KR101605325B1 - 인터리브 분할 다중접속 협력 다이버시티를 위한 수신기 및 그 전력할당 알고리즘 - Google Patents

인터리브 분할 다중접속 협력 다이버시티를 위한 수신기 및 그 전력할당 알고리즘 Download PDF

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Abstract

본 발명은 하나 또는 복수의 중계기들을 포함하는 협력 다이버시티 시스템의 수신기를 제공한다. 상기 수신기는 상기 하나 또는 복수의 중계기들로부터 전송되는 각 신호를 검출하는 검출부와; 상기 검출된 각 신호는 송신기로부터의 신호가 상기 하나 또는 복수의 중계기들에 의해 각기 인터리빙된 후 전송된 것이고, 상기 검출된 각 신호를 역 인터리빙하는 역인터리버와; 상기 역인터리빙된 각 신호를 복호화하여 출력하는 디코더와; 상기 복호된 신호를 인터리빙하여 출력하는 인터리버를 포함한다. 상기 검출부는 상기 인터리빙된 신호를 입력받아 상기 검출된 각 신호와 비교하여, 상기 송신기에 의해서 전송된 본래의 신호를 판별한다.

Description

인터리브 분할 다중접속 협력 다이버시티를 위한 수신기 및 그 전력할당 알고리즘{RECEIVER FOR Interleave division multiplexing cooperative diversity and its power allocation algorithm}
본 발명은 협력 다이버시티 기법에 관한 것이다.
무선 통신의 채널 페이딩(Padding)에 의한 성능 열화를 극복하기 위해 다중송수신안테나(MIMO: multiple input multiple output) 시스템을 사용한 공간 다이버시티(spatial diversity) 기법에 대한 연구가 많이 이루어 졌다.
다중 송수신 안테나 시스템은 송신기와 수신기에 2개 이상의 안테나를 구현하여 높은 데이터 전송률, 낮은 오율 그리고 채널 용량 증가 등의 장점을 제공한다.
하지만 다중 송수신 안테나 시스템의 장점에도 불구하고 크기, 무게, 하드웨어 복잡도 등의 제약조건으로 인해 상향 링크에 다중 송수신 안테나 시스템을 구현하는 것을 일반적으로 불가능하다.
이에 대한 대안으로서, 협력 다이버시티(cooperative diversity) 기법이 제안되었었다. 상기 협력 다이버시티 기법의 목적은 무선통신 네트워크상에서 각 단 말이 한 개의 안테나만을 가지고도 다중송수신안테나시스템의 공간 다이버시티 이득, 오율 감소 및 채널 용량 증대 등의 장점을 얻을 수 있게 함에 있다. 이를 위해 상기 협력 다이버시티 기법은 송신기와 주변의 중계 단말기들이 안테나, 주파수대역 등 자원을 공유하여 가상의 다중송수신안테나(virtual MIMO)시스템을 형성함으로 1개의 안테나를 가진 단말들로도 다중 송수신 안테나 시스템의 장점을 얻을 수 있게 한다.
이와 같은 협력 다이버시티 기법은 중계 단말기들 간의 간섭을 없애기 위하여 중계 단말기 간에 직교한(orthogonal) 채널을 사용하거나, 직교한 코드를 사용한다.
먼저 직교한 채널을 사용하는 방안은 전체 주어진 채널을 시간, 주파수 축으로 여러 개로 분할하여, 각 중계 단말기들을 각 채널에 할당한다. 이는 중계 단말기들 간에 간섭이 없기 때문에, 각 채널의 수신신호들을 직접 결합(combine)하는 방법으로 디코딩(decoding)이 가능하지만, 중계 단말기의 수 만큼 채널 사용이 늘어나, spectral efficiency가 줄어든다는 단점이 있다. 또한, 이동에 의하여 중계 단말기의 개수 등 참여 중계 단말기의 구성에 변화가 생겼을 때, 중계 단말기가 사용하는 채널에도 변화가 불가피하기 때문에, 매 전송마다 중계 단말기의 정렬(ordering)을 해주는 등 신호 전송의 오버헤드(overhead)가 증가하게 된다.
다음으로, 직교 코드를 사용하는 방안은 중계 단말기들이 동시에 신호를 전송하여도 직교성이 보장되기 때문에 spectral efficiency의 불필요한 감소가 없다. 그러나 정해진 채널 코드를 사용하기 위해서는 중계 단말기가 정확한 신호 복원 및 재부호화가 필요한데, 이에 따라 중계 단말기의 복잡성이 증가하게 된다. 또한 송신기와 중계 단말기 간의 채널(source-relay channel)이 불안정한 경우에는 적용하기 어렵다. 또한 정해진 채널 코드를 사용하기 위해서는, 정해진 수의 중계 단말기가 참여해야 하는데, 실제로는 단말들이 잦은 이동에 의해 달성이 힘들다. 또한, 단말들의 이동에 의하여 중계 단말기의 구성에 변화가 생기는 경우, 중계 단말기의 정렬(ordering) 및 코드 설계(code design)에 대한 정보 전송 등 신호 전송의 오버 헤드가 증가하게 되며, 참여 가능한 중계 단말기의 개수가 상기 정해진 코드에 필요한 중계 단말기 개수에 못 미칠 경우 적용하기 어렵게 된다. 이에 따라 중계 단말기의 네트워크 진/출입이 자유롭지 못한 단점이 있다.
한편, 이와 같은 협력 다이버시티 기법에는 하나의 중계 단말을 이용하는 단일 중계 단말기 기반 협력 다이버시티 기법과, 복수의 중계 단말을 이용하는 다중 중계 단말기 기반 협력 다이버시티 기법이 있다.
먼저, 상기 단일 중계단말기 기반 협력다이버시티 기법은 전체 사용 가능한 시간슬롯(time slot)을 송신기와 중계 단말기의 전송을 위한 두 개의 직교하는 시간 슬롯으로 나누어 사용한다. 이때, 첫 번째 시간슬롯에서 송신기는 메시지 신호를 중계 역할을 하는 다른 단말기와 수신기(300)로 브로드캐스트 한다. 두 번째 시간슬롯에서 상기 중계 단말기는 송신기로부터 수신한 메시지 신호를 중계 기법에 따라 상기 수신기(300)로 재전송하게 된다. 이때, 상기 중계 기법으로는 주로 증폭재전송(AF: amplify and forward) 기법 및 부호화재전송(DF: decode and forward) 기법이 이용된다. 상기 증폭 재전송 기법의 경우 상기 중계 단말기는 송신기로부터 수신한 메시지 신호를 일정 크기로 증폭한 후, 재전송하게 된다. 이와 같은 상기 증폭 재전송 기법은 복호화에 따른 신호처리 과정이 없으므로 단순한 하드웨어 구현이 가능하지만 중계단말기에서 더해진 잡음이 수신기(300)까지 전달되므로 낮은 신호대잡음비(SNR: signal to noise ration) 환경에서의 성능열화가 발생하는 단점이 있다. 반면 상기 부호화 재전송 기법의 경우 중계단말기는 송신기로부터 수신한 신호를 복호화(decode) 후, 재 부호화(re-encode) 과정을 거쳐 생성된 메시지 신호를 상기 수신기(300)로 전송하게 된다. 그러나 이와 같은 부호화 재전송 기법의 경우 중계단말기에서 송신기의 메시지 신호를 복호화 후 재 부호화 하여 전송하므로 잡음에 영향을 덜 받게 되지만, 송신기 메시지 신호의 복호화에 따른 하드웨어 복잡도가 증가하는 단점이 있다.
한편, 다중 중계단말기 기반 협력다이버시티 기법은 반복부호화(repetition code) 형태의 시간 슬롯 구조를 가진다. 전체 사용 가능한 시간 슬롯을 송신기와 중계 단말기의 개수만큼 나눈다. 첫 번째 시간슬롯에서는 송신기가 메시지 신호를 중계 역할을 하는 다른 단말기들과 수신기(300)로 브로드캐스트한다. 이후 각 중계 단말기는 자신이 할당받은 시간 슬롯에서 상기 송신기의 메시지 신호를 정해진 중계 기법에 따라 순차적으로 재전송하게 된다. 이와 같은 다중 중계단말기 기반 협력다이버시티 기법은 중계단말기 개수가 증가할수록 좋은 성능을 보이는 연구결과가 있으나 메시지 신호를 위해 할당되는 시간슬롯의 길이가 감소하게 되어 대역폭 효율성 감소문제가 발생하게 된다.
다중 중계단말기 기반 협력 다이버시티 기법의 다른 형태로는 시공간 부호화 중계 기법이 있다. 상기 시공간 부호화 중계 기법에서는 전체 사용 가능한 시간 슬롯이 송신기와 중계단말기의 전송을 위한 두 개의 직교하는 시간슬롯으로 나뉜다. 첫 번째 시간슬롯에서 송신기는 메시지 신호를 중계 역할을 하는 다른 단말기와 수신기(300)로 브로드캐스트한다. 두 번째 시간슬롯에서 중계 단말기들은 상기 송신기로부터 수신된 신호를 복원하고, 각 중계기 간에 직교성을 갖도록 시공간 부호화하여 상기 수신기(300)에 재전송하게 된다. 시공간 부호화 중계기법은 대역폭 활용에 효율적이지만 직교성을 얻기 위한 시공간 부호화에 따른 하드웨어 복잡도가 증가하며 특정 수의 중계기에만 적용 가능한 단점이 있다.
기존의 협력 다이버시티 기법에 관한 연구는 주로 단일 중계단말기의 경우, 혹은 다중중계 단말기일 경우 중계단말기의 수가 일정하게 존재하거나 복잡도가 높고 주파수 효율이 안 좋은 경우에 대한 프로토콜, 부호화 기법 그리고 중계단말기선택 기법 등에 대해 주로 이루어졌다.
그러나, 실제적인 무선통신 네트워크 환경에서는 단말기는 수시로 이동하며, 중계 단말기가 네트워크에 참여하거나 네트워크에서 빠지는 것이 자유롭기 때문에, 언급한 종래의 협력 다이버시티 기법은 적용되기 어려운 문제점이 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 단말기의 네트워크에의 참여가 자유롭고 임의의 수의 중계단말기가 존재하는 경우에도 복잡도가 높지 않고 주파수 효율이 떨어지지 않는 협력 다이버시티 기법을 제안하는데에 있다. 또한 본 발명의 다른 목적은 성능을 향상시키기 위한 전력할당 알고리즘을 제안하는데에 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 인터리브 분할 다중접속 협력 다이버시티 기법(interleave division multiplexing cooperative diversity)을 제안한다. 이때, 인터리브 분할 다중접속(IDMA: interleave division multiple access)이라 함은 코드 분할 다중접속(CDMA: code division multiple access)시스템의 특수한 형태로 사용자의 구분만을 위해 사용되는 확산 코드를 사용하지 않고, 대역확장을 모두 코딩에 할애하는 것으로, 사용자 마다 할당된 고유의 인터리브 패 턴을 사용하여 사용자 구분을 하게 된다. 이를 통하여 주파수 효율성을 제고할 수 있으며, 사용자 고유의 인터리버는 사용자간이나 인접한 신호 간 연관성이 거의 없도록 함으로써 코드 분할 다중접속 시스템의 다중 사용자 검출보다 복잡도가 낮은 다중 사용자 검출이 가능하도록 한다.
또한, 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 비트오율(bit error rate)의 감소를 추구하는 전력 할당 알고리즘(power allocation algorithm)을 제안한다.
구체적으로 본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 하나 또는 복수의 중계기들을 포함하는 협력 다이버시티 시스템의 수신기를 제공한다. 상기 수신기는 상기 하나 또는 복수의 중계기들로부터 전송되는 각 신호를 검출하는 검출부와; 상기 검출된 각 신호는 송신기로부터의 신호가 상기 하나 또는 복수의 중계기들에 의해 각기 인터리빙된 후 전송된 것이고, 상기 검출된 각 신호를 역 인터리빙하는 역인터리버와; 상기 역인터리빙된 각 신호를 복호화하여 출력하는 디코더와; 상기 복호된 신호를 인터리빙하여 출력하는 인터리버를 포함한다. 상기 검출부는 상기 인터리빙된 신호를 입력받아 상기 검출된 각 신호와 비교하여, 상기 송신기에 의해서 전송된 본래의 신호를 판별한다.
상기 검출된 각 신호는 상기 송신기로부터의 신호가 상기 하나 또는 복수의 중계기들에 의해 재생성 또는 채널 코드로 부호화되어 전송된 것일 수 있다.
상기 디코더는 상기 하나 또는 복수의 중계기들의 채널 코드를 이용할 수 있다.
상기 역인터리버는 상기 판별된 각 신호를 추가로 역 인터리빙하여 출력하고, 상기 디코더는 상기 역 인터리빙된 각 신호를 추가로 복호화할 수 있다.
상기 수신기는 상기 하나 또는 복수의 중계기들과의 채널을 추정하고, 상기 추정된 채널을 이용하여 상기 하나 또는 복수의 중계기들에 대한 각 전력 레벨을 결정하여, 상기 결정된 각 전력 레벨에 대한 정보를 상기 하나 또는 복수의 중계기들로 피드백할 수 있다.
또한, 본 발명은 상기와 같은 목적을 달성하기 위하여,
하나 또는 복수의 중계기들을 포함하는 협력 다이버시티 시스템의 수신기에서의 수신 방법을 제공한다.
상기 수신 방법은 상기 하나 또는 복수의 중계기들로부터 전송되는 각 신호를 검출하는 단계와; 상기 검출된 각 신호는 송신기로부터의 신호가 상기 하나 또는 복수의 중계기들에 의해 각기 인터리빙된 후 전송된 것이고, 상기 검출된 각 신호를 역 인터리빙하고, 복호화하는 단계와; 상기 복호된 신호를 인터리빙한 후, 상기 인터리빙된 신호를 상기 검출된 각 신호와 비교하여, 상기 송신기에 의해서 전송된 본래의 신호를 판별하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 검출된 각 신호는 상기 송신기로부터의 신호가 상기 하나 또는 복수의 중계기들에 의해 채널 코드로 부호화되어 전송된 것일 수 있다.
상기 검출된 각 신호는 상기 송신기로부터의 신호가 상기 하나 또는 복수의 중계기들에 의해 재생성되어 전송된 것일 수 있다.
상기 복호화 단계에서는 상기 하나 또는 복수의 중계기들의 채널 코드가 이 용될 수 있다.
상기 판별 단계에서 상기 하나 또는 복수의 중계기들과의 채널에 따른 왜곡 성분이 제거될 수 있다.
상기 수신 방법은 상기 판별된 각 신호를 역 인터리빙하는 단계와; 상기 역 인터리빙된 각 신호를 합성하는 단계와; 상기 합성된 각 신호를 복호화하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 복호화 단계에서는 상기 하나 또는 복수의 중계기들의 채널 코드가 이용될 수 있다.
상기 수신 방법은 상기 하나 또는 복수의 중계기들과의 채널을 추정하는 단계와; 상기 추정된 채널을 이용하여 상기 하나 또는 복수의 중계기들에 대한 각전력 레벨을 결정하는 단계와; 상기 결정된 각 전력 레벨에 대한 정보를 상기 하나 또는 복수의 중계기들로 피드백하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 검출된 각 신호는 상기 결정된 전력 레벨에 따라 상기 하나 또는 복수의 중계기들에 의해 전송된 것일 수 있다.
본 발명은 실제적 상황과 같이 유동성이 있는 중계 단말기가 존재하는 네트워크에 적용 가능한 인터리브 분할 다중 접속 네트워크를 제안하였다.
본 발명은 중계 단말기의 개수 및 구성이 변경되더라도, 중계 단말기에서 수행해야 할 작업이 없기 때문에, 오버헤드가 종래 기술에 비하여 상당히 낮다. 또한, 본 발명은 중계 단말기가 자유롭게 참여하거나 참여하지 않도록 할 수 있다. 또한 중계 단말기는 검출(detection)과 인터리빙(interleaving)만을 수행하기 때문에 디코딩(decoding) 및 재인코딩(re-encoding)을 수행하는 종래 기술 보다 복잡도 가 상당히 낮다. 또한 모든 중계 단말기들이 같은 채널을 사용하여 신호를 전송하기 때문에 spectral efficiency의 차원에서 매우 효율적이다.
또한, 본 발명은 중계 단말기의 전력 제어를 통해 신호대간섭및잡음비(SINR)의 증가를 통한 비트 오율 감소를 달성하였다.
본 발명은 협력 다이버시티에 적용된다. 그러나 본 발명은 이에 한정되지 않고, 본 발명의 기술적 사상이 적용될 수 있는 모든 통신 시스템 및 방법, 그 외 저작권 관련 시스템 및 방법에도 적용될 수 있다.
본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아님을 유의해야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적 용어는 본 명세서에서 특별히 다른 의미로 정의되지 않는 한, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 의미로 해석되어야 하며, 과도하게 포괄적인 의미로 해석되거나, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 기술적인 용어가 본 발명의 사상을 정확하게 표현하지 못하는 잘못된 기술적 용어일 때에는, 당업자가 올바르게 이해할 수 있는 기술적 용어로 대체되어 이해되어야 할 것이다. 또한, 본 발명에서 사용되는 일반적인 용어는 사전에 정의되어 있는 바에 따라, 또는 전후 문맥상에 따라 해석되어야 하며, 과도하게 축소된 의미로 해석되지 않아야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "구성된다" 또는 "포함한다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 여러 구성 요소들, 또는 여러 단계들을 반드시 모두 포함하는 것으로 해석되지 않아야 하며, 그 중 일부 구성 요소들 또는 일부 단계들은 포함되지 않을 수도 있고, 또는 추가적인 구성 요소 또는 단계들을 더 포함할 수 있는 것으로 해석되어야 한다.
또한, 본 명세서에서 사용되는 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성 요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성 요소도 제1 구성 요소로 명명될 수 있다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니됨을 유의해야 한다. 본 발명의 사상은 첨부된 도면외에 모든 변경, 균등물 내지 대체물에 까지도 확장되는 것으로 해석되어야 한다.
도 1은 본 발명에 따른 인터리브 분할 다중접속 협력 다이버시티를 위한 시스템의 구조를 나타낸다.
상기 시스템은 송신기(또는 소스)(100), 복수의 중계기(또는 relay) 혹은 중계 단말기(210, 220, 290: 이하, ‘200’으로 통칭합), 수신기(또는 destination)(300)을 포함한다.
상기 송신기(100), 상기 중계 단말기(200), 상기 수신기(300)는 각기 한 개의 안테나를 구비한다. 그러나, 설명의 편의상 상기 중계 단말기는 2개의 안테나, 즉 송신 안테나와 수신 안테나를 구비하는 것으로 구비하였으나, 실제로는 송수신을 위한 1개의 안테나를 구비할 수 있다.
또한, 상기 송신기(100)는 이동 단말일 수 있고 상기 수신기(300)는 셀룰러 시스템(cellular system)의 기지국일 수 있으나, 반대로 상기 송신기(100)는 기지국일 수 있고 상기 수신기(300)는 이동 단말일 수도 있다.
도 1에서는 상기 송신기(100)와 상기 수신기(300)는 각기 한 개가 존재하는 것으로 도시되었으며, 상기 복수의 중계 단말기(200)는 개가 존재하는 것으로 도시되었다.
상기 송신기(100)는 FEC(Forward Error Correction)(101) 를 포함한다. 상기 송신기(100)는 첫 번째 시간 슬롯 상에서 메시지 신호를 상기 복수의 중계 단말기(200)로 전송한다. 구체적으로, 상기 송신기(100)는 상기 메시지 신호를 채널 부호를 사용하여 인코딩하여 각 중계 단말기로 브로드캐스트한다.
상기 복수의 중계 단말기(200)들은 각기 재생성기(211, 221, 291)와 인터리버(Interleaver)(212, 222, 292)를 포함한다.
상기 복수의 중계 단말기(200)들은 상기 송신기(100)로부터의 메시지 신호를 상기 재생성기(211, 221, 291)를 통해 재생성(re-generation)하고, 상기 인터리버(212, 222, 292)를 통하여 재배열한다
이때 상기 복수의 중계 단말기(200)들은 상기 수신된 메시지 신호에 대하여 프레임 단위의 복호화(decoding)을 수행하지 않고, 비트 단위의 강성결정(soft decision)을 통해 재생성을 수행한다. 이와 같이 복호화를 수행하지 않고, 재생성을 수행함으로써, 기존의 협력다이버시티 기법보다 중계 단말기의 복잡도를 줄일 수 있다. 또한 상기 복수의 중계 단말기(200)들의 각 인터리버(212, 222, 292)는 서로 간에 연관성(correlation)이 없도록 설계되며, 중계기 고유의 특성이 된다.
상기 복수의 중계 단말기(200)들은 상기 재배열 된 메시지 신호를 두 번째 시간슬롯에서 동시에 상기 수신기(300)에 재전송한다.
이때, 상기 복수의 중계 단말기(200)들에서 재전송되는 신호는 하기 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009053095005-pat00001
이때, x k (j)는 중계단말기 k에서 전송하는 신호이고,
y k (j) 는 중계단말기 k에서 수신한 신호이고,
Figure 112009053095005-pat00002
는 y k (j)를 재생성(re-generation)한 신호이며,
πk(·) 는 중계단말기 k 고유의 인터리버에 따라 순서를 재배열 하는 것을 나타내는 기호이다.
한편, 상기 수신기(300)는 ESE(Elementary Signal Estimator)(310)와 역인터리버(De-Interleaver)(320)와, 합성기(330)와, 복호기(Decodor)(340)와, 그리고 인터리버(350)을 포함한다.
상기 수신기(300)는 상기 ESE(310)와 상기 복호기(340)를 통해 반복적 기법을 이용하여, 신호를 복호한다.
상기 ESE(310)는 각 중계 단말기(200)로부터 수신된 각 신호를 복원하여 출력한다. 이때, 각 중계 단말기(200)로부터의 신호는 왜곡 성분이 포함되어 있다.
상기 역인터리버(320)는 상기 ESE(310)로부터의 출력을 역 인터리빙한 후 출력하고, 상기 합성기(330)는 상기 역 인터리빙된 신호를 합성하여 상기 복호기(340)로 출력한다.
상기 복호기(340)는 상기 합성된 신호를 상기 송신기(100)에서 사용한 채널 부호를 이용하여 복호화를 수행하여 출력한다. 이와 같이 상기 복호시 상기 ESE(310)의 출력을 이용됨으로써, 복원의 신뢰도를 높일 수 있다. 또한, 또한 상기 복호기(DEC)(340)의 출력은 다시 상기 ESE(310)로 입력되어, 상기 ESE(310)가 상기 왜곡 성분을 효율적으로 제거할 수 있도록 한다.
상기 인터리버(350)는 상기 복호된 신호를 인터리빙하여 상기 ESE(310)로 출력한다.
그러면, 상기 ESE(310)는 상기 복호기(DEC)(340)의 출력을 이용하여 상기 수신기(300)와 상기 중계 단말기(200) 간의 채널을 추정하고, 상기 추정된 채널을 이용하여 상기 왜곡 성분을 적절하게 제거하여 중계 단말기(200)로부터 전송되어 온 신호를 비트 단위로 복원한다.
이러한 과정이 반복적으로 수행되어 효과적으로 수신신호를 복원할 수가 있다.
이하, 상기 수신기(300)의 동작을 수학식으로 표현하여 설명하면 다음과 같다.
먼저, 상기 수신기(300)의 ESE(310)의 출력 성분을 설명하면 다음과 같다.
상기 수신기(300)의 ESE(310)는 각 중계 단말기(300)로부터 수신된 신호를 복원하는 역할을 하며, 이때 송신기에서 사용한 채널 부호는 고려하지 않는다. 특정한 중계 단말기의 관점에서 다른 중계 단말기로부터 전송된 신호는 간섭성분이며, 간섭 성분과 잡음을 포함하는 왜곡 성분은 중심 극한 정리에 의해 가우시안 확 률분포를 따른다. 따라서 각 중계단말기(200)로부터 전송된 신호의 확률분포를 가우시안 확률분포로 나타낼 수 있으며, 이에 따라 수신기(300)의 ESE에서의 출력값은 하기 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009053095005-pat00003
상기 식에서,
y d (j) 는 상기 수신기(300)에서 수신한 신호이고,
h k ,d 는 상기 중계 단말기(200) k 와 수신기(300) 간의 채널계수이고,
P k 는 중계단말기 k 에 할당된 전력이고,
ζk(j) 는 중계단말기 k 에서 송신된 신호의 관점에서 본 왜곡성분이며,
Re (ㆍ) 는 실수부를 나타내는 기호이고,
E[ㆍ] 는 평균을 나타내는 기호이며,
V [ㆍ] 는 분산을 나타내는 기호이다.
상기 수학식 2를 계산하는 데 필요한 평균과 분산은 하기 수학식 3a, 하기 수학식 3b, 수학식 3c, 하기 수학식 3d, 수학식 3e, 하기 수학식 3f, 하기 수학식 3g, 수학식 3h, 하기 수학식 3i 와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009053095005-pat00004
Figure 112009053095005-pat00005
Figure 112009053095005-pat00006
Figure 112009053095005-pat00007
Figure 112009053095005-pat00008
Figure 112009053095005-pat00009
Figure 112009053095005-pat00010
Figure 112009053095005-pat00011
Figure 112009053095005-pat00012
상기 Im (ㆍ) 는 허수부를 나타내며, σ 2 은 중계단말기와 수신기(300) 간 채널의 잡음의 차원당 분산을 나타낸다.
상기 수학식 2와 3은 중계 단말기의 개수 K가 바뀌어도 연산방법의 변화가 없으며, 이에 따라 단말기가 자유로이 중계 단말기로 동작할 수 있다. 각 중계단말기(200)에서 전송한 신호에 대한 상기 ESE(310)에서의 출력값을 이용하여 상기 송신기(100)에서 전송한 신호에 대한 정보는 하기 수학식 4와 같이 구할 수 있다.
Figure 112009053095005-pat00013
상기 식에서,
c(j) 는 송신기에서 전송하는 신호를 나타내며,
πk -1 는 중계 단말기 k 고유의 인터리버에 대한 디인터리빙하는 과정을 나타낸다.
상기 수학식 4의 결과를 활용하여 상기 복호기(DEC)(340)는 상기 신호를 복원하게 된다. 상기 복호기(DEC)(340)는 상기 송신기(100)에서 사용한 채널 부호의 복호화가 이루어진다. 이때. 일반적인 APP 복호화가 이용될 수 있다.
이때, 두 시간슬롯에 걸쳐 상기 수신기(300)에 수신된 상기 송신기(100)의 메시지 신호의 신호대잡음및간섭비(SINR: signal to interference and noise ratio) 는 하기 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009053095005-pat00014
상기 P 0 는 송신기에 할당된 전력이고,
상기 hs ,k 는 송신기와 중계단말기 k 간의 채널계수이고,
상기 g( hs ,k , P 0 ) 는 hs ,k 와 P 0 가 주어졌을 때 중계 단말기 k 에서 잘못 된 신호를 재생성할 확률이며,
상기 f(ｒ) 는 ｒ 가 주어졌을 때 수신기(300)의 DEC에서 송신신호의 복원 정확도의 정도를 나타내는 척도이다.
한편, 본 발명에 따른 인터리브 분할 다중 접속 협력 다이버시티 기법에 대한 전력 할당 알고리즘 문제 정형화(problem formulation)는 하기 수학식 6과 같이 나타낼 수 있다. 그리고 최적화 문제의 제한조건은 하기 수학식 7a, 하기 수학식 7b와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009053095005-pat00015
Figure 112009053095005-pat00016
Figure 112009053095005-pat00017
상기 I 는 수신기(300)에서의 반복 디코딩 횟수를 나타내며,
상기 P t ,r 는 중계단말기에서 사용할 수 있는 총 전력을 나타내며,
상기 P k , max 는 중계단말기 k 가 사용할 수 있는 최대 송신전력을 나타낸다.
상기 수학식 6으로 정형화된 최적화 문제는 비선형이며 볼록 최적화(convex optimization)문제가 아니고, 반복기법을 사용하고 있다. 따라서 상기 수학식 6으로 정형화된 최적화 문제를 푸는 것은 상당한 복잡도를 요구하며 실제 시스템에 적용시키는 것에 무리가 있다.
문제를 간략화하고 실제 시스템에 적용하기 용이한 알고리즘을 제안하기 위하여 I 번의 반복 후 간섭성분을 제거할 수 있다는 가정하에, 소멸 계수(decay factor) δ 를 도입하며, 하기 수학식 8a와 같이 새로운 변수를 도입한다. 또한 수신기(300)에서 전력할당에 관한 m-비트의 피드백정보를 보낸다고 가정한다. 따라서 중계 단말기(300)에 할당되는 전력의 양을 L=2 m 단계로 나타낼 수 있으며 이를 하기 수학식 8b와 같이 나타내기로 한다. 또한 각 전력량에 해당하는 중계기의 수를 Φ max (I) 로 정의하며 채널계수 및 각 중계단말기의 최대 전력량을 고려하여 Φ(I) 가 가질 수 있는 최대값을 Φ max (I) 로 정의한다.
Figure 112009053095005-pat00018
Figure 112009053095005-pat00019
이에 따른 최적화 문제는 하기 수학식 9와 같이 나타낼 수 있으며, 최적화 문제의 제한조건은 하기 수학식 10a, 하기 수학식 10b, 하기 수학식 10c, 하기 수학식 10d 와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112009053095005-pat00020
Figure 112009053095005-pat00021
Figure 112009053095005-pat00022
Figure 112009053095005-pat00023
Figure 112009053095005-pat00024
상기 수학식 9로 정형화된 최적화 문제는 전력이 이산(discrete) 값을 갖는 문제로 소모검색(exhaustive search)를 통해서도 높지 않은 복잡도로 해를 찾을 수 있다.
상기 문제를 통해 얻어지는 { q k } 의 분포를 통하여 { P k } 의 분포는 하기 과정을 통하여 얻을 수 있다.
먼저, 가용 중계단말기 집합 K, 가용 전력레벨 집합
Figure 112009053095005-pat00025
를 초기화한다.
구체적으로, 모든 k 에 대하여 qk=0으로 초기화한다. 그리고,
Figure 112009053095005-pat00026
변수를 초기화한다.
가장 큰 전력레벨부터 할당될 중계기 단말(300)을 선택한다. 이때 가용 중계 단말기 집합에서 송신기 및 수신기와의 채널 상태를 나타내는 λk가 가장 큰 중계기 단말기부터 고려하여 가용 전력인 P k 를 고려하여 선택된 중계 단말기에서 수용할 수 있는 전력일 경우 그 중계 단말기를 선택하게 된다. 중계 단말기가 선택되면 선택된 중계단말기 및 전력레벨을 가용 중계단말기 집합 및 가용 전력레벨 집합에서 제외한다. 이와 같은 과정을 모든 가용 전력레벨에 대하여 수행하게 된다.
Figure 112009053095005-pat00027
여기까지 설명된 본 발명에 따른 방법은 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 저장 매체(예를 들어, 이동 단말기 내부 메모리, 플래쉬 메모리, 하드 디스크, 기타 등등)에 저장될 수 있고, 프로세서(예를 들어, 이동 단말기 내부 마이크로 프로세서)에 의해서 실행될 수 있는 소프트웨어 프로그램 내에 코드들 또는 명령어들로 구현될 수 있다.
도 2는 본 발명의 변형 예이다.
도 2를 참조하여 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 개념을 변형하여 인터리버를 이용하는 다른 시스템이 제안되어 있다.
그러나 도 2에 도시된 변형 예는 복수의 송신기가 협력하여 동일한 데이터를 전송한다. 또한, C1 2 를 다소 복잡한 코드를 사용한다. 이와 같은 시스템에서 K 에 따라 다른 코드를 사용하기 위해서는 (즉, K=1인 경우 채널 코드를 사용하지 않기 위해서는) K의 값을 송신기, 중계 단말기 및 수신기 모두가 알고 있어야 한다. 이와 같이 K의 값을 송신기, 중계 단말기 및 수신기 모두가 알기 위해서는 K의 값을 위한 신호 전송이 추가적으로 이루어져야 하기 때문에 오버헤드가 발생되는 단점이 있다.
한편, 도 2에 도시된 변형예는 송신기가 전송한 신호를 중계 단말기가 완벽하게 수신한다고 가정한 것인데, 이러한 가정은 중계 단말기가 이동하는 실제 이동 통신 네트워크 에서는 비현실적인 가정이다. Fixed relay에서도 완벽하게 수신하다는 가정을 하기 위해서는 source에서 복잡한 channel code를 사용해야 하고, relay에서는 이에 대한 decoder가 필요하기 때문에 본 제안 scheme에 비하여 relay에서의 complexity에 차이가 생기게 된다.
한편, 도 1에 도시된 시스템에서는 복수의 중계 단말기가 각각의 인터리버를 이용하여 송신기로부터 수신된 프레임(혹은 서브 프레임, 혹은 슬롯)을 서로 위치가 다르게 재배열함으로써, 다이버시티 효과를 얻는 반면, 도 2에 도시된 상기 변형예에서는 각 C1 2가 C1 ,1 2~ C1 , N 2의 스트림으로 나누어져 서로 다른 안테나를 통해 전송된다. 따라서, K=1인 경우에는 무의미하다. 즉, 상기 변형예에서의 인터리버는 궁극적으로 1이 아닌 K 에 대하여 송신기로부터의 신호를 구분하기 위한 것으으로 도 1과 다르다.
도 3 내지 도 6은 도 1에 도시된 시스템의 성능을 컴퓨터 모의 실험을 통하 여 나타내었다. 모의실험 환경은 레일레이 페이딩 채널(Rayleigh fading channel)을 가정하였으며 107번의 독립적 채널형성을 통한 모의실험의 결과이다.
도 3 내지 도 6에 도시된 N0 는 잡음의 분산으로 2σ2과 같은 값을 나타내며, BER은 비트오율을 나타내며, K는 중계기 수를 의미한다.
도 3 및 도 4를 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 도 1에 도시된 인터리브분할 다중 접속 협력 다이버시티 시스템은 중계기 수의 증가에 따라 다이버시티 이득이 증대되고, 비트 오율을 비약적으로 감소시킨다.
구체적으로 도 3과 같이 수신기(300)에서 전술한 과정의 반복 횟수가 3이고, P0/N0=5dB 이며, 각 중계 단말기 간에 같은 전력을 사용할 경우, 중계 단말기 수에 따른 비트 오율을 크게 감소함을 알 수 있다.
또한, 도 4에서와 같이 수신기(300)에서의 전술한 과정의 반복횟수가 3이고, P0/N0=15dB이고, 각 중계기간에 같은 전력을 사용할 경우, 각 중계 단말기 간에 같은 전력을 사용할 경우, 중계 단말기 수에 따른 비트 오율을 크게 감소함을 알 수 있다.
한편 도 5 및 도 6을 참조하여 알 수 있는 바와 같이, 중계 단말기 간에 동일한 전력을 할당하는 것에 비해, 중계 단말기 간 서로 다른 전력을 할당하는 것이 비트 오율을 비약적으로 감소시킴을 알 수 있다.
구체적으로, 도 5에서와 같이, 수신기(300)에서의 전술한 과정의 반복횟수가 반복횟수 3이고, P0/N0=5dB, m=3 의 경우. 중계 단말기 수에 따라 그리고 중계 단말기 마다 서로 다르게 전력을 함에 따라 비트 오율은 크게 감소한다.
도 6에서와 같이, 수신기(300)에서의 전술한 과정의 반복횟수가 3이고, P0/N0=15dB이며 m=3인 경우 중계 단말기 수에 따라 그리고 중계 단말기 마다 서로 다르게 전력을 함에 따라 비트 오율은 크게 감소한다.
도 7 및 도 8은 도 1에 도시된 본 발명의 시스템과 종래 기술에 따른 시스템의 성능 비교이다.
종래 기술로서 detect and forward 기법과 decode and forward 기법을 각기 본 발명에 따른 시스템과 비교하여 나타내었다. 이때 종래 기술은 직교 채널을 사용한 것으로 가정하고, 송신기-수신기 간에 채널은 존재하지 않는다고 가정한다.
도 7은 송신기-중계기 채널의 SNR이 5dB인 경우이며, 도 8은 송신기-중계기 채널의 SNR이 15dB인 경우를 나타내었다.
도 7 및 도 8을 참조하여 알 수 있는 바와 같이 본 발명의 시스템과 종래의 decode and forward 기법을 비교하면, 종래의 decode and forward 기법은 중계 단말기가 참여 자체를 못하는 경우가 많이 생기기 때문에, 송신기-수신기 간의 채널 이 존재하지 않을 경우, 도 1에 도시된 시스템의 성능이 더 우수함을 알 수 있다.
한편, 종래의 Detect and forward 기법과 비교하면, 본 발명에 따른 시스템이 미세하게 성능이 더 우수하다. 다만, 종래의 Detect and forward 기법은 직교 코드를 이용할 수 없는 점을 고려할 때, spectral efficiency가 본 발명에 따른 시 스템보다 낮다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시예에만 한정되는 것은 아니므로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 인터리브 분할 다중접속 협력 다이버시티를 위한 시스템의 구조를 나타낸다.
도 2는 본 발명의 변형 예이다.
도 3 내지 도 6은 도 1에 도시된 시스템의 성능을 컴퓨터 모의 실험을 통하여 나타내었다.
도 7 및 도 8은 도 1에 도시된 시스템과 도 2에 도시된 시스템의 성능 비교이다.

Claims (14)

  1. 하나 또는 복수의 중계기들을 포함하는 협력 다이버시티 시스템의 수신기에서의 수신 방법으로서,
    상기 수신기와 상기 하나 또는 복수의 중계기 사이의 하나 또는 복수의 채널을 추정하는 단계;
    상기 추정된 하나 또는 복수의 채널에 기초하여 상기 하나 또는 복수의 중계기의 전력 레벨을 결정하는 단계;
    상기 하나 또는 복수의 중계기에 상기 결정된 전력 레벨을 할당하는 단계;
    상기 결정된 전력 레벨이 할당된 상기 하나 또는 복수의 중계기로부터 적어도 하나의 신호를 수신하는 단계;
    상기 수신된 적어도 하나의 신호로부터 하나 또는 복수의 신호를 검출하는 단계;
    상기 검출된 하나 또는 복수의 신호를 각각 역 인터리빙하는 단계; 및
    상기 역 인터리빙된 신호를 복호화 하는 단계를 포함하고, 상기 검출된 하나 또는 복수의 신호는 아래 수학식으로부터 획득되고,
    Figure 112015097217613-pat00036
    xk(j)는 상기 하나 또는 복수의 중계기의 k번째 중계기로부터 수신된 신호를 나타내고,
    eESE(xk(j))는 k번째 검출된 신호를 나타내고,
    yd(j)는 상기 수신기로부터 수신된 상기 적어도 하나의 신호를 나타내고,
    hk,d는 상기 k번째 중계기와 상기 수신기 사이 추정된 채널의 채널 계수를 나타내고,
    pk는 상기 k번째 중계기에 할당된 전력 레벨을 나타내고,
    ζk(j)는 상기 k번째 중계기로부터 전송된 왜곡성분을 나타내고,
    Re()는 실수부분을 나타내고,
    E[]는 평균을 나타내고,
    V[]는 분산을 나타내는 것을 특징으로 하는 수신 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 역 인터리빙된 신호는 아래 수학식으로부터 획득되고,
    Figure 112015097217613-pat00037
    eESE(c(j))은 상기 역 인터리빙된 신호를 나타내고,
    πk -1는 상기 k번째 중계기의 인터리버에 대응되는 인터리빙 처리를 나타내는 것을 특징으로 하는 수신 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 검출된 하나 또는 복수의 신호는
    송신기로부터의 신호가 상기 하나 또는 복수의 중계기들에 의해 재생성되어 전송된 것인 것을 특징으로 하는 수신 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 복호화 단계에서는
    상기 하나 또는 복수의 중계기들의 하나 또는 복수의 채널 코드가 이용되는 것을 특징으로 하는 수신 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 삭제
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 하나 또는 복수의 중계기들을 포함하는 협력 다이버시티 시스템의 수신기로서,
    상기 수신기와 상기 하나 또는 복수의 중계기 사이의 하나 또는 복수의 채널을 추정하고, 상기 추정된 하나 또는 복수의 채널에 기초하여 상기 하나 또는 복수의 중계기의 전력 레벨을 결정하고, 상기 하나 또는 복수의 중계기에 상기 결정된 전력 레벨을 할당하고, 상기 결정된 전력 레벨이 할당된 상기 하나 또는 복수의 중계기로부터 적어도 하나의 신호를 수신하는 프로세서와;
    상기 수신된 적어도 하나의 신호로부터 하나 또는 복수의 신호를 검출하는 검출부와;
    상기 검출된 하나 또는 복수의 신호 각각을 역 인터리빙하는 역 인터리버와;
    상기 역인터리빙된 각 신호를 복호화하는 복호기와;
    상기 검출된 하나 또는 복수의 신호는 아래 수학식을 이용하여 획득되고,
    Figure 112015097217613-pat00038
    xk(j)는 상기 하나 또는 복수의 중계기의 k번째 중계기로부터 수신된 신호를 나타내고,
    eESE(xk(j))는 k번째 검출된 신호를 나타내고,
    yd(j)는 상기 수신기로부터 수신된 상기 적어도 하나의 신호를 나타내고,
    hk,d는 상기 k번째 중계기와 상기 수신기 사이 추정된 채널의 채널 계수를 나타내고,
    pk는 상기 k번째 중계기에 할당된 전력 레벨을 나타내고,
    ζk(j)는 상기 k번째 중계기로부터 전송된 왜곡성분을 나타내고,
    Re()는 실수부분을 나타내고,
    E[]는 평균을 나타내고,
    V[]는 분산을 나타내는 것을 특징으로 하는 수신기.
  11. 제10항에 있어서, 상기 역 인터리빙된 신호는 아래 수학식으로부터 획득되고,
    Figure 112016005448192-pat00039
    eESE(c(j))은 상기 역 인터리빙된 신호를 나타내고,
    πk -1는 상기 k번째 중계기의 인터리버에 대응되는 인터리빙 처리를 나타내는 것을 특징으로 하는 수신기.
  12. 제10항에 있어서, 상기 복호기는
    상기 하나 또는 복수의 중계기들의 하나 또는 복수의 채널 코드를 이용하는 것을 특징으로 하는 수신기.
  13. 삭제
  14. 삭제
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