KR101869742B1

KR101869742B1 - 비직교 다중 접속 시스템에서의 복합 페어링 방법 및 통신 방법

Info

Publication number: KR101869742B1
Application number: KR1020160183020A
Authority: KR
Inventors: 신수용; 바싯 사합 무하마드; 카데르 파즈럴; 장윤성
Original assignee: 금오공과대학교 산학협력단
Priority date: 2016-12-29
Filing date: 2016-12-29
Publication date: 2018-06-21

Abstract

본 발명은 비직교 다중 접속 시스템(NOMA)에서의 복합 페어링 방법 및 통신 방법에 관한 것으로서 하나의 셀 내 사용자들을 하나 이상의 그룹으로 묶는 그룹화 단계; 및 각각의 그룹으로부터 하나의 사용자씩 추출하여, 채널 이득 차이(channel gain difference)를 균일하게 유지하도록 사용자들을 페어링하는 페어링 단계를 포함한다. 이러한 사용자 페어링을 통해 셀 중간에 위치한 사용자들을 효율적으로 수용할 수 있다.

Description

비직교 다중 접속 시스템에서의 복합 페어링 방법 및 통신 방법{COMPLEX PAIRING METHOD AND COMMUNICATION METHOD PROGRAM IN NON-ORTHOGONAL MULTIPLE ACCESS}

본 발명은 비직교 다중 접속 시스템에서의 복합 페어링 방법 및 통신 방법에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 셀 내 중간 사용자들의 페어링 문제를 해결하는 비직교 다중 접속 시스템에서의 복합 페어링 방법 및 통신 방법을 제안한다.

수많은 멀티미디어 어플리케이션들로 인해 무선 데이터 트래픽이 급격하게 증가해왔다. 나아가, 사물 인터넷(IoT)의 상승세로 기기들의 연결 수는 급격히 확장될 것으로 기대된다. 거대한 양의 기기들은 이전의 기기보다 훨씬 많아질 것으로 예상된다. 이러한 거대한 용량의 요구들을 위해, 장래의 무선 접속은 5G 무선 통신이 가장 좋은 방법으로 고려되고 있다. 5G 기술 중에서도, 비직교 다중 접속(NOMA) 기술이 높은 스펙트럼 효율로 인해 여러가지 용량 이득을 얻기 위한 최적의 기술로 각광받고 있다.

NOMA는 동일 주파수를 동시에 2명 이상의 사용자가 동일한 스케줄링 시간에 사용할 수 있도록 하여 무선 효율을 높이는 방식이다(도 1 참조). 도 1의 (a)에 도시된 것처럼, 사용자1(User1)과 사용자2(User2)는 기지국으로부터 동시에 신호를 수신하되 간섭 제어 기술과 중첩 코딩 기술을 이용하여 동일 주파수 대역을 공유할 수 있다. 사용자측 수신기에서, 사용자1은 사용자2 신호를 디코딩하여 제거한 후 사용자 1의 신호를 추출하고, 사용자2는 사용자 2 신호를 추출하는 방식을 이용한다. 즉, NOMA 시스템의 여러 사용자들은 도 1의 (b)에 도시된 것처럼, 상이한 전송 전력을 갖도록 중첩 코딩된 데이터를 갖는, 동일한 주파수 대역을 사용할 수 있다. 이러한 사용자들은 페어링(pairing)된 것으로 인식된다. NOMA 시스템에서의 사용자 페어링의 효과는, 높은 용량 이득이 큰 채널 이득 차이를 갖는 사용자들을 페어링함으로써 달성될 수 있음을 나타낸다.

사용자 페어링에 있어서, 기존 NOMA 시스템에서 사용하는 근거리-원거리 사용자 페어링에 따르면, 셀 중간 사용자들끼리 페어링되는 경우 이동성(mobility)이 거의 없어 그들의 이득 차이가 미미해질 수 있다. 이는 페어링 내 사용자들의 간섭이 매우 높아지는 결과를 초래하여, 다시 페어링되지 않은 상태(un-pairing)로 되거나, 다른 사용자와 다시 페어링(re-pairing)하도록 요청된다. 이러한 언페어링 또는 리페어링이 지속적으로 일어난다면, 시스템상의 연산이 복잡해지고 신호의 과부하와 송수신기의 시간 지연(time delay)를 일으킬 수 있다. 또한 간섭 제어 기술(successive interference cancellation, SIC)에서 채널 이득 차이가 작아질 경우 사용자들에게 성능 저하와 용량 감소를 초래하고, 페어링의 전체 용량은 기존의 다중 접속(OMA)보다 훨씬 작아질 수 있다.

나아가 근거리-원거리 사용자 페어링 시, 저-이득 사용자(low-gain users)에게 할당된 전력은 고-이득 사용자(high-gain users)에 비해 매우 높다. 그러므로 저-이득 사용자들은 고-이득 사용자들과 페어링되길 원하고, 페어링 사용자들에게 트레이드-오프(trade-off)가 요구된다. 그러한 페어링에서 전체 효과는 페어링의 용량 이득에서 감소될 수 있다. 이는 고-이득 사용자의 전력이 부분적으로 감소될 때, 그 용량 이득은 고-이득 사용자의 용량 손실보다 적을 것이기 때문이다.

이처럼 근거리-원거리 페어링은 셀 가장자리 사용자들이 용량 이득을 성취하는데는 성공적이었으나, 중간 사용자 및 고-이득 사용자들에게는 문제가 있었다.

한국 등록특허 제10-158067호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 셀 내 중간 사용자들의 페어링 문제를 해결하는 비직교 다중 접속 시스템에서의 복합 페어링 방법을 제안한다.

본 발명의 일 측면은 비직교 다중 접속 시스템(NOMA)에서의 복합 페어링(pairing) 방법으로서, 하나의 셀 내 사용자들을 하나 이상의 그룹으로 묶는 그룹화 단계; 및 각각의 그룹으로부터 하나의 사용자씩 추출하여, 채널 이득 차이(channel gain difference)를 균일하게 유지하도록 사용자들을 페어링하는 페어링 단계를 포함한다.

선택적으로, 상기 그룹화 단계는, 사용자들 모두의 채널 이득의 중간값(median)을 기준으로, 채널 이득이 낮은 제1 그룹과 채널 이득이 높은 제2 그룹으로 그룹화할 수 있다. 이때, 페어링 단계는, 상기 제1 그룹과 상기 제2 그룹에서 각각 최저 이득 사용자를 일대일 페어링한 후, 차순위 저-이득 사용자들을 일대일 페어링하는 방식으로, 각 그룹의 최고 이득 사용자들까지 일대일 페어링하는 균일 채널 이득 차이(Uniform channel gain difference, UCGD) 페어링 방식으로 구현될 수 있다.

다른 실시예로서, 페어링 단계는, 근거리-원거리 페어링 및 균일 채널 이득 차이(UCGD) 페어링을 이용하되, 최저 이득 사용자 및 최고 이득 사용자를 페어링하는 근거리-원거리 페어링을 실시하고, 채널 이득 차이가 줄어드는 특정 시점에서부터 균일 채널 이득 차이(UCGD) 페어링을 실시할 수 있다.

또 다른 실시예로서, 그룹화 단계는 셀 내 사용자가 M명인 경우, G개의 그룹으로 사용자를 그룹화하고, 페어링 단계는 G개의 그룹 각각에서, 최저 이득 사용자로부터 최고 이득 사용자까지 한명씩 추출하여 일대응 페어링하며, 상기 M과 G 값은 동일하게 구현될 수 있다.

본 발명의 다른 측면은, 하드웨어와 결합되어 비직교 다중 접속 시스템(NOMA)에서의 사용자 페어링(pairing) 방법을 실행하도록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 사용자 페어링 방법은, 하나의 셀 내 사용자들을 하나 이상의 그룹으로 묶는 그룹화 단계; 및 각각의 그룹으로부터 하나의 사용자씩 추출하여, 채널 이득 차이(channel gain difference)를 균일하게 유지하도록 사용자들을 페어링하는 페어링 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 또 다른 측면은, 상술한 복합 페어링 방법 중 어느 하나에 따라 셀 내 사용자들을 페어링하여 다중 접속(multiple access) 통신을 구현하는 통신 방법을 구현할 수 있다.

본 발명의 복합 페어링 방법에 의하면, 중간 사용자들을 효과적으로 수용 가능하고, 다른 카테고리(그룹)을 가진 중간 사용자들을 페어링함으로써, 셀 중간에서의 간섭을 감소시킨다. 이는 셀 중간 특히 불완전 SIC 수신기에서의 용량(capacity)을 증가시킬 수 있다. 또한 고-이득 사용자들이 셀 가장자리 사용자에 비해 비교적 적은 전력을 요구하는 셀 중간 사용자들과 페어링됨으로써, 고-이득 사용자들의 전력 할당이 증가되고 그들의 용량도 증가되는 효과가 있다.

나아가, 본 발명은 OFMA 및 종래의 NOMA 시스템에 비해, 셀 용량(cell capacities)이 크게 향상되는 효과를 갖는다.

도 1은 종래의 NOMA 시스템의 개념을 설명하기 위해 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의한 NOMA 시스템에서의 사용자 복합 페어링 방법과 본 발명에 의한 UCGD 페어링 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 본 발명의 다른 실시예에 의한 하이브리드 페어링 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 의한 UCGD 페어링의 확장 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 복합 페어링 방법의 성능 개선 효과를 설명하기 위한 도면이다.
다수의 도면에서 동일한 참조번호는 동일한 구성요소를 가리킨다.

본 명세서에 개시되어 있는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들에 대해서 특정한 구조적 또는 기능적 설명은 단지 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 설명하기 위한 목적으로 예시된 것으로서, 본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 형태들로 실시될 수 있으며 본 명세서에 설명된 실시 예들에 한정되지 않는다.

본 발명의 개념에 따른 실시 예들은 다양한 변경들을 가할 수 있고 여러 가지 형태들을 가질 수 있으므로 실시 예들을 도면에 예시하고 본 명세서에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예들을 특정한 개시 형태들에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물, 또는 대체물을 포함한다.

제1 또는 제2 등의 용어는 다양한 구성 요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성 요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성 요소를 다른 구성 요소로부터 구별하는 목적으로만, 예컨대 본 발명의 개념에 따른 권리 범위로부터 벗어나지 않은 채, 제1구성 요소는 제2구성 요소로 명명될 수 있고 유사하게 제2구성 요소는 제1구성 요소로도 명명될 수 있다.

어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성 요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성 요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성 요소가 다른 구성 요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는 중간에 다른 구성 요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다. 구성 요소들 간의 관계를 설명하는 다른 표현들, 즉 "~사이에"와 "바로 ~사이에" 또는 "~에 이웃하는"과 "~에 직접 이웃하는" 등도 마찬가지로 해석되어야 한다.

본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로서, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 본 명세서에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 나타낸다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 갖는 것으로 해석되어야 하며, 본 명세서에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1에서 설명한 NOMA 시스템에서, 총 N명의 사용자들에게 서비스하는 기지국(BS)을 중심으로 반경 R을 가진 원형 셀룰러 영역을 고려할 수 있다. 랜덤하게 분포된 M명의 사용자들이 전력 도메인에 다중화되는 것으로 가정하면, 기지국으로부터 d_m거리에 있는 m번째 사용자는 |h_m|²의 채널 이득을 갖는다. 여기서, h_m은 아래와 같이 표현되고, g_m은 레일리 페이딩 채널 이득이고, v는 경로 손실 요인을 나타낸다.

일반적으로 손실이 없을 때 채널 이득은

와 같고, |h_m|²은 가장 큰 이득을 가진 셀 중심 사용자를 나타낸다. 사용자의 전력 할당 요소가 a로 표현된다고 보면, 이러한 사용자들에게 할당된 전력은

으로 나타낼 수 있다. 이 외에도 메시지 신호(s_m), 총 전송 전력(P)를 통해 m번째 사용자에게 수신된 신호를 구할 수 있다. 동일한 대역을 공유하는 사용자들이 그들만의 신호에 따라 다른 사용자들의 신호를 수신할 것이기 때문에, 간섭이 문제될 수 있다. 그러므로, m > i인 모든 경우에, m번째 사용자는 SIC를 이용하여 i번째 사용자들의 데이터를 추출하고 제거하여야 할 것이다. 반면 각각의 i번째 사용자는 모든 m번째 사용자들의 신호를 노이즈로 다룰 것이다. M명의 페어링된 사용자들의 총 획득가능한 전송 속도를 계산할 수 있고, 페어(pair, 짝) 당 M명의 사용자들을 가진 L개의 사용자 페어들로 나뉜, 총 N명 사용자들을 가진 셀룰러 영역에서, 총 획득 가능한 시스템 용량을 계산할 수 있다. 이러한 분석에 따르면, NOMA 다운링크의 전체 용량은 주로 페어 당 사용자들의 채널 이득과 그들의 할당된 전송 전력들에 의존한다는 것을 알 수 있다.

이하에서는, 근거리-원거리 페어링(near-far pairing)과 관련하여, 페어링 사용자가 2명인 경우를 가정하여 설명한다. 페어링된 사용자들 간의 최대 채널 이득 차이를 유지하기 위해, 도 2의 (a)에 도시된 것처럼, 셀 중심(high CQI)과 셀 가장자리(low CQI)로부터 사용자들을 결합하는 방식을 선호한다. 예를 들어, 셀 중심 사용자(UE1)와 가장자리 사용자(UE8)이 페어링될 수 있다. 이러한 경우에 셀 중간 사용자들(예컨대, UE4, UE5)은 페어링되지 않은 채로 남을 수 있고, 만약 셀 중간 사용자들끼리 서로 페어링된다면, 사용자들 간의 채널 이득 차이가 매우 적게 된다.

채널 이득과 할당 전력 간의 역(inverse) 관계를 고려하면, 중간 사용자들은 할당 전력들 내 밀접함을 심각한 간섭을 유발한다. 이러한 셀 중간 사용자들 내에서 용량 감소가 일어나는데는 2가지 이유가 있다. 저-이득 사용자들에서 증가된 노이즈 및 고-이득 사용자들에서 SIC 결함(imperfection)이다. 이러한 두가지 이슈는 채널 이득과 할당 전력의 근접함 때문에 발생한다.

종래의 다중 접속(MA)에 비해, 그들 각각의 데이터 전송속도(data rate)가 높을 가능성을 고려해본다면, 이들 가능성은 페어링된 짝 내에서 저-이득 사용자와 고-이득 사용자의 채널 이득의 상한값과 하한값을 규정할 수 있다. 이러한 가능성들은 사용자들 간의 채널 이득 차이가 기준치(threshold)보다 더 높게 유지된다면 더 높아질 것이다. 그러므로 셀 중간 사용자들이 서로 페어링된다면, 그들 개별 및 누적 전송 속도는 다중 접속보다 훨씬 낮아질 수 있다.

또한 셀 중간 사용자들이 페어링된다면, 이동성(mobility)이 거의 없어 그들의 이득 차이가 미미해질 수 있다. 이는 페어링 내 사용자들의 간섭이 매우 높아지는 결과를 초래하여, 페어링되지 않은 상태(un-pairing)로 되거나, 다른 사용자와 다시 페어링(re-pairing)하도록 요청된다. 이러한 언페어링 또는 리페어링이 지속적으로 일어난다면, 시스템상의 연산이 복잡해지고 신호의 과부하와 송수신기의 시간 지연(time delay)를 일으킬 수 있다.

나아가 근거리-원거리 사용자 페어링 시, 저-이득 사용자에게 할당된 전력은 고-이득 사용자에 비해 매우 높다. 그러므로 저-이득 사용자들은 고-이득 사용자들과 페어링되길 원하고, 페어링 사용자들에게 트레이드-오프가 요구된다. 그러한 페어링에서 전체 효과는 페어링의 용량 이득에서 감소될 수 있다. 이는 고-이득 사용자의 전력이 부분적으로 감소될 때, 그 용량 이득은 고-이득 사용자의 용량 손실보다 적을 것이기 때문이다.

본 발명은, 이러한 문제들을 해결하기 위하여, 모든 페어링에서 페어링된 사용자들의 채널 이득 차이의 총 합이 최대가 되게 하고, 페어링 내 사용자들 간의 채널 이득 차이가 기준치보다 더 커질 수 있는 복합 페어링 방식을 제안한다. 이러한 조건은 아래 식 (1) 및 (2)와 같이 표현될 수 있다.

- 식 (1)

- 식 (2)

본 발명은 위의 식(1)과 (2)를 모두 만족하도록 구현되어야 한다. h ?는 페어링된 사용자들 모두의 채널 이득의 중간값(median)을 가리킨다. 각각의 페어링 짝이 중간값보다 작은 이득을 가진 사용자 한명과 중간값보다 큰 이득을 가진 사용자 1명을 포함하도록 페어링이 실시되는 경우, 페어링된 사용자들의 이득 차이의 총 합은 식(3)과 같이 표현될 수 있다. 여기서

>

이고,

<

이다.

- 식 (3)

일 실시예로서, 본 발명은 균일 채널 이득 차이(Uniform channel gain difference, UCGD) 페어링을 제안한다. 균일 채널 이득 차이 페어링은 모든 페어링 짝의 페어링된 사용자들 간의 균일 채널 이득 차이를 비교적 유지시킴으로써 셀 중간 사용자들을 수용하는 데 주력한다. 페어링 당 사용자가 두 명인 경우, 셀 내 사용자들의 채널 이득은 2개의 그룹으로 나뉜 후, 그룹 내부 페어링에서 셀 중간 사용자들이 잘 수용되는 방식으로 페어링된다. 도 2의 (b)를 참조하면, 셀의 중심에 위치한 사용자 UE1에서부터 가장자리 사용자 UE8까지 분포할 때, UE1~UE4를 하나의 그룹으로 하고 UE5~UE8을 하나의 그룹을 나눌 수 있다. 다음으로, 채널 이득 차이를 균일하게 유지하도록 UE1과 UE5, UE2와 UE6, UE3과 UE7, UE4와 UE8을 각각 페어링할 수 있다. 이러한 페어링 방식에 따르면, 중간 사용자(예컨대, UE4, UE5)들을 효율적으로 수용할 수 있다.

구체적으로, 분류된 채널 이득

을 가진 셀룰러 영역에서 N명의 사용자들을 고려해본다면, 사용자 채널 이득은

와 같이 분류되고, 그룹은 아래와 같이 나뉠 수 있다.

- 식(4)

- 식(5)

그룹1(G1)에서 사용자 이득

이고, 중간값

보다 작은 값이다. 반면, 그룹2(G2)의 게인은

이고, 중간값

보다 크다. 중간값은 중간 지점(center point)로 고려되므로, 2개의 그룹의 사용자들이 동일하게 나뉜다. 하나의 셀에서 사용자가 짝수인 경우 사용자는 균등하게 분포되고,

는 식 (6)과 같이

와

의 평균값이다. 또한 각 그룹에서 2명의 사용자는 식(7)을 만족한다면 서로 페어링될 수 있다.

- 식(6)

- 식(7)

일 실시예로서, 제1 그룹의 사용자 i에 대하여, 사용자 i와 페어링될 수 있는 제2

- 식(8)

예를 들어, 그룹1에 속한 사용자 i를 그룹2의 사용자 j와 페어링한다고 가정할 때, UCGD 페어링을 이용하면, 식(9)와 같이 나타낼 수 있고, 반대로 그룹2의 사용자 i와 그룹1의 사용자 j를 페어링한다면 식(10)과 같이 나타낼 수 있다.

- 식(9)

- 식(10)

식 (9)와 (10)으로부터, UCGD 페어링은 셀의 중간 사용자와 가장자리 사용자의 페어링에 집중하지 않는다는 것을 알 수 있다. 실제로 본 발명의 페어링 방식에 따르면, 셀 중간 또는 셀 가장자리 사용자들 중 한명과 페어링될 수 있는 사용자를 중간 사용자로부터 찾는다. 이러한 본 발명의 실시예에 따라, 셀 중간 및 셀 가장자리 사용자들과 중간 사용자들을 효율적으로 페어링 할 수 있고, 중간 사용자들이 NOMA에 의해 제공되는 높은 용량 이득을 갖고, SIC 실행 이슈를 피하거나 최소화하는 효과가 있다.

일 실시예로서, 도 2의 (b)와 같이 사용자가 균일하게 분포된 2개의 그룹에서 한명씩 페어링되는 경우에는, 아래 식(11)과 같이 표현할 수 있다.

- 식(11)

이는 하나의 그룹에서 최소 이득 사용자가 다른 그룹의 최소 이득 사용자와 페어링되는 것을 의미한다. 즉, 이러한 페어링 방식에 따르면, 각 그룹의 최대 이득 사용자들이 페어링될 때까지 페어링 프로세스를 진행할 수 있다. 즉, L개의 페어링이 실시된 경우, l번째 페어링이 최대 이득 사용자간의 페어링이 된다. 전체 페어링은 식(12)와 같이 나타낼 수 있다.

- 식(12)

식(12)에 따르면 페어링 내 사용자들 간의 평균 채널 이득 차이는 균일하게 형성된다는 것을 알 수 있다. 나아가, 셀 내 사용자들이 증가할 때, 사용자 그룹들 간의 일대일 대응으로 인해 편리하게 사용자들을 페어링할 수 있다.

UCGD 페어링의 가장 큰 이점은 중간 사용자들의 상당한 용량 증가를 통해 중간 사용자들을 효과적으로 수용한다는 것이다. 다른 카테고리(그룹)을 가진 중간 사용자들을 페어링하는 것은 셀 중간에서의 간섭을 감소시킨다. 이는 셀 중간 특히 불완전 SIC 수신기에서의 용량(capacity)을 증가시킬 수 있다. 다만, 저-이득 사용자들이 셀 중심 사용자 대신 더 많은 전력을 요구하는 셀 중간 사용자들과 페어링됨으로써, UCGD에서 저-이득 사용자들의 데이터 전송속도는 종래에 비해 약간 감소될 수 있다. 그러나 반대로, 고-이득 사용자들의 전송속도는 종래에 비해 높아질 수 있다. 고-이득 사용자들이 셀 가장자리 사용자에 비해 비교적 적은 전력을 요구하는 셀 중간 사용자들과 페어링됨으로써, 고-이득 사용자들의 전력 할당이 증가되고 그들의 용량도 증가될 수 있다.

본 발명의 다른 실시예로서, 도 3을 참조하여 하이브리드 페어링(hybrid pairing) 방식을 설명한다. 하이브리드 페어링 방식은 가장 말단의 사용자들을 높은 채널 이득 차이로 페어링하되, 사용자들 간의 채널 이득 차이가 줄어들기 시작할 때, UCGD 페어링으로 전환하는 방식을 말한다. 이러한 방식은 종래 페어링과 같이 가장 저-이득 사용자와 고-이득 사용자들에 대해 동일한 데이터 전송속도를 가질 때까지 지속되고, 일부 트레이드-오프를 형성함으로써 중간 사용자들의 페어링 이슈를 최소화할 수 있다.

도 3을 참조하면, 최저 이득 사용자(UE1)과 최고 이득 사용자(UE8)을 페어링하고, 차순위 이득을 가진 사용자들(UE2, UE7)을 페어링할 수 있다. 이러한 종래 페어링 방식으로 중심 사용자와 가장자리 사용자를 페어링하되, 채널 이득 차이가 줄어들기 시작하는 경우, UCGD 페어링 방식으로 전환한다. 본 실시예에서, UE3~UE6을 2개의 그룹으로 나눌 수 있고(UE3과 UE4가 그룹1, UE5와 UE6이 그룹2), 각 그룹에서 사용자들이 균등한 채널 이득 차이를 갖도록 유지하면서 UE3과 UE5, UE4와 UE6을 페어링할 수 있다.

예를 들어, 사용자 채널 이득이

와 같이 분류될 때, k는 페어링 방식이 전환되는 지점을 가리키고,

,

보자 작거나 큰 채널 이득을 가진 사용자들이 종래 페어링 방식으로 각각 페어링되고, 나머지 사용자는 UCGD 페어링 방식을 통해 페어링될 수 있다.

사용자들이 균일하게 분포한다고 가정할 때, 사용자 각각의 페어링은 아래 식(13)과 같이 표현할 수 있고, 하이브리드 페어링의 결과는 아래 식(14)와 같이 표현할 수 있다.

- 식(13)

- 식(14)

즉, 하이브리드 페어링에서 최초 페어링은 최저 이득(

사용자와 최고 이득(

사용자가 페어링되도록 구현되고, 차순위 저이득 사용자와 차순위 고이득 사용자가 페어링된다. 이러한 페어링 진행 중에 k 지점에 도달하면, UCGD 페어링 방식으로 전환된다.

이러한 하이브리드 페어링 방식을 이용하는 경우, 종래의 페어링(도 2의 (a))과 비교하여, 중간 사용자(UE4, UE5)를 수용가능하다는 점에 차이가 있다. 도 3에 도시된 것처럼, 중간사용자들은 UCGD 페어링 방식을 이용하여, UE3은 UE5과 페어링되고, UE4는 UE6과 페어링된다. 그러므로, 사용자들 중 X명이 중간 지점에 서로 매우 근접하고 페어링될 수 없는 경우, 양측으로부터 x/2명 사용자들이 UCGD 페어링으로 수용될 수 있다. 그러므로 전환 지점 k는 페어링될 수 없는 중간 지점에 가까운 이득 사용자들의 수에 의존한다.

이러한 하이브리드 페어링 방식을 이용하는 경우 최고-이득 사용자와 저-이득 사용자들이 종래 페어링과 동일한 용량을 얻을 수 있는 효과를 갖는다. 다만, 말단에 있지 않는 저-이득 사용자와 고-이득 사용자들 중 일부는 셀 중간 사용자들을 수용하는데 사용된다. 이러한 중간 사용자들을 수용하는 사용자들은 용량 분석시 UCGD 페어링과 동일하고, 셀 중간에서의 높은 간섭은 감소되는 효과를 가질 수 있다.

또 다른 실시예로서, 본 발명은 일반화된 M-사용자 페어링 모델을 UCGD 페어링 개념으로 확장하는 방식을 구현할 수 있다. 이때, M은 각각의 페어링 짝 내에 사용자 수를 나타낸다. 하나의 셀 내에 분류된 채널 이득을 가진 N명의 사용자들이 있다고 가정할 때, M은 페어링 내 사용자들의 최소 채널 이득 차이를 고려하여, 하나의 페어링 짝에서 가능한 사용자들의 최대 수를 나타낸다.

G1그룹으로부터 G개의 그룹이 있다고 가정하면, 채널 이득이 가장 낮은 G1 그룹에서 최저 채널 이득 사용자를 선택하고, 그 다음으로 채널 이득이 낮은 G2 그룹에서 최저 채널 이득 사용자를 선택한다. 이러한 방식으로 페어링 사용자를 선정하고, 가장 높은 채널 이득을 가진 G번째 그룹에서 최저 이득 사용자를 선정하여 페어링을 한다. 즉, 각각의 그룹에서 동일한 채널 이득 순위를 가진 사용자들을 각각 선정하고, 선정된 사용자들을 페어링한다. 이러한 페어링 방식에 의하면, 각 그룹에서 사용자를 한명씩 추출하여 페어링하므로, 하나의 페어링 짝 내에 들어가는 사용자 수 M은 그룹 수 G와 동일하다.

도 4를 참조하면, N명의 사용자가 하나의 셀 내에 있는 경우, 사용자들의 그룹을 G1, G2, … GG로 지정하여 G개로 나눌 수 있다. 다음으로 G1에서 최저 이득 사용자인 U1, G2에서 최저 이득 사용자인 U4, GG에서 최저 이득 사용자인 UN-2을 선택하여 페어링(pair 1)할 수 있다. 그 다음으로는 각 그룹에서 차순위 저-이득 사용자인 U2, U5, UN-1을 선택하여 페어링(pair 2)을 형성할 수 있고, 마지막으로 각 그룹의 최고이득 사용자인 U3, U6, UN을 선택하여 페어링(pair 3)을 형성할 수 있다.

이처럼 본 발명은 일반화된 M-사용자 페어링 모델을 위한 UCGD 페어링을 사용함으로써, 식(1), 식(2)의 기준 조건들을 만족하면서도 하나의 페어링 짝 내에 최대 사용자 수를 페어링할 수 있는 근거를 마련할 수 있다. 또한 본 발명은 하나의 페어링 짝 내에서 사용자들을 랜덤하게 선택하기보다는 사용자 페어링의 알고리즘적 관점의 근거를 제공할 수 있다. 그룹들 내에서 사용자들의 채널 이득은 그룹 간 페어링에 의해, 분류된 정렬 또는 트리 구조와 같이 어떠한 데이터 구조의 형태로 정렬될 수 있다. 또한 본 발명에 의한 페어링 모델은 모든 그룹들의 사용자들 사이에서 일대일 대응을 구현하여 셀 내 사용자들의 수가 증가하더라도 일반화된 기준에 따라 적용이 가능하다는 이점이 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 의한 NOMA 시스템의 성능 개선 효과를 나타내기 위한 도면이다. 도 5에 도시된 분석 및 시뮬레이션 결과는, OFDM, 종래의 NOMA 페어링, 하이브리드 페어링 및 UCGD 페어링 방식을 비교함으로써 본 발명의 UCGD에 의한 셀 용량(Cell Capacities)가 크게 향상한 효과를 보여준다.

셀 내의 사용자 분포가 균일하고, 0에서 1 사이의 정규화된 채널 이득을 고려할 수 있다. 또한 대역폭 B=1MHz, 전송 신호의 신호대잡음비(SNR) ρ는 1에서 30dB까지 변화하며, 페어 당 정규화된 전력은 1로 가정하였다. 이러한 조건에서, 완전 SIC의 경우, 도 5에 도시된 것처럼, 본 발명의 페어링 방법이 종래 페어링 방식보다 셀 용량이 개선되었음을 확인할 수 있다. 또한 도시되지는 않았으나 약간의 간섭을 고려한 불완전 SIC의 경우에도 종래의 NOMA 및 OFDM에 비해, UCGD 페어링의 용량이 가장 높은 값을 갖는 것을 확인하였다.

본 발명은 종래 NOMA 시스템에서 채용하는 근거리-원거리 사용자 페어링 방식의 문제점을 해결하기 위해 도출되어, 페어링을 통해 모든 사용자들을 수용하고, 할당된 전력들이 SIC 결함을 일으키는 문제를 해결하여, 셀의 높은 용량을 얻을 수 있는 효과를 갖는다는 것을 확인할 수 있다.

이처럼, 본 발명의 UCGD 페어링은 다른 카테고리(그룹)을 가진 중간 사용자들을 페어링하는 것은 셀 중간에서의 간섭을 감소시키고, 고-이득 사용자들이 셀 가장자리 사용자에 비해 비교적 적은 전력을 요구하는 셀 중간 사용자들과 페어링됨으로써, 고-이득 사용자들의 전력 할당이 증가되고 그들의 용량도 증가될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 일 실시 예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시 예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 등록청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims

비직교 다중 접속 시스템(NOMA)에서의 복합 페어링(pairing) 방법으로서,
하나의 셀 내 사용자들을 하나 이상의 그룹으로 묶는 그룹화 단계; 및
각각의 그룹으로부터 하나의 사용자씩 추출하여, 채널 이득 차이(channel gain difference)를 균일하게 유지하도록 사용자들을 페어링하는 페어링 단계를 포함하고,
상기 그룹화 단계는, 사용자들 모두의 채널 이득의 중간값(median)을 기준으로, 채널 이득이 낮은 제1 그룹과 채널 이득이 높은 제2 그룹으로 그룹화하며,
상기 페어링 단계는, 상기 제1 그룹과 상기 제2 그룹 각각에서, 최저 이득 사용자로부터 최고 이득 사용자까지 순서대로 한명씩 추출하여 일대응 페어링하는 균일 채널 이득 차이(Uniform channel gain difference, UCGD) 페어링 방식으로 구현되는 것을 특징으로 하는 복합 페어링 방법.
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제 1 항에 있어서,
상기 페어링 단계는, 근거리-원거리 페어링 및 균일 채널 이득 차이(UCGD) 페어링을 이용하되,
최저 이득 사용자 및 최고 이득 사용자를 페어링하는 근거리-원거리 페어링을 실시하고, 채널 이득 차이가 줄어드는 특정 시점에서부터 균일 채널 이득 차이(UCGD) 페어링을 실시하는 것을 특징으로 하는 복합 페어링 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 그룹화 단계는 셀 내 사용자가 M명인 경우, G개의 그룹으로 사용자를 그룹화하고,
상기 페어링 단계는 G개의 그룹 각각에서, 최저 이득 사용자로부터 최고 이득 사용자까지 순서대로 한명씩 추출하여 일대응 페어링하며,
상기 M과 G 값은 동일한 것을 특징으로 하는 복합 페어링 방법.
제 1 항, 제 4 항 및 제 5 항 중 어느 한 항에 의한 복합 페어링 방법에 따라 셀 내 사용자들을 페어링하여 다중 접속(multiple access) 통신을 구현하는 통신 방법.