KR101650573B1

KR101650573B1 - 다중 사용자 ｏｆｄｍ 시스템의 적응적 자원 할당 방법 및 장치

Info

Publication number: KR101650573B1
Application number: KR1020090116248A
Authority: KR
Inventors: 이재영
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2009-11-27
Filing date: 2009-11-27
Publication date: 2016-08-23
Also published as: US20110128927A1; US8638736B2; KR20110059493A

Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 다중화 방식을 사용하는 무선 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 다중 사용자 OFDM 시스템에서의 적응적 자원 할당 방법 및 장치에 관한 것이다. 본 발명은 복수의 사용자 단말로부터 사용자의 요구 전송률 및 채널 상태 정보를 수신하는 과정과 상기 사용자의 요구 전송률에 대한 정보를 기초로 사용자간 요구 전송 비율 및 다중 프레임의 개수를 설정하는 과정과 상기 설정된 다중 프레임의 개수 동안, 상기 채널 상태 정보 및 상기 사용자간 요구 전송 비율을 기초로 각 사용자 단말에 부반송파 및 전송 전력을 할당하는 과정 및 상기 부반송파에 할당된 전송 전력을 재분배하는 과정을 포함하는 기지국 장치의 자원 할당 방법을 제공한다. 본 발명은 다중 프레임 환경을 고려한 다중 사용자 OFDM 시스템에서 사용자 간 요구 전송 비율을 만족하면서 전체 시스템의 데이터 전송률을 최대화할 수 있다.

다중 사용자 OFDM, 다중 프레임, 자원 할당, 부반송파, 전송 전력

Description

다중 사용자 ＯＦＤＭ 시스템의 적응적 자원 할당 방법 및 장치{METHOD AND APPARATUS FOR ADAPTIVE RESOURCE ALLOCATION IN MULTI-USER OFDM SYSTEM}

본 발명은 직교 주파수 분할 다중화 방식을 사용하는 무선 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 다중 사용자 OFDM 시스템에서의 적응적 자원 할당 방법 및 장치에 관한 것이다.

오늘날 고속의 이동통신을 지원하기 위해 많은 무선 통신 기술들이 후보로 제안되고 있으며, 이 중에서 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing, 이하 'OFDM'이라 칭함) 기법은 다중 반송파(multicarrier) 변조 방식의 일종으로, 현재 가장 유력한 차세대 무선 통신 기술로 인정받고 있다.

상기 OFDM 방식은 직렬로 입력되는 심볼(Symbol)열을 병렬로 변환하고 상기 병렬로 변환된 심볼 열을 상호 직교성을 갖는 부반송파(Sub-Carrier)를 통해 변조하여 전송하는 방식이다. 상기 OFDM 방식은 무선 인터넷, 디지털 오디오 방송(Digital Audio Broadcasting: DAB)과 디지털 멀티미디어 방송(Digital Multimedia Broadcasting: DMB), 무선 랜(Wireless Local Area Network: WLAN)등의 고속 데이터 전송이 필요한 디지털 전송 기술에 광범위하게 적용될 수 있다.

도 1은 일반적인 직교 주파수 분할 다중화 방식의 송수신기 체인을 도시하고 있다.

도 1을 참조하면, OFDM 기술을 사용하는 통신 시스템에서의 송신기 체인(110)에서, 제어 신호들 또는 데이터(111)는 변조기(112)에 의해 일련의 변조 심볼들로 변조되고, 이후 직/병렬 변환기(113)에 의해 직렬 신호에서 병렬 신호로 변환된다.

부반송파 맵핑부(114)는 상기 직/병렬 변환기(113)로부터 출력된 병렬 신호를 주파수 도메인에서 부반송파에 맵핑하는 동작을 수행한다. 역 고속 퓨리에 변환부(115)는 주파수 도메인에서 시간 도메인으로, 상기 병렬 신호들을 다수의 OFDM 심볼들로 변환하기 위하여 사용된다. 싸이클릭 프리픽스(Cyclic prefix, CP) 또는 제로 프리픽스(Zero prefix, ZP)는 다중 경로 페이딩으로 인한 영향을 제거하거나 감소하기 위해 CP 삽입부(117)에 의해 각각의 OFDM 심볼에 부가된다. 그 결과, 상기 신호는 안테나(미도시)와 같은 송신단 전 처리부(118) 또는 선택적으로 유선 또는 케이블에 의해 전송된다.

수신기 체인(120)에서, 완벽한 시간 및 주파수 동기가 획득된다면, 상기 수신단 전 처리부(121)에 의해 수신된 신호는 CP 제거부(122)에 의해 처리된다. 고속 퓨리에 변환부(124)는 후속 처리를 위해 상기 수신된 신호를 시간 도메인에서 주파수 도메인으로 변환한다.

상기 OFDM 시스템에서, 각각의 OFDM 심볼은 다수의 부반송파들로 구성되고, 상기 OFDM 심볼 내 각각의 부반송파는 변조 심볼을 운반한다.

도 2는 부반송파 1, 부반송파 2, 부반송파 3을 사용하는 OFDM 전송 방식의 일 예를 도시하고 있다. 각각의 OFDM 심볼은 시간 도메인에서 유한한 지속 시간을 가지고 있기 때문에, 상기 부반송파들은 주파수 도메인에서 서로 중첩된다.

도 2에 도시된 바와 같이, 상기 송수신기에서 완벽한 주파수 동기화를 획득한다면 샘플링 주파수에서 직교성이 유지될 수 있다. 불완전한 주파수 동기화 또는 고속의 이동성으로 인한 주파수 오프셋이 발생하면, 상기 샘플링 주파수들에서 상기 부반송파들의 직교성은 파괴되고, 반송파 간 간섭(inter-carrier-interference, ICI)을 초래한다.

도 3은 시간 도메인에서 송수신된 OFDM 심볼들의 일 예를 도시하고 있다. 다중 경로 페이딩 때문에, 상기 수신된 신호의 CP 부분은 종종 이전 OFDM 심볼에 의해 손상된다. 그러나, 상기 CP가 충분히 길다면, CP 없는 상기 수신된 OFDM 심볼은 상기 다중 경로 페이딩 채널에 의해 컨볼루트된 자신의 신호만을 포함해야 한다. 일반적으로, 이후 주파수 도메인에서의 처리를 위해 수신단은 고속 퓨리에 변환을 수행한다. 다른 전송 방식들에 비해 OFDM 방식의 장점은 다중 경로 페이딩에 강건하다는 점이다. 시간 도메인에서 다중 경로 페이딩은 주파수 도메인에서 주파수 선택적 페이딩으로 변형된다. 상기 싸이클릭 프리픽스(CP) 또는 제로 프리픽스(ZP)가 부가됨으로써, 인접한 OFDM 심볼들 사이의 심볼 간 간섭은 제거되거나 크게 줄어든다. 더욱이, 각각의 변조 심볼은 좁은 대역폭을 통해 전송되기 때문에, 상기 변조 심볼은 단일 경로 페이딩을 겪는다. 주파수 선택적 페이딩을 해결하기 위해 간단한 등화 방식이 사용될 수 있다.

다중 사용자 OFDM 시스템은 각 사용자 단말에 서로 다른 부반송파를 할당하는 방식으로, 사용자 단말들이 각각 독립적인 페이딩을 겪기 때문에 다중 사용자 다이버시티 효과를 얻을 수 있다. 따라서 단일 사용자 단말에 대역폭을 할당하는 방식보다 효율적으로 무선 자원을 사용할 수 있다.

더욱이, 다중 사용자 OFDM 시스템은 사용자 단말의 채널 상태에 따라 부반송파의 변조 레벨 및 코딩 레이트를 다르게 적용하는 적응적 변조 및 코딩(AMC: Adaptive Modulation and Coding) 방식, 송신단 전력 제어 방식인 워터 필링(Water Filling)과 같은 방식을 접목함으로써 시스템의 전체 데이터 전송률을 최대화할 수 있다.

이와 더불어, 상기 다중 사용자 OFDM 시스템은 전송 전력 및 다중 경로 페이딩 등과 같은 여러 가지 제약 조건들의 존재 하에 시스템의 전체 데이터 전송률을 최대화하기 위한 다양한 자원 할당 방법들이 제안되고 있다. 특히, 다중 사용자 OFDM 시스템에서 사용자간 요구 전송 비율을 만족시키면서 시스템 전체의 데이터 전송률을 최대화하기 위한 부반송파 및 전력 할당 방법이 요구된다.

본 발명은 다중 사용자 OFDM 시스템에서 전체 시스템의 데이터 전송률을 최대화하기 위한 자원 할당 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명은 다중 사용자 OFDM 시스템에서 사용자 단말 간 요구 전송 비율을 만족하면서 전체 시스템의 데이터 전송률을 최대화하기 위한 부반송파 및 전력 할당 방법 및 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 다중 프레임 환경을 기반한 다중 사용자 OFDM 시스템에서 사용자 단말 간 요구 전송 비율을 만족하면서 전체 시스템의 데이터 전송률을 최대화하기 위한 자원 할당 방법 및 장치를 제공한다.

본 발명은 무선 통신 시스템에서 기지국 장치의 자원 할당 방법에 있어서, 복수의 사용자 단말로부터 사용자의 요구 전송률 및 채널 상태 정보를 수신하는 과정과; 상기 사용자의 요구 전송률에 대한 정보를 기초로 사용자간 요구 전송 비율 및 다중 프레임의 개수를 설정하는 과정과; 상기 설정된 다중 프레임의 개수 동안, 상기 채널 상태 정보 및 상기 사용자간 요구 전송 비율을 기초로 각 사용자 단말에 부반송파 및 전송 전력을 할당하는 과정; 및 상기 부반송파에 할당된 전송 전력을 재분배하는 과정을 포함하는 자원 할당 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 무선 통신 시스템에서 자원 할당을 위한 기지국 장치에 있어서, 복수의 사용자 단말로부터 사용자의 요구 전송률 및 채널 상태 정보를 수신 하는 수신부와; 상기 사용자의 요구 전송률에 대한 정보를 기초로 사용자간 요구 전송 비율 및 다중 프레임의 개수를 설정하고, 상기 설정된 다중 프레임의 개수 동안, 상기 채널 상태 정보 및 상기 사용자간 요구 전송 비율을 기초로 각 사용자 단말에 부반송파 및 전송 전력을 할당하며, 상기 부반송파에 할당된 전송 전력을 재분배하는 부반송파 및 전력 할당기; 및 상기 부반송파 및 전력 할당기에서 출력된 자원 할당 정보를 이용하여 각 사용자 데이터에 부반송파 및 전력을 매핑하는 부반송파 및 전력 매핑기를 포함하는 기지국 장치를 제공한다.

본 발명에 있어서 개시되는 발명 중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다. 본 발명은 다중 프레임 환경에서의 다중 사용자 다이버시티 효과를 제공할 수 있다. 또한, 본 발명은 다중 프레임 환경을 고려한 다중 사용자 OFDM 시스템에서 사용자 간 요구 전송 비율을 만족하면서 전체 시스템의 데이터 전송률을 최대화할 수 있다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

본 발명은 다중 사용자 OFDM 시스템에서의 적응적 자원 할당 방법에 관한 것이다. 상기 다중 사용자 OFDM 시스템은 다중 프레임으로 구성되어 있지만, 기존의 자원 할당 방법은 단일 프레임(Single Frame) 환경에서의 사용자간 요구 전송 비율을 만족시키는 방식이 사용되었다. 이러한 자원 할당 방법은 단일 프레임 환경에서의 다중 사용자 다이버시티 효과를 얻을 수 있고, 매 프레임 마다 사용자간 전송 비율을 만족시킬 수 있다는 장점이 있다.

하지만, 다중 프레임 환경의 다이버시티 효과를 얻을 수 없으므로 시스템 전체의 데이터 전송률이 낮아진다는 단점이 있다. 예를 들어, 현재 프레임에서 채널 상태가 좋지 않은 사용자가 이후 프레임에서는 채널 상태가 좋을 수 있지만, 종래의 자원할당 방법은 현재 프레임에서 채널 상태가 좋지 않은 사용자의 전송 비율도 만족시켜야 하기 때문에, 이로 인해 전체 시스템의 데이터 전송률이 낮아진다. 또한, 기존의 자원 할당 방법은 높은 평균 채널 신호 대 잡음 비 (SNR: Signal to Noise Ratio) 값을 가지는 경우에만 적용 가능하다는 단점이 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에서는 다중 프레임 환경을 고려한 다중 사용자 OFDM 시스템에서 사용자 단말(또는 사용자) 간 요구 전송 비율을 고려하여 전체 시스템의 데이터 전송률을 최대화하기 위한 자원 할당 방법을 설명한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자원 할당 방법은 크게 사용자간 요구 전송 비율을 설정하는 과정, 부반송파 및 전송 전력을 할당하는 과정 및 부반송파에 할당된 전송 전력을 재분배하는 과정으로 구성될 수 있다.

이하에서는, 본 발명의 바람직한 실시 예에 대해 도면을 참조하여 상세히 설 명하도록 한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자원 할당 방법의 전체 흐름을 도시하고 있다.

도 4를 참조하면, 402 단계에서 다중 사용자 OFDM 시스템에 접속한 모든 사용자 단말에 대해 목표로 하는 사용자 간 요구 전송 비율을 설정한다. 상기 사용자간 요구 전송 비율은 사용자들이 실제로 요구하는 전송률에 대한 정보를 기초로 상기 OFDM 시스템에서 미리 결정할 수 있다. 그리고, 상기 OFDM 시스템은 상기 사용자간 요구 전송 비율을 만족시키기 위한 다중 프레임의 개수(F)를 설정한다.

404 단계에서, 각각의 프레임 f (1≤f≤F) 마다 모든 사용자 단말로부터 현재의 채널 상태 정보를 수신하고, 상기 채널 상태 정보와 사용자간 요구 전송 비율을 고려하여 시스템의 전체 데이터 전송률이 최대가 되도록 부반송파를 할당한다.

이 때, 상기 OFDM 시스템은 각 사용자 단말에 할당된 부반송파로 전송 가능한 전송 용량을 계산하기 위해, 전체 전송 전력이 전체 부반송파에 동일하게 분배되었음을 가정한다. 따라서, 각 사용자 단말에 할당된 부반송파에 분배된 전력을 계산할 수 있다.

한편, 상기 OFDM 시스템은 상기 사용자 단말들로부터 채널 상태 정보를 실시간으로 획득하거나 이전에 얻은 채널 상태로부터 현재의 채널 상태를 추정함으로써 상기 채널 상태 정보를 획득할 수 있음은 당업자에게 자명할 것이다.

406 단계에서, 사용자간 요구 전송 비율과 사용자간 실제 전송 비율 사이의 에러가 소정의 허용 오차 범위를 넘지 않도록 하기 위해 상기 부반송파에 할당된 전력을 재분배한다.

상기 406 단계가 완료되면 408 단계로 이동하여, 현재 프레임(f)이 마지막 프레임(F)인지 여부를 확인한다.

만약, 현재 프레임이 마지막 프레임이 아닌 경우 404 단계로 이동하여 부반송파 할당 및 전력 재분배 과정을 반복 수행한다. 즉, 상기 402 단계에서 설정한 다중 프레임의 개수(F) 만큼 반복 수행한다.

만약, 현재 프레임이 마지막 프레임인 경우(f=F) 402 단계로 이동하여 자원 할당 과정을 반복 수행한다. 상기 자원 할당 과정은 미리 설정된 주기 또는 특정 이벤트에 따라 상기 OFDM 시스템에 접속한 사용자가 존재하는 동안 반복 또는 재 수행될 수 있다.

이상의 과정을 통해, 본 발명은 다중 프레임 환경을 고려한 다중 사용자 OFDM 시스템에서 사용자 단말 간 요구 전송 비율을 고려하여 자원을 할당함으로써 전체 시스템의 데이터 전송률을 최대화할 수 있다.

이하에서는, 상기 402 단계 내지 상기 404 단계의 세부 동작에 대해 도면을 참조하여 상세히 설명하도록 한다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사용자간 요구 전송 비율을 설정하는 과정을 도시하고 있다.

도 5를 참조하면, 502 단계에서 다중 사용자 OFDM 시스템에 접속한 모든 사용자 단말에 대해 목표로 하는 사용자 간 요구 전송 비율(φ₁:φ₂:...:φ_K)을 설정 한다. 상기 사용자간 요구 전송 비율은 사용자들이 실제로 요구하는 전송 용량에 대한 정보를 기초로 상기 OFDM 시스템에서 미리 결정할 수 있다.

한편, 상기 OFDM 시스템에 접속한 사용자가 K 명이고, 상기 시스템에 할당된 총 부반송파의 개수가 N 개라고 가정할 때, 각 사용자간 실제 전송 비율을 하기와 같은 방법으로 계산할 수 있다.

각 사용자 k (1≤k≤K)가 프레임 f (1≤f≤F)에서 획득할 수 있는 전송 용량 r _k,f (bits/s/Hz)은 하기 수학식 1과 같이 계산된다.

여기서,

은 프레임 f에서 사용자 k가 부반송파 n (1≤n≤N)에 할당된 전송 전력,

은 프레임 f에서 사용자 k가 부반송파 n에서 가지고 있는 신호 대 잡음 비,

프레임 f에서 사용자 k가 부반송파 n의 할당 여부를 가리는 지시자를 나타낸다.

상기 신호 대 잡음 비는

로 정 의되며,

은 채널 이득(channel gain), N₀는 부가적 백색 가우시안 잡음(AWGN : Additional White Gaussian Noise), B는 채널 대역폭 (channel bandwidth)을 의미한다.

만약 프레임 f에서 사용자 k에 부반송파 n이 할당되면,

값을 1로 설정하고, 나머지 사용자들에 대해서는 상기 부반송파가 할당되지 않았음을 나타내기 위하여

값을 0으로 설정한다.

상기 수학식 1에서, 타겟 비트 에러율(BER : Bit Error Rate)을 고려하면, 하기 수학식 2와 같이 표현된다.

여기서,

은 신호 대 잡음비 차이(gap)로서

이고, Q^-1는 Q 함수의 역함수이며, BER_k,f은 사용자 k의 f프레임에서의 타겟 비트 에러율을 나타낸다.

상기 OFDM 시스템은 상기 수학식 1 또는 수학식 2를 이용하여 첫 프레 임(f=1)에서 현재 프레임(f)까지 각 사용자간 실제 전송 비율

을 계산할 수 있다.

504 단계에서, 상기 OFDM 시스템은 상기 사용자간 요구 전송 비율을 만족시키기 위한 다중 프레임의 개수(F)를 설정한다. 상기 다중 프레임의 개수는 다양한 실험 및 시뮬레이션을 기초로 상기 OFDM 시스템에 의해 미리 설정될 수 있다.

506 단계에서, 프레임 인덱스 f를 1로 초기화한다. 이로서, 프레임 인덱스 f는 첫 번째 프레임인 f=1 로부터 시작해서 마지막 프레임인 f=F 까지 하나씩 증가할 수 있고, 모든 프레임들 각각에 대해 부반송파 할당 및 전력 재분배 과정을 수행할 수 있다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부반송파 및 전력 할당 과정을 도시하고 있다.

도 6을 참조하면, 602 단계에서 상기 OFDM 시스템은 부반송파 할당 및 전력 할당을 위한 변수 초기화를 수행한다.

즉, 변수 Θ은 할당되지 않은 부반송파로 정의하고, 변수 Ω_k는 사용자 k에 할당된 부반송파로 정의한다. 그리고, 각 프레임에서 사용자 별 요구 전송 비율과 실제 전송 비율과의 허용 오차범위(

)를 결정한다.

상기 허용 오차범위는 상기 OFDM 시스템에 의해 미리 설정되는 값으로, 각 사용자와 각 프레임마다 서로 다른 값을 가질 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 상기 허용 오차범위를 하기 수학식 3에 의해 설정되는 것을 예시하고 있으나, 다른 방법에 의해 설정될 수 있음은 당업자에게 자명하다.

여기서, ε_k 는 사용자 k의 최종 오차범위(마지막 프레임 F에서의 오차범위)를 나타낸다.

604 단계에서, 상기 OFDM 시스템은 각 사용자 별로 부반송파 및 전송 전력을 할당한다. 상기 부반송파 및 전송 전력의 할당 방법은 하기 알고리즘에 의해 수행될 수 있다.

{For

= 1 to K

Find

Allocate subcarrier

for user

as

Update

Allocate power

Calculate

using [figure 1]

Extract allocated subcarrier

End}

즉, 상기 OFDM 시스템은 각 사용자 별로 채널 상태가 가장 좋은 부반송파(

)를 하나씩 할당한다. 그리고, 상기 할당된 부반송파는 다른 사용자에게 할당되지 않는다.

상기 시스템의 전체 전송 전력을 P_T라고 했을 때, 상기 전체 전송 전력이 전체 부반송파에 동일하게 분배되었다고 가정하여 각 사용자에 할당된 부반송파에 전송 전력을 할당한다. 따라서, 각 사용자에 할당된 부반송파에 분배된 전력은 전제 전송 전력을 부반송파의 총 개수로 나눈 값이다.

상기 부반송파 및 전송 전력이 할당되면, 상기 OFDM 시스템은 각 사용자 별 전송 용량

을 계산한다.

606 단계 및 608 단계에서, 상기 OFDM 시스템은 각각의 사용자에 대해 남은 부반송파 및 전송 전력을 할당한다.

이를 위해, 본 발명의 실시 예에서는 사용자의 요구 전송 비율과 실제 전송 비율에 대한 에러 및 상기 허용 오차범위를 이용한다. 상기 사용자의 요구 전송 비율과 실제 전송 비율에 대한 에러는 다음 두 가지 중 하나로 나타낼 수 있다. 하나는 시스템이 사용자의 요구 전송 비율 보다 더 많은 전송 비율을 제공하는 경우 나 타낼 수 있는 에러로서,

로 표현되고, 하기 수학식 4와 같이 계산된다.

다른 하나는 시스템이 사용자의 요구 전송 비율 보다 더 적은 전송 비율을 제공하는 경우 나타낼 수 있는 에러로서,

로 표현되고, 하기 수학식 5와 같이 계산된다.

각 사용자는 항상

또는

중 하나의 값을 가지며, 두 개의 값을 동시에 가질 수 없다. 각 사용자가 어떠한 부반송파를 할당받고, 얼마의 전송 전력을 분배 받느냐에 따라

또는

를 가지게 된다.

상기 나머지 부반송파 및 전력을 할당하는 방법은 상기 에러 값 및 상기 허용 오차범위를 이용하여 하기 알고리즘에 의해 수행될 수 있다. 여기서, 상기 방법은 남은 부반송파가 모두 할당되어 소진될 때까지 반복하여 수행된다.

{While (Θ ≠

)

Update

using [figure 4] and

using [figure 5]

Find user group 1 as G₁ = {user k who satisfies

>

}

If (G₁ ≠

)

Find user

Find subcarrier

Else

Find user group 2 as G₂ = {user k who satisfies

≥0}

Find user and subcarrier

End If

Allocate subcarrier

for user

as

Update

Allocate power

Calculate

using [figure 1]

Extract allocated subcarrier

End While}

즉, 상기 606 단계에서, 상기 OFDM 시스템은 각 사용자들에 대해 상기 수학식 4 또는 5를 이용하여

또는

를 계산한다.

이후, 상기 608 단계에서, 상기 OFDM 시스템은 사용자의 요구 전송 비율 보다 더 적은 전송 비율을 수신한 사용자들 중에서 상기 에러

가 미리 설정된 허용 오차범위(

)를 벗어난 제 1사용자 그룹(G₁)을 검출한다.

만약, 상기 제 1사용자 그룹이 존재하면, 상기 제 1사용자 그룹에 속한 사용자 중에서 가장 큰 에러 값(

)을 갖는 사용자를 찾고, 남은 부반송파 중에서 해당 사용자에게 가장 채널 상태가 좋은 부반송파를 찾는다.

만약, 상기 제 1사용자 그룹이 존재하지 않으면, 사용자의 요구 전송 비율 보다 더 적은 전송 비율(

≥0)를 수신한 제 2사용자 그룹을 검출한다. 그리고, 상기 제 2사용자 그룹에 속한 사용자 중에서 가장 좋은 채널 상태를 가지고 있는 부반송파와 해당 사용자를 찾는다.

상기 OFDM 시스템은 전술한 과정을 통해 찾은 사용자에게 해당 부반송파를 할당하고, 상기 할당된 부반송파는 다른 사용자에게 할당되지 않는다.

또한, 상기 OFDM 시스템은 각 사용자에 할당된 부반송파에 전송 전력을 균등하게 할당한다. 그리고, 상기 부반송파 및 전송 전력이 할당되면, 상기 OFDM 시스템은 각 사용자 별 전송 용량

을 갱신한다.

이상, 전술한 과정이 반복하여 수행되고, 남은 부반송파가 각 사용자에 모두 할당되면 전술한 과정은 종료한다.

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 부반송파에 할당된 전력을 재분배하는 과정을 도시하고 있다.

도 7을 참조하면, 702 단계에서 상기 OFDM 시스템은 사용자의 요구 전송 비율과 실제 전송 비율 사이의 에러 값을 갱신한다. 즉, 각 사용자에 대한 부반송파 및 전송 전력의 할당이 완료되면, 각 사용자 별로 사용자의 요구 전송 비율과 실제 전송 비율 사이의 에러 값인

또는

를 갱신한다.

이후, 704 단계에서 상기 OFDM 시스템은 사용자의 요구 전송 비율 보다 더 많은 전송 비율을 수신하는 즉,

> 0인 제 3사용자 그룹을 검출한다.

706 단계 및 710 단계에서, 상기 OFDM 시스템은 각 사용자 별로 부반송파에 할당된 전송 전력을 재분배한다. 즉, 상기 제 3사용자 그룹에 속하는 사용자의 전송 전력을 사용자의 요구 전송 비율 보다 더 적은 전송 비율을 수신하는 사용자에 재분배함으로써 사용자간 실제 전송 비율이 사용자간 요구 전송 비율을 만족하도록 한다.

상기 전송 전력을 재분배하는 과정은 하기 알고리즘에 의해 수행될 수 있다.

{While (

or

)

For each user

in group G₃

Find subcarrier

If (

)

Extract the user

from G₃ as

End if

End for

If (G₃ =

)

Break;

Else

Find user

Find subcarrier

Update

Calculate

and

using [figure 1]

Update

using [figure 4] and

using [figure 5]

Update user group 3 as G₃ = {user k who satisfies

> 0}

End if

End while}

즉, 상기 704 단계에서, 상기 OFDM 시스템은

> 0인 제 3사용자 그룹 검출하고, 상기 제 3사용자 그룹에 속한 사용자 각각에 대해 해당 사용자에 할당된 부반송파 중에서 가장 많은 전송 전력을 배분 받은 부반송파를 검출한다.

상기 검출된 부반송파에 배분된 전송 전력이 전송 전력 재분배 단위인

보다 작으면, 해당 사용자는 더 이상 재분배할 전력이 없으므로 상기 제 3사용자 그룹에서 제외된다. 여기서, 상기 전송 전력 재분배 단위인

은 시스템의 전체 전송 전력인 P_T 보다 매우 작은 값이다.

706 단계에서, 상기 제 3사용자 그룹에 속하는 사용자가 없다면, 더 이상 전송 전력을 재분배할 수 있는 사용자가 존재하지 않기 때문에 상기 전력 재분배 과정은 종료한다. 한편, 상기 706 단계에서 상기 제 3사용자 그룹에 속하는 사용자가 존재한다면 708 단계로 이동한다.

상기 708 단계에서, 상기 OFDM 시스템은 상기 제 3사용자 그룹에 속하는 사용자 중에서 자신의 요구 전송 비율 보다 가장 많은 전송 비율을 수신하는 사용자 i와, 자신의 요구 전송 비율 보다 가장 적은 전송 비율을 수신한 사용자 j를 검출한다.

상기 사용자 i가 검출되면, 상기 사용자 i에 할당되고, 배분 받은 전송 전력이 상기 전송 전력 재분배 단위인

보다 더 큰 부반송파 중에서, 해당 사용자에게 가장 채널 상태가 좋지 않은 부반송파 l을 검출한다.

그리고, 상기 사용자 j가 검출되면, 상기 사용자 j에 할당된 부반송파 중에서 해당 사용자에게 가장 채널 상태가 좋은 부반송파 m을 검출한다.

상기 부반송파 l 및 m의 검출이 완료되면, 상기 OFDM 시스템은 상기 사용자 i의 부반송파 l에 배분된 전송 전력을 전송 전력 재분배 단위인

만큼 줄여주고, 상기 줄어든 전송 전력을 상기 사용자 j의 부반송파 m에 재분배한다. 상기 전송 전력의 재분배로 인하여 사용자 i와 사용자 j의 전송 용량은 이전 전송 용량과는 차이가 발생한다.

710 단계에서, 상기 OFDM 시스템은 현재 상기 사용자 i와 사용자 j의 전송 용량을 갱신한다. 상기 전송 용량이 갱신되면, 상기 수학식 4 또는 수학식 5를 이용하여 각 사용자 별

또는

를 갱신한다. 그리고, 상기 OFDM 시스템은 사용자의 요구 전송 비율 보다 더 많은 전송 비율을 수신하는 즉,

> 0인 제 3사용자 그룹을 갱신한다.

상기 전력 재분배 과정은 모든 사용자 k에 대한 사용자의 요구 전송 비율과 실제 전송 비율 사이의 에러 값이 허용 오차범위를 넘지 않을 때까지 계속 반복하여 수행된다.

이상 전술한 바와 같이, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자원 할당 방법은 사용자간 요구 전송 비율 및 다중 프레임의 개수를 설정하고, 상기 다중 프레임의 개수 동안 각 사용자에 대해 부반송파 및 전송 전력의 할당 과정 및 상기 부반송파에 할당된 전송 전력의 재분배 과정을 반복 수행하는 것을 특징으로 한다.

상기 자원 할당 방법에 따라 부반송파 및 전송 전력을 할당함으로써, 본 발명은 다중 프레임 환경을 고려한 다중 사용자 OFDM 시스템에서 사용자 간 요구 전 송 비율을 만족하면서 전체 시스템의 데이터 전송률을 최대화할 수 있다.

도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다중 사용자 OFDM 시스템의 송수신기 체인을 도시하고 있다.

도 8을 참조하면, 기지국 장치(800)는 부반송파 및 전력 할당기(810), 부반송파 및 전력 매핑기(820), IFFT 부(830), 병/직렬 변환기(840), CP 삽입기(850)를 포함하고, 사용자 단말(900)은 CP 제거기(910), 직/병렬 변환기(920), FFT 부(930), 비트 추출기(940)를 포함한다. 이하, 본 발명의 내용과 관련 없는 상기 기지국 장치 및 상기 사용자 단말의 다른 구성 요소들에 대해서는 생략하도록 한다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자원 할당 방법은 상기 기지국 장치(800)의 부반송파 및 전력 할당기(810)와 부반송파 및 전력 매핑기(820)에 의해 수행될 수 있다.

구체적으로, 상기 부반송파 및 전력 할당기(810)는 각 사용자의 요구 전송률에 대한 정보를 기초로 목표로 하는 사용자 간 요구 전송 비율을 설정한다. 그리고, 상기 사용자간 요구 전송 비율을 만족시키기 위한 다중 프레임의 개수(F)를 설정한다.

상기 부반송파 및 전력 할당기(810)는 각각의 프레임 f (1≤f≤F) 마다 모든 사용자 단말로부터 현재의 채널 상태 정보(SIR 측정값)를 수신하고, 상기 채널 상태 정보와 사용자간 요구 전송 비율을 고려하여 시스템의 전체 데이터 전송률이 최대가 되도록 부반송파를 할당한다. 이 때, 상기 부반송파 및 전력 할당기(810)는 전체 전송 전력이 전체 부반송파에 동일하게 분배되었음을 가정하여 각 사용자 단말에 할당된 부반송파에 전송 전력을 할당한다.

이후, 상기 부반송파 및 전력 할당기(810)는 사용자간 요구 전송 비율과 사용자간 실제 전송 비율 사이의 에러가 소정의 허용 오차 범위를 넘지 않도록 하기 위해 상기 부반송파에 할당된 전력을 재분배한다.

상기 부반송파 및 전력 할당기(810)는 모든 프레임(F)에 대해 상기 부반송파 할당 및 전력 재분배 과정을 반복하여 수행함으로써 자원을 할당할 수 있다.

상기 부반송파 및 전력 매핑기(820)는 상기 부반송파 및 전력 할당기(810)로부터 출력된 값을 이용하여 각 사용자 데이터에 부반송파 및 전력을 맵핑하는 동작을 수행한 후 IFFT 부(830)로 출력한다.

상기 기지국 장치(800)의 동작을 통해, 본 발명은 다중 프레임 환경을 고려한 다중 사용자 OFDM 시스템에서 사용자 단말 간 요구 전송 비율을 고려하여 자원을 할당함으로써 전체 시스템의 데이터 전송률을 최대화할 수 있다.

도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전체 시스템의 전송 용량을 시뮬레이션한 결과를 도시하고 있다.

도 9를 참조하면, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 방법이 기존 방법에 비해 전체 시스템의 데이터 전송률을 증가시키는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 사용자의 요구 전송 비율이 2인 경우 기존의 방법에 따른 전체 시스템 전송 용량은 4.20 bits/s/Hz인 반면, 본 발명의 방법에 따른 전체 시스템 전송 용량은 4.54 bits/s/Hz인 것을 알 수 있다.

도 10은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사용자간 요구 전송 비율의 만족도를 시뮬레이션한 결과를 도시하고 있다.

도 10을 참조하면, 본 발명에 따른 자원 할당 방법이 기존의 방법 보다 정확하게 사용자간 요구 전송 비율을 만족시키는 것을 확인할 수 있다. 예를 들어, 16명의 사용자 각각이 요구하는 전송 비율(φ₁:φ₂:...:φ_K)은 1~4번 사용자는 8이고 나머지 사용자는 1이다. 즉, φ₁:φ₂:...:φ_K = 8:8:8:8:1:1:...:1이다. 사용자 인덱스가 2인 경우 본 발명에 따른 방법은 사용자간 요구 전송 비율을 8.00003으로 만족시키는 반면, 기존의 방법은 7.87839로 만족시킴을 확인할 수 있다.

결과적으로, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 방법은 다중 프레임 환경을 고려한 다중 사용자 OFDM 시스템에서 부반송파 및 전송 전력을 효과적으로 할당함으로써 기존의 자원 할당 방법에 비해 전체 시스템의 전송 용량을 증가시키고, 보다 정확한 사용자간 요구 전송 비율을 만족시킬 수 있다.

한편 이상에서는 본 발명의 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되지 않으며, 후술 되는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

도 1은 일반적인 직교 주파수 분할 다중화 방식의 송수신기 체인을 도시한 도면;

도 2는 부반송파 1, 부반송파 2, 부반송파 3을 사용하는 OFDM 전송 방식의 일 예를 도시한 도면;

도 3은 시간 도메인에서 송수신된 OFDM 심볼들의 일 예를 도시한 도면;

도 4는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 자원 할당 방법의 전체 흐름도;

도 5는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사용자간 요구 전송 비율을 설정하는 방법의 흐름도;

도 6은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 부반송파 및 전력 할당 과정의 흐름도;

도 7은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따라 부반송파에 할당된 전력을 재분배하는 과정의 흐름도;

도 8은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 다중 사용자 OFDM 시스템의 송수신기 체인을 도시한 도면;

도 9는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 전체 시스템의 전송 용량을 시뮬레이션한 도면;

도 10은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 사용자간 요구 전송 비율의 만족도를 시뮬레이션한 도면.

Claims

무선 통신 시스템에서 기지국 장치의 자원 할당 방법에 있어서,

복수의 사용자 단말로부터 사용자의 요구 전송률 및 채널 상태 정보를 수신하는 과정과;

상기 사용자의 요구 전송률에 대한 정보를 기초로 사용자간 요구 전송 비율 및 다중 프레임의 개수를 설정하는 과정과;

상기 설정된 다중 프레임의 개수 동안, 상기 채널 상태 정보 및 상기 사용자간 요구 전송 비율을 기초로 각 사용자 단말에 부반송파 및 전송 전력을 할당하는 과정; 및

상기 부반송파에 할당된 전송 전력을 재분배하는 과정을 포함하는 자원 할당 방법.
제 1항에 있어서, 상기 설정하는 과정에서,

상기 다중 프레임의 개수는, 상기 사용자간 요구 전송 비율을 만족하도록 설정되며,

상기 다중 프레임의 인덱스는 1로 초기화됨을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
제 1항에 있어서, 상기 할당 과정은,

사용자간 요구 전송 비율과 실제 전송 비율 사이의 에러에 대한 허용 오차범위를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
제 3항에 있어서,

상기 허용 오차범위는
에 의해 결정되며, 여기서 k는 사용자 단말, f는 프레임 인덱스, F는 다중프레임의 개수,
는 사용자 k의 최종 오차범위,
는 사용자 k의 요구 전송률임을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
제 3항에 있어서, 상기 할당 과정은,

사용자의 요구 전송 비율과 실제 전송 비율 사이의 에러를 계산하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
제 5항에 있어서,

상기 에러는
또는
에 의해 계산되고, 여기서
는 사용자 k의 요구 전송률이고,
는 프레임 c에서 사용자 k의 실제 전송률임을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
제 5항에 있어서, 상기 할당 과정은,

상기 에러 및 상기 허용 오차범위를 이용하여 각 사용자 단말에 부반송파 및 전송 전력을 할당하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
제 7항에 있어서, 상기 재분배 과정은,

상기 에러를 이용하여 소정의 사용자 그룹을 검출하는 과정과;

상기 사용자 그룹에 속하는 사용자에 할당된 전송 전력을 다른 사용자 단말에 재분배하는 과정; 및

상기 에러 및 상기 사용자 그룹을 갱신하고, 상기 갱신된 사용자 그룹에 속하는 사용자가 존재하지 않을 때까지 상기 재분배 과정을 반복하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
무선 통신 시스템에서 자원 할당을 위한 기지국 장치에 있어서,

복수의 사용자 단말로부터 사용자의 요구 전송률 및 채널 상태 정보를 수신하는 수신부와;

상기 사용자의 요구 전송률에 대한 정보를 기초로 사용자간 요구 전송 비율 및 다중 프레임의 개수를 설정하고, 상기 설정된 다중 프레임의 개수 동안, 상기 채널 상태 정보 및 상기 사용자간 요구 전송 비율을 기초로 각 사용자 단말에 부반송파 및 전송 전력을 할당하며, 상기 부반송파에 할당된 전송 전력을 재분배하는 부반송파 및 전력 할당기; 및

상기 부반송파 및 전력 할당기에서 출력된 자원 할당 정보를 이용하여 각 사용자 데이터에 부반송파 및 전력을 매핑하는 부반송파 및 전력 매핑기를 포함하는 기지국 장치.
제 9항에 있어서, 상기 부반송파 및 전력 할당기는,

상기 사용자간 요구 전송 비율을 만족하기 위한 다중 프레임의 개수를 설정하고, 상기 다중 프레임의 인덱스를 1로 초기화하는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.
제 9항에 있어서, 상기 부반송파 및 전력 할당기는,

사용자간 요구 전송 비율과 실제 전송 비율 사이의 에러에 대한 허용 오차범 위를 결정하고, 사용자의 요구 전송 비율과 실제 전송 비율 사이의 에러를 계산하는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.
제 11항에 있어서,

상기 허용 오차범위는
에 의해 결정되며, 여기서 k는 사용자 단말, f는 프레임 인덱스, F는 다중프레임의 개수, 는 사용자 k의 최종 오차범위,
는 사용자 k의 요구 전송률임을 특징으로 하는 기지국 장치.
제 11항에 있어서,

상기 에러는
또는
에 의해 계산되고, 여기서
는 사용자 k의 요구 전송률이고,
는 프레임 c에서 사용자 k의 실제 전송률임을 특징으로 하는 기지국 장치.
제 11항에 있어서, 상기 부반송파 및 전력 할당기는,

상기 에러 및 상기 허용 오차범위를 이용하여 각 사용자 단말에 부반송파 및 전송 전력을 할당하는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.
제 14항에 있어서, 상기 부반송파 및 전력 할당기는,

소정의 사용자 그룹을 검출하고, 상기 검출된 사용자 그룹에 속하는 사용자에 할당된 전송 전력을 다른 사용자 단말에 재분배하며,

상기 에러 및 상기 사용자 그룹을 갱신하고, 상기 갱신된 사용자 그룹에 속하는 사용자가 존재하지 않을 때까지 상기 전송 전력의 재분배 동작을 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 기지국 장치.