최근 급증하는 데이터 트래픽에 효율적으로 대응하기 위해 매크로 기지국 영역에 매크로 기지국과 같은 주파수를 사용하는 소형 기지국이 공존하는 이종망에 관한 연구가 활발하게 진행 중이다. 이때, 매크로셀로부터 소형셀로의 간섭을 줄이기 위해 시간 영역에서 ABS (Almost BlankSubframe)을 이용한 enhanced Inter-cell Interference Coordination (eICIC) 기법이 제안되어 있다. 그러나 간섭 문제 해결을 위해 데이터를 전송하지 않는 서브프레임들이 발생함으로써 매크로셀 입장에서는 자원 낭비 문제가 발생한다. 본 논문에서는 능동 안테나 시스템 (AAS)과 Genetic Algorithm (GA)을 이용하여 소형 셀 방향으로 안테나 이득을 줄인 매크로 기지국의 3D섹터 빔을 형성하여 셀간의 간섭신호 세기가 감소 되도록 하고 데이터 전송에 모든 서브프레임을 이용하여 낭비되는 자원이 없도록 한다. LTE -Advanced 시스템 레벨 시뮬레이터를 통해 기존 eICIC 기법과의 성능을 비교 분석하며, 제안된 기법의 성능 향상을 확인한다.
최근 급증하는 데이터 트래픽에 효율적으로 대응하기 위해 매크로 기지국 영역에 매크로 기지국과 같은 주파수를 사용하는 소형 기지국이 공존하는 이종망에 관한 연구가 활발하게 진행 중이다. 이때, 매크로셀로부터 소형셀로의 간섭을 줄이기 위해 시간 영역에서 ABS (Almost Blank Subframe)을 이용한 enhanced Inter-cell Interference Coordination (eICIC) 기법이 제안되어 있다. 그러나 간섭 문제 해결을 위해 데이터를 전송하지 않는 서브프레임들이 발생함으로써 매크로셀 입장에서는 자원 낭비 문제가 발생한다. 본 논문에서는 능동 안테나 시스템 (AAS)과 Genetic Algorithm (GA)을 이용하여 소형 셀 방향으로 안테나 이득을 줄인 매크로 기지국의 3D 섹터 빔을 형성하여 셀간의 간섭신호 세기가 감소 되도록 하고 데이터 전송에 모든 서브프레임을 이용하여 낭비되는 자원이 없도록 한다. LTE -Advanced 시스템 레벨 시뮬레이터를 통해 기존 eICIC 기법과의 성능을 비교 분석하며, 제안된 기법의 성능 향상을 확인한다.
To cope with recently increasing demand for data traffics, heterogeneous networks have been actively studied, where small cells are deployed within a macro cell coverage with the same frequency band. To mitigate the interference from the macro cell to small cells, an enhanced Inter-cell Interference...
To cope with recently increasing demand for data traffics, heterogeneous networks have been actively studied, where small cells are deployed within a macro cell coverage with the same frequency band. To mitigate the interference from the macro cell to small cells, an enhanced Inter-cell Interference Coordination (eICIC) technique has been proposed, where ABS (Almost Blank Subframe) is used in time domain. However, there is a waste of resource since no data is transmitted in a macro-cell in ABS. In this paper, we propose a new interference management method by using a 3D sector beam based on Active Antenna System (AAS), where Genetic Algorithm (GA) is applied to reduce the antenna gain toward a small-cell. With the proposed scheme, the macro-cell and small cells can transmit data at the same time with the AAS antenna pattern generating reduced interference to small cells. The performance of the proposed scheme is evaluated by using an LTE-Advanced system level simulator.
To cope with recently increasing demand for data traffics, heterogeneous networks have been actively studied, where small cells are deployed within a macro cell coverage with the same frequency band. To mitigate the interference from the macro cell to small cells, an enhanced Inter-cell Interference Coordination (eICIC) technique has been proposed, where ABS (Almost Blank Subframe) is used in time domain. However, there is a waste of resource since no data is transmitted in a macro-cell in ABS. In this paper, we propose a new interference management method by using a 3D sector beam based on Active Antenna System (AAS), where Genetic Algorithm (GA) is applied to reduce the antenna gain toward a small-cell. With the proposed scheme, the macro-cell and small cells can transmit data at the same time with the AAS antenna pattern generating reduced interference to small cells. The performance of the proposed scheme is evaluated by using an LTE-Advanced system level simulator.
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문제 정의
이를 이용하여 원하는 방향으로는 안테나 이득을 갖도록 하면서 원하지 않는 방향으로는 이득을 억제하여 수신 측에서의 SINR이 최대가 되도록 하는 방식이다. 본 논문에서는 능동 안테나 배열의 특성을 이용하여 이종망에서 매크로 셀과 피코 셀간의 간섭을 완화할 수 있는 3D 섹터 빔을 제안한다. 그림 3은 일반적인 3D 섹터 빔과 제안하는 3D 섹터 빔을 나타낸다.
[8] 첫 번째로는 매크로 셀과 피코 셀 간의 간섭 시나리오이며, 두 번째로는 매크로 셀과 펨토 셀간의 간섭 시나리오이다. 본 논문에서는 매크로 셀과 피코 셀 간의 간섭 문제 해결에 집중하고 있다.
본 논문에서는 이종망 환경에서 소형 셀로의 안테나 이득을 억제하는 능동 안테나 시스템 기반의 매크로 기지국 3D 섹터 빔을 이용한 효율적인 간섭 제어 방안을 제안하였다. ABS를 이용한 기존 eICIC 기법은 피코 셀의 확장된 영역에 위치한 사용자의 간섭을 억제하여 해당 사용자의 수율을 향상시키지만, 전체 서브프레임 중 ABS 전송 비율만큼 매크로 셀의 수율 합이 감소되었다.
가설 설정
매크로 기지국은 피코 셀 1과 피코 셀 2 각각의 영역으로 안테나 이득을 억제하는 3D 섹터 빔 SB 1, SB 2를 생성하고 데이터를 전송하는 서브프레임 별로 어떠한 3D 섹터 빔을 사용할지 결정한다. 결정된 서브프레임 별 3D 섹터 빔 사용 패턴은 백홀 망 등을 통하여 각 피코 셀과 교환으로 알 수 있음을 가정한다. 또한 그림 4처럼 각 서브프레임 별로 교대로 SB 1, SB 2를 사용하는 방안이 사용될 수 있다.
그림 6은 본 논문의 모의실험을 위한 이종망 기반의 LTE-Advanced 시스템 레벨 시뮬레이터에 구성된 네트워크를 나타내고 있다. 네트워크 환경은 32m 높이에 위치한 3-섹터를 갖는 7개의 매크로 기지국과 각 매크로 기지국의 섹터 영역의 중심 방향으로 115m에 피코 기지국이 위치하는 것을 가정하였으며 중심 매크로 기지국의 하나의 섹터 내에 위치한 사용자들에 대하여 결과 분석을 하였다.
해당 정보는 피코 기지국의 위치정보를 통하여 안테나 이득을 억제할 영역과 억제하는 안테나 이득의 크기이다. 매크로 영역 내에 위치한 피코 기지국의 위치정보는 매크로 기지국이 알고 있음을 가정한다. 결정된 정보를 기반으로 하여 비교 대상이 되는 3GPP TR 36.
그림 5는 수평/수직 빔 패턴 마스크에 Genetic Algorithm(GA)를 적용하여 얻은 수평/수직 빔 패턴이며 안테나 소자 수를 다르게 하여 각 결과를 비교하였다. 제안하는 수평/ 수직 빔 패턴 생성을 위해 매크로 기지국의 높이는 32m이며 하나의 피코 기지국이 매크로 기지국을 기준으로 섹터 중심 방향으로 200m의 고정된 위치에 있음을 가정하였다. 피코 기지국 방향으로 간섭 세기를 줄이기 위하여 수평/수직으로 각각 0도, 8.
제안 방법
본 논문의 모의실험 결과는 제안하는 기법과의 비교를 위하여 간섭제어 기법이 포함되지 않은 가장 기본적인 이종망과 eICIC 기법이 적용된 이종망을 고려하였다. CRE 기법을 위해 적용한 핸드오버 오프셋 값은 6dB이며 eICIC 기법을 위해 적용한 전체 서브프레임 중 ABS의 비율을 0/8, 2/8, 그리고 4/8로 다르게 하여 비교 분석하였다. 또한 비교 실험에서는 3GPP TR 36.
안테나 소자 수의 경우 최소한의 소자 수로 제안하는 3D 섹터 빔 구현을 목적으로 다양한 소자 수에 따른 결과를 그림 5에 포함하였다. 결정된 능동 안테나 배열 정보를 기반으로 상/하부 빔 패턴 마스크의 경계를 넘지 않도록 하는 빔 패턴을 생성하기 위한 최적의 안테나 소자별 가중치 값을 GA를 통하여 얻도록 한다. 이 과정에서의 핵심은 설정된 빔 패턴 마스크와 GA로 배양된 안테나 소자가중치 값으로 표현된 빔 패턴의 차이가 최소가 되어 식(2)로 정의한 적합도(finess)값이 최대화되도록 반복 수행하는 것이다.
매크로 영역 내에 위치한 피코 기지국의 위치정보는 매크로 기지국이 알고 있음을 가정한다. 결정된 정보를 기반으로 하여 비교 대상이 되는 3GPP TR 36.814의 3D 섹터 빔에 피코 셀 영역으로 안테나 이득이 억제된 형태의 3D 섹터 빔 마스크를 생성하도록 한다. 이때 약간의 오프셋 값을 두고 상/하부의 빔 패턴 마스크를 설정하는데 그 이유는 매크로 섹터 영역 안에 안테나 이득이 Nulling 되는 부분 없이 최대한 빔 패턴 마스크와 유사하게 제안하는 3D 섹터 빔을 구현하기 위함이다.
또한 매크로 셀 영역에 둘 이상의 피코 셀이 배치되는 상황으로 확장을 고려하여 매크로 기지국의 능동 안테나 시스템(AAS)에서는 각 피코 셀 영역으로의 안테나 이득을 줄이는 3D 섹터 빔들이 서브프레임 별로 적용될 수 있다. 능동 안테나 시스템에서 사용될 3D 섹터 빔은 Genetic Algorithm(GA)을 통하여 얻도록 하였다. 추가적으로 제안하는 기법을 사용할 경우 매크로 기지국에서는 기존의 eICIC 기법과는 달리 셀간 간섭을 제어하기 위하여 데이터를 전송하지 않는 서브프레임이 필요하지 않기 때문에 데이터 전송에 모든 서브프레임을 이용하도록 한다.
이에 따라 피코 셀의 사용자는 간섭원이 되는 매크로 셀로부터의 수신 신호 전력이 감소하여 피코 셀 사용자의 수신 SINR이 증가되는 간섭 완화 효과를 얻는다. 또한 기존의 eICIC처럼 매크로 기지국에서 데이터를 전송하지 않는 ABS를 사용한 간섭 제어가 아니므로 제안하는 기법에서는 데이터 전송을 위해 모든 서브프레임의 자원을 사용할 수 있다.
1.2 안테나 패턴 모델
모의실험의 비교를 위하여 사용된 안테나 모델은 3GPP의 TR 36.814 3D 안테나 모델을 이용하였고 수평 안테나 패턴의 경우 제안하는 매크로 기지국의 수평 섹터 빔의 안테나 뒷 방향으로의 감쇠율(front-toback attenuation)과 맞추기 위하여 값을 30dB로 수정하였다
. 식 (3)와 식 (4)는 각각 수평, 수직 안테나 패턴, 식 (5)은 수평/수직 안테나 패턴을 이용한 3D 안테나 패턴을 의미한다.
[8] 따라서 매크로 셀과 피코 셀에 각각 28개, 2개의 사용자 단말이 접속된 기지국의 영역 안에 임의의(Randomly) 확률로 배치된다. 모의실험의 정확성을 높이기 위하여 100번의 반복 수행을 통하여 평균 성능 결과를 도출하였다. 그 외 모의실험에 적용한 파라미터는 3GPP 표준 문서의 정의에 따라 표 1에 정리하였다.
본 논문에서는 Genetic Algorithm (GA)를 이용하여 제안하는 3D 섹터 빔을 구현하였으며 전체적인 구현 과정은 크게 3D 섹터 빔 마스크를 생성하는 부분과 3D 섹터 빔 마스크와 유사한 3D 섹터 빔을 구현 부분으로 구분된다.
본 논문에서는 안테나 소자들의 가중치(weighting factor)를 조정하여 원하는 안테나 패턴을 형성할 수있는 능동 안테나 시스템(AAS)을 매크로 기지국에서 운영하고 특정 피코 셀 영역으로는 안테나 이득을 줄이는 매크로 기지국의 3D 섹터 빔을 능동 안테나 시스템(AAS)에서 사용한다. 제안된 매크로 기지국의 3D 섹터 빔을 사용함에 따라 피코 셀 가장자리의 피코 사용자에게 간섭원이 되는 매크로 기지국으로부터의 간섭 신호 세기가 감소하여 매크로 기지국과 피코 사용자간의 간섭 문제를 완화하도록 한다.
사용자 단말의 배치는 3GPP TR 36.814의 이종망시뮬레이션 시나리오 4a에 따라 하나의 섹터에 전체 30개의 사용자 단말이 위치하며 피코 셀은 섹터 당 1개, 전체 단말 중 단말이 피코 셀에 위치할 비율은 1/15로 하였다.[8] 따라서 매크로 셀과 피코 셀에 각각 28개, 2개의 사용자 단말이 접속된 기지국의 영역 안에 임의의(Randomly) 확률로 배치된다.
추가적으로 제안하는 기법을 사용할 경우 매크로 기지국에서는 기존의 eICIC 기법과는 달리 셀간 간섭을 제어하기 위하여 데이터를 전송하지 않는 서브프레임이 필요하지 않기 때문에 데이터 전송에 모든 서브프레임을 이용하도록 한다. 성능 분석을 위해 LTEAdvanced 기반 시스템 레벨 시뮬레이터를 구축하여 셀간 간섭 제어기법을 적용하지 않은 이종망, eICIC 기법을 적용한 이종망과의 비교를 통하여 제안하는 기법의 간섭 제어 효과와 셀 수율 증가를 비교 분석하도록 한다.
ABS는 제어 및 데이터 신호는 전송하지 않고 서비스를 받고 있는 사용자의 지속적인 연결을 위해 참조 신호, 동기 신호, Broadcast 신호만을 전송함으로써 다른 셀로부터 ABS를 수신하는 사용자는 제어 및 데이터 신호에 간섭 영향을 받지 않는다. 이러한 특징을 이용하여 앞서 설명한 간섭원으로부터 접속된 기지국보다 강한 참조신호 수신 전력을 수신하는 사용자에게 제어 및 데이터 신호에 간섭 영향이 없도록 하기 위해 간섭원에서 ABS를 사용하도록 한다. 매크로 셀과 피코 셀로 구성된 이종망에 ABS 운용을 도입하면 확장된 피코 셀 영역에 위치한 사용자를 위해 매크로 기지국에서 ABS를 운용한다.
본 논문에서는 안테나 소자들의 가중치(weighting factor)를 조정하여 원하는 안테나 패턴을 형성할 수있는 능동 안테나 시스템(AAS)을 매크로 기지국에서 운영하고 특정 피코 셀 영역으로는 안테나 이득을 줄이는 매크로 기지국의 3D 섹터 빔을 능동 안테나 시스템(AAS)에서 사용한다. 제안된 매크로 기지국의 3D 섹터 빔을 사용함에 따라 피코 셀 가장자리의 피코 사용자에게 간섭원이 되는 매크로 기지국으로부터의 간섭 신호 세기가 감소하여 매크로 기지국과 피코 사용자간의 간섭 문제를 완화하도록 한다. 또한 매크로 셀 영역에 둘 이상의 피코 셀이 배치되는 상황으로 확장을 고려하여 매크로 기지국의 능동 안테나 시스템(AAS)에서는 각 피코 셀 영역으로의 안테나 이득을 줄이는 3D 섹터 빔들이 서브프레임 별로 적용될 수 있다.
그림 3은 일반적인 3D 섹터 빔과 제안하는 3D 섹터 빔을 나타낸다. 제안하는 3D 섹터 빔은 매크로 기지국에서 운용되며 기존의 섹터 빔과 동일하게 매크로 셀 영역으로의 안테나 이득은 갖도록 하지만 피코 기지국 방향으로는 안테나 이득을 억제하는 특징을 갖는다. 또한 피코 셀 방향으로 안테나 이득을 억제하는 영역의 확대를 통하여 피코 셀에 핸드오버 오프셋을 부여하는 기존의 CRE 기법을 이용하지 않더라도 피코 셀 영역을 확장할 수 있다.
제안하는 수평/ 수직 빔 패턴 생성을 위해 매크로 기지국의 높이는 32m이며 하나의 피코 기지국이 매크로 기지국을 기준으로 섹터 중심 방향으로 200m의 고정된 위치에 있음을 가정하였다. 피코 기지국 방향으로 간섭 세기를 줄이기 위하여 수평/수직으로 각각 0도, 8.7도 부분의 안테나 이득을 억제하여 빔 패턴 마스크를 생성하였고, 제안하는 수평/수직 빔 패턴을 생성하기 위해 수평 안테나 소자는 4, 8, 12개, 수직 안테나 소자는 13, 20개로 구성된 Uniform Linear Array(ULA)를 사용하였다. 수평/수직 섹터 빔 소자 수가 각각 3개, 12개 이하일 경우에는 제안하는 섹터 빔을 형성하기 어려웠으며 소자 수를 늘려갈수록 보다 정교하게 피코 셀 방향으로 안테나 이득을 억제할 수 있음을 관찰하였다.
피코 사용자의 주파수 효율성 분석은 시뮬레이터 상에서 각 사용자가 할당 받은 Resource Blocks(RBs)에서 전송 가능한 전체 Transport Block Size를 RB로 나누어줌에 따라 RB당 전송 가능한 Transport Block Size로 표현하였다. HetNet 시나리오에서는 CRE 기법이 사용되지 않으므로 확장된 영역이 존재하지 않는다.
수평/수직 섹터 빔 소자 수가 각각 3개, 12개 이하일 경우에는 제안하는 섹터 빔을 형성하기 어려웠으며 소자 수를 늘려갈수록 보다 정교하게 피코 셀 방향으로 안테나 이득을 억제할 수 있음을 관찰하였다. 하지만 안테나 설계비용을 고려하여 피코 셀 방향으로 안테나 이득 억제가 가능한 수평/수직 섹터 빔을 위하여 각각 4개와 13개의 최소한의 소자 수를 이용하도록 하였다. 또한 수평/수직 섹터 빔의 안테나 이득을 억제할 방향을 각각 10도, 5도 간격으로 바꾸어가며 실험해본 결과 피코 기지국이 매크로 영역 어느 곳에 위치하더라도 해당 피코 기지국 방향으로 안테나 이득을 억제하는 마스크 패턴의 변경을 통해 원하는 섹터 빔을 위한 각 소자 별 가중치 값을 얻어낼 수 있다는 것을 관찰하였다.
이론/모형
CRE 기법을 위해 적용한 핸드오버 오프셋 값은 6dB이며 eICIC 기법을 위해 적용한 전체 서브프레임 중 ABS의 비율을 0/8, 2/8, 그리고 4/8로 다르게 하여 비교 분석하였다. 또한 비교 실험에서는 3GPP TR 36.814의 3D 안테나 모델을 사용하였다.
두 번째 단계인 3D 섹터 빔 마스크와 유사한 3D 섹터 빔을 구현 부분에서는 먼저 능동 안테나 배열에 관한 정보를 설정하는데 안테나 소자의 패턴, 안테나 소자 수, 안테나 배열 구조를 포함한다. 안테나 소자 패턴은 3GPP TR 37.840의 수평/수직 안테나 소자 패턴을 사용하였으며 안테나 배열 구조는 Uniform Linear Array (ULA) 구조를 이용하였다. 식(1)은 ULA의 안테나 패턴(AP)을 나타낸다.
성능/효과
본 논문에서는 이종망 환경에서 소형 셀로의 안테나 이득을 억제하는 능동 안테나 시스템 기반의 매크로 기지국 3D 섹터 빔을 이용한 효율적인 간섭 제어 방안을 제안하였다. ABS를 이용한 기존 eICIC 기법은 피코 셀의 확장된 영역에 위치한 사용자의 간섭을 억제하여 해당 사용자의 수율을 향상시키지만, 전체 서브프레임 중 ABS 전송 비율만큼 매크로 셀의 수율 합이 감소되었다. 제안된 능동 안테나 시스템 기반의 간섭 제어 방안을 적용하면, 매크로 셀로부터 피코 셀에 미치는 간섭 신호 세기가 감소함에 따라 피코 셀의 용량이 증가되었다.
더불어, 기존 eICIC 기법과 달리, 매크로 기지국에서는 데이터 전송에 모든 서브프레임을 이용하기 때문에 매크로 셀의 용량 감소를 최소화할 수 있었다. LTE-A 기반 시스템 레벨 시뮬레이터를 이용한 모의실험 결과, ABS 비율이 2/8, 4/4인 기존 eICIC 기법과 비교하여, 제안된 기법에 의해 시스템 용량이 약 16.5 %, 35 % 증가됨을 관측하였다.
9%의 상당한 수율 합 감소가 발생한다. eICIC 기법 적용 시 ABS를 매크로 기지국에서 전체 서브프레임 중 2/8, 4/8의 비율로 사용하였을 경우 피코 셀의 수율 합은 CRE 기법만 적용한 HetNet 시나리오와 비교하여 56%정도씩 각각 26.77 Mbps, 26.25 Mbps로 수율 합 증가를 확인하였다. 하지만 매크로 셀의 수율 합은 16.
제안된 능동 안테나 시스템 기반의 간섭 제어 방안을 적용하면, 매크로 셀로부터 피코 셀에 미치는 간섭 신호 세기가 감소함에 따라 피코 셀의 용량이 증가되었다. 더불어, 기존 eICIC 기법과 달리, 매크로 기지국에서는 데이터 전송에 모든 서브프레임을 이용하기 때문에 매크로 셀의 용량 감소를 최소화할 수 있었다. LTE-A 기반 시스템 레벨 시뮬레이터를 이용한 모의실험 결과, ABS 비율이 2/8, 4/4인 기존 eICIC 기법과 비교하여, 제안된 기법에 의해 시스템 용량이 약 16.
off-loading된 사용자의 간섭 문제 해결을 위해 eICIC 기법을 적용할 경우 사용되는 ABS의 비율이 커질수록 ABS 전송 시점에서만 스케줄링 되는 확장 영역 피코 사용자들이 할당받는 자원이 늘어나게 되며 반대로 중심 영역에 위치하는 피코 사용자들이 할당받은 자원은 줄어들게 된다. 따라서 ABS의 비율이 커질수록 중심 영역에 위치하는 피코 사용자 수율 합은 감소하고 확장된 영역에 위치하는 피코 사용자의 수율 합은 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 제안하는 기법을 적용할 경우 전체 피코 사용자가 함께 각 서브프레임에서 스케줄링 되도록 하며 CRE 기법만 적용한 시나리오와 비교 시 중심 영역과 확장된 영역 모두에서의 수율 합이 각각 향상되는 것을 관찰할수 있다.
모의실험 시나리오마다 접속된 사용자 수의 차이에 의하여 각 셀에서 한명의 사용자마다 사용할 수 있는 평균 자원의 양이 다르다는 문제가 발생하므로 정규화한 성능 분석이 필요하다. 또한 eICIC 기법과 제안하는 기법은 피코 셀 영역에 위치한 사용자의 간섭 문제를 완화하는 것을 주목적으로 한다. 따라서 사용자의 데이터 전송 단위인 Resource Block(RB)마다의 전송률로 정의한 주파수 효율성(Spectral Efficiency) 관점에서 피코 셀의 확장된 영역에 위치한 사용자와 피코 셀 중심 영역에 위치한 사용자에 대한 분석을 표 3에 정리하였다.
하지만 안테나 설계비용을 고려하여 피코 셀 방향으로 안테나 이득 억제가 가능한 수평/수직 섹터 빔을 위하여 각각 4개와 13개의 최소한의 소자 수를 이용하도록 하였다. 또한 수평/수직 섹터 빔의 안테나 이득을 억제할 방향을 각각 10도, 5도 간격으로 바꾸어가며 실험해본 결과 피코 기지국이 매크로 영역 어느 곳에 위치하더라도 해당 피코 기지국 방향으로 안테나 이득을 억제하는 마스크 패턴의 변경을 통해 원하는 섹터 빔을 위한 각 소자 별 가중치 값을 얻어낼 수 있다는 것을 관찰하였다.
따라서 ABS의 비율이 커질수록 중심 영역에 위치하는 피코 사용자 수율 합은 감소하고 확장된 영역에 위치하는 피코 사용자의 수율 합은 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한 제안하는 기법을 적용할 경우 전체 피코 사용자가 함께 각 서브프레임에서 스케줄링 되도록 하며 CRE 기법만 적용한 시나리오와 비교 시 중심 영역과 확장된 영역 모두에서의 수율 합이 각각 향상되는 것을 관찰할수 있다.
3%씩 전체 서브프레임 중 ABS 비율만큼 감소하는 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 제안하는 기법을 적용한 HetNet 시나리오에서는 CRE 기법만 적용한 HetNet 시나리오와 비교할 경우 매크로 셀의 수율 합은 22.64 Mbps에서 19.17 Mbps로 18% 정도 감소하지만 피코셀의 수율 합은 17.13 Mbps에서 31.44 Mbps로 약 83.5% 증가한다. 추가로 ABS를 적용한 eICIC 기법과 비교 시 매크로 셀의 수율 합 감소는 적으면서도 피코 셀의 수율 합 증가는 큰 것을 확인할 수 있다.
본 논문의 모의실험 결과는 제안하는 기법과의 비교를 위하여 간섭제어 기법이 포함되지 않은 가장 기본적인 이종망과 eICIC 기법이 적용된 이종망을 고려하였다. CRE 기법을 위해 적용한 핸드오버 오프셋 값은 6dB이며 eICIC 기법을 위해 적용한 전체 서브프레임 중 ABS의 비율을 0/8, 2/8, 그리고 4/8로 다르게 하여 비교 분석하였다.
7도 부분의 안테나 이득을 억제하여 빔 패턴 마스크를 생성하였고, 제안하는 수평/수직 빔 패턴을 생성하기 위해 수평 안테나 소자는 4, 8, 12개, 수직 안테나 소자는 13, 20개로 구성된 Uniform Linear Array(ULA)를 사용하였다. 수평/수직 섹터 빔 소자 수가 각각 3개, 12개 이하일 경우에는 제안하는 섹터 빔을 형성하기 어려웠으며 소자 수를 늘려갈수록 보다 정교하게 피코 셀 방향으로 안테나 이득을 억제할 수 있음을 관찰하였다. 하지만 안테나 설계비용을 고려하여 피코 셀 방향으로 안테나 이득 억제가 가능한 수평/수직 섹터 빔을 위하여 각각 4개와 13개의 최소한의 소자 수를 이용하도록 하였다.
모의실험에서 관찰된 매크로 셀과 피코 셀에 접속한 평균 사용자 수를 표 2에 정리하였다. 아무런 간섭제어 기법을 적용하지 않은 이종망과 비교할 경우 매크로 셀과 피코 셀에 접속하는 사용자의 수가 다르며 평균적으로 약 5명의 매크로 사용자가 피코 셀로 off-loading된 것을 관찰하였다.
ABS를 이용한 기존 eICIC 기법은 피코 셀의 확장된 영역에 위치한 사용자의 간섭을 억제하여 해당 사용자의 수율을 향상시키지만, 전체 서브프레임 중 ABS 전송 비율만큼 매크로 셀의 수율 합이 감소되었다. 제안된 능동 안테나 시스템 기반의 간섭 제어 방안을 적용하면, 매크로 셀로부터 피코 셀에 미치는 간섭 신호 세기가 감소함에 따라 피코 셀의 용량이 증가되었다. 더불어, 기존 eICIC 기법과 달리, 매크로 기지국에서는 데이터 전송에 모든 서브프레임을 이용하기 때문에 매크로 셀의 용량 감소를 최소화할 수 있었다.
7 Kbps/RB, 제안하는 기법을 적용하면 7 Kbps/RB로 향상되는 것을 확인할 수 있다. 제안하는 기법은 확장된 영역에 위치하는 피코 사용자에게 ABS를 사용하는 eICIC 기법보다는 상대적으로 적은 주파수 효율성 향상을 제공하지만 중심 영역에 위치 하는 피코 사용자에게는 상당한 주파수 효율 향상을 제공하고 있다.
HetNet 시나리오에서는 CRE 기법이 사용되지 않으므로 확장된 영역이 존재하지 않는다. 중심 영역의 피코 사용자 관점에서 볼 경우 제안하는 기법을 적용한 시나리오에서는 피코 영역으로의 억제된 안테나 이득으로 20.75 Kbps/RB의 주파수 효율을 보이며 그 외 시나리오에서는 10.8～12.43 Kbps/RB의 비슷한 주파수 효율을 관찰할 수 있다. 확장된 영역의 피코 사용자 관점에서는 단순히 CRE 기법만 적용한 경우 피코 기지국으로부터의 RSRP보다 매크로 기지국으로부터의 RSRP가 더 강한 심각한 간섭 상황에 의하여 3.
5% 증가한다. 추가로 ABS를 적용한 eICIC 기법과 비교 시 매크로 셀의 수율 합 감소는 적으면서도 피코 셀의 수율 합 증가는 큰 것을 확인할 수 있다.
25 Mbps로 수율 합 증가를 확인하였다. 하지만 매크로 셀의 수율 합은 16.66 Mbps, 11.23 Mbps로 각각 26.3%, 50.3%씩 전체 서브프레임 중 ABS 비율만큼 감소하는 것을 확인할 수 있다. 마지막으로 제안하는 기법을 적용한 HetNet 시나리오에서는 CRE 기법만 적용한 HetNet 시나리오와 비교할 경우 매크로 셀의 수율 합은 22.
43 Kbps/RB의 비슷한 주파수 효율을 관찰할 수 있다. 확장된 영역의 피코 사용자 관점에서는 단순히 CRE 기법만 적용한 경우 피코 기지국으로부터의 RSRP보다 매크로 기지국으로부터의 RSRP가 더 강한 심각한 간섭 상황에 의하여 3.74 Kbps/RB의 낮은 효율을 보이며 이러한 문제 해결을 위하여 eICIC 기법의 ABS를 적용하면 약 9.7 Kbps/RB, 제안하는 기법을 적용하면 7 Kbps/RB로 향상되는 것을 확인할 수 있다. 제안하는 기법은 확장된 영역에 위치하는 피코 사용자에게 ABS를 사용하는 eICIC 기법보다는 상대적으로 적은 주파수 효율성 향상을 제공하지만 중심 영역에 위치 하는 피코 사용자에게는 상당한 주파수 효율 향상을 제공하고 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
이종망이란?
이종망은 기존에 배치된 매크로 기지국의 영역에 같은 주파수를 사용하는 피코 기지국, 펨토 기지국, 릴레이 노드 등의 다양한 소형 셀들이 중첩하여 배치된 네트워크를 의미한다. 이종망 환경을 통하여 기존의 homogeneous network에서 매크로 기지국에 접속된 사용자들이 소형 셀로 off-loading함으로써 다수의 사용자가 매크로 기지국의 자원만을 공유하는 상황에서 벗어나 소형 셀 자원들을 사용함에 따라 사용자가 이용할 수 있는 평균적인 자원의 양이 증가된다.
3GPP 표준 문서 Release 10에서는 이종망 환경을 위해 어떠한 기법을 제안하는가?
하지만 이종망 환경에서 매크로 기지국과 저전력 노드들 간의 줄어든 지리적 거리에 의하여 매크로 기지국으로만 구성된 homogeneous network와 비교할 경우 셀간 간섭 문제가 더욱 복잡하면서 심각하다.[2,3] 현재 3GPP 표준 문서 Release 10에서는 이종망 환경을 위한 새로운 간섭관리 방법인 eICIC(enhanced Inter-cell Interference Coordination) 기법을 제안하고 있다. 이의 대표적인 방법으로 시간 영역에서 Almost Blank Sub-frames(ABS)를 이용한 스케줄링 기법이 있다.
eICIC 기법은 어떠한 단점이 있는가?
이때, 매크로셀로부터 소형셀로의 간섭을 줄이기 위해 시간 영역에서 ABS (Almost Blank Subframe)을 이용한 enhanced Inter-cell Interference Coordination (eICIC) 기법이 제안되어 있다. 그러나 간섭 문제 해결을 위해 데이터를 전송하지 않는 서브프레임들이 발생함으로써 매크로셀 입장에서는 자원 낭비 문제가 발생한다. 본 논문에서는 능동 안테나 시스템 (AAS)과 Genetic Algorithm (GA)을 이용하여 소형 셀 방향으로 안테나 이득을 줄인 매크로 기지국의 3D 섹터 빔을 형성하여 셀간의 간섭신호 세기가 감소 되도록 하고 데이터 전송에 모든 서브프레임을 이용하여 낭비되는 자원이 없도록 한다.
참고문헌 (8)
Cisco White paper, Cisco visual networking index : Global mobile data traffic forecast update, 2010-2015, Feb. 2011, available : www.cisco.com, Dec. 2013.
K. I. Pedersen, et al., "Enhanced inter-cell interference coordination in co-channel multi-layer lte-advanced networks," IEEE Wirel. Commun., vol. 10, no. 3, pp. 120-127, Jun. 2013.
A. Damnjanovic, et al., "A survey on 3GPP heterogeneous networks," IEEE Wirel. Commun., vol. 18, no. 3, pp. 10-21, Jun. 2011.
J. H. Han, "Array antenna trm failure compensation algorithm and design of digital beam forming system," M.S. Thesis, Electrical Engineering, KAIST, 2011.
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