KR20140077454A - High speed communication system using minimum interference repeating scheme - Google Patents
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Abstract
Description
기술분야는 최소 간섭 환경에서 이동체를 이용하여 노드와 노드 간의 데이터를 중계하는 고속 통신 시스템에 관한 것이다.The technical field relates to a high-speed communication system for relaying data between a node and a node using a moving object in a minimum interference environment.
무선 통신 기술의 발전 및 무선 통신 서비스의 보편화로 주파수 자원에 대한 수요가 증가함에 따라 효율적으로 주파수 자원을 사용하기 위한 연구가 지속적으로 연구되고 있다. As the demand for frequency resources increases with the development of wireless communication technology and the universalization of wireless communication services, studies for using frequency resources efficiently have been continuously studied.
최근 주파수 공유 기술로 주목 받고 있는 인지 무선 (Cognitive Radio) 기술은 주파수 대역에 상관없이 적용이 가능하지만 현재에는 TV 화이트 스페이스(White Space)가 가장 적합한 대역으로 고려되고 있다. TV 화이트 스페이스란 TV 방송 대역 중에서 지역적으로 사용하지 않고 비어있는 대역을 의미한다. 즉, 방송 사업자와 같은 일차 사용자가 서비스를 제공하기 위해 허가 받은 주파수 대역의 바깥에는 주파수가 비게 되는데 비게 되는 주파수 대역을 화이트 스페이스라고 할 수 있다. Recently, cognitive radio technology, which is attracting attention as a frequency sharing technology, can be applied regardless of the frequency band, but TV white space is considered as the most suitable band at present. TV white space means an empty band that is not used locally in the TV broadcast band. That is, the frequency band that is freed when the primary user, such as a broadcasting service provider, is out of the frequency band permitted for providing the service is referred to as a white space.
1GHz 이하의 화이트 스페이스는 전파 특성이 우수하여 1GHz 이상 높은 주파수에 비해 서비스 커버리지가 넓기 때문에 공공안전, 지역정보제공서비스, 슈퍼 와이파이 등 다양한 용도의 서비스를 제공하는데 사용될 수 있다. 이 때문에 미국, 영국, EU 등 선진국을 중심으로 부족한 주파수 자원을 효율적으로 사용하고 고품질의 다양한 서비스를 제공하기 위해 화이트 스페이스 이용을 위한 기준이 준비 중에 있다.Since the white space below 1GHz is excellent in radio wave characteristics and has a wider service coverage than 1GHz or higher frequency, it can be used to provide various services such as public safety, local information service, and super WiFi. For this reason, standards are being prepared for the use of white space in order to efficiently use frequency resources that are lacking in developed countries such as the United States, the United Kingdom, and the EU, and to provide various high quality services.
그리고 무선 전송 커버리지의 확장 기술로서 릴레이 통신과 빔포밍 등의 기술들이 연구되고 있다. 릴레이 통신은 정보의 소스와 정보의 목적지 간에 통신 거리를 넓히기 위해 중계기 역할을 하는 노드들이 소스로부터 수신한 정보를 중간에서 다른 중계기 혹은 정보의 목적지로 전달하는 통신 방식이다. 릴레이 노드는 수신 신호를 복원하여 에러를 정정하여 다른 노드로 전달하기도 하고, 신호를 증폭하여 전달하기도 한다. And technologies such as relay communication and beamforming are being studied as an extension technology of wireless transmission coverage. Relay communication is a communication method in which nodes that act as repeaters transmit information received from a source to other repeaters or destinations of information in order to widen the communication distance between the source of information and the destination of information. The relay node restores the received signal, corrects the error, and transmits the signal to another node, or amplifies and transmits the signal.
빔포밍 기술은 전방향으로 신호를 방사하는 방식에 비해 특정 노드의 채널 이득이 크도록 송신 신호에 특정 매트릭스를 곱하여 전송하는 방식이 있고, 아날로그 방식으로 여러 개의 RF 체인 어레이의 위상(phase)을 조정하여 특정 방향으로 빔이 형성되도록 하는 방식이 있다. 또한 무선 광통신 (Free-space Optical Communication) 레이저와 같은 매우 좁은 빔폭을 사용하여 빔을 형성하는 방식도 있다. In the beamforming technique, a transmission signal is multiplied by a specific matrix so that the channel gain of a specific node is larger than that of a signal propagating in all directions, and the phase of the RF chain array is adjusted Thereby forming a beam in a specific direction. There is also a method of forming a beam using a very narrow beam width, such as a free-space optical communication laser.
많은 수의 이동 통신 기기들 간의 통신을 가능하게 하는 사물 통신 네트워크에서는 제한된 무선 자원으로는 감당하기 어려운 수의 동시 연결이 필요하게 될 것이며, 이러한 필요는 무선 네트워크의 확장성 문제 또는 성능 문제로 귀결될 것이다.In an object communication network that enables communication between a large number of mobile communication devices, a number of simultaneous connections that are difficult to cope with limited radio resources will be required, and this necessity results in a scalability problem or a performance problem of the wireless network will be.
본 발명은 인트라 네트워크의 스루풋(throughput) 성능을 유지시키고, 인트라 네트워크의 정보 소스와 정보 목적지간에 고속 링크를 형성할 수 있다. 본 발명은 이동체를 중계기로 이용하고, 이동체와 정보 소스/정보 목적지 간에 형성하는 통신 링크와 이동체와 이동체 간에 형성하는 통신 링크를 서로 다르게 설정함으로써, 형성된 통신 링크가 주변 통신 기기에 미치는 간섭의 영향을 최소화할 수 있고, 여러 개의 이동체의 다이버시티 효과로 통신 품질이 최적화되는 시스템을 제공할 수 있다. The present invention can maintain the throughput performance of the intra-network and form a high-speed link between the information source of the intra-network and the information destination. The present invention uses a mobile body as a repeater, sets different communication links between a mobile body and an information source / information destination, and a communication link formed between a mobile body and a mobile body, It is possible to provide a system in which communication quality is optimized by the diversity effect of a plurality of moving objects.
본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템은 데이터를 전송하는 정보소스 노드 및 데이터를 수신하는 정보타겟 노드를 포함하는 인트라 네트워크 및 기 설정된 데이터 전송속도 및 신호 품질에 적합한 채널을 검색하기 위해 이동하며, 상기 정보소스 노드로부터 상기 정보타겟 노드로 데이터를 중계 전송하기 위해 정보 전송 링크를 형성하는 하나 이상의 이동체를 포함하고, 상기 정보소스 노드와 상기 이동체 사이 및 상기 정보타겟 노드와 상기 이동체 사이에는 대역폭이 좁은 채널에서 좁은 빔폭을 이용하여 상기 데이터를 송수신하고, 상기 이동체가 두 개 이상인 경우에 이동체들 간에는 넓은 채널에서 넓은 빔폭을 이용하여 상기 데이터를 송수신할 수 있다.The high-speed communication system using the minimum interference relaying method according to an embodiment of the present invention includes an intra-network including an information source node for transmitting data and an information target node for receiving data, And one or more mobile bodies that form an information transmission link for relaying data from the information source node to the information target node, wherein the information source node and the information target node The data can be transmitted / received using a narrow beam width in a channel having a narrow bandwidth between the moving objects, and the data can be transmitted / received using a wide beam width in a wide channel between moving objects when there are two or more moving objects.
상기 하나 이상의 이동체는 상기 인트라 네트워크로부터 간섭 신호가 감지되지 않고, 상기 하나 이상의 이동체에서 송신하는 신호가 상기 정보소스 노드 및 상기 정보타겟 노드에 간섭을 일으키지 않는 위치로 이동할 수 있다.The one or more moving objects can move to a position where no interference signal is detected from the intra network and a signal transmitted from the one or more moving objects does not interfere with the information source node and the information target node.
본 발명은 인트라 네트워크의 스루풋(throughput) 성능을 유지시키고, 인트라 네트워크의 정보 소스와 정보 목적지간에 고속 링크를 형성할 수 있다. The present invention can maintain the throughput performance of the intra-network and form a high-speed link between the information source of the intra-network and the information destination.
또한, 본 발명은 이동체를 중계기로 이용하고, 이동체와 정보 소스/정보 목적지 간에 형성하는 통신 링크와 이동체와 이동체 간에 형성하는 통신 링크를 서로 다르게 설정함으로써, 형성된 통신 링크가 주변 통신 기기에 미치는 간섭의 영향을 최소화할 수 있다.The present invention also relates to a method and an apparatus for detecting interference of a communication link formed on a peripheral communication device by using a mobile object as a relay, setting a communication link formed between the mobile object and an information source / The influence can be minimized.
또한, 본 발명은 여러 개의 이동체를 이용함으로써 다이버시티 효과를 획득할 수 있고, 통신 품질을 최적화시킬 수 있다. Further, the present invention can acquire a diversity effect by using a plurality of moving objects, and can optimize the communication quality.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 기지국과 이동체 간에 형성되는 하향링크의 링크 버짓을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 기지국과 이동체 간에 형성되는 상향링크의 링크 버짓을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 사용할 수 있는 우리나라의 TV 화이트 스페이스를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 하이브리드 빔포밍을 수행하는 예를 나타낸 도면이다.
도 6내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템을 적용한 도면이다.1 is a block diagram of a high-speed communication system using a minimum interference relaying method according to an embodiment of the present invention.
2 is a diagram illustrating a link budget of a downlink formed between a base station and a mobile station in a high-speed communication system using a minimum interference relaying scheme according to an embodiment of the present invention.
3 is a diagram illustrating a link budget of an uplink formed between a base station and a moving object in a high-speed communication system using a minimum interference relaying method according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram illustrating the TV whitespace in Korea that can be used in a high-speed communication system using a minimum interference relaying method according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram illustrating an example of performing hybrid beamforming in a high-speed communication system using a minimum interference relaying scheme according to an embodiment of the present invention.
6 to 10 are views illustrating a high-speed communication system using a minimum interference relaying method according to an embodiment of the present invention.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템의 블록도이다.1 is a block diagram of a high-speed communication system using a minimum interference relaying method according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템은 인트라 네트워크(110) 및 이동체들(120, 121)을 포함할 수 있다. Referring to FIG. 1, a high-speed communication system using a minimum interference relaying method according to an embodiment of the present invention may include an
본 발명에서 사용되는 최소 간섭 중계 방식이란 이동체들(120, 121)이 인트라 네트워크(110)로부터 받는 간섭의 영향이 최소인 영역으로 이동하고, 이동한 위치에서 이동체들(120, 121)이 정보소스 노드(111)로부터 데이터를 수신하고, 중계하여 정보타겟 노드(113)로 전달하는 방식을 의미한다. 다른 예로, 이동체들(120, 121)은 인트라 네트워크(110)에 미치는 간섭의 영향이 최소인 영역으로 이동할 수도 있다.The minimum interference relaying method used in the present invention is a minimum interference relaying method used in the present invention in which the
도 1의 예에서는 정보소스 노드(111) 및 정보타겟 노드(113)가 동일한 인트라 네트워크(110)에 속해 있지만, 다른 예로 정보소스 노드(111)는 인트라 네트워크(110)에 속하고, 정보타겟 노드(113)는 다른 인트라 네트워크(도시되지 않음)에 속할 수도 있다.In the example of FIG. 1, the
인트라 네트워크(110)는 통신 기기가 밀집된 네트워크를 통칭하는 의미로 사용될 수 있다. 통신 기기는 정보를 전송하는 노드 또는 정보를 수신하는 노드로 분류될 수 있다.The
정보소스 노드(111)는 이동체(120) 및 이동체(121)를 릴레이 노드로 하여 정보타겟 노드(113)로 데이터를 전송할 수 있다. 이때, 정보소스 노드(111)와 이동체(120)는 통신 링크(131)를 형성할 수 있다. 정보소스 노드(111)와 이동체(120)는 통신 링크(131)의 대역폭이 좁은 채널에서 좁은 빔폭을 이용하여 데이터를 송수신할 수 있다. 여기서 대역폭이 좁은 채널이라는 것은 이동체(120)와 이동체(121) 간에 통신하는 채널보다 좁은 채널임을 의미한다. 또한, 좁은 빔폭은 이동체(120)와 이동체(121) 간에 통신하는데 사용되는 빔폭 보다 좁은 경우임을 의미한다. The
또한, 정보소스 노드(111)와 이동체(120)는 통신 링크(131)의 대역폭이 좁은 채널에서 높은 변조 방식을 이용하여 데이터를 송수신할 수 있다. 여기서 높은 변조 방식은 이동체(120)와 이동체(121) 간의 통신에 사용된 변조 방식보다 복잡도가 큰 방식으로 변조된 경우를 의미한다. 예를 들면, 64QAM((Quadrature Amplitude Modulation), 16QAM, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), BPSK(Binary Phase Shift Keying)의 변조방식들 중에서, 64QAM > 16QAM > QPSK > BPSK의 순서로 복잡도가 크다. 위 예들 중에서는 64QAM 방식이 가장 높은 변조 방식이고, BPSK 방식이 가장 낮은 변조 방식이다.In addition, the
이동체(120)와 이동체(121)는 통신 링크(133)를 형성할 수 있다. 이동체(120)와 이동체(121)는 통신 링크(133)의 대역폭이 넓은 채널에서 넓은 빔폭을 이용하여 데이터를 송수신할 수 있다. 여기서 대역폭이 넓은 채널이라는 것은 정보소스 노드(111)와 이동체(120) 간에 통신하는 채널보다 넓은 채널임을 의미한다. 또한, 넓은 빔폭은 정보소스 노드(111)와 이동체(120) 간에 통신하는데 사용되는 빔폭 보다 넓은 경우임을 의미한다.The
또한, 이동체(120)와 이동체(121)는 통신 링크(133)의 대역폭이 넓은 채널에서 낮은 변조 방식을 이용하여 데이터를 송수신할 수 있다. 여기서 낮은 변조 방식은 정보소스 노드(111)와 이동체(120) 간의 통신에 사용된 변조 방식보다 복잡도가 상대적으로 작은 방식으로 변조된 경우를 의미한다.In addition, the
이동체(120)는 정보소스 노드(111)로부터 데이터를 수신하고, 이동체(121)로 전달할 수 있다. 이동체(121)는 전달 받은 데이터를 정보타겟 노드(113)로 다시 전달할 수 있다.The moving
정보타겟 노드(113)와 이동체(121)는 통신 링크(135)를 형성할 수 있다. 정보타겟 노드(113)와 이동체(121)는 통신 링크(135)의 대역폭이 좁은 채널에서 좁은 빔폭을 이용하여 데이터를 송수신할 수 있다. 여기서 대역폭이 좁은 채널이라는 것은 이동체(120)와 이동체(121) 간에 통신하는 채널보다 좁은 채널임을 의미한다. 또한, 좁은 빔폭은 이동체(120)와 이동체(121) 간에 통신하는데 사용되는 빔폭 보다 좁은 경우임을 의미한다.The
또한, 정보타겟 노드(113)와 이동체(121)는 통신 링크(135)의 대역폭이 좁은 채널에서 높은 변조 방식을 이용하여 데이터를 송수신할 수 있다. 여기서 높은 변조 방식은 이동체(120)와 이동체(121) 간의 통신에 사용된 변조 방식보다 복잡도가 큰 방식으로 변조된 경우를 의미한다. 예를 들면, 64QAM, 16QAM, QPSK, BPSK의 변조방식들 중에서, 64QAM > 16QAM > QPSK > BPSK의 순서로 복잡도가 크다. 위 예들 중에서는 64QAM 방식이 가장 높은 변조 방식이고, BPSK 방식이 가장 낮은 변조 방식이다.In addition, the
통신 링크(131)와 통신 링크(135)의 채널의 대역폭은 통신 링크(133)의 채널의 대역폭보다 좁게 형성될 수 있다. 또한, 통신 링크(131)와 통신 링크(135)에서 사용되는 빔포밍의 빔폭은 통신 링크(133)에서 사용되는 빔포밍의 빔폭보다 좁게 형성될 수 있다. 예를 들어, 통신 링크(131) 및 통신 링크(135)에서 64QAM 방식이 사용되면, 통신 링크(133)에서는 BPSK 방식이 사용될 수 있다.The bandwidth of the channel of the
통상적으로 인지 무선 기술(Cognitive Radio Technology) 기반의 통신 시스템은 1차적 사용자(Primary User 혹은 Licensed User)가 사용하지 않는 주파수 자원(White Space)을 2차적 사용자(Secondary User 혹은 Unlicensed User)가 활용하게 함으로써, 주파수 자원 활용 효율을 높이고 전체적인 네트워크의 스루풋을 향상시킨다. Generally, a communication system based on Cognitive Radio Technology allows a secondary user (a Secondary User or an Unlicensed User) to utilize a frequency resource (White Space) not used by a primary user or a licensed user , Improving frequency resource utilization efficiency and improving overall network throughput.
하지만, 사물통신과 같이 주파수 자원이 제한된 환경에서는 2차적 사용자가 간섭(Interference)의 영향을 받거나, 다른 장치에 간섭을 미치지 않고, 주파수 자원을 활용하기에는 1차적 사용자가 주파수 자원을 활용하는 빈도가 높고, 2차적 사용자의 비주기적이고 빈번한 접속 시도로 통신 기회가 확보되기 쉽지 않다.However, in an environment in which frequency resources are limited such as object communication, a primary user is frequently used frequency resources to utilize frequency resources without being affected by interference or interfering with other devices in a secondary user , It is not easy for communication opportunities to be secured due to non-periodic and frequent connection attempts of the secondary users.
본 발명은 이동 통신 시스템을 탑재한 이동체들(120, 121)이, 기 설정된 데이터 전송 속도 또는 신호 품질에 적합한 채널 환경을 발견할 때까지 이동하게 함으로써, 이동 전보다 더 좋은 채널 환경에서 신호를 중계하는 방법을 사용한다. 이동체들(120, 121) 각각은 사람이 탑승하여 목적지로 이동하는 자동차, 비행기, 배 등의 이동 수단일 수도 있지만, 사람이 탑승하지 않는 무인 항공기(UAV, Unmanned Aerial Vehicle), 무인 자동차(SDR, Self-Driving Car) 또는 무인 배 (SDB, Self-Driving Boat)일 수도 있다.The present invention allows a
본 발명은 통신 기기가 밀집된 인트라 네트워크(110)의 스루풋을 유지하고, 인트라 네트워크(110)의 정보소스 노드(111)와 정보타겟 노드(113) 간에 고속 링크를 형성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 일반적으로 네트워크의 채널 용량을 높이기 위해서는 셀 사이즈가 작아야 하고, 셀에 포함된 노드의 전송 파워가 낮아야 한다. 네트워크에 포함된 하나의 노드가 매우 높은 스루풋을 요구하는 서비스를 이용하기 위해 전송 파워를 높이거나, 전송 대역폭을 넓히는 경우 주변의 다른 기기들에게 간섭을 일으켜서, 네트워크의 스루풋이 저하된다.The present invention relates to a method and apparatus for maintaining the throughput of a
본 발명은 여러 개의 링크 중 품질이 좋은 링크를 선택적으로 이용하여 스루풋을 향상시키는 방법을 포함한다.The present invention includes a method for improving throughput by selectively using high quality links among a plurality of links.
본 명세서에서는 무인 항공기를 예로 들어 발명의 구체적인 구성을 설명하지만, 본 발명은 무인 항공기에 국한된 것이 아니라 일반적인 이동 수단 혹은 이동체에 적용될 수 있다.Although the specific configuration of the present invention will be described herein with reference to an unmanned aerial vehicle, the present invention is not limited to an unmanned aerial vehicle but can be applied to a general moving means or a moving object.
표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 사용하는 물리 계층(PHY) 파라미터를 보여 준다. 이 PHY 파라미터는 30km 이상의 통신 커버리지를 지원하고, 수십 Mbps의 고속 이동 통신을 지원하는데 사용될 수 있다. 표 1의 물리 계층 파라미터는 OFDM 기술을 기반으로 하고 있지만, 본 발명은 OFDM 이외의 기술 기반 물리 계층 파라미터를 사용하는 경우에도 적용될 수 있다.Table 1 shows physical layer (PHY) parameters used in a high-speed communication system using a minimum interference relay scheme according to an embodiment of the present invention. This PHY parameter can be used to support communication coverage of 30 km or more and to support high-speed mobile communications of several tens of Mbps. Although the physical layer parameters in Table 1 are based on OFDM technology, the present invention can also be applied to the case of using technology-based physical layer parameters other than OFDM.
=27dBm(BS) / 24dBm(UAV)Max. RF transmit power
= 27dBm (BS) / 24dBm (UAV)
30dBm=1Watts36 dBm = 4 Watts
30 dBm = 1 Watts
Number of used subcarriers: 1680
Number of data subcarriers: 1440
Number of pilot subcarriers: 240Number of guard subcarriers: 368
Number of used subcarriers: 1680
Number of data subcarriers: 1440
Number of pilot subcarriers: 240
Up to 20 channels (Optional)Up to 4 channels (Mandatory)
Up to 20 channels (Optional)
Max. bandwidth: 120MHz3 bandwidth modes: 6, 12, 24 MHz
Max. bandwidth: 120MHz
Modulation: BSPK (or S-QPSK), QPSK, 16QAM, 64QAM
Codec: Convolutional coding w/ 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 rates.CP: 1/4, 1/8, 1/16, and 1/32
Modulation: BSPK (or S-QPSK), QPSK, 16QAM, 64QAM
Codec: Convolutional coding w / 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 rates.
For QAM modulation, PHY optimized to tolerate long channel response and frequency selective channel
For BPSK and QPSK modulation, MAC provides compensation for long round trip delay
S-QPSK can provide ~2.5dB diversity gain; Duplicated data subcarriers over Q and I phase.Short CP such as 1/16 or 1/32 may be used under static condition.
For QAM modulation, PHY optimized to tolerate long channel response and frequency selective channel
For BPSK and QPSK modulation, MAC provides compensation for long round trip delay
S-QPSK can provide ~ 2.5dB diversity gain; Duplicated data subcarriers over Q and I phase.
QPSK 1/2~5/6: 4~9dB
16QAM 1/2~5/6: 10~15dB
64QAM 1/2~5/6: 16~21dBBPSK 1/2 (or S-QPSK): 1 to 3 dB
80dBc/Hz at 1kHz and 10kHz
105dBc/Hz at 100kHzAWGN condition
80dBc / Hz at 1kHz and 10kHz
105dBc / Hz at 100kHz
45.4 and 90.8Mbps for 12MHz and 24MHz BW mode, respectively. 1/32 CP mode, 64QAM, 5/6 rate
45.4 and 90.8Mbps for 12MHz and 24MHz BW mode, respectively.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 기지국과 이동체 간에 형성되는 하향링크의 링크 버짓을 나타낸 도면이다.2 is a diagram illustrating a link budget of a downlink formed between a base station and a mobile station in a high-speed communication system using a minimum interference relaying scheme according to an embodiment of the present invention.
도 2를 참조하면, 이동체의 예로 무인 항공기(UAV)가 사용되었다. 기지국은 도 1의 정보소스 노드(111)에 해당하고, 무인 항공기는 이동체(120)에 해당한다. 도 2의 경우 기지국에서 무인 항공기로 데이터를 전송하는 경우의 링크 버짓이다. 링크 버짓(Link Budget)은 링크에서 통신을 수행하는데 필요한 송신단과 수신단의 스펙을 나타낸다. 도 2의 링크 버짓은 최대 30km 통신 커버리지를 지원하기 위한 일 예이며, 시스템 요구 조건에 따라 송신단의 출력 파워와 수신단의 노이즈 스펙이 달라질 수 있다. Referring to FIG. 2, an unmanned aerial vehicle (UAV) is used as an example of a moving object. The base station corresponds to the
표 1의 PHY 파라미터로 30km 커버리지를 보장하기 위해, 신호대 잡음비 마진이 23.7dB 정도 되는 것을 확인할 수 있다. 그러므로 통신 모뎀에서는 신호대 잡음비가 이 마진 보다 작도록 설계되어야 한다. In order to guarantee 30 km coverage with the PHY parameter shown in Table 1, it can be seen that the signal-to-noise margin margin is about 23.7 dB. Therefore, in a communication modem, the signal-to-noise ratio should be designed to be smaller than this margin.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 기지국과 이동체 간에 형성되는 상향링크의 링크 버짓을 나타낸 도면이다.3 is a diagram illustrating a link budget of an uplink formed between a base station and a moving object in a high-speed communication system using a minimum interference relaying method according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 이동체의 예로 무인 항공기(UAV)가 사용되었다. 기지국은 도 1의 정보타겟 노드(113)에 해당하고, 무인 항공기는 이동체(121)에 해당한다. 도 3의 경우 무인 항공기에서 기지국으로 데이터를 전송하는 경우의 링크 버짓이다. 링크 버짓(Link Budget)은 링크에서 통신을 수행하는데 필요한 송신단과 수신단의 스펙을 나타낸다. 도 3의 링크 버짓은 최대 30km 통신 커버리지를 지원하기 위한 일 예이며, 시스템 요구 조건에 따라 송신단의 출력 파워와 수신단의 노이즈 스펙이 달라질 수 있다. Referring to FIG. 3, an unmanned aerial vehicle (UAV) is used as an example of a moving object. The base station corresponds to the
표 1의 PHY 파라미터로 30km 커버리지를 보장하기 위해, 신호대 잡음비 마진이 23.7dB 정도 되는 것을 확인할 수 있다. 그러므로 통신 모뎀에서는 신호대 잡음비가 이 마진 보다 작도록 설계되어야 한다.
In order to guarantee 30 km coverage with the PHY parameter shown in Table 1, it can be seen that the signal-to-noise margin margin is about 23.7 dB. Therefore, in a communication modem, the signal-to-noise ratio should be designed to be smaller than this margin.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 사용할 수 있는 우리나라의 TV 화이트 스페이스를 나타낸 도면이다.4 is a diagram illustrating the TV whitespace in Korea that can be used in a high-speed communication system using a minimum interference relaying method according to an embodiment of the present invention.
도 4를 참조하면, TV화이트 스페이스의 예들(410, 420, 430, 440, 450)이 표시되어 있다. 우리 나라의 경우 국토가 작고 TV의 주파수 대역 점유 빈도가 높아서 상대적으로 TV화이트 스페이스가 적지만, 외국 (특히 미국 등)의 경우는 화이트 스페이스가 많다. 도 4는 지상의 주파수를 대상으로 2차원으로 도시되어 있지만, 3차원으로 도시하면 각 원이 구 모양으로 그려지고 지상에서 멀어질수록 화이트 스페이스가 많아지도록 표현될 수 있다.
Referring to FIG. 4, examples of TV
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 하이브리드 빔포밍을 수행하는 예를 나타낸 도면이다. 5 is a diagram illustrating an example of performing hybrid beamforming in a high-speed communication system using a minimum interference relaying scheme according to an embodiment of the present invention.
도 5를 참조하면, 기지국(Base Station)과 무인항공기(UAV3)가 형성하는 빔폭(510)과 무인항공기(UAV2)와 모바일 단말(MT, Mobile Terminal)이 형성하는 빔폭(530)은 무인항공기(UAV3)와 무인항공기(UAV2)가 형성하는 빔폭(520)보다 폭이 좁다. 즉, 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템은 좁은 빔폭(510, 53)과 넓은 빔폭(520)을 혼합하여 사용하기 때문에, 하이브리드 빔포밍을 수행한다고 볼 수 있다.5, the
기지국(Base Station)과 무인항공기(UAV3)는 24MHz의 좁은 대역폭에서, 64QAM 방식의 높은 변조 방식을 사용하고, 무인항공기(UAV3)와 무인항공기(UAV2)는 120MHz의 넓은 대역폭에서 S-QPSK 방식의 낮은 변조 방식을 사용한다. 무인항공기(UAV2)와 모바일 단말(MT)도 24MHz의 좁은 대역폭에서, 64QAM 방식의 높은 변조 방식을 사용한다. The base station and the UAV3 use a high modulation scheme of 64QAM at a narrow bandwidth of 24MHz and the UAV3 and the UAV2 use S-QPSK at a wide bandwidth of 120MHz. Use a low modulation scheme. Unmanned aircraft (UAV2) and mobile terminal (MT) also use a high modulation scheme of 64QAM in a narrow bandwidth of 24MHz.
장거리 통신에서 채널에 미치는 간섭 신호로 인해 인트라 네트워크의 스루풋이 감소하는 것을 방지하기 위해, 이동체는 인트라 네트워크로부터 간섭 신호가 감지되지 않고, 이동체가 송신하는 신호가 인트라 네트워크에 포함되는 통신 장치에 간섭을 일으키지 않는 위치로 이동하여, 고속 무선 통신함으로써 인트라 네트워크의 스루풋을 유지할 수 있다. In order to prevent the intra-network throughput from decreasing due to the interference signal on the channel in the long-distance communication, the mobile unit does not detect the interference signal from the intra-network and the signal transmitted by the mobile unit interferes with the communication apparatus included in the intra- So that the throughput of the intra network can be maintained by high-speed wireless communication.
인트라 네트워크의 정보소스 노드/정보타겟 노드와 이동체 사이에는 좁은 채널에서 높은 변조 방식을 사용하여 데이터를 전송하고, 이동체와 이동체간에는 넓은 채널에서 낮은 변조 방식을 사용하여 데이터를 전송함으로써 높은 스루풋을 갖는 통신 링크가 형성될 수 있다.The information source node / information target node of the intra network transmits data using a high modulation method in a narrow channel between the mobile node and the moving object, and transmits data using a low modulation method in a wide channel between the moving object and the mobile object, A link can be formed.
이동체는 다른 통신 장치에 간섭을 일으키지 않는 위치를 2차원 평면에서 찾을 수도 있지만, 3차원 공간에서 높은 고도로 이동하여 찾을 수도 있다.The moving object can find a position that does not cause interference with another communication device in a two-dimensional plane, but it can also be searched at a high altitude in a three-dimensional space.
좁은 채널에서 높은 변조 방식을 사용하기 위해 보다 좁은 빔폭을 갖는 빔 형태의 통신 방식이 이용될 수 있다. 빔이 좁을수록 주위의 다른 무선 통신 장치에 미치는 간섭의 영향이 감소하기 때문이다. 하지만 빔이 좁을수록 이동체에 대한 빔 포인팅과 트랙킹(beam pointing and tracking)이 어려워지고 링크의 연결이 불안정해질 확률이 높아진다. 그러므로 위치가 고정된 기지국과 무인항공기(UAV3) 간, 모바일 단말(MT)과 무인항공기(UAV2) 간에는 좁은 대역폭을 사용하여 빔 폭이 좁고 높은 차수의 변조 방식을 사용하여 고속의 전송을 하고, 무인항공기(UAV3)와 무인항공기(UAV2) 간에는 넓은 대역폭에서 빔 폭이 상대적으로 넓고 낮은 차수의 변조 방식을 사용하여 고속의 전송을 가능하게 한다.In order to use a high modulation scheme in a narrow channel, a beam-type communication scheme with a narrower beam width can be used. The narrower the beam, the less the effect of interference on other nearby wireless communication devices. However, the narrower the beam, the more difficult it is to beam pointing and tracking the moving object, and the more likely the link becomes unstable. Therefore, a high-speed transmission is performed using a narrow beam width and a high-order modulation scheme using a narrow bandwidth between a fixed base station and an unmanned air vehicle (UAV3), between a mobile terminal (MT) and an unmanned air vehicle (UAV2) Between aircraft (UAV3) and unmanned aerial vehicle (UAV2), the beam width is relatively wide in a wide bandwidth, and a high-speed transmission is possible using a low-order modulation method.
빔포밍은 안테나에서 방사된 에너지가 특정한 방향을 따라서 집중적으로 방사되는 정보 전송 방식이다. 빔포밍의 목적은 원하는 방향으로부터 신호를 수신하거나 원하는 방향으로 신호를 전달하는 것이다. 전 방향으로 방사 빔을 형성하는 전방향 안테나 대신, 특정 노드에게만 지향성 빔을 방사하게 함으로써, 빔 폭 밖에서 활동하는 다른 노드들에게 미치는 간섭의 영향을 최소화하여 통신 품질이 좋아지고 채널 용량이 증가할 수 있다. Beamforming is an information transmission method in which energy radiated from an antenna is radiated intensively along a specific direction. The purpose of beamforming is to receive a signal from a desired direction or to transmit a signal in a desired direction. By emitting a directional beam only to a specific node instead of an omnidirectional antenna forming an omni-directional beam, the influence of interference on other nodes operating outside the beam width is minimized, thereby improving communication quality and increasing channel capacity have.
일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템은 이동 통신 노드가 밀집된 인트라 네트워크에서는 좁은 대역폭에서 빔폭이 좁게 전송하고, 인트라 네트워크 밖의 릴레이 노드 간에는 넓은 대역에서 보다 넓은 빔폭을 사용하여 정보를 전송한다. In a high-speed communication system using a minimum interference relaying scheme according to an exemplary embodiment, a beam width is narrowly transmitted in a narrow bandwidth in an intranet network in which mobile communication nodes are dense, and a wide beam width is used in a wide band between relay nodes outside the intra- do.
이러한 하이브리드 빔포밍이 효과적인 이유는 다음과 같다. 1) 이동 통신 노드가 밀집한 지역일수록 간섭에 의한 채널 용량 저하가 심해지기 때문에 빔폭을 좁게 하는 것이 유리하고, 다수의 이동 통신 노드가 대역폭을 점유하기 위한 경쟁을 더 심하게 할 것이므로 좁은 대역폭을 사용하는 것이 유리하다. 2) 이동 통신 노드가 밀집하지 않은 지역에서는 빔폭과 대역폭에 여유가 생긴다. 다만 지상의 정보소스 노드/정보타겟 노드와 릴레이 노드간에는 빔 포인팅과 빔 트랙킹이 어느 정도 용이하지만, 두 개의 릴레이 노드간의 빔 포인팅과 빔 트랙킹은 훨씬 어려워진다. 2개의 릴레이 노드 모두 동적으로 움직이고 있기 때문이다. 그러므로 2 개의 릴레이 노드간에 안정적인 링크 연결을 위해서는 빔 폭을 넓히는 것이 유리하고, 정보소스 노드/정보타겟 노드와 릴레이 노드 간의 통신 거리 보다 더 먼 거리에서 통신을 해야 하므로 고속의 스루풋을 제공하기 위해 보다 넓은 대역폭을 할당해야 한다.
The reason why such hybrid beam forming is effective is as follows. 1) It is advantageous to narrow the beam width because the channel capacity deterioration due to the interference becomes worse as the mobile communication node is concentrated, and since many mobile communication nodes will compete more to occupy the bandwidth, It is advantageous. 2) In areas where mobile communication nodes are not concentrated, there is room for beam width and bandwidth. However, beam pointing and beam tracking between the information source node / information target node and relay node on the ground are somewhat easy, but beam pointing and beam tracking between two relay nodes becomes much more difficult. This is because both relay nodes are moving dynamically. Therefore, it is advantageous to widen the beam width for stable link connection between two relay nodes, and communication must be performed at a distance far greater than the communication distance between the information source node / information target node and the relay node. Therefore, You must allocate bandwidth.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템을 적용한 도면이다.6 to 10 are views illustrating a high-speed communication system using a minimum interference relaying method according to an embodiment of the present invention.
도 6을 참조하면, 무인 항공기를 여러 개 사용하여 통신 링크를 복수개 형성할 수 있다. 복수개의 통신 링크들 중에서, 링크 품질이 우수한 통신 링크를 사용함으로써, 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템의 스루풋이 향상될 수 있다. 기지국과 무인항공기(UAV3a) 간, 기지국과 무인항공기(UAV3b) 간에 통신 링크가 형성될 수 있다. 무인항공기(UAV3a)와 무인 항공기(UAV2a)간, 무인항공기(UAV3b)와 무인항공기(UAV2b)간에 통신 링크가 형성될 수 있다. 모바일 단말(MT)과 무인항공기(UAV2a) 간, 모바일 단말(MT)과 무인항공기(UAV2b) 간에 통신 링크가 형성될 수 있다. 기지국에서 2 개의 통신 링크들의 링크 품질(간섭 정도, 신호대 잡음비 등)을 측정하고, 링크 품질이 우수한 통신 링크를 결정할 수 있다. 모바일 단말(MT)에서 2개의 통신 링크들의 링크 품질을 측정하고, 링크 품질이 우수한 통신 링크를 결정할 수 있다.Referring to FIG. 6, a plurality of communication links can be formed by using a plurality of UAVs. By using a communication link having excellent link quality among a plurality of communication links, the throughput of a high-speed communication system using the minimum interference relaying scheme according to an embodiment can be improved. A communication link can be formed between the base station and the UAV 3 a, and between the base station and the UAV 3 b. A communication link can be formed between the UAV 3a and the UAV 2a and between the UAV 3b and the UAV 2b. A communication link can be established between the mobile terminal MT and the UAV 2a, and between the mobile terminal MT and the UAV 2b. The link quality (interference level, signal-to-noise ratio, etc.) of the two communication links at the base station can be measured, and a communication link with excellent link quality can be determined. It is possible to measure the link quality of two communication links in the mobile terminal MT and to determine a communication link with excellent link quality.
도 7을 참조하면, 기지국(Base Station)은 무인항공기(UAV3a) 및 무인항공기(UAV2a)를 릴레이노드로 하여 모바일 단말(MT)로 데이터를 전송할 수 있다. 기지국은 무인항공기(UAV3a) 및 무인항공기(UAV2a)의 사용이 어려운 경우, 무인항공기(UAV3b) 및 무인항공기(UAV2c)를 릴레이노드로 하여 모바일 단말(MT)로 데이터를 전송할 수 있다. 기지국은 무인항공기(UAV3a) 및 무인항공기(UAV2a)의 사용이 어려운 경우, 무인항공기(UAV3c) 및 무인항공기(UAV2b)를 릴레이노드로 하여 모바일 단말(MT)로 데이터를 전송할 수 있다. Referring to FIG. 7, a base station can transmit data to a mobile terminal MT using a UAV 3a and a UAV 2a as a relay node. The base station can transmit data to the mobile terminal MT using the UAV 3b and the UAV 2c as relay nodes when the UAV 3 a and the UAV 2 a are difficult to use. The base station can transmit data to the mobile terminal MT using the UAV 3c and the UAV 2b as relay nodes when the UAV 3 a and the UAV 2 a are difficult to use.
또한 무인항공기(UAV3a) 대신 무인항공기(UAV3b), 무인항공기(UAV3c)가 릴레이 노드로 대체되어 사용될 수도 있다. 무인항공기(UAV2a) 대신 무인항공기(UAV2b), 무인항공기(UAV2c)가 릴레이 노드로 대체되어 사용될 수도 있다. 기지국은 협력통신을 수행할 수 있다.Also, instead of the UAV3a, UAV3b and UAV3c may be replaced with relay nodes. Unmanned aircraft (UAV2a), UAV2b, and UAV2c may be replaced with relay nodes. The base station can perform cooperative communication.
도 8을 참조하면, 중앙 집중적인 정보 취합 시스템에서 일부 서브 네트워크(820)의 트래픽에 과부하가 발생할 경우, 본 발명의 이동체(830, 840)가 트래픽을 분산시키는 수단으로 사용될 수 있다. 즉, 인접한 정보 취합 시스템(810)으로 트래픽을 분산시켜, 사용자가 느끼는 서비스 품질의 저하 없이 시스템의 성능이 유지될 수 있다.Referring to FIG. 8, when an overload occurs in traffic of some
도 9를 참조하면, 통상적으로 무선 센서 네트워크에서는 센서의 위치가 비정규적으로 분포되어 있고, 센서들은 저전력 구조로 설계되어 센서의 정보를 취합하기 위한 인프라 구축 비용이 많이 소비된다. 본 발명의 이동체를 이용하면, 이동체가 이동하며 무선 센서 네트워크(910)로부터 수집한 정보를 고속으로 전송할 수 있다. 무인항공기에 의해 무선 센서 네트워크(910)로부터 수집된 정보는 기지국(Base Station)으로 전달되고, 기지국은 무인항공기(UAV2)를 릴레이 노드로 사용하여, 무인항공기(UAV1)로 정보를 전달할 수 있다. 무인항공기(UAV1)는 전달 받은 정보를 무선 센서 네트워크(920)로 전송할 수 있다. 또한, 무인항공기(UAV1)는 무선 센서 네트워크(920)로부터 정보를 수집하고, 무인항공기(UAV2)를 릴레이 노드로 사용하여, 기지국으로 정보를 전달할 수 있다.Referring to FIG. 9, in a wireless sensor network, the positions of the sensors are normally distributed irregularly, and the sensors are designed with a low power structure, and the infrastructure construction cost for collecting the sensor information is consumed. By using the moving object of the present invention, the moving object can move and transmit information collected from the
도 10을 참조하면, 본 발명의 이동체는 군사 목적으로 원거리에 존재하는 적지의 통신 수단을 무력화시키기 위한 잡음 발생기로 동작할 수 있다. 무인 항공기(UAV1)(1010)는 무인항공기(UAV2)를 릴레이 노드로 하여 기지국으로부터 전송된 신호의 제어에 따라, 적지의 통신 장치가 위치한 영역에 재밍(jamming) 신호를 전송할 수 있다.Referring to FIG. 10, the moving object of the present invention can operate as a noise generator for disabling a remote communication means at a remote location for military purposes. The unmanned air vehicle (UAV1) 1010 can transmit a jamming signal to an area where a communication device is located according to the control of a signal transmitted from the base station, using the UAV2 as a relay node.
본 발명을 이용하면 원거리에 위치한 노드와 고속 통신이 가능하다. 본 발명은 이동체가 더 넓은 대역폭을 사용할 수 있는 위치(높은 고도, 혹은 간섭의 영향이 적은 지역)로 이동하여 넓은 대역폭으로 고속의 원거리 전송을 하고, 통신 장치가 밀집된 지역의 정보소스 노드와 정보타겟 노드와는 좁은 대역폭의 방향성 안테나를 사용하여 고속 전송을 한다. The present invention enables high-speed communication with a node located at a remote location. The present invention relates to a method and apparatus for moving a mobile body to a position where a wider bandwidth can be used (a high altitude or an area in which interference is less affected) to perform high-speed remote transmission over a wide bandwidth, The node uses a directional antenna with a narrow bandwidth to perform high-speed transmission.
그리고 본 발명은 원거리 무선 전송의 경우 안테나의 높이와 주변 장치에 간섭을 동시에 고려해야 하는데, 한 홉 전송이 가능한 거리까지 이동하여 데이터를 전송하거나 간섭이 발생하지 않은 위치까지 이동하여 데이터를 전송할 수 있다. In the case of the long-distance wireless transmission, the height of the antenna and the interference to the peripheral device must be considered at the same time, and the data can be transmitted by moving to a distance capable of one-hop transmission or moving to a position where no interference occurs.
또한 본 발명은 다중 노드를 사용하여 다중 노드 다이버시티 효과를 얻을 수도 있는데, 이것은 릴레이 노드들과 정보소스 노드, 정보타겟 노드 간에 링크 품질 정보를 공유하여 링크 품질이 좋은 링크를 선택적으로 사용함으로써 가능해진다.Further, the present invention can obtain a multi-node diversity effect using multiple nodes, which is possible by selectively using a link with good link quality by sharing link quality information between relay nodes, an information source node, and an information target node .
본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. The methods according to embodiments of the present invention may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be those specially designed and constructed for the present invention or may be available to those skilled in the art of computer software.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. This is possible.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.
Claims (1)
기 설정된 데이터 전송속도 및 신호 품질에 적합한 채널을 검색하기 위해 이동하며, 상기 정보소스 노드로부터 상기 정보타겟 노드로 데이터를 중계 전송하기 위해 정보 전송 링크를 형성하는 하나 이상의 이동체를 포함하고,
상기 정보소스 노드와 상기 이동체 사이 및 상기 정보타겟 노드와 상기 이동체 사이에는 대역폭이 좁은 채널에서 좁은 빔폭을 이용하여 상기 데이터를 송수신하고,
상기 이동체가 두 개 이상인 경우에 이동체들 간에는 넓은 채널에서 넓은 빔폭을 이용하여 상기 데이터를 송수신하는
최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템.An intra-network including an information source node for transmitting data and an information target node for receiving data; And
The mobile node moves to search for a channel suitable for a predetermined data transmission rate and signal quality and includes at least one moving object forming an information transmission link for relaying data from the information source node to the information target node,
And transmitting and receiving the data using a narrow beam width between the information source node and the mobile object, and between the information target node and the mobile object,
In the case where there are two or more moving objects, the mobile station transmits and receives the data using a wide beam width in a wide channel
High - speed communication system using minimum interference relaying method.
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Cited By (2)
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WO2018204816A1 (en) * | 2017-05-05 | 2018-11-08 | Intel IP Corporation | Methods and arrangements to signal for aerial vehicles |
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