KR101730640B1

KR101730640B1 - 3노드 양방향 협력을 위한 다중 입력-다중 출력 네트워크 코딩된 증폭 및 전달 릴레이 구조

Info

Publication number: KR101730640B1
Application number: KR1020167022242A
Authority: KR
Inventors: 지아링 리; 웬 가오
Original assignee: 톰슨 라이센싱
Priority date: 2010-07-29
Filing date: 2010-07-29
Publication date: 2017-05-11
Also published as: US9014237B2; EP2599234A1; CN103039013A; US20130114650A1; KR20160102087A; WO2012015409A1; JP2013536626A; CN103039013B; EP2599234B1; JP5971810B2; US20150109992A1; US9577722B2; KR101650937B1; KR20130132733A

Abstract

제1채널의 제1시간 슬롯에서 제1데이터를 포함하는 제1신호를 수신하는 단계(705), 제2채널의 제2시간 슬롯에서 제2데이터를 포함하는 제2신호를 수신하는 단계(710), 제1프리코딩 매트릭스를 결정하는 단계(715), 제2프리코딩 매트릭스(720)를 결정하는 단계, 제1데이터에 제1프리코딩 매트릭스를 적용하여 프리코딩된 제1데이터를 생성하는 단계(725), 제2데이터에 제2프리코딩 매트릭스를 적용하여 프리코딩된 제2데이터를 생성하는 단계(730), 상기 프리코딩된 제1데이터와 상기 프리코딩된 제2데이터를 합성함으로써 제3신호를 생성하는 단계(735), 및 상기 제1채널과 제2채널 상에서 상기 제3신호를 전송하는 단계(740)를 포함하는 방법 및 장치가 기술되어 있다. 또한 제1신호를 전송하는 단계(605), 제1트레이닝 시퀀스를 포함하는 제2신호를 수신하는 단계(610), 및 상기 제1트레이닝 시퀀스를 제거하고 상기 제1신호를 제거함으로써 상기 제2신호를 디코딩하는 단계(615)를 포함하는 방법 및 장치도 기술되어 있다.

Description

3노드 양방향 협력을 위한 다중 입력-다중 출력 네트워크 코딩된 증폭 및 전달 릴레이 구조{A MULTIPLE-IN-MULTIPLE-OUT NETWORK-CODED AMPLIFY-AND-FORWARD RELAYING SCHEME FOR THREE NODE BIDIRECTIONAL COOPERATION}

본 발명은 드래프트 IEEE 802.11n 표준의 양방향 전송(통신)을 지원하는 3노드 협력 구조에 관한 것이다.

멀티캐스트 및 브로드캐스트 응용에서, 데이터는 서버로부터 유선 및/또는 무선 네트워크를 통해 다수의 수신기로 전송된다. 본 명세서에 사용된 멀티캐스트 시스템은 서버가 동일한 데이터를 다수의 수신기로 동시에 전송하는 시스템이며, 여기서 수신기는 최대 모든 수신기의 서브세트를 형성하거나 수신기 전부를 포함한다. 브로드캐스트 시스템은 서버가 동일한 데이터를 모든 수신기로 동시에 전송하는 시스템이다. 즉, 멀티캐스트 시스템은 정의상 브로드캐스트 시스템을 포함할 수 있다.

하나의 액세스 포인트(AP)와 수 개의 노드를 구비하는 멀티캐스트(다운링크)와 멀티액세스(업링크) 채널을 고려해 보자. IEEE 802.11n 드래프트 표준에서, 역방향(RD: reverse direction) 프로토콜이 전송 기회(TXOP) 내에 양방향 트래픽 흐름의 고속 스케줄링을 위해 도입된다. 역방향 프로토콜은 TXOP를 획득한 노드가 TXOP의 제어 하에 여전히 있으면서 다른 노드로 역방향 전송을 허가하는 것을 가능하게 한다. 노드들 사이에 채널 상태가 부적절(불량)한 경우, 2개의 노드들 사이의 전송이 불량해진다. 이러한 불량은 데이터율 및/또는 처리량을 감소시킬 수 있다.

IEEE 802.11n 드래프트 표준에서, 역방향(RD: reverse direction) 프로토콜은 도 1에서와 같이 제안되었다. IEEE 802.11n 드래프트 표준의 역방향 프로토콜은 2개의 노드들 사이의 양방향 전송만을 스케줄링한다. 각 노드는 소스 노드(source node)와 목적 노드(destination node)이다. IEEE 802.11 WLAN 표준에서 3노드 양방향 전송을 위한 스케줄링 프로토콜은 종래에 없었다. 도 1은 반이중방식(half-duplex)의 릴레이 노드(RN: relay node)를 사용하여 종래의 단방향 협력을 도시한다. 도 1a는 노드₁이 데이터(S₁)를 노드₂와 RN에 전송(송신, 통신)하는 제1 통신 단계를 도시한다. 도 1b는 RN이 데이터(

)을 노드₂에 전송(통신, 송신)하는 제2 통신 단계를 도시한다. 즉, RN은 데이터(S₁)를

으로 노드₂에 전송(통신, 송신)한다. 이에 대응하여(미도시), 제3통신 단계에서, 노드₂는 데이터(S₂)를 노드₁과 RN에 전송(송신, 통신)한다. 제4통신 단계에서, RN은 데이터(

)를 노드₁에 전송(통신, 송신)한다. 즉, RN은 데이터(S₂)를

로서 노드₁에 전송(통신, 송신)한다. 따라서, 종래의 접근법에서는 노드₁과 노드₂를 지원하는데 반이중방식의 RN을 사용하여 완전한 통신을 하는데 4개의 단계(위상)가 존재한다.

3개의 단계를 가지는 네트워크 코딩된 3노드 양방향 협력{즉, RN에서 노드들(소스 노드와 목적 노드)로부터 오는 신호를 수신하는 것은 직교(분리)함)은 단일 안테나 시스템에서 디코드 및 전달(Decode-and-Forward), 소프트 디코드 및 전달(Soft Decode-and-Forward), 및 증폭 및 전달(Amplify-and-Forward), 및 L₁=L₂=1이고 L_R=2 등일 때 경우를 사용하여 연구되었다. L_i (여기서 i=1, 2, R)는 노드₁, 노드₂ 및 RN에서 안테나의 수를 각각 나타낸다는 것이 주목된다. 본 발명은 노드들에 임의의 개수의 안테나를 구비하는 일반적인 MIMO 경우에 대해 증폭 및 전달(Amplify-and-Forward)을 사용한다. 이것은 출원인에 알려진 임의의 공보에서 해결되지 않았다.

본 명세서에 사용된 바와 같이, 노드는 스테이션(STA), 모바일 디바이스, 모바일 단말, 듀얼 모드 스마트 폰, 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터 또는 IEEE 802.11n 드래프트 표준 하에서 동작할 수 있는 임의의 다른 균등 디바이스를 포함한다(그러나 이로 제한되는 것은 아니다).

하나의 액세스 포인트(AP) 및 수 개의 노드를 구비하는 멀티캐스트(다운링크) 및 멀티 액세스(업링크) 채널을 고려해 보자. IEEE 802.11n 드래프트 표준에서, 역방향(RD) 프로토콜이 전송 기회(TXOP) 내에 양방향 트래픽 흐름의 신속한 스케줄링을 위해 도입된다. 역방향 프로토콜은 TXOP를 획득한 노드가 TXOP의 제어 하에 여전히 있으면서 다른 노드로 역방향 전송을 허가하는 것을 가능하게 한다. 그러나, 2개의 노드들 사이에 채널 상태(채널 조건)가 이들 사이에 신속하고 신뢰할만한 전송(통신)을 제공할 수 있을 만큼 충분하지 않을 때에는, 제3 노드, 반이중방식의 릴레이 노드(RN)를 통한 협력이 전송(통신)을 지원하는데 수반될 수 있다. 이들 2개의 노드들 사이에 전송이 제3 노드, 반이중방식의 릴레이 노드(RN)를 통한 협력을 수반할 때에는 상황이 더 복잡해지고, 무선 네트워크 코딩이 시스템 처리량을 더 증가시키기 위해 사용될 수 있다. 각 노드는 소스 노드와 목적 모드이다.

본 발명에서, 도 2에 도시되고 아래에서 보다 충분히 설명된 바와 같이, 무선 네트워크 코딩이 시스템 처리량을 증가시키기 위하여 시스템에 도입되어 양방향 협력과 합성(combining)된다. 본 발명은 3노드 양방향 협력 시나리오에서 네트워크 코딩된 증폭 및 전달(NCAF: network-coded amplify-and-forward) 릴레이 구조를 기술한다.

*본 발명의 3노드 양방향 협력 구조에서, 2개의 노드, 즉 노드₁ 및 노드₂는 소스 노드와 목적 노드이고, RN은 노드₁과 노드₂ 사이의 양방향 전송을 지원하는 릴레이 노드이다. 릴레이 노드(RN)는 노드₁과 노드₂로부터 신호를 순차적으로 수신하고 이 2개의 신호를 이들 모두를 위한 프리코딩 매트릭스(pre-coding matrix)와 합성하여 혼합된 신호를 직교 채널 상에서 두 노드에 브로드캐스트한다. 각 노드(소스 노드와 목적 노드)는 다른 노드로부터 원하는 신호의 전송(통신)과, RN으로부터 혼합된 신호의 전송(통신)을 수신한다. 각 노드는 송신된(전송된, 통신된) 신호의 지식에 기초하여 원하는 데이터를 공동으로 디코딩할 수 있다. 공정은 도 3에 도시되고, 이는 아래에 더 기술된다. 본 발명은 상기 네트워크 코딩된 증폭 및 전달 (NCAF) 릴레이 구조를 기술할 뿐만 아니라, 아래 2개의 경우에서 채널 상태 정보(CSI: channel state information)가 주어질 때 RN에서 총 전력 제약(power constraint)에 따라 양방향 협력 시스템의 순간 용량을 최대화하기 위하여 노드(소스 및 목적 노드)로부터 수신된 신호에 대해 RN에서 프리코딩 매트릭스의 설계 문제를 해결한다:

(1) RN에서 직접 링크의 CSI가 없는 경우: 노드(소스 및 목적 노드)로부터 RN으로의 채널의 CSI와, RN으로부터 노드(소스 및 목적 노드)로의 채널의 CSI만이 RN에 알려져 있다. 2개의 노드(소스 및 목적 노드)들 사이의 채널의 CSI는 RN에 알려져 있지 않다.

(2) RN에서 직접 링크의 CSI를 가지는 경우: 노드(소스 및 목적 노드)로부터 RN으로의 채널의 CSI와, RN으로부터 노드(소스 및 목적 노드)로의 채널의 CSI, 및 2개의 노드(소스 및 목적 노드)들 사이의 채널의 CSI는 RN에 알려져 있다.

본 발명의 네트워크 코딩된 증폭 및 전달(NCAF) 릴레이 구조에서, RN은 종래의 증폭 및 전달 협력에서와 같이 하나의 노드로부터 다른 노드로 증폭된 수신된 신호를 더 이상 전달하지 않는다. 대신, RN은 이들을 제일 먼저 프리 코딩 매트릭스로 곱합으로써 2개의 노드로부터 2개의 수신된 신호를 합성한다. 이후, RN은 양방향 트래픽 흐름의 혼합된 데이터를 포함하는 합성된 신호를 브로드캐스트(멀티캐스트)한다. 각 종단 노드는 RN으로부터 신호를 수신한다. 노드들은 송신한(전송한, 통신한) 신호의 지식에 기초하여 원하는 신호를 공동으로 디코딩할 수 있다. 여기에는 여전히 협력의 다양성이 존재한다.

본 발명의 NCAF 릴레이 구조는 미래의 IEEE 802.11 드래프트 초고처리량(VHT: Very High Throughput) 표준에 필수적인 것으로 입증될 수 있다. 본 발명의 NCAF 릴레이 구조의 이점은 단지 단순한 처리, 즉 선형 프리코딩이 릴레이 노드(RN)에서 요구된다는 것이다. 이것은 또한 증폭 및 전달 릴레이 구조를 사용하여 종래의 협력과 호환가능하다. 본 발명의 NCAF 릴레이 구조는 또한 RN이 RN에 구비된 불충분한 개수의 안테나로 인해 수신된 데이터를 디코딩할 수 없을 때 문제를 해결하며 임의의 다중 안테나 시스템에서 항상 실현가능하다.

제1채널의 제1시간 슬롯에서 제1데이터를 포함하는 제1신호를 수신하는 단계, 제2채널의 제2시간 슬롯에서 제2데이터를 포함하는 제2신호를 수신하는 단계, 제1프리코딩 매트릭스를 결정하는 단계, 제2프리코딩 매트릭스를 결정하는 단계, 상기 제1데이터에 상기 제1프리코딩 매트릭스를 적용하여 프리코딩된 제1데이터를 생성하는 단계, 상기 제2데이터에 상기 제2프리코딩 매트릭스를 적용하여 제2프리코딩된 데이터를 생성하는 단계, 상기 프리코딩된 제1데이터와 상기 프리코딩된 제2데이터를 합성함으로써 제3신호를 생성하는 단계, 및 상기 제1채널 및 제2채널 상에서 상기 제3신호를 송신하는 단계를 포함하는 방법 및 장치가 기술되어 있다. 또한, 제1신호를 전송하는 단계, 제2신호를 수신하는 단계, 및 상기 제1트레이닝 시퀀스를 제거하고 상기 제1신호를 제거함으로써 제1트레이닝 시퀀스를 포함하는 상기 제2신호를 공동으로 디코딩하는 단계를 포함하는 방법 및 장치도 기술되어 있다.

본 발명은 첨부 도면과 함께 판독될 때 이하 상세한 설명으로부터 최상으로 이해된다. 본 도면은 이하 간략히 설명된 이하 도면을 포함한다.
도 1은 증폭 및 전달 릴레이 구조를 도시하는 도면;
도 2는 반이중방식의 릴레이 노드를 사용하여 본 발명의 양방향 협력을 위한 네트워크 코딩된 증폭 및 전달 릴레이 구조의 동작을 도시하는 도면;
도 3a는 본 발명의 네트워크 코딩된 증폭 및 전달 릴레이 구조의 전송 측의 예시적인 실시예의 동작 블록도;
도 3b는 노드₁의 관점으로부터 본 발명의 네트워크 코딩된 증폭 및 전달 릴레이 구조의 수신 측의 예시적인 실시예의 동작 블록도;
도 3c는 노드₂의 관점으로부터 본 발명의 네트워크 코딩된 증폭 및 전달 릴레이 구조의 수신 측의 예시적인 실시예의 동작 블록도;
도 4는 본 발명의 소스 노드에서 빔성형 없이 네트워크 코딩된 증폭 및 전달 릴레이 구조를 위한 집합적으로 간략화된 예시적인 프레임 구조도;
도 5는 본 발명의 소스 노드에서 빔 성형을 구비하는 네트워크 코딩된 증폭 및 전달 릴레이 구조를 위한 집합적으로 간략화된 예시적인 프레임 구조도;
도 6은 노드(소스와 목적 노드)의 관점으로부터 본 발명의 예시적인 실시예의 흐름도;
도 7은 릴레이 노드의 관점으로부터 본 발명의 예시적인 실시예의 흐름도.

도 2는 반이중방식의 릴레이 노드를 사용하여 본 발명의 양방향 협력을 위한 네트워크 코딩된 증폭 및 전달 릴레이 구조의 동작을 도시한다. 도 2a는 노드₁이 노드₂와 RN에 데이터(S₁)를 전송(송신, 통신)하는 제1 통신 단계를 도시한다. 도 2b에 도시된 제2 통신 단계에서, 노드₂는 데이터(S₂)를 노드₁ 및 RN에 전송(송신, 통신)한다. 도 2c에 도시된 제3통신 단계에서, RN은 노드₁과 노드₂로 전송(통신)하기 위해 데이터(

+

)를 합성(혼합)한다. 데이터(

+

)는 데이터(S₁)와 데이터(S₂)에 프리코딩 매트릭스를 적용함으로써 형성된다. 데이터((

+

)의 합성은 f(S₁+S₂)이다. 단계의 수는 4개의 단계로부터 3개의 단계로 감소되었다. 데이터에 프리코딩 매트릭스를 적용하는 것에 더하여 빔 성형 매트릭스가 데이터에 더 적용될 수 있는 것이 주목된다.

시스템 모델과 일부 표시법이 제일 먼저 도입된다. X_i는 노드_i(i=1,2, R이고, 노드_R은 RN을 나타낸다)로부터 전송된 신호이다. Q_i는 노드_i에서의 빔성형 매트릭스이고, 이것은 빔성형이 사용되지 않는 경우 항등 매트릭스(identity matrix)이다. H_ij는 노드_j로부터 노드_i로 채널 매트릭스이다. Y_ij 및 N_ij는 노드_j로부터 노드_i로 수신된 신호 및 잡음이고, 요소들은 분산 σ² _n을 가지는 독립적이고 동일하게 분산된 가우시안(Gaussian)인 것으로 가정된다. W_i는 RN에서 Y_Ri에 적용된 프리코딩 매트릭스이다. 총 전송된 전력은 노드_i(i=1,2)에서 P_i이고, RN에서 P_R이다.

RN은 제1시간 슬롯에서 노드₁로부터 Y_R1= H_R1Q₁X₁ + N_R1을 수신하고, 제2시간 슬롯에서 노드₂로부터 Y_R2= H_R2Q₂X₂ + N_R2을 수신한다. 여기서 RN은 그 방송 신호로 가중된 수신된 신호를 혼합한다:

X_R = W₁Y_R1 + W₂Y_R2 = W₁H_R1Q₁X₁ + W₂H_R2Q₂X₂ + W₁N_R1 + W₂N_R2.

하나의 노드(소스 및 목적 노드)에서 수신 및 디코딩이 일례로서 사용된다. 물론, 복조는 수신 종단에서 수행된다. 다른 노드(소스 및 목적 노드)에서의 처리는 이와 유사하다. 노드₁은 제2시간 슬롯에서 노드₂로부터 Y₁₂= H₁₂Q₂X₂ + N₁₂을 수신하고, 제3 시간 슬롯에서 RN으로부터 Y_1R= H_1RX_R + N_1R을 수신하며, 즉 Y_1R = Η_1RW₁H_R1Q₁X₁ + H_1RW₂H_R2Q₂X₂ + H_1RW₁N_R1 + H_1RW₂N_R2 + N_1R이다. 매트릭스 형태는,

이고, 즉 Y₁ = D₁X₁ + A₁X₂ + B₁N₁ 이고, 여기서 Y₁ = [Y₁₂ Y_1R]^T

C^2L1 ^×1, 0_Ni _× _Nj

C^Li×Lj는 제로 매트릭스이고, I_N

C^N ^×N은 항등 매트릭스이다. 노드₁에서, X₁은 알려져 있으나, X₂는 알려져 있지 않아서 검출해야 한다는 것이 주목된다. N₁=[N₁₂ N_R1 N_R2 N_1R]^T

C^{2(L1 +} ^LR ^)×1은 노드₁에서의 잡음 벡터이고, 매트릭스,

,

, 및

은 알려진 것으로 가정된다. X₁의 지식에 기초하여, 노드₁은 Z₁ = Y₁ - D₁ X₁ = A₁X₂ + B₁N₁을 획득할 수 있으며, 여기서 Z₁은 신호(X₂)에 대해서와 동등한 수신된 신호이고, A₁은 신호(X₂)에 대해서와 동등한 채널 매트릭스이다. 여기서 노드₁은 공동으로 X₂를 디코딩할 수 있다.

이와 유사하게, Z₂ = A₂X₁ + B₂N₂ 이고, 여기서 Z₂, A₂, B₂ 및 N₂는 그 대응하는 부분에서 아래첨자 "1"과 "2"를 교환하고 "N₁"과 "N₂"를 교환하는 것에 의해 한정된다.

문제는 W₁과 W₂(여기서 W_i

C^LR ^× ^LR, i=1, 2)를 결정하고, RN에서 전송 전력 제약에 따라 시스템의 순간 용량을 최대화하는 것이다. W₁과 W₂는 프리코딩 매트릭스이다. 즉,

(여기서 tr(X)은 매트릭스 X의 트레이스를 나타낸다)에 따라

을 최대화하도록 W₁과 W₂를 결정한다. Q_i(i=1, 2)를 유니테리 매트릭스(unitary matrix)라고 하면, 이 제약은

으로 단순화될 수 있다.

제1 경우에, 노드_i로부터 RN으로 그리고 RN으로부터 노드_j로 채널(링크)의 CSI는 RN에서 이용가능한 것으로 가정된다. 노드_i 및 노드_j(i,j = 1, 2 그리고 i ≠ j) 사이의 링크(채널)의 CSI는 이용가능하지 않다. 이 시나리오에서 내부 정보의 부재로 인해 f 그 자체 대신에 f의 상한을 최대화하는 것이 필요하다. 즉, 수식 (2)에 도시된 바와 같이,

에 따라

을 최대화하도록 W₁과 W₂를 결정한다.

제2 경우에, 노드i로부터 RN으로, RN으로부터 노드j로 그리고 노드_i로부터 노드_j로 채널의 CSI는 RN에 이용가능한 것으로 가정되며, 여기서 i, j = 1, 2이고 i ≠ j 이다. 이 시나리오에서, 설계 문제는 (2)에 따라 (1)을 최대화하는 것이다.

특이값 분해(SVD: singular value decomposition) 이론에 의하여, 채널(링크)은

,

, 및

으로 분해될 수 있고, 여기서,

는 유니테리 매트릭스이고;

(여기서, i, j = 1, 2, R)은 특이값 매트릭스이다. 특히,

(i, j = 1, 2, R)(여기서 (·)^T 및 (·)^H는 매트릭스의 트랜스포즈(transpose) 및 공액(conjugate) 트랜스포즈 연산을 각각 나타낸다. 또한

을 한정하고, T = (t_ij)(여기서 i, j = 1,..., L_R)을 나타낸다.

노드₁과 노드₂ 사이의 직접 링크의 CSI가 이용가능하지 않을 경우, W₁= V_2R

U^H _R1이고 W₂= V_1R

U^H _R2라 하고, 여기서

은 결정되어야 한다. 여기에는 닫힌 형태의 솔루션이 없다. 그러나,

, 및

는 뉴튼의 방법을 사용하여 반복적으로 풀릴 수 있다.

나아가, 문제의 진술은 이하 형태로 다시 쓸 수 있으며, 여기서 표기법은 접근법이 도입된 후에 설명될 것이다.

λ≥0 (5)

Sλ = q (6)

에 따라

f₂(λ)를 최소화하도록 λ를 결정한다 (4)

라그랑지안 함수(Lagrangian function)는,

L(λ, μ) = f₂(λ) - μ ^T(Sλ - q) (7)

이며, 여기서 μ는 라그랑지안 승수(multipliers)를 포함하는 벡터이다. 뉴튼의 방법을 사용하여 λ를 풀기 위해 다음 반복 접근법이 사용된다:

단계 1: λ⁰

(0, max_λ)을 초기화한다.

단계 2: 각 반복 시,

을 푼다.

단계 3: 그 다음 반복

을 취한다.

단계 4: 만약

또는

이라면, 단계 1로 되돌아간다. 그렇지 않으면, 단계 5로 진행한다.

단계 5: 만약

< 임계값이라면, 종료한다. 그렇지 않으면, k=k+1로 하고, 단계 2로 진행한다.

단계 4에서, 주어진 x=(x₁, ..., x_M)^T가 열 벡터(column vector)이거나 길이(M)이고, length(x)=M, 및

, 및 sign(x) = (sign(x₁),..., sign(x_M))^T.

조건 α_i는 "L_i ≥L_R일 때 또는 L_i < L_R이고 L_i(L_i - 1)≥ L_R이 만족될 때"로 한정되고, 조건 β_i는 "L_i < L_R 및 L_i(L_i - 1) ≤ L_R - 1이 만족될 때"로 한정된다. 그리하여 3가지 경우의 솔루션이 다음과 같이 존재한다:

일반적인 경우 1: α₁과 α₂가 존재할 때,

및

는 각각 상수로 곱해진 항등 매트릭스이고, 즉

, λ₁, λ₂ ≥ 0이다. 반복 접근법에서 표기법은 다음과 같다:

.

, 여기서

(i = 1,... , M),

, 및 M=min(L₁, L₂, L_R)이다. f₂(λ)의 헤시안(Hessian) 및 그래디언트는 다음과 같이 표현된다:

, 여기서

, 및

,

.

일반적인 경우 2: α₁ 및 β₂가 존재할 때,

은 상수로 곱해진 항등 매트릭스이고, 즉

, λ₁≥0이고; 한편,

(여기서 λ_2,i≥0, i= 1,..., L_R)은 대각선 매트릭스이다. 반복 접근법에서 표기법은 다음과 같다:

여기서,

,

(i=1, L, M),

, 및 M= min(L₁, L₂, L_R)이다.

그리고,

이고, 여기서, Re{·}와 Im{·}은 변수의 실수부와 허수부를 취하는 함수이고, s ₂는 선형 수식

로부터 오며, 즉

.

및,

여기서,

.

일반적인 경우 3: β₁ 및 β₂가 존재할 때,

(여기서, λ_1,i≥0, i= 1, L, L_R) 및

(여기서, λ_2,i≥0, i= 1, L, L_R)은 대각선 매트릭스이다. 반복 접근법에서 표기법은 다음과 같다:

,

여기서,

(여기서, i = 1, L, M), 및 M= min(L₁, L₂, L_R).

그리고,

및

, 여기서 Re{·}와 Im{·}은 변수의 실수부와 허수부를 취하는 함수이고, s ₁ 및 s ₂는 선형 수식

, 및

로부터 오며, 즉 각각

, 및

.

, 및

.

.

, 및

을 표시한다. 이들은 에르미트 매트릭스(Hermitian)이고,

와

은

와 함께 유니테리 매트릭스이며,

와

은 대각선 매트릭스이다.

및

라 하자. 문제는 노드₁과 노드₂ 사이의 직접 링크의 CSI가 이용가능할 때

을 결정하는 것이고, 노드₁과 노드₂ 사이의 직접 링크를 위한 CSI가 이용가능하지 않을 때 RN은 상기와 동일한 형태이며, 솔루션을 찾는 반복적인 접근법은 λ_R2,i 및 λ_R1,i를 λ_M1,i 및 λ_M2,i로 각각 단순히 대체함으로써 상기 3개의 경우에서와 거의 동일하다.

설계 문제에서, 두 노드(소스 및 목적 노드)는 RN에 트레이닝 시퀀스를 송신(전송, 통신, 전달)하며, 이에 RN은 입력 채널을 추정할 수 있다. RN은, 또한 RN으로부터 이들 각각으로 채널(링크)을 추정하기 위해 노드(소스 및 목적 노드)를 위한 트레이닝 시퀀스(들)를 송신(전송, 통신, 전달)하고 또한 RN이 사용하는 프리코딩 매트릭스에 관한 정보를 전송(송신, 전달, 통신)할 것을 요구한다.

2개의 기본 데이터 프레임 구조가 본 발명에 사용하기 위해 제안된다:

(1) RN은 도 4a 및 도 5a에서와 같이 수신하고 전달하는 트레이닝 시퀀스에 프리코딩 매트릭스를 적용한다.

(2) RN은 입력 채널 매트릭스를 추정하고, 이에 프리코딩 매트릭스를 곱하고, 그 결과 매트릭스를 양자화하며 이를 피드백한다. 이 RN은 또한 도 4b와 도 5b에서와 같이 RN으로부터 노드(소스 및 목적 노드)로 채널 상태(채널 조건)을 추정하기 위해 노드(소스 및 목적 노드)에 자기 자신의 트레이닝 시퀀스를 송신한다. 여전히 RN에서 RN으로부터 노드(소스 및 목적 노드)로 출력 채널의 CSI 및 RN에서의 직접 링크의 CSI와 같은, 수행될 것을 요구하는 다른 채널 추정이 존재한다. 이들은 제어 프레임 등과 같은 다른 프레임에 의해 수행된다.

다시 도 3a를 참조하면, 도 3a는 본 발명의 네트워크 코딩된 증폭 및 전달 릴레이 구조의 전송 측의 예시적인 실시예의 동작 블록도이다. 데이터(S₁)는 제1시간 슬롯에서 노드₁로부터 신호(X₁)로서 RN으로 전송(통신)되고, 데이터(S₂)는 제2시간 슬롯에서 노드₂로부터 신호(X₂)로서 RN으로 전송(통신)된다. RN은 이후 노드₁과 노드₂에 의해 수신하기 위해 이들 데이터를 프리코딩하고, 혼합(합성)하여, 프리코딩된 혼합된 데이터(X_R)을 멀티캐스트(브로드캐스트)한다. 물론, 프리코딩된 혼합된(합성된) 데이터는 변조된다.

다시 도 3b를 참조하면, 도 3b는 노드₁의 관점으로부터 본 발명의 네트워크 코딩된 증폭 및 전달 릴레이 구조의 수신 측의 예시적인 실시예의 동작 블록도이다. 노드₁은 노드₂로부터 신호(Y₁₂)를 수신하고, RN으로부터 신호(Y_1R)를 수신하며, 공동 네트워크 및 채널 디코딩을 수행한다. 물론, 디코딩된 데이터는 복조된다.

다시 도 3c를 참조하면, 도 3c는 노드₂의 관점으로부터 본 발명의 네트워크 코딩된 증폭 및 전달 릴레이 구조의 수신 측의 예시적인 실시예의 동작 블록도이다. 노드₂는 노드₁로부터 신호(Y₂₁)를 수신하고, RN으로부터 신호(Y_2R)를 수신하며, 공동 네트워크 및 채널 디코딩을 수행한다. 물론, 디코딩된 데이터는 복조된다.

즉, 전송 기회(TXOP)를 보유(소유)하는 노드의 관점으로부터, 노드는 데이터를 구비하는 제1신호를 전송(송신, 통신)하는 수단과, 제2신호를 수신하는 수단을 포함한다. 전송 수단과 수신 수단은 트랜시버 또는 별개의 전송기 및 별개의 수신기 또는 임의의 균등 수단일 수 있다. 노드는 또한 트레이닝 시퀀스와 제1신호를 제거(공제)함으로써 제2신호를 공동으로 디코딩하는 수단을 더 구비한다. 선택적으로, 노드는 또한 제1신호의 데이터에 제1빔성형 매트릭스(beamforming matrix)를 적용하고 제2신호의 데이터에 제2빔성형 매트릭스를 적용함으로써 제2신호를 디코딩하는 수단을 더 구비한다.

릴레이 노드(RN)의 관점으로부터, RN은 제1채널의 제1시간 슬롯에서 제1신호를 수신하는 수단, 제2채널의 제2시간 슬롯에서 제2신호를 수신하는 수단, 제1프리코딩 매트릭스를 결정하는 수단, 제2프리코딩 매트릭스를 결저하는 수단(여기서, 상기 제1프리코딩 매트릭스와 제2프리코딩 매트릭스는 상기 제1채널과 제2채널의 공동 채널 용량을 각각 최대화한다), 제1프리코딩 매트릭스를 제1데이터에 적용하는 수단, 제2프리코딩 매트릭스를 제2데이터에 적용하는 수단, 상기 프리코딩된 제1데이터와 프리코딩된 제2데이터를 혼합(합성)함으로써 제3신호를 생성하는 수단, 및 상기 제3신호를 전송하는 수단을 포함한다. 전송 수단과 수신 수단은 트랜시버 또는 별개의 전송기 및 별개의 수신기 또는 임의의 균등한 수단일 수 있다. RN은 또한 제1채널을 위한 제1 추정된 채널 매트릭스를 생성하고 제2채널을 위한 제2 추정된 채널 매트릭스를 생성하는 수단, 상기 제3신호의 트레이닝 시퀀스 사이에 상기 제1 추정된 채널 매트릭스와 제1프리코딩 매트릭스의 적(times), 및 제2 추정된 채널 매트릭스와 제2프리코딩 매트릭스의 적을 삽입하는 수단, 및 삽입하는 수단이 실행되기 전에, 상기 제1 추정된 채널 매트릭스와 제1프리코딩 매트릭스의 적을 양자화하는 수단과 제2 추정된 채널 매트릭스와 제2프리코딩 매트릭스의 적을 양자화하는 수단을 더 포함한다. 선택적으로 RN은 또한 제1빔성형 매트릭스를 결정하는 수단, 제2빔성형 매트릭스를 결정하는 수단, 및 제3신호를 생성하기 전에, 제1빔성형 매트릭스를 제1데이터에 적용하고 제2빔성형 매트릭스를 제2데이터에 적용하는 수단을 더 포함한다. RN은 또한 상기 제3신호의 트레이닝 시퀀스 사이에 제1 추정된 채널 매트릭스와 제1프리코딩된 매트릭스의 적, 및 제2 추정된 채널 매트릭스와 제2프리코딩된 매트릭스의 적을 삽입하기 전에, 제1 추정된 채널 매트릭스와 제1프리코딩된 매트릭스의 적에 제1빔성형 매트릭스를 적용하는 수단과, 제2 추정된 채널 매트릭스와 제2프리코딩된 매트릭스의 적에 제2빔성형 매트릭스를 적용하는 수단을 선택적으로 더 포함한다.

다시 도 4를 참조하면, 도 4는 본 발명의 소스 노드에서 빔 성형 없이 네트워크 코딩된 증폭 및 전달 릴레이 구조를 위한 집합적으로 간략화된 예시적인 프레임 구조이다. 도 4a는 소스 노드로부터 트레이닝 시퀀스가 송신된 경우를 도시한다. RN은 트레이닝 시퀀스를 송신하지만, RN에 의해 송신된 트레이닝 시퀀스는 효율적으로 RN이 노드₁과 노드₂로부터 수신하고 복사하여 소스 노드(노드₁ 및 노드₂)로 리턴한 트레이닝 시퀀스이다. 제3 단계에서, RN은 2개의 트레이닝 시퀀스 및 혼합된 데이터(X_R)를 노드_i에 전송한다. 프리코딩 매트릭스는 트레이닝 시퀀스에 그리고 혼합된 데이터(X_R)에 적용된다. 프리코딩 매트릭스(W₁)는 T₁(제1트레이닝 시퀀스)에 적용되고, 프리코딩 매트릭스(W₂)는 T₂(제2트레이닝 시퀀스)에 적용된다. 프리코딩 매트릭스(W₁)는 또 혼합된 신호(X_R)의 H_R1X₁에 적용되고, W₂는 혼합된 신호(X_R)의 H_R2X₂에 적용된다. H_R1X₁은 RN이 노드₁(X₁을 송신한 노드₁)로부터 수신한 원하는 신호라는 것이 주목된다. 또한 H_R2X₂는 RN이 노드₂(X₂를 송신한 노드₂)로부터 수신한 원하는 신호라는 것이 주목된다. 도 4b에서, 각 노드는 자기 자신의 트레이닝 시퀀스를 송신(전송, 통신)하며, RN은 또한 혼합된 데이터(X_R)에 더하여 프리코딩 매트릭스(W₁, W₂)를 더 송신(전송, 통신)한다. 프리코딩 매트릭스는 RN에 의해 송신(전송, 통신)된 트레이닝 시퀀스(T_R)에는 적용되지 않는다.

다시 도 5를 참조하면, 도 5는 본 발명의 소스 노드에서 빔성형을 가지는 네트워크 코딩된 증폭 및 전달 릴레이 구조를 위한 집합적으로 간략화된 예시적인 프레임 구조이다. 도 5a는 소스 노드로부터 트레이닝 시퀀스가 송신된 경우를 도시한다. RN은 트레이닝 시퀀스를 송신하지만, RN에 의해 송신된 트레이닝 시퀀스는 효율적으로 RN이 노드₁과 노드₂로부터 수신하고 복사하여 소스 노드(노드₁, 노드₂)로 리턴한 트레이닝 시퀀스이다. 제3 단계에서 RN은 2개의 트레이닝 시퀀스 및 혼합된 데이터(X_R)를 노드_i에 전송한다. 프리코딩 매트릭스는 트레이닝 시퀀스에 그리고 혼합된 데이터(X_R)에 적용된다. 프리코딩 매트릭스(W₁)는 T₁(제1트레이닝 시퀀스)에 적용되고, 프리코딩 매트릭스(W₂)는 T₂(제2트레이닝 시퀀스)에 적용된다. 프리코딩 매트릭스(W₁)는 혼합된 신호(X_R)의 H_R1X₁에 더 적용되고, W₂는 혼합된 신호(X_R)의 H_R2X₂에 적용된다. H_R1X₁은 RN이 노드₁(X₁을 송신한 노드₁)로부터 수신한 원하는 신호라는 것이 주목된다. 또한 H_R2X₂은 RN이 노드₂(X₂을 송신한 노드₂)로부터 수신한 원하는 신호라는 것이 주목된다. 프리코딩 매트릭스를 트레이닝 시퀀스 및 혼합된 데이터에 적용하는 것에 더하여, 빔성형 매트릭스(Q₁)는 트레이닝 시퀀스(T₁)에 적용되고, 빔성형 매트릭스(Q₂)는 트레이닝 시퀀스(T₂)에 적용된다. 빔성형 매트릭스(Q₁)는 혼합된 신호(X_R)의 X₁에 더 적용되고, 빔성형 매트릭스(Q₂)는 혼합된 신호(X_R)의 X₂에 적용된다. 도 5b에서, 각 노드는 자기 자신의 트레이닝 시퀀스를 송신(전송, 통신)하고, RN은 혼합된 신호(X_R)에 더하여 프리코딩 매트릭스(W₁, W₂)를 더 송신(전송, 통신)한다. 프리코딩 매트릭스는 RN에 의하여 송신(전송, 통신)된 트레이닝 시퀀스(TR)에는 적용되지 않는다. 프리코딩 매트릭스는 혼합된 신호(X_R)에 적용된다. 프리코딩 매트릭스(W₁)는 혼합된 신호(X_R)의 H_R1X₁에 더 적용되고, W₂는 혼합된 신호(X_R)의 H_R2X₂에 적용된다. H_R1X₁은 RN이 노드₁(X₁을 송신한 노드₁)로부터 수신한 원하는 신호라는 것이 주목된다. 또한 H_R2X₂는 RN이 노드₂(X₂를 송신한 노드₂)로부터 수신한 원하는 신호라는 것이 주목된다. 프리코딩 매트릭스를 혼합된 신호에 적용하는 것에 더하여, 빔성형 매트릭스(Q₁)는 혼합된 신호(X_R)의 X₁에 더 적용되고, 빔성형 매트릭스(Q₂)는 혼합된 신호(X_R)의 X₂에 적용된다.

도 6을 참조하면, 도 6은 노드(소스 및 목적 노드)의 관점으로부터 본 발명의 예시적인 실시예의 흐름도이며, 605에서 노드는 데이터를 포함하는 제1신호(메시지)를 전송한다. 610에서, 노드는 데이터를 포함하는 제2신호(메시지)를 수신한다. 615에서, 노드는, 노드에 의해 전송된 제1데이터와, 다른 노드(제1데이터에 대해서는 목적 노드 및 제3데이터에 대해서는 소스 노드)에 의해 전송된 제3데이터를 포함하는 합성된 신호(메시지)였던 제2신호(메시지)를, 상기 제1데이터에 적용되었던 프리코딩 매트릭스 및 트레이닝 시퀀스와 제1데이터가 알려져 있으므로 상기 제1데이터와 트레이닝 시퀀스를 제거(공제)함으로써 공동으로 디코딩한다.

도 7을 참조하면, 도 7은 릴레이 노드의 관점으로부터 본 발명의 예시적인 실시예의 흐름도이며, 705에서 릴레이 노드는 제1채널의 제1시간 슬롯에서 제1신호(메시지)를 수신한다. 제1신호는 제1데이터와 제1트레이닝 시퀀스를 포함한다. 710에서, 릴레이 노드는 제2채널의 제2시간 슬롯에서 제2신호(메시지)를 수신한다. 제2신호는 제2데이터와 제2트레이닝 시퀀스를 포함한다. 715에서 릴레이 노드는 채널의 공동 용량을 최대화하기 위해 제1프리코딩 매트릭스를 결정한다. 720에서 릴레이 노드는 채널의 공동 용량을 최대화하기 위해 제2프리코딩 매트릭스를 결정한다. 725에서, 릴레이 노드는 제1데이터에 제1프리코딩 매트릭스를 적용한다. 730에서 릴레이 노드는 제2데이터에 제2프리코딩 매트릭스를 적용한다. 735에서 릴레이 노드는 프리코딩된 제1데이터와 프리코딩된 제2데이터를 혼합(합성)함으로 제3신호를 생성한다. 740에서 릴레이 노드는 제1 및 제2채널 상에서 제3데이터를 전송(멀티캐스트, 브로드캐스트, 통신, 송신)한다.

본 발명은 여러 형태의 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어, 특수 목적 프로세서, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있는 것으로 이해된다. 바람직하게는 본 발명은 하드웨어와 소프트웨어의 조합으로 구현된다. 나아가, 소프트웨어는 바람직하게는 프로그램 저장 디바이스 상에 유형적으로 구현된 애플리케이션 프로그램으로 구현된다. 애플리케이션 프로그램은 임의의 적절한 아키텍처를 포함하는 기계에 업로드되고 이 기계에 의해 실행될 수 있다. 바람직하게는 이 기계는 하나 이상의 중앙 처리 유닛(CPU: central processing units), 랜덤 액세스 메모리(RAM: random access memory) 및 입력/출력(I/O: input/output) 인터페이스(들)와 같은 하드웨어를 구비하는 컴퓨터 플랫폼 상에서 구현된다. 컴퓨터 플랫폼은 또한 운영 시스템과 마이크로명령 코드를 더 포함한다. 본 명세서에 설명된 여러 공정과 기능은 운영 시스템을 통해 실행되는 마이크로명령 코드의 일부 또는애플리케이션 프로그램의 일부(또는 이들의 조합)일 수 있다. 나아가, 추가적인 데이터 저장 디바이스와 프린팅 디바이스와 같은 여러 다른 주변 디바이스들이 컴퓨터 플랫폼에 연결될 수 있다.

첨부 도면에 도시된 구성 시스템 성분 및 방법 단계의 일부는 바람직하게는 소프트웨어로 구현되므로, 시스템 성분들(또는 공정 단계들) 사이에 실제 연결은 본 발명이 프로그래밍되는 방식에 따라 달라질 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 본 명세서에 주어진 개시 내용을 통해 이 기술 분야에 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 이들 및 이와 유사한 구현 또는 구성을 상정할 수 있을 것이다.

Claims

노드에 의해 수행되는 방법으로서,
상기 노드로부터 릴레이 노드로 제1신호를 전송하는 단계로서, 상기 제1신호는 제1데이터와 제1트레이닝 시퀀스를 포함하는 것인, 단계;
상기 릴레이 노드로부터 상기 제1트레이닝 시퀀스를 포함하는 제3신호를 수신하는 단계로서, 상기 제3신호는 제1채널의 공동 채널 용량(joint channel capacity)을 최대화하기 위하여 제1프리코딩 매트릭스를 상기 제1데이터에 적용하고 제2채널의 공동 채널 용량을 최대화하기 위하여 제2프리코딩 매트릭스를 제2데이터에 적용함으로써 상기 릴레이 노드에서 생성된 프리코딩된 데이터를 포함하고, 상기 제1프리코딩 매트릭스와 상기 제2프리코딩 매트릭스는 상기 릴레이 노드에 의해 결정되는 것이고, 상기 제1프리코딩 매트릭스를 상기 제1데이터에 적용한 결과와 상기 제2프리코딩 매트릭스를 상기 제2데이터에 적용한 결과는 상기 제3신호를 형성하기 위해 결합되는 것인, 단계; 및
상기 제1트레이닝 시퀀스를 제거하고 상기 제1신호를 제거함으로써 상기 제3신호를 디코딩하는 단계를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 제1프리코딩 매트릭스와 제1 추정된 채널 매트릭스를 곱함으로써 생성된 제1결과와 상기 제2프리코딩 매트릭스와 제2 추정된 채널 매트릭스를 곱함으로써 생성된 제2결과를 더 포함하되, 상기 제1결과와 상기 제2결과는 상기 제1트레이닝 시퀀스와 상기 제3신호의 데이터 사이에 포함되는 방법.
제1항에 있어서,
제1빔성형 매트릭스는 상기 제1프리코딩 매트릭스와 상기 데이터의 제1부분에 적용되고 제2빔성형 매트릭스는 상기 제2프리코딩 매트릭스와 상기 데이터의 제2부분에 적용되는 방법.
전송기를 위한 수단으로서, 상기 전송기는 제1신호를 전송하고, 상기 제1신호는 제1데이터와 제1트레이닝 시퀀스를 포함하는 것인, 전송기를 위한 수단;
수신기를 위한 수단으로서, 상기 수신기는 상기 제1트레이닝 시퀀스를 포함하는 제3신호를 수신하고, 상기 제3신호는 제1채널의 공동 채널 용량을 최대화하기 위하여 제1프리코딩 매트릭스를 상기 제1데이터에 적용하고 제2채널의 공동 채널 용량을 최대화하기 위하여 제2프리코딩 매트릭스를 제2데이터에 적용함으로써 릴레이 노드에서 생성된 프리코딩된 데이터를 포함하고, 상기 제1프리코딩 매트릭스와 상기 제2프리코딩 매트릭스는 상기 릴레이 노드에 의해 결정되는 것이고, 상기 제1프리코딩 매트릭스를 상기 제1데이터에 적용한 결과와 상기 제2프리코딩 매트릭스를 상기 제2데이터에 적용한 결과는 상기 제3신호를 형성하기 위해 결합되는 것인, 수신기를 위한 수단; 및
프로세서를 위한 수단으로서, 상기 프로세서는 상기 제1트레이닝 시퀀스를 제거하고 상기 제1신호를 제거함으로써 상기 제3신호를 디코딩하는 것인, 프로세서를 위한 수단을 포함하는 장치.
제4항에 있어서,
제1빔성형 매트릭스는 상기 제1프리코딩 매트릭스와 상기 데이터의 제1부분에 적용되고 제2빔성형 매트릭스는 상기 제2프리코딩 매트릭스와 상기 데이터의 제2부분에 적용되는 장치.