본 논문은 다중 셀 기반의 다중 안테나 상향링크 네트워크에서 사용자가 인접 셀 기지국에 미치는 간섭의 양을 기반으로 송신 전력을 제어하고 사용자를 분산적으로 스케쥴링 방식을 제안한다. 시분할 시스템의 상호 호환성 특성을 이용하여 각 사용자는 인접 기지국으로부터 받은 파일럿 신호를 통하여 간섭 채널을 습득하고 데이터 전송 시 인접 셀 기지국들에 미칠 간섭을 각자 계산할 수 있다고 가정한다. 각 사용자는 특이값 분해를 통해서 송신 빔포밍 벡터를 생성하고 인접 셀 기지국으로 미칠 간섭의 양을 계산하여 미리 결정된 임계값보다 클 경우 자신의 송신 전력을 낮춘다. 각 기지국에서는 사용자들 중 전력 제어된 채널 이득 값이 가장 큰 사용자를 선택한다. 제안된 기법의 상향링크 데이터 전송률은 기존의 사용자 스케쥴링 알고리즘들에 비하여 월등히 좋은 성능을 보인다.
In this paper, we propose a distributed user scheduling with transmit power control based on the amount of generating interference to other base stations (BSs) in multi-cell multi-input multi-output (MIMO) networks. Assuming that the time-division duplexing (TDD) system is used, the interference channel from users to other cell BSs is obtained at each user. In the proposed scheduling, each user first generates a transmit beamforming vector by using singular value decompositon (SVD) over MIMO channels and reduces the transmit power if its generating interference to other BSs is larger than a predetermined threshold. Each BS selects the user with the largest effective channel gains among users, which reflects the adjusted power of users. Simulation results show that the proposed technique significantly outperforms the existing user scheduling algorithms.
최근 사용자 단말과 기지국, 소형 셀과 같은 통신 노드들이 매우 많이 증가하였고 각 노드들 간섭도 매우 커졌다. 통신 노드들 간의 간섭은 이동통신 시스템에서 늘 중요한 문제로 여겨지고 있다. 이런 간섭 문제를 해결하기 위해서 Cadambe와 Jafar는 간섭 정렬(interference alignment, IA)기술을 제안하였고 이를 통하여 시변
대부분의 현존하는 간섭 정렬 기술들은 간섭을 줄이는데 초점을 맞춘다. 그러나 실제 셀롤러 네트워크의 성능의 지표가 되는 전송률, 전송 지연 시간, 사용자간 형평성 등을 높이려면 자기 신호 세기를 고려하는 것이 중요하다. 최근 single-input single-output (SISO) 상향 링크 네트워크에서 임계값 기반의 사용자 스케쥴링 알고리즘이 제안되었다. 여기서 각 기지국은 각 사용자가 기지국으로 발생시키는 간섭의 양이 특정 임계값보다 낮은 사용자 중에서 자기 신호 세기가 가장 큰 사용자를 선택한다[8]. 유사한 방식으로 다중 안테나 상향링크 네트워크에서 초기의 기회적 간섭 정렬 기술의 전송률을 향상시키는 기술이 제안되었다[9]. 그러나 전력 제어는 셀롤러 네트워크의 간섭 관리를 위해 중요한 역할을 함에도 불구하고 앞서 [8,9]의 기술은 전력 제어를 고려하지 않았다.
[10,11]에서는 통신 시스템에서 간섭인지 기반의 전력제어를 이용한 기술을 제안하였다. [10]에서는 고밀도의 무선 네트워크에서 사용자의 송신 전력 알고리즘 제안하고 이 알고리즘을 이용하여 전체 네트워크 용량이 향상됨을 보였다. [11]에서는 중계기를 이용한 다중 셀 네트워크에서 간섭인지 기반의 전력 제어 알고리즘을 제안하였다. 이 알고리즘은 기존의 최적의 전력 할당 알고리즘에 비해 낮은 복잡도로 전력 할당이 가능하다. 다중 셀 기반의 다중 안테나 셀룰라 네트워크에서는 사용자의 전력제어 뿐 아니라 빔포밍 기술을 고려해야 한다.
본 논문에서는 다중 셀 기반의 다중안테나 상향링크 네트워크에서 사용자가 인접 셀에 미치는 간섭의 양을 기반으로 사용자의 송신 전력을 제어하고 사용자를 분산적으로 선택하는 스케쥴링 방식을 제안한다. 각 사용자는 특이값 분해 (singular value decomposition, SVD)를 통해 인접 셀로 발생시키는 간섭의 양을 최소화시키는 송신 빔포밍 벡터를 결정한다. 그리고 기지국은 사용자 스케쥴링시 [8,9]의 기술처럼 사용자의 발생 간섭이 특정 임계값을 넘으면 사용자를 제외시키지 않고 자기 송신 전력을 조절하여 인접 셀로 미치는 간섭의 양을 줄인다. 따라서 모든 사용자가 상향링크 전송을 위해 선택될 수 있고 기지국은 사용자의 조절된 전력을 포함하여 가장 큰 유효 채널 이득을 갖는 사용자를 선택한다.
최근 [12]에서 유사한 분산 스케쥴링 알고리즘이 제안되었으나 [12]에서는 사용자에 안테나가 1개인 상황만을 고려하였다. 본 논문에서는 [12]의 제안 기술을 MIMO 환경으로 확장한다.
본 논문은 다음과 같이 구성된다. 제 2장은 시스템 모델 및 채널 모델에 대해 소개하고 제 3장은 제안한 간섭인지 및 전력제어 스케쥴링 기법을 소개한다. 제 4장은 컴퓨터 시뮬레이션 결과를 보여준다. 제 5장에서 결론을 맺는다.
본 논문에서는 실제적인 셀롤러 네트워크를 비교적 잘 묘사하는 시분할 간섭 다중 접속 체널 모델을 고려한다[6]. 전체 네트워크에는
전송 블록 동안 채널 행렬이 일정한 값을 가지는 블록 페이딩을 가정하고 모든 전송 블록 간에 독립적으로 변함을 가정한다. 표기상의 편의를 위해 각 셀에서 선택된 사용자의 인덱스를 (1,⋯,
여기서
즉, ∥
Ⅲ. 제안한 간섭인지 기반 전력제어를 이용한 사용자 스케쥴링
먼저 제안한 분산 스케쥴링 기술의 전체적인 절차에 대해 설명한다.
각 기지국은 해당 셀뿐만 아니라 인접 셀에 있는 사용자에게 무선 채널 정보를 알려 주기 위해 미리 결정 된 참조 신호를 전송한다. 그래서 각 사용자는 기준 신호를 알고 있고 채널 정보를 완벽히 측정할 수 있다고 가정한다. 또한 각 기지국은 사용자 스케쥴링의 기준이 되는 인접 셀 간섭의 임계값 파라미터
3.2. 단계 1 (최적의 송신 빔포밍 벡터 생성 및 간섭 인지 전력 제어와 스케쥴링)
각 사용자는 기지국의 파일럿 신호를 통해 정확한 채널 정보를 측정하여 사용자 자신이 인접 기지국으로 발생시키는 간섭의 양을 측정할 수 있다. 그래서
여기서
그리고 발생 간섭을 최소화하기 위해서, 각 사용자는 특이값 분해를 이용하여 발생 간섭의 가중 벡터를 찾는다. 먼저 사용자의 간섭 채널 은 다음과 같이 정의한다.
더 나아가서 정의된 간섭 채널의 특이값 분해는 다음과 같이 나타낸다.
여기서 벡터는 직교정규 열로 구성되고, 인 특성을 가진다. 이제
여기서 벡터의
여기서
이러한 송신 전력을 기반으로
이렇게 계산된 사용자의 유효 채널 이득은 통신 중인 기지국으로 피드백되고 스케쥴링 매트릭스에 포함된다.
기지국은 통신 중인 셀에서 사용자
각 셀에서 선택된
여기서 는
여기서 의
수식 (10)로부터
따라서 전송률
여기서
본 장에서는 다중 셀 기반의 다중안테나 상향링크 네트워크에서 제안한 간섭인지 및 전력제어 기술을 이용한 분산 스케쥴링의 성능을 알아보기 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 먼저 공정한 비교를 위해서 기존의 스케쥴링 기술 및 제안한 기술은 분산적 방법으로 동작하도록 하고, 기지국 간의 어떠한 정보 교환도 요구하지 않는다. 그리고 셀의 수(
앞서 언급했듯이
그림 3과 그림 4는
사용자에 수에 따른 데이터 전송률 성능은 그림 5에서 나타내고
그림 6은
본 논문에서는 다중 셀기반의 다중안테나 상향링크 네트워크에서 사용자가 인접 셀 기지국에 미치는 간섭의 양을 기반으로 사용자의 송신 전력을 제어하고 사용자를 분산적으로 스케쥴링하는 방식을 제안하였다. 제안된 기법은 기존의 방식들에 비하여 월등히 좋은 데이터 전송률을 달성하는 것을 확인하였다. 또한 제안된 기법은 각 셀에서 분산적으로 동작하므로 실제 이동통신 시스템의 응용 가능성이 높다.