KR102370599B1 - 경제학 이론을 이용한 leo 위성 통신 범위 제어 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치 - Google Patents

경제학 이론을 이용한 leo 위성 통신 범위 제어 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치 Download PDF

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Abstract

경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법은, 일정한 궤도를 일정한 속도로 이동하는 저궤도(Low Earth Orbit; 이하, LEO) 위성의 다음 주기의 와이드 빔(wide beam) 범위에 속하는 사용자 단말들로부터 데이터 수요율을 수신하여 데이터를 필요로 하는 사용자 영역들의 수와 다음 주기에서 사용 가능한 스팟 빔의 수를 비교하는 단계; 상기 데이터 수요가 있는 사용자 영역들의 수가 다음 주기에서 사용 가능한 스팟 빔보다 클 경우, 총 스팟 빔의 개수에서 다음 주기 및 현재 주기에서 공통으로 이용하고 있는 스팟 빔의 개수를 차감하여 스팟 빔의 여유 개수를 측정하는 단계; 상기 스팟 빔의 여유 개수를 경매인(auctioneer)으로, 다음 주기의 와이드 빔 범위에 추가되는 사용자 영역들과 현재 주기에서 스팟 빔을 할당받지 못하며 다음 주기의 와이드 빔 범위에 속하는 사용자 영역들을 입찰자(bidder)로 배열하는 입찰 행렬을 생성하는 단계; 및 상기 입찰 행렬에서 경매 매커니즘을 이용하여 최소 기회 비용을 갖는 입찰자(bidder)를 선정하여 상기 스팟 빔의 여유 개수를 할당하는 단계;를 포함한다. 이에 따라, 한정적인 스팟 빔을 사용자 단말들에게 효율적인 방법으로 할당할 수 있다.

Description

경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치{METHOD FOR CONTROLLING LEO SATELLITE COVERAGE USING ECONOMIC THEORY, RECORDING MEDIUM AND DEVICE FOR PERFORMING THE METHOD}
본 발명은 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법, 이를 수행하기 위한 기록 매체 및 장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 저궤도(Low Earth Orbit; LEO) 위성의 통신 범위 제공 방식 중 Hybrid Wide - Spot Beam Coverage Scheme을 효율적으로 사용하는 알고리즘에 관한 것이다.
통신 및 네트워킹 기술이 빠르게 발전하고 있지만 언제 어디서나 모든 사용자를 연결하려면 아직 해결해야 할 문제가 많이 있다. 위성 통신이 풍부한 무선 주파수 자원을 가지고 있으므로, 넓은 커버리지 영역, 긴 통신 거리, 빠른 배치 및 지상 네트워크의 간섭이 적다는 장점이 있다.
위성 통신은 전 세계적으로 서비스를 제공하고 인터넷 액세스 부족을 충족시키기 위해 많은 관심을 받고 있다. 위성과 지구 표면 사이의 거리로 인해 위성 통신은 정지 지구 궤도(GEO), 중간 지구 궤도(MEO) 및 저궤도(LEO) 위성 시스템으로 분류할 수 있다.
다른 형태의 GEO 및 MEO 인 LEO 위성은 일반적으로 고도가 500 ~ 2, 000km 인 궤도에 위치하는 반면, 상대적으로 낮은 지연 시간과 경로 손실을 갖는 LEO의 생산 및 출시 비용은 매우 매력적이다.
LEO 통신 범위 제공 방식 중 하이브리드 광역 빔 커버리지 제어의 주요 아이디어는 각 LEO 위성이 전체 서비스 영역에 광역 빔을 제공하고, 제공된 광역 빔으로부터 광역 빔 커버리지 내의 사용자 단말들이 얼마만큼의 데이터 양과 전송 속도를 필요로 하는 지에 대한 정보를 모은다. 해당 정보를 가지고, 실질적으로 사용자 단말들에게 데이터를 제공하는 스팟 빔을 어느 영역(사용자 단말)에 제공할지를 정한다.
스팟 빔은 항상 사용자를 향하기 때문에 위성이 이동하는 동안 궤도가 고정된다. 한 번 스팟 빔이 설정되면, 해당 영역(사용자 단말)이 와이드 빔의 범위를 벗어나서 핸드 오버가 발생하기 전까지 유지된다. 스팟 빔의 전력 할당은 스팟 빔이 할당된 사용자 단말로 데이터를 전송하기 위한 변조 및 코딩 기술을 위해 작동해야 하기 때문에 와이드 빔의 전력 할당보다 훨씬 높게 설계되었다.
그러나, 하이브리드 광역 및 스팟 빔 커버리지 제어 방식을 사용하는 동안 사용자 단말과 스팟 빔 사이에는 자원 할당 문제가 발생한다. 일반적으로, 데이터 자원 할당을 요구하는 사용자 단말기들이 있는 영역의 수가 사용 가능한 스팟 빔 수보다 많기 때문에, 사용자 단말에 스팟 빔을 효과적으로 할당해야 하는 문제를 해결해야 한다.
KR 10-1843706 B1 KR 10-1329062 B1
(특허문헌 1) Y. Su, Y. Liu, Y. Zhou, J. Yuan, H. Cao, and J. Shi, "Broadband LEO Satellite Communications: Architectures and Key Technologies," IEEE Wireless Communications, vol. 26, no. 2, pp. 55-61, April 2019.
이에, 본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로 본 발명의 목적은 스팟 빔을 사용자 단말로 효율적으로 할당하기 위해 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 다른 목적은 상기 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 기록 매체를 제공하는 것이다.
본 발명의 또 다른 목적은 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법을 수행하기 위한 장치를 제공하는 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법은, 일정한 궤도를 일정한 속도로 이동하는 저궤도(Low Earth Orbit; 이하, LEO) 위성의 다음 주기의 와이드 빔(wide beam) 범위에 속하는 사용자 단말들로부터 데이터 수요율을 수신하여 데이터를 필요로 하는 사용자 영역들의 수와 다음 주기에서 사용 가능한 스팟 빔의 수를 비교하는 단계; 상기 데이터 수요가 있는 사용자 영역들의 수가 다음 주기에서 사용 가능한 스팟 빔보다 클 경우, 총 스팟 빔의 개수에서 다음 주기 및 현재 주기에서 공통으로 이용하고 있는 스팟 빔의 개수를 차감하여 스팟 빔의 여유 개수를 측정하는 단계; 상기 스팟 빔의 여유 개수를 경매인(auctioneer)으로, 다음 주기의 와이드 빔 범위에 추가되는 사용자 영역들과 현재 주기에서 스팟 빔을 할당받지 못하며 다음 주기의 와이드 빔 범위에 속하는 사용자 영역들을 입찰자(bidder)로 배열하는 입찰 행렬을 생성하는 단계; 및 상기 입찰 행렬에서 경매 매커니즘을 이용하여 최소 기회 비용을 갖는 입찰자(bidder)를 선정하여 상기 스팟 빔의 여유 개수를 할당하는 단계;를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 스팟 빔의 개수를 할당하는 단계는, 각 주기마다 경매 방식 중 VCG(Vickery-Clarke-Groves) 매커니즘을 이용하여 입찰가(bid)들의 최종 합이 가장 작은 조합들을 선정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 입찰 행렬을 생성하는 단계는, 상기 경매인(auctioneer)을 열(row)로 배열하고, 상기 입찰자(bidder)를 행(column)으로 배열하는 헝가리언 방식(Hungarian method)을 이용할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 입찰 행렬을 생성하는 단계는, 각 사용자 단말의 시간당 데이터 요구량 및 각 사용자 단말이 상기 LEO 위성의 와이드 빔 범위에 속하는 시간을 기초로 상기 입찰 행렬의 파라미터를 결정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 스팟 빔의 여유 개수를 할당하는 단계는, 상기 입찰 행렬의 각 열과 각 행에서 1개의 입찰자(bidder)만 선정할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 입찰 행렬을 생성하는 단계는, M Х N의 입찰 행렬을 정사각형 행렬인 M Х M 행렬로 재구성하는 전처리 단계;를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에서, 상기 LEO 위성의 다음 주기는 현재 주기의 와이드 빔 범위가 3분의 1이상 벗어나는 시간으로 설정할 수 있다.
상기한 본 발명의 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체에는, 상기 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록되어 있다.
상기한 본 발명의 또 다른 목적을 실현하기 위한 일 실시예에 따른 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 장치는, 일정한 궤도를 일정한 속도로 이동하는 저궤도(Low Earth Orbit; 이하, LEO) 위성의 다음 주기의 와이드 빔(wide beam) 범위에 속하는 사용자 단말들로부터 데이터 수요율을 수신하는 수신부; 상기 데이터 수요가 있는 사용자 영역들의 수가 다음 주기에서 사용 가능한 스팟 빔보다 클 경우, 총 스팟 빔의 개수에서 다음 주기 및 현재 주기에서 공통으로 이용하고 있는 스팟 빔의 개수를 차감하여 스팟 빔의 여유 개수를 측정하는 측정부; 상기 스팟 빔의 여유 개수를 경매인(auctioneer)으로, 다음 주기의 와이드 빔 범위에 추가되는 사용자 영역들과 현재 주기에서 스팟 빔을 할당받지 못하며 다음 주기의 와이드 빔 범위에 속하는 사용자 영역들을 입찰자(bidder)로 배열하는 입찰 행렬을 생성하는 행렬부; 및 상기 입찰 행렬에서 경매 매커니즘을 이용하여 최소 기회 비용을 갖는 입찰자(bidder)를 선정하여 상기 스팟 빔의 여유 개수를 할당하는 할당부;를 포함한다.
본 발명의 실시예에서, 상기 행렬부는 경매인(auctioneer)을 열(row)로 배열하고, 상기 입찰자(bidder)를 행(column)으로 배열하는 헝가리언 방식(Hungarian method)을 이용하고, 상기 할당부는 각 주기마다 경매 방식 중 VCG(Vickery-Clarke-Groves) 매커니즘을 이용하여 입찰가(bid)들의 최종 합이 가장 작은 조합들을 입찰자를 선정할 수 있다.
이와 같은 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법에 따르면, 스팟 빔(Spot beam)을 제공해야 하는 사용자 단말들의 영역의 개수가 LEO 내의 최대 스팟 빔 제공 가능 개수보다 많을 경우, 한정된 스팟 빔을 사용자 단말들에게 신뢰도 높고 효율적인 방법으로 할당할 수 있다.
도 1은 본 발명이 사용하는 저궤도(Low Earth Orbit; LEO) 위성의 하이브리드 와이드(Hybrid Wide) 시스템을 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 도 1의 Spot Beam Coverage Scheme을 설명하기 위한 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 장치의 블록도이다.
도 4는 본 발명의 LEO 위성 통신 범위 제어 장치에서 스팟 빔 할당을 설명하기 위한 도면이다.
도 5는 본 발명의 LEO 위성 통신 범위 제어 장치에서 스팟 빔 할당을 수행하는 시간을 설명하기 위한 도면이다.
도 6은 본 발명의 LEO 위성 통신 범위 제어 장치에서 입찰 행렬을 이용한 입찰자 선정을 설명하기 위한 도면이다.
도 7은 본 발명의 효과를 검증하기 위한 그리디(greedy) 방식과의 비교 그래프이다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법의 흐름도이다.
후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 발명에 따른 경제학 이론을 이용한 저궤도(Low Earth Orbit; 이하 LEO)위성 통신 범위 제어 장치는 최근 주목받고 있는 고주파 대역에 걸친 초 고밀도 LEO 위성 통신의 원활한 서비스와 넓은 범위를 제공하기 위한 것이다.
본 발명은 LEO 위성의 통신 범위 제공 방식 중 Hybrid Wide - Spot Beam Coverage Scheme을 효율적으로 사용하는 알고리즘을 제안하므로, 도 1 및 도 2와 함께 Hybrid Wide - Spot Beam Coverage Scheme을 먼저 설명한다.
도 1은 본 발명이 사용하는 저궤도(Low Earth Orbit; LEO) 위성의 하이브리드 와이드(Hybrid Wide) 시스템을 설명하기 위한 개념도이다. 도 2는 도 1의 Spot Beam Coverage Scheme을 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, LEO 시스템(1)은 NMC(10, network management center), 적어도 하나의 LEO 위성(20, 21, 22)을 포함한다.
LEO 시스템(1)에서는 일반적으로 하이브리드 와이드 및 스팟 빔 커버리지 방식이 사용되며, 각 LEO 위성(20, 21, 22)은 넓은 영역 커버리지를 위한 와이드 빔(30, 도 1에서는 LEO 위성(20)의 와이드 빔만 도시함)을 제공하고, 또한 와이드 빔 내에서 고속 데이터 액세스를 위해 여러 개의 스티어링 스팟 빔(Spot Beam A, B, C)을 제공한다.
도 2를 참조하면, LEO 위성(20)은 일정한 궤도를 일정한 속도로 이동한다. 시간 t1에서 사용자 단말(UT)이 Spot Beam A에 의해서 스팟 빔을 할당 받기 시작하고, 시간 t2에서는 사용자 단말(UT)이 와이드 빔의 범위를 넘어가게 되므로 다른 LEO 위성으로 사용자 단말(UT)을 핸드 오버(hand over) 해주어야 한다.
이러한 환경에서 다중 스팟 빔을 가장 효율적인 곳에 미리 할당하는 것이 본질적으로 필요하게 된다. 이 목표를 달성하기 위해 본 발명은 Vickery-Clarke-Groves(VCG) 경매 기반의 신뢰할 수 있는 알고리즘을 제안하고, 보다 효율적이고 원활한 서비스를 위해 다중 스팟 빔을 스케줄링한다.
다시 말해, hybrid spot beam scheme을 이용할 때 해당 와이드 빔의 내부에 스팟 빔(spot beam)의 개수보다 데이터(data)를 필요로 하는 사용자 단말(user terminal, UT1, UT2, UT3, UT4)의 개수가 많을 때 스팟 빔을 어떤 사용자 단말(UT1, UT2, UT3, UT4)에 할당해 줄지에 대한 문제를 해결하는 것이다.
LEO 시스템(1)에 분포된 사용자 단말들은 데이터 수요를 상기 NMC(10)로 전송하고, 상기 NMC(10)가 스팟 빔을 할당 받을 사용자 단말(UT1, UT2, UT3, UT4)을 결정한다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 장치의 블록도이다.
본 발명에 따른 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 장치(10, 이하 장치)는 도 1의 LEO 시스템(1)에서 NMC(10)일 수 있다. 또한, 여러 개의 위성 중 LEO 위성(20)을 대표적으로 설명한다.
도 3을 참조하면, 본 발명에 따른 장치(10)는 수신부(110), 측정부(130), 행렬부(150) 및 할당부(170)를 포함한다.
본 발명의 상기 장치(10)는 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어를 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)가 설치되어 실행될 수 있으며, 상기 수신부(110), 상기 측정부(130), 상기 행렬부(150) 및 상기 할당부(170)의 구성은 상기 장치(10)에서 실행되는 상기 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어를 수행하기 위한 소프트웨어에 의해 제어될 수 있다.
상기 장치(10)는 별도의 단말이거나 또는 단말의 일부 모듈일 수 있다. 상기 장치(10)는 이동성을 갖거나 고정될 수 있다. 또한, 상기 수신부(110), 상기 측정부(130), 상기 행렬부(150) 및 상기 할당부(170)의 구성은 통합 모듈로 형성되거나, 하나 이상의 모듈로 이루어 질 수 있다. 그러나, 이와 반대로 각 구성은 별도의 모듈로 이루어질 수도 있다.
LEO 시스템(1)에 분포된 사용자 단말들은 데이터 수요를 상기 장치(10)로 전송하면, 상기 장치(10)는 스팟 빔과 사용자 단말(UT) 간의 자원 할당을 계산한다. 상기 LEO 위성(20)이 정기적으로 궤도를 돌기 때문에, 상기 장치(10)는 주어진 시간 동안 사용할 수 있는 상기 LEO 위성(20)의 스팟 빔을 예측할 수 있다.
이를 위해, 먼저 상기 수신부(110)는 일정한 궤도를 일정한 속도로 이동하는 저궤도(Low Earth Orbit; 이하, LEO) 위성의 다음 주기의 와이드 빔(wide beam) 범위에 속하는 사용자 단말들로부터 데이터 수요율을 수신한다.
상기 측정부(130)는 향후 새로운 커버리지 내에서 데이터 수요가 필요한 사용자(영역)의 수가 할당 가능한 스팟 빔보다 클 경우, 스팟 빔의 최대 데이터 용량에서 다음 주기 및 현재 주기에서 공통으로 이용하고 있는 스팟 빔의 개수를 차감하여 스팟 빔의 여유량을 측정한다.
여기에서, 사용자 단말에 영역이라는 표현을 쓰는 이유는 스팟 빔을 제공할 때에도 딱 정해진 사용자 한명에게만 제공되는 것이 아니라 사용자들이 모여 있는 범위를 단위로 스팟 빔을 제공하기 때문이다.
이하에서는 향후 사용 가능한 스팟 빔을 FASB(future available spot beams)로 지칭한다. FASB는 VCG 경매에서 경매인(판매자라고도 함)이 된다. 사용자 단말(입찰자)이 주변 네트워크의 총 데이터 수요율을 수집하면 스팟 빔의 최대 데이터 용량에서 총 데이터 수요율을 차감하여 각 스팟 빔 선택 데이터 용량(spot beam selection data capacity, 이하, SBSDC)의 여유량을 측정한다.
SBSDC에 의한 할당 효과는 측정 할 수 있으며, SBSDC(즉, 입찰가)가 낮으면 할당이 잘 설계된 것으로 간주된다. 상기 장치(10)는 경매 메커니즘을 통해 사용자 단말(UT)에 스팟 빔을 할당한다. 동일한 사용자 단말기가 FASB에서 무선 자원을 얻기 위해 입찰하지만 사용자 단말(UT)은 시간이 다르기 때문에 각 스팟 빔에 다르게 입찰하며 각 FASB를 사용할 수 있게 된다.
도 4는 본 발명의 LEO 위성 통신 범위 제어 장치에서 스팟 빔 할당을 설명하기 위한 도면이다. 도 5는 본 발명의 LEO 위성 통신 범위 제어 장치에서 스팟 빔 할당을 수행하는 시간을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 제 1원(31)은 시간 t1에서 LEO 위성(20)의 와이드 빔 커버리지 영역이고, 제 2원(32)은 LEO 위성(20)의 이동에 따라 시간 t2에서 LEO 위성(20)의 와이드 빔 커버리지 영역이다. 시간 t1의 커버리지 영역과 시간 t2의 커버리지 영역이 일부 중복된다.
예들 들어, LEO 위성(20)에서 최대 10개의 스팟 빔을 할당할 수 있다고 가정할 때, 하트 표시 포인트는 LEO 위성(20)가 이동했을 때 새롭게 와이드 빔 내부로 진입하는 사용자 단말(UT)이고, 네모 표시 포인트는 현재 스팟 빔을 받고 있는 사용자 단말(UT)이다. LEO 위성(20)는 한번 스팟 빔을 할당한 사용자 단말(UT)에는 이동하면서 와이드 빔 내부에 들어오는 한 스팟 빔을 지속적으로 할당한다.
세모 표시 포인트는 스팟 빔을 받지 못하는 사용자 단말(UT)이고, 별 표시 포인트는 스팟 빔을 받고 있는 사용자 단말(UT) 중 핸드오버(handover)가 얼마 남지 않은 사용자 단말(UT)이다. 이 별 표시 포인트에 해당하는 스팟 빔만큼 다음 시간 t2에서 스팟 빔이 할당된다.
도 5를 참조하면, 이 별 표시 포인트를 설정하는 기준은 스팟 빔을 커버리지 핸드 오버까지 전체 와이드 빔 범위의 1/3 이내의 범위로 설정할 수 있다. 다시 말해, 하트 표시 포인트가 추가되는 기준도 현재 LEO 위성(20)가 와이드 빔 범위의 1/3만큼 이동했을 경우를 가정한다.
각 포인트의 입찰(bid)을 결정하는 파라미터(parameter)는 사용자 단말(UT)의 데이터 요구량(data demand) 및 해당 사용자 단말(UT)이 얼마나 오래 와이드 빔 범위 내에 머무를 수 있는지(hybrid beam 의 특성) 즉, 안정적으로 LEO 위성(20)의 자원을 할당 가능한지 등이 기준이 될 수 있다.
본 발명에서는 별 표시 포인트가 경매인(auctioneer)이 되고, 하트 표시 포인트와 시간 t2의 LEO 위성(20)의 커버리지 영역에 존재하는 세모 표시 포인트가 입찰자(bidder)가 되는 것이다.
도 5의 예에서는 별 표시 포인트인 LEO 위성(20) 스팟 빔 3개가 경매인(auctioneer)이 되고, 시간 t2의 커버리지 영역에 존재하는 세모 표시 포인트 6개 + 하트 표시 포인트 3개인 9개가 입찰자(bidder)가 된다. 이에 따라, 9 × 3행렬을 가지고 헝가리언 방식(Hungarian method)을 진행하게 된다.
상기 행렬부(150)는 상기 스팟 빔의 여유 개수를 경매인(auctioneer)으로, 다음 주기의 와이드 빔 범위에 추가되는 사용자 영역들과 현재 주기에서 스팟 빔을 할당받지 못하며 다음 주기의 와이드 빔 범위에 속하는 사용자 영역들을 입찰자(bidder)로 배열하는 입찰 행렬을 생성한다.
즉, 경매 설정 및 공식화 과정으로서, 낙찰가 결정을 위한 경매 메커니즘을 공식화하기 위해 다음과 같은 정의를 기반으로 할 수 있다. 먼저, 아래의 수학식 1 및 수학식 2와 같이 M 개의 사용자 단말(입찰자)을 U로 정의하고, N 개의 FASB(경매자)를 S로 정의한다.
[수학식 1]
Figure 112020112294555-pat00001
[수학식 2]
Figure 112020112294555-pat00002
마지막으로, 각 스팟 빔 데이터 용량(즉, 입찰)의 예비량은 아래의 수학식 3과 같이 B로 정의한다.
[수학식 3]
Figure 112020112294555-pat00003
그런 다음 수학적 최적화를 다음의 수학식 4 내지 수학식 6과 같이 공식화 할 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112020112294555-pat00004
[수학식 5]
Figure 112020112294555-pat00005
[수학식 6]
Figure 112020112294555-pat00006
본 발명에서 낙찰가 결정을 위해 헝가리언 방식(Hungarian method)을 사용한다. 헝가리언 방식은 n Х n 행렬에서 최소 입찰가를 충족하는 일대일 매치를 찾는 잘 알려진 방법 중 하나이다. 본 발명에서는 입찰 행렬이 항상 정사각형 행렬은 아니므로 상기 장치(10)는 이 헝가리언 방식을 사용할 수 있도록 입찰 행렬을 수정해야 한다.
상기 장치(10)는 매번 M Х N 입찰 행렬을 만들 수 있다. 만약, M > N인 경우 헝가리언 방식을 직접 사용할 수 없다. M Х M 행렬을 만들기 위한 전처리는 다음 단계를 통해 완료할 수 있다.
1) 상기 장치(10)는 gj는 B와 함께 M Х N의 입찰 행렬을 생성한다.
2) M > N 인 경우 L + 1에서 N까지 열을 추가하여 M Х N 행렬을 생성한다.
3) (1 : M, N + 1 : M) 요소에 대해 입찰보다 큰 양의 정수 Z를 설정한다.
4) M Х M 행렬을 생성한 후 헝가리언 방식을 통해 최소 총 입찰가 및 매칭을 찾는다.
5) 총 입찰가에서 Z Х (M - N)을 빼고, N + 1 에서 M 번째 열과 일치하는 사용자 단말은 제외한다.
상기 할당부(170)는 상기 입찰 행렬에서 경매 매커니즘을 이용하여 최소 기회 비용을 갖는 입찰자(bidder)를 선정하여 상기 스팟 빔의 여유 개수를 할당한다. 상기 할당부(170)는 입찰가(bid)들의 최종 합이 가장 작은 조합들을 입찰자로 선정한다.
도 6은 본 발명의 LEO 위성 통신 범위 제어 장치에서 입찰 행렬을 이용한 입찰자 선정을 설명하기 위한 도면이다. 도 6의 좌측은 1개의 경매인과 4개의 입찰자가 있는 예시이고, 우측은 4개의 경매인과 4개의 입찰자가 있는 예시이다.
VCG 경매의 기본 이론에 따르면 낙찰에 대한 지불은 기회 비용의 개념에 의해 결정된다. 기회 비용은
Figure 112020112294555-pat00007
와
Figure 112020112294555-pat00008
에 의해 결정될 수 있다. 여기서,
Figure 112020112294555-pat00009
는 상기 장치(10)가 결정한 낙찰가의 합계를 나타낸다. 또한,
Figure 112020112294555-pat00010
는
Figure 112020112294555-pat00011
를 제외한 낙찰가 결정에 의해 결정되는 최소 총 비용을 나타낸다.
예를 들어,
Figure 112020112294555-pat00012
가 낙찰가인 경우,
Figure 112020112294555-pat00013
가 진실이다. 반면에,
Figure 112020112294555-pat00014
가 낙찰가가 아닌 경우
Figure 112020112294555-pat00015
이다.
Figure 112020112294555-pat00016
는 자체 입찰을 제외한 총 비용(낙찰에 의해 결정됨)이다. 지불(즉, 기회 비용)은
Figure 112020112294555-pat00017
와
Figure 112020112294555-pat00018
의 차이로 정의할 수 있다. 따라서, 수학적 모델은 다음의 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112020112294555-pat00019
결론적으로, 최종 입찰자들은 스팟 빔을 할당 받는 것에 대한 기회비용으로 수학식 7의 값을 지불하게 되고, 이러한 조건이 입찰자들이 본인이 스팟 빔에 대하여 생각하는 진실된 값을 입찰가로 제시하도록 한다.
도 7은 본 발명의 효과를 검증하기 위한 그리디(greedy) 방식과의 비교 그래프이다.
도 7을 참조하면, x 축과 y 축은 각각 사용자 단말에 할당해야 하는 FASB의 수와 스팟 빔에 대한 평균 SBSDC를 나타낸다. 일반적으로, 하나의 스팟 빔은 수백 메가 비트/초(megabits/s)의 속도로 데이터를 제공한다.
도 7에서 볼 수 있듯이 평균 150 메가 비트/초를 각 스팟 빔의 최대 전송 용량으로 가정한다. VCG 경매 메커니즘은 SBSDC를 입찰로 사용하여 앞서 언급한 최소 총 가치를 찾고 사용자 단말에 스팟 빔을 할당하는 조합을 찾는다.
상대적으로 그리디(greedy) 방법은 새로운 할당 가능한 FASB가 발생할 때마다 가장 작은 SBSDC를 제공하는 사용자 단말을 선택하여 스팟 빔을 할당하는 것이다. SBSDC(즉, y 축 값)의 값이 낮을수록 스팟 빔과 사용자 단말 간에 보다 효율적인 스케줄링이 실현될 수 있다.
따라서, 본 발명의 VCG 경매가 그리디(greedy) 방법보다 더 효율적임을 확인할 수 있다. 2 개와 3 개의 할당 가능한 스팟 빔이 두 정책에서 동일한 그래프 값을 생성하는 이유는 할당 가능한 스팟 빔의 수가 적으면 헝가리언 방식과 그리디 방식에서 동일한 할당 결과가 발생하기 때문이다.
이와 같이, 본 발명은 VCG 경매 메커니즘을 이용하여 LEO 위성 커버리지 제어 알고리즘을 위한 새로운 하이브리드 광역 및 스팟 빔 스케줄링을 제안한다. VCG 경매를 사용하면 LEO 위성 네트워크에서 하이브리드 광역 빔 스케줄링을 위한 정확하고 최적화 된 스케줄링을 실현할 수 있다. 성능 평가 결과에 제시된 바와 같이 본 발명의 알고리즘은 원하는 성능을 달성할 수 있음을 확인하였다.
도 8은 본 발명의 일 실시예에 따른 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법의 흐름도이다.
본 실시예에 따른 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법은, 도 1의 LEO 시스템(1) 환경에서 도 3의 장치(10)와 실질적으로 동일한 구성에서 진행될 수 있다. 따라서, 도 1의 LEO 시스템(1) 환경에서 도 3의 장치(10)와 동일한 구성요소는 동일한 도면부호를 부여하고, 반복되는 설명은 생략한다.
또한, 본 실시예에 따른 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법은 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어를 수행하기 위한 소프트웨어(애플리케이션)에 의해 실행될 수 있다.
본 발명에 따른 경제학 이론을 이용한 저궤도(Low Earth Orbit; 이하 LEO) 위성 통신 범위 제어 방법은 최근 주목받고 있는 고주파 대역에 걸친 초 고밀도 LEO 위성 통신의 원활한 서비스를 제공하기 위한 것이다. 본 발명은 LEO 위성의 통신 범위 제공 방식 중 Hybrid Wide - Spot Beam Coverage Scheme을 효율적으로 사용하는 알고리즘을 제안한다.
도 8을 참조하면, 본 실시예에 따른 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법은, 일정한 궤도를 일정한 속도로 이동하는 저궤도(Low Earth Orbit; 이하, LEO) 위성은(단계 S00), 다음 주기(t2)의 와이드 빔(wide beam) 범위에 속하는 사용자 단말들로부터 데이터 수요율을 수신하여(단계 S10) 데이터를 필요로 하는 사용자 영역들의 수와 다음 주기에서 사용 가능한 스팟 빔의 수를 비교한다(단계 S20).
LEO 네트워크에 분포된 사용자 단말들이 데이터 수요를 NMC(10, 네트워크 관리 센터)로 전송하면, 상기 NMC(10)는 스팟 빔과 사용자 단말(UT) 간의 자원 할당을 계산한다. 사용자 단말과 LEO 위성의 트래픽 데이터를 수집하여 전체 네트워크의 자원 할당 전략을 수행하는 NMC(10)는 사용자 단말에 스팟 빔을 효과적으로 할당해야 한다.
상기 LEO 위성이 정기적으로 궤도를 돌기 때문에, 상기 NMC(10)는 주어진 시간 동안 사용할 수 있는 상기 LEO 위성의 스팟 빔을 예측할 수 있다.
상기 LEO 위성의 다음 주기는 현재 주기의 와이드 빔 범위가 3분의 1이상 벗어나는 시간으로 설정할 수 있다(도 5 참조).
상기 데이터 수요가 있는 사용자 영역들의 수가 다음 주기에서 사용 가능한 스팟 빔보다 클 경우(단계 S20), 총 스팟 빔의 개수에서 다음 주기 및 현재 주기에서 공통으로 이용하고 있는 스팟 빔의 개수를 차감하여 스팟 빔의 여유량을 측정한다(단계 S30).
상기 데이터 수요가 있는 사용자 영역들의 수가 다음 주기에서 사용 가능한 스팟 빔보다 작거나 같을 경우에는 데이터를 요구하는 사용자 영역들에 스팟 빔을 모두 제공할 수 있는 경우이므로, 스케줄링이 필요하지 않다.
상기 스팟 빔의 여유 개수를 경매인(auctioneer)으로, 다음 주기의 와이드 빔 범위에 추가되는 사용자 영역들과 현재 주기에서 스팟 빔을 할당받지 못하며 다음 주기의 와이드 빔 범위에 속하는 사용자 영역들을 입찰자(bidder)로 배열하는 입찰 행렬을 생성한다(단계 S40).
상기 입찰 행렬은 상기 경매인(auctioneer)을 열(row)로 배열하고, 상기 입찰자(bidder)를 행(column)으로 배열하는 헝가리언 방식(Hungarian method)을 이용하여 생성할 수 있다. 입찰 행렬이 M Х N인 경우 정사각형 행렬인 M Х M 행렬로 재구성하는 전처리 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 입찰 행렬의 각 파라미터는 각 사용자 단말의 시간당 데이터 요구량 및 각 사용자 단말이 상기 LEO 위성의 와이드 빔 범위에 속하는 시간을 기초로 결정할 수 있다.
상기 입찰 행렬에서 경매 매커니즘을 이용하여 최소 기회 비용을 갖는 입찰자(bidder)를 선정하여(단계 S50) 상기 스팟 빔의 여유 개수를 할당한다(단계 S60).
상기 스팟 빔의 여유 개수의 할당은 각 주기마다 경매 방식 중 VCG(Vickery-Clarke-Groves) 매커니즘을 이용하여 입찰가(bid)들의 최종 합이 가장 작은 조합들을 선정할 수 있다. 또한, 상기 입찰 행렬의 각 열과 각 행에서 1개의 입찰자(bidder)만 선정한다.
따라서, 본 발명은 스팟 빔(Spot beam)을 제공해야 하는 사용자 영역들이 LEO 내의 최대 스팟 빔 제공 가능 개수보다 많을 경우, 한정된 스팟 빔을 사용자 영역들에게 신뢰도 높고 효율적인 방법으로 할당할 수 있다.
이와 같은, 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법은 애플리케이션으로 구현되거나 다양한 컴퓨터 구성요소를 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령어의 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체는 프로그램 명령어, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다.
상기 컴퓨터 판독 가능한 기록 매체에 기록되는 프로그램 명령어는 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거니와 컴퓨터 소프트웨어 분야의 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능한 기록 매체의 예에는, 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체, CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체, 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 ROM, RAM, 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령어를 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다.
프로그램 명령어의 예에는, 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드도 포함된다. 상기 하드웨어 장치는 본 발명에 따른 처리를 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
저궤도 위성통신 기술은 전파가 도달하지 않는 영역이 거의 없고, 전파 지연시간이 짧기 때문에 지연이 적은 자연스러운 전화(통신)가 가능하며, 전파 손실이 적기 때문에 무선 데이터 통신 분야에서 발전 가능성이 크다. 본 발명은 한정적인 스팟 빔을 효율적으로 할당하는 기술로서, 발전 가능성이 큰 저궤도 위성통신 관련 시장에 유용하게 적용할 수 있을 것이다.
1: LEO 시스템
10: LEO 위성 통신 범위 제어 장치
20, 21, 22: LEO 위성
30, 31, 32: 와이드 빔 영역
110: 수신부
130: 측정부
150: 행렬부
170: 할당부

Claims (10)

  1. 일정한 궤도를 일정한 속도로 이동하는 저궤도(Low Earth Orbit; 이하, LEO) 위성의 다음 주기의 와이드 빔(wide beam) 범위에 속하는 사용자 단말들로부터 데이터 수요율을 수신하여 데이터를 필요로 하는 사용자 영역들의 수와 다음 주기에서 사용 가능한 스팟 빔의 수를 비교하는 단계;
    상기 데이터 수요가 있는 사용자 영역들의 수가 다음 주기에서 사용 가능한 스팟 빔보다 클 경우, 총 스팟 빔의 개수에서 다음 주기 및 현재 주기에서 공통으로 이용하고 있는 스팟 빔의 개수를 차감하여 스팟 빔의 여유 개수를 측정하는 단계;
    상기 스팟 빔의 여유 개수를 경매인(auctioneer)으로, 다음 주기의 와이드 빔 범위에 추가되는 사용자 영역들과 현재 주기에서 스팟 빔을 할당받지 못하며 다음 주기의 와이드 빔 범위에 속하는 사용자 영역들을 입찰자(bidder)로 배열하는 입찰 행렬을 생성하는 단계; 및
    상기 입찰 행렬에서 경매 매커니즘을 이용하여 최소 기회 비용을 갖는 입찰자(bidder)를 선정하여 상기 스팟 빔의 여유 개수를 할당하는 단계;를 포함하고,
    상기 스팟 빔의 여유 개수를 할당하는 단계는,
    각 주기마다 경매 방식 중 VCG(Vickery-Clarke-Groves) 매커니즘을 이용하여 입찰가(bid)들의 최종 합이 가장 작은 조합들을 선정하고,
    상기 입찰 행렬을 생성하는 단계는,
    상기 경매인(auctioneer)을 열(row)로 배열하고, 상기 입찰자(bidder)를 행(column)으로 배열하는 헝가리언 방식(Hungarian method)을 이용하고,
    상기 입찰 행렬을 생성하는 단계는,
    각 사용자 단말의 시간당 데이터 요구량 및 각 사용자 단말이 상기 LEO 위성의 와이드 빔 범위에 속하는 시간을 기초로 상기 입찰 행렬의 파라미터를 결정하는, 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기 스팟 빔의 여유 개수를 할당하는 단계는,
    상기 입찰 행렬의 각 열과 각 행에서 1개의 입찰자(bidder)만 선정하는, 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법.
  6. 제1항에 있어서, 상기 입찰 행렬을 생성하는 단계는,
    M Х N의 입찰 행렬을 정사각형 행렬인 M Х M 행렬로 재구성하는 전처리 단계;를 더 포함하는, 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 LEO 위성의 다음 주기는 현재 주기의 와이드 빔 범위가 3분의 1이상 벗어나는 시간으로 설정하는, 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법.
  8. 제1항 및 제5항 내지 제7항 중 어느 하나의 항에 따른 상기 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 방법을 수행하기 위한 컴퓨터 프로그램이 기록된 컴퓨터로 판독 가능한 저장 매체.
  9. 일정한 궤도를 일정한 속도로 이동하는 저궤도(Low Earth Orbit; 이하, LEO) 위성의 다음 주기의 와이드 빔(wide beam) 범위에 속하는 사용자 단말들로부터 데이터 수요율을 수신하는 수신부;
    상기 데이터 수요가 있는 사용자 영역들의 수가 다음 주기에서 사용 가능한 스팟 빔보다 클 경우, 총 스팟 빔의 개수에서 다음 주기 및 현재 주기에서 공통으로 이용하고 있는 스팟 빔의 개수를 차감하여 스팟 빔의 여유 개수를 측정하는 측정부;
    상기 스팟 빔의 여유 개수를 경매인(auctioneer)으로, 다음 주기의 와이드 빔 범위에 추가되는 사용자 영역들과 현재 주기에서 스팟 빔을 할당받지 못하며 다음 주기의 와이드 빔 범위에 속하는 사용자 영역들을 입찰자(bidder)로 배열하는 입찰 행렬을 생성하는 행렬부; 및
    상기 입찰 행렬에서 경매 매커니즘을 이용하여 최소 기회 비용을 갖는 입찰자(bidder)를 선정하여 상기 스팟 빔의 여유 개수를 할당하는 할당부;를 포함하고,
    상기 행렬부는 경매인(auctioneer)을 열(row)로 배열하고, 상기 입찰자(bidder)를 행(column)으로 배열하는 헝가리언 방식(Hungarian method)을 이용하고,
    상기 할당부는 각 주기마다 경매 방식 중 VCG(Vickery-Clarke-Groves) 매커니즘을 이용하여 입찰가(bid)들의 최종 합이 가장 작은 조합들을 선정하고,
    상기 행렬부는 각 사용자 단말의 시간당 데이터 요구량 및 각 사용자 단말이 상기 LEO 위성의 와이드 빔 범위에 속하는 시간을 기초로 상기 입찰 행렬의 파라미터를 결정하는, 경제학 이론을 이용한 LEO 위성 통신 범위 제어 장치.
  10. 삭제
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