KR20070023020A - 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 자원 할당을 위한 초기사용자 선택 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 자원 할당을 위한 초기 사용자 선택 장치 및 방법에 관한 것으로서, 기지국의 전체파워 내에서 사용자 수를 갱신하고, 상기 갱신된 상기 사용자 수에 따라 전체 부반송파를 공평하게 분배하여 초기 부반송파 개수를 결정하는 과정과, 전체 부반송파를 고려하여 제약 함수를 산출하는 과정과, 사용자의 요구 데이터율(required date rate)과 요구 비트 에러율(BER requirement) 및 평균 채널 이득을 이용하여 목적 함수를 산출하는 과정과, 상기 목적 함수에 가장 근접하는 상기 제약 함수의 해를 이용하여 각 사용자에게 할당하는 최적 부반송파 개수를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하여, 복잡한 자원 할당 알고리즘의 반복(iteration)을 통해 자원을 할당하는 횟수를 줄임으로써 전체적으로 더 낮은 복잡도로 빠른 시간 내에 자원을 할당할 수 있는 이점이 있다.

OFDMA, 자원 할당, 초기 사용자 선택, IUS

Description

직교 주파수 분할 다중 시스템에서 자원 할당을 위한 초기 사용자 선택 장치 및 방법{INITIAL USER SELECTION APPARATUS METHOD FOR ALLOCATION OF RESOURCE IN ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLEXING SYSTEM}

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDMA방식의 통신시스템에서 송신기와 수신기의 구성을 도시하는 도면,

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 OFDMA방식의 통신시스템에서 초기 사용자 선택(IUS) 알고리즘을 도시하는 도면,

도 3은 방향 벡터를 결정하기 위한 방법을 도시한 도면,

도 4는 방향 벡터의 크기를 결정하기 위한 방법을 도시한 도면,

도 5는 IUS와 기존의 BABS방식을 이용하여 최적 부반송파 수를 찾아가는 방법을 비교한 도면,

도 6은 새로운 제약을 고려하지 않는 BABS 방식과 새로운 제약을 고려하는 IUS를 비교한 도면,

도 7은 자원 할당을 위한 초기 사용자 선택 방법의 예를 도시한 도면,

도 8은 동적 자원 할당 알고리즘이 ACG인 경우, 종래의 BABS와 IUS방식의 성능을 비교한 도면, 및,

도 9는 동적 자원 할당 알고리즘이 Wong's swapping인 경우, 종래의 BABS와 IUS방식의 성능을 비교한 도면.

본 발명은 직교 주파수 분할 다중 시스템에 관한 것으로, 특히, 자원 할당을 위한 초기 사용자 선택 장치 및 방법에 관한 것이다.

차세대 이동 통신 시스템은 이전 세대의 이동 통신 시스템들과 같이 단순한 무선 통신 서비스에 그치지 않고 유선 통신 네트워크와 무선 통신 네트워크와의 효율적 연동 및 통합 서비스를 목표로 하며, 상기 이전 세대의 이동 통신 시스템에서보다 고속의 데이터 전송 서비스를 제공하기 위한 기술들이 표준화되고 있다.

상기 이동 통신 시스템들에서 무선 채널로 신호를 전송하는 경우, 전송된 신호는 송신기와 수신기 사이에 존재하는 다양한 장애물들에 의해 다중경로 간섭을 받는다. 상기 다중경로가 존재하는 무선 채널은 채널의 최대 지연 확산과 신호의 전송 주기로 특성을 규정짓는다. 상기 최대 지연 확산보다 신호의 전송 주기가 긴 경우에는 연속된 신호 사이에 간섭이 발생하지 않으며, 채널의 주파수 특성은 비선택적 페이딩(frequency nonselective fading)으로 주어진다. 그러나, 심벌(symbol) 주기가 짧은 고속 데이터 전송시에 단일 반송파(single carrier)방식을 사용하게 되면, 심벌간 간섭(inter-symbol interference)이 심해지기 때문에 왜곡이 증가하 게 되고, 수신단의 등화기(equalizer)의 복잡도도 함께 증가된다. 따라서, 상기 단일 반송파 전송방식에서 등화 문제를 해결하기 위한 대안으로 직교 주파수 분할 다중(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; 이하 'OFDM'이라 칭함) 방식을 사용하는 시스템이 제안되었다.

상기 OFDM 방식은 멀티-캐리어(Multi-Carrier)를 사용하여 데이터를 전송하는 방식으로서, 직렬로 입력되는 심벌(Symbol)열을 병렬 변환한 후 이들 각각을 상호 직교성을 갖는 다수의 부반송파(sub-carrier)들, 즉 다수의 부반송파 채널(sub-carrier channel)들로 변조하여 전송하는 멀티캐리어 변조(MCM : Multi Carrier Modulation) 방식의 일종이다.

상기 OFDM 방식은 하드웨어적인 복잡도(Complexity)로 인하여 널리 사용되지 못하다가 최근 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform; 이하 'FFT'로 칭함)과 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform; 이하 'IFFT'로 칭함)을 포함한 각종 디지털 신호 처리 기술이 발전함으로써 실현 가능해졌으며, 디지털 오디오 방송(Digital Audio Broadcasting: DAB)과 디지털 텔레비젼, 무선 근거리 통신망(WLAN; Wireless Local Area Network) 그리고 무선 비동기 전송 모드(WATM; Wireless Asynchronous Transfer Mode) 등의 디지털 전송 기술에 광범위하게 적용되어지고 있다.

상기 OFDM 방식은 상호 직교성을 지닌 여러 개의 반송파를 사용하므로 주파수 이용 효율이 높고, 상기 IFFT 및 FFT를 사용하므로 고속데이터 처리에 용이하며, 'Cyclic Prefix'를 사용하여 다중경로 페이딩에 견고함을 보인다. 또한, 다중 사용자와 다중 안테나(Multiple-Input Multiple-Output; 이하 'MIMO'라 칭함) 시스템으로의 확장이 용이하여 최근 활발한 연구 개발이 진행되고 있으며, 4세대 이동통신 및 차세대 통신방식의 대표적인 방식으로 고려되고 있다.

한편, 다중 사용자를 고려한 OFDM 방식인 직교 주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiple Access; 이하 'OFDMA'라 칭함) 시스템에서는 단일 사용자를 고려한 상기 OFDM 방식과 달리 각 사용자마다 원하는 전송 비트율과 송신 파워를 고려함과 동시에 부반송파가 겹치지 않게 최적으로 할당해야 한다. 이에 따라 다중 사용자를 위한 OFDM 방식, 즉 OFDMA 방식에서 여러 부반송파 할당 기법이 제안되었다.

한편, 기존의 물리 계층(PHY layer) 연구는 사용자 수가 정해졌다는 가정하에 정해진 자원을 어떻게 효율적으로 할당하는가에 대한 연구가 중심이 되어 왔고, 반대로 미디어 억세스 제어 계층(MAC layer) 연구는 현재 프레임에 자원을 할당받게 될 사용자를 어떻게 결정하는가에 대한 연구가 중심이 되어 왔다. 하지만, 상기 물리 계층은 사용자 수를 알아야만 자원을 할당할 수 있으며, 상기 미디어 억세스 제어 계층에서는 실제 가용자원이 얼마가 되는지 알아야 사용자를 결정할 수 있다.

다시 말해, 크로스 계층(cross layer) 관점으로 봤을 때, 상기 물리 계층에서 자원할당 알고리즘을 적용하기 위해서는 상위 계층 혹은 동일 계층에서 실제 사용자 수와 사용자당 부반송파 수를 미리 결정해야만 한다. 이때, 각 사용자가 원하는 QoS를 만족시키기 위해서는 사용자당 최소 요구율(minimum required rate)과 요구 비트 에러율(BER requirement)을 만족시켜야 한다.

기존의 OFDMA에서 물리 계층(physical layer)만을 생각하여 자원을 할당하는 알고리즘 중 가장 널리 알려진 알고리즘에는 3가지가 있다. 상기 3가지 알고리즘에는, 복잡도 면에서 취약한 WSA(Wong's Sub-carrier Allocation algorithm) 및 ASA(Alen's Sub-carrier Allocation algorithm)와 간단하긴 하지만 성능이 비최적인 HAS(Hui Lui's Sub-carrier Allocation algorithm)가 있다. 상기 알고리즘들은 자원을 할당하기 위해 현재 프레임(frame)에 자원을 할당받는 사용자 수를 임의로 가정한다. 즉, 사용자 수는 정해져 있다는 가정 하에 자원을 할당한다.

상기 자원할당 알고리즘을 적용하기 위해서는 상기 사용자 수뿐만 아니라 사용자당 사용하는 부반송파(Sub-Carrier)의 수를 정확히 결정하여야 한다. 상기 WSA의 경우, 단순히 최소 요구율(minimum required rate)의 비를 이용해 상기 사용자당 부반송파의 수를 결정하고, swapping 자원할당 알고리즘에 따라 자원을 할당한다. 상기 ASA는 아예 사용자당 부반송파 수를 고려하지 않고 자원을 할당한다. 또한, 상기 HAS는 BABS를 이용하여 상기 사용자당 부반송파의 수를 결정하고, ACG 또는 RCG 자원할당 알고리즘에 따라 자원을 할당한다.

상기 BABS는 사용자 K의 요구 데이터율(Required date rate)인 R^k _min 과 최대 변조 차수(Max. Modulation Order)인 R_max를 고려하여 최초에 각 사용자에게 할당되는 부반송파 수를 결정한다. 여기서, 상기 할당된 부반송파 수의 총 합이 전체 부반송파 수보다 큰 경우, 상기 할당된 부반송파 수가 가장 작은 사용자의 부반송파 수를 0으로 설정하고, 상기 할당된 부반송파 수의 총 합이 전체 부반송파 수보다 작은 경우, 부반송파를 한 개 더 할당했을 때 파워 이득이 가장 큰 사용자를 선택하여 상기 사용자에게 부반송파를 할당한다. 즉, 그리디 접근(greedy approach)방식을 이용하여 파워(power)를 가장 많이 줄일 수 있는 사용자에게 반복(iteration)과정을 통해 부반송파를 할당하게 된다.

하지만, 상기 BABS는 상기 반복 단계에서 임의의 사용자에게 요구 데이터율 R^k _min 이상의 부반송파를 할당하는 경우를 발생시킨다. 즉, 사용자 K에게 부반송파를 할당하는 것이 파워를 최소화하는 데 도움이 된다고 판단되면, 상기 사용자 K의 최소 요구율인 R^k _min는 고려하지 않고 상기 부반송파를 할당하는 것이다. 예를 들어, 현 프레임에 8bit를 전송하면 만족하는 임의의 사용자에게 8개보다 많은 부반송파를 할당함으로써 데이터를 전송하지 않는 부반송파가 존재하게 된다. 따라서, 자원의 낭비가 생기는 문제점이 있다.

또한, 상기 BABS는 사용자 수가 정해져 있다는 가정하에 각 사용자당 부반송파 수만을 결정하므로, 상기 ACG 혹은 RCG 방식으로 실제로 자원을 할당하지 않고서는 정확한 사용자 수를 알아낼 수 없다. 따라서, 상기 HSA 방법 이용시, 비교적 간단한 상기 BABS가 있음에도 불구하고 자원할당 알고리즘의 많은 반복을 통하여 실제 사용자 수와 사용자당 부반송파를 계산해야 하는 문제점이 있다.

이처럼 자원은 한정되어 있으나 물리 채널의 특징 때문에 사용자에게 자원을 어떻게 할당하느냐에 따라 프레임에 할당되는 사용자 수가 달라질 수 있다. 즉, 자 원을 할당해야 하는 사용자 수는 자원을 할당해 보기 전까지는, 혹은, 물리 채널의 특성을 알기 전까지는 정확히 알 수 없다. 예를 들어, A라는 사용자가 채널 이득이 좋은 부반송파를 선택하면, 작은 전송 파워로 자신이 원하는 데이터(minimum required rate : 이하 '최소 요구율'이라 칭함)를 전송할 수 있다. 이로써, 파워에 여유가 남게 되고, 이 경우 다른 사용자를 더 서비스할 수 있다. 반대의 경우, 사용자가 채널 이득이 나쁜 부반송파를 선택하면, 자신이 원하는 데이터를 전송하기 위해 많은 전송 파워가 들게 되므로 다른 사용자를 서비스할 수 없다.

하지만, 사용자의 상기 최소 요구율과 같은 QoS(quality of service)를 만족시켜주기 위해서는 현 프레임에 전송 가능한 사용자 수를 정확히 알아야 한다. 즉, 현 프레임에 꼭 전송해야 하는 사용자들을 모두 전송할 수 있는지, 만약 모두 전송할 수 있다면 그때 남는 파워로 얼마나 더 많은 사용자를 서비스할 수 있는지를 알아야 하며, 자원이 모자라서 모두 전송할 수 없다면 몇 명까지 전송할 수 있는지 정확히 알아야 한다.

상기 사용자 수를 결정하기 위한 방법으로, 과거에는 연결 승인 제어(Connection Admission Control : CAC)를 많이 연구하였다. 하지만, 요즘과 같이 채널 환경에 따라 용량(capacity)이 달라지는 무선 환경에서는 완벽한 연결 승인 제어(CAC)가 불가능하다. 또한, 트래픽의 특성이 일정한 비트율(Constant bit rate : CBR)이 아닌 다양한 비트율(Variable bit rate : VBR)을 가진다면 정확한 승인 제어는 더욱 불가능하다.

차세대 이동통신 시스템의 목적은 다양한 트래픽과 무선 채널 환경을 가진 많은 사용자에게 최대한 효율적으로 자원을 할당하여 데이터율, 즉 성능(throughput)을 높이는 것에 있다. 따라서, 상기 연결 승인 제어 단계에서 자원이 모자라지 않게 사용자 수를 줄여버린다면, 상기 목적에 어긋나는 일이 되므로 정확한 사용자 수를 결정하는 것이 중요하다.

본 발명의 목적은 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 자원 할당을 위한 초기 사용자 선택 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 낮은 복잡도로 빠른 시간 내에 실제 지원 가능한 사용자 수 및 사용자당 부반송파 수에 최대한 근접하기 위한 초기 사용자 선택(Initial User Selection : 이하 'IUS'라 칭함) 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 각 사용자별 최소 요구율(minimum required rate)과 요구 비트 에러율(BER requirement)를 만족시키면서 초기 사용자 수뿐만 아니라 각 사용자당 부반송파 수를 간단히 결정할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 복잡한 자원 할당 알고리즘의 반복(iteration)을 통해 자원을 할당하는 횟수를 줄임으로써 전체적으로 더 낮은 복잡도로 자원을 할당할 수 있는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 자원 할당을 위한 초기 사용자 선택 방법은, 기지국의 전체파워 내에서 사용자 수를 갱신하고, 상기 갱신된 상기 사용자 수에 따라 전체 부반송파를 공평하게 분배하여 초기 부반송파 개수를 결정하는 과정과, 전체 부반송파를 고려하여 제약 함수를 산출하는 과정과, 사용자의 요구 데이터율(required date rate)과 요구 비트 에러율(BER requirement) 및 평균 채널 이득을 이용하여 목적 함수를 산출하는 과정과, 상기 목적 함수에 가장 근접하는 상기 제약 함수의 해를 이용하여 각 사용자에게 할당하는 최적 부반송파 개수를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명의 실시 예에 따르면, 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 자원 할당을 위한 초기 사용자 선택 장치는, 기지국의 전체파워 내에서 사용자 수를 갱신하고, 상기 갱신된 상기 사용자 수에 따라 전체 부반송파를 공평하게 분배하여 초기 부반송파 개수를 결정하는 초기 부반송파 개수 결정부와, 전체 부반송파를 고려하여 제약 함수를 산출하고, 사용자의 요구 데이터율(required date rate)과 요구 비트 에러율(BER requirement) 및 평균 채널 이득을 이용하여 목적 함수를 산출하며, 상기 목적 함수에 가장 근접하는 상기 제약 함수의 해를 이용하여 각 사용자에게 할당하는 최적 부반송파 개수를 결정하는 최적 부반송파 개수 결정부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명 한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

이하, 본 발명은 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 자원 할당을 위한 초기 사용자 선택 장치 및 방법에 대해 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 OFDMA방식의 통신시스템에서 송신기의 구성을 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 송신기는 부호기(101), 인터리버(102), 변조기(103), 매핑기(104), IFFT연산기(105), 병렬/직렬 변환기(106), CP추가기(107), 초기 사용자 선택부(108), 동적 자원 할당부(109), 스케줄러(110)를 포함하여 구성된다.

먼저, 송신기를 살펴보면, 부호기(101)는 상위 계층으로부터 전달되는 송신 데이터(버스트 데이터)를 미리 정해진 부호율로 채널 부호화(channel coding)하여 출력한다. 여기서, 입력되는 정보비트의 개수가 k이고, 부호율이 R이라 할 때, 출력되는 심볼의 개수는 k/R이 된다. 예를 들어, 상기 부호기(101)는 길쌈부호기(convolutional encoder), 터보부호기(turbo encoder), LDPC(low density parity check) 부호기 등으로 구성될 수 있다. 인터리버(102)는 상기 부호기(101)로부터의 심볼들을 버스트 에러(Burst error)에 강하도록 소정 규칙에 의해 인터리빙하여 출력한다.

변조기(103)는 상기 인터리버(102)로부터의 심볼들을 소정 변조 방식에 신호 점 사상하여 복소 신호를 출력한다. 예를들어, 상기 변조방식에는 1개의 비트(s=1)를 하나의 복소 신호에 사상하는 BPSK(Binary Phase Shift Keying), 2개의 비트(s=2)를 하나의 복소 신호에 사상하는 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 3개의 비트(s=3)를 하나의 복소 신호에 사상하는 8QAM(8ary Quadrature Amplitude Modulation), 4개의 비트(s=4)를 하나의 복소 신호에 사상하는 16QAM 등이 있다.

상기 초기 사용자 선택부(108)는 물리 계층으로부터 수신되는 사용자별 평균 부채널 이득과 상위 계층으로부터 수신되는 각 사용자의 요구 데이터율 및 요구 비트 에러율을 이용하여 비선형 최적화 알고리즘을 통해 초기 사용자 수 및 각 사용자당 부반송파 수를 결정하고, 상기 각 사용자의 요구 데이터율과 요구 비트 에러율 및 상기 결정된 초기 사용자 정보를 동적 자원 할당부(109)로 전송하며, 상기 결정된 사용자 정보를 스케줄러(110)로 전송하는 역할을 한다.

상기 동적 자원 할당부(109)는 물리 계층으로부터 수신한 각 사용자의 부채널 이득과 상기 초기 사용자 선택부(108)로부터 수신한 초기 사용자 정보, 데이터율 및 요구 비트 에러율을 기초로 자원할당 알고리즘을 이용하여 각 사용자에게 자원, 예를 들어, 부반송파, 파워, 비트 등을 할당한다. 또한, 상기 자원 할당을 한 위치에 관련된 정보, 즉 현재 프레임에 전송하고자 하는 사용자의 데이터에 대한 할당 부채널 정보 및 각 부채널 당 비트 수, 할당된 파워 정보를 매핑기(104)로 전송하여 상기 자원 할당 정보에 따른 데이터 영역에 송신 데이터가 할당될 수 있도록 상기 매핑기를 제어하는 역할을 한다. 여기서, 상기 자원 할당 정보에 따른 데이터 영역은 각 사용자당 할당되는 부반송파 수로 정의되는 자원이다.

상기 스케줄러(110)는 상위 계층으로부터 수신한 각 사용자별 QoS(Quality of Service), 즉 각 사용자별 요구 데이터율 및 요구 비트 에러율과 상기 초기 사용자 선택부(108)로부터 수신한 초기 사용자 정보를 이용하여 상위 계층으로부터 수신한 사용자 데이터(user data)를 스케줄링하고, 상기 스케줄링된 사용자 데이터를 상기 부호기(101)로 전송하는 역할을 한다.

상기 매핑기(104)는 상기 동적 자원 할당부(109)의 제어하에 상기 변조기(103)로부터의 복소 신호들을 해당 부반송파들에 할당하여 출력한다. 여기서, 상기 부반송파들에 할당한다는 것은, 복소 신호들 각각을 IFFT연산기(105)의 해당 입력(부반송파 위치)들로 제공하는 것을 의미한다.

상기 IFFT연산기(105)는 상기 매핑기(104)로부터의 신호를 역 고속 푸리에 변환하여 시간영역의 샘플 데이터를 출력한다. 병렬/직렬 변환기(106)는 상기 IFFT연산기(105)로부터의 병렬 데이터를 직렬 데이터로 변환하여 출력한다. CP추가기(107)는 상기 병렬/직렬 변환기(106)로부터의 샘플 데이터의 소정 뒷부분을 복사해서 상기 샘플데이터의 앞에 붙여 OFDM심볼을 출력한다. 도시하지는 않았지만, 기저대역 OFDM심볼은 실제 전송 가능하도록 RF(radio frequency)처리된후 안테나(antenna)를 통해 에어(air) 상으로 전송된다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 OFDMA방식의 통신시스템에서 상기 초기 사용자 선택(IUS) 알고리즘을 도시하는 도면이다.

여기서, 상기 초기 사용자 선택 알고리즘(Initial User Selection : 이하 'IUS'라 칭함)은 사용자 수가 정해진 상황에서 각 사용자당 최소 요구율과 요구 비 트 에러율을 만족시키면서 최소의 파워가 드는 최적 부반송파 수 N^* _m을 결정하는 것으로, 아래 <수학식 1>과 같이 제약식(constraint)이 있는 최적화 문제로 형식화할 수 있다. 도 3을 예로 들면, 상기 <수학식 1>의 목적함수는 곡선 함수 f(x)로 나타나고, 상기 제약식은 삼각형 모양의 가능 영역으로 나타난다. 이때, 상기 제약식을 만족하는 상기 목적 함수의 최적해를 구함으로써, 최적 부반송파 수를 결정할 수 있다.

여기서, 상기 m은 사용자를 의미하고, 상기 P_m은 사용자 m에게 할당된 파워(Power)이며, 상기 x_m은 사용자 m에게 할당된 부반송파(sub-carrier) 수이다. 상기 R_m은 사용자 m의 요구 데이터율(required date rate)이고, 상기 g_m은 사용자 m의 평균 채널 이득이며, 상기 P_e은 사용자 m의 요구 비트 에러율(BER requirement)이고, N₀는 잡음 스펙트럴 밀도(Noise spectral density)이다. 상기 <수학식 1>은 상기 x_m의 총 합이 N임을 조건, 즉 제약식(constraint)으로 하고, 상기 x_m은 1 이상 R_m 이 하의 값을 가진다.

도 2를 참조하면, 초기 사용자 선택부(108)은 201단계에서 상위 계층(layer)으로부터 각 사용자별 요구 데이터 율 및 요구 비트 에러율을 수신하고, 물리 계층(PHY layer)으로부터 각 사용자별 평균 채널 이득을 수신한다. 이때, 사용자 수 m을 1로 설정한다.

이후, 상기 초기 사용자 선택부(108)은 203단계에서 사용자당 초기 부반송파 개수를 설정한다. 여기서, 상기 사용자당 초기 부반송파 개수는 모든 사용자에게 공평하게 분배된다. 예를 들어, 사용자 수 m이 1이면, 상기 1명의 사용자에게 할당되는 초기 부반송파 개수는 전체 부반송파 개수와 같다. 여기서, 사용자당 상기 수만큼 부반송파를 할당했을 때 필요한 파워를 계산하여 상기 계산된 파워가 기지국에서 제공해 줄 수 있는 파워보다 작다면, 즉 남는 파워가 있다면, 사용자 수를 하나 더 증가시켜 상기 m을 2로 설정하고, 다시 상기 2명의 사용자에게 전체 부반송파를 공평하게 분배한다. 상기와 같은 방법을 반복한 후, 남는 파워가 없으면, 즉 상기 수만큼 부반송파를 할당했을 때의 파워가 기지국에서 제공해 줄 수 있는 파워를 넘는다면, 그때의 사용자 수에 따른 부반송파 개수를 사용자별 초기 부반송파 개수 x로 설정한다. 여기서, 상기 초기 부반송파 개수 x는 도 4의 그래프에서 초기점(initial point) x(401)와 같이 표시될 수 있다. 여기서, 결정되는 초기 부반송파 개수는 채널 이득 또는 사용자의 요구 데이터율 또는 요구 비트 에러율 등이 고려되지 않은 방법으로, 간단하게 사용자 수와 각 사용자의 부반송파 수를 결정할 수 있다. 하지만, 여기서 결정된 부반송파 수는 최적의 부반송파 수가 아니다.

이후, 상기 초기 사용자 선택부(108)은 305단계에서 비선형 최적 알고리즘을 이용하여 상기 <수학식 1>을 만족시키는 사용자당 최적 부반송파 수 N^* _m를 갱신한다. 다시 말해, 상기 사용자당 최적 부반송파 수의 갱신을 위해 상기 제약식을 만족하는 임의의 시작점에서 방향 벡터 d와 상기 방향 벡터의 크기 α를 구하고, 이로써, 최적해, 즉 최적 부반송파 수를 찾을 수 있다.

여기서 상기 비선형 최적화 알고리즘은 '선형 제약을 위한 로젠의 경사 사영법(Rosen’s Gradient Projection Method for Linear Constraints [1960])'을 이용하여 풀 수 있다. 상기 방법은 구현이 매우 복잡하지만, 하나의 선형 제약을 가진 특별한 경우에 있어 굉장히 효율적이다. 여기서, 상기 로젠의 아이디어는 접평면 위에 최대 경사 방향으로 투영하는 방법을 이용하여 방향 벡터를 결정하는 것이다.

여기서, 도 3을 참조하면, 상기 도 3은 사용자 수가 2명인 경우에 상기 비선형 최적화 알고리즘을 위한 방향 벡터 d를 결정하기 위한 방법을 도시한 도면으로, 삼각형 모양의 가능 영역(feasible region)은 상기 <수학식 1>의 제약식(constraint)에 의해 생성되는 영역이다. 여기서, 현재 점, 예를 들어, 초기점(401)보다 성능 향상을 가져올 수 있는 새로운 점으로 나아갈 수 있는 방향벡터 d와 상기 벡터 방향의 크기 α를 구하는 과정을 반복 수행함으로써 최적점 x(402)를 구할 수 있다. 여기서, 만약 내부 점(interior point)에 이르게 되면, 등식과 부등식을 만족하는 액티브 셋(active set)이 없으며, 최대 경사 방향(Steepest decent direction)은 명백하게 d=-▽f(x_k)로 결정된다.

B는 t×n 매트릭스(matrix)이며, 등식 및 부등 제약식으로 이루어진 행렬이다. 따라서, 탄젠트 매트릭스 M={y:By = 0}으로 간단하게 정의할 수 있다. 상기 도 3과 같이 상기 방향 벡터 d는, 상기 By = 0을 만족하면서 수직 길이인 │-▽f(x_k)-d│가 최소가 되도록 결정한다. 따라서, 상기 방향 벡터 d는 다음 <수학식 2>를 만족한다.

여기서, 상기 목적 함수의 라그랑(Lagrangian) L은 다음 <수학식 3>과 같으며, 그때의 최적점은 <수학식 4>를 만족한다.

여기서, 상기 β는 라그랑스 승수(Lagrange multiplier)이다. 이때, 상기 <수학식 4>의 양변에 B를 곱하고, Bd가 0인 것을 이용하면 다음 <수학식 5>를 얻을 수 있다.

여기서, 현재 점이 통상의 점, 즉 상기 행렬 B의 열들이 선형 독립(linearly independent)적이며 상기 B의 행렬계수(rank)는 t라 가정하면, t×t 행렬 BB^T는 행렬계수 t이며 가역행렬(nonsingular) 임을 알 수 있다. 따라서 상기 방향 벡터 d를 다음 <수학식 6>과 같이 얻을 수 있다. 이때, 상기 β는 -[BB^T]^-1B▽f인 것을 이용한다.

여기서, 상기 P는 다음 <수학식 7>과 같이 표현된다.

여기서, 상기 IUS에서는 사용자 수를 결정하기 위해 부반송파를 각 사용자에게 할당하므로, 각 사용자에게 할당된 부반송파의 합이 전체 부반송파의 수와 같거나 작아야 한다. 따라서, 제약(constraint)을 나타내는 초기 행렬 B는 B=[1 1 ... 1]과 같이 나타나게 되며, 이 경우 상기 투영 행렬(Projection matrix) P는 다음 <수학식 8>과 같이 간단한 수식의 형태로 구할 수 있게 되어 복잡한 역행렬 연산이 없이도 상기 방향 벡터 d를 구할 수 있다.

여기서, 상기 방향 벡터 d의 크기 α는 도 4와 같이 결정한다.

상기 도 4를 참조하면, x_k는 k번째 반복(iteration)에서의 최적점을 의미한다_. 여기서, x₁을 현재 반복에서의 점이라 하고, 임의의 다른 점 x₂를 다음 반복에서의 점으로 설정한 후, 상기 두 점에서 f(x)의 기울기 f'(x)을 비교한다. 여기서, 다음 < 수학식 9>와 같이 상기 f'(x)가 0이 되는 지점을 반복적으로 찾아가면 상기 방향 벡터의 크기 α를 결정할 수 있다.

여기서, 상기 도 3을 참조하면, 초기점 x(401)에서 f(x)의 기울기 f'은 0보다 작은 값, 즉 마이너스(-)의 값을 가진다. 즉, 0이 아니므로 상기 초기점 x(401)를 최적점이라고 판단하지 않는다. 이후, 상기 결정된 방향 벡터 d의 방향으로 L거리만큼 이동하여 임의의 다른 점 x1을 설정하고, 상기 x1에서 f(x)의 기울기 f'을 구한다. 여기서, 상기 임의의 다른점 x1은 상기 도 3의 x₂가 0인 점, 즉 2번째 사용자에게 할당되는 부반송파 수가 0인 점으로 설정할 수 있다. 이때, 상기 두 점에서의 기울기 부호가 반대로 나타난다면, 상기 초기점 x와 임의의 다른점 x1 사이에 상기 최적점이 있는 것으로 판단하고, 상기 d와 반대 방향으로 L/2거리만큼 이동한 점에서의 기울기를 구한다. 이때, 상기 기울기가 상기 x1에서의 기울기와 반대의 부호를 가진다면, 상기한 바와 같은 과정을 반복(iteration) 수행함으로써 상기 f(x)의 기울기가 0인 최적점 x^*을 찾을 수 있다. 즉, 상기 반복 과정을 통해 상기 방향 벡터의 크기 α를 결정할 수 있고, 이로써, 최적점에 근접할 수 있다. 이로써, 예를 들어, 상기 303단계를 거쳐 4명의 사용자에게 3개의 부반송파를 공평하게 분배했다면, 305단계를 거쳐 각 사용자에게 할당되는 부반송파의 수는 (1, 1, 3, 7)과 같이 최적의 수로 변하게 된다. 여기서, 상기 반복(iteration)은 log₂N만큼 수행되며, 이는 기존의 BABS가 N번의 반복 과정을 거치는 것에 비해 상당히 적은 수임을 알 수 있다.

이후, 상기 초기 사용자 선택부(108)는 307단계에서 할당한 부반송파의 수가 파워 제약(power constraint)을 만족하는지 검사한다. 즉, 사용자당 상기 수만큼 부반송파를 할당했을 때 필요한 파워를 계산하여 상기 계산된 파워가 기지국에서 제공할 수 있는 파워와 비교한다. 상기 파워 제약을 만족할 시, 즉 상기 사용자당 상기 수만큼 부반송파 할당시 필요한 파워가 상기 기지국에서 제공할 수 있는 파워보다 작다면, 상기 초기 사용자 선택부(108)는 309단계로 진행하여 사용자 수 m에 1을 더한 값으로 상기 사용자 수 m을 갱신하고, 303단계로 돌아간다. 도 5를 참조하면, 상기 도 5는 상기 IUS(도 5a)와 기존의 BABS(도 5b) 방식의 최적 부반송파 수 결정 방법을 비교한 도면으로, 상기 두 방식 모두 사용자가 2명인 경우를 예로 들어 표현하였다. 상기 도 5a에 도시된 바와 같이, 상기 IUS는 가능 영역에서 최적점을 구할 수 있는 임의의 시작점 (x₁, x₂)에서 방향 벡터 d와 상기 방향 벡터의 크기 α를 이용하여 비선형 접근(Non-linear approach)을 통해 상기 최적점을 찾아간다. 상기 BABS는 기존의 방법 중 정해진 사용자 수에서 부반송파 수를 찾을 수 있는 기법으로, 부반송파 하나를 할당했을 시, 가장 적은 파워가 드는 사용자에게 상기 부반송파를 할당하고, 상기 과정을 반복함으로써 최소의 파워가 드는 최적 캐리어 수 N^* _m을 결정할 수 있다. 즉, 상기 BABS는, 도 5b에 도시된 바와 같이, 그리디 접근(Greedy approach)을 이용하기 때문에 원점 또는 원점과 가까운 임의의 점에서부터 상기 최적값을 찾아간다. 따라서, 상기 IUS는 상기 BABS보다 훨씬 작은 반복(iteration)으로 최적 부반송파 수 N^* _m을 찾아낼 수 있다.

상기 파워 제약을 만족하지 않을 시, 즉 상기 수만큼 부반송파를 할당했을 때의 파워가 기지국에서 제공해 줄 수 있는 파워를 넘는다면, 상기 초기 사용자 선택부(108)는 311단계로 진행하여 새로운 제약(constraint)이 있는지 검사한다. 여기서, 예를 들어, 상기 새로운 제약은 상기 사용자당 최소 요구율 R_m이다. 크로스 레이어(cross layer) 관점으로 봤을 때, 각 사용자가 원하는 QoS를 만족시키기 위 해서는 최소 요구율(minimum required rate)과 요구 비트 에러율(BER requirement)을 만족시켜야 한다. 따라서, 상기 BABS 또는 상기 IUS방식으로 최적 부반송파 수를 찾을 때, 각 사용자당 최소 요구율(minimum required rate)을 만족시키는 범위 내에서 상기 최적 부반송파 수를 결정해야 한다. 실제 최적점을 찾다 보면 상기 최적점이 보다 커질 때가 있다. 예를 들어, 10개의 bit만 보내면 되는 사용자가 직교 위상 편이 변조(Quadrature Phase Shift Keying : QPSK)를 사용하였을 경우, 최대 할당받을 수 있는 부반송파 수는 5개다. 하지만, 상기 사용자에게 6개의 부반송파를 할당했을 때 시스템 전체 파워가 최소가 되는 경우가 생길 수 있고, 그때의 점을 최적점으로 결정하게 되는 경우가 발생할 수 있다. 여기서, 도 6a를 참조하면, 상기 BABS방식으로 최적점을 찾는 경우, 상기 최적점은 상기 최소 요구율을 만족시키는 범위 밖에서 결정된다. 즉, 상기 사용자당 최소 요구율을 고려하지 않아 상기한 바와 같은 결과가 발생한다. 따라서, 본 발명에 따른 상기 IUS방식에서는 사용자당 최소 요구율을 고려하여, 도 6b와 같이, 상기 최소 요구율 내에서 최적점을 결정할 수 있다.

상기 새로운 제약이 감지될 시, 상기 초기 사용자 선택부(108)는 305단계로 돌아간다. 이때, 제약(constraint)을 나타내는 초기 행렬 B와 상기 투영 행렬(Projection matrix) P 다음 <수학식 10>과 같이 설정된다.

여기서, 상기 행렬 B의 행의 수는 제약식(constraint)의 수 n과 같고, 열의 수는 사용자(user)의 수 m과 같으며, 상기 1은 i번째 데이터율 제약식을 나타낸다. 이때, 상기 [BB^T]^-1은 다음 <수학식 11>과 같다.

여기서, 상기 u는

이다.

상기 새로운 제약이 감지되지 않을 시, 상기 초기 사용자 선택부(108)는 상기 사용자 수 m에 1을 뺀 값을 초기 사용자 수 m^*으로 결정하고, 상기 m^*을 이용하 여 최적 부반송파 수 Nm^*을 결정한 후, 본 발명에 따른 알고리즘을 종료한다.

도 7은 본 발명에 따른 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 자원 할당을 위한 초기 사용자 선택 방법의 예를 도시한 도면이다. 상기 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 IUS방식을 이용하여 사용자에게 부반송파 할당 시, 상기 <수학식 1>에서의 제약식(constraint)에 의해 삼각형 모양의 가능 영역(feasible region)이 생길 수 있으며, 여기에 최소 요구율(minimum required rate)에 의한 제약(constraint)을 추가함으로써, 실제 가능 영역(feasible region)은 육각형 모양으로 나타난다. 이 경우, 상기 비선형 최적 알고리즘으로 최적점을 찾아낸다 하더라도 육각형 모양의 실제 가능 영역에 걸리게 되며, 상기 최소 요구율을 고려한 제약식에 따라 다시 최적점을 찾게 된다. 따라서, 각 사용자 당 최소 요구율을 완벽히 고려하여 최적 부반송파 수를 결정할 수 있어, 실제 자원을 할당할 때 최적점만을 고려하여 필요 없는 자원을 사용자에게 할당하는 BABS 방식보다 현실적인 장점이 있다.

도 8과 도 9는 동적 자원 할당 알고리즘이 ACG인 경우와 Wong's swapping인 경우, 종래의 BABS와 본 발명에 따른 IUS방식의 성능을 비교한 도면이다. 실험 조건은 다음 <표 1>과 같으며, 상기 성능 평가 지표는 CPU 클럭과 반복 횟수이다.

캐리어 주파수	2.3 GHz
시스템 대역폭	10 MHz
캐리어 수	128,64
셀 반경	1.0 km
총 사용자 수	4~32
사용자 분포	균등 분포
기지국 파워	43 dBm
안테나 이득	14 dB(BS), 0 dB(MS)
안테나 높이	30 m(BS), 1.5 m(MS)
경로 손실 모델	SUI-A 모델
로그 노멀 쉐도윙의 표준	10
열 잡음	-174 dBm/Hz(NF : 9dB)
페이딩 모델	3선 레일리 페이딩 채널(2 타입)

도 8을 참조하면, 도 8a, 도 8b는 ACG를 통해 실제 자원을 할당했을 때, 전체 자원 할당에 필요한 CPU 클럭과 반복 횟수에 있어서 종래의 BABS와 IUS를 비교한 도면이다. 여기서, 사용자 데이터 율은 16비트/심볼이고, 128개의 부반송파를 공급할 수 있다고 가정한다. 상기 다른 방식에 비해 상기 IUS방식을 이용하였을 때, 상기 CPU 클럭과 반복 횟수가 줄어듬을 알 수 있다. 다시 말해, 상기 IUS 방식을 이용함으로써, 적은 수의 반복으로 더 빠른 시간 내에 사용자 수와 사용자당 부반송파 수를 결정할 수 있다. 여기서, 자원할당 알고리즘은 ACG로 동일하기 때문에 실제 서비스되는 사용자 수는 동일하다.

도 9를 참조하면, 도 9a, 도 9b는 Wong의 swapping 방식을 통해 실제 자원을 할당했을 때, 전체 자원 할당에 필요한 CPU 클럭과 반복 횟수에 있어서 최소 요구율(rate)의 비와 IUS를 비교한 도면이다. 여기서, 각 사용자의 요구 데이터율은 8 비트/심볼이고, 상기 요구 데이터 비율대로 64개의 부반송파를 각 사용자에게 할당한다고 가정한다. 상기 Wong의 자원 할당 방식은 최적에 가까운 자원 할당을 하지만 사용자당 부반송파의 수를 단지 사용자의 요구 데이터율(rate)의 비 만으로 결정하기 때문에 성능이 굉장히 나쁘고, 따라서, 복잡도가 매우 큰 단점이 있다. 하지만, 본 발명에서 제안하는 바와 같이 IUS방식으로 최초 사용자 수를 결정하고 이를 기초로 자원 할당을 하면, 자원 할당에 필요한 복잡도를 상당히 감소시킬 수 있다.

자원을 할당하는데 걸리는 복잡도는 실제 자원 할당 알고리즘이 좌우한다. 따라서, 복잡한 자원할당 알고리즘을 얼마만큼 반복하느냐가 성능에 직접적인 영향을 주게 된다. 다시 말해, 상기 종래의 BABS, IUS를 사용하여 구한 초기 사용자 수와 실제 서비스된 사용자 수의 차이는 성능에 큰 영향을 주게 된다. 상기 차이가 작으면 작을수록 초기 사용자 수가 실제 서비스된 사용자 수에 근접하게 되고, 따라서, 복잡한 자원 할당 알고리즘을 적게 돌릴 수 있으므로 전체적으로 낮은 복잡도로, 그리고 빠른 시간 내에 자원을 할당할 수 있는 것이다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 각 사용자별 최소 요구율(minimum required rate)과 요구 비트 에러율(BER requirement)을 만족시키면서 자원 할당을 위한 초기 사용자 수뿐만 아니라 각 사용자당 부반송파 수를 결정함으로서, 낮은 복잡도로 실제 지원 가능한 사용자 수 및 사용자당 부반송파 수를 결정할 수 있고, 나아가 복잡한 자원 할당 알고리즘의 반복(iteration)을 통해 자원을 할당하는 횟수를 줄임으로써 전체적으로 더 낮은 복잡도로 빠른 시간 내에 자원을 할당할 수 있는 이점이 있다.

Claims (8)

1. 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 자원 할당을 위한 초기 사용자 선택 방법에 있어서,

   기지국의 전체파워 내에서 사용자 수를 갱신하고, 상기 갱신된 상기 사용자 수에 따라 전체 부반송파를 공평하게 분배하여 초기 부반송파 개수를 결정하는 과정과,

   전체 부반송파를 고려하여 제약 함수를 산출하는 과정과,

   사용자의 요구 데이터율(required date rate)과 요구 비트 에러율(BER requirement) 및 평균 채널 이득을 이용하여 목적 함수를 산출하는 과정과,

   상기 목적 함수에 가장 근접하는 상기 제약 함수의 해를 이용하여 각 사용자에게 할당하는 최적 부반송파 개수를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 결정된 수만큼 부반송파를 할당했을 때 필요한 파워를 계산하여 상기 계산된 파워가 기지국의 전체 파워를 벗어날 시, 사용자 수를 하나 적은 값으로 갱신하고, 상기 갱신된 사용자 수에 따른 부반송파 수를 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제 1 항에 있어서,

   상기 사용자의 요구 데이터율(required date rate)을 고려하여 제약 함수를 산출하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제 1 항에 있어서,

   상기 제약 함수는 <수학식 14>와 같이 형식화되는 것을 특징으로 하는 방법.

   

   여기서, 상기 m은 사용자를 의미하고, 상기 x_m은 사용자 m에게 할당된 부반송파(sub-carrier) 수이며, 상기 N은 전체 부반송파 수를 의미함.
5. 제 1 항에 있어서,

   상기 목적 함수는 <수학식 15>와 같이 형식화되는 것을 특징으로 하는 방법.

   

   여기서, 상기 m은 사용자를 의미하고, 상기 P_m은 사용자 m에게 할당된 파워(Power)이며, 상기 x_m은 사용자 m에게 할당된 부반송파(sub-carrier) 수이다. 상기 R_m은 사용자 m의 요구 데이터율(required date rate)이고, 상기 g_m은 사용자 m의 평균 채널 이득이며, 상기 P_e은 사용자 m의 요구 비트 에러율(BER requirement)이고, N₀는 잡음 스펙트럴 밀도(Noise spectral density)임.
6. 직교 주파수 분할 다중 시스템에서 자원 할당을 위한 초기 사용자 선택 장치에 있어서,

   기지국의 전체파워 내에서 사용자 수를 갱신하고, 상기 갱신된 상기 사용자 수에 따라 전체 부반송파를 공평하게 분배하여 초기 부반송파 개수를 결정하는 초기 부반송파 개수 결정부와,

   전체 부반송파를 고려하여 제약 함수를 산출하고, 사용자의 요구 데이터율(required date rate)과 요구 비트 에러율(BER requirement) 및 평균 채널 이득을 이용하여 목적 함수를 산출하며, 상기 목적 함수에 가장 근접하는 상기 제약 함수의 해를 이용하여 각 사용자에게 할당하는 최적 부반송파 개수를 결정하는 최적 부반송파 개수 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
7. 제 6 항에 있어서,

   상기 제약 함수는 <수학식 16>과 같이 형식화되는 것을 특징으로 하는 장치.

   

   여기서, 상기 m은 사용자를 의미하고, 상기 x_m은 사용자 m에게 할당된 부반송파(sub-carrier) 수이며, 상기 N은 전체 부반송파 수를 의미함.
8. 제 6 항에 있어서,

   상기 목적 함수는 <수학식 17>과 같이 형식화되는 것을 특징으로 하는 장치.

   

   여기서, 상기 m은 사용자를 의미하고, 상기 P_m은 사용자 m에게 할당된 파워(Power)이며, 상기 x_m은 사용자 m에게 할당된 부반송파(sub-carrier) 수이다. 상기 R_m은 사용자 m의 요구 데이터율(required date rate)이고, 상기 g_m은 사용자 m의 평균 채널 이득이며, 상기 P_e은 사용자 m의 요구 비트 에러율(BER requirement)이고, N₀는 잡음 스펙트럴 밀도(Noise spectral density)임.

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