KR101531518B1 - 기지국 협력 전력 제어 방법 및 이를 이용하는 기지국 장치 - Google Patents

기지국 협력 전력 제어 방법 및 이를 이용하는 기지국 장치 Download PDF

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Abstract

기지국 협력 전력 제어 방법 및 이를 수행하는 기지국 장치가 개시된다. 제 1 수신부는 상기 협력 단위 내 특정 기지국이 자신의 셀 경계에 위치한 특정 단말로부터 상기 특정 단말의 평균 전송률 및 상기 특정 단말의 현재까지 최소 평균 전송률 만족 정도를 나타내는 토큰 값 정보를 수신한다. 제 2 수신부는 상기 협력 단위 내 하나 이상의 다른 기지국으로부터 각 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 평균 전송률, 상기 각 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 토큰 값 및 상기 하나 이상의 다른 기지국 각각의 현재 전력 레벨을 포함하는 정보를 수신한다. 제 1 전력 레벨 연산부는 상기 특정 단말 및 상기 협력 단위 내 하나 이상의 다른 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률 및 토큰 값 정보를 이용하여 각 기지국 별 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률을 보장하는 상기 협력 단위 내 각 기지국의 제 1 전력 레벨 벡터를 계산한다. 제 2 전력 레벨 연산부는 상기 각 기지국의 현재 전력 레벨 및 상기 제 1 전력 레벨을 고려하여 상기 협력 단위 내 각 기지국의 갱신 전력 레벨인 제 2 전력 레벨 벡터를 계산한다.
Figure R1020090053499
기지국 협력 전력 제어, 셀 경계

Description

기지국 협력 전력 제어 방법 및 이를 이용하는 기지국 장치{POWER CONTROL METHOD OF COOPERATIVE BASE STATION AND BASE STATION DEVICE USING THE SAME}
본 발명은 기지국 간 협력하여 전력을 제어하는 방법 및 이를 이용하는 기지국 장치에 관한 것이다.
기존의 동일한 주파수 자원을 공유하는 하향링크 다중 셀룰러 통신 시스템에서, 일반적으로 기지국들은 다른 기지국들을 상관하지 않고, 각 기지국에 속해 있는 단말들의 채널 상태만을 고려하여, 주어진 기지국 최대 전력 내에서 기지국 전력을 결정하였다.
그러나, 주파수 재사용도가 1인 시스템에서 종래의 이러한 방식을 이용하여 기지국의 전력을 할당하는 방식에 문제가 있다. 즉, 단말이 기지국으로부터 멀리 떨어져 셀 경계에 위치하게 되는 경우, 무선 채널 환경의 거리에 따른 신호 감쇄로 인해 신호의 전력이 낮아지게 되고, 다른 기지국으로부터 오는 간섭 신호에 의해 통신 성능이 크게 저하되는 현상이 발생한다. 그리하여, 셀 경계에 위치한 단말(이하 셀 경계 단말로 약칭할 수 있다)은 양질의 통신 서비스를 받기가 어렵다.
이러한 문제를 극복하기 위하여 최근 셀간 협력하는 방법에 관한 연구가 활 발히 진행되고 있다. 셀간의 협력을 통해 무선 자원을 관리하게 되면, 셀 경계 단말에게 더 나은 통신 서비스를 제공하도록 도와줄 수 있게 된다. 그러나, 셀간 협력 방법은 기지국 사이에서 백홀(backhaul)을 통한 과도한 정보 교환 및 높은 복잡도의 계산량을 요구한다. 따라서, 실현 가능한 정보 교환량 및 이에 알맞은 낮은 복잡도를 갖는 알고리즘의 연구가 절실히 필요하게 되었다.
하향링크에서 단말의 성능에 가장 영향을 미치는 것은 인접 기지국으로 오는 간섭 신호이다. 단말에 영향을 미치는 간섭 신호를 구성하는 중요한 요소가 인접 기지국에서 사용하는 전력이므로, 이러한 인접 셀 기지국 전력을 잘 조절하는 것은 셀 경계 단말뿐만 아니라, 시스템 전체의 성능 향상을 위해서도 아주 중요한 작업이다.
이를 위한 기술로서 종래에 셀룰러 이동 통신 시스템에서 송신 전력을 조절하기 위한 방법에 대하여 논의된 바가 있다. 이는 셀룰러 이동 통신 시스템에서 인접한 기지국 간 공평성을 증대시키기 위한 송신 전력 조절 방법에 관한 것이다. 종래의 방법은 각 기지국들이 우선 단말들에게 송신한 트래픽에 대한 수신 결과를 ACK 신호와 NACK 신호로 구분하고, 이를 단말들로부터 다시 전달받아 전체 트래픽에 대한 NACK 신호의 비율을 기준으로 삼아, NACK 신호의 발생 빈도가 가장 높은 기지국에서는 가능한 최대 전력으로 신호를 송신하고, 반대로 NACK 신호 비율이 가장 적은 기지국에서는 가능한 작은 크기의 전력으로 신호를 송신하도록 하는 방식이다.
이러한 각 기지국의 NACK 신호 비율은 인접 기지국과 공유되며, 인접 기지국 들 간에 협상을 통해 인접 기지국으로부터 발생되는 간섭 신호의 크기를 줄여, 셀간 공평성을 향상시킬 수 있게 하는 방법이 제안되었다. 즉, 상기의 종래 기술은 단말로 송신한 데이터의 송신 성공 유무에 따라 각 기지국이 자체 계산한 송신 전력 송신 계수를 가지고 다음 송신 전력을 계산하고, 이 정보를 인접 기지국 간에 교환하여 셀간 협상을 통해 셀 간의 공평성을 맞추고자 하였다.
상기 종래 기술에서 실제 통신 환경에서는 주어진 채널 상황에 맞추어 부호화 하여 송신하는데, 이때 부호화율(coding rate)을 어떤 값으로 정하느냐가 데이터의 송신 성공 여부에 중요한 역할을 하게 된다. 그러나, 데이터의 성공 유무란 것은 채널 상황에 따라 부호화율을 어떻게 적절히 정하는가에 따라 달라지는 값이고, 각 셀의 성공 유무를 기준으로 공평성을 따지는 것은 실제의 통신 환경에서는 적합하지 않다.
또한, 단말들의 최소 평균 전송률을 만족시키는 통신 시스템을 고려한다면, 상기 종래의 방식으로는 상기 조건을 만족시킬 수 없게 된다. 또한, 상기 종래 기술에서 데이터의 송신 성공 유무가 한 셀의 공평성을 따질 수 있는 기준이 될 수 있다고 하더라도, 각 셀간의 협상을 할 때 상황이 좋지 않은 셀을 기준으로 인접 셀의 전력을 낮추는 방식을 취함에 있어서 전력을 조절할 필요가 없는 인접 셀의 최대 전력을 감소시키는 문제가 발생한다.
단말들의 지정학적 위치에 따라, 인접 셀이 자신의 단말들에게 간섭을 미치는 정도가 다르게 되므로, 만약 자신에게 간섭을 많이 미치는 셀을 구분할 수 있다면, 그 셀의 최대 전력을 감소시키는 것이 인접 셀 모두를 감소시키는 것보다는 훨 씬 효율적이다.
따라서 상기 종래의 방식은 자신에게 간섭을 크게 주지 않는 인접 셀의 전력까지도 제한함으로써, 해당 셀의 평균 전송률을 제한하고, 이는 전체 시스템의 성능 저하를 초래하게 되는 문제가 있다. 즉, 각 기지국들이 계산한 결과를 토대로 협상을 하는 것은 기본적으로 서로에 대한 정보를 가능한 많이 공유한 상태에서 여러 가지를 고려해 진행되어야 하는데, 상기의 종래 기술은 각 기지국 별로 기지국에 속해 있는 단말들의 피드백 정보만으로 이루어진 정보를 가공해서 협상을 하므로, 다른 기지국 정보를 알 수가 없게 되어 올바른 협상을 할 수가 없게 된다.
이와 같이 종래의 기술들은 여러 가지의 문제점을 지니고 있으며, 지금까지 하향링크 다중 셀룰러 시스템에서 셀간의 공평성, 특히 셀 경계 단말의 최소 평균 전송률을 최대한 보장하고, 기지국 간 정보 공유를 통해 효율적인 기지국의 전력 결정을 수행하기 위한 기지국 간 전력 제어 방법 및 이를 수행하는 기지국 장치는 제안된 바가 없다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 기지국 협력 전력 제어 방법을 제공하는 데 있다.
본 발명이 이루고자 하는 또 다른 기술적 과제는 기지국 협력 전력 제어 방법을 수행하는 기지국 장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 상기 기술적 과제로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기의 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 기지국 협력 전력 제어 방법은, 상기 협력 단위 내 특정 기지국이 자신의 셀 경계에 위치한 특정 단말로부터 상기 특정 단말의 평균 전송률 및 상기 특정 단말의 현재까지 최소 평균 전송률 만족 정도를 나타내는 토큰 값 정보를 수신하는 단계; 상기 협력 단위 내 하나 이상의 다른 기지국으로부터 각 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 평균 전송률, 상기 각 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 토큰 값 및 상기 하나 이상의 다른 기지국 각각의 현재 전력 레벨을 포함하는 정보를 수신하는 단계; 상기 특정 단말 및 상기 협력 단위 내 하나 이상의 다른 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률 및 토큰 값 정보를 이용하여 각 기지국 별 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률을 보장하는 상기 협력 단위 내 각 기지국의 제 1 전력 레벨 벡터 를 계산하는 단계; 및 상기 각 기지국의 현재 전력 레벨 및 상기 제 1 전력 레벨을 고려하여 상기 협력 단위 내 각 기지국의 갱신 전력 레벨인 제 2 전력 레벨 벡터를 계산하는 단계를 갖는다.
상기의 다른 기술적 과제를 달성하기 위한, 본 발명에 따른 기지국 장치는, 상기 협력 단위 내 특정 기지국이 자신의 셀 경계에 위치한 특정 단말로부터 상기 특정 단말의 평균 전송률 및 상기 특정 단말의 현재까지 최소 평균 전송률 만족 정도를 나타내는 토큰 값 정보를 수신하는 제 1 수신부; 상기 협력 단위 내 하나 이상의 다른 기지국으로부터 각 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 평균 전송률, 상기 각 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 토큰 값 및 상기 하나 이상의 다른 기지국 각각의 현재 전력 레벨을 포함하는 정보를 수신하는 제 2 수신부; 상기 특정 단말 및 상기 협력 단위 내 하나 이상의 다른 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률 및 토큰 값 정보를 이용하여 각 기지국 별 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률을 보장하는 상기 협력 단위 내 각 기지국의 제 1 전력 레벨 벡터를 계산하는 제 1 전력 레벨 연산부; 및 상기 각 기지국의 현재 전력 레벨 및 상기 제 1 전력 레벨을 고려하여 상기 협력 단위 내 각 기지국의 갱신 전력 레벨인 제 2 전력 레벨 벡터를 계산하는 제 2 전력 레벨 연산부를 구비한다.
본 발명에 의하면, 셀 간 간섭을 고려하며 최소 평균 전송률 및 비례적 공평을 만족시키는 기지국 전력을 계산하여 기지국 전력을 제어할 수 있다.
본 발명에서 얻은 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으 며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
이하 본 발명에 따른 바람직한 실시형태들을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 첨부된 도면과 함께 이하에 개시되는 상세한 설명은 본 발명의 예시적인 실시형태를 설명하고자 하는 것이며, 본 발명이 실시될 수 있는 유일한 실시형태를 나타내고자 하는 것이 아니다. 이하의 상세한 설명은 본 발명의 완전한 이해를 돕기 위해 구체적인 세부사항을 포함한다. 그러나, 당업자는 본 발명이 이러한 구체적 세부사항 없이도 실시될 수 있음을 알 것이다. 예를 들어, 이하의 설명에서 일정 용어를 중심으로 설명하나, 이들 용어에 한정될 필요는 없으며 임의의 용어로서 지칭되는 경우에도 동일한 의미를 나타낼 수 있다. 또한, 본 명세서 전체에서 동일하거나 유사한 구성요소에 대해서는 동일한 도면 부호를 사용하여 설명한다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
이하에 개시되는 기술은 다양한 통신 시스템에 사용될 수 있는데, 이러한 통신 시스템은 음성, 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공할 수 있다. 통신 시스템의 기술은 하향링크(Downlink) 또는 상향링크(Uplink)에 사용될 수 있다. 기지국은 고정국(fixed station), Base Station, Node B, eNode B(eNB), 액세 스 포인트(access point), ABS 등의 용어에 의해 대체될 수 있다. 또한, 단말(MS: Mobile Station)은 UE(User Equipment), SS(Subscriber Station), MSS(Mobile Subscriber Station), AMS 또는 Mobile Terminal 등의 용어로 대체될 수 있다.
또한, 송신단은 데이터 또는 음성 서비스를 송신하는 노드를 말하고, 수신단은 데이터 또는 음성 서비스를 수신하는 노드를 의미한다. 따라서, 상향링크에서는 단말이 송신단이 되고, 기지국이 수신단이 될 수 있다. 마찬가지로, 하향링크에서는 단말이 수신단이 되고, 기지국이 송신단이 될 수 있다.
한편, 본 발명의 단말로는 PDA(Personal Digital Assistant), 셀룰러폰, PCS(Personal Communication Service)폰, GSM(Global System for Mobile)폰, WCDMA(Wideband CDMA)폰, MBS(Mobile Broadband System)폰 등이 이용될 수 있다.
본 발명의 실시예들은 무선 접속 시스템들인 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802 시스템, 3GPP 시스템, 3GPP LTE(3rd Generation Partnership Project Long Term Evolution, 이하 LTE라 칭함) 시스템 및 3GPP2 시스템 중 적어도 하나에 개시된 표준 문서들에 의해 뒷받침될 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들 중 본 발명의 기술적 사상을 명확히 드러내기 위해 설명하지 않은 단계들 또는 부분들은 상기 문서들에 의해 뒷받침될 수 있다. 또한, 본 문서에서 개시하고 있는 모든 용어들은 상기 표준 문서에 의해 설명될 수 있다. 특히, 본 발명의 실시예들은 3GPP 및 3GPP2 시스템의 표준 문서인 TS25, TS36 시리즈 및 C.S000x 시리즈 등의 문서에 의해 뒷받침될 수 있다.
이하의 설명에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제 공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
본 발명에서 사용하는 용어인 기지국은 셀 또는 섹터를 포함하는 개념으로 사용될 수 있다. 또한, 상위 시스템(Higher System)은 각 기지국의 상위 기능을 수행하고, 데이터 및 제어 정보 전달을 통제하는 시스템에 해당한다. 이러한 상위 시스템은 일반적으로 하나의 네트워크 엔티티(entity)라고 할 수 있다. 서빙 기지국(셀)은 단말에게 기존의 주요 서비스를 제공하는 기지국으로 볼 수 있고, 협력 다중 송신 포인트 상에서의 제어 정보의 송신 및 수신을 수행할 수 있다. 이러한 의미에서 서빙 기지국은 앵커 기지국(셀)(anchor cell)이라 칭할 수 있다.
이하에서 협력 관계를 맺은 기지국간에 협력 단위 내 각 단말의 최소 평균 전송률을 보장하고 비례적 공평을 최대화하기 위한 전력 조절을 수행하는 내용을 살펴본다.
도 1은 협력 단위 내의 각 기지국 간의 평균 전송률을 포함하는 정보를 교환하는 방식을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 협력을 수행하기로 결정된 기지국들은 크게 2가지 방법으로 기지국 간 정보를 교환할 수 있다. 도 1의 (a)에 도시된 바와 같이, 각 기지국은 인접 기지국들과 미리 연결된 백본(backbone)을 통해 단말들로부터 받은 정보를 직접적으로 송수신할 수 있다. 다른 하나는 도 1의 (b)에 도시된 바와 같이, 각 기지국들을 관리하고 통제하는 상위 시스템은 각 기지국이 단말들로부터 받은 정보를 각 기지국으로부터 수신할 수 있고, 이를 가공하여, 다시 각 기지국으로 송신할 수 있다. 여기서 상위 시스템의 역할은 협력 단위 내의 기지국들 중 임의의 기지국이 수행할 수도 있다.
전자의 방식에서는 각 기지국들이 직접적으로 인접 셀 들로부터 정보를 받아보게 되므로, 각 기지국은 동일한 정보를 가지고, 기지국 협력 전력 레벨 제어 알고리즘을 수행할 수 있다. 후자의 방식은 상위 시스템이 협력 단위 내의 각 기지국들로부터 정보를 수신하고, 이를 통해 기지국 협력 전력 레벨 제어 알고리즘을 수행할 수 있다.
전자의 방식의 경우, 각 기지국은 인접 셀 정보를 빨리 얻을 수 있는 장점이 있으나, 각 기지국이 동일한 셀간 전력 레벨 결정 알고리즘을 각각 수행함에 따른 기지국별 로드가 생기는 단점이 있다.
이와 달리, 후자의 방식의 경우, 각 기지국은 자신의 정보를 상위 시스템에 넘겨주기 때문에 인접 셀 정보를 직접적으로 공유할 필요가 없고, 상위 시스템에 의해 결정된 전력 정보만 수신하면 되므로, 각 기지국 부하(load)가 줄어드는 장점이 있다. 반면에 최종 전력 레벨을 계산하는데 소요되는 시간은 전자의 방식보다 조금 더 소비된다는 단점이 있다. 상기 두 가지 방식 중 어느 한 방식이 일률적으로 좋은 것은 아니기 때문에 통신 및 시스템 상황에 따라 적합한 하나의 방식을 선택하여 사용할 수 있다.
각 기지국 간의 정보를 상기 전자의 방식과 같이 교환하는 경우, 협력 단위 내의 각 기지국이 기지국 전력 제어를 수행할 수 있다. 또한 협력 단위 내의 기지국 중 임의의 한 기지국이 기지국 협력 전력 레벨 제어 방법을 수행할 수도 있다. 하나의 기지국이 기지국 협력 전력 제어 방법을 수행하는 경우, 그 수행된 결과를 협력 단위 내 다른 기지국으로 시그널링을 통해 알려줄 수 있다.
한편 각 기지국 간의 정보를 상기 후자의 방식과 같이 교환하는 경우에는, 각 기지국이 아닌 상위 시스템이 기지국 협력 전력 레벨 제어를 수행할 수 있다. 상위 시스템이 기지국 협력 전력 레벨을 제어하는 경우에도 기지국 간 정보 교환 방식만 다를 뿐, 기지국 협력 전력 레벨을 제어하는 방법은 각 기지국이 수행하는 것과 동일하게 수행할 수 있다.
이하에서는 전자의 방식을 중심으로 협력 단위 내의 각 기지국 또는 협력 단위 기지국 중 임의의 기지국이 기지국 협력 전력 레벨 제어를 수행하는 과정을 설명할 것이다. 상위 시스템이 기지국 협력 전력 제어를 수행하는 과정은 그 구성에 있어서 기지국이 수행하는 것과 동일하므로 설명은 생략하기로 한다.
본 발명에서 협력 단위 내의 기지국은 기지국 간 협력 단위를 결정하는 소정 주기에 따라 새롭게 구성될 수 있다. 협력 단위 결정 주기에 따라, 기지국 간 협력을 수행할 협력 단위를 결정할 수 있다. 이렇게 해서 결정된 협력 단위 내의 기지국들은 상호 정보를 교환할 수 있다.
도 2는 본 발명에 따른 기지국 협력 전력 레벨 제어를 수행하는 기지국 장치(200)에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 기지국 협력 전력 레벨 제어를 수행하는 기지국 장치는 셀 경계 단말 결정부(210), 송신부(220), 수신부(230), 제 1 전력 레벨 연산부(240) 및 제 2 전력 레벨 연산부(250)를 구비한다.
셀 경계 단말 결정부(210)는 기지국 간에 정보 공유시 셀 마다 하나의 단말을 선택한다. 이러한 셀 경계 단말들은 집합(
Figure 112009036399193-pat00001
)으로 구성될 수 있다. 셀 경계에 위치한 하나의 단말을 선택하는 방식을 이용함으로써 백본을 통한 데이터 전송량을 크게 줄일 수 있는 효과가 있다.
셀 경계 단말 결정부(210)는 기지국 간 협력 주기 이내에서 자유롭게 각 기지국이 조절하여 셀 경계 단말을 선택할 수 있다. 이때, 셀 경계 단말을 선택하는 주기는 복수 개의 셀 간에 정보를 교환하는 주기를 포함하는 값이 될 수 있다. 그리고, 기지국 간 정보 교환 주기는 한 개의 프레임 또는 복수 개의 프레임을 포함하는 단위일 수 있다. 즉, 기지국 간 협력 단위가 결정된 후, 셀 경계 단말을 선택하는 주기 이내에 협력을 맺은 기지국들의 필요에 따라 여러 번 셀 경계 단말을 선택할 수 있으며, 선택된 셀 경계 단말의 정보는 하나 이상의 프레임 단위를 포함하는 주기마다 송수신 될 수 있다.
이하에서 기술할 본 발명에 따른 기지국 협력 전력 제어 방법은 기지국 간 정보 교환 주기와 동일한 주기를 가지고 수행될 수 있다. 여기서 협력 단위는 미리 결정되어 기지국 간 정보가 이미 공유된 것으로 가정한다.
이하에 각 기지국이 셀 경계 단말을 선택하는 기준을 살펴본다.
첫 번째로서, 셀 경계 단말 결정부(210)는 서빙 기지국으로부터 평균 채널 값이 가장 작은 단말을 선택할 수 있다. 기지국 b가 셀 경계 단말을 선택하는 기준은 다음 수학식 1과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009036399193-pat00002
여기서
Figure 112009036399193-pat00003
는 기지국 b 및 기지국 b의 k번째 단말 간의 평균 채널 값이고,
Figure 112009036399193-pat00004
는 기지국 b가 서비스하고 있는 단말들의 집합이다.
두 번째로서, 셀 경계 단말 결정부(210)는 간섭의 합이 가장 큰 단말을 셀 경계 단말로 선택할 수 있다. 이 방식은 협력 단위 내의 기지국 간에 미리 평균 채널 정보가 교환되어 공유된 경우를 가정한다. 기지국 b가 셀 경계 단말을 선택하는 기준은 다음 수학식 2와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009036399193-pat00005
여기서 c는 협력 단위 내의 기지국들의 집합이다.
세 번째로서, 셀 경계 단말 결정부(210)는 평균 전송률이 가장 낮은 단말을 셀 경계 단말로 선택할 수 있다. 기지국 b가 셀 경계 단말을 선택하는 기준은 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009036399193-pat00006
여기서
Figure 112009036399193-pat00007
는 기지국 b의 k번째 단말의 평균 전송률이다.
네 번째 방식으로, 셀 경계 단말 결정부(210)는 토큰 값이 가장 큰 단말을 셀 경계 단말로 선택할 수 있다. 기지국 b가 셀 경계 단말을 선택하는 기준은 수학식 4와 같이 표현할 수 있다.
Figure 112009036399193-pat00008
송신부(220)는 상술한 방법에 의해 결정된 각 기지국의 셀 경계 단말의 평균 전송률, 상기 셀 경계 단말이 현재까지 최소 평균 전송률을 만족시킨 정도를 나타내는 토큰 값 및 현재 기지국 전력 레벨을 협력 단위 내의 다른 기지국들로 직접 송신할 수 있다.
수신부(230)는 기지국 자신의 셀 경계에 위치한 단말로부터 평균 전송률 및 토큰 값을 수신할 수 있다. 또한, 수신부(230)는 협력 단위 내 다른 기지국으로부터 각 기지국 마다 셀 경계에 위치한 하나의 단말의 평균 전송률, 토큰 값 및 각 기지국의 현재 전력 레벨을 포함하는 정보를 수신할 수 있다.
제 1 전력 레벨 연산부(240)는 협력 단위 내 각 기지국의 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률 및 비례적 공평(proportional fairness)을 만족시키는 각 기지국의 전력 레벨 벡터를 계산할 수 있다. 즉, 각 기지국 간에 셀 정보가 공유가 되었으면, 제 1 전력 레벨 연산부(240)는 셀 경계 단말의 최소 평균 전송률을 만족시키면서 셀 경계 사용자들의 비례 공평을 만족시키는 전력 레벨 벡터
Figure 112009036399193-pat00009
를 찾는다. 이러한 전력 레벨
Figure 112009036399193-pat00010
는 다음 수학식 5의 메트릭(metric)을 만족하는 벡터값 이다.
Figure 112009036399193-pat00011
여기서
Figure 112009036399193-pat00012
는 기지국 b의 k번째 단말의 평균 전송률,
Figure 112009036399193-pat00013
는 기지국 b 및 기지국 b의 k번째 단말 간의 평균 채널 값,
Figure 112009036399193-pat00014
는 기지국 b가 서비스하고 있는 단말 집합,
Figure 112009036399193-pat00015
는 셀 경계 단말 집합, a는 토큰 가중(weight) 함수,
Figure 112009036399193-pat00016
는 기지국 b의 k번째 단말의 토큰값,
Figure 112009036399193-pat00017
는 기지국의 최대 전송 전력,
Figure 112009036399193-pat00018
는 잡음의 평균 전력, Rmin은 최소 평균 전송률을 나타낸다.
이때, 제 1 기지국 전력 계산부(240)는 상기 수학식 5를 만족하는 각 기지국을 위한 전력 레벨
Figure 112009036399193-pat00019
를 다음과 같은 방법을 이용하여 찾을 수 있다.
제 1 기지국 전력 계산부(240)는 각 기지국을 위한 테스트 전력을 위해
Figure 112009036399193-pat00020
같이 최대 전력 대비 여러 레벨을 갖는 전력으로 나눈다. 그리고, 제 1 기지국 전력 계산부(240)는 각 기지국 마다 하나의 전력 레벨을 선정하여 상기 수학식 5를 만족하는지 여부를 알아볼 수 있다. 여기서
Figure 112009036399193-pat00021
는 테스트 전력 레벨의 개수이다. 각 기지국의 모든 전력 조합에 대해서 상기 수학식 5의 만족 여부를 알아본 후, 만족하는 조합 중, 상기 수학식 5의 메트릭을 최대로 만드는 전력 조합
Figure 112009036399193-pat00022
를 계산할 수 있다.
이때
Figure 112009036399193-pat00023
가 커질수록 상기 수학식 5를 만족하는 전력 조합
Figure 112009036399193-pat00024
를 찾는데 소요되는 시간 및 연산 복잡도가 증가하게 된다. 이와 달리
Figure 112009036399193-pat00025
를 너무 작게 하면, 수학식 5를 만족하는 최적의 전력 조합을 찾지 못할 수도 있다. 따라서, 복잡도와 최적 전력을 고려하여, 적절한 값으로
Figure 112009036399193-pat00026
를 설정하는 것이 바람직하다.
토큰 값은 비례적 공평 스케줄링을 수행하는 시스템에서 도입된 개념이다. 단말의 최소 평균 전송률 조건을 만족시키기 위해 단말들에게 각각 토큰이라고 하는 것을 두고, 최소 평균 전송률을 만족시키지 못한 만큼 이 토큰 값을 증가시키게 된다. 따라서, 최소 평균 전송률을 만족시키지 못한 단말들은 토큰 값이 커지게 되고, 이를 스케줄링에 반영하여, 이들 단말들에게 좀 더 우선권을 줄 수 있다. 이를 통해 단말들의 최소 평균 전송률 조건이 가능한 정도 이내에서 제어될 수 있다.
기지국 b에 속한 k번째 단말에 대한 토큰 값은 다음 수학식 6을 이용하여 갱신될 수 있다.
Figure 112009036399193-pat00027
여기서 Rmin은 최소 평균 전송률,
Figure 112009036399193-pat00028
는 기지국 b 및 기지국 b의 k번째 단말 간의 평균 채널 값을 나타내고,
Figure 112009036399193-pat00029
는 시각 t에서의 순간 전송률로서 다음 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009036399193-pat00030
상기의 기지국 간 전력 제어를 위한 수학식 5를 만족시키는 기지국 전력 레벨
Figure 112009036399193-pat00031
가 존재한다면, 제 2 기지국 전력 계산부(250)는 현재 전력 레벨 및 상기 수학식 5를 만족시키는 기지국 전력 레벨
Figure 112009036399193-pat00032
를 고려하여, 다음 수학식 8과 같이 새로운 기지국 전력 레벨을 계산할 수 있다. 그리고, 이 계산된 새로운 기지국 전력 레벨로 갱신할 수 있다.
Figure 112009036399193-pat00033
여기서
Figure 112009036399193-pat00034
는 현재 기지국의 전력 레벨을,
Figure 112009036399193-pat00035
는 새로운 기지국 전력레벨을,
Figure 112009036399193-pat00036
는 전력 조절 상수를 나타낸다.
Figure 112009036399193-pat00037
값은 주어진 상황에 따라서 적절히 정할 수 있는 값이다. 예를 들어, 정확하게 최소 평균 전송률 조건을 만족시키는 것을 조금 손해 보더라도, 좀 더 빨리 기지국 간에 공평성(fairness)을 만족시키고 싶다 면,
Figure 112009036399193-pat00038
값을 큰 값으로 사용해야 하며, 이와 달리 인접 기지국과 자신의 기지국이 전력을 조금만 변경시켜도 단말의 평균 전송률이 상대적으로 크게 움직인다면,
Figure 112009036399193-pat00039
값을 작은 것을 사용하여 세밀히 조절하여 단말의 최소 평균 전송률을 만족시키는 것이 더 바람직할 수 있다.
만약, 상기 수학식 5를 만족시키는
Figure 112009036399193-pat00040
가 존재하지 않는다면, 제 1 기지국 전력 계산부(240)는 다음과 같은 과정을 다시
Figure 112009036399193-pat00041
를 찾을 수 있다. 즉 최소의 토큰 값을 갖는 단말이 속한 셀을 협력 단위에서 잠시 제외하는 방법을 이용할 수 있다. 수학식 9는 최소의 토큰 값을 갖는 단말이 속한 셀을 나타낸다.
Figure 112009036399193-pat00042
다음 수학식 10은 최소의 토큰 값을 갖는 단말이 속한 셀을 협력 단위에서 잠시 제외한 기지국의 집합을 나타낸다.
Figure 112009036399193-pat00043
제 1 기지국 전력 계산부(240)는 최소의 토큰 값을 갖는 단말이 속한 셀을 협력 단위에서 잠시 제외한 기지국들을 대상으로 다시 상기 수학식 5를 이용하여
Figure 112009036399193-pat00044
를 찾는다. 이 과정은
Figure 112009036399193-pat00045
를 찾을 때까지 반복할 수 있다. 새로운 토큰 값이 가장 작은 기지국을 선정하여 제외하는 이유는 상대적으로 전송 상황이 좋은 셀보다, 전송 상황이 좋지 않은 다른 셀부터 우선적으로 고려함으로써 조금이라도 더 비례 공평을 만족시키기 위한 것이다. 상기 과정을 수행하다 한 셀만 남게 되면 인접 셀의 간섭을 고려하지 않게 된다는 것이므로, 이때 최적의 전력은 기지국 최대 전력
Figure 112009036399193-pat00046
가 된다.
도 3은 협력 단위 내의 기지국 간에 교환하는 정보를 송신하는 바람직한 패킷 데이터 구성의 실시예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 패킷 데이터의 구성 방식에는, 단말들의 각 기지국 당 평균 채널 값에 해당하는 정보를 미리 기지국에서 추정하여 송신하는 경우에 구성하는 방식인 제 1 패킷 데이터 구성 방식 및 단말들의 각 기지국 당 평균 신호대 간섭 및 잡음비(SINR: Signal Interference to Noise Ratio)를 송신하는 경우의 패킷 데이터 구성인 제 2 패킷 데이터 구성 방식이 있다.
상기 2가지 경우 모두, 패킷의 시작부분에 셀 ID (Identifier)가 할당될 수 있다. 셀룰러 시스템에서 각 셀은 고유의 셀 ID를 가지므로, 셀 ID 정보는 정보를 수신하는 쪽에서 해당 정보가 어느 셀로부터 온 것인지 구분하기 위해 사용되는 정보이다. 그 외에 해당 셀의 기지국에서 사용하고 있는 현재 전력 레벨 정보, 각 기지국에서 송신하기 전에 단말의 각 기지국 당 평균 채널 값 또는 평균 신호대 간섭 및 잡음비 정보, 현재까지의 평균 전송률 및 토큰 값 등이 할당될 수 있다. 여기서, |C|는 협력 단위 C를 구성하는 기지국의 총 개수이다. 상기 패킷 데이터는 인접 셀 정보 교환 방식에 따라 인접 셀로 직접 송신되거나 혹은 상위 시스템으로 송신될 수 있다.
도 4는 본 발명에 따른 기지국 협력 전력 레벨 제어 방법의 바람직한 실시예의 수행과정을 도시한 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 셀 경계 단말 결정부(210)는 기지국 자신의 셀 경계에 위치한 하나의 단말을 선택한다(S410). 상술한 바와 같이, 셀 경계 단말 결정부(210)는 서빙 기지국에 대한 평균 채널 값이 가장 작은 단말, 간섭의 합이 가장 큰 단말, 평균 전송률이 가장 낮은 단말 및 토큰 값이 가장 큰 단말 중 어느 하나를 협력 단위 내의 각 기지국의 셀 경계에 위치한 하나의 단말로 선택할 수 있다(S410). 이러한 셀 경계 단말들은 집합(
Figure 112009036399193-pat00047
)으로 구성될 수 있다. 이러한 선택된 셀 경계 단말의 평균 전송률 및 토큰 값을 포함하는 정보를 수신하는 방법을 이용함으로써 백본망을 통한 데이터 전송량을 감소시켜 백본망의 과부하를 방지할 수 있다.
송신부(220)는 상기 선택된 각 기지국의 셀 경계 단말의 평균 전송률, 상기 단말의 현재까지 최소 평균 전송률을 만족시키는 정도를 나타내는 토큰 값 및 현재 기지국 전력 레벨을 협력 단위 내의 다른 기지국으로 송신할 수 있다(S420).
수신부(230)는 협력 단위 내의 다른 기지국들로부터 각 기지국 마다 셀 경계에 위치한 하나의 단말의 평균 전송률, 토큰 값 및 각 기지국의 현재 전력 레벨을 포함하는 정보를 수신할 수 있다(S430).
제 1 전력 레벨 연산부(240)는 협력 단위 내의 각 기지국의 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률 및 비례적인 공평(proportional fairness)을 만족시키는 각 기지국의 전력 레벨 벡터를 계산할 수 있다(S440). 즉, 각 기지국 간에 셀 정보가 공유가 되었으면, 제 1 전력 레벨 연산부(240)는 셀 경계 단말의 최소 평균 전송률을 만족시키면서 셀 경계 사용자들의 비례 공평을 만족하는 전력 레벨 벡터
Figure 112009036399193-pat00048
를 찾는다. 이러한 전력 레벨 벡터
Figure 112009036399193-pat00049
는 상기 수학식 5를 만족하는 벡터값이다.
그 후, 제 2 전력 레벨 연산부(250)는 각 기지국의 현재 전력 레벨 및 제 1 전력 레벨 연산부(240)에서 연산한 상기 수학식 5를 만족하는 전력 레벨 벡터를 이용하여 각 기지국의 새로운 전력 레벨 벡터를 계산할 수 있다(S450). 그 후, 제 2 전력 레벨 연산부(250)는 이 새로운 기지국 전력 레벨 벡터를 각 기지국이 사용할 제 2 전력 레벨 벡터로 갱신할 수 있다(S460).
그 후, 기지국은 제 1 전력 레벨 벡터 및 제 2 전력 레벨 벡터 정보 중 하나 이상을 협력 단위 내 다른 기지국으로 송신할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 기지국 협력 전력 레벨을 제어하기 위한 알고리즘의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 각 기지국은 최소 평균 전송률을 만족시키지 못하는 셀 경계 단말이 존재하는지 여부를 판단할 수 있다(S510). 즉, 각 기지국은 현재 사용하고 있는 전력을 바꾸어야 할지 여부를 결정할 수 있다. 이때 사용되는 지표로는 각 단말들의 평균 전송률이 최소 평균 전송률 조건을 만족시키고 있는가의 여부이다. 만약, 모든 셀 경계 단말들의 평균 전송률이 최소 평균 전송률 조건을 만족시키고 있다면, 각 기지국의 현재 전력 레벨은 그대로 유지된다. 만약 최소 평균 전송률 조건을 만족시키지 못하고 있는 단말이 하나라도 존재한다면, 현재의 기지국 간 전 력 레벨은 수정될 필요가 있다.
제 1 전력 레벨 연산부(240)는 상기 수학식 5를 이용하여 단말의 최소 평균 전송률을 만족시키는 기지국 전력 레벨을 계산할 수 있다(S520). 그 후, 제 1 전력 레벨 연산부(240)는 상기 수학식 5를 만족하는 기지국 전력 레벨이 존재하는지 판단할 수 있다(S530).
만약, 모든 셀 경계 단말들의 최소 평균 전송률을 충족시키는 전력 레벨이 존재한다면, 제 2 전력 레벨 연산부(240)는 상기 수학식 8을 이용하여 새로운 기지국 전력 레벨을 계산할 수 있고, 이를 앞으로 기지국들이 사용할 기지국 전력 레벨로 갱신할 수 있다(S540). 이와 달리, 모든 셀 경계 단말들의 최소 평균 전송률을 충족시키는 전력 레벨이 존재하지 않는다면, 협력하는 셀 들 중 한 셀을 탈락시키고, 이를 제외한 나머지 기지국 정보를 이용하여, 다시 최적의 기지국 간 전력 레벨인 제 3 전력 레벨 벡터를 계산할 수 있다(S550).
상기 과정을 수행한 후, 한 셀만 남게 되면 인접 셀의 간섭을 고려하지 않게 된다는 것이므로, 이때 최적의 전력은 기지국 최대 전력이 될 수 있다. 그 후, 기지국은 상기 제 3 전력 레벨 벡터 정보를 협력 단위 내 다른 기지국으로 송신할 수 있다.
상기 과정을 거쳐 계산된 기지국 전력 정보를 이용하여, 각 기지국은 자신에게 할당된 전력 및 인접 기지국의 전력을 고려하여, 각기 비례 공평 스케줄링을 수행하며 서비스를 받을 단말을 선택할 수 있다. 즉, 협력을 맺은 기지국들 간에 먼저 셀 경계 단말을 고려한 기지국 전력 레벨을 정하고, 차후 각 기지국에서 이 정 보들을 이용하여 각 기지국이 각자 인접 셀 간섭을 고려하여 스케줄링을 수행할 수 있다.
지금까지 단일 부채널에서의 최소 평균 전송률을 위한 기지국 간 전력 제어 알고리즘에 대해 살펴보았다. 이하에서는 다중 부채널로 확장시킨 다중 부채널에서의 기지국 간 전력 제어 알고리즘에 대해 살펴본다.
일반적으로 기지국이 사용할 수 있는 부채널은 복수 개일 수 있다. 복수의 부채널(subchannel)에 사용할 수 있는 전력의 총합은 기지국 최대 전력 합 이내로 제한된다. 따라서 한 부채널에서 사용하고 남은 전력은 다음 부채널을 위해 사용될 수 있다. 각 부채널은 기본적으로
Figure 112009036399193-pat00050
까지 최대로 전력 할당이 되어있다고 가정한다. 만약, 다중 채널 중 한 부채널에서 실제 사용하는 전력이 사용할 수 있는 최대 전력보다 작게 되는 경우, 채널에서 사용하고 남은 잉여 전력을 다음 부채널의 최대 전력에 더해서 기본적으로 할당된
Figure 112009036399193-pat00051
보다 더 높은 최대 전력을 사용하는 것이 가능하다.
도 6은 단일 부채널에서의 최소 평균 전송률을 위한 기지국 간 전력 제어 알고리즘을 다중 부채널로 확장시킨 기지국 간 전력 제어 알고리즘의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 6을 참조하면, 먼저 각 부채널의 최대 전력은 각각
Figure 112009036399193-pat00052
로 초기화되며, 각 부채널을 위한 잉여 전력
Figure 112009036399193-pat00053
도 0으로 초기화된다. 즉,
Figure 112009036399193-pat00054
로 초기화된다(S610). 여기서 s는 부채널 인덱스,
Figure 112009036399193-pat00055
는 협력 단위 내의 기지국들의 최대 전력들을 나타내는 벡터, 그리고
Figure 112009036399193-pat00056
는 s번째 부채널을 위해 사용될 수 있는 각 기지국의 잉여 전력 벡터를 나타낸다.
s번째 부채널을 위해 이미 할당된 전력
Figure 112009036399193-pat00057
외에 s-1 번째 부채널에서 사용되지 않고 남은 잉여 전력을 더하여 상기 부채널에서 사용될 수 있는 최대 전력을 구할 수 있다(S620). 이는 다음 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009036399193-pat00058
여기서
Figure 112009036399193-pat00059
는 s번째 부채널에서 사용 가능한 최대 전력레벨을 나타낸다.
협력 단위 내의 기지국들은 자신의 셀 경계 단말들이 최소 평균 전송률 조건을 만족시키는지 여부를 판단한다(S630). 만약 셀 경계 단말들이 최소 평균 전송률 조건을 만족한다면, 현재 전력은 이전 부채널에서 사용하던 전력을 그대로 사용하고(
Figure 112009036399193-pat00060
)(S640), 이와 달리 셀 경계 단말들이 최소 평균 전송률 조건을 만족시키지 못하면, 상기 수학식 5를 만족하는
Figure 112009036399193-pat00061
를 구한다(S650). 이때 부채널 인덱스 s가 1일 때 이용되는
Figure 112009036399193-pat00062
값은 이전 시간의 마지막 NS번째 부채널에서 사용했던 각 기지국들의 전력값이라고 가정한다. 결과적으로, 시각 t에서 s번째 부채널 을 위한 전력 레벨은 다음 수학식 12를 이용하여 갱신될 수 있다(S660).
Figure 112009036399193-pat00063
전력 레벨을 갱신한 후, 현재 부채널이 마지막 부채널이 아니라면(S670), 각 기지국의 다음 부채널을 위한 전력을 설정하기 위해 상기 과정을 반복할 수 있다. 이때, 다음 부채널을 위한 잉여 전력은 다음 수학식 13에 의하여 계산될 수 있다.
Figure 112009036399193-pat00064
다음 부채널을 위해 상기 수학식 5를 적용하고자 할 때 이에 해당하는 토큰 값 및 평균 전송률을 갱신해 주어야 하는데, 다중 부채널을 위한 토큰 값 및 평균 전송률을 갱신하는 방식에는 2가지가 있다. 하나는 실제로 누가 선택될지 알 수 없으므로, 갱신을 수행하지 않고, 이전 프레임에 사용했던 토큰 값 및 평균 전송률을 그대로 사용하는 방식(Proportional Fair Scheduling-Single carrier system: PFS-S, 이하 PFS-S 방식이라 함)이고, 다른 하나는 각 기지국의 셀 경계 단말이 각각 선택되었다고 가정하고, 해당하는 각 셀 경계 단말의 토큰 값 및 평균 전송률을 갱신하는 방식(Proportional Fair Scheduling-Instantaneous: PFS-I, 이하PFS-I 방식이라 함)이다.
PFS-I 방식에서는, 다음 수학식 14에 의하여 각 부채널에 대한 전력 계산이 수행된 후, 시간 t에서의 상기 알고리즘을 위한 셀 경계 단말의 토큰 값(
Figure 112009036399193-pat00065
) 및 평균 전송률(
Figure 112009036399193-pat00066
) 갱신은 각각 다음 수학식 15 및 수학식 16에 의하여 계산될 수 있다.
Figure 112009036399193-pat00067
여기서
Figure 112009036399193-pat00068
는 시각 t에서의 s번째 부채널의 순간 전송률,
Figure 112009036399193-pat00069
는 기지국 b 및 기지국 b의 k번째 단말 간의 평균 채널 값이다.
Figure 112009036399193-pat00070
Figure 112009036399193-pat00071
여기서
Figure 112009036399193-pat00072
는 시각 t에서의 s번째 부채널의 전력 레벨, NS는 전체 부채널의 수이다.
한편, PFS-S방식에서는 토큰 값 및 평균 전송률 갱신은 단일 부채널에서의 갱신 방식과 동일하므로 설명은 생략하기로 한다.
다중 부채널의 개념은 직교 주파수 분할 다중화(OFDM: Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 OFDM이라 칭함)에서의 부채널(sub-band)의 개념과 일맥상통한다. OFDM 시스템에서 각각의 단말 데이터는 부채널 단위로 나누어져 전송될수 있으며, 이때 각 기지국마다 최대 전력 합이 존재하고, 각 부채널에 할당되는 전력의 총합은 최대 전력 합을 넘지 않는 범위 내에서 결정될 수 있다.
OFDM에서도 각 부채널을 위해 기지국 간 전력 제어 알고리즘을 적용하고 난 후, 남은 전력은 다음 채널의 최대 전력을 높이는데에 사용될 수 있으며, 결과적으로 다중 채널 환경인 OFDM에서 더 효과적으로 기지국 간 전력 제어 알고리즘이 수행될 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 기지국 협력 전력 레벨 제어 알고리즘을 수행하기 위한 협력 단위 내의 기지국 및 단말을 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 실험 환경은 4 티어(tier), 즉 61개의 셀로 이루어진 하향링크 다중 셀룰러 무선통신 네트워크라고 가정한다. 각 셀의 중심에는 하나의 기지국이 존재하며, 각 셀당 3명의 사용자(단말)가 면적당 균일하게 분포하고, 모든 사용자가 서비스를 받기를 기다리고 있다고 가정한다. 신호의 경로 감쇄 지수(
Figure 112009036399193-pat00073
)는 4를 사용하였고, 셀 반경 Db는 1km, 그리고 최대 기지국 전력
Figure 112009036399193-pat00074
를 위해 셀 최외곽 지역에 위치한 단말을 위한 신호의 평균 신호대 간섭비(SNR)
Figure 112009036399193-pat00075
를 정의하고(
Figure 112009036399193-pat00076
),
Figure 112009036399193-pat00077
가 10dB가 되도록 각 기지국 전력을 설정한다.
또한, 본 발명에 따른 기지국 간 전력 제어 알고리즘의 효과를 비교하기 위 하여, 각 기지국들이 셀간 협력을 수행하지 않는, 즉 인접 셀을 고려하지 않고 자신만의 기지국을 위해 항상 기지국 전력 레벨이
Figure 112009036399193-pat00078
가 되도록 하여 단말에게 서비스하는‘S-RRM’방식 및 다음 수학식 17을 최대로 할 수 있는 가장 최적의 단말 조합과 그에 해당하는 전력 조합을 일일이 구하여 최대의 셀간 비례 공평성을 얻을 수 있는‘O-CRRM’ 방식을 함께 실험하여 비교하였다.
이러한‘O-CRRM’방식은 씨.쥬(C. Zhu), 티.기리치(T. Girici), 제이.러셀 에이(J. Russell A)가 출원한 미국 특허 출원(US 2007/0248048) "QOS 제약을 갖는 OFDM 무선 시스템을 위한 비례 공평 스케줄러"(“PROPORTIONAL FAIR SCHEDULER FOR OFDMA WIRELESS SYSTEMS WITH QOS CONSTRAINTS")에서 인용된 수학식을 이용하여 실험한 것이다. 이 수학식 17은 각 단말들의 평균 전송률의 합을 최대화하는 스케줄링 방식을 다룬 것으로 다음과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112009036399193-pat00079
여기서
Figure 112009036399193-pat00080
는 시각 t에서 기지국 b의 k번째 단말의 스케줄링 여부를 알려주는 지시자(indicator)이며, 스케줄링이 되었으면 1을, 그렇지 않으면 0인 값을 가진다.
본 발명에서 제안한 수학식 5는 수학식 17의 복잡도를 크게 줄인 것으로서, 셀 간의 간섭을 고려하여 최소 평균 전송률을 만족시키기 위한 기지국 전력 제어를 수행하는데 필요한 수식이다.
이하에서 설명할 하향링크 다중 셀룰러 무선 통신 네트워크 모델을 기반으로 각 단말의 평균 전송률(bps/Hz)을 이용하고 누적 분포 함수(CDF: Cumulative Distribution Function)를 구하여 본 발명에 따른 효과를 측정하였다.
이때 상기 수학식 5를 만족하는 전력 레벨을 찾기 위해 사용한 NP는 4로 설정하였다. 또한, 전력 갱신 상수
Figure 112009036399193-pat00081
는 정밀도를 고려하여 0.05로 정하였다. 셀 경계 단말의 선택 주기는 셀간 협력이 맺어지는 주기와 동일할 수 있고, 하나의 셀간 협력 주기는 여러 개의 프레임 슬롯으로 구성될 수 있다고 가정한다. 이때, 각 기지국은 매 프레임마다 자신의 셀 경계 단말의 정보를 인접 기지국들과 교환할 수 있다. 매 프레임마다 정보 교환이 이루어지고 나서, 기지국 협력 전력 레벨 제어를 수행한 후, 각 기지국이 사용할 전력 레벨이 결정되면, 각기 비례 공평 스케줄러를 사용하여, 단말에게 서비스한다고 가정한다.
도 8은 하향링크 다중 셀룰러 무선 통신 네트워크 모델을 기반으로 단일 부채널인 경우의 최종 평균 전송률에 대한 CDF를 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면, 실험 환경은 하향링크, 단일 부채널이며, 4 티어(tier), 최소 평균 전송률(
Figure 112009036399193-pat00082
)은 0.3, 신호의 경로 감쇄 지수(
Figure 112009036399193-pat00083
)는 4, 셀 반경 Db는 1km, 각 셀당 3명의 사용자(단말)(k=3)이며, 토큰 가중 함수 a=1이라고 가정한다.
시뮬레이션 결과를 살펴보면, 기지국 협력 전력 레벨 제어 알고리즘을 적용하기 위해 제안된 CRRM(‘Proposed CRRM’)방식은 모든 단말의 최소 평균 전송률을 모두 만족시키고 있으며, 전체 평균 전송률 구간에서 가장 최고의 성능을 나타내는‘O-CRRM’방식과 비교할 때에도 크게 떨어지지 않고 있음을 알 수 있다.
또한, 기지국별 전력 조절을 수행하지 않는‘S-RRM’방식에 비해서는 아주 우수한 성능을 나타내고 있음을 알 수 있다. 여기서‘S-RRM’방식은 최소 평균 전송률 조건을 10%의 단말이 만족시키지 못하고 있다. 그러나, 본 발명에 따른 제안된 CRRM 방식은 협력 단위 마다 자원 분배가 잘 이루어지고, 최소 평균 전송률을 잘 만족시키며, 비례 공평을 비교적 잘 유지하고 있음을 확인할 수 있다.
또한,‘O-CRRM’방식과 비교하여, 셀 경계 단말을 고려한 기지국 협력 전력 레벨 제어에 의해 복잡도가 훨씬 낮아졌음을 고려하면, 본 발명은 상당히 우수한 성능을 보여주고 있음을 알 수 있다.
도 9는 하향링크 다중 셀룰러 무선 통신 네트워크 모델을 기반으로 다중 부채널인 경우의 최종 평균 전송률에 대한 CDF를 도시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 실험 환경은 하향링크, 단일 부채널이며, 4 티어(tier), 최소 평균 전송률은 도 8에 비교해 상대적으로 높은
Figure 112009036399193-pat00084
=0.42, 신호의 경로 감쇄 지수(
Figure 112009036399193-pat00085
)는 4, 셀 반경 Db는 1km, 각 셀당 3명의 사용자(단말)(k=3), 토큰 가중 함수 a=1로 설정하고 시뮬레이션한 것이다.
점선 원으로 표시해 놓은 부분을 참조하면, 부채널 수가 1에서 4개로 늘어날수록 S-RRM 방식은 인접 셀로부터 오는 간섭 상황을 점점 더 알지 못하게 되므로, PFS-I 방식을 사용하게 되면 오히려 PFS-S보다 성능이 악화는 것을 확인할 수 있다.
이와 달리, 본 발명에서 제안한 CRRM 방식은 인접 셀로부터 오는 간섭 정보를 이용하여 셀간 협력을 수행하므로, 부채널 수가 1일 때보다 4일 때 더 좋은 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 따라서 단일 부채널뿐만 아니라 OFDM과 같이 다중 부채널을 갖는 무선 셀룰러 시스템에서도 우수한 성능 향상 효과가 있음을 알 수 있다.
이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.
본 발명에 따른 실시예는 다양한 수단, 예를 들어, 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시예는 하나 또는 그 이상의 ASICs(Application Specific Integrated Circuits), DSPs(Digital Signal Processors), DSPDs(Digital Signal Processing Devices), PLDs(Programmable Logic Devices), FPGAs(Field Programmable Gate Arrays), 프로세서, 콘트롤러, 마이크로 콘트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.
펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시예는 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차, 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.
본 발명은 본 발명의 정신 및 필수적 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니 되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.
본 발명에 관한 이해를 돕기 위해 상세한 설명의 일부로 포함되는, 첨부 도면은 본 발명에 대한 실시예를 제공하고, 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술적 사상을 설명한다.
도 1은 협력 단위 내의 각 기지국 간의 평균 전송률을 포함하는 정보를 교환하는 방식을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명에 따른 기지국 협력 전력 레벨 제어를 수행하는 기지국 장치에 대한 바람직한 실시예의 구성을 도시한 블록도,
도 3은 협력 단위 내의 기지국 간에 교환하는 정보를 송신하는 바람직한 패킷 데이터 구성의 실시예를 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 따른 기지국 협력 전력 레벨 제어 방법의 바람직한 실시예의 수행과정을 도시한 흐름도,
도 5는 본 발명에 따른 기지국 협력 전력 레벨을 제어하기 위한 알고리즘의 일 예를 나타낸 도면,
도 6은 단일 부채널에서의 최소 평균 전송률을 위한 기지국 간 전력 제어 알고리즘을 다중 부채널로 확장시킨 기지국 간 전력 제어 알고리즘의 일 예를 나타낸 도면,
도 7은 본 발명에 따른 기지국 협력 전력 레벨 제어 알고리즘을 수행하기 위한 협력 단위 내의 기지국 및 단말을 나타낸 도면,
도 8은 하향링크 다중 셀룰러 무선 통신 네트워크 모델을 기반으로 단일 부 채널인 경우의 최종 평균 전송률에 대한 CDF를 도시한 도면, 그리고,
도 9는 하향링크 다중 셀룰러 무선 통신 네트워크 모델을 기반으로 다중 부채널인 경우의 최종 평균 전송률에 대한 CDF를 도시한 도면이다.

Claims (20)

  1. 협력 단위 내 2 이상의 기지국이 협력적으로 전력 제어를 수행하는 방법에 있어서,
    상기 협력 단위 내 특정 기지국이 자신의 셀 경계에 위치한 특정 단말로부터 상기 특정 단말의 평균 전송률 및 상기 특정 단말의 현재까지 최소 평균 전송률 만족 정도를 나타내는 토큰 값 정보를 수신하는 단계;
    상기 협력 단위 내 하나 이상의 다른 기지국으로부터 각 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 평균 전송률, 상기 각 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 토큰 값 및 상기 하나 이상의 다른 기지국 각각의 현재 전력 레벨을 포함하는 정보를 수신하는 단계;
    상기 특정 단말 및 상기 협력 단위 내 하나 이상의 다른 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률 및 토큰 값 정보를 이용하여 각 기지국 별 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률을 보장하는 상기 협력 단위 내 각 기지국의 제 1 전력 레벨 벡터를 계산하는 단계; 및
    상기 각 기지국의 현재 전력 레벨 및 상기 제 1 전력 레벨을 고려하여 상기 협력 단위 내 각 기지국의 갱신 전력 레벨인 제 2 전력 레벨 벡터를 계산하는 단계를 포함하는, 기지국 협력 전력 제어 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 특정 단말의 상기 평균 전송률, 상기 토큰 값 및 상기 특정 기지국 자신의 현재 전력 레벨을 포함하는 정보를 상기 협력 단위 내의 다른 기지국으로 송신하는 단계를 더 포함하는, 기지국 협력 전력 제어 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 협력 단위 내 각 기지국의 제 1 전력 레벨 벡터 는 다음 수학식 A의 메트릭(metric)에 의해 계산되어 상기 각 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률 및 셀 간의 비례적 공평을 보장하는, 기지국 협력 전력 제어 방법:
    [수학식 A]
    Figure 112015032289082-pat00086
    여기서
    Figure 112015032289082-pat00087
    는 기지국 b의 k번째 단말의 평균 전송률,
    Figure 112015032289082-pat00088
    는 기지국 b 및 기지국 b의 k번째 단말 간의 평균 채널 값,
    Figure 112015032289082-pat00089
    는 기지국 b가 서비스하고 있는 단말 집합,
    Figure 112015032289082-pat00090
    는 셀 경계 단말 집합, a는 토큰 가중(weight) 함수,
    Figure 112015032289082-pat00091
    는 기지국 b의 k번째 단말의 토큰값,
    Figure 112015032289082-pat00092
    는 기지국의 최대 전송 전력,
    Figure 112015032289082-pat00093
    는 잡음의 평균 전력, Rmin은 최소 평균 전송률을 나타냄.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 제 2 전력 레벨 벡터
    Figure 112015032289082-pat00094
    는 다음 수학식 B에 의하여 계산되는, 기지국 협력 전력 제어 방법:
    [수학식 B]
    Figure 112015032289082-pat00095
    여기서
    Figure 112015032289082-pat00096
    는 현재 기지국 전력 레벨 벡터,
    Figure 112015032289082-pat00097
    는 전력 조절 상수를 나타냄.
  5. 제 3항에 있어서,
    상기 토큰 값은 다음 수학식 C를 이용하여 갱신되는, 기지국 협력 전력 제어 방법:
    [수학식 C]
    Figure 112015032289082-pat00098
    여기서
    Figure 112015032289082-pat00099
    는 시각 t에서의 순간 전송률로
    Figure 112015032289082-pat00100
    이고, Rmin은 최소 평균 전송률,
    Figure 112015032289082-pat00101
    는 기지국 b 및 기지국 b의 k번째 단말 간의 평균 채널 값을 나타냄.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 협력 단위 내 기지국 중 최소의 토큰 값을 갖는 기지국을 제외한 나머지 기지국의 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률 및 토큰 값 정보를 이용하여 각 기지국 별 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률을 보장하는 상기 협력 단위 내 각 기지국의 제 3 전력 레벨 벡터를 계산하는 단계를 더 포함하는, 기지국 협력 전력 제어 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 제 1 내지 제 3 전력 레벨 벡터 정보 중 하나 이상의 전력 레벨 벡터 정보를 상기 협력 단위 내 다른 기지국으로 송신하는 단계를 더 포함하는, 기지국 협력 전력 제어 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 협력 단위 내 기지국의 셀 경계에 위치한 하나의 단말은 서빙 기지국에 대한 평균 채널 값이 가장 작은 단말, 간섭의 합이 가장 큰 단말, 평균 전송률이 가장 낮은 단말 및 토큰 값이 가장 큰 단말 중 어느 하나인, 기지국 협력 전력 제어 방법.
  9. 제 3항에 있어서,
    특정 부채널(subchannel)에 대한 상기 제 1 전력 레벨 벡터
    Figure 112009036399193-pat00102
    는 상기 특정 부채널의 이전 부채널에서 사용되지 않은 잉여 전력을 더 포함하여 상기 수학식 A의 메트릭에 의해 계산되는, 기지국 협력 전력 제어 방법.
  10. 제 4항에 있어서,
    특정 부채널(subchannel)에 대한 상기 제 2 전력 레벨 벡터는 다음 수학식 D에 의하여 계산되는, 기지국 협력 전력 제어 방법:
    [수학식 D]
    Figure 112015032289082-pat00103
    여기서 s는 부채널 인덱스,
    Figure 112015032289082-pat00104
    는 전력 조절 상수, t는 시간을 나타냄.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 특정 부채널에 대한 상기 토큰 값은 다음 수학식 E를 이용하여 갱신되는, 기지국 협력 전력 제어 방법:
    [수학식 E]
    Figure 112009036399193-pat00105
    .
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 특정 부채널에 대한 상기 단말의 평균 전송률
    Figure 112015032289082-pat00106
    는 다음 수학식 F에 의하여 계산되는, 기지국 협력 전력 제어 방법:
    [수학식 F]
    Figure 112015032289082-pat00107
    여기서 s는 부채널 인덱스,
    Figure 112015032289082-pat00108
    는 전체 부채널 수,
    Figure 112015032289082-pat00109
    는 시각 t에서의 s번째 부채널의 순간 전송률을 나타냄.
  13. 협력 단위 내 기지국과 협력적으로 전력 제어를 수행하는 기지국 장치에 있어서,
    상기 협력 단위 내 특정 기지국이 자신의 셀 경계에 위치한 특정 단말로부터 상기 특정 단말의 평균 전송률 및 상기 특정 단말의 현재까지 최소 평균 전송률 만족 정도를 나타내는 토큰 값 정보를 수신하는 제 1 수신부;
    상기 협력 단위 내 하나 이상의 다른 기지국으로부터 각 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 평균 전송률, 상기 각 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 토큰 값 및 상기 하나 이상의 다른 기지국 각각의 현재 전력 레벨을 포함하는 정보를 수신하는 제 2 수신부;
    상기 특정 단말 및 상기 협력 단위 내 하나 이상의 다른 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률 및 토큰 값 정보를 이용하여 각 기지국 별 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률을 보장하는 상기 협력 단위 내 각 기지국의 제 1 전력 레벨 벡터를 계산하는 제 1 전력 레벨 연산부; 및
    상기 각 기지국의 현재 전력 레벨 및 상기 제 1 전력 레벨을 고려하여 상기 협력 단위 내 각 기지국의 갱신 전력 레벨인 제 2 전력 레벨 벡터를 계산하는 제 2 전력 레벨 연산부를 포함하는, 기지국 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 특정 단말의 상기 평균 전송률, 상기 토큰 값 및 상기 특정 기지국 자신의 현재 전력 레벨을 포함하는 정보를 상기 협력 단위 내의 다른 기지국으로 송신하는 송신부를 더 포함하는, 기지국 장치.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 제 1 전력 레벨 연산부는 상기 제 1 전력 레벨 벡터
    Figure 112015032289082-pat00110
    를 다음 수학식 A의 메트릭(metric)을 이용하여 계산하며, 상기 각 기지국별 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률 및 셀 간의 비례적 공평을 보장하는, 기지국 장치:
    [수학식 A]
    Figure 112015032289082-pat00111
    여기서
    Figure 112015032289082-pat00112
    는 기지국 b의 k번째 단말의 평균 전송률,
    Figure 112015032289082-pat00113
    는 기지국 b 및 기지국 b의 k번째 단말 간의 평균 채널 값,
    Figure 112015032289082-pat00114
    는 기지국 b가 서비스하고 있는 단말 집합,
    Figure 112015032289082-pat00115
    는 셀 경계 단말 집합, a는 토큰 가중(weight) 함수,
    Figure 112015032289082-pat00116
    는 기지국 b의 k번째 단말의 토큰값,
    Figure 112015032289082-pat00117
    는 기지국의 최대 송신 전력,
    Figure 112015032289082-pat00118
    는 잡음의 평균 전력, Rmin은 최소 평균 전송률을 나타냄.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 제 2 전력 레벨 연산부는 상기 제 2 전력 레벨 벡터
    Figure 112015032289082-pat00119
    를 다음 수학식 B를 이용하여 계산하는, 기지국 장치:
    [수학식 B]
    Figure 112015032289082-pat00120
    여기서
    Figure 112015032289082-pat00121
    는 현재 기지국 전력 레벨 벡터,
    Figure 112015032289082-pat00122
    는 전력 조절 상수를 나타냄.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 토큰 값은 다음 수학식 C를 이용하여 갱신하는, 기지국 장치:
    [수학식 C]
    Figure 112015032289082-pat00123
    여기서
    Figure 112015032289082-pat00124
    는 시각 t에서의 순간 전송률로
    Figure 112015032289082-pat00125
    이고, Rmin은 최소 평균 전송률,
    Figure 112015032289082-pat00126
    는 기지국 b 및 기지국 b의 k번째 단말 간의 평균 채널 값을 나타냄.
  18. 제 13항에 있어서,
    상기 제 2 전력 레벨 연산부는 상기 협력 단위 내 기지국 중 최소의 토큰 값을 갖는 기지국을 제외한 나머지 기지국의 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률 및 토큰 값 정보를 이용하여 각 기지국 별 셀 경계에 위치한 단말의 최소 평균 전송률을 보장하는 상기 협력 단위 내 각 기지국의 전력 레벨을 계산하는, 기지국 장치.
  19. 제 15항에 있어서,
    상기 제 1 전력 레벨 연산부는 특정 부채널(subchannel)에 대한 상기 제 1 전력 레벨 벡터 를 상기 특정 부채널의 이전 부채널에서 사용되지 않은 잉여 전력을 더 포함하여 상기 수학식 A를 이용하여 계산하는, 기지국 장치.
  20. 제 16항에 있어서,
    상기 제 2 전력 레벨 연산부는 특정 부채널(subchannel)에 대한 상기 제 2 전력 레벨 벡터를 다음 수학식 D를 이용하여 계산하는, 기지국 장치:
    [수학식 D]
    Figure 112015032289082-pat00127
    여기서 s는 부채널 인덱스,
    Figure 112015032289082-pat00128
    는 전력 조절 상수, t는 시간을 나타냄.
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