KR101557454B1 - 셀룰러 시스템에서 d2d 통신을 위한 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법 및 그 장치 - Google Patents

셀룰러 시스템에서 d2d 통신을 위한 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법 및 그 장치 Download PDF

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KR101557454B1 KR1020140125830A KR20140125830A KR101557454B1 KR 101557454 B1 KR101557454 B1 KR 101557454B1 KR 1020140125830 A KR1020140125830 A KR 1020140125830A KR 20140125830 A KR20140125830 A KR 20140125830A KR 101557454 B1 KR101557454 B1 KR 101557454B1
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숭실대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 셀룰러 시스템에서 D2D 통신을 위한 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법 및 그 장치에 관한 것이다. 본 발명에 따르면, 기지국과, 상기 기지국이 관할하는 셀 내에 존재하는 복수의 셀룰러 단말 및 복수의 D2D 단말을 포함하는 셀룰러 시스템 내에서 상기 기지국을 이용한 자원 할당 방법에 있어서, 서로 페어를 형성한 D2D 송신 단말 및 D2D 수신 단말 간의 D2D 링크 정보를 수신하는 단계와, 기 저장된 상기 셀룰러 단말, 상기 D2D 송신 단말 및 D2D 수신 단말의 위치 정보, 상기 셀룰러 단말의 전송 전력, 상기 D2D 수신 단말의 전송 전력을 이용하여, 상기 셀룰러 단말 및 상기 D2D 수신 단말의 신호 반경을 각각 연산하는 단계와, 상기 복수의 셀룰러 단말 각각에 대하여, 상기 D2D 수신 단말 및 상기 셀룰러 단말의 신호 반경 간의 교차 영역의 면적을 연산하는 단계, 및 상기 복수의 셀룰러 단말 중 최소의 교차 면적을 나타내는 셀룰러 단말의 주파수 자원을 상기 D2D 송신 단말 및 상기 D2D 수신 단말에 할당하는 단계를 포함하는 셀룰러 시스템에서 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법을 제공한다.
상기 자원 할당 방법 및 그 장치에 따르면, 셀룰러 단말과 D2D 단말의 전송 전력과 위치 정보를 이용하여 셀룰러 단말의 간섭을 인지하고 이를 바탕으로 D2D 단말에 효율적인 자원 할당을 수행할 수 있는 이점이 있다.

Description

셀룰러 시스템에서 D2D 통신을 위한 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법 및 그 장치{Method of resource allocation based on interference awareness for device-to-device communication in cellular system and apparatus thereof}
본 발명은 셀룰러 시스템에서 D2D 통신을 위한 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법 및 그 장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 셀룰러 네트워크 기반에서 CUE(Cellular User Equipment)의 간섭을 인지하고 DUE(D2D User Equipment)에 자원을 할당하는 셀룰러 시스템에서 D2D 통신을 위한 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법 및 그 장치에 관한 것이다.
최근 셀룰러 시스템에서 단말 간 직접통신(Device-to-Device 통신: D2D 통신)에 대한 연구 개발 및 표준화가 진행 중에 있다. D2D 통신은 서로 근접한 단말들이 기지국 또는 AP(Access Point)와 같은 기존 인프라를 거치지 않고, 직접적으로 정보를 주고받는 기술로서, 근접성 기반의 신규 서비스를 가능하게 하고, 동시에 셀룰러 시스템의 주파수 효율을 향상시킬 수 있는 방법이다. 주파수 효율 향상을 위해 D2D 링크는 셀룰러 링크와 기존의 셀룰러 주파수 자원을 공유할 필요가 있다. 여기서 D2D 링크와 셀룰러 링크 간에 상호 간섭이 발생할 수 있고 이를 적절히 제어할 수 있는 자원할당 기술이 필요하다.
셀룰러 네트워크에서 D2D 통신을 위한 자원할당 방법은 근본적으로 DUE(D2D UE)가 채널 정보를 기지국에게 전달하여 자원을 할당하고 스케줄링을 수행하는 방법들이 제시되었다. 하지만 이와 같은 자원할당 방법은 CUE(Cellular UE)와 DUE(D2D UE) 사이의 간섭 채널 정보까지 이상적으로 완벽히 알고 있다고 고려하고 있어 현실적으로 구현에 어려움이 있으며, 채널 정보 전송에 따른 지연을 고려해야 하는 문제점이 있다. 더욱이, 기존에는 CUE와 DUE 사이에 자원을 한 개씩 공유하는 방식이 대부분 제시되었다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 한국공개특허 제2008-0028347호(2008.03.31 공개)에 개시되어 있다.
본 발명은, 셀룰러 네트워크 기반에서 D2D 단말에 효율적인 자원 할당을 수행할 수 있는 셀룰러 시스템에서 D2D 통신을 위한 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법 및 그 장치를 제공하는데 목적이 있다.
본 발명은, 기지국과, 상기 기지국이 관할하는 셀 내에 존재하는 복수의 셀룰러 단말 및 복수의 D2D 단말을 포함하는 셀룰러 시스템 내에서 상기 기지국을 이용한 자원 할당 방법에 있어서, 서로 페어를 형성한 D2D 송신 단말 및 D2D 수신 단말 간의 D2D 링크 정보를 수신하는 단계와, 기 저장된 상기 셀룰러 단말, 상기 D2D 송신 단말 및 D2D 수신 단말의 위치 정보, 상기 셀룰러 단말의 전송 전력, 상기 D2D 수신 단말의 전송 전력을 이용하여, 상기 셀룰러 단말 및 상기 D2D 수신 단말의 신호 반경을 각각 연산하는 단계와, 상기 복수의 셀룰러 단말 각각에 대하여, 상기 D2D 수신 단말 및 상기 셀룰러 단말의 신호 반경 간의 교차 영역의 면적을 연산하는 단계, 및 상기 복수의 셀룰러 단말 중 최소의 교차 면적을 나타내는 셀룰러 단말의 주파수 자원을 상기 D2D 송신 단말 및 상기 D2D 수신 단말에 할당하는 단계를 포함하는 셀룰러 시스템에서 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법을 제공한다.
또한, 상기 기지국이 관할하는 셀 내에는 M개의 셀룰러 단말 및 N개의 D2D 단말 페어가 존재하고, 상기 신호 반경을 연산하는 단계에서, m번째 셀룰러 단말 및 n번째 D2D 수신 단말의 신호 반경은 각각 전송 전력에 대한 경로 손실을 이용하여 아래의 수학식으로 연산할 수 있다.
Figure 112014089612263-pat00001
여기서,
Figure 112014089612263-pat00002
은 상기 m번째 셀룰러 단말의 전송 전력,
Figure 112014089612263-pat00003
은 상기 m번째 셀룰러 단말과 상기 n번째 D2D 수신 단말 간의 거리, α는 경로 손실 지수,
Figure 112014089612263-pat00004
은 상기
Figure 112014089612263-pat00005
에 대한 상기 n번째 D2D 수신 단말의 수신 전력,
Figure 112014089612263-pat00006
은 상기 m번째 셀룰러 단말의 신호 반경이고,
Figure 112014089612263-pat00007
은 상기 n번째 D2D 수신 단말의 전송 전력,
Figure 112014089612263-pat00008
은 상기 n번째 D2D 수신 단말과 D2D 송신 단말 사이의 거리,
Figure 112014089612263-pat00009
는
Figure 112014089612263-pat00010
에 대한 상기 n번째 D2D 송신 단말의 수신 전력,
Figure 112014089612263-pat00011
은 상기 n번째 D2D 수신 단말의 신호 반경을 나타낸다.
또한, 상기 교차 영역은, 상기 셀룰러 단말의 신호 반경 R1에 대응하는 제1 원의 영역과, 상기 D2D 수신 단말의 신호 반경 R2에 대응하는 제2 원의 영역이 상호 겹치는 영역으로서, 상기 셀룰러 단말과 상기 D2D 수신 단말 사이의 거리 d가 상기 R1과 R2의 합보다 작은 경우에 형성될 수 있다.
또한, 상기 교차 영역의 면적을 연산하는 단계는, d<R1+R2를 충족하면서 d≤|R1-R2|이면, 상기 교차 영역의 면적은 A=πmin(R1,R2)2 식으로 연산할 수 있다.
또한, 상기 교차 영역의 면적을 연산하는 단계는, d<R1+R2를 충족하면서 d2≥R1 2+R2 2이면, 상기 교차 영역의 면적은
Figure 112014089612263-pat00012
식으로 연산하고, d<R1+R2를 충족하면서 d2<R1 2+R2 2이면, 상기 교차 영역의 면적은
Figure 112014089612263-pat00013
식으로 연산할 수 있다.
여기서, L은 상기 제1 및 제2 원 간의 교차에 따라 발생하는 두 교차점 간의 거리이고,
Figure 112014089612263-pat00014
이며, 상기 d2≥R1 2+R2 2인 경우 R=min(R1,R2)이 적용되고, d2<R1 2+R2 2인 경우 R=max(R1,R2)이 적용될 수 있다.
그리고, 기지국과, 상기 기지국이 관할하는 셀 내에 존재하는 복수의 셀룰러 단말 및 복수의 D2D 단말을 포함하는 셀룰러 시스템 내에서 상기 기지국에 포함된 자원 할당 장치에 있어서, 서로 페어를 형성한 D2D 송신 단말 및 D2D 수신 단말 간의 D2D 링크 정보를 수신하는 링크 정보 수신부와, 기 저장된 상기 셀룰러 단말, 상기 D2D 송신 단말 및 D2D 수신 단말의 위치 정보, 상기 셀룰러 단말의 전송 전력, 상기 D2D 수신 단말의 전송 전력을 이용하여, 상기 셀룰러 단말 및 상기 D2D 수신 단말의 신호 반경을 각각 연산하는 신호 반경 연산부와, 상기 복수의 셀룰러 단말 각각에 대하여, 상기 D2D 수신 단말 및 상기 셀룰러 단말의 신호 반경 간의 교차 영역의 면적을 연산하는 교차 면적 연산부, 및 상기 복수의 셀룰러 단말 중 최소의 교차 면적을 나타내는 셀룰러 단말의 주파수 자원을 상기 D2D 송신 단말 및 상기 D2D 수신 단말에 할당하는 자원 할당부를 포함하는 셀룰러 시스템에서 간섭 인지 기반의 자원 할당 장치를 제공한다.
본 발명에 따른 셀룰러 시스템에서 D2D 통신을 위한 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법 및 그 장치에 따르면, 셀룰러 단말과 D2D 단말의 전송 전력과 위치 정보를 이용하여 셀룰러 단말의 간섭을 인지하고 이를 바탕으로 D2D 단말에 효율적인 자원 할당을 수행할 수 있는 이점이 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀룰러 시스템 모델의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자원 할당 장치의 구성도이다.
도 3은 도 2를 이용한 자원 할당 방법의 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에서 CUE와 DUE 사이의 간섭 상황을 예시한 도면이다.
도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에서 간섭의 경우를 세 가지로 구분하여 나타낸 도면이다.
도 8은 도 7의 경우에 대한 두 가지 예를 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 자원 할당 방법과 기존의 방법 간의 SINR CDF의 성능 비교 결과이다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
본 발명은 셀룰러 시스템에서 D2D 통신을 위한 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법 및 그 장치로서, 단말 간 직접통신(D2D 통신;Device-to-Device)을 지원하는 셀룰러 시스템에서 D2D 단말이 셀룰러 단말과 효과적으로 주파수 자원을 공유할 수 있도록 하는 방법을 제시한다.
본 발명의 실시예는 셀룰러 시스템 내에서 셀룰러 단말(CUE; Cellular User Equipment)에 먼저 할당된 주파수 자원을 D2D 단말(DUE; D2D User Equipment)에 공유하되 주파수 공유에 따른 간섭의 영향이 최소화될 수 있는 셀룰러 단말의 자원을 선택하여 D2D 단말에 할당하는 방법을 제공한다. 구체적으로, 본 발명의 실시예는 셀룰러 단말과 D2D 단말에 대한 전송 전력과 위치 정보를 이용하여 상호 간의 간섭을 인지하고 셀 내의 다수의 셀룰러 단말 중에서 간섭이 최소화될 수 있는 셀룰러 단말의 주파수 자원을 선택하여 D2D 단말에 할당한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 셀룰러 시스템 모델의 구성도이다. 본 발명의 실시예에서 고려하는 셀룰러 시스템은 기지국(BS;Base Station)과, 상기 기지국(BS)이 관할하는 셀 내에 존재하는 복수의 셀룰러 단말(CUE;Cellular User Equipment) 및 복수의 D2D 단말 페어(DUET, DUER)를 포함한다.
상기 D2D 단말 페어는 D2D 송신 단말(DUET)과 D2D 수신 단말(DUER)이 서로 페어를 형성한 것으로서, D2D 송신 단말(DUET)은 D2D 수신 단말(DUER)로 직접 데이터를 전송한다. 물론, D2D 송신 단말(DUET)과 D2D 수신 단말(DUER)은 오로지 송신과 수신 기능에 각각 국한되지 않으며 데이터 전송에 대한 응답이나 확인, 사전에 기지국과의 정보 교류 등을 위한 신호 송수신과 같은 통신 기능을 가질 수 있다.
도 1의 경우 설명의 편의상 하나의 셀룰러 단말과 하나의 D2D 단말 페어를 도시하고 있으나, 실질적으로는 기지국(BS)이 관할하는 셀(기지국을 기준으로 하는 원형의 셀 영역) 내에서 복수의 셀룰러 단말 및 복수의 D2D 단말 페어가 존재하는 일반적인 시나리오를 고려한다.
따라서 본 발명의 실시예는 단일 셀 환경에서 상향링크 자원을 M개의 CUE와 N개의 DUE 페어가 공유하는 셀룰러 네트워크 환경을 고려한다. 또한, 셀룰러 상향링크 환경에서 SC-FDMA 자원할당 방식을 사용한다. 그리고 기지국(BS)은 셀 내의 각 단말인 CUE와 DUE의 위치 정보와 전송 전력의 크기를 알고 있다고 가정한다.
각 단말의 전송 전력은 현실적으로 실현 가능성이 높은 기존 상향링크 개루프 전력 제어 방법을 고려한다. 본 발명의 실시예에서 자원 할당을 수행하는 주체는 기지국(BS)으로서 이하에서 설명하는 자원 할당 장치는 기지국에 포함된 것을 의미한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 자원 할당 장치의 구성도이고, 도 3은 도 2를 이용한 자원 할당 방법의 흐름도이다. 도 2 및 도 3을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 자원 할당 장치(100)는 링크 정보 수신부(110), 신호 반경 연산부(120), 교차 면적 연산부(130), 자원 할당부(140)를 포함한다.
셀 내의 다수의 셀룰러 단말(CUE)에는 서로 직교하는 주파수 자원이 할당되어 있다. 기지국은 각 셀룰러 단말에 할당된 자원에 대한 RB(Resource Block) 정보를 시간과 주파수 축으로 구성된 자원 할당 맵에 저장하고 있다.
본 실시예에 따르면 셀 내의 다수의 셀룰러 단말 중에서도 D2D 단말에 대한 간섭의 영향이 최소인 셀룰러 단말의 주파수 자원을 D2D 단말에 할당한다. D2D 단말에 대한 자원 할당 과정은 셀룰러 단말(CUE)이 기지국(BS)과 통신하는 과정 중에 이루어질 수 있다.
먼저, 링크 정보 수신부(110)는 서로 페어를 형성한 D2D 송신 단말(DUET) 및 D2D 수신 단말(DUER) 간의 D2D 링크 정보를 수신한다(S310).
임의의 D2D 송신 단말(DUET)과 D2D 수신 단말(DUER) 사이에 D2D 링크가 형성되면, 기지국(BS)은 이 D2D 송신 단말(DUET) 또는 D2D 수신 단말(DUER)로부터 그 연결 정보를 수신한다. 그러면 기지국(BS)은 이하의 과정들을 통하여 D2D 송신 단말(DUET)과 D2D 수신 단말(DUER)에 대한 자원 할당을 수행한다.
우선, 신호 반경 연산부(120)는 각 단말에 대한 위치 정보 및 전송 전력을 이용하여, 셀룰러 단말(CUE) 및 D2D 수신 단말(DUER)의 신호 반경을 각각 연산한다(S220).
더 상세하게는, 기 알고 있는 셀룰러 단말(CUE), D2D 송신 단말(DUET), D2D 수신 단말(DUER)의 위치 정보와, 셀룰러 단말(CUE)의 전송 전력, 그리고 D2D 수신 단말(DUER)의 전송 전력을 이용하여, 셀룰러 단말(CUE) 및 D2D 수신 단말(DUER)의 신호 반경을 각각 연산한다.
본 실시예에서 단말의 신호 반경은 단말의 전송 전력에 대한 경로 손실(Pass loss)을 이용하여 정의될 수 있다.
즉, S220 단계에서 m번째 셀룰러 단말(CUE)의 신호 반경과, n번째 D2D 수신 단말(DUER)의 신호 반경은 각각 아래의 수학식 1,2와 같이 나타낼 수 있다. 수학식 1,2의 두 식에 사용된 α는 경로 손실 지수를 나타낸다.
Figure 112014089612263-pat00015
Figure 112014089612263-pat00016
우선, 수학식 1에서
Figure 112014089612263-pat00017
은 상기 m번째 셀룰러 단말의 전송 전력,
Figure 112014089612263-pat00018
은 상기 m번째 셀룰러 단말과 상기 n번째 D2D 수신 단말 간의 거리,
Figure 112014089612263-pat00019
은 상기
Figure 112014089612263-pat00020
에 대한 상기 n번째 D2D 수신 단말의 수신 전력,
Figure 112014089612263-pat00021
은 상기 m번째 셀룰러 단말의 신호 반경이다.
또한, 수학식 2에서
Figure 112014089612263-pat00022
은 상기 n번째 D2D 수신 단말의 전송 전력,
Figure 112014089612263-pat00023
은 상기 n번째 D2D 수신 단말과 D2D 송신 단말 사이의 거리,
Figure 112014089612263-pat00024
는
Figure 112014089612263-pat00025
에 대한 상기 n번째 D2D 송신 단말의 수신 전력,
Figure 112014089612263-pat00026
은 상기 n번째 D2D 수신 단말의 신호 반경을 나타낸다.
본 발명의 실시예는 전송 전력에 따른 각 CUE와 DUE의 경로 손실을 이용하여 각 영역의 원을 구성할 수 있다. 도 4는 본 발명의 실시예에서 CUE와 DUE 사이의 간섭 상황을 예시한 도면이다.
셀룰러 단말(CUE)과 D2D 수신 단말(DUER) 사이에는 간섭이 발생하게 되는데, 이는 그 원의 반경을 통하여 확인할 수 있다. 두 단말 사이에 교차하는 영역은 상호 간에 간섭이 발생하는 영역으로 예상해 볼 수 있다. 두 단말의 신호 반경 사이에 교차하는 영역이 커질수록 간섭의 영향이 커진다.
셀룰러 단말(CUE)과 D2D 수신 단말(DUER)이 나타내는 경로 손실에 따라 각 단말에 대한 다음과 같은 원의 방정식을 나타낼 수 있다.
Figure 112014089612263-pat00027
Figure 112014089612263-pat00028
수학식 3, 4의 a와 b 요소는 각각 해당 단말에 대응하는 원의 중점 좌표 혹은 위치 좌표를 나타낸다.
상기 S320 단계 이후에는 두 원에 대한 교차 영역의 면적을 연산한다. 즉, 교차 면적 연산부(130)는 상기 D2D 수신 단말(DUER) 및 상기 셀룰러 단말(CUE)의 신호 반경 간의 교차 영역의 면적을 연산한다(S330).
이때, M개의 셀룰러 단말(CUE) 각각에 대해 상기 D2D 수신 단말(DUER)과의 교차 영역의 면적을 연산한다. 여기서, D2D 수신 단말(DUER)의 주변에 있는 M개의 셀룰러 단말들의 후보군 중에서 D2D 수신 단말(DUER)과의 교차 영역의 크기가 가장 작은 셀룰러 단말의 경우 간섭의 영향이 최소인 단말에 해당될 수 있다.
이후, 자원 할당부(140)는 상기 복수의 셀룰러 단말 중 최소의 교차 면적을 나타내는 셀룰러 단말의 주파수 자원을 상기 D2D 송신 단말 및 상기 D2D 수신 단말에 할당한다(S340).
이와 같이 본 실시예는 교차하는 영역의 넓이를 이용하여 간섭량을 예상하고, 이를 자원 할당에 고려하여 다수의 셀룰러 단말 또는 D2D 단말에게 간섭을 회피하도록 한다.
이하에서는 상기 교차 영역에 대한 구체적인 정의와, 상기 교차 영역의 면적을 연산하는 구체적인 방법에 관하여 설명한다.
우선 도 5 내지 도 7을 바탕으로 교차 영역에 대하여 설명하면 다음과 같다. 도 5 내지 도 7은 본 발명의 실시예에서 간섭의 경우를 세 가지로 구분하여 나타낸 도면이다. 도 5는 간섭의 영역이 내접하는 경우, 도 6은 외접하는 경우, 도 7은 교차하는 경우를 나타낸다.
이하에서는 설명의 편의를 위하여, 수학식 1에 따른
Figure 112014089612263-pat00029
은 'R1'으로, 수학식 2에 따른
Figure 112014089612263-pat00030
은 'R2'로 명명한다. 또한, 셀룰러 단말(CUE)과 D2D 수신 단말(DUER) 간의 거리
Figure 112014089612263-pat00031
는 간단히 'd'로 명명한다. 도 5 내지 도 7에서 셀룰러 단말(CUE)의 신호 반경은 R1, D2D 수신 단말(DUER)의 신호 반경은 R2로 표현되어 있다.
도 5는 상기 R1에 대응하는 제1 원에 대하여 R2에 대응하는 제2 원이 내접하고 있고, 도 6은 제1 원에 대해 제2 원이 외접하고 있으며, 도 7은 제1 원과 제2 원의 영역 간이 교차하고 있다.
이를 수학적으로 표현하면 다음의 수학식 5 및 수학식 6과 같다.
Figure 112014089612263-pat00032
Figure 112014089612263-pat00033
수학식 5는 셀룰러 단말(CUE)과 D2D 수신 단말(DUER) 간의 거리(d)가 R1과 R2의 합보다 크거나 같은 경우이다. 그 중에서 d가 R1+R2과 동일한 경우는 도 6과 같이 외접하는 경우에 해당된다. 즉, 본 실시예에서는 제1 원에 대해 제2 원이 외접하거나(d=R1+R2), 제1 원에 대해 제2 원이 떨어져 존재하는 경우(d>R1+R2)에는 두 단말 간에 간섭이 존재하지 않는 것으로 가정한다.
수학식 6은 셀룰러 단말(CUE)과 D2D 수신 단말(DUER) 사이의 거리(d)가 R1과 R2의 합보다 작은 경우로서, 도 5 및 도 7의 경우가 모두 여기에 포함된다.
본 발명의 실시예에서 실제로 간섭이 예상되는 시나리오는 도 6을 제외한 도 5 및 도 7에 해당된다. 대부분의 셀룰러 시스템에서는 다수의 단말이 한정된 셀 공간 내에 배치되어 있기 때문에 하나의 D2D 단말에 대한 각각의 셀룰러 단말은 도 6의 경우보다는 도 5 및 도 7과 같이 간섭이 있는 형태로 존재하는 경우가 많다.
이상과 같은 내용을 바탕으로 본 발명의 실시예에서 상기 교차 영역의 의미를 정리하면 다음과 같다.
상기 교차 영역은 상기 셀룰러 단말(CUE)의 신호 반경 R1에 대응하는 제1 원의 영역과, 상기 D2D 수신 단말(DUER)의 신호 반경 R2에 대응하는 제2 원의 영역이 상호 겹치는(중복되는) 영역을 의미한다. 또한, 상기 교차 영역은 수학식 6과 같이 셀룰러 단말(CUE)과 D2D 수신 단말(DUER) 사이의 거리 d가 상기 R1과 R2의 합보다 작은 경우(d<R1+R2)에 한하여 형성된다.
다음, 상기 교차 영역에 대한 면적을 연산하는 방법은 다음과 같다.
우선, d<R1+R2를 충족하면서(교차 영역이 존재하면서) d≤|R1-R2|인 경우, 상기 교차 영역의 면적은 수학식 7과 같이 연산할 수 있다.
Figure 112014089612263-pat00034
여기서, d≤|R1-R2|인 경우는 제1 및 제2 원 중에서 어느 한 원의 영역 내부에 다른 원의 영역 전체가 포함되어 있는 경우이다. 이는 예를 들어, 도 5와 같이 제1 원에 대해 제2 원이 내접하는 경우도 해당된다. 이 경우에는 수학식 7과 같이 min() 함수를 적용하여 두 원 중에서 더 작은 반지름을 가지는 어느 한 원의 넓이를 구하면 교차 영역의 면적이 된다.
다음, d<R1+R2를 충족하면서(교차 영역이 존재하면서) |R1-R2|<d<R1+R2인 경우는 도 7과 같이 두 원의 일부 간이 서로 겹쳐진 경우에 해당되며, 이는 다시 외접에 가까운 경우와 내접에 가까운 경우로 구분하여 각기 다른 식으로 면적을 연산한다.
도 8은 도 7의 경우에 대한 두 가지 예를 나타내는 도면이다. 도 8의 (a)는 교차 형상이 외접에 가까운 경우, (b)는 내접에 가까운 경우이다. 이 두 가지의 경우를 수식적으로 정의하면 다음과 같다.
도 8의 (a)의 경우는 d<R1+R2를 충족하면서 d2≥R1 2+R2 2인 경우로 정의할 수 있으며, 이때 교차 영역의 면적은 아래의 수학식 8을 이용하여 연산할 수 있다.
Figure 112014089612263-pat00035
도 8의 (b)의 경우는 d<R1+R2를 충족하면서 d2<R1 2+R2 2인 경우로 정의할 수 있으며, 이때 교차 영역의 면적은 아래의 수학식 9를 이용하여 연산할 수 있다.
Figure 112014089612263-pat00036
수학식 8 및 9에서 L은 상기 제1 및 제2 원 간의 교차에 따라 발생하는 두 교차점 간의 거리로서
Figure 112014089612263-pat00037
이므로
Figure 112014089612263-pat00038
로 정리된다.
여기서, R의 값은 수학식 8과 9에 대해 각각 달리 적용된다. 도 8을 참조하면, d2≥R1 2+R2 2인 수학식 8의 경우 R=min(R1,R2)이 적용되고, d2<R1 2+R2 2인 수학식 9의 경우 R=max(R1,R2)이 적용되는 것을 알 수 있다.
이상과 같이 본 발명의 실시예는 해당되는 경우 별로 각기 다른 방법을 사용하여 교차 영역의 면적을 구할 수 있다.
또한, 구하여진 면적 중에서 가장 작은 면적을 나타낸 셀룰러 단말을 수학식 10의 방법으로 선택하고, 선택된 셀룰러 단말의 주파수 자원을 D2D 수신 단말 및 D2D 송신 단말에 공유하면 된다. 이를 수식적으로 표현하면 다음과 같다.
Figure 112014089612263-pat00039
여기서, An ,m은 m번째 셀룰러 단말과 n번째 D2D 수신 단말 간에 중복되는 영역의 넓이를 나타낸다. m*는 선택된 셀룰러 단말의 인덱스를 나타낸다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에서는 CUE와 DUE의 중복되는 영역의 넓이가 최소화되는 CUE를 검색하고 해당 CUE와 자원을 공유하는 방식을 사용하여 CUE와 DUE 사이에 간섭을 최소화하는 자원할당 방법을 제공한다. 또한, 기존과는 달리 기지국이 채널 정보를 전송받지 않고 DUE와 CUE의 전송 전력과 거리 정보를 이용하여 CUE의 간섭을 인지하고 자원 할당을 수행한다.
이러한 본 발명은 D2D 통신 방식이 협소한 반경에서 이루어지는 점을 고려하여 주파수의 공간 재활용을 최대화하며, 기지국 기반의 중앙 집중적 자원할당 접근을 가지면서도 D2D와 기지국 사이에 오버헤드를 최소한으로 유지한다. 앞서와 같이 D2D 사용자는 셀룰러 사용자의 간섭 채널을 추정하는 등의 접근을 수행할 필요가 없으며 D2D 단말과 셀룰러 단말 간의 간섭을 예측하여 자원 할당을 수행한다.
이하에서는 본 발명의 실시예에 따른 자원 할당 방법의 시뮬레이션 결과를 설명한다. 본 실시예에서는 셀룰러 상향링크 단일 셀에서 DUE와 CUE가 자원을 공유하는 환경을 고려하였다.
다음의 표 1은 시뮬레이션 수행을 위한 시스템 레벨 파라미터를 정리한 것이다.
Parameters Values
Number of used subcarriers
per OFDMA symbol		 600
Number of RBs(Resource Blocks) per sub-frame RB 50
RB size 12 sub-carriers @ frequency domain
12 OFDMA symbols @ time domain
Fading channel model ITU-R M.2135 Pedestrian B model
Path loss model for D2D link 148+40log10 (d [km])
Shadowing standard deviation 12 dB for D2D mode links
Noise figures 9 dB at UE
Minimum distance between nodes Between UE and UE: 25 m
UE drop condition Uniform distribution
Number of drops for simulation 10
Number of sub-frames for simulation 1000
UE Tx Power Open loop power control
본 발명의 실시예의 방법과의 비교를 위하여, 선택적 페이딩 채널 정보를 기지국이 모두 알고 있는 환경 하에서 최대 SINR(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio)에 따라 자원을 할당하는 방법과, 채널 정보 없이 자원을 무작위로 할당하는 방법을 비교 대상으로 하였다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 자원 할당 방법과 기존의 방법 간의 SINR CDF(누적분포함수)의 성능 비교 결과이다.
본 발명의 실시예는 셀룰러 단말과 D2D 단말의 전송 전력과 위치 정보를 이용하여 자원을 할당하였으며, 최대 SINR 방법을 통해서 자원할당을 하는 방법과 비교하면 약 18 dBm 정도 성능 열화가 발생하였고, 무작위로 자원을 할당하는 방법과 비교하면 약 40 dBm 정도 성능 향상이 발생하였다.
이상과 같은 본 발명의 실시예에 따른 방법은, 본래 의도하는 D2D 링크에서 채널 정보뿐만 아니라 DUE와 CUE 사이의 간섭 링크의 채널 정보 없이도 자원을 할당하게 되므로, 제어 정보의 전달 과정이 없기 때문에 전송 지연과 프로세싱 지연이 줄어들게 되며, 그에 따른 성능 이득이 있는 이점이 있다.
또한 LTE-Advanced 차세대 기술로서 D2D 통신에서 CUE와 DUE 사이에 간섭 관리 기술은 필수적으로 요구되는데 기존에 제시된 방법은 현실적으로 많은 어려움이 있었다. 그러나, 본 발명은 전송 전력과 거리 정보를 이용하여 간섭을 예측함에 따라, 자원할당을 효율적으로 수행할 수 있다. 또한, DUE와 CUE의 전송 전력과 거리를 이용하여 간섭을 인지하고 한 개의 자원을 다수의 DUE가 공유할 수도 있다.
따라서, 본 발명에 따른 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법 및 그 장치에 따르면, 셀룰러 단말과 D2D 단말의 전송 전력과 위치 정보를 이용하여 셀룰러 단말의 간섭을 인지하고 이를 바탕으로 D2D 단말에 효율적인 자원 할당을 수행할 수 있을 뿐만 아니라 채널 정보를 고려하지 않기 때문에 전송 지연을 줄이고 성능을 향상시키는 이점이 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.
100: 자원 할당 장치 110: 링크 정보 수신부
120: 신호 반경 연산부 130: 교차 면적 연산부
140: 자원 할당부

Claims (10)

  1. 기지국과, 상기 기지국이 관할하는 셀 내에 존재하는 복수의 셀룰러 단말 및 복수의 D2D 단말을 포함하는 셀룰러 시스템 내에서 상기 기지국을 이용한 자원 할당 방법에 있어서,
    서로 페어를 형성한 D2D 송신 단말 및 D2D 수신 단말 간의 D2D 링크 정보를 상기 D2D 송신 단말 또는 상기 D2D 수신 단말로부터 수신하는 단계;
    기 저장된 상기 셀룰러 단말, 상기 D2D 송신 단말 및 D2D 수신 단말의 위치 정보, 상기 셀룰러 단말의 전송 전력, 상기 D2D 수신 단말의 전송 전력을 이용하여, 상기 셀룰러 단말 및 상기 D2D 수신 단말의 신호 반경을 각각 연산하는 단계;
    상기 복수의 셀룰러 단말 각각에 대하여, 상기 D2D 수신 단말 및 상기 셀룰러 단말의 신호 반경 간의 교차 영역의 면적을 연산하는 단계; 및
    상기 복수의 셀룰러 단말 중 최소의 교차 면적을 나타내는 셀룰러 단말의 주파수 자원을 상기 D2D 송신 단말 및 상기 D2D 수신 단말에 할당하는 단계를 포함하는 셀룰러 시스템에서 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 기지국이 관할하는 셀 내에는 M개의 셀룰러 단말 및 N개의 D2D 단말 페어가 존재하고,
    상기 신호 반경을 연산하는 단계에서,
    m번째 셀룰러 단말 및 n번째 D2D 수신 단말의 신호 반경은 각각 전송 전력에 대한 경로 손실을 이용하여 아래의 수학식으로 연산하는 셀룰러 시스템에서 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법:
    Figure 112014089612263-pat00040

    여기서,
    Figure 112014089612263-pat00041
    은 상기 m번째 셀룰러 단말의 전송 전력,
    Figure 112014089612263-pat00042
    은 상기 m번째 셀룰러 단말과 상기 n번째 D2D 수신 단말 간의 거리, α는 경로 손실 지수,
    Figure 112014089612263-pat00043
    은 상기
    Figure 112014089612263-pat00044
    에 대한 상기 n번째 D2D 수신 단말의 수신 전력,
    Figure 112014089612263-pat00045
    은 상기 m번째 셀룰러 단말의 신호 반경이고,
    Figure 112014089612263-pat00046
    은 상기 n번째 D2D 수신 단말의 전송 전력,
    Figure 112014089612263-pat00047
    은 상기 n번째 D2D 수신 단말과 D2D 송신 단말 사이의 거리,
    Figure 112014089612263-pat00048
    는
    Figure 112014089612263-pat00049
    에 대한 상기 n번째 D2D 송신 단말의 수신 전력,
    Figure 112014089612263-pat00050
    은 상기 n번째 D2D 수신 단말의 신호 반경을 나타낸다.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 교차 영역은,
    상기 셀룰러 단말의 신호 반경 R1에 대응하는 제1 원의 영역과, 상기 D2D 수신 단말의 신호 반경 R2에 대응하는 제2 원의 영역이 상호 겹치는 영역으로서,
    상기 셀룰러 단말과 상기 D2D 수신 단말 사이의 거리 d가 상기 R1과 R2의 합보다 작은 경우에 형성되는 셀룰러 시스템에서 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법.
  4. 청구항 4은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    청구항 3에 있어서,
    상기 교차 영역의 면적을 연산하는 단계는,
    d<R1+R2를 충족하면서 d≤|R1-R2|이면, 상기 교차 영역의 면적은 A=πmin(R1,R2)2 식으로 연산하는 셀룰러 시스템에서 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법.
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    청구항 3에 있어서,
    상기 교차 영역의 면적을 연산하는 단계는,
    d<R1+R2를 충족하면서 d2≥R1 2+R2 2이면, 상기 교차 영역의 면적은 아래의 수학식으로 연산하고,
    Figure 112014089612263-pat00051

    d<R1+R2를 충족하면서 d2<R1 2+R2 2이면, 상기 교차 영역의 면적은 아래의 수학식으로 연산하는 셀룰러 시스템에서 간섭 인지 기반의 자원 할당 방법:
    Figure 112014089612263-pat00052

    여기서, L은 상기 제1 및 제2 원 간의 교차에 따라 발생하는 두 교차점 간의 거리이고,
    Figure 112014089612263-pat00053
    이며, 상기 d2≥R1 2+R2 2인 경우 R=min(R1,R2)이 적용되고, d2<R1 2+R2 2인 경우 R=max(R1,R2)이 적용된다.
  6. 기지국과, 상기 기지국이 관할하는 셀 내에 존재하는 복수의 셀룰러 단말 및 복수의 D2D 단말을 포함하는 셀룰러 시스템 내에서 상기 기지국에 포함된 자원 할당 장치에 있어서,
    서로 페어를 형성한 D2D 송신 단말 및 D2D 수신 단말 간의 D2D 링크 정보를 상기 D2D 송신 단말 또는 상기 D2D 수신 단말로부터 수신하는 링크 정보 수신부;
    기 저장된 상기 셀룰러 단말, 상기 D2D 송신 단말 및 D2D 수신 단말의 위치 정보, 상기 셀룰러 단말의 전송 전력, 상기 D2D 수신 단말의 전송 전력을 이용하여, 상기 셀룰러 단말 및 상기 D2D 수신 단말의 신호 반경을 각각 연산하는 신호 반경 연산부;
    상기 복수의 셀룰러 단말 각각에 대하여, 상기 D2D 수신 단말 및 상기 셀룰러 단말의 신호 반경 간의 교차 영역의 면적을 연산하는 교차 면적 연산부; 및
    상기 복수의 셀룰러 단말 중 최소의 교차 면적을 나타내는 셀룰러 단말의 주파수 자원을 상기 D2D 송신 단말 및 상기 D2D 수신 단말에 할당하는 자원 할당부를 포함하는 셀룰러 시스템에서 간섭 인지 기반의 자원 할당 장치.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 기지국이 관할하는 셀 내에는 M개의 셀룰러 단말 및 N개의 D2D 단말 페어가 존재하고,
    상기 신호 반경 연산부는,
    m번째 셀룰러 단말 및 n번째 D2D 수신 단말의 신호 반경은 각각 전송 전력에 대한 경로 손실을 이용하여 아래의 수학식으로 연산하는 셀룰러 시스템에서 간섭 인지 기반의 자원 할당 장치:
    Figure 112014089612263-pat00054

    여기서,
    Figure 112014089612263-pat00055
    은 상기 m번째 셀룰러 단말의 전송 전력,
    Figure 112014089612263-pat00056
    은 상기 m번째 셀룰러 단말과 상기 n번째 D2D 수신 단말 간의 거리, α는 경로 손실 지수,
    Figure 112014089612263-pat00057
    은 상기
    Figure 112014089612263-pat00058
    에 대한 상기 n번째 D2D 수신 단말의 수신 전력,
    Figure 112014089612263-pat00059
    은 상기 m번째 셀룰러 단말의 신호 반경이고,
    Figure 112014089612263-pat00060
    은 상기 n번째 D2D 수신 단말의 전송 전력,
    Figure 112014089612263-pat00061
    은 상기 n번째 D2D 수신 단말과 D2D 송신 단말 사이의 거리,
    Figure 112014089612263-pat00062
    는
    Figure 112014089612263-pat00063
    에 대한 상기 n번째 D2D 송신 단말의 수신 전력,
    Figure 112014089612263-pat00064
    은 상기 n번째 D2D 수신 단말의 신호 반경을 나타낸다.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 교차 영역은,
    상기 셀룰러 단말의 신호 반경 R1에 대응하는 제1 원의 영역과, 상기 D2D 수신 단말의 신호 반경 R2에 대응하는 제2 원의 영역이 상호 겹치는 영역으로서,
    상기 셀룰러 단말과 상기 D2D 수신 단말 사이의 거리 d가 상기 R1과 R2의 합보다 작은 경우에 형성되는 셀룰러 시스템에서 간섭 인지 기반의 자원 할당 장치.
  9. 청구항 9은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    청구항 8에 있어서,
    상기 교차 면적 연산부는,
    d<R1+R2를 충족하면서 d≤|R1-R2|이면, 상기 교차 영역의 면적은 A=πmin(R1,R2)2 식으로 연산하는 셀룰러 시스템에서 간섭 인지 기반의 자원 할당 장치.
  10. 청구항 10은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    청구항 8에 있어서,
    상기 교차 면적 연산부는,
    d<R1+R2를 충족하면서 d2≥R1 2+R2 2이면, 상기 교차 영역의 면적은 아래의 수학식으로 연산하고,
    Figure 112014089612263-pat00065

    d<R1+R2를 충족하면서 d2<R1 2+R2 2이면, 상기 교차 영역의 면적은 아래의 수학식으로 연산하는 셀룰러 시스템에서 간섭 인지 기반의 자원 할당 장치:
    Figure 112014089612263-pat00066

    여기서, L은 상기 제1 및 제2 원 간의 교차에 따라 발생하는 두 교차점 간의 거리이고,
    Figure 112014089612263-pat00067
    이며, 상기 d2≥R1 2+R2 2인 경우 R=min(R1,R2)이 적용되고, d2<R1 2+R2 2인 경우 R=max(R1,R2)이 적용된다.
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