KR20100027926A - 협력 다이버시티를 위한 자원 할당 방법 - Google Patents

Abstract

무선 통신 시스템에서 협력 다이버시티를 위한 자원 할당 방법은 복수의 소스국과 복수의 중계국에 대한 채널 상태를 획득하는 단계, 및 상기 채널 상태를 기반으로 하여 각 소스국에 배타적으로 적어도 하나의 부반송파를 할당하고, 각 소스국에 대한 중계국을 선택하는 단계를 포함한다. 상기 중계국은 대응하는 소스국과 동일한 부반송파를 이용하여 협력 다이버시티를 수행한다.

Description

협력 다이버시티를 위한 자원 할당 방법{METHOD OF ALLOCATING RESOURCES FOR COOPERATIVE DIVERSITY}

본 발명은 무선통신에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선통신 시스템에서 협력 다이버시티를 수행하는 방법에 관한 것이다.

무선통신 시스템이 음성이나 데이터 등과 같은 다양한 종류의 통신 서비스를 제공하기 위해 광범위하게 전개되고 있다. 일반적으로 무선통신 시스템은 가용한 시스템 자원(대역폭, 전송 파워 등)을 공유하여 다중 사용자와의 통신을 지원할 수 있는 다중 접속(multiple access) 시스템이다. 다중 접속 시스템의 예들로는 CDMA(code division multiple access) 시스템, FDMA(frequency division multiple access) 시스템, TDMA(time division multiple access) 시스템, OFDMA(orthogonal frequency division multiple access) 시스템, SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 시스템 등이 있다.

OFDMA(orthogonal frequency division multiple access)는 각 사용자에 직교성(orthogonality)을 가지는 부반송파(subcarrier)를 할당하는 다중접속 방식이다. OFDMA는 심볼간 간섭(ISI: intersymbol interference)을 완화하고, 채널의 주파수 선택적 페이딩(frequency selective fading)에 강인한 특성을 제공하여 높은 데이터 레이트(data rate)를 제공할 수 있다. OFDMA는 사용자간에 서로 독립적인 부반송파가 할당되도록 하여, 특정 부반송파가 모든 사용자에 대해 깊은 페이딩(deep fading) 상태에 빠질 확률이 매우 낮아지도록 한다. 따라서, 부반송파가 사용자간에 서로 독립적인 특성을 가짐으로써 좋은 채널상태를 가지는 사용자에게 부반송파를 적응적으로 할당하여 송신 전력 감소 및 수율(throughput) 향상이 가능하다.

무선통신의 채널 페이딩에 의한 성능 열화를 극복하기 위해 MIMO(multiple input multiple output) 시스템을 사용한 공간 다이버시티(spatial diversity)에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다. MIMO 시스템은 송신기와 수신기에 2개 이상의 안테나를 구현하여 높은 데이터 레이트와 신뢰도 향상 그리고 채널 용량 증가 등의 장점을 제공한다. 하지만 MIMO 시스템의 장점에도 불구하고 크기, 무게, 하드웨어 복잡도 등의 제약조건으로 인해 상향링크 전송에 MIMO 시스템이 구현되는 경우는 거의 없다.

협력 다이버시티(cooperative diversity)는 소스국(source station)과 그 주변의 중계국(relay station)들이 안테나, 주파수 대역 등 자원을 공유하여 가상의(virtual) MIMO 시스템을 형성함으로 1개의 전송 안테나를 가진 단말들로도 MIMO 시스템을 얻을 수 있게 하는 것이다. 이는 협력 다이버시티를 통해 각 단말이 1개의 전송 안테나만을 가지고도 MIMO 시스템의 공간 다이버시티 이득 및 채널 용량 증대 등의 장점을 얻을 수 있도록 하는 것을 의미한다.

중계국에서 사용되는 중계 방식으로는 증폭 재전송(AF: amplify and forward)과 부호화 재전송(DF: decode and forward)이 있다. AF에 의하면, 중계국은 소스국로 수신한 전송 신호를 일정 크기로 증폭한 후 재전송한다. DF에 의하면, 중계국은 소스국로부터 수신한 전송 신호를 복호화(decode) 후 재부호화(re-encode) 과정을 거쳐 생성된 신호를 목적국(destination station)로 재전송한다. AF에 의하면, 복호화에 따른 신호처리 과정이 없으므로 단순한 하드웨어 구현이 가능하지만, 중계국에서 더해진 잡음이 수신기까지 전달되므로 낮은 SNR(signal-to-noise ratio) 환경에서의 성능 열화가 발생할 수 있다. DF에 의하면, 중계국에서 소스국로부터 수신한 전송 신호를 복호화 후 재부호화하여 전송하므로 잡음에 영향을 덜 받게 되지만 복호화에 따른 하드웨어 복잡도가 증가하는 단점이 있다.

단일 중계 기반 협력 다이버시티는 전체 사용 가능한 타임슬롯(time slot)을 2개의 직교하는 타임슬롯으로 나누어 사용한다. 첫번째 타임슬롯에서 소스국은 전송 신호를 적어도 하나의 중계국과 목적국로 보낸다. 두번째 타임슬롯에서 중계국은 소스국로부터 수신한 전송 신호를 중계 방식에 따라 처리하고, 처리된 중계 신호를 상기 목적국으로 재전송한다(forward).

다중 중계 기반 협력다이버시티는 반복부호화(repetition code) 형태의 타임슬롯 구조를 가진다. 전체 사용 가능한 타임슬롯을 소스국과 중계국의 총 갯수만큼으로 나눈다. 첫번째 타임슬롯에서 소스국는 전송 신호를 중계국들과 목적국으로 보낸다. 이후 타임슬롯에서 중계국은 소스국로부터 수신한 전송 신호를 정해진 중계 방식에 따라 처리하고, 중계 신호를 순차적으로 재전송한다. 다중 중계 기반 협력다이버시티는 중계국의 수가 증가할수록 좋은 성능을 보이는 연구 결과가 있으 나, 전송 신호를 위해 할당되는 타임슬롯의 길이가 감소하게 되어 대역폭 효율성이 떨어지는 문제가 발생할 수 있다.

대역폭 효율성이 감소되는 문제를 해결하기 위해 시공간부호화(space-time coding) 기반 협력 다이버시티가 제안되고 있다. 시공간부호화된 협력 다이버시티는 다수의 중계국을 이용하지만, 단일 중계 기반 협력 다이버시티와 동일한 타임슬롯 구조를 가진다. 첫번째 타임슬롯에서 송신 단말은 전송 신호를 중계국과 수신기로 보낸다. 두번째 타임슬롯에서 다수의 중계국은 수신한 전송 신호를 시공간부호화하여 상기 수신기로 재전송한다. 시공간부호화된 협력 다이버시티는 대역폭 효율성이 감소되는 문제를 해결할 수 있으나 최적의 시공간부호화가 아직 알려지지 않았으며 중계국들간의 동기화 문제로 인하여 실제적 구현에 어려움이 있다.

협력 다이버시티의 성능을 향상시키기 위해 소스국과 중계국 간의 전력 할당, 다중 중계국들간의 전력 할당, 소스국과 중계국간의 타임슬롯 길이 조절 등에 대한 연구가 이루어지고 있다. 또한, OFDM(orthogonal frequency division multiplexing)과 결합된 협력 다이버시티의 성능을 향상시키기 위한 부반송파 할당 및 부반송파간 전력 할당에 관한 연구도 이루어지고 있다. 하지만, OFDM과 결합된 협력 다이버시티는 대부분 단일 소스국이 존재하는 경우에 국한하여 연구가 주로 이루어지고 있다.

실제적인 무선통신 시스템에서는 다중 소스국(예를 들어, 다중 단말)이 동시에 존재하는 것이 일반적이다. 종래 기술은 단일 소스국이 존재하는 경우에 치중되어 다중 소스국이 동시에 존재하는 무선통신 시스템에의 적용이 어렵다. 따라서 다 중 소스국 및 다중 중계국이 동시에 존재하는 상황에서, 협력 다이버시티를 위한 효율적인 자원 할당 방법이 필요하다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 다중 소스국과 다중 중계국을 이용하는 협력 다이버시티를 위한 자원 할당 방법을 제공하는 데 있다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 OFDMA 기반의 무선 통신 시스템에서 협력 다이버시티를 수행하는 방법 및 장치를 제공하는 데 있다.

일 양태에 있어서, 무선 통신 시스템에서 협력 다이버시티를 위한 자원 할당 방법은 복수의 소스국과 복수의 중계국에 대한 채널 상태를 획득하는 단계, 및 상기 채널 상태를 기반으로 하여 각 소스국에 배타적으로 적어도 하나의 부반송파를 할당하고, 각 소스국에 대한 중계국을 선택하는 단계를 포함한다. 상기 중계국은 대응하는 소스국과 동일한 부반송파를 이용하여 협력 다이버시티를 수행한다.

다른 양태에 있어서, 무선통신을 위한 장치는 무선 신호를 송신 및 수신하는 RF부, 및 상기 RF 부와 연결되어, 복수의 부반송파 상으로 소스국으로부터 전송 신호를 수신하고, 상기 전송 신호를 중계 방식에 따라 처리하고, 상기 처리된 신호를 상기 복수의 부반송파 상으로 목적국으로 재전송하는 프로세서를 포함한다.

전체 시스템의 데이터 전송률을 향상시킬 수 있고, 각 사용자에게 일정 수준의 QoS(Quality of Service)를 보장하여, 높은 서비스 품질을 제공할 수 있다.

이하의 기술은 CDMA(code division multiple access), FDMA(frequency division multiple access), TDMA(time division multiple access), OFDMA(orthogonal frequency division multiple access), SC-FDMA(single carrier frequency division multiple access) 등과 같은 다양한 무선 통신 시스템에 사용될 수 있다. CDMA는 UTRA(Universal Terrestrial Radio Access)나 CDMA2000과 같은 무선 기술(radio technology)로 구현될 수 있다. TDMA는 GSM(Global System for Mobile communications)/GPRS(General Packet Radio Service)/EDGE(Enhanced Data Rates for GSM Evolution)와 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. OFDMA는 IEEE 802.11 (Wi-Fi), IEEE 802.16 (WiMAX), IEEE 802-20, E-UTRA(Evolved UTRA) 등과 같은 무선 기술로 구현될 수 있다. UTRA는 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)의 일부이다. 3GPP(3rd Generation Partnership Project) LTE(long term evolution)은 E-UTRA를 사용하는 E-UMTS(Evolved UMTS)의 일부로써, 하향링크에서 OFDMA를 채용하고 상향링크에서 SC-FDMA를 채용한다.

도 1은 무선통신 시스템을 나타낸다.

도 1을 참조하면, 무선통신 시스템(10)는 적어도 하나의 기지국(11; Base Station, BS)을 포함한다. 각 기지국(11)은 특정한 지리적 영역(일반적으로 셀이라고 함)(15a, 15b, 15c)에 대해 통신 서비스를 제공한다. 셀은 다시 다수의 영역(섹터라고 함)으로 나누어질 수 있다.

단말(12; User Equipment, UE)은 고정되거나 이동성을 가질 수 있으며, MS(mobile station), UT(user terminal), SS(subscriber station), 무선기 기(wireless device), PDA(personal digital assistant), 무선 모뎀(wireless modem), 휴대기기(handheld device) 등 다른 용어로 불릴 수 있다. 기지국(11)은 일반적으로 단말(12)과 통신하는 고정된 지점(fixed station)을 말하며, eNB(evolved-NodeB), BTS(Base Transceiver System), 액세스 포인트(Access Point) 등 다른 용어로 불릴 수 있다.

이하에서 하향링크(downlink)는 기지국에서 단말로의 통신을 의미하며, 상향링크(uplink)는 단말에서 기지국으로의 통신을 의미한다. 하향링크에서 전송기는 기지국의 일부분일 수 있고, 수신기는 단말의 일부분일 수 있다. 상향링크에서 전송기는 단말의 일부분일 수 있고, 수신기는 기지국의 일부분일 수 있다.

도 2는 중계기를 이용한 무선통신 시스템을 나타낸다. 설명을 간단히 하기 위해, 도 2는 하나의 목적국(110), 3개의 중계국(120, 122, 124) 및 2개의 소스국(130,132)를 보이고 있으나, 무선통신 시스템은 어떠한 수의 목적국, 중계국 및 소스국을 포함할 수 있다. 상향링크 전송에서 소스국은 단말이고, 목적국은 기지국일 수 있다. 하향링크 전송에서 소스국은 기지국이고, 목적국은 단말일 수 있다. 중계국은 단말일 수도 있고, 별도의 중계기가 배치될 수 있다. 기지국은 중계국과 단말간의 연결성(connectivity), 관리(management), 제어 및 자원 할당과 같은 기능을 수행할 수 있다.

도 2를 참조하면, 목적국(110)은 중계국(120)을 통해 소스국(130)과 통신한다. 상향링크 전송에서, 소스국(130)은 상향링크 데이터를 목적국(110)과 중계국(120)으로 보내고, 중계국(120)은 수신한 데이터를 재전송한다.

목적국(110)은 또한 중계국(122, 124)을 통해 소스국(132)과 통신한다. 상향링크 전송에서, 소스국(132)은 상향링크 데이터를 목적국(110)과 중계국(122, 124)으로 보내고, 중계국(122, 124)은 수신한 데이터를 동시에 또는 순차적으로 재전송한다.

중계국에서 사용하는 중계 방식으로 AF(amplify and forward) 및 DF(decode and forward) 등 어떠한 방식을 사용할 수 있으며, 본 발명의 기술적 사상은 이에 제한되지 않는다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 다이버시티 수행 방법을 나타낸 순서도이다. 이 방법은 기지국에서 수행될 수 있다.

도 3을 참조하면, 단계 S110에서, 기지국은 기지국(목적국)과 단말(소스국) 간, 기지국과 중계국간 그리고, 소스국과 중계국간의 상향링크 채널 상태를 얻는다. 상향링크 채널 상태는 기지국이 단말로부터 전송되는 사운딩 신호나 파일럿으로부터 채널을 추정하여 얻을 수 있다.

단말 S120에서, 기지국은 자원 할당 방법에 따라 소스국과 중계국에 대한 자원을 할당한다. 소스국과 중계국이 모두 단말인 경우 소스국으로 동작하는 단말과 중계국으로 동작하는 단말에게 자원을 할당한다. 사용되는 자원 할당 방법에 대해서는 후술한다.

단계 S130에서, 기지국은 할당 자원 정보를 소스국 및/또는 중계국에게 보낸다. 자원 할당 정보는 시스템 정보의 일부로써 브로드캐스트될 수 있고, 또는 각 단말에게 전용 제어채널 상으로 전송될 수 있다.

단계 S140에서, 기지국은 협력 다이버시티를 이용하여 상향링크 데이터를 수신한다. 소스국과 중계국는 상기 자원 할당 정보를 이용하여 협력 다이버시티를 수행한다.

이하에서는 소스국과 중계국에 대한 자원 할당 방법에 대해 기술한다. N개의 부반송파를 가지는 OFDMA 기반의 협력 다이버시티를 가정하고, 모든 단말(즉, 소스국)은 한개의 전송 안테나를 가지며 전체 K개의 소스국과 M개의 중계국 그리고 한개의 목적국(즉, 기지국)가 존재하는 셀룰러 시스템(cellular system)을 가정한다. 소스국은 셀내 균등하게 분포됨을 가정한다.

소스국의 전송 신호는 두개의 타임슬롯에 걸쳐 목적국으로 전송될 수 있다. 첫번째 타임슬롯에서 각 소스국은 N개의 부반송파중에서 자신에게 할당된 부반송파를 이용해 중계국과 목적국으로 데이터를 전송한다. 두번째 타임슬롯에서는 각 중계국은 자신에게 할당된 부반송파를 이용하여 중계방식으로 처리된 데이터를 목적국으로 재전송한다.

이하에서, 타임슬롯은 스케줄링된 데이터를 한번에 전송하는데 걸리는 단위 시간을 말하며, TTI(transmission time interval) 라고도 한다.

소스국 간의 간섭, 복잡도 및 동기화 문제로 인하여 각 부반송파는 1개의 소스국과 1개의 중계국에 배타적으로 할당된다고 가정한다. 단말 간의 채널상태는 느리게 변화하여 중앙집중식(centralized) 자원할당 알고리듬 수행이 가능하며 자원할당 알고리듬 수행결과는 여러 OFDM 프레임 동안 이용될 수 있다고 가정한다.

두 타임슬롯에 걸쳐 목적국으로 전송되는 k번째 소스국의 순시적 데이터 레 이트(data rate)는 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, R_k는 소스국 k에 할당된 모든 부반송파와 중계국을 이용한 경우 소스국 k의 순시적 데이터 레이트를 나타내고, ρ⁽ⁿ⁾ _k,m은 0 또는 1의 값을 가지는 부반송파 할당에 관한 정보를 나타내는 이진변수를 나타내고, R⁽ⁿ⁾ _k,m은 소스국 k가 중계국 m 및 부반송파 n을 이용할 때의 순시적 데이터 레이트 값을 나타낸다. ρ⁽ⁿ⁾ _k,m은 만약 부반송파 n이 소스국 k와 중계국 m에 할당된 경우는 1, 할당되지 않은 경우는 0의 값을 가진다.

중계국의 중계 방식에 따른 사용자의 순시적 데이터 레이트 R⁽ⁿ⁾ _k,m은 AF를 사용할 경우 다음 식과 같이 주어진다.

여기서, H⁽ⁿ⁾ _k은 소스국 k에서 목적국까지의 부반송파 n의 채널계수를 나타내 고, F⁽ⁿ⁾ _k,m은 소스국 k에서 중계국 m까지의 부반송파 n의 채널계수를 나타내고, G⁽ⁿ⁾ _m은 중계국 m에서 목적국까지의 부반송파 n의 채널계수를 나타내고, p⁽ⁿ⁾ _s,k은 소스국 k가 부반송파 n에 할당하는 송신전력을 나타내고, p⁽ⁿ⁾ _r,m은 중계국 m이 부반송파 r에 할당하는 송신전력을 나타내고, N_o은 중계국과 목적국에서 더해지는 잡음의 파워스펙트럼밀도(power spectral density)를 나타낸다.

또는, 사용자의 순시적 데이터 레이트 R⁽ⁿ⁾ _k,m은 DF를 사용할 경우 다음 식과 같이 주어진다.

다중 소스국와 다중 중계국이 동시에 존재하는 OFDMA 기반 협력 다이버시티 네트워크에 대한 자원 할당 방법의 문제 정형화(problem formulation)는 다음 수학식과 같이 나타낼 수 있다.

상기 최적화 문제의 제한 조건은 다음 수학식 5 내지 9의 다섯 가지로 나타 낼 수 있다.

상기 수학식 5 내지 11에서, R_min은 각 소스국의 서비스 품질 만족을 위해 필요한 최소 데이터 레이트를 나타내며, P_s,k은 소스국 k가 사용할 수 있는 최대 송신전력을 나타내며, P_r,m은 중계국 m이 사용할 수 있는 최대 송신전력을 나타낸다.

상기 수학식 5와 6의 제한 조건은 소스국 간의 간섭, 복잡도 및 동기화 문제로 인하여 각 부반송파가 오직 1개의 소스국와 1개의 중계국에 배타적으로 할당되어야 함을 나타낸다. 상기 수학식 7의 제한 조건은 무선통신 네트워크상의 모든 사용자의 서비스품질 만족을 위해 최소한의 데이터 레이트를 만족시켜야 함을 나타낸다. 사용자 서비스품질 만족을 위한 최소 데이터 레이트는 무선통신 네트워크에 따라 임의로 설정될 수 있다. 상기 수학식 8과 9의 제한 조건은 각 소스국의 최대 송신전력 및 중계국의 최대 송신전력으로 인한 제한을 나타낸다. 상기 수학식 10과 11의 제한 조건은 각 소스국의 송신전력 및 중계국의 송신전력이 양수임을 나타낸다.

상기 수학식 4에 나타난 최적화 문제는 상기 수학식 5의 이진변수 ρ⁽ⁿ⁾ _k,m으로 인하여 혼합된 이진정수문제(mixed binary integer programming)로 분류된다. 이러한 문제는 해를 얻는 과정이 매우 복잡하며 주로 비 결정 난해(NP-hard)로 분류된다. 볼록 최적화(convex optimization) 기법을 이용하여 낮은 복잡도의 효율적 자원할당 알고리듬 설계를 위해 이진변수 ρ⁽ⁿ⁾ _k,m가 0 과 1 사이의 실수 값을 가질 수 있다고 제한조건을 완화시킨다.

제한조건이 완화된 최적화 문제의 라그랑지안(lagrangian)은 다음 식과 같이 주어진다.

여기서, λ_n, η_k, ν_m, μ_k, α_k,n, β_m,n 및 γ_k,m,n은 0 또는 양의 값을 가지는 라그랑제 계수를 나타낸다.

부반송파 할당과 관련된 최적해를 찾기 위해 상기 수학식 12를 부반송파 할당과 관련된 변수 ρ⁽ⁿ⁾ _k,m으로 미분하면 다음 식과 같이 주어진다.

상기 식에서 경도값이 최적해 위치에서 0임을 이용하면, γ_k,m,n은 다음 식과 같이 주어진다.

상기 식에서 γ_k,m,n은 0 또는 양의 값을 가지는 라그랑제 계수이므로, λ_n은 다음 식과 같이 주어진다.

ρ⁽ⁿ⁾ _k,m에 대한 여분성조건(complementary slackness condition)에서 부반송파 할당 기준을 얻을 수 있다. ρ⁽ⁿ⁾ _k,m에 대한 여분성조건은 다음 식과 같이 주어진다.

ρ⁽ⁿ⁾ _k,m 에 대한 여분성조건으로부터 다음 식과 같이 ρ⁽ⁿ⁾ _k,m 은 γ_k,m,n가 0인 경우 양의 값을 가지고, ρ⁽ⁿ⁾ _k,m 은 γ_k,m,n가 양수인 경우 0이 됨을 알 수 있다.

ρ⁽ⁿ⁾ _k,m이 양수이면 소스국 k와 중계국 m에 부반송파 n이 할당되는 경우를 나타내므로 부반송파 할당 알고리듬 설계에 이 조건을 이용할 수 있다.

상기 수학식 17에 의하면, ρ⁽ⁿ⁾ _k,m가 양수이기 위한 필요조건은 γ_k,m,n이 0과 등호 관계이어야 함을 알 수 있고, 이는 상기 수학식 14이 0과 등호관계를 가져야 함을 의미한다. 상기 수학식 14이 0과 등호이기 위해서는 상기 수학식 15의 부등호가 등호이어야 한다. λ_n은 상기 수학식 15이 가질 수 있는 최대 상한이므로 상기 수학식 15의 우변의 항이 최대가 되는 소스국 k와 중계국 m에 부반송파 n을 할당할 경우 최적해에 근사함을 알 수 있다.

ρ⁽ⁿ⁾ _k,m에 대한 여분성조건을 이용한 부반송파 할당조건은 다음 식과 같다.

여기서, k^*은 부반송파 n이 할당되기 위해 선택된 소스국를 나타내며, m^*은 부반송파 n이 할당되기 위해 선택된 중계국를 나타낸다.

상기 수학식 18을 이용하여 부반송파를 할당할 수 있으나, 부반송파 n이 할당되기 위한 최적의 소스국 k^*를 선택하기 위해서는 모든 소스국에 대한 라그랑제 계수 μ_k를 알아야 한다. 정확한 라그랑제 계수 μ_k를 계산하는 것은 매우 복잡하여 실제 시스템에서의 구현을 어렵게 한다.

μ_k에 대한 여분성 조건으로부터 정확한 라그랑제 계수 μ_k를 대체하여 자원할당 알고리듬 설계에 이용할 수 있는 변수를 얻을 수 있다. μ_k대한 여분성 조건은 다음 식들과 같이 주어진다.

μ_k의 여분성조건으로부터 라그랑제 계수 μ_k가 네트워크의 정보량 흐름을 조절하는 제어변수로 작용함을 알 수 있다.

상기 수학식 20에 의하면, 소스국 k가 서비스품질 만족을 위한 최소 데이터 레이트 조건 R_min보다 큰 데이터 레이트를 만족할 경우 라그랑제 계수 μ_k가 0이 됨을 알 수 있다. 또한, 소스국 k가 서비스품질 만족을 위한 최소 데이터 레이트 조건 R_min을 만족할 때까지 라그랑제 계수 μ_k는 양의 값을 가짐을 알 수 있다. 즉, 라그랑제 계수 μ_k는 항상 0 보다 같거나 큰 양수이어야 하는데 소스국 k가 최소 데이터 레이트 조건을 만족하지 못한 경우 소스국 k에 대한 라그랑제 계수 μ_k가 큰 양 수가 되어 소스국 k에 더 좋은 부반송파가 할당될 우선권을 주게 된다. 소스국 k가 서비스품질을 만족하기 위한 최소 데이터 레이트를 만족하는 경우 라그랑제 계수 μ_k가 0 이 되어 더 이상 상기 수학식 7의 제한 조건을 만족시키기 위한 부반송파 할당의 우선권을 주지 않게 된다.

라그랑제 계수 μ_k가 네트워크 정보량 흐름의 제어변수로 동작함을 이용하여 낮은 복잡도의 효율적 자원할당 알고리듬을 제안하기 위해 하기 식과 같은 관계식을 얻을 수 있다.

여기서, ζ_k는 μ_k에 비례하는 값을 가진다고 가정하고, 어림적 알고리듬(heuristic algorithm)에 이용된다.

채널이득에 따라 부반송파를 할당하는 하향링크 시스템과 달리 상향링크 시스템에서는 단말기 각각의 송신전력 제한 조건으로 인하여 부반송파의 채널이득과 송신전력의 곱을 기준으로 부반송파를 할당하게 된다. 부반송파 할당을 위한 각 단말의 송신전력은 할당받은 부반송파에 동일한 송신전력을 할당하는 등전력할당(equal power allocation) 방법을 이용할 수 있다.

소스국를 위한 등전력할당 방법은 다음 식과 같다.

여기서, N_s,k는 소스국 k에 할당된 부반송파의 개수를 나타내며, N_r,m은 중계국 m에 할당된 부반송파의 개수를 나타낸다.

중계국를 위한 등전력할당 방법은 다음 식과 같다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자원 할당 방법을 나타낸 순서도이다. 이는 다중 소스국와 다중 중계국이 동시에 존재하는 OFDMA 기반 협력 다이버시티 시스템에서 데이터 레이트의 전체 합 향상을 추구하는 동시에 사용자의 서비스 품질 만족을 위해 필요한 최소 데이터 레이트를 만족시켜주는 자원 할당 방법이다. 이 방법에 의하면, 부반송파 할당의 수행하는 동안 각 단말의 부반송파가 사용할 수 있는 최대송신전력의 상한을 설정한다. 부반송파 할당 수행 과정 중 1개의 부반송파가 사용할 수 있는 송신전력의 상한이 없는 경우, 부반송파 할당 초기에 부반송파를 적게 할당받은 단말이 지나치게 큰 송신 전력을 할당받게 되고, 비합리적으로 큰 부반송파 송신전력은 잘못된 소스국와 중계국의 쌍(pair)을 초래할 수 있기 때문이다. 따라서 부반송파 할당 종료 후 소스국과 중계국는 할당받은 부반송파에 수학식 20과 21을 이용하여 전력을 할당하지만, 부반송파 할당 과정 중에는 임의의 송신전력 상한을 넘는 부반송파 전력을 사용할 수 없다고 가정한다.

도 4를 참조하면, 단계 S410에서, 소스국 집합 K, 중계국 집합 M, 가용 부반송파 집합 N 및 부반송파 할당 변수 ρ⁽ⁿ⁾ _k,m을 초기화한다.

단계 S420에서, 각 소스국에 다음 식을 만족하는 중계국 및 1개의 부반송파를 할당한다.

그리고, 각 소스국의 순시적 데이터 레이트를 계산하고, 부반송파 집합을 N=N-{n^*}과 같이 업데이트한다.

단계 S430에서, 소스국 집합 K 중에서 가장 큰 ζ_k를 가지는 소스국 k^*을 선택한다. 단계 S440에서, ζ_k*의 값이 0보다 큰지 여부를 판단한다.

만약 ζ_k*이 양수라면, 단계 S450에서, 상기 수학식 22 및 송신전력 상한을 이용하여 소스국 k^*의 송신전력을 계산하고, 상기 수학식 23 및 송신전력 상한을 이용하여 각 중계국에 대한 송신전력을 계산한다. 단계 S452에서, 상기 수학식 24를 만족하는 중계국 및 1개의 부반송파를 소스국에 할당한다. 단계 S454에서, 부반송파 집합 N을 업데이트한다.

만약 ζ_k*이 음수라면, 단계 S460에서, 부반송파 집합 N에서 임의로 1개의 부반송파를 선택하여, 상기 수학식 22 및 송신전력 상한을 이용하여 각 소스국의 송신전력을 계산하고, 상기 수학식 23 및 송신전력 상한을 이용하여 각 중계국에 대한 송신전력을 계산한다. 단계 S462에서, 선택된 부반송파를 다음 식을 만족하는 소스국 및 중계국에 할당한다.

단계 S464에서, 부반송파 집합 N을 업데이트한다.

단계 S470에서, 사용자의 데이터 레이트를 업데이트한다. 그리고, 단계 S480에서, 모든 부반송파가 할당될 때까지 상기 단계 S430 부터 단계를 반복한다.

도 5는 소스국과 중계국으로의 자원 할당의 일 예를 나타낸다. 이에 의하면, 채널 상태를 기반으로 소스국들간에는 부반송파가 배타적으로 할당된다. 또한, 소스국에 대응하는 중계국에는 소스국과 동일한 부반송파가 할당된다. 중계국은 수신한 소스국의 전송 신호가 사용한 동일한 부반송파를 이용하여 중계 방식에 따라 처리된 중계 신호를 보낸다.

무선통신 시스템에 대한 데이터 레이트의 전체 합 향상을 추구하는 동시에 사용자의 서비스품질 만족을 위해 필요한 최소 데이터 레이트를 만족시켜주도록 부반송파와 중계국을 각 소스국에게 할당한다. 이로써, 각 중계국은 소스국으로 수신되는 신호가 사용하는 부반송파들 상으로 중계신호를 재전송하므로, 각 중계국에 별도로 자원 할당 정보를 알려줄 필요가 없다. 따라서, 자원 할당 정보의 전송에 따른 무선 자원을 줄일 수 있다.

이제 모의실험을 통하여 제안된 방법의 성능을 확인한다. 모의실험 환경은 부반송파 128개, 8개의 소스국 및 4개의 중계국을 가정한다. 반경 1Km의 셀에서 중계국은 500m 거리에 고정된다고 가정한다. 서비스품질 만족을 위한 최소 데이터 레이트는 1.25Mbps로 설정하였으며 105번의 독립적 채널형성을 통한 모의실험의 결과이다.

도 6은 AF 중계국이 사용될 때 평균 SNR에 따른 데이터 레이트를 나타낸 그래프이다. 도 7은 AF 중계국이 사용될 때 평균 SNR에 따른 불능확률(outage probability)을 나타낸 그래프이다. 도 8은 DF 중계국이 사용될 때 평균 SNR에 따른 데이터 레이트를 나타낸 그래프이다. 도 9는 DF 중계국이 사용될 때 평균 SNR에 따른 불능확률을 나타낸 그래프이다. 도 6 내지 9의 그래프들에서, 'Sum rate maximization'은 수학식 7의 제한 조건을 제외한 최적화 문제에 대한 결과이고, 'Proposed algorithm'은 본 발명의 실시예에 따른 결과이고, 'OFDM-TDMA'는 통상적인 OFDM 시스템에 대한 결과이다. 도 6과 8의 그래프에 의하면, 'Sum rate maximization' 방법보다 높은 SNR 영역에서 약 0.3bps/Hz정도 데이터 레이트 감소가 있지만 'OFDM-TDMA' 방법보다 약 2bps/Hz성능향상이 있음을 확인할 수 있다. 도 7과 9의 그래프에 의하면, 'Sum rate maximization' 방법은 서비스품질을 만족하지 못하는 사용자가 존재할 확률이 매우 높음에 비해, 제안된 방법에 의하면 소스국에 서비스 품질을 만족시켜줄 확률이 비약적으로 향상됨을 보여준다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신을 위한 장치를 나타낸 블록도이다. 이 장치는 소스국 또는 중계국으로써 동작할 때 단말일 수 있다. 또는 이 장치는 목적국으로써 동작할 때 기지국일 수 있다.

도 10을 참조하면, 무선통신을 위한 장치(50)은 프로세서(processor, 51), 메모리(memory, 52), RF부(RF unit, 53), 디스플레이부(display unit, 54), 사용자 인터페이스부(user interface unit, 55)을 포함한다. 메모리(52)는 프로세서(51)와 연결되어, 구동 시스템, 애플리케이션 및 일반적인 파일을 저장한다. 디스플레이부(54)는 장치(50)의 여러 정보를 디스플레이하며, LCD(Liquid Crystal Display), OLED(Organic Light Emitting Diodes) 등 잘 알려진 요소를 사용할 수 있다. 사용자 인터페이스부(55)는 키패드나 터치 스크린 등 잘 알려진 사용자 인터페이스의 조합으로 이루어질 수 있다. RF부(53)는 프로세서와 연결되어, 무선 신호(radio signal)을 송신 및/또는 수신한다.

프로세서(51)는 RF부(53)와 연결되어, 장치(50)가 소스국으로 동작할 때 상기의 자원 할당 방법이 구현될 수 있다. 또는 프로세서(51)는 장치(50)가 중계국으로써 동작할 때 중계 방식에 따른 처리와 재전송을 수행할 수 있다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 다이버시티를 위한 자원 할당 방법을 나타낸 순서도이다. 이 방법은 기지국 또는 목적국에서 수행될 수 있다. 단계 S610에서, 각 소스국에 대한 채널 상태를 획득한다. 단계 S620에서, 상기 채널 상태를 기반으로 하여 각 소스국에 배타적으로 적어도 하나의 부반송파가 할당되고, 각 소스국에 대한 중계국이 선택된다. 상기 중계국은 대응하는 소스국과 동일한 부 반송파를 이용하여 협력 다이버시티를 수행한다. 상기 부반송파는 사용자의 서비스 품질 만족을 위해 각 소스국에 필요한 최소 데이터 레이트를 만족시키도록 할당된다. 또한, 각 소스국에 할당되는 부반송파와 중계국은 전체 시스템의 데이터 레이트의 전체 합을 최대화하도록 선택된다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 다이버시티 수행 방법을 나타낸 순서도이다. 이 방법은 중계국에서 수행될 수 있다. 단계 S710에서, 복수의 부반송파 상으로 소스국으로부터 전송 신호가 수신되다. 단계 S720에서, 상기 전송 신호는 중계 방식에 따라 처리된다. 단계 S730에서, 상기 처리된 신호는 상기 복수의 부반송파 상으로 목적국으로 재전송된다. 각 소스국마다 배타적으로 부반송파가 할당되고, 대응하는 목적국에도 동일한 부반송파가 할당됨으로써 중계국으로 별도의 자원 할당 정보를 보낼 필요가 없다.

본 발명은 하드웨어, 소프트웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 하드웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하기 위해 디자인된 ASIC(application specific integrated circuit), DSP(digital signal processing), PLD(programmable logic device), FPGA(field programmable gate array), 프로세서, 제어기, 마이크로 프로세서, 다른 전자 유닛 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 소프트웨어 구현에 있어, 상술한 기능을 수행하는 모듈로 구현될 수 있다. 소프트웨어는 메모리 유닛에 저장될 수 있고, 프로세서에 의해 실행된다. 메모리 유닛이나 프로세서는 당업자에게 잘 알려진 다양한 수단을 채용할 수 있다.

이상 본 발명에 대하여 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시켜 실시할 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 따라서 상술한 실시예에 한정되지 않고, 본 발명은 이하의 특허청구범위의 범위 내의 모든 실시예들을 포함한다고 할 것이다.

도 1은 무선통신 시스템을 나타낸다.

도 2는 중계기를 이용한 무선통신 시스템을 나타낸다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 다이버시티 수행 방법을 나타낸 순서도이다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 자원 할당 방법을 나타낸 순서도이다.

도 5는 소스국과 중계국으로의 자원 할당의 일 예를 나타낸다.

도 6은 AF 중계국이 사용될 때 평균 SNR에 따른 데이터 레이트를 나타낸 그래프이다.

도 7은 AF 중계국이 사용될 때 평균 SNR에 따른 불능확률(outage probability)을 나타낸 그래프이다.

도 8은 DF 중계국이 사용될 때 평균 SNR에 따른 데이터 레이트를 나타낸 그래프이다.

도 9는 DF 중계국이 사용될 때 평균 SNR에 따른 불능확률을 나타낸 그래프이다.

도 10은 본 발명의 일 실시예에 따른 무선 통신을 위한 장치를 나타낸 블록도이다.

도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 다이버시티를 위한 자원 할당 방법을 나타낸 순서도이다.

도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 다이버시티 수행 방법을 나타낸 순서도이다.

Claims (12)

1. 무선 통신 시스템에서 협력 다이버시티를 위한 자원 할당 방법에 있어서,

   복수의 소스국 및 복수의 중계국에 대한 채널 상태를 획득하는 단계; 및

   상기 채널 상태를 기반으로 하여 각 소스국에 배타적으로 적어도 하나의 부반송파를 할당하고, 각 소스국에 대한 중계국을 선택하는 단계를 포함하되, 상기 중계국은 대응하는 소스국과 동일한 부반송파를 이용하여 협력 다이버시티를 수행하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 부반송파는 사용자의 서비스 품질 만족을 위해 각 소스국에 필요한 최소 데이터 레이트를 만족시키도록 할당되며, 소스국 k의 순시적 데이터 레이트는 다음 식과 같이 주어지는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법:

   

   여기서, K는 전체 소스국의 수를 나타내고, M은 전체 중계국의 수를 나타내고, N은 전체 부반송파의 수를 나타내고, R_k는 소스국 k에 할당된 모든 부반송파와 중계국을 이용한 경우 소스국 k의 순시적 데이터 레이트를 나타내고, ρ⁽ⁿ⁾ _k,m은 부반 송파 할당에 관한 정보를 나타내는 변수를 나타내고, R⁽ⁿ⁾ _k,m은 소스국 k가 중계국 m 및 부반송파 n을 이용할 때의 순시적 데이터 레이트 값을 나타낸다.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 R⁽ⁿ⁾ _k,m은 중계국 m이 중계 방식으로 AF(amplify and forward)를 사용하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
4. 제 3 항에 있어서,

   상기 R⁽ⁿ⁾ _k,m은 다음 식과 같이 주어지는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법:

   

   여기서, H⁽ⁿ⁾ _k은 소스국 k에서 목적국까지의 부반송파 n의 채널계수를 나타내고, F⁽ⁿ⁾ _k,m은 소스국 k에서 중계국 m까지의 부반송파 n의 채널계수를 나타내고, G⁽ⁿ⁾ _m은 중계국 m에서 목적국까지의 부반송파 n의 채널계수를 나타내고, p⁽ⁿ⁾ _s,k은 소스국 k가 부반송파 n에 할당하는 송신전력을 나타내고, p⁽ⁿ⁾ _r,m은 중계국 m이 부반송파 r에 할당하는 송신전력을 나타내고, N_o은 중계국와 수신지에서 더해지는 잡음의 파워스펙트럼밀도(power spectral density)를 나타낸다.
5. 제 2 항에 있어서,

   상기 R⁽ⁿ⁾ _k,m은 중계국 m이 중계 방식으로 DF(decode and forward)를 사용하는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
6. 제 5 항에 있어서,

   상기 R⁽ⁿ⁾ _k,m은 다음 식과 같이 주어지는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법:

   

   여기서, H⁽ⁿ⁾ _k은 소스국 k에서 목적국까지의 부반송파 n의 채널계수를 나타내고, F⁽ⁿ⁾ _k,m은 소스국 k에서 중계국 m까지의 부반송파 n의 채널계수를 나타내고, G⁽ⁿ⁾ _m은 중계국 m에서 목적국까지의 부반송파 n의 채널계수를 나타내고, p⁽ⁿ⁾ _s,k은 소스국 k가 부반송파 n에 할당하는 송신전력을 나타내고, p⁽ⁿ⁾ _r,m은 중계국 m이 부반송파 r에 할당하는 송신전력을 나타내고, N_o은 중계국와 수신지에서 더해지는 잡음의 파워스펙트럼밀도(power spectral density)를 나타낸다.
7. 제 2 항에 있어서,

   상기 ρ⁽ⁿ⁾ _k,m은 만약 부반송파 n이 소스국 k와 중계국 m에 할당된 경우는 1, 할당되지 않은 경우는 0의 값을 가지는 이진변수인 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법.
8. 제 2 항에 있어서,

   각 소스국에 할당되는 부반송파와 중계국은 다음 최대화 문제와 같이 전체 시스템의 데이터 레이트의 전체 합을 최대화하도록 선택되는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법:

   
9. 제 8 항에 있어서,

   상기 최대화 문제는 다음과 같은 제한 조건하에서 구해지는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법:

   

   

   

   

   

   

   

   여기서, R_min은 각 소스국의 서비스 품질 만족을 위해 필요한 최소 데이터 레이트를 나타내며, P_s,k은 소스국 k가 사용할 수 있는 최대 송신전력을 나타내며, P_r,m은 중계국 m이 사용할 수 있는 최대 송신전력을 나타낸다.
10. 제 9 항에 있어서,

    상기 ρ⁽ⁿ⁾ _k,m은 0 과 1 사이의 실수값을 가지고, 상기 최대화 문제의 라그랑지안(lagrangian)은 다음 식과 같이 주어지는 것을 특징으로 하는 자원 할당 방법:

    

    여기서, λ_n, η_k, ν_m, μ_k, α_k,n, β_m,n 및 γ_k,m,n은 0 또는 양의 값을 가지는 라그랑제 계수를 나타낸다.
11. 무선 신호를 송신 및 수신하는 RF부; 및

    상기 RF 부와 연결되어,

    복수의 부반송파 상으로 소스국으로부터 전송 신호를 수신하고,

    상기 전송 신호를 중계 방식에 따라 처리하고,

    상기 처리된 신호를 상기 복수의 부반송파 상으로 목적국으로 재전송하는 프로세서를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선통신을 위한 장치.
12. 제 11 항에 있어서,

    상기 중계 방식은 AF(amplify and forward) 또는 DF(decode and forward) 인 것을 특징으로 하는 무선통신을 위한 장치.

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