KR101151142B1 - 이동 위성 통신 시스템에서 상향링크를 설정하는 방법 - Google Patents

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Abstract

이동 위성 통신 시스템에서 상향링크를 설정하는 방법에 관한 것으로, 제안하는 실시예에 따른 이동 위성 통신 시스템의 위성에서 상향링크를 설정하는 방법은, 위성 빔 영역내의 단말기들로부터 상향링크 임의접속 신호를 수신하는 단계; 상기 단말기들의 각각의 위치를 추정하는 단계; 상기 추정한 단말기들의 위치에 따라 각 단말기에서 상향링크 신호를 송신하는 상향링크 송신시점을 계산하는 단계; 각 단말기의 상향링크 송신시점을 각 단말기로 송신하는 단계; 및, 상기 각 단말기의 상향링크 송신시점에서 각 단말기로부터 상향링크 신호를 수신하는 단계를 포함한다.
이동 위성 통신 시스템, 상향링크, 동기

Description

이동 위성 통신 시스템에서 상향링크를 설정하는 방법{METHOD FOR ESTABLISH UPLINK IN MOBILE SATELLITE COMMUNICATION SYSTEM}
본 발명은 이동 위성 통신 시스템에서 상향링크를 설정하는 방법에 관한 것으로, 특히, OFDMA 또는 SC-FDMA기반의 위성 이동 통신 시스템에서 단말기에 의해 지연시간을 계산하여 상향링크 동기를 맞추거나 위성에 의해 계산된 상향링크 시점에 단말기가 상향링크 신호를 송신하도록 상향링크를 설정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명은 지식경제부 및 정보통신연구진흥원의 IT원천기술개발사업의 일환으로 수행한 연구로부터 도출된 것이다[과제관리번호: 2008-F-010-01, 과제명: IMT-Advanced 위성접속 기술개발(표준화연계)].
이동 위성 통신 시스템은, Repeater, CGC (Complementary Ground Component), ATC(Ancillary Terrestrial Component)와 같은 지상보조장치(CTC)를 사용한다. 이동 위성 통신 시스템으로 한국의 위성 DMB (Digital Multimedia Broadcasting)는 서비스를 제공 중에 있고 유럽의 경우 DVB-SH 시스템에 대한 연구가 2010년경 방송 서비스 제공을 위해 활발히 진행 중에 있다. 또한 미국의 MSV 및 Terrstar의 경우 ATC를 이용하여 도심지 및 도외지에서 음성 및 데이터 통신을 제공하기 위한 지상 위성 통합 시스템을 개발하고 있다.
먼저 한국의 위성 DMB 시스템은 위성과 함께 동일 채널 중계기(gapfiller)를 이용한 지상망을 보조적으로 이용하여 고음질의 오디오 신호와 멀티미디어 신호를 차량 및 고정, 휴대 수신이 가능하도록 하기 위해서 설계되었으며, 위성 및 지상 부분 공히 2630~2655MHz 대역에 최적화되어 있다. 이 시스템은 급전회선 지구국(feeder link earth station)과 방송용 위성, 2가지 형태의 지상 중계기 그리고 수신기(차량, 고정, 휴대)로 구성된다. 우선 신호는 급전화선 지구국을 통해서 위성으로 전송되며, 이때 상향회선으로는 FSS(Fixed Satellite Service) 용 대역(ex, 14GHz)이 이용된다. 수신된 신호는 위성에서 2.6GHz 대역으로 변환되고, 위성 중계기 내의 증폭기를 통해 원하는 크기로 증폭되어 서비스 영역에 방송되게 된다. 시스템의 사용자는 낮은 방향성을 가지는 소형 안테나를 통해서 신호를 수신할 수 있어야 하며, 이를 위해서는 충분한 크기의 등가 등방성 복사 전력(e.i.r.p)을 가져야 하며 따라서 위성은 대형의 송신용 안테나와 고출력 중계기를 가져야 한다. 그리고 2.6GHz 대역의 신호 전파에서 주요 문제로 위성으로부터의 직접경로성의 장애물과 음영문제를 들 수 있는데 이를 극복하기 위해 시스템 설계에서 위성 신호를 재전송하는 중계기를 추가했다. 이 중계기는 건물과 같은 대역 장애물에 의해서 가려지는 부분을 담당하게 되며, 직접 증폭 중계기와 주파수 변화 중계기로 구분된 다. 직접 증폭 중계기는 위성으로부터 수신되는 2.6GHz대역의 방송신호를 단순 증폭만 하는 형태이며, 수신 및 송신 안테나 사이에서 발생하는 신호 간섭으로 인한 불필요한 발산으로 피하기 위하여 본질적으로 저 이득 증폭기를 이용한다. 이 형태는 LOS을 기준으로 500m까지의 좁은 영역을 담당한다. 이에 비해 주파수 변환 중계기는 3Km까지의 넓은 영역을 담당하기 위한 것으로 수신되는 2.6GHz대역 신호를 다른 주파수 대역 (ex. 11GHz)으로 변화하여 전송한다. 이러한 환경에서는 2개 이상의 신호가 수신되는 다중경로 페이딩이 발생하게 되는데 이 시스템에서는 다중경로 페이딩 신호의 안정적인 수신을 위해 CDM 기술을 적용한 Rake 수신기를 사용한다.
유럽의 DVB-SH 시스템은 Nationwide 커버리지에서는 위성을 통해서, 그리고 옥내 환경 및 지상 커버리지에서는 CGC를 사용하는 개념의 시스템으로써 DVB-H 기반의 S 대역의 15 MHz 대역폭에서 Mobile TV 서비스를 제공하는 것을 목표로 하고 있다. S 대역의 지상 IMT용 대역과 근접한 대역을 사용하기 때문에 IMT 지상 부문과 통합(integration)이 쉽고 지상망과의 네트워크 재사용이 용이하여 설치 비용을 줄일 수 있다. 지상망과의 Hybrid 방송 구조를 고려하고 있으며, 위성과 CGC 간의 신호 간섭 문제를 해결하고 주파수를 효율적으로 사용하기 위해 한 개의 위성 스팟 빔 안의 CGC 셀에 대해서는 reuse factor를 1로 하고 위성 스팟 빔에 대해서는 reuse factor를 3으로 하는 구조를 고려하고 있다. 이와 같은 경우 프랑스에서는 위성 스팟 빔을 통해 nationwide 커버리지에 대해 9개의 TV 채널을 그리고 도심지나 옥내 환경에서는 지상 중계기로 27개의 채널을 방송할 수 있다.
마지막으로 미국의 MSV 및 Terrestar의 경우 L 대역 및 S 대역에서 인터넷 접속, 음성 통화 등 유비쿼터스 무선 광역 통신 서비스를 PCS/셀룰라 타입의 단말기에 제공하기 위한 GEO 기반의 이동위성통신 시스템을 개발하고 있다. 이 시스템은 위성/ATC를 결합한 하이브리드 무선 네트워크 구조를 이용하여 미국과 캐나다에서 도심지나 인구 밀집된 지역에서는 ATC 즉 지상망을 통해 음성이나 고속 패킷 서비스를 제공하며 ATC가 커버하지 못하는 시골이나 도외 지역에서는 위성을 통해 서비스하는 구조를 가지고 있다. 주로 ATC는 위성과 대체로 같은 무선인터페이스를 사용하여 지상 단말기의 복잡도를 거의 증가시키지 않으면서 위성 서비스까지 가능하도록 개발하고 있다.
위와 같이 향후 개발되는 개인 휴대형 이동위성 시스템은 모두 지상보조장치를 이용하여 LoS(Line of Sight)가 확보되는 시골이나 도외지역에서는 위성을 통해서, 그리고 위성 신호가 확보되지 않는 도심지나 옥내 환경에서는 지상보조기구를 통해서 서비스를 제공하는 것을 목표로 하고 있다. 또한 단말의 칩 셋 비용을 줄이기 위해서는 위성 부문과 지상 부문의 무선인터페이스가 공통성을 가지는 것이 중요하다. 그러나 위성의 고유한 특징인 긴 전파 왕복지연 시간 및 매우 큰 스폿 빔 커버리지 등은 지상 부문의 무선 인터페이스를 위성 부문에서 재사용하기 위해 수정이 필요하다.
본 발명은 이동 위성 통신 시스템에서 상향링크를 설정하는 방법을 제공한다.
본 발명은 OFDMA 또는 SC-FDMA기반의 위성 이동 통신 시스템에서 단말기에 의해 지연시간을 계산하여 상향링크 동기를 맞추거나 위성에 의해 계산된 상향링크 시점에 단말기가 상향링크 신호를 송신하도록 상향링크를 설정하는 방법을 제공한다.
본 발명은 OFDMA 또는 SC-FDMA기반의 위성 이동 통신 시스템에서 위성이 추정한 단말기들의 위치 정보를 이용하여 단말기에서 가장 긴 지연시간을 계산하여 상향링크 동기를 맞추는 상향링크를 설정하는 방법을 제공한다.
본 발명은 OFDMA 또는 SC-FDMA기반의 위성 이동 통신 시스템의 위성에서 각 단말기들의 위치정보를 이용하여 추정한 각 단말기들의 지연시간을 고려하여 각 단말기들의 상향링크 송신시점을 계산하고 계산된 상향링크 시점에 단말기가 상향링크 신호를 송신하도록 상향링크를 설정하는 방법을 제공한다.
본 발명의 실시예에 따른 이동 위성 통신 시스템의 위성에서 상향링크를 설정하는 방법은, 위성 빔 영역내의 단말기들로부터 상향링크 임의접속 신호를 수신하는 단계; 상기 단말기들의 각각의 위치를 추정하는 단계; 상기 추정한 단말기들 의 위치에 따라 각 단말기에서 상향링크 신호를 송신하는 상향링크 송신시점을 계산하는 단계; 각 단말기의 상향링크 송신시점을 각 단말기로 송신하는 단계; 및, 상기 각 단말기의 상향링크 송신시점에서 각 단말기로부터 상향링크 신호를 수신하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 이동 위성 통신 시스템의 단말기에서 상향링크를 설정하는 방법은, 위성으로 상향링크 임의접속 신호를 송신하는 단계; 상기 위성으로부터 해당 단말기의 상향링크 송신시점을 포함하는 하향링크 제어 정보를 수신하는 단계; 상기 상향링크 송신시점을 확인하는 단계; 및, 상기 상향링크 송신시점에 상향링크 신호를 상기 위성으로 송신하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 이동 위성 통신 시스템의 위성에서 상향링크를 설정하는 방법은, 위성 빔 영역내의 단말기들로부터 상향링크 임의접속 신호를 수신하는 단계; 상기 단말기들 각각의 위치를 추정하는 단계; 추정한 단말기들의 위치정보를 하향링크 제어 정보를 통하여 상기 단말기들로 송신하는 단계; 및, 상기 단말기들로부터 동기를 맞춘 상향링크 신호를 수신하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따른 이동 위성 통신 시스템의 단말기에서 상향링크를 설정하는 방법은, 위성으로 상향링크 임의접속 신호를 송신하는 단계; 상기 위성으로부터 위성 빔 영역내의 단말기들의 위치정보를 포함하는 하향링크 제어 정보를 수신하는 단계; 상기 단말기들의 위치정보를 확인하는 단계; 상기 위성과 가장 먼 단말기와 해당 단말기 간의 지연시간을 계산하는 단계; 상기 위성과 가장 먼 단말기의 지연시간과 해당 단말기의 지연시간 간의 차이를 계산하는 단계; 및, 상기 계 산한 지연시간의 차이만큼 지연하여 상향링크 신호를 위성으로 송신하는 단계를 포함한다.
본 발명은 위성 빔 영역내의 단말기들로부터 상향링크 임의접속 신호를 수신하는 단계; 상기 단말기들의 각각의 위치를 추정하는 단계; 상기 추정한 단말기들의 위치에 따라 각 단말기에서 상향링크 신호를 송신하는 상향링크 송신시점을 계산하는 단계; 각 단말기의 상향링크 송신시점을 각 단말기로 송신하는 단계; 및, 상기 각 단말기의 상향링크 송신시점에서 각 단말기로부터 상향링크 신호를 수신하는 단계를 포함하는 이동 위성 통신 시스템에서 상향링크를 설정하는 방법에 관한 것으로, 이동 위성 통신 시스템의 빔 커버리지에서의 단말기들 간의 매우 긴 전파 지연 시간 차이를 고려한 상향링크 설정을 제공한다.
이하에서는 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그리고 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.
본 발명의 실시 예는 위성 이동 통신 시스템에서 단말기에 의해 지연시간을 계산하여 상향링크 동기를 맞추거나 위성에 의해 계산된 상향링크 시점에 단말기가 상향링크 신호를 송신하도록 상향링크를 설정하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 설명에 앞서, 실시 예는 OFDMA나 SC-FDMA 기반의 상향링크 이동 위성 시스템을 가지고 본 발명을 설명하나, 본 발명의 방법은 CDMA, TDMA 등의 상향링크 접속 방법과 상관없이 적용 가능하다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 한 스폿 빔 커버리지 안에서 위성과 단말의 위치에 따른 전파 지연 시간 차이를 가지는 이동 위성 통신 시스템을 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면 본 발명의 이동 위성 통신 시스템은 지구국(100), 위성(110), 단말기(122, 124)를 포함하여 구성한다. 그러면 도 1에서 단말기(122, 124)들의 지연시간차이를 계산하기 위해 도 1의 파라미터들을 먼저 확인하고자 한다.
도 1에서, h는 위성 고도(Satellite height) 이고, rE는 지구 반지름(Earth radius) 이고, d는 위성과 단말과의 거리(Satellite-terminal distance) 이고, α는 위성에서 수직면을 기준으로 하여 단말이 위치한 각도이고, β는 지구 중심에서 수직면을 기준으로 하여 단말이 위치한 각도이고, θ는 단말 또는 지구국에서의 앙각(elevation angle) 이다.
위에서 정의한 파라미터를 이용하여 도 1에서 지구국(100)과 단말기(122)는 위성 커버리지의 가장자리에 위치해 있으며, 단말기(124)는 가장 큰 스폿 빔 커버리지의 가장 안쪽에 있다고 가정하고, 단말기(122)와 단말기(124)에 대한 각각의 위성과 단말 사이의 전파 지연 시간, t1 및 t2과 지연 시간 차 Δt1,2를 다음과 같이 구할 수 있다.
먼저 θ1, β1, α1,2, β1,2을,
θ1: 최소 앙각 (minimum elevation angle)
β1: 위성 커버리지 각도 (satellite coverage angle)
α1,2= α1 - α2: 최대 크기를 갖는 스폿 빔 각도 (beam angle)
β1,2= β1 - β2: 최대 크기를 갖는 스폿 빔 커버리지 각도 (beam coverage angle) 로 정의하면,
커버리지 각과 앙각과의 관계는 아래 <수학식 1>과 같이 구할 수 있고,
Figure 112008087551615-pat00001
최대 스폿 빔에 대패 지표면을 따른 스폿 빔 커버리지 지름 s1,2는 최대 스폿 빔 커버리지 각도 β1,2와 다음의 <수학식 2>와 같은 관계를 갖는다.
Figure 112008087551615-pat00002
또한, 각 단말과 위성과의 거리는 다음의 <수학식 3>과 같은 관계를 갖는다.
Figure 112008087551615-pat00003
고도 h, 최소 앙각 θ1, 빔 커버리지 지름 s1,2, 지구 반지름 rE가 주어졌을 때, <수학식 3>관계식으로부터 위성과 단말기와의 거리 d를 구하면, 전파 지연 시간 ti은 다음 <수학식 4>와 같다.
Figure 112008087551615-pat00004
여기서, c는 전파 속도이다.
또한 전파 시간 차는 아래 <수학식 5>와 같다.
Figure 112008087551615-pat00005
위의 전파 시간 차는 위성 고도 및 스폿 빔 커버리지에 따라 달라진다. 저궤도(LEO; low earth orbit) 위성의 경우 전파 지연 시간 차는 1000 km의 빔 커버리지에서 수 ms에 해당하지만 정지궤도(GEO; geostationary orbit) 위성의 경우 10ms을 넘어간다.
미래 장기 진화(LTE; Long Term Evolution) 시스템의 경우 프레임(frame)의 길이가 10ms이며 서브 프레임(subframe)의 길이가 1ms임을 고려했을 때, 이는 매우 큰 값이며 지상 시스템과 같은 상향링크 통신 방법을 이용할 수 없다.
다시 말해, 이동 위성 통신 시스템은 지상 통신 시스템과 달리 한 스폿 빔의 커버리지가 지상 셀에 비해 매우 크기 때문에 빔 내의 단말기들 간의 전파 지연 시간 차이를 무시할 수 없다. 즉, 단말들 간의 전파 지연 시간 차이는 스폿 빔 크기 및 위성 고도에 따라 다른 값을 가지지만 대개 수 ms에서 수십 ms까지의 값을 가질 수 있다. 이는 LTE 프레임 구조에서 하나의 서브 프레임 시간을 초과하며, 또는 프레임 시간을 초과할 수도 있는 아주 긴 시간으로써 이에 대한 고려가 없는 상향링크의 경우 동기를 획득할 수 없게 된다. 따라서 본 발명에서는 이러한 이동 위성 통신 시스템에서 단말기들 간의 긴 왕복 지연 시간 차를 고려한 상향링크 설정 방법을 제안한다. 본 발명의 실시 예에 따라 제안하는 상향링크 설정 방법은 크게 2가지의 실시예로 구분할 수 있다.
먼저, 단말기가 주도적으로 지연시간을 고려하여 동기를 맞춘 상향링크 신호를 송신하여 상향링크를 설정하는 방법과, 위성이 주도적으로 각 단말기로 상향링크 신호를 송신하는 시점인 상향링크 송신시점을 제공하여 상향링크를 설정하는 방법이 존재한다.
그러면 먼저 단말기 주도적인 상향링크 설정방법을 아래 도 2에서 도 4를 참조하여 살펴보고자 한다.
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템의 위성에서 단말기 주도적인 상향링크를 설정하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 2를 참조하면 본 발명의 이동 위성 통신 시스템에서 위성은 S200단계로 진행하여 위성 빔 영역내의 단말기들로부터 상향링크 임의접속 신호를 수신하고, S202단계로 진행하여 수신한 단말기들 각각의 위치를 추정하고, S204단계로 진행하여 추정한 단말기들의 위치정보를 하향링크 제어 정보를 통하여 상기 단말기들로 송신한다. 여기서, 하향링크 제어 정보는 상향링크 MAP이나 Header 그리고 하향링크 제어 채널(PDCCH) 등이 될 수 있다.
이후, 위성은 S206단계로 진행하여 위성과 가장 먼 거리에 위치하는 단말기의 상항링크와 동기를 맞춘 상향링크 신호를 각 단말기들로부터 수신한다.
한편, 도 2를 통해 설명한 위성의 방법은 실제로 지구국에서 위성을 통해 수행할 수도 있다.
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템의 단말기에서 단말기 주도적인 상향링크를 설정하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 3을 참조하며 본 발명의 이동 위성 통신 시스템에서 단말기는 S300단계로 진행하여 위성으로 상향링크 임의접속 신호를 송신하고, S302단계로 진행하여 위성으로부터 위성 빔 영역내의 단말기들의 위치정보를 포함하는 하향링크 제어 정보 수신하고, S304단계로 진행하여 단말기들의 위치정보를 확인한다.
이후 단말기는 S306단계로 진행하여 해당 단말기가 위성과 가장 먼 단말기인지 여부를 확인한다. S306단계의 확인결과 해당 단말기가 위성과 가장 먼 단말기가 아니면, 단말기는 S308단계로 진행하여 위성과 가장 먼 단말기의 지연시간과　해당 단말기의 지연시간 간의 차이를 계산하고, S310단계로 진행하여 계산한 지연시간의 차이만큼 지연하여 상향링크 신호를 위성으로 송신한다.
하지만, S306단계의 확인결과 해당 단말기가 위성과 가장 먼 단말기면, 단말기는 S312단계로 진행하여 지연시간 없이 곧바로 상향링크 신호를 위성으로 송신한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템에서 단말기가 주도적인 경우 상향링크를 설정하는 과정을 송/수신하는 신호와 함께 도시한 도면이다. 도 4에서 흰색 화살표는 위성에서 하향링크 신호를 송신하고 상향링크 신호가 다시 위성으로 송신되기까지의 과정을 단말기 별로 순서대로 표시한 것이다.
도 4에서 단말기(UE2)는 빔 커버리지 중앙에 있는 단말로써 전파 지연 시간이 가장 짧은 단말이다. 따라서 단말기(UE2)를 위해 위성 또는 지구국에서 전송되는 신호는 스폿 빔 이내의 다른 단말기들보다 가장 먼저 단말기(UE2)에 수신된다. 반면 단말기(UE1)은 빔 커버리지 가장 가장자리에 있는 단말기로써 전파 지연 시간이 가장 긴 단말기이다. 따라서 단말기(UE1)를 위해 위성 또는 지구국에서 전송되는 신호는 스폿 빔 이내의 다른 단말기들보다 가장 늦게 단말기(UE1)에 수신된다. 언급한 것처럼 단말기(UE1)과 단말기(UE2)가 신호를 수신 받는 시간의 차이는 지상과는 달리 수 서브 프레임에서 많게는 수 프레임 시간에 해당한다.
따라서, OFDM이나 SC-FDMA 상향링크의 직교성을 보장하기 위해서 위성 또는 지구국에서 스폿 빔 이내의 단말들이 보내는 신호들끼리 동기가 맞아야 한다. 때문에 가장 늦게 하향링크 신호를 수신하는 단말기(UE1)는 신호가 가장 늦게 전달되는 점을 고려하여 하향링크 신호를 보고 상향링크 신호를 송신하기 위한 정보를 얻는 시간과 신호 처리 시간을 고려한 후 다른 지연 없이 바로 위성 또는 기지국으로 상 향링크 신호를 전송해야 한다.
단말기(UE1)의 이러한 송수신 수간 구간을 다른 단말의 송수신을 위한 참조 시간 구간으로 설정할 수 있다. 물론 참조 시간 구간은 임의로 설정할 수 있으나 가장 전송 지연 시간이 긴 단말을 기준으로 간단히 설정이 가능하다. 반면 단말기(UE2)는 가장 먼저 하향링크 신호를 수신하지만 참조 신호 구간인 단말기(UE1) 신호가 위성 또는 지구국으로 도착하는 시간을 고려하여 가장 늦게 상향링크 신호를 위성 또는 지구국으로 전송해야 한다.
지상 LTE 시스템의 경우 이러한 지연 시간 차이가 한 서브 프레임 안에서 이루어지기 때문에 한 서브 프레임 안에서의 차이가 나는 시간 정보만을 전달해 주면 되나 위성의 경우 한 서브 프레임 시간을 초과하기 때문에 하향링크로 전송해 주어야 하는 지연 시간 정보가 지상보다 더 필요하게 된다. 따라서 지상에서 고려하는 한 프레임 안에서의 시간 차이 정보 이외에 이 지연 시간이 몇 개의 서브 프레임 또는 프레임 시간만큼 차이가 있는지에 대한 정보 또한 부가적으로 송부해야 한다.
예를 들어, 단말기(UE2)의 경우 단말기(UE1)과의 전파 지연 시간 차이 즉 참조 시간 구간과의 지연 시간 차이 t1,2는 다음 <수학식 6>과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112008087551615-pat00006
여기서, tsub는 서브 프레임 길이이고, tfr은 프레임 길이이고, tsf2는 단말기(UE2)에서 프리임과 서브 프레임을 단위의 지연시간을 고려한 후에 남은 나머지 지연시간의 길이이고, Nfr,2은 단말기(UE2)에서 지연시간으로 고려해야하는 N개의 프레임 수이고, N'sub,2은 단말기(UE2)에서 지연시간으로 고려해야하는 N'개의 서브 프레임 수이다.
그러나 도 2에서 도 4까지의 도면을 통해 살펴본 단말기 주도적인 상향링크 설정 방법은 가장 긴 지연시간을 가진 단말기가 신호를 전송할 때까지 다른 단말기들은 대기해야 함으로 자원의 낭비를 초래한다. 이 경우 전체 시스템 처리량 뿐만 아니라 Latency에 민감한 음성과 같은 서비스의 품질을 떨어뜨릴 수 있다. 따라서, 다른 실시 예로 위성 주도적인 상향링크 설정방법을 아래 도 5에서 도 9를 참조하여 살펴보고자 한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템의 위성에서 위성 주도적인 상향링크를 설정하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 5를 참조하면 본 발명의 이동 위성 통신 시스템에서 위성은, S500단계로 진행하여 위성 빔 영역내의 단말기들로부터 상향링크 임의접속 신호를 수신하고, S502단계로 진행하여 단말기들 각각의 위치를 추정하고, S504단계로 진행하여 추정한 단말기들의 위치에 따라 각 단말기에서 상향링크 신호를 송신하는 상향링크 송신시점을 계산한다.
이후, 위성은 S506단계로 진행하여 계산한 각 단말기의 상향링크 송신시점을 하향링크 제어 정보를 통해 각 단말기로 송신한다. 여기서, 하향링크 제어 정보는 상향링크 MAP이나 Header 그리고 하향링크 제어 채널(PDCCH) 등이 될 수 있다.
한편, 계산하는 상향링크 송신시점은 프레임(frame) 단위, 서브 프레임(subframe) 단위 또는 심볼(symbol) 단위로 동기가 맞도록 설정될 수 있다. 상향링크 송신시점이 심볼 단위로 동기를 맞추는 경우 서브 프레임의 동기 불일치로 간섭이 발생할 수 있다. 이를 해소 하기 위해서 위성은 간섭이 발생하는 심볼 구간을 확인하고, 확인하여 생성한 간섭 심볼 구간 정보를 하향링크 제어 정보에 포함시켜 단말기로 제공할 수 있다.
이후, 위성은 S508단계로 진행하여 각 단말기의 상향링크 송신시점에서 각 단말기로부터 상향링크 신호 수신한다.
한편, 도 5를 통해 설명한 위성의 방법은 실제로 지구국에서 위성을 통해 수행할 수도 있다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템의 단말기에서 위성 주도적인 상향링크를 설정하는 과정을 도시한 흐름도이다.
도 6을 참조하면 본 발명의 이동 위성 통신 시스템에서 단말기는, S600단계로 진행하여 위성으로 상향링크 임의접속 신호를 송신하고, S602단계로 진행하여 위성으로부터 해당 단말기의 상향링크 송신시점을 포함하는 하향링크 제어 정보를 수신한다.
한편, 계산하는 상향링크 송신시점은 프레임(frame) 단위, 서브 프레임(subframe) 단위 또는 심볼(symbol) 단위로 동기가 맞도록 설정될 수 있다. 상향링크 송신시점이 심볼 단위로 동기를 맞추는 경우 서브 프레임의 동기 불일치로 간섭이 발생할 수 있다. 이때, 간섭이 발생한 심볼을 표시한 간섭 심볼 구간 정보를 간섭 심볼 구간 정보를 통해 추가로 수신 할 수도 있다.
이후 단말기는 S604단계로 진행하여 상향링크 송신시점을 확인하고, S606단계로 진행하여 상향링크 송신시점에 상향링크 신호를 위성으로 송신한다.
단말기가 위성과 상향링크 설정을 심볼 단위로 하는 경우 S606단계에서 상향링크 신호를 송신할 때 간섭 심볼 구간에 해당하는 심볼에 자원을 할당하지 않고 송신할 수 있다.
그러면 도 4와 도 5의 실시 예로 서브 프레임 단위와 심볼 단위로 상향링크의 동기를 맞출 때를 아래에서 도 7에서 도 9를 참조하여 설명하고자 한다. 설명에 앞서 도 7에서 도 9까지의 도면에서 흰색 화살표는 위성에서 하향링크 신호를 송신하고 상향링크 신호가 다시 위성으로 송신되기까지의 과정을 단말기 별로 순서대로 표시한 것이고, 검은색 화살표는 위성에서 결정하는 참조 상향링크 신호를 기준으로 각 단위별로 동기를 맞추는 시점을 표시한 것이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템에서 위성이 주도적인 경우 서브 프레임 단위로 상향링크를 설정하는 과정을 송/수신하는 신호와 함 께 도시한 도면이다.
도 7을 참조하면 단말기(UE2)은 위성 또는 지구국으로부터 송신되는 하향링크 신호를 스폿 빔 내의 단말 중에 가장 먼저 수신하게 된다. 위성 또는 지구국이 단말들로부터의 임의 접속으로부터 얻은 단말의 위치 정보를 통해 스폿 빔 내의 각 단말기들의 전파 지연 시간을 확인하고, 위성에서 각 단말기의 상향링크 전송 구간인 상향링크 전송시점을 결정하여 미리 할당하는 것이 가능하다.
상향링크 전송시점은 임의적으로 위성에서 결정할 수 있으나, 지연시간이 가장 긴 단말기(UE1)의 송 수신 시간 구간을 참조시간으로 하여 설정 할 수 있다. 이 참조시간을 바탕으로 도 7에서 단말기(UE2)의 송 수신을 살펴보자. 단말기(UE2)은 위성 또는 지구국으로부터 t2/2시간 후에 하향링크 신호를 수신한다. 그리고 하향링크 신호로부터 상향링크 전송 정보를 획득하고 상향링크 신호를 처리하기 위한 tpro시간 후에 위성 또는 지구국으로 상향링크 신호를 전송할 수 있는 준비를 하게 된다.
위성은 서브 프레임 단위로 상향링크 동기를 맞출 때 단말기(UE2)를 위한 자원을 단말기(UE2)에 하향링크 신호가 전송되는 시점에서 참조시간으로부터 가장 빨리 상향링크 신호를 전송할 수 있는 서브 프레임에 할당하도록 상향링크 송신시점을 설정한다.
위성에서는 단말기(UE1) 및 단말기(UE2)의 전파 지연 시간 t1, t2의 정보를 알고 있으므로 두 단말 간의 전파 지연 시간 차이 t1,2는 위에서 상술한 <수학식 6> 과 같이 표현할 수 있다.
위성에서는 Nsub,2, Nfr,2, N'sub,2, tsf2의 값을 알고 있기 있다. 그리고 단말기(UE1)의 송 수신 시간을 참조시간 구간으로 설정 했을 때 기존의 방법에서는 참조시간 구간의 N번째 프레임 구간의 첫 번째 서브 프레임에 단말기(UE2)의 상향링크 신호의 전송 구간을 맞추게 된다. 그러나 위성이 위의 지연 시간 정보를 알고 있기 때문에 위성으로부터의 하향링크 신호가 단말기(UE2)가 전송된 후 바로 (tpro+tsf2) 시간 후부터 단말기(UE2)을 위한 신호를 참조 신호에 동기를 맞추어 자원을 할당할 수 있도록 참조시간 구간의 (N-Nfr,2-1)번째 프레임의 (Nsub,2+1)번째 서브 프레임에 단말기(UE2)를 위한 상향링크 정보를 전송할 수 있다. 스폿 빔 내의 다른 단말기(UEi)의 경우도 마찬가지이다.
위와 같이 상향링크 동기를 맞출 경우, 지상망에서 각 단말기에 대한 자원 할당이 서브 프레임 단위로 이루어지기 때문에 자원할당을 의해 필요한 각 서브 프레임 안에서의 자원 할당 심볼 위치 및 서브 프레임 위치 이외에, 위성 시스템의 경우 각 단말의 전파 지연 시간 차이로 인한 상향링크 동기 및 자원 할당을 위한 서브 프레임 및 프레임 정보 또한 함께 전송해야 한다. 그러나 이와 같이 상향링크 동기를 맞출 경우 상위 계층에서 앞에서 언급한 정보만 전송하여 지상과 같은 절차를 가지고 상향링크 동기 및 자원을 할당할 수 있기 때문에 무선 인터페이스의 물리계층 규격 수정 없이 지상의 무선 인터페이스 규격을 그대로 사용할 수 있는 장점이 있다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템에서 위성이 주도적인 경우 심볼 단위로 상향링크를 설정하는 과정을 송/수신하는 신호와 함께 도시한 도면이다.
도 8을 참조하면 도 7과 같은 조건에서 심볼 단위로 상향링크를 설정할 때, 단말기(UE2)의 경우 단말기(UE1)과의 전파 지연 시간 차이는 다음과 <수학식 7>과 같이 표현할 수 있다.
Figure 112008087551615-pat00007
여기서, tsub는 서브 프레임 길이이고, tfr은 프레임 길이이고, tss2는 단말기(UE2)에서 프리임과 서브 프레임과 심볼 단위의 지연시간을 고려한 후에 남은 나머지 지연시간의 길이이고, tsym은 하나의 OFDM 및 SC-FDMA 심볼 구간의 길이이고, Nfr,2은 단말기(UE2)에서 지연시간으로 고려해야하는 N개의 프레임 수이고, N'sub,2은 단말기(UE2)에서 지연시간으로 고려해야하는 N'개의 서브 프레임 수이고, Nsym,2은 단말기(UE2)에서 지연시간으로 고려해야하는 N개의 심볼 수이다.
위성에서는 Nsub,2, Nfr,2, N'sub,2, Nsym,2, tss2의 값을 알고 있기 있다. 즉, 위성이 위의 지연 시간 정보를 알고 있기 때문에 위성은 단말기(UE2)의 상향링크 송 신시점을 단말기(UE2)가 하향링크를 수신한 후에 (tpro+tss2) 시간 후부터 참조신호에 동기를 맞추어 자원을 할당하도록 설정한다. 다시 말해 위성은 단말기(UE2)의 상향링크 송신시점을 참조시간 구간의 (N-Nfr,2-1)번째 프레임의 Nsub,2번째 서브 프레임의 Nsym,2+1 심볼부터 단말기(UE2)를 위한 상향링크 신호를 전송하도록 설정한다.
스폿 빔 내의 다른 단말기(UEi)의 경우도 단말기(UE2)와 동일한 방법으로 설정할 수 있다.
도 8의 도면과 같이 심볼 단위로 동기를 맞추는 방법은 자원 낭비가 제일 적다고 할 수 있다. 그러나 이 방법은 심볼 단위로 동기를 맞추기 때문에 만약 어떤 물리 채널 신호가 서브 프레임 단위로 동작할 때, 각 단말기들의 신호들 간의 서브 프레임 동기가 맞지 않기 때문에 위성 또는 지구국에서 이러한 물리 채널 신호를 정확히 수신할 수 없는 문제가 발생할 수 있다. 따라서 도 8의 방법은 각 채널 또는 신호들이 심볼 단위로 독립적으로 동작할 때 사용할 수 있는 기법이다. 만약 심볼 단위로 동기를 맞춘 경우에 각 채널 또는 신호들이 서브 프레임 단위로 동작할 경우 다음 도 9와 같은 방법으로 신호를 전송할 수도 있다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템에서 위성이 주도적인 경우 심볼 단위로 상향링크를 설정하는 다른 과정을 송/수신하는 신호와 함께 도시한 도면이다.
도 9는 기본적으로 도 8과 동일한 조건에서 서브 프레임간의 동기 불일치로 인한 간섭 문제를 해결하기 위해, 서브 프레임 동기가 맞지 않은 부분에 대해서 그 단말의 자원을 할당하지 않은 예를 도시한 도면이다.
예를 들어 단말기(UE2)의 경우 단말기(UE2)의 상향링크 한 서브 프레임 전송 구간에 1부터 Ns개의 심볼이 존재한다. 그리고 단말기(UE1)의 신호 송수신을 신호 참조 구간으로 하여 심볼 단위로 동기를 맞출 경우, 첫 번째 심볼과 2~Ns개의 심볼은 위성 또는 지구국에서 다른 서브 프레임 구간에 수신된다. 따라서 첫 번째 심볼 구간 동안에 단말기(UE2)를 위한 신호를 전송하지 않을 경우, 단말기(UE2)의 단말은 2~Ns번째에 걸려 있는 심볼 구간에 해당하는 서브 프레임에 관련된 제어 정보 만을 수신하면 된다. 또한 첫 번째 심볼 구간에 전송되는 서브 프레임에 간섭을 주지 않게 된다.
이 방법은 기본적으로 한 서브 프레임의 심볼 구간 중에 일부를 강제로 자원을 할당하지 못하게 함으로써 자원의 낭비가 있을 수 있으나 Latency가 Date rate보다 중요한 음성과 같은 서비스들의 경우 유용하게 사용할 수 있다.
마지막으로 여기서는 LTE 시스템의 심볼, 서브 프레임, 프레임의 개념을 이용하여 이동 위성 통신 시스템의 상향링크 동기 방법을 제안하였으나, 여기서의 심볼, 서브 프레임, 프레임의 개념은 각 시스템의 프레임 구조에 맞게 변형이 가능하다.
이동 위성 통신 시스템에서 상향링크를 설정하는 방법은 다양한 컴퓨터 수단을 통하여 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 상기 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파 일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기된 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 하나 이상의 소프트웨어 모듈로서 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상과 같이 본 발명은 비록 한정된 실시예와 도면에 의해 설명되었으나, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니 되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따라 한 스폿 빔 커버리지 안에서 위성과 단말의 위치에 따른 전파 지연 시간 차이를 가지는 이동 위성 통신 시스템을 도시한 도면,
도 2는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템의 위성에서 단말기 주도적인 상향링크를 설정하는 과정을 도시한 흐름도,
도 3은 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템의 단말기에서 단말기 주도적인 상향링크를 설정하는 과정을 도시한 흐름도,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템에서 단말기가 주도적인 경우 상향링크를 설정하는 과정을 송/수신하는 신호와 함께 도시한 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템의 위성에서 위성 주도적인 상향링크를 설정하는 과정을 도시한 흐름도,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템의 단말기에서 위성 주도적인 상향링크를 설정하는 과정을 도시한 흐름도,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템에서 위성이 주도적인 경우 서브 프레임 단위로 상향링크를 설정하는 과정을 송/수신하는 신호와 함께 도시한 도면,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템에서 위성이 주도적인 경우 심볼 단위로 상향링크를 설정하는 과정을 송/수신하는 신호와 함께 도시한 도면 및,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 이동 위성 통신 시스템에서 위성이 주도적인 경우 심볼 단위로 상향링크를 설정하는 다른 과정을 송/수신하는 신호와 함께 도시한 도면이다.

Claims (16)

  1. 위성 빔 영역내의 단말기들로부터 상향링크 임의접속 신호를 수신하는 단계;
    상기 단말기들의 각각의 위치를 추정하는 단계;
    상기 단말기들의 위치에 따라 상기 단말기들 각각의 상향링크 송신시점을 계산하는 단계;
    상기 단말기들 각각의 상향링크 송신시점을 상기 단말기들로 송신하는 단계; 및
    상기 단말기들 각각의 상향링크 송신시점에서 상기 단말기들 각각으로부터 상향링크 신호를 수신하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 이동 위성 통신 시스템의 위성에서 상향링크를 설정하는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 단말기들의 위치에 따라 상기 단말기들 각각의 상향링크 송신시점을 계산하는 단계는,
    상기 단말기들 각각에서 송신하는 상향링크 신호가 프레임(frame) 단위로 동기가 맞도록 상기 상향링크 송신시점을 계산함을 특징으로 하는 이동 위성 통신 시스템의 위성에서 상향링크를 설정하는 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 단말기들의 위치에 따라 상기 단말기들 각각의 상향링크 송신시점을 계산하는 단계는,
    상기 단말기들 각각에서 송신하는 상향링크 신호가 서브 프레임(sub frame) 단위로 동기가 맞도록 상기 상향링크 송신시점을 계산함을 특징으로 하는 이동 위성 통신 시스템의 위성에서 상향링크를 설정하는 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 단말기들의 위치에 따라 상기 단말기들 각각의 상향링크 송신시점을 계산하는 단계는,
    상기 단말기들 각각에서 송신하는 상향링크 신호가 심볼(symbol) 단위로 동기가 맞도록 상기 상향링크 송신시점을 계산함을 특징으로 하는 이동 위성 통신 시스템의 위성에서 상향링크를 설정하는 방법.
  5. 제4항에 있어서, 상기 단말기들 각각에서 송신하는 상향링크 신호가 심볼(symbol) 단위로 동기가 맞도록 상기 상향링크 송신시점을 계산하는 경우,
    서브 프레임의 동기 불일치로 간섭이 발생하는 심볼 구간을 확인하고, 확인한 심볼 구간에 자원을 할당하지 않도록 상기 단말기들 각각으로 간섭 심볼 구간 정보를 하향링크 제어 정보를 통해 상기 단말기들 각각으로 송신하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 이동 위성 통신 시스템의 위성에서 상향링크를 설정하는 방법.
  6. 위성으로 상향링크 임의접속 신호를 송신하는 단계;
    상기 위성으로부터 해당 단말기의 상향링크 송신시점을 포함하는 하향링크 제어 정보를 수신하는 단계;
    상기 상향링크 송신시점을 확인하는 단계; 및
    상기 상향링크 송신시점에 상향링크 신호를 상기 위성으로 송신하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 이동 위성 통신 시스템의 단말기에서 상향링크를 설정하는 방법.
  7. 제6항에 있어서, 상기 상향링크 송신시점은,
    위성 빔 영역내의 단말기들의 상향링크 신호의 동기를 프레임(frame) 단위로 맞도록 설정한 시점임을 특징으로 하는 이동 위성 통신 시스템의 단말기에서 상향링크를 설정하는 방법.
  8. 제6항에 있어서, 상기 상향링크 송신시점은,
    위성 빔 영역내의 단말기들의 상향링크 신호의 동기를 서브 프레임(sub frame) 단위로 맞도록 설정한 시점임을 특징으로 하는 이동 위성 통신 시스템의 단 말기에서 상향링크를 설정하는 방법.
  9. 제6항에 있어서, 상기 상향링크 송신시점은,
    위성 빔 영역내의 단말기들의 상향링크 신호의 동기를 심볼(symbol)
    단위로 맞도록 설정한 시점임을 특징으로 하는 이동 위성 통신 시스템의 단말기에서 상향링크를 설정하는 방법.
  10. 제6항에 있어서,
    상기 상향링크 송신시점에 상향링크 신호를 상기 위성으로 송신하는 단계 이전에,
    상기 상향링크 송신시점이 위성 빔 영역내의 단말기들의 상향링크 동기를 심볼(symbol) 단위로 맞추기 위한 것이면,
    상기 위성으로부터 상기 하향링크 제어 정보를 통해 상기 해당 단말기의 간섭 심볼 구간 정보를 수신하는 단계; 및
    상기 간섭 심볼 구간 정보에 대응하는 심볼에 자원을 할당하지 않은 상향링크 신호를 상기 위성으로 송신하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 이동 위성 통신 시스템의 단말기에서 상향링크를 설정하는 방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 간섭 심볼 구간 정보는,
    상기 단말기들에서 송신하는 상향링크 신호가 심볼(symbol) 단위로 동기가 맞도록 상기 상향링크 송신시점을 계산하는 경우, 상기 단말기들의 서브 프레임 간의 동기 불일치로 간섭이 발생하는 심볼 구간임을 특징으로 하는 위성 통신 시스템의 단말기에서 상향링크를 설정하는 방법.
  12. 위성 빔 영역내의 단말기들로부터 상향링크 임의접속 신호를 수신하는 단계;
    상기 단말기들 각각의 위치를 추정하는 단계;
    상기 단말기들의 위치정보를 하향링크 제어 정보를 통하여 상기 단말기들로 송신하는 단계; 및
    상기 단말기들로부터 동기를 맞춘 상향링크 신호를 수신하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 이동 위성 통신 시스템의 위성에서 상향링크를 설정하는 방법.
  13. 제12항에 있어서, 상기 단말기들로부터 동기를 맞춘 상향링크 신호를 수신하는 단계는,
    상기 위성과 가장 먼 거리에 위치하는 단말기의 상항링크와 동기를 맞춤을 특징으로 하는 이동 위성 통신 시스템의 위성에서 상향링크를 설정하는 방법.
  14. 제12항에 있어서, 상기 단말기들은,
    상기 위성으로부터 수신한 상기 위성 빔 영역내의 단말기들의 위치정보를 이용하여 상기 위성과 가장 먼 거리에 위치하는 단말기의 지연시간과 해당 단말기의 지연시간을 계산하고, 지연시간 간의 차이만큼의 시간을 지연하여 상향링크 신호를 송신함으로써 동기를 맞춤을 특징으로 하는 이동 위성 통신 시스템의 위성에서 상향링크를 설정하는 방법.
  15. 위성으로 상향링크 임의접속 신호를 송신하는 단계;
    상기 위성으로부터 위성 빔 영역내의 단말기들의 위치정보를 포함하는 하향링크 제어 정보를 수신하는 단계;
    상기 단말기들의 위치정보를 확인하는 단계;
    상기 위성과 가장 먼 단말기와 해당 단말기 간의 지연시간을 계산하는 단계;
    상기 위성과 가장 먼 단말기의 지연시간과 해당 단말기의 지연시간 간의 차이를 계산하는 단계; 및
    상기 계산한 지연시간의 차이만큼 지연하여 상향링크 신호를 위성으로 송신하는 단계를 포함함을 특징으로 하는 이동 위성 통신 시스템의 단말기에서 상향링크를 설정하는 방법.
  16. 제15항에 있어서, 상기 위성 빔 영역내의 단말기들의 위치정보를 확인한 결과,
    상기 해당 단말기가 위성과 가장 먼 단말기이면, 지연시간 없이 상향링크 신호를 상기 위성으로 송신하는 단계를 더 포함함을 특징으로 하는 이동 위성 통신 시스템의 단말기에서 상향링크를 설정하는 방법.
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