KR101938113B1 - 협력적 비직교다중접속 상향링크에서 조직적 직접 및 중계전송 연계기술 - Google Patents

협력적 비직교다중접속 상향링크에서 조직적 직접 및 중계전송 연계기술 Download PDF

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Abstract

협력적 비직교 다중 접속 시스템에서의 상향 링크 전송 제어 방법 및 시스템이 개시된다. 송신 장치, 중계 장치 및 복수의 사용자 단말들이 네트워크를 형성하는 비직교 다중접속(NOMA) 시스템에서의 상향 링크 전송 제어 방법에 있어서, 상기 송신 장치와 상기 복수의 사용자 단말 각각 간에 형성된 직접 링크(direct link)를 통해 수신된 신호 및 상기 송신 장치와 상기 중계 장치 간에 형성된 중계 링크(relay link)를 통해 수신된 신호를 선형 결합(linear combination)을 수행하는 단계, 및 상기 선형 결합을 기반으로 상기 복수의 사용자 단말들 각각에 해당하는 원하는 신호(desired signal)를 복원하는 단계를 포함할 수 있다.

Description

협력적 비직교다중접속 상향링크에서 조직적 직접 및 중계전송 연계기술{A Coordinated Direct and Relay Transmission for Cooperative NOMA Uplink}
본 발명의 실시예들은 협력적 비직교 다중접속 시스템(Cooperative Non-Orthogonal Multiple Access System, CNOMA) 환경에서 상향 링크(uplink)로의 협력적 직접 전송 및 중계 전송(Coordinated Direct and Relay Uplink Transmission, CDRUT) 기술에 관한 것이다.
사물 인터넷(Internet of Things, IoT) 및 차세대 이동통신이 요구하는 바와 같이 대규모의 이종 트래픽을 제공하기 위해, 전력 도메인에서 비직교 다중 접속(non-orthogonal multiple access, NOMA)은 시간/주파수/코드 자원을 낭비하지 않으면서 전력 도메인 상에 다중 사용자 신호를 중첩시키는 기술이 상당한 주목을 얻고 있다. 또한, 아래의 비특허 문헌 [1]S . Lee, D. B. da Costa, and T. Q. Duong, "Outage probability of nonorthogonal multiple access schemes with partial relay selection, " in Proc . IEEE 26th PIMRC , Valencia, Spain, 4-8 Sept. 2016, pp. 1-6.에 제시된 협력적 NOMA(cooperative NOMA, CNOMA)는 중계(relaying)를 통합함으로써 시스템 성능을 향상시키는 기술이다. CNOMA는 사용자 공평성을 유지하고 시스템 성능을 향상시키기 위해 지속 가능한 해결책을 제공하는 반면, 수신된 데이터를 처리하고 정보를 원거리 사용자에게 전달해야 하므로 중계 장치에서의 에너지 소모를 증가시킨다. 에너지가 제한된 사용자의 경우, CNMOA의 협력적 중계를 이용하여 통신 시, 에너지를 매우 짧은 시간에 소진해 버릴 수 있다. 아래의 비특허 문헌 [2]A . Nasir , X. Zhou , S. Durrani , and R. Kennedy, "Relaying protocols for wireless energy harvesting and information processing, "IEEE Trans. Wireless Commun ., vol. 12, no. 7, pp. 3622-3636, Jul. 2013., 및 [3]A . Nasir , X. Zhou , S. Durrani , and R. Kennedy, "Throughput and ergodic capacity of wireless energy harvesting based DF relaying network," in Proc . IEEE Int . Conf . Commun ., Sydney, Australia, 10-14 Jun . 2014, pp. 4066-4071.에 제시된 SWIPT(Simultaneous wireless information and power transfer)는 수신된 RF 신호로부터 에너지를 검출하고, 검출된 에너지를 중계 장치에 전력을 공급하는 데 사용하는 중계-기반(relaying-style)의 사용자에게 유망한 기술이다.
아래의 비특허 문헌 [4]Z . Yang, Z. Ding, P. Fan, and N. Al- Dhahir , "The impact of power allocation on cooperative non-orthogonal multiple access networks with SWIPT , " IEEE Trans. Wireless Commun ., vol. 16, no. 7, pp. 4332-4343, July 2017.에 제시된 전용 에너지 하베스팅 중계 장치(dedicated energy harvesting relay)가 두 원거리 사용자들에게 동시에 서비스하는 기술은 OMA(Orthogonal Multiple Access: 직교다중접속) 기반의 SWIPT 시스템보다 우수한 아웃티지(outage) 성능을 달성하기 위해 고정형(fixed) 및 CR 기반(CR-inspired)의 전력 할당 방식들을 제시하고 있다.
한국공개특허 제10-2015-0181684호는 무선 통신 시스템에서 비직교 다중 접속을 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 다중 안테나를 기반으로 제1 단말의 채널 정보, 제2 단말의 채널 정보, 각 단말에 할당된 전력을 기반으로 복수의 전송 모드들 중 채널 용량이 가장 큰 전송 모드를 결정하고, 결정된 전송 모드는 비직교 다중 접속을 포함하는 기술을 개시하고 있다.
[1] S. Lee, D. B. da Costa, and T. Q. Duong, "Outage probability of nonorthogonal multiple access schemes with partial relay selection," in Proc. IEEE 26th PIMRC, Valencia, Spain, 4-8 Sept. 2016, pp. 1-6. [2] A. Nasir, X. Zhou, S. Durrani, and R. Kennedy, "Relaying protocols for wireless energy harvesting and information processing," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 12, no. 7, pp. 3622-3636, Jul. 2013. [3] A. Nasir, X. Zhou, S. Durrani, and R. Kennedy, "Throughput and ergodic capacity of wireless energy harvesting based DF relaying network," in Proc. IEEE Int. Conf. Commun., Sydney, Australia, 10-14 Jun. 2014, pp. 4066-4071. [4] Z. Yang, Z. Ding, P. Fan, and N. Al-Dhahir, "The impact of power allocation on cooperative non-orthogonal multiple access networks with SWIPT," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 16, no. 7, pp. 4332-4343, July 2017. [5] Z. Yang, Z. Ding, P. Fan, and N. Al-Dhahir, "The impact of power allocation on cooperative non-orthogonal multiple access networks with SWIPT," IEEE Trans. Wireless Commun., vol. 16, no. 7, pp. 4332-4343, July 2017.
본 발명은 송신 장치와 복수의 사용자 단말들 각각 간에 형성된 무시할 수 없는 직접 링크(direct link)와 중계 장치를 통해 형성된 중계 링크(relay link)를 모두 이용하여 상향 링크(uplink) 신호에 대한 직접 및 중계 전송을 제어하는 기술에 관한 것이다. 즉, 협력적 NOMA(Non-Orthogonal Multiple Access) 네트워크 환경에서 CDRUT(Coordinated Direct and Relay Uplink Transmission)에 관한 것이다.
또한, 기지국인 송신 장치에서 수신 신호가 직교(Orthogonal)하는 구조가 되도록, 선형 결합(linear combination)을 적용하여 신호를 복원하는 기술에 관한 것이다. 즉, 연속적인 간섭 제거(Successive Interference Cancellation, SIC)를 수행하는 대신, 선형 결합을 기반으로 사용자 단말로부터 상향링크를 통해 전송되는 신호를 복원하는 기술에 관한 것이다.
송신 장치, 중계 장치 및 복수의 사용자 단말들이 네트워크를 형성하는 비직교 다중접속(NOMA) 시스템에서의 상향 링크 전송 제어 방법에 있어서, 상기 송신 장치와 상기 복수의 사용자 단말 각각 간에 형성된 직접 링크(direct link)를 통해 수신된 신호 및 상기 송신 장치와 상기 중계 장치 간에 형성된 중계 링크(relay link)를 통해 수신된 신호를 선형 결합(linear combination)을 수행하는 단계, 및 상기 선형 결합을 기반으로 상기 복수의 사용자 단말들 각각에 해당하는 원하는 신호(desired signal)를 복원하는 단계를 포함할 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 선형 결합을 수행하는 단계는, 상기 직접 링크 및 중계 링크를 통해 수신된 신호를 대상으로, 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기반의 전력 분할을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
다른 측면에 따르면, 상기 선형 결합을 수행하는 단계는, 상기 직접 링크를 통해 상기 복수의 사용자 단말들 각각에 해당하는 신호를 제1 타임 슬롯에 수신하는 단계, 및 상기 복수의 사용자 단말들 각각에 해당하는 신호를 상기 중계 장치에서 상기 중계 링크를 통해 전송한 신호를 제2 타임 슬롯에 수신하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 제1 타입 슬롯에서 수신된 신호와 상기 제2 타임 슬롯에서 수신된 신호는 서로 직교(orthogonal)할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 선형 결합을 수행하는 단계는, 상기 직접 링크 및 상기 중계 링크 각각에 해당하는 채널 정보를 기반으로 사용자 단말에서의 송신 파워 및 중계 장치에서의 송신 파워를 각각 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 복수의 사용자 단말들 각각에 해당하는 원하는 신호(desired signal)는, 상기 직접 링크 및 중계 링크를 통해 수신된 신호를 대상으로, 상기 중계 장치에서의 송신 파워 및 해당 사용자 단말에서의 송신 파워에 기초하여 디코딩(decoding)이 수행됨에 따라 복원될 수 있다.
또 다른 측면에 따르면, 상기 중계 장치 및 복수의 사용자 단말들을 대상으로, 중첩 신호(superposition signal)를 브로드캐스트(broadcast)하는 단계를 더 포함할 수 있다.
송신 장치, 중계 장치 및 복수의 사용자 단말들이 네트워크를 형성하는 비직교 다중접속(NOMA) 시스템에서의 상향 링크 전송 제어를 수행하는 송신 장치에 있어서, 상기 송신 장치와 상기 복수의 사용자 단말 각각 간에 형성된 직접 링크(direct link)를 통해 수신된 신호 및 상기 송신 장치와 상기 중계 장치 간에 형성된 중계 링크(relay link)를 통해 수신된 신호를 선형 결합(linear combination)을 수행하는 선형 결합부, 및 상기 선형 결합을 기반으로 상기 복수의 사용자 단말들 각각에 해당하는 원하는 신호(desired signal)를 복원하는 신호 복원부를 포함할 수 있다.
일측면에 따르면, 상기 중계 장치 및 복수의 사용자 단말들을 대상으로, 중첩 신호(superposition signal)를 브로드캐스트(broadcast)하는 전송 제어부를 더 포함할 수 있다.
본 발명은 송신 장치와 복수의 사용자 단말들 각각 간에 형성된 무시할 수 없는 직접 링크(direct link)와 중계 장치를 통해 형성된 중계 링크(relay link)를 모두 이용하여 상향 링크(uplink) 신호에 대한 직접 및 중계 전송을 제어할 수 있다.
또한, 기지국인 송신 장치에서 수신 신호가 직교(Orthogonal)하는 구조가 되도록, 선형 결합(linear combination)을 적용하여 신호를 복원함으로써, 연속적인 간섭 제거(Successive Interference Cancellation, SIC)를 수행하지 않고도 사용자 단말로부터 상향링크를 통해 전송되는 신호를 복원할 수 있다. 즉, 사용자 단말과 중계 장치 간의 채널 정보를 부가적으로 획득하지 않아도 원하는 신호를 복원할 수 있어 오버헤드를 감소시킬 수 있다. 예컨대, 대규모 연결성(massive connectivity)를 지원하는 네트워크에 적용 가능할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 협력적 NOMA 시스템의 네트워크 환경을 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 협력적 직접 및 중계 전송 방법을 도시한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 사용자 단말의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 기지국의 블록 구조를 도시한 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 중계 장치의 블록 구조를 도시한 도면이다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 사용자 단말의 블록 구조를 도시한 도면이다.
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 소스 장치에서의 전송 전력관련 아웃티지 확률을 나타내는 도면이다.
도 8은 목표 데이터 속도(targeted rate)관련 아웃티지 확률을 나타내는 도면이다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 비직교 다중접속(NOMA) 시스템에서의 상향 링크 전송 제어 방법을 도시한 흐름도이다.
도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 상향 링크 전송 제어를 위한 송신 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 실시예들은 협력적 비직교 다중접속 시스템(CNOMA)에서의 동시 무선정보전송 및 전력공급을 위한 협력적 직접 전송 및 중계 전송(CDRT-SWIPT)을 제공하는 기술에 관한 것으로서, 특히, 기지국과 사용자 단말 간에 형성된 채널(즉, 직접 링크)을 최대한 활용하여 사용자 단말에서 수신된 신호를 복원하는 기술에 관한 것이다. 즉, 기지국과 사용자 단말 간에 형성된 채널 및 기지국과 사용자 단말 사이에서 신호의 전송을 중계하는 에너지 하베스팅 중계 장치로부터 사용자 단말 사이에 형성된 채널을 협력적으로 통합 이용하여 사용자 단말을 대상으로 기지국에서 전송한 신호를 사용자 단말에서 효과적으로 복원하는 기술에 관한 것이다.
또한, 본 실시예들은, 협력적 비직교 다중접속 시스템(CNOMA)에서 사용자 단말로부터 기지국인 송신 장치로의 상향 링크(uplink)에서의 직접 전송 및 중계 전송을 제어하는 기술에 관한 것으로서, 기지국인 송신 장치의 수신단에서 선형 결합을 이용하여 SIC를 이용하지 않고도 원하는 신호(desired signal)를 복원하는 기술에 관한 것이다. 즉, 선형 결합을 통해 수신되는 신호들이 직교 구조를 형성하도록 하여 효과적으로 원하는 신호를 복원하는 기술에 관한 것이다.
본 실시예들에서 "중계 장치"는 발생된 에너지를 전기 에너지로 변환, 수집 및 축적하는 에너지 하베스팅 중계 장치(energy harvesting relay)를 나타낼 수 있으며, 에너지 하베스팅은 중계 장치 이외에 기지국인 송신 장치에서 수행될 수 있다. 즉, 에너지 하베스팅 장치가 송신 장치에 포함되는 형태로 구현될 수도 있고, 이외에, 에너지 하베스팅은 송신 장치 및 중계 장치 모두에 구현될 수도 있다.
본 실시예들에서 "송신 장치"는 기지국을 나타내고, "사용자 단말"은 기지국인 송신 장치의 셀 커버리지 내에 위치하여, 기지국과의 접속을 원하는 수신 장치를 나타낼 수 있다.
본 실시예들에서는 사용자 단말이 2개인 네트워크 환경을 가정하나, 이는 실시예에 해당되며, 기지국에 속한 사용자 단말은 3개 이상 존재할 수 있다.
본 실시예들에서, 송신 장치, 중계 장치, 사용자 단말들 각각은 하나의 안테나를 장착한 경우를 가정하며, 반이중 방식(half-duplex mode)로 동작함을 가정하나, 이는 실시예에 해당되며, 송신 장치, 중계 장치, 사용자 단말들 각각은 복수의 안테나를 장착할 수 있으며, 반이중 방식 이외에 전이중 방식(duplex mode)으로 동작할 수도 있다. 예컨대, 하나의 안테나를 장착하고 전이중 방식으로 동작할 수도 있고, 복수의 안테나들을 장착하고 전이중 방식으로 동작하거나, 복수의 안테나들을 장착하고 반이중 방식으로 동작할 수도 있다.
또한, 본 실시예들에서, 고밀도의 이기종 장치 간(heterogeneous Device-to-Device) 통신 및 IoT 네트워크에서, 많은 수의 유휴(idle) 사용자 단말들은 소스 장치(source transmitter) 주변에 밀접하게 위치하므로, 소스 장치 중 어느 하나가 일시적으로 전용 중계 장치로 동작할 수도 있다.
또한, 직접 링크들은 D2D 통신 및 IoT 네트워크 내부뿐만 아니라, 매크로, 마이크로, 소형 셀들의 중첩영역에 광범위하게 존재하므로, CNOMA-SWIPT 시스템에서 직접 링크를 고려하는 것은 중요하며, CDRT-SWIPT 방식에서, 소스(source) 장치(즉, 송신 장치)로부터 원거리에 위치하는 서로 다른 두 개 이상의 사용자 단말들까지의 정보 전송을 돕기 위하여 전용 에너지 하베스팅 중계 장치(dedicated energy harversting relay)가 배치될 수 있다. 직접 전송 기술 및 중계 전송 기술은 CNOMA-SWIPT 시스템의 성능을 향상시키기 위하여 제안 CDRT-SWIPT 방식에 통합될 수 있다.
이하에서는 CNOMA-SWIPT 시스템에서 하향 링크(downlink)로의 신호 전송 및 복원을 중심으로 설명하나, 이는 실시예에 해당되며. 상향 링크(uplink)로의 신호 전송 및 복원은 하향 링크와 대응하게 적용될 수 있다. 예컨대, 아래의 수학식 1 내지 수학식 16에서는 기지국, 중계 장치 및 사용자 단말들로의 하향 링크로의 신호 전송에 따른 선형 결합, 신호 복원을 수학식으로 표현하고 있으나, 상향 링크로의 신호 전송에 따른 선형 결합 및 신호 복원은 상기 수학식 1 내지 수학식 16의 노테이션(notation)을 변경함으로써 표현될 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 있어서, 협력적 NOMA 시스템의 네트워크 환경을 도시한 도면이다.
도 1을 참고하면, 협력적 NOMA(CNOMA) 시스템(100)은 기지국(110), 중계 장치(120), 기지국에 속하는 복수의 사용자 단말들(130, 140)을 포함할 수 있다.
중계 장치(120)는 기지국(110) 및 사용자 단말들(130, 140) 사이에 신호 전송을 중계하는 장치로서, 기지국(110)의 커버리지(coverage) 내에 위치할 수 있다.
도 1에서,
Figure 112018076938556-pat00001
은 기지국(110)으로부터 중계 장치(120) 간에 형성된 채널의 채널 정보를 나타내고,
Figure 112018076938556-pat00002
는 기지국(110)으로부터 사용자 단말들(130, 140) 각각 간에 형성된 채널 정보(즉, 직접 링크)를 나타내고,
Figure 112018076938556-pat00003
(예컨대,
Figure 112018076938556-pat00004
,
Figure 112018076938556-pat00005
)는 중계 장치(120)로부터 사용자 단말들(130, 140) 각각 간에 형성된 채널 정보(즉, 중계 링크)를 나타낼 수 있다. 도 1에서 i는 사용자 단말을 나타내는 것으로서, 사용자 단말이 2개인 경우, i는 1, 2를 포함할 수 있다. 도 1에서, first phase는 제1 타임 슬롯(first time slot)에 기지국(110)에서 직접 전송되는 신호를 나타내고, second phase는 제2 타임 슬롯(second time slot)에 중계 장치(120)에서 사용자 단말들(130, 140)로 중계 전송되는 신호를 나타낼 수 있다.
모든 수신측(즉, 사용자 단말들 및 중계 장치)에서 백색 가우시안 잡음(AWGN)은 평균이 0(zero mean)이면서 분산
Figure 112018076938556-pat00006
을 가지며, 사용자 단말
Figure 112018076938556-pat00007
을 위한 정보 신호(즉, 원하는 신호(desired signal))는
Figure 112018076938556-pat00008
로 표현될 수 있다. 이때,
Figure 112018076938556-pat00009
는
Figure 112018076938556-pat00010
을 만족하는 신호에 해당할 수 있다. 그리고, QoS(Quality of Service: 신호품질) 기반 사용자 페어링(pairing)을 적용ㄹ하며, 사용자 단말 1 U1은 목표 처리량은 낮으나 적절한 서비스(즉, 미리 지정된 일정 수준 이상의 QoS)를 요구하고, 사용자 단말 2 U2는 사용자 단말 1 U1보다 지연(delay) 허용은 높지만 더 높은 처리량(throughput)을 요구함을 가정할 수 있다. 즉, 사용자 단말 2 U2는 사용자 단말 1 U1보다 요구하는 QoS는 낮으나 같은 시간 대비 처리해야 할 처리량이 높음을 가정할 수 있다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 있어서, 협력적 직접 및 중계 전송 방법을 도시한 흐름도이고, 도 3은 본 발명의 일실시예에 있어서, 사용자 단말의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
비직교 다중 접속 시스템은 기지국, 중계 장치, 사용자 단말로 구성됨에 따라, 비직교 다중 접속 시스템이 기지국에서 구현된 경우, 기지국은 비직교 다중 접속 시스템으로 표현 가능하고, 사용자 단말에서 구현된 경우 사용자 단말로 표현될 수 있다. 마찬가지로, 비직교 다중 접속 시스템이 중계 장치에서 구현된 경우, 중계 장치로 표현될 수 있다.
도 3에 따르면, 사용자 단말(300)은 신호 수신부(310) 및 신호 복원부(320)를 포함할 수 있다. 그리고, 도 2의 각 단계들(210 내지 230 단계)은 도 3의 사용자 단말(300)의 구성 요소인 신호 수신부(310) 및 신호 복원부(320)에 의해 수행될 수 있다. 사용자 단말(300)은 신호 수신부(310) 및 신호 복원부(320) 이외에 기능에 따른 추가적인 구성 요소를 더 포함할 수도 있다. 예컨대, RF 처리를 위한 RF 신호 처리부, 변조 기능을 위한 변조부 등을 더 포함할 수 있다.
210 단계에서, 신호 수신부(310)는 기지국(301)에서 브로드캐스트한 신호를 제1 타임 슬롯(first time slot)에서 수신할 수 있다.
예를 들어, 기지국(301)은, 기지국에 속하는 복수의 사용자 단말들 및 기지국(301)에 속하는 중계 장치(302)로 신호를 브로드캐스트(broadcast)할 수 있다. 그러면, 제1 타임 슬롯에서, 신호 수신부(310)는 기지국(301)과 사용자 단말 간에 형성된 채널을 통해 상기 신호를 수신할 수 있다. 즉, 중계 장치(302)를 거치지 않고 기지국(301)으로부터의 신호를 직접 수신할 수 있다.
220 단계에서, 신호 수신부(320)는 기지국(301)에서 브로드캐스트한 신호를 중계 장치(302)에서 수신한 이후, 중계 장치(302)를 통해 다시 복수의 사용자 단말들을 대상으로 전송한 신호를 제2 타임 슬롯(second time slot)에 수신할 수 있다. 여기서, 제2 타입 슬롯에서 수신된 신호는, 중계 장치(302)에서 기지국(301)으로부터의 신호를 수신하여 디코딩한 신호, 송신 정력 및 전력 할당 계수에 기초하여 재구성된 중첩 신호(superposition signal)를 나타낼 수 있다.
예를 들어, 기지국(301)은, 기지국에 속하는 복수의 사용자 단말들 및 기지국(301)에 속하는 중계 장치(302)로 신호를 브로드캐스트(broadcast)할 수 있다. 그러면, 중계 장치(302)는 기지국(301)에서 전송한 신호를 수신할 수 있다. 그리고, 수신된 신호를 대상으로 복조 및 디코딩한 후, 신호를 다시 재구성할 수 있다. 이때, 중계 장치(302)는 상기 신호(즉, RF 신호)를 대상으로 에너지 하베스팅(energy harvesting) 및 정보 탐지(information detection)을 위해 전력 분할 계수 β에 기초하여 수신된 전력 분할(power splitting)을 수행한 후, 디코딩을 수행할 수 있다. 그리고, 디코딩된 신호를 대상으로, 사용자 단말 1 및 사용자 단말 2로 전송하기 위한 신호를 재구성할 수 있다. 재구성된 신호를 대상으로 채널 코딩 및 RF 신호 처리 후 안테나를 통해 사용자 단말로 전송할 수 있다. 이처럼, 중계 장치(302)에서의 신호 처리로 인해 중계 장치(302)를 통해 사용자 단말(300)로 전송되는 신호는, 기지국(301)에서 사용자 단말(300)로 직접 전송되는 신호 대비 시간차가 존재할 수 있다. 이에 따라, 신호 수신부(310)는 제1 타임 슬롯에 기지국(301)에서 전송한 신호를 직접 수신한 이후, 제2 타임 슬롯에서, 기지국(301)에서 전송한 신호를 중계 장치(302)를 통해 수신할 수 있다.
230 단계에서, 신호 복원부(320)는, 기지국(301) 및 중계 장치(302)와 복수의 사용자 단말(300) 간에 직접 형성된 링크(direct link)에 해당하는 채널 정보를 기반으로 제1 타임 슬롯에 수신된 신호와 제2 타임 슬롯에 수신된 신호를 선형 결합(linear combination)함으로써 기지국(301)에서 브로드캐스트한 원하는 신호(desired signal)를 복원할 수 있다. 이때, 신호 복원부(320)는 제2 타임 슬롯에서, 중계 장치(302)로부터 신호가 수신될 때까지 제1 타임 슬롯에서 상기 기지국(301)으로부터 직접 수신된 신호를 디코딩하지 않고 대기(waiting)할 수 있다. 그리고, 제2 타임 슬롯에서 신호가 수신되면, 제1 타임 슬롯에서 수신된 신호와 함께 선형 결합하여 디코딩을 수행할 수 있다. 즉, 신호 복원부(320)는, 원하는 신호(desired signal)를 복원하기 위해 기지국(301)으로부터 수신된 신호뿐만 아니라 중계 장치(302)로부터 수신된 신호를 함께 이용할 수 있다.
일례로, 신호 복원부(320)는 사용자 단말(300)과 기지국(301) 간에 형성된 링크의 채널 정보에 기초하여 기지국(301)에서 사용자 단말(300)로 신호를 브로드캐스트하기 위한 파워(즉, 기지국에서의 송신 파워(Ps))를 계산할 수 있다. 그리고, 신호 복원부(320)는 사용자 단말(300)과 중계 장치(302) 간에 형성된 채널 정보에 기초하여 중계 장치(302)에서 사용자 단말(300)로 재구성된 신호를 전송하기 위한 파워(즉, 중계 장치에서의 송신 파워(Pr))를 계산할 수 있다. 신호 복원부(320)는 계산된 기지국에서의 송신 파워 및 중계 장치에서의 송신 파워에 기초하여 디코딩을 수행함으로써, 원하는 신호(desired signal)를 복원할 수 있다. 즉, 신호 복원부(320)는 기지국(301)과 사용자 단말(300) 간의 채널 상태 정보(hsi)와 중계 장치(302)와 사용자 단말(300) 간의 채널 상태 정보(hri)를 획득하면, 기지국(301)과 중계 장치(302) 간의 채널 상태 정보(hsr)를 획득하지 않고도 기지국에서의 송신 파워(Ps)와 중계 장치에서의 송신 파워(Pr)를 계산할 수 있으며, 결국 간단한 선형 결합을 통해 원하는 신호(desired signal)를 복원할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 있어서, 기지국의 블록 구조를 도시한 도면이다.
도 4를 참고하면, 410에서, 기지국(301)은 복수의 사용자 단말들 각각으로 전송하고자 하는 소스 신호(source information)를 대상으로 전송을 위한 전처리를 수행할 수 있다. 일례로, 기지국(301)은 소스 신호를 대상으로 신호 증폭 등의 전처리를 수행할 수 있다. 그리고, 전처리된 신호를 대상으로 에러 코딩(error coding) 및 채널 코딩(channel coding)을 수행할 수 있다. 예컨대, 컨벌루셔널 코딩, 블록 코딩 등의 에러 코딩 및 채널 코딩을 수행할 수 있다.
420 에서, 기지국(301)은 전처리 및 채널 코딩된 신호를 대상으로 변조를 수행할 수 있다. 예컨대, QPSK,16-QAM 등의 변조를 수행할 수 있다.
430 단계에서, 기지국(301)은 변조된 신호를 대상으로 전력 도메인(power-domain)에서 중첩 신호(superposition signal)를 구성한 이후, 440 단계에서, RF 처리(frequency up-conversion and RF processing) 후 안테나를 통해 브로드캐스트할 수 있다. 이때, 안테나는 단일 안테나일 수도 있고, 다중 안테나일 수도 있다.
일례로, 안테나를 통해 기지국(301)에 속하는 사용자 단말(300) 및 중계 장치(302)로 브로드캐스트 되는 중첩 신호(superposition signal)는
Figure 112018076938556-pat00011
로 표현될 수 있다. 즉, 상기 중첩 신호
Figure 112018076938556-pat00012
는 제1 타입 슬롯에 사용자 단말(300)에서 수신될 수 있다. 여기서, P(즉, Ps)는 기지국에서의 송신 전력을 나타내고,
Figure 112018076938556-pat00013
는 전력 할당 계수(power allocation coefficient)를 나타내는 것으로서,
Figure 112018076938556-pat00014
및
Figure 112018076938556-pat00015
를 만족할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 있어서, 중계 장치의 블록 구조를 도시한 도면이다.
중계 장치(302)는 기지국(301)로부터 수신된 신호를 대상으로 RF 도메인(domain) 상에서 전력 분할(power splitting)을 수행할 수 있다. 이때, 중계 장치(302)는 전력 분할 계수 β에 기초하여 상기 수신된 신호를 에너지 하베스팅(energy harvesting)과 정보 탐지(information detection) 각각을 위해 β: 1-β에 따라 분할 할 수 있다. 그러면, 즉, 중계 장치(302)는 β의 비율로 분할된 신호를 대상으로 에너지 하베스팅(energy harvesting) 및 배터리 충전을 수행할 수 있다. 이어, 배터리 방전(battery discharging)을 수행할 수 있다.
이때, 중계 장치(302)는 1-β 비율로 분할된 신호를 대상으로 RF 처리 및 주파수 다운 컨버전(RF and frequency down conversion)을 수행할 수 있다. 이어, 중계 장치(302)는 주파수 다운 컨버전된 신호를 대상으로 간섭 제거 및 복조(successive interference cancelation and demodulation)를 수행한 후, 디코딩(decoding for information signal)을 수행할 수 있다. 그러면, 중계 장치(302)는 디코딩된 신호를 대상으로 재구성 및 부호화(Information signal regeneration and coding)을 수행한 후 변조(Modulation)를 수행할 수 있다. 중계 장치(302)는 변조된 신호를 대상으로, 전력 도메인(power-domain)에서 중첩 신호(superposition signal)를 구성할 수 있다. 그러면, 중계 장치(302)는 제1 타임 슬롯에서 수신된 신호를 대상으로 대기하고 있는 제1 타임 슬롯에서 β 비율로 하베스팅된 에너지를 기반으로, 제2 타임 슬롯에서 1-β 비율로 정보 탐지(Information detection)가 수행된 신호(즉, 전력 도메인에서 구성된 중첩 신호)를 대상으로, 주파수 업 컨번전(frequency up conversion) 및 RF 처리(RF processing)를 수행하여 안테나를 통해 사용자 단말들로 전송할 수 있다.
일례로, 기지국(301)에서 브로드캐스트되어 중계 장치(302) 및 사용자 단말(302)에서 수신된 신호(즉, 정보 신호(information signal))는 아래의 수학식 1과 같이 표현될 수 있다. 여기서, 중계 장치(302) 및 사용자 단말(302)에서 수신된 신호는 중첩 신호(superposition signal)에 해당할 수 잇다.
[수학식 1]
Figure 112018076938556-pat00016
[수학식 2]
Figure 112018076938556-pat00017
위의 수학식 1은 기지국(301)에서 상기 중첩 신호
Figure 112018076938556-pat00018
를 안테나를 통해 전송하면, 중계 장치(302)에서 수신된 신호를 대상으로 정보 탐지(information detection)를 위해 1-β 비율로 전력 분할된 신호를 나타내고, 위의 수학식 2는 기지국(301)에서 상기 중첩 신호
Figure 112018076938556-pat00019
를 안테나를 통해 전송하면, 사용자 단말(300)에서 수신된 신호를 나타낼 수 있다.
그리고, 수학식 1 및 수학식 2에서,
Figure 112018076938556-pat00020
와
Figure 112018076938556-pat00021
는 각각 중계 장치(302)에서의 백색 가우시안 잡음(AWGN) 및 사용자 단말 i(
Figure 112018076938556-pat00022
)에서의 AWGN을 나타낼 수 있다.
이때, 기지국(301)에 속하는 사용자 단말들이 2개인 시스템 환경에서, 사용자 단말 1(U1)의 QoS 요구 사항이 사용자 단말 2(U2)의 QoS 요구 사항 보다 훨씬 적음(즉, 덜 요구함)을 가정할 수 있다. 이처럼, 사용자 단말 1(U1)의 QoS 요구 사항이 사용자 단말 2(U2)보다 작기 때문에, 중계 장치(302)은 사용자 단말 1을 위한 신호와 사용자 단말 2를 위한 신호 순서로 디코딩을 수행할 수 있다. 이때, 사용자 단말 1의 신호
Figure 112018076938556-pat00023
와 사용자 단말 2의 신호
Figure 112018076938556-pat00024
를 디코딩 하기 위한, 중계 장치(302)에서의 SINR(signal-to-interference-plus-noise ratio) 및 SNR(signal to noise ratio)은 아래의 수학식 3과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018076938556-pat00025
수학식 3에서,
Figure 112018076938556-pat00026
는 소스 장치인 기지국(301의 송신 SNR을 나타낼 수 있다. 즉, 사용자 단말 1 및 사용자 단말 2 각각은 제1 타임 슬롯에서 기지국(301)으로부터 수신된 신호를 바로 디코딩하지 않고, 중계 전송을 위해(즉, 중계 장치를 통해 제2 타임 슬롯에서 신호가 수신될 때까지) 디코딩을 대기(waiting)할 수 있다. 이때, 전력 분할 계수 β는 중계 장치(302)에서 사용자 단말 1의 신호
Figure 112018076938556-pat00027
와 사용자 단말 2의 신호
Figure 112018076938556-pat00028
모두를 정확히 탐지하는 것을 보장하기 위해 미리 지정될 수 있다. 예컨대,
Figure 112018076938556-pat00029
,
Figure 112018076938556-pat00030
이고,
Figure 112018076938556-pat00031
이고,
Figure 112018076938556-pat00032
는
Figure 112018076938556-pat00033
를 전송하기 위해 요구되는 목표 데이터 속도 (target rate)에 해당하는 경우, 최적의 전력 분할 계수는 아래의 수학식 4에 기초하여 계산될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018076938556-pat00034
수학식 4에서,
Figure 112018076938556-pat00035
이고,
Figure 112018076938556-pat00036
에 해당할 수 있다. 그러면, 제1 타임 슬롯에서 하베스팅된 에너지를 기반으로, 제2 타임 슬롯에서의 신호 전송을 위한 중계 장치(302)의 송신 전력은 아래의 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112018076938556-pat00037
수학식 5에서, η는 배터리 충전 및 방전 계수를 기반으로 하는 에너지 변환 계수를 나타낼 수 있다. 수학식 5에서, 무시해도 될 정도인 수신 안테나 잡음에서 생성된 하베스트 에너지는 무시하는 것을 가정할 수 있다.
중계 장치(302)에서, 사용자 단말 1의 신호
Figure 112018076938556-pat00038
와 사용자 단말 2의 신호
Figure 112018076938556-pat00039
를 디코딩한 후에 사용자 단말들로 전달(forwarding)될 새로운 중첩 신호는 아래의 수학식 6과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112018076938556-pat00040
제2 타임 슬롯에서, 사용자 단말
Figure 112018076938556-pat00041
에서 수신되는 신호는 아래의 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112018076938556-pat00042
수학식 7에서,
Figure 112018076938556-pat00043
는 제2 타임 슬롯에서 사용자 단말
Figure 112018076938556-pat00044
에서의 AWGN을 나타낼 수 있다.
Figure 112018076938556-pat00045
여부에 따라 다른 탐지 과정이 수신 장치인 사용자 단말에서 적용될 수 있다.
Figure 112018076938556-pat00046
일 때, 기지국과 중계 장치 간의 채널에 대한 채널 상태 정보(Channel State Information, CSI)의 중계 없이
Figure 112018076938556-pat00047
와
Figure 112018076938556-pat00048
를 획득할 수 있다. 그러면, 각 사용자 단말
Figure 112018076938556-pat00049
은 QoS 그룹화된 NOMA 탐지 원리(QoS-grouped NOMA detecting principle)를 기반으로 원하는 신호(desired signal)를 탐지할 수 있다. 따라서, 사용자 단말 1의 신호
Figure 112018076938556-pat00050
탐지를 위한
Figure 112018076938556-pat00051
의 SNR은 아래의 수학식 8과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112018076938556-pat00052
상기 신호
Figure 112018076938556-pat00053
및 신호
Figure 112018076938556-pat00054
각각을 탐지하기 위한 사용자 단말 2에서의 SNR은 아래의 수학식 9 및 수학식 10과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112018076938556-pat00055
[수학식 10]
Figure 112018076938556-pat00056
이때,
Figure 112018076938556-pat00057
인 경우, 중계 장치의 송신 전력
Figure 112018076938556-pat00058
을 얻어, 중계 장치(302)는 재구성된 중첩 신호
Figure 112018076938556-pat00059
를 사용자 단말들로 전달(forward)할 수 있다.
제1 타임 슬롯 및 제2 타임 슬롯을 통해 사용자 단말
Figure 112018076938556-pat00060
에서 수신된 신호들은 아래의 수학식 11과 같이 행렬 형태로 표현될 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112018076938556-pat00061
수학식 11에서, P는 등가 전력 할당 행렬(equivalent power allocation matrix)을 나타낼 수 있다. 등가 전력 할당 행렬은 2Х2 회전 행렬 또는 반사 행렬의 형태로 표현될 수 있으며, 예컨대, 아래의 수학식 12와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112018076938556-pat00062
수학식 12에서,
Figure 112018076938556-pat00063
이고, 2Х2 단위 행렬(identity matrix)을 나타내는
Figure 112018076938556-pat00064
에서
Figure 112018076938556-pat00065
이므로 위의 수학식 11의 신호 형태는 수신측인 사용자 단말들의 직교성(orthogonality)을 제공할 수 있다. 즉, 제1 타입 슬롯에서 수신된 신호와 상기 제2 타임 슬롯에서 수신된 신호는 서로 직교(orthogonality)하고, 사용자 단말들에서 수신된 신호는 서로 직교할 수 있다. 이러한 직교성으로 인해, 사용자 단말(300)은 간단한 선형 결합(linear combining)을 사용하여 자신이 원하는 신호를 복원할 수 있다. 범용성(generality)의 손실 없이, 위의 수학식 12에서 P의 반사 행렬(reflection matrix) 형태를 선택하여 시스템의 성능을 검증할 수 있다.
정보 신호인 상기 신호
Figure 112018076938556-pat00066
및 신호
Figure 112018076938556-pat00067
를 탐지하기 위해 사용자 단말 1 U1 및 사용자 단말 2 U2에서의 선형 결합은 아래의 수학식 13 및 14와 같이 각각 표현될 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112018076938556-pat00068
[수학식 14]
Figure 112018076938556-pat00069
도 6은 본 발명의 일실시예에 있어서, 사용자 단말의 블록 구조를 도시한 도면이다.
도 6에서 RF 및 주파수 다운 컨버전(RF frequency down-conversion, 610)은 도 3의 신호 수신부(310)에서 수행되고, 선형 결합(detecting with linear combining, 620), 신호 후처리(information processing, 630)은 도 3의 신호 복원부(320)에서 수행될 수 있다.
도 6의 610에서 제1 타임 슬롯에 기지국(301)으로부터 중첩 신호가 수신되어 RF 처리 및 주파수 다운 컨버전이 수행될 수 있다. 이후, 제2 타임 슬롯에 중계 장치(302)로부터 중첩 신호가 수신되어 RF 처리 및 주파수 다운 컨버전이 수행될 수 있다.
620에서, 신호 복원부(320)는 제1 타임 슬롯에서 수신된 중첩 신호 및 제2 타임 슬롯에서 수신된 중첩 신호를 선형 결합함으로써, 위의 수학식 4에 기초하여 결정된 전력 할당 계수를 획득하고, 630에서, 획득된 전력 할당 계수를 기반으로 중계 장치의 송신 전력과 기지국의 송신 전력을 획득함에 따라, 기지국과 중계 장치 간의 채널 상태 정보 없이도 채널 디코딩을 수행하여 해당 단말에서 원하는 신호(desired signal)
Figure 112018076938556-pat00070
를 복원할 수 있다. 이때, 위의 수학식 13 및 14를 기반으로, 상기 복원된 신호
Figure 112018076938556-pat00071
는 사용자 간 간섭(Inter User Interference)에서 자유롭다는 것을 확인할 수 있다.
위의 수학식 13 및 14를 구현하기 위해, 사용자 단말
Figure 112018076938556-pat00072
는
Figure 112018076938556-pat00073
및
Figure 112018076938556-pat00074
의 채널 상태 정보(CSI)뿐만 아니라, 중계 장치의 송신 전력 Pr과 기지국의 송신 전력 Ps이 필요할 수 있다. 그러면, 위의 수학식 2 및 수학식 7을 기반으로, 중첩 신호
Figure 112018076938556-pat00075
및
Figure 112018076938556-pat00076
의 전력은 정확하게 각각 Ps 및 Pr에 해당함이 증명될 수 있다. 이에 따라, 사용자 단말
Figure 112018076938556-pat00077
에서
Figure 112018076938556-pat00078
및
Figure 112018076938556-pat00079
의 채널 상태 정보(CSI)를 획득하면, 해당 사용자 단말에서는
Figure 112018076938556-pat00080
의 채널 상태 정보를 획득하지 않고도 위의 수학식 2 및 수학식 7에 기초하여 Ps 및 Pr을 계산할 수 있다.
수학적 수정을 통해, 사용자 단말 U1 및 U2에서의 수신 SNR은 아래의 수학식 15 및 16과 같이 표현될 수 있다.
[수학식 15]
Figure 112018076938556-pat00081
[수학식 16]
Figure 112018076938556-pat00082
CNOMA 시스템에서 CDRT-SWIPT의 성능을 검증하기 위한 시뮬레이션 파라미터는 아래의 표 1과 같을 수 있다.
Figure 112018076938556-pat00083
도 7은 본 발명의 일실시예에 있어서, 소스 장치에서의 전송 전력관련 아웃티지 확률을 나타내고, 도 8은 목표 데이터 속도관련 아웃티지 확률을 나타낼 수 있다.
도 7 및 도 8은 위의 표 1에 제시된 시뮬레이션 파라미터를 기반으로 시뮬레이션을 수행한 결과로서, 아웃티지 성능(outage performance)를 검증하기 위한 그래프를 나타낼 수 있다.
시뮬레이션에서, 채널 hj의 경로 손실(path loss)은
Figure 112018076938556-pat00084
로 설정되고, d0와 dj는 각각 기준 거리 및 채널 hj와 관련된 거리를 나타낼 수 있다.
Figure 112018076938556-pat00085
는 손실 지수를 나타내고, Aj는 채널 hj의 안테나 이득을 나타내고, L0는 기준 거리 d0에서 측정된 경로 손실을 나타내고,
Figure 112018076938556-pat00086
은 LoS(line of Sight)로 인한 쉐도잉 감쇄(shadowing attenuation)를 나타낼 수 있다. 노드들 간의 거리는
Figure 112018076938556-pat00087
Figure 112018076938556-pat00088
로 설정될 수 있다. 아웃티지 성능 비교를 위해, 위의 비특허 문헌 [5]Z . Yang, Z. Ding, P. Fan, and N. Al- Dhahir , "The impact of power allocation on cooperative non-orthogonal multiple access networks with SWIPT ," IEEE Trans. Wireless Commun ., vol. 16, no. 7, pp. 4332-4343, July 2017.에 제시된 직접 링크없는 D-DF(decode and forward) 방식(scheme)에 의한 아웃티지 성능이 이용될 수 있다. 도 7에서, 두 시나리오(
Figure 112018076938556-pat00089
Figure 112018076938556-pat00090
)를 대상으로, 중계 채널에 대해 서로 다른 나카가미 m-형상 팩터(Nakagami-m shape factors)를 가지는 것으로 설정할 수 있다.
도 7에 따르면, CDRT-SWIPT는 D-DF보다 U1 및 U2 둘 다에서 훨씬 적은 아웃티지 확률을 가짐을 확인할 수 있다. 도 7을 참조하면, 10-2 아웃티지 확률에서, CDRT-SWIPT는 시나리오 S2에서의 D-DF보다 사용자 단말 1(U1)과 관련하여 약 9dB 전송 전력 이득을 달성함을 확인할 수 있다. 또한, CDRT-SWIPT는 사용자 단말 U2와 관련하여, D-DF에 의해 달성되는 사용자 단말 1 U1에 비해 비교할만한 아웃티지 확률을 얻음을 확인할 수 있다. 즉, 도 7에 따르면 CDRT-SWIPT를 이용하는 경우, 소스(예컨대, 기지국)로부터 사용자 단말 1 U1 및 사용자 단말 2 U2까지의 직접링크를 이용하는 것이 이익임을 확인할 수 있다. 이는 직접 링크가 없는 상호 협력적 OMA DF 중계보다 더 좋은 아웃티지 성능을 갖는 D-DF 방식이 보다 우수한데, CDRT-SWIPT는 D-DF 방식보다 우수한 아웃티지 확률을 보인다는 점에서 의미가 있다.
도 8에서는 아웃티지 확률에서의 목표 데이터 속도(target rate)의 효과를 비교하고자 한다. 도 8에서,
Figure 112018076938556-pat00091
와
Figure 112018076938556-pat00092
로 설정할 수 있다. R1과 R2가 증가하는 경우, CDRT-SWIPT 방식과 D-DF 방식 간 아웃티지 성능이 더 확연한 차이가 있음이 비교될 수 있다. 사용자 단말 1 U1을 대상으로, CDRT-SWIP에 의해 달성 가능한 아웃티지 확률이 목표 데이터 속도(target rate)가 증가함에 따라 먼저 증가하고, 목표 데이터 속도(target rate)가 큰 값에 도달할 때 1로 점프하는 것을 확인할 수 있다. 이때, 아웃티지 확률이 1로 점프하기 전에, CDRT-SWIPT는 넓은 범위의 목표 데이터 속도(target rate) R2에 대해 D-DF 방식보다 훨씬 낮은 아웃티지 확률을 달성함을 확인할 수 있다.
이처럼, 협력적 비직교 다중접속 시스템에서 동시 무선 정보 전송 및 전력 공급을 위한 협력적 직접 전송 및 중계 전송 방법은 직접 링크와 에너지 하베스팅을 위한 중계 링크들을 통해 직교 전송 브랜치(branch)를 형성함으로써, 각 사용자 단말이 간단한 선형 결합을 통해 원하는 신호를 복원할 수 있으며, 결국, CDRT-SWIPT 방식은 직접 링크가 없는 D-DF 방식에 비해 탁월한 아웃티지 성능을 달성할 수 있다.
도 9는 본 발명의 일실시예에 있어서, 비직교 다중접속(NOMA) 시스템에서의 상향 링크 전송 제어 방법을 도시한 흐름도이고, 도 10은 본 발명의 일실시예에 있어서, 상향 링크 전송 제어를 위한 송신 장치의 내부 구성을 도시한 블록도이다.
즉, 도 9는 협력적 NOMA 시스템에서 상향 링크로의 직접 전송 및 중계 전송 방법 동작을 도시한 흐름도이고, 도 10은 기지국의 구성 요소를 도시한 블록도이다.
도 10에 따르면, 기지국인 송신 장치(1000)는 선형 결합부(1010) 및 신호 복원부(1020)를 포함할 수 있다. 그리고, 도 9의 각 단계들(910 내지 920 단계)은 도 10의 기지국인 송신 장치(1000)의 구성 요소인 선형 결합부(1010) 및 신호 복원부(1020)에 의해 수행될 수 있다. 송신 장치(1000)는 선형 결합부(1010) 및 신호 복원부(1020) 이외에 기능에 따른 추가적인 구성 요소를 더 포함할 수도 있다. 예컨대, RF 처리를 위한 RF 신호 처리부(미도시), 변조 기능을 위한 변조부(미도시), 신호의 송수신을 제어하는 전송 제어부(미도시) 등을 더 포함할 수 있다.
도 9 및 도 10에서, 송신 장치(1000)에서 선형 결합을 통해 원하는 신호(desired signal)를 복원하는 동작은 도 2 및 도 3, 그리고 수학식 1 내지 16에서 이미 설명한 바와 같이, 중계 장치 및 사용자 단말에서 수행되는 동작들이 기지국 및 중계 장치에서 역활을 바꾸어 수행함으로써 구현될 수 있다.
예컨대, 기지국인 송신 장치(1000)의 전송 제어부(미도시)는 기지국에 속하는 중계 장치(10001) 및 사용자 단말들(1002, 1003)로 채널 추정, 다중 접속을 위한 신호를 브로드캐스트할 수 있다. 채널이 형성된 상태에서 적어도 하나의 사용자 단말(1002, 1003)로부터 기지국(1000)으로 신호가 전송될 수 있다. 예컨대, 데이터 업로드 등을 위한 신호가 전송될 수 있다. 이때, 사용자 단말(1002, 1003) 각각은 기지국(1000)으로 직접 링크를 통해 전송할 수 있을 뿐만 아니라, 기지국과 단말 사이에 위치하는 중계 장치(1001)를 통해 상기 신호를 전송할 수도 있다. 즉, 상향 링크로의 신호는 직접 링크 및 중계 링크를 통해 단말에서 기지국인 송신 장치(1000)로 전송될 수 있다.
910 단계에서, 선형 결합부(1010)는 송신 장치(1000)와 복수의 사용자 단말들(1002, 1003) 각각 간에 형성된 직접 링크(direct link)를 통해 수신된 신호 및 송신 장치(1000)와 중계 장치(1001) 간에 형성된 중계 링크(relay link)를 통해 수신된 신호를 대상으로 선형 결합(linear combination)을 수행할 수 있다. 여기서, 상향 링크(uplink)에서의 선형 결합은 위의 수학식 13 및 14에서 표현된 사용자 단말에서의 선형 결합의 노테이션(notation)을 일부 변경함으로써 표현될 수 있다.
예컨대, 선형 결합부(1010)는 직접 링크 및 중계 링크를 통해 수신된 신호를 대상으로 RF 도메인(domain) 상에서 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기반의 전력 분할(power splitting)을 수행할 수 있다. 이때, 직접 링크를 통해 사용자 단말들(1002, 1003) 각각에 해당하는 신호가 제1 타임 슬롯에 수신되고, 중계 링크를 통해 중계 장치(1001)에서 전송한 중첩 신호가 제2 타임 슬롯에 수신될 수 있으며, 송신 장치(1000)는 제1 타임 슬롯에 신호가 수신되더라도 제2 타임 슬롯을 통해 신호가 수신될 때까지 대기하였다가 선형 결합 및 디코딩을 수행하여 신호를 복원할 수 있다. 이때, 선형 결합부(1010)는 제1 및 제2 타임 슬롯에서 수신된 각 신호가 서로 직교(orthogonal)하도록 선형 결합(linear combination)을 수행할 수 있다.
일례로, 중계 장치(1001)는 사용자 단말 1(1002)로부터 수신된 신호 및 사용자 단말 2(1003)로부터 수신된 신호를 기반으로 기지국인 송신 장치(1000)로 전송하고자 하는 중첩 신호(superposition signal)를 구성할 수 있다. 여기서, 중첩 신호의 형태는 위의 도 4에서 브로드캐스트되는 중첩 신호의 형태와 유사할 수 있다. 예컨대, 중계 장치(1001)에서 생성된 중첩 신호는 각 사용자 단말에 해당하는 전력 할당 계수(power allocation coefficient) 및 각 사용자 단말에 해당하는 신호, 및 해당 사용자 단말에서의 송신 전력을 기반으로 표현될 수 있다.
그러면, 선형 결합부(1010)는 수신된 중첩 신호를 대상으로, RF 도메인(domain) 상에서 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기반의 전력 분할(power splitting)을 수행할 수 있다. 예컨대, 선형 결합부(1010)는 전력 분할 계수 β에 기초하여 상기 수신된 신호를 에너지 하베스팅(energy harvesting)과 정보 탐지(information detection) 각각을 위해 β: 1-β에 따라 분할 할 수 있다. 그리고, 선형 결합부(1010)는 β의 비율로 분할된 신호를 대상으로 에너지 하베스팅(energy harvesting) 및 배터리 충전을 수행한 후, 배터리 방전(battery discharging)을 수행할 수 있다. 이때, 선형 결합부(1010)는 1-β 비율로 분할된 신호를 대상으로 RF 처리 및 주파수 다운 컨버전(RF and frequency down conversion)을 수행할 수 있다. 즉, 선형 결합부(1010)는 수신된 중첩 신호를 대상으로 β 비율로 하베스팅된 에너지를 기반으로 1-β 비율로 정보 탐지(Information detection)를 전력 도메인(power domain)에서 수행할 수 있다.
이러한 선형 결합을 위해, 사용자 단말과 기지국 간의 채널 정보, 기지국과 중계 장치 간의 채널 정보뿐만 아니라, 사용자 단말에서의 송신 전력 및 중계 장치에서의 송신 전력이 요구될 수 있다. 이에 따라, 선형 결합부(1010)는 직접 링크에 해당하는 채널 정보(Channel State Information, CSI) 및 간접 링크에 해당하는 채널 정보를 기반으로 해당 사용자 단말에서의 송신 전력 및 중계 장치에서의 송신 전력을 계산할 수 있다.
920 단계에서, 신호 복원부(1020)는 선형 결합을 기반으로 복수의 사용자 단말들(1002, 1003) 각각에 해당하는 원하는 신호(desired signal)를 복원할 수 있다.
예컨대, 신호 복원부(1020)는 선형 결합된 신호를 대상으로, 중계 장치에서의 송신 파워 및 해당 사용자 단말에서의 송신 파워에 기초하여 디코딩(decoding)을 수행함으로써, 각 사용자 단말에 해당하는 신호를 복원할 수 있다. 즉, 신호 복원부(1020)는 사용자 단말들 각각과 중계 장치 간에 형성된 링크의 채널 정보를 획득하지 않더라도(즉, 모르더라도) 위의 수학식 2 및 7을 기반으로 계산된 중계 장치에서의 송신 파워 및 사용자 단말에서의 송신 파워를 이용하여 원하는 신호(즉, 특정 사용자 단말에서 전송한 신호)를 복원할 수 있다. 다시 말해, 중계 장치에서의 송신 파워 및 사용자 단말에서의 송신 파워는, 위의 수학식 2 및 7을 상향 링크 버전으로 노테이션(notation)을 변형한 수학식을 이용하여 계산될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 협력적 비직교 다중 접속 시스템에서의 상향 링크 전송 제어 방법은 협력적 비직교 다중 접속(NOMA)에서 상향 링크의 조직적 직접 및 중계 전송(CDRUT) 연계 기술에 관한 것으로서, 기지국인 송신 장치에 속하는 두 사용자 단말들은 DF(Decode-and-forward) 중계(relay)를 이용하여 기지국인 송신 장치와 통신을 수행할 수 있다. 그리고, 기지국과 사용자 단말들 간의 직접 링크와 중계 링크를 통합 이용함으로써, CDRUT는 기지국의 수신단에서 직교(orthogonal) 구조를 형성할 수 있으며, 이러한 직교 구조를 기반으로 기지국의 수신단에서는 SIC(successive interference cancellation)를 남용하지 않고 오직 선형 결합(linear combination)만으로 원하는 신호(desired signal)를 복원할 수 있다. 결국, 직접 링크가 없는 중계 장치(즉, DF relay)에 비해 CDRUT의 경우, 상대적으로 보다 높은 목표 전송률(target rate)과 향상된 아웃티지 성능(outage performance)를 달성할 수 있다.
실시예에 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 실시예를 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.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (9)

  1. 송신 장치, 중계 장치 및 복수의 사용자 단말들이 네트워크를 형성하는 비직교 다중접속(NOMA) 시스템에서의 상향 링크 전송 제어 방법에 있어서,
    상기 송신 장치와 상기 복수의 사용자 단말 각각 간에 형성된 직접 링크(direct link)를 통해 수신된 신호 및 상기 송신 장치와 상기 중계 장치 간에 형성된 중계 링크(relay link)를 통해 수신된 신호의 선형 결합(linear combination)을 수행하는 단계; 및
    상기 선형 결합을 기반으로 상기 복수의 사용자 단말들 각각에 해당하는 원하는 신호(desired signal)를 복원하는 단계
    를 포함하고,
    상기 선형 결합을 수행하는 단계는,
    상기 직접 링크 및 상기 중계 링크 각각에 해당하는 채널 정보를 기반으로 사용자 단말에서의 송신 파워 및 중계 장치에서의 송신 파워를 각각 계산하는 단계
    를 포함하고,
    상기 복수의 사용자 단말들 각각에 해당하는 원하는 신호(desired signal)는, 상기 직접 링크 및 중계 링크를 통해 수신된 신호를 대상으로, 상기 중계 장치에서의 송신 파워 및 해당 사용자 단말에서의 송신 파워에 기초하여 디코딩(decoding)이 수행됨에 따라 복원되고,
    송신 장치와 복수의 사용자 단말들 각각 간에 형성된 직접 링크와 중계 장치를 통해 형성된 중계 링크를 모두 이용하여 상향 링크 신호에 대한 직접 및 중계 전송을 제어하고,
    송신 장치에서 수신 신호가 직교하는 구조가 되도록 선형 결합을 적용하여 신호를 복원함으로써, 연속적인 간섭 제거를 수행하지 않고 사용자 단말로부터 상향링크를 통해 전송되는 신호를 복원하며, 오버헤드를 감소시키기 위해, 사용자 단말과 중계 장치 간의 채널 정보를 부가적으로 획득하지 않고 원하는 신호를 복원하는
    상향 링크 전송 제어 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 선형 결합을 수행하는 단계는,
    상기 직접 링크 및 중계 링크를 통해 수신된 신호를 대상으로, 에너지 하베스팅(energy harvesting) 기반의 전력 분할을 수행하는 단계
    를 포함하는 상향 링크 전송 제어 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 선형 결합을 수행하는 단계는,
    상기 직접 링크를 통해 상기 복수의 사용자 단말들 각각에 해당하는 신호를 제1 타임 슬롯에 수신하는 단계; 및
    상기 복수의 사용자 단말들 각각에 해당하는 신호를 상기 중계 장치에서 상기 중계 링크를 통해 전송한 신호를 제2 타임 슬롯에 수신하는 단계
    를 포함하는 상향 링크 전송 제어 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 타임 슬롯에서 수신된 신호와 상기 제2 타임 슬롯에서 수신된 신호는 서로 직교(orthogonal)하는 것
    을 특징으로 하는 상향 링크 전송 제어 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 중계 장치 및 복수의 사용자 단말들을 대상으로, 중첩 신호(superposition signal)를 브로드캐스트(broadcast)하는 단계
    를 더 포함하는 상향 링크 전송 제어 방법.
  8. 송신 장치, 중계 장치 및 복수의 사용자 단말들이 네트워크를 형성하는 비직교 다중접속(NOMA) 시스템에서의 상향 링크 전송 제어를 수행하는 송신 장치에 있어서,
    상기 송신 장치와 상기 복수의 사용자 단말 각각 간에 형성된 직접 링크(direct link)를 통해 수신된 신호 및 상기 송신 장치와 상기 중계 장치 간에 형성된 중계 링크(relay link)를 통해 수신된 신호의 선형 결합(linear combination)을 수행하는 선형 결합부; 및
    상기 선형 결합을 기반으로 상기 복수의 사용자 단말들 각각에 해당하는 원하는 신호(desired signal)를 복원하는 신호 복원부
    를 포함하고,
    상기 선형 결합부는,
    상기 직접 링크 및 상기 중계 링크 각각에 해당하는 채널 정보를 기반으로 사용자 단말에서의 송신 파워 및 중계 장치에서의 송신 파워를 각각 계산하고,
    상기 복수의 사용자 단말들 각각에 해당하는 원하는 신호(desired signal)는, 상기 직접 링크 및 중계 링크를 통해 수신된 신호를 대상으로, 상기 중계 장치에서의 송신 파워 및 해당 사용자 단말에서의 송신 파워에 기초하여 디코딩(decoding)이 수행됨에 따라 복원되고,
    송신 장치와 복수의 사용자 단말들 각각 간에 형성된 직접 링크와 중계 장치를 통해 형성된 중계 링크를 모두 이용하여 상향 링크 신호에 대한 직접 및 중계 전송을 제어하고,
    송신 장치에서 수신 신호가 직교하는 구조가 되도록 선형 결합을 적용하여 신호를 복원함으로써, 연속적인 간섭 제거를 수행하지 않고 사용자 단말로부터 상향링크를 통해 전송되는 신호를 복원하며, 오버헤드를 감소시키기 위해, 사용자 단말과 중계 장치 간의 채널 정보를 부가적으로 획득하지 않고 원하는 신호를 복원하는
    송신 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 중계 장치 및 복수의 사용자 단말들을 대상으로, 중첩 신호(superposition signal)를 브로드캐스트(broadcast)하는 전송 제어부
    를 더 포함하는 송신 장치.
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