KR101853698B1 - 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법 - Google Patents

재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법 Download PDF

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Abstract

단말기(UE)가 서로 다른 두 개의 프리앰블(preamble)을 동시에 기지국(eNB)으로 전송하여 논리적으로 가능한 프리앰블의 수를 늘리고, 이를 통해 단말기 간의 충돌 확률과 접속 지연을 줄일 수 있도록 한 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법에 관한 것으로서, 단말기에서 유효한 프리앰블 쌍을 구성하여 기지국에 전송하는 단계, 기지국에서 접속에 성공한 단말기 수와 불필요한 응답 메시지 수를 고려하여 최적의 ACB 파라미터를 산출하는 단계, 기지국에서 산출한 최적의 ACB 파라미터를 포함한 응답 메시지를 생성하여 단말기로 방송하는 단계, 응답 메시지를 수신한 단말기에서 응답 메시지에 포함된 자원 할당 정보를 이용해 연결을 요청하는 단계 및 기지국에서 단말기로부터 전송된 연결 요청 메시지를 수신하면 연결 완료 메시지를 상기 단말기로 전송하는 단계를 포함하여, 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법을 구현한다.

Description

재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법{A Dual Preamble Random Access Protocol for Reducing Access Congestion in Disaster Situations}
본 발명은 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법에 관한 것으로, 특히 단말기(UE)가 서로 다른 두 개의 프리앰블(preamble)을 동시에 기지국(eNB)으로 전송하여 논리적으로 가능한 프리앰블의 수를 늘리고, 이를 통해 단말기 간의 충돌 확률과 접속 지연을 줄이고 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법에 관한 것이다.
Long term evolution(LTE) 시스템에서는 경쟁 기반의 random access 프로토콜을 통해 단말기가 기지국에 접속을 시도한다. Random access 프로토콜은 단말기(UE)가 유한의 preamble 시퀀스 중 임의로 하나를 선택하여 기지국으로 전송하는 것으로 시작되는데, 만약 둘 이상의 단말기가 같은 preamble을 선택하여 전송하였다면 서로 충돌하여 모두 기지국 접속에 실패한다. 기지국에 접속을 시도하는 단말기가 많아질수록 충돌 확률이 높아진다.
Long term evolution(LTE) 시스템의 초기 접속 프로토콜인 random access 프로토콜은 도 1에 도시한 바와 같이, 네 단계로 구성된다.
첫 번째, 단말기(10)가 임의의 preamble을 선택하여 기지국(20)(eNB)으로 프리앰블을 전송한다(Random access preamble). 이때, 공용 채널인 physical random access channel(PRACH)을 이용한다.
두 번째, 기지국(20)은 감지된 preamble에 대해 응답 메시지(preamble ID와 연결 요청을 위한 자원 할당 정보 포함)를 하향링크(down link) 채널을 통해 단말기(10)로 방송한다(Random access response).
세 번째, 기지국(20)으로부터 응답 메시지를 성공적으로 수신한 단말기(10)는 응답 메시지에 포함된 자원 할당 정보를 이용해 연결 요청을 한다(Connection request). 첫 번째 단계에서 같은 preamble을 전송하였다면 연결 요청 메시지가 서로 충돌하여 기지국이 성공적으로 수신하지 못할 것이다.
네 번째, 기지국(20)이 단말기(10)로부터 전송된 연결 요청 메시지를 성공적으로 수신하면, 연결 완료 메시지를 단말기(10)로 보냄으로써 연결을 맺는다(Contention resolution).
Random access 프로토콜이 경쟁 기반이므로 경쟁이 심할 경우 경쟁 완화를 위해 LTE 시스템은 하기의 <비 특허문헌 1> 에 개시된 access class barring(ACB) 기술을 적용한다. ACB 기술을 적용하면 기지국이 0과 1 사이의 ACB 파라미터 값을 결정해서 방송한다. 단말기는 random access 프로토콜을 시작하기 전에 0과 1 사이의 난수를 발생시킨 뒤 그 값이 ACB 파라미터 값보다 작거나 같으면 접속을 시도한다.
또한, 상기 random access 프로토콜을 적절하게 수행하기 위해서, <비 특허문헌 2> 에서는 동시에 네트워크를 액세스하는 단말기의 수를 예측하여 적절한 ACB를 추정하는 방법이 제안되었으며, <비 특허문헌 3> 에서는 ACB 파라미터를 적응적으로 갱신하기 위한 RA 프리앰블 충돌 비율을 산출하는 방법도 제안되었다.
한편, Long term evolution(LTE) 시스템에서 랜덤 액세스 프로토콜을 위해 종래에 제안된 또 다른 기술이 하기의 <특허문헌 1> 내지 <특허문헌 2> 에 개시되어 있다.
<특허문헌 1> 에 기재된 종래기술은 이산 푸리에 변환 확산 OFDM 방식을 사용하는 통신 시스템의 이동국에서 랜덤 액세스 프리앰블을 전송하는 방법으로서, 기지국에 의해서 동일한 주파수 축에서 제1 프리앰블을 사용하는 제1 랜덤 액세스 프리앰블 대역과 상기 제1 프리앰블과 다른 제2 프리앰블을 사용하는 제2 랜덤 액세스 프리앰블 대역이 설정되어 있는 단계, 상기 이동국의 속도가 제1 속도 범위인 경우에 상기 제1 랜덤 액세스 프리앰블 대역에서 상기 제1 프리앰블을 전송하는 단계, 및 상기 이동국의 속도가 상기 제1 속도 범위와 다른 제2 속도 범위인 경우에 상기 제2 랜덤 액세스 프리앰블 대역에서 상기 제2 프리앰블을 전송하는 단계를 포함하여 랜덤 액세스 프리앰블 전송을 한다.
이러한 종래기술은 초기접속시 사용할 수 있는 복수의 프리앰블 중에서 이동국의 속도에 따라 선택된 하나의 프리앰블만 전송한다.
또한, <특허문헌 2> 에 개시된 종래기술은 데이터 전송 방법으로서, 사용자 기기가 제1 프리앰블 및 제2 프리앰블을 획득하는 단계(여기서, 제1 프리앰블은 제1기지국의 프라이머리 타이밍 어드밴스 그룹(primary timing advance group, PTAG)의 셀 집합에 대응하고, 제2 프리앰블은 제2 기지국의 세컨더리 타이밍 어드밴스 그룹(secondary timing advance group, STAG)의 셀 집합에 대응함), 상기 사용자 기기가 제1 프리앰블에 따라 제1 기지국의 랜덤 액세스를 시작하기 위해 제1 프리앰블을 제1 기지국에 송신하는 단계, 상기 사용자 기기가 제1 프리앰블에 따라 제2 기지국의 랜덤 액세스를 시작하기 위해 제2 프리앰블을 제2 기지국에 송신하는 단계를 포함하여, 데이터를 전송한다.
이러한 <특허문헌 2> 는 초기접속시 사용할 수 있는 복수의 프리앰블을 기지국 별로 순차적으로 하나씩 전송하도록 한다.
대한민국 공개특허 10-2008-0066467호(2008.07.16. 공개)(고속의 이동국을 위한 랜덤 액세스 프리앰블과 저속의 이동국을 위한 랜덤 액세스 프리앰블을 주파수축 상에서 다중화하는 방법) 대한민국 공개특허 10-2016-0034994호(2016.03.30. 공개)(데이터 전송 방법, 장치 및 시스템)
(비 특허문헌 1) M. Z. Shafiq, L. Ji, A. X. Liu, J. Pang, and J. Wang, "A first look at cellular machine-to-machine traffic: large scale measurement and characterization," in Proc. 12th ACM SIGMETRICS/PERFORMANCE joint Int. Conf. on Measurement and Modeling of Computer Systems, June 2012, pp. 65.76. (비 특허문헌 2) C. M. Chou, C. Y. Huang, and C. Y. Chiu, "Loading prediction and barring controls for machine type communication," in Proc. IEEE ICC, June 2013, pp. 5168.5172. (비 특허문헌 3) S. Duan, V. Shah-Mansouri, and V. W. S. Wong, "Dynamic access class barring for M2M communications in LTE networks," in Proc. IEEE GLOBECOM, Dec. 2013, pp. 4747.4752.
그러나 상기와 같은 종래기술들은 Long term evolution(LTE) 시스템에서 경쟁 기반의 random access 프로토콜을 통해 단말기가 기지국에 접속을 시도하기 때문에 단말기마다 접속을 위한 고정 자원을 할당하는 프로토콜에 비해 비교적 적은 자원으로 많은 수의 단말기가 원활하게 접속할 수 있어 자원 효율이 좋은 장점은 있으나, 재난과 함께 동반된 정전 등으로 인해 소수의 기지국에 다수의 단말기가 몰리는 경우 단말기 사이의 접속 시도가 서로 충돌하여 접속이 거의 불가능한 random access overload 문제를 발생하는 단점이 있다.
여기서 재난이 발생한 상황에서는 구조 요청, 정보 교환 등을 위해 통신망 접속이 더 중요하므로 random access overload 문제는 반드시 해결되어야 한다.
아울러 기존에 적용된 ACB 기술로 random access overload 문제를 어느 정도 해결할 수는 있지만 극단적으로 많은 단말기가 접속 요청을 하는 경우에는 이 방법도 유용한 해결책이 될 수는 없다.
또한, 특허문헌으로 언급한 종래기술들은 복수의 프리앰블 중 이동국의 속도에 따라 어느 하나를 선택하여 이용하거나, 복수의 프리앰블을 기지국별로 순차 하나씩만 전송하도록 하는 방법이므로, 프리앰블을 복수로 동시에 전송하는 방식에 비하여 접속 지연이 발생하는 단점이 있다.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래기술에서 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서, 단말기(UE)가 서로 다른 두 개의 프리앰블(preamble)을 동시에 기지국(eNB)으로 전송하여 논리적으로 가능한 프리앰블의 수를 늘리고, 이를 통해 단말기 간의 충돌을 줄여 접속 지연을 줄일 수 있도록 한 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법은 (a) 단말기에서 유효한 프리앰블 쌍을 구성하여 기지국에 전송하는 단계; (b) 상기 기지국에서 접속에 성공한 단말기 수와 불필요한 응답 메시지 수를 고려하여 최적의 ACB 파라미터를 산출하는 단계; (c) 상기 기지국에서 산출한 최적의 ACB 파라미터를 포함한 응답 메시지를 생성하여 단말기로 방송을 하는 단계; (d) 상기 응답 메시지를 수신한 단말기에서 응답 메시지에 포함된 자원 할당 정보를 이용해 연결을 요청하는 단계; 및 (e) 상기 기지국에서 단말기로부터 전송된 연결 요청 메시지를 수신하면 연결 완료 메시지를 상기 단말기로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (a)단계는 사용 가능한 프리앰블 중 서로 다른 두 개의 프리앰블 시퀀스를 선택하여 유효한 프리앰블 쌍으로 구성하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (a)단계는 (a1) 사용 가능한 프리앰블 인덱스를 행렬로 배열하는 단계; (a2) 상기 배열된 행렬에서 제1 프리앰블을 선택하는 단계; (a3) 상기 배열된 행렬에서 상기 제1 프리앰블을 제외한 제2 프리앰블을 선택하고, 상기 선택한 제1 및 제2 프리앰블을 유효한 프리앰블 쌍으로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (a)단계는 사용 가능한 프리앰블 인덱스를 정 사각형 행렬로 배열하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (a3)단계의 제2 프리앰블은 상기 배열된 행렬에서 선택된 제1 프리앰블의 열에 해당하는 행의 프리앰블 중에서 임의로 프리앰블을 선택하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (a3)단계는 상기 제2 프리앰블 선택 시 정 사각형 행렬에서 상기 제1 프리앰블의 대각 항을 제외한 나머지 항에서 제2 프리앰블을 선택하여 유효한 프리앰블 쌍의 수를 감소시키는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (b)단계의 기지국은 시간 정보(TI; Timing Information)를 이용하여 불필요한 응답 메시지를 제거하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (b)단계의 기지국은 각각의 단말기의 TI값을 추출하고, 추출한 TI값을 기초로 프리앰블 중 듀얼 프리앰블 선택 기준을 만족하는 유효한 프리앰블 쌍만 응답 메시지로 결정하고, 수신한 나머지 프리앰블 쌍은 불필요한 응답 메시지로 필터링하는 것을 특징으로 한다.
상기에서 (b)단계의 기지국은 하기의 수식을 이용하여 최적의 ACB 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 한다.
<수식>
Figure 112016122360128-pat00001
여기서, ACB 파라미터를 b, 최적 ACB 파라미터는
Figure 112018023016522-pat00002
, 동시에 접속을 시도하는 단말기 수를 N이라 할 때, 함수 f(b;N)을 b와 N이 주어졌을 때 접속에 성공한 평균 단말기 수로 정의하고, 함수 g(b;N)를 b와 N이 주어졌을 때 평균 기지국이 방송하는 응답 메시지의 수로 정의하며, fmax와 gmax는 각각 f(b;N)와 g(b;N)의 최대값이며, w1과 w2는 각각 f(b;N)와 g(b;N)의 가중치이다. 아울러 w1+w2 =1이고, 0 ≤ b ≤ 1이다. 상기 두 함수는 서로 상반되는 관계를 갖는다.
본 발명에 따르면 단말기(UE)가 서로 다른 두 개의 프리앰블(preamble)을 동시에 기지국(eNB)으로 전송하여 논리적으로 가능한 프리앰블의 수는 늘리고, 불필요한 응답 메시지는 제거하고 단말기 간의 충돌은 줄여, 재난상황과 같이 액세스가 집중되는 상황에서도 접속 지연을 줄일 수 있으며, 기지국 시스템 입장에서는 시스템의 부담을 저감할 수 있는 장점이 있다.
도 1은 일반적인 LTE 시스템에서 랜덤 액세스 프로토콜 절차도,
도 2는 본 발명에 따른 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법을 보인 흐름도,
도 3은 본 발명에서 프리앰블을 정사각형 행렬로 배열한 예시도,
도 4는 본 발명에서 LTE 시스템의 PRACH 구조도,
도 5 내지 도 7은 본 발명에서 성능 실험 결과 그래프,
도 8은 본 발명을 적용하여 성능을 실험한 결과표.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법을 보인 흐름도로서, (a) 단말기(UE)(10)에서 유효한 프리앰블 쌍을 구성하여 기지국(eNB)(20)에 전송하는 단계(S10 ~ S50), (b) 상기 기지국(20)에서 접속에 성공한 단말기 수와 불필요한 응답 메시지 수를 고려하여 최적의 ACB(access class barring) 파라미터를 산출하는 단계(S60), (c) 상기 기지국(20)에서 산출한 최적의 ACB 파라미터를 포함한 응답 메시지를 생성하여 단말기(10)로 방송을 하는 단계(S70), (d) 상기 응답 메시지를 수신한 단말기(10)에서 응답 메시지에 포함된 자원 할당 정보를 이용해 연결을 요청하는 단계(S80) 및 (e) 상기 기지국(20)에서 단말기(10)로부터 전송된 연결 요청 메시지를 수신하면 연결 완료 메시지를 상기 단말기(10)로 전송하는 단계(S90)를 포함한다.
이와 같이 이루어지는 본 발명에 따른 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
먼저, 본 발명은 단말기(10)가 하나의 preamble이 아닌 서로 다른 두 개의 preamble(이하, "프리앰블 쌍"이라고 함)을 동시에 기지국(20)으로 전송함으로써, 논리적으로 가능한 preamble의 수를 늘려 단말기(10) 사이의 충돌을 줄이며, 궁극적으로 접속 지연을 줄인다.
아울러 기지국(20)은 모든 단말기의 접속에 응답하는 것이 아니고, 불필요한 응답 메시지를 제거하여 시스템의 부담을 줄이게 된다.
이를 위해, 본 발명에서 단말기(10)는 사용 가능한 전체 프리앰블 중 서로 다른 두 개의 프리앰블 시퀀스를 선택하여 유효한 프리앰블 쌍으로 구성하여, 프리앰블 쌍을 기지국(20)으로 전송한다. 도 4는 LTE 시스템에서 상기 단말기(10)에서 기지국(20)으로 전송되는 PRACH의 구조이다.
이때, 기지국(20)도 단일 프리앰블이 아닌 두 개의 프리앰블에 대하여 응답함으로써, 가능한 프리앰블 조합이 많아지는 효과가 발생한다. 예를 들어, 단말기 A가 프리앰블 (3,4)를, 단말기(B)가 프리앰블 (2,6)을 전송하였다면, 기지국은 프리앰블 2, 3, 4, 6을 감지할 것이고, 모든 가능한 조합인 (2,3), (2,4), (2,6), (3,4), (3,6), (4,6)에 대해 응답 메시지를 방송한다. 이 경우, 가능한 프리앰블 수를 늘리는 효과는 있지만, 상대적으로 불필요한 응답 메시지를 발생하여 시스템 부담을 가중시키게 된다.
따라서 불필요한 응답 메시지를 줄이기 위해, 단말기는 임의의 두 프리앰블을 무조건 전송할 수 있는 것이 아니고, 일정한 규칙을 만족하는 유효한 프리앰블 쌍만을 동시에 전송하도록 하여, 불필요한 응답 메시지를 줄이는 것이 바람직하다.
이를 좀 더 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
Long term evolution(LTE) 시스템에는 random access preamble이 총 64개 존재한다. 본 발명에서는 이용 가능한 preamble 총수가 LTE 시스템과 같이 제곱수인 경우를 가정하였다. 만약 제곱수가 아닌 경우, 그 수를 넘지 않는 가장 큰 제곱수만큼의 preamble만 사용하고 나머지는 다른 용도로 남겨둔다. 시스템의 총 preamble 수는 Ω로 표현하고, 그 제곱근은 s로 표현하며, LTE시스템의 경우 Ω는 64이고 s는 8이다.
preamble 쌍을 선택하기 위해서, 단계 S10과 같이 상기 64개의 preamble index를 도 3과 같은 정사각형 행렬 형태로 배열한다. 여기서 정사각형 행렬의 i행 j열의 값
Figure 112016122360128-pat00003
이다. 이어, 이용 가능한 모든 프리앰블 중에서 임의의 프리앰블(제1 프리앰블)을 하나 선택한다.
그 후, 단계 S20에서 상기 첫 번째로 선택한 제1 프리앰블의 열에 해당하는 행의 프리앰블 중에서 임의로 두 번째 프리앰블(제2 프리앰블)을 선택한다. 예를 들어, 35번 프리앰블이 제1 프리앰블로 선택되었다면 19번 프리앰블은 정사각형 행렬의 3열에 위치하므로 3행의 프리앰블들, 즉 17번 ~ 24번 프리앰블들 중에서 임의로 제2 프리앰블을 선택한다.
서로 다른 프리앰블 쌍을 최종 선택하기 위해 단계 S30으로 이동하여 제1 및 제2 프리앰블이 같은지를 확인하여, 같으면 제2 프리앰블을 다시 선택한다. 이렇게 프리앰블 쌍을 선택하는 경우 선택 가능한 조합의 수가 476가지(s(s-1)(2s+1)/2 = 476)이므로 이를 듀얼 프리앰블 476(DP476)이라 명명한다.
프리앰블 쌍의 선택 과정에서 초기에 같은 프리앰블이 선택되지 않도록 하려면 정사각형 행렬의 대각 항을 배제하면 되는데, 대각 항 8개(1번, 10번, 19번, 28번, 37번, 46번, 55번, 64번)를 배제하고, 제2 프리앰블을 선택하면 선택 가능한 조합의 수가 364개로 줄어든다. 이 방법은 DP364라 명명한다.
이렇게 하여 단계 S40에서 선택된 프리앰블 쌍을 유효한 프리앰블 쌍으로 최종 선택하고, 단계 S50에서 선택한 프리앰블 쌍을 동시에 기지국(20)으로 전송한다.
단계 S60에서 프리앰블 쌍을 수신한 기지국(20)은 접속에 성공한 단말기 수와 불필요한 응답 메시지 수를 고려하여 최적의 ACB(access class barring) 파라미터를 산출한다.
각 단말기가 서로 다른 프리앰블 쌍을 전송하기 때문에 기지국(20)은 어느 단말기도 전송하지 않은 프리앰블 쌍에 대해서도 응답 메시지를 불필요하게 방송하게 된다. 여기서 불필요한 응답 메시지는 시스템 측면에서 명백한 오버헤드이다. 이를 완전히 없앨 수는 없지만 시간 정보(timing information: TI)를 이용하면 어느 정도는 불필요한 응답 메시지를 제거할 수 있다.
이를 위해 기지국(20)은 각각의 단말기의 TI값을 추출하고, 추출한 TI값을 기초로 프리앰블 중 듀얼 프리앰블 선택 기준을 만족하는 유효한 프리앰블 쌍만 응답 메시지로 결정하고, 수신한 나머지 프리앰블 쌍은 불필요한 응답 메시지로 필터링한다.
예컨대, 무선 신호인 전자기파의 전파 지연은 전송 안테나와 수신 안테나의 물리적인 거리에 의해 가장 크게 영향을 받는다. LTE 기지국은 1/(3.073×107)초 단위로 시간을 구별할 수 있다. 이를 기본 시간 단위(basic time unit)라 하며 T로 표현한다. 전자기파의 전파 속도를 c라 하면 전파가 T 동안 이동하는 거리 d = T × c와 같다. 기지국의 서비스 반경 R을 d의 정수배로 가정하면 기지국으로부터 (τd, (τ+1)d) 사이에 위치한 단말기의 TI 값을 τ로 정의할 수 있다. 단, τ∈{0,1,...,a-1}이고 a는 음이 아닌 정수이다. 기지국이 각 단말기의 TI값을 안다면 같은 TI값을 갖는 프리앰블 중 프리앰블 쌍(듀얼 프리앰블) 선택 기준을 만족시키는 유효한 프리앰블 쌍만 응답 메시지를 방송한다.
예를 들어, TI값 1을 갖는 단말기 X가 프리앰블 3번과 17번을 전송했고, TI 값 4를 갖는 단말기 Y가 프리앰블 12번과 27번을 전송했다고 가정하면, 프리앰블 (27, 17)은 유효한 프리앰블이지만 27번 프리앰블과 17번 프리앰블은 서로 다른 TI 값을 갖기에 기지국이 불필요한 응답 메시지임을 감지하고, 이에 대한 응답 메시지를 방송하지 않는다.
따라서 본 발명에서는 접속에 성공하는 단말기 수와 상기와 같은 불필요한 응답 메시지 수를 모두 고려한 최적의 ACB 파라미터 값을 하기의 <수학식 1>을 통해 결정한다.
Access class barring(ACB) 파라미터를 b, 동시에 접속을 시도하는 단말기 수를 N이라 할 때, 함수 f(b;N)을 b와 N이 주어졌을 때 접속에 성공한 평균 단말기 수로 정의하고, 함수 g(b;N)를 b와 N이 주어졌을 때 평균 기지국이 방송하는 응답 메시지의 수로 정의한다. 상기 두 함수는 서로 상반되는 관계를 갖는다.
Figure 112016122360128-pat00004
여기서, 최적 ACB 파라미터는
Figure 112018023016522-pat00005
, fmax와 gmax는 각각 f(b;N)와 g(b;N)의 최대값이며, w1과 w2는 각각 f(b;N)와 g(b;N)의 가중치이다. 아울러 w1 + w2 = 1이고, 0 ≤ b ≤ 1이다.
선행문헌(예를 들어, 비 특허 문헌 1 내지 비 특허 문헌 3)에 따르면, f(b;N) = Nb × exp(-Nb/Ω') 라는 사실을 알 수 있으며, 여기서 Ω'는 이용 가능한 프리앰블 조합의 수이다. 즉, DP476의 경우 Ω' = 476이고, DP364의 경우 Ω' = 364이다.
g(b;N)는 본 발명에서 다음과 같이 유도한다.
먼저, 임의의 단말기 u의 TI값을 나타내는 확률 변수를 Tu라고 하면, 단말기 u는 기지국으로부터 τd와 (τ+1)d 사이에 위치하기 때문에, 하기의 [수학식 2] 와 같이 정의된다.
Figure 112016122360128-pat00006
주어진 b와 N에 대해 TI값으로 τ를 갖으면서 접속을 시도하는 단말기 수를 확률 변수 Uτ로 나타내면, 하기의 [수학식 3]으로 표현할 수 있다.
Figure 112016122360128-pat00007
Figure 112016122360128-pat00008
주어진 b와 N에 대해 기지국에서 TI값으로 τ를 갖으면서 감지되는 프리앰블의 수를 확률 변수 Vτ로 나타내면, 2 ≤ v ≤ 2u에 대해 하기의 [수학식 4]로 표현할 수 있다.
Figure 112016122360128-pat00009
이를 다시 정리하면 하기 [수학식 5] 및 [수학식 6]으로 표현할 수 있다.
Figure 112016122360128-pat00010
Figure 112016122360128-pat00011
주어진 b와 N에 대해 TI값으로 τ를 갖는 응답 메시지의 수를 확률 변수 ψτ로 나타내면, 하기의 [수학식 7]로 표현된다.
Figure 112016122360128-pat00012
TI값으로 τ를 갖으면서 감지된 프리앰블 쌍이 동시에 다른 TI값을 다른 단말기에 의해서 전송되어 역시 기지국에서 감지될 수 있다. 그래서 이항 확률 변수 Qτ를 도입하는 데, 이는 임의의 듀얼 프리앰블이 TI값 τ를 갖으면서 감지됐는지를 나타낸다. 즉, Qτ=1이면 TI값 τ를 갖는 듀얼 프리앰블이 감지된 것이고, Qτ=0이면 그렇지 않은 것이다. 특정한 프리앰블 쌍이 감지된 v개의 프리앰블에 포함되지 않을 확률이
Figure 112016122360128-pat00013
이므로, TI값 τ를 갖으면서 감지된 프리앰블 쌍이 다른 TI값 t(τ≠t)를 갖으면서 감지되지 않을 확률은 아래의 [수학식 8]과 같이 정의된다.
Figure 112016122360128-pat00014
따라서 이를 다시 표현하면 하기 [수학식 9]로 표현할 수 있다.
Figure 112016122360128-pat00015
상기 [수학식 7]과 [수학식 9]로부터 하기의 [수학식 10]을 도출할 수 있다.
Figure 112016122360128-pat00016
다음으로, 단계 S70에서 상기 기지국(20)은 상기와 같이 산출한 최적의 ACB 파라미터를 포함한 응답 메시지를 생성하여 단말기(10)로 방송을 한다.
단계 S80에서 상기 응답 메시지를 수신한 단말기(10)는 응답 메시지에 포함된 자원 할당 정보를 이용해 상기 기지국(20)에 연결을 요청하고, 단계 S90에서 상기 기지국(20)은 단말기(10)로부터 전송된 연결 요청 메시지를 수신하면 연결 완료 메시지를 상기 단말기(10)로 전송하는 것으로, 연결을 완료하게 된다.
본 발명자는 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법의 성능을 실험하였다.
도 5 내지 도 7의 그래프에서 conventional은 기존의 LTE 시스템을 뜻하고 DP476과 DP364는 본 발명에서 제안하는 방법을 뜻한다. 또한, OPTACB는 optimal ACB의 약어로서 기존 LTE 시스템에서 최적의 ACB 파라미터 값을 구하는 방식이고 RARACB는 random access response ACB의 약어로서 본 발명에서 제안하는 접속에 성공하는 단말기 수와 불필요한 응답 메시지 수를 모두 고려한 최적의 ACB 파라미터 값을 구하는 방식이다.
실험은 컴퓨터 시뮬레이션으로 진행하였으며 시뮬레이션 파라미터는 다음과 같다. 기지국의 서비스 반경 R = 1000m, 시스템의 물리적 preamble 수 Ω = 64, 초기에 접속을 시도하는 단말기의 수 N0 = 2000, 주기마다 새로 활성화되어 기지국에 접속을 시도하는 단말기 수 평균 λ ∈ [0,200]이고, 포아송 분포를 따른다.
도 5는 종래기술/해결할 과제에서 설명한 random access overload 문제가 해결될 때까지 소요된 random access 주기이다. 본 발명에서 random access overload 문제는 동시에 접속을 시도하려는 단말기의 수가 시스템의 가능한 preamble 수 혹은 조합 수의 반 이하가 되면 해결된 것으로 간주한다.
도 6은 [수학식 1]의 weight 값을 조정하면서 추가로 자원 효율을 측정한 것이다. 여기서 자원 효율이란 기지국이 방송한 응답 메시지 중에서 단말기가 접속에 성공하는데 사용한 응답 메시지의 수이다.
도 7은 재난 환경이 아닌 일반적인 환경(즉, 시스템에 접속 부하가 적은 환경)에서의 실험이다. 도 7에서 eNB는 evolved-NodeB의 약어로 LTE 시스템에서 기지국을 일컫는 용어이고, UE는 user equipment의 약어로 단말기를 일컫는 용어이다.
도 8은 RARS의 평균 수와 자원 효율성 실험 결과로서, 본 발명에서 제안된 방법을 이용할 경우 액세스 오버로드가 신속하게 해결되는 것을 알 수 있다.
실험 결과를 토대로, RAR이 상당히 적게 발생하고 자원 효율성이 개선된 것을 알 수 있다.
이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 이 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다.
본 발명은 LTE 시스템에서 재난상황 발생 시 액세스 혼잡을 줄이기 위한 액세스 기술에 적용된다.
10: 단말기(UE)
20: 기지국(eNB)

Claims (9)

  1. 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 랜덤 액세스방법으로서,
    (a) 단말기에서 유효한 프리앰블 쌍을 구성하여 기지국에 전송하는 단계;
    (b) 상기 기지국에서 접속에 성공한 단말기 수와 불필요한 응답 메시지 수를 고려하여 최적의 ACB 파라미터를 산출하는 단계;
    (c) 상기 기지국에서 산출한 최적의 ACB 파라미터를 포함한 응답 메시지를 생성하여 단말기로 방송하는 단계;
    (d) 상기 응답 메시지를 수신한 단말기에서 응답 메시지에 포함된 자원 할당 정보를 이용해 연결을 요청하는 단계; 및
    (e) 상기 기지국에서 단말기로부터 전송된 연결 요청 메시지를 수신하면 연결 완료 메시지를 상기 단말기로 전송하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법.
  2. 청구항 1에서, 상기 (a)단계는 사용 가능한 프리앰블 중 서로 다른 두 개의 프리앰블 시퀀스를 선택하여 유효한 프리앰블 쌍으로 구성하는 것을 특징으로 하는 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법.
  3. 청구항 1에서, 상기 (a)단계는 (a1) 사용 가능한 프리앰블 인덱스를 행렬로 배열하는 단계; (a2) 상기 배열된 행렬에서 제1 프리앰블을 선택하는 단계; (a3) 상기 배열된 행렬에서 상기 제1 프리앰블을 제외한 제2 프리앰블을 선택하고, 상기 선택한 제1 및 제2 프리앰블을 유효한 프리앰블 쌍으로 결정하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법.
  4. 청구항 3에서, 상기 (a1)단계는 사용 가능한 프리앰블 인덱스를 정사각형 행렬로 배열하는 것을 특징으로 하는 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법.
  5. 청구항 3에서, 상기 (a3)단계의 제2 프리앰블은 상기 배열된 행렬에서 선택된 제1 프리앰블의 열에 해당하는 행의 프리앰블 중에서 임의로 프리앰블을 선택하는 것을 특징으로 하는 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법.
  6. 청구항 5에서, 상기 (a3)단계는 상기 제2 프리앰블 선택 시 정사각형 행렬에서 상기 제1 프리앰블의 대각 항을 제외한 나머지 항에서 제2 프리앰블을 선택하여 유효한 프리앰블 쌍의 수를 감소시키는 것을 특징으로 하는 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법.
  7. 청구항 1에서, 상기 (b)단계의 기지국은 시간 정보(TI; Timing Information)를 이용하여 불필요한 응답 메시지를 제거하는 것을 특징으로 하는 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법.
  8. 청구항 7에서, 상기 (b)단계의 기지국은 각각의 단말기의 TI값을 추출하고, 추출한 TI값을 기초로 프리앰블 중 듀얼 프리앰블 선택 기준을 만족하는 유효한 프리앰블 쌍만 응답 메시지로 결정하고, 수신한 나머지 프리앰블 쌍은 불필요한 응답 메시지로 필터링하는 것을 특징으로 하는 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법.
  9. 청구항 1 또는 청구항 7에서, 상기 (b)단계의 기지국은 하기의 수식을 이용하여 최적의 ACB 파라미터를 산출하는 것을 특징으로 하는 재난상황에서 액세스 혼잡을 줄이기 위한 듀얼 프리앰블 랜덤 액세스방법.
    <수식>
    Figure 112018023016522-pat00017

    여기서, ACB 파라미터를 b, 최적 ACB 파라미터는
    Figure 112018023016522-pat00018
    , 동시에 접속을 시도하는 단말기 수를 N이라 할 때, 함수 f(b;N)을 b와 N이 주어졌을 때 접속에 성공한 평균 단말기 수로 정의하고, 함수 g(b;N)를 b와 N이 주어졌을 때 평균 기지국이 방송하는 응답 메시지의 수로 정의하며, fmax와 gmax는 각각 f(b;N)와 g(b;N)의 최대값이며, w1과 w2는 각각 f(b;N)와 g(b;N)의 가중치이다. 아울러 w1+w2 =1이고, 0 ≤ b ≤ 1이다. 상기 두 함수는 서로 상반되는 관계를 갖는다.





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