무선통신 시스템에서의 상향링크와 하향링크를 위한 무선자원의 관리 방법 document_id A220623112735

무선통신 시스템은 다양한 종류의 통신을 제공하기 위해 널리 사용되고 있다. 예를 들어, 음성 및/또는 데이터 서비스가 무선통신 시스템에 의해 제공되고 있다. 일반적으로 무선통신 시스템은 다중 사용자에게 하나 또는 그 이상의 공유 자원을 제공한다. 이를 위하여, 무선통신 시스템은 코드 분할 다중 접속(Code Division Multiple Access, CDMA), 시간 분할 다중 접속(Time Division Multiple Access, TDMA), 주파수 분할 다중 접속(Frequency Division Multiple Access, FDMA) 및/또는 직교 주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access, OFDMA)과 같은 다양한 다중 접속 기법을 사용할 수 있다. 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, OFDM)은 다수의 직교 부반송파(subcarrier)를 이용한다. OFDM은 IFFT(inverse fast Fourier Transform)과 FFT(fast Fourier Transform) 사이의 직교성 특성을 이용한다. 전송기에서 데이터는 IFFT를 수행하여 전송한다. 수신기에서 수신신호에 대해 FFT를 수행하여 원래 데이터를 복원한다. 전송기는 다중 부반송파들을 결합하기 위해 IFFT를 사용하고, 다중 부반송파들을 분리하기 위해 수신기는 대응하는 FFT를 사용한다. OFDM에 의하면, 광대역 채널의 주파수 선택적 페이딩(frequency selective fading) 환경에서 수신기의 복잡도를 낮추고, 부반송파간의 상이한 채널 특성을 활용하여 주파수 영역에서의 선택적 스케줄링 등을 통해 주파수 효율(spectral efficiency)을 높일 수 있다. OFDM을 기반으로 한 OFDMA는 다중 사용자에게 상이한 부반송파를 할당함으로써 무선자원의 효율성을 높일 수 있다. 무선통신 시스템은 효율적인 시스템 구성을 위해 셀(cell) 구조를 갖는다. 셀이란 주파수를 효율적으로 이용하기 위하여 넓은 지역을 작은 구역으로 세분화한 구역을 의미한다. 다중 접속 시스템(multiple access system)은 일반적으로 다중 셀을 포함한다. 일반적으로 셀내에는 기지국을 설치하여 단말과 신호를 주고 받는다. 무선통신 시스템은 무선 인터페이스를 통한 양방향 통신을 지원하기 위해 하향링크(downlink)와 상향링크(uplink)를 지원한다. 여기서, 하향링크는 기지국에서 단말로의 통신을 의미하며, 상향링크는 단말에서 기지국으로의 통신을 의미한다. 기지국(예를 들어, 노드-B)은 셀을 운용하고, 기지국에 위치하는 스케줄러(scheduler)는 셀내의 어떠한 단말을 위한 데이터가 전송될 것인지를 결정한다. 단말은 보행하는 또는 차량내의 사람에 의해 작동하는 이동하거나 고정된 장치일 수 있다. 셀내에 다수의 단말이 존재하는 경우 다수의 단말이 동시에 데이터를 전송하거나 수신할 수 있다. 이때 발생할 수 있는 문제는 간섭(interference)이다. 간섭은 대부분 열잡음(thermal noise), 다른 셀로부터 전송되는 파워, 셀내에서 전송되는 전용채널파워, 셀내에서 전송되는 공용채널을 위한 파워 등으로부터 발생한다. 무선통신 시스템에서 무선자원은 소정의 규칙에 따라 할당된다. 상향링크에할당된 무선자원은 상향링크 자원이 되고, 하향링크에 할당된 무선자원은 하향링크 자원이 된다. 하향링크에서 기지국은 데이터 스트림이 실려가는 하향링크 자원을 단말에게 알려주고, 단말은 상기 하향링크 자원을 통해 기지국으로부터 데이터 스트림을 수신한다. 상향링크에서 기지국은 할당된 상향링크 자원을 단말에게 알려주고, 단말은 상기 상향링크 자원을 통해 기지국으로 데이터 스트림을 전송한다. 상향링크 자원 할당과 하향링크 자원 할당을 포함하는 기존의 무선자원 관리 방법은, 무선통신망을 구성하는 각 셀(Cell)의 전송 전력과 셀 커버리지(Cell Coverage) 등이 거의 비슷하다는 것을 전제로 하고 있다(이하, 이를 '균일 셀 배치 시나리오(Homogeneous Cell Deployment Scenario)' 또는 '균일 시나리오'라 한다). 균일 시나리오를 전제로 하는 경우에, 무선통신망 내의 특정 지점에 위치한 단말(MS)의 셀간 간섭(Inter-cell Interference) 특성이나 SINR(Signal to Interference plus Noise Ratio) 특성 등은, 상향링크와 하향링크에서 서로 유사한 양상을 보인다. 따라서 단말의 입장에서는 하향링크에서 최적의 기지국을 선정하는 것은 곧 상향링크를 위한 최적의 기지국을 선정하는 것이 될 수 있기 때문에, 균일 시나리오를 전제로 하는 기존의 무선통신 시스템에서는 단말이 자신을 위해 서비스를 제공할 기지국을 선택하는 기준으로 하향링크 신호의 크기가 일반적으로 고려되어 왔다. 또한, 균일 시나리오를 전제로 하는 기존의 무선통신 시스템에서는, 상향링크와 하향링크에 각각 적용될 최적의 무선자원 관리 기법, 예를 들어, 전력 제어(Power Control) 방법, 주파수 재사용(Frequency Reuse) 방법, 및/또는 다중셀 협력(Multi-cell Cooperation) 방법 등도 서로 일치하는 것이 일반적이다. 따라서 기존의 무선통신 시스템에서는 상향링크와 하향링크에 대하여 '대칭적 무선자원 관리 기법(Symmetric Radio Resource Management for Uplink and Downlink)'을 적용하더라도, 일정한 수준 이상으로 효율적인 무선자원의 관리가 가능하였다. 대칭적 무선자원 관리 기법은, 상향링크와 하향링크에 대한 전력 제어(Power Control), 주파수 재사용(Frequency Reuse), 및/또는 다중셀 협력(Multi-cell Cooperation) 등을 포함하는 무선자원 관리 기법이 서로 대응하는 것을 말한다. 예를 들어, 단말이 셀 경계에 위치하여 하향링크 수신 전력이 낮은 경우라고 하자. 이 경우에, 대칭적 무선자원 관리 기법에 의하면, 상기 단말에 대해서는 높은 값의 주파수 재사용 인자(Frequency Reuse Factor)를 적용하고, 상향링크와 하향링크 모두에 대해 인접 셀에서는 사용하지 않는 주파수 대역을 할당하여, 셀간 간섭을 방지한다. 한편, 마이크로 셀(Micro Cell)이나 피코 셀(Pico Cell), 댁내 기지국(Home e-Node-B, HeNB), 및/또는 중계국(Relay Station, RS) 등이 차세대 무선통신망의 주요 구성요소로 대두될 것으로 예상된다. 이러한 구성요소가 기존의 매크로 셀(Macro Cell)과 공존하는 경우에는, 상기 구성요소의 존재 여부나 성능, 용량 등에 따라서 각 셀의 전송 전력이나 기지국의 처리 용량(Processing Capacity), 그리고 각 셀의 서비스 커버리지가 셀마다 크게 차이가 날 수 있다(이하, '이질 셀 배치 시나리오(Heterogeneous Cell Deployment Scenario)' 또는 '이질 시나리오'라고 한다). 이질 시나리오를 전제로 하는 무선통신 시스템에서는, 특정 지점에 위치한 단말의 셀간 간섭 특성이나 SINR 특성 등은 상향링크와 하향링크에서 다르게 나타날 수 있는데, 그 주된 이유는 매크로 셀을 관리하는 기지국(BS)의 전송 전력이 전술한 다른 구성요소들(예컨대, 마이크로 셀이나 피코 셀을 관리하는 기지국이나 중계국(RS))의 전송 전력에 비해 매우 높기 때문이다. 도 1은 이질 시나리오가 전제된 무선통신 시스템에서의 통신 특성을 설명하기 위한 도면이다. 도 1은 이질 시나리오가 전제된 무선통신 시스템의 일례로서, 두 기지국의 전송 전력이 다른 경우(제1 기지국(BS 1)의 전송 전력이 제2 기지국(BS 2)보다 낮은 경우)를 보여 주고 있다. 그리고 도 1에서는 제1 단말(MS 1)은 상대적으로 낮은 전송 전력의 제1 기지국의 근처에 위치하고, 제3 단말(MS 3)은 상대적으로 높은 전송 전력의 제2 기지국의 근처에 위치하며, 제2 단말(MS 2)은 상기 제1 기지국과 제2 기지국의 셀 경계 지역에 위치하고 있다. 도 1을 참조하면, 하향링크의 수신 전력(DL Received Power)은 제1 단말의 경우에는 제1 기지국이 더 크고 제2 단말의 경우에는 제2 기지국이 더 크다. 반면, 상향링크의 경로 손실(Path Loss)은 제1 단말과 제2 단말 모두 제1 기지국보다 제2 기지국이 더 크다. 이 경우에, 기존의 방법에 따라서 기지국을 선택하면, 하향링크는 물론 상향링크를 위한 기지국으로 제1 단말은 제1 기지국을 그리고 제2 단말은 제2 기지국을 선택하게 된다. 하지만, 제2 기지국을 위한 상향링크 관점에서 본다면, 제2 단말은 경로 손실이 작아서 수신 신호를 가장 크게 만들 수 있는 제1 기지국과 통신을 하는 것이 더 바람직하다. 따라서 이질 시나리오가 전제된 무선통신 시스템에서는, 특정 단말의 경우에 상향 링크를 위한 최적의 기지국과 하향링크를 위한 최적의 기지국은 서로 다를 수가 있다. 이질 시나리오가 전제된 무선통신 시스템에서 상향링크와 하향링크를 위한 최적의 기지국이 다른 문제를 해결하기 위한 한 가지 방법으로, 특정 단말(도 1의 예에서 제2 단말)의 경우에 상향링크와 하향링크를 위한 기지국을 다르게 할당하는 방법이 제안되었다. 이 방법은 각 링크에 대한 최적의 기지국을 해당 단말에게 연결할 수 있다는 점에서 어느 정도 효과가 있다고 할 수 있다. 그러나 단말을 위한 상향링크와 하향링크를 서로 다른 기지국에 연결하게 되면, 특정 링크(예컨대, 상향링크)를 제어, 관리하는 하향링크 채널이 실제 데이터가 전송되는 상향링크 채널과 서로 다른 기지국으로 분리될 수 있다는 점에서 문제가 생긴다. 보다 구체적으로, 전술한 도 1의 예에서, 수신 신호의 크기를 고려하여, 제2 단말의 하향링크를 위한 기지국으로 제2 기지국이 할당되고, 제2 단말의 상향링크를 위한 기지국으로 제1 기지국이 할당되었다고 가정하자. 이 경우에, 제2 단말이 전송하는 데이터 등은 제1 기지국이 수신하지만, 제2 단말과 제1 기지국 사이의 상향링크 채널을 제어, 관리하기 위한 신호는 제2 기지국이 제2 단말로 전송한다. 따라서 단말이 제공하는 상향링크 채널의 관리, 제어를 위한 정보(상향링크 데이터는 물론 채널 상태 등을 포함한 각종 정보)를 수신하는 기지국과 단말에게 제공되어야 하는 상향링크를 제어, 관리하는 신호(예컨대, 상향링크에 대한 스케쥴링 정보)를 전송하는 기지국이 다르게 된다. 이러한 문제를 해결하기 위한 방법으로, 상향링크를 제어, 관리하는 신호는 단말(예컨대, 제2 단말)의 상향링크가 연결된 기지국(예컨대, 제1 기지국)에서 전송하는 방법을 고려해 볼 수 있다. 그러나 이 경우에는 상기 제어, 관리를 위한 신호가 하향링크 신호를 전송하기에 최적화되지 않은 하향링크를 통해 전송하게 되므로 무선자원의 낭비가 초래된다. 그리고 상기 제어, 관리를 위한 하향링크 신호와 상기 상향링크 데이터가 충돌하거나 간섭하지 않도록, 전송 시간을 적절히 스케쥴링해야 하는 어려운 문제가 생긴다. 또한, 단말(예컨대, 제2 단말)이 위치를 이동하여 다른 기지국으로 핸드오프(Handoff)하는 경우에는, 두 개의 기지국(예컨대, 제1 및 제2 기지국)이 핸드오프 절차에 참여해야 하기 때문에, 핸드오프를 위한 신호의 양이 증가할 뿐만 아니라 핸드오프에 걸리는 시간도 늘어나는 문제가 발생할 수가 있다.