KR20060048938A - 서브캐리어의 할당 방법, 데이터 전송 방법, 통신 시스템,기지국, 시스템 및 단말 - Google Patents

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KR20060048938A
KR20060048938A KR1020050069521A KR20050069521A KR20060048938A KR 20060048938 A KR20060048938 A KR 20060048938A KR 1020050069521 A KR1020050069521 A KR 1020050069521A KR 20050069521 A KR20050069521 A KR 20050069521A KR 20060048938 A KR20060048938 A KR 20060048938A
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Abstract

다중사용자 통신 시스템에서, 각 서브채널의 품질 측정을 이용하여 서브캐리어를 서브채널에 할당한다. 초기 서브캐리어는 측정된 품질 메트릭(quality metric)에 따라 각 서브채널에 할당된다. 다음의 서브캐리어는 각 서브채널의 품질 수치에 따라 할당된다. 품질 수치가 가장 낮은 서브채널은 먼저 할당을 받고, 품질 수치가 가장 높은 서브채널은 마지막 할당을 받는다. 모든 서브캐리어가 할당될 때까지, 다음의 할당이 반복되고, 이어서 서브채널 품질 수치가 재정렬된다.

Description

서브캐리어의 할당 방법, 데이터 전송 방법, 통신 시스템, 기지국, 시스템 및 단말{COMMUNICATIONS SYSTEMS}
도 1은 무선 통신 시스템에서의 다중경로 다이버시티를 나타내는 도면,
도 2는 OFDM 무선 통신 시스템에서 사용되는 기지국 송신기를 나타내는 블럭도,
도 3은 OFDM 무선 통신 시스템에서 사용되는 수신기를 나타내는 블럭도,
도 4는 본 발명의 구현 방법의 단계를 나타내는 흐름도,
도 5, 6은 제 1 서브캐리어 선택 방법을 이용하는 성능을 나타내는 도면,
도 7 내지 12는 본 발명을 구현하는 방법에 대한 성능 결과를 나타내는 도면,
도 13은 채널 구현 주파수 응답의 일례를 나타내는 도면,
도 14는 도 13의 주파수 응답에 대한 서브캐리어 할당을 나타내는 도면,
도 15, 16은 본 발명에 따른 서브캐리어 할당을 행한 링크 스루풋 및 서브캐리어 할당을 행하지 않은 링크 스루풋을 각각 나타내는 도면.
본 발명은 통신 시스템에 관한 것으로, 특히, 부호화된 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 무선 주파수 통신 시스템의 다이나믹 다중사용자 서브캐리어 할당에 관한 것이다.
주파수 선택적 페이딩 채널에서는, 상이한 서브캐리어들은 서로 다른 채널 이득을 겪게 된다. 전통적인 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplex) TDMA(time division multiple access) 시스템에서는, 각 사용자가 모든 서브캐리어 상에서 동시에 송신하고, 사용자는 시간적으로 채널을 공유한다. 채널이 송신기에 완전히 인지되면, 이른바 "워터필링(water-filling)" 정책(즉, 채널 이득이 높으면 전력이 더 많이 공급되고, 채널 이득이 낮으면 전력은 더 적게 공급됨)이 데이터 레이트를 극대화는 데 최적이라고 알려져 있다. 단일 사용자 OFDM 시스템에서의 송신 전력 할당을 이용하여, 데이터 레이트가 증가하는 것은 스펙트럼 다이버시티 효과(spectral diversity effect)에 기인한다.
OFDMA 시스템에서는, 사용자는 시간적으로는 채널을 공유하지 않지만, 사용 가능한 서브캐리어의 (전형적으로 상호 배타적인) 서브세트 상에서 송신함으로써 주파수적으로 채널을 공유한다. 서브캐리어의 세트는 서브채널별로 그룹화되어, 서브채널이 사용자에게 할당된다. 워터필링 원리가 아직도 적용되고 있지만, 서브캐리어의 공유는 다중 액세스에 대한 시스템 자원의 할당에 더 많은 자유도를 제공한다. 따라서, OFDMA 또는 다중사용자 OFDM 시스템에서의 서브캐리어 및 전력 할당의 문제에 대하여 다른 해결책을 고려할 필요가 있다. 사용자가 동일한 장소에 위치하지 않을 것이기 때문에, 다른 사용자로부터의 신호가 독립적인 페이딩(fading)을 겪을 것이다. 따라서, 동일한 서브캐리어 상의 모든 사용자의 신호에 현저한 페이딩이 발생할 가능성은 매우 낮다. 다중사용자 OFDM 시스템에서는, 다중사용자 다이버시티를 활용하여 데이터 레이트를 증가시킬 수 있다.
OFDMA에서는, 여러 사용자가 동일한 서브캐리어를 공유하는 경우에 발생하는 간섭을 피하는 것이 바람직하기 때문에, 하나의 서브캐리어를 한 명의 사용자에게 할당하는 것은 일반적으로 다른 사용자가 그 서브캐리어를 사용하는 것을 방해한다. 그러므로, 단일의 선택된 사용자(단일 사용자 시스템에서와 마찬가지로)에 의해 발견된 최선의 서브캐리어를 할당하는 것이 반드시 최선의 해결책인 것은 아니다. 이것은, 예컨대, 한 명의 사용자의 최선의 서브캐리어는 또한, 마침 다른 적당한 서브캐리어가 없는 또 다른 사용자에게도 최선의 서브캐리어일 수도 있기 때문이다. 따라서, 다른 접근법이 고려되어야 한다.
상술한 바와 같이, OFDMA 시스템은 복수의 사용가능한 서브캐리어를 할당하기 때문에 여분의 자유도를 제공하고, 이 특성을 활용할 수 있다. OFDMA는 다중사용자 시나리오와 상당히 일치하고, 한 사용자에 대하여 품질이 낮은 서브캐리어가 또 다른 사용자에 대해서는 품질이 높을 수 있고, 이에 따라 할당할 수 있다. 서브캐리어를 적응적으로 할당함으로써, 다른 장소에 있는 사용자들 사이에서 채널 다이버시티를 이용할 수 있다. 이 "다중사용자 다이버시티"는 독립적인 경로 손실 및 사용자의 페이딩을 포함하는 채널 다이버시티로부터 유래한다. 앞서 고려된 해결책은 OFDMA 시스템에 대한 서브캐리어 및 전력 할당 알고리즘을 가능하게 한다. 예컨대, W. Rhee, J.M. Cioffi, "Increase in capacity of multi-user OFDM system using dynamic subchannel allocation", 매개물 기술 회의 의사록, 2000년, IEEE 51st, Volume 2, 2000년 5월 15-18일, 페이지:1085-1089; J.Jang, K.Bok Lee, "Transmit Power Adaptation for Multi-user OFDM Systems", 통신의 선택 영역의 IEEE 저널, Volume 21, 2판, 2003년 2월, 페이지:171-178을 참조할 수 있다.
도 1은 무선 주파수 통신 시스템의 채널 다이버시티를 나타낸다. 기지국(1)은 이동 수신기(21, 22)에 신호를 송신하도록 동작한다. 빌딩(3) 등의 장애물은 기지국(1)과 이동 수신기(21, 22) 사이에서의 송신이 다중경로(41, 42)를 취하도록 야기할 수 있다. 이 현상은 다중경로 다이버시티로 잘 알려져 있다. 이동 수신기에 도달한 신호는, 경로 길이의 다양함 및 이들 경로에서 발생하는 반사로 인해, 이득이 주파수 함수로서 변화한다. 이것은 다른 사용자가 다른 서브캐리어에 대하여 다른 이득값을 수신하는 것을 의미한다.
도 2는 OFDM 또는 OFDMA 시스템에 사용하기에 적당한 기지국을 나타낸다. 기지국(10)은 인코더(102)에서 복수의 사용자로부터 데이터 입력 U1, U2, … UK를 수신한다. 인코더(102)는 이들 사용자 데이터 신호 U1~UK를 서브캐리어 C1, C2, … CN로 암호화한다. 제어기(108)는 서브캐리어 C1~CN을 사용자 U1~UK에 할당한다. 송신기 변환 유닛(104)은 서브캐리어 신호를 취해서 역 고속 푸리에 변환(IFFT) 및 병렬-직렬 변환을 적용하여, 직렬 출력 데이터 스트림을 생성한다. 이 데이터 스트림은 출력 유닛(106)에 공급되고, 공지의 방법대로, 순환 접두사를 붙여, 안테나 (20)로부터의 전송을 위해 디지털 신호를 아날로그로 변환한다.
제어기(108)는 각 사용자의 채널 서브캐리어 성능을 나타내는 피드백 신호 f1~fK를 수신한다. 제어기(108)는 이동 수신기에 제어 채널의 제어 신호(110)를 공급한다.
도 3은 OFDM 시스템에서 사용하는 수신기를 나타낸다. 각 사용자는 사용자 수신기(40)에 접속된 수신 안테나(30)를 갖는다. 사용자 수신기(40)는, 수신 신호의 아날로그-디지털 변환을 실행하고, 기지국 송신기에 의해 부가된 순환 접두사를 삭제하는 입력 유닛(402)을 구비한다. 그 후 디지털 신호는 수신기 변환 유닛에 의해 생성되고, 고속 푸리에 변환(FFT) 및 직렬-병렬 변환을 적용하여 서브캐리어 신호 C1~CN을 생성한다. 서브캐리어 신호는 서브캐리어 선택기(406)에 의해 수신되고, 수신된 제어 신호(410)에 따라 사용자 K의 서브캐리어를 선택한다. 이들 서브캐리어는 디코더(408)에 공급되어 사용자 K에 관련된 데이터 신호를 해독하여 출력 신호 DK를 생성한다.
이하에 도 2의 기지국 및 도 3의 수신기의 동작을 설명한다.
모든 사용자로부터의 결정된 채널 정보를 갖는, 기지국(10)에서의 제어기(108)는 서브캐리어 할당 알고리즘에 따라 각 사용자에게 서브캐리어를 할당한다. CSI(Channel State Information)가 송신기에서 사용 가능한 경우, 채널의 페이딩 특성이 심볼(또는 패킷) 존속 기간 동안 일정하다고 가정할 때, 송신기는 사용자에게 서브캐리어를 할당하고, 또한 심볼별로(또는 패킷별로) 송신 전력을 적응시켜 데이터 레이트를 증가시킬 수 있다.
상술한 한 방법에서는, Rhee와 Cioffi는, 각 서브캐리어는, 그 서브캐리어에 대하여 채널 이득이 좋은 사용자에게 할당되어 있기 때문에, 서브캐리어 사이에 다른 전력 할당이 필요없다는 것을 보여준다. 따라서, 이 알고리즘은 모든 사용자에 대하여 가장 적절한 서브캐리어를 찾아 동등한 전력을 할당하기만 하면 되고, 이 결과 실현 복잡도를 더 낮게 해준다.
상술한 다른 방법에서는, Jang와 Bok Lee는, 사용자가 서브캐리어를 공유하도록 하는 일반적인 경우의 송신 전력 할당 계획 및 서브캐리어 할당 알고리즘을 제안한다. 이 경우, 특정 사용자의 신호에 대한 송신 전력이 증가하면, 동일한 서브캐리어에 있는 다른 사용자의 신호에 대한 간섭이 또한 증가한다. 그러나, 수학적 해석 후, 한 사용자에 대해서만 서브캐리어를 할당하면 용량을 극대화할 수 있고, 따라서 간섭은 발생하지 않는 것(모든 사전, 사후 작업에 대한 기초적인 가정이 이루어진 경우)을 알아냈다. Rhee와 Cioffi와 같이, 할당된 서브캐리어 전체에 걸친 워터필링이 어떤 현저한 이득도 주지 않고 계산상의 복잡도를 증가시킬 것이기 때문에 동등한 전력 할당이 최선의 접근법이라는 것을 알아냈다. 최종 제안된 계획에서는, 해당 서브캐리어에 대해 최선의 채널 이득을 가진 한 명의 사용자만 그 서브캐리어에서 데이터를 송신한다(각 서브캐리어는 최선의 이득을 가진 사용자를 체크함). 또한, 더 많은 다중사용자 다이버시티를 제공하기 때문에, 사용자 수가 증가한 만큼 데이터 레이트가 증가한 것을 알아냈다.
Jang와 Bok Lee에 의해 제안된 계획에서는 각 서브캐리어마다 수신된 평균 SNR이 증가하여 평균 데이터 레이트가 증가하지만, 이 알고리즘은 사용자들에 대하여 공정하지 않다. 각 사용자에게 할당된 서브캐리어의 번호가 정해져 있지 않고, 따라서 각 사용자는 다른 데이터 레이트를 갖는다. 부가적으로, 한 명의 사용자가 임의의 서브캐리어에 대하여 고려되는 복수의 사용자의 최선의 채널 이득을 갖지 못하게 되면(예컨대, 그 장소 때문에), 그 사용자에 대해서는 서브캐리어가 하나도 할당되지 않을 것이다.
본 발명의 실시예는 서브채널마다 할당된 서브캐리어가 확정된 번호를 갖는 부호화된 OFDMA 시스템에 대한 서브캐리어 할당을 위한 기술을 제공할 수 있다. 실시예는 채널 부호화를 채용하고, 메트릭(metric)이 사용되어 채널 부호화 특성을 이용한다. 복잡도가 낮은 알고리즘은 가장 가능성이 높은 서브캐리어를 그 메트릭에 기초하여 모든 사용자에게 할당하는 것을 제안한다. 본 발명의 실시예에서는, 다운링크 용량을 실질적으로 향상하는 것에 부가하여, 정당한 서브채널 분배가 채용되어, 각 사용자에게 서브캐리어의 확정 번호를 할당하고, 또한, 동일한 SNR로 모든 사용자에 대하여 유사한 PER(packet error rate) 및 BER(bit error rate) 성능을 확보하도록 한다.
모든 서브캐리어 할당 알고리즘에서, 기지국이 그들의 할당된 서브캐리어에 대하여 이동 수신기에 통지해야 하기 때문에 일정량의 전송 오버헤드가 존재하는 것이 명백해질 것이다. 그러나 특히 채널이 천천히 변한다면, 이 오버헤드는 비교 적 작아질 수 있다.
본 발명에 따르면, 복수의 서브캐리어를 채용하고, 서브채널이 적어도 한 명의 사용자에게 할당되는 다중사용자 통신 시스템에서, 서브캐리어를 서브채널에 할당하는 방법을 제공하며, 상기 방법은,
a) 복수의 서브채널 각각에 초기 서브캐리어를 할당하는 단계와,
b) 각각의 서브채널에 대하여 품질을 검출하는 단계와,
c) 서브채널을 품질에 대하여 오름차순으로 정렬하여 서브채널의 순서 리스트를 생성하는 단계와,
d) 서브채널의 순서 리스트에 의해 결정된 순서대로 각 서브채널에 서브캐리어를 추가로 할당하는 단계와,
e) 모든 서브캐리어가 할당될 때까지 단계 c), d)를 반복하는 단계
를 포함한다.
본 발명의 실시예를 이용하는 다중사용자 통신 시스템에서는, 각 서브채널의 품질 수치를 이용하여 서브캐리어를 서브채널에 할당한다. 초기 서브캐리어는 각 서브채널에 할당되고, 품질이 측정된다. 각 서브채널의 품질 수치에 따라 다음의 서브캐리어가 할당된다. 품질 수치가 가장 낮은 서브채널이 첫번째 할당을 받고, 품질 수치가 가장 높은 서브채널이 마지막 할당을 받는다. 모든 서브캐리어가 할당될 때까지 다음의 할당이 반복되고, 서브채널 품질 수치의 재정렬이 이어진다. 일 실시예에서는, 사용된 품질 수치가 서브채널에 사용 가능한 전력 레벨이다. 또는, SINR(signal to interference and noise ratio, 신호대 간섭·잡음비)을 품질 수치로 사용해도 좋다.
본 발명을 채용하는 방법은 특히 무선 주파수 통신 시스템에 적용 가능한 것을 쉽게 알 수 있을 것이다. 또한 본 발명의 원리는 다른 통신 기술을 채용하는 다른 통신 시스템에 적용해도 좋다는 것도 쉽게 알 수 있을 것이다.
상술한 실시예는 본 발명을 한정하는 것이 아니라, 당업자라면 첨부된 청구항에 의해 정의되는 바와 같이 본 발명의 범위 내에서 여러가지 변형을 가하는 것이 가능할 것이다. 청구항에서, 괄호 안의 임의의 참조 표시는 본 청구항을 한정하는 것이 아닐 것이다. 단어 "구성하는(comprising)" 및 "구성한다(comprises)" 등은 전체적으로 임의의 청구항 또는 명세서에서 언급된 것 외의 요소 또는 단계의 존재를 제외하는 것이 아니다. 요소의 단일의 참조부호는 그 요소의 복수의 참조부호를 제외하지 않으며, 또한 그 반대도 마찬가지다. 본 발명은 몇 가지 별개의 요소로 구성되는 하드웨어 및 적당히 프로그래밍된 컴퓨터에 의해 구현되어도 좋다. 복수의 수단을 열거하는 청구항에서, 이들 복수의 수단은 하나로 구현되어도 좋고, 하드웨어의 동일한 아이템으로 구현되어도 좋다. 어떤 수치가 서로 다른 독립항에서 언급된다는 단순한 사실은 이들 수치의 조합을 이점으로 사용할 수 없는 것을 나타내는 것은 아니다.
OFDM 또는 OFDMA 시스템에서는, 다중경로 다이버시티의 존재로, 모든 서브캐리어가 다른 진폭을 갖는 정해진 수신기에 도달할 것이다. 사실, 일부의 서브캐리 어는 현저한 페이딩 효과로 완전히 손실될 수도 있다. 따라서, (대부분의 서브캐리어가 오류없이 검출된다고 할지라도) 전체 비트율 및 용량은 가장 작은 진폭을 갖는 몇 개의 서브캐리어에 의해 좌우될 것이다.
이러한 결점을 상쇄시키기 위해, 대부분의 OFDM 또는 OFDMA 시스템이 채널 부호화를 채용한다. 서브캐리어에 부호화를 사용하면, 열등한 서브캐리어의 오류를 정정할 수 있게 된다. 부호화된 OFDM/OFDMA 시스템의 성능은 가장 열등한 서브캐리어의 전력이 아니라 평균 수신 전력에 의해 결정될 수 있다.
본 발명의 상기 실시예에서는, 각 서브채널(사용자)의 평균 수신 전력(또는 채널 이득)이 품질 메트릭으로 사용되어 서브캐리어를 할당할 것이다. 이런 식으로 서브캐리어를 할당하여, 다른 서브채널의 평균 수신 전력을 최소화하지 않고, 각 서브채널에 대하여 수신된 평균 전력을 최대화한다. 이것은, 동일한 SNR 하에서 사용자들에 대해 유사한 PER 및 BER 성능의 결과로 모든 사용자에게 공정한 기회를 부여한다(우선 각 사용자가 하나의 서브채널에 할당되었다고 가정함).
상기 실시예에서는 품질 메트릭으로서 전력 레벨이 사용되었지만, 본 발명은 임의의 품질 수치에 응용할 수 있는 것을 쉽게 알 수 있다. 예컨대, 전력 레벨 또는 SINR(신호대 간섭·잡음비)을 서브캐리어의 할당에 근거하여 품질 수치로서 이용해도 좋다. 또한, 다른 품질 수치를 이용해도 좋다.
도 4는 본 발명을 구현하는 방법을 나타낸 흐름도이다. 본 방법은 서브채널 전력 레벨에 관련된 데이터를 초기화함으로써 시작된다(단계 A). 예컨대, 초기 레벨은 0으로 설정된다. 단계 B에서, 각각의 초기 서브캐리어는 각 서브채널에 대하 여 검색된다. 각 초기 서브캐리어는 그 사용자에 대하여 최선의 서브캐리어 이득을 찾도록 검색된다. 전력 레벨은 할당된 서브캐리어를 반영하여 갱신되고, 일단 서브캐리어가 할당되면, 더이상 다른 서브채널에 할당할 수 없게 된다. 단계 D에서, 서브채널이 전력 레벨의 오름차순으로 정렬되어 전력 레벨이 가장 낮은 서브채널이 그 리스트에서 첫번째로 된다. 단계 E에서, 정렬된 전력 레벨 리스트에 나타낸 바와 같이 서브채널의 순서대로 추가의 서브캐리어가 할당되어, 전력 레벨이 가장 낮은 서브채널이 추가의 서브캐리어에 첫번째로 할당된다. 모든 서브캐리어가 할당되면(단계 F), 다음 채널이 변할 때까지 프로세스는 종료 상태로 된다(단계 G). 모든 서브캐리어가 할당되지 않았으면, 단계 D와 E가 반복되고 이런 식으로 모든 서브캐리어가 할당되도록 한다.
Pk는 서브채널(사용자) k의 평균 수신 전력을 나타낸다. N은 사용 가능한 서브캐리어를 나타낸다. Hk ,n는 서브캐리어 n과 사용자 k에 대한 채널 이득을 나타낸다. 다음의 예에서, 서브채널(사용자)의 수는 16이고, 서브캐리어의 수는 768이며, 단순화를 위해 각 사용자는 하나의 서브채널에만 할당되어 있다고 가정한다. 복수의 서브채널은 특정 사용자에게 할당되어 서브채널간의 자원의 공정한 할당을 유지하면서 사용가능한 자원의 가장 큰 부분을 그들에게 주어도 좋다는 것을 주의해야 한다. 본 발명을 채용하는 기술이 사용자 및 서브캐리어의 임의의 수에 적용할 수도 있다는 것을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명을 채용하는 방법을 다음과 같이 표현할 수 있다.
1. 초기화
k=1~16, N={1, 2, 3…, 768}(사용가능한 서브캐리어)이고, 모든 사용자에 대하여 Pk=0으로 설정한다.
2. 제 1 시간
모든 사용자에 대하여 k=1~K
a) ｜hk ,n｜>=｜hk ,j｜, 모든 j에 대하여, j⊆N을 만족하는 서브캐리어 n을 찾는다.
b) 다음과 같이 a)로부터 Pk와, n을 가진 N을 갱신한다.
Pk=Pk+｜hk ,n｜2, N=N-{N}
사용 가능한 서브캐리어로부터 이 서브캐리어를 삭제한다.
3. N<>0인 동안(모든 서브캐리어가 할당될 때까지)
a) 더 낮은 전력을 갖는 서브채널에 따라 서브채널을 정렬한다.
b) 찾아낸 서브채널 k에 대하여, 다음을 만족하는 서브캐리어 n을 찾는다.
｜hk ,n｜>=｜hk ,j｜, 모든 j에 대하여, j⊆N
c) 다음과 같이 a)로부터 Pk와 n을 가진 N을 갱신한다.
Pk=Pk+｜hk ,n｜2, N=N-{N}
d) 모든 사용자가 또 다른 서브캐리어에 할당될 때까지 정렬 리스트의 다음 으로 이행한다.
이 기술은 규칙적인 간격으로 반복되어 시간초과의 변동을 수용한다.
본 발명은 무선 통신 시스템과 관련하여 설명하였지만, 본 발명의 기술 및 원리는 다른 시스템에 응용할 수 있는 것을 쉽게 알 수 있다.
또한, 본 발명은 기지국과 관련하여 설명하였지만, 반드시 기지국이 서브캐리어 할당을 실행해야 하는 것은 아니다. 실제 시스템에서는 하나 또는 그 이상 또는 모든 사용자 단말이 서브캐리어의 할당을 취급할 수 있다.
알고리즘이 결정론적이기 때문에, 모든 단말이 채널의 동일한 정보에 액세스하면, 그들은 모두 동일한 결과를 갖는 알고리즘을 실행해도 좋다. 이러한 시스템에서는, 모든 단말에 채널과 관련된 적절한 정보가 마련되어 있어야 하고, 이것은 특히 분배 제어를 사용하고 기지국이 없는 네트워크에 해당된다. 이 정보는 시스템의 사용가능한 제어 채널을 이용하여 사용자 단말 각각에 마련할 수도 있다.
다음에, 물리층 실행 결과는, 다운링크의 경우 BER(bit error rate)과 PER(packet error rate) 대 SNR(signal to noise ratio)의 그래프와 관련하여, 향상된 부호화된 OFDMA 시스템의 경우에 대해 나타낸다. 채널이 변하지 않고 사용자의 수신기가 동일한 서브캐리어를 사용하여 송신한다면 업링크에서 유사한 실행 이득을 달성할 수 있다.
상술한 바와 같이, 실행 결과는 채널 모드 E와 다른 모드의 수만큼 얻어진다. 각 채널 모델로는, 변조 데이터와 관련시키기 위해 2000개의 상관없는 광대역 레일리(Rayleigh) 채널이 생성된다.
한 명의 사용자에게 매우 좋은 서브캐리어를 할당함으로써 얻어지는 잠재적인 이득을 조사하기 위해, 다른 사용자를 고려하지 않고 한 명의 사용자에게 최선의 서브캐리어를 할당하는, 간단한 그리디 알고리즘(greedy algorithm)이 시도되었다. 도 5, 6은 SNR 대 부호화된 OFDMA 시스템의 BER 및 PER 성능을 각각 나타낸다. 이들 결과에서는, 모드 2(테이블 2 참조)가 사용되었고, 패킷 사이즈는 54바이트였다. 한 명의 사용자에게 최선의 서브캐리어가 할당된 경우, 전체 스펙트럼에 걸쳐 랜덤 서브캐리어가 할당된 표준의 경우에 비하여 성능이 현저히 향상된 것을 볼 수 있다. 여기에는 두 가지 이유가 있다. 첫째, 이 사용자(48 서브캐리어에서)에 대한 평균 수신 전력이 증가하고, 둘째, 페이드에서 캐리어가 더 적어지고, 따라서 돌림형 부호(convolutional code)가 더 많은 오류를 정정할 수 있어, 성능이 향상되기 때문이다. 전체 스펙트럼에 걸친 평균 전력은 동일한 채로 있지만, 특정 사용자의 서브캐리어의 전력에 변화가 있는 것을 주의해야 한다.
그러나, 상술한 바와 같이, 한 명의 사용자의 최선의 서브캐리어가, 다른 좋은 서브캐리어가 없는 또 다른 사용자에게 최선의 서브캐리어일 수도 있기 때문에, 이것이 최적의 해결책이라고 할 수는 없다. 이것은 사용자 한 명의 성능이 향상될지라도 다른 사용자는 손해를 입을 수도 있다는 뜻이다.
도 7, 8은 모드 2에서, SNR 대 서브캐리어 할당 알고리즘을 갖는 부호화된 OFDMA 시스템의 BER 및 PER 성능을 각각 나타낸다. 도 9, 10은 모드 6(표 2 참조)에서 BER 및 PER 성능을 나타낸다. 서브캐리어 할당 알고리즘이 현저한 이득을 제 공하고(표 1 참조), 그 성능은 최선의 서브캐리어 할당이 이루어진 경우에 매우 가깝다(1dB 이내)는 것을 알 수 있다. 또한, 도 11에서 볼 수 있는 바와 같이, 최선의 서브캐리어 할당 알고리즘과 대조적으로 모든 사용자의 성능이 똑같이 향상된다.
스루풋 결과를 얻기 위해, 모든 전송 모드에 대하여 시뮬레이션이 실행된다. 도 12는 모든 모드에서 서브캐리어 할당 알고리즘을 갖는 PER 결과를 나타낸다.
이와 같이, 원하는 서브캐리어에서 향상된 수신 전력으로 인한 이득과, 감소된 페이딩으로 인한 성능 향상이 얻어진다. 이것은 도 13, 14에서 볼 수 있듯이, 채널 주파수 응답의 예를 각각 나타내고, 48개의 서브캐리어에 대한 서브캐리어 할당 알고리즘의 후에 수신기에서 볼 수 있다. 향상된 수신 전력으로 인한 평균 이득은 4.8dB(모든 채널 실현 및 사용자에 대해)로 측정되었다. 상술한 바와 같이, 나머지 이득은 비교적 평탄한 채널을 주는 주파수 응답의 모양(도 12 참조)의 결과에 기인한다.
Figure 112005041974420-PAT00001
Figure 112005041974420-PAT00002
부호화 및 변조 계획이 다른 물리층 모드(표 2)는 WP3에 설명한 바와 같이 링크 적응 계획에 의해 선택될 수 있다. 링크 적응 메커니즘은 시스템이 무선 링크 품질에 전송 모드를 적응시키도록 할 수 있다.
도 15, 16은 다운링크의 경우, 서브캐리어 할당 알고리즘이 있는 경우 및 없는 경우에 대해 PER 결과와 표 2에 근거하여 제안된 4G 시스템의 링크 스루풋을 나타낸다.
서브캐리어 할당 알고리즘이 적용된 경우에 스루풋이 현저히 향상된 것을 알 수 있다. 이 서브캐리어 할당 알고리즘은 다운링크에서 18dB의 SNR 값에 대해 최대 스루풋(288Mbps)을 달성할 수 있다.
표 3은 이들 스루풋 향상을 요약하여 나타낸다. 예컨대, 5dB의 SNR 값에서 향상된 시스템은 30Mbps 대신 120Mbps까지 지원할 수 있다. 이것은 모드 4를 모드 2 대신 이용할 수 있다는 사실 때문이다. 다른 SNR 값에 대해서도 유사하게 향상된 것을 볼 수 있다. 따라서, 달성된 성능 이득은 송신 전력을 감소시키거나 또는 동일한 송신 전력으로 향상된 용량을 제공하도록 이용할 수 있다.
Figure 112005041974420-PAT00003
본 발명에 의하면, 다운링크 용량을 실질적으로 향상시키고, 또한, 동일한 SNR로 모든 사용자에 대하여 유사한 PER(packet error rate) 및 BER(bit error rate) 성능을 확보할 수 있는 서브캐리어 할당 방법을 제공할 수 있다.

Claims (48)

  1. 복수의 서브캐리어를 채용하고, 서브채널이 적어도 한 명의 사용자에게 할당되는 다중사용자 통신 시스템에서 서브캐리어를 서브채널에 할당하는 방법으로서,
    a) 복수의 서브채널 각각에 초기 서브캐리어를 할당하는 단계와,
    b) 각각의 서브채널에 대하여 품질을 검출하는 단계와,
    c) 상기 서브채널을 품질에 대하여 오름차순으로 정렬하여 서브채널의 순서 리스트를 생성하는 단계와,
    d) 서브채널의 순서 리스트에 의해 결정된 순서대로 각 서브채널에 서브캐리어를 추가로 할당하는 단계와,
    e) 모든 서브캐리어가 할당될 때까지 단계 c), d)를 반복하는 단계
    를 포함하는 서브캐리어의 할당 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    각 서브채널의 품질을 검출하는 단계는 서브채널 품질 수치를 나타내는 피드백 데이터를 수신하는 단계를 포함하는 서브캐리어의 할당 방법.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 무선 통신 시스템인 서브캐리어의 할당 방법.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 무선 주파수 통신 시스템인 서브캐리어의 할당 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 무선 주파수 통신 시스템은 직교 주파수 분할 다중 액세스 OFDMA 시스템인 서브캐리어의 할당 방법.
  6. 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 할당은 상기 통신 시스템의 기지국에 의해 실행되는 서브캐리어의 할당 방법.
  7. 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 할당은 상기 통신 시스템의 적어도 하나의 단말에 의해 실행되는 서브캐리어의 할당 방법.
  8. 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 사용자는 이동 단말인 서브캐리어의 할당 방법.
  9. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 품질 수치는 전력 레벨 수치인 서브캐리어의 할당 방법.
  10. 제 1 항 내지 제 8 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 품질 수치는 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio, 신호대 간섭·잡음비)인 서브캐리어의 할당 방법.
  11. 각각의 서브캐리어 주파수에서 복수의 서브캐리어를 채용하는 통신 시스템에서 기지국으로부터 단말로 데이터를 전송하는 방법으로서,
    복수의 서브채널 각각에 서브캐리어를 할당하는 단계와,
    각 단말에 적어도 하나의 서브채널을 할당하는 단계와,
    기지국으로부터 데이터를 단말로 해당 단말에 할당된 상기 서브채널 상에서 송신하는 단계를 포함하되,
    복수의 서브채널 각각에 서브캐리어를 할당하는 상기 단계는,
    a) 상기 복수의 서브채널 각각에 초기 서브캐리어를 할당하는 단계와,
    b) 각각의 서브채널에 대하여 품질을 검출하는 단계와,
    c) 서브채널을 품질에 대하여 오름차순으로 정렬하여 서브채널의 순서 리스트를 생성하는 단계와,
    d) 서브채널의 순서 리스트에 의해 결정된 순서대로 각 서브채널에 서브캐리어를 추가로 할당하는 단계와,
    e) 모든 서브캐리어가 할당될 때까지 단계 c), d)를 반복하는 단계
    를 포함하는 데이터 전송 방법.
  12. 제 11 항에 있어서,
    각 서브채널의 품질을 검출하는 단계는 서브채널의 품질 수치를 나타내는 피드백 데이터를 수신하는 단계를 포함하는 데이터 전송 방법.
  13. 제 11 항 또는 제 12 항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 무선 통신 시스템인 데이터 전송 방법.
  14. 제 11 항 내지 제 13 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 무선 주파수 통신 시스템인 데이터 전송 방법.
  15. 제 14 항에 있어서,
    상기 무선 주파수 통신 시스템은 직교 주파수 분할 다중 액세스 OFDMA 시스템인 데이터 전송 방법.
  16. 제 11 항 내지 제 15 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 할당은 상기 통신 시스템의 기지국에 의해 실행되는 데이터 전송 방법.
  17. 제 11 항 내지 제 16 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 할당은 상기 통신 시스템의 적어도 하나의 단말에 의해 실행되는 데이터 전송 방법.
  18. 제 11 항 내지 제 17 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 사용자는 이동 단말인 데이터 전송 방법.
  19. 제 11 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 품질 수치는 전력 레벨 수치인 데이터 전송 방법.
  20. 제 11 항 내지 제 18 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 품질 수치는 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio)인 데이터 전송 방법.
  21. 통신 시스템으로서,
    복수의 단말에 신호를 송신하되, 상기 신호는 서브캐리어가 할당된 각각의 서브채널로 송신되는 기지국과,
    상기 기지국으로부터 서브채널 통신을 수신하는 적어도 하나의 단말과,
    서브채널에 서브캐리어를 할당하고, 단말에 서브채널을 할당하는 할당 유닛을 구비하되,
    상기 할당 유닛은,
    a) 복수의 서브채널 각각에 초기 서브캐리어를 할당하고,
    b) 각각의 서브채널에 대하여 품질을 검출하고,
    c) 서브채널을 품질에 대하여 오름차순으로 정렬하여 서브채널의 순서 리스트를 생성하고,
    d) 서브채널의 순서 리스트에 의해 결정된 순서대로 각 서브채널에 서브캐리어를 추가로 할당하고,
    e) 모든 서브캐리어가 할당될 때까지 단계 c), d)를 반복하도록 동작 가능한
    통신 시스템.
  22. 제 21 항에 있어서,
    상기 기지국은,
    복수의 서브채널 각각에 서브캐리어를 할당하고,
    각각의 단말에 적어도 하나의 서브채널을 할당하며,
    기지국으로부터 데이터를 단말로 해당 단말에 할당된 상기 서브채널 상에서 송신하는
    통신 시스템.
  23. 제 21 항 또는 제 22 항에 있어서,
    상기 할당 유닛은 서브채널 품질을 나타내는 피드백 데이터를 수신하도록 동 작하는 통신 시스템.
  24. 제 21 항 내지 제 23 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 무선 통신 시스템인 통신 시스템.
  25. 제 21 항 내지 제 24 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 무선 주파수 통신 시스템인 통신 시스템.
  26. 제 25 항에 있어서,
    상기 무선 주파수 통신 시스템은 직교 주파수 분할 다중 액세스 OFDMA 시스템인 통신 시스템.
  27. 제 21 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 할당 유닛은 상기 기지국에 의해 마련되는 통신 시스템.
  28. 제 21 항 내지 제 26 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 할당 유닛은 적어도 하나의 단말에 의해 마련되는 통신 시스템.
  29. 제 21 항 내지 제 28 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 단말은 이동 단말인 통신 시스템.
  30. 제 21 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 품질 수치는 전력 레벨 수치인 통신 시스템.
  31. 제 21 항 내지 제 29 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 품질 수치는 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio) 통신 시스템.
  32. 통신 시스템용 기지국으로서,
    상기 기지국은
    복수의 단말에 신호를 송신하고, 상기 신호는 서브캐리어가 할당된 각각의 서브채널로 송신되는 송신 유닛과,
    서브캐리어를 서브채널에 할당하고, 서브채널을 단말에 할당하는 할당 유닛을 구비하되,
    상기 할당 유닛은,
    a) 복수의 서브채널 각각에 초기 서브캐리어를 할당하고,
    b) 각각의 서브채널에 대하여 품질을 검출하고,
    c) 서브채널을 품질에 대하여 오름차순으로 정렬하여 서브채널의 순서 리스트를 생성하고,
    d) 서브채널의 순서 리스트에 의해 결정된 순서대로 각 서브채널에 서브캐리어를 추가로 할당하고,
    e) 모든 서브캐리어가 할당될 때까지 단계 c), d)를 반복하도록 동작 가능한
    기지국.
  33. 청구항 21에 기재된 기지국으로서,
    복수의 서브채널 각각에 서브캐리어를 할당하고,
    각 단말에 적어도 하나의 서브채널을 할당하며,
    기지국으로부터 데이터를 단말로 해당 단말에 할당된 서브채널 상에서 송신하는
    기지국.
  34. 제 32 항 또는 제 33 항에 있어서,
    상기 할당 유닛은 서브채널 품질을 나타내는 피드백 데이터를 수신하도록 동작 가능한 기지국.
  35. 제 32 항 내지 제 34 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 무선 통신 시스템인 기지국.
  36. 제 32 항 내지 제 35 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 무선 주파수 통신 시스템인 기지국.
  37. 제 36 항에 있어서,
    상기 무선 주파수 통신 시스템은 직교 주파수 분할 다중 액세스 OFDMA 시스템인 기지국.
  38. 제 32 항 내지 제 37 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 각 단말은 이동 단말인 기지국.
  39. 제 32 항 내지 제 38 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 품질 수치는 전력 레벨 수치인 기지국.
  40. 청구항 32 내지 청구항 38 중 어느 한 항에 기재된 시스템으로서,
    상기 품질 수치는 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio)인 시스템.
  41. 기지국으로부터 송신된 서브채널을 수신하는 단말로서,
    기지국으로부터 송신된 서브채널 - 상기 서브채널은 상기 단말에 할당된 - 을 수신하는 수신 유닛과,
    상기 단말에 할당된 상기 서브채널에 대한 품질을 검출하는 검출 유닛과,
    검출된 품질을 기지국으로 송신하는 송신 유닛을 구비하되,
    상기 단말은 상기 기지국에 의해 결정된 상기 서브채널을 수신하며,
    a) 복수의 서브채널 각각에 초기 서브캐리어를 할당하고,
    b) 각각의 서브채널에 대하여 상기 단말로부터 송신된 품질을 검출하고,
    c) 서브채널을 품질에 대하여 오름차순으로 정렬하여 서브채널의 순서 리스트를 생성하고,
    d) 서브채널의 순서 리스트에 의해 결정된 순서대로 각 서브채널에 서브캐리어를 추가로 할당하고,
    e) 모든 서브캐리어가 할당될 때까지 단계 c), d)를 반복하는
    단말.
  42. 제 41 항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 무선 통신 시스템인 단말.
  43. 제 42 항에 있어서,
    상기 통신 시스템은 무선 주파수 통신 시스템인 단말.
  44. 제 43 항에 있어서,
    상기 무선 주파수 통신 시스템은 직교 주파수 분할 다중 액세스 OFDMA 시스템인 단말.
  45. 제 41 항 내지 제 44 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 서브채널을 할당하는 할당 유닛을 더 구비하는 단말.
  46. 제 41 항 내지 제 45 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 단말은 이동 단말인 단말.
  47. 청구항 41 내지 청구항 47 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 품질 수치는 전력 레벨 수치인 단말.
  48. 청구항 41 내지 청구항 47 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 품질 수치는 SINR(Signal to Interference and Noise Ratio)인 단말.
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