KR101122453B1 - 무선 멀티-유저 멀티-홉 중계 네트워크에서의 패킷 통신 - Google Patents

무선 멀티-유저 멀티-홉 중계 네트워크에서의 패킷 통신 Download PDF

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Abstract

중계 네트워크에서 패킷을 통신하는 방법을 제공한다. 복수의 패킷은 접속 세트를 이용하여 이동국 세트와 중계국 사이에 통신된다. 각 이동국과 중계국 사이에는 하나의 접속이 존재한다. 복수의 패킷은 중계국과 기지국 사이에서 단일의 접속으로 집합된다.

Description

무선 멀티-유저 멀티-홉 중계 네트워크에서의 패킷 통신{COMMUNICATING PACKETS IN A WIRELESS MULTI-USER MULTI-HOP RELAY NETWORK}
본 발명은 전반적으로 무선의 멀티-유저 모바일 네트워크에 관한 것으로, 보다 구체적으로는, 무선의 모바일 멀티-유저, 멀티-홉 네트워크에 관한 것이다.
직교 주파수-분할 다중화(orthogonal frequency-division multiplexing:OFDM)는 다수의 무선 네트워크, 예컨대, IEEE 802.11a/g, 및 IEEE 802.16/16e 표준에 따라 설계된 네트워크의 물리층(physical layer:PHY)에서 이용되는 변조 기법이다. OFDMA는 OFDM에 근거하는 다중 액세스 기법이다. OFDMA에서는, 복수의 송수신기(유저)가 동시에 통신할 수 있도록 그들 송수신기에 대해 직교 톤(orthogonal tones)(서브채널) 및 타임 슬롯의 개별 세트가 할당된다. 예컨대, IEEE 802.16/16e 표준은, 11㎓ 미만의 주파수에서 비가시선(non-line-of-sight:NLOS) 통신에 대해, 다중 채널 액세스 메카니즘으로서 OFDMA를 채택하였다.
도 1a는 통상적인 OFDMA기반 셀룰러 네트워크(100), 예컨대, 본 명세서에서 참조로 인용되는 IEEE 802.16/16e 표준에 따른 무선 네트워크를 도시한다. 이 네 트워크는 동작을 포인트-투-멀티포인트 토폴로지(point-to-multipoint topology)로 제한하며, 포인트-투-멀티포인트 토폴로지에서는 오직 두가지 타입의 네트워크 엔티티가 존재하는데, 즉, 기지국(base station:BS)과 이동국(mobile station:MS)이다. BS는 접속(101～103)을 통해 특정 셀(cell)에서 MS와의 모든 통신을 관리하고 조정한다. 각 MS는 BS하고만 직접 통신하며, BS만이 네트워크의 인프라스트럭쳐(110) 또는 "백본(backbone)"과 통신한다. 즉, MS와 BS 사이에는 유일한 하나의 홉(hop)이 존재한다. MS 사이의 모든 통신은 BS를 통해야 한다. 또한, BS와 각 MS 간에는 하나의 접속이 존재한다.
특정의 스펙트럼에 대해 접속을 따른 신호 강도의 현저한 손실로 인해, 무선 서비스의 커버리지 영역은 종종 제한된 지리학적 사이즈로 된다. 더욱이, 블록킹(blocking)이나 랜덤 패이딩(random fading)은 종종 열악한 수신지역 또는 심지어 데드 스폿(dead spots)을 초래한다. 종래에, 이러한 문제는 BS를 보다 밀도있게 배치함으로써 해결되었다. 그러나, 특히, 고가의 BS 및 잠재적 간섭 증가는 이러한 방법이 바람직하지 못함을 보여주었다.
그 대안으로서, 도 1b에 도시된 바와 같이, 중계-기반 네트워크(150)가 이용될 수 있다. 이 네트워크는 복수의 이동국(MS) 및/또는 가입자국(subscriber station:SS)을 포함한다. 비교적 저비용의 중계국(relay station:RS)은 BS의 범위를 확장한다. 몇몇 국(MS1, SS1)은 접속(C1, C2)를 이용하여 BS와 직접 통신한다. 다른 국(MS2, MS3, SS2)은 접속(C3, C4, C5)을 이용하여 RS와 직접 통신하고 두 홉을 이용하여 대응하는 접속(151)을 통해 BS와 간접 통신한다. 명백히, RS와 BS간 의 링크(중계 링크)상의 통신은 병목(bottleneck)이 될 수 있다.
효율을 개선하기 위하여, 중계국과 기지국 간의 통신 방법을 개선할 필요가 있다.
본 발명의 방법은 중계 네트워크에서 패킷을 통신한다. 복수의 패킷은 접속 세트(a set of connections)를 이용하여 이동국과 중계국 세트 간에 통신된다. 각 이동국과 중계국 사이에는 하나의 접속이 존재한다. 복수의 패킷은 중계국과 기지국 사이에서 단일의 접속으로 집합된다.
도 1a는 종래의 무선 모바일 네트워크의 개요를 도시하는 도면,
도 1b는 종래의 무선 모바일 중계 네트워크의 개요를 도시하는 도면,
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 무선 모바일 중계 네트워크의 개요를 도시하는 도면,
도 3은 종래의 OFDMA 프레임의 블록도,
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 OFDMA 프레임의 블록도,
도 5는 종래의 DL_MAP_IE의 포맷의 블록도,
도 6～8은 본 발명의 실시예에 따른 UL_MAP_IE의 포맷의 블록도,
도 9는 본 발명의 일실시예에 따른 강화된 패킹의 포맷의 블록도,
도 10은 본 발명의 일실시예에 따라 프래그멘테이션을 갖는 강화된 패킹의 포맷의 블록도,
도 11은 본 발명의 일실시예에 따른 EP-SH 메시지의 정의 테이블이다.
정의
본 발명의 명료성 및 설명을 위하여, 본 명세서에서 다음과 같은 용어가 정의되어 이용된다.
기지국(base station:BS)
가입자 장비와 인프라스트럭쳐 또는 네트워크 백본 사이에 무선 통신을 제공하기 위한 장비.
가입자국(subscriber station:SS)
가입자 장비와 기지국(BS) 사이에 통신을 제공하기 위한 범용 장비 세트.
이동국(mobile station:MS)
이동중이거나 불특정 위치에 있는 동안 이용되는 무선 송수신기. MS는 특별히 달리 지정되지 않는 한 항상 가입자국(SS)이다.
중계국(relay station:RS)
다른 국들 사이에 데이터 및 제어 정보를 중계하고 멀티-홉 통신을 지원하는 프로세스를 실행하도록 하는 기능을 갖는 무선 송수신기.
접속(connection)
물리층(physical layer)에서, 접속은 임의의 국(station)의 RF 송신기로부터 하나 또는 복수의 송신 안테나를 통해 무선 채널을 경유하여 하나 또는 복수의 수신 안테나를 지나 다른 국의 RF 수신기에 이른다. 물리적으로, 접속은 서브채널과 타임 슬롯의 사전결정된 세트를 이용하여 RF 신호를 통신한다. 논리층(logical layer)에서, 접속의 관심 부분은 송신기에서의 프로토콜 스택(protocol stack)의 매체 액세스 층(media access layer:MAC)으로부터 수신기에서의 매체 액세스 층에 이른다. 논리적으로, 접속은 단일의 비트 스트림으로서 데이터 및 제어 정보를 운반한다.
MAC 서비스 데이터 유닛(MAC service data unit:MSDU)
주어진 층의 프로토콜에 지정된 데이터 세트로서, 그 층의 프로토콜 제어 정보 및 그 층의 가능한 사용자 데이터를 포함한다.
MAC 프로토콜 데이터 유닛(MAC protocol data unit:MPDU)
프로토콜의 주어진 층의 프로토콜 데이터 유닛으로서, 상위층으로부터의 서 비스 데이터 유닛과, 그 층의 프로토콜 제어 정보를 포함한다. 버스트(burst)는 동일 접속에 속하는, 일련의 연속하는 복수의 MPDU이다.
네트워크 구조(network structure)
본 발명의 일실시예에 대해 도 2에 도시된 바와 같이, 네트워크(200)는 접속 세트(C1, C2, C3)를 이용하여 이동국(MS) 세트로부터 중계국(RS)으로 패킷을 통신한다. 각 이동국과 중계국 사이에는 하나의 접속이 존재한다. 중계국과 기지국(BS)은 단일의 접속(210)을 이용하여 패킷을 통신한다. BS는 또한 직접 접속(C4, C5)을 이용하여 다른 MS 및 SS와 통신할 수 있다. BS는 인프라스트럭쳐(22)와 통신할 수 있다.
패킷은, 주파수와 시간 주기의 사전결정된 세트를 이용하는 OFDMA를 이용하여 통신될 수 있다. 시간은 연속하는 프레임(frames)으로 분할된다. 각 프레임은 다운링크(downlink:DL)와 업링크(uplink:UL) 서브프레임을 포함할 수 있다. 할당을 위한 자원의 기본 유닛은 슬롯(slot)이며, 슬롯은 시간 도메인에서의 다수의 OFDMA 심볼과 주파수 도메인에서의 하나의 서브채널을 포함한다.
도 3은 통상의 DL(315) 및 UL(326) 서브프레임을 나타내고 있다. 프레임은 관련 출원에서 더욱 상세히 설명되어 있다. 프레임은, 본 명세서에서 참조로 인용되는 IEEE 802.16e 표준에서 상세히 기술되어 있다. DL 서브프레임은 프리앰블(preamble)(311)로 시작한다. 프리앰블(311)은 MS/SS에서 동기화 및 채널 추정 을 위해 이용된다. 프리앰블에 바로 뒤따르는 OFDMA 심볼에서, BS는, 현재 프레임내에서, 다운링크 맵(DL-MAP)(312), 프레임 제어 헤더(frame control header:FCH)(313) 및, 제각기 DL 및 UL에서 MS/SS에 할당(스케줄)된 대응하는 자원을 MS/SS에게 통지하는 업링크 맵(UL-MAP)(314) 메시지를 전송한다. BS로부터 수신된 스케줄에 근거하여, MS/SS는, 제각기, DL 서브프레임으로 수신하고 UL 서브프레임으로 송신하기 위한, 때(when), 예컨대, OFDMA 심볼과, 장소(where), 예컨대, 서브채널을 판별할 수 있다. 이용된 접속은 식별용 CID를 갖는다.
UL 서브프레임은 레인징 서브채널(322) 및 채널 품질 인디케이터(CQICH)(321)로 시작한다.
시간 갭에 대응하여, 예컨대, TTG(330) 및 RTG(340)가 두 개의 연속하는 서브프레임 사이에 삽입된다. 시간 갭은 송수신기로 하여금 송신 모드와 수신 모드간을 스위치할 수 있게 한다.
패킷은 그들 프레임의 서브캐리어와 타임 슬롯에 걸쳐 "확산(spread)"됨을 알 수 있다.
IEEE 802.16 표준에 따르면, 서비스 플로우 비트 스트림(service flow bit stream)(트래픽)을 통신하기 위한 목적으로, BS와 MS/SS 매체 액세스 제어(MAC) 층 사이에 일방향 매핑이 설정되고 유지된다. 서비스 플로우가 무접속 프로토콜, 예컨대, IP로 구현되더라도, 모든 트래픽은 접속상으로 전달된다.
도 1a에 도시된 바와 같은 통상의 포인트-투-멀티포인트(PMP) 네트워크에서, 자원 할당은 접속마다 BS에 의해 수행되며, 모든 MS는 사실상 동등하게 취급된다. 이것은 적당한 사이즈의 단일-홉 PMP 네트워크에 대해서는 의미가 있다. 그러나, 접속의 수가 증가함에 따라, 오버헤드에 의해 MAC 효율이 최대 50%까지 감소할 수 있다. 이러한 감소에는 두가지 주된 원인이 있다.
첫째, 실제의 데이터 비트가 할당된 OFDMA 심볼 및 서브채널에 정확히 매핑되지 않으므로 각 접속에 할당된 자원이 충분히 이용될 수 없다. 이러한 매핑 비효율로 인해, 패킷의 끝에 패딩 비트가 첨가되어야 하고, 이것은 도 3에서 음영으로 표시된 것과 같은 자원 낭비를 초래한다.
둘째, 하나의 DL MAP 정보 요소(DL MAP IE)는 통상 하나의 접속만에 대한 스케줄을 포함한다. 더욱 나쁜 경우, UL MAP 정보 요소는 오직 하나의 접속에 대한 스케줄만을 포함할 수 있다. 이러한 설계는, 접속의 수가 증가함에 따라 방해가 되거나 비효율적이 된다. 현재의 IEEE 802.16e OFDMA 프로토콜이, 도 1b에 도시된 중계 네트워크에서의 BS와 RS 사이, 또는, 한 쌍의 RS 사이에서의 접속(151)에 적용된 경우, 여기에 상당수의 접속이 존재하기 때문에, 상술한 바와 같은 문제점은 더욱 심각해질 수 있다.
그러므로, 중계 네트워크에서 IEEE 802.16e 프로토콜의 효율을 향상시키기 위하여, 본 발명은 다음과 같은 개선을 행하였다.
첫째, 도 2에 도시된 바와 같이, MS와 RS 사이의 접속을 RS 와 BS 사이의 단일의 집합된 접속(중계 링크)(210)으로 집약한다.
둘째, 도 4～9에 도시된 바와 같이 MPDU 패킷을 연결한다. 요컨대, 낭비되는 자원(음영 표시됨)을 감소시킨다. 도 4는 집합 및 연결을 구체적으로 나타낸 다. 본 명세서에서 정의된 바와 같이, 버스트(415, 425)는 동일한 접속에 속하는 일련의 연속하는 복수의 MPDU이다.
셋째, 도 9에 도시된 바와 같이 MSDU 패킷을 팩(pack)한다.
강화된 MPDU 연결(Enhanced MPDU Concatenation)
MPDU 연결에서는, MPDU가 동일한 접속에 속하는지 여부에 관계없이, 복수의 일련의 MPDU가 업링크 또는 다운링크 방향에서 단일의 전송 버스트로 연결된다. 도 5는 통상의 IEEE 802.16 표준에 따른 DL MAP IE의 포맷을 도시한다. 필드 CID는 접속 식별을 저장한다. 업링크에서, 통상의 데이터 트래픽에 대한 할당은 슬롯의 기간(duration in slots)으로 지정되는 반면, 할당에 대한 개시점은 UL-MAP에 나타나는 이전 할당에 근거하여 판별된다.
단일의 정보 요소(information element:IE)로 복수의 접속에 대한 식별자(CID)를 운반하기 위하여, 본 발명에서는 도 6 및 7에 도시된 바와 같이 UL MAP IE를 변경한다. 필드의 상세에 관해서는 표준에 기술되어 있다. 복수의 접속이 달성될 수 있는 한편, 하위 호환(backward compatibility)이 또한 유지된다. 간결함을 위하여, 이하에서는, 다른 언급이 없는 한, RS와 BS 사이에 행해지는 통신의 측면에서 설명한다.
적절한 경우에는 언제라도, RS는 복수의 MS로부터의 동일한 QoS 요구를 갖는 한 세트의 접속을 BS로의 단일의 접속으로 집합할 수 있다. 이러한 접속 세트와 연관된 자원 할당 정보를 운반하기 위해, 도 6에 도시된 UL_MAP_IE가 UL-MAP 메시 지에 처음 나타나야 한다. CID 필드는 RS와 BS 사이의 중계 링크상에 설정된 대응하는 접속의 식별자를 포함하는 한편, 기간 필드(duration field)는 이 논리적 세트에 속하는 모든 접속에 할당된 총 자원을 커버한다.
BS와 직접 통신하는 어떤 MS도 도 6의 UL_MAP_IE를 디코딩할 수 있으며, 따라서, 자기에게 할당된 자원의 개시점을 산출할 수 있다.
도 6의 UL_MAP_IE에 후속하여 도 7의 UL MAP가 이어지며, 이것은 도 6의 선행하는 UL_MAP_IE에 의해 커버되는 모든 개별 접속의 식별자를 나타낸다. 도 7의 UL_MAP_IE는 IEEE 802.16e 표준에 지정된 UL MAP 확장-2 IE 포맷을 따르기 때문에, 모든 통상의 MS는 수신시에 이 정보 요소를 단순히 스킵(skip)하며, 따라서, 하위 호환성이 제공된다.
하위 호환성에 관심이 없는 경우, 예컨대, 모든 MS/SS가 본 발명에 따른 프로토콜을 알고 있는 경우, 도 8에 도시된 바와 같이 보다 효율적인 UL_MAP_IE가 고안될 수 있다. 이 UL_MAP_IE의 설계는 DL_MAP_IE를 확장하기 위해 IEEE 802.16e에 의해 이용된 것과 동일한 접근법을 엄격히 따른다. 두 세트의 새로운 서브필드가 제공된다.
도 8의 UL_MAP_IE의 시작에 배치되는 첫 번째 새로운 서브필드는 N_CID로서, 이것은 이러한 정보 요소(IE)에 의해 운반되는 접속 식별자의 수를 나타낸다. 이 N_CID 서브필드의 바로 뒤에 N_CID 수 만큼의 CID가 이어지며, 여기에 UL_MAP 메시지는 자원을 할당한다.
도 5의 통상의 DL_MAP_IE와 결합하여, 본 발명에 따른 UL_MAP_IE는, 도 6～8 에 도시된 바와 같이, 복수의 접속을 수용하기 위해 필요하고 충분한 시그널링 지원(signaling support)을 제공할 수 있다. 이와 같이, RS와 BS 사이의 중계 링크 상에서 보다 높은 효율을 달성하기 위해, MPDU 연결은 데이터 평면에서 인에이블될 할 수 있다. 도 4에 특정적으로 나타낸 바와 같이, 총 관리 평면 오버헤드(total management plane overhead), 예컨대, UL_MAP_IE, 등 및 매핑 비효율에 기인한 오버헤드가 현저히 감소하고, 따라서, MAC 프로토콜 효율 향상을 얻을 수 있다.
강화된 MSDU 패킹(Enhanced MSDU Packing)
통상의 IEEE 802.16/16e 표준에 정의된 패킹 메카니즘은 본질적으로 MSDU 패킹이다. 그러나, 그 패킹은 그 범주를 동일한 접속으로부터의 MSDU만으로 제한한다. 이것은, 상술한 바와 같은 접속 집합에 따르면 BS와 RS 사이의 중계 링크상의 단일 접속(210)에 대해 특히 고도의 제한적 제약을 가한다.
종래의 패킹 메카니즘에 의해 부과되는 제약을 완화하고 MSDU 레벨에서 패킹의 응용성을 확장하기 위해, 본 발명에서는 중계 링크상의 통신에 대해 새로운 이동 멀티홉 중계(mobile multihop relay:MMR)을 제공한다. 도 9에 도시된 바와 같이, 패킹된 MSDU(910)는 일반적인 MAC 헤더(general MAC header:GMH)(920)로 시작하고, 그 후에 다양한 강화된 패킹 서브헤더(도 11의 EPSH 참조), 통상의 서브헤더(xSH)(930) 및 개별 MSDU(950)가 이어진다. EP, 즉, MMR MSDU 패킹, 서브필드는, 현재 MPDU가 강화된 패킹 기법을 이용하는 패킹된 MSDU 및, 대응하는 강화-패킹된 서브헤더(enhanced-packing subheader:EP-SH)를 또한 포함함을 나타낸다.
EP-SH와 통상의 헤더가 상당히 유사하다는 것은 명백하다. 실제로, EP-SH가 통상의 MAC 헤더로부터 제거할 수 있는 유일한 서브필드는 헤더 첵섬(header checksum:HCS)(965)과 사이클릭 리던던시 체크(cyclic redundancy check:CRC)(960)이다. 예컨대, 비밀 보호(security protection), 암호화 키(encryption key), MSDU 길이 및 CID(970)와 같은 다수의 구성(configurations)이 MSDU마다 다를 수 있으므로, 다른 모든 서브필드는 유지된다.
통상적인 패킹 프로세스의 출력, 즉, 패킹된 MSDU는 또한 강화된 MSDU 패킹에 참여할 수 있다. 이 경우에, 하나의 강화된 패킹 서브헤더(EP-SH)가 패킹된 MSDU의 통상의 패킹(PSH)에 대해 첫 번째 서브헤더의 앞에 직접 배치된다. 결과적으로, MPDU는 패킹 서브헤더(PSH)와 강화된 패킹 서브헤더(EP-SH)를 모두 포함할 수 있다.
강화된 MSDU 패킹은 또한 프래그멘테이션(fragmentation)과 병행할 수 있다. 도 10에 도시된 바와 같이, EP-SH는 프래그먼트(fragment)될 MSDU에 대해 단 한번 나타나며, 첫 번째 프래그먼트의 프래그멘테이션 서브헤더(fragmentation subheader:FSH)의 앞에 삽입되어야 한다. 상술한 EP-SH와 FSH간의 관계는 ARQ-인에이블된 접속에 대해서도 적용되며, 그러한 접속은, 프래그멘테이션이 실제로 인에이블되었는지에 관계없이, 프래그멘테이션이 인에이블된 것처럼 관리되어야 한다.
대안적으로, 본 발명은 강화된 패킹 서브헤더(EP-SH)의 존재를 표시하기 위해 통상적인 특유의 MAC 헤더(GMH)에서의 타입 필드의 최대 중요 비트, 즉, 비트 #5를 이용할 수 있다. EP-SH의 존재를 신호하기 위한 다른 옵션으로서는, 6비트 길이 타입 필드의 조합 값(combination value)을 이용하는 것이다.
또한, 강화된 패킹 서브헤더(EP-SH)는 광범위한 정보 세트를 포함하므로, CRC를 각 MSDU마다 부가하는 등의 풍부한 부가 기능의 세트를 지원할 수 있다.
EP-SH의 상세한 정의가 도 11에 도시되어 있다.
본 발명이 최선 실시의 예를 들어 설명되었지만, 본 발명의 사상 및 범주 내에서 다양한 다른 적용 및 변형이 이루어질 수 있음을 이해해야 한다. 그러므로, 첨부된 청구범위의 목적은 본 발명의 진정한 사상 및 범주내에 놓이는 모든 그러한 변형 및 변경을 포함하는 것이다.

Claims (2)

  1. 중계 네트워크에서 패킷을 통신하는 방법으로서,
    각각의 이동국과 중계국(a relay station) 사이에 하나의 논리적(logical) 접속이 존재하는 논리적(logical) 접속 세트(a set of connections)를 이용하여, 이동국 세트(a set of mobile stations)와 상기 중계국 사이에 복수의 패킷을 통신하는 단계와,
    상기 각각의 이동국과 중계국 사이의 논리적 접속 세트를 상기 중계국과 기지국 사이의 단일의 논리적 접속으로 집합하는 단계와,
    상기 복수의 패킷을 집합하는 단계와,
    집합된 상기 복수의 패킷을 집합된 상기 단일의 논리적 접속을 이용하여 상기 중계국과 기지국(a base station) 사이에 통신하는 단계
    를 포함하는 패킷 통신 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 복수의 패킷은 MPDU 패킷 및 MSDU 패킷을 포함하고,
    상기 접속 세트의 MPDU 패킷을 상기 단일의 접속 상의 단일의 버스트(single burst)로 연결하는 단계와,
    상기 접속 세트의 MSDU 패킷을 상기 단일의 접속 상의 하나의 MPDU 패킷으로 패킹하는 단계
    를 더 포함하는 패킷 통신 방법.
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