KR20110012084A - Ｏｆｄｍａ 통신망에서의 제한적 채널 정보 피드백 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 OFDMA 통신망에서의 제한적 채널 정보 피드백 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적은 양의 제한적 채널 정보[채널 이득의 극대값과 극소값에 관한 정보]만을 피드백해 모든 부반송파, 부채널의 복원된 정보를 획득하여 채널을 할당하기 위한, OFDMA 통신망에서의 제한적 채널 정보 피드백 방법을 제공하고자 한다.

이를 위하여, 본 발명은, 단말에서의 채널 정보 피드백 방법에 있어서, 기지국으로부터 수신받은 부반송파들의 채널 이득을 측정하는 단계; 상기 측정한 채널 이득의 극대값과 극소값을 구하는 단계; 및 상기 구한 극대값과 극소값에 관한 부반송파 인덱스 벡터 및 채널 이득 벡터를 자신의 채널 상태 정보로 설정해 기지국으로 전송하는 단계를 포함한다.

제한적 채널 정보, 피드백, 채널 할당, 채널 이득, 극대값, 극소값, OFDMA

Description

ＯＦＤＭＡ 통신망에서의 제한적 채널 정보 피드백 방법{The limited channel feedback method in OFDMA network}

본 발명은 OFDMA 통신망에서 단말로부터 피드백받은 채널 정보를 토대로 기지국이 채널을 할당하는 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 적은 양의 제한적 채널 정보[채널 이득의 극대값과 극소값에 관한 정보]만을 피드백해 모든 부반송파, 부채널의 복원된 정보를 획득하여 채널을 할당하기 위한, OFDMA 통신망에서의 제한적 채널 정보 피드백 방법에 관한 것이다.

직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA; Orthogonal Frequency Division Multiple Access, 이하 'OFDMA'라 함)은 여러 사용자에게 높은 전송률과 다양한 QoS를 지원하기 위한 무선 통신 기법 중 하나로서, 최근에 상용화된 휴대 인터넷[와이브로(WiBro), 와이맥스(WiMAX), 모바일 와이맥스(M-WiMAX) 등], LTE(Long Term Evolution, 3세대 이동통신 진화 기술) 등은 OFDMA를 기반으로 한다.

OFDMA 통신망에서 하나의 부반송파(subcarrier) 또는 부반송파 그룹은 기지 국으로부터 각각의 사용자[즉 단말]에게 할당되어 지고, 한 명의 사용자가 독점적으로 할당받은 하나의 부반송파를 통해 통신을 수행한다.

OFDMA 통신망을 위한 부반송파 할당 방식에 관한 연구가 활발히 진행되어 왔는데, 예를 들어 최대 시스템 처리량을 제공하도록 설계된 'OPP(Opportunistic scheduling) 방식', 전체 시스템 처리량과 사용자간 형평성을 고려한 'PF(Proportional Fairness scheduling) 방식' 등이 제안되었다.

OFDMA 통신망의 전송단[즉 기지국]에서 단말에게 채널 자원을 할당하면서 증진된 시스템 처리량을 얻기 위해서, 전송단은 채널 상태 정보(CSI; Channel State Information)를 획득해야 된다. 이상적으로 각 단말들은 각각의 부반송파에 대한 신호대잡음비(SNR; Siganl-to-Noise-Ratio)를 측정한 후에 이를 기지국에게 빠른 주기로 보고해야 한다.

그러나 채널 상태 정보 송수신에 있어, 수많은 단말들이 하나의 셀 내에 위치한 경우에 빠른 주기의 채널 상태 정보 보고는 상당한 양의 제어 시그널링 오버헤드(control signaling overhead)를 가져오게 되고, 이는 결국 통신 시스템 성능을 상당히 저하시키는 요인으로 작용한다.

위와 같은 문제점을 해소하기 위해 다양한 기법의 채널 피드백 알고리즘들이 제안되었는데, 대표적인 종래기술로 'Best-M 방식', 'Threshold-based 방식' 등이 있다. 이를 소개하면 다음과 같다.

Best-M 방식에서는 단말에서 각 부반송파 또는 부채널에 대해 측정한 신호대잡음비(SNR) 중에서 가장 높은 값부터 M번째로 높은 값들까지, 즉 높은 M개의 측정 된 값을 기지국으로 피드백해 채널 상태 정보를 보고한다.

그런데, Best-M 방식과 같은 종래기술은 그 알고리즘 성능이 변수 M에 굉장히 의존적임을 예상할 수 있는데, 이 M 값이 커짐에 따라 피드백 성능을 모든 채널 상태 정보를 보내는 것과 같은 전체 피드백 성능에 가까워 지도록 할 수 있으나, 그 피드백되는 데이터의 양이 매우 증가되는 문제점이 있으며, Best-M 방식에서 적절한 변수 M 값을 결정하는 것 역시 매우 어려운 문제점이 있다.

한편, Threshold-based 방식에서는 가장 높은 SNR값을 가지는 부반송파 정보와 함께, 가장 높은 SNR값을 가지는 값으로부터 임계값(X[dB]) 안에 들어 있는 모든 부반송파의 정보를 보고한다.

Threshold-based 방식은 채널 환경에 따라 피드백되는 데이터의 양이 조절되는 발전된 형태의 알고리즘으로서, 적절한 임계값(X[dB])을 결정하는 것이 무엇보다도 중요함을 확인할 수 있으나, Threshold-based 방식에서도 적절한 임계값(X[dB])을 결정하는 것이 매우 어려운 문제점이 있다. 덧붙여, 기존 연구 결과에 따르면 Best-M 방식에서는 'M=10', Threshold-based 방식에서는 ''X=5dB'일 때 하향 링크 통신 시스템 성능과 상향 링크 피드백 데이터 양이 적절한 트레이드오프(trade-off)를 가진다고 알려져 있다.

전술한 바와 같이, 종래기술들은 오직 높은 SNR값을 가지는 채널만을 기지국에게 보고하기 때문에 기지국에서 단말에 관한 채널 정보 부족을 겪으며, 그로 인해 효율적인 채널 할당이 이루어지지 못해 통신 시스템 성능이 저하되고 있는 문제점이 있다.

또한, OFDMA 통신망에서 기지국과 단말간의 데이터 송수신은 부채널 크기에 영향을 많이 받는데, 예컨대 부채널은 여러 개의 부반송파들이 모여 구성되며, 적응 변조 및 코딩(AMC; Adaptive Modulation and Coding) 모드의 경우에 인접한 부반송파들이 모여 부채널이 형성된다. 이러한 OFDMA 통신망 특성을 고려컨대 수많은 기지국들이 밀접된 환경에서 종래기술들에서는 기지국이 부채널의 기본 단위로 각 단말로 채널을 할당하게 되는데, 부채널 개수가 늘어남에 따라 그 피드백되는 데이터의 양이 매우 많이 늘어나게 되는 문제점이 있다.

따라서, 채널 피드백 데이터 양을 줄여 채널 피드백 부하 감소, 빠른 채널 피드백 구현을 도모하면서도, 새로운 제한적 피드백 채널 정보만을 사용하는 것으로도 기지국에서 단말에 관한 모든 부반송파 또는 부채널의 복원된 정보를 획득할 수 있어 통신 시스템 용량을 향상시킬 수 있는 기술이 절실히 요구되고 있다.

이에, 본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하고 상기와 같은 요구에 부응하기 위하여 제안된 것으로, 적은 양의 제한적 채널 정보[채널 이득의 극대값과 극소값에 관한 정보]만을 피드백해 모든 부반송파, 부채널의 복원된 정보를 획득하여 채널을 할당하기 위한, OFDMA 통신망에서의 제한적 채널 정보 피드백 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있으며, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 알게 될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.

상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은, 단말에서의 채널 정보 피드백 방법에 있어서, 기지국으로부터 수신받은 부반송파들의 채널 이득을 측정하는 단계; 상기 측정한 채널 이득의 극대값과 극소값을 구하는 단계; 및 상기 구한 극대값과 극소값에 관한 부반송파 인덱스 벡터 및 채널 이득 벡터를 자신의 채널 상태 정보로 설정해 기지국으로 전송하는 단계를 포함한다.

상기와 같은 본 발명은 OFDMA 시스템에서 채널 정보 피드백 부하 감소, 빠른 채널 정보 피드백 구현을 도모하면서도, 적은 채널 피드백 데이터 양으로도 모든 부반송파 또는 부채널의 복원된 정보를 획득해 효율적으로 채널 할당을 할 수 있어 전체 통신 시스템 용량을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

상술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되어 있는 상세한 설명을 통하여 보다 명확해 질 것이며, 그에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에 그 상세한 설명을 생략하기로 한다. 이하, 첨부된 도면들을 함께 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 본 발명이 적용되는 하향 링크 부반송파 할당을 위한 통신 시스 템(Downlink subcarrier allocation system based on partial feedback information)에 대한 일실시예 구성도로서, OFDMA 통신망의 제어 루프 구조를 도시하고 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 단말(User)(10)에서는 채널 추정부(channel estimation)(11)에서 기지국(Base Station)(20)으로부터 수신받은 부반송파에 대한 채널 상태를 측정한 후에, 채널상태정보 피드백부(12)에서 사전 규정(약속)된 데이터 포맷으로 채널 상태 정보(CSI; Channel State Information)를 생성하여 상향 링크(uplink)를 통해 기지국(20)으로 채널 상태 정보를 피드백(전송)한다.

기지국(20)에서는 하나의 셀 내의 모든 단말(10)들로부터 받은 채널 상태 정보를 토대로 라디오 자원 관리부(RRM; Radio Resource Management)(21)에서 부반송파 또는 부채널을 각 단말로 할당한다.

본 발명에서는 도 1과 같은 OFDMA 통신망에서 단말(10)로부터 피드백받은 채널 정보를 토대로 기지국(20)이 채널을 할당하는데 있어, 단말(10)이 적은 양의 제한적 채널 정보[채널 이득의 극대값과 극소값에 관한 정보]만을 기지국(20)으로 피드백하며, 이에 기지국(20)이 이 제한적 채널 정보를 이용해 모든 부반송파, 부채널의 복원된 정보를 획득하여 채널을 할당하는 것이다. 이하, 본 발명에서 제시하는 알고리즘을 '새로운 제한적 채널 정보 피드백 알고리즘'이라 정의하기로 한다.

그럼, 도 2를 참조해 본 발명에서 제시하는 알고리즘을 구체적으로 설명하기에 앞서, 도 1과 같은 본 발명의 OFDMA 통신망 구조에 대해 설명하기로 한다. 덧붙여 이하 '사용자'라는 용어는 단말(10)을 지칭하는 것으로 이해하는 것이 바람직하 다.

하나의 기지국(20)은 하나의 안테나와 N개의 OFDM 부반송파를 이용하며, 하나의 셀 내에는 K명의 사용자[K개의 단말]가 위치하고 있으며, 각 단말(10)은 하나의 안테나를 구비하고 있다. 여기서 각 단말(10)은 요구 데이터 전송률(Requested data rate) 'R_k,reqbits/slot'과 요구 에러 전송률(BER; Bit Error Rate) 'BER_k,req'를 갖는다.

또한, 각 단말(10)은 독립적인 소규모 페이딩(small scale fading, 예; 다중 경로 효과, 도플러 스프레드 효과 등)과 대규모 페이딩(large scale fading, 예; 지형에 따른 경로 손실 등)을 겪는다고 가정한다. 여기서, 단말 k에 대한 부반송파 n의 채널 이득(channel gain)을 'g_k,n', 할당된 전력(power)을 'p_k,n'이라 하자.

그렇다면, 단말(10)에서 완벽하게 채널 상태를 추정해 이 추정한 채널 상태 정보 모두를 기지국(20)으로 보고한다고 하면, 기지국(20)에서 가지고 있는 단말 k에 대한 부반송파 n의 신호대잡음비(SNR)는 다음의 [수학식 1]과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

은 부반송파 n에 대해 기지국(20)이 겪는 부가백색가우시안잡음(AWGN; Additive White Gaussian Noise)의 분산이다.

그런데, 본 발명에서 제시하는 새로운 제한적 채널 정보 피드백 알고리즘에서는 단말(10)이 기지국(20)으로 일부의 채널 상태 정보[즉 하기에서 후술할 채널 이득의 극대값과 극소값]만을 피드백(전송)하기에, 단말 k에 할당된 부반송파 n의 신호대잡음비(SNR)는 다음의 [수학식 2]와 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

은 제한적인 채널 피드백 정보인 채널 이득의 극대값과 극소값으로부터 추정된 채널 이득을 나타낸다.

각 부반송파가 B_c 만큼의 대역폭을 가지며, 만약 사용자가 요구 에러 발생률 'BER_k'를 만족해야 하는 통신 시스템에서 적응 변조 및 코딩(AMC; Adaptive Modulation and Coding) 모드가 적용된다고 하고, 엠-레벨(M-level) 직교진폭변조방식(QAM; Quadrature Amplitude Modulation)을 이용한다고 하면, 단말 k의 채널 용량은 다음의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

의 값을 가지며, 신호대잡음비(SNR) 간격을 나타 낸다.

상기와 같이 구한 채널 용량으로 단말 k에 대한 채널 용량 또는 처리량을 다음의 [수학식 4]와 같이 계산할 수 있다.

여기서,

과

은 각각 Full CSI 경우와 Partial CSI 경우의 할당지시변수로서 단말 k의 부반송파 n의 할당 여부를 나타내는 변수이다. 예컨대, '

= 1'이면 단말 k가 부반송파 n을 할당받았다는 것을 의미한다. 할당지시변수는 라디오 자원 관리부의 목적에 따라 정의된다. 예를 들어 시스템의 처리량을 최대화시키는 방향으로 자원 할당이 이루어질 경우에는 다음의 [수학식 5]를 만족시키는 할당지시변수를 찾게 된다. 여기서 하나의 부반송파는 하나의 단말(10)에게만 할당되어야 하며, 하나의 단말(10)은 여러 부반송파를 사용할 수 있다.

제한적 채널 정보 피드백 알고리즘에서는 [수학식 3]의

을 이용하여, 제한적 채널 정보 피드백의 할당지시변수

을 찾게 된다. 그러나, 제한적 채널 정보 피드백 알고리즘의 경우에도 실제 채널 용량 또는 처리량은 실제 채널 상태의 영향을 받으므로, [수학식 4]에서

이 아닌

이 제한적 채널 정보 피드백 알고리즘에서 단말 k의 채널 용량을 계산하는데 사용된다.

전체 통신 시스템의 용량은 [수학식 4]를 이용한 다음의 [수학식 6]과 같이 산출할 수 있다.

한편, 앞에서 구한 단말 k에 대한 채널 용량[모든 채널 상태 정보로 구한

또는 새로운 제한적 채널 피드백 정보로 구한

]은 단말 k가 최소 요구 데이터 전송률을 만족하는지를 비교할 때 사용된다. 또한, 모든 채널 상태 정보로 구한 전체 통신 시스템 용량[

]과 새로운 제한적 채널 피드백 정보로 구한 전체 통신 시스템 용량[

]을 비교함으로써, 서로 다른 채널 정보 피드백 알고리즘간의 통신 시스템 성능 저하를 측정할 수 있다.

그럼, 도 2를 참조해 본 발명에서 제시하는 새로운 제한적 채널 정보 피드백 알고리즘에 대해 구체적으로 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 OFDMA 통신망에서의 제한적 채널 정보 피드백 방법에 대한 일실시예 흐름도이다.

각 단말(10)에서는 다운 링크를 통해 기지국(20)간의 채널 상태, 즉 부반송파 n의 채널 이득(channel gain) 'g_k,n'을 완벽하게 측정한 후에(201), 이 측정한 채널 이득의 극대값과 극소값을 찾는다(202). 이때, 부가백색가우시안잡음(AWGN) 등의 잡음에 의한 극대값, 극소값 추정 오류를 없게 하기 위해서 연속된 부반송파들에 대한 채널 이득을 주파수 영역에서 스무딩[smoothing, 예; low-pass filtering 등과 같은 기법을 사용할 수 있음]한 다음에, 이 출력으로부터 극대값과 극소값을 구한다.

상기와 같이 구한 단말 k에 대한 채널 이득의 극대값과 극소값의 해당 부반송파 번호들을 값으로 가지는 부반송파 인덱스 벡터[I_k]를 다음의 [수학식 7]과 같이 나타낼 수 있으며, 이 부반송파 인덱스 벡터[I_k]에 대응하는 채널 이득 벡터[G_k]를 하기의 [수학식 8]과 같이 나타낼 수 있다.

여기서,

는 단말 k에 대한 피드백할 부반송파의 i번째 인덱스를 나타내고,

는

에 대응하는 채널 이득을 나타내고,

는 단말 k에 대한 채널 정보 피드백의 데이터 양을 나타낸다.

그런후, 각 단말(10)[즉 K개의 단말들]에서는 상기와 같이 찾은 채널 이득의 극대값과 극소값을 이용해 상기와 같이 구한 부반송파 인덱스 벡터[I_k] 및 채널 이득 벡터[G_k]를 자신의 채널 상태 정보로 설정해 상향 링크를 통해 기지국(20)으로 전송(피드백)한다(203, 204).

그러면, 기지국(20)에서는 각 단말(10)로부터 피드백받은 채널 상태 정보(부반송파 인덱스 벡터[I_k] 및 채널 이득 벡터[G_k])를 토대로 주지의 선형 보간법(linear interpolation)을 이용해 원래의 채널 상태를 복원한다(205, 206). 이후에 기지국(20)에서는 이 복원한 채널 상태를 토대로 각 단말(10)을 위한 채널 할당 과정을 수행하게 된다. 이러한 선형 보간법을 이용해 복원된 채널을 도 3을 통해 확인할 수 있다.

도 3은 다양한 다중 경로 페이딩에 대한 채널 상태(Channel Gain)를 보여주기 위한 일실시예 그래프이다. 도 3에서 L이 다중 경로의 개수(L=5, L=7, L=9)를 나타내고 있다.

도 3에 도시된 바와 같이, 사각형의 점들은 L=5인 채널에 대한 채널 이득의 극대값과 극소값을 보여주고 있으며, 점선으로 된 직선은 이러한 사각형의 점들을 기반으로 선형 보간법을 수행한 결과의 복원된 채널을 나타낸다. 이와 같이 도 3을 통해 다중 경로의 개수가 증가함에 따라 단말 k에 대한 채널 정보 피드백의 데이터 양[

]이 증가함을 확인할 수 있다.

도 4는 본 발명에서 제시한 알고리즘의 채널 정보 피드백 데이터 양(Feedback Amount)을 보여주기 위한 일실시예 그래프이다.

도 4에는 기존 알고리즘들<모든 채널 상태 정보를 피드백하는 방식['Full CSI'], 종래기술 부분에서 설명한 Best-M 방식['Best-M'], Threshold-based 방식['Threshold(X-5dB)']>, 본 발명의 알고리즘[다중 경로 L=9인 경우의 'Proposed', 다중 경로 L=7인 경우의 'Proposed'] 각각을 적용한 경우의 부채널 크기에 따른 채널 정보 피드백 데이터 양을 보여주고 있다.

Full CSI 방식, Best-M 방식, Threshold-based 방식들은 하나의 부채널에 들어 있는 부반송파의 개수로 정의되는 부채널 사이즈 S와 채널 정보 피드백 데이터 양이 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다.

Full CSI 방식에서는 'F_fullCSI = N/S' 만큼의 채널 정보 피드백 데이터 양이 필요하며, Best-M 방식에서는 'N=600'이고 'S=24'일 때 M을 10으로 하면 적절한 채널 정보 피드백 데이터 양과 그 성능을 얻을 수 있다고 알려져 있다. 그러나, 이러한 성능을 부채널 크기가 변함에 따라 유지시키기 위해서는 'F_BestM = 10/600/24×N/S = 2N/5S' 만큼의 채널 정보 피드백 데이터 양이 필요하다. Threshold-based 방식에서는 임계값 'X = 5dB'로 값을 맞춤으로써 최고의 성능을 얻을 수 있다고 알려져 있으며, 기존 연구 결과로부터

의 값을 가진다는 것이 알려져 있다.

이에 반해, 본 발명의 알고리즘에서는 채널 정보 피드백 데이터 양이 부채널 크기에 의존적인 것이 아니라, 다중 경로의 개수에 의존적인 것임을 확인할 수 있다. 즉, 다중 경로 L=7, L=9 각각의 경우에 있어 각각 평균적으로 9.58과 12개의 점들을 채널 상태 정보로서 피드백함을 시뮬레이션을 통해 알 수 있다.

또한, Full CSI 방식 대비 본 발명의 알고리즘은 특히 부채널 크기가 작은 경우에 채널 정보 피드백 데이터 양을 상당히 많이 줄일 수 있다.

예컨대, 부채널 사이즈 S가 20보다 작은 경우에, 기존 알고리즘들 대비 본 발명의 알고리즘은 항상 가장 적은 채널 정보 피드백 데이터 양을 가지게 된다. 비록 부채널 사이즈 S가 커질수록 기존 알고리즘들도 점점 적은 양의 채널 정보 피드백 데이터가 필요로 하나, 일반적인 통신 시스템에 보편적으로 적용된 부채널 사이즈 S가 24인 경우에 L이 7보다 같거나 작을 때 본 발명의 알고리즘이 가정 적은 양의 채널 정보 피드백 데이터를 필요로 한다. 이는 실제 상용화 통신 시스템에 적용하는데 있어 본 발명의 알고리즘이 가장 효율적임을 확인시켜 주고 있는 것이다.

다음으로, 본 발명에서 제시한 새로운 제한적 채널 정보 피드백 알고리즘에 연계시켜, 기지국(20)의 라디오 자원 관리부(21)에서 단말(10)에 대해 채널 할당, 예컨대 부반송파 또는 부채널을 할당하는 방법에 대해 설명하기로 한다.

본 발명에서는 새로운 제한적 채널 정보 피드백 알고리즘에 연계시킨 OPP(Opportunistic scheduling) 방식과, PF(Proportional Fairness scheduling) 방식을 제시한다.

상기 OPP 방식은 전체 통신 시스템의 처리량 또는 용량 측면에서의 손해를 계산하기 위해서 사용하였다. 이러한 OPP 방식은 각 부반송파에 대해 가장 높은 신 호대잡음비(SNR) 값을 가지는 단말을 그 부반송파에 할당하는 기법이다.

위와 같은 OPP 방식을 이용해 최소 요구 데이터 전송률을 고려하지 않고서 채널 할당을 수행하게 되면, 높은 통신 시스템 처리량을 가지게 된다. 다만, 통신 시스템 처리량 또는 용량을 최대로 만들어 주지만 단말간에 공평성(fairness)을 무시함으로써 OFDMA 통신망 상에 있는 단말 중 좋은 채널을 가지지 못한 단말이 채널을 전혀 할당받지 못하는 결과를 초래할 수도 있다.

상기 PF 방식에서는 max(r_k)는 단말 k에 대한 모든 부반송파 중에서 가장 큰 'r_k,n'으로 정의된다. 이러한 PF 방식은 부반송파를 할당할 때 단말마다 서로 다른 우선순위를 가지게 되는데, 단말 k의 우선순위를 'p_k'라 하면 큰 'r_k,n'을 가지는 단말이 높은 'p_k'를 가지게 된다.

본 발명에서는 단말의 우선순위에 따라 단말들에게 요구 데이터 전송률 'R_k,req'를 만족할 수 있는 가장 적은 수의 부반송파를 각각 할당한다. 그런후, 요구 데이터 전송률 'R_k,req'를 만족한 단말은 부반송파를 할당받을 수 있는 후보군에서 제외시킨다. 이러한 채널 할당 과정을 남아 있는 부반송파가 없거나 모든 단말들이 요구 데이터 전송률 'R_k,req'를 만족할 때까지 반복적으로 수행한다.

특히, 본 발명에서는 단말(10)로부터 기지국(20)으로 제한적으로 피드백된 채널 정보가 잘못된 채널 정보일 수도 있다는 점을 고려해, 이러한 잘못된 채널 정보로 인해 요구 데이터 전송률 'R_k,req'를 만족하지 못했음에도 불구하고 만족했다고 판단하는 것을 방지하기 위해, 요구 데이터 전송률 'R_k,req' 만족 여부를 판단하는데 있어 각 단말(10)의 요구 데이터 전송률 'R_k,req'에 마진(margin)을 주는 것이 바람직하다. 예컨대, 마진을 10%로 설정한 경우에 기지국(20)에서는 '1.1×R_k,req'를 만족할 때까지 부반송파를 할당하는 과정을 수행한다. 이와 같은 적절한 마진을 설정해 둠으로써 제한적으로 피드백된 채널 정보로 인한 통신 시스템 성능 저하를 줄일 수 있는 것이다. 이후에 부반송파가 남아 있으면, 남아 있는 부반송파에 대해서는 OPP 방식과 같이 통신 시스템의 처리량을 최대로 하는 방향으로 채널 할당 과정을 수행하는 것이 바람직하다.

다음으로, [표 1], 도 6 및 도 7을 참조해 본 발명의 알고리즘에 대해 수행한 시뮬레이션 결과에 대해 설명하기로 한다. 다음의 [표 1]은 시뮬레이션에 사용된 파라미터를 나타낸다.

파라미터(Parameter)	디스크립션(Desciption)
시스템 대역폭(System bandwidth)	10MHz
부반송파 개수(Number of subcarriers (N))	600
반송파 주파수(Carrier frequency)	3.5GHz
각 부반송파에 할당된 전력 (Power allocated on each subcarrier (pk,n))	100mW
다중 경로 개수(Number of multipath (L))	7, 9
부채널 사이즈(Subchannel size (S))	24

모든 단말들은 100[km/h]의 속도로 움직이며, 셀 내에 위치한 단말들은 반경 0.[1km] 밖에서 균일하게 분포되어 있다고 가정한다. 주지의 'COST 231 Hata urban propagation model'이 기지국과 단말간의 링크 이득(link gain)을 계산하는데 이용되었다. 기지국과 단말간의 떨어진 거리가 d[km]라고 할 때 경로 손실(path loss)은 다음의 [수학식 9]와 같이 나타낼 수 있다.

도 5는 본 발명에서 제시한 알고리즘의 사용자 수에 대한 처리량 저하(Relative loss in cell throughput)를 보여주기 위한 일실시예 그래프이다.

본 발명의 알고리즘 시뮬레이션에 있어 통신 시스템의 전체 셀 용량의 감소를 측정하기 위해 앞서 설명한 OPP 방식을 사용하였다. 예컨대, OPP 방식이 최대 통신 시스템 총 처리량을 제공하기 때문에 이러한 방식이 본 발명과 함께 기존 제한적 채널 정보 피드백 알고리즘들에 대한 용량 손실을 계산하는데 적합할 것이다.

상대 손실을

이라 정의하면, 도 5에서는 본 발명의 알고리즘과 기존 알고리즘들(Best-M 방식['Best-M'], Threshold-based 방식['Threshold-based'])의 상대 손실을 나타내고 있다.

도 5를 통해 확인할 수 있듯이, 본 발명의 알고리즘['Proposed(L=7)', 'Proposed(L=9)']의 상대 손실이 기존 알고리즘들 대비 상당히 낮은 것을 확인 할 수 있으며, 모든 단말의 수에 대해 월등히 높은 성능을 보여주고 있다.

특히, 다중 경로의 개수(L)가 늘어남에 따라 기존 알고리즘들은 성능의 손해가 상당히 심해지는 것을 확인 할 수 있으며, 이는 기존 알고리즘들이 인접한 부반송파를 묶어서 부채널로 할당하는 것에 그 원인을 찾을 수 있다.

예컨대, 기존 알고리즘들에서는 하나의 부채널 안에 존재하는 부반송파들의 채널 상태가 같다는 가정 하에 채널 정보 피드백과 채널 할당이 이루어지지만, 실제로는 다중 경로의 개수(L)가 늘어남에 따라 하나의 부채널 안에 있는 부반송파들간의 채널 값이 상이해지므로 부반송파 단위의 채널 할당이 필요해 지게 된다.

이에 반해, 본 발명의 알고리즘은 다중 경로 개수에 관계없이 거의 일정한 성능을 보여줌을 알 수 있다. 기존 알고리즘들과 다르게, 본 발명의 알고리즘은 기지국이 모든 부반송파들의 채널 정보를 복원하기 때문에 복원된 채널이 원래의 채널과 완벽하게 같지는 않더라도, 단말간의 상대적인 채널 이득을 비교하여 적절히 채널 할당을 할 수 있기에 굉장히 적은 성능 저하를 보이고 있다.

또한, 기존 알고리즘들은 기지국이 오직 높은 채널 이득을 가지는 부반송파에 관한 정보만을 단말로부터 피드백받아 보고받기 때문에 대부분의 기지국에서 단말로부터 보고받지 않은 부반송파 또는 부채널을 무작위로 채널 할당하게 된다. 이는 결국 기존 알고리즘들이 잘못된 채널 할당으로 인해 전체 통신 시스템 성능 저하를 초래하게 된다.

도 6은 본 발명에서 제시한 알고리즘의 사용자 수에 대한 아웃티지 확률(Outage Probability)을 보여주기 위한 일실시예 그래프이다.

도 6에는 다중 경로 개수가 7(L=7)인 경우의 아웃티지 확률에 대한 통신 시스템 성능을 보여주고 있다. 본 발명의 알고리즘 시뮬레이션에 있어 아웃티지 확률 비교를 위해 PF 방식을 사용하였다.

아웃티지 확률에 대해 간략히 소개하면, 단말의 전송률이 요구 전송률보다 작을 때 아웃티지가 발생하며, 이 아웃티지 확률은 '요구 전송률을 만족하지 못한 단말의 개수 / 통신 시스템 안에 있는 모든 단말의 개수'로 계산된다. 덧붙여, 통신 시스템 안에 있는 단말 개수가 증가함에 따라 아웃티지 확률은 증가하게 되는데, 이는 부반송파가 점점 한정적인 자원이 되기 때문이다.

도 6을 통해 확인할 수 있듯이, 본 발명의 알고리즘['Proposed(margin=0%)', 'Proposed(margin=5%)', 'Proposed(margin=10%)', 'Proposed(margin=20%)']은 5~10% 정도의 마진을 준 경우에 아웃티지 확률 측면에서 가장 낮은 통신 시스템 성능 저하를 가짐을 알 수 있다. 5%보다 작은 마진을 준 경우에 실제로는 요구 데이터 전송률[R_k,req]을 만족하지 못했음에도 불구하고 기지국이 요구 데이터 전송률을 만족했다고 판단할 가능성이 높아지고, 10%보다 큰 마진을 준 경우에 채널 할당을 받은 단말이 요구 데이터 전송률을 만족했을 가능성이 높아지지만, 부반송파 자원을 낭비함으로 인해 실제로 통신 가능한 단말의 개수가 줄어들게 된다. 결국, 적절한 마진 값을 설정함으로써, 아웃티지 확률 측면에서도 가벼운 성능 감소만을 가져올 수 있다. 결론적으로, 본 발명의 알고리즘이 적은 성능 손해를 보이면서, 채널 정보 피드백 데이터 양을 놀라울 만큼 줄이고 있기 때문에 우수한 통신 시스템 성능을 보장할 수 있는 것이다.

한편, 전술한 바와 같은 본 발명의 방법은 컴퓨터 프로그램으로 작성이 가능하다. 그리고 상기 프로그램을 구성하는 코드 및 코드 세그먼트는 당해 분야의 컴퓨터 프로그래머에 의하여 용이하게 추론될 수 있다.　또한, 상기 작성된 프로그램 은 컴퓨터가 읽을 수 있는 기록매체(정보저장매체)에 저장되고, 컴퓨터에 의하여 판독되고 실행됨으로써 본 발명의 방법을 구현한다. 그리고 상기 기록매체는 컴퓨터가 판독할 수 있는 모든 형태의 기록매체를 포함한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 변형 및 변경이 가능하므로 전술한 실시예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니다.

도 1은 본 발명이 적용되는 하향 링크 부반송파 할당을 위한 통신 시스템에 대한 일실시예 구성도.

도 2는 본 발명에 따른 OFDMA 통신망에서의 제한적 채널 정보 피드백 방법에 대한 일실시예 흐름도.

도 3은 다양한 다중 경로 페이딩에 대한 채널 상태(Channel Gain)를 보여주기 위한 일실시예 그래프.

도 4는 본 발명에서 제시한 알고리즘의 채널 정보 피드백 데이터 양(Feedback Amount)을 보여주기 위한 일실시예 그래프.

도 5는 본 발명에서 제시한 알고리즘의 사용자 수에 대한 처리량 저하(Relative loss in cell throughput)를 보여주기 위한 일실시예 그래프.

도 6은 본 발명에서 제시한 알고리즘의 사용자 수에 대한 아웃티지 확률(Outage Probability)을 보여주기 위한 일실시예 그래프.

Claims (3)

1. 단말에서의 채널 정보 피드백 방법에 있어서,

   기지국으로부터 수신받은 부반송파들의 채널 이득을 측정하는 단계;

   상기 측정한 채널 이득의 극대값과 극소값을 구하는 단계; 및

   상기 구한 극대값과 극소값에 관한 부반송파 인덱스 벡터 및 채널 이득 벡터를 자신의 채널 상태 정보로 설정해 기지국으로 전송하는 단계

   를 포함하는 OFDMA 통신망에서의 제한적 채널 정보 피드백 방법.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 기지국에서는,

   상기 단말로부터 수신받은 부반송파 인덱스 벡터 및 채널 이득 벡터를 토대로 선형 보간법을 이용해 원래의 채널 상태를 복원하고서, 상기 복원한 채널 상태를 이용해 채널 할당 과정을 수행하는 것을 특징으로 하는 OFDMA 통신망에서의 제한적 채널 정보 피드백 방법.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 기지국에서의 채널 할당 과정은,

   단말의 우선순위에 따라 해당 단말에게 요구 데이터 전송률을 만족하는 가장 적은 수의 부반송파를 할당하되,

   상기 요구 데이터 전송률 만족 여부를 판단하는데 있어 상기 단말의 요구 데이터 전송률에 소정 값의 마진(margin)을 주는 것을 특징으로 하는 OFDMA 통신망에서의 제한적 채널 정보 피드백 방법.

Images