KR101068467B1 - 차세대 이동통신시스템에서 협력노드 선택방법 - Google Patents

Abstract

이 발명은 수십 GHz 대역의 고주파수를 이용하는 차세대 이동통신시스템에서 단말이 기지국에 협력 전송을 하기 위해 최적의 협력노드를 선택하는 방법에 관한 것이다.

이 발명에 따른 차세대 이동통시스템에서 단말의 협력노드 선택방법은, 송신단말과 기지국간 모든 통신 경로에 대해, 상기 송신단말이 상기 모든 통신 경로들의 전송지연시간을 계산하는 제1단계와, 상기 송신단말이 상기 전송지연시간이 최소인 통신경로를 선택하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 선택된 통신경로를 구성하는 단말들 중 상기 송신단말과 가장 근접한 단말을 협력노드로 선정하는 제3단계를 포함한다.

협력전송, 협력노드, 이동통신, 전송지연시간, 멀티홉, 큐

Description

차세대 이동통신시스템에서 협력노드 선택방법 {partner node selecting method in the next generation mobile communication system}

이 발명은 수십 GHz 대역의 고주파수를 이용하는 차세대 이동통신시스템의 협력 전송방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 차세대 이동통신시스템에서 단말이 기지국에 협력 전송을 하기 위해 최적의 협력노드를 선택하는 방법에 관한 것이다.

현재 이동통신시스템에서 기지국과 단말은 2GHz 이하의 저주파수 반송파를 사용하여 통신한다. 이러한 저주파수는 전파 특성이 좋아서 넓은 영역의 사용자들에게 음성 또는 데이터 서비스를 제공할 수 있다.

이러한 저주파수 이동통신시스템은 지하나 산간지역과 같은 음영지역에 존재하는 단말에게 더 좋은 통신서비스를 제공하기 위해 중계기를 설치하여 통신용량을 증가시키고 커버리지를 늘리는 방법을 사용한다. 이와 같이 기지국과 단말이 중계기를 통해 통신하는 것을 멀티홉 통신이라고 한다.

저주파수 이동통신시스템에서 단말이 기지국과 멀티홉 통신할 경우, 단말은 기지국 및 주변 중계기와의 신호대간섭 잡음비를 기준으로 협력노드인 중계기를 선택한다. 즉, 단말이 기지국 및 주변 중계기들과의 신호대간섭 잡음비를 비교하여, 기지국과의 신호대간섭 잡음비가 가장 높은 경우에는 기지국과 직접 통신하고, 특정 중계기와의 신호대간섭 잡음비가 가장 높은 경우에는 상기 특정 중계기를 통해 멀티홉 통신한다.

한편, 수십 GHz 대역의 고주파수를 이용하는 차세대 이동통신시스템에서는 사용자들에게 고속의 멀티미디어 서비스를 제공하지만, 기지국과의 가시채널이 확보된 단말(가시채널단말)에게만 서비스 제공이 가능할 뿐이다. 즉, 가시채널이 보장되지 않은 지역의 단말(비가시채널단말)은 기지국과의 직접 통신이 어렵다. 따라서, 이러한 비가시채널단말은 협력노드를 이용한 협력전송을 통해 기지국과 멀티홉 통신을 해야한다. 차세대 이동통신시스템의 경우 비가시채널단말은 주변 단말들 중 하나를 협력노드로 선택하여 그 선택된 협력노드를 이용하여 멀티홉 통신을 한다.

저주파수 이동통신시스템에서 음영지역의 단말이 주변 중계기들 중 협력노드를 선택할 때, 신호대간섭 잡음비를 기준으로 선택하는 것이 가능하다. 그러나, 차세대 이동통신시스템에서는 비가시채널단말이 주변 단말들 중 협력노드를 선택할 때 신호대간섭 잡음비만을 기준으로 선택하는 방법은 바람직하지 않다.

왜냐하면 주변 단말과의 신호대간섭 잡음비만을 기준으로 협력노드를 선택하는 것은 홉의 개수에 따른 멀티홉 오버헤드를 고려하지 않기 때문이다. 멀티홉 시 스템에서 협력전송을 통하여 데이터를 전송할 때 협력노드에게 일부의 자원을 할당해야 하며 홉의 개수가 많아질수록 협력노드의 수가 증가하기 때문에 협력노드에게 할당해야 하는 자원의 양이 많아지게 된다. 이러한 멀티홉 오버헤드는 시스템 용량을 저하시키고, 전송지연을 증가시킨다. 따라서, 차세대 이동통신시스템의 경우에는 이러한 멀티홉 오버헤드를 고려한 새로운 협력노드 선택방법이 필요하다.

또한, 주변 단말과의 링크 정보만을 기준으로 협력노드를 선택하게 되면 전체 이동통신시스템의 관점에서는 성능의 저하를 가져올 수 있다. 도 1은 주변노드와의 링크 정보만을 기준으로 협력노드를 선택할 때 성능저하를 가져오게 되는 예를 보여준다. 도 1에서 단말 1은 송신단말이고 단말 2와 단말 3, 단말 4는 단말 1의 협력노드이다. 단말 1이 주변노드인 단말 2와 단말 4의 링크 정보만을 기준으로 단말 2를 협력노드로 선택할 경우, 단말 3과 기지국간의 링크가 장애물에 의해 가시채널이 확보되지 않기 때문에 결과적으로 단말 1에서 기지국까지의 전체 통신성능이 저하된다. 따라서, 차세대 이동통신시스템에는 전체 시스템 용량을 증가시킬 수 있는 새로운 협력노드 선택방법이 필요하다.

한편, 차세대 이동통신시스템에서, 다수의 단말이 동시에 하나의 단말을 협력노드로 선택하게 되면 선택된 협력노드 단말에 전송데이터가 집중되기 때문에 상기 협력노드 단말의 큐가 증가하여 데이터 전송이 지연되거나 그에 더하여 패킷 손실율이 증가할 수 있다. 또한 이러한 전송지연과 패킷 손실율의 증가는 전체 시스템 용량을 저하시키게 된다. 따라서, 차세대 이동통신시스템에서는 소수의 단말이 집중적으로 협력노드 단말로 선택되지 못하도록 막음으로써 시스템을 안정화시키는 새로운 협력노드 선택방법이 필요하다.

이 발명은 고주파수를 이용하는 차세대 이동통신시스템에서 단말이 협력전송을 통해 기지국에 데이터를 전송할 때 최적의 협력노드를 선택하는 방법을 제공하기 위한 것이다. 특히, 멀티홉 오버헤드와 전체 시스템 용량 최대화와 시스템 안정화를 위한 새로운 협력노드 선택방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 이 발명에 따른 차세대 이동통시스템에서 단말의 협력노드 선택방법은, 송신단말과 기지국간 모든 통신 경로에 대해, 상기 송신단말이 상기 모든 통신 경로들의 전송지연시간을 계산하는 제1단계와, 상기 송신단말이 상기 전송지연시간이 최소인 통신경로를 선택하는 제2단계와, 상기 제2단계에서 선택된 통신경로를 구성하는 단말들 중 상기 송신단말과 가장 근접한 단말을 협력노드로 선정하는 제3단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

이 발명에 따른 차세대 이동통시스템에서 단말의 협력노드 선택방법은, 송신단말과 기지국간 모든 통신 경로에 대해, 상기 송신단말이 상기 모든 통신 경로들의 전송지연시간을 계산하고, 상기 모든 통신경로를 구성하는 단말의 큐 정보를 구하는 제1단계와, 상기 송신단말이 통신경로마다 전송지연시간과 단말의 큐 정보를 이용하여 웨이트를 계산하는 제2단계와, 상기 송신단말이 상기 웨이트가 최소인 통신경로를 선택하는 제3단계와, 상기 제3단계에서 선택된 통신경로를 구성하는 단말 들 중 상기 송신단말과 가장 근접한 단말을 협력노드로 선정하는 제4단계를 포함한 것을 특징으로 한다.

이 발명에 따르면 고주파수를 이용하는 차세대 이동통신시스템에서 임의의 단말은 최적의 협력노드를 선택하여 해당 협력노드와의 협력전송을 통해서 기지국과 통신할 수 있다. 이 발명에 따르면, 링크의 전송률의 역수로 정의되는 전송지연시간을 기반으로 협력노드를 선택하기 때문에 시스템 용량을 증가시킬 수 있고, 또한 멀티홉 오버헤드를 고려하여 협력노드를 선택하기 때문에 전송지연시간을 감소시킬 수 있다. 또한, 이 발명에 따르면, 주변단말들과의 링크 상태 뿐만 아니라 기지국과의 경로 전체에 대한 네트워크 상태를 고려하기 때문에 전체 시스템 관점에서 시스템 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 이 발명에 따르면 시스템 안정성이 중요한 환경에서 주변 단말의 큐의 크기를 고려하여 협력노드 단말을 선택하기 때문에 다수의 단말이 하나의 단말을 협력노드로 선택하는 것을 예방하고 전체 시스템의 안정성을 이룰 수 있다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 이 발명의 한 실시예에 따른 차세대 이동통신시스템에서 협력노드 선택방법을 상세하게 설명한다.

이 발명에서는 멀티홉 오버헤드에 의한 문제를 해결하기 위하여 주변단말과 의 신호대간섭 잡음비를 기반으로 협력노드 단말을 선택하지 않고 송신단말부터 기지국까지의 통신경로에 대한 전송지연시간을 고려하여 협력노드 단말을 선택한다.

도 2는 이 발명의 한 실시예에 따라 송신단말이 기지국까지의 통신경로에 대한 전송지연시간을 기반으로 주변단말들 중 협력노드를 선택하는 방법을 도시한 동작 흐름도이다.

먼저, 송신단말은 최소전송지연시간(MIN_EST)을 기지국과의 통신에 소요되는 전송지연시간으로 설정하고, 최소전송경로번호(PATH)를 0, 변수 i를 1로 각각 초기화한다(S21). 즉, 송신단말과 기지국의 직접 통신시의 전송지연시간을 전송경로번호 '0'에 저장한다.

이때, 전송지연시간은 송신단말과 기지국 사이의 임의의 경로에 존재하는 모든 링크의 전송률의 역수에 대한 합으로 정의한다. 즉, 한 경로에 N개의 홉이 존재하고, 임의의 n번째 홉의 링크 전송률을 R_n이라고 하면, 해당 n번째 홉의 전송지연시간은 1/R_n이 되므로, 해당 경로 전체의 전송지연시간은 1/R₁ + 1/R₂ + ... + 1/R_N이 된다.

송신단말과 기지국 사이의 경로의 개수가 i보다 작으면(S22), 전송경로번호(PATH)에 해당하는 경로를 통해 기지국과 통신하는데, 송신단말은 해당 경로에 있는 첫 번째 단말을 협력노드로 선택한다(S23).

단계 S22에서 송신단말과 기지국 사이의 경로의 개수가 i보다 작지 않으면, 송신단말과 기지국과의 경로 i의 전송지연시간을 구하여 최소전송지연시 간(MIN_EST)과 비교한다(S24). 만약, 송신단말과 기지국과의 경로 i의 전송지연시간이 최소전송지연시간(MIN_EST)보다 크거나 같다면(S24), i+1을 i로 설정하고(S25) 단계 S22로 되돌아가서 상기의 과정을 반복한다.

하지만, 만약 송신단말과 기지국과의 경로 i의 전송지연시간이 최소전송지연시간(MIN_EST)보다 작으면(S24), 최소전송지연시간(MIN_EST)을 송신단말과 기지국과의 경로 i의 전송지연시간으로 변환하고 최소전송경로번호(PATH)를 i로 변환한다(S26). 그 후, i+1을 i로 설정하고(S25) 단계 S22로 되돌아가서 상기의 과정을 반복한다.

상기와 같이 송신단말이 주변 단말들과의 신호대간섭 잡음비에 기반으로 협력노드를 선택하지 않고, 기지국과의 전송지연시간을 기반으로 협력노드를 선택하게 되면, 송신단말과 기지국간 통신 홉의 개수를 최소화함으로써 멀티홉 오버헤드를 감소시킬 수 있다. 멀티홉 오버헤드의 감소는 시스템의 용량을 증가시키고 전체 전송지연시간을 감소시키는 효과가 있다.

상기와 같이 송신단말로부터 기지국까지의 모든 통신경로에 대한 전송지연시간을 고려하여 협력노드를 선택하기 위해서는 송신단말이 주변 네트워크 환경뿐만 아니라 전체 네트워크 환경에 대한 정보를 알아야 한다.

도 3은 임의의 단말 1이 단말 1로부터 기지국까지의 모든 통신경로에 대한 전송지연시간을 계산하는 방법을 도시한 도면이다.

단말 1은 주변단말들 중 임의의 단말 n에게 최소전송지연시간 정보를 요청한 다. 그러면, 단말 n은 자신의 최소전송지연시간(MIN_EST_n)을 단말 1에게 전송한다. 단말 1은 단말 n을 협력노드로 선택할 때의 경로의 최소전송지연시간(MIN_EST_1-n-BS)을 아래의 수학식 1에 의해 계산한다.

이때, R_1-n은 단말 1과 단말 n간의 링크 전송률이다. 상기와 같이 주변단말들에게 대한 모든 EST_1-n-BS를 계산한 단말 1은 자신의 최소전송지연시간을 아래의 수학식 2에 의해 구한다.

임의의 단말의 최소전송지연시간을 구하기 위한 상기한 방법은 주변단말들로부터 해당 주변단말의 최소전송지연시간만을 수신하면 되기 때문에 큰 제어채널 오버헤드를 유발하지 않는다. 하지만 그럼에도 불구하고 주변단말들의 상태뿐만 아니라 전체 네트워크 환경을 고려하여 협력노드를 선택하게 되기 때문에 전체 시스템의 관점에서 시스템의 용량을 증가시킬 수 있다. 임의의 단말의 최소전송지연시간을 구하는 방법을 계층적으로 적용하면, 멀티홉 통신을 하는 송신단말의 최소전송지연시간을 구하는 것도 가능하게 된다.

하지만, 상기와 같이 기지국과의 최소전송지연시간만을 기반으로 협력노드를 선택하게 되면 다수의 단말이 하나의 단말을 협력노드로 선택할 수 있으며, 이것은 시스템의 안정성을 떨어뜨리게 된다.

도 4는 다수의 단말들이 동시에 하나의 단말을 협력노드로 선택함으로써 시스템이 불안정해지고 전체 시스템 성능이 저하되는 예를 도시한 도면이다. 즉, 단말 1, 단말 2, 단말 3이 단말 4를 협력노드로 선택한 상황인데, 상기와 같은 상황에서 단말 4의 링크성능이 열화되고 큐의 크기가 증가하여 패킷이 손실되거나 전송지연시간이 증가하게 된다. 따라서 상기와 같은 문제를 해결하기 위하여 각각의 단말이 가지는 큐의 크기를 고려하여 협력노드를 선택하는 방법이 필요하다.

이 발명에서는 아래의 수학식 3을 이용하여 전체 시스템의 용량을 증가시키고 전송지연시간을 감소시키는 효과가 있는 동시에 시스템을 안정화시킬 수 있도록 협력노드를 선택할 수 있다.

여기서,

는 각각의 단말이 가지는 최적의 경로 벡터, n은 단말의 개수,

는 단말 i의 k번째 경로에 존재하는 단말들의 벡터,

는

경로의 전송지연시간,

는

경로의 첫번째 단말의 큐의 크기이다.

상기의 수식에 의하면 단말들이 가지는 모든 경로들에 대해서 해당 경로에 대한 전송지연시간과 해당 경로에 있는 주변단말의 큐의 크기의 곱의 전체합을 가장 작게 만드는 경로벡터를

에 저장한다. 저장된 경로벡터

를 기준으로 협력단말을 선택할 수 있다. 즉, 각각의 단말 i가 선택하는 협력노드는

가 된다.

도 5는 이 발명의 다른 실시예에 따라 기지국과의 통신경로에 대한 전송지연시간과, 해당통신경로를 구성하는 단말들의 큐의 크기를 고려하여 협력노드를 선택하는 방법을 도시한 동작 흐름도이다.

먼저, 송신단말은 송신단말과 기지국과의 최소전송지연시간과 기지국의 큐의 크기의 곱을 최소웨이트(MIN_WEIGHT)로 설정하고, 최소전송경로번호(PATH)를 0, 변수 i를 1로 각각 초기화한다(S51).

다음, 송신단말은 멀티홉을 통해 기지국과 통신할 수 있는 경로의 개수를 i와 비교하여(S522), 기지국과 통신할 수 있는 경로의 개수가 i보다 작으면 최소전송경로번호(PATH)에 저장되어 있는 기지국과의 경로를 통해서 기지국과 통신을 하는데 이를 위해 최소전송경로번호(PATH)에 저장되어 있는 기지국과의 경로 중 첫 번째 단말을 협력노드로 선택한다(S53).

단계 S52의 비교결과, 기지국과 통신할 수 있는 경로의 개수가 i보다 크거나 같다면, 기지국과의 경로 i의 전송지연시간과 기지국과의 경로 i의 첫 번째 단말의 큐의 크기를 곱한 웨이트(WEIGHT)를 계산하고(S54), 단계 S54에서 구한 웨이트와 최소웨이트(MIN_WEIGHT)를 비교한다(S55). 만약 웨이트(WEIGHT)가 최소웨이트(MIN_WEIGHT)보다 크거나 같다면 i+1을 i로 변환하고(S56) 단계 S52로 되돌아가서 상기의 과정을 반복한다.

하지만, 만약 단계 S54의 비교결과, 웨이트(WEIGHT)가 최소웨이트(MIN_WEIGHT)보다 작으면 상기 최소웨이트(MIN_WEIGHT)를 웨이트(WEIGHT)로 재설정하고, 최소전송경로번호(PATH)를 기지국과의 경로 i로 설정한다(S57). 그 후 i+1을 i로 변환하고(S56) 단계 S52로 되돌아가서 상기의 과정을 반복한다.

상기와 같이 단말이 가지는 큐의 크기를 고려하여 협력노드를 선택하게 되면, 시간에 따라서 변하는 네트워크 환경에 대해서 적응적으로 협력노드 단말을 선택할 수 있으며, 다수의 단말들이 동시에 하나의 단말을 협력노드로 선택함으로써 유발되는 시스템 불안정화를 해결할 수 있다.

이상에서 본 발명에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.

도 1은 주변노드와의 링크 정보만을 기준으로 협력노드를 선택할 때 성능저하를 가져오게 되는 예를 도시한 도면,

도 2는 이 발명의 한 실시예에 따라 송신단말이 기지국까지의 통신경로에 대한 전송지연시간을 기반으로 주변단말들 중 협력노드를 선택하는 방법을 도시한 동작 흐름도,

도 3은 임의의 단말 1이 단말 1로부터 기지국까지의 모든 통신경로에 대한 전송지연시간을 계산하는 방법을 도시한 도면,

도 4는 다수의 단말들이 동시에 하나의 단말을 협력노드로 선택함으로써 시스템이 불안정해지고 전체 시스템 성능이 저하되는 예를 도시한 도면,

도 5는 이 발명의 다른 실시예에 따라 기지국과의 통신경로에 대한 전송지연시간과, 해당통신경로를 구성하는 단말들의 큐의 크기를 고려하여 협력노드를 선택하는 방법을 도시한 동작 흐름도이다.

Claims (7)

1. 삭제
2. 삭제
3. 삭제
4. 송신단말과 기지국간 모든 통신 경로들에 대해, 상기 송신단말이 상기 모든 통신 경로들의 전송지연시간과, 상기 모든 통신 경로들을 구성하는 단말들의 큐 크기 정보를 획득하는 제1단계와;

   상기 송신단말과 기지국간 모든 통신 경로들의 전송지연시간들 중 최소전송지연시간과 상기 기지국의 큐 크기의 곱을 최소웨이트로 설정하는 제2단계와;

   상기 송신단말이 상기 모든 통신 경로들 중 하나의 통신 경로를 선택하고, 상기 선택된 통신 경로의 전송지연시간과, 상기 선택된 통신 경로를 구성하는 단말들 중 상기 송신단말과의 거리가 최소인 단말의 큐 크기를 곱하여 웨이트를 계산하는 제3단계와;

   상기 송신단말이 상기 제3단계에서 계산된 웨이트와 상기 최소웨이트를 비교하여 상기 계산된 웨이트가 상기 최소웨이트보다 크지 않으면, 상기 최소웨이트를 상기 계산된 웨이트로 갱신하고 상기 갱신된 최소웨이트의 통신 경로를 최소전송경로번호에 저장하는 제4단계와;

   상기 송신단말이 상기 모든 통신 경로들에 대해 상기 제3단계와 제4단계를 반복하는 제5단계와;

   상기 제5단계 후 상기 최소전송경로번호에 기재된 통신 경로를 구성하는 단말들 중 상기 송신 단말과의 거리가 최소인 단말을 협력노드로 선정하는 제6단계를 포함한 것을 특징으로 하는 차세대 이동통신시스템에서 협력노드 선택방법.
5. 제 4 항에 있어서, 상기 통신 경로의 전송지연시간은 상기 통신경로를 구성하는 단말들의 단말간 링크 전송률의 역의 합인 것을 특징으로 하는 차세대 이동통신시스템에서 협력노드 선택방법.
6. 삭제
7. 삭제

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