KR102657872B1

KR102657872B1 - 무인기 CNPC 인접대역의 무인기 임무용 통신 Waveform 장치 및 방법

Info

Publication number: KR102657872B1
Application number: KR1020190084384A
Authority: KR
Inventors: 문권한; 김희욱
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2018-07-13
Filing date: 2019-07-12
Publication date: 2024-04-16
Also published as: KR20200007727A

Abstract

본 발명은 무인기 탑재 무선국에서 수행되는 단일 전송파 전송 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 데이터 전송 방법에 대한 것으로, 제어 프레임을 수신하는 단계 및 제어 프레임에 기초하여 무인기 탑재 무선국이 지상 무전국으로 페이로드(payload) 프레임을 전송하는 단계를 포함할 수 있다. 이때 페이로드 프레임은 제어 프레임에 기초하여 결정되고, 페이로드 프레임은 기 설정된 길이의 제 1 서브 프레임 및 제 2 서브 프레임으로 구성되고, 무인기의 기 설정된 속도 이상의 값 및 기 설정된 지연 확산(Delay Spread) 값을 고려하여 파일럿(pilot)이 배치되는 것이 개시된다.

Description

무인기 CNPC 인접대역의 무인기 임무용 통신 Waveform 장치 및 방법 {Apparatus and Method for Waveform Technology of Payload Communications operating at frequency adjacent with CNPC in Unmanned Aircraft System (UAS)}

본 발명은 무인기의 임무용 데이터 전송을 위해 제어용 주파수 대역의 인접 대역에서 동작하는 무인기 임무용 통신의 물리계층 설계 및 통신 방식에 관한 것이다.

무인기시스템의 데이터링크는 제어용 통신링크와 임무용 통신링크로 구분할 수 있다. 임무용 데이터링크는 임무 수행과 관련된 데이터 링크로써 일반적으로 제어용 통신링크에 비해 광대역이다. 반면 제어용 통신링크는 무인기 비행 제어, 상태 모니터링, 시스템 관리 등과 관련된 데이터를 전달하기 위한 링크로 정의한다.

무인기를 활용한 재난 치안 예방 및 대응으로 국민안전을 제고하기 위한 재난 치안 무인기의 안정적 운용 및 임무 수행을 위한 무인기 제어와 임무용 데이터 전달하기 위한 주 통신링크로써 현재 LTE 이동통신 기술이 고려되고 있다. LTE 이동통신 기술은 기존 무인기에서 많이 사용 중인 WiFi 등 기존 비면허 대역 소출력 통신 기술에 비해 보다 큰 커버리지 및 QoS 관리가 가능한 장점이 있다.

그러나 LTE 이동통신 기술 또한 산악, 해상 등 기존 이동통신망의 커버리지 밖에서는 통신이 두절되는 문제점이 있다. 국내 언제 어디서나 재난 치안 상황에서 무인기 운용이 가능해야 하다는 점을 고려할 때, 주 통신링크의 LTE 이동통신을 이용할 수 없는 지역에서도 무인기의 안정적 제어 및 임무 수행을 위한 보조 통신링크가 필수적으로 요구된다.

기존 무인기에서 많이 사용 중인 WiFi 등 비면허 대역 통신 기술을 고려할 수 있으나, 소출력 제한 및 혼간섭으로 인해 커버리지 제약 및 안정적 통신링크 보장이 어려운 사항이다. 이에 따라 국내에서는 무인기의 안정적 운용 및 무인기 운용 확대를 위해 무인기 제어 및 임무용 면허 주파수 대역이 C 대역 주파수를 분배한 바 있다.

국내에서 분배한 제어용 통신 C 대역 주파수는 5030-5091 MHz 대역으로 ITU-R WRC-12에서 국제적으로 무인기의 국가공역으로의 안정적 진입을 위한 제어용 통신 주파수로 국제적으로 신규 분배된 조화로운 주파수이다.

반면 임무용 통신 C 대역 주파수는 국내용으로 5091-5150 MHz 대역이 분배되었다. 면허대역에서의 통신이 소출력 비면허대역에서의 통신보다 보다 안정적인 통신링크 확보가 가능하고 국내 무인기 주파수 정책을 고려하여, 재난 치안 무인기의 LTE 주 통신링크의 보조 통신링크로써 상기의 무인기 제어 및 임무용 면허 주파수 대역에서의 통신링크를 고려하고 있다.

C 대역 제어용 통신 기술과 다르게 임무용 통신의 경우 현재는 국내에서만 무인기 임무용 통신 주파수로 분배된 대역으로, 현재까지 표준화가 진행된 바 없다. 따라서 임무용 통신의 경우 소형 무인기에 적합하도록 소형 경량화가 가능한 새로운 waveform 기술 도출이 필요하다.

새로운 waveform 기술 도출을 위해 재난 치안 무인기의 임무 수행 시나리오를 고려했을 때 다음과 같은 요구사항에 대한 고려가 필요하다. 따라서 본 발명에서는 일정한 특징을 만족하는 무인기의 임무용 데이터 전송을 위한 제어용 주파수 대역의 인접 대역에서 동작하는 무인기 임무용 통신의 물리계층 설계 및 통신 방식을 제안한다.

본 발명에서 이루고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명은 무인기 탑재 무선국에서 수행되는 단일 전송파 전송 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 데이터 전송 방법 및 장치에 대한 것이다.

본 발명의 일 실시예에 따라 무인기 임무용 통신 waveform 기술은 제어용 5030-5091 MHz 대역 통신 표준 기술의 TDD 프레임 구조와 유사한 GPS 기반의 2 개의 서브 프레임으로 구성된 50 ms 프레임 구조를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 무인기 임무용 통신 waveform 기술은 무인기 탑재 무선국에서 지상 무선국으로의 하향링크 전송을 지원하며, 낮은 PAPR 및 다중 페이딩 환경에서도 저 복잡도 동작을 위해 SC-FDE 방식을 적용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 무인기 임무용 통신 waveform 기술은 150km/h 이상의 무인기 속도 및 1~2us 다중경로 지연 확산을 고려한 파일럿 배치를 지원하고, PAPR이 우수하며 셀 간 간섭을 줄이기 위해 auto 및 cross correlation 성질이 좋은 프리앰블 시퀀스를 사용하며 다양한 전송 속도 지원을 위해 다양한 변복조 방식을 지원할 수 있다.

C 대역 제어용 통신 기술과 다르게 임무용 통신의 경우 현재는 국내에서만 무인기 임무용 통신 주파수로 분배된 대역으로, 현재까지 표준화가 진행된 바 없다.

본 발명의 임무용 통신 waveform 기술은 무인기 제어용 통신 인접 대역에서 무인기 제어용 통신과 간섭 없이 동작하며 소형 경량의 무인기에 탑재가 가능하다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무인기 임무용 통신 Waveform 기술에 대한 주요 특징을 정리한 도면에 해당된다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 One Radio frame에 대한 도면을 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 프레임의 구조를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시예에 따라 n번째 슬롯에 대한 도면을 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, m번째 Block에 대한 도면을 나타낸 것이다.

이하에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나, 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다.

본 발명의 실시 예를 설명함에 있어서 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그에 대한 상세한 설명은 생략한다. 그리고, 도면에서 본 발명에 대한 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.

본 발명에 있어서, 서로 구별되는 구성요소들은 각각의 특징을 명확하게 설명하기 위함이며, 구성요소들이 반드시 분리되는 것을 의미하지는 않는다. 즉, 복수의 구성요소가 통합되어 하나의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있고, 하나의 구성요소가 분산되어 복수의 하드웨어 또는 소프트웨어 단위로 이루어질 수도 있다. 따라서, 별도로 언급하지 않더라도 이와 같이 통합된 또는 분산된 실시 예도 본 발명의 범위에 포함된다.

본 발명에 있어서, 다양한 실시 예에서 설명하는 구성요소들이 반드시 필수적인 구성요소들은 의미하는 것은 아니며, 일부는 선택적인 구성요소일 수 있다. 따라서, 일 실시 예에서 설명하는 구성요소들의 부분집합으로 구성되는 실시 예도 본 발명의 범위에 포함된다. 또한, 다양한 실시 예에서 설명하는 구성요소들에 추가적으로 다른 구성요소를 포함하는 실시 예도 본 발명의 범위에 포함된다.

본 발명은 무인기 제어용 통신 인접 대역에서 무인기 제어용 통신과 간섭 없이 동작하며 소형 경량의 무인기에 탑재가 가능한 임무용 통신 Waveform 기술을 제안한다. 제안하는 방식은 주로 C 대역에서 동작하는 무인기 임무용 통신 시스템을 대상으로 하고 있으나, 유사한 운용 개념을 가지는 다른 시스템에도 적용 가능하다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 무인기 임무용 통신 Waveform 기술에 대한 주요 특징을 정리한 도면에 해당된다.

본 발명의 일 실시예에 따라 새로운 waveform 기술 도출을 위해 재난 치안 무인기의 임무 수행 시나리오를 고려했을 때 다음 [표1]과 같은 요구사항에 대한 고려가 필요하다.

앞서 언급한 바와 같이 소형 경량의 무인기 임무 시나리오를 고려했을 때, 무인기 임무용 통신의 새로운 Waveform 기술은 다음 [표1]의 요구사항을 만족해야 한다.

분류	내용(요구사항)
최대 전송 속도	7 Mbps 이상
최대 통신 반경	30 km
최대 지원 무인기 수	4대
저고도 무인기 운용 환경에서 동작 필요	다중경로 페이딩 고려
저고도 무인기 운용 환경에서 동작 필요	다중경로 페이딩 고려
제어용 C 대역 통신링크와 상호 양립 필요	인접 제어용 주파수와의 간섭 이슈
다양한 전송율 지원	-
소형 경량 저전력화 설계 필요	PAPR 및 저복잡도 수신기 설계
단방향 통신링크	-

상기 [표 1]과 같은 요구사항을 고려하여 본 발명에서는 도 1과 같은 주요 특징을 갖는 Waveform 기술을 제안한다.

도 1에 따를 때, 본 발명에서 제안하는 보다 상세한 무인기 임무용 통신 Waveform 기술은 다음과 같다.

본 발명의 일 실시예에 따라 무인기 탑재 무선국에서 수행되는 무선 통신 시스템의 데이터 전송 방법은 제어 프레임을 수신하는 단계 및 제어 프레임에 기초하여 무인기 탑재 무선국이 지상 무전국으로 페이로드(payload) 프레임을 전송하는 단계를 포함할 수 있다.

본 발명의 청구항에서 페이로드 프레임은 임무용 프레임을 지칭하는 용어로 사용될 수 있다. 또한 본 발명의 청구항에서 제어 프레임은 제어용 프레임을 지칭하는 용어로 사용될 수 있다.

이때 본 발명의 일 실시예에 따라 페이로드 프레임은 제어 프레임에 기초하여 결정될 수 있다. 이때 페이로드 프레임은 제어용 C 대역 통신 표준 기술의 프레임 구조와 동일한 GPS 기반의 50ms 프레임 구조를 가질 수 있다. 보다 상세하게는 페이로드 프레임은 제어용 5030-5091 MHz 대역 통신 표준 기술의 TDD 프레임 구조와 유사한 GPS 기반의 50ms 프레임으로 결정될 수 있다.

이때 본 발명의 일 실시예에 따라 무인기 탑재 무선국에서 지상 무선국으로의 하향링크 전송을 지원할 수 있다.

이때 본 발명의 일 실시예에 따라 페이로드 프레임은 기 설정된 길이의 제 1 서브 프레임 및 제 2 서브 프레임으로 구성될 수 있다. 보다 상게하게 페이로드 프레임은 각각 24.3 ms 및 25.7 ms 길이를 가지는 2개의 서브 프레임으로 구성될 수 있다. 이때 도 2와 같이 제 1 서브 프레임은 Tsf0=24.3 ms 길이를 가지는 0번 서브 프레임에 해당될 수 있다. 이때 도 2와 같이 제 2 서브 프레임은 Tsf1=25.7 ms 길이를 가지는 1번 서브 프레임에 해당될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 waveform은 소형 무인기의 SWaP 관점에서 증폭기 비선형성 특성을 고려하여 단일 전송파 방식이 선택될 수 있다. 이때, 기존 WiFi 등 다중반송파 시스템에 비해 PAPR 특성이 우수한 효과를 가질 수 있다. 또한 waveform은 다중 페이딩 채널 환경에서도 저 복잡도 동작을 위해 SC-FDE (Single Carrier - Frequency Domain Equalization) 방식을 적용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 무인기의 기 설정된 속도 이상의 값 및 기 설정된 지연 확산(Delay Spread) 값을 고려하여 파일럿(pilot)이 배치될 수 있다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따라 무인기의 기 설정된 속도는 150km/h가 될 수 있는바, 파일럿은 150km/h 이상의 무인기 속도를 고려하여 배치될 수 있다.

이때 본 발명의 일 실시예에 따라 기 설정된 지연 확산(Delay Spread) 값은 1~2us 가 될 수 있는바, 파일럿은 1~2us 다중 경로 지연 확산 값을 고려하여 배치될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 프리앰블은 PAPR이 우수하며 셀 간 간섭을 줄이기 위해 auto 및 cross correlation 성질이 좋은 프리앰블 시퀀스를 사용할 수 있다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따라 프리앰블은 PAPR 특성이 우수한 Zadoff-Zu 시퀀스를 적용할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 무인기 임무용 통신 waveform 기술 다양한 전송 속도 지원을 위해 다양한 변복조 방식을 지원할 수 있다.

이때 본 발명의 일 실시예에 따라 변조 방식은 QPSK, 16QAM (또는 8PSK)를 사용할 수 있으나, 이에 한정할 것은 아니다.

이때 본 발명의 일 실시예에 따라 부호화 방식은 Punctured Turbo Coding을 사용할 수 있으나, 이에 한정할 것은 아니다.

이때 본 발명의 일 실시예에 따라 MCS 모드는 다양한 변부호화 모드 지원할 수 있다. (최소 0.4 Mbps, 최대 7 Mbps 이상 지원)

또한 본 발명의 일 실시예에 따라 송신 스펙트럼 특성을 좋게 하기 위해 송신 Filtering 적용할 수 있다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 One Radio frame에 대한 도면을 나타낸 것이다.

상향링크 임무용 물리 채널 (Physical Uplink Payload Channel, 이하 PUPCH)에 대한 다중 접속 방식은 Cyclic Prefix를 갖는 단일 반송파 주파수 도메인 등화 (Single Carrier - Frequency Domain Equalization, 이하 SC-FDE) 방식을 기반으로 한다. 이중화 방식으로는 시간 분할 이중화 (Time Division Duplex, 이하 TDD)를 적용한다.

본 발명에서, 달리 언급하지 않는 한, 시간 영역에서 다양한 필드의 크기는 Ts=1/(15000x2048)초 단위의 시간 단위로 표시된다. 하향링크만 존재하며, 각각 24.3 ms 및 25.7 ms 길이를 가지는 2개의 서브 프레임을 가지는 50 ms길이의 무선 프레임으로 구성된다.

각각의 무선 프레임은 Tf=50ms의 길이를 가지며, Tsf0=24.3 ms 길이를 가지는 0번 서브 프레임과 Tsf1=25.7 ms 길이를 가지는 1번 서브 프레임으로 구성될 수 있다. 첫 번째 서브 프레임 (0번, #0)은 상위 계층의 indication에 의해 사용 여부를 결정한다. 첫 번째 서브 프레임이 사용되지 않을 때, 서브 프레임 #0은 전송되지 않는다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따라, 프레임은 매 20의 정수배에 해당하는 무선 프레임 넘버가 UTC 시간으로 1초의 정수배에 해당될 때, 전송을 시작한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 프레임의 구조를 나타낸 도면이다.

0번 서브프레임과 1번 서브프레임은 각각 T_sf0=24.3 ms와 T_sf1=25.7 ms 길이를 가질 수 있다. 또한, 0번 서브프레임과 1번 서브프레임은 Data Segment 구간과 보호 구간 (Guard Time)으로 구성될 수 있다.

이때 도 3a 및 도 3b를 확인하면, Data Segment 구간은 front guard 심볼 구간, 1개 또는 2개의 프리앰블 SC-FDE 구간, 한 개 이상(N_sf,slot )의 슬롯 구간, 그리고 tail guard 심볼 구간으로 구성될 수 있다. 또한, Data Segment는 서브프레임 번호와 상관없이 동일한 구조 및 길이를 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라, 보호 구간(Guard Time)의 경우 0번 서브프레임은 1.3ms 길이를, 1번 서브프레임은 2.7ms 길이를 가질 수 있다.

[표 2]은 서브 프레임의 구조에 대한 표이며, 보다 상세하게는 각 서브 프레임에 포함될 수 있는 슬롯의 수(N_sf,slot)는 [표 2]와 같다. 서브프레임의 configuration은 상위 계층에 의해 결정된다.

본 발명의 일 실시예에 따를 때, [표2]와 같이 0번 서브 프레임일 때, 서브프레임 내 포함된 슬롯의 개수(N_sf,slot)는 34개에 해당될 수 있다. 또한, 1번 서브 프레임일 때, 서브프레임 내 포함된 슬롯의 개수(N_sf,slot)는 34개 해당될 수 있다.

도 3에 따를 때, 하나의 슬롯의 길이(Tslot)은 수학식 1과 같이 계산될 수 있다.

또한 슬롯은 N_{slot,data_blocks}개의 SC-FDE 데이터 블록과 N_{slot,pilot_blocks}개의 SC-FDE 파일럿 블록으로 구성될 수 있다.

[표 3]은 서브 프레임의 구조에 대한 표이며, 보다 상세하게는 각 서브 프레임의 슬롯을 구성하는 SC-FDE 블록의 수에 해당될 수 있다. 지원되는 구성 (configuration)은 다음 [표 3]와 같다.

본 발명의 일 실시예에 따를 때, [표 3]과 같이 0번 서브 프레임일 때, 슬롯 내 SC-FDE블록수(N_{slot,SC-FDE_blocks})는 24개, 슬롯 내 pilot SC-FDE블록수(N_{slot,pilot_blocks})는 4개 및 슬롯 내 data SC-FDE블록수(N_{slot,data_blocks})는 20개로 구성될 수 있다. 또한, 1번 서브 프레임일 때, 슬롯 내 SC-FDE블록수(N_{slot,SC-FDE_blocks})는 18개, 슬롯 내 pilot SC-FDE블록수(N_{slot,pilot_blocks})는 3개 및 슬롯 내 data SC-FDE블록수(N_{slot,data_blocks})는 15개로 구성될 수 있다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 n번째 슬롯에 대한 도면을 나타낸 것이다. 보다 상세하게는 도 4는 서브 프레임의 슬롯을 구성하는 데이터 및 파일럿 SC-FDE 블록 위치를 나타낸다.

슬롯 내에서 SC-FDE Pilot 블록은 도 4a, 4b와 같이 매 5개의 SC-FDE 데이터 블록 후에 삽입될 수 있다. 구성 (configuration)에 따른 SC-FDE Pilot 블록의 위치는 다음 [표 4]와 같다. [표 4]은 서브 프레임의 구조를 나타낸 표로, 서브 프레임의 슬롯을 구성하는 데이터 및 파일럿 SC-FDE 블록 위치를 나타낸 도면에 해당된다.

본 발명의 일 실시예에 따라 도 4a 및 표 4를 확인하면, 0번 서브 프레임일 때의 SC-FDE Pilot 블록의 위치를 확인할 수 있다. 보다 상세하게는 0번 서브 프레임일 때, SC-FDE pilot 블록 사이의 간격은 6이고, 슬롯 내 첫번째 SC-FDE pilot의 위치는 5, 슬롯 내 두번째 SC-FDE pilot의 위치는 11, 슬롯 내 세번째 SC-FDE pilot의 위치는 17이며, 슬롯 내 네번째 SC-FDE pilot의 위치는 23에 해당될 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따라 도 4b 및 표 4를 확인하면, 1번 서브 프레임일 때의 SC-FDE Pilot 블록의 위치를 확인할 수 있다. 보다 상세하게는 1번 서브 프레임일 때, SC-FDE pilot 블록 사이의 간격은 6이고, 슬롯 내 첫번째 SC-FDE pilot의 위치는 5, 슬롯 내 두번째 SC-FDE pilot의 위치는 11이며 슬롯 내 세번째 SC-FDE pilot의 위치는 17에 해당될 수 있다.

도 5는 본 발명의 일 실시예에 따라, m번째 Block에 대한 도면을 나타낸 것이다.

형태에 따라 SC-FDE Pilot과 데이터 블록으로 나누어지는 SC-FDE 데이터/Pilot 블록은 T_Block 의 길이를 가지며, SC-FDE 데이터/Pilot 블록의 길이(T_Block)는 수학식2를 이용하여 계산할 수 있다.

SC-FDE 데이터/Pilot 블록은 N_cp개의 CP 샘플 (T_s 길이단위 샘플)과 N_{block,samples}개의 블록 샘플로 구성되며, M_{block,symbols} 개의 변조 심볼을 전달할 수 있다.

SC-FDE Pilot과 데이터 블록은 동일한 구조를 가지기 때문에 T_Block=T_{Data_Block}=T_{Pilot_Block}, N_{block,samples}=N_{Data_block,samples}=N_{Pilot_block,samples}, 그리고 M_{block,symbols}=M_{Data_block,symbols}=M_{Pilot_block,symbols}의 값을 가질 수 있다.

이때 T_{Data_Block}은 SC-FDE 데이터 블록의 길이에 해당될 수 있으며, T_{Pilot_Block}은 SC-FDE Pilot 블록의 길이에 해당될 수 있다. N_{Data_block,samples}는 SC-FDE 데이터 블록 샘플 수에 해당될 수 있으며, N_{Pilot_block,samples}는 SC-FDE Pilot 블록 샘플 수에 해당될 수 있다. 또한 M_{Data_block,symbols}는 SC-FDE 데이터 블록 변조 심볼 수에 해당될 수 있고, M_{Pilot_block,symbols}는 SC-FDE Pilot 블록 변조 심볼 수를 나타낼 수 있다.

구성 (Configuration)에 따라 SC-FDE 데이터/Pilot 블록 구성은 [표 5]와 같다. 즉, [표 5]에 따를 때 서브 프레임의 슬롯을 구성하는 데이터 및 파일럿 SC-FDE 블록의 심볼 및 샘플 수를 확인할 수 있다.

SC-FDE Pilot 블록은 T_{pilot_Block}=(N_cp,samples+N_{pilot_block,samples})T_s 길이를 가지고 N_cp,samples개의 CP 샘플 및 N_{pilot_block,samples}개의 Pilot 샘플로 구성될 수 있으며, M_{Pilot_block,symbols}개의 파일럿 심볼 시퀀스를 전달할 수 있다.

SC-FDE 데이터 블록은 T_{data_Block}=(N_cp,samples+N_{data_block,samples})T_s 길이를 가지고 N_cp,samples개의 CP 샘플 및 N_{data_block,samples}개의 데이터 샘플로 구성될 수 있으며, M_{data_block,symbols}개의 데이터 심볼 시퀀스를 전달할 수 있다.

첫 번째 SC-FDE 프리엠블 블록은 T_{1st_preamble_block}=(N_{1st_preamble_CP_block,samples}+N_{1st_preamble_block,samples})T_s길이를 가지고 N_{1st_preamble_CP_block,samples}개의 CP 샘플과 N_{1st_preamble_block,samples}개의 preamble 블록 샘플들로 구성되며, M_{1st_preamble_block,symbols}개의 심볼 시퀀스를 전달한다. 구성 (Configuration)에 따라 첫 번째 SC-FDE 프리엠블 블록 구성은 [표 6]와 같다. 즉, [표 6]에서 서브 프레임의 첫번째 프리앰블을 구성한 SC-FDE 블록의 심볼 및 샘플 수를 확인할 수 있다.

두 번째 SC-FDE 프리엠블 블록은 T_{2nd_preamble_block}=(N_CP,samples+N_{2nd_preamble_block,samples})T_s길이를 가지고 N_CP,samples개의 CP 샘플과 N_{2nd_preamble_block,samples}개의 preamble 블록 샘플들로 구성되며, M_{2nd_preamble_block,symbols} 개의 심볼 시퀀스를 전달한다. 구성 (Configuration)에 따라 두 번째 SC-FDE 프리엠블 블록 구성은 [표 7]과 같다. 즉, [표 7]에서 서브 프레임의 두 번째 프리앰블을 구성한 SC-FDE 블록의 심볼 및 샘플 수를 확인할 수 있다.

Front Guard 심볼은 T_frontGuard=N_{frontGuard,samples}T_s 길이를 가진다. 구성 (Configuration)에 따라 Front Guard 심볼 구성은 [표 8]과 같다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 서브 프레임 구조에서 Front Guard 심볼은 [표 8]과 같은 개수를 가질 수 있다.

Tail Guard 심볼은 T_TailGuard=N_{TailGuard,samples}T_s 길이를 가진다. 구성 (Configuration)에 따라 Front Guard 심볼 구성은 [표 9]과 같다.

첫 번째 SC-FDE　프리앰블 블록 시퀀스는 Configuration 0의 경우와 같이 소수 (Prime Number) 길이를 가지는 Zadoff-Chu 시퀀스에 의해 정해 지거나, Configuration 1의 경우와 같이 짝수 길이를 가지는 Zadoff-Chu 시퀀스에 의해 정해 진다. 또한 두 번째 SC-FDE 프리앰블 및 Pilot 블록 시퀀스는 짝수 (Even Number) 길이를 가지는 Zadoff-Chu 시퀀스에 의해 정의될 수 있다. 마지막으로 데이터 블록 시퀀스는 채널 부호화에 의해 부호화된 비트 시퀀스로부터 생성될 수 있다.

첫 번째 SC-FDE　프리앰블 블록 시퀀스는 Configuration 0의 경우와 같이 소수 (Prime Number) 길이의 q_1th root Zadoff-Chu 시퀀스에 의해 정해 지거나, Configuration 1의 경우와 같이 짝수 길이를 가지는 q_1th root Zadoff-Chu 시퀀스에 [수학식3]과 같이 생성될 수 있다. 여기서 q₁은 임의의 고정적인 값을 가질 수도 있다. 즉, [수학식3]과 같이 첫 번째 프리앰블 블록 시퀀스는 Cell ID와 연계하여 root 시퀀스를 생성하는 방법을 통해 프리앰블을 생성할 수 있다.

두 번째 SC-FDE 프리앰블 블록 및 Pilot 블록 시퀀스는 [수학식4]와 같이 정의되는 M_{2nd_preamble_block,symbols}=M_{pilot_block,symbols} 길이를 가지는 짝수 (Even Number) 길이의 q_2,ith root Zadoff-Chu 시퀀스를 통해 생성될 수 있다.

즉, 본 발명의 일 실시예에 따라 두 번째 프리앰블 및 파일럿 블록 시퀀스는 auto 및 cross correlation 성질이 좋은 30개의 root 시퀀스를 가지는 그룹을 통해 Cell ID, 슬롯 넘버 및 파일럿 블록 넘버에 따라 다르게 적용되는 그룹 hopping 패턴을 적용하여 30개 root 시퀀스 중 한 개를 생성하는 것을 특징으로 하는 프리앰블 생성 방법

여기서 q_2,i는 다양한 값을 가질 수도 있으며 q_2,i=127 과 같이 고정적인 값을 가질 수도 있다.

생성된 q_2,ith root Zadoff-Chu 시퀀스는 u={u₀, u₁, ..., u₂₉}의 그룹으로 나뉘고, i 번째 그룹, u_i=q_2,i의 값을 가질 수 있다. 생성된 Zadoff-Chu 시퀀스 그룹 u로부터 다음과 같은 그룹 hopping pattern에 따라 두 번째 프리앰블 및 Pilot 블록 시퀀스 그룹 x는 [수학식 5]와 같이 정의될 수 있다.

여기서 f_gs(n_s)와 f_ss는 [수학식6]과 같이 정의될 수 있다.

여기서, c는 [수학식 7]과 같이 도출되는 c_init에 의해 초기화되는 31 길이를 가지는 Gold 시퀀스 생성기로부터 획득될 수 있다.

여기서 두 번째 프리앰블 블록 시퀀스는 n_s=0의 값을 가지며, i번째 (0≤i≤33) 슬롯의 j (0≤j≤3)번째 Pilot 블록 시퀀스는 n_s=4xi+j+1의 값을 가질 수 있다.

데이터 심볼 시퀀스는 다음과 같은 과정을 통해 생성될 수 있다.

각각의 codeword q에 대해서, 1개 슬롯 내 codeword q에서 전송되는 비트 블록 b^(q)(0), ..., b^(q)(M^(q)bit-1) (여기서, M^(q)bit는 codeword q에서 전송되는 비트 수를 의미한다)은 변조 전에 셀 특정 스크램블링 시퀀스를 가지고 스크램블되어야 한다. 스크램블된 비트 블록 b^'(q)(0), ..., b^'(q)(M^(q)bit-1)은 [수학식 8]과 같이 정의될 수 있다.

여기서, 스크램블링 시퀀스 c^(q)(i)는 하단에서 정의한다. 하단에서 정의하는 스크램블링 시퀀스 생성기는 각 슬롯의 시작에서 c_init=n_RNTI·2¹⁵+n_s·2⁸+N_{Cell_ID}로 초기화된다. 여기서 n_RNTI는 상위계층에서 전달되는 PDPCH 전송과 관련된 RNTI에 대응되는 값이며, n_s는 슬롯 번호를 의미한다. 이때 두 변수는 언급된 의미와 달리 임의의 고정적인 값을 가질 수 도 있다.

각 슬롯에서는 1개의 codeword가 전송된다.

각 codeword q에 대해서, 스크램블된 비트 블록 b^'(q)(0), ..., b^'(q)(M^(q)block,bit-1)의 변조는 QPSK, 8PSK와같은 PSK 계열 변조나 16QAM, 64QAM같은 QAM 계열 변조 방식에 의해 변조될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따라 탑재무선국 SWaP (Size, Weight and Power) 등을 고려했을 때 저사양의 고출력 증폭기를 사용하기 위해 선형성이 좋은 변조 방식 QPSK, 8PSK을 선택할 수 있다. 또한 본 발명의 일 실시예에 따라 데이터 전송 속도 등을 고려했을 때 16QAM, 64QAM같은 보다 고차원 변조를 적용할 수도 있다. 본 발명의 일 실시예에 따라 탑재무선국 SWaP과 HD급 영상 전송을 위한 요구 전송율 등을 모두 고려하여 QPSK와 16QAM 변조를 적용하나, 이에 한정할 것은 아니다.

생성된 복수 심볼 블록 d^(q)(0), ..., d^(q)(M^(q) _{data_block,symbols}-1)은 각 슬롯 내의 SC-FDE 데이터 블록으로 매핑될 수 있다. 각 codeword q에 대해서, 매핑되는 SC-FDE 데이터 블록 시퀀스 a^data _m,l는 [수학식9]와 같이 정의될 수 있다.

스크램블링을 위한 의사 잡음 시퀀스는 길이 31을 가지는 Gold 시퀀스에 의해 정의된다. n=0, 1, ..., M_PN-1에 대해서 MPN의 길이를 가지는 출력 시퀀스 c(n)은 [수학식 10]과 같이 정의 된다.

이때, N_c=1600에 해당될 수 있다. 또한 첫 번째 m 시퀀스 x₁은 x₁(0)=1, n=1, 2, ..., 30에 대해서 x₁(n)=0으로 초기화될 수 있다. 두 번째 m 시퀀스 x₂는 Gold 시퀀스가 사용되는 application에 따른 (Σ³⁰ _i=0 x₂(i)x2ⁱ) 값을 가지고 c_init에 의해 초기화될 수 있다. 예를 들어 스크램블링을 위해 Gold 시퀀스가 사용될 경우, 두 번째 m 시퀀스는 Cell ID와 연계하여 c_init=n_RNTI·2¹⁵+n_s·2⁸+N_{Cell_ID}로 초기화될 수 있다.

각 서브프레임의 첫 번째 SC-FDE 프리앰블 블록에 대해서, 일정한 시간(t)의 범위에서 첫 번째 SC-FDE 프리앰블 블록에 대한 시간 연속적인 신호 s_{1st_preamble}(t)는 [수학식 11]과 같이 정의될 수 있다.

(-M_filtN_{symbol,oversamples}T_s/2 ≤ t < (N_cp,samples+N_{1st_preamble_block,samples})T_s+M_filtN_{symbol,oversamples}T_s/2)

이때, s_{1st_preamble}(t)는 첫 번째 SC-FDE 프리앰블 블록에 대한 시간 연속적인 신호를 의미할 수 있다. N_{symbol,oversamples}은 변조 심볼당 샘플 수를 의미하며 4의 값을 가질 수 있다. M_filt는 변조 심볼에 대한 전송 필터 펄스 p(t)의 길이를 의미할 수 있다. 또한, x_q1 시퀀스는 첫 번째 SC-FDE 프리앰블 블록 시퀀스를 의미하며, 변조 심볼 주기 T는 T=N_{symbol,oversamples}xT_s로 정의될 수 있다.

그리고 변조 심볼에 대한 전송 필터 펄스 p(t)는 [수학식 12]와 같이 root-raised-cosine filter(RRC filter)로 정의될 수 있다. 본 발명에서 PAPR 및 out-of-band emiision을 줄이기 위해 디지털 필터링 방법으로 root-raised-cosine(RRC) filtering을 적용할 수 있다.

p(t)는 변조 심볼에 대한 전송 필터 펄스를 나타낼 수 있다. 여기서 β는 roll-off 지수(Roll-off factor)로써 0.3의 값에 해당될 수 있다. 또한 변조 심볼 주기 T는 T=N_{symbol,oversamples}xT_s로 정의될 수 있다.

다음으로 각 서브프레임의 두 번째 SC-FDE 프리앰블 및 Pilot 블록에 대해서, 일정한 시간(t) 범위에서 두 번째 SC-FDE 프리앰블 또는 파일럿 블록에 대한 시간 연속적인 신호 s_{2nd_preamble/pilot}(t)는 [수학식 13]과 같이 정의될 수 있다.

(-M_filtN_{symbol,oversamples}T_s/2 ≤ t < (N_cp,samples+N_{2nd_preamble/pilot_block,samples})T_s+M_filtN_{symbol,oversamples}T_s/2 )

이때, s_{2nd_preamble/pilot}(t)는 두 번째 SC-FDE 프리앰블 또는 파일럿 블록에 대한 시간 연속적인 신호를 의미할 수 있다. 또한 N_{symbol,oversamples}은 변조 심볼당 샘플 수를 의미하며 4의 값을 가질 수 있다. M_filt는 변조 심볼에 대한 전송 필터 펄스 p(t)의 길이를 의미할 수 있다. 여기서 x_q2 시퀀스는 두 번째 SC-FDE 프리앰블 및 Pilot 블록 시퀀스 생성 방법에 따라 생성된 두 번째 SC-FDE 프리앰블 및 Pilot 블록 시퀀스를 의미할 수 있다.

다음으로 각 서브프레임의 l 번째 SC-FDE 데이터 블록에 대해서, 일정한 시간(t) 범위에서 l 번째 SC-FDE 데이터 블록에 대한 시간 연속적인 신호 s_data,l(t)는 [수학식 14]와 같이 정의될 수 있다.

(-M_filtN_{symbol,oversamples}T_s/2 ≤ t < (N_cp,samples+N_{data_block,samples})T_s+M_filtN_{symbol,oversamples}T_s/2)

이때, s_data,l(t)는 l 번째 SC-FDE 데이터 블록에 대한 시간 연속적인 신호를 의미할 수 있다. 또한 N_{symbol,oversamples}은 변조 심볼당 샘플 수를 의미하며 4의 값을 가질 수 있다. M_filt는 변조 심볼에 대한 전송 필터 펄스 p(t)의 길이를 의미할 수 있다.

여기서 a_m,l 시퀀스는 [수학식 15]와 같이 슬롯 내의 l 번째 SC-FDE 데이터 블록의 m 번째 변조 심볼 시퀀스를 의미할 수 있다.

다음으로 Front Guard 심볼에 대한 시간 연속적인 신호는 첫 번째 SC-FDE 프리앰블 블록에 대한 시간 연속적인 신호 s_{1st_preamble}(t)의 기 설정된 시간 주기에 해당하는 시간 연속적인 신호로 정의될 수 있다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따라 기 설정된 시간 주기는 -M_filtN_{symbol,oversamples}T_s/2≤t<0 에 해당될 수 있다.

마지막으로 Tail Guard 심볼에 대한 시간 연속적인 신호는 마지막 SC-FDE Pilot 블록에 대한 시간 연속적인 신호 s_pilot(t)의 기 설정된 시간 주기에 해당하는 시간 연속적인 신호로 정의된다. 이때 본 발명의 일 실시예에 따라 기 설정된 시간 주기는 (N_cp,samples+N_{2nd_preamble/pilot_block,samples})T_s≤ t < (N_cp,samples+N_{2nd_preamble/pilot_block,samples})T_s+M_filtN_{symbol,oversamples}T_s/2 에 해당될 수 있다.

심볼 전송율 R_mod는 7,680,000sps (symbols per second)을 가지며, root-raised cosine 심볼 전송 필터의 roll-off 지수 0.3을 고려하였을 때 전송대역폭은 9,984,000Hz를 가질 수 있다.

보호 구간은 첫 번째 서브프레임과 두 번째 서브프레임의 Tail Guard 심볼 이후에 각각 다음과 같은 샘플 수 구간 동안 신호 전송을 하지 않는다.

상위에서 내려오는 정보 비트에 대한 부호화는, 매 슬롯 마다 1개의 전송 블록 형태의 데이터가 부호화 unit으로 전달되며 기존 LTE의 터보 부호화 방식과 같이 다음과 같은 단계를 통해 부호화된다.

- 전송 블록에 CRC 삽입

- 코드 블록 분할 및 코드 블록에 CRC 상입

- 터보 부호화

- Rate 매칭

- 코드 블록 연접

- 다중화

상기와 같은 단계를 거쳐 부호화된 비트들은 추가적으로 다음과 같은 과정의 채널 인터리버를 적용할 수 있다. 채널 인터리버로의 입력 벡터 시퀀스들을 g₀, g₁, g₂, g₃, ..., g_H'-1으로 정의할 수 있다. 여기서 H'는 슬롯 내 전체 변조 심볼 수를 의미할 수 있다. 채널 인터리버로부터의 출력 비트 시퀀스는 다음과 같이 유도될 수 있다.

(1) 행렬의 행 수, C_mux는 C_mux=N_{slot,data_blocks}의 값을 가진다. 행렬의 행은 왼쪽 행부터 0, 1, ..., C_mux-1으로 번호화된다. N_{slot,data_blocks}는 슬롯 내의 SC-FDE 데이터 블록의 수를 의미한다.

(2) 행렬의 열의 수, R_mux는 R_mux=(H'·Q_m)/C_mux의 값을 가지며, R'_mux를 R'_mux=R_mux/Q_m으로 정의한다. 사각 행렬의 열은 위로부터 0, 1, ..., R_mux-1으로 번호화된다.

(3) 입력 벡터 시퀀스 g _k (k=0, 1, ..., H'-1)를 Q_m개의 열들의 집합 단위로 (C_muxxR_mux) 행렬 내에 쓴다. 이때 0번 행렬의 0번부터 (Q_m-1)번 열까지의 벡터 y _o 을 시작으로 하고, 이미 입력된 행렬 항목은 건너뛴다.

Claims

무인기 탑재 무선국에서 수행되는 단일 전송파 전송 방식을 사용하는 무선 통신 시스템의 데이터 전송 방법에 있어서
제어 프레임을 수신하는 단계; 및
상기 제어 프레임에 기초하여 상기 무인기 탑재 무선국이 지상 무선국으로 페이로드(payload) 프레임을 전송하는 단계
를 포함하고,
상기 페이로드 프레임은 적어도 하나의 서브 프레임을 포함하고,
상기 적어도 하나의 서브 프레임 각각은 적어도 하나의 Front Guard 심볼, 적어도 하나의 SC-FDE 프리앰블 블록, 적어도 하나의 슬롯, 및 적어도 하나의 Tail Guard 심볼을 순차적으로 포함하고,
상기 적어도 하나의 슬롯 각각은 적어도 하나의 데이터 블록 및 적어도 하나의 파일럿 블록을 포함하는, 데이터 전송 방법.
제1항에 있어서,
상기 페이로드 프레임은,
상기 제어 프레임에 기초하여 결정되고, 기 설정된 길이의 제1 서브 프레임 및 제2 서브 프레임으로 구성되는, 데이터 전송 방법.
제2항에 있어서,
상기 페이로드 프레임은,
상기 제어 프레임의 구조와 동일한 GPS 기반의 프레임 구조를 가지는, 데이터 전송 방법.
제2항에 있어서,
상기 페이로드 프레임은,
50ms 길이의 무선 프레임인, 데이터 전송 방법.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 서브 프레임 각각은 복수의 슬롯들을 포함하고,
상기 슬롯들 각각은 복수의 데이터 블록과 복수의 파일럿 블록으로 구성되는, 데이터 전송 방법.
제5항에 있어서,
상기 복수의 파일럿 블록 각각은,
미리 설정된 일정 개수의 데이터 블록 사이에 위치하는, 데이터 전송 방법.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 SC-FDE 프리앰블 블록은 제1 SC-FDE 프리앰블 블록을 포함하고,
상기 제1 SC-FDE 프리앰블 블록은 구성(Configuration) 0의 경우 소수(Prime Number) 길이를 가지는 자도프 추(Zadoff-Chu) 시퀀스를 기초로 생성되고, 구성 1의 경우 짝수 길이를 가지는 자도프 추 시퀀스를 기초로 생성되고,
상기 적어도 하나의 파일롯 블록 각각은 짝수 길이를 가지는 자도프 추 시퀀스를 기초로 생성되는, 데이터 전송 방법.
제7항에 있어서,
상기 적어도 하나의 SC-FDE 프리앰블 블록은 제2 SC-FDE 프리앰블 블록을 더 포함하고,
상기 제2 SC-FDE 프리앰블 블록은, 짝수(Even Number) 길이를 가지는 자도프 추 시퀀스를 기초로 생성되는, 데이터 전송 방법.
제1항에 있어서,
상기 페이로드 프레임은, 제1 서브 프레임 및 제2 서브 프레임을 순차적으로 포함하고,
상기 제1 서브 프레임은, 상위 계층의 지시(indication)에 의해 사용 여부가 결정되는, 데이터 전송 방법.
제1항에 있어서,
상기 적어도 하나의 서브 프레임 각각은,
데이터 세그먼트 구간과 보호 구간으로 구성되는, 데이터 전송 방법.
제1항에 있어서,
상기 페이로드 프레임은,
무인기의 기 설정된 속도 값 및 기 설정된 지연 확산(Delay Spread) 값을 고려하여 파일럿(pilot)이 배치되는, 데이터 전송 방법.