KR101672632B1 - D2d 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법 - Google Patents

D2d 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법 Download PDF

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KR101672632B1
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김동인
손덕조
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성균관대학교산학협력단
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Abstract

D2D 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법은 2D 단말 쌍이 다른 D2D 단말 쌍과의 공통된 유휴 채널에 대한 정보를 기반으로 기지국의 커버리지에 존재하는 D2D 단말 쌍들에 대한 유사성 정도를 결정하는 단계, 상기 D2D 단말 쌍들이 상기 유사성 정도를 기준으로 적어도 하나의 클러스터를 형성하는 단계 및 상기 기지국이 상기 클러스터에 소속한 하나의 D2D 단말 쌍에만 전용 자원 또는 기지국과 통신을 수행하는 다른 단말이 사용하는 공용 자원 중 적어도 하나를 할당하는 단계를 포함한다.

Description

D2D 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법{RESOURCE ALLOCATION METHOD FOR D2D COMMUNICATION BASED ON DYNAMIC CLUSTERING}
이하 설명하는 기술은 D2D 통신을 위한 자원 할당에 관한 것이다.
최근 몇 년 간 스마트 기기들의 급격하게 보급되면서 모바일 인터넷 사용량이 매년 급격히 증가하고 있다. 이로 인해 이동통신 통신망의 과부하가 심해지고 있다. 이를 해결하기 위해 통신 사업자들은 최근에 이동통신 네트워크를 중앙 집중형 기지국 구조로 변경하여 셀 간의 간섭을 줄이면서 트래픽 과부하에 대처하려고 하고 있다. 한편 기지국의 과부하를 줄이기 위해 네트워크 인프라를 거치지 않고 단말 간에 직접 트래픽을 주고받는 D2D (Device-to-device) 통신이 부각되고 있다.
D2D 통신을 적용하기 위해 종래기술은 LTE-Advanced 시스템에서 데이터 전송 절차를 위해 중앙 집중형 (Centralized) 자원 할당 방식을 사용하였다. 기지국은 제어 신호 및 데이터 전송을 위해 기지국과 D2D 단말들 사이의 전송 가능한 제어 채널과 데이터 채널을 확인한다. 기지국이 데이터 전송을 위한 자원을 D2D 단말들에게 할당한다.
간단하게 종래의 D2D 통신기술은 다음과 같은 순서로 동작이 이루어지게 된다. 우선 UE1은 UE2에게 전송되기 원하는 데이터를 가지고 있는 기지국을 확인한다. 그리고 UE1은 LTE 프로토콜에 따라 기지국에게 BSR (buffer status report)를 PUSCH (Physical Uplink Shared Channel)를 통해 보낸다. 만약 상향링크 자원이 BSR을 전송하는데 이용할 수 없다면, UE1은 1비트 SR (Scheduling Request)신호를 PUCCH (Physical Uplink Control Channel)를 통해 전송하게 된다. 기지국이 UE1으로부터 SR신호를 받으면, 추후에 기지국으로부터 UE1은 BSR 전송을 위한 일부 상향링크 자원을 할당받게 된다. 다음으로 기지국이 UE1으로부터 BSR를 받으면 UE1과 UE2간 데이터 전송을 위한 자원을 할당해 주게 된다. 실제로 LTE 시스템 상에서 기지국은 자원을 할당해 주기 위해 사전에 채널상태를 파악한다. 더불어 D2D 통신을 위해서도 기지국은 주기적이거나 비주기적으로 PUCCH를 통해 UE1과 UE2로부터 업데이트 되는 CQI (Channel Quality Indication)에 의해 D2D 단말들의 채널 상태를 획득할 수 있다. 한 쌍의 D2D 단말 쌍를 이루는 UE1과 UE2는 서로 주고받은 SRS (Sounding Reference Signal)를 통해 CQI추정을 수행하게 된다.
기지국에 의해 할당되는 자원에 대한 정보는 PDCCH (Physical Downlink Control Channel)를 통해 UE1와 UE2에게 모두 알려주게 된다. LTE 시스템에서 UE는 C-RNTI (Cell Radio Network Temporary Identifier)를 사용하여 특정 PDCCH를 찾기 위해 blind decoding을 수행한다. 그러므로 동시에 UE1과 UE2가 할당받은 자원에 대한 정보를 확인하고 PUSCH를 이용하여 UE1은 UE2에게 데이터를 송신하며, UE2은 PUCCH를 통해 데이터의 수신 여부에 대해 응답하게 된다.
한국공개특허 제10-2014-0026576호 한국공개특허 제10-2012-0060044호
종래기술은 전적으로 기지국이 셀룰러 통신의 상/하향 링크 자원뿐만 아니라 D2D 통신의 링크 자원도 관리한다. 중앙 집중형 방식에서 모든 링크의 CQI를 사용하면, 기지국은 최적으로 자원 관리를 수행 할 수 있다. 하지만, 점차 증가하는 단말들의 트래픽을 처리하기 위해 기지국만으로는 한계가 있다. 제어 채널에서는 단말의 증가에 따른 CQI 보고(reporting) 증가로 높은 트래픽이 발생하고, 기지국은 높아지는 연산 복잡도로 인해 처리 용량이 모자라게 된다.
이하 설명하는 기술은 분산형 기법에 기반하여 D2D 통신을 위한 전용 자원 할당, 공용 자원 할당 또는 전용 자원과 공용자원을 적절하게 사용하는 하리브리드 자원 할당 방법을 제공하고자 한다.
이하 설명하는 기술의 해결과제는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 해결과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
D2D 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법은 D2D 단말 쌍이 다른 D2D 단말 쌍과의 공통된 유휴 채널에 대한 정보를 기반으로 기지국의 커버리지에 존재하는 D2D 단말 쌍들에 대한 유사성 정도를 결정하는 단계, D2D 단말 쌍들이 유사성 정도를 기준으로 적어도 하나의 클러스터를 형성하는 단계 및 기지국이 클러스터에 소속한 하나의 D2D 단말 쌍에만 전용 자원 또는 기지국과 통신을 수행하는 다른 단말이 사용하는 공용 자원 중 적어도 하나를 할당하는 단계를 포함한다.
할당하는 단계에서 기지국은 D2D 단말 쌍 후보자들 중에서 가장 높은 SNR 값을 갖는 타겟말 쌍이 다른 단말이 사용하는 채널을 사용하는 경우 간섭 영향이 기준 값 이상이 되는 적어도 하나의 채널을 후보 채널로 결정하는 단계 및 기지국은 후보 채널들 중에서 타겟 D2D 단말 쌍의 수신 단말에 간섭 영향이 가작 작은 채널을 공용 자원으로 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
할당하는 단계에서 기지국은 다른 단말이 사용하는 채널을 하나의 D2D 단말 쌍이 사용하는 경우 다른 단말이 하나의 D2D 단말 쌍의 수신 단말에 주는 간섭이 기준값을 초과하지 않으면 채널을 하나의 D2D 단말에 대한 자원으로 할당하고, 간섭이 기준값을 초과하는 경우 하나의 D2D 단말 쌍에 전용 자원을 할당할 수 있다.
이하 설명하는 기술은 분산형 기법에 기반한 하이브리드 자원 할당 기법을 사용하여 다수의 D2D 단말이 존재하는 경우에도 간섭을 최대한 줄여주고, 기지국의 과부하를 최소화한다.
이하 설명하는 기술의 효과는 이상에서 언급된 것들에 한정되지 않으며, 언급되지 아니한 다른 효과들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 이동통신 네트워크에서 D2D 단말에 지원을 할당하는 예를 도시한 것이다.
도 2는 D2D 자원 할당을 위해 사용되는 프레임 구조를 도시한 예이다.
도 3은 D2D 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법에 대한 순서도의 예이다.
이하 설명하는 기술은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 이하 설명하는 기술을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 이하 설명하는 기술의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 해당 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않으며, 단지 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 이하 설명하는 기술의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
본 명세서에서 사용되는 용어에서 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 해석되지 않는 한 복수의 표현을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, "포함한다" 등의 용어는 설시된 특징, 개수, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 의미하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 개수, 단계 동작 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
도면에 대한 상세한 설명을 하기에 앞서, 본 명세서에서의 구성부들에 대한 구분은 각 구성부가 담당하는 주기능 별로 구분한 것에 불과함을 명확히 하고자 한다. 즉, 이하에서 설명할 2개 이상의 구성부가 하나의 구성부로 합쳐지거나 또는 하나의 구성부가 보다 세분화된 기능별로 2개 이상으로 분화되어 구비될 수도 있다. 그리고 이하에서 설명할 구성부 각각은 자신이 담당하는 주기능 이외에도 다른 구성부가 담당하는 기능 중 일부 또는 전부의 기능을 추가적으로 수행할 수도 있으며, 구성부 각각이 담당하는 주기능 중 일부 기능이 다른 구성부에 의해 전담되어 수행될 수도 있음은 물론이다. 따라서, 본 명세서를 통해 설명되는 각 구성부들의 존재 여부는 기능적으로 해석되어야 할 것이며, 이러한 이유로 이하 설명하는 D2D 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법에 따른 구성은 이하 설명하는 기술의 목적을 달성할 수 있는 한도 내에서 대응하는 도면과는 상이해질 수 있음을 명확히 밝혀둔다.
또, 방법 또는 동작 방법을 수행함에 있어서, 상기 방법을 이루는 각 과정들은 문맥상 명백하게 특정 순서를 기재하지 않은 이상 명기된 순서와 다르게 일어날 수 있다. 즉, 각 과정들은 명기된 순서와 동일하게 일어날 수도 있고 실질적으로 동시에 수행될 수도 있으며 반대의 순서대로 수행될 수도 있다.
이하 설명하는 D2D 통신은 기본적으로 이동통신 네트워크에 기반한 것이다. 또한 이하 설명하는 기술은 D2D 통신 중에서 기지국이 자원을 관리하는 기법에 관한 것이다. 일반적인 D2D 통신 환경은 하나의 기지국 커버리지에 D2D 통신을 수행하는 D2D 단말(단말 쌍)과 일반적인 이동통신을 수행하는 사용자 단말이 존재한다. 일반적인 사용자 단말을 이하 CU(Cellular User)라고 명명한다.
이하 설명하는 D2D 통신을 위한 자원 분배 기법은 D2D 단말과 CU가 균일 분포(uniform distribution)에 따라 셀 내에 분포하고, CU가 D2D 단말보다 더 많은 네트워크 환경을 가정한다. 일반적인 이동통신 셀 환경을 가정한 것이다.
도 1은 이동통신 네트워크에서 D2D 단말에 지원을 할당하는 예를 도시한 것이다. 도 1(A)는 D2D 단말을 위한 전용 자원을 할당하는 예이고, 도 1(B)는 CU와 D2D 단말에 공용 자원을 할당하는 예이다. 도 1(A)에서 기지국은 D2D 통신을 위해 D2D 단말에 고유의 전용 자원을 할당한다. 도 1(B)에서 기지국은 CU가 사용하는 자원을 D2D 단말이 재사용하도록 할당한다. 도 1(B)의 경우 기지국은 CU가 사용할 수 있는 자원 중에서 D2D 통신을 위한 자원을 할당하는 것이다. 도 1(B)에서 알 수 있듯이 CU는 D2D 단말 쌍의 수신 단말(D_RX)에 간섭을 줄 수 있고, D2D 단말 쌍의 송신 단말(D_TX)는 기지국(BS)에 간섭을 줄 수 있다.
이하 설명하는 기술은 도 1의 두 가지 자원 할당 방법을 모두 지원할 수 있다. 나아가 이하 설명하는 기술은 전용 자원 할당과 공용 자원 할당을 상황에 맞게 동적으로 사용하는 하이브리드(hybrid) 자원 할당 방법을 사용할 수도 있다.
도 1에서 D2D 단말은 점선 원 내에 위치한다. 점선 원은 D2D 단말들에 대한 클러스터(cluster)를 의미한다. 클러스터에는 두 개 이상의 D2D 단말이 존재할 수 있다. 즉 클러스터에는 D2D 통신을 수행하는 한 쌍의 D2D 단말 외에 다른 D2D 단말도 존재할 수 있다.
이하 설명하는 D2D 통신을 위한 자원 분배 기법은 다음과 같은 특징을 갖는다. 효과적으로 간섭을 제어해주기 위해서는 클러스터 당 한 쌍의 D2D 단말만 자원을 할당받아 링크를 형성한다. 도 1에서는 이를 고려하여 클러스터 당 한 쌍의 D2D 단말만을 도시하였다. 클러스터는 서로에게 심한 간섭을 주는 D2D 쌍들이 포함된다. 이를 통해 D2D 단말들 사이의 간섭을 줄이고, 공간적 주파수 재사용 효율을 증가시킬 수 있다. 또한 D2D 통신 시스템에서 기지국에 부여되는 복잡도를 줄이기 위해 분산형 클러스터 방식을 도입하였다. 분산형 클러스터 방식을 사용하여 기지국의 개입 (즉, 제어 정보량)을 최소화하고 기지국의 오버헤드를 감소시킨다.
이하 설명하는 D2D 통신을 위한 자원 분배 기법의 과정은 간략하게 다음과 같다. 먼저 D2D 통신을 하는 단말들이 기지국의 도움 없이 단말 간 유사성 측정에 기반하여 단말을 탐색(1단계)하고, 그 다음으로 클러스터 알고리즘들을 이용하여 클러스터를 형성(2단계)하게 된다. 마지막으로 기지국은 형성된 클러스터에 기반하여 D2D 통신을 지원해주기 위해 자원 할당(3단계)을 수행한다.
도 2는 D2D 자원 할당을 위해 사용되는 프레임 구조를 도시한 예이다. 프레임(frame)의 첫 번째 타임 슬롯(time slot)은 전술한 1 단계에서 단말을 탐색하기 위한 구간이다. 프레임의 나머지 타임 슬롯은 자원 할당을 위할 스케줄링이 수행되는 구간이다. 단말 탐색 과정은 단말 간에 정보를 주고받기 위해서는 비콘 기반 방식을 사용할 수 있다. 각 프레임 마다 발생되는 채널 변화는 대규모 페이딩(large scale fading)에 의해 결정되고, 각 타임 슬롯마다 발생되는 채널 변화는 소규모 페이딩(small scale fading_에 의해 결정된다. 대규모 페이딩이 소규모 페이딩에 비해 안정적으로 채널변화가 이루어진다.
도 3은 D2D 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법에 대한 순서도의 예이다.
1단계 - 단말 탐색 (100)
단말 탐색과정(Peer discovery)은 D2D 통신을 원하는 2개의 단말(단말 쌍)이 통신 가능한 거리에 위치한 2개의 단말들을 찾아내고 식별하는 과정이다. 도 2에서 설명한 바와 같이 단말 탐색은 하나의 프레임에서 첫 번째 타임 슬롯에서에서 수행되는 것이 바람직하다.
각 D2D 단말은 M개의 CU의 상향링크 채널에 대해 무선 인지(cognition) 기술인 스펙트럼 센싱 기술을 통해 유휴 채널을 판단한다(110). 아래의 수학식 1을 통해 유휴 채널(H0)여부를 판단한다.
Figure 112015048921273-pat00001
여기서
Figure 112015048921273-pat00002
,
Figure 112015048921273-pat00003
및
Figure 112015048921273-pat00004
는 각각 t번째 센싱 시간에 m번째 채널을 통해
Figure 112015048921273-pat00005
번째 D2D 단말쌍이 수신한 신호, CU의 전송 심볼 및 CU와 D2D 단말 쌍 사이의 채널 이득을 나타낸다.
Figure 112015048921273-pat00006
는
Figure 112015048921273-pat00007
번째 D2D 단말 쌍에서 수신한 잡음을 의미한다. D2D 단말쌍은 D2D 통신을 원하는 송신 단말 및 수신 단말을 포함한다. 한편 D2D 단말 쌍은 각각 인근 단말들의 정보를 취합하는 과정을 수행한다. 복수의 D2D 단말 쌍은 다음과 같은 정보를 수집하고 연산한다.
(1) 간섭 패턴(Interference Pattern) (
Figure 112015048921273-pat00008
) : 각 단말들은 스펙트럼 센싱 정보 (즉, 유휴 채널 집합)를 취합하여, 자신의 네트워크 주소와 함께 브로드캐스팅한다(120). 브로드캐스팅한 신호는 D2D 통신의 데이터 송신 전력과 동일한 전력을 사용한다.
D2D 통신을 원하는 송신 단말 및 수신 단말로 구성된 D2D 단말 쌍(
Figure 112015048921273-pat00009
)은 송/수신 단말이 센싱한 정보를 종합하여 유휴 채널의 교집합 (
Figure 112015048921273-pat00010
)을 구하게 된다. 그리고 같은 방식으로 다른 D2D 단말 쌍(
Figure 112015048921273-pat00011
)은 유휴 채널의 교집합(
Figure 112015048921273-pat00012
)을 구한다. 최종적으로 두 개의 D2D 단말 쌍
Figure 112015048921273-pat00013
와
Figure 112015048921273-pat00014
사이에 공통된 유휴 채널(
Figure 112015048921273-pat00015
∩
Figure 112015048921273-pat00016
)을 구한다.
Figure 112015048921273-pat00017
는 두 개의 D2D 단말 쌍
Figure 112015048921273-pat00018
와
Figure 112015048921273-pat00019
사이에 공통된 유휴 채널의 개수를 의미한다. 간섭 패턴인
Figure 112015048921273-pat00020
의 값이 크다는 것은 두 개의 D2D 단말 쌍의 유휴 채널 집합의 일치 정도가 크다는 것을 의미한다. 이는 두 개의 D2D 단말 쌍이 인접해 있음을 의미한다.
(2) 신호 거리(Radio Distance) (
Figure 112015048921273-pat00021
) : 각 단말들은 다른 단말이 브로드캐스팅한 신호를 복호하여 스펙트럼 센싱 정보를 교환하는 동시에
Figure 112015048921273-pat00022
를 추정한다(130).
Figure 112015048921273-pat00023
는 두 개의 D2D 단말 쌍인
Figure 112015048921273-pat00024
와
Figure 112015048921273-pat00025
사이에서 측정된 감쇠(path loss)와 새로운 페이딩(shadow fading)을 고려한 값이다. D2D 단말 쌍 사이에 정보는 어느 D2D 단말 쌍의 송신 단말을 기준으로 전송하느냐에 따라 수신 단말에서 얻게 되는
Figure 112015048921273-pat00026
값이 달라지기 때문에, 두 개의 D2D 단말 쌍이 추정한 값의 평균값을 사용하는 것이 바람직하다.
(3) 유사성 행렬(Similarity Metric) (
Figure 112015048921273-pat00027
) : D2D 단말은 단말 탐색을 통해 얻은 D2D 단말 쌍 사이의 간섭 패턴과 신호 거리 정보를 통해 유사성을 측정할 수 있다(140). 유사성 측정은 실수 값으로 표현되는 아래의 수학식 2와 같은 함수로 나타 낼 수 있다. 모든 D2D 단말 쌍들 사이에 대해 유사성을 측정하고, 단말 쌍들 사이의 유사성을 행렬에 저장할 수 있다.
Figure 112015048921273-pat00028
유사성 측정은 긴 시간 단위(즉, 프레임 단위)로 업데이트가 된다. 긴 시간 단위로 업데이트되면 급격한 채널 변화(예, rayleigh fading) 상황에서도 안정적으로 클러스터를 형성할 수 있다.
2단계 - 클러스터 형성 (200)
전술한 유사성 측정값을 클러스터 형성에 이용한다. 클러스터 형성에 유사성 측정값을 이용하기 위해 유사성 측정값에 대한 유클리디언 거리(Euclidean distance)를 연산한다.
벡터 X와 Y의 유클리디언 거리는 아래의 수학식 3과 같이 표현 할 수 있다. 벡터에 포함되는 해당 노드들 사이의 유클리디언 거리들을 연산한다.
Figure 112015048921273-pat00029
통신에서 사용되는 유클리디언 거리는 보통 두 노드 간 물리적 거리를 의미한다. 따라서
Figure 112015048921273-pat00030
는 단순 거리만을 고려한 값이므로 실제 두 노드 사이의 감쇠와 새도우 페이딩이 고려되지 못한다. 그러나 전술한 바와 같이 유사성 측정값은 D2D 단말 쌍들 사이에 정보를 종합하여 얻은 간섭 패턴과 두 개의 D2D 단말 쌍 사이의 신호 거리에 의존하여 유사성 측정값을 얻게 된다. 정리하면 거리가 가까운 정도로만 두 단말 쌍이 유사하다고 판단하는 것이 아니라 두 단말 쌍 사이의 유휴 채널개수를 비교하고 채널 이득을 판단하여 정확한 유사성 측정을 수행한다.
다수의 D2D 단말 쌍이 존재할 때 단말 쌍 사이의 간섭을 최소화시키기 위해 클러스터를 형성한다. 즉, 간섭이 심할 것으로 추정되는 단말을 하나의 클러스터에 속하게 하는 것이다.
다음과 같은 기준으로 클러스터를 형성한다.
특정 복수의 D2D 단말 쌍에 대한 유사성 측정값이 크다면 해당 D2D 단말 쌍은 서로 간섭을 크게 일으킨다고 하겠다. 이 경우 유사성 측정값이 큰 D2D 단말 쌍은 같은 클러스터의 구성원으로 함께 포함시키고, 동시에 통신을 지원하지 않고, 자원할당 알고리즘에 따라 동일 클러스터 내에서 한 쌍의 D2D 단말만 통신을 허용한다.
클러스터 형성을 위한 방식으로는 분산형 방식인 친근도 전파(Affinity Propagation, AP) 기법을 사용한다.
클러스터 형성을 위한 자료 구조를 간략하게 설명한다. 정점(vertex)들의 집합 (V= {v1, v2, ..., vn})을 가진 무 방향 그래프를 G =(V, E)라고 한다. 이 때 정점은 네트워크상에 위치한 D2D 단말 쌍을 의미한다. 그리고 각각의 정점들을 연결하는 에지(edge)의 가중치는 두 단말 쌍의 유사성을 의미한다. 두 단말 쌍의 유사성을 알 수 있는 가중치 행렬(
Figure 112015048921273-pat00031
)을 생성할 수 있을 것이다. W 벡터는 무방향이므로
Figure 112015048921273-pat00032
가 성립된다. 따라서 가중치 행렬은 아래의 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
Figure 112015048921273-pat00033
송신 단말을 두 D2D 단말 쌍
Figure 112015048921273-pat00034
와
Figure 112015048921273-pat00035
중에서 어느 단말 쌍의 송신 단말로 정하느냐에 따라 수신되는 단말에서 얻게 되는 유사성 측정 값이 달라지기 때문에, 두 값의 평균값을 사용한다. 정점들의 집합
Figure 112015048921273-pat00036
라고 하고, 정점들의 에지값은
Figure 112015048921273-pat00037
와
Figure 112015048921273-pat00038
로 구분한다.
Figure 112015048921273-pat00039
는 같은 집합
Figure 112015048921273-pat00040
에 포함되는 정점들의 에지값들을 의미하고,
Figure 112015048921273-pat00041
는 다른 집합
Figure 112015048921273-pat00042
에 포함되는 정점들의 에지값들을 의미한다. 따라서 최종적으로 클러스터를 형성하기 위한 목표로는 정점들을 아래 수학식 5로 표현되는 함수를 최대화시킬 수 있는 집합
Figure 112015048921273-pat00043
로 나누는 것이다.
Figure 112015048921273-pat00044
같은 클러스터 내에 포함된 점정들의 에지 값들은 최대로 하면서 동시에 서로 다른 클러스터에 속한 에지 값들은 최소로하는 것이다. 즉, 상기과 같은 조건을 만족하는 클러스터를 형성하는 것이다.
이하 분산형 방식인 AP(affinity propagation) 클러스터 기법에 기반한 동적 클러스터 알고리즘을 설명한다.
AP 기법에 기반한 클러스터 알고리즘은 기지국의 도움 없이 인접한 D2D 단말 쌍 사이에서 책임(responsibility) 메시지(
Figure 112015048921273-pat00045
) 및 가능성(availability) 메시지(
Figure 112015048921273-pat00046
) 교환(210)을 통해 클러스터 헤더(cluster head, CH) 및 클러스터 멤버(cluster member, CM)으로 이루어진 클러스터를 형성한다(220).
책임 메시지는 D2D 쌍
Figure 112015048921273-pat00047
로부터 다른 D2D 싸인 CH 후보
Figure 112015048921273-pat00048
에게 전달된다. 책임 메시지는 각각의 D2D 쌍들이 CH 후보들 중 어떤 CH 후보의 클러스터에 속하는 것 이 적합한지를 의한다. 책임 메시지
Figure 112015048921273-pat00049
는 아래의 수학식 6과 같이 구할 수 있다.
Figure 112015048921273-pat00050
여기서 가능성 메시지
Figure 112015048921273-pat00051
의 초기 값은 0으로 설정한다. CH가 되기를 원하는 모든 후보자들은 책임 메시지들이 업데이트 될 때마다 D2D 단말 쌍들을 자신이 포함된 클러스터의 구성원으로 만들기 위해 서로 경쟁하게 된다.
가능성 메시지는 CH 후보
Figure 112015048921273-pat00052
로부터 D2D 단말 쌍
Figure 112015048921273-pat00053
로 전달된다. 가능성 메시지는 각각의 CH 후보들이 인근에 위치한 D2D 단말 쌍들에게 자신이 CH로서 얼마나 적합한지를 의미한다. 가능성 메시지
Figure 112015048921273-pat00054
는 아래의 수학식 7과 같이 구할 수 있다.
Figure 112015048921273-pat00055
여기서,
Figure 112015048921273-pat00056
는 단말 쌍 j 자신에 대한 가능성 메시지를 의미한다. 책임 메세지와 가능성 메시지는 반복적으로 업데이트가 되며, D2D 단말 쌍들이 CH와 CM로 정해지고, 더 이상 클러스터의 구성에 변화가 생기지 않을 때 메시지의 교환은 종료된다.
축적된 두 메시지의 정보를 통해
Figure 112015048921273-pat00057
를 최대로 하는 D2D 단말 쌍이 CH로서 역할을 수행하고, D2D 단말 쌍
Figure 112015048921273-pat00058
는
Figure 112015048921273-pat00059
가 포함된 클러스터의 CM가 된다. 만약
Figure 112015048921273-pat00060
=
Figure 112015048921273-pat00061
일 경우에는 D2D 단말 쌍
Figure 112015048921273-pat00062
가 CH로 선정된다. 반복적으로 수행되는 메시지 교환의 안정성을 위해 0과 1사이의 댐핑 팩터(damping factor) 값을 이용할 수 있다.
AP 기법은 D2D 단말들 쌍 사이에 정보를 교환하면서 클러스터를 형성하기 때문에 AP 기법의 복잡도는 O(n2T)이다.
또한 AP 기법 기반 동적 클러스터 형성 방식은 클러스터의 개수가 사전에 정해지지 않으며,
Figure 112015048921273-pat00063
=
Figure 112015048921273-pat00064
일 경우에 구해지는 자기 유사성 값 (
Figure 112015048921273-pat00065
)으로 클러스터의 개수가 정해진다.
만약
Figure 112015048921273-pat00066
값이 평균값 보다 크면 클러스터의 개수가 증가하고, 평균값 보다 작으면 클러스터의 개수가 감소한다. 평균값은
Figure 112015048921273-pat00067
≠
Figure 112015048921273-pat00068
일 경우에 얻어지는 유사성 값들의 평균을 의미한다. 따라서,
Figure 112015048921273-pat00069
값은 AP 기법 기반 동적 클러스터 형성 방식의 핵심 파라미터가 된다.
3단계 - 자원 할당 (300)
(1) D2D 통신을 위한 전용 자원 할당(310)
D2D 통신을 위한 전용 자원할당 방식은 기지국의 최소한의 개입에 의해 D2D 통신을 위해 별도의 채널을 할당해주는 기법이다. 할당되는 전용 자원은 CU가 사용 중인 주파수 자원을 의미한다. 2단계 과정을 통해 형성된 클러스터마다 클러스터에 포함된 CM들 중 SNR 값이 가장 높은 한 쌍의 D2D 단말 쌍만 자원을 할당받기 위한 후보자로 선정된다. 클러스터의 전체 개수와 자원을 할당받을 수 있는 자격이 주어지는 D2D 단말 쌍의 수는 동일하다. 후보자로 선정된 D2D 단말 쌍들은 정해진 기준에 (
Figure 112015048921273-pat00070
) 따라 순서대로 정보 전달을 위한 자원을 할당받게 된다. 여기서
Figure 112015048921273-pat00071
는 클러스터마다 선발되는 한 쌍의 D2D 단말 쌍을 의미한다.
Figure 112015048921273-pat00072
번째 D2D 단말 쌍의 SNRi는 아래의 수학식 8과 같다.
Figure 112015048921273-pat00073
여기서
Figure 112015048921273-pat00074
는
Figure 112015048921273-pat00075
번째 D2D 단말쌍의 송/수신 단말 사이의 채널 이득이고, N0는 잡음 전력 스펙트럼 밀도를 나타낸다.
자원을 할당 받은 D2D 단말 쌍
Figure 112015048921273-pat00076
는 아래의 수학식 9를 통해 간섭 수준이 측정된다.
Figure 112015048921273-pat00077
여기서 L은 자원을 할당 받은 D2D 단말 쌍들 중 단말 쌍
Figure 112015048921273-pat00078
에게 간섭을 주는 모든 D2D 단말 쌍들을 의미한다. 각각의 D2D 단말 쌍은 간섭수준 I i를 기지국에 보고하며, 기지국은 보고 받은 통합간섭 (aggregate interference) 수준을 임계 값과 비교하여 D2D 단말 쌍들의 아웃티지(outage) 여부를 D2D 단말 쌍들에게 브로드캐스팅 한다.
이때 기지국을 통해 주고받는 메시지는 1비트 혹은 2비트로 구성될 수 있다. 메시지를 받은 D2D 단말 쌍들은
Figure 112015048921273-pat00079
값을 조절하여 클러스터의 전체 개수를 결정한다.
통합간섭 수준이 낮은 경우에는 D2D 통신 서비스를 허용해줄 여유가 있으므로
Figure 112015048921273-pat00080
값을 증가하여 더 많은 클러스터를 생성하게 된다. 통합간섭 수준이 높은 경우에는 아웃티지(outage)가 발생되었음을 의미하므로
Figure 112015048921273-pat00081
값을 감소시켜 클러스터의 수를 줄인다. 즉, 생성된 클러스터의 개수만큼 후보 D2D 단말 쌍 모두에게 통신을 지원해줄 경우 D2D 단말 쌍 간 간섭으로 인해 네트워크의 성능이 감소하게 된다. 따라서 통합간섭 수준에 따라 D2D 단말 쌍들은 일제히
Figure 112015048921273-pat00082
값을 조절하여 적합한 수만큼 클러스터를 형성하게 된다. 즉, 브로드캐스팅 메시지를 통해 클러스터 개수 및 활성화되는 D2D 단말 쌍들의 개수를 조절하여 D2D 단말 쌍들의 QoS를 보장함과 동시에 전체적인 네트워크 처리량 (throughput)을 높일 수 있다.
(2) D2D 통신을 위한 공용 자원 할당(310)
D2D 통신을 위한 공용 자원할당 방식은 기지국의 최소한의 개입에 의해 셀룰러 통신에서 사용 중인 주파수 자원을 재사용하는 방식이다. 이 방식은 클러스터를 통해 생성된 D2D 단말 쌍들중에서 한 쌍의 D2D 단말 쌍만 특정 CU가 사용 중인 채널을 재사용하게 된다. 전용 자원 할당 방식과 달리 고정된
Figure 112015048921273-pat00083
값을 얻게 되며 이를 통해 클러스터 개수가 결정된다.
D2D 통신의 시스템 용량을 최대화하기 위해 일차 사용자(Primary User)인 CU로부터 간섭 영향을 받는 D2D 단말 쌍 및 D2D 단말 쌍로부터 간섭 영향을 받는 기지국의 아웃티지(outage)를 고려하여 이차 사용자(Second User)인 D2D 단말 쌍들에게 재사용 자원을 할당한다.
전용 자원 할당 방식과 같이 생성된 클러스터마다 높은 SNR 값을 갖는 한 쌍의 D2D 단말 쌍를 선발하여 정해진 기준 (
Figure 112015048921273-pat00084
)에 따라 기지국으로부터 채널을 할당 받아 D2D 통신을 수행한다.
D2D 통신을 위해서 CU의 채널을 재사용해야 하므로 두 가지의 간섭을 고려해야 한다. 먼저 D2D 단말 쌍이 채널을 할당받아 정보 전달을 수행할 경우 D2D 단말 쌍의 송신 단말이 기지국에게 주는 간섭을 고려해야한다. 더불어 D2D 통신의 QoS를 보장해주기 위해서는 CU가 D2D 단말 쌍의 수신 단말에게 주는 간섭을 고려해야한다.
D2D 단말 쌍의 수신 단말의 SINR (
Figure 112015048921273-pat00085
)과 기지국의 SINR (
Figure 112015048921273-pat00086
)은 각각 아래의 수학식 10 및 수학식 11과 같다.
Figure 112015048921273-pat00087
Figure 112015048921273-pat00088
여기서
Figure 112015048921273-pat00089
는
Figure 112015048921273-pat00090
번째 D2D 단말 쌍의 송신 단말과 수신 단말 사이의 채널 이득이고,
Figure 112015048921273-pat00091
는
Figure 112015048921273-pat00092
번째 CU와 기지국 사이의 채널 이득이다.
즉,
Figure 112015048921273-pat00093
번째 D2D 단말 쌍은 정보 전달을 위해
Figure 112015048921273-pat00094
번째 CU의 채널을 재사용 하는 경우이다. 또한
Figure 112015048921273-pat00095
는
Figure 112015048921273-pat00096
번째 CU가
Figure 112015048921273-pat00097
번째 D2D 단말 쌍의 수신 단말에게 간섭으로 미치는 경우의 채널 이득이고,
Figure 112015048921273-pat00098
는
Figure 112015048921273-pat00099
번째 D2D 단말 쌍의 송신 단말이 기지국에게 간섭으로 미치는 경우의 채널 이득이다. N0는 잡음 전력 스펙트럼 밀도를 나타낸다. 위에서 구한 SINR 값들의 합으로 이루어진 목적 함수를 아래의 수학식 12와 같이 최대로 만드는 것이 목표이다.
Figure 112015048921273-pat00100
여기서
Figure 112015048921273-pat00101
번째 CU로부터 상향 링크를 통해 정보를 수신 받은 기지국의 rate (
Figure 112015048921273-pat00102
)값은 Shannon 용량 모델을 사용하여 구할 수 있다. 동일한 방법으로
Figure 112015048921273-pat00103
은
Figure 112015048921273-pat00104
번째 D2D 단말 쌍의 수신 단말이
Figure 112015048921273-pat00105
번째 CU로부터 수신 받은 rate 값을 의미한다.
목적 함수를 만족시키기 위한 제약사항은 기지국과 D2D 단말 쌍 모두 정해진 목표 SINR 값 이상이 되어야 한다는 점이다. N과 L은 각각 D2D 단말 쌍의 수와 CU의 수를 나타낸다. 이론적으로 수학식 12의 목적 함수를 짧은 스케쥴링 시간 안에 최적화하는 것이 어려울 수 있다. 따라서 다음과 같은 기법(대체 기법)을 사용할 수도 있을 것이다.
대체 기법의 요점은 D2D 통신으로 인해 셀룰러 네트워크에 미치는 간섭 영향을 최소화하며, 전체적인 네트워크 처리량을 최대화하는 것이다. 먼저 기지국은 선출된 D2D 단말 쌍 후보자들 중에서 가장 높은 SNR 값을 갖는 D2D 단말 쌍이 CU가 사용 중인 채널을 사용했을 경우 기지국에 미치는 간섭영향이 목표 SINR 값보다 이상이 되는 CU의 채널(후보 채널)들을 결정한다.
그리고 후보 채널들 중에서 해당 D2D 단말 쌍의 수신 단말에게 간섭 영향이 가장 적게 미치는 CU의 채널을 최종적으로 선정하게 된다. 즉, 해당 D2D 단말 쌍의 수신 단말과 CU사이의 채널 이득이 가장 나쁜 채널이 선택되어 진다. D2D 단말 쌍에 대해 반복적으로 이 과정을 수행한다. 이 과정은 아래의 수학식 13으로 표현할 수 있다.
Figure 112015048921273-pat00106
여기서 R은 CU가 사용 중인 채널의 총 수를 의미한다. 또한
Figure 112015048921273-pat00107
는 선출된 D2D 단말 쌍 후보자의 수신 단말과 CU 사이의 채널 이득을 나타낸다.
상기 수학식 13을 만족하는 CU의 채널을 선정하여 D2D 단말 쌍에게 자원을 할당한다. D2D 통신을 위한 목표 SINR을 만족할 경우에는 링크가 활성화되지만 그렇지 않은 경우에는 D2D 통신이 지원되지 않게 된다. 목표 SINR은 통신 환경이나 데이터 종류, 장치 특성 등에 따라 정해질 수 있다.
(3) D2D 통신을 위한 하이브리드 자원 할당
하이브리드 자원 할당 방법은 동적으로 전용 자원 할당 또는 공용 자원 할당 방식을 선택하여 자원을 할당하는 방식이다. 따라서 알고리즘의 기본 구성 순서는 전/공용 자원 할당방식과 동일하다. 알고리즘이 수행되기 위해 미리 CU의 자원들 중에서 일부를 D2D 단말 쌍들을 위한 전용 자원으로 미리 할당해 놓는다. 자원 할당의 동작 순서는 기본적으로 CU의 자원을 공유하여 D2D 통신을 지원해주지만, 상황에 따라 동적으로 전용 자원을 할당한다.
클러스터 형성 과정을 통해 형성된 클러스터에서 자원을 할당받을 수 있는 D2D 단말 쌍 후보자들은 SNR 값이 큰 순서대로 기지국으로부터 자원을 할당받아 통신하게 된다. 먼저 공용 자원을 할당해주는 알고리즘과 동일하게 첫 번째로 자원을 할당받게 되는 D2D 단말 쌍이 CU의 자원들 중에서 기지국의 QoS를 보장해 줄 수 있는 채널들만 결정한다(320). 즉, 해당 채널을 사용하여 D2D 통신을 허용했을 때, 기지국에서 아웃티지가 발생되지 않게 하기 위한 것이다. 결정한 CU의 채널들 중에서 CU와 D2D 단말 쌍의 수신 단말 사이에 채널이득이 가장 낮은 값을 나타내는 채널을 최종적으로 선택하게 된다(330). 이는 D2D 단말 쌍의 수신 단말이 CU로부터 받게 되는 간섭 영향이 가장 낮음을 의미한다.
D2D 단말 쌍의 아웃 티지 발생 여부를 확인한다(340). 선택한 공용 채널을 사용하여 통신하는 경우 간섭이 정해진 기준으로 초과하는지 여부로 확인한다.
최종적으로 선택된 채널을 이용하여 D2D 단말 쌍이 통신할 경우에 CU로부터 오는 간섭 (
Figure 112015048921273-pat00108
)이 정해놓은 값을 초과하면 아웃티지가 발생되어 QoS가 보장되지 못한다. 따라서 사전에 할당해 놓은 D2D 통신을 위한 전용 자원을 사용하여 D2D 통신을 수행한다(350).
Figure 112015048921273-pat00109
에서
Figure 112015048921273-pat00110
는 CU가 사용중인 채널을 의미하며,
Figure 112015048921273-pat00111
는 D2D 단말 쌍의 수신 단말을 의미한다. 즉,
Figure 112015048921273-pat00112
값은
Figure 112015048921273-pat00113
번째 D2D 단말 쌍이
Figure 112015048921273-pat00114
번째 CU의 자원을 사용할 경우
Figure 112015048921273-pat00115
번째 CU로부터 아웃티지가 발생하지 않는 간섭 레벨의 최대값을 의미한다.
Figure 112015048921273-pat00116
는 통신 환경, 서비스 종류 또는 장치 특성 등을 고려하여 사전에 최적의 값을 정해야 한다.
선택된 채널을 이용하여 D2D 단말 쌍이 통신할 경우에 CU로부터 오는 간섭 (
Figure 112015048921273-pat00117
)이 정해놓은 값을 초과하지 않는 다면 해당 선택한 채널을 공용 자원으로 할당한다(360).
하이브리드 자원 할당 방식은 정해놓은 I 값에 따라 전용 또는 공용 자원 할당 방식을 상황에 맞게 선택하여 모든 후보자 D2D 단말 쌍의 링크가 허용될 수 있기 때문에 네트워크 처리량이 향상될 수 있다. 동시에 CU의 자원을 공유하여 D2D 단말 쌍들이 D2D 통신을 통해 원하는 정보를 주고받게 되므로 주파수의 효율성도 향상되는 효과를 기대할 수 있다.
본 실시예 및 본 명세서에 첨부된 도면은 전술한 기술에 포함되는 기술적 사상의 일부를 명확하게 나타내고 있는 것에 불과하며, 전술한 기술의 명세서 및 도면에 포함된 기술적 사상의 범위 내에서 당업자가 용이하게 유추할 수 있는 변형 예와 구체적인 실시예는 모두 전술한 기술의 권리범위에 포함되는 것이 자명하다고 할 것이다.

Claims (9)

  1. D2D 단말 쌍이 다른 D2D 단말 쌍과의 공통된 유휴 채널에 대한 정보를 기반으로 기지국의 커버리지에 존재하는 D2D 단말 쌍들에 대한 유사성 정도를 결정하는 단계;
    상기 D2D 단말 쌍들이 상기 유사성 정도를 기준으로 적어도 하나의 클러스터를 형성하는 단계; 및
    상기 기지국이 상기 클러스터에 소속한 하나의 D2D 단말 쌍에만 전용 자원 또는 기지국과 통신을 수행하는 다른 단말이 사용하는 공용 자원 중 적어도 하나를 할당하는 단계를 포함하되,
    상기 할당하는 단계에서 상기 기지국은 상기 다른 단말이 사용하는 채널을 상기 하나의 D2D 단말 쌍이 사용하는 경우 상기 다른 단말이 상기 하나의 D2D 단말 쌍의 수신 단말에 주는 간섭이 기준값을 초과하지 않으면 상기 채널을 상기 하나의 D2D 단말에 대한 자원으로 할당하고, 상기 간섭이 상기 기준값을 초과하는 경우 상기 하나의 D2D 단말 쌍에 전용 자원을 할당하는 D2D 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는
    상기 D2D 단말 쌍이 스펙트럼 센싱 기법으로 통신 채널 중 유휴 채널을 결정하고, 상기 유휴 채널 정보를 브로드캐스팅하는 단계;
    상기 D2D 단말 쌍이 상기 다른 D2D 단말 쌍이 브로드캐스팅한 유휴 채널과 자신의 유휴 채널 중 공통된 유휴 채널을 결정하는 단계; 및
    상기 D2D 단말 쌍이 상기 공통된 유휴 채널의 개수 및 상기 D2D 단말 쌍이 상기 다른 D2D 단말 쌍의 신호 거리를 기준으로 상기 유사성 정도를 결정하는 단계를 포함하는 D2D 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 형성하는 단계에서 상기 D2D 단말쌍들은 상기 유사성 정도를 기준으로 친근도 전파(affinity propagation) 기법을 사용하여 상기 클러스터를 형성하는 D2D 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 형성하는 단계에서 상기 D2D 단말쌍들은 상기 유사성 정도가 기준값보다 큰 D2D 단말쌍을 같은 클러스터에 배정하는 D2D 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 형성하는 단계에서 상기 D2D 단말쌍들은 같은 클러스터에는 상기 유사성 정도가 서로 최대인 D2D 단말쌍이 속하면서 동시에 다른 클러스터에는 상기 같은 클러스터에 속한 D2D 단말쌍과 유사성 정도가 최소인 D2D 단말쌍이 속하도록 상기 클러스터를 형성하는 D2D 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 할당하는 단계에서
    상기 기지국은 하나의 클러스터에 속한 D2D 단말 쌍 중에서 SNR 값이 가장 높은 D2D 단말 쌍에 상기 전용 자원 또는 상기 공용 자원을 할당하는 D2D 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 할당하는 단계에서
    상기 기지국은 하나의 클러스터에 속한 D2D 단말 쌍 중 송신 단말이 기지국에 주는 간섭 및 상기 다른 단말이 상기 D2D 단말 쌍 중 수신 단말에 주는 간섭의 합을 최대로 하는 D2D 단말 쌍에 상기 공용 자원을 할당하는 D2D 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 할당하는 단계에서
    상기 기지국은 D2D 단말 쌍 후보자들 중에서 가장 높은 SNR 값을 갖는 타겟 D2D 단말 쌍이 상기 다른 단말이 사용하는 채널을 사용하는 경우 간섭 영향이 기준 값 이상이 되는 적어도 하나의 채널을 후보 채널로 결정하는 단계; 및
    상기 기지국은 상기 후보 채널들 중에서 상기 타겟 D2D 단말 쌍의 수신 단말에 간섭 영향이 가작 작은 채널을 공용 자원으로 할당하는 단계를 포함하는 D2D 통신을 위한 동적 클러스터 기반의 자원 할당 방법.
  9. 삭제
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