KR102634988B1 - 사물 인터넷 통신 단말의 위성 통신 방법 및 장치 - Google Patents
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Abstract
위성과 통신을 수행하는 IoT 단말의 동작 방법은, 상기 위성으로부터 제1 신호를 수신하는 단계; 상기 제1 신호에 기초하여 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수를 결정하는 단계; 상기 결정된 심볼들의 수에 따라 생성된 프리앰블을 포함하는 제1 프레임을 생성하고, 생성된 상기 제1 프레임을 상기 위성으로 전송하는 단계; 및 상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 응답 신호가 수신된 경우, 상기 결정된 심볼들의 수에 따라 생성된 프리앰블을 포함하는 제2 프레임을 생성하고, 생성된 상기 제2 프레임을 상기 위성으로 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
Description
본 발명은 위성 통신 기술에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 지구 저궤도(low earth orbit, LEO) 위성과 사물 인터넷(Internet of Things, IoT) 단말 간의 통신 신뢰도를 향상시키기 위한 프레임 생성 및 전송 방법과 이를 위한 장치에 관한 것이다.
LEO 위성을 이용하는 IoT 시스템에서, IoT 단말은 위성과 직접 통신하거나 지상 게이트웨이 등을 통한 중계 통신을 할 수 있다. 지상에서의 IoT 기술은 LoRa (Long Range), Ingenu, NB(narrow band)-IoT 등 많은 연구가 되어있고, 이들을 기반으로 위성을 위한 IoT 기술이 연구 중이다.
그러나, 채널 환경 측면에서 위성의 채널 환경은 지상의 채널 환경과 다른 점이 많고, 기지국의 측면에서도 위성 기지국과 지상 기지국은 차이가 많기 때문에 위성 환경에 적합한 IoT 기술 개발이 필요하다. 특히, LEO 위성과 IoT 단말이 직접 통신하기 위해서는 위성과 IoT 단말 간의 링크가 형성되어야 한다. 이 경우, 상대적으로 긴 통신 경로로 인한 대기 흡수와 경로 손실 때문에 지상 IoT 시스템보다 강인하며 높은 신뢰도를 가지는 통신 방법의 개발이 필요하다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 목적은, 높은 신뢰도를 제공할 수 있도록 가변적인 프레임 구조를 이용하여 위성과 통신을 수행하는 IoT 단말의 동작 방법을 제공하는데 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 본 발명의 다른 목적은, 높은 신뢰도를 제공할 수 있도록 가변적인 프레임 구조를 이용하여 위성과 통신을 수행하는 IoT 단말의 구성을 제공하는데 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 위성과 통신을 수행하는 IoT 단말의 동작 방법으로, 상기 위성으로부터 제1 신호를 수신하는 단계; 상기 제1 신호에 기초하여 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수를 결정하는 단계; 상기 결정된 심볼들의 수에 따라 생성된 프리앰블을 포함하는 제1 프레임을 생성하고, 생성된 상기 제1 프레임을 상기 위성으로 전송하는 단계; 및 상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 응답 신호가 수신된 경우, 상기 결정된 심볼들의 수에 따라 생성된 프리앰블을 포함하는 제2 프레임을 생성하고, 생성된 상기 제2 프레임을 상기 위성으로 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 제1 신호는 상기 위성으로부터 브로드캐스트되는 비컨(beacon) 신호 또는 PBCH(physical broadcast channel)일 수 있다.
상기 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수는 상기 제1 신호에 대해 측정된 SNR(signal-to-noise ration) 값을 임계값과 비교한 결과에 기초하여 증가되거나 감소될 수 있다.
상기 임계값은 상기 단말 또는 상기 위성의 수신 능력에 따라 설정될 수 있다.
상기 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수는 상기 위성의 고도, 상기 위성의 종류, 상기 위성의 궤도, 상기 위성의 앙각(elevation angle), 및/또는 대기 환경에 따라 결정될 수 있다.
상기 동작 방법은 상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 ACK(acknowledgement)을 지시하는 응답 신호가 수신된 경우, 상기 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호화 방식 및/또는 부호율을 상기 제1 프레임의 페이로드에 적용된 부호화 방식 및/또는 부호율과 동일하게 설정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 동작 방법은 상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 NACK(negative acknowledgement)을 지시하는 응답 신호가 수신된 경우, 상기 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호화 방식을 상기 제1 프레임의 페이로드에 적용된 부호화 방식과 다르게 설정하거나, 상기 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호율을 상기 제1 프레임의 페이로드에 적용된 부호율보다 낮추는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 제1 프레임 또는 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호화 방식은 해밍(Hamming) 부호, 길쌈(convolutional) 부호, 터보 부호, 또는 LDPC(low density parity check) 부호일 수 있다.
상기 동작 방법은 상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 응답 신호가 수신되지 않은 경우, 상기 제2 프레임의 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수를 상기 제1 프레임의 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수보다 크게 설정하는 단계를 추가로 포함할 수 있다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 실시예는, 위성과 통신을 수행하는 IoT 단말의 동작 방법으로, 상기 위성에 대한 정보를 획득하는 단계; 상기 위성에 대한 정보에 기초하여 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수, 및/또는 페이로드에 적용될 부호화 방식 및/또는 부호율을 결정하는 단계; 및 상기 결정된 심볼들의 수 및/또는 상기 결정된 부호화 방식 및/또는 부호율을 적용하여 제1 프레임을 생성하고, 생성된 상기 제1 프레임을 상기 위성을 전송하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 위성에 대한 정보는 지상 게이트웨이 또는 지상 기지국으로부터 수신될 수 있다.
상기 위성에 대한 정보는 상기 위성의 고도, 상기 위성의 종류, 상기 위성의 궤도, 및/또는 상기 위성의 앙각(elevation angle)을 포함할 수 있다.
상기 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수는 상기 위성의 고도, 상기 위성의 종류, 상기 위성의 궤도, 상기 위성의 앙각, 및/또는 대기 환경에 따라 결정될 수 있다,
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 실시예는, 위성과 통신을 수행하는 IoT 단말로서, 프로세서; 상기 프로세서에 의해서 제어되는 송수신기; 상기 프로세서와 전자적으로 통신하는 메모리; 및 상기 메모리에 저장된 명령어들을 포함하고, 상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령어들은 상기 IoT 단말이: 상기 송수신기를 통하여 상기 위성으로부터 제1 신호를 수신하는 단계; 상기 제1 신호에 기초하여 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수를 결정하는 단계; 상기 결정된 심볼들의 수에 따라 생성된 프리앰블을 포함하는 제1 프레임을 생성하고, 생성된 상기 제1 프레임을 상기 위성으로 상기 송수신기를 통하여 전송하는 단계; 및 상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 응답 신호가 수신된 경우, 상기 결정된 심볼들의 수에 따라 생성된 프리앰블을 포함하는 제2 프레임을 생성하고, 생성된 상기 제2 프레임을 상기 위성으로 상기 송수신기를 통하여 전송하는 단계를 수행하도록 할 수 있다.
상기 제1 신호는 상기 위성으로부터 브로드캐스트되는 비컨(beacon) 신호 또는 PBCH(physical broadcast channel)일 수 있다.
상기 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수는 상기 제1 신호에 대해 측정된 SNR(signal-to-noise ration) 값을 임계값과 비교한 결과에 기초하여 증가되거나 감소될 수 있다.
상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 ACK(acknowledgement)을 지시하는 응답 신호가 수신된 경우, 상기 명령어들은 상기 IoT 단말이: 상기 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호화 방식 및/또는 부호율을 상기 제1 프레임의 페이로드에 적용된 부호화 방식 및/또는 부호율과 동일하게 설정하도록 할 수 있다.
상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 NACK(negative acknowledgement)을 지시하는 응답 신호가 수신된 경우, 상기 명령어들은 상기 IoT 단말이: 상기 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호화 방식을 상기 제1 프레임의 페이로드에 적용된 부호화 방식과 다르게 설정하거나, 상기 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호율을 상기 제1 프레임의 페이로드에 적용된 부호율보다 낮추도록 할 수 있다.
상기 제1 프레임 또는 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호화 방식은 해밍(Hamming) 부호, 길쌈(convolutional) 부호, 터보 부호, 또는 LDPC(low density parity check) 부호일 수 있다.
상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 응답 신호가 수신되지 않은 경우, 상기 명령어들은 상기 IoT 단말이: 상기 제2 프레임의 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수를 상기 제1 프레임의 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수보다 크게 설정하도록 할 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면 기존 지상 IoT를 위한 통신 파형보다 신뢰성 높고 강인한 파형을 가지는 프레임 구조를 위성 IoT 통신에 이용할 수 있다. 특히, 위성과 IoT 단말 간의 통신 환경에 적응적으로 가변적인 프레임 구조를 이용하므로써, 패킷 검출 확률을 높이고 패킷 오류 확률을 감소시켜 통신 링크의 신뢰도를 확보할 수 있다.
도 1은 지상 LoRa IoT 통신에 적용되는 프레임 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 IoT 통신을 위한 가변적인 프레임 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변적 프레임 구조를 위성과 단말 간 양방향 통신에 적용하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 도 3에서 설명된 방법을 수행하기 위한 IoT 단말의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변적 프레임 구조를 위성과 단말 간 단방향 통신에 적용하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 도 5에서 설명된 방법을 수행하기 위한 IoT 단말의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 IoT 통신을 위한 가변적인 프레임 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변적 프레임 구조를 위성과 단말 간 양방향 통신에 적용하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 4는 도 3에서 설명된 방법을 수행하기 위한 IoT 단말의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변적 프레임 구조를 위성과 단말 간 단방향 통신에 적용하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 6은 도 5에서 설명된 방법을 수행하기 위한 IoT 단말의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 상세한 설명에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다.
제1, 제2, A, B 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. "및/또는"이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.
어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "연결되어" 있다거나 "접속되어" 있다고 언급된 때에는, 그 다른 구성요소에 직접적으로 연결되어 있거나 또는 접속되어 있을 수도 있지만, 중간에 다른 구성요소가 존재할 수도 있다고 이해되어야 할 것이다. 반면에, 어떤 구성요소가 다른 구성요소에 "직접 연결되어" 있다거나 "직접 접속되어" 있다고 언급된 때에는, 중간에 다른 구성요소가 존재하지 않는 것으로 이해되어야 할 것이다.
본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예를 보다 상세하게 설명하고자 한다. 본 발명을 설명함에 있어 전체적인 이해를 용이하게 하기 위하여 도면상의 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 사용하고 동일한 구성요소에 대해서 중복된 설명은 생략한다.
이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다. 본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템(communication system)이 설명될 것이다. 본 발명에 따른 실시예들이 적용되는 통신 시스템은 아래 설명된 내용에 한정되지 않으며, 본 발명에 따른 실시예들은 다양한 통신 시스템에 적용될 수 있다. 여기서, 통신 시스템은 통신 네트워크(network)와 동일한 의미로 사용될 수 있다.
LEO 위성을 이용하는 IoT 시스템에서, IoT 단말은 위성과 직접 통신하거나 지상 게이트웨이 등을 통한 중계 통신을 할 수 있다. 지상에서의 IoT 기술은 LoRa (Long Range), Ingenu, NB(narrow band)-IoT 등 많은 연구가 되어있고, 이들을 기반으로 위성을 위한 IoT 기술이 연구 중이다.
도 1은 지상 LoRa IoT 통신에 적용되는 프레임 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 1을 참조하면, 지상 LoRa에 사용되는 프레임(100)은 8개의 심볼들로 구성된 프리앰블(preamble)(110), 프레임 동기(frame synchronization)를 위한 2개의 심볼들(120), 주파수 동기(frequency synchronization)를 위한 2개의 심볼들(130), 4바이트 길이의 헤더(140)(4/8 해밍(Hamming) 부호 사용), 바이트 길이의 페이로드(payload)(150), 및 페이로드 CRC(cyclic redundancy check)(160)로 구성되어 있다. 프리앰블, 동기 심볼들, 및 페이로드 심볼들의 변조 방식으로는 첩 대역 확산 변조 방식(chirp spread spectrum)이 이용되며, 에러 정정 부호로는 확장된 해밍 코드가 이용된다.
그러나, 채널 환경 측면에서 위성의 채널 환경은 지상의 채널 환경과 다른 점이 많고, 기지국의 측면에서도 위성 기지국과 지상 기지국은 차이가 많기 때문에 위성 환경에 적합한 IoT 기술 개발이 필요하다. 특히, LEO 위성과 IoT 단말이 직접 통신하기 위해서는 위성과 IoT 단말 간의 링크가 형성되어야 한다. 이 경우, 상대적으로 긴 통신 경로로 인한 대기 흡수와 경로 손실 때문에 지상 IoT 시스템보다 강인하며 높은 신뢰도를 가지는 통신 방법의 개발이 필요하다. 따라서, 본 발명의 실시예들은 지상 IoT 통신 방식인 LoRa의 프레임 구조를 링크 적응적인 프레임 구조로 변경하여 더 높은 신뢰도를 달성하는 통신 방식을 제안한다.
특히, 본 발명의 실시예들은 하나의 단말이 LEO 위성을 통해 직접 통신하는 일대일 LEO 위성 통신 시스템을 고려하여 패킷 검출 확률을 높일 수 있고 위성 환경에 강인한 프레임 구조를 제시하는 것을 목적으로 한다. 또한, 프레임 구조를 가변할 수 있다는 가정 하에 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수를 결정하는 방법 및 부호화 방식 및 부호율을 결정하는 방법을 제안하는 것을 목적으로 한다.
가변적인 프레임 구조
도 1을 참조하여 설명된 기존 지상 IoT를 위한 LoRa 프레임에서는 8개의 심볼들이 프리앰블로 이용된다. 대다수의 위성 통신 환경에서는 지상 통신 환경보다 수신 SNR(signal-to-noise ratio)이 매우 낮으므로, 본 발명에 따른 일 실시예에서는 수신 SNR에 따라 가변되는 프레임 구조가 이용될 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 위성 IoT 통신을 위한 가변적인 프레임 구조를 설명하기 위한 개념도이다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임(200)에서는 수신된 신호로부터 계산되거나 예측되는 수신 SNR에 따라 프리앰블(210)을 구성하는 심볼들의 수가 가변될 수 있다. 프리앰블(210)은 송신측(단말 또는 위성)로부터 전송된 프레임을 수신측(위성 또는 단말)에서 검출하기 위해 사용될 수 있다. 예를 들어, 프리앰블을 구성하는 8개의 심볼들에 대해 측정한 SNR이 임계값(threshold) 이상이면 프레임이 검출되었다고 판단될 수 있다.
예컨대, 프리앰블(즉, 프레임)이 검출되었는지 판단하기 위한 변수를 라 할 때, 1로 설정된 변수 는 프리앰블(즉, 프레임)이 검출되었음을 지시할 수 있고, 0으로 설정된 변수 는 프리앰블(즉, 프레임)이 검출되지 않았음을 지시할 수 있다. 변수 의 기본값은 0으로 설정될 수 있다. 프리앰블을 구성하는 1개의 심볼이 수신 SNR에 미치는 정도를 라 하면, , 임계값 , 및 프리앰블을 구성하는 심볼들의 개수 에 따른 프레임 검출 여부 판단은 하기 수학식 1로 표현될 수 있다.
여기서, 임계값 는 수신기의 수신 능력에 따라 다르게 설정될 수 있다. 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수 은 위성의 고도, 위성의 종류, 위성의 궤도, 대기 환경 등에 의해 가변될 수 있다. 즉, 이 커질수록 프레임의 검출 확률이 비례하여 증가될 수 있다. 예를 들어, 큰 값의 이 적용된다면, 지상 환경보다 더 낮은 수신 감도를 가지는 위성 IoT 통신에서도 프리앰블(즉, 프레임)을 검출할 확률이 높아질 수 있다.
또한, 기존 지상 IoT를 위한 LoRa 프레임에서는 헤더 및 페이로드의 부호화에 해밍(Hamming) 부호가 사용된다. 일반적으로, 해밍 부호는 낮은 계산 복잡도를 가지지만 그 신뢰도가 다른 부호화 방식에 비해 떨어지는 것으로 알려져 있다.
따라서, 본 발명의 일 실시예에서, 위성 통신을 위해 더 높은 신뢰성을 보장하기 위해 길쌈 부호(convolutional code)가 헤더 및 페이로드에 적용될 수 있다. 또한, 더욱 높은 신뢰도 및 처리율을 달성하기 위해 터보 코드(turbo code) 또는 LDPC(low density parity checking) 코드 등이 사용될 수도 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 프레임(200)에서는 헤더(230) 및 페이로드(240)에 적용되는 부호화 방식이 단말 및/또는 기지국의 계산 능력 또는 채널 환경에 따라 달라질 수 있다.
가변적 프레임 구조의 적용
이하에서는, 위성과 IoT 단말이 양방향 통신을 수행하는 경우와 단말로부터 위성으로의 단방향 통신만 수행되는 경우 각각에 대해서 상술된 가변적 프레임을 적용하여 통신을 수행하는 방법이 설명된다.
즉, 위성 IoT 서비스의 경우, 단말의 GNSS 사용 가능 여부, AP 성능 등에 따라 단말과 위성은 양방향 신호 전송을 수행하거나 단말로부터 위성으로의 단방향 신호 전송을 수행할 수 있다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 가변적 프레임 구조를 위성과 단말 간 양방향 통신에 적용하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
도 3을 참조하면, IoT 단말(310)과 위성(320) 간의 양방향 통신이 가능한 경우, IoT 단말(310)은 위성(320)에서 브로드캐스트 되는 비컨(beacon) 또는 3GPP 기술 규격에 따른 PBCH(physical broadcast channel) 등의 동기 정보를 포함하는 신호를 수신할 수 있다(S310). IoT 단말(310)은 위성(320)으로부터 수신된 신호(예컨대, 비컨 또는 PBCH)에 기초하여 위성(320)으로의 임의 접속(random access)을 시도할 수 있고, 수신된 신호의 SNR을 측정할 수 있다. 위성(320)으로부터 전송되는 신호(예컨대, 비컨 또는 PBCH)는 동기 정보, 송신 시간 정보, 위성의 궤도 정보(예컨대, ephemeris), 위성의 앙각(elevation angle) 정보 등을 포함할 수 있다.
IoT 단말(310)은 측정된 SNR에 기초하여 심볼들의 변조에 이용되는 대역 확산 계수(spreading factor), 부호화 방식 및/또는 부호율, 및/또는 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수를 결정할 수 있다. 이때, 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수는 앞서 설명된 수학식 1에 기초하여 결정될 수 있다. 한편, 단말은 결정된 대역 확산 계수, 부호화 방식 및/또는 부호율, 및/또는 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수에 기초하여 앞서 도 2를 참조하여 설명된 가변적인 프레임을 생성할 수 있다.
위성(320)과 IoT 단말(310) 간의 링크가 형성되면, IoT 단말(310)은 도플러 천이(Doppler shift) 정도를 예측하고 예측된 도플러 천이가 반영된 사전 보상(precompensation)을 수행하여, 생성된 프레임을 포함하는 신호를 위성으로 전송할 수 있다(S320). IoT 단말(310)에서 도플러 천이에 대한 사전 보상이 수행되지 않는 경우, 위성(320)의 계산 능력에 따라 위성(320)에서 도플러 천이를 보상할 수도 있다. 한편, IoT 단말(310)은 위성(320)의 궤도, 고도, 및/또는 앙각에 기초하여 IoT 단말(310)과 위성(320) 간의 RTD(round time delay)를 계산하고, 계산된 RTD에 기초하여 타이머를 설정할 수 있다.
IoT 단말(310)로부터 위성(320)으로 전송된 프레임에 대한 응답 신호가 위성(320)으로부터 수신되는지 여부에 따라서 IoT 단말(310)의 동작은 달라질 수 있다.
IoT 단말(310)로부터 전송된 프레임을 위성(320)이 검출하지 못하면 위성은 응답 신호를 전송하지 않을 수 있다. 설정된 타이머가 만료될 때까지 위성(320)으로부터 응답 신호가 수신되지 않으면 IoT 단말(310)은 이후에 전송될 프레임의 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수를 앞서 전송한 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수보다 증가시킬 수 있다. 즉, IoT 단말(310)은 이후에 전송될 프레임의 프리앰블의 길이를 증가시켜 이후에 전송될 프레임의 검출 확룔을 증가시킬 수 있다.
한편, 설정된 타이머가 만료되기 전까지 위성(320)으로부터 IoT 단말(310이 전송한 프레임에 대한 응답 신호가 수신되면(S330), IoT 단말(310)은 위성(320)에서 해당 프레임을 정상적으로 검출한 것으로 판단할 수 있다. 프레임의 검출 성공은 페이로드의 디코딩까지 성공한 경우와 페이로드의 디코딩은 실패한 경우 두 가지로 나뉠 수 있다.
예를 들어, 상기 응답 신호가 ACK(acknowledgement)를 지시한다면, IoT 단말(310)은 IoT 단말(310)이 전송한 프레임의 페이로드가 위성(320)에서 성공적으로 디코딩되었음을 확인할 수 있다. 이 경우, IoT 단말(310)은 이전 프레임의 페이로드에 적용된 부호화 방식을 이후에 전송될 프레임에도 변경없이 적용할 수 있다.
한편, 상기 응답 신호가 NACK(negative acknowledgement)를 지시한다면, IoT 단말(310)은 IoT 단말(310)이 전송한 프레임의 페이로드의 디코딩이 위성(320)에서 실패하였음을 확인할 수 있다. 이 경우, IoT 단말(310)은 이후에 전송될 프레임에 적용될 부호화 방식을 이전 프레임의 페이로드에 적용된 부호화 방식과 다르게 설정할 수 있다. 또는, IoT 단말(310)은 이후에 전송될 프레임의 페이로드에 적용될 부호율을 이전 프레임의 페이로드에 적용된 부호율보다 낮게 설정할 수 있다.
마지막으로, IoT 단말(310)은 프리앰블을 구성하는 심볼들의 숫자, 부호화 방식, 및/또는 부호율이 유지되거나 변경되어 적용된 프레임을 생성하여, 위성(320)으로 전송할 수 있다(S340). 상기 단계(S320) 내지 단계(S340)은 반복적으로 수행되면서, 채널 환경에 따라 위성과 단말 간이 통신에 이용되는 프레임의 구조가 가변될 수 있다.
도 4는 도 3에서 설명된 방법을 수행하기 위한 IoT 단말의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 4를 참조하면, IoT 단말(310)은 위성(320)과 송수신을 수행할 수 있는 송수신기(311), 프로세서(312), 및 변조/부호화부(313)를 포함할 수 있다. 한편, 도 4에서는 변조/부호화부(313)가 프로세서(312)와 별도의 구성 요소로 도시되어 있으나, 프로세서(312)가 변조/부호화부(313)의 역할을 수행할 수도 있다. 또한, 이후에 설명될 프로세서(312)의 동작들은 메모리에 저장된 명령어들이 프로세서(312)에 의해 실행될 때 프로세서(312)에 의해 수행되는 동작들이다.
도 3과 도 4를 병행 참조하여 도 3의 방법을 다시 설명하면, 위성(320)에서 단계(S310)의 신호를 브로드캐스트할 수 있고, 프로세서(312)는 송수신기(313)을 제어하여 해당 신호를 수신할 수 있다(S320). 앞서 언급된 바와 같이, 단계(S320)의 신호는 비컨 신호 또는 PBCH 일 수 있다.
단말의 송수신기(311)는 수신된 신호의 SNR을 측정하고, 프로세서(312)는 앞서 설명된 수학식 1에 기초하여 프리앰블을 구성하는 심볼들의 개수 및/또는 프레임의 헤더 및 페이로드에 적용될 부호화 방식 및/또는 부호율 등을 결정할 수 있다.
프로세서(312)는 변조/부호화부(313)가 결정된 및 부호화 방식 및/또는 부호율을 반영하여 변조 및 부호화를 수행하여 프레임을 생성하도록 하고, 생성된 프레임을 송수신기(311)를 통하여 위성(320)으로 전송할 수 있다(S330). 이때, 프로세서(312)는 프레임을 전송할 때 타이머를 설정할 수 있다.
설정된 타이머가 만료될 때까지 위성(320)으로부터 응답 신호가 수신되지 않으면 프로세서(312)는 이후에 전송될 프레임의 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수를 앞서 전송한 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수보다 증가시킬 수 있다.
설정된 타이머가 만료되기 전까지 위성(320)으로부터 ACK을 지시하는 응답 신호가 수신된 경우, 프로세서(312)는 이후에 전송될 프레임의 페이로드에 적용되는 부호화 방식 및/또는 부호율을 이전에 전송된 프레임의 페이로드에 적용된 부호화 방식 및/또는 부호율과 동일하게 설정할 수 있다.
설정된 타이머가 만료되기 전까지 위성(320)으로부터 NACK을 지시하는 응답 신호가 수신된 경우, 프로세서(312)는 이후에 전송될 프레임의 페이로드에 적용되는 부호화 방식을 이전에 전송된 프레임의 페이로드에 적용된 부호화 방식과 다르게 설정하거나, 이후에 전송될 프레임의 페이로드에 적용되는 부호율을 이전에 전송된 프레임의 페이로드에 적용된 부호율보다 낮게 설정할 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 가변적 프레임 구조를 위성과 단말 간 단방향 통신에 적용하는 방법을 설명하기 위한 개념도이다.
IoT 단말이 위성에서 전송하는 신호(예컨대, 비컨 신호 또는 PBCH)를 수신할 능력이 없는 경우, IoT 단말은 위성에 대한 정보를 위성이 아닌 다른 주체로부터 획득하여야 한다. 도 5를 참조하면, 예를 들어, IoT 단말(410)은 지상 게이트웨이(gateway)(430)(또는 지상 기지국) 등으로부터 위성(420)에 대한 정보를 수신할 수 있다(S410). 또는, IoT 단말(410)은 위성(420)을 포함한 접속 대상 위성들에 대한 정보를 미리 저장하고 있을 수 있다. 상기 위성에 대한 정보는 상기 위성의 고도, 상기 위성의 종류, 상기 위성의 궤도, 및/또는 상기 위성의 앙각(elevation angle)을 포함할 수 있다. 또한, 상기 위성에 대한 정보는 상기 위성이 상기 IoT 단말에 노출되는 시간 구간에 대한 정보를 추가로 포함할 수 있다.
IoT 단말(410)은 상기 정보에 기초하여 위성(420)이 IoT 단말(410) 상공을 지나가는 시간을 예측할 수 있고, 위성(420)의 고도 및 앙각(elevation angle)에 기초하여 수신 SNR을 예측하여 위성(420)으로 전송될 프레임에 적용될 대역 확산 계수, 프리앰블을 구성하는 심볼들의 개수, 부호화 방식, 및/또는 부호율을 결정할 수 있다.
IoT 단말(410)은 결정된 대역 확산 계수, 프리앰블을 구성하는 심볼들의 개수, 부호화 방식, 및/또는 부호율에 기초하여 프레임을 생성하고, 생성된 프레임을 위성(420)으로 전송할 수 있다(S420).
한편, IoT 단말(410)은 업데이트된 상기 위성에 대한 정보를 주기적으로, 요청 기반 방식, 또는 이벤트 기반 방식으로 지상 게이트웨이(430)(또는 지상 기지국)으로부터 수신할 수 있다. 수신된 위성에 대한 정보에 변화가 발생된 경우, IoT 단말(410)은 위성(420)으로 전송될 프레임에 적용될 대역 확산 계수, 프리앰블을 구성하는 심볼들의 개수, 부호화 방식, 및/또는 부호율을 재결정할 수 있고, 재결정된 대역 확산 계수, 프리앰블을 구성하는 심볼들의 개수, 부호화 방식, 및/또는 부호율에 기초하여 이후에 전송될 프레임의 구조를 결정할 수 있다.
도 6은 도 5에서 설명된 방법을 수행하기 위한 IoT 단말의 구조를 설명하기 위한 블록도이다.
도 6을 참조하면, IoT 단말(410)은 위성(420)에 대한 송신을 수행할 수 있는 위성 송신기(411), 지상 게이트웨이 또는 지상 기지국에 대한 수신을 수행할 수 있는 지상 수신기(412), 프로세서(413), 및 변조/부호화부(414)를 포함할 수 있다. 한편, 도 6에서는 변조/부호화부(414)가 프로세서(413)와 별도의 구성 요소로 도시되어 있으나, 프로세서(413)가 변조/부호화부(414)의 역할을 수행할 수도 있다. 또한, 이후에 설명될 프로세서(413)의 동작들은 메모리에 저장된 명령어들이 프로세서(413)에 의해 실행될 때 프로세서(413)에 의해 수행되는 동작들이다.
도 5와 도 6을 병행 참조하여 도 5의 방법을 다시 설명하면, 프로세서(413)는 지상 수신기(412)를 통하여 지상 게이트웨이(430)(또는 지상 기지국) 등으로부터 위성(420)에 대한 정보를 수신할 수 있다(S410). 또는, IoT 단말(410)은 위성(420)을 포함한 접속 대상 위성들에 대한 정보를 미리 저장하고 있을 수 있다.
프로세서(413)은 상기 정보에 기초하여 위성(420)이 IoT 단말(410) 상공을 지나가는 시간을 예측할 수 있고, 위성(420)의 고도 및 앙각에 기초하여 위성(420)으로 전송될 프레임에 적용될 대역 확산 계수, 프리앰블을 구성하는 심볼들의 개수, 부호화 방식, 및/또는 부호율을 결정할 수 있다. 프로세서(413)은 변조/부호화부(414)가 결정된 결정된 대역 확산 계수, 프리앰블을 구성하는 심볼들의 개수, 부호화 방식, 및/또는 부호율에 기초하여 프레임을 생성하도록 하고, 생성된 프레임을 위성 수신기(411)를 통하여 위성(420)으로 전송할 수 있다(S420).
본 발명에 따른 방법들은 다양한 컴퓨터 수단을 통해 수행될 수 있는 프로그램 명령 형태로 구현되어 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록될 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체는 프로그램 명령, 데이터 파일, 데이터 구조 등을 단독으로 또는 조합하여 포함할 수 있다. 컴퓨터 판독 가능 매체에 기록되는 프로그램 명령은 본 발명을 위해 특별히 설계되고 구성된 것들이거나 컴퓨터 소프트웨어 당업자에게 공지되어 사용 가능한 것일 수도 있다.
컴퓨터 판독 가능 매체의 예에는 롬, 램, 플래시 메모리(flash memory) 등과 같이 프로그램 명령을 저장하고 수행하도록 특별히 구성된 하드웨어 장치가 포함된다. 프로그램 명령의 예에는 컴파일러(compiler)에 의해 만들어지는 것과 같은 기계어 코드뿐만 아니라 인터프리터(interpreter) 등을 사용해서 컴퓨터에 의해 실행될 수 있는 고급 언어 코드를 포함한다. 상술한 하드웨어 장치는 본 발명의 동작을 수행하기 위해 적어도 하나의 소프트웨어 모듈로 작동하도록 구성될 수 있으며, 그 역도 마찬가지이다.
이상 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
Claims (20)
- 위성과 통신을 수행하는 IoT 단말의 동작 방법으로,
상기 위성으로부터 제1 신호를 수신하는 단계;
상기 제1 신호에 기초하여 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수를 결정하는 단계;
상기 결정된 심볼들의 수에 따라 생성된 프리앰블을 포함하는 제1 프레임을 생성하고, 생성된 상기 제1 프레임을 상기 위성으로 전송하는 단계; 및
상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 응답 신호가 수신된 경우, 상기 결정된 심볼들의 수에 따라 생성된 프리앰블을 포함하는 제2 프레임을 생성하고, 생성된 상기 제2 프레임을 상기 위성으로 전송하는 단계를 포함하고,
상기 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수는 상기 제1 신호에 대해 측정된 SNR(signal-to-noise ratio) 값을 임계값과 비교한 결과에 기초하여 증가되거나 감소되는,
IoT 단말의 동작 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 제1 신호는 상기 위성으로부터 브로드캐스트되는 비컨(beacon) 신호 또는 PBCH(physical broadcast channel)인,
IoT 단말의 동작 방법. - 삭제
- 청구항 1에 있어서,
상기 임계값은 상기 단말 또는 상기 위성의 수신 능력에 따라 설정되는,
IoT 단말의 동작 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수는 상기 위성의 고도, 상기 위성의 종류, 상기 위성의 궤도, 상기 위성의 앙각(elevation angle), 및/또는 대기 환경에 따라 결정되는,
IoT 단말의 동작 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 ACK(acknowledgement)을 지시하는 응답 신호가 수신된 경우, 상기 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호화 방식 및/또는 부호율을 상기 제1 프레임의 페이로드에 적용된 부호화 방식 및/또는 부호율과 동일하게 설정하는 단계를 추가로 포함하는,
IoT 단말의 동작 방법, - 청구항 6에 있어서,
상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 NACK(negative acknowledgement)을 지시하는 응답 신호가 수신된 경우, 상기 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호화 방식을 상기 제1 프레임의 페이로드에 적용된 부호화 방식과 다르게 설정하거나, 상기 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호율을 상기 제1 프레임의 페이로드에 적용된 부호율보다 낮추는 단계를 추가로 포함하는,
IoT 단말의 동작 방법. - 청구항 6에 있어서,
상기 제1 프레임 또는 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호화 방식은 해밍(Hamming) 부호, 길쌈(convolutional) 부호, 터보 부호, 또는 LDPC(low density parity check) 부호인,
IoT 단말의 동작 방법. - 청구항 1에 있어서,
상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 응답 신호가 수신되지 않은 경우, 상기 제2 프레임의 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수를 상기 제1 프레임의 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수보다 크게 설정하는 단계를 추가로 포함하는,
IoT 단말의 동작 방법. - 위성과 통신을 수행하는 IoT 단말의 동작 방법으로,
상기 위성에 대한 정보를 획득하는 단계;
상기 위성에 대한 정보에 기초하여 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수, 및/또는 페이로드에 적용될 부호화 방식 및/또는 부호율을 결정하는 단계; 및
상기 결정된 심볼들의 수 및/또는 상기 결정된 부호화 방식 및/또는 부호율을 적용하여 제1 프레임을 생성하고, 생성된 상기 제1 프레임을 상기 위성을 전송하는 단계를 포함하고,
상기 위성에 대한 정보는 상기 위성의 고도, 상기 위성의 종류, 상기 위성의 궤도, 및/또는 상기 위성의 앙각(elevation angle)을 포함하는,
IoT 단말의 동작 방법. - 청구항 10에 있어서,
상기 위성에 대한 정보는 지상 게이트웨이 또는 지상 기지국으로부터 수신되는,
IoT 단말의 동작 방법. - 삭제
- 청구항 10에 있어서,
상기 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수는 상기 위성의 고도, 상기 위성의 종류, 상기 위성의 궤도, 상기 위성의 앙각, 및/또는 대기 환경에 따라 결정되는,
IoT 단말의 동작 방법. - 위성과 통신을 수행하는 IoT 단말로서,
프로세서;
상기 프로세서에 의해서 제어되는 송수신기;
상기 프로세서와 전자적으로 통신하는 메모리; 및
상기 메모리에 저장된 명령어들을 포함하고,
상기 프로세서에 의해 실행될 때, 상기 명령어들은 상기 IoT 단말이:
상기 송수신기를 통하여 상기 위성으로부터 제1 신호를 수신하는 단계;
상기 제1 신호에 기초하여 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수를 결정하는 단계;
상기 결정된 심볼들의 수에 따라 생성된 프리앰블을 포함하는 제1 프레임을 생성하고, 생성된 상기 제1 프레임을 상기 위성으로 상기 송수신기를 통하여 전송하는 단계; 및
상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 응답 신호가 수신된 경우, 상기 결정된 심볼들의 수에 따라 생성된 프리앰블을 포함하는 제2 프레임을 생성하고, 생성된 상기 제2 프레임을 상기 위성으로 상기 송수신기를 통하여 전송하는 단계를 수행하도록 하고,
상기 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수는 상기 제1 신호에 대해 측정된 SNR(signal-to-noise ratio) 값을 임계값과 비교한 결과에 기초하여 증가되거나 감소되는,
IoT 단말. - 청구항 14에 있어서,
상기 제1 신호는 상기 위성으로부터 브로드캐스트되는 비컨(beacon) 신호 또는 PBCH(physical broadcast channel)인,
IoT 단말. - 삭제
- 청구항 14에 있어서,
상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 ACK(acknowledgement)을 지시하는 응답 신호가 수신된 경우, 상기 명령어들은 상기 IoT 단말이: 상기 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호화 방식 및/또는 부호율을 상기 제1 프레임의 페이로드에 적용된 부호화 방식 및/또는 부호율과 동일하게 설정하도록 하는,
IoT 단말. - 청구항 17에 있어서,
상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 NACK(negative acknowledgement)을 지시하는 응답 신호가 수신된 경우, 상기 명령어들은 상기 IoT 단말이: 상기 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호화 방식을 상기 제1 프레임의 페이로드에 적용된 부호화 방식과 다르게 설정하거나, 상기 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호율을 상기 제1 프레임의 페이로드에 적용된 부호율보다 낮추도록 하는,
IoT 단말. - 청구항 17에 있어서,
상기 제1 프레임 또는 제2 프레임의 페이로드에 적용되는 부호화 방식은 해밍(Hamming) 부호, 길쌈(convolutional) 부호, 터보 부호, 또는 LDPC(low density parity check) 부호인,
IoT 단말. - 청구항 14에 있어서,
상기 위성으로부터 상기 제1 프레임에 대한 응답 신호가 수신되지 않은 경우, 상기 명령어들은 상기 IoT 단말이: 상기 제2 프레임의 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수를 상기 제1 프레임의 프리앰블을 구성하는 심볼들의 수보다 크게 설정하도록 하는,
IoT 단말.
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