KR101212843B1 - 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법 및 다중 단말 협력 시스템 - Google Patents

기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법 및 다중 단말 협력 시스템 Download PDF

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Abstract

기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법은, 복수 개의 단말기가 복수 개의 시간슬롯 동안 시분할 접속 방식으로 데이터를 전송하는 다중 단말 협력 방법일 수 있다. 상기 다중 단말 협력 방법은, 상기 각 시간슬롯을 복수 개의 부 시간슬롯으로 분할하는 단계; 상기 각 부 시간슬롯에서, 상기 복수 개의 단말기 중 전송할 데이터 블록을 포함하며 수신기와의 채널 이득이 가장 높은 최적 단말기를 결정하는 단계; 및 상기 최적 단말기에서 상기 수신기에 데이터 블록을 전송하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법 및 다중 단말 협력 시스템{MULTI-SOURCE COOPERATIVE METHOD AND MULTI-SOURCE COOPERATIVE SYSTEM USING OPPORTUNISTIC SOURCE SELECTION}
실시예들은 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법 및 다중 단말 협력 시스템에 관한 것이다.
협력 시스템(cooperative system)은 열악한 무선 통신 채널에서의 데이터 전송률 증대 및 전송 신뢰성 향상을 위한 차세대 무선 통신 시스템으로 주목을 받고 있다. 국내외에서 관련 요소 기술의 연구 개발이 활발히 진행되고 있으며, 국제 전기 통신 연합(International Telecommunication Union; ITU)에서 LTE 어드밴스드(LTE-advanced)에 해당 기술을 반영하기 위한 규격이 논의되면서 그 중요성이 더욱 부각되고 있다.
협력 시스템의 요소 기술 중 기회적 중계(opportunistic relaying) 기법은 불능 확률을 최소화하는 최적(optimal) 기법이다. 저속 페이딩(slow fading) 채널 환경에서 깊은 페이딩(deep fading)에 의한 시스템 성능 열화를 공간 다이버시티(spatial diversity)를 통해 저감시킴으로써, 무선 통신의 효율성 및 신뢰성을 제고할 수 있다. 종래에는 주로 단일 단말이 다중 중계기를 사용하여 기회적 중계를 하는 기법이 제안되었다. 그러나, 실제 환경에서는 다수의 단말이 동시에 존재하므로 단일 단말의 기회적 중계는 그 적용에 한계가 있다.
본 발명의 일 측면에 따르면, 다중 단말이 존재하는 다원 접속(multiple access) 환경에서 종래의 기회적 중계 기법보다 높은 다이버시티(diversity) 이득을 얻으면서도 주파수 자원 분배의 공정성(fairness)을 보장할 수 있는 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법 및 다중 단말 협력 시스템을 제공할 수 있다.
일 실시예에 따른 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법은, 복수 개의 단말기가 복수 개의 시간슬롯 동안 시분할 접속 방식으로 데이터를 전송하는 다중 단말 협력 방법일 수 있다. 상기 다중 단말 협력 방법은, 상기 각 시간슬롯을 복수 개의 부 시간슬롯으로 분할하는 단계; 상기 각 부 시간슬롯에서, 상기 복수 개의 단말기 중 전송할 데이터 블록을 포함하며 수신기와의 채널 이득이 가장 높은 최적 단말기를 결정하는 단계; 및 상기 최적 단말기에서 상기 수신기에 데이터 블록을 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 시스템은, 복수 개의 시간슬롯 동안 시분할 접속 방식으로 데이터 블록을 전송하는 복수 개의 단말기; 상기 각 시간슬롯을 복수 개의 부 시간슬롯으로 분할하며, 상기 각 부 시간슬롯에서, 상기 복수 개의 단말기 중 전송할 데이터 블록을 포함하며 수신기와의 채널 이득이 가장 높은 최적 단말기를 결정하는 제어부; 및 상기 최적 단말기로부터 데이터 블록을 수신하는 상기 수신기를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 측면에 따른 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법 및 다중 단말 협력 시스템을 이용하면, 다중 단말이 전용 중계기(dedicated relay) 없이 각 단말의 큐(queue)를 이용하여 공간 다이버시티(spatial diversity) 및 시간 다이버시티(time diversity) 이득을 동시에 얻을 수 있다. 그 결과, 상향링크 다원 접속(multiple access) 환경에서 주파수 자원 분배의 공정성(fairness)을 보장하면서 높은 불능 확률(outage probability) 성능을 달성할 수 있으며, 최근 중요성이 부각되고 있는 LTE 어드밴스드(LTE-advanced) 표준화에 논의되는 협력 시스템의 주파수 효율성 및 자원 할당 공정성을 제고할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 2는 일 실시예에 따른 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법의 순서도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 시스템에서 단말기의 큐(queue)를 나타내는 예시도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법의 평균 불능 확률 성능을 종래의 방법과 비교하여 나타낸 그래프이다.
이하에서, 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들에 대하여 상세히 살펴본다.
도 1은 일 실시예에 따른 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 시스템의 개략적인 블록도이다.
도 1을 참조하면, 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 시스템은 복수 개의 단말기(10), 제어부(20) 및 수신기(30)를 포함할 수 있다. 상기 다중 단말 협력 시스템은 복수 개의 단말기(10)가 단일 목적지에 데이터를 전송하는 상향링크 다원 접속(multiple access) 네트워크일 수 있다. 도 1에 도시된 실시예에서는 수신기(30)가 복수 개의 단밀기(10)의 단일 목적지에 해당하며, 예컨대 수신기(30)는 기지국(base station)일 수도 있다.
복수 개의 단말기(10)는 복수 개의 시간슬롯(time slot) 동안 시분할 접속(time division multiple access) 방식으로 데이터를 전송할 수 있다. 이때, 각 단말기(10)는 고정된 길이의 블록 단위로 데이터를 전송할 수 있다. 또한, 각 단말기(10)는 데이터 블록을 저장하기 위한 소정의 크기의 큐(queue)를 포함할 수 있다. 각 단말기(10)는 데이터의 전송 및 수신을 동시에 할 수 없는 반이중(half-duplex) 방식의 단말기일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다. 각 단말기(10)와 수신기(30) 간의 무선 채널의 이득은 상향 및 하향이 동일한 값을 가질 수 있다. 또한, 상기 무선 채널의 이득은 하나의 시간슬롯 동안은 일정한 값을 가질 수 있다.
제어부(20)는 협력 통신을 위해 각 시간슬롯을 복수 개의 부 시간슬롯(sub-time slot)으로 분할하고, 각 부 시간슬롯에서 복수 개의 단말기(10) 중 전송할 데이터 블록이 있으며 상향링크 채널 이득이 가장 높은 단말기(10)를 최적 단말기로 결정할 수 있다. 예컨대, 단말기(10)의 개수가 K개일 경우, K개의 시간슬롯은 제어부(20)에 의해 2K 개의 부 시간슬롯으로 분할될 수 있다. 각각의 부 시간슬롯에서, 제어부(20)에 의해 결정된 최적 단말기가 수신기(30)에 하나의 데이터 블록을 전송하게 된다.
무선 채널의 방송(broadcast) 특성에 따라, 최적 단말기로부터 전송된 데이터 블록은 다른 단말기(10)에서도 수신 가능하다. 최적 단말기로부터 데이터 블록을 수신한 단말기(10)는 데이터 블록을 복호화(decoding)하며, 데이터 블록을 성공적으로 복호화한 단말기(10)는 자신의 큐에 해당 데이터 블록을 저정할 수 있다. 각 단말기(10)의 큐는 FIFO(First Input First Output) 방식으로 데이터 블록의 입출력을 조절할 수 있다. 단, 각 단말기(10)는 동일한 데이터 블록이 2회 전송되면 해당 데이터 블록을 자신의 큐에서 삭제할 수 있다. 예컨대, K개의 단말기(10)에 의한 K개의 데이터 블록의 전송이 2K개의 부 시간슬롯을 주기로 이루어지며, 수신기(30)에서는 2K개의 부 시간슬롯을 주기로 데이터 블록을 복호화할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법의 순서도이다.
도 1 및 도 2를 참조하여, 실시예들에 따른 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법 및 다중 단말 협력 시스템에 대하여 보다 상세히 설명한다.
본 명세서에서는, K개의 단말기(10)가 시분할 접속 방식으로 자신의 데이터 블록을 각각 수신기(30)에 전송하는 경우를 가정한다. 주파수 자원 분배의 공정성을 위하여 각 단말기(10)는 K개의 시간슬롯 동안 자신의 데이터 블록 중 하나만을 수신기(30)에 전송한다고 가정하며, 따라서 K개의 단말기(10)가 데이터 블록 하나씩을 전송하는데 소요되는 총 시간슬롯의 수는 K개가 된다. 각 단말기(10)가 시간슬롯 K를 주기로 자신의 데이터 블록 중 하나를 전송하므로, 설명의 편의를 위해 최초 K개의 시간슬롯 동안의 동작에 대해서만 설명하기로 한다.
먼저, K개의 단말기(10)로 이루어진 집합은 하기 수학식 1과 같이 집합 S로 나타낼 수 있다.
상기 집합 S의 첨수 집합(index set)을 KI로 표현할 수 있으며, 이때
Figure 112011003574612-pat00002
는 복수 개의 단말기(10) 중 i번째 단말기를 나타낸다. 또한, 단말기 si가 최초 K개의 시간슬롯 동안 전송할 데이터 블록을 xi로 나타내며, n번째 시간슬롯에서 단말기 si와 수신기(30) 간의 채널 이득 계수를
Figure 112011003574612-pat00003
로 나타내기로 한다. 이때
Figure 112011003574612-pat00004
은 독립적이며 동일한 분포를 갖는 복소 가우시안 랜덤 변수(complex Gaussian random variable)라 가정한다. 상기 복소 가우시안 랜덤 변수의 평균은 모두 0이라고 가정하며, 이의 분산은
Figure 112011003574612-pat00005
로 나타내기로 한다.
먼저, 제어부(20)는 각 시간슬롯을 복수 개의 부 시간슬롯으로 분할할 수 있다(S1). 일 실시예에서, 제어부(20)는 각 시간슬롯을 동일한 길이를 갖는 두 개의 부 시간슬롯으로 분할할 수 있다. 단말기(10)의 개수가 K개인 경우 제어부(20)는 K개의 시간슬롯을 2K개의 부 시간슬롯으로 분할하게 된다.
매 시간슬롯 전에, 수신기(30)는 수신가능(Ready-to-Receive) 신호를 전송할 수 있다(S2). 전송된 수신가능 신호는 복수 개의 단말기(10) 각각에 의하여 수신된다. 각 단말기(10)는, 수신된 수신가능 신호를 이용하여 해당 시간슬롯에서 자신의 분산 타이머(distributed timer) 값을 결정할 수 있다(S3). 예컨대, m번째 시간슬롯에서 단말기(10) si의 분산 타이머 값은 하기 수학식 2와 같이 결정될 수 있다.
Figure 112011003574612-pat00006
상기 수학식 2에서 ti m은 m번째 시간슬롯에서 단말기(10) si의 분산 타이머 값을 나타내며, hi는 해당 단말기(10)와 수신기(30) 간의 채널 이득 계수를 나타낸다. 또한, τ는 시간을 단위로 갖는 상수로서 모든 단말기(10)에서 동일한 값을 갖는다.
다음으로, 이상과 같이 결정된 각 단말기(10)의 분산 타이머 값은, 각 부 시간슬롯에서 각 단말기(10)의 큐에 대한 상태 벡터(state vector)에 기초하여 조절될 수 있다(S4). 이때, 각 단말기(10)의 상태 벡터는 다음 수학식 3과 같다.
Figure 112011003574612-pat00007
상기 수학식 3에서 qi m은 단말기(10) si의 큐에 대한 m번째 부 시간슬롯에서의 상태 벡터를 나타낸다. 상기 상태 벡터의 각 성분은 큐의 각 위치에 저장되어 있는 데이터 블록의 첨수(index)를 나타내는 것으로서, 저장된 데이터 블록이 없는 경우 0의 값을 갖는다.
도 3은 일 실시예에 따른 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 시스템에서 단말기의 큐(queue)를 나타내는 예시도이다. 도 3은 m번째 부 시간슬롯에서 단말기(10) si의 큐에 데이터 블록 xi만이 저장되어 있는 경우를 예시적으로 나타낸다. 이와 같은 경우 첫 번째 부 시간슬롯(m=1)에서 단말기(10) si의 큐의 상태 벡터는 하기 수학식 4와 같다.
Figure 112011003574612-pat00008
각 단말기(10)는, 전술한 수학식 3에 의하여 결정된 분산 타이머 값을 각 부 시간슬롯에서 각 단말기(10)의 큐의 상태 벡터에 기초하여 조절할 수 있다(S4). 각 부 시간슬롯에서 상태 벡터의 값이 0일 경우, 즉, 전송할 데이터 블록이 없는 경우 단말기(10)는 자신의 분산 타이머 값을 무한대로 재설정한다. 반면, 상태 벡터의 값이 0이 아닐 경우, 즉, 전송할 데이터 블록이 있는 경우 단말기(10)는 전술한 수학식 3에 의하여 결정된 분산 타이머 값을 그대로 유지하게 된다.
이상과 같이 결정된 분산 타이머 값에 기초하여, 각 부 시간슬롯 전에 복수 개의 단말기(10)는 각각 자신의 분산 타이머를 동작시킬 수 있다(S5). 제어부(20)는, 각 부 시간슬롯 동안 분산 타이머가 가장 먼저 종료되는 단말기(10)를 해당 부 시간슬롯에서 최적 단말기로 결정할 수 있다(S6). 해당 부 시간슬롯에서 전송할 데이터 블록이 없는 단말기(10)의 경우에는 분산 타이머 값을 무한대로 재설정하였으므로 분산 타이머가 종료되지 않으며, 해당 부 시간슬롯에서 전송할 데이터 블록이 있으며 수신기(30) 와의 채널 이득 계수가 가장 큰 단말기(10)가 최적 단말기로 결정된다. 결정된 최적 단말기는 자신의 큐에 있는 해당 데이터 블록을 수신기(30)에 전송할 수 있다(S7).
일 실시예에서는, 무선 채널의 방송 특성에 따라, 각 부 시간슬롯에서 최적 단말기에서 전송된 데이터 블록은 최적 단말기를 제외한 나머지 단말기(10)에서도 수신 가능하다(S8). 해당 데이터 블록을 수신한 나머지 단말기(10)에서는 수신된 데이터 블록을 복호화하며, 데이터 블록을 성공적으로 복호화한 단말기(10)는 자신의 큐에 해당 데이터 블록을 저장할 수 있다(S9). 단, 각 단말기(10)에 동일한 데이터 블록이 2회 수신되는 경우 각 단말기(10)는 해당 데이터 블록의 자신의 큐에서 삭제할 수 있다(S10).
하나의 시간 슬롯에서, 하나의 부 시간슬롯에 대하여 이상에서 설명한 과정(S3 내지 S10)이 완료되면, 다음 부 시간슬롯에 대하여 상기 과정(S3 내지 S10)을 다시 수행할 수 있다. 그리고 현재 시간슬롯의 2개의 부 시간슬롯에 대하여 이상에서 설명한 과정(S2 내지 S10) 이 모두 완료되면, 다음 시간슬롯에 대하여 동일한 과정(S2 내지 S10)을 수행할 수 있다. 이상의 과정을 마지막 시간슬롯까지 반복적으로 수행함으로써, K개의 시간슬롯 동안 K개의 단말기(10)에 의한 K개의 데이터 블록의 전송 과정을 완료하게 된다.
도 4는 일 실시예에 따른 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법의 평균 불능 확률 성능을 종래의 방법과 비교하여 나타낸 그래프이다.
도 4는 단말기의 개수가 2개인 경우의 불능 확률 성능을 전산 모사한 결과를 예시적으로 나타낸 것이다. 도시되는 바와 같이, 라운드 로빈(Round-Robin) 방법 또는 최대 수율(Max-sum rate) 방법과 같은 종래의 비 협력 통신 시스템이나, 고정 DaF(Fixed DaF) 방법과 같은 종래의 협력 통신 시스템 기법과 비교하여, 일 실시예에 따른 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법이 평균 불능 확률이 낮아 더 우수한 성능을 갖는다는 것을 알 수 있다.
이상에서 살펴본 본 발명은 도면에 도시된 실시예들을 참고로 하여 설명하였으나 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 실시예의 변형이 가능하다는 점을 이해할 것이다. 그러나, 이와 같은 변형은 본 발명의 기술적 보호범위 내에 있다고 보아야 한다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해서 정해져야 할 것이다.

Claims (12)

  1. 복수 개의 단말기가 복수 개의 시간슬롯 동안 시분할 접속 방식으로 데이터를 전송하는 다중 단말 협력 방법에 있어서,
    상기 각 시간슬롯을 복수 개의 부 시간슬롯으로 분할하는 단계;
    상기 각 부 시간슬롯에서, 상기 복수 개의 단말기 중 전송할 데이터 블록을 포함하며 수신기와의 채널 이득이 가장 높은 최적 단말기를 결정하는 단계; 및
    상기 최적 단말기에서 상기 수신기에 데이터 블록을 전송하는 단계를 포함하되,
    상기 최적 단말기를 결정하는 단계는,
    상기 각 시간슬롯 전에 상기 복수 개의 단말기 각각이 상기 수신기로부터 수신가능 신호를 수신하는 단계;
    상기 각 부 시간슬롯에서, 상기 복수 개의 단말기 각각이 상기 수신가능 신호를 이용하여 상기 각 단말기의 분산 타이머 값을 결정하는 단계;
    상기 각 부 시간슬롯 전에 상기 각 단말기가 상기 분산 타이머 값에 기초하여 분산 타이머를 동작시키는 단계; 및
    상기 분산 타이머가 가장 먼저 종료되는 단말기를 상기 최적 단말기로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 상기 각 시간슬롯을 복수 개의 부 시간슬롯으로 분할하는 단계는, 상기 각 시간슬롯을 동일한 길이를 갖는 2개의 부 시간슬롯으로 분할하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법.
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 각 단말기의 분산 타이머 값을 결정하는 단계는,
    상기 각 단말기가 상기 수신가능 신호를 이용하여 상기 수신기와의 채널 이득 계수를 측정하는 단계;
    상기 각 단말기가 상기 채널 이득 계수를 이용하여 상기 분산 타이머 값을 결정하는 단계; 및
    상기 각 부 시간슬롯에서 상기 각 단말기가 전송할 데이터 블록의 유무에 따라 상기 분산 타이머 값을 조절하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 복수 개의 단말기 중 상기 최적 단말기를 제외한 나머지 단말기가 상기 최적 단말기로부터 전송된 데이터 블록을 수신하는 단계; 및
    상기 최적 단말기를 제외한 나머지 단말기가 수신된 상기 데이터 블록을 복호화하여 저장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 최적 단말기를 제외한 나머지 단말기에 동일한 데이터 블록이 2회 수신된 경우 상기 단말기로부터 해당 데이터 블록을 삭제하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 방법.
  7. 복수 개의 시간슬롯 동안 시분할 접속 방식으로 데이터 블록을 전송하는 복수 개의 단말기;
    상기 각 시간슬롯을 복수 개의 부 시간슬롯으로 분할하며, 상기 각 부 시간슬롯에서, 상기 복수 개의 단말기 중 전송할 데이터 블록을 포함하며 수신기와의 채널 이득이 가장 높은 최적 단말기를 결정하는 제어부; 및
    상기 최적 단말기로부터 데이터 블록을 수신하는 상기 수신기를 포함하되,
    상기 수신기는 상기 각 시간슬롯 전에 상기 복수 개의 단말기 각각에 수신가능 신호를 전송하며,
    상기 각 단말기는, 상기 각 부 시간슬롯에서 상기 수신가능 신호를 이용하여 분산 타이머 값을 결정하고, 상기 각 부 시간슬롯 전에 상기 분산 타이머 값에 기초하여 분산 타이머를 동작시키며,
    상기 제어부는, 상기 각 부 시간슬롯에서 상기 분산 타이머가 가장 먼저 종료되는 단말기를 상기 최적 단말기로 결정하는 것을 특징으로 하는 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 시스템.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 제어부는, 상기 각 시간슬롯을 동일한 길이를 갖는 2개의 부 시간슬롯으로 분할하는 것을 특징으로 하는 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 시스템.
  9. 삭제
  10. 제 7항에 있어서,
    상기 각 단말기는, 상기 수신가능 신호를 이용하여 상기 수신기와의 채널 이득 계수를 측정하고, 상기 채널 이득 계수를 이용하여 상기 분산 타이머 값을 결정하며, 상기 부 시간슬롯에서 전송할 데이터 블록의 유무에 따라 상기 분산 타이머 값을 조절하는 것을 특징으로 하는 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 시스템.
  11. 제 7항에 있어서,
    상기 복수 개의 단말기 중 상기 최적 단말기를 제외한 나머지 단말기는, 상기 최적 단말기로부터 데이터 블록을 수신하고, 수신된 상기 데이터 블록을 복호화하여 저장하는 것을 특징으로 하는 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 시스템.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 최적 단말기를 제외한 나머지 단말기는, 동일한 데이터 블록이 2회 수신된 경우 해당 데이터 블록을 상기 단말기로부터 삭제하는 것을 특징으로 하는 기회적 단말 선택 기법을 이용한 다중 단말 협력 시스템.
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