KR101362270B1 - 셀룰러 네트워크에서 기지국 전력 관리 방법 - Google Patents

셀룰러 네트워크에서 기지국 전력 관리 방법 Download PDF

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Abstract

셀룰러 네트워크에서 기지국 전력 관리 방법이 개시된다. 기지국 컨트롤러는 각 기지국으로부터 적어도 하나의 단말의 채널 및 간섭 정보를 수신하고, 수신한 채널 및 간섭 정보에 기초하여 각 셀별로 단말을 선택한 후, 각 기지국의 전력 제한 파라미터 및 인접 셀간 간섭을 고려한 전력 파라미터를 결정하고, 결정한 전력 제한 파라미터 및 인접 셀간 간섭을 고려한 전력 파라미터를 이용하여 각 셀별로 단말을 다시 선택한다. 따라서, 복잡도을 낮추면서 기지국의 전력 사용 효율을 최대화할 수 있다.

Description

셀룰러 네트워크에서 기지국 전력 관리 방법{METHODS FOR MANAGING POWER OF BASE STATION IN CELLULAR NETWORKS}
본 발명은 셀룰러 네트워크에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 에너지를 효율적으로 이용할 수 있는 셀룰러 네트워크에서 기지국 전력 관리 방법에 관한 것이다.
최근 정보통신 산업에서 에너지 소모에 대한 관심이 고조되고 있다. 특히, 정보통신 산업 중에서도 비중이 큰 셀룰러 네트워크에 대한 관심이 집중되고 있다. 기지국은 전체 셀룰러 네트워크의 60 내지 80%의 전력을 소모하고 있기 때문에 정부, 네트워크 사업자 또는 이동통신 사업자 측면에서 기지국의 전력을 감소시키기 위한 노력이 진행되고 있고, 이와 같은 상황에서 주어진 전력자원을 최대로 활용할 필요성이 제기되고 있다.
기지국의 전송 전력은 10 내지 20W 정도로 기지국의 전체 운용전력(약 500 내지 2000W)에 비해 상당히 적다. 그러나, 최근의 연구 결과에 따르면 기지국의 전송전력이 전체 운용전력에 비례적으로 영향을 미치게 되어 전송전력을 10W 감소시키는 것만으로 전체 운용전력을 200W 이상 절감할 수 있는 것으로 알려졌다.
기지국의 전력을 절감하기 위한 기술은 기지국을 구성하는 하드웨어의 성능을 향상시키는 방향과, 주어진 기지국 인프라 환경에서 기지국의 운용 전력을 최소화하도록 시스템을 설계하는 방향으로 진행되어 왔다.
기지국을 구성하는 하드웨어의 성능을 향상시키기 위한 방법의 예로는 기지국에 구비된 전력 증폭기의 효율을 증가시키거나 태양열 발전을 이용하는 기술 등이 있다.
시스템 설계 측면의 기지국 전력 절감 방법은 서로 다른 시간 스케일 하에서 연구되고 있다. 예를 들어, 몇 년 또는 몇 달의 시간 스케일로 기지국의 운용에 따른 전력을 고려하여 전력 측면에서 가장 효율적인 위치에 기지국을 설치하거나, 몇 시간 단위의 시간 스케일로 사용자 트래픽의 변화를 고려하여 트래픽의 양이 적은 시간대에 일부 기지국의 운용을 중지하고 나머지 기지국으로 운용이 중지된 기지국의 서비스 영역까지 서비스 영역을 확장하여 전체 기지국의 운용 전력을 절감하는 방법이 연구되어 왔다. 또한, 각 기지국에 고정적으로 할당된 전송 전력만으로, 인접 셀의 간섭 등을 고려하여 전송 전력과 사용자 스케줄링을 매 타임 슬롯마다 결정하는 기술이 제시되었다.
그러나, 상술한 바와 같은 기지국의 전송 전력을 절감하는 기술들은 대부분 하드웨어의 성능을 향상시키는 방법을 이용하거나, 기지국의 전체 운용 전력을 고려하지 않고 전송률(achievable throughput) 측면에서의 성능만을 고려하여 기지국의 전송전력을 결정하기 때문에 전송 전력 절감에 한계가 있는 단점이 있다.
또한, 최근에는 다중 안테나를 사용하여 네트워크의 성능을 향상시키는 방법이 사용되고 있고, 다중 안테나를 사용하는 셀룰러 네트워크 환경에서 기지국의 전력을 절감하기 위해 안테나별 전력할당, 사용자 스케줄링 및 빔포밍을 이용하고자 하는 노력이 진행되고 있으나, 이와 같은 방법은 복잡도가 높기 때문에 실효성이 낮은 단점이 있다.
상술한 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 기지국 전력 관리를 위한 복잡도를 감소시키면서 기지국의 전력 사용 효율을 최대화할 수 있는 셀룰러 네트워크에서 기지국 전력 관리 방법을 제공하는 것이다.
상술한 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법은, 기지국 컨트롤러가 각 기지국으로부터 적어도 하나의 단말의 채널 및 간섭 정보를 수신하는 단계와, 수신한 상기 채널 및 간섭 정보에 기초하여 각 셀별로 단말을 선택하는 단계와, 각 기지국의 전력 제한 파라미터 및 인접 셀간 간섭을 고려한 전력 파라미터를 결정하는 단계 및 상기 전력 제한 파라미터 및 상기 인접 셀간 간섭을 고려한 전력 파라미터를 이용하여 각 셀별로 단말을 다시 선택하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 수신한 상기 채널 및 간섭 정보에 기초하여 각 셀별로 단말을 선택하는 단계는, 수신한 상기 채널 정보 및 간섭 정보에 기초하여 각 단말별 가중치를 설정하고, 설정한 가중치와 각 기지국의 전송전력 및 각 단말의 데이터 전송률에 기초하여 각 셀별로 단말을 선택할 수 있다.
여기서, 각 기지국의 전력 제한 파라미터 및 인접 셀간 간섭을 고려한 전력 파라미터를 결정하는 단계는, 셀 레벨 및 네트워크 레벨의 순시 기지국 전력 제한에 상응하는 상기 전력 제한 파라미터를 결정하는 단계 및 인접 셀의 사용자 단말에 간섭을 미치는 기지국의 전력을 반영하는 상기 전력 파라미터를 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 전력 제한 파라미터 및 상기 인접 셀간 간섭을 고려한 전력 파라미터를 이용하여 각 셀별로 단말을 다시 선택하는 단계는, 모든 기지국의 단말 선택이 최종 결정되거나, 미리 설정된 회수의 단말 선택 과정이 수행될 때까지 반복적으로 수행될 수 있다.
여기서, 상기 기지국의 전력 관리 방법은, 매 타임 슬롯 마다 반복 수행될 수 있다.
또한, 본 발명의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법은, 기지국 컨트롤러가 각 기지국으로부터 적어도 하나의 단말의 채널 및 간섭 정보를 수신하는 단계와, n(여기서, n은 1이상의 자연수임) 번째 타임 슬롯에 대해 사용자 단말 스케줄링 및 빔포밍 벡터가 결정되지 않은 경우, 수신한 상기 단말의 채널 및 간섭 정보를 이용하여 n+1 번째 타임 슬롯에 대해 사용자 단말 스케줄링과 빔포밍 벡터를 결정하는 단계 및 n 번째 타임 슬롯에 대해 사용자 단말 스케줄링 및 빔포밍 벡터가 결정되지 않은 경우, 상기 n+1 번째 타임 슬롯에 대해 결정된 상기 사용자 단말 스케줄링 및 빔포밍 벡터를 이용하여 상기 n+1 번째 타임 슬롯에 대한 각 기지국의 안테나 수를 결정하는 단계를 포함한다.
여기서, 상기 기지국의 전력 관리 방법은 상기 n 번째 타임 슬롯에 대해, 사용자 단말 스케줄링 및 빔포밍 벡터가 결정된 경우에는 상기 n 번째 타임 슬롯에 대해 결정된 사용자 단말 스케줄링과 빔포밍 벡터를 이용하여 상기 n+1 번째 타임 슬롯에 대한 각 기지국의 안테나 수를 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기와 같은 본 발명의 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법에 따르면, 전체 기지국의 전력 자원을 기지국 별로 공간적으로 공유하고, 평균 전력 자원을 시간적으로 공유하도록 관리함으로써 기지국간 공간적, 시간적 전력 공유가 가능하며, 이를 통하여 전체 전력 자원을 최대한 활용할 수 있다.
또한, 고정된 기지국 전체 전력자원에서 성능을 향상시킬 수 있고, 동일한 성능하에서 전력 절감 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라, 녹색화 효율성을 달성할 수 있다.
또한, 다중 안테나 시스템에서 전체 기지국의 전력 예산을 각 기지국이 공유하도록 함으로써 각 기지국에서 사용할 안테나 수를 결정하고, 사용자 단말 스케줄링 및 빔포밍 함수를 결정하여 주어진 전력 예산 하에서 네트워크 성능을 높이면서 복잡도를 감소시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법에서 기지국의 전력을 공유하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법 중 각 기지국에서 수행되는 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법에서 중앙 기지국 컨트롤러에 의해 수행되는 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법에 대한 성능 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법 중 각 기지국에서 수행되는 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법에서 중앙 기지국 컨트롤러에 의해 수행되는 동작을 나타내는 흐름도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
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.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
본 출원에서 사용하는 '단말'은 이동국(MS: Mobile Station), 이동 단말(MT: Mobile Terminal), 사용자 단말, 사용자 장비(UE: User Equipment), 사용자 터미널(UT: User Terminal), 무선 터미널, 액세스 터미널(AT), 가입자 유닛(Subscriber Unit), 가입자 스테이션(SS: Subscriber Station), 무선 기기(Wireless device), 무선 통신 디바이스, 무선송수신유닛(WTRU: Wireless Transmit/Receive Unit), 이동 노드, 모바일 또는 다른 용어들로 지칭될 수 있다.
또한, 본 출원에서 사용하는 '기지국'은 일반적으로 단말과 통신하는 고정된 지점을 말하며, 베이스 스테이션(Base Station), 노드-B(Node-B), e노드-B(eNode-B), BTS(Base Transceiver System), 액세스 포인트(Access Point) 등 다른 용어로 불릴 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예에 따른 기지국의 전송 전력 관리 방법은 현재 구축된 셀룰러 네트워크 기반 하에서, 주어진 전력 자원을 최대한 활용하여 인접 셀간 간섭량을 최소화할 수 있도록 시간적 또는 공간적으로 기지국간 전송 전력을 공유하고 사용자 단말의 스케줄링을 수행하여 동일한 네트워크 자원하에서 기지국을 전력을 효율적으로 이용하는 방법을 제공한다.
또한, 본 발명의 실시예에 따른 기지국의 전송 전력 관리 방법은 각 기지국이 구비하고 있는 복수의 안테나 중 사용할 안테나 수와 사용하지 않을 안테나 수를 결정하고, 사용자 단말의 스케줄링 및 빔포밍을 통해 복잡도를 줄이면서 기지국의 전력을 효율적으로 사용하고 셀룰러 네트워크의 성능을 향상시킬 수 있는 방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법에서 기지국의 전력을 공유하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
먼저, 도 1을 참조하여 주어진 전체 기지국의 전력 자원을 공간적 및/또는 시간적으로 공유하는 방법을 설명한다. 여기서, 전체 기지국이라 함은 셀룰러 네트워크에 포함된 복수의 기지국 전체를 포함하는 의미로 사용될 수도 있고, 전체 기지국들 중 전력 관리 대상으로 선택한 소정 개수의 기지국을 포함하는 의미로 사용될 수도 있다.
주어진 전력 자원 하에서 사용자 단말의 평균 전송률을 최대화하기 위한 목적 함수는 수학식 1과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012091229695-pat00001
수학식 1에서, Uk(xk)는 사용자 단말 k의 평균 효용 함수를 의미하고, R(β)는 사용자 단말이 실제로 달성할 수 있는 평균 전송률의 범위를 의미하며, β는 전체 기지국의 전력 자원의 제어 가능한 비율을 의미한다.
수학식 1에 나타낸 바와 같은 전체 목적 함수 하에, 기지국의 전력을 공유하는 방법은 도 1에 도시한 바와 같이 4가지 방법으로 구분할 수 있다.
첫 째는, 도 1의 (a)에 도시한 바와 같이 시간적(T: Temporal) 및 공간적(S: Spatial)으로 기지국의 전력을 전혀 공유하지 않는 방법으로, (S,T)=(0,0)로 표기하고, 이 경우의 전력 자원 제한은 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012091229695-pat00002
수학식 2에서, An은 기지국 n의 전송전력에 비례하는 상수를 의미하고, Bn은 기지국 n의 전송전력과 무관한 상수를 의미한다. 또한,
Figure 112012091229695-pat00003
은 시간 t에서 기지국의 n의 서브채널(subchannel) s에서의 전송 전력을 의미하고,
Figure 112012091229695-pat00004
는 하나의 기지국 n의 순간 전체전력의 최대값을 의미한다.
둘째는, 도 1의 (b)에 도시한 바와 같이 시간적으로만 기지국의 전력을 공유하는 방법으로, (S,T)=(0,1)로 표기하고, 이 경우의 전력 자원 제한은 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012091229695-pat00005
수학식 3에서
Figure 112012091229695-pat00006
은 하나의 기지국 n의 평균 전체전력의 최대값을 의미한다.
셋째는, 도 1의 (c)에 도시한 바와 같이 공간적으로만 기지국의 전력을 공유하는 방법으로, (S,T)=(1,0)로 표기하고, 이 경우의 전력 자원 제한은 수학식 4과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012091229695-pat00007
넷째는, 도 1의 (d)에 도시한 바와 같이 시간 및 공간적으로 기지국의 전력을 공유하는 방법으로, (S,T)=(1,1)로 표기하고, 이 경우의 전력 자원 제한은 수학식 5과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012091229695-pat00008
상술한 바와 같은 프레임워크 하에서, 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법은 하기와 같은 방법을 통해 매 타임 슬롯마다 전력을 할당하고 사용자 단말을 선택한다.
먼저, 사용자 단말을 선택하는 방법은 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012091229695-pat00009
수학식 6에서,
Figure 112012091229695-pat00010
=1은 기지국 n이 서브채널 s상에서 사용자 단말 k를 스케줄링함을 의미하고,
Figure 112012091229695-pat00011
=0는 그 이외의 경우를 나타낸다. 또한, k(n,s)는 기지국 n에 의해 서브채널 s에 스케줄된 사용자 단말을 의미하고,
Figure 112012091229695-pat00012
은 기지국 n과 연관된 사용자 단말의 집합을 의미한다.
Figure 112012091229695-pat00013
는 각 사용자 단말별로 할당되는 가중치를 의미하는 것으로
Figure 112012091229695-pat00014
로 정의되며,
Figure 112012091229695-pat00015
는 기지국 n에 의해 서브채널 s에서 서비스를 제공받기 위해 사용자 단말 k가 선택된 경우 사용자 단말 k의 의미있는(meaningful) 데이터 레이트를 의미한다.
한편, 매 타임 슬롯 마다 기지국에 전력을 할당하는 방법은 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012091229695-pat00016
수학식 7에서,
Figure 112012091229695-pat00017
은 사용자 단말 m으로부터 기지국 n까지의 서브채널 s에 대한 채널 이득을 나타내며,
Figure 112012091229695-pat00018
은 기지국 n의 서브채널 s에 대한 열 잡음(thermal noise)을 의미한다.
Figure 112012091229695-pat00019
는 인접 셀의 사용자 단말에 간섭을 미칠 수 있는 서브채널 s에 대한 기지국 n의 전력을 반영하는 택스 항(taxation term)을 의미한다. λn 및 μ은 각각 셀 레벨 및 네트워크 레벨의 순시 기지국 전력 제한과 연관된 음이 아닌 라그랑주 승수(non-negative Lagrange multipliers)를 의미한다.
Figure 112012091229695-pat00020
및
Figure 112012091229695-pat00021
는 평균 전력 자원에 수렴하는 시간과 정확성을 결정하는 상수값을 의미한다.
Figure 112012091229695-pat00022
및
Figure 112012091229695-pat00023
는 각각 가상 큐를 의미하며, 각각 하나의 기지국 당 평균전력자원, 기지국 전체의 평균전력자원을 나타내고, 매 타임 슬롯 마다 수학식 8과 같이 갱신된다.
Figure 112012091229695-pat00024
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법 중 각 기지국에서 수행되는 동작을 나타내는 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 먼저 각 기지국은 자신이 서비스를 제공하는 영역에 속한 복수의 단말 각각에 대해 각 단말과의 채널 이득 및 각 단말의 간섭량을 측정한다(S210).
이후, 각 기지국은 각 단말에 대해 측정한 채널 이득 및 간섭량 정보를 중앙 기지국 컨트롤러에 전송한다(S220).
이후, 각 기지국은 중앙 기지국 컨트롤러로부터 각 타임 슬롯 마다의 전송 전력 및 사용자 단말 선택 정보를 수신하고(S230), 수신한 사용자 단말 선택 정보를 이용하여 소정의 사용자 단말을 선택하고, 선택한 사용자 단말에 결정된 전송 전력을 사용하여 데이터를 전송한다(S240).
상술한 바와 같은 각 기지국의 동작(S210 내지 S240)은 매 타임 슬롯 마다 반복된다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법에서 중앙 기지국 컨트롤러에 의해 수행되는 동작을 나타내는 흐름도로서, 중앙 기지국 컨트롤러는 각 기지국으로부터 해당 기지국의 서비스 영역에 포함된 각 단말의 채널 이득 및 간섭량 정보를 수신하는 것으로 가정한다.
먼저, 중앙 기지국 컨트롤러는 전송전력(
Figure 112012091229695-pat00025
)과 사용자 단말별 가중치(
Figure 112012091229695-pat00026
) 그리고 택스 항(
Figure 112012091229695-pat00027
)을 초기화하고, 가상 큐(
Figure 112012091229695-pat00028
,
Figure 112012091229695-pat00029
)들을 각 전력자원별로 갱신한다(S310).
이후, 중앙 기지국 컨트롤러는 각 기지국으로부터 수신한 각 단말의 정보에 기초하여 수학식 6을 이용하여 각 셀별로 서비스를 제공할 사용자 단말을 선택한다(S320). 여기서, 중앙 기지국 컨트롤러는 각 기지국으로부터 수신한 각 사용자 단말의 채널 정보 및 간섭 정보에 기초하여 각 사용자 단말별 가중치와 각 기지국의 전송전력을 결정하고, 각 단말의 데이터 전송률에 기초하여 각 셀별로 사용자 단말을 선택할 수 있다.
이후, 중앙 기지국 컨트롤러는 워터 필링(water-filling) 알고리즘과 같은 이분(bisection) 검색을 통해 셀 레벨 및 네트워크 레벨의 순시 기지국 전력 제한과 연관된 파라미터(λn 및 μ)를 결정하고, 각 기지국으로부터 수신한 채널 정보 및 간섭량 정보에 기초하여 택스 항을 계산한다(S330).
중앙 기지국 컨트롤러는 상기한 바와 같은 전력 제한 파라미터 및 택스항에 기초하여 각 기지국의 전송 전력을 결정하고, 결정된 전송전력 반영하여 사용자 단말 선택을 반복 수행한다(S340). 여기서, 사용자 단말 선택 과정은 모든 기지국의 사용자 단말 선택이 수렴하거나, 미리 결정된 최대 회수의 사용자 단말 선택 과정이 수행될 때까지 반복될 수 있다.
이후, 중앙 기지국 컨트롤러는 최종적으로 결정된 사용자 선택 정보 및 전송 전력을 모든 기지국에 전송한다(S350).
상술한 바와 같은 중앙 기지국 컨트롤러의 동작(S310 내지 S350)은 매 타임 슬롯 마다 반복된다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법에 대한 성능 평가 결과를 나타내는 그래프이다.
도 4의 (a), (b), (c) 및 (d)에서, 각 선(line)의 의미는 다음과 같다. EQ+(S,T)=(0,0)은 각 기지국이 동일한 전송전력을 사용하고 전력공유를 하지 않는 경우를 나타내고, IM+(S,T)=(0,0)은 각 기지국에서 전송전력 관리를 하지만 전력공유를 하지 않는 경우를 나타내며, IM+(S,T)=(0,1)은 각 기지국에서 전송전력 관리를 하지만 각 기지국에서 시간적으로 전력공유를 하는 경우를 나타내고, IM+(S,T)=(1,0)은 각 기지국에서 전력관리를 하지만, 기지국간 공간적으로만 전력공유를 하는 경우를 나타내고, IM+(S,T)=(1,1)은 각 기지국에서 전력관리를 하고 기지국간 시간적, 공간적으로 전력공유를 하는 경우를 나타낸다.
또한, 도 4의 (a) 및 (b)는 기지국간 거리를 일정하게 설정하여 시뮬레이션 한 경우의 β 값에 대한 GAT(Geometric Average user Throughput) 및 녹색화 효율성(Greening efficiency)을 각각 나타낸다. 여기서, 녹색화 효율성은 사용자의 평균 성능(throughput)을 사용 주파수 대역과 사용전력으로 나눈 값으로, 성능 입장에서 얼마나 효율적으로 전력을 사용했는가에 대한 지표이다. 도 4의 (c) 및 (d)는 실제 기지국 토폴로지 하에서 시뮬레이션한 경우의 β 값에 대한 GAT 및 녹색화 효율성을 각각 나타낸다.
도 4에 도시한 바와 같이, 각 기지국이 각각 따로 운용 전력 예산을 가진 경우에 비해 시간, 공간, 시공간적 운용 전력예산을 가진 경우 첫째, 성능(Throughput) 향상 , 둘째, 같은 성능 하에서의 전력 절감 효과(Power saving), 셋째, 녹색화 효율성(Greening efficiency) 측면에서 더 좋아짐을 확인할 수 있다.
이하에서는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기지국의 전송 전력 관리 방법을 설명한다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 기지국의 전송 전력 관리 방법은, 복수의 안테나를 구비한 기지국에게 주어진 전체 전력 자원을 공간적으로 최대한 활용하기 위한 방법으로, 전체 기지국의 전력 예산을 각 기지국이 공유하도록 함으로써 각 기지국에서 사용할 안테나 수를 결정하고, 사용자 단말 스케줄링 및 빔포밍 함수를 결정하여 주어진 전력 예산 하에서 네트워크 성능을 높이면서 복잡도를 감소시킬 수 있는 방법이다.
제어 가능한 주어진 전력 자원 하에서 사용자 단말의 평균 유틸리티(utility)를 최대화하기 위한 목적 함수는 수학식 9와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012091229695-pat00030
수학식 9에서, xk는 사용자 단말 k가 달성할 수 있는 평균 성능(throughput)을 의미하고, R은 모든 사용자 단말이 달성 가능한 평균 성능(throughput)들의 집합을 의미한다. 또한,
Figure 112012091229695-pat00031
는 사용자 단말 k의 평균 효용함수를 의미한다.
또한, 주어진 전력 자원 제한은 수학식 10과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012091229695-pat00032
수학식 10에서, PT는 기지국 전체에 주어진 전력 자원을 의미하고, a는 기지국의 모든 안테나에서 사용되는 안테나의 전송 전력에 비례하는 파라미터를 의미하며, b는 그 상기 전송 전력에 비례하지 않는 파라미터를 의미한다. Pmax는 하나의 안테나에서 사용되는 전송 전력을 의미하고, Nn은 기지국 n에서 사용되는 안테나 수를 의미한다.
상기한 바와 같은 목적함수 하에, 전체 기지국의 전체 전력 제한이 있고, 각 기지국별로는 타임 슬롯 마다 사용되는 안테나 수가 결정된다. 여기서, 각 기지국에서 사용되는 안테나 수는 전체 기지국을 제어하는 중앙 기지국 컨트롤러가 결정할 수 있다.
또한, 각 타임 슬롯에서 사용자 단말이 달성할 수 있는 데이터 레이트는 수학식 11과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112012091229695-pat00033
수학식 11에서, W는 시스템의 대역폭을 의미하고, Ps,max는 서브캐리어 s에서 사용되는 최대 전송 전력을 의미하며, lk는 사용자 단말 k로 전송되는 채널의 경로손실(path loss)를 의미하고, hs,k는 서브캐리어 s를 사용자 단말 k가 사용하는 경우의 패스트 페이딩(fast fading) 채널을 의미하고, fs,k는 사용자 단말 k를 위한 빔포밍 채널을 의미한다.
다음으로, 상기한 목적함수를 수학식 12에 나타낸 바와 같이 각 타임 슬롯의 목적함수로 변환하면, 각 타임 슬롯별로 전송 전력, 빔포밍 함수, 사용자 단말 스케줄링을 해결하는 문제로 변환된다.
Figure 112012091229695-pat00034
수학식 12에서, p, I, B는 각각 기지국별로 할당된 안테나 개수의 패턴, 사용자 단말 스케줄링 벡터 및 빔포밍 벡터를 의미한다.
수학식 12에서 각 기지국별로 전송 전력이 제한되어 있는 경우의 최적에 근접한 전송 전력과 빔포밍 벡터 및 사용자 스케줄링을 결정하는 방법은 최근의 연구에서 제안되고 있다. 그러나, 최근의 연구는 기지국별로 전송전력이 제한되어 있고, 스케줄링과 빔포임 및 전력 할당을 반복수행(iterative)을 통해 해결하는 것을 제안하고 있고, 다중 셀 환경을 전제로 하기 때문에 복잡도가 상당히 높은 단점이 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 기지국의 전송 전력 관리 방법은 상기한 바와 같은 단점을 극복하기 위해 기지국의 전송 전력이 아닌 기지국에서 사용되는 전체 전력을 고려하였고, 기지국별로 사용자 단말 분포 또는 사용자 단말 수 등과 같은 상황에 따라 전력을 공유함으로써 전체 네트워크의 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 각 기지국별로는 안테나별 전력 할당 문제를 온/오프(즉, 최대 전력을 사용하거나 전혀 사용하지 않음)로 고려함으로써, 전력 할당에 따른 복잡도를 감소시켰다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법 중 각 기지국에서 수행되는 동작을 나타내는 흐름도로서, 다중 안테나 셀룰러 시스템에서 이다. 이하에서는 결정된 사용자 단말 스케줄링에 대하여 최대비 전송(MRT: Maximum Ratio Transmission)을 사용하여 빔포밍 벡터를 결정하는 것으로 가정한다.
도 5를 참조하면, 먼저 각 기지국은 자신이 서비스를 제공하는 영역에 속한 복수의 단말 각각에 대해 각 단말과의 채널 이득 및 각 단말의 간섭량을 측정한다(S510).
이후, 각 기지국은 각 단말에대해 측정한 채널 이득 및 간섭량 정보를 중앙 기지국 컨트롤러에 전송한다(S520).
이후, 각 기지국은 중앙 기지국 컨트롤러로부터 각 타임 슬롯별 사용 안테나 수, 사용자 단말 선택 벡터 및 빔포밍 함수를 수신하고(S530), 수신한 사용자 단말 선택 벡터를 이용하여 소정의 사용자 단말을 선택하고, 선택한 사용자 단말에 결정된 안테나를 이용하여 빔포밍을 통해 데이터를 전송한다(S540).
상술한 바와 같은 각 기지국의 동작(S510 내지 S540)은 매 타임 슬롯 마다 반복된다.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 기지국 전력 관리 방법에서 중앙 기지국 컨트롤러에 의해 수행되는 동작을 나타내는 흐름도로서, 다중 안테나 셀룰러 시스템의 기지국 전력 관리 방법을 나타낸 것이다.
먼저, 중앙 기지국 컨트롤러는 복수의 기지국으로부터 각 기지국의 서비스 영역에 포함된 각 단말의 채널 이득 및 간섭량 정보를 수신한다(S610).
중앙 기지국 컨트롤러는 소정의 타임 슬롯에 대해 이전 타임 슬롯이 전력 관리가 수행된 타임 슬롯인가를 판단하고(S620), 이전 타임 슬롯이 전력 관리가 수행되지 않은 타임 슬롯인 경우 수신한 채널 이득 및 간섭량 정보를 이용하여 현재 타임 슬롯에 대해 임의로 사용자 단말 스케줄링과 그에 따른 빔포밍 벡터를 결정한다. 또한, 결정된 사용자 단말 스케줄링과 빔포밍 벡터를 이용하여 수학식 12에 나타낸 각 타임 슬롯의 목적 함수를 만족하는 각 기지국의 안테나 수를 결정한다(S630).
이후, 중앙 기지국 컨트롤러는 결정된 사용자 단말 스케줄링, 빔포밍 벡터 및 안테나 수 정보를 각 기지국으로 전송한다(S640).
한편, 중앙 기지국 컨트롤러는 단계 S620에서 소정 타임 슬롯 바로 이전 타임 슬롯이 전력 관리가 수행된 타임 슬롯으로 판단되면, 바로 이전 타임 슬롯에 결정된 사용자 단말 스케줄링 및 빔포밍 벡터를 가정하고, 수학식 12를 만족하는 안테나 수를 결정한다(S650).
상술한 바와 같은 중앙 기지국 컨트롤러의 동작은 매 타임 슬롯 마다 반복된다.
상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

  1. 기지국 컨트롤러에서 수행되는 기지국 전력 관리 방법에 있어서,
    각 기지국으로부터 적어도 하나의 단말의 채널 및 간섭 정보를 수신하는 단계;
    수신한 상기 채널 및 간섭 정보에 기초하여 각 셀별로 단말을 선택하는 단계;
    각 기지국의 전력 제한 파라미터 및 인접 셀간 간섭을 고려한 전력 파라미터를 결정하는 단계; 및
    상기 전력 제한 파라미터 및 상기 인접 셀간 간섭을 고려한 전력 파라미터를 이용하여 각 셀별로 단말을 다시 선택하는 단계를 포함하는 기지국 전력 관리 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 수신한 상기 채널 및 간섭 정보에 기초하여 각 셀별로 단말을 선택하는 단계는,
    수신한 상기 채널 정보 및 간섭 정보에 기초하여 각 단말별 가중치를 설정하고, 설정한 가중치와 각 기지국의 전송전력 및 각 단말의 데이터 전송률에 기초하여 각 셀별로 단말을 선택하는 것을 특징으로 하는 기지국 전력 관리 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 각 기지국의 전력 제한 파라미터 및 인접 셀간 간섭을 고려한 전력 파라미터를 결정하는 단계는,
    셀 레벨 및 네트워크 레벨의 순시 기지국 전력 제한에 상응하는 상기 전력 제한 파라미터를 결정하는 단계; 및
    인접 셀의 사용자 단말에 간섭을 미치는 기지국의 전력을 반영하는 상기 전력 파라미터를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국의 전력 관리 방법.
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 전력 제한 파라미터 및 상기 인접 셀간 간섭을 고려한 전력 파라미터를 이용하여 각 셀별로 단말을 다시 선택하는 단계는,
    모든 기지국의 단말 선택이 최종 결정되거나, 미리 설정된 회수의 단말 선택 과정이 수행될 때까지 반복적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 기지국의 전력 관리 방법.
  5. 청구항 1에 있어서,
    상기 기지국의 전력 관리 방법은, 매 타임 슬롯 마다 반복 수행되는 것을 특징으로 하는 기지국의 전력 관리 방법.
  6. 기지국 컨트롤러에서 수행되는 기지국 전력 관리 방법에 있어서,
    각 기지국으로부터 적어도 하나의 단말의 채널 및 간섭 정보를 수신하는 단계;
    n(여기서, n은 1이상의 자연수임) 번째 타임 슬롯에 대해 사용자 단말 스케줄링 및 빔포밍 벡터가 결정되지 않은 경우, 수신한 상기 단말의 채널 및 간섭 정보를 이용하여 n+1 번째 타임 슬롯에 대해 사용자 단말 스케줄링과 빔포밍 벡터를 결정하는 단계; 및
    n 번째 타임 슬롯에 대해 사용자 단말 스케줄링 및 빔포밍 벡터가 결정되지 않은 경우, 상기 n+1 번째 타임 슬롯에 대해 결정된 상기 사용자 단말 스케줄링 및 빔포밍 벡터를 이용하여 상기 n+1 번째 타임 슬롯에 대한 각 기지국의 안테나 수를 결정하는 단계를 포함하는 기지국의 전력 관리 방법.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 기지국의 전력 관리 방법은
    상기 n 번째 타임 슬롯에 대해, 사용자 단말 스케줄링 및 빔포밍 벡터가 결정된 경우에는 상기 n 번째 타임 슬롯에 대해 결정된 사용자 단말 스케줄링과 빔포밍 벡터를 이용하여 상기 n+1 번째 타임 슬롯에 대한 각 기지국의 안테나 수를 결정하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국의 전력 관리 방법.
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