KR102443456B1

KR102443456B1 - 비 직교 다중 접속 시스템에서의 합 주파수 효율 최대화를 위한 유저 스케줄링 및 코드북 할당 방법

Info

Publication number: KR102443456B1
Application number: KR1020200014234A
Authority: KR
Inventors: 홍성남; 이남윤; 최지욱
Original assignee: 삼성전자 주식회사; 포항공과대학교 산학협력단
Priority date: 2020-02-06
Filing date: 2020-02-06
Publication date: 2022-09-16
Also published as: KR20210100779A; US20230106785A1; WO2021157990A1; EP4113856A1; EP4113856A4

Abstract

본 개시는 4G 시스템 이후 보다 높은 데이터 전송률을 지원하기 위한 5G 통신 시스템을 IoT 기술과 융합하는 통신 기법 및 그 시스템에 관한 것이다. 본 개시는 5G 통신 기술 및 IoT 관련 기술을 기반으로 지능형 서비스 (예를 들어, 스마트 홈, 스마트 빌딩, 스마트 시티, 스마트 카 혹은 커넥티드 카, 헬스 케어, 디지털 교육, 소매업, 보안 및 안전 관련 서비스 등)에 적용될 수 있다.

Description

비 직교 다중 접속 시스템에서의 합 주파수 효율 최대화를 위한 유저 스케줄링 및 코드북 할당 방법{THE METHOD FOR ALLOCATING CODEBOOK AND USER SCHEDULING FOR MAXIMIZING SUM FREQUENCY RATE IN NON-ORTHOGONAL MULTIPLE ACCESS SYSTEM}

본 발명의 실시예들은 비 직교 다중 접속 시스템 (Non-Orthogonal multiple access: NOMA)에서의 스케줄링 방법에 관한 것이며, 구체적으로 기지국은 기지국과 사용자 단말의 페이딩 값을 이용하여 NOMA 시스템의 합 주파수 효율을 계산하고, 이를 통해 송신하게 될 사용자 단말을 선택하고 선택된 사용자 단말이 송신하게 될 NOMA 코드북 (Codebook)을 할당하기 위한 방법에 관한 것이다.

4G 통신 시스템 상용화 이후 증가 추세에 있는 무선 데이터 트래픽 수요를 충족시키기 위해, 개선된 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템을 개발하기 위한 노력이 이루어지고 있다. 이러한 이유로, 5G 통신 시스템 또는 pre-5G 통신 시스템은 4G 네트워크 이후 (Beyond 4G Network) 통신 시스템 또는 LTE 시스템 이후 (Post LTE) 시스템이라 불리어지고 있다. 높은 데이터 전송률을 달성하기 위해, 5G 통신 시스템은 초고주파(mmWave) 대역 (예를 들어, 60기가(60GHz) 대역과 같은)에서의 구현이 고려되고 있다. 초고주파 대역에서의 전파의 경로손실 완화 및 전파의 전달 거리를 증가시키기 위해, 5G 통신 시스템에서는 빔포밍(beamforming), 거대 배열 다중 입출력(massive MIMO), 전차원 다중입출력(Full Dimensional MIMO: FD-MIMO), 어레이 안테나(array antenna), 아날로그 빔형성(analog beam-forming), 및 대규모 안테나 (large scale antenna) 기술들이 논의되고 있다. 또한 시스템의 네트워크 개선을 위해, 5G 통신 시스템에서는 진화된 소형 셀, 개선된 소형 셀 (advanced small cell), 클라우드 무선 액세스 네트워크 (cloud radio access network: cloud RAN), 초고밀도 네트워크 (ultra-dense network), 기기 간 통신 (Device to Device communication: D2D), 무선 백홀 (wireless backhaul), 이동 네트워크 (moving network), 협력 통신 (cooperative communication), CoMP (Coordinated Multi-Points), 및 수신 간섭제거 (interference cancellation) 등의 기술 개발이 이루어지고 있다. 이 밖에도, 5G 시스템에서는 진보된 코딩 변조(Advanced Coding Modulation: ACM) 방식인 FQAM (Hybrid FSK and QAM Modulation) 및 SWSC (Sliding Window Superposition Coding)과, 진보된 접속 기술인 FBMC(Filter Bank Multi Carrier), NOMA(non orthogonal multiple access), 및SCMA(sparse code multiple access) 등이 개발되고 있다.

한편, 인터넷은 인간이 정보를 생성하고 소비하는 인간 중심의 연결 망에서, 사물 등 분산된 구성 요소들 간에 정보를 주고 받아 처리하는 IoT(Internet of Things, 사물인터넷) 망으로 진화하고 있다. 클라우드 서버 등과의 연결을 통한 빅데이터(Big data) 처리 기술 등이 IoT 기술에 결합된 IoE (Internet of Everything) 기술도 대두되고 있다. IoT를 구현하기 위해서, 센싱 기술, 유무선 통신 및 네트워크 인프라, 서비스 인터페이스 기술, 및 보안 기술과 같은 기술 요소 들이 요구되어, 최근에는 사물간의 연결을 위한 센서 네트워크(sensor network), 사물 통신(Machine to Machine, M2M), MTC(Machine Type Communication)등의 기술이 연구되고 있다. IoT 환경에서는 연결된 사물들에서 생성된 데이터를 수집, 분석하여 인간의 삶에 새로운 가치를 창출하는 지능형 IT(Internet Technology) 서비스가 제공될 수 있다. IoT는 기존의 IT(information technology)기술과 다양한 산업 간의 융합 및 복합을 통하여 스마트홈, 스마트 빌딩, 스마트 시티, 스마트 카 혹은 커넥티드 카, 스마트 그리드, 헬스 케어, 스마트 가전, 첨단의료서비스 등의 분야에 응용될 수 있다.

이에, 5G 통신 시스템을 IoT 망에 적용하기 위한 다양한 시도들이 이루어지고 있다. 예를 들어, 센서 네트워크(sensor network), 사물 통신(Machine to Machine, M2M), MTC(Machine Type Communication)등의 기술이 5G 통신 기술인 빔 포밍, MIMO, 및 어레이 안테나 등의 기법에 의해 구현되고 있는 것이다. 앞서 설명한 빅데이터 처리 기술로써 클라우드 무선 액세스 네트워크(cloud RAN)가 적용되는 것도 5G 기술과 IoT 기술 융합의 일 예라고 할 수 있을 것이다.

최근 4G(4th-genaration) 무선 통신 시스템의 상용화가 이루어지면서 무선 통신 시스템을 통해 대용량 데이터를 빠른 속도로 전송하는 것이 가능하게 되었다. 이에 따라 고화질 비디오 스트리밍이나 대용량 데이터 다운로드 등에 대한 수요도 크게 증가하였고, 이를 충족시키기 위한 5G(5th-generation) 통신 시스템에 대한 연구가 활발하게 이루어지고 있다. 5G 시스템에서 높은 데이터 전송 속도를 달성하기 위한 방법으로는 초고주파(mmWave) 대역에서 기존 4G 시스템보다 훨씬 더 많은 기지국 안테나를 사용하는 대용량 다중 입출력(massive MIMO: massive Multiple-input Multiple-output)기술이 고려되고 있으며, 또한 다수의 유저들이 여러 자원을 동시에 공유하여 송수신하는 NOMA 다중 접속 기술들이 주목을 받고 있다.

NOMA는 시간, 주파수, 코드와 같은 자원에 다수의 유저가 동시에 접속하는 기술을 의미한다. 따라서 NOMA의 장점 중 하나는 직교 다중화 접속(Orthogonal Multiple Access: OMA) 대비 같은 시간-주파수 자원으로 더 많은 사용자를 지원할 수 있으므로, 셀룰라 시스템의 주파수 효율을 향상시킬 수 있다는 점이다. 최근 학계와 산업체를 중심으로 NOMA에 대한 연구가 활발하게 진행됨과 동시에 차세대 통신 표준으로 논의되고 있다. 상향 링크 NOMA 기술은 다음과 같이 scrambling-based NOMA, spreading-based NOMA, coding-based NOMA, 그리고 interleaving-based NOMA로 분류해볼 수 있다. 대표적으로 sparse code multiple access (SCMA)은 coding-based NOMA 기술이며, SCMA의 경우 N 개의 부반송파들을 이용하여 K(>N) 명의 사용자를 지원하게 되고 각각의 사용자 단말들은 spare 코드북을 송신하게 된다. 이러한 코드북들은 유저간의 간섭을 최소화 되도록 디자인 되므로 메시지 전달(message passing) 알고리즘을 이용하여 저 복잡도 검출(decoding)이 가능하게 된다.

NOMA 시스템은 사람의 직접적인 조작이나 개입 없이 기기간의 데이터 통신이 이루어지는 machine-to-machine (M2M) 통신 서비스에 유망하다. 그 이유 중 하나는 M2M 시스템에서는 높은 밀도의 machine type communication (MTC) 디바이스가 존재할 것으로 예상되기 때문이다. 5G 표준에 따르면 MTC를 통해 internet of things (IOT) 서비스를 위한 무수히 많은 디바이스들이 접속가능해야 하며, 구체적으로 대규모 MTC 는 1km^2 당 10^6개에 해당되는 높은 밀도의 디바이스들이 전송하는 특성을 효율적으로 지원해야 된다. 이러한 시스템에서는 송신 단말 그룹에 따른 시스템의 성능 차이가 크게 되므로, 효율적인 스케줄링 알고리즘들 통해 여러 MTC 단말 중 일부 단말을 선택하고 코드북을 할당하는 것이 요구된다.

기 개발된 4G 통신 시스템은 OFDMA (orthogonal frequency division multiple access) 와 같은 OMA 방식을 사용한다. OFDMA 의 경우 다중 반송파(multiple carrier)를 이용하여 통신하게 되며 부반송파(subcarrier)간의 직교성으로 인해 다수의 UE (user equipment)를 지원할 수 있게 된다. 하지만 5G 통신 시스템에서는 사용자들의 요구 데이터량이 기하급수적으로 증가함에 따라 시스템의 전송률을 높이기 위한 NOMA 기술이 고려되고 있다. 본 발명에서는 NOMA 시스템에서의 유저 스케줄링 및 NOMA 코드북 할당 방법에 관한 것으로서, 이를 위한 NOMA 시스템의 주파수 효율 계산 방법 및 저 복잡도 스케줄링 알고리즘을 개발한다.

상기한 목적을 달성하기 위해서 본 발명에서의 각 기지국은 스케줄링을 위해 커버리지 영역에 위치한 사용자 단말의 CSI (Channel state information) 를 획득하며, CSI 정보를 바탕으로 유저 및 NOMA 코드북의 모든 조합에 대한 합 주파수 효율을 계산하게 된다. 본 발명에서는 일반적인 NOMA 시스템의 합 주파수 효율 계산 방법을 제시한다. 추가적으로 합 주파수 효율을 저 복잡도로 계산하기 위해 두 가지 방법을 제안하며, 첫번째 방법은 각 사용자 단말이 가우시안 (Gaussian) 신호를 송신한다는 가정하에 유도된 NOMA 시스템의 capacity upper-bound 를 이용하고 두번째로는 구체적인 NOMA 코드북에 따라 유도된 근사화된 mutual information을 이용하게 된다. 추가적으로 본 발명에서 제안한 합 주파수 효율 계산방법을 이용한 스케줄링 과정을 포함함을 특징으로 한다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명은 무선 통신 시스템에서 기지국에 의해 수행되는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 복수의 단말로부터, 채널 상태 정보를 수신하는 단계; 상기 수신된 채널 상태 정보를 기반으로, NOMA(Non-Orthogonal multiple access)시스템의 합 주파수 효율을 계산하는 단계; 상기 계산된 합 주파수 효율에 기반하여, 단말을 선택하는 단계; 상기 선택된 단말에 코드북을 할당하는 단계; 및 상기 단말로, 상기 할당된 코드북의 인덱스를 전송하는 단계를 포함하고, 상기 합 주파수 효율은 상호 정보량에 기반하여 계산되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.

일부의 예들에서는, 상기 상호 정보량은

것을 특징으로 한다.

일부의 예들에서는, 상기 단말은 가우시안 분포의 신호를 송신하는 것을 특징으로 하고, 상기 상호 정보량은 capacity upper bound 가 설정되는 것을 특징으로 하고, 상기 capacity upper bound 는

인 것을 특징으로 한다.

일부의 예들에서는, 상기 상호 정보량은

인 것을 특징으로 한다.

일부의 예들에서는, 상기 코드북을 할당하는 단계는 탐욕 스케줄링 알고리듬을 사용하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 예에서는 무선 통신 시스템에서 단말에 의해 수행되는 방법에 관한 것으로, 상기 방법은 기지국으로, 채널 상태 정보를 전송하는 단계; 및 상기 기지국으로, 할당된 코드북의 인덱스를 전송하는 단계를 포함하고, 상기 전송된 채널 상태 정보를 기반으로, 상기 기지국에 의해 NOMA(Non-Orthogonal multiple access)시스템의 합 주파수 효율을 계산되고, 상기 계산된 합 주파수 효율에 기반하여, 상기 단말이 선택되고, 상기 선택된 단말에 코드북을 할당되고, 및 상기 합 주파수 효율은 상호 정보량에 기반하여 계산되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서의 또 다른 예들에서는, 기지국에 있어서, 적어도 하나의 신호를 송수신을 할 수 있는 송수신부; 및 상기 송수신부와 결합된 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 복수의 단말로부터, 채널 상태 정보를 수신하고, 상기 수신된 채널 상태 정보를 기반으로, NOMA(Non-Orthogonal multiple access)시스템의 합 주파수 효율을 계산하고, 상기 계산된 합 주파수 효율에 기반하여, 단말을 선택하고, 상기 선택된 단말에 코드북을 할당하고, 및 상기 단말로, 상기 할당된 코드북의 인덱스를 전송하도록 구성되고, 상기 합 주파수 효율은 상호 정보량에 기반하여 계산되는 것을 특징으로 하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에서의 또 다른 예들에서는, 단말에 있어서, 적어도 하나의 신호를 송수신을 할 수 있는 송수신부; 및 상기 송수신부와 결합된 제어부를 포함하고, 상기 제어부는 기지국으로, 채널 상태 정보를 전송하고, 및 상기 기지국으로, 할당된 코드북의 인덱스를 전송하도록 구성되고, 상기 전송된 채널 상태 정보를 기반으로, 상기 기지국에 의해 NOMA(Non-Orthogonal multiple access)시스템의 합 주파수 효율을 계산되고, 상기 계산된 합 주파수 효율에 기반하여, 상기 단말이 선택되고, 상기 선택된 단말에 코드북을 할당되고, 및 상기 합 주파수 효율은 상호 정보량에 기반하여 계산되는 것을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 의하면, 송신 가능한 단말 및 다수의 NOMA 코드북이 주어졌을 때 단말의 페이딩 정보를 바탕으로 유저 스케줄링 및 코드북 할당을 통합적으로 수행하게 된다. 이를 통해 각 유저간의 간섭이 최소화 될 뿐만 아니라 송신 단말의 합 주파수 효율이 최대화 된다는 장점을 지닌다.

도 1은 무선 통신 시스템의 송수신기의 구조에 대해서 도시하고 있다.
도 2 는 비 직교 다중 접속 시스템을 위한 한 시스템 모델에 대해서 도시한다.
도 3 은 비 직교 다중 접속 시스템을 위한 한 시스템 모델에 대해서 도시한다.
도 4 에서는 본 실시예에서 유도한 근사화된 상호 정보량을 실험을 통해 실제 상호 정보량 값과 비교한 도면이다.
도 5 는 최적 스케줄링 알고리즘의 경우 6명의 사용자와 6개의 코드북이 존재할 때, 모든 조합에 대한 합 주파수 효율을 계산하여 값이 최대가 되는 조합을 선택하는 예시를 설명하는 도면이다.
도 6 은 탐욕 스케줄링 알고리즘의 경우, 사용자의 수가 순차적으로 증가함에 따라, 합 주파수 효율을 계산하여 값이 최대가 되는 조합을 선택하는 예시를 설명하는 도면이다.
도 7 은 종래 기법과 본 실시예의 coded 비트 에러율을 비교하기 위한 도면이다.
도 8 은 본 발명에 일 실시예를 나타내는 도면이다.
도 9 는 본 발명에 다른 실시예를 나타내는 도면이다.
도 10 은 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국의 구조를 도시한 도면이다.
도 11 은 본 발명의 일 실시예에 따른 단말의 구조를 도시한 도면이다.

이하, 본 발명에 따른 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성 요소들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음을 유의해야 한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공개 기술 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우, 그에 대한 상세한 설명은 축약하거나 생략한다.

[제1 실시예]

본 실시예에서는 비 직교 다중접속 시스템에서의 NOMA 코드북에 따른 합 주파수 효율 계산 방법에 관한 것이다. 구체적으로, 비 직교 다중 접속 시스템을 위한 한 시스템 모델 그리고 합 주파수 계산 방법에 관한 것이다.

도 1은 무선 통신 시스템의 송수신기의 구조에 대해서 도시하고 있다.

도 1을 참고하면, 기지국은 수신된 채널 정보를 바탕으로 유저 스케줄링 및 코드북 할당을 하게 되고, 각 단말에게 스케줄링 정보를 피드백 하게 된다. 이때 승인(grant) 신호를 받은 사용자 단말들은 고유의 할당된 NOMA 코드북 색인 (index)에 따라서 신호를 송신할 수 있게 된다.

도 2 는 비 직교 다중 접속 시스템을 위한 한 시스템 모델에 대해서 도시한다.

또한, 도 3 은 비 직교 다중 접속 시스템을 위한 한 시스템 모델에 대해서 도시한다.

도 2 를 참고하면, 일부의 사용자 그룹이 선택되어 송신하는 상황을 가정하며, 구체적으로

개의 직교 자원 (부반송파)을 공유하는 것을 가정하며 셀 안에 총

명의 사용자 중

명의 사용자가 기지국에 동시에 접속하는 NOMA 시스템을 고려한다. 이때 사용자가 사용할 수 있는 NOMA 코드북의 개수는

개가 존재하며 각 사용자간 협력은 불가능 하다고 가정한다.

일반성을 잃지 않고 (Without loss of generality)

명의 사용자 중

번째 사용자들이 스케줄링 된 후 송신하는 경우에, 비직교 다중 접속 시스템의 통합적 시스템 모델은 아래 수학식1과 같이 표현 가능하다.

<수학식1>

여기서

은 n 번째 부반송파에서 받은 신호이고,

은 k번째 유저가 n 번째 부반송파를 통해 송신한 신호이다. 채널 행렬의 경우 OFDM 변조기를 사용했으므로

을 대각성분으로 가지는 대각 행렬로 표현 가능하며,

은 k 번째 유저의 n 번째 부반송파가 겪는 협대역 채널이다.

의 경우 i 번째 부반송파의 잡음 신호로 평균 0인 가우시안 (Gaussian) 잡음 신호이다.

상기 수학식 1를 행렬 형태로 표현하면 하기의 수학식2와 동등하게 표현할 수 있다.

<수학식 2>

상기 수학식 2 에서　

는 각각 하기의 수학식3와 같이 표현된다.

<수학식3>

이때, k번째 사용자가 송신하는 신호

은 코드북

의 코드워드(codeword)들 중 하나이며, 총 가능한 코드워드의 개수는 M 개라 가정한다. 마찬가지로,

또한 송신하는 모든 사용자들의 코드북을 모두 조합한

코드북의 코드워드 중 하나에 해당된다.

NOMA 시스템의 합 주파수 효율은 본 수학식 2에 대한 상호 정보량 (mutual information)

값으로부터 계산할 수 있으며, 상호 정보량 정의에 의해 수학식 4와 같이 주어지게 된다.

<수학식4>

여기서,

와

는 수학식 5 는 잡음 신호가 가우시안 분포 (평균 0, 분산 N_0)를 따른다고 할 때 수학식 5와 같이 주어진다.

<수학식 5>

수학식 5를 수학식 4에 대입하면 아래 수학식6 으로부터 정확한 상호 정보량 값을 계산할 수 있다.

<수학식 6>

여기서 채널행렬

은 아래와 같은 구조를 가진다.

<수학식 7>

수학식 6에서 유도한 상호 정보량은 각 사용자의 채널 그리고 NOMA 코드북이 주어졌을때, 합 주파수 효율을 계산하기 위한 최적의 지표 (metric)을 제공할 수 있다. 하지만, 노이즈에 대한 평균 (expecation) 값을 계산하기 위해 monte-carlo 방법을 이용해야 되며 높은 계산 복잡도를 요구하는 단점이 존재한다. 따라서 본 실시예에서는 추가적으로 합 주파수 효율을 저 복잡도로 계산하기 위해 두가지 지표들을 유도한다. 첫 번째 지표는 각 사용자 단말이 가우시안 (Gaussian) 신호를 송신한다는 가정하에 유도된 NOMA 시스템의 capacity upper-bound 이며, 두 번째 지표는 구체적인 NOMA 코드북에 따라 유도된 근사화된 상호 정보량이다.

상호 정보량의 upper-bound는 송신 신호

가 가우시안 분포 (평균 0, 분산 N0)를 따른다고 했을 때 유도되며 아래 수학식 8과 같다.

<수학식 8>

이때, 수학식 8에서의

은

의 covariance 행렬을 의미한다. 본 실시 예에서 고려하는 NOMA 시스템의 경우 다른 사용자간 협력을 하지 않게 되므로 서로 독립적인 신호를 송신하게 된다. 따라서 다른 사용자간 송신신호는 서로 uncorrelated 되어 있게 된다(

, for

). 이를 이용하면

의 covariance 행렬

은 다음과 같이 계산된다.

<수학식 9>

만약 NOMA 송신 신호의 성상도 (constellation)가 diagonally symmetric 생성된다면

은 다음 수학식 10과 같이 표현된다.

<수학식 10>

수학식 10을 수학식 11에 대입하게 되면

는 다음과 같이 단순화 된다.

<수학식 11>

결과적으로 수학식 10의 결과를 수학식 11에 대입하게 되면 상호 정보량의 upper-bound은 수학식 12 같이 유도 되게 된다.

<수학식 12>

본 실시 예에서는

명의 사용자 중 1,2, ... ,K번째 사용자가 스케줄링 되었다고 가정했기 때문에

값은 모두 1이 되게 된다. 일반적인 경우 아래 수학식 13과 같이 표현되며,

은 k 번째 사용자가 n 번째 부반송파의 사용여부를 나타내는 함수로서 {0,1} 의 값 중 하나를 가지고

은 k 번째 사용자가 n 번째 부반송파를 통해 전송하는 심볼의 파워를 의미한다. 본 실시예에서는 수학식 13를 capacity upper-bound라고 명한다.

<수학식 13>

수학식 13의 경우 다양한 방법으로 근사화 되어 사용될 수 있다. 예를 들어 테일러 정리를 이용하게 되면

항은

로 표현이 가능해짐에 따라 한정된 항만을 이용해서 수학식 13을 근사 가능하다. 유도된 수학식 13의 경우 송신 신호의 가우시안 분포를 가정하였기 때문에 구체적인 NOMA 코드북에 대한 함수가 아닌 단순한 기지국과 단말간의 채널의 함수로 구성된다는 단점을 가지게 된다.

위 단점을 보완하기 위한 방법 중 하나는 송신 신호의 가우시안 분포 가정 없이 상호 정보량

을 계산하는 것이다. 하지만 정확하게 상호 정보량을 계산하는 것은 높은 계산 복잡도를 요구하게 된다. 따라서 낮은 복잡도를 위하여 상호 정보량을 근사화 하고자 하며, 젠슨 부등식을 이용하게 된다면 수학식 4의

항에 대한 lower-bound 는 수학식 14와 같이 주어지게 된다.

<수학식 14>

수학식 5의

를 이용하여 수학식 15를 계산하면 정의에 의해 수학식 15와 같이 주어진다.

<수학식 15>

수학식 15의 적분과 합 (summation)의 순서를 바꾸게 되면

의 lower bound 는 수학식 16으로 주어진다.

<수학식 16>

수학식 16에 대해 적분을 하게 되면 수학식 17이 얻어질 수 있다.

<수학식 17>

위 수학식 17을 수학식 5에 대입하게 되면 상호 정보량

에 대한 lower-bound를 얻을 수 있으며 편의상 상호 정보량의 lower-bound를

로 표시한다.

은 수학식 18로 유도될 수 있다.

<수학식 18>

극단적으로 낮은 SNR 그리고 높은 SNR에서 생기는 offset을 제거하게 되면 상호 정보량에 대한 근사화된 식

은 수학식 19와 같이 유도된다. 본 실시예에서는 수학식 19를 근사화된 상호 정보량이라 명명한다. 수학식 13의 경우와 같이 수학식 19의 경우에도 log 및 exponential 함수의 특성을 이용하여 수학식 20을 더욱 근사화 하여 사용할 수 있다.

<수학식 19>

도 4 에서는 본 실시예에서 유도한 근사화된 상호 정보량을 실험을 통해 실제 상호 정보량 값과 비교한 도면이다. 본 실험에서 사용된 NOMA 방법은 SCMA (Sparse Code Multiple Access) 이고, FFT(Fast Fourier Transform) 크기는 4096 이며 각 송신하는 유저들이 공유 하는 부반송파 개수는 4개로 설정하였다. 도 4에 도시된 바와 같이 제안한 근사화된 상호 정보량이 모든 SNR 범위에서 실제 값과 매우 비슷한 것을 확인할 수 있다.

[제2 실시예]

본 실시예는, 비 직교 다중접속 시스템을 위한 사용자 스케줄링 및 코드북 할당 알고리즘에 관한 것이다.

본 실시예에서는 비 직교 다중 접속 시스템을 위한 사용자 스케줄링 및 코드북 할당을 위한 두 가지 알고리즘을 설명한다. 구체적으로, 모든 사용자 및 코드북의 조합을 고려하는 최적 스케줄링 알고리즘과 복잡도를 낮추기 위한 탐욕 (greedy) 스케줄링 알고리즘으로 구성되어 있다.

도 5 는 최적 스케줄링 알고리즘의 경우 6명의 사용자와 6개의 코드북이 존재할 때, 모든 조합에 대한 합 주파수 효율을 계산하여 값이 최대가 되는 조합을 선택하는 예시를 설명하는 도면이다.

도 5 를 참고하면, 최적 스케줄링 알고리즘의 경우 6명의 사용자와 6개의 코드북이 존재할 때 모든 조합에 대한 합 주파수 효율을 계산하여 값이 최대가 되는 조합을 선택할 수 있다.

도 6 은 탐욕 스케줄링 알고리즘의 경우, 사용자의 수가 순차적으로 증가함에 따라, 합 주파수 효율을 계산하여 값이 최대가 되는 조합을 선택하는 예시를 설명하는 도면이다.

도 6 을 참고하면, 탐욕 스케줄링 알고리즘의 경우 사용자의 수가 순차적으로 증가함에 따라 코드북을 할당하므로 복잡도를 낮출 수 있는 장점이 존재한다.

사용자 스케줄링 및 코드북 할당을 위한 구체적인 실시예를 위해

(총 사용자수 = 4, 선택할 사용자수 = 3, 코드북 개수 = 3) 과 같은 파라미터를 가지는 NOMA시스템을 고려한다. 이때 3개의 NOMA 코드북은 아래와 같이 주어진다고 가정한다.

<수학식 20>

,

사용자 선택 및 코드북 할당 함수를 다음과 같이 정의하며,

이때

의 값을 가진다. 예를 들어

가 다음과 같이 주어지면

3번째 사용자 단말은 선택되지 않은 것을 의미하며 첫번째, 두번째, 그리고 네번째 사용자 단말은 각각 첫번째, 두번째, 그리고 세번째 코드북을 사용하는 것을 의미한다. 정의된 사용자 선택 및 코드북 할당 함수를 이용하면 최적화 문제는 아래 수학식 21 내지 수학식 23 과 같이 표현된다. 수학식 21은 상호 정보량, 수학식 22는 capacity upper-bound, 그리고 수학식 23은 상호 정보량을 최대화 하는 최적화 문제에 해당된다.

<수학식 21>

<수학식 22>

<수학식 23>

위 최적화 문제의 경우 모두 combinatorial 최적화 문제에 해당되므로 최적 솔루션은 모든 가능한 유저와 코드북 조합에 대해 수학식 23~25를 계산하여 구할 수 있다. 본 실시예에서는 총 24(=4*3*2) 가지의 사용자 선택 및 코드북 할당 함수가 존재하며 아래 수학식에 나열되어 있다.

<수학식 24>

예를 들어, 색인 함수

에 해당되는 joint 코드북

및 effective 채널

은 아래 수학식 25 및 26과 같이 구성할 수 있다.

<수학식 25>

<수학식 26>

마찬가지로,

과

도 다음과 같이 계산될 수 있다.

<수학식 27>

위와 같은 방법을 통해 모든 가능한 사용자 및 코드북 조합에 대한 최적화 문제를 풀 수 있다. 하지만 코드북수 혹은 스케줄링 될 사용자의 수가 커짐에 따라 복잡도가 기하 급수 적으로 커지는 단점이 존재한다. 따라서 복잡도를 낮추기 위해 탐욕 (greedy)알고리즘을 고려해볼 수 있으며 아래와 같이 계산할 수 있다.

첫번째 단계에서는 아래와 같은 단일 유저만 존재할때의 capacity upper-bound 혹은 근사화된 상호정보값을 구하며 총 12개의 가능성이 존재한다.

<수학식 28>

만약, 첫번째 단계에서

이 선택되었다고 가정한다면 두번째 단계에서는 두 명의 사용자에 대한 아래와 같은 6가지 조합에 대해 최적화 함수 값을 계산하게 된다.

<수학식 29>

만약, 두번째 단계에서

가 선택되었다면 마지막 단계에서는 아래와 같이 2가지의 경우만 계산하게 된다.

<수학식 30>

본 발명의 효과를 검증하기 위해, 종래 기법 (Random scheudling) 과 본 발명에서 제안하는 기법의 coded 비트 에러률을 모의 실험을 통해 비교하여 검증하였다. 본 모의 실험에서 사용된 NOMA 방법은 muti-user shared access (MUSA) 이고 FFT 크기는 4096 이며 각 송신하는 유저들이 공유하는 부반송파 개수는 4개로 설정하였다. 채널코드로는 1/2-rate (336,772) 코드를 사용하였고 채널 모델은 ETU 모델을 사용하였다.

도 7 은 종래 기법과 본 실시예의 coded 비트 에러율을 비교하기 위한 도면이다.

도 7 은

일때의 coded 비트 에러률을 비교하였으며, 종래 기술대비 최대 1.5 dB SNR 이득을 얻을 수 있음을 확인하였다. 도 7 을 참고하면

일때의 coded 비트 에러률을 비교하였으며 셀 내의 총 유저수가 증가함에 따라 종래 기법 대비 제안 기법이 최대 5dB 이상의 성능 이득을 얻을 수 있었다.

도 8은 본 발명에 일 실시예를 나타내는 도면이다.

도 8을 참고하면, 기지국은 복수의 단말로부터, 채널 상태 정보를 수신할 수 있다 (801 동작). 상기 수신된 채널 상태 정보를 기반으로, NOMA(Non-Orthogonal multiple access)시스템의 합 주파수 효율을 계산할 수 있다 (802 동작). 상기 합 주파수 효율은 상호 정보량에 기반하여 계산될 수 있다. 상호 정보량은

일 수 있다. 또는 상호 정보량은

일 수 있다. 또는 상기 단말은 가우시안 분포의 신호를 송신할 수 있고, 이때 상호 정보량은 capacity upper bound 가 설정되며, capacity upper bound 는

일 수 있다. 상기 계산된 합 주파수 효율에 기반하여, 단말을 선택할 수 있다 (803 동작). 상기 선택된 단말에 코드북을 할당할 수 있다 (804 동작). 상기 할당은 탐욕 스케줄링 알고리듬을 사용할 수 있다. 상기 단말로, 상기 할당된 코드북의 인덱스를 전송할 수 있다 (805 동작).

도 9는 본 발명에 다른 실시예를 나타내는 도면이다.

도 9를 참고하면, 단말은 기지국으로, 채널 상태 정보를 전송할 수 있다 (901 동작). 상기 기지국으로, 할당된 코드북의 인덱스를 전송할 수 있다 (902 동작). 상기 전송된 채널 상태 정보를 기반으로, 상기 기지국에 의해 NOMA(Non-Orthogonal multiple access)시스템의 합 주파수 효율을 계산될 수 있다. 상기 계산된 합 주파수 효율에 기반하여, 상기 단말이 선택될 수 있다. 상기 선택된 단말에 코드북을 할당될 수 있다. 상기 할당은 탐욕 스케줄링 알고리듬을 사용할 수 있다. 상기 합 주파수 효율은 상호 정보량에 기반하여 계산될 수 있다. 상호 정보량은

일 수 있다. 또는 상호 정보량은

일 수 있다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 기지국의 구조를 도시한 도면이다.

도 10을 참고하면, 기지국은 송수신부 (1010), 제어부 (1020), 저장부 (1030)을 포함할 수 있다. 본 발명에서 제어부는, 회로 또는 어플리케이션 특정 통합 회로 또는 적어도 하나의 프로세서라고 정의될 수 있다.

송수신부 (1010)는 다른 네트워크 엔티티와 신호를 송수신할 수 있다. 송수신부(1010)는 예를 들어, 단말에 시스템 정보를 전송할 수 있으며, 동기 신호 또는 기준 신호를 전송할 수 있다.

제어부 (1020)은 본 발명에서 제안하는 실시예에 따른 기지국의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부 (1020)는 상기에서 기술한 순서도에 따른 동작을 수행하도록 각 블록 간 신호 흐름을 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부 (1020)는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 빔 기반 시스템에서 잔여 시스템 정보 (RMSI)를 전송하기 위해 본 발명에서 제안하는 동작을 제어할 수 있다.

저장부(1030)는 상기 송수신부 (1010)를 통해 송수신되는 정보 및 제어부 (1020)을 통해 생성되는 정보 중 적어도 하나를 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장부 (1030)는 RMSI 전송과 관련된 스케줄링 정보, RMSI 관련 PDCCH 시간 축 위치 및 주기 정보 등을 저장할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 단말의 구조를 도시한 도면이다.

도 11을 참고하면, 단말은 송수신부 (1110), 제어부 (1120), 저장부 (1130)을 포함할 수 있다. 본 발명에서 제어부는, 회로 또는 어플리케이션 특정 통합 회로 또는 적어도 하나의 프로세서라고 정의될 수 있다.

송수신부 (1110)는 다른 네트워크 엔티티와 신호를 송수신할 수 있다. 송수신부(1110)는 예를 들어, 기지국으로부터 시스템 정보를 수신할 수 있으며, 동기 신호 또는 기준 신호를 수신할 수 있다.

제어부 (1120)은 본 발명에서 제안하는 실시예에 따른 단말의 전반적인 동작을 제어할 수 있다. 예를 들어, 제어부 (1120)는 상기에서 기술한 순서도에 따른 동작을 수행하도록 각 블록 간 신호 흐름을 제어할 수 있다. 구체적으로, 제어부(1120)는 본 발명의 실시예에 따른 멀티 빔 기반 시스템에서 잔여 시스템 정보 (RMSI)를 수신하기 위해 본 발명에서 제안하는 동작을 제어할 수 있다.

저장부(1130)는 상기 송수신부 (1110)를 통해 송수신되는 정보 및 제어부 (1120)을 통해 생성되는 정보 중 적어도 하나를 저장할 수 있다. 예를 들어, 저장부 (1130)는 RMSI 전송과 관련된 스케줄링 정보, RMSI 관련 PDCCH 시간 축 위치 및 주기 정보 등을 저장할 수 있다.

Claims

무선 통신 시스템에서 기지국에 의해 수행되는 방법에 관한 것으로,
상기 방법은:
복수의 단말로부터, 채널 상태 정보를 수신하는 단계;
상기 수신된 채널 상태 정보를 기반으로, NOMA(Non-Orthogonal multiple access)시스템의 합 주파수 효율을 계산하는 단계;
상기 계산된 합 주파수 효율에 기반하여, 단말을 선택하는 단계;
상기 선택된 단말에 코드북을 할당하는 단계; 및
상기 단말로, 상기 할당된 코드북의 인덱스를 전송하는 단계를 포함하고,
상기 합 주파수 효율은 상호 정보량에 기반하여 계산되고,
상기 단말은 가우시안 분포의 신호를 송신하고,
상기 상호 정보량은 capacity upper bound 가 설정되고, 및
상기 capacity upper bound 는

는 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 상호 정보량은

것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
삭제
제1항에 있어서,
상기 상호 정보량은

인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 코드북을 할당하는 단계는
탐욕 스케줄링 알고리듬을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
무선 통신 시스템에서 단말에 의해 수행되는 방법에 관한 것으로,
상기 방법은:
기지국으로, 채널 상태 정보를 전송하는 단계; 및
상기 기지국으로, 할당된 코드북의 인덱스를 전송하는 단계를 포함하고,
상기 전송된 채널 상태 정보를 기반으로, 상기 기지국에 의해 NOMA(Non-Orthogonal multiple access)시스템의 합 주파수 효율을 계산되고,
상기 계산된 합 주파수 효율에 기반하여, 상기 단말이 선택되고,
상기 선택된 단말에 코드북을 할당되고,
상기 합 주파수 효율은 상호 정보량에 기반하여 계산되고,
상기 단말은 가우시안 분포의 신호를 송신하고,
상기 상호 정보량은 capacity upper bound 가 설정되고, 및
상기 capacity upper bound 는

는 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서,
상기 상호 정보량은

것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 방법.
삭제
제6항에 있어서,
상기 상호 정보량은

인 것을 특징으로 하는 방법.
제6항에 있어서,
상기 코드북을 할당하는 단계는
탐욕 스케줄링 알고리듬을 사용하는 것을 특징으로 하는 방법.
기지국에 있어서,
적어도 하나의 신호를 송수신을 할 수 있는 송수신부; 및
상기 송수신부와 결합된 제어부를 포함하고,
상기 제어부는:
복수의 단말로부터, 채널 상태 정보를 수신하고,
상기 수신된 채널 상태 정보를 기반으로, NOMA(Non-Orthogonal multiple access)시스템의 합 주파수 효율을 계산하고,
상기 계산된 합 주파수 효율에 기반하여, 단말을 선택하고,
상기 선택된 단말에 코드북을 할당하고, 및
상기 단말로, 상기 할당된 코드북의 인덱스를 전송하도록 구성되고,
기 합 주파수 효율은 상호 정보량에 기반하여 계산되고,
상기 단말은 가우시안 분포의 신호를 송신하고,
상기 상호 정보량은 capacity upper bound 가 설정되고, 및
상기 capacity upper bound 는

는 것을 특징으로 하는 기지국.
제11항에 있어서,
상기 상호 정보량은

것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 기지국.
삭제
제11항에 있어서,
상기 상호 정보량은

인 것을 특징으로 하는 기지국.
제11항에 있어서,
상기 코드북을 할당하는 단계는
탐욕 스케줄링 알고리듬을 사용하는 것을 특징으로 하는 기지국.
단말에 있어서,
적어도 하나의 신호를 송수신을 할 수 있는 송수신부; 및
상기 송수신부와 결합된 제어부를 포함하고,
상기 제어부는:
기지국으로, 채널 상태 정보를 전송하고, 및
상기 기지국으로, 할당된 코드북의 인덱스를 전송하도록 구성되고,
상기 전송된 채널 상태 정보를 기반으로, 상기 기지국에 의해 NOMA(Non-Orthogonal multiple access)시스템의 합 주파수 효율을 계산되고,
상기 계산된 합 주파수 효율에 기반하여, 상기 단말이 선택되고,
상기 선택된 단말에 코드북을 할당되고,
상기 합 주파수 효율은 상호 정보량에 기반하여 계산되고,
상기 단말은 가우시안 분포의 신호를 송신하고,
상기 상호 정보량은 capacity upper bound 가 설정되고, 및
상기 capacity upper bound 는

는 것을 특징으로 하는 단말.
제16항에 있어서,
상기 상호 정보량은

것을 특징으로 하는 것을 특징으로 하는 단말.
삭제
제16항에 있어서,
상기 상호 정보량은

인 것을 특징으로 하는 단말.
제16항에 있어서,
상기 코드북을 할당하는 단계는
탐욕 스케줄링 알고리듬을 사용하는 것을 특징으로 하는 단말.