KR100366871B1 - 셀룰러다중캐리어무선통신시스템 - Google Patents

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KR100366871B1 KR10-1998-0048834A KR19980048834A KR100366871B1 KR 100366871 B1 KR100366871 B1 KR 100366871B1 KR 19980048834 A KR19980048834 A KR 19980048834A KR 100366871 B1 KR100366871 B1 KR 100366871B1
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Abstract

셀룰러 다중캐리어 무선 통신 시스템으로서, 두 개 이상의 각각의 셀들의 클러스터를 위한 기지국들이 서브캐리어들의 동일한 그룹에 동기하여 동일한 신호 전송 정보(signalling information)를 전송한다. 이것은 이동 단말기에서 신호 조합을 위한 어떠한 부가적인 하드웨어도 사용하지 않으면서, 수신기의 안테나에 앞서 "방송 중에(on the air)" 여러 기지국 신호의 조합을 가능하게 한다.

Description

셀룰러 다중캐리어 무선 통신 시스템
본 발명은 셀룰러 다중캐리어 무선 통신 시스템에 관한 것이다.
다중캐리어 변조를 통해, 데이터 신호는 여러 개의 더 낮은 레이트 신호들로 분할되어, 심볼 시간(symbol time)은 예상되는 다중경로 지연 확산과 비교할 때 커지게 된다. 서브캐리어 주파수들은 상이한 방식들로 분포될 수 있을 것이다. 가장 간단한 경우는, 각각의 이동 단말기가 상이하면서도 고정된 연속 서브캐리어들의 블록을 갖는 경우이다. 다른 가능성들은 서브캐리어의 호핑(hopping)을 포함하거나, 서브 캐리어들의 임의적인(비연속적인) 세트의 이용을 포함한다. 이들 후자의 선택은 공통 채널(co-channel) 간섭의 변화를 감소시키는 이점을 갖는다.
다중캐리어 변조의 중요한 특징은 주기적 심볼 확장(cyclic symbol extension)(가드 간격(guard interval) 또는 가드 시간(guard time)으로도 칭하여짐)이다. 다운링크(downlink)에 있어서, 신호 성분들은 이동국 전용 기지국으로부터의 신호의 다중경로 전파(propagation)에 의해 지연될 수 있다. 지연된 신호 성분의 지연 오프셋이 가드 시간 내에 있는 한, 다중캐리어 신호는 이동 단말기에서의 검출에 위해 왜곡되지 않은 상태로 유지된다. 수신기는 비코히어런트 검출(non-coherent detection)을 사용함으로써 지연된 신호 성분들의 전체 에너지를 사용할 수 있다.
이러한 방식으로, 다중캐리어 변조는 에코를 방지하기 위한 복잡한 균등화 (equalisation)를 필요로 하지 않게 된다.
기지국에서 이동 단말기 또는 사용자로의 다운링크 또는 순방향 링크 (forward link) 상에서의 통신은 전용 데이터 채널 상에서의 데이터 통신과, 전용 신호 전송 채널(signalling channel) 상에서 신호 전송 통신으로 구분될 수 있다.
종래의 셀룰러 시스템들은 모든 셀에 상이한 신호 전송 채널들을 적용한다. 따라서, 각 셀에 대해서, 이웃한 셀들의 신호 전송 채널은 셀간 간섭(inter-cell interference)을 받거나, 사용되지 않고 남게되는데, 이것은 스펙트럼 효율을 감소시킨다.
이러한 배경에 대해, 본 발명에 따르면, 두개 이상의 각각의 셀들의 클러스터를 위한 기지국들이 서브캐리어들의 동일한 그룹에 동기하여 동일한 신호 전송 정보(signalling information)를 전송하고, 프레임을 전송하는 기지국을 식별하기 위해 다중 액세스 프리앰블이 각각의 프레임으로 전송되는, 셀룰러 다중캐리어 무선 통신 시스템이 제공된다.
비코히어런트 검출을 사용함으로써 모든 지연된 신호 성분들의 전체 에너지를 사용하는 다중캐리어 시스템의 능력은, 이동 단말기로 하여금 하나 이상의 기지국으로부터 합성 신호를 수신할 수 있게 한다. 그러므로, 다중캐리어 변조는 주기적 심볼 확장과 함께 매크로다이버시티(macrodiversity)를 제공한다.
이상적으로는, 기지국으로부터의 신호가 이동 단말기에서 가드 시간을 넘어서 지연될 때, 기지국으로부터의 거리로 인해, 신호 세기는 상당히 낮아지고, 이동국은 지연 오프셋이 가드 시간 내에 있는 보다 더 가까운 기지국으로부터 신호들을정확하게 검출할 수 있다.
데이터 통신은 각각의 이동 단말기에 따라 아주 상이한데, 그 이유는 데이터 통신은 예를 들면 음성 데이터 또는 임의의 다른 종류의 이동 단말기 특정 데이터(예를 들면 멀티미디어 데이터, 이미지 등)를 전송하기 때문이다.
반면에, 신호 전송 통신은 각각의 이동 단말기에 대해서 크게 다르지는 않은데, 그 이유는 모든 이동국에 관련하는 정보(예를 들면 초기 취득(acquisition)을 위한 타이밍 기준, 시스템에서의 이동 단말기의 수, 최신 청구 가액, 단말기용 신규 소프트웨어, 시간 신호, 또는 임의의 다른 방송 유형의 정보)를 포함하기 때문이다.
신호 전송 통신은 또한 사용자 특정 데이터를 포함한다. 따라서 신호 전송 채널들은, 예를 들면 이동 단말기가 그 각각의 기지국의 신호 전송 채널을 여전히 청취해야 하는 대기 모드에서 이동 단말기의 동작을 제어하는데 이용되는데, 그 이유는 신호 전송 채널이 인입 호(incoming call)의 경우에 단말기를 기동시키기 위해 페이징 채널로서 사용되기 때문이다.
신호 전송 채널에 대해서, 이동국 특정의 정보, 예컨대 무선 링크 프로토콜에 관한 신호 전송 정보의 양은 낮은 비트 레이트 성질(인입 호 신호, 호 요청에 대한 응답 신호 등)을 갖느다. 이것은 왜냐하면 전체 셀룰러 시스템 전체에 걸쳐 또는 기지국들의 보다 더 작은 클러스터 전체에 걸쳐 하나의 신호 전송 채널을 사용하는 것이 가능하기 때문이다. 서브캐리어들의 수는 신호 전송 채널 상에서 예상되는 트래픽에 따라 선택되어져야 하고 시스템에서의 사용자의 수에 의존한다.
바람직하게는, 신호 전송 정보는 프레임의 신호 전송 정보가 향하고 있는 이동국들을 식별하는 어드레스 정보를 각기 전달하는 연속 프레임들로 전송된다.
신호 전송 정보는 모든 이동 단말기들, 또는 이동 단말기들의 세트 또는 개개의 이동 단말기들에 어드레스될 수 있을 것이다.
프레임의 전송은 양호하게는 특정 이동국들에 어드레스된 프레임들을 위하여 우선된다.
이동 단말기가 어느 기지국들로부터 신호 전송을 수신하는지를 구별할 수 있게 하기 위해서, 코드 분할 다중 액세스 프리앰블이 각각의 프레임으로 전송되어 프레임을 전송하는 기지국을 식별할 수 있다.
대안적으로는, 시간 분할 다중 액세스 프리앰블이 각각의 프레임으로 전송되어 프레임을 전송하는 기지국을 식별할 수 있다.
본 발명은 또한, 제 1 항에서 청구된 셀룰러 다중캐리어 무선 통신 시스템을 위한 이동국으로서, 상기 이동국은 두 개 이상의 셀들의 클러스터내의 서브캐리어들의 공통 그룹 상에서 신호 전송 정보를 수신하도록 구성되고, 상기 그룹내의 서브캐리어들에서 변조된 심볼들과 관련하여 비코히어런트(non coherent) 검출이 사용되고, 상기 공통 채널로 전송하는 기지국이 각각의 프레임으로 전송된 다중 액세스 프리앰블로부터 식별되어, 프레임을 전송하는 기지국을 식별하며, 각각의 기지국으로부터의 상기 다중 액세스 신호의 세기를 측정하는 수단을 포함하는, 셀룰러 다중캐리어 무선 통신 시스템을 위한 이동국으로 확장된다.
도 1은 본 발명을 구현하는 셀룰러 다중 캐리어 무선 통신 시스템에서 세 개의 셀들의 클러스터를 도시하는 평면도.
도 2는 신호 세기가 도 1의 시스템의 두 기지국 사이에서 어떻게 변하는지를 도시하는 도면.
도 3a 내지 도 3c는 두 기지국 사이의 각각의 위치에서 두 기지국으로부터 전송되는 심볼들의 상대적인 타이밍을 도시하는 도면.
도 4는 신호 세기를 측정하기 위한 TDMA 수신기의 모듈을 도시하는 블록도.
도 5는 신호 세기를 측정하기 위한 CDMA 수신기의 모듈을 도시하는 블록도.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
BS1, BS2 : 기지국 S0, S1, S2 : 신호 전송 심볼
MS1, MS2, MS3 : 이동국 4 : 안테나
6 : 저잡음 증폭기 8 : 하향 주파수 변환기
10 : 채널 선택기 및 하향 주파수 변환기
12 : 신호 세기 측정 회로 14 : 아날로그 디지털 변환기
18 : 상관기
이제 본 발명의 일 실시예에 대해 첨부 도면을 참조하여 단지 예로서 하기에서 기술하기로 한다.
도면을 참조하면, 기지국(BS1, BS2, 및 BS3)들은 하나의 클러스터로 그룹화되는 각각의 셀들(1, 2, 및 3)을 서비스한다. 상기 클러스터는 시스템 내의 모든 셀들 또는 단지 서브세트(subset)를 포함할 수도 있다.
각각의 기지국은 동기화된 신호 전송 정보를 신호 전송 전용의 서브캐리어들의 세트로 전송한다. 도 2는 기지국들(BS1 및 BS2) 사이의 라인 상의 위치들에서의 기지국들(BS1 및 BS2)으로부터 전송된 신호 전송 서브캐리어 성분들의 신호 세기를 도시한다. 발원 기지국으로부터 위치가 더 멀수록 서브캐리어 성분이 더 작아짐을 알 수 있다. 도 2는 설명을 위한 것으로 실척은 아니다. 이상적으로는, 비코히어런트 검출에 의해 검출될 수 있는 합성 신호 파워는 거의 일정하다.
클러스터 내의 모든 기지국들은 공통 신호 전송 채널을 위해 동일한 세트의 서브캐리어들을 사용하며, 기지국들의 클러스터에 걸쳐 이들 서브캐리어들에 동기하여 동일한 신호를 전송한다. 이것은 이동 단말기가 신호 전송 채널에 대해 동조(tune) 및 추적을 행하는 것을 아주 용이하게 한다. 그러나, 이것은 모든 기지국들을 연결하는 신호 전송 네트워크(일반적으로 유선)에서 트래픽을 증가시키게 한다.
이동 단말기는 적어도 두 기지국들의 신호 전송 신호들의 합을 수신하여, 셀 경계들에서 더 신뢰성 있고, 더 강한 합성 신호 전송 신호가 얻어지게 한다. 이 효과를 "매크로다이버시티(macrodiversity)"라고도 한다. 대조적으로, 종래 시스템들의 셀 경계들에서 신호 전송 신호의 비슷한 신뢰성을 달성하기 위해서, 종래의 기지국들은 그들의 전송 파워(transmit power)를 증가시켜야만 하는데, 그들의 전송 파워는 상이한 신호 전송 채널들이 인접한 셀들에서 간섭을 야기하기 때문에 바람직하지 않다.
이동 단말기는 셀 경계들(도면에서 어두운 부분)에서 공통의 신호 전송 채널로부터 가장 큰 이득을 얻는다.
셀 경계들에서 강한 신호 전송 신호는, 직접적으로 더 적은 전력 소비와 관련되고 따라서 배터리 대기 시간을 연장하는 대기 모드(인입 호를 기다리는 단말기)에서 특히 이동 단말기의 수신 감도(예를 들면 기저대역 처리에 대한 더 적은 요구)를 감소시킬 수 있다.
도 3a 내지 도 3c를 참조하면, 기지국(BS1 및 BS2)으로부터 전송되어 직통 경로(direct path) 상에 도달하는 세 개의 신호 전송 심볼들(S0, S1 및 S2)의 타이밍 관계가 도시된다.
도 3a는 셀들 사이의 경계에서 정확하게 중간에 위치된 이동국(MS1)에 대한 관계를 도시한다. 여기서 두 기지국들로부터의 심볼들은 도시된 바와 같이 정확하게 동위상이다. 상기 도면은 또한 가드 시간(GT)을 도시한다.
수신된 신호는 수신기가 비코히어런트 검출을 수행하는 두 기지국으로부터의 신호들의 합성 신호이다. 상기 심볼이 어떠한 상태를 갖고 있는지, 예를 들면 논리 0인지 논리 1인지에 관한 결정을 행하기 위한 처리는 가드 시간(GT)의 종료 이후까지 시작되지 않는다. 공지된 바와 같이, 수신된 신호는 가드 시간에 대한 배치를결정하기 위해 처리된다.
도 3b에는 상기 기지국(BS2)에 더 가까운 이동국(MS2)에 대한 관계를 도시되어 있다. 여기서 기지국(BS1)으로부터의 심볼(S1)의 시작은 상대적으로 지연된다. 그러나, 지연된 심볼의 시작은 가드 시간 내에 있게 되므로 기간(US)(사용가능한 신호) 내에서 심볼(S1)만을 나타내는 복합 신호가 처리된다.
도 3c에는 기지국(BS)에 훨씬 더 가까운 이동국(MS3)에 대한 관계를 도시한다. 여기서 심볼(S1)의 시작은 가드 시간 밖에 있도록 지연된다. 이것은 기간 US 내에서 처리되는 합성 신호가 기지국(BS1)으로부터의 지연 심볼(S0)로부터의 성분을 포함하는 효과를 갖는다. 그러나, 도 2를 참조하면, 이 성분은 아주 작아서 심각한 간섭을 유발하지는 않는다.
신호 전송 정보가 향하는 이동국들은 프레임 어드레싱에 의해 나타내어진다. 즉, 공통 신호 전송 채널의 비트 스트림은 프레임들로 분할되고, 이에 의해 각각의 프레임은 프레임 정보 페이로드(payload)가 어느 이동국으로 향하는지를 나타내는 어드레스 헤더를 갖는다(예를 들면, 어드레스 -1은 프레임이 시스템내의 모든 이동국들에 대한 정보를 포함하는 것을 의미한다). 이 모든 어드레싱에 의해, 이동 단말기들의 세트 또는 단일의 특정 이동 단말기가 어드레스될 수 있다. 신호 전송 정보는 이동 교한국(MSC)에 의해 중앙 제어되고(도 1 참조), 중요한 사용자 특정 신호 전송 정보(인입 호 등)를 위하여 우선될 수 있다.
동일한 신호 전송 정보를 전달하는 서브캐리어들의 동일한 세트는 모든 기지국들로부터 전송되기 때문에, 이동국은 상이한 기지국들의 신호들을 분간할 수 없을 것이다. 이동 단말기가 어느 기지국으로부터 어느 정도의 신호 세기로 수신하는지를 식별할 수 있도록, 공통 신호 전송 채널의 각 프레임에 프리앰블이 포함된다. 이 프리앰블은 시분할 다중 액세스(TDMA) 또는 코드 분할 다중 액세스(CDMA) 기술을 사용하여 상이한 기지국들 간에 구별하기 위한 것일 수도 있다.
TDMA에 있어서 단지 N 개의 상이한 타임 슬롯들(본 명세서에서는 다중캐리어 심볼과 균등)이 N 개의 상이한 기지국들을 구별하기 위해 확보된다. 각각의 기지국은 자신에게 할당된 타임 슬롯에서 식별 신호를 전송한다. 타임 슬롯들은 너무나 떨어져 있어서 심각한 간섭이 발생하지 않는 기지국들에 의해 재사용될 수 있다. 동일한 타임 슬롯을 재사용하는 상이한 기지국들은 상이한 식별 신호를 사용한다. 도 4를 참조하면, 프리앰블 신호들는 안테나(4)에 의해 수신되고 저잡음 증폭기(6)에 의해 증폭된다. 증폭된 신호들은 하향 주파수 변환기(down converter; 8)에서 중간 주파수(IF)로 변환된다. 채널 선택기 및 하향 주파수 변환기(10)에서 공통 신호 전송 채널이 선택되고 기저대역으로 변환된다. 기저대역 신호는 (아날로그) 신호 세기 측정 회로(12)에 공급되며, 상기 신호 세기 측정 회로에서는 상이한 프리앰블들의 상대적인 세기들이 결정되고 아날로그 출력이 아날로그 디지털 변환기 (14)의 제어 입력에 공급되어 채널 선택기 및 하향 주파수 변환기(10)로부터의 기저대역 신호들의 동적 변환 범위를 제어한다. 아날로그 디지털 변환기(14)로부터의 디지털 출력 신호들은 기저대역 처리기에 공급되어, 상기 프리앰블을 수신한 기지국의 식별자(identity)를 추출한다.
CDMA에 있어서는, N 개의 상이한 채널화 코드들(바람직하게는, 예컨대 직교왈쉬 코드들)이 N 개의 상이한 기지국들을 구별하기 위해 사용된다. 또한, 상기 코드들은 충분히 멀리 떨어진 기지국들에 의해 재사용될 수 있다. 도 5를 참조하면, 수신된 신호를 그들의 채널화 코드와 상관시키는 상관기(18)에서 상이한 프리앰블들이 디스프레드(despread)된 후에 신호 세기가 측정되는 점을 제외하면, 상기 장치는 유사하다.
신호 세기 및 현재 수신되는 모든 기지국의 식별자는 기지국들에 보고되며, 동적 채널 할당 알고리즘을 이용하여 이동 단말기와의 데이터(예를 들면 음성) 통신을 위해 기지국 및 채널이 할당된다.
본 발명에 따르면, 비코히어런트 검출을 사용함으로써 모든 지연된 신호 성분들의 전체 에너지를 사용하는 다중캐리어 시스템의 능력이, 이동 단말기로 하여금 하나 이상의 기지국으로부터 합성 신호를 수신할 수 있게 하므로, 다중캐리어 변조에 의해서 주기적 심볼 확장과 함께 매크로다이버시티가 제공된다. 또한, 기지국으로부터의 신호가 이동 단말기에서 가드 시간을 넘어서 지연될 때, 기지국으로부터의 거리로 인해, 신호 세기가 상당히 낮아지고, 이동국은 지연 오프셋이 가드시간 내에 있는 보다 더 가까운 기지국으로부터 신호들을 정확하게 검출할 수 있다.

Claims (6)

  1. 셀룰러 다중캐리어 무선 통신 시스템에 있어서,
    둘 또는 그 이상의 각각의 셀들의 클러스터를 위한 기지국들이 서브캐리어 들의 동일한 그룹에 동기하여 동일한 신호 전송 정보(signalling information)를 전송하고,
    프레임을 전송하는 기지국을 식별하기 위해 다중 액세스 프리앰블이 각각의 프레임으로 전송되는, 셀룰러 다중캐리어 무선 통신 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 프리앰블은 시분할 다중 액세스 신호인, 셀룰러 다중캐리어 무선 통신 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 프리앰블은 코드 분할 다중 액세스 신호인, 셀룰러 다중캐리어 무선 통신 시스템.
  4. 제 1항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 신호 전송 정보는 프레임내의 신호 전송 정보가 향하고 있는 이동국들을 식별하는 어드레스 정보를 각기 전송하는 연속적인 프레임들로 전송되는, 셀룰러 다중캐리어 무선 통신 시스템.
  5. 제 4항에 있어서,
    프레임들의 전송은 특정 이동국들에 어드레스된 프레임들을 위해 우선하게 되는, 셀룰러 다중캐리어 무선 통신 시스템.
  6. 제 1항 에서 청구된 셀룰러 다중캐리어 무선 통신 시스템을 위한 이동국에 있어서,
    상기 이동국들은 둘 또는 그 이상의 셀들의 클러스터내의 서브캐리어들의 공통 그룹 상에서 신호 전송 정보를 수신하도록 구성되고,
    상기 그룹내의 서브캐리어들에서 변조된 심볼들과 관련하여 비코히어런트 (non coherent) 검출이 이용되고,
    상기 공통 채널로 전송하는 기지국이 각각의 프레임으로 전송된 다중 액세스 프리앰블로부터 각각 식별되어, 프레임을 전송하는 기지국을 식별하며,
    각각의 기지국으로부터의 상기 다중 액세스 신호의 세기를 측정하는 수단을 포함하는, 셀룰러 다중캐리어 무선 통신 시스템을 위한 이동국.
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