KR20140131426A - 계층화된 방송 데이터 전송 시스템 및 방법 - Google Patents

계층화된 방송 데이터 전송 시스템 및 방법 Download PDF

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Abstract

기지국 제어 시스템을 통해 서비스 제공 시스템과 연동한 하나 이상의 안테나를 가지는 방송 데이터 전송 시스템이 하나 이상의 단말에 방송 데이터를 전송하기 위하여, 기지국 제어 시스템으로부터 전송된 전력 정보를 토대로 하나 이상의 안테나 각각에 대해 전력을 할당한 후 하나 이상의 안테나 중 제1 송신 안테나를 통해 기본 계층의 부호화된 스트림을 전송한다. 그리고 제1 송신 안테나를 제외한 하나 이상의 송신 안테나를 통해, 하나 이상의 품질 계층의 부호화된 스트림을 각각 단말로 전송한다.

Description

계층화된 방송 데이터 전송 시스템 및 방법{System and method for layered video streaming}
본 발명은 계층화된 방송 데이터 전송 시스템 및 방법에 관한 것이다.
무선망과 인터넷의 초고속화에 따라, 비디오 스트리밍, 모바일 방송, IPTV(Internet Protocol Television) 등 방송과 통신이 융합된 환경에서 비디오를 중심으로 하는 멀티미디어 컨텐츠 서비스의 제공이 보편화되고 있다. 특히 4세대 이동통신 표준에서는, 서비스 이용자가 이동 중에도 이동통신망을 통해 IPTV와 같은 실시간 방송 서비스를 제공받을 수 있도록 하는 규격을 제정하고 있다.
이와 같은 이동통신망에서의 방송 서비스를 제공하기 위해서는 무선 자원의 제약을 극복해야 하며, 실시간 비디오 멀티캐스트/브로드캐스트 특성에 적합하도록 주파수 자원을 효율적으로 이용할 수 있는 전송 기술의 개발이 요구된다. 즉, 단말의 위치에 따라 채널 상태가 서로 다르기 때문에, 채널 상태를 고려하지 않고 단말에 균일한 품질의 멀티캐스트/브로드캐스트 서비스를 제공하는 것은 주파수 자원 측면에서 비효율적이다.
이러한 비효율성을 극복하기 위해, 단말의 채널 상태에 따라 적응적으로 비디오 품질을 제어할 수 있는 계층적 비디오 부호화(Layered Video Coding) 방식이 설계되었다. 그리고, 이를 적용하여 단말 별로 방송 품질을 계위적(scalable)으로 제어할 수 있게 되었다.
계층적 비디오 부호화 방식을 이용하여 비디오 품질을 제어할 때에는 복수개의 계층을 통해 정보가 송수신된다. 여기서 복수개의 계층은 수신단에서 최소한의 영상 품질을 재생하는데 필요한 정보를 포함하여 송수신하는 기본 계층(base layer)과, 적어도 하나 이상의 향상 계층(enhancement layer)을 포함한다. 이때 향상 계층을 통해 전송되는 정보를 추가적으로 수신하여 복호화하면 비디오 품질이 점진적으로 향상된다.
예를 들어, 이동통신망의 환경이 기본 계층과 3개의 향상 계층으로 구성될 경우, 향상 계층은 단계 별로 제1 품질 계층(quality layer #1), 제2 품질 계층(quality layer #2), 그리고 제3 품질 계층(quality layer #3)로 구분한다. 이러한 복수의 계층들에 의하여 영상의 화질을 단계적으로 향상시켜, 화질적 확장성(scalability)을 확보할 수 있게 된다.
이때, 모든 단말은 기본 계층을 멀티캐스트/브로드캐스트 서비스를 제공하는 시스템으로부터 수신할 수 있도록 설계되며, 채널 상태 또는 단말의 성능에 따라서 단말이 수신할 수 있는 향상 계층의 수를 유동적으로 제어하여 주파수 자원을 효율적으로 사용하도록 설계된다.
한편, 다중 안테나를 이용하여 무선채널에서의 공간적 다중화에 의해 전송률을 극대화시킬 수 있는 MIMO(Multi Input Multi Output) 기술이 4세대 이동통신망에서 적용되었다. 이에 따라 MIMO 기반의 공간적 다중화에 따라 단말에 적용 가능한 형태의 계층적 비디오 부호화 방식이 연구되었다.
이 방식에서는, 각 부호화 계층 별로 차등화 된 부호화된 스트림은 각 안테나로 독립적으로 전송된다. 예를 들어, 4 × 4 안테나 MIMO 시스템에서, 1번 송신 안테나에 기본 계층(base layer)의 스트림을 전송하고, 2번, 3번, 4번 송신 안테나에 각각 제 1 품질 계층(quality layer #1), 제 2 품질 계층(quality layer #2), 그리고 제 3 품질 계층(quality layer #2)의 스트림을 전송한다. 수신단에서 계층별로 비디오 부호화된 스트림을 안테나 별로 복호화하는 과정에서, 먼저 복호화된 특정 안테나의 심볼을 그 다음 안테나의 심볼을 복호화할 때 제거함으로써 해당 심볼의 성능을 향상시킬 수 있다.
이와 같이 안테나 별로 복호화 순서가 정해져 있을 때, 순차적으로 검출된 심볼을 제거하는 순차 간섭 제거(SIC: Successive Interference Cancellation) 방식을 적용하면, 이후에 복호화되는 안테나의 스트림에 대한 성능이 차등적으로 향상된다. 그리고 부호화 계층 별로 차등화된 스트림에 대해서 수신단에서 안테나 별로 복호화 순서에 따라 성능 차등화를 실현할 수 있다.
예를 들어, 4 × 4 MIMO 시스템에서 제 3 품질 계층의 스트림에 해당하는 안테나 4번의 심볼을 가장 먼저 복호화한 후, 이를 안테나 3번의 수신 신호에서 제거한 후에 제 2 품질 계층의 심볼을 복호화하여 제 2 품질 계층 스트림이 제 3 품질 계층 스트림보다 더 향상된 성능을 얻게 된다. 따라서, 가장 좋은 성능이 요구되는 기본 계층 스트림은 맨 마지막에 복호화하게 된다.
그러나 이런 방식의 경우에는 각 안테나 별로 동일한 전력을 할당하며, 이 경우에는 주어진 채널에 대해서 각 부호화 계층 별로 평균 비트 오류 성능은 SIC에 의해 차등화된다. 즉, 이 경우에는 주어진 채널에 대해서 각 부호화 계층 별로 필요한 수준의 차등화된 품질을 제공할 수 없기 때문에, 계층별 비디오 부호화에서 추구하는 확장성을 유연하게 제어할 수 없다.
따라서, 본 발명은 부호화 계층별로 필요한 수준의 차등화된 품질을 제공할 수 있는 계층화된 방송 데이터 전송 시스템 및 방법을 제공한다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 하나의 특징인 기지국 제어 시스템을 통해 서비스 제공 시스템과 연동한 하나 이상의 안테나를 가지는 방송 데이터 전송 시스템이 하나 이상의 단말에 방송 데이터를 전송하는 방법은,
상기 기지국 제어 시스템으로부터 전송된 전력 정보를 토대로 상기 하나 이상의 안테나 각각에 대해 전력을 할당하는 단계; 상기 하나 이상의 안테나 중 제1 송신 안테나를 통해 기본 계층의 부호화된 스트림을 전송하는 단계; 및 상기 제1 송신 안테나를 제외한 상기 하나 이상의 송신 안테나를 통해, 하나 이상의 품질 계층의 부호화된 스트림을 각각 상기 단말로 전송하는 단계를 포함한다.
상기 품질 계층의 부호화된 스트림을 전송하는 단계는,송신 안테나 별로 서로 상이한 단계의 품질 계층의 부호화된 스트림을 각각 전송할 수 있다.
상기 방송 데이터 전송 시스템이 네 개의 송신 안테나를 구비하면, 상기 품질 계층의 부호화된 스트림은 제1 품질 계층 스트림, 제2 품질 계층 스트림 및 제3 품질 계층 스트림을 포함하고, 상기 제1 품질 계층 스트림은 제2 송신 안테나를 통해 상기 단말로 전송되고, 상기 제2 품질 계층 스트림은 제3 송신 안테나를 통해 상기 단말로 전송되며, 상기 제3 품질 계층 스트림은 제4 송신 안테나를 통해 상기 단말로 전송될 수 있다.
상기 각각 단말로 전송하는 단계 이후에, 네 개의 수신 안테나를 구비하는 상기 단말은, 상기 부호화된 복수의 품질 계층의 스트림을 수신하여 복호화하는 단계; 및 상기 복호화된 복수의 품질 계층의 스트림을 수신 신호에서 제거한 후 부호화된 기본 계층 스트림을 복호화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 복수의 품질 계층의 스트림을 수신하여 복호화하는 단계는, 제4 수신 안테나가 부호화된 제3 품질 계층의 스트림을 복호화하는 단계; 제3 수신 안테나가 수신한 신호 중 상기 복호화된 제3 품질 계층의 스트림을 제거한 후 부호화된 제2 품질 계층의 스트림을 복호화하는 단계; 및 제2 수신 안테나가 수신한 신호 중 상기 복호화된 제2 품질 계층의 스트림을 제거한 후 부호화된 제1 품질 계층의 스트림을 복호화하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 본 발명의 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 또 다른 특징인 기지국 제어 시스템을 통해 연동한 서비스 제공 시스템으로부터 전송되는 방송 서비스를 수신하여 하나 이상의 단말에 제공하는 방송 데이터 전송 시스템은,
상기 기지국 제어 시스템이 하나 이상의 안테나에 각각 할당한 전력 정보를 수신하고, 수신한 전력 정보를 토대로 하나 이상의 안테나에 전력을 할당하는 전력 할당부; 상기 하나 이상의 안테나 중 제1 안테나를 통해 기본 계층의 부호화된 스트림을 단말로 전송하는 기본 계층 정보 전송부; 및 상기 제1 안테나를 제외한 하나 이상의 안테나를 통해 하나 이상의 품질 계층의 부호화된 스트림을 상기 단말로 전송하는 품질 계층 정보 전송부를 포함한다.
상기 단말은, 상기 품질 계층 정보 전송부로부터 전송되는 신호를 수신하여 복호하는 하나 이상의 품질 계층 정보 복호부; 및 상기 품질 계층 정보 복호부가 상기 하나 이상의 부호화된 품질 계층의 스트림이 복호화한 후, 상기 방송 서비스 전송 시스템으로부터 수신한 신호로부터 복호화된 품질 게층의 스트림을 제거한 후 부호화된 기본 계층의 스트림을 복호화하는 기본 계층 정보 복호부를 포함할 수 있다.
본 발명에 따르면 MIMO 채널에 대한 순시적인 정보를 사용하지 않고도 각 부호화 계층별로 차등화된 품질의 서비스를 제공할 수 있다.
또한, 부호화 계층별로 필요한 수준의 차등화 된 품질의 서비스를 제공할 수 있어, 네트워크의 가용성을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방송 서비스 시스템 구성의 예시도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방송 데이터 전송 시스템의 구조도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템에서의 방송 데이터 전송 시스템의 예시도이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PNSR의 예시도이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방송 데이터 방법에 대한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 체감 품질을 나타낸 예시도이다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전력 할당의 예시도이다.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 시스템 효용성의 예시도이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
본 명세서에서 단말(terminal)은, 이동국(Mobile Station, MS), 이동 단말(Mobile Terminal, MT), 가입자국(Subscriber Station, SS), 휴대 가입자국(Portable Subscriber Station, PSS), 사용자 장치(User Equipment, UE), 접근 단말(Access Terminal, AT) 등을 지칭할 수도 있고, 이동 단말, 가입자국, 휴대 가입자 국, 사용자 장치 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
본 명세서에서 기지국(Base Station, BS)은 접근점(Access Point, AP), 무선 접근국(Radio Access Station, RAS), 노드B(Node B), 송수신 기지국(Base Transceiver Station, BTS), MMR(Mobile Multihop Relay)-BS 등을 지칭할 수도 있고, 접근점, 무선 접근국, 노드B, 송수신 기지국, MMR-BS 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
이하 도면을 참조로 하여 본 발명의 실시예에 따른 계층화된 방송 데이터 전송 시스템 및 방법을 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 방송 서비스 시스템 구성의 예시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 방송 서비스 시스템은 크게 방송 서비스를 제공하는 서비스 제공 시스템(100)과 서비스 제공 시스템(100)으로부터 전송되는 방송 서비스를 수신하여 사용자들에게 제공하는 방송 데이터 전송 시스템(200)으로 구분할 수 있다. 서비스 제공 시스템(100)과 방송 데이터 전송 시스템(200)은 서비스 제공 시스템(100)의 중간 제어 서버(120-1∼120-3)와 방송 데이터 전송 시스템(200)의 기지국 제어 장치(210)를 통해 연결되어 있다.
서비스 제공 시스템(100)은 방송 영상 데이터를 전송하는 멀티미디어 서버(110)와 멀티미디어 서버(110)로부터 전송되는 방송 영상 데이터를 중계하는 하나 이상의 중간 제어 서버(120-1∼120-3)들로 구성된다. 본 발명의 실시예에서는 세 개의 중간 제어 서버(120-1∼120-3)가 서비스 제공 시스템(100)에 포함되어 있는 것을 예로 하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
중간 제어 서버(120-1∼120-3)를 통해 서비스 제공 시스템(100)과 연결되어 있는 방송 데이터 전송 시스템(200)은 기지국 제어 장치(210), 기지국 제어 장치(210)에 연결되어 있는 복수의 기지국(220) 그리고 기지국(220)으로부터 방송 데이터를 수신하여 서비스를 사용자에게 제공하는 단말(300)을 포함한다. 여기서 기지국 제어 장치(210)는 기지국 내 안테나별로 할당할 전력을 계산하여 기지국(220)에 전송하며, 전력을 계산하는 방법은 이후 상세히 설명한다.
본 발명의 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 기지국(220)을 방송 데이터 전송 시스템(200)이라 지칭하여 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
멀티미디어 서버(110)로부터 전송된 방송 영상 데이터는 중간 제어 서버(120-1∼120-3)와 기지국 제어 장치(210)를 거쳐 복수의 기지국(220)으로 기본 계층, 제1 품질 계층, 제2 품질 계층 및 제3 품질 계층을 통해 전송된다. 본 발명의 실시예에서는 설명의 편의를 위하여 세 개의 품질 계층이 존재하는 것을 예로 하여 설명하기 위하여 안테나 수를 4개로 한정하여 설명하지만, 다수의 안테나에 대해 본 발명의 실시예에 따른 기술이 적용될 수 있다. 그리고 비디오 정보를 레이어 코딩을 통해 계층 정보들로 바꿔 전송하므로, 기본 계층 정보와 품질 계층 정보가 전송된다고 볼 수 있다.
방송 데이터 전송을 통해 단말(300)로 방송 데이터에 대한 서비스를 제공하는 방송 데이터 전송 시스템(200)의 구조에 대해 도 2를 참조로 설명한다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 방송 데이터 전송 시스템의 구조도이다.
도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 송신 안테나를 사용하는 기지국(220)은 각각의 안테나(220-1∼220-4)를 통해 계층 데이터를 전송한다. 여기서 제1 송신 안테나(220-1)는 기본 계층 스트림에 대한 정보를 전송하고, 제2 송신 안테나(220-2)는 제1 품질 계층 스트림에 대한 정보를 전송한다. 제3 송신 안테나(220-3)는 제2 품질 계층 스트림에 대한 정보를 전송하고, 제4 송신 안테나(220-4)는 제3 품질 계층 스트림에 대한 정보를 전송한다. 이때, 제1 송신 안테나(220-1) 내지 제4 송신 안테나(220-4)는 전력 할당부(221)에서 할당한 전력을 토대로 정보를 전송하는데, 전력 할당부(221)는 기지국 제어 장치(210)로부터 계산된 전력 정보를 수신하여 이를 토대로 기지국의 안테나별로 전력을 할당한다. 본 발명의 실시예에서는 기지국 제어 장치(210)가 전력 정보를 계산하여 전력 할당부(221)로 전달하는 것을 예로 하여 설명하나, 기지국 각각에서도 이를 수행할 수 있다.
한편, 기지국(220)으로부터 전송되는 방송 데이터를 수신하는 단말(300) 역시 4 개의 수신 안테나(320-1∼320-4)가 구비되어 있으며, SIC 기반의 복호화를 통해 원본 이미지를 복구한다. 즉, 제4 수신 안테나(320-1)가 제3 품질 계층의 스트림에 해당하는 심볼을 가장 먼저 복호화하고, 이를 제3 수신 안테나(320-2)가 제2 품질 계층의 심볼을 복호화한다. 이를 통해 제2 품질 계층 스트림이 제3 품질 계층 스트림보다 향상된 성능을 얻게 된다. 이와 마찬가지로 제2 수신 안테나(320-3)는 복호화된 제2 품질 계층의 심볼을 이용하여 제1 품질 계층의 심볼을 복호화하고, 마지막으로 제1 수신 안테나(320-4)가 기본 계층의 스트림을 복호화한다.
이때, 브로드캐스트/멀티캐스트 서비스를 제공하는 MIMO 시스템이 적용될 경우의 방송 데이터 전송 시스템(200)에 대해 도 3을 참조로 설명한다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 MIMO 시스템에서의 방송 데이터 전송 시스템의 예시도이다.
도 3은 브로드캐스트/멀티캐스트 서비스를 제공하는 MIMO 시스템에서 품질 별 계층으로 부호화된 비디오 스트림이 4개의 안테나 각각에 할당되어 복수의 단말로 전송될 때, 다소의 수신자들에 대한 하향 링크의 다중 사용자 MIMO 방송 채널을 나타낸 예시도이다. 여기서, 기지국과 m번째 사용자 단말까지의 채널을 4 × 4 행렬 Hm으로 나타내고, 모든 수신 단말에 대하여 Hm은 동일한 분포를 갖는다고 가정한다.
한편, 기지국의 i번째 송신 안테나와 각 단말의 j번째 수신 안테나간의 채널은 hij로 나타낸다. 채널 hij는 실수부와 허수부가 각각 평균이 0이고 분산값이 1인 독립으로 가우시안 분포를 갖는 복소 랜덤 변수로 가정한다. 이를 수식으로 표현하면 다음 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00001
여기서 C4 ×4는 복소수를 요소로 갖는 4 × 4 행렬 집합을 의미하며, CN(0,1)은 실수부와 허수부가 서로 독립적이면서 평균값이 0이고 분산값이 1인 복소 랜덤 변수를 의미한다.
4개의 송신 안테나에 대해 각 안테나의 번호를 l(예를 들어, l = 1, 2, 3, 4)로 나타낼 수 있다. l=1의 안테나를 통해 기본 계층의 부호화 스트림이 전송되고, l=2, 3, 4의 안테나에서 각각 제1 품질 계층, 제2 품질 계층 및 제3 품질 계층의 부호화 스트림이 전송된다.
각 송신 안테나별로 상이한 전력이 할당된다고 가정하고, l번째 안테나에 할당하는 전력을
Figure pat00002
이라고 가정한다. 할당 가능한 총 전력이 P라 가정하면, 계층별로
Figure pat00003
을 결정함으로써, 계층별로 차등화된 품질을 제공할 수 있다.
l번째 안테나의 스트림을 위해 사용되는 자원의 효율성을 Rl[bits/symbol/Hz]로 나타내고, 이 값은 l번째 계층에서 필요한 전송 효율성 rl[bits/Hz]과 할당된 자원 A[symbols]에 의해 결정된다(즉, Rl = rl/A). 수신단 잡음의 전력 스펙트럼 밀도를 No라 가정하고, Rl과
Figure pat00004
이 주어졌을 때, l번째 수신 비트오류율을
Figure pat00005
로 나타낸다고 가정한다.
그러면 수학식 1의 채널 모델을 가정하여 실제 계층별 수신 비트오류율은 채널을 고려한 평균 성능
Figure pat00006
에 의해 결정된다. L개의 안테나에 대해 Rl과
Figure pat00007
이 주어졌을 때, SIC를 고려한 평균 수신 비트오류율은 수학식 2와 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00008
수학식 2에 따르면 l에 따라 다이버시티 차수가 결정되며, 각 계층별로 평균 수신 비트오류율이 차등화된다. 그리고 신호대 잡음비(SNR: Signal-to-Noise Ratio)인
Figure pat00009
이 주어지면, 수학식 2에 의해 각 계층별로 제공할 수 있는 평균 비트오류율은 도 4에 나타낸 바와 같다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 PNSR의 예시도이다.
도 4에 도시된 바와 같이, 동일한 SNR에 대해 SIC에 의해 각 계층별로 차등화된 성능을 실현할 수 있고, 상대적으로 중요도가 높은 낮은 계층의 경우에도 낮은 전력으로 평균 비트오류율을 크게 줄일 수 있다.
한편, 각 사용자 단말이 l번째 계층을 수신했을 때 추가적으로 향상되는 비디오 품질에 의해 얻게 되는 네트워크의 효용성(utility)을
Figure pat00010
라는 값으로 정량화할 수 있다. 일반적으로 자원의 효율성은 Rl에 비례해서 네트워크의 효용성이 증가하며, 효용성은 사용자가 체감하는 품질로 표현될 수 있다. 이때 비디오 사용자의 체감 품질은 PSNR(Peak Signal-to-Noise Ratio)로 측정될 수 있으며, 도 4에 도시한 PNSR이 그 예시 중 하나이다.
상기에서 설명한 방송 데이터 전송 시스템 내에 포함된 기지국과 단말 사이에 방송 데이터가 송수신되는 방법에 대해 도 5를 참조로 설명한다. 본 발명의 실시예에서는 기지국과 단말에 각각 4개의 안테나가 포함되어 있는 것을 예로 하여 설명하며, 안테나 수가 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방송 데이터 방법에 대한 흐름도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 기지국 제어 장치(210)에서 계산한 안테나별로 할당할 전력 정보를 수신한 전력 할당부(221)는 먼저 전력 정보를 토대로 안테나별로 전력을 할당한다(S100). 그리고 기지국의 기본 계층 정보 전송부(222-4)는 제1 송신 안테나(220-1)를 통해 전송할 기본 계층의 스트림을 암호화하고, 제1 품질 계층 정보 전송부(222-3)는 제2 송신 안테나(220-2)를 통해 전송할 제1 품질 계층의 스트림을 암호화한다(S101, S102). 이와 마찬가지로 제2 품질 계층 정보 전송부(222-2)는 제3 송신 안테나(220-3)를 통해 전송할 제2 품질 계층의 스트림을 암호화하고, 마지막으로 제3 품질 계층 정보 전송부(222-1)는 제4 송신 안테나(220-4)를 통해 전송할 제3 품질 계층의 스트림을 암호화한다(S103, S104).
본 발명의 실시예에서는 스트림 암호화가 순차적으로 이루어지는 것으로 예를 들어 설명하나, 반드시 이와 같이 한정되는 것은 아니다. S101 내지 S104 단계를 통해 암호화된 스트림은 각각 송신 안테나를 통해 단말로 전송된다(S105).
기지국으로부터 각각 전송되는 신호들을 수신한 단말의 제3 품질 계층 정보 복호부(320-1)는 제4 수신 안테나(310-1)로 입력된 제3 품질 계층의 스트림에 해당하는 암호화된 심볼을 먼저 복호화한다(S106). 제2 계층 정보 복호부(320-2)는 S106 단계에서 복호화한 제3 품질 계층의 스트림에 대한 심볼을 제3 수신 안테나(310-2)로 입력된 신호로부터 제거한 후 제2 품질 계층의 심볼을 복호화한다(S107).
그리고 이를 제1 계층 정보 복호부(320-3)는 S107 단계에서 복호화한 제2 품질 계층의 스트림에 대한 심볼을 제2 수신 안테나(310-3)로 입력된 신호로부터 제거한 후, 제1 품질 계층의 심볼을 복호화한다(S108). 마지막으로 기본 계층 정보 복호부(320-4)는 S108 단계에서 복호화한 제1 품질 계층의 스트림에 대한 심볼을 제1 수신 안테나(310-4)로 입력된 신호로부터 제거한 후 기본 계층 스트림에 대한 심볼을 복호화한다(S109).
이를 통해 제2 품질 계층 스트림이 제3 품질 계층 스트림보다 더 향상된 성능을 얻게 되고, 제1 품질 계층 스트림이 제2 품질 계층 스트림보다 더 향상된 성능을 얻게 된다. 마지막으로 가장 좋은 성능이 요구되는 기본 계층 스트림은 가장 마지막에 복호화되어 가장 향상된 성능을 얻게 된다.
상기에서 설명한 향상된 성능에 대해 체감 품질을 나타낸 도 6을 참조로 하여 설명한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 체감 품질을 나타낸 예시도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 체감 품질은 Rl 값에 따라 선형적으로 증가하는 것이 아니고, 체감 품질 이득이 점진적으로 작아지는 경향을 보이는 것이 일반적이다. 예를 들어,
Figure pat00011
의 값은 L이 4일 때, u1 = 0.7, u2 = 0.2, u3 = 0.075, u4 = 0.025와 같이 나타낼 수 있다. 여기서
Figure pat00012
은 서비스 사업자의 망 설계 기준에 따라 미리 결정될 수 있는 값이며, 이 값이 주어지면 모든 부호화 계층에 걸친 각 사용자의 평균 효용성은 다음 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.
Figure pat00013
본 발명의 실시예에서는 모든 사용자에 대해 제공할 수 있는 평균 효용성의 합을 최대화하도록
Figure pat00014
을 결정한다. 이를 위해,
Figure pat00015
의 제약을 만족하면서 수학식 3의 각 사용자 평균 효용성을 극대화하도록
Figure pat00016
을 결정한다.
일반적인 Lagrangian method에 의해 제약 조건
Figure pat00017
을 만족하면서 수학식 3을 극대화하는 을 계산할 수 있으며, 이는
Figure pat00018
와 수학식 4의 L개 방정식을 동시에 만족하는
Figure pat00019
로 주어진다.
Figure pat00020
여기서 λ는 상수이며,
Figure pat00021
와 수학식 4의 L개 방정식에 의해 결정될 수 있다.
λ가 결정되면 수학식 4를 통해 각 기지국은 안테나별로 할당할 최적의 전력을 결정한다. 본 발명의 실시예에서는 수학식 4에 따라 전력을 할당하는데, 이때 u1 = 0.7, u2 = 0.2, u3 = 0.075, u4 = 0.025로 가정하고, Rl = 0.5, M = 100으로 설정하였다고 가정한다. 이와 같은 경우의 전력 할당의 예와 시스템 효용성에 대해 도 7 및 도 8을 참조로 설명한다.
도 7은 본 발명의 실시예에 따른 전력 할당의 예시도이고, 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 시스템 효용성의 예시도이다.
먼저 도 7은 전체 가용 전력 P에 따라 본 발명의 실시예에 의해 구현되는 계층별 부호화 스트림의 안테나별 전력 할당과 수신단에서의 SIC 복호화에 따라 네트워크의 효용성을 극대화하기 위해 각 안테나별로 결정된 최적 전력 할당을 예시한 예시도이다.
한편, 도 8은 전력 할당부(221)가 안테나별로 할당한 최적 전력에 따라 얻을 수 있는 시스템 효용성을 나타낸 것이다. 도 8에 도시된 바와 같이, 모든 안테나에 대해 동일한 전력을 할당하는 방식과 비교할 때 시스템 효용성이 항상 높은 것을 확인할 수 있다. 이때, 전체 가용한 전력 P의 값이 작을 때, 본 발명의 실시예에 따른 최적 전력 할당에 따른 성능 이득이 더 크다는 것을 알 수 있다.
이상에서 본 발명의 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (10)

  1. 기지국 제어 시스템을 통해 서비스 제공 시스템과 연동한 하나 이상의 안테나를 가지는 방송 데이터 전송 시스템이 하나 이상의 단말에 방송 데이터를 전송하는 방법에 있어서,
    상기 기지국 제어 시스템으로부터 전송된 전력 정보를 토대로 상기 하나 이상의 안테나 각각에 대해 전력을 할당하는 단계;
    상기 하나 이상의 안테나 중 제1 송신 안테나를 통해 기본 계층의 부호화된 스트림을 전송하는 단계; 및
    상기 제1 송신 안테나를 제외한 상기 하나 이상의 송신 안테나를 통해, 하나 이상의 품질 계층의 부호화된 스트림을 각각 상기 단말로 전송하는 단계
    를 포함하는 방송 데이터 전송 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 품질 계층의 부호화된 스트림을 전송하는 단계는,
    송신 안테나 별로 서로 상이한 단계의 품질 계층의 부호화된 스트림을 각각 전송하는 방송 데이터 전송 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 방송 데이터 전송 시스템이 네 개의 송신 안테나를 구비하면,
    상기 품질 계층의 부호화된 스트림은 제1 품질 계층 스트림, 제2 품질 계층 스트림 및 제3 품질 계층 스트림을 포함하고,
    상기 제1 품질 계층 스트림은 제2 송신 안테나를 통해 상기 단말로 전송되고, 상기 제2 품질 계층 스트림은 제3 송신 안테나를 통해 상기 단말로 전송되며, 상기 제3 품질 계층 스트림은 제4 송신 안테나를 통해 상기 단말로 전송되는 방송 데이터 전송 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 각각 단말로 전송하는 단계 이후에,
    네 개의 수신 안테나를 구비하는 상기 단말은,
    상기 부호화된 복수의 품질 계층의 스트림을 수신하여 복호화하는 단계; 및
    상기 복호화된 복수의 품질 계층의 스트림을 수신 신호에서 제거한 후 부호화된 기본 계층 스트림을 복호화하는 단계
    를 포함하는 방송 데이터 전송 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 복수의 품질 계층의 스트림을 수신하여 복호화하는 단계는,
    제4 수신 안테나가 부호화된 제3 품질 계층의 스트림을 복호화하는 단계;
    제3 수신 안테나가 수신한 신호 중 상기 복호화된 제3 품질 계층의 스트림을 제거한 후 부호화된 제2 품질 계층의 스트림을 복호화하는 단계; 및
    제2 수신 안테나가 수신한 신호 중 상기 복호화된 제2 품질 계층의 스트림을 제거한 후 부호화된 제1 품질 계층의 스트림을 복호화하는 단계
    를 포함하는 방송 데이터 전송 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 전력을 할당하는 단계 이전에,
    상기 기지국 제어 시스템이 상기 복수의 안테나별로 할당된 자원 및 계층별 전송률로부터 부호화율을 결정하는 단계; 및
    상기 단말의 효용성을 정량적으로 정의하기 위해, 페이딩 채널에 대한 효용성의 평균을 취하는 단계
    를 포함하는 방송 데이터 전송 방법.
  7. 제6항에 있어서
    상기 효용성의 평균은,
    Figure pat00022

    여기서 Hm은 상기 방송 데이터 전송 시스템과 단말까지의 채널에 대한 행렬이고, rl은 l번째 안테나에 할당하는 전력이며, Rl은 l번째 안테나의 스트림을 위해 사용되는 자원의 효율성이고, No은 수신단인 단말 잡음의 전력 스펙트럼 밀도이고,
    Figure pat00023
    는 l번째 수신 비트오류율을 의미함
    을 통해 계산되는 방송 데이터 전송 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 효용성의 평균을 목적 함수로 하여
    Figure pat00024

    여기서 λ는 상수임
    을 통해 안테나별 할당될 전력을 계산하는 방송 데이터 전송 방법.
  9. 기지국 제어 시스템을 통해 연동한 서비스 제공 시스템으로부터 전송되는 방송 서비스를 수신하여 하나 이상의 단말에 제공하는 방송 데이터 전송 시스템에 있어서,
    상기 기지국 제어 시스템이 하나 이상의 안테나에 각각 할당한 전력 정보를 수신하고, 수신한 전력 정보를 토대로 하나 이상의 안테나에 전력을 할당하는 전력 할당부;
    상기 하나 이상의 안테나 중 제1 안테나를 통해 기본 계층의 부호화된 스트림을 단말로 전송하는 기본 계층 정보 전송부; 및
    상기 제1 안테나를 제외한 하나 이상의 안테나를 통해 하나 이상의 품질 계층의 부호화된 스트림을 상기 단말로 전송하는 품질 계층 정보 전송부
    를 포함하는 방송 데이터 전송 시스템.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 단말은,
    상기 품질 계층 정보 전송부로부터 전송되는 신호를 수신하여 복호하는 하나 이상의 품질 계층 정보 복호부; 및
    상기 품질 계층 정보 복호부가 상기 하나 이상의 부호화된 품질 계층의 스트림이 복호화한 후, 상기 방송 서비스 전송 시스템으로부터 수신한 신호로부터 복호화된 품질 게층의 스트림을 제거한 후 부호화된 기본 계층의 스트림을 복호화하는 기본 계층 정보 복호부
    를 포함하는 방송 데이터 전송 시스템.
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