KR20090055776A - 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 시스템, 장치및 방법 - Google Patents

무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 시스템, 장치및 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 시스템, 장치 및 방법에 관한 것으로, 협력다이버시티를 위한 무선통신 시스템에서 있어서, 목적지 노드로부터 피드백된 채널정보를 바탕으로 가중치를 구성한 후 계층변조 혹은 중첩변조 방식으로 변조된 심벌에 상기 가중치를 곱하여 전송하는 소스 노드와, 홀수 번째 타임슬롯 동안 상기 소스 노드로부터 변조심벌을 수신하여 다음 짝수 번째 타임슬롯 동안 목적지 노드로 해당 데이터를 변조하여 중계하는 제 1 중계기, 짝수 번째 타임슬롯 동안 상기 소스 노드로부터 변조심벌을 수신하여 다음 홀수 번째 타임슬롯 동안 목적지 노드로 해당 데이터를 변조하여 중계하는 제 2 중계기와, 상기 제 1 중계기 혹은 상기 제 2 중계기로부터 수신된 변조심벌과 상기 소스 노드로부터의 수신변조 심벌을 결합하는 목적지 노드를 포함하여, 협력중계 기법에서 사용되던 자원의 양(예: 타임슬롯)을 줄이면서 협력 다이버시티을 얻을 수 있는 이점이 있다.
협력 다이버시티(Cooperative Diversity), 중첩변조(Superposition Modulation), 계층변조(Hierarchical Modulation), 중계기.

Description

무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 시스템, 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR COOPERATIVE DIVERSITY IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 무선통신 시스템에서 중계통신에 관한 것으로, 특히 중계기반의 무선통신 시스템에서 계층변조(Hierarchical Modulation: 이하 "HM"라 칭함) 혹은 중첩변조(Superposition Modulation: 이하 "SM"라 칭함)를 이용한 협력전송 다이버시티(cooperative transmit diversity)를 위한 시스템, 장치 및 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 1은 종래기술에 따른 점대점(Point-To-Point) 방식의 통신 예를 도시하고 있다.
상기 도 1을 참조하면, 소스 노드(Source node)(100)와 목적지 노드(Destination node)(102)간 LOS(Line Of Sight)가 확보될 시에는 직접경로 (direct path)(104)를 통해 상기 소스 노드(100)와 상기 목적지 노드(102)는 통신한다.
도 2는 종래기술에 따른 중계 시스템 구성도를 도시하고 있다.
상기 도 2(a)를 참조하면, 소스 노드(Source node)(200)와 목적지 노드(Destination node)(202)간 LOS가 확보되지 않을 시 혹은 거리가 먼 경우에는 중계기(203, 204)를 통해 상기 소스 노드(200)와 상기 목적지 노드(202)는 통신할 수 있다. 즉, 상기 소스 노드(200)와 상기 목적지 노드(202)는 제 1 중계경로(relay path)(205-206)나 제 2 중계경로(207-208)의 협력(cooperation)통신 통해 데이터를 송수신한다.
상기 도 2(a)의 중계 시스템에서, 소스 노드(200)는 타임슬롯 1 동안에 데이터 A를 중계기(R1)(203)로 전송한다. 이때, 상기 R1(203)는 상기 소스(200)로부터 데이터 A를 수신할 때, 동시에 목적지(202)로 데이터를 전송할 수 없다. 그리고, 타임슬롯 2 동안에 상기 R1(203)은 상기 타임슬롯 1을 통해 수신한 데이터 A를 전송한다. 반대로 R1(203)이 상기 목적지(202)로 데이터를 전송할 때 상기 소스 노드(200)는 R1(203)으로 데이터를 전송할 수 없지만, 상기 소스 노드(200)는 R2(204)로 데이터 B를 전송할 수 없다.
마찬가지로, 상기 소스(200)는 타임슬롯 3에 데이터 C를 실어 중계기(R1)(203)로 전송한다. 이때, 상기 R1(203)는 상기 소스(200)로부터 데이터 C를 수신할 때, 동시에 목적지(202)로 데이터 C를 전송할 수 없다. 이후, 상기 R2(204) 는 타임슬롯 3에 상기 타임슬롯 2를 통해 수신한 데이터 B를 목적지(202)로 전송한다. R2(204)가 상기 목적지(204)로 데이터를 전송할 때 상기 소스(200)는 R2(204)으로 데이터를 전송할 수 없다.
상기 도 2의 시스템의 경우 최근 연구되고 있는 협력(cooperation) 기법들에서 기본적으로 요구되는 자원의 양(예: 타임슬롯)을 줄일 수 는 있으나 협력 다이버시티는 얻을 수 없게 된다.
도 3은 종래기술에 따른 또 다른 중계 시스템 구성도를 도시하고 있다.
상기 도 3(a)을 참조하면, 소스 노드(300)와 목적지 노드(303) 사이 통신은 하나의 중계 노드(304)를 이용하여, 2개의 타임슬롯 동안 직접경로(310)와 중계경로(306-308)로부터 받은 신호를 결합(combinig)하여 협력(cooperation) 통신을 수행한다. 이는 타임슬롯 자원의 낭비이며, 얻어지는 다이버시티(diversity) 효과에 비해 줄어드는 데이터 전송율(transmit data rate)을 감안할 때 효과적인 협력기법이라 할 수 없다.
상기 도 3(a)의 중계 시스템 경우, 소스(300)는 타임슬롯 1에 데이터 A를 실어 R1(304)과 목적지(302)로 전송한다. 이후, R1(304)은 타임슬롯 2에 수신한 데이터 A를 전송한다. 따라서, 상기 목적지 노드는 타임슬롯 1에서 수신한 데이터 A와 타임슬롯 2에서 수신한 데이터 A로부터 다이버시티 효과를 얻을 수 있다.
최근 연구되고 있는 계층변조(Hierarchical Modulation:HM) 혹은 중첩변조(Superposition Modulation:SM)를 이용한 협력(cooperation) 기법들은 상기 도 3 의 시스템을 이용한 환경에서 연구되고 있다.
하지만, 계층변조 혹은 중첩변조를 이용한 협력기법들은 다음과 같은 한계를 지니고 있다.
먼저, 계층변조(HM)를 이용한 협력기법의 경우, 중계 노드에 계층변조를 적용할 시, 안정적인 데이터(enhanced data) 전송을 할 수 있다. 하지만 이는 실질적인 협력기법으로 활용되지 않고 있다. 즉, 소스 노드에서 계층변조하여 전송시 목적지 노드는 공통 비트들(common bits)만 복조되고, 중계기는 소스 노드로부터의 계층변조 심벌을 수신하여 공통 비트들(common bits)와 향상 비트들(Enhancement bits)를 복조한다. 중계기는 목적지 노드가 향상 비트를 복조할 수 없기 때문에 향상 비트들을 목적지 노드로 중계한다. 따라서, 실질적으로 중계기를 통해 협력 다이버시티(cooperative diversity) 효과를 기대하기 어렵다.
중첩변조 방식을 이용한 협력기법의 경우, 상향링크(UpLink:UL) 상황에서 두 사용자가 서로의 중계 노드가 되어주며, 기지국에서는 이들 데이터를 결합하여 협력 다이버시티을 얻는다. 하지만, 협력다이버시티를 얻기 위해서는 2개 타임슬롯이 필요하며, 상향링크 상황에서만 적용될 수 있는 기법이라 할 수 있다.
무선통신 시스템에서 상향링크/하향링크에 관계없이 효율적으로 협력 다이버시티 이득을 얻을 수 있는 시스템, 장치 및 방법을 제안하여 상기 문제점을 해결하고자 한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 소스 노드의 동작 방법에 있어서, n 번째 데이터와 n+1 데이터를 계층변조 혹은 중첩변조하는 과정과, 상기 변조심벌에 가중치를 곱하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 제 1 중계기 동작 방법에 있어서, 홀수 번째 타임슬롯 동안 소스 노드로부터 계층변조 혹은 중첩변조된 심벌을 수신하는 과정과, 상기 수신심벌로부터 낮은 우선순위 비트 혹은 낮은 전력 심벌을 복조하는 과정과, 상기 복조한 정보비트를 해당 변조방식으로 변조한 후 다음 짝수 번째 타임슬롯 동안 가중치를 곱하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제 3 견지에 따르면, 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 제 2 중계기 동작 방법에 있어서, 짝수 번째 타임슬롯 동안 소스 노드로부터 계층변조 혹은 중첩변조된 심벌을 수신하는 과정과, 상기 수신심벌로부터 낮은 우선순위 비트 혹은 낮은 전력 심벌을 복조하는 과정과, 상기 복조한 정보비트를 해당 변조방식으로 변조한 후 다음 홀수 번째 타임슬롯 동안 가중치를 곱하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제 4 견지에 따르면, 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 소스 노드 장치에 있어서, n 번째 데이터와 n+1 데이터를 계층변조 혹은 중첩변조하는 변조기와, 상기 변조심벌에 가중치를 곱하여 전송하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제 5 견지에 따르면, 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 제 1 중계기에 있어서, 홀수 번째 타임슬롯 동안 소스 노드로부터 계층변조 혹은 중첩변조된 심벌을 수신하는 수신부와, 상기 수신심벌로부터 낮은 우선순위 비트 혹은 낮은 전력 심벌을 복조하는 복조기와, 상기 복조한 정보비트를 해당 변조방식으로 변조한 후 다음 짝수 번째 타임슬롯 동안 가중치를 곱하여 전송하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제 6 견지에 따르면, 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 제 2 중계기에 있어서, 짝수 번째 타임슬롯 동안 소스 노드로부터 계층변조 혹은 중첩변조된 심벌을 수신하는 수신부와, 상기 수신심벌로부터 낮은 우선순위 비트 혹은 낮은 전력 심벌을 복조하는 복조기와, 상기 복조한 정보비트를 해당 변조방식으로 변조한 후 다음 홀수 번째 타임슬롯 동안 가중치를 곱하여 전송하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 과제를 달성하기 위한 본 발명의 제 7 견지에 따르면, 협력다이버시 티를 위한 무선통신 시스템에서 있어서, 목적지 노드로부터 피드백된 채널정보를 바탕으로 가중치를 구성한 후 계층변조 혹은 중첩변조 방식으로 변조된 심벌에 상기 가중치를 곱하여 전송하는 소스 노드와, 홀수 번째 타임슬롯 동안 상기 소스 노드로부터 변조심벌을 수신하여 다음 짝수 번째 타임슬롯 동안 목적지 노드로 해당 데이터를 변조하여 중계하는 제 1 중계기, 짝수 번째 타임슬롯 동안 상기 소스 노드로부터 변조심벌을 수신하여 다음 홀수 번째 타임슬롯 동안 목적지 노드로 해당 데이터를 변조하여 중계하는 제 2 중계기와, 상기 제 1 중계기 혹은 상기 제 2 중계기로부터 수신된 변조심벌과 상기 소스 노드로부터의 수신변조 심벌을 결합하는 목적지 노드를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명은 소스 노드에서 중첩변조 혹은 계층변조하여 두 개의 중계기로 교대로 전송함으로써, 협력중계 기법에서 사용되던 자원의 양(예: 타임슬롯)을 줄이면서 협력 다이버시티을 얻을 수 있는 이점이 있다. 이는 상향링크/하향링크 모두에 적용될 수 있는 기법으로서 활용 범위가 기존의 여러 협력중계 기법보다 넓다. 또한, 다중 셀 환경에서 셀의 가장자리 영역 혹은 음영지역에서 있는 단말들의 서비스품질(QoS)을 유지할 수 있다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 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 생략할 것이다. 그리고 후술되는 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.
이하, 본 발명은 중계기반의 무선통신 시스템에서 계층변조(Hierarchical Modulation: 이하 "HM"라 칭함) 혹은 중첩변조(Superposition Modulation: 이하 "SM"라 칭함)를 이용한 협력전송 다이버시티(cooperative transmit diversity)를 위한 시스템, 장치 및 방법에 대해 설명하기로 한다.
도 4(a)는 본 발명의 실시 예에 따른 협력다이버시티를 얻기 위한 무선통신 시스템 구성도 및 장치를 도시하고 있다.
상기 도 4(a)를 참조하면, S는 소스 노드(400), D는 목적지 노드(430), R1은 제 1 중계 노드(410), R2는 제 2 중계 노드(420)를 의미한다. 여기서, 대문자 알파벳(alphabet) A, B, C, D들은 n 정보비트를 의미하고, A:B, B:C는 계층변조 혹은 중첩변조 방식에 의해 생성된 심벌을 의미한다. 계층변조나 중첩변조의 경우, 전력을 제어하여 각 심벌의 성상점(constellation)을 정확하게 일치시킬 수 있다.
상기 소스 노드(400)는 정보비트(A,B,C,D,…)가 있을 때 먼저 A와 B를 계층 변조(혹은 중첩변조) 시키고, 다음 B와 C를 계층변조시키고, C와 D를 계층변조시킨다. 그리고, 홀수 번째 타임슬롯(T=1,3,5,7,…) 동안 제 1 중계기(410)로 전송하고, 짝수 번째 타임슬롯(T=2,4,6,8…) 동안 제 2 중계기(420)로 교대로 변조한 심벌을 전송한다. 이때, 동시에 목적지 노드(430)로 변조한 심벌이 전송된다. 즉, 계층변조시, 정보비트(A,B,C,D,…)는 한번은 높은 우선순위 비트로 다음에 한번은 낮은 우선순위 비트(A:B, B:C, C:D...)로 처리하여 계층변조시킨다. 중첩변조의 경우, 정보비트(A,B,C,D,…)는 한번은 높은 전력을 할당받아 중첩변조되고, 다음에 한번 더 낮은 전력을 할당받아 중첩변조(A:B, B:C, C:D...)한다. 상세한 계층변조 및 중첩변조에 대한 설명은 하기 도 9 내지 도 10에서 설명하기로 한다.
또한, 상기 소스 노드(400)는 변조심벌을 전송할 때 크로스 텀(cross term) 발생으로 인한 성능저하를 방지하기 위해서 가중치(w(S:D))를 곱해서 전송한다. 상기 가중치(w(S:D))는 목적지 노드(430)로부터 피드백된 채널정보로부터 구해진다.
제 2 중계기(420)는 짝수 번째 타임슬롯(T=2,4,6,8…) 동안 상기 소스 노드(400)로부터 변조심벌을 수신하고 상기 수신한 변조심벌을 복조하고(복조기(412)) 높은 우선순위 비트와 낮은 우선순위 비트 중 높은 우선순위 비트를 해당 변조방식(예: QPSK, QAM 등등)으로 재변조한다(변조기(410)). 그리고, 홀수 번째 타임슬롯(T=1,3,5,7,…) 동안에 재변조된 심벌(Sc)을 목적지 노드(430)로 전송한다.
마찬가지로, 제 1 중계기(410)는 홀수 번째 타임슬롯(T=1,3,5,7,…) 동안 상기 소스 노드(400)로부터 변조심벌을 수신하고 상기 수신한 변조심벌을 복조하고 (복조기(422)) 높은 우선순위 비트와 낮은 우선순위 비트 중 높은 우선순위 비트를 해당 변조방식(예: QPSK, QAM 등등)으로 재변조한다(변조기(424)). 그리고, 짝수 번째 타임슬롯(T=2,4,6,8…) 동안에 재변조된 심벌(Sc)을 목적지 노드(430)로 전송한다.
상술한 바와 같이, 소스 노드(400)에서 계층변조 혹은 중첩변조를 하여 데이터를 전송하면, 제 1 중계기(410)와 제 2 중계기(420)에서는 계층변조 혹은 중첩변조로 생성된 심벌을 수신하여, 복조기(412, 422)를 통해 복조를 한 후, d높은 우선순위 비트(혹은 높은 전력을 할당받은 비트)를 해당 변조방식으로 변조하여 데이터를 전송한다. 그러므로, 각 중계기에서 추출된 복조기의 비트들은 제 1 중계기(410)에서
Figure 112007086073858-PAT00001
와 같은 순서로 나타나며, 제 2 중계기(420)에서
Figure 112007086073858-PAT00002
와 같은 순서로 나타난다. 각 중계기(410, 414)에서 다시 만들어진 변조심벌은
Figure 112007086073858-PAT00003
로 표현한다. 전송 시에 중계기(410, 420)는 목적지 노드(430)에서 피드백 받은 채널정보를 바탕으로 가중치(w( R1 :D), w( R2 :D))를 곱해 전송한다.
목적지 노드(430)는 매 타임슬롯 동안 소스 노드(400)와 제 1 중계기(410)/제 2 중계기(420)로부터 데이터를 수신한다. 즉, 소스 노드(400)에서 직접경로(direct path)를 통해 전송하는 계층변조 혹은 중첩변조로 생성된 심벌과 제 1 중계기(410)와 제 2 중계기(420)가 전송하는 변조심벌을 수신한다. 이미 소스 노드(400)와 제 1 중계기(410), 제 2 중계기(420)에서 가중치를 곱해 전송 신호들이 합성(sum)이 되어 수신되면서 특별한 처리 없이 바로 해당 변조방식에 따른 복조를 수행하여 2개의 정보비트(예: 타임슬롯 1 동안에 A:B와 A, 타임슬롯 2 동안에 B:C와 B)를 얻게 된다.
목적지 노드(430)에서 수신되는 신호는 하기 <도 1>과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112007086073858-PAT00004
Figure 112007086073858-PAT00005
여기서, y는 D에서의 수신 신호이고, δ는 S와 D사이의 거리에 따른 감쇄인자(attenuation factor), r(S:D)는 S에서 D까지의 정규화된 거리, r( R2 :D)은 R2에서 D까지의 정규화된 거리, u는 경로손실 지수(path loss exponent), s는 S에서 전송한 신호, sc는 중계기에서 전송한 신호, n은 부가적인 백색 가우시안 잡음(Additive White Gaussian Noise: AWGN)이다.
목적지 노드(430)에서 동시에 소스 노드(400) 및 중계기(410, 420)로부터 동시에 서로 다른 채널을 통해 데이터를 수신하기 때문에 크로스 텀(cross term)이 발생하게 되며 이는 성능 저하의 원인이 된다. 이를 위해, 최대비 결합(Maximum Ratio Combing:MRC) 혹은 동등 이득 결합(Equal Gain Combining: EGC)에 기반하여 소스 노드(400)와 중계기(410, 420)에 곱하여 신호를 전송하게 된다.
도 4(b)는 상기 도 4(a)에 설명한 시스템에서 협력다이버시티 예를 도시하고 있다.
소스 노드(S)(400)는 슬롯 0 동안 제 2 중계기(R2)(420)로 Z:A 심벌을 수신했다고 가정한다. 이후, 슬롯 1 동안에 S는 A:B 심벌을 전송하고 이때 제 1 중계기(R1)(410)와 목적지 노드(D)(430)는 A:B 심벌을 수신하게 된다. 동시에 R2은 Z:A 심벌에서 A만을 복조하여 해당 변조방식으로 재변조하여 전송한다. 그러므로, D에서는 서로 다른 무선채널을 통해 두 심벌 A:B와 A을 수신하게 된다. 이때, D는 A라는 신호를 합성(combinig)하여 전송 다이버시티(transmit diversity)를 얻게 된다. 유사하게, 슬롯 2 동안에 R1이 슬롯 1 동안 수신한 A:B 심벌로부터 B을 복조한 후 해당변조 방식으로 재변조하여 전송한다. 이때 S 역시 B:C 심벌을 전송한다. 이로써 D에서는 B와 B:C의 합성을 통하여 전송 다이버시티를 얻게 된다. 타임슬롯 3, 타임슬롯 4에서도 R1, R2가 교대로 송신과 수신을 함으로써 D에서 C:D와 C, D:E와 D를 수신하게 된다.
이처럼 두 개의 중계 노드를 이용한 협력통신이 반복 수행됨으로써 각 데이터 A, B, C 등등의 데이터들이 각 한 타임슬롯을 통해 협력다이버시티를 얻으며 전송된다.
도 4(c)는 상기 도 4(b)의 예에서 협력다이버시티를 테이블로 나타내고 있다.
테이블 안에 있는 값은 각 타임 슬롯별 송.수신된 심벌을 의미한다. 상기 도 4(c)에서 보이는 점선으로 표시된 동그라미는 목적지 노드에서 합성되는 신호들을 나타낸다. 그리고, 동그라미가 아닌 것들은 수신된 신호를 나타낸다. 예를 들어, 타임슬롯 1 동안에 A:B와 A, 타임슬롯 2 동안에 B:C와 B, 타임슬롯 3 동안에 C:D와 C, 타임슬롯 4 동안에 D:E와 D, 타임슬롯 5 동안에 E:F와 E가 합성된다.
일반적으로 중계기들은 동시에 송수신을 할 수 없으므로 실제 시스템에서 자원낭비 없는 전송을 위해서는 두 개의 중계기(R1, R2)가 필요하게 되며, 각 중계기가 다음 타임슬롯 동안 전송할 데이터를 미리 버퍼링하고 있고 소스 노드에서 계층변조 혹은 중첩변조를 적용할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 소스 노드의 동작 흐름도를 도시하고 있다. 하향링크 경우 소스 노드는 기지국이 되며, 상향링크 경우 소스 노드는 단말이 된다.
상기 도 5를 참조하면, 상기 소스 노드는 500 단계에서 기지국으로부터 채널정보를 피드백받는다. 이후, 단말은 502 단계에서 상기 채널정보를 바탕으로 가중치를 산출한다.
이후, 상기 소스 노드는 504 단계에서 정보비트에 대해 제 1 계층변조 혹은 중첩변조를 수행한다. 예를 들어, 상기 n 번째 데이터와 상기 n+1 번째 데이터에 대해 제 1 계층변조를 수행할 경우, 상기 n 번째 데이터는 높은 우선순위 비트가 되며 상기 n+1 데이터는 낮은 우선순위 비트가 되고, 상기 중첩변조시 상기 n 번째 데이터는 높은 전력 심벌이 되며 상기 n+1 데이터는 낮은 전력 심벌로 변조된다. 하기 도 9 내지 하기 도 10 참조하기로 한다.
이후, 상기 소스 노드는 506 단계에서 변조심벌에 산출한 가중치를 곱하여 홀수 번째 타임슬롯 동안 제 1 중계기로 전송한다.
이후, 상기 소스 노드는 508 단계에서 정보비트에 대해 제 2 계층변조 혹은 중첩변조를 수행한다. 예를 들어, 상기 n+1 번째 데이터와 상기 n+2 번째 데이터에 대해 제 2 계층변조를 수행할 경우, 상기 n+1 번째 데이터는 높은 우선순위 비트가 되며 상기 n+2 데이터는 낮은 우선순위 비트가 되고, 상기 중첩변조시 상기 n+1 번째 데이터는 높은 전력 심벌이 되며 상기 n+2 데이터는 낮은 전력 심벌로 변조된다. 하기 도 9 내지 하기 도 10 참조하기로 한다.
이후, 상기 소스 노드는 510 단계에서 변조심벌에 산출한 가중치를 곱하여 짝수 번째 타임슬롯 동안 제 2 중계기로 전송한다.
이후, 상기 소스 노드는 512 단계에서 전송할 정보비트가 있는지 확인하여 있을 시에 n값을 2 증가(++2)시켜 상기 504 단계에서 내지 상기 510 단계를 반복수행한다.
이후, 본 발명의 협력다이버시티를 위한 절차를 종료한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 협력다이버시티를 얻기 위한 제 1 중계기 동작 흐름도를 도시하고 있다.
상기 도 6을 참조하면, 중계기는 600 단계에서 채널정보를 피드백 받아 가중치를 산출한다.
이후, 상기 중계기는 602 단계에서 홀수 번째 타임슬롯 시에 수신심벌에 가중치를 곱하여 보상한다. T = 1,3,5,..인 경우 제 1 중계기가 소스 노드로부터 심벌신호를 수신하여 소스 노드와 목적지 노드 사이의 채널을 기준으로 만들어진 가중치를 보상해 주고 소스 노드와 제 1 중계기간 채널의 컨주게이트(conjugate) 값을 곱해줌으로써 채널이득을 얻으며 수신한다. 이후, 상기 중계기는 606 단계에서 보상된 심벌을 복조한다. 복조시 n, n+2 n+4... 번째 데이터가 출력된다.
반면, 홀수 번째 타임슬롯 아닐 시(즉, 짝수 번째 타임슬롯) 상기 중계기는 608 단계에서 이전 홀수 번째 타임슬롯에서 복조한 비트를 해당 변조 방식으로 변조한다. 이후, 상기 중계기는 610 단계에서 변조심벌에 가중치를 보상하여 전송한다.
이후, 본 발명의 협력다이버시티를 얻기 위한 절차를 종료한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 협력다이버시티를 얻기 위한 제 2 중계기 동작 흐름도를 도시하고 있다.
상기 도 7을 참조하면, 중계기는 700 단계에서 채널정보를 피드백 받아 가중치를 산출한다.
이후, 상기 중계기는 702 단계에서 짝수 번째 타임슬롯 시에 수신심벌에 가중치를 곱하여 보상한다. T = 2,4,5,..인 경우 제 2 중계기가 소스 노드로부터 심벌신호를 수신하여 소스 노드와 목적지 노드 사이의 채널을 기준으로 만들어진 가중치를 보상해 주고 소스 노드와 제 2 중계기간 채널의 컨주게이트(conjugate) 값 을 곱해줌으로써 채널이득을 얻으며 수신한다. 이후, 상기 중계기는 706 단계에서 보상된 심벌을 복조한다. 복조시 n+1, n+3 n+5... 번째 데이터가 출력된다.
반면, 짝수 번째 타임슬롯 아닐 시(즉, 홀수 번째 타임슬롯) 상기 중계기는 708 단계에서 이전 짝수 번째 타임슬롯에서 복조한 비트를 해당 변조 방식으로 변조한다. 이후, 상기 중계기는 710 단계에서 변조심벌에 가중치를 보상하여 전송한다.
이후, 본 발명의 협력다이버시티를 얻기 위한 절차를 종료한다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 협력다이버시티를 얻기 위한 목적지 노드 동작 흐름도를 도시하고 있다. 하향링크 경우 목적지 노드는 기지국이 되며, 상향링크 경우 목적지 노드는 단말이 된다.
상기 도 8을 참조하면, 상기 목적지 노드는 800 단계에서 채널정보를 소스 노드, 제 1 중계기 및 제 2 중계기로 피드백한다.
이후, 상기 목적지 노드는 802 단계에서 매 타임슬롯마다 소스 노드로부터 n 번째 데이터와 n+1 데이터를 포함하고 있는 계층변조 혹은 중첩변조 심벌을 수신한다. 그리고, 상기 목적지 노드는 804 단계에서 동시에 제 1 중계기 또는 제 2 중계기로부터 상기 n 번째 데이터의 변조심벌을 수신한다. 예를 들어, 짝수 번째 타임슬롯 동안에 n 번째 데이터 변조심벌을 수신하고, 홀수 번째 타임슬롯 동안에 n 번째 데이터 변조심벌을 수신한다.
이후, 상기 목적지 노드는 806 단계에서 소스 노드로부터 수신한 n 번째 데 이터와 제 1 중계기 혹은 제 2 중계기로부터의 n 번째 데이터를 복조한다.
이후, 본 발명의 협력다이버시티를 얻기 위한 절차를 종료한다.
도 9는 본 발명에 따른 4/4 QAM 중첩변조(Superposition Modulation)의 예를 나타낸다.
상기 도 9를 참조하면, 4/4 QAM 중첩변조는 송신기에서 2개의 4 QAM 변조심벌에 각각 다른 전력(low power 와 high power)을 할당한 x1(602), x2(600) 변조심벌을 합성한 x 변조심벌을 전송한다. 수신기는 상기 송신기로부터 x 변조심벌을 수신한 후, 높은 전력이 할당된 4 QAM 변조심벌(x1)(602)을 먼저 복조(demodulation)하고, 순차간섭제거(Successive Interference Cancellation: SIC)를 통해 낮은 전력이 할당된 4 QAM 심벌(x2)(600)을 복조한다. 이때, 각 심벌에 할당할 전송전력 제어가 가능함으로 채널환경에 맞게 전력을 조정할 필요가 있다.
도 10은 본 발명에 따른 4/16 QAM 계층변조(Hierarchical Modulation)의 예를 나타낸다.
상기 도 10을 참조하면, 계층변조는 높은 우선순위를 가지는 비트 스트림(bit stream)과 낮은 우선순위를 가지는 비트 스트림으로 구분하여 효율적인 전송을 위하여 방송에서 쓰이는 변조기술이다. 예를 들어, 4/16 QAM 계층변조는 높은 우선순위를 갖는 비트들에 대해 4 QAM(혹은 4 QPSK)와 4 QAM의 결합으로 볼 수 있다. 4/16 QAM의 성상점(constellation)을 보면 앞 두 비트(700)의 경우는 x와 y의 축을 기준으로 복조가 되며, 뒤에 두 비트(702)의 경우는 16 QAM 심벌의 성상점 사이의 축 값을 기준으로 복조한다. 이는 앞 두 비트(700)의 경우 뒤의 2 비트(702)의 경우보다 에러확률이 낮을 수밖에 없으므로 안정적인 전송이 가능하다. 마찬가지로 성상점간 거리의 조정으로 비트에 할당된 전력을 조정할 수 있다.
도면 11은 종래기술과 본 발명의 비교를 위한 예를 도시하고 있다. 여기서, A와 B는 각각의 단말을 의미하며, A1, A2..는 A가 전송할 데이터의 순서를 의미한다. 마찬가지로, B1, B2..는 단말 B가 보내는 데이터의 순서를 의미한다.
상기 도 11을 참조하면, 기준시스템(baseline system)(1100)이란 각 타임슬롯에서 각각의 단말이 순차적으로 자신의 패킷 데이터를 전송하는 것을 의미한다.(상기 도 2 참조)
전형적인 복호 후 포워팅 협력(Classical decode-and-forward cooperation)(1202) 방식의 경우, 각 타임슬롯에서 자신이 데이터를 전송할 때 다른 단말은 중계의 역할을 하지만, 각 데이터가 전송되는 시간은 기존의 타임슬롯의 1/2로 전송하게 된다. 즉, 매 타임슬롯에서 단말 A와 B는 서로 중계역할을 번갈아 하며 통신을 하게 된다. 즉, 단말 A가 데이터 패킷 데이터 A를 전송할 때, 단말 B는 A 데이터를 수신하여 A'로 포워딩한다.
SHMC(Superposition&Hierarchical Modulation Coding)(1104) 방식은 서로 데이터를 중첩(superposition)하여 협력다이버시티의 효과를 얻을 수 있다. 우선 초기에 A1이라는 데이터가 단말 B가 수신한 상태라고 가정한다. 그러면, 타임슬롯 1 에서 단말 B는 자신의 데이터인 B1과 단말 A로부터 수신한 A1을 중첩한다. 이때 A1'는 단말 A가 중계기로 동작할 때 검출된 A1의 데이터임을 의미한다. B1+A1'이 단말 B를 통하여 전송되면, 다음 타임슬롯에 목적지 노드와 단말 A가 이를 수신하게 된다. 이때, 단말 A는 자신의 데이터 A1을 알고 있으므로 A1'을 제외하고 B1을 추출한 후 자신의 데이터인 A2와 중첩하여 A2+B1'전송하게 된다. 다음 타임슬롯에 단말 B와 목적지 노드는 이를 수신하게 된다. 이때, 단말 B는 마찬가지로 B자신의 데이터인 B1을 알고 있으므로, B1'을 제외하고 A2를 검출한 후 B2와 중첩하여 B2+A2'를 보내게 된다. 결과적으로 목적지 노드는 2개 타임슬롯 동안 중첩되어 들어온 두 신호들 중에서 겹쳐지는 신호를 두 신호가 잘 들어온 경우 합산하여 검출하게 된다.
도 12는 본 발명에 따른 시뮬레이션 결과 그래프를 도시하고 있다.
상기 도 12를 참조하면, r_NHD(Normalized Horizontal Distance)가 0.3 인 SHMC(Superposition&Hierarchical Modulation Coding) 스킴을 적용할 경우 비트 오류율(Bit Error Rate:BER) 성능이 우수하다는 것을 알 수 있다.
하지만, 소스 노드와 목적지 노드 사이의 거리가 멀어질수록 성능이 열화가 발생하는 것을 알 수 있다. 이는 소스 노드-중계 노드 링크에서의 계층변조의 뒤에 n 비트의 BER 성능의 저하가 원인이라 할 수 있다. 여기서, 일정 영역에서 SHMC 스킴이 좋은 성능을 보임을 알 수 있으며, 이러한 영역은 계층변조 혹은 중첩변조에서의 각 비트별 혹은 심벌별 최적의 전송 전력을 조정함으로 그 영역을 확장시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한, 주어진 환경 즉, 높은 SNR(Signal to Noise Ratio) 혹은 낮은 SNR, 각 노드 별 경로손실에 따라 소스 노드와 중계기에서 최적의 성능을 보이는 가중치 역시 조정될 수 있을 것이다.
상기 도 4에서 중계기가 R1, R2인 경우를 예를 들어 설명하고 있지만, 중계기가 2개 이상인 경우에 본 발명을 적용할 수 있다. 본 발명의 구성원리에서 보듯이 중계기 수가 증가할수록 협력다이버시티를 통한 성능향상을 기대할 수 있다. 상기 도 4에 중계기의 개수가 증가할 경우 제 1 중계기 그룹과 제 2 중계기 그룹으로 그룹핑함으로써 상기 제 1 중계기에 있는 중계기들은 상기 도 4의 제 1 중계기와 같은 동작을 수행하고, 상기 제 2 중계기에 있는 중계기들은 하기 도 4의 제 2 중계기와 같은 동작을 수행한다. 구현에 따라서, 제 1 중계기 그룹에서 하나의 중계기를 선택하여 제 1 중계기 그룹 대표로 동작하고, 제 2 중계기 그룹에서 하나 선택하여 대표로 동작할 수 있다.
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 종래기술에 따른 점대점(Point-To-Point) 방식의 통신 예시도,
도 2는 종래기술에 따른 중계 시스템 구성도,
도 3은 종래기술에 따른 또 다른 중계 시스템 구성도,
도 4(a)는 본 발명의 실시 예에 따른 협력다이버시티를 얻기 위한 무선통신 시스템 구성도 및 장치도,
도 4(b)는 상기 도 4(a)의 중계 시스템에서 협력다이버시티 예시도,
도 4(c)는 상기 도 4(b)에 따른 협력다이버시티 테이블,
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 소스 노드의 동작 흐름도,
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 협력다이버시티를 얻기 위한 제 1 중계기 동작 흐름도,
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 협력다이버시티를 얻기 위한 제 2 중계기 동작 흐름도,
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 협력다이버시티를 얻기 위한 목적지 노드 동작 흐름도,
도 9는 본 발명에 따른 4/4 QAM 중첩변조(Superposition Modulation)의 예시도,
도 10은 본 발명에 따른 4/16 QAM 계층변조(Hierarchical Modulation)의 예시도,
도 11은 종래기술과 본 발명의 비교를 위한 예시도 및,
도 12는 시뮬레이션 결과 그래프.

Claims (27)

  1. 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 소스 노드의 동작 방법에 있어서,
    n 번째 데이터와 n+1 데이터를 계층변조 혹은 중첩변조하는 과정과,
    상기 변조심벌에 가중치를 곱하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 계층변조시, 상기 n 번째 데이터는 높은 우선순위 비트가 되며 상기 n+1 데이터는 낮은 우선순위 비트가 되고, 상기 중첩변조시 상기 n 번째 데이터는 높은 전력 심벌이 되며 상기 n+1 데이터는 낮은 전력 심벌이 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 변조심벌에 가중치를 곱하여 전송한 후, 상기 n+1 번째 데이터와 n+2 데이터를 계층변조 혹은 중첩변조하는 과정과,
    상기 변조심벌에 가중치를 곱하여 전송하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으 로 하는 방법.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 계층변조시, 상기 n+1 번째 데이터는 높은 우선순위 비트가 되며 상기 n+2 데이터는 낮은 우선순위 비트가 되고, 상기 중첩변조시 상기 n+1 번째 데이터는 높은 전력 심벌이 되며 상기 n+2 데이터는 낮은 전력 심벌이 되는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 가중치를 채널정보를 피드백 받아 산출하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 제 1 중계기 동작 방법에 있어서,
    홀수 번째 타임슬롯 동안 소스 노드로부터 계층변조 혹은 중첩변조된 심벌을 수신하는 과정과,
    상기 수신심벌로부터 낮은 우선순위 비트 혹은 낮은 전력 심벌을 복조하는 과정과,
    상기 복조한 정보비트를 해당 변조방식으로 변조한 후 다음 짝수 번째 타임슬롯 동안 가중치를 곱하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 6항에 있어서,
    상기 가중치를 채널정보를 피드백 받아 산출하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 제 2 중계기 동작 방법에 있어서,
    짝수 번째 타임슬롯 동안 소스 노드로부터 계층변조 혹은 중첩변조된 심벌을 수신하는 과정과,
    상기 수신심벌로부터 낮은 우선순위 비트 혹은 낮은 전력 심벌을 복조하는 과정과,
    상기 복조한 정보비트를 해당 변조방식으로 변조한 후 다음 홀수 번째 타임슬롯 동안 가중치를 곱하여 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 가중치를 채널정보를 피드백 받아 산출하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 목적지 노드 동작 방법에 있어서,
    매 타임슬롯마다 소스 노드로부터 n 번째 데이터와 n+1 데이터를 포함하고 있는 계층변조 혹은 중첩변조 심벌을 수신하고 동시에 제 1 중계기 또는 제 2 중계기로부터 상기 n 번째 데이터의 변조심벌을 수신하는 과정과,
    상기 n 번째 데이터를 복조하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 소스 노드와 상기 제 1 중계기/제 2 중계기에 대해 채널추정하여 피드백하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 10항에 있어서,
    상기 제 1 중계기로부터 짝수 번째 타임슬롯 동안에 해당 데이터 심벌을 수 신하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 10항에 있어서,
    상기 제 2 중계기로부터 홀수 번째 타임슬롯 동안에 해당 데이터 심벌을 수신하는 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 소스 노드 장치에 있어서,
    n 번째 데이터와 n+1 데이터를 계층변조 혹은 중첩변조하는 변조기와,
    상기 변조심벌에 가중치를 곱하여 전송하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 계층변조시, 상기 n 번째 데이터는 높은 우선순위 비트가 되며 상기 n+1 데이터는 낮은 우선순위 비트가 되고, 상기 중첩변조시 상기 n 번째 데이터는 높은 전력 심벌이 되며 상기 n+1 데이터는 낮은 전력 심벌이 되는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 14항에 있어서,
    상기 변조심벌에 가중치를 곱하여 전송한 후, 상기 n+1 번째 데이터와 n+2 데이터를 계층변조 혹은 중첩변조하는 과정과,
    상기 변조심벌에 가중치를 곱하여 전송하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 제 16항에 있어서,
    상기 계층변조시, 상기 n+1 번째 데이터는 높은 우선순위 비트가 되며 상기 n+2 데이터는 낮은 우선순위 비트가 되고, 상기 중첩변조시 상기 n+1 번째 데이터는 높은 전력 심벌이 되며 상기 n+2 데이터는 낮은 전력 심벌이 되는 것을 특징으로 하는 장치.
  18. 제 14항에 있어서,
    상기 가중치를 채널정보를 피드백 받아 산출하는 피드백부를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 제 1 중계기에 있어서,
    홀수 번째 타임슬롯 동안 소스 노드로부터 계층변조 혹은 중첩변조된 심벌을 수신하는 수신부와,
    상기 수신심벌로부터 낮은 우선순위 비트 혹은 낮은 전력 심벌을 복조하는 복조기와,
    상기 복조한 정보비트를 해당 변조방식으로 변조한 후 다음 짝수 번째 타임슬롯 동안 가중치를 곱하여 전송하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 19항에 있어서,
    상기 가중치를 채널정보를 피드백 받아 산출하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 제 2 중계기에 있어서,
    짝수 번째 타임슬롯 동안 소스 노드로부터 계층변조 혹은 중첩변조된 심벌을 수신하는 수신부와,
    상기 수신심벌로부터 낮은 우선순위 비트 혹은 낮은 전력 심벌을 복조하는 복조기와,
    상기 복조한 정보비트를 해당 변조방식으로 변조한 후 다음 홀수 번째 타임 슬롯 동안 가중치를 곱하여 전송하는 송신부를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 가중치를 채널정보를 피드백 받아 산출하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 무선통신 시스템에서 협력다이버시티를 위한 목적지 노드 장치에 있어서,
    매 타임슬롯마다 소스 노드로부터 n 번째 데이터와 n+1 데이터를 포함하고 있는 계층변조 혹은 중첩변조 심벌을 수신하고 동시에 제 1 중계기 또는 제 2 중계기로부터 상기 n 번째 데이터의 변조심벌을 수신하는 수신부와,
    상기 n 번째 데이터를 복조하는 복조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 소스 노드, 상기 제 1 중계기 및 제 2 중계기에 대해 채널추정하여 피드백하는 채널추정기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제 23항에 있어서,
    상기 제 1 중계기로부터 짝수 번째 타임슬롯 동안에 해당 데이터 심벌을 수신하는 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 제 23항에 있어서,
    상기 제 2 중계기로부터 홀수 번째 타임슬롯 동안에 해당 데이터 심벌을 수신하는 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 협력다이버시티를 위한 무선통신 시스템에서 있어서,
    목적지 노드로부터 피드백된 채널정보를 바탕으로 가중치를 구성한 후 계층변조 혹은 중첩변조 방식으로 변조된 심벌에 상기 가중치를 곱하여 전송하는 소스 노드와,
    홀수 번째 타임슬롯 동안 상기 소스 노드로부터 변조심벌을 수신하여 다음 짝수 번째 타임슬롯 동안 목적지 노드로 해당 데이터를 변조하여 중계하는 제 1 중계기, 짝수 번째 타임슬롯 동안 상기 소스 노드로부터 변조심벌을 수신하여 다음 홀수 번째 타임슬롯 동안 목적지 노드로 해당 데이터를 변조하여 중계하는 제 2 중계기와,
    상기 제 1 중계기 혹은 상기 제 2 중계기로부터 수신된 변조심벌과 상기 소스 노드로부터의 수신변조 심벌을 결합하는 목적지 노드를 포함하는 것을 특징으로 하는 시스템.
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