KR101607494B1 - D2d 통신 시스템 및 그것을 이용한 자원 및 전력 할당 방법 - Google Patents

D2d 통신 시스템 및 그것을 이용한 자원 및 전력 할당 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 D2D 통신 시스템 및 그것을 이용한 자원 및 전력 할당 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 D2D 통신 시스템 및 그것을 이용한 자원 및 전력 할당 방법에 따르면, 셀룰러 자원을 공유하는 D2D 통신 시스템에 있어서, 상기 D2D 통신 시스템에 포함되는 기지국은, 복수의 셀룰러 단말이 점유하고 있는 복수의 리소스 블록 중에서 D2D 통신의 성능이 가장 우수한 리소스 블록을 선택하여 공유 리소스 블록으로 설정하여 해당 D2D 단말과 공유하도록 하는 공유 자원 할당부, 상기 해당 D2D 단말이 D2D 통신을 위하여 점유하고 있는 독점 리소스 블록을 공유할 적어도 하나의 다른 D2D 단말을 선택하여 상기 해당 D2D 단말과 공유하도록 설정하는 독점 자원 할당부 및 상기 공유 리소스 블록과 상기 독점 리소스 블록을 매칭하여 가상의 리소스 블록을 생성하고, 상기 가상의 리소스 블록에 포함된 상기 공유 리소스 블록과 상기 독점 리소스 블록의 할당되는 전력을 제어하는 전력 할당부를 포함한다.
본 발명에 따르면, 셀룰러 자원을 사용하는 D2D 시스템에 있어서 D2D 사용자에 대한 독점적 자원 할당과 함께 셀룰러 사용자의 자원을 공유하는 자원 할당을 통해 D2D 시스템의 주파수 효율을 향상시킨다.

Description

D2D 통신 시스템 및 그것을 이용한 자원 및 전력 할당 방법{System of D2D communications and Method for resource and power allocation using the same}
본 발명은 D2D 통신 시스템 및 그것을 이용한 자원 및 전력 할당 방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 단말 간 직접 통신(D2D 통신: Device-to-Device)을 지원하는 셀룰러 시스템에서 주파수 효율 최대화를 위한 D2D 자원 할당 및 전력 할당할 수 있는 D2D 통신 시스템 및 그것을 이용한 자원 및 전력 할당 방법에 관한 것이다.
최근 무선 이동 통신 시스템을 이용한 서비스들이 다양해짐에 따라 데이터 트래픽이 급격하게 증가하게 되었고 이러한 문제점을 해결하기 위한 방법으로 셀룰러 시스템에서 단말 간 직접통신(Deviece-to-Device 통신: D2D 통신)에 대한 연구 개발 및 표준화가 진행 중에 있다. 단말 간 직접 통신은 서로 근접한 단말들이 기지국 등의 인프라를 거치지 않고 직접 통신하도록 함으로써 근접성 기반의 신규 서비스를 가능하게 하고, 동시에 셀룰러 시스템의 주파수 효율을 향상시킬 수 있는 방법이다. 그러므로 주파수 효율 향상을 위해 D2D 링크는 셀룰러 링크와 기존의 셀룰러 주파수 자원을 공유할 필요가 있다.
그러나 주파수 효율 향상을 위해 D2D 링크가 셀룰러 링크와 기존의 셀룰러 주파수 자원을 공유하는 과정에서 상호 간에 간섭이 발생할 수 있다.
이와 같이, D2D 통신과 셀룰러 통신이 같은 통신 대역을 사용하는 방향으로 연구가 진행되면서 D2D 통신과 셀룰러 통신의 상호 간섭을 줄일 수 있도록 D2D 통신의 적절한 자원할당과 전력 분배 문제가 중요해졌다.
셀룰러 링크와 D2D 링크의 자원할당을 위해 가장 일반적인 접근 방법은 기지국이 각 링크뿐만 아니라 상호 간 간섭 링크의 채널상태에 대한 정보를 수집하여 이를 기반으로 자원할당을 수행하는 것이다. 이러한 방법은 간섭의 영향을 정확하게 측정할 수 있는 장점이 있지만 채널정보를 측정하고 수집하기 위한 복잡도와 시그널링 오버헤드(Signaling Overhead)가 증가하고 자원할당 알고리즘 또한 복잡한 최적화 문제를 풀어야 한다는 점에서 바람직하지 않다. 또한, 고속으로 변하는 시변 채널의 경우는 정확한 채널정보를 얻기 어려워 이로 인한 성능 열화가 심각한 문제가 될 수 있다.
종래의 자원할당 기술에서 고려되지 않은 또 다른 측면은 어떤 자원을 공유하는 것이 효과적인가 하는 점이다. 가령, 셀 가장자리에 위치한 셀룰러 사용자의 자원은 심각한 간섭 때문에 D2D 링크를 공유하기 어려울 것이다. 따라서 자원할당 알고리즘은 잠재적으로 간섭이 적은 자원을 우선적으로 공유하도록 설계할 필요가 있다.
또한, 기존 셀룰러 통신(Cellular communication)과 D2D 통신(D2D Communication)은 서로 별개의 시스템으로 여기며 셀룰러 통신(Cellular communication)에서 사용되는 자원 및 전력과 D2D 통신(D2D Communication)에서 사용되는 자원 및 전력 할당이 비종속적으로 행해져 왔다.
본 발명의 배경이 되는 기술은 대한민국 국내공개특허 제2008-0028347호(2008.03.31 공개)에 개시되어 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 단말 간 직접 통신(D2D 통신: Device-to-Device)을 지원하는 셀룰러 시스템에서 주파수 효율 최대화를 위한 D2D 자원 할당 및 전력 할당할 수 있는 D2D 통신 시스템 및 그것을 이용한 자원 및 전력 할당 방법에 관한 것이다.
이러한 기술적 과제를 이루기 위한 본 발명의 실시예에 따르면, 셀룰러 자원을 공유하는 D2D 통신 시스템에 있어서, 상기 D2D 통신 시스템에 포함되는 기지국은, 복수의 셀룰러 단말이 점유하고 있는 복수의 리소스 블록 중에서 D2D 통신의 성능이 가장 우수한 리소스 블록을 선택하여 공유 리소스 블록으로 설정하여 해당 D2D 단말과 공유하도록 하는 공유 자원 할당부, 상기 해당 D2D 단말이 D2D 통신을 위하여 점유하고 있는 독점 리소스 블록을 공유할 적어도 하나의 다른 D2D 단말을 선택하여 상기 해당 D2D 단말과 공유하도록 설정하는 독점 자원 할당부 및 상기 공유 리소스 블록과 상기 독점 리소스 블록을 매칭하여 가상의 리소스 블록을 생성하고, 상기 가상의 리소스 블록에 포함된 상기 공유 리소스 블록과 상기 독점 리소스 블록의 할당되는 전력을 제어하는 전력 할당부를 포함한다.
상기 공유 자원 할당부는, 다음의 수학식을 통해 D2D 성능이 가장 우수한 리소스 블록을 선택하여 상기 공유 리소스 블록으로 설정할 수 있다.
Figure 112015028101754-pat00001
여기에서,
Figure 112015028101754-pat00002
는 선택된 리소스 블록을 나타내고, m은 셀룰러 개수,
Figure 112015028101754-pat00003
는 D2D 통신을 위한 공유 리소스 블록에 해당하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00004
는 D2D 단말의 송신전력 한계치,
Figure 112015028101754-pat00005
는 셀룰러와 기지국 사이의 리소스 블록에 해당하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00006
는 공유 리소스 블록에서의 셀룰러 통신 전력,
Figure 112015028101754-pat00007
는 서브캐리어 개수,
Figure 112015028101754-pat00008
는 노이즈 전력을 나타낸다.
상기 독점 자원 할당부는 다음과 같은 수학식을 통해 상기 독점 리소스 블록을 공유할 D2D 단말을 선택할 수 있다.
Figure 112015028101754-pat00009
여기에서,
Figure 112015028101754-pat00010
는 선택된 D2D 그룹을 나타내고, S는 검출된 복수의 후보 D2D 단말 그룹,
Figure 112015028101754-pat00011
는 D2D 통신을 위한 독점 리소스 블록에 해당하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00012
는 독점 리소스 블록에서의 D2D 통신 전력,
Figure 112015028101754-pat00013
는 독점 리소스 블록에서 공유할 대상이 되는 D2D 단말에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00014
는 독점 리소스 블록에서 공유할 대상이 되는 D2D 단말에 해당하는 통신 전력,
Figure 112015028101754-pat00015
는 서브캐리어 개수,
Figure 112015028101754-pat00016
는 노이즈 전력을 나타낸다.
상기 전력 할당부는, 상기 가상의 리소스 블록에 포함되는 상기 공유 리소스 블록과 상기 독점 리소스 블록에 대하여
Figure 112015028101754-pat00017
,
Figure 112015028101754-pat00018
의 조건에 해당되는 경우, 다음 수학식을 통해 상기 설정된 D2D 그룹의 전력의 최대값을 구할 수 있다.
Figure 112015028101754-pat00019
여기에서,
Figure 112015028101754-pat00020
는 검출된 복수의 D2D 그룹의 최대 송신 전력,
Figure 112015028101754-pat00021
는 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00022
는 독점 리소스 블록에서 할당되는 초기 전력,
Figure 112015028101754-pat00023
는 i번째의 후보 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00024
는 i번째의 후보 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 할당되는 전력,
Figure 112015028101754-pat00025
는 해당 D2D 통신 단말간의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00026
는 공유 리소스 블록에서 할당되는 초기 전력,
Figure 112015028101754-pat00027
는 셀룰러와 해당 D2D 통신 단말간의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00028
는 공유 리소스 블록에 할당되는 셀룰러 전력,
Figure 112015028101754-pat00029
는 노이즈 전력을 나타낸다.
상기 전력 할당부는, 다음 수학식을 통해 상기 가상 리소스 블록에 포함된 공유 리소스 블록에 할당할 전력을 연산하여 할당할 수 있다.
Figure 112015028101754-pat00030
여기에서
Figure 112015028101754-pat00031
는 공유 리소스 블록에 할당되는 전력,
Figure 112015028101754-pat00032
는 독점 리소스 블록에 할당할 전력이고,
Figure 112015028101754-pat00033
및
Figure 112015028101754-pat00034
은 랑그라지 승수(Lagrange multiplier),
Figure 112015028101754-pat00035
는 셀룰러와 해당 D2D 통신 단말 간의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00036
는 공유 리소스 블록에 할당되는 셀룰러 전력,
Figure 112015028101754-pat00037
는 해당 D2D 통신 단말의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00038
는 노이즈 전력,
Figure 112015028101754-pat00039
를 나타낸다.
상기 전력 할당부는, 다음 수학식을 통해 상기 가상 리소스 블록에 포함된 독점 리소스 블록에 할당할 전력을 연산하여 할당할 수 있다.
Figure 112015028101754-pat00040
Figure 112015028101754-pat00041
는 독점 리소스 블록에 할당되는 전력,
Figure 112015028101754-pat00042
는
Figure 112015028101754-pat00043
을 나타내고,
Figure 112015028101754-pat00044
는 i번째의 후보 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00045
는 독점 리소스 블록에서 i번째 후보 D2D 단말의 전력,
Figure 112015028101754-pat00046
는 해당 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00047
를 나타낸다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 셀룰러 자원을 공유하는 D2D 통신 시스템을 이용한 자원 및 전력 할당 방법에 있어서, 상기 D2D 통신 시스템에 포함되는 기지국은 복수의 셀룰러 단말이 점유하고 있는 복수의 리소스 블록 중에서 D2D 통신의 성능이 가장 우수한 리소스 블록을 선택하여 공유 리소스 블록으로 설정하여 해당 D2D 단말과 공유하도록 하는 단계, 상기 해당 D2D 단말이 D2D 통신을 위하여 점유하고 있는 독점 리소스 블록을 공유할 적어도 하나의 다른 D2D 단말을 선택하여 상기 해당 D2D 단말과 공유하도록 설정하는 단계 및 상기 공유 리소스 블록과 상기 독점 리소스 블록을 매칭하여 가상의 리소스 블록을 생성하고, 상기 가상의 리소스 블록에 포함된 상기 공유 리소스 블록과 상기 독점 리소스 블록의 할당되는 전력을 제어하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면, 셀룰러 자원을 사용하는 D2D 시스템에 있어서 D2D 사용자에 대한 독점적 자원 할당과 함께 셀룰러 사용자의 자원을 공유하는 자원 할당을 통해 D2D 시스템의 주파수 효율을 향상시킨다.
또한, 셀룰러 자원을 공유할 때는 셀룰러 사용자의 성능 보장을 위해 D2D 송신전력을 제한하였고, 독점적 자원에 대하여 다수의 D2D 사용자들이 그룹을 형성하고 동일한 자원을 공간적으로 재사용하여 전제 셀의 스펙트럼 효율과 성능을 향상시킨다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하향 링크와 상향 링크에서의 간섭 시나리오를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 D2D 통신 시스템에 포함되는 기지국의 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자원 및 전력 할당 방법의 순서도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 D2D 통신을 위한 가상의 리소스 블록을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 D2D 전송 전력에 따른 주파수 효율 성능을 나타낸 도면이다.
아래에서는 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.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
그러면 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 하향 링크와 상향 링크에서의 간섭 시나리오를 설명하기 위한 도면이다.
무선 및 이동 통신 시스템의 기지국(BS)은 사용자 단말(UE)과 단말 간 직접 통신을 하게 되는 D2D 단말(D-UE: Direct-UE) 혹은 소형 셀 및 피코 셀의 기지국이 될 수 있다. 사용자 단말(UE)이 기지국(BS)를 거쳐 통신하는 방법을 셀룰러 통신(Cellular communication)이라 하고 사용자 단말(UE)이 기지국(BS)를 거치지 않고 D2D 단말(D-UE)와 직접 통신하는 방법을 D2D 통신(D2D communication)으로 나타낸다.
하향 링크(Downlink communication)에서 사용자 단말(UE)은 기지국과 D2D 단말로부터 신호를 수신하게 된다. 이때, 사용자 단말(UE)은 기지국으로부터의 간섭과 D2D단말이 해당 자원을 사용하는 다른 사용자 단말에게 주는 간섭이 존재한다.
상향 링크(Uplink communication)에서 사용자 단말(UE)은 기지국과 D2D 단말로 신호를 송신하게 된다. 이때, 기지국이 받는 간섭과 D2D 단말이 다른 사용자 단말로부터 받는 간섭이 존재한다.
이와 같은 각 링크에서의 간섭 중에서 하향 링크의 경우 기지국으로부터의 간섭은 사용자 단말이 기지국과의 채널 상태 정보(CSI: Channel Status Information) 교환을 통해 딥 쉐도잉(deep shadowing)이나 딥 페이딩(deep fading)에 해당되는 채널을 사용하여 간섭을 줄일 수 있다.
또한, 하향 링크에서는 상향 링크보다 송신 전력이 크기 때문에 간섭에 의한 성능 열화 극복이 원활한 반면에, 상향 링크에서는 사용자 단말의 최대 송신 전력이 적고 기지국이 받는 간섭에 의한 송신 전력 제한이 크다.
그렇기 때문에, 본 발명의 실시예에서는 상향 링크에서의 전체 D2D 통신 시스템에서의 최대 전송률을 달성하기 위하여 자원 할당 및 전력 할당을 제안한다.
다음은 도 2를 통해 본 발명의 실시예에 따른 D2D 통신 시스템에 포함되는 기지국을 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 D2D 통신 시스템에 포함되는 기지국의 구성도이다.
D2D 통신 시스템에 포함되는 기지국(100)은 공유 자원 할당부(110), 독점 자원 할당부(120), 전력 할당부(130)을 포함한다.
공유 자원 할당부(110)는 복수의 셀룰러 단말이 점유하고 있는 복수의 리소스 블록 중에서 D2D 통신의 성능이 가장 우수한 리소스 블록을 선택하여 공유 리소스 블록으로 설정하고 해당 D2D 단말과 공유하도록 한다.
공유 자원 할당부(110)는 셀룰러 사용자의 평균 신호 대 잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio)를 통해 D2D 단말의 송신 전력 한계치에 대한 식을 이용하여 해당 D2D 단말에 가장 효율적인 공유 리소스 블록을 선택하게 된다.
독점 자원 할당부(120)는 셀룰러 자원 중 일부를 D2D 통신 단말이 독점적으로 사용할 수 있도록 한다. 또한, 독점 자원 할당부(120)는 D2D 통신을 위하여 해당 D2D 통신 단말이 점유하고 있는 독점 리소스 블록을 적어도 하나의 다른 D2D 통신 단말이 기회적으로 재사용할 수 있도록 최적의 D2D 단말 또는 D2D 통신 그룹을 선택하여 공유하도록 설정한다.
전력 할당부(130)는 공유 자원 할당부(110)와 독점 자원 할당부(120)에서 선택한 공유 리소스 블록과 독점 리소스 블록을 매칭하여 가상의 리소스 블록을 생성하고, 가상의 리소스 블록에 포함된 공유 리소스 블록과 독점 리소스 블록의 할당되는 전력을 제어한다.
전력 할당부(130)는 실시간으로 각각의 D2D 단말의 전력을 수집하여 초기 값으로 각각의 리소스 블록의 전력을 연산하여 제어한다.
이때, 전력 할당부(130)는 실시간으로 수집한 전력 값 및 간섭에 대응하여 전체 D2D 통신의 성능이 최적이 되도록 각각의 D2D 단말의 가상 리소스 블록의 전력을 제어한다.
즉, 전력 할당부(130)은 전력의 총량을 유지한 상태에서 각 D2D 그룹에 할당되는 공유 리소스 블록과 독점 리소스 블록의 전력을 조절하여 제어한다.
이하에서는 도 3 및 도 4를 통하여 자원 및 전력 할당 방법에 대하여 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 자원 및 전력 할당 방법의 순서도이고, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 D2D 통신을 위한 가상의 리소스 블록을 나타낸 도면이다.
먼저, D2D 통신 시스템에 포함되는 기지국(100)은 복수의 셀룰러 단말이 점유하고 있는 복수의 리소스 블록 중에서 D2D 통신의 성능이 가장 우수한 리소스 블록을 선택하고 공유 리소스 블록으로 설정하여 해당 D2D 단말과 공유하도록 한다(S310).
기지국(100)은 D2D가 셀룰러 자원을 사용하기 위해서는 사용자의 QoS를 보장해야 하므로 셀룰러 사용자의 평균 SNR를 이용하여 D2D 단말의 송신전력 한계치를 유도하고, 수학식 1과 같이 D2D 단말을 선택할 수 있다.
기지국(100)은 셀룰러 통신을 하고 있는 복수개의 리소스 블록 중에서 해당 D2D 단말에 대해 D2D 통신의 성능이 가장 우수한 리소스 블록이 선택되도록, 다음 수학식 1을 통하여 연산하다.
Figure 112015028101754-pat00048
여기에서,
Figure 112015028101754-pat00049
는 선택된 리소스 블록을 나타내고, m은 셀룰러 개수,
Figure 112015028101754-pat00050
는 D2D 통신을 위한 공유 리소스 블록에 해당하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00051
는 D2D 단말의 송신전력 한계치,
Figure 112015028101754-pat00052
는 셀룰러와 기지국 사이의 리소스 블록에 해당하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00053
는 공유 리소스 블록에서의 셀룰러 통신 전력,
Figure 112015028101754-pat00054
는 서브캐리어 개수,
Figure 112015028101754-pat00055
는 노이즈 전력을 나타낸다.
다음으로 기지국(100)은 해당 D2D 단말이 D2D 통신을 위하여 점유하고 있는 독점 리소스 블록을 공유할 적어도 하나의 다른 D2D 단말을 선택하여 해당 D2D 단말과 공유하도록 설정한다(S320).
기지국(100)은 해당 D2D 단말이 점유하고 있는 독점 리소스 블록을 공유할 수 있는 적어도 하나의 다른 D2D 단말을 다음 수학식 2를 통해 선택한다.
Figure 112015028101754-pat00056
여기에서,
Figure 112015028101754-pat00057
는 선택된 D2D 그룹을 나타내고, S는 검출된 복수의 후보 D2D 단말 그룹,
Figure 112015028101754-pat00058
는 D2D 통신을 위한 독점 리소스 블록에 해당하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00059
는 독점 리소스 블록에서의 D2D 통신 전력,
Figure 112015028101754-pat00060
는 독점 리소스 블록에서 공유할 대상이 되는 D2D 단말에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00061
는 독점 리소스 블록에서 공유할 대상이 되는 D2D 단말에 해당하는 통신 전력,
Figure 112015028101754-pat00062
는 서브캐리어 개수,
Figure 112015028101754-pat00063
는 노이즈 전력을 나타낸다.
마지막으로 기지국(100)은 공유 리소스 블록과 독점 리소스 블록을 매칭하여 가상의 리소스 블록을 생성하고, 가상의 리소스 블록에 포함된 공유 리소스 블록과 독점 리소스 블록의 할당되는 전력을 제어한다(S330).
도 4는 공유 리소스 블록과 독점 리소스 블록을 매칭하여 가상의 리소스 블록인 D2D 통신 리소스 블록(D2D Communications Resource Block)을 나타낸다.
즉, 도 4는 본 발명의 실시예에서 D2D 통신을 위한 독점적 자원(EX: Exclusive Resource for D2D Set)과 셀룰러 통신 및 D2D 통신이 모두 사용하는 공유 자원(SH: Shared Resource with Cellular)을 매칭하여 가상의 리소스 블록을 나타낸 도면이다.
이와 같이 가상의 리소스 블록에서의 각각의 리소스 블록은 서로 다른 간섭을 받게 된다.
즉, 독점적 자원(EX)에서 통신하는 다른 D2D 통신 단말로부터의 간섭(Interference from D2D Set)과 공유 자원(SH)에서 셀룰러 통신을 하고 있는 기지국으로부터 간섭(Interference from CUE)이 존재한다.
또한, 독점적 자원(EX)와 공유 자원(SH)은 반송파를 변조하기 위해 사용되는 부반송파(subcarriers)의 개수(N: Number of subcarriers)를 포함하고 있다.
이와 같이 기지국(100)은 전체 D2D 통신 시스템의 최대의 전송률을 달성하기 위해 가상의 리소스 블록에 포함된 각각의 리소스 블록에 대하여 최적의 전력 할당을 한다.
기지국(100)은 가상의 리소스 블록에 포함되는 상기 공유 리소스 블록과 상기 독점 리소스 블록에 대하여
Figure 112015028101754-pat00064
,
Figure 112015028101754-pat00065
의 조건에 해당되는 경우, 다음 수학식 3을 통해 설정된 D2D 그룹의 전력의 최대값을 연산하다.
Figure 112015028101754-pat00066
여기에서,
Figure 112015028101754-pat00067
는 검출된 복수의 D2D 그룹의 최대 송신 전력,
Figure 112015028101754-pat00068
D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00069
는 독점 리소스 블록에서 할당되는 초기 전력,
Figure 112015028101754-pat00070
는 i번째의 후보 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00071
는 i번째의 후보 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 할당되는 전력,
Figure 112015028101754-pat00072
는 해당 D2D 통신 단말간의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00073
는 공유 리소스 블록에서 할당되는 초기 전력,
Figure 112015028101754-pat00074
는 셀룰러와 해당 D2D 통신 단말간의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00075
는 공유 리소스 블록에 할당되는 셀룰러 전력,
Figure 112015028101754-pat00076
는 노이즈 전력을 나타낸다.
기지국(100)은 수학식 4와 같은 라그랑주 함수(Lagrangian function)와 카루시 쿤 터커 조건(KKT condition)을 이용하여 수학식 3을 연산한다.
Figure 112015028101754-pat00077
다음으로, 기지국(100)은 수학식 4와 같은 카루시 쿤 터커 조건(KKT condition)으로부터 가상 리소스 블록에 포함된 공유 리소스 블록에 할당할 전력을 수학식 5를 통해 연산한다.
Figure 112015028101754-pat00078
여기에서
Figure 112015028101754-pat00079
는 공유 리소스 블록에 할당되는 전력,
Figure 112015028101754-pat00080
는 독점 리소스 블록에 할당할 전력이고,
Figure 112015028101754-pat00081
및
Figure 112015028101754-pat00082
은 랑그라지 승수(Lagrange multiplier),
Figure 112015028101754-pat00083
는 셀룰러와 해당 D2D 통신 단말 간의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00084
는 공유 리소스 블록에 할당되는 셀룰러 전력,
Figure 112015028101754-pat00085
는 해당 D2D 통신 단말의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00086
는 노이즈 전력,
Figure 112015028101754-pat00087
를 나타낸다.
또한, 기지국(100)은 수학식 4와 같은 카루시 쿤 터커 조건(KKT condition)으로부터 가상 리소스 블록에 포함된 독점 리소스 블록에 할당할 전력을 수학식 6을 통해 연산한다.
Figure 112015028101754-pat00088
Figure 112015028101754-pat00089
는 독점 리소스 블록에 할당되는 전력,
Figure 112015028101754-pat00090
는
Figure 112015028101754-pat00091
을 나타내고,
Figure 112015028101754-pat00092
는 i번째의 후보 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00093
는 독점 리소스 블록에서 i번째 후보 D2D 단말의 전력,
Figure 112015028101754-pat00094
는 해당 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
Figure 112015028101754-pat00095
를 나타낸다.
이때,
Figure 112015028101754-pat00096
는
Figure 112015028101754-pat00097
와 같이 그룹의 성능 합을 전력으로 미분한 값을 나타내며, 다음의 수학식 7과 같이 연산할 수 있다.
Figure 112015028101754-pat00098
여기에서,
Figure 112015028101754-pat00099
은 노이즈 전력,
Figure 112015028101754-pat00100
같은 자원을 사용하는 D2D그룹간의 간섭을 나타낸다.
기지국(100)은 수학식 6에 수학식 4의 카루시 쿤 터커 조건과
Figure 112015028101754-pat00101
를 적용하여 독점 리소스 블록에 할당되는 전력을 연산할 수 있다.
이와 같이, 수학식 5와 수학식 6을 통해 기지국(100)은 가상 리소스 블록이 포함하는 공유자 리소스 블록과 독점 리소스 블록에 할당할 전력을 연산하고 그에 따라 전력을 제어한다.
본 발명의 실시예에 따라 제시하는 알고리즘은 다음 표 1과 같다.
Figure 112015028101754-pat00102
여기에서, m은 셀룰러 개수, M 은 총 셀룰러 개수, m*은 D2D 성능이 가장 좋은 리소스 블록, s는 검출된 D2D 그룹, Ns는 그룹에 할당되는 총 D2D의 수, po는 초기 전력, s*는 최적의 D2D 그룹, psh 는 공유 리소스 블록에 할당되는 전력, pex는 독점 리소스 블록에 할당되는 전력,
Figure 112015028101754-pat00103
은 독점 리소스 블록을 사용하는 D2D 사용자의 평균 신호대잡음비(SNR: Signal to Noise Ratio)를 나타낸다.
이와 같은 알고리즘을 통하여 기지국(100)은 전체 D2D 통신 시스템에서의 전력의 총량은 유지한 상태에서 공유 리소스 블록, 독점 리소스 블록에 할당되는 전력을 조절함으로써 각각의 D2D 통신에 있어서의 효율뿐 아니라 전체 D2D 통신의 주파수 효율을 향상시킬 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 D2D 전송 전력에 따른 주파수 효율 성능을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 D2D 통신 시스템 및 그것을 이용한 자원 및 전력 할당 방법의 성능으로 다음 표 2과 같은 파라미터에 따라3GPP LTE-Advanced 환경에서의 실험 결과를 나타낸다.
Figure 112015028101754-pat00104
도 5는 D2D 전송 전력(D2D Transmit power: dBM)에 따른 다양한 조건의 D2D 시스템의 주파수 효율(Spectral efficiency: bps/Hz/cell)을 나타낸다.
도 5에서 점선은 독점적 자원만 사용하는 D2D 시스템 성능을 나타내고, 실선은 본 발명의 실시예인 독점적 자원과 공유 자원을 모두 사용하는 시스템의 성능을 나타낸다.
먼저, 검은 동그라미 점선은 독점 자원을 공유하지 않고 하나의 D2D 단말이 사용하는 경우, 검은 네모 점선은 독점 자원을 공유하는 D2D 단말이 2개인 경우, 검은 세모 점선은 독점 자원을 공유하는 D2D 단말이 4개인 경우를 나타낸다.
즉, 독점 자원만을 사용하는 경우, 동일 자원을 공유하는 D2D 사용자의 수(Ns)가 증가하면 주파수 재사용 이득에 의해 주파수 효율이 향상됨을 확인할 수 있다.
또한, 파란색 동그라미 실선의 그래프는 독점 자원과 공유 자원을 사용하는 하나의 D2D 단말이 사용하는 경우의 주파수 효율을 나타내고, 빨간색 네모 실선은 독점 자원을 공유하는 2개의 D2D 단말이 공유 자원을 함께 사용하는 경우, 초록색의 세모 실선은 독점 자원을 공유하는 4개의 D2D 단말이 공유 자원을 함께 사용하는 경우를 나타낸다.
이와 같이 본 발명에서 제안한 D2D 시스템이 주파수 효율 측면에서 상당히 우수한 성능을 보임을 확인할 수 있다.
이와 같이 본 발명의 실시예에 따르면, 셀룰러 자원을 사용하는 D2D 시스템에 있어서 D2D 사용자에 대한 독점적 자원 할당과 함께 셀룰러 사용자의 자원을 공유하는 자원 할당을 통해 D2D 시스템의 주파수 효율을 향상시킨다.
또한, 본 발명은 셀룰러 자원을 공유할 때는 셀룰러 사용자의 성능 보장을 위해 D2D 송신전력을 제한하였고 독점적 자원은 다수의 D2D 사용자들이 그룹을 형성하여 동일한 자원을 공간적으로 재사용하여 전제 셀의 스펙트럼 효율과 성능을 향상시킨다.
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: 기지국 110: 공유 자원 할당부
120: 독점 자원 할당부 130: 전력 할당부

Claims (12)

  1. 셀룰러 자원을 공유하는 D2D 통신 시스템에 있어서,
    상기 D2D 통신 시스템에 포함되는 기지국은,
    복수의 셀룰러 단말이 점유하고 있는 복수의 리소스 블록 중에서 D2D 통신의 성능이 가장 우수한 리소스 블록을 선택하여 공유 리소스 블록으로 설정하고 해당 D2D 단말과 공유하도록 하는 공유 자원 할당부;
    상기 해당 D2D 단말이 D2D 통신을 위하여 점유하고 있는 독점 리소스 블록을 공유할 적어도 하나의 다른 D2D 단말을 선택하여 상기 해당 D2D 단말과 공유하도록 설정하는 독점 자원 할당부; 및
    상기 공유 리소스 블록과 상기 독점 리소스 블록을 매칭하여 가상의 리소스 블록을 생성하고, 상기 가상의 리소스 블록에 포함된 상기 공유 리소스 블록과 상기 독점 리소스 블록의 할당되는 전력을 제어하는 전력 할당부를 포함하고,
    상기 공유 자원 할당부는,
    다음의 수학식을 통해 D2D 성능이 가장 우수한 리소스 블록을 선택하여 상기 공유 리소스 블록으로 설정하는 D2D 통신 시스템:
    Figure 112016011682492-pat00105

    여기에서,
    Figure 112016011682492-pat00106
    는 선택된 리소스 블록을 나타내고, m은 셀룰러 개수,
    Figure 112016011682492-pat00107
    는 D2D 통신을 위한 공유 리소스 블록에 해당하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00108
    는 D2D 단말의 송신전력 한계치,
    Figure 112016011682492-pat00109
    는 셀룰러와 기지국 사이의 리소스 블록에 해당하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00110
    는 공유 리소스 블록에서의 셀룰러 통신 전력,
    Figure 112016011682492-pat00111
    는 서브캐리어 개수,
    Figure 112016011682492-pat00112
    는 노이즈 전력을 나타낸다.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 독점 자원 할당부는
    다음과 같은 수학식을 통해 상기 독점 리소스 블록을 공유할 D2D 단말을 선택하는 D2D 통신 시스템:
    Figure 112016011682492-pat00113

    여기에서,
    Figure 112016011682492-pat00114
    는 선택된 D2D 그룹을 나타내고, S는 검출된 복수의 후보 D2D 단말 그룹,
    Figure 112016011682492-pat00115
    는 D2D 통신을 위한 독점 리소스 블록에 해당하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00116
    는 독점 리소스 블록에서의 D2D 통신 전력,
    Figure 112016011682492-pat00117
    는 독점 리소스 블록에서 공유할 대상이 되는 D2D 단말에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00118
    는 독점 리소스 블록에서 공유할 대상이 되는 D2D 단말에 해당하는 통신 전력,
    Figure 112016011682492-pat00119
    는 서브캐리어 개수,
    Figure 112016011682492-pat00120
    는 노이즈 전력을 나타낸다.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 전력 할당부는,
    상기 가상의 리소스 블록에 포함되는 상기 공유 리소스 블록과 상기 독점 리소스 블록에 대하여
    Figure 112016011682492-pat00121
    ,
    Figure 112016011682492-pat00122
    의 조건에 해당되는 경우, 다음 수학식을 통해 상기 해당 D2D 단말의 전력의 최대값을 구하는 D2D 통신 시스템:
    Figure 112016011682492-pat00123

    여기에서,
    Figure 112016011682492-pat00124
    는 검출된 복수의 D2D 그룹의 최대 송신 전력,
    Figure 112016011682492-pat00125
    는 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00126
    는 독점 리소스 블록에서 할당되는 초기 전력,
    Figure 112016011682492-pat00127
    는 i번째의 후보 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00128
    는 i번째의 후보 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 할당되는 전력,
    Figure 112016011682492-pat00129
    는 해당 D2D 통신 단말간의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00130
    는 공유 리소스 블록에서 할당되는 초기 전력,
    Figure 112016011682492-pat00131
    는 셀룰러와 해당 D2D 통신 단말간의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00132
    는 공유 리소스 블록에 할당되는 셀룰러 전력,
    Figure 112016011682492-pat00133
    는 노이즈 전력을 나타낸다.
  5. 청구항 5은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제4항에 있어서,
    상기 전력 할당부는,
    다음 수학식을 통해 상기 가상 리소스 블록에 포함된 공유 리소스 블록에 할당할 전력을 연산하여 할당하는 D2D 통신 시스템:
    Figure 112016011682492-pat00134

    여기에서
    Figure 112016011682492-pat00135
    는 공유 리소스 블록에 할당되는 전력,
    Figure 112016011682492-pat00136
    는 독점 리소스 블록에 할당할 전력이고,
    Figure 112016011682492-pat00137
    및
    Figure 112016011682492-pat00138
    은 랑그라지 승수(Lagrange multiplier),
    Figure 112016011682492-pat00139
    는 셀룰러와 해당 D2D 통신 단말 간의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00140
    는 공유 리소스 블록에 할당되는 셀룰러 전력,
    Figure 112016011682492-pat00141
    는 해당 D2D 통신 단말의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00142
    는 노이즈 전력,
    Figure 112016011682492-pat00143
    를 나타낸다.
  6. 청구항 6은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제4항에 있어서,
    상기 전력 할당부는,
    다음 수학식을 통해 상기 가상 리소스 블록에 포함된 독점 리소스 블록에 할당할 전력을 연산하여 할당하는 D2D 통신 시스템:
    Figure 112016011682492-pat00144

    Figure 112016011682492-pat00145
    는 독점 리소스 블록에 할당되는 전력,
    Figure 112016011682492-pat00146
    는
    Figure 112016011682492-pat00147
    을 나타내고,
    Figure 112016011682492-pat00148
    는 i번째의 후보 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00149
    는 독점 리소스 블록에서 i번째 후보 D2D 단말의 전력,
    Figure 112016011682492-pat00150
    는 해당 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00151
    를 나타낸다.
  7. 셀룰러 자원을 공유하는 D2D 통신 시스템을 이용한 자원 및 전력 할당 방법에 있어서,
    상기 D2D 통신 시스템에 포함되는 기지국은 복수의 셀룰러 단말이 점유하고 있는 복수의 리소스 블록 중에서 D2D 통신의 성능이 가장 우수한 리소스 블록을 선택하여 공유 리소스 블록으로 설정하고 해당 D2D 단말과 공유하도록 하는 단계;
    상기 해당 D2D 단말이 D2D 통신을 위하여 점유하고 있는 독점 리소스 블록을 공유할 적어도 하나의 다른 D2D 단말을 선택하여 상기 해당 D2D 단말과 공유하도록 설정하는 단계; 및
    상기 공유 리소스 블록과 상기 독점 리소스 블록을 매칭하여 가상의 리소스 블록을 생성하고, 상기 가상의 리소스 블록에 포함된 상기 공유 리소스 블록과 상기 독점 리소스 블록의 할당되는 전력을 제어하는 단계를 포함하고,
    상기 공유 리소스 블록으로 설정하여 해당 D2D 단말과 공유하도록 하는 단계는,
    다음의 수학식을 통해 D2D 성능이 가장 우수한 리소스 블록을 선택하여 상기 공유 리소스 블록으로 설정하는 자원 및 전력 할당 방법:
    Figure 112016011682492-pat00152

    여기에서,
    Figure 112016011682492-pat00153
    는 선택된 리소스 블록을 나타내고, m은 셀룰러 개수,
    Figure 112016011682492-pat00154
    는 D2D 통신을 위한 공유 리소스 블록에 해당하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00155
    는 D2D 단말의 송신전력 한계치,
    Figure 112016011682492-pat00156
    는 셀룰러와 기지국 사이의 리소스 블록에 해당하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00157
    는 공유 리소스 블록에서의 셀룰러 통신 전력,
    Figure 112016011682492-pat00158
    는 서브캐리어 개수,
    Figure 112016011682492-pat00159
    는 노이즈 전력을 나타낸다.
  8. 삭제
  9. 제7항에 있어서,
    상기 독점 리소스 블록을 적어도 하나의 다른 D2D 단말과 상기 해당 D2D 단말이 공유하도록 설정하는 단계는,
    다음과 같은 수학식을 통해 상기 독점 리소스 블록을 공유할 D2D 단말을 선택하는 자원 및 전력 할당 방법:
    Figure 112016011682492-pat00160

    여기에서,
    Figure 112016011682492-pat00161
    는 선택된 D2D 그룹을 나타내고, S는 검출된 복수의 후보 D2D 단말 그룹,
    Figure 112016011682492-pat00162
    는 D2D 통신을 위한 독점 리소스 블록에 해당하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00163
    는 독점 리소스 블록에서의 D2D 통신 전력,
    Figure 112016011682492-pat00164
    는 독점 리소스 블록에서 공유할 대상이 되는 D2D 단말에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00165
    는 독점 리소스 블록에서 공유할 대상이 되는 D2D 단말에 해당하는 통신 전력,
    Figure 112016011682492-pat00166
    는 서브캐리어 개수,
    Figure 112016011682492-pat00167
    는 노이즈 전력을 나타낸다.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 공유 리소스 블록과 상기 독점 리소스 블록의 할당되는 전력을 제어하는 단계는,
    상기 가상의 리소스 블록에 포함되는 상기 공유 리소스 블록과 상기 독점 리소스 블록에 대하여
    Figure 112016011682492-pat00168
    ,
    Figure 112016011682492-pat00169
    의 조건에 해당되는 경우, 다음 수학식을 통해 상기 해당 D2D 단말의 전력의 최대값을 자원 및 전력 할당 방법:
    Figure 112016011682492-pat00170

    여기에서,
    Figure 112016011682492-pat00171
    는 검출된 복수의 D2D 그룹의 최대 송신 전력,
    Figure 112016011682492-pat00172
    D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00173
    는 독점 리소스 블록에서 할당되는 초기 전력,
    Figure 112016011682492-pat00174
    는 i번째의 후보 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00175
    는 i번째의 후보 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 할당되는 전력,
    Figure 112016011682492-pat00176
    는 해당 D2D 통신 단말간의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00177
    는 공유 리소스 블록에서 할당되는 초기 전력,
    Figure 112016011682492-pat00178
    는 셀룰러와 해당 D2D 통신 단말간의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00179
    는 공유 리소스 블록에 할당되는 셀룰러 전력,
    Figure 112016011682492-pat00180
    는 노이즈 전력을 나타낸다.
  11. 청구항 11은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제10항에 있어서,
    상기 공유 리소스 블록의 할당되는 전력을 제어하는 단계는,
    다음 수학식을 통해 상기 가상 리소스 블록에 포함된 공유 리소스 블록에 할당할 전력을 연산하여 할당하는 자원 및 전력 할당 방법:
    Figure 112016011682492-pat00181

    여기에서
    Figure 112016011682492-pat00182
    는 공유 리소스 블록에 할당되는 전력,
    Figure 112016011682492-pat00183
    는 독점 리소스 블록에 할당할 전력이고,
    Figure 112016011682492-pat00184
    및
    Figure 112016011682492-pat00185
    랑그라지 승수(Lagrange multiplier),
    Figure 112016011682492-pat00186
    는 셀룰러와 해당 D2D 통신 단말 간의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00187
    는 공유 리소스 블록에 할당되는 셀룰러 전력,
    Figure 112016011682492-pat00188
    는 해당 D2D 통신 단말의 공유 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00189
    는 노이즈 전력,
    Figure 112016011682492-pat00190
    를 나타낸다.
  12. 청구항 12은(는) 설정등록료 납부시 포기되었습니다.
    제10항에 있어서,
    상기 독점 리소스 블록의 할당되는 전력을 제어하는 단계는,
    다음 수학식을 통해 상기 가상 리소스 블록에 포함된 독점 리소스 블록에 할당할 전력을 연산하여 할당하는 자원 및 전력 할당 방법:
    Figure 112016011682492-pat00191

    Figure 112016011682492-pat00192
    는 독점 리소스 블록에 할당되는 전력,
    Figure 112016011682492-pat00193
    는
    Figure 112016011682492-pat00194
    을 나타내고,
    Figure 112016011682492-pat00195
    는 i번째의 후보 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00196
    는 독점 리소스 블록에서 i번째 후보 D2D 단말의 전력,
    Figure 112016011682492-pat00197
    는 해당 D2D 통신 단말의 독점 리소스 블록에 대응하는 채널,
    Figure 112016011682492-pat00198
    를 나타낸다.
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