KR200294366Y1 - 물리 계층 자동 반복 요청 메커니즘을 갖는 단일반송파-주파수 영역 등화 기지국 - Google Patents

물리 계층 자동 반복 요청 메커니즘을 갖는 단일반송파-주파수 영역 등화 기지국 Download PDF

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Abstract

단일 반송파-주파수 영역 등화(SC-FDE: single carrier-frequency domain equalization) 기지국은 물리 계층 자동 반복 요청 메커니즘을 갖는다. 상기 기지국은 송신기를 구비한다. 상기 송신기는 데이터를 수신하고 상기 수신된 데이터를 패킷들로 포맷팅하기 위한 물리 계층 송신기를 구비한다. 각 패킷은 특정 부호화/데이터 변조를 갖는다. 상기 특정 부호화/데이터 변조는 SC-FDE 변조 및 순방향 오류 정정(FEC: forward error correction) 부호화를 사용한다. 상기 패킷들은 전송되며 패킷들은 주어진 패킷에 대한 대응하는 긍정 응답을 수신하지 않는 것에 응답하여 재전송된다. 적응 변조 및 부호화(AMC: adaptive modulation and coding) 제어기는 재전송 통계치들을 수집하고 상기 수집된 통계치들을 사용하여 상기 특정 부호화/데이터 변조를 조정한다.

Description

물리 계층 자동 반복 요청 메커니즘을 갖는 단일 반송파-주파수 영역 등화 기지국{Single carrier-frequency domain equalization(SC-FDE) base station having a physical layer automatic repeat request mechanism}
본 고안은 무선 통신 시스템들에 관한 것이다. 특히, 본 고안은 물리 계층(PHY: physical layer) 자동 반복 요청(ARQ: automatic repeat request) 방식을 채용함에 의한 이러한 시스템들에 대한 변경에 관한 것이다.
단일 반송파-주파수 영역 등화(SC-FDE: single carrier-frequency domain equalization) 또는 직교 주파수 분할 다중(OFDM: orthogonal frequency division multiplex)을 사용하는, 제안된 광대역 고정 무선 액세스(BFWA: broadband fixed wireless access) 통신 시스템들은 고속 다운링크 패킷 액세스(HSDPA: high speeddownlink packet access) 애플리케이션을 사용할 예정이다. 이 애플리케이션은 고속으로 다운링크 패킷 데이터를 전송할 것이다. BFWA에 있어서, 빌딩 또는 빌딩들의 그룹은 무선으로 또는 유선으로 연결되고 단일 가입자 사이트로서 동작한다. 이러한 시스템에 대한 데이터 요구는 넓은 대역폭들을 요구하는 단일 사이트의 다수의 최종 사용자들에 대해 매우 높다.
현재의 제안된 시스템은 계층 2 자동 반복 요청(ARQ: automatic repeat request) 시스템을 채용한다. 가입자들에게 성공적으로 전송되지 못한 데이터 블록들은 계층 2로부터 버퍼링되고 재전송된다. 계층 2에 저장된 데이터 블록들은 전형적으로 크고, 높은 신호대 잡음비(SNR: signal to noise ratio) 수신을 위해 전송되며, 낮은 블록 오류율(BLER: block error rate)로 수신되고, 드물게 재전송된다. 부가적으로, 계층 2 ARQ 시그널링은 전형적으로 큰 버퍼들 및 긴 재전송 간격들을 요구하므로 느리다.
따라서, 계층 2 ARQ 시스템에 부가하여 대안들을 갖는 것이 바람직하다.
본 고안이 이루고자 하는 기술적 과제는 물리 계층 자동 반복 요청 메커니즘을 갖는 단일 반송파-주파수 영역 등화 기지국을 제공하는 것이다.
도 1a 및 도 1b는 다운링크 및 업링크 물리 ARQ들의 단순화된 블록도들이다.
도 2는 적응 변조 및 부호화에 대한 재전송 통계치를 사용하기 위한 흐름도이다.
도 3은 다중-채널 정지 및 대기 구조를 도시한 블록도이다.
상기 과제를 이루기 위하여 본 고안은, 단일 반송파-주파수 영역 등화(SC-FDE: single carrier-frequency domain equalization) 기지국을 제공한다. 상기 단일 반송파-주파수 영역 등화 기지국은 물리 계층 자동 반복 요청 메커니즘을 갖는다. 상기 기지국은 송신기를 구비한다. 상기 송신기는 데이터를 수신하고 상기 수신된 데이터를 패킷들로 포맷팅하기 위한 물리 계층 송신기를 구비한다. 각 패킷은 특정 부호화/데이터 변조를 갖는다. 상기 특정 부호화/데이터 변조는 SC-FDE 변조 및 순방향 오류 정정(FEC: forward error correction) 부호화를 사용한다. 상기 패킷들은 전송되며 패킷들은 주어진 패킷에 대한 대응하는 긍정 응답을 수신하지 않는 것에 응답하여 재전송된다. 적응 변조 및 부호화(AMC: adaptive modulation and coding) 제어기는 재전송 통계치들을 수집하고 상기 수집된 통계치들을 사용하여 상기 특정 부호화/데이터 변조를 조정한다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 고안을 보다 상세하게 설명하기로 한다.
도 1a 및 도 1b는 각각 다운링크 물리 계층 ARQ(10) 및 업링크 물리 계층 ARQ(20)를 도시한 것이다.
상기 다운링크 물리 계층 ARQ(10)는 네트워크(14)에서 제공되는 상위 계층 ARQ 송신기(14a)로부터 패킷들을 수신하는 기지국(12)을 포함한다. 송신기(14a)로부터의 패킷들은 기지국(12)내의 물리 계층 ARQ 송신기(12a)에 인가된다. 상기 ARQ 송신기(12a)는 순방향 오류 정정 코드(FEC)를 가지고 상기 데이터를 부호화하고, 오류 검사 시퀀스들(ECS: error check sequence)을 부가하며, 2진 위상 편이 변조(BPSK: binary phase shift keying), 직교 위상 편이 변조(QPSK: quadrature phase shift keying) 또는 다진 직교 진폭 변조(즉, 16-QAM 또는 64-QAM)와 같은 것을 사용하여, 적응 변조 및 부호화(AMC: adaptive modulation and coding) 제어기(12c)에 의해 보내지는 바와 같은 데이터를 변조한다. 부가적으로, 직교 주파수분할 다중 액세스(OFDMA: orthogonal frequency division multiple access)를 위해, 상기 AMC 제어기(12a)는 상기 패킷 데이터를 운반하는데 사용되는 부 채널들을 변경할 수 있다. 상기 물리 계층 ARQ 송신기(12a)는 스위치, 서큘레이터(circulator) 또는 듀플렉서(12d) 및 안테나(13)를 경유하여 무선 인터페이스(17)를 통해 가입자 장치(16)에 패킷들을 전송한다. 상기 송신기(12a)는 또한 필요한 경우, 상기 송신기(12a)에 포함된 버퍼 메모리에 재전송을 위한 메시지를 임시로 저장한다.
가입자 장치(16)의 안테나(15)는 상기 패킷을 수신한다. 상기 패킷은 스위치, 서큘레이터 또는 듀플렉서(16b)를 통해 물리 계층 ARQ 수신기(16a)로 입력된다. 상기 수신기(16a)에서, 상기 패킷은 FEC 복호화되고 ECS를 사용하여 오류들에 대해 검사된다. 그다음 상기 수신기(16a)는 허용가능한 오류율을 갖는 패킷의 수신에 대한 긍정 응답(ACK)을 보내기 위하여 또는 바람직하기로는 긍정 응답 신호를 보류하거나 부정 응답(NAK: negative acknowledgment)을 전송함으로써 재전송을 요청하기 위하여 긍정 응답 송신기(16c)를 제어한다.
상기 긍정 응답(ACK)은 ACK 송신기(16c)에 의해 스위치(16b) 및 안테나(15)를 통해 기지국(12)으로 송신된다. 상기 ACK는 무선 인터페이스(17)를 경유하여 기지국(12)의 안테나(13)로 송신된다. 수신된 ACK는 기지국내의 긍정 응답 수신기(12b)에 의해 처리된다. 상기 ACK 수신기(12b)는 상기 ACK/NAK를 상기 적응 변조 및 부호화(AMC: adaptive modulation and coding) 제어기(12c) 및 상기 송신기(12a)로 전달한다. 상기 AMC 제어기(12c)는 수신된 ACK들의 통계를 사용하여 가입자 장치(16)에 대한 채널 품질을 분석하고 더 상세히 설명되는 바와 같이, 메시지의 후속 전송들의 FEC 부호화 및 변조 기술들을 변경할 수 있다. 상기 가입자 장치(16)가 상기 패킷의 수신에 대한 긍정 응답을 보내는 경우, 기지국(12)에서 이 ACK의 수신은 버퍼 메모리에 임시로 저장된 원래 패킷이 다음 패킷에 대한 준비로 제거되게 한다.
아무런 ACK도 수신되지 않거나 NAK가 수신되는 경우, 상기 물리 계층 송신기(12a)는 가입자(16)에게 원래의 메시지 또는 원래 메시지의 선택적으로 수정된 버전을 재전송한다. 가입자 장치(16)에서, 상기 재전송은 이용가능한 경우 원래의 전송과 결합된다. 이 기술은 데이터 리던던시(redundancy) 또는 선택적인 반복 결합의 사용에 의해 정확한 메시지의 수신을 용이하게 한다. 허용가능한 오류율을 갖는 패킷들은 추가 처리를 위하여 상위 계층들(16d)로 전송된다. 허용가능한 수신된 패킷들은 데이터가 기지국내의 송신기(12a)로 제공된 동일한 데이터 순서로 상위 계층들(16d)로 전달된다(즉, 순차 전달(in-sequence delivery)). 최대 재전송 횟수는 1 내지 8까지의 범위와 같은, 오퍼레이터-정의 정수 값으로 제한된다. 최대 재전송 횟수가 시도된 후, 상기 버퍼 메모리는 다음 패킷에 의한 사용을 위해 비워진다. 상기 물리 계층에서 작은 패킷들을 사용하여 긍정 응답을 복호화하는 것은 전송 지연 및 메시지 처리 시간을 감소시킨다.
PHY ARQ는 물리 계층에서 발생하기 때문에, 특정 채널에 대한 재전송 발생 횟수, 재전송 통계치는 상기 채널의 품질의 좋은 측정이다. 상기 재전송 통계치를 사용하여, 상기 AMC 제어기(12c)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 채널에 대한 변조 및 부호화 방식들을 변경할 수 있다. 부가적으로, 상기 재전송 통계치는 또한 상기 AMC 제어기(12c)가 상기 채널 품질을 측정하고 상기 변조 및 부호화 방식에서 변경이 요구되는지를 결정하기 위하여 비트 오류율(BER: bit error rate) 및 블록 오류율(BLER: block error rate)와 같은, 다른 링크 품질 측정치들과 결합될 수 있다.
SC-FDE를 설명하기 위하여, 특정 채널에 대한 재전송 발생은 재전송 통계치를 생성하기 위해 측정된다(60). 상기 변조 방식을 변경해야 하는지에 대한 결정이 상기 재전송 통계치를 사용하여 행해진다(62). 재전송들이 과도한 경우, 보통 감소된 데이터 전송 속도에서 더 강력한 부호화 및 변조 방식이 사용된다(64). 상기 AMC 제어기(12c)는 상기 패킷 데이터를 전송하기 위하여 확산 인자를 증가시킬 수 있고 더 많은 코드들을 사용할 수 있다. 대안적으로 또는 부가적으로, 상기 AMC 제어기는, 예를 들어 64-QAM에서 16-QAM 또는 QPSK로, 고 데이터 처리 변조 방식에서 저 데이터 처리 방식으로 전환할 수 있다. 재전송 속도가 낮은 경우, 예를 들어 QPSK에서 16진 QAM 또는 64진 QAM으로, 고 용량 변조 방식으로의 전환이 행해진다(66). 바람직하기로는, 상기 결정은 BER 또는 BLER과 같은, 상기 수신기로부터 신호가 보내진 상기 재전송 속도 및 다른 링크 품질 측정치들 양자를 사용한다(62). 바람직하기로는 상기 결정 한계는 시스템 오퍼레이터에 의해 설정된다.
OFDMA를 위하여, 상기 재전송 발생은 각 부 채널의 채널 품질을 감시하는데 사용된다. 상기 재전송 속도 또는 특정 부 채널에 대한 재전송 속도/링크 품질이 열등한 품질을 나타내는 경우, 상기 부 채널은 어떤 장래의 기간을 위해 이러한 열등한 품질 부 채널들의 사용을 막기 위하여, 상기 OFDM 주파수 집합으로부터 선택적으로 무효화될 수 있다(64). 상기 재전송 속도 또는 재전송 속도/링크 품질이 고품질을 나타내는 경우, 이전에 무효화된 부 채널들은 상기 OFDM 주파수 집합에 다시 부가될 수 있다(66).
AMC를 위한 기초로서 상기 재전송 발생을 사용하는 것은 상기 변조 및 부호화 방식을 각 사용자에 대한 평균 채널 상태에 매칭시키는 유연성을 제공한다. 부가적으로, 상기 재전송 속도는 상기 가입자 장치(16)로부터의 측정 오차 및 보고 지연에 둔감하다.
상기 업링크 ARQ(20)는 상기 다운링크 ARQ(10)와 실제로 유사하고 상위 계층들(28)의 상위 계층 ARQ 송신기(28a)로부터의 패킷들이 물리 계층 ARQ 송신기(26a)로 전송되는 가입자 장치(26)로 구성된다. 상기 메시지는 스위치(26d), 가입자 안테나(25) 및 무선 인터페이스(27)를 통해 기지국 안테나로 전송된다. 마찬가지로, 상기 AMC 제어기는 채널의 재전송 통계치를 사용하여 상기 변조 및 부호화 방식을 변경할 수 있다.
도 1a의 수신기(1a)와 유사한, 물리 계층 ARQ 수신기(22a)는 상기 메시지가 재전송을 요구하는 허용가능한 오류율을 갖고 있는지를 결정한다. 긍정 응답 송신기는 가입자 장치(26)에 상태를 보고하는데, 이것은 상기 송신기(26a)가 상위 계층들(28)로부터 다음 메시지들을 수신하기 위한 준비로서 송신기(26a)에 임시로 저장된 원래의 메시지를 재전송하거나 대안적으로 제거하도록 한다. 성공적으로 수신된 패킷들은 추가 처리를 위하여 상기 네트워크(24)로 송신된다.
단순화를 위하여 도시되지 않았을지라도, 바람직하기로는 상기 시스템은, 다른 구현들이 사용될 수 있을지라도, BFWA 시스템에서 HSDPA 애플리케이션을 위해 사용된다. 상기 BFWA 시스템은 주파수 분할 듀플레스 또는 시분할 듀플렉스 SC-FDE 또는 OFDMA를 사용할 수 있다. 이러한 시스템에 있어서, 상기 기지국 및 모든 상기 가입자들은 고정된 위치에 있다. 상기 시스템은 기지국 및 많은 수의 가입자 장치들을 포함할 수 있다. 각 가입자 장치는 예를 들어, 하나의 빌딩 또는 몇몇의 이웃하는 빌딩들내의 다수의 사용자들을 담당할 수 있다. 이들 애플리케이션들은 전형적으로 하나의 가입자 장치 사이트에서의 많은 수의 최종 사용자들로 인하여 넓은 대역폭을 요구한다.
이러한 시스템에 배치된 PHY ARQ는 매체 액세스 제어기들(MAC: medium access controller)과 같은, 상위 계층에 대해 투명하다. 그 결과, PHY ARQ는 계층 2와 같은, 상위 계층 ARQ들과 함께 사용될 수 있다. 이러한 경우들에 있어서, 상기 PHY ARQ는 상위 계층 ARQ들의 재전송 오버헤드를 감소시킨다.
도 3은 PHY ARQ(30)에 대한 N-채널 정지 및 대기 구조의 도면이다. 물리 계층 ARQ 송신기 기능(38)은 다운링크, 업링크 또는 양자의 PHY ARQ들이 사용되는지에 따라 상기 기지국, 가입자 장치 또는 양자에 위치할 수 있다. 네트워크 블록들은 무선 인터페이스(43)의 데이터 채널(41) 상에서 전송을 위해 큐(34)에 배치된다. N-채널 순서기(36)는 순차적으로 상기 블록들의 데이터를 상기 N 송신기들(40-1 내지 40-n)로 송신한다. 각 송신기(40-1 내지 40-n)는 데이터 채널(41)에서의 송신 시퀀스와 관련된다. 각 송신기(40-1 내지 40-n)는 상기 블록 데이터를 순방향오류 정정(FEC) 부호화하고 상기 데이터 채널(41)에서 AMC 변조 및 전송을 위한 패킷들을 생성하기 위하여 상기 블록 데이터에 대한 전송 오류 검사 시퀀스(ECS)를 제공한다. 상기 FEC 부호화된/ECS 데이터는 가능한 재전송을 위해 상기 송신기(40-1 내지 40-n)의 버퍼에 저장된다. 부가적으로, 제어 정보는 상기 수신기들(46-1 내지 46-n)에서 수신, 복조 및 복호화를 동기화하기 위하여 상기 물리 계층 ARQ 송신기(38)로부터 송신된다.
상기 N 수신기들(46-1 내지 46-n) 각각은 그것의 관련된 타임 슬롯에서 상기 패킷을 수신한다. 상기 수신된 패킷은 각각의 혼성 ARQ 복호기(50-1 내지 50-n)(50)으로 송신된다. 상기 혼성 ARQ 복호기(50)는 상기 수신된 패킷들에 대한, BER 또는 BLER과 같은, 오류율을 결정한다. 상기 패킷이 허용가능한 오류율을 갖는 경우, 그것은 추가 처리를 위하여 상위 레벨들로 해제되고 ACK가 상기 ACK 송신기(54)에 의해 송신된다. 상기 오류율이 허용할 수 없는 경우 또는 아무런 패킷도 수신되지 않는 경우, 아무런 ACK도 송신되지 않거나 NAK가 송신된다. 허용할 수 없는 오류율들을 갖는 패킷들은 재전송된 패킷과 잠재적인 결합을 위하여 복호기(50)에서 버퍼링된다.
터보 코드(trubo code)들을 사용하여 패킷들을 결합하기 위한 하나의 접근법은 다음과 같다. 터보 부호화된 패킷이 허용할 수 없는 오류율을 가지고 수신되는 경우, 상기 패킷 데이터는 코드 결합을 용이하게 하기 위하여 재전송된다. 동일한 데이터를 포함하는 패킷은 다르게 부호화된다. 상기 패킷 데이터를 복호화하기 위하여, 패킷들 양자는 원래의 데이터를 회복시키기 위하여 터보 복호기에 의해 처리된다. 두번째 패킷은 다른 부호화를 가지기 때문에, 그것의 소프트 심볼들은 상기 복호화 방식에서 다른 포인트들로 매핑된다. 다른 부호화를 갖는 두 패킷들을 사용하는 것은 전체 BER을 개선하기 위하여 부호화 다이버시티 및 전송 다이버시티를 부가한다. 다른 접근법에 있어서, 동일한 신호가 전송된다. 상기 수신된 두 패킷들은 심볼들의 최대 속도 결합을 사용하여 결합된다. 상기 결합된 신호는 그 후에 복호화된다.
각 수신기(46-1 내지 46-n)에 대한 ACK는 고속 피드백 채널(FFC: fast feedback channel)(45)로 송신된다. 바람직하기로는 상기 고속 피드백 채널(45)은 낮은 잠복 채널(low latency channel)이다. 시분할 듀플렉스 시스템을 위하여, 상기 ACK들은 업스트림 및 다운스트림 전송들간의 유휴 기간에 송신될 수 있다. 바람직하기로는, 상기 FFC(45)는 저속의, 다른 대역내 전송들 위에 놓인 고 대역폭 CDMA 채널이다. 상기 FFC CDMA 코드들 및 변조들은 다른 대역내 전송들에 대한 간섭을 최소화하도록 선택된다. 이러한 FFC(45)의 용량을 증가시키기 위하여, 다중 코드들이 사용될 수 있다.
ACK 수신기(56)는 상기 ACK들을 검출하고 상기 ACK가 수신되었는지를 대응하는 송신기(40-1 내지 40-n)에 알린다. 상기 ACK가 수신되지 않은 경우, 상기 패킷은 재전송된다. 상기 재전송된 패킷은 상기 AMC 제어기(12c, 26c)에 의해 보내지는 바와 같이 다른 변조 및 부호화 방식을 가질 수 있다. 상기 ACK가 수신되는 경우,상기 송신기(40-1 내지 40-n)는 상기 버퍼로부터 이전의 패킷을 제거하고 전송을 위해 후속 패킷을 수용한다.
송신기들 및 수신기들의 수(N)는 채널 용량 및 ACK 응답 시간과 같은, 다양한 설계 고려사항들에 근거한다. 이전에 설명된 바람직한 시스템을 위하여, 바람직하기로는, 짝수와 홀수 송신기들 및 수신기들을 갖는 2-채널 구조가 이용된다.
바람직한 실시예의 상기 PHY ARQ 기술은 상위 계층 ARQ만을 사용하는 시스템과 비교하여 신호대 잡음비(SNR: signal to noise ratio)에서 7db 이득을 제공한다. 이것은 더 높은 오류율들(BLER)(5-20% BLER)에서 동작함으로써 그리고 상위 계층 ARQ 단독으로 실시하는 것보다 계층 1을 위해 더 작은 블록 크기들을 사용함으로써 발생한다. 감소된 SNR 요건은, 적응 변조 및 부호화(AMC) 기술을 채용하는 고차 변조로 전환함에 의한 증가된 용량; 감소된 구현 성능을 보상하는 상기 PHY ARQ와 함께 저등급 RF(무선 주파수) 구성요소들을 사용함에 의한 저 고객 댁내 장치(CPE: customer premise equipment) 비용; 셀 반경을 확장하는 증가된 다운링크 범위; 셀-셀 간섭을 최소화하기 위한 기지국(BS: base station)에서의 감소된 다운링크 전력; 및 다중-반송파 기술을 채용할 때 증가된 전력 증폭기(PA: power amplifier) 백-오프(back-off)를 허용한다.

Claims (1)

  1. 물리 계층 자동 반복 요청 메커니즘을 갖는 단일 반송파-주파수 영역 등화(SC-FDE: single carrier-frequency domain equalization) 기지국에 있어서,
    데이터를 수신하고 상기 수신된 데이터를 패킷들로 포맷팅하기 위한 물리 계층 송신기로서, 각 패킷은 특정 부호화/데이터 변조를 가지며, 상기 특정 부호화/데이터 변조는 SC-FDE 변조 및 순방향 오류 정정(FEC: forward error correction) 부호화를 사용하고, 상기 패킷들을 송신하며 주어진 패킷에 대한 대응하는 긍정 응답을 수신하지 않는 것에 응답하여 패킷들을 재전송하는 물리 계층 송신기; 및
    재전송 통계치들을 수집하고 상기 수집된 통계치들을 사용하여 상기 특정 부호화/데이터 변조를 조정하기 위한 적응 변조 및 부호화(AMC: adaptive modulation and coding) 제어기를 구비하는 송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 물리 계층 자동 반복 요청 메커니즘을 갖는 단일 반송파-주파수 영역 등화 기지국.
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