KR101325260B1 - 다중 반송파 통신시스템에서 자원 할당 장치 및 방법 - Google Patents

다중 반송파 통신시스템에서 자원 할당 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 다중반송파 통신시스템에서 멀티캐스트 서비스를 위한 자원 할당 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 멀티캐스트 서비스 방법은, 멀티캐스트 서비스를 받는 단말들을 채널상태에 따라 정렬하는 과정과, 상기 채널상태가 나쁜 단말부터 순차로 대역/비트를 할당하는 과정과, 상기 단말들에 대한 대역/비트 할당 결과를 이용해서 상기 멀티캐스트 서비스를 위한 자원을 결정하는 과정과, 상기 멀티캐스트 서비스의 데이터를 상기 결정된 자원을 이용해 송신하는 과정을 포함한다. 이와 같은 본 발명은 멀티캐스트 서비스에 대해 아웃티지(outage) 확률을 현저히 줄일 수 있을 뿐 아니라 송신전력을 최소화할 수 있다.
다중반송파, 자원할당, 멀티캐스트, greedy 할당, 송신전력, 아웃티지 확률

Description

다중 반송파 통신시스템에서 자원 할당 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR ALLOCATING RESOURCE IN MULTIPLE-CARRIER COMMUNICATION SYSTEM}
도 1은 종래기술에 따른 전송률 최대화(Throughput Maximization) 기법을 설명하기 위한 도면.
도 2는 종래기술에 따른 전송률 최대화 기법 및 비례공평 기법을 사용할 때, 사용자 위치에 따른 전송률을 나타낸 그래프.
도 3은 영상을 전송하는 경우, 전송률에 따른 PSNR을 나타낸 그래프.
도 4는 그리디(greedy) 할당 기법을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 무선통신시스템의 기지국 구성을 도시하는 도면.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스케줄러(502)의 상세 동작을 도시하는 도면.
도 7은 본 발명의 보다 나은 이해를 돕기 위한 실제 적용예를 도시하는 도면.
도 8은 사용자 수(number of users)에 따른 총 송신전력(total transmission power)을 비교한 그래프.
도 9는 총 송신전력(Total transmission power)에 따른 아웃티지 비율(% of Outage)을 비교한 그래프.
본 발명은 다중 반송파 통신시스템에서 자원 할당 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 멀티캐스트 서비스를 위한 자원 할당 장치 및 방법에 관한 것이다.
오늘날 고속의 이동통신을 위해서 많은 무선통신 기술들이 후보로 제안되고 있으며, 이 중에서 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 OFDM이라 칭함) 기법은 다중반송파(multi-carrier) 변조 방식의 일종으로, 현재 가장 유력한 차세대 무선 통신 기술로 인정받고 있다. 2010년경으로 예상되는 대부분의 무선통신 기술에서는 상기 OFDM 기술이 사용될 것으로 예상되며, 현재 3.5세대 기술이라고 불리는 IEEE 802.16 계열의 WMAN(Wireless Metropolitan Area Network)에서도 상기 OFDM 기술을 표준규격으로 채택하고 있다.
한편, 통신산업의 발달로 인해 통신 시스템에서 제공하는 서비스는 음성 서비스뿐만 아니라 패킷 데이터와 같은 큰 용량의 데이터를 전송하는 멀티캐스팅 멀티미디어 통신으로 발전해 나가고 있다.
상기 멀티캐스팅 멀티미디어 통신을 지원하기 위기 위한 멀티캐스트 서비스에는 3GPP 멀티미디어 방송 및 멀티캐스트 서비스(Multi media Broadcast and Multicast Service : 이하 'MBMS'라 칭함) 혹은 3GPP2 방송/멀티캐스트 서비스(Broadcast/Multicast Service : 이하 'BCMCS'라 칭함)가 있으며, 이는 하나 이상의 송신자들이 특정한 하나 이상의 수신자들에게 동시에 같은 데이터를 전송하는 방식이다. 이와는 달리, 일반적으로 송신자가 데이터 패킷을 하나의 수신자에게 전송하는 방식을 유니캐스트 서비스라고 한다.
기존의 멀티캐스트 서비스는 셀 경계(cell edge) 혹은 채널 상태가 가장 나쁜 사용자를 기준으로 송신 전력을 결정한다. 이 기술은 다중반송파 시스템에서 채널의 주파수 선택적 특성을 고려하여 도 1과 같이 각 대역별로 타겟 사용자(target user)를 다르게 결정하고, 상기 타겟 사용자보다 채널게인이 좋은 사용자들만 정보를 수신하도록 함으로써, 모든 사용자들의 전송률(throughput) 합이 최대화되도록 하는 기술이다. 도 1에서 요구 전력(Required Power)은 사용자의 채널 상태에 따라 결정되며, 각 대역에서 채널게인이 크게 떨어지는 사용자는 멀티캐스트 그룹에서 제외시킴으로써 전력 효율을 도모한다.
그런데, 상기와 같은 전송률 최대화(Throughput Maximization) 기법은 사용자들에 대한 전송률이 공평하지 못한다는 단점이 있다. 이러한 단점을 극복하기 위한 기술로 비례 공평(Proportional Fairness) 기법이 제안된 바 있다. 상기 비례 공평 기법은 유용성(utility)을 최대화하는 개념으로써, 전송률의 단순 합이 아닌 로그 합(log sum)을 목적 함수로 사용한다. 즉, 사용자들에게 전송률을 비례 공평하게 할당하는 기법이다.
상술한 종래의 기법들은 채널 상태에 영향을 미치는 여러 요소 중 주파수 선 택적 감쇄만을 고려하여 설계된 방식들이다. 또한, 채널 상태가 좋은 대역만 선택하여 할당하는 동적 채널 할당 개념을 사용하고 있다. 따라서, 상기 종래의 기법들은 주파수 선택적 감쇄만 존재하는 채널 환경일 경우 모든 사용자들의 평균 SNR(Signal to Noise Ratio) 값이 동일하기 때문에 잘 동작하지만, 경로 손실(path loss)로 인해 사용자 위치에 따라 평균 SNR 값이 다르면 심각한 문제가 발생할 수 있다.
예를 들어, 기지국 근처에 위치한 사용자들의 SNR 값이 모든 대역에서 셀 경계에 위치한 사용자들보다 좋다면, 총 전송률(Throughput) 관점에서 기지국 근처 사용자들에게 데이터 전송이 집중되기 때문에 사용자간 형평성 문제가 발생한다. 이러한 형평성 문제를 해결하기 위한 비례 공평 기법이 제안되었지만, 이 기법 역시 주파수 선택적 감쇄만 고려하였기 때문에 경로 손실을 적용해 실험해 본 결과, 도 2에 도시된 바와 같이 셀 경계에 위치한 사용자들이 매우 낮은 전송률로 동작함을 확인할 수 있다.
도 2의 실험은 레일리히(Rayleigh) 감쇄와 지수 값 3의 경로 손실을 고려한 채널을 가정하여 이루어졌고, 매 실험에서 사용자는 셀(cell)에 균등(uniform)하게 분포되며, 기지국에서 가장 먼 사용자부터 차례로 순서를 매겨 위치에 따른 자원 할당 양을 관찰한 것이다.
멀티캐스트 서비스가 주로 영상 서비스임을 감안할 때, 멀티캐스트 서비스의 서비스품질(QoS : Quality of Service)은 전송률이 아닌 PSNR(Peak Signal to Noise Ratio)에 의해 결정될 수 있다. 일반적으로, PSNR 값이 30dB 이하일 경우 사 용자는 영상을 보는데 큰 불편함을 느끼게 되고, 따라서 이런 경우를 아웃티지(outage)로 간주할 수 있다.
도 3은 전송률과 PSNR 사이의 관계를 도시한 것이다. 일반적으로, 전송률과 PSNR 사이의 관계는 영상 및 영상코덱의 종류에 따라 달라지는데, 도 3은 웨이블릿(wavelet) 코덱을 이용하여 포어맨(foreman) 영상을 전송했을 때 전송률에 따른 PSNR의 변화를 나타낸 것이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 전송률과 PSNR간의 관계가 선형적이지 않다는 것이다. 즉, PSNR의 최소 요구 값인 30∼32dB 사이에서 그래프의 기울기가 크게 변한다는 것이다. 다시 말해, 이미 전송률이 높은 사용자에게 추가로 자원을 할당하는 것보다는 자원을 할당받고 있지 못한 사용자의 전송률을 높여주는 것이 영상의 QoS 관점에서 효율적임을 알 수 있다. 즉, 적은 전송률의 확보로 큰 PSNR의 향상을 가져올 수 있는 사용자들에게 우선적으로 자원을 할당할 경우, 아웃티지를 없앨 수 있고 동시에 총 PSNR 역시 증가시킬 수 있을 것이다.
따라서, 본 발명의 목적은 다중반송파 통신시스템에서 멀티캐스트 서비스를 위한 자원 할당 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중반송파 통신시스템에서 멀티캐스트 서비스를 제공할 경우 아웃티지를 줄이기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중반송파 통신시스템에서 멀티캐스트 서비스를 제공할 경우 송신 전력을 최소화하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중반송파 통신시스템에서 멀티캐스트 서비스를 제공할 경우 채널이 나쁜 사용자부터 그리디(greedy) 할당 기법을 이용해서 자원을 할당하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중반송파 통신시스템에서 멀티캐스트 서비스를 제공할 경우 전송효율을 증가시키기 위한 장치 및 방법을 제공함 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 일 견지에 따르면, 다중반송파 통신시스템에서 기지국 장치에 있어서, 멀티캐스트 서비스를 받는 단말들을 채널상태에 따라 정렬하고, 상기 채널상태가 나쁜 단말부터 순차로 자원을 할당하는 스케줄러와, 상기 스케줄러의 제어하에 멀티캐스트 데이터를 해당 자원에 매핑하여 송신하는 송신기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 다른 견지에 따르면, 다중반송파 통신시스템에서 멀티캐스트 서비스 방법에 있어서, 멀티캐스트 서비스를 받는 단말들을 채널상태에 따라 정렬하는 과정과, 상기 채널상태가 나쁜 단말부터 순차로 대역/비트를 할당하는 과정과, 상기 단말들에 대한 대역/비트 할당 결과를 이용해서 상기 멀티캐스트 서비스를 위한 자원을 결정하는 과정과, 상기 멀티캐스트 서비스의 데이터를 상기 결정된 자원을 이용해 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기 에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 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 발명에서의 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.
이하 본 발명은 다중반송파 통신시스템에서 멀티캐스트 서비스를 제공할 경우 아웃티지(outage)를 줄이고, 송신 전력을 감소시키기 위한 방안에 대해 살펴보기로 한다. 즉, 다중반송파 시스템에서 멀티캐스트 서비스를 제공할 경우, 전송효율을 증가시키기 위한 방안을 제안하기로 한다.
본 발명을 통해 구하는 것은 대역(또는 부반송파)할당 행렬과 비트할당 행렬 두 가지이다. 여기서, 대역할당 행렬은 각 대역의 사용여부(또는 할당여부)를 나타내는 행렬이고, 상기 비트할당 행렬은 각 대역에 할당된 비트수(또는 데이터량)를 나타내는 행렬이다. 즉, 본 발명은 모든 사용자에게 최소 요구 전송률을 만족시켜주면서 송신전력을 최소화되는 대역할당 행렬과 비트할당 행렬을 결정하기 위한 것이다.
이러한 원리를 식으로 나타내면 하기 수학식 1과 같다.
Figure 112007009556130-pat00001
여기서, k는 사용자 인덱스를 나타내고, n은 부반송파 인덱스(또는 대역 인덱스)를 나타낸다. cn은 비트할당 행렬을 나타내고, ρk,n은 대역할당 행렬을 나타낸다. 그리고, PT는 총 송신전력을 나타내고, f(cn)는 n번째 대역에 비트가 할당되었을 때 필요한 송신 전력을 나타낸다. α는 채널게인(channel gain)을 나타내고, Rk는 k번째 사용자의 전송률을 나타내며,
Figure 112007009556130-pat00002
는 요구 PSNR에 도달하기 위한 최소 요구 전송률을 나낸다.
이와 같은 최적화 식은 전형적인 정수 프로그래밈(Integer Programming) 문제로 변환이 가능하다. 즉, 정수 프로그래밍 기법을 이용하여 문제의 최적 해를 구하는 것이 가능하다. 하지만, 정수 프로그래밍은 변수와 제약 식의 개수에 따라 복잡도가 기하급수적으로 증가하기 때문에 실시간으로 해를 구하는 것이 불가능하다. 따라서, 실제 시스템에 적용하기 위해서는 복잡도를 낮춘 준-최적(sub-optimal) 알고리즘이 필요하다.
일반적으로, 경로 손실(path loss)은 거리의 지수 승에 비례하여 증가하기 때문에 셀 외곽 사용자의 경우 기지국 근처의 사용자에 비해 경로 손실이 월등히 크다. 주파수 선택적 감쇄 효과는 모든 사용자에게 동일한 확률분포를 가지고 발생되지만, 경로 손실이 곱해지는 형태로 작용하므로 경로 손실 값에 따라 변화의 폭도 달라진다. 대역당 한 비트를 전송할 때 소요되는 전력량을 구해보면, 셀 외곽 사용자는 경로 손실에 의해 대역별 요구 전력량의 편차가 셀 중심의 사용자에 비해 훨씬 크게 나타난다. 동작 자원 할당을 통해 얻을 수 있는 이득의 크기는 대역별 요구 전력량의 편차에 비례하므로, 셀 외곽 사용자들에게 우선적으로 자원을 할당하는 것이 총 송신전력을 줄일 수 있는 방안이다.
즉, 본 발명은 평균 SNR 값이 작은 사용자부터 차례로 그리디(greedy) 할당 기법을 이용하여 최소 요구 전송량(또는 최소 요구 전송률)을 할당한다. 여기서, 상기 그리디 할당 기법은, 도 4에 도시된 바와 같이, 대역별로 1비트를 추가할 때 필요한 송신 전력을 구한 다음, 그 중 가장 작은 전력을 필요로 하는 대역에 1비트를 추가 할당하는 동작을 반복 수행하여 요구 전송량을 할당하는 방식이다. 이 방법은 사용자가 한 명일 경우, 최소의 전력으로 요구 전송량을 전송할 있는 최적의 해로 알려져 있다.
그런데, 멀티캐스트 서비스일 경우, 한 사용자가 비트를 할당받으면 상기 사용자보다 채널게인 값이 높은 다른 사용자들로 비트를 할당받게 된다. 따라서, 멀티캐스트 서비스일 경우, 자원 할당 차례가 아니더라도 비트를 할당받는 상황이 발생하며, 두 번째 사용자부터는 최소 요구 전송량에서 이미 할당받은 비트수를 뺀 만큼의 비트를 할당받으면 된다.
이하, 도면의 참조와 함께 구체적인 실시예를 살펴보기로 한다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 광대역 무선통신시스템의 기지국 구성을 도시하고 있다.
도시된 바와 같이, 기지국은 피드백 수신부(500), 스케줄러(502), 멀티캐스트 버퍼(504), 부호기(506), 변조기(508), 자원 매핑기(510), OFDM변조기(512), DAC(Digital to Analog Converter)(514) 및 RF(Radio Frequency)처리기(516)를 포함하여 구성된다.
도 5를 참조하면, 피드백 수신부(500)는 수신신호에서 단말들의 채널정보들을 추출하여 스케줄러(502)로 제공한다. 여기서, 채널정보는 SNR(Signal to Noise Ratio) 값, CINR(Carrier to Interference and Noise Ratio)값 등이 될 수 있다.
상기 스케줄러(502)는 멀티캐스트 단말들에 대한 채널정보들을 이용해서 상기 단말들을 채널크기 순서로 정렬하고, 채널크기가 작은 순서로 단말을 선택하여 그리디(greedy) 기법을 이용해서 자원 할당(대역/비트 할당)을 수행한다. 상기 그리디 할당을 수행함에 있어서, 기존과 다른 점은 이전 단말의 자원할당상황까지 고려하여 실제적인 추가전력(ΔP)을 계산한다는 것이다. 또한, 멀티캐스트 서비스이기 때문에, 한 단말에 대해 비트를 추가 할당하는 경우, 상기 단말보다 채널이 좋은 다른 단말들에도 비트가 추가 할당된다는 것이다. 즉, 두 번째 단말부터는 다른 단말 차례에서 할당받은 비트수를 최소 요구 전송량에서 뺀 만큼의 비트를 할당한다. 상기 스케줄러(502)는 이와 같이 멀티캐스트 단말들에 대한 대역/비트 할당을 수행한후, 상기 할당 결과를 이용해서 멀티캐스트 서비스를 위한 자원을 결정하고, 상기 결정된 내용에 따라 해당 구성부들을 제어한다. 상기 스케줄러(502)의 구체적인 동작은 이후 도 6의 참조와 함께 상세히 살펴보기로 한다.
멀티캐스트 버퍼(504)는 멀티캐스트 서비스의 데이터를 버퍼링하며, 상기 스케줄러(502)의 제어하에 상기 버퍼링된 데이터를 출력한다. 즉, 상기 버퍼(504)는 이번 프레임에서 전송될 데이터를 선택하여 출력한다. 예를 들어, 상기 멀티캐스트 버퍼(504)에 버퍼링된 데이터는 MAC(Media Access Control)계층의 PDU(Packet Data Unit)일 수 있다.
부호기(506)는 상기 멀티 캐스트 버퍼(504)로부터의 패킷들을 버스트 단위로 부호화하여 부호화 데이터를 출력한다. 여기서, 해당 버스트의 부호율은 상기 스케줄러(502)의 스케줄링 결과에 따라 제어된다. 예를들어, 상기 부호기(506)는 길쌈부호기(convolutional encoder), 터보부호기(turbo encoder), CTC(convolutional Turbo Code)부호기, LDPC(low density parity check)부호기 등으로 구성될 수 있다.
변조기(508)는 상기 부호기(506)로부터의 부호 심볼들을 소정 변조방식으로 변조하여 변조 심볼들을 발생한다. 예를들어, 상기 변조기(508)는 QPSK(quadrature phase shift keying), 16QAM(quadrature amplitude modulation), 32QAM 등과 같은 변조방식으로 변조를 수행할수 있다.
자원매핑기(510)는 상기 변조기(5080)로부터의 복소심볼들을 상기 스케줄러(502)의 스케줄링 결과에 따라 부반송파에 매핑하여 출력한다. 즉, 상기 자원매핑기(510)는 복소심볼들을 부반송파에 매핑하여 프레임 단위로 정렬하고, 상기 정 렬된 복소심볼들을 시간 동기에 근거해서 OFDM심볼 단위로 순차로 출력한다.
OFDM변조기(512)는 상기 자원매핑기(510)로부터의 복소심볼들을 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform) 연산하여 시간영역의 샘플 데이터로 변환하고, 상기 샘플 데이터에 보호구간(CP : Cyclic Prefix)을 붙여 출력한다.
DCA(514)는 상기 OFDM변조기(512)로부터의 샘플 데이터를 아날로그 신호로 변환하여 출력한다. RF처리기(516)는 주파수 합성기 및 필터 등의 구성을 포함하며, 상기 DAC(514)로부터의 기저대역 신호를 실제 전송가능 하도록 RF신호로 변환하여 안테나를 통해 송신한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 스케줄러(502)의 상세 동작을 도시하고 있다.
도 6을 참조하면, 먼저 스케줄러(502)는 멀티캐스트 서비스를 받는 사용자(단말)들을 채널게인 순서로 정렬한다. 즉, 채널게인 작은 순서로 사용자들을 정렬하고, 상기 정렬된 사용자들을 인덱싱한다. 그리고, 상기 스케줄러(502)는 사용자 인덱스 k를 '1'로 초기화한다.
이후, 상기 스케줄러(502)는 603단계에서 k번째 사용자를 선택한다. 그리고, 상기 스케줄러(502)는 605단계에서 상기 k번째 사용자에 대하여 1비트를 추가 할당할 때 필요한 추가전력(ΔP)을 계산한다. 이때, 해당 대역에 대해 최초 비트 할당이면 상기 추가전력(ΔPk,n)은 하기 수학식 2와 같이 계산되고, 해당 대역에 이미 비트가 할당되어 있으면 상기 추가전력(ΔP'k,n))은 하기 수학식 3과 같이 계산된다.
Figure 112007009556130-pat00003
Figure 112007009556130-pat00004
이와 같이, 각 대역에 대한 추가전력(ΔPk,n 또는 ΔP'k,n))를 계산한 후, 상기 스케줄러(502)는 607단계로 진행하여 k번째 사용자에 대하여 현재 할당되어 있는 비트수를 이용해서 현재 전송률(Rk)을 계산한다. 그리고, 상기 스케줄러(502)는 609단계에서 상기 현재 전송률(Rk)과 미리 결정된 최소 요구 전송률(
Figure 112007009556130-pat00005
)을 비교한다. 이때, 상기 현재 전송률(Rk)이 상기 최소 요구 전송률보다 크거나 같으면, 상기 스케줄러(621)는 사용자 인덱스 k를 '1'만큼 증가한 후, 다음 사용자에 대한 자원 할당을 수행하기 위해서 상기 603단계로 되돌아간다.
만일, 상기 현재 전송률(Rk)이 상기 최소 요구 전송률보다 작으면, 상기 스케줄러(502)는 611단계로 진행하여 상기 계산된 추가전력들 중 가장 작은 추가전력을 갖는 대역(
Figure 112007009556130-pat00006
)을 선택한다. 그리고, 상기 스케줄러(502)는 613단계에서 상기 선 택된 대역(
Figure 112007009556130-pat00007
)에 1비트를 추가 할당한다. 이때, 상기 스케줄러(502)는 상기 선택된 대역(
Figure 112007009556130-pat00008
)에 대해 상기 k번째 사용자보다 채널 게인(α)이 좋은 다른 사용자들에 대해서도 1비트를 추가 할당한다.
이와 같이, 상기 선택된 대역(
Figure 112007009556130-pat00009
)에 대한 추가 할당을 수행한 후, 상기 스케줄러(502)는 615단계에서 상기 선택된 대역(
Figure 112007009556130-pat00010
)에 할당된 비트수가 미리 결정된 변조차수(modulation order)를 만족하는지를 검사한다. 즉, 상기 선택된 대역(
Figure 112007009556130-pat00011
)에 대해 할당할 수 있는 최대 비트수를 모두 할당했는지를 검사한다.
상기 변조차수를 만족할 경우, 즉 더 이상 비트를 할당할 수 없을 경우, 상기 스케줄러(502)는 619단계로 진행하여 상기 선택된 대역(
Figure 112007009556130-pat00012
)에 대한 추가전력을 무한대(∞)로 갱신한 후 상기 607단계로 되돌아가 이하 단계를 재수행한다. 반면, 상기 변조차수를 만족하지 않으면, 상기 스케줄러(502)는 617단계로 진행하여 상기 선택된 대역(
Figure 112007009556130-pat00013
)에 대해 추가 전력을 다시 계산한 후 상기 607단계로 되돌아간다. 이때, 상기 추가 전력은 상기 수학식 2 또는 수학식 3을 통해 계산될 수 있다.
만일, 상기 도 6의 알고리즘을 수행한 후 할당된 부반송파 및 비트 개수를 이용해서 총 송신전력을 계산하고, 상기 계산된 총 송신전력이 미리 설정된 최대 전력(Pmax)과 비교한다. 이때, 상기 총 송신전력이 상기 최대 전력보다 크면, 가장 채널상태가 나쁜 사용자를 사용자 집합(set)에서 제외시킨 후 다시 상기 도 6의 알고리즘을 수행한다. 이와 같이, 멀티캐스트 단말들에 대한 대역/비트 할당을 수행한 후, 상기 스케줄러(502)는 상기 할당 결과를 이용해서 멀티캐스트 서비스를 위 한 자원을 결정한다.
도 7은 본 발명의 보다 나은 이해를 돕기 위한 실제 적용예를 도시한 것이다.
도시된 바와 같이, 사용자가 4명이고, 부반송파 개수(대역 개수)가 8개이며, 최소 요구 전송률(minimum required rate)이 5인 경우를 가정한 것이다.
(a)는 사용자들을 채널상태(예 : SNR) 순서로 정렬한 것이다. 여기서, 사용자 1의 채널상태가 가장 나쁘고, 사용자 4의 채널상태가 가장 좋다. 이후, 채널상태가 나쁜 순서로 대역/비트 할당을 수행한다.
(b)는 사용자 1에 대하여 그리디(greedy) 할당을 수행한 결과를 나타낸 것이다. 상기 최소 요구 전송률을 만족할 때까지 그리디 할당을 수행한 결과로서, 2번 반송파에 1비트가 할당되고, 4번 부반송파에 2비트가 할당되며, 6번 부반송파에 1비트가 할당되고, 7번 부반송파에 1비트가 할당된 경우이다. 이때, 비트가 할당된 부반송파에 대해 상기 사용자 1보다 채널게인이 좋은 다른 사용자들도 비트가 할당된다. 예를 들어, 사용자 2의 6번 및 7번 부반송파 채널게인이 상기 사용자 1보다 좋을 경우, 도시된 바와 같이 사용자 2의 6번 및 7번 부반송파에도 비트가 할당된다.
(c)는 사용자 2에 대하여 그리디 할당을 수행한 결과를 나타낸 것이다. 이미 사용자 1에 의해 2비트를 할당받은 상황이므로, 추가로 3비트(1번 부반송파 1비트 + 4번 부반송파 2비트)만 할당한 경우를 나타낸다. 이때, 그리디 할당을 위한 추가 전력(ΔP)을 계산함에 있어, 6번 및 7번 부반송파는 이미 비트를 할당받은 상황이므로 본 발명에서 제안하는 수식(수학식 3)을 이용해 추가 전력을 계산한다. 한편, 추가로 비트가 할당된 1번 및 4번 부반송파에 대해 상기 사용자 2보다 채널게인이 좋은 다른 사용자들로 비트가 할당된다.
(d)는 사용자 3에 대하여 그리디 할당을 수행한 결과를 나타낸 것이다. 이미 사용자 1과 사용자 2에 의해 4비트를 할당받은 상황이므로, 추가로 1비트(8번 부반송파 1비트)만 할당한 경우를 나타낸다. 이때, 그리디 할당을 위한 추가전력(ΔP)을 계산함에 있어, 1번, 4번, 7번은 이미 비트를 할당받은 상황이므로 본 발명에서 제안하는 수식(수학식 3)을 이용해 추가전력을 계산한다. 한편, 추가로 비트가 할당된 8번 부반송파에 대해 상기 사용자 3보다 채널게인이 좋은 다른 사용자들도 비트가 할당된다.
이와 같이, 사용자 3까지 비트 할당을 수행한 후, 마지막 4번 사용자에 대한 비트 할당을 수행한다. 그런데, 4번 사용자의 경우 이전 사용자들에 의해 이미 7비트를 할당받은 상황이므로 더 이상 비트를 할당하지 않는다. 즉, 사용자 4의 경우 이미 최소 요구 전송률을 초과하였으므로 더 이상 비트를 할당하지 않고 멀티캐스트 단말들에 대한 대역/비트 할당을 종료한다.
이하, 본 발명의 성능을 입증하기 위한 실험 결과를 살펴보기로 한다.
먼저, 실험 환경을 살펴보면 다음과 같다.
셀 반경(cell radius) = 500m
부반송파 개수(# of subcarrier) = 4
최소 요구 전송률(Required rate) = 4bits/slot
경로 손실 지수 값(Path loss exponent) = 3
변조 차수(modulation order) = {1,2,3,4}
도 8은 사용자 수(number of users)에 따른 총 송신전력(total transmission power)을 비교한 그래프이다.
도면에서 "Optimum"은 최적 알고리즘을 나타내고, "Greedy"는 기존 그리디 알고리즘을 나타내며, "Proposed"는 본 발명에 따른 알고리즘을 나타내며, "LCG"는 모든 대역에서 채널게인이 가장 낮은 사용자를 기준으로 전력을 결정하는 최소채널게인(LCG : Lowest Channel Gain) 알고리즘을 나타낸다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 알고리즘은 최적 알고리즘을 제외한 다른 알고리즘들보다 사용자 수 대비 총 송신전력이 감소됨을 알 수 있다. 즉, 본 발명은 기존 알고리즘들과 비교하여 보다 적은 송신전력으로 더 많은 데이터를 전송할 수 있다.
도 9는 총 송신전력(Total transmission power)에 따른 아웃티지 비율(% of Outage)을 비교한 그래프이다.
도면에서, "MT"는 전송률 최대화(Throughput Maximization)방식을 나타내고, "PF"는 비례 공평(Proportional Fair) 방식을 나타내며, "Proposed"는 본 발명을 나타낸다. 또한, 도 9는 8명의 사용자들로 실험한 것이다.
도시된 바와 같이, 본 발명은 기존 알고리즘들에 비해 아웃티지 확률이 현저히 감소됨을 알 수 있다. 즉, 송신전력이 충분치 못한 경우 본 발명이 기존 기술에 비해 20% 가량 많은 사용자의 QoS를 보장해 주는 것을 확인할 수 있다. 다시 말해, 본 발명은 동일한 전력으로 많은 사용자의 QoS를 만족시킬 수 있다. 이것은 본 발명에 따른 부반송파/비트 할당 알고리즘이 평균 채널값이 낮은 사용자도 기준 이상의 전송률을 확보할 수 있도록 고안되었기 때문이다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정 해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 OFDM과 같은 다중반송파 시스템에서 멀티캐스트 서비스를 제공하는 경우, 전송효율을 최대화할 수 있는 이점이 있다. 다시 말해, 본 발명은 멀티캐스트 서비스에 대해 아웃티지(outage) 확률을 현저히 줄일 수 있을 뿐 아니라 송신전력을 최소화할 수 있는 이점이 있다. 즉, 본 발명은 동일한 전력으로 많은 사용자의 QoS를 만족시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (17)

  1. 다중반송파 통신시스템에서 기지국 장치에 있어서,
    멀티캐스트 서비스를 받는 단말들을 채널상태에 따라 정렬하고, 상기 채널상태가 나쁜 단말부터 순차로 자원을 할당하는 스케줄러와,
    상기 스케줄러의 제어하에 멀티캐스트 데이터를 해당 자원에 매핑하여 송신하는 송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 스케줄러는, k번째 단말에 대해 1비트를 추가할 때 필요한 추가전력을 대역별로 계산하고, 상기 추가전력이 가장 적은 대역에 비트를 추가 할당하는 동작을 최소 요구 전송량을 만족할 때까지 반복하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 스케줄러는, 해당 대역이 이미 다른 단말에게 할당된 경우이면 상기 추가전력(ΔP)을 하기 (수식1)와 같이 계산하고, 그렇지 않으면 하기 (수식2)와 같이 계산하는 것을 특징으로 하는 장치.
    (수식1)
    Figure 112007009556130-pat00014
    (수식2)
    Figure 112007009556130-pat00015
    여기서, k는 사용자 인덱스이고, n은 대역 인덱스이며, Ck,n은 k번째 사용자의 n번째 대역에 할당된 비트수를 나타내고, f(x)는 해당 대역에 x비트를 할당했을 때 필요로 하는 필요한 송신 전력을 나타냄.
  4. 제2항에 있어서,
    상기 스케줄러는, 특정 대역에 비트가 추가 할당될 때, 해당 단말보다 채널게인(channel gain)이 좋은 다른 단말들에 대해서도 상기 특정 대역에 비트를 추가 할당하는 것을 특징으로 하는 장치.
  5. 제2항에 있어서,
    상기 스케줄러는, 상기 최소 요구 전송량에서 이전 단말들에 의해 이미 할당된 비트 개수를 감산하고, 상기 감산된 만큼의 비트 개수를 상기 k번째 단말에 할당하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 스케줄러는, 상기 단말들에 대하여 자원 할당을 수행한 후 할당된 대역 및 비트 개수를 이용해서 총 송신전력을 계산하며, 상기 총 송신전력이 미리 설정된 최대 송신전력보다 클 경우 상기 단말들의 집합에서 채널상태가 가장 나쁜 단말을 제외시킨 후 다시 자원 할당을 수행하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 스케줄러는, 상기 단말들에 대한 대역/비트 할당 결과를 이용해서 상기 멀티캐스트 서비스를 위한 자원을 결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 채널상태는 SNR(Signal to Noise Ratio)인 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제1항에 있어서, 상기 송신기는,
    상기 멀티캐스트 데이터를 부호화(coding)하는 부호기와,
    상기 부호기로부터의 데이터를 변조(modulation)하는 변조기와,
    상기 변조기로부터의 데이터를 해당 자원에 매핑하는 자원매핑기와,
    상기 자원매핑기로부터의 데이터를 IFFT연산하는 OFDM변조기와,
    상기 OFDM변조기로부터의 데이터를 아날로그 신호로 변환하고, 상기 아날로그 신호를 RF대역의 신호로 변환하여 송신하는 RF송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 다중반송파 통신시스템에서 멀티캐스트 서비스 방법에 있어서,
    멀티캐스트 서비스를 받는 단말들을 채널상태에 따라 정렬하는 과정과,
    상기 채널상태가 나쁜 단말부터 순차로 대역/비트를 할당하는 과정과,
    상기 단말들에 대한 대역/비트 할당 결과를 이용해서 상기 멀티캐스트 서비스를 위한 자원을 결정하는 과정과,
    상기 멀티캐스트 서비스의 데이터를 상기 결정된 자원을 이용해 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 대역/비트 할당 과정은,
    상기 단말들 중 해당 차례의 단말을 선택하는 과정과,
    상기 선택된 단말에 대해 1비트를 추가할 때 필요한 추가전력을 대역별로 계산하는 과정과,
    상기 추가전력이 가장 적은 대역에 비트를 추가 할당하는 동작을 최소 요구 전송량을 만족할 때까지 반복하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제11항에 있어서, 상기 추가전력 계산 과정은,
    해당 대역이 이미 다른 단말에게 할당된 경우이면 상기 추가전력(ΔP)을 하기 (수식1)와 같이 계산하고, 그렇지 않으면 하기 (수식2)와 같이 계산하는 것을 특징으로 하는 방법.
    (수식1)
    Figure 112007009556130-pat00016
    (수식2)
    Figure 112007009556130-pat00017
    여기서, k는 사용자 인덱스이고, n은 대역 인덱스이며, Ck,n은 k번째 사용자의 n번째 대역에 할당된 비트수를 나타내고, f(x)는 해당 대역에 x비트를 할당했을 때 필요로 하는 필요한 송신 전력을 나타냄.
  13. 제11항에 있어서,
    특정 대역에 비트가 추가 할당될 때, 상기 선택된 단말보다 채널게인(channel gain)이 좋은 다른 단말들에 대해서도 상기 특정 대역에 비트를 추가 할당하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 제11항에 있어서,
    상기 선택된 단말에 대해 할당되는 비트 개수는, 최소 요구 전송량에서 이전 단말들에 의해 이미 할당된 비트 개수를 감산하여 결정되는 것을 특징으로 하는 방법.
  15. 제10항에 있어서,
    상기 단말들에 대하여 대역/비트 할당을 수행한 후, 할당된 대역 및 비트 개 수를 이용해서 총 송신전력을 계산하는 과정과,
    상기 총 송신전력이 미리 설정된 최대 송신전력보다 클 경우, 상기 단말들의 집합에서 채널상태가 가장 나쁜 단말을 제외시킨 후 다시 순차로 자원 할당을 수행하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제10항에 있어서,
    상기 채널상태는 SNR(Signal to Noise Ratio)인 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제10항에 있어서, 상기 송신 과정은,
    상기 멀티캐스트 서비스의 데이터를 부호화(coding)하는 과정과,
    상기 부호화된 데이터를 변조(modulation)하는 과정과,
    상기 변조된 데이터를 해당 자원에 매핑하는 과정과,
    상기 자원 매핑된 데이터를 OFDM변조하는 과정과,
    상기 OFDM변조된 데이터를 RF대역의 신호로 변환하여 송신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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