KR102195148B1 - 희소 벡터 코딩을 이용한 패킷 송수신 방법 및 장치 - Google Patents

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Abstract

무선통신 시스템에서 송신 장치의 희소 벡터 코딩을 이용한 패킷 전송 방법은, 전송하고자 하는 제어 정보를 매핑(mapping)할 블록-레벨 서포트(block-level support)를 선택하는 단계, 전송하고자 하는 하향링크 데이터를 매핑할 코드-레벨 서포트(code-level support)를 선택하는 단계, 상기 블록-레벨 서포트에 대응하는 블록 내에서 상기 코드-레벨 서포트에 대응하는 위치에 0이 아닌 요소를 매핑하여 상기 제어 정보 및 하향링크 데이터를 인코딩하는 단계, 및 파일럿 심볼 없이 상기 인코딩된 신호를 시간 도메인 샘플 신호로 변환하여 수신 장치로 전송하는 단계를 포함하고, 상기 인코딩된 신호는 블록 희소 벡터(block sparse vector)이다.

Description

희소 벡터 코딩을 이용한 패킷 송수신 방법 및 장치{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSMITTING AND RECEIVING PACKET USING SPARSE VECTOR CODING}
본 발명은 희소 벡터 코딩을 이용한 패킷 송수신 방법 및 장치에 관한 것으로, 구체적으로 초저지연(ultra-low latency) 하향링크(downlink) 전송을 위해 파일럿 심볼(pilot symbol) 없이 단발성 패킷을 송수신하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
이동통신 분야에서, 기존의 4G LTE(long term evolution) 시스템은 긴 패킷 전송(long packet transmission)을 위해 사각형 패킷 구조(squared-shape packet structure)를 가진다. 하지만, 초고신뢰 저지연 통신(ultra reliable low latency communications, URLLC) 상황에서 사각형 패킷 구조는 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)에서 다중 심볼에 해당하는 시간 자원을 사용하기 때문에 저지연 요구조건을 만족시키기 어렵다.
이를 해결하기 위하여, 주파수 스트레치 패킷(frequency-stretched packet)을 사용하는 것이 일반적이다. 즉, 데이터 전송 시 OFDM 그리드(grid)에서 시간 자원을 최소화하고 주파수 자원을 최대한 활용하는 것이다.
일반적으로, 데이터 채널(data channel)을 디코딩하기 위해서는 제어 채널 디코딩(control channel decoding)과 채널 추정(channel estimation)이 선행되어야 한다. 제어 채널의 경우 데이터 채널 디코딩에 필요한 제어 정보(예를 들어, 변조 차수(modulation order), 전송 대역(transmission band), 정보의 유형(type of information))를 포함하며, 채널 추정의 경우 파일럿 심볼을 통한 MMSE(minimum mean square error) 추정을 사용하는 것이 일반적이다. 즉, 실질적으로 데이터 채널의 디코딩에 필요한 지연시간은 제어 채널 디코딩 시간과 채널 추정 시간이 포함되어 있다.
따라서, 일반적인 종래의 방식에 따라 데이터 채널을 디코딩하기 위해서는 제어 채널 디코딩 시간과 채널 추정 시간이 필요하여 데이터 채널 디코딩 지연이 발생하므로, 초고신뢰 저지연 통신을 지원하기 위해서는 이러한 지연 시간을 줄일 필요가 있다.
본 발명은 전술한 필요성을 감안하여 안출된 것으로서, 채널 추정을 수행하지 않고 디코딩을 수행하여 채널 추정 지연을 제거하고 제어 채널 디코딩 지연을 감소시켜, 전체적으로 데이터 채널 디코딩 지연을 감소시키는 희소 벡터 코딩을 이용한 단발성 패킷 송수신 방법 및 장치를 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 측면에 따르면, 무선통신 시스템에서 송신 장치의 희소 벡터 코딩을 이용한 패킷 전송 방법으로서, 전송하고자 하는 제어 정보를 매핑(mapping)할 블록-레벨 서포트(block-level support)를 선택하는 단계, 전송하고자 하는 하향링크 데이터를 매핑할 코드-레벨 서포트(code-level support)를 선택하는 단계, 상기 블록-레벨 서포트에 대응하는 블록 내에서 상기 코드-레벨 서포트에 대응하는 위치에 0이 아닌 요소를 매핑하여 상기 제어 정보 및 하향링크 데이터를 인코딩하는 단계, 및 파일럿 심볼 없이 상기 인코딩된 신호를 시간 도메인 샘플 신호로 변환하여 수신 장치로 전송하는 단계를 포함하고, 상기 인코딩된 신호는 블록 희소 벡터(block sparse vector)인 것을 특징으로 하는, 패킷 전송 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 블록-레벨 서포트를 선택하는 단계는, 상기 전송하고자 하는 제어 정보의 데이터 양에 따라 희소도가 결정되고, 희소도만큼 0이 아닌 요소가 존재하는 블록의 인덱스(index)를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코드-레벨 서포트를 선택하는 단계는, 상기 전송하고자 하는 하향링크 데이터에 따라 상기 블록-레벨 서포트에 대응하는 블록 내에서 0이 아닌 원소의 인덱스를 선택하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 무선통신 시스템에서 수신 장치의 희소 벡터 코딩을 이용한 패킷 수신 방법으로서, 송신 장치로부터 블록 희소 벡터가 시간 도메인 샘플 신호로 변환된 신호를 수신하는 단계, 채널 추정 없이, 상기 수신된 신호에서 일부 시간 도메인 샘플을 사용하여 블록-레벨 서포트를 검출하는 단계, 상기 수신된 신호에서 모든 시간 도메인 샘플을 사용하여 코드-레벨 서포트를 검출하는 단계, 및 상기 블록-레벨 서포트 및 상기 코드-레벨 서포트를 이용하여 디매핑하여 제어 정보 및 하향링크 데이터를 디코딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 패킷 수신 방법이 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 블록-레벨 서포트를 검출하는 단계는, BOMP(block-wise orthogonal matching pursuit) 희소 복원 알고리즘을 사용하여 0이 아닌 요소가 존재하는 블록의 인덱스인 상기 블록-레벨 서포트를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 코드-레벨 서포트를 검출하는 단계는, OMP(orthogonal matching pursuit) 희소 복원 알고리즘을 사용하여 0이 아닌 원소의 인덱스인 상기 코드-레벨 서포트를 검출하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 블록-레벨 서포트를 검출하는 단계와 상기 코드-레벨 서포트를 검출하는 단계는 병렬적으로 독립하여 수행될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제어 정보 및 하향링크 데이터를 디코딩하는 단계는, 상기 블록-레벨 서포트를 이용하여 희소 디매핑하여 블록-레벨 정보인 제어 정보를 디코딩하는 단계, 및 상기 코드-레벨 서포트를 이용하여 희소 디매핑하여 코드-레벨 정보인 하향링크 데이터를 디코딩하는 단계를 포함하고, 상기 제어 정보를 디코딩하는 단계 및 하향링크 데이터를 디코딩하는 단계는 병렬적으로 독립하여 수행될 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 측면에 따르면, 무선통신 시스템에서 희소 벡터 코딩을 이용한 패킷 전송을 위한 송신 장치로서, 전송하고자 하는 제어 정보를 매핑할 블록-레벨 서포트를 선택하고, 전송하고자 하는 하향링크 데이터를 매핑할 코드-레벨 서포트를 선택하고, 상기 블록-레벨 서포트에 대응하는 블록 내에서 상기 코드-레벨 서포트에 대응하는 위치에 0이 아닌 요소를 매핑하여 상기 제어 정보 및 하향링크 데이터를 인코딩하고, 파일럿 심볼 없이 상기 인코딩된 신호를 시간 도메인 샘플 신호로 변환하여 수신 장치로 전송하도록 제어하는 하나 이상의 프로세서를 포함하고, 상기 인코딩된 신호는 블록 희소 벡터 벡터인 것을 특징으로 하는, 송신 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 프로세서는, 상기 전송하고자 하는 제어 정보의 데이터 양에 따라 희소도가 결정되고, 희소도만큼 0이 아닌 요소가 존재하는 블록의 인덱스를 선택할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 프로세서는, 상기 전송하고자 하는 하향링크 데이터에 따라 상기 블록-레벨 서포트에 대응하는 블록 내에서 0이 아닌 원소의 인덱스를 선택할 수 있다.
본 발명의 다른 일 측면에 따르면, 무선통신 시스템에서 희소 벡터 코딩을 이용한 패킷 수신을 위한 수신 장치로서, 송신 장치로부터 블록 희소 벡터가 시간 도메인 샘플 신호로 변환된 신호를 수신하는 송수신기, 및 채널 추정 없이, 상기 수신된 신호에서 일부 시간 도메인 샘플을 사용하여 블록-레벨 서포트를 검출하고, 상기 수신된 신호에서 모든 시간 도메인 샘플을 사용하여 코드-레벨 서포트를 검출하고, 상기 블록-레벨 서포트 및 상기 코드-레벨 서포트를 이용하여 디매핑하여 제어 정보 및 하향링크 데이터를 디코딩하는 하나 이상의 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수신 장치가 제공된다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 프로세서는, BOMP 희소 복원 알고리즘을 사용하여 0이 아닌 요소가 존재하는 블록의 인덱스인 상기 블록-레벨 서포트를 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 프로세서는, OMP 희소 복원 알고리즘을 사용하여 0이 아닌 원소의 인덱스인 상기 코드-레벨 서포트를 검출할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 하나 이상의 프로세서는, 상기 블록-레벨 서포트의 검출과 상기 코드-레벨 서포트의 검출을 병렬적으로 독립하여 수행할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 하나 이상의 프로세서는, 상기 블록-레벨 서포트를 이용하여 희소 디매핑하여 블록-레벨 정보인 제어 정보를 디코딩하고, 상기 코드-레벨 서포트를 이용하여 희소 디매핑하여 코드-레벨 정보인 하향링크 데이터를 디코딩하고, 상기 제어 정보의 디코딩 및 상기 하향링크 데이터의 디코딩을 병렬적으로 독립하여 수행할 수 있다.
본 발명의 희소 벡터 코딩을 이용한 패킷 송수신 방법 및 장치에 따르면, 종래의 방식과 달리 채널 추정 단계가 필요 없기 때문에 채널 추정에 소요되는 지연을 감소시킬 수 있다. 또한, 제어 채널 디코딩 단계에서 적은 수의 수신된 시간 도메인 샘플(received time-domain sample)을 사용하기 때문에, 제어 채널 디코딩 지연이 감소될 수 있다. 뿐만 아니라, 제어 채널 디코딩과 데이터 채널 디코딩에서 추정된 채널을 활용하지 않기 때문에, 채널 추정 에러로부터 야기되는 디코딩 에러를 방지할 수 있다. 이를 통해, 본 발명에서 제안하는 방법 및 장치는 5G 이동통신 분야에서 URLLC 시나리오에 적용 가능하다. 더 나아가, mMTC(massive machine-type communication)에서 저지연을 요구조건으로 가지는 사물(예를 들어, 센서 혹은 장치 등 소량의 정보를 전송하는 상황)에 대해서 적용이 가능하며, 이는 곧 사물 인터넷(internet of things, IoT)에서 초저지연 지연 시간 목표를 달성하기 위한 짧은 패킷 전송(short packet transmission)의 방법으로 활용될 수 있다.
본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선통신 시스템에서 송신 장치와 수신 장치 사이의 신호 흐름도를 개략적으로 도시한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 장치에서 신호의 인코딩을 위한 블록-레벨 서포트와 코드-레벨 서포트의 개념도를 도시한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 support와 bit 간의 sparse 매핑의 예를 도시한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 디코딩 과정에 관한 block diagram을 도시한다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이며, 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들(실행 엔진)에 의해 수행될 수도 있으며, 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다.
이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다.
그리고 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명되는 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능들을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있으며, 몇 가지 대체 실시예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하며, 또한 그 블록들 또는 단계들이 필요에 따라 해당하는 기능의 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이하, 무선통신 시스템에서 희소 코딩을 이용하여 단발성 패킷을 송수신하기 위한 송신단과 수신단의 일 실시예를 첨부 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 명세서에서 송신단(송신 장치)은 기지국을, 수신단(수신 장치)은 단말을 예시로 설명한다. 그러나 다음에 예시하는 본 발명의 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 상술하는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 실시예는 당업계에서 통상의 지식을 가진 자에게 본 발명을 보다 완전하게 설명하기 위하여 제공된다.
일반적으로, 기존의 4G LTE 네트워크에서 OFDM 시스템 기반의 하향링크 전송은 데이터 채널을 디코딩하는데 필요한 제어 정보와 파일럿 심볼로부터 추정된 채널이 필요하다. 4G LTE 시스템의 채널 추정과 제어 채널 디코딩은 간략히 다음과 같이 설명할 수 있다.
먼저, LTE 시스템에서는 파일럿 기반 채널 추정(Pilot-based channel estimation)을 수행한다. LTE 시스템에서 파일럿 심볼은 시간/주파수 도메인에 모두 사용된다. 파일럿 심볼의 위치는 모두 정해져 있으며, 단말은 파일럿 심볼 위치에 해당하는 수신 신호와 전송한 파일럿 심볼로부터 채널 계수(channel coefficient)를 추정한다. 예를 들어, 최소제곱법(least square estimation)을 사용하여 채널 추정을 수행하는 경우에, 수신된 파일럿 심볼
Figure 112019126503573-pat00001
는 다음의 <수학식 1>과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019126503573-pat00002
여기서,
Figure 112019126503573-pat00003
는 추정하고자 하는 채널 계수,
Figure 112019126503573-pat00004
는 전송된 파일럿 심볼 값,
Figure 112019126503573-pat00005
는 주파수 도메인 잡음(frequency-domain noise)을 의미한다.
또한, 추정되는 채널 계수
Figure 112019126503573-pat00006
는 다음의 <수학식 2>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019126503573-pat00007
LTE 표준에 따르면, 채널 추정에 소요되는 시간 지연은 대략 0.5ms이다.
다음으로, LTE 시스템에서는 제어 채널 디코딩을 수행한다. 기지국은 단말이 하향링크 데이터를 디코딩하기 위해서 필요한 제어 정보를 전송한다. 제어 정보는 보통 변조 차수, 전송 대역, TA(timing advance) 등의 정보를 포함한다. 제어 채널 디코딩에도 추정된 채널이 사용되기 때문에 채널 추정 성능이 제어 채널 디코딩 성능에 영향을 미치게 된다. 이 과정은 데이터 채널 디코딩 전에 이루어지므로 이에 따른 시간 지연을 수반한다.
이러한 종래 이동통신시스템의 문제를 해결하고자 본 명세서에서 제안하는 발명은, 채널 추정을 수행하지 않고 디코딩을 수행하여 채널 추정 시간 지연을 제거하고, 제어 채널 디코딩 시간 지연을 감소시키는 것을 목적으로 한다.
본 명세서에서 제안하는 발명은 제어 정보와 하향링크 정보를 희소 신호(sparse signal)의 서포트(support)에 매핑(mapping)하여 전송하여 희소 벡터 복원(sparse vector recovery)을 통해 디코딩하는 것이다. 구체적으로, 하향링크 정보를 희소 벡터의 0이 아닌 요소(nonzero element)의 위치에 매핑하여 정보를 인코딩(encoding)한다. 인코딩된 희소 벡터를 코드북을 통해 주파수 도메인에 확산(spreading)하여 전송한다. 이 때, 확산된 벡터는 블록 희소(block sparse) 성질을 가지며, 제어 정보는 블록 희소 벡터의 0이 아닌 요소 위치에 인코딩 된다. 이와 같은 인코딩 과정을 거친 블록 희소 벡터를 기지국이 전송한다. 단말은 전송된 블록 희소 벡터를 압축센싱(compressed sensing) 기법을 활용하여 디코딩을 수행하게 된다. 제어 정보와 하향링크 데이터가 기존 심볼 변조 기반의 인코딩이 아니라, 서포트 매핑을 통해서 이뤄지기 때문에, 채널 추정 없이 디코딩을 수행할 수 있게 된다.
이하, 본 발명에서 제안하는 희소 벡터의 0이 아닌 원소의 위치에 정보를 매핑함으로써 채널 추정 없이 송신된 정보를 디코딩하고, 제어 정보와 하향링크 데이터가 함께 임베딩된(embedded) 단발성 패킷 송수신 방법 및 장치가 도 1 내지 4를 참조하여 설명된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선통신 시스템(100)에서 송신 장치(110)와 수신 장치(120) 사이의 신호 흐름도를 개략적으로 도시한다.
예를 들어, 송신 장치(110)는 기지국 장치일 수 있다. 기지국은 네트워크 유형에 따라 "기지국(base station)" 외에 "액세스 포인트(access point, AP)", 지노드비("gNodeB" 또는 "gNB"), 송수신 포인트(transmission reception point, TRP)들이 대신 사용될 수 있다. 이하 편의상, 기지국은 본 특허 문서에서 원격(remote) 단말기들(terminals)에 무선 액세스를 제공하는 네트워크 인프라스트럭쳐(infrastructure) 구성 요소들을 의미하기 위해 사용될 수 있다.
기지국은 커버리지(coverage) 내의 복수의 단말과 각각 신호를 전송하고 전송받는 송수신기(transceiver)와, 송수신 데이터를 처리하는 제어부를 포함할 수 있다. 제어부는 하나 이상의 프로세서(processor)를 포함할 수 있다.
수신 장치(120)는 단말 장치일 수 있다. 일부 실시 예들에서, 단말은 이동성을 제공하는 전자 장치일 수 있다. 단말은 기지국으로부터 데이터를 수신하거나, 데이터에 대한 제어 정보를 수신할 수 있다. 제어 정보는 하향링크 스케줄링(downlink scheduling)에 관한 정보에 대한 정보들을 포함할 수 있다. 네트워크 유형에 따라, 단말은 “사용자 장비(user equipment, UE)”, "이동국(mobile station)", “가입자국(subscriber station)”, "원격 단말기(remote terminal)", "무선 단말기(wireless terminal)", 또는 "사용자 장치(user device)"와 같은 다른 잘 알려진 용어들이 사용될 수도 있다. 본 발명의 일 실시 예에 따라, 단말은 센서, 가전, 차량 등 다양한 MTC 단말들 중 하나일 수 있다.
단말은 기지국의 커버리지 내에서 기지국과 신호를 전송하고 전송받는 송수신기와, 송수신 데이터를 처리하는 제어부를 포함할 수 있다. 제어부는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
도 1을 참조하면, 송신 장치(110)에서 전송 정보(transmit information)를 인코딩하여 전송하고, 수신 장치(120)에서 채널을 통해 수신된 정보를 디코딩하여 정보를 복원한다. 여기서, 전송 정보는 제어 정보와 하향링크 데이터 정보를 포함할 수 있다. 송신 장치(110)의 정보 인코딩 과정은 기지국의 하나 이상의 프로세서에 의해, 수신 장치(120)의 수신된 신호의 디코딩 과정은 단말의 하나 이상의 프로세서에 의해 수행될 수 있다.
송신 장치(110)의 인코딩 과정은 블록-기반 희소 매핑부(block-wise sparse mapping)(111)를 통해 제어 정보와 하향링크 데이터의 b bits 전송 정보를 블록 희소 벡터의 서포트에 매핑하는 과정과 블록-기반 랜덤 확산부(block-wise random spreading)(113)를 통해 주파수 도메인 자원에 확산하는 과정을 포함한다. 이후, 이와 같이 인코딩된 신호(s)는 역 고속푸리에변환(inverse Fourier fast transform, IFFT)을 통해 시간 도메인 샘플 신호(sr)로 변환되어 채널을 통해 전송된다.
수신 장치(120)에서 수행되는 디코딩 과정은 2단계의 디코딩 과정을 포함한다. 수신 장치(120)에서 디코딩은 2가지 step으로 나뉘어져 병렬 희소 복원부(121) 및 블록-기반 희소 디매핑부(123)를 포함한다. 먼저, 병렬 희소 복원부(121)에서 병렬로 희소 복원을 수행하고, 출력으로 서포트(
Figure 112019126503573-pat00008
,
Figure 112019126503573-pat00009
)를 반환한다. 디코딩된 서포트를 블록-기반 희소 디매핑부(123)에서 희소 디매핑하여 디코딩된 정보의 bit를 획득할 수 있다.
본 명세서에서 제안하는 희소 벡터 코딩을 이용한 단발성 패킷 송수신 방법의 실시예는 송신 장치(110)의 인코딩 과정, 전송 및 수신 장치(120)의 디코딩의 세 가지 파트로 나눌 수 있다. 상술한 무선통신 시스템(100)에서 송신 장치(110)에서 인코딩된 신호의 전송과 수신 장치(120)에서 수신된 신호의 디코딩 과정은 도 2 내지 4에서 구체적으로 도시된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 송신 장치(110)에서 신호의 인코딩을 위한 블록-레벨 서포트와 코드-레벨 서포트의 개념도를 도시한다. 예를 들어, 송신 장치(110)는 기지국 장치일 수 있다.
본 명세서에서 제안하는 발명의 인코딩 과정 핵심은 제어 정보와 하향링크 데이터를 각각 서로 다른 종류의 서포트에 매핑하는 것이다. 이와 같은 서로 다른 종류의 서포트는 블록-레벨 서포트와 코드-레벨 서포트를 포함할 수 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라, 블록-레벨 서포트에는 제어 정보가 매핑되고, 코드-레벨 서포트에는 하향링크 데이터가 매핑된다.
도 2를 참조하면, 블록-레벨 서포트와 코드-레벨 서포트의 이해를 돕기 위한 개념도가 도시된다. 도 2에서 x는 하향링크 데이터가 매핑된 희소 벡터, xBi 는 x에서 나뉘어진 모든 블록 중 i번째 블록, C는 각각의 블록에 해당하는 코드북이 대각선(diagonal) 형태로 나열된 행렬, s는 주파수 도메인 심볼 벡터이다.
도 2에 도시된 예에서, x는 5개의 블록 (
Figure 112019126503573-pat00010
) 으로 나뉘어져 있다. 블록 단위로 나누어진 부분에 해당하는 성분은 서로 다른 코드북을 통해 s로 확산된다. 예를 들어, 첫번째 블록인
Figure 112019126503573-pat00011
(201)의 경우, 코드북 행렬(codebook matrix)
Figure 112019126503573-pat00012
(211)과의 곱으로 s에서 첫번째 블록(231)이 차지하는 주파수로 확산된다. 이와 같은 과정을 통해 x의 모든 블록에 해당하는 성분이 s의 블록 성분으로 확산된다.
다음으로, 도 2를 참조하면 블록-레벨 서포트와 코드-레벨 서포트의 정의를 예를 들어 설명할 수 있다. 블록-레벨 서포트의 정의는 0이 아닌 요소가 존재하는 블록의 인덱스(index) 집합이다. 예를 들어, x는 총 5개의 블록이 존재하며. 이 가운데 첫 번째 블록 (
Figure 112019126503573-pat00013
, 201)과 네 번째 블록 (
Figure 112019126503573-pat00014
, 207)에 0이 아닌 요소가 존재한다. 즉, 이 경우에 블록-레벨 서포트는 {1,4} 가 된다. C 행렬에서 각각의 확산 코드북이 대각선 형태이기 때문에 s에서도
Figure 112019126503573-pat00015
(231)과
Figure 112019126503573-pat00016
(233)에만 0이 아닌 값이 있고, 나머지 블록은 모두 0의 값을 가진다. 예를 들어, 각 블록은 서로 다른 부반송파(subcarrier)에 대응되는 것으로, 제어 정보는 복수의 부반송파 중 선택된 블록에 대응하는 부반송파 위치에 매핑되는 것일 수 있다.
코드-레벨 서포트의 정의는 블록 안에서의 0이 아닌 원소의 인덱스 집합이다. 예를 들어, x의
Figure 112019126503573-pat00017
에서 0이 아닌 값을 가지는 index는 {2}이고,
Figure 112019126503573-pat00018
에서 0이 아닌 값을 가지는 index는 {1,3}이다. 이를 각각의 블록에 해당하는 코드-레벨 서포트라 한다.
마지막으로, 도 2를 참조하여 하향링크 데이터와 제어 정보가 어떻게 서포트에 매핑되는지 설명할 수 있다. 상술한 바와 같이, 제어 정보는 블록-레벨 서포트에 매핑하고, 하향링크 데이터는 코드-레벨 서포트에 매핑한다. 이 때, 정보의 양은 충분히 작은 경우에 본 발명에서 제안하는 방식이 잘 적용될 수 있다. 정보를 서포트에 매핑한다고 하는 것은 해당 인덱스를 정보의 bit와 매핑하여 생각하는 것이라고 할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 정보의 bit와 서포트 간의 희소 매핑의 예를 도시한다. 예를 들어, 정보를 서포트에 희소 매핑하는 과정은 송신 장치(110)에서 수행되며, 송신 장치(110)는 기지국 장치일 수 있다.
도 3을 참조하면, 5 bit의 정보를 0이 아닌 원소 2개를 사용하여(즉, 희소도 k=2) 희소 벡터에 맵핑한 것을 나타낸다. 이와 같은 방식으로 제어 정보와 하향링크 데이터를 각각 블록-레벨 서포트와 코드-레벨 서포트에 매핑하여 전송할 수 있다.
송신 장치(110)는 이와 같이 정보를 서포트에 매핑하여 인코딩된 신호를 전송한다. 신호의 전송은 도 1에 도시된 바와 같이, 코드북 C를 통해 확산된 주파수 도메인 심볼 벡터 s가 IFFT를 통해 시간 도메인 샘플로 변환되어 채널을 통해 전송된다. 이 때, 수신 장치(120)에서 수신된 신호 벡터 y는 아래의 <수학식 3>과 같이 표현될 수 있다.
Figure 112019126503573-pat00019
여기서, H는 채널 계수, F*는 IDFT 행렬, C는 코드북, x는 하향링크 데이터가 매핑된 희소 벡터, v는 잡음,
Figure 112019126503573-pat00020
는 주파수 도메인 채널 계수를 의미한다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 장치(120)의 디코딩 과정에 관한 블록 흐름도를 도시한다. 예를 들어, 수신 장치(120)는 단말일 수 있다.
수신 장치(120)의 디코딩 과정은 크게 2부분으로 나뉠 수 있다. 디코딩의 목적은 전송된 블록-레벨 서포트와 코드-레벨 서포트를 검출하는데 있기 때문에, 1) 적은 수(m개)의 시간 도메인 샘플을 사용하여 희소 복원을 통한 블록-레벨 서포트 검출하는 1단계 복원부(401)와, 2) 모든 샘플을 활용하여 FFT를 거친 후, 희소 복원을 통한 코드-레벨 서포트 검출하는 2단계 복원부(403)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 블록-레벨 서포트는 정보가 매핑된 부반송파의 위치에 대응되는 것이므로, 블록-레벨 서포트를 검출하기 위해서 적은 수의 시간 도메인 샘플을 사용한 희소 복원이 가능하다.
도 4에 도시된 바와 같이, 병렬 희소 복원과정을 1 단계와 2단계로 구분할 수 있고, 이들 1단계 복원부(401)와 2단계 복원부(403)는 도 1의 병렬 희소 복원부(121)에 하드웨어 및/또는 소프트웨어적으로 포함될 수 있다. 1단계 복원부(401)는 블록-레벨 서포트 검출 단계를 수행하고, 2단계 복원부(403)는 코드-레벨 서포트 검출 단계를 수행한다. 1단계 복원부(401)와 2단계 복원부(403)의 블록-레벨 및 코드-레벨의 복원 과정은 각각 병렬적으로 독립하여 수행될 수 있다.
1단계 복원부(401)는 전송되는 신호 y를 모두 사용하지 않고, 적은 수의 m개의 시간 도메인 샘플을 활용하여 희소 복원을 수행한다. 이 때, 적은 수의 측정치 벡터는 다음의 <수학식 4>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019126503573-pat00021
여기서,
Figure 112019126503573-pat00022
는 m개의 시간 도메인 샘플의 샘플링을 표현하는 행렬,
Figure 112019126503573-pat00023
는 IDFT 행렬,
Figure 112019126503573-pat00024
는 주파수 도메인 채널 계수를 의미한다. 본 발명에서는 채널 추정을 수행하지 않기 때문에
Figure 112019126503573-pat00025
의 값은 미지의(unknown) 상태이다.
송신 장치(110)의 인코딩 과정에서 s는 블록 희소 구조가 있기 때문에,
Figure 112019126503573-pat00026
와
Figure 112019126503573-pat00027
만을 사용하여 희소 복원을 통해 블록-레벨 서포트 검출이 가능하다. 그 이유는 s와
Figure 112019126503573-pat00028
의 서포트가 같기 때문이다.
예를 들어, 1단계 복원부(401)에서는 BOMP(block-wise orthogonal matching pursuit)라는 희소 복원 알고리즘을 사용할 수 있다. 수신 장치(120)는 도 4에 도시된 바와 같이, 검출된 블록-레벨 서포트를 이용하여 디매핑 과정을 통해 제어 정보를 디코딩할 수 있다.
2단계 복원부(403)는 수신 장치(120)가 전송된 시간 도메인 샘플 모두(N개)를 받아 FFT를 수행한다. FFT를 수행하고 난 뒤, 수신된 주파수 도메인 샘플 벡터는 다음의 <수학식 5>와 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019126503573-pat00029
코드-레벨 서포트를 검출하기 위해서(즉, x의 서포트) C를 센싱 행렬(sensing matrix)로 사용하여 희소 복원을 수행할 수 있다. 예를 들어, 코드-레벨 서포트의 경우 OMP(orthogonal matching pursuit)라는 희소 복원 알고리즘이 사용될 수 있다.
Figure 112019126503573-pat00030
를 센싱 행렬로 사용하지 않는 이유는, 채널 추정 과정이 없기 때문에 값을 알 수 없지만 대각행렬(diagonal matrix)이라는 성질이 코드-레벨 서포트를 검출할 때 영향을 미치지 않기 때문이다. 수신 장치(120)는 도 4에 도시된 바와 같이, 검출된 코드-레벨 서포트를 이용하여 디매핑 과정을 통해 하향링크 데이터 정보를 디코딩할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 검출된 블록-레벨 서포트 및 코드-레벨 서포트를 디매핑하는 과정은 도 1에 도시된 바와 같이 수신 장치(120)의 블록-기반 희소 디매핑부(123)에서 수행될 수 있다.
상술한 바와 같이, 1단계 복원부(401)와 2단계 복원부(403)에서
Figure 112019126503573-pat00031
값을 알지 못하더라도 블록-레벨 서포트와 코드-레벨 서포트를 검출 할 수 있으며, 이것은 곧 채널 추정 없이 정보를 디코딩하는 것과 같다. 그러므로, 본 명세서에서 제안하는 발명에서는 송신 장치(110)가 파일럿 심볼을 전송할 필요가 없다. 시간 지연 측면에서 이점을 살펴보자면, 1단계 복원부(401)에서는 제어 정보 디코딩시 모든 샘플을 이용하지 않고 적은 수의 샘플만 사용하기 때문에 처리 시간 지연 측면에서 이득(gain)이 존재한다. 1단계 복원부(401)와 2단계 복원부(403)에서 공통적으로 채널 추정 없이 디코딩을 수행하기 때문에 채널 추정에 소요되는 시간 지연을 제거할 수 있다. 뿐만 아니라, 기존의 LTE 시스템에서 발생하는 채널 추정 에러에 따른 디코딩 실패를 사전에 방지할 수 있다. 마지막으로, 단발성 패킷에 파일럿 심볼을 전송할 필요가 없으므로 스펙트럼 효율(spectral efficiency) 관점에서 파일럿 오버헤드(pilot overhead)를 줄일 수 있는 이점이 있다.
상술한 구체적인 실시예들에서, 발명에 포함되는 구성 요소는 제시된 구체적인 실시예에 따라 단수 또는 복수로 표현되었다. 그러나, 단수 또는 복수의 표현은 설명의 편의를 위해 제시한 상황에 적합하게 선택된 것으로서, 상술한 실시예들이 단수 또는 복수의 구성 요소에 제한되는 것은 아니며, 복수로 표현된 구성 요소라 하더라도 단수로 구성되거나, 단수로 표현된 구성 요소라 하더라도 복수로 구성될 수 있다.
한편 발명의 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 다양한 실시예들이 내포하는 기술적 사상의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 청구범위뿐만 아니라 이 청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (16)

  1. 무선통신 시스템에서 송신 장치의 희소 벡터 코딩을 이용한 패킷 전송 방법으로서,
    전송하고자 하는 제어 정보를 매핑(mapping)할 블록-레벨 서포트(block-level support)를 선택하는 단계;
    전송하고자 하는 하향링크 데이터를 매핑할 코드-레벨 서포트(code-level support)를 선택하는 단계;
    상기 블록-레벨 서포트에 대응하는 블록 내에서 상기 코드-레벨 서포트에 대응하는 위치에 0이 아닌 요소를 매핑하여 상기 제어 정보 및 하향링크 데이터를 인코딩하는 단계; 및
    파일럿 심볼 없이 상기 인코딩된 신호를 시간 도메인 샘플 신호로 변환하여 수신 장치로 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 인코딩된 신호는 블록 희소 벡터(block sparse vector)인 것을 특징으로 하는, 패킷 전송 방법.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 블록-레벨 서포트를 선택하는 단계는,
    상기 전송하고자 하는 제어 정보의 데이터 양에 따라 희소도가 결정되고, 희소도만큼 0이 아닌 요소가 존재하는 블록의 인덱스(index)를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 패킷 전송 방법.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 코드-레벨 서포트를 선택하는 단계는,
    상기 전송하고자 하는 하향링크 데이터에 따라 상기 블록-레벨 서포트에 대응하는 블록 내에서 0이 아닌 원소의 인덱스를 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 패킷 전송 방법.
  4. 무선통신 시스템에서 수신 장치의 희소 벡터 코딩을 이용한 패킷 수신 방법으로서,
    송신 장치로부터 블록 희소 벡터가 시간 도메인 샘플 신호로 변환된 신호를 수신하는 단계;
    채널 추정 없이, 상기 수신된 신호에서 일부 시간 도메인 샘플을 사용하여 블록-레벨 서포트를 검출하는 단계;
    상기 수신된 신호에서 모든 시간 도메인 샘플을 사용하여 코드-레벨 서포트를 검출하는 단계; 및
    상기 블록-레벨 서포트 및 상기 코드-레벨 서포트를 이용하여 디매핑하여 제어 정보 및 하향링크 데이터를 디코딩하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 패킷 수신 방법.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 블록-레벨 서포트를 검출하는 단계는,
    BOMP(block-wise orthogonal matching pursuit) 희소 복원 알고리즘을 사용하여 0이 아닌 요소가 존재하는 블록의 인덱스인 상기 블록-레벨 서포트를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 패킷 수신 방법.
  6. 청구항 4에 있어서,
    상기 코드-레벨 서포트를 검출하는 단계는,
    OMP(orthogonal matching pursuit) 희소 복원 알고리즘을 사용하여 0이 아닌 원소의 인덱스인 상기 코드-레벨 서포트를 검출하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는, 패킷 수신 방법.
  7. 청구항 4에 있어서,
    상기 블록-레벨 서포트를 검출하는 단계와 상기 코드-레벨 서포트를 검출하는 단계는 병렬적으로 독립하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 패킷 수신 방법.
  8. 청구항 4에 있어서,
    상기 제어 정보 및 하향링크 데이터를 디코딩하는 단계는,
    상기 블록-레벨 서포트를 이용하여 희소 디매핑하여 블록-레벨 정보인 제어 정보를 디코딩하는 단계; 및
    상기 코드-레벨 서포트를 이용하여 희소 디매핑하여 코드-레벨 정보인 하향링크 데이터를 디코딩하는 단계를 포함하고,
    상기 제어 정보를 디코딩하는 단계 및 하향링크 데이터를 디코딩하는 단계는 병렬적으로 독립하여 수행되는 것을 특징으로 하는, 패킷 수신 방법.
  9. 무선통신 시스템에서 희소 벡터 코딩을 이용한 패킷 전송을 위한 송신 장치로서,
    전송하고자 하는 제어 정보를 매핑(mapping)할 블록-레벨 서포트(block-level support)를 선택하고, 전송하고자 하는 하향링크 데이터를 매핑할 코드-레벨 서포트(code-level support)를 선택하고, 상기 블록-레벨 서포트에 대응하는 블록 내에서 상기 코드-레벨 서포트에 대응하는 위치에 0이 아닌 요소를 매핑하여 상기 제어 정보 및 하향링크 데이터를 인코딩하고, 파일럿 심볼 없이 상기 인코딩된 신호를 시간 도메인 샘플 신호로 변환하여 수신 장치로 전송하도록 제어하는 하나 이상의 프로세서를 포함하고,
    상기 인코딩된 신호는 블록 희소 벡터인 것을 특징으로 하는, 송신 장치.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 전송하고자 하는 제어 정보의 데이터 양에 따라 희소도가 결정되고, 희소도만큼 0이 아닌 요소가 존재하는 블록의 인덱스를 선택하는 것을 특징으로 하는, 송신 장치.
  11. 청구항 9에 있어서,
    상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 전송하고자 하는 하향링크 데이터에 따라 상기 블록-레벨 서포트에 대응하는 블록 내에서 0이 아닌 원소의 인덱스를 선택하는 것을 특징으로 하는, 송신 장치.
  12. 무선통신 시스템에서 희소 벡터 코딩을 이용한 패킷 수신을 위한 수신 장치로서,
    송신 장치로부터 블록 희소 벡터가 시간 도메인 샘플 신호로 변환된 신호를 수신하는 송수신기; 및
    채널 추정 없이, 상기 수신된 신호에서 일부 시간 도메인 샘플을 사용하여 블록-레벨 서포트를 검출하고, 상기 수신된 신호에서 모든 시간 도메인 샘플을 사용하여 코드-레벨 서포트를 검출하고, 상기 블록-레벨 서포트 및 상기 코드-레벨 서포트를 이용하여 디매핑하여 제어 정보 및 하향링크 데이터를 디코딩하는 하나 이상의 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는, 수신 장치.
  13. 청구항 12에 있어서,
    상기 하나 이상의 프로세서는,
    BOMP(block-wise orthogonal matching pursuit) 희소 복원 알고리즘을 사용하여 0이 아닌 요소가 존재하는 블록의 인덱스인 상기 블록-레벨 서포트를 검출하는 것을 특징으로 하는, 수신 장치.
  14. 청구항 12에 있어서,
    상기 하나 이상의 프로세서는,
    OMP(orthogonal matching pursuit) 희소 복원 알고리즘을 사용하여 0이 아닌 원소의 인덱스인 상기 코드-레벨 서포트를 검출하는 것을 특징으로 하는, 수신 장치.
  15. 청구항 12에 있어서,
    하나 이상의 프로세서는, 상기 블록-레벨 서포트의 검출과 상기 코드-레벨 서포트의 검출을 병렬적으로 독립하여 수행하는 것을 특징으로 하는, 수신 장치.
  16. 청구항 12에 있어서,
    상기 하나 이상의 프로세서는,
    상기 블록-레벨 서포트를 이용하여 희소 디매핑하여 블록-레벨 정보인 제어 정보를 디코딩하고, 상기 코드-레벨 서포트를 이용하여 희소 디매핑하여 코드-레벨 정보인 하향링크 데이터를 디코딩하고, 상기 제어 정보의 디코딩 및 상기 하향링크 데이터의 디코딩을 병렬적으로 독립하여 수행하는 것을 특징으로 하는, 수신 장치.
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