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KR100896207B1 - 다중 홉 릴레이 방식의 광대역 무선 통신시스템에서중계국의 중계 모드를 선택하기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

다중 홉 릴레이 방식의 광대역 무선 통신시스템에서중계국의 중계 모드를 선택하기 위한 장치 및 방법 Download PDF

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KR100896207B1
KR100896207B1 KR1020060007069A KR20060007069A KR100896207B1 KR 100896207 B1 KR100896207 B1 KR 100896207B1 KR 1020060007069 A KR1020060007069 A KR 1020060007069A KR 20060007069 A KR20060007069 A KR 20060007069A KR 100896207 B1 KR100896207 B1 KR 100896207B1
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South Korea
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relay
relay mode
channel state
selecting
mode
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KR1020060007069A
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김도영
이학주
박동식
홍성권
박승훈
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삼성전자주식회사
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Abstract

다중 홉 릴레이(Multi-hop Relay) 방식의 광대역 무선 통신시스템에서 중계 링크의 채널 상태에 따라 중계 모드를 선택하기 위한 방법과 이를 지원하는 중계국 장치에 관한 것으로서, 기지국과 단말로부터 신호가 수신되면, 상기 수신신호들을 이용하여 상기 중계 링크(기지국과 중계국 링크 및 중계국과 단말 링크)의 채널 상태(예 : 고유값(Eigen Value), 상호 정보량(Mutual Information), 에러 확률(Probability Error))를 추정하는 과정과, 상기 추정된 채널 값들을 미리 정해진 기준 값과 비교하여, 상기 비교 결과에 따라 상기 수신신호들을 중계하기 위한 중계 모드를 선택하는 과정을 포함하여, 중계 신호의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 신호 링크의 용량을 향상시킬 수 있는 이점이 있다.
Figure R1020060007069
AF(Amplify and Forward)중계 방식, DF(Decode and Forward)중계 방식, 중계국, 고유 값(Eigen Value), 상호 정보량(Mutual Information)

Description

다중 홉 릴레이 방식의 광대역 무선 통신시스템에서 중계국의 중계 모드를 선택하기 위한 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR SELECTING RELAY MODE IN MULTI-HOP RELAY BROADBAND WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM BY RELAY STATION}
도 1은 일반적인 다중 홉 릴레이 방식의 광대역 무선 통신시스템의 다중 링크구성을 도시하는 도면,
도 2는 일반적인 중계국의 각 중계모드를 수행하기 위한 OSI 계층 구조를 도시하는 도면,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 중계국에서 중계 모드를 결정하기 위한 신호링크의 흐름을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명에 따른 다중 홉 릴레이 방식의 다중 안테나 시스템에서 중계링크의 중계 모드를 결정하기 위한 중계국 송수신 장치의 블록 구성을 도시하는 도면,
도 5는 본 발명에 따른 다중 홉 릴레이 방식의 다중 안테나 시스템에서 채널정보 산출기의 상세 블록 구성을 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 중계국에서 중계 모드를 결정하기 위한 절차를 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 중계국에서 중계 모드를 결정하기 위한 표준을 나타내는 도면.
본 발명은 다중 홉 릴레이(Multi-Hop Relay) 방식의 광대역 무선 통신시스템에 관한 것으로서, 특히 상기 다중 홉 릴레이 방식의 광대역 무선 통신시스템에서 기지국, 중계국 및 단말 사이 링크의 채널 상태에 따라 중계 모드를 선택하여 신호를 중계하기 위한 방법 및 이를 지원하기 위한 중계국 장치에 관한 것이다.
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4세대 이동통신 시스템에서는 고속 통신을 가능하게 하고 더 많은 통화량을 수용하기 위하여 반경이 매우 작은 셀들이 설치된다. 이 경우에는 현재의 무선망 설계 방식을 그대로 사용한 중앙 집중적인 설계가 불가능해질 것이다. 이러한 무선 네트워크는 분산적으로 제어되고 구축되면서도, 새로운 기지국(Base station)의 추가와 같은 환경 변화에 능동적으로 대처할 수 있어야 한다. 상술한 이유로 4세대 이동통신 시스템에서는 자율적 적응형 무선 네트워크의 구성이 요구된다.
상기 4세대 이동통신 시스템에서 요구되는 상기 자율적 적응형 무선 네트워크를 현실적으로 구현하기 위해서는 상기 Ad hoc 네트워크에서 적용된 기술을 이동통신 시스템에 도입해야 한다. 상기의 대표적인 사례가 다중홉 릴레이 (Multi-hop relay) 광대역 무선 통신시스템으로서, 고정 기지국으로 구성된 광대역 무선 통신시스템에 Ad hoc 네트워크에서 적용된 기술인 다중홉 릴레이 기법을 도입한 것이다. 상기 광대역 무선 통신시스템에서는 기지국과 단말기(Mobile station) 간에 하나의 직접 링크(direct link)로 통신이 이루어지므로, 상기 단말기와 기지국 간에 신뢰도가 높은 무선 통신링크를 쉽게 구성할 수 있다.
그러나, 상기 광대역 무선통신시스템은 기지국의 위치가 고정되어 있으므로 무선망 구성의 유연성(flexibility)이 낮아 트래픽 분포나 통화 요구량의 변화가 심한 무선환경에서 효율적인 서비스를 제공하기 어렵다. 이와 같은 단점을 극복하기 위해 주변의 여러 단말기 또는 중계국(Relay station)들을 이용하여 다중 홉 형태로서 데이터를 전달하는 중계기법을 적용한다. 또한, 상기 다중 홉 릴레이 기법은 주변 환경변화에 대해 빠르게 네트워크를 재구성할 수 있으며, 상기 기지국과 단말 사이에 중계국을 설치하여 상기 중계국을 통한 다중 홉 중계 경로를 구성함으로써, 채널 상태가 보다 우수한 무선 채널을 상기 단말에 제공할 수 있다.
더욱이 상기 다중 홉 중계 경로를 이용하여 음영 지역과 같이 상기 기지국과 통신을 수행할 수 없는 지역의 단말들에 고속의 데이터 채널을 제공할 수 있어, 셀 영역을 확장시킬 수 있다.
도 1은 일반적인 다중 홉 릴레이 방식의 광대역 무선 통신시스템의 다중 링크구성을 도시하고 있다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이 기지국(100)의 서비스 영역(101)에 포함되는 단말(110)은 상기 기지국(100)과 직접 링크로 연결된다. 반면에 상기 기지국의 서비스 영역(110) 밖에 위치하여 채널 상태가 열악한 단말(120)은 중계국(130)을 통해 중계 링크로 연결된다.
즉, 상기 기지국(100)은 상기 단말들(110, 120)이 상기 기지국의 서비스 영역(101)의 외곽에 위치하거나, 건물 등에 의해 차폐현상이 심한 음영지역에 위치하여 채널 상태가 열악할 경우, 상기 중계기(130)를 이용하여 상기 단말들(110, 120)에 더욱 우수한 무선 채널을 제공할 수 있다. 따라서, 상기 기지국(100)은 상기 다중 홉 릴레이 기법을 이용하여 채널 상태가 열악한 셀 경계지역에서 고속의 데이터 채널을 제공할 수 있으며, 상기 셀 서비스 영역을 확장시킬 수 있다. 여기서, 상기 기지국(100)과 중계국(130) 및 단말 2(120) 사이에서 상/하향링크를 전송하기 위해서는 상기 기지국(100)과 중계국(130) 사이의 BS-RS 링크와, 상기 중계국(130)과 단말2(120) 사이의 RS-MS 링크와 상기 기지국(100)과 단말1(110) 사이의 BS-MS 링크가 형성된다. 또한, 각 링크는 데이터 전송 경로의 종단에 따라 상향링크와 하향링크로 구분되며, 상기 각 링크들(BS-RS링크, RS-MS링크, BS-MS링크)은 독립적으로 구성된다.
상기 중계국은 상기 기지국과 단말 사이의 신호를 중계하기 위해 AF(Amplify and Forward)방식 또는 DF(Decode and Forward)방식의 중계 방식을 사용한다. 이때, 상기 AF 방식과 DF 방식은 하기 도 2에 도시된 바와 같이 서로 다른 OSI(Open System Interconnection) 계층을 이용하여 동작한다.
도 2는 일반적인 중계국의 각 중계모드를 수행하기 위한 OSI 계층 구조를 도시하고 있다. 여기서, 상기 OSI 계층은 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.11a의 OSI 계층을 나타낸다.
상기 도 2에 도시된 바와 같이 먼저, 상기 AF방식은 물리 계층(Physical Layer)의 물리층 매체 의존부(PMD : Physical Medium Dependent) 부계층 및 패킷 호 제어 프로토콜(PLCP : Packet Level Control Protocol) 부계층에서 처리되기 때문에 상기 수신된 신호를 단순히 증폭하여 중계한다.
다음으로 상기 DF방식은 상기 물리 계층뿐만 아니라 매체 접근 제어(Medium Access Control)부 계층에서 처리되기 때문에 상기 수신된 신호를 복호 후 전달받은 프레임을 부호 및 변조과정을 거쳐 신호를 전송하는 방식이다. 따라서, 상기 DF방식은 상기 BS-RS링크와 RS-MS링크의 채널 상태에 따라 상기 수신신호의 부호방식과는 다른 부호방식으로 부호화시켜 추가적인 부호화 이득을 얻을 수 있는 장점을 가진다.
상술한 바와 같이 상기 다중 홉 릴레이 방식의 광대역 무선 통신시스템에서 각 링크(BS-RS링크, RS-MS링크, BS-MS링크)가 독립적으로 구성된다. 이때, 상기 중계국은 하나의 미리 지정된 중계 방식(예 : AF방식 또는 DF방식)을 사용하여 신호를 중계한다.
만일, 상기 중계국이 상기 AF 중계방식을 사용하는 경우, 상기 BS-RS링크와 RS-MS링크의 채널 상태가 좋으면, 신호를 중계할 수 있다. 하지만, 상기 RS-MS 링크의 채널 상태가 좋지 않으면, 상기 중계국은 상기 채널 상태가 좋은 BS-RS 링크와 동일한 변조 및 부호의 신호를 단순 증폭하여 중계하므로 상기 단말은 상기 중계 신호의 검출을 수행할 수 없는 문제가 발생한다.
또한, 상기 BS-RS링크의 채널 상태가 좋지 않으면, 상기 중계국은 BS-RS 링크에서 왜곡된 신호를 단순 증폭하여 상기 단말로 중계하기 때문에 잡음이 증폭되는 문제가 발생한다.
본 발명의 목적은 다중 홉 릴레이 방식의 광대역 무선 통신시스템의 기지국과 중계국 및 단말 사이의 채널 상태에 따라 중계 모드를 선택하여 중계를 수행하기 위한 방법 및 이를 지원하는 중계국 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중 홉 릴레이 방식의 광대역 무선 통신시스템에서 기지국과 중계국 및 단말 사이의 고유 값(Eigen Value) 또는 상호 정보량(Mutual Information)에 따라 중계 모드를 선택하여 중계를 수행하기 위한 방법 및 이를 지원하는 중계국 장치를 제공함에 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 다중 홉 릴레이 방식의 다중 안테나 시스템에서 각 안테나별로 기지국과 중계국 및 단말 사이의 고유 값과 상호 정보량에 따라 중계 모드를 선택하여 중계를 수행하기 위한 방법 및 이를 지원하는 중계국 장치를 제공함에 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 다중 홉 릴레이(Multi-hop Relay) 방식의 광대역 무선 통신시스템의 중계국에서 중계 모드를 선택하기 위한 방법은, 기지국과 단말로부터 신호가 수신된 신호들을 이용하여 중계 링크들의 채널 상태를 추정하는 과정과, 상기 추정된 채널 값들을 기준 값과 비교한 결과에 따라 상기 수신신호들을 중계하기 위한 중계 모드를 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 2 견지에 따르면, 다중 홉 릴레이(Multi-hop Relay) 방식의 다중 안테나 시스템의 중계국에서 중계 모드를 선택하기 위한 방법은, 기지국과 단말로부터 신호가 수신된 신호들을 이용하여 각 안테나별로 중계 링크들의 채널 상태를 추정하는 과정과, 상기 추정된 채널 값들을 기준 값과 비교한 결과에 따라 각 안테나별로 상기 수신신호들을 중계하기 위한 중계 모드를 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 3 견지에 따르면, 다중 홉 릴레이(Multi-hop Relay) 방식의 광대역 무선 통신시스템에서 중계 모드를 선택하기 위한 중계국 장치는, 기지국과 단말로부터 신호를 수신하는 수신장치와, 상기 수신된 신호들을 이용하여 중계 링크들의 채널 상태를 추정하는 채널 추정기와, 상기 중계 링크들의 추정된 채널 값과 기준 값을 비교하여 상기 중계 모드를 선택하는 중계모드 선택기와, 상기 선택된 중계모드에 따라 상기 수신신호들을 중계하는 송신장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 4 견지에 따르면, 다중 홉 릴레이(Multi-hop Relay) 방식의 무선 통신시스템에서 중계 모드를 선택하기 위한 중계국 장치는, 적어도 두 개의 안테나들을 이용하여 기지국과 단말로부터 신호를 수신하는 수신장치와, 상기 수신된 신호들을 이용하여 각 안테나별로 중계 링크들의 채널 상태를 추정하는 채널 추정기와, 상기 중계 링크들의 추정된 채널 값과 기준 값을 비교하여 상기 각 안테나별 중계 모드를 선택하는 중계모드 선택기와, 상기 선택된 중계모드에 따라 적어도 두 개의 안테나들을 통해 상기 수신신호들을 중계하는 송신장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 설명은 다중 홉 릴레이(Multi-hop Relay) 방식의 광대역 무선 통신시스템에서 중계 링크의 채널 상태에 따라 중계 모드를 선택하기 위한 기술에 대해 설명한다. 여기서, 상기 중계 모드는, AF(Amplify and Forward), DF(Decode and Forward), SDF(Selection Decode and Forward), IAF(Incremental Amplify and Forward) 등을 포함하며, 이하 설명에서는 상기 AF방식과 DF방식을 예를 들어 설명한다. 또한, 상기 중계 링크는 기지국과 중계국 사이의 링크(BS-RS링크)와 중계국과 단말 사이의 링크(RS-MS링크)를 의미한다.
이하 설명은, 다중 안테나(Multi-Input Multi-Output)방식의 직교주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) 방식을 사용하는 무선 통신 시스템을 예를 들어 설명하며, 다른 다중 접속 방식에도 동일하게 적용 가능하다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 중계국에서 중계 모드를 결정하기 위한 신호링크의 흐름을 도시하고 있다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이 기지국(301)은 단말(303)과 중계국(305)으로 하향링크 신호를 전송한다(311, 312단계). 상기 단말(303)은 상기 기지국(301)과 중계국(305)으로 상향링크 신호를 전송한다(313, 316단계).
상기 중계국(305)은 상기 기지국(301)의 하향링크 신호가 수신되면, 상기 하향링크 신호를 상기 단말(303)로 중계하고(314단계), 상기 단말(303)의 상향링크 신호가 수신되면, 상기 상향링크 신호를 상기 기지국(301)으로 중계한다(315단계). 이때, 상기 중계국(305)은 상기 기지국(301)과 단말(303)로부터 수신된 신호로부터 상기 중계 링크(BS-RS링크, RS-MS링크)의 채널 상태를 확인하여 각 링크의 채널 상태에 따라 중계 모드(AF방식 또는 DF방식)를 선택하여 상기 신호를 중계한다. 여기서, 상기 각 링크의 채널 상태는, 상기 중계국(305)이 다중 안테나를 구비하기 때 문에 각 안테나 사이의 고유 값(Eigen Value), 상기 고유 값에 따른 상호 정보량(Mutual Information) 또는 에러 확률(Probability Error)에 따라 결정된다.
도 4는 본 발명에 따른 다중 홉 릴레이 방식의 다중 안테나 시스템에서 중계 모드를 결정하기 위한 중계국 송수신 장치의 블록 구성을 도시한다.
상기 도 4에 도시된 바와 같이 상기 중계국은 송신장치와 수신 장치로 구성된다.
먼저 상기 수신 장치는, RF(Radio Frequency) 처리기(401), 아날로그/디지털 변환기(Analog/Digital Convertor)(403), 전송모드 처리기(405), 헤더추출기(407), 심볼 복사기(409), 스위치(411, 413, 421), CP(Cyclic Prefix)제거기(415), FFT(Fast Fourier Transform)연산기(417), 복호화기(419) 및 채널 정보 산출기(423), 중계모드 선택기(425)를 포함하여 구성된다.
상기 RF처리기(401)는 상기 기지국 또는 단말로부터 다중 안테나를 통해 수신된 RF신호를 기저대역 신호로 주파수 하향 변환하여 출력한다. 상기 아날로그/디지털 변환기(403)는 상기 RF처리기(401)로부터 제공받은 기저대역 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.
상기 전송모드 처리기(405)는 상기 기지국 또는 단말에서 신호를 전송하는 전송모드에 따라 상기 아날로그/디지털 변환기(403)로부터 제공받은 디지털 신호를 재처리하여 헤더 추출기(407)와 심볼 복사기(409)로 출력한다. 여기서, 상기 전송 모드는, 다이버시티(Diversity), 멀티플렉싱(Multiplexing), 빔포밍(Beam forming)을 포함한다.
상기 헤더 추출기(407)는 상기 전송모드 처리기(405)로부터 제공받은 신호에서 헤더를 추출한다. 즉, 상기 수신 장치는, 상기 헤드 추출기(407)에서 추출한 헤더에 포함된 파일럿 신호를 이용하여 채널을 예측함으로써 채널 예측 시간을 줄일 수 있다.
상기 심볼 복사기(409)는 상기 전송모드 처리기(405)로부터 제공받은 신호의 전체 심볼을 복사한다.
제 1 스위치(411)는 상기 중계 모드 선택기(425)의 제어에 따라 상기 헤더 추출기(407)와 심볼 복사기(409)의 신호를 선택적으로 다음 단으로 전송한다. 즉, 상기 제 1 스위치(411)는 상기 수신 신호에 대한 중계모드를 결정하기 위해 상기 중계 모드 선택기(425)의 제어에 따라 상기 헤더 추출기(407)의 출력신호를 CP제거기(415)에 연결한다. 이후, 상기 수신 신호의 중계모드가 결정되면, 상기 제 1 스위치(411)는 상기 중계모드 선택기(425)의 제어에 따라 상기 심볼 복사기(409)에서 복사된 전체 수신 심볼을 제 2 스위치(413)로 전송한다.
상기 제 2 스위치(413)는 상기 중계 모드 선택기(425)에서 결정된 중계 모드에 따라 상기 심볼 복사기(409)로부터 제공받은 신호를 상기 CP제거기(415) 또는 전력 증폭기(427)로 전송한다. 즉, 상기 결정된 중계 모드가 AF 방식의 중계 모드인 경우, 상기 제 2 스위치(413)는 상기 심볼 복사기(409)로부터 제공받은 신호를 상기 전력 증폭기(427)로 전송한다. 반면에, 상기 결정된 중계 모드가 DF 방식의 중계 모드인 경우, 상기 제 2 스위치(413)는 상기 심볼 복사기(409)로부터 제공받은 신호를 상기 CP제거기(415)로 전송한다.
상기 CP제거기(415)는 상기 제 1 스위치(411)로부터 제공받은 상기 헤더 추출기(407)의 출력신호 또는 상기 제 2 스위치(413)로부터 제공받은 상기 심볼 복사기(409)의 출력신호에 포함된 보호구간(Cyclic Prefix)을 제거한다.
상기 FFT연산기(417)는 상기 CP제거기(415)로부터 제공받은 시간 영역의 신호를 고속 푸리에 변환을 수행하여 주파수 영역의 신호로 변환하여 출력한다.
상기 복호화기(419)는 상기 FFT연산기(417)로부터 제공받은 주파수 영역의 신호를 해당 변조 수준(MCS(Modulation and Coding Scheme)레벨)에 따라 복조 및 복호한다.
제 3 스위치(421)는 상기 중계모드 선택기(425)의 제어에 따라 상기 복호화기(419)에서 복호화된 신호를 상기 채널 정보 산출기(423) 또는 상기 송신 장치로 전송한다. 즉, 상기 제 3 스위치(421)는 상기 중계모드 선택기(425)의 제어에 따라 상기 중계모드를 결정하기 위해 상기 복호화기(419)에서 복호된 헤더 정보를 상기 채널 정보 산출기(423)로 전송한다. 이후, 상기 DF 중계모드가 선택되면, 상기 제 3 스위치(421)는 상기 중계모드 선택기(425)의 제어에 따라 상기 복호화기(419)에서 복호된 신호를 상기 송신 장치로 전송한다.
상기 채널 정보 산출기(423)는 상기 제 3 스위치(421)로부터 제공받은 상기 복호화된 헤더 정보를 이용하여 채널 정보를 추정한다. 이후, 상기 채널 정보 산출기(423)는 상기 추정된 채널 정보를 이용하여 상기 중계 링크(BS-RS링크, RS-MS링크)의 각 안테나별 고유 값을 산출한다. 이때, 상기 채널 정보 산출기(423)는 상기 추정된 채널 정보를 이용하여 상기 전송 모드 처리기(405)와 상기 송신 장치의 전력 증폭기(427)를 제어하기 위한 제어신호를 발생한다.
상기 중계모드 선택기(425)는 상기 채널 정보 산출기(423)로부터 제공받은 각 링크의 고유값들을 미리 정해진 기준 값과 비교하여 상기 수신신호에 대한 중계모드를 선택한다. 예를 들어, 상기 중계 모드 선택기(425)는 상기 각 링크의 고유 값을 이용하여 하기 도 7에 도시된 바와 같이 중계 모드를 선택한다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 중계국에서 중계 모드를 결정하기 위한 표준을 나타낸다.
상기 도 7에 도시된 바와 같이 상기 중계 모드 선택기(425)는 상기 산출된 각 링크의 고유 값(λBS-RS, λMS-RS)들이 상기 기준 값보다 크거나 같을 경우, 상기 중계 모드를 AF방식으로 결정한다(703).
만일, 상기 각 링크의 고유 값들 중, 적어도 하나의 고유값이 상기 기준 값보다 작을 경우, 상기 중계 모드 선택기(425)는 상기 중계모드를 DF방식으로 결정한다(701).

또한, 상기 중계모드 선택기(425)는 상기 송수신 장치의 스위치들(411, 413, 421, 429, 431)을 제어하기 위한 제어 정보를 발생한다. 다시 말해, 상기 중계모드 선택기(425)는 상기 수신신호의 중계모드를 선택하기 위해 상기 제 1 스위치(411)와 제 3 스위치(421)를 제어하기 위한 제어신호를 발생한다. 이후, 상기 중계모드가 결정되면, 상기 중계모드 선택기(425)는 상기 결정된 중계모드에 따라 상기 제 1 스위치(411)와 제 2 스위치(413)를 제어하기 제어신호를 발생한다. 또한, 상기 중계모드 선택기(425)는 상기 송신 장치에서는 AF방식 또는 DF방식에 따라 중계를 수행할 신호들을 해당 안테나별로 매핑시키기 위해 제 4 스위치(429)와 제 5 스위치(431)를 제어하기 위한 제어신호를 발생한다.
다음으로 상기 송신 장치는 전력 증폭기(427), 스위치(429, 431), 디지털/아날로그 변환기(433), RF처리기(435) 및 부호화기(437), IFFT(Inverse Fast Fourier Transform)연산기(439), CP삽입기(441), 전송 모드 처리기(443)를 포함하여 구성된다.
상기 전력 증폭기(427)는 상기 중계모드가 AF방식으로 결정되는 경우, 상기 제 2 스위치(413)로부터 제공받은 각 안테나별 수신신호를 상기 채널 정보 산출기(423)의 제어에 따라 전력을 증폭하여 출력한다.
상기 제 4 스위치(429)는 상기 중계모드 선택기(425)의 제어에 따라 상기 전력 증폭기(427)에서 증폭된 신호를 해당 안테나 경로로 매핑하는 기능을 수행한다.
상기 부호화기(437)는 상기 중계모드가 DF방식으로 결정되는 경우, 상기 제 3 스위치(421)로부터 제공받은 각 안테나별 복호화된 수신신호를 해당 변조 수준(MCS레벨)에 따라 부호 및 변조하여 출력한다.
상기 IFFT연산기(439)는 상기 부호화기(437)로부터 제공받은 주파수 영역의 신호를 역고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform)을 수행하여 시간영역 신호로 변환하여 출력한다.
상기 CP삽입기(441)는 무선 채널의 다중경로 페이딩 현상 때문에 발생하는 자기신호에 의한 잡음(Inter Symbol Interference)을 제거하기 위해서 상기 IFFT연산기(439)로부터 제공되는 데이터에 보호구간(Cyclic Prefix)을 삽입하여 출력한다.
상기 전송모드 처리기(443)는 상기 해당 전송 모드에 따라 상기 CP삽입기(439)로부터 제공받은 신호를 변환하여 출력한다. 여기서, 상기 전송 모드는, 다이버시티(Diversity), 멀티플렉싱(Multiplexing), 빔포밍(Beam forming)을 포함한다.
상기 제 5 스위치(431)는 상기 중계모드 선택기(425)의 제어에 따라 상기 전송모드 처리기(443)로부터 제공받은 신호를 해당 안테나 경로로 매핑하는 기능을 수행한다.
상기 디지털/아날로그 변환기(433)는 상기 제 4 스위치(429) 또는 제 5 스위치(431)로부터 제공받은 각 안테나별 디지털 신호를 제공받아 아날로그신호로 변환한다.
상기 RF처리기(435)는 상기 디지털/아날로그 변환기(433)로부터 제공받은 각 안테나별 기저대역 신호를 RF신호로 주파수 상향변환하여 상기 다중 안테나를 통해 상기 단말 또는 기지국으로 전송한다.
상술한 실시 예에서 상기 중계국은 상기 고유값을 산출하여 상기 중계 모드를 선택한다. 다른 실시 예로, 상기 중계국은 하기 도 5에 도시된 바와 같이 상기 채널 정보 산출기(423)는 상기 고유값 뿐만 아니라 상호 정보량(Mutual Information), 에러 확률(Probability Error)을 산출하는 모듈을 구비하여 상기 상호 정보량 또는 에러 확률을 이용하여 상기 중계 모드를 결정할 수 있다.
도 5에 도시된 바와 같이 상기 채널 정보 산출기(423)는 고유값 산출기(501), 상호 정보량 산출기(503), 에러 확률 산출기(505)를 포함하여 구성된다.
상기 고유값 산출기(501)는 상기 복호된 헤더 정보를 이용하여 추정된 채널 정보로부터 상기 고유값을 산출한다.
상기 상호 정보량 산출기(503)는 상기 산출된 고유값을 이용하여 상기 상호 정보량을 산출한다. 여기서, 상기 상호 정보량은 하기 <수학식 1>과 같이 나타낸다.
Figure 112006005194313-pat00001
여기서, 상기 IM은 상호 정보량을 나타내고, 상기
Figure 112007031222449-pat00002
은 단위행렬을 나타내며, 상기 E/MTM0는 수신신호의 신호대 잡음비(SNR : Signal to Noise Ratio)를 나타내고, 상기 MT는 송신 안테나의 수를 나타낸다.
상기 기지국에서 채널 상태를 알고 있을 경우, 상기 <수학식 1>에서 상기 HHH를 하기 <수학식 2>와 같이 고유 값으로 나타낼 수 있다.
Figure 112006005194313-pat00003
여기서, 상기 IM은 상호 정보량을 나타내고, 상기 E/MTM0는 수신신호의 신호대 잡음비(SNR : Signal to Noise Ratio)를 나타내며, 상기 MT는 송신 안테나의 수를 나타낸다. 또한, 상기 λm은 m번째 가장 큰 HHH의 고유 값을 나타내고, 상기 n은 상기 H에 대한 순위(rank)를 나타낸다.
상기 <수학식 2>와 같이 고유 값을 이용하여 상호 정보량을 산출할 수 있다.
상기 에러 확률 산출기(505)는 상기 제 3 스위치(421)로부터 제공받은 복호화된 헤더로부터 에러 확률 값을 산출한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 중계국에서 중계 모드를 결정하기 위한 절차를 도시하고 있다. 이하 설명은 중계 링크의 고유값을 이용하여 중계모드를 결정하는 것을 예를 들어 설명한다.
상기 도 6을 참조하면, 먼저 상기 중계국은 601단계에서 기지국과 단말로부터 신호가 수신되는지 확인한다.
만일, 상기 기지국과 단말로부터 신호가 수신되면, 상기 중계국은 603단계로 진행하여 상기 각 수신신호의 헤더를 추출한다. 이후, 상기 중계국은 605단계로 진행하여 상기 추출된 수신신호들의 헤더에 포함된 파일럿 신호를 이용하여 상기 중계 링크(BS-RS링크, RS-MS링크)의 고유 값을 산출한다.
상기 고유 값을 산출한 후, 상기 중계국은 607단계로 진행하여 상기 산출된 상기 중계 링크의 고유 값과 미리 정해진 기준 값을 비교한다.
만일, 상기 각 링크의 고유 값이 상기 기준 값보다 크거나 같을 경우(λBS- RS, λMS-RS ≥ 기준 값), 상기 중계국은 609단계로 진행하여 상기 중계모드를 AF 모드로 선택한다. 예를 들어, 상기 도 7에 도시된 바와 같이 상기 BS-RS링크와 상기 MS-RS 링크의 고유 값이 모두 미리 정해진 기준 값보다 크거나 같을 경우 상기 중계모드를 AF 모드를 선택한다(703).
상기 중계모드가 AF모드로 선택되면, 상기 중계국은 611단계로 진행하여 상기 기지국 또는 단말로부터 수신된 신호의 전력을 상기 605단계에서 추정된 상기 각 링크의 채널상태에 따라 증폭한다.
이후, 상기 중계국은 613단계로 진행하여 상기 전력 증폭된 신호를 기지국 또는 단말로 전송한다. 즉, 상기 중계국은 상기 기지국으로부터 수신된 신호를 전력 증폭하여 상기 단말로 전송한다. 또한, 상기 중계국은 상기 단말로부터 수신된 신호를 전력 증폭하여 상기 기지국으로 전송한다. 이후, 상기 중계국은 본 알고리즘을 종료한다.
한편, 상기 각 링크의 고유 값이 상기 기준 값보다 작을 경우(λBS- RS, λMS- RS < 기준 값), 상기 중계국은 615단계로 진행하여 상기 중계모드를 DF 모드로 선택한다. 예를 들어, 상기 도 7에 도시된 바와 같이 상기 BS-RS링크와 상기 MS-RS 링크의 고유 값들 중 하나의 고유 값이 상기 미리 정해진 기준 값보다 작을 경우, 상기 중계모드를 DF 모드를 선택한다(701).
상기 중계모드가 DF모드로 선택되면, 상기 중계국은 617단계로 진행하여 상기 각 링크를 통해 수신된 신호들의 해당 변조 수준(MCS레벨)에 따라 복조 및 복호한다.
상기 각 링크의 수신신호들을 복호화한 후, 상기 중계국은 619단계로 진행하여 상기 복호화된 신호들의 중계를 수행할 링크의 채널 상태에 따라 부호화를 수행한다. 즉, 상기 기지국으로부터 수신된 신호는, 상기 RS-MS링크의 채널 상태에 따라 결정된 변조 수준에 따라 부호 및 변조를 수행한다. 또한, 상기 단말로부터 수신된 신호는, 상기 BS-RS 링크의 채널 상태에 따라 결정된 변조 수준에 따라 부호 및 변조를 수행한다.
이후, 상기 중계국은 상기 613단계로 진행하여 상기 기지국으로부터 수신된 신호를 상기 단말로 전송한다. 또한, 상기 단말로부터 수신된 신호를 상기 기지국으로 전송한다. 이후, 상기 중계국은 본 알고리즘을 종료한다.
상술한 바와 같이 상기 고유값을 산출하여 상기 중계 모드를 선택하는 것을 예를 들어 설명하였다. 이뿐만 아니라, 상기 고유 값을 이용하여 산출되는 상호 정보량(Mutual Information) 또는 확률 에러(Probability Error)를 이용하여 상기 중계 모드를 결정할 수 있다.
또한, 상술한 실시 예는 다중 안테나를 구비하는 중계국에서 각 안테나별로 중계모드를 선택하여 신호를 중계하는 것을 예를 들어 설명하였으나, 단일 안테나를 구비하는 중계국에서도 동일한 방식으로 채널상태에 따라 중계모드를 선택하여 신호를 중계할 수 있다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능하다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 다중 홉 릴레이 방식의 광대역 무선 통신시스템의 중계국에서 기지국과 중계국 및 단말 사이의 링크의 채널 상태(예 : 고유값(Eigen Value), 상호 정보량(Mutual Information), 에러 확률(Probability Error))에 따라 중계모드를 선택하여 신호를 중계함으로써, 중계 신호의 신뢰성을 향상시킬 수 있으며, 신호 링크의 용량을 향상시킬 수 있는 이점이 있다. 또한, 상기 수신신호의 헤더만을 이용하여 채널을 추정하기 때문에 채널을 추정하기 위한 처리 시간을 줄일 수 있는 이점이 있다.

Claims (29)

  1. 무선 통신시스템의 중계국에서 중계 모드를 선택하기 위한 방법에 있어서,
    기지국과 단말로부터 수신된 신호들을 이용하여 중계국을 구성하는 적어도 두 개의 안테나들에 대한 고유 값(Eigen Value) 또는 상호 정보량(Mutual Information)을 추정하는 과정과,
    상기 추정된 고유 값 또는 상호 정보량에 따라 상기 수신신호들을 중계하기 위한 중계 모드를 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 고유 값 또는 상호 정보량을 추정하는 과정은,
    상기 기지국과 단말로부터 수신된 신호들의 헤더를 추출하는 과정과,
    상기 추출된 헤더를 이용하여 상기 고유 값 또는 상호 정보량을 추정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 중계 모드를 선택하는 과정은,
    상기 고유 값 또는 상호 정보량을 기준 값과 비교하는 과정과,
    상기 고유 값을 이용하는 경우, 중계링크들의 고유 값들 중 적어도 하나의 고유 값이 상기 기준 값보다 작을 경우, 복호 및 전송(DF : Decode and Forward) 중계 모드를 선택하는 과정과,
    상기 상호 정보량을 이용하는 경우, 중계링크들의 상호 정보량들 중 적어도 하나의 상호 정보량이 상기 기준 값보다 작을 경우, 상기 복호 및 전송 중계 모드를 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 4항에 있어서,
    상기 고유 값을 이용하는 경우, 중계링크들의 고유 값들이 모두 상기 기준 값보다 크거나 같은 경우, 증폭 및 전송(AF : Amplify and Forward) 중계 모드를 선택하는 과정과,
    상기 상호 정보량을 이용하는 경우, 중계링크들의 상호 정보량들이 모두 상기 기준 값보다 크거나 같은 경우, 증폭 및 전송 중계 모드를 선택하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 중계 모드는, AF(Amplify and Forward), DF(Decode and Forward), SDF(Selection Decode and Forward), IAF(Incremental Amplify and Forward) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 4항에 있어서,
    상기 중계 링크는, 상기 기지국과 중계국 링크와 상기 중계국과 단말 링크를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 릴레이(Relay) 방식의 다중 안테나 시스템의 중계국에서 중계 모드를 선택하기 위한 방법에 있어서,
    기지국과 단말로부터 신호가 수신된 신호들을 이용하여 각 안테나별로 중계 링크들의 채널 상태 값을 추정하는 과정과,
    상기 추정된 채널 상태 값들을 기준 값과 비교한 결과에 따라 각 안테나별로 상기 수신신호들을 중계하기 위한 중계 모드를 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 추정된 채널 상태 값은, 고유 값(Eigen Value), 상호 정보량(Mutual Information), 에러 확률(Probability Error) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  10. 제 8항에 있어서,
    상기 채널상태 값을 추정하는 과정은,
    상기 기지국과 단말로부터 각 안테나를 통해 수신된 신호들의 헤더를 추출하는 과정과,
    상기 추출된 헤더를 이용하여 상기 각 안테나별 중계 링크들의 채널 상태 값을 추정하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 제 8항에 있어서,
    상기 중계 모드를 선택하는 과정은,
    상기 추정된 채널 상태 값들을 상기 기준 값과 비교하는 과정과,
    상기 중계링크들의 채널 상태 값들 중 적어도 하나의 채널 상태 값이 상기 기준 값보다 작을 경우, 복호 및 전송(DF : Decode and Forward) 중계 모드를 선택하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  12. 제 11항에 있어서,
    상기 중계링크들의 채널 상태 값들이 모두 상기 기준 값보다 크거나 같을 경우, 증폭 및 전송(AF : Amplify and Forward) 중계 모드를 선택하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  13. 제 8항에 있어서,
    상기 중계 모드는, AF(Amplify and Forward), DF(Decode and Forward), SDF(Selection Decode and Forward), IAF(Incremental Amplify and Forward) 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 방법.
  14. 무선 통신시스템에서 중계 모드를 선택하기 위한 중계국 장치에 있어서,
    기지국과 단말로부터 신호를 수신하는 수신장치와,
    상기 수신된 신호들의 헤더정보를 이용하여 중계 링크들의 고유 값(Eigen Value), 상호 정보량(Mutual Information) 중 어느 하나의 채널 상태 값을 추정하는 채널 추정기와,
    상기 중계 링크들의 추정된 채널 상태 값과 기준 값을 비교하여 상기 중계 모드를 선택하는 중계모드 선택기와,
    상기 선택된 중계모드에 따라 상기 수신신호들을 중계하는 송신장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 14항에 있어서,
    상기 수신 장치는,
    상기 수신신호들의 헤더를 추출하는 헤더 추출기와,
    상기 수신신호들을 복사하여 저장하는 심볼 복사기와,
    상기 중계모드 선택기의 제어에 따라 헤더 추출기의 출력신호와 상기 심볼 복사기의 출력신호를 선택하여 출력하는 제 1 스위치와,
    상기 제 1 스위치에 의해 상기 헤더 추출기 또는 심볼 복사기의 출력신호를 제공받아 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)하는 FFT연산기와,
    상기 FFT연산기로부터 제공받은 신호를 복호화하는 복호화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  16. 제 15항에 있어서,
    상기 제 1 스위치는,
    상기 중계모드 선택기의 제어에 따라 상기 중계 모드를 결정하기 위해 상기 헤더 추출기와 상기 FFT연산기를 연결하고,
    상기 중계 모드로 증폭 및 전송(AF : Amplify and Forward) 방식이 선택되면, 상기 심볼 복사기와 상기 송신장치를 연결하고,
    상기 중계 모드로 복호 및 전송(DF : Decode and Forward) 방식이 선택되면, 상기 심볼 복사기와 상기 FFT연산기를 연결하는 것을 특징으로 하는 장치.
  17. 삭제
  18. 제 14항에 있어서,
    상기 중계모드 선택기는, AF(Amplify and Forward), DF(Decode and Forward), SDF(Selection Decode and Forward), IAF(Incremental Amplify and Forward) 중 어느 하나를 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
  19. 제 18항에 있어서,
    상기 중계모드 선택기는,
    상기 중계 링크들의 추정된 채널 상태 값과 상기 기준 값을 비교하여, 상기 중계 링크의 추정된 채널 상태 값들 중 적어도 하나의 채널 상태 값이 상기 기준 값보다 작을 경우, 복호 및 전송(DF : Decode and Forward) 중계모드를 선택하고,
    상기 중계 링크의 추정된 채널 상태 값들이 모두 상기 기준 값보다 크거나 같을 경우, 증폭 및 전송(AF : Amplify and Forward) 중계모드를 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
  20. 제 18항에 있어서,
    상기 송신장치는,
    상기 중계 모드로 증폭 및 전송(AF : Amplify and Forward) 방식이 선택되면 상기 수신신호들의 전력의 증폭시키는 전력 증폭기와,
    상기 중계 모드로 복호 및 전송(DF : Decode and Forward) 방식이 선택되면 상기 수신신호들을 부호화하는 부호화기와,
    상기 부호화된 신호를 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform)하는 IFFT연산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  21. 제 20항에 있어서,
    상기 전력 증폭기는, 상기 중계 링크의 채널 상태에 따라 상기 수신신호들의 전력을 증폭시키는 것을 특징으로 하는 장치.
  22. 제 20항에 있어서,
    상기 부호화기는, 상기 중계 링크의 채널 상태에 따라 상기 수신신호들을 부호화하는 것을 특징으로 하는 장치.
  23. 무선 통신시스템에서 중계 모드를 선택하기 위한 중계국 장치에 있어서,
    적어도 두 개의 안테나들을 이용하여 기지국과 단말로부터 신호를 수신하는 수신장치와,
    상기 수신된 신호들을 이용하여 각 안테나별로 중계 링크들의 채널 상태 값을 추정하는 채널 추정기와,
    상기 중계 링크들의 추정된 채널 상태 값과 기준 값을 비교하여 상기 각 안테나별 중계 모드를 선택하는 중계모드 선택기와,
    상기 선택된 중계모드에 따라 적어도 두 개의 안테나들을 통해 상기 수신신호들을 중계하는 송신장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  24. 제 23항에 있어서,
    상기 수신 장치는,
    상기 적어도 두 개의 안테나들과,
    상기 안테나들을 통해 수신된 신호들의 헤더를 추출하는 헤더 추출기와,
    상기 수신신호들을 복사하여 저장하는 심볼 복사기와,
    상기 중계모드 선택기의 제어에 따라 헤더 추출기의 출력신호와 상기 심볼 복사기의 출력신호를 선택하여 출력하는 제 1 스위치와,
    상기 제 1 스위치에 의해 상기 헤더 추출기 또는 심볼 복사기의 출력신호를 제공받아 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform)하는 FFT연산기와,
    상기 FFT연산기로부터 제공받은 신호를 복호화하는 복호화기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  25. 제 24항에 있어서,
    상기 제 1 스위치는,
    상기 중계모드 선택기의 제어에 따라 상기 중계 모드를 결정하기 위해 상기 헤더 추출기와 상기 FFT연산기를 연결하고,
    상기 중계 모드로 증폭 및 전송(AF : Amplify and Forward) 방식이 선택되면, 상기 심볼 복사기와 상기 송신장치를 연결하고,
    상기 중계 모드로 복호 및 전송(DF : Decode and Forward) 방식이 선택되면, 상기 심볼 복사기와 상기 FFT연산기를 연결하는 것을 특징으로 하는 장치.
  26. 제 23항에 있어서,
    상기 채널 추정기는,
    상기 수신신호의 헤더정보를 제공받아 상기 각 안테나별로 중계 링크들의 고유 값(Eigen Value), 상호 정보량(Mutual Information), 에러 확률(Probability Error) 중 어느 하나를 추정하는 것을 특징으로 하는 장치.
  27. 제 23항에 있어서,
    상기 중계모드 선택기는, 각 안테나별로 AF(Amplify and Forward), DF(Decode and Forward), SDF(Selection Decode and Forward), IAF(Incremental Amplify and Forward) 중 어느 하나를 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
  28. 제 27항에 있어서,
    상기 중계모드 선택기는,
    상기 각 안테나별로 중계 링크들의 추정된 채널 상태 값과 상기 기준 값을 비교하여, 상기 중계 링크의 추정된 채널 상태 값들 중 적어도 하나의 채널 상태 값이 상기 기준 값보다 작을 경우, 복호 및 전송(DF : Decode and Forward) 중계모드를 선택하고,
    상기 중계 링크의 추정된 채널 상태 값들이 모두 상기 기준 값보다 크거나 같을 경우, 증폭 및 전송(AF : Amplify and Forward) 중계모드를 선택하는 것을 특징으로 하는 장치.
  29. 제 27항에 있어서,
    상기 송신장치는,
    상기 중계 모드로 증폭 및 전송(AF : Amplify and Forward) 방식이 선택되면 상기 수신신호들의 전력의 증폭시키는 전력 증폭기와,
    상기 중계 모드로 복호 및 전송(DF : Decode and Forward) 방식이 선택되면 상기 수신신호들을 부호화하는 부호화기와,
    상기 부호화된 신호를 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform)하는 IFFT연산기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
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