KR20090052665A - 중계 방식의 무선통신 시스템에서 중계국 선택 및 송신전력 결정 장치 및 방법 - Google Patents

중계 방식의 무선통신 시스템에서 중계국 선택 및 송신전력 결정 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 네트워크 코딩(network coding) 및 협력 전송(cooperative transmission)을 적용한 중계 방식의 무선통신 시스템에 관한 것으로, 중계 링크로 통신을 수행할 적어도 하나의 단말을 선택하는 선택기와, 상기 적어도 하나의 단말의 송신 전력 총 합을 최소화하도록 상기 적어도 하나의 단말에게 적어도 하나의 중계국을 할당하는 할당기와, 상기 적어도 나아의 중계국의 송신 전력 총 합을 최소화하도록 상기 적어도 하나의 중계국의 송신 전력을 결정하는 결정기를 포함하여, 전력 소모를 최소화하는 중계국을 선택하고, 전송률을 최대화하도록 단말과 중계국의 송신 전력을 결정함으로써, 중계 방식의 성능을 최대화할 수 있다.
중계국(relay station), 네트워크 코딩(network coding), 협력 전송(cooperative transmission), 송신 전력, 전송률

Description

중계 방식의 무선통신 시스템에서 중계국 선택 및 송신 전력 결정 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SELECTING RELAY STATION AND DECIDING TRANSMITION POWER IN RELAY WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 중계 방식의 무선통신 시스템에 관한 것으로, 특히, 중계 방식의 무선통신 시스템에서 중계국을 선택하고, 송신 전력을 결정하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근, 무선통신 시스템을 이용한 고속, 대용량의 서비스에 대한 요구가 증대됨에 따라, 무선통신 시스템에서 단말의 이동성 및 무선망 구성의 유연성을 확보하고, 동시에, 트래픽 분포나 통화 요구량 변화가 심한 무선 환경에서 더욱 효율적인 서비스를 제공하기 위한 연구가 활발히 진행 중이다. 그 중 하나의 방법으로 중계국(relay station)을 이용하여 다중 홉(multihop) 중계 형태의 데이터 전달 방식을 적용한 통신 시스템이 고려되고 있다. 무선통신 시스템에서 상기 중계국을 사용함으로써 기지국의 커버리지(coverage) 증대, 전송률(throughput) 개선 등의 효과가 발생한다. 즉, 열악한 채널 환경을 가지는 특정 지역에 중계국을 위치시켜 전송률을 향상시킬 수 있다. 또한, 셀 경계 부근에 중계국을 위치시켜 기지국의 커버리지 밖에 있는 단말과 기지국이 통신할 수 있도록 서비스할 수 있다.
상기 중계국을 이용한 통신 방식으로 네트워크 코딩(network coding) 기법이 있다. 상기 네트워크 코딩 기법은 양방향 통신 시 다중 홉으로 인해 증가하는 신호 송신 횟수를 감소시키기 위한 기법으로서, 도 1과 같은 방식으로 수행된다. 상기 도 1에서, 단말(110)은 기지국(130)으로 신호A를 전달하고, 상기 기지국(130)은 상기 단말(110)로 신호B를 전달하고자 한다. 첫번째 송신 시간인 (a)에서, 상기 단말(110)은 신호A를 중계국(120)으로 송신한다. 두번째 송신 시간인 (b)에서, 상기 기지국(130)은 신호B를 상기 중계국(120)으로 송신한다. 마지막으로, 세번째 송신 시간인 (c)에서, 상기 중계국은 신호A와 신호B의 비트열을 베타적 논리합(XOR : eXclusive OR) 연산한 신호를 상기 단말(110) 및 상기 기지국(130)으로 동시에 송신한다. 상기 단말(110) 및 상기 기지국(130)은 자신이 송신한 신호를 알기 때문에, 상기 중계국(120)으로부터 수신된 신호로부터 자신이 수신해야할 신호를 추출해 낼 수 있다.
상기 중계국을 이용한 또 다른 통신 방식으로 협력 전송(cooperative transmission) 기법이 있다. 상기 협력 전송 방식은 수신단에서 송신단으로부터의 신호와 중계국으로부터의 신호를 모두 수신하여 다이버시티(diversity) 이득을 얻기 위한 기법으로, 도 2와 같은 방식으로 수행된다. 상기 도 2에서, 기지국(230)은 단말(210)으로 신호A를 송신하고자 한다. 첫번째 송신 시간인 (a)에서, 상기 기지 국(230)은 상기 단말(210) 및 중계국(220)으로 신호A를 송신한다. 두번째 송신 시간인 (b)에서, 상기 중계국(220)은 상기 단말로 신호A를 재송신한다. 이로 인해, 상기 단말(210)은 상기 기지국(230) 및 상기 중계국(210) 모두로부터 신호A를 수신하여 다이버시티 이득을 획득한다.
상술한 다양한 방식에 따라, 기지국과 단말은 중계국을 이용한 통신을 수행할 수 있다. 이때, 셀 내에 다수의 중계국들이 존재하는 경우, 어느 중계국을 사용하느냐에 따라 성능 차이가 발생할 수 있다. 또한, 송신 전력을 어떻게 설정하느냐에 따라 성능 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 중계국 사용 시, 성능을 최대화하는 중계국의 선택 및 송신 전력을 결정하기 위한 방안이 필요하다.
따라서, 본 발명의 목적은 중계 방식의 무선통신 시스템에서 중계 링크로 통신을 수행할 단말들을 선택하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 중계 방식의 무선통신 시스템에서 송신 전력의 총 합을 최소화하도록 단말 및 중계국의 송신 전력을 결정하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 네트워크 코딩(network coding) 및 협력 전송(cooperative transmission)을 적용한 중계 방식의 무선통신 시스템에서 기지국 장치는, 중계 링크로 통신을 수행할 적어도 하나의 단말을 선택하는 선택기와, 상기 적어도 하나의 단말의 송신 전력 총 합을 최소화하도록 상기 적어도 하나의 단말에게 적어도 하나의 중계국을 할당하는 할당기와, 상기 적어도 나아의 중계국의 송신 전력 총 합을 최소화하도록 상기 적어도 하나의 중계국의 송신 전력을 결정하는 결정기를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 네트워크 코딩 및 협력 전송을 적용한 중계 방식의 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 방법은, 중계 링크로 통신을 수행할 적어도 하나의 단말을 선택하는 과정과, 상기 적어도 하나의 단말의 송신 전력 총 합을 최소화하도록 상기 적어도 하나의 단말에게 적어 도 하나의 중계국을 할당하는 과정과, 상기 적어도 나아의 중계국의 송신 전력 총 합을 최소화하도록 상기 적어도 하나의 중계국의 송신 전력을 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
중계 방식의 무선통신 시스템에서 전력 소모를 최소화하는 중계국을 선택하고, 전송률을 최대화하도록 단말과 중계국의 송신 전력을 결정함으로써, 중계 방식의 성능을 최대화할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 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 중계 방식의 무선통신 시스템에서 중계국을 선택하고 송신 전력을 결정하기 위한 기술에 대해 설명한다. 특히, 본 발명은 협력 전송(cooperative transmission) 기법 및 네트워크 코딩(network coding) 기법을 적용한 중계 방식의 무선통신 시스템에서 중계국을 선택하고 송신 전력을 결정하기 위한 기술에 대해 설명한다.
본 발명에서 고려하는 중계국을 사용한 통신 방식은 도 3에 도시된 바와 같다. 상기 도 3을 참조하면, (a)에서, 단말(310)은 중계국(320) 및 기지국(330) 모두에게 신호A를 송신한다. 이후, (b)에서, 상기 기지국(330)은 상기 단말(310) 및 상기 중계국(320) 모두에게 신호B를 송신한다. 마지막으로, 상기 중계국(320)은 상기 신호A의 비트열과 상기 신호B의 비트열을 배타적 논리합(XOR : eXclusive OR)한 신호를 상기 단말(310) 및 상기 기지국(330) 모두에게 송신한다. 이에 따라, 상기 단말(310)은 상기 (b) 시점에서 수신한 신호B 및 상기 (c) 시점에서 수신한 신호로부터 추출된 신호B를 최대비 결합(MRC : Maximum Ratio Combination)하여 다이버시티(diversity) 이득을 얻는다. 또한, 상기 기지국(330)은 상기 (a) 시점에서 수신한 신호A 및 상기 (c) 시점에서 수신한 신호로부터 추출된 신호A를 최대비 결합하여 다이버시티 이득을 얻는다.
상기 도 3에 도시된 바와 같은 중계 통신을 수행하는데 있어서, 본 발명에 따른 기지국은 다음과 같은 방식에 따라 중계국을 선택하고, 송신 전력을 결정한다.
단, 중계국의 선택에 앞서, 기지국은 중계 방식으로 통신을 수행하는 것이 직접 통신을 수행하는 것보다 효과적인지 판단한다. 다시 말해, 기지국은 중계 통신 수행 시와 직접 통신 수행 시의 전송률 및 전력 소모를 비교하여, 중계 통신을 수행하였을 때 전송률이 높고, 전력 소모가 낮으면, 중계국을 선택하기 위한 절차를 수행한다. 단, 중계 통신을 하는 경우 송수신단 간 1회 신호가 교환되는 시간과 직접 통신을 하는 경우 송수신단 간 1회 신호가 교환되는 시간은 동일하게 주어진고 가정한다. 다시 말해, 중계 통신을 하는 경우 시간 T 동안 시간 T/3의 송신이 3회 발생하고, 직접 통신을 하는 경우 시간 T 동안 시간 T/2의 송신이 2회 발생한다.
중계 통신이 수행되기 위한 상기 전송률 조건은 하기 <수학식 1>과 같다.
Figure 112007083825164-PAT00001
상기 <수학식 1>에서, 상기
Figure 112007083825164-PAT00002
는 송수신단 간 1회 신호 교환에 필요한 시간, 상기
Figure 112007083825164-PAT00003
은 송신단(source)과 중계국(relay) 간 채널의 신호대 간섭 및 잡음비(SINR : Signal to Interference and Noise Ratio), 상기
Figure 112007083825164-PAT00004
는 중계국(relay)과 수신단(destination) 간 채널의 신호대 간섭 및 잡음비, 상기
Figure 112007083825164-PAT00005
는 송신단(source)과 수신단(destination) 간 채널의 신호대 간섭 및 잡음비를 의미한다.
중계 통신이 수행되기 위한 상기 전력 소모 조건은 하기 <수학식 2>와 같다.
Figure 112007083825164-PAT00006
Figure 112007083825164-PAT00007
상기 <수학식 2>에서, 상기
Figure 112007083825164-PAT00008
는 단말의 단위 시간당 송신 전력, 상기
Figure 112007083825164-PAT00009
는 중계국의 단위 시간당 송신 전력을 의미한다.
기지국은 상기 <수학식 1> 및 상기 <수학식 2>와 같은 조건을 만족하는 단말들을 확인하고, 상기 단말들 각각과의 중계 통신에 사용될 중계국들을 선택한다. 이때, 기지국은 각 단말의 송신 전력들의 합을 최소화하도록 중계국들을 선택한다. 동시에, 기지국은 쌍을 이룬 단말로부터 중계국으로의 수신 전력이 다른 단말들로부터 중계국으로의 간섭 전력보다 크도록 중계국을 선택한다. 다시 말해, 기지국은, 각 단말과 중계국의 연결이 수용가능한 범위에서, 각 단말의 송신 전력 합이 최소화되는 방향으로, 단말들에게 중계국을 할당한다. 이를 수식으로 표현하면 하기 <수학식 3>과 같다.
Figure 112007083825164-PAT00010
Figure 112007083825164-PAT00011
Figure 112007083825164-PAT00012
Figure 112007083825164-PAT00013
상기 <수학식 3>에서, 상기
Figure 112007083825164-PAT00014
는 단말의 인덱스, 상기
Figure 112007083825164-PAT00015
은 후보 중계국들의 집합, 상기
Figure 112007083825164-PAT00016
는 단말i의 송신 전력, 상기
Figure 112007083825164-PAT00017
는 중계국k와 단말i 간 채널 이 득(channel gain), 상기
Figure 112007083825164-PAT00018
는 단말i의 목표 신호대 간섭 및 잡음비, 상기
Figure 112007083825164-PAT00019
는 중계국k에서 측정되는 잡음, 상기
Figure 112007083825164-PAT00020
는 단말i에게 할당된 중계국의 인덱스를 의미한다.
중계국k가 단말i에게 할당되었다고 가정할 때, 단말i에 대한 신호대 간섭 및 잡음비 제한은 하기 <수학식 4>와 같다.
Figure 112007083825164-PAT00021
상기 <수학식 4>에서, 상기
Figure 112007083825164-PAT00022
는 단말i의 송신 전력, 상기
Figure 112007083825164-PAT00023
는 하기 <수학식 5>와 같은 행렬의 j번째 요소로 평준화된 행 벡터(nomalized row vector with jth element), 상기
Figure 112007083825164-PAT00024
는 각 단말의 송신 전력들을 원소로 갖는 전력 벡터, 상기
Figure 112007083825164-PAT00025
는 하기 <수학식 6>과 같이 정의되는 변수를 의미한다.
Figure 112007083825164-PAT00026
상기 <수학식 5>에서, 상기
Figure 112007083825164-PAT00027
는 행렬
Figure 112007083825164-PAT00028
의 (i,j)번째 원소, 상기
Figure 112007083825164-PAT00029
는 단말i의 목표 신호대 간섭 및 잡음비, 상기
Figure 112007083825164-PAT00030
는 중계국k와 단말i 간 채널 이득을 의미한다.
Figure 112007083825164-PAT00031
상기 <수학식 6>에서, 상기
Figure 112007083825164-PAT00032
는 단말i의 목표 신호대 간섭 및 잡음비, 상기
Figure 112007083825164-PAT00033
는 중계국k에서 측정되는 잡음, 상기
Figure 112007083825164-PAT00034
는 중계국k와 단말i 간 채널 이득을 의미한다
이때, 상기 <수학식 3>과 같은 조건, 즉, 각 단말의 송신 전력들의 합을 최소화하는 조건을 만족하는 해를 얻기 위해, 본 발명에 따른 기지국은 하기 <수학식 7> 및 하기 <수학식 8>을 이용한 반복 기법을 사용한다.
Figure 112007083825164-PAT00035
Figure 112007083825164-PAT00036
Figure 112007083825164-PAT00037
상기 <수학식 7>에서, 상기
Figure 112007083825164-PAT00038
는 단말i와 중계국k의 채널에서 단말i의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시키기 위한 최소 송신 전력, 상기
Figure 112007083825164-PAT00039
는 평균 화된 행 벡터(nomalized row vector), 상기
Figure 112007083825164-PAT00040
는 각 단말의 송신 전력들을 원소로 갖는 전력 벡터, 상기
Figure 112007083825164-PAT00041
는 상기 <수학식 6>과 같이 정의되는 변수, 상기
Figure 112007083825164-PAT00042
는 단말i와 후보 중계국들 각각과의 채널에서 단말i의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시키기 위한 최소 송신 전력들 중 최소값, 상기
Figure 112007083825164-PAT00043
는 중계국의 인덱스, 상기
Figure 112007083825164-PAT00044
은 후보 중계국들의 집합, 상기
Figure 112007083825164-PAT00045
는 단말i와 후보 중계국들 각각과의 채널에서 단말i의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시키기 위한 최소 송신 전력들 중 최소값과 대응되는 중계국의 인덱스를 의미한다.
Figure 112007083825164-PAT00046
상기 <수학식 8>에서, 상기
Figure 112007083825164-PAT00047
은 n번째 반복단계의 전력 벡터, 상기
Figure 112007083825164-PAT00048
은 n번째 반복단계의 전력 벡터를 이용하여 얻어진 단말i와 후보 중계국들 각각과의 채널에서 단말i의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시키기 위한 최소 송신 전력들 중 최소값, 상기
Figure 112007083825164-PAT00049
은 n번째 반복단계의 중계국 할당 벡터, 상기
Figure 112007083825164-PAT00050
은 n번째 반복단계의 전력 벡터를 이용하여 얻어진 단말i와 후보 중계국들 각각과의 채널에서 단말i의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시키기 위한 최소 송신 전력들 중 최소값과 대응되는 중계국 인덱스를 의미한다.
즉, 기지국은 최초 전력 벡터
Figure 112007083825164-PAT00051
를 초기화한 후, 각 중계 링크 단말에 대해 상기 <수학식 7>과 같이 송신 전력을 결정함과 동시에 중계국을 할당하고. 상기 <수학식 8>을 이용하여 전력 벡터
Figure 112007083825164-PAT00052
및 중계국 할당 벡터
Figure 112007083825164-PAT00053
를 갱신한다. 그리고, 상기 기지국은 다시 상기 <수학식 7> 및 상기 <수학식 8>을 이용하여 새로운 전력 벡터
Figure 112007083825164-PAT00054
및 새로운 중계국 할당 벡터
Figure 112007083825164-PAT00055
를 획득한다. 이러한 과정을 반복하면 상기 전력 벡터
Figure 112007083825164-PAT00056
및 상기 중계국 할당 벡터
Figure 112007083825164-PAT00057
가 특정 값에 수렴하게 되며, 기지국은 상기 특정 값에 수렴된 상태를 최적화 상태로 판단한다.
다음으로, 기지국은 중계국의 송신 전력을 결정한다. 이때, 상기 중계국의 송신 전력은 상기 <수학식 1>과 같은 전송률 조건 및 상기 <수학식 2>와 같은 전력 소모 조건을 만족해야한다.
Figure 112007083825164-PAT00058
Figure 112007083825164-PAT00059
Figure 112007083825164-PAT00060
Figure 112007083825164-PAT00061
Figure 112007083825164-PAT00062
Figure 112007083825164-PAT00063
Figure 112007083825164-PAT00064
상기 <수학식 9>에서, 상기
Figure 112007083825164-PAT00065
는 중계국을 할당받은 단말들의 집합, 상기
Figure 112007083825164-PAT00066
는 단말i에게 할당된 중계국에서 단말i로의 송신 전력, 상기
Figure 112007083825164-PAT00067
는 단말i에게 할당된 중계국과 기지국 간의 채널 이득, 상기
Figure 112007083825164-PAT00068
는 하기 <수학식 10>과 같이 정의되는 변수, 상기
Figure 112007083825164-PAT00069
는 기지국에서 겪는 열 잡음, 상기
Figure 112007083825164-PAT00070
는 중계국을 할당받지 아니한 단말들로 인한 간섭, 상기
Figure 112007083825164-PAT00071
는 단말i의 송신 전력을 의미한다.
Figure 112007083825164-PAT00072
상기 <수학식 10>에서, 상기
Figure 112007083825164-PAT00073
는 단말i에서 송신된 신호에 대한 기지국에서의 신호대 잡음 및 간섭비를 의미한다.
만일, 상기 <수학식 9>를 만족하지 못하는 경우가 존재하면, 기지국은 대응되는 단말에게 할당된 중계국을 취소하고, 상기 대응되는 단말을 직접 링크 단말로 전환한다. 이때, 상기 <수학식 9>에 위배되는 단말이 복수 개인 경우, 기지국은 중계국으로하여금 가장 큰 송신 전력을 유발시키는 단말 하나만을 직접 링크 단말로 전환한다. 이로 인해, 간섭
Figure 112007083825164-PAT00074
와 단말 집합
Figure 112007083825164-PAT00075
가 변화하므로, 기지국은 단말 집합
Figure 112007083825164-PAT00076
에 포함된 모든 단말들이 상기 <수학식 9>와 같은 조건을 만족하는지 다시 확인한다. 결과적으로, 간섭
Figure 112007083825164-PAT00077
와 단말 집합
Figure 112007083825164-PAT00078
는 상기 <수학식 9>와 같은 조건을 만족할 때까지 매번 반복 단계마다 갱신된다.
이하 본 발명은 상술한 방식에 따라 송신 전력 및 중계국을 선택하는 기지국의 구성 및 동작 절차를 도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 중계 방식의 무선통신 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하고 있다.
상기 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 기지국은 무선통신부(402), 메시지생성기(404), 데이터버퍼(406), 메시지해석기(408), 제어부(410), 중계단말선택기(412), 중계국할당기(414), 중계국전력결정기(416)를 포함하여 구성된다.
상기 무선통신부(402)는 단말 및 중계국과 무선채널을 통해 통신을 수행하기 위한 무선 인터페이스를 제공한다. 다시 말해, 상기 무선통신부(402)는 시스템 규격에 따라 비트열과 물리적 신호 간 상호 변환 기능을 수행한다.
상기 메시지생성기(404)는 단말 및 중계국으로 송신될 제어 메시지를 생성한다. 여기서, 상기 제어 메시지는 통신을 수행하기 위한 정보 교환 또는 동작 제어를 위한 것으로서, 시스템 규격에 따르는 형식을 갖는다. 예를 들어, 상기 메시지생성기(404)는 자원할당 결과를 알리기 위한 메시지, 전력 제어를 위한 메시지 등을 생성한다. 상기 데이터버퍼(406)는 단말과 교환되는 데이터를 임시 저장하고, 상기 제어부(410)의 제어에 따라 저장된 데이터를 출력한다. 상기 메시지해석기(408)는 단말 및 중계국으로부터 수신된 제어 메시지를 해석한다. 예를 들어, 상기 메시지해석기(408)는 단말 및 중계국의 채널 품질 정보를 포함하는 메시지를 해석한다.
상기 제어부(410)는 기지국의 전반적인 기능을 제어한다. 또한, 상기 제어부(410)는 다른 블록들의 동작에 필요한 정보들을 각 블록으로 제공한다. 예를 들 어, 상기 제어부(410)는 상기 메시지해석기(408)에 의해 확인되는 각 링크, 즉, 중계국과 단말 간 링크, 기지국과 중계국 간 링크, 기지국과 단말 간 링크의 채널 품질 정보를 수집하여 상기 중계단말선택기(412), 상기 중계국할당기(414), 상기 중계국전력결정기(416)로 제공한다. 여기서, 상기 채널 품질 정보는 신호대 간섭 및 잡음비, 신호대 잡음비, 부반송파대 간섭 및 잡음비 등이 될수 있으며, 이하 설명은 신호대 간섭 및 잡음비를 예로 든다.
상기 중계단말선택기(412)는 셀 내의 단말들을 중 중계 링크로 통신을 수행할 단말들을 선택한다. 이를 위해, 상기 중계단말선택기(412)는 각 단말에 대해 중계 링크로 통신하는 경우와 직접 링크로 통신하는 경우의 전송률 및 전력 소모량을 비교한 결과, 전송률 조건과 전력 소모 조건을 만족하는 경우, 중계 링크로 통신을 수행할 단말로서 선택한다. 다시 말해, 상기 중계단말선택기(412)는 중계 링크로 통신하는 경우의 전송률이 상대적으로 높고 및 전력 소모량이 상대적으로 작은 경우, 중계 링크로 통신을 수행할 단말로서 선택한다. 예를 들어, 상기 전송률 조건은 상기 <수학식 1>과 같고, 상기 전력 소모 조건은 상기 <수학식 2>와 같다.
상기 중계국할당기(414)는 상기 중계단말선택기(412)에 의해 선택된 중계 링크 단말들을 대상으로 송신 전력을 결정하고, 동시에 중계국을 할당한다. 이때, 상기 <수학식 3>과 같은 조건이 만족되어야 한다. 이를 위해, 상기 중계국할당기(414)는 반복 기법을 사용하여 최적화 상태를 찾아낸다. 구체적으로 말하면, 상기 중계국할당기(414)는 중계 링크 단말들의 송신 전력을 원소로하는 전력 벡터를 초기화한 후, 각 단말의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시기기 위한 최소 송신 전력을 모든 후보 중계국들에 대해 산출한다. 그리고, 상기 중계국할당기(414)는 각 단말의 최소 송신 전력들 중 최소값을 각 단말의 송신 전력으로 재설정하고, 상기 최소값과 대응되는 중계국을 각 단말에게 할당한다. 이어, 상기 중계국할당기(414)는 재설정된 송신 전력들을 원소로하는 갱신된 전력 벡터를 이용하여, 다시 각 단말의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시기기 위한 최소 송신 전력을 모든 후보 중계국들에 대해 산출하고, 각 단말의 최소 송신 전력들 중 최소값을 각 단말의 송신 전력으로 재설정한다. 즉, 상기 중계국할당기(414)는 각 단말의 송신 전력이 최적화될 때까지 상기 송신 전력 재설정 과정을 반복 수행한다. 여기서, 상기 중계국할당기(414)는 송신 전력들의 갱신 전후의 변화치가 임계치보다 작게 발생하는 경우, 최적화되었다고 판단한다. 예를 들어, 상기 중계국할당기(414)는 상기 <수학식 7> 및 상기 <수학식 8>을 반복 수행하여 각 단말의 송신 전력을 결정하고, 중계국을 할당한다.
상기 중계국전력결정기(416)는 상기 중계국할당기(414)에 의해 각 단말에게 할당된 중계국들의 송신 전력을 결정한다. 이때, 상기 <수학식 9>와 같은 조건이 만족되어야 한다. 다시 말해, 상기 중계국전력결정기(416)는 상기 <수학식 1>과 같은 전송률 조건 및 상기 <수학식 2>와 같은 전력 소모 조건을 만족함과 동시에, 중계국들의 송신 전력 합을 최소화하도록 각 중계국의 송신 전력을 결정한다. 만일, 중계국의 송신 전력 결정 과정 중 중계 링크 성립 조건에 위배되는 경우가 존재하면, 상기 중계국전력결정기(416)는 해당되는 단말에게 할당된 중계국을 취소하고, 상기 대응되는 단말을 직접 링크 단말로 전환한다. 이때, 조건에 위배되는 단말이 복수 개인 경우, 상기 중계국전력결정기(416)는 중계국으로하여금 가장 큰 송신 전력을 유발시키는 단말 하나만을 직접 링크 단말로 전환하고, 다시 모든 경우가 조건을 만족하는지 검사한다.
도 5는 본 발명에 따른 중계 방식의 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 5를 참조하면, 상기 기지국은 501단계에서 각 링크, 즉, 중계국과 단말 간 링크, 기지국과 중계국 간 링크, 기지국과 단말 간 링크의 채널 품질 정보를 수집한다. 여기서, 상기 채널 품질 정보는 신호대 간섭 및 잡음비, 신호대 잡음비, 부반송파대 간섭 및 잡음비 등이 될수 있으며, 이하 설명은 신호대 간섭 및 잡음비를 예로 든다.
이어, 상기 기지국은 503단계로 진행하여 셀 내의 단말들을 중 중계 링크로 통신을 수행할 단말들을 선택한다. 즉, 상기 기지국은 각 단말에 대해 중계 링크로 통신하는 경우의 전송률 및 전력 소모량과 와 직접 링크로 통신하는 경우의 전송률 및 전력 소모량을 예상하고, 전송률 조건과 전력 소모 조건을 만족하는 단말들을 중계 링크 단말로 선택한다. 예를 들어, 상기 전송률 조건은 상기 <수학식 1>과 같고, 상기 전력 소모 조건은 상기 <수학식 2>와 같다.
상기 중계 링크 단말을 선택한 후, 상기 기지국은 505단계로 진행하여 단말의 송신 전력 벡터 및 중계국 할당 벡터를 초기화한다. 상기 송신 전력 벡터 및 상기 중계국 할당 벡터의 초기화 값은 실시 예에 따라 얼마든지 달라질 수 있으며, 어떠한 값으로 설정되더라도 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는다.
상기 송신 전력 벡터 및 상기 중계국 할당 벡터를 초기화한 후, 상기 기지국은 507단계로 진행하여 각 단말의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시기기 위한 최소 송신 전력을 모든 후보 중계국들에 대해 산출한다. 즉, 각 단말에 대해 후보 중계국들 개수 만큼의 최소 송신 전력 값들이 산출된다. 예를 들어, 상기 기직국은 상기 <수학식 7>과 같이 상기 최소 송신 전력 값들을 산출한다.
상기 각 단말의 최소 송신 전력 값들을 산출한 후, 상기 기지국은 509단계로 진행하여 각 단말의 최소 송신 전력 값들 중 최소값을 각 단말의 송신 전력으로 재설정하고, 상기 최소값과 대응되는 중계국을 각 단말에게 할당한다. 즉, 상기 기지국은 상기 송신 전력 벡터 및 상기 중계국 할당 벡터를 갱신한다. 예를 들어, 기지국은 상기 <수학식 7> 및 상기 <수학식 8>과 같이 상기 송신 전력 벡터 및 상기 중계국 할당 벡터를 갱신한다.
상기 송신 전력 벡터 및 상기 중계국 할당 벡터를 갱신한 후, 상기 기지국은 511단계로 진행하여 각 단말의 송신 전력이 최적화되었는지 확인한다. 여기서, 상기 기지국은 송신 전력 벡터를 갱신하여도 변화치가 임계치 이하로 발생하는 경우 최적화되었다고 판단한다. 만일, 각 단말의 송신 전력이 최적화되지 않았으면, 상기 기지국은 507단계로 되돌아간다.
만일, 각 단말의 송신 전력이 최적화되었으면, 상기 기지국은 513단계로 진행하여 각 단말에게 할당된 중계국들의 송신 전력을 결정한다. 이때, 상기 <수학식 9>와 같은 조건이 만족되어야 한다. 다시 말해, 상기 기지국은 상기 <수학식 1>과 같은 전송률 조건 및 상기 <수학식 2>와 같은 전력 소모 조건을 만족함과 동시에, 중계국들의 송신 전력 합을 최소화하도록 각 중계국의 송신 전력을 결정한다.
이어, 상기 기지국은 515단계로 진행하여 중계국의 송신 전력 결정 과정 중 중계 링크 성립 조건에 위배되는 경우가 존재하는지 확인한다. 다시 말해, 상기 기지국은 상기 <수학식 1>과 같은 전송률 조건 및 상기 <수학식 2>와 같은 전력 소모 조건 중 적어도 하나의 조건에 위배되는 경우가 존재하는지 확인한다. 만일, 상기 중계 링크 성립 조건에 위배되는 경우가 존재하지 않으면, 상기 기지국은 본 절차를 종료한다.
반면, 상기 중계 링크 성립 조건에 위배되는 경우가 존재하면, 상기 기지국은 517단계로 진행하여 조건에 위배되는 경우에 해당되는 단말에게 할당된 중계국을 취소하고, 상기 대응되는 단말을 직접 링크 단말로 전환한 후, 상기 513단계로 되돌아간다. 이때, 조건에 위배되는 단말이 복수 개인 경우, 상기 기지국은 중계국으로하여금 가장 큰 송신 전력을 유발시키는 단말 하나만을 직접 링크 단말로 전환한다.
상술한 바와 같이, 중계국 선택 및 송신 전력 결정은 기지국에 의해 수행된다. 하지만, 본 발명의 다른 실시 예에 따라, 상기 중계국 선택 및 상기 송신 전력 결정은 기지국 외의 다른 망 객체(network entity)에 의해 수행될 수 있다. 이 경우, 상기 중계국 선택 및 상기 송신 전력 결정 기능을 갖는 망 객체는 상기 도 4에 도시된 상기 중계단말선택기(412), 상기 중계국할당기(414), 상기 중계국전력결정 기(416)을 포함하며, 상기 도 5에 나타난 501단계 내지 517단계의 절차를 수행한다.
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.
도 1은 중계 방식의 무선통신 시스템에서 네트워크 코딩(network coding) 기법에 따른 통신 방식의 예를 도시하는 도면,
도 2는 중계 방식의 무선통신 시스템에서 협력 전송(cooperative transmission) 기법에 따른 통신 방식의 예를 도시하는 도면,
도 3은 중계 방식의 무선통신 시스템에서 본 발명에 따른 통신 방식의 예를 도시하는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 중계 방식의 무선통신 시스템에서 기지국의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 중계 방식의 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 절차를 도시하는 도면.

Claims (20)

  1. 네트워크 코딩(network coding) 및 협력 전송(cooperative transmission)을 적용한 중계 방식의 무선통신 시스템에서 기지국 장치에 있어서,
    중계 링크로 통신을 수행할 적어도 하나의 단말을 선택하는 선택기와,
    상기 적어도 하나의 단말의 송신 전력 총 합을 최소화하도록 상기 적어도 하나의 단말에게 적어도 하나의 중계국을 할당하는 할당기와,
    상기 적어도 나아의 중계국의 송신 전력 총 합을 최소화하도록 상기 적어도 하나의 중계국의 송신 전력을 결정하는 결정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 선택기는, 각 단말에 대해 중계 링크로 통신하는 경우와 직접 링크로 통신하는 경우의 전송률 및 전력 소모량을 비교한 결과, 중계 링크로 통신하는 경우의 전송률이 상대적으로 높고 및 전력 소모량이 상대적으로 작은 경우, 중계 링크로 통신을 수행할 적어도 하나의 단말로서 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 선택기는, 하기 수식을 만족하는 경우, 중계 링크로 통신하는 경우의 전송률이 상대적으로 높다고 판단하는 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112007083825164-PAT00079
    여기서, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00080
    는 송수신단 간 1회 신호 교환에 필요한 시간, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00081
    은 송신단(source)과 중계국(relay) 간 채널의 신호대 간섭 및 잡음비(SINR : Signal to Interference and Noise Ratio), 상기
    Figure 112007083825164-PAT00082
    는 중계국(relay)과 수신단(destination) 간 채널의 신호대 간섭 및 잡음비, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00083
    는 송신단(source)과 수신단(destination) 간 채널의 신호대 간섭 및 잡음비를 의미함.
  4. 제 2항에 있어서,
    상기 선택기는, 하기 수식을 만족하는 경우, 중계 링크로 통신하는 경우의 전력 소모량이 상대적으로 작다고 판단하는 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112007083825164-PAT00084
    여기서, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00085
    는 단말의 단위 시간당 송신 전력, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00086
    는 중계국의 단위 시간당 송신 전력을 의미함.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 할당기는, 상기 적어도 하나의 단말 각각의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시키기 위한 최소 송신 전력 값들을 상기 적어도 하나의 중계국 각각에 대해 산출하고, 상기 최소 송신 전력 값들 중 최소값을 상기 적어도 하나의 단말 각각의 송신 전력들로 갱신하고, 상기 최소값과 대응되는 중계국을 상기 적어도 하나의 단말 각각에게 할당하는 것을 특징으로 하는 장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 할당기는, 갱신된 송신 전력들이 최적화되지 않으면, 상기 송신 전력들을 다시 갱신하는 것을 특징으로 하는 장치.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 할당기는, 갱신 전후의 송신 전력들의 변화치가 임계치보다 작게 발생하는 경우, 상기 송신 전력들이 최적화되었다고 판단하는 것을 특징으로 하는 장치.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 할당기는, 하기 수식과 같이 상기 적어도 하나의 단말 각각의 송신 전력을 갱신하는 것을 특징으로 하는 장치,
    Figure 112007083825164-PAT00087
    Figure 112007083825164-PAT00088
    단,
    Figure 112007083825164-PAT00089
    여기서, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00090
    는 단말i와 중계국k의 채널에서 단말i의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시키기 위한 최소 송신 전력, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00091
    는 평균화된 행 벡터(nomalized row vector), 상기
    Figure 112007083825164-PAT00092
    는 각 단말의 송신 전력들을 원소로 갖는 전력 벡터, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00093
    는 단말i와 후보 중계국들 각각과의 채널에서 단말i의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시키기 위한 최소 송신 전력들 중 최소값, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00094
    는 중계국의 인덱스, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00095
    은 후보 중계국들의 집합, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00096
    는 단말i와 후보 중계국들 각각과의 채널에서 단말i의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시키기 위한 최소 송신 전력들 중 최소값과 대응되는 중계국의 인덱스, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00097
    는 단말i의 목표 신호대 간섭 및 잡음비, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00098
    는 중계국k에서 측정되는 잡음, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00099
    는 중계 국k와 단말i 간 채널 이득을 의미함.
  9. 제 1항에 있어서,
    상기 결정기는, 상기 적어도 하나의 중계국의 송신 전력을 결정한 후, 중계 링크의 성립 조건에 위배되는 경우가 존재하면, 해당되는 단말을 직접 링크 단말로 전환하고, 상기 적어도 하나의 중계국의 송신 전력을 재결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 결정기는, 중계 링크의 성립 조건에 위배되는 경우가 복수 개인 경우, 중계국으로하여금 가장 큰 송신 전력을 유발시키는 하나의 단말을 직접 링크 단말로 전환하고, 상기 적어도 하나의 중계국의 송신 전력을 재결정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 네트워크 코딩(network coding) 및 협력 전송(cooperative transmission)을 적용한 중계 방식의 무선통신 시스템에서 기지국의 동작 방법에 있어서,
    중계 링크로 통신을 수행할 적어도 하나의 단말을 선택하는 과정과,
    상기 적어도 하나의 단말의 송신 전력 총 합을 최소화하도록 상기 적어도 하나의 단말에게 적어도 하나의 중계국을 할당하는 과정과,
    상기 적어도 나아의 중계국의 송신 전력 총 합을 최소화하도록 상기 적어도 하나의 중계국의 송신 전력을 결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단말을 선택하는 과정은,
    각 단말에 대해 중계 링크로 통신하는 경우와 직접 링크로 통신하는 경우의 전송률 및 전력 소모량을 비교한 결과, 중계 링크로 통신하는 경우의 전송률이 상대적으로 높고 및 전력 소모량이 상대적으로 작은 경우, 중계 링크로 통신을 수행할 적어도 하나의 단말로서 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단말을 선택하는 과정은,
    하기 수식을 만족하는 경우, 중계 링크로 통신하는 경우의 전송률이 상대적으로 높다고 판단하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112007083825164-PAT00100
    여기서, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00101
    는 송수신단 간 1회 신호 교환에 필요한 시간, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00102
    은 송신단(source)과 중계국(relay) 간 채널의 신호대 간섭 및 잡음비(SINR : Signal to Interference and Noise Ratio), 상기
    Figure 112007083825164-PAT00103
    는 중계국(relay)과 수신단(destination) 간 채널의 신호대 간섭 및 잡음비, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00104
    는 송신단(source)과 수신단(destination) 간 채널의 신호대 간섭 및 잡음비를 의미함.
  14. 제 12항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단말을 선택하는 과정은,
    하기 수식을 만족하는 경우, 중계 링크로 통신하는 경우의 전력 소모량이 상대적으로 작다고 판단하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112007083825164-PAT00105
    여기서, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00106
    는 단말의 단위 시간당 송신 전력, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00107
    는 중계국의 단위 시간당 송신 전력을 의미함.
  15. 제 11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단말에게 적어도 하나의 중계국을 할당하는 과정은,
    상기 적어도 하나의 단말 각각의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시키기 위한 최소 송신 전력 값들을 상기 적어도 하나의 중계국 각각에 대해 산출하는 과정과,
    상기 최소 송신 전력 값들 중 최소값을 상기 적어도 하나의 단말 각각의 송신 전력들로 갱신하는 과정과,
    상기 최소값과 대응되는 중계국을 상기 적어도 하나의 단말 각각에게 할당하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단말에게 적어도 하나의 중계국을 할당하는 과정은,
    갱신된 송신 전력들이 최적화되지 않으면, 상기 송신 전력들을 다시 갱신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단말에게 적어도 하나의 중계국을 할당하는 과정은,
    갱신 전후의 송신 전력들의 변화치가 임계치보다 작게 발생하는 경우, 상기 송신 전력들이 최적화되었다고 판단하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  18. 제 17항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 단말 각각의 송신 전력은, 하기 수식과 같이 갱신되는 것을 특징으로 하는 방법,
    Figure 112007083825164-PAT00108
    Figure 112007083825164-PAT00109
    단,
    Figure 112007083825164-PAT00110
    여기서, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00111
    는 단말i와 중계국k의 채널에서 단말i의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시키기 위한 최소 송신 전력, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00112
    는 평균화된 행 벡터(nomalized row vector), 상기
    Figure 112007083825164-PAT00113
    는 각 단말의 송신 전력들을 원소로 갖는 전력 벡터, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00114
    는 단말i와 후보 중계국들 각각과의 채널에서 단말i의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시키기 위한 최소 송신 전력들 중 최소값, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00115
    는 중계국의 인덱스, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00116
    은 후보 중계국들의 집합, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00117
    는 단말i와 후보 중계국들 각각과의 채널에서 단말i의 요구 신호대 간섭 및 잡음비를 만족시키기 위한 최소 송신 전력들 중 최소값과 대응되는 중계국의 인덱스, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00118
    는 단말i의 목표 신호대 간섭 및 잡음비, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00119
    는 중계국k에서 측정되는 잡음, 상기
    Figure 112007083825164-PAT00120
    는 중계국k와 단말i 간 채널 이득을 의미함.
  19. 제 11항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중계국의 송신 전력을 결정하는 과정은,
    상기 적어도 하나의 중계국의 송신 전력을 결정한 후, 중계 링크의 성립 조건에 위배되는 경우가 존재하면, 해당되는 단말을 직접 링크 단말로 전환하는 과정과,
    상기 적어도 하나의 중계국의 송신 전력을 재결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 중계국의 송신 전력을 결정하는 과정은,
    중계 링크의 성립 조건에 위배되는 경우가 복수 개인 경우, 중계국으로하여금 가장 큰 송신 전력을 유발시키는 하나의 단말을 직접 링크 단말로 전환하는 과정과,
    상기 적어도 하나의 중계국의 송신 전력을 재결정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
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