KR101954682B1 - 비직교 다중 접속 시스템에서의 사용자 페어링 방법 및 컴퓨터 프로그램 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비직교 다중 접속 시스템(NOMA)에서의 사용자 페어링 방법 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것으로서 본 발명의 사용자 페어링 방법은, 제1 근거리 사용자와 제2 원거리 사용자를 페어링하는 단계; 상기 제1 근거리 사용자와 제3 원거리 사용자를 페어링하는 단계; 및 상기 페어링된 사용자 짝(pair)을 전력 도메인(power domain)에 다중화시키는 단계를 포함하고, 상기 제2 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₂)과, 상기 제3 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₃)이 서로 중첩되지 않는다.

Description

비직교 다중 접속 시스템에서의 사용자 페어링 방법 및 컴퓨터 프로그램 {METHOD AND COMPUTER PROGRAM FOR PAIRING USERS IN NON-ORTHOGONAL MULTIPLE ACCESS}

본 발명은 비직교 다중 접속 시스템에서의 사용자 페어링 방법 및 컴퓨터 프로그램에 관한 것으로서, 더 상세하게는, 근거리 사용자와 원거리 사용자를 페어링(pairing)하여 전력 도메인(power domain)에서 다중화시키는 방법에 관한 것이다

최근 수많은 멀티미디어 어플리케이션들로 인해 무선 데이터 트래픽이 급격하게 증가해왔다. 나아가, 사물 인터넷(IoT)의 발전으로 기기들의 연결 수는 급격히 확장될 것으로 기대된다. 이전의 기기 수보다 훨씬 많은 수의 기기들이 서로 연결될 것으로 예측된다. 이러한 거대한 양의 기기와 무선 접속량 증가에 따라 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.

하나의 셀 내에서 사용자들의 랜덤한 분포로 인해, 근거리 사용자와 원거리 영역의 비율도 매우 다양할 수 있다. 이러한 시나리오에서, 밀집 지역 내에서 일부 사용자들은 다른 사용자들과의 채널 이득 차이가 작기 때문에 페어링 된다면 간섭 제어 기술(successive interference cancellation, SIC)를 기반으로 하는 NOMA에서 사용자들의 성능 저하와 용량 감소를 초래한다. 이 경우 페어링을 통해 얻어지는 전체 용량은 기존의 다중 접속(OMA)보다 훨씬 작아질 수 있다.

Z.Ding, P. Fan, and V. Poor의 ‘Impact of user pairing on 5G non-orthogonal multiple access downlink transmissions’ 문헌에 따르면, 하이브리드 방법론은 그러한 영역의 추가 사용자들은 어떤 사용자와도 쌍을 이룰 필요가 없으며 OMA를 사용하여 데이터를 가져와야 한다. 이로 인해, 문제가 어느 정도까지 해결 될 수 있지만 OMA 사용자는 NOMA가 제공하는 고용량 이득의 혜택을 누릴 수 없다. 또한, 페어링되지 않은 사용자의 주파수 대역은 그들이 어느 사용자와 페어링되지 않기 때문에 다른 사용자가 사용할 수 없다.

한국공개특허 제10-2016-0032415호

본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위하여 도출된 것으로서, 시스템의 용량 이득을 개선가능한 비직교 다중 접속 시스템에서의 사용자 페어링 방법을 제안한다.

본 발명의 제1 측면은, 비직교 다중 접속 시스템(NOMA)에서의 사용자 페어링(pairing) 방법으로서, 제1 근거리 사용자와 제2 원거리 사용자를 페어링하는 단계; 상기 제1 근거리 사용자와 제3 원거리 사용자를 페어링하는 단계; 및 상기 페어링된 사용자 짝(pair)을 전력 도메인(power domain)에 다중화시키는 단계를 포함하고, 상기 제2 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₂)과, 상기 제3 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₃)이 서로 중첩되지 않는 것을 특징으로 한다.

선택적으로, 제1 근거리 사용자는, 상기 제2 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₂)과 상기 제3 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₃)의 합에 대응되는 주파수 대역(B)을 이용할 수 있다. 또한 제1 근거리 사용자는 상기 제2 원거리 사용자 및 제3 원거리 사용자보다 기지국으로부터 근거리에 위치한다. 제2 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₂)과 상기 제3 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₃)은, 사용자의 목표데이터 전송속도(target data rate)에 따라 대역폭이 배분될 수 있다.

일 실시예로서, 제2 원거리 사용자와 상기 제3 원거리 사용자의 목표데이터 전송속도가 동일한 경우, 상기 제2 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₂)과 상기 제3 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₃)의 대역폭이 동일하다.

본 발명의 제2 측면은, 하드웨어와 결합되어 비직교 다중 접속 시스템(NOMA)에서의 사용자 페어링(pairing) 방법을 실행하도록 매체에 저장된 컴퓨터 프로그램으로서, 상기 사용자 페어링 방법은, 제1 근거리 사용자와 제2 원거리 사용자를 페어링하는 단계; 상기 제1 근거리 사용자와 제3 원거리 사용자를 페어링하는 단계; 및 상기 페어링된 사용자 짝(pair)을 전력 도메인(power domain)에 다중화시키는 단계를 포함하고, 상기 제2 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₂)과, 상기 제3 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₃)이 서로 중첩되지 않는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 OMA 및 종래의 NOMA 시스템에 비해, 시스템의 용량 이득(capacity gain)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 페어링 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3는 본 발명의 일 실시예에 의한 NOMA 시스템을 종래 시스템들과 비교 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 NOMA 시스템의 성능 개선 효과를 나타내기 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.

본 발명은 비직교 다중 접속(non-orthogonal multiple access, NOMA) 비연결 사용자들의 스펙트럼을 효율적으로 이용하기 위한 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 오버랩되지 않은 주파수 대역의 페어링 방식에서, 여러명의 유사 거리를 가진 사용자들을 한명의 원거리 사용자에 페어링 함으로써 달성될 수 있다. 본 발명은 근거리 사용자들의 수보다 셀 내의 원거리 사용자들의 수가 많은 경우를 고려한다. 따라서, 몇몇 원거리 사용자들은 페어링될 수 없고, 종래의 다중 접속(OMA)를 사용하여 데이터를 얻어야 한다. 이러한 경우, 본 발명은 NOMA 시스템에서 비연결 사용자들의 스펙트럼을 최적으로 유용하게 이용할 수 있도록 근거리 사용자가 다수의 원거리 사용자에게 페어링 될 수 있는 방법을 제안한다.

도 2에 도시된 것처럼, 근거리 사용자인 제1 사용자(110)와 원거리 사용자인 제2 사용자(120), 제3 사용자(130) 간의 사용자 페어링을 실시하는 경우, 본 발명의 일 실시예에 따라 제1 사용자(110)와 제2 사용자(120)를 페어링하고, 제1 사용자(110)와 제3 사용자(130)를 페어링할 수 있다. 이때, 제1 사용자(110)와 제2 사용자(120) 간의 페어링된 주파수 대역이, 제1 사용자(110)와 제3 사용자(130) 간의 페어링 대역과 겹치지 않도록 구현될 수 있다.

이러한 페어링 방식에 따르면, 제1 사용자(110)는 총 주파수 대역을 모두 사용하지만, 제2 사용자(120)와 제3 사용자(130)는 주파수 대역을 나누어 쓰는 형태로 구현될 수 있다. 또한 원거리 사용자들(120, 130) 간에 주파수 대역을 나누는 비중은 미리 정의된 기준에 따라 달라질 수 있다.

본 발명이 제안하는 페어링 방식에 따르면, 한명의 근거리 사용자와 하나 이상의 원거리 사용자를 페어링하여 사용할 수 있어, 더 많은 사용자들을 수용할 수 있고, 비연결 사용자들의 주파수 스펙트럼을 효율적으로 이용할 수 있다. 또한 실제 성능 검사 시, 본 발명은 OMA 및 종래의 NOMA 시스템에 비해, 시스템의 용량 이득(capacity gain)이 크게 향상한 효과를 갖는다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 의한 NOMA 시스템을 종래 시스템들과 비교 설명하기 위한 도면이다. 이하에서는, 상술한 사용자 페어링 방식에 대해 더 상세히 설명한다. 종래의 방법에 따르면, 기지국과 사용자들이 각각 연결되는 경우, 제2 사용자와 제3 사용자의 거리가 가깝기 때문에 제1 사용자와 페어링 될 수 없다. 만약 3명의 사용자들을 공동 대역폭 B에서 모두 페어링한다면, 제2 사용자와 제3 사용자는 비슷하게 할당된 전력을 가지고 서로 매우 근접하기 때문에, 제2 사용자와 제3 사용자간의 간섭이 매우 커지는 문제가 있다.

본 발명은 이러한 문제를 해결하고, 주파수 대역을 효율적으로 이용하기 위해, 근거리 사용자인 제1 사용자(110)와 원거리 사용자인 제2, 제3 사용자(120, 130) 간의 효율적인 페어링 방법을 제안한다. 일 실시예로서, 본 발명은 제1 사용자가 제2 사용자와 페어링된 주파수 대역이 제1 사용자와 제3 사용자의 페어링 대역과 겹치지 않도록 구현될 수 있다. 즉, 총 대역폭(total bandwidth) B에 대하여, 제1 사용자와 제2 사용자간의 페어링은 B₁₂ 공동 대역(common bandwidth)을 이용하고, 제1 사용자와 제3 사용자의 페어링은 B₁₃ 공동 대역을 이용한다. 이러한 관계는 아래의 식들로 표현될 수 있다.

이 때, x값은 제2, 제3 사용자의 목표데이터 전송속도(target data rate)을 만족시키기 위한 대역폭 공정성에 기초하여 결정될 수 있다. 예를 들어, 제2 사용자의 목표 속도가 제3 사용자보다 큰 경우, x 값은 0.5보다 큰 값일 수 있다. 이러한 경우, 대역폭 B₁₂가 B₁₃보다 클 수 있다. 그러나 두 사용자의 목표 속도가 동일하다고 가정할 때, x 값은 0.5이고, 총 대역폭의 절반씩 보유하도록 구현할 수 있다(도 3의 (c) 참조).

도 3에 도시된 것처럼, 종래의 OMA(도 3의 (a)), NOMA-OMA 방식(도 3의 (b))과 달리, 근거리 사용자인 제1 사용자는 본 발명의 페어링 방법에 따라 전체 대역폭을 이용할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 근거리 사용자와 하나 이상의 원거리 사용자를 각각 묶어 짝(pair)으로 구성하여 전력 도메인(power domain)에 다중화시킬 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 의한 NOMA 시스템의 성능 개선 효과를 나타내기 위한 도면이다. 제안된 페어링 방식의 성능을 독립된 레일리 평면 페이딩 채널(Rayleigh flat fading channel)에 걸쳐 에르고딕 총 용량(ergodic sum capacity)를 이용하여 평가할 수 있다. 분석 및 시뮬레이션 결과는, 본 발명이 OMA 및 종래의 NOMA 시스템에 비해, 시스템의 용량 이득(capacity gain)이 크게 향상한 효과를 보여준다.

페이딩(fading)이란 전송매체나 경로의 변화로 인해 수신신호 전력이 시간을 따라 변하는 것을 말한다. 페이딩의 효과는 평면 페이딩(flat fading)과 선택적 페이딩(selective fading)으로 분류할 수 있다. 평면 페이딩은 비선택적 페이딩이라고도 하며, 수신 신호의 모든 주파수 성분을 동시에 동일한 비율로 변동하는 종류의 페이딩이다. 반면, 선택적 페이딩은 전파 신호의 각 주파수 성분에 서로 다른 영향을 미친다. 본 명세서에서는, 제안된 페어링 방법의 성능을 독립된 레일리 평면 페이딩 채널(Rayleigh flat fading channel)에 걸쳐 에르고딕 총 용량(ergodic sum capacity)를 이용하여 평가할 수 있다.

도 4를 참조하면 알 수 있듯이, 성능의 비교를 위해 OMA(원형 표시)와 종래의 NOMA 시스템(삼각형 표시)을 함께 나타내었다. 시뮬레이션과 분석 결과 간의 일치된 결과라 본 발명을 인증할 수 있다. 검증 시 기지국(BS)와 원거리 사용자인 제2사용자 및 제3 사용자와의 거리는 동일하다고 가정한다.

도 4에 도시된 것처럼, ρ와 관련하여 OMA과 종래의 NOMA, 본 발명의 NOMA 시스템 간의 에르고딕 총 용량(ergodic sum capacity)을 비교할 수 있다. 여기서, ρ는 전송 신호의 신호대잡음비(SNR)를 나타내고, 각각의 대역폭 효과를 고려하지 않고 0에서 45dB까지 다양하다. 전력 할당 요소(power allocation factor)인 Ф는, Ф1=0.1, Ф2, Ф3=0.45, 제1 사용자의 거리 d1=0.2로 연산한다. 도 4에 도시된 것처럼, 신호대 잡음비 값(ρ)에서, OMA 및 종래의 NOMA에 비해 월등히 뛰어난 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. 또한 본 발명의 다른 실시예에 따른 성능 검사에서, 대역폭 효과를 고려하는 경우에도, 전송 신호의 신호대잡음비에 관한 에르고딕 총 용량이 우수한 결과를 얻었다.

본 발명은 비직교 다중 접속(non-orthogonal multiple access, NOMA) 비연결 사용자들의 스펙트럼을 효율적으로 이용하기 위한 방법에 관한 것으로서, 근거리 사용자들의 수보다 셀 내의 원거리 사용자들의 수가 많은 경우를 고려하여 근거리 사용자가 다수의 원거리 사용자에게 페어링 될 수 있는 방법을 제안한다. 제안된 페어링 방식의 성능은 독립된 레일리 평면 페이딩 채널(Rayleigh flat fading channel)에 걸쳐 ergodic sum capacity를 이용하여 평가할 수 있다. 분석 및 시뮬레이션 결과는, 본 발명이 OMA 및 종래의 NOMA 시스템에 비해, 시스템의 용량 이득(capacity gain)이 크게 향상한 효과를 보여준다.

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.

110: 제1 사용자
120: 제2 사용자
130: 제3 사용자

Claims (10)

1. 비직교 다중 접속 시스템(NOMA)에서의 사용자 페어링(pairing) 방법으로서,
   제1 근거리 사용자와 제2 원거리 사용자를 페어링하는 단계;
   상기 제1 근거리 사용자와 제3 원거리 사용자를 페어링하는 단계; 및
   상기 페어링된 사용자 짝(pair)을 전력 도메인(power domain)에 다중화시키는 단계를 포함하고,
   상기 제2 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₂)과, 상기 제3 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₃)이 서로 중첩되지 않으며,
   상기 제2 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₂)과 상기 제3 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₃)은, 사용자의 목표데이터 전송속도(target data rate)에 따라 대역폭이 배분되고,
   상기 제2 원거리 사용자와 상기 제3 원거리 사용자의 목표데이터 전송속도가 동일한 경우, 상기 제2 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₂)과 상기 제3 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₃)의 대역폭이 동일한 것을 특징으로 하는 사용자 페어링 방법.
   
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 근거리 사용자는, 상기 제2 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₂)과 상기 제3 원거리 사용자에 대한 페어링 주파수 대역(B₁₃)의 합에 대응되는 주파수 대역(B)을 이용하는 것을 특징으로 하는 사용자 페어링 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 제1 근거리 사용자는 상기 제2 원거리 사용자 및 제3 원거리 사용자보다 기지국으로부터 근거리에 위치하는 것을 특징으로 하는 사용자 페어링 방법.
   
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