KR102073811B1 - 애드혹 네트워크에서 클러스터간 간섭회피를 위한 자원 할당 방법 - Google Patents

애드혹 네트워크에서 클러스터간 간섭회피를 위한 자원 할당 방법 Download PDF

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KR102073811B1
KR102073811B1 KR1020190101012A KR20190101012A KR102073811B1 KR 102073811 B1 KR102073811 B1 KR 102073811B1 KR 1020190101012 A KR1020190101012 A KR 1020190101012A KR 20190101012 A KR20190101012 A KR 20190101012A KR 102073811 B1 KR102073811 B1 KR 102073811B1
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김형준
고윤수
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Abstract

본 발명은, 애드혹 네트워크 내에 구성되는 복수의 클러스터의 운영을 위한 프로토콜로서 개별 클러스터가 고유 아이디 및 이에 매칭되는 고유 씨퀀스를 가지며 전체 클러스터가 공유하는 스페셜 프레임이 애드혹 네트워크 내에 구성되어 상기 스페셜 프레임에 대해 각 클러스터는 동기 획득을 위해 고유 씨퀀스를 전달하고 스페셜 프레임으로부터 고유 씨퀀스 신호를 수신하여 동기를 획득하는 단계; 수신되는 고유 씨퀀스 신호를 통해 동기를 획득한 클러스터들이 자원할당에 참여하며, 동기를 획득하지 못한 클러스터는 백오프를 통해 다음 스페셜 프레임에 참여 대기를 하는 단계; 및 동기 획득 이후 각 클러스터가 프로토콜에서 정해진 컨트롤 슬롯에서 자원할당 정보를 공유하며, 상기 자원할당에 참여하는 각 클러스터별로 클러스터의 채널 용량, 클러스터의 지연 시간 그리고 클러스터의 채널 용량과 지연 시간 중 어느 하나를 고려하여 자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 클러스터간 간섭회피를 위한 자원 할당 방법을 제공한다.

Description

애드혹 네트워크에서 클러스터간 간섭회피를 위한 자원 할당 방법{RESOURCE ALLOCATION METHOD FOR AVOIDING A CLUSTER INTERFERENCE IN AD-HOC NETWORK}
본 발명은 애드혹 네트워크에서 클러스터간 간섭회피를 위한 자원 할당 방법에 관한 것이다.
애드혹 네트워크(Ad-hoc network)는 고정된 유선망을 가지지 않고 이동호스트로만 이루어져 통신되는 망이다. 따라서 유선망을 구성하기 어렵거나 망을 구성한 후 단기간 사용되는 경우에 적합하며 애드혹 네트워크에서는 호스트의 이동에 제약이 없고 유선망과 기지국이 필요가 없으므로 빠른 망 구성과 저렴한 비용의 장점이 있어 특히 빠른 행동을 위해 각기 다른 여러 부대가 협력할 상황이 많은 군사 분야에서 그 효용성에 주목하고 있다.
애드혹 네트워크 상의 노드들은 기존 인프라의 지원 없이 보안 및 라우팅 기능을 수행해야 한다. 또한 중앙 관리를 담당하는 노드가 없으므로 각각의 기능을 네트워크 내의 노드에 분산시켜 수행하도록 한다. 또한 애드혹 네트워크는 네트워크의 위상이 빈번하게 변경됨에 따라 노드의 상태를 즉각 반영하는 다양한 형태의 네트워크를 구성할 수 있으며, 네트워크의 위상 변화에 관계없이 지속적으로 서비스를 제공할 수 있어야 한다. 또한 애드혹 네트워크 내의 노드들은 CPU와 메모리, 배터리와 같은 자원을 사용함에 있어서 제약을 받고 있으므로 불필요한 자원 낭비가 발생하지 않도록 효율적인 알고리즘과 메커니즘을 적용하여 최소한의 자원사용으로 최대한의 처리가 가능하도록 해야 한다.
최근 통신 기술의 발전에 따라 최전방에서 실질적으로 전투에 임하는 대규모급 이하의 중ㆍ소규모 전투부대에 전술통신장치를 도입하여 통신을 할 수 있어야만 진정한 의미의 실시간 통신이 가능한데, 전장이라는 특수한 환경을 고려할 때, 전방의 소규모 전투부대에는 MANET(Mobile Ad-Hoc Network) 기술을 도입하여 통신을 실시하는 것이 가장 효과적일 것이다(한국공개특허 제2012-0031569호 참조).
MANET은 노드들의 토폴로지(Topology)와 이동성의 변화가 심한 환경에서 별도의 라우팅 장비 없이 노드 간의 연동통신으로 통신체계를 구축하는 기술을 말하는데, 이 같은 MANET은 단일 클러스터 상에서 DSDV, AODV, OLSR, DSR 등의 다양한 라우팅 프로토콜이 연구되어 왔고 성능도 검증되어 왔다.
하지만, 다수의 클러스터가 구성되는 경우 클러스터간 상호간섭이나 서로 다른 클러스터간 동기를 획득하고 자원 정보를 공유하는 등의 기술에 대해서 연구된 사례가 많지 않아 이를 안정적으로 군 전술에 도입하기 위해 효과적인 해결책이 절실히 요구되고 있는 실정이다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 그 목적은 애드혹 네트워크에서 클러스터간 간섭회피를 위한 자원 할당 방법을 제공하는데 있다.
특히 본 발명에서는 MANET 상황에서 라우팅이 이미 구현되어 있다고 가정하고 각 클러스터간 간섭을 효과적으로 회피하는 방법을 제공하여 강인한 네트워크를 구축할 수 있도록 하는데 그 목적이 있다.
본 발명에 따르면, 애드혹 네트워크 내에 구성되는 복수의 클러스터의 운영을 위한 프로토콜로서 개별 클러스터가 고유 아이디 및 이에 매칭되는 고유 씨퀀스를 가지며 전체 클러스터가 공유하는 스페셜 프레임이 애드혹 네트워크 내에 구성되어 상기 스페셜 프레임에 대해 각 클러스터는 동기 획득을 위해 고유 씨퀀스를 전달하고 스페셜 프레임으로부터 고유 씨퀀스 신호를 수신하여 동기를 획득하는 단계; 수신되는 고유 씨퀀스 신호를 통해 동기를 획득한 클러스터들이 자원할당에 참여하며, 동기를 획득하지 못한 클러스터는 백오프를 통해 다음 스페셜 프레임에 참여 대기를 하는 단계; 및 동기 획득 이후 각 클러스터가 프로토콜에서 정해진 컨트롤 슬롯에서 자원할당 정보를 공유하며, 상기 자원할당에 참여하는 각 클러스터별로 클러스터의 채널 용량, 클러스터의 지연 시간 그리고 클러스터의 채널 용량과 지연 시간 중 어느 하나를 고려하여 자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 클러스터간 간섭회피를 위한 자원 할당 방법을 제공한다.
바람직하게는, 자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계는, 클러스터의 채널 용량을 고려하기 위해, 동기를 획득한 클러스터들에 대해 다음의 수학식 1에 따라 모든 채널 용량 CUE의 합(C(k))을 산정하는 단계; 및 다음의 수학식 2에 따라 클러스터의 총 채널 용량(sum of (C))에 대한 각 클러스터의 채널 용량(C)을 계산해 각각의 클러스터에 할당되는 자원의 개수(NC(l))를 도출하여 각 클러스터에 비율적으로 주파수 자원을 할당하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 1]
Figure 112019084692621-pat00001
[수학식 2]
Figure 112019084692621-pat00002
상기 수학식 1에서 k는 클러스터의 index이고, CUE는 UEi to UEj의 채널 용량이며, C(k)는 모든 CUE의 합을 나타낸다.
바람직하게는, 자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계는, 클러스터의 지연 시간을 고려하기 위해, 동기를 획득한 클러스터들에 대해 다음의 수학식 3에 따라 모든 지연 시간 DUE의 합(D(k))을 산정하는 단계; 및 다음의 수학식 4에 따라 클러스터의 총 지연 시간(sum of (D))에 대한 각 클러스터의 지연 시간(D)을 계산해 각각의 클러스터에 할당되는 자원의 개수(ND(l))를 도출하여 각 클러스터에 비율적으로 주파수 자원을 할당하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 3]
Figure 112019084692621-pat00003
[수학식 4]
Figure 112019084692621-pat00004
상기 수학식 3에서 k는 클러스터의 index이고, DUE는 UEi to UEj의 지연 시간이며, D(k)는 모든 DUE의 합을 나타낸다.
바람직하게는, 자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계는, 클러스터의 채널 용량과 지연 시간을 모두 고려하기 위해, 동기를 획득한 클러스터들에 대해 수학식 1과 수학식 3에 따라 모든 채널 용량 CUE의 합(C(k))과 모든 DUE의 합(D(k))을 산정한 후 그 합계(T(k))를 다음의 수학식 5를 통해 산정하는 단계; 및 각각의 클러스터에 할당되는 자원의 개수(NT(l))를 다음의 수학식 6에 따라 클러스터의 총 채널 용량 및 총 지연 시간에 대한 각 클러스터의 채널 용량 및 지연 시간을 산정하여 각 클러스터에 비율적으로 주파수 자원을 할당하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 한다.
[수학식 5]
Figure 112019084692621-pat00005
[수학식 6]
Figure 112019084692621-pat00006
상기 수학식 5에서 T(k)는 C(k)와 D(k)를
Figure 112019084692621-pat00007
에 따라 비율적으로 합산한다.
본 발명에 따르면, 애드혹 네트워크에서 클러스터간 간섭회피가 효과적으로 이루어지게 되는 효과가 있다.
본 발명을 통해 애드혹 네트워크를 구성하는 경우 각 클러스터간 간섭에 강인한 네트워크를 구축할 수 있으며, 간섭이 회피되는 경우 네트워크 내 간섭 확률을 감소시킴은 물론 향상된 신호대잡음간섭비(SINR)의 이득(gain)이 생기게 되고 그에 따라 데이터 처리량(throughput) 성능이 개선되며 장애(outage) 확률을 감소시킬 수 있는 효과를 거둘 수 있게 된다.
도 1은 단일 클러스터 구성의 애드혹 네트워크를 설명하기 위한 도면이다.
도 2는 애드혹 네트워크에서 단일 클러스터 구성의 자원할당 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 애드혹 네트워크에서 다중 클러스터 구성시 자원 충돌 현상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 애드혹 네트워크에서 다중 클러스터의 자원할당 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 애드혹 네트워크의 클러스터간 간섭회피를 위한 자원 할당 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 애드혹 네트워크에서 다중 클러스터 운용 상황을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 애드혹 네트워크의 클러스터간 간섭회피를 위한 공유자원 할당 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 8은 공유자원과 비공유자원을 구분한 자원할당 방식을 설명하기 위한 도면이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 애드혹 네트워크 내 동기 획득을 위한 스페셜 슬롯 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 애드혹 네트워크 내 자원 할당 제어정보를 위한 프레임 구조를 설명하기 위한 도면이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 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 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 단일 클러스터 구성의 애드혹 네트워크를 설명하기 위한 도면이고, 도 2는 애드혹 네트워크에서 단일 클러스터 구성의 자원할당 방법을 설명하기 위한 도면이다.
일반적으로 고려하는 애드혹 네트워크 방식은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 단일 클러스터로 구성된 방식이다.
그렇지만 도 1 및 도 2와 같이 단일 클러스터 구성 방식만 고려하는 경우, 서로 다른 클러스터들이 인접하여 애드혹 네트워크가 구성될 때 인접한 클러스터간 간섭이 발생하여 도 3과 같이 자원이 충돌이 발생하게 된다. 이 같은 다중 클러스터 구성 상황에서는 각 클러스터의 신호대잡음간섭비(SINR)가 낮아져서 장애(outage) 현상이 발생할 수 있다.
도 3은 애드혹 네트워크에서 다중 클러스터 구성시 자원 충돌 현상을 설명하기 위한 도면이다.
따라서 이러한 장애(outage) 현상의 발생을 방지하기 위하여 클러스터간 간섭을 회피할 수 있는 효율적인 자원할당 방법이 요구된다.
본 발명에서는 정적으로 자원을 나누어 할당하는 방식이 아니라 클러스터가 가지는 QoS(Quality of Service)를 고려하여 자원을 동적으로 나누는 방식으로, 종래의 정적인 방식에 비해 처리량(throughput)의 효율성을 기대할 수 있게 된다.
본 발명에서는 단일 애드혹 네트워크에서 도 4와 같이 다중 클러스터가 구성되는 경우 클러스터 상호간 간섭을 회피할 수 있는 자원할당 방법을 제시하게 된다.
도 4는 애드혹 네트워크에서 다중 클러스터의 자원할당 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명에서 제안하는 애드혹 네트워크 내 클러스터간 간섭 회피를 위해서는 다음과 같은 기능이 프로토콜에 포함되어야 한다. 다음 기능은 클러스트간 자원을 공유하기 위한 기본적인 프로토콜로 제시된다.
1. 서로 다른 클러스터(군의 경우 소대 또는 분대의 개별 단위)는 고유의 ID를 가지고 있고, 고유의 ID에 매칭되는 고유의 씨퀀스(sequence)를 가지고 있다.
2. 각 클러스터의 고유의 씨퀀스는 클러스터간 동기를 획득하기 위해 사용된다.
3. 동기를 획득하기 위해서 모든 클러스터가 공유하는 정해진 스페셜 프레임(special frame)이 존재한다.
4. 스페셜 프레임에서 각 클러스터간 동기를 획득하기 위해 고유의 씨퀀스를 전달하고 서로 다른 클러스터는 고유의 씨퀀스 신호를 수신하여 동기를 획득한다. (여기서 동기획득 물리계층 구현 방안은 수신단 알고리즘 구현 방식에 의존하고 본 발명에서는 구체적인 설명을 생략한다.)
5. 동기획득 방식은 랜덤 액세스(random access) 접근 방식으로, 동기를 먼저 획득하는 쪽이 간섭회피를 위한 자원할당에 참여하게 되고, 동기를 획득하지 못한 클러스터는 백오프(backoff)를 통해 다음 스페셜 프레임에서 경쟁한다.
6. 동기 획득이후 프로토콜에서 정해진 컨트롤 슬롯(control slot)에서 자원할당 정보를 공유한다.
자원할당 방법은 다음과 같은 몇가지 동적인 방식을 고려한다. 각 클러스터 별로 얻어진 값을 통해 비율적으로 자원을 나누어 할당하게 된다.
즉 본 발명에 따른 애드혹 네트워크에서 클러스터간 간섭회피를 위한 자원 할당 방법은, 애드혹 네트워크 내에 구성되는 복수의 클러스터의 운영을 위한 프로토콜로서 개별 클러스터가 고유 아이디 및 이에 매칭되는 고유 씨퀀스를 가지며 전체 클러스터가 공유하는 스페셜 프레임이 애드혹 네트워크 내에 구성되어 상기 스페셜 프레임에 대해 각 클러스터는 동기 획득을 위해 고유 씨퀀스를 전달하고 스페셜 프레임으로부터 고유 씨퀀스 신호를 수신하여 동기를 획득하는 단계; 수신되는 고유 씨퀀스 신호를 통해 동기를 획득한 클러스터들이 자원할당에 참여하며, 동기를 획득하지 못한 클러스터는 백오프를 통해 다음 스페셜 프레임에 참여 대기를 하는 단계; 및 동기 획득 이후 각 클러스터가 프로토콜에서 정해진 컨트롤 슬롯에서 자원할당 정보를 공유하며, 상기 자원할당에 참여하는 각 클러스터별로 클러스터의 채널 용량, 클러스터의 지연 시간 그리고 클러스터의 채널 용량과 지연 시간 중 어느 하나를 고려하여 자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계; 를 포함하여 이루어지게 된다.
1) 클러스터의 채널 용량만 고려하는 경우의 자원할당 방법
클러스터의 채널 용량만을 고려 대상으로 할 경우 자원할당을 위해 먼저 아래 수학식 1을 통해 CUE의 합을 먼저 산정하게 된다.
Figure 112019084692621-pat00008
여기서 k는 클러스터의 인덱스(index)이고 CUE는 UEi to UEj의 채널 용량이다. C(k)는 모든 CUE의 합을 나타낸다.
각각의 클러스터에 할당되는 자원의 개수 NC(l)는 다음의 수학식 2와 같이 클러스트의 총 용량인 sum of (C)에 대한 자신의 C를 계산하여 비율적으로 주파수 자원을 할당하게 된다.
Figure 112019084692621-pat00009
즉 채널 용량을 고려해 자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계는, 클러스터의 채널 용량을 고려하기 위해, 동기를 획득한 클러스터들에 대해 수학식 1에 따라 모든 채널 용량 CUE의 합(C(k))을 산정하는 단계; 및 수학식 2에 따라 클러스터의 총 채널 용량(sum of (C))에 대한 각 클러스터의 채널 용량(C)을 계산해 각각의 클러스터에 할당되는 자원의 개수(NC(l))를 도출하여 각 클러스터에 비율적으로 주파수 자원을 할당하는 단계; 를 포함하게 될 것이다.
2) 클러스터의 지연만 고려하는 경우의 자원할당 방법
클러스터의 채널 용량만을 고려 대상으로 할 경우 자원할당을 위해 먼저 아래 수학식 2를 통해 DUE의 합을 먼저 산정하게 된다.
Figure 112019084692621-pat00010
여기서 k는 클러스터의 인덱스(index)이고 DUE는 UEi to UEj의 지연시간이다. D(k)는 모든 DUE의 합을 나타낸다.
각각의 클러스터에 할당되는 자원의 개수 ND(l)는 다음의 수학식 4와 같이 클러스트의 총 지연인 sum of (D)에 대한 자신의 D를 비율적으로 계산하여 주파수 자원을 할당하게 된다.
Figure 112019084692621-pat00011
즉 시간 지연을 고려해 자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계는, 클러스터의 지연 시간을 고려하기 위해, 동기를 획득한 클러스터들에 대해 수학식 3에 따라 모든 지연 시간 DUE의 합(D(k))을 산정하는 단계; 및 수학식 4에 따라 클러스터의 총 지연 시간(sum of (D))에 대한 각 클러스터의 지연 시간(D)을 계산해 각각의 클러스터에 할당되는 자원의 개수(ND(l))를 도출하여 각 클러스터에 비율적으로 주파수 자원을 할당하는 단계; 를 포함하게 될 것이다.
3) 클러스터의 용량 및 지연을 모두 고려하는 경우의 자원할당 방법
클러스터의 채널 용량과 지연을 모두 고려 대상으로 할 경우 자원할당을 위해 먼저 아래 수학식 5를 통해 C(k)와 D(k)를
Figure 112019084692621-pat00012
에 따라 비율적으로 고려하여 T(k)를 산정하게 된다.
Figure 112019084692621-pat00013
각각의 클러스터에 할당되는 자원의 개수 NT(l)는 다음 수학식 6과 같이 클러스트의 총 용량과 지연을 비율적으로 고려한 합의 결과와 자신의 클러스터의 T를 비율적으로 계산하여 주파수 자원을 할당하게 된다.
Figure 112019084692621-pat00014
여기에서 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 애드혹 네트워크의 클러스터간 간섭회피를 위한 자원 할당 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 5(3개 클러스터 경우)에 도시된 바와 같이 본 발명에서 제시하는 자원할당 기법에서는 각 클러스터는 자신의 cell ID 크기에 따라 톱-다운(top-down) 방식으로 자원을 할당하게 될 것이다.
즉 클러스터의 용량 및 지연을 모두 고려해 자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계는, 클러스터의 채널 용량과 지연 시간을 모두 고려하기 위해, 동기를 획득한 클러스터들에 대해 수학식 1과 수학식 3에 따라 모든 채널 용량 CUE의 합(C(k))과 모든 DUE의 합(D(k))을 산정한 후 그 합계(T(k))를 수학식 5를 통해 산정하는 단계; 및 각각의 클러스터에 할당되는 자원의 개수(NT(l))를 수학식 6에 따라 클러스터의 총 채널 용량 및 총 지연 시간에 대한 각 클러스터의 채널 용량 및 지연 시간을 산정하여 각 클러스터에 비율적으로 주파수 자원을 할당하는 단계; 를 포함하게 될 것이다.
4) 공유 자원과 비공유 자원을 구분하는 자원할당 방식
전술한 도 4의 실제 자원 충돌 상황을 균등형 안테나를 사용하는 것으로 표현하면 도 6과 같이 표현될 수 있다. 도 6은 애드혹 네트워크에서 다중 클러스터 운용 상황을 설명하기 위한 도면이다.
즉 동일한 클러스터내에서는 간섭이 없다고 하더라도 서로 다른 클러스터간 간섭을 크게 주게 되는 경우가 나타날 수 있다. 본 발명에서는 클러스터간 자원을 최대한 효율적으로 활용하기 위하여 클러스터간 자원을 공유할 수 있는 링크를 지정하는 방식을 제안한다. 각각의 링크는 다음의 수식식 7에서 계산된 스페셜 프레임(Special frame) 구간에서 측정된 신호대잡음간섭비(SINR)가 충분히 큰 경우 컨트롤 프레임(control frame)에서 지정된 자원 구간이 아닌 전체 자원에서 스케줄링을 자유롭게 하는 것을 제안한다.
Figure 112019084692621-pat00015
Figure 112019084692621-pat00016
Figure 112019084692621-pat00017
상기 수학식 8에서
Figure 112019084692621-pat00018
는 상수값이고, 수학식 8은
Figure 112019084692621-pat00019
가 임계값보다 큰 경우의 노드의 iD 값을 의미한다. 수학식 9의 I는 전체 자원구간에서 자유롭게 자원할당이 가능한 UE ID의 집합으로 정의한다.
수학식 7은 i 단말에서 j 단말로 신호대잡음간섭비(SINR)를 정의한 것이다. 이때 i 단말에서 k 단말로의 단말의 간섭은 배제된다. 왜냐하면 i 단말에서 j 단말로 보내는 신호이기 때문에 j 단말을 간섭으로 인식하면 안된다.
수학식 8은 index i'를 나타낸 것이고, 이것은 임계값
Figure 112019084692621-pat00020
보다 큰 단말의 인덱스(index)를 나타내게 된다. 따라서 임계값 보다 큰 경우에는 자원을 서로 공유하는 것이고 I의 여집합인 단말들은 정해진 구역내에서만 자원을 할당하게 될 것이다. 임계값 보다 큰 경우에는 자원을 서로 공유해도 다른 단말이 미치는 간섭의 영향이 신호를 주고 받는 시그널 전력보다 작기 때문에 충분히 수용가능하므로 서로 자원을 공유하는 것이 가능하다. 서로 자원을 공유하지 못하는 단말들은 I의 여집합이 되고, 이 단말들이 사용하고자 하는 자원의 양은 수학식 7, 8 및 9에 따라 또 다시 나누어지게 될 것이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 애드혹 네트워크의 클러스터간 간섭회피를 위한 공유자원 할당 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 7(3개 클러스터 경우)에 도시된 바와 같이 각 클러스터는 자신이 사용해야 하는 자원을 할당하고 서로 공유하지만 수학식(9)의 I에속하는 노드들은 할당된 자원 외에도 추가적으로 공유자원을 사용할 수 있게 될 것이다.
도 8은 상술한 공유자원과 비공유자원을 구분한 자원할당 방식을 설명하기 위한 도면이다.
즉 본 발명에 따른 애드혹 네트워크에서 클러스터간 간섭회피를 위한 공유자원 할당 방법은, 애드혹 네트워크 내에 구성되는 복수의 클러스터의 운영을 위한 프로토콜로서 개별 클러스터가 고유 아이디 및 이에 매칭되는 고유 씨퀀스를 가지며 전체 클러스터가 공유하는 스페셜 프레임이 애드혹 네트워크 내에 구성되어 상기 스페셜 프레임에 대해 각 클러스터는 동기 획득을 위해 고유 씨퀀스를 전달하고 스페셜 프레임으로부터 고유 씨퀀스 신호를 수신하여 동기를 획득하는 단계; 수신되는 고유 씨퀀스 신호를 통해 동기를 획득한 클러스터들이 자원할당에 참여하며, 동기를 획득하지 못한 클러스터는 백오프를 통해 다음 스페셜 프레임에 참여 대기를 하는 단계; 및 동기 획득 이후 각 클러스터가 프로토콜에서 정해진 컨트롤 슬롯에서 자원할당 정보를 공유하며, 상기 자원할당에 참여하는 각 클러스터간 간섭의 영향을 고려하여 공유 자원과 비공유 자원을 구분해 공유 자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계; 를 포함하게 될 것이다.
여기에서 공유 자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계는, 클러스터간 자원을 공유할 수 있는 링크를 클러스터별로 지정하는 단계; 상기 링크가 클러스터별로 수학식 7에 따라 신호대잡음간섭비(
Figure 112019084692621-pat00021
)를 산정하고, 산정된 신호대잡음간섭비(
Figure 112019084692621-pat00022
)를 수학식 8에 대입해 임계값(
Figure 112019084692621-pat00023
)과 비교함으로써 임계값(
Figure 112019084692621-pat00024
) 보다 큰 신호대잡음간섭비(
Figure 112019084692621-pat00025
)를 가지는 노드의 ID를 도출하는 단계; 상기 도출된 노드의 ID들을 이용해 전체 자원구간에서 자원할당이 가능한 UE ID의 집합(
Figure 112019084692621-pat00026
)을 수학식 9를 통해 정의하는 단계; 상기 집합(
Figure 112019084692621-pat00027
)에 속한 UE ID에 대해 할당된 자원블록(RB) 외에 클러스터의 공유 자원을 추가 사용할 수 있도록 할당하는 단계; 를 포함하게 될 것이다.
또한 클러스터의 공유 자원을 추가 사용할 수 있도록 할당하는 단계 이후에, 상기 집합(
Figure 112019084692621-pat00028
)에 속하지 않은 UE ID에 대해 상기 수학식 7 내지 9에 따라 전체 자원구간에서 자원할당이 가능한 UE ID의 집합(
Figure 112019084692621-pat00029
)을 재선정하여 할당된 자원블록(RB) 외에 클러스터의 공유 자원을 추가 사용할 수 있도록 할당하는 단계; 를 반복 진행할 수 있다.
(5) 동기 획득 프레임 구조
각 클러스터가 서로 동기가 맞지 않은 경우 상호 노드간 간섭을 회피하기 위한 정보를 공유하는 것이 불가능하기 때문에 본 발명에서는 각 클러스터간 동기 획득 방법에 대해 제안한다.
동기는 상호간 약속한 시간에 서로가 알고 있는 프리앰블(preamble) 신호를 전송하는 것을 고려한다. 여기서 프리앰블 신호는 PN sequence, Barker sequence, Zadoff-chu 등이 고려될 수 있다. 어느 신호를 선택하는지는 자유도로 남겨놓고 본 발명에서는 이 부분에 대한 구체적인 설명은 생략한다.
본 발명에서 고려하는 동기 획득을 위한 프레임을 도 9를 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 애드혹 네트워크 내 동기 획득을 위한 스페셜 슬롯 구조를 설명하기 위한 도면이다.
실질적으로 S0~S7의 전체 프레임 중 하나이면 되고 이것은 사전에 정의된 방식에 따르는 것을 고려한다. 본 발명에서는 각 클러스터의 ID 별로 서로 다른 F_width를 할당받고 정해진 대역내에서 프리앰블 신호를 전송하게 된다. 이와 같은 방식은 프리앰블 신호간 간섭을 최대한 줄일 수 있기 때문이다. 또한, 이 방식이 전파방해(Jamming) 신호 여부를 파악하기에도 유효하다. 여기에서 F_width는 다음의 수학식 10에 의해 산정된다.
Figure 112019084692621-pat00030
동기부 획득을 위한 자원을 최대한 효율적으로 활용하기 위하여 도 9와 같은 스페셜 슬롯 구조를 제안한다. 다른 클러스터와의 동기를 획득하기 위해서는 F_width에 대한 물리 계층(PHY 계층)에서 대역통과(bandpass) 필터링이 필요하다. F_width는 참여하는 클러스터의 개수에 따라서 사전에 클러스터간 약속하여 정하는 것을 제안한다.
(6) 제어 정보 프레임 구조
본 발명에서 제어 정보 프레임 구조를 도 10을 참조하여 설명하면 다음과 같다. 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 애드혹 네트워크 내 자원 할당 제어정보를 위한 프레임 구조를 설명하기 위한 도면이다.
자원할당 정보를 전달하기 위한 제어 정보는 클러스터 별로 할당된 F_width에 따라 전송하는 것을 고려한다. 한 개의 slot에 적은 데이터량의 자원할당 정보만을 전송하는 것은 자원 효율성 측면에서 불리한 점이 많기 때문이다. 또한 클러스터 별로 기 지정된 자원을 활용하게 되어 클러스터간 간섭에 유리하기도 하다.
이 같은 애드혹 네트워크 내 프레임 구조는 서로 다른 클러스터간 간섭을 주는 부분을 인지하도록 하며, 서로 자원할당 정보를 공유하기 위해서도 필수적이다.
일단 먼저 동기가 맞으려면 동일한 네트워크에 참여하는 단말들간의 상호간의 약속이 중요하다. 제안하는 방식은 전체클러스터 개수를 주파수 축에서 나누어 서로 할당하여 서로 간섭이 없게 만든다. 그리고 제어 정보도 동일하게 동기 신호가 위치하는 부분에서 전송하여 상호간 피해가 없게 만든다. 이때 평시에는 동기 신호를 전송하지 않고 일반적인 데이터를 보낼 수 있으며, 동기 신호는 데이터 신호와 겹쳐져서 전송이 되어도 동기 신호의 특성상 신호를 구분할 수 있게 될 것이다.
즉 본 발명에 따른 애드혹 네트워크 내 프레임 구조는, 애드혹 네트워크 내에 구성되는 복수의 클러스터의 운영을 위해 모든 참여 클러스터가 동기를 획득하기 위해 공유하는 동기 획득 프레임으로서, 전체 프레임이 적어도 둘 이상의 슬롯으로 구성되며, 슬롯들 중 하나를 스페셜 슬롯으로 하여 네트워크의 주파수 대역을 기준으로 전체 참여 클러스터의 개수로 나누어 각 클러스터에 전용 주파수 대역을 할당하고, 각 클러스터가 전용 주파수 대역에서 동기 획득을 위해 동기 신호를 전송하도록 이루어지게 된다.
여기에서 상기 동기 신호는 약속된 시간에 전송하는 프리앰블 신호이며, 상기 슬롯들 중 하나를 자원할당 정보를 전달하기 위한 컨트롤 슬롯으로 하고 컨트롤 슬롯에 상기 스페셜 슬롯과 동일하게 각 클러스터에 대한 전용 주파수 대역을 할당하여 각 대역을 통해 자원할당 정보가 클러스터로 전달되도록 이루어지게 된다.
이상과 같이 도면과 명세서에서 최적 실시 예가 개시되었다. 여기서 특정한 용어들이 사용되었으나, 이는 단지 본 발명을 설명하기 위한 목적에서 사용된 것이지 의미 한정이나 특허청구범위에 기재된 본 발명의 범위를 제한하기 위하여 사용된 것은 아니다. 그러므로 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 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이다.

Claims (4)

  1. 애드혹 네트워크 내에 구성되는 복수의 클러스터의 운영을 위한 프로토콜로서 개별 클러스터가 고유 아이디 및 이에 매칭되는 고유 씨퀀스를 가지며 전체 클러스터가 공유하는 스페셜 프레임이 애드혹 네트워크 내에 구성되어 상기 스페셜 프레임에 대해 각 클러스터는 동기 획득을 위해 고유 씨퀀스를 전달하고 스페셜 프레임으로부터 고유 씨퀀스 신호를 수신하여 동기를 획득하는 단계;
    수신되는 고유 씨퀀스 신호를 통해 동기를 획득한 클러스터들이 자원할당에 참여하며, 동기를 획득하지 못한 클러스터는 백오프를 통해 다음 스페셜 프레임에 참여 대기를 하는 단계; 및
    동기 획득 이후 각 클러스터가 프로토콜에서 정해진 컨트롤 슬롯에서 자원할당 정보를 공유하며, 상기 자원할당에 참여하는 각 클러스터별로 클러스터의 채널 용량, 클러스터의 지연 시간 그리고 클러스터의 채널 용량과 지연 시간 중 어느 하나를 고려하여 자원을 클러스터별로 나누어 할당하거나 상기 자원할당에 참여하는 각 클러스터간 간섭의 영향을 고려하여 공유 자원과 비공유 자원을 구분해 공유 자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계; 를 포함하며,
    공유 자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계는,
    클러스터간 자원을 공유할 수 있는 링크를 클러스터별로 지정하는 단계;
    상기 링크가 클러스터별로 다음의 수학식 1에 따라 신호대잡음간섭비(
    Figure 112019114382317-pat00048
    )를 산정하고, 산정된 신호대잡음간섭비(
    Figure 112019114382317-pat00049
    )를 다음의 수학식 2에 대입해 임계값(
    Figure 112019114382317-pat00050
    )과 비교함으로써 임계값(
    Figure 112019114382317-pat00051
    ) 보다 큰 신호대잡음간섭비(
    Figure 112019114382317-pat00052
    )를 가지는 노드의 ID를 도출하는 단계;
    상기 도출된 노드의 ID들을 이용해 전체 자원구간에서 자원할당이 가능한 UE ID의 집합(
    Figure 112019114382317-pat00053
    )을 다음의 수학식 3을 통해 정의하는 단계;
    상기 집합(
    Figure 112019114382317-pat00054
    )에 속한 UE ID에 대해 할당된 자원블록(RB) 외에 클러스터의 공유 자원을 추가 사용할 수 있도록 할당하는 단계; 를 포함하며,
    클러스터의 공유 자원을 추가 사용할 수 있도록 할당하는 단계 이후에,
    상기 집합(
    Figure 112019114382317-pat00055
    )에 속하지 않은 UE ID에 대해 상기 수학식 1 내지 3에 따라 전체 자원구간에서 자원할당이 가능한 UE ID의 집합(
    Figure 112019114382317-pat00056
    )을 재선정하여 할당된 자원블록(RB) 외에 클러스터의 공유 자원을 추가 사용할 수 있도록 할당하는 단계; 를 반복 진행하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 클러스터간 간섭회피를 위한 자원 할당 방법.
    [수학식 1]
    Figure 112019114382317-pat00057

    [수학식 2]
    Figure 112019114382317-pat00058

    [수학식 3]
    Figure 112019114382317-pat00059

    상기 수학식 2에서
    Figure 112019114382317-pat00060
    은 상수값을 나타낸다.
  2. 제 1항에 있어서,
    자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계는,
    클러스터의 채널 용량을 고려하기 위해, 동기를 획득한 클러스터들에 대해 다음의 수학식 4에 따라 모든 채널 용량 CUE의 합(C(k))을 산정하는 단계; 및
    다음의 수학식 5에 따라 클러스터의 총 채널 용량(sum of (C))에 대한 각 클러스터의 채널 용량(C)을 계산해 각각의 클러스터에 할당되는 자원의 개수(NC(l))를 도출하여 각 클러스터에 비율적으로 주파수 자원을 할당하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 클러스터간 간섭회피를 위한 자원 할당 방법.
    [수학식 4]
    Figure 112019114382317-pat00061

    [수학식 5]
    Figure 112019114382317-pat00062

    상기 수학식 4에서 k는 클러스터의 index이고, CUE는 UEi to UEj의 채널 용량이며, C(k)는 모든 CUE의 합을 나타낸다.
  3. 제 1항에 있어서,
    자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계는,
    클러스터의 지연 시간을 고려하기 위해, 동기를 획득한 클러스터들에 대해 다음의 수학식 6에 따라 모든 지연 시간 DUE의 합(D(k))을 산정하는 단계; 및
    다음의 수학식 7에 따라 클러스터의 총 지연 시간(sum of (D))에 대한 각 클러스터의 지연 시간(D)을 계산해 각각의 클러스터에 할당되는 자원의 개수(ND(l))를 도출하여 각 클러스터에 비율적으로 주파수 자원을 할당하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 클러스터간 간섭회피를 위한 자원 할당 방법.
    [수학식 6]
    Figure 112019114382317-pat00063

    [수학식 7]
    Figure 112019114382317-pat00064

    상기 수학식 6에서 k는 클러스터의 index이고, DUE는 UEi to UEj의 지연 시간이며, D(k)는 모든 DUE의 합을 나타낸다.
  4. 제 2항 또는 제 3항에 있어서,
    자원을 클러스터별로 나누어 할당하는 단계는,
    클러스터의 채널 용량과 지연 시간을 모두 고려하기 위해, 동기를 획득한 클러스터들에 대해 수학식 4와 수학식 6에 따라 모든 채널 용량 CUE의 합(C(k))과 모든 DUE의 합(D(k))을 산정한 후 그 합계(T(k))를 다음의 수학식 8를 통해 산정하는 단계; 및
    각각의 클러스터에 할당되는 자원의 개수(NT(l))를 다음의 수학식 9에 따라 클러스터의 총 채널 용량 및 총 지연 시간에 대한 각 클러스터의 채널 용량 및 지연 시간을 산정하여 각 클러스터에 비율적으로 주파수 자원을 할당하는 단계; 를 포함하는 것을 특징으로 하는 애드혹 네트워크에서 클러스터간 간섭회피를 위한 자원 할당 방법.
    [수학식 8]
    Figure 112019114382317-pat00065

    [수학식 9]
    Figure 112019114382317-pat00066

    상기 수학식 8에서 T(k)는 C(k)와 D(k)를
    Figure 112019114382317-pat00067
    에 따라 비율적으로 합산한다.
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