KR20150086647A - 무선 통신 장치와 그 빔포밍 경로 설정 방법 - Google Patents

무선 통신 장치와 그 빔포밍 경로 설정 방법 Download PDF

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KR20150086647A KR1020140006554A KR20140006554A KR20150086647A KR 20150086647 A KR20150086647 A KR 20150086647A KR 1020140006554 A KR1020140006554 A KR 1020140006554A KR 20140006554 A KR20140006554 A KR 20140006554A KR 20150086647 A KR20150086647 A KR 20150086647A
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Abstract

본 발명은 무선 통신 장치와 그 빔포밍 경로 설정 방법에 관한 것이다. 개시된 무선 통신 장치는 무선 네트워크 내에 전송될 데이터의 수를 파악하는 네트워크 파악부와, 데이터를 전송하기 위한 빔포밍 전송 경로를 기 설정된 데이터 전송률 조건을 만족하도록 데이터의 수만큼 일괄적으로 설정하거나 기 설정된 간섭량 조건을 만족하도록 우선순위에 따라 데이터의 수만큼 순차적으로 설정하는 전송 경로 설정부와, 설정된 빔포밍 전송 경로에 따라 빔을 형성하여 데이터의 수만큼 데이터 링크를 구성하는 빔포밍 제어부를 포함한다. 따라서, 적응적 빔포밍의 수행을 통해 중계 노드의 주변뿐만 아니라 전체 네트워크에서 빔 간섭이 최소화되도록 하며, 빔 간섭으로 인하여 데이터 전송 속도의 저하를 초래하던 종래 기술의 문제점이 해소되는 이점이 있다.

Description

무선 통신 장치와 그 빔포밍 경로 설정 방법{WIRELESS COMMUNICATION APPARATUS AND METHOD OF SETTING BEAMFORMING PATH}
본 발명은 무선 통신 장치와 그 빔포밍(beamforming) 경로 설정 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 무선 네트워크를 구성하는 무선 통신 노드로 이용할 수 있는 무선 통신 장치가 데이터 링크를 위한 빔포밍 전송 경로를 설정하는 것에 관한 것이다.
현재 이동통신 네트워크에서는 고성능 장치 및 멀티미디어 서비스의 보편화로 인하여 모바일 데이터 트래픽이 폭증하고 있기 때문에, 이에 대응하기 위한 셀 용량 증대가 지속적으로 필요하다. 이를 위해, 이동통신 망은 셀의 크기를 줄이고, 펨토(femto) 기지국 등을 촘촘하게 설치하는 스몰 셀(Small Cell) 방향으로 진화하고 있다.
이러한 스몰 셀 환경에서는, 비용 효율적인 백홀(Backhaul) 구축을 위하여 무선 백홀의 활용이 필요하다. 그러나, 무선은 유선과는 달리 여러 기지국들이 서로 주고 받는 신호들이 케이블로 분리되어 있지 않으므로, 여러 기지국들이 동시에 신호를 주고 받을 때, 무선 신호가 서로 중첩될 경우에 상호 신호 간 간섭을 야기된다.
종래 기술에 따르면, 무선 신호의 중첩에 따른 신호 간섭을 최소화하고자 빔포밍을 통해 무선 신호가 방사되는(radiated) 빔의 폭을 줄이고, 그 빔을 원하는 방향으로만 향하게 함으로써, 공간적으로 신호를 분리하여 빔간 중첩을 방지하였다.
그런데, 빔포밍을 이용한 무선 백홀 네트워크는 다수의 무선 통신 노드가 일종의 그물망(mesh network)처럼 연결되어 있고, 네트워크 중간의 중계 노드(relay node)는 인접한 무선 통신 노드들로부터 신호들을 받아서, 다른 무선 통신 노드들에게 해당 신호를 중계하게 된다. 위의 과정에서, 중계 노드에서는 인접한 무선 통신 노드들로부터 신호를 수신한 다음에 신호를 송신하게 되는데, 동시에 여러 신호를 수/송신 할 경우에, 빔 간 중첩으로 인해 신호품질이 저하 될 수 있기 때문에 빔 간 간섭이 최소화 되도록 빔의 방향을 결정하게 된다.
그러나, 무선 백홀 네트워크에서 송신 노드에서 송신된 데이터는 여러 중계 노드를 거쳐서 목적지 노드에 도착하게 되는데, 종래 기술에 따르면 중계 노드가 전체 경로를 고려하지 않고 인접한 송/수신 노드만 고려하여 빔 간섭이 최소화되도록 빔방향을 결정하기 때문에, 전체 네트워크 측면에서는 여전히 빔 간섭이 최소화되지 않을 수 있으며, 이는 데이터 전송 속도의 저하를 초래하는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 10-1292367, 등록일자 2013년 07월 26일.
본 발명의 실시예에 따르면, 빔포밍이 필요한 데이터의 수를 파악한 후에 데이터 전송률, 우선순위, 간섭량, 전송거리 등을 기준으로 하여 전체적인 빔포밍 전송 경로를 설정함으로써, 중계 노드의 주변뿐만 아니라 전체 네트워크에서 빔 간섭이 최소화되도록 한 무선 통신 장치와 그 빔포밍 경로 설정 방법을 제공한다.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 것으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 해결하고자 하는 과제는 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 일 관점에 따른 다수의 무선 통신 노드가 메쉬 형태로 연결된 무선 네트워크의 빔포밍 경로 설정 방법은, 상기 무선 네트워크 내에 전송될 데이터의 수를 파악하는 단계와, 상기 데이터를 전송하기 위한 빔포밍 전송 경로를 기 설정된 데이터 전송률 조건을 만족하도록 상기 데이터의 수만큼 일괄적으로 설정하거나 기 설정된 간섭량 조건을 만족하도록 우선순위에 따라 상기 데이터의 수만큼 순차적으로 설정하는 단계와, 설정된 상기 빔포밍 전송 경로에 따라 빔을 형성하여 상기 데이터의 수만큼 데이터 링크를 구성하는 단계를 포함할 수 있다.
본 발명의 다른 관점에 따른 다수의 무선 통신 노드와 메쉬 형태로 연결되어 무선 네트워크를 구성하는 무선 통신 장치는, 상기 무선 네트워크 내에 전송될 데이터의 수를 파악하는 네트워크 파악부와, 상기 데이터를 전송하기 위한 빔포밍 전송 경로를 기 설정된 데이터 전송률 조건을 만족하도록 상기 데이터의 수만큼 일괄적으로 설정하거나 기 설정된 간섭량 조건을 만족하도록 우선순위에 따라 상기 데이터의 수만큼 순차적으로 설정하는 전송 경로 설정부와, 설정된 상기 빔포밍 전송 경로에 따라 빔을 형성하여 상기 데이터의 수만큼 데이터 링크를 구성하는 빔포밍 제어부를 포함할 수 있다.
본 발명의 실시예에 의하면, 다수의 무선 통신 노드가 구성하는 무선 네트워크에서 빔포밍이 필요한 데이터의 수를 파악한 후에 데이터 전송률, 우선순위, 간섭량, 전송거리 등을 기준으로 하여 전체적인 빔포밍 전송 경로를 설정한다.
그러므로, 적응적 빔포밍(adaptive beamforming)의 수행을 통해 중계 노드의 주변뿐만 아니라 전체 네트워크에서 빔 간섭이 최소화되도록 하며, 빔 간섭으로 인하여 데이터 전송 속도의 저하를 초래하던 종래 기술의 문제점이 해소된다.
아울러, 중요도에 따른 우선순위가 존재하는 경우라면 우선순위에 대응하는 가중치를 부여하여 적응적 빔포밍을 수행함으로써, 중요도가 높은 데이터를 높은 전송률로 전송할 수 있다.
또한, 우선순위 및 간섭량을 기준으로 하여 복수의 빔포밍 전송 경로를 순차적으로 설정하는 경우에는 노드 수에 따라 복잡도가 선형적으로 증가하기 때문에, 복수의 빔포밍 전송 경로를 일괄적으로 설정하여 그 복잡도가 지수적으로 증가하는 경우와 비교할 때에 효율적인 네트워크 운영이 가능한 효과가 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 경로 설정 방법을 수행할 수 있는 무선 통신 장치를 무선 통신 노드로 이용할 수 있는 무선 백홀 네트워크의 구성도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 경로 설정 방법을 수행할 수 있는 무선 통신 장치의 블록 구성도이다.
도 3은 도 2에 도시된 무선 통신 장치를 구성하는 전송 경로 설정부의 세부적인 블록 구성도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 경로 설정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔포밍 경로 설정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 경로 설정 방법에 따라 무선 백홀 네트워크의 중계 노드가 송신 노드로부터 목적지 노드까지 빔포밍 경로를 설정한 예이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 실시예들을 설명함에 있어서 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명의 실시예에서의 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.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 경로 설정 방법을 수행할 수 있는 무선 통신 장치를 무선 통신 노드로 이용할 수 있는 무선 백홀 네트워크의 구성도이다.
이에 나타낸 바와 같이 실시예에 따른 무선 백홀 네트워크는 다수의 무선 통신 노드들이 일종의 그물망처럼 연결되며, 커버리지 내의 주변 무선 통신 노드들과 무선 링크를 구성하여 운용한다.
도 1에서 도면부호 101은 고주파수 빔 분할 다중 접속 링크(high frequency BDMA link)이며, 103은 저주파수 빔 분할 다중 접속 링크(low frequency BDMA link)이고, 105는 기지국(Base Station)이며, 107은 스몰 셀 기지국이고, 109는 무빙 네트워크(moving network)이며, 111은 중계 노드(relay node)이고, 113은 빌딩(building)이며, 115는 노마딕 유저(nomadic user)이고, 117은 무빙 유저(moving user)이며, 119는 이동통신 단말(cell phone)이다.
이러한 도 1에 나타낸 바와 같이, 하나의 스몰 셀 기지국(107)은 고주파수 빔 분할 다중 접속 링크(101)를 통해 중계 노드(111), 빌딩(113), 노마딕 유저(115) 등과 함께 이너 셀(inner cell)(201)을 형성할 수 있다. 또, 저주파수 빔 분할 다중 접속 링크(103)을 통해 무빙 유저(117), 이동통신 단말(119) 등과 함께 아우터 셀(outer cell)(203)을 형성할 수 있다.
도 1에 나타낸 무선 백홀 네트워크의 예시에서, 고주파수 빔 분할 다중 접속 링크(101)를 통해 이너셀(201)을 형성하고, 저주파수 빔 분할 다중 접속 링크(103)를 통해 아우터 셀(203)을 형성하는 것으로 나타내었지만, 빔포밍이 주파수에 의존적이지 않기 때문에 해당 주파수는 서로 바뀔 수도 있다. 예컨대, 저주파수 빔 분할 다중 접속 링크(103)를 통해 이너셀(201)을 형성하고, 고주파수 빔 분할 다중 접속 링크(101)를 통해 아우터 셀(203)을 형성할 수도 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따라 무선 통신 노드로 이용할 수 있는 무선 통신 장치의 블록 구성도이다. 이러한 무선 통신 장치(300)는 도 1의 중계 노드(111)로 이용할 수 있다. 또한, 도 1의 기지국(105), 스몰 셀 기지국(107), 중계 노드(111), 노마딕 유저(115), 무빙 유저(117), 이동통신 단말(119) 등이 중계 노드의 기능을 수행하도록 하기 위하여 도 2에 나타낸 구성요소들을 포함할 수 있다.
이에 나타낸 바와 같이 실시예에 따른 무선 통신 장치(300)는 안테나(310), 제어기(320) 및 메모리(330) 등을 포함한다.
이 중에서, 안테나(310)는 제어기(320)의 제어에 따라 실질적인 빔포밍을 수행하여 다수의 지향성 빔을 발생시킨다.
제어기(320)는 네트워크 파악부(321), 전송 경로 설정부(323), 빔포밍 제어부(325) 등을 포함한다.
네트워크 파악부(321)는 무선 네트워크 내에 전송될 데이터의 수를 파악한다.
전송 경로 설정부(323)는 데이터를 전송하기 위한 빔포밍 전송 경로를 기 설정된 데이터 전송률 조건을 만족하도록 데이터의 수만큼 일괄적으로 설정한다. 또는, 데이터를 전송하기 위한 빔포밍 전송 경로를 기 설정된 간섭량 조건을 만족하도록 우선순위에 따라 데이터의 수만큼 순차적으로 설정한다.
메모리(330)에는 제어기(320)가 빔포밍 과정을 제어할 때에 이용할 수 있는 빔포밍 파라미터가 저장된다.
도 3은 도 2에 도시된 무선 통신 장치(300)를 구성하는 전송 경로 설정부(323)의 세부적인 블록 구성도이다.
이에 나타낸 바와 같이 전송 경로 설정부(323)는 후보 전송 경로 파악부(323a), 경로 전송률 산출부(323b), 빔포밍 경로 결정부(323c), 순위 결정부(323d), 선순위 경로 결정부(323e), 후순위 경로 결정부(323f) 등을 포함한다.
이러한 전송 경로 설정부(323)의 구성요소들 중에서, 후보 전송 경로 파악부(323a), 경로 전송률 산출부(323b), 빔포밍 경로 결정부(323c) 등은 이하에서 도 4를 참조하여 설명할 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 경로 설정 방법을 수행하기 위한 것이다. 또, 순위 결정부(323d), 선순위 경로 결정부(323e), 후순위 경로 결정부(323f) 등은 도 5를 참조하여 설명할 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔포밍 경로 설정 방법을 수행하기 위한 것이다.
후보 전송 경로 파악부(323a)는 네트워크 내에 전송될 데이터별로 빔포밍 전송 경로로 이용할 수 있는 후보 전송 경로를 도출한다.
경로 전송률 산출부(323b)는 후보 전송 경로에 대응하는 데이터 전송률을 산출한다.
빔포밍 경로 결정부(323c)는 경로 전송률 산출부(323b)에 의해 산출된 데이터 전송률의 합산 값이 최대가 되도록 후보 전송 경로 중에서 빔포밍 전송 경로를 결정한다. 예컨대, 빔포밍 경로 결정부(323c)는 데이터별로 가중치를 부여하여 데이터 전송률의 합산 값을 산출할 수 있다.
순위 결정부(323d)는 네트워크 내에 전송될 데이터별로 우선순위를 결정한다.
선순위 경로 결정부(323e)는 순위 결정부(323d)에 의해 결정된 우선순위에 따라 우선순위가 가장 높은 데이터에 대해 기 설정된 데이터 전송률 조건을 만족하도록 빔포밍 전송 경로를 설정한다. 예컨대, 우선순위가 가장 높은 데이터는 데이터 전송률이 최대가 되도록 빔포밍 전송 경로를 결정할 수 있다.
후순위 경로 결정부(323f)는 순위 결정부(323d)에 의해 결정된 우선순위에 따라 후순위의 데이터들에 대해 먼저 설정된 빔포밍 전송 경로와의 간섭량 조건을 만족하도록 빔포밍 전송 경로를 순차적으로 설정한다. 예컨대, 기 설정된 데이터의 링크에 미치는 간섭량이 기 설정된 임계치 이하가 되는 조건을 만족하는 범위 내에서 데이터 전송률이 최대가 되거나 전송거리가 최소가 되도록 빔포밍 전송 경로를 설정할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 경로 설정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이에 나타낸 바와 같이 일 실시예에 따른 빔포밍 경로 설정 방법은, 무선 네트워크 내에 전송될 데이터의 수를 파악하는 단계(S410)를 포함한다.
그리고, 데이터별로 빔포밍 전송 경로로 이용할 수 있는 후보 전송 경로를 도출하는 단계(S420)를 더 포함한다.
이어서, 후보 전송 경로에 대응하는 데이터 전송률을 산출하는 단계(S430)를 더 포함한다.
아울러, 산출된 데이터 전송률의 합산 값이 최대가 되도록 후보 전송 경로 중에서 빔포밍 전송 경로를 결정하는 단계(S440)를 더 포함한다. 예컨대, 데이터 전송률의 합산 값을 산출할 때에, 데이터의 중요도에 따른 우선순위가 존재하는 경우라면 우선순위에 대응하는 가중치를 데이터별로 부여하여 적응적 빔포밍을 수행할 수 있다.
여기서, 단계 S420 내지 S440은 데이터를 전송하기 위한 빔포밍 전송 경로를 기 설정된 데이터 전송률 조건을 만족하도록 데이터의 수만큼 일괄적으로 설정하는 단계라 할 수 있다.
다음으로, 설정된 빔포밍 전송 경로에 따라 빔을 형성하여 빔포밍이 필요한 데이터의 수만큼 데이터 링크를 구성하는 단계(S450)를 더 포함한다.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔포밍 경로 설정 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
이에 나타낸 바와 같이 다른 실시예에 따른 빔포밍 경로 설정 방법은, 무선 네트워크 내에 전송될 데이터의 수를 파악하는 단계(S510)를 포함한다.
그리고, 데이터별로 우선순위를 결정하는 단계(S520)를 더 포함한다.
아울러, 우선순위가 가장 높은 데이터에 대해 기 설정된 데이터 전송률 조건을 만족하도록 빔포밍 전송 경로를 설정하는 단계(S530)를 더 포함한다.
다음으로, 우선순위에 따라 후순위의 데이터들에 대해 먼저 설정된 빔포밍 전송 경로와의 간섭량 조건을 만족하도록 빔포밍 전송 경로를 순차적으로 설정하는 단계(S540)를 더 포함한다.
여기서, 단계 S520 및 S540은 데이터를 전송하기 위한 빔포밍 전송 경로를 기 설정된 간섭량 조건을 만족하도록 우선순위에 따라 데이터의 수만큼 순차적으로 설정하는 단계라 할 수 있다.
다음으로, 설정된 빔포밍 전송 경로에 따라 빔을 형성하여 필요한 데이터 링크의 회선수만큼 데이터 링크를 구성하는 단계(S550)를 더 포함한다.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 빔포밍 경로 설정 방법에 따라 무선 백홀 네트워크의 중계 노드(R)가 송신 노드(S1, S2)로부터 목적지 노드(D1, D2)까지 빔포밍 경로(B1, B2, B3, B4)를 설정한 예이다. 무선 데이터는 송신 노드(S1, S2)로부터 인접한 목적지 노드(D1, D2)에 바로 전달될 수도 있고, 중계 노드(R)를 거쳐서 전달될 수도 있다. 그리고 중계 노드(R)를 거쳐서 전달 될 때에 하나의 중계 노드(R)가 아니라 수개의 중계 노드(R)를 거쳐서, 즉 멀티홉(multi-hop) 방식으로 목적지 노드(D1, D2)에 전달될 수 있다. 이 때, 해당 데이터 링크를 통해 전달되는 최종 데이터 전송률(end-to-end 전송률)이 최대가 되도록 빔방향 및 경로가 설정되어야 한다.
이하, 무선 백홀 네트워크 등과 같은 무선 통신 네트워크의 무선 통신 노드로 이용할 수 있는 무선 통신 장치가 데이터 전송을 위한 빔포밍 경로를 설정하는 과정에 대해 살펴보기로 한다.
<제 1 실시예>
도 2 내지 도 4 및 도 6을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 경로 설정 과정에 대해 설명하기로 한다.
먼저, 무선 통신 장치(300)를 구성하는 제어기(320)의 네트워크 파악부(321)는 무선 네트워크 내에 전송될 데이터의 수를 파악한다(S410).
그리고, 제어기(320)의 전송 경로 설정부(323)는 데이터를 전송하기 위한 빔포밍 전송 경로를 기 설정된 데이터 전송률 조건을 만족하도록 데이터의 수만큼 일괄적으로 설정한다.
이러한 전송 경로 설정부(323)에 의한 빔포밍 전송 경로의 설정 과정을 좀 더 자세히 살펴보면, 전송 경로 설정부(323)의 후보 전송 경로 파악부(323a)는 무선 네트워크 내에 전송될 데이터별로 빔포밍 전송 경로로 이용할 수 있는 후보 전송 경로를 도출한다(S420).
이어서, 전송 경로 설정부(323)의 경로 전송률 산출부(323b)는 후보 전송 경로에 대응하는 데이터 전송률을 산출한다(S430).
이후, 전송 경로 설정부(323)의 빔포밍 경로 결정부(323c)는 경로 전송률 산출부(323b)에 의해 산출된 데이터 전송률의 합산 값이 최대가 되도록 후보 전송 경로 중에서 빔포밍 전송 경로를 결정한다(S440).
다음으로, 제어기(320)의 빔포밍 제어부(325)는 전송 경로 설정부(323)에 의해 설정된 빔포밍 전송 경로에 따라 빔을 형성한다. 즉 빔포밍 제어부(325)는 메모리(330)에 기 저장된 빔포밍 파라미터에 따라 안테나(310)를 제어하며, 안테나(310)는 빔포밍 제어부(325)의 제어에 따라 빔을 형성하여 빔포밍이 필요한 데이터의 수만큼 데이터 링크를 구성한다(S450).
이러한 본 발명의 일 실시예에 따른 빔포밍 수행 과정에 대해 도 6을 참조하여 설명하면, 각 송신 노드(S1, S2)에서 전송하는 데이터(x1, x2)는 중계 노드(R)를 거쳐서 각 목적지 노드(D1, D2)에 전달된다. 송신 노드(S1)에서 전송하는 데이터 x1은 빔포밍 경로(B1, B2)를 거쳐서 목적지 노드(D1)에 전달 되고, 송신 노드(S2)에서 전송하는 데이터 x2는 빔포밍 경로(B3와 B4)를 거쳐서 목적지 노드(D2)에 전달 된다. 여기서, 각 경로의 채널 상황은 중계 노드(R)끼리 서로 공유될 수 있으며, 각 노드 위의 상위 컨트롤러(도시 생략됨)에서 공유되거나 무선 통신 노드들이 정보를 교환하여 공유할 수 있다.
이처럼, 빔포밍 제어부(325)가 안테나(310)를 제어하여 초기 빔을 형성할 때에는 빔 간의 간섭을 고려하지 않고 인접 노드 방향으로 여러 개의 빔포밍 경로(B1, B2, B3, B4)를 형성한다. 이 때, 빔포밍은 기저 대역(base band)에서 수행되는 디지털 빔포밍 혹은 안테나(310)에서 수행되는 아날로그 빔포밍이 될 수 있다.
일 예로, 제어기(320)는 데이터 x1, x2의 전송률 합(sum rate)이 최대가 되도록 하기 위해 아래의 수학식 1에 나타낸 목적함수(objective function)의 값이 최대가 되도록 빔 방향을 조절할 수 있다. 여기서, 수학식 1은 중계 노드(R)가 복호 후 전송 방식(DF relay: decode and forward relay)을 사용할 때의 데이터 전송률이다. 만약, 제어기(320)가 다른 방식의 중계 방식, 예컨대, 증폭 후 전송 방식(AF: amplify and forward)을 사용할 때는 해당 중계 방식을 사용했을 때의 전송률 합이 최대가 되도록 수학식 1의 목적함수를 수정할 수 있다. 또, 수학식 1에 기반하여 도출되는 하기의 수학식 2와 수학식 3도 수정될 수 있다.
Figure pat00001
위 수학식 1에서
Figure pat00002
과
Figure pat00003
는 각각 데이터 x1과 x2의 데이터 전송률을 나타내며,
Figure pat00004
는 해당 빔(
Figure pat00005
)을 통해 통신되는 데이터의 전송률을 나타낸다. 각 데이터의 전송률은 해당 데이터가 전송되는 각 경로 전송률의 최소 값이며, 각 경로에서의 전송률(
Figure pat00006
)은 아래의 수학식 2와 같다.
Figure pat00007
위 수학식 2에서 W는 대역폭(bandwidth), P는 각 송신 노드(S1, S2)의 송신 전력이며,
Figure pat00008
은
Figure pat00009
경로의 채널 세기이다. 여기서, 채널 세기에는 무선 채널의 세기뿐만 아니라 해당 경로를 구성하는 송/수신 노드의 안테나 이득(antenna gain)도 포함된다. 또한, N은 백색 잡음(AWGN: Additive white Gaussian noise),
Figure pat00010
는
Figure pat00011
경로에서 다른 빔으로부터 받는 간섭의 양이다.
따라서, 중계 노드(R)에서 인접 노드에 정확한 빔을 형성하게 되면,
Figure pat00012
의 값이 커지게 되므로, 해당 경로에서의 전송률이 올라갈 수 있지만, 해당 빔 방향이 다른 경로에 인접하게 된다면, 다른 경로에서의 전송률이 저하될 수 있고, 자신도 다른 빔으로부터 간섭을 많이 받게 될 수 있다. 그러므로, 전송 경로 설정부(323)는 네트워크 전체 전송률을 고려하여 수학식 1이 최대가 되도록 빔 방향을 설정하는 것이다.
한편, 전송 경로 설정부(323)는 데이터 전송률의 합산 값을 산출할 때에, 데이터의 중요도에 따른 우선순위가 존재하는 경우라면 우선순위에 대응하는 가중치를 데이터별로 부여하여 적응적 빔포밍을 수행할 수 있다. 즉, 수학식 1의 목적 함수를 아래의 수학식 3과 같이 변형하여 가중치(α, β)를 통해 우선순위를 부여하는 것이다.
Figure pat00013
<제 2 실시예>
도 2, 도 3, 도 5 및 도 6을 참조하여 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔포밍 경로 설정 과정에 대해 설명하기로 한다.
앞서 설명한 제 1 실시예와 같이 수학식 1 또는 수학식 3의 목적 함수의 값을 최대하는 것은 각 중계 노드(R)에서 모든 빔 방향을 고려해야 하기 때문에, 전체 네트워크의 계산 복잡도가 지수 승(exponentially)으로 증가할 수 있다. 이에, 전송 경로 설정부(323)는 전송될 데이터의 우선순위를 결정하여 우선순위에 따라 순차적으로 데이터 링크를 구성할 수 있다.
먼저, 무선 통신 장치(300)를 구성하는 제어기(320)의 네트워크 파악부(321)는 무선 네트워크 내에 전송될 데이터의 수를 파악한다(S510).
그리고, 제어기(320)의 전송 경로 설정부(323)는 데이터를 전송하기 위한 빔포밍 전송 경로를 기 설정된 간섭량 조건을 만족하도록 우선순위에 따라 데이터의 수만큼 순차적으로 설정한다.
이러한 전송 경로 설정부(323)에 의한 빔포밍 전송 경로의 설정 과정을 좀 더 자세히 살펴보면, 순위 결정부(323d)는 네트워크 내에 전송될 데이터별로 우선순위를 결정한다. 예컨대, 데이터의 중요도에 따라 우선순위를 결정할 수 있다(S520).
그러면, 선순위 경로 결정부(323e)는 순위 결정부(323d)에 의해 결정된 우선순위에 따라 우선순위가 가장 높은 데이터에 대해 기 설정된 데이터 전송률 조건을 만족하도록 빔포밍 전송 경로를 설정한다. 예컨대, 우선순위가 가장 높은 데이터는 데이터 전송률이 최대가 되도록 빔포밍 전송 경로를 결정할 수 있다. (S530).
이어서, 후순위 경로 결정부(323f)는 순위 결정부(323d)에 의해 결정된 우선순위에 따라 후순위의 데이터들에 대해 먼저 설정된 빔포밍 전송 경로와의 간섭량 조건을 만족하도록 빔포밍 전송 경로를 순차적으로 설정한다. 예컨대, 기 설정된 데이터의 링크에 미치는 간섭량이 기 설정된 임계치 이하가 되는 조건을 만족하는 범위 내에서 데이터 전송률이 최대가 되거나 전송거리가 최소가 되도록 빔포밍 전송 경로를 설정할 수 있다. 예컨대, 지연(delay)이 중요한 데이터는 전송거리가 최소가 되도록 빔포밍 전송 경로를 설정할 수 있으며, 데이터 전송률이 중요한 데이터는 데이터 전송률이 최대가 되도록 빔포밍 전송 경로를 설정할 수 있다.
이렇게, 모든 데이터 링크가 체결될 때까지 후순위 경로 결정부(323f)에 의한 빔포밍 전송 경로의 설정 과정이 반복적으로 수행되며, 안테나(310)는 빔포밍 제어부(325)의 제어에 따라 빔을 형성하여 빔포밍이 필요한 데이터의 수만큼 데이터 링크를 구성한다(S550).
이러한 본 발명의 다른 실시예에 따른 빔포밍 수행 과정에 대해 도 6을 참조하여 설명하면, 중계 노드(R)를 거치는 데이터 x1은 송신 노드(S1)에서 전송되어 중계 노드(R)를 거쳐 목적지 노드(D1)로 전송된다. 이 때, 첫 번째로 우선순위가 높은 데이터는 간섭량을 고려하지 않고, 데이터 전송률이 최대가 되도록 빔포밍 전송 경로를 결정한다.
그리고, 두 번째 우선순위부터는 그 이전에 형성된 데이터 링크를 위한 빔에 미치는 간섭의 양이 일정 문턱값(threshold) 이하가 되는 조건을 만족하는 범위 내에서 전송거리 또는 데이터 전송률을 고려하여 빔포밍 전송 경로를 결정한다. 예컨대, 간섭량의 문턱값은 네트워크 관리 서버 등에 의해 조절될 수 있다.
이처럼, 우선순위에 따라 빔포밍 전송 경로를 순차적으로 설정하여 빔 방향을 형성하게 되면 시스템의 복잡도는 노드 수에 따라 선형적(linearly)으로 증가한다. 그러므로, 일괄적으로 빔포밍 경로를 설정할 때에 노드 수에 따라 지수 승(exponentially)으로 증가하는 복잡도와 비교할 때에 훨씬 효율적인 네트워크 운영이 가능하다.
지금까지 설명한 바와 같이, 실시예에 의하면 다수의 무선 통신 노드가 구성하는 무선 네트워크 내에 전송될 데이터의 수를 파악한 후에 데이터 전송률, 우선순위, 간섭량, 전송 거리 등을 기준으로 하여 전체적인 빔포밍 전송 경로를 설정한다.
그러므로, 적응적 빔포밍의 수행을 통해 중계 노드의 주변뿐만 아니라 전체 네트워크에서 빔 간섭이 최소화되도록 하며, 빔 간섭으로 인하여 데이터 전송 속도의 저하를 초래하던 종래 기술의 문제점이 해소된다.
아울러, 중요도에 따른 우선순위가 존재하는 경우라면 우선순위에 대응하는 가중치를 부여하여 적응적 빔포밍을 수행함으로써, 중요도가 높은 데이터를 높은 전송률로 전송할 수 있다.
또한, 우선순위와 간섭량을 기준으로 하여 복수의 빔포밍 전송 경로를 순차적으로 설정하는 경우에는 노드 수에 따라 복잡도가 선형적으로 증가하기 때문에, 복수의 빔포밍 전송 경로를 일괄적으로 설정하여 그 복잡도가 지수적으로 증가하는 경우와 비교할 때에 효율적인 네트워크 운영이 가능하다.
본 발명에 첨부된 블록도의 각 블록과 흐름도의 각 단계의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수도 있다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 블록도의 각 블록 또는 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 또는 흐름도 각 단계에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 블록도의 각 블록 및 흐름도의 각 단계에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록 또는 각 단계는 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실시예들에서는 블록들 또는 단계들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들 또는 단계들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들 또는 단계들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명의 실시예에 따르면, 데이터가 전송되는 경로를 고려한 적응적 빔포밍의 수행을 통해 중계 노드의 주변뿐만 아니라 전체 네트워크에서 빔 간섭이 최소화되도록 하며, 빔 간섭으로 인한 데이터 전송 속도의 저하가 초래되지 않는다.
이러한 본 발명의 실시예에 따른 무선 통신 장치와 그 빔포밍 경로 설정 방법은 무선 백홀 네트워크를 구성 및 운용할 때에 이용할 수 있다. 또, 기지국과 이동통신 단말 간의 무선 네트워크, 무선 통신 노드 간의 와이파이(Wi-Fi) 통신 네트워크 등과 같은 일반적인 무선 통신 네트워크를 구성 및 운용할 때에도 이용할 수 있다.
300 : 무선 통신 장치 310 : 안테나
320 : 제어기 321 : 네트워크 파악부
323 : 전송 경로 설정부 323a : 후보 전송 경로 파악부
323b : 경로 전송률 산출부 323c : 빔포밍 경로 결정부
323d : 순위 결정부 323e : 선순위 경로 결정부
323f : 후순위 경로 결정부 325 : 빔포밍 제어부
330 : 메모리

Claims (10)

  1. 다수의 무선 통신 노드가 메쉬 형태로 연결된 무선 네트워크의 빔포밍 경로 설정 방법으로서,
    상기 무선 네트워크 내에 전송될 데이터의 수를 파악하는 단계와,
    상기 데이터를 전송하기 위한 빔포밍 전송 경로를 기 설정된 데이터 전송률 조건을 만족하도록 상기 데이터의 수만큼 일괄적으로 설정하거나 기 설정된 간섭량 조건을 만족하도록 우선순위에 따라 상기 데이터의 수만큼 순차적으로 설정하는 단계와,
    설정된 상기 빔포밍 전송 경로에 따라 빔을 형성하여 상기 데이터의 수만큼 데이터 링크를 구성하는 단계를 포함하는 빔포밍 경로 설정 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 설정하는 단계는, 상기 데이터별로 상기 빔포밍 전송 경로로 이용할 수 있는 후보 전송 경로를 도출하는 단계와,
    상기 후보 전송 경로에 대응하는 데이터 전송률을 산출하는 단계와,
    산출된 상기 데이터 전송률의 합산 값이 최대가 되도록 상기 후보 전송 경로 중에서 상기 빔포밍 전송 경로를 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 경로 설정 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 결정하는 단계는, 상기 데이터별로 가중치를 부여하여 상기 합산 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 경로 설정 방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 설정하는 단계는, 상기 데이터별로 우선순위를 결정하는 단계와,
    상기 우선순위가 가장 높은 데이터에 대해 기 설정된 데이터 전송률 조건을 만족하도록 상기 빔포밍 전송 경로를 설정하는 단계와,
    상기 우선순위에 따라 후순위의 데이터들에 대해 먼저 설정된 빔포밍 전송 경로와의 상기 간섭량 조건을 만족하도록 상기 빔포밍 전송 경로를 순차적으로 설정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 경로 설정 방법.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 빔포밍 전송 경로를 순차적으로 설정하는 단계는, 상기 간섭량 조건을 만족하는 범위 내에서 데이터 전송률이 최대가 되거나 전송거리가 최소가 되도록 상기 빔포밍 전송 경로를 설정하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 경로 설정 방법.
  6. 다수의 무선 통신 노드와 메쉬 형태로 연결되어 무선 네트워크를 구성하는 무선 통신 장치로서,
    상기 무선 네트워크 내에 전송될 데이터의 수를 파악하는 네트워크 파악부와,
    상기 데이터를 전송하기 위한 빔포밍 전송 경로를 기 설정된 데이터 전송률 조건을 만족하도록 상기 데이터의 수만큼 일괄적으로 설정하거나 기 설정된 간섭량 조건을 만족하도록 우선순위에 따라 상기 데이터의 수만큼 순차적으로 설정하는 전송 경로 설정부와,
    설정된 상기 빔포밍 전송 경로에 따라 빔을 형성하여 상기 데이터의 수만큼 데이터 링크를 구성하는 빔포밍 제어부를 포함하는 무선 통신 장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 전송 경로 설정부는, 상기 데이터별로 상기 빔포밍 전송 경로로 이용할 수 있는 후보 전송 경로를 도출하는 후보 전송 경로 파악부와,
    상기 후보 전송 경로에 대응하는 데이터 전송률을 산출하는 경로 전송률 산출부와,
    산출된 상기 데이터 전송률의 합산 값이 최대가 되도록 상기 후보 전송 경로 중에서 상기 빔포밍 전송 경로를 결정하는 빔포밍 경로 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 빔포밍 경로 결정부는, 상기 데이터별로 가중치를 부여하여 상기 합산 값을 산출하는 것을 특징으로 하는 무선 통신 장치.
  9. 제 6 항에 있어서,
    상기 전송 경로 설정부는, 상기 데이터별로 우선순위를 결정하는 순위 결정부와,
    상기 우선순위가 가장 높은 데이터에 대해 기 설정된 데이터 전송률 조건을 만족하도록 상기 빔포밍 전송 경로를 설정하는 선순위 경로 결정부와,
    상기 우선순위에 따라 후순위의 데이터들에 대해 먼저 설정된 빔포밍 전송 경로와의 상기 간섭량 조건 및 상기 데이터 전송률 조건을 만족하도록 상기 빔포밍 전송 경로를 순차적으로 설정하는 후순위 경로 결정부를 포함하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 경로 설정 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 후순위 경로 결정부는, 상기 간섭량 조건을 만족하는 범위 내에서 데이터 전송률이 최대가 되거나 전송거리가 최소가 되도록 상기 빔포밍 전송 경로를 설정하는 것을 특징으로 하는 빔포밍 경로 설정 장치.
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