, and BS A exclusively serves AUs. Therefore, the antenna inclination angle of BS G and the antenna inclination angle of BS A need to be designed to efficiently serve targeted users, respectively.
  • ⁇ B,G of BSs become BS Gs
  • 1- ⁇ B,G portions of BSs become BS A.
  • the height of the BS antenna may be h B
  • the transmit power of the BSs may be set to P t .
  • ⁇ , ⁇ , and ⁇ are environmental parameters determined by the height and density of the obstacle.
  • the NLoS probability between the BS and the kth user is can be given as
  • channel fading may be determined by the LoS or NLoS fading environment.
  • channel fading is modeled by Nakagami-m fading, and the distribution of channel gain is gamma distribution. It is given by and is modeled as the following equation.
  • m is assumed to be a positive integer with a Nakagami-m factor.
  • channel fading is modeled by Rayleigh fading, and the distribution of channel gain is given by an exponential distribution and is modeled as follows.
  • the antenna power gain of the BS is determined by two types of power gains: a horizontal antenna gain and a vertical antenna gain.
  • the horizontal antenna gain may be determined by the horizontal antenna pattern. Since the present disclosure considers an omnidirectional antenna in a horizontal direction, the horizontal antenna gain may be maintained constant regardless of the direction of the antenna. Here, it is assumed that the horizontal direction antenna gain is equal to the unit gain.
  • FIG. 2 is a diagram for explaining an antenna tilt angle of a base station communicating with terminals according to an embodiment of the present disclosure.
  • an antenna is disposed on the top of the base station 100 , and the slope of the antenna may be changed through mechanical means or electronic means.
  • the angle at which the antenna is tilted in FIG. 2 is based on the horizontal plane. is displayed as
  • the angle formed with the GU 210 with respect to the horizontal plane of the position where the base station 100 is disposed is and the angle formed with the AU 230 with respect to the horizontal plane of the position where the base station 100 is disposed. indicated as
  • the vertical direction antenna gain is determined by the vertical antenna tilt angle, -90 o ⁇ ⁇ t ⁇ 90 o , which is an up or down tilt angle with respect to the horizontal plane.
  • the BS antenna tilt angle when the BS antenna tilt angle is tilted upward, that is, when the BS antenna tilt angle is tilted up with respect to the horizontal plane of the BS antenna, the BS antenna tilt angle is negative, whereas when the BS antenna tilt angle is tilted down, that is, the BS antenna tilt angle is on the horizontal plane of the BS antenna.
  • the BS antenna tilt angle is defined to be positive when tilted downwards.
  • tilting there are two types of tilting the BS antenna, electrical tilting (tilting) and mechanical tilting.
  • Electrical tilting is to physically rotate the antenna of the BS
  • electrical tilting is to apply a full phase shift to all antenna elements in an array.
  • FIG 3 illustrates a base station in which an antenna tilt angle is controlled according to an embodiment of the present disclosure.
  • the base station 100 may include a base station body 110 , a base station control unit 120 and an antenna 130 , and the base station control unit 120 includes a communication unit 121 , a memory 123 , a processor 125 , and an angle.
  • a control unit 127 may be included.
  • the antenna 130 is illustrated as being disposed on the upper portion of the base station body 110 in FIGS. 2 and 3 , it may be variously disposed in places other than the upper portion such as the side surface of the base station body 110 according to the embodiment of the present invention.
  • the base station control unit 120 controls the overall operation of the base station 100 , and in particular, the base station control unit 120 according to an embodiment of the present invention includes an angle control unit 127 for controlling the inclination angle of the base station antenna 130 .
  • an angle control unit 127 for controlling the inclination angle of the base station antenna 130 .
  • the base station control unit 120 may include a communication unit 121 that communicates with the central server, and may receive various instructions related to operation control of the base station from the central server. Also, the base station 100 may transmit various information related to the environment and state of the network in which the base station 100 is disposed to the central server through the communication unit 121 .
  • the memory 123 of the base station 100 may store various information related to control of the base station operation, various information about a network environment, and various information related to a communication policy.
  • the processor 125 may perform various operations for controlling the operation of the base station, and according to the result of the operation, for example, changing the inclination of the antenna 130 through the angle control unit 127, etc. can do.
  • the base station control unit 120 may be a subject performing the methods described below, or may be a subject that only receives matters determined by the methods described below from the central server and executes them, and based on the information received from the central server may be a subject performing some of the steps of the methods described below.
  • the BS antenna gain G(r k , ⁇ t ) may be expressed as a function of the tilt angle as follows.
  • Equation 4 ⁇ (r k ) is an elevation angle between the BS antenna and the k-th user, and is given as follows.
  • the height of the AUs is higher than the height of the BSs without loss of generality (ie, h A -h B > 0) and the height of the GUs is lower than the height of the BSs (ie, h G -h B ⁇ 0).
  • ego has two values, and the two values are and to be.
  • the upper boundary of the horizontal distance between the i-type user and the BS may be defined as the lower boundary of the horizontal distance between the i-type user and the BS ( ).
  • All GUs can have the same boundaries and all AUs can have the same boundaries.
  • Equation 7 to 10 the boundaries and Is may be defined as a positive value when each condition is satisfied.
  • Equation 4 is can be rewritten as in Equation 11.
  • BS combining can be determined by distance-dependent path loss and channel fading gain while considering LoS probability.
  • the antenna gain affected by the horizontal distance between the serving BS and the k-th user terminal It can also affect BS binding.
  • a BS forming a LoS link and an NLoS link with the k-th user terminal is defined. and can be referred to as and, each and BS antenna power gain in Equation 11 It can be divided into three groups according to Equation 12.
  • Equation 14 is the density of BSs that can serve the k-th user terminal, when can be here, may be an index of a BS service plan.
  • PDF probability distribution function
  • Equation 17 When given as , the joint probability from Equations 15 and 16 can be obtained as in Equation 17.
  • Equation 19 A PDF of can be obtained as in Equation 19.
  • Equation 16 uses the strongest association rule It can be defined as a PDF of , but the closed-form expression of Equation 16 cannot be obtained because of the term of the antenna power gain.
  • the available frequency resource is divided into N subbands, and accordingly, it is considered that interfering BSs use subbands of the same frequency.
  • the interfering BSs are dense have hppp is randomly distributed as Therefore, the kth user terminal is the serving BS When combined with will soon become BSs.
  • the signal-to-noise-plus-noise ratio (SINR) in the user terminal may be given as follows.
  • Equation 20 is the distance-independent path loss between the BS and the kth user terminal for LoS and NLoS links.
  • class is the path loss index of the LoS link and the NLoS link.
  • the interruption probability in the k-th user terminal may be defined as follows.
  • the target SINR is a target data rate and W is a bandwidth allocated to each user terminal.
  • the probability of network interruption can be obtained.
  • the antenna tilt angle of BS G is , and the antenna tilt angle of BS A is to be.
  • all BSs serve both GUs and AUs, It may have one antenna inclination angle as shown in FIG.
  • Equation 19 is the ratio of the density of all user terminals to the density of i-type user terminals, is given by Equation (19).
  • Equation 22 is the distance r and the slope angle under the channel environment v When the user terminal is coupled to the j-group BS with
  • Equation (25) is the Laplace transform of the interference and can be given as in Equation (25).
  • Equation 25 to be.
  • Equation 27 and 28 (a) and (c) can be derived from the CDF (cumulative distribution function) of the gamma distribution and the exponential distribution, and (b) can be derived from the definition of an incomplete gamma function for an integer value of m.
  • Equation 23 can be obtained by applying the properties of the Laplace transform. in Equation 23 ego, can be given as follows.
  • Equation 25 may be obtained by applying Probability Generating Functional (PGFL).
  • Equation 26 About By averaging , the following Equation 30 can be obtained.
  • Equation 12 comes from the definition of in Equation 30 ego, is, to be.
  • Equation 30 By substituting Equation 30 into Equation 26, Equation 22 can be obtained.
  • the interruption probability in the k-th user terminal may be defined as follows.
  • Equation 19 is given in Equation 19
  • Equation 33 is given in Equation 33 below.
  • Equation 33 can be obtained by substituting , and applying CDF of gamma distribution and exponential distribution.
  • Equation 30 By substituting Equation (26) and using Equation (26), Equation (32) can be obtained.
  • the IS-BS plan and the ES-BS plan are and can be compared with
  • the network interruption probability of the ES-BS plan with the optimized BS tilt angle may be less than or equal to the network interruption probability of the IS-BS plan.
  • Equation 19 the PDF of the horizontal distance between the k-th user terminal and the serving BS can be similar regardless of the type of BS service plan. in other words, to be. and Substituting in Equation (30) and applying the optimized BS tilt angle, the network interruption probabilities of i-type user terminals for IS-BS and ES-BS schemes, and can be expressed as follows.
  • Equation 35 the ES-BS plan and Since are the optimized values for GU and AU, respectively, ( ) can always be obtained.
  • Equation 34 is an optimized value for minimizing the overall network interruption probability for all types of user terminals. Accordingly, Equation 34 can be obtained from Equation 26 as a conclusion.
  • the ES-BS scheme can outperform the IS-BS scheme with respect to the probability of network interruption.
  • Section IV the above can be verified through simulation results.
  • FIG. 4 is a flowchart illustrating a method for optimizing an antenna tilt angle of a base station according to an embodiment of the present disclosure.
  • the central server controlling the base stations in the network or the central base station controlling the base stations in the network may receive or measure various types of network information (S100).
  • S100 network information
  • the central server may receive various types of network information from base stations.
  • the central server determines the number and density of base stations in the network area, the number and density of user terminals (terrestrial user terminals and public user terminals can be distinguished), the height of base stations, the height of user terminals, and the network environment parameters of the base stations in the network area. and/or may be collected by communicating with user terminals.
  • the network environment parameter may include a ratio of an area occupied by buildings in the network area, a density or number of buildings in the network area, and heights of buildings in the network area.
  • the central server may collect some information by communicating with the base station and/or user terminals, and collect the remaining information using information previously entered into the database of the central server.
  • the central server Based on the measured network information, the central server starts calculating the IS-BS plan and the ES-BS plan (S210, S310).
  • the base station communicates with all types of user terminals (including terrestrial and air) according to the IS-BS plan using the scheme described in the above section, and based on the collected information
  • the first network interruption probability according to the antenna tilt angle of the base station is a function of can be set (S220).
  • the first network interruption probability is a function of can be determined according to the density information and height information of the base station and the user terminal in the network, network environment parameter information, and the probability that the user terminal is coupled to the base station,
  • the processor of the central server calculates the probability that a random k-th terminal and a base station having the horizontal distance to the k-th terminal are closest to each other when calculating the network interruption probability, and then the combination probability and the base station and a network interruption probability function may be set based on the density information and height information of the user terminal, and network environment parameter information.
  • the processor of the central server calculates the probability that the base station capable of communicating with any k-th terminal and the k-th terminal with the strongest signal will combine, and then this combination probability And, it is possible to set the network interruption probability function based on the density information and height information of the base station and the user terminal, and the network environment parameter information.
  • the processor of the central server may calculate an antenna tilt angle, which is an optimal angle at which the network interruption probability function has a minimum value, and derive a network interruption probability according to the optimal angle.
  • the optimal tilt angle that minimizes can be determined (S230).
  • the method of finding the optimal inclination angle may be designed to find the optimal solution through the exhaustive search algorithm when the optimal value cannot be obtained in the closed form.
  • the optimal tilt angle is When is decided, can be computed (S240), which is the network interruption probability that can best be achieved under the IS-BS scheme.
  • the base stations of the first group among the base stations in the network communicate exclusively with the public terminals, and the base stations of the second group communicate with the terrestrial terminals. Based on the information collected in the case of dedicated communication, it is a function of the second network interruption probability according to the antenna tilt angle of the base stations. can be set (S320).
  • the second network interruption probability is a function of can be determined according to the density information and height information of the base station and the user terminal in the network, network environment parameter information, and the probability that the user terminal is coupled to the base station,
  • the processor of the central server calculates the probability that a random k-th terminal and a base station having the horizontal distance to the k-th terminal are closest to each other when calculating the network interruption probability, and then the combination probability and the base station and a network interruption probability function may be set based on the density information and height information of the user terminal, and network environment parameter information.
  • the processor of the central server calculates the probability that the base station capable of communicating with any k-th terminal and the k-th terminal with the strongest signal will combine, and then this combination probability And, it is possible to set the network interruption probability function based on the density information and height information of the base station and the user terminal, and the network environment parameter information.
  • the processor of the central server determines the antenna tilt angle, which is the optimal angle for the network interruption probability function to have a minimum value. , , and the probability of network interruption can be derived according to the optimal angle.
  • the optimal ratio of base stations should also be calculated.
  • BSs in the network are BSs for public user terminals if not BSs for terrestrial user terminals, when the optimal ratio of BSs for terrestrial user terminals to total BSs is determined, the optimal ratio of BSs for terrestrial user terminals to total BSs is also can be determined automatically.
  • the optimal inclination angle of the antenna and the optimal ratio between the base station for terrestrial terminals and the base station for public terminals can be calculated in a constant unit through an exhaustive search algorithm. That is, after setting the ratio of the base station for the terrestrial terminal to the base station for the public terminal to an arbitrary constant value, the optimal inclination angle of the base station antenna for the terrestrial terminal and the optimal inclination angle of the base station antenna for the public terminal are calculated at the corresponding ratio, Calculate the probability of first-order network interruption at the slope angle.
  • an arbitrary constant value may be initially selected as a ratio of the density of the land terminal to the density of the public terminal.
  • the base station antenna for the terrestrial terminal in the ratio calculates the optimal inclination angle and the optimal inclination angle of the base station antenna for the public terminal, and calculate the secondary network interruption probability at this optimal inclination angle.
  • an antenna tilt angle selected in a situation in which the interruption probability is lower may be selected as an optimal antenna tilt candidate.
  • the step of determining the optimal antenna inclination angle (2-2 optimal angle) of the base stations for the base stations (the second group of base stations) and the optimal ratio of the base stations for the terrestrial terminal and the base stations for the public terminal is: setting the ratio of the base station for the terminal as a first ratio of the density of the terrestrial terminal and the density of the public terminal in the network, and based on the first ratio between the base station for the terrestrial terminal and the base station for the public terminal, the network interruption probability is minimized and determining the antenna inclination angle of the base station for the terrestrial terminal and the antenna inclination angle (the first optimal inclination angle) of the base station for the public terminal.
  • the determining of the optimal antenna tilt angle and the optimal ratio includes changing the ratio of the base station for the terrestrial terminal and the base station for the public terminal while minimizing the probability of network interruption. repeating the process of determining the antenna inclination angle, comparing the optimal inclination angle calculated in each process and the network interruption probabilities by the optimal ratio, and selecting the final optimal inclination angle and the optimal ratio of the base station type. .
  • the processor of the central server is configured through the manner described in the section above.
  • the optimal tilt angle that minimizes , and the optimal ratio of base stations for terrestrial terminals can be calculated (S330, S340).
  • the method of finding the optimal inclination angle may be designed to find the optimal solution through the exhaustive search algorithm when the optimal value cannot be obtained in the closed form.
  • the optimal second network interruption probability is can be calculated (S350).
  • the processor of the central server determines the optimal network outage probability that can be derived under the IS-BS plan. and the optimal network interruption probability of the optimal slope angle that can be derived under the ES-BS plan. can be compared (S400).
  • the central server makes all base stations in the network operate in a mode that can communicate with all types of user terminals, It is possible to transmit a command signal to have a tilt angle of (S500).
  • the ES-BS plan is more effective to improve the overall network performance, so the central server As many base stations are set as base stations dedicated to terrestrial terminals, and 1- As many base stations are set as base stations for public terminals, and base stations dedicated to terrestrial terminals are to have an antenna tilt angle of , and the base station for It is possible to transmit a command signal to have the antenna tilt angle of (S600).
  • an environment in which both the public terminal and the terrestrial terminal can operate with optimal communication performance eg, the communication mode of the base station, the base station for each type) ratio of the base station, the combined mode of the base station, and the antenna tilt angle of the base station
  • optimal communication performance eg, the communication mode of the base station, the base station for each type
  • FIG. 5 is an example of values related to a communication environment to which an apparatus and method for optimizing a base station antenna tilt angle according to an embodiment of the present disclosure are applied.
  • R.I.B. Yanliniz, A. El-Keyi, and H. Yanikomeroglu "Efficient 3-d placement of an aerial base station in next generation cellular networks," in Proc. IEEE Int. Conf. Commun, Kuala Lumpur, Malaysia, May 2016, pp.
  • the dense urban environment parameters ⁇ . ⁇ . ⁇ presented in 1-5 can be considered.
  • the preferred BS can transmit the largest signal to the GU with the antenna main lobe gain, and the number of interfering BSs with the antenna main lobe gain to the GU decreases.
  • Figure 8 is the network outage probability of the IS-BS plan for different BS height h B and AU height h A is the inclination angle of the BS antenna. is shown as a function of here, (i.e., similar to a noise-limited environment) was used.
  • the performance of AU can be greatly improved due to high LoS probability and low path loss.
  • the GU As the height of the base station increases, the LoS probability between the BS and the GU increases, and the distance-dependent path loss increases due to the increased distance between the BS and the GU. Therefore, as the height of the base station increases, the GU experiences a relatively recessive channel condition compared to the AU, and the optimal value of the BS antenna tilt angle increases downward to compensate for the performance loss of the GU.
  • the LoS probability and the distance-dependent path loss between the BS and the AU increase.
  • the probability of network interruption of the AU increases as the height of the AU increases.
  • the performance of the GU is not affected by the height of the AU. Accordingly, as the AU increases, the optimal antenna tilt angle decreases to compensate for the performance loss of the AU.
  • the antenna tilt angle for the GU and the antenna tilt angle for the AU are designed independently of each other to minimize the probability of network outage.
  • the BS antenna tilt angle can be optimized according to the ratio of the base station for the terrestrial terminal to the total BS. have.
  • the optimal ratio means a ratio that minimizes the probability of network interruption according to the ratio of the GU to the total user terminals.
  • the performance of BS service plans according to the ratio of GU to total users is compared based on the probability of network interruption.
  • a BS service plan in which a BS antenna tilt toward a GU is taken as a reference plan.
  • the optimal antenna tilt angle of the BS can be determined to minimize the disruption probability for the GU.
  • antenna tilt angle in IS-BS plan the antenna tilt angles in the ES-BS scheme ( , ) and the ratio of base stations for terrestrial terminals Each of these is optimized.
  • 11 shows the network outage probability as a function of the ratio of GUs for different BS plans and interfering base station densities.
  • the ES-BS plan outperforms the IS-BS plan. This is because there are more interfering BSs in the IS-BS plan than the interfering BSs in the ES-BS plan ( due to).
  • the IS-BS plan may provide better communication performance than the BS plan. This means that the effect of interference is relatively low, so having more serving BS candidates (i.e., This is because it improves the performance of the main link.
  • the network interruption probability of the UAV network was derived by considering the BS antenna power gain affected by the BS antenna tilt angle, and the effect of the BS antenna tilt angle on the communication performance was analyzed using the derived equation. Specifically, the more the antenna tilt angle is inclined for each type of user terminal, the more strongly the serving BS and the interfering BS transmit a signal to the user terminal through the main lobe.
  • the optimal value of the BS antenna inclination angle was derived, and the effects of the interfering BS density, base station height, and UAV height at the optimal antenna inclination angle and the total BS density, the interfering BS density, and the density of user terminals in each BS service plan We looked at the effect of
  • an optimal BS service plan and an optimal base station antenna slope can be effectively determined in a network in which a GU and an AU exist at the same time, and thus the communication performance of the entire network can be improved.
  • the embodiment according to the present invention described above can be implemented in the form of a computer program that can be executed through various components on a computer, and such a computer program can be recorded in a non-transitory computer-readable medium.
  • the medium includes a hard disk, a magnetic medium such as a floppy disk and a magnetic tape, an optical recording medium such as CD-ROM and DVD, a magneto-optical medium such as a floppy disk, and a ROM. , RAM, flash memory, and the like, and hardware devices specially configured to store and execute program instructions.
  • the computer program may be specially designed and configured for the present invention, or may be known and used by those skilled in the computer software field.
  • Examples of the computer program may include not only machine code generated by a compiler, but also high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

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Abstract

본 개시는 복수의 기지국들의 동작을 제어하는 중앙 서버의 프로세서에 의해 수행되는, 복수의 기지국들을 포함하는 네트워크 내에서 복수의 기지국들에 설치된 안테나의 기울기 각도를 최적화하는 방법으로서, 네트워크 내의 기지국 및 단말의 밀도 정보, 기지국 및 단말의 높이 정보, 그리고 네트워크 환경 파라미터 정보를 수집하는 단계, 복수의 기지국들 모두가 공중 단말 및 지상 단말 양쪽과 통신하는 제 1 환경 하에서 밀도 정보 및 높이 정보에 기초하여 제 1 환경의 네트워크 중단 확률인 제 1 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계, 복수의 기지국들 중 제 1 그룹의 기지국들은 공중 단말과 통신하고 복수의 기지국들 중 제 2 그룹의 기지국들은 지상 단말과 통신하는 제 2 환경 하에서 밀도 정보 및 높이 정보에 기초하여 제 2 환경의 네트워크 중단 확률인 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계, 제 1 네트워크 중단 확률과 제 2 네트워크 중단 확률을 비교하는 단계, 제 1 네트워크 중단 확률이 제 2 네트워크 중단 확률보다 작으면, 복수의 기지국들 모두의 안테나 기울기 각도를 제 1 최적 각도로 조정하고, 제 1 네트워크 중단 확률이 상기 제 2 네트워크 중단 확률 이상이면,제 1 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도를 제 2-1 최적 각도로 조정하고, 제 2 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도를 제 2-2 최적 각도록 조정하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

기지국 안테나의 기울기 각도 최적화 방법 및 장치
본 발명은 기지국 안테나 기울기 조절 방법 및 장치에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 공중 단말과 지상 단말 모두가 존재하는 네트워크 내의 기지국들의 안테나 기울기 각도를 최적화하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.
무인 항공기(UAV) 기반의 통신은 LoS 환경이나 유연한 이동성과 같이 몇 가지 장점들을 가지고 있고, UAV를 고려한 연구들이 다양한 측면에서 관심을 받고 있다.
예를 들어, 지진과 같은 자연 재해의 상황에 UAV는 불안정한 직접 통신을 대체하여 릴레이로서 사용될 수 있고 공중 안전 통신을 위한 구출 미션을 수행할 수 있다. 또한, UAV는 정찰, 데이터 보급 및 데이터 수집과 같은 다양한 미션들을 수행할 수 있다.
최근에는, 이러한 응용분야들에 기초하여 다양한 연구자들이 UAV-to-Ground 디바이스 및 UAV-to-UAV 통신을 이용하는 UAV 통신 네트워크들을 연구하고 있다.
지상의 사용자들 간의 지상 통신과는 달리, UAV 기반 통신은 UAV와 디바이스 사이에 LoS 채널을 형성할 수 있는 더 높은 확률을 가지고 있다. UAV가 위치하는 높이에 따라서 UAV와 지상 디바이스 사이의 LoS 확률과 셀룰러-to-UAV 채널을 위한 거리-기반 경로 손실 모델이 모델링될 수 있다.
이러한 UAV 통신의 특징들에 기초하여 공중 기지국(BS) 및 UAV 릴레이들을 가지는 네트워크들에 대한 성능 분석이 수행되었다. UAV를 위한 배치 및 전력 할당은 네트워크 중단 확률을 최소화시키도록 함께 설계되었다. UAV의 높이와 안테나 대역폭은 통신 속도(Communication Rate) 및 커버리지 확률을 최대화하기 위해 함께 최적화된다.
모바일 네트워크에서는, UAV는 모바일 노드로서 연구되었고, 최소 쓰루풋(throughput)을 최대화하기 위해 그리고 미션 완료 시간을 최소화하기 위해 UAV 궤적 및 스펙트럼 할당의 공통 최적화가 고려되었다.
다만, 네트워크 내의 기지국들의 설정, 특히, 기지국의 안테나의 설정에 있어서, 지상에 있는 사용자들만을 고려하여 기지국이 설정됨으로 인해, UAV와 같은 공중 사용자가 포함되는 경우에는 기지국의 설정이 최적화되지 못하는 문제점이 있었다.
따라서, 기지국의 안테나가 지상 사용자들(GU; Ground Users)을 위해 설계되는 네트워크의 경우와 비교할 때, 무인 항공기(UAV; Unmanned Aerial Vehicle)가 포함되는 네트워크에 대하여, 지상 사용자들뿐만 아니라 공중 사용자들(AU; Aerial Users)도 효과적으로 서빙할(serving) 수 있도록 하는 기술적 수단이 제공될 필요가 있다.
전술한 배경기술은 발명자가 본 발명의 도출을 위해 보유하고 있었거나, 본 발명의 도출 과정에서 습득한 기술 정보로서, 반드시 본 발명의 출원 전에 일반 공중에게 공개된 공지기술이라 할 수는 없다.
[선행기술문헌]
[특허문헌]
미국 등록특허공보 제10,714,058호(2020.07.14)
본 발명의 일 실시예는, 상술된 문제인식에 기반하여, UAV와 같은 공중 사용자 단말을 포함하는 네트워크의 경우에도 지상의 사용자 단말만을 고려하여 네트워크가 구성됨으로써, 통신 성능이 저하되는 문제를 해결하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 종래의 지상 기지국에서 기지국 안테나 기울기 각도가 지상 디바이스들을 위해 설계됨으로써, 종래의 기지국의 구성이 UAV 네트워크에 바로 적용되는 경우 UAV는 이러한 기지국으로부터 현저히 감소된 전력으로 신호를 수신하게 되는 문제점을 해결하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 공중 사용자 단말 및 지상 사용자 단말이 모두 사용되는 네트워크에서 지상의 사용자 단말만을 고려하여 네트워크 내의 기지국이 구성됨에 따라 공중 사용자 단말에 대해서는 통신 중단 등과 같은 장애가 발생하는 문제를 해결하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 공중 사용자 단말 및 지상 사용자 단말이 모두 사용되는 네트워크에서 지상의 사용자 단말만을 고려하여 네트워크 내의 기지국의 안테나 기울기 각도를 결정함에 따라 공중 사용자 단말에 대해서는 최적의 통신 성능을 달성하지 못하는 문제를 해결하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예는, 공중 사용자 단말 및 지상 사용자 단말이 모두 사용되는 네트워크에서 기지국이 지상의 사용자 단말과만 통신한다는 전제로 네트워크 내의 기지국의 구성을 결정함에 따라 전체적인 통신 성능에 있어서 최적화를 달성하지 못하는 문제를 해결하기 위한 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제에 한정되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 과제 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명이 해결하고자 하는 과제 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 알 수 있을 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 장치는, 네트워크 내의 공중 단말 정보를 포함하는 네트워크 내 통신 환경 정보들에 기초하여, 지상 단말 및 공중 단말 모두에 대하여 최적 성능을 달성할 수 있도록 기지국 안테나 기울기 각도를 조정하는 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 장치 및 방법은, 네트워크 내의 통신 환경 정보를 수집하고, 수집된 통신 환경 정보에 기초하여, 모든 기지국이 공중 단말과 지상 단말 모두와 통신하는 경우의 제 1 통신 성능과, 일부 기지국은 공중 단말과만 통신하고, 나머지 기지국은 지상 단말과만 통신하는 경우의 제 2 통신 성능을 연산하여, 더 좋은 통신 성능을 제공할 수 있는 기지국의 통신 모드를 결정하는 장치 및 방법을 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른, 복수의 기지국들의 동작을 제어하는 중앙 서버의 프로세서에 의해 수행되는, 복수의 기지국들을 포함하는 네트워크 내에서 상기 복수의 기지국들에 설치된 안테나의 기울기 각도를 최적화하는 방법은, 네트워크 내의 기지국 및 단말의 밀도 정보, 기지국 및 단말의 높이 정보, 그리고 네트워크 환경 파라미터 정보를 수집하고, 복수의 기지국들 모두가 공중 단말 및 지상 단말 양쪽과 통신하는 제 1 환경 하에서 밀도 정보 및 높이 정보에 기초하여 상기 제 1 환경의 네트워크 중단 확률인 제 1 네트워크 중단 확률을 연산하고, 복수의 기지국들 중 제 1 그룹의 기지국들은 공중 단말과 통신하고 복수의 기지국들 중 제 2 그룹의 기지국들은 지상 단말과 통신하는 제 2 환경 하에서 밀도 정보 및 높이 정보에 기초하여 상기 제 2 환경의 네트워크 중단 확률인 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하고, 제 1 네트워크 중단 확률과 상기 제 2 네트워크 중단 확률을 비교하고, 제 1 네트워크 중단 확률이 상기 제 2 네트워크 중단 확률보다 작으면, 상기 복수의 기지국들 모두의 안테나 기울기 각도를 제 1 최적 각도로 조정하고, 상기 제 1 네트워크 중단 확률이 상기 제 2 네트워크 중단 확률 이상이면, 상기 제 1 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도를 제 2-1 최적 각도로 조정하고, 상기 제 2 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도를 제 2-2 최적 각도록 조정하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 제 1 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계는, 제 1 환경 하에서 임의의 k번째 단말과 복수의 기지국 중 k번째 단말과 수평 거리가 가장 가까운 기지국이 결합할 확률을 연산하는 단계, 제 1 환경에서 상기 밀도 정보, 높이 정보, 네트워크 환경 파라미터 정보 및 상기 결합할 확률에 기초하여 복수의 기지국의 안테나 기울기 각도에 따라 변화하는 제 1 네트워크 중단 확률 함수를 설정하는 단계, 설정된 제 1 네트워크 중단 확률 함수의 최소값을 생성하는 안테나 기울기 각도인 제 1 최적 각도를 연산하는 단계, 및 제 1 최적 각도에 따른 상기 제 1 네트워크 중단 확률을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제 1 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계는, 제 1 환경 하에서 임의의 k번째 단말과 복수의 기지국 중 상기 k번째 단말과 가장 강한 신호로 통신할 수 있는 기지국이 결합할 확률을 연산하는 단계, 제 1 환경에서 밀도 정보, 높이 정보, 네트워크 환경 파라미터 정보 및 결합할 확률에 기초하여 복수의 기지국의 안테나 기울기 각도에 따라 변화하는 제 1 네트워크 중단 확률 함수를 설정하는 단계, 설정된 제 1 네트워크 중단 확률 함수의 최소값을 생성하는 안테나 기울기 각도인 제 1 최적 각도를 연산하는 단계, 및 제 1 최적 각도에 따른 제 1 네트워크 중단 확률을 도출하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계는, 제 2 환경 하에서 임의의 k번째 단말과 상기 복수의 기지국 중 상기 k번째 지상 단말과 수평 거리가 가장 가까운 기지국이 결합할 확률을 연산하는 단계, 제 2 환경에서 밀도 정보, 높이 정보, 네트워크 환경 파라미터 정보 및 결합할 확률에 기초하여 제 1 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도 및 제 2 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도에 따라 변화하는 제 2 네트워크 중단 확률 함수를 설정하는 단계, 제 2 네트워크 중단 확률 함수의 최소값을 생성하는 제 1 그룹의 기지국들의 제 2-1 최적 각도 및 제 2 그룹의 기지국들의 제 2-2 최적 각도와 제 1 그룹의 기지국들과 제 2 그룹의 기지국들의 최적 비율을 결정하는 단계, 및 최적 비율 및 제 2-1 최적 각도 및 제 2-2 최적 각도에 따라 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에서, 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계는, 제 2 환경 하에서 임의의 k번째 단말과 복수의 기지국 중 상기 k번째 지상 단말과 가장 강한 신호로 통신할 수 있는 기지국이 결합할 확률을 연산하는 단계, 제 2 환경에서 밀도 정보, 높이 정보, 네트워크 환경 파라미터 정보 및 결합할 확률에 기초하여 제 1 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도 및 제 2 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도에 따라 변화하는 제 2 네트워크 중단 확률 함수를 설정하는 단계, 제 2 네트워크 중단 확률 함수의 최소값을 생성하는 제 1 그룹의 기지국들의 제 2-1 최적 각도 및 제 2 그룹의 기지국들의 제 2-2 최적 각도와 제 1 그룹의 기지국들과 제 2 그룹의 기지국들의 최적 비율을 결정하는 단계, 및 최적 비율 및 제 2-1 최적 각도 및 제 2-2 최적 각도에 따라 상기 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 네트워크 환경 파라미터 정보는 네트워크 영역 내에서 건물이 차지하는 면적의 비율, 네트워크 영역 내의 건물의 밀도, 및 네트워크 영역 내의 건물의 평균 높이를 포함할 수 있다.
또한, 밀도 정보는 간섭 기지국의 밀도 정보를 포함하고, 간섭 기지국의 밀도 정보는 상기 기지국의 밀도를 상기 네트워크에서 사용되는 서브밴드의 수로 나눈 값에 기초하여 결정되도록 구성될 수 있다.
더하여, 제 2 네트워크 중단 확률은 네트워크 내의 지상 단말의 밀도 및 공중 단말의 밀도를 추가적으로 고려하여 결정될 수 있다.
아울러, 단말의 밀도 정보는 공중 단말의 밀도 정보 및 지상 단말의 밀도 정보를 포함하고, 단말의 높이 정보는 공중 단말의 평균 높이 정보 및 지상 단말의 평균 높이 정보를 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에서, 네트워크 내의 복수의 기지국들의 동작을 제어하여 기지국 안테나 기울기 각도를 최적화하는 장치는, 메모리 및 메모리와 연결되고, 메모리에 포함된 컴퓨터 판독가능한 명령들을 실행하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함하고, 적어도 하나의 프로세서는, 네트워크 내의 기지국 및 단말의 밀도 정보, 기지국 및 단말의 높이 정보, 그리고 네트워크 환경 파라미터 정보를 수집하고, 복수의 기지국들 모두가 공중 단말 및 지상 단말 양쪽과 통신하는 제 1 환경 하에서 밀도 정보 및 높이 정보에 기초하여 제 1 환경의 네트워크 중단 확률인 제 1 네트워크 중단 확률을 연산하고, 복수의 기지국들 중 제 1 그룹의 기지국들은 공중 단말과 통신하고 복수의 기지국들 중 제 2 그룹의 기지국들은 지상 단말과 통신하는 제 2 환경 하에서 밀도 정보 및 높이 정보에 기초하여 제 2 환경의 네트워크 중단 확률인 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하고, 제 1 네트워크 중단 확률과 제 2 네트워크 중단 확률을 비교하고, 제 1 네트워크 중단 확률이 제 2 네트워크 중단 확률보다 작으면, 복수의 기지국들 모두의 안테나 기울기 각도를 제 1 최적 각도로 조정하고, 제 1 네트워크 중단 확률이 제 2 네트워크 중단 확률 이상이면, 제 1 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도를 제 2-1 최적 각도로 조정하고, 제 2 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도를 제 2-2 최적 각도록 조정하는 동작을 수행하도록 구성될 수 있다.
이 외에도, 본 발명을 구현하기 위한 다른 방법, 다른 시스템 및 상기 방법을 실행하기 위한 비일시적 컴퓨터 프로그램이 저장된 컴퓨터로 판독 가능한 기록매체가 더 제공될 수 있다.
전술한 것 외의 다른 측면, 특징, 이점이 이하의 도면, 특허청구범위 및 발명의 상세한 설명으로부터 명확해질 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 안테나 기울기 각도 최적화 장치 및 방법은 공중 단말이 포함된 네트워크 내에서도 공중 단말을 포함한 전체적인 통신 성능이 최적화될 수 있도록 하는 네트워크 내 기지국의 안테나 기울기 각도를 결정할 수 있게 한다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기지국 안테나 기울기 각도 최적화 장치 및 방법은 공중 단말이 포함된 네트워크 내에서 전체적인 통신 성능이 최적화될 수 있도록 하는 네트워크 내 기지국의 모드 및 기지국의 비율을 결정하도록 할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기지국 안테나 기울기 각도 최적화 장치 및 방법은 공중 단말이 포함된 네트워크 내에서 통신 중단과 같은 장애가 발생하지 않도록 하는 최적의 기지국 안테나 기울기 각도를 결정하는 장치 및 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기지국 안테나 기울기 각도 최적화 장치 및 방법은 공중 단말 및 지상 단말 모두가 기지국으로부터 충분히 강화된 전력으로 신호를 수신할 수 있도록 하는 최적 안테나 기울기를 결정할 수 있게 한다.
또한, 본 개시에서는 기지국 안테나 기울기 각도 및 기지국과 사용자들(GU 또는 AU) 사이의 수평 거리에 의해 결정되는 기지국 안테나 전력 이득의 모델링 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 개시에서는 지상 단말과 공중 단말을 모두 효과적으로 서빙하기 위해서, 2 종류의 기지국 서비스 계획(scheme), 포괄적 서비스 기지국(IS-BS; Inclusive Service Base Station) 계획 및 배타적 서비스 기지국(ES-BS; Exclusive Service Base Station) 계획을 제공할 수 있다.
또한, 본 개시에서는 각각의 기지국 서비스 계획에 있어서, 기지국 안테나 전력 이득의 특성과 LoS(Line-of-Sight) 및 NLoS(Non-Line-of-Sight) 환경에서의 채널 컴포넌트들을 고려하여 네트워크 중단 확률을 도출하는 방법을 제공할 수 있다.
또한, 본 개시에서는 총 기지국 밀도, 간섭 기지국 밀도 및 사용자 단말의 밀도가 최적 기지국 안테나 기울기 각도와 제안되는 서비스 계획에 미치는 영향에 대해 설명하고, 주어진 네트워크 설계 파라미터들에 따라 적합한 기지국 서비스 계획을 제공할 수 있다.
본 발명의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 기지국 안테나 기울기 각도 최적화 장치가 동작하기 위한 네트워크 환경을 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 단말들과 통신하는 기지국의 안테나 기울기 각도를 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따라 안테나 기울기 각도가 제어되는 기지국을 도시한다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 기지국의 안테나 기울기 각도를 최적화하기 위한 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 기지국 안테나 기울기 각도 최적화 장치 및 방법이 적용되는 통신 환경과 관련된 값들의 예시이다.
도 6은 상이한 채널 환경들과 BS 결합 규칙들에 대하여 BS 안테나 기울기 각도
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000001
의 함수로서 i-타입 사용자 단말의 네트워크 중단 확률,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000002
를 도시한다.
도 7은 간섭 BS 밀도,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000003
의 상이한 값들에 대한, BS 안테나 기울기 각도
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000004
의 함수로서 i-타입 사용자 단말의 네트워크 중단 확률,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000005
를 도시한다.
도 8은 상이한 BS 높이 hB 및 AU 높이 hA에 대하여 IS-BS 계획의 네트워크 중단 확률인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000006
를 BS 안테나의 기울기 각도인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000007
의 함수로서 도시한다.
도 9는 ES-BS 계획을 사용하는 경우 총 BS에 대한 지상 단말용 기지국의 최적 비율을 도시한다.
도 10은 ES-BS 계획에서 총 사용자 대비 GU의 비율에 따른 최적 BS 안테나 기울기 각도를 서로 다른 BS 밀도 값에 대하여 도시한다.
도 11은 상이한 BS 계획과 간섭 기지국 밀도에 대하여 GU의 비율에 대한 함수로서 네트워크 중단 확률을 도시한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 설명되는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 아래에서 제시되는 실시예들로 한정되는 것이 아니라, 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있고, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변환, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 아래에 제시되는 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
이하, 본 발명에 따른 실시예들을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 하며, 첨부 도면을 참조하여 설명함에 있어, 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 도면번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
본 개시의 순서는 다음과 같다.
섹션 I에서는, 본 발명의 개략적인 소개가 이루어진다.
섹션 II에서는, 2종류의 모든 타입의 사용자들을 서빙하기 위한 BS 서비스 계획을 제안하고, BS 안테나 기울기 각도에 의해 영향을 받는 BS 안테나 전력 이득과 채널 모델을 설명한다. 그리고, BS 결합 룰을 설명한다.
섹션 III에서는, 일반적인 환경과 노이즈-제한된 환경 각각에서 제안된 BS 서비스 계획에 대한 네트워크 중단 확률을 도출한다.
섹션 IV에서는, 다양한 네트워크 설계 파라미터들에 따라 네트워크 중단 확률을 평가할 수 있다. 그 후, 다양한 네트워크 파라미터들에서 IS-BS 계획의 성능과 ES-BS 계획의 성능을 비교한다.
I. 본 발명의 개략적 소개
본 개시 전체에서는 지상의 기지국이 지상 사용자 단말(GU: Ground User terminal)과 공중 사용자 단말(AU: Aerial User terminal) 모두를 서빙하는 경우의 UAV 다운링크 네트워크를 고려하고, 보다 구체적으로, 기지국(BS: Base Station)의 안테나 기울기 각도와 BS와 사용자 단말 사이의 수평 거리의 함수인 BS 안테나 전력 이득을 먼저 도출할 수 있다.
또한, 본 개시에서는 GU와 AU 모두를 효율적으로 서빙하기 위한 BS 서비스 계획을 도입하고, LoS와 NLoS 환경에서 상이한 채널 컴포넌트들을 고려하여 네트워크 중단 확률을 도출한다.
최종적으로, 본 개시에서는 네트워크 중단 확률 상의 다양한 시스템 파라미터들의 효과를 평가한다.
본 개시에 따른 기지국 제어 시스템의 주요 효과를 요약하면 아래와 같다.
- UAV 네트워크를 위한 두 타입의 BS 서비스 계획을 제안한다. 두 타입의 BS 서비스 계획은 포괄적 서비스 BS (IS-BS) 계획 및 배타적 서비스 BS (ES-BS) 계획이다.
- BS 안테나 기울기 각도 및 BS와 사용자 사이의 수평 거리의 함수로서 BS 안테나 전력 이득을 모델링하고, BS 안테나 전력 이득의 특징들을 고려하여 BS 결합 규칙(BS Association Rule)을 고려한다.
- 각각의 BS 서비스 계획에 있어서, LoS와 NLoS 환경에서의 채널 페이딩(Channel Fadings)과 BS 안테나 전력 이득의 특징들을 고려하여 BS 채널 네트워크 중단 확률을 도출한다.
- 제안된 BS 서비스 계획들에 대하여, BS 밀도, 간섭 BS 밀도, BS 높이, AU 높이, BS 안테나 기울기 각도와 같은 다양한 네트워크 설계 파라미터들이 네트워크 성능에 미치는 영향을 본다. 그 후, IS-BS 계획 및 ES-BS 계획 중 어떤 계획이 더 나은 네트워크 중단 확률을 달성하기 위해 더 바람직한지를 탐색한다.
한편, 본 개시에서 사용하는 표기들에 대해서 하기와 같이 정의를 한다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000008
: GU(i=G)와 AU(i=A)에 대한 사용자 단말 타입의 인덱스
rk: k번째 사용자 단말과 k번째 사용자 단말을 서빙하는 BS 사이의 수평 거리
hk: k번째 사용자 단말의 높이
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000009
: k번째 사용자 단말과 BS 사이의 링크의 채널 페이딩 이득
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000010
: BS의 안테나 기울기 각도
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000011
: LoS 환경(v=L)과 NLoS 환경(v=N)에 대한 인덱스
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000012
: 주어진 rk에 대한 LoS 확률
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000013
: 주어진 rk 및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000014
에 대한 안테나 방사(radiation) 패턴
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000015
: i-타입 사용자 단말에 대한 BS의 하한(Lower Bound) 커버리지 거리
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000016
: i-타입 사용자 단말에 대한 BS의 상한(Upper Bound) 커버리지 거리
Pt : BS의 송전 전력
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000017
: 타겟 SINR/SNR
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000018
: 주어진 vdp 대한 BS와 k번째 사용자 단말 사이의 거리-의존 경로 손실
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000019
:IS-BS 계획(s=IS)과 ES-BS 계획(s=ES)에 대한 인덱스
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000020
: BS 결합 기준의 인덱스로서 na는 가장 가까운 BS 결합 규칙, sa는 가장 강한 BS 결합 규칙
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000021
:주어진 s 및 a에 대한 k번째 사용자 단말과 서빙 BS 사이의 수평 거리의 PDF(Probability Distribution Function)
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000022
: 총 사용자 단말들에 대한 사용자 세트들
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000023
의 비율
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000024
: 총 BS들에 대한 i-타입 사용자 단말용의 BS들의 비율
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000025
: 일반 환경에서 주어진 s에 대한 네트워크 중단 확률
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000026
: 노이즈-제한된 환경에서 주어진 s에 대한 네트워크 중단 확률
도 1은 본 개시의 일 실시예에 따른 기지국 안테나 기울기 각도 최적화 장치가 동작하기 위한 네트워크 환경을 개략적으로 도시한다.
본 개시의 네트워크 환경에는 복수의 기지국들, 복수의 단말들, 기지국과 단말들 사이의 통신에 장애가 될 수 있는 건물들, 및 도 1에는 도시되어 있지 않지만, 기지국들의 동작을 제어하는 중앙 서버가 배치될 수 있다.
도 1의 예에서, 중앙 서버가 제어하는 네트워크는 3개의 영역(A, B, C)으로 이루어지고, 각각의 영역에는 복수의 기지국들이 배치되고, 복수의 단말들이 이들 기지국과 통신을 수행한다.
영역 A에는 IS-BS 계획에 따른 기지국들(100A-1, 100A-2, 100A-3)이 설치되어 있고, 각각의 기지국은 GU 및 AU 모두와 통신하도록 설계된 기지국이며, 도 1에서는 GU들(210a, 210b) 및 AU들(230a, 230b)과 통신한다.
영역 B 및 영역 C에는 ES-BS 계획에 따른 기지국들이 설치되며, GU와의 통신을 위한 전용 기지국들(100B-1, 100B-2. 100B-3) 및 AU와의 통신을 위한 전용 기지국들(100C-1, 100C-2, 100C-3)을 포함할 수 있다.
기지국(100B-1, 100B-2, 100B-3)은 GU와만 통신하는 기지국으로서, 각각 GU(210e), GU(210d), GU(210c)와 통신하고, 기지국(100C-1, 100C-2, 100C-3)은 AU와만 통신하는 기지국으로서, 각각 AU(230c), AU(230d), AU(230e)와 통신할 수 있다.
도 1에서 점선으로 표시된 선은 BS와 GU의 링크를 표시하고, 실선으로 표시된 선은 BS와 AU의 링크를 표시한다. 또한, LoS(Line-of-Sight) 환경에서 연결되는 경우에는 굵은 선으로 표시하고, NLoS(Non-Line-of-Sight) 환경에서 연결되는 경우는 얇은 선으로 표시한다.
도 1에서는 도시되지 않았으나, 네트워크 영역들에 배치된 기지국들의 동작을 제어하기 위한 중앙 서버가 네트워크 영역 내부 또는 외부에 배치될 수 있다. 중앙 서버는 각각의 기지국에 유무선으로 연결되어 서로 신호 또는 명령을 주고받을 수 있다.
예를 들어, 중앙 서버가 제어하는 기지국들이 커버하는 영역을 중앙 서버의 네트워크라고 칭할 수 있다.
중앙 서버는 각각의 기지국으로부터 신호를 수신하여 네트워크 영역(예를 들어, 중앙 서버가 영역 A 내의 기지국을 관리한다면 영역 A의 네트워크, 중앙 서버가 복수의 영역 B, C 내의 기지국들을 관리한다면 영역 B,C의 네트워크) 내의 기지국의 밀도, 기지국의 높이, 셀 내에서 통신하는 단말들의 밀도 및 단말들의 높이에 대한 정보를 수집할 수 있다.
또한, 중앙 서버는 네트워크 내의 환경 파라미터를 수집할 수 있다. 이러한 네트워크 환경 파라미터는 별도의 조사를 통해 정리되어 중앙 서버의 데이터베이스에 미리 저장된 것일 수도 있고, 네트워크 내의 기지국들과의 통신을 통해 수신하여 수집될 수도 있다.
여기서, 네트워크 환경 파라미터는 네트워크 영역 내에서 건물이 차지하는 면적의 비율, 네트워크 영역 내의 건물의 수, 네트워크 영역 내의 건물의 평균 높이를 포함할 수 있다. 네트워크 환경 파라미터는 이에 더하여 건물의 밀도, 건물 높이의 표준 편차 등을 더 포함할 수 있다.
중앙 서버는 수집된 정보에 기초하여 네트워크 내의 통신 성능을 최적화하기 위한 기지국의 동작 조건을 계산하고, 기지국들로 신호를 보내 각각의 기지국이 통신하는 모드 및 각각의 기지국 안테나의 기울기 각도를 조정할 수 있다.
중앙 서버는 기지국들과 통신할 수 있는 통신부, 데이터를 저장할 수 있는 메모리, 메모리와 연결되고 메모리에 포함된 컴퓨터 판독가능한 명령들을 실행하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함할 수 있다.
한편, 중앙 서버는 기지국들과는 별개로 존재하는 형태로 구현될 수도 있고, 복수의 기지국들 중 하나에 설치되어 전체 기지국들의 동작을 제어하도록 구현될 수도 있고, 각각의 기지국에 설치되어 각각의 기지국의 동작을 제어하도록 구현될 수도 있다.
본 실시예에서 프로세서는 기지국에 전송해야할 동작 정보들을 생성할 수 있다. 프로세서(processor)는 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기에서, '프로세서(processor)'는, 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다.
이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
메모리는 자기 저장 매체(magnetic storage media) 또는 플래시 저장 매체(flash storage media)를 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 이러한 메모리는 내장 메모리 및/또는 외장 메모리를 포함할 수 있으며, DRAM, SRAM, 또는 SDRAM 등과 같은 휘발성 메모리, OTPROM(one time programmable ROM), PROM, EPROM, EEPROM, mask ROM, flash ROM, NAND 플래시 메모리, 또는 NOR 플래시 메모리 등과 같은 비휘발성 메모리, SSD. CF(compact flash) 카드, SD 카드, Micro-SD 카드, Mini-SD 카드, Xd 카드, 또는 메모리 스틱(memory stick) 등과 같은 플래시 드라이브, 또는 HDD와 같은 저장 장치를 포함할 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시예에 따른 기지국을 제어하기 위한 중앙 서버의 메모리에는 이하에서 설명될 방법을 수행하기 위한 명령어들을 포함하며 이와 관련된 프로그램들이 저장되어 있을 수 있다.
메모리에 저장된 명령어들 또는 프로그램은 프로세서로 하여금 기지국 운영 정책에 따라 기지국을 제어하기 위한 신호들을 생성하기 위한 동작들을 수행하도록 할 수 있다.
II. 시스템 모델
본 개시는 UAV 네트워크의 네트워크 모델과 채널 모델을 설명한다. 더 나아가, BS 서비스 계획들에 따른 안테나 전력 이득 및 BS 결합 규칙을 설명한다.
A. 네트워크 모델
본 개시는 BS와, 지상 사용자 단말들(GU), 공중 사용자 단말들(AU)이 랜덤하게 공간 도메인에서 분포되는 UAV 다운링크 네트워크를 고려한다. BS들의 위치는 밀도 λB를 가지는 균질한 포아송 포인트 프로세스 ΦB(Homogeneous Poisson Point Process(HPPP) ΦB)에 의해 모델링될 수 있다.
사용자 단말들의 위치는 밀도 λi를 가지는 HPPP Φu,i에 의해 모델링될 수 있으며, 여기서 i∈{G, A}는 사용자들의 타입이다. 여기서 i=G는 지상 사용자 단말을 의미하고, i=A는 공중 사용자 단말을 의미한다.
이하에서 설명될 도 2에서 도시되는 바와 같이, k번째 사용자의 높이는 hk이고, k∈UG인 경우 hk=hG이고, k∈UA인 경우 hk=hA이다. 여기서, UG는 GU의 사용자 인덱스 세트이고 UA는 AU의 사용자 인덱스 세트이다.
본 개시에서는 도 1에서 도시된 바와 같은 2개 타입의 BS 서비스 계획들을 제안한다.
포괄적 서비스 기지국(IS-BS) 계획: 이 계획에서는 BS가 GU와 AU 모두를 동시에 서빙한다. 따라서, IS-BS 계획에서, BS의 안테나 기울기 각도는 GU와 AU 모두를 효율적으로 서빙하도록 설계되어야 한다. 이 계획에서는 오직 한 타입의 BS들만 존재하고 BS의 총 밀도는 λB 로 주어진다.
배타적 서비스 기지국(ES-BS) 계획: 이 계획에서는 BS들이 2개의 그룹으로 나누어지는데, GU를 위한 BS 그룹인 BSG와 AU를 위한 BS 그룹인 BSA가 존재한다. BSG는 배타적으로 GU만을 서빙하고, BSA는 배타적으로 AU만을 서빙한다. 따라서, BSG의 안테나 기울기 각도와 BSA의 안테나 기울기 각도는 각각 목표한 사용자들을 효율적으로 서빙할 수 있도록 설계될 필요가 있다. 모든 BS들 중에서, BS들의 ρB,G만큼은 BSG들이 되고, BS들의 1-ρB,G 부분은 BSA가 된다. BSG들과 BSA들의 분포는 HPPP들, ΦB,G 및 ΦB,A로 모델링될 수 있으며, BSG들과 BSA들의 밀도는 각각 λES B,G=ρB,GλB와 λES B,A=(1-ρB,G)λB가 될 수 있다.
BS 서비스 계획과는 무관하게, BS 안테나의 높이는 hB이고, BS들의 송신 전력은 Pt로 설정될 수 있다.
B. 채널 모델
UAV 통신에 있어서, LoS와 NLoS 환경 모두는 BS와 GU 사이의 링크뿐만 아니라 BS와 AU 사이의 링크에 대해서도 고려될 수 있다. 주어진 hB와 hk가 있을 때, 도시적 환경에서 BS와 k번째 사용자 사이의 LoS 링크를 형성하는 확률은 다음과 같이 주어진다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000027
여기서, BS와 k번째 사용자 사이의 수평 거리는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000028
이고 Q(x)는 Q-함수이며
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000029
로 주어진다. 여기서, μ, ν, ξ은 장애물의 높이 및 밀도에 의해 결정되는 환경 파라미터들이다.
NLoS 환경이 LoS 환경의 상호보완적(complementary) 이벤트이므로, BS와 k번째 사용자 사이의 NLoS 확률은
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000030
로 주어질 수 있다.
LoS 확률에 기초하여, 채널 페이딩(fading)은 LoS 또는 NLoS 페이딩 환경에 의해 결정될 수 있다. LoS 환경에 있어서, 채널 페이딩은 나카가미-m 페이딩(Nakagami-m fading)에 의해 모델링되며, 채널 이득의 분포는 감마 분포
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000031
에 의해 주어져서 하기의 식과 같이 모델링된다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000032
여기서
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000033
인 감마 함수이고, m은 나카가미-m 팩터로 양의 정수로 가정된다.
NLoS 환경에서, 채널 페이딩은 Rayleigh 페이딩에 의해 모델링되며, 채널 이득의 분포는 지수적(exponential) 분포에 의해 주어져서 하기의 식과 같이 모델링된다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000034
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000035
는 NLoS 환경의 평균 채널 이득이고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000036
=1 로 가정한다.
C. 수직 안테나 이득(Vertical Antenna Gain)
BS의 안테나 전력 이득은 수평 방향 안테나 이득과 수직 방향 안테나 이득의 2종류의 전력 이득에 의해 결정된다. 수평 방향 안테나 이득은 수평 안테나 패턴에 의해 결정될 수 있다. 본 개시에서는 수평 방향으로 있는 전방향 안테나를 고려하므로 수평 방향 안테나 이득이 안테나의 방향과 관계 없이 상수로 유지될 수 있다. 여기서, 수평 방향 안테나 이득은 유닛 이득(unit gain)과 동일하다고 가정된다.
본 개시에서는, GU들 뿐만 아니라 AU들을 위한 수직 안테나 기울기 각도의 설계를 도출하고, 수직 방향에 있는 지향성 안테나를 고려한다.
도 2는 본 개시의 일 실시예에 따른 단말들과 통신하는 기지국의 안테나 기울기 각도를 설명하기 위한 도면이다.
도 2에서 도시된 바와 같이 기지국(100)의 상부에는 안테나가 배치되고, 안테나는 기계적인 수단 또는 전자적인 수단을 통해 기울기가 변경될 수 있다. 도 2에서 안테나가 기울어진 각도는 수평면을 기준으로
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000037
로 표시된다.
기지국(100)이 배치된 위치의 수평면을 기준으로 GU(210)와 이루는 각도는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000038
로 표시하고, 기지국(100)이 배치된 위치의 수평면을 기준으로 AU(230)와 이루는 각도를
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000039
로 표시한다.
도 2에서 도시된 바와 같이, 수직 방향 안테나 이득은 수직 안테나 기울기 각도, -90o < θt < 90o 에 의해 결정되고, 이러한 각도는 수평면에 대하여 위로 또는 아래로 기울어진 각도이다.
여기서, BS 안테나 기울기 각도가 위로 기울어지면, 즉 BS 안테나의 수평면에 대하여 위로 기울어지면 BS 안테나 기울기 각도는 음의 값이고, 반면에, BS 안테나 기울기 각도가 아래로 기울어지면, 즉 BS 안테나의 수평면에 대하여 아래로 기울어지면 BS 안테나 기울기 각도는 양의 값인 것으로 정의된다.
한편, BS 안테나를 기울이는 방식은 전기적 틸팅(tilting)과 기계적 틸팅의 2가지 타입이 있다. 기계적 틸팅은 BS의 안테나를 물리적으로 회전시키는 것이고, 전기적 틸팅은 어레이(array) 내의 모든 안테나 엘리먼트들에 전체 페이즈 시프ㅌ(phase shift)를 적용하는 것이다.
도 3은 본 개시의 일 실시예에 따라 안테나 기울기 각도가 제어되는 기지국을 도시한다.
기지국(100)은 기지국 몸체(110), 기지국 제어부(120) 및 안테나(130)를 포함할 수 있고, 기지국 제어부(120)는 통신부(121), 메모리(123), 프로세서(125), 및 각도 제어부(127)를 포함할 수 있다.
안테나(130)는 도 2 및 3에서는 기지국 몸체(110)의 상부에 배치된 것으로 도시되었으나, 기지국 몸체(110)의 측면 등 상부 외의 장소에도 발명의 실시형태에 따라 다양하게 배치될 수 있다.
기지국 제어부(120)는 기지국(100)의 전반적인 동작을 제어하는 곳으로, 특히 본 발명의 실시예에 따른 기지국 제어부(120)는 기지국 안테나(130)의 기울기 각도를 제어하는 각도 제어부(127)를 포함할 수 있다.
기지국 제어부(120)는 중앙 서버와 통신하는 통신부(121)를 포함하여, 중앙 서버로부터 기지국의 동작 제어와 관련된 여러 지시를 수신할 수 있다. 또한, 기지국(100)은 통신부(121)를 통하여 기지국(100)이 배치된 네트워크의 환경 및 상태와 관련된 다양한 정보를 중앙 서버로 송신할 수 있다.
기지국(100)의 메모리(123)에는 기지국 동작 제어와 관련된 여러가지 정보, 네트워크 환경에 대한 여러가지 정보, 통신 정책과 관련된 여러가지 정보를 저장할 수 있다.
프로세서(125)는 기지국의 동작 제어를 위한 여러가지 연산을 할 수 있으며, 이러한 연산의 결과에 따라 예를 들어, 각도 제어부(127)를 통해 안테나(130)의 기울기를 변화시키는 등의 동작을 수행하게 할 수 있다.
기지국 제어부(120)는 후술되는 방법들을 수행하는 주체가 될 수도 있고, 후술된 방법들에 의해 결정된 사항을 중앙 서버로부터 수신하여 이를 실행하만 하는 주체가 될 수도 있으며, 중앙 서버로부터 수신된 정보를 기초로 후술된 방법들 중 일부의 단계를 수행하는 주체가 될 수도 있다.
안테나 기울기 각도를 결정하기 위한 단계 중 일부로서, k번째 사용자 단말에 대해 주어진 rk에 대하여, BS 안테나 이득 G(rk, θt)는 기울기 각도의 함수로 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000040
여기서 θ3dB = 10o 는 3dB 빔폭이고 A는 메인 로브(main lobe) 옆의 사이드 로브(side lobe)로의 최소 전력 누수를 의미하며, 이는 보통 20dB이다. 수학식 4에서 θ(rk)는 BS 안테나와 k번째 사용자 사이의 앙각(elevation angle)으로 아래와 같이 주어진다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000041
여기서 hk - hB 는 BS와 k번째 사용자 사이의 높이 차이이고, 일반성을 잃지 않으면서 AU들의 높이는 BS들의 높이보다 높고(즉, hA-hB > 0) GU들의 높이는 BS들의 높이보다 낮다(즉, hG-hB < 0)고 가정할 수 있다.
수학식 4에서 주어진 θt에 대하여 BS 안테나 이득이 A에 의해 메인 로브 영역과 사이드 로브 영역으로 분리되기 때문에, 수학식 6과 같이
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000042
를 이루는 바운더리들(boundaries)을 획득할 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000043
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000044
이고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000045
는 2개의 값들을 가지며, 2개의 값들은
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000046
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000047
이다. 여기서
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000048
는 i-타입 사용자와 BS 사이의 수평 거리의 상한(upper boundary)이고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000049
는 i-타입 사용자와 BS 사이의 수평 거리의 하한(lower boundary)으로 정의될 수 있다(
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000050
). 모든 GU들은 동일한 바운더리를 가지고 모든 AU들은 서로 동일한 바운더리들을 가질 수 있고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000051
이고
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000052
이며(k∈Ui), 여기서 하기의 수학식 7 내지 10의 조건을 갖는다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000053
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000054
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000055
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000056
수학식 7 내지 10에서, 바운더리들
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000057
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000058
는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000059
가 각각의 조건을 만족하는 경우에 양의 값으로 정의될 수 있다. 분석의 편의를 위하여 수학식 7 내지 10에서의 바운더리들에 따라 수학식 4의
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000060
를 수학식 11과 같이 다시 작성할 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000061
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000062
는 안테나 사이드 로브 이득이고
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000063
는 안테나 메인 로브 이득이다. 여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000064
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000065
이고
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000066
이다.
수학식 11로부터, 안테나 수직 전력 이득
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000067
가 범위
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000068
에서
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000069
의 증가 함수라는 것을 알 수 있고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000070
가 범위
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000071
에서
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000072
의 감소 함수라는 것을 알 수 있다. 이것은 수직 안테나 기울기 각도가 BS와 사용자 단말 사이의 앙각(elevation angle)에 접근할수록 메인 로브의 효과가 우세하게 되고, 안테나 기울기 각도가 앙각과 동일할 때(즉,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000073
인 경우) 메인 로브의 효과가 최대가 되기 때문이다.
D. BS 결합 규칙
UAV 네트워크에서, BS 결합은 LoS 확률을 고려하면서 거리-의존적인 경로 손실과 채널 페이딩 이득(channel fading gain)에 의해 결정될 수 있다. 그러나, 본 개시의 네트워크에서는, 서빙 BS(Serving BS)와 k번째 사용자 단말 사이의 수평 거리에 의해 영향을 받는 안테나 이득
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000074
또한 BS 결합에 영향을 줄 수 있다. BS 결합 규칙을 설명하기 위해서, LoS 링크와 NLoS 링크를 k 번째 사용자 단말과 형성하는 BS를
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000075
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000076
로 지칭할 수 있다. 그리고, 각각의
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000077
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000078
를 수학식 11에서의 BS 안테나 전력 이득
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000079
에 따라 3개의 그룹으로 수학식 12와 같이 나눌 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000080
여기서
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000081
는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000082
에 의해 결정되는 BS 그룹들의 인덱스이고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000083
이다. 수학식 11 및 12로부터
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000084
또는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000085
인 BS들이 사이드 로브 이득으로 송신하고
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000086
인 BS들이 메인 로브 이득으로 송신한다는 것을 알 수 있다.
먼저, 사용자 단말과
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000087
인 BS 사이의 거리의 분포를 시험하면,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000088
인 BS들 중 가장 가까운 BS로의 수평 거리는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000089
로 표시될 수 있다. 여기서, LoS 확률에 따라서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000090
의 밀도 함수는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000091
에 의해 주어질 수 있다. 따라서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000092
인 BS들에 대해서
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000093
의 보완적 누적 분포 함수(CCDF; Complementary Cumulative Distribution Function)는 수학식 13과 같이 획득될 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000094
여기서 (a)는 F. Baccelli 및 B. Blaszczyszyn의 Stochastic Geometry and Wireless Networks, Volume II - Applications, ser. Foundations and Trends in Netowrking. (NoW Publishers, 2009)에서의 보이드 확률(Void Probability)로부터 나온 것이고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000095
는 j=1 이면
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000096
로 주어질 수 있고, 다른 경우에는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000097
일 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000098
는 k번째 사용자 단말을 서빙할 수 있는 BS들의 밀도이고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000099
일 때
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000100
일 수 있다. 여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000101
는 BS 서비스 계획의 인덱스일 수 있다. 수학식 13을 미분함으로써
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000102
의 확률 분포 함수(PDF)를 수학식 14와 같이 획득할 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000103
여기서
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000104
인 경우
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000105
이다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000106
는 BS 결합 기준의 인덱스로서 표시된다. 여기서, a=na 및 a=sa 는 각각 가장 가까운 BS 결합 규칙과 가장 강한 BS 결합 규칙을 가리킨다.
1) 가장 가까운 BS 결합 규칙: 가장 가까운 BS 결합 규칙(a=na)에서, k번째 사용자 단말과 서빙 BS 사이의 수평 거리는 가장 작은 값을 갖는다. 따라서, 서빙 BS가
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000107
로 존재하고 서빙 BS와 k번째 사용자 단말 사이의 수평 거리는 r보다 작을 확률은 수학식 15에 의해 주어질 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000108
여기서 (a)는 주어진 j 및 v에 대해서 서빙 BS와 사용자 단말 사이의 수평 거리는 다른 후보자들보다 더 짧게 된다는 사실로부터 나온다.
2) 가장 강한 BS 결합 규칙: 가장 강한 BS 결합 규칙(a=sa)에서, 메인 링크는 가장 강한 평균 수신 전력을 가지고, 그러므로, 서빙 BS가
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000109
로 존재하고 서빙 BS와 k번째 사용자 단말 사이의 수평 거리는 r보다 작을 확률은 수학식 16에 의해 주어질 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000110
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000111
로 주어졌을 때, 수학식 15 및 16으로부터 결합 확률
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000112
을 수학식 17과 같이 획득할 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000113
따라서, k번째 사용자 단말이 채널 환경 v 하의 j 그룹의 BS와 결합되는 경우, 즉
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000114
인 경우, BS와 사용자 단말
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000115
사이의 수평 거리의 누적 분포 함수(CDF; Cumulative Distribution Function)는 수학식 18과 같이 주어질 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000116
수학식 18을 미분하면,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000117
의 PDF를 수학식 19와 같이 획득할 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000118
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000119
는 가장 강한 결합 규칙을 이용하는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000120
의 PDF로 정의될 수 있으나, 안테나 전력 이득의 항 때문에 수학식 16의 폐쇄-형태 표현(Closed-form Expression)을 획득할 수 없다.
그러나, 섹션 IV에서는 가장 강한 결합의 성능과 가장 가까운 결합의 성능이 유사한 트렌드를 보이고, 이것이 가장 가까운 결합의 분석을 가장 강한 결합의 경우를 설계하는 데에도 이용할 수 있다는 의미임을 설명할 것이다.
III. 중단 확률 분석
본 섹션에서는, IS-BS와 ES-BS, 두 가지 BS 서비스 계획 모두에 대하여 GU와 AU가 존재하는 경우에 네트워크 중단 확률을 도출한다. 중단 확률은 2가지 경우에 대해 제시되는데, 섹션 III-A에서는 일반적인 환경의 경우를, 섹션 III-B에서는 노이즈-제한된 환경의 경우를 제시한다.
A. 일반적인 환경
여기서, 이용가능한 주파수 자원은 N 개의 서브밴드들로 나누어지고, 이에 따라서, 간섭 BS들은 동일한 주파수의 서브밴드를 사용하는 것으로 고려된다. 여기서, 간섭 BS들은 밀도
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000121
를 가지고 HPPP
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000122
로 랜덤하게 분포된다. 따라서, k번째 사용자 단말이 서빙 BS
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000123
와 결합되어 있는 경우,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000124
는 간겁 BS들이 된다. 이러한 가정 하에, BS가 k번째 사용자 단말과 통신하는 경우, 사용자 단말에서의 신호대 잡음-더하기-노이즈 비(SINR; Signal-to-Inteference-plus-Noise Ratio)는 다음과 같이 주어질 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000125
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000126
이고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000127
는 노이즈 파워이고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000128
는 간섭이다. k번째 사용자와 간섭 BS 사이의 수평 거리는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000129
로 표시될 수 있다. 수학식 20에서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000130
,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000131
은 LoS와 NLoS 링크들에 대한 BS와 k번째 사용자 단말 사이의 거리-독립적인 경로 손실이다. 여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000132
과
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000133
은 LoS 링크와 NLoS 링크의 경로 손실 지수이다.
주어진
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000134
에 대해 수학식 20의 SINR을 사용하면, k번째 사용자 단말에서의 중단 확률은 다음과 같이 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000135
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000136
은 타겟 SINR이고
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000137
는 타겟 데이터 레이트이고 W는 각각의 사용자 단말에게 할당되는 대역폭(bandwidth)이다.
다음의 정리(theorem)에서, 네트워크 중단 확률을 구할 수 있다. 여기서, BSG의 안테나 기울기 각도는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000138
이고, BSA의 안테나 기울기 각도는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000139
이다. IS-BS 계획에서는, 모든 BS가 GU와 AU 모두를 서빙하기 때문에
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000140
와 같이 하나의 안테나 기울기 각도를 가질 수 있다.
정리 1: IS-BS(s=IS) 및 ES-BS(s=ES) 계획에 대하여, 네트워크 중단 확률은 BS 안테나 기울기 각도 (
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000141
,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000142
)의 함수로 아래와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000143
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000144
는 전체 사용자 단말들의 밀도와 i-타입 사용자 단말들의 밀도의 비율이고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000145
는 수학식 19에 의해 주어진다. 수학식 22에서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000146
는 채널 환경 v 하에서, 거리 r과 기울기 각도
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000147
를 가지고 사용자 단말이 j-그룹 BS에 결합되는 경우 중단 확률로서 하기와 같이 주어진다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000148
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000149
는 간섭 및 노이즈의 합의 라플라스 변환으로 하기와 같이 주어질 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000150
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000151
는 간섭의 라플라스 변환으로 수학식 25와 같이 주어질 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000152
수학식 25에서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000153
이다.
증명: GU와 AU의 주어진 비율,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000154
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000155
에 대하여, 네트워크 중단 확률은 하기와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000156
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000157
는 i-타입 사용자 단말들의 네트워크 중단 확률이고, (a)는 전체 확률의 법칙으로부터 나온다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000158
이고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000159
와
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000160
가 주어지는 경우에, 수학식 21로부터
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000161
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000162
는 각각 k번째 사용자 단말에 대한 LoS 링크와 NLoS 링크의 중단 확률들이며, 하기와 같이 주어질 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000163
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000164
수학식 27 및 28에서, (a)와 (c)는 감마 분포와 지수 분포의 CDF(cumulative distribution function)에 의해 나오고, (b)는 정수 값인 m에 대한 불완전 감마 함수의 정의로부터 나올 수 있다. 수학식 27 및 28로부터, 라플라스 변환의 속성을 적용함으로써, 수학식 23을 얻을 수 있다. 수학식 23에서
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000165
이고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000166
는 아래와 같이 주어질 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000167
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000168
는 결합되는 BS의 위치이고, (a)는 감마 분포와 지수 분포의 라플라스 변환으로부터 나올 수 있다. 수학식 29에서, PGFL(Probability Generating Functional)을 적용함으로써, 수학식 25를 획득할 수 있다. 수학식 26에서
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000169
에 대해
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000170
를 평균화하면, 하기의 수학식 30을 얻을 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000171
여기서, (a)는 수학식 12에서
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000172
의 정의로부터 나온다. 수학식 30에서
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000173
이고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000174
이며,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000175
이다. 수학식 30을 수학식 26에 대입하면 수학식 22를 얻을 수 있다.
정리 1로부터, 일반적인 환경에서, LoS와 NLoS 환경에 대한 상이한 채널 페이딩을 고려하며, 2개 타입의 BS 서비스 계획에 대한 네트워크 중단 확률을 획득할 수 있다.
B. 노이즈-제한된 환경
본 서브섹션에서는, 노이즈 파워가 간섭 신호의 수신 파워보다 우세한 경우, 즉 노이즈-제한된 환경인 경우의 UAV 네트워크를 고려한다. 따라서, I=0으로 가정하면서 네트워크 중단 확률을 제공할 수 있다.
노이즈-제한된 환경에서, 주어딘
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000176
에 대하여, k번째 사용자 단말에서의 중단 확률은 하기와 같이 정의될 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000177
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000178
는 I=0을 대입함으로써 수학식 20으로부터 획득될 수 있다.
다음의 법칙(Corollary)에서, GU와 AU의 비율에 따라서 네트워크 중단 확률을 구할 수 있다.
법칙 1: 노이즈-제한된 환경에서, 네트워크 중단 확률은 BS 안테나 기울기 각도
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000179
의 함수에 의해 하기와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000180
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000181
는 수학식 19에서 주어지고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000182
는 하기 수학식 33에 의해 주어질 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000183
증명: 수학식 27 및 28 각각에서
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000184
를 대입하고, 감마 분포 및 지수 분포의 CDF를 적용함으로써 수학식 33을 획득할 수 있다. 수학식 30에서
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000185
를 대체하고 수학식 26을 이용함으로써, 수학식 32를 획득할 수 있다.
법칙 1에서, 노이즈-제한된 환경에 대하여 IS-BS 및 ES-BS 계획들의 네트워크 중단 확률을 획득할 수 있으며, 이들은 각각
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000186
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000187
로 표시될 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000188
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000189
를 최소화시키는 IS-BS 및 ES-BS 계획들에 대한 BS 안테나 기울기 각도의 최적 값들을 각각
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000190
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000191
라 할 수 있다(여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000192
).
다음 법칙에서, IS-BS 계획과 ES-BS 계획을
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000193
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000194
에 관하여 비교할 수 있다.
법칙 2: BS들의 밀도가 무한대에 접근하는 경우(즉,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000195
), 최적화된 BS 기울기 각도를 가지는 ES-BS 계획의 네트워크 중단 확률은 IS-BS 계획의 네트워크 중단 확률 이하일 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000196
증명:
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000197
가 ∞에 접근하는 경우,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000198
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000199
는 ∞에 접근할 수 있다. 따라서, 수학식 19에서, BS 서비스 계획의 타입에 관계 없이, k번째 사용자 단말과 서빙 BS 사이의 수평 거리의 PDF는 유사해질 수 있다. 즉,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000200
이다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000201
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000202
를 수학식 30에 대입하고, 최적화된 BS 기울기 각도를 적용하면, IS-BS 및 ES-BS 계획들에 대한 i-타입 사용자 단말들의 네트워크 중단 확률들인,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000203
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000204
는 하기와 같이 표현될 수 있다.
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000205
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000206
이다. 수학식 35에서, ES-BS 계획의
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000207
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000208
가 각각 GU 및 AU에 대한 최적화된 값들이기 때문에
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000209
(
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000210
)를 항상 획득할 수 있다. IS-BS 계획에서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000211
는 모든 타입의 사용자 단말들에 대해 전체 네트워크 중단 확률을 최소화하기 위한 최적화된 값이다. 따라서, 수학식 26으로부터 수학식 34를 결론으로 얻을 수 있다.
법칙 2로부터, BS의 밀도가 충분히 큰 경우, ES-BS 계획은 네크워크 중단 확룰에 관하여 IS-BS 계획을 능가할 수 있다. 따라서, BS의 수가 충분히 큰 경우에, BS 기울기 각도를 독립적으로 최적화함으로써 GU들과 AU들을 배타적으로 서빙하는 것이 바람직할 수 있다. 섹션 IV에서는, 시뮬레이션 결과들을 통해 상술된 내용을 증명할 수 있다.
도 4는 본 개시의 일 실시예에 따른 기지국의 안테나 기울기 각도를 최적화하기 위한 방법을 설명하는 흐름도이다.
상술된 바와 같이 네트워크 내의 기지국들을 제어하는 중앙 서버 또는 네트워크 내의 기지국들을 제어하는 중앙 기지국에서는 각종 네트워크 정보를 입력받거나 측정할 수 있다(S100).
예를 들어, 중앙 서버는 기지국들로부터 각종 네트워크 정보를 수신할 수 있다. 중앙 서버는 네트워크 영역 내의 기지국들의 수와 밀도, 사용자 단말들의 수와 밀도(지상 사용자 단말, 공중 사용자 단말을 구분 가능), 기지국들의 높이, 사용자 단말의 높이, 네트워크 환경 파라미터에 대해 네트워크 영역 내의 기지국들 및/또는 사용자 단말들과 통신하여 수집할 수 있다. 여기서, 네트워크 환경 파라미터는 네트워크 영역 내에서 건물들이 차지하는 면적의 비율, 네트워크 영역 내의 건물의 밀도 또는 수, 네트워크 영역 내 건물들의 높이를 포함할 수 있다.
다른 예에서, 중앙 서버는 일부의 정보는 기지국 및/또는 사용자 단말들과 통신하여 수집하고, 나머지 정보에 대해서는 중앙 서버의 데이터베이스에 미리 입력된 정보를 이용하여 수집할 수 있다.
측정된 네트워크에 대한 정보들에 기초하여 중앙 서버는 IS-BS 계획과 ES-BS 계획에 대한 연산을 시작한다(S210, S310).
IS-BS 계획 하에서는, 상술된 섹션에서 설명된 방식을 이용하여 IS-BS 계획에 따라 기지국이 모든 타입의 사용자 단말(지상과 공중을 포함)과 통신하는 경우를 가정하고, 수집된 정보들에 기초하여 기지국의 안테나 기울기 각도에 따른 제 1 네트워크 중단 확률의 함수인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000212
를 설정할 수 있다(S220).
여기서, 제 1 네트워크 중단 확률의 함수인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000213
는 네트워크 내의 기지국 및 사용자 단말의 밀도 정보 및 높이 정보, 네트워크 환경 파라미터 정보, 그리고 사용자 단말이 기지국에 결합할 확률에 따라 결정될 수 있다,
k번째 사용자 단말이 기지국에 결합하는 방식은 상술된 섹션에서 설명된 바와 같이 가장 가까운 기지국과 결합하는 경우(a=na)와 가장 강한 신호로 통신할 수 있는 기지국과 결합하는 경우(a=sa)가 있을 수 있다.
a=na인 경우, 중앙 서버의 프로세서는 네트워크 중단 확률을 연산할 때, 임의의 k번째 단말과 k번째 단말과 수평 거리가 가장 가까운 기지국이 결합할 확률을 연산한 후, 이러한 결합 확률과, 기지국 및 사용자 단말의 밀도 정보 및 높이 정보, 네트워크 환경 파라미터 정보에 기초하여 네트워크 중단 확률 함수를 설정할 수 있다.
a=sa인 경우, 중앙 서버의 프로세서는 네트워크 중단 확률을 연산할 때, 임의의 k번째 단말과 k번째 단말과 가장 강한 신호로 통신할 수 있는 기지국이 결합할 확률을 연산한 후, 이러한 결합 확률과, 기지국 및 사용자 단말의 밀도 정보 및 높이 정보, 네트워크 환경 파라미터 정보에 기초하여 네트워크 중단 확률 함수를 설정할 수 있다.
그 후, 중앙 서버의 프로세서는 네트워크 중단 확률 함수가 최소값을 가지게 하는 최적 각도인 안테나 기울기 각도를 연산하고, 최적 각도에 따라 네트워크 중단 확률을 도출할 수 있다.
통신 성능은 네트워크 중단 확률이 최소값을 가질 때 최적화되므로, 중앙 서버의 프로세서는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000214
를 최소화하는 최적 기울기 각도인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000215
를 결정할 수 있다(S230). 여기서, 최적 기울기 각도를 찾는 방식은 최적 값을 Closed Form으로 구할 수 없는 경우에는 전역 탐색 알고리즘(Exhaustive Search Algorithm)을 통하여 최적해를 구하도록 설계될 수 있다.
최적 기울기 각도인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000216
가 결정되면,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000217
가 연산될 수 있고(S240), 이것이 IS-BS 계획하에서 가장 좋게 달성될 수 있는 네트워크 중단 확률이 된다.
ES-BS 계획 하에서는, 상술된 섹션에서 설명된 방식을 이용하여 ES-BS 계획에 따라, 네트워크 내의 기지국들 중 제 1 그룹의 기지국은 공중 단말과 전용으로 통신하고 제 2 그룹의 기지국은 지상 단말과 전용으로 통신하는 경우에 수집된 정보에 기초하여 기지국들의 안테나 기울기 각도에 따른 제 2 네트워크 중단 확률의 함수인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000218
를 설정할 수 있다(S320).
여기서, 제 2 네트워크 중단 확률의 함수인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000219
는 네트워크 내의 기지국 및 사용자 단말의 밀도 정보 및 높이 정보, 네트워크 환경 파라미터 정보, 그리고 사용자 단말이 기지국에 결합할 확률에 따라 결정될 수 있다,
k번째 사용자 단말이 기지국에 결합하는 방식은 상술된 섹션에서 설명된 바와 같이 가장 가까운 기지국과 결합하는 경우(a=na)와 가장 강한 신호로 통신할 수 있는 기지국과 결합하는 경우(a=sa)가 있을 수 있다.
a=na인 경우, 중앙 서버의 프로세서는 네트워크 중단 확률을 연산할 때, 임의의 k번째 단말과 k번째 단말과 수평 거리가 가장 가까운 기지국이 결합할 확률을 연산한 후, 이러한 결합 확률과, 기지국 및 사용자 단말의 밀도 정보 및 높이 정보, 네트워크 환경 파라미터 정보에 기초하여 네트워크 중단 확률 함수를 설정할 수 있다.
a=sa인 경우, 중앙 서버의 프로세서는 네트워크 중단 확률을 연산할 때, 임의의 k번째 단말과 k번째 단말과 가장 강한 신호로 통신할 수 있는 기지국이 결합할 확률을 연산한 후, 이러한 결합 확률과, 기지국 및 사용자 단말의 밀도 정보 및 높이 정보, 네트워크 환경 파라미터 정보에 기초하여 네트워크 중단 확률 함수를 설정할 수 있다.
그 후, 중앙 서버의 프로세서는 네트워크 중단 확률 함수가 최소값을 가지게 하는 최적 각도인 안테나 기울기 각도인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000220
,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000221
를 연산하고, 최적 각도에 따라 네트워크 중단 확률을 도출할 수 있다.
IS-BS 계획의 경우와는 달리 ES-BS 계획 하에서는 지상 단말용 기지국과 공중 단말용 기지국 2종류의 기지국에 대해 각각 최적각을 산출해야만 할 뿐 아니라, 네트워크 내에서 지상 단말용 기지국과 공중 단말용 기지국의 최적 비율 또한 산출해내야 한다. 여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000222
는 총 BS들에 대한 지상 사용자 단말용의 BS들의 비율을 의미하며,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000223
는 총 BS들에 대한 지상 사용자 단말용 BS들의 최적 비율을 의미한다. 한편, 네트워크 내의 BS들은 지상 사용자 단말용 BS가 아니라면 공중 사용자 단말용 BS이므로, 총 BS들에 대한 지상 사용자 단말용 BS들의 최적 비율이 결정되면 총 BS들에 대한 공중 사용자 단말용 BS들의 최적 비율도 자동으로 결정될 수 있다.
안테나의 최적 기울기 각도와, 지상 단말용 기지국과 공중 단말용 기지국의 최적 비율은 일정한 단위로 전역 탐색 알고리즘(Exhaustive Search Algorithm)을 통하여 연산할 수 있다. 즉, 지상 단말용 기지국과 공중 단말용 기지국의 비율을 임의의 일정값으로 설정한 후, 해당 비율에서의 지상 단말용 기지국 안테나 최적 기울기 각도와 공중 단말용 기지국 안테나 최적 기울기 각도를 연산하고, 이러한 최적 기울기 각도에서의 1차 네트워크 중단 확률을 계산한다. 여기서, 임의의 일정값은 초기에 지상 단말의 밀도와 공중 단말의 밀도의 비율로 선택될 수 있다. 이후, 지상 단말용 기지국과 공중 단말용 기지국의 비율을 다른 값으로 설정한 후(이 경우, 예를 들어, 다른 값은 초기 비율에서 ±5% 변경된 값), 해당 비율에서의 지상 단말용 기지국 안테나 최적 기울기 각도와 공중 단말용 기지국 안테나 최적 기울기 각도를 연산하고, 이러한 최적 기울기 각도에서의 2차 네트워크 중단 확률을 계산한다.
이후, 1차 네트워크 중단 확률과 2차 네트워크 중단 확률을 비교하여, 중단 확률이 더 낮은 상황에서 선택된 안테나 기울기 각도를 최적 안테나 기울기 후보로 선택할 수 있다. 지상 단말용 기지국과 공중 단말용 기지국의 비율을 변경시키면서 이러한 과정을 반복하여 최종적으로 최적 안테나 기울기가 연산될 수 있다.
즉, ES-BS 환경(제 2 환경)에서 네트워크 중단 확률 함수의 최소값을 생성하는 지상 단말용 기지국들(제 1 그룹의 기지국들)의 최적 안테나 기울기 각도(제 2-1 최적 각도) 및 공중 단말용 기지국들(제 2 그룹의 기지국들)의 최적 안테나 기울기 각도(제 2-2 최적 각도)와 지상 단말용 기지국들과 공중 단말용 기지국들의 최적 비율을 결정하는 단계는, 지상 단말용 기지국과 공중 단말용 기지국의 비율을 해당 네트워크 내의 지상 단말의 밀도와 공중 단말의 밀도의 제 1 비율로 설정하는 단계, 및 지상 단말용 기지국과 공중 단말용 기지국이 제 1 비율인 것에 기초하여 네트워크 중단 확률이 최소가 되는 지상 단말용 기지국의 안테나 기울기 각도와 공중 단말용 기지국의 안테나 기울기 각도(1차 최적 기울기 각도)를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
이에 더하여, 최적 안테나 기울기 각도 및 최적 비율을 결정하는 단계는, 지상 단말용 기지국과 공중 단말용 기지국의 비율을 변경하면서 네트워크 중단 확률이 최소가 되는 지상 단말용 기지국의 안테나 기울기 각도와 공중 단말용 기지국의 안테나 기울기 각도를 결정하는 과정을 반복하고, 각 과정에서 산출된 최적 기울기 각도와 최적 비율에 의한 네트워크 중단 확률들을 비교하여 최종 최적 기울기 각도와 기지국 타입의 최적 비율을 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
중앙 서버의 프로세서는 상술된 섹션에서 설명된 방식을 통하여
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000224
를 최소화하는 최적 기울기 각도인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000225
,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000226
와 지상 단말용 기지국의 최적 비율인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000227
를 연산할 수 있다(S330, S340). 여기서, 최적 기울기 각도를 찾는 방식은 최적 값을 Closed Form으로 구할 수 없는 경우에는 전역 탐색 알고리즘(Exhaustive Search Algorithm)을 통하여 최적해를 구하도록 설계될 수 있다.
최적해인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000228
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000229
와
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000230
를 구하면 이에 기초하여 최적의 제 2 네트워크 중단 확률인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000231
를 연산할 수 있다(S350).
이후에, 중앙 서버의 프로세서는 IS-BS 계획 하에서 도출될 수 있는 최적 네트워크 중단 확률인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000232
와 ES-BS 계획 하에서 도출될 수 있는 최적 기울기 각도의 최적 네트워크 중단 확률인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000233
를 비교할 수 있다(S400).
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000234
가
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000235
보다 작다면 전체 네트워크의 성능 향상을 위해 IS-BS 계획이 보다 효과적이므로, 중앙 서버는 네트워크 내의 모든 기지국이 모든 타입의 사용자 단말과 통신할 수 있는 모드로 동작하게 하며, 모든 기지국의 안테나가
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000236
의 기울기 각도를 갖도록 명령 신호를 송신할 수 있다(S500).
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000237
가
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000238
이상이라면 전체 네트워크의 성능 향상을 위해 ES-BS 계획이 보다 효과적이므로, 중앙 서버는 네트워크 내의 기지국들 중
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000239
만큼의 기지국은 지상 단말 전용 기지국으로 설정하고, 1-
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000240
만큼의 기지국은 공중 단말용 기지국으로 설정하며, 지상 단말 전용 기지국은
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000241
의 안테나 기울기 각도를 갖도록 하고, 공중 단말용 기지국은
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000242
의 안테나 기울기 각도를 갖도록 하는 명령 신호를 송신할 수 있다(S600).
상술된 바와 같은 방식에 의하면 공중 단말 및 지상 단말이 모두 포함된 네트워크에 대해서, 공중 단말 및 지상 단말 모두가 최적의 통신 성능으로 동작할 수 있는 환경(예를 들어, 기지국의 통신 모드, 타입별 기지국의 비율, 기지국의 결합 모드, 기지국의 안테나 기울기 각도)을 준비할 수 있으며, 이에 따라 지상 단말 뿐만 아니라 공중 단말을 사용하는 사용자도 우수한 통신 환경을 경험할 수 있게 된다.
IV. 수리적 결과
본 섹션에서, 네트워크 중단 확률 상에서 네트워크 파라미터들, BS 안테나 기울기 각도, BS 밀도, 및 간섭 BS 밀도의 효과를 평가할 수 있다. 먼저 IS-BS 및 ES-BS 계획들 각각에 대한 네트워크 중단 확률을 보일 수 있다. 그리고, 제안된 BS 서비스 계획들의 성능을 비교할 수 있다.
도 5는 본 개시의 일 실시예에 따른 기지국 안테나 기울기 각도 최적화 장치 및 방법이 적용되는 통신 환경과 관련된 값들의 예시이다. 수리적 결과들에서, 도 5에서 주어진 시뮬레이션 파라미터들을 사용할 수 있다. R.I.B. Yanliniz, A. El-Keyi, 및 H. Yanikomeroglu, "Efficient 3-d placement of an aerial base station in next generation cellular networks," in Proc. IEEE Int. Conf. Commun, Kuala Lumpur, Malaysia, May 2016, pp. 1-5에서 제시된 밀집한 도시 환경 파라미터들인 μ.ν.ξ를 고려할 수 있다.
A. 지상 및 공중 사용자 단말들의 네트워크 중단 확률
이 서브섹션에서, GU들 및 AU들의 네트워크 중단 확룰들에 대한 BS 안테나 기울기 각도의 영향을 분석할 수 있다.
도 6은 상이한 채널 환경들과 BS 결합 규칙들에 대하여 BS 안테나 기울기 각도
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000243
의 함수로서 i-타입 사용자 단말의 네트워크 중단 확률,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000244
를 보여준다.
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000245
=0.5
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000246
를 사용한다. 도 6으로부터, 일반적인 환경에서 GU(i = G)들에 대하여
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000247
의 일정한 값까지는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000248
가 증가할수록
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000249
가 증가하다가 이후에는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000250
가 증가할수록
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000251
가 감소하는 것을 볼 수 있다.
이것은
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000252
가 증가할수록 GU에의 안테나 메인 로브 이득을 형성하는 간섭 BS들의 수가 증가하기 때문이다. 즉,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000253
가 증가할수록 GU가 더 큰 간섭을 받기 때문이다.
그러나, 상대적으로 큰
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000254
(예를 들어, 0˚<
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000255
<15˚)에 대하여, 바람직한 BS는 안테나 메인 로브 이득으로 GU로 가장 크게 신호를 전송할 수 있고, GU로의 안테나 메인 로브 이득으로 간섭하는 BS들의 수는 감소한다.
따라서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000256
는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000257
가 증가할수록 감소하게 된다. 더욱이,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000258
가 매우 큰 경우(예를 들어,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000259
>20˚)에는,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000260
가 증가할수록 바람직한 BS가 더 높은 확률로 GU에게 안테나 사이드 로브 이득으로 신호를 전송할 수 있다.
이러한 경우에, 메인 링크의 성능 손실이 우세해지고,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000261
는 다시 증가하게 된다. AU들의 경우에는(i = A), 경향성이 반대이고, 이유는 GU의 경우와 동일하다.
노이즈-제한적 환경에서, 간섭의 영향이 없고, 안테나 이득에 영향을 받는 메인 링크 채널의 품질이 네트워크 성능을 결정한다. 따라서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000262
가 증가할수록
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000263
는 처음엔 감소하다가 이후에는 증가한다.
이것은
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000264
가 증가할수록, 즉, 안테나 이득이 증가할수록, 서빙 BS의 메인 로브는 사용자 단말에게 가까워지고, 이후에는 더 멀어져서 안테나 이득이 감소하기 때문이다.
또한, 우리의 상술된 분석이 시뮬레이션 결과와 잘 매칭된다는 것을 볼 수 있다. 더욱이, 가장 강한 결합 규칙에서의 네트워크 중단 확률은 가장 가까운 결합 규칙에서의 네트워크 중단 확률과 비슷한 경향을 보인다는 것을 알 수 있다.
도 7은 간섭 BS 밀도,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000265
의 상이한 값들에 대한, BS 안테나 기울기 각도
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000266
의 함수로서 i-타입 사용자 단말의 네트워크 중단 확률,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000267
를 도시한다.
도 7로부터,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000268
가 증가할수록 i-타입 사용자 단말의 최적 기울기 각도인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000269
의 절대값이 증가함으로 볼 수 있다. 도 7에서
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000270
는 점선의 원으로 표시되었다. 이것은 간섭 BS들의 수는 증가할수록, GU 또는 AU로의 안테나 메인 로브 이득을 가지는 간섭 BS들의 수는 감소시키기 위한 것이다.
더하여,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000271
가 아주 작은 경우(
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000272
), 일반적인 환경에서 네트워크 중단 확률이 노이즈-제한된 환경에서의 네트워크 중단 확률에 가까워진다는 것을 관측할 수 있다.
B. IS-BS 계획의 결과들
본 서브섹션에서는, IS-BS 계획을 가지는 경우 네트워크 중단 확률 상에 BS 안테나 기울기 각도가 미치는 영향을 분석한다.
도 8은 상이한 BS 높이 hB 및 AU 높이 hA에 대하여 IS-BS 계획의 네트워크 중단 확률인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000273
를 BS 안테나의 기울기 각도인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000274
의 함수로서 도시한다. 여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000275
(즉, 노이즈-제한된 환경과 유사함)인 경우를 사용하였다.
도 8로부터 AU의 고정된 높이(예를 들어, hA = 50m)에 대하여, BS의 높이가 증가할수록(예를 들어, 20m~40m), BS 안테나 기울기 각도의 최적 값(도 8에서 점선의 원으로 표시)이 증가하는 것을 알 수 있다.
AU들에 대하여 기지국의 높이가 증가하면, BS와 AU 사이의 LoS 확률이 증가하고, 거리-의존적 경로 손실은 감소한다. 따라서, AU의 성능은 높은 LoS 확률과 낮은 경로 손실로 인해 크게 향상될 수 있다.
다른 방면에서, GU에 대해서는 기지국의 높이가 증가할수록 BS와 GU 사이의 LoS 확률이 증가하고, 거리-의존적 경로 손실은 BS와 GU 사이의 증가된 거리로 인해 증가하게 된다. 따라서, 기지국의 높이가 증가할수록 GU가 AU에 비해 상대적으로 열성의 채널 컨디션을 체험하게 되고, GU의 성능 손실을 보상하기 위해 BS 안테나 기울기 각도의 최적 값은 아래로 증가하게 된다.
도 8에서 도시된 바와 같이, 고정된 기지국의 높이(예를 들어 30m)에 대해서, AU의 높이가 증가할수록(예를 들어 40~60m) 최소 네트워크 중단 확률(점선으로 된 원의 y축 값)이 증가하고, BS 안테나 기울기 각도의 최적 값(점선으로 된 원의 x축 값)은 감소하는 것을 알 수 있다.
AU의 높이가 증가하면 BS와 AU 사이의 LoS 확률과 거리-의존 경로 손실이 증가한다. 그러나, 경로 손실의 효과가 더 크기 때문에, AU의 높이가 증가할수록 AU의 네트워크 중단 확률이 증가하게 된다. 반면에, GU의 성능은 AU의 높이에는 영향을 받지 않는다. 따라서, AU가 높아질수록 AU의 성능 손실을 보상하기 위해 최적 안테나 기울기 각도는 감소하게 된다.
C. ES-BS 계획의 결과들
본 서브섹션에서는, ES-BS 계획에서 BS 안테나 기울기 각도가 네트워크 중단 확률에 미치는 영향을 분석한다.
ES-BS 계획에서는 GU와 AU가 배타적으로 서로 다른 BS에 의해 서빙되기 때문에, GU에 대한 안테나 기울기 각도와 AU에 대한 안테나 기울기 각도가 네트워크 중단 확률을 최소화하도록 서로 독립적으로 설계된다는 것을 유의해야 한다.
더욱이, ES-BS 계획에서는 지상 단말용 기지국과 공중 단말용 기지국의 비율이 최적 BS 안테나 기울기 각도에 연향을 미치기 때문에, 총 BS에 대한 지상 단말용 기지국의 비율에 따라서 BS 안테나 기울기 각도를 최적화할 수 있다.
도 9는 ES-BS 계획을 사용하는 경우 총 BS에 대한 지상 단말용 기지국의 최적 비율을 도시한다. 여기서, 최적 비율이란 총 사용자 단말에 대한 GU의 비율에 따라 네트워크 중단 확률을 최소화시키는 비율을 의미한다.
도 9는 총 BS 밀도
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000276
가 상이한 경우들에 대해 고려하면
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000277
인 경우에 대해 설계된다. 여기서, 주어진
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000278
,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000279
,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000280
에 대하여 GU 및 AU용 BS 안테나 기울기 각도들
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000281
,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000282
는 네트워크 중단 확률을 최소화하도록 최적화될 수 있다.
도 9에서, GU의 비율이 큰 경우 더 많은 지상 단말용 기지국을 가지는 게 이로우므로,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000283
가 증가할수록 최적 비율인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000284
또한 증가한다. 또한, 큰
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000285
(예를 들어,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000286
가 0.6 이상)의 경우,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000287
가 증가할수록
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000288
는 더 작아지는 것을 볼 수 있다. 이는 더 많은 수의 지상 단말용 기지국이 존재할수록 GU를 위한 BS의 수는 충분할 수 있어서, 더 많은 수의 기지국들을 AU를 위해 할당할 수 있기 때문이다.
반면에, 작은
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000289
의 경우(예를 들어,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000290
가 0.6 미만인 경우)에는
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000291
가 증가할수록
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000292
가 증가한다. 이는 AU용 BS가 충분히 존재할 때 더 많은 기지국을 GU에 할당할 수 있기 때문이다.
도 10은 ES-BS 계획에서 총 사용자 대비 GU의 비율에 따른 최적 BS 안테나 기울기 각도를 서로 다른 BS 밀도 값에 대하여 도시한다.
여기서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000293
로 전제한다. 도 10으로부터
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000294
가 증가할수록
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000295
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000296
의 절대값이 증가함을 볼 수 있다. 도 9에서와 같이 ES-BS 계획에서,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000297
가 증가할수록 최적 비율인
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000298
또한 증가한다. 따라서, BS의 수가 증가할수록 안테나 메인 로브 이득에 대해 큰 간섭을 일으키는 간섭 BS의 수를 감소시키기 위해 안테나가 더 많이 아래나 위로 기울어질 수 있다. 동일한 이유로, 주어진
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000299
에 대하여,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000300
가 증가할수록
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000301
및
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000302
의 절대값이 증가함을 볼 수 있다.
D. IS-BS 계획과 ES-BS 계획 사이의 비교
본 서브섹션에서는 총 사용자들 대비 GU의 비율에 따른 BS 서비스 계획들의 성능을 네트워크 중단 확률을 기준으로 비교해본다. 먼저, AU를 고려하지 않은 종래의 셀룰러 네트워크에서 BS 안테나 기울기가 GU를 향하는 BS 서비스 계획을 기준 계획으로 삼는다.
이 기준 계획에서, BS의 최적 안테나 기울기 각도는 GU에 대한 중단 확률을 최소화하도록 결정될 수 있다. IS-BS 계획과 ES-BS 계획의 비교를 위하여, IS-BS 계획에서의 안테나 기울기 각도
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000303
, ES-BS 계획에서의 안테나 기울기 각도들(
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000304
,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000305
) 및 지상 단말용 기지국의 비율
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000306
이 각각 최적화된다.
도 11은 상이한 BS 계획과 간섭 기지국 밀도에 대하여 GU의 비율에 대한 함수로서 네트워크 중단 확률을 도시한다.
도 11에서는 간섭 기지국의 밀도가 높을 때(예를 들어,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000307
인 경우), ES-BS 계획이 IS-BS 계획의 성능을 능가하는 것을 볼 수 있다. 이것은 ES-BS 계획에서의 간섭 BS보다 IS-BS 계획에서 더 많은 간섭 BS가 존재하기 때문이다(
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000308
로 인함). 다른 면에서, 노이즈-제한된 환경이면서 작은 간섭 기지국 밀도에서는(예를 들어,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000309
인 경우), IS-BS 계획이 BS 계획보다 더 좋은 통신 성능을 제공할 수 있다. 이것은 간섭의 효과가 상대적으로 낮아서 더 많은 서빙 BS 후보들을 가지는 것(즉,
Figure PCTKR2021018786-appb-img-000310
이 메인 링크의 성능을 향상시키기 때문이다.
본 개시에서는 UAV 네트워크에서 GU와 AU를 모두 서빙하는 경우에 2개 타입의 BS 서비스 계획에 대한 BS 안테나 기울기 각도의 영향을 분석하였고, 각각의 경우에 최적 안테나 기울기를 도출하는 방법에 대해 설명하였다.
먼저, BS 안테나 기울기 각도에 의해 영향을 받는 BS 안테나 전력 이득을 고려하여 UAV 네트워크의 네트워크 중단 확률을 도출하였고, 도출된 식을 사용하여 통신 성능에 미치는 BS 안테나 기울기 각도의 효과를 분석하였다. 구체적으로 안테나 기울기 각도가 각 타입의 사용자 단말에 대해 더 기울어질수록 서빙 BS와 간섭 BS가 메인로브를 통하여 사용자 단말에 신호를 더 강하게 송신하였다.
이에 따라, BS 안테나 기울기 각도의 최적값을 도출하였고, 최적 안테나 기울기 각도에서 간섭 BS 밀도, 기지국 높이, UAV 높이의 효과와 총 BS의 밀도, 간섭 BS의 밀도, 각 BS 서비스 계획에서 사용자 단말들의 밀도의 효과에 대해 살펴보았다.
본 개시에서 설명된 장치 및 방법에 의하여 GU와 AU가 동시에 존재하는 네트워크에서 최적의 BS 서비스 계획과 최적의 기지국 안테나 기울기가 효과적으로 결정될 수 있고, 이에 따라 전체 네트워크의 통신 성능이 향상될 수 있다.
이상에서 설명된 본 발명에 따른 실시예는 컴퓨터 상에서 다양한 구성요소를 통하여 실행될 수 있는 컴퓨터 프로그램의 형태로 구현될 수 있으며, 이와 같은 컴퓨터 프로그램은 비일시적인 컴퓨터로 판독 가능한 매체에 기록될 수 있다. 이때, 매체는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM 및 DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical medium), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은, 프로그램 명령어를 저장하고 실행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치를 포함할 수 있다.
한편, 상기 컴퓨터 프로그램은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것이거나 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수 있다. 컴퓨터 프로그램의 예에는, 컴파일러에 의하여 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함될 수 있다.
본 발명의 명세서(특히 특허청구범위에서)에서 "상기"의 용어 및 이와 유사한 지시 용어의 사용은 단수 및 복수 모두에 해당하는 것일 수 있다. 또한, 본 발명에서 범위(range)를 기재한 경우 상기 범위에 속하는 개별적인 값을 적용한 발명을 포함하는 것으로서(이에 반하는 기재가 없다면), 발명의 상세한 설명에 상기 범위를 구성하는 각 개별적인 값을 기재한 것과 같다.
본 발명에 따른 방법을 구성하는 단계들에 대하여 명백하게 순서를 기재하거나 반하는 기재가 없다면, 상기 단계들은 적당한 순서로 행해질 수 있다. 반드시 상기 단계들의 기재 순서에 따라 본 발명이 한정되는 것은 아니다. 본 발명에서 모든 예들 또는 예시적인 용어(예들 들어, 등등)의 사용은 단순히 본 발명을 상세히 설명하기 위한 것으로서 특허청구범위에 의해 한정되지 않는 이상 상기 예들 또는 예시적인 용어로 인해 본 발명의 범위가 한정되는 것은 아니다. 또한, 당업자는 다양한 수정, 조합 및 변경이 부가된 특허청구범위 또는 그 균등물의 범주 내에서 설계 조건 및 팩터에 따라 구성될 수 있음을 알 수 있다.
따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 또는 이로부터 등가적으로 변경된 모든 범위는 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (15)

  1. 복수의 기지국들의 동작을 제어하는 중앙 서버의 프로세서에 의해 수행되는, 복수의 기지국들을 포함하는 네트워크 내에서 상기 복수의 기지국들에 설치된 안테나의 기울기 각도를 최적화하는 방법으로서,
    상기 네트워크 내의 기지국 및 단말의 밀도 정보, 기지국 및 단말의 높이 정보, 그리고 네트워크 환경 파라미터 정보를 수집하는 단계;
    상기 복수의 기지국들 모두가 공중 단말 및 지상 단말 양쪽과 통신하는 제 1 환경 하에서 상기 밀도 정보 및 상기 높이 정보에 기초하여 상기 제 1 환경의 네트워크 중단 확률인 제 1 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계;
    상기 복수의 기지국들 중 제 1 그룹의 기지국들은 공중 단말과 통신하고 상기 복수의 기지국들 중 제 2 그룹의 기지국들은 지상 단말과 통신하는 제 2 환경 하에서 상기 밀도 정보 및 상기 높이 정보에 기초하여 상기 제 2 환경의 네트워크 중단 확률인 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계;
    상기 제 1 네트워크 중단 확률과 상기 제 2 네트워크 중단 확률을 비교하는 단계;
    상기 제 1 네트워크 중단 확률이 상기 제 2 네트워크 중단 확률보다 작으면, 상기 복수의 기지국들 모두의 안테나 기울기 각도를 제 1 최적 각도로 조정하고, 상기 제 1 네트워크 중단 확률이 상기 제 2 네트워크 중단 확률 이상이면, 상기 제 1 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도를 제 2-1 최적 각도로 조정하고, 상기 제 2 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도를 제 2-2 최적 각도록 조정하는 단계를 포함하는,
    기지국 안테나 기울기 각도 최적화 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계는,
    상기 제 1 환경 하에서 임의의 k번째 단말과 상기 복수의 기지국 중 상기 k번째 단말과 수평 거리가 가장 가까운 기지국이 결합할 확률을 연산하는 단계;
    상기 제 1 환경에서 상기 밀도 정보, 상기 높이 정보, 상기 네트워크 환경 파라미터 정보 및 상기 결합할 확률에 기초하여 상기 복수의 기지국의 안테나 기울기 각도에 따라 변화하는 제 1 네트워크 중단 확률 함수를 설정하는 단계;
    설정된 상기 제 1 네트워크 중단 확률 함수의 최소값을 생성하는 안테나 기울기 각도인 제 1 최적 각도를 연산하는 단계; 및
    상기 제 1 최적 각도에 따른 상기 제 1 네트워크 중단 확률을 도출하는 단계를 포함하는,
    기지국 안테나 기울기 각도 최적화 방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계는,
    상기 제 1 환경 하에서 임의의 k번째 단말과 상기 복수의 기지국 중 상기 k번째 단말과 가장 강한 신호로 통신할 수 있는 기지국이 결합할 확률을 연산하는 단계;
    상기 제 1 환경에서 상기 밀도 정보, 상기 높이 정보, 상기 네트워크 환경 파라미터 정보 및 상기 결합할 확률에 기초하여 상기 복수의 기지국의 안테나 기울기 각도에 따라 변화하는 제 1 네트워크 중단 확률 함수를 설정하는 단계;
    설정된 상기 제 1 네트워크 중단 확률 함수의 최소값을 생성하는 안테나 기울기 각도인 제 1 최적 각도를 연산하는 단계; 및
    상기 제 1 최적 각도에 따른 상기 제 1 네트워크 중단 확률을 도출하는 단계를 포함하는,
    기지국 안테나 기울기 각도 최적화 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계는,
    상기 제 2 환경 하에서 임의의 k번째 단말과 상기 복수의 기지국 중 상기 k번째 지상 단말과 수평 거리가 가장 가까운 기지국이 결합할 확률을 연산하는 단계;
    상기 제 2 환경에서 상기 밀도 정보, 상기 높이 정보, 상기 네트워크 환경 파라미터 정보 및 상기 결합할 확률에 기초하여 상기 제 1 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도 및 상기 제 2 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도에 따라 변화하는 제 2 네트워크 중단 확률 함수를 설정하는 단계;
    상기 제 2 네트워크 중단 확률 함수의 최소값을 생성하는 상기 제 1 그룹의 기지국들의 제 2-1 최적 각도 및 상기 제 2 그룹의 기지국들의 제 2-2 최적 각도와 상기 제 1 그룹의 기지국들과 상기 제 2 그룹의 기지국들의 최적 비율을 결정하는 단계; 및
    상기 최적 비율 및 상기 제 2-1 최적 각도 및 상기 제 2-2 최적 각도에 따라 상기 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계를 포함하는,
    기지국 안테나 기울기 각도 최적화 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계는,
    상기 제 2 환경 하에서 임의의 k번째 단말과 상기 복수의 기지국 중 상기 k번째 지상 단말과 가장 강한 신호로 통신할 수 있는 기지국이 결합할 확률을 연산하는 단계;
    상기 제 2 환경에서 상기 밀도 정보, 상기 높이 정보, 상기 네트워크 환경 파라미터 정보 및 상기 결합할 확률에 기초하여 상기 제 1 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도 및 상기 제 2 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도에 따라 변화하는 제 2 네트워크 중단 확률 함수를 설정하는 단계;
    상기 제 2 네트워크 중단 확률 함수의 최소값을 생성하는 상기 제 1 그룹의 기지국들의 제 2-1 최적 각도 및 상기 제 2 그룹의 기지국들의 제 2-2 최적 각도와 상기 제 1 그룹의 기지국들과 상기 제 2 그룹의 기지국들의 최적 비율을 결정하는 단계; 및
    상기 최적 비율 및 상기 제 2-1 최적 각도 및 상기 제 2-2 최적 각도에 따라 상기 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하는 단계를 포함하는,
    기지국 안테나 기울기 각도 최적화 방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 네트워크 환경 파라미터 정보는 상기 네트워크 영역 내에서 건물이 차지하는 면적의 비율, 상기 네트워크 영역 내의 건물의 수, 및 상기 네트워크 영역 내의 건물의 평균 높이를 포함하는,
    기지국 안테나 기울기 각도 최적화 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 밀도 정보는 간섭 기지국의 밀도 정보를 포함하고,
    상기 간섭 기지국의 밀도 정보는 상기 기지국의 밀도를 상기 네트워크에서 사용되는 서브밴드의 수로 나눈 값에 기초하여 결정되는,
    기지국 안테나 기울기 각도 최적화 방법.
  8. 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제 2 네트워크 중단 확률은 상기 네트워크 내의 지상 단말의 밀도 및 공중 단말의 밀도를 추가적으로 고려하여 결정되는,
    기지국 안테나 기울기 각도 최적화 방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 단말의 밀도 정보는 공중 단말의 밀도 정보 및 지상 단말의 밀도 정보를 포함하고,
    상기 단말의 높이 정보는 공중 단말의 평균 높이 정보 및 지상 단말의 평균 높이 정보를 포함하는,
    기지국 안테나 기울기 각도 최적화 방법.
  10. 컴퓨터 프로그램이 저장된 비일시적 컴퓨터 판독가능 매체로서,
    상기 컴퓨터 프로그램은, 컴퓨터 상에서 실행될 때, 상기 컴퓨터로 하여금 제 1 항 내지 제 7 항 및 제 9 항 중 어느 하나에 따른 방법을 구현하도록 구성되는,
    비일시적 컴퓨터 판독가능 매체.
  11. 네트워크 내의 복수의 기지국들의 동작을 제어하여 기지국 안테나 기울기 각도를 최적화하는 장치로서,
    메모리; 및
    상기 메모리와 연결되고, 상기 메모리에 포함된 컴퓨터 판독가능한 명령들을 실행하도록 구성된 적어도 하나의 프로세서를 포함하고,
    상기 적어도 하나의 프로세서는,
    상기 네트워크 내의 기지국 및 단말의 밀도 정보, 기지국 및 단말의 높이 정보, 그리고 네트워크 환경 파라미터 정보를 수집하고,
    상기 복수의 기지국들 모두가 공중 단말 및 지상 단말 양쪽과 통신하는 제 1 환경 하에서 상기 밀도 정보 및 상기 높이 정보에 기초하여 상기 제 1 환경의 네트워크 중단 확률인 제 1 네트워크 중단 확률을 연산하고,
    상기 복수의 기지국들 중 제 1 그룹의 기지국들은 공중 단말과 통신하고 상기 복수의 기지국들 중 제 2 그룹의 기지국들은 지상 단말과 통신하는 제 2 환경 하에서 상기 밀도 정보 및 상기 높이 정보에 기초하여 상기 제 2 환경의 네트워크 중단 확률인 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하고,
    상기 제 1 네트워크 중단 확률과 상기 제 2 네트워크 중단 확률을 비교하고,
    상기 제 1 네트워크 중단 확률이 상기 제 2 네트워크 중단 확률보다 작으면, 상기 복수의 기지국들 모두의 안테나 기울기 각도를 제 1 최적 각도로 조정하고, 상기 제 1 네트워크 중단 확률이 상기 제 2 네트워크 중단 확률 이상이면, 상기 제 1 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도를 제 2-1 최적 각도로 조정하고, 상기 제 2 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도를 제 2-2 최적 각도록 조정하는 동작을 수행하도록 구성되는,
    기지국 안테나 기울기 각도 최적화 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 네트워크 중단 확률을 연산하는 동작은,
    상기 제 1 환경 하에서 임의의 k번째 단말과 상기 복수의 기지국 중 상기 k번째 단말과 수평 거리가 가장 가까운 기지국이 결합할 확률을 연산하고,
    상기 제 1 환경에서 상기 밀도 정보, 상기 높이 정보, 상기 네트워크 환경 파라미터 정보 및 상기 결합할 확률에 기초하여 상기 복수의 기지국의 안테나 기울기 각도에 따라 변화하는 제 1 네트워크 중단 확률 함수를 설정하고,
    설정된 상기 제 1 네트워크 중단 확률 함수의 최소값을 생성하는 안테나 기울기 각도인 제 1 최적 각도를 연산하고,
    상기 제 1 최적 각도에 따른 상기 제 1 네트워크 중단 확률을 도출하는 동작을 포함하는,
    기지국 안테나 기울기 각도 최적화 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 1 네트워크 중단 확률을 연산하는 동작은,
    상기 제 1 환경 하에서 임의의 k번째 단말과 상기 복수의 기지국 중 상기 k번째 단말과 가장 강한 신호로 통신할 수 있는 기지국이 결합할 확률을 연산하고,
    상기 제 1 환경에서 상기 밀도 정보, 상기 높이 정보, 상기 네트워크 환경 파라미터 정보 및 상기 결합할 확률에 기초하여 상기 복수의 기지국의 안테나 기울기 각도에 따라 변화하는 제 1 네트워크 중단 확률 함수를 설정하고,
    설정된 상기 제 1 네트워크 중단 확률 함수의 최소값을 생성하는 안테나 기울기 각도인 제 1 최적 각도를 연산하고,
    상기 제 1 최적 각도에 따른 상기 제 1 네트워크 중단 확률을 도출하는 동작을 포함하는,
    기지국 안테나 기울기 각도 최적화 장치.
  14. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하는 동작은,
    상기 제 2 환경 하에서 임의의 k번째 단말과 상기 복수의 기지국 중 상기 k번째 지상 단말과 수평 거리가 가장 가까운 기지국이 결합할 확률을 연산하고,
    상기 제 2 환경에서 상기 밀도 정보, 상기 높이 정보, 상기 네트워크 환경 파라미터 정보 및 상기 결합할 확률에 기초하여 상기 제 1 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도 및 상기 제 2 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도에 따라 변화하는 제 2 네트워크 중단 확률 함수를 설정하고,
    상기 제 2 네트워크 중단 확률 함수의 최소값을 생성하는 상기 제 1 그룹의 기지국들의 제 2-1 최적 각도 및 상기 제 2 그룹의 기지국들의 제 2-2 최적 각도와 상기 제 1 그룹의 기지국들과 상기 제 2 그룹의 기지국들의 최적 비율을 결정하고,
    상기 최적 비율 및 상기 제 2-1 최적 각도 및 상기 제 2-2 최적 각도에 따라 상기 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하는 동작을 포함하는,
    기지국 안테나 기울기 각도 최적화 장치.
  15. 제 11 항에 있어서,
    상기 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하는 동작은,
    상기 제 2 환경 하에서 임의의 k번째 단말과 상기 복수의 기지국 중 상기 k번째 지상 단말과 가장 강한 신호로 통신할 수 있는 기지국이 결합할 확률을 연산하고,
    상기 제 2 환경에서 상기 밀도 정보, 상기 높이 정보, 상기 네트워크 환경 파라미터 정보 및 상기 결합할 확률에 기초하여 상기 제 1 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도 및 상기 제 2 그룹의 기지국들의 안테나 기울기 각도에 따라 변화하는 제 2 네트워크 중단 확률 함수를 설정하고,
    상기 제 2 네트워크 중단 확률 함수의 최소값을 생성하는 상기 제 1 그룹의 기지국들의 제 2-1 최적 각도 및 상기 제 2 그룹의 기지국들의 제 2-2 최적 각도와 상기 제 1 그룹의 기지국들과 상기 제 2 그룹의 기지국들의 최적 비율을 결정하고,
    상기 최적 비율 및 상기 제 2-1 최적 각도 및 상기 제 2-2 최적 각도에 따라 상기 제 2 네트워크 중단 확률을 연산하는 동작을 포함하는,
    기지국 안테나 기울기 각도 최적화 장치.
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