KR101202091B1

KR101202091B1 - 통신 시스템에서의 협력 통신 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101202091B1
Application number: KR1020100097870A
Authority: KR
Inventors: 이정우; 황인호; 고동주; 조용수
Original assignee: 중앙대학교 산학협력단
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2012-11-15
Also published as: KR20120036154A

Abstract

본 발명의 실시예들은 전체 시스템의 오류 정정 성능을 높이기 위해 추정 후 전달(Estimate and Forward) 릴레이 프로토콜을 적응적으로 수행하는 릴레이 통신 시스템에서의 협력 통신 방법 및 장치에 관련된다. 특히, 릴레이는 협력통신의 한 부류로 인식되며, 통신시스템 환경에 따른 적합한 릴레이 프로토콜과 언제 어떻게 누구와 협력하여 통신에 영향을 줄 것인지가 중요하다. 릴레이는 음영지역 내 통신 동작을 복구하고 고속 이동체인 자동차나 기차 등에 설치되어 협력통신을 구축할 수 있다.

Description

통신 시스템에서의 협력 통신 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR COOPERATION TRANSITION IN COMMUNICATION SYSTEM}

아래의 실시예들은 전체 시스템의 오류 정정 성능을 높이기 위해 추정 후 전달(Estimate and Forward) 릴레이 프로토콜을 적응적으로 수행하는 릴레이 통신 시스템에서의 협력 통신 방법 및 장치에 관련된다.

4세대 통신에서의 최고 데이터 전송률은 100Mb/s와 1Gb/s로 구분할 수 있다. 100Mb/s는 사용자가 높은 속도로 움직이고 있을 때, 제공할 수 있는 전송률이며, 최고 350km/h까지 100Mb/s를 지원 가능한 모델이 요구된다. 한편, 1Gb/s는 사용자가 정지해 있거나 최고 10km/h의 속도 움직일 경우 제공할 수 있는 데이터 전송률이며, 높은 데이터 전송률뿐만 아니라 더 나은 서비스의 질(QoS: Quality of Service)이 요구된다.

릴레이 통신 시스템에서, 릴레이는 이러한 요구들을 충족시키기 위한 구성으로 고려된다. 특히, 릴레이는 와이브로, LTE-Advanced, IEEE 802.16j, IEEE 802.16m 등을 통한 표준화 과정에 하나의 요소로 연구된다. 릴레이를 사용함으로써, 통신 시스템의 서비스의 영역이 확대되고 처리량(throughput)및 안정도(reliability)가 증대될 수 있다.

특히, 릴레이는 협력통신의 한 부류로 인식되며, 통신시스템 환경에 따른 적합한 릴레이 프로토콜과 언제 어떻게 누구와 협력하여 통신에 영향을 줄 것인지가 중요하다. 릴레이는 음영지역 내 통신 동작을 복구하고 고속 이동체인 자동차나 기차 등에 설치되어 협력통신을 구축한다. 따라서, 릴레이에 관련된 시장은 지금보다 더 전문화되고 더 커질 수 있다.

이러한 릴레이를 사용하는 통신시스템은 필요한 위치에 릴레이를 설치함으로써 서비스의 영역을 넓힐 수 있고, 음영 지역을 보완할 수 있다. 데스티네이션은 릴레이로부터 수신된 신호와 소스로부터 수신된 신호를 결합하여 복조함으로써, 전체 시스템의 오류 정정을 도모한다. 이러한 서비스 영역의 확장 및 오류 정정 기능은, 릴레이가 특정 위치에 고정된 경우 뿐아니라 이동성을 가질 때도 가능하다. 또한, 소스와 데스티네이션 사이에 장애물이 존재하여 NLOS(Non Line Of Sight)환경일 경우에도, 릴레이를 배치하여 LOS(Line Of Sight)환경을 확보할 수 있다.

본 발명의 실시 예에 의하면, 소스가 전송하는 소스 신호와 상기 소스의 상기 전송에 대응하여 데스티네이션이 수신하는 신호간의 상호 정보(Mutual Information)를 계산하여, 추정후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 수행할 수 있는 통신 시스템에서의 협력 통신 방법 및 장치를 제공한다.

또한, 본 발명의 실시 예에 의하면, 상기 상호 정보가 극대화되는 경우에 대응하는 추정 후 전달 릴레이 프로토콜의 양자화 문턱값, 소스의 전송 전력 및 릴레이의 전송 전력을 이용하여 협력 통신을 수행할 수 있는 통신 시스템에서의 협력 통신 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 협력 통신 방법은 소스가 소스 신호를 릴레이 및 데스티네이션으로 전송하고, 상기 릴레이가 상기 소스로부터 수신된 소스 신호를 기초로 릴레이 신호를 생성하여 상기 데스티네이션으로 전송하는 통신 시스템에서 릴레이의 협력 통신 방법에 있어서, 상기 소스, 상기 릴레이 및 상기 데스티네이션 사이의 채널 상태 정보를 획득하는 단계와, 상기 채널 상태 정보를 기초로, 상기 소스가 전송하는 소스 신호 및 상기 소스의 상기 전송에 대응하여 상기 데스티네이션이 수신하는 신호간의 상호 정보를 계산하는 단계와, 상기 계산된 상호 정보를 기초로 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 사용하기 위한 설정 정보를 검출하는 단계와, 상기 검출된 설정 정보를 기초로, 상기 수신된 소스 신호로부터 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜에 따른 릴레이 신호를 생성하는 단계를 포함한다.

또한, 상기 설정 정보는 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 사용하기 위한 양자화 문턱값, 상기 소스의 전송 전력 또는 상기 릴레이의 전송 전력 중 하나 이상이 될 수 있다.

또한, 상기 채널 상태 정보를 획득하는 단계는 상기 소스, 상기 릴레이 및 상기 데스티네이션 사이의 각각의 채널들에 대한 신호 대 잡음 비, 또는 각각의 거리들에 대한 정보 중 하나 이상을 상기 채널 상태 정보로서 획득할 수 있다.

또한, 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜에 따른 릴레이 신호를 생성하는 단계는 상기 양자화 문턱값을 이용하여, 상기 소스로부터 수신된 신호를 양자화하고, 상기 양자화된 신호의 각 구간을 대표하는 심볼을 변조하여 릴레이 신호로 생성할 수 있다.

또한, 상기 릴레이의 협력 통신 방법은 상기 검출된 설정 정보를 상기 데스티네이션으로 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른, 데스티네이션의 협력 통신 방법은, 소스가 소스 신호를 릴레이 및 데스티네이션으로 전송하고, 상기 릴레이가 상기 소스로부터 수신된 소스 신호를 기초로 릴레이 신호를 생성하여 상기 데스티네이션으로 전송하는 통신 시스템에서 상기 데스티네이션의 협력 통신 방법에 있어서, 제1 시간 슬롯에서 상기 소스로부터 상기 소스 신호를 수신하고, 제2 시간 슬롯에서 상기 릴레이로부터 상기 릴레이 신호를 수신하는 단계와, 상기 릴레이에 의해 사용된 추정 후 전달 릴레이 프로토콜의 설정 정보를 인지하는 단계와, 상기 인지된 설정 정보를 기초로 상기 수신된 릴레이 신호를 복조화하는 단계와, 상기 복조화된 릴레이 신호와 상기 제1 시간 슬롯에서 수신된 소스 신호를 기초로 상기 소스가 상기 데스티네이션으로 전송한 소스 신호를 추정하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 설정 정보를 인지하는 단계는 상기 소스, 상기 릴레이 및 상기 데스티네이션 사이의 채널 상태 정보를 획득하는 단계와, 상기 채널 상태 정보를 기초로, 상기 소스가 전송하는 소스 신호 및 상기 소스의 상기 전송에 대응하여 상기 데스티네이션이 수신하는 신호간의 상호 정보를 계산하는 단계와, 상기 계산된 상호 정보를 기초로 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 사용하기 위한 설정 정보를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.

또한, 상기 설정 정보를 검출하는 단계는 상기 상호 정보가 극대화되는 경우에 대응하여 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜의 설정 정보를 검출할 수 있다.

또한, 상기 설정 정보를 인지하는 단계는 상기 릴레이로부터 상기 설정 정보를 수신할 수 있다.

본 발명의 다른 실시 예에 따른 릴레이는 소스가 소스 신호를 릴레이 및 데스티네이션으로 전송하고, 상기 릴레이가 상기 소스로부터 수신된 소스 신호를 기초로 릴레이 신호를 생성하여 상기 데스티네이션으로 전송하는 통신 시스템에서의 릴레이에 있어서, 상기 소스, 상기 릴레이 및 상기 데스티네이션 사이의 채널 상태 정보를 획득하고, 상기 획득된 채널 상태 정보를 기초로, 상기 소스가 전송하는 소스 신호 및 상기 소스의 상기 전송에 대응하여 상기 데스티네이션이 수신하는 신호간의 상호 정보를 계산하는 계산부와, 상기 계산된 상호 정보를 기초로 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 사용하기 위한 설정 정보를 검출하는 검출부와, 상기 검출된 설정 정보를 기초로, 상기 수신된 소스 신호를 양자화 및 변조하여, 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜에 따른 릴레이 신호를 생성하는 변조 처리부를 포함한다.

이때, 상기 검출부는 상기 상호 정보가 극대화되는 경우에 대응하여 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜의 설정 정보를 검출할 수 있다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따른 데스티네이션은 소스가 소스 신호를 릴레이 및 데스티네이션으로 전송하고, 상기 릴레이가 상기 소스로부터 수신된 소스 신호를 기초로 릴레이 신호를 생성하여 상기 데스티네이션으로 전송하는 통신 시스템에서의 데스티네이션에 있어서, 제1 시간 슬롯에서 상기 소스로부터 상기 소스 신호를 수신하고, 제2 시간 슬롯에서 상기 릴레이로부터 상기 릴레이 신호를 수신하는 수신부와, 상기 릴레이에 의해 사용된 추정 후 전달 릴레이 프로토콜의 설정 정보를 인지하는 인지부와, 상기 인지된 설정 정보를 기초로 상기 수신된 릴레이 신호를 복조화하고, 상기 복조화된 릴레이 신호 및 상기 제1 시간 슬롯에서 수신된 소스 신호를 기초로 상기 소스가 상기 데스티네이션으로 전송한 소스 신호를 추정하는 신호 추정부를 포함한다.

본 발명의 일부 실시예에 의하면, 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 사용하여, 복호 성능 및 오류 정정 성능을 높일 수 있다. 또한, 릴레이 및 데스티네이션에서 신호의 처리 과정을 보다 간편화시킴으로써, 실질적인 구현이 용이할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서의 협력 통신 방법을 수행하는 장치들을 보여주는 도면.
도 2는 도 1에 도시된 구성들간에 전송되는 신호를 설명하기 위한 도면.
도 3은 도 2에 도시된 신호를 산출하는 데 이용되는 채널 이득을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서의 협력 통신 방법의 통신 채널을 설명하기 위한 도면.
도 5는 소스 및 릴레이간의 상태 천이 확률을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 통신 시스템에서의 협력 통신 방법을 수행하는 릴레이 및 데스티네이션의 구성을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 통신 시스템에서의 협력 통신 방법을 설명하기 위한 도면.

이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 시스템에서의 협력 통신 방법을 수행하는 장치들을 보여주는 도면이다. 상기 실시예서, 소스(100) 및 데스티네이션(120) 사이에는 통신 서비스 영역을 넓이고 전송 신뢰도를 높이기 위한 매개체인 릴레이(110)이 위치한다. 그리고, 상기 장치들은 본 발명의 일 실시 예에 따라 시간 분할 반이중 릴레이 방식을 채택하고, 릴레이(110)와 데스티네이션(120)의 이동성을 고려하여 모델링한다.

도 1을 참조하면, 소스(100)는 t 시간동안 소스 신호를 릴레이(110) 및 데스티네이션(120)으로 전송한다. 릴레이(110)는 소스(100)로부터 수신된 소스 신호를 양자화하고, 각각의 양자화 구간을 대표하는 심볼을 변조하여 릴레이 신호를 생성한다.

특히, 릴레이(110)는 소스(100), 릴레이(110) 및 데스티네이션(120) 사이의 채널 상태 정보를 기초로, 소스(100)가 전송하는 소스 신호 및 소스(100)의 상기 전송에 대응하여 데스티네이션(120)이 수신하는 신호간의 상호 정보를 계산한다.

여기서, 상기 채널 상태 정보는 소스(100), 릴레이(110) 및 데스티네이션(120) 사이의 각각의 채널들에 대한 신호 대 잡음 비, 또는 각각의 거리들에 대한 정보 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 그리고, 상기 상호 정보는 소스(100)가 전송하는 소스 신호와, 상기 소스(100)의 상기 전송에 대응하여 데스티네이션(120)이 소스(100)로부터 수신하는 신호간의 상호 정보, 및 소스(100)가 전송하는 소스 신호와 상기 소스(100)의 상기 전송에 대응하여 데스티네이션(120)이 릴레이(110)를 통해 수신하는 신호간의 상호 정보 중 하나 이상이 될 수 있다.

또한, 릴레이(110)는 상기 계산된 상호 정보를 이용하여, 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 실시하고, 소스(100)로부터 수신된 소스 신호를 양자화하여 릴레이 신호를 생성한다.

이후, 릴레이(111)는 상기 생성된 릴레이 신호를 1-t 시간동안 데스티네이션(121)으로 전송한다. 데스티네이션(121)은 소스(100)로부터 수신된 소스 신호와 릴레이(111)로부터 수신된 릴레이 신호를 복조하여, 소스(100)가 송신한 소스 신호를 추정한다.

도 2는 도 1에 도시된 구성들간에 전송되는 신호를 설명하기 위한 도면이다.

도 2을 참조하면, 소스(200)는 t 시간에 소스 신호(X1)를 릴레이(210) 및 데스티네이션(220)으로 전송한다. 이때, t 시간에서 데스티네이션(220)이 소스(200)로부터 수신하는 신호(Z1)는 아래의 [수학식 1]로 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

여기서, Z1은 데스티네이션(220)이 t 시간동안 소스(200)로부터 수신하는 신호고, X1은 소스(200)가 전송한 소스 신호의 심볼을 나타내며,

는 소스(200)와 릴레이(210) 간의 채널이득을 나타내며,

는 평균이 0이고 분산이

인 복소 원형 대칭 가우시안 잡음(Complex Circularly Symmetric Gaussian Noise)을 나타낸다.

또한, t 시간에서 릴레이(210)가 소스(200)로부터 수신하는 신호(V1)는 아래의 [수학식 2]로 나타낼 수 있다.

여기서, V1은 릴레이(210)가 소스(200)로부터 수신하는 신호고,

은 소스(200)와 릴레이(210) 사이의 채널이득을 나타내고,

는 평균이 0이고

인 복소 원형 대칭 가우시안 잡음을 나타낸다.

또한, 릴레이(210)가 소스(200)로부터 수신한 신호(V1)를 양자화한 결과(

)는 아래와 같은 [수학식 3]으로 나타낼 수 있다.

[수학식 3]

여기서,

는 양자화 오류 및 소스(200)에서 전송한 소스 신호(X1)의 분산에 관련된 상수이고,

는 양자화 오류이다.

또한, 1-t 시간에서 데스티네이션(221)이 소스(201) 및 릴레이(211)로부터 수신하는 신호(Z2)는 아래와 같은 [수학식 4]로 나타낼 수 있다.

[수학식 4]

여기서,

는 데스티네이션(221)이 소스(201) 및 릴레이(211)로부터 1-t 구간동안 수신한 신호고,

는 소스(201)가 1-t 구간에서 전송한 소스 신호의 심볼이고,

는 릴레이(211)가 1-t 구간에서 전송한 릴레이 신호의 심볼이다. 그리고,

는 릴레이(211) 및 데스티네이션(221)간의 채널 이득을 나타내고,

는 평균이 0이고 분산이

인 복소 원형 대칭 가우시안 잡음을 나타낸다.

본 발명은 소스(201)가 1-t 시간동안, 데스티네이션(221)에 소스 신호(X2)를 전송하지 않는 모델을 적용할 수 있다. 즉, t 시간에서의 데스티네이션(220)은 소스(201)로부터 소스 신호(X1)을 수신하고, 1-t 시간에서의 데스티네이션(221)은 릴레이(211)로부터 릴레이 신호(W2)를 수신하는 것으로 구현될 수 있다.

이 경우, 1-t 시간동안, 데스티네이션(221)이 릴레이(211)로부터 수신하는 신호(

)는 아래의 [수학식 5]로 나타낼 수 있다.

[수학식 5]

한편, 수학식 1 내지 5에서 이용되는 채널 이득은 도 3을 통해 설명된다.

도 3을 참조하면, 소스(300), 릴레이(310), 및 데스티네이션(320)은 일직선상에 있는 경우를 보여주며, 소스(300) 및 데스티네이션(320) 간의 거리를 1로 간주한다. 그리고, 소스(300)와 릴레이(310) 사이의 거리는 d라 하고, 거리에 따른 채널 감쇄 상수는

이다.

이에 따라, 소스(300) 및 릴레이(310) 간의 거리에 따른 채널이득(

)은 1이고, 소스(300) 및 릴레이(310) 간의 거리에 따른 채널 이득(

)은

이고, 릴레이(310) 및 데스티네이션(320) 간의 거리에 따른 채널 이득(

)은

로 나타낼 수 있다.

또한, 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 사용하는 통신 시스템에서, 소스(300), 릴레이(310), 및 데스티네이션(320)의 통신 채널은 도 4와 같이 3 개의 스테이지로 구성된 등가 채널로 모델링될 수 있다. 이때, 소스(300)의 변조 차수는 M이고, 릴레이(310)의 양자화 구간 수는 L이라 가정한다. 릴레이(310)는 양자화 구간을 대표하는 심볼을 변조하여 데스티네이션(320)으로 전송하고, 데스티네이션(320)은 릴레이(320)로부터 수신된 신호(Z2)를 복조화하기 때문에, 데스티네이션(320)에서 얻을 수 있는 심볼의 수는 양자화 구간의 수와 동일하다. 따라서, 소스(300)의 상태 수는 M개이고, 릴레이(310)의 상태 수 및 데스티네이션(320)의 상태 수는 각각 L개가 된다.

예컨데, 소스(300)가 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 변조를 수행하여, 양자화 구간을 4개로 나눌 때, M은 2이고, L은 4가 될 수 있다. 상기 수행된 BPSK 변조에 의해, p(X1=1)은 소스(300)에서 전송한 심볼이 1일 확률을 나타내고, p(X1=0)은 소스(300)에서 전송한 심볼이 0일 확률을 나타낸다.

특히, 도 4는 p(X1=1)=p(X1=1)=0.5로 정의된 경우로, 릴레이(310)가 소스(300)로부터 수신한 신호(V1)의 값이 각 양자화 구간에 속할 확률은 다음과 같이 나타낼 수 있다.

p(

=0)은 양자화 구간 0번에 V1의 값이 속할 확률을 나타내고, p(

=1) 은 양자화 구간 1번에 V1의 값이 속할 확률을 나타내고, p(

=2) 은 양자화 구간 2번에 V1의 값이 속할 확률을 나타내고, p(

=3) 은 양자화 구간 3번에 V1의 값이 속할 확률을 나타낸다. 마찬가지로, p(

=0, 1, 2, 3)은 릴레이(310)가 소스(300)로부터 수신한 신호(V1)가 릴레이(310)의 양자화 과정을 거친 후에 데스티네이션(320)에 도달하는 신호(Z2)를 데스티네이션이 복조한 결과가 심볼 0, 1, 2, 3일 각각의 확률을 나타낸다.

한편, 소스(300) 및 릴레이(310)간의 상태 천이 확률(

)을

라 정의하자.

는 소스(300)가 전송한 소스 신호(X1)가 심볼 i일 때, 릴레이(310)가 소스(300)로부터 수신한 신호(V1)의 값이 양자화 구간 j번에 속할 확률을 나타낸다.

마찬가지로, 릴레이(310) 및 데스티네이션(320) 간의 상태 천이 확률(

)을

라 정의하자. 여기서,

는 데스티네이션(320)에서 수신한 신호(Z2)를 복조하여 얻은 심볼이다.

는 릴레이(310)가 양자화 구간 i번을 대표하는 심볼을 변조한 후에 변조된 심볼을 데스티네이션(320)으로 릴레이 신호(W2)로서 전송하고, 데스티네이션(320)이 상기 전송된 릴레이로부터 수신한 신호(Z2)를 복조한 결과가 심볼 j일 확률을 나타낸다.

도 5는

가 릴레이(310)의 양자화 과정에 사용할 문턱값과 릴레이(310)가 수신한 신호(V1)의 신호 대 잡음비의 영향을 받을 수 있음을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 소스(300)는 X1=0일 때

에 대응하고, X1=1일 때,

로 대응하는 BPSK 변조를 통해 심볼을 전송한다.

도 5를 참조하면, 소스(300)와 릴레이(310)간의 채널이득이

이고, 잡음모델이 AWGN(Additive White Gaussian Noise)일 때, 릴레이(310)에서 수신한 신호(V1)의 확률 밀도 함수 (probability density function, pdf)를 볼 수 있다.

소스(300)가 심볼 0을 BPSK 변조하여 전송하는 경우, 릴레이(310)에서 수신한 신호(V1)는 평균이

이고 분산이

인 가우시안 분포를 가진다.

또한, 소스(300)가 심볼 1을 BPSK 변조하여 전송하는 경우, 릴레이(310)에서 수신한 신호(V1)는 평균이

이고 분산이

인 가우시안 분포를 가진다.

도 5에서 th는 릴레이(310)에서 수신한 신호(V1)의 확률 밀도 함수의 모양이 0를 기준으로, 좌우 대칭하므로, 양자화 문턱값도 본 발명의 일 실시예에 따라 0을 기준으로 좌우 대칭이 되도록 설계할 수 있다. 즉, th는 양수의 값을 가지고 -th는 음수의 값을 가질 수 있다.

한편, 소스(300)의 상태 및 릴레이(310)의 상태 간의 상태 천이 확률(

) 중 q00는

이고, 이는 아래의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 6]

여기서,

는 아래의 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 7]

릴레이(310)의 상태 및 데스티네이션(320)의 상태 간의 상태 천이 확률(

)은 릴레이(310)와 데스티네이션(320)간 통신의 신호 대 잡음비의 영향을 받는다.

특히, 도 4의 경우, 릴레이(310)에서 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 변조하는 모델이므로, 데스티네이션(320)에서 수신하는 신호(Z2)는 정위상(in-phase) 및 직각위상(quadrature-phase) 성분으로 나누어 분석할 수 있다. 예컨데,

의 정위상은 아래의 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 8]

또한,

의 직각위상은 아래의 [수학식 9]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 9]

따라서,

는 아래의 [수학식 10]으로 나타낼 수 있다.

[수학식 10]

릴레이(310)는 소스(300)로부터 수신한 신호(V1)를 데스티네이션(320)에 정확하게 전달하기 위해서는, 벡터 양자화(Vector Quantization)를 수행할 필요가 있다. 그러나, 벡터 양자화는 복잡도가 커서 구현이 힘들기 때문에, 릴레이(310)는 주로 스칼라 양자화(Scalar Quantization)를 이용할 수 있다. 실제 통신 환경에서 변조 차수 M은 한정되어 있고, 그러한 환경에서의 스칼라 양자화는 벡터 양자화와 비교했을 때 성능 손실이 작을 수 있다.

릴레이(310)는 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 이용하기 위해, 설정 정보를 미리 결정할 필요가 있다.

정보이론(Information Theory) 관점에서 봤을 때, 소스(300)가 전송하는 심볼(X1), 및 데스티네이션(320)이 t 시간동안 소스(300)로부터 수신하는 신호(Z1)와, 소스(300)가 전송하는 심볼(X1)과 데스티네이션(320)이 1-t 시간 동안 릴레이(310)로부터 수신하는 신호(Z2)를 복조하여 얻은 심볼 간의 상호 정보(Mutual Information)가 극대화되는 경우에, 통신의 안정도가 높을 수 있다.

따라서, 릴레이(310)는 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 사용하기 위해, 상기 상호 정보가 극대화되는 경우의 양자화 문턱값, 소스의 전송 전력 또는 릴레이의 전송 전력 중 하나 이상의 정보를 추정하고, 상기 추정된 정보를 상기 설정정보로 결정할 수 있다.

릴레이(310)는 상기의 양자화 문턱값 및, 소스 및 릴레이의 전송 전력을 할당하기 위해 목적함수(

)를 이용할 수 있다.

여기서,

는 데스티네이션(320)이 t 시간 동안 소스로부터 각각 수신한 신호이고,

는 데스티네이션(320)이 1-t시간 동안 릴레이(310)로부터 수신한 신호(Z2)를 복조한 심볼이다. 상기 목적함수(

)는 아래의 [수학식 11]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 11]

여기서,

는 [수학식 12]로 나타낼 수 있다.

[수학식 12]

여기서,

는 앞서 설명된 수학식 6 및 7을 기초로, 릴레이(310)에서 수신한 신호(V1)의 신호 대 잡음비, 및 릴레이(310)의 양자화 과정에서 사용할 양자화 문턱값에 따라서 계산될 수 있다.

는 앞서 설명된 수학식 8 및 9를 기초로, 데스티네이션(320)이 수신하는 신호(Z2)의 신호 대 잡음비를 기초로 계산될 수 있다.

수학식 11에서,

가 가우시안 채널인 경우,

는 아래의 [수학식 13]으로 나타낼 수 있다.

[수학식 13]

또한, 릴레이(310)는 소스(300)와 릴레이(310)간, 릴레이(310)와 데스티네이션(320)간의 신호 대 잡음비를 추정할 수 있으므로, 소스(300)와 릴레이(310)가 사용할 전체 전력이 미리 주어진 경우,

는 상기 양자화 문턱값, 소스의 전송 전력(

) 및 릴레이의 전송 전력(

)이 변수가 된다. 따라서, 릴레이(310)는 목적함수(

)가 최대가 될 수 있는 경우의 양자화 문턱값, 소스(300)의 전송 전력(

) 및 릴레이(320)의 전송 전력(

)을 선정할 수 있다.

한편, 릴레이(310)에서 상기 목적함수를 이용하여 상호 정보(Mutual Information)가 극대화되는 경우의 양자화 문턱값, 소스의 전송 전력(

) 및 릴레이의 전송 전력(

)을 결정하면, 소스(300)는 릴레이(310)에서 결정한 전송 전력(

)을 기초로 소스 신호(X1)를 릴레이(310) 및 데스티네이션(320)으로 전송한다.

데스티네이션(320)은 t 시간동안 소스(300)부터 신호(Z1)를 수신한다. 데스티네이션(320)은 소스(300)로부터 수신된 신호(Z1)을 기초로 소스(300)가 전송한 소스 신호(X1)의 심볼에 대한 제1 LLR(Log Likelihood Ratio)을 계산하여 저장한다. 도 4의 경우, 소스(300)와 릴레이(310)간의 통신환경이 AWGN 채널이고, 소스(300)가 소스 신호(X1)를 BPSK 변조하여 p(X1=1)=p(X1=1)=0.5로 정의하였다. 따라서, 데스티네이션(320)은 t 시간동안 소스(300)로부터 수신한 신호(Z1)를 기초로 소스(300)가 전송한 소스 신호(X1)의 심볼에 대한 제1 LLR(

)을 계산하면, 아래의 [수학식14]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 14]

한편, 릴레이(310)는 t시간 동안 소스(300)로부터 수신된 신호(V1)를 상기 결정된 양자화 문턱값을 이용하여 양자화한다. 여기서, 릴레이(310)가 신호(V1)를 양자화한 결과는 비트단위의 레벨이 아니므로, 릴레이(310)는 양자화된 신호로부터 양자화 구간을 대표하는 심볼을 생성할 수 있다. 상기 심볼의 비트 수는 릴레이(310)의 양자화 구간이 L개임에 따라, 각 양자화 구간을 나타내기 위해 최소

개의 비트가 필요할 수 있다. 여기서,

은 소수점 이하 올림하여 정수로 나타내는 기호이다.

이후, 릴레이(310)는 1-t시간에 각 양자화 구간을 대표하는 심볼을 변조하여, 데스티네이션(320) 릴레이 신호(W2)로서 전송한다. 이때, 릴레이(310)는 상기 릴레이 신호(W2)를 전송 전력(

)에 따른 크기의 전력을 이용하여 전송한다.

데스티네이션(320)은 릴레이(310)로부터 수신되는 신호(Z2)를 기초로 소스가 전송한 소스 신호(X1)의 심볼에 대한 제2 LLR을 계산한다. 즉, 데스티네이션(320)은 데스티네이션(320)이 릴레이(310)로부터 수신한 신호(Z2)를 복조하여 얻은 심볼(

)을 이용하여, 소스(300)가 전송한 소스 신호(X1)의 심볼에 대한 제2 LLR을 계산할 수 있다.

이를 위하여, 데스티네이션(320)은 소스(300) 및 릴레이(310)의 상태 천이 확률(

)와, 릴레이(310) 및 데스티네이션(320)의 상태 천이 확률(

)을 이용할 수 있다.

예컨데, 도 4의 등가채널에서,

가 0, 1, 2, 3인 경우의 각각의 제2 LLR(

)은 아래의 [수학식 15]과 같이 계산될 수 있다.

[수학식 15]

데스티네이션(320)은 수학식 14에 의해 계산된 제1 LLR, 및 수학식 15에 의해 계산되는 제2 LLR을 동일 비 합성(Equal Gain Combining: EGC)하고, 상기 동일 비 합성된 결과를 복조함으로써, 소스(300)가 전송한 소스 신호(X1)를 추정할 수 있다.

여기서, 제1 LLR 및 제2 LLR이 동일 비 합성된 결과는, 아래의 [수학식 16]과 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 16]

도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 통신 시스템에서의 협력 통신 방법을 수행하는 릴레이 및 데스티네이션의 구성을 설명하기 위한 도면이다.

도 6을 참조하면, 릴레이(610)는 제1수신부(611), 획득부(612), 검출부(613), 변조 처리부(614) 및 송신부(615)를 포함할 수 있다.

제1수신부(611)는 t 시간 동안 소스(600)로부터 신호(V1)를 수신한다.

계산부(612)는 소스(600), 릴레이(610) 및 데스티네이션(620) 사이의 채널 상태 정보를 획득하고, 상기 획득된 채널 상태 정보를 기초로 소스(600)가 전송하는 소스 신호(X1) 및 소스(600)의 상기 전송에 대응하여 데스티네이션(620)이 수신하는 신호(즉, Z1 및

)간의 상호 정보를 계산한다.

검출부(613)는 상기 계산된 상호 정보를 기초로 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 사용하기 위한 설정 정보를 검출한다. 여기서, 상기 설정 정보는 상기 채널 상태 정보에 의해 상기 상호 정보가 극대화가 되는 경우에 대응하여 도출될 수 있으며, 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 사용하기 위한 양자화 문턱값, 상기 소스의 전송 전력 또는 상기 릴레이의 전송 전력 중 하나 이상이 될 수 있다.

변조 처리부(614)는 상기 검출된 설정 정보 중 양자화 문턱값을 이용하여, 소스(600)로부터 수신된 신호(V1)를 양자화하고, 각 양자화 구간을 대표하는 심볼을 변조하여, 릴레이 신호(W2)로 생성한다.

송신부(615)는 변조 처리부(614)에 의해 생성된 릴레이 신호(W2)를 1-t 시간에 데스티네이션(620)로 전송한다.

한편, 데스티네이션(620)은 제2수신부(621), 인지부(622) 및 복호 처리부(623)를 포함할 수 있다.

제2수신부(621)는 t 시간동안 소스(600)로부터 신호(Z1)를 수신하고, 1-t 시간동안 릴레이(610)로부터 신호(Z2)를 수신한다.

인지부(622)는 릴레이(610)에 의해 검출된 설정 정보를 인지한다. 인지부(622)는 릴레이(610)로부터 상기 검출된 설정 정보를 수신하거나 또는, 소스(600), 릴레이(610) 및 데스티네이션(620) 사이의 채널 상태 정보를 기초로 상기 상호 정보를 계산하여 상기 설정 정보를 직접 검출할 수도 있다.

복호 처리부(623)는 제2 수신부(621)에 수신된 신호(Z1)를 기초로 소스(600)가 전송한 소스 신호(X1)의 심볼에 대한 제1 LLR을 계산한다. 복호 처리부(623)는 릴레이(610)로부터 수신되는 신호(Z2)를 복조화하고, 상기 복조화된 신호를 기초로 소스(600)가 전송한 소스 신호(X1)의 심볼에 대한 제2 LLR을 계산한다. 그리고, 복호 처리부(623)는 계산된 제1 LLR 및 제2 LLR을 동일 비 합성하고, 상기 동일 비 합성된 결과를 복조한다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 통신 시스템에서의 협력 통신 방법을 설명하기 위한 도면이다.

도 7을 참조하면, 700 단계는 소스(600), 릴레이(610) 및 데스티네이션(620) 사이의 채널 상태 정보를 획득한다.

710 단계는 700 단계에 의해 획득된 채널 상태 정보를 기초로, 소스(600)가 전송하는 소스 신호(X1) 및 소스(600)의 상기 전송에 대응하여 데스티네이션(620)이 수신하는 신호(Z1 및

)간의 상호 정보를 계산한다.

720 단계는 상기 계산된 상호 정보를 기초로 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 사용하기 위한 설정 정보를 검출한다. 여기서, 상기 검출된 설정 정보는 상기 상호 정보가 극대화가 되는 경우에 대응하여 도출될 수 있으며, 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 사용하기 위한 양자화 문턱값, 상기 소스의 전송 전력 또는 상기 릴레이의 전송 전력 중 하나 이상이 될 수 있다. 여기서, 720 단계는 본 발명의 일 실시 예에 따라, 상기 검출된 설정 정보를 소스(600) 및/또는 데스티네이션(620)으로 전달할 수 있다.

730 단계는 소스(600)에서, 소스 신호(X1)를 릴레이(610) 및 데스티네이션(620)으로 전송한다. 여기서, 소스(600)는 730 단계에 의해 전달된 소스(600)의 전송 전력을 이용하여, 소스 신호(X1)를 릴레이(610) 및 데스티네이션(620)에 전송한다.

740 단계는 릴레이(610)에서, 730 단계에 의해 소스(600)로부터 전송된 신호(V1)를 720 단계에 의해 검출된 양자화 문턱값을 이용하여 양자화하고, 각 양자화 구간을 대표하는 심볼을 변조하여, 릴레이 신호(W2)로서 데스티네이션(620)으로 전송한다. 이때, 740 단계는 720 단계에 의해 검출된 릴레이(610)의 전송 전력을 이용하여, 상기 릴레이 신호(W2)를 데스티네이션(620)으로 전송한다.

750 단계는 데스티네이션(620)에서 720 단계에 의해 검출된 설정 정보를 인지한다. 이때, 750 단계는 릴레이(610)로부터 상기 검출된 설정 정보를 전달받을 수 있다.

760 단계는 소스(600)로부터 수신된 신호(Z1)을 기초로 제1 LLR을 계산하한다. 그리고 760 단계는 상기 설정 정보 중 양자화 문턱값을 이용하여 릴레이(610)로부터 수신된 신호(Z2)를 복조화하고, 상기 복조화된 신호를 기초로 제2 LLR을 계산한다. 그리고, 760 단계는 상기 계산된 제1 LLR 및 제2 LLR을 동일 비 합성한 후 상기 동일 비 합성된 결과를 복조한다.

한편, 본 발명의 실시예에서는, 릴레이를 사용하는 협력 통신 시스템과 릴레이를 사용하지 않는 비협력 직접 통신 시스템간의 공정한 성능 비교를 위하여, 릴레이를 사용하는 통신 시스템의 소스 및 릴레이의 전송 전력의 합이 비협력 직접 통신 시스템의 소스의 전송 전력과 동일하도록 설정할 수 있다.

일반적으로, 릴레이에서 양자화 구간을 세밀하게 하여 정확한 양자화 결과를 데스티네이션으로 전송하는 것이 좋다. 그러나, 도 4의 경우와 같이 소스가 BPSK 변조를 수행한다면, 양자화 구간을 보다 세분화하여도

의 증가는 미비할 수 있으므로, 본 발명에서는 4개의 양자화 구간을 적용한다. 따라서, 양자화 구간의 수와

의 값은 비례할 수 있지만, 특정 양자화 구간의 수부터는 그 증가량이 미비하므로, 실제 구현에서는 적정한 양자화 구간의 수를 선택할 수 있을 것이다.

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.

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. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims

소스가 소스 신호를 릴레이 및 데스티네이션으로 전송하고, 상기 릴레이가 상기 소스로부터 수신된 소스 신호를 기초로 릴레이 신호를 생성하여 상기 데스티네이션으로 전송하는 통신 시스템에서 릴레이의 협력 통신 방법에 있어서,
상기 소스, 상기 릴레이 및 상기 데스티네이션 사이의 채널 상태 정보를 획득하는 단계;
상기 채널 상태 정보를 기초로, 상기 소스가 전송하는 소스 신호와 상기 소스로부터 상기 데스티네이션으로 수신된 소스 신호 사이의 상호 정보 및 상기 소스가 전송하는 소스 신호와 상기 릴레이를 통하여 수신된 신호 사이의 상호 정보의 합을 생성하는 단계;
상기 생성된 상호 정보들의 합을 기초로 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 사용하기 위한 설정 정보를 검출하는 단계; 및
상기 검출된 설정 정보를 기초로, 상기 수신된 소스 신호로부터 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜에 따른 릴레이 신호를 생성하는 단계
를 포함하는 릴레이의 협력 통신 방법.
제1항에 있어서,
상기 설정 정보를 검출하는 단계는
상기 생성된 상호 정보들의 합이 최대화 되는 경우를 고려하여, 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜의 설정 정보를 검출하는
릴레이의 협력 통신 방법.
제1항에 있어서,
상기 설정 정보는
상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜에 따라 상기 릴레이가 수신한 신호를 양자화하기 위한 양자화 문턱값, 상기 소스의 전송 전력 또는 상기 릴레이의 전송 전력 중 적어도 하나를 포함하는
릴레이의 협력 통신 방법.
제1항에 있어서,
상기 채널 상태 정보는
상기 소스, 상기 릴레이 및 상기 데스티네이션 사이의 채널들 각각에 대한 신호 대 잡음 비, 또는 거리들에 대한 정보 중 하나 이상을 포함하는
릴레이의 협력 통신 방법.
제3항에 있어서,
상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜에 따른 릴레이 신호를 생성하는 단계는
상기 양자화 문턱값을 이용하여, 상기 소스로부터 수신된 신호를 양자화하고, 상기 양자화된 신호의 각 구간을 대표하는 심볼을 변조하여 릴레이 신호로 생성하는
릴레이의 협력 통신 방법.
제1항에 있어서,
상기 검출된 설정 정보를 상기 데스티네이션으로 송신하는 단계
를 더 포함하는 릴레이의 협력 통신 방법.
소스가 소스 신호를 릴레이 및 데스티네이션으로 전송하고, 상기 릴레이가 상기 소스로부터 수신된 소스 신호를 기초로 릴레이 신호를 생성하여 상기 데스티네이션으로 전송하는 통신 시스템에서 상기 데스티네이션의 협력 통신 방법에 있어서,
제1 시간 슬롯에서 상기 소스로부터 상기 소스 신호를 수신하고, 제2 시간 슬롯에서 상기 릴레이로부터 상기 릴레이 신호를 수신하는 단계;
상기 릴레이에 의해 사용된 추정 후 전달 릴레이 프로토콜의 설정 정보를 인지하는 단계;
상기 인지된 설정 정보를 기초로 상기 수신된 릴레이 신호를 복조화하는 단계; 및
상기 복조화된 릴레이 신호와 상기 제1 시간 슬롯에서 수신된 소스 신호를 기초로 상기 소스가 상기 데스티네이션으로 전송한 소스 신호를 추정하는 단계
를 포함하는 데스티네이션의 협력 통신 방법.
제7항에 있어서,
상기 설정 정보를 인지하는 단계는
상기 소스, 상기 릴레이 및 상기 데스티네이션 사이의 채널 상태 정보를 획득하는 단계;
상기 채널 상태 정보를 기초로, 상기 소스가 전송하는 소스 신호 및 상기 소스의 상기 전송에 대응하여 상기 데스티네이션이 수신하는 신호간의 상호 정보를 계산하는 단계; 및
상기 계산된 상호 정보를 기초로 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 사용하기 위한 설정 정보를 검출하는 단계
를 포함하는 데스티네이션의 협력 통신 방법.
제8항에 있어서,
상기 설정 정보를 검출하는 단계는
상기 생성된 상호 정보들의 합이 최대화 되는 경우를 고려하여, 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜의 설정 정보를 검출하는
데스티네이션의 협력 통신 방법.
제7항에 있어서,
상기 설정 정보는
상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜에 따라 상기 릴레이가 수신한 신호를 양자화하기 위한 양자화 문턱값, 상기 소스의 전송 전력 또는 상기 릴레이의 전송 전력 중 적어도 하나를 포함하는
데스티네이션의 협력 통신 방법.
제8항에 있어서,
상기 채널 상태 정보는
상기 소스, 상기 릴레이 및 상기 데스티네이션 사이의 채널들 각각에 대한 신호 대 잡음 비, 또는 거리들에 대한 정보 중 하나 이상을 포함하는
데스티네이션의 협력 통신 방법.
제7항에 있어서,
상기 설정 정보를 인지하는 단계는
상기 릴레이로부터 상기 설정 정보를 수신하는
데스티네이션의 협력 통신 방법.
소스가 소스 신호를 릴레이 및 데스티네이션으로 전송하고, 상기 릴레이가 상기 소스로부터 수신된 소스 신호를 기초로 릴레이 신호를 생성하여 상기 데스티네이션으로 전송하는 통신 시스템에서의 릴레이에 있어서,
상기 소스, 상기 릴레이 및 상기 데스티네이션 사이의 채널 상태 정보를 획득하고, 상기 획득된 채널 상태 정보를 기초로, 상기 소스가 전송하는 소스 신호와 상기 소스로부터 상기 데스티네이션으로 수신된 소스 신호 사이의 상호 정보 및 상기 소스가 전송하는 소스 신호와 상기 릴레이를 통하여 수신된 신호 사이의 상호 정보(Mutual Information)의 합을 생성하는 계산부;
상기 생성된 상호 정보들의 합을 기초로 추정 후 전달 릴레이 프로토콜을 적응적으로 사용하기 위한 설정 정보를 검출하는 검출부; 및
상기 검출된 설정 정보를 기초로, 상기 수신된 소스 신호를 양자화 및 변조하여, 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜에 따른 릴레이 신호를 생성하는 변조 처리부
를 포함하는 릴레이.
제13항에 있어서,
상기 검출부는
상기 생성된 상호 정보들의 합이 최대화되는 경우를 고려하여 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜의 설정 정보를 검출하는
릴레이.
제13항에 있어서,
상기 검출부는
상기 생성된 상호 정보들의 합을 이용하여, 상기 추정 후 전달 릴레이 프로토콜에 따라 상기 릴레이가 수신한 신호를 양자화하기 위한 양자화 문턱값, 상기 소스의 전송 전력 또는 상기 릴레이의 전송 전력 중 적어도 하나를 상기 설정 정보로서 검출하는
릴레이.
소스가 소스 신호를 릴레이 및 데스티네이션으로 전송하고, 상기 릴레이가 상기 소스로부터 수신된 소스 신호를 기초로 릴레이 신호를 생성하여 상기 데스티네이션으로 전송하는 통신 시스템에서의 데스티네이션에 있어서,
제1 시간 슬롯에서 상기 소스로부터 상기 소스 신호를 수신하고, 제2 시간 슬롯에서 상기 릴레이로부터 상기 릴레이 신호를 수신하는 수신부;
상기 릴레이에 의해 사용된 추정 후 전달 릴레이 프로토콜의 설정 정보를 인지하는 인지부; 및
상기 인지된 설정 정보를 기초로 상기 수신된 릴레이 신호를 복조화하고, 상기 복조화된 릴레이 신호 및 상기 제1 시간 슬롯에서 수신된 소스 신호를 기초로 상기 소스가 상기 데스티네이션으로 전송한 소스 신호를 추정하는 신호 추정부
를 포함하는 데스티네이션.