이동 통신 시스템에서 패킷 재정렬 방법 및 장치 document_id A220623050129

일반적으로 이동 통신 시스템은 사용자의 활동성을 보장하면서 음성 서비스를 제공하기 위해 개발되었으나, 점차로 음성 뿐 아니라 데이터 서비스까지 영역을 확장하고 있으며, 현재에는 고속의 데이터 서비스를 제공할 수 있는 정도까지 발전하였다. 그러나 현재 서비스가 제공되고 있는 이동 통신 시스템에서는 자원의 부족 현상 및 사용자들이 보다 고속의 서비스를 요구하므로, 보다 발전된 이동 통신 시스템이 요구되고 있다. 이러한 요구에 부응하여 차세대 이동 통신 시스템으로 개발중인 중 하나의 시스템으로써 3GPP에서 LTE(Long Term Evolution)에 대한 규격 작업이 진행 중이다. LTE는 2010년 정도를 상용화 목표로 해서, 최대 100 Mbps 정도의 전송 속도를 가지는 고속 패킷 기반 통신을 구현하는 기술이다. 이를 위해 여러 가지 방안이 논의되고 있는데, 예를 들어 네트워크의 구조를 간단히 해서 통신로 상에 위치하는 노드의 수를 줄이는 방안이나, 무선 프로토콜들을 최대한 무선 채널에 근접시키는 방안 등이 있다. 도 1은 LTE 시스템의 프로토콜 구조를 도시한 도면이다. 이하 특정 프로토콜 계층 장치에 입력되는 패킷을 SDU(Service Data Unit), 특정 프로토콜 계층 장치에서 출력되는 패킷을 PDU(Protocol Data Unit)로 명명한다. 예컨대 RLC 장치에 입력되는 패킷은 RLC SDU, RLC 장치에서 출력되는 패킷은 RLC PDU이다. PDCP(105, 140)는 IP 헤더 압축/복원 등의 동작을 수행하고, RLC(110, 135)는 PDCP PDU를 적절한 크기로 재구성한 뒤 ARQ 동작 등을 수행한다. MAC 계층(120)은 한 단말에 구성된 여러 RLC 장치들과 연결되며, RLC PDU들을 MAC PDU에 다중화하고 MAC PDU로부터 RLC PDU들을 역다중화하는 동작을 수행한다. 상기 프로토콜 계층 장치에서는 필요에 따라 적절한 헤더가 부가되는데, 예를 들어 RLC 장치는 RLC SDU에 일련 번호 등을 포함하는 RLC 헤더를 부가하고, MAC 장치는 MAC SDU에 RLC 장치 식별자 등을 포함하는 MAC 헤더를 부가한다. 물리 계층(120, 125)은 MAC PDU를 채널 코딩, 변조하고 OFDM 심볼로 만들어서 무선 채널(123)로 전송하거나, 무선 채널(123)을 통해 수신한 OFDM 심볼을 복조, 채널 디코딩해서 상위 계층으로 전달하는 동작을 한다. 물리 계층(120, 125)은 또한 상기 MAC PDU에 대한 복합 자동 재전송 요구(HARQ,Hybrid Automatic Retransmission request) 동작도 수행한다. HARQ는 물리 계층에서 재전송을 수행하고, 재전송된 패킷과 원래 패킷을 연성 결합(soft combining)하는 기법이다. 이를 통해 이미 사용된 전송 자원과 에너지를 낭비하지 않고 재사용하는 장점을 얻는다. HARQ는 MAC PDU 단위로 이루어지며, 송신 장치는 MAC PDU를 전송한 후 소정의 물리 채널을 통해 상기 MAC PDU에 대한 HARQ 피드백 정보를 수신한다. 그리고 상기 피드백 정보가 지시하는 바에 따라서 MAC PDU를 재전송하거나, 새로운 MAC PDU를 전송한다. 수신 장치는 MAC PDU를 수신하면 소정의 과정을 통해 상기 MAC PDU를 디코딩하고 CRC 연산 등을 통해 오류 발생 여부를 확인한다. 오류 발생 여부의 검사 결과 만일 오류가 발생하였다면 소정의 물리 채널을 통해 재전송을 요청하고, 오류가 발생하지 않았다면 MAC PDU를 상위 계층으로 전달한다. HARQ 송수신은 HARQ 프로세스라는 HARQ 전송 장치와 HARQ 수신 장치를 통해 이루어지는데, 단말과 기지국은 동시에 여러 개의 HARQ 프로세스들을 구동함으로써 전송 효율을 극대화한다. 예컨대, n개의 HARQ 프로세스를 구비한 단말과 기지국은 임의의 HARQ 프로세스에서 MAC PDU를 전송하면, 상기 MAC PDU에 대한 피드백 정보를 수신하기 전이라도 다른 HARQ 프로세스를 통해 다른 MAC PDU를 전송한다. 이처럼 다수의 HARQ 프로세스를 통해 다수의 MAC PDU를 동시에 처리하기 때문에, HARQ 동작에서는 필연적으로 순서 뒤바뀜 현상이 발생한다. 순서 뒤바뀜 현상이란 먼저 전송된 MAC PDU가 더 많은 재전송을 겪으면서 늦은 시점에 전송된 MAC PDU보다 늦게 전송에 성공하는 현상이다. 따라서 무선 프로토콜은 상위 계층 데이터를 상위 계층에서 전달된 순서와 동일한 순서로 상위 계층에 전달하여야 하기 때문에 상기 순서 뒤바꿈 현상이 발생한 MAC PDU의 순서를 재정렬하여야 한다. HSDPA(High Speed Downlink Packet Access)나 HSUPA(High Speed Uplink Packet Access)와 같은 기존 이동 통신 시스템에서는 상기 순서 재정렬을 TSN(Transmission Sequence Number)이라는 일련 번호를 사용해서 MAC 계층에서 수행하였으나, LTE에서는 수선 재정렬을 RLC SN(Sequence Number)이라는 RLC의 일련 번호를 이용해서 RLC 계층에서 수행하며, RLC SN의 크기는 RLC는 동작 모드에 따라서 5 비트 혹은 10 비트 이다. 일반적으로 순서 재정렬을 위해서 필요한 일련 번호의 최소 크기는, 동시에 사용 가능한 HARQ 프로세스의 숫자, HARQ 재전송 최대 회수에 의해서 결정된다. WCDMA에서는 6 비트의 TSN이, 다시 말해서 64개의 일련 번호가 순서 재정렬을 위해서 사용되었다. LTE와 WCDMA에서 HARQ 프로세스의 숫자와 HARQ 재전송 최대 회수는 거의 동일하다. 도 2는 일반적인 HARQ 순서 재정렬 동작을 설명한 도면이다. HARQ 순서 재정렬은 통상 풀 윈도우(pull window)에 의해서 수행된다. 이를 간단히 설명하면, HARQ 순서 재정렬 윈도우(215)는 소정의 윈도우 크기(220), 윈도우 상단(205), 윈도우 하단(210)으로 구성되며, HARQ 전송 윈도우 하단(210)은 HARQ 전송 윈도우 상단 일련 번호에서 순서 재정렬 윈도우 크기를 감산한 값에 일을 합산한 정수에 해당하는 일련 번호이고, HARQ 전송 윈도우 상단(205)은 HARQ 전송이 완료된 RLC PDU의 일련 번호 들 중 가장 높은 일련 번호이다. HARQ 순서 재정렬 장치는 현재 상단 일련 번호보다 높은 일련 번호의 패킷을 수신하면 상기 HARQ 순서 재정렬 윈도우의 상단 일련 번호를 상기 보다 높은 일련 번호로 갱신하고 HARQ 순서 재정렬 윈도우도 이에 맞춰 이동한다. 상기 HARQ 순서 재정렬 윈도우의 이동으로 HARQ 순서 재정렬 윈도우보다 낮은 일련 번호 영역(230)에 위치 하게 된 패킷들은 HARQ 순서 재정렬이 완료된 것으로 간주된다. 상기 동작을 위해서 HARQ 순서 재정렬 장치는 수신한 패킷의 일련 번호가 HARQ 순서 재정렬 윈도우 상단 일련 번호보다 높은지 여부를 판단하여야 하며, 이는 일반적으로 HARQ 순서 재정렬 윈도우의 크기를 일련 번호 전체 크기의 절반으로 설정함으로써 간단히 구현된다. 즉, HARQ 순서 재정렬 윈도우에 속하는 일련 번호는 윈도우 상단 일련 번호보다 낮은 일련 번호이며, HARQ 순서 재정렬 윈도우에 속하지 않는 일련 번호는 윈도우 상단 일련 번호보다 높은 일련 번호이다. 예컨대, 5 비트 일련 번호를 가정하면 일련 번호의 전체 크기는 32, HARQ 순서 재정렬 윈도우의 크기가 16이다. 임의의 시점에 HARQ 순서 재정렬 윈도우의 상단 일련 번호가 30, 하단 일련 번호가 15라면, 15와 30 사이의 일련 번호는 HARQ 순서 재정렬 윈도우 내의 일련 번호이고, 31과 14 사이의 일련 번호는 HARQ 순서 재정렬 윈도우 바깥의 일련 번호이다. 상기 HARQ 순서 재정렬 윈도우의 동작에서 보는 것과 같이, 일련 번호가 [x+16]인 패킷의 HARQ 송수신이 성공한 뒤, 일련 번호 x인 패킷의 HARQ 송수신이 성공하면 HARQ 순서 재정렬 동작에 문제가 발생한다. 즉, HARQ 순서 재정렬 장치는 일련 번호 [x+16]으로 윈도우 상단을 이동시키므로, 차 후에 일련 번호 x인 패킷이 전달되면 순서 재정렬 장치는 상기 일련 번호 x를 [x+16]보다 높은 일련 번호로 인식하고 윈도우를 이동시킨다. 구체적인 예를 도 3을 통해 설명한다. 도 3은 HARQ 순서 재정렬의 오동작을 설명하기 위한 도면이다. 윈도우 상단 일련 번호가 15(310), 하단 일련 번호가 0(305)일 때, 일련 번호 1인 패킷(315)와 일련 번호 18인 패킷(320)이 HARQ에서 처리 중이다. 임의의 시점에 일련 번호 18인 패킷이 성공적으로 처리되면, 순서 재정렬 장치는 순서 재정렬 윈도우의 상단을 상기 일련 번호 18로 이동하고, 결과적으로 일련 번호 1인 패킷은 순서 재정렬 윈도우의 바깥에 위치한다. 차후 임의의 시점에 상기 일련 번호 1인 패킷이 성공적으로 수신되어서 상기 순서 재정렬 장치로 전달되면 순서 재정렬 장치는 상기 일련 번호 1을 다음 순환 주기의 일련 번호 1(325)로 오인하고 순서 재정렬 윈도우를 이에 맞춰 이동시키는 오동작을 한다. 결과적으로 아직 순서가 재정렬되지 않은, 일련 번호 3에서 17에 이르는 많은 패킷들의 순서가 재정렬된 것으로 오인되고, 상기 일련 번호 범위 내의 패킷들 중 상기 시점에 HARQ 처리 중인 패킷들을 순서가 재정렬되지 않은 상태로 처리하는 문제점이 발생한다.