As smart-phones become popular, mobile data traffic has been dramatically increasing and intensive researches on the next-generation mobile communication network is in progress to meet the increasing demand for mobile data traffic. In particular, heterogeneous network (HetNet) is attracting much interest because it can significantly enhance the network capacity by increasing the spatial reuse with macro and small cells. In the HetNet, we have several problems such as load imbalance and interference because of the difference in transmit power between macro and small cells and cell range expansion (CRE) can mitigate the problems. In this paper, we propose a new cell selection scheme with adaptive cell range expansion bias (CREB) for ultra dense HetNet and we analyze the performance of the proposed scheme in terms of average cell transmission rate through system-level simulations and compare it with those of other schemes.
최근 들어 스마트폰의 보급률이 확대됨에 따라, 기존의 음성과 텍스트 전송 서비스 이외에 동영상과 인터넷 스트리밍 서비스가 빠르게 확산되고 있다. 이에 무선 인터넷 트래픽이 폭발적으로 증가하였으며, 이러한 증가 추세는 더욱 가속화될 것으로 예상된다. 따라서, 차세대 이동통신 네트워크는 현재 대비 약 1000배 이상의 전송 용량을 확보하여야 할 것으로 예상되며 후보 기술로 소형셀을 활용한 heterogeneous network (HetNet), full duflex, massive MIMO 등이 고려된다 [1,2].
이 중 소형셀을 활용한 이종 이동 통신(HetNet)기술은 유력한 기술로서 많은 연구가 진행 중에 있다[1,2]. HetNet 기술은 매크로 셀 내 소형 셀을 활용하여 공간 재활용성을 높임으로써 네트워크 용량을 획기적으로 개선할 수 있는 장점이 있지만, 소형 셀과 매크로 셀 간의 전송전력 격차에 따른 부하 불균형과 간섭 등의 문제점들이 발생한다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 3rd generation partnership project (3GPP)에서는 CREB개념을 제안하였다. 그러나 소형 기지국의 활용도를 높이기 위하여 CREB를 과도하게 적용하게 되면, 많은 사용자들이 소형 기지국(AP)을 홈 기지국으로 선택하여 연결을 맺을 확률이 높아지고 이에 따라 간섭이 급격히 증가하여 네트워크의 전체적인 성능이 저하되는 문제점이 발생하게 된다. 본 논문에서는 사용자의 밀집도에 따라 CREB를 유동적으로 적용하는 새로운 적응형 셀선택 방식을 제안한다. 시스템 레벨 시뮬레이션을 통하여 셀 평균 전송률을 분석하고, 기존의 셀 선택 방식과비교 한다. 본 논문의 구성은 다음과 같다. II장에서 시스템 및 채널 모델을 설명하고, III장에서 새로운 적응형 셀 선택 기법을 제안한다. IV장에서 성능을 분석하고 기존 방식과 비교한다. 마지막으로, V장에서 본 논문의 결론을 내린다.
매크로 셀은 반경
여기서
경로손실 기반 홈 선택 방식은 기지국과 단말 간의 쉐도잉과 경로 손실을 모두 고려하여 그 값이 가장 작은 홈 셀을 선택하는 방식으로, 상향 링크에서 높은 성능을 나타낸다고 알려져 있으며, 다음과 같이 표현 할 수 있다.
그러나 경로손실 기반 홈 선택 방식은 소형 기지국이 홈 기지국으로 선택되는 확률이 높으므로 소형 기지국들이 초밀집한 환경에 적용할 경우, 간섭으로 인하여 하향링크의 성능이 심각히 저하될 수 있다. 반면에, 수신 전력 기반 홈 셀 선택방식은 각 사용자가 수신하는 전력이 가장 높은 기지국을 홈으로 선택하며, 다음과 같이 표현된다.
매크로 기지국과 소형 기지국의 송신 전력의 격차가 매우 크기 때문에 위와 같은 수신 전력 기반 홈 선택 방식을 이종 이동 통신망에 적용하면, 단말들이 높은 확률로 매크로 기지국을 선택하게 된다. 따라서, 하향 링크에서는 성능 개선 효과가 나타나지만, 사용자 기준으로는 선택된 매크로 기지국보다 가까운 위치에 소형 기지국이 존재할 수 있으므로 상향 링크의 성능 저하 요인이 될 수 있다. 이러한 문제점을 해결하기 위하여 다음과 같은 CREB 기반 셀 선택 기법이 제안되었으며, 이를 통하여 소형 기지국의 선택 확률을 높여 사용자가 밀집된 환경에서 부하 분산과 상향링크의 성능향상을 기대할 수 있다.
높은 CREB를 적용하게 되면, 소형 셀의 활용도는 높일 수 있으나, 매크로 기지국과 소형 기지국간의 상호간섭이 증가하여 네트워크 성능이 저하될 수 있다. 본 논문에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 간섭 상황에 따라서 적응적으로 CREB를 적용하는 새로운 셀 선택 기법을 제안한다. 각 소형 기지국은 네트워크 탐색 (Sniff) 기능을 활용하여 타 기지국으로부터 수신하는 간섭량을 측정할 수 있다.
여기서,
본 절에서는 제안 된 셀 선택 기법의 성능을 Monte-Carlo기반 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 분석하였다. 시뮬레이션 실행 시간을 줄이기 위하여 wrap around 기법을 적용하였다 [5]. 이종 네트워크의 셀당 평균 주파수효율(bps/Hz)과 소형 기지국과 매크로 기지국이 1명 이상의 사용자에 의해서 선택되어 활성화될 확률 등을 분석하였다. 상향와 하향링크에서 모두 랜덤 스케쥴링 방식을 가정하였다. 제안 방식의 성능을 기존 방식과 비교하였으며, 특히 [4]에서 제안된 적응형 편향치 기반 셀 선택 기법과의 성능 차이도 분석하였다.
시뮬레이션 변수
그림 2는 사용자 수에 따른 상/하향 링크 셀당 평균 주파수 효율을 나타낸다. 사용자 수가 증가 할수록 모든 방식의 성능이 향상되며, 제안 방식은 다른 모든 방식보다 우수한 성능을 나타낸다. 특히, 사용자 수가 증가할수록 기존 방식과의 성능 격차가 확대된다. 이는 소형 기지국과 사용자 간의 거리가 가까워질수록, 소형 셀 내의 사용자가 실제 수신하는 간섭량이 소형 기지국이 수신하는 간섭량에 근접하므로 제안 방식의 정확도가 더욱 높아지기 때문이다. 그림3은 사용자 수에 따라 기지국이 사용자에 의해서 홈 셀로 선택되어 활성화될 확률을 보여준다.
본 논문에서 제안하는 계단형 셀 선택 방식은 인접한 기지국들로부터 수신하는 간섭량이 큰 소형 기지국들 에 Δmin을 적용하여 활성화 확률을 낮춤으로써 네트워크에 미치는 간섭량을 감소시킨다.
이를 통해서, 상향링크와 하향링크의 성능을 모두 개선시킬 수 있다. 사용자 수가 300명일 때, 제안된 셀선택 방식은 기존의 수신 전력 기반 셀 선택 방식 대비 하향 링크와 상향 링크 성능을 약 200%와 150% 향상시킨다.
본 논문에서는 차세대 이동통신 네트워크를 위한 주요 기술 중 하나인 소형 셀을 이용한 이종 이동통신망을 위한 새로운 셀 홈 셀 선택 기법을 제안하였다. 제안된 방식에서는 각 소형 기지국이 주변으로부터의 간섭량을 측정하여 간섭량에 따라서 적응적으로 편향치를 적용한다. Monte-Carlo 기반 시스템 레벨 시뮬레이션을 통한 성능 분석 결과에 따르면, 사용자 수가 300명일 때제안된 셀 선택 방식은 기존 수신 전력 기반 셀 선택 방식 대비 하향 링크와 상향 링크의 평균 주파수 효율을 각각 200%와 150%정도 개선시킴을 확인하였다.
