KR101396884B1 - 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 시스템 및 그 방법 - Google Patents

상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 시스템 및 그 방법 Download PDF

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KR101396884B1
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노봉수
김수일
박재돈
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국방과학연구소
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Abstract

본 명세서는 협력 중계 방식을 이용한 IEEE 802.16j 기반 네트워크의 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 시스템 및 그 방법에 관한 것이다. 이를 위하여 본 명세서에 따른 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 방법은, 복수의 송수신 노드들에 포함되는 이동 단말과 중계기와, 임의의 기지국과 상호 연동하는 IEEE 802.16j 기반 네트워크의 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 방법에 있어서, 상기 기지국을 통해, 상기 복수의 송수신 노드들로부터 각각 측정되어 전송되는 채널 정보를 수신하는 단계; 상기 기지국을 통해, 상기 수신된 채널 정보를 근거로 각 링크의 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨을 결정하는 단계; 및 상기 기지국을 통해, 상기 결정된 MCS 레벨과 상기 복수의 송수신 노드들 각각이 요구하는 평균 데이터 전송률을 근거로, 상기 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 기법에 따라 상기 복수의 송수신 노드들이 각각 사용할 링크에 대한 심볼수를 결정하는 단계;를 포함한다.

Description

상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 시스템 및 그 방법{SYSTEM FOR JOINT BANDWIDTH ALLOCATION AND PATH SELECTION IN UPLINK AND MEHTOD THEREOF}
본 명세서는 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 시스템 및 그 방법에 관한 것으로, 특히 협력 중계 방식을 이용한 IEEE 802.16j 기반 네트워크의 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 시스템 및 그 방법에 관한 것이다.
일반적으로, IEEE 802.16j MMR(Mobile Multi-hop Relay) 시스템은, BS(Base Station) 또는 RS(Relay Station)를 이용하여 협업 통신을 수행하여 다이버시티 이득(versity Gain)을 이용하여 더 높은 전송률을 얻어 네트워크 전체의 수용량을 향상시키는 시스템이다.
이러한 협업 통신에서, 협업 릴레이의 선택 알고리즘은 핵심 기술 중 하나이다.
그 중 하나로 CDMA(Code-Division Multihop Access) 기반으로 MMR 셀룰러 네트워크에서 통합 전송률 할당-라우팅 기법을 통해 하향 링크 처리율을 최대화하는 방식이 있으며, 이는 2개의 인접한 기지국에서 중계기를 이용하여 하향 링크 처리율의 최대화를 위해 통합 전송률-할당 문제를 MMKP(Multi-dimensional Multi-choice Knapsack Problem) 문제로 변환한 휴리스틱 알고리즘을 통해 문제의 근사 해를 구하는 방식이다.
이러한 상기 제안된 통합 전송률 할당-라우팅 기법은, CDMA 시스템에 적합한 방식으로 OFDMA 기반의 IEEE 802.16j 멀티홉 릴레이 시스템에 그대로 적용하는데 문제점이 있다. 또한, 상기 제안된 통합 전송률 할당-라우팅 기법은, 기지국과 중계기의 전송 영역이 구분된 IEEE 802.16j 멀티홉 릴레이 시스템의 프레임 구조에 적합하지 않다.
이와 같은 문제점을 개선한 단일 셀에서 OFDMA 기반 MMR 셀룰러 시스템을 위한 통합 자원 할당-라우팅 기법의 경우에도, 중계기들의 협력 통신에 대한 고려가 없고, 하향 링크만을 고려함에 따라 상향 링크 환경에서는 적합하지 않다.
한국 특허 출원 번호 제10-2009-7005579호
본 명세서의 목적은, OFDMA 기반의 IEEE 802.16j MMR 시스템 중에서 트랜스패런트(transparent) 방식으로 동작하는 시스템에서, 협력 중계를 통한 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 명세서의 다른 목적은, 협력 통신을 이용하는 경우와 협력 통신을 이용하지 않는 경우에 대해서, 각각 최적화 기법과 다중 차원 다중 선택 배낭 문제(Multi-dimensional Multi-choice Knapsack Problem : MMKP) 기반 기법을 제공하는 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 시스템 및 그 방법을 제공하는 데 있다.
본 명세서의 실시예에 따른 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 방법은, 복수의 송수신 노드들에 포함되는 이동 단말과 중계기와, 임의의 기지국과 상호 연동하는 IEEE 802.16j 기반 네트워크의 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 방법에 있어서, 상기 기지국을 통해, 상기 복수의 송수신 노드들로부터 각각 측정되어 전송되는 채널 정보를 수신하는 단계; 상기 기지국을 통해, 상기 수신된 채널 정보를 근거로 각 링크의 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨을 결정하는 단계; 및 상기 기지국을 통해, 상기 결정된 MCS 레벨과 상기 복수의 송수신 노드들 각각이 요구하는 평균 데이터 전송률을 근거로, 상기 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 기법에 따라 상기 복수의 송수신 노드들이 각각 사용할 링크에 대한 심볼수를 결정하는 단계;를 포함한다.
본 명세서의 실시예에 따른 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 시스템은, 복수의 송수신 노드들에 포함되는 이동 단말과 중계기와, 임의의 기지국과 상호 연동하는 IEEE 802.16j 기반 네트워크의 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 시스템에 있어서, 직접 경로 또는 중계 경로를 통해 상기 기지국과 연결하며, 채널 정보를 측정하여 전송하는 이동 단말; 채널 정보를 측정하여 전송하는 중계기; 및 상기 복수의 송수신 노드들에 포함된 상기 이동 단말과 상기 중계기로부터 각각 전송되는 채널 정보를 수신하고, 상기 수신된 채널 정보를 근거로 각 링크의 MCS 레벨을 결정하고, 상기 결정된 MCS 레벨과 상기 복수의 송수신 노드들 각각이 요구하는 평균 데이터 전송률을 근거로, 상기 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 기법에 따라 상기 복수의 송수신 노드들이 각각 사용할 링크에 대한 심볼수를 결정하는 기지국;을 포함한다.
본 명세서의 실시예에 따른 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 시스템 및 그 방법은, OFDMA 기반의 IEEE 802.16j MMR 시스템 중에서 트랜스패런트(transparent) 방식으로 동작하는 시스템에서, 협력 중계를 통해 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 방법을 제공함으로써, IEEE 802.16j 네트워크에서 협력 통신을 통해 상향 링크에서 최대화된 처리율을 제공할 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시예에 따른 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 시스템 및 그 방법은, 협력 통신을 이용하는 경우와 협력 통신을 이용하지 않는 경우에 대해서, 각각 최적화 기법과 다중 차원 다중 선택 배낭 문제(MMKP) 기반 기법을 제공함으로써, 협력 통신 제공 유무에 상관없이 높은 전송률과 일정 수준의 QoS(Quality of Service)를 제공할 수 있다.
도 1은 본 명세서의 실시예에 따른 IEEE 802.16j 기반 네트워크 시스템의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 IEEE 802.16j 기반 네트워크에서 시스템의 통신 과정을 보인 신호 흐름도이다.
도 3은 본 명세서의 일 실시예의 성능 평가를 위해 수행한 시뮬레이션의 시나리오이다.
도 4는 상기 도 3의 시뮬레이션 시나리오에 따른 이동 단말별 처리율을 나타내는 도이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 따른 실시예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
도 1은 본 명세서의 실시예에 따른 IEEE 802.16j 기반 네트워크 시스템(10)의 구성을 나타낸 구성도이다.
도 1에 도시한 바와 같이, IEEE 802.16j 기반 네트워크 시스템(10)은, 이동 단말(Mobile Station : MS)(100), 중계기(Relay Station : RS)(200) 및, 기지국(Multi-hop Relay-Base Station : MR-BS)(300)로 구성된다. 도 1에 도시된 IEEE 802.16j 기반 네트워크 시스템(10)의 구성 요소 모두가 필수 구성 요소인 것은 아니며, 도 1에 도시된 구성 요소보다 많은 구성 요소에 의해 IEEE 802.16j 기반 네트워크 시스템(10)이 구현될 수도 있고, 그보다 적은 구성 요소에 의해서도 IEEE 802.16j 기반 네트워크 시스템(10)이 구현될 수도 있다.
상기 이동 단말(100)은, 스마트 폰(Smart Phone), 휴대 단말기(Portable Terminal), 텔레매틱스 단말기(Telematics Terminal), 개인용 컴퓨터(Personal Computer), 노트북 컴퓨터(Notebook Computer), 디지털방송용 단말기, 개인 정보 단말기(Personal Digital Assistant : PDA), 와이브로 단말기(Wibro Terminal), IPTV(Internet Protocol Television) 단말기, AVN(Audio Video Navigation) 단말기, PMP(Portable Multimedia Player), 내비게이션 단말기(차량 내비게이션 장치)(Navigation Terminal) 등과 같은 다양한 단말기 중 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 이동 단말(100)은, 상기 기지국(300)의 제어에 의해, 사용 가능한 심볼수에 따라 상기 기지국(300)과 직접 경로(direct path)를 통해 네트워크 연결하거나 또는, 중계 경로(relay path)에 의한 상기 중계기(200)와의 협력 통신을 통해 상기 기지국(300)과 네트워크 연결한다.
또한, 상기 이동 단말(100)은, 채널 정보를 측정하고, 상기 측정된 채널 정보를 상기 기지국(300)에 전송(또는, 전달)한다.
상기 중계기(200)는, 임의의 이동 단말(100)과의 협력 통신 기능을 수행한다.
또한, 상기 중계기(200)는, 채널 정보를 측정하고, 상기 측정된 채널 정보를 상기 기지국(300)에 전송(또는, 전달)한다.
상기 기지국(300)은, 복수의 송수신 노드들(예를 들어, 상기 이동 단말(100), 상기 중계기(200) 등 포함)로부터 전송되는 채널 정보를 수신한다.
또한, 상기 기지국(300)은, 상기 수신된 채널 정보를 근거로 각 링크의 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨을 결정한다.
또한, 상기 기지국(300)은, 상기 결정된 MCS 레벨과 상기 노드들이 요구하는 평균 데이터 전송률을 근거로, 협력 중계를 통한(또는, 협력 중계를 통하지 않은) IEEE 802.16j 네트워크의 상향 링크에서 통합 대역 할당 및 경로 선택 기법에 따라 각 노드들이 사용할 링크에 대한 심볼수를 결정한다. 이때, 상기 기지국(300)은, 아래 설명되는 수학식들을 근거로 상기 상향 링크에서 협력 통신을 수행할 때와 하지 않을 때의 상향 링크 처리율을 최대화하는 문제(또는, 방식)를 결정하고, 상기 결정된 상향 링크 처리율을 최대화하는 문제를 MMKP 문제(또는, 방식)로 변환한다.
이와 같이, OFDMA 기반의 IEEE 802.16j MMR 시스템 중에서 트랜스패런트 방식으로 동작하는 시스템에서, 협력 중계를 통해 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 방법을 제공하여, IEEE 802.16j 네트워크에서 협력 통신을 통해 상향 링크에서 최대화된 처리율을 제공할 수 있다.
또한, 이와 같이, 협력 통신을 이용하는 경우와 협력 통신을 이용하지 않는 경우에 대해서, 각각 최적화 기법과 다중 차원 다중 선택 배낭 문제(MMKP) 기반 기법을 제공하여, 협력 통신 제공 유무에 상관없이 높은 전송률과 일정 수준의 QoS를 제공할 수 있다.
이하에서는, 본 명세서에 따른 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 방법을 도 1 내지 도 4를 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 본 명세서의 일 실시예에 따른 IEEE 802.16j 기반 네트워크에서 시스템의 통신 과정을 보인 신호 흐름도이다.
먼저, IEEE 802.16j 기반 네트워크의 상향 링크에서 임의의 기지국(MR-BS)(300)은, 복수의 송수신 노드들(예를 들어, 임의의 이동 단말(100) 및/또는 중계기(200))로부터 각각 측정되어 전송되는 채널 정보를 수신한다(SP210).
이후, 상기 기지국(300)은, 상기 수신된 채널 정보를 근거로 각 링크의 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨을 결정한다(SP220).
이후, 상기 기지국(300)은, 상기 결정된 MCS 레벨과 상기 복수의 송수신 노드들 각각이 요구하는 평균 데이터 전송률을 근거로, 상기 IEEE 802.16j 네트워크의 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 기법에 따라 각 노드들이 사용할 링크에 대한 심볼수를 결정한다.
이때, 상기 기지국(300)은, 상기 상향 링크 접속 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 심볼수(
Figure 112012100594130-pat00001
)와 상향 링크 중계 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA 심볼수(
Figure 112012100594130-pat00002
)를 근거로, 협력 통신 유무에 따른 상향 링크 처리율을 산출한다.
즉, 상기 기지국(300)은, 상기 확인된 상향 링크 접속 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA 심볼수와 상향 링크 중계 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA 심볼수를 근거로, 상기 상향 링크에서 상기 이동 단말(100)이 상기 중계기(200)와 협력 통신을 수행할 때의 상향 링크 처리율을 최대화하는 문제(또는, 방식)를 하기 [수학식 1]과 같이 나타낸다.
Figure 112012100594130-pat00003
또한, 상기 [수학식 1]에 대한 제약 조건은 다음과 같다.
Figure 112012100594130-pat00004
[수학식 1-2]
Figure 112012100594130-pat00005
[수학식 1-3]
즉, 상기 [수학식 1]은, 상기 상향 링크에서 상기 협력 통신을 수행할 때, 성공적으로 전송되는 총 데이터 양을 최대화하는 문제(또는, 방식)를 나타낸 식이다.
여기서, 상기
Figure 112012100594130-pat00006
는, IEEE 802.16j 기반 네트워크의 상향 링크 접속 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA 심볼수이고, 상기
Figure 112012100594130-pat00007
는 상향 링크 중계 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA 심볼수이다. 또한, 상기
Figure 112012100594130-pat00008
는, 협력 통신을 하지 않을 때, 송신 노드(j)(또는, 상기 이동 단말(100))가 수신 노드(i)에 데이터를 전송 시 필요한 한 프레임 내 OFDMA 심볼수이다. 또한, 상기,
Figure 112012100594130-pat00009
은, 상기와 같이 협력 통신을 하지 않을 때, 송신 노드(j)(또는, 상기 이동 단말(100))가 수신 노드(i=1)(또는, 상기 기지국(300))에 데이터를 전송 시 필요한 한 프레임 내 OFDMA 심볼수이다. 또한, 상기
Figure 112012100594130-pat00010
는, 송신 노드(j와 i)가 수신 노드 1번(또는, 상기 기지국(300))에 협력 다이버시티(cooperative diversity)를 통해 데이터 전송 시 필요한 한 프레임 내 OFDMA 심볼수이다. 또한, 상기
Figure 112012100594130-pat00011
는, 협력 통신을 하지 않을 때, 송신 노드(j)(또는, 상기 이동 단말(100))가 수신 노드(i)에 데이터를 전송 시 단위 OFDMA 심볼당 비트 수이고, 상기
Figure 112012100594130-pat00012
는, 송신 노드(j와 i)가 수신 노드 1번(또는, 상기 기지국(300))에 협력 다이버시티를 통해 데이터를 협력하여 동시에 전송 시 단위 OFDMA 심볼당 비트 수이다.
또한, 상기
Figure 112012100594130-pat00013
은, 상기 상향 링크 접속 구간에서 상기 도 1에 도시된 상기 이동 단말(100)(j)이 상기 기지국(300)(i=1)으로 직접 경로(direct path)를 통해 데이터를 전송한 경우의 상기 기지국(300)에서 성공적으로 수신한 데이터 양을 나타낸다. 또한, 상기
Figure 112012100594130-pat00014
는, 상기 상향 링크 중계 구간에서 상기 도 1에 도시된 상기 중계기(200)(i)가 상기 이동 단말(100)(j)과 함께 협력 통신해서 상기 기지국(300)(i=1)으로 중계 경로(relay path)를 통해 데이터를 전송한 경우의 상기 기지국(300)에서 성공적으로 수신한 데이터 양을 나타낸다.
상기 본 명세서의 실시예에서는, 상기 중계 경로 사용 시, 상기 중계기(200)와 상기 이동 단말(100)과의 협력 통신은 고려하지만, 그 외에는 다중 경로를 동시에 사용하는 경로 선택은 고려하지 않는다. 따라서, 각각의 상기 이동 단말(100)(j)은, 상기 기지국(300)으로의 데이터 전송을 위해, 상기 직접 경로 또는 상기 중계 경로 중 하나의 경로만을 사용한다. 즉, 각각의 상기 이동 단말(100)별로, 상기 직접 경로 사용 시 상기
Figure 112012100594130-pat00015
항이 값을 갖고, 상기 중계 경로 사용 시 상기
Figure 112012100594130-pat00016
항이 값을 갖는다.
또한, 상기 제약 조건인 [수학식 1-2]는, 상기 상향 링크 접속 구간에서 상기 이동 단말(100)(j)이 상기 중계기(200)(i) 또는 상기 기지국(300)으로 데이터 전송 시 사용하는 총 OFDMA 심볼수는, 상기 상향 링크 접속 구간에 할당된 OFDMA 심볼수(
Figure 112012100594130-pat00017
)를 초과할 수 없음을 나타낸다.
또한, 상기 본 명세서의 실시예에서는, 상기 도 1에 도시된 상기 중계기(200)(i)가 관장하는 상기 이동 단말(100)(j)들이 서로 겹치지 않고, 상기 중계기(200)(i)의 상기 이동 단말(100)(j)들로부터 데이터 수신이 가능한 최대 영역이, 상기 중계기(200)(i) 간에 중첩되지 않는다고 가정한다.
또한, 상기 제약 조건인 [수학식 1-3]은, 상기 상향 링크 중계 구간에서 상기 중계기(200)(i)가 상기 이동 단말(100)(j)과 함께 협력 통신해서 상기 기지국(300)으로 데이터 전송 시 사용하는 총 OFDMA 심볼수는, 상기 상향 링크 중계 구간에 할당된 OFDMA 심볼수(
Figure 112012100594130-pat00018
)를 초과할 수 없음을 나타낸다.
또한, 상기 기지국(300)은, 상기 확인된 상향 링크 접속 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA 심볼수와 상향 링크 중계 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA 심볼수를 근거로, 상기 상향 링크에서 상기 이동 단말(100)이 상기 중계기(200)와 협력 통신을 수행하지 않을 때의 상향 링크 처리율을 최대화하는 문제(또는, 방식)를 하기 [수학식 2]과 같이 나타낸다.
Figure 112012100594130-pat00019
또한, 상기 [수학식 2]에 대한 제약 조건은 다음과 같다.
Figure 112012100594130-pat00020
[수학식 2-2]
Figure 112012100594130-pat00021
[수학식 2-3]
즉, 상기 [수학식 2]는, 상기 상향 링크에서 상기 협력 통신을 수행하지 않을 때, 성공적으로 전송되는 총 데이터 양을 최대화하는 문제(또는, 방식)를 나타낸 식이다.
여기서, 상기
Figure 112012100594130-pat00022
는, IEEE 802.16j 기반 네트워크의 상향 링크 접속 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA 심볼수이고, 상기
Figure 112012100594130-pat00023
는 상향 링크 중계 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA 심볼수이다. 또한, 상기,
Figure 112012100594130-pat00024
은, 상기와 같이 협력 통신을 하지 않을 때, 송신 노드(j)(또는, 상기 이동 단말(100))가 수신 노드(i=1)(또는, 상기 기지국(300))에 데이터를 전송 시 필요한 한 프레임 내 OFDMA 심볼수이다. 또한, 상기
Figure 112012100594130-pat00025
은, 상기와 같이 협력 통신을 하지 않을 때, 송신 노드(j)(또는, 상기 이동 단말(100))가 수신 노드(i=1)(또는, 상기 기지국(300))에 데이터를 전송 시 단위 OFDMA 심볼당 비트 수이다.
또한, 본 명세서의 실시예에서는 협력 다이버시티를 통한 협력 통신을 상기 상향 링크 중계 구간에서 사용하므로, 상기 상향 링크 접속 구간에 해당하는 [수학식 2-2]는 상기 협력 통신을 사용하는 경우의 [수학식 1-2]와 동일하게 표현한다.
또한, 상기 제약 조건인 [수학식 2-2]는, 상기 상향 링크 접속 구간에서 상기 이동 단말(100)(j)이 상기 기지국(300)으로 데이터 전송 시 사용하는 총 OFDMA 심볼수는, 상기 상향 링크 접속 구간에 할당된 OFDMA 심볼수(
Figure 112012100594130-pat00026
)를 초과할 수 없음을 나타낸다.
또한, 상기 제약 조건인 [수학식 2-3]은, 상기 상향 링크 중계 구간에서 상기 중계기(200)가 상기 이동 단말(100)과 함께 협력 통신해서 상기 기지국(300)으로 데이터 전송 시 사용하는 총 OFDMA 심볼수는, 상기 상향 링크 중계 구간에 할당된 OFDMA 심볼수(
Figure 112012100594130-pat00027
)를 초과할 수 없음을 나타낸다.
또한, 상기 기지국(300)은, 상기 IEEE 802.16j 기반 네트워크의 상향 링크 접속 구간에서 상기 협력 통신을 통해 상향 링크 처리율을 최대화하는 문제인 상기 [수학식 1]의 최적화 문제를 하기 [수학식 3]과 같이 MMKP 문제(또는, 방식)로 변환한다.
Figure 112012100594130-pat00028
또한, 상기 [수학식 3]에 대한 제약 조건은 다음과 같다.
Figure 112012100594130-pat00029
[수학식 3-2]
Figure 112012100594130-pat00030
[수학식 3-3]
Figure 112012100594130-pat00031
[수학식 3-4]
여기서, 상기
Figure 112012100594130-pat00032
는, 각 상기 이동 단말(100)(
Figure 112012100594130-pat00033
)이 선택한
Figure 112012100594130-pat00034
번째 경로이고, 상기
Figure 112012100594130-pat00035
는, 각 이동 단말(100)(
Figure 112012100594130-pat00036
)이 상기
Figure 112012100594130-pat00037
에 의해 선택된 경로에 대해 요구하는 평균 데이터 전송률(bits/sec)이다.
즉, 상기
Figure 112012100594130-pat00038
는 각 이동 단말(100)(
Figure 112012100594130-pat00039
)이 요구하는 평균 데이터 전송률을
Figure 112012100594130-pat00040
(bits/sec)라 할 때, 상기
Figure 112012100594130-pat00041
에 의해 경로
Figure 112012100594130-pat00042
로 결정되면
Figure 112012100594130-pat00043
이 되고, 경로
Figure 112012100594130-pat00044
로 결정되면
Figure 112012100594130-pat00045
이 된다.
또한, 상기
Figure 112012100594130-pat00046
는, 전송 시 할당될 수 있는 최대 OFDMA 심볼수이다. 여기서, 상기
Figure 112012100594130-pat00047
는, 하기 [수학식 4](또는, 수학식 4-1 및 4-2)의 우항들과 같고, 상기
Figure 112012100594130-pat00048
는 협력 통신을 사용하는 하기 [수학식 5](또는, 수학식 5-1 및 5-2)의 우항들과 같다.
Figure 112012100594130-pat00049
Figure 112012100594130-pat00050
[수학식 4-2]
여기서, 상기
Figure 112012100594130-pat00051
은, 상향 링크 접속 구간에서 상기 이동 단말(100)(j)(
Figure 112012100594130-pat00052
)이 상기 직접 경로를 통해 상기 기지국(300)으로 직접 데이터 전송 시 할당되는 최대 OFDMA 심볼수이다. 또한, 상기
Figure 112012100594130-pat00053
은, 데이터 전송량에 따라 유동적으로 설정할 수 있다.
또한, 상기 [수학식 4-1]은, 상기 상향 링크 접속 구간에서 상기 직접 경로를 이용하는 상기 이동 단말(100)(j)들에 대한 제약 조건이다.
또한, 상기 [수학식 4-2]는, 상기 상향 링크 접속 구간에서 상기 중계기(200)(i)(
Figure 112012100594130-pat00054
)를 거쳐서 상기 중계 경로를 이용하는 상기 이동 단말(100)(j)들에 대한 제약 조건이다.
Figure 112012100594130-pat00055
Figure 112012100594130-pat00056
[수학식 5-2]
여기서, 상기
Figure 112012100594130-pat00057
(
Figure 112012100594130-pat00058
)은, 상향 링크 중계 구간에서 각각의 상기 중계기(200)(i)(
Figure 112012100594130-pat00059
)가 상기 이동 단말(100)(j)(
Figure 112012100594130-pat00060
)과 함께 협력 다이버시티로 상기 기지국(300)(
Figure 112012100594130-pat00061
)에 데이터를 전송하기 위해 할당되는 최대 OFDMA 심볼수이다. 상기
Figure 112012100594130-pat00062
은, 데이터 전송량에 따라 유동적으로 설정할 수 있다.
또한, 상기 제약 조건인 [수학식 5-1]은, 상향 링크 중계 구간에서 상기 중계기(200)(
Figure 112012100594130-pat00063
)에 할당된
Figure 112012100594130-pat00064
OFDMA 심볼들을 제외한 나머지 심볼들을 상기 중계기(200)(
Figure 112012100594130-pat00065
)에 할당할 수 있음을 나타낸다.
또한, 상기 제약 조건인 [수학식 5-2]은, 상향 링크 중계 구간에서 각 상기 중계기(200)(
Figure 112012100594130-pat00066
)가 사용할 OFDMA 심볼수(
Figure 112012100594130-pat00067
)는, 각 중계기(200)에 할당한 OFDMA 심볼수(
Figure 112012100594130-pat00068
)를 초과할 수 없음을 나타낸다.
또한, 상기
Figure 112012100594130-pat00069
는, 송신 노드(j)(또는, 상기 이동 단말(100) 또는, 상기 중계기(200))가 k번째 경로를 선택해 수신 노드(i)(또는, 상기 중계기(200) 또는 상기 기지국(300))에 보낼 수 있는 심볼수로, 하기 [수학식 6]에 따라서 결정한다.
Figure 112012100594130-pat00070
또한, 상기 기지국(300)은, 상기 IEEE 802.16j 기반 네트워크의 상향 링크 접속 구간에서 상기 협력 통신을 수행하지 않을 때 상향 링크 처리율을 최대화하는 문제인 상기 [수학식 2]의 최적화 문제에 대한 MMKP 문제도 상기 [수학식 3]과 같이 나타낸다(또는, 변환한다).
여기서, 상기
Figure 112012100594130-pat00071
는, 전송 시 할당될 수 있는 최대 OFDMA 심볼수이다. 이때, 상기
Figure 112012100594130-pat00072
는, 상기 [수학식 4](또는, 수학식 4-1 및 4-2)의 우항들과 같고, 상기
Figure 112012100594130-pat00073
는 협력 통신을 사용하지 않는 하기 [수학식 7](또는, 수학식 7-1 및 7-2)의 우항들과 같다.
Figure 112012100594130-pat00074
Figure 112012100594130-pat00075
[수학식 7-2]
여기서, 상기
Figure 112012100594130-pat00076
는, 송신 노드(j)(또는, 상기 이동 단말(100))가 k번째 경로를 선택해 수신 노드(i)(또는, 상기 기지국(300))에 보낼 수 있는 심볼수로, 하기 [수학식 8]에 따라서 결정한다.
Figure 112012100594130-pat00077
이와 같이, IEEE 802.16j 기반 네트워크의 상향 링크에서 임의의 기지국(MR-BS)(300)은, 임의의 이동 단말(100)로부터 통신(또는, 네트워크) 연결 시도 시, 상기 이동 단말(100)이 직접 경로(또는, 접속 구간)를 통해 상기 기지국(300)에 통신 연결을 시도하는지 또는, 상기 이동 단말(100)이 임의의 중계기(200)와 협력 통신을 수행하여 중계 경로(또는, 중계 구간)를 통해 상기 기지국(300)에 통신 연결을 시도하는지 확인한다.
이후, 상기 기지국(300)은, 상기 확인된 상향 링크 접속 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA 심볼수와 상향 링크 중계 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA 심볼수를 근거로, 각 노드들이 사용할 링크에 대한 심볼수를 결정한다(SP230)..
도 3은 본 명세서의 일 실시예의 성능 평가를 위해 수행한 시뮬레이션의 시나리오이다.
먼저,
Figure 112012100594130-pat00078
의 통신 영역에
Figure 112012100594130-pat00079
(이동 단말)이 위치하고 있으며,
Figure 112012100594130-pat00080
의 통신 영역에
Figure 112012100594130-pat00081
(이동 단말)이 위치하고 있다. 그 외의 나머지 이동 단말들은
Figure 112012100594130-pat00082
와
Figure 112012100594130-pat00083
의 통신 영역에 위치하지 못하여 중계기(RS)를 거치지 않고 기지국(MR-BS)과의 직접적인 통신만을 사용할 수 있다. 또한, 이동 단말(MS)(j)에서 상기 중계기(RS)(i)로의 통신과 상기 이동 단말(MS)(j)에서 상기 기지국(MR-BS)으로의 통신에서는, MCS 레벨 16QAM 1/2을 사용하며, 상기 중계기(RS)(i)에서 상기 기지국(MR-BS)으로의 통신에서는 MMKP without 협력(cooperation) 기법의 경우에는 MCS 레벨 64QAM 2/3, MMKP with 협력 기법의 경우에는 MCS 레벨 64QAM 5/6를 사용한다.
도 4는 상기 도 3의 시뮬레이션 시나리오에서 LQB(Link Quality Based) without 협력 기법, LQB with 협력 기법, MMKP without 협력 기법, MMKP with 협력 기법에서의 이동 단말(MS)(j)별 처리율(throughput)을 나타낸다. 상기 LQB without 협력 기법과 상기 LQB with 협력 기법은 결과가 동일하며, 상기 LQB 기법보다는 협력 통신을 사용하지 않은 MMKP 기법이 더 좋은 처리율을 나타내며, 협력 통신을 이용하지 않는 MMKP 기법보다 협력 통신을 이용한 MMKP 기법이 더 좋은 처리율을 나타낸다.
또한, 상기 LQB without 협력 기법과 상기 LQB with 협력 기법의 경우에는, 상기
Figure 112012100594130-pat00084
이 상기
Figure 112012100594130-pat00085
의 통신 영역 내에 위치하고, 상기
Figure 112012100594130-pat00086
가 상기
Figure 112012100594130-pat00087
의 통신 영역 내에 위치하지만, 상기 단말(MS)(j)에서 상기 기지국(MR-BS)으로의 통신 경로와 상기 이동 단말(MS)(j)에서 상기 중계기(RS)(i)로의 통신 경로가 동일한 MCS 레벨을 사용하기 때문에, 전체 시스템 상에서 심볼수를 더 적게 사용하는 기지국(MR-BS)과의 직접 경로를 선택하여, 모든 이동 단말(MS)(j)들이 상기
Figure 112012100594130-pat00088
와 상기
Figure 112012100594130-pat00089
를 거치지 않고, 상기 기지국(MR-BS)과 직접 경로로 통신한다. 이때, 액세스 영역(access zone)의 허용 가능한 심볼수의 제약으로 인해, 일부 이동 단말(예를 들어,
Figure 112012100594130-pat00090
)의 통신이 거절되고, 나머지 9개의 이동 단말(MS)(j)들만 통신이 가능해진다. 따라서, 상기 LQB without 협력 기법과 상기 LQB with 협력 기법에서의 전체 시스템 처리율은, 오버헤드를 고려하지 않을 경우,
Figure 112012100594130-pat00091
Mbps(예를 들어, 이동 단말당 처리율이 0.5Mbps)이다. 또한, 제어 플레인(control plane)과 데이터 플레인(data plane)의 오버헤드를 고려하여 시뮬레이션할 경우, 상기 LQB without 협력 기법과 상기 LQB with 협력 기법의 전체 시스템 처리율은 약 4.3Mbps가 얻어진다.
또한, 협력 통신을 이용하지 않은 MMKP 기법의 경우에는, 상기 LQB without 협력 기법과 상기 LQB with 협력 기법에서 직접 경로를 통해 통신하던 이동 단말(MS)(j)들 중 상기
Figure 112012100594130-pat00092
이 상기
Figure 112012100594130-pat00093
가 중계하는 중계 경로로 설정되고, 상기
Figure 112012100594130-pat00094
가 상기
Figure 112012100594130-pat00095
가 중계하는 중계 경로로 설정되어, 데이터 전송량이 상기
Figure 112012100594130-pat00096
와 상기
Figure 112012100594130-pat00097
로 분산되어 일부 이동 단말(예를 들어,
Figure 112012100594130-pat00098
)만 통신이 거절되고, 나머지 11개의 이동 단말(MS)(j)들은 통신이 가능해진다. 상기 협력 통신을 이용하지 않은 MMKP 기법에서의 전체 시스템 처리율은 오버헤드를 고려하지 않을 경우,
Figure 112012100594130-pat00099
Mbps이다. 또한, 제어 플레인과 데이터 플레인의 오버헤드를 고려하여 시뮬레이션할 경우, 상기 협력 통신을 이용하지 않은 MMKP 기법의 전체 시스템 처리율은 약 5.4Mbps가 얻어진다.
또한, 협력 통신을 이용한 MMKP 기법의 경우에는, 협력 통신을 함으로써, 상기 중계기(RS)(i)에서 상기 기지국(MR-BS)으로의 통신 경로의 MCS 레벨이 64QAM 2/3에서 64QAM 5/6로 향상되어, 협력 통신을 이용하지 않은 MMKP 기법에서 통신이 거절되었던 상기
Figure 112012100594130-pat00100
의 통신이 가능해진다. 그 결과, 전체 시스템에서 상기
Figure 112012100594130-pat00101
만 통신이 거절되고, 나머지 12개의 이동 단말(MS)(j)들은 모두 통신이 가능해진다. 상기 협력 통신을 이용하는 MMKP 기법에서의 전체 시스템 처리율은 오버헤드를 고려하지 않을 경우
Figure 112012100594130-pat00102
Mbps이다. 또한, 제어 플레인과 데이터 플레인의 오버헤드를 고려하여 시뮬레이션할 경우, 상기 협력 통신을 이용하는 MMKP 기법의 전체 시스템 처리율은, 약 5.8Mbps가 얻어진다.
이와 같이, 협력 통신을 이용하는 경우의 본 명세서에 따른 최적화 기법은, 트랜스패런트 중계(transparent relay)가 배치된 단일 셀에서의 전체 네트워크의 상향 링크 처리율을 최대화하기 위한 통합 대역 할당 및 경로 선택 최적화 기법이다. 즉, 상기 본 명세서에 따른 최적화 기법은, 상기 상향 링크에서 성공적으로 전송되는 총 데이터 양을 최대화하는 기법이다. 또한, 상기 본 명세서에 따른 최적화 기법을 통해 얻어진 해는, 최적화 기법의 해에 근접하는 근사 해를 제공하며, 상기 협력 통신을 이용한 처리율이 협력 통신을 이용하지 않은 처리율에 비해 더 높게 나타남을 확인할 수 있다.
또한, 상기 협력 통신을 이용하는 경우의 본 명세서에 따른 MMKP 기법은, 상기 최적화 기법을 MMKP 기반 기법으로 변환하여 획득할 수 있다.
본 명세서의 실시예는 앞서 설명한 바와 같이, OFDMA 기반의 IEEE 802.16j MMR 시스템 중에서 트랜스패런트(transparent) 방식으로 동작하는 시스템에서, 협력 중계를 통해 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 방법을 제공하여, IEEE 802.16j 네트워크에서 협력 통신을 통해 상향 링크에서 최대화된 처리율을 제공할 수 있다.
또한, 본 명세서의 실시예는 앞서 설명한 바와 같이, 협력 통신을 이용하는 경우와 협력 통신을 이용하지 않는 경우에 대해서, 각각 최적화 기법과 다중 차원 다중 선택 배낭 문제(MMKP) 기반 기법을 제공하여, 협력 통신 제공 유무에 상관없이 높은 전송률과 일정 수준의 QoS를 제공할 수 있다.
전술한 내용은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 다양한 수정 및 변형이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
10: IEEE 802.16j 기반 네트워크 시스템
100: 이동 단말(Mobile Station : MS)
200: 중계기(Relay Station : RS)
300: 기지국(Multi-hop Relay-Base Station : MR-BS)

Claims (11)

  1. 복수의 송수신 노드들에 포함되는 이동 단말과 중계기와, 임의의 기지국과 상호 연동하는 IEEE 802.16j 기반 네트워크의 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 방법에 있어서,
    상기 기지국을 통해, 상기 복수의 송수신 노드들로부터 각각 측정되어 전송되는 채널 정보를 수신하는 단계;
    상기 기지국을 통해, 상기 수신된 채널 정보를 근거로 각 링크의 MCS(Modulation and Coding Scheme) 레벨을 결정하는 단계; 및
    상기 기지국을 통해, 상기 결정된 MCS 레벨과 상기 복수의 송수신 노드들 각각이 요구하는 평균 데이터 전송률을 근거로, 상기 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 기법에 따라 상기 복수의 송수신 노드들이 각각 사용할 링크에 대한 심볼수를 결정하는 단계를 포함하며,
    상기 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 기법은,
    상향 링크 접속 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA 심볼수가
    Figure 112013111139026-pat00103
    이고, 상향 링크 중계 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA 심볼수가
    Figure 112013111139026-pat00104
    일 때, 상기 상향 링크에서 상기 이동 단말과 상기 중계기의 협력 통신을 통한 상향 링크 처리율을 최대화하는 방식인 아래 수학식을 포함하며,
    Figure 112013111139026-pat00105

    여기서, 상기 수학식에 대한 제약 조건인 아래 수학식을 더 포함하며,
    Figure 112013111139026-pat00106

    Figure 112013111139026-pat00107

    이때, 상기
    Figure 112013111139026-pat00108
    는 협력 통신을 하지 않을 때 송신 노드(j)가 수신 노드(i)에 데이터를 전송 시 필요한 한 프레임 내 OFDMA 심볼수이고, 상기
    Figure 112013111139026-pat00109
    은 협력 통신을 하지 않을 때 송신 노드(j)가 수신 노드(i=1)에 데이터를 전송 시 필요한 한 프레임 내 OFDMA 심볼수이고, 상기
    Figure 112013111139026-pat00110
    는 송신 노드(j와 i)가 수신 노드 1번에 협력 다이버시티(cooperative diversity)를 통해 데이터 전송 시 필요한 한 프레임 내 OFDMA 심볼수이고, 상기
    Figure 112013111139026-pat00111
    는 협력 통신을 하지 않을 때 송신 노드(j)가 수신 노드(i)에 데이터를 전송 시 단위 OFDMA 심볼당 비트 수이고, 상기
    Figure 112013111139026-pat00112
    는 송신 노드(j와 i)가 수신 노드 1번에 협력 다이버시티를 통해 데이터를 협력하여 동시에 전송 시 단위 OFDMA 심볼당 비트 수이며,
    상기 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 기법은,
    상기 상향 링크에서 상기 협력 통신을 통한 상향 링크 처리율을 최대화하는 방식을 MMKP로 변환하는 아래 수학식을 포함하며,
    Figure 112013111139026-pat00188

    여기서, 상기 수학식에 대한 제약 조건인 아래의 수학식을 더 포함하며,
    Figure 112013111139026-pat00189

    Figure 112013111139026-pat00190

    Figure 112013111139026-pat00191

    이때, 상기
    Figure 112013111139026-pat00192
    는 각 상기 이동 단말(
    Figure 112013111139026-pat00193
    )이 선택한
    Figure 112013111139026-pat00194
    번째 경로이고, 상기
    Figure 112013111139026-pat00195
    는 각 상기 이동 단말(
    Figure 112013111139026-pat00196
    )이 상기
    Figure 112013111139026-pat00197
    에 의해 선택된 경로에 대해 요구하는 평균 데이터 전송률이고, 상기
    Figure 112013111139026-pat00198
    는 전송 시 할당될 수 있는 최대 OFDMA 심볼수이고, 상기
    Figure 112013111139026-pat00199
    는 송신 노드(j)가 k번째 경로를 선택해 수신 노드(i)에 보낼 수 있는 심볼수인 것을 특징으로 하는 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 방법.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서, 상기 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 기법은,
    상향 링크 접속 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA 심볼수가
    Figure 112012100594130-pat00113
    이고, 상향 링크 중계 구간에서 사용할 수 있는 OFDMA 심볼수가
    Figure 112012100594130-pat00114
    일 때, 상기 상향 링크에서 협력 통신을 수행하지 않을 때 상향 링크 처리율을 최대화하는 방식인 아래 수학식을 포함하며,
    Figure 112012100594130-pat00115

    여기서, 상기 수학식에 대한 제약 조건인 아래 수학식을 더 포함하며,
    Figure 112012100594130-pat00116

    Figure 112012100594130-pat00117

    이때, 상기
    Figure 112012100594130-pat00118
    은 협력 통신을 하지 않을 때 송신 노드(j)가 수신 노드(i=1)에 데이터를 전송 시 필요한 한 프레임 내 OFDMA 심볼수이고, 상기
    Figure 112012100594130-pat00119
    은 협력 통신을 하지 않을 때 송신 노드(j)가 수신 노드(i=1)에 데이터를 전송 시 단위 OFDMA 심볼당 비트 수인 것을 특징으로 하는 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 방법.
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서, 상기
    Figure 112013111139026-pat00132
    는,
    Figure 112013111139026-pat00133

    상기 수학식을 근거로 결정하는 것을 특징으로 하는 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기
    Figure 112013111139026-pat00134
    는, 하기 수학식의 우항들과 같고,
    Figure 112013111139026-pat00135

    Figure 112013111139026-pat00136

    여기서, 상기
    Figure 112013111139026-pat00137
    은, 상향 링크 접속 구간에서 상기 이동 단말(
    Figure 112013111139026-pat00138
    )이 상기 직접 경로를 통해 상기 기지국으로 직접 데이터 전송 시 할당되는 최대 OFDMA 심볼수이며,
    상기
    Figure 112013111139026-pat00139
    는, 협력 통신을 사용하는 하기 수학식들의 우항들과 같으며,
    Figure 112013111139026-pat00140

    Figure 112013111139026-pat00141

    여기서, 상기
    Figure 112013111139026-pat00142
    (
    Figure 112013111139026-pat00143
    )은, 상향 링크 중계 구간에서 상기 중계기(
    Figure 112013111139026-pat00144
    )가 상기 이동 단말(
    Figure 112013111139026-pat00145
    )과 함께 협력 다이버시티로 상기 기지국(
    Figure 112013111139026-pat00146
    )에 데이터를 전송하기 위해 할당되는 최대 OFDMA 심볼수인 것을 특징으로 하는 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 방법.
  7. 제3항에 있어서, 상기 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 기법은,
    상기 상향 링크에서 상기 협력 통신을 수행하지 않을 때 상향 링크 처리율을 최대화하는 방식을 MMKP로 변환하는 아래 수학식을 포함하며,
    Figure 112012100594130-pat00147

    여기서, 상기 수학식에 대한 제약 조건인 아래의 수학식을 더 포함하며,
    Figure 112012100594130-pat00148

    Figure 112012100594130-pat00149

    Figure 112012100594130-pat00150

    이때, 상기 는 각 상기 이동 단말(
    Figure 112012100594130-pat00152
    )이 선택한
    Figure 112012100594130-pat00153
    번째 경로이고, 상기
    Figure 112012100594130-pat00154
    는 각 상기 이동 단말(
    Figure 112012100594130-pat00155
    )이 상기
    Figure 112012100594130-pat00156
    에 의해 선택된 경로에 대해 요구하는 평균 데이터 전송률이고, 상기
    Figure 112012100594130-pat00157
    는 전송 시 할당될 수 있는 최대 OFDMA 심볼수이고, 상기
    Figure 112012100594130-pat00158
    는 송신 노드(j)가 k번째 경로를 선택해 수신 노드(i)에 보낼 수 있는 심볼수인 것을 특징으로 하는 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기
    Figure 112012100594130-pat00159
    는, 하기 수학식의 우항들과 같고,
    Figure 112012100594130-pat00160

    Figure 112012100594130-pat00161

    여기서, 상기
    Figure 112012100594130-pat00162
    은, 상향 링크 접속 구간에서 상기 이동 단말(
    Figure 112012100594130-pat00163
    )이 상기 직접 경로를 통해 상기 기지국으로 직접 데이터 전송 시 할당되는 최대 OFDMA 심볼수이며,
    상기
    Figure 112012100594130-pat00164
    는, 협력 통신을 사용하지 않는 하기 수학식들의 우항들과
    Figure 112012100594130-pat00165

    Figure 112012100594130-pat00166

    같은 것을 특징으로 하는 상향 링크에서의 통합 대역 할당 및 경로 선택 방법.
  9. 삭제
  10. 삭제
  11. 삭제
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