KR101206898B1 - 다중 접속 통신 방법, 통신 단말 장치 - Google Patents

다중 접속 통신 방법, 통신 단말 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중 접속 통신 방법, 통신 단말 장치에 관한 것으로, 개시된 다중 접속 통신 시스템은 수신단의 위치 및 이동속도 정보에 따라 특정 폭과 방향을 가지는 다운링크 빔을 생성하여 위상배열안테나를 통해 전송하는 기지국 장치와, 다운링크 빔을 수신한 후에 데이터의 압축을 수행하여 압축 데이터를 포함하는 다운링크 빔을 전달하는 중계 장치와, 위치 및 이동속도 정보를 제공하여 압축 데이터를 포함하는 다운링크 빔을 수신한 후에 신호 처리하는 통신 단말 장치를 포함하며, 압축 후 전송 방식을 사용하는 중계 장치를 빔 분할 다중 접속에 채용하여 중계 장치는 수신 정보에 대한 디코딩 없이 압축만을 수행하여 수신단으로 재전송하므로 섬레이트가 증대되는 이득이 있으며, 전송 속도를 향상시키는 이점이 있다.

Description

다중 접속 통신 방법, 통신 단말 장치{MULTIPLE ACCESS COMMUNICATION METHOD, COMMUNICATION TERMINAL APPARATUS}
본 발명은 이동 통신의 다중 접속(multiple access) 기술에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 통신 단말 장치들의 위치에 따른 빔의 분할을 통해 다중 접속을 지원하여 채널 용량을 증대시키는 다중 접속 통신 시스템 내에서 압축 후 전송 방식을 사용하는 중계 장치를 통해 이동 통신 서비스를 제공받기 위한 통신 단말 장치와 이를 포함하는 다중 접속 통신 시스템에 의한 다중 접속 통신 방법에 관한 것이다.
주지하는 바와 같이, 이동 통신 시스템에서는 한정된 주파수/시간 자원을 사용하여 여러 사용자간의 통신이 이루어져야 한다. 이를 위해서 다중 접속 기술이 필요하다. 현재까지 개발된 대표적인 다중 접속 기술로는 주파수 분할 다중 접속(FDMA : Frequency Division Multiple Access), 시간 분할 다중 접속(TDMA : Time Division Multiple Access), 코드 분할 다중 접속(CDMA : Code Division Multiple Access), 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA : Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 등이 있다.
주파수 분할 다중 접속(FDMA) 기술은 자원을 주파수에 따라 여러 개로 분할하여 각 단말들에게 할당하여 다중 접속을 하게 한다. 시간 분할 다중 접속(TDMA) 기술은 자원을 시간에 따라 나누어 각 단말들에게 할당하여 다중 접속을 하게 한다. 코드 분할 다중 접속(CDMA) 기술은 각 단말들에게 시간과 주파수 상에서 직교하는 코드들을 할당하여 다중 접속을 하게 한다. 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA) 기술은 직교하는 주파수 자원을 나누어 할당하여 자원 사용 효율을 최대로 한다.
이동 통신 시스템에서는 한정된 주파수/시간 자원을 사용자들이 나누어 사용하며, 주어진 주파수/시간 자원에 따라서 이동 통신 시스템의 용량(capacity)이 한정된다. 미래의 이동 통신 시스템은 단말의 수가 증가하고 각 단말이 요구하는 데이터의 양이 증가함에 따라 각 시스템에 요구되는 용량이 증가할 것으로 예측된다. 그러나, 각 시스템이 사용할 수 있는 주파수/시간 자원이 한정되어 있으므로 시스템의 용량을 늘리기 위해 주파수/시간 자원 이외의 다른 자원을 활용하는 기술 개발이 요구된다.
한편, 시스템의 용량을 늘리기 위한 자원으로서 공간(space) 자원을 나누어 사용하는 공간 분할(space division) 방식이 제안되었다.
종래 제안된 공간 분할 방식으로서, 멀티입력 멀티출력(MIMO : Multiple Input Multiple Output) 안테나를 이용한 방식이 있다. 이 MIMO 안테나를 이용한 공간 분할 방식은 단말에 다수의 송신안테나와 수신안테나를 장착하여 단말이 움직인 공간에 따라 서로 다른 송신안테나와 수신안테나를 이용하여 통신하는 방식으로서, 단말에 장착된 송신안테나와 수신안테나의 개수 중 최소값만큼 그 용량을 증가시킬 수 있다.
그러나, 단말은 휴대용 기기이므로 단말에 장착할 수 있는 안테나의 개수가 한정되기 때문에, 이 종래의 방식으로는 시스템의 용량을 획기적으로 증가시킬 수 없는 문제점이 있다.
다른 공간 분할 방식으로서, 위성통신에서 사용되는 파라볼릭(parabolic) 안테나를 사용한 공간 분할 방식이 제안되었으나, 이 방식은 파라볼릭 안테나의 특성상 기지국이 동시에 여러 방향에서 오는 신호를 수신할 수 없고, 안테나의 빔 방향을 적응적으로 변화시킬 수 없는 문제점이 있다.
본 출원인은 한국등록특허 제0945880호를 통해 "이동통신시스템에서의 빔분할다중접속시스템 및 방법"을 제안하였다. 동 호의 빔 분할 다중 접속(BDMA : Beam Division Multiple Access) 시스템은 위상배열안테나(phase array antenna)를 이용한 빔 포밍(beam forming)을 통해서 단말의 위치에 따라 특정 위치로 향하는 빔 패턴을 갖는 빔들을 만들어서 단말들이 다중 접속을 하도록 하며, 동일 빔을 사용하는 단말들은 TDMA, FDMA, CDMA, OFDMA 등의 다중 접속 기술을 이용한다.
본 발명은 이러한 빔 분할 다중 접속 기술의 성능 향상을 위한 지속적인 연구 개발의 한 결과물로서, 통신 단말 장치들의 위치에 따른 빔의 분할을 통해 다중 접속을 지원하여 채널 용량을 증대시키는 다중 접속 통신 시스템 내에서 압축 후 전송 방식을 사용하는 중계 장치를 통해 이동 통신 서비스를 제공받기 위한 통신 단말 장치와 이를 포함하는 다중 접속 통신 시스템에 의한 다중 접속 통신 방법을 제공한다.
본 발명의 제 1 관점으로서 다중 접속 통신 시스템은, 수신단의 위치 및 이동속도 정보에 따라 특정 폭과 방향을 가지는 다운링크 빔을 생성하여 위상배열안테나를 통해 전송하는 기지국 장치와, 상기 다운링크 빔을 수신한 후에 데이터의 압축을 수행하여 압축 데이터를 포함하는 상기 다운링크 빔을 전달하는 중계 장치와, 상기 위치 및 이동속도 정보를 제공하여 상기 압축 데이터를 포함하는 다운링크 빔을 수신한 후에 신호 처리하는 통신 단말 장치를 포함할 수 있다.
본 발명의 제 2 관점으로서 중계 장치는, 수신단의 위치 및 이동속도 정보에 따른 특정 폭과 방향을 가지는 다운링크 빔을 수신하는 다운링크 수신부와, 상기 다운링크 빔에 포함된 데이터의 압축을 수행하여 다운링크 압축부와, 상기 데이터의 압축에 의한 압축 데이터를 포함하는 상기 다운링크 빔을 상기 수신단으로 전달하는 다운링크 중계부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 중계 장치는, 상기 압축 데이터를 포함하는 다운링크 빔을 수신한 통신 단말 장치로부터 전송된 업링크 빔을 수신하는 업링크 수신부와, 상기 다운링크 빔을 전송하는 기지국 장치에게 상기 업링크 빔을 전달하는 업링크 중계부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제 3 관점으로서 통신 단말 장치는, 현재 위치 및 이동속도 정보를 포함하는 단말 정보를 생성하는 단말 정보 생성부와, 상기 단말 정보에 따른 특정 폭과 방향을 가지도록 송신단에서 생성 및 전송되어 중계 장치에 의해 압축 데이터가 포함되어진 다운링크 빔을 상기 중계 장치로부터 전달받는 다운링크 수신부와, 상기 다운링크 빔에 포함된 상기 압축 데이터를 복원하여 신호 처리하는 다운링크 복원부를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 통신 단말 장치는, 상기 다운링크 빔의 방향에 대응하는 업링크 빔을 생성하는 업링크 빔 생성부와, 상기 다운링크 빔을 생성 및 전송하는 기지국 장치에게 상기 중계 장치를 통해 상기 업링크 빔을 전송하는 업링크 전송부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제 4 관점으로서 다중 접속 통신을 지원하는 중계 장치에 의한 다중 접속 통신 방법은, 수신단의 위치 및 이동속도 정보에 따른 특정 폭과 방향을 가지는 다운링크 빔을 수신하는 단계와, 상기 다운링크 빔에 포함된 데이터의 압축을 수행하는 단계와, 상기 데이터의 압축에 의한 압축 데이터를 포함하는 상기 다운링크 빔을 상기 수신단으로 전달하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다중 접속 통신 방법은, 상기 압축 데이터를 포함하는 다운링크 빔을 수신한 통신 단말 장치로부터 전송된 업링크 빔을 수신하는 단계와, 상기 다운링크 빔을 전송하는 기지국 장치에게 상기 업링크 빔을 전달하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 제 5 관점으로서 다중 접속 통신을 수행하는 통신 단말 장치에 의한 다중 접속 통신 방법은, 현재 위치 및 이동속도 정보를 포함하는 단말 정보를 생성하여 전방향성으로 전송하는 단계와, 상기 단말 정보에 따른 특정 폭과 방향을 가지도록 송신단에서 생성 및 전송되어 중계 장치에 의해 압축 데이터가 포함되어진 다운링크 빔을 상기 중계 장치로부터 전달받는 단계와, 상기 다운링크 빔에 포함된 상기 압축 데이터를 복원하여 신호 처리하는 단계를 포함할 수 있다.
여기서, 상기 다중 접속 통신 방법은, 상기 다운링크 빔의 방향에 대응하는 업링크 빔을 생성하는 단계와, 상기 다운링크 빔을 생성 및 전송하는 기지국 장치에게 상기 중계 장치를 통해 상기 업링크 빔을 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 이동 통신 시스템에서 주파수/시간 자원뿐만 아니라 공간 자원도 효율적으로 분할하여 단말들에게 직교성(orthogonal)의 빔들을 할당하여 다중 접속하도록 하는 빔 분할 다중 접속을 수행함으로써, 주파수/시간 자원의 공간재활용(spatial reuse)을 극대화할 수 있고, 기지국의 빔 개수 배만큼 기지국의 시스템 용량을 극대화할 수 있다.
나아가, 압축 후 전송 방식을 사용하는 중계 장치를 빔 분할 다중 접속에 채용하여 중계 장치는 수신 정보에 대한 디코딩 없이 압축만을 수행하여 수신단으로 재전송하므로 섬레이트(sumrate)가 증대되는 이득이 있으며, 전송 속도를 향상시키는 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 접속 통신 시스템에 사용되는 빔 분할 다중 접속 기술의 개념을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다중 접속 통신 시스템에 사용되는 빔 분할 다중 접속 기술의 개념을 도시한 도면이다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 중계 장치를 포함하는 다중 접속 통신 시스템의 구성도이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 접속 통신 시스템을 구성하는 기지국 장치의 세부적인 블록 구성도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 접속 통신 시스템을 구성하는 중계 장치의 세부적인 블록 구성도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 접속 통신 시스템을 구성하는 통신 단말 장치의 세부적인 블록 구성도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 접속 통신 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따라 빔 분할 다중 접속 방식 기술을 기반으로 중계 장치를 유저와 기지국 사이에 배치한 빔 전송 상태를 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8을 등가 모델로 표현한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 접속 통신 시스템에서 각 링크의 신호 세기를 h14 = 20dB, h13=10dB, h15=0dB로 정의한 경우1의 채널 상태를 나타낸 도면이다.
도 11은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 접속 통신 시스템에서 각 링크의 신호 세기를 h14 = 20dB, h13=15dB, h15=0dB로 정의한 경우2의 채널 상태를 나타낸 도면이다.
도 12는 경우1의 조건에서 h34=h35=20채널인 때의 파워와 섬레이트의 관계 그래프이다.
도 13은 경우2의 조건에서 h34=h35=10채널인 때의 파워와 섬레이트의 관계 그래프이다.
도 14는 경우2의 조건에서 h34=h35=20채널인 때의 파워와 섬레이트의 관계 그래프이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시 예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시 예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시 예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 다중 접속 통신 시스템에 사용되는 빔 분할 다중 접속 기술의 개념을 도시한 도면이다.
통신 단말 장치와 기지국 장치가 가시선(LOS : Line Of Sight) 상황에 있을 때 서로의 위치를 정확하게 안다면 서로의 위치를 향하는 빔을 전송하여 주변 통신 단말 장치들에게 간섭(interference)을 주지 않고 통신을 할 수 있다. 하나의 기지국 장치가 동시에 여러 방향으로 향하는 직교의 빔들을 전송할 수 있다면, 이러한 각 빔들을 이용하여 다중 접속을 할 수 있다. 특히 셀의 크기가 작은 시스템의 경우 대부분의 통신 단말 장치와 기지국 장치 사이의 통신 경로가 가시선(LOS) 상황이 되기 때문에 빔 분할 다중 접속 기술을 쉽게 적용할 수 있다.
각 통신 단말 장치들이 기지국 장치로부터 서로 다른 각도의 위치에 존재하는 경우, 기지국 장치는 각기 다른 각도로 향하는 빔을 전송하여 동시에 여러 통신 단말 장치에게 데이터를 전송한다. 통신 단말 장치가 기지국 장치에 데이터를 보낼 때도 마찬가지로 기지국 장치로 향하는 빔을 전송한다. 하나의 통신 단말 장치가 하나의 빔을 전용하는 것이 아니라 비슷한 각도의 위치에 있는 통신 단말 장치들이 하나의 빔을 공용하여 기지국 장치와 통신할 수 있으며, 하나의 빔을 공용하는 통신 단말 장치들은 주파수/시간 자원을 나누어 이용한다. 도 1에는 제 1 사용자(User 1)가 제 1 빔(Beam 1)을 전용하고, 제 2 사용자(User 2) 및 제 3 사용자(User 3)가 제 3 빔(Beam 3)을 공용하고, 제 4 사용자(User 4)가 제 4 빔(Beam 4)을 전용하고, 제 5 사용자(User 5) 내지 제 8 사용자(User 8)는 제 2 빔(Beam 2)을 공용하는 예가 도시되어 있다.
도 2는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 다중 접속 통신 시스템에 사용되는 빔 분할 다중 접속 기술의 개념을 도시한 도면이다.
각 통신 단말 장치들이 기지국 장치 중심으로 동일 각도의 선상에서 서로 다른 거리의 위치에 존재하는 경우, 기지국 장치는 통신 단말 장치들과의 거리에 따라서 서로 다른 빔을 전송하여 동시에 여러 통신 단말 장치에게 데이터를 전송한다. 도 2에는 제 1 사용자(User 1)가 제 1 빔(Beam 1)을 전용하고, 제 2 사용자(User 2) 및 제 3 사용자(User 3)가 제 3 빔(Beam 3)을 공용하고, 제 5 사용자(User 5) 내지 제 8 사용자(User 8)가 제 2 빔(Beam 2)을 공용하는 예가 도시되어 있다.
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같은 본 발명의 실시 예에 따른 빔 분할 다중 접속 기술은 위상배열안테나를 사용하여 빔을 구성하므로 기지국 장치는 이동 통신 환경에 맞추어 빔의 위치, 개수 및 빔 폭(beam width)을 적응적으로 쉽게 변화시킬 수 있고, 따라서 다변하는 이동 통신 환경에 신속하게 대응할 수 있다. 또한, 각 빔들은 3차원 상에서 분할될 수 있으므로 주파수/시간 자원의 공간 재활용(spatial reuse)을 극대화할 수 있다.
한편, 도 1 및 도 2에 나타낸 다중 접속 통신 시스템에서 기지국 장치와 통신 단말 장치와의 사이에 중계 장치를 배치하면 셀의 커버리지를 넓히고, 전송 속도를 향상시킬 수 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따라 중계 장치를 포함하는 다중 접속 통신 시스템의 구성도이다.
이에 나타낸 바와 같이 다중 접속 통신 시스템은, 기지국 장치(100), 중계 장치(200-1, 200-2), 통신 단말 장치(300-1, 300-2, 300-3)를 포함한다. 여기서, 실시 예에 따라 중계 장치(200-1)는 기지국 장치(100)와 통신 단말 장치(300-1)와의 사이에서 빔 중계 기능을 수행하며, 중계 장치(200-2)는 기지국 장치(100)와 통신 단말 장치(300-2, 300-3)와의 사이에서 빔 중계 기능을 수행한다. 도 3에서는 기지국 장치(100)와 통신 단말 장치(300-1, 300-2, 300-3)와의 사이에서 단일의 중계 장치(200-1, 200-2)가 빔 중계 기능을 수행하는 경우를 예시하였으나 2개 이상의 중계 장치가 연동하여 빔 중계 기능을 수행할 수도 있으며, 통신 단말 장치(300-1, 300-2, 300-3)의 개수는 예시적으로 나타낸 것일 뿐 그 개수가 특별히 제한되지는 않는다.
기지국 장치(100)는 수신단의 위치 및 이동속도 정보에 따라 특정 폭과 방향을 가지는 다운링크 빔을 생성하여 위상배열안테나를 통해 중계 장치(200-1, 200-2)에게 전송한다.
중계 장치(200-1)는 기지국 장치(100)로부터 다운링크 빔을 수신한 후에 데이터의 압축을 수행하여 압축 데이터를 포함하는 다운링크 빔을 통신 단말 장치(300-1)에게 전달하며, 중계 장치(200-2)는 기지국 장치(100)로부터 다운링크 빔을 수신한 후에 데이터의 압축을 수행하여 압축 데이터를 포함하는 다운링크 빔을 통신 단말 장치(300-2, 300-3)에게 전달한다.
통신 단말 장치(300-1)는 중계 장치(200-1)를 통해 기지국 장치(100)에게 위치 및 이동속도 정보를 제공하여 압축 데이터를 포함하는 다운링크 빔을 중계 장치(200-1)로부터 수신한 후에 신호 처리하며, 통신 단말 장치(300-2, 300-3)는 중계 장치(200-2)를 통해 기지국 장치(100)에게 위치 및 이동속도 정보를 제공하여 압축 데이터를 포함하는 다운링크 빔을 중계 장치(200-2)로부터 수신한 후에 신호 처리한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 접속 통신 시스템을 구성하는 기지국 장치의 세부적인 블록 구성도이다.
이에 나타낸 바와 같이 기지국 장치(100)는, 단말 정보 처리부(110), 다운링크 빔 생성부(120), 다운링크 전송부(130), 업링크 수신부(140)를 포함한다.
단말 정보 처리부(110)는 통신 단말 장치가 중계 장치를 통해 전송하는 단말 정보(위치 및 속도 정보 등)로부터 통신 단말 장치의 위치 및 속도를 파악하여 다운링크 빔 생성부(120)에게 전달한다.
다운링크 빔 생성부(120)는 통신 단말 장치의 위치 및 속도 정보를 기반으로 다운링크 빔을 생성하며, 각 다운링크 빔들의 폭과 방향을 조절하여 다운링크 전송부(130)에게 전달한다.
다운링크 전송부(130)는 다운링크 빔 생성부(120)에서 생성된 폭과 방향의 다운링크 빔을 위상배열안테나를 사용하여 중계 장치를 통해 통신 단말 장치에게 전송한다.
업링크 수신부(140)는 통신 단말 장치가 다운링크 빔의 방향을 추적해 생성하여 중계 장치를 통해 전송하는 업링크 빔을 수신한다.
이러한 기지국 장치(100)는 단말 정보 처리부(110), 다운링크 빔 생성부(120), 다운링크 전송부(130) 및 업링크 수신부(140) 이외에도 이동 통신 서비스 및 빔 분할 다중 접속을 위한 각종 구성요소를 추가적으로 포함하지만 이는 주지의 기술사상에 해당하기에 그 설명을 생략하기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 다중 접속 통신 시스템을 구성하는 중계 장치의 세부적인 블록 구성도이다. 도 5에서는 도 3에 나타낸 도면부호 200-1 및 200-2의 중계 장치에 대해 도면부호 200을 병기하였다.
이에 나타낸 바와 같이 중계 장치(200)는, 다운링크 수신부(210), 다운링크 압축부(220), 다운링크 중계부(230), 업링크 수신부(240), 업링크 중계부(250)를 포함한다.
다운링크 수신부(210)는 수신단의 위치 및 이동속도 정보에 따른 특정 폭과 방향을 가지는 다운링크 빔을 수신한다.
다운링크 압축부(220)는 다운링크 빔에 포함된 데이터의 압축을 수행한다.
다운링크 중계부(230)는 데이터의 압축에 의한 압축 데이터를 포함하는 다운링크 빔을 수신단으로 전달한다.
업링크 수신부(240)는 압축 데이터를 포함하는 다운링크 빔을 수신한 통신 단말 장치로부터 전송된 업링크 빔을 수신한다.
업링크 중계부(250)는 다운링크 빔을 전송하는 기지국 장치에게 업링크 빔을 전달한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 접속 통신 시스템을 구성하는 통신 단말 장치의 세부적인 블록 구성도이다. 도 6에서는 도 3에 나타낸 도면부호 300-1, 300-2 및 300-3의 통신 단말 장치에 대해 도면부호 300을 병기하였다.
이에 나타낸 바와 같이 통신 단말 장치(300)는, 단말 정보 생성부(310), 업링크 빔 생성부(320), 업링크 전송부(330), 다운링크 수신부(340), 다운링크 복원부(350)를 포함한다.
단말 정보 생성부(310)는 현재 위치 및 이동속도 정보를 포함하는 단말 정보를 생성한다.
다운링크 수신부(340)는 단말 정보에 따른 특정 폭과 방향을 가지도록 송신단에서 생성 및 전송되어 중계 장치에 의해 압축 데이터가 포함되어진 다운링크 빔을 중계 장치로부터 전달받는다.
다운링크 복원부(350)는 다운링크 빔에 포함된 압축 데이터를 복원하여 신호 처리한다.
업링크 빔 생성부(320)는 다운링크 빔의 방향에 대응하는 업링크 빔을 생성한다.
업링크 전송부(330)는 다운링크 빔을 생성 및 전송하는 기지국 장치에게 중계 장치를 통해 업링크 빔을 전송한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 접속 통신 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이에 나타낸 중계 장치에 의한 다중 접속 통신 방법은, 수신단의 위치 및 이동속도 정보에 따른 특정 폭과 방향을 가지는 다운링크 빔을 수신하는 단계(S401 내지 S411)와, 다운링크 빔에 포함된 데이터의 압축을 수행하는 단계(S413)와, 데이터의 압축에 의한 압축 데이터를 포함하는 다운링크 빔을 수신단으로 전달하는 단계(S415)와, 압축 데이터를 포함하는 다운링크 빔을 수신한 통신 단말 장치로부터 전송된 업링크 빔을 수신하는 단계(S417 내지 S421)와, 다운링크 빔을 전송하는 기지국 장치에게 업링크 빔을 전달하는 단계(S423)를 포함한다.
통신 단말 장치에 의한 다중 접속 통신 방법은, 현재 위치 및 이동속도 정보를 포함하는 단말 정보를 생성하여 전방향성으로 전송하는 단계(S401 및 S403)와, 단말 정보에 따른 특정 폭과 방향을 가지도록 송신단에서 생성 및 전송되어 중계 장치에 의해 압축 데이터가 포함되어진 다운링크 빔을 중계 장치로부터 전달받는 단계(S405 내지 S415)와, 다운링크 빔에 포함된 압축 데이터를 복원하여 신호 처리하는 단계(S417)와, 다운링크 빔의 방향에 대응하는 업링크 빔을 생성하는 단계(S419)와, 다운링크 빔을 생성 및 전송하는 기지국 장치에게 중계 장치를 통해 업링크 빔을 전송하는 단계(S421 및 S423)를 포함한다.
이하, 도 1 내지 도 7을 참조하여 본 발명의 실시 예에 따른 다중 접속 통신 시스템에 의한 다중 접속 통신 방법에 대해 시계열적으로 살펴보기로 한다.
먼저, 통신 단말 장치(300)의 단말 정보 생성부(310)는 자신의 위치 및 이동속도 정보를 포함하는 단말 정보를 생성하며(S401), 업링크 전송부(330)는 생성된 단말 정보를 전방향성(omnidirectional)으로 전송한다(S403).
그러면, 중계 장치(200)의 업링크 수신부(240)가 통신 단말 장치(300)의 단말 정보를 수신하며, 중계 장치(200)의 업링크 중계부(250)가 통신 단말 장치(300)의 단말 정보를 기지국 장치(100)에게 전달한다(S405).
기지국 장치(100)의 업링크 수신부(140)는 중계 장치(200)로부터 통신 단말 장치(300)의 단말 정보를 수신하여 기지국 장치(100)의 단말 정보 처리부(110)에게 제공하며, 단말 정보 처리부(110)는 단말 정보로부터 통신 단말 장치(300)의 위치 및 속도를 파악하여 기지국 장치(100)의 다운링크 빔 생성부(120)에게 전달한다(S407).
그러면, 다운링크 빔 생성부(120)는 통신 단말 장치(300)의 위치 및 속도 정보를 포함하는 단말 정보를 기반으로 다운링크 빔을 생성하며(S409), 각 다운링크 빔들의 폭과 방향을 조절하여 기지국 장치(100)의 다운링크 전송부(130)에게 전달한다. 그리고, 다운링크 전송부(130)는 다운링크 빔 생성부(120)에서 생성된 폭과 방향의 다운링크 빔을 위상배열안테나를 사용하여 중계 장치(200)에게 전송한다(S411).
중계 장치(200)의 다운링크 수신부(210)는 기지국 장치(100)로부터 특정 폭과 방향을 가지는 다운링크 빔을 수신하여 중계 장치(200)의 다운링크 압축부(220)에게 제공하며, 다운링크 압축부(220)는 다운링크 빔에 포함된 데이터의 압축을 수행하여 중계 장치(200)의 다운링크 중계부(230)에게 제공한다(S413). 그러면 다운링크 중계부(230)는 데이터의 압축에 의한 압축 데이터를 포함하는 다운링크 빔을 통신 단말 장치(300)에게 전달한다(S415).
통신 단말 장치(300)의 다운링크 수신부(340)는 중계 장치(200)로부터 압축 데이터가 포함되어진 다운링크 빔을 수신하여 통신 단말 장치(300)의 다운링크 복원부(350)에게 전달하며, 다운링크 복원부(350)는 다운링크 빔에 포함된 압축 데이터를 복원하여 신호 처리한다(S417).
그리고, 통신 단말 장치(300)의 업링크 빔 생성부(320)는 다운링크 빔의 방향에 대응하는 업링크 빔을 생성하여 업링크 전송부(330)에게 제공하며(S419), 업링크 전송부(330)는 생성된 업링크 빔을 중계 장치(200)에게 전송한다(S421).
그러면, 중계 장치(200)의 업링크 수신부(240)가 통신 단말 장치(300)로부터 업링크 빔을 수신하여 업링크 중계부(250)에게 제공하며, 업링크 중계부(250)는 통신 단말 장치(300)로부터 발생 및 전송된 업링크 빔을 기지국 장치(100)에게 전달한다(S423).
앞서 설명한 실시 예에서는 중계 장치(200)가 통신 단말 장치(300)들의 위치에 따른 빔의 분할을 통해 다중 접속을 지원하여 채널 용량을 증대시키는 다중 접속 통신 시스템 내에서 압축 후 전송 방식을 사용하는 경우를 예시하였지만, 중계 장치(200)는 증폭 후 전송 방식이나 복호 후 전송 방식을 사용할 수도 있다. 이러한 실시 예들에 대한 비교 결과에 의하면 압축 후 전송 방식을 사용하는 경우가 가장 우수한 성능을 나타내었다. 이에 대해 도 8 내지 도 14를 참조하여 설명하기로 한다.
증폭 후 전송 방식은 중계 장치가 송신단으로부터 받은 신호를 수신단으로 증폭하여 재전송하는 간단한 방식으로 잡음 또한 증폭되어 전송된다는 단점을 가지고 있다. 복호 후 전송 방식은 송신단으로부터 받은 신호를 중계 장치에서 디코딩한 후 수신단으로 재전송하는 방식이다. 특히, 복호 후 전송 방식은 송신단-중계 장치 채널이 송신단-수신단 채널보다 좋은 경우, 전송속도 측면에서 큰 성능 향상을 보인다. 압축 후 전송 방식은 송신단으로부터 받은 신호를 중계 장치에서 압축하여 수신단으로 재전송하는 방식으로 노이즈 압축을 통하여 이득을 얻는 방식이다. 특히, 압축 후 전송 방식은 어떠한 채널 환경에서도 중계 장치가 없는 경우보다 좋은 성능을 보이고 또한 채널 상태에 따라 압축 후 전송 방식보다 좋은 성능을 보인다.
복호 후 전송 방식과 압축 후 전송 방식은 채널에 따라 증폭 후 전송 방식에 비하여 좋은 성능을 보이지만, 복호 후 전송 방식의 경우 빔 분할 다중 접속 방식의 특성 상, 송신단-중계 장치 채널이 송신단-수신단 채널에 비하여 나쁘기 때문에, 중계 장치가 송신단으로부터 오는 신호를 제대로 디코딩할 수 없어 중계 장치의 파워가 낭비되고 이로 인하여 중계 장치가 없는 경우 보다 낮은 전송속도를 보이게 된다.
이하에서는 빔 분할 다중 접속 방식에서 중계 장치를 활용하는 방안에 대해 종래 기술에서는 제안된 바가 없으므로 중계 장치가 없는 경우와 중계 장치를 채택하여 복호 후 전송 방식을 사용하는 경우를 압축 후 전송 방식과 비교하기로 한다. 중계 장치에 압축 후 전송 방식을 적용하면 빔 분할 다중 접속 방식의 특성인 송신단-중계 장치 채널 상태가 나쁜 경우에도 중계 장치가 신호를 디코딩하지 않고 압축 후 바로 재전송하므로 복호 후 전송 방식에서 송신단-중계 장치 채널이 나쁜 경우 디코딩이 제대로 수행되지 않는 현상을 피하고 수신단에서 압축된 정보를 이용함으로써 중계 장치가 전송속도 향상에 기여할 수 있도록 한다.
중계 장치를 활용한 압축 후 전송 방식은 하향 링크에서 여러 유저를 상대로 사용 가능하나 과정을 단순화하기 위하여 두 유저를 대상으로 전송 속도를 분석하기로 한다.
먼저, 빔 분할 다중 접속 방식에 대하여 설명하면, 기존의 SDMA 송신기에서의 채널 정보 필요성 문제 해결을 위해, 송신기의 채널 정보가 필요 없이 수신기의 위치 정보만으로 빔 포밍을 구현하는 다중 접속 방식으로서 데이터를 보내고자 하는 각각의 유저에게 빔을 생성하여 전송함으로써, 같은 시간 및 주파수 영역에서 동시에 전송 가능한 이동 통신 기술이다.
위와 같은 빔 분할 다중 접속 방식 기술을 기반으로 중계 장치를 유저와 기지국 사이에 배치하면 도 8과 같이 표현된다.
도 8은 중계 장치를 적용한 빔 분할 다중 접속 방식에 의한 빔 전송 상태를 보인 도면으로서, 빔1은 송신단에서 수신단1로 보내는 신호를 의미하며 빔의 대부분의 파워는 유저1에게 전송되지만 중계 장치와 유저2에게 미약하게 영향을 끼치게 된다. 신호의 세기 측면으로 바라보면, 빔1의 경우 송신단에서 수신단1로 가는 링크의 파워가 가장 크고 다음으로 송신단-중계 장치 링크, 송신단-수신단2 링크 순이다. 빔2 또한 송신단에서 수신단1로 보내는 신호를 의미하고 신호의 세기는 송신단-수신단2 링크의 파워가 가장 크고 다음으로 송신단-중계 장치 링크, 송신단-수신단1 링크 순이다.
도 9는 도 8을 등가 모델로 표현한 도면이다. 도 9의 경우 송신단에서 2개의 빔을 생성하여 중계 장치를 이용하여 2유저에게 전송하므로 이를 다른 형태로 표현하면, 위와 같이 두 송신단에서(2개의 빔과 동일) 하나의 중계 장치를 이용하여 두 수신단으로 전송되는 모델로 등가 할 수 있다.
앞서 언급하였듯이, 빔 분할 다중 접속 방식의 특성상 (빔1과 빔2의 신호 세기 참조), h14>h13>h15, h25>h23>h24의 신호 세기를 가진다(경로 손실(path loss)을 고려하면 h13,h23 즉, 송신단-중계 장치 채널이 상대적으로 더 좋아지게 된다.). 따라서 복호 후 전송 방식은 h13과 h23의 채널 이득이 나쁘기 때문에 중계 장치에서 디코딩이 어려워 낮은 전송 성능을 보이며, 이는 중계 장치가 없는 경우보다 나쁜 성능을 보이므로 복호 후 전송 방식 보다 중계 장치가 없는 경우의 성능과 압축 후 전송 방식을 사용하는 중계 장치를 활용하는 경우의 성능을 비교하도록 하겠다.
정보이론적으로, 포인트 투 포인트 용량(point to point capacity)은 다음과 같이 나타낼 수 있다.
C = I(X:Y), X는 송신단, Y는 수신단을 의미하고 I는 X와 Y 둘 사이에 공유하고 있는 정보량을 나타낸다. 이를 가우시안 채널에서 나타내면, 1/2log(1+SNR)로 표현 할 수 있다.
이를 등가 모델에 적용하면,
Y4 = h14X1+h24X2+h34X3+Z4
Y5 = h15X1+h25X2+h35X3+Z5
Y3 = h13X1+h23X2+Z3
Figure 112011020632380-pat00001
3 = h13X1+h23X2+Z3+Q
(X는 송신 신호, Y는 수신 신호, h는 각 링크의 채널, Z는 노이즈, Q는 압축으로 인해 발생되는 노이즈)
(
Figure 112011020632380-pat00002
는 Y의 압축된 버전을 의미하며, 이론적으로는 Q라는 노이즈를 더함으로서 압축으로 손실되는 정보를 표현한다.)
압축 후 전송 방식을 사용하는 중계 장치를 활용하는 경우,
송신단-수신단1 전송속도
R1<I(X1;
Figure 112011020632380-pat00003
3,Y4|X2,X3)
송신단-수신단2 전송속도
R2<I(X2;
Figure 112011020632380-pat00004
3,Y5|X1,X3)
섬레이트(Sumrate)
R1+R2<min{I(X1,X2;
Figure 112011020632380-pat00005
3,Y4|X3),I(X1,X2;
Figure 112011020632380-pat00006
3,Y5|X3)}
이를 가우시안 채널에 대하여 분석하면 다음과 같은 전송 속도를 얻을 수 있다.
(hij)^2 = gij
송신단-수신단1 전송속도
R1<1/2log(1+g14p+g13P/(1+Q))
송신단-수신단2 전송속도
R2<1/2log(1+g25p+g23P/(1+Q))
Sumrate
R1+R2<min{1/2log(1+g14p+g24p+(g13p+g23p2)/(1+Q)-(h14h23p-h13h24p)^2/(1+ Q)),1/2log(1+g14p+g24p+(g13p+g23p2)/(1+Q)-(h14h23p-h13h24p)^2/(1+Q))}
with constraint
min{1/2log(1+g34p/(1+g14p)),1/2log(1+g35p/(1+g25p))}
>
max{1/2log(((1+g14p)(1+Q+g13p)-g14g13p^2)/((1+g14p)Q)),1/2log(((1+g25p)(1+Q+g 23p)-g25g23p^2)/((1+g25p)Q))}
여기서, 각 링크의 신호 세기를 h14=20dB, h13=10dB, h15=0dB로 정의한 경우1은 도 10과 같이 나타낼 수 있고, 각 링크의 신호 세기를 h14=20dB, h13=15dB, h15=0dB로 정의한 경우2는 경로 손실을 고려하면 상대적으로 h13이(중계 장치가 송신단에 가까우므로) 좋아지므로 도 11과 같이 나타낼 수 있다.
도 12는 경우1의 조건에서 h34=h35=20채널인 때의 파워와 섬레이트의 관계 그래프이고, 도 13은 경우2의 조건에서 h34=h35=10채널인 때의 파워와 섬레이트의 관계 그래프이며, 도 14는 경우2의 조건에서 h34=h35=20채널인 때의 파워와 섬레이트의 관계 그래프이다.
도 12에 나타낸 그래프의 경우, 경우1에 해당하는 경우로 빔 분할 다중 접속 방식의 채널 이득 특성에 따라 두 유저에 대한 섬레이트를 나타낸 것으로서 기존에 중계 장치를 사용하지 않는 방식에 비하여 압축 후 전송 방식을 수행하는 중계 장치를 사용하는 방식이 더 좋은 성능을 나타냄을 확인 할 수 있고 이를 통하여 복호 후 전송 방식을 적용한 경우보다도 좋다는 것을 예상할 수 있다.
도 13과 도 14에 나타낸 그래프의 경우, 실제 중계 장치가 송신단과 수신단에 비하여 더 가까우므로, 즉 경로 손실을 고려하여 더 좋은 채널 상태를 가지게 되므로 이를 반영한 결과를 경우2라고 유추 할 수 있다. 이를 적용하여 그래프를 얻은 결과, 중계 장치-수신단 채널의 상태가 좋으면 좋을수록 중계 장치가 없는 방식에 비하여 좋은 성능을 나타냄을 확인 할 수 있다. 따라서 본 발명에 의해 중계 장치에 압축 후 전송 방식을 적용하는 경우에 이득이 있음을 확인 할 수 있다.
앞서 설명한 본 발명의 실시 예들에 따른 다중 접속 통신 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성 가능하다. 이 컴퓨터 프로그램을 구성하는 코드들 및 코드 세그먼트들은 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다. 또한, 해당 컴퓨터 프로그램은 컴퓨터가 읽을 수 있는 정보저장매체(computer readable medium)에 저장되고, 컴퓨터나 본 발명의 실시 예에 따른 다중 접속 통신 시스템 등에 의하여 읽혀지고 실행됨으로써 다중 접속 통신 방법을 구현할 수 있다. 정보저장매체는 자기 기록매체, 광 기록매체 및 캐리어 웨이브 매체를 포함한다.
100 : 기지국 장치 110 : 단말 정보 처리부
120 : 다운링크 빔 생성부 130 : 다운링크 전송부
140 : 업링크 수신부 200 : 중계 장치
210 : 다운링크 수신부 220 : 다운링크 압축부
230 : 다운링크 중계부 240 : 업링크 수신부
250 : 업링크 중계부 300 : 통신 단말 장치
310 : 단말 정보 생성부 320 : 업링크 빔 생성부
330 : 업링크 전송부 340 : 다운링크 수신부
350 : 다운링크 복원부

Claims (9)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 현재 위치 및 이동속도 정보를 포함하는 단말 정보를 생성하는 단말 정보 생성부와,
    상기 단말 정보에 따른 특정 폭과 방향을 가지도록 송신단에서 생성 및 전송되어 중계 장치에 의해 압축 데이터가 포함되어진 다운링크 빔을 상기 중계 장치로부터 전달받는 다운링크 수신부와,
    상기 다운링크 빔에 포함된 상기 압축 데이터를 복원하여 신호 처리하는 다운링크 복원부와,
    상기 다운링크 빔의 방향에 대응하는 업링크 빔을 생성하는 업링크 빔 생성부와,
    상기 다운링크 빔을 생성 및 전송하는 기지국 장치에게 상기 중계 장치를 통해 상기 업링크 빔을 전송하는 업링크 전송부를 포함하는
    통신 단말 장치.
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 다중 접속 통신을 수행하는 통신 단말 장치에 의한 다중 접속 통신 방법으로서,
    현재 위치 및 이동속도 정보를 포함하는 단말 정보를 생성하여 전방향성으로 전송하는 단계와,
    상기 단말 정보에 따른 특정 폭과 방향을 가지도록 송신단에서 생성 및 전송되어 중계 장치에 의해 압축 데이터가 포함되어진 다운링크 빔을 상기 중계 장치로부터 전달받는 단계와,
    상기 다운링크 빔에 포함된 상기 압축 데이터를 복원하여 신호 처리하는 단계와,
    상기 다운링크 빔의 방향에 대응하는 업링크 빔을 생성하는 단계와,
    상기 다운링크 빔을 생성 및 전송하는 기지국 장치에게 상기 중계 장치를 통해 상기 업링크 빔을 전송하는 단계를 포함하는
    다중 접속 통신 방법.
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