협동 릴레이를 이용한 무선 통신 네트워크를 위한 방법 및시스템 document_id A220623030821

무선/셀룰러 통신 네트워크 및 시스템을 개발하기 위한 노력에 의해, 많은 다른 양태는 별문제로 하고, 고 데이터율의 커버리지 또는 지원, 또는 이들 양자 모두의 조합이 증대될 수 있었다. 동시에, 시스템을 구축하고 유지하는 비용 양태는 매우 중요하고, 장래에 더욱더 그렇게 될 것으로 예상된다. 최근까지, 셀룰러 네트워크의 기존 3세대를 포함하는 무선 네트워크의 주 토폴로지(topology)는 거의 변경되지 않았다. 이 토폴로지는, 네트워크 내의 송신 및 수신 엔티티(entity)로서 고정 무선 기지국 및 이동국을 가진 셀룰러 구조를 특징으로 하며, 여기서, 통신은 통상적으로 이들 2개의 엔티티만을 수반한다. 네트워크로의 선택적인 접근법은 공지된 멀티홉(multihop) 네트워크에 의해 예시되며, 여기서, 통상적으로 무선 시나리오에서, 통신은 릴레이 구성에서 다수의 송신 및 수신 엔티티를 수반한다. 이와 같은 시스템은, 종단 대 종단(end-to-end)(ETE) 사용자에 이득을 줄 수 있는 통신 (릴레이) 엔티티 간에 경로 손실을 상당히 줄일 가능성을 제공한다. 최근에는, 멀티홉 네트워크와 같이 많은 특징 및 이점을 가지만, 2개만의 (또는 소수의) 홉의 릴레이로 제한되는 다른 타입의 토폴로지에 주목하고 있다. 멀티홉 네트워크와는 대조적으로, 상술한 토폴로지는 병렬성(parallelism)의 양태를 이용하고, 또한 차세대 안테나 시스템으로부터 이들 테마(themes)를 채택한다. 새로운 타입의 토폴로지를 이용하는 이들 네트워크는 공통 분모(common denominator)로서 다중국(multiple station) 간에 협동한다. 최근의 조사 보고서에서는, 그것은 협동 릴레이, 협동 다이버시티(diversity), 협동 코딩, 가상 안테나 어레이 등과 같은 수개의 명명하에 있다. 본 출원에서는, 용어 "협동 릴레이" 및 "협동 방식/방법"은, 제각기, 다중국 간에 협동을 이용하는 모든 시스템 및 네트워크와, 이들 시스템에 이용되는 방식/방법을 포함하는 것을 의미한다. 협동 통신 방식의 포괄적인 개요는 [1]에 주어진다. 릴레이 신호의 여러 포맷은 전개될 수 있다. 신호는 복호되고, 재변조되어 전송되거나, 또는 선택적으로 간단히 증폭되어 전송된다. 전자는 복호 및 전송 또는 재생 릴레이로서 공지되어 있는 반면에, 후자는 증폭 및 전송 또는 비재생 릴레이로서 공지되어 있다. 재생 및 비재생 릴레이는 양자 모두, 예컨대, 제각기 통상의 멀티홉 및 중계기 솔루션에 의해 공지되어 있다. 이 2개의 접근법에 대한 여러 양태는 [2]에서 다루어져 있다. 릴레이는 신호를 본래 2개의 방식으로 전송할 수 있으며, 즉, 동일한 자원에서 신호를 릴레이하거나, 다른 채널, 예컨대, 시간 또는 주파수로 변경할 수 있다. 제 1 경우에는, 릴레이 송신 및 수신 간의 결합 문제를 극복하는 것이다. 이것은 2개의 안테나 및 간섭 삭제 기술을 이용하여 처리될 수 있다. 제 2 경우에는, 릴레이가 신호를 간단히 수신하여, 이 신호를 다음 슬롯으로 전송하거나, 선택적으로 신호를 수신할 시에 다른 주파수 대역으로 동시에 전송하는 것이다. 무선 통신에서 협동 릴레이의 일반적인 이점은, 고 데이터율, (상이한 형식의 다이버시티로 인한) 감소된 사고 상태(outage), 증가된 배터리 수명 및 확장된 커버리지를 포함한다. 협동 릴레이를 이용하는 여러 방식 및 토폴로지는, 예컨대, 정보 이론의 영역 내의 이론적 모델로서, 실제 네트워크에 대한 제안으로, 그리고 소수의 경우에는 실험실 테스트 시스템으로서 제시되었다. 예들은 [1] 페이지 37-39, 41-44에 기재되어 있다. 여러 협동 방식은, 협동하는 엔티티로 송신할 데이터를 가진 엔티티에 기초하여 분할될 수 있다. 도 1a-f(종래 기술)에서, 트래픽이 작성되는 곳을 나타내고, 엔티티가 수신기 및 무선 송신용 경로인 상이한 토폴로지가 개략적으로 도시된다. 도 1a에 도시된 전통적 릴레이 채널은, 릴레이의 사용을 통해 수신지와 통신하기를 원하는 발신지를 포함한다. 릴레이는, 잡음 채널을 통해 발신지에 송신되는 신호를 수신하여, 그것을 처리하여 수신지로 전송한다. 수신지는 발신지 및 릴레이 송신의 중첩(superposition)을 주시한다. 릴레이는 송신할 어떠한 정보도 갖지 않아, 릴레이의 목표는 발신지에서 수신지로의 전체 정보 흐름율을 최대화하는 것이다. 전통적 릴레이 채널은 [1], [7] 및, 수신기 다이버시티가 후자에 포함되는 [3]에서 학습되었다. 이의 3개의 스테이션(station) 형식의 전통적 릴레이 채널은 다수의 릴레이 스테이션을 전혀 이용하지 않아, 상술한 이점을 제공하지 않는다. 더욱 유망한 접근법인 병렬 릴레이 채널은 도 1b에 개략적으로 도시되어 있으며, 여기서, 무선 시스템은 오버랩 커버리지(overlapping coverage)를 가진 (지원 중계기를 가진 셀룰러 기지국과 같은) 중계기를 채용하며, 수신기는 다수의 중계기로부터 수신되는 겹쳐진(super-positioned) 신호를 이용하는데 유리할 수 있다. 이것은, 중계기가 근접하여 배치되어, 충분히 큰 전력에 의해 송신하는 시스템에서 자동으로 일어나는 어떤 것이다. 최근에, 예컨대, Schein에 의해 이 케이스에 대한 정보의 이론적 연구가 [4] 및 [5]에서 다루어지며, 그는 2개의 중간 릴레이를 이용하여 단일 송신기와 단일 수신기 간의 협동 릴레이에 기초한 가간섭성 결합(coherent combining)의 이용을 제시한다. 이 연구는, 순전히 정보의 이론적 분석이며, 2개의 릴레이 스테이션만으로 제한되며, 방법을 실제적으로 실행하게 하는 수단 및 메카니즘이 없다. 도 1c에 개략적으로 도시되어 있는 (일반화 피드백을 가진 다중 접근 채널로서 공지된) 릴레이를 가진 다중 접근 채널의 개념은 최근에 조사되었다. 이 개념은, 둘의 사용자가 협동하는, 즉, 제각기 송신하기를 원하는 정보를 교환하여, 각 사용자가 자신의 정보를 바로 송신할 뿐만 아니라, 다른 사용자 정보를 한 수신기로 송신하는 것을 포함한다. 그렇게 행할 시의 이점은, 협동이 다이버시티 이득을 제공하는 것이다. 본질적으로, 조사된 2개의 방식, 즉, 협동 다이버시티 및 부호화된 협동 다이버시티가 있다. 이들 연구는 [1]에서 보고되어 있다. 다이버시티에 대해, Alamouti 다이버시티, 수신기 다이버시티, 가간섭성 결합 기반 다이버시티와 같은 다수의 형식이 제시되었다. 통상적으로, 조사된 방식 및 토폴로지는 송신 전에 데이터를 복호화한다. 이것은, 스테이션이 협동하기 위해 근접 배치될 필요가 있어, 더욱 원거리 릴레이뿐만 아니라, 대규모 그룹이 형성될 경우에 더욱 많은 수의 잠재적 릴레이와의 협동을 배제한다는 것을 의미한다. 이들 방식의 부가적인 결점은 근접 배치되어 동시에 송신하는 스테이션을 갖지 않는다는 것이다. 이들 결점은 조사된 토폴로지(topology)가 실제적으로 중요하지 않다는 것을 나타낸다. 도 1d에 도시된 릴레이에 의한 방송 채널은 본질적으로 도 1c에 도시된 토폴로지의 반대이며, 그래서 동일한 심각한 결점을 공유한다. 도 1c에 도시된 토폴로지의 다른 연장부는 릴레이에 의한 소위 간섭 채널이며, 이는 도 1e에 도시되며, 여기서, 2개의 수신기가 고려된다. 이것은, 예컨대, [8] 및 [1]에서 연구되었지만, 수신기 간의 협동이 없어, 협동 릴레이에 의해 제공되는 가능성을 활용하지 못하였다. 도 1f에 개략적으로 도시된 다른 보고된 토폴로지는 때때로 Virtual Antenna Array Channel로서 지칭되고, 예컨대 [9]에 기술된다. 이 개념에서, 통신국과 인접한 릴레이 노드 간의 상당한 대역폭 확장이 추정되어, 비간섭 신호는 위상 및 진폭 정보가 보유되도록 하는 직교 자원을 통해 전송될 수 있다. 이런 구조에 의하면, MIMO (Multiple Input Multiple Output) 통신 (또한 다른 공간-시간 코딩 방법)이 단일 안테나 수신기에 의해 가능하게 된다. 이 토폴로지는 송신을 위해서도 동등하게 이용될 수 있다. 일반적으로, 릴레이 스테이션이 수신기(또는 송신기)에 근접해 있음을 추정한다. 이것은 한 릴레이뿐만 아니라, 이용될 수 있는 가능한 릴레이의 전체 수를 발견할 가능성을 제한한다. 상당히 실제적인 제한은, 비간섭 채널을 통해 신호를 처리를 위한 수신기로 릴레이하기 위해서는 매우 큰 대역폭 확장이 필요하다는 것이다. 당업자에 의해 실현되는 바와 같이, 협동 릴레이를 이용하는 실 시스템(real system) 구성은 포함된 릴레이 스테이션을 제어하는 제어 메카니즘을 필요로 한다. 제어의 필요성은, 주로 이동국의 이동성 및 생성된 토폴로지의 변경으로 인해 일어나며, 예컨대, 릴레이 동작 및 정지를 포함할 수 있다. 제어 메카니즘에 대한 필요성은 도 2에서 개략적으로 설명되며, 여기서, 이동하는 이동국(205)은 시간 T1에서는 릴레이 스테이션 210:1 및 210:2를 통해 통신하고, 시간 T2에서는 릴레이 스테이션 210:1, 210:3, 210:4 및 210:5를 통해 통신한다. 제어 절차는 상술한 종래 기술에서 완전히 기술되지 않았다. 그러나, 그것은, 예컨대, 도 1f를 참조로 기술된 케이스에서, 제어 메시지가 기지국과 사용자의 양방으로 지향되고, 그로부터 지향되는 릴레이 스테이션으로 교환되고, 그로부터 교환된다는 것을 나타낸다. 유사한 제어 구조가 또한 [11]에서 개시되며, 여기서, 데이터를 수신하여 릴레이하기 위해 릴레이 스테이션에 명령하는 적어도 하나의 제어 단자가 식별된다. 제안된 제어 메카니즘은, 특히, 토폴로지가 이동 사용자가 빠르게 이동하기 때문에 자주 변화하여, 릴레이 송신 파라미터(예컨대, 전력)를 제어하거나 릴레이를 자주 변경할 필요가 있을 시에, 제어 데이터량을 과도하게 할 수 있다. 게다가, 토폴로지가 변화하지 않을지라도, 무선 전파의 변화가 상당할 수 있어, 릴레이로 빠른 제어 메시지 교환을 지시할 수 있다. 과도한 제어 신호는 바람직하게는 데이터 송신에 이용될 수 있는 무선 자원을 소비한다. 종래 기술에서는 다루어지지 않는 다른 문제는, 다수의 수신기가 최적의 릴레이 구성 및 파라미터 설정과 충돌할 시에 제공될 때 릴레이의 세션 또는 사용자 중심 제어를 이용하는 방법이다. 최적성(optimality)은, 릴레이가 활동적, 송신 전력 레벨, 채널 지정, 공간 시간 코딩 선택 및 위상 조정 등의 이용에 대해 상이할 수 있다. 릴레이 구성 및 파라미터 설정과의 충돌을 유발시킬 수 있는 상황은 도 3에서 개략적으로 설명되며, 여기서, 2개의 릴레이 스테이션 305:1 및 305:2은 양자 모두 동일한 릴레이 스테이션 310:1을 통해 부분적으로 통신한다. 릴레이 스테이션 310:1은, 이 시나리오에서, 릴레이 스테이션 305:1 및 305:2으로부터의 요구와 충돌하게 될 수 있다. 사용자의 세트에 대한 최적 또는 최적에 근접한 구성을 찾는 최적화 문제는, 잠재적으로 최적의 구성과 충돌하는 소수의 사용자만이 고려될지라도, 곧 매우 복잡하게 되고, 시간이 소비되거나, 사실상 관리할 수 없게 된다. 따라서, 본 기술 분야에서는, 협동 릴레이가, 예컨대, 고 용량 및 융통성(flexibility)을 제공할 시에 상당한 가능성을 갖는 것으로 입증되었다. 그러나, 종래 기술에서 제안된 제어 메카니즘은, 실제적인 대규모 네트워크에서 구현할 수 없는 솔루션을 제공하지 않고, 협동 릴레이를 가진 네트워크의 예상된 이점을 완전히 이용하지 않는다.