KR20080006324A

KR20080006324A - 이동통신망에서의 망 코딩방법

Info

Publication number: KR20080006324A
Application number: KR1020060065373A
Authority: KR
Inventors: 안창욱; 현태인; 윤상보; 김응선; 김민규
Original assignee: 삼성전자주식회사
Priority date: 2006-07-12
Filing date: 2006-07-12
Publication date: 2008-01-16

Abstract

본 발명은 이동통신망을 구성하는 모든 노드와 링크에서 코딩을 하는 경우와 동일한 멀티캐스트 성능을 달성하는 망 코딩 방법에 관한 것이다. 이를 위해 부호화 과정을 통해 분류된 라인 도표에서 다수의 입력 링크를 갖는 노드의 입력 링크마다 이진 변수를 할당한다. 그리고 적정 평가 과정에서 임의 다항식 식별 테스트를 이용하여 성취 가능성을 검증하고, 목적에 따라 적용 가능한 적정 값을 설정한다.

Network coding, Genetic Algorithms, multicast throughput, Labeled line graph

Description

이동통신망에서의 망 코딩방법{METHOD FOR CODING NETWORK IN A MOBILE COMMUNICATION NETWORK}

도 1에서는 종래 이동통신망에서 네트워크 코딩을 이용한 데이터 전송 예를 개략적으로 보이고 있는 도면.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 세 개의 사본 (copies)으로 이루어진 네트워크의 구조를 보이고 있는 도면.

본 발명은 이동통신망에서의 망 코딩 방법에 관한 것으로, 특히 이동통신망을 구성하는 모든 노드와 링크에서 코딩을 하는 경우와 동일한 멀티캐스트 성능을 달성하는 망 코딩 방법에 관한 것이다.

통상적인 셀룰러 망에서는 기지국에 의한 서비스 영역이 확정되어 있는 상태이다. 이러한 셀룰러 망에서 서비스 영역을 확장하기 위해서는 기지국을 추가로 설치하는 것이 일반적이었다. 하지만 기지국을 추가하기 위해서는 제반 비용이 과다하게 발생할 수 있다. 뿐만 아니라 사용량이 많지 않은 지역에 기지국을 새로이 추 가하는 것은 더욱 어려운 것이 현실이다.

따라서 추가적인 기지국의 설치 없이 서비스 영역을 확장하기 위한 연구가 다양하게 이루어지고 있다. 그 대표적인 예로서 릴레이를 추가하는 방식이 있다. 상기 릴레이를 추가하는 방식은 적어도 하나의 릴레이를 구비하고, 상기 적어도 하나의 릴레이를 통해 기지국과 단말 간의 데이터가 중계되도록 하는 방안이다. 상기 릴레이는 중계를 위한 별도의 장치 또는 단말에 의한 구현이 가능하다.

한편 이동통신망에서는 데이터의 전송 성능의 향상을 위해 네트워크 코딩 기법의 사용이 가능하다. 도 1에서는 이동통신망에서 네트워크 코딩을 이용한 데이터 전송 예를 개략적으로 보이고 있다.

상기 도 1을 참조하면, 릴레이(214)는 기지국(212)으로부터의 하향링크 신호 Xd와 단말(216)로부터의 상향링크 신호 Xu를 수신한다. 상기 릴레이(214)는 상기 하향링크 신호 Xd와 상기 상향링크 신호 Xu를 수신 순서에 의해 임시로 저장한다. 그리고 상기 릴레이(214)는 상기 하향링크 신호 Xd와 상기 상향링크 신호 Xu에 네트워크 코딩을 적용하여 새로운 데이터를 생성한다. 상기 네트워크 코딩은 미리 정의된 연산자에 의한 연산에 의해 수행된다. 상기 도 1에서는 상기 연산자를 '#'으로 표현하였다. 상기 연산자는 상기 하향링크 신호 Xd와 상기 상향링크 신호 Xu 중 어느 하나의 신호를 알면 나머지 신호를 구할 수 있도록 정의된다.

상기 릴레이(214)는 네트워크 코딩이 이루어지는 데이터 'X_d # X_u'를 하나의 무선 채널을 통해 전송한다. 즉 상기 기지국(212)과 상기 단말(216)에 의해 공유될 수 있는 무선 자원을 이용하여 상기 데이터 'X_d # X_u'를 전송한다. 따라서 기존에 기지국과 단말 각각으로 데이터를 전송하기 위해 할당된 무선 자원에 비해 적은 무선 자원으로 데이터 전송이 가능하다.

상기 기지국(212)과 상기 단말(216)은 상기 릴레이(214)로부터 네트워크 코딩이 이루어진 데이터를 수신한다. 그리고 상기 네트워크 코딩이 이루어진 데이터에 대해 네트워크 디코딩을 수행하여 원하는 데이터를 얻게 된다. 상기 기지국(212)은 네트워크 디코딩을 위해 자신이 전송한 하향링크 신호 X_d를 사용하며, 상기 단말(216)은 네트워크 디코딩을 위해 자신이 전송한 상향링크 신호 X_u를 사용한다.

상기 네트워크 디코딩은 상기 네트워크 코딩을 위해 사용된 연산자에 의해 정의된 연산자에 의한 연산에 의해 수행된다. 상기 네트워크 디코딩을 위한 연산자는 '%'으로 표현할 수 있다.

따라서 상기 기지국(212)에서 Xu를 얻기 위해 수행하는 네트워크 디코딩은 '(X_d # X_u) % X_d'로 표현할 수 있으며, 상기 단말(216)에서 X_d를 얻기 위해 수행하는 네트워크 디코딩은 '(X_d # X_u) % X_u'로 표현할 수 있다.

하지만 종래의 네트워크 코딩 기법에 의한 시나리오는 네트워크 내의 모든 릴레이, 즉 노드 또는 링크에서 네트워크 코딩이 이루어지는 것을 가정하고 있다. 즉 주어진 네트워크 내에서 멀티캐스트에 사용할 서브 네트워크를 선택하고 나면, 상기 선택한 서브 네트워크 내에서는 필요성 여부와 관계없이 가능한 모든 릴레이, 즉 노드 또는 링크에서 네트워크 코딩을 적용하였다. 여기서 모든 릴레이는 다수의 입력 링크 (multiple incoming link)를 갖는 노드와 상기 노드에서의 출력 링크 (outgoing link)를 의미한다.

이와 같이 모든 릴레이에서 네트워크 코딩이 이루어지는 경우에는 네트워크 코딩이 필요하지 않는 릴레이에서도 코스트 (cost)가 소요된다. 즉 네트워크 코딩을 위해 릴레이에서 응용 계층의 접근으로 인한 지연, 네트워크 코딩을 위한 추가 장비의 구매 비용 등의 발생이 야기된다.

이러한 문제를 해결하기 위해 종래에도 네트워크 코딩에 소요되는 자원을 줄이기 위한 시도가 일부 이루어졌었다. 하지만 최소화하는 문제가 NP-hard인 관계로 인해 대표적으로 각 릴레이를 순차적으로 제거하는 그리디 어프로치 (greedy approach)만이 제안되었다. 하지만 상기 그리디 어프로치를 통해 각 릴레이를 제거하는 경우에도 최적의 솔루션에 대비한 성능 보장의 어렵다. 그리고 최소화하려는 대상이 네트워크 코딩이 필요한 링크의 개수인 경우에만 적용이 가능하였다.

따라서 전술한 바를 해결하기 위해 본 발명은 이동통신망에서 망 자원의 사용을 최소화하는 망 코딩 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 주어진 멀티캐스트 성능을 달성하기 위해 망 코딩을 적용함에 있어 소요되는 망 자원의 감소를 위한 망 코딩 방법을 제공한다.

또한 본 발명은 일반적인 알고리즘의 적용을 통해 모든 릴레이 (노드와 링크)에서 코딩을 하는 경우에도 동일한 멀티캐스트 성능을 달성하면서도 네트워크 코딩에 소요되는 다양한 자원을 최소화할 수 있는 네트워크 코딩 방안을 제공한다.

또한 본 발명은 최소의 자원만을 활용하여 원하는 멀티캐스트 성능을 달성할 수 있는 송신 방안을 제공한다.

전술한 바를 달성하기 위한 제1견지에 있어, 본 발명은 분류된 라인 그래프 (labeled line graph)에서 다수의 입력 링크를 갖는 노드의 입력 링크마다 이진 변수를 할당하는 부호화 과정과, 임의 다항식 식별 테스트를 이용하여 성취 가능성을 검증하고, 목적에 따라 적용 가능한 적정 값을 설정하는 적정 평가 과정에 의한 이동통신망에서의 네트워크 코딩 방법을 제안한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술 되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

현재의 네트워크 코딩이 적용되는 상업화된 시스템은 매우 제한적인 상태이 지만 향후 네트워크 코딩이 적용되는 시스템에서는 반드시 사용되는 자원의 최적화가 필요할 것이다. 그러나 이러한 최적화의 문제가 NP-hard이므로 직접 최적의 해법을 얻으려는 시도보다는 본 발명에서 제안할 알고리즘과 같이 파라미터 선택에 의해 탄력적으로 적용할 수 있는 귀납적인 어프로치가 보다 실용적일 것이다.

후술 될 본 발명에서는 적절한 기법 (scheme)을 이용하여 사이클 (cycle)이 제거되는 유도된 비윤상 네트워크 상에서 하나의 소스 노드 (source node)에서 다중의 목적 노드로 같은 정보를 미리 정해진 전송률 (rate R)로 전송하는 시나리오를 가정한다. 이는 네트워크 코딩을 적용하면, 주어진 멀티캐스트 전송률이 달성 가능한지에 대한 여부를 쉽게 판단할 수 있기 때문이다. 그리고 분류된 라인 그래프 (labeled line graph)를 통해 대수의 방법 (algebraic method)을 이용한다. 단 이 경우에는 우선 네트워크 내의 모든 노드에서의 코딩을 가정하게 된다. 만약 라우팅만을 이용하는 경우에는 NP-hard의 문제가 존재한다.

한편 본 발명에서는 동일한 멀티캐스트 전송률을 달성하는 전제 하에 네트워크 코딩에 소요되는 자원의 최소화를 시도한다. 즉 최선의 해법에서 NP-hard를 고려하고, 실용성을 위한 적절한 귀납적인 어프로치 (heuristic approach)가 필요하다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 세 개의 사본 (copies)으로 이루어진 네트워크의 구조를 보이고 있다.

상기 도 2에서 보이고 있는 바와 같이 본 발명은 간단한 유전 알고리즘 (simple Genetic Algorithm)의 기본 구조를 따른다. 그 외의 부분에 대해서는 하기 와 같이 특수하게 설계하도록 한다.

먼저 부호화 과정을 수행한다. 상기 부호화 과정을 위해 분류된 라인 도표 (Labeled line graph) 상에서 다수의 입력 링크 (multiple incoming link)를 갖는 노드의 각 입력 링크 (incoming link)마다 이진 변수 (binary variable)를 할당한다. 그리고 상기 이진 변수의 할당에 의해 생성된 이진 조종줄 (string)을 염색체 (chromosome)로 설정한다.

그 후 초기 퍼풀레이션 (Initial population) 과정을 수행한다. 상기 초기 퍼풀레이션 (Initial population) 과정은 임의로 생성된 퍼풀레이션에 모두 1의 값을 가지는 벡터 (all-one vector)인 111111를 추가한다. 상기 모두 1의 값을 갖는 벡터는 적당한 값 (Fitness value)으로 높은 값 (high value)을 설정한다. 이는 항상 사용할 수 있는 유효한 해(solution)로써 알고리즘의 성능 향상에 매우 중요한 초기 시드 (initial seed) 역할을 한다.

마지막으로 적합성 평가 (Fitness Evaluation) 과정을 수행한다. 상기 적합성 평가 과정은 유전 정보 (Chromosome)에서 0에 해당하는 링크를 분류된 라인 그래프 (Labeled line graph)에서 삭제한다. 그 후 임의 다항식 식별 테스트 (randomized polynomial identity testing)를 이용하여 성취 가능성을 검증한다. 즉 멀티캐스트 전송률의 성취 가능성 (achievability)을 검증한다. 그리고 목적에 따라 적용 가능한 적정 값을 설정한다.

예컨대 성취 가능성이 없는 경우 (unachievable)에는 적합성 값 (fitness value)을 무한대로 설정한다. 하지만 성취 가능성이 있는 경우에는 최소화하고자 하는 대상에 따라 다양한 방법으로 적합성 값의 설정이 가능하다. 예를 들어 코딩 링크/노드의 개수, 라우팅 및 코딩 코스트 등이 된다.

앞에서 살펴본 본 발명에서 제안하는 네트워크 코딩이 응용 계층에서 이루어지는 경우에는 시간과 처리 지연만이 존재한다. 그렇지 않고 네트워크 코딩이 라우터 레벨의 특별한 장치에서 이루어지는 경우에도 배치 코스트 (deployment cost)만이 존재한다.

하기 <표 1>에서는 3가지 종류의 샘플 네트워크에서의 네트워크 코딩이 필요한 링크의 개수에 대한 시뮬레이션 결과를 보이고 있다.

상기 <표 1>에서는 본 발명에서 제안하는 방안과 FS05에 의한 그리디 어프로치에 의한 방안 및 LSB05에 의한 그리디 어프로치에 의한 방안을 비교하고 있다. 상기 <표 1>에 의해서도 확인되는 바와 같이 본 발명에서 제안하는 방안에 의하면, 코딩 링크의 개수가 줄어듦을 알 수 있다.

상기 FS05에 의한 그리디 어프로치에 의한 방안은 "C. Fragouli and E. Soljanin, "Information flow decomposition for network coding," IEEE Transactions of Information Theory"에 개시되고 있다. 그리고 상기 LSB05에 의한 그리디 어프로치에 의한 방안은 "M. Langberg, A. Sprintson, and J. Bruck, "The encoding complexity of network coding," in Proceedings of IEEE ISIT 2005."에 개시되고 있다.

한편 이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 도시하고 설명하였지만, 본 발명은 상술한 특정의 실시 예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 이러한 변형 실시들은 본 발명의 기술적 사상이나 전망으로부터 개별적으로 이해되어 져서는 안 될 것이다.

한편 상기 <표 1>에서 Set 1은 나비 망 (Butterfly Network)의 계단 형태 (7, 15, 31 사본)를 가정하고 있다. 그리고 Set 2는 ISP networks/LATA-X의 점 집합적 위상 기하학 (topologies)를 가정하고 있으며, Set 3은 랜덤 점 집합적 위상 기하학 (topologies)를 가정한다.

전술한 바와 같이 본 발명은 최소화하고자 하는 대상이 네트워크 코딩에 참여하는 노드 및 링크의 개수인 경우, 같은 멀티캐스트 성능을 달성하면서도 기존의 시나리오에 대비하여 실제 네트워크 코딩이 일어나는 노드 및 링크의 개수를 획기적으로 줄일 수 있다. 따라서 네트워크 코딩을 적용함으로써 발생하는 코스트를 줄일 수 있다.

또한 기존의 기리디 어프로치와 달리 본 발명은 노드 및 링크마다의 코딩 코 스트뿐만 아니라 라우팅 코스트까지 함께 고려하는 경우 등과 같이 최소화하고자 하는 대상이 단순히 노드 및 링크의 개수가 아닌 경우에도 적용이 가능하다.

Claims

이동통신망에서의 네트워크 코딩 방법에 있어서,

분류된 라인 그래프에서 다수의 입력 링크를 갖는 노드의 입력 링크마다 이진 변수를 할당하는 부호화 과정과,

임의 다항식 식별 테스트를 이용하여 성취 가능성을 검증하고, 목적에 따라 적용 가능한 적정 값을 설정하는 적정 평가 과정을 포함함을 특징으로 하는 네트워크 코딩 방법.
제1항에 있어서, 상기 적정 평가 과정에서, 성취 가능성이 없는 경우 (unachievable)에는 적합성 값 (fitness value)을 무한대로 설정하며, 성취 가능성이 있는 경우에는 최소화하고자 하는 대상에 따라 다양한 방법에 의해 적합성 값을 설정하는 것이 가능함을 특징으로 하는 네트워크 코딩 방법.
제2항에 있어서,

임의로 생성된 퍼풀레이션에 모두 1의 값을 가지는 벡터 (all-one vector)를 추가하는 초기 퍼풀레이션 (Initial population) 과정을 더 구비함을 특징으로 하는 네트워크 코딩 방법.