KR101076962B1 - 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치 및 방법 - Google Patents

다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치 및 방법에 있어서,
2개 이상의 안테나를 포함하는 송신 장치; 2개 이상의 안테나를 포함하는 수신 장치; 및 상기 송신 장치와 상기 수신 장치간 상호 독립적인 복수의 데이터 전송 경로를 형성하는 중계 노드를 포함하며, 상기 각 데이터 전송 경로는 복수의 중계 노드를 포함하고, 상기 각 중계 노드는 2개 이상의 안테나를 포함하며, 상기 송신 장치는 서로 다른 원본 신호에 더티 페이퍼 코팅을 수행한 신호를 상기 각 데이터 전송 경로를 구성하는 중계 노드로 전송하며, 상기 각 중계 노드는 상기 송신 장치에서 전송된 신호를 수신함과 동시에 다음 중계 노드 또는 상기 수신 장치로 전송하고, 상기 수신 장치는 상기 각 데이터 전송 경로의 마지막 중계 노드로부터 신호를 각각 수신하고, 수신한 신호를 디코딩하여 원본 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치 및 방법이 제공된다.

Description

다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치 및 방법 {Data transmission apparatus and method in MIMO based multi-hop ad-hoc wireless network}
본 발명은 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서 데이터 전송량을 증대시킬 수 있는 데이터 전송 장치 및 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서 더티 페이퍼 코딩 기술과 빔포밍 기술을 적용하여 데이터 전송량을 증대시킬 수 있는 데이터 전송 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해 전송 데이터의 대용량화 및 데이터 전송의 고속화가 진행되면서 한정된 주파수를 효율적으로 사용할 수 있는 다중 안테나 시스템(MIMO(Multiple Input Multiple Output))의 연구가 활발히 진행되고 있다.
이러한 다중 안테나 시스템은 안테나별로 서로 독립적인 채널을 이용하여 데이터를 전송하여 추가적인 주파수나 송신 전력 할당 없이도 단일 안테나 시스템에 비해 전송 신뢰도와 전송률을 증가시킬 수 있다. 다중 사용자 환경의 다중 안테나 시스템은 비선형 방식의 프리코딩(Pre-coding) 방식인 더티 페이퍼 코딩(Dirty Paper Coding)을 이용하여 사용자들간 또는 안테나들간 간섭을 제거한다.
더티 페이퍼 코딩은 채널에서 잡음 신호 외에 간섭 신호가 존재하는 상황에서 간섭 신호를 전송단이 미리 알고 있을 때, 수신단에서 간섭 신호의 영향을 받지 않도록 하는 전송단에서의 간섭 신호 제거 기법이다. 즉, 신호 A는 사용자 A에게 보내고자 하는 신호라 하고, 신호 B는 사용자 B에게 보내고자 하는 신호라 가정할 때, 신호 A를 신호 B와 적절한 연관 관계로부터 먼저 처리하여 잡음과 같은 신호(A')를 만들어서 신호 B와 더해서 채널로 전송한다. 이 신호를 수신한 사용자 B는 원래 신호 B에 채널로부터의 잡음과 처리된 신호(A') 모두 잡음으로 간주하고 복호하면, 사용자 A는 가공된 잡음(A')으로부터 완벽하게 신호 A를 복원해 낼 수 있으며, 이를 더티 페이퍼 코딩이라 한다.
이러한 DPC 기술은 셀룰러(Cellular) 이동전화망과 같은 싱글홉(Single-hop) 무선망에서의 MIMO(Multi-Input Multi-Output) 다중안테나 활용 기술로서 개발되었다.
한편, 현재의 무선망은 셀룰러 또는 와이파이(WiFi)등과 같이 싱글홉 형태의 무선망이 주류를 이루고 있으나 4G, 와이브로, 메쉬등 차세대 무선망은 멀티홉(Multi-hop) 형태의 망 구성이 필수화되어 가고 있다. 따라서, 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송량 증대 방법에 대한 요구가 절실한 상황이다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 극복하기 위한 것으로서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서 더티 페이퍼 코딩 기술과 빔포밍 기술을 적용하여 데이터 전송량을 증대시킬 수 있는 데이터 전송 장치 및 방법을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 예시적인 실시예에 따르면, 2개 이상의 안테나를 포함하는 송신 장치; 2개 이상의 안테나를 포함하는 수신 장치; 및 상기 송신 장치와 상기 수신 장치간 상호 독립적인 복수의 데이터 전송 경로를 형성하는 중계 노드를 포함하며, 상기 각 데이터 전송 경로는 복수의 중계 노드를 포함하고, 상기 각 중계 노드는 2개 이상의 안테나를 포함하며, 상기 송신 장치는 서로 다른 원본 신호에 더티 페이퍼 코팅을 수행한 신호를 상기 각 데이터 전송 경로를 구성하는 중계 노드로 전송하며, 상기 각 중계 노드는 상기 송신 장치에서 전송된 신호를 수신함과 동시에 다음 중계 노드 또는 상기 수신 장치로 전송하고, 상기 수신 장치는 상기 각 데이터 전송 경로의 마지막 중계 노드로부터 신호를 각각 수신하고, 수신한 신호를 디코딩하여 원본 신호를 검출하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치가 제공된다.
상기 송신 장치는 복수의 안테나를 통해 신호를 송신할 때, 채널의 상태에 따라 가중치를 가함으로써 상기 중계 노드나 수신 장치가 목적한 신호를 수신할 수 있도록 하기 위한 웨이트 벡터 행렬을 산출하는 송신 웨이터 벡터 조절부; 및 상기 중계 노드 또는 수신 장치의 안테나들간의 간섭을 제거하기 위하여, 상기 웨이트 벡터 행렬을 이용하여 원본 신호에 더티 페이퍼 코딩을 수행하여 출력하는 인코딩부를 포함한다.
상기 송신 장치는 상기 인코딩부에서 출력된 신호를 인가받아 송신 안테나를 통하여 각 중계 노드로 전송하는 송신부; 및 상기 송신 웨이트 벡터 조절부, 인코딩부 및 송신부의 동작을 제어하는 송신 제어부를 더 포함한다.
상기 각 중계 노드는 상기 송신 장치로부터 전송된 신호를 수신하는 중계 수신부; 신호 수신 시 사용한 웨이트 벡터에 기초하여 다음 중계 노드로 전송 시 사용할 웨이트 벡터를 산출하여 적용하는 중계 웨이트 벡터 조절부; 및 상기 중계 수신부에서 수신한 신호에 상기 중계 웨이트 벡터 조절부에서 산출된 웨이트 벡터를 빔포밍 적용한 후, 중계 안테나를 통하여 다음 중계 노드 또는 수신 장치로 전송하는 중계 송신부를 포함한다.
상기 중계 웨이트 벡터 조절부는 신호 수신시 사용한 웨이트 벡터와 아래 식을 만족시키는 웨이트 벡터를 설정하여, 다음 중계 노드 또는 수신 장치로의 신호 전송시 활용하며,
[식]
wC2 HHwC1 = 0
여기서, H = [h ij], i,j = 1, ..., N이며, 모든 k에 대하여 h kk = 1이고,
임의의 중계 노드의 웨이트 벡터 행렬을 WC라 가정하고, 상기 WC 는 웨이트 벡터 [wC1 wC2]의 조합이며, h ij 는 상기 임의의 중계 노드의 안테나 i와 j사이의 채널이며, N은 상기 임의의 중계 노드 안테나 개수이며, 상기 wC1 은 상기 신호 수신시 사용한 웨이트 벡터이며, wC2는 다음 중계노드 또는 수신 장치로의 신호 전송시 활용하는 웨이트 벡터인 것을 특징으로 한다.
상기 수신 장치는 수신 안테나를 통하여 각 중계 노드로부터 신호를 수신받는 수신부; 및 상기 수신 신호를 디코딩하여 상기 송신 장치에서 전송한 원본 신호를 검출하는 디코딩부를 포함한다.
상기 데이터 전송 경로는 라우팅 기술에 의해 최적 경로로 설정되는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 측면에 따르면, 멀티홉 애드혹 네트워크내에서 상호 독립적인 복수의 데이터 전송 경로를 설정하는 단계; 송신 장치는 중계 노드의 안테나 또는 수신 장치의 안테나들간의 간섭 성분을 제거하기 위한 웨이트 벡터 행렬을 산출하는 단계; 상기 복수의 데이터 전송 경로를 통하여 전송할 상호 다른 원본 신호에 더티 페이터 코딩을 적용하여 전송 신호를 생성하는 단계; 상기 생성된 전송 신호를 복수의 안테나를 통하여 각 중계 노드로 전송하는 단계; 상기 각 중계 노드는 전송 신호를 수신하고, 수신한 전송 신호를 이후의 단말로 전송할 때 사용할 웨이트 벡터를 산출하는 단계; 및 상기 산출된 웨이트 벡터를 이용하여 수신한 전송 신호에 빔포밍을 적용한 후, 다음 단말로 전송하는 단계를 포함하는 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법이 제공된다.
상기 방법은 상기 단말이 수신 장치인지 중계 노드인지 여부를 판단하는 단계; 및 판단 결과, 상기 단말이 중계 노드인 경우에는 상기 수신한 전송 신호를 이후 단말로 전송할 때 사용할 웨이트 벡터를 산출하는 단계로 복귀하며, 상기 단말이 수신 장치인 경우에는 수신된 전송 신호에 디코딩을 수행하여 송신 장치에서 전송한 원본 신호를 검출하는 단계를 더 포함한다.
상기 수신한 전송 신호를 이후의 단말로 전송할 때 사용할 웨이트 벡터를 산출하는 단계는 신호 수신시 사용한 웨이트 벡터와 아래 식을 만족시키는 웨이트 벡터를 설정하여, 다음 중계 노드 또는 수신 장치로의 신호 전송시 활용하며,
[식]
wC2 HHwC1 = 0
여기서, H = [h ij], i,j = 1, ..., N이며, 모든 k에 대하여 h kk = 1이고,
임의의 중계 노드의 웨이트 벡터 행렬을 WC라 가정하고, 상기 WC 는 웨이트 벡터 [wC1 wC2]의 조합이며, h ij 는 상기 임의의 중계 노드의 안테나 i와 j사이의 채널이며, N은 상기 임의의 중계 노드 안테나 개수이며, 상기 wC1 은 상기 신호 수신시 사용한 웨이트 벡터이며, wC2는 다음 중계노드 또는 수신 장치로의 신호 전송시 활용하는 웨이트 벡터인 것을 특징으로 한다.
본 발명에서와 같이, 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서 더티 페이퍼 코딩 기술과 빔포밍 기술을 적용하면, 동일 조건의 기존 멀티홉 애드혹 네트워크에 비하여 종단-대-종단 수율(throughput) 향상을 기대할 수 있다.
도 1은 일반적인 다중 안테나 시스템의 개념도이다.
도 2는 다중 안테나 시스템을 도식화한 도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치의 개략적인 구성도이다.
도 4는 송신 장치에서 다중 신호를 전송하는 방식을 나타낸 개념도이다.
도 5는 수신 장치에서 중계 노드로부터 다중 신호를 수신하는 과정을 나타낸 도이다.
도 6는 도 3에 도시된 송신 장치의 개략적인 구성도이다.
도 7는 도 3에 도시된 중계 노드의 개략적인 구성도이다.
도 8은 도 3에 도시된 수신 장치의 개략적인 구성도이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법을 나타낸 흐름도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.
무선 랜(LAN: Local Area Network)이라고 불리는 IEEE 802.11 계열의 통신 표준들에서는 각 단말(Terminal)('노드'에 해당함) 및 액세스 포인트(AP: Access Point)가 서로 동일한 주파수 대역을 사용하기로 협의 되어 있다. 이로 인하여 단말(노드) 및 액세스 포인트(AP)는 하나의 네트워크 구성원으로 상호 인식할 수 있게 되었으며, 이렇게 인식된 때부터 데이터 및 제어 패킷을 주고 받게 된다. IEEE 802.11 표준에는 두 가지 모드가 존재하는데, 그 중 하나는 액세스 포인트(AP)와 일반 노드간의 통신만 유효하고, 각 노드끼리의 직접적인 통신은 허용하지 않는 '인프라 모드(Infrastructured Mode) 방식'이고, 다른 하나는, 액세스 포인트(AP)와 같은 네트워크 백본(Back Bone)에 연결되는 개체 없이 노드끼리 서로 정보를 주고 받는 '애드-혹 모드(Ad-Hoc Mode) 방식'이다.
본 발명은 액세스 포인트(Access Point) 없이 흩어져 있는 무선으로 통신이 가능한 노드들끼리 서로 통신을 하는 자율적인 구조의 무선 네트워크인 애드 혹 무선 네트워크에서 중간에 라우터 역활을 하는 중계 노드들이 송신 노드와 수신 노드를 연결해주는 멀티홉 방식으로 데이터를 전송하는 환경에서 데이터 전송률의 향상을 위한 최적의 데이터 전송 방법 및 이를 구현하기 위한 장치이다.
도 1은 일반적인 다중 안테나 시스템의 개념도이며, 도 2는 다중 안테나 시스템을 도식화한 도이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, MIMO는 다수의 안테나들과 신호처리(signal processing) 장치의 조합으로 만들어지는 지능형 안테나의 일종으로 도 1과 같이 서로 통신하는 양단에 모두 지능형 안테나를 장착하고 있는 경우를 일반적으로 지칭한다. 이와 같이 MIMO 환경에서는 양단 모두에 다수의 안테나를 장착하고 있기 때문에 동시에 다수의 신호가 전송되고 수신되고 전송된 신호와 수신된 신호 사이의 관계를 수식으로 나타내면 아래 식 (1)과 같다.
[식 1]
y(k)=Hx(k)+n(k)
여기서 x는 전송된 신호 벡터(vector), y는 수신된 신호 벡터, n은 잡음(noise) 벡터, H는 두 노드 사이의 채널을 나타내는 행렬이 된다. (k는 시간을 나타낸다.) 이 때 만약 H를 미리 알아낼 수 있고 n을 무시한다면 수신된 y로부터 송신된 x를 구해낼 수 있다. MIMO 안테나는 여러 형태로 모델링될 수 있는데 본 발명에서는 선형 시불변 시스템 (Linear Time-Invariant system)으로 모델링 한다.
MIMO 환경에는 신호처리(signal processing) 장치가 있는데 양단의 신호처리 장치에서 어떠한 알고리즘을 사용하느냐에 따라 성능과 기능이 달라지게 되고 따라서 MIMO 알고리즘의 개발을 위해서는 신호처리 장치까지 고려한 MIMO 모형이 필요한데 이는 도 1에 도시된다.
도 1에 도시된 모형을 수식화하면, 아래 식(2)로 나타낼 수 있다.
[식 2]
y(k)=VHUx(k)+Vn(k)
즉, k 시점에 수신된 신호 벡터 y는 송신자측의 신호처리 방식을 나타내는 행렬 V와 채널 행렬 H와 수신자측의 신호처리 방식을 나타내는 U와 원본 신호 x의 곱이 된다(잡음 n는 무시한다고 가정).
이 때, t와 r은 송신자 측과 수신자 측의 안테나 개수를 각각 나타낸다. 이를 구체적으로 살펴보면 도 2와 같다. 도 2는 m(=n)개의 안테나를 가진 MIMO 시스템의 추상적 모델을 도식화 한 것이다.
전송자는 s1, s2, ..., sm으로 표기되는 (그림에서 시간변수 t는 무시) 다수의 신호를 동시에 입력받아 송신할 수 있다. 또한 수신자는 r1, r2, ..., rm으로 표기되는 (그림에서 시간변수 t는 무시) 다수의 신호를 동시에 수신 받아 출력할 수 있다. 하나의 복소수로 나타날 수 있는 각 원본 신호 s1, s1, ..., sm은 수신자에게 전송되기 전에 변형 과정과 혼합 과정을 거치는데 각각의 신호가 어떻게 변형될 것인가를 정의하는 w1 = [w11 w12 ... w1m]T, w2 = [w21 w22 ... w2m]T 등을 웨이트 벡터(weight vector)라 하고 웨이트 벡터의 조합 W = [w1 w2 w3 ... wm]을 스티어링 행렬(Steering Matrix) 또는 웨이트 벡터 행렬 이라 한다. 각 안테나에서 전송되는 신호는 웨이트 벡터 행렬과 원본 신호 벡터 s = [s1 s2 ... sm]T와의 곱인 W·s = u = [u1 u2 ... um]T의 각 원소이다. 즉, u k 는 k번째 안테나에서 전송된다. 수신자 측에서 또한 웨이트 벡터를 이용하여 필요한 작업을 수행한다. 도 2에 도식화된 모형을 수식화 하면 r(t)=VHWs(t)이다.
웨이트 벡터의 조작을 통하여 원하는 신호 또는 파형을 만들어 낼 수 있고 이러한 웨이트 벡터의 조작을 빔포밍이라 하며, 빔포밍의 결과물은 본질적으로 신호와 웨이트 벡터의 곱 또는 다중 신호를 처리할 경우 신호 벡터와 웨이트 벡터 행렬(matrix)의 곱으로 나타낼 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치의 개략적인 구성도이며, 도 4는 송신 장치에서 다중 신호를 전송하는 방식을 나타낸 개념도이고, 도 5는 수신 장치에서 중계 노드로부터 다중 신호를 수신하는 과정을 나타낸 도이다.
도 3을 참조하면, 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치는 송신 장치(100), 중계 노드(200) 및 수신 장치(300)를 포함한다. 송신 장치(100)는 적어도 2개 이상의 안테나를 포함한다. 본 실시예의 경우, 1개의 송신 장치만을 도시하고 있으나, 본 발명에 따른 데이터 전송 장치는 다수개의 송신 장치로 구성될 수 있다. 또한, 본 실시예의 경우, 송신 장치는 2개의 안테나를 구비하는 것으로 설명하고 있으나, 송신 장치는 N개의 안테나를 구비하는 경우에도 동일하게 적용된다.
중계 노드(200)는 다수개로 구성되며, 다수개의 중계노드는 복수의 데이터 전송 경로를 구성하며, 각 데이터 전송 경로는 적어도 1개 이상의 중계 노드를 포함한다. 각 중계 노드(200) 역시 적어도 2개 이상의 안테나를 포함하며, 송신 장치의 안테나 개수에 상응하는 안테나 개수를 포함한다. 본 실시예의 경우, 2개의 데이터 전송 경로를 구성하며, 각 데이터 전송 경로(PA, PB)는 3개의 중계 노드를 포함한다. 이때, 데이터 전송 경로의 설정은 최적 경로를 설정하기 위한 라우팅 기술에 의해서 설정된다.
수신 장치(300) 역시 적어도 2개 이상의 안테나를 포함하며, 송신 장치(100)의 안테나 개수에 상응하는 안테나를 포함한다. 본 실시예의 경우, 1개의 수신 장치만을 도시하고 있으나, 본 발명에 따른 데이터 전송 장치는 다수개의 수신 장치로 구성될 수 있다. 또한, 본 실시예의 경우, 수신 장치는 2개의 안테나를 구비하는 것으로 설명하고 있으나, 수신 장치는 N개의 안테나를 구비하는 경우에도 동일하게 적용된다.
송신 장치(100)와 수신 장치(300) 사이에는 2개의 독립적인 데이터 전송 경로 즉, A 데이터 전송 경로(PA)와 B 데이터 전송 경로(PB)가 형성된다. 이러한 데이터 전송 경로의 설정은 다중 경로를 설정하는 라우팅 기술을 이용하여 노드간의 충돌을 최소화한 경로를 설정한다. 이때, 각 데이터 전송 경로는 서로 다른 중계 노드로 구성된다.
송신 장치(100)는 서로 다른 원본 신호에 더티 페이퍼 코팅을 수행한 신호를 각 데이터 전송 경로를 구성하는 중계 노드로 전송한다. 각 중계노드는 송신 장치에서 전송된 서로 다른 신호를 수신하며, 수신함과 동시에 다음 중계노드 또는 수신 장치로 전송한다. 수신 장치(300)는 각 데이터 전송 경로의 마지막 중계 노드로부터 신호를 각각 수신하고, 수신한 신호를 디코딩하여 원본 신호를 검출한다.
도 4 및 도 5를 참조하여 살펴보면, 전송 장치 A는 이하의 더티 페이퍼 코딩 기술을 이용하여 2개의 중계 노드(B, C)에 동시에 2개의 신호를 전송한다. 전송 장치 A에서 중계 노드 B와 중계 노드 C에게 2개의 신호 s1(t)와 s2(t)를 전송하고자 하면, 전송 장치 A가 각 안테나에서 전송할 신호 r(t) = [rB1(t) rC1(t)] 는 다음과 정해진다.
rB1(t) = s1(t)R1,1,
rC1(t) = s1(t)R1,2 + s2(t)R2,2
도 4에서 HAB는 노드 A와 노드 B 사이의 채널, HAC는 노드 A와 노드 C 사이의 채널, wB는 B의 웨이트 벡터 행렬, wC는 C의 웨이트 벡터 행렬, 그리고 R은 그림에서와 같이 QR factorization의 결과물로 정의된다. 이와 같이 결정된 전송 신호는 상호 간섭을 일으키지 않고, 중계 노드 B와 C에 전달 된다.
중계노드인 B와 C는 송신 장치 A로부터 전달된 각각의 신호를 수신과 동시에 다음 중계노드로 전달한다. 이는 각각의 웨이트 벡터 행렬 WB와 WC의 조정을 통해서 가능하다. WC는 두 개의 웨이트 벡터 [wC1 wC2]의 조합이고 C의 안테나 i와 j사이의 채널을 h ij 로 가정하고, N은 중계 노드 C의 안테나 개수라고 가정할 때, 도 4에서와 같이 wC1를 송신 장치 A로부터의 신호 수신에 사용했을 경우 wC2와 wC1관계를 아래 식(3)을 만족하도록 설정하여 wC2를 신호 전송에 사용한다.
[식 3]
wC2 HHwC1 = 0
여기서 H = [h ij], i,j = 1, ..., N이며 모든 k에 대하여 h kk = 1.
도 5를 참조하면, 최종 수신 장치 R에서는 B와 C에서 사용한 각각의 웨이트 벡터와 B와 R 사이의 채널 HBR, C와 R 사이의 채널 HCR를 알면 각 중계 노드로부터 신호를 동시에 수신하고, 이를 디코딩하여 송신 장치에서 전송한 원본 신호 s1(t)와 s2(t)를 검출한다.
도 6는 도 3에 도시된 송신 장치의 개략적인 구성도이며, 도 7는 도 3에 도시된 중계 노드의 개략적인 구성도이고, 도 8은 도 3에 도시된 수신 장치의 개략적인 구성도이다.
도 6을 참조하면, 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치의 송신 장치(100)는 송신 웨이트 벡터 조절부(110), 인코딩부(120), 송신부(130), 송신 제어부(140) 및 송신 안테나(150)를 포함한다.
송신 웨이터 벡터 조절부(110)는 웨이트 벡터 행렬을 산출하는 기능을 수행하며, 웨이트 벡터 행렬은 복수의 안테나를 통해 신호를 송신할 때, 채널의 상태에 따라 가중치를 가함으로써 단말이 목적한 신호를 수신할 수 있도록 한다. 이러한 웨이트 벡터 행렬은 중계 노드의 안테나 또는 수신 장치의 안테나 간의 간섭 성분을 제거하는 기능을 수행한다.
인코딩부(120)는 중계 노드들간 또는 수신 장치의 안테나들간의 간섭을 제거하기 위하여 송신 웨이트 벡터 조절부(110)의 제어에 따라 원본 신호에 더티 페이퍼 코딩을 수행하여 출력한다. 즉, 인코딩부(120)는 송신 웨이트 벡터 조절부(110)로부터 제공받은 웨이트 벡터 행렬을 이용하여 신호를 정렬한 후, 더티 페이퍼 코딩을 수행한다.
송신부(130)는 인코딩부(120)에서 출력된 신호 즉, 더티 페이퍼 코딩된 신호를 인가받아 송신 안테나(150)를 통하여 각 중계 노드로 전송한다. 송신 제어부(140)는 송신 장치의 각 구성요소 즉, 송신 웨이트 벡터 조절부(110), 인코딩부(120) 및 송신부(130)의 동작을 제어한다.
도 7을 참조하면, 각 중계 노드는 중계 수신부(210), 중계 웨이트 벡터 조절부(220), 중계 송신부(230), 중계 제어부(240) 및 중계 안테나(250)를 포함한다.
중계 수신부(210)는 송신 장치(100)로부터 전송된 신호를 수신하며, 중계 웨이트 벡터 조절부(220)는 신호 수신 시 사용한 웨이트 벡터에 기초하여 다음 중계 노드로 전송 시 사용할 웨이트 벡터를 산출하여 적용하는 기능을 수행한다. 구체적으로, 송신 장치로부터의 신호 수신시 사용한 웨이트 벡터와 위에서 살펴본 [식 3]을 만족시키는 웨이트 벡터를 설정하여, 다음 중계 노드로의 신호 전송시 활용한다.
중계 송신부(230)는 중계 수신부(210)에서 수신한 신호에 중계 웨이트 벡터 조절부(220)에서 산출된 웨이트 벡터를 빔포밍 적용한 후, 중계 안테나(250)를 통하여 다음 중계 노드 또는 수신 장치로 전송한다.
도 8을 참조하면, 수신 장치(300)는 수신부(310), 디코딩부(320), 수신 제어부(330) 및 수신 안테나(340)를 포함한다.
수신부(310)는 수신 안테나(340)를 통하여 각 중계 노드로부터 신호를 수신받아서 디코딩부(320)로 전송한다. 디코딩부(320)에서는 송신 장치에서 수행한 더티 페이퍼 코딩 신호를 디코딩하여 송신 장치에서 전송한 원본 신호를 검출한다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법을 나타낸 흐름도이다.
도 9를 참조하면, 우선 멀티홉 애드혹 네트워크내에서 상호 독립적인 복수의 데이터 전송 경로를 설정한다(S10).
데이터 전송 경로가 설정되면, 송신 장치는 중계 노드의 안테나 또는 수신 장치의 안테나들간의 간섭 성분을 제거하기 위한 웨이트 벡터 행렬을 산출한다(S20).
그리고 나서, 복수의 데이터 전송 경로를 통하여 전송할 상호 다른 원본 신호에 더티 페이터 코딩을 적용하여 전송 신호를 생성한다(S30). 생성된 전송 신호를 복수의 안테나를 통하여 각 중계 노드로 전송하는 과정을 수행한다(S40).
각 중계 노드는 전송 신호를 수신하고, 수신한 전송 신호를 이후의 단말(노드)로 전송할 때 사용할 웨이트 벡터를 산출하는 과정을 수행한다(S50). 산출된 웨이트 벡터를 이용하여 수신한 전송 신호에 빔포밍을 적용한 후, 다음 단말로 전송하는 과정을 수행한다(S60).
단말이 수신 장치인지 중계 노드인지 여부를 판단한 후(S70), 단말이 중계 노드인 경우에는 S50 과정으로 복귀하여 위의 과정을 반복 수행한다. 한편, 단말이 수신 장치인 경우에는 수신된 전송 신호에 디코딩을 수행하여 송신 장치에서 전송한 원본 신호를 검출하는 과정을 수행한다.
이상에서 설명한 것은 본 발명에 따른 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치 및 방법의 예시적인 실시예에 불과한 것으로서, 본 발명은 상기한 실시예에 한정되지 않고, 이하의 특허청구범위에서 청구하는 바와 같이, 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변경 실시가 가능한 범위까지 본 발명의 기술적 정신이 있다고 할 것이다.
100 : 송신 장치
200 : 중계 노드
300 : 수신 장치

Claims (10)

  1. 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치에 있어서,
    2개 이상의 안테나를 포함하는 송신 장치;
    2개 이상의 안테나를 포함하는 수신 장치; 및
    상기 송신 장치와 상기 수신 장치간 상호 독립적인 복수의 데이터 전송 경로를 형성하는 중계 노드를 포함하며, 상기 각 데이터 전송 경로는 복수의 중계 노드를 포함하고, 상기 각 중계 노드는 2개 이상의 안테나를 포함하며,
    상기 송신 장치는 서로 다른 원본 신호에 더티 페이퍼 코딩을 수행한 신호를 상기 각 데이터 전송 경로를 구성하는 중계 노드로 전송하며, 상기 각 중계 노드는 상기 송신 장치에서 전송된 신호를 수신함과 동시에 다음 중계 노드 또는 상기 수신 장치로 전송하고, 상기 수신 장치는 상기 각 데이터 전송 경로의 마지막 중계 노드로부터 신호를 각각 수신하고, 수신한 신호를 디코딩하여 원본 신호를 검출하며,
    상기 송신 장치는,
    복수의 안테나를 통해 신호를 송신할 때, 채널의 상태에 따라 가중치를 가함으로써 상기 중계 노드나 수신 장치가 목적한 신호를 수신할 수 있도록 하기 위한 웨이트 벡터 행렬을 산출하는 송신 웨이터 벡터 조절부; 및 상기 중계 노드 또는 수신 장치의 안테나들간의 간섭을 제거하기 위하여, 상기 웨이트 벡터 행렬을 이용하여 원본 신호에 더티 페이퍼 코딩을 수행하여 출력하는 인코딩부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 송신 장치는,
    상기 인코딩부에서 출력된 신호를 인가받아 송신 안테나를 통하여 각 중계 노드로 전송하는 송신부; 및
    상기 송신 웨이트 벡터 조절부, 인코딩부 및 송신부의 동작을 제어하는 송신 제어부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각 중계 노드는,
    상기 송신 장치로부터 전송된 신호를 수신하는 중계 수신부;
    신호 수신 시 사용한 웨이트 벡터에 기초하여 다음 중계 노드로 전송 시 사용할 웨이트 벡터를 산출하여 적용하는 중계 웨이트 벡터 조절부; 및
    상기 중계 수신부에서 수신한 신호에 상기 중계 웨이트 벡터 조절부에서 산출된 웨이트 벡터를 빔포밍 적용한 후, 중계 안테나를 통하여 다음 중계 노드 또는 수신 장치로 전송하는 중계 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 중계 웨이트 벡터 조절부는 신호 수신시 사용한 웨이트 벡터와 아래 식을 만족시키는 웨이트 벡터를 설정하여, 다음 중계 노드 또는 수신 장치로의 신호 전송시 활용하며,
    [식]
    wC2 HHwC1 = 0
    여기서, H = [h ij], i,j = 1, ..., N이며, 모든 k에 대하여 h kk = 1이고,
    임의의 중계 노드의 웨이트 벡터 행렬을 WC라 가정하고, 상기 WC 는 웨이트 벡터 [wC1 wC2]의 조합이며, h ij 는 상기 임의의 중계 노드의 안테나 i와 j사이의 채널이며, N은 상기 임의의 중계 노드 안테나 개수이며, 상기 wC1 은 상기 신호 수신시 사용한 웨이트 벡터이며, wC2는 다음 중계노드 또는 수신 장치로의 신호 전송시 활용하는 웨이트 벡터인 것을 특징으로 하는 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 수신 장치는,
    수신 안테나를 통하여 각 중계 노드로부터 신호를 수신받는 수신부; 및
    상기 수신 신호를 디코딩하여 상기 송신 장치에서 전송한 원본 신호를 검출하는 디코딩부를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치.
  7. 제1항, 제3항, 제4항, 제5항 또는 제6항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 데이터 전송 경로는 라우팅 기술에 의해 최적 경로로 설정되는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 장치.
  8. 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법에 있어서,
    멀티홉 애드혹 네트워크내에서 상호 독립적인 복수의 데이터 전송 경로를 설정하는 단계;
    송신 장치는 중계 노드의 안테나 또는 수신 장치의 안테나들간의 간섭 성분을 제거하기 위한 웨이트 벡터 행렬을 산출하는 단계;
    상기 복수의 데이터 전송 경로를 통하여 전송할 상호 다른 원본 신호에 더티 페이터 코딩을 적용하여 전송 신호를 생성하는 단계;
    상기 생성된 전송 신호를 복수의 안테나를 통하여 각 중계 노드로 전송하는 단계;
    상기 각 중계 노드는 전송 신호를 수신하고, 수신한 전송 신호를 이후의 단말로 전송할 때 사용할 웨이트 벡터를 산출하는 단계; 및
    상기 산출된 웨이트 벡터를 이용하여 수신한 전송 신호에 빔포밍을 적용한 후, 다음 단말로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법.
  9. 제8항에 있어서, 상기 방법은,
    상기 단말이 수신 장치인지 중계 노드인지 여부를 판단하는 단계; 및
    판단 결과, 상기 단말이 중계 노드인 경우에는 상기 수신한 전송 신호를 이후 단말로 전송할 때 사용할 웨이트 벡터를 산출하는 단계로 복귀하며, 상기 단말이 수신 장치인 경우에는 수신된 전송 신호에 디코딩을 수행하여 송신 장치에서 전송한 원본 신호를 검출하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 수신한 전송 신호를 이후의 단말로 전송할 때 사용할 웨이트 벡터를 산출하는 단계는 신호 수신시 사용한 웨이트 벡터와 아래 식을 만족시키는 웨이트 벡터를 설정하여, 다음 중계 노드 또는 수신 장치로의 신호 전송시 활용하며,
    [식]
    wC2 HHwC1 = 0
    여기서, H = [h ij], i,j = 1, ..., N이며, 모든 k에 대하여 h kk = 1이고,
    임의의 중계 노드의 웨이트 벡터 행렬을 WC라 가정하고, 상기 WC 는 웨이트 벡터 [wC1 wC2]의 조합이며, h ij 는 상기 임의의 중계 노드의 안테나 i와 j사이의 채널이며, N은 상기 임의의 중계 노드 안테나 개수이며, 상기 wC1 은 상기 신호 수신시 사용한 웨이트 벡터이며, wC2는 다음 중계노드 또는 수신 장치로의 신호 전송시 활용하는 웨이트 벡터인 것을 특징으로 하는 다중 안테나 기반 멀티홉 애드혹 네트워크에서의 데이터 전송 방법.

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