KR20210036548A - Turbo code decoding apparatus for i-q quantization transfer using multi relay - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치에 관한 것으로써, 더욱 상세하게는 에너지 전력 분야 사물 인터넷에서 전파경로상의 장애, 채널 환경 및 제약 조건 등에 따라 다수 개의 안테나 사용이 어려울 경우 릴레이를 이용한 협력 통신 기법을 사용하여 신호의 정확도를 개선한, 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치에 관한 것이다. The present invention relates to a multi-relay IQ quantization transmission turbo code decoding apparatus, and more particularly, cooperation using a relay when it is difficult to use a plurality of antennas according to a disorder in a radio path, a channel environment, and a constraint condition in an IoT field in the energy power field. The present invention relates to a multi-relay IQ quantized transmission turbo code decoding apparatus using a communication technique to improve signal accuracy.
최근 사물인터넷(IoT)이 발전함에 따라, IoT의 주요 기술중 하나인 무선 센서 네트워크 기술 또한 많은 관심을 갖게 되었다. IoT 기술의 발전으로 센서 노드에서 전달해야 하는 데이터의 양이 커지고 있으며, 이로 인해 데이터 전송의 정확도와 높은 데이터 전송률을 필요로 한다. With the recent development of the Internet of Things (IoT), the wireless sensor network technology, which is one of the major technologies of IoT, has also attracted a lot of interest. With the development of IoT technology, the amount of data that needs to be transmitted from sensor nodes is increasing, and this requires accuracy of data transmission and high data transmission rate.
에너지 전력 분야 사물인터넷에서 센서 네트워크의 경우, 센서에서 제한된 전력 사용이 요구되기 때문에 채널 환경이 좋지 않을 경우에는 원하는 데이터 전송률을 맞춰줄 변조 방식의 사용이 힘들 수 있다. 만약 센서 노드와 수신 노드 사이의 전파경로에 장애물이 없는 LOS(Line Of Sight) 조건이 만족되지 않은 상태이며 다중 경로 페이딩으로 인해 채널 환경이 좋지 않을 때, 송신 신호의 파워가 커지더라도 그에 따른 신호의 BER(Bit Error Rate)은 크게 개선되지 않는다. 송신 신호의 파워 세기가 센서에서의 배터리 문제 등으로 인해 제한된 상태에서 다중 경로 페이딩 채널 환경을 효과적으로 극복할 수 있는 방법으로 다이버시티 기술이 사용된다. 다이버시티 기술은 시간, 주파수, 공간 다이버시티 등으로 구분할 수 있고 이 중 공간 다이버시티는 다수 개의 안테나를 사용하여 전송효율을 높이는 방식이다. 하지만 노드의 크기와 하드웨어 및 비용에 제한이 있는 에너지 전력 분야 사물인터넷의 센서 네트워크에서 다수 개의 안테나를 사용하는 방식을 적용하기에 어려움이 있으므로, 하나의 안테나만으로 다이버시티 효과를 얻을 수 있는 릴레이를 이용한 협력 통신 기법이 사용된다. In the case of a sensor network in the IoT field of energy power, it may be difficult to use a modulation method to match a desired data rate when the channel environment is not good because the sensor requires limited power use. If the condition of the LOS (Line Of Sight) without obstacles in the propagation path between the sensor node and the receiving node is not satisfied, and the channel environment is not good due to multipath fading, even if the power of the transmitted signal increases, the corresponding signal The bit error rate (BER) is not significantly improved. Diversity technology is used as a method that can effectively overcome a multipath fading channel environment in a state in which the power intensity of a transmission signal is limited due to a battery problem in the sensor. Diversity technology can be classified into time, frequency, and spatial diversity, among which spatial diversity is a method of increasing transmission efficiency by using a plurality of antennas. However, since it is difficult to apply the method of using multiple antennas in the sensor network of the IoT in the energy power field, where the size of the node, hardware, and cost are limited, a relay that can obtain a diversity effect with only one antenna is used. Cooperative communication techniques are used.
릴레이를 이용한 협력 통신 기법은 동작 방식에 따라 증폭 후 전달(Amplify and Forward, AF), 복호 후 전달(Decode and Forward, DF), 및 압축 후 전달(Compress and Forward, CF)방식이 있다. Cooperative communication techniques using a relay include amplify and forward (AF), decode and forward (DF), and compress and forward (CF) methods depending on the operation method.
그러나, 종래의 DF 방식은 센서 노드의 전송 신호를 릴레이에서 복호화에 실패할 경우 수신 노드와 릴레이 사이에서의 오류가 없더라도 이미 센서 노드와 릴레이 노드 사이에서의 오류로 인해 성능 저하가 발생한다. AF 방식은 DF 방식에서의 복호화 실패로 인한 성능 저하는 없지만 릴레이에서 받은 신호의 증폭으로 잡음 증폭 또한 같이 발생한다는 단점이 있다. QF 방식은 DF 방식에 비해 낮은 연산 복잡도를 가지고 있으나 릴레이 노드와 수신 노드 간의 채널환경이 좋은 경우에만 전송률이 높은 성능상의 한계를 가지고 있다.However, in the conventional DF scheme, when a transmission signal of a sensor node fails to be decoded by a relay, performance degradation occurs due to an error between the sensor node and the relay node even if there is no error between the receiving node and the relay. The AF method does not degrade the performance due to decoding failure in the DF method, but it has a disadvantage that noise amplification also occurs due to signal amplification received from the relay. The QF method has a lower computational complexity than the DF method, but only when the channel environment between the relay node and the receiving node is good has a performance limitation with a high transmission rate.
본 발명의 배경기술은 대한민국 공개특허공보 10-2011-0112136호(2011.10.12)의 '다중안테나 무선 시스템에서 채널 정보의 차등적 양자화 방법 및 장치'에 개시되어 있다.The background technology of the present invention is disclosed in Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2011-0112136 (2011.10.12) in'a method and apparatus for differential quantization of channel information in a multi-antenna wireless system'.
본 발명은 전술한 문제점을 개선하기 위해 창안된 것으로서, 본 발명의 일 측면에 따른 목적은 에너지 전력 분야 사물 인터넷에서 전파경로상의 장애, 채널 환경 및 제약 조건 등에 따라 다수 개의 안테나 사용이 어려울 경우 릴레이를 이용한 협력 통신 기법을 사용하여 신호의 정확도를 개선한, 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치를 제공하는 데 있다. The present invention was invented to improve the above-described problem, and an object according to an aspect of the present invention is to provide a relay when it is difficult to use a plurality of antennas due to obstacles in the propagation path, channel environment, and constraint conditions in the IoT field in the energy power field. It is to provide a multi-relay IQ quantization transmission turbo code decoding apparatus that improves signal accuracy by using the cooperative communication technique used.
본 발명의 일 측면에 따른 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치는 신호를 신호 오류를 정정할 수 있는 신호로 오류 정정 부호화하고 부호화된 신호를 변조하여 센서-릴레이 채널을 통해 전송하는 센서 노드; 상기 센서 노드로부터 상기 센서-릴레이 채널을 통해 전송된 신호를 I-Q 양자화하고 코드 북을 기반으로 신호 전송을 위한 부호어로 대응하여 릴레이-수신 채널을 통해 전송하는 제1 릴레이 노드; 상기 센서 노드로부터 상기 센서-릴레이 채널을 통해 전송된 신호를 I-Q 양자화하고 코드 북을 기반으로 신호 전송을 위한 부호어로 대응하여 릴레이-수신 채널을 통해 전송하는 제2 릴레이 노드; 및 상기 제1 릴레이 노드 및 상기 제2 릴레이 노드로부터 상기 릴레이-수신 채널을 통해 전송된 부호어를 코드 북을 기반으로 양자화된 신호로 전환하고 전환된 양자화된 신호를 결합하여 복호화하는 수신 노드를 포함하는 것을 특징으로 한다.According to an aspect of the present invention, a multi-relay I-Q quantization transmission turbo coding decoding apparatus includes: a sensor node for error-correcting encoding a signal into a signal capable of correcting a signal error, modulating the encoded signal, and transmitting the signal through a sensor-relay channel; A first relay node for I-Q quantization of the signal transmitted from the sensor node through the sensor-relay channel, corresponding to a codeword for signal transmission based on a codebook, and transmitting the signal through a relay-receiving channel; A second relay node that I-Q quantizes the signal transmitted from the sensor node through the sensor-relay channel, corresponds to a codeword for signal transmission based on a codebook, and transmits it through a relay-reception channel; And a receiving node converting the codeword transmitted through the relay-receiving channel from the first relay node and the second relay node into a quantized signal based on a code book, and combining and decoding the converted quantized signal. Characterized in that.
본 발명의 상기 센서 노드는 신호의 오류를 정정할 수 있도록 오류 정정 부호화하는 터보 부호 부호기; 및 상기 터보 부호 부호기에 의해 부호화된 부호어를 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 변조 방식으로 변조하여 상기 센서-릴레이 채널을 통해 상기 제1 릴레이 노드와 상기 제2 릴레이 노드로 전송하는 16QAM 변조기를 포함하는 것을 특징으로 한다.The sensor node of the present invention comprises: a turbo code encoder for error correction coding to correct an error in a signal; And a 16QAM modulator that modulates the codeword encoded by the turbo code encoder using a 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) modulation method and transmits it to the first relay node and the second relay node through the sensor-relay channel. It is characterized.
본 발명의 상기 제1 릴레이 노드는 상기 센서-릴레이 채널의 채널 크기와 채널 위상값으로 신호의 채널 위상을 보정한 후 보정된 신호를 I-Q 채널로 분리하여 양자화하는 I-Q 양자화기; 상기 I-Q 양자화기에 의해 양자화된 신호를 코드 북을 기반으로 신호 전송을 위한 부호어로 대응하는 코드 북 기반 소스 부호기; 및 상기 코드 북 기반 부호기로부터 입력된 양자화된 부호어를 변조하여 상기 릴레이-수신 채널을 통해 상기 센서 노드에 전달하는 부호 변조기를 포함하는 것을 특징으로 한다.The first relay node of the present invention comprises: an I-Q quantizer for quantizing the corrected signal by separating the corrected signal into I-Q channels after correcting the channel phase of the signal using the channel size and the channel phase value of the sensor-relay channel; A codebook-based source coder corresponding to a signal quantized by the I-Q quantizer as a codeword for signal transmission based on a codebook; And a code modulator that modulates the quantized codeword input from the codebook-based encoder and transmits it to the sensor node through the relay-receiving channel.
본 발명의 상기 I-Q 양자화기는 균일 양자화 방법을 이용하여 신호를 양자화하는 것을 특징으로 한다.The I-Q quantizer of the present invention is characterized in that the signal is quantized using a uniform quantization method.
본 발명의 상기 제2 릴레이 노드는 상기 센서-릴레이 채널의 채널 크기와 채널 위상값으로 신호의 채널 위상을 보정한 후 보정된 신호를 I-Q 채널로 분리하여 양자화하는 I-Q 양자화기; 상기 I-Q 양자화기에 의해 양자화된 신호를 코드 북을 기반으로 신호 전송을 위한 부호어로 대응하는 코드 북 기반 소스 부호기; 및 상기 코드 북 기반 부호기로부터 입력된 양자화된 부호어를 변조하여 상기 릴레이-수신 채널을 통해 상기 센서 노드에 전달하는 부호 변조기를 포함하는 것을 특징으로 한다.The second relay node of the present invention includes an I-Q quantizer for quantizing the corrected signal by separating the corrected signal into I-Q channels after correcting the channel phase of the signal using the channel size and the channel phase value of the sensor-relay channel; A codebook-based source coder corresponding to a signal quantized by the I-Q quantizer as a codeword for signal transmission based on a codebook; And a code modulator that modulates the quantized codeword input from the codebook-based encoder and transmits it to the sensor node through the relay-receiving channel.
본 발명의 상기 I-Q 양자화기는 균일 양자화 방법을 이용하여 신호를 양자화하는 것을 특징으로 한다.The I-Q quantizer of the present invention is characterized in that the signal is quantized using a uniform quantization method.
본 발명의 상기 수신 노드는 상기 제1 릴레이 노드와 상기 제2 릴레이 노드로부터 상기 릴레이 센서 채널을 통해 전달된 양자화 부호어 및 채널 이득값을 복조하는 부호 복조기; 상기 부호 복조기에 의해 복조된 양자화 부호어를 코드 북을 기반으로 양자화된 신호로 복호하는 코드 북 기반 소스 복호기; 상기 코드 북 기반 소스 복호기에 의해 양자화된 신호값과 채널 이득값을 통해 최대 비율 결합(Maximum-Ratio Combining)으로 상기 제1 릴레이 노드와 상기 제2 릴레이 노드에서 받은 신호를 결합하고, 결합된 신호를 이용하여 비트 LLR(Log Likelihood Ratio)을 계산하는 결합기; 및 상기 결합기에 의해 결합되어 입력되는 비트 LLR을 이용하여 상기 센서 노드로부터 전송된 신호를 복호하는 터보 부호 복호기를 포함하는 것을 특징으로 한다.The receiving node of the present invention includes: a code demodulator for demodulating a quantized codeword and a channel gain value transmitted from the first relay node and the second relay node through the relay sensor channel; A code book-based source decoder for decoding the quantized codeword demodulated by the code demodulator into a quantized signal based on a code book; The signals received from the first relay node and the second relay node are combined by maximum-ratio combining through a signal value quantized by the codebook-based source decoder and a channel gain value, and the combined signal is A combiner that calculates a bit log likelihood ratio (LLR) using; And a turbo code decoder that decodes the signal transmitted from the sensor node by using the bit LLR that is combined and input by the combiner.
본 발명의 상기 결합기는 상기 센서 노드와 상기 제1 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값, 상기 제1 릴레이 노드에서 양자화된 신호값, 상기 센서 노드와 상기 제2 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값, 상기 제2 릴레이 노드에서 양자화된 신호값을 최대 비율 결합으로 결합하되, 상기 센서 노드와 상기 제1 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값 및 상기 센서 노드와 상기 제2 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값은 상기 센서-릴레이 채널의 채널 진폭값 및 채널 위상값을 통해 획득되는 것을 특징으로 한다.The combiner of the present invention comprises a channel gain value of the sensor-relay channel between the sensor node and the first relay node, a signal value quantized by the first relay node, and the signal value between the sensor node and the second relay node. The channel gain value of the sensor-relay channel and the signal value quantized by the second relay node are combined in a maximum ratio combination, and the channel gain value of the sensor-relay channel between the sensor node and the first relay node, and the sensor A channel gain value of the sensor-relay channel between a node and the second relay node is obtained through a channel amplitude value and a channel phase value of the sensor-relay channel.
본 발명의 상기 결합기는 상기 센서 노드와 상기 제1 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값, 상기 제1 릴레이 노드에서 양자화된 신호값, 상기 센서 노드와 상기 제2 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값, 상기 제2 릴레이 노드에서 양자화된 신호값을 최대 비율 결합으로 결합하되, 상기 센서 노드와 상기 제1 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값 및 상기 센서 노드와 상기 제2 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값은 동일한 것을 특징으로 한다.The combiner of the present invention comprises a channel gain value of the sensor-relay channel between the sensor node and the first relay node, a signal value quantized by the first relay node, and the signal value between the sensor node and the second relay node. The channel gain value of the sensor-relay channel and the signal value quantized by the second relay node are combined in a maximum ratio combination, and the channel gain value of the sensor-relay channel between the sensor node and the first relay node, and the sensor The channel gain value of the sensor-relay channel between the node and the second relay node is the same.
본 발명의 일 측면에 따른 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치는 에너지 전력 분야 사물 인터넷에서 전파경로상의 장애, 채널 환경 및 제약 조건 등에 따라 다수 개의 안테나 사용이 어려울 경우 릴레이를 이용한 협력 통신 기법을 사용하여 신호의 정확도를 개선한다.The multi-relay IQ quantization transmission turbo code decoding apparatus according to an aspect of the present invention uses a cooperative communication technique using a relay when it is difficult to use a plurality of antennas due to a failure in a propagation path, a channel environment, and a constraint condition in the IoT field in the energy power field. To improve the accuracy of the signal.
본 발명의 다른 측면에 따른 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치는 무선 센서 네트워크에서 센서 노드와 수신 노드 사이의 전파경로에 장애물이 없는 LOS(Line Of Sight) 조건이 만족되지 않고 다중 경로 페이딩으로 인해 채널 환경이 좋지 않더라도, 센서 노드에서와 같이 제한된 전력을 사용해야 하는 시스템에 다이버시티 효과를 제공할 수 있어 수신 성능을 개선할 수 있다. The multi-relay IQ quantization transmission turbo code decoding apparatus according to another aspect of the present invention does not satisfy the LOS (Line Of Sight) condition in which there is no obstacle in the propagation path between the sensor node and the receiving node in a wireless sensor network, and due to multi-path fading. Even if the channel environment is not good, it is possible to improve reception performance by providing a diversity effect to a system that needs to use limited power, such as in a sensor node.
본 발명의 또 다른 측면에 따른 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치는 릴레이를 이용한 협력 통신 기법 중 I-Q 양자화후 전달 기법을 사용함으로써, 릴레이 노드에서의 연산량을 감소시키고 전력 소모의 감소 네트워크 수명을 증가시킬 수 있다. The multi-relay IQ quantization transmission turbo code decoding apparatus according to another aspect of the present invention uses an IQ quantization and then transfer method among cooperative communication techniques using a relay, thereby reducing the amount of computation in the relay node and reducing power consumption and increasing the network life. I can make it.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치의 블럭 구성도이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 터보 부호 부호기의 블럭 구성도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 16QAM 성상도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 노드의 터보 부호 복호기의 블럭 구성도이다.
도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치의 성능을 도시한 도면이다.1 is a block diagram of a multi-relay IQ quantized transmission turbo code decoding apparatus according to an embodiment of the present invention.
2 is a block diagram of a turbo coder of a sensor node according to an embodiment of the present invention.
3 is a 16QAM constellation diagram according to an embodiment of the present invention.
4 is a block diagram of a turbo code decoder of a receiving node according to an embodiment of the present invention.
5 is a diagram showing the performance of a multi-relay IQ quantized transmission turbo code decoding apparatus according to an embodiment of the present invention.
이하에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치를 첨부된 도면들을 참조하여 상세하게 설명한다. 이러한 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서, 이는 이용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야할 것이다. Hereinafter, a multi-relay I-Q quantization transmission turbo code decoding apparatus according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In this process, thicknesses of lines or sizes of components shown in the drawings may be exaggerated for clarity and convenience of description. In addition, terms to be described later are terms defined in consideration of functions in the present invention, which may vary according to the intention or custom of users or operators. Therefore, definitions of these terms should be made based on the contents throughout the present specification.
본 명세서에서 설명된 구현은, 예컨대, 방법 또는 프로세스, 장치, 소프트웨어 프로그램, 데이터 스트림 또는 신호로 구현될 수 있다. 단일 형태의 구현의 맥락에서만 논의(예컨대, 방법으로서만 논의)되었더라도, 논의된 특징의 구현은 또한 다른 형태(예컨대, 장치 또는 프로그램)로도 구현될 수 있다. 장치는 적절한 하드웨어, 소프트웨어 및 펌웨어 등으로 구현될 수 있다. 방법은, 예컨대, 컴퓨터, 마이크로프로세서, 집적 회로 또는 프로그래밍가능한 로직 디바이스 등을 포함하는 프로세싱 디바이스를 일반적으로 지칭하는 프로세서 등과 같은 장치에서 구현될 수 있다. 프로세서는 또한 최종-사용자 사이에 정보의 통신을 용이하게 하는 컴퓨터, 셀 폰, 휴대용/개인용 정보 단말기(personal digital assistant: "PDA") 및 다른 디바이스 등과 같은 통신 디바이스를 포함한다.The implementations described herein may be implemented in, for example, a method or process, an apparatus, a software program, a data stream or a signal. Although discussed only in the context of a single form of implementation (eg, only as a method), the implementation of the discussed features may also be implemented in other forms (eg, an apparatus or program). The device may be implemented with appropriate hardware, software and firmware. The method may be implemented in an apparatus such as a processor, which generally refers to a processing device including, for example, a computer, a microprocessor, an integrated circuit or a programmable logic device, or the like. Processors also include communication devices such as computers, cell phones, personal digital assistants (“PDAs”) and other devices that facilitate communication of information between end-users.
도 1 은 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치의 블럭 구성도이고, 도 2 는 본 발명의 일 실시예에 따른 센서 노드의 터보 부호 부호기의 블럭 구성도이며, 도 3 은 본 발명의 일 실시예에 따른 16QAM 성상도이며, 도 4 는 본 발명의 일 실시예에 따른 수신 노드의 터보 부호 복호기의 블럭 구성도이며, 도 5 는 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치의 성능을 도시한 도면이다.1 is a block diagram of a multi-relay IQ quantization transmission turbo code decoding apparatus according to an embodiment of the present invention, and FIG. 2 is a block diagram of a turbo coder of a sensor node according to an embodiment of the present invention. 3 is a 16QAM constellation diagram according to an embodiment of the present invention, FIG. 4 is a block diagram of a turbo code decoder of a receiving node according to an embodiment of the present invention, and FIG. A diagram showing the performance of a relay IQ quantization transmission turbo code decoding apparatus.
도 1 을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에따른 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치는 센서 노드(10), 제1 릴레이 노드(20), 제2 릴레이 노드(30) 및 수신 노드(40)를 포함한다.Referring to FIG. 1, a multi-relay IQ quantization transmission turbo code decoding apparatus according to an embodiment of the present invention includes a
본 실시예에서, 센서-릴레이 채널은 NLOS(Non Line Of Sight)와 다중 경로 페이딩으로 인한 채널 환경이 좋지 않은 상태로 가정한다. In this embodiment, it is assumed that the sensor-relay channel has a poor channel environment due to non-line of sight (NLOS) and multipath fading.
센서 노드(10)는 신호를 신호 오류를 정정할 수 있는 신호로 부호화하고 부호화된 신호를 변조하여 센서-릴레이 채널을 통해 제1 릴레이 노드(20)와 제2 릴레이 노드(30)로 전송한다. The
센서 노드(10)는 터보 부호 부호기(11) 및 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 변조기(12)를 포함한다. The
터보 부호 부호기(11)는 신호의 오류를 정정할 수 있도록 신호를 오류 정정 부호화한다. 도 2 를 참조하면, 터보 부호 부호기(11)는 2개의 RSC(Recursive Systematic Convolutional code) 부호기와 1개의 인터리버를 포함하며, 천공(Puncturing)을 통해 부호율을 1/2로 가정한다. The
16QAM 변조기(12)는 RSC 부호기에서 생성된 부호어를 4비트씩 묶어 하나의 심볼로 만들어 주어 도 3 과 같은 성상도를 가지는 16QAM 변조 방식으로 변조하고, 변조된 신호를 센서-릴레이 채널을 통해 제1 릴레이 노드(20)와 제2 릴레이 노드(30)에 입력한다. The
제1 릴레이 노드(20)는 센서 노드(10)로부터 센서-릴레이 채널을 통해 전달된 신호를 양자화하고 양자화된 신호를 코드 북을 기반으로 신호 전송을 위한 부호어로 대응한 후, 릴레이-수신 채널을 통해 수신 노드(40)로 전달한다. The
제1 릴레이 노드(20)는 I-Q 양자화기(21), 코브 북 기반 소스 부호기 및 부호 변조기(23)를 포함한다. The
I-Q 양자화기(21)는 채널 크기(Amplitude)와 채널 위상(Phase)값으로 신호의 채널 위상을 보정한 후 보정된 신호를 I-Q 채널로 분리하여 2개의 4-ary PAM 신호로 해석하여 양자화한다.The
양자화 방법으로는 다양한 방법이 사용될 수 있으나, 본 실시예에서는 릴레이 노드에서의 복잡도를 낮추기 위하여 균일 양자화 방법을 예시로 설명한다. 채널 위상을 보정한 수신 신호를 I-Q 채널로 분리하여 해석하기 때문에 이후의 설명들은 I 채널의 구성 요소를 기반으로 한 처리를 설명한다. Various methods may be used as the quantization method, but in this embodiment, a uniform quantization method will be described as an example in order to reduce the complexity in the relay node. Since the received signal corrected for the channel phase is separated into I-Q channels and analyzed, the following descriptions describe processing based on the components of the I channel.
균일 양자화 방법에 있어서, 센서-릴레이 채널을 통과한 신호 는 양자화 과정을 거치면 로 출력된다. 는 양자화 비트수가 n일 때 L=2n개의 구간 개수를 가지는 의 값들 중에서 결정된다. 양자화 전체 범위가 라고 가정했을 때, 각 구간 크기는 이 되고, 구간의 경계값은 가 된다. In the uniform quantization method, the signal passed through the sensor-relay channel Is after the quantization process Is output as. A quantization bit number n days, when L = 2 n with the number of intervals Is determined among the values of. Full range of quantization Assuming that, the size of each section is Becomes, and the boundary value of the interval is Becomes.
qi는 각 구간의 중간값인 , i=0,1,…L-1이 되고, 가 i번째 양자화 구간안의 값일 때 이 된다. 여기서 를 수신 노드(40)에 그대로 전송하기에는 값을 나타내는데 사용되는 비트수가 많을 수 있다. q i is the median value of each interval , i=0,1,... Becomes L-1, Is a value in the i-th quantization interval Becomes. here To transmit to the receiving
이에, 코드 북 기반 소스 부호기(22)는 I-Q 양자화기(21)에 의해 양자화된 신호를 코드 북을 기반으로 신호 전송을 위한 부호어로 대응하여 이 양자화 부호어를 채널 추정을 통한 채널 이득값과 같이 부호 변조기(23)에 입력함으로써, 수신 노드(40)에 전송될 수 있도록 한다. Accordingly, the codebook-based source coder 22 corresponds to the signal quantized by the
예를 들어 코드 북 기반 소스 부호기(22)는 양자화 비트수가 4일 때, 를 {0000,0001,…1110,1111}로 대응하여 수신 노드(40)에 전송할 수 있도록 한다. For example, when the codebook-based source coder 22 has 4 quantization bits, To {0000,0001,... 1110,1111} to enable transmission to the receiving
부호 변조기(23)는 상기한 코드 북 기반 소스 부호기(22)로부터 입력된 양자화 부호 및 채널 이득값을 변조하여 릴레이-수신 채널을 통해 수신 노드(40)에 전달한다. The
제2 릴레이 노드(30)는 I-Q 양자화기(31), 코드 북 기반 소스 부호기(32) 및 부호 변조기(33)를 포함한다. 이러한 제2 릴레이 노드(30)의 I-Q 양자화기(31), 코드 북 기반 소스 부호기(32) 및 부호 변조기(33) 각각은 상기한 제1 릴레이 노드(20)의 I-Q 양자화기(21), 코드 북 기반 소스 부호기(22) 및 부호 변조기(23)와 동일한 동작을 수행하므로, 이에 대해서는 그 상세한 설명을 생략한다.The
수신 노드(40)는 제1 릴레이 노드(20)와 제2 릴레이 노드(30)에서 전달된 부호어를 코드 북을 기반으로 양자화된 신호로 전환하고 전환된 양자화된 신호를 결합하여 복호화한다.The receiving
수신 노드(40)는 부호 복조기(41), 코드 북 기반 소스 복호기(42), 결합기(43) 및 터보 부호 복호기(44)를 포함한다.The receiving
부호 복조기(41)는 제1 릴레이 노드(20)와 제2 릴레이 노드(30)로부터 릴레이-수신 채널을 통해 전달된 양자화 부호 및 채널 이득값을 복조한다.The
코드 북 기반 소스 복호기(42)는 부호 복조기(41)에 의해 복조된 양자화 부호어를 코드 북을 기반으로 양자화된 신호로 복호한다. The codebook-based
결합기(43)는 각각의 양자화된 부호어와 채널 이득값을 통해 최대 비율 결합(Maximum-Ratio Combining)으로 터보 부호 복호기(44)에 입력될 입력값을 결정한다.The
이 경우, 센서 노드(10)와 제1 릴레이 노드(20) 사이의 센서-릴레이 채널의 채널 이득값을 라 하고, 제1 릴레이 노드(20)에서 양자화된 신호값을 이라 하며, 센서 노드(10)와 제2 릴레이 노드(30) 사이의 센서-릴레이 채널의 채널 이득값을 라 하며, 제2 릴레이 노드(30)에서 양자화된 신호값을 라 하면, 제1 릴레이 노드(20)에서 양자화된 신호 와 제2 릴레이 노드(30)에서 양자화된 신호 의 최대 비율 결합으로 결합된 신호 는 아래의 수학식 1 같이 표현된다.In this case, the channel gain value of the sensor-relay channel between the
[수학식 1][Equation 1]
결합기(43)는 상기한 수학식 1과 같이 결합된 신호를 이용하여 비트 LLR(Log Likelihood Ratio)을 계산한다.The
터보 부호 복호기(44)는 비트 LLR를 이용하여 센서 노드(10)로부터 전송된 신호를 복호한다. The
한편, 상기한 실시예에서는 수신 노드(40)는 각각의 릴레이 노드에서 보낸 양자화 부호어를 코드 북을 기반으로 양자화된 신호로 전환한 후에 센서 노드(10)와 제1 릴레이 노드(20) 또는 제2 릴레이 노드(30) 사이의 채널 이득값과 양자화된 신호값을 이용하여 최대 비율 결합 방법을 통해 제1 릴레이 노드(20)와 제2 릴레이노드(30)에서 받은 신호를 결합한다. Meanwhile, in the above embodiment, the receiving
이러한 실시예는 채널 이득값을 얻기 위해 제1 릴레이 노드(20) 또는 제2 릴레이 노드(30)에서 채널 추정을 해야 한다. 최대 비율 결합 방법에서의 채널 추정은 채널 진폭값과 채널 위상값을 추정하여 채널 이득값을 얻을 수 있으나, 이러한 과정은 복잡도가 상대적으로 증가할 수 있다. In this embodiment, the
이에, 결합기(43)가 채널 위상값만을 추정하여 신호를 결합할 수도 있다. Accordingly, the
즉, 채널 위상을 보정한 수신 신호를 양자화하는 방식은 상기의 실시예와 같이 실행하며 채널 이득값이 없으므로 동 이득 결합 방식을 사용할 수 있다.That is, the method of quantizing the received signal corrected for the channel phase is performed as in the above embodiment, and since there is no channel gain value, the same gain combining method can be used.
상기의 실시 예에서 센서 노드(10)와 제1 릴레이 노드(20) 사이의 센서-릴레이 채널의 채널 이득값을 이라 하고, 센서 노드(10)와 제2 릴레이 노드(30) 사이의 센서-릴레이 채널의 채널 이득값을 ??라 할 때, 센서 노드(10)와 제1 릴레이 노드(20) 사이의 센서-릴레이 채널의 채널 이득값 과 센서 노드(10)와 제2 릴레이 노드(30) 사이의 센서-릴레이 채널의 채널 이득값 를 동일하게 설정한다. In the above embodiment, the channel gain value of the sensor-relay channel between the
센서 노드(10)와 제1 릴레이 노드(20) 사이의 센서-릴레이 채널의 채널 이득값 과 센서 노드(10)와 제2 릴레이 노드(30) 사이의 센서-릴레이 채널의 채널 이득값 ??이 같다고 가정할 때 그 크기를 알 수 없으므로, 센서 노드(10)와 제1 릴레이 노드(20) 사이의 채널 이득값 과 센서 노드(10)와 제2 릴레이 노드(30) 사이의 채널 이득값 ??을 1이라 가정하면, 제1 릴레이 노드(20)와 제2 릴레이 노드(30)에서 받은 신호를 결합한 신호는 아래의 수학식 2와 같다.Channel gain value of the sensor-relay channel between the
[수학식 2][Equation 2]
결합기(43)가 상기한 수학식 2와 같이 결합된 신호를 이용하여 비트 LLR을 계산하면, 터보 부호 복호기(44)는 비트 LLR를 이용하여 센서 노드(10)로부터 전송된 신호를 복호한다.When the
본 실시예에 따른 성능 비교를 위해, 릴레이 노드를 사용하지 않은 경우, 제1 릴레이 노드(20)와 제2 릴레이 노드(30)를 사용하고 신호 결합 방식으로 최대 비율 결합 방식을 사용한 경우, 제1 릴레이 노드(20)와 제2 릴레이 노드(30)를 사용하고 신호 결합 방식으로 동 이득 결합 방식을 사용한 경우에서의 BER이 도 5 에 도시된다. 센서 노드(10)와 제1 릴레이 노드(20)의 채널, 및 센서 노드(10)와 제2 릴레이 노드(30) 사이의 채널은 Rayleigh 채널로 가정하였다. For the performance comparison according to the present embodiment, when a relay node is not used, the
도 5 를 참조하면, 제1 릴레이 노드(20)와 제2 릴레이 노드(30)를 사용하고 신호 결합 방식으로 최대 비율 결합 방식을 사용한 경우, 제1 릴레이 노드(20)와 제2 릴레이 노드(30)를 사용하고 신호 결합 방식으로 동 이득 결합 방식을 사용한 경우, 및 릴레이 노드를 사용하지 않은 경우의 순으로 BER이 감소함을 알 수 있다. Referring to FIG. 5, when the
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치는 에너지 전력 분야 사물 인터넷에서 전파경로상의 장애, 채널 환경 및 제약 조건 등에 따라 다수 개의 안테나 사용이 어려울 경우 릴레이를 이용한 협력 통신 기법을 사용하여 신호의 정확도를 개선한다.As described above, the multi-relay IQ quantization transmission turbo code decoding apparatus according to an embodiment of the present invention uses a relay when it is difficult to use a plurality of antennas due to obstacles in the propagation path, channel environment, and constraints in the IoT field in the energy power field. Use communication techniques to improve signal accuracy.
또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치는 무선 센서 네트워크에서 센서 노드(10)와 수신 노드(40) 사이의 전파경로에 장애물이 없는 LOS(Line Of Sight) 조건이 만족되지 않고 다중 경로 페이딩으로 인해 채널 환경이 좋지 않더라도, 센서 노드(10)에서와 같이 제한된 전력을 사용해야 하는 시스템에 다이버시티 효과를 제공할 수 있어 수신 성능을 개선할 수 있다. In addition, the multi-relay IQ quantization transmission turbo code decoding apparatus according to an embodiment of the present invention is a line of sight (LOS) condition in which there is no obstacle in the propagation path between the
게다가, 본 발명의 일 실시예에 따른 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치는 릴레이를 이용한 협력 통신 기법 중 I-Q 양자화후 전달 기법을 사용함으로써, 릴레이 노드에서의 연산량을 감소시키고 이를 통해 전력 소모의 감소 네트워크 수명을 증가시킬 수 있다. In addition, the multi-relay IQ quantization transmission turbo code decoding apparatus according to an embodiment of the present invention uses an IQ quantization and then transfer technique among cooperative communication techniques using relays, thereby reducing the amount of computation in the relay node and thereby reducing power consumption. Network life can be increased.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며 당해 기술이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의하여 정해져야할 것이다.Although the present invention has been described with reference to the embodiments shown in the drawings, this is only exemplary, and those of ordinary skill in the art to which the present technology pertains, various modifications and other equivalent embodiments are possible. I will understand. Therefore, the true technical protection scope of the present invention should be determined by the following claims.
10: 센서 노드
11: 터보 부호 부호기
12: 16QAM 변조기
20: 제1 릴레이 노드
21,31: I-Q 양자화기
22,32: 코드 북 기반 소스 부호기
23,33: 부호 변조기
30: 제2 릴레이 노드
40: 수신 노드
41: 부호 복조기
42: 코드 북 기반 소스 복호기
43: 결합기
44: 터보 부호 복호기10: sensor node 11: turbo coder
12: 16QAM modulator 20: first relay node
21,31: IQ quantizer 22,32: Codebook-based source coder
23,33: code modulator 30: second relay node
40: receiving node 41: code demodulator
42: codebook based source decoder 43: combiner
44: turbo code decoder
Claims (9)
상기 센서 노드로부터 상기 센서-릴레이 채널을 통해 전송된 신호를 I-Q 양자화하고 코드 북을 기반으로 신호 전송을 위한 부호어로 대응하여 릴레이-수신 채널을 통해 전송하는 제1 릴레이 노드;
상기 센서 노드로부터 상기 센서-릴레이 채널을 통해 전송된 신호를 I-Q 양자화하고 코드 북을 기반으로 신호 전송을 위한 부호어로 대응하여 릴레이-수신 채널을 통해 전송하는 제2 릴레이 노드; 및
상기 제1 릴레이 노드 및 상기 제2 릴레이 노드로부터 상기 릴레이-수신 채널을 통해 전송된 부호어를 코드 북을 기반으로 양자화된 신호로 전환하고 전환된 양자화된 신호를 결합하여 복호화하는 수신 노드를 포함하는 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치.A sensor node for error correction encoding a signal into a signal capable of correcting a signal error, modulating the encoded signal, and transmitting the signal through a sensor-relay channel;
A first relay node that IQ quantizes the signal transmitted from the sensor node through the sensor-relay channel and transmits it through a relay-receiving channel in response to a codeword for signal transmission based on a codebook;
A second relay node that IQ quantizes the signal transmitted from the sensor node through the sensor-relay channel and transmits it through a relay-receiving channel in response to a codeword for signal transmission based on a codebook; And
And a receiving node converting the codeword transmitted through the relay-receiving channel from the first relay node and the second relay node into a quantized signal based on a code book and combining and decoding the converted quantized signal. Multi-relay IQ quantization transmission turbo code decoding device.
신호의 오류를 정정할 수 있도록 오류 정정 부호화하는 터보 부호 부호기; 및
상기 터보 부호 부호기에 의해 부호화된 부호어를 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 변조 방식으로 변조하여 상기 센서-릴레이 채널을 통해 상기 제1 릴레이 노드와 상기 제2 릴레이 노드로 전송하는 16QAM 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치.The method of claim 1, wherein the sensor node
A turbo code encoder for error correction coding to correct an error in a signal; And
And a 16QAM modulator that modulates the codeword encoded by the turbo coder using a 16QAM (Quadrature Amplitude Modulation) modulation method and transmits it to the first relay node and the second relay node through the sensor-relay channel. Multi-relay IQ quantization transmission turbo code decoding device using
상기 센서-릴레이 채널의 채널 크기와 채널 위상값으로 신호의 채널 위상을 보정한 후 보정된 신호를 I-Q 채널로 분리하여 양자화하는 I-Q 양자화기;
상기 I-Q 양자화기에 의해 양자화된 신호를 코드 북을 기반으로 신호 전송을 위한 부호어로 대응하는 코드 북 기반 소스 부호기; 및
상기 코드 북 기반 부호기로부터 입력된 양자화된 부호어를 변조하여 상기 릴레이-수신 채널을 통해 상기 센서 노드에 전달하는 부호 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치.The method of claim 1, wherein the first relay node
An IQ quantizer for quantizing the corrected signal by separating the corrected signal into IQ channels after correcting the channel phase of the signal using the channel size and the channel phase value of the sensor-relay channel;
A codebook-based source coder corresponding to the signal quantized by the IQ quantizer as a codeword for signal transmission based on a codebook; And
And a code modulator that modulates the quantized codeword input from the codebook-based encoder and transmits it to the sensor node through the relay-receive channel.
균일 양자화 방법을 이용하여 신호를 양자화하는 것을 특징으로 하는 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치.The method of claim 3, wherein the IQ quantizer
A multi-relay IQ quantization transmission turbo code decoding apparatus, characterized in that the signal is quantized using a uniform quantization method.
상기 센서-릴레이 채널의 채널 크기와 채널 위상값으로 신호의 채널 위상을 보정한 후 보정된 신호를 I-Q 채널로 분리하여 양자화하는 I-Q 양자화기;
상기 I-Q 양자화기에 의해 양자화된 신호를 코드 북을 기반으로 신호 전송을 위한 부호어로 대응하는 코드 북 기반 소스 부호기; 및
상기 코드 북 기반 부호기로부터 입력된 양자화된 부호어를 변조하여 상기 릴레이-수신 채널을 통해 상기 센서 노드에 전달하는 부호 변조기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치.The method of claim 1, wherein the second relay node
An IQ quantizer for quantizing the corrected signal by separating the corrected signal into IQ channels after correcting the channel phase of the signal using the channel size and the channel phase value of the sensor-relay channel;
A codebook-based source coder corresponding to the signal quantized by the IQ quantizer as a codeword for signal transmission based on a codebook; And
And a code modulator that modulates the quantized codeword input from the codebook-based encoder and transmits it to the sensor node through the relay-receive channel.
균일 양자화 방법을 이용하여 신호를 양자화하는 것을 특징으로 하는 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치.The method of claim 5, wherein the IQ quantizer
A multi-relay IQ quantization transmission turbo code decoding apparatus, characterized in that the signal is quantized using a uniform quantization method.
상기 제1 릴레이 노드와 상기 제2 릴레이 노드로부터 상기 릴레이 센서 채널을 통해 전달된 양자화 부호어 및 채널 이득값을 복조하는 부호 복조기;
상기 부호 복조기에 의해 복조된 양자화 부호어를 코드 북을 기반으로 양자화된 신호로 복호하는 코드 북 기반 소스 복호기;
상기 코드 북 기반 소스 복호기에 의해 양자화된 신호값과 채널 이득값을 통해 최대 비율 결합(Maximum-Ratio Combining)으로 상기 제1 릴레이 노드와 상기 제2 릴레이 노드에서 받은 신호를 결합하고, 결합된 신호를 이용하여 비트 LLR(Log Likelihood Ratio)을 계산하는 결합기; 및
상기 결합기에 의해 결합되어 입력되는 비트 LLR을 이용하여 상기 센서 노드로부터 전송된 신호를 복호하는 터보 부호 복호기를 포함하는 것을 특징으로 하는 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치.The method of claim 1, wherein the receiving node
A code demodulator configured to demodulate a quantized codeword and a channel gain value transmitted from the first relay node and the second relay node through the relay sensor channel;
A code book-based source decoder for decoding the quantized codeword demodulated by the code demodulator into a quantized signal based on a code book;
The signals received from the first relay node and the second relay node are combined by maximum-ratio combining through a signal value quantized by the codebook-based source decoder and a channel gain value, and the combined signal is A combiner for calculating a bit log likelihood ratio (LLR); And
And a turbo code decoder that decodes the signal transmitted from the sensor node by using the bit LLR combined and inputted by the combiner.
상기 센서 노드와 상기 제1 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값, 상기 제1 릴레이 노드에서 양자화된 신호값, 상기 센서 노드와 상기 제2 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값, 상기 제2 릴레이 노드에서 양자화된 신호값을 최대 비율 결합으로 결합하되,
상기 센서 노드와 상기 제1 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값 및 상기 센서 노드와 상기 제2 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값은 상기 센서-릴레이 채널의 채널 진폭값 및 채널 위상값을 통해 획득되는 것을 특징으로 것을 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치.The method of claim 7, wherein the linking group
A channel gain value of the sensor-relay channel between the sensor node and the first relay node, a signal value quantized by the first relay node, a channel of the sensor-relay channel between the sensor node and the second relay node A gain value and a signal value quantized at the second relay node are combined by a maximum ratio combination,
The channel gain value of the sensor-relay channel between the sensor node and the first relay node and the channel gain value of the sensor-relay channel between the sensor node and the second relay node are the channel amplitude of the sensor-relay channel Multi-relay IQ quantization transmission turbo code decoding apparatus, characterized in that obtained through the value and the channel phase value.
상기 센서 노드와 상기 제1 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값, 상기 제1 릴레이 노드에서 양자화된 신호값, 상기 센서 노드와 상기 제2 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값, 상기 제2 릴레이 노드에서 양자화된 신호값을 최대 비율 결합으로 결합하되,
상기 센서 노드와 상기 제1 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값 및 상기 센서 노드와 상기 제2 릴레이 노드 사이의 상기 센서-릴레이 채널의 채널 이득값은 동일한 것을 특징으로 하는 다중 릴레이 I-Q 양자화 전송 터보부호 복호 장치.
The method of claim 7, wherein the linking group
A channel gain value of the sensor-relay channel between the sensor node and the first relay node, a signal value quantized by the first relay node, a channel of the sensor-relay channel between the sensor node and the second relay node A gain value and a signal value quantized at the second relay node are combined by a maximum ratio combination,
Multiple relay IQ, characterized in that the channel gain value of the sensor-relay channel between the sensor node and the first relay node and the channel gain value of the sensor-relay channel between the sensor node and the second relay node are the same Quantization transmission turbo code decoding device.
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