KR102216515B1 - Effective SNR mapping and link adaptation strategy and apparatus for next-generation underwater acoustic communications networks - Google Patents

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KR102216515B1 KR1020190108745A KR20190108745A KR102216515B1 KR 102216515 B1 KR102216515 B1 KR 102216515B1 KR 1020190108745 A KR1020190108745 A KR 1020190108745A KR 20190108745 A KR20190108745 A KR 20190108745A KR 102216515 B1 KR102216515 B1 KR 102216515B1
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장경희
이쉬티아크
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인하대학교 산학협력단
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Abstract

Suggested are an efficient SNR mapping-based link adaptation method for a next-generation underwater communication network and an apparatus thereof. According to the present invention, the suggested efficient SNR mapping-based link adaptation method for a next-generation underwater communication network includes the following steps of: defining priority rules for selecting an MCS level by analyzing a link adaptation procedure based on an adaptive modulation mode in accordance with a UAC network channel characteristic; and allocating a resource by selecting a plurality of MCS levels with respect to a link adaption procedure on a UAC network, based on the defined priority rules.

Description

차세대 수중통신 네트워크를 위한 효율적 SNR 매핑 기반 링크적응 방법 및 장치{Effective SNR mapping and link adaptation strategy and apparatus for next-generation underwater acoustic communications networks}An efficient SNR mapping and link adaptation strategy and apparatus for next-generation underwater acoustic communications networks.

본 발명은 차세대 수중통신 네트워크를 위한 효율적 SNR 매핑 기반 링크적응 방법 및 장치에 관한 것이다. The present invention relates to an efficient SNR mapping-based link adaptation method and apparatus for a next generation underwater communication network.

해양탐사를 위한 차세대 수중센서 네트워크에 대한 연구에 대하여 관심이 높아진 것은 해양학, 해양지역에서의 상업적 운영, 군사적 감시 등에서의 활용에 대한 관심이 커졌기 때문이다. 수중 기지국 컨트롤러는 표면 부표 형태의 수중 기지국(Underwater Base Station; UBS)과 통신하고 UBS는 음향 통신을 통해 수중 센서 노드와 송수신기 정보를 전달한다. The interest in research on the next generation underwater sensor network for marine exploration has increased because of the increased interest in use in oceanography, commercial operations in marine areas, and military surveillance. The underwater base station controller communicates with the underwater base station (UBS) in the form of a surface buoy, and the UBS transmits the underwater sensor node and transceiver information through acoustic communication.

차세대 수중 센서 네트워크는 수중 환경을 관찰하고 탐사할 수 있는 큰 잠재력을 가지고 있다. 따라서 수중 음향 통신(Underwater Acoustic Communications; UAC)은 장거리 수중 통신에 대해 실현 가능한 유일한 접근법이라고 폭넓게 간주되고 있으며, 다양한 시나리오에서 광범위하게 채택되어 왔다. 서비스 품질에 대한 요구는 잠수함 간 통신, 수중 보안 감시, 해저 관측소에서의 과학 데이터 수집, 자율 수중 차량에 의한 해상 석유 탐사, 환경 모니터링을 위한 수중 센서 네트워크에서의 데이터 교환을 포함하여 많은 군사, 과학 및 민간 애플리케이션에서 발생한다. 그러나 수중 음향 채널의 저항하는 특성인 긴 지연과 큰 도플러 확산에 의해 주파수와 시간선택적 페이딩이 발생하는 것을 다루는 것이 중요하다. 또한 페이딩, 도플러 확산 및 다중 경로 전파는 UAC 네트워크 (UACN: 수중 음향 통신망) 성능에 심각한 영향을 미친다. 일반적인 무선 채널과 달리, UAC 네트워크에서의 전송 손실은 송신기와 수신기 사이의 거리뿐만 아니라 신호 주파수에 따라 달라진다. 신호 주파수에 의한 흡수 손실은 음향 에너지가 열로 전달되기 때문이다. 따라서 수중 채널은 일반적인 지상 채널 모델과 비교할 때 만만치 않은 난제를 제시한다. Next-generation underwater sensor networks have great potential for observing and exploring the underwater environment. Therefore, Underwater Acoustic Communications (UAC) is widely regarded as the only feasible approach to long-distance underwater communication, and has been widely adopted in a variety of scenarios. The demands for quality of service include communication between submarines, underwater security surveillance, scientific data collection at submarine observatory, marine oil exploration by autonomous underwater vehicles, and data exchange in underwater sensor networks for environmental monitoring. Occurs in civilian applications. However, it is important to deal with the frequency and time-selective fading caused by the long delay and large Doppler spread, which are the resistive characteristics of the underwater acoustic channel. In addition, fading, Doppler spreading and multipath propagation have a serious impact on UAC network (UACN: Underwater Acoustic Network) performance. Unlike typical wireless channels, transmission losses in UAC networks depend on the signal frequency as well as the distance between the transmitter and receiver. The absorption loss due to the signal frequency is because the acoustic energy is transferred as heat. Therefore, the underwater channel presents a daunting challenge when compared to the general ground channel model.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 수중 음향 통신망(Underwater Acoustic Communications Network; UACN)에서 사용되는 직교 주파수 분할 다중 접속 방법을 위한 링크적응 방법 및 장치를 제공하는데 있다. 링크 레벨 시뮬레이션의 다중상태 채널을 시스템 레벨 시뮬레이션의 단일상태 채널로 나타내고 효율적 SNR로 다중 서브캐리어 SNR을 나타내기 위한 효율적 SNR 매핑 (Effective Signal-to-Noise Ratio (SNR) Mapping; EESM)과, 이의 UACN 적용을 위한 베타 캘리브레이션에 대한 접근방식을 제시한다. An object of the present invention is to provide a link adaptation method and apparatus for an orthogonal frequency division multiple access method used in an Underwater Acoustic Communications Network (UACN). Effective Signal-to-Noise Ratio (SNR) Mapping (EESM) and its UACN to represent the multi-state channel of the link-level simulation as a single-state channel of the system-level simulation and represent the multi-subcarrier SNR as an efficient SNR. We present an approach to beta calibration for application.

일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 차세대 수중통신 네트워크를 위한 효율적 SNR 매핑 기반 링크적응 방법은 UAC 네트워크 채널 특성에 따른 적응형 변조 방식을 기반으로 링크 적응 절차를 분석하여, MCS 레벨을 선택하기 위한 우선순위 규칙을 정의하는 단계 및 정의된 우선순위 규칙을 기반으로, UAC 네트워크에서 링크 적응 절차에 대한 복수의 MCS 레벨을 선택하여 자원을 할당하는 단계를 포함한다. In one aspect, the efficient SNR mapping-based link adaptation method for a next-generation underwater communication network proposed in the present invention is for selecting an MCS level by analyzing a link adaptation procedure based on an adaptive modulation scheme according to UAC network channel characteristics. And allocating resources by selecting a plurality of MCS levels for a link adaptation procedure in the UAC network, based on the defining a priority rule and the defined priority rule.

UAC 네트워크 채널 특성에 따른 적응형 변조 방식을 기반으로 링크 적응 절차를 분석하여, MCS 레벨을 선택하기 위한 우선순위 규칙을 정의하는 단계는 EESM 알고리즘에 기초한 SNR 대 BLER 곡선을 사용하여 MCS 레벨에 대한 SNR 임계값을 부여하고, 전송 손실, 주변 소음 및 다중 경로 페이딩 효과를 포함하는 UAC 네트워크 채널 특성을 분석한다. The step of defining the priority rule for selecting the MCS level by analyzing the link adaptation procedure based on the adaptive modulation scheme according to the UAC network channel characteristics is the SNR for the MCS level using the SNR versus BLER curve based on the EESM algorithm. Threshold values are assigned, and UAC network channel characteristics including transmission loss, ambient noise, and multipath fading effects are analyzed.

정의된 우선순위 규칙을 기반으로, UAC 네트워크에서 링크 적응 절차에 대한 복수의 MCS 레벨을 선택하는 단계는 UAC 네트워크 시스템에서 EESM 알고리즘을 사용하여 물리적 계층의 추상화를 수행하는 단계, 물리적 계층의 입력 데이터를 유효 SNR(SNReff)의 단일 값으로 압축하는 단계, EESM 알고리즘을 통해 AWGN 등가 SNR을 획득하고, AWGN 등가 SNR의 AWGN 링크 성능 곡선을 통해 BLER에 매핑하는 단계 및 L2S 인터페이스 모델을 생성하기 위해 EESM 알고리즘을 통해 베타 캘리브레이션 계수의 보정을 수행하는 단계를 포함한다. Based on the defined priority rules, the step of selecting a plurality of MCS levels for the link adaptation procedure in the UAC network is the step of abstracting the physical layer using the EESM algorithm in the UAC network system, and the input data of the physical layer. Compressing to a single value of effective SNR (SNReff), obtaining AWGN equivalent SNR through EESM algorithm, mapping to BLER through AWGN link performance curve of AWGN equivalent SNR, and EESM algorithm to generate L2S interface model. And performing correction of the beta calibration coefficient through.

L2S 인터페이스 모델을 생성하기 위해 EESM 알고리즘을 통해 베타 캘리브레이션 계수의 보정을 수행하는 단계는 수신기 측에서 패킷의 데이터 서브캐리어에 의해 경험되는 SNR(SNRAWGN) 및 유효 SNR(SNReff)를 계산하여, 유효 SNR(SNReff)과 경험되는 SNR(SNRAWGN)과의 차이를 최소화 하는 베타 값을 구하고, 평균 제곱 오차를 최소화하기 위해 베타 값을 보정하며, 유효 SNR(SNReff)을 지정된 MCS에 해당하는 AWGN-PER 조회 표를 사용하여 패킷 오류율 또는 BLER에 매핑한다. In order to generate the L2S interface model, the correction of the beta calibration coefficient through the EESM algorithm is performed by calculating the SNR (SNR AWGN ) and the effective SNR (SNReff) experienced by the data subcarrier of the packet at the receiver side, and the effective SNR. Calculate the beta value that minimizes the difference between (SNReff) and the experienced SNR (SNR AWGN ), correct the beta value to minimize the mean squared error, and query the effective SNR (SNReff) for the specified MCS AWGN-PER Map to packet error rate or BLER using the table.

또 다른 일 측면에 있어서, 본 발명에서 제안하는 차세대 수중통신 네트워크를 위한 효율적 SNR 매핑 기반 링크적응 장치는 UAC 네트워크 채널 특성에 따른 적응형 변조 방식을 기반으로 링크 적응 절차를 분석하여, MCS 레벨을 선택하기 위한 우선순위 규칙을 정의하는 분석부 및 정의된 우선순위 규칙을 기반으로, UAC 네트워크에서 링크 적응 절차에 대한 복수의 MCS 레벨을 선택하여 자원을 할당하는 스케줄링부를 포함한다.In another aspect, the link adaptation apparatus based on efficient SNR mapping for a next generation underwater communication network proposed by the present invention analyzes a link adaptation procedure based on an adaptive modulation scheme according to UAC network channel characteristics, and selects an MCS level. An analysis unit defining a priority rule for performing the operation and a scheduling unit allocating resources by selecting a plurality of MCS levels for a link adaptation procedure in the UAC network based on the defined priority rule.

본 발명의 실시예들에 따르면 수중 음향 통신망(Underwater Acoustic Communications Network; UACN)을 위한 효율적 SNR 매핑 (Effective Signal-to-Noise Ratio (SNR) Mapping; EESM)과 이의 UACN 적용을 위한 베타 캘리브레이션에 대한 접근방식을 제시하여, 직교 주파수 분할 다중 접속 방법을 위한 링크적응 방법 및 장치를 제공함으로서, 수중 음향 통신망의 링크상태에 따른 링크적응 절차를 수행하여 시스템 처리량 등의 시스템 성능을 개선할 수 있다.According to embodiments of the present invention, an effective signal-to-noise ratio (SNR) mapping (EESM) for an Underwater Acoustic Communications Network (UACN) and a beta calibration approach for UACN application thereof By providing a method and providing a link adaptation method and apparatus for an orthogonal frequency division multiple access method, it is possible to improve system performance such as system throughput by performing a link adaptation procedure according to the link state of an underwater acoustic communication network.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 단계 UAC 네트워크 레이아웃의 아키텍처를 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차세대 수중통신 네트워크를 위한 효율적 SNR 매핑 기반 링크적응 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 UAC 네트워크에서 링크 적응 절차에 대한 복수의 MCS 레벨을 선택하여 자원을 할당하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주위 노이즈의 4가지 유형을 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 12경로 페이딩 채널 모델의 페이딩 엔벨로프 및 위상을 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차세대 수중통신 네트워크를 위한 효율적 SNR 매핑 기반 링크적응 장치의 구성을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 BPSK의 곡선을 나타내는 도면이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 QPSK의 곡선을 나타내는 도면이다.
도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 16QAM의 곡선을 나타내는 도면이다.
도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 MCS 레벨을 설명하기 위한 도면이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 우선순위 규칙에 기초하여 폐기된 MCS 레벨을 나타내는 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 13 MCS 레벨에 기초한 처리량 곡선을 나타내는 도면이다.
도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 최종 MCS 레벨의 BLER 곡선을 나타내는 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 RR 기반 UBS 선택과 PF 기반 UBS 선택을 위한 시간 영역 스케줄링을 설명하기 위한 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 개별 MCS 수준과 링크 적응 곡선에 기초한 UAC 네트워크 SLS 처리량을 나타내는 도면이다.
1 is a diagram showing the architecture of a step UAC network layout according to an embodiment of the present invention.
2 is a flowchart illustrating an efficient SNR mapping-based link adaptation method for a next generation underwater communication network according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a flowchart illustrating a process of allocating resources by selecting a plurality of MCS levels for a link adaptation procedure in a UAC network according to an embodiment of the present invention.
4 is a diagram showing four types of ambient noise according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing a fading envelope and a phase of a 12-path fading channel model according to an embodiment of the present invention.
6 is a diagram showing the configuration of an efficient SNR mapping-based link adaptation apparatus for a next generation underwater communication network according to an embodiment of the present invention.
7 is a diagram showing a curve of BPSK according to an embodiment of the present invention.
8 is a diagram showing a QPSK curve according to an embodiment of the present invention.
9 is a diagram showing a curve of 16QAM according to an embodiment of the present invention.
10 is a diagram for explaining an MCS level according to an embodiment of the present invention.
11 is a diagram illustrating a discarded MCS level based on a priority rule according to an embodiment of the present invention.
12 is a diagram showing a throughput curve based on 13 MCS levels according to an embodiment of the present invention.
13 is a diagram showing a BLER curve of a final MCS level according to an embodiment of the present invention.
14 is a diagram for explaining time domain scheduling for RR-based UBS selection and PF-based UBS selection according to an embodiment of the present invention.
15 is a diagram illustrating a UAC network SLS throughput based on an individual MCS level and a link adaptation curve according to an embodiment of the present invention.

UAC 네트워크에서 사용 가능한 대역폭에 대한 극단적인 제한으로 인하여, UAC 네트워크의 커버리지와 용량을 향상시키기 위한 주파수 재사용과 셀룰러 개념은 더욱 중요하다. 본 발명에서는, 중앙 셀이 관심 영역이고 첫 번째 계층이 간섭을 일으키는 영역으로 간주되는 셀룰러 형태의 UAC 네트워크 아키텍처에 초점을 맞추고 있다. 실제로, 링크 레벨 시뮬레이션(Link-Level Simulation; LLS)에 대한 평가는 SNR 대 블록 오류율(Block Error Rate; BLER)로 측정되었다. 실제 연산을 실행하지 않고 SLS에서 BLER를 달성하기 위해, 해당 변조 및 부호화 체계(Modulation and Coding Scheme; MCS) 레벨에 관한 부가 백색 가우스 잡음(Additive White Gaussian Noise; AWGN) 채널에서 LLS가 획득한 BLER 곡선을 활용한다. 페이딩 채널에서 BLER를 예측하려면 AWGN 등가 신호 대 간섭잡음비(Signal-to-Interference-plus-Noise Ratio; SINR)가 필요하다. 본 발명에서는, UAC 네트워크의 L2S 인터페이스에 대해 지수 유효 SNR 매핑(Exponential Effective SNR Mapping; EESM) 방법을 채택한다. AWGN 채널과의 단일 입력, 단일 출력(Single-Input, Single-Output; SISO) 안테나 구성을 고려하여 물리적(PHY) 계층을 추상화한다. 페이딩 채널 또는 AWGN의 효과는 EESM 방법을 사용하여 서로 다른 SNR을 평균화한 후에 거의 동일할 것이며, 그것이 AWGN 채널을 사용하는 이유이다. 이 작업은 명확성을 위해 계층 교차, 유효 SNR 매핑 및 차세대 UAC 네트워크에 대한 링크 적응 전략을 결정한다. 매체접근제어(Medium Access Control; MAC) 계층은 논리적 채널의 멀티플렉싱, 업링크 및 다운링크 스케줄링 등을 처리한다. PHY 계층은 코딩/디코딩, 변조/복조, 다중 안테나 매핑 및 추가 PHY 계층 기능을 제어한다. 링크 적응은 MAC와 무선 링크 제어(Radio Link Control; RLC) 처리에 모두 영향을 미친다. 오류 검출 및 정정, 코딩 및 변조 수행, 결과 신호 전송을 위한 주기적 중복 점검의 첨부 작업은 모두 PHY 계층에 의해 수행된다. UAC 네트워크에서 계층간 접근방식의 사용은 다중 계층의 공동 기능에 기초한다. PHY 계층의 정보는 다양한 채널 조건에 기초한 링크 적응을 실행하기 위해 상위 계층에서 계층 교차 방식으로 사용된다. PHY 계층의 채널 품질 지표(Channel Quality Indicator; CQI) 관리자는 일정 결정 및 링크 적응 목적을 위해 수신된 각 CQI 보고서를 처리한다. MAC 계층은 패킷 스케줄러를 포함하지만, 정보의 교환은 상위 계층과 하위 계층 모두에서 수행된다. 계층 교차 최적화를 위해, 3개의 변조 체계에 대하여 베타 값을 보정하고, UAC 네트워크에서 스케줄링 목적으로 MAC 계층에서 이 최적화 매개변수 효과를 사용하여 PHY 계층에서 L2S 매핑을 위한 최적의 베타 값을 찾는다. Due to extreme limitations on the available bandwidth in UAC networks, the concept of frequency reuse and cellular to improve coverage and capacity of UAC networks is more important. In the present invention, the focus is on a cellular UAC network architecture in which the central cell is an area of interest and the first layer is regarded as an area causing interference. In fact, the evaluation for Link-Level Simulation (LLS) was measured as SNR vs. Block Error Rate (BLER). In order to achieve BLER in SLS without performing actual calculations, the BLER curve obtained by LLS in the Additional White Gaussian Noise (AWGN) channel related to the corresponding modulation and coding scheme (MCS) level Use. To predict BLER in a fading channel, an AWGN equivalent signal-to-interference-plus-noise ratio (SINR) is required. In the present invention, an Exponential Effective SNR Mapping (EESM) method is adopted for the L2S interface of a UAC network. The physical (PHY) layer is abstracted by considering the configuration of a single input, single-output (SISO) antenna with the AWGN channel. The effect of the fading channel or AWGN will be almost the same after averaging the different SNRs using the EESM method, which is why we use the AWGN channel. This work determines the layer crossover, effective SNR mapping, and link adaptation strategy for the next-generation UAC network for clarity. The Medium Access Control (MAC) layer handles logical channel multiplexing, uplink and downlink scheduling, and the like. The PHY layer controls coding/decoding, modulation/demodulation, multi-antenna mapping, and additional PHY layer functions. Link adaptation affects both MAC and Radio Link Control (RLC) processing. Error detection and correction, coding and modulation, and the attachment of periodic redundancy checks for transmission of result signals are all performed by the PHY layer. The use of an inter-layer approach in UAC networks is based on the common functioning of multiple layers. The information of the PHY layer is used in a layer crossing method in an upper layer to perform link adaptation based on various channel conditions. The channel quality indicator (CQI) manager of the PHY layer processes each received CQI report for scheduling and link adaptation purposes. The MAC layer includes a packet scheduler, but the exchange of information is performed at both upper and lower layers. For layer cross-optimization, beta values are corrected for three modulation schemes, and an optimal beta value for L2S mapping is found in the PHY layer by using this optimization parameter effect in the MAC layer for scheduling purposes in the UAC network.

본 발명은 수중 음향 통신망(Underwater Acoustic Communications; UAC)을 위한 직교 주파수 분할 다중 접속 기법을 이용한 다운링크의 링크 레벨 및 시스템 레벨 연구를 제공한다. 시스템 레벨 시뮬레이션(System-Level Simulation; SLS)에 의해 액세스되는 링크 레벨 성능의 추상화 모델을 제공하는 링크 레벨에서 링크 레벨 간 링크 레벨(Link-level-to-System-level; L2S) 매핑에 대한 접근방식을 제시한다.The present invention provides a link level and system level study of a downlink using an orthogonal frequency division multiple access technique for Underwater Acoustic Communications (UAC). An approach to link-level-to-system-level (L2S) mapping at the link level that provides an abstraction model of link-level performance accessed by system-level simulation (SLS). Present.

본 발명에서는 지수 유효 신호 대 잡음 비율(Signal-to-Noise Ratio; SNR) 매핑 (Exponential Effective SNR Mapping; EESM) 방법을 채택하여, 어떻게 다중 상태 채널이 SLS에서 단일 상태로 통합되는지, 유효 SNR이 다중 서브캐리어 SNR의 특성을 나타낼 수 있는 이유를 상세히 기술하고 있다. 게다가, UAC 네트워크에 대한 베타 보정 절차를 자세히 설명한다. 시뮬레이션 결과는 UAC 네트워크의 베타 보정을 검증하기 위해 제공된다. 또한, 시스템 레벨에서 비례 공정(Proportional Fair; PF) 스케줄러를 기반으로 시스템 처리량을 평가하여 링크 적응 전략을 채택한다. 따라서, 시뮬레이션 결과는 UAC 네트워크에 대한 링크 적응 전략의 효과를 확인한다. 이하, 본 발명의 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. In the present invention, the exponential effective signal-to-noise ratio (SNR) mapping (Exponential Effective SNR Mapping (EESM)) method is adopted to determine how multi-state channels are integrated into a single state in SLS, and effective SNR is multiplexed. The reason why the characteristics of the subcarrier SNR can be expressed is described in detail. In addition, the beta calibration procedure for UAC networks is detailed. Simulation results are provided to verify the beta calibration of the UAC network. In addition, a link adaptation strategy is adopted by evaluating the system throughput based on a proportional fair (PF) scheduler at the system level. Therefore, the simulation results confirm the effectiveness of the link adaptation strategy for the UAC network. Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

본 발명의 실시예에 따르면, UAC 네트워크에 대해 L2S 매핑과 SLS에서의 링크 적응에 대한 일반적인 절차를 채택한다. 이러한 작업은 LLS에서 L2S 매핑 문제를 가장 먼저 처리하여 완전한 UAC SLS 개발을 위한 PHY 계층을 추상화한다. 또한, 주된 관심사는 해저 통신 시스템의 실용적인 환경을 고려하여 링크 적응 접근법의 효과를 알려주는 것이다.According to an embodiment of the present invention, a general procedure for L2S mapping and link adaptation in SLS is adopted for UAC networks. This task abstracts the PHY layer for complete UAC SLS development by first addressing the L2S mapping problem in LLS. Also, the main concern is to inform the effect of the link adaptation approach in consideration of the practical environment of the submarine communication system.

LLS에서는 주로 EESM 알고리즘에 기초한 SNR 대 BLER 곡선을 사용하여 UAC 네트워크의 L2S 인터페이스에 대한 베타 값을 찾는데 초점을 맞추고 있다. 본 발명에서는 UAC 네트워크에 대해 세 가지 변조 방식(이진 위상 편이 변조[BPSK], 직교 위상 편이 변조 [QPSK], 16상 직교 진폭 변조[16QAM])에 대하여 베타 보정을 수행한다. 베타 값을 보정하고 평균 제곱 오차를 확인하기 위해 충분한 페이딩 채널 인식을 취한다. 최소 평균 제곱 오차를 나타내는 베타 값이 최적 값으로 선택된다.LLS mainly focuses on finding the beta value for the L2S interface of the UAC network using the SNR vs. BLER curve based on the EESM algorithm. In the present invention, beta correction is performed for the UAC network for three modulation schemes (binary phase shift modulation [BPSK], quadrature phase shift modulation [QPSK], and 16 phase quadrature amplitude modulation [16QAM]). Sufficient fading channel recognition is taken to correct for the beta value and confirm the mean squared error. The beta value representing the least mean squared error is chosen as the optimal value.

SLS에서는 UAC 네트워크 채널 특성에 따른 적응형 변조 방식을 기반으로 링크 적응 전략을 분석한다. 본 발명에서는 MCS 레벨을 선택하기 위한 중요한 우선순위 규칙을 정의한다. 이러한 우선 순위 규칙을 기반으로, 본 발명에서는 UAC 네트워크에서 링크 적응 절차에 대한 최종 9개의 MCS 레벨을 선택한다. In SLS, the link adaptation strategy is analyzed based on the adaptive modulation scheme according to the UAC network channel characteristics. In the present invention, an important priority rule for selecting an MCS level is defined. Based on this priority rule, the present invention selects the last 9 MCS levels for the link adaptation procedure in the UAC network.

이용 가능한 대역폭의 한계 때문에, 본 발명에서는 UAC 네트워크 시스템의 대역폭 효율성을 높이기 위해 주파수 재사용과 셀룰러 레이아웃 구조 개념을 이용한다. Due to the limitation of available bandwidth, the present invention uses the concept of frequency reuse and cellular layout structure to increase the bandwidth efficiency of the UAC network system.

종래기술에서는 SNR을 개선하기 위한 스위프-스프레드 캐리어 방법을 제안했다. 스위프는 시간 지연을 주파수 재분배 방식으로 변환하여 별도의 다중 경로 도착을 허용하는 캐리어 신호로 간주된다. 이 작업의 주요 차이점은 UAC 네트워크에 대한 스위프-스프레드 기법인데, 이는 본 발명의 실시예에 따른 설계와는 전혀 다른 접근법이다. 종래기술에서는 5개의 개별 변조 및 부호화 쌍을 제한된 수의 전송 모드로 고려하였다. 효과적인 SNR은 입력 SNR 및 파일럿 SNR과 다른 작동 모드 표시기로 간주된다. 이 작업의 주요 차이점은 시스템이 서로 다른 크기의 MCS 레벨을 사용하는 것이다. 종래기술에서는 신호 기반 피드백 채널과 실시간 PHY 계층 통신 매개변수의 적응 메커니즘 또는 직교 주파수 분할 다중화 및 직접 시퀀스 확산 스펙트럼과 같이 다른 기술 간의 원활한 전환을 설계하였다. In the prior art, a sweep-spread carrier method has been proposed to improve SNR. Sweep is considered as a carrier signal that allows separate multipath arrivals by converting the time delay into a frequency redistribution scheme. The main difference in this work is the sweep-spread technique for UAC networks, which is a completely different approach from the design according to the embodiment of the present invention. In the prior art, five individual modulation and coding pairs are considered as a limited number of transmission modes. The effective SNR is considered as an indicator of the operating mode different from the input SNR and pilot SNR. The main difference between this task is that the system uses different sized MCS levels. In the prior art, a signal-based feedback channel and an adaptation mechanism of real-time PHY layer communication parameters or smooth switching between other technologies such as orthogonal frequency division multiplexing and direct sequence spread spectrum are designed.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 1단계 UAC 네트워크 레이아웃의 아키텍처를 나타내는 도면이다. 1 is a diagram illustrating an architecture of a one-stage UAC network layout according to an embodiment of the present invention.

무선 기반 네트워크 토폴로지의 많은 기여와 지상 네트워크에서의 주파수 재사용 개념이 있다. 셀룰러 네트워크의 엄청난 성과는 UAC 시스템의 셀룰러 및 주파수 재사용 개념을 고려하기에 충분한 동기부여가 된다. UAC 네트워크는 아직 개발 단계에 있으며, 그렇기 때문에 이 분야에 많은 관심과 의미 있는 연구가 필요하다. 대역폭 제한 때문에, UAC 네트워크에 대한 셀룰러 기반 네트워크 구조는 유용하다. 본 발명의 실시예에 따르면, UAC 네트워크에서 다운링크 셀룰러 형태의 네트워크 구조를 강조한다. There are many contributions of wireless-based network topology and the concept of frequency reuse in terrestrial networks. The tremendous performance of cellular networks is enough motivation to consider the cellular and frequency reuse concept of UAC systems. The UAC network is still in the development stage, so a lot of interest and meaningful research are needed in this field. Because of bandwidth limitations, cellular based network architectures for UAC networks are useful. According to an embodiment of the present invention, a network structure in the form of a downlink cellular in a UAC network is emphasized.

UAC 네트워크 구조의 레이아웃은 공간 주파수 재사용의 기본 셀룰러 개념을 기반으로 한다. 도 1은 1단계 UAC 네트워크 레이아웃의 고려된 아키텍처를 보여준다. 빨간색 원은 수중 기지국 컨트롤러 또는 부표를 나타내고 녹색 사각형은 UBS를 보여준다. 수중 기지국 컨트롤러 사이의 현장 간 거리는 40km이며, 3대의 UBS가 하나의 수중 기지국 컨트롤러에 연결되어 있다. 노란색 지역은 관심 지역을 나타낸다. 중앙 셀은 3개의 UBS가 고정된 거리 즉, 단거리(1km), 중간거리(5km), 장거리(10km)의 음향 통신 링크 1(지하 기지국 컨트롤러와 UBS)을 통해 해저 기지국 컨트롤러에 연결되는 관심 영역임을 의미한다. 관심 영역이라는 용어는 해당 영역에 존재하는 사용자에 대해서만 스케줄링, 중단 및 처리량 계산 등이 수행됨을 의미한다. 관심 영역은 본 발명의 실시예에 따른 시나리오의 가정에 따라 달라진다. 1단계 UAC 네트워크 시나리오에서는 도 1의 노란색에 설명된 바와 같이 중심 셀이 관심 영역이라고 가정했다. 파란색 영역은 간섭 제공 영역이다. 즉, 1단계에서 UBS를 고려하지 않는다. The layout of the UAC network structure is based on the basic cellular concept of spatial frequency reuse. 1 shows the considered architecture of the first stage UAC network layout. The red circle represents the underwater base station controller or buoy and the green square represents the UBS. The distance between sites between the underwater base station controllers is 40 km, and three UBSs are connected to one underwater base station controller. Yellow areas indicate areas of interest. The center cell is an area of interest in which three UBSs are connected to the submarine base station controller via a fixed distance, i.e., short (1 km), medium (5 km), and long (10 km) acoustic communication link 1 (underground base station controller and UBS). it means. The term region of interest means that scheduling, interruption, and throughput calculation are performed only for users existing in the region. The region of interest varies depending on the assumption of the scenario according to the embodiment of the present invention. In the first-stage UAC network scenario, it is assumed that the center cell is an ROI as described in yellow in FIG. 1. The blue area is the interference providing area. In other words, UBS is not considered in step 1.

UAC 네트워크 채널 모델은 저항적인 특성 때문에 시스템 성능에 심각한 영향을 미친다. 따라서, UAC 네트워크의 대역폭 효율성을 높이기 위해 SLS의 링크 적응을 분석할 때 전송 손실, 주변 소음 및 다중 경로 페이딩 효과를 고려하는 것이 중요하다. 실제로, UAC 네트워크 채널 모델에서 셀룰러 유형의 아키텍처를 고려하는 주된 목적은 제한된 대역폭 자원 내에서 커버리지와 용량을 최대화하는 것이다. 지상파 네트워크와 수중 네트워크의 주요 차이점은 수중 채널 모델을 고려하는 것이다. 그러나 수학식(1) 내지 수학식(8)과 그에 상응하는 수치는 종래기술에 잘 알려져 있다. 본 발명에서는 이러한 방정식을 이용하여 제안하는 시스템의 수중 채널 모델 파라미터를 검증했다. 따라서, 시스템 모델의 신뢰도를 위해 그 정보(즉, 수학식(1) 내지 수학식(8) 및 해당 수치)를 유지할 필요가 있다.The UAC network channel model has a serious impact on system performance due to its resistive nature. Therefore, it is important to consider transmission loss, ambient noise, and multipath fading effects when analyzing link adaptation of SLS in order to increase the bandwidth efficiency of UAC networks. In practice, the main purpose of considering cellular type architecture in UAC network channel model is to maximize coverage and capacity within limited bandwidth resources. The main difference between terrestrial and underwater networks is to consider an underwater channel model. However, Equations (1) to (8) and numerical values corresponding thereto are well known in the prior art. In the present invention, the underwater channel model parameters of the proposed system were verified using this equation. Therefore, it is necessary to maintain the information (ie, equations (1) to (8) and corresponding values) for reliability of the system model.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 차세대 수중통신 네트워크를 위한 효율적 SNR 매핑 기반 링크적응 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.2 is a flowchart illustrating an efficient SNR mapping-based link adaptation method for a next generation underwater communication network according to an embodiment of the present invention.

제안하는 세대 수중통신 네트워크를 위한 효율적 SNR 매핑 기반 링크적응 방법은 UAC 네트워크 채널 특성에 따른 적응형 변조 방식을 기반으로 링크 적응 절차를 분석하여, MCS 레벨을 선택하기 위한 우선순위 규칙을 정의하는 단계(210) 및 정의된 우선순위 규칙을 기반으로, UAC 네트워크에서 링크 적응 절차에 대한 복수의 MCS 레벨을 선택하여 자원을 할당하는 단계(220)를 포함한다. The proposed link adaptation method based on efficient SNR mapping for a generation underwater communication network is the step of analyzing a link adaptation procedure based on an adaptive modulation scheme according to UAC network channel characteristics, and defining a priority rule for selecting an MCS level ( 210) and a step 220 of allocating resources by selecting a plurality of MCS levels for the link adaptation procedure in the UAC network based on the defined priority rule.

단계(210)에서, UAC 네트워크 채널 특성에 따른 적응형 변조 방식을 기반으로 링크 적응 절차를 분석하여, MCS 레벨을 선택하기 위한 우선순위 규칙을 정의한다. EESM 알고리즘에 기초한 SNR 대 BLER 곡선을 사용하여 MCS 레벨에 대한 SNR 임계값을 부여하고, 전송 손실, 주변 소음 및 다중 경로 페이딩 효과를 포함하는 UAC 네트워크 채널 특성을 분석한다. In step 210, a link adaptation procedure is analyzed based on an adaptive modulation scheme according to UAC network channel characteristics, and a priority rule for selecting an MCS level is defined. The SNR versus BLER curve based on the EESM algorithm is used to give an SNR threshold for the MCS level, and the UAC network channel characteristics including transmission loss, ambient noise and multipath fading effects are analyzed.

단계(220)에서 정의된 우선순위 규칙을 기반으로, UAC 네트워크에서 링크 적응 절차에 대한 복수의 MCS 레벨을 선택하여 자원을 할당한다. 도 3을 참조하여 MCS 레벨을 선택하여 자원을 할당하는 과정을 더욱 상세히 설명한다. Based on the priority rule defined in step 220, resources are allocated by selecting a plurality of MCS levels for the link adaptation procedure in the UAC network. A process of allocating resources by selecting an MCS level will be described in more detail with reference to FIG. 3.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 UAC 네트워크에서 링크 적응 절차에 대한 복수의 MCS 레벨을 선택하여 자원을 할당하는 과정을 설명하기 위한 흐름도이다. FIG. 3 is a flowchart illustrating a process of allocating resources by selecting a plurality of MCS levels for a link adaptation procedure in a UAC network according to an embodiment of the present invention.

단계(220)는 UAC 네트워크 시스템에서 EESM 알고리즘을 사용하여 물리적 계층의 추상화를 수행하는 단계(310), 물리적 계층의 입력 데이터를 유효 SNR(SNReff)의 단일 값으로 압축하는 단계(320), EESM 알고리즘을 통해 AWGN 등가 SNR을 획득하고, AWGN 등가 SNR의 AWGN 링크 성능 곡선을 통해 BLER에 매핑하는 단계(330) 및 L2S 인터페이스 모델을 생성하기 위해 EESM 알고리즘을 통해 베타 캘리브레이션 계수의 보정을 수행하는 단계(340)를 포함한다. Step 220 is a step (310) of performing abstraction of the physical layer using the EESM algorithm in the UAC network system, step (320) of compressing the input data of the physical layer into a single value of effective SNR (SNReff), EESM algorithm Obtaining the AWGN equivalent SNR through the AWGN equivalent SNR, mapping to the BLER through the AWGN link performance curve of the AWGN equivalent SNR (330) and performing correction of the beta calibration coefficient through the EESM algorithm to generate the L2S interface model (340) ).

L2S 인터페이스 모델을 생성하기 위해 EESM 알고리즘을 통해 베타 캘리브레이션 계수의 보정을 수행하는 단계(340)는 수신기 측에서 패킷의 데이터 서브캐리어에 의해 경험되는 SNR(SNRAWGN) 및 유효 SNR(SNReff)를 계산하여, 유효 SNR(SNReff)과 경험되는 SNR(SNRAWGN)과의 차이를 최소화 하는 베타 값을 구하고, 평균 제곱 오차를 최소화하기 위해 베타 값을 보정한다. 이후, 유효 SNR(SNReff)을 지정된 MCS에 해당하는 AWGN-PER 조회 표를 사용하여 패킷 오류율 또는 BLER에 매핑한다. In step 340 of performing correction of the beta calibration coefficient through the EESM algorithm to generate the L2S interface model, the SNR (SNR AWGN ) and the effective SNR (SNReff) experienced by the data subcarrier of the packet are calculated at the receiver side. , The beta value that minimizes the difference between the effective SNR (SNReff) and the experienced SNR (SNR AWGN ) is calculated, and the beta value is corrected to minimize the mean square error. Thereafter, the effective SNR (SNReff) is mapped to the packet error rate or BLER using the AWGN-PER inquiry table corresponding to the designated MCS.

UAC 네트워크 시스템에서 이진 위상 편이 변조, 직교 위상 편이 변조 및 16상 직교 진폭 변조에 대하여 베타 값 보정을 수행한다. 평균 제곱 오차를 확인하기 위해 페이딩 채널 인식을 취하며, 최소 평균 제곱 오차를 나타내는 베타 값으로 베타 캘리브레이션 계수를 보정한다. In the UAC network system, beta value correction is performed for binary phase shift modulation, quadrature phase shift modulation, and 16 phase quadrature amplitude modulation. To check the mean square error, fading channel recognition is taken, and the beta calibration coefficient is corrected with a beta value representing the least mean square error.

또한, 유효 SNR(SNReff)를 지정된 MCS에 해당하는 AWGN-PER 조회 표를 사용하여 패킷 오류율 또는 BLER에 매핑하는 단계에서는, UAC 네트워크 시스템에서의 채널 특성에 따른 적응형 변조 방식을 기반으로 링크 적응 전략을 분석하고, MCS 레벨을 선택하기 위한 우선순위 규칙을 정의하여, 정의된 우선순위 규칙을 기반으로, 링크 적응 절차에 대한 복수의 최종 MCS 레벨을 선택한다. In addition, in the step of mapping the effective SNR (SNReff) to the packet error rate or BLER using the AWGN-PER inquiry table corresponding to the specified MCS, the link adaptation strategy based on the adaptive modulation method according to the channel characteristics in the UAC network system Is analyzed, a priority rule for selecting an MCS level is defined, and a plurality of final MCS levels for the link adaptation procedure are selected based on the defined priority rule.

UAC 네트워크에서 전송 손실은 기하학적 확산 손실과 감쇠에 기인한다. 본 발명의 실시예에 따른 전송 손실 모델은 다음과 같이 나타낼 수 있다.Transmission losses in UAC networks are due to geometric spreading losses and attenuation. The transmission loss model according to an embodiment of the present invention can be expressed as follows.

Figure 112019090601404-pat00001
수학식(1)
Figure 112019090601404-pat00001
Equation (1)

여기서 각각 A0, k, α(f)는 단위 정상화 상수, 확산 계수, 흡수 계수이다. 전송 손실 표현[데시벨]은 다음과 같이 나타낼 수 있다. Where A 0 , k and α(f) are unit normalization constants, diffusion coefficients, and absorption coefficients, respectively. The transmission loss expression [decibel] can be expressed as follows.

Figure 112019090601404-pat00002
(2)
Figure 112019090601404-pat00002
(2)

(2)에서 첫 번째 항[k.10 logd]은 확산 손실(실용 확산 계수의 값은 k = 1.5)을 나타내며, 두 번째 항[d.10 logα(f)]은 흡수 손실을 나타낸다. 흡수 계수는 신호 주파수에 기인하며, α(f)[dB/m]를 f[kHz]의 함수로 표현하는 Thorp의 수학식(3)을 사용하여 경험적으로 나타낼 수 있다. In (2), the first term [k.10 logd] represents the diffusion loss (the value of the practical diffusion coefficient is k = 1.5), and the second term [d.10 logα(f)] represents the absorption loss. The absorption coefficient is due to the signal frequency and can be empirically expressed using Thorp's equation (3), which expresses α(f)[dB/m] as a function of f[kHz].

Figure 112019090601404-pat00003
(3)
Figure 112019090601404-pat00003
(3)

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 주위 노이즈의 4가지 유형을 나타내는 도면이다. 4 is a diagram showing four types of ambient noise according to an embodiment of the present invention.

도 4(a)와 도 4(b)는 각각 흡수 계수 손실과 완전한 전송 손실 또는 경로 손실을 보여준다. 주파수에 따라 흡수 손실과 전송 손실이 증가한다.4(a) and 4(b) show absorption coefficient loss and complete transmission loss or path loss, respectively. Absorption loss and transmission loss increase with frequency.

UAC 네트워크 채널 모델에서는 주위 노이즈가 자연스럽다. 전력 스펙트럼 밀도를 갖는 주요 소음원의 경험적 공식은 다음과 같이 나타낼 수 있다. In the UAC network channel model, ambient noise is natural. The empirical formula for the main noise source with power spectral density can be expressed as

Figure 112019090601404-pat00004
수학식(4)
Figure 112019090601404-pat00004
Equation (4)

여기서 Nt, Ns, Nw, Nth는 각각 터뷸런스, 운송, 바람 및 열 노이즈를 나타낸다. 총 노이즈 전력 밀도는 다음과 같다.Where N t , N s , N w , and N th represent turbulence, transport, wind and thermal noise, respectively. The total noise power density is as follows.

Figure 112019090601404-pat00005
수학식(5)
Figure 112019090601404-pat00005
Equation (5)

도 4(c)는 주위 노이즈(터블런스, 운송, 바람 및 열)의 4가지 유형을 개별적으로 보여준다. 운송 노이즈에서 s는 운송 활동 계수로, 각각 낮은 활동과 높은 활동의 경우 0과 1 사이에 있다. 바람 노이즈에 대해 w는 풍속(m)을 초 단위로 나타내며, 풍속 파동에 의한 표면 운동에서 나온다. 따라서 총 주변 노이즈는 도 4(d)와 같이 터뷸런스, 운송, 바람 및 열 노이즈의 전체 전력 스펙트럼 밀도의 합이다.Figure 4(c) shows the four types of ambient noise (turbulence, transport, wind and heat) individually. In transport noise, s is the transport activity coefficient, which is between 0 and 1 for low and high activity, respectively. For wind noise, w represents the wind speed (m) in seconds, and comes from the surface motion caused by the wind speed wave. Therefore, the total ambient noise is the sum of the total power spectral density of turbulence, transport, wind, and thermal noise as shown in FIG. 4(d).

본 발명의 실시예에 따르면, Matlab 기반의 LLS와 SLS 플랫폼을 구축했으며, UAC 네트워크에 12 경로 라이시안(Rician) 페이딩 채널을 활용했다. 본 발명의 실시예에 따른 페이딩 채널은 12개의 경로 지연을 가지며, 모든 경로는 각각 다른 지연 프로필과 K 값을 가진다. 이 페이딩 채널 모델은 채널 모델 매개변수가 표 1에 나열된 한국 해역에서 측정된 채널 중 하나에 기초한다. According to an embodiment of the present invention, a Matlab-based LLS and SLS platform was built, and a 12-path Rician fading channel was used in the UAC network. A fading channel according to an embodiment of the present invention has 12 path delays, and all paths have different delay profiles and K values. This fading channel model is based on one of the channels measured in Korean waters where the channel model parameters are listed in Table 1.

<표 1><Table 1>

Figure 112019090601404-pat00006
Figure 112019090601404-pat00006

또한, 도플러 확산 및 최대 지연 값은 각각 4Hz와 17.78ms이다. 그리고 최대 초과 지연, 일관성 대역폭 및 일관성 시간은 각각 14.78ms, 16Hz, 250ms이다. 데이터 수집 실험은 페이딩 채널 모델에 대해서만 수행된다는 점에 유의해야 한다. 시뮬레이션에서 페이딩 채널 모델의 데이터를 사용한다. 페이딩 채널의 데이터 수집을 위한 실험 환경의 세부 사항은 다음과 같다.Also, the Doppler spread and maximum delay values are 4Hz and 17.78ms, respectively. And the maximum excess delay, coherence bandwidth and coherence time are 14.78ms, 16Hz, and 250ms, respectively. It should be noted that the data collection experiment is only performed on the fading channel model. The simulation uses the data from the fading channel model. Details of the experimental environment for collecting fading channel data are as follows.

1) 2017년 12월 9일부터 2017년 12월 13일까지 데이터 수집 실험을 실시하였다.1) Data collection experiments were conducted from December 9, 2017 to December 13, 2017.

2) 실험은 한국해(경남 거제시 포항해)에서 진행됐다. 2) The experiment was conducted in the Korean Sea (Pohang Sea, Geoje-si, Gyeongnam).

- 위도 및 경도 좌표는 북위 34° 49‘ 59.13, 동경 128° 45’ 13.83-Latitude and longitude coordinates are 34° North Latitude 49' 59.13, 128° 45 East Longitude 13.83

3) 실험 설정의 경우 송신기(변속기)와 수신기(수동기)의 깊이를 각각 25 m와 5 m로 설정하였다. 송신기와 수신기 사이의 다른 거리, 즉 500m, 1km, 1.5km, 2km, 5km, 10km를 기준으로 실험을 실시했다.3) In the case of the experimental setup, the depth of the transmitter (transmission) and the receiver (manual) was set to 25 m and 5 m, respectively. Experiments were conducted based on different distances between the transmitter and receiver, i.e. 500m, 1km, 1.5km, 2km, 5km, and 10km.

4) 채널 측정의 경우 10kHz ~ 14kHz의 주파수 범위를 고려하였으며, 선형 주파수 변조(LFM) 및 Zadoff-Chu 신호가 사용되었으며 신호 대역폭은 4kHz이다.4) In the case of channel measurement, the frequency range of 10kHz ~ 14kHz was considered, linear frequency modulation (LFM) and Zadoff-Chu signal were used, and the signal bandwidth was 4kHz.

5) 송신측에서 주기적으로 신호를 전송하였으며, 수신측에서 신호를 수신하여 채널의 임펄스 응답을 추정하였다. 채널은 송신측과 수신측 사이의 거리를 변화시켜 측정했다.5) The transmitting side periodically transmitted the signal, and the receiving side received the signal to estimate the impulse response of the channel. The channel was measured by varying the distance between the transmitting side and the receiving side.

제곱 평균(rms) 지연 스프레드는 다음과 같이 계산할 수 있다.The mean squared (rms) delay spread can be calculated as:

Figure 112019090601404-pat00007
수학식(6)
Figure 112019090601404-pat00007
Equation (6)

여기서

Figure 112019090601404-pat00008
는 평균 초과 지연을 나타낸다.here
Figure 112019090601404-pat00008
Represents the average excess delay.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 12경로 페이딩 채널 모델의 페이딩 엔벨로프 및 위상을 나타내는 도면이다. 5 is a diagram showing a fading envelope and a phase of a 12-path fading channel model according to an embodiment of the present invention.

도 5(a)와 도 5(b)에서는 각각 12경로 페이딩 채널 모델의 페이딩 엔벨로프(envelope)와 위상을 제공한다.5(a) and 5(b) provide a fading envelope and a phase of a 12-path fading channel model, respectively.

수신기 구조, 코딩 체계 또는 피드백 문제는 링크 레벨에서 시뮬레이션에 적합하지만, 이러한 유형의 시뮬레이션에서 셀 계획, 스케줄링 또는 간섭 문제를 고려하는 것은 비현실적이다. 그러나, 해저 기지국 컨트롤러와 UBS 링크 사이의 모든 문제를 고려하는 것은 시스템 레벨 시뮬레이션을 실행하는 데 있어 실현 가능하지 않다. 왜냐하면 그것은 엄청난 양의 연산력을 필요로 하기 때문이다. 따라서 문제의 복잡성을 줄이기 위해, 본 발명에서는 SLS에서 근본적인 특성을 높은 정확도로 포착함으로써 물리적 계층을 추상화한다. 그러면 SLS측에서 전체 네트워크의 성능을 쉽게 분석할 수 있다. 본 발명에서는 물리적 계층의 추상화는 UAC 네트워크 시스템에서 EESM 알고리즘을 사용하여 이루어진다. Receiver structure, coding scheme or feedback issues are suitable for simulation at the link level, but it is impractical to consider cell planning, scheduling or interference issues in this type of simulation. However, taking into account all the problems between the submarine base station controller and the UBS link is not feasible in running system level simulations. Because it requires a huge amount of computational power. Therefore, in order to reduce the complexity of the problem, the present invention abstracts the physical layer by capturing the fundamental characteristics in the SLS with high accuracy. Then, the SLS side can easily analyze the performance of the entire network. In the present invention, the abstraction of the physical layer is achieved using the EESM algorithm in the UAC network system.

L2S 매핑 절차에서 PHY 계층 입력 데이터는 일반적으로 유효 SNR(SNReff)이라고 불리는 단일 값으로 압축된다. AWGN 등가 SNR은 EESM 방법으로 얻어지며, AWGN 링크 성능 곡선을 통해 BLER에 매핑된다. 더욱이 베타 캘리브레이션 계수의 보정 및 최적화는 보다 정확한 L2S 인터페이스 모델을 제공한다.In the L2S mapping procedure, the PHY layer input data is generally compressed into a single value called effective SNR (SNReff). The AWGN equivalent SNR is obtained by the EESM method and is mapped to the BLER through the AWGN link performance curve. Moreover, correction and optimization of the beta calibration coefficient provides a more accurate L2S interface model.

정확한 L2S 매핑을 위해서는 UAC 시스템에 베타 조정 계수가 필요하다. 그러나, 추정된 BLER과 실제 BLER 사이의 가장 작은 차이를 제공하는 베타 조정 계수를 결정하기 위해서는 많은 시뮬레이션이 필요하다. 특히 SNReff 점들은 각 MCS의 AWGN 곡선과 같아야 한다. 본 발명에서는 EESM 접근법을 사용하여 L2S 매핑에 대한 베타 값을 찾는다. 다른 채널 실현을 얻기 위해 UAC 네트워크 12-경로 Rician 페이딩 채널 모델을 사용한다.For accurate L2S mapping, a beta adjustment factor is needed in the UAC system. However, a lot of simulation is needed to determine the beta adjustment coefficient that provides the smallest difference between the estimated BLER and the actual BLER. Specifically, the SNReff points should be the same as the AWGN curve of each MCS. In the present invention, a beta value for L2S mapping is found using the EESM approach. UAC network 12-path Rician fading channel model is used to achieve different channel realization.

UAC 네트워크 LLS를 사용하여 동일한 MCS에 대해 12 경로 Rician 페이딩 채널 모델에 따라 총 10개의 채널 실현을 시뮬레이션한다. 베타 보정 절차의 세부 단계는 다음과 같다.UAC network LLS is used to simulate a total of 10 channels realization according to the 12 path Rician fading channel model for the same MCS. The detailed steps of the beta calibration procedure are as follows.

1단계] 수신기 측에서 패킷의 데이터 서브캐리어에 의해 경험되는 SNR 값을 계산한다[SNR1, ... ,SNRn]. 특정 패킷에 속하는 모든 SNR 값은 단일 스칼라 값으로 압축된다.Step 1] The receiver calculates the SNR value experienced by the data subcarrier of the packet [SNR1, ... ,SNRn]. All SNR values belonging to a specific packet are compressed into a single scalar value.

2단계] SNReff를 다음과 같이 계산한다.Step 2] Calculate the SNReff as follows.

Figure 112019090601404-pat00009
수학식(7)
Figure 112019090601404-pat00009
Equation (7)

SNReff와 SNRAWGN에서 얻은 두 값을 비교하려면 계산된 SNR과 실제 유효 SNR 간의 차이를 최소화하는 최상의 베타 값을 찾는다.To compare the two values obtained from SNReff and SNRAWGN, find the best beta value that minimizes the difference between the calculated SNR and the actual effective SNR.

Figure 112019090601404-pat00010
수학식(8)
Figure 112019090601404-pat00010
Equation (8)

여기서, here,

Figure 112019090601404-pat00011
수학식(9)
Figure 112019090601404-pat00011
Equation (9)

Figure 112019090601404-pat00012
수학식(10)
Figure 112019090601404-pat00012
Equation (10)

이다.to be.

수학식(9)와 수학식(10)은 채널 실현에 해당하는 요소로 벡터를 나타낸다.Equations (9) and (10) represent vectors as elements corresponding to channel realization.

3단계] 많은 랜덤 채널 실현이 필요하다; 그런 다음, 평균 제곱 오차를 최소화하기 위해 베타 값을 보정한다. 최소 차이를 제공하는 베타 값을 최적 값으로 선택한다.Step 3] Many random channels need to be realized; Then, the beta value is corrected to minimize the mean squared error. The beta value that provides the minimum difference is chosen as the optimal value.

4단계] SNReff를 지정된 MCS에 해당하는 AWGN-PER 조회 표를 사용하여 패킷 오류율(PER) 또는 BLER에 매핑한다. 다음 알고리즘 1은 UAC 네트워크의 LLS측 베타 보정 절차의 구현 세부사항을 보여준다.Step 4] Map the SNReff to the packet error rate (PER) or BLER using the AWGN-PER inquiry table corresponding to the designated MCS. The following Algorithm 1 shows the implementation details of the beta correction procedure on the LLS side of the UAC network.

Figure 112019090601404-pat00013
Figure 112019090601404-pat00013

알고리즘 1에 따르면 베타 보정 절차를 이해하기 쉽다. 기본적으로 가정된 MCS 레벨에서 AWGN 채널 모델 아래의 BLER 곡선을 계산해야 한다. 다음으로, 특정 채널 모델에서는 복수의 채널 실현이 필요하며, 본 발명에서는 12 경로 라이시안 페이딩 채널 모델에서 다양한 채널 실현을 달성하는 시뮬레이션을 실시한다. 그런 다음 각 채널 실현에 대한 기존 서브캐리어의 SNR 값을 계산한다. 그 후, SNReff 또는 SNReesm 값을 EESM 채널 실현을 사용하여 계산한다. 마지막으로 해당 BLER에 대한 SNRAWGN과 SNReff의 차이를 계산한다. 그 후, 그 과정은 최소의 차이를 얻기 위해 다양한 베타 값에 대한 반복이 필요하다. 본 발명에서는 12경로 라이시안 페이딩 채널을 통해 BPSK, QPSK, 16QAM의 세 가지 변조 방식에 대해 EESM 베타 보정을 제공하는 UAC 네트워크를 위해 L2S 매핑의 EESM 방법을 요약하였다. 따라고, 본 발명의 실시예에 따른 UAC 네트워크에 대한 알고리즘 I에 베타 보정 절차의 구현 단계를 요약한다.According to Algorithm 1, the beta calibration procedure is easy to understand. Basically, the BLER curve under the AWGN channel model should be calculated at the assumed MCS level. Next, it is necessary to realize a plurality of channels in a specific channel model, and in the present invention, a simulation is performed to achieve various channels in a 12-path Rician fading channel model. Then, the SNR value of the existing subcarrier for each channel realization is calculated. Then, the SNReff or SNReesm value is calculated using the EESM channel realization. Finally, the difference between SNRAWGN and SNReff for the corresponding BLER is calculated. After that, the process requires iterations over various beta values to get the smallest difference. In the present invention, the EESM method of L2S mapping is summarized for a UAC network that provides EESM beta correction for three modulation schemes of BPSK, QPSK, and 16QAM through a 12-path Rician fading channel. Accordingly, the implementation steps of the beta correction procedure in Algorithm I for UAC network according to an embodiment of the present invention are summarized.

알고리즘 I은 베타 보정의 구현 단계를 제시한다는 점에 유의해야 한다. 페이딩 채널 실현 수(10) 등 베타 보정을 수행하기 위한 특정 매개변수의 값을 설정한다. 일반적인 시나리오에 대한 보다 정확한 구현 단계를 제시한다. It should be noted that Algorithm I presents the implementation steps of the beta correction. Set values of specific parameters for performing beta correction, such as the number of fading channels realized (10). It presents more accurate implementation steps for common scenarios.

도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 차세대 수중통신 네트워크를 위한 효율적 SNR 매핑 기반 링크적응 장치의 구성을 나타내는 도면이다. 6 is a diagram showing the configuration of an efficient SNR mapping-based link adaptation apparatus for a next generation underwater communication network according to an embodiment of the present invention.

제안하는 세대 수중통신 네트워크를 위한 효율적 SNR 매핑 기반 링크적응 장치(600)는 분석부(610) 및 스케줄링부(620)를 포함한다. An efficient SNR mapping-based link adaptation device 600 for a proposed generation underwater communication network includes an analysis unit 610 and a scheduling unit 620.

분석부(610)는 UAC 네트워크 채널 특성에 따른 적응형 변조 방식을 기반으로 링크 적응 절차를 분석하여, MCS 레벨을 선택하기 위한 우선순위 규칙을 정의한다. The analysis unit 610 analyzes a link adaptation procedure based on an adaptive modulation scheme according to a UAC network channel characteristic, and defines a priority rule for selecting an MCS level.

분석부(610)는 EESM 알고리즘에 기초한 SNR 대 BLER 곡선을 사용하여 MCS 레벨에 대한 SNR 임계값을 부여하고, 전송 손실, 주변 소음 및 다중 경로 페이딩 효과를 포함하는 UAC 네트워크 채널 특성을 분석한다. The analysis unit 610 assigns an SNR threshold for the MCS level using the SNR versus BLER curve based on the EESM algorithm, and analyzes UAC network channel characteristics including transmission loss, ambient noise, and multipath fading effects.

스케줄링부(620)는 정의된 우선순위 규칙을 기반으로, UAC 네트워크에서 링크 적응 절차에 대한 복수의 MCS 레벨을 선택하여 자원을 할당한다. The scheduling unit 620 allocates resources by selecting a plurality of MCS levels for the link adaptation procedure in the UAC network based on the defined priority rule.

스케줄링부(620)는 UAC 네트워크 시스템에서 EESM 알고리즘을 사용하여 물리적 계층의 추상화를 수행하고, 물리적 계층의 입력 데이터를 유효 SNR(SNReff)의 단일 값으로 압축한다. 이후, EESM 알고리즘을 통해 AWGN 등가 SNR을 획득하고, AWGN 등가 SNR의 AWGN 링크 성능 곡선을 통해 BLER에 매핑하고, L2S 인터페이스 모델을 생성하기 위해 EESM 알고리즘을 통해 베타 캘리브레이션 계수의 보정을 수행한다. The scheduling unit 620 performs abstraction of the physical layer using the EESM algorithm in the UAC network system, and compresses the input data of the physical layer into a single value of effective SNR (SNReff). Thereafter, the AWGN equivalent SNR is obtained through the EESM algorithm, mapped to the BLER through the AWGN link performance curve of the AWGN equivalent SNR, and the beta calibration coefficient is corrected through the EESM algorithm to generate the L2S interface model.

스케줄링부(620)는 캘리브레이션 계수의 보정을 수행하기 위해 수신기 측에서 패킷의 데이터 서브캐리어에 의해 경험되는 SNR(SNRAWGN) 및 유효 SNR(SNReff)를 계산하여, 유효 SNR(SNReff)과 경험되는 SNR(SNRAWGN)과의 차이를 최소화 하는 베타 값을 구하고, 평균 제곱 오차를 최소화하기 위해 베타 값을 보정하며, 유효 SNR(SNReff)을 지정된 MCS에 해당하는 AWGN-PER 조회 표를 사용하여 패킷 오류율 또는 BLER에 매핑한다. The scheduling unit 620 calculates the SNR (SNR AWGN ) and the effective SNR (SNReff) experienced by the data subcarrier of the packet at the receiver side to perform correction of the calibration coefficient, and calculates the effective SNR (SNReff) and the experienced SNR. Calculate the beta value that minimizes the difference from (SNR AWGN ), correct the beta value to minimize the mean square error, and determine the effective SNR (SNReff) by using the AWGN-PER query table corresponding to the specified MCS to determine the packet error rate or Mapped to BLER.

도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 세 가지 변조 방식(BPSK, QPSK 및 16QAM)의 곡선을 나타내는 도면이다.7 is a diagram showing curves of three modulation schemes (BPSK, QPSK, and 16QAM) according to an embodiment of the present invention.

본 발명에서는 UAC 네트워크에 대한 EESM 접근방식을 사용하여 세 가지 변조 방식(BPSK, QPSK 및 16QAM)의 베타 값을 찾는다. 보정된 베타 값은 UAC 네트워크에서 정확한 L2S 매핑을 달성하기 위해 사용된다. 도 7(a)에서는 BPSK에 대한 실제 곡선, 도 7(b)는 보정된 EESM 곡선을 보여준다. AWGN 곡선(실선) 근처에 분산되어 있는 경우 도 7(b)에서 산재한 표시는 구별되는 채널 실현을 나타낸다. 이는 추정된 BLER이 AWGN에 따라 시뮬레이션된 BLER에 매우 근접하기 때문에 추상화 모델의 유효성을 입증한다. In the present invention, the beta values of three modulation schemes (BPSK, QPSK, and 16QAM) are found using the EESM approach to the UAC network. The corrected beta value is used to achieve accurate L2S mapping in the UAC network. Fig. 7(a) shows the actual curve for BPSK, and Fig. 7(b) shows the corrected EESM curve. When scattered around the AWGN curve (solid line), scattered marks in Fig. 7(b) indicate the realization of distinct channels. This proves the validity of the abstraction model because the estimated BLER is very close to the simulated BLER according to AWGN.

도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 QPSK의 곡선을 나타내는 도면이다. 8 is a diagram showing a QPSK curve according to an embodiment of the present invention.

도 8(a)는 QPSK의 실제 곡선을 나타낸 반면 도 8(b)는 보정된 EESM 곡선을 나타낸다. Fig. 8(a) shows the actual curve of QPSK, while Fig. 8(b) shows the corrected EESM curve.

도 9은 본 발명의 일 실시예에 따른 16QAM의 곡선을 나타내는 도면이다.9 is a diagram showing a curve of 16QAM according to an embodiment of the present invention.

도 9(a)에서는 16QAM에 대한 실제 곡선을 그리고 도 9(b)는 보정된 EESM 곡선을 보여준다. 따라서 도 7(b), 도 8(b), 도 9(b)와 같이 실선은 AWGN 아래의 기준 SNR 대 BLER 곡선을 나타내는 반면, 산재된 표시는 12 경로 라이시안 채널 모델을 통해 획득한 BLER를 나타낸다.Fig. 9(a) shows an actual curve for 16QAM, and Fig. 9(b) shows a corrected EESM curve. Therefore, as shown in Figs. 7(b), 8(b), and 9(b), the solid line represents the reference SNR vs. BLER curve below the AWGN, while the scattered display shows the BLER obtained through the 12-path Rician channel model. Show.

높은 SNR 범위에서 분산의 증가는 채널 실현의 페이딩 때문이다. 도 7, 도 8 및 도 9에서 페이딩 채널 실현의 BLER 곡선은 낮은 SNR에서 중첩되지만, 높은 BLER 때문에 높은 SNR에서는 거의 확산되지 않는다. 효과적인 SNR의 분산이 증가함에 따라 페이딩 채널 실현을 모방하고 있다. 따라서, 유효 SNR의 분산은 낮은 BLER에서 낮으며, 그 반대의 경우도 낮다.The increase in variance in the high SNR range is due to fading in channel realization. In Figs. 7, 8 and 9, the BLER curves of the fading channel realization overlap at low SNR, but hardly spread at high SNR due to high BLER. As the dispersion of effective SNR increases, it is imitating the realization of fading channels. Thus, the variance of the effective SNR is low at low BLER and vice versa.

더욱이 페이딩 채널 모델의 10가지 실현을 취하는 이유는 상당히 명백하다. 도 7, 도 8 및 도 9를 참조하면, 라이시안 페이딩 채널의 곡선이 서로 겹치는 것을 쉽게 알 수 있다. 이는 UAC 시스템에서 10개의 페이딩 채널 실현이 링크 레벨에서 시스템 레벨 매핑에 충분하다는 것을 의미한다.Moreover, the reason for taking 10 realizations of the fading channel model is quite obvious. 7, 8, and 9, it can be easily seen that the curves of the Rician fading channel overlap each other. This means that realization of 10 fading channels in a UAC system is sufficient for system level mapping at the link level.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 MCS 레벨을 설명하기 위한 도면이다. 10 is a diagram illustrating an MCS level according to an embodiment of the present invention.

본 발명의 실시예에 따르면, UAC 네트워크에 대한 적응형 변조 방식을 기반으로 링크 적응 전략을 채택한다. 일반적으로 높은 SNR은 높은 스펙트럼 효율을 제공하는 상위 순서 변조 방식을 모방한다. 반대로 낮은 SNR은 낮은 순서의 변조 방식을 따른다. 낮은 SNR은 스펙트럼 효율성은 떨어지지만 전송 오류에 대해서는 견고하다. According to an embodiment of the present invention, a link adaptation strategy is adopted based on an adaptive modulation scheme for a UAC network. In general, high SNR mimics higher order modulation schemes that provide high spectral efficiency. Conversely, low SNR follows a low-order modulation scheme. Low SNR decreases spectral efficiency, but is robust against transmission errors.

본 발명에서는 링크 적응 전략에서 일정한 코드율(1/2)의 BPSK, QPSK, 16QAM 변조 방식을 검토한다. 실제로 각 변조 방식에 해당하는 데이터 반복 패턴(RP)을 고려한다. LLS 측면에서는 몇 가지 중요한 데이터 RP(1, 3, 4, 8, 9, 12, 24, 36, 72)가 고려된다. 따라서 도 10에 나타난 세 가지 변조 방식과 RP의 조합을 바탕으로 총 27개의 MCS 레벨이 존재한다. 그러나, 서로 다른 MCS 레벨 사이에는 중첩이 있으며, 따라서 다음과 같이 도 10에서 MCS 레벨을 선택하기 위한 몇 가지 중요한 우선순위 규칙을 가정한다.In the present invention, the BPSK, QPSK, and 16QAM modulation schemes of a constant code rate (1/2) are examined in the link adaptation strategy. In fact, a data repetition pattern (RP) corresponding to each modulation scheme is considered. In terms of LLS, several important data RPs (1, 3, 4, 8, 9, 12, 24, 36, 72) are considered. Therefore, there are a total of 27 MCS levels based on the combination of the three modulation schemes and RP shown in FIG. 10. However, there is overlap between the different MCS levels, and therefore, some important priority rules for selecting the MCS level in FIG. 10 are assumed as follows.

최소 1dB 이상의 차이가 있는 MCS 레벨을 선택한다. Select an MCS level with a difference of at least 1dB.

서로 다른 MSC 레벨(BPSK, QPSK, 16QAM)의 차이가 1dB 미만인 경우, BLER가 더 나은 MCS를 선택한다. When the difference between different MSC levels (BPSK, QPSK, 16QAM) is less than 1dB, the BLER selects a better MCS.

여러 MSC 레벨이 겹치는 경우, 더 낮은 MCS를 선택한다.If several MSC levels overlap, a lower MCS is selected.

동일한 MCS 레벨이 서로 다른 RP(예를 들어, BPSK RP1, BPSK RP3)를 가지고 있고 그 차이가 1dB 미만인 경우, BLER가 더 나은 MCS를 선택한다. If the same MCS level has different RPs (eg, BPSK RP1, BPSK RP3) and the difference is less than 1dB, the BLER selects a better MCS.

MCS 레벨마다 RP가 다르지만 BLER의 차이가 매우 작은 경우, 낮은 MCS를 선택한다. If RP is different for each MCS level, but the difference in BLER is very small, a low MCS is selected.

시스템 처리량(예: BPSK RP72, BPSK RP36, BPSK RP24, QPSK RP72 등)에 영향을 미치지 않으므로 낮은 SNR 범위에서 더 큰 RP를 가진 낮은 MCS를 폐기한다. It does not affect the system throughput (e.g. BPSK RP72, BPSK RP36, BPSK RP24, QPSK RP72, etc.), so discard the lower MCS with the larger RP in the lower SNR range.

시스템 처리량(예를 들어, BPSK RP1, QPSKRP3, 16QAM RP3)에 큰 영향을 미치기 때문에 RP 패턴이 낮은 MCS 레벨을 유지한다. The RP pattern maintains a low MCS level because it has a large impact on the system throughput (eg BPSK RP1, QPSKRP3, 16QAM RP3).

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 우선순위 규칙에 기초하여 폐기된 MCS 레벨을 나타내는 도면이다. 11 is a diagram illustrating a discarded MCS level based on a priority rule according to an embodiment of the present invention.

우선순위 규칙에 기초하여 폐기된 MCS 레벨이 도 11에 나타나 있다. 27개의 MCS 레벨 중 MCS 레벨 선정에 대한 우선순위 규칙을 적용하여 13개의 MCS가 남아 있다. 이제 SLS의 나머지 13개의 MCS 레벨을 활용하여 각 MCS 레벨에서 시스템 처리량을 분석한다. The discarded MCS level based on the priority rule is shown in FIG. 11. Among the 27 MCS levels, 13 MCSs remain by applying the priority rule for selecting an MCS level. Now the remaining 13 MCS levels of SLS are utilized to analyze the system throughput at each MCS level.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 13 MCS 레벨에 기초한 처리량 곡선을 나타내는 도면이다. 12 is a diagram showing a throughput curve based on 13 MCS levels according to an embodiment of the present invention.

도 12에서 보면 높은 MCS 레벨이 낮은 MCS 레벨과 겹치기 때문에(예를 들어, QPSK RP12가 BPSK RP3과 겹치기 때문에) 폐기할 필요가 있음을 쉽게 알 수 있다. 따라서 SLS 처리량 곡선을 기준으로 4가지 MCS 레벨(BPSK RP8, QPSK RP12, QPSK RP4 및 16QAM RP12)을 더 폐기한다. 이러한 4개의 MCS 레벨을 폐기한 후, 최종 MCS 레벨의 BLER 곡선은 도 13에 나타나 있다. In FIG. 12, it can be easily seen that the high MCS level overlaps with the low MCS level (for example, because QPSK RP12 overlaps BPSK RP3) and thus needs to be discarded. Therefore, based on the SLS throughput curve, four more MCS levels (BPSK RP8, QPSK RP12, QPSK RP4 and 16QAM RP12) are discarded. After discarding these four MCS levels, the BLER curve of the final MCS level is shown in FIG. 13.

도 13은 본 발명의 일 실시예에 따른 최종 MCS 레벨의 BLER 곡선을 나타내는 도면이다. 13 is a diagram illustrating a BLER curve of a final MCS level according to an embodiment of the present invention.

또한 UAC 네트워크 SLS에서 적응형 변조를 위한 최종 9개의 MCS 레벨에 기초한 SNR 대 CQI 매핑은 표 2에 나와 있다.In addition, SNR-to-CQI mapping based on the last 9 MCS levels for adaptive modulation in the UAC network SLS is shown in Table 2.

Figure 112019090601404-pat00014
Figure 112019090601404-pat00014

주파수 영역에서 PF 스케줄링을 사용하여 UAC 네트워크 SLS에서 처리량을 평가함으로써 링크 적응 전략에서 최종 9개의 MCS 레벨을 활용한다. 또한, 주파수 영역에서는 링크 적응을 고려하고, 시간 영역에서는 라운드 로빈(RR) UBS 선택과 PF UBS 선택에 따라 스케줄을 수행한다. RR 기반 UBS 선택 전략에서는 RR UBS 선택에 따라 각 시간 슬롯에 하나의 UBS에 하나의 프레임을 할당하는 한편, 링크 적응은 해당 UBS 시간 슬롯에 대한 주파수 영역에서 수행된다. PF 기반 UBS 선택 전략의 경우, PF UBS 선택에 따라 각 슬롯에 하나의 프레임을 UBS에 할당하고, 링크 적응은 해당 UBS 시간 슬롯에 대한 주파수 영역에서도 수행된다. By evaluating throughput in the UAC network SLS using PF scheduling in the frequency domain, the last nine MCS levels are utilized in the link adaptation strategy. In addition, link adaptation is considered in the frequency domain, and schedules are performed according to round robin (RR) UBS selection and PF UBS selection in the time domain. In the RR-based UBS selection strategy, one frame is allocated to one UBS in each time slot according to the RR UBS selection, while link adaptation is performed in the frequency domain for the corresponding UBS time slot. In the case of the PF-based UBS selection strategy, one frame is allocated to the UBS in each slot according to the PF UBS selection, and link adaptation is also performed in the frequency domain for the corresponding UBS time slot.

도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 RR 기반 UBS 선택과 PF 기반 UBS 선택을 위한 시간 영역 스케줄링을 설명하기 위한 도면이다. 14 is a diagram for explaining time domain scheduling for RR-based UBS selection and PF-based UBS selection according to an embodiment of the present invention.

도 14(a)와 도 14(b)는 각각 RR 기반 UBS 선택과 PF 기반 UBS 선택을 위한 시간 영역 스케줄링의 세부사항을 보여준다. UAC 네트워크 SLS에서 확정된 9개의 MCS 레벨에 기초하여 적응형 변조를 위한 링크 적응 절차의 구현 세부사항이 알고리즘 II에 제시되어 있다. 14(a) and 14(b) show details of time domain scheduling for RR-based UBS selection and PF-based UBS selection, respectively. Implementation details of the link adaptation procedure for adaptive modulation based on the nine MCS levels determined in the UAC network SLS are presented in Algorithm II.

Figure 112019090601404-pat00015
Figure 112019090601404-pat00015

Figure 112019090601404-pat00016
Figure 112019090601404-pat00016

적응형 변조 프로세스는 각 시간 슬롯에 프레임을 할당하는 동안 주파수 영역을 기반으로 한다는 점에 유의하라. 따라서 스케줄링은 UAC 시스템의 주파수 영역에서 적응형 변조를 위한 PF 규칙을 기반으로 수행된다. 링크 적응 절차의 구현 단계는 알고리즘 II에 설명되어 있다.Note that the adaptive modulation process is frequency domain based while allocating frames to each time slot. Therefore, scheduling is performed based on the PF rule for adaptive modulation in the frequency domain of the UAC system. The implementation steps of the link adaptation procedure are described in Algorithm II.

연산 복잡성은 절차를 실행하는 데 필요한 기본 작업을 고려하여 측정하며, 문제 크기 K(자원 블록의 총 수)의 함수임을 나타낸다. T(K) 작동으로 표현되는 워터 필링(water-filling) 적응형 변조 및 코딩 모델의 복잡성은 다음과 같이 지정된다.The computational complexity is measured by taking into account the basic work required to execute the procedure and indicates that it is a function of the problem size K (total number of resource blocks). The complexity of the water-filling adaptive modulation and coding model represented by T(K) operation is specified as follows.

Figure 112019090601404-pat00017
수학식(11)
Figure 112019090601404-pat00017
Equation (11)

여기서 M은 다중 입력, 다중 출력(MIMO) 전송 모드를 나타내며, ζ는 코딩율, K는 자원 블록 또는 서브캐리어의 총 수, SEF와 SET는 각각 유효 및 E-타이트닝(E-tightening) 서브루틴에 대하여 솔루션을 얻기 위한 반복 검색의 수를 나타낸다. 최악의 경우, 초기 비트 할당에 의해 결정되는 대로, 이 두 매개변수(SEF와 SET)가 K로 증가할 수 있다.Here, M represents multiple input, multiple output (MIMO) transmission mode, ζ is the coding rate, K is the total number of resource blocks or subcarriers, SEF and SET are valid and E-tightening subroutines respectively. Represents the number of iterative searches to obtain a solution for. In the worst case, these two parameters (SEF and SET) can be incremented to K, as determined by the initial bit allocation.

블록 적응형 변조 및 코드 모델의 경우 복잡성은 다음과 같이 설명된다.For block adaptive modulation and code models, the complexity is described as follows.

Figure 112019090601404-pat00018
수학식(12)
Figure 112019090601404-pat00018
Equation (12)

여기서 L은 MCS 레벨을 나타낸다(L = 1,..., Lmax): 자원 블록이나 서브캐리어에 대한 수학식(12)의 의존성은 비트 오류 확률 추정에서 순간적인 Bhattacharyya 계수의 계산에서 비롯된다. 본 발명에서 UAC 네트워크에 대해 채택한 링크 적응 전략의 연산 복잡성은 다음과 같이 설명된다.Here, L represents the MCS level (L = 1,..., Lmax): The dependence of Equation (12) on the resource block or subcarrier is derived from the calculation of the instantaneous Bhattacharyya coefficient in the bit error probability estimation. The computational complexity of the link adaptation strategy adopted for the UAC network in the present invention is described as follows.

Figure 112019090601404-pat00019
수학식(13)
Figure 112019090601404-pat00019
Equation (13)

여기서 P는 반복 패턴의 수(P = 1,..., Pmax), K는 자원 블록의 총 수, M은 공간과 시간에 관한 MIMO 전송 모드를 나타낸다. 본 발명의 경우 송신기에 안테나 하나, 수신기에는 안테나 하나를 활용한다. 이러한 접근방식의 복잡성이 낮기 때문에, 배터리 성능 저하는 문제가 되지 않을 것이다. 따라서 수학식(13)은 MCS 레벨의 연속 선택을 나타내며 링크 적응에 따른다.Here, P is the number of repetition patterns (P = 1,..., Pmax), K is the total number of resource blocks, and M is the MIMO transmission mode for space and time. In the present invention, one antenna is used for the transmitter and one antenna is used for the receiver. Due to the low complexity of this approach, battery degradation will not be an issue. Therefore, Equation (13) represents continuous selection of the MCS level and depends on link adaptation.

도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 개별 MCS 수준과 링크 적응 곡선에 기초한 UAC 네트워크 SLS 처리량을 나타내는 도면이다.15 is a diagram illustrating a UAC network SLS throughput based on an individual MCS level and a link adaptation curve according to an embodiment of the present invention.

도 15는 개별 MCS 수준과 링크 적응 곡선에 기초한 UAC 네트워크 SLS 처리량을 제공한다. 굵은 빨간색과 갈색 곡선이 최종 9개의 MCS 레벨을 기준으로 적응형 변조 전략을 모방한다는 것을 쉽게 알 수 있다. 따라서 굵은 빨간색과 갈색 곡선은 각각 PF와 RR UBS 선택을 기반으로 한 UAC 네트워크 SLS에서 링크 적응의 효과를 보여준다. PF UBS 선택과의 링크 적응은 UBS를 공정하게 제공하기 때문에 RR UBS 선택과의 링크 적응보다 성능이 더 좋다. 15 provides UAC network SLS throughput based on individual MCS levels and link adaptation curves. It is easy to see that the bold red and brown curves mimic the adaptive modulation strategy based on the final 9 MCS levels. Thus, the bold red and brown curves show the effect of link adaptation in UAC network SLS based on PF and RR UBS selection, respectively. Link adaptation with PF UBS selection provides better UBS performance than link adaptation with RR UBS selection.

이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 콘트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다.  또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다.  이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다.  예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 콘트롤러를 포함할 수 있다.  또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.The apparatus described above may be implemented as a hardware component, a software component, and/or a combination of a hardware component and a software component. For example, the devices and components described in the embodiments include, for example, a processor, a controller, an arithmetic logic unit (ALU), a digital signal processor, a microcomputer, a field programmable array (FPA), It can be implemented using one or more general purpose computers or special purpose computers, such as a programmable logic unit (PLU), a microprocessor, or any other device capable of executing and responding to instructions. The processing device may execute an operating system (OS) and one or more software applications executed on the operating system. In addition, the processing device may access, store, manipulate, process, and generate data in response to the execution of software. For the convenience of understanding, although it is sometimes described that one processing device is used, one of ordinary skill in the art, the processing device is a plurality of processing elements and/or a plurality of types of processing elements. It can be seen that it may include. For example, the processing device may include a plurality of processors or one processor and one controller. In addition, other processing configurations are possible, such as a parallel processor.

소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다.  소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다.  소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.The software may include a computer program, code, instructions, or a combination of one or more of these, configuring the processing unit to behave as desired or processed independently or collectively. You can command the device. Software and/or data may be interpreted by a processing device or to provide instructions or data to a processing device, of any type of machine, component, physical device, virtual equipment, computer storage medium or device. Can be embodyed. The software may be distributed over networked computer systems and stored or executed in a distributed manner. Software and data may be stored on one or more computer-readable recording media.

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.  The method according to the embodiment may be implemented in the form of program instructions that can be executed through various computer means and recorded in a computer-readable medium. The computer-readable medium may include program instructions, data files, data structures, etc. alone or in combination. The program instructions recorded on the medium may be specially designed and configured for the embodiment, or may be known and usable to those skilled in computer software. Examples of computer-readable recording media include magnetic media such as hard disks, floppy disks, and magnetic tapes, optical media such as CD-ROMs and DVDs, and magnetic media such as floptical disks. -A hardware device specially configured to store and execute program instructions such as magneto-optical media, and ROM, RAM, flash memory, and the like. Examples of the program instructions include not only machine language codes such as those produced by a compiler, but also high-level language codes that can be executed by a computer using an interpreter or the like.

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.Although the embodiments have been described by the limited embodiments and drawings as described above, various modifications and variations can be made from the above description to those of ordinary skill in the art. For example, the described techniques are performed in a different order from the described method, and/or components such as a system, structure, device, circuit, etc. described are combined or combined in a form different from the described method, or other components Alternatively, even if substituted or substituted by an equivalent, an appropriate result can be achieved.

그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.Therefore, other implementations, other embodiments, and claims and equivalents fall within the scope of the claims to be described later.

Claims (8)

UAC 네트워크 채널 특성에 따른 적응형 변조 방식을 기반으로 링크 적응 절차를 분석하여, MCS 레벨을 선택하기 위한 우선순위 규칙을 정의하는 단계; 및
정의된 우선순위 규칙을 기반으로, UAC 네트워크에서 링크 적응 절차에 대한 복수의 MCS 레벨을 선택하여 자원을 할당하는 단계
를 포함하고,
정의된 우선순위 규칙을 기반으로, UAC 네트워크에서 링크 적응 절차에 대한 복수의 MCS 레벨을 선택하는 단계는,
UAC 네트워크 시스템에서 EESM 알고리즘을 사용하여 물리적 계층의 추상화를 수행하는 단계;
물리적 계층의 입력 데이터를 유효 SNR(SNReff)의 단일 값으로 압축하는 단계;
EESM 알고리즘을 통해 AWGN 등가 SNR을 획득하고, AWGN 등가 SNR의 AWGN 링크 성능 곡선을 통해 BLER에 매핑하는 단계; 및
L2S 인터페이스 모델을 생성하기 위해 EESM 알고리즘을 통해 베타 캘리브레이션 계수의 보정을 수행하는 단계
를 포함하는 SNR 매핑 기반 링크적응 방법.
Analyzing a link adaptation procedure based on an adaptive modulation scheme according to a UAC network channel characteristic, and defining a priority rule for selecting an MCS level; And
Allocating resources by selecting a plurality of MCS levels for the link adaptation procedure in the UAC network based on the defined priority rules
Including,
Based on the defined priority rule, the step of selecting a plurality of MCS levels for the link adaptation procedure in the UAC network,
Performing abstraction of a physical layer using an EESM algorithm in a UAC network system;
Compressing the input data of the physical layer into a single value of effective SNR (SNReff);
Obtaining an AWGN equivalent SNR through an EESM algorithm, and mapping to a BLER through an AWGN link performance curve of the AWGN equivalent SNR; And
Compensating the beta calibration coefficient through the EESM algorithm to generate the L2S interface model
SNR mapping-based link adaptation method comprising a.
제1항에 있어서,
UAC 네트워크 채널 특성에 따른 적응형 변조 방식을 기반으로 링크 적응 절차를 분석하여, MCS 레벨을 선택하기 위한 우선순위 규칙을 정의하는 단계는,
EESM 알고리즘에 기초한 SNR 대 BLER 곡선을 사용하여 MCS 레벨에 대한 SNR 임계값을 부여하고, 전송 손실, 주변 소음 및 다중 경로 페이딩 효과를 포함하는 UAC 네트워크 채널 특성을 분석하는
SNR 매핑 기반 링크적응 방법.
The method of claim 1,
Analyzing a link adaptation procedure based on an adaptive modulation scheme according to UAC network channel characteristics, and defining a priority rule for selecting an MCS level,
SNR versus BLER curve based on the EESM algorithm is used to assign SNR thresholds for MCS levels, and to analyze UAC network channel characteristics including transmission loss, ambient noise and multipath fading effects.
Link adaptation method based on SNR mapping.
삭제delete 제1항에 있어서,
L2S 인터페이스 모델을 생성하기 위해 EESM 알고리즘을 통해 베타 캘리브레이션 계수의 보정을 수행하는 단계는,
수신기 측에서 패킷의 데이터 서브캐리어에 의해 경험되는 SNR(SNRAWGN) 및 유효 SNR(SNReff)를 계산하여, 유효 SNR(SNReff)과 경험되는 SNR(SNRAWGN)과의 차이를 최소화 하는 베타 값을 구하고, 평균 제곱 오차를 최소화하기 위해 베타 값을 보정하며, 유효 SNR(SNReff)을 지정된 MCS에 해당하는 AWGN-PER 조회 표를 사용하여 패킷 오류율 또는 BLER에 매핑하는
SNR 매핑 기반 링크적응 방법.
The method of claim 1,
Compensating the beta calibration coefficient through the EESM algorithm to generate the L2S interface model,
By calculating the SNR (SNR AWGN ) and the effective SNR (SNReff) experienced by the data subcarrier of the packet at the receiver side, a beta value that minimizes the difference between the effective SNR (SNReff) and the experienced SNR (SNR AWGN ) is obtained. In order to minimize the mean square error, the beta value is corrected, and the effective SNR (SNReff) is mapped to the packet error rate or BLER using the AWGN-PER lookup table corresponding to the specified MCS.
Link adaptation method based on SNR mapping.
UAC 네트워크 채널 특성에 따른 적응형 변조 방식을 기반으로 링크 적응 절차를 분석하여, MCS 레벨을 선택하기 위한 우선순위 규칙을 정의하는 분석부; 및
정의된 우선순위 규칙을 기반으로, UAC 네트워크에서 링크 적응 절차에 대한 복수의 MCS 레벨을 선택하여 자원을 할당하는 스케줄링부
를 포함하고,
스케줄링부는,
UAC 네트워크 시스템에서 EESM 알고리즘을 사용하여 물리적 계층의 추상화를 수행하고;
물리적 계층의 입력 데이터를 유효 SNR(SNReff)의 단일 값으로 압축하고;
EESM 알고리즘을 통해 AWGN 등가 SNR을 획득하고, AWGN 등가 SNR의 AWGN 링크 성능 곡선을 통해 BLER에 매핑하고;
L2S 인터페이스 모델을 생성하기 위해 EESM 알고리즘을 통해 베타 캘리브레이션 계수의 보정을 수행하는
SNR 매핑 기반 링크적응 장치.
An analysis unit for defining a priority rule for selecting an MCS level by analyzing a link adaptation procedure based on an adaptive modulation scheme according to a UAC network channel characteristic; And
A scheduling unit that allocates resources by selecting multiple MCS levels for link adaptation procedures in the UAC network based on the defined priority rules
Including,
The scheduling department,
Abstraction of the physical layer using the EESM algorithm in the UAC network system;
Compressing the input data of the physical layer into a single value of effective SNR (SNReff);
Obtaining AWGN equivalent SNR through EESM algorithm, and mapping to BLER through AWGN link performance curve of AWGN equivalent SNR;
To generate the L2S interface model, the beta calibration coefficient is corrected through the EESM algorithm.
Link adaptation device based on SNR mapping.
제5항에 있어서,
분석부는,
EESM 알고리즘에 기초한 SNR 대 BLER 곡선을 사용하여 MCS 레벨에 대한 SNR 임계값을 부여하고, 전송 손실, 주변 소음 및 다중 경로 페이딩 효과를 포함하는 UAC 네트워크 채널 특성을 분석하는
SNR 매핑 기반 링크적응 장치.
The method of claim 5,
The analysis department,
SNR versus BLER curve based on the EESM algorithm is used to assign SNR thresholds for MCS levels, and to analyze UAC network channel characteristics including transmission loss, ambient noise and multipath fading effects.
Link adaptation device based on SNR mapping.
삭제delete 제5항에 있어서,
스케줄링부는,
캘리브레이션 계수의 보정을 수행하기 위해 수신기 측에서 패킷의 데이터 서브캐리어에 의해 경험되는 SNR(SNRAWGN) 및 유효 SNR(SNReff)를 계산하여, 유효 SNR(SNReff)과 경험되는 SNR(SNRAWGN)과의 차이를 최소화 하는 베타 값을 구하고, 평균 제곱 오차를 최소화하기 위해 베타 값을 보정하며, 유효 SNR(SNReff)을 지정된 MCS에 해당하는 AWGN-PER 조회 표를 사용하여 패킷 오류율 또는 BLER에 매핑하는
SNR 매핑 기반 링크적응 장치.
The method of claim 5,
The scheduling department,
In order to perform correction of the calibration coefficient, the receiver side calculates the SNR (SNR AWGN ) and the effective SNR (SNReff) experienced by the data subcarriers of the packet, and the effective SNR (SNReff) and the experienced SNR (SNR AWGN ) are It calculates the beta value that minimizes the difference, corrects the beta value to minimize the mean square error, and maps the effective SNR (SNReff) to the packet error rate or BLER using the AWGN-PER lookup table corresponding to the specified MCS.
Link adaptation device based on SNR mapping.
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