Spectral efficient cell selection and resource allocation for small cells in heterogeneous networks

Abstract

최근 이동 통신에서는 어떤 환경에서든 동일한 수준의 서비스를 제공하기 위해서 데이터 사용량의 증가와 더불어 가입자도 급격히 증가해 오고 있다. 이를 위해 다양한 해결 방안이 제안되었지만 소형셀?(small cells)의 개념이 시스템의 성능을 향상시킬 수 있는 해결 방안으로 제시되었다. 소형셀(small cells)은 무선 주파수 자원의 재사용을 높인다. 무선 자원의 재사용은 스펙트럼의 효율을 높일 수 있다는 점에서 학계에서 많은 주목을 받고 있다. 소형셀(small cell) 이라는 이름은 셀룰러 망에서의 낮은 전송 전력을 갖는 작은 크기의 셀(기지국)을 의미한다. 소형셀들은 매크로셀 상에서 중첩하여 배치되기 때문에 하나의 이기종 네트워크를 구성한다. 이런 구성을 통하여 시스템의 성능을 향상시키는데 소형셀이 사용된다. 소형셀을 통한 중첩은 완전한 주파수 재사용을 통해 스펙트럼 효율을 향상시킨다. 하지만, 낮은 전송 전력의 소형셀은 매크로셀의 높은 전력으로 인해 간섭을 받게 된다. 더구나 매크로셀의 영향으로 줄어든 커버리지 때문에 소형셀에 수용가능한 가입자 수가 감소하게 된다. 따라서 스펙트럼 효율의 감소에 비례하여 주파수 재사용성이 줄어든다. 이것이 소형셀의 시스템 성능 향상이 가능한 효율적인 자원 관리 방안에 대한 연구가 증가하고 있는 배경이 되며 본 논문에서 해결하고자 하는 주제이다. 먼저, 간섭 문제를 고려하면서, 오프로딩 비율을 향상시키고, 시스템 용량과 수용 가입자 수를 늘릴 수 있는 셀 선택 기법에 관해 연구한다. 이는 특별히 이기종 네트워크의 범위 확장을 위한 것으로 네트워크의 스펙트럼 효율성 향상도 기대할 수 있다. 셀 영역 확장은 LTE-A에서 셀 선택 과정에서 positive bias를 가함으로써 가입자가 가장 약한 신호의 작은 셀을 자신의 기지국으로 선택할 수 있도록 하기 위해 도입되었다. 하지만 확장된 영역에 위치한 가입자는 심각한 간섭을 겪게 된다. 이로 인해 3GPP Rel-10에서는 향상된 셀간 간섭 조정 (enhanced inter-cell interference coordination) 기능이 추가되었다. 향상된 셀간 간섭 조정은 심각한 간섭을 받고 있는 오프로드 가입자를 보호하기 위해 Almost Blank Subframe (ABS)를 사용한다. 이는 ABS의 핵심 기능이 간섭을 제거한다는 것을 의미하며, 이와 비례하여 시스템 성능을 향상시키면서 매크로 네트워크로부터의 가입자 오프로딩이 가능하게 한다. 하지만, 가입자가 가장 강한 신호를 전송하지만 가용한 대역폭이 없는 셀에 접속하게 될 수도 있다.

첫 번째로, 우리는 다음의 두 가지 기능에 기반한 다목적 기능 셀 선택 기법을 제안한다. (1) 데이터 속도 비율 (요구되는 데이터 속도와 예측하는 데이터 속도)을 ABS 파라미터의 함수로 하여 소형셀의 확장 영역에 위치한 사용자의 오프로딩을 돕고, (2) 가용한 대역폭 확보를 통해 가입자의 서비스에 요구되는 충분한 대역폭을 제공할 수 있는 셀을 선택할 수 있도록 한다. 나아가서, ABS 파라미터를 사용하지 않고 가용한 대역폭, 필요한 데이터 속도, 그리고 예측된 데이터 속도를 고려하여 독립적으로 inter-tier 간섭을 줄일 수 있는 두 번째 기법을 제안한다. 제안한 셀 선택 기법의 성능 분석에 따르면 오프로딩을 늘리고 시스템의 간섭을 줄이면서 블록킹 확률을 줄임으로써 기존의 기법들에 비하여 향상된 성능을 확인할 수 있다.

두 번째로, 하이브리드 접속 소형 셀을 위한 주파수 (대역폭) 자원 할당에 대한 연구를 통해 가입자와 비가입 사용자에게 주파수 자원을 최적으로 할당할 수 있도록 한다. 하이브리드 접속 소형 셀은 미가입 혹은 미등록 사용자에게도 접속이 가능하도록 하는 셀로서, 소형 셀 네트워크에서 높은 용량을 얻을 수 있도록 하는 혁신적인 방법이다. 물론, 하이브리드 접속에서의 간섭 특성은 용량에 부정적인 영향을 미칠 수 있다. 따라서 우리는 매크로셀 네트워크와 중첩되는 OFDMA 기반 소형 셀 네트워크에서 하이브리드 접속의 업링크 자원 할당에 대해 살펴봄으로써 셀간 간섭과 셀 내 간섭을 완화하여 사용자 만족을 확보한다. 첫째, 업링크 주파수 자원 할당 문제를 공식화하고 가입자와 비가입자에 대한 주파수 분할을 통해 얻은 최적의 해법에 대한 분석을 제시한다. 둘째, 우리는 펨토셀 사용자를 위한 셀간 간섭 완화 기법을 제안한다. 제안 기법의 시뮬레이션 결과, 서브 캐리어 기법 없이 개선점을 확인할 수 있으며, 서브 캐리어 솔루션을 통해 추가적인 용량 향상이 가능하다.