KR101478469B1 - Ofdm 기반의 기지국 협력 통신을 위한 제어 장치 및 그 방법 - Google Patents

Ofdm 기반의 기지국 협력 통신을 위한 제어 장치 및 그 방법 Download PDF

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KR101478469B1 KR20130153337A KR20130153337A KR101478469B1 KR 101478469 B1 KR101478469 B1 KR 101478469B1 KR 20130153337 A KR20130153337 A KR 20130153337A KR 20130153337 A KR20130153337 A KR 20130153337A KR 101478469 B1 KR101478469 B1 KR 101478469B1
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신현준
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Abstract

본 발명은 OFDM 기반의 기지국 협력 통신을 위한 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 제어 장치는 복수의 안테나를 가지는 사용자 단말이 제1 셀룰러 기지국의 통신 범위에 속해 있는 경우, 방송 기지국에서 전송하는 제1 신호를 STBC 방식으로 변조하여 상기 사용자 단말로 전송하도록 하는 제어 신호를 상기 제1 셀룰러 기지국에 전달하는 제1 제어부; 상기 제1 셀룰러 기지국과 제2 셀룰러 기지국의 통신 범위가 중첩되는 영역으로 상기 사용자 단말이 이동한 경우, 상기 사용자 단말로부터 피드백된 상기 사용자 단말과 상기 방송 기지국 간의 채널 상태 값을 임계치와 비교하는 비교부; 및 상기 채널 상태 값이 상기 임계치 이상이면, 상기 제1 신호와 상이한 제2 신호를 변조하여 상기 사용자 단말에게 전송하도록 하고, 상기 채널 상태 값이 상기 임계치 미만이면, 상기 제1 신호를 변조하여 상기 사용자 단말에게 전송하도록 하는 제어 신호를 상기 제2 셀룰러 기지국에 전달하는 제2 제어부를 포함한다.
이와 같이 본 발명에 따르면, 복수의 셀룰러 기지국 및 방송 기지국 사이의 협력 통신을 이용하여 다이버시티 이득(Diversity Gain)으로 인한 신뢰성이 높은 통신이 가능하다. 또한, 이 신뢰성을 기반으로 전송률을 향상시킬 수 있다.

Description

OFDM 기반의 기지국 협력 통신을 위한 제어 장치 및 그 방법{COTROL APPARTUS FOR OFDM-BASED BASE STATION COOPERATIVE TRANSMISSION AND METHOD THEREOF}
본 발명은 기지국 협력 통신을 위한 제어 장치 및 그 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 하나의 방송 기지국과 두 개의 셀룰러 기지국을 이용한 OFDM 기반의 기지국 협력 통신을 위한 제어 장치 및 그 방법에 관한 것이다.
방송 시스템은 방송 기지국을 이용한 신호 송신을 통해서 디지털 TV와 디지털 라디오 서비스를 사용자에 공급한다. 이러한 방송 시스템은 네트워크 사업자들이 방송 기지국을 이용하여 사용자 단말에 신호를 보내는 전형적인 시스템 중의 하나이다. 방송용 신호는 주로 넓은 지역을 대상으로 전송되며, 방송 기지국의 장점은 사용자 단말이 신호를 수신할 때 방송 기지국과 연결(Connection)을 맺을 필요가 없다는 점이다. 왜냐하면 방송 시스템은 다운-링크(Down-link)만 사용하여 신호를 전송하기 때문이다. 그러므로 방송 시스템은 사용자 단말과의 통신을 통한 방송 신호 전송에 있어서 효율적인 전송 시스템 중의 하나이다.
이에 반해, 셀룰러 시스템은 다운-링크(Down-link)와 업-링크(Up-link)를 사용하여 사용자 단말과 통신을 한다. 셀룰러 시스템의 셀룰러 기지국의 전송 범위는 방송 기지국에 비해 좁고 셀룰러 기지국과 사용자 단말이 통신하기 위해서 연결(Connection)이 필요하다. 그리고 다중 사용자 단말을 위해서 셀룰러 시스템은 특정 다중 접속 기술(Multiple Access Technique)을 통해 설계되어야 한다. 다중 접속 기술(Multiple Access Technique)의 한 예로 TDMA(Time Division Multiple Access), FDMA(Frequency Division Multiple Access) 및 CDMA(Code Division Multiple Access) 등이 있다. 그러나 셀룰러 시스템의 장점은 사용자 단말과 셀룰러 기지국이 다운-링크(Down-link)와 업-링크(Up-link)를 통해서 데이터를 주고 받을 수 있다는 것이다.
이러한 방송 기지국의 장점과 셀룰러 기지국의 장점을 이용할 수 있는 시스템을 연동 네트워크 시스템(Interworking Network System)이라고 한다. 방송 기지국과 셀룰러 기지국이 연동되는 연동 네트워크 시스템(Interworking Network System)에서 방송 기지국과 셀룰러 기지국은 서로 협력하여 사용자 단말에 데이터를 전송한다.
방송 기지국은 업-링크(Up-link)가 없기 때문에 채널의 변화에 대한 피드백 정보(Feed-back Information)를 받을 수 없으므로 전송 기법의 융통성(Flexibility)이 떨어진다. 방송 기지국이 셀룰러 기지국과 협력하여 시스템을 구성하면, 방송 기지국은 셀룰러 기지국으로부터 채널 상태 정보(Channel State Information)를 얻어 융통성(Flexibility) 문제를 해결할 수 있다. 그리고 셀룰러 기지국은 방송 기지국과 협력하여 데이터 전송속도(Data Rate)를 높일 수 있다.
기존의 기술에 의한 망연동 네트워크 시스템(Interworking Network System)은 기지국 중에서 방송 기지국 하나와 셀룰러 기지국 하나를 협력시켜 사용자 단말에 신호를 전송하는 시스템이다. 하지만 방송 기지국으로부터 전송되는 신호는 셀룰러 기지국으로부터 전송되는 신호보다 장거리의 전송 거리로 인하여 채널의 영향을 더 많이 받을 수 있다. 이것을 해결하기 위해서 인접한 셀룰러 기지국을 이용하여 다이버시티 이득(Diversity Gain)을 얻을 수 있도록 신호를 전송하는 시스템을 구성할 수 있다. 새로운 망연동의 협력 통신 시스템은 다이버시티 이득(Diversity Gain)을 얻음으로써 비트 에러율(BER: Bit Error Rate) 성능을 향상 시킨다. 그리고 비트 에러율(BER) 성능이 향상됨으로써 데이터 오류가 줄게되어 사용자 단말에 수신되는 테이터 처리량(Data Throughput)을 증가시킬 수 있다.
인구가 밀집한 지역에서는 하나의 셀 범위에서 많은 사용자를 감당하기 어렵기 때문에 셀의 단위를 나노(Nano), 피코(Pico), 펨토(Femto) 등의 단위로 시스템을 구성하여 셀룰러 기지국 당 사용자 단말의 수를 분산시킨다. 이러한 경우, 한 셀룰러 기지국 범위에 있는 사용자 단말이 인접한 셀룰러 기지국과 중첩될 경우가 많아지며, 또한 높은 신뢰성과 데이터 전송속도(Data Rate)를 각 사용자 단말에 제공하기 위하여 인접한 셀룰러 기지국과 협력 통신하는 시스템이 필요하다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 공개특허공보 제2010-0058396호(2010.06.03)에 기재되어 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 방송 기지국과 셀룰러 기지국의 협력에 의한 무선 협력 통신 시스템에서 채널 상태에 따라 송신 신호를 구성하여 데이터 전송속도(Data Rate)를 조절하고 다이버시티 이득(Diversity Gain)을 추가로 얻을 수 있는 협력 통신 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다. 또한, 기존의 기지국 협력 통신 시스템 대비 비트 에러율(BER) 성능이 향상된 협력 통신 제어 장치 및 그 방법을 제공하는 것이다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 하나의 실시예에 따른 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기반의 협력 통신 제어 장치는, 복수의 셀룰러 기지국 및 방송 기지국 사이의 협력 통신을 제어하기 위한 제어 장치에 있어서, 복수의 안테나를 가지는 사용자 단말이 제1 셀룰러 기지국의 통신 범위에 속해 있는 경우, 상기 방송 기지국에서 전송하는 제1 신호를 STBC 방식으로 변조하여 상기 사용자 단말로 전송하도록 하는 제어 신호를 상기 제1 셀룰러 기지국에 전달하는 제1 제어부; 상기 제1 셀룰러 기지국과 제2 셀룰러 기지국의 통신 범위가 중첩되는 영역으로 상기 사용자 단말이 이동한 경우, 상기 사용자 단말로부터 피드백된 상기 사용자 단말과 상기 방송 기지국 간의 채널 상태 값을 임계치와 비교하는 비교부; 및 상기 채널 상태 값이 상기 임계치 이상이면, 상기 제1 신호와 상이한 제2 신호를 변조하여 상기 사용자 단말에게 전송하도록 하고, 상기 채널 상태 값이 상기 임계치 미만이면, 상기 제1 신호를 변조하여 상기 사용자 단말에게 전송하도록 하는 제어 신호를 상기 제2 셀룰러 기지국에 전달하는 제2 제어부를 포함한다.
또한, 상기 채널 상태 값은 상기 사용자 단말에 포함된 각각의 안테나와 상기 방송 기지국 사이의 채널 응답 계수를 통하여 결정될 수 있다.
또한, 상기 제2 제어부는, 상기 채널 상태 값이 상기 임계치 이상이면 상기 제2 신호를 V-BLAST 방식으로 변조하여 상기 사용자 단말에게 전달하도록 제어하고, 상기 채널 상태 값이 상기 임계치 미만이면 상기 제1 신호를 CDD(Cyclic Delay Diversity) 방식으로 변조하여 상기 사용자 단말에게 전달하도록 제어할 수 있다.
또한, 상기 채널 상태 값이 상기 임계치 이상이면 상기 사용자 단말은 다음의 행렬식 형태로 신호를 수신할 수 있다:
Figure 112013113067523-pat00001
여기서 Zi ,j 는 i 번째 시간에 상기 사용자 단말의 j 번째 안테나에 수신된 신호를 나타내고,
Figure 112013113067523-pat00002
는 i 번째 시간에 전송되는 상기 제1 신호, yi는 i 번째 시간에 전송되는 상기 제2 신호, hi ,j 는 i 번째 기지국(i=1이면 상기 방송 기지국, i=2이면 상기 제1 셀룰러 기지국, i=3이면 상기 제2 셀룰러 기지국을 나타냄)과 사용자 단말의 j 번째 안테나 사이의 채널을 나타내고, 그리고 ni ,j 는 i 번째 시간에 상기 사용자 단말의 j 번째 안테나로 전달되는 신호에 포함된 노이즈를 나타내며, ()* 는 콘쥬게이션(conjugation)을 각각 나타낸다.
또한, 상기 채널 상태 값이 상기 임계치 미만이면 상기 사용자 단말은 다음의 행렬식 형태로 신호를 수신할 수 있다:
Figure 112013113067523-pat00003
여기서, ej θ는 위상이 θ만큼 순환지연된 것을 나타내는 값이다.
상기 사용자 단말은, 상기 수신된 신호로부터 MMSE 검출 방법을 통하여 상기 제1 신호를 검출하고, 상기 검출된 제1 신호를 이용하여 상기 제2 신호를 검출할 수 있다.
본 발명의 하나의 실시예에 따른 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기반의 협력 통신 제어 방법은, 복수의 셀룰러 기지국 및 방송 기지국 사이의 협력 통신을 제어하기 위한 제어 장치에 있어서, 복수의 안테나를 가지는 사용자 단말이 제1 셀룰러 기지국의 통신 범위에 속해 있는 경우, 상기 방송 기지국에서 전송하는 제1 신호를 STBC 방식으로 변조하여 상기 사용자 단말로 전송하도록 하는 제어 신호를 상기 제1 셀룰러 기지국에 전달하는 단계; 상기 제1 셀룰러 기지국과 제2 셀룰러 기지국의 통신 범위가 중첩되는 영역으로 상기 사용자 단말이 이동한 경우, 상기 사용자 단말로부터 피드백된 상기 사용자 단말과 상기 방송 기지국 간의 채널 상태 값을 임계치와 비교하는 단계; 및 상기 채널 상태 값이 상기 임계치 이상이면, 상기 제1 신호와 상이한 제2 신호를 변조하여 상기 사용자 단말에게 전송하도록 하고, 상기 채널 상태 값이 상기 임계치 미만이면, 상기 제1 신호를 변조하여 상기 사용자 단말에게 전송하도록 하는 제어 신호를 상기 제2 셀룰러 기지국에 전달하는 단계를 포함한다.
본 발명에 의하면, 복수의 셀룰러 기지국 및 방송 기지국 사이의 협력 통신을 이용하여 다이버시티 이득(Diversity Gain)으로 인한 신뢰성이 높은 통신이 가능하다. 또한, 이 신뢰성을 기반으로 전송률을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 OFDM 기반의 기지국 협력 통신을 위한 제어 장치의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 OFDM 기반의 기지국 협력 통신을 위한 제어방법의 순서도이다.
도 3은 채널 상태 값이 기준치 이상인 본 발명에 따른 제1 실시예의 협력 통신을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 도 2에서 채널 상태 값이 기준치 미만인 본 발명에 따른 제2 실시예의 협력 통신을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명에 따른 제1 실시예의 비트 에러율(BER) 성능을 기존의 기술과 비교한 그래프이다.
도6은 본 발명에 따른 제1 실시예의 처리량(Throughput)을 기존의 기술과 비교한 그래프이다.
도 7은 본 발명에 따른 제2 실시예의 비트 에러율(BER) 성능을 기존의 기술과 비교한 그래프이다.
도 8은 본 발명에 따른 제2 실시예의 처리량(Throughput)을 기존의 기술과 비교한 그래프이다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
먼저 본 발명의 실시예에 따른 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기반의 기지국 협력 통신을 위한 제어 장치에 대하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 하나의 실시예에 따른 OFDM 기반의 기지국 협력 통신을 위한 제어 장치의 구성도이다.
도 1에 나타낸 것처럼, 복수의 셀룰러 기지국 및 방송 기지국 사이의 협력 통신을 제어하기 위한 제어 장치(100)는 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing)을 기반으로 하며, 제1 제어부(110), 비교부(120) 및 제2 제어부(130)를 포함한다. 여기서, 상기 제어 장치(100)는 방송 기지국 또는 복수의 셀룰러 기지국 내에 구성될 수 있다.
제1 제어부(110)는 복수의 안테나를 가지는 사용자 단말이 제1 셀룰러 기지국의 통신 범위에 속해 있는 경우, 방송 기지국에서 전송하는 제1 신호를 STBC 방식으로 변조하여 사용자 단말로 전송하도록 하는 제어 신호를 제1 셀룰러 기지국에 전달한다.
비교부(120)는 제1 셀룰러 기지국과 제2 셀룰러 기지국의 통신 범위가 중첩되는 영역으로 사용자 단말이 이동한 경우, 사용자 단말로부터 피드백된 사용자 단말과 방송 기지국 간의 채널 상태 값을 임계치와 비교한다.
여기서, 채널 상태 값은, 사용자 단말에 포함된 각각의 안테나와 상기 방송 기지국 사이의 채널 응답 계수를 통하여 결정할 수 있다.
제2 제어부(130)는 채널 상태 값이 임계치 이상이면, 제1 신호와 상이한 제2 신호를 변조하여 사용자 단말에게 전송하도록 하고, 채널 상태 값이 임계치 미만이면, 제1 신호를 변조하여 사용자 단말에게 전송하도록 하는 제어 신호를 상기 제2 셀룰러 기지국에 전달한다.
또한, 제2 제어부(130)는, 채널 상태 값이 임계치 이상이면 제2 신호를 V-BLAST 방식으로 변조하여 사용자 단말에게 전달하도록 제어하고, 채널 상태 값이 임계치 미만이면 제1 신호를 CDD(Cyclic Delay Diversity) 방식으로 변조하여 사용자 단말에게 전달하도록 제어할 수 있다.
본 발명에서 제시된 셀룰러 기지국과 방송 기지국 간의 연동 네트워크 시스템(Interworking Network System)에서 방송 기지국은 송신이 가능한 하나 이상의 안테나를 포함하고, 복수의 셀룰러 기지국 각각은 송수신이 가능한 하나 이상의 안테나를 포함하고, 사용자 단말은 송수신이 가능한 두 개 이상의 안테나를 포함한다.
이하 본 발명의 실시예에 따른 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기반의 기지국 협력 통신을 위한 제어방법에 대하여 설명한다.
도 2는 본 발명의 하나의 실시예에 따른 OFDM 기반의 기지국 협력 통신을 위한 제어방법의 순서도이다.
먼저, 제1 제어부(110)는 복수의 안테나를 가지는 사용자 단말이 제1 셀룰러 기지국의 통신 범위에 속하는 경우, 상기 방송 기지국에서 전송되는 제1 신호를 STBC 방식으로 변조하여 상기 사용자 단말로 전송하도록 하는 제어 신호를 상기 제1 셀룰러 기지국에 전달한다(S210).
비교부(120)는 제1 셀룰러 기지국과 제2 셀룰러 기지국의 통신 범위가 중첩되는 영역으로 사용자 단말이 이동한 경우, 사용자 단말로부터 피드백된 사용자 단말과 방송 기지국 간의 채널 상태 값을 임계치와 비교한다(S220).
여기서, 상기 채널 상태 값은 사용자 단말에 포함된 각각의 안테나(예를 들어 2개의 안테나)와 방송 기지국 사이의 채널 응답 계수(H1 ,1, H1 ,2)를 통하여 결정할 수 있다. 예를 들어, H1 ,1 와 H1 ,2의 크기의 합 또는 크기의 평균을 이용하여 채널 상태 값을 연산할 수 있다.
사용자 단말과 방송 기지국 간의 채널 상태 값을 임계치를 비교한 결과(S230), 제2 제어부(130)는 채널 상태 값이 상기 임계치 이상이면, 제1 신호와 상이한 제2 신호를 V-BLAST 방식으로 변조하여 사용자 단말에게 전송하도록 한다(S241).
그리고, 제2 제어부(130)는 채널 상태 값이 상기 임계치 미만이면, 제1 신호를 CDD 방식으로 변조하여 사용자 단말에게 전송하도록 하는 제어 신호를 상기 제2 셀룰러 기지국에 전달한다(S242).
도 3은 도 2에서 채널 상태 값이 기준치 이상인 경우의 협력 통신을 설명하기 위한 도면이다.
도 3에서, 사용자 단말(40)은 복수의 안테나를 가지며 제1 셀룰러 기지국(20)의 통신 범위에만 속해 있었던 것으로 가정한다. 여기서 제1 제어부(110)는 방송 기지국(10)과 제1 셀룰러 기지국(20) 사이의 협력 통신에서 제1 신호를 STBC 방식으로 변조하여 사용자 단말(40)로 전송하도록 하는 제어 신호를 제1 셀룰러 기지국(20)에 전달한다.
도 3에는 본 발명에서 제시된 연동 네트워크 시스템(Interworking Network System)에서 채널 상태 값이 임계치 이상인 경우, 각 기지국의 송신 신호 구성이 도시되어 있다. 채널 상태 값에 대해서는 수학식을 이용하여 하기 설명하기로 한다.
도 3에서, 사용자 단말(40)의 이동으로 인해 커버리지가 제1 셀룰러 기지국(20)에서 제2 셀룰러 기지국(30)으로 핸드 오버(Hand Over)된다고 가정하면, 제2 제어부(130)는 방송 기지국(10)과 제2 셀룰러 기지국(30) 사이의 협력 통신에서 제 2 신호를 V-BLAST 방식으로 변조하여 사용자 단말에 전달하도록 하는 제어 신호를 제2 셀룰러 기지국(30)에 전송한다.
종합하면, 제1 제어부(110)의 제어 신호에 따라 방송 기지국(10)과 제1 셀룰러 기지국(20)은 STBC(Space-time Block Coding) 변조 방식으로 제1 신호를 구성한다.
다음으로 비교부(120)가 제1 셀룰러 기지국과 제2 셀룰러 기지국의 통신 범위가 중첩되는 영역으로 사용자 단말(40)이 이동하는 경우, 사용자 단말(40)로부터 피드백된 사용자 단말(40)과 방송기지국(10) 간의 채널 상태 값을 임계치와 비교한다.
다음으로, 상기 채널 상태 값이 상기 임계치 이상인 경우, 제2 제어부(130)의 제어 신호에 따라 방송 기지국(10)과 제2 셀룰러 기지국(30)은 V-BLAST(Vertical Bell Labs Layered Space Time) 변조 방식으로 제2 신호를 구성한다. 방송 기지국(10)의 송신 신호에 대해 제2 셀룰러 기지국(30)이 다이버시티 이득(Diversity Gain)을 주어 송신 신호의 신뢰성을 높일 수 있다. 이 신호들은 각 경로마다 각각의 채널의 영향과 잡음의 영향을 받아서 사용자 단말(40)에 수신된다. 이렇게 수신된 제1신호 및 제2 신호는 다음의 수학식 1과 같다.
Figure 112013113067523-pat00004
여기서,
Figure 112013113067523-pat00005
는 i 번째 시간에 상기 사용자 단말의 j 번째 안테나에 수신된 신호를 나타내고,
Figure 112013113067523-pat00006
는 i 번째 시간에 전송되는 상기 제1 신호, yi 는 i 번째 시간에 전송되는 상기 제2 신호,
Figure 112013113067523-pat00007
는 i 번째 기지국(i=1 이면 상기 방송 기지국, i=2 이면 상기 제1 셀룰러 기지국, i=3 이면 상기 제2 셀룰러 기지국을 나타냄)과 사용자 단말의 j 번째 안테나 사이의 채널을 나타내고, 그리고
Figure 112013113067523-pat00008
는 i 번째 시간에 상기 사용자 단말의 j 번째 안테나로 전달되는 신호에 포함된 노이즈(AWGN: Additive White Gaussian Noise)를 나타내며, ()* 는 콘쥬게이션(conjugation)을 각각 나타낸다.
수학식 1에서 수신된 신호
Figure 112013113067523-pat00009
중에 2번째 시간에 수신된 신호들에 콘주게이션(Conjugation)이 되어 있는 것을 볼 수 있는데, 이는 기지국에서 공간 직교성을 갖는 부호를 사용하여 데이터를 전송하기 위함이다. 복수의 안테나를 가지는 사용자 단말(40)이 수신하는 신호는 다음의 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013113067523-pat00010
수학식 2를 통해 행렬 내 다이버시티 이득(Diversity Gain) 부분과 다중화(Multiplexing) 이득 부분으로 나누어 볼 수 있다.
Figure 112013113067523-pat00011
로 이루어진 채널 행렬을 H로 정의 할 때, 행렬 H의 1번째 열과 2번째 열은 다이버시티 이득(Diversity Gain)을 얻을 수 있는 STBC(Space-time Block Coding) 방식으로 수신되는 제1 신호의 채널을 나타내며, 행렬 H의 3번째 열과 4번째 열은 다중화(Multiplexing) 이득을 얻을 수 있는 V-BLAST(Vertical Bell Labs Layered Space Time) 방식으로 수신되는 제2 신호의 채널을 나타낸다.
여기서, 채널 상태 값은 사용자 단말(40)에 포함된 각각의 안테나와 방송 기지국(10) 사이의 채널 응답 계수인 H1 ,1 및 H1 , 2 를 통하여 결정된다.
수신된 신호를 검출하는 기법은 우선 행렬 H의 1번째 열과 2번째 열을 선형 검출 기법인 MMSE(Minimum Mean Square Error) 방법으로 STBC(Space-time Block Coding) 신호인 제1 신호인 x1 과 x2 를 검출하여 이후 제1 신호와 상이한 제2 신호인 y1 과 y2 검출에 대한 신뢰성을 더 높인다. 사용자 단말은 수신된 신호에서 x1 과 x2 를 검출한 이후 MMSE 방법으로 y1 과 y2 를 검출한다.
MMSE 방법은 Zero-forcing 기법을 기반으로 하여 수신신호에 잡음의 통계적 특성을 고려하여 신호를 검출하는 기법이다. Zero-forcing 기법은 ISI(Intersymbol Interference)를 제거하는 기법으로 추출하려고 하는 신호를 제외한 다른 신호 성분들을 제거할 수 있다.
MMSE 검출 방법의 목적은 수신된 신호와 전송 가능한 신호와의 MSE(Mean Square Error) 를 최소화 하는 것이다. 즉, 기지국에서 송신한 신호와 사용자 단말이 수신한 신호의 차이를 최소화 할 수 있는 행렬을 구하는 것이다. 이를 식으로 나타내면 다음과 같다.
Figure 112013113067523-pat00012
여기서, σ2 는 잡음의 분산, I는 송신안테나만큼의 크기를 가지는 단위행렬, ()H 는 에르미트 연산(Hermitian Operation)을 각각 나타낸다.
행렬 Gmmse 는 4×4 정방행렬로 구성된다. STBC(Space-Time Block Coding) 신호인 x1과 x2 를 검출하기 위하여 Gmmse 행렬의 1번째와 2번째 행을 수신 신호 행렬 Z에 곱한다. 수신 신호 행렬 Z에서 검출된 성분인
Figure 112013113067523-pat00013
는 수신 신호에서 제2 신호인 y1 과 y2 를 검출하기 위하여 사용되고, 이 검출식은 수신신호 에서 채널 행렬 의 1번째와 2번째 열과 검출 신호
Figure 112013113067523-pat00014
의 곱을 뺀 것으로 표현되며 다음 수학식 4와 같다.
Figure 112013113067523-pat00015
이렇게 만들어진 행렬 Gmmse 을 수신된 신호와 곱하고 변조된 차수에 따른 기준에 따라 0과 1로 경판정 (Hard Decision)을 해줌으로써 원래의 송신 신호로 복조가 가능해진다.
다음으로, 제2 제어부는(130) 상기 채널 상태 값이 상기 임계치 미만이면 제1 신호를 CDD(Cyclic Delay Diversity) 방식으로 변조하여 사용자 단말(40)에게 전달하도록 제2 셀룰러 기지국(30)을 제어한다.
도 4는 도 2에서 채널 상태 값이 기준치 미만인 경우의 협력 통신을 설명하기 위한 도면이다.
도 4에서, 사용자 단말(40)은 복수의 안테나를 가지며 제1 셀룰러 기지국(20)의 통신 범위에 속해 있다. 여기서 제1 제어부(110)는 방송 기지국(10)과 제1 셀룰러 기지국(20) 사이의 협력 통신에서 제1 신호를 STBC(Space-Time Block Coding) 방식으로 변조하여 사용자 단말(40)로 전송하도록 제어 신호를 제1 셀룰러 기지국(20)에 전달한다.
도 4에서, 본 발명에서 제시된 연동 네트워크 시스템(Interworking Network System)에서 채널 상태 값이 임계치 미만인 경우, 각 기지국의 송신 신호 구성이 도시되어 있다.
도 4에서, 사용자 단말(40)의 이동으로 인해 커버리지가 제1 셀룰러 기지국(20)에서 제2 셀룰러 기지국(30)으로 핸드 오버(Hand Over)된다고 가정하면, 제2 제어부(130)는 방송 기지국(10)과 제2 셀룰러 기지국(30) 사이의 협력 통신에서 제2 신호를 CDD(Cyclic Delay Diversity) 방식으로 변조하여 사용자 단말(40)에 전달하도록 하는 제어 신호를 제2 셀룰러 기지국(30)에 전송한다.
종합하면, 제1 제어부(110)의 제어 신호에 따라 방송 기지국(10)과 제1 셀룰러 기지국(20)은 STBC(Space-time Block Coding) 변조 방식으로 제1 신호를 구성한다.
다음으로, 비교부(120)가 제1 셀룰러 기지국과 제2 셀룰러 기지국의 통신 범위가 중첩되는 영역으로 사용자 단말(40)이 이동하는 경우, 사용자 단말(400로부터 피드백된 사용자 단말(40)과 방송기지국(10) 간의 채널 상태 값을 임계치와 비교한다.
다음으로, 상기 채널 상태 값이 상기 임계치 미만인인 경우 제2 제어부(130)의 제어 신호에 따라 방송 기지국(10)과 제2 셀룰러 기지국(30)은 CDD(Cyclic Delay Diversity) 변조 방식으로 제2 신호를 구성한다. 방송 기지국의 송신 신호에 대해 제2 셀룰러 기지국이 다이버시티 이득(Diversity Gain)을 주어 송신 신호의 신뢰성을 높일 수 있다. 상기 제1 신호 및 제2 신호들은 각 경로마다 각각의 채널의 영향과 잡음의 영향을 받아서 사용자 단말(40)로 수신된다.
복수의 안테나를 가지는 사용자 단말(40)이 수신하는 신호는 다음의 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112013113067523-pat00016
이 때,
Figure 112013113067523-pat00017
은 제1 신호인
Figure 112013113067523-pat00018
에 대한 CDD(Cyclic Delay Diversity) 변조된 신호이며, 상기 수학식 5의 나머지 표현 방식은 상기 수학식 1과 동일하다. CDD(Cyclic Delay Diversity) 신호
Figure 112013113067523-pat00019
은 제1 신호 신호
Figure 112013113067523-pat00020
에 대한 다이버시티 이득(Diversity Gain)을 주어 방송 기지국으로부터 송신되는
Figure 112013113067523-pat00021
신호의 신뢰성을 높인다. 수학식 1과 마찬가지로 수학식 5의 2번째 시간에 수신된 신호들은 기지국에서 공간 직교성을 갖는 부호를 사용하여 입력 데이터를 전송하기 위함이다. 사용자 단말(40)이 수신한 신호를 행렬식으로 나타내면 다음의 수학식 6과 같다.
Figure 112013113067523-pat00022
상기 수학식 6을 통해 채널 행렬 H의 CDD(Cyclic Delay Diversity) 신호를 이용하여 다이버시티 이득(Diversity Gain)을 얻는 것을 알 수 있다. 제2 셀룰러 기지국(30)에서 전송한 CDD(Cyclic Delay Diversity) 신호는 방송 기지국(10)에서 전송하는 신호의 위상을 θ만큼 순환지연시킨 신호이다.
위상이 θ만큼 순환지연된 신호의 표현은
Figure 112013113067523-pat00023
로 표현되며 지수 부분의 +/- 기호는 콘주게이션(Conjugation)의 여부에 따라 바뀌게 된다. 수학식 5의 채널 행렬과 같이 CDD(Cyclic Delay Diversity) 방법으로 전송된 신호는 채널
Figure 112013113067523-pat00024
와
Figure 112013113067523-pat00025
의 선형 조합으로 표현할 수 있다. 제1 신호 x1과 x2의 검출 방법은 MMSE를 사용하여 행렬 Gmmse를 수신 신호 행렬 Z에 곱하여 검출한다.
여기서, 채널 상태 값은 사용자 단말(40)에 포함된 각각의 안테나와 방송 기지국(10) 사이의 채널 응답 계수인 H1 ,1 및 H1 , 2 를 통하여 결정된다.
사용자 단말은 MMSE를 사용하여 제1 신호 x1과 x2의 검출하며, 중복되는 설명은 생략한다.
위에서 설명한 두 가지 전송 방법은 STBC(Space-time Block Coding)와 CDD(Cyclic Delay Diversity)를 채널 상태에 따라 각각 이용하여 기존의 데이터 전송속도(Data Rate)를 감소시키지 않고 신호의 신뢰성을 높일 수 있는 방법이다. 결과적으로 채널 상태 값이 임계치 이상인 경우(좋은 경우)와 미만인 경우(나쁜 경우) 모두 다이버시티 이득(Diversity Gain)을 통해 신호의 신뢰성을 높여 수신되는 데이터 처리량(Data Throughput)을 높일 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 제1 실시예의 비트 에러율(BER) 성능을 기존의 기술과 비교한 그래프이다.
도 5에서, 본 발명에 따른 제1 실시예의 방법(Proposed scheme)에 의하는 경우, 기존의 기술에 의한 방법(Conventional broadcast) 보다는 열등하지만, V-BLAST 방법(V-BLAST scheme)보다는 비트 에러율(BER)성능이 향상된 것을 알 수 있다. 여기서, 16QAM 변조된 신호에 128개의 부반송파를 갖는 OFDM 기법을 사용하였다.
도6은 본 발명에 따른 제1 실시예의 방법(Proposed scheme)의 처리량(Throughput)을 기존의 기술과 비교한 그래프이다.
도 6에서, 본 발명에 따른 제1 실시예의 방법(Proposed scheme)에 의하는 경우 단일 기지국을 사용하는 기존의 기술에 의한 방법(Conventional broadcast) 과 V-BLAST 방법(V-BLAST scheme)보다 처리량(Throughput) 성능이 향상된 것을 알 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 제2 실시예의 비트 에러율(BER) 성능을 기존의 기술과 비교한 그래프이다. 여기서 16QAM 변조된 신호에 128개의 부반송파를 갖는 OFDM 기법을 사용하였다.
도 7에서, 본 발명에 따른 제2 실시예의 방법(Proposed scheme)에 의하는 경우 기존의 기술에 의한 방법(Conventional broadcast)과 STBC 기법(STBC 기법)보다 비트 에러율(BER)성능이 향상된 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명에 따른 제2 실시예의 처리량(Throughput)을 기존의 기술과 비교한 그래프이다.
도 8에서, 본 발명에 따른 제2 실시예의 방법(Proposed scheme)에 의하는 경우 단일 기지국을 사용하는 기존의 기술에 의한 방법(Conventional broadcast)과 STBC 기법(STBC scheme)보다 처리량(Throughput) 성능이 향상된 것을 알 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따른 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 기반의 기지국 협력 통신을 위한 제어 장치 및 그 방법에 따르면, 복수의 셀룰러 기지국 및 방송 기지국 사이의 협력 통신을 이용하여 다이버시티 이득(Diversity Gain)으로 인한 신뢰성이 높은 통신이 가능하다. 또한, 이 신뢰성을 기반으로 전송률을 향상시킬 수 있다.
이제까지 본 발명에 대하여 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 따라서 본 발명의 범위는 전술한 실시예에 한정되지 않고 특허청구범위에 기재된 내용 및 그와 동등한 범위 내에 있는 다양한 실시 형태가 포함되도록 해석되어야 할 것이다.
100: OFDM 기반의 협력 통신 제어 자치,
110: 제1 제어부, 120: 비교부,
130: 제2 제어부

Claims (12)

  1. 복수의 셀룰러 기지국 및 방송 기지국 사이의 협력 통신을 제어하기 위한 제어 장치에 있어서,
    복수의 안테나를 가지는 사용자 단말이 제1 셀룰러 기지국의 통신 범위에 속해 있는 경우, 상기 방송 기지국에서 전송하는 제1 신호를 STBC 방식으로 변조하여 상기 사용자 단말로 전송하도록 하는 제어 신호를 상기 제1 셀룰러 기지국에 전달하는 제1 제어부;
    상기 제1 셀룰러 기지국과 제2 셀룰러 기지국의 통신 범위가 중첩되는 영역으로 상기 사용자 단말이 이동한 경우, 상기 사용자 단말로부터 피드백된 상기 사용자 단말과 상기 방송 기지국 간의 채널 상태 값을 임계치와 비교하는 비교부; 및
    상기 채널 상태 값이 상기 임계치 이상이면, 상기 제1 신호와 상이한 제2 신호를 변조하여 상기 사용자 단말에게 전송하도록 하고, 상기 채널 상태 값이 상기 임계치 미만이면, 상기 제1 신호를 변조하여 상기 사용자 단말에게 전송하도록 하는 제어 신호를 상기 제2 셀룰러 기지국에 전달하는 제2 제어부를 포함하는 OFDM 기반의 협력 통신 제어 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 채널 상태 값은,
    상기 사용자 단말에 포함된 각각의 안테나와 상기 방송 기지국 사이의 채널 응답 계수를 통하여 결정되는 OFDM 기반의 협력 통신 제어 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 제2 제어부는,
    상기 채널 상태 값이 상기 임계치 이상이면 상기 제2 신호를 V-BLAST 방식으로 변조하여 상기 사용자 단말에게 전달하도록 제어하고,
    상기 채널 상태 값이 상기 임계치 미만이면 상기 제1 신호를 CDD(Cyclic Delay Diversity) 방식으로 변조하여 상기 사용자 단말에게 전달하도록 제어하는 OFDM 기반의 협력 통신 제어 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 채널 상태 값이 상기 임계치 이상이면 상기 사용자 단말은 다음의 행렬식 형태로 신호를 수신하는 OFDM 기반의 협력 통신 제어 장치:
    Figure 112013113067523-pat00026

    여기서 Zi ,j 는 i 번째 시간에 상기 사용자 단말의 j 번째 안테나에 수신된 신호를 나타내고,
    Figure 112013113067523-pat00027
    는 i 번째 시간에 전송되는 상기 제1 신호, yi는 i 번째 시간에 전송되는 상기 제2 신호, hi ,j 는 i 번째 기지국(i=1이면 상기 방송 기지국, i=2이면 상기 제1 셀룰러 기지국, i=3이면 상기 제2 셀룰러 기지국을 나타냄)과 사용자 단말의 j 번째 안테나 사이의 채널을 나타내고, 그리고 ni ,j 는 i 번째 시간에 상기 사용자 단말의 j 번째 안테나로 전달되는 신호에 포함된 노이즈를 나타내며, ()* 는 콘쥬게이션(conjugation)을 각각 나타낸다.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 채널 상태 값이 상기 임계치 미만이면 상기 사용자 단말은 다음의 행렬식 형태로 신호를 수신하는 OFDM 기반의 협력 통신 제어 장치:

    Figure 112013113067523-pat00028

    여기서, ej θ는 위상이 θ만큼 순환지연된 것을 나타내는 값이다.
  6. 제 4항 또는 제 5항에 있어서,
    상기 사용자 단말은,
    상기 수신된 신호로부터 MMSE 검출 방법을 통하여 상기 제1 신호를 검출하고, 상기 검출된 제1 신호를 이용하여 상기 제2 신호를 검출하는 OFDM 기반의 협력 통신 제어장치.
  7. 복수의 셀룰러 기지국 및 방송 기지국 사이의 협력 통신을 제어하기 위한 제어 방법에 있어서,
    복수의 안테나를 가지는 사용자 단말이 제1 셀룰러 기지국의 통신 범위에 속해 있는 경우, 상기 방송 기지국에서 전송하는 제1 신호를 STBC 방식으로 변조하여 상기 사용자 단말로 전송하도록 하는 제어 신호를 상기 제1 셀룰러 기지국에 전달하는 단계;
    상기 제1 셀룰러 기지국과 제2 셀룰러 기지국의 통신 범위가 중첩되는 영역으로 상기 사용자 단말이 이동한 경우, 상기 사용자 단말로부터 피드백된 상기 사용자 단말과 상기 방송 기지국 간의 채널 상태 값을 임계치와 비교하는 단계; 및
    상기 채널 상태 값이 상기 임계치 이상이면, 상기 제1 신호와 상이한 제2 신호를 변조하여 상기 사용자 단말에게 전송하도록 하고, 상기 채널 상태 값이 상기 임계치 미만이면, 상기 제1 신호를 변조하여 상기 사용자 단말에게 전송하도록 하는 제어 신호를 상기 제2 셀룰러 기지국에 전달하는 단계를 포함하는 OFDM 기반의 협력 통신 제어 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 채널 상태 값은
    상기 사용자 단말에 포함된 각각의 안테나와 상기 방송 기지국 사이의 채널 응답 계수를 통하여 결정되는 OFDM 기반의 협력 통신 제어 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    제어 신호를 상기 제2 셀룰러 기지국에 전달하는 단계는,
    상기 채널 상태 값이 상기 임계치 이상이면 상기 제2 신호를 V-BLAST 방식으로 변조하여 상기 사용자 단말에게 전달하도록 제어하고,
    상기 채널 상태 값이 상기 임계치 미만이면 상기 제1 신호를 CDD(Cyclic Delay Diversity) 방식으로 변조하여 상기 사용자 단말에게 전달하도록 제어하는 OFDM 기반의 협력 통신 제어 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 채널 상태 값이 상기 임계치 이상이면 상기 사용자 단말은 다음의 행렬식 형태로 신호를 수신하는 OFDM 기반의 협력 통신 제어 방법:
    Figure 112013113067523-pat00029

    여기서 Zi ,j 는 i 번째 시간에 상기 사용자 단말의 j 번째 안테나에 수신된 신호를 나타내고,
    Figure 112013113067523-pat00030
    는 i 번째 시간에 전송되는 상기 제1 신호, yi는 i 번째 시간에 전송되는 상기 제2 신호, hi ,j 는 i 번째 기지국(i=1이면 상기 방송 기지국, i=2이면 상기 제1 셀룰러 기지국, i=3이면 상기 제2 셀룰러 기지국을 나타냄)과 사용자 단말의 j 번째 안테나 사이의 채널을 나타내고, 그리고 ni ,j 는 i 번째 시간에 상기 사용자 단말의 j 번째 안테나로 전달되는 신호에 포함된 노이즈를 나타내며, ()* 는 콘쥬게이션(conjugation)을 각각 나타낸다.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 채널 상태 값이 상기 임계치 미만이면 상기 사용자 단말은 다음의 행렬식 형태로 신호를 수신하는 OFDM 기반의 협력 통신 제어 방법:
    Figure 112013113067523-pat00031

    여기서, ej θ는 위상이 θ만큼 순환지연된 것을 나타내는 값이다.
  12. 제 10항 또는 제 11항에 있어서,
    상기 사용자 단말은,
    상기 수신된 신호로부터 MMSE 검출 방법을 통하여 상기 제1 신호를 검출하고, 상기 검출된 제1 신호를 이용하여 상기 제2 신호를 검출하는 OFDM 기반의 협력 통신 제어방법.
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