KR20120062552A - 통신 시스템에서의 협력 통신 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
본 발명의 실시예들은 통신 시스템에서 이동하는 릴레이를 이용하는 협력 통신 방법 및 장치에 관한 것이다. 특히, 송신단은 고속 이동환경에서 릴레이를 선택적으로 이용하여 대상 수신단에 대한 협력 통신을 수행할 수 있다. 또한, 릴레이는 고속으로 이동하면서 현재 협력 통신이 가능한 수신단에 대하여 협력 통신을 적응적으로 수행할 수 있다. 또한, 수신단은 고속으로 이동하는 다수의 릴레이 중 현재 위치 및 상황에서 자신에게 협력 통신이 가능한 릴레이를 통해 이전보다 전송 성공률이 높은 협력 통신을 제공받을 수 있다.
Description
아래 실시예들은 통신 시스템에서 이동하는 릴레이를 이용하는 협력 통신 방법 및 장치에 관한 것이다.
통신 시스템에서 채널의 코히어런스 타임(coherence time)이 수신단에서 채널정보를 피드백(feedback) 및 프로세싱하는 타임보다 짧아진다면, 송신단은 수신단에 대한 채널 정보를 충분히 확보하지 못할 수 있다.
특히, 단말의 이동 속도가 빠른 경우, 채널의 페이딩 계수(fading coefficient)가 빠르게 변한다. 이에 따라 채널의 코히어런스 타임이 짧아짐으로써, 송신단은 수신단에 대한 채널 정보를 확보하기가 어려울 수 있다.
단말이 빠른 속도로 이동하는 경우, 송신단은 사용 가능한 릴레이들의 개수를 파악하기 어려울 수 있다. 뿐만 아니라, 이러한 경우, 송신단이 최적의 릴레이를 선택하기 어려울 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 송신단과의 채널 품질 정보, 수신단과의 채널 품질 정보를 기초로 자신이 협력 통신이 가능한 지를 파악할 수 있는 릴레이 및, 고속 이동하는 하나 이상의 후보 릴레이 중 협력 통신이 가능한 릴레이를 선택할 수 있는 송신단을 제공하는 통신 시스템에서의 협력 통신 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 릴레이의 협력 통신 방법은 이동하는 적어도 하나의 후보 릴레이 중 어느 하나인 대상 릴레이의 협력 통신 방법에 있어서, 상기 대상 릴레이 및 송신단 사이의 제1 채널 품질에 대한 정보와, 상기 대상 릴레이 및 수신단 사이의 제2 채널 품질에 대한 정보를 획득하는 단계와, 상기 제1 채널 품질, 상기 제2 채널 품질 중 적어도 하나를 이용하여 상기 대상 릴레이가 상기 수신단에 대한 협력 통신이 가능한 지를 판단하는 단계와, 상기 판단 결과를 나타내는 지시자를 상기 송신단으로 전송하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 릴레이의 협력 통신 방법은 상기 제1 채널 품질과 상기 제2 채널 품질 중 낮은 품질을 갖는 채널과 미리 설정된 임계치와 비교하는 단계를 더 포함하고, 상기 수신단에 대한 협력 통신이 가능한 지를 판단하는 단계는 상기 비교 결과를 기초로 상기 수신단에 대한 협력 통신 가능성을 결정할 수 있다.
또한, 상기 제1 채널 품질에 대한 정보와 상기 제2 채널 품질에 대한 정보를 획득하는 단계는 상기 송신단으로부터 레퍼런스 신호를 수신하고, 상기 수신단으로부터 업 링크 레퍼런스 신호를 수신하는 단계와, 상기 수신된 상기 송신단의 레퍼런스 신호를 기초로 상기 대상 릴레이 및 상기 송신단 사이의 제1 채널 품질에 대한 정보를 계산하는 단계와, 상기 수신단의 업 링크 레퍼런스 신호를 기초로 상기 대상 릴레이 및 수신단 사이의 제2 채널 품질에 대한 정보를 계산하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 릴레이의 협력 통신 방법은 상기 송신단으로부터 상기 수신단에 대한 협력 통신을 명령하는 정보가 수신되었는 지에 따라 상기 수신단에 대한 협력 통신을 개시하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 현재 네트워크 환경이 LOS 간섭 협력 채널 네트워크인 경우, 상기 수신단에 대한 협력 통신을 개시하는 단계는 제1 타임 슬롯에서 상기 송신단으로부터 상기 하나 이상의 수신단에 대한 데이터 신호를 수신하고, 제2 타임 슬롯 및 이후 타임 슬롯에서, 상기 하나 이상의 수신단에 대하여 각각 수신된 데이터 신호를 각각의 대응하는 수신단에 순차적으로 송신할 수 있다.
또한, 현재 네트워크 환경이 LOS 브로드캐스트 네트워크인 경우, 상기 수신단에 대한 협력 통신을 개시하는 단계는 적어도 하나의 타임 슬롯에서, 하나 이상의 송신단으로부터 하나의 대상 수신단에 대한 데이터 신호를 각각 수신하고, 이후 타임 슬롯에서, 상기 수신된 데이터 신호를 상기 대상 수신단으로 송신할 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 송신단의 협력 통신 방법은, 이동하는 적어도 하나의 후보 릴레이와 연동하는 송신단의 협력 통신 방법에 있어서, 수신단에 대하여 협력 전송이 필요한 지를 판단하는 단계와, 상기 협력 전송이 필요한 것으로 판단된 경우, 상기 하나 이상의 후보 릴레이에 레퍼런스 신호를 송신하는 단계와, 상기 하나 이상의 후보 릴레이 중 상기 수신단에 대하여 협력 통신이 가능함을 나타내는 지시자를 송신하는 후보 릴레이를 상기 협력 전송의 대상 릴레이로 결정하는 단계를 포함한다.
이때, 상기 송신단의 협력 통신 방법은, 상기 하나 이상의 후보 릴레이 중 상기 협력 전송에 이용될 릴레이의 수를 제한하기 위한 임계치를 결정하는 단계와, 상기 결정된 임계치를 상기 하나 이상의 후보 릴레이로 통지하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 송신단의 협력 통신 방법은 상기 결정된 대상 릴레이에 상기 수신단에 대한 협력 통신을 명령하는 정보를 송신하는 단계를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 릴레이는, 이동하는 적어도 하나의 후보 릴레이 중 어느 하나인 대상 릴레이에 있어서, 상기 대상 릴레이 및 송신단 사이의 제1 채널 품질에 대한 정보와, 상기 대상 릴레이 및 수신단 사이의 제2 채널 품질에 대한 정보를 획득하는 획득부와, 상기 제1채널 품질 또는 상기 제2 채널 품질 중 적어도 하나를 이용하여 상기 대상 릴레이가 상기 수신단에 대한 협력 통신이 가능한 지를 판단하고, 상기 판단 결과를 나타내는 지시자를 상기 송신단으로 전송하는 가능성 판단부를 포함한다.
이때, 상기 가능성 판단부는 상기 제1채널 품질과 상기 제2 채널 품질 중 낮은 품질을 갖는 채널과 미리 설정된 임계치와 비교하여, 상기 비교 결과에 따라 상기 수신단에 대한 협력 통신 가능성을 결정할 수 있다.
또한, 상기 획득부는 상기 송신단으로부터 수신된 레퍼런스 신호를 이용하여 상기 대상 릴레이 및 상기 송신단 사이의 제1 채널 품질에 대한 정보를 계산하고, 상기 수신단으로부터 수신된 업 링크 레퍼런스 신호를 이용하여 상기 대상 릴레이 및 수신단 사이의 제2 채널 품질에 대한 정보를 계산할 수 있다.
또한, 상기 릴레이는 상기 송신단으로부터 상기 수신단에 대한 협력 통신을 명령하는 정보가 수신되었는 지에 따라 상기 수신단에 대한 협력 통신을 개시하는 협력 통신부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 또 다른 실시예에 따른 송신단은 이동하는 하나 이상의 후보 릴레이 중 적어도 하나와 연동하여 수신단에 대한 협력 통신을 수행하는 송신단에 있어서, 상기 수신단에 대하여 협력 전송이 필요한 지를 판단하고, 상기 협력 전송이 필요한 것으로 판단된 경우, 상기 하나 이상의 후보 릴레이에 레퍼런스 신호를 송신하는 협력 판단부와, 상기 하나 이상의 후보 릴레이 중 적어도 하나로부터 상기 수신단에 대한 협력 통신이 가능함을 나타내는 지시자가 수신되면, 상기 지시자를 송신한 후보 릴레이를 상기 수신단에 대한 협력 통신의 대상 릴레이로 결정하는 릴레이 결정부를 포함한다.
이때, 상기 협력 판단부는 상기 하나 이상의 후보 릴레이 중 상기 협력 전송에 이용될 릴레이의 수를 제한하기 위한 임계치를 결정하고, 상기 결정된 임계치를 상기 하나 이상의 후보 릴레이로 통지할 수 있다.
또한, 상기 송신단은 상기 결정된 대상 릴레이에 상기 수신단에 대한 협력 통신을 명령하는 정보를 송신하고, 상기 수신단에 대한 협력 통신의 데이터 신호를 상기 수신단 및 상기 대상 릴레이로 전송하는 데이터 송신부를 더 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예들은 고속 이동 환경에서 이동하는 릴레이를 선택 이용하고, 협력 통신을 수행함으로써 다중 경로를 확보하고 데이터 전송의 성능 향상을 기대할 수 있다.
특히, 고속 이동 환경은 특성상 채널의 코히어런스 타임이 수신단에서 채널 정보를 피드백하고 프로세싱하는 시간보다 짧아진다면, 송신단에서 채널 정보를 확보하기 힘들 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예에 따르면, 송신단이 릴레이 선택을 위한 임계치를 각 릴레이에게 전달하기 때문에, 상기 릴레이로부터 피드백을 받을 필요가 없고, 고속으로 이동하는 릴레이에 대해서도 본 발명의 실시예들은 잘 적용될 수 있다.
뿐만 아니라, LOS MU-MIMO(multiuser-multiple-input-mutiple-output) 채널 환경 내 송신단이 채널 정보를 모르는 상황에서, 릴레이를 협력 통신을 위한 가상의 액티브 스케터(active scatter)로 이용함으로써 다중 경로(multipath)를 확보하며, 채널 랭크를 증가시킴으로써 전체 시스템의 전송률을 높일 수 있다.
본 발명의 실시예는 모든 채널 정보가 반드시 필요한 것은 아니기 때문에, 통신상의 오버헤드(overhead)를 줄일 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예는 선형 빔-포밍(linear beam-forming) 기법을 적용할 수 있으므로, 복잡도가 낮고, 고속 이동 환경에 적합할 수 있다.
나아가, 본 발명의 실시예는 이동하는 차량에 설치된 릴레이를 이용함으로써, 이용 가능한 릴레이 세트가 유동적일 수 있으며, 각 셀마다 별도의 릴레이를 설치할 것을 요구하지 않을 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 통신 방법을 수행하기 위한 통신 상황을 보여주는 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 통신 방법을 보여주는 동작 흐름도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 통신 방법에서, 3-타임 슬롯을 통해 심볼 익스텐션이 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 4는 도 3에 따른 협력 통신 방법에 의한 성능을 보여주기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 협력 통신 방법을 설명하기 위하여, LOS 간섭 채널 네트워크에서 고속 이동하는 릴레이 및 고정 또는 저속 이동하는 수신단이 배치된 통신 환경을 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 협력 통신 방법에서, 2-타임 슬롯을 통해 심볼 익스텐션을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 협력 통신 방법에 의한 성능 향상을 보여주는 도면.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 협력 통신 방법을 설명하기 위하여, LOS 브로드캐스트 네트워크에서, 고속 이동하는 릴레이 및 수신단이 배치된 통신환경을 보여주는 도면.
도 9는 도 8의 협력 통신 방법에서, 4-타임 슬롯을 통해 심볼 익스텐션을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 10는 도 8의 협력 통신 방법의 성능을 보여주기 위한 도면.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예의 협력 통신을 설명하기 위하여, LOS 브로드캐스트 네트워크에서, 릴레이가 고속으로 이동하고, 수신단이 고정 또는 저속으로 이동하는 환경을 보여주는 도면.
도 12는 도 11의 협력 통신 방법에서, 3-타임 슬롯을 통한 심볼 익스텐션(symbol extension)을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 13은 도 11의 협력 통신 방법에 의한 성능을 보여주기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 통신 방법을 수행하는 장치의 구성을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 통신 방법을 보여주는 동작 흐름도.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 통신 방법에서, 3-타임 슬롯을 통해 심볼 익스텐션이 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 4는 도 3에 따른 협력 통신 방법에 의한 성능을 보여주기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 협력 통신 방법을 설명하기 위하여, LOS 간섭 채널 네트워크에서 고속 이동하는 릴레이 및 고정 또는 저속 이동하는 수신단이 배치된 통신 환경을 보여주는 도면.
도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 협력 통신 방법에서, 2-타임 슬롯을 통해 심볼 익스텐션을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 협력 통신 방법에 의한 성능 향상을 보여주는 도면.
도 8은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 협력 통신 방법을 설명하기 위하여, LOS 브로드캐스트 네트워크에서, 고속 이동하는 릴레이 및 수신단이 배치된 통신환경을 보여주는 도면.
도 9는 도 8의 협력 통신 방법에서, 4-타임 슬롯을 통해 심볼 익스텐션을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 10는 도 8의 협력 통신 방법의 성능을 보여주기 위한 도면.
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예의 협력 통신을 설명하기 위하여, LOS 브로드캐스트 네트워크에서, 릴레이가 고속으로 이동하고, 수신단이 고정 또는 저속으로 이동하는 환경을 보여주는 도면.
도 12는 도 11의 협력 통신 방법에서, 3-타임 슬롯을 통한 심볼 익스텐션(symbol extension)을 수행하는 과정을 설명하기 위한 도면.
도 13은 도 11의 협력 통신 방법에 의한 성능을 보여주기 위한 도면이다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 통신 방법을 수행하는 장치의 구성을 설명하기 위한 도면.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
본 발명의 실시예를 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고, 본 명세서에서 사용되는 용어(terminology)들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다. 각 도면에 제시된 동일한 참조 부호는 동일한 부재를 나타낸다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 통신 방법을 수행하기 위한 통신 상황을 보여주는 도면이다. 상기 실시예는 고속 이동 환경에서 고속으로 이동 가능한 릴레이를 선택적으로 이용하고 협력 통신을 수행한다. 특히, 이후 설명되는 실시예에서는 다양한 통신 환경에 적합한 빔 설계 및/또는 릴레이 선택 기법을 제시한다. 또한, 본 발명의 실시예들은 LOS MIMO noCSIT 상황에서 브로드캐스트 채널 및 간섭 채널을 고려한다.
도 1을 참조하면, 상기 통신 시스템은 송신단(100), 릴레이(110) 및 수신단(120)를 포함한다. 상기 통신 시스템은 릴레이(110) 및 수신단(120)의 각각의 이동성을 고려하여 모델링된다. 특히, 릴레이(110)는 하나 이상의 후보 릴레이로 구성되며, 차량에 장착된 경우와 같이 고속 이동할 수 있다. 수신단(120)은 고속으로 이동할 수 있고, 저속으로 이동할 수 있으며 고정되어 있을 수도 있다.
송신단(100)은 고속 이동하는 하나 이상의 후보 릴레이들 중에서 수신단(120)과의 협력 통신을 수행할 대상 릴레이를 선택하고, 상기 선택된 대상 릴레이와 연동하여 수신단(120)에 대한 협력 통신을 수행한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 통신 방법을 보여주는 동작 흐름도이다.
도 2를 참조하면, 200 단계에서, 수신단은 RSSI(Received signal strength indication)를 송신단으로 송신한다.
201 단계에서, 송신단은 상기 200 단계에서 수신된 RSSI를 기초로 상기 수신단에 대하여 협력 통신이 필요한 지를 판단한다. 201 단계에서, 상기 송신단은 상기 수신된 RSSI를 기초로 다이버시티 이득(diversity gain) 또는 멀티플렉싱 이득(multiplexing gain)을 획득할 필요가 있는지를 판단하고, 상기 판단결과, 상기 획득이 필요한 경우, 상기 수신단에 대하여 협력 통신이 필요한 것으로 결정할 수 있다.
또한, 201 단계에서, 상기 송신단은 상기 협력 통신에 이용될 릴레이의 수를 제한하기 위한 임계치를 결정하고, 결정된 임계치를 상기 하나 이상의 후보 릴레이로 통지할 수 있다. 이때, 통신 환경에 따라, 송신단은 릴레이 및 수신단의 위치에 대한 정보를 획득할 수 있는 경우와, 획득하지 못하는 경우가 있을 수 있다.
만약, 송신단이 후보 릴레이 및 수신단의 위치에 대한 정보를 획득할 수 있다면, 201 단계에서, 송신단은 스캐닝(scanning)을 통해 수신단 및 릴레이의 위치에 대한 정보를 획득한다. 그리고, 송신단은 상기 획득된 정보를 채널 경로 손실에 대한 실제적 모델값에 반영하고, 그 결과를 기초로 수신단 및 후보 릴레이 각각과, 송신단 간의 거리에 따른 채널 이득(channel gain)을 예측할 수 있다. 또한, 상기 송신단은 상기 예측된 채널 이득을 기초로, 상기 협력 전송에 이용될 릴레이 제한 수에 대응하는 임계치(threshold)를 결정할 수 있다.
예컨대, 상기 스캐닝을 통해 검색된 릴레이의 수가 기준치 이상인 경우, 상기 송신단은 상기 검색된 릴레이 중 미리 설정된 수의 릴레이가 선택될 수 있도록 하는 임계치를 설정하고, 상기 검색된 릴레이의 수가 기준치 이하인 경우, 상기 송신단은 상기 검색된 릴레이가 모두 선택되기에 적절한 임계치를 결정할 수 있다.
한편, 상기 송신단이 상기 후보 릴레이 및 상기 수신단의 위치에 대한 정보를 획득하지 못하는 통신 환경이라면, 201 단계에서 송신단은 상기 임계치(
를 가능한한 크게 설정할 수 있다. 즉, 상기 송신단은 상기 협력 통신에 필요한 릴레이 수를 최대한 충족시키기 위하여 상기 임계치(
를 협력 전송 시 이득이 발생하는 범위에서 가장 크게 설정할 수 있다.
예를 들어, 본 발명의 실시예와 같이 릴레이를 가상의 액티브 스케터(active scatter)로 활용하여 협력 전송하는 경우, 상기 송신단과 상기 수신단 간에 수신 신호 세기를 기반으로 하는 직접 전송보다 더 높은 처리량(throughput)을 달성할 수 있도록 하는 임계치를 설정할 수 있다.
한편, 202 단계에서, 상기 송신단은 다수의 후보 릴레이 및 수신단으로 레퍼런스 신호(Reference Signal, RS)를 송신한다. 이때, 상기 레퍼런스 신호에는 상기 결정된 임계치가 포함된 맵(MAP) 정보가 포함될 수 있다. 또한, 202 단계에서, 상기 송신단은 상기 협력 통신이 필요한 수신단(즉, RSSI의 크기가 작은 수신단)의 업 링크 SRS 정보를 상기 후보 릴레이로 전송할 수 있다.
203 단계에서, 상기 수신단은 상기 다수의 후보 릴레이 및 상기 송신단으로 업 링크 레퍼런스 신호를 전송한다.
204 단계에서, 하나의 후보 릴레이는 상기 송신단으로부터 수신된 레퍼런스 신호를 이용하여, 상기 후보 릴레이와 상기 송신단 사이의 제1 채널 품질에 대한 정보를 계산하고, 상기 수신단으로부터 수신된 업 링크 레퍼런스 신호를 이용하여, 상기 후보 릴레이와 상기 수신단 사이의 제2 채널 품질에 대한 정보를 계산한다.
205 단계에서, 상기 후보 릴레이는 상기 계산된 제1 채널 품질 및 제2 채널 품질 중 적어도 하나를 이용하여 상기 후보 릴레이가 상기 수신단에 대한 협력 통신이 가능한 지를 판단한다. 여기서, 상기 후보 릴레이는 상기 계산된 제1 채널 품질 및 제2 채널 품질 중 적어도 하나와, 앞서 수신된 임계치를 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 상기 수신단에 대한 협력 통신이 가능한 지 여부를 결정할 수 있다.
206 단계에서, 상기 후보 릴레이는 상기 205 단계에 의해 판단된 협력 통신 가능성을 통보하기 위하여, 상기 판단 결과를 나타내는 지시자를 상기 송신단으로 전송한다.
다른 후보 릴레이들은 207 단계 내지 209 단계에서, 앞서 기술된 204 내지 206과 동일하게 수행될 수 있다.
210 단계에서, 상기 송신단은 상기 하나 이상의 후보 릴레이 중 상기 지시자를 송신한 릴레이를 상기 수신단에 대한 협력 통신의 대상 릴레이로 결정한다.
이후, 상기 송신단은 211 단계에서, 상기 협력 통신을 명령하는 정보를 상기 대상 릴레이로 송신하고, 212 단계에서, 상기 대상 릴레이와의 연동을 통해 상기 수신단에 대한 협력 통신을 수행한다.
상기 수신단에 대한 협력 통신의 수행은, 1) LOS 간섭 채널에서 고속으로 이동하는 릴레이 및 수신단이 배치된 경우 (LOS IC networks with moving Rx & relay), 2) LOS 간섭 채널에서 고속 이동하는 릴레이 및, 고정 또는 저속 이동하는 수신단이 배치된 경우(LOS IC networks with fixed Rx & moving relay), 3) LOS 브로드캐스트(broadcast) 채널에서 고속 이동하는 릴레이 및 수신단이 배치된 경우(LOS Broadcast networks with moving Rx & relay), 및 4) LOS 브로드캐스트(broadcast) 채널에서 고속 이동하는 릴레이 및 고정 또는 저속 이동하는 수신단이 배치된 경우(LOS BC(Broadcast) networks with fixed Rx & moving relay)로 구분하여 설명할 수 있다.
1)
LOS
IC
networks
with
moving
Rx
&
relay
LOS 간섭 채널에서 고속으로 이동하는 릴레이 및 수신단이 배치된 통신 환경의 경우는 도 1을 이용하여 설명될 수 있다.
도 1을 참조하면, 송신단(100)은 고정되어 있고, 하나 이상의 후보 릴레이(110) 및 수신단(120)은 고속 이동한다. 여기서, 송신단(100), 상기 후보 릴레이(110) 및 수신단(120)의 수가 제한되는 것은 아니지만, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 각각 2개의 송신단(100), 후보 릴레이(110) 및 수신단(120)를 배치하였다. 또한, 송신단(100)의 각각은 4개의 안테나를 구비하고, 후보 릴레이(110)는 2개의 안테나를 구비하고, 수신단(120)은 3개의 안테나를 구비한 것으로 가정한다. 아래에서는 송신단(100)이 수신단(120) 및 후보 릴레이(110) 각각의 위치를 파악할 수 있는 환경으로 가정한다.
또한, 앞서 설명된 도 2의 동작을 통해, 송신단(100)은 상기 후보 릴레이(110) 중 협력 통신에 이용할 대상 릴레이를 선택하고, 상기 선택된 대상 릴레이와의 연동을 통해 상기 협력 통신을 개시할 수 있다. 마찬가지로, 후보 릴레이(110)은 앞서 기술된 도 2의 동작과정을 통해, 수신단에 대한 협력 통신을 선택적으로 수행할 수 있다.
아래에서는 LOS 간섭 채널에서 고속으로 이동하는 릴레이 및 수신단이 배치된 통신 환경에서의 빔 형성 시나리오를 설명한다. 특히, 도 3은 상기 통신 환경에서, 3-타임 슬롯을 통해 심볼 익스텐션(symbol extension)이 수행되는 경우의 협력 통신 상황을 보여준다.
도 3을 참조하면, 제1 타임 슬롯에서, 송신단(A1 및 A2)은 데이터 신호를 대상 릴레이(B1 및 B2) 및 수신단(C1 및 C2)로 송신한다. 이때, 수신단(C1 및 C2)은 간섭(interference)에 대한 수신단 제로포싱을 이용하여, 송신단(A1 및 A2)으로부터 수신된 데이터 신호에서 간섭을 제거할 수 있다.
제2 타임 슬롯에서, 대상 릴레이(B1 및 B2)의 각각은 수신단(C1 및 C2) 중 제1 수신단에 대한 데이터 신호를 상기 제1 수신단으로 송신한다.
제3 타임 슬롯에서, 대상 릴레이(B1 및 B2)의 각각은 수신단(C1 및 C2) 중 제2 수신단에 대한 데이터 신호를 상기 제2 수신단으로 송신한다.
여기서, 제1 타임 슬롯에서 송신단(A1 및 A2)으로부터 제1 수신단 및 제2 수신단이 각각 수신한 신호는 아래의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
여기서 
,
는 송신단(A1 및 A2) 각각에서 송신한 신호이고, 
,
는 제1 수신단 및 제2 수신단에서 각각 수신한 신호이다. 그리고, 
,
는 제1 수신단 및 제2 수신단의 각각에서의 노이즈(noise)를 나타내고, (.)는 시간 인덱스(index)를 나타낸다. 또한, 
는 송신단(A1 및 A2)의 각각과 상기 제1 수신단 간의 채널 이득을 나타내고, 
는 송신단(A1 및 A2)의 각각과 상기 제1 수신단 간의 채널 이득을 나타낸다.
그리고, 수신단(C1 및 C2)에서는 송신단(A1 및 A2) 및 대상 릴레이(B1 및 B2) 각각으로부터의 채널 정보를 알기 때문에, 제로 포싱을 통해 간섭 신호를 제거할 수 있다. 이때, 제1 수신단 및 제2 수신단에서, 간섭 신호가 제거된 신호는 아래의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
여기서 
는 제i 수신단에서의 제로포싱을 나타내고, 
,
은 상기 제로포밍 이후의 제1 및 제2 수신단에서의 노이즈를 나타낸다.
제2 타임 슬롯에서, 대상 릴레이(B1 및 B2)는 송신단(A1 및 A2) 각각으로부터 수신된 신호를 기초로 수신단 제로 포싱을 수행하여, 상기 송신단(A1 및 A2) 각각으로부터 수신된 신호로부터 제1 송신단 이외의 다른 송신단으로부터 수신된 신호를 제거한다. 그리고, 대상 릴레이(B1 및 B2)는 상기 다른 송신단으로부터 수신된 신호가 제거된 신호를 제1 수신단으로 전송한다.
여기서, 제1 대상 릴레이에서 상기 송신단(A1 및 A2)로부터 수신된 신호는 아래의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있고, 이후 제로 포싱을 통해 상기 다른 송신단으로부터 수신된 신호가 제거된 신호는 아래의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
여기서, 
는 제2 타임 슬롯에서, 제1 송신단과 제1 수신단 사이의 채널 이득을 나타낸다. 또한, 
는 제1 및 제2 송신단 각각과 제1 릴레이 사이의 채널 이득을 나타내고, 
는 제1 및 제2 송신단의 각각과 제2 릴레이 2 사이의 채널이득을 나타내고, (.)는 시간 인덱스를 나타낸다. 또한 
는 제1 및 제2 릴레이의 각각과 제1 수신단 사이의 채널이득을 나타내고, 
는 제1 및 제2 릴레이의 각각과 제2 수신단 사이의 채널 이득을 나타낸다. 
는 제i 릴레이에서 제2 송신단이 송신한 신호를 제거하기 위한 제로포밍을 나타낸다.
[수학식 4]
제3 타임 슬롯에서, 대상 릴레이(B1 및 B2)는 송신단(A1 및 A2) 각각으로부터 수신된 신호를 기초로 수신단 제로 포싱을 수행하여 상기 송신단(A1 및 A2) 각각으로부터 수신된 신호 중 제2 송신단이외의 다른 송신단으로부터 수신된 신호를 제거한다. 그리고, 대상 릴레이(B1 및 B2)는 상기 제거가 수행된 신호를 제2 수신단으로 전송한다.
상기 전송 결과, 제2 수신단이 수신하는 신호는 아래의 [수학식 5]으로 나타낼 수 있다.
[수학식 5]
결과적으로, 제1 및 제2 수신단이 3 개의 타임 슬롯 동안 수신하는 신호는 아래의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 6]
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔 형성에 따른 성능 향상을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 일반적인 시분할 다중화(Time-division multiplexing)가 적용된 협력 통신의 경우, 일정한 구간(예컨대, 0 내지 20)에서 400과 같은 기울기의 처리량을 보여준다. 상기 400의 기울기를 1이라 가정하면, 수신단 제로 포싱이 적용된 협력 통신은 동일 구간에서 410과 같이 기울기 2의 처리량을 보여준다.
본 발명의 실시예에 따른 협력 통신은 간섭 채널 환경에서 선택적으로 릴레이가 이용됨으로써, 동일 구간에서 420과 같이 기울기 8/3의 처리량을 보여준다.
결과적으로, 본 발명의 실시예에 따른 상기 협력 통신은 일반적인 시분할 다중화(Time-division multiplexing)가 적용된 협력 통신뿐 아니라, 수신단 제로 포싱이 적용된 협력 통신에 비해서도 DoF 이득이 있는 것을 알 수 있다.
나아가, 송신단의 안테나의 수가 N+2개이고 수신단의 안테나의 수가 N+1개이며, 릴레이의 수가 N개이고 각각은 2개의 안테나를 가지고 있을 경우, DoF 이득은 2*(N+2)/3와 같이 나타낼 수 있다. 따라서, DoF 이득은 N에 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다.
나아가, 제한된(Finite) SNR(signal-to-noise-ratio)에서도 전송률 이득을 얻을 수 있다. 즉, 릴레이와 수신단의 이동 속도가 빠를수록, 릴레이에 대한 전송률 이득이 크고, DoF의 기울기는 보다 낮은 SNR에서 증가함을 알 수 있다. 극단적으로, 릴레이 및 수신단이 정지된 경우, DoF 이득은 없고 릴레이를 통한 파워이득(power gain)만 존재할 것이다.
송신단이나 수신단이 서로 매우 근접한 경우, 릴레이는 신호의 수신 시, 멀티패스 효과를 위하여, 랜덤 매트릭스(random matirx)를 곱하여 신호를 수신할 수 있다(430의 경우에 해당됨). 상기의 경우에도 릴레이의 수가 증가할수록 전송률 이득이 증가함을 알 수 있다. 여기서, 랜덤 매트릭스 기법은, 릴레이들이 서로 인접해 있게 되면 각각의 채널들은 서로 영향(highly correlate)을 주게 됨에 따라 적용된다. 이러한 경우, 채널의 위상이 같게 되어, 낮은 SNR에서 성능저하가 발생하는 문제가 있을 수 있다. 이러한 문제를 해결하기 위하여, 본 발명에서는, 각각의 릴레이가 송신단으로부터 수신된 신호 random matrix를 곱해주고, 곱한 매트릭스 값에 대한 정보를 수신단으로 전송할 수 있다.
한편, 송신단은 신호 송신을 어떻게 수행하느냐에 따라 어느 정도의 DoF 이득 및 다이버시티 이득을 얻을 수 있을 지를 결정할 수 있다. 예컨대, 송신단은 최대 다이버시티 이득을 얻기 위하여 [a a a a ]를 송신하고, 최대 DoF 이득을 얻기 위해[a b c d ]신호를 송신할 수 있다.
2)
LOS
IC
networks
with
fixed
Rx
&
moving
relay
도 5는 LOS 간섭 채널 네트워크에서, 고속 이동하는 릴레이 및 고정 또는 저속 이동하는 수신단이 배치된 통신 환경을 보여주는 도면이다. 예컨대, 릴레이는 차량에 탑재되어 고속 이동하고, 수신단은 도보로 이동하는 사용자가 가진 경우가 될 수 있다. 아래에서는, 송신단(500)이 수신단(520) 및 후보 릴레이들(510)의 위치에 대한 정보를 획득할 수 있는 환경을 기준으로 설명하도록 한다.
또한, 본 실시예에서는 설명의 편의를 위해 4 개의 후보 릴레이가 존재하고, 송신단(500), 및 수신단(520)은 각각 2개씩 존재하는 것을 실시예로 들었으나, 본 발명이 반드시 이에 한정되는 것은 아니다. 또한, 송신단(500)의 각각은 4 개의 안테나를 각각 구비하고, 수신단(520) 및 후보 릴레이(510)는 2 개의 안테나를 각각 구비하는 것으로 가정한다. 또한, 상기 4 개의 후보 릴레이(510) 중 상기 협력 통신 방법에 이용될 릴레이의 수는 2개인 것으로 가정한다.
또한, 후보 릴레이(510)는 파일럿 신호(pilot signal)를 이용하여, 송신단(500) 및 수신단(520)간의 채널 정보 및 후보 릴레이(510) 및 수신단(520) 간의 채널 정보를 알 수 있다. 따라서, 모든 노드 사이에는 수신 채널 정보(Channel Status Information at Receiver, CSIR)가 존재한다.
반면, 송신단(500)은 후보 릴레이(510)가 고속 이동하기 때문에, 릴레이(510)와 송신단(500)간의 채널 정보를 알지 못할 수 있다. 그러나, 수신단(520)이 고정되거나 또는 저속으로 이동하기 때문에, 송신단(500)은 수신단(520)과 송신단(500) 간의 채널 정보(예컨데, 각도 정보)를 알 수 있다.
송신단(500)은 스캐닝(scanning)을 통해 수신단(520) 및 후보 릴레이(510)의 위치를 파악하고, 상기 위치를 채널 경로 손실에 대한 실제적 모델값에 반영하여, 수신단(120) 및 후보 릴레이(110) 각각으로부터 송신단(500) 간의 거리에 따른 채널 이득(channel gain)을 예측한다. 이때, 채널 위상은 송신단(500)이 알지 못할 수 있다.
송신단(500)은 상기 예측된 채널 이득을 기초로, 상기 협력 전송에 이용될 릴레이 제한 수(즉, 2개)를 고려하여, 상기 협력 전송에 이용될 릴레이로 동작시키기 위한 채널 이득 임계치를 결정한다. 또한, 송신단(500)은 상기 릴레이 제한 수에 적합한 심볼 익스텐션 및 선형 빔 포밍을 수행하고, 수신단(520) 대한 협력 통신을 수행한다.
상기 실시예에서는 송신단인 BS나 Donor Remote Radio head(Donor RRH)등이, 고속으로 이동하는 차량을 릴레이로 사용하여 고정되어 있거나 저속으로 이동하는 수신단(도로변을 걷는 사용자)에 데이터를 전송하는 시나리오를 고려하고 있다. 이 경우, 일반적인 수신단 제로 포싱(receiver zero-forcing(ZF))과 비교하여 DoF 이득이 있으며, 제한된(finite) SNR에서도 전송률 증대의 이득이 있을 수 있다..
상기 실시예에서의 구체적인 빔 형성 과정은 아래와 같다. 특히, 도 6은 본발명의 다른 실시예에 따른 협력 통신 방법에서, 2-타임 슬롯을 통해 심볼 익스텐션을 수행하는 협력 통신 상황을 보여준다.
도 6을 참조하면, 제1 타임 슬롯에서, 송신단(A11 및 A12)은 제1 수신단 및 제2 수신단에 대한 데이터 신호를 제1 수신단, 제2 수신단, 및 제1 수신단에 대한 협력 통신의 제1 대상 릴레이(B11 및 B12), 및 제2 수신단에 대한 협력 통신의 제2 대상 릴레이(B13 및 B14)로 전송한다.
이때, 수신단(C11 및 C12)은 송신단(A11 및 A12)로부터의 데이터 수신 시, 간섭에 대한 수신단 제로포밍을 통해 간섭을 제거한다. 또한, 제1 대상 릴레이(B11 및 B12) 및 제2 대상 릴레이(B13 및 B14) 각각은 CSIR를 이용하는 수신단 제로 포싱을 수행하여 각각에 대응하는 수신단에 대한 신호만을 송신단(A11 및 A12)로부터 수신한다.
제2 타임 슬롯에서, 제1 대상 릴레이(B11 및 B12) 및 제2 대상 릴레이(B13 및 B14) 각각은 각각에 대응하는 수신단에 대응하는 신호를 상기 각각에 대응하는 수신단으로 송신한다. 즉, 제1 대상 릴레이(B11 및 B12)는 상기 제1 타임슬롯에서 수신된 신호를 제1 수신단으로 송신하고, 제2 대상 릴레이(B13 및 B14)은 상기 제1 타임슬롯에서 수신된 신호를 제2 수신단으로 송신한다.
이때, 제1 타임 슬롯에서 수신단(C11 및 C12)가 수신하는 신호는 아래의 [수학식7]와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 7]
여기서 
,
는 송신단(A11 및 A12) 각각에서 송신한 신호를 나타내고, 
,
는 수신단(C11 및 C12) 각각에서 수신된 신호를 나타내고, 
,
는 수신단(C11 및 C12) 각각에서의 노이즈를 말한다. 또한, (.)는 시간 인덱스를 말하며, 
는 송신단(A11 및 A12)의 각각과 제1 수신단 간의 채널 이득을 나타내고, 
는 송신단(A11 및 A12)의 각각과 제2 수신단 사이의 채널 이득을 나타낸다. 수신단(C11 및 C12)의 각각은 송신단(A11 및 A12) 및 대상 릴레이들 각각과, 수신단(C11 및 C12) 사이의 채널 정보를 알기 때문에, 제로 포싱을 통해 간섭 신호를 제거할 수 있다.
이때, 상기 수신단(C11 및 C12) 각각에서, 간섭이 제거된 신호는 아래의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 8]
여기서 
는 제i 수신단에서의 제로포밍을 나타내고, 
,
는 각각의 제로 포싱 이후의 제1 및 제2 수신단에서의 노이즈를 나타낸다.
이후, 제2 타임 슬롯에서 각각의 대상 릴레이는 각각에 대응하는 수신단의 위치정보를 이용하여 빔 포밍을 수행하고, 상기 수행되는 빔 포밍을 통해 대상 수신단으로 신호를 전송한다.
대상 릴레이들에서의 제로포밍은 아래의 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 9]
상기와 같은 제로포밍을 통해, 제1 및 제2 수신단이 수신한 신호는 아래의 수학식 10과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 10]
도 7은 도 6의 협력 통신 방법에 따른 빔 형성의 성능 향상을 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 협력 통신(720 참조)은 일반적인 시분할 다중화(Time-division multiplexing)가 적용된 협력 통신(700 참조)뿐 아니라, 수신단 제로 포싱이 적용된 협력 통신(710 참조)에 비해서도 DoF 이득이 있는 것을 알 수 있다.
일반적으로 송신단의 안테나의 수가 N+1개이고, 수신단의 안테나의 수가 N개이고, 릴레이의 수가 2N개이고, 각각의 릴레이는 2개의 안테나를 가지고 있는 경우, DoF 이득은 빔 포밍 기법에 따른 협력 통신에서 2이지만, 도 6의 빔 포밍 기법이 적용된 협력 통신 방법에서는 2*(N+1)/2가 될 수 있다. 따라서, DoF 이득은 N에 비례하여 증가될 수 있다.
또한, 제한된(Finite) SNR에서도 전송률 이득을 얻을 수 있음을 확인 할 수 있다. 송신단이나 수신단이 서로 매우 근접한 경우에도, 릴레이는 신호의 수신 시 멀티패스 효과를 위하여, 랜덤 매트릭스(random matirx)를 곱하여 신호를 수신할 수 있다. 이 경우는 730에 해당하며, 이 경우에도 릴레이의 수가 증가할수록 전송률 이득이 증가함을 알 수 있다.
3)
LOS
BC
(
Broadcast
)
networks
with
moving
Rx
&
relay
도 8은 LOS 브로드캐스트 네트워크에서, 고속 이동하는 릴레이 및 수신단이 배치된 통신환경을 보여주는 도면이다. 상기 통신 환경에서, 편의 상 2 개의 고속 이동하는 후보 릴레이(810)가 송신단(800)과 고속 이동하는 수신단(820) 사이에 배치하였다. 또한, 상기 통신 환경에서, 3개의 안테나를 구비한 하나의 송신단(800)과, 2개의 안테나를 각각 구비한 2개의 수신단(820)과, 1개의 안테나를 각각 구비한 2개의 후보 릴레이(810)를 배치하였으며, 상기 송신단(800)은 수신단(820) 및 후보 릴레이(820)의 위치 파악이 가능한 것으로 가정한다.
수신단(820) 및 후보 릴레이(810)가 고속으로 움직이고 있기 때문에, 송신단(800)은 후보 릴레이(810)와 수신단(820)간의 채널 정보를 알지 못하고, 후보 릴레이(810)는 후보 릴레이(810)와 수신단(820)간의 채널 정보를 알지 못한다. 따라서, 모든 노드 사이에는 송신 채널 정보(Channel Status Information at Transmit, CSIT)가 존재하지 않는다.
다만, 파일럿 시그널을 이용함으로써, 후보 릴레이(810)는 송신단(800)과 후보 릴레이(810) 간의 채널 정보를 알 수 있고, 수신단(820)은 송신단(800)과 수신단(820) 간의 채널 정보 및, 후보 릴레이(810)와 수신단(820) 간의 채널 정보를 알 수 있다. 따라서, 모든 노드 사이에는 수신 채널 정보(Channel Status Information at Receiver, CSIR)가 존재한다.
송신단(800)은 앞서 기술된 도 2의 동작과정을 통해, 후보 릴레이(810) 중 협력 통신에 이용할 대상 릴레이를 선택하고, 상기 선택된 대상 릴레이와의 연동을 수행하여 상기 협력 통신을 개시할 수 있다. 마찬가지로, 후보 릴레이(810)은 앞서 기술된 도 2의 동작과정을 통해, 수신단에 대한 협력 통신을 선택적으로 수행할 수 있다.
도 9는 본 발명의 다른 실시예에 따른 협력 통신 방법에서, 4-타임 슬롯을 통해 심볼 익스텐션을 수행하는 협력 통신 상황을 보여준다. 상기 협력 통신 상황에서 구체적인 빔 형성 과정은 아래와 같다.
도 9를 참조하면, 제1 타임 슬롯에서, 송신단(a1)은 제1 수신단(c1)에 대한 신호를 제1 수신단(c1) 및 대상 릴레이(b1 및 b2)로 송신한다.
제2 타임 슬롯에서, 대상 릴레이(b1 및 b2)는 제1 타임 슬롯에서 수신된 신호를 제1 수신단(c1)으로 전송한다.
제3 타임 슬롯에서, 송신단(a1)은 제2 수신단(c2)에 대한 신호를 제2 수신단(c2) 및 대상 릴레이(b1 및 b2)로 송신한다.
제4 타임 슬롯에서, 대상 릴레이(b1 및 b2)는 제3 타임 슬롯에서 수신된 신호를 제2 수신단(c2)으로 전송한다.
도 10는 본 발명의 다른 실시예에 따른 협력 통신 방법의 성능 향상을 설명하기 위한 도면이다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 다른 실시예에 따른 협력 통신 방법(1010 참조)은 일반적인 시분할 다중화 통신 방법(1000)에 비하여 DoF 이득이 있는 것을 알 수 있다.
송신단의 안테나 수가 N+1개이고, 수신단의 안테나의 수가 N개이고, 릴레이 수가 N개이고 각각은 1개의 안테나를 가지고 있을경우, DoF 이득은 (N+1)/2와 같이 나타낼 수 있다. 따라서, DoF 이득은 N에 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다. 제한된(Finite) SNR에서도 전송률 이득을 얻을 수 있고, 릴레이의 수가 증가할수록 전송률 이득도 증가하는 것을 알 수 있다.
4)
LOS
BC
(
Broadcast
)
networks
with
fixed
Rx
&
moving
relay
도 11은 본 발명의 또 다른 실시예의 협력 통신이 수행되는 LOS 브로드캐스트 네트워크에서, 릴레이가 고속으로 이동하고, 수신단이 고정 또는 저속으로 이동하는 환경을 보여준다.
도 11을 참조하면, 상기 환경에서는 설명의 편의 상, 송신단 및 수신단 사이에 2개의 릴레이가 존재하는 것으로 가정한다. 또한, 상기 송신단은 수신단 및 릴레이의 위치에 대한 정보를 획득할 수 있는 것으로 가정한다. 또한, 4개의 안테나를 구비한 송신단의 수는 1이고, 각각 3개의 안테나를 가진 수신단의 수는 2개이고, 협력 통신을 위해 사용되는 릴레이 수는 3개로 각각 3개의 안테나를 가진 것으로 가정한다.
상기 환경에서는 릴레이가 고속으로 이동하기 때문에, 송신단은 송신단과 릴레이 간의 채널 정보를 알지 못한다. 반면, 수신단이 고정되거나 또는 저속 이동하기 때문에, 송신단은 송신단과 수신단간의 채널의 각도 정보를 알 수 있고, 릴레이는 릴레이와 수신단간의 채널의 각도 정보를 알 수 있다. 또한, 파일럿 신호에 의해, 릴레이는 송신단과 릴레이 간의 채널 정보를 알 수 있고, 수신단은 송신단과 수신단 간의 채널정보를 알 수 있고, 릴레이는 릴레이와 수신단 간의 채널 정보를 알 수 있다. 따라서, 각 노드 사이에는 수신 채널 정보(CSIR)가 존재한다.
송신단(1100)은 앞서 설명된 도 2의 동작을 통해, 상기 후보 릴레이(1110) 중 협력 통신에 이용할 대상 릴레이를 선택하고, 상기 선택된 대상 릴레이와의 연동을 통해 상기 협력 통신을 개시할 수 있다. 마찬가지로, 후보 릴레이(1110)은 앞서 기술된 도 2의 동작과정을 통해, 수신단(1120)에 대한 협력 통신을 선택적으로 수행할 수 있다.
도 12는 본 발명의 또 다른 실시예의 협력 통신에서, 3-타임 슬롯을 통한 심볼 익스텐션(symbol extension)이 수행되는 경우의 협력 통신 상황을 보여준다. 상기 실시예에서의 구체적인 빔 형성 과정은 아래와 같다.
도 12를 참조하면, 제1 타임 슬롯에서, 송신단(a11)은 수신단(c11 및 c12) 중 제1 수신단에 대한 신호를 제1 수신단 및 대상 릴레이(b11 내지 b13)로 송신한다.
제2 타임 슬롯에서, 송신단(a11)은 수신단(c11 및 c12) 중 제2 수신단에 대한 신호를 제2 수신단 및 대상 릴레이(b11 내지 b13)로 송신한다.
제3 타임 슬롯에서, 대상 릴레이(b11 내지 b13)는 제1 타임 슬롯 및 제2 타임 슬롯에서 각각 수신된 신호를 제1 수신단 및 제2 수신단 위치정보를 이용하여 제로포밍을 수행하고, 상기 제로포밍이 적용된 신호의 각각을 제1 수신단 및 제2 수신단으로 각각 전송한다.
이때, 제3 타임 슬롯에서, 대상 릴레이(b11 내지 b13)가 전송하는 신호는 아래의 수학식 11과 같이 나타낼 수 있고, 대상 릴레이(b11 내지 b13) 각각에서의 제로 포싱은 수학식 12와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 11]
[수학식 12]
여기서, 
,
는 제1 송신단에서의 송신 신호 및 제2 송신단에서의 송신 신호를 의미하고, 
는 제1 내지 제3 대상 릴레이 각각에서의 송신신호를 의미한다. 또한, 
,
, 
는 제1 내지 제3 대상 릴레이 각각에서 제로포밍 이후의 노이즈를 의미하고, (.)는 시간 인덱스를 나타낸다. 또한, 
는 제1 송신단 및 제2 송신단 각각에서 제1 대상 릴레이로의 채널 이득을 의미한다. 
는 제i 대상 릴레이에서 제j 수신단으로의 신호의 간섭신호를 제거하기 위한 제로포밍을 의미한다.
이때, 수신단(c11 및 c12)은 수신단(c11 및 c12)과 대상 릴레이(b11 내지 b12)와의 채널정보를 알기 때문에, 제로 포싱을 통해 간섭 신호를 제거할 수 있다. 상기 간섭 신호가 제거된 신호는 아래의 수학식13과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 13]
도 13은 본 발명의 또 다른 실시에에 따른 협력 통신 방법의 성능 향상을 설명하기 위한 도면이다.
도 13을 참조하면, 상기 협력 통신 방법(1320 참조)은 일반적인 시분할 다중화 통신 방법(1300)뿐 아니라, 수신단 제로 포싱 기법(1310)에 비하여도 DoF 이득이 있는 것을 알 수 있다.
송신단의 안테나 수가 N+1개이고 수신단의 안테나 수가 N개이고, N개의 릴레이가 각각 2개의 안테나를 가지고 있다면, DoF이득은 2에서 2*(N+1)/3으로 계산되며, N에 비례하여 증가하는 것을 알 수 있다. 또한, 제한된(Finite) SNR에서도 전송률 이득을 얻을 수 있고, 릴레이의 수가 증가할수록 전송률 이득도 증가하는 것을 알 수 있다.
도 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 협력 통신 방법을 수행하는 장치를 설명하기 위한 도면이다.
도 14를 참조하면, 상기 협력 통신 방법은 송신단(1400), 릴레이(1410) 및 수신단(1420)에 의해 이루어진다. 상기 협력 통신 방법은 릴레이(1410) 및 수신단(1420)의 각각의 이동성을 고려하여 모델링된다. 특히, 릴레이(1410)는 하나 이상의 후보 릴레이로 구성되며, 차량에 장착된 경우와 같이 고속 이동할 수 있다. 수신단(1420)은 상황에 따라 고속 이동, 저속 이동 또는 고정될 수 있다.
송신단(1400)은 고속 이동하는 하나 이상의 후보 릴레이 중에서 수신단(1420)과의 협력 통신을 수행할 대상 릴레이를 선택하고, 상기 선택된 대상 릴레이와 연동하여 수신단(1420)에 대한 협력 통신을 수행한다.
송신단(1400)은 협력 판단부(1401), 릴레이 결정부(1402) 및 데이터 송신부(1403)를 포함할 수 있다.
협력 판단부(1401)는 수신단(1420)에 대하여 협력 전송이 필요한 지를 판단하고, 상기 협력 전송이 필요한 것으로 판단된 경우에 상기 하나 이상의 후보 릴레이에 레퍼런스 신호(1402)를 송신한다. 이때, 협력 판단부(1401)는 수신단(1420)으로부터 RSSI를 수신하고, 상기 수신된 RSSI를 기초로 다이버시티 이득(diversity gain) 또는 멀티플렉싱 이득(multiplexing gain)을 획득할 필요가 있는 지를 판단한다. 협력 판단부(1401)는 상기 판단결과, 다이버시티 이득(diversity gain) 또는 멀티플렉싱 이득(multiplexing gain)을 획득할 필요가 있는 것으로 판단되면, 상기 협력 전송이 필요한 것으로 결정할 수 있다.
또한, 협력 판단부(1401)는 상기 하나 이상의 후보 릴레이 중 상기 협력 전송에 이용될 릴레이의 수를 제한하기 위한 임계치를 결정하고, 결정된 임계치를 상기 하나 이상의 후보 릴레이로 통지할 수 있다.
이때, 통신 환경에 따라, 송신단(1400)은 릴레이(1410) 및 수신단(1420)의 위치에 대한 정보를 획득할 수 있는 경우와, 획득하지 못하는 경우가 있을 수 있다.
먼저, 송신단(1400)이 릴레이(1410) 및 수신단(1420)의 위치에 대한 정보를 획득할 수 있다면, 협력 판단부(1401)는 스캐닝(scanning)을 통해 수신단(1420) 및 릴레이(1410)의 위치에 대한 정보를 획득한다. 그리고, 협력 판단부(1401)는 상기 획득된 정보를 채널 경로 손실에 대한 실제적 모델값에 반영하고, 그 결과를 기초로 수신단(1420) 및 후보 릴레이(1410) 각각과, 송신단(1400) 간의 거리에 따른 채널 이득(channel gain)을 예측할 수 있다. 협력 판단부(1401)는 상기 예측된 채널 이득을 기초로, 상기 협력 전송에 이용될 릴레이 제한 수에 대응하는 임계치(threshold)를 결정할 수 있다.
협력 판단부(1401)는 상기 결정된 임계치를 상기 스캐닝을 통해 검색된 릴레이에 전송할 수 있다. 즉, 협력 판단부(1401)는 상기 결정된 임계치가 포함된 맵(MAP) 정보를 레퍼런스 신호(Reference signal, RS)와 함께, 상기 검색된 릴레이로 전송할 수 있다. 또한, 협력 판단부(1401)는 상기 협력 통신이 필요한 수신단(즉, RSSI의 크기가 작은 수신단)의 업 링크 SRS 정보를 상기 검색된 릴레이로 전송할 수 있다.
한편, 송신단(1400)이 릴레이(1410) 및 수신단(1420)의 위치에 대한 정보를 획득하지 못하는 통신 환경의 경우, 협력 판단부(1401)는 상기 임계치를 가능한한 크게 설정할 수 있다
한편, 릴레이 결정부(1402)는 릴레이(1410)로부터 수신단(1420)에 대하여 협력 통신이 가능함을 나타내는 지시자를 수신한다. 그리고, 릴레이 결정부(1402)는 상기 지시자를 송신한 릴레이를 수신단(1420)에 대하여 협력 통신의 대상 릴레이로 결정한다.
데이터 송신부(1403)는 상기 결정된 대상 릴레이에 수신단(1420)에 대한 협력 통신을 명령하는 정보를 송신하고, 상기 협력 통신의 데이터 신호를 수신단(1420) 및 상기 대상 릴레이로 전송한다.
한편, 릴레이(1410)는 고속 이동하는 하나 이상의 후보 릴레이 중 어느 하나가 될 수 있으며, 획득부(1411), 가능성 판단부(1412), 협력 통신부(1413)를 포함할 수 있다.
획득부(1411)는 릴레이(1410) 및 송신단(1400) 사이의 제1 채널 품질에 대한 정보와, 릴레이(1410) 및 수신단(1420) 사이의 제2 채널 품질에 대한 정보를 획득한다. 즉, 획득부(1411)는 송신단(1400)으로부터 레퍼런스 신호를 수신하여 릴레이(1410) 및 송신단(1400) 사이의 제1 채널 품질에 대한 정보를 계산할 수 있다. 또한, 획득부(1411)는 수신단(1420)으로부터 업 링크 레퍼런스 신호를 수신하여 릴레이(1410) 및 수신단(1420) 사이의 제2 채널 품질에 대한 정보를 계산할 수 있다.
가능성 판단부(1412)는 상기 제1 채널 품질 또는 상기 제2 채널 품질 중 적어도 하나를 이용하여 릴레이(1410)가 수신단(1420)에 대한 협력 통신이 가능한 지를 판단하고, 상기 판단 결과를 나타내는 지시자를 송신단(1400)으로 전송한다.
여기서, 가능성 판단부(1412)는 상기 제1 채널 품질(
) 또는 상기 제2 채널 품질(
)를 기초로 릴레이 채널 이득(
)을 추정할 수 있다.
만약, 현재 통신 환경이 LOS 브로드캐스트 협력 채널에서 릴레이와 수신단이 고속으로 이동하는 경우라면, 한 번에 하나의 송수신 쌍만을 고려하므로, 상기 릴레이 채널 이득을 아래와 수학식 14와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 14]
다른 경우, 현재 통신 환경이 LOS 브로드캐스트 협력 채널에서 고속 이동하는 릴레이가 배치되고, 저속 또는 고정된 수신단이 배치된 경우라면, 릴레이가 복수의 수신단을 모두 서비스 해야 할 필요가 있다. 이러한 경우, 상기 릴레이 채널 이득은 모든 송수신단 사이의 릴레이 채널을 고려하여, 아래의 수학식 15와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 15]
또 다른 경우, LOS 간섭 협력 채널에서, 상기 릴레이와 상기 수신단이 고속으로 이동하는 통신 환경이라면, 상기 릴레이가 복수의 수신단을 서비스해야 한다. 따라서, 상기 릴레이 채널 이득은, 모든 송신단 및 수신단 사이의 릴레이 채널을 고려하여 아래의 수학식 16와 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 16]
가능성 판단부(1412)는 상기와 같이 산출된 릴레이 채널 이득(
)과 상기 임계치를 비교하고, 상기 비교결과에 따라, 수신단(1400) 각각에 대하여 협력 통신이 가능한 지를 나타내는 지시자를 송신단(1400)로 전송한다.
가능성 판단부(1412)는 획득부(1411)에 의해 계산된 상기 제1채널 품질 또는 상기 제2 채널 품질을 상기 임계치와 비교하고, 상기 비교 결과에 따라 수신단(1420)에 대한 협력 통신이 가능함을 결정할 수 있다.
협력 통신부(1413)는 가능성 판단부(1412)에 의해 상기 판단 결과를 나타내는 지시자를 송신한 이후, 송신단(1400)으로부터 수신단(1420)에 대한 협력 통신을 명령하는 정보를 수신한다. 이 경우, 협력 통신부(1413)는 송신단(1400)과의 연동을 통해 수신단(1420)에 대한 협력 통신을 수행한다.
한편, 현재 통신 환경이 LOS 간섭 협력 채널에서 릴레이는 고속으로 이동하고 수신단은 고정되어 있거나 저속으로 이동한다면, 송신단과 수신단은 고정되어 있으므로 LOS가 우세(dominant)한 상황에서는 릴레이가 액티브 스케터(active scatter)로 동작하기에 적합한 위치가 정해져 있다. 이 경우, 별도의 릴레이 선택 대신, 각 수신단을 서비스하기 위한 액티브 영역을 미리 설정해 두고 상기 액티브 영역 내 진입하는 릴레이를 협력 통신의 대상 릴레이로서 수행되도록 제어할 수 있다. 즉, 릴레이(1410)의 가능성 판단부(1412)는 상기 액티브 영역에 진입하였는 지의 여부에 따라 협력 통신이 가능한 지를 나타내는 지시자를 송신단(1400)로 전송할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
Claims (16)
- 이동하는 적어도 하나의 후보 릴레이 중 어느 하나인 대상 릴레이의 협력 통신 방법에 있어서,
상기 대상 릴레이 및 송신단 사이의 제1 채널 품질에 대한 정보와, 상기 대상 릴레이 및 수신단 사이의 제2 채널 품질에 대한 정보를 획득하는 단계;
상기 제1 채널 품질 또는 상기 제2 채널 품질 중 적어도 하나를 이용하여 상기 대상 릴레이가 상기 수신단에 대한 협력 통신이 가능한 지를 판단하는 단계; 및
상기 판단 결과를 나타내는 지시자를 상기 송신단으로 전송하는 단계
를 포함하는 대상 릴레이의 협력 통신 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 채널 품질과 상기 제2 채널 품질 중 낮은 품질을 갖는 채널과 미리 설정된 임계치와 비교하는 단계
를 더 포함하고,
상기 수신단에 대한 협력 통신이 가능한 지를 판단하는 단계는
상기 비교 결과를 기초로 상기 수신단에 대한 협력 통신 가능성을 결정하는
대상 릴레이의 협력 통신 방법. - 제1항에 있어서,
상기 제1 채널 품질에 대한 정보와 상기 제2 채널 품질에 대한 정보를 획득하는 단계는
상기 송신단으로부터 레퍼런스 신호를 수신하고, 상기 수신단으로부터 업 링크 레퍼런스 신호를 수신하는 단계;
상기 수신된 상기 송신단의 레퍼런스 신호를 기초로 상기 대상 릴레이 및 상기 송신단 사이의 제1 채널 품질에 대한 정보를 계산하는 단계; 및
상기 수신단의 업 링크 레퍼런스 신호를 기초로 상기 대상 릴레이 및 수신단 사이의 제2 채널 품질에 대한 정보를 계산하는 단계
를 포함하는 대상 릴레이의 협력 통신 방법. - 제1항에 있어서,
상기 송신단으로부터 상기 수신단에 대한 협력 통신을 명령하는 정보가 수신되었는 지에 따라 상기 수신단에 대한 협력 통신을 개시하는 단계
를 더 포함하는 대상 릴레이의 협력 통신 방법. - 제4항에 있어서,
현재 네트워크 환경이 LOS 간섭 협력 채널 네트워크인 경우,
상기 수신단에 대한 협력 통신을 개시하는 단계는
제1 타임 슬롯에서 상기 송신단으로부터 상기 하나 이상의 수신단에 대한 데이터 신호를 수신하고, 제2 타임 슬롯 및 이후 타임 슬롯에서, 상기 하나 이상의 수신단에 대하여 각각 수신된 데이터 신호를 각각의 대응하는 수신단에 순차적으로 송신하는
대상 릴레이의 협력 통신 방법. - 제4항에 있어서
현재 네트워크 환경이 LOS 브로드캐스트 네트워크인 경우,
상기 수신단에 대한 협력 통신을 개시하는 단계는
적어도 하나의 타임 슬롯에서, 하나 이상의 송신단으로부터 하나의 대상 수신단에 대한 데이터 신호를 각각 수신하고, 이후 타임 슬롯에서, 상기 수신된 데이터 신호를 상기 대상 수신단으로 송신하는
대상 릴레이의 협력 통신 방법. - 이동하는 적어도 하나의 후보 릴레이와 연동하는 송신단의 협력 통신 방법에 있어서,
수신단에 대하여 협력 전송이 필요한 지를 판단하는 단계;
상기 협력 전송이 필요한 것으로 판단된 경우, 상기 하나 이상의 후보 릴레이에 레퍼런스 신호를 송신하는 단계; 및
상기 하나 이상의 후보 릴레이 중 상기 수신단에 대하여 협력 통신이 가능함을 나타내는 지시자를 송신하는 후보 릴레이를 상기 협력 전송의 대상 릴레이로 결정하는 단계
를 포함하는 송신단의 협력 통신 방법. - 제7항에 있어서,
상기 하나 이상의 후보 릴레이 중 상기 협력 전송에 이용될 릴레이의 수를 제한하기 위한 임계치를 결정하는 단계; 및
상기 결정된 임계치를 상기 하나 이상의 후보 릴레이로 통지하는 단계
를 더 포함하는 송신단의 협력 통신 방법. - 제7항에 있어서,
상기 결정된 대상 릴레이에 상기 수신단에 대한 협력 통신을 명령하는 정보를 송신하는 단계
를 더 포함하는 송신단의 협력 통신 방법. - 이동하는 적어도 하나의 후보 릴레이 중 어느 하나인 대상 릴레이에 있어서,
상기 대상 릴레이 및 송신단 사이의 제1 채널 품질에 대한 정보와, 상기 대상 릴레이 및 수신단 사이의 제2 채널 품질에 대한 정보를 획득하는 획득부; 및
상기 제1채널 품질 또는 상기 제2 채널 품질 중 적어도 하나를 이용하여 상기 대상 릴레이가 상기 수신단에 대한 협력 통신이 가능한 지를 판단하고, 상기 판단 결과를 나타내는 지시자를 상기 송신단으로 전송하는 가능성 판단부;
를 포함하는 대상 릴레이. - 제10항에 있어서,
상기 가능성 판단부는
상기 제1채널 품질 또는 상기 제2 채널 품질 중 적어도 하나를 미리 설정된 임계치와 비교하여, 상기 비교 결과에 따라 상기 수신단에 대한 협력 통신 가능성을 결정하는
대상 릴레이. - 제10항에 있어서, 상기 획득부는
상기 송신단으로부터 수신된 레퍼런스 신호를 이용하여 상기 대상 릴레이 및 상기 송신단 사이의 제1 채널 품질에 대한 정보를 계산하고, 상기 수신단으로부터 수신된 업 링크 레퍼런스 신호를 이용하여 상기 대상 릴레이 및 수신단 사이의 제2 채널 품질에 대한 정보를 계산하는
대상 릴레이. - 제10항에 있어서,
상기 송신단으로부터 상기 수신단에 대한 협력 통신을 명령하는 정보가 수신되었는 지에 따라 상기 수신단에 대한 협력 통신을 개시하는 협력 통신부
를 더 포함하는 대상 릴레이. - 이동하는 하나 이상의 후보 릴레이 중 적어도 하나와 연동하여 수신단에 대한 협력 통신을 수행하는 송신단에 있어서,
상기 수신단에 대하여 협력 전송이 필요한 지를 판단하고, 상기 협력 전송이 필요한 것으로 판단된 경우, 상기 하나 이상의 후보 릴레이에 레퍼런스 신호를 송신하는 협력 판단부; 및
상기 하나 이상의 후보 릴레이 중 적어도 하나로부터 상기 수신단에 대한 협력 통신이 가능함을 나타내는 지시자가 수신되면, 상기 지시자를 송신한 후보 릴레이를 상기 수신단에 대한 협력 통신의 대상 릴레이로 결정하는 릴레이 결정부;
를 포함하는 송신단. - 제14항에 있어서,
상기 협력 판단부는
상기 하나 이상의 후보 릴레이 중 상기 협력 전송에 이용될 릴레이의 수를 제한하기 위한 임계치를 결정하고, 상기 결정된 임계치를 상기 하나 이상의 후보 릴레이로 통지하는 송신단. - 제14항에 있어서,
상기 결정된 대상 릴레이에 상기 수신단에 대한 협력 통신을 명령하는 정보를 송신하고, 상기 수신단에 대한 협력 통신의 데이터 신호를 상기 수신단 및 상기 대상 릴레이로 전송하는 데이터 송신부;
를 더 포함하는 송신단.
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