KR101093804B1 - 협동 통신에서의 처리율 향상 방법 및 그 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명에 의한 협동 통신에서의 처리율 향상 방법은 송신기가 제1시간슬롯에서 송신하고자 하는 데이터를 디지털 변조한 제1변조신호를 중계기로 송신하는 단계; 상기 송신기가 상기 데이터를 구성하는 정보 비트들을 각각 짝수개를 포함하는 제1 내지 제2 그룹으로 분할한 후 제2그룹에 대하여 디지털 변조한 제2변조신호를 상기 제1시간슬롯에 후속하는 제2시간슬롯에서 수신기로 송신하는 단계; 상기 제2시간슬롯에서 중계기가 상기 제1그룹에 대하여 디지털 변조한 제3변조신호를 수신기로 송신하는 단계; 상기 제2시간슬롯에 후속하는 제3시간슬롯에서 상기 송신기가 상기 제3변조신호의 복소쌍신호를 수신기로 송신하는 단계; 및 상기 제3시간슬롯에서 상기 중계기가 상기 제2변조신호의 복소쌍신호의 음수값을 가지는 신호를 수신기로 송신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하며, 반 이중 방식 협동 통신 기법에서 송신기와 중계기 사이의 전송 횟수를 줄임으로서 처리율 향상이 가능하며, 간단한 방식이기 때문에 복잡한 신호처리 없이 가능하다는 것과 협동통신에서 적용이 쉽다는 것, 그리고 다이버시티 이득을 통하여 신뢰성 있는 통신을 가능하게 할 수 있다는 장점이 있다.

Description

협동 통신에서의 처리율 향상 방법 및 그 시스템{Mathod for improving throughput of cooperative communications and system thereof}

본 발명은 협동 통신에서 처리율을 향상시키기 위한 방법 및 그 방법을 적용하는 통신 시스템에 관한 것으로, 더 자세하게는 양방향 통신이 가능한 직교 주파수 분할 다중 변조(Orthogonal Frequency Division Multiplexing : 이하, ‘OFDM'이라고 함)와 같은 시스템 기반의 반 이중 방식 협동 통신이 적용되는 경우의 처리율 향상을 이룩하기 위한 기술에 관한 것이다 .

다양한 무선 시스템 중에서 낮은 복잡도와 전력 소모, 낮은 가격, 그리고 작은 크기를 요구하는 시스템을 다중 안테나를 이용하여 다중 경로 채널 환경에서 신호 간 간섭 때문에 생기는 성능 저하를 완화 시킨다면 그 방법은 위의 조건을 만족시키기 힘들다. 대신에 중계기의 도움을 받아서 단지 하나의 안테나만을 가지고 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 협동 통신 기법을 이용한다면 낮은 복잡도와 전력소모, 낮은 가격, 그리고 작은 크기를 유지하면서 다중 경로 채널 환경에서 신뢰성 높은 전송을 가능하게 해준다.

협동 통신은, 중계기를 이용하여 송신기가 수신기로 통신하는 것을 도와 줌 으로써 더 신뢰성 있는 통신을 하는 것이 목적이다. 협동통신의 구성은 송신기, 중계기 수신기이며, 협동통신의 간단한 절차는 다음과 같다. 송신기는 중계기와 수신기에게 보내고자 하는 정보를 전송 한다. 이 때, 중계기는 송신기에서 수신기에게 전송하고자 하는 정보를 받아 적절한 신호처리 후, 그 정보를 다시 수신기에게 전송하고, 송신기도 중계기와 같이 중계기에 보냈던 신호를 다시 수신기에 전송한다. 마지막 절차에서, 송신기와 수신기 사이의 채널과 중계기와 수신기의 사이의 채널이 서로 독립적인 채널을 거치게 함으로써 다이버시티 이득을 얻을 수 있다. 하지만 이러한 협동 전송에서 전송을 할 때, 중계기가 송신기가 보내려는 정보를 가지고 있지 않아 반드시 보내고자 하는 정보를 송신기로부터 받아야 하기 때문에 이에 따른 처리율 저하가 발생한다. 이를 보완하기 위해서 전 양방 방식(full-duplex)에서는 시공간 블록부호를 이용하여 1/2의 전송률 저하를 2/3의 전송률 저하로 완화 시킬 수 있으나 반 이중방식 에서는 다음과 같은 절차를 가지므로 여전히 1/2의 전송률 저하가 발생하게 된다.

첫 번째 단계에서, 송신기는 신호

을 중계기와 수신기에 전송한다. 두 번째 단계에서, 송신기는 신호 를 중계기와 수신기에 전송하고 중계기는 앞서 받은 두 신호

,

을 추정한다. 세 번째 단계에서, 송신기는 신호

를, 중계기는 추정한 신호

을 수신기에 전송한다. 이어서 마지막으로, 송신기는 신 호

를, 중계기는

를 수신기에 전송한다. 여기서

는

의 켤레 복소수(conjugate)를 의미하고,

은

의 추정 신호를 의미한다.

이 때, 마지막 두 단계에 수신기에 전송된 신호는 알라무티의 시공간 블록 부호의 구성을 갖는다. 이 시공간 블록 부호를 통해 다이버시티 이득을 얻을 수는 있겠지만, 반 이중 방식에서는 여전히 전송률이 1/2로 저하되는 단점이 존재한다. 하지만 전 양방 방식을 이용하여 통신을 한다면 여러 가지 문제점이 발생 할 수 있다. 먼저, 반 이중 방식보다 구현하기 힘들고, 협동통신에서 전 양방 방식을 효율적으로 사용하기 위해서는 중계기에서 신호를 받는 동시에 전송을 하여야 하는데 이 때 두 신호 간 간섭이 일어나며, 이러한 간섭은 통신에서 성능에 커다란 영향을 미칠 수 있다. 따라서 반 이중 방식을 사용하는 것이 가격이나 구현, 간섭 면에서 더 좋다고 할 수 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적인 과제는, 협동 통신에서, 특히 반이중 방식의 전송을 하는 협동 통신에서 전송횟수를 감소시킴으로써 처리율을 향상 시키면서도 다이버시티 이득을 얻을 수 있고, 신호처리가 간단하여 이동 통신에서 쉽게 적용할 수 있는 처리율 향상 장치 및 그 방법을 제공하는데 목적이 있다.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 협동 통신에서의 처리율 향상 방법은 송신기가 제1시간슬롯에서 송신하고자 하는 데이터를 디지털 변조한 제1변조신호를 송신하는 단계; 상기 송신기가 상기 데이터를 구성하는 정보 비트들을 각각 짝수개를 포함하는 제1 내지 제2 그룹으로 분할한 후 제2그룹에 대하여 디지털 변조한 제2변조신호를 상기 제1시간슬롯에 후속하는 제2시간슬롯에서 송신하는 단계; 상기 제2시간슬롯에서 중계기가 상기 제1그룹에 대하여 디지털 변조한 제3변조신호를 송신하는 단계; 상기 제2시간슬롯에 후속하는 제3시간슬롯에서 상기 송신기가 상기 제3변조신호의 복소쌍신호를 송신하는 단계; 및 상기 제3시간슬롯에서 상기 중계기가 상기 제2변조신호의 복소쌍신호의 음수값을 가지는 신호를 송신하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 다른 기술적 과제를 해결하기 위하여 본 발명에 의한 협동 통신에서의 처리율 향상 시스템은 원데이터에 대하여 적어도 두 가지 이상의 변조 방식중 하나의 방식으로 선택적으로 변조를 수행한 후 출력하는 송신기 및 상기 디지털 변조된 신호를 수신하여 복조한 후 시차를 두고 그 중 일부를 다시 디지털 변조하여 송신하는 중계기;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 기존 반 이중 방식인 협동 통신 기법과는 다르게 보내고자 하는 심볼 당 전송 횟수를 줄여서 처리율을 향상 시킬 수 있으며, 기존 방식과 비교하여 복잡한 신호처리를 요구 하지 않고, 구현하기 쉽다는 장점과 함께, 하나의 안테나만으로도 다이버시티의 이득을 얻어 저 전력, 저비용 작은 단말기 크기로도 비교적 신뢰성 있는 통신을 가능하게 할 수 있다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 일 실시 예를 상세히 설명한다. 실제 협동통신 시스템에서는 심볼 단위로 하지 않고 프레임 단위로 협동통신이 실행된다. 하지만 아래에서는 설명의 편이와 간략함을 위해 프레임 단위 대신에 심볼 단위로 설명을 진행한다. 본 발명이 속한 분야의 통상의 지식을 가진 자에게는 아래와 같은 본 발명에 따른 동작을 심볼을 사용하여 실시한 설명을 참조하여 프레임 단위로의 확장을 하는 것은 용이하게 이루어질 수 있다. 그러므로 그에 대한 별도의 설명은 하지 않을 것이다.

도 1은 본 발명이 적용되는 시스템에서 시스템을 구성하는 장치들간의 변조 신호의 송수신을 관계를 도시한 것이고, 도 2는 본 발명에 의한 송신기가 전송을 위해서 필요에 따라 선택적으로 변조를 하는 방식을 개념적으로 보여주는 도면이다, 한편 도 3a는 본 발명에 의한 송신기의 구성을 보여주는 블록도이고, 도 3b는 본 발명에 의한 중계기의 구성을 보여주는 블록도이다. 또한 도 4는 본 발명에 의한 협동 통신에서의 처리율 향상 방법의 과정을 보여주는 흐름도이며, 도 5는 각각의 단계에서 송신기와 중계기가 어떤 신호를 보내는지 시간별로 나타낸 표이다. 그리고 도 6은 OFDM 시스템에서 비 협동통신과 여러 변조 기법에 대한 비트오율을 나타낸 그래프이며, 도 7은 OFDM 시스템에서 협동통신에서 여러 변조 기법에 대한 처리율을 나타낸 그래프이다.

먼저 본 발명이 적용되는 시스템에서 시스템을 구성하는 장치들간의 변조 신호의 송수신을 관계를 도시한 도 1을 참조한다. 본 시스템은, 전송 데이터를 QPSK 또는 16-QAM으로 상황에 따라 변조 기법을 선택 전송 가능한 송신기(110), 상기 송신기에서 전송되는 신호를 수신하여 원 신호로 복원하고 복원된 16-QAM신호를 두개의 QPSK신호로 변조하여 송신할 수 있는 중계기(120)와 송신기와 수신기에서 전송된 신호를 수신하며, 그 수신된 신호로부터 원래의 신호를 복원할 수 있는 수신기(130)를 포함한다. 도 1에 도시된 시간슬롯별로 나타난 신호들은 이하의 설명에서 보다 상세하게 설명한다.

도 2는 본 발명에 의한 송신기(110)가 전송을 위해서 필요에 따라 선택적으로 변조를 하는 방식을 개념적으로 보여주는 그림이다. 이 그림은 총 4개의 정보 비트

를 예로 들어 보여주고 있다. 처음에 송신기(110)의 제1변조부(310)는 중계기(120)에게 수신기(130)에 보내고자 하는 비트를 알리기 위해서 16-QAM 변조를 선택하여 총 4개의 정보 비트를 한 심볼

로 변조하여 중계기에 전송한다. 아래 첨자인 1과 2는 좀 더 뒤에 설명하겠다. 그리고 그 후에는 4개의 정보비트를 두 개씩 묶어서 2개의

,

인 QPSK 심볼을 형성한다. 제2변조부(320)는 이렇게 형성된

를 출력하고, 제3변조부는

의 복소쌍인

를 출력한다. 여기서 아래 첨자인 1과 2는 QPSK 심볼 단위를 말하는 것으로 위에서

는 두개의

,

와 같은 정보비트를 가지고 있는 하나의 16-QAM 심볼 이라는 의미이다.

의 변조가 끝났으면 다음 4개의 정보 비트를 묶어서 이와 같은 변조를 반복한다.

한편, 중계기(120)의 동작을 도 3b를 참조하면서 살펴보면, 기본적으로 중계기는 16-QAM 신호를 받아서 복조한 후에는 QPSK로 변조하여 송신기와 함께 시공간 블록 부호를 구성하여 수신기에 전송한다. 즉 수신부(340)는 송신기로부터 변조된 신호

를 수신하여 원신호를 복원한다. 제1출력부(350)는 복원된 원신호를 다시

로 변조하여 출력하고, 제2출력부(360)는

신호를 생성하여 송신기로 출력한다.

도 5는 본 발명에 따른 시공간 부호를 보내기 위해서, 각 단계별로 상기 도 1 내지 도 3b에서 구성요소들(송신기,중계기,수신기) 간에 주고받는 신호를 심볼 단위로 보여 주는 표이다. 송신기와 중계기가 도 5의 표처럼 전송하기 위해서 도 2의 그림처럼 시간에 따라 선택적으로 변조기가 작동하여 정보비트를 변조한다. 중계기에 전송할 때에는 16-QAM 신호를 전송하고, 중계기에서 16-QAM 신호를 받아서 복조한 후에는 QPSK로 변조하여 송신기와 함께 시공간 블록 부호를 구성하여 수신기에 전송한다.

본 발명에 의한 방법의 일 예를 도 4를 참조하면서 서술한다. 먼저 송신기가 제1시간슬롯(예를 들면, 도 3의 시간슬롯 1)에서 송신하고자 하는 데이터를 16-QAM으로 디지털 변조하여 제1변조신호(

)를 생성하여 중계기 및 수신기로 송신한다(S410단계).

다음으로 송신기(110)가 상기 데이터를 구성하는 정보 비트들을 각각 짝수개(위의 설명에서는 2개)를 포함하는 제1 내지 제2 그룹으로 분할한다. 그리고 그제2그룹에 대하여 QPSK방식으로 디지털 변조한 제2변조신호(

)를 상기 제1시간슬롯에 후속하는 제2시간슬롯(예를 들면, 도 2의 시간슬롯 2)에서 송신한다(S420단계).

제2시간슬롯에서 중계기(120)는 상기 제1그룹에 대하여 QPSK 방식으로 디지털 변조한 제3변조신호(

)를 수신기로 송신한다(S430단계).

그리고 송신기는 상기 제2시간슬롯에 후속하는 제3시간슬롯(예를 들면, 도 2의 시간슬롯 3)에서 상기 제3변조신호의 복소쌍신호(

를 송신한다(S440단계).

마지막으로 중계기는 상기 제3시간슬롯 상기 제2변조신호의 복소쌍신호의 음수값을 가지는 신호(

를 송신한다.

이와 같은 과정을 통하여 중계기에 보낸 신호를 주파수 영역에서 확인해 본 다면 아래식과 같은 수식으로 설명 할 수 있다.

여기서

는 중계기에서 수신된 신호라는 뜻이고,

는 송신기와 중계기 사이의 채널응답을 말한다.

는 x번째 16-QAM이라는 의미이다. 여기서 2n,2n+1은 송신기에서 2n,2n+1번째의 두 QPSK심볼의 정보를 담고 있는 16-QAM 심볼이기 때문에 이렇게 썼다. 또한

은 송신기와 중계기 사이에 잡음을 나타내었다. 마지막으로,

에서

는 하나의 심볼을 보내는 시간을 나타내는 지표이고,

이 1 증가하면,

은 3이 증가하는 관계를 가진다. 그리고 만약 중계기에서 위와 같은 신호를 받아 정보비트로 복조 하여 4개의 정보 비트를 얻었다면, 다시 두개의 QPSK의 심볼로 변조하여 수신기와 함께 아래와 같이 알라무티의 시공간 블록부호를 만들 수 있다.

여기서

는 공액 복소수를 말한다. 중계기와 송신기가 구성하여 전송 한, 위 블록을 수신기에 전송하면, 수신기는 아래와 같은 식을 받게 된다.

여기서

는 수신기에서 받은 신호를 나타낸다.

는

번째 QPSK신호를 말한다. 또한

는 수신기와 송신기 사이에 주파수 채널 응답이고,

는 중계기와 수신기 사이의 주파수 채널 응답이다. 그리고

는 송신기와 수신기 사이의 잡음을 나타낸다. 이렇게 받은 수신신호는 수신기에서 아래의 식과 같이 추정할 수 있다.

수학식 4에서의 각각의 의미는 모두 위에서 설명한 것들과 같다. 이와 같은 연산을 수행함으로써 우리는 원래 신호를 복조 할 수 있다. 위의 결과를 종합해본다면 총 3개의 심볼을 보내는 시간동안 2개의 심볼을 복조해내므로 기존의 반 이중 방식에서 전송률이 1/2였던 것이 2/3으로 나아졌음을 확인할 수 있다.

도 6부터 7까지는 본 발명에 따른 성능에 대한 그래프이다. 도 6에서는 비트에러율을 확인해 볼 수 있고, 도 7에서는 처리율에 대해서 알아 볼 수 있다. 모의 실험에서 시간 및 주파수 동기, 채널 추정은 완벽하다고 가정하였고, OFDM시스템에서 실험하였다. 그리고 공정한 비교를 위해서, 협동통신의 송신기와 중계기의 파워 각각을 비 협동통신과 비교하여 1/2로 사용하였다고 가정하였다. 그리고 채널 응답은 한 심볼이 수신 될 때까지 변하지 않는다고 가정하였다. 도 6의 세로축은 비트 에러율을 말하고 있다. 그리고 가로축은 송신기와 수신기 사이의 채널의 신호 비를 말한다. 그래프에서 신호 대 잡음비 (SNR: Signal-to-ratio) 차이(gap)는 송신기와 수신기 사이의 신호 대 잡음비와 송신기와 중계기 사이의 신호 대 잡음비 차이를 말한다. 도 6의 그래프에서 보면 비트 성능은 QPSK만을 사용했을 때보다 좋지 않음을 확인 할 수 있다. 이는 중계기와 송신기 사이에 16-QAM을 사용하므로 QPSK만을 사용해 협동통신을 했을 때보다는 중계기에서 정보신호를 잘못 추정하여 도 6과 같은 결과가 생겼을 것이다. 하지만 도 7을 보면 처리율이 QPSK만을 사용했을 때보다 많이 개선되었음을 확인할 수 있다. 따라서 본 발명은 비교적 적은 에러율에서 높은 처리율을 요구하는 통신환경에서 이용할 수 있을 것이다.

본 발명은 또한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체의 예로는 ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광데이터 저장장치 등이 있으며, 또한 캐리어 웨이브(예를 들어 인터넷을 통한 전송)에 의한 표시의 형태로 구현되는 것도 포함한다. 또한 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템에 분산되어 분산방식으로 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드가 저장되고 실행될 수 있다.

이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.

도 1은 본 발명이 적용되는 시스템에서 시스템을 구성하는 장치들간의 변조 신호의 송수신을 관계를 도시한 것이다.

도 2는 본 발명에 의한 송신기가 전송을 위해서 필요에 따라 선택적으로 변조를 하는 방식을 개념적으로 보여주는 도면이다,

도 3a는 본 발명에 의한 송신기의 구성을 보여주는 블록도이다.

도 3b는 본 발명에 의한 중계기의 구성을 보여주는 블록도이다.

도 4는 본 발명에 의한 협동 통신에서의 처리율 향상 방법의 과정을 보여주는 흐름도이다.

도 5는 각각의 단계에서 송신기와 중계기가 어떤 신호를 보내는지 시간별로 나타낸 표이다.

도 6은 OFDM 시스템에서 비 협동통신과 여러 변조 기법에 대한 비트오율을 나타낸 그래프이다.

도 7은 OFDM 시스템에서 협동통신에서 여러 변조 기법에 대한 처리율을 나타낸 그래프이다.

Claims (8)

1. 송신기가 제1시간슬롯에서 송신하고자 하는 데이터를 디지털 변조한 제1변조신호를 중계기로 송신하는 단계;

   상기 송신기가 상기 데이터를 구성하는 정보 비트들을 적어도 하나이상의 쌍으로 포함하는 제1 내지 제2 그룹으로 분할한 후 제2그룹에 대하여 디지털 변조한 제2변조신호를 상기 제1시간슬롯에 후속하는 제2시간슬롯에서 수신기로 송신하는 단계;

   상기 제2시간슬롯에서 중계기가 상기 제1그룹에 대하여 디지털 변조한 제3변조신호를 상기 수신기로 송신하는 단계;

   상기 제2시간슬롯에 후속하는 제3시간슬롯에서 상기 송신기가 상기 제3변조신호의 복소쌍신호를 상기 수신기로 송신하는 단계; 및

   상기 제3시간슬롯에서 상기 중계기가 상기 제2변조신호의 복소쌍신호의 음수값을 가지는 신호를 상기 수신기로 송신하는 단계;를 포함하고,

   상기 제1변조신호는 16-QAM 디지털 변조된 신호이고, 상기 제2 내지 제3변조신호는 QPSK 디지털 변조된 신호인 것을 특징으로 하는 협동 통신에서의 처리율 향상 방법.
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3. 삭제
4. 원데이터에 대하여 적어도 두 가지 이상의 변조 방식중 하나의 방식으로 선택적으로 변조를 수행한 후 출력하는 송신기 및

   상기 선택적으로 변조된 신호를 수신하여 복조한 후 시차를 두고 그 중 일부를 다시 디지털 변조하여 송신하는 중계기;를 포함하고,

   상기 송신기는,

   제1시간슬롯에서 송신하고자 하는 데이터를 디지털 변조한 제1변조신호를 출력하는 제1변조부;

   상기 데이터를 구성하는 정보 비트들을 적어도 하나이상의 쌍으로 포함하는 제1 내지 제2 그룹으로 분할한 후 제2그룹에 대하여 디지털 변조한 제2변조신호를 상기 제1시간슬롯에 후속하는 제2시간슬롯에서 출력하는 제2변조부; 및

   상기 제 1 그룹에 대하여 디지털 변조한 제3변조신호의 복소쌍신호를 상기 제2시간슬롯에 후속하는 제3시간슬롯에서 출력하는 제3변조부;를 포함하고,

   상기 중계기는,

   제1시간슬롯에서 상기 송신기로부터 원데이터가 디지털 변조된 제1변조신호를 수신하는 수신부;

   상기 제1변조신호로부터 원데이터를 복원한 후 상기 원데이터를 구성하는 정보 비트들을 적어도 하나이상의 쌍으로 포함하는 제1 내지 제2 그룹으로 분할한 후 제1그룹에 대하여 디지털 변조된 제3변조신호를 상기 제1시간슬롯에 후속하는 제2시간슬롯에서 출력하는 제1출력부; 및

   상기 제3변조신호의 복소쌍신호를 상기 제2시간슬롯에 후속하는 제3시간슬롯에서 출력하는 제2출력부;를 포함하고,

   상기 제1변조신호는 16-QAM 변조된 신호이고, 상기 제2 내지 제3변조신호는 QPSK 변조된 신호인 것을 특징으로 하는 협동통신에서의 처리율 향상 시스템.
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