ＬＴＥ 시스템에서 자원 할당 방법

도 1은 LTE 시스템의 하향링크에서 정의하는 자원의 단위를 설명하기 위한 도면이다. LTE 하향링크는 OFDMA 방식을 사용한다. 그리고 무선 자원의 기본 단위를 자원 요소 (resource element, 이하 "RE")라 한다. 하나의 RE (112)는 주파수 축 상에서 하나의 서브케리어 (subcarrier), 시간 축 상에서 하나의 OFDM 심볼, 공간 축 상에서 하나의 가상 안테나 포트로 구성된다. 즉, 하나의 RE를 이용하여 하나의 변조 신호가 전송된다. RE 단위로 자원을 할당할 경우 자원 할당을 표시하기 위한 정보량이 매우 많아지기 때문에 자원 할당의 기본 단위는 자원블록 (resource block, 이하 "RB")으로 정의 한다. 하나의 RB (110)는 주파수 축 상에서 12개의 서브케리어 (subcarrier)와 시간 축 상에서 하나의 서브프레임 (subframe)으로 구성된다. 서브프레임은 1msec이며 14개의 OFDM 심볼로 구성된다. 한편 10개의 서브프레임이 모이면 하나의 라디오 프레임 (radio frame)이 구성된다. 도 2는 LTE 하향링크에서 RB 내의 용도별 RE의 배치를 도시한 것이다. 채널 추정을 위해 기지국은 약속된 위치에 기정의된 기준 신호 (reference signal, 이하 "RS")를 전송한다. 단말기는 자원이 할당된 위치와 송신 신호를 이미 알고 있기 때문에 RS의 수신을 통해 채널 응답을 추정할 수 있다. 120는 공용 RS (common RS) 전송에 사용되는 RE를 나타낸다. 그리고 송신 안테나 포트의 수가 4개인 경우 공용 RS의 RB 내 위치는 도 2와 같다. 하나의 RB는 168 (=12×14)개의 RE로 구성되는데, 송신 안테나 포트의 수가 4개인 경우 공용 RS에 사용되는 RE의 개수는 24개임을 알 수 있다. 한편 자원 할당 정보 등을 알려 주기 위한 PDCCH (Physical Downlink Control CHannel)는 한 서브프레임의 선두 n개의 OFDM 심볼 구간 동안 전송되는데 이 구간을 제어 영역 (control region, 122)이라고 한다. 여기서 n은 1,2, 또는 3의 값을 갖는다. [도 2]의 예에서 제어 영역은 서브프레임 내 선두 3 OFDM 심볼 구간으로 표시되어 있으므로 n=3이다. 제어 영역의 크기는 매 서브프레임마다 변할 수 있는 값이며, 매 서브 프레임의 선두 OFDM 심볼에 포함된 PCFICH (Physical Control Format Indicator CHannel)를 통해 전송된다. 제어 영역(122)에서는 상향 링크 HARQ (Hybrid Automatic Repeat reQuest) 동작을 지원하기 위해 PUSCH (Physical Uplink Shared CHannel)에 대한 ACK/NACK 신호를 전송하는 PHICH (Physical HARQ Indicator CHannel)도 정의된다. 즉 제어 영역으로 전송될 수 있는 채널은 RS, PDCCH, PCFICH, PHICH 등이다. 124는 제어 신호를 전송하기 위해서 사용되는 RE를 나타낸다. 도 2에서 126은 스케줄링된 사용자의 데이터 신호를 전송하는 PDSCH (Physical Downlink Shared CHannel) 전송에 사용되는 RE를 나타낸 것이다. 제어 영역 (122)에서는 PDSCH를 전송할 수 없다. 송신 안테나 포트의 수가 4개이고 제어 영역(122)이 서브프레임 내 선두 3 OFDM로 정의된 [도 2]의 예에서 하나의 RB 내 PDSCH 전송에 사용할 수 있는 RE의 개수는 116개임을 알 수 있다. [표 1]은 기지국 송신 안테나 포트의 수, 전용 RS의 정의 여부, 제어 영역의 크기 등에 따라 하나의 RB 내 PDSCH 전송에 사용할 수 있는 RE의 개수를 정리한 것이다. [표 1] 조건에 따른 한 RB 내 PDSCH RE의 개수 [표 1]에서 산출된 RE의 개수는 일반적인 CP (Normal Cyclic Prefix)를 사용하고 시스템 대역폭이 10RB를 초과하는 경우에 유효하다. 확장 CP (Extended Cyclic Prefix)를 사용하는 경우 한 서브프레임을 구성하는 OFDM 심볼의 수가 6으로 줄어들고, 시스템 대역폭이 10RB 이하이면 제어 영역의 크기가 1,2,3 중의 하나가 아니라 2,3,4 중의 하나로 바뀌기 때문이다. 도 2의 130은 PDSCH의 주파수 우선 배치 (frequency first mapping)를 설명하기 위한 것이다. PDSCH를 구성하는 변조 심볼열은 우선 주파수 축상에서 서브케리어 번호가 증가하는 방향으로 배치된다. 그리고 변조 심볼열이 주파수 축상에서 할당된 모든 서브케리어에 배치를 완료하면 다음 OFDM 심볼로 이동하여 다음 변조 심볼열을 배치하는 순으로 PDSCH의 자원 배치를 수행한다. 한편 RB 내에는 전용 RS (dedicated RS)가 추가 정의될 수도 있다. 전용 RS란 스케줄링 된 사용자를 위해 빔성형 (beamforming)을 적용한 경우 PDSCH에 적용한 것과 동일한 빔성형을 적용한 RS이다. 전용 RS는 RB당 12개의 RE를 사용한다.도 3은 LTE 시스템에서 기지국 송신기 구조를 도시한 것이다. [도 3]은 공간 다중화 (spatial multiplexing, 이하 "SM")을 포함한 일반적인 기지국 송신기 구조를 나타낸 것으로, 두 개의 코드워드 (codeword, 이하 "CW")를 전송하는 것을 포함하고 있다. 전송블록 (transport block, 이하 "TB")는 상위 계층에서 물리 계층의 PDSCH로 전송되도록 내려온 정보 신호이다. SM을 지원하는 경우 최대 2개의 TB를 동일한 자원에 전송할 수 있다. 200a는 첫 번째 CW에 대한 TB1이고 200b는 두 번째 CW에 대한 TB2이다. TB1과 TB2는 각각의 채널 부호화 (202a, 202b), 스크램블링 (204a, 204b), 변조 (206a, 206b)를 거쳐 변조 신호열로 변환된다. SM을 적용하지 않는 전송의 경우에는 200a가 존재하지 않기 때문에 200a에 적용되는 일련의 과정 202b, 204b, 206b는 생략한다. 이와 같이 하나 또는 두 개로 생성된 변조 신호열은 계층 배치 (layer mapping, 208)를 통해 사전부호화 (precoding, 210)에 적용할 공간 계층 (spatial layer) 별 변조 신호열로 변환된다. SM의 경우 CW의 수는 최대 2로 제한되지만 공간 계층의 수는 4까지 허용되므로 이에 대한 배치를 정의하여야 한다. 전송 다이버시티를 사용하는 경우 CW의 수는 하나이지만 공간 계층의 수는 2 또는 4가 되고 사전 부호화는 전송 다이버시티 부호화를 의미하게 된다. 사전 부호화는 계층의 수와 전송 모드에 따라 전송 다이버시티 부호화, 개방루프 (open-loop) 사전 부호화, 폐쇄루프 (closed-loop) 사전 부호화 등으로 달리 정의된다. 사전부호화 (210)는 공간 계층 별 변조 신호열을 각 송신 안테나 포트 (216c, 216d)로 전송할 신호열로 변환할 수 있다. 사전부호화된 신호열은 각 안테나 포트 별 RE 배치 (212c, 214d)와 OFDM 신호 생성 (214c, 214d)을 거쳐 각 송신 안테나 포트 (216c, 216d)로 전송된다. 도 4는 LTE 시스템의 상향링크에서 정의하는 자원의 단위를 설명하기 위한 도면이다. LTE 상향링크는 SC-FDMA 방식을 사용하고 있는데, 무선 자원의 기본 단위를 하향링크에서와 마찬가지로 자원 요소 (RE)라 한다. 하나의 RE (602)는 시간 축 상에서 하나의 SC-FDMA 심볼 내 가상 서브케리어 (virtual subcarrier)로 정의된다. SC-FDMA는 OFDM 신호 생성 전 단계에서 DFT (Discrete Fourier Transform)을 사전부호화로 적용된다. 따라서 변조 심볼이 배치되는 RE는 서브케리어를 의미하지 않게 되므로 가상 서브케리어라는 용어를 사용한다. 그리고 RE 단위로 자원을 할당할 경우 자원 할당을 표시하기 위한 정보량이 매우 많아지기 때문에, 하향링크에서와 마찬가지로 자원 할당의 기본 단위는 RB로 정의된다. 하나의 RB (600)는 12개의 가상 서브케리어 (subcarrier)와 시간 축 상에서 하나의 서브프레임 (subframe)으로 구성된다. 서브프레임은 하향링크에서와 같이 1msec이며 14개의 SC-FDMA 심볼로 구성된다. 도 5는 LTE 상향링크에서 RB 내 용도별 자원 배치를 도시한 것이다. SC-FDMA 방식에서는 RE 단위로 RS를 정의할 수 없다. 따라서 특정 SC-FDMA 심볼 전체를 RS로 사용한다. 상향링크의 RS는 사용자 별 상향링크 채널을 추정할 수 있도록 전용 RS (dedicated RS)의 형태로 정의하여 복조에 사용된다 하여 복호 RS (DeModulation RS, 이하 "DM RS")라고도 한다. 상향링크 MU-MIMO (Multi-User Multiple Input Multiple Output)은 상향링크의 SDMA (Space Domain Multiple Access)를 의미한다. 그리고 기지국 수신기는 사용자 별로 직교하는 전용 RS를 수신하면, 사용자 별 공간 채널 응답에 적합한 공간 필터를 적용하여 동일한 자원을 사용하여 전송된 복수 사용자 PUSCH를 구분할 수 있다. 하나의 서브프레임(610)내 4번째 SC-FDMA 심볼과 11번째 SC-FDMA 심볼은 모두 전용 RS 전송을 위한 SC-FDMA 심볼 (614)로 된다. 이는 사용자 별로 직교하는 신호를 전용 RS로 할당해 줌으로써 상향링크 MU-MIMO를 지원한다. 그 외의 SC-FDMA 심볼 (616)은 PUSCH 전송에 사용할 수 있는 자원이다. LTE 상향링크에서는 한 RB 당 총 168(=14×12)개의 RE가 정의되는데 이중에서 PUSCH 전송에 사용할 수 있는 RE는 총 RS용 자원을 제외한 144 (=12×12)개이다. 서브 프레임이 기지국에서 상향링크 채널 상태를 측정하기 위해 전송하는 SRS (Sounding RS)를 포함하는 서브프레임이라면, 서브프레임 내 마지막 SC-FDMA 심볼은 SRS 전송용으로 사용된다. 따라서PUSCH RE의 수는 RB 당 132 (=11×12)이다. 여기서 RE의 개수는 일반 CP에 해당하는 것으로 확장 CP의 경우 서브프레임을 구성하는 SC-FDMA 심볼의 수가 줄어듦으로 RE의 수는 달라진다. 도 6은 LTE 시스템에서 단말기 송신기의 구조를 도시한 것이다. 사용자의 TB (620)는 채널 부호화 (622), 스크램블링 (624), 변조 (626)를 거쳐 변조 신호열로 변환된다. 변조 신호열은 DFT 사전부호화인 변환 부호화 (628)를 거친 후 할당된 PUSCH RB에 배치 (630)되고 최종적으로 SC-FDMA 신호로 변환 (632)되어 단말기 송신 안테나 (634)로 전송된다. 도 7는 LTE 시스템에서 기지국 수신기의 구조를 도시한 것이다. 수신 안테나 (650)에서 수신된 신호는 SD-FDMA 신호 수신기 (652)를 거친 뒤 RE 역배치 (654)를 통해 사용자 별 신호를 분리한다. 기지국 수신 안테나가 복수 개인 경우 안테나 결합기는 SD-FDMA 신호 수신기 (652)에 포함되어 있다고 가정한다. SC-FDMA 신호를 만들기 위해서 단말기에서 적용한 DFT 사전부호화를 풀기 위해서 IDFT (Inverse DFT)인 변환 복호 (656) 과정을 거친 뒤 복조 (658), 디스크램블링 (660), 채널 복호화 (652) 등의 과정을 통해 개별 사용자가 전송한 TB (664)를 복구한다. 도 8은 단말의 채널 상태에 따른 자원 할당을 설명하기 위한 도면이다. 기지국 (100)은 두 개의 단말기 (102, 104)와 연결되어 있다. 단말기 104는 단말기 102에 비해 기지국 (100)으로부터 가까이 위치하고 있으므로, 단말기 104가 겪는 채널은 평균적으로 단말기 102가 겪는 채널에 비해 양호하다. 만약 단말기 102의 채널 응답이 충분히 양호하여 고차 변조 및 부호화를 적용할 수 있다면, 같은 양의 데이터를 전송하기 위해 단말기 104에 비해 단말기 102에 더 적은 양의 자원을 할당하는 것이 가능하다. 예를 들어 단말기 104에는 QPSK (Quadrature Phase Shift Keying)을 적용할 수 밖에 없었으나 단말기 102에는 16QAM (16 Quadrature Amplitude Modulation)을 적용할 수 있었다면, 단말기 104용 PDSCH 또는 PUSCH에서는 RE 당 2개의 부호화된 비트가 실리지만, 단말기 102용 PDSCH 또는 PUSCH에서는 RE 당 4개의 부호화된 비트가 실린다. 동일한 채널 부호화를 적용하고 전송하는 데이터 양이 동일하다면 단말기 104는 단말기 102에 비해 반의 무선 자원만을 필요로 한다. 이러한 방법을 통해 채널 상태가 좋은 단말기와 기지국으로 구성된 LTE 시스템은 VoIP와 같이 발생하는 트래픽의 양이 작으면서 일정한 서비스를 위해서 하나의 RB보다 더 작은 양의 자원을 사용하는 것이 가능할 수 있다. 그러나 LTE에서는 이와 같은 RB보다 작은 단위의 자원 할당을 정의하지 않고 있다. 그 이유는 더 작은 단위의 자원 할당을 허용하려면 자원 할당을 표현하기 위해 더 많은 제어 신호 정보량이 발생하기 때문이다. 따라서 이와 같은 문제점을 해결하기 위한 자원 할당 방법이 연구되고 있다.