KR20060040905A - 시간분할듀플렉싱 기반의 광대역 무선통신시스템에서상향링크 간섭을 줄이기 위한 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 다중 섹터 구조를 가지는 TDD(Time Division Duplexing) 기반의 광대역 무선통신시스템에서 상향링크 간섭을 줄이기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다. 본 발명에 따른 기지국의 통신 방법은 복수의 섹터들을 3개의 그룹들로 구분하는 과정과, 상기 3개의 그룹들이 교대로 상향링크 통신을 수행하는 과정과, 상기 3개의 그룹들중 특정 하나의 그룹이 상향링크 통신을 수행할 때, 나머지 2개의 그룹들은 하향링크 통신을 수행하는 과정을 포함한다. 이와 같이, 기지국내 섹터들이 교대로 상향링크 통신을 수행하기 때문에, 상향링크 간섭을 줄일 수 있는 이점이 있다.

상향링크 간섭, 방송서비스, 다중 섹터, 프레임

Description

시간분할듀플렉싱 기반의 광대역 무선통신시스템에서 상향링크 간섭을 줄이기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR REDUCING UPLINK INTERFERENCE IN TDD-BROADBAND WIRELESS SYSTEM}

도 1은 통상적인 3-섹터 셀 구조에서 섹터간 간섭 발생 예를 보여주는 도면.

도 2는 본 발명에 따른 6-섹터 셀 구조를 도시하는 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 프레임 구조를 도시하는 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기지국과 단말 사이의 초기 협상 절차를 도시하는 도면.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방송 서비스를 제공하기 위한 프레임 구조를 도시하는 도면.

도 6은 본 발명에 따른 프레임 구조를 사용할 때, 상향링크 구간에 속한 단말이 다른 영역으로부터 방송 서비스를 수신하는 예를 보여주는 도면.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중 섹터 구조를 가지는 TDD 기반의 광대역 통신시스템에서 기지국이 특정 시점에서 섹터별 통신방향을 결정하기 위한 절차를 도시하는 도면.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다중 섹터 구조를 가지는 TDD 기반의 광대 역 통신시스템에서 단말이 특정 시점에서 통신방향을 결정하기 위한 절차를 도시하는 도면.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 TDD 기반의 광대역 통신시스템에서 단말의 송수신 구조를 보여주는 도면.

도 10은 모의 실험을 통해 획득된 각 섹터별 단말의 수에 따른 SINR 값의 변화를 보여주는 그래프.

본 발명은 광대역 무선통신시스템에서 상향링크 간섭을 줄이기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로, 특히 다중 섹터(multi sector) 구조를 가지는 TDD(Time Division Duplexing) 기반의 OFDMA(Orthogonal Frequency Multiple Access) 통신시스템에서 상향링크 간섭을 줄이기 위해 섹터들이 서로 어긋나게(staggered) 상향링크 통신을 수행하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.

통상적으로, 차세대 통신 시스템인 4세대(4th Generation) 통신시스템에서는 약 100Mbps의 전송속도를 가지는 다양한 서비스 품질(QoS : Quality of Service)을 가지는 서비스들을 사용자들에게 제공하기 위한 활발한 연구가 진행되고 있다. 현재 3세대(3rd Generation) 통신시스템은 일반적으로 비교적 열악한 채널 환경을 가지는 실외 채널 환경에서는 약 384Kbps의 전송속도를 지원하며, 비교적 양호한 채 널 환경을 가지는 실내 채널 환경에서도 최대 2Mbps 정도의 전송속도를 지원한다.

한편, 무선 근거리 통신 네트워크(LAN : Local Area Network) 시스템 및 무선 도시 지역 네트워크(MAN : Metropolitan Area Network) 시스템은 일반적으로 20Mbps∼50Mbps의 전송속도를 지원한다. 그러나, 상기 무선 MAN 시스템은 그 서비스 영역(coverage)이 넓고, 고속의 전송 속도를 지원하기 때문에 고속 통신 서비스 지원에는 적합하나, 사용자, 즉 가입자 단말(Subscriber Station)의 이동성을 전혀 고려하지 않은 시스템이다. 따라서, 현재 4G통신시스템에서는 비교적 높은 전송속도를 보장하는 무선 LAN 시스템 및 무선 MAN 시스템에 이동성(mobility)과 QoS를 보장하는 형태로 연구가 활발하게 진행되고 있다.

상기 무선 MAN 시스템의 물리채널((Physical channel)에 직교주파수분할다중(OFDM : Orthogonal Frequency Division Multiplexing) 방식 및 직교주파수분할다중접속(OFDMA : Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 방식을 적용한 것이 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802.16 통신시스템이다. 즉, 상기 IEEE 802.16 OFDM/OFDMA 통신시스템은 다수의 부반송파(sub-carrier)들을 사용하여 물리채널 신호를 송신함으로써 고속 데이터 전송을 실현한다.

한편, 최근에는 셀룰러 망에서 스펙트럼 효율성을 높이기 위해 주파수 재사용도가 1인 시스템이 보편화되고 있다. 여기서, 주파수 재사용도가 1이라 함은 시스템내 모든 기지국들이 동일한 무선 자원을 동시에 사용할수 있다는 것을 의미한다. 그러나 다른 측면에서 주파수 재사용율의 증가는 그만큼 유효 간섭 신호의 증 가를 일으키고, 이로 인해 시스템 전체의 용량을 감소시킨다. 따라서 주파수 재사용도가 1인 시스템을 구현하는데 있어 인접한 셀 또는 섹터간에 발생하는 간섭의 영향을 줄이기 위한 적절한 조치가 필요하다. 특히, 상향링크의 경우 방향성이 없는 안테나를 사용하는 단말이 셀 또는 섹터의 경계 지역에 존재할 때 간섭으로 인한 성능 열화가 매우 크다.

인접 셀 또는 섹터간 간섭 영향을 줄이기 위한 방안으로 대표적인 것이 CDMA(Code Division Multiple Access)와 주파수 도약(hopping)과 같은 대역 확산(spread spectrum) 방식이다. 상기 CDMA 기술은 간섭 평균화(interface averaging) 기법의 일종으로 협대역 간섭 신호의 영향을 대역 확산을 통해 전체 대역으로 분산시키기 때문에, 기존 아날로그 통신 기술인 AMPS(Advanced Mobile Phone service)에 비해 10∼20배 가량 용량을 증대시킬수 있었다. 이와 같은 맥락에서 주파수 재사용도가 1인 시스템을 구성하기 위해서는 먼저 인접 기지국간의 간섭을 줄일 수 있는 방안이 주요 관건이 된다.

한편, 상기 IEEE 802.16 OFDM/OFDMA 통신시스템(이하 'OFDMA 통신시스템'으로 통칭하기로 함)에서는 퍼뮤테이션(Permutation)을 통해 각 셀의 부채널마다 서로 다른 부반송파를 사용하도록 하여 자원의 충돌을 확률적으로 줄일 수 있는 방안을 제안하고 있다. 그러나 이와 같은 방식 역시 무선 자원의 점유율이 증가할수록 결국 충돌 확률이 증가할 수밖에 없으며 이로 인해 성능이 저하되는 문제점이 있다. 이와 같은 문제는 2^nd tier 이상 떨어진 기지국 사이에서는 거리에 따른 경로 감쇠가 크므로 비교적 문제가 되지 않지만, 서로 메인 빔 방향으로 마주보는 위치에 있는 인접한 기지국들로부터의 간섭 신호에 의한 성능 저하가 심각할 수 있다.

또한, 상향링크에서는 단말이 기지국내 섹터의 경계 지역에 존재할 경우, 해당 단말이 기지국 안테나의 메인 로브(main lobe) 방향에서 크게 벗어나 있게 되므로 안테나 이득이 줄어들게 되고, 뿐만 아니라 지형 지물로 인한 음영으로 해당 단말과 기지국 사이의 수신신호 품질이 나빠질 수 있다. 이런 경우 상향링크에서 전력제어를 수행하더라도 단말은 수신 신호 품질이 나쁘다고 판단하게 되므로 인접한 섹터로 비교적 콘 간섭신호를 전송하게 된다.

도 1은 통상적인 3-섹터 셀 구조에서 섹터간 간섭 발생 예를 보여준다. 도면에서 단말 MS1은 b섹터로부터 서비스를 제공받고 있다고 가정한다.

도시된 바와 같이, 단말 MS1이 섹터의 경계지역에 위치하고 있기 때문에, 단말이 상향링크로 신호를 전송할 경우 인접한 a 섹터에서도 단말 MS1의 신호를 수신하게 된다. 이 경우, a 섹터와 MS1의 거리가 상대적으로 가까우므로, 상기 단말 MS1의 신호는 인접한 셀(기지국)에 존재하는 단말로부터 수신되는 간섭 신호보다 더 큰 영향을 끼칠 수 있다.

이상 살펴본 바와 같이, 주파수 재사용도가 1인 셀룰러 시스템에서 실제적으로 유효한 간섭은, 섹터 안테나의 메인 빔(main beam) 방향으로 마주보는 위치에 있는 셀에 의한 간섭과, 섹터간 경계에 위치한 단말에 의한 간섭이다. 즉, 다중 섹터 구조를 가지는 TDD-OFDMA 통신시스템에서 이러한 상향링크 간섭들을 제거할수 있는 방안이 요구되는 실정이다.

따라서 본 발명의 목적은 다중 섹터 구조를 가지는 TDD 기반 광대역 통신시스템에서 상향링크 간섭을 줄이기 위해 섹터들이 서로 어긋나게(staggered) 상향링크 통신을 수행하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

본 발명의 다른 목적은 다중 섹터 구조를 가지는 TDD 기반 광대역 통신시스템에서 상향링크 간섭을 줄이기 위한 프레임 구조를 제공함에 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 다중 섹터 구조를 가지는 TDD 기반 광대역 통신시스템에서 방송 서비스를 효율적으로 제공하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제1견지에 따르면, 다중 섹터 구조를 가지는 TDD(Time Division Duplexing) 기반의 광대역 무선통신시스템에서 기지국의 통신 방법은, 복수의 섹터들을 3개의 그룹들로 구분하는 과정과, 상기 3개의 그룹들이 교대로 상향링크 통신을 수행하는 과정과, 상기 3개의 그룹들중 특정 하나의 그룹이 상향링크 통신을 수행할 때, 나머지 2개의 그룹들은 하향링크 통신을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2견지에 따르면, 기지국내 복수의 섹터들을 3개의 그룹들로 구분하고, 상기 3개의 그룹들을 교대로 선택하여 상향링크 통신을 수행하며, 특정 하나의 그룹이 상향링크 통신을 수행할 때 나머지 그룹들은 하향링크 통신을 수행하는 광대역 무선통신시스템에서 단말의 통신 방법은, 기지국으로부터 상기 단말이 속한 섹터의 하향링크 구간 및 상향링크 구간에 대한 타이밍 정보를 포함하는 메시 지를 수신하는 과정과, 상기 수신된 메시지로부터 추출된 상기 타이밍 정보에 따라 하향링크와 상향링크간의 스위칭을 수행하는 과정과, 상기 상향링크 구간일 경우, 방송서비스를 수신해야 하는지를 검사하는 과정과, 상기 방송서비스를 수신해야 하는 경우, 하향링크로 스위칭하여 인접 기지국으로부터 방송서비스를 수신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제4견지에 따르면, 기지국내 복수의 섹터들을 3개의 그룹들로 구분하고, 상기 3개의 그룹들을 교대로 선택하여 상향링크 통신을 수행하며, 특정 하나의 그룹이 상향링크 통신을 수행할 때 나머지 그룹들은 하향링크 통신을 수행하는 광대역 무선통신시스템에서 단말 장치는, 송신과 수신 사이의 스위칭을 담당하는 듀플렉서와, 기지국으로부터 수신되는 메시지를 분석하여 하향링크 구간 및 상향링크 구간에 대한 타이밍 정보를 획득하는 제어메시지 처리기와, 상기 제어메시지 처리기로부터의 타이밍 정보 및 방송서비스 수신여부에 근거해서 상기 듀플렉서의 스위칭 동작을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

하기 설명에서 기지국내 섹터의 개수, 섹터의 그룹핑 방식, 그룹의 개수 등 과 같은 특정 상세들이 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 나타나 있다. 이들 특정 상세들 없이 또한 이들의 변형에 의해서도 본 발명을 용이하게 실시할수 있다는 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

이하 본 발명은 다중 섹터 구조를 가지는 TDD(Time Division Multiplexing) 기반 광대역 통신시스템에서 상향링크 간섭을 줄이기 위해 섹터들이 서로 어긋나게(staggered) 상향링크 통신을 수행하기 위한 방안에 대해 설명하기로 한다. 구체적으로, 섹터들이 서로 어긋나게 상향링크 통신을 수행하기 위한 프레임 구조 및 새로운 프레임 구조에 따른 상향링크/하향링크 스위칭 방식 그리고 새로운 프레임 구조를 효율적으로 이용하기 위한 방송 서비스 방법에 대해 살펴보기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 6-섹터 셀 구조를 도시하고 있다.

도 2를 참조하면, 기지국(또는 셀)내 6개의 섹터들을 {a,d}, {b,e}, {c,f} 세 영역으로 구분하고, 편의상 {a,d} 영역을 'A' 영역으로, (b,e} 영역을 'B' 영역으로, {c,f} 영역을 'C' 영역으로 정의한다. 이때 각 기지국내 동일한 영역의 안테나들은 서로 반대 방향을 향하고 있으며, 동일한 영역에 속한 섹터들은 상향링크 또는 하향링크 통신을 동시에 수행한다. 예를들어, A 영역(a, b 섹터)이 상향링크 구간이면 나머지 B와 C 영역(b,c,e,f 섹터)은 하향링크 구간이 된다. 즉, 3개의 영역들이 교대로 상향링크 통신을 수행하고, 상기 3개의 영역들중 특정 하나가 상향링크 통신을 수행할 때 나머지 2개의 영역들은 하향링크 통신을 수행하는 것을 특징으로 한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 프레임 구조를 도시하고 있다. 도면에서 가 로축은 시간 영역을 나타내고, 세로축은 섹터별로 나뉘어진 공간 영역을 나타낸다.

앞서 설명한 바와 같이, 기지국별 6개의 섹터들 중 2개의 섹터들을 묶어 하나의 영역으로 구성하면, 1개의 기지국내에 3개의 영역들의 정의된다. 도시된 바와 같이, 섹터 a와 섹터 d를 묶어 A 영역으로 정의하고, 섹터 b와 섹터 e를 묶어 B 영역으로 정의하며, 섹터 c와 섹터 f를 묶어 C 영역으로 정의한다. 여기서, 동일한 영역의 2개의 섹터들은 서로 반대 방향으로 빔을 형성한다. 그리고 상기 3개의 영역들은 교대로 상향링크 통신을 수행한다. 이로 인해 상향링크 간섭량을 1/3으로 감소시킬 수 있다. 이때, 각 영역에서의 상향링크와 하향링크 프레임의 길이가 서로 동일하다면, 하향링크와 상향링크 비율은 2:1이 된다. 본 발명에 따른 프레임 구조는 전체적으로 상향링크에서의 자원 사용 기회가 줄어들긴 하지만 그만큼 하향링크 구간에서 자원의 사용 기회가 증가하므로 전체 구간에서의 주파수 재사용도는 1로 유지된다.

이와 같이, 본 발명은 섹터마다 상향링크와 하향링크간 스위칭 방식이 상이하기 때문에, 단말은 초기 시스템 접속시 또는 핸드오버를 통해 다른 영역으로 진입할 경우, 해당 영역에서의 상향링크 및 하향링크에 대한 타이밍 정보를 기지국으로부터 획득해야 한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 기지국과 단말 사이의 초기 협상 절차를 도시하고 있다. 본 발명에 따르면, 단말은 초기 기본 능력 협상 절차를 통해 자신이 속해 있는 영역의 상향링크/하향링크 타이밍 정보를 획득한다.

도 4를 참조하면, 먼저 초기 시스템 접속시, 단말은 탐색을 통해 신호 품질 이 가장 좋은 기지국을 획득(acquisition)하고, 상기 획득된 기지국으로부터의 하향링크 제어 심볼을 통해 동기를 획득한다(401단계).

이후, 상기 단말은 상향링크 시간 옵셋과 전력제어를 위해 레인징 요청 신호(RNG-REQ : ranging request)를 기지국으로 전송하고(403단계), 기지국은 상기 레인징 요청 신호에 대한 응답 신호(RNG-RSP : ranging-response)를 상기 단말로 전송한다(405단계). 상기 응답 신호(RNG-RSP)는 상기 단말의 상향링크 시간 옵셋을 조정하기 위한 정보 및 전력제어 정보를 포함할수 있다.

이후, 단말은 기본 능력을 협상하기 위해 가입자 기본 능력 요청 신호(SBC-REQ : subscriber Basic capability-request)를 기지국으로 전송하고(407단계), 상기 기지국은 상기 가입자 기본 능력 요청 신호에 대한 응답 신호(SBC-RSP : subscriber basic capability-response)를 상기 단말로 전송한다(409단계). 상기 가입자 능력 요청 신호(SBC-REQ)는 가입자의 기본 능력에 대한 정보들(MAC 버전, 하이브리드 ARQ 지원여부 등)을 포함할수 있다. 그리고, 본 발명에 따라 상기 응답신호(SBC-RSP)는 현재 단말이 속한 섹터의 상향링크/하향링크 타이밍 정보를 포함한다. 이와 같이 기본 능력을 협상한후, 상기 단말은 비로소 네트웍(network)에 진입하게 된다(411단계)

상술한 바와 같이, 기본 능력 협상을 통해 단말은 자신이 속한 섹터가 상기 3개의 영역들(A,B,C)중 어느 영역에 속하는지 파악하게 되고, 아울러 해당 영역의 하향링크/상향링크 타이밍 정보를 획득하게 된다. 단말이 핸드오버를 통해 새로운 영역으로 진입한 경우에도 마찬가지로 해당 대상(target) 기지국과의 기본 능력 협 상을 통해 하향링크/상향링크에 대한 타이밍 정보를 획득할수 있다.

한편, 종래의 TDD 프레임 구조에서는 시스템내 모든 기지국이 같은 시간에 상향링크 및 하향링크를 수행하는 반면, 본 발명에 따른 프레임 구조에서는 특정 시간대에 3개의 영역들중 1개 영역이 상향링크, 나머지 2개 영역들이 하향링크 통신을 수행하게 된다. 이와 같은 프레임 구조는 SFN(Single Frequency Network)망을 이용하여 상/하향링크 구분 없이 언제나 하향링크로 멀티캐스트(multicast) 또는 브로드캐스트(broadcast) 서비스를 제공할수 있는 장점이 있다. 다시 말해, 단말이 상향링크 영역에 속해 있더라도 인접한 영역의 하향링크를 통해 방송서비스를 수신할수 있다.

그러면, 여기서 본 발명에 따른 프레임 구조에서 실시간 방송 서비스와 패킷 데이터 서비스를 동시에 제공하기 위한 방안을 상세히 설명하기로 한다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 방송 서비스를 제공하기 위한 프레임 구조를 도시하고 있다.

도시된 바와 같이, A 영역(a섹터와 d섹터)은 하향링크->하향링크->상향링크...와 같이 통신을 수행하고, B 영역(b섹터와 e섹터)은 상향링크->하향링크->하향링크...와 같이 통신을 수행하며, C영역(c섹터와 f섹터)은 하향링크->상향링크->하향링크...와 같이 통신을 수행하고 있다.

여기서, 상향링크 프레임들(A영역의 세 번째 프레임, B영역의 첫 번째 프레임, C 영역의 두 번째 프레임)을 살펴보면, 자원의 일부를 공통 방송 서비스 영역 (Broadcasting Region)으로 할당하여 방송서비스와 패킷 데이터 서비스를 동시에 제공하고 있다. 그리고 나머지 하향링크 프레임들을 살펴보면, 상기 방송 서비스 영역에 대응하는 자원을 사용하지 않기 위해 빈 영역(Vacant Region)으로 할당하고 있다.

예를들어, A영역이 상향링크이고, B와 C영역이 하향링크 구간인 경우(세 번째 프레임 구간), A 영역에는 상향링크 통신을 수행하게 될 단말과 하향링크 통신을 수행하게 될 단말이 함께 존재할 수 있으며, B와 C영역에는 하향링크 통신을 수행하는 단말만 존재한다. 여기서, A영역에 속하는 단말들중 하향링크 통신을 수행하는 단말은 방송서비스를 수신하는 단말이다. 이 경우, A 영역에 속하면서 방송 서비스를 수신하는 단말은 인접한 B와 C 영역으로부터 방송 서비스를 수신하게 된다.

이상 살펴본 바와 같이, 단말은 자신이 속해있는 영역에 따라 상향링크 구간과 하향링크 구간의 배치가 결정된다. 한편, 하향링크 구간의 방송 영역(Broadcasting Region)은 각 기지국이 동일한 데이터를 전송하게 되므로 방송 서비스를 제공받고자 하는 단말은 매크로 다이버시티(macro diversity)를 통해 방송 서비스를 수신한다. 따라서 단말이 현재 속해있는 영역이 상향링크 구간이더라도 인접한 다른 영역의 하향링크 방송 영역(Broadcasting Region)을 통해 방송 서비스를 제공받을 수 있다. 한편, 상향링크 구간중 하향링크 방송 서비스 구간에 대항하는 부분은 상향링크 전송시 자원간의 충돌을 고려하여 사용하지 않고 비워두도록 한다.

도 6은 본 발명에 따른 프레임 구조를 사용할 때, 상향링크 구간에 속한 단말이 다른 영역으로부터 방송 서비스를 수신하는 예를 보여주는 도면이다. 도시된 바와 같이, 기지국 BS1의 a 섹터 영역은 현재 상향링크 구간이지만 방송 서비스를 제공받는 단말은 같은 순간 하향링크 구간을 수행하고 있는 인접한 기지국들(BS2 및 BS3)로부터 방송 서비스를 수신할수 있다.

그러면, 여기서 기지국에서 특정 시점에서 섹터별 통신 방향을 결정하기 위한 방법에 대해 살펴보기로 한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 다중 섹터 구조를 가지는 TDD 기반의 광대역 통신시스템에서 기지국이 특정 시점에서 섹터별 통신방향을 결정하기 위한 절차를 도시하고 있다. 이하 6섹터 구조를 가정하여 설명하기로 한다. 먼저, 6개의 섹터들을 3개의 영역들(A,B,C)로 구분한다. 이때, 동일 그룹에 속하는 2개의 섹터들은 서로 반대 방향으로 빔을 형성하고 있다.

도 7을 참조하면, 기지국은 701단계에서 프레임 번호 N을 3으로 나눈 나머지 값을 산출한다. 그리고 상기 기지국은 703단계에서 상기 나머지 값이 '0'인지를 검사한다. 상기 나머지 값이 '0'인 프레임은 소정 기준으로부터 3번째 프레임, 6번째 프레임, 9번째 프레임 등이 될 수 있다. 상기 나머지 값이 '0'일 경우, 상기 기지국은 709단계에서 A 영역에 대해 상향링크 통신을 수행하고, 나머지 B와 C 영역에 대해 하향링크 통신을 수행한다.

상기 나머지 값이 '0' 이 아니면, 상기 기지국은 705단계로 진행하여 상기 나머지 값이 '1'인지 검사한다. 상기 나머지 값이 '1'인 프레임은 1번째 프레임, 4번째 프레임, 7번째 프레임 등이 될 수 있다. 상기 나머지 값이 '1'이면, 상기 기지국은 711단계로 진행하여 B영역에 대해 상향링크 통신을 수행하고, 나머지 A와 C 영역에 대해 하향링크 통신을 수행한다.

한편, 상기 나머지 값이 '1'이 아니면, 상기 기지국은 707단계로 진행하여 상기 나머지 값이 '2'인지 검사한다. 상기 나머지 값이 '2'인 프레임은 2번째 프레임, 5번째 프레임, 8번째 프레임 등이 될 수 있다. 만일, 상기 나머지 값이 '2'이면, 상기 기지국은 713단계로 진행하여 C영역에 대해 상향링크 통신을 수행하고, 나머지 A와 B 영역에 대해 하향링크 통신을 수행한다.

상술한 바와 같이, 복수의 섹터들을 3개의 그룹들로 분류하고, 상기 3개의 그룹들이 교대로 상향링크 통신을 수행하며, 특정 하나의 그룹이 상향링크 통신을 수행할 때 나머지 그룹들은 하향링크 통신을 수행하는 것을 특징으로 한다.

다음으로, 단말에서 프레임 구간별로 통신방향을 결정하기 위한 절차를 살펴보기로 한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 다중 섹터 구조를 가지는 TDD 기반의 광대역 통신시스템에서 단말이 특정 시점에서 통신방향을 결정하기 위한 절차를 도시하고 있다. 설명함에 앞서, 단말이 기지국과의 협상을 통해 상향링크 및 하향링크 구간에 대한 타이밍 정보를 이미 알고 있다고 가정한다.

도 8을 참조하면, 먼저 단말은 801단계에서 현재 속해 있는 영역(또는 섹터) 이 하향링크 구간인지 검사한다. 만일, 상기 하향링크 구간이면, 상기 단말은 702단계로 진행하여 기지국으로부터 하향링크 데이터를 수신한다. 이때, 상기 단말이 방송서비스를 제공받는 경우라면, 상기 단말은 자신이 속한 기지국(또는 셀)뿐만 아니라 인접한 다른 기지국들중 하향링크를 수행하는 기지국들로부터 방송서비스를 수신하게 된다. 이때, 단말은 매크로 다이버시티(macro diversity)를 통해 여러 기지국들로부터 방송서비스를 수신한다.

만일, 상향링크 구간이면, 상기 단말은 805단계로 진행하여 방송서비스를 수신해야 하는지를 검사한다. 이때, 방송서비스를 수신해야 한다면, 상기 단말은 807단계로 진행하여 하향링크 통신을 수행하여 인접 기지국들로부터 방송서비스(멀티캐스트 또는 브로드캐스트 서비스)를 수신한다. 만일, 방송서비스를 수신할 필요가 없다면, 상기 단말은 809단계로 진행하여 상향링크 통신을 수행한다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 TDD기반의 광대역통신시스템에서 단말의 송수신 구조를 보여준다.

도시된 바와 같이, 단말은 부호기(901), 인터리버(903), 변조기(905), 부반송파 매핑기(907), IFFT연산기(909), 병/직렬 변환기(911), CP추가기(913), 송신기(915), 듀플렉서(917), 수신기(919), CP제거기(921), 직/병렬 변환기(923), FFT연산기(925), 부반송파 디매핑기(927), 복조기(929), 디인터리버(931), 복호기(933)를 포함하여 구성된다.

먼저 송신경로를 살펴보면, 부호기(Encoder)(901)는 입력되는 정보 데이터 (information bits)를 무선채널에 강하게(Robust) 만들기 위해 해당 부호율로 채널부호화(Channel coding)하여 출력한다. 인터리버(903)는 상기 부호기(901)로부터의 부호화 데이터를 버스트 에러(burst error)에 강하게 인터리빙하여 출력한다. 변조기(905)는 상기 인터리버(903)로부터의 데이터를 해당 변조 방식으로 변조하여 출력한다. 여기서, 상기 변조 방식으로는 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying), 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation), 64QAM 등을 사용할 수 있다. 부반송파 매핑기(907)는 상기 변조기(905)로부터의 데이터를 부반송파 매핑하여 출력한다.

상기 IFFT연산기(909)는 상기 부반송파 매핑기(907)로부터의 데이터를 역 고속 푸리에 변환(IFFT)하여 시간 샘플 데이터를 출력한다. 병/직렬 변환기(911)는 상기 IFFT연산기(909)로부터 입력되는 병렬 데이터를 직렬 데이터로 변환하여 출력한다. CP추가기(913)는 무선채널의 다중경로 페이딩 현상 때문에 발생하는 자기신호에 의한 잡음(Inter Symbol Interference, 이하 'ISI'라고 칭함)을 제거하기 위해서 상기 병/직렬 변환기(911)에서 출력되는 샘플 데이터에 보호구간(CP : Cyclic Prefix)을 삽입하여 출력한다.

송신기(915)는 상기 CP추가기(207)로부터의 디지털 신호를 아날로그 신호로 변환하고, 상기 아날로그 기저대역 신호를 실제 전송 가능하도록 고주파(RF : Radio Frequency) 대역 신호로 변환하여 듀플렉서(917)로 출력한다. 상기 듀플렉서(917)는 TDD 방식으로 상기 송신기(915)로부터의 송신신호(상향링크 신호)를 안테나(ANT)로 출력하고, 상기 안테나(ANT)로부터의 수신 신호(하향링크 신호)를 수신기(919)로 출력한다.

다음으로 수신경로를 살펴보면, 수신기(919)는 상기 듀플렉서(917)로부터의 고주파 대역의 신호를 기저대역으로 변환하고, 상기 기저대역 아날로그 신호를 시간 샘플 데이터로 변환하여 출력한다. CP제거기(921)는 상기 수신기(919)로부터의 샘플 데이터에서 보호구간(CP)을 제거하여 OFDM심볼의 유효 데이터를 출력한다. 직/병렬 변환기(923)는 상기 CP제거기(921)로부터의 직렬 데이터를 IFFT연산기(925)의 입력을 위한 병렬 데이터로 변환하여 출력한다. FFT연산기(925)는 상기 직/병렬 변환기(923)로부터의 병렬 데이터에 고속 푸리에 변환(FFT : Fast Fourier Transform)하여 주파수 영역의 데이터를 출력한다.

부반송파 디매핑기(927)는 상기 FFT연산기(925)로부터의 부반송파 값들에서 실제 데이터가 실린 부반송파 값들을 추출하여 출력한다. 복조기(929)는 상기 부반송파 디매핑기(927)로부터의 데이터를 해당 복조 방식으로 복조하여 출력한다. 디인터리버(931)는 상기 복조기(929)로부터의 데이터를 디인터리빙하여 출력한다. 복호기(933)는 상기 디인터리버(931)로부터의 데이터를 해당 부호율로 채널복호화(channel decoding)하여 정보 데이터를 복원한다.

제어메시지 처리기(935)는 기지국으로부터 제어메시지를 처리하여 필요한 정보들을 획득한다. 본 발명에 따라 상기 제어메시지 처리기(935)는 기지국으로부터 수신되는 SBC-RSP(subscriber basic capability-response) 메시지를 분석해서 하향링크/상향링크에 대한 타이밍 정보를 획득하고, 상기 하향링크/상향링크에 대한 타이밍 정보를 송수신 제어기(937)로 제공한다. 상기 송수신 제어기(937)는 상기 제어메시지 처리기(935)로부터의 하향링크/상향링크에 대한 타이밍 정보를 가지고 상 기 듀플렉서(917)의 스위칭 동작을 제어한다. 이때, 상기 송수신 제어기(937)는 상기 하향링크/상향링크에 대한 타이밍 정보뿐만 아니라 현재 단말의 방송서비스 수신여부 등을 판단하여 상기 듀플렉서(971)를 제어한다. 예를들어, 상향링크 구간이지만 방송서비스를 수신해야 한다면, 하향링크 신호를 수신할수 있도록 상기 듀플렉서(917)를 제어한다.

그러면, 여기서 본 발명에 따른 프레임 구조를 사용할 경우 성능 변화에 대해 살펴보기로 한다.

먼저, 인접 셀간 간섭 영향에 대해 살펴보면, 같은 시간 구간에서 상향링크와 하향링크가 동시에 수행되므로 그에 따른 간섭 신호의 영향을 고려해야 할 필요가 있다. 예를들어, A(a,d 섹터) 영역이 상향링크 구간일 때 나머지 B(b,e 섹터)와 C(c,f) 영역은 하향링크 구간이다. 이 경우, B와 C 영역의 섹터 안테나에서 전송된 신호가 A 영역의 섹터 안테나로 간섭을 일으킬 수 있게 된다. 특히, 안테나의 빔 패턴이 정확하지 않으면 같은 셀에 위치한(co-sited) 다른 섹터로부터 들어오는 간섭 영향도 무시할수 없다. 이와 같은 동일 셀간 서로 다른 섹터로부터의 간섭 영향은 현재 활발히 개발중인 스마트 안테나를 사용할 경우 문제가 되지 않는다.

또한, 단말이 셀의 경계 지역에 위치해 있을 경우를 살펴보면, 이때 A 영역의 섹터 안테나 방향으로 신호 영향을 미치는 주요 간섭 섹터 안테나의 수는 1^st tier 이내만 고려하여 4개이다. 그러나 이와 같은 경우 간섭 섹터의 신호는 A 영역 의 섹터 안테나의 메인 빔 방향에서 60° 가량 이격되어 있으므로 입사되는 간섭 신호는 기지국의 안테나 패턴에 의해 감쇠를 겪게 된다. 그럼에도 불구하고 셀간 경계 지역에 위치한 단말은 언제든지 상향링크 서비스 불가 상황이 발생할수 있다. 만약 서비스 불가 상황을 감지하게 되는 경우 보호 채널을 통해 데이터를 전송하는 방안을 고려할수 있다. 보호 채널은 모든 기지국이 사용하지 않고 비워둔 부채널로써, 수신 SINR(Signal to Interference Noise Ratio )을 최대로 보장하고 있다.

한편, A 영역이 상향링크 구간, B영역이 하향링크 구간일 때 A 영역의 단말이 전송한 신호가 B 영역의 단말에게 미치는 간섭 영향을 고려할 수 있다. 이와 같은 경우 단말의 송신 전력이 기지국에 비해 낮을 뿐만 아니라 대부분 단말의 고도가 높지 않으므로 도심 지역과 같은 곳에서는 해당 단말 사이에 다양한 장애물이 존재한다고 가정할 수 있어 어느 정도 간섭 영향을 배제할수 있다. 또한 A 영역의 단말이 설령 경계 지역에 위치해 있어 자신이 속한 기지국과 접속이 쉽지 않다면, 해당 단말은 보호채널을 이용하게 되므로 B 영역의 단말에게 미치는 간섭 영향은 매우 줄어든다.

이상 살펴본 바와 같이, 본 발명은 TDD 기반의 OFDMA 통신시스템에서 각 셀마다 섹터들을 3개의 그룹들로 구분하고, 3개의 그룹들이 교대로 상향링크 통신을 수행함으로써 셀간 간섭의 크기를 감소시키는 방안을 제안하고 있다. 또한, 본 발명은 하향링크 프레임 내에 공통 방송 채널(Broadcasting Region)을 설정하여 실시간 방송 서비스를 기존 패킷 데이터 서비스와 함께 효과적으로 서비스할수 있는 방안을 제안하고 있다.

이와 같이, 본 발명은 상향링크 구간에서의 무선 자원 사용 기회가 1/3으로 줄어들지만 실제 웹 브라우징과 같은 인터넷 서비스 및 방송 서비스 등이 하향링크에 더욱 편중되어 있으므로 운용상 문제는 없을 것으로 판단된다. 상향링크 구간에서 줄어든 전송 효율은 하향링크에서 활용하도록 하였으며 또한 SFN 망을 통해 방송 전용 채널로 활용함으로써 TDD 기반 OFDMA 통신시스템에서 방송과 통신의 통합 서비스를 효율적으로 제공할수 있는 방안이 될 수 있다.

한편, 본 발명은 상향링크에서 간섭의 크기가 이론적으로 1/3(4.77dB)으로 줄어들게 된다. 여기서, 본 발명에 따른 프레임 구조를 사용할 경우 실제 간섭 크기가 어느 정도 줄어드는지 모의 실험을 통해 살펴보기로 한다. 모의 실험에서는 1^st tier만을 고려하여 전체 7개의 셀들을 가정하였으며, 각 셀은 6개 섹터로 구성되어 있다. 거리에 따른 경로 감쇠 지수는 3.88을 사용하였으며, 이때 경로 감쇠 모델은 ITU-R Vehicular 채널 모델을 적용하였다. 그리고 상향링크 전력 제어는 적용하지 않았고 안테나 패턴은 이상적(ideal)으로 가정하였다.

도 10은 모의 실험을 통해 획득된 각 섹터별 단말의 수에 따른 SINR 값의 변화를 보여주는 그래프이다. 도시된 바와 같이, 제안된 방식이 기존 방식에 비해 2∼4dB 가량 SINR(Signal to Interference Noise Ratio) 이득이 높은 것을 확인할수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

상술한 바와 같이, 본 발명은 기지국내 섹터들이 교대로 상향링크 통신을 수행하기 때문에, 상향링크 간섭을 줄일 수 있는 이점이 있다. 또한, 하향링크 프레임내 방송서비스를 위한 방송 공통 채널을 할당하여 방송서비스를 효율적으로 제공할수 있는 이점이 있다.

Claims (21)

1. 다중 섹터 구조를 가지는 TDD(Time Division Duplexing) 기반의 광대역 무선통신시스템에서 기지국의 통신 방법에 있어서,

   복수의 섹터들을 3개의 그룹들로 구분하는 과정과,

   상기 3개의 그룹들이 교대로 상향링크 통신을 수행하는 과정과,

   상기 3개의 그룹들중 특정 하나의 그룹이 상향링크 통신을 수행할 때, 나머지 2개의 그룹들은 하향링크 통신을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 기지국내 6개의 섹터들이 존재할 때, 동일 그룹에 속하는 2개의 섹터들은 서로 반대 방향으로 빔(beam)을 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 하향링크 프레임은 방송서비스를 위한 영역(Broadcasting Region)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
4. 제3항에 있어서,

   상기 방송서비스는 SFN(Single Frequency Network)을 통해 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
5. 제3항에 있어서,

   상기 상향링크 프레임은 상기 하향링크 방송서비스 영역에 대응하여 사용하지 않는 빈 영역(Vacant Region)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 복수의 섹터들의 각각에 대한 상향링크 구간 및 하향링크 구간에 대한 타이밍 정보는 가입자 기능 능력(SBC : Subscriber basic capability) 협상을 위한 메시지를 통해 단말로 제공되는 것을 특징으로 하는 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 상향링크 프레임과 상기 하향링크 프레임의 길이는 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
8. 다중 섹터 구조를 가지는 TDD(Time Division Duplexing) 기반의 광대역 무선통신시스템에서 기지국의 통신 방법에 있어서,

   복수의 섹터들을 3개의 그룹들로 구분하는 과정과,

   소정 기준으로 카운팅되는 프레임 번호를 '3'으로 나누어 나머지 값을 산출하는 과정과,

   상기 나머지 값이 '0'일 경우, 상기 3개의 그룹들중 제1그룹은 상향링크 통신을 수행하고, 나머지 그룹들은 하향링크 통신을 수행하는 과정과,

   상기 나머지 값이 '1'일 경우, 상기 3개의 그룹들중 제2그룹은 상향링크 통신을 수행하고, 나머지 그룹들은 하향링크 통신을 수행하는 과정과,

   상기 나머지 값이 '2'일 경우, 상기 3개의 그룹들중 제3그룹은 상향링크 통신을 수행하고, 나머지 그룹들은 하향링크 통신을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 방법.
9. 기지국내 복수의 섹터들을 3개의 그룹들로 구분하고, 상기 3개의 그룹들을 교대로 선택하여 상향링크 통신을 수행하며, 특정 하나의 그룹이 상향링크 통신을 수행할 때 나머지 그룹들은 하향링크 통신을 수행하는 광대역 무선통신시스템에서 단말의 통신 방법에 있어서,

   기지국으로부터 상기 단말이 속한 섹터의 하향링크 구간 및 상향링크 구간에 대한 타이밍 정보를 포함하는 메시지를 수신하는 과정과,

   상기 수신된 메시지로부터 추출된 상기 타이밍 정보에 따라 하향링크와 상향링크간의 스위칭을 수행하는 과정과,

   상기 상향링크 구간일 경우, 방송서비스를 수신해야 하는지를 검사하는 과정과,

   상기 방송서비스를 수신해야 하는 경우, 하향링크로 스위칭하여 인접 기지국으로부터 방송서비스를 수신하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
10. 제9항에 있어서,

    상기 기지국내 6개의 섹터들이 존재할 때, 동일 그룹에 속하는 2개의 섹터들은 서로 반대 방향으로 빔(beam)을 생성하는 것을 특징으로 하는 방법.
11. 제9항에 있어서,

    상기 하향링크 프레임은 방송서비스를 위한 영역(Broadcasting Region)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
12. 제9항에 있어서,

    상기 상향링크 프레임은 하향링크 방송서비스 영역에 대응하여 사용하지 않는 빈 영역(Vacant Region)을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
13. 제9항에 있어서,

    상기 상향링크 구간 및 하향링크 구간에 대한 타이밍 정보를 포함하는 메시지는 가입자 기본 능력(SBC : Subscriber Basic Capability) 협상을 위한 메시지인 것을 특징으로 하는 방법.
14. 제9항에 있어서,

    상기 상향링크 프레임과 상기 하향링크 프레임의 길이는 동일한 것을 특징으로 하는 방법.
15. 기지국내 복수의 섹터들을 3개의 그룹들로 구분하고, 상기 3개의 그룹들을 교대로 선택하여 상향링크 통신을 수행하며, 특정 하나의 그룹이 상향링크 통신을 수행할 때 나머지 그룹들은 하향링크 통신을 수행하는 광대역 무선통신시스템에서 단말 장치에 있어서,

    송신과 수신 사이의 스위칭을 담당하는 듀플렉서와,

    기지국으로부터 수신되는 메시지를 분석하여 하향링크 구간 및 상향링크 구간에 대한 타이밍 정보를 획득하는 제어메시지 처리기와,

    상기 제어메시지 처리기로부터의 타이밍 정보 및 방송서비스 수신여부에 근거해서 상기 듀플렉서의 스위칭 동작을 제어하는 제어기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
16. 제15항에 있어서,

    상기 제어기는, 현재 상향링크 구간이더라도 상기 방송서비스를 수신해야 하는 경우, 하향링크 신호를 수신할수 있도록 상기 듀플렉서를 제어하는 것을 특징으로 하는 장치.
17. 제15항에 있어서,

    상기 기지국내 6개의 섹터들이 존재할 때, 동일 그룹에 속하는 2개의 섹터들은 서로 반대 방향으로 빔(beam)을 생성하는 것을 특징으로 하는 장치.
18. 제15항에 있어서,

    상기 하향링크 프레임은 방송서비스를 위한 영역(Broadcasting Region)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
19. 제15항에 있어서,

    상기 상향링크 프레임은 하향링크 방송서비스 영역에 대응하여 사용하지 않는 빈 영역(Vacant Region)을 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
20. 제15항에 있어서,

    상기 상향링크 구간 및 하향링크 구간에 대한 타이밍 정보를 포함하는 메시지는 가입자 기본 능력(SBC : Subscriber Basic Capability) 협상을 위한 메시지인 것을 특징으로 하는 장치.
21. 제15항에 있어서,

    상기 상향링크 프레임과 상기 하향링크 프레임의 길이는 동일한 것을 특징으로 하는 장치.

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