KR101689883B1 - 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법에 관한 것으로, 두 단말이 중계기를 통하여 데이터를 서로 주고받는 양방향 중계 네트워크에서 단말과 중계기의 합전력 제약이 있을 경우 전체 시스템의 합전송량 및 최소 전송량을 최대화하기 위한, 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법을 제공하고자 한다.
이를 위하여, 본 발명은 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법에 있어서, 각 단말 및 중계기의 합전력 제약 하에서 상기 각 단말 및 상기 중계기에 각 부반송파별로 할당하는 전력의 비율을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 전력 할당 비율에 따라 각 부반송파에 할당하는 전력을 결정하는 단계를 포함한다.

Description

양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법{METHOD FOR POWER CONTROL IN TWO-WAY RELAY NETWORKS}

본 발명은 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 단말이 중계기를 통하여 데이터를 서로 주고받는 양방향 중계 네트워크에서 단말과 중계기의 합전력 제약이 있을 경우 전체 시스템의 합전송량 및 최소 전송량을 최대화하기 위한, 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법에 관한 것이다.

현재의 셀룰라 무선통신 시스템은 셀 가장 자리 사용자의 성능을 증가시키기 위하여 중계기를 도입하고 있다. 중계기의 도입은 IEEE 802.16j와 같은 표준화 단체의 조직 및 표준화 제정으로 가시화되고 있는 실정이다. 따라서 중계기를 이용한 무선통신에서 시스템 성능을 높이기 위한 시도는 많이 이루어지고 있다. 또한, 실제 셀룰라 무선통신 시스템의 환경에 적합한 주파수 선택적 채널에서 수신단의 복잡도를 감소시키기 위한 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 시스템의 도입은 필수적이라 할 수 있다.

휴대인터넷 시스템 및 무선랜을 골자로 한 IEEE 802.16e 및 802.16n과 같은 표준화 단체에서도 물리계층의 표준을 OFDM 방식으로 하고 있으므로, 실제 무선통신 시스템을 OFDM 기반으로 구현하는 것이 가능하다고 결론지을 수 있다. 따라서 OFDM 시스템을 사용하고 중계기 통신을 하는 중계기 네트워크에서 성능을 증대시키기 위한 시도는 의미가 있다.

단방향 중계기 프로토콜에서는 단말이 중계기를 통하여 데이터를 서로 교환하기 위해서 4 단계(phase)의 자원(시간 또는 주파수)이 필요하다. 즉, 단말 1, 단말 2, 중계기로 이루어진 단방향 중계 네트워크에서는 첫 번째 단계(phase)에 단말 1이 데이터를 중계기로 전송하고, 두 번째 단계(phase)에 중계기가 해당 데이터를 단말 2로 전달하며, 세 번째 단계(phase)에 단말 2가 데이터를 중계기로 전송하고, 네 번째 단계(phase)에 중계기가 해당 데이터를 단말 1로 전달하는 방식이다.

한편, 현재 널리 사용하는 단방향 중계 네트워크의 전송량을 높이기 위하여 양방향 중계기 프로토콜이 이미 제안되었다. 단말 1, 단말 2, 중계기로 이루어진 양방향 중계 네트워크에서는 2 단계(phase)를 이용하여 단말이 서로 데이터를 교환한다. 즉, 첫 번째 단계(phase)에 단말 1과 단말 2가 동시에 데이터를 중계기로 전송하고, 두 번째 단계(phase)에 중계기는 수신한 데이터를 단말 1과 단말 2로 전송한다. 그러면, 각 단말 1, 2는 자신이 보낸 데이터인 자기 간섭 신호를 제거하고 상대방의 데이터를 복호화할 수 있다. 상기와 같이 이미 제안된 양방향 중계기 프로토콜을 이용하여 시스템의 합전송량을 단방향 중계기 프로토콜 대비 약 2배 정도 증대시킬 수 있다.

한편, 종래의 전력 제어 방법에서는 단말 및 중계기 각각의 전력 제한이 있고, 또한 그 구현 알고리즘이 복잡한 단점이 있다.

따라서 상기와 같은 양방향 중계 네트워크에서 단말과 중계기의 합전력 제약이 있을 경우 전체 시스템의 합전송량 및 최소 전송량을 증대시키기 위한 전력 제어 알고리즘이 필요하다.

또한, 상기와 같은 양방향 중계 네트워크에서 단말 및 중계기의 합전력 제한을 고려하고 복잡도가 간단한 알고리즘이 요구되고 있다.

따라서 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하고 상기 요구에 부응하고자 하는 것이 본 발명의 과제이다.

따라서 본 발명은 양방향 중계 네트워크에서 합전송량 및 최소 전송량을 증대시키기 위한 전력 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

즉, 본 발명은 단말이 중계기를 통하여 데이터를 서로 주고받는 양방향 중계 네트워크에서 단말과 중계기의 합전력 제약이 있을 경우 전체 시스템의 합전송량 및 최소 전송량을 최대화하기 위한, 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시 예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 방법은, 각 단말 및 중계기의 합전력 제약 하에서, 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법에 있어서, 상기 각 단말 및 상기 중계기가 현재 채널을 추정하는 단계; 상기 추정된 현재 채널이 이전 채널과 동일함에 따라 상기 각 단말 및 상기 중계기가 이전에 결정된 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하는 단계; 상기 추정된 현재 채널이 이전 채널과 동일하지 않음에 따라 전력 제어 방식을 결정하는 단계; 상기 전력 제어 방식이 분산 방식으로 결정됨에 따라 상기 각 단말 및 상기 중계기가 새로 전력 제어 파라미터를 도출한 후에 상기 새로 도출된 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하는 단계; 및 상기 전력 제어 방식이 중앙 집중 방식으로 결정됨에 따라 상기 각 단말 및 상기 중계기로부터 추정 채널 정보를 전달받은 제어부가 새로 전력 제어 파라미터를 도출하여 상기 각 단말 및 상기 중계기로 전달하고, 상기 각 단말 및 상기 중계기가 전달받은 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하는 단계를 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 방법은, 각 단말 및 중계기의 합전력 제약 하에서, 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법에 있어서, 상기 각 단말 및 상기 중계기가 현재 채널을 추정하는 단계; 상기 추정된 현재 채널이 이전 채널과 동일함에 따라 상기 각 단말 및 상기 중계기가 이전에 결정된 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하는 단계; 및 상기 추정된 현재 채널이 이전 채널과 동일하지 않음에 따라 상기 각 단말 및 상기 중계기가 새로 전력 제어 파라미터를 도출한 후에 상기 새로 도출된 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하는 단계를 포함한다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 3 방법은, 각 단말 및 중계기의 합전력 제약 하에서, 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법에 있어서, 상기 각 단말 및 상기 중계기가 현재 채널을 추정하는 단계; 상기 추정된 현재 채널이 이전 채널과 동일함에 따라 상기 각 단말 및 상기 중계기가 이전에 결정된 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하는 단계; 및 상기 추정된 현재 채널이 이전 채널과 동일하지 않음에 따라 상기 각 단말 및 상기 중계기로부터 추정 채널 정보를 전달받은 제어부가 새로 전력 제어 파라미터를 도출하여 상기 각 단말 및 상기 중계기로 전달하고, 상기 각 단말 및 상기 중계기가 전달받은 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하는 단계를 포함한다.

삭제

상기와 같은 본 발명은, 양방향 중계 네트워크에서 합전송량 및 최소 전송량을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

즉, 본 발명은 단말이 중계기를 통하여 데이터를 서로 주고받는 양방향 중계 네트워크에서 단말과 중계기의 합전력 제약이 있을 경우 전체 시스템의 합전송량 및 최소 전송량을 최대화할 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 합전력 제약이 있는 양방향 중계 네트워크에서 복잡도를 감소시키면서도 성능 감소가 적으며, 이러한 저복잡도로 인하여 실시간으로 적용할 수 있다.

즉, 본 발명은 합전력 제약이 있는 양방향 중계 네트워크에서 실시간 구현이 가능한 저복잡도를 가지는 두 단계 전력 제어 방법을 통하여 합전송량 및 최소 전송량을 크게 증대시킬 수 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 두 개의 단말이 중계기를 통하여 서로 데이터를 교환하는 양방향 중계 네트워크의 일 예시도,
도 2는 본 발명에 따른 각 단말 및 중계기의 합전력 제약 하에서, 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법에 대한 일 실시 예 흐름도,
도 3은 본 발명에 따른 양방향 중계 네트워크에서의 평균 합전송량의 성능 분석 결과를 나타내는 일 예시도,
도 4는 본 발명에 따른 양방향 중계 네트워크에서의 평균 최소 전송량의 성능 분석 결과를 나타내는 일 예시도이다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.

그리고 명세서 전체에서, 어떤 부분이 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐만 아니라 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 또는 "구비"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함하거나 구비할 수 있는 것을 의미한다.

먼저, 본 발명의 기술 요지를 살펴보면 다음과 같다.

본 발명은 두 개의 단말이 중계기를 통하여 서로 데이터를 주고받는 양방향 중계 네트워크에서 합전송량 및 최소 전송량을 최대화하는 최적 전력 제어 방법 및 부최적 전력 제어 방법에 관한 기술이다. 여기서, 최적 전력 제어 방법은 복잡도가 높기 때문에 복잡도를 감소시키기 위한 부최적 전력 제어 방법을 다른 실시예로 함께 제안한다. 상기 부최적 전력 제어 방법은 최적 전력 제어 방법에 비하여 복잡도를 감소시키면서도 성능 감소가 적은 방법이며, 이러한 저복잡도로 인하여 실시간으로 적용할 수 있는 알고리즘이다.

이러한 최적 및 부최적 전력 제어 방법은 전력 제어를 위하여 각각의 단말과 중계기가 채널을 추정한 다음에 각각 전력 제어 알고리즘을 수행하여 전력을 제어하는 분산 방식, 또는 채널 정보를 하나의 제어부가 수집하여 전력 제어 알고리즘을 수행하여 도출된 전력 제어 파라미터를 각 단말 및 중계기로 전송하여 전력 제어를 수행하도록 하는 중앙 집중 방식으로 구현할 수 있다. 또한, 전력 제어 파라미터를 도출하는 알고리즘을 각 단말 및 중계기가 수행하여야 하는지(분산 방식) 또는 하나의 제어부가 수행을 하여야 하는지(중앙 집중 방식)를 판단하여 그 판단 결과에 따라 해당 방식으로 전력 제어를 수행하도록 구현할 수도 있다.

도 1은 본 발명이 적용되는 두 개의 단말이 중계기를 통하여 서로 데이터를 교환하는 양방향 중계 네트워크의 일 예시도로서, 한 쌍의 단말 T_{1 ,} T₂가 중계기 T₃를 통하여 서로 데이터를 교환하는 양방향 중계 네트워크를 나타내고 있다.

도 1은 N개의 부반송파를 가지는 OFDM 시스템을 나타내고, 단말 T_{1 ,} T₂ 와 중계기 T₃ 사이의 채널은 시간 영역에서 L-탭(tap) 주파수 선택적 채널

로 정의하고, 주파수 영역에서의 채널로 사상하면 각 부반송파별로 1-탭(tap) 채널로 표현되고, N개의 부반송파에서의 채널은

로 정의한다. 여기서, diag{a}는 벡터 a의 성분을 가지는 대각 행렬이다. 또한, 단말 T₁과 T₂ 및 중계기 T₃의 n번째 주파수 부반송파에 할당되는 전력을 각각

이라고 정의한다.

양방향 중계 네트워크의 동작 순서는 다음과 같다. 첫 번째 시간 또는 주파수에 단말 T_{1 ,} T₂가 동시에 데이터를 중계기 T₃로 전송한다(Multiple Access(MA) phase). 두 번째 시간 또는 주파수에 중계기 T₃는 수신한 신호(데이터)를 증폭하여 두 개의 단말 T_{1 ,} T₂로 각각 전송한다(Broadcast(BC) phase). 두 개의 중첩된 데이터를 수신한 각 단말은 자신이 송신한 신호 중 자기 간섭 신호를 제거한 후, 상대 단말의 데이터를 복호화한다. 상기와 같은 순서로 한 쌍의 단말은 중계기를 통하여 두 개의 시간 또는 주파수를 사용하여 데이터를 교환할 수 있다. 양방향 중계 네트워크에서 자기 간섭 신호를 제거한 후 각 단말 T_{1 ,} T₂에서의 수신 SNR(Signal-to-Noise Ratio, 신호-대-잡음비)인 SNR₁, SNR₂는 하기의 [수학식 1]과 같이 표현된다.

수신 SNR을 이용하여 합전력 제약 하의 합전송량 최적화 문제를 표현하면 하기의 [수학식 2]와 같다.

합전력 제약 하의 합전송량 최적화 문제인 상기 [수학식 2]의 해를 최적 방식으로 구하는 방법은 다음과 같다. 즉, 상기 [수학식 2]를 라그랑지(Lagrange) 이론을 이용하여 듀얼(dual) 문제로 변형하여 해를 구하는 방식이다. 상기 [수학식 2]의 듀얼(dual) 문제는 하기의 [수학식 3]과 같다.

여기서, λ는 라그랑지 곱셉자(Lagrange multiplier)를 나타낸다. 상기 [수학식 3]의 해를 구하는 방법은 다음과 같다. 임의의 라그랑지안 곱셈자(Lagrangian multiplier) 값 λ에 대하여 상기 [수학식 3]을 N개의 하기 [수학식 4]로 분해할 수 있고, 각 N은 각 부반송파와　대응된다.

각 부반송파에서 상기 [수학식 4]를 계산한 후, λ를 서브그레이디언트(subgradient) 방법으로 갱신한다. 상기 과정을 λ가 수렴할 때까지 반복하여 λ를 갱신하고, N개의 상기 [수학식 4]를 계산하면, 수렴값을 이용하여 단말 T₁, T₂와 중계기 T₃에 할당되는 전력 p_k(n), k=1,2,3을 계산할 수 있다.

N개의 상기 [수학식 4]의 해를 구하는 방식은 SNR_k(n), k=1,2 표현식인 상기 [수학식 1]이 구하고자 하는 p_k(n), k=1,2,3에 대하여 볼록하지 않기(non-convex) 때문에 최적의 해를 구하기 위하여 이산 전력 단위에서 3차원 공간에서의 탐색이 필요하다. 예를 들어, 할당 가능한 이산 전력 단위를 Δ, 할당 가능한 최대 전력을 p_k,max, k=1,2,3라고 가정하면 p_k(n)∈{0, Δ, 2Δ,…, p_k,max}이므로, 주어진 합전송량 최대화 문제인 상기 [수학식 2]의 해를 구하는 방식의 복잡도는 O(INB³)이다. 여기서, I는 λ를 갱신하는 횟수, B는 가능한 이산 전력 단위의 수이다. 전술한 것처럼 p₁(n), p₂(n), p₃(n), n=1,...,N을 계산하는 과정에서는 이산 전력 단위에서 상기 [수학식 4]를 최적화하는 과정에서 B³의 복잡도가 요구된다.

한편, 본 발명에서는 최적의 방식으로 문제의 해를 구하는 방법(최적 전력 제어 방법)의 복잡도를 감소시키기 위하여 오리지널(original)의 합전송량 최적화 문제인 상기 [수학식 2]의 해를 다음의 두 과정으로 구하는 방식(부최적 전력 제어 방법)을 제안한다. 첫 번째 과정에서는 임의의 주어진 단말(T₁, T₂₎ 및 중계기(T₃)의 합전력 제약 하에서 각 단말 및 중계기에 각 부반송파별로 할당하는 전력의 비율을 결정한다. 즉, 첫 번째 과정에서는 단말 T₁, T₂와 중계기 T₃에 각 부반송파별로 전력을 할당하기 위한 하기의 [수학식 5]를 정의한다.

즉, n번째 부반송파에서 합전력이 P_T(n)일 경우 합전송량을 최대화하기 위한 p₁(n), p₂(n), p₃(n)을 구하는 문제이다. 상기 [수학식 5]의 최적해는 하기의 [수학식 6]과 같다. 그리고 상기 [수학식 5]는 하기의 [수학식 6]과 같이 닫힘꼴 해를 가진다.

상기 [수학식 6]에서 도출한 최적해를 상기 [수학식 1]의 SNR₁(n)과 SNR₂(n)에 대입하면 SNR₁(n)=SNR₂(n)이며,　SNR^o(n)=SNR₁(n)=SNR₂(n)은 하기의 [수학식 7]로 표현된다.

상기 [수학식 6]과 상기 [수학식 7]에서 도출한 최적해의 특징은 다음과 같다. 유도된 닫힘꼴 해는 중계기 T₃에 n번째 부반송파에 할당된 전체 전력 P_T(n)의 반을 할당하고, 나머지 반의 전력을 단말 T₁과 T₂에 할당하여 수신 SNR₁(n)=SNR₂(n)이 되도록 한다. 즉, SNR이 균형이 맞도록 전력을 할당하는 것이 최적의 방안이다. 이러한 방안은 상기 [수학식 5]의 합전송량을 최대화시키는 방안이며, 이는 동시에 최소 전송량 min{log₂(1+SNR₁(n)),log₂(1+SNR₂(n))}을 최대화시키는 방안이다. 최소 전송량을 최대화시키는 문제의 해는 두 전송량 log₂(1+SNR₁(n))과 log₂(1+SNR₂(n))이 동일하도록 전력 제어를 하는 것이 최적임을 증명할 수 있고, 상기 [수학식 6]의 최적해 또한 수신 SNR이 동일하도록 전력 제어를 수행하고, 수신 SNR을 최대화하기 때문에 이 또한 최소 전송량을 최대화시키는 방안임을 알 수 있다.

두 번째 과정에서는 첫 번째 과정에서 결정한 전력 할당 비율에 따라 각 부반송파에 할당하는 전력을 결정한다. 즉, 두 번째 과정에서는 첫 번째 과정에서 새로이 정의된 SNR^o(n)을 이용하여 전체 합전력을 만족하고 합전송량을 최대화하는 하기의 [수학식 8]의 해를 구한다.

상기 [수학식 8]의 해를 구하기 위하여 전술한 합전력 제약 하에서 합전송량을 최대화하는 상기 [수학식 2]를 최적의 방안으로 풀 때와 마찬가지로 상기 [수학식 8]을 라그랑지 듀얼(Lagrange dual) 문제인 하기의 [수학식 9]로 변형한다.

상기 [수학식 9]의 해를 구하는 방식은 전술한 상기 [수학식 3]의 해를 구하는 방식과 동일하다. 즉, 초기화 라그랑지안 곱셈자(Lagrangian multiplier) 값 λ에 대하여 N개의 하기 [수학식 10]을 풀고, 계산한 P_T(n), n=1,…,N을 이용하여 λ를 서브그레이디언트(subgradient) 방법으로 갱신한다.

상기 [수학식 10]은 전술한 최적 방안의 상기 [수학식 4] 대비 더 적은 복잡도로 최적해의 도출이 가능하다. 상기 [수학식 7]의 SNR^o(n) 값은 P_T(n)에 대하여 볼록(convex) 함수이므로 상기 [수학식 10] 또한 볼록 최적화 문제이다. 따라서 상기 [수학식 10]을 풀 때는 볼록 최적화 문제를 푸는 방식, 예를 들어 황금분할 방식(golden section method)을 이용하여 log(B)의 복잡도로 최적해 도출이 가능하다. 여기서, B는 P_T(n)의 이산 전력 단위의 개수이다. 따라서 상기 [수학식 10]을 푸는 복잡도는 O(IN log(B))이다. 따라서 본 발명에 따른 부최적 전력 제어 방법은 전술한 최적 듀얼(dual) 문제인 상기 [수학식 3]을 풀 경우 대비 현저히 낮은 복잡도로 전력 제어를 수행할 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 전력 제어 알고리즘을 수행하는 방식은 시스템의 가용 여부 및 복잡도 여부에 따라 크게 두 가지로 나뉜다.

첫 번째 방식은 각각의 단말 및 중계기가 본 발명에 따른 전력 제어 알고리즘을 수행하는 방식이다. 이는 각 단말 및 중계기가 분산화된 환경에서 단말 및 중계기 사이의 채널 추정을 수행할 수 있고, 추정한 채널 파라미터를 기반으로 본 발명에 따른 전력 제어 알고리즘을 수행하여 전력 제어 파라미터를 도출하고, 도출된 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하여 양방향 중계기 통신을 하는 방식이다.

한편, 두 번째 방식은 단말 및 중계기의 성능 및 복잡도가 본 발명에 따른 전력 제어 알고리즘을 수행하기에 충분하지 않을 경우, 채널을 추정한 정보를 하나의 제어부(도면에 도시되지 않음)가 수집하여 본 발명에 따른 전력 제어 알고리즘을 수행하여 전력 제어 파라미터를 도출한다. 그리고 제어부는 도출된 전력 제어 파라미터를 단말 및 중계기로 전송하고, 단말과 중계기는 전달받은 전력 제어 파라미터를 이용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하여 양방향 중계기 통신을 수행한다. 여기서, 일 예로 제어부는 중계기에 구현하는 것이 바람직하나, 다른 예로 중계기 및 각 단말과 통신이 가능한 기지국에 구현하여도 된다.

도 2는 본 발명에 따른 각 단말 및 중계기의 합전력 제약 하에서, 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법에 대한 일 실시 예 흐름도이다.

먼저, 각 단말 및 중계기는 현재의 파일럿(pilot) 또는 프리엠블(preamble)을 이용하여 채널을 추정한다(201).

이후, 각 단말 및 중계기는 이전 시간의 파일럿 또는 프리엠블을 이용하여 추정한 이전 채널이 현재의 파일럿 또는 프리엠블을 이용하여 추정한 현재 채널과 동일(|현재 채널-이전 채널|<ε)한지를 확인한다(202).

상기 확인 결과(202), 이전 채널이 현재 채널과 동일하면(|현재 채널-이전 채널|<ε), 각 단말 및 중계기는 이전 시간에 결정된 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당(제어)하고 전송량을 결정한 후에 양방향 중계기 통신을 수행한다(205).

한편, 상기 확인 결과(202), 이전 채널과 현재 채널이 동일하지 않으면(|현재 채널-이전 채널|>ε), 전력 제어 계산을 분산화하여 수행해야 하는지 중앙 집중 방식으로 수행해야 하는지를 확인한다(203).

상기 확인 결과(203), 전력 제어 계산의 분산화가 가능하여 각 단말 및 중계기가 전력 제어 계산을 수행할 수 있다면, 각 단말 및 중계기는 상기 [수학식 4] 또는 상기 [수학식 10]을 풀어 새로이 전력 제어 파라미터를 도출한다(204). 여기서, 상기 [수학식 4]를 풀어 새로이 전력 제어 파라미터를 도출하면 최적 전력 제어 방법이 되고, 상기 [수학식 10]을 풀어 새로이 전력 제어 파라미터를 도출하면 부최적 전력 제어 방법이 된다.

이후, 상기 "204" 과정에서 도출된 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당(제어)하고 전송량을 결정한 후 양방향 중계기 통신을 수행한다(205).

한편, 상기 확인 결과(203), 전력 제어 계산의 분산화가 가능하지 않으면, 각 단말 및 중계기는 추정한 채널 정보를 제어부로 피드백(feedback)하여 전달한다(206). 그러면, 제어부는 상기 [수학식 4] 또는 상기 [수학식 10]을 풀어 새로이 전력 제어 파라미터를 도출한다(207). 여기서, 상기 [수학식 4]를 풀어 새로이 전력 제어 파라미터를 도출하면 최적 전력 제어 방법이 되고, 상기 [수학식 10]을 풀어 새로이 전력 제어 파라미터를 도출하면 부최적 전력 제어 방법이 된다.

이후, 상기 "207" 과정에서 도출된 전력 제어 파라미터를 각 단말 및 중계기로 브로드캐스팅하여 전달한다(208). 그러면, 각 단말 및 중계기는 수신한 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당(제어)하고 전송량을 결정한 후 양방향 중계기 통신을 수행한다(205).

전술한 도 2의 전력 제어 방법에서는 전력 제어 파라미터를 도출하는 알고리즘을 각 단말 및 중계기가 수행하여야 하는지(분산 방식) 또는 하나의 제어부가 수행을 하여야 하는지(중앙 집중 방식)를 판단하여 그 판단 결과에 따라 해당 방식으로 전력 제어를 수행하도록 구현하는 경우를 예로 들어 설명하였으나, 본 발명에 따른 최적 및 부최적 전력 제어 방법은 전력 제어를 위하여 각각의 단말과 중계기가 채널을 추정한 다음에 각각 전력 제어 알고리즘을 수행하여 전력을 제어하는 분산 방식으로 구현할 수도 있고, 또한 채널 정보를 하나의 제어부가 수집하여 전력 제어 알고리즘을 수행하여 도출된 전력 제어 파라미터를 각 단말 및 중계기로 전송하여 전력 제어를 수행하도록 하는 중앙 집중 방식으로 구현할 수도 있다.

도 3은 본 발명에 따른 양방향 중계 네트워크에서의 평균 합전송량의 성능 분석 결과를 나타내는 일 예시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 양방향 중계 네트워크에서의 평균 최소 전송량의 성능 분석 결과를 나타내는 일 예시도이다.

본 발명에 따른 전력 제어 방법의 성능을 확인하기 위하여 성능 평가를 실시하였다. 여기서, 본 발명에 따른 합전력 제약 하에서 합전송량 및 최소 전송량을 최대화하기 위한 최적 전력 제어 방법(Dual under total pwr.) 및 부최적 전력 제어 방법(Proposed)의 성능을 비교하였다. 또한, 종래의 단말 및 중계기 각각의 전력 제약 하에서 합전송량 및 최소 전송량을 최대화하는 복잡도가 높은 최적 전력 제어 방법(Dual under individual pwr.)을 비교 시스템으로 가정하였고, 전력 제어를 수행하지 않고 부반송파당 동일 전력을 할당하는 시스템(No power control)과의 성능을 비교하였다.

그리고 도 1에 도시된 양방향 중계 네트워크 시스템을 가정하였고, 단말 T₁과 중계기 T₃ 사이의 거리 d를 변화시키면서 합전송량 및 최소 전송량의 성능을 비교하였다. 단말과 중계기 사이의 채널은 8-탭(tap)을 가지는 주파수 선택적 채널을 가정하였고, 각 채널의 탭(tap)은 동일 전력을 가진다고 가정하였다. 따라서 각 채널 탭(tap)의 분포는 각각

와

가 된다. 여기서, γ는 경로 감쇄 지수(path loss exponent)이고, 성능 평가에서는 γ=3을 가정하였다. OFDM 주파수 영역 부반송파 개수 N=64를 가정하였다. 또한, 전체 시스템의 전력 제약 P_T=30N을 가정하였고, 이산 전력으로 p_k(n)={0, 0.5,…, 30}과 P_T(n)={0, 0.5, 1, 1.5,…, 90}을 가정하였다.

도 3과 도 4는 각각 평균 합전송량과 평균 최소 전송량을 나타낸다. 본 발명에 따른 합전력 제약 하의 부최적 전력 제어 방법(Proposed)이 종래의 각 단말 및 중계기의 전력 제어 하의 최적 전력 제어 방법(Dual under individual pwr.) 대비 높은 이득을 가짐을 도 3과 도 4를 통하여 알 수 있다. 예를 들어, d=0.1의 경우 'Proposed'가 'Dual under individual pwr.' 대비 약 14% 평균 합전송량 및 최소 전송량 이득을 보이고, 또한 d=0.5일 경우 약 5%의 평균 합전송량 및 최소 전송량 이득을 보임을 알 수 있다.

또한, 본 발명에 따른 부최적 전력 제어 방법은 종래의 전력 제어를 하지 않고 부반송파별 동일한 전력을 할당하는 경우(No power control) 대비 d=0.1일 경우 약 28%, d=0.5일 경우 약 9%의 평균 합전송량 및 최소 전송량 이득이 있음을 알 수 있다.

더욱이 복잡도가 낮은 본 발명의 부최적 전력 제어 방법(Proposed)의 경우 합전력 제약 하에서 복잡도가 높은 본 발명의 최적 전력 제어 방법(Dual under total pwr.)과 거의 동일한 성능을 보임을 도 3과 도 4를 통하여 알 수 있다.

한편, 전술한 바와 같은 본 발명에 따른 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 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. 상기 매체는 프로그램 명령, 데이터 구조 등을 지정하는 신호를 전송하는 반송파를 포함하는 광 또는 금속선, 도파관 등의 전송 매체일 수도 있다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용하여 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.

이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시 예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시 예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 치환, 변형 및 변경이 가능하다.

그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

본 발명은 휴대인터넷 시스템 등과 같은 양방향 중계 네트워크에서 시스템 용량 향상을 위한 전력 제어 등에 이용될 수 있다.

T_{1 ,}T₂ : 단말 T₃ : 중계기

Claims (7)

1. 각 단말 및 중계기의 합전력 제약 하에서, 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법에 있어서,
   상기 각 단말 및 상기 중계기가 현재 채널을 추정하는 단계;
   상기 추정된 현재 채널이 이전 채널과 동일함에 따라 상기 각 단말 및 상기 중계기가 이전에 결정된 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하는 단계;
   상기 추정된 현재 채널이 이전 채널과 동일하지 않음에 따라 전력 제어 방식을 결정하는 단계;
   상기 전력 제어 방식이 분산 방식으로 결정됨에 따라 상기 각 단말 및 상기 중계기가 새로 전력 제어 파라미터를 도출한 후에 상기 새로 도출된 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하는 단계; 및
   상기 전력 제어 방식이 중앙 집중 방식으로 결정됨에 따라 상기 각 단말 및 상기 중계기로부터 추정 채널 정보를 전달받은 제어부가 새로 전력 제어 파라미터를 도출하여 상기 각 단말 및 상기 중계기로 전달하고, 상기 각 단말 및 상기 중계기가 전달받은 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하는 단계
   를 포함하는 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법.
   
2. 각 단말 및 중계기의 합전력 제약 하에서, 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법에 있어서,
   상기 각 단말 및 상기 중계기가 현재 채널을 추정하는 단계;
   상기 추정된 현재 채널이 이전 채널과 동일함에 따라 상기 각 단말 및 상기 중계기가 이전에 결정된 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하는 단계; 및
   상기 추정된 현재 채널이 이전 채널과 동일하지 않음에 따라 상기 각 단말 및 상기 중계기가 새로 전력 제어 파라미터를 도출한 후에 상기 새로 도출된 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하는 단계
   를 포함하는 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법.
   
3. 각 단말 및 중계기의 합전력 제약 하에서, 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법에 있어서,
   상기 각 단말 및 상기 중계기가 현재 채널을 추정하는 단계;
   상기 추정된 현재 채널이 이전 채널과 동일함에 따라 상기 각 단말 및 상기 중계기가 이전에 결정된 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하는 단계; 및
   상기 추정된 현재 채널이 이전 채널과 동일하지 않음에 따라 상기 각 단말 및 상기 중계기로부터 추정 채널 정보를 전달받은 제어부가 새로 전력 제어 파라미터를 도출하여 상기 각 단말 및 상기 중계기로 전달하고, 상기 각 단말 및 상기 중계기가 전달받은 전력 제어 파라미터를 적용하여 전력을 할당하고 전송량을 결정하는 단계
   를 포함하는 양방향 중계 네트워크에서의 전력 제어 방법.
   
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