WO2010114344A2 - 릴레이 시스템에서 다중 데이터 스트림 전송 방법 및 장치 - Google Patents

릴레이 시스템에서 다중 데이터 스트림 전송 방법 및 장치 Download PDF

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WO2010114344A2
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relay
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최완
유종열
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김병훈
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(주)엘지전자
성균관대학교산학협력단
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    • H04B7/15—Active relay systems
    • H04B7/155—Ground-based stations
    • H04B7/15592—Adapting at the relay station communication parameters for supporting cooperative relaying, i.e. transmission of the same data via direct - and relayed path
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    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
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    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/004—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by using forward error control
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    • H—ELECTRICITY
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    • H04L—TRANSMISSION OF DIGITAL INFORMATION, e.g. TELEGRAPHIC COMMUNICATION
    • H04L1/00—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received
    • H04L1/12—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by using return channel
    • H04L1/16—Arrangements for detecting or preventing errors in the information received by using return channel in which the return channel carries supervisory signals, e.g. repetition request signals
    • H04L1/18—Automatic repetition systems, e.g. Van Duuren systems
    • H04L1/1829—Arrangements specially adapted for the receiver end
    • H—ELECTRICITY
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    • H04W40/22—Communication route or path selection, e.g. power-based or shortest path routing using selective relaying for reaching a BTS [Base Transceiver Station] or an access point

Definitions

  • the present invention relates to data transmission and reception of a relay system, and more particularly, to a method and apparatus for transmitting and receiving data by eliminating interference between multiple data streams by relaying only partial information of multiple data streams received from a source node during cooperative data transmission using a relay node. will be.
  • the next generation wireless communication system called LTE-Advanced (Long Term Evolution Advanced) system or Evolved Universal Terrestrial Radio Access (E-UTRA) system is a relay, more specifically a multi-hop relay ( multi-hop relay).
  • the relay system can cover the partial shadow area existing in the cell area to expand the cell service area, increase the system capacity, and reduce the burden of installation cost in the initial introduction stage where service demand is relatively low. There is an advantage that it can.
  • a source node may transmit a plurality of data streams to a relay node and a destination node by using superposition coding.
  • the relay node that receives the multiple data streams from the source node may decode and re-encode them to perform cooperative data transmission to the destination node.
  • This cooperative communication method improves data transmission efficiency, complements resource consumption of each node, and can improve throughput of the entire network.
  • interference may occur between a plurality of data streams transmitted from a source node and a relay node, and in this case, a problem may occur in which a plurality of data streams cannot be decoded normally at a destination node.
  • the present invention has been made in view of the above-described problem, and a data transmission / reception method and apparatus for eliminating interference between multiple data streams by relaying only partial information of multiple data streams received from a source node during cooperative data transmission using a relay node. to provide.
  • the present invention provides a precoding technique for maximizing a data rate in a multiple antenna (MIMO) relay system and a method and apparatus for transmitting and receiving a multi data stream using the same.
  • MIMO multiple antenna
  • a multiple data stream transmission method includes a plurality of data streams from a source node in a multiple data stream transmission method of a relay system.
  • the method further comprises storing remaining data streams except for some of said plurality of data streams to be delivered to a destination node.
  • the decoding of the plurality of data streams starts with the data stream having the lowest data rate and sequentially performs decoding on the plurality of data streams received using successive interference cancellation (SIC). It is characterized by.
  • SIC successive interference cancellation
  • the step of selecting a part of the data streams may include selecting the upper L data streams having the high data rate by arranging the decoded successful data streams in the order of the high data rate.
  • the selected part of the data stream encoding is characterized in that the overlap coding is performed such that the data rate of each data stream is variable.
  • the method receiving a plurality of data streams from the source node, together with some data stream selection information to be delivered to a destination node.
  • the decoding of the plurality of data streams comprises: transmitting an ACK / NACK message on whether the decoding succeeds to the source node and receiving some data stream selection information to be transmitted from the source node to the destination node. It further comprises a step.
  • the destination node receiving the partial data stream first performs decoding on the partial data stream, and then performs SIC (Successive Interference Cancellation) using the decoded partial data stream.
  • SIC Successessive Interference Cancellation
  • An apparatus for transmitting multiple data streams includes a receiver for receiving a plurality of data streams from a source node; A decoder that performs decoding on a plurality of data streams received through the receiver; A selector for selecting some data streams of the data streams that have been successfully decoded through the decoder; An encoder for encoding a part of the data stream selected through the selector; And a transmitter for transmitting the encoded partial data stream to a destination node.
  • the apparatus further comprises a memory for storing the remaining data streams other than some of the received data streams to be delivered to the destination node.
  • the decoder performs decoding on a plurality of received data streams sequentially using successive interference cancellation (SIC), starting with the data stream having the lowest data rate.
  • SIC successive interference cancellation
  • the encoder is superimposed coded so that the data rate of each data stream is variable.
  • the selector selects a part of the data stream by referring to the data stream selection information received from the source node.
  • the selector selects the upper L data streams having the high data rate by arranging the decoded successful data streams in the order of the high data rate.
  • a multi-data stream transmission / reception method of a multi-antenna relay system includes multiple data streams including first data and second data in a multi-antenna relay communication system.
  • a method for transmitting and receiving a stream comprising: receiving channel information between a source node and a relay node from a source node or a relay node; Obtaining channel information between the source node and the destination node and channel information between the relay node and the destination node through channel estimation; Determining an optimal precoding matrix by calculating transmission rates of the first data and the second data based on the obtained channel information; And feeding back the determined optimal precoding matrix component to the source node.
  • the second data is a part of data received from a relay node of the multi data stream, and the first data is remaining data except for the second data of the multi data stream.
  • the determining of the optimal precoding matrix is characterized in that the precoding matrix is determined such that a data rate having a minimum value between the first data rate and the second data rate is maximized.
  • the method further comprises: receiving a multi data stream from said source node; Receiving some data streams including the second data from the relay node; And first performing decoding on some data streams received from the relay node, and then performing decoding on the first data through successive interference cancellation (SIC) using the decoded second data.
  • SIC successive interference cancellation
  • the first data and the second data are superimposed (Per Antenna Superposition Coding) for each transmission antenna and characterized in that the transmission.
  • the first data and the second data are separated and coded for each transmission antenna, and then transmitted by being multi-layered superposition coding.
  • An apparatus for transmitting and receiving a multi data stream of a multiple antenna relay system for achieving the above object is a multiple data stream including first data and second data in a multiple antenna relay communication system.
  • An apparatus for transmitting and receiving a stream comprising: a receiver configured to receive channel information between a source node and a relay node from a source node or a relay node; Channel estimation for estimating channel information between the source node and the destination node and channel state between the relay node and the destination node; A controller configured to determine an optimal precoding matrix by calculating transmission rates of the first data and the second data based on the channel information obtained through the channel estimation; And a transmitter for feeding back the determined optimal precoding matrix component to the source node.
  • the second data is a part of data received from a relay node of the multi data stream, and the first data is remaining data except for the second data of the multi data stream.
  • the controller determines the precoding matrix to maximize the data rate having a minimum value between the rate of the first data and the rate of the second data.
  • the receiving unit receives a multi data stream from the source node during a first transmission period, receives a partial data stream including the second data from the relay node during a second transmission period, and the controller controls the First, the decoding is performed on some data streams received from the relay node, and then the first data is decoded through successive interference cancellation (SIC) using the decoded some data streams.
  • SIC successive interference cancellation
  • the first data and the second data are superimposed (Per Antenna Superposition Coding) for each transmission antenna and characterized in that the transmission.
  • the first data and the second data are separated and coded for each transmission antenna, and then transmitted by being multi-layered superposition coding.
  • the cooperative data transmission using the relay node relays only partial information of the multiple data streams received from the source node, interference between the multiple data streams is eliminated.
  • the data rate is maximized.
  • 1 is a diagram schematically showing the configuration of a relay system.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a data stream transmission process through variable rate superposition coding in a relay system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating Variable Rate Superposition Coding (VRSC) coding and SuDF when orthogonal space-time block code (OSTBC) is applied.
  • VRSC Variable Rate Superposition Coding
  • OSTBC orthogonal space-time block code
  • FIG. 4 is a flowchart sequentially illustrating a signal processing process through a SuDF relay protocol in a relay node.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a method of transmitting a multi-data stream through superposition coding for each of the transmit antennas.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a partial information relay method using Per Antenna Superposition Coding (PASC).
  • PASC Per Antenna Superposition Coding
  • FIG. 7 is a diagram sequentially illustrating a partial information relay method through a PASC.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a method of performing multi-layer superposition coding on M transmit antennas.
  • FIG. 9 illustrates a method of transmitting a multi-data stream through multi-layer overlapping coding.
  • FIG. 10 is a diagram sequentially illustrating a partial information relay method through MLSC.
  • FIG. 11 is a diagram schematically illustrating a partial information relay process through PASC when precoding is performed.
  • FIG. 12 is a diagram schematically illustrating a partial information relay process through MLSC when precoding is performed.
  • FIG. 13 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a relay node according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a destination node according to an embodiment of the present invention.
  • 15 is a graph illustrating a result of comparing data transmission capacity of the partial information relay scheme and the conventional relay scheme proposed by the present invention.
  • the communication system of the present invention includes a base station and a terminal as a system for providing various communication services such as voice and packet data, and describes a long term evolution (LTE) system or an LTE-Advanced system as a representative example.
  • LTE long term evolution
  • LTE-Advanced LTE-Advanced
  • the source node of the present invention may be a base station in case of downlink data transmission, and may be a terminal in case of uplink data transmission.
  • the destination node may be a terminal for downlink data transmission, and may be a base station for uplink data transmission.
  • the relay node may be a relay station that receives data from the source node and delivers the received data to the destination node.
  • the terminal of the present invention may be referred to as a subscriber station (SS), a user equipment (UE), a mobile equipment (ME), a mobile station (MS), and the like, and has a communication function such as a mobile phone, a PDA, a smart phone, a laptop, and the like.
  • SS subscriber station
  • UE user equipment
  • ME mobile equipment
  • MS mobile station
  • a communication function such as a mobile phone, a PDA, a smart phone, a laptop, and the like.
  • a portable device equipped with a portable device or a PC such as a vehicle-mounted device.
  • the base station of the present invention refers to a fixed point for communicating with the terminal, and may be used in terms of an evolved-NodeB (eNB), a base station (BS), a base transceiver system (BTS), and an access point.
  • eNB evolved-NodeB
  • BS base station
  • BTS base transceiver system
  • One or more cells may exist in one base station, and an interface for transmitting user traffic or control traffic may be used between base stations.
  • downlink means a communication channel from the base station to the terminal
  • uplink means a communication channel from the terminal to the base station.
  • the relay node (RN) of the present invention may be referred to as a relay, a relay station, a relay station (RS), and the like, and is installed between a base station and a terminal to relay a transmission / reception signal to partially generate a cell within a cell area. It covers shadow areas, expands cell coverage and increases system capacity.
  • the relay node may be configured with multiple hops to effectively relay data traffic generated between the base station and the terminal, and may be fixed or operated at one location or have mobility.
  • the multiple access scheme applied to the wireless communication system of the present invention includes Code Division Multiple Access (CDMA), Time Division Multiple Access (TDMA), Frequency Division Multiple Access (FDMA), Single Carrier-FDMA (SC-FDMA), and Orthogonal (OFDMA). Frequency division multiple access) or other known modulation techniques.
  • CDMA Code Division Multiple Access
  • TDMA Time Division Multiple Access
  • FDMA Frequency Division Multiple Access
  • SC-FDMA Single Carrier-FDMA
  • OFDMA Orthogonal Frequency division multiple access
  • the multiple access schemes for downlink and uplink transmission may be different from each other.
  • downlink may use OFDMA technique and uplink may use SC-FDMA technique.
  • a transmitting side transmits a plurality of parallel data streams, and a relay node decodes a plurality of received data streams using successive interference cancellation (SIC), and then some of the data Pass the stream to the destination node.
  • SIC successive interference cancellation
  • the destination node After receiving a plurality of data streams from the source node and the relay node, the destination node decodes some data streams received from the relay node, and then uses the SIC to decode the remaining data streams from the entire data stream received from the source node. do.
  • Cooperative communication using relay nodes improves the stability of information transmission and increases cell coverage at low cost and low power when the source-to-destination link (SD link) status is insufficient. It is aimed at.
  • the relay node amplifies or restores the information received from the source node and transmits the information to the destination node.
  • a multiple-input multiple-output (hereinafter referred to as "MIMO") antenna is used.
  • MIMO multiple-input multiple-output
  • 1 is a diagram schematically showing the configuration of a relay system.
  • a source node (S), a relay node (R), and a destination node (D) communicate with each other through a MIMO channel of an SR link (H SR ), an SD link (H SD ), and an RD link (H RD ), respectively.
  • H SR SR link
  • SD link H SD
  • RD link H RD
  • the channel matrix value representing the channel state of each link may be represented by H SR , H SD , and H RD , respectively.
  • the source node S transmits information consisting of a plurality of multi data streams to the relay node R and the destination node D.
  • the relay node R delivers the information received from the source node S to the destination node D.
  • the destination node D receives the information received during the first and second transmission times. The data is decoded in combination.
  • the relay node R is generally divided into two types according to a method of transferring information received from the source node S to the destination node D.
  • AF and DF relay schemes have advantages and disadvantages, and the AF scheme has a simple implementation and low relay delay, while the noise component received by the relay node R is also amplified. There are disadvantages.
  • the DF technique since a separate decoding procedure is required at the relay node R, implementation complexity increases and relay delay is relatively large.
  • the amount of information that can be obtained increases.However, if one of the SR links or the RD links is bad, the amount of information that can be sent depends on the state. Become limited. Therefore, it is desirable to adjust the second transmission time variably in order to alleviate the limitation of the amount of information when either link is not good. In other words, if the R-D link is good, the second transmission time may be shortened. On the contrary, if the R-D link is bad, the second transmission time may be increased to reduce the information amount. However, since a plurality of information streams are transmitted during the first time, when the R-D link is bad, the second transmission time becomes longer and the amount of information transmission per hour may be worse.
  • the precoding scheme is designed to see only the SR link and the RD link at the source and the relay without considering the effect of the direct link (SD link) of the source and the destination.
  • SD link direct link
  • the precoding scheme considered up to the S-D link should be considered.
  • both the relay node R and the destination node D propose a method of transmitting only partial information in the relay node in consideration of an environment in which a successful interference cancellation (SIC) technique can be used.
  • SIC successful interference cancellation
  • the source node S encodes the information sent by dividing the information to be relayed by the relay node R to the destination node D and information that the relay node R will not transmit. At this time, the source node S encodes the two pieces of information through overlapping coding for each transmission antenna, or divides the stream to be transmitted from the relay node R and the stream not to be transmitted.
  • the relay node R and the destination node decode one information with interference, and receive another information without interference by removing the decoded information from the existing signal through the SIC. Done.
  • FIG. 2 is a diagram illustrating a data stream transmission process through variable rate superposition coding in a relay system according to an embodiment of the present invention.
  • the source node 10 assigns M data streams to a specific data rate r and power p, respectively, and superimposes them to be transmitted to the relay node 20 and the destination node 30.
  • the relay node 20 receives and decodes the M data streams transmitted from the source node 10, and then allocates L of these data streams at a specific data rate r i and power p i , respectively, and superimposes the destination node after overlapping coding. To 30).
  • the destination node 30 first decodes the L data streams transmitted from the relay node 20, and then decodes the L data streams transmitted from the source node 10 using the SIC based on the successfully decoded L data streams. Decoding the remaining data streams completes the entire data stream decoding.
  • the source node 10 and the relay node 20 transmit M data streams and L data streams to the destination node 30 by performing Variable Rate Superposition Coding (hereinafter referred to as VRSC).
  • the destination node 30 first performs decoding of the L data streams transmitted from the relay node 20 to complete decoding of the remaining data streams.
  • the relay node 20 transfers only some data streams to the destination node 30 without transmitting all the data streams transmitted from the source node 10 to the destination node 30, thereby preventing interference between the multi-data streams.
  • the destination node 30 can efficiently decode the M data streams using the SIC.
  • the VRSC coding scheme can be applied to data stream transmission through multiple transmit antennas by classifying the entire transmit antenna n s into several subgroups n si . For example, assuming that average channel gain information is available, an optimal data rate and power allocation for VRSC is performed for each antenna group first, and then VRSC coding is performed to transmit multi-data streams.
  • the relay node 20 that receives the multiplexed data stream encoded and transmitted from the source node 10 through the VRSC is sent to the destination node 30 through a sequential decoding and forward (hereinafter referred to as SuDF) protocol. Pass the data stream.
  • the SuDF means that the multiple parallel data streams are decomposed into a plurality of sub-parallel data streams through successive decoding and transmitted after superimposed coding.
  • the relay node 20 lists successfully decoded data streams in order of high data rate, and preferably forms some data streams into subgroups from the order of high data rate to the destination node 30.
  • data streams having a relatively low transmission rate may perform data retransmission such as H-ARQ from the relay node 20 to the destination node 30 when a data transmission error occurs between the source node 10 and the destination node 30. Therefore, it can be stored in a buffer of the relay node 20 and used for a later data retransmission.
  • the cooperative data streams transmitted from the relay node 20 to the destination node 30 can be successfully decoded at the destination node 30 because interference between data streams is reduced.
  • FIG. 3 is a diagram illustrating VRSC coding and SuDF processes when an orthogonal space-time block code (OSTBC) is applied.
  • OSTBC orthogonal space-time block code
  • M data streams are each over-coded and transmitted to M parallel data streams 301 through OSTBC such that the data rate r varies.
  • the relay node receives the M parallel data streams 301 and attempts to decode the data, and the number of successfully decoded data streams is N, the relay node selects a predetermined L from the N successfully decoded data streams 303.
  • Each data rate ri is variable so that it is over-coded into L parallel sub data streams 305 through OSTBC and then delivered to the destination node.
  • FIG. 4 is a flowchart sequentially illustrating a signal processing process through a SuDF relay protocol in a relay node.
  • the relay node receives a packet including M data streams from a source node in a listening phase in step S401.
  • the relay node attempts to decode the M data streams sequentially using the SIC, starting from the M th (rate r M ) data stream having the lowest data rate among the received M data streams (S403).
  • the destination node may also receive the data stream transmitted from the source node in the listening interval, and may store the received signal for use in subsequent data recovery.
  • the relay node and the destination node feed back the decoding result for each data stream received from the source node by sending an ACK / NACK message.
  • step S403 assuming that the relay node has successfully decoded N data streams out of M data streams, A may be defined as Equation 1 below when A is a decodable data set.
  • the relay node selects a predetermined L data set from the N data streams that can be decoded in the data set A (S405).
  • B When a predetermined data set selected at the relay node is a cooperative subset B, B may be defined as in Equation 2 below.
  • the relay node sorts the N decodeable data streams in order of decreasing data rate starting with the largest data rate, and may select the upper L data stream sets having the largest dual data rate.
  • the decoding node When the L data stream sets are transmitted from the relay node to the destination node, the decoding node has a high probability of success in decoding, and thus, the M data stream sets having a high probability of recovering M data streams transmitted from the source node by using the SIC are determined. It is desirable to be.
  • the source node may participate in the cooperative transmission by transmitting all or some signals of the L data streams to the destination node even in the cooperative transmission interval of the relay node.
  • the source node or the relay node may inform the destination node of the data stream transmitted in the cooperative transmission interval to the destination node through higher layer signaling or a control channel. If the decodeable data set A in the relay node is empty, the relay node may not perform the cooperative transmission because there is no reliable data stream that can be transmitted in the cooperative transmission interval.
  • the set of N-L data streams other than the data streams transmitted through the cooperative transmission is stored in a buffer of the relay node for retransmission of data such as H-ARQ at step S409.
  • the destination node receives M data streams from the source node in the listening section and L data streams from the relay node in the cooperative transmission section. Thereafter, the destination node first decodes the L data streams transmitted from the relay node in the cooperative transmission interval. Thereafter, the decoded L data streams are removed from all signal components (M data streams) received from the source node in the listening section to decode the remaining M-L data streams.
  • the partial information transfer scheme of the relay node is an asymmetric cellular environment in which the relay link between the source node and the relay node and the access link between the relay node and the destination node have a relatively good channel environment compared to the direct link between the source node and the destination node. It is desirable to design in consideration of.
  • the source node includes M number of basic data streams and successive cancellation data streams.
  • the multiple data streams are transmitted on the first hop, and the relay node transmits only L SC data streams on the second hop.
  • the destination node may decode the L SC data streams received in the second hop and then decode the basic data stream by removing the SC data streams from the entire signal received in the first hop.
  • the transmission time period of the second hop is shorter than the transmission time period of the first hop, so that from the relay node through a relatively good access link (link channel between the relay node and the destination node).
  • a data relay method through adaptive time division multiplexing (adaptive TDM) that delivers only partial information including an SC data stream to a destination node is possible.
  • the adaptive time division multiplexing scheme can increase overall data rate capacity because only partial information of the SC data stream can be forwarded to the destination node more quickly. There is an advantage in that information loss due to half duplexing operation is reduced.
  • FIG. 5 is a diagram illustrating a method of transmitting a multi-data stream through superposition coding for each of the transmit antennas.
  • the power distributed to two data streams or layers is determined in consideration of an asymmetric channel link.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating a partial information relay method using Per Antenna Superposition Coding (PASC).
  • PASC Per Antenna Superposition Coding
  • power distribution coefficient ⁇ m should be optimized to maximize the overall data transmission capacity.
  • optimization of the power distribution coefficient ⁇ m is performed by SINR (signal per antenna) after an appropriate decorrelation process such as the MMSE-SIC algorithm to minimize the interference between data streams in consideration of the asymmetric channel condition between the direct link and the relay link. to Interference Noise Ratio).
  • SC data streams of the relay node are received by allocating and transmitting higher transmission powers to SC data streams than the basic data streams among the multi data streams transmitted from the source node to the relay node. / May be implemented to increase the probability of decoding.
  • FIG. 7 is a diagram sequentially illustrating a partial information relay method through a PASC.
  • the source node broadcasts two data streams as shown in Equation 3 below.
  • Equation 3 ⁇ i represents a power distribution constant of basic data x b, i and SC data x s, i of the i-th stream.
  • the relay node receiving the signal from the source node in the first transmission section decodes the basic data and then decodes the SC data.
  • the destination node also stores signals received from the source node in memory.
  • FIG. 7 (b) shows a second transmission section.
  • the relay node re-encodes the successfully decoded SC data x s, 1 and x s, 2 of the signals received from the source node in the first transmission section and delivers the result to the destination node.
  • the destination node estimates and then decodes the received SC data streams x s, 1 and x s, 2 using MMSE-SIC. Then, based on the decoded x s, 1 and x s, 2 , SIC is performed to decode x b, 1 and x b, 2 received from the source node in the first transmission interval.
  • FIG. 8 is a diagram illustrating a method of performing multi-layer superposition coding on M transmit antennas.
  • basic data and SC data are each formed by a data stream independently for each antenna and transmitted.
  • FIG. 9 illustrates a method of transmitting a multi-data stream through multi-layer overlapping coding.
  • Multi-Layer Superposition Coding In multi-parallel transmission of multiple data streams through Multi-Layer Superposition Coding (MLSC), it is above all important to determine the subset of SC data streams to be partially transmitted by the relay node. In other words, the adaptive parameter L must be determined to maximize the total data transmission capacity.
  • the optimization of the adaptive parameter L takes into account antenna to signal SINR after an appropriate decorrelation process such as the MMSE-SIC algorithm to minimize the interference between data streams, taking into account the asymmetric channel conditions between the direct link and the relay link. Interference Noise Ratio).
  • FIG. 10 (a) shows that the source node selects an L value that maximizes the total transmission capacity as a first transmission interval, and then broadcasts two data streams, basic data x b, 1 and SC data x s, 1 . do.
  • the relay node receiving this decodes only the SC data stream x s using MMSE-SIC or the like.
  • the destination node also stores signals received from the source node in memory.
  • the relay node re-encodes the decoded SC data x s among the signals received from the source node in the first transmission section and transfers the decoded SC data xs to the destination node using all antennas.
  • the destination node estimates the received SC data stream x s using the MMSE-SIC and then decodes it. Then, based on the decoded x s , SIC is performed to decode x b received from the source node in the first transmission interval.
  • the allocated power Pm per antenna may be determined through a water-filling algorithm such as the following equation.
  • ⁇ is the total power P is the m-th time are assigned to the data stream represents the SINR of antenna to be transmitted, the source node and the m-th data stream of the relay link between a relay node, ⁇ 1, m is the power P m allocated SINR of the antenna on which the m-th data stream is transmitted. ⁇ is also determined to meet the constraint on total power ( ⁇ m P m ⁇ P).
  • the optimized adaptation parameter L of the partial information relay scheme through MLSC may be determined as in Equation 6 below.
  • the transmitting side transmitting data forms an optimal transmission beam through precoding to transmit data.
  • the precoding scheme is designed to view only the SR link and the RD link in the source and relay without considering the influence of the direct link (SD link) of the source and destination.
  • SD link direct link
  • the precoding scheme considered up to the SD link should be considered.
  • the precoding scheme for maximizing the system information transmission amount will be considered. It explains in detail.
  • the partial information transmission relay scheme using the precoding scheme proposed by the present invention may be divided into a per antenna superposition coding (PASC) technique and a multi-layer superposition coding (MLSC) technique according to a method of dividing partial information to be transmitted from a relay node. .
  • PASC per antenna superposition coding
  • MSC multi-layer superposition coding
  • FIG. 11 is a diagram schematically illustrating a partial information relay process through PASC when precoding is performed.
  • the PASC scheme encodes basic data and overlapping data (hereinafter, referred to as "SC data") for each transmitting antenna through overlapping coding.
  • the encoded information is multiplied by the precoding matrix Fs and transmitted to the relay node 20 and the destination node 30.
  • the relay node 20 decodes the basic data and then decodes the SC data by removing the basic data from the entire signal received using the SIC.
  • the decoded SC data is then multiplied by the relay precoding matrix F R and delivered to the destination node 30.
  • the relay precoding matrix F R is designed as a precoding matrix for maximizing the amount of information transmission of the RD link.
  • the destination node 30 restores the basic data by removing the SC data received at the second transmission time through the SIC from the signal received at the first transmission time.
  • the power allocated to each data and the direction of the precoding matrix should be determined, and the power allocation and precoding matrix are summed.
  • the part becomes the effective precoding matrix.
  • power allocation of basic data and SC data may be designed differently, and the precoding matrix may be determined so that the precoding directions of basic data and SC data are the same.
  • Q s F S A s
  • information transmission amounts of basic data and SC data are Rb and RS, respectively, and the information transmission amount received at the destination node is expressed as in Equation 7 below. Can be.
  • Equation 7 R 1 and R 2 may be defined as in Equation 8.
  • N o denotes a power spectral density of noise added to a relay node and a destination node
  • I denotes an identity matrix.
  • the precoding scheme proposed by the present invention is to select a precoding matrix that maximizes R 1 and R 2 , respectively, and to find an optimal precoding scheme through a linear combination of the selected matrices.
  • Equation 8 R 1 is an increasing function for Q b , and vice versa in the form of a decreasing function for Q S. Therefore, the precoding matrices Q b, 1 and Q S, 1 that maximize R 1 can be obtained as in Equation 9 below.
  • Equation 9 when V SR is a right singular matrix of channel H SR , P S is a transmit power of a source node, and Tr (x) is a trace operation that calculates the sum of diagonal components of matrix x, ⁇ b is The power allocation matrix obtained through the waterfilling solution with the power constraint of, ⁇ S, 1 is A power allocation matrix that assigns all the power to the smallest singular vector with the power constraint of. That is, in the precoding matrix ⁇ b, 1 , basic data is allocated beam direction and power to maximize the transmission rate on the SR link, whereas in ⁇ S, 1 , SC data is allocated to the SR link so that the transmission rate is minimized at the relay node. It is designed to maximize the amount of information of basic data that can be obtained.
  • R 2 has an optimal precoding matrix according to the sign of the molecule.
  • the molecule in a general relay environment, the molecule always has negative components because the state of the RD link is better than that of the SD link.
  • R 2 is in the form of an increment function for Q b and Q s .
  • the optimal precoding matrices Q b, 2 and Q s, 2 can be obtained as in Equation 10 below.
  • ⁇ S, 2 is The power allocation matrix obtained through the waterfilling solution with the power constraint of.
  • ⁇ b, 2 is adapted to the SR link due to the limitation of the direction of the precoding matrix, and Q S, 2 is set in the SR link direction to maximize the amount of basic data information obtained from the relay node. Get it.
  • R 1 and R 2 have two different power allocation cases.
  • the precoding matrix is designed to be minimized on the SR link to maximize the amount of basic data information that can be obtained from the relay.
  • the SC can be obtained by designing the precoding matrix to be optimized for the SR link. The information amount of data is maximized. Therefore, the optimal power allocation can be found through the linear combination of the two cases.
  • Q s may be first expressed as a linear combination as shown in Equation 12 below.
  • Increasing the value of ⁇ in the precoding matrix Q S for Basic data represented by Equation 12 increases the information amount of R 1 and decreases the information amount of R 2 .
  • the value of ⁇ is decreased, the information amount of R 1 becomes small and the information amount of R 2 becomes large.
  • by changing the value of ⁇ from 0 to 1 it is possible to determine the optimal power allocated to basic data and SC data.
  • ⁇ * and ⁇ * are determined as shown in Equation 13 by changing the values of ⁇ and ⁇ from 0 to 1 to determine an optimal precoding matrix satisfying the following. I can do it.
  • FIG. 12 is a diagram schematically illustrating a partial information relay process through MLSC when precoding is performed.
  • the MLSC (Multi-Layer Superposition Coding) technique is a technique of transmitting partial information by controlling the number of information streams delivered by the relay node 20.
  • the source node 10 each relay does not pass through the node 20 divided by MJ of non-forwarding streams x 1 and of J to pass through the relay node 20, forwarding the stream x 2 precoding matrix Q 1 and Q Multiply by 2 to send.
  • the non-forwarding stream x 1 transmitted as described above is decoded by the relay node 20 with the forwarding stream x 2 as interference.
  • the forwarding stream x 2 is decoded through SIC with the decoded non-forwarding stream x 1 .
  • the relay node 20 multiplies only J forwarding streams x 2 to the destination node 30 by multiplying the relay precoding matrix F R.
  • the relay precoding matrix F R is designed as a matrix that maximizes the amount of information transmission of the RD link.
  • the destination node 30 removes, through the SIC, the J forwarding streams x 2 received from the relay node 20 during the second transmission time from the signal received from the source node 10 during the first transmission time. Decode the non-forwarding stream x 1 .
  • the source precoding matrices Q 1 and Q 2 must be designed to maximize the information transmission capacity of the system.
  • the precoding matrices Q 1 and Q 2 have directional degrees of freedom.
  • Equation 14 The maximum amount of information that can be obtained using the MLSC technique is shown in Equation 14.
  • Equation 14 R A and R B are each represented by Equation 15 below.
  • equation (15) Denotes the amount of information of x 2 that can be obtained through the RD link during the second transmission time.
  • V SR (1: MJ) denotes the largest MJ singular vectors of the channel H SR
  • V SR (M-J + 1: M) denotes the smallest J singular vectors of the channel H SR . do.
  • ⁇ 1, A and ⁇ 2, A are respectively Wow Can be obtained by waterfilling with a power constraint of.
  • power allocation for Q 1, A and Q 2, A is allocated in proportion to the number of streams to be transmitted. That is, Q 1, A is designed to maximize the amount of information of the non-forwarding stream received from the relay by sending MJ non-forwarding streams to the MJ eigenvector of the SR link, and Q 2, A is J forwarding streams. Is sent in the direction of the smallest J eigenvectors of the SR link to maximize the amount of information in the non-forwarding stream decoded by the relay.
  • R B has an optimal precoding matrix according to the sign of the molecule.
  • R B is an increment function for Q 1 and also takes the form of an increment function for Q 2 . Therefore, the precoding matrices Q 1, B and Q 2, B maximizing R B are obtained as in Equation 17 below.
  • V SD (1: MJ) denotes the largest MJ singular vectors of the channel H SD
  • V SR (1: J) denotes the largest J singular vectors of the channel H SR
  • ⁇ 1, B and ⁇ 2, B are respectively Wow Can be obtained by waterfilling with a power constraint of.
  • Q 1, B is designed to maximize the amount of information of the non-forwarding data stream received at the destination node 30 by sending MJ non-forwarding data streams in the direction of the largest MJ eigenvectors of the SD link.
  • Q 2, B is designed to maximize the amount of information of the forwarding data stream received at the relay node 20 by sending J forwarding data streams in the direction of the largest J eigenvectors of the SR link.
  • Equation 19 a precoding matrix Q 2 for the precoding matrix Q 1 and forwarding the data stream to the optimum non-forwarding the data stream to the linear combination of the obtained R A and a precoding matrix optimized for R B Equation (18) and Mathematical It can be expressed as Equation 19.
  • Equations 18 and 19 if the value of ⁇ is increased, the information amount of R A becomes large and the information amount of R B becomes small. Conversely, decreasing the value of ⁇ decreases the information amount of R A and increases the information amount of R B. In this way, the value of ⁇ can be changed from 0 to 1 to maximize the min ⁇ R 1 , R 2 ⁇ by reducing the larger of R 1 and R 2 while making the smaller one larger. Therefore, by changing the value of ⁇ from 0 to 1, it is possible to determine ⁇ * that determines the optimal precoding matrix satisfying the following equation (20).
  • PASC and MLSC In order to design the precoding matrix of the two techniques proposed by the present invention, PASC and MLSC, all channel information of the S-R link, the S-D link, and the R-D link is required. According to an embodiment of the present invention, the design of the precoding matrix at the destination node 30 where each channel information is easy to collect is considered.
  • the channel S-R link between the source node and the relay node does not change significantly and remains constant regardless of mobility or scheduling of the user terminal as the destination node.
  • the source node periodically broadcasts the channel value of the S-R link to the UEs through the downlink channel.
  • the relay node it is also possible for the relay node to inform the UEs of the channel value of the S-R link.
  • the user who collects the SR, SD, and RD channel information calculates R 1 and R 2 (R A and R B ) through the channel information, and determines the optimal precoding matrices based on the calculated values.
  • the precoding matrix has components of the precoding matrix for some SR link (only SR link component in case of PASC). Therefore, the codeword can be found within a certain area of the codeword for the SR link without searching the entire codebook. The codeword index thus determined is sent to the source node through a feedback link.
  • FIG. 13 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a relay node according to an embodiment of the present invention.
  • the relay node includes a receiver 101 for receiving a plurality of superposition coded data streams from a source node, a decoder 103 for decoding a plurality of data streams received through the receiver 101, and a decoder ( A selector 105 for selecting some data streams of the data streams that have been successfully decoded through 103, an encoder 107 for encoding some data streams selected through the selector 105, and a destination node for the encoded partial data streams. And a memory 117 for storing the remaining data streams except for some of the data streams transmitted to the destination node among the plurality of received data streams.
  • FIG. 14 is a block diagram schematically illustrating a configuration of a destination node according to an embodiment of the present invention.
  • the destination node is a channel weight estimator for receiving channel information between the source node and the relay node from the source node, the receiver 201, the decoder 203, the channel information between the source node and the destination node, and the channel state between the relay node and the destination node.
  • An encoder 209 and a transmitter 211 for feeding back the determined optimal precoding matrix component to the source node are included.
  • the destination node receives the channel information of the SR link, the SD link, and the RD link from the source node or the relay node or obtains it through channel estimation to design an optimal precoding matrix that can be transmitted through the PASC or MLSC scheme described above. .
  • the designed precoding matrix component is fed back to the source node to form an optimal beam pattern at the source node to transmit a signal.
  • a detailed precoding matrix design method has been described above in detail, and a detailed description thereof will be omitted.
  • the destination node may be a terminal for downlink data transmission and reception, and may be a base station for uplink data transmission and reception.
  • 15 is a graph illustrating a result of comparing data transmission capacity of the partial information relay scheme and the conventional relay scheme proposed by the present invention.
  • FIG. 15 is a simulation result for comparing overall transmission capacity when the partial information relay scheme using PASC and the partial information relay scheme using MLSC are applied.
  • the average transmission capacity through the partial information relay scheme proposed by the present invention, the average transmission capacity through the existing relay protocol, and the average transmission capacity through the direct link alone are the SNR ⁇ 0 of the direct link. It is the performance result compared with change. If the direct link channel condition is not good, the performance of the proposed partial information relay scheme is very good, and the performance improvement is achieved even if the proposed technique is applied even if the direct link channel condition improves.
  • the conventional relay technique it can be seen that a constant state is maintained regardless of the direct link channel state.
  • the method according to the invention described thus far can be implemented in software, hardware, or a combination thereof.
  • the method according to the present invention may be stored in a storage medium (eg, terminal internal memory, flash memory, hard disk, etc.) and executed by a processor (eg, terminal internal microprocessor). It may be implemented as codes or instructions within a software program that can be.

Landscapes

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Abstract

본 발명은 릴레이 노드를 이용한 협력적 데이터 전송시 소스 노드로부터 수신된 다중 데이터 스트림의 일부만을 릴레이 함으로써 멀티 데이터 스트림간 간섭을 해소하는 데이터 송수신 방법 및 장치에 관한 것으로서, 본 발명의 다중 데이터 스트림 전송 방법은, 소스 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신하는 단계; 상기 수신된 다수의 데이터 스트림에 대해서 복호를 수행하는 단계; 복호 성공한 데이터 스트림 중 일부의 데이터 스트림을 선택하는 단계; 상기 선택된 일부의 데이터 스트림을 부호화하는 단계; 및 상기 부호화한 일부의 데이터 스트림을 목적지 노드로 전달하는 단계를 포함한다.

Description

릴레이 시스템에서 다중 데이터 스트림 전송 방법 및 장치
본 발명은 릴레이 시스템의 데이터 송수신에 관한 것으로서, 릴레이 노드를 이용한 협력적 데이터 전송시 소스 노드로부터 수신된 다중 데이터 스트림의 부분 정보만을 릴레이 함으로써 멀티 데이터 스트림간 간섭을 해소하는 데이터 송수신 방법 및 장치에 관한 것이다.
최근 무선통신 시스템은 고속 데이터 통신을 원활히 지원하고 더 많은 통화량을 수용하기 위해 서비스 주파수 대역을 점점 높이고 셀 반경은 점차 줄이고 있어서, 기존의 중앙집중적인 셀룰러 무선망 방식을 향후에도 그대로 운용하기에는 많은 문제가 존재한다. 즉, 기지국의 위치가 고정된 종래의 방식에서는 무선링크 구성의 유연성이 떨어지므로 트래픽 분포나 통화 요구량의 변화가 심한 무선환경에서 효율적인 통신 서비스를 제공하기 어렵다.
위와 같은 문제점을 해결하기 위한 방법으로서 LTE-Advanced(Long Term Evolution Advanced) 시스템 또는 E-UTRA(Evolved Universal Terrestrial Radio Access) 시스템으로 불리는 차세대 무선통신 시스템은 릴레이(relay), 보다 구체적으로 다중홉 릴레이(multi-hop relay)를 고려하고 있다. 릴레이 시스템은 셀 영역 내 존재하는 부분적인 음영 지역을 커버하여 셀 서비스 영역을 넓힐 수 있으며, 시스템 용량을 증대시킬 수 있을 뿐만 아니라, 서비스 요구가 상대적으로 적은 초기 도입 단계에서 설치 비용에 대한 부담을 줄일 수 있다는 장점이 있다.
릴레이 시스템에서 소스 노드(Source Node)는 다수의 데이터 스트림을 중첩 코딩(superposition coding)을 이용하여 릴레이 노드(Relay Node) 및 목적지 노드(Destination)로 전송할 수 있다. 소스 노드로부터 다중 데이터 스트림을 수신한 릴레이 노드는 이를 복호 및 다시 인코딩하여 목적지 노드로 협력적 데이터 전송을 수행할 수 있다. 이러한 협력 통신 방법은 데이터 전송의 효율성을 높이며, 각 노드의 자원 소비를 보완함은 물론 전체 네트워크의 성능(throughput)을 향상시킬 수 있다.
그러나 채널 환경에 따라서는 소스 노드 및 릴레이 노드로부터 전송되는 다수의 데이터 스트림 간에 상호 간섭(interference)이 발생할 수 있으며, 이 경우 목적지 노드에서는 다수의 데이터 스트림을 정상적으로 복호할 수 없는 문제점이 발생한다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 릴레이 노드를 이용한 협력적 데이터 전송시 소스 노드로부터 수신된 다중 데이터 스트림의 부분 정보만을 릴레이 함으로써 멀티 데이터 스트림간 간섭을 해소하는 데이터 송수신 방법 및 장치를 제공한다.
또한, 다중안테나(MIMO) 릴레이 시스템에서 데이터 전송률을 최대화하기 위한 프리코딩(precoding) 기법 및 이를 이용한 멀티 데이터 스트림 송수신 방법 및 장치를 제공한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 다중 데이터 스트림 전송 방법은, 릴레이 시스템(relay system)의 멀티 데이터 스트림(multiple data stream) 전송 방법에 있어서, 소스 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신하는 단계; 상기 수신된 다수의 데이터 스트림에 대해서 복호를 수행하는 단계; 복호 성공한 데이터 스트림 중 일부의 데이터 스트림을 선택하는 단계; 상기 선택된 일부의 데이터 스트림을 부호화하는 단계; 및 상기 부호화한 일부의 데이터 스트림을 목적지 노드로 전달하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 방법은 수신된 다수의 데이터 스트림 중 목적지 노드로 전달하는 일부 데이터 스트림을 제외한 나머지 데이터 스트림을 저장하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는 상기 방법에 있어서, 상기 다수의 데이터 스트림에 대한 복호는 데이터 전송률이 가장 낮은 데이터 스트림부터 시작하여 순차적으로 SIC(Successive Interference Cancellation)을 이용하여 수신된 다수의 데이터 스트림에 대하여 복호를 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 방법에 있어서 상기 일부의 데이터 스트림 선택 단계는, 복호 성공한 데이터 스트림들을 데이터 전송률이 높은 순서로 정렬하여 데이터 전송률이 높은 상위 L개의 데이터 스트림을 선택하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 방법에 있어서, 상기 선택된 일부의 데이터 스트림 부호화는 각 데이터 스트림의 전송률이 가변되도록 중첩 코딩하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 방법에 있어서 상기 소스 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신하는 단계는, 목적지 노드로 전달할 일부 데이터 스트림 선택 정보를 함께 수신하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 방법에 있어서 상기 다수의 데이터 스트림 복호 단계는, 상기 복호 성공 여부에 대한 ACK/NACK 메시지를 상기 소스 노드로 전송하고 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전달할 일부 데이터 스트림 선택 정보를 수신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 방법에 있어서 상기 일부의 데이터 스트림을 전달받은 상기 목적지 노드는, 상기 일부의 데이터 스트림에 대해서 우선 복호를 수행한 후, 복호된 일부의 데이터 스트림을 이용하여 SIC(Successive Interference Cancellation)을 통해서 소스 노드로부터 기 수신된 전체 데이터 스트림에 대한 복호를 수행하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 다중 데이터 스트림 전송 장치는, 소스 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신하는 수신기; 상기 수신기를 통해서 수신된 다수의 데이터 스트림에 대해서 복호를 수행하는 복호기; 상기 복호기를 통해서 복호 성공한 데이터 스트림 중 일부의 데이터 스트림을 선택하는 선택기; 상기 선택기를 통해서 선택된 일부의 데이터 스트림을 부호화하는 부호기; 및 상기 부호화된 일부의 데이터 스트림을 목적지 노드로 송신하는 송신기를 포함한다.
바람직하게는 상기 장치에 있어서, 수신된 다수의 데이터 스트림 중 목적지 노드로 전달하는 일부 데이터 스트림을 제외한 나머지 데이터 스트림을 저장하는 메모리를 더 포함한다.
바람직하게는 상기 장치에 있어서, 상기 복호기는 데이터 전송률이 가장 낮은 데이터 스트림부터 시작하여 순차적으로 SIC(Successive Interference Cancellation)을 이용하여 수신된 다수의 데이터 스트림에 대하여 복호를 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 장치에 있어서, 상기 부호기는 각 데이터 스트림의 전송률이 가변되도록 중첩 코딩하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 장치에 있어서, 상기 선택기는 소스 노드로부터 수신되는 데이터 스트림 선택 정보를 참조하여 일부의 데이터 스트림을 선택하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 장치에 있어서, 상기 선택기는 복호 성공한 데이터 스트림들을 데이터 전송률이 높은 순서로 정렬하여 데이터 전송률이 높은 상위 L개의 데이터 스트림을 선택하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 다중안테나 릴레이 시스템의 멀티 데이터 스트림 송수신 방법은, 다중안테나 릴레이 통신 시스템에서 제1 데이터와 제2 테이터를 포함하는 멀티 데이터 스트림(multiple data stream)을 송수신하는 방법에 있어서, 소스 노드 또는 릴레이 노드로부터 소스 노드와 릴레이 노드 간의 채널 정보를 수신하는 단계; 채널 추정을 통하여 소스 노드와 목적지 노드 간의 채널 정보 및 릴레이 노드와 목적지 노드 간의 채널 정보를 획득하는 단계; 상기 획득된 채널 정보를 바탕으로 상기 제1 데이터 및 제2 데이터의 전송률을 계산하여 최적의 프리코딩(precoding) 행렬을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 최적의 프리코딩 행렬 성분을 상기 소스 노드로 피드백하는 단계를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 데이터는 상기 멀티 데이터 스트림 중 릴레이 노드로부터 수신되는 일부의 데이터이며, 상기 제1 데이터는 상기 멀티 데이터 스트림 중 상기 제2 데이터를 제외한 나머지 데이터인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 최적의 프리코딩 행렬 결정 단계는, 상기 제1 데이터의 전송률과 제2 데이터의 전송률 중 최소값을 갖는 데이터 전송률이 최대화되도록 상기 프리코딩 행렬을 결정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 방법은, 상기 소스 노드로부터 멀티 데이터 스트림을 수신하는 단계; 상기 릴레이 노드로부터 상기 제2 데이터가 포함된 일부 데이터 스트림을 수신하는 단계; 및 상기 릴레이 노드로부터 수신된 일부 데이터 스트림에 대해서 우선 복호를 수행한 후, 복호된 제2 데이터를 이용하여 SIC(Successive Interference Cancellation)을 통해서 상기 제1 데이터에 대한 복호를 수행하는 단계를 더 포함한다.
바람직하게는, 상기 제1 데이터와 제2 데이터가 송신 안테나 별로 각각 중첩 부호화(Per Antenna Superposition Coding)되어 전송되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 데이터와 제2 데이터가 송신 안테나 별로 각각 분리되어 부호화(Multi-Layer Superposition Coding)되어 전송되는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 다중안테나 릴레이 시스템의 멀티 데이터 스트림 송수신 장치는, 다중안테나 릴레이 통신 시스템에서 제1 데이터와 제2 테이터를 포함하는 멀티 데이터 스트림(multiple data stream)을 송수신하는 장치에 있어서, 소스 노드 또는 릴레이 노드로부터 소스 노드와 릴레이 노드 간의 채널 정보를 수신하는 수신부; 소스 노드와 목적지 노드 간의 채널 정보 및 릴레이 노드와 목적지 노드 간의 채널 상태를 추정하는 채널추정부; 상기 채널추정부를 통해서 획득된 채널 정보를 바탕으로 상기 제1 데이터 및 제2 데이터의 전송률을 계산하여 최적의 프리코딩(precoding) 행렬을 결정하는 제어부; 및 상기 결정된 최적의 프리코딩 행렬 성분을 상기 소스 노드로 피드백하는 송신부를 포함한다.
바람직하게는, 상기 제2 데이터는 상기 멀티 데이터 스트림 중 릴레이 노드로부터 수신되는 일부의 데이터이며, 상기 제1 데이터는 상기 멀티 데이터 스트림 중 상기 제2 데이터를 제외한 나머지 데이터인 것을 특징으로 한다.
바람직하게는 상기 제어부는, 상기 제1 데이터의 전송률과 제2 데이터의 전송률 중 최소값을 갖는 데이터 전송률이 최대화되도록 상기 프리코딩 행렬을 결정하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 수신부는 제1 전송구간 동안 상기 소스 노드로부터 멀티 데이터 스트림을 수신하고, 제2 전송구간 동안 상기 릴레이 노드로부터 상기 제2 데이터가 포함된 일부 데이터 스트림을 수신하며, 상기 제어부는 상기 릴레이 노드로부터 수신된 일부 데이터 스트림에 대해서 우선 복호를 수행한 후, 복호된 일부 데이터 스트림을 이용하여 SIC(Successive Interference Cancellation)를 통해서 상기 제1 데이터에 대한 복호를 수행하는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 데이터와 제2 데이터가 송신 안테나 별로 각각 중첩 부호화(Per Antenna Superposition Coding)되어 전송되는 것을 특징으로 한다.
바람직하게는, 상기 제1 데이터와 제2 데이터가 송신 안테나 별로 각각 분리되어 부호화(Multi-Layer Superposition Coding)되어 전송되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 릴레이 노드를 이용한 협력적 데이터 전송시 소스 노드로부터 수신된 다중 데이터 스트림의 부분 정보만을 릴레이 함으로써 멀티 데이터 스트림간 간섭이 해소되는 효과가 발생한다.
또한, 소스 노드와 릴레이 노드, 릴레이 노드와 목적지 노드 및 소스 노드와 목적지 노드의 채널 상황을 모두 고려한 프리코딩을 통하여 멀티 데이터 스트림이 송수신되기 때문에 데이터 전송률이 극대화되는 효과가 발생한다.
도 1은 릴레이 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 릴레이 시스템에서 가변 전송률 중첩 코딩을 통한 데이터 스트림 전송 과정을 도시한 도면이다.
도 3은 직교 시공간 블록 코드(orthogonal space-time block code; OSTBC) 가 적용된 경우 VRSC(Variable Rate Superposition Coding) 코딩 및 SuDF 과정을 도시한 도면이다.
도 4는 릴레이 노드에서 SuDF 릴레이 프로토콜을 통한 신호 처리 과정을 순차적으로 도시한 순서도이다.
도 5는 전송 안테나 각각에 대한 중첩 코딩을 통한 멀티 데이터 스트림을 전송 방법을 설명하는 도면이다.
도 6은 각 안테나 별 중첩 코딩(Per Antenna Superposition Coding; PASC)을 통한 부분 정보 릴레이 방법을 도시한 도면이다.
도 7은 PASC를 통한 부분 정보 릴레이 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 8은 M개의 전송 안테나에 대해서 다중 레이어(multi-layer) 중첩 코딩을 수행하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 9는 다중 레이어(multi-layer) 중첩 코딩을 통한 멀티 데이터 스트림 전송 방법을 설명하는 도면이다.
도 10은 MLSC를 통한 부분 정보 릴레이 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 11은 프리코딩을 수행한 경우 PASC를 통한 부분 정보 릴레이 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 12는 프리코딩을 수행한 경우 MLSC를 통한 부분 정보 릴레이 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 릴레이 노드의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 목적지 노드의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
도 15는 본 발명에서 제안하는 부분 정보 릴레이 기법과 종래 릴레이 기법의 데이터 전송 용량을 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 발명의 사상을 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 발명의 사상이 제한되는 것으로 해석되어서는 아니 됨을 유의해야 한다.
본 발명의 통신 시스템은 음성 및 패킷 데이터 등과 같은 다양한 통신 서비스를 제공하기 위한 시스템으로서 기지국 및 단말을 포함하며, LTE(Long Term Evolution) 시스템 또는 LTE-Advanced 시스템을 대표예로 설명한다.
본 발명의 소스 노드는 하향링크 데이터 전송의 경우 기지국이 될 수 있으며, 상향링크 데이터 전송의 경우 단말이 될 수 있다. 또한, 목적지 노드는 하향링크 데이터 전송의 경우 단말이 될 수 있으며, 상향링크 데이터 전송의 경우 기지국이 될 수 있다. 또한, 릴레이 노드는 소스 노드로부터 데이터를 수신하여 목적지 노드로 수신된 데이터를 전달하는 중계국이 될 수 있다.
본 발명의 단말은 SS(Subscriber Station), UE(User Equipment), ME(Mobile Equipment), MS(Mobile Station) 등으로 불릴 수 있으며, 휴대폰, PDA, 스마트 폰(Smart Phone), 노트북 등과 같이 통신 기능을 갖춘 휴대 가능한 기기 또는 PC, 차량 탑재 장치와 같이 휴대 불가능한 기기를 포함한다.
본 발명의 기지국은 단말과 통신하는 고정된 지점을 말하며, eNB(evolved-NodeB), BS(Base Station), BTS(Base Transceiver System), 억세스 포인트(Access Point) 등의 용어로 사용될 수 있다. 하나의 기지국에는 하나 이상의 셀(Cell)이 존재할 수 있으며, 기지국 간에는 사용자 트래픽 또는 제어 트래픽 전송을 위한 인터페이스가 사용될 수 있다. 또한, 하향링크(Downlink)는 기지국으로부터 단말로의 통신 채널을 의미하며, 상향링크(Uplink)는 단말로부터 기지국으로의 통신 채널을 의미한다.
본 발명의 릴레이 노드(relay node; RN)는 릴레이(relay), 중계국, RS(relay station) 등으로 불릴 수 있으며, 기지국과 단말 사이에 설치되어 송수신 신호를 중계함으로써 셀 영역 내에서 발생하는 부분적인 음영 지역을 커버하고 셀 서비스 영역을 넓히며 시스템 용량을 증대시키는 역할을 한다. 릴레이 노드는 기지국과 단말 간에 발생되는 데이터 트래픽을 효과적으로 중계하기 위하여 다중 홉으로 구성될 수도 있으며, 한 위치에 고정되어 운용되거나 또는 이동성을 가질 수도 있다.
본 발명의 무선통신 시스템에 적용되는 다중접속 기법은 CDMA(Code Division Multiple Access), TDMA(Time Division Multiple Access), FDMA(Frequency Division Multiple Access), SC-FDMA(Single Carrier-FDMA), OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 또는 공지된 다른 변조 기술들과 같은 다중 접속 기법을 모두 포함한다.
또한, 상기 하향링크와 상향링크 전송을 위한 다중접속 방식은 서로 상이할 수 있으며, 예를 들어 하향링크는 OFDMA 기법을 사용하고 상향링크는 SC-FDMA 기법을 사용할 수도 있다.
본 발명의 릴레이 시스템에서는 송신측은 다수의 병렬 데이터 스트림(multiple parallel data stream)들을 전송하고, 릴레이 노드에서는 수신된 다수의 데이터 스트림을 SIC(Successive Interference Cancellation)를 이용하여 복호한 후, 이중 일부의 데이터 스트림을 목적지 노드로 전달한다. 소스 노드 및 릴레이 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신한 목적지 노드는 릴레이 노드로부터 수신된 일부 데이터 스트림을 복호한 후, 이를 이용하여 소스 노드로부터 수신된 전체 데이터 스트림에서 나머지 데이터 스트림을 SIC를 이용하여 복호한다.
릴레이 노드를 이용한 협력 통신은 소스-목적지 노드 간의 링크(source-to-destination link, S-D link) 상태가 충분치 않은 경우, 정보 전송의 안정성을 높이고 적은 비용과 적은 전력으로 셀의 커버리지(coverage)를 넓히는 것을 목적으로 하고 있다. 릴레이 노드는 소스 노드로부터 받은 정보를 다시 증폭 혹은 복원해서 목적지 노드로 전송하게 된다. 이때 릴레이 노드의 정보 전송량을 증가시키기 위해 다중입출력(Multiple-input multiple-output; 이하, "MIMO"라 함) 안테나를 사용하게 된다. 이렇게 다중안테나를 사용해서 정보를 전송하게 되면 한 번에 다수의 데이터 스트림을 전송하여 전송량을 증가시키거나 다수의 사용자를 한번에 서비스할 수 있게 된다. 다수의 데이터 스트림을 전송함에 있어서 릴레이-목적지 노드 간의 링크(relay-to-destination link, R-D link)의 상태가 충분히 좋지 못하거나 목적지 노드의 수신 능력이 충분하지 않은 경우 모든 데이터 스트림을 릴레이 노드에서 전부 전송하는 것은 오히려 데이터 전송 효율을 떨어뜨리게 된다. 또한 다중안테나 환경에서 전송 효율을 높이기 위해 소스 노드와 릴레이 노드에서 별도의 신호 처리를 해주어야 한다.
도 1은 릴레이 시스템의 구성을 개략적으로 도시한 도면이다.
기본적인 릴레이 통신 환경은 소스 노드(S), 릴레이 노드(R) 및 목적지 노드(D)가 각각 S-R link(HSR), S-D link(HSD), R-D link(HRD)의 MIMO 채널을 통해 통신을 하게 된다. 도시된 바와 같이 각 링크의 채널 상태를 나타내는 채널 행렬 값은 각각 HSR, HSD, HRD 로 표현될 수 있다.
첫 번째 전송 시간 동안, 소스 노드(S)는 다수의 멀티 데이터 스트림으로 구성된 정보를 릴레이 노드(R)와 목적지 노드(D)에 전송한다. 그리고 두 번째 전송 시간 동안, 릴레이 노드(R)는 소스 노드(S)로부터 받은 정보를 목적지 노드(D)에 전달하게 되고 최종적으로 목적지 노드(D)에서는 첫 번째와 두 번째 전송 시간 동안 받은 정보를 조합하여 데이터를 복호한다.
이때 릴레이 노드(R)는 소스 노드(S)로부터 받은 정보를 목적지 노드(D)로 전달하는 방식에 따라서 통상적으로 다음과 같이 두 가지로 구분된다.
(1) 소스 노드(S)로부터 수신한 신호의 복호없이 수신한 신호를 바로 증폭하여 목적지 노드(R)로 전송하는 AF(amplify-and-forward) 방식
(2) 소스 노드(S)로부터 수신한 신호를 복호한 후 목적지 노드(D)로 신호 전달을 위해 다시 부호화해서 전송하는 DF(decode-and-forward) 방식
상기와 같은 AF 및 DF 릴레이 기법은 각각의 장단점이 존재하며, AF 기법의 경우 구현이 간단하고 릴레이 지연(delay)이 적은 장점이 있는 반면에 릴레이 노드(R)가 수신한 잡음 성분까지도 같이 증폭된다는 단점이 있다. 반면 DF 기법의 경우에는 릴레이 노드(R)에서 별도의 복호 절차를 거쳐야 하므로 구현 복잡도가 높아지고 릴레이 지연이 상대적으로 큰 단점이 있다.
릴레이 시스템에서 다중안테나를 이용하여 다수의 정보 스트림을 전송할 경우에는 그에 따라 얻을 수 있는 정보량은 늘어나게 되지만, S-R 링크 또는 R-D 링크 중 한 곳이 크게 나쁜 경우에는 그 상태에 따라서 보낼 수 있는 정보의 양이 제한적이 된다. 따라서 이와 같이 어느 한쪽의 링크가 안 좋은 경우에 정보량의 제한을 완화하기 위하여 두 번째 전송 시간을 가변적으로 조정하는 것이 바람직하다. 즉 R-D 링크가 좋은 경우에는 두 번째 전송 시간을 짧게, 반대로 R-D 링크가 안 좋은 경우에는 두 번째 전송 시간을 길게 늘려 정보량의 제한을 줄일 수 있다. 그러나 이때 첫 번째 시간 동안 다수의 정보 스트림을 전송하기 때문에 R-D 링크가 안 좋은 경우에 두 번째 전송 시간이 길어지게 되고 시간당 정보 전송량은 오히려 더 나빠질 수 있다. 또한 기존의 릴레이 통신 환경에서의 프리코딩 기법은 소스와 목적지의 직접 링크(S-D 링크)의 영향을 고려하지 않고 소스와 릴레이에서 S-R 링크, R-D 링크만을 보고 설계되었기 때문에, 목적지 노드(D)에서 첫 번째 시간 동안 S-D 링크를 통하여 수신한 정보를 효과적으로 활용할 수 없는 문제점이 발생한다.
따라서 목적지 노드(D)가 첫 번째 시간 동안 S-D 링크를 통해 받은 정보를 보다 잘 이용하기 위해서는 S-D 링크까지 고려된 프리코딩 기법이 고려되어야 한다.
본 발명에서는 종래 DF 방식에서 릴레이 노드(R)가 소스 노드(S)로부터 받은 모든 데이터 스트림을 재전송하는 경우에 시스템의 정보 전송량이 줄어드는 경우의 성능 개선을 도모하기 위하여, 정보 전송의 효율을 높이기 위해 두 번째 전송 시간을 가변적으로 결정할 수 있는 가변적 전송 시간 기법을 제안한다. 이때 릴레이 노드(R)와 목적지 노드(D)는 모두 SIC(successive interference cancellation) 기법을 사용할 수 있는 환경을 고려하여 릴레이 노드에서 부분 정보만을 전송하는 방법을 제안한다.
소스 노드(S)는 보내는 정보를 릴레이 노드(R)가 목적지 노드(D)로 전달할 정보와 릴레이 노드(R)가 전달하지 않을 정보로 나누어 인코딩한다. 이때 소스 노드(S)는 각 송신안테나 마다 상기 두 가지 정보를 중첩 코딩을 통해 인코딩하거나, 릴레이 노드(R)에서 전송할 스트림과 전송하지 않을 스트림을 나누어 인코딩한다. 릴레이 노드(R)와 목적지 노드(D)는 두 가지 정보를 수신할 때 하나의 정보를 간섭을 가지고 복호하고, 복호된 정보를 기존 신호에서 SIC를 통해 제거하여 간섭이 없는 다른 하나의 정보를 수신하게 된다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 릴레이 시스템에서 가변 전송률 중첩 코딩을 통한 데이터 스트림 전송 과정을 도시한 도면이다.
소스 노드(10)에서는 M개의 데이터 스트림을 각각 특정 전송율 r 및 전력 p로 할당하여 중첩 코딩(superposition coding)한 후 릴레이 노드(20) 및 목적지 노드(30)로 전송한다.
릴레이 노드(20)는 소스 노드(10)로부터 전송된 M개의 데이터 스트림을 수신하여 복호한 후, 이 중 L개의 데이터 스트림을 각각 특정 전송율 ri 및 전력 pi로 할당하여 중첩 코딩 후 목적지 노드(30)로 전달한다.
목적지 노드(30)는 릴레이 노드(20)로부터 전달된 L개의 데이터 스트림을 먼저 복호한 후, 복호 성공한 L개의 데이터 스트림을 기반으로 SIC를 이용하여 소스 노드(10)로부터 전송된 M개의 데이터 스트림에서 나머지 데이터 스트림을 복호하여 전체 데이터 스트림 복호를 완료한다.
즉, 소스 노드(10) 및 릴레이 노드(20)는 M개의 데이터 스트림과 L개의 데이터 스트림을 각각 가변 전송률 중첩코딩(Variable Rate Superposition Coding; 이하, VRSC라 함)하여 목적지 노드(30)로 전송하고, 목적지 노드(30)는 릴레이 노드(20)로부터 전송되는 L개의 데이터 스트림 복호를 우선 수행하여 이를 통해서 나머지 데이터 스트림에 대한 복호를 완료한다. 이와 같이, 릴레이 노드(20)가 소스 노드(10)로부터 전송된 전체 데이터 스트림을 모두 목적지 노드(30)로 전송하지 않고 일부 데이터 스트림만을 목적지 노드(30)로 전달함으로써, 멀티 데이터 스트림 간의 간섭을 줄일 수 있으며 목적지 노드(30)는 M개의 데이터 스트림을 SIC를 이용하여 효율적으로 복호할 수 있다.
바람직하게는, 상기 VRSC 코딩 기법은 전체 송신 안테나 ns를 몇 개의 서브 그룹 nsi로 분류함으로서, 다중 송신 안테나를 통한 데이터 스트림 전송에도 적용될 수 있다. 예를 들어 평균 채널 이득 정보를 이용할 수 있다고 가정하면, 각 안테나 그룹 별로 VRSC를 위한 최적의 전송률 및 전력 할당이 먼저 수행되고 이를 통해서 VRSC 코딩을 수행하여 멀티 데이터 스트림을 전송한다.
VRSC를 통해서 소스 노드(10)로부터 인코딩되어 전송되는 다중화된 데이터 스트림을 수신한 릴레이 노드(20)는 순차복호 및 전달(Successive Decode and Forward, 이하 SuDF라 함) 프로토콜을 통해서 목적지 노드(30)로 데이터 스트림을 전달한다. 상기 SuDF는 다중 병렬 데이터 스트림을 순차 복호(successive decoding)를 통하여 다수의 서브 병렬(sub-parallel) 데이터 스트림으로 분해하여 중첩 코딩후 전송하는 것을 의미한다.
릴레이 노드(20)는 성공적으로 복호된 데이터 스트림들을 데이터 전송률이 높은 순서로 나열하여, 바람직하게는 전송률이 높은 순서로부터 일부의 데이터 스트림을 서브 그룹으로 형성하여 목적지 노드(30)로 전달한다. 또한, 상대적으로 전송률이 낮은 데이터 스트림들은 소스 노드(10)와 목적지 노드(30)간의 데이터 전송 에러 발생시 H-ARQ와 같은 데이터 재전송을 릴레이 노드(20)에서 목적지 노드(30)로 수행할 수도 있기 때문에 릴레이 노드(20)의 버퍼(buffer)에 저장하여 추후 데이터 재전송을 위한 용도로도 활용될 수가 있다.
이와 같은 방법을 통해서 릴레이 노드(20)로부터 목적지 노드(30)로 전송된 협력적 데이터 스트림들은 데이터 스트림 간의 간섭이 줄어들기 때문에 보다 성공적으로 목적지 노드(30)에서 복호될 수 있다.
도 3은 직교 시공간 블록 코드(orthogonal space-time block code; OSTBC) 가 적용된 경우 VRSC 코딩 및 SuDF 과정을 도시한 도면이다.
도시된 바와 같이, M개의 데이터 스트림들이 각각 데이터 전송률 r이 가변되도록 하여 OSTBC를 통해서 M개의 병렬 데이터 스트림(301)으로 중첩 코딩되어 전송된다. 릴레이 노드에서는 M개의 병렬 데이터 스트림(301)을 수신한 후 데이터 복호를 시도하여 성공적으로 복호된 데이터 스트림이 N개라고 할 때, 복호 성공한 N개의 데이터 스트림(303) 중에서 소정의 L개를 선택하여 각각 데이터 전송률 ri가 가변되도록 하여 OSTBC를 통해서 L개의 병렬 서브 데이터 스트림(305)으로 중첩 코딩한 후 목적지 노드로 전달한다.
도 4는 릴레이 노드에서 SuDF 릴레이 프로토콜을 통한 신호 처리 과정을 순차적으로 도시한 순서도이다.
릴레이 노드는 청취 구간(listening phase)에서 소스 노드로부터 M개의 데이터 스트림이 포함된 패킷을 수신한다(S401).
청취 구간에서 릴레이 노드는 수신된 M개의 데이터 스트림 중 데이터 전송률이 가장 낮은 M번째(전송률 rM) 데이터 스트림부터 시작하여 M개의 데이터 스트림에 대하여 순차적으로 SIC를 이용하여 복호를 시도한다(S403). 이때, 목적지 노드도 청취 구간에서 소스 노드로부터 전송되는 데이터 스트림을 수신할 수 있으며, 수신된 신호를 이후의 데이터 복구에 사용 가능하도록 저장할 수 있다. 바람직하게는, 릴레이 노드 및 목적지 노드는 소스 노드로부터 수신된 각 데이터 스트림에 대한 복호 결과를 ACK/NACK 메시지를 전송하여 피드백한다.
상기 S403 단계에서, 릴레이 노드가 M개의 데이터 스트림 중에서 N개의 데이터 스트림 복호를 성공한 것으로 가정하면, 복호가능한 데이터 셋을 A라 할 때, A는 다음 수학식 1과 같이 정의될 수 있다.
수학식 1
Figure PCTKR2010002054-appb-M000001
이후, 릴레이 노드는 데이터 셋 A에서 복호 가능한 N개의 데이터 스트림 중 소정의 L개 데이터 셋을 선택한다(S405).
릴레이 노드에서 선택된 소정의 데이터 셋을 협력적 서브셋 B라 할 때, B는 다음 수학식 2와 같이 정의될 수 있다.
수학식 2
Figure PCTKR2010002054-appb-M000002
바람직하게는, 릴레이 노드는 N개의 복호 가능한 데이터 스트림을 데이터 전송률이 가장 큰 것부터 시작하여 전송률이 낮아지는 순서로 정렬을 하며, 이중 데이터 전송률이 가장 큰 상위 L개의 데이터 스트림 셋을 선택할 수 있다.
상기 L개의 데이터 스트림 셋은 릴레이 노드에서 목적지 노드로 전송시 목적지 노드에서 복호 성공 확률이 높으며 이를 통하여 소스 노드로부터 전달된 M개의 전체 데이터 스트림을 SIC를 이용하여 복구할 가능성이 큰 데이터 스트림 셋으로 결정되는 것이 바람직하다.
이후, 릴레이 노드는 다수의 데이터 스트림 Xij(j=1,2,...,L)를 송신 안테나 nR,ij(nR=nR,i1+nR,i2+...+nR,iL)에 각각 매핑한 후 협력전송 구간에서 해당 심볼
Figure PCTKR2010002054-appb-I000001
를 목적지 노드로 전달한다(S407).
소스 노드는 상기 릴레이 노드의 협력전송 구간에서도 L개 데이터 스트림 전체 신호 또는 일부 신호를 목적지 노드로 전송하여 협력 전송에 참여할 수도 있다. 또한 소스 노드 또는 릴레이 노드는 상위 레이어 시그널링(signaling) 또는 제어 채널을 통해서 목적지 노드로 협력전송 구간에서 전송되는 데이터 스트림을 목적지 노드로 알려줄 수도 있다. 만약 릴레이 노드에서 복호가능한 데이터 셋 A가 비어 있다면, 협력전송 구간에서 전송 가능한 신뢰성 높은 데이터 스트림이 존재하지 않음을 의미하기 때문에 릴레이 노드는 협력전송을 수행하지 않을 수도 있다.
또한, 협력 전송을 통해 전달되는 데이터 스트림을 제외한 N-L개의 데이터 스트림 셋은 추후 H-ARQ와 같은 데이터 재전송을 위하여 릴레이 노드의 버퍼에 저장된다(S409).
목적지 노드는 청취구간에서 소스 노드로부터 M개의 데이터 스트림을 수신하고, 협력전송구간에서 릴레이 노드로부터 L개의 데이터 스트림을 수신한다. 이후, 목적지 노드는 우선 협력전송 구간에서 릴레이 노드로부터 전송된 L개의 데이터 스트림을 복호한다. 이후, 청취구간에서 소스 노드로부터 수신된 전체 신호 성분(M개의 데이터 스트림)에서 복호된 L개의 데이터 스트림을 제거하여 남은 M-L개의 데이터 스트림을 복호한다.
상기와 같은 릴레이 노드의 부분 정보 전달 기법은 소스 노드와 릴레이 노드 간의 릴레이 링크와 릴레이 노드와 목적지 노드 간의 억세스 링크가 소스 노드와 목적지 노드 간의 직접링크와 비교하여 상대적으로 채널 환경이 좋은 비대칭적인 셀룰러 환경을 고려하여 설계되는 것이 바람직하다. 또한, 릴레이 노드와 소스 노드의 데이터 전송이 시간으로 구분되는 시분할 반이중(half duplexing) 동작 방식을 고려하면, 소스 노드에서는 기본 데이터(basic data) 스트림과 SC(successive cancellation) 데이터 스트림이 포함된 M개의 다중 데이터 스트림을 첫 번째 홉(first hop)에서 전송하고, 릴레이 노드는 오직 L개의 SC 데이터 스트림만을 두 번째 홉(second hop)에서 전송한다. 목적지 노드는 두 번째 홉에서 전송받은 L개의 SC 데이터 스트림을 복호한 후, 첫 번째 홉에서 전송받은 전체 신호에서 SC 데이터 스트림을 제거하여 기본 데이터 스트림을 복호할 수 있다.
바람직하게는 시스템 성능을 향상시키기 위한 방안으로 두 번째 홉의 전송 시구간이 첫 번째 홉의 전송 시구간보다 짧도록 설계하여 상대적으로 양호한 억세스 링크(릴레이 노드와 목적지 노드 간의 링크 채널)를 통해서 릴레이 노드로부터 SC 데이터 스트림이 포함된 부분 정보만을 목적지 노드로 전달하는 적응적 시분할 다중화(adaptive TDM)를 통한 데이터 릴레이 방식도 가능하다. 상기와 같은 적응적 시분할 다중화 기법은 SC 데이터 스트림의 부분 정보만이 보다 신속하게 목적지 노드로 전달(forward)될 수 있기 때문에 전반적인 데이터 전송 용량(rate capacity)을 증가시킬 수 있으며, 릴레이 시스템의 반이중(half duplexing) 동작에 따른 정보 손실을 줄일 수 있는 장점이 있다.
도 5는 전송 안테나 각각에 대한 중첩 코딩을 통한 멀티 데이터 스트림을 전송 방법을 설명하는 도면이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 기본 데이터(basic data) 및 SC 데이터는 각각의 데이터 스트림 또는 데이터 레이어(layer)가 각 안테나 별로 연속적으로(serially) 형성되며, 안테나 별로 할당된 전력 PM은 전력분배상수(power division factor; αm, m=1, 2, ..., M)에 따라서 두 개의 데이터 스트림 또는 레이어로 분배되어 할당된다. 여기서 두 개의 데이터 스트림 또는 레이어로 분배된 전력은 비대칭 채널 링크를 고려하여 결정된다.
도 6은 각 안테나 별 중첩 코딩(Per Antenna Superposition Coding; PASC)을 통한 부분 정보 릴레이 방법을 도시한 도면이다.
PASC를 통한 다중 데이터 스트림 전송시는 전체적인 데이터 전송 용량이 최대화되도록 전력분배상수 αm를 최적화하여야 한다. 바람직하게는 전력분배상수 αm의 최적화는 직접 링크와 릴레이 링크간의 비대칭 채널 조건을 고려하여 데이터 스트림 간의 간섭을 최소화하기 위하여 MMSE-SIC 알고리즘과 같은 적절한 비상관(decorrelation) 프로세스 후에 안테나 별 SINR(Signal to Interference Noise Ratio)을 통해서 결정될 수 있다.
또한, 도 6에 도시된 바와 같이, 소스 노드에서 릴레이 노드로 전송되는 멀티 데이터 스트림 중에서 SC 데이터 스트림에 대해서는 상대적으로 basic 데이터 스트림에 비해서 높은 전송파워를 할당하여 전송함으로써 릴레이 노드의 SC 데이터 스트림을 수신/복호 확률을 높이도록 구현될 수도 있다.
도 7은 PASC를 통한 부분 정보 릴레이 방법을 순차적으로 나타낸 도면이다.
도 7(a)는 제1 전송구간으로서 송신 안테나가 2개인 경우로 가정할 때, 소스 노드는 다음 수학식 3과 같은 2개의 데이터 스트림을 브로드캐스트(broadcast)한다.
수학식 3
Figure PCTKR2010002054-appb-M000003
Figure PCTKR2010002054-appb-I000002
상기 수학식 3에서 αi는 i번째 스트림의 basic 데이터 xb,i와 SC 데이터 xs,i의 전력분배상수를 나타낸다. 제1 전송구간에서 소스 노드로부터 신호를 수신한 릴레이 노드는 basic 데이터를 복호한 후, SC 데이터를 복호한다. 또한 목적지 노드는 소스 노드로부터 수신한 신호를 메모리에 저장한다.
도 7(b)는 제2 전송구간으로서 릴레이 노드는 제1 전송구간에서 소스 노드로부터 수신한 신호중 복호 성공한 SC 데이터 xs,1 및 xs,2를 다시 인코딩하여 목적지 노드로 전달한다. 목적지 노드는 수신된 SC 데이터 스트림 xs,1 및 xs,2를 MMSE-SIC를 이용하여 추정한 후 복호한다. 이후, 복호된 xs,1 및 xs,2를 기반으로, 제1 전송구간에 소스 노드로부터 수신한 xb,1 및 xb,2를 복호하기 위하여 SIC를 수행한다.
도 8은 M개의 전송 안테나에 대해서 다중 레이어(multi-layer) 중첩 코딩을 수행하는 방법을 설명하는 도면이다.
도 8에 도시된 바와 같이, 기본 데이터(basic data) 및 SC 데이터는 각각 안테나 별로 독립적으로 데이터 스트림이 형성되어 전송된다.
도 9는 다중 레이어(multi-layer) 중첩 코딩을 통한 멀티 데이터 스트림 전송 방법을 설명하는 도면이다.
다중 레이어 중첩코딩(Multi-Layer Superposition Coding; 이하 MLSC라 함)을 통한 다수의 데이터 스트림의 다중 병렬 전송에 있어서, 무엇보다도 릴레이 노드에 의해서 부분 전송될 SC 데이터 스트림 서브셋을 결정하는 것이 중요한 요소이다. 즉, 전체 데이터 전송용량이 최대화 되도록 하는 적응적 파라미터 L을 결정하여야 한다.
바람직하게는 적응적 파라미터 L의 최적화는 직접 링크와 릴레이 링크간의 비대칭 채널 조건을 고려하여 데이터 스트림 간의 간섭을 최소화하기 위하여 MMSE-SIC 알고리즘과 같은 적절한 비상관(decorrelation) 프로세스 후에 안테나 별 SINR(Signal to Interference Noise Ratio)을 통해서 결정될 수 있다.
도 9의 경우는, 전송 안테나 M=2 이며, 적응적 파라미터 L=1인 경우의 MLSC를 통한 데이터 스트림 부분 전송을 도시하고 있다.
도 10은 MLSC를 통한 부분 정보 릴레이 방법을 순차적으로 나타낸 도면으로서, 송신 안테나 M=2이며, L=1인 경우를 도시한 것이다.
도 10(a)는 제1 전송구간으로서 소스 노드는 전체 전송용량을 최대화하는 L 값을 선택한 후, 2개의 데이터 스트림인 basic 데이터 xb,1와 SC 데이터 xs,1을 브로드캐스트(broadcast)한다. 이를 수신한 릴레이 노드는 MMSE-SIC 등을 이용하여 SC 데이터 스트림 xs만을 복호한다. 또한 목적지 노드는 소스 노드로부터 수신한 신호를 메모리에 저장한다.
도 10(b)는 제2 전송구간으로서 릴레이 노드는 제1 전송구간에서 소스 노드로부터 수신한 신호중 복호한 SC 데이터 xs를 다시 인코딩하여 모든 안테나를 사용하여 목적지 노드로 전달한다. 목적지 노드는 수신된 SC 데이터 스트림 xs를 MMSE-SIC를 이용하여 추정한 후 복호한다. 이후, 복호된 xs를 기반으로, 제1 전송구간에 소스 노드로부터 수신한 xb를 복호하기 위하여 SIC를 수행한다.
이하에서는 PASC 및 MLSC를 통한 다중 데이터 스트림 전송시 전체적인 데이터 전송 용량이 최대화되도록 전력분배상수 αm 및 적응 파라미터 L을 최적화하는 기법에 대해서 설명한다.
PASC를 통한 부분 정보 릴레이를 위하여 m번째 데이터 스트림에 대한 전력분배상수 αm은, 소스 노드와 목적지 노드 간의 직접링크에 대한 안테나 별 SINR을 γ0,m (m=1,2,...,M)이라 하고, 소스 노드와 릴레이 노드 간의 릴레이 링크에 대한 안테나 별 SINR을 γ1,m (m=1,2,...,M)이라 할 때, 다음 수학식과 같이 결정될 수 있다.
수학식 4
Figure PCTKR2010002054-appb-M000004
또한, 안테나 당 할당 전력 Pm은 하기 수학식과 같은 워터필링(water-filling) 알고리즘을 통하여 결정될 수 있다.
수학식 5
Figure PCTKR2010002054-appb-M000005
상기 수학식에서 λ는 전체 전력 P가 m번째 데이터 스트림에 할당되었을 때, 소스 노드와 릴레이 노드 간의 릴레이 링크의 m번째 데이터 스트림이 전송되는 안테나의 SINR을 나타내며, λ1,m은 전력 Pm이 할당된 m번째 데이터 스트림이 전송되는 안테나의 SINR을 나타낸다. 또한 λ는 전체 전력에 대한 제약조건(∑mPm≤P)에 부합하도록 결정된다.
마찬가지로 소스 노드와 목적지 노드 간의 직접링크에 대한 안테나 별 SINR을 γ0,m (m=1,2,...,M)이라 하고, 소스 노드와 릴레이 노드 간의 릴레이 링크에 대한 안테나 별 SINR을 γ1,m (m=1,2,...,M)이라 할 때, MLSC를 통한 부분 정보 릴레이 기법의 최적화된 적응 파라미터 L은 다음 수학식 6과 같이 결정될 수 있다.
수학식 6
Figure PCTKR2010002054-appb-M000006
u(x)=1 if x>δ, u(x)=0 otherwise
한편, 데이터를 전송하는 송신측에서는 시스템 정보 전송량을 최대화 하기 위하여 프리코딩(precoding)을 통하여 최적의 전송빔을 형성하여 데이터를 전송한다. 그러나, 앞서 설명한 바와 같이 기존의 릴레이 통신 환경에서의 프리코딩 기법은 소스와 목적지의 직접 링크(S-D 링크)의 영향을 고려하지 않고 소스와 릴레이에서 S-R 링크, R-D 링크만을 보고 설계되었기 때문에, 목적지 노드(D)에서 첫 번째 시간 동안 S-D 링크를 통하여 수신한 정보를 효과적으로 활용할 수 없는 문제점이 발생한다.
따라서 목적지 노드(D)가 첫 번째 시간 동안 S-D 링크를 통해 받은 정보를 보다 잘 이용하기 위해서는 S-D 링크까지 고려된 프리코딩 기법이 고려되어야 하며, 이하에서는 시스템 정보 전송량을 최대화하기 위한 프리코딩 기법에 대해서 상세히 설명한다.
본 발명에서 제안하는 프리코딩 기법을 적용한 부분 정보 전송 릴레이 기법은 릴레이 노드에서 전달할 부분 정보를 나누는 방법에 따라서, PASC(Per Antenna Superposition Coding) 기법 및 MLSC(Multi-Layer Superposition Coding) 기법으로 나뉠 수 있다.
도 11은 프리코딩을 수행한 경우 PASC를 통한 부분 정보 릴레이 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
PASC 기법은 송신 안테나마다 Basic 데이터와 중첩 데이터(이하, "SC 데이터"라 함)를 중첩 코딩을 통해 인코딩한다. 이와 같이 인코딩된 정보는 프리코딩 행렬(Fs)에 곱해져서 릴레이 노드(20)와 목적지 노드(30)로 전송된다.
릴레이 노드(20)는 Basic 데이터를 복호한 후 SIC를 이용하여 수신된 전체 신호에서 Basic 데이터를 제거하여 SC 데이터를 복호한다.
이후, 복호된 SC 데이터를 릴레이 프리코딩 행렬(FR)에 곱해서 목적지 노드(30)로 전달한다. 이때의 릴레이 프리코딩 행렬(FR)은 R-D 링크의 정보 전송량을 최대화하기 위한 프리코딩 행렬로 설계된다.
목적지 노드(30)는 첫 번째 전송 시간에 받은 신호에서 두 번째 전송 시간에서 전달받은 SC 데이터를 SIC를 통해 제거하여 Basic 데이터를 복원한다.
예를 들어, 소스 노드(10)가 Basic 데이터와 SC 데이터를 중첩 코딩하여 전송할 경우, 각각의 데이터에 할당하는 전력과 그에 따른 프리코딩 행렬의 방향이 결정되어야 하며, 전력 할당 및 프리코딩 행렬을 합한 부분이 실효 프리코딩 행렬이 된다. 특히 PASC를 통한 데이터 전송의 경우는 Basic 데이터와 SC 데이터의 전력 할당은 서로 다르게 설계될 수 있으며, Basic 데이터와 SC 데이터의 프리코딩 방향은 동일하도록 프리코딩 행렬이 결정될 수 있다.
소스의 프리코딩 행렬을 FS라 하고, Ab 및 As 는 각각 basic 데이터와 SC 데이터 사이의 전력 할당 비율을 나타내는 행렬이라 할 때, Basic 데이터와 SC 데이터에 대한 실효 프리코딩 행렬을 각각 Qb=FSAb, Qs=FSAs 라고 하고, Basic 데이터와 SC 데이터의 정보 전송량을 각각 Rb 및 RS라고 하면, 최종적으로 목적지 노드에서 수신하는 정보 전송량은 다음 수학식 7과 같이 표현될 수 있다.
수학식 7
Figure PCTKR2010002054-appb-M000007
수학식 7에서 R1 및 R2는 하기 수학식 8과 같이 정의될 수 있다.
수학식 8
Figure PCTKR2010002054-appb-M000008
Figure PCTKR2010002054-appb-I000003
상기 수학식 8에서 No는 릴레이 노드와 목적지 노드에 더해지는 잡음의 전력 스펙트럼 밀도(power spectral density)를 의미하며, I는 Identity matrix를 의미하며,
Figure PCTKR2010002054-appb-I000004
는 두 번째 전송시간 동안 R-D 링크를 통해 얻을 수 있는 SC 데이터의 정보량을 의미한다.
수학식 7에서 정보 전송량을 최대화하기 위해서는 R1 과 R2 중에서 작은 값을 최대화하여야 한다. 본 발명에서 제안하는 프리코딩 기법은 R1 과 R2를 각각 최대화 해주는 프리코딩 행렬을 선택하고 선택된 행렬들의 선형 조합을 통해서 최적의 프리코딩 기법을 찾아내는 것이다.
수학식 8에서 R1은 Qb에 대한 증가 함수이고, 반대로 QS에 대한 감소 함수의 형태이다. 따라서 R1을 최대화 시켜주는 프리코딩 행렬 Qb,1과 QS,1은 다음 수학식 9와 같이 얻을 수 있다.
수학식 9
Figure PCTKR2010002054-appb-M000009
Figure PCTKR2010002054-appb-I000005
수학식 9에서 VSR은 채널 HSR의 right singular matrix이고, PS는 소스 노드의 전송 전력이라 하고, Tr(x)는 행렬 x의 대각 성분들의 합을 구하는 trace 연산이라 할 때, Ωb는
Figure PCTKR2010002054-appb-I000006
의 전력제한조건(Power Constraint)을 가지고 워터필링 솔류션(Waterfilling solution)을 통해 얻어진 전력할당행렬이고, ΩS,1는
Figure PCTKR2010002054-appb-I000007
의 전력제한조건(Power Constraint)을 가지고 모든 전력을 가장 작은 singular vector에 할당하는 전력할당행렬이다. 즉, 프리코딩 행렬 Ωb,1에서는 basic 데이터를 S-R 링크에서 전송률이 최대가 되도록 빔 방향과 전력을 할당해주는 반면, ΩS,1에서는 SC 데이터를 S-R 링크에 전송률이 최소가 되도록 하여 릴레이 노드에서 얻을 수 있는 basic 데이터의 정보량을 최대로 얻도록 설계된다.
반면 수학식 8에서 R2는 분자의 부호에 따라서 최적의 프리코딩 행렬이 달라지게 된다. 그러나 일반적인 릴레이 환경에서는 R-D 링크의 상태가 S-D 링크의 상태보다 좋기 때문에 분자는 항상 음수 성분을 가지게 된다. 이 경우에 R2는 Qb와 Qs에 대한 증가 함수의 형태이다. 또한 앞서 말한 것과 같이 Qb와 Qs의 빔 방향은 같아야 하는 제한이 있기 때문에 최적의 프리코딩 행렬 Qb,2와 Qs,2은 다음 수학식 10과 같이 얻을 수 있다.
수학식 10
Figure PCTKR2010002054-appb-M000010
Figure PCTKR2010002054-appb-I000008
수학식 10에서 ΩS,2는
Figure PCTKR2010002054-appb-I000009
의 전력제한조건(Power Constraint)을 가지고 워터필링 솔류션(Waterfilling solution)을 통해 얻어진 전력할당행렬이다. 상기 프리코딩 행렬에서 Ωb,2는 프리코딩 행렬의 방향의 제한에 의해 S-R 링크에 맞춰지게 되고, QS,2는 S-R 링크 방향으로 설정해주어 릴레이 노드에서 얻을 수 있는 Basic 데이터의 정보량을 최대로 얻도록 한다.
위의 결과에서 살펴보면 Basic 데이터에 대한 프리코딩 행렬은 R1과 R2가 같기 때문에 하기 수학식 11과 같이 결정될 수 있다.
수학식 11
Figure PCTKR2010002054-appb-M000011
반면, SC 데이터에 대한 프리코딩 행렬 Qs의 경우 R1과 R2가 다른 두 가지의 전력 할당의 경우를 가진다. 첫 번째 경우 S-R 링크에 최소화 되도록 프리코딩 행렬을 설계하여 릴레이에서 얻을 수 있는 basic 데이터의 정보량을 최대화하게 되고 두 번째의 경우에는 반대로 S-R 링크에 최적화 되도록 프리코딩 행렬을 설계하여 릴레이에서 얻을 수 있는 SC 데이터의 정보량을 최대로 하게 된다. 따라서 최적의 전력 할당은 두 경우의 선형 조합을 통해 찾을 수 있게 된다. 최적의 조합을 찾기 위해 먼저 Qs를 다음 수학식 12와 같은 선형 조합으로 표현할 수 있다.
수학식 12
Figure PCTKR2010002054-appb-M000012
Figure PCTKR2010002054-appb-I000010
수학식 12와 같이 표현된 Basic 데이터에 대한 프리코딩 행렬 QS에서 α의 값을 키우게 되면 R1의 정보량은 커지게 되고, R2의 정보량은 작아지게 된다. 반대로 α의 값을 줄이면 R1의 정보량은 작아지게 되고, R2의 정보량은 커지게 된다. 이와 같은 원리로 α의 값을 0부터 1까지 변화시켜 R1과 R2 중 큰 값은 줄이면서 작은 값을 크게 만들어 min{R1, R2}을 최대화할 수 있다. 또한 β의 값을 0부터 1까지 변화시켜 가면서 basic 데이터와 SC 데이터에 할당하는 최적의 전력을 결정할 수 있다. 즉, 선형 조합의 형태로 결정된 프리코딩 행렬에서 α와 β의 값을 0부터 1까지 변화시켜 가면서 다음을 만족시키는 최적의 프리코딩 행렬을 결정해주는 α*와 β*를 하기 수학식 13과 같이 결정해줄 수 있다.
수학식 13
Figure PCTKR2010002054-appb-M000013
도 12는 프리코딩을 수행한 경우 MLSC를 통한 부분 정보 릴레이 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
MLSC(Multi-Layer Superposition Coding) 기법은 릴레이 노드(20)가 전달하는 정보 스트림의 수를 조절하여 부분적 정보를 전송하는 기법이다. 먼저 소스 노드(10)는 릴레이 노드(20)를 통해 전달하지 않는 M-J개의 non-forwarding 스트림 x1과 릴레이 노드(20)를 통해 전달할 J개의 forwarding 스트림 x2로 나누어 각각 프리코딩 행렬 Q1과 Q2에 곱해서 전송한다. 이렇게 전송된 non-forwarding 스트림 x1은 forwarding 스트림 x2를 간섭으로 안고 릴레이 노드(20)에서 복호된다. 이후, Forwarding 스트림 x2는 상기 복호된 non-forwarding 스트림 x1을 가지고 SIC를 통해서 복호된다. 복호된 데이터 스트림 중에서 릴레이 노드(20)는 J개의 forwarding 스트림 x2만을 릴레이 프리코딩 행렬 FR을 곱해서 목적지 노드(30)로 전달한다. 이때 릴레이 프리코딩 행렬 FR는 R-D 링크의 정보 전송량을 최대화하는 행렬로 설계한다. 최종적으로 목적지 노드(30)는 첫 번째 전송 시간 동안 소스 노드(10)로부터 수신한 신호에서 두 번째 전송 시간 동안 릴레이 노드(20)로부터 전달받은 J개의 forwarding 스트림 x2을 SIC를 통해 제거하고 M-J개의 non-forwarding 스트림 x1을 복호한다.
이와 같은 MLSC 기법에서는 시스템의 정보 전송용량을 최대화하도록 소스 프리코딩 행렬 Q1과 Q2를 설계하여야 한다. MLSC 기법에서는 도 3을 참조로 설명한 PASC와는 다르게 프리코딩 행렬 Q1과 Q2은 방향성의 자유도를 가진다.
MLSC 기법을 사용했을 때 최대로 얻을 수 있는 정보량은 다음 수학식 14와 같다.
수학식 14
Figure PCTKR2010002054-appb-M000014
수학식 14에서 RA와 RB는 각각 다음 수학식 15와 같이 표현된다.
수학식 15
Figure PCTKR2010002054-appb-M000015
Figure PCTKR2010002054-appb-I000011
수학식 15에서
Figure PCTKR2010002054-appb-I000012
는 두 번째 전송시간 동안 R-D 링크를 통해 얻을 수 있는 x2의 정보량을 의미한다.
마찬가지로 정보량을 최대화하기 위해서는 RA와 RB의 두 값 중에서 작은 값은 최대화해주어야 한다. 그 방법으로 RA와 RB를 각각 최대화하는 프리코딩 행렬을 구하고 그 선형 조합을 통해 두 값 중 작은 값을 최대화하는 프리코딩 행렬을 찾는다.
우선 수학식 15를 살펴보면 RA는 Q1에 대한 증가 함수이고 반대로 Q2에 대한 감소 함수임을 알 수 있다. 따라서 RA을 최대화 시켜주는 프리코딩 행렬 Q1,A와 Q2,A는 다음 수학식 16과 같이 얻을 수 있다.
수학식 16
Figure PCTKR2010002054-appb-M000016
Figure PCTKR2010002054-appb-I000013
수학식 16에서 VSR(1:M-J)는 채널 HSR의 가장 큰 M-J개의 singular vector를 의미하고, VSR(M-J+1:M)은 채널 HSR의 가장 작은 J개의 singular vector를 의미한다. 또한 Ω1,A와 Ω2,A는 각각
Figure PCTKR2010002054-appb-I000014
와
Figure PCTKR2010002054-appb-I000015
의 전력제한조건(Power constraint)를 가지고 워터필링(waterfilling)을 통해서 얻어질 수 있다. 이 과정에서 Q1,A와 Q2,A에 대한 전력 할당은 단순화를 위해 전송하는 스트림의 개수에 비례하여 할당한다. 즉 Q1,A는 M-J개의 non-forwarding 스트림을 S-R 링크의 가장 큰 M-J 개의 eigenvector 방향으로 보냄으로써 릴레이에서 수신하는 non-forwarding 스트림의 정보량을 최대화하도록 설계되고, Q2,A는 J개의 forwarding 스트림을 S-R 링크의 가장 작은 J 개의 eigenvector 방향에 맞추어 보내서 릴레이에서 디코딩하는 non-forwarding 스트림의 정보량을 최대화하게 된다.
반면에 수학식 15를 살펴보면, RB는 분자의 부호에 따라 최적의 프리코딩 행렬이 달라진다. 그러나 일반적인 릴레이 환경에서는 S-D 링크의 정보 전송량이 R-D 링크의 정보 전송량보다 작기 때문에 분자의 부호를 음수라고 생각할 수 있다. 이 경우에 RB는 Q1에 대한 증가 함수이고, Q2에 대해서도 증가 함수의 형태를 가진다. 따라서 RB를 최대화하는 프리코딩 행렬 Q1,B와 Q2,B는 다음과 수학식 17과 같이 얻어진다.
수학식 17
Figure PCTKR2010002054-appb-M000017
Figure PCTKR2010002054-appb-I000016
수학식 17에서 VSD(1:M-J)는 채널 HSD의 가장 큰 M-J개의 singular vector를 의미하고, VSR(1:J)은 채널 HSR의 가장 큰 J개의 singular vector를 의미한다. 또한 Ω1,B와 Ω2,B는 각각
Figure PCTKR2010002054-appb-I000017
와
Figure PCTKR2010002054-appb-I000018
의 전력제한조건(Power constraint)를 가지고 워터필링(waterfilling)을 통해서 얻어질 수 있다. 상기 프리코딩 행렬에서 Q1,B는 M-J개의 non-forwarding 데이터 스트림을 S-D 링크의 가장 큰 M-J 개의 eigenvector 방향으로 보냄으로써 목적지 노드(30)에서 수신하는 non-forwarding 데이터 스트림의 정보량을 최대화하도록 설계되고, Q2,B는 J개의 forwarding 데이터 스트림을 S-R 링크의 가장 큰 J 개의 eigenvector 방향에 맞추어 보내서 릴레이 노드(20)에서 수신하는 forwarding 데이터 스트림의 정보량을 최대화하도록 설계된다.
이와 같이 얻어진 RA와 RB에 최적화된 프리코딩 행렬들의 선형 조합으로 최적의 non-forwarding 데이터 스트림에 대한 프리코딩 행렬 Q1과 forwarding 데이터 스트림에 대한 프리코딩 행렬 Q2를 하기 수학식 18 및 수학식 19와 같이 표현할 수 있다.
수학식 18
Figure PCTKR2010002054-appb-M000018
Figure PCTKR2010002054-appb-I000019
수학식 19
Figure PCTKR2010002054-appb-M000019
Figure PCTKR2010002054-appb-I000020
위 수학식 18 및 19에서 α의 값을 키우게 되면 RA의 정보량은 커지게 되고 RB의 정보량은 작아지게 된다. 반대로 α의 값을 줄이면 RA의 정보량은 작아지게 되고 RB의 정보량은 커지게 된다. 이와 같은 원리로 α의 값을 0부터 1까지 변화시켜 R1과 R2 중 큰 값은 줄이면서 작은 값은 크게 만들어 min{R1,R2}을 최대화할 수 있다. 따라서 α의 값을 0부터 1까지 변화시켜 가면서 다음 수학식 20을 만족시키는 최적의 프리코딩 행렬을 결정하는 α*를 결정할 수 있다.
수학식 20
Figure PCTKR2010002054-appb-M000020
본 발명에서 제안하는 PASC 및 MLSC 두 가지 기법의 프리코딩 행렬을 설계하기 위해서는 S-R 링크, S-D 링크 그리고 R-D 링크의 모든 채널 정보를 필요로 한다. 본 발명의 일실시예에 따르면 각각의 채널 정보 수집이 용이한 목적지 노드(30)에서 프리코딩 행렬을 설계하는 것을 고려한다.
하향링크 데이터 송수신에서 고정된 릴레이 노드를 사용한다고 가정할 경우, 소스 노드와 릴레이 노드 사이의 채널 S-R 링크는 목적지 노드인 사용자 단말의 이동성이나 스케줄링과 관계없이 크게 변하지 않고 일정한 값으로 유지된다. 소스 노드는 이와 같은 S-R 링크의 채널 값을 단말들에게 하향 링크 채널을 통해 주기적으로 브로드캐스팅(broadcasting) 한다. 그러나 본 발명의 다른 실시예에 따르면 릴레이 노드에서 S-R 링크의 채널 값을 단말들에게 알려주는 것도 가능하다.
이와 같은 방식으로 사용자들은 항상 S-R 링크의 채널 정보를 가지고 있게 되고, 그 시간에 스케줄링 된 사용자는 하향 링크 채널 추정을 통해 S-D 링크와 R-D 링크의 채널 정보를 얻게 된다. 이와 같이 S-R, S-D, R-D 채널 정보를 수집한 사용자는 채널 정보를 통해 R1과 R2 (RA과 RB)를 계산하고, 계산된 값을 바탕으로 최적의 프리코딩 행렬들을 결정하게 된다. 이 과정에서 프리코딩 행렬은 어느 정도의 S-R 링크에 대한 프리코딩 행렬의 성분을 가지게 된다 (PASC 경우 S-R 링크 성분만을 가짐). 따라서 코드북(codebook) 전체에서 찾지 않고 S-R 링크에 대한 코드워드(codeword)에 대한 일정 영역 내에서 codeword를 찾을 수 있다. 이렇게 결정된 codeword index를 feedback 링크를 통해 소스 노드로 보내주게 된다.
도 13은 본 발명의 일실시예에 따른 릴레이 노드의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
릴레이 노드는 소스 노드로부터 중첩코딩(superposition coding)된 다수의 데이터 스트림을 수신하는 수신기(101), 수신기(101)를 통해서 수신된 다수의 데이터 스트림에 대해서 복호를 수행하는 복호기(103), 복호기(103)를 통해서 복호 성공한 데이터 스트림 중 일부의 데이터 스트림을 선택하는 선택기(105), 선택기(105)를 통해서 선택된 일부의 데이터 스트림을 부호화하는 부호기(107), 상기 부호화된 일부의 데이터 스트림을 목적지 노드로 송신하는 송신기(109) 및 수신된 다수의 데이터 스트림 중 목적지 노드로 전달하는 일부 데이터 스트림을 제외한 나머지 데이터 스트림을 저장하는 메모리(117)를 포함한다.
도 14는 본 발명의 일실시예에 따른 목적지 노드의 구성을 개략적으로 도시한 블록도이다.
목적지 노드는 소스 노드로부터 소스 노드와 릴레이 노드 간의 채널 정보를 수신하는 수신부(201), 복호부(203), 소스 노드와 목적지 노드 간의 채널 정보 및 릴레이 노드와 목적지 노드 간의 채널 상태를 추정하는 채널추정부(203), 채널추정부(205)를 통해서 획득된 채널 정보를 바탕으로 상기 제1 데이터 및 제2 데이터의 전송률을 계산하여 최적의 프리코딩(precoding) 행렬을 결정하는 프리코더(207), 부호화부(209), 및 상기 결정된 최적의 프리코딩 행렬 성분을 상기 소스 노드로 피드백하는 송신부(211)를 포함한다.
목적지 노드에서는 S-R 링크, S-D 링크 및 R-D 링크의 채널 정보를 소스 노드 혹은 릴레이 노드로부터 수신하거나 또는 채널 추정을 통하여 획득하여 앞서 설명한 PASC 또는 MLSC 기법을 통하여 전송될 수 있는 최적의 프리코딩 행렬을 설계한다. 그리고 설계된 프리코딩 행렬 성분을 소스 노드로 피드백하여 소스 노드에서 최적의 빔 패턴을 형성하여 신호를 전송하도록 한다. 구체적인 프리코딩 행렬 설계 방법은 앞서 상세히 설명한 바, 그 상세한 설명은 생략한다.
또한, 상기 목적지 노드는 하향링크 데이터 송수신의 경우 단말이 될 수 있으며, 상향링크 데이터 송수신의 경우는 기지국이 될 수도 있다.
도 15는 본 발명에서 제안하는 부분 정보 릴레이 기법과 종래 릴레이 기법의 데이터 전송 용량을 비교한 결과를 나타낸 그래프이다.
도 15는 PASC를 이용한 부분 정보 릴레이 기법과 MLSC를 이용한 부분 정보 릴레이 기법을 적용한 경우 전반적인 전송용량을 비교하기 위한 시뮬레이션 결과로서, 안테나 개수 M=4이며, 릴레이 링크의 SNR은 γ1=20dB, 억세스 링크의 SNR은 γ2=15dB라 할 때, 본 발명에서 제안하는 부분 정보 릴레이 기법을 통한 평균 전송용량, 기존 릴레이 프로토콜을 통한 평균 전송용량 및 직접링크만을 통한 평균 전송용량을 직접링크의 SNR γ0 변화에 따라서 비교한 성능결과이다. 직접링크 채널 상태가 좋지 못한 경우에는 제안된 부분 정보 릴레이 기법을 적용한 경우가 성능이 매우 좋은 것을 확인할 수 있으며, 직접링크 채널 상태가 좋아지는 경우에도 제안된 기법을 적용할 경우 성능향상이 이루어짐을 알 수 있으나, 종래 릴레이 기법에 따를 경우에는 직접링크 채널 상태와 상관없이 일정한 상태가 유지됨을 알 수 있다.
여기까지 설명된 본 발명에 따른 방법은 소프트웨어, 하드웨어, 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다. 예를 들어, 본 발명에 따른 방법은 저장 매체(예를 들어, 단말 내부 메모리, 플래쉬 메모리, 하드 디스크, 기타 등등)에 저장될 수 있고, 프로세서(예를 들어, 단말 내부 마이크로 프로세서)에 의해서 실행될 수 있는 소프트웨어 프로그램 내에 코드들 또는 명령어들로 구현될 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시적으로 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이와 같은 특정 실시 예에만 한정되는 것은 아니므로, 본 발명은 본 발명의 사상 및 특허청구범위에 기재된 범주 내에서 다양한 형태로 수정, 변경, 또는 개선될 수 있다.

Claims (15)

  1. 릴레이 시스템(relay system)의 멀티 데이터 스트림(multiple data stream) 전송 방법에 있어서,
    소스 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신하는 단계;
    상기 수신된 다수의 데이터 스트림에 대해서 복호를 수행하는 단계;
    복호 성공한 데이터 스트림 중 일부의 데이터 스트림을 선택하는 단계;
    상기 선택된 일부의 데이터 스트림을 부호화하는 단계; 및
    상기 부호화한 일부의 데이터 스트림을 목적지 노드로 전달하는 단계를 포함하는 다중 데이터 스트림 전송 방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    수신된 다수의 데이터 스트림 중 목적지 노드로 전달하는 일부 데이터 스트림을 제외한 나머지 데이터 스트림을 저장하는 단계를 더 포함하는 다중 데이터 스트림 전송 방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 데이터 스트림에 대한 복호는 데이터 전송률이 가장 낮은 데이터 스트림부터 시작하여 순차적으로 SIC(Successive Interference Cancellation)을 이용하여 수신된 다수의 데이터 스트림에 대하여 복호를 수행하는 것을 특징으로 하는 다중 데이터 스트림 전송 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 일부의 데이터 스트림 선택 단계는, 복호 성공한 데이터 스트림들을 데이터 전송률이 높은 순서로 정렬하여 데이터 전송률이 높은 상위 L개의 데이터 스트림을 선택하는 것을 특징으로 하는 다중 데이터 스트림 전송 방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 소스 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신하는 단계는, 목적지 노드로 전달할 일부 데이터 스트림 선택 정보를 함께 수신하는 것을 특징으로 하는 다중 데이터 스트림 전송 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 다수의 데이터 스트림 복호 단계는, 상기 복호 성공 여부에 대한 ACK/NACK 메시지를 상기 소스 노드로 전송하고 상기 소스 노드로부터 상기 목적지 노드로 전달할 일부 데이터 스트림 선택 정보를 수신하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 데이터 스트림 전송 방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 일부의 데이터 스트림을 전달받은 상기 목적지 노드는,
    상기 일부의 데이터 스트림에 대해서 우선 복호를 수행한 후, 복호된 일부의 데이터 스트림을 이용하여 SIC(Successive Interference Cancellation)을 통해서 소스 노드로부터 기 수신된 전체 데이터 스트림에 대한 복호를 수행하는 것을 특징으로 하는 다중 데이터 스트림 전송 방법.
  8. 릴레이 시스템(relay system)에 있어서,
    소스 노드로부터 다수의 데이터 스트림을 수신하는 수신기;
    상기 수신기를 통해서 수신된 다수의 데이터 스트림에 대해서 복호를 수행하는 복호기;
    상기 복호기를 통해서 복호 성공한 데이터 스트림 중 일부의 데이터 스트림을 선택하는 선택기;
    상기 선택기를 통해서 선택된 일부의 데이터 스트림을 부호화하는 부호기; 및
    상기 부호화된 일부의 데이터 스트림을 목적지 노드로 송신하는 송신기를 포함하는 다중 데이터 스트림 전송 장치.
  9. 다중안테나 릴레이 통신 시스템에서 제1 데이터와 제2 테이터를 포함하는 다중 데이터 스트림(multiple data stream)을 송수신하는 방법에 있어서,
    소스 노드 또는 릴레이 노드로부터 소스 노드와 릴레이 노드 간의 채널 정보를 수신하는 단계;
    채널 추정을 통하여 소스 노드와 목적지 노드 간의 채널 정보 및 릴레이 노드와 목적지 노드 간의 채널 정보를 획득하는 단계;
    상기 획득된 채널 정보를 바탕으로 상기 제1 데이터 및 제2 데이터의 전송률을 계산하여 최적의 프리코딩(precoding) 행렬을 결정하는 단계; 및
    상기 결정된 최적의 프리코딩 행렬 성분을 상기 소스 노드로 피드백하는 단계를 포함하는 다중안테나 릴레이 시스템의 다중 데이터 스트림 송수신 방법.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 제2 데이터는 상기 멀티 데이터 스트림 중 릴레이 노드로부터 수신되는 일부의 데이터이며,
    상기 제1 데이터는 상기 멀티 데이터 스트림 중 상기 제2 데이터를 제외한 나머지 데이터인 것을 특징으로 하는 다중안테나 릴레이 시스템의 다중 데이터 스트림 송수신 방법.
  11. 제 9항에 있어서, 상기 최적의 프리코딩 행렬 결정 단계는,
    상기 제1 데이터의 전송률과 제2 데이터의 전송률 중 최소값을 갖는 데이터 전송률이 최대화되도록 상기 프리코딩 행렬을 결정하는 것을 특징으로 하는 다중안테나 릴레이 시스템의 다중 데이터 스트림 송수신 방법.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 소스 노드로부터 다중 데이터 스트림을 수신하는 단계;
    상기 릴레이 노드로부터 상기 제2 데이터가 포함된 일부 데이터 스트림을 수신하는 단계; 및
    상기 릴레이 노드로부터 수신된 일부 데이터 스트림에 대해서 우선 복호를 수행한 후, 복호된 제2 데이터를 이용하여 SIC(Successive Interference Cancellation)을 통해서 상기 제1 데이터에 대한 복호를 수행하는 단계를 더 포함하는 다중안테나 릴레이 시스템의 다중 데이터 스트림 송수신 방법.
  13. 제 9항에 있어서,
    상기 제1 데이터와 제2 데이터가 송신 안테나 별로 각각 중첩 부호화(Per Antenna Superposition Coding)되어 전송되는 것을 특징으로 하는 다중안테나 릴레이 시스템의 다중 데이터 스트림 송수신 방법.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 제1 데이터와 제2 데이터가 송신 안테나 별로 각각 분리되어 부호화(Multi-Layer Superposition Coding)되어 전송되는 것을 특징으로 하는 다중안테나 릴레이 시스템의 다중 데이터 스트림 송수신 방법.
  15. 다중안테나 릴레이 통신 시스템에서 제1 데이터와 제2 테이터를 포함하는 다중 데이터 스트림(multiple data stream)을 송수신하는 장치에 있어서,
    소스 노드 또는 릴레이 노드로부터 소스 노드와 릴레이 노드 간의 채널 정보를 수신하는 수신부;
    소스 노드와 목적지 노드 간의 채널 정보 및 릴레이 노드와 목적지 노드 간의 채널 상태를 추정하는 채널추정부;
    상기 채널추정부를 통해서 획득된 채널 정보를 바탕으로 상기 제1 데이터 및 제2 데이터의 전송률을 계산하여 최적의 프리코딩(precoding) 행렬을 결정하는 제어부; 및
    상기 결정된 최적의 프리코딩 행렬 성분을 상기 소스 노드로 피드백하는 송신부를 포함하는 다중안테나 릴레이 시스템의 다중 데이터 스트림 송수신 장치.
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