KR101360647B1 - 그룹 기반 통신 기법을 이용한 기지국과 단말들 사이의 통신 방법 - Google Patents

그룹 기반 통신 기법을 이용한 기지국과 단말들 사이의 통신 방법 Download PDF

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Abstract

그룹 기반 통신 기법을 이용한 기지국과 단말들 사이의 통신 방법이 개시된다. 본 발명은 고정된 위치에 설치된 복수의 단말들을 복수의 그룹들로 그룹화하고, 복수의 그룹들 각각에게 고유한 상향 링크 자원을 할당함으로써, UL-MAP 오버헤드를 감소시키고 데이터 전송을 위한 자원을 최대로 활용하는 기술을 제공한다.

Description

그룹 기반 통신 기법을 이용한 기지국과 단말들 사이의 통신 방법{COMMUNICATION METHOD BETWEEN A BASE STATION AND TERMINALS USING GROUP BASED COMMUNICATION SCHEME}
아래 실시예들은 그룹 기반 통신 기법을 이용한 기지국과 단말들 사이의 통신 방법에 관련된다.
최근 전세계적으로 통신사업자의 음성통신 수익이 감소하고, 우리나라를 포함한 주요 선진국의 이동전화와 초고속 인터넷 보급률이 100%에 육박하는 등 통신 시장이 포화상태에 다다르고 있다. 이러한 흐름에 따라 새로운 이윤 창출에 대한 필요성이 다양한 측면에서 제기되고 있으며 이에 따라 국내외 통신 사업자들은 새로운 이윤 창출 모델을 발굴하기 위해 노력하고 있다. 이러한 세계적 통신산업의 흐름과 통신 모듈 가격의 하락 등으로 인해 사물지능통신(Machine-to-Machine Communication)은 통신 시장 내 새로운 비즈니스 모델로 급부상하고 있다. M2M 통신은 원격으로 사물 또는 사람의 위치 추적, 원격 검침, 지불 결제, 제어 통제, 감시, 경고 등의 다양한 기능을 수행함으로써 언제 어디서나 원하는 서비스를 제공해 주는 것을 목표로 하는 유비쿼터스 시대에 새로운 이윤창출 효과를 가져 올 것으로 주목된다.
또한 최근 세계적으로 국가 정책적으로 추진되고 있는 스마트 그리드(Smart Grid) 역시 M2M 통신이 사용되는 대표적인 응용 분야이다. 스마트 그리드는 효율적인 전기 에너지의 사용을 목적으로 기존 전력 망에서 전력 공급자와 소비자 간의 실시간 데이터 교환을 가능하게 하는 양방향 통신을 구축하여, 지능화된 전력 에너지의 송배전이 가능하도록 하는 '차세대 지능형 전력 망'을 의미한다. 이러한 환경으로 인하여 스마트 그리드의 구현을 위하여 M2M 통신은 핵심적인 기술로 평가되고 있다.
현재의 M2M 통신은 일반적으로 센서 또는 단말이 ZigBee와 같은 근거리 무선기술을 이용해 게이트웨이에 접속하고 이 게이트웨이는 유선망 또는 이동통신망을 통해 인터넷에 접속하는 구조이며 이러한 구조의 M2M 통신은 단말들이 좁은 지역에 분포되어 있는 경우 적절한 솔루션이나 향후 M2M 단말의 수가 급증하고 넓은 지역에 분포된 M2M 단말을 서비스 할 경우 넓은 커버리지를 갖는 IEEE 802.16과 같은 광역 통신망을 이용하는 것이 타당하다. 이러한 필요성에 따라 IEEE 802.16에서는 2010년 11월 M2M을 위한 IEEE 802.16p의 Working 그룹 활동을 시작했으며, "M2M Communication Technical Report"를 작성하고 M2M을 수용하기 위해 기존 IEEE 802.16 시스템을 수정 및 보완하고자 하는 움직임이 나타나기 시작했다.
M2M 통신은 매우 많은 수의 M2M 단말로부터 발생하는 작은 크기의 비주기적인 패킷을 발생하는 특성을 가지므로 이를 기존 IEEE 802.16에서 수용할 때 다음의 두 가지 MAC 오버헤드로 인해 시스템의 극심한 성능저하가 예상된다.
첫째, IEEE 802.16에서 패킷을 전송하지 않는 대부분의 M2M 단말은 제한된 주소 공간과 활성화된 연결을 유지를 위한 시그널링에 따른 오버헤드로 인해 연결(Connected)상태가 아닌 휴지(Idle)상태에 머무르게 된다. 휴지(Idle)상태에 머무르던 M2M 단말들이 패킷을 전송하기 위해 연결(Connected)상태로 상태 전이를 위해서는 액세스(Access)상태에서 기지국과의 네트워크 연결(network entry)을 위한 다수의 제어 시그널을 전송하여야 한다. 많은 수의 M2M 단말들이 작은 크기의 패킷을 전송하기 위해 개별로 네트워크 연결(network entry) 과정을 거치는 것은 제어 시그널의 크기가 전송할 패킷 크기를 초과하여 시스템 측면에서 막대한 오버헤드 문제를 초래한다.
둘째, IEEE 802.16은 OFDMA 기술을 사용하여 트래픽을 다중화하며 이를 위해 데이터 전송 시에 각 사용자마다 데이터의 자원 할당 정보와 사용되는 변조 및 부호화 방식(Modulation and Coding Scheme, MCS) 등의 정보를 알려주기 위한 MAP 메시지로 인한 오버헤드가 추가로 발생한다. 작은 크기의 패킷을 보내는 많은 수의 사용자가 하나의 프레임을 통해 다중화되는 M2M과 같은 환경에서는 MAP 메시지로 인한 오버헤드로 인해 시스템의 용량 저하가 초래될 것임을 기존 연구를 통해서 예상할 수 있다. 기존의 MAP 오버헤드로 인한 시스템 성능 저하 문제를 해결하기 위해서 인터넷 음성통신에서는 원하는 지연특성을 만족시키기 위해 자원의 지속할당 방식이 이미 제안된 바 있다. 하지만 자원의 지속 할당 방식의 경우 VoIP와 같은 주기적인 실시간 트래픽에 특화되어 있어 비주기적이며 간헐적으로 발생하는 M2M 트래픽에 적용이 불가하다.
본 발명의 실시예들은 고정된 위치에 설치된 복수의 M2M 단말들을 동일한 MCS 레벨에 따라 복수의 그룹들로 그룹화하는 기술을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예들은 그룹 기반의 자원 할당 기법을 이용함으로써 복수의 단말들 각각에 할당된 상향 링크 자원에 대한 정보를 전송하는 오버헤드를 최소화하고 데이터 전송을 위한 자원을 최대화하는 기술을 제공할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예는 그룹 기반의 M2M 통신을 이용하여 데이터 전송 시 발생하는 MAP 메시지 오버헤드를 감소시킴으로써, IEEE 802.16과 같은 광역 통신환경에서 M2M 단말들을 효과적으로 수용하는 기술을 제공할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 고정된 위치에 설치된 복수의 단말들과 통신하는 기지국의 통신 방법은 상기 복수의 단말들 각각과 상기 기지국 사이의 채널 상태에 기반하여 상기 복수의 단말들을 복수의 그룹들로 그룹화(grouping)하는 단계; 및 상향 링크 자원 내에서 상기 복수의 그룹들 각각에게 상이한 상향 링크 자원을 할당하는 단계를 포함한다.
이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 기지국의 통신 방법은 상기 복수의 그룹들 각각에 대하여 상이한 변조 코딩 기법(Modulation and Coding Scheme, MCS)을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 변조 코딩 기법을 결정하는 단계는 상기 복수의 그룹들 각각에 포함된 적어도 하나의 단말과 상기 기지국 사이의 채널 상태에 기반하여 변조 코딩 기법의 레벨을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 변조 코딩 기법을 결정하는 단계는 상기 복수의 그룹들 각각에 포함된 복수의 단말들 중 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)가 가장 낮은 단말의 패킷 오류율(Packet Error Rate, PER)을 기반으로 변조 코딩 기법의 레벨을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 변조 코딩 기법을 결정하는 단계는 상기 복수의 그룹들 각각에 포함된 복수의 단말들 각각의 신호 대 잡음비를 획득하는 단계; 상기 복수의 단말들 중 신호 대 잡음비가 가장 낮은 단말을 식별하는 단계; 상기 식별된 단말의 신호 대 잡음비를 기반으로 상기 식별된 단말의 패킷 오류율을 계산하는 단계; 및 상기 패킷 오류율 및 미리 정해진 시스템 에러 확률을 기반으로 상기 식별된 단말을 포함하는 그룹의 변조 코딩 기법의 레벨을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 변조 코딩 기법을 결정하는 단계는 상기 복수의 그룹들 각각에 포함된 복수의 단말들 중 신호 대 잡음비가 가장 낮은 M2M 단말을 확인하는 단계; 상기 신호 대 잡음비를 기반으로 상기 단말의 패킷 오류율을 계산하는 단계; 및 상기 패킷 오류율 및 미리 정해진 시스템 에러 확률을 기반으로 상기 단말을 포함하는 그룹의 변조 코딩 기법의 레벨을 결정하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 기지국의 통신 방법은 상기 복수의 단말들 각각이 미리 정해진 목표 패킷 오류율을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 복수의 단말들에 포함된 제1 단말이 상기 목표 패킷 오류율을 만족하지 못한다는 판단에 따라 상기 제1 단말과의 통신을 위해 사용되는 변조 코딩 기법을 재결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 그룹화하는 단계는 상기 복수의 단말들 각각과 상기 기지국 사이의 거리를 획득하는 단계; 및 상기 거리를 기반으로 상기 복수의 단말들을 상기 복수의 그룹들로 분배하는 단계를 포함하고, 상기 채널 상태는 상기 거리에 의존하는 것일 수 있다.
또한, 상기 그룹화하는 단계는 상기 복수의 단말들 각각의 신호 대 잡음비를 획득하는 단계; 및 상기 신호 대 잡음비를 기반으로 상기 복수의 단말들을 상기 복수의 그룹들로 분배하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 기지국의 통신 방법은 상기 복수의 단말들 각각이 미리 정해진 목표 패킷 오류율을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 복수의 단말들에 포함된 제1 단말이 상기 목표 패킷 오류율을 만족하지 못한다는 판단에 따라 상기 제1 단말이 속하는 그룹을 조정하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 상향 링크 자원을 할당하는 단계는 상기 변조 코딩 기법을 기반으로 상기 복수의 그룹들 각각에 대하여 상이한 크기의 상향 링크 자원을 사전에 할당하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 기지국의 통신 방법은 상기 상향 링크 자원을 할당하는 단계에서 각각의 그룹에 고유하게 할당된 상기 상향 링크 자원을 상기 그룹에 포함된 단말들에게 순차적으로 분배하는 단계; 상기 단말들 각각을 식별하는 CID(Connection ID)를 상기 상향 링크 자원 분배 순서에 따라 배열함으로써 상기 복수의 그룹들 각각의 상향 링크 자원 할당 정보(UL-MAP IE)를 생성하는 단계를 포함할 수 있다. 또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 기지국의 통신 방법은 상기 상향 링크 자원 할당 정보를 전송하기 위해 상기 복수의 그룹들 각각마다 서로 상이한 변조 코딩 기법의 레벨을 결정하는 단계; 및 상기 복수의 그룹들에 포함된 제1 그룹의 상향 링크 자원 할당 정보를 전송하기 위해 결정된 제1 변조 코딩 기법의 레벨을 상기 제1 단말에게 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다. 같은 방법으로 상기 복수의 그룹들에 포함된 제2 그룹의 상향 링크 자원 할당 정보를 전송하기 위해 결정된 제2 변조 코딩 기법의 레벨을 제2 그룹에 포함된 제2 단말에게 전송하는 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 변조 코딩 기법의 레벨을 결정하는 단계는 상기 복수의 그룹들 각각과 상기 기지국 사이의 거리 또은 상기 복수의 그룹들 각각과 상기 기지국 사이의 신호 대 잡음비를 기반으로 할 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 통신 범위 내 고정된 위치에 설치된 복수의 단말들을 복수의 그룹들로 그룹화하는 기지국과 통신하는 단말의 통신 방법은 상기 단말이 포함되는 그룹에게 할당된 상향 링크 자원에 관한 정보를 획득하는 단계; 및 상기 할당된 상향 링크 자원에 관한 정보를 기반으로 상기 기지국으로 상향 링크 통신하는 단계를 포함한다.
이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 단말의 통신 방법은 상기 단말이 포함되는 그룹에 대하여 결정된 변조 코딩 기법을 획득하는 단계를 더 포함하고, 상기 상향 링크 통신하는 단계는 상기 변조 코딩 기법을 기반으로 하는 것일 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 단말의 통신 방법은 상기 단말이 포함되는 그룹의 상향 링크 자원 할당 정보를 획득하기 위하여 디코딩할 필드(field)의 위치를 상기 기지국으로부터 수신하는 단계; 및 상기 필드의 위치를 기반으로 상기 기지국으로부터 송신되는 신호를 디코딩함으로써, 상기 할당된 상향 링크 상향 링크 자원 내에서 상기 단말에 고유하게 할당된 전용 상향 링크 자원에 관한 정보를 획득하는 단계를 더 포함하고, 상기 상향 링크 통신하는 단계는 상기 전용 상향 링크 자원에 관한 정보를 더 기반으로 하는 것일 수 있다.
또한, 상기 전용 상향 링크 자원에 관한 정보를 획득하는 단계는 상기 필드의 위치를 기반으로 상기 상향 링크 자원 할당 정보를 포함하는 신호를 순차적으로 디코딩함으로써 상기 상향 링크 자원 할당 정보 내에서 상기 단말의 인덱스를 검출하는 단계; 및 상기 인덱스를 기반으로 상기 할당된 상향 링크 자원 내에서 상기 전용 상향 링크 자원의 상대적인 위치를 획득하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 상기 단말의 인덱스를 검출하는 단계는 상기 순차적으로 디코딩된 신호와 상기 단말의 CID가 동일한지 여부를 비교하는 단계를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 단말의 통신 방법은 상기 필드를 디코딩하기 위하여 사용되는 변조 코딩 기법의 레벨을 상기 기지국으로부터 수신하는 단계를 더 포함하고, 상기 전용 상향 링크 자원에 관한 정보를 획득하는 단계는 상기 변조 코딩 타입을 더 기반으로 하여 상기 신호를 디코딩하는 것일 수 있다. 이 때, 상기 단말은 상기 기지국에 의한 그룹화 이 후 상기 단말과 상기 기지국간의 통신 초기에 상기 변조 코딩 기법의 레벨을 수신할 수 있다.
또한, 본 발명의 일실시예에 따른 상기 단말의 통신 방법은 상기 기지국에 의해 상기 단말이 속하는 그룹이 조정된 경우, 상기 기지국으로부터 상기 조정된 그룹에 관한 정보를 획득하는 단계를 더 포함할 수 있다. 이 때, 상기 상향 링크 통신하는 단계는 상기 기지국으로부터 전송된 미리 정해진 제어 시그너링 신호를 수신하였는지 여부를 판단하는 단계; 및 상기 제어 시그너링 신호를 수신하지 않았다는 판단에 따라, 상기 할당된 상향 링크 자원에 관한 정보 대신 상기 조정된 그룹에 할당된 상향 링크 자원을 기반으로 상기 기지국으로 상향 링크 통신을 수행하는 단계를 포함할 수 있다.
도 1 내지 도 2는 IEEE 802.16 표준에 따른 프레임 구조 및 IEEE 802.16 표준에 따른 하향 링크 MAP(DL-MAP)과 상향 링크 MAP(UL-MAP) 구조를 설명하기 위한 도면.
도 3a은 본 발명의 일실시예에 따른 고정된 위치에 설치된 복수의 단말들을 단말의 위치를 기반으로 복수의 그룹들로 그룹화하는 동작을 설명하기 위한 도면.
도 3b은 본 발명의 일실시예에 따른 고정된 위치에 설치된 복수의 단말들을 단말의 SNR 기반으로 복수의 그룹들로 그룹화하는 동작을 설명하기 위한 도면.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 IEEE 802.16 AWGN 채널에서 신호 대 잡음비 및 변조 코딩 기법에 대응하는 패킷 오류율을 설명하기 위한 도면.
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 그룹 기반의 자원 할당 기법을 설명하기 위한 도면.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 그룹 기반의 자원 할당 기법에 의해 데이터 전송을 위한 자원을 극대화시키는 효과를 설명하기 위한 도면.
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 복수의 단말들 각각에 할당된 상향 링크 자원에 대한 정보를 전송하는 오버헤드를 최소화하기 위한 MAP 구조를 설명하기 위한 도면.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 그룹 기반의 자원 할당 기법과 통상적인 자원 할당 기법 사이의 성능을 비교하기 위한 도면.
1. IEEE 802.16 프레임 구조 및 IEEE 802.16 MAP 구조
도 1 내지 도 2는 각각 IEEE 802.16 표준에 따른 프레임 구조 및 IEEE 802.16 표준에 따른 하향 링크 MAP(DL-MAP)과 상향 링크 MAP(UP-MAP) 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 각 프레임은 하향 링크의 제어 시그널과 데이터 전송을 위한 하향 링크 서브 프레임(Downlink subframe, 110)과 상향 링크의 제어 시그널과 데이터 전송을 위한 상향 링크 서브 프레임(Uplink subframe, 120)으로 구성된다. 이 때, 하나의 프레임은 시간 분할 이중통신(Time Division Duplex, TDD) 동작방식에서 5 ms를 차지할 수 있다.
여기서, 하향 링크 서브 프레임은 프리앰블(preamble), 프레임 제어 헤더(Frame Control Header, FCH), DL-MAP 메시지, UL-MAP 메시지(111)와 같은 제어정보와 기지국에서 각 단말에게 전송할 데이터를 위한 하향 링크 데이터 버스트(DL data burst)로 구성된다. 상향 링크 서브 프레임은 CQI 채널과 ranging 채널과 같은 제어 시그널을 위한 채널과 각 단말이 기지국에 전송할 데이터를 위한 상향 링크 데이터 버스트(UL data burst, 121)로 구성된다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 DL-MAP 메시지(210)의 고정된오버헤드는 DL-MAP 메세지 Type, PHY Syncronization Field, DCD(Downlink Channel Descriptor) Count 그리고 기지국 ID로 구성되며, UL-MAP 메시지(220)의 고정된 오버헤드는 UL-MAP 메시지 Type, Uplink Channel ID, UCD(Uplink Channel Descriptor) Count 그리고 Allocation Start time 영역으로 구성된다. 이러한 고정된 오버헤드 외에 각각의 사용자의 자원 정보를 나타내기 위한 여러 개의 DL-MAP IE(Information Element)(221)와 UL-MAP IE(222)로 구성된다. DL/UL-MAP IE는 하향 링크/상향 링크 서브 프레임 내에서 각 하향 링크/상향 링크 데이터 버스트의 위치와 크기, 해당 데이터 버스트 내에서 사용되고 있는 변조 코딩 기법(MCS) 값과 Connection Identifier(CID)와 같은 자원 할당에 관련된 정보를 포함한다.
기지국이 전송한 DL/UL-MAP 메시지를 수신한 셀 내에 존재하는 모든 단말들은 MAP 메시지를 디코딩하여 하향 링크 자원상에서 각 단말에게 전송된 데이터에 대한 정보를 획득하고 상향 링크에서 각 단말에게 할당된 자원에 대한 정보를 획득한다. 하향 링크 서브 프레임을 통해 전송되는 MAP 메시지는 전송하고자 하는 데이터가 아닌 자원 할당을 위한 제어 정보를 담고 있으므로 MAP 메시지가 차지하는 영역이 클 수록 하향 링크 사용자 수용을 위한 데이터 버스트의 영역은 줄어든다.
더욱이 본 발명의 일실시예에 따른 IEEE 802.16에서 MAP 메시지는 셀 내의 임의의 사용자가 에러 없이 수신하도록 하기 위하여 QPSK 1/12와 같은 에러 환경에 강한 가장 낮은 MCS 레벨로 전송된다. 이 경우, 하나의 심볼이 전송할 수 있는 크기가 작아 많은 자원을 필요로 한다. 뿐만 아니라, M2M 통신과 같이 작은 크기의 패킷을 전송하는 다수의 단말들이 동시에 한 프레임의 자원을 사용할 경우 MAP 메시지로 인한 오버헤드가 더욱 커져 데이터 처리량과 전송 지연에 있어서 악영향을 초래할 수 있다.
2. IEEE 802.16 프레임 자원 할당 방식
IEEE 802.16 시스템에서는 자원을 수시 할당 방식(Dynamic Scheduling, DS)과 지속 할당 방식(Persistence Scheduling, PS)을 통해 각 단말들에게 나누어준다. 이 때, 자원의 수시 할당 방식은 매 패킷의 전송마다 매번 가용 자원을 할당하며 이를 알려주기 위해 MAP 메시지를 필요로 한다.
IEEE 802.16에서 제공하는 기존의 수시 할당 방식을 이용하여 표 1과 표 2의 UL-MAP 메시지 format과 OFDMA UL-MAP IE를 사용할 경우 필요로 하는 UL-MAP의 크기는 다음과 같다.
(수식 1)
Figure 112012029399256-pat00001

여기서, NA는 하나의 상향 링크 프레임 자원을 할당 받은 사용자의 수를 나타낸다. 패킷이 발생할 때마다 매번 MAP 메시지를 할당하는 수시 자원 할당 방식은 비주기적으로 발생하는 트래픽에 대해서 효율적으로 동작한다. 하지만, M2M 통신과 같이 다수의 사용자가 하나의 프레임의 자원을 할당 받을 경우 MAP 오버헤드가 극심해진다. 즉, 이러한 환경에서의 기존 수시할당 방식을 사용하는 경우, 시스템의 성능이 저하될 수 있다.
지속 할당 방식의 경우 패킷이 발생한 첫 프레임만 지속 할당을 위한 MAP 메시지를 전송함으로써 앞으로 사용하게 될 자원의 위치와 크기, MCS 레벨, 그리고 자원할당 주기를 알려준다. 따라서 패킷이 발생하는 첫 프레임 이후에는 추가적인 MAP 메시지에 따른 오버헤드 없이 패킷을 전송할 수 있다.
이러한 지속할당 방식은 VoIP와 같은 크기의 패킷이 주기적으로 발생할 때 효과적으로 동작한다. 하지만 주기적으로 발생하는 VoIP 트래픽이 지연 지터(delay jitter)를 겪어 지속적으로 할당된 자원이 발생한 시점에 도착하지 못할 경우 할당된 자원의 낭비를 초래한다. 더 나아가, 네트워크 지연으로 인한 자원을 할당 받지 못한 패킷들은 다음 프레임의 자원을 할당 받기 위해 MA 오버헤드를 발생시키므로, 변동성 트래픽에 대처가 힘들고 비주기적으로 발생하는 패킷에 대하여 비효율적이다.
Figure 112012029399256-pat00002
Figure 112012029399256-pat00003
3. 본 발명의 일실시예에 따른 그룹 기반의 통신을 위한 그룹 형성 기법
도 3a은 본 발명의 일실시예에 따른 고정된 위치에 설치된 복수의 단말들을 단말의 위치를 기반으로 복수의 그룹들로 그룹화하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a을 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 고정된 위치에 설치된 복수의 단말들과 통신한다. 이 때, 복수의 단말들은 예를 들어 스마트 미터링 단말일 수 있다.
본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 복수의 단말들 각각과 상기 기지국 사이의 채널 상태에 기반하여 상기 복수의 단말들을 복수의 그룹들로 그룹화한다.
이 때, 복수의 단말들 각각과 기지국 사이의 채널 상태는 상기 복수의 단말들 각각과 상기 기지국 사이의 거리에 의존할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 복수의 단말들 각각과 기지국 사이의 거리를 획득한 뒤, 그 거리를 기반으로 복수의 단말들을 복수의 그룹들로 분배할 수 있다.
또한, 본 발명의 다른 실시예에 따른 기지국은 복수의 단말들 각각의 신호 대 잡음비를 획득하고, 획득한 신호 대 잡음비를 기반으로 상기 복수의 단말들을 복수의 그룹들로 분배할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일실시예에 따른 M2M 통신 환경은 하나의 셀 안에 다수의 M2M 단말들을 수용할 수 있다. 보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 미터링의 경우 하나의 섹터당 3,000-35,000개의 스마트 미터링 단말들이 설치될 수 있다.
스마트 미터링 단말들은 가정, 회사 등 댁내에 고정된 위치에 존재하고 이동성이 없으므로, 기지국과의 채널 환경에 큰 변동이 없다. 즉, 기지국으로부터 동일한 거리에 존재하는 단말들은 동일한 신호 대 잡음비(SNR)를 가지고, 이에 따라 동일한 MCS 레벨을 이용하여 기지국과 통신을 수행할 수 있다. 따라서, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국과 단말은 상향 링크의 MCS 레벨에 따른 그룹 기반의 M2M 통신을 수행할 수 있다.
즉, 본 발명의 실시예들은 고정된 위치에 설치된 복수의 단말들을 각 단말의 위치를 기반으로 복수의 그룹들로 그룹화한다. 다만, 단말의 위치 기반의 그룹화 과정은 채널의 상태에 따라서 동일한 반경 내에 존재하는 단말이라할지라도 신호 대 잡음비에 따른 MCS 레벨이 차등적일 수 있으므로 전송된 패킷의 패킷 오류율을 고려한 각 단말의 MCS 레벨의 갱신과정이 필요하다. 이러한 갱신과정에 대하여는 후술한다.
도 3b은 본 발명의 일실시예에 따른 고정된 위치에 설치된 복수의 단말들을 단말의 SNR 기반으로 복수의 그룹들로 그룹화하는 동작을 설명하기 위한 도면이다.
도 3b을 참조하면, 본 발명의 실시예들은 고정된 위치에 설치된 복수의 단말들을 각 단말의 신호 대 잡음비를 기반으로 복수의 그룹들로 그룹화한다. 단말의 위치 기반의 그룹화 과정과 마찬가지로, 단말의 신호 대 잡음비 기반의 그룹화 과정 또한 각 그룹의 특정 단말이 목표 패킷 오류율을 만족하지 못할 경우 그룹 갱신과정이 필요하다.
이하, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국이 서비스하는 영역에 단말이 균일하게 분포하고 있다고 가정한다. 이 때, 기지국은 단말의 위치 혹은 신호 대 잡음비(SNR)에 의해 결정되는 MCS 레벨에 따라 그룹을 결정할 수 있다.
예를 들면, 단말의 위치를 기반으로 그룹화한 도면 3a에서 기지국으로부터의 거리가 R1 이하인 위치에 설치된 단말들을 MCS #3 그룹(330)으로, 기지국으로부터의 거리가 R1 초과 R2 이하인 위치에 설치된 단말들을 MCS #2 그룹(320)으로, 그리고 기지국으로부터 거리가 R2 초과 R3 이하인 위치에 설치된 단말들을 MCS #1 그룹(310)으로 그룹화할 수 있다.
또한 단말의 신호 대 잡음비를 기반으로 그룹화한 도면 3b에서 단말과 기지국간의 신호 대 잡음비가 SNR1 영역(340)에 속하는 단말들을 MCS #3 그룹으로, 단말과 기지국간의 신호 대 잡음비가 SNR2 영역(350)에 속하는 단말들은 MCS #2 그룹으로, 그리고 단말과 기지국간의 신호 대 잡음비가 SNR3 영역(360)에 속하는 단말들은 MCS #1 그룹으로 그룹화할 수 있다.
또한, 초기 기지국과 단말들간의 그룹화 과정 이후에도 특정 그룹 내 특정 단말이 섀도잉(shadowing) 등의 외부요인으로 인해 영향을 받을 수 있다. 즉, 단말이 해당 그룹의 MCS 레벨을 이용하여 패킷을 전송할 때 이러한 외부요인으로 인하여 기지국에서 연속적인 수신 에러가 발생할 수 있다.
이 경우, 기지국은 목표 패킷 오류율(Packet Error Rate: PER)을 만족하지 못하는 단말을 식별할 수 있다. 기지국은 이러한 단말에는 해당 그룹보다 한 단계 낮은 MCS 레벨을 사용하여 패킷을 전송하도록 할 수 있다.
예를 들면, MCS #3 그룹(330)에 속하는 특정 단말이 전송한 패킷이 기지국에서 연속적인 수신 에러를 야기할 경우, 기지국은 제어 시그너링 신호를 해당 단말에 전송하여 해당 단말을 MCS #2 그룹(320)로 재그룹화 하여 더 낮은 MCS 레벨을 이용하여 패킷을 전송하도록 할 수 있다.
또한 기지국은 변동된 그룹정보를 메모리에 기억할 수 있다. 이 경우, 재그룹화된 특정 단말은 기지국으로부터의 미리 정해진 제어 시그너링 신호를 받을 때까지 변경된 MCS 그룹의 MCS 레벨을 이용하여 패킷을 전송한다.
이러한 재그룹화는 목표 패킷 오류율(Packet Error Rate: PER)을 더욱 신뢰성 있게 보장한다. 본 발명의 일실시예에 따르면, 단말은 일정한 주기마다 단말의 신호 대 잡음비 값을 기지국에 보고할 수 있고, 기지국은 기지국에서의 수신 에러를 고려하여 일정한 주기에 재그룹화 할 수 있다.
도 4는 본 발명의 일실시예에 따른 IEEE 802.16 AWGN 채널에서 신호 대 잡음비 및 변조 코딩 기법에 대응하는 패킷 오류율(Packet Error Rate, PER)을 설명하기 위한 도면이다.
도 4를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 전술한 복수의 그룹들 각각에 대하여 상이한 변조 코딩 기법(Modulation and Coding Scheme, MCS)을 결정할 수 있다.
이 때, 기지국은 복수의 그룹들 각각에 포함된 적어도 하나의 단말과 상기 기지국 사이의 채널 상태에 기반하여 변조 코딩 기법의 레벨을 결정할 수 있다.
보다 구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 복수의 그룹들 각각에 포함된 복수의 단말들로부터 보고된 신호 대 잡음비를 기반으로 상기 그룹에 포함된 단말들 중 신호 대 잡음비가 가장 작은 단말의 신호 대 잡음비를 기반으로 상기 단말의 패킷 오류율(Packet Error Rate: PER)을 계산하며, 상기 패킷 오류율(Packet Error Rate: PER) 및 미리 정해진 시스템 에러 확률을 기초로 상기 단말을 포함하는 그룹의 변조 코딩 기법의 레벨을 결정할 수 있다.
예를 들면, 단말의 이동성이 없어 채널의 변동성이 희박할 경우, 기지국은 각 그룹의 가장자리에 위치하는 스마트 미터링 단말들의 MCS 레벨을 기준으로 각 그룹의 MCS 레벨을 결정할 수 있다. 기지국은 각 그룹의 MCS 레벨을 결정하기 위해서 (수식 2) 및 (수식 3)을 이용할 수 있다.
(수식 2)
Figure 112012029399256-pat00004

여기서, gn(x)는 패킷당 오류율(Packet Error Rate: PER), n은 AWGN 채널에서 사용할 수 있는 MCS 레벨의 수, 그리고 x는 신호 대 잡음비(SNR)를 의미한다. OFDM 시스템에서 패킷당 오류율은 AWGN 채널의 패킷당 오류율 그래프에 신호 대 잡음비를 대응하여 예측할 수 있다.
(수식 3)
Figure 112012029399256-pat00005

여기서, Qloss는 시스템에서 요구하는 에러 확률을 나타내며 gn(x)의 값이 Qloss보다 작은 가장 큰 MCS 레벨을 선택하게 된다.
한편, IEEE 802.16 환경에서 경로 손실(Path Loss)는 (수식 4)로 결정된다.
(수식 4)
Figure 112012029399256-pat00006

여기서, hBS는 기지국의 높이[m], R은 기지국과 단말 사이의 거리[m], 그리고 f는 중심 주파수[MHz]를 나타낸다.
또한, MCS 그룹 가장자리에 분포하는 단말의 신호 대 잡음비는 (수식 5)을 이용하여 계산될 수 있다.
(수식 5)
Figure 112012029399256-pat00007

여기서, Gls는 path loss를 고려한 large scale 페이딩에 관한 항목이며 Ptx는 단말의 전송 전력, N0와 W는 각각 잡음 전력 밀도와 총 대역폭을 의미한다. 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 미터링 단말들은 이동성이 없으므로, 채널의 변화에 따른 small scale 페이딩과 인접한 단말로부터의 간섭은 평균적으로 없다고 가정할 수 있다.
한편, IEEE 802.16 환경을 고려한 각 파라미터 값은 표 3과 같다. 도 4는 AWGN 채널에서 Convolution Turbo Code(CTC)를 이용하여 구할 수 있다.
이 때, 도 4의 SNR과 PER 그래프를 이용하여 해당 SNR 값에서 예를 들어 PER이 10-4 미만이 되도록 하는 MCS 레벨을 결정하면 표 4와 같다. 보다 구체적으로, 기지국과의 거리가 가장 가까운 그룹 3 내 가장자리 단말의 SNR 값은 13.75 dB이고, 이러한 채널 상태에서 PER이 10-4 미만이 되도록 하는 MCS 레벨은 64 QAM 1/2(410)이다. 마찬가지로, 그룹 2 내 가장자리 단말의 SNR 값은 8.24 dB이고, 이러한 채널 상태에서 PER 조건을 만족하는 MCS 레벨은 16 QAM 1/2(420)이다. 그룹 3 내 가장자리 단말의 경우 SNR 값이 5.24 dB이고, 이러한 채널 상태에서 PER 조건을 만족하는 MCS 레벨은 QPSK 3/4(430)이다.
Figure 112012029399256-pat00008
Figure 112012029399256-pat00009
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 단말은 기지국으로부터 상기 단말이 포함되는 그룹에 대하여 결정된 변조 코딩 기법을 획득할 수 있다.
예를 들면, 단말은 기지국으로부터 전송되는 신호를 통하여 상기 정보를 획득할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 단말은 이동성이 없는 고정된 위치에 설치된 단말을 포함하므로, 상기 단말은 상기 정보를 한 번 획득하면 지속적인 사용을 위하여 상기 정보를 미리 설정된 저장 공간에 저장할 수 있다. 이로써, 상기 단말은 기지국과 통신할 때마다 상기 정보를 기지국으로부터 수신할 필요 없이, 상기 미리 설정된 저장 공간으로부터 상기 정보를 획득할 수 있다.
상기 단말이 상기 그룹 별로 결정된 상기 변조 코딩 기법과 관련된 정보를 획득하는 방법은 전술한 방법에 한정되지 아니하고, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 방법으로부터 다양하게 수정 및 변형이 가능하다.
4. 본 발명의 일실시예에 따른 그룹 기반의 통신을 위한 UL-MAP 관리 기법
전술한 바와 같이, MAP 메시지는 하향 링크 프레임을 이용하여 기지국이 단말에게 브로드캐스트 해주는 정보이다. DL-MAP과 UL-MAP 메시지는 각각 여러 개의 DL-MAP IE와 UL-MAP IE로 구성된다.
이 때, 셀 내에 연결 상태에 존재하는 단말들은 매 프레임마다 이러한 MAP 메시지를 수신하여 각종 제어 정보와 자신에게 할당된 데이터 자원에 관한 정보를 디코딩하여 확인하여야 한다. 이 경우, 실제 전송하고자 하는 데이터가 아닌 제어 정보인 MAP 메시지가 하향 링크의 서브 프레임 영역을 차지함으로써 DL/UL-MAP 메시지가 영역이 커질수록 데이터 전송을 위한 자원이 줄어들게 된다.
본 발명의 일실시예에 따른 스마트 미터링 환경과 같이 많은 수의 스마트 미터링 단말들이 작은 크기의 패킷을 하나의 상향 링크 프레임을 이용하여 전송할 때 각 단말에게 상향 링크 자원을 할당하기 위해서는 단말의 수에 비례하여 UL-MAP의 크기가 커져 전체 시스템에 악영향을 끼치게 된다.
이러한 스마트 미터링 환경을 기존의 수시 자원 할당 방식의 MAP 구조를 이용하여 처리할 경우 MAP 메시지 오버헤드에 따른 비효율성이 극대화되며 지속 자원 할당 방식을 이용할 경우 비주기적으로 발생하는 스마트 미터링 단말의 트래픽을 수용할 수 없다.
본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 상향 링크의 고정된 위치의 데이터 자원을 MCS 그룹별로 사전에 할당한다. 이 때, 같은 크기의 데이터를 보내기 위하여 MCS 그룹별들 각각은 서로 다른 크기의 상향 링크 자원을 필요로 한다. 자원을 할당할 스마트 미터링 단말을 위한 UL-MAP IE에는 자원이 할당될 단말의 CID(Connection ID)값만을 실어 기존에 비해 UL-MAP IE 크기를 크게 줄일 수 있다.
스마트 그리드 환경은 각 단말이 특정 위치에 고정되어 한번 정해진 MCS 그룹의 구성원의 변화가 없으므로 그룹의 변동성에 따른 오버헤드가 존재하지 않아 더욱 효과적이다. 본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 기지국의 통신 영역에 포함되는 복수의 단말들의 미터링 데이터를 수집하기 위해 단말마다 랜덤 액세스(random access) 과정을 거치지 않는다. 대신, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 그룹 기반으로 상향 링크 프레임의 자원을 주어진 프레임에서 단말에게 전용으로 할당할 수 있다.
(4.1) 수정된 UL-MAP 구조
도 5는 본 발명의 일실시예에 따른 그룹 기반의 자원 할당 기법을 설명하기 위한 도면이다.
도 5를 참조하면, 기존의 IEEE 802.16 시스템은 슬롯(slot) 단위로 단말들에게 자원 할당(510)을 한다. 이를 위해 기지국은 (수식 1)과 같이 Connection ID(CID), 할당된 자원의 시작 지점과 끝나는 지점의 슬롯 ID, 사용된 MCS 레벨 등의 정보를 포함하는 UL-MAP IE를 단말에게 전송해야 한다. 특히, 전송할 패킷이 있는 사용자에게 할당된 자원 슬롯의 위치 및 크기를 알리기 위한 정보의 크기는 (수식 6)과 같다.
(수식 6)
Figure 112012029399256-pat00010

여기서, Nbit CID은 각 단말을 구분하기 위한 자원의 양인 16 bits의 Connection ID(CID)의 크기이며, Nslot은 각 상향 링크 버스트에 존재하는 슬롯의 수를 의미한다. 따라서 우변의 2번째 항목은 할당된 자원의 시작 슬롯과 끝 슬롯을 나타내기 위한 부분이다.
본 발명의 일실시예에 따른 그룹 기반의 자원 할당 방식에서 전송할 패킷이 있는 단말에게 할당된 자원을 알리기 위한 정보의 크기는 (수식 7)과 같다.
(수식 7)
Figure 112012029399256-pat00011

여기서, Nbit CID은 기존과 자원 할당 방식과 같이 각 단말을 구분하기 위한 자원의 양인 16 bits의 Connection ID(CID)의 크기를 나타낸다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 상향 링크 자원 내에서 복수의 그룹들 각각에게 상이한 상향 링크 자원을 할당한다.
즉, 본 발명의 일실시예에 따른 그룹 기반의 자원 할당 방식(520)의 경우 상향 링크 버스트 자원이 MCS 레벨 그룹별로 배분되어 있다. 이 때, 각각의 그룹에 할당되는 상향 링크 버스트 자원의 크기는 MCS 레벨에 의존할 수 있다.
예를 들면, 그룹 3은 다른 그룹들에 비하여 높은 SNR을 가지므로, 높은 MCS 레벨을 이용하여 통신할 수 있다. 따라서, 그룹 3에 속하는 단말들은 다른 그룹들에 속하는 단말들에 비하여 가장 작은 크기의 제3 상향 링크 버스트 자원(521)만을 할당 받아도 기지국과의 통신이 가능하다.
반면, 그룹 1은 다른 그룹들에 비하여 낮은 SNR을 가지므로, 낮은 MCS 레벨을 이용하여 통신을 수행하여야 한다. 따라서, 그룹 1에 속하는 단말들은 다른 그룹들에 속하는 단말에 비하여 가장 큰 크기의 제1 상향 링크 버스트 자원(523)을 할당 받아야 기지국과의 통신이 가능하다.
그룹 2에 속하는 단말들의 경우, 그룹 1과 그룹 3에 속하는 단말들의 중간에 해당하는 MCS 레벨을 이용하여 기지국과 통신할 수 있으므로, 중간 크기의 제2 상향 링크 버스트 자원(522)을 할당 받을 수 있다.
한편, 복수의 그룹 내에 서로 다른 수의 단말이 존재할 수 있으므로 그룹 내 단말의 수를 고려하여 할당될 상향 링크 버스트 자원의 크기를 결정할 수도 있다.
한편, 본 발명의 일실시예에 따른 단말은 상기 단말이 포함되는 그룹에게 할당된 상향 링크 자원에 관한 정보를 획득할 수 있다.
예를 들면, 단말은 기지국으로부터 전송되는 신호를 통하여 상기 정보를 획득할 수 있다. 또한, 본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 단말은 이동성이 없는 고정된 위치에 설치된 단말을 포함하므로, 상기 단말은 상기 정보를 한 번 획득하면 지속적인 사용을 위하여 상기 정보를 미리 설정된 저장 공간에 저장할 수 있다. 이로써, 상기 단말은 기지국과 통신할 때마다 상기 정보를 기지국으로부터 수신할 필요 없이, 상기 미리 설정된 저장 공간으로부터 상기 정보를 획득할 수 있다.
상기 단말이 상기 그룹 별로 할당된 상기 상향 링크 자원과 관련된 정보를 획득하는 방법은 전술한 방법에 한정되지 아니하고, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 방법으로부터 다양하게 수정 및 변형이 가능하다.
도 6은 본 발명의 일실시예에 따른 그룹 기반의 자원 할당 기법에 의해 데이터 전송을 위한 자원을 극대화시키는 효과를 설명하기 위한 도면이다.
도 6을 참조하면, 전술한 바와 같이 기지국은 상향 링크 서브프레임(620)을 MCS 레벨 그룹별로 배분할 수 있다. 이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 각 그룹의 자원은 다시 데이터 전송을 위한 MCS 레벨에 따라 서로 다른 크기의 자원 블록들로 나누어질 수 있다. 즉, 기지국은 각 그룹 내에서 일정한 크기로 나뉘어진 자원 블록들 각각을 해당 그룹에 포함된 단말들에게 순서대로 할당할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 신호 대 잡음비가 가장 작은 그룹 1에 가장 많은 제1 버스트 자원(621)을 할당하고, 신호 대 잡음비가 가장 큰 그룹 3에 가장 적은 제3 버스트 자원(623)을 할당하며, 그 중간 거리에 위치한 그룹 2에 중간 크기의 제2 버스트 자원(622)을 할당할 수 있다.
이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 각각의 그룹에 고유하게 할당된 상향 링크 자원을 해당 그룹에 포함된 단말들에게 순차적으로 분배할 수 있다. 이어서, 기지국은 상기 단말들 각각을 식별하는 단말의 CID(Connection ID)를 상기 분배 순서에 따라 배열함으로써 상기 복수의 그룹들 각각의 그룹 내 주파수 자원 할당 정보(예를 들면, UL-MAP IE)를 생성할 수 있다.
보다 구체적으로, 기지국은 그룹 1, 그룹 2, 및 그룹 3에 포함된 단말의 수를 기초로 상기 그룹들 각각에 할당된 버스트 자원을 복수의 자원 블록들로 세분화할 수 있다. 즉, 기지국은 그룹 1에 포함된 단말의 수가 N1 개인 경우, 제1 버스트 자원(621)을 해당 MCS 레벨 그룹에서 하나의 패킷을 전송하는데 필요한 균일한 크기의 N1 개의 자원 블록들로 세분화하고, 인덱스를 붙일 수 있다.
이 경우, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국이 전송하는 UL-MAP IE는 오직 자원을 할당할 단말의 Connection ID(CID)로 구성될 수 있다. 이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 그룹 기반의 자원 할당 방식에서 Connection ID(CID)는 (수식 8)과 같이 구성된다.
(수식 8)
Figure 112012029399256-pat00012

즉, CID(Connection ID)는 예를 들어 그룹을 구분하기 위한 4 bits의 Group ID와 그룹 내에서 각 미터링 단말을 구분하기 위한 12 bits의 Device ID로 구성될 수 있다. 이 때, CID(Connection ID)의 크기[bits]는 셀 내의 그룹화 된 그룹 수와 단말의 수를 고려하여 합리적인 크기로 조정될 수 있다.
이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 단말은 상기 단말이 포함되는 그룹의 그룹 내 주파수 자원 할당 정보를 획득하기 위하여 디코딩할 필드(field)의 위치를 상기 기지국으로부터 수신할 수 있다.
보다 구체적으로, 각 단말은 우선 Group UL-MAP IE Location 필드를 디코딩함으로써, 상기 디코딩할 필드의 위치(예를 들면, 자신의 그룹의 UL-MAP IE의 위치)를 파악할 수 있다. 각 단말은 해당 위치를 이용하여 자신의 그룹의 UL-MAP IE를 차례대로 디코딩할 수 있다. 각 단말은 자신의 Connection ID(CID)와 동일한 UL-MAP IE 영역을 디코딩할 때 그 UL-MAP IE 영역의 인덱스 값에 해당하는 인덱스 값을 가지는 자원 블록을 사용하게 된다. 이 때, 각 단말은 사전에 디코딩한 UL-MAP IE 영역의 갯수를 메모리에 기억할 수 있다.
예를 들면, 미터링 단말이 3번째 Connection ID(CID)에서 자신의 Connection ID(CID)를 디코딩 한 경우 해당 그룹에 할당된 상향 링크 자원 중 3번째 자원 블록을 사용하게 된다.
이와 같이 본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 그룹 기반으로 기존의 UL-MAP IE를 현저하게 감소시킬 수 있다(611). 본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 UL-MAP IE를 현저하게 감소시킴으로써 하향 링크 서브프레임(610) 자원을 절약할 수 있고, 절약된 하향 링크 자원을 상향 링크 서브프레임의 상향 링크 데이터 버스트를 위해 사용할 수 있다(624). 또한, 절약된 자원을 하향 링크에서 더 많은 데이터를 전송하는데 사용할 수 있다(611).
(4.2) 상향 링크 그룹 기반의 MAP 전송을 위한 MCS 결정 기법
도 7은 본 발명의 일실시예에 따라 복수의 단말들 각각에 할당된 상향 링크 자원에 대한 정보를 전송하는 오버헤드를 최소화하기 위한 MAP 구조를 설명하기 위한 도면이다.
도 7을 참조하면, 기지국에 의해 전송되는 MAP 메시지는 셀 가장자리에 존재하는 임의의 단말들도 에러 없이 수신이 가능하도록 에러에 매우 강인한 QPSK 1/12과 같은 가장 낮은 MCS 레벨을 이용하여 전송하게 된다.
다만, 본 발명의 일실시예에 따른 스마트 미터링 환경에서는 각 그룹의 기지국으로부터의 거리가 고정되어 있으므로 기지국으로부터 가까운 거리에 존재하는 그룹에 대해서는 평균적으로 더 큰 신호 대 잡음비 값을 가지는 바, 좀 더 높은 MCS 레벨로 MAP 메시지를 전송하여도 에러 없이 전송이 가능하므로 그룹에 따라 선택적으로 MAP 메시지의 전송을 위한 MCS 레벨을 결정할 수 있다.
예를 들면, 본 발명의 일실시예에 따른 기지국은 표 5와 같이 특정 그룹의 단말들이 UL-MAP IE 메시지를 수신하는데 에러가 없도록 UL-MAP IE의 전송 MCS 레벨을 결정할 수 있다.
Figure 112012029399256-pat00013
이 때, 본 발명의 일실시예에 따른 UL-MAP 메시지는 고정된 크기의 Fixed UL-MAP 메시지 필드(740)와 기지국과 통신하는 단말들의 수에 따라 크기가 변화하는 Variable UL-MAP 메시지 필드(750)를 포함한다.
Fixed UL-MAP 메시지 필드(740)는 각 그룹의 UL-MAP IE 메시지 영역의 시작점과 끝점(741), 및 각 그룹의 UL-MAP IE의 전송 시 사용되는 MCS 레벨(742)을 포함할 수 있다.
전술한 바와 같이 UL-MAP은 기지국이 복수의 단말들에게 브로드캐스팅하는 정보이다. 따라서, 복수의 단말들이 수신하는 UL-MAP에는 자신이 속하지 아니한 그룹의 정보도 포함될 수 있다. 보다 구체적으로, 기지국이 전송하는 UL-MAP의 Variable UL-MAP 메시지 필드(750)는 그룹 1(710) 내 단말들의 자원 할당 정보(751), 그룹 2(720) 내 단말들의 자원 할당 정보(752), 및 그룹 3(730) 내 단말들의 자원 할당 정보(753)를 모두 포함할 수 있다.
다만, 본 발명의 일실시예에 따른 단말은 Fixed UL-MAP 메시지 필드(740)를 우선적으로 디코딩함으로써, 자신이 속한 그룹의 UL-MAP IE 메시지 영역의 시작점과 끝점(741), 및 각 그룹의 UL-MAP IE의 전송 시 사용되는 MCS 레벨(742)에 관한 정보를 획득할 수 있다.
따라서, 해당 그룹의 단말은 이 정보를 이용하여 자신의 그룹의 UL-MAP IE 영역만을 디코딩하여 정보를 얻을 수 있다. 이를 통해 단말은 기지국이 전송하는 모든 단말의 UL-MAP IE를 디코딩하는 부하를 줄여 단말의 전력소모를 감소시킬 수 있다.
(4.3) UL-MAP 오버헤드 분석
하향 링크 프레임을 통해 할당되는 UL-MAP IE의 수는 상향 링크 프레임을 할당 받는 데이터 패킷의 수와 동일하다. 이 때, UL-MAP 오버헤드의 양은 상향 링크 프레임을 통해 데이터 패킷을 보내는데 사용되는 자원의 양과 UL-MAP이 소모하는 자원의 양의 합이다. 즉, UL-MAP 오버헤드의 양은 패킷을 보내기 위해 사용되는 총 자원과 UL-MAP이 소모하는 자원의 비의 평균값인 V로 표현될 수 있다.
(수식 9)
Figure 112012029399256-pat00014

여기서, Rd(n)와 Rm(n)은 각각 n번째 프레임에서 데이터 패킷과 UL-MAP을 전송하는데 필요한 슬롯의 수를 나타내는 변수이다.
또한, N_A(n)는 n번째 프레임에 할당되는 단말의 수, bm는 UL-MAP IE의 크기, 그리고 dm는 UL-MAP 전송을 위한 MCS 값에 의한 1bit를 전송하기 위한 슬롯의 수를 나타낸다. 이 때, bmdm은 하나의 UL-MAP IE를 전송하는 사용되는 슬롯의 수를 의미하므로 n번째 프레임에서 UL-MAP을 전송하는데 필요한 슬롯 자원의 양, Rm(n)는 (수식 10)과 같다.
(수식 10)
Figure 112012029399256-pat00015

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 M2M 환경과 같이 시스템이 충분한 수의 단말이 존재하는 경우, 중심 극한 정리(Central Limit Theorem)에 의해 Rd(n)은 (수식 11)과 같이 표현될 수 있다.
(수식 11)
Figure 112012029399256-pat00016

여기서, bi(n)는 n번째 프레임의 i번째 단말이 전송하는 패킷을 크기를 나타낸다. 따라서, M2M 환경과 같이 충분히 작은 크기의 패킷을 전송하는 경우 bi(n)과 패킷 전송을 위한 MCS 값에 의한 1 bit를 전송하기 위한 슬롯의 수인 di(n)은 상호독립이다. (수식10)과 (수식 11)을 이용하여 (수식 9)는 다음 (수식 12)와 같이 표현될 수 있다.
(수식 12)
Figure 112012029399256-pat00017

(수식 12)로부터 시스템에 충분히 많은 수에 단말이 존재하면 UL-MAP 오버헤드, V는 NA(n) 값에는 독립적이며
Figure 112012029399256-pat00018
값에 의해서만 결정됨을 확인할 수 있다. MCS 레벨의 평균적이 분포가 일정할 경우 UL-MAP 오버헤드, V는 오직 n번째 프레임에 할당되는 패킷들의 평균적인 크기 값인
Figure 112012029399256-pat00019
에 의해서만 변화하며 (수식 12)를 통해서 전송할 패킷의 평균적인 크기가 작을 수록 UL-MAP 오버헤드, V가 증가함을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명의 일실시예에 따른 그룹 기반의 자원 할당 기법과 통상적인 자원 할당 기법 사이의 성능을 비교하기 위한 도면이다.
도 8을 참조하면, 분석된 MAP 오버헤드, V를 이용하여 기존의 수시 할당 방식의 MAP 구조를 이용할 경우(810)와 (4.1)에서 설명한 새로운 UL-MAP 구조를 이용할 경우(820), 및 (4.2)에서 설명한 상향 링크 그룹 기반의 MAP 전송을 위한 MCS 결정 기법까지 동시에 이용하는 경우(830)에 대한 UL-MAP 오버헤드를 비교할 수 있다.
UL-MAP 오버헤드를 비교하기 위해서 전술한 그룹화 기법을 통해 각 그룹은 QPSK 1/2, 16QAM 1/2, 64QAM 1/2의 MCS 레벨을 사용하며, (4.2)에서 설명한 상향 링크 그룹 기반의 MAP 전송을 위한 MCS 결정 기법의 경우 제 (4.2)에서 결정된 그룹별 UL-MAP 메시지 전송을 위한 MCS 레벨을 사용한다고 가정하였다.
본 발명의 일실시예에 따르면, 기존의 UL-MAP을 이용하였을 때에 비하여 상당한 UL-MAP 오버헤드를 감소시킬 수 있다. 특히, UL-MAP을 위하여 소모하는 자원의 양이 데이터 패킷에 할당되는 자원을 초과하는 500 bits 이하의 작은 패킷 사이즈의 경우에서 상당한 UL-MAP 오버헤드를 감소시킬 수 있다. 즉, 본 발명의 실시예들은 M2M 환경과 같이 다수의 단말들이 작은 크기의 패킷을 전송하는 환경에서 더욱 큰 효과를 발휘할 수 있다.
본 발명의 실시 예에 따른 방법들은 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 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 상기 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위하여 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
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.

Claims (20)

  1. 고정된 위치에 설치된 복수의 단말들과 통신하는 기지국의 통신 방법에 있어서,
    상기 복수의 단말들 각각과 상기 기지국 사이의 채널 상태에 기반하여 상기 복수의 단말들을 복수의 그룹들로 그룹화(grouping)하는 단계;
    상향 링크 자원 내에서 상기 복수의 그룹들 각각에게 상이한 상향 링크 자원을 할당하는 단계;
    상기 복수의 그룹들 각각에 할당된 상향 링크 자원을 해당 그룹에 포함된 단말들에게 순차적으로 분배하는 단계;
    상기 분배 순서에 따라 단말을 식별하는 CID(Connection ID)를 배열함으로써, 상기 복수의 그룹들 각각의 상향 링크 자원 할당 정보(UL-MAP IE)를 생성하는 단계; 및
    상기 생성된 상향 링크 자원 할당 정보를 상기 복수의 단말들에게 전송하는 단계
    를 포함하는 기지국의 통신 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 상향 링크 자원 할당 정보 내 CID가 배열된 순번은 해당 CID에 의해 식별되는 단말이 속하는 그룹에 할당된 상향 링크 자원 내에서 해당 CID에 의해 식별되는 단말에게 분배되는 자원의 상대적 위치를 지시하는 기지국의 통신 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 복수의 그룹들 각각에 대하여 상이한 변조 코딩 기법(Modulation and Coding Scheme, MCS)을 결정하는 단계
    를 더 포함하는 기지국의 통신 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 변조 코딩 기법을 결정하는 단계는
    상기 복수의 그룹들 각각에 포함된 적어도 하나의 단말과 상기 기지국 사이의 채널 상태에 기반하여 변조 코딩 기법의 레벨을 결정하는 단계
    를 포함하는 기지국의 통신 방법.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 변조 코딩 기법을 결정하는 단계는
    상기 복수의 그룹들 각각에 포함된 복수의 단말들 중 신호 대 잡음비(Signal-to-Noise Ratio, SNR)가 가장 낮은 단말의 패킷 오류율(Packet Error Rate, PER)을 기반으로 변조 코딩 기법의 레벨을 결정하는 단계
    를 포함하는 기지국의 통신 방법.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 변조 코딩 기법을 결정하는 단계는
    상기 복수의 그룹들 각각에 포함된 복수의 단말들 각각의 신호 대 잡음비를 획득하는 단계;
    상기 복수의 단말들 중 신호 대 잡음비가 가장 낮은 단말을 식별하는 단계;
    상기 식별된 단말의 신호 대 잡음비를 기반으로 상기 식별된 단말의 패킷 오류율을 계산하는 단계; 및
    상기 패킷 오류율 및 미리 정해진 시스템 에러 확률을 기반으로 상기 식별된 단말을 포함하는 그룹의 변조 코딩 기법의 레벨을 결정하는 단계
    를 포함하는 기지국의 통신 방법.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 복수의 단말들 각각이 미리 정해진 목표 패킷 오류율을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 복수의 단말들에 포함된 제1 단말이 상기 목표 패킷 오류율을 만족하지 못한다는 판단에 따라 상기 제1 단말과의 통신을 위해 사용되는 변조 코딩 기법을 재결정하는 단계
    를 더 포함하는 기지국의 통신 방법.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 그룹화하는 단계는
    상기 복수의 단말들 각각과 상기 기지국 사이의 거리를 획득하는 단계; 및
    상기 거리를 기반으로 상기 복수의 단말들을 상기 복수의 그룹들로 분배하는 단계
    를 포함하고,
    상기 채널 상태는 상기 거리에 의존하는 기지국의 통신 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 그룹화하는 단계는
    상기 복수의 단말들 각각의 신호 대 잡음비를 획득하는 단계; 및
    상기 신호 대 잡음비를 기반으로 상기 복수의 단말들을 상기 복수의 그룹들로 분배하는 단계
    를 포함하는 기지국의 통신 방법.
  10. 제8항 또는 제9항에 있어서,
    상기 복수의 단말들 각각이 미리 정해진 목표 패킷 오류율을 만족하는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 복수의 단말들에 포함된 제1 단말이 상기 목표 패킷 오류율을 만족하지 못한다는 판단에 따라 상기 제1 단말이 속하는 그룹을 조정하는 단계
    를 더 포함하는 기지국의 통신 방법.
  11. 제3항에 있어서,
    상기 상향 링크 자원을 할당하는 단계는
    상기 변조 코딩 기법을 기반으로 상기 복수의 그룹들 각각에 대하여 상이한 크기의 상향 링크 자원을 사전에 할당하는 단계
    를 포함하는 기지국의 통신 방법.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 상향 링크 자원 할당 정보를 전송하기 위해 사용되는 변조 코딩 기법의 레벨을 결정하는 단계; 및
    상기 제1 그룹의 상향 링크 자원 할당 정보를 전송하기 위해 결정된 제1 변조 코딩 기법의 레벨을 상기 제1 단말에게 전송하는 단계
    를 더 포함하는 기지국의 통신 방법.
  13. 제12항에 있어서,
    상기 변조 코딩 기법의 레벨을 결정하는 단계는 상기 복수의 그룹들 각각과 상기 기지국 사이의 신호 대 잡음비 또는 상기 복수의 그룹들 각각과 상기 기지국 사이의 거리를 기반으로 하는 기지국의 통신 방법.
  14. 통신 범위 내 고정된 위치에 설치된 복수의 단말들을 복수의 그룹들로 그룹화하는 기지국과 통신하는 단말의 통신 방법에 있어서,
    상기 기지국으로부터 상향 링크 자원 할당 정보(UL-MAP IE)를 수신하는 단계;
    상기 상향 링크 자원 할당 정보 내 상기 단말을 식별하는 CID(Connection ID)가 배열된 순번을 검출하는 단계;
    상기 순번을 이용하여 상기 단말이 속하는 그룹에게 할당된 상향 링크 자원 내에서 상기 단말에게 분배된 자원의 상대적 위치를 획득하는 단계; 및
    상기 상대적 위치에 의해 지시되는 자원을 이용하여 상기 기지국으로 상향 링크 통신하는 단계
    를 포함하는 단말의 통신 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 단말이 속하는 그룹에 대하여 결정된 변조 코딩 기법을 획득하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 상향 링크 통신하는 단계는
    상기 변조 코딩 기법을 이용하여 상기 단말의 상향 링크 데이터를 인코딩하는 단계
    를 포함하는 단말의 통신 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 단말이 속하는 그룹에게 할당된 상향 링크 자원에 대응되는 필드(field)의 위치를 상기 기지국으로부터 수신하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 검출하는 단계는
    상기 필드의 위치를 기반으로 상기 단말이 속하는 그룹에게 할당된 상향 링크 자원을 순차적으로 디코딩하는 단계
    를 포함하는 단말의 통신 방법.
  17. 제16항에 있어서,
    상기 검출하는 단계는
    상기 순차적으로 디코딩된 신호와 상기 단말을 식별하는 CID를 비교하는 단계; 및
    상기 단말을 식별하는 CID와 동일한 신호가 디코딩되는 순번을 검출하는 단계
    를 더 포함하는 단말의 통신 방법.
  18. 제16항에 있어서,
    상기 검출하는 단계는
    디코딩을 위한 변조 코딩 기법의 레벨을 상기 기지국으로부터 수신하는 단계
    를 더 포함하는 단말의 통신 방법.
  19. 제14항에 있어서,
    상기 기지국에 의해 상기 단말이 속하는 그룹이 조정된 경우, 상기 기지국으로부터 상기 조정된 그룹에 관한 정보를 획득하는 단계
    를 더 포함하고,
    상기 상향 링크 통신하는 단계는
    상기 기지국으로부터 전송된 미리 정해진 제어 시그너링 신호를 수신하였는지 여부를 판단하는 단계; 및
    상기 제어 시그너링 신호를 수신하지 않았다는 판단에 따라, 상기 할당된 상향 링크 자원에 관한 정보 대신 상기 조정된 그룹에 할당된 상향 링크 자원을 기반으로 상기 기지국으로 상향 링크 통신을 수행하는 단계
    를 포함하는 단말의 통신 방법.
  20. 삭제
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