KR20120106115A - ＯＦＤＭＡ 기반 무선 메쉬 네트워크를 위한 Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｏｖｅｒ Ｔｈｅｒｍａｌ 제어 방법 - Google Patents

Abstract

OFDMA 기반의 3단계 핸드쉐이킹을 사용하는 무선 메쉬 네트워크 시스템에서 한 노드가 2-hop 이상 떨어진 노드에 관한 정보는 알 수 없다는 환경하에서의 IoT 제어 방법이 개시된다. 본 발명에 따른 효율적인 IoT 제어 방법은, 송신전력을 계산하는 기준노드(Base Node; 이하 기준노드라 함)가 적어도 하나의 대상노드(Target Node)로부터 프리앰블(Preamble) 신호를 포함하는 제어 메지시를 수신하는 단계, 상기 프리앰블 신호를 측정하는 단계, 상기 측정한 프리앰블 신호를 기초하여 상기 적어도 하나의 대상노드로부터 받은 프리앰블 수신전력을 계산하는 단계, 상기 계산한 프리앰블 수신전력을 통하여 상기 적어도 하나의 대상노드 중 기준노드로부터 1-hop 거리에 있는 대상노드의 신호 대 간섭비(Signal-to-Interference Ratio; SIR)를 계산하는 단계 및 상기 계산한 SIR을 기초하여 상기 기준노드의 송신전력을 결정하는 단계를 포함한다. 본 발명에 따르면, 송신전력 제어를 수행함으로써 자신으로부터 2-hop 거리에 있는 노드에 미치는 간섭량을 효율적으로 조절하여, 2-hop 이상 떨어진 노드의 성능 개선 및 신뢰성 있는 서비스를 제공할 수 있다.

Description

ＯＦＤＭＡ 기반 무선 메쉬 네트워크를 위한 Ｉｎｔｅｒｆｅｒｅｎｃｅ ｏｖｅｒ Ｔｈｅｒｍａｌ 제어 방법{Method of Interference over Thermal Control for OFDMA based Wireless Mesh Networks}

본 발명은 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access; 직교주파수분할다중접속) 기반의 3단계 핸드쉐이킹(3-Way Handshaking)을 사용하는 무선 메쉬 네트워크(Wireless Mesh Network; WMN) 시스템에서의 IoT(Interference over Thermal) 제어 방법에 관한 것이다.

기존의 셀룰러(Cellular) 시스템에서는 인접 셀(Neighbor Cell)의 단말(Termianl; T)로부터 오는 상향링크(Uplink; UL) 데이터의 간섭 때문에 서빙 셀(Serving Cell) 에지(edge) 단말의 성능이 좋지 않은 문제점을 가지고 있다. 이러한 문제점을 개선하기 위한 방법으로 하향링크(Downlink; DL) 신호 대 간섭비(Signal-to-Interference Ratio; SIR)를 측정하여 전력제어를 함으로써 인접 셀에 미치는 IoT(Interference over Thermal)를 제어한다. 즉, 효율적인 IoT 제어를 위해, 기지국(Base Station; BS)간의 통신을 통하여 필요 정보를 교환하고 제어에 필요한 정보를 단말로 보내 각 단말이 인접 기지국으로 영향을 끼치는 상향링크 데이터의 전력을 낮추는 방법을 사용할 수 있다.

그러나, 무선 메쉬 네트워크는 기지국과 단말의 개념이 없으며, 모든 노드(Node)는 동등하고, 또한 중앙집중형 구조가 아닌 분산처리형 구조이다. 따라서, 기존 셀룰러 시스템에서의 IoT 제어 방식을 무선 메쉬 네트워크에 적용하기 힘들다.

무선 메쉬 네트워크 환경에서 IoT를 효율적으로 제어할 수 있는 방법이 요구된다.

본 발명은 OFDMA 기반의 3단계 핸드쉐이킹을 사용하는 무선 메쉬 네트워크에서 한 노드가 2-hop 이상 떨어진 노드에 관한 정보는 알 수 없다는 환경하에, 2-hop 노드로부터 오는 제어채널 메시지(Message)를 이용하여 데이터 채널에서의 링크 손실 비 및 SIR을 추정하고, 그에 따른 전력 제어를 수행하여 2-hop 노드에 미치는 간섭량을 효율적으로 조절하는 방법을 제공한다.

본 발명에 따른 무선 메쉬 네트워크 시스템에서의 IoT 제어 방법은 송신전력 제어를 수행할 노드(이하 기준노드라 함; Base Node)가 적어도 하나의 노드(이하 대상노드라 함; Target Node)로부터 프리앰블(Preamble) 신호를 포함하는 제어 메지시를 수신하는 단계, 상기 기준노드가 상기 프리앰블 신호를 측정하는 단계, 상기 측정한 프리앰블 신호를 기초하여 상기 적어도 하나의 대상노드로부터 받은 프리앰블 수신전력을 계산하는 단계, 상기 계산한 프리앰블 수신전력을 통하여 상기 적어도 하나의 대상노드 중 기준노드로부터 1-hop 거리에 있는 대상노드의 SIR를 계산하는 단계 및 상기 계산한 SIR을 기초하여 상기 기준노드의 송신전력을 결정하는 단계를 포함한다.

본 발명의 구성에 따르면, 2-hop 이상 떨어진 노드의 성능 개선 및 신뢰성 있는 서비스를 제공하는 시스템 구현이 가능하다.

도 1은 셀룰러 통신망에서 인접한 셀간의 간섭을 예시하는 도면이다.
도 2는 무선 메쉬 네트워크에서의 2-hop 간섭 상황을 예시하는 도면이다.
도 3은 3단계 핸드쉐이킹의 개념도를 나타내는 도면이다.
도 4는 본 발명이 적용되는 실시 예로서, 요청(Request) 노드 일 때 수신되는 제어채널 메시지를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명이 적용되는 실시 예로서, 승인(Grant) 노드 일 때 수신되는 제어채널 메시지를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명이 적용되는 실시 예로서, 프리앰블(Preamble)을 측정하여 링크 손실 비 및 SIR을 계산하는 방법을 도시한 흐름도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되지 않는다. 또한 도면에서 본 발명을 명확하게 개시하기 위해서 본 발명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 도면에서 동일하거나 유사한 부호들은 동일하거나 유사한 구성요소들을 나타낸다.

도 1은 셀룰러 통신망에서 인접한 셀간의 간섭을 예시하는 도면이다.

도 1을 참조하면, 단말 T11 및 단말 T12는 기지국 BS11에 연결되어 있고, 단말 T13 및 단말 T14는 기지국 BS12에 연결되어 있다. 기지국 BS11은 단말 T11 및 단말 T12에 대하여 서빙 셀의 기지국이고, 단말 T13 및 단말 T14에 대하여 인접 셀의 기지국이다. 기지국 BS12은 단말 T13 및 단말 T14에 대하여 서빙 셀의 기지국이고, 단말 T11 및 단말 T12에 대하여 인접 셀의 기지국이다. C11은 기지국 BS11의 커버리지(Coverage)이고, C12는 BS12의 커버리지이다.

단말에 있어서 전파 손실 중 가장 큰 부분을 차지하는 것은 경로 손실로서, 기지국 BS11의 셀 가장자리에 위치한 단말 T12는 기지국 BS11과 가까운 단말인 T11 및 기지국 BS12와 가까운 단말인 T13에 비해 전파 손실이 훨씬 크게 된다.

또한, 단말이 셀 가장자리에 있을수록 인접 셀의 기지국에 주는 간섭은 커진다. 따라서, 단말 T11이 주는 간섭은 인접 셀의 기지국 BS12에 크게 영향을 미치지 않는 약한 간섭(Weak Interference)이고, 또한 단말 T13 및 단말 T14가 주는 간섭도 인접 셀의 기지국 BS11에 크게 영향을 미치지 않는 약한 간섭이다. 반면에, 서빙 셀의 가장자리에 위치한 단말 T12는 인접 셀의 기지국 BS12에 큰 영향을 미치는 강한 간섭(Strong Interference)을 유발한다.

더욱이, 단말 T12가 더 높은 전송률이나 신뢰도를 원해서 송신전력을 더 높여 송신한다면, 기지국 BS11의 입장에서는 더 나은 링크 품질을 기대할 수 있지만, 반대로 기지국 BS12의 입장에서는 잡음 및 간섭(Noise and Interference; NI)이 더 높아지는 결과를 보일 것이다. 또한, 기지국 BS12의 NI가 높아지면 단말 T14와 같이 기지국 BS12의 셀 가장자리에 있는 단말들의 링크는 더욱 악화될 것이다.

도 2는 무선 메쉬 네트워크에서의 간섭 상황을 예시하는 도면이다.

도 2를 참조하면, T_x 노드(T21, T22)는 데이터를 전송할 노드이며, R_x 노드(R21, R22, R23)는 데이터를 수신할 노드를 의미한다. C21은 좌측 상단 T_x 노드(T21)의 커버리지이다.

어떤 한 T_x 노드(T21)가 이번 서브프레임(Subframe)에 자신으로부터 1-hop 거리에 위치한 두 개의 R_x 노드(R21, R22)에게 데이터를 전송한다고 가정한다. 이 때, 만약 T_x 노드(T21)의 2-hop 거리에 위치한 노드 중 R_x 모드(mode)인 노드(R23)가 존재한다면, T_x 노드(T21)의 데이터는 간섭으로 작용할 것이다.

따라서, 도 1에서의 기존 셀룰러 시스템에서 발생하는 인접 셀간의 간섭 예와 유사한 상황이 발생한다. 즉, T_x 노드(T21)가 만드는 간섭은 2-hop 거리에 있는 R_x 노드(R23)의 NI를 증가시켜 링크 품질을 떨어뜨린다.

또한, 무선 메쉬 네트워크 환경은 분산처리형 시스템이므로 한 노드가 2-hop 이상 떨어진 노드에 관한 정보를 알 수 없기 때문에 효율적인 IoT 제어가 불가능하고 종래 셀룰러 시스템에서의 IoT 제어 기술을 쉽게 접목할 수 없다.

도 3은 3단계 핸드쉐이킹의 개념도를 나타내는 도면이다.

도 3을 참조하면, 3단계 핸드쉐이킹은 송신단과 수신단 간에 3가지의 제어 메시지를 주고 받아서 전송 스케줄링을 하는 방법 중 하나이며, 제어 메시지는 요청(Request) 메시지, 승인(Grant) 메시지 및 확인(Confirm) 메시지를 포함한다. 3단계 핸드쉐이킹은 요청 메시지를 전송하는 단계(S31), 승인 메시지를 전송하는 단계(S32) 및 확인 메시지를 전송하는 단계(S33)를 포함한다. 데이터를 전송할 T_x 노드가 클라이언트(Client; T31)가 되고, 데이터를 수신할 R_x 노드가 서버(Server; R31)가 되어 3단계 핸드쉐이킹을 수행한다.

먼저, T_x 노드(T31)가 요청 메시지를 전송한다(S31). 이어, 요청 메시지를 수신한 R_x 노드(R31)가 수신 가능 또는 불가능 여부를 판단하여, 수신 가능하다면 승인 메시지를 전송한다(R32). 그러나, 수신이 불가능하다면 승인 메시지를 보내지 않는다. 이에 대해 T_x 노드(T31)가 승인 메시지를 수신한 경우에는 확인 메시지를 전송(S33)하여 두 노드(T31, R31) 사이의 연결(Connection)을 성립시키지만, 승인 메시지를 수신하지 못한 경우에는 두 노드(T31, R31) 사이의 연결을 성립시키지 못한다.

상술한 바와 같이 3단계 핸드쉐이킹을 사용하는 시스템의 경우 T_x 노드와 R_x 노드 사이의 연결이 성립되기 위해서는 요청, 승인 및 확인 순으로 총 3번의 제어 메시지 교환이 이루어진다. 따라서, 무선 메쉬 네트워크에서도 이 제어 메시지들을 이용하여 링크 손실의 비 및 링크간 SIR을 추정하고 이 값들을 이용해 송신 전력을 제어해 효과적으로 간섭의 양을 줄일 수 있다.

도 4 및 도 5는 본 발명이 적용되는 실시 예로서, 조금 더 실제적인 간섭 발생 상황을 나타내는 도면이다. 도 4는 요청(Request) 노드가 수신하는 제어채널 메시지를 나타내고, 도 5는 승인(Grant) 노드가 수신하는 제어채널 메시지를 나타낸다.

토폴로지(Topology)는 일반적인 헥사고날(Hexagonal) 모양이고, 제어채널과 데이터 채널 모두 적절히 스케줄링 되어 있다고 가정한다. 즉, 제어채널의 분산 스케줄링 정책은 첫째, 1-hop 거리에 있는 두 노드가 동시에 같은 프레임을 이용하여 송신하지 않는다. 둘째, 2-hop 거리에 있는 두 노드가 동시에 같은 프레임에 같은 부채널을 이용하여 송신하지 않는다. 또한, 데이터 채널에서는 1-hop 간섭이 생기지 않도록 3단계 핸드쉐이킹 과정에서 스케줄링을 수행하는 것으로 가정한다. 여기서, R(R400~R406, R501~R506)은 요청 노드, G(G401~G412, G500~G506, G508~G513)는 승인 노드를 의미한다. 이하에서 중앙에 있는 기준 노드(R400, G500)가 간섭제어를 수행하는 방법을 설명한다. 기준 노드는 송신전력을 계산하는 노드를 의미한다.

도 4를 참조하면, 기준 노드(R400)가 요청 노드인 경우이다. 이전 프레임에서 요청 노드(R400~R406)가 4개의 부채널을 이용하여 요청 메시지를 제어채널을 통해 이웃 노드들에게 전송하였다고 가정한다. 그리고, 다음 프레임에서 승인 노드(G401~G412)가 승인 메시지들을 전송하며, 이를 실선 화살표로 나타내었다. 이 때, 점선 화살표는 기준 노드(R400) 입장에서 제어채널로부터 받는 간섭 신호이다.

각 노드는 제어 채널을 통해 제어 메시지를 송신할 때마다 서로 직교한(Orthogonal) 프리앰블을 전송하는데, 이 프리앰블은 부채널과 무관하게 전 대역을 통해 전송된다. 이 때 기준 노드는 각 노드가 전송한 프리앰블들을 측정하여 링크 손실 및 SIR을 계산한다.

도 5를 참조하면, 기준 노드(G500)가 승인 노드인 경우이다. 실선 화살표 및 점선 화살표는 이번 프레임에서 제어채널을 사용하는 요청 노드(R501~R506)가 전송하는 요청 메시지 또는 확인 메시지를 나타낸다. 승인 메시지뿐만 아니라 요청 메시지 및 확인 메시지도 프리앰블을 포함하므로, 기준 노드(G500)가 승인 노드인 경우에도 각 노드가 전송하는 프리앰블을 측정하여 링크 손실의 비 및 SIR을 계산할 수 있다.

도 6은 본 발명이 적용되는 실시 예로서, 프리앰블을 측정하여 링크 손실의 비 및 SIR을 계산하는 방법을 도시한 흐름도이다.

도 6을 참조하면, R(R60)은 요청 노드, G(G60)는 승인 노드를 의미하고, R(R60) 노드를 기준 노드라 가정하고 링크 손실의 비 및 SIR 계산 방법을 설명한다. 또한, 승인 메시지뿐만 아니라 요청 메시지 및 확인 메시지에도 프리앰블이 존재하므로, G(G60) 노드가 요청 메시지 및 확인 메시지를 수신한 경우에도 도 6의 실시 예에 따른 링크 손실의 비 및 SIR의 계산 수행 방법을 동일하게 적용할 수 있다.

먼저, 요청 노드(R60)는 자신의 전송기회에서 요청 메시지를 이웃 노드들에게 보낸다(S61).

다음으로, 요청 노드(R60)는 승인 메시지를 이웃 승인 노드들로부터 수신한다(S62). 이 때, 여러 승인 노드로부터 수신한 프리앰블 신호는 아래의 수학식 1과 같이 나타낼 수 있다(S63).

여기서, k는 프리앰블 부반송파 인덱스, i는 프리앰블을 송신하는 승인 노드의 인덱스, i=1-hop은 요청 노드로부터 1-hop 떨어진 승인 노드의 인덱스, i=2-hop은 요청 노드로부터 2-hop 떨어진 승인 노드의 인덱스, y[k]는 요청 노드가 수신한 프리앰블 신호, y_i[k]는 인덱스가 i인 승인 노드로부터 수신된 프리앰블 신호성분, W[k]는 요청 노드에서의 잡음이다.

다음으로, 요청 노드(R60)는 1-hop 거리에 있는 승인 노드로부터 받은 프리앰블 수신전력을 아래의 수학식 2와 같이 각각 계산한다(S64).

여기서, c_i[k]는 인덱스 i인 노드의 프리앰블 코드이다.

다음으로, 요청 노드(R60)는 모든 2-hop 거리에 있는 노드로부터의 프리앰블 수신전력의 합을 아래의 수학식 3과 같이 계산한다(S65).

여기서, P_y는 모든 이웃 노드로부터의 수신 프리앰블 전력의 합이고, N은 잡음신호의 전력이며, K는 프리앰블 부반송파의 개수이다.

다음으로, 데이터 채널에서의 간섭 제어를 위해, 요청 노드(R60)는 자신으로부터 1-hop 거리에 있는 각 노드들의 제어 채널에서의 SIR_n을 아래의 수학식 4와 같이 구한다(S66).

다음으로, 요청 노드(R60)는 데이터 채널에서 노드 n에게 송신할 때의 부반송파 당 송신전력을 아래의 수학식 5와 같이 결정한다(S67).

여기서, P는 부반송파 당 송신전력, L은 단말에서 추정한 전파손실, NI는 기지국 간섭 및 잡음 전력으로 기지국이 주기적으로 단말에게 방송한다. 각 노드는 송신 시에 사용할 자신의 γ를 가지며 이 값은 Target IoT를 고려하여 각 노드가 직접 결정한다.

Claims (1)

1. 무선 메쉬 네트워크(Wireless Mesh Network; WMN) 시스템에서의 송신전력을 계산하는 기준노드(Base Node; 이하 기준노드라 함)에 의한 IoT(Interference over Thermal) 제어 방법에 있어서,
   적어도 하나의 대상노드(Target Node)로부터 프리앰블(Preamble) 신호를 포함하는 제어 메시지를 수신하는 단계;
   상기 프리앰블 신호를 측정하는 단계;
   상기 측정한 프리앰블 신호를 기초하여 상기 적어도 하나의 대상노드로부터 받은 프리앰블 신호의 수신전력을 계산하는 단계;
   상기 계산한 프리앰블 신호의 수신전력을 통하여 상기 적어도 하나의 대상노드 중 기준노드로부터 1-hop 거리에 있는 대상노드의 신호 대 간섭비(Signal-to-Interference Ratio; SIR)를 계산하는 단계; 및
   상기 계산한 SIR을 기초하여 상기 기준노드의 송신전력을 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 IoT 제어 방법.

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