KR100999959B1 - 다중 셀 환경에서 셀 간 간섭을 고려한 자원 할당 제어 방법 및 무선 통신 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 다중 셀 환경의 무선 통신 시스템에서 기지국이 셀 간 간섭을 고려해 자원 할당을 제어하는 방법으로서, 해당 셀의 단말기로부터 피드백 정보를 수신하여 셀 게인 정보를 추정하는 제 1단계, 인접 셀로부터의 간섭 신호를 이용하여 외부간섭정보를 추정하는 제 2단계, 셀 게인 정보와 외부간섭정보를 이용하여, 미리 정의된 유틸리티 함수를 최대로 하는 셀 파워 벡터를 결정하는 제 3단계, 및 결정된 셀 파워 벡터에 상응하는 전력 제어 정보를 해당 셀 내의 단말기에게로 전송하는 제 4단계를 포함한다. 본 발명에 의하면, 분산적인 방법으로 해당 단말기가 사용하는 전력을 효과적으로 조절하기 때문에, 다중 셀 상향링크 환경에서 통신 시스템의 성능에 악영향을 미치는 많은 신호 교환과 셀 플래닝이 없이도 무선 통신 시스템의 전체적인 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Description

다중 셀 환경에서 셀 간 간섭을 고려한 자원 할당 제어 방법 및 무선 통신 시스템{Method for controlling resource allocation considering inter-cell interference in multi-cell environments and system thereof}

본 발명은 다중 셀 환경에서 셀 간 간섭을 고려한 자원 할당 제어 방법 및 무선 통신 시스템에 관한 것이다. 보다 상세하게는, 다중 셀 환경에서 셀 간 간섭을 고려하여 무선 통신 시스템에 존재하는 전체 사용자 단말기들의 평균 전송률의 가중합을 향상시킬 수 있는 자원 할당 방법 및 그 무선 통신 시스템에 관한 것이다.

본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호:2008-F-007-01, 과제명:3차원 환경에서의 지능형 무선통신 시스템].

사용자 제작 콘텐츠(UCC:User Created Contents)와 같은 업로드 서비스의 수요가 증가함에 따라 업링크 환경에서 자원을 효율적으로 할당하는 문제가 큰 관심을 끌고 있으며, 이에 대한 연구가 활발하게 수행되고 있다. 그러나 대부분의 연구들은 인접 셀로부터의 간섭이 없는 단일 셀 환경을 다루고 있다.

다중 셀 환경을 기반으로 하는 무선 통신 시스템에서 통신 성능을 높이기 위해서는 셀 간 간섭의 문제를 해결하는 것이 매우 필수적이다. 특히, 셀 간 주파수 재사용률이 높아지면서, 셀 간 간섭의 영향은 더욱 커지고 있으며, 셀 간 간섭은 고속 무선 데이터 전송율을 달성하는데 가장 큰 방해요소가 되고 있다. 실제 무선 통신 환경은 서비스 영역 전체가 여러 셀로 나뉘어지고, 이들 셀은 세로에게 간섭을 주기 때문에 이를 고려한 효율적인 자원 관리가 필요하다. 효율적인 자원 관리는, 주어진 무선 링크 접속에 대한 만족스런 신호 품질을 유지하는 한편, 간섭을 적당한 레벨까지 감소시킨다.

다중 셀 환경에서의 업링크 자원 관리 문제를 다루는 연구들에는 다음과 같은 것들이 있었다. Hande 등은 각 사용자들의 순간 전력의 최대값에 제한이 결려 있는 상태에서 각 사용자들의 순간 전력의 최대값에 제한이 결려 있는 상태에서 전송률의 가중합을 최대화하는 분산적 알고리즘을 제안했다(P. Hande, S. Rangan, M. Chinag and X. Wu "Distributed uplink power control for optimal SIR assignment in cellular data networks," Accepted for publication in IEEE J. Sel. Areas Commun., 2008.) 그리고, Saraydar 등은 '단위 에너지 소모 당 올바르게 받은 비트 수' 를 향상시키는 알고리즘을 제안했다(C. U. Saraydar, N. B. Mandayam and D. J. Goodman, "Pricing and power control in a multicell wireless data network", IEEE J. Sel. Areas Commun., vol. 19, pp.1883-1892, Oct. 2001.). 또한, Moreti 등은 각 사용자들의 순간 전송률의 최소값을 제한으로 두고 전체적인 순간 전력를 줄이는 알고리즘을 제안했다(M. Moretti and A. Todini "A resource allocator for the uplink of multi-cell OFDMA systems," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 6, pp. 2807-2812, Aug. 2007.).

그러나, 이들 방법은, 각 사용자 단말기의 평균 전력 소모에 제한이 걸리는 상황을 고려하지 않았다. 실제 업링크 시스템에서는, 각각의 사용자 단말이 제한된 배터리를 사용해야 하기 때문에 평균 전력 소모에 제한이 걸려 있는 상태에서의 효율적인 자원 관리 방법이 필요하다.

본 발명은 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안된 것으로서,

각각의 사용자 단말들이 평균 전력 소모에 제한이 걸려 있는 상태에서 다중 셀 환경의 무선 통신 시스템 전체에 존재하는 사용자 단말들의 평균 전송률의 가중합을 향상 시킬 수 있는 자원 할당 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 각 기지국이 분산적인 방법(즉, 해당 셀의 사용자 단말의 자원 관리 방침만을 결정하며 인접한 기지국들과의 정보 교환을 필요로 하지 않는 방법)으로 자원 할당을 제어할 수 있도록 해줌으로써, 통신 시스템의 성능에 악영향을 미치는 많은 신호 교환과 셀 플래닝(cell plannig)이 없이도 무선 통신 시스템의 전체적인 성능을 향상시킬 수 있는 자원 할당 제어 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 자원 할당 제어 방법은, 다중 셀 환경의 무선 통신 시스템에서 기지국이 셀 간 간섭을 고려해 자원 할당을 제어하는 방법으로서, 해당 셀의 단말기로부터 피드백 정보를 수신하여 셀 게인 정보를 추정하는 제 1단계; 인접 셀로부터의 간섭 신호를 이용하여 외부간섭정보를 추정하는 제 2단계; 상기 셀 게인 정보와 상기 외부간섭정보를 이용하여, 미리 정의된 유틸리티 함수를 최대로 하는 셀 파워 벡터를 결정하는 제 3단계; 및 상기 결정된 셀 파워 벡터에 상응하는 전력 제어 정보를 해당 셀 내의 단말기에게로 전송하는 제 4단계를 포함한다.

특히, 상기 셀 파워 벡터가 유일한 평형 상태로 수렴할 때까지 상기 제 2단계 내지 제 4단계를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 유틸리티 함수는, 해당 셀의 단말기들의 평균 전송률의 가중합과 해당 셀의 단말기가 인접 셀에 미치게 될 간섭의 총량을 고려하여 정의되는 것을 특징으로 하는 한다.

또한, 상기 제 3단계는, 상기 셀 게인 정보와 상기 외부간섭정보를 이용하여, 미리 정의된 유틸리티 함수가 최대가 되도록 셀 디코딩 순서 벡터를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 셀 디코딩 순서 벡터에 기초하여 해당 셀의 단말기로부터 수신되는 무선 신호를 순차적으로 디코딩하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 제 3단계는, 해당 셀의 단말기의 평균 전력이 임계값을 초과하지 않도록 상기 셀 파워 벡터를 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 피드백 정보는, 해당 셀의 단말기와 인접 셀의 기지국 간의 업링크 채널 게인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 업링크 채널 게인은, 인접 셀의 기지국으로부터 상기 해당 셀의 단말기로의 다운링크 채널과 상기 해당 셀의 단말기로부터 상기 인접 셀의 기지국으로의 업링크 채널 사이의 채널응답상호성을 이용하여 측정되는 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명에 따른 기지국은, 다중 셀 환경의 무선 통신 시스템에서 셀 간 간섭을 고려해 자원 할당을 제어하는 기지국으로서, 해당 셀의 단말기로부터 피드백 정보를 수신하여 셀 게인 정보를 추정하는 셀 게인 정보 추정부; 인접 셀로부터의 간섭 신호를 이용하여 외부간섭정보를 추정하는 외부간섭정보 추정부; 상기 셀 게인 정보와 상기 외부간섭정보를 이용하여, 미리 정의된 유틸리티 함수를 최대로 하는 셀 파워 벡터를 결정하는 셀 파워 벡터 결정부; 및 상기 결정된 셀 파워 벡터에 상응하는 전력 제어 정보를 해당 셀 내의 단말기에게로 전송하는 전송부를 구비한다.

특히, 상기 유틸리티 함수는, 해당 셀의 단말기들의 평균 전송률의 가중합과 해당 셀의 단말기가 인접 셀에 미치게 될 간섭의 총량을 고려하여 정의되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 셀 파워 벡터 결정부는, 상기 셀 게인 정보와 상기 외부간섭정보를 이용하여, 미리 정의된 유틸리티 함수가 최대가 되도록 셀 디코딩 순서 벡터를 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 셀 파워 벡터 결정부는, 해당 셀의 단말기의 평균 전력이 임계값을 초과하지 않도록 상기 셀 파워 벡터를 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 피드백 정보는, 해당 셀의 단말기와 인접 셀의 기지국 간의 업링크 채널 게인을 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 업링크 채널 게인은, 인접 셀의 기지국으로부터 상기 해당 셀의 단말기로의 다운링크 채널과 상기 해당 셀의 단말기로부터 상기 인접 셀의 기지국으로의 업링크 채널 사이의 채널응답상호성을 이용하여 측정되는 것을 특징으로 하 는 한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.

분산적인 방법(즉, 각 기지국들은 자신에게 속한 사용자들의 자원 관리 방침만을 결정하며, 인접한 기지국들 과의 정보교환을 필요로하지 않는 방법)으로 해당 단말기가 사용하는 전력을 효과적으로 조절하기 때문에, 다중 셀 상향링크 환경에서 통신 시스템의 성능에 악영향을 미치는 많은 신호 교환과 셀 플래닝이 없이도 무선 통신 시스템의 전체적인 성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

뿐만 아니라, 단말기들이 평균 전력 소모에 제한이 걸려있는 상태임을 고려하여 통신 시스템 전체에 존재하는 단말기들의 평균 전송율의 가중합을 향상 시킬 수 있는 자원 할당 방법을 제공하기 때문에 실제 업링크 시스템에 적용하여 통신 시스템의 전체적인 성능을 향상시킬 수가 있다.

본 발명을 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 여기서 동일한 구성에 대해서는 동일부호를 사용하며, 반복되는 설명, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 본 발명의 실시형태는 당업자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 따라서, 도면에서의 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.

먼저, 본 발명에서는, 각 단말기들의 평균 전력 소모에 제한이 걸려 있는 상태에서 통신 시스템 전체에 존재하는 단말기들의 평균 전송률의 가중합을 향상시킬 수 있는 자원 관리 방법을 제공한다.

그리고, 본 발명에 따른 자원 관리 방법은, 분산적인 방법(즉, 각 기지국들은 자신에게 속한 사용자들의 자원 관리 방침만을 결정하며, 인접한 기지국들과의 정보 교환을 필요로하지 않는 방법)으로 동작하도록 설계된다. 왜냐하면, 중앙 집중적인 자원 관리 방법은 네트워크 성능에 악영향을 미치는 많은 신호 교환과 미리 잘 결정되어 있는 셀 플래닝을 필요로 하기 때문이다. 또한, 중앙 집중적인 자원 관리 방법은 다수 개의 기지국과 이들을 통합하여 관리하는 중앙 컨트롤러로 구성되는 계층적 네트워크 구조를 통해 자원 관리가 이루어지기 때문에, 확장성이 부족하고 통신 시스템을 구축하는데 상대적으로 많은 비용이 소요되는 문제점이 있다.

차세대 통신 시스템은 all-IP 기반의 수평적 네트워크 구조를 가질 것으로 예상되고 있다. 수평적 네트워크 구조 하에서는, 각 기지국이 중앙 컨트롤러의 도움없이 자원 관리를 할 수 있어야 한다. 따라서, 본 발명에 따른 자원 관리 방법은, 분산적인 방법으로 동작하도록 설계되었으며, 기지국 간의 부가적인 신호 교환을 생략하여 불필요한 자원 낭비를 줄일 수 있는데 그 효과가 있다.

전술한 바를 달성하기 위해, 본 발명에 따른 무선 통신 시스템에서의 각 기지국들은 비협력적인 방법(인접하는 셀과의 추가적인 정보 교환 없이)으로 자신의 유틸리티 함수를 최대화 시키려고 노력한다. 이때 유틸리티 함수는 각 기지국에 속 한 단말기들의 평균 전송률의 가중합과, 인접 셀에 미치게 될 간섭량이 적절히 조합되어 정의된다. 따라서, 각 기지국들이 오직 자신의 유틸리티 함수만을 최대화시키려 하더라도 인접하는 다른 셀과의 묵시적인 협력이 존재하도록 하였고, 이를 통해 네트워크 전체적인 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 다중 셀 환경에서 셀 간 간섭을 고려한 자원 할당 제어 방법, 및 무선 통신 시스템을 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 셀 환경의 무선 통신 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

도 1을 참고하면, 본 발명에 따른 다중 셀 환경의 무선 통신 시스템은 복수 개의 기지국(100 내지 112)들이 존재하고, 각 기지국들은 하나의 셀을 관리하고 있으며, 각 셀에는 하나 이상의 단말기(10 내지 22)가 해당 셀의 기지국과 통신하는 시스템을 의미한다. 각각의 단말기들은 이동성 및 고정성을 가지며, 설명의 편의를 위해 단말기(12, 20)은 해당 셀의 기지국(100,110)과 원거리에 존재하고, 그외 나머지 단말기(10,14,16,18,22)는 해당 셀의 기지국(100,104,108,110,112)과 근거리에 존재하는 것으로 가정하여 설명하기로 한다.

단말기(10,14,16,18,22)는 해당 셀의 중심영역에 존재하기 때문에 다른 단말기(예컨대, 12)와 비교하여 비교적 적은 경로 손실이 발생한다. 반면, 단말기(12,20)는 해당 셀의 가장자리 영역에 존재하기 때문에 다른 단말기(예컨대, 10) 와 비교하여 많은 경로 손실이 발생한다. 각 단말기(10 내지 22)들은 해당 셀의 기지국으로부터 데이터를 수신할 경우 경로 손실이 발생하면, 각 단말기(10 내지 22)는 발생한 경로 손실을 측정한다.

셀 1(Cell 1)에 속해 있는 단말기(12)를 예로 들어 설명하면, 단말기(12)는 자신에게 데이터를 송신하는 송신기(즉, 해당 셀의 기지국,100)으로부터 수신되는 수신 신호와 해당 셀의 기지국(100)을 제외한 기지국(예컨대, 104)으로부터 수신되는 신호(간섭 신호)를 측정한 후, 측정 정보를 해당 셀의 기지국(100)으로 전송한다. 이때 해당 셀의 기지국(100)으로 전송되는 측정 정보는 피드백 정보로서, 예컨대, 채널 게인을 측정한 정보가 될 수 있으며, 이는 기지국으로부터 수신되는 파일럿 신호 등을 측정하여 산출한다. 이에 대해서는 후술하는 설명을 통해 보다 상세하게 설명하기로 한다.

이렇게 소정의 셀을 관리하는 기지국(100)은, 해당 셀의 단말기(자신으로부터 통신 서비스를 제공받는 단말기)들로부터 수신한 피드백 정보와 인접 셀의 단말기들로부터 수신되는 간섭 신호를 이용하여 해당 셀의 단말기들에게 할당할 전력을 결정한다. 이때, 각 기지국은 미리 정의된 유틸리티(utility) 함수를 이용하여 해당 셀의 단말기들에게 할당할 전력을 결정한다.

보다 상세하게는, 기지국(100)은, 해당 셀의 단말기로부터 피드백 정보를 수신하여 셀 게인 정보를 추정하는 셀 게인 정보 추정부, 인접 셀로부터의 간섭 신호를 이용하여 외부간섭정보를 추정하는 외부간섭정보 추정부, 셀 게인 정보 추정부와 외부간섭정보 추정부를 통해 추정된 셀 게인 정보와 외부간섭정보를 이용하여, 미리 정의된 유틸리티 함수를 최대로 하는 셀 파워 벡터를 결정하는 셀 파워 벡터 결정부, 및 결정된 셀 파워 벡터에 상응하는 전력 제어 정보를 해당 셀 내의 단말기에게로 전송하는 전송부를 구비한다. 상기한 전력 제어 정보는 해당 셀의 단말기들이 기지국으로 데이터를 전송할 때, 얼마 만큼의 전력으로 데이터를 전송해야 하는지를 나타내는 정보이다. 그리고, 도 1에 도시된 기지국(100 내지 112)은 모두 동일한 구성으로 이루어져 있다.

본 발명에 따른 무선 통신 시스템은 N 개의 셀에

개의 사용자가 존재하는 업링크 시스템에 관한 것이다. 이때,

은 n 번째 셀에 존재하는 단말기의 숫자이다. 전체 주파수 영역이 하나의 채널로 사용되며, 이 채널은 모든 셀들이 공유한다. 한 셀에 존재하는 복수 개의 단말기가 동시에 신호를 전송하는 것이 허용되며, 기지국은 해당 셀의 단말기들로부터 전송되는 신호를 디코딩 할 때에 셀 내 간섭에 대한 간섭 제거 기법(D. N. C. Tse and P. Viswanath, Fundamentals of Wireless Communication, Cambridge University Press, 2005.)을 사용한다. 그리고, 한 번의 전송 동안에는 채널이 변하지 않는다고 가정하기로 한다.

(n,k)는 n번째 기지국에 존재하는 k번째 단말기를 나타내며,

은 단말기(n,k)와 m 번째 기지국(기지국 m) 간의 채널 게인을 나타낸다. 그리고, n번째 기지국(기지국 n)에 연관된 셀 게인 정보[즉, 셀 게인 매트릭스(cell gain matrix,

)]를 수학식 1과 같이 정의한다.

또한, 전체 통신 시스템의 네트워크 게인 정보, 즉, 네트워크 게인 매트릭스(network gain matrix)를

으로 정의한다. 여기서, 윗 첨자 T 는 전치행렬(Transpose)을 의미한다.

셀 n과 연관된 셀 파워 벡터(cell power vector)로 표기한다. 이때,

는 단말기(n,k)의 전력(power)이다. 이들을 모아, 네트워크 파워 매트릭스(network power matrix)를

로 정의한다. 이때, 각 단말기의 전력은, 평균 전력이

를 넘지 않도록 제한한다. 즉,

가 된다. 또한,

를 셀 n에 연관된 셀 전체 파워(cell total power)로 정의한다. E_A[·] 는 확률변수 A에 관한 기대값을 나타낸다.

전술한 바와 같이, 기지국들은 셀 내 간섭 제거 기술을 사용하므로, 어떤 단말기가 전송한 신호의 신호대 간섭과 잡음비(SINR:signal to interference ratio)는 디코딩 순서에 의해 달라진다.

를 셀 n이 사용하는 셀 디코딩 순서 벡 터(cell decoding order vector)로 정의하며, 이는

의 순열의 형태로 나타내어 진다. 이때, 기지국 n은 단말기

를 가장 먼저 디코딩하고, 그 다음으로 단말기

를 디코딩하는 순으로 과정을 반복한다. 여기서, [a]_k 는 벡터 a의 k번째 구성요소를 지칭한다.

이를 기반으로, 네트워크 디코딩 순서 매트릭스(network decoding order matrix)를

로 정의한다.

만약 기지국 n이 단말기(n,k)의 신호를 j로 디코딩하기로 결정했다면, 단말기(n,k)의 SINR은 다음과 같이 표현될 수 있다.

전술한 바와 같이,

는 네트워크 게인 매트릭스를,

는 네트워크 파워 매트릭스를,

는 네트워크 디코딩 순서 매트릭스를 나타낸다. 그리고, 수학식 2에서 분모의 첫번째 요소는 셀 n에 존재하는 단말기들로부터 받은 간섭을 나타내고, 두번째 요소는 셀 n 에 인접하는 다른 셀에 속한 단말기로부터 받은 간섭을 나타낸다. 그리고,

은 잡음의 파워이다.

이제 단말기(n,k)의 신호가 기지국 n에 도달할 때 얻을 수 있는 전송률은 수학식 3과 같다.

이때 B는 대역폭이다. 따라서, 전체 네트워크에 존재하는 사용자들의 평균 전송률의 가중합(weighted sum)은

가 된다. 이 때,

은 단말기(n,k)의 가중치를 나타내며, 이하, 가중치가 같은 단말기들의 모임을 '단말기 그룹'이라 칭하기로 한다.

무선 통신 시스템의 전체 네트워크에 존재하는 모든 단말기들의 평균 전송률의 가중합을 최대화하는 문제는 다음과 같이 기술될 수 있다.

통신 시스템이 단일 셀로 이루어진 경우, 수학시 4의 문제는 오목 최적화 문제(convex optimization problem)가 되어 최적의 해를 쉽게 찾을 수 있다(D. N. C. Tse and S. V. Hanly, "Multiaccess fading channels-PartI:Polymatroid structure, optimal resource allocation and throughput capacities", IEEE Trans. Info. Theory, vol. 44, pp. 2796-2815, Nov. 1998.).

그러나, 다중 셀 환경에서는, 위의 문제는 일반적으로 오목 특성을 가지지 않아 최적의 해를 찾기가 매우 어렵다. 또한, 최적의 해를 찾을 수 있다하더라도 모든 기지국과 단말기간의 채널 게인 정보를 다 알 수 있는 중앙 컨트롤러가 필요하다는 문제가 있다. 하지만, 중앙 컨트롤러에 의한 방식 또한, 심각한 시그널링 오버헤드(signaling overhead)와 셀 플래닝(cell planning)을 필요로 하므로 바람직하지 않다.

따라서, 본 발명에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 '분산적 자원 할당(DRA:distributed resource allocation)'이라 부르는 알고리즘을 제시한다.

다중 셀 환경에서, 한 셀의 성능은 인접하는 다른 셀 들의 행동(예컨대, 신호의 송신)에 영향을 받는다. 특정 셀에 존재하는 단말기들이 전송률을 높이기 위해 전송 전력을 높이면 인접 셀들은 큰 간섭을 느끼게 되고, 결과적으로 인접 셀들의 성능을 악화시키게 된다. 이러한 점을 고려하여, 본 발명에서는 각 셀의 기지국들이 플레이어(player)가 되고, 각각의 플레이어들은 자신의 유틸리티 함수를 최대화하기 위해 셀 파워 벡터와 셀 디코딩 순서 벡터를 결정하는 비협력적 게임을 설계하였다. 이때, 각각의 기지국들은 오직 자신의 유틸리티 함수를 최대화하는 것만 고려하기 때문에 인접 셀들의 기지국 또는 단말기들과 신호를 주고 받을 필요가 없다.

또한, DRA 알고리즘이 몇 차례의 반복을 거친 후에는, 다른 셀들이 전략을 바꾸지 않는 한 자신도 전략을 바꿀 수 없게 되는 상태인 '평형 상태'에 이르게 되 도록 설계하였다.

이해를 돕기 위해, 본 발명에 따른 DRA 알고리즘의 동작을 도 2를 통해 설명하면 다음과 같다.

먼저, 각각의 단말기들은 인접 셀과의 업링크 채널 게인을 측정하여 이를 자신의 기지국에게 피드백한다. 무선 통신 시스템의 업링크 채널(uplink channel)과 다운링크 채널(downlink channel)이 대칭적이라는 가정 하에 채널응답상호성을 이용하면, 기지국 n이 속한 셀에 존재하는 단말기들은 인접 셀로부터의 파일럿 신호를 받아 인접 셀과 자신 간의 업링크 채널 게인을 알 수 있다. 그러면, 기지국 n은 해당 셀의 단말기들로부터 전송되는 피드백 정보를 통해 자신과 연관된 셀 게인 정보, 즉, 셀 게인 매트릭스

를 추정할 수가 있다(S10).

다음으로, 각각의 단말기는 기지국에게 무선 신호를 전송하고, 각 기지국은 단말기들로부터 전송되는 무선 신호를 수신한다. 단말기가 최초(전력 제어 정보를 기지국으로부터 전송받기 이전)로 기지국에 무선 신호를 전송하는 경우에는 미리 정해진 전력으로 무선 신호를 전송한다. 기지국 n은 단말기들로부터 전송되는 무선 신호를 이용하여

를 추정할 수 있다(S20). 이는 기지국 n이 외부(예컨대, 인접 셀의 단말)로부터 받는 간섭의 총량을 나타낸다. 즉, 인접 셀의 단말기들로부터 전송되는 간섭 신호를 이용하면 기지국 n이 외부로부터 받는 간섭의 총량을 추정할 수 있다. 이하에서는 이를 '외부간섭정보'라고 칭하기로 한다. 당업자라면 상기한 셀 게인 매트릭스와 외부간섭정보를 용이하게 추정할 수 있 으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

그리고, 기지국은 인접하는 다른 기지국들의 셀 파워 벡터가 변하지 않는다는 가정 하에 인접 셀과의 별도의 정보 교환없이 획득할 수 있는 정보를 이용하여 미리 정의된 유틸리티 함수를 최대로 하는 셀 파워 벡터와 셀 디코딩 순서 벡터를 결정한다. 즉, 기지국 n은 해당 셀 내에서 획득할 수 있는 로컬 정보

을 이용하여 유틸리티 함수가 최대화 되도록 자신의 셀 파워 벡터와 셀 디코딩 순서 벡터를 결정한다(S30). 그리고, 기지국은 결정된 셀 파워 벡터에 기초하여 해당 셀의 단말기들에게 어떤 단말기가 얼마만큼의 전력으로 정보를 전송해야하는지 전력 제어 정보를 통해 알려준다(S40).

다음으로, 전력 할당이 수렴할 때까지, 즉, 셀 파워 벡터가 유일한 평형 상태(일정한 값)로 수렴할 때 까지 전술한 S20 단계 내지 S40 단계를 반복한다(S50). 이에 따른 결과 및 효과는 도 3 및 도 4를 통해 후술하기로 한다.

이때, 네트워크 측면의 성능을 향상시키기 위해서는 유틸리티 함수를 어떻게 정의해야 하는지, 각 셀이 분산적인 방법으로 어떻게 유틸리티 함수를 최대화 하는지, DRA 알고리즘이 수렴을 할 것인지 등의 문제를 고려하여야 한다.

전술한 바와 같이, 한 셀의 평균 전송률의 가중합만을 최대화하려는 시도는 인접하는 다른 셀에 미치는 간섭을 증가시켜 전체 네트워크 성능에 있어서 이롭지 않다.

따라서, 본 발명에서는 기지국 n과 연관된 단말기들, 즉, 기지국 n과 동일 셀에 속해 있는 단말기들의 송신 동작에 의해 인접하는 다른 셀이 받게 될 간섭 정도를 나타내는 정보를 '간섭채널정보(

)'라 하고 이를 수학식 5와 같이 정의한다.

이때,

를 단말기(n,k)의 간섭 게인이라고 부른다. 이를 이용하여 기지국 n의 유틸리티 함수를 다음의 수학식 6과 같이 정의하기로 한다.

이때, c는 단위 간섭채널정보당 가격으로서 전송 전력 가중치를 의미하며 단위는 bps/W가 된다. 유틸리티 함수를 이런 형태로 정의하면, 각 기지국은 해당 셀의 단말기들의 전송 전력을 단지 자신과 단말기 간의 채널 게인만을 고려하여 결정하지 않고, 단말기와 인접 기지국들 간의 간섭 게인을 함께 고려하여 결정할 수 있게 된다.

즉, 각 기지국은 간섭 게인이 작으면서 채널 게인이 큰 사용자에게 상대적으 로 큰 전송 전력을 사용하도록 허락한다. 따라서, 비록 각 기지국들이 다른 기지국들과 명시적으로 협력을 하지는 않지만, 묵시적으로는 협력을 하게 되어 통신 시스템의 전체적인 성능 향상을 기대할 수가 있다.

이하에서는 셀 내에 하나의 단말기가 있는 경우와 복수 개의 단말기가 있는 경우를 나누어, 각각의 경우에 따라 기지국 n이 어떻게 유틸리티 함수를 최대화하는지를 설명하기로 한다.

a. 단일 사용자의 경우

먼저, 셀 n내에 오직 하나의 단말기가 존재하는 경우에 기지국 n이 풀어야 하는 문제는 수학식 7과 같다.

[명제 1] 셀 n에 오직 (n,1)이란 하나의 단말기만 있는 경우에 위의 문제에 대한 최적의 해는 수학식 8과 같이 주어진다.

이때,

은 단말기 (n,1)의 평균 전력 제한과 연관된 라그랑지 승수(lagrangian multiplir)이다.

명제 1은 기지국 n이 취할 최적 전략이, 평균 전력 제한(average power constraint)과 간섭 가격(power constraint)에 의해 결정되는 수면 값에 의해 할당되는 워터필링(water-filling) 알고리즘이라는 것을 의미한다.

은 (n,1)의 평균 전력 제한이 등호로 만족시키도록 선택되거나, 그러한 값이 없을 경우에는 0으로 선택된다.

수식적으로 나타내면

은,

수학식 9를 만족시키는 값으로 선택되거나, 이러한 값이 없으면 0으로 선택된다.

b. 다중 사용자 경우

셀 n에 복수 개의 단말기가 존재하는 경우에 기지국 n이 풀어야 하는 문제는 수학식 10과 같다.

[명제 2] 셀 n에

개의 단말기가 존재하며 이들의 가중치가

일 경우, 기지국 n이 취하는 최적의 전략은 다음의 수학식 11과 같이 표현될 수 있다.

,

이때,

은 다음 수학식 12의 해로 결정된다.

이때,

는 단말기(n,k)의 평균 전력 제한과 연관된 라그랑지 승수이다.

최적의

를 결정하는 문제는 "D. N. C. Tse and S. V. Hanly, "Multiaccess fading channels-PartI: Polymatroid structure, optimal resource allocation and throughput capacities," IEEE Trans. Info. Theory, vol. 44, pp. 2796-2815, Nov. 1998."에서 제시된 간단한 greedy 알고리즘을 이용하여 풀 수 있다.

평균 전력 제한을 등호로 만족시키는

은,

을 풀어서 얻을 수 있으며, 이때, I[·]은 괄호 안의 값이 참이면 1이고 거짓이면 0의 값을 갖는 지표함수이다. 위 식의 좌변을 수학식 13과 같이 다시 쓸 수 있다.

만약 이를 만족하는 해가 존재하지 않는다면,

을 0으로 설정한다.

이하에서는 본 발명에 따른 DRA 알고리즘이 수렴성을 갖는 지에 대하여 살펴보기로 한다.

DRA 알고리즘이 실제적 가치를 가지려면, 이것이 몇 차례의 반복을 거친 후에 어떤 유일한 평형 상태로 수렴하는지를 증명해야 한다. 이를 위하여, 본 발명에서는 평형 상태의 존재성과 유일성에 대해 다음과 같은 정리를 증명하였다.

[정리 1] DRA 알고리즘은 다음의 가정 하에서 유일한 평형 상태로 수렴한다.

1) 셀 n에 하나의 단말기 그룹만이 존재하더라도, 임의의

에 대해서

를 만족하는 단말기(n,k)가 반드시 존재한다.

2) 잡음 파워

은 간섭에 비해 충분히 작다.

각각의 단말기 그룹마다 충분히 많은 단말기가 존재한다면, 이들 중에서는 간섭 게인에 비해 채널 게인이 매우 큰 단말기가 적어도 하나씩 존재할 것이므로 가정 1)은 비현실적이지 않다. 가정 2)는 간섭 제한적 시스템 환경 하에서 쉽게 받아들일 수 있는 가정이다.

도 3 및 도 4는 본 발명에 따른 DRA 알고리즘의 성능을 나타내기 위한 도면이다. 보다 상세하게는, 도 3은 DRA 알고리즘의 반복 횟수에 따른 정규화된 차의 제곱을 나타내는 도면이고, 도 4는 '단말기 그룹 B'의 가중치를 1부터 0까지 변화시키면서 얻은 '단말기 그룹 A'와 '단말기 그룹 B'에 속하는 단말기들의 평균 전송률을 나타내는 도면이다.

27개의 셀로 구성된 업링크 무선 환경에서 본 발명에 따른 DRA 알고리즘의 성능을 모의 실험했다. 육각 셀 구조를 이용하였으며, 셀 간 거리는 1km이다. 각 셀의 중심부에는 비방향성 안테나를 탑재한 기지국이 존재한다. 총 270개의 단말기가 27개의 셀 들에 임의적으로 분포해 있으며, 이들은 경로 손실(path loss)과 쉐도잉(shadowing)에 의해 결정되는 평균 채널 게인이 가장 큰 기지국에 각각 할당된다. 기타 사항들은 다음과 같다. 전체 대역폭은 1Hz, 사용자들의 평균 전력 제한은 1W, 경로 손실 지수는 3.76, 쉐도잉의 표준 편차는 8dB, 잡음 파워는 -120dBm, 각 셀에 존재하는 단말기들은 평균 채널 게임에 따라 두 개의 그룹으로 나뉘어지는데, 평균 채널 게인이 상위 50%에 속하는 단말기 그룹을 '단말기 그룹 B'라 하고 그에 속하지 않는 단말기 그룹을 '단말기 그룹 A'라 칭하기로 한다.

이하의 모의 실험에서는, '단말기 그룹 A'에 속한 단말기들의 가중치를 1로 고정시켜두고 '단말기 그룹 B'에 속한 단말기들의 가중치를 변화시켰다. 단위 간섭 당 가격은 1×10² (bps/W)로 선택했다.

먼저, DRA 알고리즘의 수렴성을 확인하기 위해, 실험적 표지 '정규화된 차의 제곱(NSD:normalized standard deviation)'를 수학식 14와 같이 정의했다.

여기서

와

는 각각 현재 단계에서 결정한 기지국 n의 전체 전력과 이전 단계에서 결정했던 기지국 n의 전체 전력을 나타낸다. 본 발명에서는 '단말기 그룹 B'의 가중치를 1과 0.5의 두 가지로 설정해두고 NSD가 반복을 거듭함에 따라 어떤 식으로 변화하는지를 살펴보았다. 도 3에 도시된 바와 같이. 두 경우 모두 대략 3번의 반복 후에는 DRA 알고리즘이 수렴한다는 것을 확인할 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 DRA 알고리즘의 성능 비교를 위하여, 본 발명에서는 각 기지국이 자신에게 속한 단말기들의 평균 전송률의 가중합만을 최대화하기 위해 노력하는 알고리즘을 대조 알고리즘으로 삼았다. 즉, 이 대조 알고리즘에서는 간섭채널정보에 매겨진 가격이 0이라고 생각 할 수 있다. 이 알고리즘은 기지국 간에 묵시적인 협력조차 존재하지 않기 때문에, '이기적인 분산적 자원 할당(SDRA:selfish distributed resource allocation)' 알고리즘이라고 칭하며, 이는 기존의 자원 할당 알고리즘을 다중 셀 환경으로 단순하게 확장시킨 것이라 생각할 수 있다. 종래 연구를 통해서 SDRA는 단일 셀 환경에서는 사용자들의 평균 전송률의 가중합을 최대화하는 최적 알고리즘이라는 것이 밝혀져 있다. 도 4는 '단말기 그룹 B'의 가중치를 1부터 0까지 바꾸어 가면서 얻은, 각 그룹의 평균 전송률을 나타낸다. 실선은 제안하는 DRA 알고리즘을, 점선은 SDRA 알고리즘을 나타낸다. DRA 알고리즘의 성능 곡선은 SDRA 알고리즘에 비해 우상단에 존재하며, 이는 DRA가 SDRA보다 우수한 성능을 보임을 의미한다. 일례로, '단말기 그룹 B'의 목표 평균 전송률을 4bps/Hz로 설정할 경우 단말기 '그룹 A'의 평균 전송률은, SDRA 알고리즘을 사용했을 때는 1.3bps/Hz인 반면 DRA 알고리즘을 사용했을 때는 3bps/Hz가 되어 130%의 성능향상을 얻을 수 있었다.

본 발명은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크 및 광 데이터 저장장치 등이 있을 수 있다. 또한, 캐리어 웨이브(예컨대, 인터넷을 통한 전송)의 형태로 구현되는 것도 포함된다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 시스템에 분산되어, 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로 저장되고 실행될 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명 은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어져서는 안될 것이다.

도 1은 본 발명에 따른 다중 셀 환경의 무선 통신 시스템을 개략적으로 도시한 도면이다.

본 발명에 따른 셀 간 간섭을 고려한 자원 할당 제어 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.

도 3은 DRA 알고리즘의 반복 횟수에 따른 정규화된 차의 제곱을 나타내는 도면이다.

도 4는 '단말기 그룹 B'의 가중치를 1부터 0까지 변화시키면서 얻은 '단말기 그룹 A'와 '단말기 그룹 B'에 속하는 단말기들의 평균 전송률을 나타내는 도면이다.

Claims (14)

1. 다중 셀 환경의 무선 통신 시스템에서 기지국이 셀 간 간섭을 고려해 자원 할당을 제어하는 방법으로서,

   해당 셀의 단말기로부터 피드백 정보를 수신하여 셀 게인 정보를 추정하는 제 1단계;

   인접 셀로부터의 간섭 신호를 이용하여 외부간섭정보를 추정하는 제 2단계;

   상기 셀 게인 정보와 상기 외부간섭정보를 이용하여, 미리 정의된 유틸리티 함수를 최대로 하는 셀 파워 벡터 및 셀 디코딩 순서 벡터를 결정하는 제 3단계; 및

   상기 결정된 셀 파워 벡터에 상응하는 전력 제어 정보를 해당 셀 내의 단말기에게로 전송하는 제 4단계를 포함하는 다중 셀 환경에서 셀 간 간섭을 고려한 자원 할당 제어 방법.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 셀 파워 벡터가 유일한 평형 상태로 수렴할 때까지 상기 제 2단계 내지 제 4단계를 반복하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서 셀 간 간섭을 고려한 자원 할당 제어 방법.
3. 청구항 1에 있어서,

   상기 유틸리티 함수는,

   해당 셀의 단말기들의 평균 전송률의 가중합과 해당 셀의 단말기가 인접 셀에 미치게 될 간섭의 총량을 고려하여 정의되는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서 셀 간 간섭을 고려한 자원 할당 제어 방법.
4. 삭제
5. 청구항 1에 있어서,

   상기 셀 디코딩 순서 벡터에 기초하여 해당 셀의 단말기로부터 수신되는 무선 신호를 순차적으로 디코딩하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서 셀 간 간섭을 고려한 자원 할당 제어 방법.
6. 청구항 1에 있어서,

   상기 제 3단계는,

   해당 셀의 단말기의 평균 전력이 임계값을 초과하지 않도록 상기 셀 파워 벡터를 결정하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서 셀 간 간섭을 고려한 자원 할당 제어 방법.
7. 청구항 1에 있어서,

   상기 피드백 정보는,

   해당 셀의 단말기와 인접 셀의 기지국 간의 업링크 채널 게인을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서 셀 간 간섭을 고려한 자원 할당 제어 방법.
8. 청구항 7에 있어서,

   상기 업링크 채널 게인은,

   인접 셀의 기지국으로부터 상기 해당 셀의 단말기로의 다운링크 채널과 상기 해당 셀의 단말기로부터 상기 인접 셀의 기지국으로의 업링크 채널 사이의 채널응답상호성을 이용하여 측정되는 것을 특징으로 하는 다중 셀 환경에서 셀 간 간섭을 고려한 자원 할당 제어 방법.
9. 다중 셀 환경의 무선 통신 시스템에서 셀 간 간섭을 고려해 자원 할당을 제어하는 기지국으로서,

   해당 셀의 단말기로부터 피드백 정보를 수신하여 셀 게인 정보를 추정하는 셀 게인 정보 추정부;

   인접 셀로부터의 간섭 신호를 이용하여 외부간섭정보를 추정하는 외부간섭정보 추정부;

   상기 셀 게인 정보와 상기 외부간섭정보를 이용하여, 미리 정의된 유틸리티 함수를 최대로 하는 셀 파워 벡터 및 셀 디코딩 순서 벡터를 결정하는 셀 파워 벡터 결정부; 및

   상기 결정된 셀 파워 벡터에 상응하는 전력 제어 정보를 해당 셀 내의 단말기에게로 전송하는 전송부를 구비하는 기지국.
10. 청구항 9에 있어서,

    상기 유틸리티 함수는,

    해당 셀의 단말기들의 평균 전송률의 가중합과 해당 셀의 단말기가 인접 셀에 미치게 될 간섭의 총량을 고려하여 정의되는 것을 특징으로 하는 기지국.
11. 삭제
12. 청구항 9에 있어서,

    상기 셀 파워 벡터 결정부는,

    해당 셀의 단말기의 평균 전력이 임계값을 초과하지 않도록 상기 셀 파워 벡터를 결정하는 것을 특징으로 하는 기지국.
13. 청구항 9에 있어서,

    상기 피드백 정보는,

    해당 셀의 단말기와 인접 셀의 기지국 간의 업링크 채널 게인을 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국.
14. 청구항 13에 있어서,

    상기 업링크 채널 게인은,

    인접 셀의 기지국으로부터 상기 해당 셀의 단말기로의 다운링크 채널과 상기 해당 셀의 단말기로부터 상기 인접 셀의 기지국으로의 업링크 채널 사이의 채널응답상호성을 이용하여 측정되는 것을 특징으로 하는 기지국.

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