KR20220023650A - 업링크 비허가(grant-free) 비직교 다중 접속(NOMA: Non-Orthogonal Multiple Access)을 지원하는 기지국, 단말기 및 그 통신 시스템 - Google Patents

업링크 비허가(grant-free) 비직교 다중 접속(NOMA: Non-Orthogonal Multiple Access)을 지원하는 기지국, 단말기 및 그 통신 시스템 Download PDF

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Abstract

본 개시의 일 실시 예는 업링크 비허가(grant-free) 비직교 다중 접속(NOMA: Non-Orthogonal Multiple Access)을 지원하는 기지국에 있어서, 유무선 통신 기능을 제공하는 통신 모뎀; 및 상기 통신 모뎀을 통해 복수의 단말기와 연결하고, 상기 연결된 복수의 단말기들 각각에 대응하는 고유의 비직교 확산 코드들(unique non-orthogonal spreading codes)을 결정하고, 상기 통신 모뎀을 통해 상기 연결된 복수의 단말기들 각각에 상기 결정된 고유의 비직교 확산 코드들을 전송함으로써 상기 연결된 복수의 단말기들에 상기 결정된 고유의 비직교 확산 코드들을 할당하는 프로세서를 포함하는, 기지국을 제공한다.

Description

업링크 비허가(grant-free) 비직교 다중 접속(NOMA: Non-Orthogonal Multiple Access)을 지원하는 기지국, 단말기 및 그 통신 시스템 {BASE STATION, TERMINAL AND COMMUNICATION SYSTEM FOR SUPPORTING UPLINK GRANT-FREE NON-ORTHOGONAL MULTIPLE ACCESS}
본 개시(disclosure)는 업링크 비허가 비직교 다중 접속을 지원하는 기지국, 단말기 및 그 시스템에 관한 것이다.
최근 통신 기술이 발달하고 다양한 전자 제품이 개발 및 생산됨에 따라, 다양한 통신 기기의 보급이 활발하게 이루어지고 있다. 특히, 사물인터넷(IoT: Internet of Things) 기기가 보급되는 속도가 크게 증가하고 있으며, 사물인터넷 기기는 통상의 전자 제품보다 훨씬 많이 보급될 잠재력을 갖고 있다. 그리고, 보급되는 통신 기기가 늘어남에 따라 기지국에 연결되는 통신 기기의 수가 늘어나고 있다. 그러나, 통신 기기가 업링크 허가(grant) 통신 방식을 이용하여 기지국과 통신할 경우, 기지국이 수 많은 업링크 신호에서 신호를 송신하는 통신 기기(또는 단말기)를 식별하고 식별된 통신 기기에 대하여 통신을 허가하였을 때에서야 통신 기기가 기지국에 데이터를 전송하게 된다. 이에 따라, 업링크 허가 통신 방식은 기지국의 부하가 크게 증가하며, 통신 지연(latency)이 발생할 수 있다.
상술한 업링크 허가 통신 방식의 한계점을 극복하기 위하여 업링크 비허가 통신 방식이 고려되고 있다. 종래의 업링크 비허가 통신 방식은 직교 (orthogonal) 확산 신호(spreading sequence)를 전송하기에, 확산 신호의 길이가 길어진다는 단점이 있다.
이에, 본 개시에서는 상술한 단점들을 해소하는 비직교 확산 코드를 이용하는 업링크 비허가 통신 방식을 제안하고자 한다.
본 개시는 업링크 비허가(grant-free) 비직교 다중 접속(NOMA: Non-Orthogonal Multiple Access)을 지원하는 기지국, 단말기 및 그 시스템을 제공하고자 한다.
본 개시의 일 실시 예는, 업링크 비허가(grant-free) 비직교 다중 접속(NOMA: Non-Orthogonal Multiple Access)을 지원하는 기지국에 있어서, 유무선 통신 기능을 제공하는 통신 모뎀; 및 상기 통신 모뎀을 통해 복수의 단말기와 연결하고, 상기 연결된 복수의 단말기들 각각에 대응하는 고유의 비직교 확산 코드들(unique non-orthogonal spreading codes)을 결정하고, 상기 통신 모뎀을 통해 상기 연결된 복수의 단말기들 각각에 상기 결정된 고유의 비직교 확산 코드들을 전송함으로써 상기 연결된 복수의 단말기들에 상기 결정된 고유의 비직교 확산 코드들을 할당하는 프로세서를 포함하는, 기지국을 제공한다.
이때, 상기 결정된 고유의 비직교 확산 코드들과 상기 결정된 고유의 비직교 확산 코드들에 대한 할당 정보를 저장하는 메모리를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 프로세서는 각 열이 상기 고유의 비직교 확산 코드들로 구성된 확산 행렬(spreading matrix)을 생성하고, 상기 메모리는 상기 생성된 확산 행렬을 저장할 수 있다.
이때, 상기 프로세서는 길이 M(=2m)의 이진 골레이 수열(Binary Golay Sequences) a=(a0, ..., aM-1)를 생성하고, 상기 생성된 이진 골레이 수열 a에 기초하여 상기 고유의 비직교 확산 코드 b=(b0, ..., bM-1)를 생성하고, 여기서
Figure pat00001
일 수 있다.
이때, 상기 프로세서는 {1,..., m}으로 이루어진 순열 π를 생성하고, 0 이상 상기 M 미만의 정수 c 및 상기 생성된 순열 π에 기초하여 불리언 함수 f(x)를 생성하고, 상기 생성된 불리언 함수 f(x)에 기초하여 상기 이진 골레이 수열 a를 생성하고, 여기서
Figure pat00002
이고,
Figure pat00003
이고,
Figure pat00004
일 수 있다.
이때, 상기 프로세서는 상기 통신 모뎀을 통해 상기 연결된 복수의 단말기 중에서 적어도 일부로부터 송신되는 비허가 업링크 신호를 수신하고, 상기 확산 행렬을 이용하여 상기 비허가 업링크 신호의 파일럿 심볼(pilot symbol)에 포함된 비직교 확산 코드를 검출하고, 상기 검출된 비직교 확산 코드에 기초하여 상기 비허가 업링크 신호를 송신하는 활성 단말기를 결정할 수 있다.
이때, 상기 프로세서는 상기 검출된 비직교 확산 코드에 기초하여 상기 활성 단말기로부터 전송되는 상기 비허가 업링크 신호의 데이터 심볼(data symbol)에 포함된 데이터를 탐지할 수 있다.
또한, 본 개시의 일 실시 예는, 업링크 비허가(grant-free) 비직교 다중 접속(NOMA: Non-Orthogonal Multiple Access)을 지원하는 기지국과 통신하는 단말기에 있어서, 유무선 통신 기능을 제공하는 통신 모뎀; 및 상기 통신 모뎀을 통해 상기 기지국과 연결하고, 상기 통신 모뎀을 통해 상기 기지국으로부터 할당된 고유의 비직교 확산 코드를 수신하는 프로세서를 포함하는, 단말기를 제공한다.
이때, 상기 수신한 고유의 비직교 확산 코드를 저장하는 메모리를 더 포함할 수 있다.
이때, 상기 고유의 비직교 확산 코드 b=(b0, ..., bM-1)는 길이 M(=2m)의 이진 골레이 수열(Binary Golay Sequences) a=(a0, ..., aM-1)에 기초하여 생성되고, 여기서
Figure pat00005
일 수 있다.
이때, 상기 이진 골레이 수열 a는 불리언 함수 f(x)에 기초하여 생성되고, 상기 불리언 함수 f(x)는 0 이상 상기 M 미만의 정수 c 및 {1,..., m}으로 이루어진 순열 π에 기초하여 생성되고, 여기서
Figure pat00006
이고,
Figure pat00007
이고,
Figure pat00008
일 수 있다.
이때, 상기 프로세서는 상기 통신 모뎀을 통해 상기 고유의 비직교 확산 코드를 포함하는 비허가 업링크 신호를 상기 기지국에 전송하고, 상기 비허가 업링크 신호는 단말 식별을 위한 파일럿 심볼(pilot symbol)과 데이터를 나타내는 데이터 심볼(data symbol)을 포함할 수 있다.
본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 기지국이 각 단말기마다 고유의 비직교 확산 코드를 할당함으로써, 복수의 단말기가 기지국에 대하여 낮은 시그널링 오버헤드(signaling overhead)와 낮은 지연으로 업링크 비허가 비직교 다중 접속이 가능하다.
또한, 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 비직교 확산 코드를 이용함으로써 직교 확산 코드에 비하여 확산 신호의 길이를 짧게 설계할 수 있으며, 구현 비용을 줄일 수 있다.
또한, 본 개시의 다양한 실시 예에 따르면, 이진 골레이 수열에 기초하여 비직교 확산 코드를 생성함으로써 낮은 PAPR(Peak to Average Power Ratio)을 갖는 확산 신호를 설계할 수 있다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 통신 시스템을 나타낸 도면이다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 기지국을 나타낸 블록도이다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 단말기를 나타낸 블록도이다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 기지국의 동작 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 5는 도 4에 도시된 연결된 복수의 단말기들 각각에 대응하는 고유의 비직교 확산 코드들을 결정하는 단계(S403)의 일 예를 나타낸 동작 흐름도이다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 확산 행렬 Φ를 나타낸 도면이다.
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 기지국이 비허가 업링크 신호를 수신하는 예시를 나타낸 도면이다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 단말기의 동작 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 순열 세트 Γ를 예시한 도면이다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 이진 골레이 수열에 기초한 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호와 기존의 다른 수열에 기초한 OFDM 신호의 최대 PAPR(Peak to Average Power Ratio)을 비교한 도면이다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 이진 골레이 수열에 기초한 확산 행렬과 기존의 다른 수열에 기초한 확산 행렬의 상관도(coherence)를 비교한 도면이다.
도 12 내지 14는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이진 골레이 수열에 기초한 확산 신호를 이용한 통신과 기존의 다른 수열에 기초한 확산 신호를 이용한 통신의 성능을 비교한 도면들이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 명세서에 개시된 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 유사한 구성요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다. 이하의 설명에서 사용되는 구성요소에 대한 접미사 '모듈' 및 '부'는 명세서 작성의 용이함만이 고려되어 부여되거나 혼용되는 것으로서, 그 자체로 서로 구별되는 의미 또는 역할을 갖는 것은 아니다. 또한, 본 명세서에 개시된 실시 예를 설명함에 있어서 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 명세서에 개시된 실시 예의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다. 또한, 첨부된 도면은 본 명세서에 개시된 실시 예를 쉽게 이해할 수 있도록 하기 위한 것일 뿐, 첨부된 도면에 의해 본 명세서에 개시된 기술적 사상이 제한되지 않으며, 본 개시의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
제1, 제2 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '연결되어' 있다거나 '접속되어' 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 '직접 연결되어' 있다거나 '직접 접속되어' 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1은 본 개시의 일 실시 예에 따른 통신 시스템(1)을 나타낸 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 업링크 비허가 비직교 다중 접속을 지원하는 통신 시스템(1)은 적어도 하나 이상의 기지국(100) 및 복수의 단말기(200)를 포함할 수 있다.
기지국(100)은 유무선 통신의 서비스를 위해 네트워크와 단말기(200)를 연결하는 설비를 의미할 수 있다. 예컨대, 기지국(100)은 CDMA, GSM, WCDMA, LTE, 5G 등의 이동 통신의 액세스 네트워크와 휴대 전화를 연결할 수 있다.
각 기지국(100)은 서로 유무선 통신 기술을 통해 서로 통신할 수 있으며, 유무선 통신 기술을 이용하여 복수의 단말기(200)와 통신할 수 있다.
단말기(200)는 유무선 통신 기술을 이용하여 기지국(100)과 통신하는 다양한 통신 기기를 의미할 수 있다. 예컨대, 단말기(200)는 휴대 전화, 태블릿, 사물인터넷 기기 등을 포함할 수 있다.
단말기(200)는 활성 단말기(active terminal, 200_a)와 비활성 단말기(inactive terminal, 200_b)로 구분할 수 있다. 활성 단말기(200_a)는 단말기들(200) 중에서 기지국(100)에 대하여 데이터를 포함하는 비허가 업링크 신호를 전송 중인 단말기를 의미하며, 비활성 단말기(200_b)는 단말기들(200) 중에서 기지국(100)에 대하여 비허가 업링크 신호를 전송 중이지 않은 단말기를 의미할 수 있다.
기지국(100)은 단말기(200)와 최초로 연결될 때, 단말기(200)마다 고유의 비직교 확산 코드를 할당하고, 각 단말기(200)는 할당된 비직교 확산 코드와 전송할 데이터를 포함하는 비허가 업링크 신호를 기지국(100)에 전송함으로써 기지국(100)의 허가 없이도 기지국(100)에 데이터를 전송할 수 있다. 그리고, 기지국(100)은 수신하는 비허가 업링크 신호에 포함된 비직교 확산 코드에 기초하여 활성 단말기(200_a)를 식별하고, 활성 단말기(200_a)에서 전송하는 데이터를 탐지할 수 있다.
확산 코드(spreading code)는 확산 신호(spreading signal) 또는 확산 수열(spreading sequence)이라 칭할 수도 있다.
도 2는 본 개시의 일 실시 예에 따른 기지국(100)을 나타낸 블록도이다.
도 2를 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 업링크 비허가 비직교 다중 접속을 지원하는 기지국(100)은 통신 모뎀(110), 메모리(120), 전원 공급부(130) 및 프로세서(140)를 포함할 수 있다.
통신 모뎀(110)은 유무선 통신 기술을 이용하여 다른 기지국(100) 또는 하나 이상의 단말기(200)와 통신할 수 있다. 통신 모뎀(110)이 이용하는 통신 기술에는 GSM(Global System for Mobile communication), CDMA(Code Division Multi Access), LTE(Long Term Evolution), 5G, WLAN(Wireless LAN), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), 블루투스(Bluetooth??), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association: IrDA), ZigBee, NFC(Near Field Communication) 등이 있다.
통신 모뎀(110)은 통신부(communication unit), 통신 회로(communication circuit) 또는 통신 인터페이스(communication interface)라 칭할 수 있다.
메모리(120)는 프로세서(140)에서 각 신호를 처리하거나 제어를 위한 프로그램을 저장할 수도 있고, 처리된 신호들을 저장할 수도 있다. 메모리(120)는 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리를 통칭할 수 있으며, 데이터를 영구적 또는 반영구적으로 저장하는 영구 메모리뿐만 아니라 데이터를 임시로 저장하는 임시 메모리를 통칭할 수도 있다.
메모리(120)는 연결된 각 단말기(200)마다 고유하게 할당하는 비직교 확산 코드와 각 단말기(200)에 대한 비직교 확산 코드의 할당 정보를 저장할 수 있다.
전원 공급부(130)는 기지국(100)에 전원을 공급할 수 있다.
프로세서(140)는 기지국(100)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
프로세서(140)는 비직교 확산 코드들(non-orthogonal spreading codes)을 생성하고, 연결된 단말기들(200)마다 고유한 비직교 확산 코드를 할당할 수 있다. 그리고, 프로세서(140)는 단말기들(200)에서 수신한 비허가 업링크 신호에 포함된 비직교 확산 코드에 기초하여 활성 단말기(active terminal)와 활성 단말기에서 전송하는 데이터를 탐지할 수 있다.
일 실시 예에서, 기지국(100)의 2 이상의 구성 요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나, 혹은 하나의 구성요소가 2 이상의 구성 요소로 세분되어 구성될 수 있다. 또한, 각 블록에서 수행하는 기능은 본 개시의 실시 예를 설명하기 위한 것이며, 그 구체적인 동작이나 장치는 본 개시의 권리 범위를 제한하지 아니한다.
도 3은 본 개시의 일 실시 예에 따른 단말기(200)를 나타낸 블록도이다.
도 3을 참조하면, 본 개시의 일 실시 예에 따른 업링크 비허가 비직교 다중 접속을 지원하는 기지국(100)과 통신하는 단말기(200)는 통신 모뎀(210), 메모리(120), 전원 공급부(230) 및 프로세서(240)를 포함할 수 있다.
통신 모뎀(210)은 유무선 통신 기술을 이용하여 다른 단말기(200) 또는 기지국(100)과 통신할 수 있다. 통신 모뎀(210)이 이용하는 통신 기술에는 GSM(Global System for Mobile communication), CDMA(Code Division Multi Access), LTE(Long Term Evolution), 5G, WLAN(Wireless LAN), Wi-Fi(Wireless-Fidelity), 블루투스(Bluetooth??), RFID(Radio Frequency Identification), 적외선 통신(Infrared Data Association: IrDA), ZigBee, NFC(Near Field Communication) 등이 있다.
통신 모뎀(210)은 통신부(communication unit), 통신 회로(communication circuit) 또는 통신 인터페이스(communication interface)라 칭할 수 있다.
메모리(220)는 프로세서(240)에서 각 신호를 처리하거나 제어를 위한 프로그램을 저장할 수도 있고, 처리된 신호들을 저장할 수도 있다. 메모리(220)는 휘발성 메모리와 비휘발성 메모리를 통칭할 수 있으며, 데이터를 영구적 또는 반영구적으로 저장하는 영구 메모리뿐만 아니라 데이터를 임시로 저장하는 임시 메모리를 통칭할 수도 있다.
메모리(220)는 기지국(100)으로부터 할당된 비직교 확산 코드를 저장할 수 있다.
전원 공급부(230)는 단말기(200)에 전원을 공급할 수 있다.
프로세서(240)는 단말기(200)의 전반적인 동작을 제어할 수 있다.
프로세서(240)는 기지국(100)과 연결되면 기지국(100)으로부터 자신에게 할당된 비직교 확산 코드를 수신하고, 기지국(100)에 전송할 데이터가 존재할 경우에 할당된 비직교 확산 코드와 데이터를 포함하는 비허가 업링크 신호를 기지국(100)에 전송할 수 있다.
일 실시 예에서, 기지국(100)의 2 이상의 구성 요소가 하나의 구성요소로 합쳐지거나, 혹은 하나의 구성요소가 2 이상의 구성 요소로 세분되어 구성될 수 있다. 또한, 각 블록에서 수행하는 기능은 본 개시의 실시 예를 설명하기 위한 것이며, 그 구체적인 동작이나 장치는 본 개시의 권리 범위를 제한하지 아니한다.
도 4는 본 개시의 일 실시 예에 따른 기지국(100)의 동작 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 4를 참조하면, 기지국(100)의 프로세서(140)는 통신 모뎀(110)를 통해 복수의 단말기(200)와 연결한다(S401).
단계(S401)에서 기지국(100)과 연결되는 단말기(200)는 기지국(100)에 등록되지 않은 단말기를 의미할 수 있다. 기지국(100)에 등록되지 않은 단말기는 기지국(100)으로부터 고유의 비직교 확산 코드가 할당되지 않은 단말기를 의미할 수 있다. 즉, 단계(S401)에서 기지국(100)이 단말기(200)와 연결하는 것은 아직 등록되지 않은 단말기를 등록하기 위하여 미등록 단말기와 연결한다는 것을 의미할 수 있다.
그리고, 기지국(100)의 프로세서(140)는 연결된 복수의 단말기들(200) 각각에 대응하는 고유의 비직교 확산 코드들을 결정한다(S403).
프로세서(140)는 연결된 각 단말기(200)에 대하여 고유한 비직교 확산 코드를 결정할 수 있다. 즉, 서로 다른 단말기(200)에는 서로 다른 비직교 확산 코드가 결정된다. 각 단말기(200)에 대하여 결정된 고유한 비직교 확산 코드는 단말기(200)에 할당될 비직교 확산 코드를 의미한다.
프로세서(140)는 각 단말기(200)에 대하여 결정한 비직교 확산 코드와 비직교 확산 코드의 할당 정보를 메모리(120)에 저장할 수 있다.
프로세서(140)는 미리 복수의 비직교 확산 코드들을 생성하고, 생성한 고유의 비직교 확산 코드들 중에서 연결된 복수의 단말기들(200)에 할당할 비직교 확산 코드를 결정할 수 있다. 또한, 프로세서(140)는 생성한 비직교 확산 코드들을 열(column)로써 포함하는 확산 행렬 Φ(spreading matrix)를 생성할 수 있고, 생성된 확산 행렬은 비허가 업링크 신호에 포함된 비직교 확산 코드를 검출하는데 사용될 수 있다.
비직교 확산 코드들을 생성하는 구체적인 방법은 후술한다.
그리고, 기지국(100)의 프로세서(140)는 통신 모뎀(110)을 통해 연결된 복수의 단말기(200) 각각에 결정된 고유의 비직교 확산 코드들을 전송한다(S405).
프로세서(140)는 각 단말기(200)에 결정된 고유의 비직교 확산 코드를 전송함으로써, 각 단말기(200)에 고유의 비직교 확산 코드를 할당할 수 있다.
그리고, 기지국(100)의 프로세서(140)는 통신 모뎀(110)을 통해 연결된 복수의 단말기(200) 중에서 적어도 일부로부터 송신되는 비허가 업링크 신호를 수신한다(S407).
프로세서(140)는 통신 모뎀(110)을 통해 복수의 단말기(200) 중에서 적어도 일부로부터 송신되는 비허가 업링크 신호를 수신할 수 있고, 비허가 업링크 신호를 송신하는 단말기(200)는 활성 단말기(200_a)라 칭할 수 있다.
활성 단말기(200_a)에서 송신되는 비허가 업링크 신호에는 장치 식별을 위한 파일럿 심볼(pilot symbol)과 데이터를 나타내는 데이터 심볼(data symbol)이 포함될 수 있고, 파일럿 심볼에는 활성 단말기(200_a)에 할당된 고유한 비직교 확산 코드가 포함될 수 있다. 즉, 활성 단말기(200_a)는 기지국(100)의 허가 없이도 장치 식별을 위한 비직교 확산 코드와 데이터를 포함하는 비허가 업링크 신호를 기지국(100)으로 전송할 수 있고, 이에 따라 기지국(100)과 활성 단말기(200_a)는 낮은 지연으로도 통신이 가능하다.
그리고, 기지국(100)의 프로세서(140)는 확산 행렬을 이용하여 비허가 업링크 신호의 파일럿 심볼(pilot symbol)에 포함된 비직교 확산 코드를 검출한다(S409).
프로세서(140)는 활성 단말기(200_a)를 식별하기 위하여 수신한 비허가 업링크 신호의 파일럿 심볼에 포함된 비직교 확산 코드를 검출할 수 있다. 각 단말기(200)에는 고유한 비직교 확산 코드가 할당되었으므로, 동시에 여러 활성 단말기(200_a)가 비허가 업링크 신호를 송신하더라도 비허가 업링크 신호에 포함도니 비직교 확산 코드를 검출할 수 있다면 활성 단말기(200_a)를 식별할 수 있다.
프로세서(140)는 확산 행렬을 이용하여 비허가 업링크 신호에 포함된 비직교 확산 코드를 검출할 수 있다. 확산 행렬은 각 열이 생성된 비직교 확산 코드들로 구성될 수 있다.
그리고, 기지국(100)의 프로세서(140)는 검출된 비직교 확산 코드에 기초하여 비허가 업링크 신호를 송신하는 활성 단말기(200_a)를 식별한다(S411).
프로세서(140)는 수신한 비허가 업링크 신호에서 검출된 비직교 확산 코드를 비직교 확산 코드의 할당 정보와 비교함으로써 검출된 비직교 확산 코드에 대응하는 단말기(200)를 활성 단말기(200_a)로 결정할 수 있다.
그리고, 기지국(100)의 프로세서(140)는 검출된 비직교 확산 코드에 기초하여 활성 단말기(200_a)로부터 전송되는 데이터를 탐지한다(S413).
프로세서(140)는 비허가 업링크 신호를 송신하는 활성 단말기(200_a)를 식별하였으므로, 수신하는 비허가 업링크 신호에서 식별된 활성 단말기(200_a)에 대응하는 비직교 확산 코드를 이용하여 데이터 심볼에 포함된 데이터를 탐지할 수 있다.
상술한 기지국(100)의 동작 방법은 각 단말기(200)에 고유의 비직교 확산 코드를 할당하는 제1 단계들(S401 내지 S405)과 수신한 비허가 업링크 신호를 분석하여 활성 단말기(200_a)와 활성 단말기(200_a)에서 송신되는 데이터를 탐지하는 제2 단계들(S407 내지 S413)로 구분할 수 있다. 비록 도 4에서는 제1 단계들(S401 내지 S405)이 1회 수행된 이후에 제2 단계들(S407 내지 S413)이 1회 수행되는 것으로 도시되었으나 본 개시가 이에 한정되지 않는다. 즉, 실시 예에 따라, 제1 단계들(S401 내지 S405)이 1회 수행된 이후 제2 단계들(S407 내지 S413)이 복수 회 수행될 수도 있고, 새로운 단말기(200)를 등록하기 위하여 제1 단계들(S401 내지 S405)과 제2 단계들(S407 내지 S413)이 병렬적으로 수행될 수도 있다. 또한, 실시 예에 따라, 도 4에 도시된 각 단계들(S401 내지 S413) 중에서 일부가 서로 순서가 바뀌어 수행되거나 병렬로 수행될 수도 있다.
도 5는 도 4에 도시된 연결된 복수의 단말기들(200) 각각에 대응하는 고유의 비직교 확산 코드들을 결정하는 단계(S403)의 일 예를 나타낸 동작 흐름도이다.
도 5를 참조하면, 프로세서(140)는 비직교 확산 코드의 생성에 이용할 {1, ..., m}으로 이루어진 순열 π를 결정한다(S501).
1부터 m까지의 자연수들로 이루어진 순열 π는 길이 M(=2m)의 비직교 확산 코드를 생성하는데 이용될 수 있다. 생성된 길이 m의 순열 π는 (π(1), ..., π(m))와 같이 표현할 수 있다.
프로세서(140)는 비직교 확산 코드를 생성하는데 이용할 순열 π를 직접 생성하거나 미리 정해진 순열 세트 Γ에서 선택할 수 있다. 압축 센싱(CS: compressive sensing) 기법에 따르면, 생성될 비직교 확산 코드들로 구성된 확산 행렬 Φ는 상관성(coherence)이 작을수록 이를 이용한 비허가 업링크 신호에서의 활동 탐지(activity detection), 채널 추정(channel estimation) 및 데이터 탐지(data detection)의 신뢰도가 높아진다. 따라서, 생성될 비직교 확산 코드 사이의 상관성을 최소화할 수 있는 적절한 순열 π를 결정하는 것이 중요하다. 확산 행렬 Φ가 최소의 상관성을 갖는 순열 세트 Γ의 예시는 도 9에 도시되어 있으며, 후술한다.
그리고, 프로세서(140)는 0 이상 M 미만의 정수 c 및 생성된 순열 π에 기초하여 불리언 함수 f(x) (boolean function)를 생성한다(S503).
프로세서(140)는 하기 [수학식 1]과 같이 0 이상 M 미만의 정수 c를 2진수 vm...v1(2)로 표현하고, 하기 [수학식 2]를 이용하여 정수 c와 생성된 순열 π에 기초한 불리언 함수 f(x) 또는 fπ(x)를 생성할 수 있다. 하기 [수학식 2]에서 연산 +는 XOR 연산, 모듈러-2(modulo-2) 합 연산 또는 이진 필드 Z2에서의 합 연산을 의미한다.
Figure pat00009
Figure pat00010
예컨대, m=3, c=6 및 생성된 순열 π이 (2, 1, 3)이라면, c=110(2) 및 순열 π=(2, 1, 3)에 대응하는 불리언 함수 f(x)는 하기 [수학식 3]이다.
Figure pat00011
그리고, 프로세서(140)는 생성된 불리언 함수 f(x)에 기초하여 길이 M의 이진 골레이 수열 a (binary Goley sequence)를 생성한다(S505).
하나의 불리언 함수 f(x)는 하나의 이진 골레이 수열 a와 상호 변환 가능하며, 따라서 불리언 함수 f(x)는 이진 골레이 수열 a와 동치이다.
프로세서(140)는 하기 [수학식 4] 및 [수학식 5]에 기초하여 불리언 함수 f(x)로부터 이진 골레이 수열 a=(a0, ..., aM-1)T를 생성할 수 있다. 하기 [수학식 5]의 함수 binary(i)는 주어진 정수 i를 이진수로 변환하고, 변환된 이진수를 길이 m의 벡터로 표현하는 함수 또는 이진 표현 벡터(binary representation vector)를 의미할 수 있다. 즉, m=3일 때 이진 골레이 수열 a의 세 번째 항 a2는 정수 2의 이진 표현 벡터 (0, 1, 0)에 대응하는 불리언 함수 f의 함수 값을 의미할 수 있다.
Figure pat00012
Figure pat00013
예컨대, 상기 [수학식 3]의 불리언 함수 f(x)에 대응하는 이진 골레이 수열 a는 (0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0)T이며, 이는 하기 [표 1]의 마지막 열이다.
i x3 x2 x1 x2x1 x1x3 f(x 1 ,x 2 ,x 3 )
0 0 0 0 0 0 0
1 0 0 1 0 0 0
2 0 1 0 0 0 1
3 0 1 1 1 0 0
4 1 0 0 0 0 1
5 1 0 1 0 1 0
6 1 1 0 0 0 0
7 1 1 1 1 1 0
그리고, 프로세서(140)는 생성된 이진 골레이 수열 a에 기초하여 비직교 확산 코드 b를 생성한다(S507).프로세서(140)는 하기 [수학식 6]에 기초하여 생성된 이진 골레이 수열 a=(a0, ..., aM-1)T로부터 동일한 길이 M의 비직교 확산 코드 b=(b0, ..., bM-1)T를 생성할 수 있으며, 비직교 확산 코드 b는 이진 골레이 수열 a로부터 변조된 수열(modulated sequence)이다. 예컨대, 이진 골레이 수열 a=(0, 0, 1, 0, 1, 0, 0, 0)T에 대응하는 비직교 확산 코드 b는 (1, 1, -1, 1, -1, 1, 1, 1)T이다.
Figure pat00014
이와 같이, 기지국(100)은 {1, ..., m}으로 이루어진 순열 π와 0 이상 M(=2m) 미만의 정수 c가 결정되면, 그에 대응하는 길이 m의 비직교 확산 코드 b를 생성할 수 있다.
m개의 정수로 구성된 순열 π가 결정되면, 정수 c의 범위가 0 이상 M(=2m) 미만이므로, 하나의 순열 π로부터 M개의 불리언 함수들 f(0)(x), ..., f(M-1)(x)이 생성될 수 있다. 그리고, 후술하겠지만, 확산 행렬 Φ에는 하나의 순열 π에 대응하는 M개의 비직교 확산 코드들 중에서 복수 개가 포함될 수 있다. 다만, 각 단말기(200)마다 고유한 비직교 확산 코드가 할당되어야 한다는 점에서, 기지국(100)의 프로세서(140)는 각 단말기(200)마다 서로 다른 (π, c)에 대응하는 비직교 확산 코드 b를 생성하여야 한다. 따라서, 프로세서(140)는 하나의 순열 π가 결정되면 0 이상 M 미만의 정수 c 각각에 대응하는 M개의 비직교 확산 코드들 b(0), ..., b(M-1)을 모두 생성하고, 각 단말기(200)마다 생성된 비직교 확산 코드들 중에서 하나씩 선택하여 할당할 수 있다.
도 6은 본 개시의 일 실시 예에 따른 확산 행렬 Φ를 나타낸 도면이다.
도 6를 참조하면, 확산 행렬 Φ는 각 연결된 단말기(200)에 할당된 비직교 확산 코드 b에 제곱근 M을 나눈 벡터를 열로 포함하는 행렬이다. 확산 행렬 Φ는 하기 [수학식 7]과 같이 L개의 부 확산 행렬들 Φk (sub spreading matrics)을 포함하며, 그 크기가 M×LM이다. 그리고, 각 부 확산 행렬 Φk은 서로 다른 순열 πk에 대응하는 확산 행렬이며, 그 크기가 M×M인 직교 행렬(orthogonal matrix)이다.
Figure pat00015
L은 오버로딩 인자(overloading factor)로, 하기 [수학식 8]과 같은 값을 가질 수 있다. 많은 단말기(200)가 기지국(100)과 연결된다는 점에서, N>>M이라 가정할 수 있다. 즉, 하나의 길이 m의 순열 π로부터는 총 M(=2m) 개의 비직교 확산 코드들밖에 생성할 수 없으므로, M보다 큰 N 개의 비직교 확산 코드들을 생성하기 위하여는 총 L개의 서로 다른 순열이 필요하다. 이 경우, 확산 행렬 Φ은 총 L×M개의 단말기(200)와의 연결을 지원할 수 있다.
Figure pat00016
제k 부 확산 행렬 Φk은 하기 [수학식 9]와 같이 제k 순열 πk에 대응하여 생성되는 M개의 비직교 확산 코드들을 열로 포함할 수 있다. 그리고, 하나의 부 확산 행렬 Φk에 포함된 M개의 열들은 서로 직교한다(mutually orthogonal). 반면, 서로 다른 부 확산 행렬들은 서로 다른 순열들에 기초하여 생성된 비직교 확산 코드들을 열로 포함하므로, 복수의 부 확산 행렬들을 포함하는 확산 행렬 Φ의 각 열은 서로 직교하지 않는다(mutually non-orthogonal). 따라서, 본 개시에서 사용하는 확산 코드가 비직교 확산 코드인 것이다.
Figure pat00017
또한, 이러한 부 확산 행렬 Φk는 비직교 확산 코드들 b를 직접 계산하지 않고도 하기 [수학식 10]을 이용하여 계산될 수도 있다.
Figure pat00018
상기 [수학식 10]에서 pk는 제k 순열 πk에 대응하는 불리언 함수 Qπk에 대응하는 이진 골레이 수열이다 (불리언 함수 Qπ는 상기 [수학식 2]를 참조). 순열 π에 대응하는 불리언 함수 Qπ로부터 이진 골레이 수열 p를 생성하는 방법은 위에서 설명한 순열 π에 대응하는 불리언 함수 fπ로부터 비직교 확산 코드 b를 생성하는 방법과 동일하다. 그리고, 상기 [수학식 10]에서 행렬 H는 크기 M×M (또는 2m×2m)의 왈쉬-하다마드 행렬(Walsh-Hadamard matrix)를 의미하며, 이는 하기 [수학식 11] 및 [수학식 12]를 만족한다.
Figure pat00019
Figure pat00020
예컨대, 상기 [수학식 3]에 대응하는 불리언 함수 Qπ는 하기 [수학식 13]이고, 그에 대응하는 비직교 확산 코드 p는 하기 [표 2]의 마지막 열인 (1, 1, 1, -1, -1, -1, 1, 1)이다.
Figure pat00021
i x3 x2 x1 x2x1 x1x3 Q(x 1 ,x 2 ,x 3 ) p
0 0 0 0 0 0 0 1
1 0 0 1 0 0 0 1
2 0 1 0 0 0 0 1
3 0 1 1 1 0 1 -1
4 1 0 0 0 0 1 -1
5 1 0 1 0 1 1 -1
6 1 1 0 0 0 0 1
7 1 1 1 1 1 0 1
도 7은 본 개시의 일 실시 예에 따른 기지국이 비허가 업링크 신호를 수신하는 예시를 나타낸 도면이다.
도 7을 참조하면, 기지국(710)은 6개의 단말기들(721 내지 726)과 연결되어 있다. 기지국(710)이 단말기들(721 내지 726)과 연결되었다는 것은 이미 각 단말기들(721 내지 726)에 고유한 비직교 확산 코드가 할당되었음을 의미할 수 있다.
특정 시점에, 제1 단말기(721)와 제5 단말기(725)는 각자에게 할당된 비직교 확산 코드를 이용하여 기지국(710)에 비허가 업링크 신호(731, 735)를 송신할 수 있고, 나머지 단말기들(722 내지 724, 726)은 기지국(711)에 비허가 업링크 신호를 송신하지 않을 수 있다. 이 경우, 제1 및 제5 단말기(721, 725)는 활성 단말기(200_a)이고, 제2 내지 제4 및 제6 단말기(722 내지 724, 726)는 비활성 단말기(200_b)이다.
기지국(710)은 제1 단말기(721)와 제5 단말기(725)에서 송신하는 비허가 업링크 신호들(731, 735)가 뒤섞인 비허가 업링크 신호(741)를 수신하게 된다. 그러나, 각 단말기(721 내지 726)은 자신에게 할당된 고유한 비직교 확산 코드를 이용하여 파일럿 심볼과 데이터 심볼을 포함하는 비허가 업링크 신호(731, 735)를 생성 및 전송하므로, 기지국(710)은 확산 행렬(742)를 이용하여 수신한 비허가 업링크 신호(741)로부터 활성 단말기(200_a)와 활성 단말기(200_a)에서 송신하는 데이터를 탐지할 수 있다. 상술한 것과 같이, 확산 행렬(742)의 각 열은 제1 내지 제6 단말기(721 내지 726)에 할당한 비직교 확산 코드들이다.
특정 시점에서 (또는 특정 타임 슬롯에서) 활성 단말기(200_a)는 자신에게 할당된 비직교 확산 코드와 데이터 포함하는 비허가 업링크 신호를 복수의 서브캐리어(subcarrier)를 통해 전송할 수 있다. 제1 단말기(721)는 제1 비직교 확산 코드와 제1 데이터를 포함하는 제1 비허가 업링크 신호(731)를 전송하며, 제5 단말기(725)는 제5 비직교 확산 코드와 제5 데이터를 포함하는 제5 비허가 업링크 신호(735)를 전송하며, 이외의 단말기들(722 내지 724, 726)은 비허가 업링크 신호를 전송하지 않는다. 따라서, 기지국(710)에서 수신한 비허가 업링크 신호(741)는 확산 행렬(742)와 각 단말기들(721 내지 726)에서 전송하는 데이터를 포함하는 데이터 벡터(743)의 곱으로 표현할 수 있다. 데이터 벡터(743)는 제1 항이 제1 데이터이고, 제5 항이 제5 데이터이며, 그 이외의 항은 0이다. 따라서, 기지국(710)은 수신한 비허가 업링크 신호(741)와 확산 행렬(742)를 이용하여 데이터 벡터(743)를 획득할 수 있고, 획득한 데이터 벡터(743)를 통해 제1 단말기(721)과 제5 단말기(725)가 활성 단말기(200_a)이며, 제1 단말기(721)에서 전송하는 제1 데이터와 제5 단말기(725)에서 전송하는 제5 데이터를 탐지할 수 있다.
도 7의 실시 예에서, 6개의 단말기들(721 내지 726) 중에서 특정 시점에 2개의 단말기(721 및 725)가 활성 단말기(200_a)인 것으로 도시되어 있는데, 이는 특정 시점에서 데이터를 송신하는 활성 단말기(200_a)는 전체 연결된 단말기들(200) 중에서 일부일 수 있음을 의미한다. 추후 사물인터넷 기기가 더 보급되게 된다면 기지국에 연결되는 단말기의 수가 크게 증가할 것이나, 특정 시점에서 데이터를 송신하는 단말기는 극히 일부에 불과할 것이므로, 단말기들의 활동(activity)은 희소(sparse)하다고 볼 수 있다. 이에, 기지국(710)은 결합 희소 복구 알고리즘(joint sparse recovery algorithm)을 적용하여 수신한 비허가 업링크(741)와 확산 행렬(742)로부터 데이터 벡터(743)를 계산할 수 있다.
도 8은 본 개시의 일 실시 예에 따른 단말기(200)의 동작 방법을 나타낸 동작 흐름도이다.
도 8을 참조하면, 단말기(200)의 프로세서(240)는 통신 모뎀(110)를 통해 기지국(100)과 연결한다(S801).
단계(S801)에서 기지국(100)과 연결되는 단말기(200)는 기지국(100)에 등록되지 않은 단말기를 의미할 수 있다. 즉, 단계(S401)에서 단말기(200)가 기지국(100)과 연결하는 것은, 단말기(200)가 아직 기지국(100)에 등록되지 않았으므로 기지국(100)에 등록을 위하여 연결한다는 것을 의미할 수 있다.
만약, 단말기(200)가 기지국(100)에 이미 등록이 된 상태라면 (상술한 고유한 비직교 확산 코드를 수신한 경우라면), 기지국(100)과 연결하여 비직교 확산 코드를 할당받는 단계들(S801 및 S803)은 생략될 수 있다.
그리고, 단말기(200)의 프로세서(240)는 통신 모뎀(110)를 통해 기지국(100)으로부터 할당된 고유의 비직교 확산 코드를 수신한다(S803).
단말기(200)의 프로세서(240)는 수신한 비직교 확산 코드를 메모리(220)에 저장할 수 있다. 기지국(100)이 단말기(200)에 고유한 비직교 확산 코드를 할당하는 방법은 위에서 설명하였으므로 생략한다.
그리고, 단말기(200)의 프로세서(240)는 기지국(100)에 전송할 데이터가 존재하는지 판단한다(S805).
단계(S805)의 판단 결과, 단말기(200)에서 기지국(100)으로 전송할 데이터가 존재하는 경우, 단말기(200)의 프로세서(240)는 통신 모뎀(210)를 통해 고유한 비직교 확산 코드와 데이터를 포함하는 비허가 업링크 신호를 생성한다(S807).
프로세서(240)는 기지국(100)이 단말기를 식별할 수 있도록, 비직교 확산 코드만을 포함하는 파일럿 심볼과 데이터를 나타내는 데이터 심볼의 순서대로 배치된 비허가 업링크 신호를 생성할 수 있다. 이 경우, 프로세서(240)는 전송할 데이터 역시도 비직교 확산 코드에 기초하여 인코딩하여 데이터 심볼로 변환할 수 있다.
그리고, 단말기(200)의 프로세서(240)는 통신 모뎀(210)를 통해 생성한 비허가 업링크 신호를 기지국(100)으로 전송한다(S809).
단말기(200)가 기지국(100)에 전송하는 업링크 신호는 비허가 업링크 신호이므로, 송신하는 업링크 신호 안에 이미 데이터가 포함된다. 상술한 것과 같이, 기지국(100)은 수신한 비허가 업링크 신호 안에 포함된 비직교 확산 코드를 탐지함으로써 활성 단말기(200_a)를 파악하고, 해당 활성 단말기(200_a)에서 전송하는 데이터를 탐지할 수 있으므로, 이러한 단말기(200)와 기지국(100) 사이의 업링크 비허가 통신이 가능하다.
상술한 단말기(200)의 동작 방법은 기지국(100)으로부터 고유의 비직교 확산 코드를 할당받는 제1 단계들(S801 및 S803)과 기지국(100)으로 비허가 업링크 신호를 전송하는 제2 단계들(S805 내지 S809)로 구분할 수 있다. 비록 도 8에서는 제1 단계들(S801 및 S803)이 1회 수행된 이후에 제2 단계들(S805 내지 S809)이 1회 수행되는 것으로 도시되었으나 본 개시가 이에 한정되지 않는다. 즉, 실시 예에 따라, 제1 단계들(S801 및 S803)이 1회 수행된 이후 제2 단계들(S805 내지 S809)이 복수 회 수행될 수도 있고, 이미 단말기(200)가 기지국(100)에 등록되어 제1 단계들(S401 내지 S405)을 수행하지 않고 제2 단계들(S805 내지 S809)만이 수행될 수도 있다. 또한, 실시 예에 따라, 도 8에 도시된 각 단계들(S801 내지 S809) 중에서 일부가 서로 순서가 바뀌어 수행되거나 병렬로 수행될 수도 있다.
도 9는 본 개시의 일 실시 예에 따른 순열 세트 Γ를 예시한 도면이다.
도 9를 참조하면, 최적의 업링크 비허가 통신을 구현할 수 있는 순열들은 비직교 확산 코드의 길이 M(=2m)과 오버로딩 인자 L에 따라 달라진다. 상술하였듯, 확산 행렬 Φ의 상관성(coherence)가 작을수록, 이를 이용한 비허가 업링크 신호에서의 활동 탐지, 채널 추정 및 데이터 탐지의 신뢰도가 높아진다. 그리고, 각 단말기(200)에 할당되는 길이 M의 비직교 확산 코드들이 {1, ..., m}으로부터 만들어진 순열 π=(π(1), ..., π(m))을 이용하여 생성된다는 점에서, 확산 행렬 Φ의 상관성을 최소화할 수 있는 적절한 순열 π를 결정할 필요가 있다.
확산 행렬 Φ의 상관성 μ(Φ)는 하기 [수학식 14]와 같이 정의된다.
Figure pat00022
상기 [수학식 14]를 풀이한 결과, 오버로딩 인자 L이 8 이하일 때에는 확산 행렬 Φ의 상관성 μ(Φ)가 하기 [수학식 15]와 같음을 확인하였다. 즉, 확산 행렬 Φ이 가질 수 있는 최적의 상관성 μopt(Φ)은 비직교 확산 행렬의 길이 M과 오버로딩 인자 L에 의해 결정됨을 확인할 수 있고, 따라서 비직교 확산 행렬의 길이 M과 오버로딩 인자 L에 따라 순열 세트 Γ가 달라질 수 있다.
Figure pat00023
확산 행렬 Φ의 최적의 상관성 μopt(Φ)을 만족하는 순열들의 일반해를 찾지는 못하였지만, 오버로딩 인자 L가 8 이하일 때에 직접 계산해본 결과 도 9와 같은 결과를 획득할 수 있다.
도 9에 도시된 것과 같이, 비직교 확산 코드의 길이 M이 32이고, 오버로딩 인자 L이 8 이하인 경우 (오버로딩 인자는 2 이상의 값), 확산 행렬 Φ의 최적의 상관성 μopt(Φ)은 0.25이고, 상관성 0.25의 확산 행렬 Φ를 구성하는데 이용할 수 있는 순열들을 포함하는 순열 세트 Γ는 {(5, 4, 3, 2, 1), (3, 4, 2, 5, 1), (4, 2, 5, 3, 1), (4, 3, 5, 1, 2), (4, 5, 1, 3, 2), (5, 3, 1, 4, 2), (5, 4, 2, 1, 3), (4, 1, 2, 5, 3)}이다. 상기 순열 세트 Γ는 8개의 순열들을 포함하므로, 순열 세트 Γ에서 오버로딩 인자 L 만큼의 순열을 선택함으로써 상관성 0.25의 확산 행렬 Φ를 생성할 수 있다.
도 10은 본 개시의 일 실시 예에 따른 이진 골레이 수열에 기초한 OFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 신호와 기존의 다른 수열에 기초한 OFDM 신호의 최대 PAPR(Peak to Average Power Ratio)을 비교한 도면이다.
도 10을 참조하면, 이진 골레이 수열에 기초하여 생성되는 OFDM 신호 (또는 확산 신호)의 최대 PAPR이 3dB으로, 기존의 random bipolar sequence, random Gaussian sequence 또는 ZC(Zadoff-Chu) sequence에 기초하여 생성되는 OFDM 신호들 (또는 확산 신호들)에 비하여 최대 PAPR이 현저히 작음을 확인할 수 있다. 이는, 이진 골레이 수열의 PAPR의 최대 값이 3dB이기 때문이다.
멀티캐리어 전송 환경에서 확산 신호의 PAPR이 낮을수록 높은 통신 성능을 담보할 수 있다는 점에서, 본 개시에서 제안하는 이진 골레이 수열에 기초한 확산 신호의 설계 방법은 기존의 다른 확산 신호의 설계 방법에 비해 더 나은 성능을 가질 수 있다. 또한, 종래의 통신 기술에서 사용하는 ZC 신호는 길이가 길어짐에 따라 해상도가 높아져야하지만, 이진 골레이 순열은 순열의 길이와 무관히 항상 2개의 상(phase)만을 가지면 충분하다는 점에서 이점이 있다.
도 11은 본 개시의 일 실시 예에 따른 이진 골레이 수열에 기초한 확산 행렬과 기존의 다른 수열에 기초한 확산 행렬의 상관도(coherence)를 비교한 도면이다.
도 11을 참조하면, 이진 골레이 수열에 기초하여 생성되는 확산 행렬은 신호 (또는 확산 신호)의 최대 PAPR이 3dB으로, 기존의 random bipolar sequence, random Gaussian sequence 또는 ZC(Zadoff-Chu) sequence에 기초하여 생성되는 확산 행렬에 비하여 상관도가 작음을 확인할 수 있다. 또한, 도 9에 도시된 순열 조합 세트를 이용하여 이론적으로 산출한 이진 골레이 수열들의 상관도와 도 9에 도시된 순열 조합 세트를 이용하여 실제로 생성한 이진 골레이 수열들의 상관도와 일치함을 확인할 수 있다.
도 12 내지 14는 본 개시의 일 실시 예에 따른 이진 골레이 수열에 기초한 확산 신호를 이용한 통신과 기존의 다른 수열에 기초한 확산 신호를 이용한 통신의 성능을 비교한 도면들이다.
구체적으로, 도 12는 압축 센싱 기반 결합 채널 추정 및 멀티 유저 탐지(CS-based joint CE and MUD: Compressive Sensing-based joint Channel Estimation and MultiUser Detection)의 활동 오차율(AER: Activity Error Rates)을 비교하며, 도 13은 압축 센싱 기반 결합 채널 추정 및 멀티 유저 탐지의 정규화된 평균 제곱 오차(NMSE)를 비교하며, 도 14는 압축 센싱 기반 결합 채널 추정 및 멀티 유저 탐지의 심볼 오차율(SER: Symbol Error Rates)을 비교한다.
도 12 내지 14에서, 하나의 프레임에는 7개의 연속한 시간 슬롯(time slot)이 포함되며, 하나의 프레임 동안에는 단말기들(200)의 활동(activity)가 변동되지 않는다. 그리고, 단말기들(200)의 활동률(activity rate) pa은 0.1이고, 오버로딩 인자 L은 4이다.
도 12 내지 14를 참조하면, 본 개시에 따른 이진 골레이 수열을 사용한 채널 추정(CE)와 멀티 유저 탐지(MUD)의 성능이 random bipolar 수열이나 random Gaussian 수열을 이용한 CE와 MUD의 성능보다 훨씬 우월함을 확인할 수 있으며, ZC 수열을 이용한 CE와 MUD의 성능과 유사한 수준임을 확인할 수 있다.
본 개시의 일 실시 예에 따르면, 전술한 방법은 프로그램이 기록된 매체에 컴퓨터가 읽을 수 있는 코드로서 구현하는 것이 가능하다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체는, 컴퓨터 시스템에 의하여 읽혀질 수 있는 데이터가 저장되는 모든 종류의 기록장치를 포함한다. 컴퓨터가 읽을 수 있는 매체의 예로는, HDD(Hard Disk Drive), SSD(Solid State Disk), SDD(Silicon Disk Drive), ROM, RAM, CD-ROM, 자기 테이프, 플로피 디스크, 광 데이터 저장 장치 등이 있다.

Claims (13)

  1. 업링크 비허가(grant-free) 비직교 다중 접속(NOMA: Non-Orthogonal Multiple Access)을 지원하는 기지국에 있어서,
    유무선 통신 기능을 제공하는 통신 모뎀; 및
    상기 통신 모뎀을 통해 복수의 단말기와 연결하고, 상기 연결된 복수의 단말기들 각각에 대응하는 고유의 비직교 확산 코드들(unique non-orthogonal spreading codes)을 결정하고, 상기 통신 모뎀을 통해 상기 연결된 복수의 단말기들 각각에 상기 결정된 고유의 비직교 확산 코드들을 전송함으로써 상기 연결된 복수의 단말기들에 상기 결정된 고유의 비직교 확산 코드들을 할당하는 프로세서를 포함하는, 기지국.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 결정된 고유의 비직교 확산 코드들과 상기 결정된 고유의 비직교 확산 코드들에 대한 할당 정보를 저장하는 메모리를 더 포함하는, 기지국.
  3. 청구항 2에 있어서,
    상기 프로세서는
    각 열이 상기 고유의 비직교 확산 코드들로 구성된 확산 행렬(spreading matrix)을 생성하고,
    상기 메모리는
    상기 생성된 확산 행렬을 저장하는, 기지국.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 프로세서는
    길이 M(=2m)의 이진 골레이 수열(Binary Golay Sequences) a=(a0, ..., aM-1)를 생성하고, 상기 생성된 이진 골레이 수열 a에 기초하여 상기 고유의 비직교 확산 코드 b=(b0, ..., bM-1)를 생성하고,
    여기서
    Figure pat00024
    인, 기지국.
  5. 청구항 4에 있어서,
    상기 프로세서는
    {1,..., m}으로 이루어진 순열 π를 생성하고, 0 이상 상기 M 미만의 정수 c 및 상기 생성된 순열 π에 기초하여 불리언 함수 f(x)를 생성하고, 상기 생성된 불리언 함수 f(x)에 기초하여 상기 이진 골레이 수열 a를 생성하고,
    여기서
    Figure pat00025
    이고,
    Figure pat00026
    이고,
    Figure pat00027
    인, 기지국.
  6. 청구항 3에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 통신 모뎀을 통해 상기 연결된 복수의 단말기 중에서 적어도 일부로부터 송신되는 비허가 업링크 신호를 수신하고, 상기 확산 행렬을 이용하여 상기 비허가 업링크 신호의 파일럿 심볼(pilot symbol)에 포함된 비직교 확산 코드를 검출하고, 상기 검출된 비직교 확산 코드에 기초하여 상기 비허가 업링크 신호를 송신하는 활성 단말기를 결정하는, 기지국.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 검출된 비직교 확산 코드에 기초하여 상기 활성 단말기로부터 전송되는 상기 비허가 업링크 신호의 데이터 심볼(data symbol)에 포함된 데이터를 탐지하는, 기지국.
  8. 업링크 비허가(grant-free) 비직교 다중 접속(NOMA: Non-Orthogonal Multiple Access)을 지원하는 기지국과 통신하는 단말기에 있어서,
    유무선 통신 기능을 제공하는 통신 모뎀; 및
    상기 통신 모뎀을 통해 상기 기지국과 연결하고, 상기 통신 모뎀을 통해 상기 기지국으로부터 할당된 고유의 비직교 확산 코드를 수신하는 프로세서를 포함하는, 단말기.
  9. 청구항 8에 있어서,
    상기 수신한 고유의 비직교 확산 코드를 저장하는 메모리를 더 포함하는, 단말기.
  10. 청구항 9에 있어서,
    상기 고유의 비직교 확산 코드 b=(b0, ..., bM-1)는
    길이 M(=2m)의 이진 골레이 수열(Binary Golay Sequences) a=(a0, ..., aM-1)에 기초하여 생성되고,
    여기서
    Figure pat00028
    인, 단말기.
  11. 청구항 10에 있어서,
    상기 이진 골레이 수열 a는
    불리언 함수 f(x)에 기초하여 생성되고,
    상기 불리언 함수 f(x)는
    0 이상 상기 M 미만의 정수 c 및 {1,..., m}으로 이루어진 순열 π에 기초하여 생성되고,
    여기서
    Figure pat00029
    이고,
    Figure pat00030
    이고,
    Figure pat00031
    인, 단말기.
  12. 청구항 10에 있어서,
    상기 프로세서는
    상기 통신 모뎀을 통해 상기 고유의 비직교 확산 코드를 포함하는 비허가 업링크 신호를 상기 기지국에 전송하고,
    상기 비허가 업링크 신호는
    단말 식별을 위한 파일럿 심볼(pilot symbol)과 데이터를 나타내는 데이터 심볼(data symbol)을 포함하는, 단말기.
  13. 업링크 비허가(grant-free) 비직교 다중 접속(NOMA: Non-Orthogonal Multiple Access)을 지원하는 통신 시스템에 있어서,
    복수의 단말기; 및
    상기 복수의 단말기와 연결하고, 상기 연결된 복수의 단말기들 각각에 대응하는 고유의 비직교 확산 코드들(unique non-orthogonal spreading codes)을 결정하고, 상기 통신 모뎀을 통해 상기 연결된 복수의 단말기들 각각에 상기 결정된 고유의 비직교 확산 코드들을 전송함으로써 상기 연결된 복수의 단말기들에 상기 결정된 고유의 비직교 확산 코드들을 할당하는 기지국을 포함하는, 통신 시스템.
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