KR101023274B1

KR101023274B1 - 셀룰러 통신을 위한 채널 정보 피드백 시스템 및 방법

Info

Publication number: KR101023274B1
Application number: KR1020050051972A
Authority: KR
Inventors: 조성현; 윤상보; 로버트 더블유 히스; 타이웬 탕
Original assignee: 더 보드 오브 리전츠 오브 더 유니버시티 오브 텍사스 시스템; 삼성전자주식회사
Priority date: 2005-04-20
Filing date: 2005-06-16
Publication date: 2011-03-18
Also published as: US7693100B2; CN1909437A; US20060256805A1; KR20060111236A; CN1909437B

Abstract

본 발명은 접속 노드에게 채널 정보를 피드백하는, 복수 개의 단말들을 포함하는 셀룰러 통신 시스템에서 적응적 피드백 방법에 있어서, 시스템 파라미터들을 기반으로 적어도 두 개의 피드백 모드들 중 하나를 선택하는 과정과; 상기 선택된 피드백 모드를 위한 상기 접속 노드와 상기 단말들을 설정하는 과정과; 상기 선택된 피드백 모드에서 상기 단말들로부터 상기 접속 노드에게 채널 정보를 피드백하는 과정을 포함하며; 상기 피드백 모드들은 피드백 리소스들이 상기 단말들에게 할당되는 방법을 정의하며; 상기 선택하는 과정은, 상기 시스템 파라미터들을 분석하는 과정과, 상기 시스템 파라미터들로부터 모드 선택 파라미터를 계산하는 과정과, 상기 모드 선택 파라미터를 적어도 하나의 미리 결정된 임계값과 비교하는 과정과, 상기 비교 결과를 기반으로 상기 적어도 두 개의 피드백 모드들 중 하나를 선택하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

피드백, 채널 상태 정보, 셀룰러 시스템

Description

셀룰러 통신을 위한 채널 정보 피드백 시스템 및 방법{CHANNEL INFORMATION FEEDBACK SYSTEM AND METHOD FOR CELLULAR COMMUNICATION}

도 1은 본 발명의 적응적 피드백 시스템을 도시한 개략적인 구성도;

도 2는 FDD와 같은 비 왕복 (non-reciprocal) 시스템을 위한 상향 및 하향 프레임 구조를 보인 도면;

도 3은 도 1의 기지국을 더욱 상세히 설명하기 위한 구성도;

도 4는 도 1의 각 단말의 구조를 더욱 상세히 설명하기 위한 구성도;

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 적응적 피드백 방법을 설명하기 위한 순서도;

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 측에서의 기회모드의 수행과정을 설명하기 위한 순서도;

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단말 측에서의 기회모드 수행과정을 설명하기 위한 순서도;

도 8은 본 발명의 적응적 피드백 방법에 적용 가능한 전용채널 모드의 프레임 구조를 보인 도면;

도 9는 본 발명의 적응적 피드백 방법에 적용 가능한 기회모드의 프레임 구 조를 보인 도면;

도 10은 본 발명의 적응적 피드백 방법에 적용 가능한 케리어 센싱 랜덤 백오프 (random backoff with carrier sensing) 모드의 프레임 구조를 보인 도면;

도 11은 본 발명의 적응적 피드백 방법에 적용 가능한 폴링모드의 프레임 구조를 보인 도면; 그리고

도 12는 본 발명의 적응적 피드백 방법에 적용 가능한 코디네이티드 모드의 프레임 구조를 보인 도면이다.

본 발명은 셀룰러 통신 시스템에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 사용자 단말들로부터 효과적으로 채널 정보를 수집하기 위한 셀룰러 통신을 위한 채널 정보 피드백 방법에 관한 것이다.

최근의 셀룰러 통신 네트워크는 기지국과 다수의 사용자 단말 간의 고속 데이터 전송을 지원한다. 이와 같이 고속의 데이터 전송을 지원하는 시스템을 위해서는 기지국으로부터 사용자 단말로의 높은 채널 용량이 요구된다. 시스템 용량을 개선하기 위한 메커니즘으로 채널 상태 정보를 기반으로 한 사용자 단말에 대한 전송 스케줄링이 이용되고 있다. 다중 사용자 다이버시티로 알려져 있는 전송 스케줄링 방식에서는 사용자 단말의 채널 상태가 양호한 경우에 사용자 단말로 데이터를 전 송한다. 그러나, 다수의 사용자 단말로부터 채널 정보를 피드백 받기 위한 상향링크 채널 자원이 한정되어 있기 때문에, 실제로 다수의 단말들로부터 채널 정보를 수집하는 것은 쉬운 일이 아니다.

다중 사용자 다이버시티 기법의 하나로 제안된 기회 빔포밍 (opportunistic beamforming) 방법은 셀룰러 시스템에서 채널 상태 정보를 기반으로 한 스케줄링과 함께 구현된다. 기회 빔형성 방법은 각 사용자 단말로부터의 완벽한 채널 정보 수신을 가정한다. 기회 빔형성 방법에서 다중 사용자 다이버시티 이득은 시스템 내의 활성화 된 단말 (active user)의 수에 따라 증가하게 되지만, 기지국으로 피드백 되어야 하는 정보량 또한 사용자 단말의 수에 따라 증가하게 된다.

또 다른 다중 사용자 다이버시티를 이용하기 위한 방법으로 임계치 기반의 피드백 메커니즘이 제안된 바 있으나, 이 방식에서도 역시 피드백 정보량은 전체 사용자 단말의 수에 비례하여 증가한다.

상향링크 다중 접속 채널을 위한 기회 분할 알고리즘이 제안된 바 있으나, 시스템 전체 수준에서의 다중 사용자 피드백 증가 문제를 해결하지는 못하며 하향링크 다중 사용자 스케줄링에 직접 적용할 수 없는 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 문제를 해결하기 위해 창안된 것으로, 본 발명의 목적은 시스템 환경 변화에 대해 적응적으로 피드백 방식을 변경함으로써 시스템 확장성(scalability)을 증가시킬 수 있는 채널 정보 피드백 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 채널 정보를 효율적으로 수집함으로써 수집된 채널정보를 기반으로 하는 스케줄링의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 채널 정보 피드백 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 효율적인 채널 정보 수집 및 이에 따른 스케줄링 신뢰성을 통해 전체 시스템 성능을 향상시킬 수 있는 채널 정보 피드백 시스템 및 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에서 제안하는 방법은, 접속 노드에게 채널 정보를 피드백하는, 복수개의 단말들을 포함하는 셀룰러 통신 시스템에서 적응적 피드백 방법에 있어서, 시스템 파라미터들을 기반으로 적어도 두 개의 피드백 모드들 중 하나를 선택하는 과정과; 상기 선택된 피드백 모드를 위한 상기 접속 노드와 상기 단말들을 설정하는 과정과; 상기 선택된 피드백 모드에서 상기 단말들로부터 상기 접속 노드에게 채널 정보를 피드백하는 과정을 포함하며; 상기 피드백 모드들은 피드백 리소스들이 상기 단말들에게 할당되는 방법을 정의하며; 상기 선택하는 과정은, 상기 시스템 파라미터들을 분석하는 과정과, 상기 시스템 파라미터들로부터 모드 선택 파라미터를 계산하는 과정과, 상기 모드 선택 파라미터를 적어도 하나의 미리 결정된 임계값과 비교하는 과정과, 상기 비교 결과를 기반으로 상기 적어도 두 개의 피드백 모드들 중 하나를 선택하는 과정을 포함한다.

본 발명에서 제안하는 시스템은, 셀룰러 통신을 위한 적응적 피드백 시스템에 있어서, 시스템 파라미터들로부터 획득한 모드 선택 파라미터를 기반으로 적어도 두 개의 피드백 모드들 중 하나를 선택하는 접속 노드와; 상기 선택된 피드백 모드를 기반으로 채널 정보를 피드백하는 다수의 단말들을 포함하며; 상기 피드백 모드들은 피드백 리소스들이 상기 단말들에게 할당되는 방법을 정의하며; 상기 접속 노드는: 상기 단말들에 대한 서비스들을 스케줄링하고 상기 서비스들과 관련된 채널 정보 및 트래픽 정보를 기반으로 서비스율들을 결정하는 스케줄러와; 상기 선택된 피드백 모드를 제어하기 위한 피드백 제어 신호를 생성하는 중앙 피드백 제어기를 포함하고, 상기 중앙 피드백 제어기는; 상기 모드 선택 파라미터를 임계값과 비교하고, 상기 비교 결과를 기반으로 상기 피드백 모드를 선택하는 모드 선택기와; 상기 모드 선택기에 의해 선택된 피드백 모드와 관련된 제어 파라미터들을 최적화하는 최적화기를 포함한다.

삭제

이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 적응적 피드백 방법 및 장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

본 발명의 적응적 피드백 시스템에서는 기지국에 설치되는 중앙 피드백 제어기와 각 단말에 설치되는 지역 피드백 제어기가 도입된다. 이들 피드백 제어기들은 피드백 데이터를 전송할 수 있는 단말의 수를 제한하도록 동작한다. 단말이 기지국으로 채널 정보를 피드백 하는 절차는 다양한 방식으로 조율된다. 본 발명에서는 현재 채널 상태에 대한 정보를 포함한 피드백 정보를 기반으로 여러가지 피드백 메커니즘들 중 하나를 선택하여 피드백 동작을 수행한다. 또한, 랜덤 접속 제어 채널을 이용하는 새로운 랜덤 접속 방식을 통해 단말들은 채널 정보를 효율적으로 기지국에 전송한다.
도 1은 본 발명의 적응적 피드백 시스템을 도시한 개략적인 구성도로서, 서로 다른 사용자 단말들 (110, 120, 130, 140)로 전송될 외부 트래픽이 기지국 (100)에 의해 수신되어 처리되고, 이렇게 처리된 트래픽은 단말 별로 스케줄링 된 프레임에 의해 특정 전송률로 하향링크 채널을 통해 서비스된다.

삭제

상기 기지국 (100)은 미리 정해진 스케줄링 규칙에 따라 피드백 정보와 트래픽 정보를 기반으로 단말들에 대한 서비스를 스케줄링하고 서비스 품질(service rate) 을 결정한다. 상기 기지국 (100)은 스케줄링 정책 및 순위 등을 결정하기 위해 단말들 (110, 120, 130, 140)에 대한 채널 상태 정보를 요구한다.

채널 상태 정보를 피드백 하기 위해서, 각 스케줄링 프레임 전단에 단말들 (110, 120, 130, 140)에 대한 피드백 채널이 할당된다. 이러한 채널 정보의 잦은 피드백은 주파수 분할 이중화 (frequency division duplex: FDD)와 같은 비왕복성의 채널을 사용하는 시스템에서 요구된다. 피드백 채널은 단말 (110, 120, 130, 140)과 기지국 (100) 사이의 채널 정보를 전송하기 위해 사용되는 논리적 제어 채널이다. 일반적으로, 이러한 피드백 채널은 도 2에 도시된 바와 같이 하향링크와 상향링크 프레임들 (21, 23) 내에서 다수의 미니슬롯들로 구성되는 시구간을 의미한다. 하향링크로는 피드백 미니슬롯들 (220)에 앞서 피드백 제어 메시지 (210)가 방송된다. 피드백 채널은 미니슬롯에 한정되는 것이 아니고, 전용 주파수 밴드가 될 수도 있으며, CDMA 시스템의 코드화된 채널, 또는 OFDM 시스템에서의 주파수 톤들이 될 수도 있다.

본 실시예에서는 FDD 기반의 시스템을 일 예로 설명하고 있으나 이에 한정되지 않으며 TDD나 하이브리드 이중화 기법 같은 이중화 방식을 기반으로 하는 시스템에 적용하는 것도 가능하다.

도 3은 도 1의 기지국을 더욱 상세히 설명하기 위한 구성도이다. 도 3에서, 서로 다른 단말들에 대한 외부 트래픽이 도착하며 이들 트래픽은 기지국 (100)의 해당 큐들 (10-1, 10-2, 10-n)에 임시 저장된다. 상기 기지국 (100)은 스케줄링 규칙에 따라 피드백 정보와 트래픽 정보를 기반으로 스케줄링하고 서비스 품질(service rate)을 결정하기 위한 스케줄러 (103)와 피드백 동작 제어를 위한 피드백 제어 메시지를 생성하는 중앙 피드백 제어기 (105)를 포함한다. 상기 스케줄러 (103)는 스케줄링 결정을 위한 데이터로서 단말들(110, 120, 130, 140)로부터의 채널 상태 정보를 요한다. 스케줄링 정책 및 순위는 큐 상태 정보와 상기 피드백 채널을 통해 패드 백 되는 사용자 단말들의 채널 정보에 의해 결정된다.

상기 중앙 피드백 제어기(105)는 피드백 모드를 결정하고 각 피드백 모드에서의 피드백 동작을 제어한다. 상기 중앙 피드백 제어기 (105)는 상기 스케줄러 (103) 상호 동작하여 피드백 채널을 제어한다. 상기 중앙 피드백 제어기 (105)에 대한 입력 데이터는 시스템 정보, 트래픽 정보, 그리고 스케줄링 원리에 대한 지식 등을 포함한다. 상기 시스템 정보는 시스템의 동작 상태를 나타내는 정보로서 활성 단말의 수, 전송신호의 신호대잡음비(signal to noise ratio: SNR), 단말들의 채널 상태 변화 (예를 들어, 분산 정보)에 대한 사전 지식 등을 포함한다.

상기 중앙 피드백 제어기 (105)는 피드백 모드를 선택하기 위한 모드선택기 (107)와 선택된 피드백 모드의 피드백 파라미터들을 능동적으로 최적화 하기 위한 최적화기 (109)로 구성된다. 상기 중앙 피드백 제어기 (105)의 피드백 모드 및 피드백 파라미터 선택 결정은 트래픽 정보와 시스템 정보를 기반으로 한다. 일단 피드백 모드가 선택되면, 상기 기지국은 피드백 모드 정보를 모든 단말 (110, 120, 130, 140)에게 방송하고 트래픽 및 시스템 정보에 따라 피드백 파라미터들을 능동적으로 조절하며, 피드백 파라미터들을 피드백 제어 메시지에 실어서 단말들로 방송한다. 상기 피드백 모드 정보와 피드백 파라미터들은 동일한 피드백 제어 메시지에 포함될 수도 있다.

상기 모드선택기(107)는 상기 트래픽 정보와 시스템 정보를 참조하여 피드백 모드를 결정하며 상기 중앙 피드백 제어기 (105)에 대한 모든 입력 정보는 모드 선택 결정을 위해 상기 모드선택기(107)에 제공된다. 상기 시스템 정보와 트래픽 정보는 모드 선택을 위한 트레이드오프 (tradeoff) 파라미터를 설정하는 기준이 된다.

모드 선택을 위해서 상기 트래픽 정보와 시스템 정보 그리고 트레이드오프 파라미터를 고려하여 얻어지는 모드 선택 파라미터의 미리 정해진 값들을 대응하는 피드백 모드들과 매핑 시킨 참조테이블을 이용하는 것이 바람직하다. 활성 단말의 수, 피드백 미니슬롯의 수, 그리고 트레이드오프 파라미터 등의 상기 참조 테이블에 대한 입력 파라미터들로부터 구해진 모드 선택 파라미터를 검사하여 대응하는 피드백 모드는 참조테이블에서 선택된다. 이러한 참조 테이블은 시스템이 전개되기 전에 오프라인 시뮬레이션이나 분석을 통해 설계될 수 있다. 상기 파라미터들 간의 관계 역시 시뮬레이션이나 분석을 통해 얻을 수 있다. 상기 파라미터들은 입력된 그대로 모드 선택을 위해 사용될 수도 있다.

일단 상기 모드선택기 (107)에 의해 피드백 모드가 선택되면 상기 최적화기 (109)는 미리 정해진 성능 기준 하에 선택된 피드백 모드와 관련 있는 제어 파라미터들을 최적화 시킨다.

도 4는 도 1의 각 단말의 구조를 더욱 상세히 설명하기 위한 구성도이다. 도 1에서 보는 바와 같이, 상기 단말은 수신 신호 처리기 (150)와 상기 기지국 (100)으로부터 방송되는 피드백 제어 메시지에 따라 피드백 모드를 설정하는 지역 피드백 제어기 (170)를 포함한다. 피드백 정보 (채널 상태 정보)는 채널 추정 알고리즘을 통해 상기 수신 신호 처리기 (150)에 의해 생성된다.

상기 지역 피드백 제어기 (170)는 지역 모드 선택기 (173)와 파라미터 선택기 (175)를 포함한다. 상기 지역 모드 선택기 (173)는 상기 기지국(100)으로부터 수신되는 피드백 제어 메시지(메시지 피드백 모드 정보)에 따라 피드백 모드를 결정하고 상기 파라미터 선택기(175)는 상기 피드백 제어 메시지(피드백 파라미터)에 따라 선택된 피드백 모드에서 사용될 파라미터들을 선택하게 된다. 한편 상기 피드백 정보는 선택된 모드와 파라미터들과 함께 피드백 데이터 패키지에 포함되어 선택된 피드백 모드의 동작에 따라 기지국 (100)으로 전송된다. 상기 패키징 동작은 채널 상태 정보의 양자화, 패키지 헤더 추가, 오류 코딩 등의 프로세스를 포함한다.

피드백 모드는 피드백 채널을 할당하고 활용하는 메커니즘으로 정의할 수 있으며, 특히 피드백을 위한 자원이 각기 다른 사용자 단말들에 할당되고 각 단말이 할당된 장원을 통해 피드백 정보를 전송하는 방법을 규정한다. 피드백 모드들은 피드백 채널의 구현 방식들이라 할 수 있다.

다시 말해, 각각의 피드백 모드는 각 단말에 대한 피드백 채널을 접속 메커니즘을 나타낸다. 각 피드백 모드 하에서 피드백 채널 상의 변수들은 미리 정해진 제어 파라미터들에 의해 결정된다. 이들 제어 파라미터들은 시스템 상태에 따라 피드백 채널의 효율을 개선하기 위해 조절될 수 있다.

이하, 상기와 같이 구성된 적응적 피드백 시스템의 동작을 더욱 상세하게 설명한다. 본 발명의 일 실시예에 따른 적응적 피드백 방법에서는 채널 정보를 피드백 하기 위해 기회모드(opportunistic mode)와 폴링모드(polling mode)를 예시적으로 적용한다. 이들 두 피드백 모드들 중 하나가 데이터를 전송하고자 하는 활성 단말의 수 ‘N’ 와 사용할 미니슬롯의 수 ‘K’를 기반으로 선택된다.

단말의 수가 적은 경우, 다시 말해

조건이 만족되는 경우, 시스템 용량 측면에서 기회모드 보다는 폴링모드를 선택하는 것이 바람직하다. 이 경우, 경쟁 기반의 기회모드는 폴링모드와 비교할 때 성능 손실을 야기시킨다. 그러나 단말의 수가 많은 경우, 다시 말해

조건이 만족되는 경우, 기회모드가 평균 시스템 용량 측면에서 폴링모드 보다 우수한 성능 이득을 제공한다.

이러한 기회모드의 성능 이득은 채널 전력 임계치와 단말의 채널 수를 기반으로 하는 랜덤 접속 확률 (random access probability)을 조절을 통해 얻을 수 있다. 여기서

는 트레이드오프 파라미터이다. 상기 트레이드오프 파라미터는 단말 의 수와 미니슬롯 수에 대한 함수로서 모드 스위칭 시점을 결정하며 시뮬레이션이나 분석을 통해, 또는 어림치로 결정될 수 있다. 본 실시예에서, 트레이드오프 파라미터는 시뮬레이션 과정을 통해 구해진다. 예를 들어, 시스템 용량(throughput)이 요구되는 성능 지표라면, 활성 단말(active terminal)의 수에 대한 함수로서 각 피드백 모드 별 전체 시스템 용량이 계산되어야 한다. 시뮬레이션 곡선들의 교차점들은 피드백 모드 전환 시점으로 결정된다. 한편, EMBED Equation.3

는 시스템 구현을 통해 결정될 수 있다. 이 경우, 시스템이 하나의 피드백 모드로 초기화되어 주기적으로 피드백 모드 전환을 수행하고,

의 최적 값은 전체 시스템 출력을 주기적으로 모니터링 하여 결정한다.

일단 피드백 메커니즘으로서 기회모드가 선택되면, 시스템 출력이 최대가 되도록 하기 위해 기회모드와 연관된 파라미터들을 최적화 한다.

기회모드에서, 채널 전력 임계치

와 랜덤 피드백 확률

는 최적화 파라미터들이고, 모든 활성 단말들에 대한 평균 전송률 합 (average sum rate)이 최적화 기준이 된다. 최적화 문제는

와

의 주어진 범위 조건에서

와

에 의해 매개변수화 된 장기 평균 전송률 합을 최대화 하는 것이다. 상기 최적화기 (107)는 최적화 문제를 풀기 위해 반복 최적화 알고리즘을 이용한다. 이러한 파라미터들은 오프라인 또는 온라인 연산을 통해 산출될 수 있다. 오프라인 계산의 경우 채널 통계의 사전 정보 요구하며 기대되는 시스템 출력을 최대화하는 것을 목표로 한다. 그러나 온라인 연산의 경우 주기적인 시스템 출력 측정을 기반으로 한

와

의 폐 루프 갱신을 통해 구현된다.

상기 오프라인 방식은 장기 평균 시스템 출력을 최대화 하기 위한 최적화 절차를 통해 구현된다. 본 발명의 적응적 피드백 방법에서의 평균 시스템 출력 공식은 채널 변수 통계, 스케줄링 규칙, 그리고 활성 단말의 수를 요한다. 그리고 양호한 선택 파라미터들을 찾기 위해 조건 변화율 기반 탐색 (constrained gradient based search)과 같은 반복 알고리즘이 적용될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에서는,‘N’ 은 단말의 수를 나타내고,‘K’는 미니슬롯의 수를 나타내며, 모든 단말에 대한 채널 처리는 동일하다고 가정한다. 편의상, 분석에 사용되는 모든 파라미터들에 대해 시간 인덱스는 생략한다. 채널 전력(이득)이 채널 전력 임계치

보다 큰 단말의 수를

로 정의하고

번째 단말의 채널 전력을

로 정의한다. 모든 단말의 채널은 독립적이며 동일한 분포를 갖는다고 가정하면, 인덱스

는 생략될 수 있으며 모든 단말들에 대한 채널 전력 분포는

로 정의된다.

는 채널 전력이 하나의 단말

에 대한 임계치보다 클 확률이다.

이진 랜덤 변수

는 기지국에서

번째 단말이 선택되는 사건(event)를 나타내기 위해 사용된다.

가 1을 취하면,

번째 단말이 선택된다.

,

, 및

의 공동 확률 밀도 함수는 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.

여기서

는 지시자 함수이다. 덧셈 변의 첫 번째 항은

번째 단말의 채널 전력이 임계치 보다 큰 확률 밀도를 나타낸다. 이 값은 성공적인 피드백을 통해 또는 채널 전력이 임계치 보다 큰 모든 단말이 피드백에 실패 할 경우 무작위로 선택된다.

두 번째 항은

단말의 채널 전력이 임계치 보다 작은 확률 밀도를 나타내며, 기지국의 무작위 선택에 의해 선택된다. 모든 단말의 평균 전송률 합은 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.

여기서,

는 단말에서의 평균 신호대잡음비이다.

전송률 합을 최대가 되게 하기 위해서는 파라미터

와

의 최적화가 중요 하다.

미리 선택된

와 사용자 단말의 수

를 이용하면, 최적화 문제는 다음과 같이 공식화 할 수 있다.

최적화곡선은 첨두 값을 갖지 않을 수도 있다. 본 실시예에서는, 가정된 채널전력 분산 하에 지역 최대값을 찾기 위해 단순 조건 기울기 탐색 (constrained gradient search) 방법이 채용된다.

기지국의 스케줄러는 기회모드에서 단말들이 공평하게 스케줄링 되도록 제어한다. 더 나은 성능 개선을 위해, 최적화 문제에 공평성 제약 (fairness constraint)이 적용될 수도 있다. 최적화의 목적은 공평성 요구 조건을 만족시키는 것뿐만 아니라 최상의 전체 시스템의 출력을 얻기 위한 피드백 임계치와 피드백 확률을 선택하는 것이다.

성능 향상을 위해 다수의 상이한 채널 전력 임계치들과 피드백 확률을 가진 다수의 스케줄링 클래스들 이용하여 각 클래스의 공평성 조건 하에 전체 시스템의 출력이 최대화 되도록 파라미터들을 최적화 하는 것도 가능하다.

모든 단말의 채널이 제로 평균과 단위 변화를 동반한 독립적이고 동일한 분산의 레일리 페이딩을 따른다고 가정하면, 채널 전력

은 지수분포를 따르고,

에 대한 확률 밀도 함수는

로 표현될 수 있다. 따라서, 채널 전력이 임계치

보다 클 확률은

이다. 따라서, 평균 전송률 합은 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.

반복 조건 기울기 탐색을 통해 상기 파라미터들에 대한 최적 해를 찾을 수 있다.

온라인 방식의 경우, 기지국은 미리 정해진 시간 윈도우 내에서 평균 시스템 출력을 모니터링 하여

와

을 주기적으로 조절하고

로 정의되는 매 파라미터 갱신 후 평균 출력을 수집한다. 파라미터 갱신을 위해 차분 추계 근사화 (finite difference stochastic approximation: FDSA) 알고리즘을 사용하는 것이 바람직하다. k번째 갱신에서의 파라미터 쌍

에 대해, 이 파라미터 근처의 섭동을 (perturbations)을 측정되어야 하고, 수치적으로 시간 윈도우 내의 평균 출력의 기울기를 구해야 한다. 파라미터 갱신은 FDSA 알고리즘의 반복 절차를 따른다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 적응적 피드백 방법을 설명하기 위한 순서도이다. 도 5에서, 기지국은 시스템 정보와 트래픽 정보를 분석하여 단말의 수 ‘N’과 미니슬롯의 수 ‘K’를 파악하고 (S510) N과 K를 이용하여 모드 선택 파라미터 ‘Q’를 계산한다 (S520). Q가 결정되면, 기지국은 Q의 값이 0보다 크거나 같은지를 판단한다(S530). 만약 Q의 값이 0보다 크거가 같으면, 기지국은 기회모드를 선택하고, 모드 선택 메시지를 방송한 후 기회모드로 진입한다 (S540). 만약 Q 값이 0보다 작으면 기지국은 폴링모드를 선택하고 모드 선택 메시지를 방송한 후 폴링모드로 진입한다(S550). 상기 모드 선택 메시지는 피드백 모드를 알리기 위한 모드 지시자를 포함하며 해당 피드백 모드에서 요구되는 피드백 파라미터들을 포함할 수도 있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국 측에서의 기회모드의 수행과정을 설명하기 위한 순서도이다.

도 6에서 보는 바와 같이, 기회모드로 진입하면 기지국은 트래픽 정보 또는 채널 정보를 기반으로 모든 단말의 평균 전송률 합을 계산하고 (S541), 상기 평균 전송률 합이 최대가 되도록 채널 전력 임계치

와 랜덤 피드백 확률

를 결정한다(S542). 계속해서, 기지국은 채널 전력 임계치

와 랜덤 피드백 확률

을 포함하는 피드백 요청 메시지를 방송하고 (S543) 이에 대한 응답으로 미리 정해진 시간 윈도우 내에서 단말들로부터 피드백 정보를 수신한다 (544). 기지국은 단말들로부터 수신되는 피드백 정보를 이용하여 단말의 수 N’를 파악하고, 파악된 단말의 수와 피드백을 위해 사용될 미니 슬롯의 수‘K’를 이용하여 모드 선택 파라미터를 계산하고 계산된 Q 값이 제1임계치 Q_{threshold_1} 보다 크거나 같은지 판단한다(S545). 만약 Q 가 Q_{threshold_1} 보다 크거나 같으면 기지국은 Q가 제2임계치 Q_{threshold_2} 보다 크거나 같은지 판단하고(S546), 만약 Q가 제1임계치보다 작으면 S544 단계를 수행한다.

단계 546에서 Q가 제2임계치 Q_{threshold_2}보다 크거나 같으면, 기지국은 기회모드를 종료하고 도 5의 모드 선택 알고리즘을 수행하고, 그렇지 않으면 S541 단계를 수행한다.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 단말 측에서의 기회모드 수행과정을 설명하기 위한 순서도이다.

도 7을 참조하면, 단말은 기지국으로부터 방송되는 모드 선택 메시지를 수신하고 (S561), 수신된 모드 선택 메시지로부터 모드 지시자,

및

등의 파라미터를 추출한다 (S562). 계속해서, 단말은 추출된 모드 지시자를 참조하여 자신을 기회모드로 설정하고 (S563) 기회모드를 위한 파라미터들을 설정한다(S564). 파라미터 설정이 완료되면 단말은 자신이 사용하고 있는 채널의 채널 이득 (전력)을 체크하여 상기 채널 전력 임계치

와 비교하고, 채널 이득이

보다 큰지 판단한다(S565). 만약 채널 이득이

보다 크면, 단말은 랜덤 피드백 확률

로 채널 정보를 피드백 하고 (S566), 그렇지 않으면 S561 단계를 수행한다. 상기 파라미터들

및

은 모드 선택 메시지가 아닌 피드백 요청 메시지와 같은 다른 메시지를 통해 수신될 수도 있다.

본 발명의 일 실시예에 다른 적응적 피드백 방법에서는 두 가지 피드백 메커니즘, 다시 말해 기회모드와 폴링모드가 적용되고 있지만, 피드백 메커니즘의 수와 종류는 이에 한정되지 않는다.

도 8은 본 발명의 적응적 피드백 방법에 적용 가능한 전용채널 모드의 프레임 구조를 보인 도면이다. 단말의 수가 피드백을 위한 미니슬롯의 수보다 적은 경우 전용채널 모드가 사용될 수 있다. 이 경우, 각 단말은 고정 할당된 미니슬롯을 통해 채널 정보를 피드백 한다. 도 1과 도 5를 참조하면, 미니슬롯들 (50-1, 50-2, 50-n-1, 50-n)이 단말들 (110, 120, 130, …, 140)과 각각 연계되어 있다.

도 9는 본 발명의 적응적 피드백 방법에 적용 가능한 기회모드의 프레임 구조를 보인 도면이다. 기회모드에서, 단말들은 슬롯기반의 알로하 (ALOHA) 방식으로 피드백 미니슬롯들을 통해 채널 정보를 피드백 한다. 따라서, 단말들은 각각의 미니슬롯 (60-1, 60-2, … , 60-k-1, 60-k)을 점유하기 위해 서로 경쟁 한다.

만약 다수의 단말들이 동일한 미니슬롯으로 피드백을 할 경우, 충돌이 발생하고 결국 피드백에 실패하게 된다. 하나의 단말이 하나의 미니슬롯을 통해 피드백을 할 경우에만, 피드백 패킷이 성공적으로 기지국에 전달될 수 있다. 기회모드는 시스템 내에 많은 활성 단말들이 존재할 경우 적용된다. 피드백 제어 파라미터들은 채널 전력 임계치

와 랜덤 피드백 확률

등이다.

기회모드에서는, 먼저 기지국이 시스템 정보 및 트래픽 정보에 따라 채널 전력 임계치

와 랜덤 피드백 확률

을 초기화 한다. 이들 파라미터들의 초기 값은 미리 정해진 참조 테이블로부터 취할 수 있다. 이들 파라미터들은 온라인 방식을 통해 상기한 평균 출력의 시계열의 변화(evolution)를 추적하여 얻을 수 있다. 이들 파라미터들은 피드백 미니슬롯 이전의 방송 메시지 구간을 통해 모든 단말로 방송된다.

상기 파라미터들이 수신되면, 각 단말은 자신의 지역 피드백 제어기의 설정을 수신된 제어 메시지에 따라 갱신하고 수신 신호 처리기에 의해 측정된 채널 상태 정보를 수집한다. 상기 채널 상태 정보는 채널 전력을 포함한다. 상기 단말은 채널 전력을 채널 전력 임계치

와 비교하여, 만약 채널 전력이 채널 전력 임계치

보다 크면 확률

로 채널 정보를 피드백 할지 여부를 결정하고, 그렇지 않으면, 기지국은 채널 정보를 피드백 하지 않는다. 만약 채널 정보를 피드백 하기로 결정되면 상기 지역 피드백 제어기는 상기 채널 상태 정보를 피드백 패킷으로 묶어 기지국으로 전송한다. 상기 패키지 처리 절차는 채널 상태 정보의 양자화 및 메시지를 보호하기 위한 오류 부호화를 포함한다.

충돌이 발생하지 않으면, 기지국은 매 미니슬롯을 통해 피드백 패킷을 수집한다. 모든 미니슬롯에서 충돌이 발생하는 경우, 기지국은 충돌이 발생한 피드백 미니슬롯들 이후에 무작위로 단말을 선택하여 채널 상태 정보를 피드백 할 것을 요청한다. 피드백 된 채널 정보는 피드백 패킷으로부터 추출되어 스케줄러에 제공된다. 상기 스케줄러는 채널 정보와 트래픽 정보를 기반으로 스케줄링을 수행한다.

도 10은 본 발명의 적응적 피드백 방법에 적용 가능한 케리어 센싱 랜덤 백 오프 (random backoff with carrier sensing) 모드의 프레임 구조를 보인 도면이다. 케리어 센싱 랜덤 백오프 모드에서는, 모든 단말들이 주변 단말들로부터의 전송 상태를 검출할 수 있다고 가정한다. 케리어 센싱 랜덤 백오프 모드는 단말들이 기지국에 인접하여 밀집되어 있는 피코 셀 환경에 적용이 용이하다. 각 단말은 피드백 채널에 엑세스를 시도하기 전에 다수의 미니슬롯을 백오프한다. 백오프하고 있는 동안 단말은 케리어 센싱을 수행한다. 만약 채널이 유휴 상태 (idle)라고 판단되면, 다시 말해, 다른 단말들이 피드백 채널을 사용하고 있지 않으며, 단말은 피드백 패킷을 전송하고, 그렇지 않으면 채널이 휴지 상태가 될 때까지 케리어 센싱을 계속한다. 이 경우, 피드백 패킷의 전송 지연으로 여전히 충돌이 발생할 수 있다. 충돌 확률을 줄이기 위해 채널의 휴지 상태를 검출하면 단말은 확률 p 로 채널 엑세스를 시도한다.

백오프 미니슬롯의 수는 채널 전력에 의해 결정된다. 백오프 미니슬롯과 채널 전력은 오프라인으로 결정되어 백오프 참조테이블 (backoff lookup table: BLT)에 저장된다. 채널 전력이 높을수록 백오프 구간은 작아야 한다. 기지국의 중앙 피드백 제어기는 채널 전력과 백오프 미니슬롯 사이의 관계를 계산하고, 그 관계를 피드백 제어 메시지에 실어 방송한다. 각 단말은 자신의 지역 피드백 제어기를 수신된 피드백 제어 메시지에 따라 갱신하게 된다.

도 11은 본 발명의 적응적 피드백 방법에 적용 가능한 폴링모드의 프레임 구조를 보인 도면이다.

폴링모드에서, 기지국은 트래픽 정보와 시스템 정보를 기반으로 채널 상태를 피드백하는 단말들의 집합을 결정하고 기지국은 폴링 집합 메시지 (81)를 모든 단말들에 방송한다. 상기 폴링 집합 메시지 (81)를 수신하면, 단말들은 상기 폴링 셋 메시지 (81)에 설정되어 있는 순서에 따라 대응하는 미니슬롯들 (82-1, 82-2, …, 82-n)을 통해 채널 상태정보를 피드백 한다.

도 12는 본 발명의 적응적 피드백 방법에 적용 가능한 코디네이티드 모드의 프레임 구조를 보인 도면이다. 코디네이티드 모드에서 각 미니슬롯은 상향링크 경쟁 미니슬롯 (91-1, 91-2)과 하향링크 응답 미니슬롯 (93-1, 93-2)로 분할된다. 모든 단말들은 슬롯티드 알로하 (slotted ALOHA) 방식으로 각 상향링크 경쟁 미니슬롯에서 피드백을 시도한다. 하향링크로는 충돌 상태를 알리기 위해 응답 미니슬롯 (93-1, 93-2)을 통해 모든 단말에 응답 메시지가 전송된다. 피드백을 시작하기 위해 채널 전력 범위를 규정하는 구간 (interval)이 이용된다. 상기 구간의 위치 및 범위는 충돌 상태에 따라 중앙 피드백 제어기에 의해 적응적으로 조절된다. 상기 정보는 응답 메시지를 통해 모든 단말로 방송된다. 만약 하나의 단말이 자신의 채널 전력이 상기 구간 내에 있음을 확인하면 채널 상태 정보를 기지국에 피드백 하고, 그렇지 않으면 피드백 하지 않는다. 충돌 상태를 모니터링 함으로써, 기지국은 상기 구간 내의 단말의 채널 전력에 따라 상기 구간을 조절하거나 미니슬롯들이 소진에 의해 실패를 선언한다. 만약 단말이 존재하지 않으면, 기지국은 코디네이티드 피드백 미니슬롯들 후에 무작위로 폴링을 수행하여 단말에게 피드백을 요청한다.

본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상기한 바와 같이, 본 발명의 적응적 피드백 방법에서는 시스템 환경에 따라 적응적으로 피드백 메커니즘을 전환하기 때문에 단말의 수 변화에 관계없이 MAC 오버헤드를 줄이는 것은 물론 전체 시스템 출력을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 적응적 피드백 방법은 트래픽 및 시스템 환경에 따라 적당한 피드백 방법을 이용하여 효율적으로 채널 정보를 수집함으로써 채널 정보를 기반으로 하는 스케줄링의 신뢰성을 향상시킬 수 있다.

Claims

접속 노드에게 채널 정보를 피드백하는, 복수개의 단말들을 포함하는 셀룰러 통신 시스템에서 적응적 피드백 방법에 있어서,

시스템 파라미터들을 기반으로 적어도 두 개의 피드백 모드들 중 하나를 선택하는 과정과;

상기 선택된 피드백 모드를 위한 상기 접속 노드와 상기 단말들을 설정하는 과정과;

상기 선택된 피드백 모드에서 상기 단말들로부터 상기 접속 노드에게 채널 정보를 피드백하는 과정을 포함하며;

상기 피드백 모드들은 피드백 리소스들이 상기 단말들에게 할당되는 방법을 정의하며;

상기 선택하는 과정은,

상기 시스템 파라미터들을 분석하는 과정과,

상기 시스템 파라미터들로부터 모드 선택 파라미터를 계산하는 과정과,

상기 모드 선택 파라미터를 적어도 하나의 미리 결정된 임계값과 비교하는 과정과,

상기 비교 결과를 기반으로 상기 적어도 두 개의 피드백 모드들 중 하나를 선택하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 적응적 피드백 방법.
제 1항에 있어서,

상기 설정하는 과정은,

상기 선택된 피드백 모드와 연관된 제어 파라미터들을 최적화하는 과정을 포함하는 적응적 피드백 방법.
제 1항에 있어서,

상기 피드백 모드들은 기회 모드와 폴링 모드를 포함함을 특징으로 하는 적응적 피드백 방법.
제 3항에 있어서,

상기 피드백 모드들은 전용 채널 모드와, 캐리어 센싱 랜덤 백오프 모드 및 코디네이티드 모드를 더 포함함을 특징으로 하는 적응적 피드백 방법.
삭제
제 1항에 있어서,

상기 비교 결과를 기반으로 상기 적어도 두 개의 피드백 모드들 중 하나를 선택하는 과정은,

상기 비교 결과 상기 모드 선택 파라미터가 상기 미리 결정된 임계값 이상이면, 기회 모드를 선택하는 과정과,

상기 비교 결과 상기 모드 선택 파라미터가 상기 미리 결정된 임계값 미만이면, 폴링 모드를 선택하는 과정을 포함하는 적응적 피드백 방법.
제 6항에 있어서,

상기 시스템 파라미터들은 단말들의 수를 나타내는 N과 채널 정보가 전달되는 미니 슬롯들의 수를 나타내는 K를 포함함을 특징으로 하는 적응적 피드백 방법.
제 7항에 있어서,

상기 모드 선택 파라미터는 하기 <수학식>을 사용하여 계산됨을 특징으로 하는 적응적 피드백 방법.

<수학식>

여기서, Q는 상기 모드 선택 파라미터를 나타내고,
는 피드백 모드들 간에 전환 시점을 결정하는데 사용되는 트래이드 오프 파라미터를 나타냄.
제 2항에 있어서,

상기 제어 파라미터들은 채널 전력 임계값
과 랜덤 피드백 확률
를 포함함을 특징으로 하는 적응적 피드백 방법.
제 9항에 있어서,

상기 선택된 피드백 모드가 기회 모드일 경우, 상기 기회 모드를 위한 제어 파라미터를 최적화하는 과정은,

상기 단말들 모두의 평균 전송율 합을 계산하는 과정과,

상기 채널 전력 임계값
과, 상기 랜덤 피드백 확률
가 상기 평균 전송율 합보다 큰지를 판단하는 과정을 포함하는 적응적 피드백 방법.
제 10항에 있어서,

상기 평균 전송율 합은 하기 <수학식>을 사용하여 계산됨을 특징으로 하는 적응적 피드백 방법.

<수학식>

여기서,
은
에 의해 정의되는
번째 단말의 채널 전력을 나타내고,
는 상기
번째 단말이 상기 접속 노드에 의해 선택되는 사건(event)을 나타내고,
는 상기 채널 전력 임계값
보다 큰 채널 전력들을 갖는 단말의 수를 나타내고,
는 상기
번째 단말에서의 평균 신호 대 잡음비를 나타내고,
는 지시자 함수를 나타내는 것을 특징으로 하는 적응적 피드백 방법.
제 11항에 있어서,

상기 채널 전력 임계값
과 상기 랜덤 피드백 확률
는 하기 <수학식>에 의해서 결정됨을 특징으로 하는 적응적 피드백 방법.

<수학식>
삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
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삭제
삭제
삭제
삭제
삭제
셀룰러 통신을 위한 적응적 피드백 시스템에 있어서,

시스템 파라미터들로부터 획득한 모드 선택 파라미터를 기반으로 적어도 두 개의 피드백 모드들 중 하나를 선택하는 접속 노드와;

상기 선택된 피드백 모드를 기반으로 채널 정보를 피드백하는 다수의 단말들을 포함하며;

상기 피드백 모드들은 피드백 리소스들이 상기 단말들에게 할당되는 방법을 정의하며;

상기 접속 노드는:

상기 단말들에 대한 서비스들을 스케줄링하고 상기 서비스들과 관련된 채널 정보 및 트래픽 정보를 기반으로 서비스율들을 결정하는 스케줄러와;

상기 선택된 피드백 모드를 제어하기 위한 피드백 제어 신호를 생성하는 중앙 피드백 제어기를 포함하고,

상기 중앙 피드백 제어기는;

상기 모드 선택 파라미터를 임계값과 비교하고, 상기 비교 결과를 기반으로 상기 피드백 모드를 선택하는 모드 선택기와;

상기 모드 선택기에 의해 선택된 피드백 모드와 관련된 제어 파라미터들을 최적화하는 최적화기를 포함하는 적응적 피드백 시스템.
제 24항에 있어서,

상기 모드 선택 파라미터는 상기 단말들의 수를 나타내는 N과 상기 채널 정보가 전달되는 미니 슬롯의 수를 나타내는 K를 사용하여 획득됨을 특징으로 하는 적응적 피드백 시스템.
제 25항에 있어서,

상기 모드 선택 파라미터는 하기 <수학식>을 사용하여 계산됨을 특징으로 하는 적응적 피드백 시스템.

<수학식>

여기서,
는 상기 피드백 모드들 사이에 전환 시점을 결정하는데 사용되는 트레이드 오프 파라미터를 나타냄.
제 26항에 있어서,

상기 제어 파라미터들은 채널 전력 임계값
과 랜덤 피드백 확률
를 포함함을 특징으로 하는 적응적 피드백 시스템.
제 27항에 있어서,

상기 최적화기는, 시스템 출력이 최대화되도록 상기 제어 파라미터들을 최적화하며;

상기 시스템 출력은 상기 단말들 모두의 평균 전송율 합으로 나타냄을 특징으로 하는 적응적 피드백 시스템.
제 28항에 있어서,

상기 시스템 출력은 상기 단말들 모두의 평균 전송률 합으로 나타냄을 특징으로 하는 적응적 피드백 시스템.
제 29항에 있어서,

상기 최적화기는 최적의 제어 파라미터들로서 상기 평균 전송률 합을 최대화하는 상기 채널 전력 임계값
과 상기 랜덤 피드백 확률
를 선택함을 특징으로 하는 적응적 피드백 시스템.
제 30항에 있어서,

상기 평균 전송률 합은 하기 <수학식>을 사용하여 계산됨을 특징으로 하는 적응적 피드백 시스템.

<수학식>

여기서,
은
에 의해 정의되는
번째 단말의 채널 전력을 나타내고,
는 상기
번째 단말이 상기 접속 노드에 의해 선택되는 사건(event)을 나타내고,
는 상기 채널 전력 임계값
보다 큰 채널 전력을 갖는 단말들의 수를 나타내고,
는 상기
번째 단말에서의 평균 신호대잡음비(SNR)를 나타내고,
는 지시자 함수를 나타냄.
제 31항에 있어서,

상기 최적의 제어 파라미터들은 하기 <수학식>을 사용하여 결정됨을 특징으로 하는 적응적 피드백 시스템.

<수학식>
제 24항에 있어서,

상기 단말들 각각은;

채널 상태를 측정하여 채널 정보를 생성하는 수신 처리기와;

상기 접속 노드로부터 수신된 피드백 제어 신호를 기반으로 피드백 설정을 변경하고 상기 피드백 설정에 따라 상기 채널 정보를 피드백하는 지역 피드백 제어기를 포함함을 특징으로 하는 적응적 피드백 시스템.
제 33항에 있어서,

상기 지역 피드백 제어기는;

상기 접속 노드로부터 수신된 피드백 제어신호를 기반으로 피드백 모드를 선택하는 지역 모드 선택기와;

상기 선택된 피드백 모드에 사용될 파라미터들을 선택하고 피드백 설정에 따라 상기 선택된 파라미터를 사용하여 상기 채널 정보를 피드백하는 파라미터 선택기를 포함하는 적응적 피드백 시스템.
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제 12항에 있어서,

상기 채널 정보를 피드백하는 과정은,

각 단말에서 해당 단말의 채널 이득이 상기 채널 전력 임계값
을 초과하는 지 판단하는 과정과,

해당 단말의 채널 이득이 상기 채널 전력 임계값
을 초과하면, 상기 랜덤 피드백 확률
와 함께 상기 채널 정보를 피드백하는 과정을 포함하는 적응적 피드백 방법.
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