논문번호 12-37A-09-06 한국통신학회논문지 '12-09 Vol.37A No.09 http://dx.doi.org/10.7840/kics.2012.37a.9.762 펨토셀환경에서채널별전송전력의적응적제어기법 이호석, 조호신 An Adaptive Control of Individual Channels Transmission Power in Femtocells Hoseog Lee, Ho-shin Cho 요 약 본논문은펨토셀환경에서시스템용량향상및호손율감소를위해펨토기지국이자기최적화기법을이용하여채널별전송전력을적응적으로제어하는방법을제안한다. 펨토셀관련국제표준에서는요구사항으로펨토셀밀집배치에따라성능열화가없어야한다는점을들고있다. 제안방식에서는각펨토기지국이펨토게이트웨이를통해전달받은이웃기지국의채널별전송전력정보와주기적스펙트럼감지를통해측정한이웃펨토셀로부터의채널별수신전력을바탕으로자신의채널별전송전력을결정하게된다. 또한각채널별로펨토사용자단말 (Femto Mobile Station: FMS) 의이동에따라적응적으로전송전력을제어함으로써, 핸드오버감소및펨토셀간균등한서비스기회를가지도록한다. 이를통해펨토셀밀집배치에따른성능열화를방지할뿐만아니라, 펨토셀이밀집할수록시스템용량이향상되고호손율이낮아지는효과를얻을수있다. 또한채널별전송전력을독립적으로제어함으로써커버리지홀을줄일수있으며, 시스템내에존재하는펨토셀의개수와상관없이항상일정수준이상의커버리지와호손율을유지할수있다. 컴퓨터모의실험을통해시스템용량과호손율측면에서기존방식과비교분석하였으며그결과제안한방식이기존방식보다우수함을볼수있었다. Key Words : Femtocell, Interference, Power Control, Self-Organization, 펨토셀, 간섭, 전력제어, 자기조직화 ABSTRACT In this paper, we propose an adaptive power control scheme employing a self-optimization concept in femtocell systems, in order to improve system capacity, thereby reducing call-drop probability. In the proposed scheme, each femto base station(fbs) controls individual channel's transmission power base on two parameters; the neighboring cell's transmission power for each individual channel which is delivered from a femto-gateway and the received power strength from neighboring cells which is periodically measured by means of a spectrum sensing. Adaptive adjustment of individual channel's transmission power in accordance with femto mobile station(fms) mobility features can also reduce undesirable handovers and evenly distribute traffic load over all femtocells. In addition, the manipulative control of channel's transmission power is able to keep the system coverage and the call-drop probability within an acceptable range, regardless of density of femtocells. Computer simulation shows that the proposed scheme outperforms existing schemes in terms of the system coverage and the call-drop probability. 이논문은 2009 년도정부 ( 교육과학기술부 ) 의재원을통한한국연구재단지원 ( 지역대학우수과학자사업, No. 2009-0065766) 과 2012 년도경북대학교학술연구비에의하여연구되었음. 주저자 : 삼성전자소프트웨어센터 Convergence Solution 팀 Cloud Computing 연구실, hoseog.lee@samsung.com, 정회원 교신저자 : 경북대학교 IT 대학전자공학부이동통신연구실, hscho@ee.knu.ac.kr, 종신회원논문번호 :KICS2012-02-050, 접수일자 :2012 년 2 월 7 일, 최종논문접수일자 :2012 년 8 월 14 일 762
논문 / 펨토셀환경에서채널별전송전력의적응적제어기법 Ⅰ. 서론높은데이터전송률, 낮은전력소모, 높은주파수효율에대한요구가이동통신사용자와서비스제공자사이에서꾸준히높아져왔다. 한편무선사용량에대한최근연구에서 50% 이상의음성통화와 70% 이상의데이터통신이실내에서발생하는것으로밝혀졌다 [1]. 이러한현상들에대한해결책으로제시된펨토셀은좁은커버리지, 낮은가격과낮은전력소모의특징을가진다. 펨토기지국은사용자개개인이집이나사무실에직접설치하기때문에기존 2G/3G무선네트워크에서처럼네트워크운용을위한전문적파라미터의설정이이루어질수없다. 또한매크로셀환경에서는최적화된중앙집중형망관리가가능했으나최근에는이동통신시스템의성능에대한요구사항이다양해지고이에따라네트워크구조및성능파라미터가다차원화되면서중앙집중적인시스템운영이점점어려워지고있다 [2]. 따라서설치및운용과정에서펨토기지국은사용자에의해동적으로설치되고, 위치또한쉽게이동되기때문에변화하는환경에따라스스로파라미터를설정하기위한자기구성, 자기최적화및자기치유와같은자동화기능을포함하는자기조직화네트워크기술에대한관심이높아지고있다. 펨토셀설치에있어서동일채널간섭은신호대간섭비를나쁘게하여무선네트워크의용량을감소시키므로반드시해결해야하는문제점으로지적되고있다. 앞서설명한자기조직화네트워크기술중에서자기구성및자기최적화기술이커버리지조정, 사용주파수할당등의기능을통하여동일채널간섭문제를해결할수있다. [3] 에서는펨토셀과매크로셀로구성된네트워크에서발생하는간섭의종류를 6가지로구분하였다. 그중에좁은지역에펨토기지국이밀집해서배치될때펨토셀간발생되는간섭은심각한문제로대두되고있다 [4]. 따라서기존의많은연구에서이러한간섭을줄여네트워크의용량을향상시키기위한연구가진행되었고다양한기법들이제안되었다. [5] 에서는펨토셀의커버리지를중심영역과가장자리영역으로나누고중심영역은이웃펨토셀의영향을받지않는범위로정의하여모든펨토셀이중심영역에서동일한주파수대역을사용하도록하였다. 이방식에서는중심영역의커버리지가이웃펨토셀과의거리에따라다를수있고가장자리영역에서는이웃 펨토셀간의간섭이발생할가능성이높으므로이웃펨토셀에의한간섭이가장적은주파수대역을선택하도록하는, 유동적주파수재사용을위한주파수할당방식을제안하였다. [6] 과 [7] 에서는인지라디오기능을가지는펨토기지국인인지펨토기지국을정의하고주사용자가스펙트럼을사용하지않을때인지펨토기지국이부사용자로서해당스펙트럼에접근하여사용할수있도록하는방식을제안하고스펙트럼감지능력에따른성능분석을시도하였다. [8] 에서는매크로셀과펨토셀간의공존하는환경에서게임이론과기계적학습알고리즘을통하여간섭을경감시키는기법을소개하였다. [9] 에서는매크로셀과펨토셀이공존하는환경에서간섭제한커버리지영역 (Interference Limited Coverage Area: ILCA) 을정의하고있다. 여기에서는 ILCA의임계치를기준으로매크로셀커버리지의안쪽영역과바깥쪽영역을구분하고펨토기지국이안쪽영역에위치할경우주파수재사용을허용하지않고, 바깥쪽영역에위치할경우는주파수를재사용하도록하여간섭을완화함과동시에주파수재사용효율을높였다. 지금까지설명한기존의연구에서는주로매크로셀과펨토셀간의간섭에대한연구가주로이루어졌다. 반면에펨토셀간의간섭또한매크로셀과펨토셀간의간섭만큼중요하며, IEEE 802.16m SRD(System Requirements Document) [10] 에서 펨토셀밀집배치시성능보장 이요구사항으로제시되었다. 하지만이에대한분석이거의이루어지지않고있을뿐만아니라펨토셀밀집배치시에가용자원의고갈로인하여성능열화가발생될수있다. 또한이웃펨토셀간동일채널재사용을위한단순한전력제어기법은셀가장자리에서이웃기지국의동일채널간섭으로인한커버리지의홀이발생하는문제점이예상된다. 본논문에서는펨토셀환경에서시스템용량향상및낮은호손율을위해펨토기지국이자기최적화기법을이용하여채널별전송전력을적응적으로제어하는방법을제안한다. 제안방식을통해펨토셀내에다양한커버리지를갖는채널들이존재함으로써펨토셀밀집배치에따른성능열화를방지할뿐만아니라, 펨토셀이밀집할수록시스템용량이향상되고호손율이낮아지는효과를얻을수있으며이를컴퓨터모의실험을통해입증하고기존방식과비교분석하고자한다. 본논문은서론에이어본론의 1장에서는본논문에서고려하는시스템모델에대해설명한다. 2장에서는 1장에서제기 763
한국통신학회논문지 '12-09 Vol.37A No.09 그림 1. 시스템구성도 Fig. 1. System configuration 한문제점을해결하기위해채널별전송전력의적응적제어기법을제안하고 3장에서의모의실험을통해성능분석을수행하고마지막으로결론을맺는다. Ⅱ. 본론 2.1. 시스템모델그림 1은본논문에서다루는펨토셀네트워크의구성도로서펨토셀내에는펨토기지국 (FBS) 과펨토사용자단말 (FMS) 이있고그밖에네트워크를제어하기위한펨토게이트웨이 (Femto-Gateway: Femto-GW) 와이동성관리개체 (Mobility Management Entity: MME) 가존재한다. 펨토기지국과펨토게이트웨이는디지털가입자회선, 케이블모뎀또는광섬유링크등의유선망으로연결된다 [11,12]. 펨토게이트웨이는이웃펨토셀에서사용하는채널별전송전력정보, 채널별커버리지정보를가지고있다고가정한다. 펨토기지국은전송전력정보가바뀔경우펨토게이트웨이에보고하고펨토게이트웨이는정보를갱신한다. 펨토게이트웨이는펨토기지국이이웃펨토셀의채널별전송전력정보및커버리지정보를요청할경우펨토기지국에제공한다 [13]. 펨토기지국의네트워크인터페이스는이동성관리개체로의연결을위한 S1 인터페이스와인접펨토기지국들과의통신을위한 X2 인터페이스를설정함으로써이루어진다. S1 인터페이스는단말기의이동성을지원하기위한정보를주고받으며 X2 인터페이스를통해펨토기지국간의고속핸드오버를위한신호및부하량정보, 자기최적화을위한정보를교환한다 [14,15]. 그림 2. 전송전력제어흐름도 Fig. 2. Flow chart for transmission power control 펨토셀에대한접근을허용하는방식에는허가된사용자의접근만을허용하는폐쇄형접근방식과일반사용자에게접속을허용하는개방형접근방식, 그리고이두방식을혼합하여사용하는하이브리드형접근방식이있다 [16]. 폐쇄형접근방식은주거지역에서주로사용되고개방형접근방식은공항이나쇼핑몰같은공공장소에주로사용되며하이브리드형접근방식은쇼핑몰등에서직원들과고객들에게동시에서비스를제공하는경우에사용된다 [17]. 본논문은공공장소에서개방형접근방식을사용하는펨토셀로구성된네트워크환경을가정한다. 또한본논문에서는펨토셀이이웃기지국의전송전력을채널별로측정이가능하며, 채널별로각각전송전력의제어가가능하다고가정한다. 2.2. 제안기법그림 2는펨토기지국이채널별전송전력을제어하는과정을나타낸흐름도로서, 크게 3개의과정으로이루어진다. 과정 1에서는전송전력결정에필요한정보수집을하고, 과정 2에서는사용할전송전 764
논문 / 펨토셀환경에서채널별전송전력의적응적제어기법 그림 3. 이웃목록수신및스펙트럼감지주기 Fig. 3. Periodic neighbor-list reception and spectrum sensing 력을계산하며과정 3에서는사용중인전송전력을상황에맞도록갱신한다. 과정 1에서수집하는정보에는펨토게이트웨이로부터획득하는정보 ( 정보 A) 와펨토기지국이스스로측정하는정보 ( 정보 B) 가있다. 정보 A는이웃펨토기지국의채널별커버리지정보및해당커버리지를확보하기위한채널별전송전력정보로구성되고이를펨토게이트웨이로부터수신한다. 반면에정보 B는펨토기지국이직접스펙트럼감지를통해획득하는이웃펨토기지국들로부터의채널별수신신호세기이다. 과정 1에서정보 A와 B의수집은각각 T N 과 T S 의시간간격으로주기적으로수행된다 ( 그림 3). 과정 2에서는과정 1에서수집된정보 A와 B를바탕으로채널별전송전력을산출한다. 산출과정은이웃기지국까지의거리, 커버리지, 전송전력산출의총 3단계로구성된다. 첫단계로이웃펨토기지국과홈펨토기지국간의거리를산출한다. 식 (1) 은송신지점으로부터거리 만큼떨어진곳에서의경로손실을나타낸수식으로경로손실 은송신전력 ( ) 과수신전력 ( ) 의차이로나타낼수있다 [18]. 이를다시나타내면전송전력은기준거리 ( ) 에서의경로손실과경로손실계수 ( ) 을이용한거리에대한로그함수의합으로나타낼수있다. 식 (2) 는식 (1) 을거리 에대해서정리한것으로서기준거리 ( ) 와전파경로손실계수 ( ) 는상수이므로송신전력과수신전력을알면송신측과수신측의거리를알수있다. 따라서과정 1을통해펨토게이트웨이로부터전송받은채널별전송전력정보와펨토기지국이측정한채널별수신신호세기정보를이용하여홈펨토기지국에서이웃펨토기지국까지의거리 를산출한다. (1) (2) : 기준거리 ( ) 그림 4. 이웃펨토기지국과펨토기지국의거리및커버리지 Fig. 4. Relationship between the distance to neighboring FBS and the coverage of FBS : 전파경로손실계수 두번째단계로펨토기지국은산출된이웃펨토기지국까지의거리 를바탕으로커버리지를결정한다. 그림 4는이웃펨토기지국과홈펨토기지국의거리및커버리지관계를나타낸그림으로서이웃펨토기지국 과홈펨토기지국 의커버리지를각각 와 로나타내고, 이웃펨토기지국과홈펨토기지국각각에서상대편커버리지경계까지의거리를, 으로나타내고셀경계지점을 C n 과 C h 로나타낼때 C h 는식 (3) 을만족하는범위내에서결정된다. (3) 커버리지의범위가정해지면마지막으로채널별전송전력을결정한다. 이를위하여우선 C h 지점에서의이웃기지국의수신신호세기를계산한다. 식 (4) 는 C h 지점에서이웃기지국으로부터수신신호 세기 를나타내며이웃기지국이사용하는 전송전력 과 C h 지점까지의경로손실 을이용하여구할수있다. 셀경계에 서요구되는최소신호대간섭비를 라할 때, 펨토기지국이 C h 지점까지커버리지확보를위 해사용해야하는전송전력 은식 (5) 와같 다. 여기서 는홈펨토기지국신호의 C h 지점까지의경로손실이다. (4) 765
한국통신학회논문지 '12-09 Vol.37A No.09 서의이웃펨토기지국신호대간섭비 는식 (7) 과같이간섭증가분이고려되어감소하게된다. 식 (7) 에서 는 C n 과 C h 그림 5. 사용자이동에따른전송전력수정의예 Fig. 5. An example of transmission-power adjustment according to FMS movement (5) 과정 3에서는과정 2에서산출된전송전력을바탕으로펨토기지국이현재사용중인채널별전송전력을재조정한다. 그림 5는사용자이동에따른전송전력수정의예를나타낸것으로서, 홈펨토기지국 의서비스를받는펨토사용자단말 (FMS) 이위치 M에서위치 M' 로이동할경우홈펨토기지국과이웃펨토기지국 의송신전력수정과정을묘사한다. 셀경계보다안쪽에위치한 M에서의신호대간섭비는식 (6) 과같이 표현된다. 여기서 는최소여유신호대간섭비를나타낸다. 모든단말은위치에상관없이최 소 이상의여유신호대간섭비를갖도록기지국전송전력이결정된다고가정한다. 사용자단 말이셀경계인위치 M' 으로이동하면최소신호대간섭 을가지게되고이를사용자단말 이채널품질지시정보메시지를통해홈펨토기지국에보고한다. 홈펨토기지국은전송전력을수정하여위치 M 에서도최소여유신호대간섭 비를가질수있도록 P 만 큼의전송전력을높이며이때커버리지는 C h 에서 C h' 로확대된다. (6) (7) 홈펨토기지국의전송전력확대는이웃펨토기지국에간섭증가를유발하고초기커버리지 (C n ) 에 사이의거리를나타낸다. 이웃펨토기지국은홈펨토기지국에의해증가된간섭을감지하여전송전력을낮추고축소된커버리지 (C n ') 로수정한다. 이때이웃펨토기지국에사용자가존재하는경우, 애초여유신호대간섭비를가지고있었으므로 이상의신호대간섭비를유지하는범위에 서전송전력의감소가이루어질수있도록한다. 만약 이보장되지않아커버리지수정이불 가능할경우에는전송전력을수정하지않고그대로유지한다. 홈펨토기지국은이웃펨토기지국으로부터의수신신호세기에변화가없다는것을감지하게되면커버리지확대가불가능함을인지하고사용자를다른채널로핸드오버시킨후홈펨토커버리지를초기커버리지 (C h) 로원상복구되도록전송전력을감소시킨다. 기지국의전송전력증가없이펨토사용자단말이측정한채널품질이좋아 져 이상의여유신호대간섭비가생길경우펨토사용자단말이펨토기지국쪽으로이동하는것으로간주하고펨토기지국은채널의커버리지를축소하고그에따라이웃펨토기지국은커버리지를확대한다. 이것은바람직하지않은커버리지홀의발생을막아준다. 표 1은펨토기지국의커버리지의조정조건을정리한것으로서조건에따라커버리지를확대및축소하고변경된커버리지정보및전송전력정보는펨토게이트웨이로보고한다. 그림 6과 7은제안기법의적용예를보여주는것으로 FBS 1 과 FBS 2 두개의펨토기지국이좌표축상의 10m지점과 40m 지점에위치하고, 각각 3 개의가용채널 (CH 1, CH 2, CH 3 ) 을가지고있는환경에서의위치에따른채널별수신신호세기 ( 그림 6) 와채널별신호대간섭비 ( 그림 7) 를나타낸다. 는 10dB로가정한다. 그림 7 하단부의 CH ij(i=1, 2, j=1, 2, 3) 수평막대는 FBS i 에서 CH j 의커버리지를나타낸다. 그림 7에서펨토사용자단말 (FMS) 이좌표축 40m 지점에서 FBS 2 의 CH 1 을사용하던중에좌표축 10m 지점까지이동하는경 766
논문 / 펨토셀환경에서채널별전송전력의적응적제어기법 그림 6. 위치별수신신호세기 Fig. 6. The received signal strength at various positions. 우, 펨토사용자단말에서측정한신호대간섭비 는이동에따라변하고약 37m지점에서 에 도달한다. 이때 FBS 1 에서 CH 1 이사용되고있지않다면, FBS 2 는 CH 1 의커버리지확대를시도한다. 이때만약 FBS 1 의 CH 1 이다른사용자단말에의해사용중이라면펨토사용자단말은 FBS 1 의 CH 2 로핸드오버를시도하게된다. 같은방식으로 FBS 2 의 CH 2 와 CH 3 에대해서도 FBS 1 로의이동중에좌표축 30m지점과, 22m지점에서핸드오버또는전송전력확대가발생하게된다. 그림 7. 위치별신호대간섭잡음비및채널구조 Fig. 7. The SINR and channel usage for varying positions 각의이벤트에서발생되는호손실등의사건횟수를누적하거나특정시점에서의기지국들이사용하는전송전력값등의상태값을바탕으로계산되었다. 모의실험에서넓이는 60m 2, 높이는 300m의 3 차원초고층빌딩내에 5 ~ 200개의펨토기지국이 2.3. 모의실험환경및분석컴퓨터모의실험을위하여 ITPP [19] 라이브러리를사용한시스템레벨시뮬레이터를제작하였고 Discrete-Event Simulation(DES) 방식을사용하였다. DES방식을사용한본모의실험은미리설정된값을바탕으로발생된랜덤한시점에사용자이동, 호발생, 호종료, 커버리지의확장및축소등의이벤트가발생된다. 본모의실험에서도출된결과는각 표 2. 시스템파라미터 Table 2. System parameters Parameter Operating Freq. Number of Channels 10 2GHz Number of FBS 5~200 Value 표 1. 커버리지확대및축소조건 Table 1. The conditions for coverage extension & reduction Condition for coverage extension When the channel coverage of neighboring FBS is reducing. When FMS moves away from FBS FBS distribution Uniform distribution FBS Tx Power Dynamic(1dBm~80db m) FBS Access mode Open Access Mode Number of FMS 10,000 Condition for coverage reduction When the channel coverage of neighboring FBS is expanding. When FMS moves close to FBS. FMS distribution FMS Mobility Uniform distribution Gauss-Markov Mobility Model 767
한국통신학회논문지 '12-09 Vol.37A No.09 10 0.9 10-1 System Capacity Femto User/ Total User 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 FR Scheme Proposed Scheme Call Drop Probability Call Drop / Call Request 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 FR Scheme Proposed Scheme 0.2 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 Number of FBS 그림 8. 펨토기지국설치밀도의변화에따른시스템커버리지변화 Fig. 8. The system coverage versus the density of FBS 균일하게분포한다고가정하였다. 펨토사용자단말의개수는 10,000으로고정된값을가지고, 펨토사용자단말의이동패턴을모델링하기위하여 Gauss-Markov Mobility Model [20] 을사용하였다. 펨토사용자단말의이동속도는실내환경을고려하여평균 0~4km/h 사이에서균일분포로설정하였고 3차원환경을고려하여수평이동성뿐만아니라수직이동성을고려하였다. 경로손실모델은건물내에서의전파특성이고려된 modified COST231-Hata 모델을사용하였다 [21]. 호손실에대한판별은펨토사용자단말에의해호요청시펨토기지국에가용채널이없을경우와홈펨토기지국에서이웃펨토기지국으로핸드오버하였을때이웃펨토기지국에가용채널이없을경우로한정하였고펨토셀의서비스범위밖에서호가발생될경우는호손실판별에포함시키 지않았다. 는 10dB 로가정하였다. 매회모 의실험수행마다펨토기지국의위치, 펨토사용자의이동, 통화시간, 호간도착시간에관여하는랜덤값의씨앗값을바꾸고, 1000회반복수행하여얻어진값의평균을취해결과를산출하였다. 제안방식과의성능비교대상으로상호인접한이웃펨토기지국간동일채널을사용하지않도록하여간섭을회피하는주파수재사용방식을사용하였으며모의실험결과그래프에서 FR Scheme 으로표기한다. 그림 8은펨토기지국설치밀도에따른시스템커버리지의변화를나타낸것으로모의실험에서설정한초고층빌딩내에정해진수의펨토기지국이 10-7 10 20 30 40 50 60 70 80 90 Number of FBS 그림 9. 펨토기지국설치밀도에따른호손율변화 Fig. 9. The blocking probability versus the density of FBS 설치되었을때얼마나넓은지역을서비스할수있는지를나타내는결과이다. 시스템커버리지는모의실험에서사용자의분포가균일하다고가정하였기때문에모의실험에서가정한총사용자중펨토셀의서비스범위내에위치한사용자의비율로계산할수있다. 제안기법의경우채널별로독립적인전송전력제어를통해펨토셀이다양한커버리지를가지는채널이중첩되는효과를얻을수있다. 이를통해커버리지홀이기존방식에비해줄어들게된다. 또한펨토기지국주변에이웃펨토기지국의수가적을경우그에따라전송전력제어를통해커버리지를확대할수있기때문에적은수의펨토기지국설치만으로도기존방식에비해넓은범위를커버할수있는것을그래프를통해확인할수있다. 그림 9는펨토기지국설치밀도의변화에따른호손율변화를나타낸것이다. 상호인접한이웃펨토기지국간사용자이동에따른핸드오버가발생할경우사용자의호가새로연결될이웃기지국에여분의채널이없을경우호손발생으로간주하였고일정시간의모의실험에서발생한핸드오버시도횟수중호손실횟수의비율로호손율을계산하였다. 상호인접한이웃펨토기지국간동일채널을사용하지않도록하여간섭을회피하는기존방식의경우펨토기지국설치밀도가증가할수록펨토셀당사용가능한채널이줄어들어사용자가핸드오버시도할경우채널선택의폭이줄어들고그결과로호손율이증가하게된다. 제안방식의경우에는이웃펨토셀의밀도와상관없이펨토기지국마다모든가용채널을사용할수있기때문에펨 768
논문 / 펨토셀환경에서채널별전송전력의적응적제어기법 Average Transmission Power/Channel[d 20 18 16 14 12 10 8 20 30 40 50 60 70 80 90 Number of FBS FR Scheme Proposed Scheme Call Drop Probability Call Drop/ Call Request 10 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 10-7 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 Traffic Load[?] FR Scheme Proposed Scheme 그림 10. 펨토기지국설치밀도에따른채널별평균전송전력 Fig. 10. The average transmission power per channel versus the density of FBS 토셀설치밀도증가에따라가용자원이감소하지않고오히려증가하게된다. 그결과로사용자가핸드오버를할경우채널선택의폭이넓어지기때문에호손율이급격히줄어들게된다. 또한이를통해펨토기지국이많이설치될수록시스템수용량도증가하여펨토셀이밀집될수록더좋은성능을가지게되어 IEEE 802.16m SRD(System Requirements Document) [10] 에서요구사항으로제시한 펨토셀밀집배치시성능보장 을만족하는것을확인할수있다. 그림 10은펨토셀설치밀도에따른채널별소비전력변화를나타낸그림으로모의실험내의전체채널이사용하는총전송전력을전체채널의개수로나눠채널당소비전력을계산하였다. 기존방식은펨토셀설치밀도의증가와무관하게채널별로일정한전력을사용하기때문에그래프상에일정한값을가지지만제안방식의경우펨토기지국이많이설치될경우이웃기지국의해당채널과의간섭을고려하여전송전력을줄이고커버리지를좁히기때문에해당채널의전송전력은낮아지게된다. 그림 11은트래픽부하변화에따른호손율 ( 호손실횟수 / 핸드오버시도횟수 ) 을측정한결과로서, 사용자의호발생빈도및호지속시간의변화를통해트래픽부하를변화시키고해당트래픽부하에서의호소율을각각산출하였다. 모의실험결과전주간에서제안방식이기존방식에비해낮은호손율을가지는것을확인할수있었다. 이것은제안방식이기존방식에비해가용채널을많 그림 11. 트래픽부하에따른호손율변화 Fig. 11. The blocking probability versus the traffic load 이확보할수있기때문에높은트래픽에서도낮은호손율을유지할수있음을의미한다. 그림 12는사용자의이동성변화에따른호손율 ( 호손실횟수 / 핸드오버시도횟수 ) 변화를나타낸그림으로, 사용자의이동발생빈도를나타내는 λ를변화시켜모의실험에서사용자이동성에변화를주고각각의상황에서의호손율을계산하였다. 사용자이동성이높아질수록기존방식과제안방식모두호손율이증가하지만제안기법의경우모든범위에서기존방식에비해상대적으로낮은호손율을가지는것을확인할수있다. 이것은제안기법이기존방식에비해많은가용채널을확보할수있어, 펨토사용자단말이다른펨토기지국으로또는펨토기지국내의다른채널로핸드오버시선택할수있는채널의폭이넓어호가손실될가능성을낮추기때문이다. 또한제안방식에서는이웃펨토기지국의해당채널이사용중이아닐경우사용자의이동에따라커버리지가조정되기때문에불필요한핸드오버를줄이기때문에낮은호손율을유지할수있었다. Ⅲ. 결론 현재펨토셀기술과관련하여많은표준화단체가다양한기술적이슈를가지고표준화작업을진행하고있다. 본논문과관련한셀간의주파수간섭문제또한표준화작업이진행중이며매크로셀과펨토셀간의간섭문제가주를이루고있다. 펨토셀밀집환경에서의펨토셀간의간섭문제에대한문제는아직많은연구가이루어지지않은상태 769
한국통신학회논문지 '12-09 Vol.37A No.09 Call Drop Probability Call Drop / Call Request 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 User Mobility[?] FR Scheme Proposed Scheme 그림 12. 사용자이동성변화에따른호손율변화 Fig. 12. The blocking probability according to the FMS movement 이다. 본논문에서는이웃펨토기지국이사용하는채널별전송전력정보를바탕으로홈펨토기지국이채널별로전송전력제어를수행하여채널별로다양한커버리지를가지도록하는채널별전송전력의적응적제어기법을제안하고컴퓨터모의실험을통해성능을평가하였다. 모의실험결과제안방식이기존방식에비해펨토셀설치밀도가낮을때에도넓은커버리지커버할수있고, 셀경계면의커버리지홀을줄여시스템용량이향상되었다. 커버리지홀이줄어들면서사용자이동에따른호손율또한감소하는결과를얻었다. 뿐만아니라펨토셀이밀집배치될경우전력제어를통해채널당낮은전송전력을사용할수있어서펨토기지국의전력소모율면에서도이득을확인하였고, 펨토셀밀집배치시의가용자원고갈문제또한해결하였다. 제안한기법들을통해펨토셀시스템에서의효율적인간섭관리가가능할것으로기대된다. References [1] ABI Research. Picochip, airvana, IP access, gartner, telefonica Espana. [Online]. A v a i l a b l e : http://www.avrenevents.com/dallas-femto2007/ purchase presentations.htm [2] F. Lehser, Self organising LTE/SAE network-operator requirements & examples, presented in ITG Fachtagung 25th, Sept. 2006. [3] S. Lim, T. Kwon, S. Park, and D. Hong, The scheme for interference reduction and avoidance in femtocell, J. KICS, vol. 25, no. 12, pp. 41-48, Nov. 2008. [4] C. S. Kim, B. G. Choi, J. Y. Lee, T. J. Lee, H. Choo, and M. Y. Chung, Femtocell deployment to minimize performance degradation in mobile WiMAX System, in Proc. ICCSA, Part III, LNCS 6018, pp. 85 95, 2010. [5] M. Z. Chowdhury, Y. M. Jang, and Z. J. Haas, Interference mitigation using dynamic frequency re-use for dense femtocell network architectures, in Proc. IEEE ICUFN, June 2010. [6] G. Gur, S. Bayhan, and F. Alagoz, Cognitive femtocell networks: An overlay architecture for localized dynamic spectrum access, IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 17, pp. 62 70, Aug. 2010. [7] J. Xiang, Y. Zhang, T. Skeie, and L. Xie, Downlink spectrum sharing for cognitive radio femtocell networks, IEEE Syst. J., vol. 4, pp. 524-534, Dec. 2010. [8] M. Nazir, M. Bennis, K. Ghaboosi, A. Mackenzie, and M. Latva-aho, Learning based mechanisms for interference mitigation in self-organized femtocell networks, in Proc. IEEE ASILOMAR, Pacific Grove, USA, Nov. 2010. [9] I. Guvenc, M. Jeong, F. Watanabe, and H. Inamura, A hybrid frequency assignment for femtocells and coverage area analysis for co-channel operation, IEEE Commun. Lett., vol. 12, no. 12, Dec. 2008. [10] IEEE 802.16 WG, IEEE 802.16m system requirements, Jan. 2009. [11] V. Chandrasekhar, J. G. Andrews, and A. Gatherer, Femtocell networks: A survey, IEEE Commun. Mag., vol. 46, no. 9, pp. 59 67, Sept. 2008. [12] H. Claussen, L. T. W. Ho, and L. G. Samuel, Self-optimization of coverage for femtocell deployments, in Proc. WTS, Apr. 2008, pp. 278-285. 770
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