KR101682290B1

KR101682290B1 - Systtem and method of interference alignment and controlling in multiple cell random access network

Info

Publication number: KR101682290B1
Application number: KR1020150025000A
Authority: KR
Inventors: 오진형; 정방철; 진후; 송명선
Original assignee: 한국전자통신연구원; 경상대학교산학협력단
Priority date: 2014-06-20
Filing date: 2015-02-23
Publication date: 2016-12-12
Also published as: KR20150146380A

Abstract

본 발명은 랜덤엑세스 네트워크에서 다중셀간 간섭을 제어하기 위한 것으로서, 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 엑세스포인트와 사용자 단말기 간의 채널정보를 측정하여 다른 기본 서비스 세트(BSS, Basic Service Set)의 채널 매트릭스를 계산하는 단계, 상기 계산된 채널 매트릭스를 이용하여 특이값 분해(SVD, Singular Value Decomposition)를 수행하는 단계, 상기 채널 매트릭스에 수행된 특이값 분해에 기초하여 다른 엑세스포인트로의 간섭량을 고려하여 빔포밍 벡터를 선택하는 단계, 및 상기 선택된 빔포밍 벡터에 기반하여 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.The present invention relates to a method for controlling inter-cell interference in a random access network, wherein a frame transmission method for interference sorting and control measures channel information between an access point and a user terminal and transmits a channel of another basic service set (BSS) Calculating a matrix, performing Singular Value Decomposition (SVD) using the calculated channel matrix, considering the amount of interference to another access point based on the singular value decomposition performed on the channel matrix, Selecting a beamforming vector, and calculating Leakage Interference (LIF) based on the selected beamforming vector.

Description

BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention [0001] The present invention relates to a frame transmission system and method for interference sorting and control in a multi-cell random access network,

본 발명은 랜덤엑세스 네트워크에서 다중셀간 간섭을 제어하기 위한 것으로서, 렌덤엑세스 네트워크에서 분산적인 방식으로 얻은 채널정보로 사용자들이 빔포밍 및 채널을 엑세스하는 기술적 사상에 관한 것이다.The present invention relates to a technique for controlling inter-cell interference in a random access network, and a technique for users to access beamforming and channels with channel information obtained in a distributed manner in a random access network.

지속적으로 증가하는 모바일 데이터 트래픽은 좁은 공간에 사용자가 점점 더 밀집되기 때문이며 이는 또한 무선통신 네트워크에서의 사용자간의 심한 간섭을 초래한다. 따라서 많은 사용자가 효과적인 통신을 하기 위해서는 네트워크의 성능을 저하시키는 간섭을 제어하는 일이 무엇보다도 중요하다. 이와 같이 사용자 사이에 간섭이 존재하는 채널을 간섭채널(Interference channel)이라 부른다. 간섭채널에서 간섭을 제거하는 가장 간단한 방법은 시간, 주파수, 안테나와 같은 한정된 통신 자원들을 사용자들이 겹치기 않게 나누어 쓰는 것이다. 시간을 나누어 쓰는 시분할다중접속(TDMA: Time division multiple access)이나 주파수를 나누어 쓰는 주파수 분할 다중접속(FDMA: Frequency division multiple access) 등이 이에 속한다. 하지만 이런 방법은 한 번에 한 사용자의 통신만 지원하므로, 대역 효율(Spectral efficiency)이 매우 낮다. 따라서 시스템 성능을 향상시키기 위해서는 여러 명의 사용자들이 통신 자원을 동시에 함께 써야 한다. 이와 같은 간섭채널을 연구하여 최적의 간섭제어 기법을 찾는 것은 통신 효율을 높이므로 매우 중요하다.
최근 정보이론적으로 간섭정렬(Interference Alignment, IA)이라는 새로운 기법이 기존의 기술에 비해 향상된 다중화 이득 (Multiplexing gain)을 얻을 수 있음이 밝혀 졌다. 현재 제안되고 있는 간섭정렬기술의 경우 각 단말기에서 요구되는 계산복잡도와 무선채널의 정보를 미리 알아야 하는 현실적인 어려움이 존재한다.
따라서 간섭정렬 기법이 실제 시스템에 구현되기 위해서는 기하급수적으로 증가하는 노드들 사이의 시그널링 오버헤드를 필요로 한다. 이는 또한 실제 구현을 저해하는 가장 큰 요인이다. 따라서 이러한 문제를 효과적으로 해결하면서 랜덤엑세스 네트워크에서 간섭정렬의 성능 이득을 극대화하는 기술이 필요하다.
최근 셀룰러 시스템에서는 이러한 시그널링 오버헤드를 줄이기 위한 Opportunistic Interference Alignment (OIA)라는 기법이 제안되어있다. 이 방식은 제한된 채널정보로 사용자들이 다른 셀로 가는 간섭을 최소화하는 빔포밍을 구현하고 기지국은 자신의 셀 내에서 다른 셀로가는 간섭양이 제일 작은 사용자를 선택한다. 하지만 이러한 선택은 셀룰러시스템에서는 가능하지만 렌덤엑세스 시스템에서는 기본적으로 기지구과 같은 중앙집중적인 컨트롤러 없기에 OIA의 직접적인 응용은 어렵다.The ever-increasing mobile data traffic is increasingly crowded with users in a tight space, which also causes severe interference between users in wireless communication networks. Therefore, in order for many users to communicate effectively, it is most important to control interference that degrades the performance of the network. In this way, a channel in which interference exists between users is called an interference channel. The simplest way to remove interference in an interfering channel is to divide the limited communication resources, such as time, frequency, and antenna, so that users do not overlap. This includes time division multiple access (TDMA) or frequency division multiple access (FDMA) in which time is divided. However, this method supports only one user's communication at a time, so the spectral efficiency is very low. Therefore, in order to improve the system performance, several users must simultaneously use communication resources. Finding the optimal interference control technique by studying such an interference channel is very important because it increases the communication efficiency.
Recent Information Theoretically, it has been found that a new technique called Interference Alignment (IA) can obtain improved multiplexing gain compared to existing techniques. There is a real difficulty in knowing the computational complexity and the information of the wireless channel required in each terminal in the case of the currently proposed interference alignment technique.
Therefore, in order for the interference alignment technique to be implemented in a real system, it requires a signaling overhead between exponentially increasing nodes. This is also the biggest factor hindering actual implementation. Therefore, there is a need for a technique that maximizes the performance gain of the interference alignment in a random access network while effectively solving this problem.
Recently, a technique called Opportunistic Interference Alignment (OIA) has been proposed to reduce the signaling overhead in a cellular system. This scheme implements beamforming in which users minimize interference to other cells with limited channel information, and the base station selects a user with the smallest amount of interference to other cells in its own cell. However, this choice is possible in cellular systems, but in Random Access systems, it is difficult to directly apply OIA because there is no centralized controller such as a base station.

일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 인접 채널에 대한 채널정보를 확인하는 단계, 상기 인접 채널의 엑세스포인트로부터 수신 벡터를 수신하는 단계, 상기 확인된 채널정보와 상기 수신된 수신 벡터를 이용하여 유효 채널 매트릭스를 계산하는 단계, 상기 계산된 유효 채널 매트릭스에 기반하여 간섭량을 측정하는 단계, 및 상기 측정된 간섭량에 기초하여 전송할 단말을 선택하는 단계를 포함한다.
일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 상기 유효 채널 매트릭스를 계산하는 단계는, 엑세스포인트에서 상기 사용자 단말기에 주기적으로 전송되는 비콘(beacon) 프레임 또는 사운딩(sounding) 프레임을 포함하는 상기 채널정보를 측정하여, 상기 유효 채널 매트릭스를 계산하는 단계를 포함한다.
일실시예에 따른 상기 유효 채널 매트릭스를 계산하는 단계는, 간섭정렬을 위해 랜덤 생성되는 간섭공간 정보와 널 스페이스를 포함하는 신호공간 정보를 상기 비콘(beacon) 프레임 또는 상기 사운딩(sounding) 프레임을 통해 상기 사용자 단말기로 전송하는 단계를 포함하고, 상기 간섭공간 정보는 다른 셀에서의 사용자 단말기들로부터의 간섭이 허용되는 간섭공간에 대한 정보이고, 상기 신호공간 정보는 상기 엑세스포인트가 신호를 받으려고 설정한 공간에 대한 정보이다.
일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 엑세스포인트와 사용자 단말기 간의 채널정보를 측정하여 다른 기본 서비스 세트(BSS, Basic Service Set)의 채널 매트릭스를 계산하는 단계, 상기 계산된 채널 매트릭스를 이용하여 특이값 분해(SVD, Singular Value Decomposition)를 수행하는 단계, 상기 채널 매트릭스에 수행된 특이값 분해에 기초하여 다른 엑세스포인트로의 간섭량을 고려하여 빔포밍 벡터를 선택하는 단계, 및 상기 선택된 빔포밍 벡터에 기반하여 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)을 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 간섭량을 고려하여 빔포밍 벡터를 선택하는 단계는, 상기 다른 엑세스포인트로의 간섭량이 최소인 빔포밍 벡터를 선택하는 단계를 포함한다.
일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 엑세스포인트에서 브로드캐스팅된 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값을 수신하는 단계, 상기 수신된 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값에 기초하여 백오프 카운터를 설정하는 단계, 및 일정기간 동안 관찰된 액세스포인트로의 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)을 생성하고, 채널이 아이들(IDLE) 상태인 경우 백오프 카운터를 설정하여 백오프를 진행하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 백오프를 진행하는 단계는, 누적분포함수(CDF, Cumulative distribution function) 값의 범위를 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값을 고려하여 등분하는 단계, 전송 시도시의 채널 상황에 기초하여 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)을 계산하는 단계, 상기 계산된 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)에 해당하는 누적분포함수(CDF, Cumulative distribution function) 값을 계산하는 단계, 및 상기 계산된 누적분포함수(CDF, Cumulative distribution function) 값을 이용하여 백오프 카운터를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 백오프 카운터는 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)에 근거하는 채널특성에 따라 선택되고, 1에서 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값 사이 값으로 결정될 수 있다.
일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 매 백오프슬롯에 상기 선택된 백오프 카운터를 1씩 감소시키고, 상기 백오프 카운터가 0이 되는 사용자 단말기를 통해 패킷 전송을 시도하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 백오프 카운터를 매 백오프 슬롯마다 감소시키되 다른 사용자 단말기가 패킷전송을 시도하면 진행 중인 백오프를 중단하는 단계를 더 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값은, 신호공간에 도착한 패킷으로부터 얻은 제1 스루풋과, 전체 시스템에서 동시 전송하는 사용자 단말기가 다중패킷복구를 통해 얻을 수 있는 제2 스루풋을 고려하여 상기 엑세스포인트에서 설정될 수 있다.
일실시예에 따른 상기 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값은, 상기 제1 스루풋과 상기 제2 스루풋의 합을 최대화하는 값의 역수를 고려하는 정수로 설정될 수 있다.
일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 다른 셀에서 동시에 전송하는 사용자의 수를 확인하는 단계, 상기 확인된 사용자의 수와 엑세스포인트에 있는 안테나 개수와 비교하는 단계, 및 비교 결과, 상기 엑세스포인트에 있는 안테나 개수보다 적으면 다중패킷방식으로 스트림을 수신하도록 설정하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 다수의 사용자가 동시 전송을 시도하는지 여부를 판단하는 단계를 더 포함하고, 상기 사용자의 수를 확인하는 단계는 상기 다수의 사용자가 동시 전송을 시도하는 경우, 상기 다른 셀에서 동시에 전송하는 사용자의 수를 확인하는 단계를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 시스템은 엑세스포인트와 사용자 단말기 간의 채널정보를 측정하여 다른 기본 서비스 세트(BSS, Basic Service Set)의 채널 매트릭스를 계산하는 계산부, 상기 계산된 채널 매트릭스를 이용하여 특이값 분해(SVD, Singular Value Decomposition)를 수행하는 처리부, 및 상기 채널 매트릭스에 수행된 특이값 분해에 기초하여 다른 엑세스포인트로의 간섭량을 고려하여 빔포밍 벡터를 선택하는 선택부를 포함하고, 상기 계산부는, 상기 선택된 빔포밍 벡터에 기반하여 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)을 계산할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 계산부는, 상기 엑세스포인트에서 상기 사용자 단말기에 주기적으로 전송되는 비콘(beacon) 프레임 또는 사운딩(sounding) 프레임을 포함하는 상기 채널정보를 측정하여, 상기 채널 매트릭스를 계산할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 계산부는, 간섭정렬을 위해 랜덤 생성되는 간섭공간 정보와 널 스페이스를 포함하는 신호공간 정보를 상기 비콘(beacon) 프레임 또는 상기 사운딩(sounding) 프레임을 통해 상기 사용자 단말기로 전송하고, 상기 간섭공간 정보는 다른 셀에서의 사용자 단말기들로부터의 간섭이 허용되는 간섭공간에 대한 정보이며, 상기 신호공간 정보는 상기 엑세스포인트가 신호를 받으려고 설정한 공간에 대한 정보일 수 있다.
일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 시스템은 엑세스포인트에서 브로드캐스팅된 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값을 수신하는 수신부, 상기 수신된 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값에 기초하여 백오프 카운터를 설정하는 설정부, 및 일정기간 동안 관찰된 액세스포인트로의 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)을 생성하고, 채널이 아이들(IDLE) 상태인 경우 백오프 카운터를 설정하여 백오프를 진행하는 처리부를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 상기 처리부는, 누적분포함수(CDF, Cumulative distribution function) 값의 범위를 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값을 고려하여 등분하고, 전송 시도시의 채널 상황에 기초하여 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)을 계산하며, 상기 계산된 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)에 해당하는 누적분포함수(CDF, Cumulative distribution function) 값을 계산하고, 상기 계산된 누적분포함수(CDF, Cumulative distribution function) 값을 이용하여 백오프 카운터를 선택할 수 있다.
일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 시스템은 다른 셀에서 동시에 전송하는 사용자의 수를 확인하는 카운터, 상기 확인된 사용자의 수와 엑세스포인트에 있는 안테나 개수와 비교하는 비교부, 및 비교 결과, 상기 엑세스포인트에 있는 안테나 개수보다 적으면 다중패킷방식으로 스트림을 수신하도록 설정하는 설정부를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 시스템은 다수의 사용자가 동시 전송을 시도하는지 여부를 판단하는 판단부를 더 포함하고, 상기 카운터는 상기 다수의 사용자가 동시 전송을 시도하는 경우, 상기 다른 셀에서 동시에 전송하는 사용자의 수를 확인할 수 있다.A frame transmission method for interference alignment and control according to an exemplary embodiment includes: checking channel information on an adjacent channel; receiving a received vector from an access point of the adjacent channel; Calculating an effective channel matrix using the vector, measuring an interference amount based on the calculated effective channel matrix, and selecting a terminal to transmit based on the measured interference amount.
The frame transmission method for interference alignment and control according to an exemplary embodiment of the present invention includes calculating a valid channel matrix by using a beacon frame or a sounding frame periodically transmitted from the access point to the user terminal And measuring the channel information to calculate the effective channel matrix.
The step of calculating the effective channel matrix according to an exemplary embodiment may include the step of generating signal space information including random space interference space information and null space for interference alignment in the beacon frame or the sounding frame Wherein the interference space information is information on an interference space in which interference from user terminals in other cells is allowed, and the signal space information indicates that the access point is set to receive a signal Information about a space.
According to an embodiment of the present invention, there is provided a frame transmission method for interference sorting and control, comprising: measuring channel information between an access point and a user terminal to calculate a channel matrix of another basic service set (BSS) Selecting a beamforming vector considering the amount of interference to another access point based on the singular value decomposition performed on the channel matrix, and performing a singular value decomposition (SVD) And calculating Leakage Interference (LIF) based on the beamforming vector.
The step of selecting a beamforming vector in consideration of the amount of interference according to an exemplary embodiment includes selecting a beamforming vector having a minimum interference amount to the other access point.
According to an exemplary embodiment of the present invention, a frame transmission method for interference alignment and control includes receiving a contention window (CW) value broadcast at an access point, and determining a contention window based on the received contention window (CW) (LIF, Leakage Interference) to the access point observed over a period of time, and if the channel is idle, setting the backoff counter to proceed with the backoff Step < / RTI >
The step of performing the backoff according to an exemplary embodiment includes the steps of equally dividing a range of a cumulative distribution function (CDF) value by considering a contention window (CW) value, Calculating a Leakage Interference (LIF) based on the calculated leakage interference (LIF), calculating a Cumulative Distribution Function (CDF) value corresponding to the calculated Leakage Interference (LIF) And selecting a backoff counter using a cumulative distribution function (CDF) value.
The backoff counter may be selected according to a channel characteristic based on a Least Interference (LIF), and may be determined as a value between 1 and a contention window (CW) value.
The frame transmission method for interference alignment and control according to an exemplary embodiment of the present invention includes decreasing the selected backoff counter by one in each backoff slot and attempting to transmit a packet through a user terminal whose backoff counter is 0 .
The frame transmission method for interference alignment and control according to an exemplary embodiment may further include decreasing a backoff counter for each backoff slot, but stopping an ongoing backoff when another user terminal attempts to transmit a packet.
The contention window (CW) value according to an exemplary embodiment is a value obtained by multiplying a first throughput obtained from a packet arriving in a signal space and a second throughput that a user terminal simultaneously transmitting in the entire system can obtain through multi- And may be set at the access point.
The content window (CW) value according to an exemplary embodiment may be set to an integer considering a reciprocal of a value maximizing a sum of the first throughput and the first throughput.
A frame transmission method for interference alignment and control according to an exemplary embodiment includes checking the number of users simultaneously transmitting in different cells, comparing the number of users with the number of antennas in the access point, , And if the number of antennas is less than the number of antennas at the access point, setting up to receive the stream in a multi-packet manner.
The frame transmission method for interference alignment and control according to an exemplary embodiment of the present invention may further include determining whether a plurality of users attempt simultaneous transmission, and the step of verifying the number of users may include: It may include checking the number of users simultaneously transmitting in the different cell.
A frame transmission system for interference alignment and control according to an embodiment includes a calculation unit for calculating a channel matrix of another basic service set (BSS) by measuring channel information between an access point and a user terminal, A processing unit for performing Singular Value Decomposition (SVD) using a matrix, and a selection unit for selecting a beamforming vector considering the amount of interference to another access point based on the singular value decomposition performed on the channel matrix And the calculation unit may calculate a leakage interference (LIF) based on the selected beamforming vector.
The calculation unit may calculate the channel matrix by measuring the channel information including a beacon frame or a sounding frame periodically transmitted to the user terminal at the access point .
The calculator according to an embodiment transmits signal space information including random space interference space information and null space to the user terminal through the beacon frame or the sounding frame for interference alignment The interference spatial information is information on an interference space in which interference from user terminals in other cells is allowed, and the signal spatial information may be information on a space set by the access point to receive a signal.
A frame transmission system for interference alignment and control according to an exemplary embodiment of the present invention includes a receiver for receiving a contention window (CW) value broadcast at an access point, a receiver for receiving a contention window (CW) value based on the received contention window (LIF, Leakage Interference) to an access point observed for a predetermined period, and sets a backoff counter when the channel is in an idle state to perform a backoff And a processing unit for processing the image data.
The processing unit according to an embodiment divides the range of the cumulative distribution function (CDF) value by a consideration of a contention window (CW) value and divides the value of the cumulative distribution function (CDF) And calculates a cumulative distribution function (CDF) value corresponding to the calculated Leakage Interference (LIF), calculates a cumulative distribution function (CDF) Value can be used to select the backoff counter.
A frame transmission system for interference alignment and control according to an embodiment includes a counter for checking the number of users simultaneously transmitting in different cells, a comparison unit for comparing the number of users identified and the number of antennas in the access point, As a result, if the number of antennas is less than the number of antennas in the access point, the setting unit may be configured to receive the stream in a multi-packet manner.
The frame transmission system for interference alignment and control according to an exemplary embodiment of the present invention may further include a determination unit that determines whether a plurality of users attempt simultaneous transmission, and the counter determines whether the plurality of users attempt simultaneous transmission, It is possible to confirm the number of users transmitting simultaneously in different cells.

본 발명에 따르면, 랜덤엑세스 네트워크에서 단말기들의 다른 셀의 엑세스포인트에 주는 간섭의 양을 줄일 수 있어, 다중셀의 전반적인 성능을 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따르면, 간섭정렬 기법이 실제 시스템에 구현되기 위해서는 기하급수적으로 증가하는 노드들 사이의 시그널링 오버헤드를 필요로 하는 문제를 해결하면서 랜덤엑세스 네트워크에서 간섭정렬의 성능 이득을 높일 수 있다.According to the present invention, it is possible to reduce the amount of interference given to access points of different cells of terminals in a random access network, thereby improving the overall performance of multiple cells.
According to the present invention, it is possible to increase the performance gain of interference alignment in a random access network while solving the problem of requiring signaling overhead between exponentially increasing nodes in order for the interference alignment technique to be implemented in an actual system.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중셀 랜덤엑세스 네트워크를 설명하는 도면이다.
도 2는 특이값 분해(SVD, Singular Value Decomposition) 기반의 빔포밍 방법을 통해 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법을 설명하는 도면이다.
도 3은 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)과 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값에 대한 누적분포함수(CDF, Cumulative distribution function) 값을 나타내는 도면이다.
도 4는 채널엑세스를 위한 백오프 방법을 통해 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법을 설명하는 도면이다.
도 5는 엑세스포인트에서의 스트림 수신 방법을 통해 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 특이값 분해(SVD, Singular Value Decomposition) 기반의 빔포밍을 이용하는 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 시스템을 설명하는 도면이다.
도 7은 채널엑세스를 위한 백오프를 이용하는 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 시스템을 설명하는 도면이다.
도 8은 엑세스포인트에서의 스트림 수신을 이용하는 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 시스템을 설명하는 도면이다.1 is a view illustrating a multi-cell random access network according to an embodiment of the present invention.
2 is a view for explaining a frame transmission method for interference alignment and control through a beamforming method based on Singular Value Decomposition (SVD).
3 is a diagram showing values of a cumulative distribution function (CDF) for Leakage Interference (LIF) and Contention Window (CW) values.
4 is a diagram illustrating a frame transmission method for interference alignment and control through a backoff method for channel access.
5 is a view for explaining a frame transmission method for interference alignment and control through a stream reception method at an access point.
6 is a view for explaining a frame transmission system for interference alignment and control using beamforming based on Singular Value Decomposition (SVD).
7 is a diagram illustrating a frame transmission system for interference alignment and control using backoff for channel access.
8 is a diagram illustrating a frame transmission system for interference alignment and control using stream reception at an access point.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 다중셀 랜덤엑세스 네트워크(100)를 설명하는 도면이다.
본 발명의 다중셀 랜덤엑세스 네트워크(100)는 한 구역에 분포되어 있는 다중 엑세스포인트(access point)와 다중 사용자로 구성되어 있다.
각각의 엑세스포인트(110, 120, 130)는 다중 사용자와 통신할 수 있다. 도 1은 다중 엑세스포인트(access point)와 다중 사용자로 구현된 간단한 시스템 시나리오 설명도이며 사용자들은 해당하는 엑세스포인트와 데이터 통신을 할 수 있다. 또한, 해당하는 엑세스포인트와 사용자는 하나의 셀 또는 기본 서비스 세트(BSS, Basic Service Set)를 구성한다. 본 발명에서는 이러한 단일의 기본 서비스 세트(BSS, Basic Service Set)가 중첩되어 있는 네트워크 배치(topology)를 오버래핑셀 (Overlapping Cell) 또는 OBSS (Overlapping BSS)로 표현한다. 엑세스포인트와 사용자 단말기들은 다중 안테나를 장착할 수 있고 사용자 단말기들은 랜덤엑세스 방식으로 엑세스포인트와의 통신을 위한 채널 엑세스를 진행한다.
간섭정렬 기법이 실제 시스템에 구현되기 위해서는 기하급수적으로 증가하는 노드들 사이의 시그널링 오버헤드를 필요로 한다. 이는 또한 실제 구현을 저해하는 가장 큰 요인이다. 본 발명은 이러한 문제를 효과적으로 해결하면서 랜덤엑세스 네트워크에서 간섭정렬의 성능 이득을 극대화할 수 있다.
본 발명은 간섭정렬 및 제어을 수행할 수 있는데, 이를 위해 다른 셀 또는 엑세스포인트로 가는 간섭의 양을 최소화 하는 사용자의 빔포밍(Beamforming)을 구현하거나, 다중 사용자간의 채널엑세스를 위한 사용자들의 백오프를 수행할 수 있다.
뿐만 아니라, 본 발명은 간섭정렬 및 제어를 위해, 백오프 알고리즘의 위한 최적의 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값을 설계하거나, 다중 사용자가 동시 전송시 엑세스포인트에서의 다중 스트림을 수신하도록 할 수 있다.
일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법에서는, 인접 채널에 대한 채널정보를 확인하고, 인접 채널의 엑세스포인트로부터 수신 벡터를 수신할 수 있다.
확인된 채널정보와 수신된 수신 벡터를 이용하여 유효 채널 매트릭스를 계산하고, 계산된 유효 채널 매트릭스에 기반하여 간섭량을 측정할 수 있다.
일례로, 유효 채널 매트릭스를 계산하기 위해서는, 엑세스포인트에서 사용자 단말기에 주기적으로 전송되는 비콘(beacon) 프레임 또는 사운딩(sounding) 프레임을 포함하는 채널정보를 측정하여, 유효 채널 매트릭스를 계산할 수 있다. 또한, 간섭정렬을 위해 랜덤 생성되는 간섭공간 정보와 널 스페이스를 포함하는 신호공간 정보를 비콘(beacon) 프레임 또는 사운딩(sounding) 프레임을 통해 사용자 단말기로 전송할 수 있다. 간섭공간 정보는 다른 셀에서의 사용자 단말기들로부터의 간섭이 허용되는 간섭공간에 대한 정보로 해석될 수 있고, 신호공간 정보는 엑세스포인트가 신호를 받으려고 설정한 공간에 대한 정보로 해석될 수 있다.
이후, 일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법에서는 측정된 간섭량에 기초하여 전송할 단말을 선택함으로써, 간섭정렬 및 제어를 수행할 수 있다.
도 2는 특이값 분해(SVD, Singular Value Decomposition) 기반의 빔포밍 방법을 통해 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법을 설명하는 도면이다.
도 2에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 엑세스포인트와 사용자 단말기 간의 채널정보를 측정하여 다른 기본 서비스 세트(BSS, Basic Service Set)의 채널 매트릭스를 계산할 수 있다(단계 201).
각각의 엑세스포인트는 주기적으로 비콘(beacon) 프레임 또는 사운딩(sounding) 프레임을 전송함으로써 사용자 단말기들이 자신과 엑세스포인트 사이의 채널정보를 측정한다.
다중 안테나를 사용하는 엑세스포인트는 안테나 개수만큼의 데이터 스트림을 동시에 받을 수 있는 공간이 있는데 그 중 일부를 신호공간(desired signal space)으로 사용하고 나머지를 간섭공간(interference space)으로 사용한다. 간섭공간은 다른 셀에서의 사용자 단말기들이 간섭을 줘도 되는 공간이고 신호공간은 해당 엑세스포인트가 자신의 신호를 받으려고 설정한 공간으로서 다른 셀에 있는 사용자 단말기는 이 신호공간에 주는 신호를 최소화 하도록 한다. 관련 정보는 비콘프레임에 저장될 수 있다.
특이값 분해(SVD, Singular Value Decomposition) 기반의 빔포밍을 위한 하나의 예시로는 다음과 같다.
K의 셀이 공존하고 각 엑세스포인트는 M개의 안테나가 있고 각 사용자 단말기는 L개의 안테나를 갖고 있다. 각 엑세스포인트는 상향링크에서

개의 스트림의 동시 전송을 지원한다. 즉 신호공간의 크기는 S이다. 그리고 각 사용자 단말기는 하나의 스트림을 전송한다. 셀 i에 있는 사용자 단말기 j로부터 엑세스포인트 j까지의 채널 매트릭스를

로 표기한다. 각 사용자 단말기는 엑세스포인트들로부터 주기적으로 전송되는 비콘 또는 사운딩 패킷으로부터 채널 매트릭스를 추정한다.
엑세스포인트 k는 간섭정렬을 위한 간섭공간

를 랜덤방식으로 생성한다. 그리고

의 nulls space즉 신호공간을 아래와 같이 계산한다.

셀k는

와

를 비콘 등을 통해 모든 스테이션들한테 전달한다.

와

는 랜덤생성에 기반하기 때문에 M과 S 값들의 영향만 받고 있다.
도 2에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 계산된 채널 매트릭스를 이용하여 특이값 분해(SVD, Singular Value Decomposition)를 수행하고(단계 202), 채널 매트릭스에 수행된 특이값 분해에 기초하여 다른 엑세스포인트로의 간섭량을 고려하여 빔포밍 벡터를 선택할 수 있다.
각각의 사용자 단말기는 다른 셀의 신호공간에 미치는 간섭의 양을 최소화 하기 위한 빔포밍을 벡터를 계산할 수 있다. 위의 예시에서의 빔포밍 방법은 다음과 같다.
간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법에 따르면, 셀 i에 있는 사용자 단말기j의 빔포밍 벡터

을 생성하기 위해 우선 다른 엑세스포인트들의 신호공간으로 가는 채널을 아래 [수학식 1]의 포맷으로 만든다.
[수학식 1]

다음으로 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은

에 대하여 특이값 분해(SVD, Singular Value Decomposition)를 진행하여 아래의 [수학식 2]의 포맷을 계산한다.
[수학식 2]

간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 위 [수학식 2]로부터 [수학식 3]과 같은 빔포밍벡터를 선택한다(단계 203). 즉, 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 다른 액세스포인트들한테 가는 간섭량을 최소화 하는 빔포밍 벡터를 선택한다.
[수학식 3]

도 2에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 선택된 빔포밍 벡터에 기반하여 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)을 계산할 수 있다(단계 204).
간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 사용자단말기를 통해 빔포밍벡터에 기반하여 아래 [수학식 4]와 같이 정의된 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)의 양을 계산한다.
[수학식 4]

즉, 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)은 다른 셀로 가는 총 간섭의 양을 표현할 수 있다.
도 3은 채널엑세스를 위한 백오프 방법을 통해 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법을 설명하는 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 채널이 아이들할 때까지 대기하고(단계 301), 아이들한 상태가 되면 도면부호 302 내지 306을 통해 백오프를 진행할 수 있다.
구체적으로, 채널엑세스를 위한 백오프 방법은 엑세스포인트에서 브로드캐스팅된 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값을 수신하고, 수신된 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값에 기초하여 백오프 카운터를 설정할 수 있다. 또한, 일정기간 동안 관찰된 액세스포인트로의 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)을 생성하고, 채널이 아이들(IDLE) 상태인 경우 백오프 카운터를 설정하여 백오프를 진행할 수 있다.
백오프를 진행하기 위해, 본 발명은 누적분포함수(CDF, Cumulative distribution function) 값의 범위를 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값을 고려하여 등분하고, 전송 시도시의 채널 상황에 기초하여 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)을 계산한다. 또한, 계산된 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)에 해당하는 누적분포함수(CDF, Cumulative distribution function) 값을 계산하고, 계산된 누적분포함수(CDF, Cumulative distribution function) 값을 이용하여 백오프 카운터를 선택할 수 있다.
엑세스포인트들은 주기적으로 Contention window (CW)값을 브로드캐스팅하고, 각 사용자 단말기들은 0부터 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값 사이의 백오프 카운터를 설정한다.
각각의 사용자 단말기들은 다른 엑세스포인트들한테 일으키는 누설 간섭(LIF, Leakage Interference) 값을 장기간에 거쳐 관찰하고, 관련된 누적분포함수(Cumulative distribution function, CDF)를 생성한다.
채널이 아이들하면 각 사용자 단말기는 백오프를 진행하게 되는데 백오프 카운터는 채널특성 즉 누설 간섭(LIF, Leakage Interference) 값에 근거하여 1부터 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값 사이의 정한다.
도 4의 그래프(400)와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 누적분포함수(Cumulative distribution function, CDF) 값의 범위를 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값만큼 등분한다.
참고로, 도 4는 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)과 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값에 대한 누적분포함수(CDF, Cumulative distribution function) 값을 나타내는 도면이다.
본 발명의 일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 전송 시도시의 채널 상황에 근거하여 누설 간섭(LIF, Leakage Interference) 값을 계산하고(단계 302) 그 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)에 해당하는 누적분포함수(Cumulative distribution function, CDF) 값을 계산한 다음 그에 대응하는 백오프 카운터를 계산한다(단계 303).
그리고 본 발명의 일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 매 백오프슬롯에 카운터값을 1씩 감소시키고 0이 되는 사용자 단말기는 패킷전송을 시도하여 백오프를 수행한다(단계 304).
도 4의 그래프(400)에서 보는 바와 같이, 작은 누설 간섭(LIF, Leakage Interference) 값을 가지는 사용자 단말기들이 작은 백오프 카운터를 설정하게 되고 따라서 채널을 엑세스하게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 채널이 액세스되는지를 판단하고, 액세스되는 경우 패킷을 전송하고(단계 306), 액세스되지 않는 경우 단계 301로 분기하여 채널이 아이들한 상태가 될 때까지 대기한다.
백오프 알고리즘의 특성상 사용자 단말기들의 동시 전송이 발생할 수 있다.
만약 동시 전송 중에 있는 모든 사용자 단말기들의 패킷전송이 실패하게 되면 시스템에 있는 모든 사용자 단말기들은 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값을 두 배로 증가시켜 다음 패킷 전송시도 시 사용한다. 이러한 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값의 증가는 미리 지정된 최대값에 도달하면 그 값을 유지하고 증가시키지 않는다. 임의의 사용자 단말기의 패킷전송이 성공하면 상응하는 엑세스포인트로부터 Acknowledgement가 브로드캐스트되기에 모든 사용자 단말기들은 이 정보를 읽고 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값을 미리 지정된 최소값으로 초기화한다.
우선 채널이 점유되지 않은 상태가 된다면 사용자 단말기는 지금 채널 상태에 따라서 누설 간섭(LIF, Leakage Interference) 값을 계산한다. 이 누설 간섭(LIF, Leakage Interference) 값의 계산과정은 물리계층에서의 특이값 분해(SVD, Singular Value Decomposition 기반의 빔포밍을 포함한다. 다음으로 본 발명에 따르면 계산한 누설 간섭(LIF, Leakage Interference) 값에 기반하여 백오프 카운터를 설정하게 되는데, 여기에서 누설 간섭(LIF, Leakage Interference) 값의 누적분포함수(Cumulative distribution function, CDF) 값와 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값을 사용하게 된다. 백오프 카운터는 매 백오프 슬롯마다 감소시키되 다른 사용자 단말기가 패킷전송을 시도하면 백오프를 중단한다. 하지만 아무도 전송하지 않고 자신의 백오프 카운터가 0으로 되면 패킷 전송을 시도하며 3단계에 진입한다.
본 발명은 동시에 전송하는 사용자 단말기들의 간섭 등의 영향을 통해 패킷 전송이 성공할 수도 있고 실패할 수도 있다.
본 발명은 채널엑세스를 위한 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값을 설정할 수 있다.
본 발명은 신호공간에 도착한 패킷으로부터 얻은 제1 스루풋과, 전체 시스템에서 동시 전송하는 사용자 단말기가 다중패킷복구를 통해 얻을 수 있는 제2 스루풋을 고려하여 엑세스포인트에서 설정되는 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값을 설정할 수 있다. 특히, 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값은 제1 스루풋과 상기 제2 스루풋의 합을 최대화하는 값의 역수를 고려하는 정수로 설정될 수 있다.
여전히 K개의 셀이 공존하고 각 엑세스포인트는 M개의 안테나가 있고 각 사용자에게는 L개의 안테나가 있는 상황을 고려할 수 있다.
이때, 각 셀에는 N개의 사용자가 있고 각 엑세스포인트는 신호공간의 크기를 S로 설정한다. 이 경우 다른 셀로부터 오는 간섭 양이 충분이 작으면 엑세스포인트는 이론적으로 자신의 셀에 있는 사용자의 동시 전송을 S명까지 지원할 수 있다. 이러한 가정에서 본 발명은 사용자 단말기들의 전송확률 p를 1/CWmin로 근접할 수 있고 그에 상응하는 스루풋(Throughput)을 [수학식 5]로 계산할 수 있다.
[수학식 5]

여기에서 괄호안의 첫번째 부분은 제1 스루풋으로서, 신호공간에 도착한 패킷으로부터 얻은 스루풋이고, 두 번째 부분은 제2 스루풋으로서, 전체 시스템에서 동시 전송하는 사용자가 엑세스포인트의 안테나수 보다 작아 다중패킷 복구를 통해 얻을 수 있는 스루풋이다. 본 발명에서는 우선 위 [수학식 5]에서 스루풋을 최대화 하는 p_optimal값을 계산하고 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값을 그 역수인 1/p_optimal에 근접하는 정수로 계산할 수 있다.
도 5는 엑세스포인트에서의 스트림 수신 방법을 통해 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법을 설명하는 도면이다.
렌덤엑세스 기반의 다중셀 네트워크에서는 다수의 사용자가 동시 전송을 시도할 수 있다. 이 경우 엑세스포인트에서는 데이터 전송을 하는 사용자가 자신의 셀의 사용자인지 파악한 후 전체 동시 전송을 하는 사용자수를 고려하여 수신 방법을 달리 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 이러한 상황에서 엑세스포인트에서의 수신 방법을 설명한다.
본 발명의 일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 액세스포인트가 아이들상태가 될 때를 위해 대기한다(단계 501).
아이들상태에서 우선 엑세스포인트가 수신 신호를 감지하면(단계 502) 자신의 신호공간에서 자신의 셀 사용자가 전송하는 데이터를 복구한다(단계 503).
동시에 전송을 시도하는 셀 사용자수가 신호공간의 크기보다 크면 데이터 수신이 실패할 수 있다. 이런 경우 다른 셀에서 동시에 전송하는 사용자의 수를 확인하여 엑세스포인트에 있는 안테나 개수보다 작으면 다중패킷수신방법으로 수신할 수 있다. 즉, 다른 기본 서비스 세트(BSS, Basic Service Set)의 신호전송이 없기 때문에 해당 기본 서비스 세트(BSS, Basic Service Set)의 신호공간의 크기를 늘릴 수 있으므로 MPR(Multi-Packet Reception)이 가능하다.
본 발명의 일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 단계 504의 판단결과 데이터 수신을 성공하는 경우, 단계 501로 분기하여 액세스포인트가 아이들상태가 될 때를 위해 대기한다.
만약, 단계 504의 판단결과 데이터 수신을 실패하는 경우, 본 발명의 일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 다른 기본 서비스 세트(BSS, Basic Service Set) 신호가 검출되었는지를 더 판단할 수 있다(단계 505).
만약, 다른 기본 서비스 세트(BSS, Basic Service Set) 신호가 검출되었다면 본 발명의 일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 MPR(Multi-Packet Reception)의 수를 줄여 단계 503으로 분기할 수 있다.
만약, 다른 기본 서비스 세트(BSS, Basic Service Set) 신호가 검출되지 않았다면 본 발명의 일실시예에 따른 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 방법은 MPR(Multi-Packet Reception)을 수행할 수 있다(단계 507).
다른 BSS 신호가 검출되는 경우 신호공간에서의 데이터 수신이 실패한 것이기 때문에, 엑세스포인트는 다중패킷수신을 추가적으로 실행한다.
도 6은 특이값 분해(SVD, Singular Value Decomposition) 기반의 빔포밍을 이용하는 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 시스템(600)을 설명하는 도면이다.
간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 시스템(600)은 특이값 분해(SVD, Singular Value Decomposition) 기반의 빔포밍을 위해, 계산부(610), 처리부(620), 및 선택부(630)를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 계산부(610)는 엑세스포인트와 사용자 단말기 간의 채널정보를 측정하여 다른 기본 서비스 세트(BSS, Basic Service Set)의 채널 매트릭스를 계산할 수 있다.
예를 들어, 계산부(610)는 엑세스포인트에서 사용자 단말기에 주기적으로 전송되는 비콘(beacon) 프레임 또는 사운딩(sounding) 프레임을 포함하는 채널정보를 측정하여, 채널 매트릭스를 계산할 수 있다. 또한, 계산부(610)는 간섭정렬을 위해 랜덤 생성되는 간섭공간 정보와 널 스페이스를 포함하는 신호공간 정보를 비콘(beacon) 프레임 또는 사운딩(sounding) 프레임을 통해 사용자 단말기로 전송할 수 있다.
이때의, 간섭공간 정보는 다른 셀에서의 사용자 단말기들로부터의 간섭이 허용되는 간섭공간에 대한 정보이며, 신호공간 정보는 엑세스포인트가 신호를 받으려고 설정한 공간에 대한 정보로 해석될 수 있다.
일실시예에 따른 처리부(620)는 계산된 채널 매트릭스를 이용하여 특이값 분해(SVD, Singular Value Decomposition)를 수행할 수 있고, 일실시예에 따른 선택부(630)는 채널 매트릭스에 수행된 특이값 분해에 기초하여 다른 엑세스포인트로의 간섭량을 고려하여 빔포밍 벡터를 선택할 수 있다.
도 7은 채널엑세스를 위한 백오프를 이용하는 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 시스템(700)을 설명하는 도면이다.
간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 시스템(700)은 채널엑세스를 위한 백오프를 위해, 수신부(710), 설정부(720), 및 처리부(730)를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 수신부(710)는 엑세스포인트에서 브로드캐스팅된 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값을 수신할 수 있다.
일실시예에 따른 설정부는(720)는 수신된 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값에 기초하여 백오프 카운터를 설정할 수 있다.
다음으로, 일실시예에 따른 처리부(730)는 일정기간 동안 관찰된 액세스포인트로의 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)을 생성하고, 채널이 아이들(IDLE) 상태인 경우 백오프 카운터를 설정하여 백오프를 진행할 수 있다.
예를 들어, 처리부(730)는 누적분포함수(CDF, Cumulative distribution function) 값의 범위를 경쟁 윈도우(CW, Contention window) 값을 고려하여 등분하고, 전송 시도시의 채널 상황에 기초하여 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)을 계산하며, 계산된 누설 간섭(LIF, Leakage Interference)에 해당하는 누적분포함수(CDF, Cumulative distribution function) 값을 계산하고, 계산된 누적분포함수(CDF, Cumulative distribution function) 값을 이용하여 백오프 카운터를 선택할 수 있다.
도 8은 엑세스포인트에서의 스트림 수신을 이용하는 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 시스템(800)을 설명하는 도면이다.
간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 시스템(800)은 엑세스포인트에서의 스트림 수신을 위해, 카운터(810), 비교부(820), 및 설정부(830)를 포함할 수 있다.
일실시예에 따른 카운터(810)는 다른 셀에서 동시에 전송하는 사용자의 수를 확인할 수 있다.
일실시예에 따른 비교부(820)는 확인된 사용자의 수와 엑세스포인트에 있는 안테나 개수와 비교할 수 있다.
일실시예에 따른 설정부(830)는 비교 결과에 따라 엑세스포인트에 있는 안테나 개수보다 적으면 다중패킷방식으로 스트림을 수신하도록 설정할 수 있다.
또한, 간섭정렬 및 제어를 위한 프레임 전송 시스템(800)은 다수의 사용자가 동시 전송을 시도하는지 여부를 판단하는 판단부를 더 포함할 수 있다. 이 때의 카운터(810)는 다수의 사용자가 동시 전송을 시도하는 경우, 다른 셀에서 동시에 전송하는 사용자의 수를 확인할 수 있다.
결국, 본 발명에 따르면, 랜덤엑세스 네트워크에서 단말기들의 다른 셀의 엑세스포인트에 주는 간섭의 양을 획기적으로 줄일 수 있어, 다중셀의 전반적인 성능을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 간섭정렬 기법이 실제 시스템에 구현되기 위해서는 기하급수적으로 증가하는 노드들 사이의 시그널링 오버헤드를 필요로 하는 문제를 효과적으로 해결하면서 랜덤엑세스 네트워크에서 간섭정렬의 성능 이득을 높일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Hereinafter, preferred embodiments according to the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
In the following description of the present invention, detailed description of known functions and configurations incorporated herein will be omitted when it may make the subject matter of the present invention rather unclear. The terminologies used herein are terms used to properly represent preferred embodiments of the present invention, which may vary depending on the user, the intent of the operator, or the practice of the field to which the present invention belongs. Therefore, the definitions of these terms should be based on the contents throughout this specification. Like reference symbols in the drawings denote like elements.
1 is a diagram illustrating a multi-cell random access network 100 according to an embodiment of the present invention.
The multi-cell random access network 100 of the present invention is composed of multiple access points and multiple users distributed in one area.
Each access point 110, 120, 130 may communicate with multiple users. FIG. 1 is a diagram illustrating a simple system scenario implemented with multiple access points and multiple users, and users can perform data communication with corresponding access points. In addition, the corresponding access point and the user constitute one cell or a basic service set (BSS). In the present invention, a network topology in which a single basic service set (BSS) is superposed is expressed as an overlapping cell or an overlaying BSS. The access point and the user terminals can mount multiple antennas and the user terminals access the channel for communication with the access point in a random access manner.
In order for an interference alignment technique to be implemented in a real system, it requires signaling overhead between exponentially increasing nodes. This is also the biggest factor hindering actual implementation. The present invention can effectively solve this problem and maximize the performance gain of interference alignment in a random access network.
The present invention can perform interference alignment and control by implementing beamforming of a user that minimizes the amount of interference to other cells or access points, or by performing backoffs of users for channel access between multiple users Can be performed.
In addition, the present invention can be used to design an optimal contention window (CW) value for the backoff algorithm for interference alignment and control, or to allow multiple users to receive multiple streams at the access point during simultaneous transmission have.
In the frame transmission method for interference alignment and control according to an exemplary embodiment, channel information on an adjacent channel can be checked and a received vector can be received from an access point on an adjacent channel.
The effective channel matrix may be calculated using the identified channel information and the received vector, and the amount of interference may be measured based on the calculated effective channel matrix.
For example, to calculate the effective channel matrix, an effective channel matrix may be calculated by measuring channel information including a beacon frame or a sounding frame periodically transmitted to the user terminal at the access point. Also, for the interference alignment, the signal space information including the random interference space information and the null space may be transmitted to the user terminal through a beacon frame or a sounding frame. The interference spatial information can be interpreted as information on an interference space in which interference from user terminals in other cells is allowed and the signal space information can be interpreted as information on a space set by the access point to receive a signal.
Thereafter, in the frame transmission method for interference alignment and control according to an exemplary embodiment, interference can be aligned and controlled by selecting a terminal to be transmitted based on the measured interference amount.
2 is a view for explaining a frame transmission method for interference alignment and control through a beamforming method based on Singular Value Decomposition (SVD).
The frame transmission method for interference alignment and control according to FIG. 2 may calculate a channel matrix of another basic service set (BSS) by measuring channel information between an access point and a user terminal (step 201).
Each access point periodically transmits a beacon frame or a sounding frame so that user terminals measure channel information between itself and the access point.
An access point using multiple antennas has a space for receiving data streams as many times as the number of antennas. Some of them are used as a desired signal space and others are used as an interference space. The interference space is a space in which user terminals in other cells can interfere with each other, and the signal space is a space set by the corresponding access point for receiving its own signal, and a user terminal in another cell minimizes a signal given to the signal space. Related information may be stored in a beacon frame.
One example for beamforming based on Singular Value Decomposition (SVD) is as follows.
K cells coexist, each access point has M antennas, and each user terminal has L antennas. Each access point is located in the uplink

Lt; / RTI > streams. That is, the size of the signal space is S. Each user terminal transmits one stream. The channel matrix from user terminal j to access point j in cell i

. Each user terminal estimates a channel matrix from a beacon or sounding packet periodically transmitted from access points.
The access point k is an interference space for interference alignment

In a random manner. And

The nullspace of the signal space is calculated as follows.

Cell k

Wow

To all stations via a beacon or the like.

Wow

Are based only on random generation and are therefore only affected by the M and S values.
The frame transmission method for interference alignment and control according to FIG. 2 performs Singular Value Decomposition (SVD) using the calculated channel matrix (step 202), and based on the singular value decomposition performed on the channel matrix The beamforming vector can be selected in consideration of the interference amount to another access point.
Each user terminal can calculate a beamforming vector to minimize the amount of interference on the signal space of the other cell. The beamforming method in the above example is as follows.
According to the frame transmission method for interference alignment and control, the beamforming vector of user terminal j in cell i

The channel to the signal space of the other access points is converted into the following formula (1).
[Equation 1]

Next, the frame transmission method for interference alignment and control

(SVD, Singular Value Decomposition) to calculate the following formula (2).
&Quot; (2) "

A frame transmission method for interference alignment and control selects a beamforming vector such as Equation (3) from Equation (2) (Step 203). That is, a frame transmission method for interference alignment and control selects a beamforming vector that minimizes interference to other access points.
&Quot; (3) "

The frame transmission method for interference alignment and control according to FIG. 2 may calculate Leakage Interference (LIF) based on the selected beamforming vector (step 204).
The frame transmission method for interference alignment and control calculates the amount of leakage interference (LIF) defined by Equation (4) based on the beamforming vector through the user terminal.
&Quot; (4) "

In other words, Leakage Interference (LIF) can represent the amount of total interference to other cells.
3 is a view for explaining a frame transmission method for interference alignment and control through a backoff method for channel access.
The frame transmission method for interference alignment and control according to an exemplary embodiment of the present invention may wait until the channel is idle (step 301), and proceed to back off through reference numerals 302 to 306 when the idle state is reached.
Specifically, the backoff method for channel access receives a contention window (CW) value broadcast at the access point, and sets a backoff counter based on a received contention window (CW) value have. In addition, it is possible to generate leakage interference (LIF) to an access point observed for a predetermined period, and to set the backoff counter when the channel is in an idle state, thereby performing backoff.
In order to proceed with the backoff, the present invention divides the range of the cumulative distribution function (CDF) value into consideration by considering the contention window (CW) value and divides the range of the cumulative distribution function (CDF) LIF, Leakage Interference). Also, a cumulative distribution function (CDF) corresponding to the calculated Leakage Interference (LIF) is calculated, and the backoff counter is calculated using the calculated cumulative distribution function (CDF) You can choose.
The access points periodically broadcast a contention window (CW) value, and each user terminal sets a backoff counter from zero to the contention window (CW) value.
Each user terminal observes a Leakage Interference (LIF) value caused by other access points over a long period of time and generates a related cumulative distribution function (CDF).
When the channel is idle, each user terminal performs a backoff. The backoff counter determines a contention window (CW) value from 1 based on channel characteristics, i.e., Leakage Interference (LIF) values.
4, a frame transmission method for interference sorting and control according to an exemplary embodiment of the present invention includes a range of a cumulative distribution function (CDF) value as a contention window (CW) Value.
4 is a diagram showing values of a cumulative distribution function (CDF) for Leakage Interference (LIF) and Contention Window (CW) values.
A frame transmission method for interference alignment and control according to an embodiment of the present invention calculates a Least Interference (LIF) value based on a channel condition at the time of transmission attempt (Step 302) and calculates a Least Interference (LIF) ), And then calculates a backoff counter corresponding to the cumulative distribution function (CDF) value (step 303).
In the frame transmission method for interference sorting and control according to the embodiment of the present invention, the counter value is decremented by 1 in every backoff slot, and the user terminal which is 0 performs a backoff by attempting packet transmission (step 304 ).
As shown in graph 400 of FIG. 4, user terminals having a small Leakage Interference (LIF) value set a small backoff counter and thus access the channel.
The frame transmission method for interference sorting and control according to an embodiment of the present invention determines whether a channel is accessed, transmits a packet if it is accessed (step 306), and if not, branches to step 301, And waits until it becomes one state.
Simultaneous transmission of user terminals may occur due to the nature of the backoff algorithm.
If the packet transmission of all user terminals in the simultaneous transmission fails, all user terminals in the system doubly increase the contention window (CW) value and use it in the next packet transmission attempt. The increase in the value of the Contention Window (CW) does not maintain and increase the value when reaching a predetermined maximum value. If the packet transmission of any user terminal is successful, an acknowledgment is broadcast from the corresponding access point, and all the user terminals read this information and initialize the content window (CW) to a predetermined minimum value.
If the channel is not occupied, the user terminal calculates a Leakage Interference (LIF) value according to the channel status. The process of calculating the Least Interference (LIF) value includes singular value decomposition based beamforming (SVD) in the physical layer. Next, the calculated Least Interference (LIF) (CDF) value and a contention window (CW) value of the Least Interference (LIF) value are used as the backoff counter. The backoff counter is decremented for each backoff slot, but when another user terminal attempts to transmit a packet, the backoff is stopped. However, if no backoff counter is transmitted and no backoff counter is set to 0, .
The present invention may succeed or fail in packet transmission due to interference of user terminals transmitting simultaneously.
The present invention can set a content window (CW) value for channel access.
The present invention is characterized in that a first throughput obtained from a packet arriving in a signal space and a second throughput that a user terminal simultaneously transmitting in the entire system can obtain through multi- ) Value can be set. In particular, the content window (CW) value may be set to an integer that considers the inverse of a value that maximizes the sum of the first throughput and the second throughput.
It can be considered that there are still K cells coexisting, each access point has M antennas, and each user has L antennas.
At this time, there are N users in each cell, and each access point sets the size of the signal space to S. In this case, if the amount of interference from other cells is small enough, the access point can theoretically support up to S simultaneous transmission of users in its own cell. In this assumption, the present invention can approximate the transmission probability p of the user terminals to 1 / CWmin and calculate the throughput corresponding to the transmission probability p by Equation (5).
&Quot; (5) "

Here, the first part in the parentheses is the first throughput, the throughput obtained from the packet arriving in the signal space, and the second part the second throughput, which is smaller than the number of antennas of the access point by the simultaneous transmitting user in the entire system. This is the throughput that can be achieved through. In the present invention, the p_optimal value for maximizing the throughput in Equation (5) can be calculated and a content window (CW) value can be calculated as an integer close to 1 / p_optimal, which is a reciprocal thereof.
5 is a view for explaining a frame transmission method for interference alignment and control through a stream reception method at an access point.
In a multi-cell network based on random access, a plurality of users can attempt simultaneous transmission. In this case, the access point can determine the receiving method considering the number of users performing the entire simultaneous transmission after recognizing that the user transmitting the data is the user of the cell.
A frame transmission method for interference sorting and control according to an embodiment of the present invention describes a receiving method in an access point in such a situation.
A frame transmission method for interference alignment and control according to an embodiment of the present invention waits for an access point to become idle (step 501).
In the idle state, when the access point detects a received signal (step 502), it restores data transmitted by its own cell user in its signal space (step 503).
If the number of cell users attempting to transmit at the same time is larger than the size of the signal space, data reception may fail. In this case, the number of users transmitting simultaneously in different cells is checked, and if the number of antennas is smaller than the number of antennas in the access point, it can be received by the multi-packet receiving method. That is, because there is no signal transmission of another Basic Service Set (BSS), the size of the signal space of the Basic Service Set (BSS) can be increased, so that Multi-Packet Reception (MPR) is possible.
The frame transmission method for interference alignment and control according to an embodiment of the present invention branches to step 501 when the data reception is successful as a result of the determination in step 504 and waits for when the access point becomes idle.
If it is determined in step 504 that the data reception fails, the frame transmission method for interference sorting and control according to an exemplary embodiment of the present invention determines whether another Basic Service Set (BSS) signal is detected (Step 505).
If a different Basic Service Set (BSS) signal is detected, the frame transmission method for interference alignment and control according to an embodiment of the present invention reduces the number of MPR (Multi-Packet Reception) can do.
If no other Basic Service Set (BSS) signal is detected, the frame transmission method for interference alignment and control according to an embodiment of the present invention can perform Multi-Packet Reception (MPR) 507).
If another BSS signal is detected, since the data reception in the signal space has failed, the access point additionally performs multiple packet reception.
6 is a diagram illustrating a frame transmission system 600 for interference alignment and control using beamforming based on Singular Value Decomposition (SVD).
The frame transmission system 600 for interference alignment and control includes a calculation unit 610, a processing unit 620, and a selection unit 630 for singular value decomposition (SVD) based beamforming .
The calculator 610 may calculate a channel matrix of another basic service set (BSS) by measuring channel information between the access point and the user terminal.
For example, the calculation unit 610 may calculate a channel matrix by measuring channel information including a beacon frame or a sounding frame periodically transmitted from the access point to the user terminal. In addition, the calculation unit 610 may transmit signal space information including random space interference space information and null space to a user terminal through a beacon frame or a sounding frame for interference alignment.
At this time, the interference spatial information is information on an interference space in which interference from user terminals in other cells is allowed, and the signal spatial information can be interpreted as information on a space set by the access point to receive a signal.
The processing unit 620 according to an embodiment may perform singular value decomposition (SVD) using the calculated channel matrix, and the selecting unit 630 according to an embodiment may perform a singular value decomposition The beamforming vector can be selected in consideration of the amount of interference to another access point based on the value decomposition.
7 is a diagram illustrating a frame transmission system 700 for interference alignment and control using backoff for channel access.
The frame transmission system 700 for interference alignment and control may include a receiver 710, a setting unit 720, and a processing unit 730 for backoff for channel access.
The receiving unit 710 according to an embodiment may receive a contention window (CW) value broadcasted at the access point.
The setting unit 720 may set the backoff counter based on the received contention window (CW) value.
Next, the processing unit 730 according to an exemplary embodiment generates leakage interference (LIF) to an access point observed for a predetermined period, and sets a backoff counter when the channel is in an idle state, Off.
For example, the processing unit 730 divides the range of the cumulative distribution function (CDF) value into consideration by considering the value of the contention window (CW), and calculates the leakage interference (LIF And Leakage Interference), calculates the Cumulative Distribution Function (CDF) value corresponding to the calculated Leakage Interference (LIF), and calculates the calculated cumulative distribution function (CDF) value The back off counter can be selected.
8 is a diagram illustrating a frame transmission system 800 for interference alignment and control using stream reception at an access point.
The frame transmission system 800 for interference alignment and control may include a counter 810, a comparison unit 820, and a setting unit 830 for stream reception at the access point.
The counter 810 according to an exemplary embodiment can confirm the number of users transmitting simultaneously in different cells.
The comparing unit 820 according to an exemplary embodiment may compare the number of identified users with the number of antennas at the access point.
According to the comparison result, the setting unit 830 may set the receiving unit 830 to receive a stream in a multipack method if the number of antennas is less than the number of antennas in the access point.
In addition, the frame transmission system 800 for interference alignment and control may further include a determination unit that determines whether a plurality of users attempt simultaneous transmission. In this case, when a plurality of users attempt simultaneous transmission, the counter 810 can confirm the number of users simultaneously transmitting in other cells.
As a result, according to the present invention, it is possible to drastically reduce the amount of interference given to access points of different cells of terminals in a random access network, thereby improving the overall performance of multiple cells. In addition, according to the present invention, it is possible to improve the performance gain of the interference alignment in the random access network while effectively solving the problem of requiring signaling overhead between exponentially increasing nodes in order for the interference alignment technique to be implemented in an actual system have.
The method according to an embodiment of the present invention can be implemented in the form of a program command which can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, and the like, alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be those specially designed and constructed for the present invention or may be available to those skilled in the art of computer software. Examples of computer-readable media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tape; optical media such as CD-ROMs and DVDs; magnetic media such as floppy disks; Magneto-optical media, and hardware devices specifically configured to store and execute program instructions such as ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of program instructions include machine language code such as those produced by a compiler, as well as high-level language code that can be executed by a computer using an interpreter or the like. The hardware devices described above may be configured to operate as one or more software modules to perform the operations of the present invention, and vice versa.
While the invention has been shown and described with reference to certain preferred embodiments thereof, it will be understood by those of ordinary skill in the art that various changes in form and details may be made therein without departing from the spirit and scope of the invention as defined by the appended claims. This is possible.
Therefore, the scope of the present invention should not be limited to the described embodiments, but should be determined by the equivalents of the claims, as well as the claims.

Claims

delete

Receiving a contention window (CW) value broadcast at an access point;
Setting a backoff counter based on the received contention window (CW) value; And
Generates a leakage interference (LIF) to an observed access point for a predetermined period of time, calculates a cumulative distribution function value corresponding to the generated leakage interference when the channel is in an idle state, Step of backoff by setting backoff counter using distribution function value
And a frame transmission method for interference alignment and control.

The method according to claim 6,
The step of performing the back-
A step of equally dividing a range of a cumulative distribution function (CDF) value in consideration of a contention window (CW) value;
Calculating leakage interference (LIF) based on channel conditions at the time of transmission attempt;
Calculating a Cumulative Distribution Function (CDF) value corresponding to the calculated Leakage Interference (LIF);
And selecting a backoff counter using the calculated cumulative distribution function (CDF) value, wherein the backoff counter is selected according to a channel characteristic based on a Least Interference (LIF)
And a frame transmission method for interference alignment and control.

The method according to claim 6,
Decrementing the backoff counter selected in every backoff slot by 1, and attempting to transmit a packet through the user terminal whose backoff counter is 0
Further comprising the steps of:

The method according to claim 6,
Decreasing the backoff counter for each backoff slot, but stopping the backoff in progress when another user terminal attempts to transmit a packet
Further comprising the steps of:

The method according to claim 6,
The Contention Window (CW)
A frame transmission method for interference sorting and control set in the access point considering a first throughput obtained from a packet arriving in a signal space and a second throughput that a user terminal simultaneously transmitting in the entire system can obtain through multiple packet recovery .

11. The method of claim 10,
The Contention Window (CW)
And an integer that considers the reciprocal of a value maximizing a sum of the first throughput and the second throughput.

delete

A reception unit for receiving a contention window (CW) value broadcasted at the access point;
A setting unit configured to set a backoff counter based on the received contention window (CW) value; And
Generates a leakage interference (LIF) to an observed access point for a predetermined period of time, calculates a cumulative distribution function value corresponding to the generated leakage interference when the channel is in an idle state, A processing unit for setting the backoff counter by using the distribution function value and performing backoff processing
And a frame transmission system for interference alignment and control.

18. The method of claim 17,
Wherein,
The range of the cumulative distribution function (CDF) value is divided by considering the value of the contention window (CW), the leakage interference (LIF) is calculated based on the channel condition at the time of transmission attempt, A value of a cumulative distribution function (CDF) corresponding to the calculated leakage interference (LIF) is calculated and a backoff counter is selected using the calculated cumulative distribution function (CDF) A frame transmission system for interference alignment and control.

18. The method of claim 17,
The processing unit decrements the backoff counter selected in each backoff slot by 1 and attempts to transmit a packet through the user terminal whose backoff counter is 0
Frame transmission system for interference alignment and control.

18. The method of claim 17,
The Contention Window (CW)
A frame transmission system for interference alignment and control set in the access point considering a first throughput obtained from a packet arriving in a signal space and a second throughput that a user terminal simultaneously transmitting in the entire system can obtain through multiple packet recovery .

21. The method of claim 20,
The Contention Window (CW)
And an inverse of a value that maximizes a sum of the first throughput and the second throughput.