WO2024057295A2 - 저궤도 위성 네트워크 구성 방법 및 장치 - Google Patents

저궤도 위성 네트워크 구성 방법 및 장치 Download PDF

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WO2024057295A2
WO2024057295A2 PCT/IB2023/061585 IB2023061585W WO2024057295A2 WO 2024057295 A2 WO2024057295 A2 WO 2024057295A2 IB 2023061585 W IB2023061585 W IB 2023061585W WO 2024057295 A2 WO2024057295 A2 WO 2024057295A2
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김창준
이기훈
최보현
이준구
한동수
이증락
이윤헌
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주식회사 엘지유플러스
한국과학기술원
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    • H04W16/00—Network planning, e.g. coverage or traffic planning tools; Network deployment, e.g. resource partitioning or cells structures
    • H04W16/18—Network planning tools

Definitions

  • the present invention relates to a method and device for configuring a low-orbit satellite network. Specifically, it relates to a method and device for configuring a low-orbit satellite network by modeling a problem in order to optimize the inter-satellite link (ISL) network topology of a low-orbit satellite constellation.
  • ISL inter-satellite link
  • a network design problem with constraints is modeled using Quadratic Unconstrained Binary Optimization (QUBO), a type of problem that can be solved with a quantum computer, and the modeling results are used to design a low-orbit satellite constellation network. It relates to a method and device for configuring a network.
  • QUBO Quadratic Unconstrained Binary Optimization
  • Low-Earth orbit satellite communication through the thermosphere occurs at a speed close to the speed of light.
  • Intercontinental communication using low-orbit satellite communication allows communication at a faster speed than communication using fiber such as existing undersea optical cables ( ⁇ 2/3 c).
  • the reason why communication can be performed at high speed is because the satellite moves in a low orbit close to the ground, so the round trip time between the satellite and the ground is short, resulting in low loss.
  • the grid structure is a type of network structure that does not take into account network traffic or optimization of the number of hops on the data path.
  • the technical task to be achieved by the present invention is to model the existing network design problem in the form of an unconstrained binary quadratic program that can be solved with a quantum computer, solve the corresponding optimization problem with a quantum computer, and finally calculate the relative distance of the data path and the hops passing through it.
  • the purpose is to design an inter-satellite link network topology of a low-orbit satellite constellation that optimizes the number of.
  • the low-orbit satellite constellation has two physical limitations. First, it assumes communication in the thermosphere and orbits around the Earth, so connections can only be made between satellites within a certain range. Second, due to price and weight limitations of communication interfaces, one satellite can only have a limited number of communication interfaces. (In the case of SpaceX's Starlink, there are four interfaces for ISL). Therefore, the network structure is such that each node has a certain number of links, and the distance of each link is smaller than the physical maximum distance, forming a special network.
  • the present invention converts the problem into an unconstrained binary quadratic program and makes it possible to use a quantum computer, thereby simultaneously optimizing the relative distance of the data path and the number of hops for specific data traffic among the network structures that satisfy these special constraints. Design the network topology structure.
  • the technical problem of the present invention is not limited to the technical problem described above, and other technical problems can be inferred from the embodiments of the present invention.
  • the present invention provides a method and device for configuring a network in a wireless communication system.
  • a method for configuring a low-orbit satellite network includes the steps of setting up a Quadratic Unconstrained Binary Optimization (QUBO) problem; Deriving a solution to the QUBO problem through a quantum computer; and configuring a satellite network based on the solution;
  • the QUBO problem includes a first binary variable for whether data traffic passes through the link between the first satellite and the second satellite, and the first binary variable between the first satellite and the second satellite.
  • a second binary variable for whether an inter-satellite link (ISL) exists a third binary variable for whether the data traffic is via the first satellite, and the solution is set to include the second binary variable: Contains the value of the variable, wherein the first satellite is a satellite closer to the starting point of the data traffic than the second satellite, and the second satellite is a satellite closer to the end point of the data traffic than the first satellite. This is provided.
  • ISL inter-satellite link
  • an apparatus for configuring a low-orbit satellite network includes: at least one processor; and at least one memory operably connected to the at least one processor and storing instructions that, when executed, cause the at least one processor to perform a specific operation.
  • the specific operations include: setting up a QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization) problem; Deriving a solution to the QUBO problem through a quantum computer; and configuring a satellite network based on the solution;
  • the QUBO problem includes a first binary variable for whether data traffic passes through the link between the first satellite and the second satellite, and the first binary variable between the first satellite and the second satellite.
  • a second binary variable for whether an inter-satellite link (ISL) exists a third binary variable for whether the data traffic is via the first satellite, and the solution is set to include the second binary variable: Contains a value of a variable, wherein the first satellite is a satellite closer to the starting point of the data traffic than the second satellite, and the second satellite is a satellite closer to the end point of the data traffic than the first satellite. is provided.
  • ISL inter-satellite link
  • a computer-readable non-volatile storage medium including at least one computer program that causes at least one processor to perform an operation, the operation being: setting a Quadratic Unconstrained Binary Optimization (QUBO) problem. step; Deriving a solution to the QUBO problem through a quantum computer; and configuring a satellite network based on the solution;
  • the QUBO problem includes a first binary variable for whether data traffic passes through the link between the first satellite and the second satellite, and the first binary variable between the first satellite and the second satellite.
  • a storage medium includes a value of a variable, wherein the first satellite is a satellite closer to the starting point of the data traffic than the second satellite, and the second satellite is a satellite closer to the end point of the data traffic than the first satellite.
  • the solution may further include values of the first binary variable and the third binary variable.
  • the first binary variable may be set based on the first satellite, the second satellite, a start point of the data traffic, and an end point of the data traffic.
  • the first binary variable may be set based on the distance between the first satellite and the second satellite being less than or equal to a threshold.
  • the first binary variable is: (i) the terrestrial distance from the origin of the data traffic to the terrestrial orthographic projection of the first satellite, (ii) between the first satellite and the second satellite. distance, and (iii) based on the fact that the sum of the ground distances from the ground orthogonal projection of the second satellite to the end point of the data traffic is less than or equal to a certain multiple of the ground distance from the start point of the data traffic to the end point of the data traffic. It can be set as follows.
  • the specific multiple may be 2.5 times.
  • the value of the first binary variable may be less than or equal to the value of the second binary variable.
  • the QUBO problem is, based on the value of the first binary variable being less than or equal to the value of the second binary variable, the second variable and the first variable are divided from the first variable. It can contain multiplied or subtracted terms.
  • the value of the first binary variable may be less than or equal to the value of the third binary variable.
  • the QUBO problem is, based on the value of the first binary variable being less than or equal to the value of the third binary variable, the third variable and the first variable are divided from the first variable. It can contain multiplied or subtracted terms.
  • the QUBO problem may be set based on orbital information of a plurality of satellites including the first satellite and the second satellite.
  • starting points of all data traffic included in the network start points of all data traffic included in the network, end points of all data traffic, relative to the combination of all first satellites and all second satellites
  • the path length can be calculated.
  • the QUBO problem may be established based on each of a plurality of satellites including the first satellite and the second satellite having k links.
  • k may be 4.
  • the QUBO problem is, based on each of the plurality of satellites having k links, subtracting the k from the sum of the second binary variables for the second satellite and then squaring It may contain one term.
  • the QUBO problem may be established based on the data traffic continuing from a start point to an end point.
  • the QUBO problem includes data flow characteristics for a starting satellite and an ending satellite, and data for satellites other than the starting satellite and the ending satellite, based on the data traffic continuing from the starting point to the ending point. It can be set considering flow characteristics.
  • the QUBO problem may include a term that is the sum of b of the first binary variables minus 1 and then squared, based on data flow characteristics for the starting point satellite and the ending point satellite. You can.
  • the QUBO problem is, based on data flow characteristics for satellites other than the start satellite and the end point satellite, double a third binary variable from the sum of b of the first binary variables. It can include terms that have been subtracted and then squared.
  • the QUBO problem may include variables for controlling the influence of each term.
  • the network configuration device may include a satellite, a network server, etc.
  • Figure 1 illustrates scenarios of NTN to which a terminal can connect.
  • Figure 2 shows an example of link delay changing over time.
  • Figure 3 shows the change in satellite location over time and the change in connection characteristics according to the change in location.
  • Figure 4 shows an example of a conventional low-orbit satellite network configuration.
  • Figure 5 is a graph showing the relationship between the average number of network hops and the stretch average.
  • Figure 6 shows examples of motifs.
  • Figure 7 shows an example of an overall ISL connection constructed on Earth by adopting a final solution using motifs.
  • Figure 8 shows the process in which data traffic is transmitted from the starting point S to the ending point T.
  • Figure 9 shows the maximum ISL length between satellites.
  • Figure 10 shows the conditions for data traffic to pass through the link between satellites a and b.
  • Figure 11 shows the limit on the number of other satellites to which one satellite can be connected.
  • Figure 12 shows an example in which satellites are divided into three states for each data traffic.
  • Figure 13 shows binary variables to reflect in the objective function whether satellite a belongs to the traffic path.
  • Figure 14 shows an example of actual code for obtaining a solution by entering the QUBO problem into a quantum computer.
  • Figure 15 shows an example of deriving binary variable values in matrix form.
  • Figure 16 shows an example of a satellite network topology design constructed based on derived binary variable values.
  • first, second, etc. are used to describe various components, and are used only for the purpose of distinguishing one component from other components and to limit the components.
  • the second component may be referred to as the first component without departing from the scope of the present invention, and similarly, the first component may also be referred to as the second component.
  • unit refers to a unit that processes at least one function or operation, and may be implemented as hardware, software, or a combination of hardware and software.
  • the terms "a or an”, “one”, “the”, and similar related terms are used in the context of describing the invention (particularly in the context of the claims below) as used herein. It may be used in both singular and plural terms, unless indicated otherwise or clearly contradicted by context.
  • “/” and “,” should be interpreted as indicating “and/or.”
  • “A/B” can mean “A and/or B.”
  • “A, B” may mean “A and/or B.”
  • “A/B/C” may mean “at least one of A, B and/or C.”
  • “A, B, C” may mean “at least one of A, B and/or C.”
  • “or” should be construed to indicate “and/or.”
  • “A or B” may include “only A,” “only B,” and/or “both A and B.”
  • “or” should be interpreted as indicating “additionally or alternatively.”
  • embodiments within the scope of the present invention include computer-readable media having or transmitting computer-executable instructions or data structures stored on the computer-readable media.
  • Such computer-readable media may be any available media that can be accessed by a general-purpose or special-purpose computer system.
  • Such computer-readable media may include RAM, ROM, EPROM, CD-ROM or other optical disk storage, magnetic disk storage or other magnetic storage, or in the form of computer-executable instructions, computer-readable instructions or data structures. It may be used to store or transmit certain program code means, and may include, but is not limited to, a physical storage medium such as any other medium that can be accessed by a general purpose or special purpose computer system. .
  • the present invention is applicable to personal computers, laptop computers, handheld devices, multiprocessor systems, microprocessor-based or programmable consumer electronics, network PCs, minicomputers, mainframe computers, mobile phones, PDAs, and pagers. It can be implemented in a network computing environment with various types of computer system configurations including (pager) and the like.
  • the invention may also be practiced in distributed system environments where tasks are performed by both local and remote computer systems that are linked over a network via wired data links, wireless data links, or a combination of wired and wireless data links.
  • program modules may be located in local and remote memory storage devices.
  • each block of the processing flow diagrams and combinations of the flow diagram diagrams may be performed by computer program instructions.
  • These computer program instructions can be mounted on a processor of a general-purpose computer, special-purpose computer, or other programmable data processing equipment, so that the instructions performed through the processor of the computer or other programmable data processing equipment are described in the flow chart block(s). It creates the means to perform functions.
  • These computer program instructions may also be stored in computer-usable or computer-readable memory that can be directed to a computer or other programmable data processing equipment to implement a function in a particular manner, so that the computer-usable or computer-readable memory It is also possible to produce manufactured items containing instruction means that perform the functions described in the flowchart block(s).
  • Computer program instructions can also be mounted on a computer or other programmable data processing equipment, so that a series of operational steps are performed on the computer or other programmable data processing equipment to create a process that is executed by the computer, thereby generating a process that is executed by the computer or other programmable data processing equipment. Instructions that perform processing equipment may also provide steps for executing the functions described in the flow diagram block(s).
  • each block may represent a module, segment, or portion of code that includes one or more executable instructions for executing specified logical function(s).
  • each block may represent a module, segment, or portion of code that includes one or more executable instructions for executing specified logical function(s).
  • the following is information related to the wireless communication system supporting NTN (Non-Terrestrial Network), which is currently being discussed in the 3rd Generation Partnership Project (3GPP).
  • the method and device for configuring a low-orbit satellite network according to the present invention may comply with matters related to a wireless communication system supporting NTN, but is not necessarily limited thereto.
  • NTN Non-Terrestrial Network
  • UAS Unmanned Aircraft System
  • NR NTN non-terrestrial network
  • LTE NTN services LTE NTN services
  • the existing TN (terrestrial network) services such as NR and LTE services
  • the NTN service provides wireless communication services to terminals instead of installing the base station on the ground. This refers to providing wireless communication services to terminals by installing them in places other than the ground, such as in orbit, airplanes, unmanned airships, drones, etc.
  • Figure 1 illustrates scenarios of NTN to which a terminal can connect.
  • Figure 1(a) illustrates an NTN scenario based on a transparent payload
  • Figure 1(b) illustrates an NTN scenario based on a regenerative payload.
  • GEO Global System for Mobile Communications
  • satellites are supplied by one or more sat-gateways deployed in the coverage targeted by the satellite (e.g. regional or even continental coverage). It is assumed that a terminal within a cell is served by only one sat-gateway;
  • Non-GEO satellites are served successively by one or more gat-gateways.
  • the system ensures service and feeder link continuity between serving sat-gateways for a period of time sufficient to perform mobility anchoring and handover.
  • Satellite (or UAS platform) capable of implementing either transparent or regenerative (including onboard processing) payloads.
  • Satellite (or UAS platform) generated beams typically generate a plurality of beams in a service area bounded by the satellite (or UAS platform) field of view.
  • the beam's footprint is generally elliptical.
  • the field of view of a satellite (or UAS platform) is determined by its onboard antenna diagram and minimum elevation angle.
  • Transparent Payload Radio frequency filtering, frequency conversion and amplification. Therefore, the waveform signal repeated by the payload does not change.
  • Regenerative payload radio frequency filtering, frequency conversion and amplification as well as demodulation/decoding, switching and/or routing, coding/modulation. This is effectively the same as having all or part of the base station functionality (e.g. gNB) on a satellite (or UAS platform).
  • base station functionality e.g. gNB
  • ISL Inter-satellite links
  • the terminal is serviced by a satellite (or UAS platform) within the target service area.
  • Table 1 illustrates types of satellites (or UAS platforms).
  • ⁇ GEO satellites and UAS are used to provide continental, regional or local services.
  • LEO Low Earth Orbiting
  • MEO Medium Earth Orbiting
  • Highly Elliptical Orbiting (HEO) satellite systems may also be considered.
  • Each satellite can steer its beam to a fixed point on Earth using beamforming technology. This applies for a time corresponding to the visibility of the satellite.
  • the maximum differential delay within the beam is calculated based on the diameter of the maximum beam reception range at the lowest point (at nadir).
  • the size of GEO's maximum beam reception range is determined based on the current state of GEO High Throughput system technology, assuming a spot beam at the coverage edge (low altitude).
  • the maximum differential delay at the cell level is calculated by considering the delay at the beam level for the largest beam size. When the beam size is small or medium, a cell can contain more than one beam. However, the cumulative differential delay of all beams within a cell does not exceed the maximum differential delay at the cell level in Table 10.
  • NTN-related description in this specification can be applied to NTN GEO scenarios and all NGSO (non-geostationary orbit) scenarios with a circular orbit with an altitude of 600 km or more.
  • NGSO non-geostationary orbit
  • a low-orbit satellite network may include various link types.
  • low-Earth orbit satellite networks include Inter Satellite links (ISL), Ground-to-Satellite Links (GSL), and territorial links.
  • ISL Inter Satellite links
  • GSL Ground-to-Satellite Links
  • territorial links include Inter Satellite links (ISL), Ground-to-Satellite Links (GSL), and territorial links.
  • low-orbit satellite networks have high mobility.
  • the delay and bandwidth of the link change over time.
  • RTT Random Trip Time
  • Figure 2 shows an example of link delay changing over time.
  • Figure 3 shows the change in satellite location over time and the change in connection characteristics according to the change in location.
  • Figure 4 shows an example of a conventional low-orbit satellite network configuration.
  • the present invention seeks to configure an optimized ISL topology to achieve low latency communication through a satellite network (SN).
  • SN satellite network
  • one satellite is connected to two satellites in the same orbit and two satellites in adjacent orbits on both sides to form a grid structure.
  • one satellite can have up to 4 ISL connections. Additionally, assuming communication in the thermosphere, one satellite may be able to communicate with other satellites at a range of approximately 5000 km.
  • Matters related to the purpose of network topology optimization in the present invention are as follows.
  • a score (hereinafter referred to as M) is calculated to determine how suitable the given network topology is for each traffic.
  • M The relative distance of the satellite path compared to the ground distance between the start and end points of traffic is expressed as S (stretch).
  • B number of satellites that exist on the path from the start point of traffic to the end point.
  • Equation 2 The importance of traffic between source i and destination j is expressed in matrix H.
  • the objective function can be obtained as a weighted sum with matrix H applied as a weight for each score M. Previously, there were cases where importance proportional to population was applied as a weight.
  • An example of the objective function ⁇ is shown in Equation 2.
  • Figure 5 is a graph showing the relationship between the average number of network hops and the stretch average.
  • the network structure using motifs is composed of a smaller average number of hops than the conventional lattice structure and results in a higher average stretch.
  • the motif refers to a repetitive satellite network topology consisting of two ISLs.
  • An example of a motif is shown in Figure 6.
  • the motif solution corresponds to a solution in which all satellites have the same local view. Therefore, if only the local topology of one satellite is determined, the local topology can be applied to each satellite present in the entire satellite constellation.
  • the number of satellites with which one satellite can communicate is limited by the maximum distance of the link. Therefore, the solution sought may be limited to the problem of selecting two satellites from among the satellites in communication range. Through this, the search space can be reduced.
  • solutions for network topology construction can also be derived using integer linear programming (ILP) without restrictions.
  • ILP integer linear programming
  • a 54% better score function gain is obtained compared to the lattice topology structure.
  • a 45% better gain can be obtained compared to the lattice topology structure. Therefore, constructing a network topology using ILP without restrictions may be more advantageous than using motifs.
  • this calculation time can be shortened, and a network topology with better performance than existing ones can be constructed in the practical range.
  • a quantum computer for example, the D-Wave series of D-Wave Systems, Inc., among conventionally disclosed quantum computers, may be used.
  • the method and device for configuring a low-orbit satellite network proposed in the present invention include network topology design using a quantum computer.
  • Network topology design according to an embodiment of the present invention may include an operation to find a solution that optimizes an existing objective function.
  • the defined network design problem is transformed into QUBO, a type of problem that can be solved by a quantum computer.
  • the derived solution is applied to the ISL network design of the LEO constellation.
  • starting-terminal city data transmission is considered in optimization.
  • shortest path routing was used, but according to the network configuration method and device of the present invention, routing is designed simultaneously during the network design establishment process, making it possible to obtain improved results compared to the existing method. there is.
  • characters after ' ⁇ ' refer to superscripts, and characters after '_' refer to subscripts.
  • 'x ⁇ y' replaces 'x y '
  • 'x_y' means 'x y '
  • 'x_y ⁇ z' is ' ' means.
  • Figure 8 shows the process in which data traffic is transmitted from the starting point S to the ending point T.
  • s refers to the starting point
  • t refers to the ending point.
  • the start and end points are located on the ground and can be determined by the location of the user terminal device that generated the traffic.
  • the satellite closest to the starting point S is referred to as a
  • the satellite closest to the ending point T is referred to as b.
  • a may be expressed as the first satellite
  • b may be expressed as the second satellite.
  • d ⁇ st means the physical distance between S and T on the ground.
  • d_ab refers to the physical distance of the data path passing through the satellite constellation.
  • x_ab ⁇ st is a binary variable that indicates whether traffic passes through the link between satellites a and b when traffic is directed from start point s to end point t. Therefore, the value of x_ab ⁇ st belongs to the set consisting of 0 and 1.
  • x_ab ⁇ st may be expressed as a first binary variable.
  • Equation 3 The score obtained with reference to FIG. 8 and Equation 1 is the same as Equation 3.
  • Equation 4 The objective function ⁇ derived by referring to Equations 2 and 3 is the same as Equation 4.
  • Equation 4 is the basic quadratic form of the objective function. In order to derive a more efficient network topology design, the scale of the problem can be reduced using a heuristic.
  • combinations of s, t, a, and b that do not satisfy the conditions may be excluded from the traffic path.
  • the distance between satellites a and b must be less than the threshold.
  • the threshold may be expressed as a maximum ISL length, as shown in FIG. 9.
  • the sum of the ground distance from the starting point to the orthogonal projection of the closest of the two satellites, the distance between satellites 'a' and 'b', and the distance from the orthogonal projection of the other satellite to the end point is the ground distance between the starting point and the ending point. If it is more than n multiples of the distance, it can be assumed that traffic will not pass through that ISL.
  • n is a multiple, as the size of n increases, the search space expands, increasing the possibility of finding a more optimal solution at the expense of increasing the number of variables in the problem, and as the size of n decreases, the number of variables decreases, but the computational cost is reduced at the cost of finding an optimal solution. There is a possibility that this may be excluded.
  • n in the present invention can be set in the range of 1.5 to 2.5.
  • each satellite may be limited to having k ISL interfaces.
  • one satellite can be connected to up to four other satellites.
  • y_ab may also be expressed as a second binary variable.
  • each satellite has k links can be set through the relationship between y_ab. If the sum of all y_ab variables for each satellite a does not equal k, a penalizing term is added to the objective function.
  • a penalty term can be added to the objective function by adding the square of (the sum of y_ab - k) to the objective function, and the quadratic term between y_ab becomes the highest order term, thus satisfying quadratic optimization.
  • Equation 5 The objective function initially derived considering each condition and constraint is as shown in Equation 5.
  • the first term in Equation 5 is the basic quadratic objective function derived based on the score before reflecting the conditions and constraints according to the present invention.
  • the second term is a penalty term to reflect whether a physical link exists between satellites a and b.
  • the third term is a penalty term to reflect the condition that each satellite has 4 links.
  • the strength of the constraint can be determined using the variable P. If each term is multiplied by an arbitrary large number P and added, the optimization result will have the same value as the optimization problem with constraints. By adjusting the P value, the impact of the constraints can be adjusted when solving the problem using an actual quantum computer.
  • the objective function is determined based on the weighted sum of the optimality according to the relative distance and number of hops.
  • a low-Earth orbit satellite constellation consists of a specific number of orbits and a specific number of satellites in each orbit. Each satellite moves periodically along its orbit. Using these characteristics, information about the position of a satellite at a specific time can be predicted. Using information about the positions of satellites at a specific time, the distance between each satellite and the distance between the satellite and the ground station can be obtained. Using this, the relative path length for all combinations of s, t, a, and b can be calculated.
  • the number of network hops may correspond to the number of links for the traffic.
  • the number of links in traffic can be derived using the sum of x_ab ⁇ st for each traffic path (s, t). Therefore, the suitability score of the network for the corresponding traffic can be determined using the relative distance vector d and the 1 vector.
  • the value of the overall objective function is obtained by multiplying the determined fitness score value by the importance value (see Equations 3 and 4).
  • Equation 6 is an objective function that has been changed to reflect the condition that actual data traffic must continue from the start point to the end point.
  • satellites are divided into three states for each data traffic.
  • the three states are:
  • a satellite that communicates with the ground as the starting or ending point of data traffic.
  • the start point satellite a_s is the satellite closest to the start point of data traffic
  • the end point satellite a_t is the satellite closest to the end point of data traffic. Since the start point s and end point t are located on the ground, they are distinct from the start and end points of data traffic.
  • the value of 'sum of x_ab ⁇ st for different b' must be different, and has values of 1, 2, and 0, respectively, depending on the characteristics of the data flow.
  • Equation 6 reflects the objective function derived through Equation 5
  • the second term is for satellites that are neither the starting point nor the ending point and no data traffic passes through
  • the third term is the start of data traffic.
  • the end satellite is a term for the satellite communicating with the ground
  • the fourth term is not a starting or ending point, but a term for the satellite through which the data traffic communicates.
  • the condition that data traffic must continue from the starting point to the ending point can be included in the formula of the objective function. . Therefore, for satellite a, for the starting point satellite and the ending point satellite s’, t’, the square term of ((x_ab ⁇ s't'sum) - 1) is included in the objective function. If it is not a start or end satellite, the square term of ((sum of b of x_ab ⁇ st) - 2 * z_a ⁇ st)) is included in the objective function. Through this, whether satellite a belongs to the traffic path (s, t) is included as a constraint in the form of a penalty, and an unconstrained binary quadratic optimization problem can be created.
  • Equation 7 The objective function finally derived by considering each condition and constraint is as shown in Equation 7.
  • Equation 7 is an unconstrained binary quadratic optimization problem (QUBO problem) for three variables: x_ab ⁇ st, y_ab, and z_a ⁇ st.
  • the first term in Equation 7 reflects the objective function derived through Equation 5.
  • the second term in Equation 7 is a penalty term applied to the start and end point satellites to reflect the condition that actual data traffic must continue from the start point to the end point.
  • the third term in Equation 7 is a penalty term applied to satellites other than the start and end point satellites to reflect the condition that actual data traffic must continue from the start point to the end point.
  • the fourth term in Equation 7 is a penalty term to reflect whether satellite a is located on the traffic path.
  • the first criterion is the relative distance, which is the physical distance of the data path passing through the satellite constellation divided by the ground distance of the start and end points. The closer it is to 1, the more optimized the path can be considered.
  • the second criterion is how many satellites the data path passes through. This means the number of network hops. The smaller the number of network hops, the more optimized the value can be.
  • the suitability of the network design for single data traffic is obtained by the weighted sum of the two reference values.
  • the objective function is the weighted sum of each fitness value for the entire given data traffic, weighted according to the importance of the traffic.
  • Figure 14 shows an example of actual code for obtaining a solution by entering the QUBO problem into a quantum computer.
  • the process of obtaining a solution by inputting the QUBO problem into a quantum computer may roughly include the following three steps.
  • the QUBO problem corresponds to the objective function described previously and may include Equation 5 and Equation 7.
  • the QUBO problem can be converted to matrix form.
  • the quadratic terms of different variables x_i, x_j are multiplied by 0.5 and added to Q_i,j, Q_j,i, and the quadratic or linear terms (x_i, x_i ⁇ 2) of the same variable are added directly to Q_i,i.
  • the expression can be converted to a matrix.
  • y_ab The resulting values for variables x_ab ⁇ st, y_ab, and z_a ⁇ st are derived in binary form. Using the derived y_ab value, it is possible to know which satellites a link must be established to establish a satellite network that optimizes the target standard.
  • Figures 15 and 16 show examples of establishing inter-satellite links based on y_ab.
  • a y_ab value of 1 means that a link exists between satellites a and b
  • a y_ab value of 0 means that a link does not exist between satellites a and b.
  • the value y_1,2 is 0, so there is no link between satellites 1 and 2.
  • the y_1,3 value is 1, a link exists between satellites 1 and 3.
  • the inter-satellite link can be configured as shown in the example of FIG. 16.
  • low-Earth orbit satellite networks may be connected to terrestrial communications networks.
  • the terrestrial communication network may use wired communication methods such as Ethernet, xDSL (ADSL, VDSL), HFC (Hybrid Fiber Coaxial Cable), FTTC (Fiber to The Curb), and FTTH (Fiber To The Home).
  • WLAN Wireless LAN
  • Wi-Fi Wibro
  • Wimax Wimax
  • HSDPA High Speed Downlink Packet Access
  • LTE Long Term Evolution
  • LTE-A Long Term Evolution Advanced
  • wireless communication methods such as NR (New RAT) can also be used.
  • this communication network includes, for example, a plurality of access networks (not shown) and a core network (not shown), and may be configured to include an external network, such as an Internet network (not shown).
  • the access network is an access network that performs wired and wireless communication with user terminal devices, for example, a number of base stations such as BS (Base Station), BTS (Base Transceiver Station), NodeB, eNodeB, gNodeB, and BSC. It can be implemented with a base station controller such as (Base Station Controller) or RNC (Radio Network Controller).
  • the core network (not shown) that constitutes the mobile network together with the access network (not shown) serves to connect the access network (not shown) with an external network, such as an Internet network (not shown).
  • This core network is a network system that performs major functions for mobile communication services, such as mobility control and switching between access networks (not shown), and performs circuit switching or packet switching. and manages and controls packet flow within the mobile network.
  • the core network manages mobility between frequencies and plays a role in linking traffic within the access network (not shown) and the core network (not shown) with other networks, such as the Internet network (not shown). It may be possible.
  • This core network further includes Serving GateWay (SGW), PDN GateWay (PGW), Mobile Switching Center (MSC), Home Location Register (HLR), Mobile Mobility Entity (MME), and Home Subscriber Server (HSS). It may be configured to include.
  • SGW Serving GateWay
  • PGW PDN GateWay
  • MSC Mobile Switching Center
  • HLR Home Location Register
  • MME Mobile Mobility Entity
  • HSS Home Subscriber Server
  • the Internet network refers to a typical open communication network, that is, a public network, in which information is exchanged according to the TCP/IP protocol.
  • the memory mounted on each device of the present invention stores information within the device.
  • the memory is a computer-readable medium.
  • the memory may be a volatile memory unit, and in another implementation, the memory may be a non-volatile memory unit.
  • the storage device is a computer-readable medium.
  • the storage device may include, for example, a hard disk device, an optical disk device, or some other mass storage device.
  • implementations of the functional operations and subject matter described herein may be implemented in other types of digital electronic circuits, or may be implemented in the structures disclosed herein and their structural equivalents. It may be implemented as computer software, firmware, or hardware, or as a combination of one or more of these. Implementations of the subject matter described herein may relate to one or more computer program products, that is, computer program instructions encoded on a tangible program storage medium for controlling the operation of or execution by a device according to the invention. It can be implemented as the above modules.
  • the computer-readable medium may be a machine-readable storage device, a machine-readable storage substrate, a memory device, a composition of matter that affects a machine-readable radio wave signal, or a combination of one or more of these.
  • various information generated when executing the low-orbit satellite network configuration method of the present invention may be stored and accessed in any computer-readable medium related to the computing system.
  • some of these program modules and some of the associated program data may be included in an operating system, application program, program module, and/or program data for storage in system memory.
  • program modules and related program data may be stored in the mass storage device.
  • program modules or portions thereof related to the present invention may be stored in a remote computer system connected through a network interface or a modem of the input/output interface. Execution of these modules can be performed in a distributed environment.
  • the present invention relates to a method and device for configuring a low-orbit satellite network. More specifically, a low-orbit satellite network can be constructed by deriving a solution to the QUBO problem using a quantum computer, thereby creating a more efficient satellite network than the existing one. .
  • the present invention can contribute to the development of related industries by providing a method and device for configuring a low-orbit satellite network, and has industrial applicability because it not only has sufficient marketability or commercial potential, but also can be clearly implemented in reality.

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Abstract

본 명세서의 일 실시예에 따른 저궤도 위성 네트워크 구성 방법은, 문제를 설정하고, 상기 QUBO 문제의 솔루션을 양자 컴퓨터를 통해 도출하며, 상기 솔루션에 기반하여 위성 네트워크를 구성하는 것을 포함한다.

Description

저궤도 위성 네트워크 구성 방법 및 장치
본 발명은 저궤도 위성 네트워크 구성 방법 및 장치에 관한 것이다. 구체적으로, 저궤도 위성군의 인공위성 간 링크 (Inter Satellite Link; ISL) 네트워크 위상배치를 최적화하기 위해, 문제를 모델링하여 저궤도 위성 네트워크를 구성하는 방법 및 장치에 관한 것이다. 자세하게는 제약 조건이 존재하는 네트워크 디자인 문제를, 양자 컴퓨터로 풀 수 있는 형태의 문제인 비제약 이진 이차 계획법 (Quadratic Unconstrained Binary Optimization; QUBO) 으로 모델링하고, 모델링의 결과값을 이용하여 저궤도 인공위성군 네트워크 디자인에 활용하여 네트워크를 구성하는 방법 및 장치에 관한 것이다.
열권을 통한 저궤도 인공위성 통신은 광속에 가까운 속도로 이루어진다. 저궤도 인공위성 통신을 이용해 대륙간 통신을 수행하면, 기존의 해저 광케이블 등 섬유(fiber)을 이용한 통신(~2/3 c)에 비해 더욱 빠른 속도로 통신을 할 수 있다. 빠른 속도로 통신을 수행할 수 있는 이유는, 위성이 지상에서 가까운 낮은 궤도에서 움직이므로, 위성과 지상 간 전파 왕복 시간이 짧아 손실이 적기 때문이다.
이러한 특성을 이용하기 위하여, 스페이스 X (Space X) 사(社)의 스타링크(Starlink), 아마존(Amazon) 사의 카이퍼(Kuiper), 원웹(OneWeb) 사의 원웹 등 다양한 저궤도 위성군 구축 프로젝트가 진행되고 있다.
저궤도 위성군의 네트워크 토폴로지(topology) 디자인의 경우, 일반적으로 격자 구조가 사용되고 있다. 격자 구조는 네트워크 트래픽이나 데이터 경로상의 홉(hop) 개수 최적화 등이 고려되지 않은 형태의 네트워크 구조이다.
이러한 문제를 조명하고자, 지상경로에 대한 위성 데이터 경로의 상대 거리를 최소화 하며 동시에 경유하는 노드의 개수를 최소화하는 방향의 네트워크 토폴로지 디자인에 대한 연구가 진행되었다. (Bhattacherjee, Debopam, and Ankit Singla. ＂Network topology design at 27,000 km/hour.＂　Proceedings of the 15th International Conference on Emerging Networking Experiments And Technologies. 2019).
하지만 해당 연구를 통해 도출된 문제의 규모는 기존의 컴퓨터로는 풀 수 없는 규모였다. 이로 인해 모든 인공위성이 동일한 형태의 네트워크 링크 구조를 가지고 있는 제한된 경우의 네트워크 토폴로지만 탐색되었고, 더욱 최적화된 형태의 디자인을 제안할 필요성이 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, 기존의 네트워크 디자인 문제를 양자컴퓨터로 풀 수 있는 비제약 이진 이차 계획법의 형태로 모델링 하고 양자컴퓨터로 해당 최적화 문제를 풀어 최종적으로 데이터 경로의 상대거리와 경유하는 홉의 개수를 최적화 하는 저궤도 위성군의 인공위성간 링크 네트워크 토폴로지를 디자인 하는데 있다.
저궤도 인공위성군은 물리적으로 두가지 제한조건을 가진다. 첫번째로는 열권에서의 통신을 전제하며 지구를 중심으로 하는 궤도를 돌고 있으므로 일정 범위 내의 인공위성들 사이에서만 연결이 될 수 있다. 두번째로는 통신 인터페이스의 가격적, 무게적 한계로 인하여 하나의 인공위성에 제한된 개수의 통신 인터페이스만을 가질 수 있다. (Space X의 Starlink 경우, ISL을 위한 인터페이스는 4개로 제시 되어있다). 따라서 네트워크의 구조는 각 노드가 특정 개수의 링크를 가지며 각 링크의 거리는 물리적인 최대거리 보다 작은 형태의 특수한 네트워크가 형성된다.
본 발명은 문제를 비제약 이진 이차 계획법으로 변환하여 양자컴퓨터를 이용할 수 있게 함으로써 이러한 특수한 제한 조건을 만족하는 네트워크의 구조 중에서 특정 데이터 트래픽에 대해 데이터 경로의 상대거리와 경유하는 홉 개수를 동시에 최적화 하는 네트워크 토폴로지 구조를 디자인 하도록 한다.
본 발명의 기술적 과제는 상술된 기술적 과제에 제한되지 않으며, 다른 기술적 과제들이 본 발명의 실시예로부터 유추될 수 있다.
본 발명은 무선 통신 시스템에서의 네트워크 구성 방법 및 장치를 제공한다.
본 발명의 일 양태로서, 저궤도 위성 네트워크의 구성 방법에 있어서, QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization) 문제를 설정하는 단계; 상기 QUBO 문제의 솔루션(solution)을 양자 컴퓨터를 통해 도출하는 단계; 및 상기 솔루션에 기반하여 위성 네트워크를 구성하는 단계; 를 포함하며, 상기 QUBO 문제는, 데이터 트래픽(traffic)이 제1 인공위성과 제2 인공위성 사이의 링크(link)를 통과하는지 여부에 대한 제1 이진 변수, 상기 제1 인공위성과 상기 제2 인공위성 사이에 ISL (inter-satellite link)이 존재하는지 여부에 대한 제2 이진 변수, 상기 데이터 트래픽이 상기 제1 인공위성을 경유하는지 여부에 대한 제3 이진 변수를 포함하여 설정되고, 상기 솔루션은, 상기 제2 이진 변수의 값을 포함하며, 상기 제1 인공위성은 상기 데이터 트래픽의 시작점으로부터 상기 제2 인공위성보다 가까운 인공위성이고, 상기 제2 인공위성은 상기 데이터 트래픽의 끝점으로부터 상기 제1 인공위성보다 가까운 인공위성인, 네트워크 구성 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 일 양태로서, 저궤도 위성 네트워크를 구성하기 위한 장치에 있어서, 적어도 하나의 프로세서; 및 상기 적어도 하나의 프로세서에 동작 가능하도록 연결되고, 실행될 경우 상기 적어도 하나의 프로세서가 특정 동작을 수행하도록 하는 명령들(instructions)을 저장하는 적어도 하나의 메모리; 를 포함하고, 상기 특정 동작은: QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization) 문제를 설정하는 단계; 상기 QUBO 문제의 솔루션(solution)을 양자 컴퓨터를 통해 도출하는 단계; 및 상기 솔루션에 기반하여 위성 네트워크를 구성하는 단계; 를 포함하며, 상기 QUBO 문제는, 데이터 트래픽(traffic)이 제1 인공위성과 제2 인공위성 사이의 링크(link)를 통과하는지 여부에 대한 제1 이진 변수, 상기 제1 인공위성과 상기 제2 인공위성 사이에 ISL (inter-satellite link)이 존재하는지 여부에 대한 제2 이진 변수, 상기 데이터 트래픽이 상기 제1 인공위성을 경유하는지 여부에 대한 제3 이진 변수를 포함하여 설정되고, 상기 솔루션은, 상기 제2 이진 변수의 값을 포함하며, 상기 제1 인공위성은 상기 데이터 트래픽의 시작점으로부터 상기 제2 인공위성보다 가까운 인공위성이고, 상기 제2 인공위성은 상기 데이터 트래픽의 끝점으로부터 상기 제1 인공위성보다 가까운 인공위성인, 네크워크 구성 장치가 제공된다.
본 발명의 다른 일 양태로서, 적어도 하나의 프로세서가 동작을 수행하도록 하는 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독가능한 비휘발성 저장 매체로서, 상기 동작은: QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization) 문제를 설정하는 단계; 상기 QUBO 문제의 솔루션(solution)을 양자 컴퓨터를 통해 도출하는 단계; 및 상기 솔루션에 기반하여 위성 네트워크를 구성하는 단계; 를 포함하며, 상기 QUBO 문제는, 데이터 트래픽(traffic)이 제1 인공위성과 제2 인공위성 사이의 링크(link)를 통과하는지 여부에 대한 제1 이진 변수, 상기 제1 인공위성과 상기 제2 인공위성 사이에 ISL (inter-satellite link)이 존재하는지 여부에 대한 제2 이진 변수, 상기 데이터 트래픽이 상기 제1 인공위성을 경유하는지 여부에 대한 제3 이진 변수를 포함하여 설정되고, 상기 솔루션은, 상기 제2 이진 변수의 값을 포함하며, 상기 제1 인공위성은 상기 데이터 트래픽의 시작점으로부터 상기 제2 인공위성보다 가까운 인공위성이고, 상기 제2 인공위성은 상기 데이터 트래픽의 끝점으로부터 상기 제1 인공위성보다 가까운 인공위성인, 저장 매체가 제공된다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 솔루션은, 상기 제1 이진 변수 및 상기 제3 이진 변수의 값을 더 포함할 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 제1 이진 변수는, 상기 제1 인공위성, 상기 제2 인공위성, 상기 데이터 트래픽의 시작점 및 상기 데이터 트래픽의 끝점에 기반하여 설정될 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 제1 이진 변수는, 상기 제1 인공위성과 상기 제2 인공위성 사이의 거리가 임계값 이하임에 기반하여 설정될 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 제1 이진 변수는, (i) 상기 데이터 트래픽의 시작점으로부터 상기 제1 인공위성의 지상 정사영까지의 지상거리, (ii) 상기 제1 인공위성과 상기 제2 인공위성 사이의 거리, 및 (iii) 상기 제2 인공위성의 지상 정사영으로부터 상기 데이터 트래픽의 끝점까지의 지상거리의 합이, 상기 데이터 트래픽의 시작점으로부터 상기 데이터 트래픽의 끝점까지의 지상거리의 특정 배수 이하임에 기반하여 설정될 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 특정 배수는, 2.5배일 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 데이터 트래픽, 상기 제1 인공위성 및 상기 제2 인공위성에 대해, 상기 제1 이진 변수의 값은 상기 제2 이진 변수의 값 이하일 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 QUBO 문제는, 상기 제1 이진 변수의 값이 상기 제2 이진 변수의 값 이하임에 기반하여, 상기 제1 변수로부터 상기 제2 변수 및 상기 제1 변수의 곱을 뺀 항을 포함할 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 데이터 트래픽, 상기 제1 인공위성 및 상기 제2 인공위성에 대해, 상기 제1 이진 변수의 값은 상기 제3 이진 변수의 값 이하일 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 QUBO 문제는, 상기 제1 이진 변수의 값이 상기 제3 이진 변수의 값 이하임에 기반하여, 상기 제1 변수로부터 상기 제3 변수 및 상기 제1 변수의 곱을 뺀 항을 포함할 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 QUBO 문제는, 상기 제1 인공위성 및 상기 제2 인공위성을 포함하는 복수의 인공위성들의 궤도 정보에 기반하여 설정될 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 궤도 정보에 기반하여, 상기 네트워트에 포함된 모든 데이터 트래픽의 시작점들, 모든 데이터 트래픽의 끝점들, 모든 제1 인공위성들 및 모든 제2 인공위성의 조합에 대한 상대 경로 길이가 계산될 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 QUBO 문제는, 상기 제1 인공위성 및 상기 제2 인공위성을 포함하는 복수의 인공위성들 각각이 k개의 링크를 가짐에 기반하여 설정될 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 k는 4일 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 QUBO 문제는, 상기 복수의 인공위성들 각각이 k개의 링크를 가짐에 기반하여, 상기 제2 인공위성에 대한 상기 제2 이진 변수들의 합으로부터 상기 k를 뺀 후 제곱한 항을 포함할 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 QUBO 문제는, 상기 데이터 트래픽이 시작점부터 끝점까지 이어짐에 기반하여 설정될 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 QUBO 문제는, 상기 데이터 트래픽이 시작점부터 끝점까지 이어짐에 기반하여, 시작점 인공위성 및 끝점 인공위성을 위한 데이터 흐름 특성과, 시작점 인공위성 및 끝점 인공위성이 아닌 인공위성을 위한 데이터 흐름 특성을 고려하여 설정될 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 QUBO 문제는, 상기 시작점 인공위성 및 끝점 인공위성을 위한 데이터 흐름 특성에 기반하여, 상기 제1 이진 변수들의 b에 대한 합으로부터 1을 뺀 후 제곱한 항을 포함할 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 QUBO 문제는, 상기 시작점 인공위성 및 끝점 인공위성이 아닌 인공위성을 위한 데이터 흐름 특성에 기반하여, 상기 제1 이진 변수들의 b에 대한 합으로부터 제3 이진 변수의 2배를 뺀 후 제곱한 항을 포함할 수 있다.
상기 방법들 및 장치들에 있어서, 상기 QUBO 문제는, 각 항의 영향을 조절하기 위한 변수를 포함할 수 있다.
상기 네트워크 구성 장치는 인공위성, 네트워크 서버 등에 포함될 수 있다.
상술한 본 발명의 양태들은 본 발명의 바람직한 실시예들 중 일부에 불과하며, 본원 발명의 기술적 특징들이 반영된 다양한 실시예들이 당해 기술분야의 통상적인 지식을 가진 자에 의해 이하 상술할 본 발명의 상세한 설명을 기반으로 도출되고 이해될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 기존 방법론에 있었던 한계점 중 하나인 모든 인공위성이 같은 형태의 링크 구조를 가진다는 제약에서 벗어나 더욱 넓은 범위의 네트워크 디자인을 탐색할 수 있으므로 기존의 방식에 비해 더욱 더 효율적인 네트워크 토폴로지를 찾아낼 수 있다.
본 발명의 기술적 효과는 상술된 기술적 효과에 제한되지 않으며, 다른 기술적 효과들이 본 발명의 실시예로부터 유추될 수 있다.
도 1은, 단말이 접속 가능한 NTN의 시나리오들을 예시한다.
도 2는 시간에 따라 링크의 지연이 변화하는 예시를 나타낸다.
도 3은 시간에 따른 위성의 위치 변화와, 위치 변화에 따른 연결 특성의 변화를 나타낸다.
도 4는 종래 저궤도 위성 네크워크 구성의 일 예를 나타낸다.
도 5는 네트워크 홉 수의 평균과 스트레치 평균 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 6은 모티프의 예시를 나타낸다.
도 7은 모티프를 이용한 최종 솔루션 채택에 의해 지구상에 구성된 전체 ISL 연결의 일 예시를 나타낸다.
도 8은 데이터 트래픽이 시작점 S에서 끝점 T로 전송되는 과정을 나타낸다.
도 9는 인공위성들 간 최대 ISL 길이를 나타낸다.
도 10은 데이터 트래픽이 인공위성 a와 b 사이의 링크를 통과하기 위한 조건을 나타낸다.
도 11은 하나의 위성이 연결될 수 있는 다른 위성들의 수 제한을 나타낸다.
도 12는 각 데이터 트래픽에 대하여 인공위성이 3가지 상태로 구분되는 예시를 나타낸다.
도 13은 위성 a가 트래픽 경로에 속하는지 여부를 목적 함수에 반영하기 위한 이진 변수를 나타낸다.
도 14는 양자 컴퓨터에 QUBO 문제를 입력하여 솔루션을 획득하기 위한 실제 코드의 예시를 나타낸다.
도 15 및 이진 변수 값을 행렬 형태로 도출한 예시를 나타낸다.
도 16은 도출된 이진 변수 값에 기반하여 구성된 위성 네트워크 토폴로지 디자인의 예시를 나타낸다.
본 발명의 과제 해결 수단의 특징 및 이점을 보다 명확히 하기 위하여, 첨부된 도면에 도시된 본 발명의 특정 실시 예를 참조하여 본 발명을 더 상세하게 설명한다.
다만, 하기의 설명 및 첨부된 도면에서 본 발명의 요지를 흐릴 수 있는 공지 기능 또는 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다. 또한, 도면 전체에 걸쳐 동일한 구성 요소들은 가능한 한 동일한 도면 부호로 나타내고 있음에 유의하여야 한다.
이하의 설명 및 도면에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위한 용어의 개념으로 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 따라서 본 명세서에 기재된 실시 예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 일 실시 예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원 시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형 예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
또한, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가진 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
또한, 제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하기 위해 사용하는 것으로, 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용될 뿐, 상기 구성요소들을 한정하기 위해 사용되지 않는다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다.
또한, 본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 또한, 본 명세서에서 기술되는 "포함한다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성 요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
또한, 명세서에 기재된 "부", "기", "모듈" 등의 용어는 적어도 하나의 기능이나 동작을 처리하는 단위를 의미하며, 이는 하드웨어나 소프트웨어 또는 하드웨어 및 소프트웨어의 결합으로 구현될 수 있다. 또한, "일(a 또는 an)", "하나(one)", "그(the)" 및 유사 관련어는 본 발명을 기술하는 문맥에 있어서(특히, 이하의 청구항의 문맥에서) 본 명세서에 달리 지시되거나 문맥에 의해 분명하게 반박되지 않는 한, 단수 및 복수 모두를 포함하는 의미로 사용될 수 있다.
본 개시의 다양한 예에서, "/" 및 ","는 "및/또는"을 나타내는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, "A/B"는 "A 및/또는 B"를 의미할 수 있다. 나아가, "A, B"는 "A 및/또는 B"를 의미할 수 있다. 나아가, "A/B/C"는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 어느 하나"를 의미할 수 있다. 나아가, "A, B, C"는 "A, B 및/또는 C 중 적어도 어느 하나"를 의미할 수 있다.
본 개시의 다양한 예에서, "또는"은 "및/또는"을 나타내는 것으로 해석되어야 한다. 예를 들어, "A 또는 B"는 "오직 A", "오직 B", 및/또는 "A 및 B 모두"를 포함할 수 있다. 다시 말해, "또는"은 "부가적으로 또는 대안적으로"를 나타내는 것으로 해석되어야 한다.
상술한 용어들 이외에, 이하의 설명에서 사용되는 특정 용어들은 본 발명의 이해를 돕기 위해서 제공된 것이며, 이러한 특정 용어의 사용은 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다른 형태로 변경될 수 있다.
아울러, 본 발명의 범위 내의 실시 예들은 컴퓨터 실행가능 명령어 또는 컴퓨터 판독가능 매체에 저장된 데이터 구조를 가지거나 전달하는 컴퓨터 판독가능 매체를 포함한다. 이러한 컴퓨터 판독가능 매체는, 범용 또는 특수 목적의 컴퓨터 시스템에 의해 액세스 가능한 임의의 이용 가능한 매체일 수 있다. 예로서, 이러한 컴퓨터 판독 가능 매체는 RAM, ROM, EPROM, CD-ROM 또는 기타 광 디스크 저장장치, 자기 디스크 저장장치 또는 기타 자기 저장장치, 또는 컴퓨터 실행가능 명령어, 컴퓨터 판독가능 명령어 또는 데이터 구조의 형태로 된 소정의 프로그램 코드 수단을 저장하거나 전달하는 데에 이용될 수 있고, 범용 또는 특수 목적 컴퓨터 시스템에 의해 액세스 될 수 있는 임의의 기타 매체와 같은 물리적 저장 매체를 포함할 수 있지만, 이에 한정되지 않는다.
아울러, 본 발명은 퍼스널 컴퓨터, 랩탑 컴퓨터, 핸드헬드 장치, 멀티프로세서 시스템, 마이크로프로세서-기반 또는 프로그램 가능한 가전제품(programmable consumer electronics), 네트워크 PC, 미니컴퓨터, 메인프레임 컴퓨터, 모바일 전화, PDA, 페이저(pager) 등을 포함하는 다양한 유형의 컴퓨터 시스템 구성을 가지는 네트워크 컴퓨팅 환경에서 실시될 수 있다. 본 발명은 또한 네트워크를 통해 유선 데이터 링크, 무선 데이터 링크, 또는 유선 및 무선 데이터 링크의 조합으로 링크된 로컬 및 원격 컴퓨터 시스템 모두가 태스크를 수행하는 분산형 시스템 환경에서 실행될 수 있다. 분산형 시스템 환경에서, 프로그램 모듈은 로컬 및 원격 메모리 저장 장치에 위치될 수 있다.
또한, 처리 흐름도 도면들의 각 블록과 흐름도 도면들의 조합들은 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들에 의해 수행될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 범용 컴퓨터, 특수용 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서에 탑재될 수 있으므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비의 프로세서를 통해 수행되는 그 인스트럭션들이 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 수행하는 수단을 생성하게 된다. 이들 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 특정 방식으로 기능을 구현하기 위해 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 지향할 수 있는 컴퓨터 이용 가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장되는 것도 가능하므로, 그 컴퓨터 이용가능 또는 컴퓨터 판독 가능 메모리에 저장된 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능을 수행하는 인스트럭션 수단을 내포하는 제조 품목을 생산하는 것도 가능하다. 컴퓨터 프로그램 인스트럭션들은 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에 탑재되는 것도 가능하므로, 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비 상에서 일련의 동작 단계들이 수행되어 컴퓨터로 실행되는 프로세스를 생성해서 컴퓨터 또는 기타 프로그램 가능한 데이터 프로세싱 장비를 수행하는 인스트럭션들은 흐름도 블록(들)에서 설명된 기능들을 실행하기 위한 단계들을 제공하는 것도 가능하다.
또한, 각 블록은 특정된 논리적 기능(들)을 실행하기 위한 하나 이상의 실행 가능한 인스트럭션들을 포함하는 모듈, 세그먼트 또는 코드의 일부를 나타낼 수 있다. 또, 몇 가지 대체 실행 예들에서는 블록들에서 언급된 기능들이 순서를 벗어나서 발생하는 것도 가능함을 주목해야 한다. 예컨대, 잇달아 도시되어 있는 두 개의 블록들은 사실 실질적으로 동시에 수행되는 것도 가능하고 또는 그 블록들이 때때로 해당하는 기능에 따라 역순으로 수행되는 것도 가능하다.
본 개시의 실시예들을 구체적으로 설명함에 있어서, 특정 시스템의 예를 주된 대상으로 할 것이지만, 본 명세서에서 청구하고자 하는 주요한 요지는 유사한 기술적 배경을 가지는 여타의 통신 시스템 및 서비스에도 본 명세서에 개시된 범위를 크게 벗어나지 아니하는 범위에서 적용 가능하며, 이는 당해 기술분야에서 숙련된 기술적 지식을 가진 자의 판단으로 가능할 것이다.
이하는 최근 3GPP (3rd Generation Partnership Project)에서 논의되고 있는 NTN (Non-Terrestrial Network)을 지원하는 무선 통신 시스템과 관련된 내용이다. 본 발명에 따른 저궤도 위성 네트워크 구성 방법 및 장치는 NTN을 지원하는 무선 통신 시스템과 관련된 사항을 따를 수 있으나, 반드시 이에 제한되는 것은 아니다.
NTN (Non-Terrestrial Network)을 지원하는 무선 통신 시스템
NTN (비-지상 네트워크)는, 위성 또는 UAS (Unmanned Aircraft System) 플랫폼에서 무선 자원을 사용하도록 구성되는 네트워크 또는 네트워크의 세그먼트(segment)를 의미한다.
더 넓은 커버리지를 확보하거나, 무선 통신 기지국 설치가 용이하지 않은 장소에 무선 통신 서비스를 하기 위해, NR NTN (non-terrestrial network) 혹은 LTE NTN 서비스의 사용이 고려되고 있다. 기존 TN (terrestrial network) 서비스인 NR, LTE 서비스 등은 해당 기지국을 지상에 설치하여 단말들에게 무선 통신 서비스를 제공 했다면, NTN 서비스는 기지국을 지상에 설치하는 대신, 인공위성 (정지궤도, 저궤도, 중궤도 등등), 비행기, 무인비행선, 드론 등등의 지상에 위치하지 않는 곳에 설치하여 단말들에게 무선 통신 서비스를 제공하는 것을 말한다.
도 1은, 단말이 접속 가능한 NTN의 시나리오들을 예시한다. 도 1(a)는 트랜스패런트 페이로드(transparent payload)에 기반한 NTN 시나리오를 예시하며, 도 1(b)는 리제너레이티브 페이로드(regenerative payload)에 기반한 NTN 시나리오를 예시한다.
NTN은 일반적으로 다음 요소들을 특징으로 한다.
- 공용 데이터 네트워크에 NTN을 연결하기 위한 하나 이상의 sat-gateway:
GEO (Geostationary Earth Orbiting) 위성은, 위성에 의해 타겟팅된 커버리지(e.g. regional or even continental coverage)에 배치되는 하나 이상의 sat-gateway에 의해 공급된다. 셀 내의 단말은 오직 하나의 sat-gateway에 의해 서빙(serving)됨이 가정됨;
비-GEO 위성은 하나 이상의 gat-gateway에 의해 연속적으로(successively) 서빙된다. 시스템은 모빌리티 앵커링(mobility anchoring) 및 핸드오버(handover)를 진행하기에 충분한 시간 구간 동안, 서빙 sat-gateway들 간의 서비스 및 피더 링크(feeder link) 연속성을 보장함.
- sat-gateway 및 위성 (또는 UAS 플랫폼) 간의 피더 링크 또는 무선 링크
- 단말과 위성 (또는 UAS 플랫폼) 간의 서비스 링크 또는 무선 링크
- 트랜스패런트 또는 리제너레이티브(온보드 프로세싱을 포함하는) 페이로드 중 하나를 구현할 수 있는 위성(또는 UAS 플랫폼). 위성(또는 UAS 플랫폼) 생성 빔들은, 일반적으로 위성(또는 UAS 플랫폼)의 시야에 의해 경계가 지정된 서비스 영역에서 복수의 빔들을 생성한다. 빔의 수신 범위(footprint)는 일반적으로 타원형이다. 위성(또는 UAS 플랫폼)의 시야는 탑재된 안테나 다이어그램과 최소 고도각에 따라 결정된다.
트랜스패런트 페이로드: 무선 주파수 필터링, 주파수 변환 및 증폭. 따라서 페이로드에 의해 반복되는 파형 신호는 변경되지 않습니다.
리제너레이티브 페이로드: 무선 주파수 필터링, 주파수 변환 및 증폭은 물론 복조/디코딩, 스위칭 및/또는 라우팅, 코딩/변조. 이는 위성(또는 UAS 플랫폼)에서 기지국 기능(예 : gNB)의 전부 또는 일부를 갖는 것과 실질적으로 동일하다.
- 위성 집단의 경우 ISL (Inter-satellite links). 이를 위해서는 위성에 재생성 페이로드가 요구된다. ISL은 RF 주파수 또는 광 대역에서 동작할 수 있다.
- 단말은 타겟 서비스 지역 내에서 위성(또는 UAS 플랫폼)에 의해 서비스된다.
표 1은, 위성(또는 UAS 플랫폼)의 타입들을 예시한다.
Figure OP23797WOZZ-appb-img-000001
일반적으로
·GEO 위성 및 UAS는 대륙(continental), 광역(regional) 또는 로컬(local) 서비스를 제공하는 데 사용된다
·LEO (Low Earth Orbiting) 및 MEO (Medium Earth Orbiting) 집합은 북반구와 남반구 모두에서 서비스를 제공하는 데 사용된다. 어떤 경우에는 별자리가 극지방을 포함하여 글로벌 커버리지를 제공 할 수도 있다. 나중을 위해서는 적절한 궤도 경사, 생성된 충분한 빔 및 위성 간 링크가 필요하다.
HEO (Highly Elliptical Orbiting) 위성 시스템도 고려될 수 있다.
이하에서는, 다음 6가지 참조 시나리오를 포함하는 NTN에서의 무선 통신 시스템에 대해 설명한다.
·원형 궤도 및 명목 스테이션 유지 플랫폼
·가장 높은 RTD (Round Trip Delay) 제약
·가장 높은 도플러 제약
·트랜스패런트 또는 리제너레이티브 페이로드
·ISL 케이스 1 개와 ISL없는 케이스 1 개. 위성 간 링크의 경우 리제너레이티브 페이로드는 필수적이다.
·지면에서 움직이는 또는 고정된 수신 범위를 초래하는 고정된(fixed) 또는 조향 가능한(steerable) 빔들.
6가지 참조 시나리오들은 표 9 및 표 10에서 고려된다.
Figure OP23797WOZZ-appb-img-000002
Scenarios GEO based non-terrestrial access network (Scenario A and B) LEO based non-terrestrial access network (Scenario C & D)
Orbit type notional station keeping position fixed in terms of elevation/azimuth with respect to a given earth point circular orbiting around the earth
Altitude 35,786 km 600 km1,200 km
Spectrum (service link) <6 GHz (e.g. 2 GHz)
>6 GHz (e.g. DL 20 GHz, UL 30 GHz)
Max channel bandwidth capability (service link) 30 MHz for band < 6 GHz1 GHz for band > 6 GHz
Payload Scenario A　: Transparent (including radio frequency function only)
Scenario B: regenerative (including all or part of RAN functions)		 Scenario C: Transparent (including radio frequency function only)
Scenario D: Regenerative (including all or part of RAN functions)
Inter-Satellite link No Scenario C: No
Scenario D: Yes/No (Both cases are possible.)
Earth-fixed beams Yes Scenario C1: Yes (steerable beams), see note 1
Scenario C2: No (the beams move with the satellite)
Scenario D1: Yes (steerable beams), see note 1
Scenario D2: No (the beams move with the satellite)
Max beam foot print size (edge to edge) regardless of the elevation angle 3500 km (Note 5) 1000 km
Min Elevation angle for both sat-gateway and user equipment 10° for service link and 10° for feeder link 10° for service link and 10° for feeder link
Max distance between satellite and user equipment at min elevation angle 40,581 km 1,932 km (600 km altitude)3,131 km (1,200 km altitude)
Max Round Trip Delay (propagation delay only) Scenario A: 541.46 ms (service and feeder links)
Scenario B: 270.73 ms (service link only)		 Scenario C: (transparent payload: service and feeder links)
25.77 ms (600km)
41.77 ms (1200km)

Scenario D: (regenerative payload: service link only)
12.89 ms (600km)
20.89 ms (1200km)
Max differential delay within a cell (Note 6) 10.3 ms 3.12 ms and 3.18 ms for respectively 600km and 1200km
Max Doppler shift (earth fixed user equipment) 0.93 ppm 24 ppm (600km)21ppm(1200km)
Max Doppler shift variation (earth fixed user equipment) 0.000 045 ppm/s 0.27ppm/s (600km)0.13ppm/s(1200km)
User equipment motion on the earth 1200 km/h (e.g. aircraft) 500 km/h (e.g. high speed train)Possibly 1200 km/h (e.g. aircraft)
User equipment antenna types Omnidirectional antenna (linear polarisation), assuming 0 dBi
Directive antenna (up to 60 cm equivalent aperture diameter in circular polarisation)
User equipment Tx power Omnidirectional antenna: UE power class 3 with up to 200 mWDirective antenna: up to 20 W
User equipment Noise figure Omnidirectional antenna: 7 dB
Directive antenna: 1.2 dB
Service link 3GPP defined New Radio
Feeder link 3GPP or non-3GPP defined Radio interface 3GPP or non-3GPP defined Radio interface
참고 1 : 각 위성은 빔포밍 기술을 사용하여 지구상의 고정된 지점으로 빔을 조향할 수 있다. 이는 위성의 가시성 시간(visibility)에 해당하는 시간 동안 적용된다.
참고 2 : 빔(지상에 고정된 단말) 내의 최대 지연 변화(max delay variation)는 게이트웨이 및 단말 모두에 대한 최소 고도각(Min Elevation angle)를 기반으로 계산된다.
참고 3 : 빔 내 최대 차동 지연은 최하점 (at nadir)에서 최대 빔 수신 범위의 직경을 기준으로 계산된다.
참고 4 : 지연 계산에 사용되는 빛의 속도는 299792458 m/s이다.
참고 5 : GEO의 최대 빔 수신 범위의 크기는, 커버리지 가장자리(낮은 고도)에 스폿 빔(spot 빔)이 있다고 가정하여, 현재 상태(state)의 GEO High Throughput 시스템 기술을 기반으로 결정된다.
참고 6 : 셀 수준에서 최대 차동 지연은 가장 큰 빔 크기에 대한 빔 수준의 지연을 고려하여 계산된다. 빔 크기가 작거나 중간 크기 일 때 셀이 둘 이상의 빔을 포함할 수 있다. 그러나 셀 내의 모든 빔의 누적 차동 지연은, 표 10의 셀 수준에서는 최대 차동 지연을 초과하지 않는다.
본 명세서의 NTN 관련 설명은, NTN GEO 시나리오 및 고도가 600km 이상인 원형 궤도를 가진 모든 NGSO (non-geostationary orbit) 시나리오에 적용될 수 있다.
특히, NTN 관련 설명 중 LEO 기반 네트워크와 관련된 사항이 본 발명의 시나리오에 적용될 수 있다.
그러면 이제, 본 발명의 실시 예에 따른 저궤도 위성 네트워크 구성 방법 및 장치에 대하여 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.
저궤도 위성 네트워크는 다양한 연결 타입(link type)을 포함할 수 있다. 예를 들어, 저궤도 위성 네트워크는 인공위성 간 링크 (Inter Satellite link, ISL), 지상 및 위성 간 링크 (Ground-to-Satellite Links, GSL), 영역 링크 (territorial link)를 포함한다.
또한, 저궤도 위성 네트워크는 고속 이동성(high mobility)을 가진다. ISL의 경우 시간에 따라 링크의 지연 및 대역폭이 변화한다. 예를 들어, RTT (Round Trip Time)는 5ms 범위 내에서 흐트러짐(jitter)이 발생할 수 있다. 도 2는 시간에 따라 링크의 지연이 변화하는 예시를 나타낸다. 도 3은 시간에 따른 위성의 위치 변화와, 위치 변화에 따른 연결 특성의 변화를 나타낸다.
또한, 저궤도 위성 네트워크에 포함된 위성들은 정해진 궤도를 따라 움직이므로, 특정 시간에 특정 위성이 어디에 위치할지에 대한 예측이 가능하다.
도 4는 종래 저궤도 위성 네크워크 구성의 일 예를 나타낸다.
앞서 설명된 바와 같이, 본 발명에서는 위성 네트워크 (Satellite Network, SN)를 통한 저지연 통신 (low latency commnication)을 달성하기 위해, 최적화된 ISL 토폴로지를 구성하고자 한다.
도 4를 참조하면, 종래 위성 네트워크 컨스텔레이션(constellation)의 ISL 토폴로지에서, 하나의 위성은 같은 궤도의 위성 2개 및 인접한 양 옆 궤도의 위성 2개와 연결되어 격자(grid) 구조를 구성한다.
도 4와 같이 하나의 위성이 인접한 4개의 위성과 연결되면, 위성 간 경로의 스트레치(stretch, 지상거리 대비 인공위성 거리)는 높아진다. 다만, 전송되는 데이터는 많은 수의 네트워크 홉을 거쳐야 하며, 이로 인해 네트워크 오버헤드(overhead)가 증가될 수 있다.
본 발명에서는, 오버헤드 감소를 위해 네트워크 홉을 고려하여 ISL 네트워크 토폴로지를 구성하는 방법을 제안한다. 네트워크 구성을 위한 제약(Constraint)으로, 하나의 인공위성은 최대 4개의 ISL 연결이 가능할 수 있다. 또한, 열권에서의 통신을 가정하면, 하나의 인공위성은 약 5000 km 범위의 다른 인공위성과 통신이 가능할 수 있다.
본 발명에서 네트워크 토폴로지 최적화 목적과 관련된 사항은 다음과 같다.
- 네트워크 홉 개수와 라우팅 경로(routing path)의 스트레치를 동시에 고려한 목적 함수(objective function)를 설정한다. 둘 사이의 중요도는 알파 하이퍼파라미터(alpha hyperparameter)를 이용하여 조정된다.
- 주어진 네트워크 토폴로지가 각 트래픽(traffic)에 대해 얼마나 적합한지에 대한 스코어(score, 이하 M으로 표시될 수 있다.)가 계산된다. 트래픽의 시작점과 끝점의 지상거리 대비 인공위성 경로의 상대거리는 S (stretch)로 표현된다. 트래픽의 시작점부터 끝점까지의 경로에 존재하는 인공위성 개수는 B (number of network hops)로 표현된다. 스코어를 구하는 예시는 수식 1과 같다.
[수식 1]
Figure OP23797WOZZ-appb-img-000003
- 소스(source) i, 데스티네이션(destination) j 사이의 트래픽 중요도는 행렬(matrix) H 표현된다. 목적 함수는 각 스코어 M에 대해 행렬 H가 가중치로 적용된 가중 합계로 구해질 수 있다. 이전에는, 인구 수에 비례한 중요도가 가중치로 적용된 경우가 있다. 목적 함수 Φ의 예시는 수식 2와 같다.
[수식 2]
Figure OP23797WOZZ-appb-img-000004
도 5는 네트워크 홉 수의 평균과 스트레치 평균 간의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 5를 참조하면, 종래의 격자 구조보다, 모티프(motif)를 이용한 네트워크 구조가 보다 적은 평균 홉 수로 구성되며, 평균 스트레치가 높게 도출됨을 알 수 있다.
여기서 모티프는, 2개의 ISL로 이루어진 반복적인 위성 네트워크 토폴로지를 의미한다. 모티프의 예시는 도 6과 같다.
모티프 솔루션(solution)은, 모든 인공위성이 같은 로컬 뷰(local view)를 가지는 형태의 솔루션에 해당한다. 따라서 하나의 인공위성에서의 로컬 토폴로지만 결정되면, 해당 로컬 토폴로지가 전체 인공위성군에 존재하는 각 인공위성에 적용될 수 있다.
모티프 솔루션에서, 각 인공위성이 4개의 ISL 인터페이스(interface)를 가진다고 가정하면, 하나의 인공위성에서 선택할 수 있는 링크의 자유도는 2개가 된다.
앞서 설명된 바와 같이, 하나의 인공위성이 통신할 수 있는 인공위성의 개수는 링크의 최대거리에 의해 제한된다. 따라서 구하고자 하는 솔루션은, 통신할 수 있는 범위의 인공위성 중 2개의 인공위성을 고르는 문제에 대한 것으로 제한될 수 있다. 이를 통해 탐색 공간(search space)이 줄어들 수 있다.
네트워크 구성을 위해, 가능한 모든 모티프에 대하여 각각 목적 함수 값이 계산될 수 있다. 그리고, 도출된 값들 중 가장 최적화된 값을 가지는 모티프가 최종 솔루션으로 채택될 수 있다.
모티프를 이용한 최종 솔루션 채택에 의해 지구상에 구성된 전체 ISL 연결의 일 예시는 도 7과 같다.
다만, 기존의 정적 변형(static variant) 상황에서, 네트워크 토폴로지 디자인을 하는 문제는 비결정론적 다항시간(Non-deterministic Polynomial time, NP)-난해(hard)에 포함된다. 또한, 모티프를 이용하면, 최적화의 확장성(scalability)을 위해, ISL 토폴로지의 탐색 공간이 제한된다.
격자 구조나 모티프와는 별개로, 제한 없이 ILP (integer linear programming)를 사용하여 네트워크 토폴로지 구성을 위한 솔루션을 도출할 수도 있다. 이 경우 격자 토폴로지 구조와 비교하여 54% 나은 스코어 함수 이득(gain)이 획득된다. 모니프의 경우 격자 토폴로지 구조에 비해 45% 나은 이득을 얻을 수 있다. 따라서 제한 없이 ILP를 사용하여 네트워크 토폴로지를 구성하는 것이 모티프를 사용하는 것보다 유리할 수 있다.
다만, 제한 없이 ILP를 사용하는 것은 계산(computation) 오버헤드가 너무 크다는 문제가 있다. 실험 결과, 25개 도시 사이의 네트워크를 구성하기 위한 최적화 문제를 해결할 때, 64 코어(core) 및 500 GB 메모리를 갖춘 장비로 2일 가량이 소요되었다.
한편, 양자 컴퓨터를 이용하면 이러한 연산 시간을 단축할 수 있고, 실제 범위에서 기존보다 좋은 성능을 갖춘 네트워크 토폴로지가 구성될 수 있다. 양자 컴퓨터는, 예를 들어, 종래 공개된 양자 컴퓨터들 중 디-웨이브 시스템 사(D-Wave Systems,Inc.)의 디웨이브 시리즈가 사용될 수 있다.
이를 고려하여, 본 발명에서 제안하는 저궤도 위성 네트워크 구성 방법 및 장치는, 양자 컴퓨터를 이용한 네트워크 토폴로지 디자인을 포함한다. 본 발명의 실시예에 의한 네트워크 토폴로지 디자인은, 기존의 목적 함수를 최적화하는 솔루션을 찾는 동작을 포함할 수 있다.
양자 컴퓨터를 이용한 네트워크 토폴로지 디자인의 개요는 다음과 같다.
1. 기존의 LEO 컨스텔레이션에서, 특정 트래픽에 대한 네트워크 디자인 문제와 목적 함수가 정의된다.
2. 정의된 네트워크 디자인 문제(problem)가 양자 컴퓨터에서 풀 수 있는 형태의 문제인 QUBO로 변형된다.
3. 양자 컴퓨팅을 통해 QUBO 문제에 대한 최적 솔루션이 도출된다.
4. 도출된 솔루션이 LEO 컨스텔레이션의 ISL 네트워크 디자인으로 적용된다.
네트워크 디자인 문제가 QUBO 문제로 변형될 때, 모든 네트워크 링크는 이진 변수(binary variable)로 치환된다. 이에 따라, 탐색 공간의 제한 없이 모든 링크가 고려될 수 있다. 이 때문에, 일부 최적(sub-optimal) 솔루션에 의한 네트워크 토폴로지 디자인이 아닌, 글로벌 최적 솔루션에 가까운 네트워크 토폴로지 디자인이 수립될 수 있다.
또한, 최적화에 있어 시작 단말(starting-terminal) 도시 데이터 전송이 고려된다. 기존의 모티프의 경우에는 최단 경로 라우팅(shortest path routing)이 이용되었으나, 본 발명의 네트워크 구성 방법 및 장치에 의하면, 네트워크 디자인 수립 과정에서 라우팅도 동시에 디자인되어, 기존 방식보다 개선된 결과를 획득할 수 있다.
이하, 최적화된 목적 함수를 도출하는 방법에 대해 보다 구체적으로 설명한다.
이하의 설명에서, '^'이후의 문자는 위첨자, '_' 이후의 문자는 아래첨자를 의미한다. 예를 들어, 'x^y'는 'xy'를, 'x_y'는 'xy'를 의미한다. 'x_y^z'는 '
Figure OP23797WOZZ-appb-img-000005
'를 의미한다.
도 8은 데이터 트래픽이 시작점 S에서 끝점 T로 전송되는 과정을 나타낸다. 본 명세서에서, S, T가 소문자로 표현된 경우에도 s는 시작점, t는 끝점을 의미한다. 시작점과 끝점은 지상에 위치하며 트래픽을 발생시킨 사용자 단말 장치의 위치에 의해 결정될 수 있다. 시작점 S와 가장 가까운 위성은 a, 끝점 T와 가장 가까운 위성은 b로 지칭된다. a는 제1 인공위성, b는 제2 인공위성로 표현될 수도 있다. d^st는 지상에서 S와 T 사이의 물리적 거리를 의미한다. d_ab는 인공위성군을 통과하는 데이터 경로의 물리적 거리를 의미한다. x_ab^st는, 트래픽이 시작점 s에서 끝점 t를 향하는 경우, 트래픽이 인공위성 a와 b 사이의 링크를 통과하는지 여부에 대한 이진 변수이다. 따라서, x_ab^st의 값은 0 및 1로 구성된 집합에 속한다. d^st와 d_ab 사이의 거리비는 d_ab^st= d_ab / d^st 로 정의된다. x_ab^st는 제1 이진 변수로 표현될 수도 있다.
도 8 및 수식 1을 참조하여 구한 스코어는 수식 3과 같다.
[수식 3]
Figure OP23797WOZZ-appb-img-000006
수식 2 및 3을 참조하여 도출된 목적 함수 Φ는 수식 4와 같다.
[수식 4]
Figure OP23797WOZZ-appb-img-000007
수식 4는 목적 함수의 기본 이차 형태(basic quadratic form)로, 보다 효율적으로 네트워크 토폴로지 디자인을 도출하기 위해, 휴리스틱을 이용하여 문제의 규모를 줄일 수 있다.
예를 들어, 조건을 만족하지 못하는 s, t, a, b의 조합은 트래픽 경로에서 제외될 수 있다.
첫 번째 조건으로, 인공위성 a, b 사이의 거리가 임계값 이하여야 한다. 임계값은, 도 9와 같이 최대 ISL 길이(maximum ISL length)로 표현될 수도 있다.
두 번째 조건으로, 도 10과 같이, 시작점으로부터 두 인공 위성 중 가까운 인공위성의 지상 정사영까지의 지상거리, 인공위성 ‘a’, ‘b’ 사이의 거리, 나머지 한 인공위성의 지상으로 정사영으로부터 끝점까지의 지상거리의 합이 시작점과 끝점 지상거리의 2.5배 이하여야 한다. 해당 조건을 만족하지 않을 경우 주어진 트래픽은 인공위성 ‘a’, ‘b’ 사이의 링크를 통과하지 않는다고 가정한다.
특정 트래픽이 시작점과 끝점의 지상거리에서 멀리 떨어져있는 ISL을 통과할 경우, 높은 지연율을 보이기 때문에 해당 ISL은 최적 솔루션 계산에서 제외될 수 있다. 따라서, 시작점으로부터 두 인공 위성 중 가까운 인공위성의 지상 정사영까지의 지상거리, 인공위성 ‘a’, ‘b’ 사이의 거리, 나머지 한 인공위성의 지상으로 정사영으로부터 끝점까지의 지상거리의 합이 시작점과 끝점 지상거리의 n배수 이상이면 트래픽이 해당 ISL을 통과하지 않을 것이라고 추정될 수 있다.
시작점으로부터 두 인공 위성 중 가까운 인공위성의 지상 정사영까지의 지상거리, 인공위성 ‘a’, ‘b’ 사이의 거리, 나머지 한 인공위성의 지상으로 정사영으로부터 끝점까지의 지상거리의 합이 시작점과 끝점 지상거리의 n배수라고 할 때, n의 크기가 커지면 탐색 공간이 확장되어 문제의 변수 개수가 늘어나는 대신 더 최적화 된 솔루션을 찾을 가능성이 커지고, n의 크기가 작아지면 변수 개수가 줄어들어 계산 비용이 줄어드는 대신 최적 솔루션이 배제될 가능성이 생긴다. 트레이드-오프 관계를 고려하여, 본 발명에서 n은 1.5 내지 2.5 범위에서 설정될 수 있다.
또한, 제약 사항으로 각 위성은 k개의 ISL 인터페이스를 가지도록 제한될 수 있다. 예를 들어, 도 11과 같이 하나의 위성은 최대 4개까지의 다른 위성과 연결될 수 있다. 이를 고려하여, 위성 a와 b 사이에 ISL 링크가 존재하는지 어부에 대한 이진 변수를 y_ab로 정의할 수 있다. 인공위성 ‘a’, ‘b’ 사이의 물리적 링크가 존재하지 않으면, 데이터가 해당 링크를 통과할 수 없으므로 x_ab^st <= y_ab의 관계를 만족한다. y_ab는 제2 이진 변수로 표현될 수도 있다.
추가적으로, 각 인공위성이 k개의 링크를 가진다는 조건은 y_ab 사이의 관계를 통하여 설정될 수 있다. 각각의 인공위성 a에 대하여 모든 y_ab 변수의 합이 k가 되지 않으면, 목적함수에 불이익을 주는 항이 추가된다. (y_ab의 합 - k)의 제곱을 목적함수에 더함으로써 목적함수에 불이익 항이 추가될 수 있으며, y_ab사이의 2차항이 최고차항이 되므로 이차 최적화를 만족한다.
각 조건들 및 제약 사항을 고려하여 1차적으로 도출된 목적 함수는 수식 5와 같다.
[수식 5]
Figure OP23797WOZZ-appb-img-000008
수식 5에서 첫 번째 항은 본 발명에 의한 조건 및 제약 사항을 반영하기 이전, 스코어에 기반하여 도출된, 기본 이차 형태의 목적 함수이다. 두 번째 항은 인공위성 a와 b 사이의 물리적 링크가 존재하는지 여부를 반영하기 위한 불이익 항이다. 세 번째 항은 각 인공위성이 4개의 링크를 가진다는 조건을 반영하기 위한 불이익 항이다.
본 명세서의 수식들에서, 제약의 강도는 변수 P를 이용하여 결정될 수 있다. 각 항에 임의의 큰 수 P를 곱하여 더해주게 된다면, 최적화 결과가 제약조건이 존재하는 최적화 문제와 같은 값을 가지게 된다. P 값의 조절을 통해, 실제 양자 컴퓨터를 이용하여 문제를 해결할 때 제약의 영향이 조정될 수 있다.
목적함수는 상대거리와 홉 개수에 따른 최적 정도의 가중 합계에 기반하여 결정된다.
저궤도 인공위성군은 특정 개수의 궤도와 각 궤도에 특정 개수의 인공위성으로 구성되어 있다. 각 인공위성은 자신이 포함된 궤도를 따라 주기적으로 움직인다. 이러한 특성을 이용하면, 특정 시간에 인공위성의 위치에 대한 정보가 예측될 수 있다. 특정 시간에 인공위성의 위치에 대한 정보 정보를 이용하면, 각각의 인공위성 사이 거리와, 인공위성과 지상 기지국 사이의 거리를 구할 수 있다. 이를 이용하면, 모든 s, t, a, b 조합에 대한 상대 경로 길이가 계산될 수 있다.
네트워크 홉 개수는 해당 트래픽의 링크 개수에 해당할 수 있다. 트래픽의 링크 개수는, 각 트래픽 경로 (s, t)에 대해 x_ab^st의 합을 이용하여 도출될 수 있다. 따라서, 상대거리 벡터 d와 1 벡터를 이용하여 해당 트래픽에 대한 네트워크의 적합도 점수가 결정될 수 있다. 결정된 적합도 점수 값에 중요도 값을 곱하여 전체 목적함수의 값이 얻어진다 (수식 3 및 4 참조).
시작 위성과 끝 위성 간에 존재하는 경로는 a_s, a_t로 표현된다. 경로가 존재하지 않는 경우, QUBO에 의해 도출되는 트리비얼(trivial solution) 솔루션 값은 모든 a, b, s, t에 대해 x_ab^st = 0으로 도출될 수 있다.
이를 고려하여. 데이터 흐름 특성을 활용하여(Exploit data flow characteristic), 2차적으로 도출된 목적 함수는 수식 6과 같다.
[수식 6]
Figure OP23797WOZZ-appb-img-000009
수식 6은, 실제 데이터 트래픽이 시작점부터 끝점까지 이어져야 한다는 조건을 반영하여 변경된 목적 함수이다.
도 12를 참조하면, 각 데이터 트래픽에 대하여 인공위성이 3가지 상태로 구분된다. 3가지 상태는 다음과 같다.
- 데이터 트래픽의 시작점 또는 끝점 인공위성으로 지상과 통신하는 인공위성
- 시작점 인공위성 또는 끝점 인공위성이 아니며 데이터 트래픽이 통과하는 위성
- 시작점 인공위성 또는 끝점 인공위성이 아니며 데이터 트래픽이 통과하지 않는 위성
시작점 인공위성 a_s 는 데이터 트래픽의 시작점과 가장 가까운 인공위성이며, 끝점 인공위성 a_t는 데이터 트래픽의 끝점과 가장 가까운 인공위성이다. 시작점 s와 끝점 t는 지상에 위치하므로, 데이터 트래픽의 시작점 및 끝점과는 구분된다.
인공위성 a에 대하여 'x_ab^st의 서로 다른 b에 대한 합'의 값이 달라져야 하는데, 데이터 흐름의 특성에 따라서 각각 1, 2, 0의 값을 가진다.
따라서, 수식 6의 첫 번째 항은 수식 5를 통해 도출된 목적 함수를 반영한 것이며, 두 번째 항은 시작점 또는 끝점이 아니며 데이터 트래픽이 통과하지 않는 위성에 대한 항이고, 세 번째 항은 데이터 트래픽의 시작 또는 끝 인공위성으로 지상과 통신하는 인공위성에 대한 항이며, 네 번째 항은 시작점 또는 끝점이 아니며 데이터 트래픽이 통화하는 위성을 위한 항이다.
위성 a가 트래픽 경로 (s, t)에 속하는지 여부를 제약 사항으로써 목적 함수에 반영하기 위해, 도 13과 같이 이진 변수 z_a^st가 설정될 수 있다. 인공위성 a가 트래픽 경로에 존재하지 않으면 데이터가 해당 링크를 통과할 수 없으므로, x_ab^st <= z_a^st를 만족한다. z_a^st는 제3 이진 변수로 표현될 수도 있다.
데이터 트래픽의 시작점 인공위성 및 끝점 인공위성을 각 도시에서 가장 가까운 인공위성으로 특정한 후, 나머지 인공위성에 대해서는 z_a^st 변수를 이용하면, 데이터 트래픽이 시작점부터 끝점까지 이어져야 한다는 조건이 목적 함수의 수식에 포함될 수 있다. 따라서 인공위성 a에 대하여 시작점 인공위성 및 끝점 인공위성 s’, t’에 대해서는 ((x_ab^s't'합) - 1) 의 제곱 항이 목적함수에 포함된다. 시작 및 끝 인공위성이 아닌 경우 ((x_ab^st의 b에 대한 합) - 2 * z_a^st))의 제곱항이 목적함수에 포함된다. 이를 통해 위성 a가 트래픽 경로 (s, t)에 속하는지 여부가 제약 조건으로서 불이익의 형태로 포함되어, 비제약 이진 이차 최적화 문제가 생성될 수 있다.
각 조건들 및 제약 사항을 고려하여 최종적으로 도출된 목적 함수는 수식 7과 같다.
[수식 7]
Figure OP23797WOZZ-appb-img-000010
수식 7은 x_ab^st, y_ab, z_a^st의 3개의 변수에 대한 비제약 이진 이차 최적화 문제(QUBO problem)이다. 수식 7의 첫 번째 항은 수식 5를 통해 도출된 목적 함수를 반영한 것이다. 수식 7의 두 번째 항은 실제 데이터 트래픽이 시작점부터 끝점까지 이어져 있어야 한다는 조건 반영을 위해 시작점 및 끝점 인공위성에 대해 적용되는 불이익 항이다. 수식 7의 세 번째 항은 실제 데이터 트래픽이 시작점부터 끝점까지 이어져 있어야 한다는 조건 반영을 위해 시작점 및 끝점 인공위성이 아닌 인공위성에 대해 적용되는 불이익 항이다. 수식 7의 네 번째 항은 인공위성 a가 트래픽 경로 상에 위치하는지 여부를 반영하기 위한 불이익 항이다.
네트워크 구조가 해당 트래픽에 대해 얼마나 최적화 되어있는지는 두 가지 기준에 의해 결정된다.
첫 번째 기준은 상대거리로써 인공위성군을 통과하는 데이터 경로의 물리적 거리를 시작점과 끝점의 지상 거리로 나눈 값이며, 1에 가까울수록 최적화 된 경로라고 볼 수 있다.
두 번째 기준은 데이터 경로가 몇 개의 인공위성을 통과하는지에 대한 것이다. 이는 네트워크 홉 개수를 의미한다. 네트워크 홉 수가 적을수록 최적화 된 값으로 볼 수 있다.
두 기준 값에 대한 가중 합계에 의해, 단일 데이터 트래픽에 의한 네트워크 디자인의 적합도가 구해진다. 주어진 전체 데이터 트래픽에 대해 각 적합도 값을, 트래픽의 중요도에 따라 가중 합계한 전체 합계가 목적함수가 된다.
결과적으로, Φ''을 최소화하는 x_ab^st, y_ab, z_a^st 값을 도출한다면, 최적화된 저궤도 위성 네트워크가 구성될 수 있다.
도 14는 양자 컴퓨터에 QUBO 문제를 입력하여 솔루션을 획득하기 위한 실제 코드의 예시를 나타낸다.
양자 컴퓨터에 QUBO 문제를 입력하여 솔루션을 획득하는 과정은 개략적으로 다음 3 단계의 과정을 포함할 수 있다.
- 주어진 위성과 트래픽 정보에 기반하여 QUBO 문제 만들기 (Make QUBO problem with given Satellite and traffic information)
- QUBO를 파이썬에서 사전 데이터로 만들기 (Make QUBO as the dictionary data (Q_dict) in python)
- Q_dict을 양자 컴퓨터(e.g. D-wave)로 보내어 솔루션을 수신 (D-wave Send to the Q_dict to D-wave and receive the solution)
QUBO 문제는 앞서 설명된 목적 함수에 해당하며, 수식 5 및 수식 7을 포함할 수 있다.
QUBO 문제는 행렬 형태로 변경될 수 있다. 서로 다른 변수 x_i, x_j 의 2차항은 0.5배하여 Q_i,j, Q_j,i에 더해지고, 같은 변수의 이차항 혹은 일차항 (x_i, x_i^2)은 Q_i,i 에 직접 더해진다. 이를 통해 해당 식이 행렬로 변환될 수 있다.
변수 x_ab^st, y_ab, z_a^st에 대한 결과 값은 이진 형태로 도출된다. 도출된 y_ab 값을 이용하면, 어떠한 위성들 사이에 링크가 설정되어야 목표한 기준을 최적화하는 인공위성 네트워크가 설정되는지 알 수 있다.
도 15 및 도 16은 y_ab에 기반하여 위성 간 링크를 설정한 예시를 나타낸다. 도 15에서 y_ab 값 1은 위성 a와 b 사이에 링크가 존재함을 의미하며, y_ab 값 0은 위성 a와 b 사이에 링크가 재하지 않음을 의미한다. 예를 들어, y_1,2 값은 0이므로, 위성 1과 2 사이에는 링크가 존재하지 않는다. y_1,3 값은 1이므로, 위성 1과 3 사이에는 링크가 존재한다.
도 15이 예시와 같이 y_ab 값들이 도출된 경우, 위성 간 링크는 도 16의 예시와 같이 구성될 수 있다.
필수적이지는 않으나, 저궤도 위성 네트워크는 지상 통신망과 연결될 수 있다. 지상 통신망은 시스템 구현 방식에 따라 이더넷(Ethernet), xDSL(ADSL, VDSL), HFC(Hybrid Fiber Coaxial Cable), FTTC(Fiber to The Curb), FTTH(Fiber To The Home) 등의 유선 통신 방식을 이용할 수도 있고, WLAN(Wireless LAN), 와이파이(Wi-Fi), 와이브로(Wibro), 와이맥스(Wimax), HSDPA(High Speed Downlink Packet Access), LTE(Long Term Evolution), LTE-A (Long Term Evolution Advanced), NR (New RAT) 등의 무선 통신 방식을 이용할 수도 있다.
아울러, 이러한 통신망은 예컨대, 다수의 접속망(미도시) 및 코어망(미도시)을 포함하며, 외부망, 예컨대 인터넷망(미도시)을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서, 접속망(미도시)은 사용자 단말 장치와 유무선 통신을 수행하는 접속망으로서, 예를 들어, BS(Base Station), BTS(Base Transceiver Station), NodeB, eNodeB, gNodeB 등과 같은 다수의 기지국과, BSC(Base Station Controller), RNC(Radio Network Controller)와 같은 기지국 제어기로 구현될 수 있다.
또한, 접속망(미도시)과 함께 모바일 망을 구성하는 코어망(미도시)은 접속망(미도시)과 외부 망, 예컨대, 인터넷망(미도시)을 연결하는 역할을 수행한다.
이러한 코어망(미도시)은, 접속망(미도시) 간의 이동성 제어 및 스위칭 등의 이동통신 서비스를 위한 주요 기능을 수행하는 네트워크 시스템으로서, 서킷 교환(circuit switching) 또는 패킷 교환(packet switching)을 수행하며, 모바일 망 내에서의 패킷 흐름을 관리 및 제어한다. 또한, 코어망(미도시)은 주파수간 이동성을 관리하고, 접속망(미도시) 및 코어망(미도시) 내의 트래픽 및 다른 네트워크, 예컨대 인터넷망(미도시)과의 연동을 위한 역할을 수행할 수도 있다. 이러한 코어망(미도시)은 SGW(Serving GateWay), PGW(PDN GateWay), MSC(Mobile Switching Center), HLR(Home Location Register), MME(Mobile Mobility Entity)와 HSS(Home Subscriber Server) 등을 더 포함하여 구성될 수도 있다.
또한, 인터넷망(미도시)은 TCP/IP 프로토콜에 따라서 정보가 교환되는 통상의 공개된 통신망, 즉 공용망을 의미한다.
한편, 본 발명의 각 장치에 탑재되는 메모리는 그 장치 내에서 정보를 저장한다. 일 구현예의 경우, 메모리는 컴퓨터로 판독 가능한 매체이다. 일 구현 예에서, 메모리는 휘발성 메모리 유닛일 수 있으며, 다른 구현예의 경우, 메모리는 비휘발성 메모리 유닛일 수도 있다. 일 구현예의 경우, 저장장치는 컴퓨터로 판독 가능한 매체이다. 다양한 서로 다른 구현 예에서, 저장장치는 예컨대 하드디스크 장치, 광학디스크 장치, 혹은 어떤 다른 대용량 저장장치를 포함할 수도 있다.
비록 본 명세서와 도면에서는 예시적인 장치 구성을 기술하고 있지만, 본 명세서에서 설명하는 기능적인 동작과 주제의 구현물들은 다른 유형의 디지털 전자 회로로 구현되거나, 본 명세서에서 개시하는 구조 및 그 구조적인 등가물들을 포함하는 컴퓨터 소프트웨어, 펌웨어 혹은 하드웨어로 구현되거나, 이들 중 하나 이상의 결합으로 구현 가능하다. 본 명세서에서 설명하는 주제의 구현물들은 하나 이상의 컴퓨터 프로그램 제품, 다시 말해 본 발명에 따른 장치의 동작을 제어하기 위하여 혹은 이것에 의한 실행을 위하여 유형의 프로그램 저장매체 상에 인코딩된 컴퓨터 프로그램 명령에 관한 하나 이상의 모듈로서 구현될 수 있다. 컴퓨터로 판독 가능한 매체는 기계로 판독 가능한 저장 장치, 기계로 판독 가능한 저장 기판, 메모리 장치, 기계로 판독 가능한 전파형 신호에 영향을 미치는 물질의 조성물 혹은 이들 중 하나 이상의 조합일 수 있다.
아울러, 본 발명의 저궤도 위성 네트워크 구성 방법을 실행 시 발생되는 다양한 정보는 컴퓨팅 시스템에 관련된 임의의 컴퓨터 판독가능 매체에 저장되고 액세스될 수 있다. 예를 들면, 이러한 프로그램 모듈들의 일부 및 관련 프로그램 데이터의 일부는, 시스템 메모리에 저장하기 위해, 오퍼레이팅 시스템, 애플리케이션 프로그램, 프로그램 모듈, 및/또는 프로그램 데이터에 포함될 수 있다.
또한, 하드 디스크와 같은 대용량(mass) 저장 장치가 컴퓨팅 시스템에 연결되면, 이러한 프로그램 모듈 및 관련 프로그램 데이터는 대용량 저장 장치에 저장될 수 있다. 네트워크 환경에서, 본 발명과 관련된 프로그램 모듈 또는 그 일부는 입출력 인터페이스의 모뎀 또는 네트워크 인터페이스를 통해 연결된 원격 컴퓨터 시스템에 저장될 수 있다. 이러한 모듈의 실행은 분산형 환경에서 수행될 수 있다.
이상에서 설명한 바와 같이, 본 명세서는 다수의 특정한 구현물의 세부사항들을 포함하지만, 이들은 어떠한 발명이나 청구 가능한 것의 범위에 대해서도 제한적인 것으로서 이해되어서는 안되며, 오히려 특정한 발명의 특정한 실시형태에 특유할 수 있는 특징들에 대한 설명으로서 이해되어야 한다. 개별적인 실시형태의 문맥에서 본 명세서에 기술된 특정한 특징들은 단일 실시형태에서 조합하여 구현될 수도 있다. 반대로, 단일 실시형태의 문맥에서 기술한 다양한 특징들 역시 개별적으로 혹은 어떠한 적절한 하위 조합으로도 복수의 실시형태에서 구현 가능하다. 나아가, 특징들이 특정한 조합으로 동작하고 초기에 그와 같이 청구된 바와 같이 묘사될 수 있지만, 청구된 조합으로부터의 하나 이상의 특징들은 일부 경우에 그 조합으로부터 배제될 수 있으며, 그 청구된 조합은 하위 조합이나 하위 조합의 변형물로 변경될 수 있다.
마찬가지로, 특정한 순서로 도면에서 동작들을 묘사하고 있지만, 이는 바람직한 결과를 얻기 위하여 도시된 그 특정한 순서나 순차적인 순서대로 그러한 동작들을 수행하여야 한다거나 모든 도시된 동작들이 수행되어야 하는 것으로 이해되어서는 안 된다. 특정한 경우, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다. 또한, 상술한 실시형태의 다양한 시스템 컴포넌트의 분리는 그러한 분리를 모든 실시형태에서 요구하는 것으로 이해되어서는 안되며, 설명한 프로그램 컴포넌트와 시스템들은 일반적으로 단일의 소프트웨어 제품으로 함께 통합되거나 다중 소프트웨어 제품에 패키징될 수 있다는 점을 이해하여야 한다.
본 명세서에서 설명한 주제의 특정한 실시형태를 설명하였다. 기타의 실시형태들은 이하의 청구항의 범위 내에 속한다. 예컨대, 청구항에서 인용된 동작들은 상이한 순서로 수행되면서도 여전히 바람직한 결과를 성취할 수 있다. 일 예로서, 첨부도면에 도시한 프로세스는 바람직한 결과를 얻기 위하여 반드시 그 특정한 도시된 순서나 순차적인 순서를 요구하지 않는다. 특정한 구현 예에서, 멀티태스킹과 병렬 프로세싱이 유리할 수 있다.
본 기술한 설명은 본 발명의 최상의 모드를 제시하고 있으며, 본 발명을 설명하기 위하여, 그리고 통상의 기술자가 본 발명을 제작 및 이용할 수 있도록 하기 위한 예를 제공하고 있다. 이렇게 작성된 명세서는 그 제시된 구체적인 용어에 본 발명을 제한하는 것이 아니다. 따라서, 상술한 예를 참조하여 본 발명을 상세하게 설명하였지만, 통상의 기술자라면 본 발명의 범위를 벗어나지 않으면서도 본 예들에 대한 개조, 변경 및 변형을 가할 수 있다.
따라서 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 의하여 정할 것이 아니고 특허청구범위에 의해 정하여져야 한다.
본 발명은 저궤도 위성 네트워크의 구성 방법 및 장치에 대한 것으로서, 더욱 상세하게는 양자 컴퓨터를 사용하여 QUBO 문제의 솔루션을 도출함을 통해 저궤도 위성 네트워크를 구성하여, 기존보다 효율적인 인공위성 네트워크를 구성할 수 있다.
따라서 본 발명은 저궤도 위성 네트워크의 구성 방법 및 장치의 제공을 통해 관련 산업 발전에 이바지할 수 있으며, 시판 또는 영업의 가능성이 충분할 뿐만 아니라 현실적으로 명백하게 실시할 수 있는 정도이므로 산업상 이용가능성이 있다.

Claims (22)

  1. 저궤도 위성 네트워크의 구성 방법에 있어서,
    QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization) 문제를 설정하는 단계;
    상기 QUBO 문제의 솔루션(solution)을 양자 컴퓨터를 통해 도출하는 단계; 및
    상기 솔루션에 기반하여 위성 네트워크를 구성하는 단계; 를 포함하며,
    상기 QUBO 문제는, 데이터 트래픽(traffic)이 제1 인공위성과 제2 인공위성 사이의 링크(link)를 통과하는지 여부에 대한 제1 이진 변수, 상기 제1 인공위성과 상기 제2 인공위성 사이에 ISL (inter-satellite link)이 존재하는지 여부에 대한 제2 이진 변수, 상기 데이터 트래픽이 상기 제1 인공위성을 경유하는지 여부에 대한 제3 이진 변수를 포함하여 설정되고,
    상기 솔루션은, 상기 제2 이진 변수의 값을 포함하며,
    상기 제1 인공위성은 상기 데이터 트래픽의 시작점으로부터 상기 제2 인공위성보다 가까운 인공위성이고, 상기 제2 인공위성은 상기 데이터 트래픽의 끝점으로부터 상기 제1 인공위성보다 가까운 인공위성인,
    네트워크 구성 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 솔루션은, 상기 제1 이진 변수 및 상기 제3 이진 변수의 값을 더 포함하는,
    네트워크 구성 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 제1 이진 변수는, 상기 제1 인공위성, 상기 제2 인공위성, 상기 데이터 트래픽의 시작점 및 상기 데이터 트래픽의 끝점에 기반하여 설정되는,
    네트워크 구성 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 제1 이진 변수는, 상기 제1 인공위성과 상기 제2 인공위성 사이의 거리가 임계값 이하임에 기반하여 설정되는,
    네트워크 구성 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 제1 이진 변수는, (i) 상기 데이터 트래픽의 시작점으로부터 상기 제1 인공위성의 지상 정사영까지의 지상거리, (ii) 상기 제1 인공위성과 상기 제2 인공위성 사이의 거리, 및 (iii) 상기 제2 인공위성의 지상 정사영으로부터 상기 데이터 트래픽의 끝점까지의 지상거리의 합이, 상기 데이터 트래픽의 시작점으로부터 상기 데이터 트래픽의 끝점까지의 지상거리의 특정 배수 이하임에 기반하여 설정되는,
    네트워크 구성 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 특정 배수는, 2.5배인,
    네트워크 구성 방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 트래픽, 상기 제1 인공위성 및 상기 제2 인공위성에 대해, 상기 제1 이진 변수의 값은 상기 제2 이진 변수의 값 이하인,
    네트워크 구성 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 QUBO 문제는, 상기 제1 이진 변수의 값이 상기 제2 이진 변수의 값 이하임에 기반하여, 상기 제1 변수로부터 상기 제2 변수 및 상기 제1 변수의 곱을 뺀 항을 포함하는,
    네트워크 구성 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 데이터 트래픽, 상기 제1 인공위성 및 상기 제2 인공위성에 대해, 상기 제1 이진 변수의 값은 상기 제3 이진 변수의 값 이하인,
    네트워크 구성 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 QUBO 문제는, 상기 제1 이진 변수의 값이 상기 제3 이진 변수의 값 이하임에 기반하여, 상기 제1 변수로부터 상기 제3 변수 및 상기 제1 변수의 곱을 뺀 항을 포함하는,
    네트워크 구성 방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 QUBO 문제는, 상기 제1 인공위성 및 상기 제2 인공위성을 포함하는 복수의 인공위성들의 궤도 정보에 기반하여 설정되는,
    네트워크 구성 방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 궤도 정보에 기반하여, 상기 네트워트에 포함된 모든 데이터 트래픽의 시작점들, 모든 데이터 트래픽의 끝점들, 모든 제1 인공위성들 및 모든 제2 인공위성의 조합에 대한 상대 경로 길이가 계산되는,
    네트워크 구성 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 QUBO 문제는, 상기 제1 인공위성 및 상기 제2 인공위성을 포함하는 복수의 인공위성들 각각이 k개의 링크를 가짐에 기반하여 설정되는,
    네트워크 구성 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 k는 4인,
    네트워크 구성 방법.
  15. 제13항에 있어서,
    상기 QUBO 문제는, 상기 복수의 인공위성들 각각이 k개의 링크를 가짐에 기반하여, 상기 제2 인공위성에 대한 상기 제2 이진 변수들의 합으로부터 상기 k를 뺀 후 제곱한 항을 포함하는,
    네트워크 구성 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 QUBO 문제는, 상기 데이터 트래픽이 시작점부터 끝점까지 이어짐에 기반하여 설정되는,
    네트워크 구성 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 QUBO 문제는, 상기 데이터 트래픽이 시작점부터 끝점까지 이어짐에 기반하여, 시작점 인공위성 및 끝점 인공위성을 위한 데이터 흐름 특성과, 시작점 인공위성 및 끝점 인공위성이 아닌 인공위성을 위한 데이터 흐름 특성을 고려하여 설정되는,
    네트워크 구성 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 QUBO 문제는, 상기 시작점 인공위성 및 끝점 인공위성을 위한 데이터 흐름 특성에 기반하여, 상기 제1 이진 변수들의 b에 대한 합으로부터 1을 뺀 후 제곱한 항을 포함하는,
    네트워크 구성 방법.
  19. 제17항에 있어서,
    상기 시작점 인공위성 및 끝점 인공위성이 아닌 인공위성을 위한 데이터 흐름 특성은, 상기 제1 이진 변수들의 b에 대한 합으로부터 제3 이진 변수의 2배를 뺀 후 제곱한 항을 포함하는,
    네트워크 구성 방법.
  20. 제1항에 있어서,
    상기 QUBO 문제는, 각 항의 영향을 조절하기 위한 변수를 포함하는,
    네트워크 구성 방법.
  21. 저궤도 위성 네트워크를 구성하기 위한 장치에 있어서,
    적어도 하나의 프로세서; 및
    상기 적어도 하나의 프로세서에 동작 가능하도록 연결되고, 실행될 경우 상기 적어도 하나의 프로세서가 특정 동작을 수행하도록 하는 명령들(instructions)을 저장하는 적어도 하나의 메모리; 를 포함하고,
    상기 특정 동작은:
    QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization) 문제를 설정하는 단계;
    상기 QUBO 문제의 솔루션(solution)을 양자 컴퓨터를 통해 도출하는 단계; 및
    상기 솔루션에 기반하여 위성 네트워크를 구성하는 단계; 를 포함하며,
    상기 QUBO 문제는, 데이터 트래픽(traffic)이 제1 인공위성과 제2 인공위성 사이의 링크(link)를 통과하는지 여부에 대한 제1 이진 변수, 상기 제1 인공위성과 상기 제2 인공위성 사이에 ISL (inter-satellite link)이 존재하는지 여부에 대한 제2 이진 변수, 상기 데이터 트래픽이 상기 제1 인공위성을 경유하는지 여부에 대한 제3 이진 변수를 포함하여 설정되고,
    상기 솔루션은, 상기 제2 이진 변수의 값을 포함하며,
    상기 제1 인공위성은 상기 데이터 트래픽의 시작점으로부터 상기 제2 인공위성보다 가까운 인공위성이고, 상기 제2 인공위성은 상기 데이터 트래픽의 끝점으로부터 상기 제1 인공위성보다 가까운 인공위성인,
    네크워크 구성 장치.
  22. 적어도 하나의 프로세서가 동작을 수행하도록 하는 적어도 하나의 컴퓨터 프로그램을 포함하는 컴퓨터 판독가능한 비휘발성 저장 매체로서, 상기 동작은:
    QUBO (Quadratic Unconstrained Binary Optimization) 문제를 설정하는 단계;
    상기 QUBO 문제의 솔루션(solution)을 양자 컴퓨터를 통해 도출하는 단계; 및
    상기 솔루션에 기반하여 위성 네트워크를 구성하는 단계; 를 포함하며,
    상기 QUBO 문제는, 데이터 트래픽(traffic)이 제1 인공위성과 제2 인공위성 사이의 링크(link)를 통과하는지 여부에 대한 제1 이진 변수, 상기 제1 인공위성과 상기 제2 인공위성 사이에 ISL (inter-satellite link)이 존재하는지 여부에 대한 제2 이진 변수, 상기 데이터 트래픽이 상기 제1 인공위성을 경유하는지 여부에 대한 제3 이진 변수를 포함하여 설정되고,
    상기 솔루션은, 상기 제2 이진 변수의 값을 포함하며,
    상기 제1 인공위성은 상기 데이터 트래픽의 시작점으로부터 상기 제2 인공위성보다 가까운 인공위성이고, 상기 제2 인공위성은 상기 데이터 트래픽의 끝점으로부터 상기 제1 인공위성보다 가까운 인공위성인,
    저장 매체.
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