Downlink three cell coordinated transmission in hexagonal multi-cell multi-user system

국문 초록 (Abstract)

무선 통신 상황에서 높은 데이터 전송율이 요구되고 있다. 그러나 대역폭과 신호의 크기 등 자원은 한정되어있으므로 시스템 성능을 향상시키기 위한 효과적인 방법을 찾아야 한다. 다중 셀 협동 방식은 셀 사이의 간섭을 줄여서 시스템 효율성과 형평성을 모두 향상시킬 수 있다. 또한 다중 안테나 시스템은 시스템의 성능을 향상시킨다. 그러므로 이 논문은 시스템의 효율성과 형평성을 모두 고려하여, 다중 셀 다중 사용자 다중 안테나 상황에서의 하향 링크 전송 방식을 연구한다. 또한 실제적인 방식의 협동 방식을 연구한다. 제안된 협동 방식은 육각 셀의 세 개 셀 협동 상황에서 단일 안테나와 다중 안테나를 사용한 경우를 모두 고려한다.DPC를 사용한 전체 시스템의 협동 방식은 성능이 가장 좋지만, 다량의 채널 정보를 완벽히 알고 있어야 가능하다. 실제적인 협동 방식으로써, 세 개 셀의 부분적인 협동 방식으로, 셀 숨쉬기 방법(Cell Breathing), 수퍼포지션 코딩 방법(SuperPosition Coding), SPC와 위상 일치를 동시에 고려한 방법, 간섭을 제거하는 DPC방법(ICDPC)이 고려되었다. 세 개 셀 협동 방식은 일반적인 육각 다중 셀 모형에 손쉽게 적용시킬 수 있다. 각각의 협동 방식은 변두리 부분집합이 몇 개나 한번에 고려되는지에 따라(Nesg), Nesg=1,2,3세 가지로 구분된다. 제안된CB, SPC, ICDPC의 세 가지 협동 방식은 세 가지의 Nesg에 따라 적용되었고 여기에 전송 안테나가 하나인 경우와 여러 개인 경우가 고려되었다. 페이딩 없는 상황과 짧은 기간 페이딩이 고려된 상황에서 제안된 협동 방식에 의한 전체 성능과 변두리 성능을 보았다. 짧은 기간 페이딩 상황에서는 효율성과 형평성을 함께 증가시킬 수 있도록 비례적 평형 스케줄링 방식(Proportional Fair scheduling)을 사용하였다. 셀끼리 협동 없이 한 셀 내에서만 DPC사용한 경우(NC), 셀끼리 DPC 사용하여 완벽히 협동한 경우(FC) 두 가지를 제안된 부분적 협동 방식과 비교하였다. NC 에서 기지국이 단일 안테나를 사용한 경우, 그리디 스케줄링(greedy scheduling)과 PF를 접목한 스케쥴링 방식을 사용하였다. FC에서 기지국이 단일 안테나를 쓰는 경우, 이 시스템은 하나의 MISO 시스템이 된다. 이 시스템에서, 기지국은 제로포싱 빔포밍 (ZeroForcing - beamforming) 과 그리디 스케쥴링과 PF 를 접목한 스케줄링을 사용한다.시뮬레이션 결과에서, SPC의 전체 성능은 좋았지만 변두리 성능은 나쁘다. 이것은 중심부를 더 많은 자원을 가지고 전송하기 때문이다. ICDPC는 중심 성능과 변두리 성능이 모두 좋다. 실제적인 거리 변수가 고려된 채널 모델에서 인접 셀로부터의 간섭으로 인한 영향이 더욱 잘 나타난다. 이때 전송 파워가 향상되면서 ICDPC에서는 변두리 성능이 좋아지는 반면, SPC는 변두리 성능에 거의 영향이 없다. 왜냐하면 전송 파워가 커지면 간섭의 영향 또한 커지기 때문이다. 이것은 제안된 실제적인 부분적 협동 방식은 인접 셀로부터의 간섭이 제거되는 경우에만 효과가 있음을 의미한다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Nowadays, the request of high data rate is increased in wireless communication environment. The resource, such as bandwidth and power, is limited and it is needed to find effective way to maximize the system capacity. Multi-cell coordination efficiently deals with inter cell interference in various ways that increase the total throughput and improve fairness as well. Multi-antenna system can increase the system throughput significantly. Thus, this thesis deals with the downlink transmission schemes in multi-cell multi-user multi-antenna environment, considering efficiency and fairness together. This thesis studies the cell coordination in practical point of view. Suggested coordination schemes are considered with both single and multi transmit antennas in hexagonal three cell coordinate system.The full coordination scheme with DPC provides the best achievable rate, which requires the full channel information at the centralized scheduler. As a practical partial coordination schemes for downlink transmission, cell breading (CB), superposition coding (SPC), SPC with cophasing, and the interference cancellation with dirty paper coding (ICDPC) based on three-cell coordination are considered. Three-cell coordination can be easily expanded to general hexagonal multi-tier multi-cell environment. There are three kinds of cell coordinations classified by number of supported edge subgroups (Nesg) during one unit time slot; Nesg=1,2 and 3. The suggested cell coordination schemes, CB, SPC and ICDPC, are considered in three kinds of ‘Nesg’s and applied to use single transmit antenna and multiple transmit antennas. The total throughputs and edge throughputs of suggested coordination schemes are compared in non-fading channel condition and short-term fading channel condition. In short term fading channel, proportional fair scheduling (PF) is used to consider both efficiency and fairness. The performances that each BS transmits the signal with no coordination (NC) and full coordination (FC) are compared with that of suggested schemes. DPC is considered in both NC and FC. When BS uses single transmit antenna in NC, greedy scheduling combined with PF is used to select users to be supported. If each BS uses single antenna in FC, this system can be changed into one MISO system. In MISO system, BS uses zero forcing beamforming (ZF-BF) combined with greedy scheduling and PF scheduling.Simulation results show that the total throughput of SPC is the maximum among all suggested schemes, sacrificing the edge throughput. It is due to that SPC supports center users with more resources. The total throughput of ICDPC is good for both center throughput and edge throughput. The interference from adjacent BS is examined more clearly when the realistic distance is considered. ICDPC can improve edge throughput as increasing transmission power, whereas SPC cannot support edge subgroup efficiently. When the transmission power is high, edge subgroup of SPC is severely affected by interference from both center subgroup and adjacent BS. It means that partial coordination scheme is only meaningful when the interference from adjacent BS can be canceled out.