KR100494844B1

KR100494844B1 - 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법

Info

Publication number: KR100494844B1
Application number: KR10-2002-0082211A
Authority: KR
Inventors: 이용훈; 김인형
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2002-12-21
Filing date: 2002-12-21
Publication date: 2005-06-14
Anticipated expiration: 2022-12-21
Also published as: KR20040055517A; USRE44352E1; US7376193B2; US20040120347A1

Abstract

본 발명은 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법과 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것에 관한 것이다. 본 발명의 부채널/시간 슬롯 할당과 변조 방식 결정을 효율적으로 분리하여 순차적으로 진행하기 위한 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법은, 사용자의 부채널/시간 슬롯에 대한 채널 이득을 이용하여 각 사용자에 대한 평균 채널 이득을 결정하는 제 1단계; 사용자별 요구 데이터 전송 속도와 상기 평균 채널 이득을 이용하여 각 사용자에 대한 평균 비트수를 결정하는 제 2단계; 각 사용자에게 할당되는 부채널/시간 슬롯의 개수를 결정하여, 부채널/시간 슬롯을 할당하는 제 3단계; 및 각 사용자에게 할당한 부채널/시간 슬롯의 크기와 평균 비트수에 따라 변조 방식을 결정하는 제 4단계를 포함한다.

Description

통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법{Method for Adaptive Resource Allocation for Communication System}

본 발명은 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법과 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것으로서, 특히 하이브리드 직교 주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access; 이하, 간단히 'OFDMA'라 함)/시간 분할 다중 접속(Time Division Multiplexing Access; 이하, 간단히 'TDMA'라 함) 시스템의 자원 할당에 사용되는, 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법과 상기 방법을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체에 관한 것이다.

최근 영상 및 데이터 전송에 대한 중요성이 커지면서 고속 데이터 전송에 대한 필요성이 증가하고 있으나, 이를 위한 주파수 자원은 상대적으로 부족하므로 효율적인 주파수 사용이 필수적이다.

고속 데이터 전송을 위해서는 직교 주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing; 이하, 간단히 'OFDM'이라 함) 또는 OFDMA가 적절한 것으로 널리 알려져 있는데, OFDM은 변조된 신호를 여러 개의 부채널에 나누어 보내는 방식이며, OFDMA은 OFDM에서 부채널들을 한 사용자가 아닌 여러 사용자가 나누어 사용하는 방식이다.

그러나, OFDMA 시스템의 경우에 각 사용자는 주파수만을 나누어 사용하게 되는데, 사용자 수가 증가할 경우 자원 할당의 유연성을 증가시키고 파일럿에 의한 낭비를 줄이기 위해 시간 영역에서 자원 할당을 수행하는 TDMA 방식을 함께 고려하게 된다.

본 발명에서는 이를 하이브리드 OFDMA/TDMA 시스템이라고 한다.

일반적인 OFDM 시스템의 경우 각 부채널의 채널 응답 크기에 관계없이 모든 부채널에 대해 같은 변조 방식을 사용하며, 하이브리드 OFDMA/TDMA 역시 각 사용자의 부채널별 채널 응답과 무관하게 임의의 시간 슬롯에 임의의 위치의 부채널을 할당한다.

전송단에서 각 부채널의 채널 응답을 알 경우, OFDM에는 각 부채널별로 채널 응답에 따라 다른 변조 방식을 사용하면서 적절하게 전력을 분배하여 주면 전력 이득을 얻을 수 있다.

또한, OFDMA에서는 이러한 적응형 변조 방식 결정과 함께 각 사용자의 부채널별 채널 응답을 고려하여 적절한 시간 슬롯과 부채널을 할당하여 주면 추가적인 전력 이득을 얻을 수 있다.

그러나, 하이브리드 OFDMA/TDMA를 위한 적응형 자원 할당을 위해서는 사용자별 부채널과 시간 슬롯 할당 작업과 각 부채널 및 시간 슬롯에 대한 변조 방식 결정 작업이 이루어져야 하는데, 기존 방식에 제시된 방식들은 이 두 작업을 동시에 수행하여야 하므로 복잡도가 매우 높아서 실제적으로 구현이 불가능한 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 종래 기술의 제반 문제점을 해결하기 위해 제안된 것으로, 부채널 및 시간 슬롯 할당과 변조 방식 결정을 효율적으로 분리하여 순차적으로 진행함으로써, 간단하게 구현하는 동시에 성능 저하를 줄이기 위한 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

또한, 본 발명은 부채널 및 시간 슬롯 할당과 변조 방식 결정을 효율적으로 분리하여 순차적으로 진행함으로써, 간단하게 구현하는 동시에 성능 저하를 줄이기 위한 기능을 실현시키기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.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.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 부채널/시간 슬롯 할당과 변조 방식 결정을 효율적으로 분리하여 순차적으로 진행하기 위한 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법에 있어서, 사용자의 부채널/시간 슬롯에 대한 채널 이득을 이용하여 각 사용자에 대한 평균 채널 이득을 결정하는 제 1단계; 사용자별 요구 데이터 전송 속도와 상기 평균 채널 이득을 이용하여 각 사용자에 대한 평균 비트수를 결정하는 제 2단계; 각 사용자에게 할당되는 부채널/시간 슬롯의 개수를 결정하여, 부채널/시간 슬롯을 할당하는 제 3단계; 및 각 사용자에게 할당한 부채널/시간 슬롯의 크기와 평균 비트수에 따라 변조 방식을 결정하는 제 4단계를 포함하는 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 부채널/시간 슬롯 할당과 변조 방식 결정을 효율적으로 분리하여 순차적으로 진행하기 위한 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법을 제공하기 위하여 마이크로프로세서를 구비한 적응형 자원 할당 장치에, 사용자의 부채널/시간 슬롯에 대한 채널 이득을 이용하여 각 사용자에 대한 평균 채널 이득을 결정하는 제 1기능; 사용자별 요구 데이터 전송 속도와 상기 평균 채널 이득을 이용하여 각 사용자에 대한 평균 비트수를 결정하는 제 2기능; 각 사용자에게 할당되는 부채널/시간 슬롯의 개수를 결정하여, 부채널/시간 슬롯을 할당하는 제 3기능; 및 각 사용자에게 할당한 부채널/시간 슬롯의 크기와 평균 비트수에 따라 변조 방식을 결정하는 제 4기능을 실현시키시기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체를 제공한다.

상술한 목적, 특징들 및 장점은 첨부된 도면과 관련한 다음의 상세한 설명을 통하여 보다 분명해 질 것이다. 우선 각 도면의 구성요소들에 참조 번호를 부가함에 있어서, 동일한 구성요소들에 한해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 번호를 가지도록 하고 있음에 유의하여야 한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 일실시예를 상세히 설명한다.

도 1a는 본 발명이 적용되는 통신 시스템의 기지국 전송단에서의 적응형 자원 할당 장치의 구조도이며, 도 1b는 본 발명이 적용되는 통신 시스템의 단말국 수신단에서의 적응형 자원 할당 장치의 구조도로서, k번째 단말국의 수신단을 나타낸다.

도 1a 및 도 1b에 도시된 바와 같이, 본 발명이 적용되는 적응형 자원 할당 장치는, 일반적인 OFDM 또는 OFDMA 시스템과 마찬가지로 전송단에서는 IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)(130)를, 수신단에서는 FFT(Fast Fourier Transform)(160)를 사용한다.

전송단의 IFFT(130) 전과 수신단에서 FFT(160) 이후의 신호 각각을 부채널이라 하는데, 각 부채널의 신호들은 서로 간섭 없이 주파수 비선택적 페이딩으로 모델링이 가능하다.

즉, FFT(160) 후 k번째 신호는 IFFT(130) 전의 k번째 신호에 일정 채널 이득이 곱해진 형태로만 나타나며, 이 때의 채널 이득은 각 부채널에 따라 다른 값을 갖는다.

따라서, 전송단에서 이 채널 이득을 알 수 있다면 채널 이득이 큰 부채널에는 더 많은 데이터를, 채널 이득이 작은 부채널에는 적은 데이터를 보내는 것이 가능한데 이를 '적응형 변조 방식 결정'이라 한다.

OFDMA 시스템의 경우 부채널이나 시간 슬롯에 따라 다른 사용자의 신호를 보낼 수 있다. 고정형 자원 할당 OFDMA의 경우 채널 이득에 관계없이 전체 부채널과 전체 시간 슬롯들을 각 사용자에게 임의로 나누어주게 된다.

그러나, 채널 이득 값은 부채널에 따라 다를 뿐만 아니라 사용자별로도 다른 값을 갖는다. 즉, 어떤 부채널은 한 사용자에게는 작은 채널 이득값을 가지는 반면, 다른 사용자에게는 큰 채널 이득값을 가질 수 있으므로, 사용자별 채널 이득을 고려하여 각 사용자에게 가능한 한 좋은 채널을 할당하는 것이 전력 이득 측면에서 유리하다.

따라서, 본 발명에서는 먼저 하이브리드 OFDMA/TDMA 시스템에서의 적응형 자원 할당 문제가 OFDMA 시스템에서의 적응형 자원 할당 문제와 동일하게 나타내어짐을 보이고, 이러한 OFDMA 시스템에서 각 사용자에게 부채널을 할당하고 그 부채널들에 변조 방식을 결정하는 방법을 제안하고자 한다.

따라서, 본 발명이 적용되는 적응형 자원 할당 방식의 하이브리드 OFDMA 시스템은, 도 1a와 같이 부채널 할당 및 변조 방식 결정기(110)가 개별적으로 존재하며, 상기 부채널 할당 및 변조 방식 결정기(110)로부터의 정보를 통해 IFFT 앞단에서 적응형 변복조가 이루어지게 된다.

그리고, 결정된 정보는 별도의 제어 채널을 이용하여 수신단으로 전송되어야 하며, 수신단에서는 이 정보로부터 자신의 데이터가 속한 부채널과 타임 슬롯, 그리고 부채널 및 타임 슬롯별 변조 방식을 알아내어 복조에 사용하게 된다.

먼저, 하이브리드 OFDMA/TDMA 시스템에서의 적응형 자원 할당 문제가 OFDMA시스템에서의 적응형 자원 할당 문제와 동일한 형태로 나타남을 도 2를 참조하여 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명이 적용되는 하이브리드 OFDMA/TDMA 시스템에서 각 사용자가 사용할 수 있는 자원의 구성도로서, 부채널과 시간 슬롯과 관련된 자원을 예시한 것이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 시간 슬롯의 개수를 T라고 하면 개별적으로 할당이 가능한 자원은 NT개이다.

본 발명은 이러한 NT개의 자원을, 사용자가 K명이라고 할 때 각 사용자에게 어떻게 나누어져야 하는지, 그리고 NT개의 위치에 각 사용자는 어떠한 변조 방식을 통해 얼마만큼의 전력을 가지고 데이터를 전송할 지를 결정해 줄 수 있다. 이 때 부채널과 시간 슬롯은 각각 독립적으로 분배 및 전송이 가능하므로 NT개의 부채널이 존재하는 것으로 모델링 할 수 있다.

본 발명이 적용되는 시스템은 시간 영역에서 채널이 거의 변하지 않는 경우이므로, NT개의 부채널 중 각 T개는 같은 채널 응답을 갖는 것으로 생각할 수 있다.

이와 같은 관찰을 통해 하이브리드 OFDMA/TDMA 시스템은 부채널 개수가 NT로 나타나는 OFDMA 시스템으로 가정할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도로서, 상기 도 1a의 상기 부채널 할당 및 변조 방식 결정기(110)의 동작에 관한 것이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 적응형 자원 할당 방법은, 먼저 사용자 수를 K, 부채널 개수를 N이라고 할 때, 모든 사용자의 부채널에 대한 채널 이득 과 사용자별 요구 데이터 전송 속도 를 결정한다(S301).

앞서 설명한 바와 같이, 하이브리드 OFDMA/TDMA 시스템의 경우 N은 실제 부채널의 개수와 시간 슬롯의 개수의 곱이다.

상기 채널 이득에 관한 정보는 채널 추정을 통해 얻어 질 수 있으며, 상기 사용자별 요구 데이터 전송 속도는 사용자와 기지국간에 미리 정보를 교환함으로서 얻을 수 있다.

다음으로는, 부채널별 채널 이득으로부터 사용자별 평균 채널 이득을 하기의 [수학식 1]에 의해 결정한다(S303).

이 때, N은 시간 슬롯 내의 자원 개수를 의미하고, K는 자원 할당의 대상이 되는 사용자 수를 의미한다.

구해낸 평균 채널 이득과 앞서 얻은 사용자별 요구 데이터 전송 속도로부터 사용자별 부채널당 평균 비트수 를 결정한다(S305). 이 값은 하기의 [수학식 2]에서 제시된 변수 K+1 개를 갖는 K+1 개의 비선형 연립 방정식으로부터 구해 질 수 있는데, 이 조건식은 종래의 논문[C.Y.Wong, et al , “Multiuser OFDM with Adaptive Subcarrier, Bit, and Power Allocation ,” IEEE Journal of Selected Areas on Communcations, pp. 1743 ~ 1758, 1999]에 제시된 최적 문제에 적절한 가정을 첨가하여 정리함으로서 얻을 수 있다. 이 때, 하기의 [수학식 2]에서 은 최적해를 찾기 위해 사용된 물리적인 의미를 갖지 않는 변수로 상기 논문의 수식 14에서 Lagrangian multiplier 을 의미한다.

종래의 최적 문제가 부채널별 채널 이득에 따라 각 부채널에 전송되는 비트수를 계산하는데 비해, 상기 [수학식 2]는 채널 이득의 사용자별 평균값에 의해 전송되는 비트수의 사용자별 평균값을 결정할 수 있다. 이는 부채널 할당 문제를 비트 할당 문제와 분리하기 위함이다.

상기 [수학식 2]에서 는 c 비트를 원하는 비트 오류율을 만족시키면서 수신하기 위해 필요한 전력값이다.

이 값은 QAM(Quadrature Amplitude Modulation), PSK(Phase Shift Keying), PAM(Pulse Amplitude Modulation)과 같은 변조 방식에 따라 각각 다른 값을 갖는다. 예를 들어, QAM의 경우 대략적으로 하기의 [수학식 3]과 같이 나타낼 수 있다.

상기 [수학식 3]에서 는 백색 가우스 잡음의 분산이며, 는 원하는 비트 오류율이며, 는 Q 함수이다.

상기 [수학식 3]의 는 볼록 함수인데, 이는 QAM 뿐만 아니라 PSK와 PAM과 같이 보통 사용되어 지는 변조 방식의 거의 모두에 대해서도 성립한다.

상기 [수학식 2]에서 제시된 K+1 개의 식과 변수를 갖는 비선형 연립 방정식은 가 볼록 함수일 경우 항상 해가 존재하며, 그 해는 유일하다. 따라서, 상기 [수학식 2]를 만족하는 는 벡터 형태 뉴튼 방법과 같은 잘 알려진 수치 해석적 기법을 통해 구할 수 있다 (K.E.Atkinson, Numerical Analysis, Wiley & Sons Inc., 1998.).

이와 같은 과정을 통해 를 얻고 나면 하기의 [수학식 4]를 통해 각 사용자에게 할당될 부채널의 개수를 결정할 수 있다(S307). 즉, 평균적으로 하나의 부채널에 전송되는 비트를 이라 하면 한 사용자에 대한 전체 비트 수가 이므로, 사용자별 할당 부채널수는 하기의 [수학식 4]와 같이 나타낼 수 있다.

상기 [수학식 2]를 통해 구한 사용자별 평균 전송 비트수와, 상기 [수학식 4]를 통해 구한 사용자별 할당 부채널수를 상기 논문에 제시된 최적화 문제에 대입하면, 하기의 [수학식 5]와 같은 간략화된 최적화 문제를 구할 수 있다.

이 상기 [수학식 5]에서 얻고자 하는 이진 변수값인데, 이는 k번째 사용자가 n번째 부채널을 사용할지의 여부를 나타내는 값으로서, 이 값이 1이면 사용하는 것을 의미하며 0일 경우 사용하지 않는 것이 된다.

즉, 상기 [수학식 5]의 최적화 문제를 푸는 것이 곧 부채널을 할당하는 것이라 할 수 있다(S311).

상기 [수학식 5]에서 상수 은 k번째 사용자가 n번째 부채널을 사용하였을 때의 소요되는 경비인데, 앞서 계산한 값들을 이용해 하기의 [수학식 6]과 같이 나타낼 수 있다.

상기 [수학식 5]는 이진 변수 로 인해 기본적으로 정수형 최적화 문제이다. 정수형 최적화 문제의 최적해를 구하기 위해서는 상당히 복잡한 계산을 필요로 하는데 상기 [수학식 5]는 의 정수 조건을 제거하고 문제를 풀어도 정수형 를 얻을 수 있는 특수한 형태의 문제이다.

따라서, 최적해를 좀 더 간단한 방법(Simplex Method)을 이용하여 구할 수 있으나, 이 역시 실시간 구현에는 문제가 있다.

복잡도를 좀 더 간단히 하고자 상기 [수학식 5]의 최적화 문제를 살펴보면, 선형 최적화 문제의 특수한 형태인 수송 문제로 볼 수 있다. 이 경우, N개의 부채널을 공급지로 K명의 사용자를 수요지로 볼 수 있다. 또한, 두 번째 제약식에 의해 모든 공급지는 한 개의 상품만을 공급하도록 제약되며, 첫 번째 제약식에 의해 각 수요지는 개의 상품을 받도록 요구된다.

따라서, 이러한 수송 문제는 이미 알려진 보겔의 방법(Vogel's Method), 즉 보겔추정법에 의해 훨씬 간단하게 계산될 수 있으며, 얻어진 해는 최적해에 비해 미세한 성능 저하를 갖는다. 여기서, 보겔추정법은 일정 물량(일예로 일정량의 정보)을 주어진 채널을 통해 최소한의 비용(일예로 전송 전력)으로 목적지(일예로 단말기)로 운송하기 위해 어떤 채널로 얼마만큼 물량을 운송할 것인지에 대한 최적해(최적해에 가까운 해가 될 수도 있음)를 찾는 방법을 의미한다.

상기 Simplex Method와 보겔의 방법(Vogel's method)은 문헌 "W. L. Winston, Operations Research, Duxbury Press, 1994"에 설명되어 있다.

상기 [수학식 5]에 의해 일단 부채널을 각 사용자에게 할당하고 나면(S311), 할당한 부채널의 크기(일예로 부채널을 통해 전송 가능한 데이터 심벌의 수)와 한 부채널에 전송되는 평균 비트 수()에 따라 각 사용자별 변조 방식을 결정한다(S313).

즉, 부채널 할당을 수행하고 나면 하나의 부채널을 여러 사용자가 함께 사용한다는 조건은 제거될 수 있다. 따라서, 사용자별로 자신에게 할당된 부채널만을 대상으로 단일 사용자 OFDM에서의 변조 방식 결정 방법을 이용하여 비트 할당을 수행할 수 있다.예를 들어, 특정 시스템에서 사용 가능한 변조 방식이 QPSK, 16QAM, 64QAM이고, 한 부채널을 통해 전송 가능한 데이터 심벌의 수를 M이라고 하면, 사용자에게 할당되는 부채널에 대한 변조 방식은 가 2인 경우 QPSK, 가 4인 경우 16QAM, 가 6인 경우 64QAM으로 결정할 수 있다.

본 발명의 일실시예를 설명함에 있어, 부채널의 할당 및 변조 방식 결정에 대하여 설명하였으나, 시간 슬롯에 대하여도 동일한 방법으로 할당 및 변조 방식을 결정할 수 있음은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 있어 자명하다 할 것이다.

이하, 도 4 내지 도 6을 참조하여, 사용자의 수가 4명이고 부채널의 개수가 64, 시간 슬롯의 개수가 8일 때 본 발명의 실행예를 설명하고자 한다.

도 4a 내지 도 4b는 본 발명에 따른 각 사용자의 부채널별 채널 응답을 설명하기 위한 일실시예 그래프이다.

각 사용자의 채널은 사용자별 기지국으로부터의 거리에 따라 평균적으로 다른 값을 갖는데, 본 발명의 일실시예에서는 사용자별 부채널의 평균값이 각각 0.0025, 0.3922, 1.3452, 2.2601임을 알 수 있다. 즉, 사용자 1이 기지국에서 가장 멀리 있으며 사용자 4가 가장 가까이 있는 경우를 가정한 것이다.

또한, 도면에 도시된 바와 같이, 채널은 한 사용자 안에서도 부채널에 따라 다른 값을 갖는다. 단, 시간 슬롯에서 대해서는 변하지 않는 일정한 값을 갖는다. 즉, 사용자 1의 첫 번째 부채널에 대한 채널 응답은 시간 슬롯 1에서 8까지 모든 슬롯에 대해 같은 값을 갖는다.

이러한 채널에 대해 상기 [수학식 1] 내지 [수학식 4]를 이용하여 사용자별 할당된 채널 수를 계산하면 297, 83, 67, 62의 값을 갖게 된다. 여기서, 전체 채널 수는 앞서 설명하였듯이 부채널의 개수와 시간 슬롯 개수의 곱으로 나타낼 수 있으며, 이는 512이다.

사용자 1의 경우 평균적으로 낮은 채널 응답 (0.0025)을 갖기 때문에 297개의 상대적으로 많은 채널을 점유하게 되며, 사용자 4의 경우 가장 큰 평균 채널 응답 (2.2601)을 갖기 때문에 가장 적은 수 (62개)의 부채널을 점유하게 된다.

이렇게 얻어진 사용자별 할당 부채널수를 이용하여 상기 [수학식 5]의 최적화 문제를 만들 수 있다.

도 5는 본 발명에 따라 부채널 할당을 수행한 결과를 설명하기 위한 일예시도로서, 보겔의 방법에 의해 부채널을 할당한 결과이다.

진한 부분은 그 사용자에게 할당된 채널을, 흰 부분은 할당되지 않은 채널을 의미한다. 앞서 언급한 개수의 채널들이 각 사용자별로 할당된 것을 볼 수 있다.

도 6은 본 발명에 따라 사용자별로 자신에게 할당된 채널만을 대상으로 변조 방식을 결정한 결과를 설명하기 위한 일예시도이다.

흰색 부분은 비트가 할당되지 않은 채널을 의미하며 나머지 부분은 진할수록 많은 비트가 할당된 채널이다. QPSK 전송은 2비트를, 16QAM은 4비트를 전송하는 것을 의미한다.

상기 도 5 및 상기 도 6을 비교하면, 각 사용자가 자신에게 할당된 부채널만을 대상으로 그 안에서 부채널의 크기에 따라 비트를 할당한 것을 볼 수 있다. 평균 채널 이득이 큰 사용자의 경우 적은 수의 부채널을 할당받은 대신 하나의 부채널에 많은 비트를 전송할 수 있다. 사용자 1의 경우 채널 환경이 전체적으로 열악하기 때문에 많은 수의 부채널을 점유하고 낮은 차수의 변조 방식을 대체로 사용하게 된다.

상기 도 5에 의해 어떤 사용자에게 할당된 채널이라 할지라도 채널 크기에 따른 변조 방식 결정 과정에서 한 비트도 실리지 않는 경우가 발생할 수 있다.

다음의 표 1은 사용자의 수가 4명이고 부채널의 개수가 64일 때 기존 논문에서 제시된 최적해와 본 발명에서 제시된 해 사이의 성능 차이를 설명하기 위한 것이다.

상기의 [표 1]은 평균적인 성능 차이를 얻기 위해 1000번 시행한 결과를 평균하여 얻은 결과이다.

각 사용자별 원하는 데이터 전송 속도는 일단 같다고 가정하고, 총 데이터 전송 속도를 128 비트/OFDM 심볼부터 384 비트/OFDM 심볼까지 변화시켜 가면서 성능을 비교하였다. 이 때, 128 비트/OFDM 심볼의 전송 속도는 부채널의 개수가 64이므로 적응형 변조 방식을 사용하지 않았을 때 모든 부채널에 QPSK를 사용한 경우의 전송 속도이다.

상기 [표 1]에서 보는 바와 같이 제한된 발명은 기존 논문에서의 최적해에 비해 대단히 간단하면서도 약 0.6~0.8 dB의 성능 저하만을 갖는다.

따라서 본 발명은 하이브리드 OFDMA/TDMA 시스템에서 실시간 구현이 가능한 계산량을 이용하여 최적해에 비해 거의 성능 저하가 없이 적응형 부채널과 시간 슬롯 할당, 그리고 변조 방식 결정을 수행할 수 있음을 알 수 있다.

상술한 바와 같은 본 발명의 방법은 프로그램으로 구현되어 컴퓨터로 읽을 수 있는 형태로 기록매체(씨디롬, 램, 롬, 플로피 디스크, 하드 디스크, 광자기 디스크 등)에 저장될 수 있다. 이러한 과정은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있으므로 더 이상 상세히 설명하지 않기로 한다.

이상에서 설명한 본 발명은, 본 발명이 속하는 기술분야에서 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.

상기와 같은 본 발명은, OFDM 방식으로 동작하는 데이터 통신 시스템에서 다중 접속 방식을 하이브리드 OFDMA/TDMA로 사용할 경우, 효율적으로 각 사용자별 부채널과 시간 슬롯 할당을 수행할 수 있도록 하는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 기존의 고정형 변조 방식을 사용하는 시스템에 비해 상당한 양의 사용 전력 이득을 얻을 수 있고, 주파수 사용 효율 또한 크게 높일 수 있도록 하는 효과가 있다.

도 1a는 본 발명이 적용되는 통신 시스템의 기지국 전송단에서의 적응형 자원 할당 장치의 구조도,

도 1b는 본 발명이 적용되는 통신 시스템의 단말국 수신단에서의 적응형 자원 할당 장치의 구조도,

도 2는 본 발명이 적용되는 하이브리드 OFDMA/TDMA 시스템에서 각 사용자가 사용할 수 있는 자원의 구성도,

도 3은 본 발명에 따른 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법을 설명하기 위한 일실시예 흐름도,

도 4a 내지 도 4b는 본 발명에 따른 각 사용자의 부채널별 채널 응답을 설명하기 위한 일실시예 그래프,

도 5는 본 발명에 따라 부채널 할당을 수행한 결과를 설명하기 위한 일예시도,

도 6은 본 발명에 따라 사용자별로 자신에게 할당된 채널만을 대상으로 변조 방식을 결정한 결과를 설명하기 위한 일예시도.

*도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

110 : 부채널 할당 및 변조 방식 결정기

120 : 적응형 변조기 130 : IFFT

140 : CP 삽입 및 D/A 150 : A/D 및 CP 제거기

160 : FFT 170 : 부채널 선택 및 적응형 복조기

Claims

부채널/시간 슬롯 할당과 변조 방식 결정을 효율적으로 분리하여 순차적으로 진행하기 위한 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법에 있어서,

사용자의 부채널/시간 슬롯에 대한 채널 이득을 이용하여 각 사용자에 대한 평균 채널 이득을 결정하는 제 1단계;

사용자별 요구 데이터 전송 속도와 상기 평균 채널 이득을 이용하여 각 사용자에 대한 평균 비트수를 결정하는 제 2단계;

각 사용자에게 할당되는 부채널/시간 슬롯의 개수를 결정하여, 부채널/시간 슬롯을 할당하는 제 3단계; 및

각 사용자에게 할당한 부채널/시간 슬롯의 크기와 평균 비트수에 따라 변조 방식을 결정하는 제 4단계

를 포함하는 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법.
제 1항에 있어서,

상기 제 1단계의 각 사용자에 대한 평균 채널 이득은,

하기의 수학식에 의하여 결정되는 것

을 특징으로 하는 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법.

(단, 는 각 사용자에 대한 평균 채널 이득이며, 는 각 사용자의 부채널/시간 슬롯에 대한 채널 이득이고, N은 시간 슬롯 내의 자원 개수를 의미하고, K는 자원 할당의 대상이 되는 사용자 수를 의미함)
제 1항에 있어서,

상기 제 2단계의 각 사용자에 대한 평균 비트수는,

하기의 수학식에 의하여 주어지는 k+1 개의 비선형 연립 방정식의 해인 것

을 특징으로 하는 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법.

(단, 는 각 사용자에 대한 평균 비트수이며, 는 c 비트를 원하는 비트 오류율을 만족시키면서 수신하기 위해 필요한 전력값임. 또한, 는 각 사용자에 대항 전체 비트수임. 또한, 는 최적해를 찾기 위해 사용된 물리적인 의미를 갖지 않는 변수임)
제 1항에 있어서,

상기 제 3단계의 부채널/시간 슬롯의 개수는,

하기의 수학식에 의하여 결정되는 것

을 특징으로 하는 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법.

(단, 는 부채널/시간 슬롯의 개수임)
제 1항에 있어서,

상기 제 3단계의 부채널/시간 슬롯을 할당은,

하기의 수학식에 대하여 선형 최적화 해를 구함으로써 수행되는 것

을 특징으로 하는 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법.

(단, 는 k번째 사용자가 n번째 부채널을 사용할지의 여부를 나타내는 이진 변수이며, 은 k번째 사용자가 n번째 부채널을 사용하였을 때의 소요되는 경비임)
제 5항에 있어서,

상기 경비는,

하기의 수학식에 의하여 결정되는 것

을 특징으로 하는 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법.
제 5항에 있어서,

상기 수학식의 선형 최적화 해는,

보겔추정법을 적용하여 구하는 것

을 특징으로 하는 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법.
부채널/시간 슬롯 할당과 변조 방식 결정을 효율적으로 분리하여 순차적으로 진행하기 위한 통신 시스템의 적응형 자원 할당 방법을 제공하기 위하여 마이크로프로세서를 구비한 적응형 자원 할당 장치에,

사용자의 부채널/시간 슬롯에 대한 채널 이득을 이용하여 각 사용자에 대한 평균 채널 이득을 결정하는 제 1기능;

사용자별 요구 데이터 전송 속도와 상기 평균 채널 이득을 이용하여 각 사용자에 대한 평균 비트수를 결정하는 제 2기능;

각 사용자에게 할당되는 부채널/시간 슬롯의 개수를 결정하여, 부채널/시간 슬롯을 할당하는 제 3기능; 및

각 사용자에게 할당한 부채널/시간 슬롯의 크기와 평균 비트수에 따라 변조 방식을 결정하는 제 4기능

을 실현시키시기 위한 프로그램을 기록한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체.