이동통신 시스템의 프리앰블 재전송 방법 document_id A220623028857

본 발명은 E-UMTS(Evolved Universal Mobile Telecommunications System) 시스템에 관한 것으로서, 특히 RACH 재전송을 통해 단말과 기지국간의 상향링크의 시간을 보다 빠르게 맞출 수 있는 이동통신 시스템의 프리앰블 재전송 방법에 관한 것이다. 도 1은 종래 및 본 발명에 적용되는 이동통신 시스템인 E-UMTS(Evolved Universal Mobile Telecommunications System)의 망 구조이다. E-UMTS시스템은 UMTS시스템에서 진화한 시스템으로 현재 3GPP에서 기초적인 표준화 작업을 진행하고 있다. 상기 E-UMTS 시스템은 LTE(Long Term Evolution) 시스템이라고 할 수도 있다. E-UMTS망은 크게 E-UTRAN과 핵심망(Core Network : CN)으로 구분된다. 상기 E-UTRAN은 단말(User Equipment : UE)과 기지국(이하 eNode B 또는 eNB로 약칭), 망의 종단에 위치하여 외부망과 연결되는 접속게이트웨이(Access Gateway : AG)로 구성된다. 상기 AG는 사용자 트래픽을 처리하는 부분과 제어용 트래픽을 처리하는 부분으로 나누어질 수도 있다. 이때, 상기 사용자 트래픽을 처리하기 위한 AG와 제어용 트래픽을 처리하는 AG는 새로운 인터페이스를 사용하여 서로 통신할 수 있다. 하나의 eNode B(eNB)에는 하나 이상의 셀(Cell)이 존재할 수 있으며, eNode B간에는 사용자 트래픽 또는 제어 트래픽 전송을 위한 인터페이스가 사용될 수도 있다. 상기 CN은 AG와 기타 UE의 사용자 등록 등을 위한 노드 등으로 구성될 수도 있다. 또한, 도 1의 UMTS에서 E-UTRAN과 CN을 구분하기 위한 인터페이스가 사용될 수도 있다. 단말과 망사이의 무선인터페이스 프로토콜(Radio Interface Protocol)의 계층들은 통신시스템에서 널리 알려진 개방형시스템간상호접속(Open System Interconnection : OSI)기준모델의 하위 3개 계층을 바탕으로 L1 (제1계층), L2 (제2계층) 및 L3(제3계층)로 구분될 수 있다. 이 중에서 제1계층에 속하는 물리계층은 물리채널(Physical Channel)을 이용한 정보전송서비스(Information Transfer Service)를 제공하며, 제3계층에 위치하는 무선자원제어(Radio Resource Control : RRC)계층은 단말과 망간에 무선자원을 제어하는 역할을 수행한다. 이를 위해 RRC계층은 단말과 망간에 RRC메시지를 서로 교환한다. RRC계층은 eNode B와 AG 등 망 노드들에 분산되어 위치할 수도 있고, eNode B 또는 AG에만 위치할 수도 있다. 도 2는 3GPP 무선접속망 규격을 기반으로 한 단말과 UTRAN (UMTS Terrestrial Radio Access Network) 사이의 무선인터페이스 프로토콜 (Radio Interface Protocol)의 구조를 나타낸다. 도2의 무선인터페이스 프로토콜은 수평적으로 물리계층(Physical Layer), 데이터링크계층(Data Link Layer) 및 네트워크계층 (Network Layer)으로 이루어지며, 수직적으로는 데이터정보 전송을 위한 사용자평면(User Plane)과 제어신호(Signaling)전달을 위한 제어평면(Control Plane)으로 구분된다. 도 2의 프로토콜 계층들은 통신시스템에서 널리 알려진 OSI 기준모델의 하위 3개 계층을 바탕으로 L1(제1계층) 및 L2(제2계층) 및 L3 (제3계층)로 구분될 수 있다. 이하 도 2의 무선프로토콜 제어평면과 도 3의 무선프로토콜 사용자평면의 각 계층을 설명한다. 제1계층인 물리계층은 물리채널을 이용하여 상위 계층에게 정보전송서비스 (Information Transfer Service)를 제공한다. 물리계층은 상위에 있는 매체접속제어(Medium Access Control)계층과 전송채널(Transport Channel)을 통해 연결되며, 상기 전송채널을 통해 매체접속제어계층과 물리계층 사이의 데이터가 이동한다. 그리고, 서로 다른 물리계층 사이, 즉 송신측과 수신측의 물리계층 사이는 물리채널을 통해 데이터가 이동한다. 제2계층의 매체접속제어(Medium Access Control : MAC)계층은 논리채널 (Logical Channel)을 통해 상위계층인 무선링크제어(Radio Link Control)계층에게 서비스를 제공한다. 제2계층의 무선링크제어(Radio Link Control : RLC)계층은 신뢰성 있는 데이터의 전송을 지원한다. 상기 RLC 계층의 기능은 MAC내부의 기능 블록으로 구현될 수도 있는데 이러한 경우 RLC계층은 존재하지 않을 수도 있다. 제2계층의 PDCP계층은 IPv4나 IPv6와 같은 IP패킷을 이용하여 전송되는 데이터가 상대적으로 대역폭이 작은 무선 구간에서 효율적으로 전송되도록 하기 위해, 불필요한 제어정보를 줄여주는 헤더압축(Header Compression) 기능을 수행한다. 제3계층의 가장 상부에 위치한 무선자원제어(Radio Resource Control : RRC)계층은 제어평면에서만 정의되며, 무선베어러 (Radio Bearer : RB)들의 설정 (Configuration), 재설정(Re-configuration) 및 해제(Release)와 관련되어 논리채널, 전송채널 및 물리채널들의 제어를 담당한다. 이때, RB는 단말과 UTRAN간의 데이터 전달을 위해 제2계층에 의해 제공되는 서비스를 의미한다. 망에서 단말로 데이터를 전송하는 하향전송채널로는 시스템정보를 전송하는 방송채널(Broadcast Channel :BCH)과 그 이외에 사용자 트래픽이나 제어메시지를 전송하는 하향 공유채널(Shared Channel : SCH)와 공유제어채널(Shared Control Channel :SCCH)이 있다. 하향 멀티캐스트 또는 방송 서비스의 트래픽 또는 제어메시지의 경우 하향 SCH를 통해 전송될 수도 있고, 또는 별도의 하향 멀티캐스트채널(Multicast Channel :MCH)을 통해 전송될 수도 있다. 한편, 단말에서 망으로 데이터를 전송하는 상향전송채널로는 초기 제어메시지를 전송하는 RACH(Random Access Channel)와 그 이외에 사용자 트래픽이나 제어메시지를 전송하는 상향 SCH와 SCCH가 있다. 이하 제1계층인 물리계층에서 사용하는 OFDM(orthogonal frequency division multiplexing) 방식을 설명한다. OFDM의 기본원리는 고속 전송률(high-rate)을 갖는 데이터 열(data stream)을 낮은 전송률(low-rate)를 갖는 다수의 데이터 열로 나누고, 이들을 다수의 반송파를 사용하여 동시에 전송하는 것이다. 이때 상기 다수의 반송파를 부반송파(subcarrier)라고 한다. 상기 반송파간에는 직교성 (orthogonality)이 존재하기 때문에 반송파의 주파수 성분은 상호 중첩되어도 수신단에서 검출이 가능하다. 상기 고속 전송률을 갖는 데이터 열은 직/병렬 변환부(Serial to Parallel converter)를 통해 낮은 전송률을 갖는 다수의 데이터 열로 변환되고, 상기 병렬 변환된 다수의 데이터 열에 각각 부 반송파가 곱해진 후 각각의 데이터 열이 합해져서 수신단으로 전송된다. 상기 직/병렬 변환부에 의해 변환된 다수의 병렬 데이터 스트림은, 역 이산 푸리에 변환(Inverse Discrete Fourier Transform :IDFT))에 의하여 다수의 부 반송파로 전송될 수 있으며, 상기 IDFT는 역 고속 푸리에 변환(IFFT; Inverse Fast Fourier Transform)을 사용하여 효율적으로 구현될 수 있다. OFDM에서 낮은 전송률을 갖는 부 반송파의 심볼 구간(symbol duration)은 증가하게 되므로 다중경로 지연확산에 의해 발생하는 시간상에서의 상대적인 신호 분산(dispersion)이 감소한다. OFDM 심볼 사이에 채널의 지연 확산보다 긴 보호구간(guard interval)을 삽입하여 심볼간 간섭(Inter-Symbol Interference)을 줄일 수 있다. 이러한 보호구간에 OFDM 신호의 일부를 복사하여 배치하면 OFDM 심볼은 순환적으로 확장(cyclically extended)되어 심볼을 보호할 수 있다. 이하 종래 기술에 따른 OFDMA(orthogonal frequency division multiple access)를 설명한다. OFDMA는 OFDM을 변조 방식으로 사용하는 시스템에서 이용 가능한 부 반송파 (subcarrier)의 일부를 각 사용자에게 제공하여 다중 접속을 실현하는 다중 접속 방법을 말한다. OFDMA는 부 반송파라는 주파수 자원을 각 사용자에게 제공하며, 각각의 주파수 자원은 서로 중첩되지 않도록 다수의 사용자에게 서로 독립적으로 제공된다. 결국 주파수 자원은 상호 배타적으로 할당된다. DFT-S-OFDM 방식은 SC-FDMA(Single Carrier-FDMA)으로도 불린다. 종래의 SC-FDMA 기법은 상향링크에 주로 적용되는 기법으로 OFDM 신호를 생성하기 전에 주파수 영역에서 먼저 이산 푸리에 변환(DFT) 행렬로 분산(spreading)을 적용한 다음 그 결과를 종래의 OFDM 방식으로 변조하여 전송하는 기법이다. 도 4는 종래 DFT-S-OFDM 방식의 송신기 구조를 나타내는 도면이다. 여기서 상기 송신기의 동작을 설명하기 위해 몇 가지 변수를 정의한다. 즉, N은 OFDM 신호를 전송하는 부 반송파의 개수를 나타내고, Nb는 임의의 사용자를 위한 부 반송파의 개수를 나타내고, F는 이산 푸리에 변환 행렬, 즉 DFT 행렬을 나타내고, s는 데이터 심볼 벡터를 나타내고, x는 주파수 영역에서 데이터가 분산된 벡터를 나타내며, y는 시간영역에서 전송되는 OFDM 심볼 벡터를 나타낸다. SC-FDMA에서는 데이터 심볼(s)을 전송하기 전에 다음 [수학식 1]과 같이 DFT 행렬을 이용하여 분산시킨다. 상기 [수학식 1]에서 는, 데이터 심볼(s)을 분산시키기 위해서 사용된 Nb 크기의 DFT 행렬이다. 이렇게 분산된 벡터(x)에 대하여 일정한 부 반송파 할당 기법에 의해 부 반송파 매핑(subcarrier mapping)이 수행되고, IDFT 모듈에 의해 시간영역으로 변환되어, 다음의 [수학식 2]와 같이 수신측으로 전송할 신호가 얻어진다. 상기 [수학식 2]에서 는 주파수 영역의 신호를 시간 영역의 신호로 변환하기 위해 사용되는 크기 N의 DFT 행렬이다. 이때 상기 DFT 행렬의 크기는 특정한 목적을 위해 다양하게 제어될 수 있다. 상기 방법에 의해 생성된 전송신호(y)는 순환 전치(cyclic prefix)가 삽입되어 전송되며, 상기 방법에 의해 전송 신호를 생성하여 수신측으로 전송하는 방법을 SC-FDMA 방법이라고 한다. 이하 종래 기술에 따른 HARQ (hybrid ARQ) 방식에 대해 설명한다. 도 5에는 종래에 무선 패킷 통신 시스템의 하향 링크 물리 계층에 적용되는 HARQ의 구체적인 구현 방식이 도시되어 있다. 도 5에 도시된 바와같이, 기지국은 패킷을 수신할 단말과 그 단말에게 전송할 패킷의 형식(부호화율, 변조방식, 데이터량 등) 등의 정보를 결정하여 해당 정보를 먼저 하향 링크 제어 채널(HS-SCCH)의 전송을 통하여 단말에게 알려주고, 이와 연관된 시점에서 해당 데이터 패킷(HS-DSCH)을 전송한다. 해당 단말은 하향 링크 제어채널을 수신하여 자신에게 전송될 패킷의 형식과 전송 시점을 인지한 후 해당 패킷을 수신한다. 상기 패킷 수신 후 그 패킷 데이터의 복호화를 거쳐서 만일 복호화에 성공했을 경우 단말는 ACK 신호를 기지국으로 전송하고, ACK 신호를 수신한 기지국은 해당 단말로의 패킷 전송이 성공했음을 감지하고 다음 패킷 전송 작업을 수행할 수 있다. 만일 패킷 복호화에 실패했을 경우 단말은 NACK 신호를 기지국에게 전송하고, NACK 신호를 수신한 기지국은 해당 단말로의 패킷 전송이 실패했음을 감지하고 적절한 시점에서 동일 데이터를 동일한 패킷 형식, 또는 새로운 패킷 형식으로 재전송할 수 있다. 이때 단말은 재전송된 패킷을 이전에 수신했지만 복호화에 실패한 패킷과 다양한 방식으로 결합하여 다시 복호화를 시도한다. 이하 WCDMA의 RACH에 대해 설명한다. RACH는 상향으로 짧은 길이의 데이터를 전송하기 위한 전송채널이다. 상기 RACH를 통하여 RRC 연결요청 메시지(RRC Connection Request Message)와 셀 갱신 메시지(Cell Update Message), URA 갱신 메시지(URA Update Message) 등의 일부 RRC 메시지가 전송된다. 상기 RACH에는 논리채널 CCCH(Common Control Channel), DCCH(Dedicated Control Channel), DTCH(Dedicated Traffic Channel) 및 , DTCH(Dedicated Traffic Channel)가 매핑될 수 있으며, RACH는 다시 물리채널인 PRACH(Physical Random Access Channel)에 매핑된다. 도 6은 일반적인 PRACH의 일례를 나타낸 예시도이다. 도 6을 참조하면, 상향 물리채널 PRACH는 프리앰블 부분(Preamble Part)과 메시지 부분(Message Part)으로 나누어진다. 상기 프리앰블 부분은 메시지 전송에 사용되는 적절한 전송전력을 조절하는 전력 램핑(Power Ramping) 기능과 여러 단말 간의 충돌(Collision)을 방지하는 기능을 수행한다. 상기 메시지 부분은 MAC에서 물리채널에 전달한 MAC PDU(Protocol Data Unit)를 전송하는 기능을 수행한다. 단말 MAC이 단말 물리계층에 PRACH 전송을 지시하면, 단말 물리계층은 먼저 하나의 액세스 슬롯(Access Slot)과 하나의 시그니처(Signature)를 선택하여 PRACH 프리앰블을 상향으로 전송한다. 상기 프리앰블은 1.33ms 길이의 액세스 슬롯 구간 동안 전송될 수 있으며, 액세스 슬롯의 처음 일정 길이 동안에 16가지 시그니처 중 하나의 시그니처를 선택하여 전송할 수 있다. 단말이 프리앰블을 전송하면 기지국은 하향 물리채널 AICH(Acquisition Indicator Channel)을 통해 응답 신호를 전송할 수 있다. 기지국은 상기 AICH가 전송하는 응답 신호를 통해 긍정적인 응답(ACK) 또는 부정적인 응답(NACK)을 단말에게 전송한다. 만일 단말이 ACK을 수신하면, 단말은 메시지 부분을 전송하고, NACK을 수신하면, 단말 MAC은 적당한 시간 이후에 단말 물리계층에게 다시 PRACH 전송을 지시한다. 한편, 만약 전송한 프리앰블에 대응되는 응답을 수신하지 못하였을 경우, 단말은 정해진 액세스 슬롯 이후에 이전 프리앰블보다 한 단계 높은 전력으로 새로운 프리앰블을 전송한다. 상기에서는 RACH 프리앰블에 대한 응답에 대하여 설명하고 있으나, 이외에 기지국에서 단말로 데이터를 전송하거나 혹은 제어 신호를 전송할 수 있다. 기지국으로부터 단말로 전송되는 제어 신호는 하향링크 스케줄링 정보(Downlink Scheduling Information), 상향링크 스케줄링 할당(Uplink Scheduling Grant) 그리고 단말의 RACH 프리앰블 전송에 대한 응답정보 등이 있다. 이하 RACH 프리앰블에 대한 기지국의 응답정보 전송에 대해 설명한다. 기지국은 단말이 RACH 프리앰블을 전송했을 경우 다음과 같은 응답정보를 전송할 수 있다. 먼저, 기지국이 전송하는 응답정보에는 시간동기의 보정값(Time Advance, 이하 TA라고 함)이 포함된다. OFDM 시스템에서는 단말과 기지국간의 상향링크의 시간동기를 맞춰야만 한다. 즉, 만약 시간동기가 맞지 않은 경우에는, 단말의 상향링크 데이터 전송이 다른 심볼이나 다른 사용자의 데이터 전송에 간섭작용 (Interference)을 야기하여 에러발생률을 높이게 된다. 이렇기 때문에, 기지국은 단말의 RACH 프리앰블을 수신하여, 상기 단말의 TA를 계산한 후 단말에게 알려준다. 단말은 수신 받은 TA를 이용하여 기지국과의 시간동기를 재 설정하여 기지국과 정확이 시간동기를 맞추게 된다. 또한, 상기의 응답정보에 포함된 상향링크의 무선자원 할당정보를 통하여 단말은 기지국으로 데이터를 전송하게 된다.