KR102586755B1 - 비직교 다중 접속 시스템에서 코드북 결정 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

비직교 다중 접속 시스템에서 코드북 결정 방법 및 이를 위한 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 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.
본 발명은 색인(index) 정보를 이용하여 입력되는 비트를 심볼 벡터로 변조하는 단계, 서브캐리어에 대한 정보와 변조에 대한 정보에 기반하여 코드북을 결정하는 단계, 상기 결정된 코드북의 코드워드에 기반하여 상기 단말에 할당할 단위행렬을 결정하는 단계, 상기 코드북과 상기 단위행렬에 기반하여 상기 심볼 벡터를 프리코딩하는 단계 및 상기 프리코딩된 심볼 벡터를 서브캐리어를 통해 기지국으로 전송하는 단계를 포함하는 단말의 코드북 결정 방법을 제공한다.

Description

비직교 다중 접속 시스템에서 코드북 결정 방법 및 이를 위한 장치{METHOD AND APPARATUS FOR DETERMINING A CODEBOOK IN NON-ORTHOGONAL MULTIPLE ACCESS SYSTEM}
본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 무선 통신 시스템에서 색인 변조(index modulation, IM)를 이용한 비직교 다중 접속(non-orthogonal multiple access, NOMA) 시스템을 위한 장치 및 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) 이후의 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 기술이 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.
3G 통신 시스템은 CDAM(code division multiple access) 방식을 이용하며, 4G 통신 시스템은 OFDMA (orthogonal frequency division multiple access) 와 같은 OMA (orthogonal multiple access) 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 기술이 요구된다.
따라서 본 발명에서는 색인 변조를 이용하여 송신 심볼을 생성하고 다수의 유저들은 같은 부반송파들을 동시에 사용하는 비직교 다중 접속 무선 시스템을 제안한다.
본 발명은 색인(index) 정보를 이용하여 입력되는 비트를 심볼 벡터로 변조하는 단계, 서브캐리어에 대한 정보와 변조에 대한 정보에 기반하여 코드북을 결정하는 단계, 상기 결정된 코드북의 코드워드에 기반하여 상기 단말에 할당할 단위행렬을 결정하는 단계, 상기 코드북과 상기 단위행렬에 기반하여 상기 심볼 벡터를 프리코딩하는 단계 및 상기 프리코딩된 심볼 벡터를 서브캐리어를 통해 기지국으로 전송하는 단계를 포함하는 무선 통신 시스템에서 단말의 코드북 결정 방법을 제공한다.
상기 단위행렬은 상기 코드북의 diversity order와 상기 코드북의 shaping gain이 최대화하도록 결정될 수 있다.
상기 코드북 결정 단계는, 활성화된 서브캐리어의 개수, 상기 서브캐리어를 공유하는 단말의 개수 및 변조 방식에 기반하여 상기 코드북을 결정하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 입력되는 비트는 색인에 대한 정보를 포함하고 있는 제1 비트와 심볼에 대한 정보를 포함하고 있는 제2 비트를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 제1 비트는 활성화된 서브캐리어의 개수에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 변조 단계는, 상기 제1 비트에 기반하여 상기 단말이 이용가능한 서브캐리어 중에서 활성화된 서브캐리어를 결정하는 단계 및 상기 활성화된 서브캐리어에 기반하여 상기 제2 비트를 심볼 벡터로 변조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 프리코딩 단계 이후에, 상기 프리코딩 된 심볼 벡터를 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 변조하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 무선 통신 시스템은 비직교 다중 접속(non-orthohonal multiple access, NOMA) 무선 시스템인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명은 송수신부 및 색인(index) 정보를 이용하여 입력되는 비트를 심볼 벡터로 변조하고, 서브캐리어에 대한 정보와 변조에 대한 정보에 기반하여 코드북을 결정하며, 상기 결정된 코드북의 코드워드에 기반하여 상기 단말에 할당할 단위행렬을 결정하고, 상기 코드북과 상기 단위행렬에 기반하여 상기 심볼 벡터를 프리코딩하며. 상기 프리코딩된 심볼 벡터를 서브캐리어를 통해 기지국으로 전송하도록 제어하는 제어부를 포함하는 단말을 제공한다.
본 발명은 입력되는 비트를 부호화하는 채널 인코더, 상기 채널 인코더로부터 부호화된 비트를 수신하며, 상기 부호화된 비트에 포함되어 있는 색인 정보에 기반하여 상기 부호화된 비트를 심볼 벡터로 변조하는 색인 변조기, 상기 심볼 벡터를 프리코딩하는 프로세서 및 상기 프리코딩된 심볼 벡터를 서브캐리어를 통해 전송하는 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 변조하는 OFDM 변조기를 포함하는 단말을 제공한다.
상기 프로세서는 활성화된 서브캐리어의 개수, 상기 서브캐리어를 공유하는 단말의 개수 및 변조 방식에 기반하여 코드북을 결정하며, 상기 결정된 코드북의 코드워드에 기반하여 상기 단말에 할당할 단위행렬을 결정하고, 상기 코드북과 상기 단위행렬에 기반하여 상기 심볼 벡터를 프리코딩하는 것을 특징으로 할 수 있다.
상기 단위행렬은 상기 코드북의 diversity order와 상기 코드북의 shaping gain이 최대화하도록 결정될 수 있다.
상기 단말이 적용되는 무선 통신 시스템은 비직교 다중 접속(non-orthohonal multiple access, NOMA) 무선 시스템인 것을 특징으로 할 수 있다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 송수신 시스템은 색인 변조를 이용한 비직교 다중 접속 시스템을 통해 OMA 대비 주파수 효율을 향상 시킬 수 있다.
본 발명의 실시 예들에 따른 장치 및 방법은 송신 심볼 벡터의 에러율을 최소화 하는 단위행렬을 생성하며 이를 통해 각 단말의 코드북을 결정할 수 있다.
도 1은 무선 통신 시스템에서 다중 접속 상황을 나타낸 도면이다.
도 2는 색인 변조(index modulation, IM)기법을 이용하는 경우, 그룹화된 서브캐리어들의 도식도이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단말의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 OFDM-IM 기반 비직교 다중 접속 시스템을 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 코드북 결정 방법을 나타낸 도면이다.
도 6은 부호화된 비트를 심볼 벡터로 변조하는 과정을 나타낸 도면이다.
본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서 본 발명이 속하는 기술 분야에 익히 알려져 있고 본 발명과 직접적으로 관련이 없는 기술 내용에 대해서는 설명을 생략한다. 이는 불필요한 설명을 생략함으로써 본 발명의 요지를 흐리지 않고 더욱 명확히 전달하기 위함이다.
마찬가지 이유로 첨부 도면에 있어서 일부 구성요소는 과장되거나 생략되거나 개략적으로 도시되었다. 또한, 각 구성요소의 크기는 실제 크기를 전적으로 반영하는 것이 아니다. 각 도면에서 동일한 또는 대응하는 구성요소에는 동일한 참조 번호를 부여하였다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시 예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.
이 때, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이 때, 본 실시 예에서 사용되는 '~부'라는 용어는 소프트웨어 또는 FPGA또는 ASIC과 같은 하드웨어 구성요소를 의미하며, '~부'는 어떤 역할들을 수행한다. 그렇지만 '~부'는 소프트웨어 또는 하드웨어에 한정되는 의미는 아니다. '~부'는 어드레싱할 수 있는 저장 매체에 있도록 구성될 수도 있고 하나 또는 그 이상의 프로세서들을 재생시키도록 구성될 수도 있다. 따라서, 일 예로서 '~부'는 소프트웨어 구성요소들, 객체지향 소프트웨어 구성요소들, 클래스 구성요소들 및 태스크 구성요소들과 같은 구성요소들과, 프로세스들, 함수들, 속성들, 프로시저들, 서브루틴들, 프로그램 코드의 세그먼트들, 드라이버들, 펌웨어, 마이크로코드, 회로, 데이터, 데이터베이스, 데이터 구조들, 테이블들, 어레이들, 및 변수들을 포함한다. 구성요소들과 '~부'들 안에서 제공되는 기능은 더 작은 수의 구성요소들 및 '~부'들로 결합되거나 추가적인 구성요소들과 '~부'들로 더 분리될 수 있다. 뿐만 아니라, 구성요소들 및 '~부'들은 디바이스 또는 보안 멀티미디어카드 내의 하나 또는 그 이상의 CPU들을 재생시키도록 구현될 수도 있다. 또한 실시 예에서 '~부'는 하나 이상의 프로세서를 포함할 수 있다.
도 1은 무선 통신 시스템에서 다중 접속 상황을 나타낸 도면이다.
일실시예에 따르면, 하나의 기지국(111)은 복수개의 단말(101, 103, 105, 107, 109)과 신호를 송수신할 수 있다. 일실시예에 따르면, 상기 무선 통신 시스템은 비직교 다중 접속 방식(non-orthogonal multiple access, NOMA)을 이용할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 비직교 다중 접속 방식은 기존은 직교 다중 접속 방식에 비해 같은 시간-주파수 자원으로 더 많은 단말을 지원할 수 있다. 일실시예에 따르면, 상기 비직교 다중 접속 방식은 무선 통신 시스템의 통신 처리량(throughput)을 증대시킬 수 있으며, 무선 통신 시스템이 이용하는 무선 자원 양을 절감시킬 수 있다.
도 2는 색인 변조(index modulation, IM)기법을 이용하는 경우, 그룹화된 서브캐리어들의 도식도이다.
일실시예에 따르면, 단말이 기지국과 통신을 수행하는 경우, 단말이 기지국과의 통신에 이용되는 서브캐리어(subcarrier)에 대한 정보를 기지국에게 추가적으로 전송할 수 있다. 일실시예에 따르면 상기 기법을 이용하는 통신 방식을 OFDM-IM(orthogonal frequency division multiplexing with index modulation) 기법이라 부를 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 OFDM-IM 기법은 OFDM 기법과 같은 변조 계수 M을 사용하더라도 더 높은 주파수 효율과 낮을 에러율을 가질 수 있다. 즉, 상기 OFDM-IM 기법은 OFDM 기법과 같은 주파수 효율을 달성하기 위해 더 낮은 변조 계수 M을 사용할 수 있으므로 높은 에너지 효율을 가질 수 있다.
도 2에 대한 설명에 앞서 후술할 약어를 정리하면 아래와 같다.
NSC: OFDM 블록당 서브캐리어의 개수
G: 서브캐리어 그룹당 서브캐리어의 개수
NG: 서브캐리어 그룹 개수 (= NSC/G)
K: 서브캐리어 그룹 당 활성화된 서브캐리어 개수
일실시예에 따르면, 그룹당 서브캐리어 개수인 G에 기반하여 전체 OFDM 서브캐리어(NSC)는 NG개의 그룹으로 나누어 질 수 있다. 즉, 입력된 p*NG 비트들은 단말의 비트 스플리터(bit splitter)에 의해 NG로 나누어 지며, 각 서브캐리어 그룹마다 p비트들이 OFDM-IM 변조기에 입력될 수 있다.
일실시예에 따르면, OFDM-IM 변조기는 입력된 비트를 G차원의 서브캐리어 심볼 벡터로 변조할 수 있다. 일실시예에 따르면, 상기 p비트는 색인 정보를 포함하고 있는 p1비트와 심볼 정보를 포함하고 있는 p2비트로 구성될 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 G개의 서브캐리어 중 K개의 서브캐리어가 활성화 될 수 있으며, 이 경우 상기 p1 비트는
Figure 112018057258099-pat00001
이고, 상기 p2 비트는 상기 K개의 서브캐리어가 각각 M-QAM을 사용한다면
Figure 112018057258099-pat00002
비트일 수 있다.
일실시예에 따르면, G=4, K=2 인 경우, 서브캐리어 그룹 내에서 어떤 서브캐리어가 활성화되는지 여부에 따라 2 비트를 색인 정보에 매핑할 수 있다. 하기 표 1은 이에 대한 예이다.
비트(p1) 활성화 된 서브캐리어 서브블록
0 0 {1, 2} [s1, s2, 0, 0]
0 1 {2, 3} [0, s1, s2, 0]
1 0 {3, 4} [0, 0, s1, s2]
1 1 {2, 4} [0, s1, 0, s2]
상기 표 1에 따르면, 색인 정보를 포함하는 p1 비트에 입력된 2 비트를 이용하여 4개의 서브캐리어 중 활성화된 서브캐리어 2개를 결정할 수 있으며, 상기 결정된 서브캐리어는 QAM 변조기에 의해 s1, s2가 결정되어 전송될 수 있다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 단말의 구조를 나타낸 도면이다.
일실시예에 따르면 단말(300)의 송신 비트들은 채널 인코더(channel encoder, 310)에 의해 부호화된 비트가 생성되며, 상기 부호화된 비트들은 색인 변조기(320)에 의해 N차원의 심볼 벡터로 변조될 수 있다. 일실시예에 따르면 상기 N차원의 심볼 벡터는 프리코딩 된 후(330) OFDM 변조기(340)를 이용하여 서브캐리어를 통해 심볼들이 전송될 수 있다.
일실시예에 따르면 비직교 다중 접속 시스템 모델을 하기 수학식 1로 표현될 수 있다.
[수학식 1]
Figure 112018057258099-pat00003
상기 수학식 1에서 yn은 n번째 서브캐리어에서 받은 신호이고,
Figure 112018057258099-pat00004
는 k 번째 단말이 n 번째 서브캐리어를 통해 송신한 신호이다. 채널 행렬은 OFDM 변조기를 사용했으므로
Figure 112018057258099-pat00005
을 대각성분으로 가지는 대각 행렬로 표현 할 수 있다.
Figure 112018057258099-pat00006
는 k 번째 단말의 n 번째 서브캐리어가 가지는 협대역 채널이다. ni는 n 번째 서브캐리어의 잡음 신호로 평균 0 그리고 표준편차 1을 가지는 가우시안 (Gaussian) 잡음 신호이다.
상기 수학식 1을 행렬 형태로 표현하면 하기 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 2]
Figure 112018057258099-pat00007
상기 수학식 2에서
Figure 112018057258099-pat00008
는 하기 수학식 3으로 표현될 수 있다.
[수학식 3]
Figure 112018057258099-pat00009
상기 수학식 3에서
Figure 112018057258099-pat00010
는 기지국에서 받은 신호를 의미하고, Hk는 k번째 단말의 서브캐리어가 가지는 채널들의 행렬 표현식이다.
Figure 112018057258099-pat00011
는 k번째 단말의 ik번째 코드워드를 의미한다. 각 단말이 M-ary 코드북을 사용하는 경우 ik∈{1, 2, ...,M} 이 될 수 있다.
일실시예에 따르면, 비직교 다중 접속 시스템 모델에서 업링크 채널에 대한 상호 정보량 및 에러 확률을 분석할 수 있다. 각 단말이 M-ary 코드북을 이용한다고 가정했을 경우, 상호 정보량의 근사 식은 하기 수학식 4와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 4]
Figure 112018057258099-pat00012
상기 수학식 4에서 ik와 jk는 1부터 M까지의 값을 가질 수 있다. 상기 수학식 4에서 exponential 항을 함수 f로 치환하면 하기 수학식 5와 같이 표현될 수 있다.
[수학식 5]
Figure 112018057258099-pat00013
상기 수학식 5에서
Figure 112018057258099-pat00014
는
Figure 112018057258099-pat00015
가 될 수 있다. 상기 수학식 5에서
Figure 112018057258099-pat00016
을 아이젠 분해(eigen decomposition)하면 하기 수학식 6과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 6]
Figure 112018057258099-pat00017
상기 수학식 6에서 λ1은
Figure 112018057258099-pat00018
의 eigen value를 의미하며,
Figure 112018057258099-pat00019
는
Figure 112018057258099-pat00020
를 의미한다. 상기 수학식 6을 상기 수학식 4에 대입하면 하기 수학식 7과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 7]
Figure 112018057258099-pat00021
상기 수학식 6에서 U행렬은 단위 행렬(unitary matrix)이므로 채널의 확률분포를 변화시키지 않을 수 있다. 이에 따라
Figure 112018057258099-pat00022
의 첫 번째 원소인
Figure 112018057258099-pat00023
는 레일리(rayleigh) 분포를 따를 수 있다. 레일리 분포를 따르는 채널에 대해 수학식 7의 평균값을 구하면 하기 수학식 8과 같이 표현할 수 있으며, 하기 수학식 8에 기반하여 업링크 채널에 대한 상호 정보량의 근사 값이 결정할 수 있다.
[수학식 8]
Figure 112018057258099-pat00024
일실시예에 따르면 비직교 다중 접속 시스템 모델에서 업링크 채널 행렬이 주어진 경우, pair-wise 에러 확률을 하기 수학식 9와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 9]
Figure 112018057258099-pat00025
상기 수학식 9에서 확률 P는 하기 수학식 10과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 10]
Figure 112018057258099-pat00026
상기 수학식 10에 대해 chernoff bound를 사용하면 하기 수학식 11과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 11]
Figure 112018057258099-pat00027
상기 수학식 8과 같이 상기 수학식 11에 대해서도 채널 랜덤 변수에 대해 평균을 취하면 하기 수학식 12가 유도될 수 있으며, 하기 수학식 12에 기반하여 비직교 다중 접속 시스템 모델에서 업링크 채널에 대한 에러 확률을 분석할 수 있다.
[수학식 12]
Figure 112018057258099-pat00028
일실시예에 따르면, 비직교 다중 접속 시스템 모델의 업링크 상황에서 유도된 상호 정보량의 근사식 및 에러 확률에 기반하여 비직교 다중 접속 시스템의 코드북이 결정될 수 있다.
상기 코드북을 결정하기 위해 비직교 다중 접속 시스템에서 신호 대 잡음비(signal to noise ratio: SNR)를 1/σ2으로 정의할 수 있다. 이 경우 상기 신호 대 잡음비가 커지면 상호 정보량에 대한 수식인 상기 수학식 8은 하기 수학식 13과 같이 도출될 수 있으며, 에러 확률에 대한 수식인 상기 수학식 12는 하기 수학식 14와 같이 도출될 수 있다.
[수학식 13]
Figure 112018057258099-pat00029
[수학식 14]
Figure 112018057258099-pat00030
상기 수학식 13 및 수학식 14에서 d는 하기 수학식 15와 같이 표현할 수 있으며, Iij는 하기 수학식 16과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 15]
Figure 112018057258099-pat00031
[수학식 16]
Figure 112018057258099-pat00032
상기 수학식 15에서 d는 레일리 분포를 따르는 채널의 비직교 다중 접속 업링크 시스템의 diversity order를 의미한다. 상기 수학식 15에 따르면 d는 각 단말간의 코드워드들의 차의 0 놈(norm) 값의 최소값으로 결정될 수 있다.
상기 수학식 13 및 수학식 14에서 shaping gain값은 하기 수학식 17과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 17]
Figure 112018057258099-pat00033
따라서, 상호 정보량 및 에러 확률 관점에서 diversity order와 관련된 상기 수학식 15를 최대화하는 동시에 shaping gain과 관련된 상기 수학식 17을 최대화 할 수 있는 코드북이 요구된다.
이상에서 설명한 상기 수학식에 대한 이해를 돕기 위해 이하에서는 상기 수학식을 이용한 예를 들어 보도록 하겠다. 6개의 단말이 4개의 서브캐리어를 동시에 이용한다고 가정할 경우, 4-ary SCMA 코드북은 하기 수학식 18로 표현할 수 있다.
[수학식 18]
Figure 112018057258099-pat00034
상기 수학식 18에서 첫 번째 단말의 첫 번째 코드워드와 다른 코드워드간의 차를 구하면 하기 수학식 19와 같이 표현할 수 있다.
[수학식 19]
Figure 112018057258099-pat00035
상기 수학식 19에서 첫 번째 열을 제외하고 두 번째 열, 세 번째 열, 네 번째 열의 0 놈(norm)값은 2가 될 수 있다. 즉, 상기 수학식 19에 따를 경우 diversity order 값은 2가 될 수 있다.
일실시예에 따르면, PDMA(pattern division multiple access)의 경우에는 QPSK 변조를 이용하여 4-ary 코드북을 결정할 수 있으며 하기 수학식 20과 같은 코드북을 이용할 수 있다.
[수학식 20]
Figure 112018057258099-pat00036
상기 수학식 19와 동일한 방식으로 상기 수학식 20을 계산해 보면 하기 수학식 21과 같이 수식이 유도되며, 수학식 20에 해당되는 PDMA의 코드북 diversity order값도 2로 유도될 수 있다.
[수학식 21]
Figure 112018057258099-pat00037
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 OFDM-IM 기반 비직교 다중 접속 시스템을 나타낸 도면이다.
일실시예에 따르면 K개의 단말(401, 411, ..., 421)은 OFDM-IM 변조에 부호화된 비트들을 N차원의 심볼 벡터로 변환하고, 상기 심볼 벡터들을 적어도 하나의 서브캐리어들을 통해 전송할 수 있다. 일실시예에 따르면 비직교 다중 접속 시스템 특성에 따라 모든 단말은 같은 서브캐리어를 공유할 수 있다. 즉 기지국은 각 단말이 보낸 심볼이 중첩(superposition)된 신호를 수신할 수 있다.
예를 들어, K개의 단말이 4개의 서브캐리어를 공유하고 상기 4개의 서브캐리어 중 활성화된 서브캐리어가 2개이며, 상기 K개의 단말이 on-off keying 변조를 사용한다면 상기 비직교 다중 접속 시스템은 하기 수학식 22의 코드북을 이용할 수 있다.
[수학식 22]
Figure 112018057258099-pat00038
하기 수학식 23에서 개시하고 있는 바와 같이 상기 수학식 22에서 상기 수학식 22를 뺀 첫 번째 행을 제외한 모든 행의 0놈(norm)의 개수가 2이므로 상기 수학식 22의 코드북을 비직교 다중 접속 시스템에 사용하는 경우 얻을 수 있는 diversity order는 2가 될 수 있다.
[수학식 23]
Figure 112018057258099-pat00039
또 다른 실시예로 K개의 단말이 4개의 서브캐리어를 공유하고 상기 4개의 서브캐리어 중 활성화된 서브캐리어가 2개이며, 상기 K개의 단말이 BPSK 변조를 사용한다면 상기 비직교 다중 접속 시스템은 하기 수학식 24의 코드북을 이용할 수 있다.
[수학식 24]
Figure 112018057258099-pat00040
상기 수학식 23 도출과정과 동일한 원리로 상기 수학식 24를 이용해 하기 수학식 25를 도출할 수 있으며, 하기 수학식 25의 두 번째와 세 번째 행의 0놈(norm) 개수가 1이므로, 상기 수학식 24의 코드북을 비직교 다중 접속 시스템에 사용하는 경우 얻을 수 잇는 diversity order는 1이 될 수 있다.
[수학식 25]
Figure 112018057258099-pat00041
일실시예에 따르면 추가적인 diversity gain을 얻기 위해 단위 프리코딩 기법을 고려할 수 있다. 일실시예에 따르면 하기 수학식 26과 같이 임의의 프리코딩 행렬을 상기 수학식 25에 곱하면 하기 수학식 27로 표현할 수 있다.
[수학식 26]
Figure 112018057258099-pat00042
[수학식 27]
Figure 112018057258099-pat00043
상기 수학식 27에 따를 경우 첫 번째 행을 제외한 행들의 0놈(norm)이 모두 4이므로 상기 수학식 27의 diversity order는 4가 될 수 있다. 즉, 상기 수학식 27을 통해 단위 프리코딩 된 OFDM-IM 코드북을 이용하는 경우 diversity order값이 단위 프리코딩 기법을 이용하지 않은 경우에 비해 증가함을 확인할 수 있다.
일실시예에 따르면 상기 단위 프리코딩 기법을 이용하기 위해 이용되는 임의의 단위행렬은 하기 수학식 28로 표현할 수 있다.
[수학식 28]
Figure 112018057258099-pat00044
상기 수학식 28에서 개시하고 있는 바와 같이 임의의 단위 행렬은 하기 수학식 29에서 정의된 complex given 행렬 G와
Figure 112018057258099-pat00045
의 곱으로 분해될 수 있다.
[수학식 29]
Figure 112018057258099-pat00046
상기 수학식 28에서 임의의 단위행렬의 경우
Figure 112018057258099-pat00047
개의 G행렬의 곱으로 구성되어 있으므로 상기 수학식 28은 총 N(N-1)개의 최적의 파라미터값을 구하는 최적화 문제로 하기 수학식 30과 같이 표현할 수 있다.
[수학식 30]
Figure 112018057258099-pat00048
예를 들어, N=2이고, 단말이
Figure 112018057258099-pat00049
의 코드북을 사용한다고 하는 경우, 최대의 shaping gain을 얻을 수 있는 단위행렬은 하기 수학식 31로 표현할 수 있으며, 이 경우 단위 프리코딩된 코드북은 하기 수학식 32로 표현할 수 있다.
[수학식 31]
Figure 112018057258099-pat00050
[수학식 32]
Figure 112018057258099-pat00051
즉, 상기의 과정을 통해 도출된 단위 행렬을 이용하여 OFDM-IM을 사용하는 단말은 비직교 다중 접속 시스템에서 diversity order와 shaping gain을 최대화하는 코드북을 결정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 코드북 결정 방법을 나타낸 도면이다.
본 발명에 따를 경우 단말은 색인 정보를 이용하여 입력되는 비트를 심볼 벡터로 변조(S510)할 수 있다. 일실시예에 따르면 상기 입력되는 비트는 색인에 대한 정보를 포함하고 있는 제1 비트와 심볼에 대한 정보를 포함하고 있는 제2 비트를 포함할 수 있다. 상기 비트의 구성과 상기 비트를 심볼 벡터로 변조하는 구체적인 과정은 도 6에 대한 설명으로 후술한다.
일실시예에 따르면, IM 변조기를 통해 부호화된 비트가 심볼 벡터로 변조되면, 상기 단말은 서브캐리어에 대한 정보와 변조에 대한 정보에 기반하여 비직교 다중 접속 시스템을 이용하기 위한 코드북을 결정(S530)할 수 있다.
일실시예에 따르면, 상기 코드북은 단말이 이용할 수 있는 서브캐리어의 개수, 상기 단말이 이용할 수 있는 서브캐리어 중 활성화된 서브캐리어의 개수, 무선 통신 시스템 내에서 상기 이용 가능한 서브캐리어를 공유하는 단말의 개수 또는 단말의 변조 방식에 기반하여 결정될 수 있다. 상기 코드북을 결정하는 구체적인 방법에 대해서는 앞서 수식을 통해 자세히 살펴보았으므로, 본 단계에서는 생략한다.
일실시예에 따르면 S530 단계를 통해 코드북이 결정된 이후, 단말은 상기 코드북의 diversity order와 shaping gain을 개선시키기 위해 상기 코드북을 개선하기 위한 단위행렬을 결정(S540)할 수 있다. 상기 단위행렬의 구체적인 도출 과정은 앞서 수식을 통해 자세히 살펴보았으므로, 본 단계에서는 생략한다. 일실시예에 따르면 상기 단위행렬은 상기 비직교 다중 접속 시스템을 이용하는 단말마다 서로 다르게 적용될 수 있다.
일실시예에 따르면 S540 단계를 통해 단위행렬이 결정된 이후, 단말은 결정된 상기 코드북과 상기 단위행렬에 기반하여 상기 심볼 벡터를 프리코딩(S550)할 수 있다. 일실시예에 따르면 단말은 상기 수학식 32를 이용하여 비직교 다중 접속 시스템에서 diversity order와 shaping gain이 개선된 코드북을 결정할 수 있으며, 상기 개선된 코드북에 기반하여 단말은 프리코딩을 수행할 수 있다.
일실시예에 따르면, 단말은 S560 단계에서 프리코딩된 심볼 벡터를 서브캐리어를 통해 기지국으로 전송할 수 있다.
도 6은 부호화된 비트를 심볼 벡터로 변조하는 과정을 나타낸 도면이다.
일실시예에 따르면, 부호화된 비트는 색인 변조기(600)에 입력될 수 있다. 상기 부호화된 비트(p)는 색인 정보를 포함하고 있는 제1 비트(p1)와 심볼 정보를 포함하고 있는 제2 비트(p2)를 포함할 수 있다. 일실시예에 따르면, 상기 제1 비트(p1)는 색인 선택자(index selector, 610)로 입력된다. 상기 색인 선택자는 상기 표 1에 기 반하여 상기 제1 비트(p1)를 심볼 벡터로 변경할 수 있다. 일실시예에 따르면, 상기 색인 선택자(610)에 의해 선택된(또는 활성화된) 서브캐리어는 QAM 변조기(620)에 의해 심볼 벡터 s1 및 s2가 결정되어 전송될 수 있다.
본 명세서와 도면에 개시된 본 발명의 실시 예들은 본 발명의 기술 내용을 쉽게 설명하고 본 발명의 이해를 돕기 위해 특정 예를 제시한 것일 뿐이며, 본 발명의 범위를 한정하고자 하는 것은 아니다. 즉 본 발명의 기술적 사상에 바탕을 둔 다른 변형예들이 실시 가능하다는 것은 본 발명의 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것이다. 또한 상기 각각의 실시 예는 필요에 따라 서로 조합되어 운용할 수 있다. 예컨대, 본 발명에서 제안하는 방법들의 일부분들이 서로 조합되어 기지국과 단말이 운용될 수 있다.

Claims (20)

  1. 무선 통신 시스템에서 단말의 코드북 결정 방법에 있어서,
    제1 비트들에 기반하여 상기 단말이 이용가능한 서브캐리어 중에서 활성화된 서브캐리어를 결정하는 단계;
    색인(index) 과 연관된 상기 제1 비트들에 기반하여 결정된 상기 활성화된 서브캐리어에 기반하여 제2 비트들을 심볼 벡터로 변조하는 단계;
    서브캐리어들에 대한 정보와 변조에 대한 정보에 기반하여 코드북을 결정하는 단계;
    상기 결정된 코드북의 코드워드에 기반하여 상기 단말에 할당할 단위행렬을 결정하는 단계로서, 상기 단위행렬은 상기 코드북의 diversity order와 상기 코드북의 shaping gain이 최대화하도록 결정되고;
    상기 코드북과 상기 단위행렬에 기반하여 상기 심볼 벡터를 프리코딩하는 단계; 및
    상기 프리코딩된 심볼 벡터를 서브캐리어를 통해 기지국으로 전송하는 단계를 포함하고,
    상기 제2 비트들은 심볼들과 연관되는,
    단말의 코드북 결정 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 코드북 결정 단계는,
    활성화된 서브캐리어의 개수, 상기 서브캐리어를 공유하는 단말의 개수 및 변조 방식에 기반하여 상기 코드북을 결정하는 것을 특징으로 하는,
    단말의 코드북 결정 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 제1 비트들은 활성화된 서브캐리어의 개수에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는,
    단말의 코드북 결정 방법.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 프리코딩 단계 이후에, 상기 프리코딩 된 심볼 벡터를 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 변조하는 단계를 더 포함하는,
    단말의 코드북 결정 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 무선 통신 시스템은 비직교 다중 접속(non-orthohonal multiple access, NOMA) 무선 시스템인 것을 특징으로 하는,
    단말의 코드북 결정 방법.
  9. 무선 통신 시스템의 단말에 있어서,
    송수신부; 및
    제1 비트들에 기반하여 상기 단말이 이용가능한 서브캐리어 중에서 활성화된 서브캐리어를 결정하고,
    색인(index) 과 연관된 상기 제1 비트들에 기반하여 결정된 상기 활성화된 서브캐리어에 기반하여 제2 비트들을 심볼 벡터로 변조하고,
    서브캐리어에 대한 정보와 변조에 대한 정보에 기반하여 코드북을 결정하고,
    상기 결정된 코드북의 코드워드에 기반하여 상기 단말에 할당할 단위행렬을 결정하고, 상기 단위행렬은 상기 코드북의 diversity order와 상기 코드북의 shaping gain이 최대화하도록 결정되고,
    상기 코드북과 상기 단위행렬에 기반하여 상기 심볼 벡터를 프리코딩하고, 및 상기 프리코딩된 심볼 벡터를 서브캐리어를 통해 기지국으로 전송하도록 제어하는 제어부를 포함하고,
    상기 제2 비트들은 심볼들과 연관되는,
    단말.
  10. 삭제
  11. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 활성화된 서브캐리어의 개수, 상기 서브캐리어를 공유하는 단말의 개수 및 변조 방식에 기반하여 상기 코드북을 결정하는 것을 특징으로 하는,
    단말.
  12. 삭제
  13. 제9항에 있어서,
    상기 제1 비트들은 활성화된 서브캐리어의 개수에 기반하여 결정되는 것을 특징으로 하는,
    단말.
  14. 삭제
  15. 제9항에 있어서,
    상기 제어부는 상기 프리코딩 이후에, 상기 프리코딩 된 심볼 벡터를 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 변조하는 것을 특징으로 하는,
    단말.
  16. 제9항에 있어서,
    상기 무선 통신 시스템은 비직교 다중 접속(non-orthohonal multiple access, NOMA) 무선 시스템인 것을 특징으로 하는,
    단말.
  17. 무선 통신 시스템의 단말에 있어서,
    입력되는 비트들을 부호화하는 채널 인코더로서, 상기 입력 비트들은 색인(Index)와 연관된 제1 비트들 및 심볼들과 연관된 제2 비트들을 포함하고;
    상기 채널 인코더로부터 부호화된 비트들을 수신하며,
    상기 제1 비트들에 기반하여 상기 단말이 이용가능한 서브캐리어 중에서 활성화된 서브캐리어를 결정하고, 색인(index) 과 연관된 상기 제1 비트들에 기반하여 결정된 상기 활성화된 서브캐리어에 기반하여 상기 제2 비트들을 심볼 벡터로 변조하는 색인 변조기;
    서브캐리어들에 대한 정보와 변조에 대한 정보에 기반하여 코드북을 결정하고, 상기 결정된 코드북의 코드워드에 기반하여 상기 단말에 할당할 단위행렬을 결정하고, 상기 단위행렬은 상기 코드북의 diversity order와 상기 코드북의 shaping gain이 최대화하도록 결정되고, 상기 코드북과 상기 단위행렬에 기반하여 상기 심볼 벡터를 프리코딩하는 프로세서; 및
    상기 프리코딩된 심볼 벡터를 서브캐리어를 통해 전송하기 위해 상기 프리코딩된 심볼 벡터에서 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)을 수행하기 위해 구성된 OFDM 변조기를 포함하는,
    단말.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 프로세서는 활성화된 서브캐리어의 개수, 상기 서브캐리어를 공유하는 단말의 개수 및 변조 방식에 기반하여 코드북을 결정하며, 상기 결정된 코드북의 코드워드에 기반하여 상기 단말에 할당할 단위행렬을 결정하고, 상기 코드북과 상기 단위행렬에 기반하여 상기 심볼 벡터를 프리코딩하는 것을 특징으로 하는,
    단말.
  19. 삭제
  20. 제17항에 있어서,
    상기 무선 통신 시스템은 비직교 다중 접속(non-orthohonal multiple access, NOMA) 무선 시스템인 것을 특징으로 하는,
    단말.
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