KR100293361B1 - 동기장치를 이용한 tdm방식에서의 가드 타임축소 장치 및 제어방법 - Google Patents

동기장치를 이용한 tdm방식에서의 가드 타임축소 장치 및 제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 GPS를 이용한 TDM에서의 가드 타임(Guard Time)에 관한 것으로서, 데이터를 저장,변환하고 현재의 위치를 확인하여 경과시간을 계산하여 GPS 타이밍장치의 오프셋을 제어하는 통신장치와, 상기 통신장치로부터 출력되는 오프셋 제어신호를 받아 타임 클럭을 출력하는 GPS 타이밍장치와, 상기 GPS 타이밍장치에서 오프셋된후 출력되는 타임 클럭을 입력받아 패킷형태로 만드는 패킷화 장치로 구성되어 있어서, 임의시간 만큼 지연된 시간 클럭을 발생시켜 각 지구국에서 위성에 보내는 각 패킷이 서로 중복되지 않으면서 최대한 시간적으로 근접하도록 가드 타임을 최대한 감소시키기 위한 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임축소 장치 및 제어방법에 관한 것이다.

Description

동기장치를 이용한 ＴＤＭ방식에서의 가드 타임축소 장치 및 제어방법
본 발명은 GPS(Global Positioning System)를 이용한 TDM(Time Division Multiplexer)에서의 가드 타임(Guard Time)에 관한 것으로서, 특히 임의시간 만큼 지연된 시간 클럭을 발생시킴으로써 위성과 통신하는 지상 지구국의 송신 시간을 제어하여, 각 지구국에서 위성에 보내는 신호들이 통신위성에 도착했을 때 각 패킷이 서로 중복되지 않으면서 시간적으로 근접한 가드 타임을 가지도록 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임축소 장치 및 제어방법에 관한 것이다.
종래의 TDM 방식의 위성통신에서는 각 기지국의 송신시간을 정확하게 결정하지 못하였기 때문에 즉, 각 기지국에서 송신하는 패킷의 시작시각을 일치시키지 않아서 각 기지국에서 송신되는 패킷사이에 서로 간섭이 발생하게 되는 문제점이 있었으며, 각 기지국은 이러한 패킷사이의 간섭을 방지하기 위해서 각 기지국간의 패킷이 충돌하지 않도록 충분한 휴지시간을 갖든지, 또는 패킷 데이터의 품질을 저하시키더라도 어느 정도의 충돌을 허용하든지, 또는 중심국의 통제하에 패킷의 충돌을 방지하도록 통신을 하는 방법이 있으나 이러한 방법은 회선의 이용효율을 매우 저하시키는 문제점이 있었다.
상기와 같은 종래의 문제점을 해소하기 위한 본 발명의 목적은, 각 기지국에서 위성에 패킷 데이터를 송신시 송신되는 신호들이 서로 중복되지 않으면서도 시간적으로 근접한 즉, 매우 작은 가드 타임을 가지는 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임축소 장치 및 제어방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임축소 장치는, 패킷을 송신하는 송신 기지국과 패킷을 수신하는 수신 기지국과 상기 송신 기지국과 수신 기지국을 연결하는 위성으로 구성되어 있는 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임 축소 장치에 있어서, 상기 송신 기지국은 기지국외부로부터 수신되는 데이터를 받아들여 저장,변환하고 GPS 수신기로부터 기지국의 위치와 위성의 위치를 확인하여 경과시간을 계산함으로써 GPS 타이밍장치의 오프셋을 제어하는 통신장치와, 상기 통신장치로부터 출력되는 오프셋 제어신호를 받아 타임 클럭을 출력하는 GPS 타이밍장치와, 상기 GPS 타이밍장치에서 오프셋된후 출력되는 타임 클럭을 입력받아 위성에 데이터를 전송하도록 패킷형태로 만드는 패킷화 장치로 구성되어 있으며, 상기 수신 기지국은 위성으로부터 송신되는 패킷을 입력받아 오프셋된후 출력되는 타임 클럭에 의해서 데이터를 출력하는 패킷화 장치와, 상기 패킷화 장치에서 출력되는 데이터를 입력받아 저장,변환하고 GPS 수신기로부터 기지국의 위치와 위성의 위치를 확인하여 경과시간을 계산하고 오프셋 제어신호를 출력하는 통신장치와, 상기 통신장치로부터 출력되는 오프셋 제어신호를 받아 타임 클럭을 상기 패킷화 장치로 출력시키는 GPS 타이밍장치로 구성되어 있는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임축소 장치의 제어방법은 임의시간 만큼 지연된 시간 클럭을 이용하여 위성과 통신하는 지상 지구국의 송신 시간을 제어하여, 각 지구국에서 위성으로 전송하는 신호들이 통신위성에 도착했을 때 각 패킷이 서로 중복되지 않으면서 최대한 시간적으로 근접된 가드 타임을 갖는 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명을 개략적으로 도시한 블록도이며,
도 2는 도 1에 의해 패킷이 전송되는 순서를 나타낸 타이밍도이며,
도 3은 UTC 타임에 대한 각 기지국의 패킷 전송시간을 나타내기 위한 타이밍도이며,
도 4는 각 기지국에서 패킷 전송시 가드 타임의 관계를 나타낸
타이밍도이며,
도 5는 본 발명의 위성통신장치를 개략적으로 도시한 블록도이며,
도 6은 도 5의 GPS 타이밍 장치를 나타낸 블록도이다.
< 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 >
50 : GPS 수신기 60 : 비교기
70 : 프로세서 80 : 발진기
90 : 분주기 100 : 송신 기지국
110, 210 : 통신장치 120,220 : GPS 타이밍 장치
130, 230 : 패킷화 장치 200 : 수신 기지국
이하, 본 발명 "동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임축소 장치 및 제어방법"의 기술적 사상에 따른 실시예를 들어 그 구성 및 동작을 첨부된 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 위성과 통신하는 다수개의 기지국을 나타내고 있으며, 상기 각 기지국(10,20,30)은 위성과 각각 다른 거리를 가지고 있으며, 위성과 각 기지국과의 경과시간을 각각 △tA, △tB, △tC라고 하면, 기지국(10)에서의 경과 시간은 △tA+tinterval*2이고, 기지국(20)에서의 경과 시간은 △tB+ tinterval이고, 기지국(30)에서의 경과 시간은 △tC가 되므로, 위성에서는 데이터가 일렬로 계속되어 전송된다.
도 2는 도 1에서 각 기지국(10,20,30)으로부터 송신된 데이터가 위성에 도달되는 상태를 개략적으로 도시한 것으로, 예를 들면, 기지국(30)과 기지국(20)사이와 기지국(20)과 기지국(10)사이에는 실질적으로 패킷사이에 가드 타임이 존재하게 되는 것을 나타낸다.
그런데 이러한 가드 타임을 최소로 하기 위해서 각 기지국(10,20,30)에서는 일정한 길이로 이루어진 데이터를 송신함으로써 각 기지국(10,20,30)이 송신한 데이터를 위성이 수신했는지 여부를 피드백 받기 위해서는 약 200nsec의 소요되는 시간을 감소시킨다.
도 3은 각 기지국에서 패킷을 송신시 다른 기지국과의 관계를 도시한 타이밍도로써, 먼저 패킷이 조립되기 위해서는 에러 없이 안정적으로 동작할 수 있도록 첫 번째 비트가 패킷을 제어하는 클럭과 동기되어 있어야 하며, 따라서 GPS 타이밍 장치에서는 이 클럭으로부터 해당 주파수를 사용하며, 패킷의 길이는 반드시 가드 타임을 초과하지 않도록 해야한다.
그리고 기준시간으로는 UTC(Universal Time Coordinate) 시간으로 1초 클럭이 적당하며 UTC에 동기된 펄스의 간격은 시스템의 요구에 의해 제한 될 수 있다. 예를들면, 패킷의 길이를 100μsec로 하고자 한다면 1초 사이에는 10000개 정도의 많은 패킷이 들어갈 수 있으므로, 이런 경우 패킷에 번호를 붙이면 각 기지국(10,20,30)은 임의의 시간에 하나의 패킷을 점유하게 되고 이에 따라 다른 기지국에서는 먼저번 패킷이 수신되었는지 확인 후, 그 다음 패킷을 송신하게 된다. 그러므로 이미 점유된 패킷을 용이하게 송신할 수 있기 때문에 다음 패킷과 충돌에 의해서 패킷 데이터가 손실되지 않으며, 만약 패킷이 손실되었다고 하더라도 각 패킷에는 번호가 이미 부여되어 있기 때문에 손실된 패킷만을 선별하여 복귀할 수 있다. 다시 말해서 무차별하게 다수의 기지국이 패킷을 송신하더라도 일정한 패킷의 길이로 인해서 데이터 통신이 효율적으로 이루어질 수 있는 것이다.
그리고 중심국에서 각 기지국의 패킷 전송을 폴링(Polling)방법으로 제어할 경우에는, 맨 처음의 특정 패킷에 할당되는 리스트만을 송부함으로써 제어한다.
도 6에는 각 기지국 사이의 가드 타임을 구체적으로 나타낸 타이밍도로서, 예를 들어 기지국(20)에서 패킷이 송신 된 후 기지국(30)에서 패킷이 송신시에는 도 6에 도시된 바와 같이, UTC에서 누적오차가 200nsec인 경우라면 각 기지국 사이의 가드 타임을 누적오차의 2배인 400nsec 이상이 되어야만 패킷사이의 충돌이 발생하지 않게 된다. 따라서 이와 같이 동작하기 위해서는 각 기지국에서는 고도로 정확한 클럭과 시간 길이에 대한 정보를 가지고 제어할 수 있어야 되며, 예를 들어 msec에 동기된 패킷 펄스는 m+1sec에서 10nsec 이상 이격이 된다면 이상은 없으나, 펄스열을 UTC에 안정하게 동기시킬 수 없기 때문에 너무 많은 오차(예를 들면, 1번에 10nsec 오차씩 100번의 오차가 발생하게 되면 1usec가 됨)가 발생하지 않도록 제어된다.
그리고 각 기지국(10,20,30)의 기준시간은 각 기지국(10,20,30)으로부터 위성까지 전파의 전파시간을 감안해서 송신해야 하므로, UTC에서는 이러한 전파 시간 만큼을 미리 발생시켜야 한다. 그리고 이러한 전파시간을 알기 위해서는 우선 위성과 각 기지국(10,20,30)의 위치를 알아야 하며 계산 식은 다음과 같다.
먼저, 위성의 위치를 계산하기 위해서, 정지위성의 궤도가 원형이고 지구중심으로부터 R1만큼의 반지름을 가지고 있으며, X축으로부터 θradian 만큼 떨어져 있다면, 정지위성은 위도상의 변화를 가지지 않으므로 Z값은 0(엄밀하게 말하면, 위도상에서 미소한 변화가 있으나, 이것으로 인해서 각 기지국으로부터 위성까지의 경과시간에는 별문제가 없음)이된다.
따라서,
Xs=R1 cos(θ)
Ys=R1 sin(θ)
Zs=0
된다.
그런데 상기 식은 하나의 예를 나타낸 것으로서, 해당 통신위성의 통제국에 의해 주어지는 것이나 계산식을 이용하여 WGS-84 좌표계의 X,Y,Z 를 구한다. 여기서 WGS-84좌표계가 필요한 것은 GPS 위성에 의해 구해지는 기지국의 위치가 WGS-84 좌표계의 값이기 때문이며, 그리고 기지국의 위치는 GPS수신기로부터 구해지므로, 따로 계산할 필요가 없다.
이들의 위치로부터 각 기지국과 위성과의 거리는 이들의 위치에 대한 피타고라스 정리를 이용하여 계산하면 다음과 같다. 여기서 각 기지국의 위치는 Xm, Ym, Zm이므로,
거리=
Figure 1019970061561_B1_M0001
이되고,
지구원점으로부터 각 기지국까지의 거리, 위성까지의 거리를 알게 되므로 기지국으로부터 위성까지의 거리를 계산할 수 있다, 게다가 전파는 관측각에 따라 회절량이 다르므로 회절에 의한 거리 확장효과가 있으며, 진공중에서보다 공기중에서는 전파의 전파속도가 감소하므로 이러한 함수를 고려하면,
거리=
Figure 1019970061561_B1_M0001
+DDiffraction(θxyz) +DPropagation(θxyz)
이 된다.
따라서 각 기지국(10,20,30)에서 위성까지의 경과시간은 상기에서 계산된 거리를 광속으로 나누면 되므로, 결국 각 기지국(10,20,30)에서의 기준시간은 위에서 계산된 경과시간 만큼 빨리 발생되야 통신 위성에 패킷이 도착시 UTC의 타임과 일치하게 된다.
한편, 각 기지국(10,20,30)에서 위성과 통신하는 방법에는 다음과 같은 방법이 있다.
먼저, 중심국의 통제가 없는 경우에는, 중심국에서 통제를 하지 않기 때문에, 각 기지국에서는 보내고자 하는 패킷을 위성에 무조건 보내면 수신자는 수신되는 패킷의 헤드와 패킷의 길이를 체크 하여 충돌이 발생하지 않았는지를 확인하여 만약, 다른 기지국에서 송신한 패킷 데이터와 충돌하였다면, 일정 시간을 기다렸다가 다시 재전송한다.
다음으로, 토큰(Token) 방식에 의한 방법으로, 이경우에는 송신되는 패킷의 길이가 긴 경우에 효율이 증가하게 되는데, 통신을 시도할 때 각 기지국은 다음번 기지국과 송신하기 위해 현재 점유하고 있는 패킷 번호나 갯수를 먼저 보내면, 다음 기지국에서는 이러한 정보를 판단하여 먼저 기지국에서의 데이터가 끝난 것을 확인후 송신하게 된다. 만약, 패킷 길이가 전파시간의 길이보다 작은 경우에는 패킷을 송신후 확인하는 동안에 다른 기지국에서는 다른 패킷을 송신할 수 없기 때문에, 가급적이면 긴 패킷 길이를 가지고 전송시 유리하다.
마지막으로 중심국의 통제에 의한 방법은, 첫 번째 패킷은 중심국에 의해 나머지 패킷의 할당 리스트를 보내고, 두 번째부터 그 이후의 패킷은 각 기지국에 하나씩 할당시켜 무조건 해당 기지국의 송신 요청 여부와 필요한 패킷의 개수를 중심국에 보고하게 한다. 그 나머지는 데이터 전송을 위한 패킷이며 두 번째 패킷 시작 시간부터 계산하여 전파 지연시간보다 더 길어야 하며, 만일 이보다 짧다면 패킷은 첫 번째 패킷이 종료되지 않아서 할당 리스트를 해석할 수 없게 된다. 따라서 각 기지국(10,20,30)은 송신 요청 결과를 토대로 다음번 패킷열의 리스트를 작성한다.
도 5에는 본 발명의 각 기지국이 위성과 패킷을 송수신하기 위한 위성통신장치(300)에 관한 것으로서, 송신 기지국(100)에는 외부로부터 수신되는 데이터를 저장,변환하고 GPS 수신기로부터 각 기지국의 위치와 위성의 위치를 확인하여 경과시간을 계산함으로써 GPS 타이밍장치(120)의 오프셋을 제어하는 통신장치(110)와, 상기 통신장치(110)로부터 출력되는 오프셋 제어신호를 받아 타임 클럭을 출력시 상기 오프셋 제어신호만큼 UTC 타임보다 먼저 타임 클럭을 발생시키는 GPS 타이밍장치(120)와, 상기 GPS 타이밍장치(120)에서 오프셋된후 출력되는 타임 클럭을 입력받아 위성에 데이터를 전송하도록 패킷형태로 만드는 패킷화 장치(130)로 구성되어 있으며, 수신 기지국(200)은 상기 송신 기지국(100)으로부터 송신된 데이터를 수신하는 장치로서, 상기 송신 기지국(100)와 동일한 형태로 구성되어 있다.
그리고 상기 GPS 타이밍 장치(120, 220)는 도 6에 도시한 바와 같이, 위성으로부터 데이터를 수신하는 GPS수신기(50)와, 상기 GPS수신기(50)로부터 출력되는 1PPS 시간과 분주기(90)로부터 출력되는 1PPS 시간과의 차이를 비교하여 이들의 차이를 보정하는 비교기(60)와, 상기 비교기(60)에서 출력되는 비교기의 값에 따라 적절하게 제어신호를 출력하는 프로세서(70)와, 상기 프로세서(70)로부터 출력되는 제어신호에 의해서 클럭 주파수를 제어하는 발진기(80)와, 상기 발진기(80)에서 출력되는 클럭 주파수를 적절하게 분주하여 1PPS가 경과시간 만큼 빨리 발생되도록 오프셋을 가지고 출력하는 분주기(90)로 구성되어 있다.
상기 GPS수신기(50)로부터 출력되는 1PPS는 매우 큰 약 400nsec 정도의 분산을 가지므로 상기 비교기(60)에서 출력되는 차이값이 가장 작도록 상기 프로세서(70)에 의해서 제어되면, 1PPS가 이러한 계산 값만큼 빨리 발생하도록 상기 분주기(90)에서는 분주한다.
따라서 상기 비교기(60)의 카운트 값이 최대 1초까지 카운트할 수 있도록 충분히 큰 카운터를 사용해야 하고, 예를 들어 각 기지국이 100usec의 패킷을 사용한다면 그에 해당되는 주파수인 10KHz의 주파수도 출력되어야 하며 ,이때 이 주파수 펄스열의 한 상승에지가 1PPS의 상승에지와 일치하여야 한다. 그리고 데이터의 송신속도에 해당되는 주파수도 1PPS에 동기되어 출력되어야 하며, 만일 송신속도가 10Mbit/sec 라면 10MHz 클럭이 필요하게 된다.
다시 말해서, 상기 송신 기지국(100)에서 위성까지의 전파시간이 0.3초이고, 상기 수신 기지국(200)에서 위성까지의 전파시간이 0.2초라고 할 경우, 각 송신 기지국(100)과 상기 수신 기지국(200)에서 전송된 데이터가 위성에 도착하는 시각이 매초 UTC 정각에 도달된다. 상기 송신 기지국(100)는 UTC 타임의 0.3초전에, 상기 수신 기지국(200)은 UTC 타임의 0.2초 전에 송신을 실시해야만 위성은 UTC 정각에 이들의 데이터를 수신하게 된다.
상기와 같이 구성된 본 발명의 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임축소 장치 및 제어방법은, 각 기지국으로부터 위성에 송신하는 송신신호가 각 기지국마다 서로 중복되지 않으면서도 아주 작은 가드 타임을 가지도록 각 기지국에서 패킷을 송신시 일정량의 오프셋 오차를 가지고 전송됨으로써 회선의 이용효율을 향상시키기 위한 발명이다.

Claims (8)

  1. 패킷을 송신하는 송신 기지국과 패킷을 수신하는 수신 기지국과 상기 송신 기지국과 수신 기지국을 연결하는 위성으로 구성되어 있는 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임 축소 장치에 있어서,
    상기 송신 기지국은 기지국외부로부터 수신되는 데이터를 받아들여 저장,변환하고 GPS 수신기로부터 기지국의 위치와 위성의 위치를 확인하여 경과시간을 계산함으로써 GPS 타이밍장치의 오프셋을 제어하는 통신장치와, 상기 통신장치로부터 출력되는 오프셋 제어신호를 받아 타임 클럭을 출력하는 GPS 타이밍장치와, 상기 GPS 타이밍장치에서 오프셋된후 출력되는 타임 클럭을 입력받아 위성에 데이터를 전송하도록 패킷형태로 만드는 패킷화 장치로 구성되어 있으며, 상기 수신 기지국은 위성으로부터 송신되는 패킷을 입력받아 오프셋된후 출력되는 타임 클럭에 의해서 데이터를 출력하는 패킷화 장치와, 상기 패킷화 장치에서 출력되는 데이터를 입력받아 저장,변환하고 GPS 수신기로부터 기지국의 위치와 위성의 위치를 확인하여 경과시간을 계산하고 오프셋 제어신호를 출력하는 통신장치와, 상기 통신장치로부터 출력되는 오프셋 제어신호를 받아 타임 클럭을 상기 패킷화 장치로 출력시키는 GPS 타이밍장치로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임 축소 장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 GPS 타이밍 장치는 GPS 위성으로부터 시간과 위치정보 등을 수신하는 GPS수신기와, 상기 GPS수신기로부터 출력되는 1PPS 시간과 분주기로부터 출력되는 1PPS 시간과의 차이를 비교하여 이들의 차이를 보정하는 비교기와, 상기 통신장치로부터 출력되는 오프셋 제어신호에 의해서 상기 비교기에서 출력되는 차이값을 제어하는 프로세서와, 상기 프로세서로부터 출력되는 신호에 의해서 클럭 주파수를 제어하는 발진기와, 상기 발진기에서 출력되는 클럭 주파수를 분주한 1PPS를 상기 패킷화 장치로 출력하는 분주기로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임 축소 장치.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 GPS 타이밍장치는 상기 통신장치으로부터 출력되는 오프셋 제어신호만큼 UTC 타임보다 먼저 타임 클럭을 발생시키는 것을 특징으로 하는 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임 축소 장치.
  4. 임의시간 만큼 지연된 시간 클럭을 이용하여 위성과 통신하는 지상 지구국의 송신 시간을 제어하여, 각 지구국에서 위성으로 전송하는 신호들이 통신위성에 도착했을 때 각 패킷이 서로 중복되지 않으면서 최대한 시간적으로 근접된 가드 타임을 갖기 위한 것을 특징으로 하는 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임축소 장치의 제어방법.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 패킷의 첫 번째 비트는 패킷을 제어하는 클럭과 동기되는 것을 특징으로 하는 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임축소 장치의 제어방법.
  6. 제 5항에 있어서, 상기 패킷의 길이는 반드시 가드 타임을 초과하지 않는 것을 특징으로 하는 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임축소 장치의 제어방법.
  7. 제 4항에 있어서, 상기 패킷이 폴링(Polling)방식으로 전송될 경우에는 상기 패킷의 특정 부분에 각각의 패킷에 할당되는 리스트만을 송부하는 것을 특징으로 하는 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임축소 장치의 제어방법.
  8. 제 4항에 있어서, 상기 각 기지국에서 송신되는 패킷은 일정량의 오프셋 오차를 가지고 전송되는 것을 특징으로 하는 동기장치를 이용한 TDM방식에서의 가드 타임축소 장치의 제어방법.
KR1019970061561A 1997-11-20 1997-11-20 동기장치를 이용한 tdm방식에서의 가드 타임축소 장치 및 제어방법 KR100293361B1 (ko)

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