[논문]다중 빔 위성 통신 시스템을 위한 공평성 기반 빔 대역폭 할당

정동현; 유준규

doi:10.6109/jkiice.2020.24.12.1632

다중 빔 위성 통신 시스템을 위한 공평성 기반 빔 대역폭 할당
Fairness-Based Beam Bandwidth Allocation for Multi-Beam Satellite Communication System 원문보기

한국정보통신학회논문지 = Journal of the Korea Institute of Information and Communication Engineering, v.24 no.12, 2020년, pp.1632 - 1638

정동현 (Satellite Wide-Area Infra. Research Section, ETRI) , 유준규 (Satellite Wide-Area Infra. Research Section, ETRI)

초록
AI-Helper

본 논문은 다수의 단말이 다중 빔 위성을 통해 정보를 중심국으로 전송하는 위성 통신 시스템을 고려한다. 위성은 위상 배열 안테나를 탑재하여 서로 다른 대역폭을 가지는 다수의 스팟 빔을 형성한다. 빔 대역폭 할당의 공평성을 최대화하는 최적화 문제를 형성하고 해를 얻기 위한 두 가지 휴리스틱 알고리즘(반복적 빔 대역폭 할당, 자원 요청 비율 기반 빔 대역폭 할당)을 제안한다. 반복적 빔 대역폭 할당 알고리즘은 반복적으로 자원 요청량 대비 할당 대역폭의 비율을 균등화시키며, 자원 요청 비율 기반 빔 대역폭 할당 알고리즘은 요청량 대비 할당량 비율을 이용해 빔 대역폭을 계산한다. 모의실험을 통해서 반복적 빔 대역폭 할당 알고리즘이 최적의 해와 매우 가까운 공평성 성능을 가진다는 것을 확인하였다. 또한, 자원 요청 비율 기반 빔 대역폭 할당 알고리즘은 반복적 빔 대역폭 할당 알고리즘보다 계산 복잡도가 낮은 대신 더 낮은 공평성 성능을 가진다는 것을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this paper, we investigate a multi-beam satellite communication system where multiple terminals transmit information signals to the gateway via a satellite. The satellite is equipped with phased array antennas to form multiple spot beams of which bandwidths are not identically allocated. We formulate an optimization problem to maximize fairness of beam bandwidth allocation. In order to solve the problem, we propose two heuristic algorithms; iterative beam bandwidth allocation (IBBA) and request ratio-based beam bandwidth allocation (RRBBA) algorithms. The IBBA algorithm iteratively equalizes the ratio of allocated bandwidth of each beam to their resource request while the RRBBA algorithm allocates beam bandwidth calculated from the ratio. Simulation results show that the IBBA algorithm has close fairness performance to the optimum while the RRBBA algorithm has less performance than the IBBA algorithm at the price of reduced computational complexity.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1 System model
그림 Fig. 2 Frame structure
그림 Fig. 3 IBBA algorithm
그림 Fig. 4 RRBBA algorithm
표 Table. 1 Definition of MCS levels
그림 Fig. 5 Average Jain's fairness index versus the total bandwidth for various beam bandwidth allocation algorithms
그림 Fig. 6 Average Jain's fairness index versus the mean of the number of terminals per urban beam for various beam bandwidth allocation algorithms
그림 Fig. 7 Jain's fairness index versus the number of iterations for the IBBA algorithm

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

본 논문에서는 다수의 단말이 위성을 통해 중심국으로 신호를 전송하는 다중 빔 위성 통신 시스템을 고려한다. 각 빔은 서로 다른 주파수 대역을 가지며 서로 다른 크기의 대역폭을 가진다고 가정한다.
본 논문은 다수의 단말이 다중 빔 위성을 통해서 중심국으로 신호를 전달하는 위성 통신 시스템을 고려한다. 위성은 다수의 스팟 빔을 형성하기 위해 위상 배열 안테나를 장착하고 있으며, 각 스팟 빔의 대역폭의 크기는 서로 다를 수 있다고 가정한다.
본 논문은 다중 빔 위성 통신시스템에서 다수의 단말이 다중 빔 위성을 통해서 중심국으로 신호를 전달하는 상황을 고려한다. 모의실험은 프레임 길이(_)를 1초, 빔 개수()를 7개, 단말의 자원 요청량(_)을 1 k byte로 설정하여 진행한다.

가설 설정

각 빔은 서로 다른 주파수 대역을 가지며 서로 다른 크기의 대역폭을 가진다고 가정한다. 빔 대역폭 할당의 공평성을 최대화하는 최적화 문제를 세우고 두 가지 휴리스틱 알고리즘을 제안한다.
모의실험에서는 무작위로 하나의 변조 및 채널 코딩방식을 할당해 준다고 가정한다. 또한 7개의 빔 중에 3 개는 인구가 적은 시골(Rural) 지역에 위치하고 4개는 도심(Urban) 지역에 위치한다고 가정한다. 이 때, 시골 지역과 도심 지역에 위치한 빔에 존재하는 단말의 개수는 푸아송 분포(Poisson Distribution)을 따르며 평균은 각각 _과 _로 나타낸다.
중심국은 각 단말에게 표 1에 정의된 다섯 개의 변조 및 채널 코딩 방식 중 하나를 할당한다. 모의실험에서는 무작위로 하나의 변조 및 채널 코딩방식을 할당해 준다고 가정한다. 또한 7개의 빔 중에 3 개는 인구가 적은 시골(Rural) 지역에 위치하고 4개는 도심(Urban) 지역에 위치한다고 가정한다.
통신 시스템을 고려한다. 위성은 On-board Processor (OBP)를 탑재하여 수신된 신호를 복호(Decoding)하고 재부호(Re-Encoding)하여 전달하며, 위상 배열 안테나 (Phased Array Antenna)를 탑재하여  개의 빔을 형성한다고 가정한다. 이 때, 각 빔  (∈)에는 _ (_^__ )개의 단말이 존재한다고 가정한다.
고려한다. 위성은 다수의 스팟 빔을 형성하기 위해 위상 배열 안테나를 장착하고 있으며, 각 스팟 빔의 대역폭의 크기는 서로 다를 수 있다고 가정한다. 본 논문에서는 각 빔의 대역폭 할당의 공평성을 최대화하기 위한 최적화 문제를 세우고 두 가지 휴리스틱 알고리즘을 이용해 해를 구한다.
위성은 On-board Processor (OBP)를 탑재하여 수신된 신호를 복호(Decoding)하고 재부호(Re-Encoding)하여 전달하며, 위상 배열 안테나 (Phased Array Antenna)를 탑재하여  개의 빔을 형성한다고 가정한다. 이 때, 각 빔  (∈)에는 _ (_^__ )개의 단말이 존재한다고 가정한다.
이모의 실험에서는 전체 대역폭(_)을 10 MHz, 시골 및 도심 지역의 단말 수의 평균(_과 _)은 각각 10과 50으로 설정한다. 초기 조건으로 모든 대역폭이 빔 1에 할당되었다고 가정한다. 반복 횟수가 증가할수록 공평성 인덱스가 증가하고 특정한 값에 도달하면 포화되는양상을 보인다.

제안 방법

대용량 위성 시스템에서 위성은 다수의 스팟 빔을 형성하기 위해 신호의 진폭과 위상을 조절해 동적으로 빔의 형태 및 이득을 조절할 수 있는 위상 배열 안테나를 사용한다. 논문[1]에서는 불능 확률과 전력 소모 제약 조건 하에서 합 전송률을 최대화 시키는 빔 형성 방식을 제안하였다. 논문[2]에서는 다중 빔 위성-지상인지 시스템에서 불능 확률과 스펙트럼 효율을 분석하였고 논문[3]에서는 다중 빔 광대역 위성 통신 시스템에서 선형 프리코딩 방식 및 지상 기반 빔 형성 방식을 제안하였다.
위성은 다수의 스팟 빔을 형성하기 위해 위상 배열 안테나를 장착하고 있으며, 각 스팟 빔의 대역폭의 크기는 서로 다를 수 있다고 가정한다. 본 논문에서는 각 빔의 대역폭 할당의 공평성을 최대화하기 위한 최적화 문제를 세우고 두 가지 휴리스틱 알고리즘을 이용해 해를 구한다. 모의실험을 통해 IBBA 알고리즘이 최적의 성능과 유사한 성능을 가진다는 것과 RRBBA 알고리즘이 IBBA 알고리즘보다 계산 복잡도가 적은 대신 낮은 성능을 가진다는 것을 확인하였다.
본 논문은 그림 1과 같이 하나의 중심국(Gateway)이 위성(Satellite)을 통해 개의 단말(Terminal)과 통신하는 위성 통신 시스템을 고려한다. 위성은 On-board Processor (OBP)를 탑재하여 수신된 신호를 복호(Decoding)하고 재부호(Re-Encoding)하여 전달하며, 위상 배열 안테나 (Phased Array Antenna)를 탑재하여  개의 빔을 형성한다고 가정한다.
본 절에서는 최적화 문제 (8)의 해를 찾기 위한 반복적 빔 대역폭 할당(IBBA, Iterative Beam Bandwidth Allocation) 알고리즘을 그림 3과 같이 제안한다. Jain의 공평성 인덱스 정의에 따르면 최적화 문제 (8)의 목적함수 (8a)는  부터 1까지의 값을 가지며 정규화된 시간-주파수 자원 할당량 __ ⋯_이 모두 같은 값을 가질 때 최대화 된다[10].
본 절에서는 최적화 문제 (8)의 해를 찾기 위해 매우 낮은 복잡도를 가지는 자원 요청 비율 기반 빔 대역폭 할당(RRBBA, Request Ratio-Based Beam Bandwidth Allocation) 알고리즘을 그림 4와 같이 제안한다. RRBBA 알고리즘은 전체 대역폭 _을 각 빔에서 요청한 자원량의 비율만큼 나눠 각 빔에 할당해주는 방법이다.
각 빔은 서로 다른 주파수 대역을 가지며 서로 다른 크기의 대역폭을 가진다고 가정한다. 빔 대역폭 할당의 공평성을 최대화하는 최적화 문제를 세우고 두 가지 휴리스틱 알고리즘을 제안한다. 모의실험을 통해 두 알고리즘의 성능을 비교하고 결과를 해석한다.
문제를 풀기 위해 전역 탐색(Exhaustive Search) 방법을 사용할 수 있지만 가능한 모든 빔 대역폭 할당에 대해서 해를 찾는 것은 매우 높은 계산 복잡도를 요구한다. 이 문제를 해결하기 위해 다음 절에서 복잡도가 낮은 두 가지 알고리즘을 제안한다.
만약 빔 의 정규화된 시간- 주파수 자원 할당량 (_)이 다른 빔의 정규화된 시간-주파수 자원할당량 보다 크다면, 각 빔의 자원 요청량을 고려했을 때 빔 에 과도한 채널이 할당되었다는 의미이다[10]. 이러한 Jain의 공평성 인덱스 특성을 이용해 정규화된 시간-주파수 자원 할당량이 가장 큰 빔에 할당된 채널을 정규화된 시간-주파수 자원 할당량이 가장 작은 빔으로 전달하는 방식을 반복적으로 수행함으로써 공평하게 자원을 할당해주는 알고리즘을 제안한다.
할당을 찾는 최적화 문제를 형성한다. 형성한 최적화 문제의 해를 찾기 위해 두 가지 알고리즘을 제안하고 계산 복잡도를 분석한다.

이론/모형

그림 5번과 그림 6번은 10, 000회의 서로 다른 독립적인 실현(Realization)에 대한 Jain의 공평성 인덱스의 평균값을 나타내며, 그림 7 번은 특정한 실현에 대해 반복 횟수에 따른 공평성 인덱스의 변화를 나타낸다. 성능 비교를 위해 균등 빔 대역폭 할당(EBBA, Equal Beam Bandwidth Allocation) 알고리즘을 고려하며, EBBA의 최적의 성능은 전역 탐색 방법을 통해서 얻는다.

성능/효과

도심 빔의 평균 단말 수가 많아질수록 평균 공평성 인덱스가 낮아지는데, 이는 빔 간의 자원 요청량의 차이가 클수록 불공평한 자원 할당을 야기하기 때문이다. 또한 IBBA 알고리즘은 불균등한 자원 요청에 따라 유연하게 자원을 할당하기 때문에, RRBBA와 EBBA 알고리즘에 비해 도심 빔의 평균 단말 수가 증가할수록 성능의 열화가 적은 것을 확인할 수 있다.
반복 횟수가 증가할수록 공평성 인덱스가 증가하고 특정한 값에 도달하면 포화되는양상을 보인다. 또한 반복 횟수당 전달 채널 수가 클수록 공평성 인덱스는 더 빠르게 최대값에 도달하나 최적해와 성능 차이는 더 커지는 것을 확인할 수 있다. 따라서 공평성과 계산 복잡도 사이에 존재하는 트레이드 오프(Trade-Off)를 고려해 적절한 파라미터를 선정해야 한다.
모의실험을 통해 IBBA 알고리즘이 최적의 성능과 유사한 성능을 가진다는 것과 RRBBA 알고리즘이 IBBA 알고리즘보다 계산 복잡도가 적은 대신 낮은 성능을 가진다는 것을 확인하였다. 또한 빔 별 자원 요청량의 차이가 큰 경우에는 본 논문에서 제안한 두 알고리즘이 EBBA 알고리즘 보다 훨씬 높은 성능을 가진다는 것을 확인하였다.
본 논문에서는 각 빔의 대역폭 할당의 공평성을 최대화하기 위한 최적화 문제를 세우고 두 가지 휴리스틱 알고리즘을 이용해 해를 구한다. 모의실험을 통해 IBBA 알고리즘이 최적의 성능과 유사한 성능을 가진다는 것과 RRBBA 알고리즘이 IBBA 알고리즘보다 계산 복잡도가 적은 대신 낮은 성능을 가진다는 것을 확인하였다. 또한 빔 별 자원 요청량의 차이가 큰 경우에는 본 논문에서 제안한 두 알고리즘이 EBBA 알고리즘 보다 훨씬 높은 성능을 가진다는 것을 확인하였다.

후속연구

IBBA 알고리즘의 성능은 최적의 성능과 매우 가까운 성능을 보인다. 또한 RRBBA 알고리즘은 EBBA 알고리즘보다는 높고 IBBA 알고리즘 보다는 낮은 성능을 보이지만, 현저하게 낮은 복잡도를 가지기 때문에 복잡도가 주요한 시스템에서 IBBA 알고리즘을 대신하여 사용이 가능할 것으로 예상된다.

참고문헌 (10)

Y. Yan, W. Yang, B. Zhang, D. Guo, and G. Ding, "Outage constrained robust beamforming for sum rate maximization in multi-beam satellite systems," IEEE Commun. Lett., vol. 24, no. 1, pp. 164-168, Jan. 2020.

상세보기
O. Y. Kolawole, S. Vuppala, M. Sellathurai, and T. Ratnarajah, "On the performance of cognitive satellite-terrestrial networks," IEEE Trans. Cogn. Commun. Netw., vol. 3, no. 4, pp. 668-683, Dec. 2017.

상세보기
B. Devillers, A. Perez-Neira, and C. Mosquera, "Joint linear precoding and beamforming for the forward link of multi-beam broadband satellite systems," in Proc. IEEE GLOBECOM 2011, Houston, TX, pp. 1-6, Dec. 2011.
E.-R. Jeong, H.-H. Won, G.-J. Yang, and B.-S. Ahn, "A new multi-beam MVDR technique for removing interference signals in array antenna based GPS receivers," The Journal of The Korea Institute of Electronic Communication Sciences, vol. 21, no. 3, pp. 491-498, Mar. 2017.
M. J. Neely, E. Modiano, and C. E. Rohrs, "Power allocation and routing in multibeam satellites with time-varying channels," IEEE/ACM Trans. Netw., vol. 11, no. 1, pp. 138-152, Feb. 2003.

상세보기
J. P. Choi and V. W. S. Chan, "Optimum power and beam allocation based on traffic demand and channel conditions over satellite downlinks," IEEE Trans. Commun., vol. 4, no. 6, pp. 2983-2993, Nov. 2005.
A. Destounis and A. D. Panagopoulos, "Dynamic power allocation for broadband multi-beam satellite communication networks," IEEE Commun. Lett., vol. 15, no. 4, pp. 380-384, Apr. 2011.

상세보기
N. K. Srivastava and A. K. Chaturvedi, "Flexible and dynamic power allocation in broadband multi-beam satellites," IEEE Commun. Lett., vol. 17, no. 9, pp. 1722-1725, Sep. 2013.

상세보기
X. Liao, X. Hu, Z. Liu, S. Ma, L. Xu, X. Li, W. Wang, and F. M. Ghannouchi, "Distributed intelligence: A verification for multi-agent DRL based multibeam satellite resource allocation," IEEE Commun. Lett., vol. 24, no. 12, Dec. 2020.
D. H. Jung, M. S. Shin, and J. G. Ryu, "Fairness-based superframe design and resource allocation for dynamic rate adaptation in DVB-RCS2 satellite systems," IEEE Commun. Lett., vol. 23, no. 11, pp. 2046-2050, Nov. 2019.

상세보기

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증