KR101368018B1 - 위성 통신 네트워크 접속 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 랜덤접속프레임과 요구할당프레임의 주파수를 달리하여 구성하고, 요구할당프레임에서 존재하는 프리슬롯을 랜덤접속가능하도록 하는 위성 통신 접속 방법에 관한 것이다. 이를 위해, 랜덤접속을 위한 랜덤접속프레임과, 단말의 요청에 의한 요구할당접속을 위한 요구할당프레임을 포함하고, 상기 랜덤접속프레임과 요구할당프레임은 주파수를 달리하여 구성되는 수퍼프레임을 사용하여 데이터를 전송하는 것을 특징으로 한다.

Description

위성 통신 네트워크 접속 방법 {Access method of satellite communication network}

본 발명은 위성 통신 네트워크에 접속 방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 랜덤접속프레임과 요구할당프레임의 주파수를 달리하여 구성하고, 요구할당프레임에서 존재하는 프리슬롯을 랜덤접속가능하도록 하는 위성 통신 접속 방법에 관한 것이다.

위성 네트워크에 접속하기 방법으로 종래 여러 개의 표준이 제정되어 있다.

DVB-RCS(Digital Video Broadcasting Return Channel Satellite)는 유럽의 ETSI(European Telecommunication Standard Institute)에서 제정한 위성 표준인데, 리턴 링크의 트래픽 전송을 정의하고 있다. DVB-RCS는 위성 기반의 IP 데이터 전송기술로 네트워크 통제센터와 같은 하나의 중심국과 다수의 RCST(Return Channel Satellite Terminal)로 구성된다. 중심국은 전체 위성 자원 및 네트워크 관리를 위한 제어 신호를 생성하고 RCST의 게이트웨이 기능을 수행한다.

DVB-RCS는 ETSI DVB-S2와 함께 사용되며, 중심국은 하향 링크를 통해 RCST에게 브로드캐스트(broadcast) 데이터를 전송하고 RCST는 상향 링크를 통해 자신의 데이터를 전송한다. 상향 링크는 시간 슬롯으로 구성된 여러 개의 캐리어 주파수로, RCST는 MF-TDMA(Multi Frequency Time Division Multiple Access) 방식으로 상향 링크에 접근하여 버스트를 전송한다.

그리고 DVB-RCS2는 기존의 DVB-RCS 대비 30% 이상의 성능 향상 지원을 목표로 성능 향상된 기술들이 포함된 위성 통신 리턴 링크에 대한 표준이다. 특히, DVB-RCS2에서는 랜덤 액세스 기술과 관련하여 CRDSA 기술이 포함되어 있다.

CRDSA 기술은 하나의 패킷을 전송하기 위해, 동일한 정보를 담고 있는 복제 패킷을 사용하고, 각각의 복제 패킷은 서로 위치 정보를 포함하고 있어서, 복제 패킷 중의 하나가 간섭 제거(Interference Cancellation) 기술에 의해 복구되면, 자신의 복제 패킷의 위치를 알 수 있게 된다. 이 정보를 이용하여 간섭 패킷을 제거해 나가는 것이 간섭 제거 기술이다.

도 1에는 CRDSA 기법을 사용하여 간섭 패킷을 제거하는 과정이 개념도로 도시되어 있다.

먼저, 도 1(a)는 CRDSA의 간섭 제거 과정을 도시한 것이고, 도 1(b)는 CRDSA++의 간섭 제거 과정을 도시한 것이다. 도시된 바와 같이, CRDSA는 하나의 정보 패킷을 송신하기 위해 두 개의 복제 패킷을 사용한다. 그리고 CRDSA++는 3개의 복제 패킷을 사용한다.

각각의 복제 패킷에는 자신의 복제 패킷이 있는 슬롯 위치 정보를 포함하고 있다. CRDSA/CRDSA++에서는 다른 복제 패킷과 충돌하지 않는 클린 패킷(Clean Packet)에 담겨 있는 위치 정보를 사용하여 반복적인 간섭 제거를 통해 순차적으로 충돌된 패킷을 복구하게 된다.

위성 네트워크에서는 임의 접속 제어 방법(random access control method)이 제한적으로 사용되고 있다. 왜냐하면, 임의접속 제어방법은 일반적으로 시스템 처리율이 매우 낮기 때문이다.

종래에 사용되고 있는 슬롯 알로하(slotted aloha) 방법은 약 37%의 시스템 처리율이 최대인 것으로 알려져 있다. 따라서, 응용 프로그램의 데이터 트래픽처럼 전송 트래픽의 양이 많은 경우에는 사용되지 않고 있다. 다만, 네트워크의 제어 데이터 또는 시스템 관리용 메시지와 같이 트래픽 양이 많지 않은 경우에 제한적으로 사용되고 있다.

이러한 임의 접속 제어 방법의 단점을 보완하기 위해, 요구 할당 방법이 위성 네트워크의 트래픽 전송을 위해 사용되고 있는데, DAMA(demand assign multiple access)가 그 기본 기술이라 할 수 있다.

그러나 DAMA에서는 요구된 할당량보다 데이터 트래픽이 드물게 발생하는 경우에는 그 차이만큼 자원이 낭비되는 문제가 발생한다. 이를 극복하기 위해 개발된 것이 CF-DAMA(combined-free DAMA) 기법이다. CF-DAMA에서는 낭비되는 자원들을 단말간에 분배하도록 하는 기술이 포함되어 있다.

하지만, CF-DAMA는 트래픽이 간헐적인 특성을 가질수록 그 효과가 감소하는 문제점을 갖고 있다. 트래픽의 간헐성은 트래픽 용량의 급격한 변화를 의미하는데, 이러한 트래픽 용량의 급격한 변화에 CF-DAMA 기법은 대응하기가 어렵다. 특히, 위성 네트워크와 같이 전파 지연 시간이 매우 긴 경우에는, 간헐적 특성을 갖는 트래픽에 대해서는 요구 할당 방법이 적합하지 않다.

간헐적인 특성을 갖는 트래픽에 대응하기 위해서는 임의 접속 방법이 더 낳은 것으로 알려져 있다. 그럼에도, 위성 네트워크에서는 임의 접속 방법이 사용되기 어려웠는데, 이는 앞에서 설명한 바와 같이 시스템 처리율이 적기 때문이었다.

이와 같은 상황에서, DVB-RCS2 표준에서는 랜덤접속(Random Access : RA) 방법과 요구할당(Demand Assign : DA) 방법을 결합하는 방안을 제시하고 있다. 그러나 상기 두 가지 접속 방법을 어떻게 결합할 것인지 여부에 대해서는 아직 구체적인 방안이 제시되지 않고 있는 실정이다.

일반적으로 랜덤접속프레임과 요구할당프레임을 결합하는 방법은 도 2에 도시된 바와 같이, 랜덤접속프레임(3)과 요구할당프레임(5)을 시간 축 상에 동일한 주파수를 사용하여 수퍼프레임(1)을 구성하는 것이다. 이러한 프레임구성은 랜덤접속을 하는 사용자가 많지 않고, 트래픽의 실시간성이 중요하지 않은 경우에 유용하지만, 네트워크를 구성하는 사용자가 많은 경우에는 랜덤접속을 위해 요구할당접속 구간 동안 대기해야 하는 문제가 발생하게 된다.

그리고 요구할당 방법에서는 최적의 자원관리 알고리즘을 사용하더라도, 패킹 문제에 의해 단말에 할당되지 않고 남는 프리 슬롯(free slot)이 존재하게 된다. 이러한 문제는 2011년에 LNCS에서 이미 공개된 논문 제목 "Adaptive packing strategy to reduce packing loss in MF-TDMA satellite networks"에 상세히 개시되어 있다.

이러한 프리 슬롯을 재활용하는 방법 중의 하나가 DVB-RCS 표준에서의 FCA(Free Capacity Allocation)이다. 하지만, FCA 방법은 요구할당 방법을 보완한 것이기 때문에 데이터가 버스트(burst)한 환경에서는 그 효과가 미미한 문제가 있다.

본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 위성 네트워크에 접속하기 위한 랜덤접속방법과 요구할당방법을 결합한 새로운 방식의 위성 네트워크 접속 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

그리고 요구할당방법에서 할당되지 않고 남는 프리 슬롯을 재활용하는 방법을 제공하는 것을 또 다른 목적으로 한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 랜덤접속을 위한 랜덤접속프레임과, 단말의 요청에 의한 요구할당접속을 위한 요구할당프레임을 포함하고, 상기 랜덤접속프레임과 요구할당프레임은 주파수를 달리하여 구성되는 수퍼프레임을 사용하여 데이터를 전송하는 것을 기술적 특징으로 한다.

이때, 상기 요구할당프레임의 패킹시 프리 슬롯이 존재하는 경우, 데이터를 전송하고자 하는 위성터미널에게 상기 프리 슬롯에 대한 랜덤 접속을 허용하는 것이 바람직하다.

그리고 상기 프리 슬롯의 정보는, 네트워크 통제 센터에서 전송되는 TBTP 정보에 포함되어 있는 것이 바람직하다.

또한, 위성터미널이 전송하고자 하는 데이터의 유형에 따라 랜덤접속프레임과 요구할당프레임을 선택적으로 사용하는 것이 바람직하다.

이때, 포아송 트래픽의 경우에는 요구할당프레임을 선택하여 전송하고, 간헐적 트래픽의 경우에는 랜덤접속프레임을 선택하여 전송하는 것이 바람직하다.

상기한 바와 같은 본 발명에 의하면, 랜덤접속방법과 요구할당방법을 결합한 새로운 방식의 위성 네트워크접속방법을 제공할 수 있게 된다.

또한, 요구할당방법에 의해 자원할당되지 않고 남게 되는 프리 슬롯을 모든 위성터미널이 랜덤접속할 수 있도록 허용함으로써, 랜덤접속의 접속 확률을 높여주고, 프리 슬롯을 재활용할 수 있는 효과를 가지게 된다.

도 1은 종래 CRDSA 기술에 의한 간섭 복구 과정을 보인 개념도,
도 2는 종래 기술에 의한 프레임 구조를 보인 개념도,
도 3은 본 발명에 의한 위성 네트워크 시스템의 구성을 보인 개념도,
도 4는 본 발명에 의한 프레임 구조를 보인 개념도,
도 5는 본 발명에 의한 위성 네트워크 접속 방법을 보인 개념도.

이하, 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하도록 한다.

먼저, 도 3에는 본 발명에 의한 위성 네트워크의 구성도가 개념적으로 도시되어 있다. 도면에 도시된 바와 같이, 위성 네트워크 시스템은 우주공간에 위치하고 있는 위성중계기(20)와, 상기 위성중계기(20)를 제어하는 네트워크 통제 센터(30) 또는 게이트웨이, 그리고 상기 위성중계기(30)를 이용하여 데이터를 전송하는 위성터미널(10)을 포함하여 구성된다.

상기 위성터미널(10)(Satellite Terminal : ST)은 지상 또는 해상에 광범위한 영역에 분산되어 위치하고 있으며, 상기 네트워크 통제센터(30)(network control center : NCC) 또는 게이트웨이는 상기 위성중계기(20)를 통제하기 위해 지상에 위치하고 있다.

상기 위성중계기(20)를 이용하여 데이터를 전송하기 위한 링크는 다음과 같이 구분된다.

먼저, 위성터미널(10)이 게이트웨이(gateway : G/W)를 거쳐 전송된 데이터를 수신하는 경우에는 포워드링크(forward link : FL)를 사용한다. 반면에, 위성터미널(10)이 자신의 데이터를 게이트웨이를 거쳐 다른 네트워크로 송신하는 경우에는 리턴 링크(return link : RL)를 사용한다.

한편, 지상에서 위성중계기(20)로 송신되는 방향을 업 링크(up link : UL), 반대로 위성중계기(20)에서 지상으로 송신되는 방향을 다운 링크(down link : DL)라고 한다.

우주공간에 존재하는 위성중계기(20)로부터 지상에 신호가 도달할 수 있는 지상 범위를 빔 커버리지(beam coverage)라고 한다. 동일한 빔 커버리지에 속해 있는 모든 위성터미널(10)들은 다운 링크를 수신할 수 있다. 이것을 위성 네트워크의 청취 특성(overhearing property)이라고 한다.

위성 네트워크에서는 위성터미널(10)의 이러한 청취 특성을 이용하여 데이터를 수신하는 경우, 위성터미널(10)과 위성중계기(20)간의 1-홉(hop)의 데이터 전송이 이루어지게 되므로 약 250ms의 지연시간이 발생한다. 이것은 게이트웨이 중심의 네트워크구조(star topology)의 2-홉에 비해 지연 시간이 반으로 감소한다.

다음에는 도 4를 참조하여 본 발명에 의한 위성 네트워크에서 사용되는 프레임 구조에 대해 설명하도록 한다.

도면을 참조하면, 위성 네트워크 프레임은 다수의 시간 슬롯으로 구성되며, 사용자의 랜덤접속을 위한 랜덤접속프레임(41)과 사용자의 요구에 의해 슬롯을 할당받는 요구할당프레임(43)이 주파수를 달리하여 구성된다. 상기 랜덤접속프레임(41)과 요구할당프레임(43)이 전체적으로 수퍼프레임(40)을 구성하게 되고, 이러한 수퍼프레임(40)이 연속적으로 배치된다.

이와 같이 랜덤접속프레임(41)과 요구할당프레임(43)이 주파수를 달리하여 배치됨으로 인해, 수퍼프레임(40)의 전체 시간 동안 위성터미널은 언제든지 랜덤접속할 수 있기 때문에, 시스템 용량에서 허용하는 최대 위성터미널수를 수용할 수 있으며, 신속한 랜덤 접속이 가능하므로 Push-to-talk와 같은 형태의 음성형 서비스에 적합하게 사용이 가능하다.

이하에서는 도 5를 참조하여 본 발명에 의한 위성 네트워크의 접속 방법에 대해 상세하게 설명하도록 한다.

도면을 참조하면, 데이터를 전송하고자 하는 위성터미널(10)은 데이터의 유형에 따라 랜덤접속방법과 요구할당방법 중의 하나를 선택하여 전송할 수 있다.

예를 들면, 위성터미널(10)이 전송하고자 하는 트래픽이 데이터의 길이가 짧은 간헐적인 트래픽(15)인 경우에는 랜덤접속방법을 사용하여 데이터를 전송하도록 한다(60,61). 랜덤접속방법은 다수의 복제 패킷을 사용하여 데이터를 전송하는 R-CRDSA 방법을 사용한다. R-CRDSA 방법은 CRDSA 방법에 예약 방법을 결합한 방법이다. 그러나 반드시 이에 한정하는 것은 아니며 랜덤접속을 위한 기타 다른 방법도 사용할 수 있다.

그리고 위성터미널(10)이 전송하고자 하는 트래픽이 음성데이터와 같이 데이터의 길이가 길고 양이 많은 포아송 트래픽(13)인 경우에는 요구할당 방법을 선택하여 데이터를 전송하도록 한다(50).

이와 같이, 위성터미널(10)의 요구에 의해 시간 슬롯을 할당받는 요구할당방법으로는 DVB-RCS에서의 DAMA 방법을 사용할 수 있다. 그러나 이에 한정하는 것은 아니며 랜덤접속을 위한 기타 다른 방법도 사용할 수 있다. 위성터미널(10)의 요구에 의한 슬롯 할당은 네트워크 통제 센터(20)로부터 수신된 TBTP(Table Burst Time Plan) 정보에 의해 슬롯을 할당받게 된다. TBTP 정보는 네트워크 통제 센터(30)가 위성중계기(20)를 제어하기 위한 정보로서 프레임의 슬롯 상태 정보를 포함하고 있다.

하지만, 앞에서의 종래 기술에서도 언급했듯이 아무리 최적화된 자원관리 알고리즘을 사용하더라도 요구할당프레임에는 슬롯이 할당되지 않고 남게 되는 프리 슬롯이 존재하게 된다.

이러한 문제를 해결하기 위해, 네트워크 통제 센터에서 전송되는 TBTP 정보를 활용하여 이전 프레임에서 프리 슬롯으로 남게 되는 슬롯을 사용자가 랜덤접속할 수 있도록 허용된다. 즉, 네트워크 통제 센터에서 전송되는 TBTP 정보에는 이전 프레임에서 사용되지 않고 남게 되는 프리 슬롯에 대한 정보가 포함되어 있기 때문에 각 위성터미널(10)들은 기존의 랜덤접속프레임뿐만 아니라 요구할당프레임에서 남게 되는 프리 슬롯을 사용하여 랜덤접속하는 것이 가능해진다.

이때, 프리 슬롯을 랜덤접속을 허용하도록 하는 방법뿐만 아니라 종래의 DVB-RCS에서 사용되는 FCA 방법을 병행하여 사용하는 것도 가능하다. 즉, 프리 슬롯의 일정 비율은 FCA로 사용하고 나머지 부분은 랜덤접속하도록 하는 것도 가능하다. 종래의 FCA 방법은 슬롯 할당되지 않고 남는 프리 슬롯을 경우, 이를 사용하지 않고 버려두는 방법과, 각각의 위성터미널들이 돌아가면서 프리 슬롯을 할당하는 방법(round robbin 방법), 그리고 시간 슬롯을 요구한 위성터미널에게 사용하도록 하는 방법이 있다.

이와 같이, 데이터를 전송하기 이전의 요구할당프레임에서 남게 되는 프리 슬롯에 대해 각 터미널들이 랜덤접속하는 것을 허용함으로써 랜덤 접속 확률과 프리 슬롯의 재활용률을 증가시킬 수 있게 된다. 또한, 이로 인해 랜덤접속을 사용하는 서비스의 QoS(Quality of Service)가 향상되며, 위성 통신에서 사용되는 무선 자원의 이용률을 높일 수 있게 된다.

상술한 바와 같은 본 발명은, 위성 네트워크에서 사용되는 수퍼프레임을 주파수를 달리하는 랜덤접속프레임과 요구할당프레임으로 구성하고, 데이터의 유형에 따라 위성 네트워크에 접속하는 방법을 달리하여 데이터를 효율적으로 전송할 수 있다. 또한, 요구할당프레임에서 사용되지 않고 남게 되는 프리 슬롯에 대한 정보를 네트워크 통제 센터로부터 수신된 TBTP로부터 확인하여, 프리 슬롯에 대해서는 각 위성터미널이 랜덤접속하는 것을 허용하도록 하여, 위성터미널의 랜덤접속 확률과 프리 슬롯 재활용률을 높임과 더불어 서비스 QoS(Quality of Service)를 향상시킬 수 있다.

따라서 본 발명의 권리범위는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

10:위성터미널
20:위성중계기
30:네트워크 통제 센터
40:수퍼프레임
41:랜덤접속프레임
43:요구할당프레임

Claims (5)

1. 랜덤접속을 위한 랜덤접속프레임과, 단말의 요청에 의한 요구할당접속을 위한 요구할당프레임을 포함하고,
   상기 랜덤접속프레임과 요구할당프레임은 주파수를 달리하여 구성되는 수퍼프레임을 사용하여 데이터를 전송하는 위성통신 네트워크 접속방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 요구할당프레임의 패킹시 프리 슬롯이 존재하는 경우, 데이터를 전송하고자 하는 위성터미널에게 상기 프리 슬롯에 대한 랜덤 접속을 허용하는 것을 특징으로 하는 위성통신 네트워크 접속방법.
3. 제 2 항에 있어서,
   상기 프리 슬롯의 정보는, 네트워크 통제 센터에서 전송되는 TBTP 정보에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 위성통신 네트워크 접속방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   위성터미널이 전송하고자 하는 데이터의 유형에 따라 랜덤접속프레임과 요구할당프레임을 선택적으로 사용하는 것을 특징으로 하는 위성통신 네트워크 접속방법.
5. 제 4 항에 있어서,
   포아송 트래픽의 경우에는 요구할당프레임을 선택하여 전송하고,
   간헐적 트래픽의 경우에는 랜덤접속프레임을 선택하여 전송하는 것을 특징으로 하는 위성통신 네트워크 접속방법.
   

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