이동통신 시스템에서 중계국을 통한 통신 방법 및 그를위한 프레임 구조 document_id A220623014728

본 발명은 이동통신 시스템에 관한 것이다. 보다 구체적으로, 본 발명은 이동통신 시스템에서 중계국을 통한 통신 방법 및 그를 위한 프레임 구조에 관한 것이다. 도 1은 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 방식 광대역 무선접속 시스템의 물리계층의 프레임 구조를 도시한 것이다. 프레임(frame)은 물리적인 특성에 의한 일정 시간 동안의 데이터 시퀀스 채널로 하향링크 서브프레임(subframe)과 상향링크 서브프레임으로 구성된다. 하향링크 서브프레임은 물리계층에서의 동기화와 등화를 하기 위해 사용되는 프리앰블(preamble)로 시작하고, 그 다음에는 하향링크와 상향링크에 할당되는 버스트(burst)의 크기, 위치, 용도를 정의하는 방송형태의 하향링크 맵(DL-MAP) 메시지와 상향링크 맵(UL-MAP) 메시지를 통해 프레임 전체에 대한 구조를 정의한다. 버스트는 하나의 단말에 전송되는 또는 하나의 단말로부터 수신하는 데이터의 단위이다. DL-MAP 메시지는 버스트 모드 물리계층에서 하향링크 구간에 대해 버스트별로 할당된 용도를 정의하며, UL-MAP 메시지는 상향링크 구간에 대해 할당된 버스트의 용도를 정의한다. DL-MAP을 구성하는 정보 요소(Information Element)는 DIUC(Downlink Interval Usage Code)와 CID(Connection ID) 및 버스트의 위치 정보(부채널 오프셋, 심볼오프셋, 부채널 수, 심볼 수)에 의해 사용자 단에 하향링크 트래픽 구간을 구분한다. 한편, UL-MAP 메시지를 구성하는 정보 요소는 각 CID(Connection ID) 별로 UIUC(Uplink Interval Usage Code)에 의해 용도가 정해지고, ''duration''에 의해 해당 구간의 위치가 규정된다. 여기서, UL-MAP에서 사용되는 UIUC 값에 따라 구간별 용도가 정해지며, 각 구간은 그 이전 IE 시작점으로부터 UL-MAP IE에서 규정된 ''duration''만큼 떨어진 지점에서 시작한다. 하향링크 채널 서술자(DCD: Downlink Channel Descriptor) 메시지와 상향링크 채널 서술자(UCD: Uplink Channel Descriptor_ 메시지는 각각 하향링크와 상향링크에 할당된 버스트 구간에서 적용될 물리계층 관련 파라미터로서 변조 타입(Modulation type), FEC(Forward Error Correction) 코드 타입(FEC Code type) 등을 포함한다. 또한, 여러 가지 순방향 오류 정정 코드 유형에 따라 필요한 파라미터들(예를 들어, R-S Code의 K,R 값 등)을 규정한다. 이와 같은 파라미터들은 UCD 및 DCD 내부에서 각각 UIUC 및 DIUC 별로 규정된 버스트 프로파일(burst profile)에 의해 주어진다. 광대역 무선접속 시스템의 국제 표준인 IEEE 802.16에서의 일반적인 버스트 할당 방법은 다음과 같다. 하향링크에서 일반 MAP에서의 버스트 할당 방식은 기지국이 DL-MAP 메시지를 통해, 도 1에 도시된 바와 같이, 시간축과 주파수축으로 이루어진 사각형 모양을 단말에 가르쳐 주는 것이다. 즉, 시작하는 심볼 번호, 시작하는 부채널 번호, 사용되는 심볼의 개수와 사용되는 부채널의 개수를 가르쳐 준다. 상향링크에서는 심볼 축으로 차례로 할당하는 방식을 사용하므로 사용되는 심볼의 개수만 가르쳐 주면 상향링크의 버스트를 할당할 수 있다. 광대역 무선접속 시스템의 물리계층은 크게 단일 반송파 방식(Single Carrier)과 다중 반송파 방식(OFDM/OFDMA)으로 구분된다. 다중 반송파 방식은 OFDM을 사용하는 한편, 반송파의 일부를 그룹화한 부채널 단위로 자원을 할당할 수 있는 접속방식으로서 OFDMA를 도입하고 있다. OFDMA 물리계층에서는 활성 반송파를 그룹으로 분리해서, 그룹별로 각기 다른 수신단으로 송신된다. 이렇게 한 수신단에 전송되는 반송파의 그룹을 부채널(subchannel)이라고 부른다. 도 2는 2개의 부반송파(subcarrier)로 구성된 3개의 부채널을 예시하여 도시한 것이다. 각 부채널을 구성하는 반송파는 서로 인접하거나 또는 등간격으로 떨어져 있을 수도 있다. 이와 같이 부채널 단위로 다중 접속이 가능하도록 함으로써 구현상의 복잡도가 증가하나 주파수 다이버시티 이득, 전력의 집중에 따른 이득, 그리고 순방향 전력 제어를 효율적으로 수행할 수 있는 장점이 있다. 도 3은 OFDMA의 자원 할당을 정의하는 데이터 영역(data region)을 도시한 것이다. 각 사용자에게 할당되는 슬롯은 2차원 공간의 데이터 영역에 의해서 정의되며, 이는 버스트에 의해 할당되는 연속적인 부채널의 집합이다. OFDMA에서 하나의 데이터 영역은, 도 3에 도시된 바와 같이, 시간 좌표와 부채널 좌표에 의해 결정되는 직사각형으로 도시화된다. 이러한 데이터 영역은 특정 사용자의 상향링크에 할당되거나 또는 하향링크에서는 특정한 사용자에게 기지국이 데이터 영역을 전송할 수 있다. 2차원 공간에서 이와 같은 데이터 영역을 정의하기 위해서는 시간 영역에서 OFDM 심볼의 수와 주파수 영역에서 기준점에서부터의 오프셋만큼 떨어진 위치에서 시작되는 연속적인 부채널의 수가 주어져야 한다. 도 4 및 도 5는 각각 하향 및 상향 프레임에서의 부채널 맵핑 방법을 도시한 것이다. 즉, PDU(Protocol Data Unit)가 부호화 및 변조를 거쳐 특정 부채널 영역에서 해당 PDU의 버스트에 할당된 부채널에 맵핑되는 방법을 표시한다. 할당된 부채널의 영역이 2차원으로 표시되고 할당된 2차원 부채널 영역에 대하여 맨 앞 심볼의 부채널부터 데이터를 맵핑한다. 상향링크의 경우 할당된 부채널은 1차원으로 할당 영역을 먼저 결정한다. 즉, ''duration''으로 결정을 하며, 이전에 다른 PDU 버스트에게 할당된 부채널 다음부터 심벌축으로 부채널을 할당해 간다. 이때, 특정 부채널 영역의 끝 심벌에 도달하면 다음 부채널부터 할당을 계속한다. 도 5에 도시된 바와 같이, 맨 앞 심볼의 부채널부터 차례로 데이터를 맵핑한다. IEEE 802.16a 규격은 2-11GHz 대역에서 비직진파 통신을 고려하기 때문에 다중 경로 페이딩을 심각하게 겪을 수 있으며, 이에 따른 신뢰성을 확보하기 위해 MAC 계층에서 ARQ 프로토콜을 도입하였다. 또한, 다중 안테나를 이용한 빔 포밍을 통해 셀의 커버리지와 시스템 용량을 향상하기 위한 AAS(Advanced Antenna System) 기술이 추가로 고려되고 있고, 비면허 대역(unlicensed band)에서 타 시스템과의 공존 문제를 해결하기 위해서 DFS(Dynamic Frequency Selection) 기능을 지원할 수 있도록 절차를 추가했다. 일반적으로 광대역 무선접속(Wireless MAN)에서 고려되는 PMP(Point-to-Multipoint topology) 구조뿐만 아니라, 도 6에 도시된 바와 같은 그물(Mesh)망의 프레임 구조(frame structure)를 선택적으로 지원할 수 있다. 이와 같은 메쉬 모드(Mesh Mode)에서는 다른 가입자단의 릴레이를 통해서 기지국과 접속이 가능하도록 하였으며, 대형 건물로 인해 전파 음역 지역이 존재할 수 밖에 없는 도심지의 비직진파 통신 환경을 고려하였다. 메쉬 모드는 기존의 프레임을 이용하는 방법 대신 제어 서브프레임(control subframe)과 데이터 서브프레임으로 구성되어 있다. 제어 서브프레임은 두 가지의 기본 기능이 있는데 네트워크 제어 서브프레임에서는 서로 다른 시스템 간의 결합을 만들어 유지하는 기능을 하고, 스케줄 제어 프레임에서는 시스템 사이에서 데이터 전에서의 동등한 스케줄링 기능을 한다. 주기적으로 발생하는 네트워크 제어 서브프레임 이외의 모든 다른 프레임은 스케줄 제어 프레임이며 제어 서브프레임의 길이는 고정, MSH-CTRL-LEN(network descriptor)에서 나타낸다. 네트워크 제어 스케줄 제어 서브프레임 동안 네트워크 엔트리 할당 후 네트워크 구성에 따라 나오며 스케줄 제어 서브프레임 동안 분산 스케줄링을 가리키는 네트워크 기술자가 제어 프레임에서 발생하게 된다. 이하에서 단말이 셀 경계(cell boundary)에서 기지국과 초기화(initialization)를 수행하는 과정을 설명한다. 먼저, 단말이 셀 안에 들어오게 되면, 가장 최근에 사용했던 하향링크 채널(downlink channel)부터 시작하여 사용 가능한 하향링크 채널을 찾을 때까지 스캐닝(scannin)을 하게 되고 기지국과의 동기(synchronization)을 맞춘다. 그 다음엔 기지국으로부터 UCD 메시지를 수신하여 레인징(ranging) 과정을 수행하여 전송 파라미터를 맞추고 기본 CID(Basic CID)와 주 CID(Primary CID)를 획득하게 된다. 레인징 과정 후 기지국은 단말에 대한 인증을 실시하고, 인증된 단말은 기지국에 등록한다. IP로 관리되는 이동단말은 기지국으로부터 부 관리 CID(Secondary management CID)를 할당받는다. 그리고, IP 연결을 설정한다. IP 연결이 끝난 단말은 현재 날짜와 시간을 설정한다. 끝으로, 단말의 구성 파일을 TFTP 서버로부터 다운 받고 미리 준비된 서비스에 대한 연결을 설정한다. 전술한 바와 같이, DL-MAP 메시지는 버스트 모드 물리계층에서 하향링크 구간에 대해 버스트 별로 할당된 용도를 정의하며, UL-MAP 메시지는 상향링크 구간에 대해 할당된 버스트의 용도를 정의한다. DL-MAP을 구성하는 정보 요소(Information Element)는 DIUC(Downlink Interval Usage Code)와 CID(Connection ID) 및 버스트의 위치 정보(부채널 오프셋, 심볼오프셋, 부채널 수, 심볼 수)에 의해 사용자 단에 하향링크 트래픽 구간을 구분한다. 표 1의 DL MAP IE의 데이터 포맷의 일례를 나타낸다. 한편, UL-MAP 메시지를 구성하는 정보 요소는 각 CID(Connection ID) 별로 UIUC(Uplink Interval Usage Code)에 의해 용도가 정해지고, ''duration''에 의해 해당 구간의 위치가 규정된다. 여기서, UL-MAP에서 사용되는 UIUC 값에 따라 구간별 용도가 정해지며, 각 구간은 그 이전 IE 시작점으로부터 UL-MAP IE에서 규정된 ''duration''만큼 떨어진 지점에서 시작한다. 표 2는 UL MAP IE의 데이터 포맷의 일례를 나타낸 것이다. 이하에서 광대역 무선접속 시스템에서의 중계국(relay station)을 이용한 네트워킹(networking) 방법에 대해서 설명한다. 도 7은 중계국을 이용한 네트워킹의 일례를 도시한 것이다. IEEE 802.16에서는 중계 네트워킹을 위해 물리계층의 프레임 구조를 개선하고, MAC 계층의 새로운 프로토콜을 추가하는 작업이 진행 중이다. 주요 특징으로는 중계되는 데이터 경로의 종착점을 기지국으로 하는 트리(tree) 구조를 가지고, 기존의 점대다(Point to Multi-Point: PMP) 방식과 호환되며, 릴레이 방식과 점대다 방식은 서로 동일한 주파수 대역을 사용하거나 또는 인접한 다른 주파수를 사용하는 것으로 한다. 중계국의 형태로는 고정식(fixed), 임시 고정식(nomadic), 이동식(mobile) 중계국이 고려되고 있다. 도 8은 IEEE 802.16에 따른 중계국 이용한 네트워킹의 동작을 설명하기 위한 도면이다. 중계국의 목적을 크게 기지국의 서비스 커버리지 확장과 쓰루풋 개선의 두 가지로 요약할 수 있는데, 각 목적에 따라 중계국의 동작을 도 8에 도시된 바와 같이 다르게 정의할 수 있다. 도 8의 중계국 타입(type) 1과 같이 기지국의 서비스 커버리지 확장을 위하여 중계국을 사용하는 경우, 중계국(34)은 단말(35)과 기지국(31) 간에 주고 받는 데이터뿐만 아니라 기지국(31) 또는 단말(35)로부터 전달되는 모든 제어 메시지를 중계한다. 도 8의 중계국 타입 2와 같이 쓰루풋 개선을 위해 중계국을 사용하는 경우, 중계국(32)은 단말(33)과 기지국(31) 간 교환되는 사용자 데이터만을 중계하고, 기지국(31)의 방송 형태의 제어 메시지 또는 단말(33)의 상향링크 제어 메시지를 단말(33)과 기지국(31)이 직접 교환하도록 할 수 있다. 이와 같이 중계국을 이용하여 중계되는 데이터는 단말과 기지국이 직접 주고 받는 경우에 비해서 지연이 발생할 수 있으며, 중계국은 데이터가 중계되는 단말에 좋은 신호 품질을 제공하고 그에 따른 적절한 채널 코딩율(coding rate) 및 변조(modulation) 방식을 사용하여 해당 단말에 중계해 줌으로써, 전체적인 쓰루풋을 증가시킬 수 있다. 기술적으로 보았을 때, 중계국은 크게 두 가지로 나눌 수 있다. 첫째는 아날로그 방식으로 중계국이 송신단에서 받은 신호를 단순히 증폭(신호의 세기만 증폭하는 것)하여 수신단으로 전달해 주는 방식이다. 이 방식의 경우 지연이 거의 없고, 중계국은 기본적인 증폭 기능만을 가지고 있기 때문에 비용적인 효율 측면에서 장점이 있지만, 증폭하는 단계에서 노이즈도 함께 증폭될 수 있다는 단점이 있다. 둘째는 디지털 방식으로 송신단에서 받은 신호를 디코딩한 후 재 인코딩하여 수신단에 전달해 줌으로써 노이즈 제거와 더 높은 데이터 레이트 코딩(data rate coding) 방식을 사용하여 높은 쓰루풋을 얻을 수 있는 장점이 있는 반면, 디코딩 및 인코딩 과정에서 지연이 발생할 수 있는 단점이 있다.