KR20200072213A

KR20200072213A - 비직교 다중 접속 시스템 및 그의 다중 유저 스케줄링 방법

Info

Publication number: KR20200072213A
Application number: KR1020180160141A
Authority: KR
Inventors: 고영채; 임병주; 남성식
Original assignee: 고려대학교 산학협력단
Priority date: 2018-12-12
Filing date: 2018-12-12
Publication date: 2020-06-22
Also published as: KR102152922B1

Abstract

본 발명은 비직교 다중 접속 시스템 및 그의 다중 유저 스케줄링 방법에 관한 것으로서, 기지국과 사용자 단말 간에 비직교 기반의 무선 접속(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA) 을 수행하는 비직교 다중 접속시스템에 의해 수행되는 다중 유저 스케줄링 방법에 있어서, a) 상기 기지국은 사용자 단말로부터 서브밴드의 채널 정보와 서비스 품질(Quality of Service, QoS) 요구 정보를 수신하고, 상기 사용자 단말의 서비스 품질 요구 정보를 이용하여 자원 할당량을 계산한 후 사용자 단말별로 가중치를 설정하는 단계; b) 상기 사용자 단말별 가중치와 채널 정보를 이용하여 채널 이득 기반의 누적 분포 함수(Cumulative Distribution Function, CDF)를 계산하는 단계; 및 c) 상기 채널 이득 기반의 CDF를 이용하여 각 서브밴드마다 복수의 사용자 단말을 선택하여 사용자 집합을 스케줄링하고, 각 사용자 단말에 스케줄링 정보를 피드백하는 단계를 포함하는 것이다.

Description

비직교 다중 접속 시스템 및 그의 다중 유저 스케줄링 방법{NOMA SYSTEM AND ITS METHOD FOR SCHEDULING MULTI-USER}

본 발명은 NOMA 환경에서 공평한 자원 할당이 가능하도록 하는 비직교 다중 접속 시스템 및 그의 다중 유저 스케줄링 방법에 관한 것이다.

최근 들어, 차세대 이동통신에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 5G 이동 통신이 많은 주목을 받고 있다. 5G 이동 통신 기술의 핵심은 높은 데이터 속도 (high data rate), 저지연 통신(low latency) 및 다수 기기 연결성(massive connectivity) 에 있다.

5G 이동 통신 기술 중에 복수의 기기를 동시에 연결하고 데이터 속도를 향상시키기 위한 방법에는 비직교 다중 접속 방식 (Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA)이 제안되고 있다. 기존의 직교 접속 방식, 예를 들어 OFDMA, TDMA 등은 정해진 시간 및 주파수 자원에 한 명의 유저(User)만 통신이 가능하지만, NOMA 방식은 동일한 시간 및 주파수 자원을 이용해 동시에 여러 유저가 통신이 가능하다.

이로 인해, NOMA 시스템은 여러 개의 기기를 동시에 연결할 수 있을 뿐만 아니라 데이터 속도도 향상시킬 수 있다. 하지만 NOMA 시스템은 동시에 여러 유저와 통신할 수 있지만 자원이 한정되어 있고, IoT와 같은 환경에서는 수 많은 유저가 통신을 하려 하기 때문에 동시에 지원할 수 있는 유저만 선택적으로 통신을 하게 된다. 이러한 유저 선택 방법을 스케줄링이라 하며, 어떤 유저를 스케줄링 하느냐에 따라 데이터 속도 및 공평성(faireness)에 큰 영향을 미치기 때문에 적절한 스케줄링 기법이 필요하다.

NOMA 시스템에서 유저 스케줄링 기법은 데이터 속도 측면과 공평성 측면으로 구분할 수 있다. 기존의 유저 스케줄링 알고리즘들은 전체 유저 데이터 속도를 최대화시키는 방향으로 제안이 되고 있는데, 이 경우 셀 에지 유저(cell edge user), 즉 셀(cell) 중심에서 가장 먼 위치에 있는 유저는 경로 감쇄로 인해 SNR이 매우 나쁘기 때문에 자원을 할당받지 못한다. 그로 인해NOMA 시스템에서는 불공평한 자원 할당이 이루어지게 되므로 공평성을 고려한 유저 스케줄링 기법들이 필요하다.

대한민국 공개특허 제 10-2017-0006681호(발명의 명칭 : 다중 사용자 릴레이 시스템의 사용자 단말 장치 및 그 비직교 다중접속기법 운용 방법)

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따라 각 사용자 단말에게 할당되는 자원량을 조절할 수 있고, 그에 따라 데이터 속도가 조절되도록 하는 것에 목적이 있다.

다만, 본 실시예가 이루고자 하는 기술적 과제는 상기된 바와 같은 기술적 과제로 한정되지 않으며, 또 다른 기술적 과제들이 존재할 수 있다.

상기한 기술적 과제를 달성하기 위한 기술적 수단으로서 본 발명의 일 실시예에 따른 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법은, 기지국과 사용자 단말 간에 비직교 기반의 무선 접속(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA) 을 수행하는 비직교 다중 접속시스템에 의해 수행되는 다중 유저 스케줄링 방법에 있어서, a) 상기 기지국은 사용자 단말로부터 서브밴드의 채널 정보와 서비스 품질(Quality of Service, QoS) 요구 정보를 수신하고, 상기 사용자 단말의 서비스 품질 요구 정보를 이용하여 자원 할당량을 계산한 후 사용자 단말별로 가중치를 설정하는 단계; b) 상기 사용자 단말별 가중치와 채널 정보를 이용하여 채널 이득 기반의 누적 분포 함수(Cumulative Distribution Function, CDF)를 계산하는 단계; 및 c) 상기 채널 이득 기반의 CDF를 이용하여 각 서브밴드마다 복수의 사용자 단말을 선택하여 사용자 집합을 스케줄링하고, 각 사용자 단말에 스케줄링 정보를 피드백하는 단계를 포함하는 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따른 비직교 다중 접속 시스템은, 비직교 기반의 무선 접속(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA) 환경에서 기지국과 사용자 단말간에 다중 유저 스케줄링 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 메모리; 및 상기 프로그램을 실행하기 위한 컨트롤러를 포함하며, 상기 컨트롤러는, 상기 프로그램의 실행에 의해, 상기 사용자 단말로부터 서브밴드의 채널 정보와 서비스 품질(Quality of Service, QoS) 요구 정보를 수신하고, 상기 사용자 단말의 서비스 품질 요구 정보를 이용하여 자원 할당량을 계산한 후 사용자 단말별로 가중치를 설정하며, 상기 사용자 단말별 가중치와 채널 정보를 이용하여 채널 이득 기반의 누적 분포 함수(Cumulative Distribution Function, CDF)를 계산하고, 상기 채널 이득 기반의 CDF를 이용하여 각 서브밴드마다 복수의 사용자 단말을 선택하여 사용자 집합을 스케줄링하고, 각 사용자 단말에 스케줄링 정보를 피드백하는 것이다.

전술한 본 발명의 과제 해결 수단에 의하면, 사용자 단말별 가중치를 조절하여 각 사용자 단말의 조건에 맞게 각 사용자 단말에게 할당되는 자원량을 조절할 수 있고, 그에 따라 데이터 속도를 조절할 수 있다.

또한, 본 발명은 서브밴드에 사용자 단말을 할당하는 스케줄링시, 사용자 단말의 가중치를 동일하게 설정하여 모든 사용자 단말이 동일한 확률로 선택되도록 함으로써 공평하게 자원이 할당되도록 하고, 셀 에지 사용자에게 더 많은 자원을 할당할 수 있고, 채널 상태에 따라 각 서브밴드에 최적의 사용자 집합을 스케줄링할 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 NOMA 시스템을 설명하는 도면이다.
도 2는 도 1의 기지국의 구성을 기능적으로 설명하는 도면이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법을 설명하는 순서도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법(CS), 비례 공평(PF) 및 랜덤 선택에 의한 시간 자원 할당량을 비교한 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법에서 가중치에 따른 시간 자원 할당량을 비교한 그래프이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법에 의해 셀 에지 사용자의 가중치에 따른 자원 할당량 및 평균 속도를 분석한 그래프이다.

아래에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 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 다른 부분과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 "직접적으로 연결"되어 있는 경우뿐 아니라, 그 중간에 다른 소자를 사이에 두고 "전기적으로 연결"되어 있는 경우도 포함한다. 또한 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 의미하며, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

이하의 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 상세한 설명이며, 본 발명의 권리 범위를 제한하는 것이 아니다. 따라서 본 발명과 동일한 기능을 수행하는 동일 범위의 발명 역시 본 발명의 권리 범위에 속할 것이다.

이하 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 일 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 NOMA 시스템을 설명하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 NOMA 시스템(100)은 적어도 하나의 기지국(110)을 포함한다. 각 기지국(110)은 특정한 지리적 영역, 즉 셀(101)에 대해 통신 서비스를 제공한다. 사용자 단말(UE1, UE2)은 통상적으로 하나의 셀에 속한다.

기지국(110)은 현재 시스템이 제공하는 서비스들에 대해 할당된 서브 밴드 및 해당 서브 밴드에서 이용되는 뉴머롤로지(numerology)에 대한 정보를 사용자 단말에 알려주고, 각 사용자 단말은 자신이 이용(또는 수신)하기 원하는 서비스가 전송되는 서브 밴드에 대한 정보를 기지국(110)으로부터 수신할 수 있다.

NOMA 기법은 동일한 시간 및 주파수 자원을 이용하여 여러 명의 사용자 단말()을 지원한다. NOMA기법에서는 기존과 다른 파워 도메인을 이용하여 사용자 단말을 구분하는데, 송신기에서 중첩 코딩(Superposition coding) 방식을 사용하고, 수신기에서 순차적 간섭 제거(Successive Interference Cancellation, SIC) 방식을 사용한다. 이러한 NOMA 기법은 다중 사용자 상황에서 최대의 데이터 속도를 얻을 수 있는 최적화된 방법으로 알려져 있다.

NOMA 기법에서 하향링크에서 송신 신호는 하기한 수학식 1로 나타낼 수 있다.

[수학식 1]

여기서

는 k번째 사용자 단말이 전송하는 데이터,

는 k번째 사용자 단말에게 할당된 송신 파워, U는 동시에 통신할 수 있는 사용자 단말 수이다. NOMA 시스템은

로 전체 파워를 각 사용자 단말에게 적절히 분배하게 된다. 이렇게 각 사용자 단말의 데이터를 중첩해서 보내는 방식을 중첩 코딩(superposition coding)이라 한다.

이러한 송신 신호는 h_i의 채널을 통과한 후 i번째 사용자 단말이 해당 신호를 수신하게 된다. 이 중

만을 검출해야 하는데, 송신 신호에 다른 사용자 단말의 데이터도 섞여 있으므로

만 검출하는 것이 어렵다. 이때, 수신기에서는 SIC 기법을 사용하게 되는데, 먼저 채널이

로 배치(ordering) 되어 있다고 가정한다. 셀룰러 시스템에서는 경로 감쇄로 인해 거리가 멀수록 채널 이득이 작아지기 때문에 위의 채널 이득에 대한 가정은 타당하다고 볼 수 있다. 즉, U 번째 사용자 단말이 기지국(110)과 가장 먼 위치에 존재할 것이다.

각 사용자 단말이 위와 같은 채널 이득을 가진 상황에서 수신기는 최적 SIC 순서(order)는 채널 이득이 작은 사용자 단말부터 검출한다. 따라서 i번째 사용자 단말은 먼저 U번째 사용자 단말의 데이터를 검출한다. 이때 다른 사용자 단말의 데이터는 노이즈(noise)로 취급하게 된다. 다른 사용자 단말의 데이터가 간섭으로 작용하긴 하지만 완벽한 검출이 가능하면

는 검출할 수 있고, 수학식 1에서

의 데이터는 빼주게 된다. 그 후, 상기에서 설명한바와 같이 U-1 번째 사용자 단말의 데이터를 검출하여 빼주게 된다. 이러한 과정을 반복하게 되면 i번째 사용자 단말의 데이터 검출은 하기한 수학식 2와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 2]

수학식 2에서,

는 평균이 0이고 분산이

인 i번째 사용자의 가우시안 노이즈(Gaussian noise)가 된다. 이때, i번째 사용자 단말의 데이터를 검출하게 되면

의 항이 간섭으로 작용하게 된다. 따라서, i 번째 사용자 단말의 신호 대 간섭 잡음비 (Signal-to-Interference plus Noise Ratio, SINR)은 하기 수학식 3과 같이 표현할 수 있다.

[수학식 3]

따라서, 채널 이득이 크지 않다면 간섭의 영향이 커지게 되고, SINR이 작아져서 데이터 속도는 줄어들게 된다. 수학식 3은 SIC 오류가 없을 경우에 대한 SINR으로 SIC 수행시 검출 오류가 발생하면 더욱 더 SINR이 감소하게 된다. 따라서 실제로는 U=2인 경우를 고려하고 있으며, 그 이상은 복잡도 및 실제 적용 문제가 발생하게 된다. 따라서, 다중 유저 스케줄링 방법을 위한NOMA 시스템은 2명의 유저를 동시에 지원하는 상황을 고려한다.

LTE 시스템에서는 자원을 리소스 블록(Resource Block, RB)으로 구분을 하여 할당하게 된다. 각 RB는 1 명의 사용자 단말에게만 할당 가능하지만 NOMA기법을 적용하게 되면 RB를 2명의 사용자 단말에게 할당할 수 있으므로 2배 많은 사용자 단말을 동시 지원할 수 있다. 그에 따라 전체 사용자 단말의 데이터 속도도 증가시킬 수 있다. 또한 현재 많이 사용하고 있는 OFDMA 방식은 주파수 도메인에서 서브캐리어 별로 사용자 단말을 할당하는 방식으로 주파수 별로 사용자 단말을 구분할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 NOMA 시스템(100)은 도 1에 도시된 바와 같이, 사용할 수 있는 주파수 대역을 M개의 서브밴드로 구분을 한 후 각 서브밴드마다 2명의 사용자 단말을 NOMA로 지원한다. 따라서, NOMA 시스템은 총 K(K≥2M)명 사용자 단말 중 2M명의 사용자 단말에 동시에 지원할 수 있고, 어떠한 사용자 단말을 선택하는지에 대한 유저 스케줄링이 성능에 크게 영향을 미치게 된다.

도 2는 도 1의 기지국의 구성을 기능적으로 설명하는 도면이다.

도 2를 참고하면, 기지국(110)은 수신기(111), 컨트롤러(112) 및 송신기(113)를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지는 않는다.

기지국(110)은 네트워크 유형에 따라, "기지국(base station)" 또는 "액세스 포인트(AP: Access Point)"와 같이, 다른 잘 알려진 용어들이 기지국("eNodeB" 또는 "eNB") 대신 사용될 수 있다. 본 발명에서 기지국은 설명의 편의상 원격(remote) 단말기들(terminals)에 무선 액세스를 제공하는 네트워크 인프라스트럭쳐(infrastructure) 구성 요소들을 의미하기 위해 사용될 수 있다. 또한, 사용자 단말(User Equipment, UE) 은 네트워크 유형에 따라 "이동국(mobile station)", "가입자국(subscriber station)", "원격 단말기(remote terminal)", "무선 단말기(wireless terminal)", 또는 "사용자 장치(user device)"와 같은 다른 잘 알려진 용어들을 사용할 수도 있다.

수신기(111)는 무선 채널을 통해 신호를 송수신하기 위한 기능들을 수행한다. 예를 들면, 수신기(111)는 시스템의 물리 계층 규격에 따라 RF(radio frequency) 신호, 기저대역 신호 간 변환 기능을 수행한다. 예를 들면, 데이터 수신 시, 수신기(111)는 적어도 하나의 안테나를 통해 RF 신호를 수신하고, RF 신호에 대해 처리한 후 기저대역 신호로 하향 변환하고, 디지털 신호로 변환한다. 이러한 수신기(111)는 복수의 사용자 단말로부터 각각 채널 정보와 서비스 품질 요구 정보를 수신할 수 있다.

컨트롤러(112)는 수신기(111)를 통해 수신된 채널 정보와 서비스품질 요구 정보를 이용하여 다중 유저 스케줄링 방법을 제공하는 전체 과정을 제어한다. 컨트롤러(112)가 수행하는 각 단계에 대해서는 도3을 참조하여 후술하기로 한다.

여기서, 컨트롤러(112)는 프로세서(processor)와 같이 데이터를 처리할 수 있는 모든 종류의 장치를 포함할 수 있다. 여기서, '프로세서(processor)'는, 예를 들어 프로그램 내에 포함된 코드 또는 명령으로 표현된 기능을 수행하기 위해 물리적으로 구조화된 회로를 갖는, 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치를 의미할 수 있다. 이와 같이 하드웨어에 내장된 데이터 처리 장치의 일 예로써, 마이크로프로세서(microprocessor), 중앙처리장치(central processing unit: CPU), 프로세서 코어(processor core), 멀티프로세서(multiprocessor), ASIC(application-specific integrated circuit), FPGA(field programmable gate array) 등의 처리 장치를 망라할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

송신기(113)는 컨트롤러(112)를 통해 생성된 스케줄링 정보를 각 사용자 단말에게 송신할 수 있다.

한편, 기지국(110)은 다중 유저 스케줄링 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록되는 메모리(114)를 포함할 수 있다. 메모리(114)는 컨트롤러(112)가 처리하는 데이터를 일시적 또는 영구적으로 저장하는 기능을 수행한다. 여기서, 메모리(120)는 휘발성 저장 매체(volatile storage media) 또는 비휘발성 저장 매체(non-volatile storage media)를 포함할 수 있으나, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.

일반적인 NOMA 시스템에서 사용하는 유저 스케줄링 기법에는 비례 공평(Proportional Fair, PF) 스케줄링 방식이 많이 사용되고 있다. PF 스케줄링 기법은 공평성을 만족하면서 데이터 속도를 최대화시킬 수 있는 사용자 단말들을 선택하는 방식이다. PF 스케줄링 기법은 각 사용자 단말에게 공평한 자원할당이 불가능하고, 또 각 사용자 단말이 요구하는 만큼의 자원을 할당 할 수 없다는 단점이 있다.

따라서, PF 스케줄링 기법의 단점을 보완할 수 있는 스케줄링 기법으로 CDF 기반의 스케줄링 기법이 있다. 기존의 CDF 기반의 스케줄링 기법은 현재 시간 t에서 선택된 사용자 단말을 수학식 4와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 4]

수학식 4에서,

는 k번째 사용자 단말의 가중치(weight),

는 시간 t에서 k번째 사용자 단말의 데이터 속도,

는 데이터 속도의 CDF이다. 따라서, 기존의 CDF 기반의 스케줄링 기법은 현재 시간 t에서 CDF가 최대인 사용자 단말을 선택하는 기법이다.

NOMA 시스템에서 단순히 데이터 속도가 최대인 사용자 단말을 선택하게 되면 셀 에지 사용자(cell edge user)는 선택되지 않기 때문에 CDF를 활용하게 된다. 여기서, 데이터 속도는 채널로 인해 랜덤 변수인데 현재 데이터 속도의 CDF 값을 구해보면 현재 데이터 속도가 평균보다 좋은지 나쁜지 알 수 있다.

수학식 4를 참조하면,

의 확률값을 가지므로 데이터 속도의 랜덤 변수 R이 현재 데이터 속도보다 클 확률이 작으면 작을수록 현재 데이터 속도가 충분히 크다는 의미이므로 확률값이 최소인 사용자 단말을 선택한다. 이러한 확률 값은 CDF와 연관이 있으므로 CDF 기반의 스케줄링 기법이라고 한다. 즉, CDF값이 클수록 현재 링크에서 얻을 수 있는 최대치의 데이터 속도에 가깝다는 의미이다. 따라서, CDF 기반의 스케줄링 기법은 각 사용자 단말마다 얻을 수 있는 최대 데이터 속도와 비교하여 가장 좋은 데이터 속도를 가지고 있는 사용자 단말을 선택하는 알고리즘이다. 또한 가중치를 조절하여 각 사용자 단말에게 할당되는 자원량을 조절할 수 있고 그에 따라 데이터 속도도 조절할 수 있게 된다.

기존의 CDF 기반의 스케줄링 기법은 각 사용자 단말의 데이터 속도의 CDF 정보를 이용하여, CDF 값이 최대치인 사용자 단말을 선택하여 통신하고, 각 CDF 값에 사용자 단말마다 다른 가중치를 설정함으로써 사용자 단말의 데이터 속도와 자원 할당량을 가중치로 조절할 수 있다. 그러나, 기존의 CDF 기반의 스케줄링 기법은 데이터 속도에 기반한 CDF를 사용하고 있고, 자원마다 1명의 사용자 단말만 선택하고 있어 NOMA 시스템에 적용하기 어렵다는 단점이 있다. 수학식 3을 참조하면, NOMA 시스템은 자기의 채널 이득의 크기가 몇 번째로 큰가에 따라 SINR이 달라지므로 데이터 속도를 예측하기 어렵다. 따라서 기존의 CDF 기반의 스케줄링 기법을 NOMA 시스템에 적용하기 위한 방법이 필요하다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법을 설명하는 순서도이다.

도 3을 참고하면, 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법은, 각 사용자 단말은 기지국으로 채널 정보와 서비스품질 요구 정보를 피드백한다(S11).

기지국은 각 사용자 단말의 서비스품질 요구 정보를 이용하여 자원 할당량을 계산한 후 각 사용자 단말마다 가중치를 설정한다(S12).

그 후, 기지국은 채널 정보를 통해 채널 상태를 파악하여 주파수 평면 페이딩 채널(Frequency Flat Fading Channel)인 경우(S13), 사용자 단말별 가중치와 채널 정보를 이용하여 채널 이득 기반의 CDF를 계산하고(S14), 각 서브밴드마다 채널이 동일하기 때문에 CDF 값이 최대치를 가지는 2M명의 사용자 단말을 선택한다(S15).

기지국은 채널 정보를 통해 채널 상태를 파악하여 주파수 선택적 페이딩 채널(Frequency Selective Fading Channel)인 경우, 각 서브밴드마다 채널 이득 기반의 CDF를 계산하고(S16), 각 서브밴드마다 CDF값이 최대치인 2M명이 사용자 단말을 선택한 후 서브밴드마다 CDF 계산 및 사용자 단말 선택하는 스케줄링 과정을 반복 수행한다(S17).

기지국은 스케줄링 정보를 각 사용자 단말에 피드백하고, 각 사용자 단말은 스케줄 정보를 이용하여 기지국으로 데이터를 전송한다(S18).

기지국은 데이터 속도 기반의 CDF가 아니라 채널 이득 기반의 CDF를 활용하여 다중 유저 스케줄링을 수행하고, 이때 스케줄링된 유저 집합은 수학식 5와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 5]

수학식 5에서,

의 사용자 단말 중

명의 사용자 단말을 선택하는 모든 경우 집합, M은 서브밴드의 수,

째 사용자 단말의 채널 이득(

), F_i()는 채널 이득 기반의 CDF, S^*은 각 사용자 단말의 CDF 값의 합을 최대화시키는 집합을 각각 나타낸다.

수학식 5에 나타난 바와 같이, 기지국은 채널 상태가 가장 양호한 2M명의 사용자 단말을 선택하게 되고, 채널 상태가 좋으면 그 만큼SINR이 증가하기 때문에 전체 데이터 속도가 증가하게 된다.

주파수 평면 페이딩 채널에서 채널 이득 기반의CDF 값의 합을 최대화시키는 것은 CDF 값을 순서대로 배열하여 최대값을 가지는 순서대로 2M개를 선택하는 것이다. 따라서, 스케줄링된 사용자 단말은 CDF값이 최대값을 가지는 순서대로 선택된다. 주파수 평면 페이딩 채널은M개의 서브밴드가 모두 동일한 채널이므로, 기지국은 전체 2M명의 사용자 단말을 선택해서 2명씩 각 서브밴드마다 임의로 할당한다.

반면에, 주파수 선택적 채널은 각 서브밴드마다 채널이 서로 다르기 때문에 서브밴드 별로 유저 스케줄링을 통해 사용자 단말을 선택해야 한다. 기지국은 각 서브밴드마다 첫 번째와 두 번째로 큰 CDF 값을 가지는 사용자 단말을 선택하게 된다. 이러한 주파수 선택적 채널 상황에서 임의의 i번째 사용자 단말이 선택될 확률은 하기한 수학식 6으로 나타낼 수 있다.

[수학식 6]

수학식 6에서 각 항을 계산하면 다음 수학식 7 및 수학식 8을 구할 수 있다.

[수학식 7]

[수학식 8]

따라서, i 번째 사용자 단말이 현재 시간 t에 선택될 선택 확률값은 하기 수학식 9와 같이 나타낼 수 있다.

[수학식 9]

수학식 9를 통해 사용자 단말이 선택될 확률값을 계산할 수 있고, 이 선택 확률값은 전체 시간 자원 중 선택된 사용자 단말에 할당된 자원이 차지하는 정도를 의미한다. 즉, 수학식 9는 전체 시간 자원 중 i번째 사용자 단말에게 할당된 자원량이므로 해당 사용자 단말의 가중치를 조절하여 선택 확률을 조절하면 각 사용자 단말의 자원 할당량을 사용자 조건에 맞게 조절할 수 있다.

수학식 9를 이용하면, 모든 사용자 단말에 동일한 가중치를 설정할 경우 공평하게 자원을 할당할 수 있다. 즉, 수학식 9에서

일 경우, 선택 확률값은

가 된다. 모든 사용자 단말이 동일한 확률로 선택됨으로써 공평하게 자원 할당이 될 수 있다. 따라서, 공평성을 고려하여 셀 에지 사용자에게 더 많은 자원을 할당할 수 있고, 시스템 성능을 향상시키기 위해 기지국과 가까운 사용자 단말에 더 많은 자원을 할당할 수 있다.

도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법(CS), 비례 공평(PF) 및 랜덤 선택에 의한 시간 자원 할당량을 비교한 그래프이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법에서 가중치에 따른 시간 자원 할당량을 비교한 그래프이며, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법에 의해 셀 에지 사용자의 가중치에 따른 자원 할당량 및 평균 속도를 분석한 그래프이다.

도 4를 참고하면, 총 사용자 단말의 수가 10이고, 그 중 4개만 선택하여 통신하는 상황이라고 가정할 경우, 모든 사용자 단말의 가중치가 동일하면 모든 사용자 단말의 자원 할당량이 동등하게 됨을 알 수 있다. 여기서, 선택 확률값은 각 사용자 단말이 각 타임 슬롯에서 선택될 확률로 전체 시간에서 보면 시간 자원 할당량으로 볼 수 있다.

비례 공평 알고리즘(PF)은 셀 에지 사용자의 SNR이 더 낮기 때문에 셀 에지 사용자에게 더 많은 자원을 할당하게 되지만, 각 사용자 단말의 자원 할당량을 조절할 수 없다는 단점이 있다.

도 5에 도시된 바와 같이, 각 사용자 단말의 가중치 변화에 따른 자원 할당량을 살펴보면,

,

이다. 기지국은 더 많은 가중치를 각 사용자 단말에 할당할수록 자원이 많이 할당되는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 각 상황에 맞게 각 사용자 단말의 가중치를 조절하면 사용자가 요구하는 서비스 품질을 만족시킬 수 있다.

도 6에 도시된 바와 같이, 다른 사용자 단말의 가중치를 1로 설정하고, 셀 에지 사용자의 가중치만 변화시킴에 따라 자원 할당량과 평균 속도가 변화되는데, 가중치를 증가할수록 셀 에지 사용자에게 더 많은 자원을 할당하고, 그에 따라 평균 속도가 증가하는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 기지국은 각 사용자 단말의 가중치를 조절하여 사용자 단말마다 요구하는 최저 속도를 만족시킬 수 있다.

이상에서 설명한 본 발명의 실시예에 따른 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법은, 컴퓨터에 의해 실행되는 프로그램 모듈과 같은 컴퓨터에 의해 실행 가능한 명령어를 포함하는 기록 매체의 형태로도 구현될 수 있다. 이러한 기록 매체는 컴퓨터 판독 가능 매체를 포함하며, 컴퓨터 판독 가능 매체는 컴퓨터에 의해 액세스될 수 있는 임의의 가용 매체일 수 있고, 휘발성 및 비휘발성 매체, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다. 또한, 컴퓨터 판독가능 매체는 컴퓨터 저장 매체를 포함하며, 컴퓨터 저장 매체는 컴퓨터 판독가능 명령어, 데이터 구조, 프로그램 모듈 또는 기타 데이터와 같은 정보의 저장을 위한 임의의 방법 또는 기술로 구현된 휘발성 및 비휘발성, 분리형 및 비분리형 매체를 모두 포함한다.

전술한 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술분야의 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다. 예를 들어, 단일형으로 설명되어 있는 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 마찬가지로 분산된 것으로 설명되어 있는 구성 요소들도 결합된 형태로 실시될 수 있다.

본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

100: NOMA 시스템 110: 기지국
111: 수신기 112 : 컨트롤러
113 : 송신기 114 : 메모리

Claims

기지국과 사용자 단말 간에 비직교 기반의 무선 접속(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA) 을 수행하는 비직교 다중 접속시스템에 의해 수행되는 다중 유저 스케줄링 방법에 있어서,
a) 상기 기지국은 사용자 단말로부터 서브밴드의 채널 정보와 서비스 품질(Quality of Service, QoS) 요구 정보를 수신하고, 상기 사용자 단말의 서비스 품질 요구 정보를 이용하여 자원 할당량을 계산한 후 사용자 단말별로 가중치를 설정하는 단계;
b) 상기 사용자 단말별 가중치와 채널 정보를 이용하여 채널 이득 기반의 누적 분포 함수(Cumulative Distribution Function, CDF)를 계산하는 단계; 및
c) 상기 채널 이득 기반의 CDF를 이용하여 각 서브밴드마다 복수의 사용자 단말을 선택하여 사용자 집합을 스케줄링하고, 각 사용자 단말에 스케줄링 정보를 피드백하는 단계를 포함하되,
상기 사용자 집합은 하기 수학식 1로 나타내는 것인, 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법.
[수학식 1]

의 사용자 단말 중
명의 사용자 단말을 선택하는 모든 경우 집합
M은 서브밴드의 수
W_i는 i번째 사용자 단말의 가중치

째 사용자 단말의 채널 이득
F_i()는 채널 이득 기반의 CDF
S^*은 각 사용자 단말의 CDF 값의 합을 최대화시키는 집합
제 1 항에 있어서,
상기 c) 단계는,
상기 채널 정보를 통해 채널 상태를 확인하여 주파수 평면 페이딩 채널(Frequency Flat Fading Channel)인 경우, 상기 채널 이득 기반의 CDF 값을 크기 순으로 배치한 후 상기 CDF 값이 최대인 2M명의 사용자 단말을 선택하여 각 서브밴드마다 할당하는 것인, 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법.
제 1 항에 있어서,
상기 c) 단계는,
상기 채널 정보를 통해 채널 상태를 확인하여 주파수 선택적 페이딩 채널(Frequency Selective Fading Channel)인 경우, 각 서브 밴드마다 상기 채널 이득 기반의 CDF 값을 크기 순으로 배치한 후 상기 CDF 값이 최대인 2명의 사용자 단말을 선택하는 것인, 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법.
제 3 항에 있어서,
i번째 사용자 단말이 현재 시간(t)에 스케줄링 되기 위한 선택 확률값은 하기 수학식 2로 나타내는 것인, 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법.
[수학식 2]
제 4 항에 있어서,
상기 선택 확률값의 가중치(W_i)를 조절하여 각 사용자 단말의 자원 할당량을 서로 다르게 조절하는 것인, 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법.
제 4 항에 있어서,
각 사용자 단말의 선택 확률값이 동일해지도록 상기 사용자 단말별 가중치(W_i)를 동일하게 설정하여 자원 할당의 공평성을 제공하는 것인, 비직교 다중 접속 시스템의 다중 유저 스케줄링 방법.
비직교 기반의 무선 접속(Non-Orthogonal Multiple Access, NOMA) 환경에서 기지국과 사용자 단말간에 다중 유저 스케줄링 방법을 수행하기 위한 프로그램이 기록된 메모리; 및
상기 프로그램을 실행하기 위한 컨트롤러를 포함하며,
상기 컨트롤러는, 상기 프로그램의 실행에 의해,
상기 사용자 단말로부터 서브밴드의 채널 정보와 서비스 품질(Quality of Service, QoS) 요구 정보를 수신하고, 상기 사용자 단말의 서비스 품질 요구 정보를 이용하여 자원 할당량을 계산한 후 사용자 단말별로 가중치를 설정하며,
상기 사용자 단말별 가중치와 채널 정보를 이용하여 채널 이득 기반의 누적 분포 함수(Cumulative Distribution Function, CDF)를 계산하고,
상기 채널 이득 기반의 CDF를 이용하여 각 서브밴드마다 복수의 사용자 단말을 선택하여 사용자 집합을 스케줄링하고, 각 사용자 단말에 스케줄링 정보를 피드백 하되,
상기 사용자 집합은 하기 수학식 1로 나타내는 것인, 비직교 다중 접속 시스템.
[수학식 1]

의 사용자 단말 중
명의 사용자 단말을 선택하는 모든 경우 집합
M은 서브밴드의 수
W_i는 i번째 사용자 단말의 가중치

째 사용자 단말의 채널 이득
F_i()는 채널 이득 기반의 CDF
S^*은 각 사용자 단말의 CDF 값의 합을 최대화시키는 집합
제 7 항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 채널 정보를 통해 채널 상태를 확인하여 주파수 평면 페이딩 채널(Frequency Flat Fading Channel)인 경우, 상기 채널 이득 기반의 CDF 값을 크기 순으로 배치한 후, 상기 CDF 값이 최대인 2M명의 사용자 단말을 선택하여 각 서브밴드마다 할당하는 것인, 비직교 다중 접속 시스템.
제 7 항에 있어서,
상기 컨트롤러는 상기 채널 정보를 통해 채널 상태를 확인하여 주파수 선택적 페이딩 채널(Frequency Selective Fading Channel)인 경우, 각 서브 밴드마다 상기 채널 이득 기반의 CDF 값을 크기 순으로 배치한 후 상기 CDF 값이 최대인 2명의 사용자 단말을 선택하는 것인, 비직교 다중 접속 시스템.
제 9 항에 있어서,
i번째 사용자 단말이 현재 시간(t)에 스케줄링 되기 위한 선택 확률값은 하기 수학식 2로 나타내는 것인, 비직교 다중 접속 시스템.
[수학식 2]
제 10 항에 있어서,
상기 선택 확률값의 가중치(W_i)를 조절하여 각 사용자 단말의 자원 할당량을 조절하는 것인, 비직교 다중 접속 시스템.