KR101977882B1

KR101977882B1 - 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 장치 및 방법

Info

Publication number: KR101977882B1
Application number: KR1020170085096A
Authority: KR
Inventors: 신원용; 후이파린
Original assignee: 단국대학교 산학협력단
Priority date: 2017-07-04
Filing date: 2017-07-04
Publication date: 2019-05-13
Also published as: KR20190004619A

Abstract

본 발명은 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 장치 및 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는 적어도 하나 이상의 엑세스 포인트(AP)로부터 초기화를 위한 피드백 메시지를 수신하고, 상기 수신된 피드백 메시지를 기초로 사용자와 상기 엑세스 포인트 간의 채널 상태 정보를 검출하고, 상기 검출된 채널 상태 정보로부터 성능 메트릭을 산출하고, 상기 산출된 성능 메트릭을 기초로 패킷 전송 여부를 결정한다. 이를 통해 본 발명은 셀 간 간섭을 제한하여 다중 랜덤 접속 환경에서 다수의 사용자가 데이터 패킷을 동시에 랜덤하게 전송할 수 있는 효과를 가진다.

Description

다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 장치 및 방법{Apparatus and method for opportunistic random access in multi random access environments}

본 발명은 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속에 관한 것으로, 구체적으로는 각 셀에 속한 다수의 사용자가 기 설정된 조건을 만족하는지 여부를 판단하여 패킷을 동시에 랜덤하게 전송하는 기술에 관한 것이다.

무선 통신에서 랜덤 접속은 높은 주파수 효율을 가진 상대적으로 낮은 프로토콜 오버헤드로 인하여 대규모 사용자(User)를 지원하는 데에 주목하고 있다. 다양한 랜덤 접속 프로토콜은 알로하(ALOHA: Additive links on-line Hawaii area)와 반송파 감지를 가진 변화에 기초하여 개발되어왔다. 랜덤 접속 네트워크에서 사용자와 생성된 데이터 패킷의 폭발적인 증가 때문에, 변경되지 않은 제한된 주파수 대역폭을 가진 높은 시스템 처리량을 만족하기 위해 엑세스 포인트(AP)들을 조밀하게 배치할 의도가 있다. 따라서 같은 주파수 대역를 공유하는 다중 셀로 구성된 랜덤 접속 네트워크('다중 셀 랜덤 접속 네트워크'라 불린다.)의 본질을 완전히 이해하는 것이 중요하다. 이러한 네트워크에서 셀 내 충돌 외에도(동일한 셀에서의 복수의 사용자들로부터 동시 전송), 엑세스 포인트 간 조정되지 않은 전송은 다른 셀에 간섭을 일으킬 수 있으며, 이는 수신기의 패킷 디코딩의 실패로 이어질 수 있다. 반대로, 인접 셀 간섭은 다중 셀 랜덤 접속 네트워크에서 조심스럽게 관리해야한다.

한편으로, 복수의 기지국이 있는 셀룰러 네트워크의 간섭 문제를 다루는 광범위한 연구가 있다. 다중사용자 셀룰러 네트워크에서 샤넌 이론(Shannon-theoretic)용량과 관련하여 최적의 전략을 갖는 것을 어려운 일이었지만, 최근 간섭 정렬(IA: Interference alignment)은 다중 통신 쌍이 있는 경우, 간섭 문제를 근본적으로 해결하기 위해 제안되었다. IA은 시간 변화 계수를 갖는 K-사용자 간섭 채널에서

와 동일한 최적의 자유도를 비대칭적으로 달성할 수 있다는 것이 입증되었다. 후속 연구는 IA에 기반한 간섭 관리 체계가 다중 접속 네트워크를 방해하기 위해 잘 적용될 수 있다는 것을 보여주었다. 충돌을 피할 수 있는 다중 접근 시나리오 외에도, 랜덤 접속에서 간섭을 관리하는 방법은 매우 중요하다. 다중 셀 랜덤 접속 네트워크에서 IA 또는 연속적인 간섭 제거(SIC: Successive interference cancellation)를 수행하여 간섭을 관리하는 여러 연구들이 수행되었다. 분산화된 전력 배분 접근법(Power allocation approach)은 수신기에서 다중 패킷 수신 및 SIC의 기능을 가진 랜덤 접속에 대한 간섭 완화 수단으로 도입되었다.

한편으로, 사용자의 수가 충분함에 따라 다중사용자 다양성 이득(Multiuser diversity gain)을 활용하여 단일 셀 브로드캐스트 채널에서의 페이딩 사용성에 대한 광범위한 연구가 있었다. 게다가, 다중 셀 환경에서 다중사용자 다양성 획득을 위한 시나리오가 연구되었다.

특히, 기회주의(Opportunism)는 단순한 확장을 통해 다중 셀 다운링크 네트워크에 활용될 수 있었다. 최근 다중 셀 업링크 네트워크의 경우, 각 셀의 분산된 사용자 스케줄링 전략을 통해 완전한 다중사용자 다양성 이득을 달성할 수 있음을 보여줌으로써 최적의 처리량 스케일(Scale)를 분석했다. 이 때 상기 분석은 두 개의 스케줄링 기준이 적절하게 결정되고 각 셀의 사용자 수가 특정 수준보다 큰 경우에 한한다. 앞서 언급한 다중 접속 시나리오 외에도, 기회적 전송(Opportunistic transmission)의 이득은 랜덤 접속 내트워크에서 활용될 수 있다. 단일 셀 인지 기회적 랜덤 접속(SA-ORA: Single-cell aware opportunistic random access)(또는 채널-인지 슬롯 ALOHA 이름)의 아이디어는 단일 엑세스 포인트을 가진 슬롯된 ALOHA 네트워크에서 제안되었다. 송신기에서 채널 상태 정보(CSI: Channel state information)를 획득할 수 있다고 가정할 때, SA-ORA 프로토콜이 특정한 집중화된 스케줄링없이 다중사용자 다양성 이득을 달성할 수 있는 것으로 나타났다. 그럼에도 불구하고, 프로토콜은 단일 엑세스 포인트 문제로만 다루어지기 때문에, 단순하게 인접 셀 간섭 존재를 가진 다중 셀 랜덤 접속 네트워크로 적용될 수 없다.

또한 사용자의 수가 빠르게 증가하고, 네트워크가 점점 더 조밀해짐에 따라 셀 간 간섭을 관리하기 위한 다중 셀 인식 기술이 필요한 실정이다. 원하는 신호 전력을 향상시키는 것에만 초점을 맞추는 종래의 랜덤 접속 기술은 다중 셀 통신 환경에 직접 적용될 수 있는 한계가 있다.

한국등록특허공보 제 10-1381557호

이에 본 발명은 상기와 같은 제반 사항을 고려하여 제안된 것으로, 셀 간 간섭을 제한하여 다중 랜덤 접속 환경에서 다수의 사용자가 데이터 패킷을 동시에 랜덤하게 전송할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명을 채널 리소스가 다수의 셀들에 의해 공유되는 무선 업링크 통신 시나리오에 적용할 수 있는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 목적들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해할 수 있을 것이다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 장치는 적어도 하나 이상의 엑세스 포인트(AP)로부터 초기화를 위한 피드백 메시지를 수신하는 수신모듈, 상기 수신된 피드백 메시지를 기초로 사용자와 상기 엑세스 포인트 간의 채널 상태 정보를 검출하는 채널 상태 정보 검출부, 상기 검출된 채널 상태 정보로부터 성능 메트릭을 산출하는 성능 메트릭 산출부, 상기 산출된 성능 메트릭을 기초로 패킷 전송 여부를 결정하는 전송 여부 결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때 상기 성능 메트릭은 상기 엑세스 포인트에서의 수신 신호의 크기와, 다른 셀로 영향을 미치는 모든 간섭 신호의 합을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 엑세스 포인트에서의 수신 신호의 크기는 하기 수학식2로 표현되며, 상기 다른 셀로 영향을 미치는 모든 간섭 신호의 합은 하기 수학식3으로 표현되는 것을 특징으로 한다.

상기 전송 여부 결정부는 하기 수학식2와 수학식3을 모두 만족하는 경우 물리 계층(PHY) 데이터 속도로 패킷을 상기 엑세스 포인트로 송신하며, 하기 수학식2와 수학식3 중 적어도 하나를 만족하지 않는 경우 해당 시간 슬롯동안 유휴 상태(Idle)를 유지하는 것을 특징으로 한다.

상기 물리 계층(PHY) 데이터 속도는 하기 수학식13으로 표현되는 값인 것을 특징으로 한다.

상기 채널 상태 정보는 상기 각 엑세스 포인트의 채널 이득을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 기술적 사상에 의한 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 방법은 (a) 수신모듈이 적어도 하나 이상의 엑세스 포인트(AP)로부터 초기화를 위한 피드백 메시지를 수신하는 단계, (b) 채널 상태 정보 검출부가 상기 수신된 피드백 메시지를 기초로 상기 엑세스 포인트별로의 채널 이득을 추정하여, 성능 메트릭을 산출하는 단계, (c) 전송 여부 결정부가 상기 산출된 성능 메트릭을 기초로 패킷 전송 여부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이 때 상기 성능 메트릭은 상기 엑세스 포인트에서의 수신 신호의 크기와, 다른 셀로 영향을 미치는 모든 간섭 신호의 합인 것을 특징으로 한다.

상기 (c) 단계는 하기 수학식2와 수학식3을 모두 만족하는 경우 물리 계층(PHY) 데이터 속도로 패킷을 상기 엑세스 포인트로 송신하며, 하기 수학식2와 수학식3 중 적어도 하나를 만족하지 않는 경우 해당 시간 슬롯동안 유휴 상태(Idle)를 유지하는 것을 특징으로 한다.

이상에서 설명한 바와 같은 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 장치 및 방법에 따르면,

첫째, 셀 간 간섭을 제한하여 다중 랜덤 접속 환경에서 다수의 사용자가 데이터 패킷을 동시에 랜덤하게 전송할 수 있는 효과를 가진다.

둘째, 본 발명의 통신 프로토콜은 분산형 랜덤 엑세스 방식으로 동작하여 시스템에서 제어 오버헤드가 낮으며, 저복잡도로 동작하므로 다양한 랜덤 접속 관련 응용 통신에 적용될 수 있는 효과를 가진다.

셋째, 최근 와이파이(Wi-Fi) 통신뿐만 아니라 사물인터넷(IoT) 및 기계 간 통신(Machine-type communications) 등의 응용 환경에 적용될 수 있는 효과를 가진다.

도 1은 본 발명의 일 실시예로서, 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 장치를 나타낸 구성도.
도 2는 본 발명의 일 실시예로서, 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 장치를 나타낸 순서도.
도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 각 셀에서 하나의 엑세스 포인트(AP)와 N명의 사용자들을 가진 다중 셀 랜덤 접속 네트워크의 시스템 모델을 나타낸 도면.
도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 제안된 MA-ORA 프로토콜(Multi-cell aware opportunistic random access protocol)의 초기화 단계를 나타낸 도면.
도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 제안된 MA-ORA 프로토콜에서 K=2에 대한 SNR 대 총 처리량이 사용자 스케일링 조건에 따라 N 스케일로서 활용되는 것을 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 기존 SA-ORA 및 슬롯된 ALOHA 프로토콜이 기본 계획대로 사용되는 동안, 제안된 MA-ORA 프로토콜에서 SNR 대 총 처리량이 K={2,3,4] 및 N=100로 사용되는 것을 보여주는 도면.

본 발명과 본 발명의 동작상의 이점 및 본 발명의 실시에 의하여 달성되는 목적을 충분히 이해하기 위해서는 본 발명의 바람직한 실시예를 예시하는 첨부 도면 및 첨부 도면에 기재된 내용을 참조하여야만 한다. 본 발명의 특징 및 이점들은 첨부 도면에 의거한 다음의 상세한 설명으로 더욱 명백해질 것이다. 이에 앞서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명의 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야 할 것이다. 또한 본 발명과 관련된 공지 기능 및 그 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그 구체적인 설명을 생략하였음에 유의해야할 것이다.

본 발명에서는 준정적 다중-통로 페이드 프레젠스(Presence of quasi-static multi-path fading)에서 각 셀에서 하나의 엑세스 포인트와 N명의 사용자로 구성된 K-셀 랜덤 접속 네트워크를 고려한다. 그런 다음, 네트워크 모델에서 최적 처리량 스케일(Scale)을 거의 달성하는 분산된 다중-셀 인지 기회적 랜덤 접속(MA-ORA: Multi-cell aware opportunistic random access) 프로토콜을 제안한다. 먼저, 본 발명의 MA-ORA 프로토콜과 두 가지 유형의 기회적 전송 프로토콜 사이의 근본적인 차이점을 설명하면 다음과 같다.

랜덤 접속을 위해 설계된 본 발명의 MA-ORA 프로토콜에서, 각 기지국이 피드백 정보를 통해 사용자를 선택하는 셀룰러 다중 접속 환경(Cellular multiple access environments)의 기회 스케줄링과 달리, 셀 내 충돌과 인접 셀 간섭은 전적으로 분산된 방식에서 사용자의 기회적 전송에 의해 완화된다. SA-ORA 프로토콜은 단일 엑세스 포인트에 대한 다중사용자 다양성 이득(즉, 전력 이득)을 달성하는 것으로 나타났지만, 다중 셀 랜덤 접속으로의 확장은 인접 셀 간섭의 존재 때문에 간단하지 않다. 나아가, 다중사용자 다양성 이득 외에도, 이는 인접 셀 간섭을 적절하게 완화하는 것을 통해 멀티플렉싱(Multiplexing) 이득에서 K-폴드 증가를 어떻게 제공하는지를 제안한다.

본 발명의 다중 셀 랜덤 접속 네트워크에서, 다중 엑세스 포인트의 업링크 채널 이득이 시분할 이중 통신 방식(TDD: Time-division duplex) 모드에서 업링크(Uplink)/다운링크(Downlink) 상호 의존성를 활용함으로써 송신기에서 이용 가능하다는 것을 가정한다. 본 발명에서는 프로토콜을 설계하기 위해 송신기에서의 지역적 채널 상태 정보(CSIT: CST at the transmitter)를 사용한다. 초기화 단계에서, 두 개의 임계값과 물리적 계층(PHY: Physical layer) 데이터 속도는 오프라인으로 계산되고, 네트워크를 통해 시스템 파라미터로 브로드캐스트된다. 이후, 각 시간 슬롯에서, 셀의 각 사용자는 먼저 다운링크 채널을 통해 업링크 채널 이득을 추정한다. 그런 다음, 각 사용자는 (1) 서빙 엑세스 포인트의 채널 이득이 제 1 임계값보다 더 높은지, (2) 다른 엑세스 포인트들의 사용자에 의해 발생된 인접 셀 간섭이 제 2 임계값보다 낮은지를 결정한다. 상기 두 개의 조건((1), (2))을 모두 만족한다면, 사용자는 기회적으로 계산된 물리적 계층으로 전송한다. 이는 총 처리량이 임의의 작은 상수

>0 및 0<

<1에 대해

보다 더 빠른 스케일 N을 제공하는 높은 신호대잡음비(SNR: Signal-to-noise ratio) 레짐(Regime)에서의

와 같은 제안된 MA-ORA 프로토콜 스케일에 의해 달성된다는 것으로 나타난다. 이를 통해 엑세스 포인트들의 특정한 집중화된 스케줄링없이도 제안된 프로토콜은 거의 완전한 멀티플렉싱(Multiplexing) 및 다중사용자 다양성 이득을 달성할 수 있다는 것을 보여준다. 본 발명에서는 유효한 분석적인 결과를 위해 컴퓨터 시뮬레이션을 통해 수치적인 평가를 수행했다. 나아가, 다중 셀 랜덤 접속의 실제적인 셋팅(즉, 유효한 SNR 및 N 레짐(Rerime)에서) 하에, 제안된 MA-ORA 프로토콜은 처리량 측면에서 기존의 SA-ORA보다 우수하다는 것이 입증되었다.

이를 위해 본 발명에서는 일 실시예로서, 도 1과 같이 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 장치를 나타낸 구성도를 나타내었다.

도 1에서 도시하고 있는 것과 같이, 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 장치는 적어도 하나 이상의 엑세스 포인트(AP)로부터 초기화를 위한 피드백 메시지를 수신하는 수신모듈(100), 상기 수신된 피드백 메시지를 기초로 사용자와 상기 엑세스 포인트 간의 채널 상태 정보를 검출하는 채널 상태 정보 검출부(200), 상기 검출된 채널 상태 정보로부터 성능 메트릭을 산출하는 성능 메트릭 산출부(300), 상기 산출된 성능 메트릭을 기초로 패킷 전송 여부를 결정하는 전송 여부 결정부(400)를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이를 위해 본 발명에서는 일 실시예로서, 도 2와 같이 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 방법을 나타낸 순서도를 나타내었다.

도 2에서 도시하고 있는 것과 같이, 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 방법은 (a) 수신모듈이 적어도 하나 이상의 엑세스 포인트(AP)로부터 초기화를 위한 피드백 메시지를 수신하는 단계, (b) 채널 상태 정보 검출부가 상기 수신된 피드백 메시지를 기초로 상기 엑세스 포인트별로의 채널 이득을 추정하여, 성능 메트릭을 산출하는 단계, (c) 전송 여부 결정부가 상기 산출된 성능 메트릭을 기초로 패킷 전송 여부를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같이 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 장치 및 방법을 보다 구체적으로 설명하자면 다음과 같다.

도 3은 본 발명의 일 실시예로서, 각 셀에서 하나의 엑세스 포인트(AP)와 N명의 사용자들을 가진 다중 셀 랜덤 접속 네트워크의 시스템 모델을 나타낸 도면이다.

도 3에서 도시하고 있는 것과 같이, 본 발명은 각 셀에서 N명의 사용자가 제공하는 동일한 주파수 대역을 사용하여

인 복수의 엑세스 포인트로 구성된 다중 셀 랜덤 접속 네트워크를 고려한다. 그리고 소속된 사용자로부터 수신된 패킷들을 개별적으로 디코딩하려고 시도하는 각 엑세스 포인트를 디코딩하는 복수의 엑세스 포인트 간 협력이 없다고 가정한다. 모든 사용자와 엑세스 포인트는 단일 안테나가 장착되어있다. 슬롯형 ALOHA 타입 프로토콜을 채택하고 있으며, 사용자와 제공 중인 엑세스 포인트 사이 완전한 슬롯 레벨 동기화뿐만 아니라 복수의 엑세스 포인트 사이 완전한 슬롯 레벨을 가정한다. 송신하는 패킷의 빈 대기 행렬을 가진 각 사용자와 같은 완전히 로드된 트래픽을 가정한다. 핸드-오브-라인(Hand-Of-Line) 패킷은 각 사용자에게 재전송 횟수와 상관없이 확률 p로 임의로 전송된다. 이 때 상기 각 패킷은 모든 재전송 상태에 대해 동일하도록 가정된다. 수정된 SINR(Signal-to-interference-plus-noise ratio) 캡쳐 모델을 채택하며, 만약 원하는 패킷의 수신된 SINR이 주어진 디코딩 임계값을 초과한다면 각 엑세스 포인트는 인접 셀 간섭(다른 셀 사용자들로부터 동시에 전송된 신호)을 노이즈로 처리하여 수신된 패킷을 디코딩할 수 있다. 동일한 셀에서 동시에 송신하는 두 명 이상의 사용자와 같은 동일한 셀 내 전송은 충돌을 일으키므로, 수신기(엑세스 포인트)가 패킷을 디코딩하지 못한다. 본 발명에서는 다중사용자 검출 기법 사용이 랜덤 접근 시스템 모델 하에서 자유도를 근본적으로 증가시킬 수 없기 때문에, 정교한 다중사용자 검출이 아니라 각 엑세스 포인트에서 단일 사용자 검출의 사용을 가정한다.

는

및

에 대한 j번째 셀의 i번째 사용자에서 k번째 엑세스 포인트까지 채널 계수를 나타내고, 여기서

는 대규모 집적 회로 구성 요소(Large-scale pathloss component)이고, 독립적이고 동일하게 분산된(i.i.d.: independent and identically distributed) 복합 가우시안 랜덤 변수로 모델링된

는 소규모 페이딩 구성 요소(Small-scale fading component)이다. 사용자 수가 충분히 큰 네트워크에서, 이는 단순히

로 가정된다. 사용자가 업링크 채널 이득(Uplink channel gain)을 복수 엑세스 포인트로 획득할 수 있는 로컬 CSIT를 가정한다. 예를 들어,

로 나타내는 j번째 셀의 i번째 사용자에서 k번째 엑세스 포인트까지 채널 이득은 i번째 사용자에서 사용가능하다. 준정적 페이딩 모델(Quasi-static fading model)을 고려하며, 여기서 채널 계수는 한 번의 시간 슬롯동안 일정하고 다음 시간 슬롯에서 독립적으로 변경된다. CSIT는 TDD 시스템에서 업링크(Uplink)/다운링크(Downlink) 상호 의존성을 이용하고, 라디오 주파수 체인(Radio frequency chain)에서의 보정 장점에 의해 구할 수 있다. 다중 셀 다중 안테나 시스템에 대해서도 실질적인 CSIT 획득 방법이 도입되어왔다. 하나의 엑세스 포인트 구축을 가진 SA-ORA에 관한 이전의 중요한 문헌에서, 로컬 CSIT와 해당 분산 정보는 사용가능한 것으로 가정된다. 현재 획득 과정은 멀티채널 SA-ORA에 대해 더 자세하게 설명되었다. 다중 엑세스 포인트들을 구현하는 모델에 대한 채널 이득 획득 과정(즉 다중 셀 랜덤 접근 모델)은 다음과 같이 설명된다. 슬롯된 ALOHA 프로토콜 하에, 각 엑세스 포인트은 다운링크 채널을 이용하여 각 시간 슬롯 이후 수신 상태의 소속 사용자에게 통지하기 위한 피드백을 브로드캐스트한다.(0, 1, e) 여기서 0은 패킷이 수신되지 않았다는 의미(유휴상태: idle)이고, 1은 하나의 패킷이 수신되었다는 의미(성공적인 수신)이고, e는 두 개 이상의 패킷이 동시에 전송되었다는 것(충돌: collision)을 나타낸다. 다중 셀 시나리오에서, 각 엑세스 포인트는 엑세스 포인트들 간 약간의 조정이 필요한 직교 미니 시간 슬롯에서 피드백 메시지를 브로드캐스트한다. TDD 모드에서 채널 상호 의존성을 이용하여, 각 사용자는 수신된 피드백 메시지를 통해 채널 이득을 다중 엑세스 포인트들로 추정할 수 있다. 즉 각 사용자가 다중 셀 인식 채널 이득 추정을 수행할 수 있다. 프로토콜에서 CSI의 진폭 정보만 필요(단, 위상 정보는 아님)하기 때문에, 이 피드백 단계의 길이는 양자화를 사용함으로써 크게 단축될 수 있다.

k번째 엑세스 포인트에서 수신된 신호

는 다음 수학식 1과 같다.

(desired signal: 원하는 신호, inter-cell interference: 인접 셀 간섭)

여기서

는 k번째 셀의

번째 사용자로부터 전송된 신호이고, 이항 랜덤 정수(Binomial random integer)

는 k번째 셀에서 전송 사용자 수이다. 수신된 신호는 평균이 0이고 분산

을 가진 i.i.d. 복합적 첨가제 백색 가우시안 노이즈(i.i.d. complex additive white Gaussian noise)

에 의해 손상되었다. 각 전송에 대해 평균 전송 전력 제한

이 있다.

도 4에서 도시하고 있는 것과 같이, 본 발명은 초기화 단계에서 엑세스 포인트가 다중 셀 랜덤 접속 네트워크에서 기회적인 전송에 대한 PHY 데이터 전송 속도(data rate) R뿐만 아니라 두 개의 임계값

및

를 브로드캐스트한다.(도 4는 본 발명의 일 실시예로서, 제안된 MA-ORA 프로토콜에서 K=2에 대한 SNR 대 총 처리량이 사용자 스케일링 조건에 따라 N 스케일로서 활용되는 것을 보여주는 도면이다.) 데이터 통신 단계 중, MAC(Maximum medium access control layer) 처리량이 하나의 엑세스 포인트를 구현하는 기존의 슬롯된 ALOHA 프로토콜에서 최대 N의 전송 확률

에서 달성된 것으로 조사되었다. 유사하게도, MA-ORA 프로토콜에서 전송 확률 p는 셀 내 과도한 충돌 또는 유휴 상태의 슬롯을 피하기 위해

으로 설정되어있으며, 이를 통해

및

사이 관계를 파악할 수 있다.

각 시간 슬롯에서, 각 사용자는 먼저 엑세스 포인트들로부터 전송된 피드백 메시지를 사용하여 업링크 채널 이득을 추정한다. 그런 다음,

및

에 대한 j번째 셀의 i번째 사용자는 채널 이득을 주어진 두 임계값과 비교하여 다음 수학식2, 수학식3과 같은 두 불평등이 충족되는지 여부를 조사한다.

여기서 상기 수학식2는 원하는 큰 신호 전력으로 이어지는 엑세스 포인트를 제공하는 "양호한" 채널 조건을 나타내며, 수학식3은 사용자가 생성한 인접 셀 간섭이 다른 엑세스 포인트들에 대한 "약한" 채널 조건으로 인해 양호하게 제한된다는 것을 의미한다. 각 셀에서, 상기 수학식2 및 수학식3을 모두 만족하는 사용자들은 다른 사용자들이 이 시간 슬롯에서 유휴 상태를 유지하는 동안 PHY 데이터 전송 속도 R로 전송한다. 그런 다음 각 엑세스 포인트는 모든 간섭을 노이즈로 처리하여 원하는 패킷을 수신하고 디코딩한다. 이러한 기회적인 전송의 장점의 경우, N이 충분히 클 때, 다른 셀의 복수 사용자들로부터 동시에 전송되는 패킷은 높은 확률로 성공적으로 디코딩된다.

MA-ORA 프로토콜은 일반적인 K값에 대해 작동한다. 특별한 경우인 K=1인 경우, 각 사용자들은 수학식2 조건이 만족하는지 여부를 확인한다. 즉 기존 SA-ORA 프로토콜에 해당한다.

두 개의 임계값의 선택은 다음과 같다.

각 사용자가 채널에 접속할 확률은 다음 수학식4와 같다.

여기서 두번째 등식은 서로 다른 엑세스 포인트에 대한 채널 이득이 서로 독립되어있기 때문에 유지된다. p를

로 설정하면, 다음 수학식5와 같다.

상기 수학식5는 다음 수학식6과 동등하다.

여기서

및

는 각각

및

의 누적 분포 함수(Cumulative distribution function)을 나타낸다. 그런 다음,

와

사이 관계는 다음 수학식7과 같이 주어진다.

MA-ORA 프로토콜에서,

는 거의 완전한 멀티플렉싱(Multiplexing)을 달성하기 위해

로 설정되고,

와 같은 다중사용자 다양성 이득이 증가한다. 여기서

는 SNR(Signal-to-noise ratio) 평균을 나타낸다. 결론적으로, 두 개의 임계값은 다음 수학식8에 의해 주어진다.

전송 확률 p은 각 셀에서 MAC 처리량을 최대화하는 것에 관하여

로 설정된다. 따라서 이는

와는 독립적이다.

PHY 데이터 전송 속도의 선택은 다음과 같다.

수신기에서, 엑세스 포인트는 소속 사용자로부터 단 하나의 패킷만을 수신할지라도, 이 패킷은 여전히 노이즈와 인접 셀에 의해 손상된다. 따라서, 이 패킷의 수신된 SINR가

에 의해 주어진 일정한 디코딩 임계값을 초과하도록 요구된다. 성공적인 디코딩 확률

는 다음 수학식9로 주어진다.

여기서 이항 랜덤 변수(Binomial random variable)

는 k번째 셀에서 사용자를 동시에 전송하는 수이며,

는 각 셀의 사용자를 전송하는 지수를 나타낸다. 상기 수학식9에서의 성공적인 디코딩 확률을 사용하여, j번째 엑세스 포인트에서의 처리량은 다음 수학식10에 의해 주어진다.

여기서

는 MAC 처리량이며, R은 목표 PHY 데이터 전송 속도이다.

라는 사실로부터, K-셀 랜덤 접속 네트워크의 총 처리량은 다음 수학식11에 의해 주어진다.

여기서

은 다른 셀들의 간섭 신호의 총 수를 나타내는 이항 랜덤 변수(Binomial random variable)이며,

에 의해 주어진다. 여기서, 부등식은 상기 수학식2, 수학식3 및 수학식9로부터 도출된다.

아래 수학식12와 같이 성공적인 디코딩 확률

에 대한 낮은 결함에 초점을 맞춘다.

정수

를 고려한다. 만약 R이

과 같은 값으로 설정된다면,

은 각각

및

에 대해 1 및 0를 제공한다. 이에 기초하여, 실현 가능한 전체

의 범위는

와 같은 (K-1)N+1 서브-영역(Sub-term)으로 구분할 수 있다.

에 관하여,

을 가지며, 이는 무시된다. 상기 수학식12에서

은 R의 대수기하학(Indicator function)이라는 점을 이용해서, 각 서브-영역(Sub-term)

에서

가 있다는 조건 하에 최대값을 R로 설정했고, 이는 다음 수학식13에 의해 주어진다.

여기서

은 다른 셀로부터의 간섭 신호 갯수의 추정치로서,

이다. 각 전송된 패킷에 대해 낮은 R(상위

에 해당)의 비용으로

을 개선시킬 수 있다. 이러한 R 및

간 내재적 절충에 기초하여, 총 처리량을 극대화하기 위해서는 R의 적절한 값(또는

)을 결정할 필요가 있다.

상기 총 처리량을 극대화를 위해서는 다음과 같다.

K-셀 랜덤 접속 네트워크에서 MA-ORA 프로토콜을 고려한다.

라고 가정한다. 그런 다음, MA-ORA 프로토콜은 다음 수학식15 경우, SNR 레짐(Regime)에서 높은 확률을 가지는 다음 수학식14의 총 처리량을 달성한다.

여기서

은 임의의 작은 상수이고, 0<

<1은 일정한 상수이다.

여기서, 프리-로그 영역(Pre-log term)

은 큰 N에 대한 슬롯된 ALOHA 프로토콜에 의해 얻은 최대 MAC 처리량에서 비롯된다. 1-

은 성공적인 디코딩 확률에 상응하며,

은 어떤 조정없이 랜덤 접속의 페널티(Penalty)로 해석될 수 있다. 임의의 작은

>0을 가진 MA-ORA 프로토콜은 K-셀 랜덤 접속 네트워크에서 다중사용자 다양성 이득뿐만 아니라 거의 완전한 K-폴드(K-fold) 멀티플렉싱(Multiplexing) 이득을 달성할 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예로서, 제안된 MA-ORA 프로토콜에서 K=2에 대한 SNR 대 총 처리량이 사용자 스케일링 조건에 따라 N 스케일로 활용되는 것을 보여주는 도면이다.

이를 위해 Monte-Carlo 시뮬레이션을 통해 수치적인 평가를 수행한다. 제안된 MA-ORA 프로토콜의 총 처리량[bps/Hz]를 집계하여 본 발명의 결과를 검증한다.

=0.01 및

=0.1로 설정한다고 가정한다. 그런 다음,

및

는 상기 수학식8에 따라 결정되고, R은 상기 수학식13으로부터 계산될 수 있다.

도 5에서 도시하고 있는 것과 같이, 본 발명은 K=2에 대해 dB 단위로 MA-ORA 프로토콜 대 SNR에 의해 달성된 총 처리량을 평가한다. 파라미터 N은

에 따라 상이한 확장 값으로 설정한다.(즉, 상기 수학식15에서

이다.) 시뮬레이션된 곡선의 기울기가 높은 SNR 레짐(Regime)에서 이론적인 것과 일치한다는 것을 알 수 있다. 이 결과들은 본 발명의 달성가능함(Achievability)을 보장하는 데에 충분하다.(즉, 주어진 사용자 스케일링 법에 따른 처리량 확대)

MA-ORA 프로토콜의 유효성을 더욱 확인하기 위해, 총 처리량의 성능은 한정된 SNR(또는 N) 레짐(Regime)에서 평가된다. 이를 위해 총 처리량

결과를 극대화하는 측면에서 계수적으로 최적의 파라미터

및

을 수치적으로 파악하여 상기 MA-ORA 프로토콜을 약간 수정하였다. 이는 다음 수학식16에 의해 주어진다.

철저한 검색을 통해 발견된 (

,

)의 최적의 값은 다양한 K, N 및 SNR에 따라 표 1에 요약되어있다.

도 6은 본 발명의 일 실시예로서, 기존 SA-ORA 및 슬롯된 ALOHA 프로토콜이 기본 계획대로 사용되는 동안, 제안된 MA-ORA 프로토콜에서 SNR 대 총 처리량이 K={2,3,4} 및 N=100로 사용되는 것을 보여주는 도면이다.

도 6에 도시된 바와 같이, dB 스케일에서 SNR 대 제안된 MA-ORA 프로토콜의 총 처리량은 K={2,3,4} 및 N=100에 대해 그려진다. 기본 계획대로, SA-ORA 및 슬롯된 ALOHA 프로토콜의 성능은 도 6에 나와있다. SA-ORA 프로토콜 하에, 각 사용자는 업링크 채널 이득이

을 초과한다면,

의 PHY 데이터 속도로 기회적으로 전송한다. 이 프로토콜은 K=1을 가진 본 발명의 MA-ORA의 특별한 경우로서 처리될 수 있다. 슬롯된 ALOHA 프로토콜의 경우, PHY 계층의 세부사항 및 페이딩의 영향이 프로토콜 설계 단계에서 방치되기 때문에, 본 발명에서는 공정하게 비교하여

의 PHY 데이터 속도를 채택한다.

도 6에 도시된 바와 같이, MA-ORA 프로토콜은 낮고 온전한 SNR 레짐(Resime)에서 슬롯된 ALOHA 및 SA-ORA 프로토콜보다 우수하며, 그런 다음 높은 SNR 레짐(Resime)에서 특정한 값으로 포화 상태에 이른다. 이러한 처리량 포화도는 한정된 N에 의해 멀티플렉싱(Multiplexing) 및 다중사용자 다양성 이득이 완전히 달성되지 않는다는 사실에서 비롯된다. (이는 사용자 스케일링 조건에서 필요한 것보다 적다.) K가 클 ?, MA-ORA 프로토콜은 낮은 SNR 레짐(Resime)에서 우수한 총 처리량을 달성하지만, 사용자 스케일링 조건으로 인해 더욱 엄격해졌기 때문에 더 쉽게 포화 상태에 이른다.(N을 주어진

에 대한 K로 기하급수적으로 증가시킬 필요가 있는 점에 유의한다.) K=2에 대한 곡선은 낮은 SNR 레짐(Resime)에서 K={3, 4}에 대한 다른 곡선보다 낮은 성능을 달성하지만, 이는 SNR으로 꾸준히 증가하는 경향이 있고, 상대적으로 높은 SNR 지점에서 포화 상태에 이르게 된다. 이는 SNR 대 MA-ORA 및 SA-ORA 프로토콜의 총 처리량이 누적될 때 상기 2개의 곡선이 만나는 교차점을 조사할 가치가 있다. SNR 교차점과 총 처리량

(즉,

, SNR)은 다양한 K 및 N에 따라 표 2에 요약되어있다.

분산된 방식으로 운용되는 MA-ORA 프로토콜은 K-셀 랜덤 접속 네트워크에 대해 제안되었으며, 여기서 서빙 엑세스 포인트들로부터의 집중화된 조정은 요구되지 않는다. 주요 결과로서, MA-ORA 프로토콜은 작은 상수

>0 및 0<

<1에 대해

보다 더 빠른 스케일 N을 제공하는

의 총 처리량 스케일링을 점근적으로 달성한다. 따라서 거의 완전한 멀티플렉싱(Multiplexing) 및 다중사용자 다양성 이득이 다중 셀 랜덤 접속 네트워크에서 획득된다는 것이 밝혀졌다. 또한 MA-0RA 프로토콜 및 이의 분석적인 결과를 입증하기 위해 광범위한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였고, 여기서 처리량 스케일링 및 사용자 스케일링은 수치적으로 확인되었고, 기준 계획에 대한 본 발명의 프로토콜의 우월성은 실질적인 설정에서 나타났다.

이상에서 본 발명의 기술적 사상을 예시하기 위한 바람직한 실시예와 관련하여 설명하고 도시하였지만, 본 발명은 이와 같이 도시되고 설명된 그대로의 구성 및 작용에만 국한되는 것이 아니며, 기술적 사상의 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대해 다수의 변경 및 수정이 가능함을 당업자들은 잘 이해할 수 있을 것이다. 따라서 그러한 모든 적절한 변경 및 수정들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야할 것이다.

100 : 수신모듈 200 : 채널 상태 정보 검출부
300 : 성능 메트릭 산출부 400 : 전송 여부 결정부

Claims

적어도 하나 이상의 엑세스 포인트(AP)로부터 초기화를 위한 피드백 메시지를 수신하는 수신모듈;
상기 수신된 피드백 메시지를 기초로 사용자와 상기 엑세스 포인트 간의 채널 상태 정보를 검출하는 채널 상태 정보 검출부;
상기 검출된 채널 상태 정보로부터 성능 메트릭을 산출하는 성능 메트릭 산출부; 및
상기 산출된 성능 메트릭을 기초로 패킷 전송 여부를 결정하는 전송 여부 결정부;를 포함하며,
상기 성능 메트릭은 상기 엑세스 포인트에서의 수신 신호의 크기와, 다른 셀로 영향을 미치는 모든 간섭 신호의 합을 포함하며,
상기 엑세스 포인트에서의 수신 신호의 크기는 다음 수식 1로 표현되며, 상기 다른 셀로 영향을 미치는 모든 간섭 신호의 합은 다음 수식 2로 표현되는 것을 특징으로 하는 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 장치.
<수식 1>

(
은 해당 엑세스 포인트에서의 수신 신호의 크기,
은 기 설정된 제 1 임계값)
<수식 2>

(
은 다른 셀로 영향을 미치는 모든 간섭 신호의 합,
은 기 설정된 제 2 임계값)
삭제
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 전송 여부 결정부는,
상기 <수식 1>과 <수식 2>를 모두 만족하는 경우 물리 계층(PHY) 데이터 속도로 패킷을 상기 엑세스 포인트로 송신하며,
상기 <수식 1>과 <수식 2> 중 적어도 하나를 만족하지 않는 경우 해당 시간 슬롯동안 유휴 상태(Idle)를 유지하는 것을 특징으로 하는 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 장치.
제 4 항에 있어서, 상기 물리 계층(PHY) 데이터 속도는,
다음 수식 3으로 표현되는 값인 것을 특징으로 하는 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 장치.
<수식 3>

(R은 물리 계층(PHY) 데이터 속도 또는 목표 PHY 데이터 전송 속도 값,
은 기 설정된 제 1 임계값,
은 기 설정된 제 2 임계값,
은 SNR(Signal-to-noise ratio) 평균 값의 역수,
)
제 1 항에 있어서, 상기 채널 상태 정보는,
상기 각 엑세스 포인트의 채널 이득을 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 장치.
(a) 수신모듈이 적어도 하나 이상의 엑세스 포인트(AP)로부터 초기화를 위한 피드백 메시지를 수신하는 단계;
(b) 채널 상태 정보 검출부가 상기 수신된 피드백 메시지를 기초로 상기 엑세스 포인트별로의 채널 이득을 추정하여, 성능 메트릭을 산출하는 단계;
(c) 전송 여부 결정부가 상기 산출된 성능 메트릭을 기초로 패킷 전송 여부를 결정하는 단계;를 포함하며,
상기 성능 메트릭은 상기 엑세스 포인트에서의 수신 신호의 크기와, 다른 셀로 영향을 미치는 모든 간섭 신호의 합을 포함하며,
상기 엑세스 포인트에서의 수신 신호의 크기는 다음 수식 1로 표현되며, 상기 다른 셀로 영향을 미치는 모든 간섭 신호의 합은 다음 수식 2로 표현되는 것을 특징으로 하는 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 방법.
<수식 1>

(
은 해당 엑세스 포인트에서의 수신 신호의 크기,
은 기 설정된 제 1 임계값)
<수식 2>

(
은 다른 셀로 영향을 미치는 모든 간섭 신호의 합,
은 기 설정된 제 2 임계값)
삭제
삭제
제 7 항에 있어서, 상기 (c)단계는,
상기 <수식 1>과 <수식 2>를 모두 만족하는 경우 물리 계층(PHY) 데이터 속도로 패킷을 상기 엑세스 포인트로 송신하는 단계; 및
상기 <수식 1>과 <수식 2> 중 적어도 하나를 만족하지 않는 경우 해당 시간 슬롯동안 유휴 상태(Idle)를 유지하는 단계;로 이루어진 것을 특징으로 하는 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 방법.
제 10 항에 있어서, 상기 물리 계층(PHY) 데이터 속도는,
다음 수식 3으로 표현되는 값인 것을 특징으로 하는 다중 랜덤 접속 환경에서의 기회적 랜덤 접속 방법.
<수식 3>

(R은 물리 계층(PHY) 데이터 속도 또는 목표 PHY 데이터 전송 속도 값,
은 기 설정된 제 1 임계값,
은 기 설정된 제 2 임계값,
은 SNR(Signal-to-noise ratio) 평균 값의 역수,
)