KR101264769B1 - 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 셀 영역이 넓어서 긴 왕복지연시간을 가지는 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법에 관한 것으로, 본 발명은 사용자 단말이 위성으로부터 수신된 패킷을 통해 수신 SNR 값을 계산하는 과정 상기 계산된 수신 SNR 값에서 이전에 반영된 전력제어 레벨을 제거하여, 이전에 반영된 전력제어 레벨만큼 감소시킨 값을 최종 수신 SNR 값으로 결정하는 과정 상기 결정된 수신 SNR 값을 가지고 AMC 모드를 결정하는 과정 전력제어가 필요한지를 판단하는 과정 전력제어가 필요하면 AMC 모드 영역 안에서 위치되는 채널 상황에 따라 필요한 전력제어 크기를 결정하는 과정 상기 결정된 전력제어 크기를 (RTT마진 - AMC 모드 영역)만큼 증가시키는 과정 및 필요한 만큼의 전력제어를 수행하도록 하는 CQI 피드백을 전송하는 과정으로 이루어지는 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법을 제공한다.

위성통신시스템, 전력제어, AMC(Adaptive Modulation & Coding)

Description

위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법{POWER CONTROLLED ADAPTIVE MODULATION AND CODING SCHEME IN THE SATELLITE COMMUNICATIONS SYSTEM}

본 발명은 위성통신시스템의 적응적 변조 및 코딩 방법에 관한 것으로, 특히 셀 영역이 넓어서 긴 왕복지연시간을 가지는 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법에 관한 것이다.

"본 발명은 지식경제부의 IT 원천기술개발사업의 일환으로 도출되었다.[과제명 : IMT-Advanced 위성접속 기술개발, 과제번호 : 2008-F-010-02]"

적응형 변조 및 코딩 방법은 3세대 이동통신시스템 3GPP2의1xEV DO에서 사용되기 시작하여 현재는 HSDPA, WiBro(WiMax), DVB-S2, 3GPP LTE 등의 다양한 이동통신시스템에서 사용되는 전송 방법이다.

3GPP2의 1xEV DO(1xEvolved Data Only)는 대역 효율을 높이기 위해 패킷 교환 방식을 채택한 대표적인 패킷 서비스 전용 시스템(Paul Bender, et al., "CDMA/HDR: A bandwidth-efficient high-speed wireless data service for nomadic users," IEEE Communication Magazine, July 2000)으로서, 3GPP2의 1xEV DO는 순방향 링크에서 각 사용자에게 전달되는 패킷들이 시분할(time division multiplexing) 방식으로 시간 슬롯 별로 다중화되어 전송된다. 이때, 각 시간 슬롯에서 패킷은 항상 기지국에서 사용 가능한 최대 전력으로 전송된다.

이에 따라, 각 사용자는 각 시간 슬롯의 중앙 부분에 삽입되어 전송되는 파일롯 심볼들에 대한 수신 신호대 간섭비를 측정하고, 미리 정해진 전송률 테이블에서 현재 상태에 적절한 전송률을 선택하여 기지국에 보고한다. 기지국은 각 사용자로부터 선택된 전송률을 기반으로 전송 패킷에 대한 스케줄링을 수행하고 선택된 슬롯에서 선택된 전송률로 패킷을 전송한다. 3GPP2의 1xEV DO는 서로 다른 심볼 반복 회수, 변조 방식(modulation type), 부호화율(code rate)에 의해 12가지의 패킷 전송률을 지원한다. 3GPP2의 IxEV DO에서는 항상 최대 전력으로 패킷을 전송하기 때문에, 순방향 링크에 대한 전력 제어를 수행하지 않아도 된다는 이점을 가진다.

기본적으로 적응형 변조 및 코딩 방법의 적용은 위에서 설명한 3GPP2의 1xEV DO와 동일하고, 시스템에 따라서 코드 할당 또는 부반송파 할당 방법 등이 결합된 형태로 변형되어 사용된다.

그런데 이러한 적응형 변조 및 코딩 방법은 기본적으로 짧은 왕복지연시간 동안 채널의 상태가 일정한 범위 안에서 유지된다는 가정에 기반하여 설계된 방법이다. 따라서 단말기는 채널 상태의 정보를 일정한 간격으로 계속 기지국으로 보고해야 한다. 그러나 위성통신시스템의 경우에는 왕복지연시간이 길기 때문에, 이렇 게 일정한 간격으로 보고되는 정보가 반영되기까지 지상통신시스템에 비해 매우 긴 시간이 소요되므로, 적응형 변조 및 코딩 방법의 기본 가정인 채널 상태가 일정한 범위 안에서 유지된다는 가정을 적용하기 어려운 문제점이 있다.

한편, DVS-2와 같이 단말기의 이동성이 존재하지 않는 상황에서 이용되는 적응형 변조 및 코딩 방법은, 강우감쇠의 영향을 상쇄하기 위한 것인데, 이러한 경우에는 위성통신시스템의 긴 왕복지연시간에 비해 채널 변화가 빠르게 이루지지 않으므로 적용하는데 문제가 없다. 그러나 위성을 이용한 이동통신의 경우에는 긴 왕복지연시간으로 인한 채널 변화가 심하게 나타나므로 DVS-2와 동일한 적응형 변조 및 코딩 방법을 적용시킬 수 없는 문제점이 있다.

따라서 본 발명의 목적은 왕복지연시간이 길고, 긴 왕복지연시간으로 인한 채널 변화가 심한 위성을 이용한 이동통신 환경에서 적용될 수 있는 적응형 변조 및 코딩 방법을 제공하는데 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 위성통신시스템에서의 긴 왕복지연시간으로 인한 적응적 변조 및 코딩 방법 성능의 저하를 감소시키기 위하여, 전력제어 방법이 결합된 적응형 변조 및 코딩 방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법은, 수신기가 적응적 변조 및 코딩 방법에 필요한 채널 정보를 피드백 할 때 전력제어 정보도 포함시켜 전송하도록 하여, 송신기가 상기 채널 정보 및 전력제어 정보에 따라 적응적 변조 및 코딩 모드와 전력제어를 위한 제어전력을 결정하고, 상기 결정된 적응적 변조 및 코딩 모드와 상기 제어전력을 결합하여 패킷을 상기 수신기로 전송하는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법에 있어서, 상기 전력제어 정보는 해당 적응형 변조 및 코딩을 적용하는 채널 상태 구간을 전력제어를 위해 2ⁿ개로 구분하고, 현재 채널 상태가 구분된 구간 중 어느 구간에 위치하는지에 대한 정보인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법은, 상기 2ⁿ개로 구분된 구간 중에서 하위 임계값에서 가까운 구간에서부터 순서대로 나머지 구간에 번호를 부여하고, 하나의 구간의 크기가 k dB라하고, 수신기의 채널 상태가 b 구간에 존재한다고 하면, 송신기는 (2ⁿ-b) * k dB 만큼의 전력을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법은, 상기 2ⁿ개로 구분된 구간 중에서 채널 상태가 가장 좋은 쪽 구간에서는 전력을 그대로 유지하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법은, 상기 2ⁿ개로 구분된 구간 중에서 하위 임계값에서 가까운 구간에서부터 순서대로 나머지 구간에 번호를 부여하고, 시스템에서 전력 증가에 적용할 임의의 p dB를 기 설정하고, 수신기의 채널 상태가 b 구간에 존재한다고 하면, 송신기는 (2ⁿ-b) * p dB 만큼의 전력을 증가시키는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법에 있어서, 상기 송신기는 상기 전력제어를 위한 전력증감을 결정할 때, 왕복지연시간을 위한 마진과 적응형 변조 및 코딩 모드를 구분하는 구간의 크기를 비교하여 전력증감의 크기를 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법은 상기 왕복지연시간을 위한 마진이 적응형 변조 및 코딩 모드를 구분하는 구간의 크기보다 크거나 작으면, 기 결정된 제어전력의 크기에 상기 왕복지연시간 마진에서 적응형 변조 및 코딩 모드를 구분하는 구간의 크기를 뺀 만큼을 더해서 제어전력의 크기를 결정하고, 상기 왕복지연시간을 위한 마진과 적응형 변조 및 코딩 모드를 구분하는 구간의 크기가 동일하면, 기존과 동일한 크기로 제어전력을 결정하는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법에 있어서, 수신기는 상기 적응적 변조 및 코딩 방법에 필요한 채널 정보를 위한 현재의 채널 상태 구간을 결정할 때, 전력제어를 통하여 변화된 전력의 크기를 제외한 상태에서 채널 상태 구간을 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법에 있어서, 상기 송신기는 채널 환경에 따라 적응형 변조 및 코딩 모드를 적용할 시, 사용할 적응형 변조 및 코딩 모드의 개수와 전력제어를 위해 채널을 나누는 구간의 크기 및 개수를 변화시키는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법에 있어서, 상기 적응형 변조 및 코딩 모드의 개수와 전력제어를 위해 채널을 나누는 구간의 크기 및 개수의 변화는, 상기 채널 상태 정보와 사용할 적응형 변조 및 코딩 모드를 적용할 수 있는 채널 상태를 벗어나는(Outage) 확률 등을 활용하여 결정하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법은, 사용자 단말이 위성으로부터 수신된 패킷을 통해 수신 SNR 값을 계산하는 과정; 상기 계산된 수신 SNR 값에서 이전에 반영된 전력제어 레벨을 제거하여, 이전에 반영된 전력제어 레벨만큼 감소시킨 값을 최종 수신 SNR 값으로 결정하는 과정; 상기 결정된 수신 SNR 값을 가지고 AMC 모드를 결정하는 과정; 전력제어가 필요한지를 판단하는 과정; 전력제어가 필요하면 AMC 모드 영역 안전력제잴치되는 채널 상황에 따라 필요한 전력제어 크기를 결정하는 과정; 상기 결정된 전력제어 크기를 (RTT마진-AMC 모드 영역)만큼 증가시키는 과정; 및 필요한 만큼의 전력제어를 수행하도록 하는 CQI 피드백을 전송하는 과정으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

이때, 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법은, 상기 전력제어가 필요한지 판단하는 과정에서, 전력제어가 필요하지 않으면 전력제어가 수행되지 않도록 하는 CQI 피드백을 전송하는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 본 발명은 위성통신시스템에서 적응적 변조 및 코딩 방법을 적용함에 있어서 전력제어 방법과 결합하여 적용함으로써, 긴 왕복지연시간 동안의 채널 변화에 따라 현재 설정되어 있는 적응적 변조 및 코딩 방법의 임계 값을 벗어나는 확률을 감소시켜, FER(Frame Error Rate) 성능을 개선 시킬 수 있는 효과가 있다.

또한, 본 발명은 위성통신시스템에 좀 더 다양한 적응적 변조 및 코딩 방법을 적용시키는 것을 가능하게 하여, 위성통신시스템의 전송 효율성을 증대시킬 수 있는 효과가 있다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예들의 상세한 설명이 첨부된 도면들을 참조하여 설명될 것이다. 도면들 중 동일한 구성들은 가능한 한 어느 곳에서든지 동일한 부호들을 나타내고 있음을 유의하여야 한다. 하기 설명에서 구체적인 특정 사항들이 나타나고 있는데, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해 제공된 것 이다. 그리고 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명을 생략한다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩(Adaptive Modulation & Coding, 이하 "AMC"라 칭함) 방법을 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법의 적용환경을 상세히 설명한다. 도 1은 AMC 모드 영역 안에서 AMC 레벨이 결정되는 위치를 구분한 도면이다.

위성통신시스템에서는 긴 왕복지연시간 때문에, 채널 정보를 반영하여 AMC 방법의 모드를 변화시키기 전에 이미 채널 상태가 많이 변화되어 있을 확률이 높다. 따라서 위성통신시스템에서는 지상통신시스템에 비해 비교적 큰 AMC모드 영역(간격)이 필요하다는 것을 알 수 있다. 그런데 AMC 모드 영역이 커지게 되면, AMC 모드 영역 안에서 채널 상태의 위치에 따라 AMC 사용에 따른 Outage 확률(현재 채널 상태가 사용되는 AMC 모드 영역의 채널 상태 범위를 벗어날 확률, 특히 채널이 악화되는 경우만을 고려함)에 영향을 줄 수 있다.

도 1에 도시된 바와 같이, 4 dB와 3 dB의 AMC 모드 영역을 1 dB 간격으로 구분하는 경우, 동일한 AMC 모드를 결정하더라도, 채널 상태가 영역1에 위치할 때 결정한 것에 비해 3 dB 간격의 영역3 또는 4 dB 간격의 영역4에 위치할 때 AMC 모드를 결정한 경우에 Outage 확률이 증가하는 경향이 나타난다.

이것은 처음 AMC 모드 영역을 결정할 때 RTT(Round Trip Time) 동안 채널 변동을 수용할 수 있는 것을 기준으로 결정하게 되는 반면, 실제 적용할 때는 처음 결정된 모드 영역만큼의 채널 마진을 확보하지 못하기 때문이다. 예를 들어 4 dB 의 채널 변화를 수용하려면 모드 결정시의 채널 상태는 영역1에 위치해 있어야 하는데, 만일 영역1 이외의 위치에 위치하였을 때 4 dB의 채널 변화가 발생하면 Outage 사건이 발생하게 되는 것이다.

일반적으로 AMC 방법을 사용할 때 전송전력은 고정된 값을 이용하는 것을 가정한다. AMC 방법은 상황에 따라서 전력 레벨을 조정하는 대신에 전송 방법을 변경하는 방법이므로, 전력 레벨 조정과 전송 방법 변경의 두 가지를 동시에 사용할 필요성이 없기 때문이다.

그러나 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법에서는 AMC 모드에 해당되는 기초(또는 초기) 전력을 결정하기 위해서 개방형 전력제어(Open Loop Power Control) 방식을 활용하여, 원하는 BER(Bit Error Rate) 성능을 얻기 위해 필요한 SNR(Signal to Noise Ratio)을 유지하는 전력을 설정하도록 한다.

따라서 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법에서는 일반적인 AMC 모드 이용 시에는 실시간 전력제어가 수행되지 않지만, AMC 모드 중에서 가장 열악한 채널 상황에서 사용되는 AMC 모드가 설정되어 있는 경우에는, 채널 상황에 따라서 더 채널 오류에 강한 AMC 모드로 전환될 수 없기 때문에 이러한 경우에 누적되는 BER 또는 SNR을 모니터링하여 개방형 전력 제어가 수행될 수 있도록 한다. 한편, 가장 좋은 채널 상황에서 사용되는 AMC 모드에 설정된 경우에서도 개방형 전력제어가 수행될 수 있다.

이러한 AMC 모드를 왕복지연시간이 긴 위성시스템에서 사용할 때, Outage 확률을 낮출 수 있는 방법을 분석하기 위해서 Outage 확률을 <수학식 1>과 같이 정의하였다. <수학식 1>에서는, 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법을 사용함에 있어서 AMC 모드가 결정되면, 도 2에 도시된 바와 같이 AMC 모드 마진의 가장 하위 값을 AMC 모드에 따른 성능을 유지하기 위한 임계값으로 가정한다. 도 2는 AMC 모드 영역의 크기와 하위 임계값의 예를 도시한 도면이다.

여기서, RS(t)는 시간 t에서의 수신 전력, RS_th(t)는 시간 t에의 수신 전력에 해당되는 AMC 모드의 하향 임계 수신 전력 값, RS₀는 임의의 실수 값, RTT는 Round Trip Time(왕복지연시간)임.

상기 <수학식 1>에서 정의한 Outage 확률은 조건부 확률 정의에 따라 하기의 <수학식 2>와 같이 정리 할 수 있다.

<수학식 2>에서 시간 RTT가 충분히 큰 경우에는 RS(t)와 RS(t+RTT)은 독립적인 사건으로 가정할 수 있으므로, <수학식 2>는 하기의 <수학식 3>과 같이 정리할 수 있다.

<수학식 3>의 Outage 확률을 감소시키기 위해서는 RS(t+RTT)≥RS_th(t)을 만족하는 상황이 유지되어야 한다.

<수학식 3>의 RS(t), RS(t+RTT), RS_th(t)는 하기의 <수학식 4> 내지 <수학식 6> 같이 표현할 수 있으며, 이 경우 RS(t+RTT)≥RS_th(t)은 하기의 <수학식 7>과 같이 표현할 수 있다.

여기서, TP(t)는 시간 t에서의 송신 전력, CH(t)는 시간 t에서의 채널 이득, CH_th(t)는 시간 t-(RTT/2)에서의 송신 전력에 대해 시간 t에서 수신 전력이 RS_th(t)값이 되도록 하는 채널 이득임.

<수학식 7>의

은 시간 t-(RTT/2)에서 전송한 전력과 시간 t+(RTT/2)에서 전송한 전력의 차이이므로 <수학식 7>은 하기의 <수학식 8>과 같이 표현할 수 있다.

<수학식 8>에서 ΔTP는 고정된 전송전력을 사용한다고 가정하는 경우에 0이 된다. 따라서

이 0보다 작은 값을 가지려면 CH(t+RTT)가 큰 값을 가지거나, CH_th(t)가 작은 값을 가져야 한다. CH(t+RTT)는 t+RTT 시간 후의 채널 상황이므로 우리가 제어할 수 있는 변수가 아니다. 반면에 CH_th(t)는 시간 t에서의 AMC 모드에 대한 임계값을 나타내는 값이므로, 우리가 임계값을 최대한 낮게, 즉 AMC 모드 영역을 최대한 넓게 설정하는 것을 통해서 제어할 수 있다.

만일 AMC 모드 영역이 결정된 경우라고 하면, 상기 <수학식 8>에서 CH_th(t)는 이미 시간 t에서 결정된 상수이며, CH(t+RTT)는 t+RTT 시간에 채널 상황이므로 우리가 조절할 수 있는 변수가 아니다. 이에 반하여 우리가 실시간으로 송신 전력을 조절 할 수 있다고 가정하면, 우리가 제어할 수 있는 변수는 ΔTP가 된다. 일반적으로는 AMC모드에서는 고정된 송신전력을 유지하기 때문에 ΔTP가 0이다. 그러나 긴 왕복지연시간을 가지는 위성통신시스템과 같은 경우에는 Outage 확률을 줄이기 위해서는 송신 전력을 제어하여 ΔTP가 큰 값을 가지도록 할수록 좋다. 즉, 왕복지연시간이 짧은 지상통신시스템에서는 ΔTP가 0이 더라도 CH(t+RTT)가 CH_th(t)보다 큰 값을 가질 확률이 매우 높지만 왕복지연시간이 긴 위성통신시스템에서는 CH(t+RTT)가 CH_th(t)보다 큰 값을 가질 확률이 높지 않기 때문에 ΔTP가 되도록 큰 값을 가져야만 지상통신시스템의 확률에 가까워 질 수 있다.

따라서 AMC 방법과 함께 ΔTP를 조절할 수 있는 전력제어 방법을 결합하여 사용하면 왕복지연시간이 긴 위성통신시스템에서도 AMC 방법을 효율적으로 적용할 수 있다.

본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법은 AMC 모드를 결정할 때 실시간으로 전력제어(ΔTP를 조절)도 같이 수행하는 방법이다. 전술한 바와 같이, 본 발명은 AMC 모드 선택 시 4 dB 간격의 영역4에서 선택되는 경우에는 영역1에 해당하는 마진을 확보할 수 있도록 전력제어를 수행하는 것이다.

도 3은 AMC 모드 영역의 크기가 RTT 마진보다 큰 경우를 도시한 도면이고, 도 4는 AMC 모드 영역 크기와 RTT마진의 크기가 동일한 경우를 도시한 도면이며, 도 5는 AMC 모드 영역의 크기가 RTT마진 보다 작은 경우를 도시한 도면이다.

상기 <수학식 8>에서 CH_th(t)의 값의 영향을 주는 AMC 모드 영역과 왕복지연시간 동안의 채널의 불확실성을 수용할 수 있도록 ΔTP를 조절하는 마진에 대한 개념에 있어서 아래의 3가지 경우를 생각할 수 있다. AMC 모드 영역은 AMC 모드들 사이의 간격을 나타내고, RTT 마진은 CQI(Channel Quality Indicator: 채널 피드백 정보) 정보를 반영하여 AMC 모드를 변화시키는데 까지 필요한 시간 동안의 채널 변화를 수용할 수 있도록 해주는 마진이다. 위성통신시스템에서는 긴 왕복지연시간의 영향이 가장 결정적이므로 RTT 마진이라고 칭하였다.

1. AMC 모드 영역 > RTT 마진

도 3에 도시된 바와 같이 AMC 모드 영역이 RTT 마진 보다 큰 경우는 현실적 인 경우는 아니다. AMC 모드 영역은 CQI정보를 반영하여 AMC 모드를 변화시키는데 까지 필요한 시간 동안의 채널 변화를 수용할 수 있도록 설정하기 때문이다. 따라서 만일 시렇게 설정하는 경우라 만일일반적으로 설정되어야하기 마진 보다 AMC 모드 마진을 크게 가져가는 경우이므로, 전력제어시의 전력을 감소시키는 동작이 포함될 수 있다. 그러나 이러한 경우에는 AMC 모드 개수가 줄어들게 되므로 AMC 이용에 따른 이득이 적어진다.

2. AMC 모드 영역 = RTT 마진

도 4에 도시된 바와 같이 AMC 모드 영역이 RTT 마진과 동일한 경우는 일반적인 형태이며, CQI 정보가 반영되어 AMC 모드를 변화시키는데 까지 필요한 시간 동안의 채널 변화를 수용할 수 있도록 설정된 경우이다.

3. AMC 모드 영역 < RTT 마진

도 5에 도시된 바와 같이 RTT 마진이 AMC 모드 영역 크기보다 큰 경우는, 사용할 수 있는 AMC 모드 개수를 증가시키면서, Outage 확률을 감소시키기 위해서 사용할 수 있는 방법이다. 이 경우에는 (RTT 마진- AMC 모드 영역 크기)만큼의 전력을 항상 증가시켜주어야 한다.

도 6은 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법이 적용되는 절차를 도시한 순서도로서, 도 6을 참조하여 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법을 상세히 설명한다.

먼저, 101단계에서 사용자 단말은 위성으로부터 수신된 패킷을 통해 수신 SNR 값을 계산한다. 이어, 103단계에서 이전에 반영된 전력제어 레벨을 계산된 수신 SNR 값에서 제거한다. 이때, 이전에 A만큼의 전력이 증가한 경우, 계산된 수신 SNR 값에서 A 값만큼 감소시킨 값을 수신 SNR 값으로 간주한다. 그리고 105단계로 진행하여, 상기 103단계에서 계산된 수신 SNR 값을 가지고 AMC 모드를 결정한다.

이어, 107단계에서 전력제어가 필요한지를 판단하여, 전력제어가 필요하지 않은 경우에는 109단계로 진행하여 전력제어가 수행되지 않도록 하는 CQI 피드백을 전송한 후 종료하고, 전력제어가 필요한 경우에는 111단계로 진행한다.

111단계에서는 AMC 모드 영역 안에서 위치되는 채널 상황에 따라 필요한 전력제어 크기를 결정하고, 113단계로 진행하여 결정된 전력제어 크기를 (RTT마진- AMC 모드 영역)만큼 증가시킨다.

그리고 115단계로 진행하여 필요한 만큼의 전력제어를 수행하도록 하는 CQI 피드백을 전송하고 종료한다.

수신 SNR을 결정할 때, 103단계와 같이 이전에 반영된 전력제어 레벨을 계산된 수신 SNR 값에서 제거하는 이유는, 추가된 전력으로 인하여 채널 상황이 좋은 것으로 인식하여 계속 좋은 채널 상황에 맞는 AMC 모드로 변경하는 것을 방지하기 위함이다. 추가된 전력은 현재 결정된 AMC모드에서의 Outage 확률을 줄이기 위한 것이지, 추가된 전력을 통해 좋은 채널 상황에 맞는 AMC 모드로 변경하기 위한 것이 아니다.

전술한 도 6의 103단계의 동작을 이하의 도 7을 참조하여 좀더 상세히 설명한다. 도 7은 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변 조 및 코딩 방법과 종래기술의 수신 SNR 결정 방법에 따른 영향을 대비하여 도시한 도면이다.

전술한 바와 같이, 일반적인 AMC 방법은 개방형 전력제어와 함께 사용된다. 따라서 요구되는 성능의 BER을 만족시키기 위한 Required SNR과 Current SNR의 차이 값만큼을 전력제어를 통해 보충하게 된다. 그러나 이러한 개방형 전력제어는 CQI 업데이트 주기와 일치하지 않고, 개방형 전력제어 자체의 주기를 통해서 이루어지게 된다. 따라서 CQI 업데이트를 통해서 빠르게 변화하는 AMC 모드에서 발생하는 BER에 평균적으로 접근하게 된다. 여기에서는 기존 AMC에서 사용되는 개방형 전력제어가 CQI 업데이트와 동일하게 반영된다고 가정할 때, 본 발명과의 차이점을 설명한다.

본 발명은 종래기술이 (Required SNR - Current SNR)의 크기만큼 전력을 증가시키는데 반하여, (Required SNR - Current SNR + (RTT마진 - AMC 모드 영역))만큼 전력을 증가시킨다. 따라서 RTT마진과 AMC 모드 영역의 크기가 다른 경우에는 기존 방식에서 수신 SNR을 결정하는 방식과 전혀 다른 방식이 되고, RTT 마진과 AMC 모드 영역이 동일한 경우에는 동일한 식이 된다. 그런데 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법은 Current SNR을 계산할 때 이전에 전력제어를 통해 증가시킨 만큼의 전력을 차감하여 반영하도록 하고 있다. 따라서 동일한 식이 되더라도 전력제어를 통해 증가시킬 전력의 크기는 다르다.

이러한 차이가 어떠한 영향을 미치는지를 도 7을 통해 확인할 수 있다. 도 7 에서 본 발명과 기존 방식이 정의하는 Required SNR은 동일하다고 가정하였다. 도 7의 ①의 영역에서 수신 SNR과 MODE 1의 Required SNR과의 차이만큼 전력제어를 수행하여 전송하는 경우를 가정하고, ②의 영역에서 채널 상황이 개선되어 수신 SNR이 상위 임계값을 넘어서는 경우를 가정하면, 본 발명은 수신 SNR 계산시의 전력제어를 통해 증가시킨 전력만큼을 차감하기 때문에 여전히 MODE 1 영역에 존재하게 되지만, 기존의 방식은 MODE 2에 위치하게 되어 AMC 모드를 변경하게 된다.

즉, 기존 방식과 같이 모드를 변경하는 것은 실제로 전력제어를 수행하지 않으면 MODE 1에 적합한 것을 불필요하게 전력을 증가시켜 MODE 2가 된 것으로 전력의 소모가 증가될 뿐만 아니라, MODE 2에서는 해당 모드의 Required SNR까지 을 적인 전력제어가 필요해지므로 계속적으로 전력소모가 증대될 수 있는 단점이 존재한다.

따라서, 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법은 종래기술과 대비할 때, 불필요한 전력증가를 제거함으로써 추가적인 전력제어에 따른 전력소모를 줄일 수 있다.

도 8은 LTE CQI 비트와 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법의 CQI 비트 구성을 대비하여 도시한 도면이다.

PC-AMC 방법에서, 전력제어가 필요한 전력 레벨을 결정하는 방법은 하기의 <수학식 9>와 같다.

AMC 모드의 상위 임계 값 - 수신 SNR + (RTT마진 - AMC 모드 영역)

그러나 실제 시스템에서 위와 같은 식에 의해서 계산된 정확한 만큼의 전력 레벨을 조정하라고 명령을 보내는 것은 시스템의 시그널링 비용을 증가시킨다. 3GPP LTE 시스템에서는 도 8에서와 같이 AMC 모드 선택을 위해서 5 비트를 사용한다. 5 비트를 통해서 29개의 AMC 모드를 결정한다. 반면에, 위성통신시스템의 경우 AMC 모드 영역의 크기를 지상통신시스템만큼 작게 할 수 없기 때문에, AMC 모드를 알려주기 위해 필요한 비트 수는 약 2 ~ 3 비트 정도면 충분할 것으로 판단된다. 따라서 지상 3GPP LTE 시스템과의 호환성을 유지하면서 본 발명을 적용하기 위해서 도 8과 같이 위성통신시스템에서는 CQI 5 비트를 n 비트의 AMC 모드 결정 비트와 m 비트의 전력제어 비트로 구분하여 사용할 수 있다. 이에 대한 구체적인 적용 형태는 이하에서 도 9를 참조하여 설명한다.

도 9는 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법의 전력제어 비트 수에 따른 AMC 모드 영역 구분 방법을 도시한 도면이다.

n 비트로 구성된 AMC 모드 결정 비트는 2ⁿ개의 AMC 모드를 구분하고, m 비트로 구성된 전력제어 비트는, 비트 수에 따라서 AMC 모드 영역을 구분하여 전력제어를 수행하는데 사용된다. 도 9에 도시된 바와 같이, m이 2 비트인 경우는 AMC 모드 영역을 4개의 구역으로 구분하고, 3 비트인 경우는 AMC 모드 영역을 8개의 구역으로 구분한다. 패킷을 수신하여 계산된 수신 SNR이 2^m개로 구분된 영역 중에서 어디에 위치하는지에 따라서 전력제어 레벨을 결정하게 된다. 예를 들어 m이 2비트인 경우, 4번 영역에서는 전력제어를 수행하지 않도록 하고 3번 영역에서는 (AMC 모드 영역)/4 만큼 전력을 증가시키도록 하며, 2번 영역에서는 2*(AMC 모드 영역)/4 만큼 전력을 증가시키도록 하고, 1번 영역에서는 3*(AMC 모드 영역)/4만큼 전력을 증가시키도록 할 수 있다.

정리하면, 도 9에 도시된 바와 같이 전력제어 비트 m이 2비트인 경우에 AMC 모드 영역을 2^m개의 채널 상태 구간으로 구분하고, 구분된 구간을 하위 임계값에서 가까운 구간에서부터 순서대로 번호를 부여한다. 이때, 구분된 구간들이 소정 dB로 동일한 크기를 갖는다고 가정하면, 전술한 바와 같이 수신 SNR에 의하여 현재 채널 상태가 존재하는 구간에 따라 증가시켜야 할 전력은 하기 <수학식 10>과 같이 하나의 식으로 나타낼 수 있다.

즉, 현재 채널 상태가 존재하는 구간을 b라 하고, 하나의 구간의 크기를 k dB라고 하면, 상기 수학식 10은 (2^m-b)*k dB가 된다. 따라서 상위임계값에서 가까운 4번 영역에서는 전력제어를 수행하지 않으므로, b=4가 되어 증가시켜야 할 전력은 0 dB가 되고, 현재 채널 상태가 b = 3인 경우에는 k dB, 현재 채널 상태가 b = 2인 경우에는 2k dB, b = 1인 경우에는 3k dB를 만족한다.

따라서 CQI를 통해 보고할 때는 수신 SNR이 위치하는 영역이 어디인지 알려주면, 송신측에서 전력제어 레벨을 결정하여 전송할 수 있다. 송신측에서는 수신 SNR 위치에 따라 AMC모드 영역을 나눈 만큼이 아닌 미리 결정된 전력제어 레벨만큼 증가시키도록 하는 방법도 적용할 수 있다. 따라서 상기 미리 결정된 전력제어 레벨을 p dB라 하면, 상기 수학식 10은 (2^m-b)*p dB와 같이 나타낼 수 있다.

위성통신시스템에서 본 발명을 적용함에 있어서, 사용자의 위치에 따라 n비트와 m비트의 크기를 조정하여, 적응적인 형태로 적용하는 것도 가능하다. 비교적 채널이 안정적으로 변화하는 경우에는, AMC 모드 영역의 크기를 작게 하여 더 많은 AMC 모드를 사용하여 전송 효율성을 높이는 반면에, 채널이 빠르게 변화하는 경우에는 AMC 모드 영역의 크기를 크게 하여 안정성을 높이는 방식으로 사용할 수 있다. 더 많은 AMC 모드를 사용하는 경우에는 전송 효율성은 증대되는 반면에 전력제어를 위해 구분하는 영역이 넓어져서 세밀한 전력제어가 수행되지 못하는 단점이 있고, AMC 모드 영역의 크기를 크게 하는 경우에는 전송 효율성을 떨어지지만 전력제어를 위해 구분되는 영역이 좁아져서 세밀한 전력제어가 수행되는 장점이 있다. 따라서, 사용자의 위치에 따른 채널 상황에 맞게 본 발명을 적응적으로 적용할 수 있다. 이러한 적응적 방법을 적용하기 위해서는 Outage 확률과 수신 SNR의 변동을 관찰하여 n비트와 m 비트를 변경할 것인지를 결정하고, 결정되면 시그널링을 통하여 변경된 사실을 수신기에 통보하여 변화된 규칙에 맞게 CQI를 전송하도록 하면 된다.

도 10은 전력제어와 결합하여 이용할 수 없는 경우에 적응형 변조 및 코딩 방법을 적용하는 방법을 도시한 도면이다.

위성통신시스템에서 적응형 변조 및 코딩 방법을 적용함에 있어서, 앞에서 설명한 것과 같은 전력제어를 수행할 전력의 여유가 없는 경우에는 도 10과 같은 방식으로 적응형 변조 및 코딩 방법을 적용할 수 있다. 수신된 신호 전력 RS(t)가 Mode 3영역에 존재하는 경우, 일반적인 경우라면 Mode 3을 선택하 여 전송을 수행하여야 한다. 그러나 위성통신시스템과 같이 왕복지연시간이 긴 경우에는 채널 변화에 대한 마진을 확보하여야 하는데, RS(t)는 Mode 3의 하위 임계 값으로부터 충분한 마진을 가지지 못하고 있으며, 전력제어를 수행할 전력을 확보하고 있지도 못하다. 따라서 이러한 경우 수신된 전력 값 RS(t)에서 AMC모드 영역 크기 또는 RTT마진만큼을 뺀 후에 그 값에 해당되는 Mode 2를 선택하도록 하는 방법이다. 이렇게 AMC모드를 선택하면 전력제어를 수행하지 않고, 필요한 마진을 확보할 수 있다. 그러나 더 이상 낮은 전력 값에서 동작하는 모드가 존재하지 않는 경우에는 전송 품질을 보장해 줄 수 없는 문제가 있다. 또한 앞에서 전력제어와 결합한 방식에 대해 환경에 따라서 변화시켜 적용하는 형태를 설명하였는데, 전력제어를 수행할 수 없는 경우에는 수신된 전력 값 RS(t)에서 빼는 마진 값을 변화시키는 형태로 환경에 따라 적용할 수 있다. 즉 사용자 환경이 좋은 경우에는 마진을 작게 가져가서 도 10에서와 같은 경우에 Mode 3을 선택하도록 할 수 있는 것이다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이 다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해서 정해져야 한다.

도 1은 AMC 모드 영역 안에서 AMC 레벨이 결정되는 위치를 구분한 도면,

도 2는AMC 모드 영역의 크기와 하위 임계 값의 예를 도시한 도면,

도 3은 AMC 모드 영역의 크기가 RTT 마진보다 큰 경우를 도시한 도면,

도 4는 AMC 모드 영역 크기와 RTT마진의 크기가 동일한 경우를 도시한 도면,

도 5는 AMC 모드 영역의 크기가 RTT마진 보다 작은 경우를 도시한 도면,

도 6은 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법이 적용되는 절차를 도시한 순서도,

7은 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법과 종래기술의 수신 SNR 결정 방법에 따른 영향을 대비하여 도시한 도면,

도 8은 LTE CQI 비트와 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법의 CQI 비트 구성을 대비하여 도시한 도면,

도 9는 본 발명에 따른 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법의 전력제어 비트 수에 따른 AMC 모드 영역 구분 방법을 도시한 도면,

도 10은 전력제어와 결합하여 이용할 수 없는 경우에 적응형 변조 및 코딩 방법을 적용하는 방법을 도시한 도면.

Claims (10)

1. 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩(AMC: Adaptive Modulation and Coding) 방법에 있어서,

   사용자 단말이 위성으로부터 수신된 패킷을 통해 수신 신호대 잡음비(SNR: Signal Noise Ratio) 값을 계산하는 과정과,

   상기 계산된 수신 신호 대 잡음비 값에서 상기 수신된 패킷 전에 수신된 패킷에 적용한 전력제어 레벨을 제거하여, 상기 전력제어 레벨만큼 감소시킨 값을 최종 수신 신호 대 잡음비 값으로 결정하는 과정과,

   상기 결정된 수신 신호 대 잡음비 값을 기초로 하여 적응적 변조 및 코딩 모드를 결정하는 과정과,

   상기 적응적 변조 및 코딩 모드에서 비트 오류율(BER: Bit Error Ratio, Bit Error Rate)을 통해 전력제어가 필요한지를 판단한 후, 상기 전력제어가 필요하면 상기 적응적 변조 및 코딩 모드의 영역에서 위치되는 채널 상태에 따라 필요한 상기 전력제어 크기를 결정하는 과정과,

   상기 결정된 적응적 변조 및 코딩 모드와 상기 전력제어 정보를 채널 품질 정보(CQI: Channel Quality Indicator) 피드백을 통해 상기 위성에 전달하는 과정과,

   상기 위성에서 패킷 전송시 수신된 정보에 의해 상기 적응적 변조 및 코딩 모드를 적용하고 상기 수신된 정보로부터 결정된 전력제어 크기(여기서, 상기 수신된 정보로부터 결정된 전력제어 크기 = 상기 수신된 정보로 계산된 전력제어 크기 + (왕복지연시간(RTT: Round trip time)마진 - 상기 적응적 변조 및 코딩 모드 영역))만큼 증가시키는 과정을 포함하는 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 전력제어가 필요하지 않으면 상기 전력제어가 수행되지 않도록 하는 채널 품질 정보 피드백을 전송하는 것을 특징으로 하는 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법.
3. 제 1항에 있어서, 상기 전력제어 정보는,

   상기 전력제어를 위해 상기 적응적 변조 및 코딩 모드가 적용된 상기 채널 상태 구간을 2ⁿ개로 구분하고, 현재 채널 상태가 상기 구분된 채널 상태 구간 중 어느 구간에 위치하는지에 대한 정보임을 특징으로 하는 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법.
4. 제 3항에 있어서,

   상기 2ⁿ개로 구분된 구간 중에서 하위 임계값에서 가까운 구간에서부터 순서대로 나머지 구간에 번호를 부여하고, 하나의 구간의 크기가 k dB라하고, 수신기의 채널 상태가 b 구간에 존재한다고 하면, 송신기는 (2ⁿ-b) * k dB 만큼의 전력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법.
5. 제 3 항에 있어서,

   상기 2ⁿ개로 구분된 구간 중에서 하위 임계값에서 가까운 구간에서부터 순서대로 나머지 구간에 번호를 부여하고, 시스템에서 전력 증가에 적용할 p dB를 미리 설정하고, 수신기의 채널 상태가 b 구간에 존재한다고 하면, 송신기는 (2ⁿ-b) * p dB 만큼의 전력을 증가시키는 것을 특징으로 하는 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법.
6. 제 3항에 있어서, 수신기는,

   상기 적응적 변조 및 코딩 방법에 필요한 채널 정보를 위한 현재의 채널 상태 구간을 결정할 때, 상기 전력제어를 통하여 변화된 전력의 크기를 제외한 상태에서 상기 채널 상태 구간을 결정하는 것을 특징으로 하는 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법.
7. 제 1항에 있어서, 상기 위성통신시스템은,

   채널 환경에 따라 상기 적응적 변조 및 코딩 모드를 적용할 시, 사용할 적응적 변조 및 코딩 모드의 개수와 전력제어를 위해 채널을 나누는 구간의 크기 및 개수를 변화시키는 것을 특징으로 하는 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법.
8. 제 7항에 있어서, 상기 적응적 변조 및 코딩 모드의 개수와 전력제어를 위해 채널을 나누는 구간의 크기 및 개수의 변화는,

   상기 채널 상태 정보와 사용할 상기 적응적 변조 및 코딩 모드를 적용할 수 있는 상기 채널 상태를 벗어나는(Outage) 확률 및 확률에 영향을 주는 요소들을 활용하여 결정하는 것을 특징으로 하는 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 방법.
9. 위성통신시스템에서의 적응적 변조 및 코딩(AMC: Adaptive Modulation and Coding) 모드 결정 방법에 있어서,

   수신된 신호로부터 수신 전력 값을 계산하는 과정과,

   상기 수신된 전력 값에서 왕복지연시간(RTT: Round trip time)마진과 상기 적응적 변조 및 코딩 모드의 영역에서의 크기의 차를 계산하여 최종 수신 전력 값을 결정하는 과정과,

   상기 최종 수신 전력 값을 기준으로 상기 적응적 변조 및 코딩 방법 모드를 선택하는 과정을 포함하는 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 모드 결정 방법.
10. 제 9항에 있어서,

    상기 왕복지연시간 마진과 상기 적응적 변조 및 코딩 모드의 영역에서의 크기의 차는, 단말기의 환경에 따라 상기 적응적 변조 및 코딩 모드의 개수와 전력제어를 위해,

    상기 적응적 변조 및 코딩 모드의 영역 안에서 위치되는 채널을 나누는 구간의 크기 및 개수를 변화시키는 것이 적용됨을 특징으로 하는 위성통신시스템에서의 전력제어와 결합한 적응적 변조 및 코딩 모드 결정 방법.

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