Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea TC (대한전자공학회논문지TC)

The Institute of Electronics and Information Engineers (대한전자공학회)
권호 표지

On Optimal Antenna Tilting Angles for Cooperative Transmissions Between Sectors in Cellular Systems

셀룰러 시스템의 섹터 간 협력 전송 시 최적의 안테나 틸팅 각도 결정 방식

  • Ko, Jin-Seok (Department of Electronic Engineering, Sogang University) ;
  • Kim, Jae-Won (Department of Electronic Engineering, Sogang University) ;
  • Park, Jong-Hyun (Department of Electronic Engineering, Sogang University) ;
  • Sung, Won-Jin (Department of Electronic Engineering, Sogang University)
  • Received : 2010.06.09
  • Accepted : 2010.07.17
  • Published : 2010.07.25
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

The cooperative transmission between sectors in next generation communications standards, e.g., 3GPP LTE-Advanced and IEEE 802.16m, has become an important research issue. Hence methods to decide the optimal antenna tilting angle in cooperative transmission between sectors are needed. This paper proposes methods to decide the optimal antenna tilting angle in cases of non-cooperative and cooperative transmissions between sectors. The proposed methods use an objective function that maximizes the cell average log rate or the cell average rate for users distributed uniformly within the radius of the sector. Also, the objective function which maximizes the cell average rate determined by adaptive modulation and coding (AMC) used in actual cellular systems is considered. When the cell average rate becomes the objective function, the system rate efficiency increases significantly for both cooperative and non-cooperative transmission. When the cell average log rate and the AMC rate become the objective functions, an optimal antenna tilting decision method which effectively increases the efficiency of cell boundary users is discussed.

최근 3GPP LTE-Advanced 및 IEEE 802.16m과 같은 차세대 통신 규격에서 섹터 간 협력 전송이 중요 연구주제가 되었고, 그에 따라 기존 비협력 전송에서와 마찬가지로 섹터 간 협력 전송 시에도 최적의 안테나 틸팅 각도를 결정하는 방식의 필요성이 대두되고 있다. 본 논문에서는 섹터 간 협력 전송 및 비협력 전송 시 최적의 안테나 틸팅 각도를 결정하는 방식들을 제안한다. 제안하는 방식은 섹터 반경 내에 동일하게 분포하는 사용자의 전송률 평균인 셀 평균 전송률 또는 셀 평균 로그 전송률을 최대화하는 목적함수를 활용한다. 또한 이론적 용량인 Shannon 전송률 대신 실제 셀룰러 시스템에서 활용되는 AMC (adaptive modulation and coding) 방식을 고려한 셀 평균 AMC 전송률을 최대화하는 목적함수도 함께 활용한다. 협력 및 비협력 전송 시 셀 평균 전송률을 목적함수로 고려하는 경우에는 시스템 전송 효율성을 최대화 하며, 셀 평균 로그 전송률 및 AMC를 목적함수로 활용하는 경우에는 특히 셀 경계 사용자의 전송 효율성 증대를 크게 반영하는 최적의 안테나 틸팅 각도를 결정하는 방식을 제시한다.

Keywords

Acknowledgement

Supported by : 정보통신산업진흥원

References

  1. E. Benner and A. Sesay, "Effects of antenna height, antenna gain and pattern downtilting for cellular mobile radio", IEEE Trans. Vehicular technology, vol. 45, no. 2, pp. 217-224, May 1996. https://doi.org/10.1109/25.492845
  2. M. V. S. N. Prasad, M. M. Gupta, S. K. Sarkar, and I. Ahmad, "Antenna beam tilting effects in fixed and mobile communication links," Current Sci., vol. 88, no. 7, pp. 1142-1147, 2005.
  3. E. Siachalou, T. Samaras, C. Koukourlis, and S. Panas, "On the beam tilting and bit rate selection in mobile systems," Electrical Engineering, vol. 89, no. 2, pp. 107-116, 2006. https://doi.org/10.1007/s00202-005-0320-4
  4. J. Niemela, T. Isotalo, and J. Lempiainen, "Optimum antenna downtilt angles for macro cellular WCDMA network," EURASIP Journal on Wireless Commun. Networking, vol. 2005, no. 5, pp. 816-827, 2005.
  5. I. Forkel, A. Kemper, P. Pabst and Hermans , "The effect of electrical and mechanical antenna down-tilting in UMTS networks", 3 G Mobile Commun. Tech., May, 2002, pp 86-90
  6. Q. H. Spencer, A. L. Swindlehurst, and M. Haardt, "Zero-forcing methods for downlink spatial multiplexing in multiuser MIMO channels," IEEE Trans. Signal Processing, vol. 52, no. 2, pp. 461-471, Feb. 2004. https://doi.org/10.1109/TSP.2003.821107
  7. 이지원, 성원진, "영점 강제 다중 사용자 MIMO 전송 시 셀 간 정보 교환을 활용한 협력적 PF 스케쥴러의 성능 평가," 전자공학회 논문지, 제 47권 TC편, 제 2호, 40-46쪽, 2010년 2월.
  8. 서강운, 윤석현, "3GPP-LTE 및 LTE Advanced에서의 협력전송기술," 전자공학회 논문지, 제 37권 TC편, 제 4호, 51-61쪽, 2010년 4월.
  9. S. C. Bundy, "Antenna downtilt effects on CDMA cell-site capacity," in Proc. IEEE Radio and Wireless Conf., vol. 2, 1999, pp. 99-102.
  10. M. J. Nawrocki and T. W. Wieckowski, "Optimal site and antenna location for UMTS-output results of 3G network simulation software," in Proc. 14th Microwaves, Radar and Wireless Commun., vol. 3, 2002, pp. 890-893.
  11. J. Niemela and J. Lempiainen, "Impact of mechanical antenna downtilt on performance of WCMA cellular network," in Proc. IEEE 59th Veh. Tech. Conf., vol. 4, 2004, pp. 2091-2095.