KR20220087343A - D2d 기반 ptt 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 방법 및 장치 - Google Patents

D2d 기반 ptt 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 방법 및 장치 Download PDF

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Abstract

D2D 기반 PTT 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 방법 및 장치가 제시된다. 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치를 통해 구현되는 D2D(Device-to-Device) 기반 PTT(Push-to-Talk) 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 방법은, 송신 단말 중에 수신 SNR이 기설정된 SNR 범위 내에 있는 단말을 릴레이 후보군으로 설정하는 단계; 및 상기 릴레이 후보군 중에 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송하는 단계를 포함하고, 상기 수신 SNR을 기준으로 릴레이를 선택할 수 있다.

Description

D2D 기반 PTT 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 방법 및 장치{Relay Selection Method and Apparatus for Maximizing Talk Time and Service Coverage in D2D based PTT Service}
아래의 실시예들은 릴레이(Relay) 선택 방법 및 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 D2D 기반 PTT 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 방법 및 장치에 관한 것이다.
기지국이 제대로 동작하지 않는 재난환경에서의 통신 방법으로 D2D(Device-to-Device) 간 직접 통신이 고려된다. 특히 재난상황에서 구조자에게 필요한 Emergency 메시지를 다수의 사용자에게 전달하는 PTT(Push-to-Talk) 서비스(MCVoice, MCVideo)에서 그룹 내의 모든 단말이 sender가 송신하는 신호를 수신하는 것이 중요하다.
여기에서는 서비스 영역과 서비스 영역 내의 단말의 수(M)가 결정되어 있는 상황에서 D2D 그룹통신을 기반으로 동작하는 PTT 서비스를 고려한다. 이 때, 임의 단말이 송신 단말로 메시지를 전송할 때, M-1개의 나머지 단말은 수신 단말로 동작하는 상황을 고려한다. D2D 그룹통신을 통한 PTT 서비스는 인접 거리의 단말간 통신을 기반으로 하기 때문에 PTT 서비스 영역이 넓은 경우에는 그룹 내 모든 단말의 서비스 품질을 보장하기 D2D 릴레이(Relay) 전송을 통한 Multi-hop 전송을 고려해야 한다. PTT 서비스에 적용 가능한 가장 간단한 D2D 릴레이 전송 방법은 “블라인드 플러딩(Blind flooding)”방식이다. 이는 sender가 특정 메시지를 발신할 때 브로드캐스트(broadcast) 방식으로 destination을 지정하지 않고 근처에 있는 모든 단말에 전송하고 해당 메시지를 받은 수신자도 해당 메시지를 주변의 모든 단말에게 재전송하여 모든 단말에 전달하는 방식이다. 이 방식은 PTT 서비스에서 모든 단말에게 메시지를 전달하는 가장 간단한 방식이지만 불필요한 재전송 때문에 중복 패킷, 패킷 충돌 등에 의한 불필요한 에너지 낭비와 간섭을 초래한다.
불필요한 전송에 따른 에너지 소비는 네트워크 내 단말들의 통신 가능 시간을 감소시키기 때문에 재난 통신 네트워크나 센서 네트워크에서 큰 문제가 될 수 있다. 또한, V2V 네트워크에서는 효율적이고 높은 신뢰성을 갖는 multi-hop 전송을 위한 릴레이 선택 방안의 필요성도 증가하고 있다. 이에 기존에 많은 연구에서 릴레이 선택 방안에 대한 연구가 활발히 진행되었다.
(비특허문헌 1)은 수신 단말이 가지고 있거나 측정 가능한 정보를 이용하여 재전송 여부를 결정하는 휴리스틱(heuristic) 기반의 플러딩 알고리즘들이 연구되었다. 휴리스틱 기반 알고리즘은 크게 확률 기반과 영역 기반으로 구분된다. 먼저, 확률 기반의 경우, 수신 단말이 기준 확률 P에 기반하여 재전송을 결정하는 확률론적(probabilistic) 방식과 각 수신 단말이 일정시간 동안 중복하여 수신한 브로드캐스트 패킷 수를 카운트(count)하여 임계(threshold)값보다 작을 때만 재전송하는 카운터(counter) 기반 방식이 있다. 이러한 방식들은 수신 단말이 자신이 가지고 있는 정보를 가지고 재전송 여부를 결정하기 때문에 간단하게 적용 가능한 알고리즘이지만 기준 확률과 임계값의 결정이 성능에 중요한 요소로 작용한다. 그리고 영역 기반의 경우, 각 단말이 이웃 단말과의 거리 정보를 이용하여 수신한 브로드캐스트 패킷을 수신한 단말 사이의 거리가 임계값 이상일 때만 재전송하는 거리 기반 방식과 모든 단말의 위치정보를 이용하여 자신이 재전송하였을 때 새로 커버되는 영역의 크기가 임계값 이상이 되었을 때만 재전송하는 위치 기반 방식이 있다. 이러한 방식은 정확한 위치나 거리정보가 필요하기 때문에 위치정보가 정확하지 않는 실내 나 재난환경에서는 동작하지 않을 수 있다.
(비특허문헌 2)는 이웃 단말과의 정보교환을 통해서 얻은 정보를 이용하는 인접 토폴로지(neighbor topology) 기반의 알고리즘이 연구되었다. 인접 토폴로지 기반의 경우, 1 hop 거리의 이웃 단말의 리스트를 브로드캐스트 패킷에 포함시켜 전송하고, 이를 수신한 이웃 단말이 자신의 이웃 단말의 리스트(list)와 비교하여 재전송이 필요한 단말이 있는 경우에만 재전송을 하는 Self-Pruning과 송신 단말이 자신과 2-hop 거리 내 이웃 단말 리스트와 이웃 단말이 전송한 1-hop 거리 내 이웃 단말 리스트를 이용하여 재전송 단말을 결정하는 Dominant-Pruning 방식이 가장 대표적 방식이다. 이러한 방식들은 휴리스틱 기반의 방식들과는 다르게 이웃 단말과의 정보교환이나 측정신호의 전송을 통해서 얻은 정보를 이용하여 재전송 여부를 선택함으로 그룹 내 모든 단말이 sender가 송신한 메시지를 수신하는 것을 보장할 수 있다. 하지만 이러한 추가적인 정보교환이나 측정신호의 전송은 신호 오버헤드(signaling overhead)의 유발과 추가적인 에너지 소비를 야기하기 때문에 통화시간의 감소를 가지고 올 수 있다.
(비특허문헌 3)과 같이 클러스터 기반의 경우, 그룹 내의 모든 단말을 클러스터 단위로 구분하고, 메시지를 클러스터 멤버에게 전달하는 클러스터 헤드와 클러스터 간의 메시지를 전달하는 게이트웨이 멤버를 통해서 메시지를 모든 단말에게 전달한다. 이 때 클러스터 멤버와 게이트웨이 멤버는 클러스터 헤드에 의해서 결정되기 때문에 클러스터 헤드를 결정하면 클러스터의 구성이 결정된다. 대표적인 클러스터 헤드의 결정 방식들은 다음과 같다. 단말에 임의로 할당한 ID를 공유 및 비교하여 통신거리 내에서 가장 작은 ID를 가진 단말이 클러스터 헤드가 되는 Lowest ID 방식, 통신 거리 내에 이웃 단말의 수를 공유 및 비교하여 가장 많은 이웃 단말이 클러스터 헤드가 되는 Highest Connectivity 방식, 각 단말이 이웃 단말과의 상대속도 차이를 공유 및 비교하여 가장 작은 상대속도 차이를 갖는 단말이 클러스터 헤드가 되는 상대적 이동성(relative mobility) 방식이 있다. 이와 같은 클러스터 기반 알고리즘의 경우, 토폴로지 방식과 동일하게 이웃 단말과의 정보교환을 위한 신호 오버헤드(signaling overhead)가 유발되며, CH로 선택된 단말은 다른 단말들에 비해 에너지 소비량이 많아 통화시간이 짧아진다.
B.-J. Chang, Y.-H. Liang, Y.-D. Huang, ‘‘Efficient emergency forwarding to prevent message broadcasting storm in mobile society via Vehicle-to-X communications for 5G LTE-V,’’ in Proc. Int. Comput. Symp. (ICS), pp.479-484, 2016 S. Najafzadeh, N. Binti Ithnin and S. Abd Razak, "Broadcasting in Connected and Fragmented Vehicular Ad Hoc Networks," Int. J. of Veh. Tech., Hindawi Publishing Corporation, pp.1-15, 2014 Y. Chen, M. Fang, S. Shi, and W. Guo. "Distributed multi-hop clustering algorithm for VANETs based on neighborhood follow," EURASIP J. on Wireless Comm. and Net., no.98, 2015
Figure pat00001
M. Lauridsen, L. Nol, T.B. Sørensen, and P. Mogensen, "An empirical LTE smartphone power model with a view to energy efficiency evolution," Intel Technology Journal. Vol.18, No.1, pp.172-193, 2014.
실시예들은 D2D 기반 PTT 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 방법 및 장치에 관하여 기술하며, 보다 구체적으로 재난 상황에서 D2D(Device-to-Device) 기반의 PTT(Push-to-Talk) 서비스에서 릴레이 단말 선택 방안에 따른 서비스 영역의 크기와 통화시간과의 관계를 분석하고 이를 통해 통화시간을 최대화하기 위한 릴레이 단말의 선택 기술을 제공한다.
실시예들은 단말이 가지고 있는 정보인 수신 SNR과 에너지 잔량을 가지고 재전송 여부를 결정함으로써 불필요한 전송과 불균등한 에너지 소비를 줄여 성능을 향상시킬 수 있는 D2D 기반 PTT 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 방법 및 장치를 제공하는데 있다.
일 실시예에 따른 컴퓨터 장치를 통해 구현되는 D2D(Device-to-Device) 기반 PTT(Push-to-Talk) 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 방법은, 송신 단말 중에 수신 SNR이 기설정된 SNR 범위 내에 있는 단말을 릴레이 후보군으로 설정하는 단계; 및 상기 릴레이 후보군 중에 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송하는 단계를 포함하고, 상기 수신 SNR을 기준으로 릴레이를 선택할 수 있다.
상기 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송하는 단계는, 상기 디코딩에 성공한 단말 중 낮은 SNR을 갖는 단말을 높은 확률로 릴레이에 선택되도록 단말의 수신 SNR 릴레이 선택 확률을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송하는 단계는, 상기 디코딩에 성공한 단말 중 에너지 잔량이 많을수록 높은 확률로 릴레이에 선택되도록 단말의 에너지 잔량 릴레이 선택 확률을 결정하는 단계; 및 상기 단말의 수신 SNR 릴레이 선택 확률과 상기 단말의 에너지 잔량 릴레이 선택 확률의 곱을 통해 최종 릴레이 선택 확률을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
다른 실시예에 따른 D2D(Device-to-Device) 기반 PTT(Push-to-Talk) 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 장치는, 송신 단말 중에 수신 SNR이 기설정된 SNR 범위 내에 있는 단말을 릴레이 후보군으로 설정하는 릴레이 후보군 설정부; 및 상기 릴레이 후보군 중에 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송하는 릴레이 선택부를 포함하고, 상기 수신 SNR을 기준으로 릴레이를 선택할 수 있다.
상기 릴레이 선택부는, 상기 디코딩에 성공한 단말 중 낮은 SNR을 갖는 단말을 높은 확률로 릴레이에 선택되도록 단말의 수신 SNR 릴레이 선택 확률을 결정할 수 있다.
실시예들에 따르면 단말이 가지고 있는 정보인 수신 SNR과 에너지 잔량을 가지고 재전송 여부를 결정함으로써 불필요한 전송과 불균등한 에너지 소비를 줄여 성능을 향상시킬 수 있는 D2D 기반 PTT 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 방법 및 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 시스템 구성도를 나타내는 도면이다.
도 2는 일 실시예에 따른 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 장치를 나타내는 블록도이다.
도 3은 일 실시예에 따른 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4는 일 실시예에 따른 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 5는 일 실시예에 따른 릴레이 선택 방법에 따른 네트워크 통화시간 및 서비스 가능 영역의 비교 결과를 나타내는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시예들을 설명한다. 그러나, 기술되는 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 이하 설명되는 실시예들에 의하여 한정되는 것은 아니다. 또한, 여러 실시예들은 당해 기술분야에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 발명을 더욱 완전하게 설명하기 위해서 제공되는 것이다. 도면에서 요소들의 형상 및 크기 등은 보다 명확한 설명을 위해 과장될 수 있다.
기존의 D2D 기반의 PTT 서비스에서 발생하는 불필요한 재전송이나 정보교환에 따른 추가적인 에너지 소비에 의해서 에너지 고갈이 빨라져서 통화시간이 짧아진다. 실시예들은 기존의 문제점을 극복하기 위해서 단말이 가지고 있는 정보인 수신 SNR과 에너지 잔량을 가지고 재전송 여부를 결정한다. 즉, 수신 SNR을 통해서 재전송이 필요한 단말과 가까이 있으면서 에너지 잔량이 높은 단말이 재전송을 하게 함으로써 불필요한 전송과 불균등한 에너지 소비를 줄임으로써 성능 향상을 달성할 수 있다.
아래의 실시예들은 각 단말이 가지고 있는 정보만을 이용하여 서비스의 전송실패(outage) 확률 조건을 만족하는 동시에 통화시간을 최대화하는 릴레이 선택 방법을 제공한다. 제안하는 방식에서는 이웃 단말과의 정보교환을 위한 추가적인 시그널링(signaling)이 없고, 일부 단말만 재전송을 하기 때문에 불필요한 에너지 소비를 줄임으로써 통화시간을 높일 수 있다.
제안된 방식들과 기존의 블라인드 플러딩(Blind flooding) 방식을 통화시간 및 서비스 영역의 크기 측면에서 비교 분석함으로써 각 방식의 통화시간과 서비스 영역의 크기의 관계를 분석할 수 있다.
도 1은 일 실시예에 따른 시스템 구성도를 나타내는 도면이다.
일 실시예에 따른 D2D 기반 PTT 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 방법을 설명하기 위해, 도 1에 도시된 바와 같은 시스템 구성도를 예를 들어 설명한다.
본 실시예에서는 기지국의 도움 없이, PTT 서비스를 제공하는 D2D 그룹통신 네트워크를 고려한다. 네트워크의 서비스 영역(101)은 반지름이 R m이고, 서비스 영역(101) 내에는 D2D 단말(110, 121, 122, 123, 124, 125) M개가 랜덤하게 분포되어 있다. D2D 단말(110, 121, 122, 123, 124, 125) 중 하나의 단말이 sender(110)이고, 나머지 M-1개의 단말이 destination(121, 122, 123, 124, 125)인 상황을 고려한다. 이 때, 서비스 영역(101) 내의 M-1개 단말 중에서 수신 SINR이 임계값보다 작은 단말이 하나라도 발생하면, 해당 브로드캐스트(broadcast) 전송은 전송실패가 된다. 이 때, 전송실패 확률이 5% 미만일 때 서비스가 가능하다고 가정한다. D2D 그룹통신의 서비스 영역(101)의 크기가 1 hop 통신으로 서비스가 불가능하여 복호 후 전달 릴레이 통신(decode-and-forward, DF)을 하는 2 hop 통신 상황을 고려한다. 이 때, destination 단말들(121, 122, 123, 124, 125)은 sender(110)가 전송한 신호와 릴레이 단말들이 전송한 신호를 combine할 수 있다고 가정한다. 이에 릴레이 단말의 수가 많을수록 combined SINR이 증가하여 서비스가 가능한 영역이 증가한다. 반면, 릴레이로 동작하는 단말은 다른 단말들보다 에너지 소비량이 커서 에너지 고갈이 빨라진다.
네트워크 내의 단말 중에서 에너지가 고갈된 단말이 최초로 발생될 때까지 걸린 시간을 통화시간이라고 한다면, 릴레이로 동작하는 단말이 많을수록 통화시간이 짧아진다. 특히, 특정 단말이 릴레이로 전송하는 빈도수가 많다면, 통화시간은 급격히 짧아질 것으로 예상된다. 이에 본 실시예에서는 주어진 서비스 영역(101)에서 전송실패 확률 임계값(outage probability threshold)을 만족하면서 통화시간을 최대로 할 수 있는 릴레이 선택 방안을 제시하고자 한다.
일 실시예에 따른 시스템 구성도에서는 주어진 PTT 서비스 영역(101) 내에 M개의 D2D가 존재하는 시스템을 고려한다(M=6). 이 때, 임의의 단말이 송신 단말(110)(S)을 이용하여 메시지를 전송할 때, M-1개의 나머지 단말(121, 122, 123, 124, 125)은 수신 단말로 동작한다. PTT 서비스 그룹(110, 121, 122, 123, 124, 125)은
Figure pat00002
으로 나타낼 수 있으며, 이 중 Receiver 단말(121, 122, 123, 124, 125)의 집합은
Figure pat00003
로 나타낸다. 송신 단말(110)이
Figure pat00004
로 메시지를 전송하는 것을 phase 1이라고 하였을 때, phase 1에서 디코딩(decoding)에 성공한 단말(121, 122, 123)의 집합을
Figure pat00005
, 디코딩에 실패한 단말(124, 125)의 집합을
Figure pat00006
이라고 한다.
Figure pat00007
는 재전송이 필요한 단말의 집합으로 릴레이 단말로 선택된 단말들이 Receiver들에게 재전송하는 phase 2에서 Receiver들의 집합인
Figure pat00008
이 된다.
이와 같은 시스템 모델에서 릴레이 선택 방법에 따라 선택되는 릴레이가 달라지는데, 기존의 블라인드 플러딩(Blind flooding) 방식의 경우에는 phase 1에서 디코딩에 성공한 모든 단말들(
Figure pat00009
)이 릴레이 단말이 되어 재전송을 한다. 이는 재전송이 가능한 모든 단말이 릴레이 단말로 선택되는 것으로 서비스 가능 영역 관점에서 가장 높은 성능을 갖지만, 릴레이 전송이 필요한 단말들(
Figure pat00010
)과의 거리는 멀어서 수신 성능에 거의 영향을 미치지 않는 단말(예를 들어,
Figure pat00011
)의 불필요한 릴레이 전송이 발생하여 네트워크 통화시간이 감소할 수 있다.
이에 본 실시예에서는 수신 SNR을 기준으로 릴레이를 선택하는 방법을 제시하였다. 이 방식에서는 송신 단말
Figure pat00012
중에서 수신 SNR이 SNR 범위(range) [
Figure pat00013
] 내에 있는 단말을 릴레이 단말 후보군
Figure pat00014
으로 두었다. 이 후보군 중에 phase 1에서 디코딩에 성공한 모든 단말들이 릴레이 단말이 되어 재전송을 한다.
이와 같이 SNR 범위에 따라 릴레이를 선택하면 블라인드 플러딩(Blind flooding) 방식에서 발생했던
Figure pat00015
의 불필요한 릴레이 전송이 발생하지 않아 네트워크 통화시간이 증가할 수 있다. 반면에, 서비스 영역의 크기와 단말 수에 따른 최적의 SNR 범위를 사용하지 못하는 경우에는 릴레이 단말이 블라인드 플러딩(Blind flooding) 방식보다 감소하여 서비스 가능 영역의 감소를 가져올 수 있으며, 동시에 일부 단말이 계속해서 릴레이 선택되어 불균형적인 에너지 소비에 따라 통화시간의 감소도 발생할 수 있다.
따라서 실시예들은 수신 SNR을 기준으로 릴레이 선택 방법의 한계를 극복하기 위해서 수신 SNR과 에너지 잔량을 이용한 확률적 릴레이 선택 방법을 제시한다. 먼저, 수신 SNR이 낮은 단말이 릴레이 전송을 필요로 하고, 릴레이 전송을 필요로 하는 단말 근처의 단말이 재전송하는 경우에 높은 성능을 얻을 수 있다. 이에 디코딩에 성공한 단말 중 낮은 SNR을 갖는 단말을 높은 확률로 릴레이에 선택되도록 임의의 단말
Figure pat00016
의 릴레이 선택 확률
Figure pat00017
를 결정할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 1]
Figure pat00018
이 때,
Figure pat00019
은 phase 1에서 단말 m의 수신 SNR이고,
Figure pat00020
는 릴레이로 동작할 수 있는 단말의 최대 수신 SNR을 나타낸다.
또한, 특정 단말들만 계속 릴레이로 선택되어 에너지 고갈이 빨라지는 불균형 에너지 소비 문제를 해결하기 위해서, 에너지 잔량이 많을수록 높은 확률로 릴레이에 선택되도록 단말
Figure pat00021
의 릴레이 선택 확률
Figure pat00022
를 결정할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 2]
Figure pat00023
이 때,
Figure pat00024
은 단말 m의 에너지 잔량이고,
Figure pat00025
는 초기 에너지량을 나타낸다.
수신 SNR과 에너지 잔량을 통해서 구한 두 개의 릴레이의 선택 확률의 곱을 통해서 최종 릴레이 선택 확률
Figure pat00026
을 다음과 같이 구할 수 있으며, 다음 식과 같이 나타낼 수 있다.
[수학식 3]
Figure pat00027
도 1에 도시된 예시에서 확률을 기반으로 한 릴레이 선택 방법을 적용하면, phase 1에서 디코딩에 성공한 단말들(
Figure pat00028
)은 각각 자신의 릴레이 선택 확률을 계산할 수 있다. 먼저,
Figure pat00029
의 경우, 에너지 잔량이 높아서
Figure pat00030
가 1에 가까운 반면에 수신 SNR이
Figure pat00031
보다 커서
Figure pat00032
은 0이 되어 최종 릴레이 선택 확률은 0이 된다.
Figure pat00033
의 경우, 에너지 잔량이 높아서
Figure pat00034
가 1에 가깝고 수신 SNR이 작아서
Figure pat00035
은 1에 가까운 값을 갖게 되어 최종 릴레이 선택 확률은 1에 가까운 값이 된다. 마지막으로,
Figure pat00036
의 경우, 에너지 잔량이 매우 낮아서
Figure pat00037
가 0에 가까운 반면에 수신 SNR이 작아서
Figure pat00038
은 1에 가까운 값을 갖게 되어 최종 릴레이 선택 확률은 0에 가까운 값이 된다. 이에 확률 기반의 릴레이 선택 방법으로 선택되는 릴레이는 높은 확률로
Figure pat00039
가 될 것이다.
이를 통해서
Figure pat00040
을 릴레이로 선택함으로써 발생하는 불필요한 재전송과
Figure pat00041
을 릴레이로 선택함으로써 발생하는 불균등한 에너지 소비를 줄임으로써 네트워크 통화시간의 향상을 가져올 수 있으며, 릴레이 전송이 필요한 단말에 가까운 단말이 더 높은 확률로 릴레이로 선택됨으로써 고정된 SNR 범위를 갖는 SNR 기반의 방식보다 서비스 가능 영역 측면에서 높은 성능을 기대할 수 있다.
도 2는 일 실시예에 따른 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 장치를 나타내는 블록도이다.
도 2를 참조하면, 일 실시예에 따른 D2D 기반 PTT 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 장치(200)는 릴레이 후보군 설정부(210) 및 릴레이 선택부(220)를 포함하여 이루어질 수 있으며, 수신 SNR을 기준으로 릴레이를 선택할 수 있다.
릴레이 후보군 설정부(210)는 송신 단말 중에 수신 SNR이 기설정된 SNR 범위 내에 있는 단말을 릴레이 후보군으로 설정할 수 있고, 릴레이 선택부(220)는 릴레이 후보군 중에 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송할 수 있다.
도 3은 일 실시예에 따른 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 3을 참조하면, 일 실시예에 따른 컴퓨터 장치를 통해 구현되는 D2D 기반 PTT 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 방법은, 송신 단말 중에 수신 SNR이 기설정된 SNR 범위 내에 있는 단말을 릴레이 후보군으로 설정하는 단계(S110), 및 릴레이 후보군 중에 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송하는 단계(S120)를 포함하고, 수신 SNR을 기준으로 릴레이를 선택할 수 있다.
도 4는 일 실시예에 따른 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송하는 방법을 나타내는 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 일 실시예에 따른 따른 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송하는 방법은, 디코딩에 성공한 단말 중 낮은 SNR을 갖는 단말을 높은 확률로 릴레이에 선택되도록 단말의 수신 SNR 릴레이 선택 확률을 결정하는 단계(S121), 디코딩에 성공한 단말 중 에너지 잔량이 많을수록 높은 확률로 릴레이에 선택되도록 단말의 에너지 잔량 릴레이 선택 확률을 결정하는 단계(S122), 및 단말의 수신 SNR 릴레이 선택 확률과 단말의 에너지 잔량 릴레이 선택 확률의 곱을 통해 최종 릴레이 선택 확률을 결정하는 단계(S123)를 포함할 수 있다.
일 실시예에 따른 따른 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송하는 방법은 도 3에서 설명한 일 실시예에 따른 따른 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송하는 장치를 예를 들어 설명할 수 있다.
단계(S110)에서, 릴레이 후보군 설정부(210)는 송신 단말 중에 수신 SNR이 기설정된 SNR 범위 내에 있는 단말을 릴레이 후보군으로 설정할 수 있다.
단계(S120)에서, 릴레이 선택부(220)는 릴레이 후보군 중에 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송할 수 있다.
보다 구체적으로, 단계(S121)에서, 릴레이 선택부(220)는 디코딩에 성공한 단말 중 낮은 SNR을 갖는 단말을 높은 확률로 릴레이에 선택되도록 단말의 수신 SNR 릴레이 선택 확률을 결정할 수 있다. 또한, 단계(S122)에서, 릴레이 선택부(220)는 디코딩에 성공한 단말 중 에너지 잔량이 많을수록 높은 확률로 릴레이에 선택되도록 단말의 에너지 잔량 릴레이 선택 확률을 결정할 수 있다. 그리고, 단계(S123)에서, 릴레이 선택부(220)는 단말의 수신 SNR 릴레이 선택 확률과 단말의 에너지 잔량 릴레이 선택 확률의 곱을 통해 최종 릴레이 선택 확률을 결정할 수 있다.
본 실시예에서는 제안하는 방식의 성능을 서비스 가능 영역과 네트워크 통화시간으로 비교하였다. 이 때, 서비스 가능 영역은 서비스 그룹 내의 단말 중 디코딩에 실패한 단말이 하나라도 발생하면 서비스 전송실패가 발생하였다고 하고, 전송실패 확률이 특정 임계값을 초과하지 않는 서비스 영역의 반경을 서비스 가능 영역의 크기로 정의하였다. 단말의 디코딩 실패 여부는 수신 SNR이 target SNR 이상이면 디코딩 성공이고, 수신 SNR이 target SNR 미만이면 실패로 결정하였다. 한편, 네트워크 통화시간은 네트워크 내 단말 중 에너지 고갈 단말이 발생하는 시간으로 정의하였다. 네트워크 통화시간을 정확히 구하기 위해서는 각 단말의 에너지 소비량을 정확히 구할 수 있어야 하며, 이는 다음과 같은 단말 전력소비 모델을 이용하면 구할 수 있다.
표 1은 단말의 전력소비 모델(mW)(비특허문헌 4)을 나타낸다.
[표 1]
Figure pat00042
만약, 재난상황에서의 MCVoice 서비스를 고려한다면, PTT 서비스 그룹 내 단말은 모두 23dBm의 전송전력과 데이터 전송률 12.56kbps를 갖는다고 가정할 수 있다. 이와 같은 가정을 표 1에 적용하면, 메시지 전송 시 소비 전력은 약 2.49W이고 메시지 수신 시 소비 전력은 약 0.908W임을 추정할 수 있다. 이 때, 송수신 시간을 10초로 가정하면, 송수신시 소비되는 에너지량은 각각 24.86J, 9.08J이 된다.
본 실시예에서는 모든 D2D 단말은 round 마다 한번씩 sender로 동작하며, sender는 자신의 신호를 브로드캐스트 방식으로 그룹 내 단말들에게 전송한다고 가정한다. 이 때, 각 round는 2개의 phase로 이루어져 있으며, phase 1에서는 sender가 그룹 내의 D2D 단말들에게 자신의 신호를 전송하고, phase 2에서는 릴레이 단말이 sender로부터 수신한 신호를 브로드캐스트 방식으로 재전송한다.
추정된 소비 전력과 송수신시간을 이용하면 송수신 시 소비되는 에너지를 계산할 수 있으며, 각 단말의 초기 에너지량에서 소비되는 에너지를 뺌으로써 에너지 잔량을 계산할 수 있다. 이에 네트워크 통화시간의 계산의 편의를 위해서 에너지가 고갈되는 단말이 발생할 때까지 round(phase 1 + phase 2)을 반복하면 네트워크 통화시간을 round 단위로 유도할 수 있다.
본 실시예에서는 다음의 표 2의 시뮬레이션 환경을 가지고, 블라인드 플러딩(Blind flooding)(A1), SNR 범위를 [10,15]dB로 고정한 SNR 기반 릴레이 선택 방안(A2), 확률 기반의 릴레이 선택 방안(A3)의 네트워크 통화시간 성능을 비교하였다.
표 2는시뮬레이션 환경을 나타낸다.
[표 2]
Figure pat00043
시뮬레이션은 서비스 영역 내의 단말의 수를 50으로 고정하고, 서비스 영역의 크기를 변화시켰을 때의 네트워크 통화시간과 그때 전송실패 확률이 임계값을 넘는지를 확인함으로써 서비스 가능 영역을 비교할 수 있다.
본 실시예에서는 다음의 릴레이 단말 선택 방법 3가지를 비교한다.
A1: sender를 제외한 모든 단말이 릴레이 후보군이 되고, 이중 복호(decode)에 성공한 단말이 릴레이 단말로 동작하는 방법
A2: phase 1에서 수신 SINR이 [
Figure pat00044
~
Figure pat00045
]에 속하는 모든 단말이 릴레이 후보군이 되고, 이중 복호에 성공한 단말이 릴레이 단말로 동작하는 방법
A3: phase 1에서 복호에 성공한 단말들 중에서 수신 SINR과 에너지 잔량에 따라 확률적으로 릴레이 단말로 동작하는 방법
A1은 기존의 블라인드 플러딩(Blind flooding) 방법이고, A2와 A3는 제안하는 릴레이 단말 선택 방법이다. A2는 휴리스틱 기반의 플러딩 방식으로 주어진 서비스 영역과 단말 수에 적합한 수신 SINR의 범위의 결정이 필요하다. 반면에, A3 방식은 sender와의 거리가 멀고 복호에 실패한 단말과의 거리는 가까운 단말이 릴레이 단말로 동작할 확률이 높아지도록 낮은 수신 SNR을 갖는 단말이 릴레이로 동작할 확률이 높게 설정한다. 이를 통해서 sender와의 거리가 가까운 단말들의 재전송을 줄이는 동시에 서비스 영역의 크기는 증가시키는 효과를 기대할 수 있다. 또한, 에너지 잔량이 낮은 단말이 낮은 확률로 릴레이 단말로 동작하도록 확률을 결정하여 특정 단말이 계속해서 릴레이 단말로 동작하여 통화시간을 줄이는 것을 막는 효과도 기대할 수 있다.
도 5는 일 실시예에 따른 릴레이 선택 방법에 따른 네트워크 통화시간 및 서비스 가능 영역의 비교 결과를 나타내는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 해당 결과에서 점선은 전송실패 확률 임계값(outage probability threshold)인 5%를 만족하지 못할 때의 통화시간을 나타내고, 직선은 만족할 때를 나타낸다. 그러므로 각 방식의 최대 서비스 가능 영역은 직선이 끝나는 지점의 반지름이 되어, A1은 430m, A2는 275m, A3는 360m가 된다. 그러나 서비스 가능 영역의 크기가 가장 큰 A1의 경우에는 릴레이로 동작하는 단말이 많아서 통화시간이 57 round로 가장 짧고, 서비스 가능 영역이 가장 작은 A2의 경우는 73 round로 통화시간이 가장 길다. 그리고 A3의 통화시간은 72 round으로 A2에 근접한 것을 확인할 수 있다.
3가지 방식을 비교하였을 때, 통화시간이 긴 방식은 상대적으로 서비스 가능 영역이 작고, 서비스 가능 영역이 큰 방식은 통화시간이 짧았다. 이를 통해서, 통화시간과 서비스 영역의 크기는 트레이드오프(tradeoff) 관계를 갖는 것을 확인할 수 있다.
제안하는 확률 기반의 릴레이 선택 방식(A3)이 통화시간과 서비스 가능 영역의 크기 측면에서 동시에 좋은 성능을 갖기 때문에 서비스 영역의 크기만 큰 A1 방식과 통화시간만 긴 A2 방식보다는 재난환경에 더 적합한 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 네트워크 통화시간을 최대로 하는 D2D 그룹 통신 기반의 PTT 서비스 운영 방안으로써 A3 방식이 준수한 성능을 기대할 수 있고, 실제 재난통신 네트워크에 적용하기 용이할 것으로 예상된다.
이상에서 설명된 장치는 하드웨어 구성요소, 소프트웨어 구성요소, 및/또는 하드웨어 구성요소 및 소프트웨어 구성요소의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 실시예들에서 설명된 장치 및 구성요소는, 예를 들어, 프로세서, 컨트롤러, ALU(arithmetic logic unit), 디지털 신호 프로세서(digital signal processor), 마이크로컴퓨터, FPA(field programmable array), PLU(programmable logic unit), 마이크로프로세서, 또는 명령(instruction)을 실행하고 응답할 수 있는 다른 어떠한 장치와 같이, 하나 이상의 범용 컴퓨터 또는 특수 목적 컴퓨터를 이용하여 구현될 수 있다. 처리 장치는 운영 체제(OS) 및 상기 운영 체제 상에서 수행되는 하나 이상의 소프트웨어 애플리케이션을 수행할 수 있다. 또한, 처리 장치는 소프트웨어의 실행에 응답하여, 데이터를 접근, 저장, 조작, 처리 및 생성할 수도 있다. 이해의 편의를 위하여, 처리 장치는 하나가 사용되는 것으로 설명된 경우도 있지만, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는, 처리 장치가 복수 개의 처리 요소(processing element) 및/또는 복수 유형의 처리 요소를 포함할 수 있음을 알 수 있다. 예를 들어, 처리 장치는 복수 개의 프로세서 또는 하나의 프로세서 및 하나의 컨트롤러를 포함할 수 있다. 또한, 병렬 프로세서(parallel processor)와 같은, 다른 처리 구성(processing configuration)도 가능하다.
소프트웨어는 컴퓨터 프로그램(computer program), 코드(code), 명령(instruction), 또는 이들 중 하나 이상의 조합을 포함할 수 있으며, 원하는 대로 동작하도록 처리 장치를 구성하거나 독립적으로 또는 결합적으로(collectively) 처리 장치를 명령할 수 있다. 소프트웨어 및/또는 데이터는, 처리 장치에 의하여 해석되거나 처리 장치에 명령 또는 데이터를 제공하기 위하여, 어떤 유형의 기계, 구성요소(component), 물리적 장치, 가상 장치(virtual equipment), 컴퓨터 저장 매체 또는 장치에 구체화(embody)될 수 있다. 소프트웨어는 네트워크로 연결된 컴퓨터 시스템 상에 분산되어서, 분산된 방법으로 저장되거나 실행될 수도 있다. 소프트웨어 및 데이터는 하나 이상의 컴퓨터 판독 가능 기록 매체에 저장될 수 있다.
실시예에 따른 방법은 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 실시예를 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다. 컴퓨터 판독 가능 기록 매체의 예에는 하드 디스크, 플로피 디스크 및 자기 테이프와 같은 자기 매체(magnetic media), CD-ROM, DVD와 같은 광기록 매체(optical media), 플롭티컬 디스크(floptical disk)와 같은 자기-광 매체(magneto-optical media), 및 롬(ROM), 램(RAM), 플래시 메모리 등과 같은 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터 등을 사용해서 컴퓨터에 의해서 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다.
이상과 같이 실시예들이 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 해당 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기의 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다. 예를 들어, 설명된 기술들이 설명된 방법과 다른 순서로 수행되거나, 및/또는 설명된 시스템, 구조, 장치, 회로 등의 구성요소들이 설명된 방법과 다른 형태로 결합 또는 조합되거나, 다른 구성요소 또는 균등물에 의하여 대치되거나 치환되더라도 적절한 결과가 달성될 수 있다.
그러므로, 다른 구현들, 다른 실시예들 및 특허청구범위와 균등한 것들도 후술하는 특허청구범위의 범위에 속한다.

Claims (5)

  1. 컴퓨터 장치를 통해 구현되는 D2D(Device-to-Device) 기반 PTT(Push-to-Talk) 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 방법에 있어서,
    송신 단말 중에 수신 SNR이 기설정된 SNR 범위 내에 있는 단말을 릴레이 후보군으로 설정하는 단계; 및
    상기 릴레이 후보군 중에 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송하는 단계
    를 포함하고,
    상기 수신 SNR을 기준으로 릴레이를 선택하는, 릴레이 선택 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송하는 단계는,
    상기 디코딩에 성공한 단말 중 낮은 SNR을 갖는 단말을 높은 확률로 릴레이에 선택되도록 단말의 수신 SNR 릴레이 선택 확률을 결정하는 단계
    를 포함하는, 릴레이 선택 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송하는 단계는,
    상기 디코딩에 성공한 단말 중 에너지 잔량이 많을수록 높은 확률로 릴레이에 선택되도록 단말의 에너지 잔량 릴레이 선택 확률을 결정하는 단계; 및
    상기 단말의 수신 SNR 릴레이 선택 확률과 상기 단말의 에너지 잔량 릴레이 선택 확률의 곱을 통해 최종 릴레이 선택 확률을 결정하는 단계
    를 더 포함하는, 릴레이 선택 방법.
  4. D2D(Device-to-Device) 기반 PTT(Push-to-Talk) 서비스에서 통화시간 및 서비스 커버리지를 극대화하기 위한 릴레이 선택 장치에 있어서,
    송신 단말 중에 수신 SNR이 기설정된 SNR 범위 내에 있는 단말을 릴레이 후보군으로 설정하는 릴레이 후보군 설정부; 및
    상기 릴레이 후보군 중에 디코딩에 성공한 단말을 릴레이로 선택하여 재전송하는 릴레이 선택부
    를 포함하고,
    상기 수신 SNR을 기준으로 릴레이를 선택하는, 릴레이 선택 장치.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 릴레이 선택부는,
    상기 디코딩에 성공한 단말 중 낮은 SNR을 갖는 단말을 높은 확률로 릴레이에 선택되도록 단말의 수신 SNR 릴레이 선택 확률을 결정하는 것
    을 특징으로 하는, 릴레이 선택 장치.
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