KR101771436B1 - 멀티홉 무선 네트워크의 전이중 통신방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 멀티홉 무선 네트워크의 전이중 통신방법은, 데이터를 송신하는 소스단, 상기 데이터의 목적지인 목적단, 및 상기 소스단과 목적단을 무선으로 연결하는 적어도 하나의 릴레이가 포함되는 멀티홉 무선 네트워크의 통신방법이고, 상기 소스단에서 상기 목적단으로 상기 적어도 하나의 릴레이를 경유하여 순차 전송요청을 보내는 것; 상기 목적단에서 상기 소스단으로 상기 적어도 하나의 릴레이를 경유하여 상기 순차 전송요청에 대응하여 역순차 전송확인을 보내고, 경유가 된 상기 적어도 하나의 릴레이는 대기하는 것; 및 상기 순차 전송확인을 받은 다음에, 상기 소스단은 전이중 방식으로 상기 목적단으로 상기 적어도 하나의 릴레이를 경유하여 상기 데이터를 송신하는 것이 포함된다. 본 발명에 의해서 멀티홉 무선 네트워크 환경에서 전이중 통신을 가능하게 한다.

Description

멀티홉 무선 네트워크의 전이중 통신방법{Communication method for full duplexing for multi-hop wireless network}
본 발명은 멀티홉(multi-hop) 무선 네트워크(wireless network)에서 전이중(full duplexing) 통신방법에 대한 것이다.
차세대 무선 통신방법으로서, 5G 무선 네트워크를 위한 다양한 기술이 소개되고 있다. 이 중에서 송신과 수신을 동시에 수행할 수 있는 전이중(full duplexing) 통신방법에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다. 상기 전이중 통신방법은 네트워크의 스루풋을 향상시킬 수 있는 좋은 방법임에도 불구하고, 각 무선노드는 무선노드는 자기간섭 등의 영향으로 인하여 함께 수행할 수 없었다.
상기되는 배경 하에서 자기간섭(self interference)의 영향을 배제(cancel)하여 전이중 통신방법을 수행할 수 있도록 하는 기술이 소개되고 있다. 예를 들어, [B. Chen, Y. Qiao, Q. Zhang, and K. Srinivasan, "AirExpress: Enabling seamless in-band wireless multi-hop transmission," in ACM International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom), 2015.]에는, 어느 릴레이 노드가 훈련 시퀀스(training sequence)를 송신하고, 송신된 상기 훈련 시퀀스가 간섭 경로를 이동하여, 간섭신호 등이 중첩된 시퀀스를 수신하도록 한다. 상기 중첩된 훈련 시퀀스를 계층적으로 분석하여 역순으로 간섭채널을 연속적으로 추측하고, 추측된 간섭을 배제하도록 한다.
그러나, 계층적으로 간섭을 추측 및 캔슬하는 방법은, 간섭채널의 추측이 부정확한 경우에는 에러의 전파(error propagation)을 크게 야기하기 때문에 바람직하지 않다. 물론, 릴레이 노드가 많아지는 경우에는 전이중 통신방법이 수행될 수 있는 지경에 이른다.
B. Chen, Y. Qiao, Q. Zhang, and K. Srinivasan, "AirExpress: Enabling seamless in-band wireless multi-hop transmission," in ACM International Conference on Mobile Computing and Networking (MobiCom), 2015.
본 발명은 상기되는 배경하에서 제안되는 것으로서, 멀티홉 무선 네트워크에서 전이중 통신방법을 고효율로 안정적으로 수행할 수 있는 멀티홉 무선 네트워크의 전이중 통신방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
본 발명은 상기되는 목적을 달성하기 위하여, 자기간섭(self interference)과, 상호간섭(흐름내부간섭(IFI: intra-flow interference)이라고 할 수 있다. 이하 같다)를 각 노드별로 추측하고 이를 캔슬하도록 한다.
본 발명의 멀티홉 무선 네트워크의 전이중 통신방법에는, 소스단에서 목적단으로 상기 적어도 하나의 릴레이를 경유하여 순차 전송요청을 보내는 것, 상기 목적단에서 상기 소스단으로 상기 적어도 하나의 릴레이를 경유하여 상기 순차 전송요청에 대응하여 역순차 전송확인을 보내고, 경유가 된 상기 적어도 하나의 릴레이는 대기하는 것; 및 상기 순차 전송확인을 받은 다음에, 상기 소스단은 전이중 방식으로 상기 목적단으로 상기 적어도 하나의 릴레이를 경유하여 상기 데이터를 송신하는 것이 포함됨으로써, 자기간섭 및 상호간섭이 배제되어 전이중 통신이 안정적이고 대용량으로 수행될 수 있다.
또한, 상기 데이터가 수신된 다음에, 상기 목적단이 상기 소스단으로 상기 적어도 하나의 릴레이를 경유하여 역순차로 에크신호를 보내도록 함으로써, 통신의 안정수행을 담보할 수 있다.
또한, 상기 순차 및 상기 역순차는, 어느 한 쌍의 노드에서 송신 또는 수신이 종료되면, 다음 한 쌍의 노드에서 송신 또는 수신이 개시하는 것으로서, 자기간섭 및 상호간섭에 영향을 미치는 다양한 인자들에 대한 정보를 안정적으로 획득할 수 있다.
또한, 상기 순차 전송요청단계에서는, 상기 적어도 하나의 릴레이가 자기간섭의 배제에 필요한 정보를 획득할 수 있는데, 상기 자기간섭의 배제에 필요한 정보에는, 게인(G), 증폭계수(β), 순방향 딜레이(TF), 및 전파지연(δ)이 포함될 수 있다.
또한, 상기 역순차 전송확인단계에서는, 상기 적어도 하나의 릴레이가 상호간섭의 배제에 필요한 정보를 획득할 수 있고, 상기 역순차 전송확인단계에서, 상기 적어도 하나의 릴레이는 자기간섭이 배제된 상태로 운용될 수 있다. 따라서, 상호간섭의 배제에 필요한 정보를 정확하게 얻을 수 있다.
또한, 상기 데이터의 송신단계에서는, 상기 순차 전송요청단계에서 얻어지는 자기간섭을 배제하는 제 1 배제신호, 및 상기 역순차 전송확인단계에서 얻어지는 상호간섭을 배제하는 제 2 배제신호를 이용하여, 상기 적어도 하나의 릴레이에는 수신신호에서 상기 자기간섭 및 상기 상호간섭을 배제할 수 있다. 이에 따르면, 수신신호에서 적극적으로 배제신호를 이용하여 전이중 통신을 가능하도록 할 수 있다.
또한, 상기 적어도 하나의 릴레이가 대기할 때에는, 소정 패턴의 신호를 상기 경유가 수행될 때와 같은 출력으로 송신함으로써, 실제 데이터 수신 전에 자기간섭 및 상호간섭의 배제를 시작하여, 상기 간섭의 배제효과를 높일 수 있다.
또한, 상기 순차 전송요청단계에서 전송되는 파이프라인 전송 요청 프레임에는, 프리엠블(preamble), 홉 카운트(hop count), 목적단주소(destination address), 및 소스단주소(source address)가 포함되고, 상기 프리엠블에는, 훈련심볼 및 신호영역이 포함되도록 하여, 배제신호를 정확히 얻어낼 수 있다.
본 발명에 따르면, 멀티홉 무선 네트워크에서 전이중 통신을 가능하게 하고, 스루풋이 향상되면서, 안정적인 통신이 가능한 효과가 있다.
도 1은 실시예가 적용되는 멀티홉 무선 네트워크를 예시하는 도면.
도 2는 실시예에 따른 멀티홉 무선 네트워크의 전이중 통신방법을 설명하는 흐름도.
도 3은 각 노드에서의 한꺼번에 제시하는 타이밍도.
도 4는 파이프라인 전송 요청 프레임과 파이프라인 전송 확인 프레임을 나타내는 도면.
도 5는 홉의 수가 6일 때의 소스단과 목적단까지의 스루풋을 나타낸 도면.
도 7은 홉의 수가 증가함에 따른 딜레이 성능을 비교하는 도면.
도 8은 홉의 수를 변경시키고 상호간섭을 배제시키는 배제신호의 범위를 변화시킨 경우에 소스단에서 목적단까지의 스루풋을 계산하는 도면.
도 9는 실시예를 실제 제품으로 구현하여 실험한 시스템을 나타내는 도면.
도 10은 도 9에 제시되는 구성으로 실험을 수행하여 남아 있는 간섭의 양을 나타내는 그래프.
도 11은 노드 간의 거리를 달리하면서 자기간섭을 배제하는 경우에 남아 있는 간섭을 나타내는 도면.
도 12는 노드 간의 거리를 달리하면서 자기간섭과 상호간섭을 배제하는 경우에 남아 있는 간섭을 나타내는 도면.
이하에서는 도면을 참조하여 본 발명의 구체적인 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 본 발명의 사상은 이하에 제시되는 실시예에 제한되지 아니하고, 본 발명의 사상을 이해하는 당업자는 같은 사상의 범위 내에 포함되는 다른 실시예를 구성요소의 부가, 변경, 삭제, 및 추가 등에 의해서 용이하게 제안할 수 있을 것이나, 이 또한 본 발명 사상의 범위 내에 포함된다고 할 것이다.
본 발명의 전이중 통신방법은 다수의 릴레이가 제공되는 무선 네트워크 환경에서 더 바람직하게 제공될 수 있지만, 릴레이가 하나가 있는 환경에서도 적용될 수 있는 것은 물론이다.
본 발명의 전이중 통신방법은 다수의 통신방법 중의 어느 한 통신모드로 적용되어 구체적인 통신환경에 대응하는 가장 좋은 일 통신모드로 선택되어 사용될 수 있다. 본 발명의 전이중 통신방법은 자기간섭(self interference)와 상호간섭(intra-flow interference)를 효과적으로 배제할 수 있어서 간섭의 효과를 효과적으로 배제(cancel)시킬 수 있다.
본 발명은 노드 간의 자기간섭 및 상호간섭을 효과적으로 배제하기 위하여, 각 노드를 이어서 상향 및 하향의 통신을 수행한다. 짧은 시간 동안의 상기 상향 및 하향 통신을 통하여, 각 노드에서 간섭을 시각별로 정확히 확인할 수 있다. 따라서, 5G 무선 통신망에 대한 전이중 통신을 효과적으로 지원할 수 있다.
도 1은 실시예가 적용되는 멀티홉 무선 네트워크를 보인다.
도 1을 참조하면, 소스신호를 송신하는 소스단(1), 및 상기 소스신호를 최종 수신하는 목적단(5)이 도시된다. 상기 소스단(1)과 상기 목적단(5)의 사이에는 제 1 릴레이(2), 제 2 릴레이(3), 및 제 3 릴레이(4)가 제공된다. 물론 상기 릴레이의 갯수를 이에 한정되지 않는다. 상기 멀티홈 무선 네트워크에는 상기 소스단(1)과 상기 목적단(5)의 사이에 지리학적으로 그 외의 많은 릴레이가 놓일 수 있다. 그 중에서 소정의 릴레이가 선택되는 것으로 생각할 수 있다.
전이중(full duplexing) 통신방법이 수행되려면, 상기 제 1 릴레이(2)는 소스단(1)으로부터 소스신호(signal of interest)를 받는 동작과 함께, 상기 제 2 릴레이(3)로 상기 소스신호를 송신하여야 한다. 그러나, 상기 제 1 릴레이(2)가 제 2 릴레이(3)로 보내는 송신신호는 제 1 릴레이(2)에도 자기간섭(self-interference)을 일으킨다. 예를 들어, 제 1 릴레이(2)의 송신안테나에서 송신되는 신호가 제 1 릴레이(2)의 수신안테나에서 수신되어 소스신호로 인식될 수 있는 것이다. 따라서 상기 자기간섭의 영향을 적절히 배제할 수 있어야 한다. 이와 같은 자기간섭은 다른 노드에 대해서도 마찬가지로 발생할 수 있다. 따라서, 모든 노드 들에 있어서 사전에 배제되어야만 자기간섭의 영향이 없는 상태로 전이중 통신방법이 수행될 수 있다.
상기 전이중 통신방법이 수행되려면, 다수의 노드는 송신과 수신을 함께 수행할 수 있어야 한다. 따라서, 상기 제 2 릴레이(3) 및 상기 제 3 릴레이(4)가 송신하는 신호가 송신노드로서 목적하지 않은 다른 릴레이 노드, 즉 상기 제 2 릴레이의 송신신호의 경우에는 제 1 릴레이(2), 상기 제 3 릴레이 노드(4)의 경우에는 제 1 릴레이 노드(2) 및 제 2 릴레이 노드(3)에도 송신신호가 수신될 수 있다. 이때 각각의 수신신호는 수신하는 릴레이 노드에서는 소스신호로 인식될 수 있다. 이를 상호간섭(내부 흐름 간섭(IFI: intra-flow interference)이라고 할 수 있다. 이하 같다)이라고 할 수 있다.
상기 상호간섭은 다른 노드 들에 대해서도 마찬가지로 발생할 수 있다. 따라서, 모든 노드 패어 간에 적절히 배제되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 일 홉 상호간섭(one hop intra-flow interference) 또는 이 홉 상호간섭(two hop intra-flow interference), 그 외에 삼 홉 이상의 상호간섭이 마찬가지로 발생할 수 있으므로 이를 적절히 배제하는 것이 필요하다.
수학식 1은 각 노드가 수신하는 신호를 나타낸다. 수학식 1에는 자기간섭 및 상호간섭의 영향이 모두 포함되는 전체로서 수신신호를 나타낸다.
Figure 112016025547677-pat00001
여기서, G는 게인을 의미하고, R은 릴레이를 의미한다. 예를 들어,
Figure 112016025547677-pat00002
는 i번째 릴레이(Ri)와 j번째 릴레이(Rj)와의 사이의 게인을 나타낸다.
Figure 112016025547677-pat00003
는 i번째 릴레이(Ri)의 송신안테나와 수신안테나 사이의 게인을 나타낸다. X는 코드워드(codeword)를 나타낸다. N은 노이즈를 나타낸다. r은 릴레이의 개수이다.
한편, 순방향 통신에서 상호간섭, 예를 들어, 상기 제 1 릴레이(2)에서 상기 제 3 릴레이(4)에 대한 상호간섭은 노이즈로 취급할 수 있다. 추후에 상세하게 설명하지만, 일 홉(one hop)을 넘어서는 상호간섭은 지수함수의 형태로 작아지기 때문에 전이중 통신에 큰 영향을 미치지 않기 때문이다.
실시예는 증폭전송방식(AF scheme)을 적용하여, 수신된 신호를 증폭하여 다음 노드로 송신할 수 있다. 릴레이 방식 중에서 상기 증폭변조방식뿐만 아니라, 복호후전달방식(DF scheme)을 적용할 수도 있다. 또한, 신호의 송수신에는 딜레이(delay)가 발생할 수 있다. 상기 증폭과 신호의 딜레이를 감안하여 상기 수학식 1은 수학식 2로 바꾸어 쓸 수 있다.
Figure 112016025547677-pat00004
상기 수학식 2에서 β는 증폭계수(AF: amplification factor)를 나타낸다. TF는 릴레이 노드에서 순방향 딜레이(forwarding delay)를 나타낸다. δi는 i번째 홉에서의 전파지연(propagation delay)를 나타낸다.
그러면, 상기 자기간섭과 상기 상호간섭의 영향은, 배제신호를 특정 노드의 수신신호에 넣음으로써 배제시킬 수 있음을 알 수 있다.
상기 배제신호(cancellation signals)는 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
Figure 112016025547677-pat00005
여기서, 는 상기 자기간섭(SI: self interference)을 위한 배제신호(cancellation signal)이고,
Figure 112016025547677-pat00007
는 상호간섭(IFI: intra flow interference)을 위한 배제신호이다. 햇(^)은 추정(estimation)을 나타낸다.
상기 배제신호가 삽입되면 각 노드의 수신신호는 상기 수학식 2에 상기 수학식 3을 음의 값으로 넣는 것으로써 수학식 4로 바꾸어 쓸 수 있다.
Figure 112016025547677-pat00008
상기 수학식 4를 참조하면, 햇(^)으로 추정되는 추정값과 실제값과의 차이는 추정되는 각 값들의 정확도에 의존할 수 있다. 추정되는 값으로는, 게인(G), 증폭계수(β), 순방향 딜레이(TF), 및 전파지연(δ)이 있다. 한편, 추정되는 값은 배제계수(cancellation coefficient)를 적용하여 변경할 수 있다. 예를 들어,
Figure 112016025547677-pat00009
와 같이, 배제계수(
Figure 112016025547677-pat00010
)를 적용하여 추정되는 값을 변경시킬 수 있다. 상기 배제계수는 전이중 통신방법에 사용되는 아날로그 디지털 배제 기술(cancellation technique)에 의존할 수 있다.
상기 수학식 4를 통하여 상기 자기간섭과 상기 상호간섭의 영향을 배제할 수 있고, 따라서 멀티홉 무선 네트워크에서 전이중 통신을 수행할 수 있다. 멀티홉 무선 네트워크에서 자기간섭 및 상호간섭을 배제하는 배제신호를 알아내기 위해서는, 게인(G), 증폭계수(β), 순방향 딜레이(TF), 및 전파지연(δ) 등을 알아내야 한다. 이하에서는 상기 배제신호의 획득에 필요한 정보를 추출함과 함께 상기 데이터를 소스단에서 목적단으로 전송하는 통신방법에 대하여 설명한다.
도 2는 실시예에 따른 멀티홉 무선 네트워크의 전이중 통신방법을 설명하는 흐름도이고, 도 3은 각 노드에서의 한꺼번에 제시하는 타이밍도를 나타낸다. 실시예에서는 네 개의 릴레이가 적용되는 것으로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 소스단(S)은 상기 목적단(D)으로 순차로 전송요청을 보낸다(S1). 상기 목적단(D)은 상기 소스단(S)으로 상기 전송요청에 대응하여 역순차로 전송확인을 보내고, 상기 릴레이는 대기한다(S2). 상기 전송확인을 받은 소스단(1)(S) 및 릴레이(R1)(R2)(R3)(R4)에서는 전이중방식으로 목적단(D)으로 데이터를 송신한다(S3). 이후에는 상기 목적단(D)이 상기 소스단(S)으로 역순차단계로 에크신호를 전송한다(S4).
여기서 상기 순차는 소스단에서 목적단을 향하는 방향으로서, 어느 한 쌍의 노드에서 송수신이 종료하면 다음 한 쌍의 노드에서 송수신이 개시하는 것으로 말할 수 있다. 여기서 역순차는 목적단에서 소스단을 향하는 방향으로서, 어느 한 쌍의 노드에서 송수신이 종료하면 다음 한 쌍의 노드에서 송수신이 개시하는 것을 말할 수 있다.
상기 각 단계의 사이에는 SIFS(Short InterFrame Space)가 있을 수 있고, 통신이 종료한 다음에는 DIFS(Distributed InterFrame Space)가 있을 수 있다.
상기 각 단계를 더 상세하게 설명한다.
먼저, 순차 전송요청단계(S1)는, 소스단에서 목적단을 향하여 소정의 신호를 보내는 것에 의해서, 상기 자기간섭을 배제하는 배제신호에 필요한 각 노드들의 게인(G), 증폭계수(β), 순방향 딜레이(TF), 및 전파지연(δ)을 알아낼 수 있다.
더 상세하게는, 소스단(S)에서 목적단(D)으로 데이터를 패킷으로 보내고자 할 때, 상기 소스단(S)은, 상기 데이터를 송신하기 전에 파이프라인 전송 요청(PR: Pipeline RTS(Request to send))을 릴레이를 거쳐서 목적단으로 송신한다. 상기 파이프라인 전송요청은 소정 형태의 파이프라인 전송 요청 프레임으로 주어질 수 있다. 상기 파이프라인 전송 요청 프레임의 구성에 대해서는 후술한다. 상기 소스단으로부터 파이프라인 전송 요청을 받은 릴레이는, 상기 파이프라인 전송 요청 프레임에 홉 카운트(hop count)를 증가시킨 다음에 다음 노드로 전달하는 과정을 거친다. 상기 과정은 상기 파이프라인 전송 요청 프레임이 목적단에 이르기까지 수행될 수 있다.
상기 순차 전송요청단계를 거침으로서, 각 릴레이는 자기간섭의 채널상태정보(channel state information)와 전송을 위한 순방향 경로(forwarding path of transmission)와 딜레이 정보를 추정할 수 있다. 이는 각 릴레이는 수신 안테나와 송신 안테나를 가지기 때문에 자기가 송신할 때 자기간섭을 확인할 수 있고, 순차방향의 릴레이가 전송하는 것을 참조하여 자신의 순방향 딜레이는 예상할 수 있기 때문이다. 여기서, 상기 경로는 미리 파악되어 있을 수도 있고, 전파의 강도 등과 같은 순시값을 이용하여 선정될 수도 있다.
또한, 추정된 정보를 이용하여 자기간섭을 위한 배제계수(cancellation coefficient)를 결정할 수 있다.
이후에, 짧은 SIFS를 거친 다음에 역순차 전송확인단계(S2)가 수행된다. 목적단에서 소스단을 향하여 소정의 신호를 보내는 것에 의해서, 상기 상호간섭을 배제하는 배제신호에 필요한 정보를 획득할 수 있다.
더 상세하게는, 상기 목적단은 상기 파이프라인 전송 요청(PR: Pipeline RTS(Request to send))에 대응하여, 파이프라인 전송 확인(PC: Pipeline CTS(Clear to send))을 상기 소스단으로 보낸다. 상기 파이프라인 전송 확인은, 소정 형태의 파이프라인 전송 확인 프레임으로 주어질 수 있다. 상기 파이프라인 전송 확인 프레임에 대해서는 후술한다. 상기 목적단으로부터 역순차로 파이프라인 전송 확인을 받은 릴레이는, 상기 자기간섭을 배제하는 배제신호를 추가함으로써, 상기 자기간섭에 의한 영향을 배제시키고 노이즈 레벨을 안정화시킨다. 따라서, 상기 상호간섭을 배제시킬 수 있는 배제신호를 알아낼 수 있다.
상기 상호간섭을 배제시킬 수 있는 배제신호에 대하여 더 상세하게 설명한다. 예를 들어, 어느 하나의 릴레이(예를 들어, R4)가 상기 파이프라인 전송 확인을 송신하면, 그 전단에 있는 다른 릴레이(예를 들어, R1, R2, 및 R3)는 각각 일 홉(예를 들어, R3), 이 홉(예를 들어, R2), 및 삼 홉(예를 들어, R1)의 상호간섭의 채널상태정보(channel state information)를 알아낼 수 있다. 이때에는 자기간섭에 의한 영향이 없으므로 모두 상호간섭에 의한 영향인 것으로 판단할 수 있다. 상기 과정은 상기 역순차 전송 확인이 소스단에 이르기까지 수행될 수 있고, 각 릴레이 노드 쌍들(일홉, 이홉, 및 삼홉을 포함할 수 있다)은, 상호간섭에 해당하는 채널상태정보를 알아낼 수 있다. 또한, 추정된 정보를 이용하여 상호간섭을 위한 배제계수(cancellation coefficient)를 결정할 수 있다.
한편, 어느 한 릴레이 노드가 상기 파이프라인 전송 확인을 보낸 다음에는, 상기 어느 한 릴레이 노드는 파이프라인 준비구간(pipeline ready period)에 들어간다. 상기 파이프라인 준비구간에서는 소정패턴의 신호를, 파이프라인 전송확인(PC)에서와 같은 출력으로 송신한다. 따라서, 어느 역순차로 이후의 다른 릴레이가 일으키는 상호간섭에 의한 영향을 배제시킬 수 있다. 예를 들어, 어느 하나의 릴레이(R4)가 상기 파이프라인 준비구간에 들어가고 그 전단의 릴레이(R3)가 파이프라인 전송확인(PC)을 수행하면, 그 전단에 있는 다른 릴레이(R1, R2)는 R3에 의한 영향만을 파악할 수 있고, R3에 의한 상호간섭을 정확히 알아낼 수 있다. 상호간섭을 알아내고 이를 배제하는 작용을 수행할 수 있다. 물론, 데이터 수신을 준비할 수도 있다.
상기 역순차 전송확인단계를 거침으로서, 상기 상호간섭의 배제에 필요한 정보를 획득할 수 있다.
상기 순차 전송요청단계(S1)에서 자기간섭의 배제에 필요한 정보를 확인하고, 상기 역순차 전송확인단계(S2)에서 상호간섭의 배제에 필요한 정보를 획득하였다. 따라서, 이후에는 간섭에 의한 영향을 배제하고, 데이터를 순차로 전이중 방식으로 송신하고(S3), 역순차로 애크신호를 송신하여 데이터 송신을 종결할 수 있다(S4).
도 4는 파이프라인 전송 요청 프레임과 파이프라인 전송 확인 프레임을 나타내는 도면이다.
도 4를 참조하면, 파이프라인 전송 요청 프레임에는 프리엠블(preamble), 홉 카운트(hop count), 목적단주소(destination address), 및 소스단수조(source address)가 포함될 수 있다.
상기 프리엠블에는, 훈련심볼(training symbol), 및 신호영역(signal field)이 포함될 수 있다. 상기 훈련심볼은 자동게인컨트롤, 반송주파수 오프셋 추측, 심볼 타이밍 추정에 사용될 수 있다. 상기 신호영역은 채널훈련을 위한 BPSK 심볼을 구성할 수 있다.
상기 홉카운트는 소스로부터 자신까지의 홉의 수(number of hop)을 나타내고, 소스단에서 멀어질수록 그 수는 점진적으로 늘어날 수 있다. 따라서, 홉의 단계를 확인할 수 있다. 상기 주소영역에는 목적단주소와 소스단주소가 포함될 수 있다.
상기 파이프라인 전송 확인 프레임에는 상기 파이프라인 전송 요청 프레임과 유사하게 프리엠블과 홉 카운트가 포함될 수 있다. 상기 파이프라인 전송 확인 프레임의 다음에는 상기 파이프라인 준비구간이 있다. 상기 파이프라인 준비구간은 자기간섭 및 상호간섭을 위한 배제신호에 의해서 각각 배제되고, 데이터의 전송(즉, 전이중 통신)을 대기하는 구간일 수 있다. 상기 파이프라인 준비구간의 길이는 전파지연, 순방향 딜레이, 및 이전 릴레이 노드의 프레임 전송 시간에 의존할 수 있다.
실시예에 따른 멀티홉 무선 네트워크의 전이중 통신방법을 매트랩(MATLAB)을 이용하여 시뮬레이션을 수행한 결과에 대하여 설명한다. 시뮬레이션의 조건은 이하의 표 1과 같다.
Figure 112016025547677-pat00011
상기 표 1을 조건으로서, 시뮬레이션을 수행한 결과를 다양한 그패프를 이용하여 설명한다.
도 5는 홉의 수가 6일 때의 소스단과 목적단까지의 스루풋을 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 자기간섭과 상호간섭의 억제계수(suppression level)(SSI, SIFI)를 변경하면서 스루풋을 측정한 결과이다. 여기서, 상기 억제계수는, 수학식 5로 주어질 수 있다.
Figure 112016025547677-pat00012
Figure 112016025547677-pat00013
상기 수학식 5에서, 분자는 자기간섭과 상호간섭을 배제한 뒤에 남아 있는 간섭이고, 분모는 자기간섭과 상호간섭 그 자체를 말한다.
도 5에서 알 수 있는 바와 같이, 상기 상호간섭의 억제계수가 5dB일 경우를 제외하고는 상기 자기간섭의 억제계수가 60dB에 이를 때까지는 급격하게 증가한다. 그러나, 상기 상호간섭의 억제계수가 20dB에 이른 다음에는 눈에 띄는 향상을 얻을 수 없었다.
도 6은 홉의 수를 증가시킴에 따른 소스단에서 목적단까지의 스루풋의 변화를 나타낸다.
도 6을 참조하면, 상호간섭을 배제하지 않고 전 이중 통신을 수행하는 경우에는 홉의 수가 증가함에 따라서 스루풋의 급격이 저하하는 것을 볼 수 있다. 또한, 반 이중 통신을 수행하는 경우에 비하여 실시예의 방식이 수백% 많은 스루풋을 얻을 수 있었다.
도 7은 홉의 수가 증가함에 따른 딜레이 성능을 비교하는 도면이다.
도 7을 참조하면, 반 이중 통신의 경우에는 홉의 수가 증가함에 따라서 굉장한 딜레이 시간의 증가가 발생하는 것을 볼 수 있다. 전 이중의 경우에는 그러한 문제는 발생하지 않지만, 상호간섭을 배제하지 않는 경우에는 도 6에서 본 바와 같이 스루풋이 급격히 저하하여 통신을 수행할 수 없는 지경에 이르는 것을 볼 수 있었다.
도 8은 홉의 수를 변경시키고 상호간섭을 배제시키는 배제신호의 범위를 변화시킨 경우에 소스단에서 목적단까지의 스루풋을 계산한 것이다.
도 8을 참조하면, no-IFI는 모든 상호간섭을 배제한 경우이고, 1-hop-only IFI는 어느 하나의 릴레이의 직근 인접하는 한 홉의 상호간섭만 배제하지 않고 적용한 경우이고(예를 들어, R2라면, R3에 의한 상호간섭을 적용하는 것), 1~2-hop IFI는 두 개의 인접하는 릴레이의 상호간섭만을 배제하지 않고 적용한 경우이고(예를 들어, R2라면, R3 및 R4에 의한 상호간섭을 적용하는 것), 1~3-hop IFI는 세 개의 인접하는 릴레이의 상호간섭만을 배제하지 않고 적용한 경우이다(예를 들어, R2라면, R3, R4, 및 R5에 의한 상호간섭을 적용하는 것).
도 8을 통하여 알 수 있는 바와 같이, 상호간섭은 일 홉에 의한 상호간섭의 영향이 가장 크고, 이 홉에 의한 상호간섭의 영향을 극히 작은 것을 알 수 있다. 그러므로, 실시예의 경우에 모든 노드 간의 상호간섭을 배제하는 경우에는 다량의 연산으로 인하여 오버해드가 증가할 수 있으나, 가장 직근 릴레이 노드에 대해서만 상호간섭을 배제함으로써, 오버해드의 영향을 줄이면서도 스루풋을 향상시키는 효과를 얻을 수 있다.
도 9는 실시예를 실제 제품으로 구현하여 실험한 시스템을 나타내는 도면이다. 실험은 WARP(Wireless Open Research Platform)에서 전이중 파이프라인 멀티 홉 전송 스킴으로 수행되었다. 모든 WARP 하드웨어 장비는 QPSK변조방식으로 OFDM 물리층을 가지고 2.4GHz의 반송주파수를 사용하였다.
도 9를 참조하면, 소스단(11) 및 목적단(14)에는 한 개의 안테나가 송수신의 목적으로 제공된다. 제 1 릴레이(12) 및 제 2 릴레이(13)에는 두 개의 안테나가 전이중 통신의 수행시에 각각 수신 및 송신을 수행하기 위하여 제공된다.
먼저, 상기 소스단(11)에서 상기 목적단(14)으로 순차로 전송요청을 보낸다. 상기 전송요청을 송신하면서 자기간섭을 배제하는 배제신호의 제공에 필요한 정보를 획득한다. 상기 목적단(14)에서는 상기 소스단(11)으로 상기 전송요청에 대응하여 역순차로 전송확인을 보내고, 상기 릴레이(12)(13)는 대기한다. 상기 전송확인을 보내면서 상호간섭의 배제에 필요한 정보를 획득한다. 상기 전송확인을 받은 소스단(11) 및 릴레이(12)(13)에서는 전이중 방식으로 목적단(14)으로 데이터를 송신한다. 이후에는 상기 목적단(14)이 상기 소스단(11)으로 역순차단계로 에크신호를 전송한다.
도 10은 도 9에 제시되는 구성으로 실험을 수행하여 남아 있는 간섭의 양을 그래프로 도시하였다.
도 10을 참조하면, 자기간섭만을 배제하는 경우, 자기간섭과 상호간섭을 모두 배제하는 경우, 및 자기간섭 및 상호간섭을 모두 배제하지 않는 경우에 남은 간섭의 양을 보여준다. 실험의 결과, 자기간섭만을 배제하는 경우에는 실질적으로 간섭을 배제할 수 없고, 상호간섭까지도 배제하는 경우에는 대략 12dB까지 줄어드는 것을 볼 수 있었다.
도 11은 노드 간의 거리를 달리하면서 자기간섭을 배제하는 경우에 남아 있는 간섭을 나타내는 도면이고, 도 12는 노드 간의 거리를 달리하면서 자기간섭과 상호간섭을 배제하는 경우에 남아 있는 간섭을 나타내는 도면이다.
도 11 및 도 12를 참조하면, 자기간섭은 노드 간의 거리에 따라서 차이가 없으나, 상호간섭에 의한 영향이 노드 간의 거리가 짧아짐에 따라서 커지는 것을 볼 수 있다(도 11참조). 그러나, 상호간섭에 의한 영향을 배제함으로써, 상호간섭의 크기가 커짐에 따라서 억제되는 간섭의 양이 증가하는 것을 볼 수 있다(도 12참조). 따라서 상호간섭은 멀티홉의 무선 릴레이 네트워크에서 크게 요구되는 것을 확인할 수 있다.
본 발명은 멀티홉 무선 네트워크 환경에서 간섭의 영향을 줄일 수 있다. 이로써, 스루풋의 향상, 및 전송속도증가의 효과를 얻을 수 있다. 또한, 차세대 통신망에 한층 더 접근할 수 있다.
1: 소스단
5: 목적단

Claims (10)

  1. 데이터를 송신하는 소스단, 상기 데이터의 목적지인 목적단, 및 상기 소스단과 목적단을 무선으로 연결하는 적어도 하나의 릴레이가 포함되는 멀티홉 무선 네트워크의 통신방법이고,
    상기 소스단에서 상기 목적단으로 상기 적어도 하나의 릴레이를 경유하여 순차 전송요청을 보내는 것;
    상기 목적단에서 상기 소스단으로 상기 적어도 하나의 릴레이를 경유하여 상기 순차 전송요청에 대응하여 역순차 전송확인을 보내고, 경유가 된 상기 적어도 하나의 릴레이는 대기하는 것; 및
    상기 역순차 전송확인을 받은 다음에, 상기 소스단은 전이중 방식으로 상기 목적단으로 상기 적어도 하나의 릴레이를 경유하여 상기 데이터를 송신하는 것을 포함하고,
    상기 순차 전송 요청 단계는 자기간섭 배제를 위한 제1 배제신호를 획득하는 단계를 포함하고,
    상기 역순차 전송 확인 단계는 상호간섭 배제를 위한 제2 배제신호를 획득하는 단계를 포함하고,
    상기 제1 배제신호 및 상기 제2 배제신호는 상기 적어도 하나의 릴레이에서 발생하는 자기간섭 및 상호간섭을 배제하는데 이용되는 멀티홉 무선 네트워크의 전이중 통신방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 데이터가 수신된 다음에, 상기 목적단이 상기 소스단으로 상기 적어도 하나의 릴레이를 경유하여 역순차로 에크신호를 보내는 것이 포함되는 멀티홉 무선 네트워크의 전이중 통신방법.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 순차 및 상기 역순차는, 어느 한 쌍의 노드에서 송신 또는 수신이 종료되면, 다음 한 쌍의 노드에서 송신 또는 수신이 개시하는 것인 멀티홉 무선 네트워크의 전이중 통신방법.
  4. 삭제
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 제1 배제신호는 게인(G), 증폭계수(β), 순방향 딜레이(TF), 및 전파지연(δ)을 포함하는 멀티홉 무선 네트워크의 전이중 통신방법.
  6. 삭제
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 역순차 전송확인단계에서, 상기 적어도 하나의 릴레이는 자기간섭이 배제된 상태로 운용되는 멀티홉 무선 네트워크의 전이중 통신방법.
  8. 삭제
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 적어도 하나의 릴레이가 대기할 때에는, 소정 패턴의 신호를 상기 역순차 전송확인에서의 릴레이 경유가 수행될 때와 같은 출력으로 송신함으로써, 실제 데이터 수신 전에 자기간섭 및 상호간섭의 배제를 시작하여, 상기 자기 간섭 및 상호간섭의 배제효과를 높이는 멀티홉 무선 네트워크의 전이중 통신방법.
  10. 제 1 항에 있어서,
    상기 순차 전송요청단계에서 전송되는 파이프라인 전송 요청 프레임에는, 프리엠블(preamble), 홉 카운트(hop count), 목적단주소(destination address), 및 소스단주소(source address)가 포함되고,
    상기 프리엠블에는, 훈련심볼 및 신호영역이 포함되는 멀티홉 무선 네트워크의 전이중 통신방법.
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