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KR101765127B1 - 셀룰러 통신 시스템에서 협력 통신을 위한 클러스터링 방법 및 장치 - Google Patents

셀룰러 통신 시스템에서 협력 통신을 위한 클러스터링 방법 및 장치 Download PDF

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KR101765127B1
KR101765127B1 KR1020110023676A KR20110023676A KR101765127B1 KR 101765127 B1 KR101765127 B1 KR 101765127B1 KR 1020110023676 A KR1020110023676 A KR 1020110023676A KR 20110023676 A KR20110023676 A KR 20110023676A KR 101765127 B1 KR101765127 B1 KR 101765127B1
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cluster
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clustering
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윤미선
김영수
문준
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삼성전자주식회사
연세대학교 산학협력단
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Abstract

본 발명은 셀룰러 통신 시스템에서 협력 통신을 위한 클러스터링 방법 및 장치에 관한 것으로서, 중앙 처리기에서 협력 통신을 위해 기지국을 클러스터링하는 방법은, 다수의 기지국에 대한 채널 상태 정보를 수집하는 과정과, 소정 수의 기지국들이 협력 통신하는 경우에 대한 캐패시티와 상기 소정 수의 기지국들이 단일 셀 통신하는 경우에 대한 캐패시티 간의 차이를 고려하여 클러스터를 구성하는 과정을 포함하여 시간 흐름에 따라 변화하는 사용자의 환경을 효율적으로 반영하여 클러스터를 구성할 수 있다.

Description

셀룰러 통신 시스템에서 협력 통신을 위한 클러스터링 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR CLUSTERING FOR COORDINATED MULTI POINT OMMUNICATION IN CELLULAR COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 기지국 간의 협력이 가능한 셀룰러 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 기지국 간의 협력 통신을 위하여 클러스터를 구성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
셀룰러 통신 환경에서 인접한 셀들이 동일한 주파수를 사용하는 경우, 셀 경계 영역에서의 간섭이 심각하게 발생될 수 있다. 이에 따라, 상기 셀룰러 통신 시스템에서는 셀 간 간섭을 감소시키면서 셀 경계의 용량을 향상하기 위한 다양한 방식이 제공되고 있다. 예를 들어, 셀 경계에 위치한 단말의 순간적인 채널 값 및 트래픽(Traffic) 상황을 고려하여 인접한 셀들이 협력하여 통신하는 협력 통신(CoMP: Coordinated Multi-Point) 방식이 제공되고 있다.
상기 협력 통신 방식을 위해서는 협력 통신을 수행할 인접한 기지국들 간의 정보 공유가 필요하다. 그러나, 상기 기지국들 간에 정보를 공유하는 과정으로 인해 과부하, 지연 및 망 구축의 어려움 등과 같은 문제가 발생될 수 있다. 따라서, 최근에는 한정된 개수의 기지국 간에 협력 통신을 수행할 수 있도록 인접한 기지국들 간에 클러스터를 구성하는 방식에 대한 연구가 이루어지고 있다.
특히, 상기 클러스터 구성 방식은 크게 세 가지로 구분할 수 있다. 즉, 클러스터 구성 방식은 정적 클러스터링 방식, 전 영역 탐색(full-search) 기반의 동적 클러스터링 방식, 탐욕 탐색(greedy-search) 기반의 동적 클러스터링 방식으로 구분할 수 있다.
상기 정적 클러스터링 방식은 초기에 인접한 기지국들을 클러스터로 구성하고, 상기 초기에 구성된 클러스터를 계속 유지하는 방식이다. 상기 정적 클러스터링 방식은 간편하고 신속하게 클러스터를 구성할 수 있지만, 클러스터 간의 간섭을 완벽하게 제거하기 어려우며, 클러스터 경계에 위치한 사용자가 간섭에 노출되어 성능이 저하될 확률이 높은 단점이 있다. 또한, 상기 정적 클러스터링 방식은 초기 클러스터를 계속 유지하기 때문에 시변하는 채널에 효율적이지 못하며, 다이버시티 이득을 얻을 수 없는 단점이 있다.
상기 전 영역 탐색(full-search) 기반의 동적 클러스터링 방식(이하 '전 영역 탐색 방식'이라 칭함)은 중앙 처리 장치에서 시간에 따라 변하는 사용자 환경을 고려하여 클러스터를 구성하는 방식으로, 보다 자세하게는, 소정 주기마다 모든 기지국의 조합을 통해 얻을 수 있는 클러스터들 중에서 사용자의 데이터 전송 용량을 최대화하는 클러스터를 선택하는 방식이다. 상기 전 영역 탐색 방식은 최적의 성능을 낼 수 있으나, 모든 가능한 기지국 조합에 대하여 전송 용량을 계산해야하기 때문에, 복잡도가 매우 높고, 이에 따라 현실적으로 구현하기 어려운 문제점이 있다.
상기 탐욕 탐색(greedy-search) 기반의 동적 클러스터링 방식(이하 '탐욕 탐색 방식'이라 칭함)은 상기 전 영역 탐색 방식과 같이 중앙 처리 장치에서 시간에 따라 변하는 사용자 환경을 고려하여 클러스터를 구성하는 방식이나, 보다 자세하게는, 하나의 기지국을 선택한 후, 선택된 기지국과 협력했을 시 사용자의 데이터 전송 용량이 최대가 되는 기지국들을 선택하는 방식이다. 상기 탐욕 탐색 방식은 상기 전 영역 탐색 방식과 달리, 가능한 모든 기지국 조합을 고려하지 않음으로써, 복잡도를 감소시킬 수 있는 장점이 있으나, 적절한 클러스터를 구성하지 못하는 문제가 있다. 즉, 사용자 전송 용량은 협력을 통해 간섭을 줄여 증가할 수도 있으나, 각 사용자가 셀 중심에 위치해 있는 경우에도 증가할 수 있다. 따라서, 사용자의 전송 용량을 최대로 하는 기지국을 선택할 경우, 상기 사용자가 셀 중심에 위치한 기지국부터 선택하게 될 확률이 높으므로 비효율적인 클러스터를 구성하게 되는 문제점이 있다.
따라서, 시간에 따라 변화하는 사용자 환경을 고려하면서 기지국을 효율적으로 클러스터링할 수 있는 방식이 제공될 필요가 있다.
본 발명은 상술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위해 도출된 것으로서, 본 발명의 목적은 셀룰러 통신 시스템에서 기지국 간의 협력 통신을 위하여 클러스터를 구성하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 셀룰러 통신 시스템에서 협력에 따른 캐패시티 이득을 최대화하는 기지국들을 클러스터링하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 셀룰러 통신 시스템에서 서로 간의 간섭이 큰 기지국들을 클러스터링하는 방법 및 장치를 제공함에 있다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 셀룰러 통신 시스템의 중앙 처리기에서 협력 통신을 위해 기지국을 클러스터링하는 방법은, 다수의 기지국에 대한 채널 상태 정보를 수집하는 과정과, 소정 수의 기지국들이 협력 통신하는 경우에 대한 캐패시티와 상기 소정 수의 기지국들이 단일 셀 통신하는 경우에 대한 캐패시티 간의 차이를 고려하여 클러스터를 구성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 셀룰러 통신 시스템의 중앙 처리기에서 협력 통신을 위해 기지국을 클러스터링하는 장치는, 다수의 기지국에 대한 채널 상태 정보를 수집하는 채널 정보 수집부와, 소정 수의 기지국들이 협력 통신하는 경우에 대한 캐패시티와 상기 소정 수의 기지국들이 단일 셀 통신하는 경우에 대한 캐패시티 간의 차이를 고려하여 클러스터를 구성하는 기지국 클러스터링부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 셀룰러 통신 시스템에서 협력에 따른 캐패시티 이득을 최대화하는 기지국들을 클러스터링하거나 서로 간의 간섭이 큰 기지국들을 클러스터링함으로써, 종래에 제공된 방식들에 비해 복잡도가 낮으면서도, 높은 성능을 얻을 수 있으며, 시간 흐름에 따라 변화하는 사용자의 환경을 효율적으로 반영하여 클러스터를 구성할 수 있는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 셀룰러 통신 시스템에서 클러스터를 구성하기 위한 시스템 구성을 나타내는 도면,
도 2는 본 발명에 따른 셀룰러 통신 시스템에서 클러스터를 구성하여 협력 통신하는 간략한 절차를 도시하는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 셀룰러 통신 시스템에서 기지국과 중앙 처리기의 블럭 구성을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 중앙 처리기에서 기지국 클러스터링부의 상세한 블럭 구성을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 중앙 처리기에서 기지국 클러스터링부의 상세한 블럭 구성을 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 중앙 처리기의 클러스터링 절차를 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 중앙 처리기의 클러스터링 절차를 도시하는 도면,
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기지국 간 협력통신을 수행한 경우와 협력통신을 수행하지 않은 경우에 대한 간섭의 상관관계를 나타내는 도면,
도 9는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 기지국 간 협력통신을 수행한 경우와 협력통신을 수행하지 않은 경우에 대한 캐패시티 이득의 상관관계를 나타내는 도면,
도 10a 및 도 10b는 종래 기술에 따라 클러스터링한 경우와 본 발명에 따라 클러스터링한 경우에 대한 데이터 율을 나타내는 도면,
도 11a 및 도 11b는 종래 기술에 따라 클러스터링한 경우와 본 발명에 따라 클러스터링한 경우에 대한 에지 사용자의 데이터 율을 나타내는 도면, 및
도 12는 종래 기술에 따라 클러스터링한 경우와 본 발명에 따라 클러스터링한 경우에 대한 복잡도 및 성능을 나타내는 도면.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
이하 본 발명에서는 셀룰러 통신 시스템에서 시간에 따라 변화하는 사용자의 채널 환경을 반영하여, 협력 통신을 수행하기 위한 기지국 클러스터를 구성하는 방법 및 장치에 관해 설명할 것이다.
이하 본 발명에서는 다수의 기지국들이 협력 통신을 수행한 경우와, 상기 다수의 기지국들이 협력 통신을 하지 않고 단일 셀 통신을 사용하는 경우를 고려하여 상기 협력 통신을 수행하지 않는 경우에 비해 상기 협력 통신을 수행한 경우의 이득이 최대가 되는 기지국들을 선택하여 클러스터를 구성한다.
특히, 이하 본 발명에서는 클러스터를 구성하는 두 가지 방식을 제안한다.
하나는, 다수의 기지국들이 협력 통신을 수행한 경우의 캐패시티와 상기 다수의 기지국들이 협력 통신을 수행하지 않는 경우의 캐패시티 차이가 최대가 되는 기지국들을 선택하여 클러스터를 구성하는 방식으로, 이하에서는 Max-CD(Max-Capacity Difference) 방식이라 칭한다.
다른 하나는, 두 기지국이 협력 통신을 수행한 경우의 캐패시티와 상기 두 기지국이 협력통신을 수행하지 않은 경우의 캐패시티 차이에 대해 비례 관계를 갖는 두 기지국 간의 간섭을 고려하여, 간섭이 큰 기지국들을 선택하여 클러스터를 구성하는 방식으로, 이하에서는 IW(Interference Weight) 방식이라 칭한다.
먼저, 상기 클러스터를 구성하는 방식을 설명하기에 앞서 본 발명에 따른 셀룰러 통신 시스템에 대해 살펴보기로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 셀룰러 통신 시스템에서 클러스터를 구성하기 위한 시스템 구성을 나타내고 있다. 여기서, 도시되지는 않았으나, 각각의 기지국은 신호가 수신되는 주변 모든 사용자들에 대한 채널 정보를 중앙 처리기로 전달한다, 즉, 본 발명에서는 중앙 처리기가 모든 채널 정보를 알고 있는 것으로 가정한다. 또한 본 발명은 클러스터 내의 모든 기지국들은 서로 간에 채널 정보 및 사용자의 데이터를 공유함을 가정한다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명은 N개의 셀이 존재하는 환경에서 각 기지국이 K명의 사용자를 지원하는 경우에, 상향링크에 대한 클러스터링 방식을 설명한다. 본 발명에서 각각의 클러스터는 B개의 기지국으로 구성됨으로써, 상기 각각의 클러스터는 총 BK명의 사용자를 포함한다. 이때, 상기 클러스터는 소정 시간마다 재구성된다. 본 발명에서는 각 기지국이 Nb개의 안테나를 포함하며, 각 사용자가 1개의 안테나를 포함하는 것을 가정한다. 또한, 각각의 클러스터는 선형 수신기를 이용하여 기지국 간 협력을 통해 사용자의 신호를 수신함을 가정한다. 여기서, 상기 선형 수신기는 ZF(Zero-Forcing) 수신기 및 MMSE(Minimum Mean-Square Error) 수신기와 같은 선형 수신기를 모두 포함하는 의미이다.
그러면, 상기 중앙 처리기에서 각 기지국들을 클러스터링하기 위하여, 클러스터의 수신 신호에 대해 살펴보기로 한다.
상기와 같은 가정에 따라, 클러스터 G의 수신 신호는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011019390356-pat00001
여기서, yG는 클러스터 G의 수신신호를 나타내며, HG는 클러스터 G에 속한 모든 기지국과 사용자 간의 채널을 나타내낸다. 여기서, 상기 HG는 BNb×BK의 크기를 가진다. 또한, 상기 sG는 클러스터 G에 속한 모든 사용자가 전송하는 신호를 나타내는 벡터이며, nG는 클러스터 G에 대한 BNb×1의 잡음 벡터를 나타낸다. 여기서, 상기 잡음벡터 nG는 각 성분이 독립적이고 평균이 0이며, 분산이 σ2 n인 정규 분포를 따른다. 또한, 상기
Figure 112011019390356-pat00002
는 상기 클러스터 G에 대한 다른 클러스터의 간섭을 나타낸다.
상기 클러스터 G의 수신 신호를 선형 수신기를 이용하여 검파할 경우, 아래 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011019390356-pat00003
Figure 112011019390356-pat00004
여기서, 상기 WG는 선형 수신기를 나타내며, HG는 클러스터 G에 속한 모든 기지국과 사용자 간의 채널을 나타내고, 상기 sG는 클러스터 G에 속한 모든 사용자가 전송하는 신호를 나타낸다. 또한, nG는 클러스터 G에 대한 BNb×1의 잡음 벡터를 나타내고, 상기
Figure 112011019390356-pat00005
는 상기 클러스터 G에 대한 다른 클러스터의 간섭을 나타낸다.
상기 선형 수신기 WG가 아래 수학식 3과 같은 ZF(Zero-Forcing) 수신기임을 가정할 경우, 클러스터 G에 속한 기지국 b의 셀에 위치한 사용자 b(i)의 신호대 간섭 잡음비(SINR: Signal-to-Interference-plus-Noise-Ratio)은 아래 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011019390356-pat00006
Figure 112011019390356-pat00007
여기서, 상기 선형 수신기 WG를 사용함에 따라, 상기 클러스터 G에 속한 사용자 i의 신호는 1로 표현되고, 상기 클러스터 G에 속한 다른 사용자들의 신호는 모두 널링(nulling)된다.
따라서, 클러스터 G에 속한 기지국 b의 셀에 위치한 사용자 b(i)의 신호대 간섭 잡음비는 아래 수학식 5와 같이 간단하게 나타낼 수 있다.
Figure 112011019390356-pat00008
여기서, 상기
Figure 112011019390356-pat00009
는 클러스터에 속한 기지국 b의 셀에 위치한 사용자 b(i)의 신호대 간섭 잡음비를 나타낸다.
이하에서는, 상술한 설명들을 바탕으로 본 발명에서 제안하는 두 가지 클러스터링 방식에 대해 상세히 설명할 것이다.
먼저, Max-CD(Max-Capacity Difference) 방식에 대해 살펴보기로 한다.
상기 Max-CD 방식은 하기 수학식 6에 나타낸 바와 같이, 다수의 기지국들이 협력 통신을 수행한 경우의 캐패시티와 상기 다수의 기지국들이 협력 통신을 수행하지 않고 단일 셀 통신을 수행한 경우의 캐패시티 차이가 최대가 되도록 클러스터를 구성한다.
Figure 112011019390356-pat00010
여기서, 상기 G는 B개의 기지국을 포함하는 클러스터를 나타내며, 상기 C(C)는 상기 B개의 기지국들이 협력통신을 수행하는 경우에 클러스터 G에 속한 사용자들의 캐패시티 합을 나타내며, 상기 C(N)은 상기 B개의 기지국들이 단일 셀 통신을 수행하는 경우에 클러스터 G에 속한 사용자들의 캐패시티 합을 나타낸다. 이하 설명에서는, 설명의 편의를 위해 상기 C(C)를 해당 기지국들이 협력 통신을 수행하는 경우의 캐패시티라 칭하며, C(N)를 해당 기지국들이 단일 셀 통신을 수행하는 경우의 캐패시티라 칭하기로 한다.
여기서, 상기 C(C)와 C(N)의 차이는 상기 수학식 5를 이용하여 하기 수학식 7과 같이 나타낼 수 있으며, 이를 이용하여 수학식 6을 정리하면 하기 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011019390356-pat00011
Figure 112011019390356-pat00012
Figure 112011019390356-pat00013
상기 수학식 7 및 수학식 8에서, 상기
Figure 112011019390356-pat00014
는 클러스터에 속한 기지국들이 협력 통신하는 경우에 기지국 b의 셀에 위치한 사용자 b(i)의 신호대 간섭 잡음비를 나타내고, 상기
Figure 112011019390356-pat00015
는 클러스터에 속한 기지국들이 단일 셀 통신하는 경우에 기지국 b 셀에 위치한 사용자 b(i)의 신호대 간섭 잡음비를 나타낸다. 또한, 상기 Fb ,i는 단일 셀 통신 시 사용하는 선형 수신필터 Fb에서 i번째 사용자에게 해당하는 i번째 행 벡터를 나타내며, 상기 WG ,b(i)는 협력 통신 시 사용하는 선형 수신필터 WG에서 기지국 b에 속하는 i번째 사용자에 해당하는 행 벡터를 나타낸다. 또한, 상기 hβ(k),G는 기지국 β에 속하는 k번째 사용자와 클러스터 G에 속하는 모든 기지국 사이의 채널을 나타내는 BNb×1 벡터이며, hβ(k),b는 기지국 β에 속하는 k번째 사용자와 기지국 b사이의 채널을 나타내는 Nb×1 벡터이다.
즉, 상기 Max-CD 클러스터링 방식은 모든 기지국들에 대해 클러스터를 구성해야 하므로, 상기 모든 기지국들을 대상으로 하여 조합 가능한 모든 후보 클러스터를 생성한 후, 상기 수학식 8을 바탕으로 생성된 후보 클러스터 중에서 협력을 수행한 경우와 수행하지 않은 경우의 캐패시티 차이가 가장 큰 후보 클러스터를 선택하여, 선택된 후보 클러스터를 최종 클러스터로 결정한다. 이후, 상기 Max-CD 클러스터링 방식은 최종 클러스터에 포함되지 않은 남은 기지국들을 대상으로 하여 조합 가능한 모든 후보 클러스터를 재생성하고, 상기 수학식 8을 바탕으로 상기 생성된 후보 클러스터 중에서 협력을 수행한 경우와 수행하지 않은 경우의 캐패시티 차이가 가장 큰 후보 클러스터를 선택하여, 선택된 후보 클러스터를 최종 클러스터로 결정하는 방식을 반복적으로 수행하여 모든 기지국들을 클러스터링한다. 여기서, 이러한 클러스터링 방식을 직·병렬 혼합 탐색이라 칭할 수 있다.
상기와 같은 Max-CD 방식은 채널 환경이 좋은 셀의 사용자는 협력 통신하는 경우의 캐패시티는 크지만, 캐패시티 이득은 작다는 점에 착안하여 고안된 것으로서, 환경이 좋지 않은 셀에 유리하게 클러스터를 구성하여, 채널 환경이 좋지 않은 사용자들의 통신 성능을 개선할 수 있는 효과를 얻을 수 있다.
다음으로, IW(Interference Weight) 방식에 대해 살펴보기로 한다.
상기 IW 방식은 하기 수학식 7에 나타낸 바와 같이, 두 기지국이 협력 통신을 수행한 경우의 캐패시티와 상기 두 기지국이 협력통신을 수행하지 않은 경우의 캐패시티 차이에 대해 비례 관계를 갖는 두 기지국 간의 간섭을 고려하여, 간섭이 큰 기지국들을 선택하여 클러스터를 구성한다. 즉, 상기 IW 방식은 상기 Max-CD 방식이 종래에 제공된 클러스터링 방식들에 비해 성능을 향상시킬 수 있는 장점이 있으나, 기지국들의 모든 조합을 고려해야함으로 인해 복잡도가 증가하는 문제점이 있어, 상기 Max-CD 방식의 복잡도를 줄이면서 높은 성능을 유지하기 위해 고안된 방식이다. 따라서, 상기 IW 방식 역시 다수의 기지국들이 협력 통신하는 경우와 협력 통신하지 않는 경우의 캐패시티 차이가 최대가 되도록 하는 것을 목표로 한다.
상기 IW 방식은 모든 기지국들의 조합을 고려하지 않고, 두 개의 기지국을 고려한다. 즉, 상기 IW 방식은 두 개의 기지국이 협력 통신하는 경우와 협력 통신하지 않는 경우의 캐패시티 차이를 고려하여, 상기 캐패시티 차이와 비례 관계를 갖는 두 기지국 간의 간섭을 바탕으로 클러스터를 구성한다.
하기 수학식 9는 두 개의 기지국이 협력 통신하는 경우의 캐패시티와 협력 통신하지 않는 경우의 캐패시티 간의 차이를 나타낸다.
Figure 112011019390356-pat00016
Figure 112011019390356-pat00017
상기 수학식 9는, 실제 환경에서 사용자의 SINR이 1보다 큰 경우가 대부분이므로, 상기 사용자 SINR이 1보다 큰 값을 가짐을 가정하여 간략화한 것이다. 여기서, 상기 b1과 b2는 두 개의 기지국 각각을 나타낸다.
상기 수학식 9에서 나타낸 분자 부분을 클러스터에 속한 셀과 속하지 않은 셀로 나누어 표현하면, 하기 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112011019390356-pat00018
여기서, 상기
Figure 112011019390356-pat00019
는 기지국 b1과 기지국 b2가 협력 통신을 하지 않는 경우에 상기 기지국 b1과 기지국 b2가 아닌 다른 기지국에 속한 사용자들로부터의 간섭을 나타내며, 상기
Figure 112011019390356-pat00020
는 상기 기지국 b1과 기지국 b2가 협력 통신을 하는 경우에 상기 기지국 b1과 기지국 b2가 아닌 다른 기지국에 속한 사용자들로부터의 간섭을 나타낸다. 여기서, 도 8을 참조하면, 상기 두 가지의 간섭은 서로 비례하여 증가하는 알 수 있다. 여기서, 상기 도 8은 상기 두 기지국이 협력통신을 수행하는 경우에 다른 기지국들로부터의 간섭(Other Cell Interference with cooperation)과 상기 두 기지국이 협력통신을 수행하지 않는 경우에 다른 기지국들로부터의 간섭(Other Cell Interference without cooperation)을 나타낸다.
여기서, 도 9를 참조하면, 상기 두 기지국이 협력 통신을 수행하지 않는 경우에 기지국 b1이 기지국 b2로부터 받는 간섭
Figure 112011019390356-pat00021
은 상기 두 기지국이 협력 통신을 수행한 경우의 캐패시티와 상기 두 기지국이 협력 통신을 수행하지 않는 경우의 캐패시티 간의 차이를 나타내는 캐패시티 이득에 따라 증가하는 것을 알 수 있다. 즉, 두 기지국 간의 간섭이 커질수록 두 기지국에 대한 캐패시티 이득이 커지는 특징이 있다.
따라서, 본 발명에서는 이러한 특징을 이용하여 두 기지국 간의 간섭을 고려하여 클러스터를 구성한다. 이를 위해, 본 발명에서는 두 기지국이 서로 주고 받는 간섭과 수신필터를 통과한 잡음의 크기를 고려하여 하기 수학식 11과 같이 간섭 가중치를 설정하고, 상기 간섭 가중치가 큰 기지국들을 클러스터링한다.
Figure 112011019390356-pat00022
여기서, 상기 Fb ,i는 기지국 b에서 사용하는 선형 수신필터 Fb에서 i번째 사용자에 해당하는 i번째 행벡터를 나타내며, Wb1는 협력통신시 사용하는 선형 수신필터 Wbi에서 기지국 b1에 속하는 i번째 사용자에 해당하는 행벡터를 나타낸다. 또한, hb2 (k), b1 은 기지국 b1에 속하는 k번째 사용자와 기지국 b2 사이의 채널을 나타낸다.
즉, 상기 IW 방식은 상기 수학식 11과 같이 두 기지국의 캐패시티 이득에 따라 증가하는 간섭 가중치를 이용하여 각 기지국들을 클러스터링한다. 보다 자세하게는, 상기 IW 방식은 모든 기지국들 중 기준이 되는 하나의 기지국을 선택한 후, 상기 기준 기지국과의 간섭 가중치가 가장 크게 계산되는 소정 수의 기지국들을 선택하여 클러스터를 구성한다. 이후, 상기 IW 방식은 상기 클러스터에 포함되지 않은 남은 기지국들 중에서 다시 하나의 기지국을 선택한 후, 선택된 기준 기지국과의 간섭 가중치가 가장 크게 계산되는 소정 수의 기지국들을 선택하여 클러스터를 구성하는 방식을 반복적으로 수행하여 모든 기지국들을 클러스터링한다. 여기서, 이러한 클러스터링 방식을 직접적 탐색이라 칭할 수 있다. 여기서, 상기 클러스터의 기준이 되는 기지국 선택 방식은 임의의 기지국을 선택하는 방식을 이용할 수도 있으며, 채널 환경이 좋지 않은 기지국을 우선적으로 선택하는 방식 즉, 기지국과 사용자 간의 채널 고유값의 합을 비교하여 그 값이 가장 작은 기지국을 선택하는 방식을 이용할 수도 있을 것이다. 상기 임의의 기지국을 선택하는 방식은 각 기지국 간의 형평성을 보장해줌으로써, 모든 사용자가 공평하게 이용할 수 있으며, 상기 환경이 좋지 않은 기지국을 우선적으로 선택하는 방식은 셀 경계에 위치한 성능이 좋지 않은 사용자를 먼저 고려하여 클러스터를 구성하기 때문에 셀 경계 사용자의 성능을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
상술한 바와 같이, 본원 발명에서는 중앙 처리기에서 Max-CD 방식과 IW 방식 중 어느 하나를 이용하여 클러스터링을 수행한다.
그러면, 이하에서는 상기 중앙 처리기에서 클러스터링을 수행하는 시스템 구성과 상기 중앙 처리기의 구성 및 동작에 대해 상세하게 살펴보기로 한다.
도 2는 본 발명에 따른 셀룰러 통신 시스템에서 클러스터를 구성하여 협력 통신하는 간략한 절차를 도시하고 있다. 여기서는, 설명의 편의를 위해 두 개의 기지국과 각각의 기지국에 속한 두 개의 단말을 도시하였으나, 상기 셀룰러 통신 시스템에는 둘 이상의 기지국이 포함되며, 상기 기지국에는 다수의 단말이 포함되는 것은 당연하다. 또한, 이하 설명되는 도 2의 절차는 시간에 따라 변화하는 사용자의 채널 환경을 고려하기 위해, 소정 주기마다 반복하여 수행될 것이다.
상기 도 2를 참조하면, 기지국 1(202)과 기지국 2(206)는 210단계에서 자신의 셀 영역 및 인접 셀 영역에 존재하는 단말들로부터 수신되는 기준 신호(Reference Signal)을 이용하여 상기 단말들에 대한 채널을 추정하고, 212단계로 진행하여 추정된 채널 정보를 포함하는 채널 상태 정보를 중앙 처리기(204)로 전송한다.
그러면, 상기 중앙 처리기(204)는 214단계에서 상기 기지국 1(202), 기지국 2(206) 및 그 외 다수 기지국들(미도시)로부터 수신된 채널 상태 정보를 바탕으로 소정 수의 기지국들이 협력 통신을 수행하는 경우와 협력 통신을 수행하지 않고 단일 셀 통신을 수행하는 경우의 캐패시티 차이를 고려하여 상기 기지국 1(202), 기지국 2(206) 및 그 외 다수 기지국들(미도시)에 대한 클러스터링을 수행한다. 여기서, 상기 중앙 처리기는 Max-CD 방식 혹은 IW 방식을 이용하여 상기 기지국들에 대한 클러스터링을 수행할 수 있다.
이후, 상기 중앙 처리기(204)는 216단계에서 클러스터링 정보와 수신필터 정보를 상기 기지국 1(202), 기지국 2(206) 및 그 외 다수 기지국들(미도시)로 전송한다. 여기서, 상기 클러스터링 정보는 각 기지국이 속한 클러스터와 동일한 클러스터에 속한 다른 기지국들의 정보를 포함할 수 있다.
이후, 상기 기지국 1(202)에 속한 단말 1(200) 및 상기 기지국 2(206)에 속한 단말 2(208)가 218단계에서 상향링크 신호를 전송하는 경우, 상기 클러스터링 정보를 수신한 기지국 1(202) 및 기지국 2(206)는 자신의 클러스터에 속한 다른 기지국들과 협력하여 상기 단말 1(200) 및 단말 2(208)의 신호를 검출한다.
도 3은 본 발명에 따른 셀룰러 통신 시스템에서 기지국과 중앙 처리기의 블럭 구성을 도시하고 있다.
상기 도 3을 참조하면, 다수의 기지국들(300-1 내지 300-N) 각각은 채널 추정부(302), 협력 기반의 신호 검출부(304) 및 송수신부(306)를 포함하여 구성되며, 상기 중앙 처리기(350)는 송수신부(352), 채널 정보 수집부(354) 및 기지국 클러스터링부(356)를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 다수의 기지국들(300-1 내지 300-N)의 구성을 살펴보면, 상기 채널 추정부(302)는 상기 송수신부(306)를 통해 수신되는 단말들의 기준 신호를 이용하여 해당 단말들에 대한 채널을 추정하고, 채널 추정 결과를 나타내는 채널 상태 정보를 상기 송수신부(306)와 상기 협력 기반의 신호 검출부(304)로 제공한다.
상기 협력 기반의 신호 검출부(304)는 상기 송수신부(306)로부터 클러스터링 정보와 수신필터 정보를 제공받고, 상기 클러스터링 내에 속한 다른 기지국들과 협력하여 단말의 신호를 검출하기 위한 기능을 수행한다. 여기서, 상기 협력 기반의 신호 검출부(304)는 상기 채널 상태 정보를 바탕으로 선형 수신기를 이용하여 단말의 신호를 검출할 수 있다.
상기 송수신부(306)는 단말, 인접 기지국 및 중앙 처리기(350)와 신호를 송수신하는 기능을 수행한다. 특히, 상기 기지국의 셀 영역 내에 속한 단말들 혹은 인접한 셀 영역에 속한 단말들로부터 수신되는 기준 신호를 수신하여 상기 채널 추정부(302)로 제공하고, 상기 채널 추정부(302)로부터 입력되는 채널 상태 정보를 상기 중앙 처리기(350)로 전송한다. 또한, 상기 송수신부(306)는 상기 중앙 처리기(350)로부터 수신되는 클러스터링 정보 및 수신필터 정보와 자신의 셀 영역에 속한 단말로부터 수신되는 신호를 상기 협력 기반의 신호 검출부(304)로 제공한다.
다음으로, 상기 중앙 처리기의 구성을 살펴보면, 상기 송수신부(352)는 기지국과 신호를 송수신 처리하는 기능을 수행한다. 특히, 상기 송수신부(352)는 다수의 기지국으로부터 채널 상태 정보를 수신하여 채널 정보 수집부(354)로 제공하고, 상기 기지국 클러스링부(356)로부터 기지국 클러스터링 정보를 입력받아 상기 다수의 기지국들로 전송한다.
상기 채널 정보 수집부(354)는 상기 송수신부(352)를 통해 각 기지국으로부터 채널 상태 정보를 수집하여, 클러스터링할 기지국들을 확인하고, 확인된 기지국들의 클러스터링해줄 것을 상기 기지국 클러스터링부(356)로 요청한다.
상기 기지국 클러스터링부(356)는 상기 채널 정보 수집부(354)를 통해 클러스터링할 기지국들에 대한 채널 상태 정보를 수신하고, 수신된 채널 상태 정보를 바탕으로 소정 수의 기지국들이 협력 통신을 수행하는 경우와 협력 통신을 수행하지 않고 단일 셀 통신을 수행하는 경우의 캐패시티 차이를 고려하여 클러스터링을 수행한다. 특히, 상기 기지국 클러스터링부(356)는 Max-CD 방식 혹은 IW 방식을 이용하여 상기 기지국들에 대한 클러스터링을 수행할 수 있다. 상기 기지국 클러스터링부(356)는 상기 Max-CD 방식을 이용할 경우, 하기 도 4에 도시된 바와 같이 구성될 수 있으며, 상기 IW 방식을 이용할 경우, 하기 도 5에 도시된 바와 같이 구성될 수 있다. 따라서, 상기 기지국 클러스터링부(356)가 Max-CD 방식을 이용하는 경우와 IW 방식을 이용하는 경우의 동작은 하기 도 4 및 도 5에서 상세히 설명하기로 한다. 상기 기지국 클러스터링부(356)는 모든 기지국들에 대한 클러스터링이 완료되면, 클러스터링 정보와 협력 통신에 이용되는 수신필터 정보를 각 기지국들로 전송하여, 각각의 기지국이 다른 기지국들과 협력 통신을 수행하도록 유도한다.
도 4는 본 발명의 일 실시 예에 따른 중앙 처리기에서 기지국 클러스터링부의 상세한 블럭 구성을 도시하고 있다. 상기 도 4는 기지국 클러스터링부(356)가 상기 Max-CD 방식을 이용할 경우에 대한 블럭 구성을 나타낸다.
상기 도 4를 참조하면, 상기 Max-CD 방식을 이용하는 기지국 클러스터링부(356)는 클러스터링 조합 생성부(400), 캐패시티 이득 계산부(410) 및 클러스터 결정부(420)를 포함하여 구성된다.
상기 클러스터링 조합 생성부(400)는 클러스터링 대상이 되는 모든 기지국들 바탕으로, 하나의 클러스터에 포함될 수에 대응하는 기지국들을 선택하여 후보 클러스터들을 생성한다. 이때, 상기 후보 클러스터들은 조합을 통해 구성 가능한 모든 클러스터들을 포함한다. 예를 들어, 전체 기지국 수가 7개이고, 하나의 클러스터에 포함될 기지국 수가 3개인 경우, 상기 후보 클러스터의 수는 7C3이 될 것이다. 상기 클러스터링 조합 생성부(400)는 상기 생성된 후보 클러스터들을 상기 캐패시티 이득 계산부(410)로 제공한다.
상기 캐패시티 이득 계산부(410)는 상기 클러스터링 조합 생성부(400)로부터 입력되는 각각의 후보 클러스터들에 대한 캐패시티 이득을 계산한다. 여기서, 후보 클러스터 G에 대한 캐패시티 이득은 상기 수학식 6 및 8에 나타낸 바와 같이, 후보 클러스터 G에 속한 기지국들이 협력 통신을 수행한 경우의 캐패시티와 상기 후보 클러스터 G에 속한 기지국들이 협력 통신을 수행하지 않고 단일 셀 통신을 수행한 경우의 캐패시티의 차이를 나타낸다. 상기 캐패시티 이득 계산부(410)는 상기 각각의 후보 클러스터에 대해 계산된 캐패시티 이득을 상기 클러스터 결정부(420)로 제공한다.
상기 클러스터 결정부(420)는 상기 캐패시티 이득 계산부(410)로부터 각각의 후보 클러스터에 대한 캐패시티 이득이 제공되면, 상기 후보 클러스터들 중에서 캐패시티 이득이 가장 큰 후보 클러스터를 선택하여 최종 클러스터로 결정한다. 이후, 상기 클러스터 결정부(420)는 상기 결정된 클러스터에 포함되지 않은 남은 기지국들을 대상으로 클러스터링을 재수행해야 함을 나타내는 신호를 상기 클러스터링 조합 생성부(400)로 전달한다. 즉, 상기 클러스터 결정부(420)는 모든 기지국들에 대한 클러스터링이 수행될 때까지, 클러스터링되지 않은 기지국들에 대한 정보를 상기 클러스터링 조합 생성부(400)로 제공하고 상기 캐패시티 이득 계산부(410)로부터 출력되는 후보 클러스터들의 캐패시티 이득을 비교하여 최종 클러스터를 결정하는 동작을 반복하여 수행한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 중앙 처리기에서 기지국 클러스터링부의 상세한 블럭 구성을 도시하고 있다. 상기 도 5는 기지국 클러스터링부(356)가 상기 IW 방식을 이용할 경우에 대한 블럭 구성을 나타낸다.
상기 도 5를 참조하면, 상기 기지국 클러스터링부(356)는 기지국 결정부(500), 간섭 가중치 계산부(510) 및 클러스터 결정부(520)를 포함하여 구성된다.
상기 기지국 결정부(500)는 클러스터링 대상이 되는 모든 기지국들 중에서 클러스터 기준이 될 하나의 기지국을 선택한다. 여기서, 상기 기지국 결정부(500)는 클러스터링 대상이 되는 기지국들 중에서 임의의 기지국을 기준 기지국으로 선택할 수도 있으며, 상기 클러스터링 대상이 되는 기지국들 중에서 채널 환경이 가장 나쁜 기지국을 기준 기지국을 선택할 수도 있다. 상기 기지국 결정부(500)는 상기 선택한 하나의 기준 기지국에 대한 정보와 다른 기지국들에 대한 정보를 상기 간섭 가중치 계산부(510)로 제공한다.
상기 간섭 가중치 계산부(510)는 상기 기지국 결정부(500)에서 결정된 기준 기지국과 다른 기지국들 각각에 대한 간섭 가중치를 계산한다. 즉, 상기 간섭 가중치 계산부(510)는 상기 다른 기지국들 중 순차적 혹은 임의로 하나를 선택한 후, 상기 수학식 11에 나타낸 바와 같이 상기 기준 기지국과 상기 선택한 다른 기지국 간의 간섭 가중치를 계산하며, 이를 다른 모든 기지국들에 대해 반복하여 수행한다. 이후, 상기 간섭 가중치 계산부(510)는 상기 기준 기지국과 다른 기지국들 각각에 대하여 계산된 간섭 가중치를 상기 클러스터 결정부(520)로 제공한다.
상기 클러스터 결정부(520)는 상기 간섭 가중치 계산부(510)로부터 입력되는 간섭 가중치들을 비교하여, 상기 간섭 가중치가 큰 소정 수의 기지국들을 선택하고, 상기 기준 기지국과 상기 선택한 소정 수의 기지국들을 하나의 클러스터로 구성함을 결정한다. 여기서, 상기 클러스터 결정부(520)는 상기 클러스터에 포함될 기지국 수가 B개일 경우, 간섭 가중치가 큰 순서대로 B-1개의 기지국들을 선택할 수 있다. 상기 클러스터 결정부(520)는 상기 클러스터를 구성한 후, 상기 클러스터에 포함되지 않은 기지국들이 존재할 경우, 상기 클러스터에 포함되지 않은 기지국들에 대한 클러스터링을 재수행해야함을 나타내는 신호를 상기 기지국 결정부(500)로 제공한다. 즉, 상기 클러스터 결정부(520)는 모든 기지국들에 대한 클러스터링이 수행될 때까지, 클러스터링되지 않은 기지국들에 대한 정보를 상기 기지국 결정부(500)로 제공하고 상기 간섭 가중치 계산부(510)로부터 출력되는 간섭 가중치를 비교하여 클러스터를 구성하는 동작을 반복하여 수행한다.
도 6은 본 발명의 일 실시 예에 따른 중앙 처리기의 클러스터링 절차를 도시하고 있다. 상기 도 6은 상기 중앙 처리기가 Max-CD 방식을 이용하여 클러스터링을 수행하는 경우에 대한 동작 절차를 나타낸다. 이하 설명되는 도 6의 과정은 설계자의 설계 방식에 따라 소정 주기마다 반복 수행될 수도 있으며, 미리 설정된 시점에 따라 수행될 수도 있을 것이다.
상기 도 6을 참조하면, 상기 중앙 처리기는 601단계에서 다수의 기지국들로부터 채널 상태 정보를 수신하고, 603단계로 진행하여 채널 상태 정보가 수신된 기지국들 즉, 클러스터링 대상이 되는 모든 기지국들을 바탕으로, 조합 가능한 모든 후보 클러스터들을 생성한다. 예를 들어, 전체 기지국 수가 7개이고, 하나의 클러스터에 포함될 기지국 수가 3개인 경우, 상기 중앙 처리기는 7C3개의 상기 후보 클러스터를 생성한다.
이후, 상기 중앙 처리기는 605단계에서 각각의 후보 클러스터들에 대한 캐패시티 이득 즉, 후보 클러스터에 포함된 기지국들이 협력 통신을 수행한 경우의 캐패시티와 상기 후보 클러스터에 포함된 기지국들이 협력 통신을 수행하지 않고 단일 셀 통신을 수행한 경우의 캐패시티 간의 차이를 계산한다. 여기서, 상기 후보 클러스터에 대한 캐패시티 이득은 상기 수학식 6 및 8에 나타낸 바와 같이 계산할 수 있다.
이후, 상기 중앙 처리기는 607단계에서 상기 후보 클러스터들 중에서 캐패시티 이득이 가장 큰 후보 클러스터를 선택하여 최종 클러스터로 결정하고, 609단계에서 모든 기지국들에 대한 클러스터링이 수행되었는지 여부를 검사한다. 즉, 상기 중앙 처리기는 상기 최종 클러스터로 결정되지 않은 후보 클러스터가 더 이상 존재하지 않는지 여부를 검사한다.
만일, 상기 모든 기지국들에 대한 클러스터링이 수행되지 않았을 경우, 상기 중앙 처리기는 613단계로 진행하여 클러스터링 되지 않은 기지국들을 대상으로 조합 가능한 모든 후보 클러스터를 재생성하고, 상기 605단계로 되돌아가 이하 단계를 재수행한다.
반면, 상기 모든 기지국들에 대한 클러스터링이 수행된 경우, 상기 중앙 처리기는 611단계로 진행하여 상기 결정된 클러스터에 대한 정보를 각 기지국으로 전송하고, 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.
도 7은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 중앙 처리기의 클러스터링 절차를 도시하고 있다. 상기 도 7은 상기 중앙 처리기가 IW 방식을 이용하여 클러스터링을 수행하는 경우에 대한 절차를 나타낸다. 이하 설명되는 도 7의 과정은 설계자의 설계 방식에 따라 소정 주기마다 반복 수행될 수도 있으며, 미리 설정된 시점에 따라 수행될 수도 있을 것이다.
상기 도 7을 참조하면, 상기 중앙 처리기는 701단계에서 다수의 기지국들로부터 채널 상태 정보를 수신하고, 703단계로 진행하여 채널 상태 정보가 수신된 기지국들 즉, 클러스터링 대상이 되는 모든 기지국들 중에서 클러스터 기준이 될 하나의 기지국을 선택한다. 여기서, 상기 중앙 처리기는 클러스터링 대상이 되는 기지국들 중에서 임의의 기지국을 기준 기지국으로 선택할 수도 있으며, 상기 클러스터링 대상이 되는 기지국들 중에서 채널 환경이 가장 나쁜 기지국을 기준 기지국을 선택할 수도 있다. 여기서, 설명의 편의를 위해 상기 클러스터링 대상이 되는 기지국들 중에서 기준 기지국 이외의 다른 기지국을 후보 기지국이라 칭한다.
이후, 상기 중앙 처리기는 705단계에서 상기 기준 기지국과 후보 기지국들 간의 간섭 가중치를 계산한다. 즉, 상기 중앙 처리기는 상기 후보 기지국들 중 순차적 혹은 임의로 하나의 후보 기지국을 선택한 후, 상기 수학식 11에 나타낸 바와 같이 상기 기준 기지국과 상기 선택한 후보 기지국 간의 간섭 가중치를 계산하며, 이를 모든 후보 기지국들에 대해 반복하여 수행한다.
이후, 상기 중앙 처리기는 707단계로 진행하여 상기 705단계에서 계산된 간섭 가중치들을 비교하여 상기 간섭 가중치가 큰 소정 수의 후보 기지국들을 선택한 후, 709단계로 진행하여 상기 기준 기지국과 상기 선택한 소정 수의 후보 기지국들을 하나의 클러스터로 구성함을 결정한다. 여기서, 상기 중앙 처리기는 상기 클러스터에 포함될 기지국 수가 B개일 경우, 간섭 가중치가 큰 순서대로 B-1개의 후보 기지국들을 선택할 수 있다.
이후, 상기 중앙 처리기는 711단계에서 모든 기지국들에 대한 클러스터링이 수행되었는지 여부를 검사한다. 즉, 상기 중앙 처리기는 상기 클러스터로 구성함이 결정되지 않은 후보 클러스터가 더 이상 존재하지 않는지 여부를 검사한다.
만일, 상기 모든 기지국들에 대한 클러스터링이 수행되지 않았을 경우, 상기 중앙 처리기는 415단계로 진행하여 클러스터링 되지 않은 기지국들 중에서 기준 기지국을 결정한 후, 상기 705단계로 되돌아가 이하 단계를 재수행한다.
반면, 상기 모든 기지국들에 대한 클러스터링이 수행된 경우, 상기 중앙 처리기는 713단계로 진행하여 상기 결정된 클러스터에 대한 정보를 각 기지국으로 전송하고, 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.
상술한 바와 같이, 본 발명에서는 중앙 처리기에서 Max-CD 방식과 IW 방식을 이용하여 기지국들을 클러스터링한다.
그러면, 상기 본 발명에 따라 Max-CD 방식과 IW 방식을 이용하여 클러스터링 하는 경우에 대한 성능에 대해 살펴보기로 한다.
도 10a 및 도 10b는 종래 기술에 따라 클러스터링한 경우와 본 발명에 따라 클러스터링한 경우에 대한 데이터 율을 나타내고 있다. 여기서, 상기 도 10a는 전체 기지국 수가 7개이고, 3개의 기지국을 묶어 클러스터링하는 경우에 대한 데이터 율(data rate)을 나타내고, 상기 도 10b는 전체 기지국 수가 19개이고, 3개의 기지국을 묶어 클러스터링하는 경우에 대한 데이터 율을 나타낸다. 또한, 상기 도 10a 및 도 10b에서 IW-random은 IW 방식에서 기준 기지국을 임의로 선택하는 경우를 나타내며, IW-weak는 상기 IW 방식에서 기준 기지국을 채널 환경이 나쁜 기지국으로 선택하는 경우를 나타낸다.
상기 도 10a 및 도 10b를 참조하면, 본 발명에서 제안하는 Max-CD 방식이 종래에 제공된 탐욕 탐색 방식에 비해 높은 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. 물론, 도 10a에서 전 영역 탐색 방식의 성능이 상기 본 발명의 Max-CD 방식의 성능과 유사하나, 상기 전 영역 탐색 방식은 상기 Max-CD에 비해 매우 높은 복잡도를 갖는 단점이 있다.
도 11a 및 도 11b는 종래 기술에 따라 클러스터링한 경우와 본 발명에 따라 클러스터링한 경우에 대한 에지 사용자의 데이터 율을 나타내고 있다.
도 11a 및 도 11b는 종래 기술에 따라 클러스터링한 경우와 본 발명에 따라 클러스터링한 경우에 셀 경계 사용자의 데이터 율을 나타내고 있다. 여기서, 상기 도 11a는 전체 기지국 수가 7개이고, 3개의 기지국을 묶어 클러스터링하는 경우에 대한 셀 경계 사용자의 데이터 율(data rate)을 나타내고, 상기 도 11b는 전체 기지국 수가 19개이고, 3개의 기지국을 묶어 클러스터링하는 경우에 대한 셀 경계 사용자의 데이터 율을 나타낸다. 또한, 상기 도 11a 및 도 11b에서 IW-random은 IW 방식에서 기준 기지국을 임의로 선택하는 경우를 나타내며, IW-weak는 상기 IW 방식에서 기준 기지국을 채널 환경이 나쁜 기지국으로 선택하는 경우를 나타낸다.
상기 도 11a 및 도 11b을 참조하면, 본 발명에서 제안하는 Max-CD, IW-random, IW-weak 방식이 종래에 제공된 탐욕 탐색 방식에 비해 높은 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. 즉, 상기 종래에 제공된 탐욕 탐색 방식은 캐패시티 합을 최대로 하는 것을 목적으로 함에 따라, 채널 환경이 좋은 사용자의 기지국들이 우선적으로 클러스터링 됨으로써, 셀 경계에 위치하여 채널 환경이 좋지 못한 사용자의 성능이 저하된다. 반면, 본 발명의 방식들은 캐패시티 이득을 최대로 하는 것을 목적으로 함에 따라, 셀 경계에 위치한 채널 환경이 좋지 못한 사용자들을 고려하여 클러스터링함으로써, 상기 셀 경계의 사용자들의 성능을 향상시킬 수 있다.
도 12는 종래 기술에 따라 클러스터링한 경우와 본 발명에 따라 클러스터링한 경우에 대한 복잡도 및 성능을 나타내고 있다.
상기 도 12를 참조하면, 본 발명에서 제안하는 Max-CD 방식은 종래의 탐욕 탐색 방식에 비해 복잡도가 높으나, 높은 성능을 얻을 수 있으며, 상기 본 발명에서 제안하는 IW 방식은 상기 탐욕 탐색 방식에 비해 매우 낮은 복잡도를 가지며, 높은 성능을 얻을 수 있는 이점이 있다. 특히, IW-weak 방식은 셀 에지 사용자에 대한 데이터 율 측면에서 매우 높은 성능을 얻을 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
356: 기지국 클러스터링부 400: 클러스터링 조합 생성부
410: 캐패시티 이득 계산부 420: 클러스터 결정부
500: 기지국 결정부 510: 간섭 가중치 계산부
520: 클러스터 결정부

Claims (18)

  1. 셀룰러 통신 시스템의 중앙 처리기에서 협력 통신을 위해 기지국을 클러스터링하는 방법에 있어서,
    다수의 기지국들에 대한 채널 상태 정보를 수집하는 과정과,
    소정 수의 기지국들이 협력 통신하는 경우에 대한 캐패시티와 상기 소정 수의 기지국들이 단일 셀 통신하는 경우에 대한 캐패시티 간의 차이를 고려하여 클러스터를 구성하는 과정을 포함하고,
    상기 캐패시티 간의 차이는 가장 큰 캐패시티 합의 차이 또는 간섭에 비례하는 캐패시티 합의 차이인 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 캐패시티 간의 차이를 고려하여 클러스터를 구성하는 과정은,
    상기 다수의 기지국들에 대한 조합 가능한 모든 후보 클러스터를 생성하는 과정과,
    후보 클러스터 내에 속한 기지국들이 협력 통신하는 경우에 대응하는 사용자들의 캐패시티 합과 상기 후보 클러스터 내에 속한 기지국들이 단일 셀 통신하는 경우에 대응하는 캐패시티 합의 차이가 가장 큰 후보 클러스터를 선택하는 과정과,
    상기 선택한 후보 클러스터를 하나의 클러스터로 구성하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 다수의 기지국들에 대한 클러스터링이 완료될 때까지, 상기 클러스터에 포함되지 않은 남은 기지국들을 대상으로 조합 가능한 모든 후보 클러스터를 재생성하여 두 캐패시티 합의 차이가 가장 큰 후보 클러스터를 하나의 클러스터로 구성하는 과정을 반복하여 수행하는 것을 특징으로 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 캐패시티 간의 차이를 고려하여 클러스터를 구성하는 과정은,
    두 기지국 간의 간섭을 고려하여 클러스터를 구성하는 과정을 포함하며,
    상기 두 기지국 간의 간섭은 상기 두 기지국이 협력하는 경우에 대응하는 사용자들의 캐패시티 합과 상기 두 기지국이 단일 셀 통신하는 경우에 대응하는 캐패시티 합의 차이에 비례하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 두 기지국 간의 간섭을 고려하여 클러스터를 구성하는 과정은,
    기준 기지국을 선택하는 과정과,
    상기 다수의 기지국들에 대하여 상기 기준 기지국과의 간섭을 나타내는 간섭 가중치를 계산하는 과정과,
    상기 계산된 간섭 가중치 값을 기준으로 소정 수의 기지국들을 선택하는 과정과,
    상기 기준 기지국과 상기 선택된 소정 수의 기지국들을 하나의 클러스터로 구성하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 기준 기지국은, 상기 다수의 기지국들 중에서 임의로 선택하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 기준 기지국은, 상기 다수의 기지국들 중에서 기지국과 사용자 간의 채널 고유값의 합이 가장 작은 기지국을 우선적으로 선택하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 제 4항에 있어서,
    상기 다수의 기지국들에 대한 클러스터링이 완료될 때까지, 상기 클러스터에 포함되지 않은 남은 기지국들 중에서 하나의 기준 기지국을 선택한 후 상기 선택된 기준 기지국과의 간섭 가중치를 기준으로 소정 수의 기지국들을 선택하여 하나의 클러스터로 구성하는 과정을 반복하여 수행하는 것을 특징으로 방법.
  9. 제 5항에 있어서,
    상기 간섭 가중치는, 상기 다수의 기지국들 중 하나의 기지국과 상기 기준 기지국이 서로 주고 받는 간섭 및 수신필터를 통과한 잡음의 크기 중 적어도 하나를 고려하여 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 셀룰러 통신 시스템의 중앙 처리기에서 협력 통신을 위해 기지국을 클러스터링하는 장치에 있어서,
    다수의 기지국들에 대한 채널 상태 정보를 수집하는 채널 정보 수집부와,
    소정 수의 기지국들이 협력 통신하는 경우에 대한 캐패시티와 상기 소정 수의 기지국들이 단일 셀 통신하는 경우에 대한 캐패시티 간의 차이를 고려하여 클러스터를 구성하는 기지국 클러스터링부를 포함하고,
    상기 캐패시티 간의 차이는 가장 큰 캐패시티 합의 차이 또는 간섭에 비례하는 캐패시티 합의 차이인 장치.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 기지국 클러스터링부는, 상기 다수의 기지국들에 대한 조합 가능한 모든 후보 클러스터를 생성한 후, 후보 클러스터 내에 속한 기지국들이 협력 통신하는 경우에 대응하는 사용자들의 캐패시티 합과 상기 후보 클러스터 내에 속한 기지국들이 단일 셀 통신하는 경우에 대응하는 캐패시티 합의 차이가 가장 큰 후보 클러스터를 선택하고, 상기 선택된 후보 클러스터를 하나의 클러스터로 구성함을 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 기지국 클러스터링부는, 상기 다수의 기지국들에 대한 클러스터링이 완료될 때까지, 상기 클러스터에 포함되지 않은 남은 기지국들을 대상으로 조합 가능한 모든 후보 클러스터를 재생성하여 두 캐패시티 합의 차이가 가장 큰 후보 클러스터를 하나의 클러스터로 구성하는 과정을 반복하여 수행하는 것을 특징으로 장치.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 기지국 클러스터링부는, 두 기지국 간의 간섭을 고려하여 클러스터를 구성하며,
    상기 두 기지국 간의 간섭은 상기 두 기지국이 협력하는 경우에 대응하는 사용자들의 캐패시티 합과 상기 두 기지국이 단일 셀 통신하는 경우에 대응하는 캐패시티 합의 차이에 비례하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 13항에 있어서,
    상기 기지국 클러스터링부는, 기준 기지국을 선택한 후, 상기 다수의 기지국들에 대하여 상기 기준 기지국과의 간섭을 나타내는 간섭 가중치를 계산하고, 상기 계산된 간섭 가중치 값을 기준으로 소정 수의 기지국들을 선택하여 상기 기준 기지국과 상기 선택된 소정 수의 기지국들을 하나의 클러스터로 구성하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 13항에 있어서,
    상기 기지국 클러스터링부는, 상기 다수의 기지국들 중에서 임의의 기지국을 선택하여 기준 기지국으로 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 13항에 있어서,
    상기 기지국 클러스터링부는, 상기 다수의 기지국들 중에서 기지국과 사용자 간의 채널 고유값의 합이 가장 작은 기지국을 우선적으로 선택하여 기준 기지국으로 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 13항에 있어서,
    상기 기지국 클러스터링부는, 상기 다수의 기지국들에 대한 클러스터링이 완료될 때까지, 상기 클러스터에 포함되지 않은 남은 기지국들 중에서 하나의 기준 기지국을 선택한 후 상기 선택된 기준 기지국과의 간섭 가중치를 기준으로 소정 수의 기지국들을 선택하여 하나의 클러스터로 구성하는 과정을 반복하여 수행하는 것을 특징으로 장치.
  18. 제 14항에 있어서,
    상기 간섭 가중치는, 상기 다수의 기지국들 중 하나의 기지국과 상기 기준 기지국이 서로 주고 받는 간섭 및 수신필터를 통과한 잡음의 크기 중 적어도 하나를 고려하여 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.


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