KR101460732B1

KR101460732B1 - 다수의 간섭자가 있는 복호 후 전달 협력통신 시스템에서 최적의 중계노드 선택방법

Info

Publication number: KR101460732B1
Application number: KR1020130159724A
Authority: KR
Inventors: 주민철
Original assignee: 국민대학교산학협력단
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2014-11-12

Abstract

본 발명은 다수의 간섭자가 있는 복호 후 전달 협력통신 시스템에서 채널용량(channel capacity)을 최대로 하는 최적의 중계노드를 선택하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은, 소스노드(S), 다수의 중계노드(R), 목적지노드(D) 및 다수의 간섭노드(I)를 포함하는 복호 후 전달 협력통신 시스템에서의 중계노드 선택방법에 있어서, 상기 목적지노드(D)에서 적어도 하나의 간섭노드(I)로부터의 간섭신호를 고려하여 상기 소스노드(S)로부터 직접경로(S->D)를 통해 수신된 제1신호를 계산하고, 상기 다수의 중계노드(R) 중 i번째 중계노드(Ri)에서 상기 소스노드(S)로부터 수신한 제2신호를 계산하고, 상기 중계노드(Ri)에서 수신된 신호에 복호한 후 상기 목적지노드(D)로 전송하고, 상기 목적지노드(D)에서 상기 제1신호 및 제2신호를 이용하여 상기 소스노드(S)로부터 상기 목적지노드(D)로의 채널용량을 계산한 후, 상기 계산된 채널용량을 최대로 하는 i번째의 중계노드(R)를 계산한다.

Description

다수의 간섭자가 있는 복호 후 전달 협력통신 시스템에서 최적의 중계노드 선택방법{Method for selecting optimum relay node in Decode-and-Forward(DF) cooperative communication system with multiple interferers}

본 발명은 복호 후 전달 협력통신 시스템에서의 최적 중계노드의 선택방법에 관한 것으로서, 특히 다수의 간섭자가 있는 복호 후 전달 협력통신 시스템에서 채널용량(channel capacity)을 최대로 하는 최적의 중계노드를 선택하는 방법에 관한 것이다.

무선 네트워크의 구현시 다중 안테나(MIMO:Multiple-Input-Multiple-Output) 기술이 제안되어 많은 연구가 진행되고 있다. 하지만, 이러한 다중 안테나 기술을 이용하여 디지털 기기 간의 무선 네트워크를 구현하면 전력소모가 커지면 단말의 사이즈가 커져 휴대성이 떨어지게 되고 시스템의 구조가 복잡해지며 가격이 비싸지는 단점이 있다.

종래의 다중 안테나 기술의 문제점을 해결하기 위하여 하나의 안테나를 가진 여러 단말들이 협력하여 다중 안타네 기술을 분산된 방식으로 구현할 수 있는 협력통신 시스템에 대한 연구가 최근 많이 이루어지고 있다.

이러한 협력통신 시스템에는 2가지 방식이 사용된다. 증폭 후 전달(Amplify-and-Forward,AF) 방식은 수신신호를 증폭하여 전송하고, 복호 후 전달(Decode-and-Forward, DF) 방식은 수신신호를 복호화한 후에 재부호화(re-encode)하는 개념으로 전달한다. 특히, 복호 후 전달 협력통신 시스템에서는 소스노드(Source Node)가 중계노드(Relay Node)와 목적지노드(Destination Node)에 동일한 데이터를 전송하면 중계노드는 소스노드로부터 수신한 데이터를 복호화하여 에러검출 등의 기능을 수행한 후 재부호화여 목적지노드로 전달하고 목적지노드는 소스노드와 중계노드로부터 수신된 데이터를 복호한다.

이러한 복호 후 전달 협력통신 방식은 증폭 후 전달 방식에 비해 상대적으로 우수한 성능을 얻을 수 있으나 복잡도가 높다는 문제점이 있다. 이러한 문제를 해결하고 통신의 신뢰성 향상을 위해 다양한 연구가 진행되고 있다. 예컨대 분산된 빔형성(distributed beamforming) 기술, 분산된 시공간 부호화(distributed space-time code) 기술, 중계노드 선택(relay selection) 기술 등이 있다.

이들 기법 중 분산된 빔형성 기술과 분산된 시공간 부호화 기술은 다수의 중계노드 간에 시간/주파수동기(time/frequency synchronization)를 서로 일치시켜야 하므로 제어가 복잡하다는 단점이 있다. 이에 비해, 중계노드 선택 기술은 이러한 동기가 필요 없어 실제 협력통신 시스템에서 쉽게 구현될 수 있다는 장점이 있다.

하지만, 중계노드 선택 기술은 단방향 협력통신 시스템에 많이 적용되고 있으나 아직 다수의 간섭자(multiple interferers)가 존재하는 복호 후 전달 협력통신 시스템에서는 구체적인 논의가 없다. 즉, 다수의 간섭자가 존재하는 복호 후 전달 협력통신 시스템에서 최적의 중계노드를 선택하는 방법은 제시되지 않았다.

한국등록특허 제1095090호 한국등록특허 제1100605호 한국등록특허 제1293609호

이에, 본 발명은 다수의 간섭자가 존재하는 복호 후 전달 방식의 협력통신 시스템에서 전송률을 최대화하는 중계노드를 선택함으로써 시스템의 신뢰성을 향상시킬 수 있는 최적의 중계노드 선택방법을 제공하는데 목적이 있다.

본 발명에 따른 다수의 간섭자가 있는 복호 후 전달 협력통신 시스템에서 최적 중계노드 선택방법은,

소스노드(S), 다수의 중계노드(R), 목적지노드(D) 및 다수의 간섭노드(I)를 포함하는 복호 후 전달 협력통신 시스템에서의 중계노드 선택방법에 있어서, 상기 목적지노드(D)에서 적어도 하나의 간섭노드(I)로부터의 간섭신호를 고려하여 상기 소스노드(S)로부터 직접경로(S->D)를 통해 수신된 제1신호(γ_D,1)를 하기 수학식에 의해 계산하는 제1단계;

(여기서, Es:소스노드(S)의 전송전력, E_Ik:k번째 간섭노드(Ik)의 전송전력, s₀:소스노드(S)에서 전송되는 코드워드, s_k:k번째 간섭노드(Ik)에서 전송되는 코드워드, h_S,D: 소스노드(S)와 목적지노드(D) 사이의 채널정보, v₁:목적지노드(D)에서의 가산성 백색잡음(additive white Gaussian noise), h_Ik,D: k번째 간섭노드(Ik)와 목적지노드(D) 사이의 채널정보, k=1,...K 인 자연수, K:간섭노드(I)의 전체 개수)

상기 다수의 중계노드(R) 중 i번째 중계노드(Ri)에서 상기 소스노드(S)로부터 수신한 신호(γ_Ri)를 하기 수학식에 의해 계산하는 제2단계;

(여기서, h_S,Ri:소스노드(S)와 중계노드(R) 사이의 채널정보, w_i:i번째 중계노드(Ri)에서의 가산성 백색잡음으로서 분산은 1로 가정, i=1,...,N인 자연수, N:중계노드(R)의 전체 개수)

상기 중계노드(Ri)에서 수신된 신호(γ_Ri)에 복호한 후 상기 목적지노드(D)로 전송하는 제3단계;

상기 목적지노드(D)에서 상기 중계노드(Ri)로부터 수신되는 제2신호(γ_D,2)를 하기 수학식에 의해 계산하는 제4단계;

(여기서, E_Ri:i번째 중계노드(Ri)에서의 전송전력, v₂:목적지노드(D)에서의 가산성 백색잡음, β:중계노드(Ri)에서의 복호상수)

상기 제1신호(γ_D,1) 및 제2신호(γ_D,2)를 이용하여 상기 소스노드(S)로부터 상기 목적지노드(D)로의 채널용량(channel capacity)(I_DF(│S,Ri,D│))를 하기 수학식에 의해 계산하는 제5단계; 및

(여기서, γ_S,D, γ_S,Ri, γ_Ri,D, γ_Ik,D: 각 해당 노드 간에 수신된 신호의 신호대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)임)

상기 제5단계에서 계산된 채널용량을 최대로 하는 i번째의 중계노드(R)를 하기 수학식에 의해 계산하는 제6단계를 포함한다.

본 발명에서, 상기 목적지노드(D)는 제1타임슬롯에 상기 제1단계로부터 제1신호(γ_D,1)를 수신하고 제2타임슬롯에 상기 중계노드(Ri)로부터 제2신호(γ_D,2)를 수신한다.

본 발명에서, 상기 γ_S,D, γ_S,Ri, γ_Ri,D, γ_Ik,D는 각각 Es│h_S,D│², Es│h_S,Ri│², E_Ri│h_Ri,D│², E_Ik│h_Ik,D│² 로 계산된다.

본 발명에 의하면 다수의 간섭자가 존재하는 복호 후 전달 협력통신 시스템에서 전송률을 최대화하는 최적의 중계노드를 선택함으로써 전송효율이 향상되고 시스템의 신뢰성을 높일 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다수의 간섭자가 존재하는 복호 후 전달 방식의 협력통신 시스템의 구성도.

이하에서, 본 발명의 바람직한 실시 예가 첨부된 도면들을 참조하여 설명할 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 다수의 간섭자가 존재하는 복호 후 전달 방식의 협력통신 시스템의 구성도이다.

도 1을 참조하면, 본 발명에 따른 다수의 간섭자가 존재하는 중폭 후 전달 협력통신 시스템(100)은 신호를 전송하는 소스노드(S), 소스노드(S)로부터의 신호를 중계하는 다수의 중계노드(R), 소스노드(S) 및/또는 중계노드(R)로부터 신호를 수신하는 목적지노드(D), 이들 노드(S,R,D)에 간섭신호를 제공하는 적어도 하나 이상의 간섭노드(I)를 포함한다. 이러한 간섭노드(I)는 이들 노드(S,R,D) 간의 전송신호를 간섭하는 간섭신호를 제공하는 간섭자(interferers)로서 시스템의 전송 신뢰도를 저하시키는 원인을 제공한다.

도면에서와 같이 다수의 간섭자가 있는 복호 후 전달 방식의 협력통신 시스템에서는 소스노드(S)에서 목적지노드(D)로 신호를 전송시 중계노드(R)의 도움을 받아 전달한다. 즉, 소스노드(S)에서 다수의 중계노드(R)로 신호(γ_S,Ri)를 전송하면 이 중 선택된 중계노드(Ri)에서 해당 신호를 복호하고 그 복호한 신호(γ_Ri,D)를 해당 목적지노드(D)로 전송한다. 물론, 이러한 협력통신 시스템에서도 소스노드(S)가 목적지노드(D)로 직접 신호를 전송할 수도 있다. 이때, 목적지노드(D)는 다수의 간섭노드(I)들로부터 간섭신호(γ_S,D)를 받게 되어 간섭신호가 없는 통신환경보다 신호의 충실도가 현저히 떨어지게 된다.

이러한 전체 신호전송에는 두 타임슬롯(time slot)이 필요한데, 첫 번째 타임슬롯에서는 소스노드(S)에서 신호를 전송하고, 두 번째 타임슬롯에서는 중계노드(R)에서 신호를 복호 후 전달 방식으로 목적지노드(D)로 전송한다. 이로써 목적지노드(D)는 중계노드(R)로부터 신호를 수신하게 된다.

먼저, 목적지노드(D)가 소스노드(S)로부터 직접 신호를 수신하는 경우, 첫 번째 타임슬롯에 수신되는 신호(γ_D,1)은 하기 수학식 1과 같다.

여기서, Es는 소스노드(S)에서의 전송전력, E_Ik는 k번째 간섭노드(Ik)의 전송전력, s₀는 소스노드(S)에서 전송되는 코드워드, s_k는 k번째 간섭노드(Ik)에서 전송되는 코드워드, h_S,D는 소스노드(S)와 목적지노드(D) 사이의 채널정보, v₁은 첫 번째 타임슬롯에 목적지노드(D)에서의 가산성 백색잡음(additive white Gaussian noise), h_Ik,D: k번째 간섭노드(Ik)와 목적지노드(D) 사이의 채널정보, k=1,...K 인 자연수, K:간섭노드(I)의 전체 개수를 나타낸다.

만약, 소스노드(S)에서 목적지노드(D)로 직접 신호를 전달하는 것이 아니라 중간노드(R)를 통해 전달하는 경우, i번째 중계노드(Ri)에서 첫 번째 타임슬롯에 수신된 신호(γ_Ri)는 하기 수학식 2와 같다.

여기서, h_S,Ri는 소스노드(S)와 중계노드(R) 사이의 채널정보, w_i는 두 번째 타임슬롯에 i번째 중계노드(Ri)에서의 가산성 백색잡음으로서 분산은 1로 가정한다.

이러한 복호 후 전달 방식에서는 i번째 중계노드(Ri)에서 수신된 신호(γ_Ri)를 복호한 후 두 번째 타임슬롯에 이를 목적지노드(D)로 전송한다. 두 번째 타임슬롯에 목적지노드(D)가 수신한 신호(γ_D,2)는 하기 수학식 3과 같다.

여기서, E_Ri는 i번째 중계노드(Ri)에서의 전송전력, v₂는 두 번째 타임슬롯에 목적지노드(D)에서의 가산성 백색잡음, h_Ri,D: i번째 중계노드(Ri)와 목적지노드(D) 사이의 채널정보를 나타낸다.

그리고, γ_S,D, γ_S,Ri, γ_Ri,D, γ_Ik,D는 수신된 신호의 신호대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)를 나타내는데, 이들은 γ_S,D = Es│h_S,D│², γ_S,Ri = Es│h_S,Ri│², γ_Ri,D = E_Ri│h_Ri,D│², γ_Ik,D = E_Ik│h_Ik,D│² 이다. 이때, i=1,...N이고,k=1,...K이며, N,K은 자연수로서, N은 중계노드(R)의 전체 개수이고, K는 간섭노드(I)의 전체 개수이다.

여기서, 이들 각각의 평균 신호대 잡음비,

는

이고, Ω_S,D은 소스노드(S)에서 목적지노드(D)로의 채널의 채널게인(channel gain)이다.

이때, 수학식 1의 γ_D,1과, 수학식 3의 γ_D,2를 이용하면 하기 수학식 4와 소스노드(S)에서 목적지노드(D)까지의 채널용량(channel capacity), 즉 I_DF(│S,Ri,D│)은 하기 수학식 4와 같이 구해진다.

여기서, 로그함수 앞의 상수 1/2는 소스노드(S)에서 목적지노드(D)로의 전송에 두 타임슬롯이 걸리므로 절반씩 포함되는 것이다. 상기 수학식 4에서 알 수 있듯이 채널용량 I_DF(│S,Ri,D│)을 최대화하기 위해서는 그 채널용량을 최대로 하는 중계노드(Ri)를 하기 수학식 5와 같이 선택하여야 한다.

여기서,

는 i=1,...N 중에서 소스노드(S)에서 목적지노드(D)로의 경로 중 채널용량 I_DF(│S,Ri,D│)을 최대로 하는 중계노드(R)의 순서 i를 추정하는 것이다. 따라서, 수학식 5를 바탕으로 i번째 중계노드(Ri)를 선택하면 채널용량을 최대로 할 수 있게 되고, 이러한 중계노드(Ri)의 도움으로 다수의 간섭자들이 있는 복호 후 전송 협력통신 시스템에서 소스노드(S)에서 목적지노드(D)로 정보를 전송하도록 한다.

상기 수학식 5에서 로그함수는 계속적으로 증가하는 함수이므로 상기 수학식 5에서의 중계노드 선택기법은 하기 수학식 6과 같이 간략하게 표현될 수도 있다.

따라서, 본 발명에서는 수학식 5 또는 수학식 6을 바탕으로 선택된 중계노드(Ri)를 이용함으로써 다수의 간섭노드(I)가 존재하는 복호 후 전달 방식의 협력통신 시스템에서도 신뢰성 있는 정보의 전송이 가능하게 된다. 이는 상기한 바와 같이 채널용량을 최대로 하는 중계노드(Ri)를 선택하기 때문이다.

상술한 본 발명은 바람직한 실시 예들을 통하여 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 이러한 실시 예들의 내용에 한정되는 것이 아님을 밝혀둔다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면, 비록 실시 예에 제시되지 않았지만 첨부된 청구항의 기재 범위 내에서 다양한 본 발명에 대한 모조나 개량이 가능하며, 이들 모두 본 발명의 기술적 범위에 속함은 너무나 자명하다 할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

S : 소스노드 D : 목적지노드
R : 중계노드 Ri : i번째 중계노드
I : 간섭노드 Ik : k번째 간섭노드

Claims

소스노드(S), 다수의 중계노드(R), 목적지노드(D) 및 다수의 간섭노드(I)를 포함하는 복호 후 전달 협력통신 시스템에서의 중계노드 선택방법에 있어서,
상기 목적지노드(D)에서 적어도 하나의 간섭노드(I)로부터의 간섭신호를 고려하여 상기 소스노드(S)로부터 직접경로(S->D)를 통해 수신된 제1신호(γ_D,1)를 하기 수학식에 의해 계산하는 제1단계;

(여기서, Es:소스노드(S)의 전송전력, E_Ik:k번째 간섭노드(Ik)의 전송전력, s₀:소스노드(S)에서 전송되는 코드워드, s_k:k번째 간섭노드(Ik)에서 전송되는 코드워드, h_S,D: 소스노드(S)와 목적지노드(D) 사이의 채널정보, v₁:목적지노드(D)에서의 가산성 백색잡음(additive white Gaussian noise), h_Ik,D: k번째 간섭노드(Ik)와 목적지노드(D) 사이의 채널정보, k=1,...K 인 자연수, K:간섭노드(I)의 전체 개수)
상기 다수의 중계노드(R) 중 i번째 중계노드(Ri)에서 상기 소스노드(S)로부터 수신한 신호(γ_Ri)를 하기 수학식에 의해 계산하는 제2단계;

(여기서, h_S,Ri:소스노드(S)와 중계노드(R) 사이의 채널정보, w_i:i번째 중계노드(Ri)에서의 가산성 백색잡음으로서 분산은 1로 가정, i=1,...,N인 자연수, N:중계노드(R)의 전체 개수)
상기 중계노드(Ri)에서 수신된 신호(γ_Ri)에 복호한 후 상기 목적지노드(D)로 전송하는 제3단계;
상기 목적지노드(D)에서 상기 중계노드(Ri)로부터 수신되는 제2신호(γ_D,2)를 하기 수학식에 의해 계산하는 제4단계;

(여기서, E_Ri:i번째 중계노드(Ri)에서의 전송전력, v₂:목적지노드(D)에서의 가산성 백색잡음, β:중계노드(Ri)에서의 복호상수, h_Ri,D: i번째 중계노드(Ri)와 목적지노드(D) 사이의 채널정보)
상기 제1신호(γ_D,1) 및 제2신호(γ_D,2)를 이용하여 상기 소스노드(S)로부터 상기 목적지노드(D)로의 채널용량(channel capacity)(I_DF(│S,Ri,D│))를 하기 수학식에 의해 계산하는 제5단계; 및

(여기서, γ_S,D, γ_S,Ri, γ_Ri,D, γ_Ik,D: 각 해당 노드 간에 수신된 신호의 신호대 잡음비(signal to noise ratio, SNR)임)
상기 제5단계에서 계산된 채널용량을 최대로 하는 i번째의 중계노드(R)를 하기 수학식에 의해 계산하는 제6단계; 를 포함하는 다수의 간섭자가 있는 복호 후 전달 협력통신 시스템에서 최적의 중계노드 선택방법.
제1항에 있어서,
상기 목적지노드(D)는 제1타임슬롯에 상기 제1단계로부터 제1신호(γ_D,1)를 수신하고 제2타임슬롯에 상기 중계노드(Ri)로부터 제2신호(γ_D,2)를 수신하는 다수의 간섭자가 있는 복호 후 전달 협력통신 시스템에서 최적의 중계노드 선택방법.
제1항에 있어서,
상기 γ_S,D, γ_S,Ri, γ_Ri,D, γ_Ik,D는 각각 Es│h_S,D│², Es│h_S,Ri│², E_Ri│h_Ri,D│², E_Ik│h_Ik,D│² 로 계산되는 다수의 간섭자가 있는 복호 후 전달 협력통신 시스템에서 최적의 중계노드 선택방법.