KR101608786B1 - 릴레이 시스템에서 다중 데이터 스트림 전송 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 릴레이 노드를 이용한 협력적 데이터 전송시 소스 노드로부터 수신된 다중 데이터 스트림의 일부만을 릴레이 함으로써 멀티 데이터 스트림간 간섭을 해소하는 데이터 송수신 방법 및 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 다중 데이터 스트림 전송 방법은, 소스 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신하는 단계; 상기 수신된 다수의 데이터 스트림에 대해서 복호를 수행하는 단계; 복호 성공한 데이터 스트림 중 일부의 데이터 스트림을 선택하는 단계; 상기 선택된 일부의 데이터 스트림을 부호화하는 단계; 및 상기 부호화한 일부의 데이터 스트림을 목적지 노드로 전달하는 단계를 포함한다.

Description

릴레이 시스템에서 다중 데이터 스트림 전송 방법 및 장치 {METHOD AND APPARATUS OF TRANSMITTING MULTIPLE DATA STREAMS IN RELAY COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 릴레이 시스템의 데이터 송수신에 관한 것으로서, 릴레이 노드를 이용한 협력적 데이터 전송시 소스 노드로부터 수신된 다중 데이터 스트림의 부분 정보만을 릴레이 함으로써 멀티 데이터 스트림간 간섭을 해소하는 데이터 송수신 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 무선통신 시스템은 고속 데이터 통신을 원활히 지원하고 더 많은 통화량을 수용하기 위해 서비스 주파수 대역을 점점 높이고 셀 반경은 점차 줄이고 있어서, 기존의 중앙집중적인 셀룰러 무선망 방식을 향후에도 그대로 운용하기에는 많은 문제가 존재한다. 즉, 기지국의 위치가 고정된 종래의 방식에서는 무선링크 구성의 유연성이 떨어지므로 트래픽 분포나 통화 요구량의 변화가 심한 무선환경에서 효율적인 통신 서비스를 제공하기 어렵다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위한 방법으로서 LTE-Advanced(Long Term Evolution Advanced) 시스템 또는 E-UTRA(Evolved Universal Terrestrial Radio Access) 시스템으로 불리는 차세대 무선통신 시스템은 릴레이(relay), 보다 구체적으로 다중홉 릴레이(multi-hop relay)를 고려하고 있다. 릴레이 시스템은 셀 영역 내 존재하는 부분적인 음영 지역을 커버하여 셀 서비스 영역을 넓힐 수 있으며, 시스템 용량을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 서비스 요구가 상대적으로 적은 초기 도입 단계에서 설치 비용에 대한 부담을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
릴레이 시스템에서 소스 노드(Source Node)는 다수의 데이터 스트림을 중첩 코딩(superposition coding)을 이용하여 릴레이 노드(Relay Node) 및 목적지 노드(Destination)로 전송할 수 있다. 소스 노드로부터 다중 데이터 스트림을 수신한 릴레이 노드는 이를 복호 및 다시 인코딩하여 목적지 노드로 협력적 데이터 전송을 수행할 수 있다. 이러한 협력 통신 방법은 데이터 전송의 효율성을 높이며, 각 노드의 자원 소비를 보완함은 물론 전체 네트워크의 성능(throughput)을 향상시킬 수 있다.
그러나 채널 환경에 따라서는 소스 노드 및 릴레이 노드로부터 전송되는 다수의 데이터 스트림 간에 상호 간섭(interference)이 발생할 수 있으며, 이 경우 목적지 노드에서는 다수의 데이터 스트림을 정상적으로 복호할 수 없는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 릴레이 노드를 이용한 협력적 데이터 전송시 소스 노드로부터 수신된 다중 데이터 스트림의 부분 정보만을 릴레이 함으로써 멀티 데이터 스트림간 간섭을 해소하는 데이터 송수신 방법 및 장치를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 다중 데이터 스트림 전송 방법은, 릴레이 시스템(relay system)의 멀티 데이터 스트림(multiple data stream) 전송 방법에 있어서, 소스 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신하는 단계; 상기 수신된 다수의 데이터 스트림에 대해서 복호를 수행하는 단계; 복호 성공한 데이터 스트림 중 일부의 데이터 스트림을 선택하는 단계; 상기 선택된 일부의 데이터 스트림을 부호화하는 단계; 및 상기 부호화한 일부의 데이터 스트림을 목적지 노드로 전달하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 수신된 다수의 데이터 스트림 중 목적지 노드로 전달하는 일부 데이터 스트림을 제외한 나머지 데이터 스트림을 저장하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는 상기 방법에 있어서, 상기 다수의 데이터 스트림에 대한 복호는 데이터 전송률이 가장 낮은 데이터 스트림부터 시작하여 순차적으로 SIC(Successive Interference Cancellation)을 이용하여 수신된 다수의 데이터 스트림에 대하여 복호를 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 방법에 있어서 상기 일부의 데이터 스트림 선택 단계는, 복호 성공한 데이터 스트림들을 데이터 전송률이 높은 순서로 정렬하여 데이터 전송률이 높은 상위 L개의 데이터 스트림을 선택하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 방법에 있어서, 상기 선택된 일부의 데이터 스트림 부호화는 각 데이터 스트림의 전송률이 가변되도록 중첩 코딩하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 방법에 있어서 상기 소스 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신하는 단계는, 목적지 노드로 전달할 일부 데이터 스트림 선택 정보를 함께 수신하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 방법에 있어서 상기 다수의 데이터 스트림 복호 단계는, 상기 복호 성공 여부에 대한 ACK/NACK 메시지를 상기 소스 노드로 전송하고 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전달할 일부 데이터 스트림 선택 정보를 수신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 방법에 있어서 상기 일부의 데이터 스트림을 전달받은 상기 목적지 노드는, 상기 일부의 데이터 스트림에 대해서 우선 복호를 수행한 후, 복호된 일부의 데이터 스트림을 이용하여 SIC(Successive Interference Cancellation)을 통해서 소스 노드로부터 기 수신된 전체 데이터 스트림에 대한 복호를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 다중 데이터 스트림 전송 장치는, 소스 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신하는 수신기; 상기 수신기를 통해서 수신된 다수의 데이터 스트림에 대해서 복호를 수행하는 복호기; 상기 복호기를 통해서 복호 성공한 데이터 스트림 중 일부의 데이터 스트림을 선택하는 선택기; 상기 선택기를 통해서 선택된 일부의 데이터 스트림을 부호화하는 부호기; 및 상기 부호화된 일부의 데이터 스트림을 목적지 노드로 송신하는 송신기를 포함한다.
바람직하게는 상기 장치에 있어서, 수신된 다수의 데이터 스트림 중 목적지 노드로 전달하는 일부 데이터 스트림을 제외한 나머지 데이터 스트림을 저장하는 메모리를 더 포함한다.
바람직하게는 상기 장치에 있어서, 상기 복호기는 데이터 전송률이 가장 낮은 데이터 스트림부터 시작하여 순차적으로 SIC(Successive Interference Cancellation)을 이용하여 수신된 다수의 데이터 스트림에 대하여 복호를 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 장치에 있어서, 상기 부호기는 각 데이터 스트림의 전송률이 가변되도록 중첩 코딩하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 장치에 있어서, 상기 선택기는 소스 노드로부터 수신되는 데이터 스트림 선택 정보를 참조하여 일부의 데이터 스트림을 선택하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 장치에 있어서, 상기 선택기는 복호 성공한 데이터 스트림들을 데이터 전송률이 높은 순서로 정렬하여 데이터 전송률이 높은 상위 L개의 데이터 스트림을 선택하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 릴레이 노드를 이용한 협력적 데이터 전송시 소스 노드로부터 수신된 다중 데이터 스트림의 부분 정보만을 릴레이 함으로써 멀티 데이터 스트림간 간섭이 해소되는 효과가 발생한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 릴레이 시스템에서 가변 전송률 중첩 코딩을 통한 데이터 스트림 전송 과정을 도시한 도면이다.
도 2는 직교 시공간 블록 코드(orthogonal space-time block code; OSTBC) 가 적용된 경우 VRSC(Variable Rate Superposition Coding) 코딩 및 SuDF 과정을 도시한 도면이다.
도 3은 릴레이 노드에서 SuDF 릴레이 프로토콜을 통한 신호 처리 과정을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 4는 전송 안테나 각각에 대한 중첩 코딩을 통한 멀티 데이터 스트림을 전송 방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 각 안테나 별 중첩 코딩(Per Antenna Superposition Coding; PASC)을 통한 부분 정보 릴레이 방법을 도시한 도면이다.
도 6은 PASC를 통한 부분 정보 릴레이 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 7은 M개의 전송 안테나에 대해서 다중 레이어(multi-layer) 중첩 코딩을 수행하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 8은 다중 레이어(multi-layer) 중첩 코딩을 통한 멀티 데이터 스트림 전송 방법을 설명하는 도면이다.
도 9는 MLSC를 통한 부분 정보 릴레이 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 10은 본 발명에서 제안하는 부분 정보 릴레이 기법과 종래 릴레이 기법의 데이터 전송 용량을 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 릴레이 노드의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다
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 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
본 발명의 통신 시스템은 음성 및 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공하기 위한 시스템으로서 기지국 및 단말을 포함하며, LTE(Long Term Evolution) 시스템 또는 LTE-Advanced 시스템을 대표예로 설명한다.
본 발명의 소스 노드는 하향링크 데이터 전송의 경우 기지국이 될 수 있으며, 상향링크 데이터 전송의 경우 단말이 될 수 있다. 또한, 목적지 노드는 하향링크 데이터 전송의 경우 단말이 될 수 있으며, 상향링크 데이터 전송의 경우 기지국이 될 수 있다. 또한, 릴레이 노드는 소스 노드로부터 데이터를 수신하여 목적지 노드로 수신된 데이터를 전달하는 중계국이 될 수 있다.
본 발명의 단말은 SS(Subscriber Station), UE(User Equipment), ME(Mobile Equipment), MS(Mobile Station) 등으로 불릴 수 있으며, 휴대폰, PDA, 스마트 폰(Smart Phone), 노트북 등과 같이 통신 기능을 갖춘 휴대 가능한 기기 또는 PC, 차량 탑재 장치와 같이 휴대 불가능한 기기를 포함한다.
본 발명의 기지국은 단말과 통신하는 고정된 지점을 말하며, eNB(evolved-NodeB), BS(Base Station), BTS(Base Transceiver System), 억세스 포인트(Access Point) 등의 용어로 사용될 수 있다. 하나의 기지국에는 하나 이상의 셀(Cell)이 존재할 수 있으며, 기지국 간에는 사용자 트래픽 또는 제어 트래픽 전송을 위한 인터페이스가 사용될 수 있다. 또한, 하향링크(Downlink)는 기지국으로부터 단말로의 통신 채널을 의미하며, 상향링크(Uplink)는 단말로부터 기지국으로의 통신 채널을 의미한다.
본 발명의 릴레이 노드(relay node; RN)는 릴레이(relay), 중계국, RS(relay station) 등으로 불릴 수 있으며, 기지국과 단말 사이에 설치되어 송수신 신호를 중계함으로써 셀 영역 내에서 발생하는 부분적인 음영 지역을 커버하고 셀 서비스 영역을 넓히며 시스템 용량을 증대시키는 역할을 한다. 릴레이 노드는 기지국과 단말 간에 발생되는 데이터 트래픽을 효과적으로 중계하기 위하여 다중 홉으로 구성될 수도 있으며, 한 위치에 고정되어 운용되거나 또는 이동성을 가질 수도 있다.
본 발명의 무선통신 시스템에 적용되는 다중접속 기법은 CDMA(Code Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access), FDMA(Frequency Division Multiple Access), SC-FDMA(Single Carrier-FDMA), OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 또는 공지된 다른 변조 기술들과 같은 다중 접속 기법을 모두 포함한다.
또한, 상기 하향링크와 상향링크 전송을 위한 다중접속 방식은 서로 상이할 수 있으며, 예를 들어 하향링크는 OFDMA 기법을 사용하고 상향링크는 SC-FDMA 기법을 사용할 수도 있다.
본 발명의 릴레이 시스템에서는 송신측은 다수의 병렬 데이터 스트림(multiple parallel data stream)들을 전송하고, 릴레이 노드에서는 수신된 다수의 데이터 스트림을 SIC(Successive Interference Cancellation)를 이용하여 복호한 후, 이중 일부의 데이터 스트림을 목적지 노드로 전달한다. 소스 노드 및 릴레이 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신한 목적지 노드는 릴레이 노드로부터 수신된 일부 데이터 스트림을 복호한 후, 이를 이용하여 소스 노드로부터 수신된 전체 데이터 스트림에서 나머지 데이터 스트림을 SIC를 이용하여 복호한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 릴레이 시스템에서 가변 전송률 중첩 코딩을 통한 데이터 스트림 전송 과정을 도시한 도면이다.
소스 노드(10)에서는 M개의 데이터 스트림을 각각 특정 전송율 r 및 전력 p로 할당하여 중첩 코딩(superposition coding)한 후 릴레이 노드(20) 및 목적지 노드(30)로 전송한다.
릴레이 노드(20)는 소스 노드(10)로부터 전송된 M개의 데이터 스트림을 수신하여 복호한 후, 이 중 L개의 데이터 스트림을 각각 특정 전송율 ri 및 전력 pi로 할당하여 중첩 코딩 후 목적지 노드(30)로 전달한다.
목적지 노드(30)는 릴레이 노드(20)로부터 전달된 L개의 데이터 스트림을 먼저 복호한 후, 복호 성공한 L개의 데이터 스트림을 기반으로 SIC를 이용하여 소스 노드(10)로부터 전송된 M개의 데이터 스트림에서 나머지 데이터 스트림을 복호하여 전체 데이터 스트림 복호를 완료한다.
즉, 소스 노드(10) 및 릴레이 노드(20)는 M개의 데이터 스트림과 L개의 데이터 스트림을 각각 가변 전송률 중첩코딩(Variable Rate Superposition Coding; 이하, VRSC라 함)하여 목적지 노드(30)로 전송하고, 목적지 노드(30)는 릴레이 노드(20)로부터 전송되는 L개의 데이터 스트림 복호를 우선 수행하여 이를 통해서 나머지 데이터 스트림에 대한 복호를 완료한다. 이와 같이, 릴레이 노드(20)가 소스 노드(10)로부터 전송된 전체 데이터 스트림을 모두 목적지 노드(30)로 전송하지 않고 일부 데이터 스트림만을 목적지 노드(30)로 전달함으로써, 멀티 데이터 스트림 간의 간섭을 줄일 수 있으며 목적지 노드(30)는 M개의 데이터 스트림을 SIC를 이용하여 효율적으로 복호할 수 있다.
바람직하게는, 상기 VRSC 코딩 기법은 전체 송신 안테나 ns를 몇 개의 서브 그룹 nsi로 분류함으로서, 다중 송신 안테나를 통한 데이터 스트림 전송에도 적용될 수 있다. 예를 들어 평균 채널 이득 정보를 이용할 수 있다고 가정하면, 각 안테나 그룹 별로 VRSC를 위한 최적의 전송률 및 전력 할당이 먼저 수행되고 이를 통해서 VRSC 코딩을 수행하여 멀티 데이터 스트림을 전송한다.
VRSC를 통해서 소스 노드(10)로부터 인코딩되어 전송되는 다중화된 데이터 스트림을 수신한 릴레이 노드(20)는 순차복호 및 전달(Successive Decode and Forward, 이하 SuDF라 함) 프로토콜을 통해서 목적지 노드(30)로 데이터 스트림을 전달한다. 상기 SuDF는 다중 병렬 데이터 스트림을 순차 복호(successive decoding)를 통하여 다수의 서브 병렬(sub-parallel) 데이터 스트림으로 분해하여 중첩 코딩후 전송하는 것을 의미한다.
릴레이 노드(20)는 성공적으로 복호된 데이터 스트림들을 데이터 전송률이 높은 순서로 나열하여, 바람직하게는 전송률이 높은 순서로부터 일부의 데이터 스트림을 서브 그룹으로 형성하여 목적지 노드(30)로 전달한다. 또한, 상대적으로 전송률이 낮은 데이터 스트림들은 소스 노드(10)와 목적지 노드(30)간의 데이터 전송 에러 발생시 H-ARQ와 같은 데이터 재전송을 릴레이 노드(20)에서 목적지 노드(30)로 수행할 수도 있기 때문에 릴레이 노드(20)의 버퍼(buffer)에 저장하여 추후 데이터 재전송을 위한 용도로도 활용될 수가 있다.
이와 같은 방법을 통해서 릴레이 노드(20)로부터 목적지 노드(30)로 전송된 협력적 데이터 스트림들은 데이터 스트림 간의 간섭이 줄어들기 때문에 보다 성공적으로 목적지 노드(30)에서 복호될 수 있다.
도 2는 직교 시공간 블록 코드(orthogonal space-time block code; OSTBC) 가 적용된 경우 VRSC 코딩 및 SuDF 과정을 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, M개의 데이터 스트림들이 각각 데이터 전송률 r이 가변되도록 하여 OSTBC를 통해서 M개의 병렬 데이터 스트림(201)으로 중첩 코딩되어 전송된다. 릴레이 노드에서는 M개의 병렬 데이터 스트림(201)을 수신한 후 데이터 복호를 시도하여 성공적으로 복호된 데이터 스트림이 N개라고 할 때, 복호 성공한 N개의 데이터 스트림(203) 중에서 소정의 L개를 선택하여 각각 데이터 전송률 ri가 가변되도록 하여 OSTBC를 통해서 L개의 병렬 서브 데이터 스트림(205)으로 중첩 코딩한 후 목적지 노드로 전달한다.
도 3은 릴레이 노드에서 SuDF 릴레이 프로토콜을 통한 신호 처리 과정을 순차적으로 도시한 순서도이다.
릴레이 노드는 청취 구간(listening phase)에서 소스 노드로부터 M개의 데이터 스트림이 포함된 패킷을 수신한다(S301).
청취 구간에서 릴레이 노드는 수신된 M개의 데이터 스트림 중 데이터 전송률이 가장 낮은 M번째(전송률 rM) 데이터 스트림부터 시작하여 M개의 데이터 스트림에 대하여 순차적으로 SIC를 이용하여 복호를 시도한다(S303). 이때, 목적지 노드도 청취 구간에서 소스 노드로부터 전송되는 데이터 스트림을 수신할 수 있으며, 수신된 신호를 이후의 데이터 복구에 사용 가능하도록 저장할 수 있다. 바람직하게는, 릴레이 노드 및 목적지 노드는 소스 노드로부터 수신된 각 데이터 스트림에 대한 복호 결과를 ACK/NACK 메시지를 전송하여 피드백한다.
상기 S303 단계에서, 릴레이 노드가 M개의 데이터 스트림 중에서 N개의 데이터 스트림 복호를 성공한 것으로 가정하면, 복호가능한 데이터 셋을 A라 할 때, A는 다음 수학식 1과 같이 정의될 수 있다
<수학식 1>
A={XiN, XiN -1, ... Xi1} with N=|A|≤M
이후, 릴레이 노드는 데이터 셋 A에서 복호 가능한 N개의 데이터 스트림 중 소정의 L개 데이터 셋을 선택한다(S305).
릴레이 노드에서 선택된 소정의 데이터 셋을 협력적 서브셋 B라 할 때, B는 다음 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
<수학식 2>
B={Xi1, Xi2, ... XiL}⊂A with L=|B|≤N
바람직하게는, 릴레이 노드는 N개의 복호 가능한 데이터 스트림을 데이터 전송률이 가장 큰 것부터 시작하여 전송률이 낮아지는 순서로 정렬을 하며, 이중 데이터 전송률이 가장 큰 상위 L개의 데이터 스트림 셋을 선택할 수 있다.
상기 L개의 데이터 스트림 셋은 릴레이 노드에서 목적지 노드로 전송시 목적지 노드에서 복호 성공 확률이 높으며 이를 통하여 소스 노드로부터 전달된 M개의 전체 데이터 스트림을 SIC를 이용하여 복구할 가능성이 큰 데이터 스트림 셋으로 결정되는 것이 바람직하다.
이후, 릴레이 노드는 다수의 데이터 스트림 Xij(j=1,2,...,L)를 송신 안테나 nR,ij(nR=nR,i1+nR,i2+...+nR,iL)에 각각 매핑한 후 협력전송 구간에서 해당 심볼
Figure 112010018747776-pat00001
를 목적지 노드로 전달한다(S307).
소스 노드는 상기 릴레이 노드의 협력전송 구간에서도 L개 데이터 스트림 전체 신호 또는 일부 신호를 목적지 노드로 전송하여 협력 전송에 참여할 수도 있다. 또한 소스 노드 또는 릴레이 노드는 상위 레이어 시그널링(signaling) 또는 제어 채널을 통해서 목적지 노드로 협력전송 구간에서 전송되는 데이터 스트림을 목적지 노드로 알려줄 수도 있다. 만약 릴레이 노드에서 복호가능한 데이터 셋 A가 비어 있다면, 협력전송 구간에서 전송 가능한 신뢰성 높은 데이터 스트림이 존재하지 않음을 의미하기 때문에 릴레이 노드는 협력전송을 수행하지 않을 수도 있다.
또한, 협력 전송을 통해 전달되는 데이터 스트림을 제외한 N-L개의 데이터 스트림 셋은 추후 H-ARQ와 같은 데이터 재전송을 위하여 릴레이 노드의 버퍼에 저장된다(S309).
목적지 노드는 청취구간에서 소스 노드로부터 M개의 데이터 스트림을 수신하고, 협력전송구간에서 릴레이 노드로부터 L개의 데이터 스트림을 수신한다. 이후, 목적지 노드는 우선 협력전송 구간에서 릴레이 노드로부터 전송된 L개의 데이터 스트림을 복호한다. 이후, 청취구간에서 소스 노드로부터 수신된 전체 신호 성분(M개의 데이터 스트림)에서 복호된 L개의 데이터 스트림을 제거하여 남은 M-L개의 데이터 스트림을 복호한다.
상기와 같은 릴레이 노드의 부분 정보 전달 기법은 소스 노드와 릴레이 노드 간의 릴레이 링크와 릴레이 노드와 목적지 노드 간의 억세스 링크가 소스 노드와 목적지 노드 간의 직접링크와 비교하여 상대적으로 채널 환경이 좋은 비대칭적인 셀룰러 환경을 고려하여 설계되는 것이 바람직하다. 또한, 릴레이 노드와 소스 노드의 데이터 전송이 시간으로 구분되는 시분할 반이중(half duplexing) 동작 방식을 고려하면, 소스 노드에서는 기본 데이터(basic data) 스트림과 SC(successive cancellation) 데이터 스트림이 포함된 M개의 다중 데이터 스트림을 첫 번째 홉(first hop)에서 전송하고, 릴레이 노드는 오직 L개의 SC 데이터 스트림만을 두 번째 홉(second hop)에서 전송한다. 목적지 노드는 두 번째 홉에서 전송받은 L개의 SC 데이터 스트림을 복호한 후, 첫 번째 홉에서 전송받은 전체 신호에서 SC 데이터 스트림을 제거하여 기본 데이터 스트림을 복호할 수 있다.
바람직하게는 시스템 성능을 향상시키기 위한 방안으로 두 번째 홉의 전송 시구간이 첫 번째 홉의 전송 시구간보다 짧도록 설계하여 상대적으로 양호한 억세스 링크(릴레이 노드와 목적지 노드 간의 링크 채널)를 통해서 릴레이 노드로부터 SC 데이터 스트림이 포함된 부분 정보만을 목적지 노드로 전달하는 적응적 시분할 다중화(adaptive TDM)를 통한 데이터 릴레이 방식도 가능하다. 상기와 같은 적응적 시분할 다중화 기법은 SC 데이터 스트림의 부분 정보만이 보다 신속하게 목적지 노드로 전달(forward)될 수 있기 때문에 전반적인 데이터 전송 용량(rate capacity)을 증가시킬 수 있으며, 릴레이 시스템의 반이중(half duplexing) 동작에 따른 정보 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 4는 전송 안테나 각각에 대한 중첩 코딩을 통한 멀티 데이터 스트림을 전송 방법을 설명하는 도면이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 기본 데이터(basic data) 및 SC 데이터는 각각의 데이터 스트림 또는 데이터 레이어(layer)가 각 안테나 별로 연속적으로(serially) 형성되며, 안테나 별로 할당된 전력 PM은 전력분배상수(power division factor; αm, m=1, 2, ..., M)에 따라서 두 개의 데이터 스트림 또는 레이어로 분배되어 할당된다. 여기서 두 개의 데이터 스트림 또는 레이어로 분배된 전력은 비대칭 채널 링크를 고려하여 결정된다.
도 5는 각 안테나 별 중첩 코딩(Per Antenna Superposition Coding; PASC)을 통한 부분 정보 릴레이 방법을 도시한 도면이다.
PASC를 통한 다중 데이터 스트림 전송시는 전체적인 데이터 전송 용량이 최대화되도록 전력분배상수 αm를 최적화하여야 한다. 바람직하게는 전력분배상수 αm의 최적화는 직접 링크와 릴레이 링크간의 비대칭 채널 조건을 고려하여 데이터 스트림 간의 간섭을 최소화하기 위하여 MMSE-SIC 알고리즘과 같은 적절한 비상관(decorrelation) 프로세스 후에 안테나 별 SINR(Signal to Interference Noise Ratio)을 통해서 결정될 수 있다.
또한, 도 5에 도시된 바와 같이, 소스 노드에서 릴레이 노드로 전송되는 멀티 데이터 스트림 중에서 SC 데이터 스트림에 대해서는 상대적으로 basic 데이터 스트림에 비해서 높은 전송파워를 할당하여 전송함으로써 릴레이 노드의 SC 데이터 스트림을 수신/복호 확률을 높이도록 구현될 수도 있다.
도 6은 PASC를 통한 부분 정보 릴레이 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 6 (a)는 제1 전송구간으로서 송신 안테나가 2개인 경우로 가정할 때, 소스 노드는 다음 수학식 3과 같은 2개의 데이터 스트림을 브로드캐스트(broadcast)한다.
<수학식 3>
제1 데이터 스트림 :
Figure 112010018747776-pat00002
제2 데이터 스트림 :
Figure 112010018747776-pat00003
상기 수학식에서 αi는 i번째 스트림의 basic 데이터 xb ,i와 SC 데이터 xs ,i의 전력분배상수를 나타낸다. 제1 전송구간에서 소스 노드로부터 신호를 수신한 릴레이 노드는 basic 데이터를 복호한 후, SC 데이터를 복호한다. 또한 목적지 노드는 소스 노드로부터 수신한 신호를 메모리에 저장한다.
도 6 (b)는 제2 전송구간으로서 릴레이 노드는 제1 전송구간에서 소스 노드로부터 수신한 신호중 복호 성공한 SC 데이터 xs ,1 및 xs ,2를 다시 인코딩하여 목적지 노드로 전달한다. 목적지 노드는 수신된 SC 데이터 스트림 xs ,1 및 xs ,2를 MMSE-SIC를 이용하여 추정한 후 복호한다. 이후, 복호된 xs ,1 및 xs ,2를 기반으로, 제1 전송구간에 소스 노드로부터 수신한 xb ,1 및 xb ,2를 복호하기 위하여 SIC를 수행한다.
도 7는 M개의 전송 안테나에 대해서 다중 레이어(multi-layer) 중첩 코딩을 수행하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 7에 도시된 바와 같이, 기본 데이터(basic data) 및 SC 데이터는 각각 안테나 별로 독립적으로 데이터 스트림이 형성되어 전송된다.
도 8은 다중 레이어(multi-layer) 중첩 코딩을 통한 멀티 데이터 스트림 전송 방법을 설명하는 도면이다.
다중 레이어 중첩코딩(Multi-Layer Superposition Coding; 이하 MLSC라 함)을 통한 다수의 데이터 스트림의 다중 병렬 전송에 있어서, 무엇보다도 릴레이 노드에 의해서 부분 전송될 SC 데이터 스트림 서브셋을 결정하는 것이 중요한 요소이다. 즉, 전체 데이터 전송용량이 최대화 되도록 하는 적응적 파라미터 L을 결정하여야 한다.
바람직하게는 적응적 파라미터 L의 최적화는 직접 링크와 릴레이 링크간의 비대칭 채널 조건을 고려하여 데이터 스트림 간의 간섭을 최소화하기 위하여 MMSE-SIC 알고리즘과 같은 적절한 비상관(decorrelation) 프로세스 후에 안테나 별 SINR(Signal to Interference Noise Ratio)을 통해서 결정될 수 있다.
도 8의 경우는, 전송 안테나 M=2 이며, 적응적 파라미터 L=1인 경우의 MLSC를 통한 데이터 스트림 부분 전송을 도시하고 있다.
도 9는 MLSC를 통한 부분 정보 릴레이 방법을 순차적으로 나타낸 도면으로서, 송신 안테나 M=2이며, L=1인 경우를 도시한 것이다.
도 9 (a)는 제1 전송구간으로서 소스 노드는 전체 전송용량을 최대화하는 L 값을 선택한 후, 2개의 데이터 스트림인 basic 데이터 xb , 1와 SC 데이터 xs ,1을 브로드캐스트(broadcast)한다. 이를 수신한 릴레이 노드는 MMSE-SIC 등을 이용하여 SC 데이터 스트림 xs만을 복호한다. 또한 목적지 노드는 소스 노드로부터 수신한 신호를 메모리에 저장한다.
도 9 (b)는 제2 전송구간으로서 릴레이 노드는 제1 전송구간에서 소스 노드로부터 수신한 신호중 복호한 SC 데이터 xs를 다시 인코딩하여 모든 안테나를 사용하여 목적지 노드로 전달한다. 목적지 노드는 수신된 SC 데이터 스트림 xs를 MMSE-SIC를 이용하여 추정한 후 복호한다. 이후, 복호된 xs를 기반으로, 제1 전송구간에 소스 노드로부터 수신한 xb를 복호하기 위하여 SIC를 수행한다.
이하에서는 PASC 및 MLSC를 통한 다중 데이터 스트림 전송시 전체적인 데이터 전송 용량이 최대화되도록 전력분배상수 αm 및 적응 파라미터 L을 최적화하는 기법에 대해서 설명한다.
PASC를 통한 부분 정보 릴레이를 위하여 m번째 데이터 스트림에 대한 전력분배상수 αm은, 소스 노드와 목적지 노드 간의 직접링크에 대한 안테나 별 SINR을 γ0,m (m=1,2,...,M)이라 하고, 소스 노드와 릴레이 노드 간의 릴레이 링크에 대한 안테나 별 SINR을 γ1,m (m=1,2,...,M)이라 할 때, 다음 수학식과 같이 결정될 수 있다.
<수학식 4>
Figure 112010018747776-pat00004
또한, 안테나 당 할당 전력 Pm은 하기 수학식과 같은 워터필링(water-filling) 알고리즘을 통하여 결정될 수 있다.
<수학식 5>
Figure 112010018747776-pat00005
상기 수학식에서 λ는 전체 전력 P가 m번째 데이터 스트림에 할당되었을 때, 소스 노드와 릴레이 노드 간의 릴레이 링크의 m번째 데이터 스트림이 전송되는 안테나의 SINR을 나타내며, λ1,m은 전력 Pm이 할당된 m번째 데이터 스트림이 전송되는 안테나의 SINR을 나타낸다. 또한 λ는 전체 전력에 대한 제약조건(∑mPm≤P)에 부합하도록 결정된다.
마찬가지로 소스 노드와 목적지 노드 간의 직접링크에 대한 안테나 별 SINR을 γ0,m (m=1,2,...,M)이라 하고, 소스 노드와 릴레이 노드 간의 릴레이 링크에 대한 안테나 별 SINR을 γ1,m (m=1,2,...,M)이라 할 때, MLSC를 통한 부분 정보 릴레이 기법의 최적화된 적응 파라미터 L은 다음 수학식 6과 같이 결정될 수 있다.
<수학식 6>
Figure 112010018747776-pat00006
u(x)=1 if x>δ, u(x)=0 otherwise
PASC를 이용한 부분 정보 릴레이 기법과 MLSC를 이용한 부분 정보 릴레이 기법을 적용한 경우 전반적인 전송용량을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과는 도 10에 도시된 바와 같다.
도 10은 안테나 개수 M=4이며, 릴레이 링크의 SNR은 γ1=20dB, 억세스 링크의 SNR은 γ2=15dB라 할 때, 본 발명에서 제안하는 부분 정보 릴레이 기법을 통한 평균 전송용량, 기존 릴레이 프로토콜을 통한 평균 전송용량 및 직접링크만을 통한 평균 전송용량을 직접링크의 SNR γ0 변화에 따라서 비교한 성능결과이다. 직접링크 채널 상태가 좋지 못한 경우에는 제안된 부분 정보 릴레이 기법을 적용한 경우가 성능이 매우 좋은 것을 확인할 수 있으며, 직접링크 채널 상태가 좋아지는 경우에도 제안된 기법을 적용할 경우 성능향상이 이루어짐을 알 수 있으나, 종래 릴레이 기법에 따를 경우에는 직접링크 채널 상태와 상관없이 일정한 상태가 유지됨을 알 수 있다.
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 릴레이 노드의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
릴레이 노드는 소스 노드로부터 중첩코딩(superposition coding)된 다수의 데이터 스트림을 수신하는 수신기(101), 수신기(101)를 통해서 수신된 다수의 데이터 스트림에 대해서 복호를 수행하는 복호기(103), 복호기(103)를 통해서 복호 성공한 데이터 스트림 중 일부의 데이터 스트림을 선택하는 선택기(105), 선택기(105)를 통해서 선택된 일부의 데이터 스트림을 부호화하는 부호기(107), 상기 부호화된 일부의 데이터 스트림을 목적지 노드로 송신하는 송신기(109) 및 수신된 다수의 데이터 스트림 중 목적지 노드로 전달하는 일부 데이터 스트림을 제외한 나머지 데이터 스트림을 저장하는 메모리(117)를 포함한다.
여기까지 설명된 본 발명에 따른 방법은 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 저장 매체(예를 들어, 단말 내부 메모리, 플래쉬 메모리, 하드 디스크, 기타 등등)에 저장될 수 있고, 프로세서(예를 들어, 단말 내부 마이크로 프로세서)에 의해서 실행될 수 있는 소프트웨어 프로그램 내에 코드들 또는 명령어들로 구현될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시 예에만 한정되는 것은 아니므로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.

Claims (14)

  1. 릴레이 노드를 포함하는 릴레이 시스템(relay system)의 멀티다중 데이터 스트림(multiple data streams) 전송 방법에 있어서,
    상기 릴레이 노드가 소스 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신하는 단계;
    상기 릴레이 노드가 상기 수신된 다수의 데이터 스트림에 대해서 복호를 수행하는 단계;
    상기 릴레이 노드가, 복호 성공한 데이터 스트림 중 일부의 데이터 스트림을 선택하는 단계;
    상기 릴레이 노드가 다중 레이어 중첩코딩(Multi-Layer Superposition Coding)을 통해 상기 선택된 일부의 데이터 스트림을 부호화하는 단계; 및
    협력 전송 구간 동안 상기 릴레이 노드가 상기 부호화한 일부의 데이터 스트림을 목적지 노드로 전달하는 단계를 포함하고,
    상기 다중 레이어 중첩코딩은
    통신 안테나의 수 및 적응 파라미터 L에 따라 수행되고,
    상기 적응 파라미터 L은 하기의 수학식 1에 의해 산출되는 다중 데이터 스트림 전송 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112015104159246-pat00018

    (γ0,m (m=1,2,...,M)은 소스 노드와 목적지 노드 간의 직접링크에 대한 안테나 별 SINR이고,
    γ1,m (m=1,2,...,M)은 소스 노드와 릴레이 노드 간의 릴레이 링크에 대한 안테나 별 SINR이고,
    x가 δ보다 클 때에는 u(x)=1, 이외의 경우에는 u(x)=0 )
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 릴레이 노드가, 수신된 다수의 데이터 스트림 중 목적지 노드로 전달하는 일부 데이터 스트림을 제외한 나머지 데이터 스트림을 저장하는 단계를 더 포함하는 다중 데이터 스트림 전송 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 데이터 스트림에 대한 복호 수행 단계는,
    상기 릴레이 노드가 데이터 전송률이 가장 낮은 데이터 스트림부터 시작하여 순차적으로 SIC(Successive Interference Cancellation)을 이용하여 수신된 다수의 데이터 스트림에 대하여 복호를 수행하는 것을 특징으로 하는 다중 데이터 스트림 전송 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 일부의 데이터 스트림 선택 단계는,
    상기 릴레이 노드가 복호 성공한 데이터 스트림들을 데이터 전송률이 높은 순서로 정렬하여 데이터 전송률이 높은 상위 L개의 데이터 스트림을 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 데이터 스트림 전송 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 선택된 일부의 데이터 스트림 부호화 단계는,
    상기 릴레이 노드가 각 데이터 스트림의 전송률이 가변되도록 중첩 코딩하는 것을 특징으로 하는 다중 데이터 스트림 전송 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 릴레이 노드가 상기 소스 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신하는 단계는,
    목적지 노드로 전달할 일부 데이터 스트림 선택 정보를 함께 수신하는 것을 특징으로 하는 다중 데이터 스트림 전송 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 데이터 스트림 복호 단계는,
    상기 릴레이 노드가 상기 복호 성공 여부에 대한 ACK/NACK 메시지를 상기 소스 노드로 전송하는 단계, 및
    상기 릴레이 노드가 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전달할 일부 데이터 스트림 선택 정보를 수신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 데이터 스트림 전송 방법.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 일부의 데이터 스트림을 전달받은 상기 목적지 노드는,
    상기 일부의 데이터 스트림에 대해서 우선 복호를 수행한 후, 복호된 일부의 데이터 스트림을 이용하여 SIC(Successive Interference Cancellation)을 통해서 소스 노드로부터 기 수신된 전체 데이터 스트림에 대한 복호를 수행하는 것을 특징으로 하는 다중 데이터 스트림 전송 방법.
  9. 릴레이 시스템(relay system)의 다중 데이터 스트림 전송 장치에 있어서,
    소스 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신하는 수신기;
    상기 수신기를 통해서 수신된 다수의 데이터 스트림에 대해서 복호를 수행하는 복호기;
    상기 복호기를 통해서 복호 성공한 데이터 스트림 중 일부의 데이터 스트림을 선택하는 선택기;
    상기 선택기를 통해서 선택된 일부의 데이터 스트림을 다중 레이어 중첩코딩(Multi-Layer Superposition Coding)을 통해 부호화하는 부호기; 및
    협력 전송 구간 동안 상기 부호화된 일부의 데이터 스트림을 목적지 노드로 송신하는 송신기를 포함하고,
    상기 다중 레이어 중첩코딩은
    통신 안테나의 수 및 적응 파라미터 L에 따라 수행되고,
    상기 적응 파라미터 L은 하기의 수학식 2에 의해 산출되는 다중 데이터 스트림 전송 장치.
    [수학식 2]
    Figure 112015104159246-pat00019

    (γ0,m (m=1,2,...,M)은 소스 노드와 목적지 노드 간의 직접링크에 대한 안테나 별 SINR이고,
    γ1,m (m=1,2,...,M)은 소스 노드와 릴레이 노드 간의 릴레이 링크에 대한 안테나 별 SINR이고,
    x가 δ보다 클 때에는 u(x)=1, 이외의 경우에는 u(x)=0 )
  10. 제 9항에 있어서,
    수신된 다수의 데이터 스트림 중 목적지 노드로 전달하는 일부 데이터 스트림을 제외한 나머지 데이터 스트림을 저장하는 메모리를 더 포함하는 다중 데이터 스트림 전송 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 복호기는 데이터 전송률이 가장 낮은 데이터 스트림부터 시작하여 순차적으로 SIC(Successive Interference Cancellation)을 이용하여 수신된 다수의 데이터 스트림에 대하여 복호를 수행하는 것을 특징으로 하는 다중 데이터 스트림 전송 장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 부호기는 각 데이터 스트림의 전송률이 가변되도록 중첩 코딩하는 것을 특징으로 하는 다중 데이터 스트림 전송 장치.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 선택기는 소스 노드로부터 수신되는 데이터 스트림 선택 정보를 참조하여 일부의 데이터 스트림을 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 데이터 스트림 전송 장치.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 선택기는 복호 성공한 데이터 스트림들을 데이터 전송률이 높은 순서로 정렬하여 데이터 전송률이 높은 상위 L개의 데이터 스트림을 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 데이터 스트림 전송 장치.
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