KR20140077454A - 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템 - Google Patents

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KR20140077454A KR1020120146286A KR20120146286A KR20140077454A KR 20140077454 A KR20140077454 A KR 20140077454A KR 1020120146286 A KR1020120146286 A KR 1020120146286A KR 20120146286 A KR20120146286 A KR 20120146286A KR 20140077454 A KR20140077454 A KR 20140077454A
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Abstract

최소 간섭 환경에서 이동체를 이용하여 노드와 노드 간의 데이터를 중계하는 고속 통신 시스템에 관한 것으로서, 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템은 데이터를 전송하는 정보소스 노드 및 데이터를 수신하는 정보타겟 노드를 포함하는 인트라 네트워크 및 기 설정된 데이터 전송속도 및 신호 품질에 적합한 채널을 검색하기 위해 이동하며, 상기 정보소스 노드로부터 상기 정보타겟 노드로 데이터를 중계 전송하기 위해 정보 전송 링크를 형성하는 하나 이상의 이동체를 포함하고, 상기 정보소스 노드와 상기 이동체 사이 및 상기 정보타겟 노드와 상기 이동체 사이에는 대역폭이 좁은 채널에서 좁은 빔폭을 이용하여 상기 데이터를 송수신하고, 상기 이동체가 두 개 이상인 경우에 이동체들 간에는 넓은 채널에서 넓은 빔폭을 이용하여 상기 데이터를 송수신할 수 있다.

Description

최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템{HIGH SPEED COMMUNICATION SYSTEM USING MINIMUM INTERFERENCE REPEATING SCHEME}
기술분야는 최소 간섭 환경에서 이동체를 이용하여 노드와 노드 간의 데이터를 중계하는 고속 통신 시스템에 관한 것이다.
무선 통신 기술의 발전 및 무선 통신 서비스의 보편화로 주파수 자원에 대한 수요가 증가함에 따라 효율적으로 주파수 자원을 사용하기 위한 연구가 지속적으로 연구되고 있다.
최근 주파수 공유 기술로 주목 받고 있는 인지 무선 (Cognitive Radio) 기술은 주파수 대역에 상관없이 적용이 가능하지만 현재에는 TV 화이트 스페이스(White Space)가 가장 적합한 대역으로 고려되고 있다. TV 화이트 스페이스란 TV 방송 대역 중에서 지역적으로 사용하지 않고 비어있는 대역을 의미한다. 즉, 방송 사업자와 같은 일차 사용자가 서비스를 제공하기 위해 허가 받은 주파수 대역의 바깥에는 주파수가 비게 되는데 비게 되는 주파수 대역을 화이트 스페이스라고 할 수 있다.
1GHz 이하의 화이트 스페이스는 전파 특성이 우수하여 1GHz 이상 높은 주파수에 비해 서비스 커버리지가 넓기 때문에 공공안전, 지역정보제공서비스, 슈퍼 와이파이 등 다양한 용도의 서비스를 제공하는데 사용될 수 있다. 이 때문에 미국, 영국, EU 등 선진국을 중심으로 부족한 주파수 자원을 효율적으로 사용하고 고품질의 다양한 서비스를 제공하기 위해 화이트 스페이스 이용을 위한 기준이 준비 중에 있다.
그리고 무선 전송 커버리지의 확장 기술로서 릴레이 통신과 빔포밍 등의 기술들이 연구되고 있다. 릴레이 통신은 정보의 소스와 정보의 목적지 간에 통신 거리를 넓히기 위해 중계기 역할을 하는 노드들이 소스로부터 수신한 정보를 중간에서 다른 중계기 혹은 정보의 목적지로 전달하는 통신 방식이다. 릴레이 노드는 수신 신호를 복원하여 에러를 정정하여 다른 노드로 전달하기도 하고, 신호를 증폭하여 전달하기도 한다.
빔포밍 기술은 전방향으로 신호를 방사하는 방식에 비해 특정 노드의 채널 이득이 크도록 송신 신호에 특정 매트릭스를 곱하여 전송하는 방식이 있고, 아날로그 방식으로 여러 개의 RF 체인 어레이의 위상(phase)을 조정하여 특정 방향으로 빔이 형성되도록 하는 방식이 있다. 또한 무선 광통신 (Free-space Optical Communication) 레이저와 같은 매우 좁은 빔폭을 사용하여 빔을 형성하는 방식도 있다.
많은 수의 이동 통신 기기들 간의 통신을 가능하게 하는 사물 통신 네트워크에서는 제한된 무선 자원으로는 감당하기 어려운 수의 동시 연결이 필요하게 될 것이며, 이러한 필요는 무선 네트워크의 확장성 문제 또는 성능 문제로 귀결될 것이다.
본 발명은 인트라 네트워크의 스루풋(throughput) 성능을 유지시키고, 인트라 네트워크의 정보 소스와 정보 목적지간에 고속 링크를 형성할 수 있다. 본 발명은 이동체를 중계기로 이용하고, 이동체와 정보 소스/정보 목적지 간에 형성하는 통신 링크와 이동체와 이동체 간에 형성하는 통신 링크를 서로 다르게 설정함으로써, 형성된 통신 링크가 주변 통신 기기에 미치는 간섭의 영향을 최소화할 수 있고, 여러 개의 이동체의 다이버시티 효과로 통신 품질이 최적화되는 시스템을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템은 데이터를 전송하는 정보소스 노드 및 데이터를 수신하는 정보타겟 노드를 포함하는 인트라 네트워크 및 기 설정된 데이터 전송속도 및 신호 품질에 적합한 채널을 검색하기 위해 이동하며, 상기 정보소스 노드로부터 상기 정보타겟 노드로 데이터를 중계 전송하기 위해 정보 전송 링크를 형성하는 하나 이상의 이동체를 포함하고, 상기 정보소스 노드와 상기 이동체 사이 및 상기 정보타겟 노드와 상기 이동체 사이에는 대역폭이 좁은 채널에서 좁은 빔폭을 이용하여 상기 데이터를 송수신하고, 상기 이동체가 두 개 이상인 경우에 이동체들 간에는 넓은 채널에서 넓은 빔폭을 이용하여 상기 데이터를 송수신할 수 있다.
상기 하나 이상의 이동체는 상기 인트라 네트워크로부터 간섭 신호가 감지되지 않고, 상기 하나 이상의 이동체에서 송신하는 신호가 상기 정보소스 노드 및 상기 정보타겟 노드에 간섭을 일으키지 않는 위치로 이동할 수 있다.
본 발명은 인트라 네트워크의 스루풋(throughput) 성능을 유지시키고, 인트라 네트워크의 정보 소스와 정보 목적지간에 고속 링크를 형성할 수 있다.
또한, 본 발명은 이동체를 중계기로 이용하고, 이동체와 정보 소스/정보 목적지 간에 형성하는 통신 링크와 이동체와 이동체 간에 형성하는 통신 링크를 서로 다르게 설정함으로써, 형성된 통신 링크가 주변 통신 기기에 미치는 간섭의 영향을 최소화할 수 있다.
또한, 본 발명은 여러 개의 이동체를 이용함으로써 다이버시티 효과를 획득할 수 있고, 통신 품질을 최적화시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템의 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 기지국과 이동체 간에 형성되는 하향링크의 링크 버짓을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 기지국과 이동체 간에 형성되는 상향링크의 링크 버짓을 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 사용할 수 있는 우리나라의 TV 화이트 스페이스를 나타낸 도면이다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 하이브리드 빔포밍을 수행하는 예를 나타낸 도면이다.
도 6내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템을 적용한 도면이다.
이하, 본 발명의 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템의 블록도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템은 인트라 네트워크(110) 및 이동체들(120, 121)을 포함할 수 있다.
본 발명에서 사용되는 최소 간섭 중계 방식이란 이동체들(120, 121)이 인트라 네트워크(110)로부터 받는 간섭의 영향이 최소인 영역으로 이동하고, 이동한 위치에서 이동체들(120, 121)이 정보소스 노드(111)로부터 데이터를 수신하고, 중계하여 정보타겟 노드(113)로 전달하는 방식을 의미한다. 다른 예로, 이동체들(120, 121)은 인트라 네트워크(110)에 미치는 간섭의 영향이 최소인 영역으로 이동할 수도 있다.
도 1의 예에서는 정보소스 노드(111) 및 정보타겟 노드(113)가 동일한 인트라 네트워크(110)에 속해 있지만, 다른 예로 정보소스 노드(111)는 인트라 네트워크(110)에 속하고, 정보타겟 노드(113)는 다른 인트라 네트워크(도시되지 않음)에 속할 수도 있다.
인트라 네트워크(110)는 통신 기기가 밀집된 네트워크를 통칭하는 의미로 사용될 수 있다. 통신 기기는 정보를 전송하는 노드 또는 정보를 수신하는 노드로 분류될 수 있다.
정보소스 노드(111)는 이동체(120) 및 이동체(121)를 릴레이 노드로 하여 정보타겟 노드(113)로 데이터를 전송할 수 있다. 이때, 정보소스 노드(111)와 이동체(120)는 통신 링크(131)를 형성할 수 있다. 정보소스 노드(111)와 이동체(120)는 통신 링크(131)의 대역폭이 좁은 채널에서 좁은 빔폭을 이용하여 데이터를 송수신할 수 있다. 여기서 대역폭이 좁은 채널이라는 것은 이동체(120)와 이동체(121) 간에 통신하는 채널보다 좁은 채널임을 의미한다. 또한, 좁은 빔폭은 이동체(120)와 이동체(121) 간에 통신하는데 사용되는 빔폭 보다 좁은 경우임을 의미한다.
또한, 정보소스 노드(111)와 이동체(120)는 통신 링크(131)의 대역폭이 좁은 채널에서 높은 변조 방식을 이용하여 데이터를 송수신할 수 있다. 여기서 높은 변조 방식은 이동체(120)와 이동체(121) 간의 통신에 사용된 변조 방식보다 복잡도가 큰 방식으로 변조된 경우를 의미한다. 예를 들면, 64QAM((Quadrature Amplitude Modulation), 16QAM, QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), BPSK(Binary Phase Shift Keying)의 변조방식들 중에서, 64QAM > 16QAM > QPSK > BPSK의 순서로 복잡도가 크다. 위 예들 중에서는 64QAM 방식이 가장 높은 변조 방식이고, BPSK 방식이 가장 낮은 변조 방식이다.
이동체(120)와 이동체(121)는 통신 링크(133)를 형성할 수 있다. 이동체(120)와 이동체(121)는 통신 링크(133)의 대역폭이 넓은 채널에서 넓은 빔폭을 이용하여 데이터를 송수신할 수 있다. 여기서 대역폭이 넓은 채널이라는 것은 정보소스 노드(111)와 이동체(120) 간에 통신하는 채널보다 넓은 채널임을 의미한다. 또한, 넓은 빔폭은 정보소스 노드(111)와 이동체(120) 간에 통신하는데 사용되는 빔폭 보다 넓은 경우임을 의미한다.
또한, 이동체(120)와 이동체(121)는 통신 링크(133)의 대역폭이 넓은 채널에서 낮은 변조 방식을 이용하여 데이터를 송수신할 수 있다. 여기서 낮은 변조 방식은 정보소스 노드(111)와 이동체(120) 간의 통신에 사용된 변조 방식보다 복잡도가 상대적으로 작은 방식으로 변조된 경우를 의미한다.
이동체(120)는 정보소스 노드(111)로부터 데이터를 수신하고, 이동체(121)로 전달할 수 있다. 이동체(121)는 전달 받은 데이터를 정보타겟 노드(113)로 다시 전달할 수 있다.
정보타겟 노드(113)와 이동체(121)는 통신 링크(135)를 형성할 수 있다. 정보타겟 노드(113)와 이동체(121)는 통신 링크(135)의 대역폭이 좁은 채널에서 좁은 빔폭을 이용하여 데이터를 송수신할 수 있다. 여기서 대역폭이 좁은 채널이라는 것은 이동체(120)와 이동체(121) 간에 통신하는 채널보다 좁은 채널임을 의미한다. 또한, 좁은 빔폭은 이동체(120)와 이동체(121) 간에 통신하는데 사용되는 빔폭 보다 좁은 경우임을 의미한다.
또한, 정보타겟 노드(113)와 이동체(121)는 통신 링크(135)의 대역폭이 좁은 채널에서 높은 변조 방식을 이용하여 데이터를 송수신할 수 있다. 여기서 높은 변조 방식은 이동체(120)와 이동체(121) 간의 통신에 사용된 변조 방식보다 복잡도가 큰 방식으로 변조된 경우를 의미한다. 예를 들면, 64QAM, 16QAM, QPSK, BPSK의 변조방식들 중에서, 64QAM > 16QAM > QPSK > BPSK의 순서로 복잡도가 크다. 위 예들 중에서는 64QAM 방식이 가장 높은 변조 방식이고, BPSK 방식이 가장 낮은 변조 방식이다.
통신 링크(131)와 통신 링크(135)의 채널의 대역폭은 통신 링크(133)의 채널의 대역폭보다 좁게 형성될 수 있다. 또한, 통신 링크(131)와 통신 링크(135)에서 사용되는 빔포밍의 빔폭은 통신 링크(133)에서 사용되는 빔포밍의 빔폭보다 좁게 형성될 수 있다. 예를 들어, 통신 링크(131) 및 통신 링크(135)에서 64QAM 방식이 사용되면, 통신 링크(133)에서는 BPSK 방식이 사용될 수 있다.
통상적으로 인지 무선 기술(Cognitive Radio Technology) 기반의 통신 시스템은 1차적 사용자(Primary User 혹은 Licensed User)가 사용하지 않는 주파수 자원(White Space)을 2차적 사용자(Secondary User 혹은 Unlicensed User)가 활용하게 함으로써, 주파수 자원 활용 효율을 높이고 전체적인 네트워크의 스루풋을 향상시킨다.
하지만, 사물통신과 같이 주파수 자원이 제한된 환경에서는 2차적 사용자가 간섭(Interference)의 영향을 받거나, 다른 장치에 간섭을 미치지 않고, 주파수 자원을 활용하기에는 1차적 사용자가 주파수 자원을 활용하는 빈도가 높고, 2차적 사용자의 비주기적이고 빈번한 접속 시도로 통신 기회가 확보되기 쉽지 않다.
본 발명은 이동 통신 시스템을 탑재한 이동체들(120, 121)이, 기 설정된 데이터 전송 속도 또는 신호 품질에 적합한 채널 환경을 발견할 때까지 이동하게 함으로써, 이동 전보다 더 좋은 채널 환경에서 신호를 중계하는 방법을 사용한다. 이동체들(120, 121) 각각은 사람이 탑승하여 목적지로 이동하는 자동차, 비행기, 배 등의 이동 수단일 수도 있지만, 사람이 탑승하지 않는 무인 항공기(UAV, Unmanned Aerial Vehicle), 무인 자동차(SDR, Self-Driving Car) 또는 무인 배 (SDB, Self-Driving Boat)일 수도 있다.
본 발명은 통신 기기가 밀집된 인트라 네트워크(110)의 스루풋을 유지하고, 인트라 네트워크(110)의 정보소스 노드(111)와 정보타겟 노드(113) 간에 고속 링크를 형성하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 일반적으로 네트워크의 채널 용량을 높이기 위해서는 셀 사이즈가 작아야 하고, 셀에 포함된 노드의 전송 파워가 낮아야 한다. 네트워크에 포함된 하나의 노드가 매우 높은 스루풋을 요구하는 서비스를 이용하기 위해 전송 파워를 높이거나, 전송 대역폭을 넓히는 경우 주변의 다른 기기들에게 간섭을 일으켜서, 네트워크의 스루풋이 저하된다.
본 발명은 여러 개의 링크 중 품질이 좋은 링크를 선택적으로 이용하여 스루풋을 향상시키는 방법을 포함한다.
본 명세서에서는 무인 항공기를 예로 들어 발명의 구체적인 구성을 설명하지만, 본 발명은 무인 항공기에 국한된 것이 아니라 일반적인 이동 수단 혹은 이동체에 적용될 수 있다.
표 1은 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 사용하는 물리 계층(PHY) 파라미터를 보여 준다. 이 PHY 파라미터는 30km 이상의 통신 커버리지를 지원하고, 수십 Mbps의 고속 이동 통신을 지원하는데 사용될 수 있다. 표 1의 물리 계층 파라미터는 OFDM 기술을 기반으로 하고 있지만, 본 발명은 OFDM 이외의 기술 기반 물리 계층 파라미터를 사용하는 경우에도 적용될 수 있다.
Parameters Values Notes
Frequency <1GHz Support worldwide TV channel (6MHz) in the UHF broadcast bands or support ISM band.
Antenna Antenna gain: 9dBi (BS) / 6dBi (UAV) Max. RF transmit power
=27dBm(BS) / 24dBm(UAV)
EIRP: 36dBm(BS) / 30dBm(UAV) 36dBm=4Watts
30dBm=1Watts
Noise figure 3dB(BS) / 6dB (UAV)
Air interface OFDMA / TDD
Bandwidth 6MHz Signal bandwidth: ~5.62MHz
FFT size 2048 per 1 channel (6MHz) Number of guard subcarriers: 368
Number of used subcarriers: 1680
Number of data subcarriers: 1440
Number of pilot subcarriers: 240
Subcarrier spacing 3.3 kHz
Channel bonding Up to 4 channels (Mandatory)
Up to 20 channels (Optional)		 3 bandwidth modes: 6, 12, 24MHz
Max. bandwidth: 120MHz
Modulation and coding scheme CP: 1/4, 1/8, 1/16, and 1/32
Modulation: BSPK (or S-QPSK), QPSK, 16QAM, 64QAM
Codec: Convolutional coding w/ 1/2, 2/3, 3/4, 5/6 rates.		 Short CP such as 1/16 or 1/32 may be used under static condition.
For QAM modulation, PHY optimized to tolerate long channel response and frequency selective channel
For BPSK and QPSK modulation, MAC provides compensation for long round trip delay
S-QPSK can provide ~2.5dB diversity gain; Duplicated data subcarriers over Q and I phase.
Required SNR BPSK 1/2 (or S-QPSK): 1~3dB
QPSK 1/2~5/6: 4~9dB
16QAM 1/2~5/6: 10~15dB
64QAM 1/2~5/6: 16~21dB		 AWGN condition
80dBc/Hz at 1kHz and 10kHz
105dBc/Hz at 100kHz
Symbol time 298.7 us
Max CP time 74.7 us Robustness to delay spread
Peak data rate 22.7 Mbps 1/32 CP mode, 64QAM, 5/6 rate
45.4 and 90.8Mbps for 12MHz and 24MHz BW mode, respectively.
Max. spectral efficiency 3.12 bits/s/Hz
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 기지국과 이동체 간에 형성되는 하향링크의 링크 버짓을 나타낸 도면이다.
도 2를 참조하면, 이동체의 예로 무인 항공기(UAV)가 사용되었다. 기지국은 도 1의 정보소스 노드(111)에 해당하고, 무인 항공기는 이동체(120)에 해당한다. 도 2의 경우 기지국에서 무인 항공기로 데이터를 전송하는 경우의 링크 버짓이다. 링크 버짓(Link Budget)은 링크에서 통신을 수행하는데 필요한 송신단과 수신단의 스펙을 나타낸다. 도 2의 링크 버짓은 최대 30km 통신 커버리지를 지원하기 위한 일 예이며, 시스템 요구 조건에 따라 송신단의 출력 파워와 수신단의 노이즈 스펙이 달라질 수 있다.
표 1의 PHY 파라미터로 30km 커버리지를 보장하기 위해, 신호대 잡음비 마진이 23.7dB 정도 되는 것을 확인할 수 있다. 그러므로 통신 모뎀에서는 신호대 잡음비가 이 마진 보다 작도록 설계되어야 한다.
도 3 은 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 기지국과 이동체 간에 형성되는 상향링크의 링크 버짓을 나타낸 도면이다.
도 3을 참조하면, 이동체의 예로 무인 항공기(UAV)가 사용되었다. 기지국은 도 1의 정보타겟 노드(113)에 해당하고, 무인 항공기는 이동체(121)에 해당한다. 도 3의 경우 무인 항공기에서 기지국으로 데이터를 전송하는 경우의 링크 버짓이다. 링크 버짓(Link Budget)은 링크에서 통신을 수행하는데 필요한 송신단과 수신단의 스펙을 나타낸다. 도 3의 링크 버짓은 최대 30km 통신 커버리지를 지원하기 위한 일 예이며, 시스템 요구 조건에 따라 송신단의 출력 파워와 수신단의 노이즈 스펙이 달라질 수 있다.
표 1의 PHY 파라미터로 30km 커버리지를 보장하기 위해, 신호대 잡음비 마진이 23.7dB 정도 되는 것을 확인할 수 있다. 그러므로 통신 모뎀에서는 신호대 잡음비가 이 마진 보다 작도록 설계되어야 한다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 사용할 수 있는 우리나라의 TV 화이트 스페이스를 나타낸 도면이다.
도 4를 참조하면, TV화이트 스페이스의 예들(410, 420, 430, 440, 450)이 표시되어 있다. 우리 나라의 경우 국토가 작고 TV의 주파수 대역 점유 빈도가 높아서 상대적으로 TV화이트 스페이스가 적지만, 외국 (특히 미국 등)의 경우는 화이트 스페이스가 많다. 도 4는 지상의 주파수를 대상으로 2차원으로 도시되어 있지만, 3차원으로 도시하면 각 원이 구 모양으로 그려지고 지상에서 멀어질수록 화이트 스페이스가 많아지도록 표현될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템에서 하이브리드 빔포밍을 수행하는 예를 나타낸 도면이다.
도 5를 참조하면, 기지국(Base Station)과 무인항공기(UAV3)가 형성하는 빔폭(510)과 무인항공기(UAV2)와 모바일 단말(MT, Mobile Terminal)이 형성하는 빔폭(530)은 무인항공기(UAV3)와 무인항공기(UAV2)가 형성하는 빔폭(520)보다 폭이 좁다. 즉, 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템은 좁은 빔폭(510, 53)과 넓은 빔폭(520)을 혼합하여 사용하기 때문에, 하이브리드 빔포밍을 수행한다고 볼 수 있다.
기지국(Base Station)과 무인항공기(UAV3)는 24MHz의 좁은 대역폭에서, 64QAM 방식의 높은 변조 방식을 사용하고, 무인항공기(UAV3)와 무인항공기(UAV2)는 120MHz의 넓은 대역폭에서 S-QPSK 방식의 낮은 변조 방식을 사용한다. 무인항공기(UAV2)와 모바일 단말(MT)도 24MHz의 좁은 대역폭에서, 64QAM 방식의 높은 변조 방식을 사용한다.
장거리 통신에서 채널에 미치는 간섭 신호로 인해 인트라 네트워크의 스루풋이 감소하는 것을 방지하기 위해, 이동체는 인트라 네트워크로부터 간섭 신호가 감지되지 않고, 이동체가 송신하는 신호가 인트라 네트워크에 포함되는 통신 장치에 간섭을 일으키지 않는 위치로 이동하여, 고속 무선 통신함으로써 인트라 네트워크의 스루풋을 유지할 수 있다.
인트라 네트워크의 정보소스 노드/정보타겟 노드와 이동체 사이에는 좁은 채널에서 높은 변조 방식을 사용하여 데이터를 전송하고, 이동체와 이동체간에는 넓은 채널에서 낮은 변조 방식을 사용하여 데이터를 전송함으로써 높은 스루풋을 갖는 통신 링크가 형성될 수 있다.
이동체는 다른 통신 장치에 간섭을 일으키지 않는 위치를 2차원 평면에서 찾을 수도 있지만, 3차원 공간에서 높은 고도로 이동하여 찾을 수도 있다.
좁은 채널에서 높은 변조 방식을 사용하기 위해 보다 좁은 빔폭을 갖는 빔 형태의 통신 방식이 이용될 수 있다. 빔이 좁을수록 주위의 다른 무선 통신 장치에 미치는 간섭의 영향이 감소하기 때문이다. 하지만 빔이 좁을수록 이동체에 대한 빔 포인팅과 트랙킹(beam pointing and tracking)이 어려워지고 링크의 연결이 불안정해질 확률이 높아진다. 그러므로 위치가 고정된 기지국과 무인항공기(UAV3) 간, 모바일 단말(MT)과 무인항공기(UAV2) 간에는 좁은 대역폭을 사용하여 빔 폭이 좁고 높은 차수의 변조 방식을 사용하여 고속의 전송을 하고, 무인항공기(UAV3)와 무인항공기(UAV2) 간에는 넓은 대역폭에서 빔 폭이 상대적으로 넓고 낮은 차수의 변조 방식을 사용하여 고속의 전송을 가능하게 한다.
빔포밍은 안테나에서 방사된 에너지가 특정한 방향을 따라서 집중적으로 방사되는 정보 전송 방식이다. 빔포밍의 목적은 원하는 방향으로부터 신호를 수신하거나 원하는 방향으로 신호를 전달하는 것이다. 전 방향으로 방사 빔을 형성하는 전방향 안테나 대신, 특정 노드에게만 지향성 빔을 방사하게 함으로써, 빔 폭 밖에서 활동하는 다른 노드들에게 미치는 간섭의 영향을 최소화하여 통신 품질이 좋아지고 채널 용량이 증가할 수 있다.
일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템은 이동 통신 노드가 밀집된 인트라 네트워크에서는 좁은 대역폭에서 빔폭이 좁게 전송하고, 인트라 네트워크 밖의 릴레이 노드 간에는 넓은 대역에서 보다 넓은 빔폭을 사용하여 정보를 전송한다.
이러한 하이브리드 빔포밍이 효과적인 이유는 다음과 같다. 1) 이동 통신 노드가 밀집한 지역일수록 간섭에 의한 채널 용량 저하가 심해지기 때문에 빔폭을 좁게 하는 것이 유리하고, 다수의 이동 통신 노드가 대역폭을 점유하기 위한 경쟁을 더 심하게 할 것이므로 좁은 대역폭을 사용하는 것이 유리하다. 2) 이동 통신 노드가 밀집하지 않은 지역에서는 빔폭과 대역폭에 여유가 생긴다. 다만 지상의 정보소스 노드/정보타겟 노드와 릴레이 노드간에는 빔 포인팅과 빔 트랙킹이 어느 정도 용이하지만, 두 개의 릴레이 노드간의 빔 포인팅과 빔 트랙킹은 훨씬 어려워진다. 2개의 릴레이 노드 모두 동적으로 움직이고 있기 때문이다. 그러므로 2 개의 릴레이 노드간에 안정적인 링크 연결을 위해서는 빔 폭을 넓히는 것이 유리하고, 정보소스 노드/정보타겟 노드와 릴레이 노드 간의 통신 거리 보다 더 먼 거리에서 통신을 해야 하므로 고속의 스루풋을 제공하기 위해 보다 넓은 대역폭을 할당해야 한다.
도 6 내지 도 10은 본 발명의 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템을 적용한 도면이다.
도 6을 참조하면, 무인 항공기를 여러 개 사용하여 통신 링크를 복수개 형성할 수 있다. 복수개의 통신 링크들 중에서, 링크 품질이 우수한 통신 링크를 사용함으로써, 일실시예에 따른 최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템의 스루풋이 향상될 수 있다. 기지국과 무인항공기(UAV3a) 간, 기지국과 무인항공기(UAV3b) 간에 통신 링크가 형성될 수 있다. 무인항공기(UAV3a)와 무인 항공기(UAV2a)간, 무인항공기(UAV3b)와 무인항공기(UAV2b)간에 통신 링크가 형성될 수 있다. 모바일 단말(MT)과 무인항공기(UAV2a) 간, 모바일 단말(MT)과 무인항공기(UAV2b) 간에 통신 링크가 형성될 수 있다. 기지국에서 2 개의 통신 링크들의 링크 품질(간섭 정도, 신호대 잡음비 등)을 측정하고, 링크 품질이 우수한 통신 링크를 결정할 수 있다. 모바일 단말(MT)에서 2개의 통신 링크들의 링크 품질을 측정하고, 링크 품질이 우수한 통신 링크를 결정할 수 있다.
도 7을 참조하면, 기지국(Base Station)은 무인항공기(UAV3a) 및 무인항공기(UAV2a)를 릴레이노드로 하여 모바일 단말(MT)로 데이터를 전송할 수 있다. 기지국은 무인항공기(UAV3a) 및 무인항공기(UAV2a)의 사용이 어려운 경우, 무인항공기(UAV3b) 및 무인항공기(UAV2c)를 릴레이노드로 하여 모바일 단말(MT)로 데이터를 전송할 수 있다. 기지국은 무인항공기(UAV3a) 및 무인항공기(UAV2a)의 사용이 어려운 경우, 무인항공기(UAV3c) 및 무인항공기(UAV2b)를 릴레이노드로 하여 모바일 단말(MT)로 데이터를 전송할 수 있다.
또한 무인항공기(UAV3a) 대신 무인항공기(UAV3b), 무인항공기(UAV3c)가 릴레이 노드로 대체되어 사용될 수도 있다. 무인항공기(UAV2a) 대신 무인항공기(UAV2b), 무인항공기(UAV2c)가 릴레이 노드로 대체되어 사용될 수도 있다. 기지국은 협력통신을 수행할 수 있다.
도 8을 참조하면, 중앙 집중적인 정보 취합 시스템에서 일부 서브 네트워크(820)의 트래픽에 과부하가 발생할 경우, 본 발명의 이동체(830, 840)가 트래픽을 분산시키는 수단으로 사용될 수 있다. 즉, 인접한 정보 취합 시스템(810)으로 트래픽을 분산시켜, 사용자가 느끼는 서비스 품질의 저하 없이 시스템의 성능이 유지될 수 있다.
도 9를 참조하면, 통상적으로 무선 센서 네트워크에서는 센서의 위치가 비정규적으로 분포되어 있고, 센서들은 저전력 구조로 설계되어 센서의 정보를 취합하기 위한 인프라 구축 비용이 많이 소비된다. 본 발명의 이동체를 이용하면, 이동체가 이동하며 무선 센서 네트워크(910)로부터 수집한 정보를 고속으로 전송할 수 있다. 무인항공기에 의해 무선 센서 네트워크(910)로부터 수집된 정보는 기지국(Base Station)으로 전달되고, 기지국은 무인항공기(UAV2)를 릴레이 노드로 사용하여, 무인항공기(UAV1)로 정보를 전달할 수 있다. 무인항공기(UAV1)는 전달 받은 정보를 무선 센서 네트워크(920)로 전송할 수 있다. 또한, 무인항공기(UAV1)는 무선 센서 네트워크(920)로부터 정보를 수집하고, 무인항공기(UAV2)를 릴레이 노드로 사용하여, 기지국으로 정보를 전달할 수 있다.
도 10을 참조하면, 본 발명의 이동체는 군사 목적으로 원거리에 존재하는 적지의 통신 수단을 무력화시키기 위한 잡음 발생기로 동작할 수 있다. 무인 항공기(UAV1)(1010)는 무인항공기(UAV2)를 릴레이 노드로 하여 기지국으로부터 전송된 신호의 제어에 따라, 적지의 통신 장치가 위치한 영역에 재밍(jamming) 신호를 전송할 수 있다.
본 발명을 이용하면 원거리에 위치한 노드와 고속 통신이 가능하다. 본 발명은 이동체가 더 넓은 대역폭을 사용할 수 있는 위치(높은 고도, 혹은 간섭의 영향이 적은 지역)로 이동하여 넓은 대역폭으로 고속의 원거리 전송을 하고, 통신 장치가 밀집된 지역의 정보소스 노드와 정보타겟 노드와는 좁은 대역폭의 방향성 안테나를 사용하여 고속 전송을 한다.
그리고 본 발명은 원거리 무선 전송의 경우 안테나의 높이와 주변 장치에 간섭을 동시에 고려해야 하는데, 한 홉 전송이 가능한 거리까지 이동하여 데이터를 전송하거나 간섭이 발생하지 않은 위치까지 이동하여 데이터를 전송할 수 있다.
또한 본 발명은 다중 노드를 사용하여 다중 노드 다이버시티 효과를 얻을 수도 있는데, 이것은 릴레이 노드들과 정보소스 노드, 정보타겟 노드 간에 링크 품질 정보를 공유하여 링크 품질이 좋은 링크를 선택적으로 사용함으로써 가능해진다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

Claims (1)

  1. 데이터를 전송하는 정보소스 노드 및 데이터를 수신하는 정보타겟 노드를 포함하는 인트라 네트워크; 및
    기 설정된 데이터 전송속도 및 신호 품질에 적합한 채널을 검색하기 위해 이동하며, 상기 정보소스 노드로부터 상기 정보타겟 노드로 데이터를 중계 전송하기 위해 정보 전송 링크를 형성하는 하나 이상의 이동체를 포함하고,
    상기 정보소스 노드와 상기 이동체 사이 및 상기 정보타겟 노드와 상기 이동체 사이에는 대역폭이 좁은 채널에서 좁은 빔폭을 이용하여 상기 데이터를 송수신하고,
    상기 이동체가 두 개 이상인 경우에 이동체들 간에는 넓은 채널에서 넓은 빔폭을 이용하여 상기 데이터를 송수신하는
    최소 간섭 중계 방식을 이용한 고속 통신 시스템.
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