KR20140025131A - 차량 통신용 장치 및 그 통신 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 차량 통신용 장치 및 그 통신 방법에 관한 것으로, 하나의 인프라가 존재하는 스마트 안테나 기반의 통신 시스템에서 적응형 빔 기반의 빔 분할 다중 접속 방식을 사용하고, 한 차량을 향해 형성된 빔이 다른 차량에게 영향을 미치는 셀 내부의 간섭을 완화시켜 통신 시스템의 용량을 증가시킬 수 있는 빔 및 빔 파워 할당하는 방법을 제공하는 스마트 안테나를 사용하는 차량 통신용 장치 및 그 통신 방법에 관한 기술이다.

Description

차량 통신용 장치 및 그 통신 방법{DEVICE FOR VEHICLE COMMUNICATION AND METHOD THEREOF}

본 발명은 차량 통신용 장치 및 그 통신 방법에 관한 것이다. 보다 자세하게는, 하나의 인프라가 존재하는 스마트 안테나 기반의 통신 시스템에서 적응성 빔 기반의 빔 분할 다중 접속 방식을 사용하고, 한 차량을 향해 형성된 빔이 다른 차량에게 영향을 미치는 셀 내의 통신 간섭을 완화시켜 통신 시스템의 용량을 증가시킬 수 있는 빔 및 빔 파워를 할당하는 방법을 제공하는 스마트 안테나를 사용하는 차량 통신용 장치 및 그 통신 방법에 관한 것이다.

자동차 산업이 급격히 발전되면서 자동차와 무선통신을 결합한 차량 무선 인터넷 서비스인 탤레메틱스(TELEMATICS) 기술이 개발되어 무선 차량 통신에 대한 수요가 증가하고 있다.

차량 통신 시스템은 차량과 주변 도로의 인프라(infrastructure)로 구성되어, 차량 및 운전자의 안전과 교통 흐름의 개선을 위한 실시간 교통 정보 및 차량 통신 어플리케이션을 제공한다. 여기서, 차량 통신 어플리케이션은 긴급한 상황에 처한 차량에 대한 정보를 제공하는 도로 안전 어플리케이션, 교통 흐름에 대한 정보를 제공하는 교통 관리 어플리케이션 및 인터넷 접속을 통해 엔터테인먼트 정보를 제공하는 사용자 인포테이먼트(infotainment) 어플리케이션 등을 포함한다.

일반적으로 차량 통신 시스템은 인프라와 차량 간에 무선 통신을 통해 제공되는 V2I(Vehicle to infrastructure) 통신 시스템, 차량들 간의 무선 통신을 통해 제공되는 V2V(Vehicle to Vehicle) 통신 시스템 등이 있다.

V2I 통신 시스템의 경우 종래에는 인프라가 전방향 안테나를 이용한 무선 통신을 통해 정보를 제공하는 방식을 적용하여, 차량의 위치 및 이동 속도를 고려한 자원 할당이 어려워 차량이 밀집된 공간에서는 통신 용량 및 QoS를 저하시키고, 차량이 없는 공간에서는 불필요한 자원의 낭비를 초래하는 문제가 있었다.

이를 해결하기 위해, 차량의 위치 및 이동 속도를 고려하여 생성된 적응성 빔을 형성하여 정보를 제공함으로써 불필요한 통신 자원의 낭비를 방지하여 통신 시스템의 용량을 최대화하는 적응성 빔 기반의 빔 분할 다중 접속 방식이 적용되고 있다.

빔 분할 다중 접속 방식은 동일한 주파수 대역에서 동시에 다수의 차량에 적응성 빔을 형성하는 공간 재사용 방식으로, 많은 데이터의 전송이 가능한 장점이 있다. 그러나, 최근 스마트 기기의 보급이 증가하면서 사용자 인포테이먼트 어플리케이션에 대한 수요가 커짐에 따라 데이터 트래픽(traffic) 및 네트워크 불안정이 발생하고, 동일한 주파수를 사용하여 데이터를 전송하기 때문에 한 차량을 향해 형성된 빔이 인접한 위치에 있는 다른 차량에게 영향을 미치는 현상이 발생할 수 있다.

도 1은 종래의 차량 통신용 장치의 문제점을 설명하기 위한 도면이다.

도 1을 참조하면, 종래의 차량 통신용 장치는, 인프라(100)가 차량(21)과 차량(22)이 동일한 차선에서 서로 동일한 방향으로 주행하고, 서로 간의 거리가 가까운 상태에서 차량(21) 및 차량(22)를 향해 동시에 적응성 빔(B1, B2)을 형성하는 경우 차량(22)는 차량(21)의 적응성 빔(B1)에 의해 셀 내의 통신 간섭을 받는다.

또한, 차량(23)과 차량(24)가 인접한 차선에서 서로 동일한 방향으로 주행하는 상태에서 차량(23)을 향해 형성한 적응성 빔(B3)의 방향과 차량(24)를 향해 형성한 적응성 빔(B4)의 방향이 동일한 경우, 차량(23)과 차량(24) 각각이 적응성 빔(B4, B3)에 의해 셀 내의 통신 간섭을 받을 수 있다.

(특허문헌)

한국공개특허 제2011-0135030호(공개일자 2011년 07월 07일)

즉, 종래에는 한 차량을 향해 형성된 적응성 빔이 다른 차량에게 영향을 미치는 셀 내의 통신 간섭을 유발하여 통신 시스템의 용량이 감소하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 하나의 인프라가 존재하는 스마트 안테나 기반의 차량 통신 장치에서 적응성 빔 기반의 빔 분할 다중 접속 방식을 적용하고, 한 차량을 향해 형성된 빔이 다른 차량에게 영향을 미치는 셀 내부의 간섭을 완화시키기 위한 빔 할당 및 빔 파워를 제어하여 통신 시스템의 용량을 최대화시킬 수 있는 차량 통신용 장치 및 그 통신 방법을 제공하고자 한다.

상술한 본 발명은 하나의 셀을 통신 커버리지로 갖는 안테나를 구비한 차량 통신용 장치로서, 상기 셀 내의 다수의 차량과 데이터를 송수신하는 통신부와, 상기 다수의 차량 중 상기 셀 내의 통신 간섭이 가장 적은 하나의 차량을 선택하고, 선택된 차량의 방향으로 적응성 빔을 할당하는 빔 할당부 및 상기 선택된 차량에 대한 상기 셀 내의 통신 간섭의 크기에 따라 빔 파워의 크기를 제어하는 빔 파워 할당부를 포함한다.

또한, 상기 빔 할당부는 상기 다수의 차량 중 각 차량에 대한 통신 링크의 신호 대 잡음 간섭비가 가장 큰 차량을 상기 통신 간섭이 가장 적은 차량으로 선택하는 것을 특징으로 한다. 그리고, 상기 빔 할당부는 상기 적응성 빔 하나 당 2대 이하의 차량을 할당하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 빔 파워 할당부는 상기 선택된 차량에 대한 상기 셀 내의 통신 간섭이 감소하면 상기 빔 파워를 증가시키는 것을 특징으로 한다. 여기서, 상기 빔 파워 할당부는 상기 적응성 빔의 파워가 0보다 크고, 상기 적응성 빔의 총 파워가 최대 빔 파워보다 작게 할당하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명은 하나의 셀을 통신 커버리지로 갖는 안테나를 구비한 차량 통신용 장치의 통신 방법으로서, 상기 셀 내의 다수의 차량 중 셀 내의 통신 간섭이 가장 적은 하나의 차량을 선택하고, 선택된 차량의 방향으로 적응성 빔을 할당하는 단계 및 상기 선택된 차량에 대한 상기 셀 내의 통신 간섭의 크기에 따라 빔 파워의 크기를 제어하는 단계를 포함한다.

그리고, 상기 적응성 빔을 할당하는 단계는, 상기 다수의 차량 중 통신 링크의 신호 대 잡음 간섭비가 가장 큰 차량을 상기 통신 간섭이 가장 적은 차량으로 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 빔 파워의 크기를 제어하는 단계는, 최대 전송 가능한 빔 파워를 상기 적응성 빔의 총 개수로 나누어 상기 빔 파워를 동일하게 할당하는 초기화 단계 및 상기 선택된 차량에 대한 상기 셀 내의 통신 간섭이 감소하면 상기 빔 파워를 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 차량 통신용 장치 및 그 통신 방법에 있어서, 하나의 인프라가 존재하는 스마트 안테나 기반의 통신 시스템에서 적응성 빔 기반의 빔 분할 다중 접속 방식을 적용하고, 한 차량을 향해 형성된 빔이 다른 차량에게 영향을 미치는 셀 내의 통신 간섭을 완화시켜 통신 시스템의 용량을 최대화시킬 수 있는 효과가 달성된다.

도 1은 종래의 차량 통신용 장치의 문제점을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 차량 통신용 장치를 도시한 개념 블록도.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 차량 통신용 장치의 통신 방법을 설명하기 위한 도면.

후술하는 본 발명에 대한 상세한 설명은, 본 발명이 실시될 수 있는 특정 실시예를 예시로서 도시하는 첨부 도면을 참조한다. 이들 실시예는 당업자가 본 발명을 실시할 수 있기에 충분하도록 상세히 설명된다. 본 발명의 다양한 실시예는 서로 다르지만 상호 배타적일 필요는 없음이 이해되어야 한다. 예를 들어, 여기에 기재되어 있는 특정 형상, 구조 및 특성은 일 실시예에 관련하여 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 다른 실시예로 구현될 수 있다. 또한, 각각의 개시된 실시예 내의 개별 구성요소의 위치 또는 배치는 본 발명의 정신 및 범위를 벗어나지 않으면서 변경될 수 있음이 이해되어야 한다. 따라서, 후술하는 상세한 설명은 한정적인 의미로서 취하려는 것이 아니며, 본 발명의 범위는, 적절하게 설명된다면, 그 청구항들이 주장하는 것과 균등한 모든 범위와 더불어 첨부된 청구항에 의해서만 한정된다. 도면에서 유사한 참조부호는 여러 측면에 걸쳐서 동일하거나 유사한 기능을 지칭한다.

이하, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명을 용이하게 실시할 수 있도록 하기 위하여, 본 발명의 바람직한 실시예들에 관하여 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 차량 통신용 장치를 도시한 개념 블록도이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 차량 통신용 장치는 인프라(200)를 포함한다. 본 발명의 실시 예에 따른 인프라(200)는 동일한 주파수 대역의 적응적 빔을 서로 다른 위치에 있는 다수의 차량에 동시에 할당하여 데이터를 송수신한다. 여기서, 인프라(200) 하나의 통신 커버리지 영역을 셀로 정의하여 설명한다. 인프라(200)는 통신부(210), 빔 할당부(220) 및 빔 파워 할당부(230)를 포함한다. 통신부(210)는 안테나를 포함하여, 셀 내에 위치한 다수의 차량과 데이터를 송수신한다. 구체적으로, 통신부(210)는 다수의 차량 각각에 포함된 GPS(Global Positioning System)를 통해 각 차량의 위치, 이동 속도, 채널 상태 정보 등을 주기적으로 수신 받고, 각 차량에 선택적으로 도로 안전, 교통 관리, 사용자 인포테이먼트 어플리케이션 등을 송신 한다.

그리고, 빔 할당부(220)는 셀 내에 위치한 다수의 차량 중 통신 간섭이 가장 적은 하나의 차량을 선택하고, 선택된 차량의 방향으로 적응성 빔을 할당한다. 또한, 빔 파워 할당부(230)는 선택된 차량에 대한 셀 내의 통신 간섭의 크기에 따라 빔 파워의 크기를 제어한다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 차량 통신용 장치의 통신 방법을 도 3을 참고하여 설명한다.

도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 차량 통신용 장치의 통신 방법을 설명하기 위한 도면이다. 여기서, 도 3에 도시된 차량 (k, m)는 동일한 차선에서 한 방향으로 주행하고 있고, 실선으로 표시된 화살표는 신호 채널을 나타내고, 점선으로 표시된 화살표는 간섭 채널을 나타낸다.

먼저, 설명 상의 편의를 위해 인프라(200)를 i로 표현하여 설명한다. 그리고, 셀 내에 위치한 다수의 차량 중 인프라 i에 접속하는 차량은 총 K대가 존재하며, 그 집합을 K={1,…,K}으로 정의하여 설명한다. 그리고, 빔 할당부(220)에서 할당할 수 있는 적응성 빔은 최대 B개이며, 그 집합을 B={1,…,B}으로 정의하여 설명한다. 또한, 한 프레임은 N개의 다운링크 타임 슬롯을 포함하여 구성되며, 그 집합을 N={1,…,N}으로 정의하여 설명한다.

그리고, 타임 슬롯 n에서 인프라 i로부터 차량 k를 향해 적응성 빔 b가 할당된 경우, 차량(k)에 대한 통신 링크 k의 신호 대 잡음 간섭비(SINR; signal to intereference plus noise ratio)(γ)는 아래의 [수학식 1]과 같다. 즉, 차량(k)에 대한 셀의 신호 대 잡음 간섭비(γ)는 다른 차량에 의한 셀 내의 간섭이 작아질수록 그 값이 커진다.

여기서, σ²은 열 잡음 파워를 나타내고,

은 타임 슬롯 n에서 적응성 빔(b)에 할당된 전송 빔 파워를 나타낸다. 또한,

는 차량(k)에 대한 신호 채널 이득을 나타낸다. 여기서, θ(b,k)는 적응성 빔(b)의 방향과 차량(k)의 방향 사이의 각도를 나타낸다. 도 3의 경우, 차량(k)의 방향으로 적응성 빔(b)이 형성되어 있기 때문에, θ(b,k)=0을 만족한다. 여기서, θ(b,m)은 적응성 빔(b)의 방향과 차량(m)의 방향 사이의 각도를 의미하며, θ(b,m)=α를 만족한다. 그리고, 차량 k가 인프라 i를 통해 다른 차량(m)에 형성된 적응성 빔 a에 의해 간섭 채널이 형성되는 경우 간섭 채널 이득은

으로 정의된다. 즉, 차량(m)에 의한 셀 내부에서의 통신 간섭

은 적응성 빔 a의 전송 파워

와 차량 k에서의 간섭 채널 이득

의 곱에 대응하는 크기로 발생할 수 있다.

따라서, 빔 할당부(220)는 셀 내의 통신 간섭이 가장 적은 차량을 신호 대 간섭 잡음비(γ)를 이용하여 판단할 수 있다. 즉, 빔 할당부(220)는 아래 [수학식 2]와 같이, 신호 대 간섭 잡음비(γ)가 가장 큰 차량, 예컨대 차량(k)가 셀 내의 통신 간섭이 가장 적은 경우 차량(k)에 적응성 빔(b)을 할당한다.

이때, 빔 할당부(220)는 아래의 식 (1.1) 및 (1.2)과 같은 제약 조건을 가진다. 즉, 빔 할당부(220)는 하나의 적응성 빔이 1대 이하의 차량에 할당되도록 한다.

[식 1.1]

[식 1.2]

여기서,

는 차량(k)에 대한 적응성 빔(b)의 할당 상태를 나타낸다. 예컨대, 타임 슬롯 n에서 적응성 빔(b)이 차량(k)에 할당되어 있으면,

는 1을 만족하고, 아니면 0을 만족한다.

한편, 빔 파워 할당부(230)는 아래의 [수학식 3]과 같이, 전송 빔 파워(p)를 할당한다.

여기서, 함수

을 의미하고,

은 타임 슬롯 n에서 적응성 빔(b)이 다른 통신 링크들을 발생시키는 셀 내 간섭의 양에 비례하는 누적 값을 나타내며, 아래의 [수학식 4]에 의해 정의된다.

그리고, λ는 단위 시간 당 도착하는 차량의 비율을 의미하며, 0이상의 값을 가진다. 여기서, [수학식 3]은 water-filling 알고리즘을 이용하여, 첫번째 항은 전송 파워의 기준 값, 즉 water level을 의미하고, 두번째 항은 차량(k)에 대한 통신 링크의 신호 대 잡음 간섭비(γ)의 역수를 포함한다. 즉, water-filling 알고리즘은 전송 파워의 기준 값과 차량(k)에 대한 통신 링크의 신호 대 잡음 간섭비(γ)의 역수 간의 차이에 의해 정의될 수 있다. 따라서, 적응성 빔(b)에 대한 셀 내의 간섭이 감소하거나, 차량(k)에 대한 통신 링크의 신호 대 잡음 간섭비(γ)가 증가하는 경우 빔 파워 할당부(230)는 적응성 빔(b)의 전송 파워 할당을 증가시킨다.

이때, 빔 파워 할당부(230)는 최대 빔 파워에 대한 아래 식 (1.3) 및 (1.4)와 같은 제약 조건을 만족해야 한다.

[식 1.3]

[식 1.4]

여기서, 식 (1.3)은 각 적응성 빔의 전송 파워가 적어도 0 이상이어야 한다는 것이고, 식 (1.4)는 적응성 빔에 할당된 총 전송 파워가 인프라(200)의 최대 빔 파워(Pmax)보다 크지 않아야 한다는 것이다.

이하, 위에서 설명한 수학식을 기반으로 하여 본 발명의 실시 예에 따른 빔 및 빔 파워의 할당 절차에 대해 각각의 단계로 구분하여 설명한다.

초기화 단계

먼저, 빔 파워 p의 할당을 초기화시킨다. 그 다음, [수학식 2]에 따라 다수의 차량 중 신호 대 잡음 선택비가 가장 높은 차량에 빔 할당을 한다.

그 다음, 초기 빔 파워와 빔 할당에 기초하여 [수학식 4]에 따라 t를 계산한다.

빔 파워 및 빔 할당 업데이트 단계

먼저, [수학식 3]에 따라 빔 파워 할당 p을 업데이트한다.

그 다음, 업데이트 된 빔 파워 p에 기초하여 적응성 빔(b)의 할당을 업데이트 한다. 그리고, 빔 파워 및 빔 할당이 업데이트되면, t를 업데이트한다. 이와 같은 방법으로 초기화 및 업데이트 과정을 반복한다.

그러나, 위의 과정은 복잡한 수학적 계산이 필요하기 때문에 아래와 같은 경험적(Heuristic) 방법에 의해 빔 및 빔 파워를 할당하는 것이 바람직하다.

초기화 단계

먼저, 빔 파워 p의 할당을 초기화시키고, 최대 전송 가능한 파워(Pmax)를 적응성 빔의 총 개수로 나누어 빔 파워 p을 동일하게 할당한다.

빔 할당 단계

초기화된 빔 파워 p에 기초하여 [수학식 2]에 따라 다수의 차량 중 신호 대 잡음 선택비가 가장 높은 차량에 빔 할당을 한다.

빔 파워 할당 단계

[수학식 3]에 따라 빔 파워를 할당한다.

이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 차량 통신용 장치 및 그 통신 방법은, 스마트 안테나 기반의 통신 시스템에서 적응성 빔 기반의 빔 분할 다중 접속 방식을 사용하고, 다수의 차량 중 신호 대 잡음 간섭비가 가장 높은 차량을 선택하여 데이터를 전송하는 빔 할당 방법을 적용한다. 또한, 선택된 차량을 향해 형성된 빔이 다른 차량에게 영향을 미치는 셀 내의 간섭 또는 통신 링크의 신호 대 잡음 간섭비에 따라 빔 파워를 제어하는 방법을 적용한다. 이에 따라, 한 차량을 향해 형성된 빔이 다른 차량들에게 영향을 미치는 셀 내의 간섭을 완화시키고, 통신 시스템의 용량을 최대화시킬 수 있다.

이상에서 본 발명이 구체적인 구성요소 등과 같은 특정 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명이 상기 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형을 꾀할 수 있다.

따라서, 본 발명의 사상은 상기 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이 특허청구범위와 균등하게 또는 등가적으로 변형된 모든 것들은 본 발명의 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

200: 인프라
210: 통신부
220: 빔 할당부
230: 빔 파워 할당부

Claims (8)

1. 하나의 셀을 통신 커버리지로 갖는 안테나를 구비한 차량 통신용 장치에 있어서,
   상기 셀 내의 다수의 차량과 데이터를 송수신하는 통신부;
   상기 다수의 차량 중 상기 셀 내의 통신 간섭이 가장 적은 하나의 차량을 선택하고, 선택된 차량의 방향으로 적응성 빔을 할당하는 빔 할당부; 및
   상기 선택된 차량에 대한 상기 셀 내의 통신 간섭의 크기에 따라 빔 파워의 크기를 제어하는 빔 파워 할당부
   를 포함하는 차량 통신용 장치.
   
2. 제1항에 있어서,
   상기 빔 할당부는 상기 다수의 차량 중 각 차량에 대한 통신 링크의 신호 대 잡음 간섭비가 가장 큰 차량을 상기 통신 간섭이 가장 적은 차량으로 선택하는 것을 특징으로 하는 차량 통신용 장치.
   
3. 제1항에 있어서,
   상기 빔 할당부는 상기 적응성 빔 하나 당 1대 이하의 차량을 할당하는 것을 특징으로 하는 차량 통신용 장치.
   
4. 제1항에 있어서,
   상기 빔 파워 할당부는 상기 선택된 차량에 대한 상기 셀 내의 통신 간섭이 감소하면 상기 빔 파워를 증가시키는 것을 특징으로 하는 차량 통신용 장치.
   
5. 제1항에 있어서,
   상기 빔 파워 할당부는 상기 적응성 빔의 파워가 0보다 크고, 상기 적응성 빔의 총 파워가 최대 빔 파워보다 작게 할당하는 것을 특징으로 하는 차량 통신용 장치.
   
6. 하나의 셀을 통신 커버리지로 갖는 안테나를 구비한 차량 통신용 장치의 통신 방법에 있어서,
   상기 셀 내의 다수의 차량 중 셀 내의 통신 간섭이 가장 적은 하나의 차량을 선택하고, 선택된 차량의 방향으로 적응성 빔을 할당하는 단계; 및
   상기 선택된 차량에 대한 상기 셀 내의 통신 간섭의 크기에 따라 빔 파워의 크기를 제어하는 단계
   를 포함하는 차량 통신용 장치의 통신 방법.
   
7. 제6항에 있어서,
   상기 적응성 빔을 할당하는 단계는,
   상기 다수의 차량 중 통신 링크의 신호 대 잡음 간섭비가 가장 큰 차량을 상기 통신 간섭이 가장 적은 차량으로 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 통신용 장치의 통신 방법.
   
8. 제6항에 있어서,
   상기 빔 파워의 크기를 제어하는 단계는,
   최대 전송 가능한 빔 파워를 상기 적응성 빔의 총 개수로 나누어 상기 빔 파워를 동일하게 할당하는 초기화 단계; 및
   상기 선택된 차량에 대한 상기 셀 내의 통신 간섭이 감소하면 상기 빔 파워를 증가시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 차량 통신용 장치의 통신 방법.

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