KR20080037398A

KR20080037398A - 통신 시스템에서 기지국 협력 방법 및 그 시스템

Info

Publication number: KR20080037398A
Application number: KR1020060104481A
Authority: KR
Inventors: 정영호; 최영재; 이상민; 이용훈; 정진곤; 장우혁
Original assignee: 삼성전자주식회사; 한국과학기술원
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2008-04-30
Also published as: US20080132262A1

Abstract

통신 시스템에서, 이동국이 기지국간 협력에 의해 통신 서비스를 제공받는 방법에 있어서, 적어도 둘 이상의 기지국들로부터 신호를 수신하는 과정과, 상기 기지국들 각각의 신호 세기를 측정하는 과정과, 상기 이동국의 기대 전송률을 추정하는 과정과, 상기 결정된 기대 전송률이 미리 설정된 기준 미만이면 기지국 수신 신호 세기 순으로 적어도 둘 이상의 기지국들을 선정하는 과정과, 상기 이동국에게 통신 서비스를 제공 중인 서빙 기지국 또는 서빙 받을 기지국으로 상기 선정된 기지국들 정보와 채널 상태 정보를 피드백 하는 과정과, 상기 선정된 기지국들로부터 전력 및 자원을 할당받는 과정과, 상기 할당받은 전력 및 자원을 이용하여 상기 선정된 기지국들과 신호 송수신을 수행하는 과정을 포함한다.

평균 채널 용량, 기지국 협력 통신, 전력 할당, 서브 채널 할당

Description

통신 시스템에서 기지국 협력 방법{METHOD FOR COOPERATING BETWEEN BASE STATIONS IN COMMUNICATION SYSTEM}

도 1은 일반적인 기지국 협력을 통해 이동국이 통신하는 것을 나타낸 도면

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기지국이 전력 할당 및 자원 할당을 수행하는 과정을 도시한 흐름도

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이동국이 기지국간 협력을 통해 통신 서비스를 제공받는 과정을 도시한 흐름도

본 발명은 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 이동국의 성능을 향상시키기 위해 기지국간 협력(cooperation)하는 방법에 관한 것이다.

셀 구조를 가지는 통신 시스템에서 셀 가장자리에 위치한 이동국의 성능 향상을 위한 방안들이 많이 연구되고 있다. 기지국 협력 방안은 상기 방안들 중 하나이다. 이동국, 특히 셀 가장자리에 위치한 이동국은 다수의 기지국들과 통신함으로써 송신 전력 이득은 물론 신호 감도를 향상시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 기지국 협력을 통해 이동국이 통신하는 것을 나타낸 도면이다.

도 1을 참조하면, 이동국(150)은 세개의 기지국들(110, 120, 130)과 통신하며, 이동국(160)은 두개의 기지국들(130, 140)과 통신한다. 상기 이동국들(150, 160)이 다수의 기지국들과 통신하게 되면, 한 개의 기지국과 통신하는 것보다 기지국의 송신 안테나 개수가 증가하게 되므로 다이버시티(diversity) 이득이 증가하게 된다. 게다가 하나의 기지국에서 다중 안테나를 사용하는 것보다 공간적으로 떨어져 있는 다른 기지국과 함께 다중 안테나를 사용하는 것이 각 안테나간 상관도 감소로 인해 다이버시티 이득이 더 증가하게 된다.

하지만, 기지국간 협력을 통해 다이버시티 이득을 얻기 위해서는, 기지국이 기지국 협력 방안을 이용하는 이동국들 모두의 순간 채널 정보를 알아야 한다는 문제점이 있다.

또한, 현재까지 제안된 기지국 협력 방안들에서는 기지국 협력 방안을 사용하는 이동국을 선정할 수 있는 구체적인 방안이 존재하지 않는다. 이에 따라 기지국 협력 방안을 사용하는 이동국에게 기지국이 자원을 할당할 수 있는 구체적인 방안도 제안된 바가 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 통신 시스템에서 기대 전송률을 기준으로 한 기지국간 협력 방법을 제공함에 있 다.

본 발명의 다른 목적은 통신 시스템에서 기지국간 협력을 통해 통신을 제공받을 수 있는 이동국을 선정하는 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 통신 시스템에서 기지국간 협력을 통해 통신을 제공받는 이동국에게 자원을 할당하는 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제1 방법은 통신 시스템에서, 이동국이 기지국간 협력에 의해 통신 서비스를 제공받는 방법에 있어서, 적어도 둘 이상의 기지국들로부터 신호를 수신하는 과정과, 상기 기지국들 각각의 신호 세기를 측정하는 과정과, 상기 이동국의 기대 전송률을 추정하는 과정과, 상기 결정된 기대 전송률이 미리 설정된 기준 미만이면 기지국 수신 신호 세기 순으로 적어도 둘 이상의 기지국들을 선정하는 과정과, 상기 이동국에게 통신 서비스를 제공 중인 서빙 기지국 또는 서빙 받을 기지국으로 상기 선정된 기지국들 정보와 채널 상태 정보를 피드백 하는 과정과, 상기 선정된 기지국들로부터 전력 및 자원을 할당받는 과정과, 상기 할당받은 전력 및 자원을 이용하여 상기 선정된 기지국들과 신호 송수신을 수행하는 과정을 포함한다.

상기한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제2 방법은 통신 시스템에서, 기지국이 이동국에게 통신 서비스를 제공하는 방법에 있어서, 기지국간 협력 대상인 이동국들에게 동일한 개수의 서브 채널 및 전력을 할당하는 과정과, 각 이동국의 기대 전송률을 계산하고, 최소 기대 전송률을 결정하는 과정과, 상기 최소 기대 전송률을 만족하도록 전력을 재할당 하는 과정과, 할당된 전력합이 총 전력합을 초과 하고 상기 최소 기대 전송률이 미리 설정된 기대 전송률 미만이면, 단위 서브 채널당 이득이 가장 큰 이동국의 서브 채널을 이득이 가장 작은 이동국에게 재할당하는 과정을 포함한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 하기의 설명에서는 본 발명의 동작을 이해하는데 필요한 부분만을 설명하며 그 이외의 배경 기술은 본 발명의 요지를 흩트리지 않도록 생략한다.

본 발명은 통신 시스템에서 기지국간 협력을 통해 통신 성능을 향상시킬 수 있는 이동국을 선택하고, 선택된 이동국에게 자원을 할당하는 기지국간 협력 방법을 제안한다.

한편, 본 발명에 따른 기지국간 협력 방안은 적어도 두 개의 기지국간에 동일한 물리적 자원을 통해 데이터를 전송하는 모든 통신 시스템에 적용 가능하다.

그러면, 본 발명에서 이용하는 기대 전송률 값을 계산할 수 있는 한 가지 방법으로 평균 채널 용량을 평균 채널 이득을 이용하여 유도하는 방안에 대해 먼저 설명하고, 이어서 기지국간 협력에 의해 통신을 제공받을 수 있는 이동국을 선정하고, 선정된 이동국에게 전력 및 자원을 할당하는 방안 순으로 설명하기로 한다. 상기 기대 전송률은 송신 전력과 평균 채널 이득의 함수로 나타낼 수 있다.

(1) 평균 채널 이득을 이용한 평균 채널 용량 유도

두개의 기지국에서 알라마우티(alamouti) 코드를 사용하여 송신 심볼을 전송하는 경우 하나의 이동국에게 전송되는 신호는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

상기 수학식 1에서,

는 k번째 이동국에게 보내고자 하는 데이터이고,

과

는 기지국 1과 2에서 k 번째 이동국까지의 복소 가우시안 채널(complex gaussian channel)을나타낸다. k번째 이동국과 상기 두 개의 기지국간의 거리는 서로 다르므로 이다. N은 부가적 백색 가우시안 잡음(additive white Gaussian noise)을 나타낸다.

상기 신호

는 이동국에서 검출(detection)되고, 검출된 신호

는 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

(j=1,2)로 정의하면, 수신 신호 레벨은 로 나타낼 수 있으며,

에 대한 확률 밀도 함수(pdf: probability density function)는 하기 수학식 3과 같이 나타낼 수 있다.

한편, 평균 에르고딕 용량(Ergodic capacity)은 하기 수학식 4를 이용하여 결정할 수 있다.

상기 수학식 4에서,

는 k번째 사용자의 송신 전력을,

는 간섭을 나타낸다. 상기 간섭

는 가우시안 잡음으로 가정할 수 있으며, 잡음과 간섭의 총 합은 가우시안 잡음

로 나타낼 수 있다. 또한, 잡음과 간섭 크기는 이동국 별로 모두 동일하다고 가정하면 가우시안 잡음

가 포함된 k번째 이동국의 수신 SINR은

가 된다.

따라서, 평균 채널 용량은 상기 수학식 3의 pdf를 상기 수학식 4에 대입하여 하기 수학식 5와 같이 구할 수 있다.

한편, 하기 수학식 6과 같이 감마 함수(gamma function)와 적분 함수(integral function)를 정의한다.

상기 수학식 6을 이용하여 하기 수학식 7에 결정되는 평균 채널 용량을 구할 수 있다.

상기 수학식 7에서 E1은

가 되는 적분 지수(exponential) 함수이다.

이동국은 상기 수학식 7과 같은 평균 채널 용량 유도식을 이용하여 현재 통신 중인 기지국과의 평균 채널 용량을 계산할 수 있다. 상기 기지국과의 평균 채널 용량은 하기 수학식 8에 의해 결정된다.

상기 수학식 8에서

와

는 각각 상기 기지국에서 할당받는 전력과, 기지국과 이동국간의 평균 채널 이득을 나타낸다. 그리고, i는 이동국 i를 의미하며

는 integral exponential 함수 이다.

(2) 이동국 선정 방안

전체 사용자 중 기지국간 협력을 통한 통신을 제공받을 사용자는 각 이동국이 추정한 기대 전송률을 기준으로 각 이동국이 결정한다. 기대 전송률은 일반적으로 하기 수학식 9와 같이 구할 수 있으며, 상기 수학식 8은 수학식 9의 구체적인 구현 방식의 일례이다.

상기 수학식 8에서

와

는 각각 상기 기지국에서 할당받는 전력과, 기지국과 이동국간의 평균 채널 이득을 나타내며, f(a,b)는 a와 b를 입력으로 하는 함수를 나타낸다. 그리고, i는 이동국 i를 의미한다.

만약 미리 설정된 문턱값(threshold)

보다 상기 수학식 8또는9에 의해 결정된 평균 채널 용량

가 작은 경우, 상기 이동국은 기지국간 협력을 통해 통신하기로 결정한다. 여기서 상기

값은 기지국간 협력에 의해 통신을 수행하는 이동국의 수를 결정하는 중요한 값이다. 상기

값이 너무 클 경우 많은 이동국이 기지국간 협력 통신을 결정하고, 셀 중심에 분포한 이동국들이 선택되어 기지국간 협력을 통한 이득이 작아지게 된다. 반대로 상기

값이 너무 작은 경우 셀 가장자리에 위치한 소수의 이동국들만 선택되어 기지국간 협력에 사용되는 총 자원량이 작아지게 된다. 따라서, 자원 할당 이득도 작아지게 된다. 기지국에서는 상기

값을 조절하여 기지국간 협력 통신을 제공하는 단말 수를 조절하며, 상기

값은 별도 방송채널을 이용하여 셀 내의 모든 이동국에게 알려준다. 하기 표 1은 모의 실험 결과에 따라

값을 결정하는 일 례를 나타낸 표이다.

	기지국간 협력 방안 미적용	=0.7	=1	=1.5	=2
기지국 협력 이동국 수	0	4	6	11	16
셀 내 최소 용량	0.5519	0.9046 (+63.91%)	1.1427 (+107.09%)	0.8011 (+45.15%)	0.6799 (+23.19%)
전체 용량	147.1703	141.0945 (-4.12%)	139.8302 (-4.98%)	134.1907 (-8.81%)	126.1302 (-14.3%)

이동국은 다수의 기지국들 중 신호 세기가 양호한 순으로 기지국을 선택하여 기지국 협력 통신을 요청한다. 여기서, 상기 이동국은 현재 통신 중인 서빙 기지국에게 협력 통신을 요청할 수도 있고, 기지국간 협력 대상 기지국들에게 직접 협력 통신을 요청할 수도 있다. 또한, 기지국간 협력 대상 기지국들의 수는 상기 이동국의 결정에 따라 변할 수도 있고, 시스템에서 미리 결정되어 고정된 값을 가질 수도 있다.

상기 이동국은 상기 기지국간 협력 대상 기지국들을 결정하면, 상기 서빙 기지국으로 결정된 기지국 식별자와 협력대상 기지국과의 평균 채널 이득을 피드백 한다. 한편, 상기 이동국은 상기 평균 채널 이득 대신 평균 수신 전력 대 잡음 비 혹은 평균 수신 전력 대 잡음 간섭 비 중 어느 하나를 기지국으로 피드백 할 수도 있다.

(3) 이동국 자원 할당 방안

를 기지국간 협력에 의해 통신 서비스를 제공받는 k번째 이동국에게 할당된 서브 채널의 개수라고 가정하면, 상기 k번째 이동국의 평균 채널 용량은

가 된다. 여기서

는 기지국간 협력 이후의 기대 전송률로서 하기 수학식 10과 같이 구할 수 있다.

상기 수학식 10에서

와

는 각각 k번째 이동국이 b번째 기지국으로부터 할당받는 전력과, 기지국과 이동국간의 평균 채널 이득을 나타내며,

는 벡터

의 각 구성요소들을 입력으로 하는 함수를 나타낸다.

상기 수학식 10에 따른 구체적인 구현 일례로 2개의 기지국으로부터 Alamouti code 전송을 이용하여 협력 전송을 하는 경우 평균 채널 용량은 수학식 11과 같이 나타낼 수 있다.

K와 M을 각각 기지국간 협력에 의해 통신 서비스를 제공받는 이동국들의 수와, 상기 이동국들에 할당된 총 서브 채널의 개수라고 가정한다. 그리고,

를 b번째 기지국에서 기지국간 협력에 의해 통신 서비스를 제공받는 이동국들에게 할당된 총 전력이라고 하면 평균 채널 용량

를 이용하여 하기 수학식 13과 같은 자원 할당 식을 세울 수 있다.

상기 수학식 12에서 B는 협력을 제공하는 기지국 수이고, 이상적인 자원 할당이 이루어지기 위해서는

가 되도록

와

를 할당하여야 한다. 여기서,

는 b번째 기지국에서 k번째 이동국에게 할당한 전력을 의미한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 기지국이 전력 할당 및 자원 할당을 수행하는 과정을 도시한 흐름도이다.

도 2를 참조하면, 먼저 201단계에서 상기 기지국은 Z* 변수값을 0으로 초기화 하고 203단계로 진행한다. 상기 203 단계에서 상기 기지국은 기지국간 협력 통신 서비스를 제공받을 모든 이동국들에게 동일한 개수의 서브 채널과 동일한 양의 전력을 할당하고 205 단계로 진행한다. 상기 205 단계에서 상기 기지국은 각 이동국의 기대 전송률을 계산하고 207단계로 진행한다. 상기 207단계에서 상기 기지국 은 계산된 기대 전송률 값들 중 최소 값을 Z 값으로 결정하고 209단계로 진행한다. 상기 209단계에서 상기 기지국은

를 만족하도록 이동국에게 전력을 다시 할당하고 211단계로 진행한다. 여기서, 상기 Z는 이동국들 각각의 기대 전송률 중 최소 기대 전송률을 의미하는 것으로,

와 같이 나타낼 수 있다. 즉, 상기 기지국은 최소 기대 전송률 값을 고려하여 이동국들에게 전력을 재할당한다.

상기 211단계에서 상기 기지국은 Z값을 증가시켜 전력을 할당하는 경우 할당할 전력량이 총 전력량을 초과하는지 판단한다. 판단 결과, 할당할 전력량이 총 전력량을 초과하면 215단계로 진행하고, 초과하지 않으면 213 단계를 거쳐 209단계로 되돌아 간다. 상기 213단계에서 상기 기지국은 Z 값을 증가시킨다.

상기 기지국은 현재의 서브채널 할당 상황에서 총전력을 넘지 않는 범위에서의 최적의 Z 값을 찾아야 한다. 따라서, 215 단계에서 상기 기지국은 최적의 Z 값과 Z* 값을 비교하여 Z값이 더 큰 경우에는 217 단계로 진행하고, 더 작은 경우에는 221 단계에서 최종의 각 이동국별 서브채널 수와 할당 전력을 할당 후 종료한다. 217 단계에서 상기 기지국은 Z*를 더 커진 Z 값으로 갱신하고 219단계로 진행한다. 상기 219단계에서 상기 기지국은 이동국별 서브채널을 재할당한다. 이때는 가장 작은 전력을 필요로 하는 이동국에 할당된 부채널 하나를 가장 큰 전력을 필요로 하는 이동국에 할당한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 이동국이 기지국간 협력을 통해 통신 서비 스를 제공받는 과정을 도시한 흐름도이다.

도 3을 참조하면, 먼저 301단계에서 상기 이동국은 서빙 기지국 및 인접 기지국들로부터 수신하는 신호 세기를 측정하고 303단계로 진행한다. 상기 303단계에서 상기 이동국은 평균 채널 용량을 계산하고 305단계로 진행한다.

상기 305단계에서 상기 이동국은 평균 채널 용량이 미리 설정된 문턱값보다 작은가 판단한다. 판단 결과, 상기 평균 채널 용량이 상기 문턱값보다 작으면 307단계로 진행하고, 평균 채널 용량이 상기 문턱값 이상이면 301단계로 되돌아 간다.

상기 307단계에서 상기 이동국은 기지국간 협력하여 통신 서비스를 제공하는 기지국들을 선정하고 309단계로 진행한다. 상기 309단계에서 상기 이동국은 선정된 기지국 정보와 채널 상태 정보를 서빙 기지국 또는 서빙 받을 기지국으로 피드백 하고 311단계로 진행한다. 여기서 채널 상태 정보의 일례는 평균 채널 이득이 될 수 있다.

상기 311단계에서 상기 이동국은 기지국간 협력하는 기지국들로부터 전력 및 자원을 할당받고 313단계로 진행한다. 상기 313단계에서 상기 이동국은 적어도 둘 이상의 기지국들과의 협력에 의해 신호 송수신을 수행한다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 평균 채널 용량을 이용하여 선정된 적어도 둘 이상의 기지국들로부터 이동국이 통신 서비스를 협력적으로 제공받기 때문에 통신 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 존재한다. 또한, 협력 통신을 제공받을 이동국을 이동국이 자체적으로 결정하고, 기지국에서는 문턱값만 조절하여 협력 이동국의 수를 조절함으로서 기지국으로 피드백하는 정보량도 줄어들게 되는 이점이 있다.

Claims

통신 시스템에서, 이동국이 기지국간 협력에 의해 통신 서비스를 제공받는 방법에 있어서,

적어도 둘 이상의 기지국들로부터 신호를 수신하는 과정과,

상기 기지국들 각각의 신호 세기를 측정하는 과정과,

상기 이동국의 기대 전송률을 추정하는 과정과,

상기 결정된 기대 전송률이 미리 설정된 기준 미만이면 기지국 수신 신호 세기 순으로 적어도 둘 이상의 기지국들을 선정하는 과정과,

상기 이동국에게 통신 서비스를 제공 중인 서빙 기지국 또는 서빙 받을 기지국으로 상기 선정된 기지국들 정보와 채널 상태 정보를 피드백 하는 과정과,

상기 선정된 기지국들로부터 전력 및 자원을 할당받는 과정과,

상기 할당받은 전력 및 자원을 이용하여 상기 선정된 기지국들과 신호 송수신을 수행하는 과정을 포함하는 이동국이 기지국간 협력에 의해 통신 서비스를 제공받는 방법.
제1항에 있어서,

상기 기대 전송률은 송신 전력과 평균 채널 이득의 함수로 나타냄을 특징으로 하는 이동국이 기지국간 협력에 의해 통신 서비스를 제공받는 방법.
제1항에 있어서,

상기 미리 설정된 기준 값은, 기지국간 협력 통신을 제공할 이동국 수를 고려하여 결정하고, 이동국들에 방송함을 특징으로 하는 이동국이 기지국간 협력에 의해 통신 서비스를 제공받는 방법.
제2항에 있어서,

상기 기대 전송률의 일례로 하기 수학식 13과 같이 나타냄을 특징으로 하는 이동국이 기지국간 협력에 의해 통신 서비스를 제공받는 방법.

상기 수학식 13에서,
와
는 각각 자신의 셀에 있는 기지국에서 받는 전력과 기지국과 이동국 i간의 평균 채널 이득을 나타내며,
은 간섭과 잡음의 합인 가우시안(Gaussian) 잡음을 나타내며, E1은
와 같이 표현되는 적분 지수 함수를 나타냄.
제1항에 있어서,

상기 이동국은 평균 채널 이득, 평균 수신 전력 대 잡음 비, 평균 수신 전력 대 잡음 간섭 비 중 어느 하나를 기지국으로 피드백 함을 특징으로 하는 이동국이 기지국간 협력에 의해 통신 서비스를 제공받는 방법.
통신 시스템에서, 기지국이 이동국에게 통신 서비스를 제공하는 방법에 있어서,

기지국간 협력 대상인 이동국들에게 동일한 개수의 서브 채널 및 전력을 할당하는 과정과,

각 이동국의 기대 전송률을 계산하고, 최소 기대 전송률을 결정하는 과정과,

상기 최소 기대 전송률을 만족하도록 전력을 재할당 하는 과정과,

할당된 전력합이 총 전력합을 초과하고 상기 최소 기대 전송률이 미리 설정된 기대 전송률 미만이면, 단위 서브 채널당 이득이 가장 큰 이동국의 서브 채널을 이득이 가장 작은 이동국에게 재할당하는 과정을 포함하는 기지국이 이동국에게 통신 서비스를 제공하는 방법.
제6항에 있어서,

상기 평균 채널 용량은 하기 수학식 14와 같이 나타냄을 특징으로 하는 이동국이 기지국간 협력에 의해 통신 서비스를 제공받는 방법.

상기 수학식 14에서,
와
는 각각 자신의 셀에 있는 기지국에서 받는 전력과 기지국과 이동국 i간의 평균 채널 이득을 나타내며,
은 간섭과 잡음의 합인 가우시안(Gaussian) 잡음을 나타내며, E1은
와 같이 표현되는 적분 지수 함수를 나타냄.
제7항에 있어서,

상기 이동국들은 기지국 협력에 의해 통신 서비스를 제공받는 이동국들임을 특징으로 하는 이동국이 기지국간 협력에 의해 통신 서비스를 제공받는 방법.