펨토셀 네트워크에서 업링크 전력 제어를 통한 간섭 완화 전략

초록

본 논문은 매크로셀 기지국에서의 크로스티어 간섭을 억제하기 위해 펨토셀 사용자의 최대 송신 전력을 조정하는 두 가지 간섭 완화 전략을 제안한다. 개루프 제어는 고정된 간섭 문턱값을, 폐루프 제어는 매크로셀 기지국의 잡음 및 간섭 수준에 기반한 적응형 문턱값을 사용한다. 시뮬레이션 결과, 두 기법 모두 크로스티어 간섭으로 인한 매크로셀 업링크 처리량 저하를 효과적으로 보상하며, 폐루프 제어가 개루프 제어 대비 매크로셀 처리량을 최소한으로 희생하면서 더 우수한 펨토셀 처리량을 제공함을 보여준다.

상세 분석

본 논문의 핵심 기술적 기여는 펨토셀 사용자의 최대 송신 전력 상한(P_max)을 동적으로 제어하는 두 가지 자율적 기법을 제안한 점에 있다. 기존의 고정 최대 전력 방식은 펨토셀 위치나 매크로셀 간섭 환경에 무관하게 항상 동일한 전력 제한을 적용하여, 간섭이 적을 경우 펨토셀 성능을 불필요하게 제한하거나, 간섭이 클 경우 매크로셀 성능을 심각하게 저하시키는 문제가 있었다.

제안된 개루프 제어는 펨토셀이 인접 매크로셀 기지국(BS)으로부터의 하향링크 신호를 수신하여 전파 손실을 추정하고, 이를 바탕으로 자체 간섭이 가장 크게 영향을 미치는 매크로셀 BS(k*)를 선정한다. 이후 사전에 정의된 고정 간섭 한계(I_th,k*)와 추정된 전파 손실(L_min)을 이용해 P_max,OL을 계산한다. 이 방식은 구현이 비교적 단순하고, 펨토셀이 매크로셀 네트워크에 대한 실시간 피드백 없이 자율적으로 동작할 수 있다는 장점이 있다. 그러나 매크로셀 BS의 실제 잡음 및 간섭(NI) 상태를 반영하지 못해, NI 수준이 낮은 경우에도 불필요하게 엄격한 전력 제한을 가할 수 있다는 근본적인 한계가 존재한다.

이를 해결하기 위해 제안된 폐루프 제어는 매크로셀 BS가 브로드캐스트하는 실제 NI 수준 정보를 추가적으로 활용한다. 핵심은 간섭 문턱값 I_th,k(n)을 NI 수준의 변화에 따라 적응적으로 조정하는 것이다. NI 수준이 기준치보다 높아지면(새로운 펨토셀 사용자 활성화 등) 문턱값을 엄격하게 유지하여 매크로셀 보호를 우선시하고, NI 수준이 낮아지면(매크로셀 사용자 부하 감소 등) 문턱값을 완화하여 펨토셀 사용자의 전력 상한을 높여준다. 이는 네트워크 자원의 동적 분배 개념을 도입한 것으로, 시스템 전체의 자원 활용도를 최적화한다. 시뮬레이션 결과, 폐루프 제어는 다양한 조건(거리, 벽 손실)에서 개루프 제어 대비 현저히 높은 펨토셀 성능(ARFT)을 제공하면서도 매크로셀 성능 저하(DRMT)는 거의 동일하게 유지함을 입증하였다. 이는 적응형 문턱값 조정이 네트워크 상태에 대한 인지 기반의 지능형 제어가 가능함을 보여주며, 향후 인공지능 기반 자율 네트워크 설계에 중요한 기초를 제공한다.