KR20020051495A

KR20020051495A - 아이엠티-2000 시스템에서 핸드오버 방법

Info

Publication number: KR20020051495A
Application number: KR1020000080769A
Authority: KR
Inventors: 선상혁
Original assignee: 박종섭; 주식회사 하이닉스반도체
Priority date: 2000-12-22
Filing date: 2000-12-22
Publication date: 2002-06-29
Also published as: KR100369633B1

Abstract

본 발명은 이동국의 위치, 이동 방향, 이동속도 및 가변적인 멀티미디어 트래픽 특성을 고려하여 대역폭을 예약하고 핸드오버 발생빈도를 줄이면서 통화 품질(QoS)을 유지할 수 있도록 한 IMT-2000 시스템에서 핸드오버 방법에 관한 것으로서, 이러한 본 발명은, 이동국 위치, 이동방향, 이동속도 및 가변적인 멀티미디어 트래픽 특성을 고려하여 이를 근거로 핸드오버를 수행할 해당 각 기지국의 예약 테이블 큐에 저장한 다음 우선 순위를 계산하고 결정된 우선 순위 순서에 의하여 대역폭을 예약하여 핸드오버를 수행한다. 또한 사용자의 이동성 보장을 위한 대표적인 무선자원 관리 방식중 예약 채널 방식과 큐를 이용한 우선 채널 방식의 장점을 동시에 수용한 특징과 이동국의 위치, 이동방향, 이동속도 및 가변적인 멀티미디어 트래픽 특성을 고려하여 핸드오버의 발생 빈도를 감소시키고, 다양한 멀티미디어 서비스에 적절하게 핸드오버를 수행하여 원하는 통화 품질을 유지하도록 한다.

Description

아이엠티-2000 시스템에서 핸드오버 방법{Hand-over method in a IMT-2000 system}

본 발명은 차세대 이동통신 시스템인 IMT-2000 시스템에서 핸드오버(handover)에 관한 것으로, 특히 이동국의 위치, 이동 방향, 이동속도 및 가변적인 멀티미디어 트래픽 특성을 고려하여 대역폭을 예약하고 핸드오버 발생빈도를 줄이면서 통화 품질(QoS)을 유지할 수 있도록 한 IMT-2000 시스템에서 핸드오버 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 차세대 이동통신 시스템인 IMT-2000 시스템은 하나의 단말기로 멀티미디어 서비스(음성 서비스, 영상 서비스, 데이터 서비스, 팩스 서비스, 인터넷 서비스 등)를 모두 수용할 수 있도록 개발되고 있는 시스템이다.

첨부한 도면 도 1은 상기와 같은 취지 하에 현재 개발되고 있는 IMT-2000 시스템의 일반적인 시스템 개략 구성도이다.

여기서 참조부호 100은 이동하면서 상기와 같은 멀티미디어 서비스를 받을 수 있는 이동국을 나타내고, 참조부호 200은 상기 이동국(100)과 무선 통신을 통해 멀티미디어 서비스를 제공해주는 기지/제어국을 나타내고, 참조부호 300은 이동통신 교환기를 나타낸다.

여기서 IMT-2000 시스템의 특징중 하나는, 기존의 CDMA 방식 이동통신 시스템에서 별도로 구비되는 기지국과 제어국이 하나의 시스템(기지/제어국이라 칭함)으로 결합되는 형태이다.

기존 CDMA 방식 이동통신 시스템의 핸드오버 알고리즘을 간략히 살펴보면,이동체의 속도와 트래픽 특성을 각각 별도로 고려하여 핸드오버 알고리즘을 수행하며, 또한 모든 이동체들이 요구하는 대역폭이 동일한 정적인 트래픽 특성에 기반하여 핸드오버 알고리즘을 수행한다.

그러나 앞으로 개발될 IMT-2000 시스템의 경우, 고속 전송, 유연한 대역폭 할당 등 다양한 서비스 제공을 갖는 멀티미디어 통신 환경으로 전환됨에 따라 단위 서비스 면적당 기지국의 서비스 용량을 증가시키기 위해 기지국의 서비스 반경을 점점 줄이는 추세이다.

이러한 IMT-2000 시스템에 기존 CDMA 방식 이동통신 시스템(예를 들어, 셀룰러 시스템, 개인휴대통신 시스템)에 적용된 핸드오버 알고리즘을 그대로 적용하면, 기지국의 서비스 반경이 줄어들수록 핸드오버 요구 수는 증가하므로 핸드오버를 처리하기 위해 발생하는 부하도 상대적으로 증가하게 되어 원하는 통화 품질(QoS : Quality of Service)을 유지할 수 없는 문제점이 발생한다.

이에 본 발명은 기존 CDMA 방식 핸드오버 알고리즘을 IMT-2000 시스템에 적용한 경우 발생하는 제반 문제점을 해결하기 위해서 제안된 것으로서,

본 발명의 목적은, 이동국의 위치, 이동 방향, 이동속도 및 가변적인 멀티미디어 트래픽 특성을 고려하여 대역폭을 예약하고 핸드오버 발생빈도를 줄이면서 통화 품질(QoS)을 유지할 수 있도록 한 IMT-2000 시스템에서 핸드오버 방법을 제공하는 데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은,

이동국 위치, 이동방향, 이동속도 및 가변적인 멀티미디어 트래픽 특성을 고려하여 이를 근거로 핸드오버를 수행할 해당 각 기지국의 예약 테이블 큐에 저장한 다음 우선 순위를 계산하고 결정된 우선 순위 순서에 의하여 대역폭을 예약하여 핸드오버를 수행한다.

또한 사용자의 이동성 보장을 위한 대표적인 무선자원 관리 방식중 예약 채널 방식과 큐를 이용한 우선 채널 방식의 장점을 동시에 수용한 특징과 이동국의 위치, 이동방향, 이동속도 및 가변적인 멀티미디어 트래픽 특성을 고려하여 핸드오버의 발생 빈도를 감소시키고, 다양한 멀티미디어 서비스에 적절하게 핸드오버를 수행하여 원하는 통화 품질을 유지하도록 한다.

도 1은 일반적인 IMT-2000 시스템의 개략 구성도이고,

도 2는 본 발명에 의한 IMT-2000 시스템에서 핸드오버 방법을 보인 흐름도이고,

도 3은 본 발명에서 셀 내의 섹터와 로컬 그리고 이동체의 이동방향을 설명하기 위한 설명도이고,

도 4는 본 발명에서 Rayleigh Fading 조건하에서의 브랜치 셀렉션을 설명하기 위한 설명도이고,

도 5는 본 발명에서 우선 순위 결정치의 개념을 설명하기 위한 개념도이다.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

100 ..... 이동국

200 ..... 기지/제어국

300 ..... 이동통신 교환기

이하 상기와 같은 기술적 사상에 따른 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

첨부한 도면 도 2는 본 발명에 의한 IMT-2000 시스템에서 핸드오버 방법을 보인 흐름도이다.

이에 도시된 바와 같이, 주기적으로 이동체의 위치 및 방향을 추정하는 단계(S101)와, 이동체의 서비스 대역폭을 확인하는 단계(S102)와, 상기 이동체의 속도를 추정하는 단계(S103)와, 상기 이동체의 위치/이동방향/이동속도 등을 고려한 핸드오버 종류를 파악하는 단계(S104)와, 상기 핸드오버 종류를 파악한 결과 하드 핸드오버로 결정된 경우 하드 핸드오버를 수행하는 단계(S105)와, 상기 핸드오버 종류를 파악한 결과 소프트 핸드오프로 결정된 경우 이동체의 위치/이동방향/이동 속도 등을 고려하여 해당 각 기지국의 핸드오버 예약 테이블 큐에 핸드오버 임계시간을 저장하는 단계(S106)와, 각 기지국 핸드오버 예약 테이블 내에 데이터 특성을 고려한 트래픽의 요구 대역폭을 저장한 후 트래픽 우선 순위를 결정하는 단계(S107)와, 상기 결정한 트래픽 우선 순위에 따라 핸드오버를 수행하는 단계(S108)와, 상기 핸드오버 수행후 예약되었던 인접 기지국의 핸드오버 예약을 해제하는 단계(S109)로 이루어짐을 특징으로 한다.

이하 상기와 같이 이루어지는 본 발명에 의한 IMT-2000 시스템에서 핸드오버 방법을 첨부한 도면 도 3 내지 도 5에 의거 상세히 설명하면 다음과 같다.

먼저 단계 S101에서는 주기적으로 이동체의 위치 및 방향을 추정한다.

여기서 이동체가 위치한 지역을 추정하기 위해서는 도 3과 같이 셀을 6개의 섹터로 분할하고, 그 섹터를 다시 3개의 로컬(Local)로 분할한다. 모든 인접 기지국들은 주기적으로 파일럿 신호를 방송하고 각 이동체는 인접기지국으로부터의 파일롯 신호들을 수신한다. 수신된 신호세기를 비교하여 가장 큰 신호세기를 갖는 기지국에 해당하는 섹터를 이동체가 있는 섹터로 추정한다. 로컬 추정에 있어서도 신호세기의 임계값에 의해 구분된다. 신호세기를 거리정보로 바꾸기 위하여 각 임계값에 해당하는 거리함수를 아래와 같은 [수학식1]에 의하여 결정한다.

상기에서 D는 두 기지국간의 거리를 나타내고, d는 기지국 A, B에서 이동국 사이의 거리를 나타내며, k1은 기지국의 송신전력과 비례하며, k2는 전파 환경에 따라 20 ~ 50 사이의 상쇄성분을 갖는다.

아울러 v(t), u(t)는 d에서 기지국 A와 B로부터 수신된 신호전력의 분포를 나타내고, 이 두 랜덤신호는 N(μ(d), α)인 가우시안 분포를 갖는다.

수신된 신호의 평균값인 μ(d)는 거리에 따른 경로 손실(path loss) 성분에 따라 결정되고, α는 동일한 것으로 본다.

상기 [수학식1]로 표현된 거리함수를 이용하여 분할된 각 로컬에 번호와 신호전력 세기의 임계값을 부여함으로써, 이동체의 위치를 추정할 수 있다.

다음으로 이동 방향 추정 방법은 다음과 같다.

섹터추정과 로컬 추정에 의하여 이동체가 위치한 섹터와 로컬을 주기적으로 추정하고, 이동체의 현재와 이전 위치를 계산하여 이동방향을 산출한다.

즉, 도 3을 참조하면 하위의 로컬에서 상위의 로컬로 이동하는 이동체(d11, d12, d13)의 이동 반경은 넓고, 상위의 로컬에서 하위의 로컬로 이동(d16, d17, d18)할수록 이동반경은 좁아진다. 또한 이동방향이 이동체의 속도에 따라 서로 다른 특성을 보이는데 저속 이동체는 이동반경이 작은 반면에 이동패턴이 복잡하다. 셀 내부로 이동하는 이동체는 핸드오버할 확률이 줄어드는 반면에 셀의 외부로 이동하는 이동체는 핸드오버할 확률이 증가하므로 현재 셀 내의 위치와 이동방향도 예약변수로 고려한다. 고속 이동체는 이동반경이 크고 현재 셀 내의 위치와 상관없이 핸드오버 할 가능성이 높으므로 이동방향을 주요 예약 변수로 하여 이동 가능 인접 셀을 추정한다.

다음으로 단계 S102에서 이동체의 서비스 대역폭을 확인한다.

그런 후 단계 S103에서 이동체의 이동 속도를 추정한다.

이동통신 시스템에서 핸드오버의 제어를 위해 필요한 중요한 정보중 하나가 이동체의 이동 속도이다. 이동 속도를 구하는 여러 방법중 본 발명에서는 도플러(Doppler) 효과를 이용하는 데, 이동체가 두 개의 안테나를 이용하여 받아들인 신호 중에 신호 세기가 큰 신호를 선택하는 다이버시티 선택을 수행하는 과정 중에서 아래와 같은 [수학식2] 내지 [수학식4]를 통해 이동체의 이동 속도를 구할 수 있다.

상기에서 FD는 도플러 주파수를 나타낸다.

즉, 도 4와 같이 Two-branch diversity selection에 의하여 두 개의 신호 E1, E2중 큰 신호를 선택할 것이다. 특히 Rayleigh 페이딩 조건하에서 Two-branch diversity selection에 의해 선택한 신호가 한 신호에서 다른 신호로 바뀌는 브랜치 스위칭이 일어날 수 있다. 도 4에서 브랜치 스위칭은 5번 일어나는 데, 이러한 브랜치 스위칭의 발생률을 NBS라 할 때 NBS와 FD는 상기 [수학식3]의 관계를 가지므로, 상기 [수학식4]로 이동체의 속도를 예측할 수 있다.

다음으로 단계 S104에서는 상기 산출한 이동체의 위치, 이동방향, 이동속도 등을 고려하여 핸드오버 종류를 파악한다. 그 결과 하드 핸드오버로 판단되면, 단계 S105로 이동하여 통상적인 하드 핸드오버를 수행한다.

이와는 달리 소프트 핸드오버로 결정된 경우에는, 단계 S106으로 이동하여 이동체의 위치/이동방향/이동속도 등을 고려하여 해당 각 기지국의 핸드오버 예약 테이블 큐에 속도에 따른 핸드오버 임계시간(DK)을 저장하고, 단계 S107에서 각 기지국 핸드오버 예약 테이블 내에 데이터 특성을 고려한 핸드오버를 요구하는 트래픽의 요구 대역폭(TK)을 저장한 후 우선 순위를 결정한다.

즉, 전파의 대역폭 특성과 셀의 반경 사이에는 상관관계가 존재하는 데 멀티미디어 서비스를 제공하기 위해선 셀의 반경을 작게 할 수밖에 없다. 따라서 빈번히 발생되는 핸드오버를 위해선 시간에 민감한 실시간 트래픽에 우선적으로 채널을 할당해주고 시간 지연에 큰 영향을 받지 않는 트래픽에 대해서 상대적으로 낮은 우선 순위를 부여하여 전체 발생된 호에 대해서 일정한 통화품질(QoS)을 보장해주어야 한다. 이에 본 발명의 실시 예에서는 트래픽의 특성에 따라 호의 종류를 클래스1, 클래스2로 구분하는 데, 여기서 클래스1의 트래픽은 시간에 민감한 실시간적 서비스를 요구하는 것으로 요구대역폭이 만족되지 않았을 때 사용자에게 만족한 통화품질을 보장할 수 없으므로 요구하는 대역폭은 모두 할당해 주어야 한다.

또한 클래스2는 이-메일(E-mail)등과 같은 지연에 보다 유연한 성질을 가지는 서비스로 요구 대역폭을 만족하지 못해도 호가 블러킹 되지 않으므로, 만족하는 대역폭이 존재하지 않을 때 요구 대역폭의 30%정도 서비스를 제공받을 수 있도록 한다.

한편, 데이터 특성과 속도를 고려한 우선 순위 결정 과정을 살펴보면 다음과 같다.

속도에 따른 핸드오버 임계시간을 DK라하고, 핸드오버를 요구하는 트래픽의 요구 대역폭을 TK라고 하면, 상기 클래스1의 TK는 통화품질을 만족하기 위한 대역폭이고, 클래스2는 요구 대역폭의 30%가 된다. 핸드오버 스케쥴링은 아래의 [수학식5]에 의해 산출한다.

: 큐의 용량)

우선 순위 결정자 SK는 큐에 있는 호의 임계시간에 대한 요구 대역폭이 된다. 도 5에 이 개념이 도식화되어 있다. 예를 들어, 큐에 5개의 호가 대기하고 있다고 가정하면 큐에 대기하는 호의 정보를 WK = (DK, TK)라 할 때 각 호의 정보는 다음과 같다.

W1=(3,30), W2=(5,200), W3=(2,60), W4=(10,150), W5=(4,240)

상기에서 나타난 대기중에 있는 호의 정보를 가지고 우선 순위 SK를 구하면그 결과는 다음과 같다.

그러므로 가장 우선 순위가 높은 호는인 호로 결정된다.

이러한 과정으로 각 기지국 핸드오버 예약 테이블 내에 데이터 특성을 고려하여 우선 순위가 결정되면, 단계 S108에서 상기 결정한 우선 순위에 따라 핸드오버를 수행한다. 그리고 단계 S109에서 예약되었던 인접 기지국의 핸드오버 예약을 해제하게 된다.

이상에서 상술한 본 발명 "아이엠티-2000 시스템에서 핸드오버 방법"에 따르면, 차세대 무선 통신의 가변적이고 실시간인 멀티미디어 서비스를 핸드오버시에도 안정적으로 제공할 수 있는 이점이 있다.

또한, 핸드오버의 발생빈도를 감소시킴으로써 시스템의 부하도 감소시킬 수 있어 서비스 가입자 용량도 증가시킬 수 있는 이점이 있다.

또한 현재의 기 구축된 셀 구조를 그대로 사용하거나 변형 또는 부가하므로 새로운 무선망을 설계하는 것보다 망설치 운용비도 절감할 수 있는 이점이 있다.

Claims

IMT-2000 시스템에서 핸드오버 방법에 있어서,

주기적으로 이동체의 위치 및 방향을 추정하는 단계와;

이동체의 서비스 대역폭을 확인한 후 상기 이동체의 속도를 추정하는 단계와;

상기 추정한 이동체의 위치/이동방향/이동속도를 고려하여 핸드오버 종류를 결정하는 단계와;

상기 결정된 핸드오버 종류가 하드 핸드오버인 경우 통상적인 하드 핸드오버를 수행하는 단계와;

상기 결정된 핸드오버 종류가 소프트 핸드오버인 경우, 상기 추정한 이동체의 위치/이동방향/이동속도를 고려하여 각 기지국의 핸드오버 예약 테이블 큐에 핸드오버 임계시간을 저장하는 단계와;

상기 각 기지국 핸드오버 예약 테이블 내에 저장된 트래픽의 특성에 대응하는 요구 대역폭을 저장한 후, 트래픽 우선 순위를 결정하는 단계와;

상기 결정한 트래픽 우선 순위에 따라 소프트 핸드오버를 수행하고, 상기 소프트 핸드오버 수행후 예약되었던 인접 기지국의 핸드오버 예약을 해제하는 단계를 포함하여 이루어짐을 아이엠티-2000 시스템에서 핸드오버 방법.
제1항에 있어서, 상기 이동체의 위치 추정은,

하나의 셀을 6개의 섹터로 분할하는 단계와, 각 이동체에서 수신된 신호세기(파일롯 신호세기)를 비교하여 가장 큰 신호세기를 갖는 기지국에 해당하는 섹터를 이동체가 있는 섹터로 추정하는 단계와, 상기 섹터를 3개의 로컬(Local)로 분할하는 단계와, 상기 각 로컬의 신호세기를 거리정보로 변환한 후 그 거리정보에 따라 이동체의 위치를 추정하는 단계를 통해 이동체의 위치를 추정하는 것을 특징으로 하는 아이엠티-2000 시스템에서 핸드오버 방법.
제2항에 있어서, 상기 신호세기를 거리정보로 바꾸기 위하여 각 임계값에 해당하는 거리함수는 아래와 같은 (수학식)에 의하여 결정하는 것을 특징으로 하는 아이엠티-2000 시스템에서 핸드오버 방법.

(수학식)

상기에서 D는 두 기지국간의 거리를 나타내고, d는 기지국 A, B에서 이동국 사이의 거리를 나타내며, k1은 기지국의 송신전력과 비례하며, k2는 전파 환경에 따라 20 ~ 50 사이의 상쇄성분을 나타내며, v(t), u(t)는 d에서 기지국 A와 B로부터 수신된 신호전력의 분포를 나타낸다. 또한, 상기 두 랜덤신호는 N(μ(d), α)인 가우시안 분포를 갖으며, 수신된 신호의 평균값인 μ(d)은 거리에 따른 경로손실(path loss) 성분에 따라 결정되고, α는 기지국 모두 동일한 것으로 본다.
제1항에 있어서, 상기 이동체의 방향 추정은,

이동체의 현재 위치와 이전 위치를 계산하여 이동 방향을 추정하는 것을 특징으로 하는 아이엠티-2000 시스템에서 핸드오버 방법.
제1항에 있어서, 상기 이동체의 속도 추정은,

상기 이동체가 두 개의 안테나를 이용하여 받아들인 신호 중에 신호 세기가 큰 신호를 선택하는 다이버시티 선택 과정(Two-branch diversity selection) 중에서 아래와 같은 (수학식1) 내지 (수학식3)을 통해 이동체의 이동 속도를 추정하는 것을 특징으로 하는 아이엠티-2000 시스템에서 핸드오버 방법.

(수학식1)

상기에서 FD는 도플러 주파수를 나타낸다.

(수학식2)

(수학식3)
제1항에 있어서, 상기 트래픽의 특성은,

상기 시간에 민감한 실시간적 서비스를 요구하는 트래픽 특성인 클래스1과, 이-메일(E-mail)과 같은 지연에 보다 유연한 성질을 가지는 트래픽 특성인 클래스2로 구분하는 것을 특징으로 하는 아이엠티-2000 시스템에서 핸드오버 방법.
제1항 또는 제6항에 있어서, 상기 트래픽의 특성에 대응하는 트래픽 요구 대역폭은, 상기 트래픽 특성이 클래스1인 경우 요구하는 대역폭을 모두 할당해주고, 상기 트래픽 특성이 클래스2인 경우 요구 대역폭의 30%정도를 할당해주는 것을 특징으로 하는 아이엠티-2000 시스템에서 핸드오버 방법.
제1항에 있어서, 상기 우선 순위 결정은,

큐에 5개의 호가 대기하고 있다고 가정하고 큐에 대기하는 호의 정보를 WK = (DK, TK)라 할 때 각 호의 정보를 아래와 같은 (수학식1)으로 산출하고, 그 산출한 호의 정보를 가지고 아래와 같은 (수학식2)를 이용하여 우선 순위(S^K)를 산출하는 것을 특징으로 하는 아이엠티-2000 시스템에서 핸드오버 방법.

(수학식1)

W1=(3,30), W2=(5,200), W3=(2,60), W4=(10,150), W5=(4,240)

(수학식2)