KR20050043302A - 무선 통신 시스템에서 서비스 품질을 보장하기 위한 복합자동 재전송 요구 방법 - Google Patents

무선 통신 시스템에서 서비스 품질을 보장하기 위한 복합자동 재전송 요구 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 패킷 데이터의 전송을 위한 복합 자동 재전송요구(HARQ) 방식에 따라 패킷 데이터와 부가정보를 전송함에 있어서 데이터 수율과 서비스 품질을 최적화하기 위한 것으로서, 송신장치의 재전송 제어기는 패킷 데이터의 전송 에러 정정을 위해 상기 패킷 데이터의 서비스 우선순위에 따라 요구되는 패킷 차단율을 만족하면서 데이터 수율을 최대로 하는 부가정보의 크기를 결정하고, 송신기는 상기 패킷 데이터에 대한 재전송 요구가 있을 시 상기 결정된 크기를 가지는 부가정보를 전송한다. 이러한 본 발명은 HARQ 방식에서 매 재전송시마다 다양한 크기를 가지는 부가정보를 전송함으로써 사용자별로 요구된 서비스 품질을 만족하면서 수율을 최대로 하고, 다양한 크기를 가지는 부가정보에 해당하는 ACK 또는 NACK를 효율적으로 수신할 수 있다.

Description

무선 통신 시스템에서 서비스 품질을 보장하기 위한 복합 자동 재전송 요구 방법{HYBRID AUTOMATIC REPEAT REQUEST METHOD FOR SUPPORTING QUALITY OF SERVICE IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEMS}

본 발명은 패킷 데이터의 전송을 위한 복합 자동 재전송요구(Hybrid Automatic Repeat Request: 이하 HARQ라 칭함)에 관한 것으로서, 특히 패킷 데이터와 부가정보를 전송함에 있어서 데이터 수율과 서비스 품질을 최적화하기 위한 방법 및 장치에 관한 것이다.

오늘날 무선통신시스템은 음성 위주의 서비스 제공에서 벗어나 데이터 서비스 및 멀티미디어 서비스 제공을 위해 고속, 고품질의 무선 데이터 패킷 통신시스템으로 발전하고 있다. 현재 3GPP(3rd Generation Partnership Project) 및 3GPP2를 중심으로 진행되고 있는 HSDPA(High Speed Down-link Packet Access) 및 1xEVDV(Evolution Data and Voice)에 대한 표준화는 3세대 무선통신 시스템에서 2Mbps 이상의 고속, 고품질의 무선 데이터 패킷 전송 서비스에 대한 해법을 찾기 위한 노력의 대표적인 반증이라 볼 수 있다. 한편, 4세대 무선통신시스템은 그 이상의 고속, 고품질의 멀티미디어 서비스 제공을 근간으로 하고 있다.

이러한 무선통신을 수행하는 무선통신 시스템에서 고속, 고품질의 데이터 서비스를 저해하는 요인은 대체적으로 채널 환경에 기인한다. 상기 무선통신을 위한 채널은 백색잡음 외에도 페이딩에 의한 수신된 신호전력의 변화, 음영(Shadowing), 단말기의 이동 및 빈번한 속도 변화에 따른 도플러효과, 타 사용자 및 다중경로 신호들에 의한 간섭 등으로 인해 채널 환경이 자주 변하게 된다. 따라서, 상기의 고속 무선 데이터 패킷 서비스를 제공하기 위해서는 기존 2세대 혹은 3세대 무선통신시스템에서 제공되던 일반적인 기술 외에 채널 변화에 대한 적응 능력을 높일 수 있는 다른 진보된 기술이 필요하다. 종래 무선통신시스템에서 채택하고 있는 고속 전력제어 방식도 채널 변화에 대한 적응 능력을 높여주지만, 고속 데이터 패킷 전송시스템의 표준화 작업을 진행하고 있는 3GPP, 3GPP2에서는 적응 변복조/부호화(Adaptive Modulation & Coding Scheme: 이하 AMCS라 칭함) 및 복합 자동 재전송(Hybrid Automatic Repeat Request: 이하 HARQ라 칭함) 기법을 공통적으로 언급하고 있다.

복합재전송 기법(HARQ)은 전송된 데이터 패킷에 에러가 발생하여 상기 에러를 보상해 주기 위해 패킷의 재전송이 요구될 때 사용되는 소정의 재전송 제어 기법을 의미하는 것으로서, 체이스 결합 기법(Chase Combining, 이하 "CC"라 칭함), 리던던시 증가 기법(Incremental Redundancy, 이하 IR이라 칭함)으로 구분할 수 있다. 통상 CC HARQ(HARQ with CC)는 유형 1(Type I)이라 칭해지며 IR HARQ(HARQ with IR)는 유형 2(Type II)라 칭해진다.

CC는 재전송 시 초기 전송과 동일한 전체 패킷을 단순 전송하는 방식으로, 수신기에서는 재전송된 패킷과 수신 버퍼에 저장되어 있던 초기전송 패킷을 소정의 방식에 의해 결합함으로써 복호화기로 입력되는 부호화 비트들에 대한 신뢰도를 향상시켜 전체적인 무선통신시스템의 성능이득을 얻을 수 있다. 이때, 동일한 두 개의 패킷들을 결합하는 것은 반복 부호화와 유사한 효과가 발생하므로 평균적으로 약 3dB 정도의 성능이득 효과를 얻을 수 있다.

IR은 초기 전송 패킷과 동일한 패킷 대신에 정보비트들과 잉여비트들로 이루어진 다른 패킷을 전송하는 방법으로서 복호화시에 초기 전송 시 수신된 비트들뿐만 아니라 새로운 비트들을 이용하여 부호화함으로써 결과적으로 부호화 이득을 증가시키게 되어 복호화 성능을 증대 시켜주게 된다. 일반적으로 낮은 부호화율에 의한 성능 이득이 반복 부호화에 의한 성능 이득보다 더 크다는 것은 부호화 이론에서 이미 잘 알려진 사실이다. 따라서 성능 이득만을 고려할 경우, IR은 CC에 비해 통상적으로 더 좋은 성능을 나타낸다.

무선통신 환경에서 한정된 무선 자원을 효율적으로 활용하기 위해서는 다양한 채널 환경과 다양한 트래픽 속성을 지닌 사용자들이 자원을 공유해야 하므로 이러한 공유 자원을 요청하기 위한 효율적인 방안이 필요하다. 특히, 다양한 품질(Quality of Service: 이하 QoS라 칭함)의 서비스를 효율적으로 제공해 주기 위해서는 서비스 등급, 사용자 등급 등의 우선도에 따라 차별화를 실행하는 동시에 전체적으로 최대의 수율(throughput)을 얻을 필요가 있다.

그러나 기존의 HARQ 기술에서는 재전송시에 전송되는 패킷의 내용을 달리 할 뿐 재전송 패킷의 크기를 조절할 수 없어 데이터 패킷별로 주어진 서비스 품질, 즉 차단율(blocking rate)과 지연을 효율적으로 보장할 수 없었다. 이러한 이유로 HARQ에서 가변의 재전송 데이터를 전송하고 다양한 크기의 데이터 전송에 대해서 효율적으로 응답을 수신하는 기술을 필요로 하게 되었다.

따라서 상기한 바와 같이 동작되는 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 창안된 본 발명은, 다양한 우선순위를 가지는 서비스를 효과적으로 제공할 수 있는 HARQ 방법을 제공한다.

본 발명은 다양한 우선순위를 가지는 서비스를 효과적으로 제공할 수 있는 단말 및 기지국의 동작 방법을 제공한다.

본 발명은 다양한 우선순위를 가지는 서비스를 효과적으로 제공하기 위하여 가변 크기의 재전송 데이터를 송신하고 각 재전송 데이터에 대한 응답을 수신하는 방법을 제공한다.

본 발명은 복합 자동 재전송요구(HARQ) 시스템에서 서비스 우선순위에 따라 재전송 패킷의 크기를 제어하는 방법을 제공한다.

본 발명은 복합 자동 재전송요구(HARQ) 시스템에서 서비스 우선순위에 따라 가변의 재전송 데이터를 포함하는 재전송 패킷의 크기를 계산하는 방법을 제공한다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여 창안된 본 발명의 실시예는, 무선통신 시스템에서 패킷 데이터를 전송하기 위한 복합 자동 재전송요구 방법에 있어서,

패킷 데이터의 전송 에러 정정을 위한 부가정보의 크기를 결정하는 과정과,

상기 패킷 데이터에 대한 재전송 요구가 있을 시 상기 결정된 크기를 가지는 부가정보를 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 다른 실시예는, 무선통신 시스템에서 패킷 데이터를 전송하기 위해 복합 자동 재전송요구를 사용하는 송신장치에 있어서,

패킷 데이터의 전송 에러 정정을 위한 부가정보의 크기를 결정하는 재전송 제어기와,

상기 패킷 데이터에 대한 재전송 요구가 있을 시 상기 결정된 크기를 가지는 부가정보를 전송하는 송신기를 포함하는 것을 특징으로 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대한 동작 원리를 상세히 설명한다. 하기에서 본 발명을 설명함에 있어 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

계층적 구조를 가지는 대부분의 통신 시스템에서 전송하고자 하는 데이터 패킷들은 전송 매체 및 서비스의 특징에 따라 프레이밍(Framing) 절차를 거친다. 이러한 프레이밍은 매체를 통한 데이터의 전송에 있어서 상위 계층과 하위 계층의 기능적 경계를 구분하기 위하여 필수적이다.

도 1은 무선통신 시스템의 계층적 데이터 구조를 나타내었다. 여기에서는 제3 세대 이동통신의 하나인 UMTS(Universal Mobile Telecommunications Services)의 무선접속 네트워크(UMTS Terrestrial Radio Access Network: 이하 UTRAN이라 칭함)를 위한 데이터 구조를 나타내었다.

상기 도 1을 참조하면, 참조번호 10은 전형적인 IP(Internet Protocol) 패킷의 형태로 구성된 네트워크 제3 계층인 무선링크 제어(Radio Link Control: RLC라 표기함) 계층의 서비스 데이터 유닛(Service Data Unit: SDU라 표기함)을 나타낸다. 상기 RLC SDU(10)은 참조번호 12와 같이 하위 계층의 전송 가능한 크기를 가지는 복수의 데이터 블럭들로 분할된다.

상기 분할된 블럭들 각각은 참조번호 14에 나타낸 바와 같이 헤더와 RLC 페이로드로 구성된다. 상기 헤더는 참조번호 16에 나타낸 바와 같이 시퀀스 번호(Sequence Number: SN이라 표기함)와 길이 지시자(Length Indicator: LI라 표기함)를 포함한다. 상기 데이터 블럭들(14)은 참조번호 26과 같이 네트워크 제2 계층인 매체액세스제어(Media Access Control: MAC이라 표기함) 계층의 페이로드가 된다.

참조번호 18은 MAC 계층의 헤더를 나타낸다. 상기 MAC 헤더는 참조번호 20에 나타낸 바와 같이 사용자 식별자와, 서비스 품질(즉 등급)과, 리던던시 버전(Redundancy version)과, 트래픽 채널의 할당정보와, 트래픽 채널의 변조정보 등을 포함한다. 상기 MAC 헤더는 참조번호 22에 나타낸 바와 같이 LDPC(Low Density Parity Check) 부호화와 BPSK(Binary Phase Shift Keying) 변조 등을 거쳐, 트래픽 제어채널(24)을 통해 전송된다.

한편 MAC 페이로드(26)는 에러 확인을 위한 소정 CRC(Cyclic Redundancy Codes)(28)이 부가된 후 참조번호 30 및 32에 나타낸 같이 LDPC 부호화와 변조 등을 거쳐, 트래픽 채널(34)을 통해 전송된다.

상기와 같은 데이터 구조에 있어서 부호화 및 변조 등의 처리는 네트워크 제1 계층인 물리계층에서 이루어진다. 물리계층에서는 상위계층과는 별도로 자체적인 에러복구를 위한 HARQ를 지원한다. 앞서 설명한 바와 같이 HARQ는 부호화된 데이터에 전송 에러가 발생하였음을 감지하면 해당 전송 에러를 복구할 수 있는 부가정보(redundancy information)를 재전송하여, 수신측에서 이전 수신한 데이터와 상기 부가정보를 결합하여 상기 전송 에러를 복구하도록 하는 일련의 처리를 말한다. 특히 유형 2의 HARQ는 초기전송 데이터와는 다른 내용을 가지는 부가정보를 전송하여 복호 성능을 향상시킨다.

도 2는 본 발명에 따른 HARQ 시스템의 물리계층 송신 구조를 나타낸 것이고, 도 3은 본 발명에 따른 HARQ 시스템의 물리계층 수신 구조를 나타낸 것이다. 기지국으로부터 사용자 단말로의 하향링크(Downlink) 송신의 경우 도 2의 구성은 기지국이 되고 도 3의 구성은 사용자 단말이 된다. 반대로 사용자 단말로부터 기지국으로의 상향링크(Uplink) 송신의 경우 도 2의 구성은 사용자 단말이 되고 도 3의 구성은 기지국이 된다.

상기 도 2를 참조하면, CRC 부가기(110)는 상위계층(즉 MAC 계층)으로부터 전달되는 사용자 데이터(도 1에 나타낸 MAC 페이로드 26)에 소정 패킷 단위로 에러 정정을 위한 CRC(도 1의 CRC 28)를 부가하고, 채널 부호기(Channel Encoder)(120)는 상기 CRC를 포함하는 한 패킷의 정보를 소정 부호율(code rate)에 따라 부호화한다. 여기서 채널 부호기(120)의 입력은 부호화 패킷(Encoder Packet)이라 칭해진다. 채널 부호기(120)의 출력 스트림(이하 부호화 스트림(Encoded Stream)이라 칭함)은 재전송 버퍼(130)에 저장된다. 그리고 재전송 버퍼(130)는 재전송 제어기(150)의 제어하에 요구된 데이터를 출력한다.

이때 재전송 버퍼(130)의 출력 데이터는 적용되는 HARQ의 종류에 따라, 부호화 패킷 또는 부호화 패킷의 에러정정 정보의 전부 또는 일부를 포함할 수 있다. 일 예로서 LDPC 부호화가 사용되는 경우 부호화 패킷을 입력으로 하여 생성되는 부호화 스트림은 상기 부호화 패킷을 나타내는 시스티메틱(Systemetic) 비트들과 상기 부호화 패킷의 에러정정 정보를 나타내는 패리티(Parity) 비트들을 포함한다.

그러면 초기전송 데이터는 상기 시스티메틱 비트들을 적어도 포함하여 구성된다. 그리고 재전송 데이터, 즉 에러정정을 위한 부가정보는 재전송 회수에 따라 상기 패리티 비트들만으로 구성되거나, 상기 시스티메틱 비트들의 일부와 상기 패리티 비트들로 구성된다. 한가지 예로서 매 재전송시마다 서로 다른 패리티 비트들로 구성된 부가정보가 출력될 수 있다. 이는 복호화 시에 재전송 데이터를 초기전송 데이터와 조합함으로써 보다 양호한 복호 이득을 얻도록 하기 위함이다.

변조기(140)는 재전송 버퍼(130)로부터의 출력 데이터를 BPSK(Binary Phase Shift Keying), QAM(Quadrature Amplitude Modulation), 16QAM(16-ary QAM), 64QAM(64-ary QAM) 중 어느 하나의 변조방식에 따라 변조하여 전송을 위해 출력한다. 도시하지 않을 것이지만 상기 변조된 출력 데이터는 소정 확산 코드들에 의해 확산된 후 반송파에 실려 송신 안테나를 통해 방사된다.

재전송 제어기(150)는 본 발명의 실시예에 따른 특징적인 구성요소로서, 후술되는 설명과 같이 재전송 버퍼(130)로부터 출력되는 재전송 데이터의 크기를 결정한다. 여기서 재전송 데이터라 함은 초기 전송된 데이터의 에러를 복구하기 위하여 전송하는 부가정보를 의미하는 것으로서, 더 이상 에러가 발생하지 않거나 또는 미리 정해지는 최대 전송회수에 도달하기까지 반복적으로 전송된다.

부가정보는 적용되는 HARQ 방식의 종류에 따라 매 전송시마다 서로 다른 또는 동일한 데이터 비트들을 포함할 수 있다. 그러나 각각의 부가정보에 포함되는 데이터는 본 발명의 주된 고려대상이 아니므로 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 즉 본 발명에서는 단지 부가정보의 크기만을 고려하고 있으며, 본 발명에 따라 결정된 크기를 가지는 부가정보에는 알려진 기술에 따른 데이터가 포함됨 수 있음에 유의하여야 한다.

상기 도 3을 참조하면, 수신 안테나를 통해 수신된 반송파 대역의 신호는 기저대역으로 하강 변환되고 소정 확산 코드들에 의하여 역확산된 후 복조기(Demodulator)(210)로 입력된다. 복조기(210)는 수신 데이터를 송신기에 의해 사용된 변조방식에 대응하는 복조방식에 따라 복조하여 수신 버퍼(220)로 출력한다. 수신 버퍼(220)는 복조기(210)로부터의 출력 데이터를 시스티메틱인지 또는 패리티인지의 여부에 따라 구분하여 저장한다.

수신 버퍼(220)는 수신 제어기(250)의 제어하에, 저장된 데이터를 채널 복호기(230)로 전달한다. 이때 채널 복호기(230)로는 동일 패킷 식별자를 가지는 데이터가 입력되고, 채널 복호기(230)는 입력된 데이터를 송신기에 의해 사용된 부호율에 따라 복호하여 한 패킷의 정보 비트들을 출력한다. 이때 채널 복호기(230)는 동일 패킷 식별자를 가지는 데이터를 결합하여 에러 복구를 시도한다. CRC 검사기(240)는 상기 복호된 데이터에 대하여 패킷 단위로 CRC 검사를 수행하고 그 결과를 수신 제어기(250)로 제공하는 한편, 정상인 것으로 판단된 패킷 데이터는 상위계층으로 전달한다.

유형 2의 HARQ는 채널 상황에 따라서 총 전송되는 부가정보의 합이 결정되는 링크 적응 방식이다. 완벽하게 채널 상황에 적응하기 위해서는 최소화된 부가정보를 여러 번 전송하는 방식이 유리하다. 그러나 이러한 경우 여러 번의 데이터 전송으로 인해 전송 지연이 커지게 되는 단점이 발생한다. 그러므로 본 발명에서는 각 패킷에 따라 각각의 서비스 품질(QoS)에 따른 등급을 보장하기 위한 부가정보의 크기를 매 전송시마다 결정한다.

즉 송신기는 에러 발생으로 인하여 부가정보를 전송할 때, 서비스 등급이 높은 패킷일수록 많은 양의 부가정보를 보낸다. 여기서 서비스 등급 또는 서비스 우선순위란 패킷의 지연에 관한 서비스 품질을 의미하며 작은 지연 또는 낮은 차단율을 요구하는 패킷일수록 서비스 등급이 높다고 할 수 있다.

도 4는 본 발명에 따른 데이터의 전송을 시간축 상에서 보인 것이다.

상기 도 4의 (A)는 본 발명에 따라 패킷들 A,B,C,D의 부가정보를 반복적으로 전송하는 동작을 나타낸 것이다. 여기서 패킷들 A,B,C,D의 서비스 우선순위들은 순서대로 A<B<C<D의 관계를 가진다. 도시한 바와 같이 각 패킷의 부가정보는 매 전송시마다 서비스 우선순위와 지연에 따라 서로 다른 크기를 가지고 전송된다.

(B)는 이상적인 채널(perfect channel)에서의 데이터 전송 동작을 나타낸 것이다. 이 경우 각 패킷의 부가정보는 실제 패킷보다 2배의 크기를 가지고 전송되어 (A)에서보다 더 빠르게 모든 패킷을 전송할 수 있다. 이 경우 부호율은 1/2라고 할 수 있다. 반면 (C)에 나타낸 에러 채널(erroneous channel)의 경우 각 패킷의 부가정보는 서비스 우선순위나 지연과는 관계없이 항상 동일한 크기를 가지고 전송된다. 여기서 부가정보의 크기가 패킷 크기의 3배라고 하면 부호율은 1/3이라고 할 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합 자동 재전송 요구 동작을 나타낸 흐름도이다.

상기 도 5를 참조하면, 송신기는 과정(310)에서 한 패킷의 사용자 데이터를 전송한 뒤 과정(320)에서 상기 전송한 패킷에 대응하는 긍정응답(Acknowledgement: ACK)이 ACK 채널을 통해 수신되었는지를 확인한다. 만일 ACK가 수신되었으면 과정(310)으로 복귀하여 다음 패킷을 전송한다. 반면 ACK가 수신되지 않았거나 또는 부정응답(Non-acknowledgement: NACK)이 ACK 채널을 통해 수신되었으면 과정(330)으로 진행한다.

상기 과정(330)에서는 상기 패킷에 대응하는 부가정보의 전송회수에 따라 다음 전송할 부가정보의 크기를 결정한다. 상기 부가정보의 크기는 상기 사용자 데이터의 서비스 우선순위에 따라 정해진다. 여기서 서비스 우선순위란 통상 한 패킷의 사용자 데이터에 대해 허용 가능한 지연 값으로 표현된다. 과정(340)에서 상기 결정된 크기의 부가정보가 전송된다.

과정(350)에서 송신기는 상기 패킷에 대응하는 부가정보의 전송회수가 미리 정해지는 최대 전송회수에 도달하였는지를 확인한다. 이는 하나의 패킷에 대한 부가정보의 전송이 무한히 반복되는 것을 방지하기 위함이다. 만일 상기 최대 전송회수에 도달하였으면 과정(310)으로 복귀하여 다음 패킷을 전송하고, 그렇지 않으면 과정(320)으로 진행하여 상기 전송한 부가정보에 대응하는 ACK가 수신되었는지를 확인한다.

이미 언급한 바와 같이 하나의 패킷에 대응하는 부가정보의 크기는 해당 패킷의 서비스 우선순위에 따라 정해진다. 이때 서비스 우선순위는 패킷의 전송도중에 변화하는 값이 아니므로, 매 패킷의 발생시마다 각 전송회수에 대응하는 부가정보의 크기를 미리 결정하는 것이 가능하다.

송신기에서 부호기에 의해 부호화되어 재전송 버퍼에 저장되는 부호화 스트림은 최소의 전송 단위인 복수의 부가유닛들로 분할된다. 매 재전송시마다 재전송 버퍼는 재전송 제어기(150)의 제어하에 허용된 개수의 부가유닛들을 해당 전송회수의 부가정보로서 출력한다. 따라서 전송회수별 부가정보의 크기라 함은 전송되는 부가유닛들의 개수와 동일한 의미가 된다.

n회까지 부가정보를 전송하여 에러가 발생하지 않는 경우를 D0 n이라 하고, n회까지 부가정보를 전송하여 수신기에 의해 검출되지 않는 에러가 발생한 경우를 Du n이라 하고, n회까지 부가정보를 전송하여 에러가 검출되는 경우를 Dd n이라 하면, 하기 <수학식 1>이 성립한다.

하나의 패킷을 전송하기 위한 부가정보의 최대 전송회수가 제한되어 있지 않다고 할 때, 데이터의 전송 효율은 모든 재전송시에 전송되는 데이터의 크기를 최소화함으로써 최대화할 수 있다. 이때 평균 전송지연은 평균 전송회수 Tr(= 1(최초 전송회수) + 부가정보 전송회수)에 의해 계산되고 P(Du n)=0이라고 가정할 때 다음 <수학식 2>와 같이 주어진다.

여기서 P(Dd n)이라 함은 n회까지 부가정보를 전송하여 에러가 검출될 확률을 의미한다.

그러나 실제로 하나의 패킷을 전송하기 위한 최대 전송회수는 패킷 단위로 허용 가능한 지연 값인 D에 의해 제한된다. 즉 각 부가정보별 전송지연을 RTT(Round Trip Delay)라고 하며 최대 전송회수를 N이라 할 때 의 관계가 성립한다. 여기서 은 정수 부분을 추출하는 기호이다.

여기서 RTT란 하나의 패킷 또는 부가정보를 전송한 이후 ACK 또는 NACK를 수신하여 다음 부가정보 또는 새로운 패킷을 전송하기 전까지의 시간을 의미한다.

패킷/부가정보의 전송과 ACK/NACK의 수신이 시분할 다중화(Time Division Multiplexing: TDD)로 이루어지는 경우, 기지국은 단말로의 하향링크(downlink)로 패킷/부가정보를 전송한 직후에 단말로부터의 상향링크(uplink)의 미리 할당된 시간구간을 통해 ACK/NACK를 수신할 수 있다. TDD 시스템에서 이상적인 경우 RTT는 하향링크의 프레임 길이 Tdownlink와 상향링크의 프레임 길이 Tuplink의 합으로 주어진다.(RTT=Tdownlink+Tuplink) 그러나 실제로는 하향링크와 상향링크의 프레임들 사이에 기지국이 패킷/부가정보를 처리하고 ACK/NACK를 생성하기 위한 시간이 필요하므로, 실제로 RTT는 하향링크의 프레임 길이 Tdownlink와 상향링크의 프레임 길이 Tuplink 에 하향링크와 상향링크의 처리 시간(processing time) TPdownlink, TPuplink을 합한 값으로 주어진다.(RTT=Tdownlink+Tuplink+TPdownlink+TPuplink)

패킷/부가정보의 전송과 ACK/NACK의 수신이 주파수분할 다중화(Frequency Division Multiplexing: FDD)로 이루어지는 경우, 기지국에서 ACK/NACK의 처리를 위한 시간이 매우 적으므로 RTT는 단순히 ACK/NACK의 전송간격(Transmission Timing Interval: 이하 TTI라 칭함)에 따라 정해진다. ACK/NACK가 ACK 채널 상에서 지속적으로 나타난다면, RTT는 적어도 TTI와 전파시간(Propagation time)과 처리시간(processing time)의 합보다 크게 된다.(RTT >= TTI+전파시간+처리시간)

상기한 최대 전송회수 N을 고려하면 최대 전송회수까지 패킷을 전송하여 에러가 검출될 확률은 다음 <수학식 3>과 같이 주어진다.

상기 <수학식 3>과 같이 주어지는 에러 확률이 서비스 우선순위에 따라 요구되는 패킷 차단율보다 큰 경우에는 둘 이상의 부가유닛들이 하나의 부가정보로서 전송될 수 있다. 여기서 부가유닛의 크기를 Rmin이라고 한다면 재전송시 보내는 부가정보의 크기는 Rmin*n, 여기서 n은 2보다 크거나 같은 자연수가 된다.

본 발명에서는 허용 가능한 최대 전송회수 N을 이라 하고, 허용 가능한 기준 차단율 Br을 만족시키면서 수율을 최대화하기 위한 부가정보의 크기를 결정한다. 여기서 수율은 총 전송된 데이터 량에 대한, 전송하고자 하는 패킷의 크기의 비율로서 다음 <수학식 4>와 같이 나타내어진다.

여기서 k는 전송하고자 하는 패킷의 크기이고, Rmin은 전송 가능한 최소 데이터량, 즉 부가유닛의 크기이며, α는 평균적으로 전송된 부가유닛의 개수로서 다음 <수학식 5>와 같이 주어진다.

여기서 xi(i=1, 2, ... N)는 i번째 전송되는 부가정보가 포함하는 부가유닛들의 개수를 의미하며, (i-1)번째 전송에서 성공한 경우 i번째 전송은 이루어지지 않으므로 Rmin*α는 평균적으로 전송되는 데이터량(부가정보의 크기)이 된다.

또한 부가정보를 허용되는 지연 D 내에서 여러 번 재전송하여 전송에 실패할 확률은 패킷의 서비스 우선순위에 의해서 주어지는 패킷 차단율 Br보다 작아야 하므로 다음 <수학식 6>을 만족해야한다.

그러면 최종적으로 상기 <수학식 6>을 만족시키면서 <수학식 4>의 ??를 최대로 하는 x1, x2, ... xN이 데이터 수율과 패킷 차단율을 최적화하는 부가정보들의 크기가 된다.

상기 전송회수별 전송 실패율들 , , ... 은 주어진 부호화 방식(LDPC 부호 또는 터보 부호 등)에 따라 다양한 채널 상황에 대해 실험적으로 구해지는 값이다. 여기서 채널 상황이라 함은 신호대 잡음비, 수신신호세기, 채널응답 특성 등을 의미한다. 따라서 송신기는 다양한 채널 상황에 상기 확률 값들을 매핑하는 테이블을 가지고 있으면서, 매 패킷 전송시마다 각 전송회수마다 보내어야 하는 부가정보의 크기를 결정하게 된다. 이때 송신기는 패킷의 허용 가능한 지연 D 이내에서 채널 상황이 크게 변화하지 않는 것으로 간주한다.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 전송회수별 부가정보의 크기를 계산하는 동작을 나타낸 흐름도이다.

상기 도 6을 참조하면, 과정(410)에서 전송하고자 하는 패킷이 발생하면, 과정(420)에서 송신기는 상기 패킷의 크기와 평균 전송량을 이용하여 상기 <수학식 4>와 같이 데이터 수율을 계산한다. 여기서 평균 전송량이라 함은 매 전송회수별 에러확률에 따라 정해지는 값으로서, 전송회수별 에러확률은 사용되는 부호화 방식의 종류, 예를 들어 LDPC 또는 터보 부호와 채널 상황에 따라 실험적으로 정해진다.

과정(430)에서는 상기 전송회수별 에러확률을 이용하여 상기 <수학식 6>과 같이 전송 실패율이 계산된다. 여기서 전송 실패율이라 함은 최대 전송회수까지 부가정보를 전송한 경우에도 ACK를 수신하지 못하게 될 확률을 의미한다. 과정(440)에서는 상기 계산된 데이터 수율을 최대로 하면서, 상기 계산된 전송 실패율이 미리 정해지는 패킷별 차단율 이하가 되도록 하는 전송회수별 부가정보의 크기가 계산된다.

이상에서 설명한 본 발명의 바람직한 실시예에서는 매 전송시마다 부가정보의 크기가 변화하므로, 수신기에서 부가정보를 정상적으로 검출하기 위해서는 부가정보의 크기에 대한 정보를 획득하여야 한다. 부가정보의 크기에 대한 정보는 통상 트래픽 채널의 전송 파라미터들(즉 MAC 헤더와 같은)을 전달하는데 사용되는 제어채널을 통하여 통보된다.

도 7a와 도 7b는 부가정보의 크기를 통보하는 제어채널 구조의 일 예를 나타낸 것이다. 여기에서는 데이터를 복수의 부반송파들(Sub-carriers)을 통해 복수의 시간구간들 동안 전송하는 직교주파수 분할 다중화(Orthogonal Frequency Division Multiplexing: 이하 OFDM이라 칭함) 통신 시스템에서의 예를 나타내었다.

상기 도 7a는 제어채널의 데이터 프레임 구조를 나타낸 것으로서, 제어채널은 3비트의 부가 버전(Redundancy Version)과 3비트의 변조방식과 8비트의 트래픽 채널 할당정보와 ACK 채널 할당정보를 운반한다. 상기 변조방식은 트래픽 채널의 데이터 전송에 사용된 변조방식을 나타내며, 트래픽 채널 할당정보는 부가정보의 할당된 크기와 위치를 나타내며, ACK 채널 할당정보는 ACK/NACK의 할당된 크기와 위치를 나타낸다.

OFDM 시스템의 경우 매 부가정보의 전송시마다 트래픽 채널에서 각 부가정보에 대해 할당된 크기와 위치는 부반송파 및 시간구간으로 나타내어질 수 있다. 여기서 주파수 도약 패턴(Frequency Hopping Pattern)에 따른 몇 개씩의 부반송파들을 묶어서 행들을 구성한다. 각 행은 복수의 세그먼트들로 나누어지며 여기서 각각의 세그먼트는 각각 Rmin의 크기를 가지는 하나의 부가유닛을 전달할 수 있는 시간구간을 의미한다. 그러면 트래픽 채널 할당정보는 4비트의 행 번호(row number)와 4비트의 처음 세그먼트 번호(segment number) 및 4비트의 마지막 세그먼트 번호(last segment number)로 이루어질 수 있다.

상기 도 7b는 OFDM 프레임에서 트래픽 채널의 할당된 크기와 위치의 예들을 나타낸 것으로서, 여기서 가로축은 시간 차원을, 세로축은 주파수 차원을 나타내는 논리적인 채널 프레임 구조를 도시하였다. 도시한 바와 같이 기지국은 할당된 트래픽 세그먼트들의 위치를 수신기에게 알리기 위하여, 시간축 상에서 할당된 처음 세그먼트와 마지막 세그먼트 및 주파수 상에서 할당된 행의 번호를 사용자 단말에게 통보한다. 기지국은 아직 할당되지 않은 트래픽 세그먼트들 중 왼쪽의 세그먼트들부터 새로운 사용자 단말에게 할당한다. 이러한 트래픽 채널 할당정보의 구성은 적은 양의 비트만으로 사용자 단말에게 할당된 트래픽 채널을 쉽게 나타내어, 입상(Granularity)을 극대화시킬 수 있다.

앞서 언급한 바와 같이 패킷/부가정보에 대응하는 ACK/NACK는 트래픽 채널에 대응하는 ACK 채널을 통하여 전달된다. 각 사용자에게 할당되는 부가정보의 크기가 가변되는 경우 트래픽 채널에 1:1로 매핑되는, 즉 종속되는(Slaved) ACK 채널을 사용하는 것은 비효율적이다. 따라서 본 발명에서는 매 부가정보의 전송시마다 대응하는 ACK 채널의 시간축상의 위치를 할당하고, ACK 채널의 할당 정보를 제어채널을 통해 전송한다.

도 8과 도 9는 각각 TDD와 FDD의 경우에 ACK 채널의 동기식 할당을 나타낸 도면이다. 여기에서는 송신기가 수신기로 전송하는 하향링크 할당정보(Downlink Assignment Information)를 최소화하기 위하여 패킷/부가정보와 ACK/NACK와의 적절한 매핑 관계를 나타내었다.

상기 도 8을 참조하면, 시간축상에서 DL이라고 표시된 부분은 하향링크에 할당된 시간구간을 나타내며, UL이라고 표시된 부분은 상향링크에 할당된 시간구간을 의미한다. 제어채널을 통해 전송되는 하향링크 할당정보는 트래픽 채널의 할당된 위치와 ACK 채널의 할당된 위치간 매핑정보를 포함한다. 수신기는 상기 하향링크 할당정보에 해당하는 트래픽 채널의 시간슬롯들을 통해 패킷 또는 부가정보를 수신하며, 또한 상기 하향링크 할당정보에 해당하는 ACK 채널의 시간슬롯들을 통해 ACK 또는 NACK를 전송한다.

또한 상기 도 9를 참조하면, 하향링크와 상향링크는 서로 다른 주파수를 사용한다. 마찬가지로 하향링크 할당정보는 트래픽 채널에 대응하는 ACK 채널의 매핑정보를 나타내어, 수신기는 상기 하향링크 할당정보에 해당하는 트래픽 채널의 시간슬롯들을 통해 패킷 또는 부가정보를 수신하며, 또한 상기 하향링크 할당정보에 해당하는 ACK 채널의 시간슬롯들을 통해 ACK 또는 NACK를 전송한다.

도 10은 트래픽 채널과 ACK 채널간 매핑정보를 포함하는 OFDM 프레임 구조를 나타낸 것이다. 여기에서는 복수의 부반송파들을 사용하는 OFDM 시스템의 예를 나타내었다. 도시한 매핑정보의 세로축은 주파수를 나타내며 가로축은 시간구간을 나타낸다.

상기 도 10을 참조하면, 각 행은 M개의 부반송파들로 이루어져 있으며 따라서 각 행은 N개의 ACK 채널들을 가진다. 이는 주파수-시간 차원에서 채널 매핑정보가 직사각형을 이루도록 하기 위함이다. 각 ACK 채널은 하나의 OFDM 심볼을 사용한다. 트래픽 채널은 해당하는 행에 있는 ACK 채널에 매핑된다. OFDM 프레임에서 ACK 채널은 상향 및 하향링크에서 시간적으로 가장 나중에 나타남으로써 수신기에서는 ACK 또는 NACK를 전송하기 위해 필요한 처리시간을 얻을 수 있다.

한편, 이상에서는 매 트래픽 세그먼트의 전송시마다 ACK 채널을 할당하는 실시예에 대하여 설명하였으나, 신속한 ARQ 동작을 위해서 하향 패킷들을 수신하는 단말들은 활성 상태(Active State)에 있는 상향링크의 전용 제어채널(Dedicated Control Channel: DCCH)을 ACK/NACK의 전송을 위해 사용할 수 있다. 또한 상향링크 패킷들을 수신하는 기지국은 하향링크의 공용 채널(Common Shared Channel)을 ACK/NACK의 전송을 위해 사용할 수 있다.

이러한 실시예에서는 ACK 및 NACK가 트래픽 세그먼트와 동기되지 않은 채 전송되므로 송신기에서는 ACK 채널의 할당정보를 전송할 필요가 없게 된다. 수신기는 미리 정해지는 채널, 즉 전용 제어채널 또는 공용 채널을 통해서 ACK 또는 NACK를 수신한다. 이때 ACK 또는 NACK는 해당하는 패킷의 식별자를 포함한 채 전송되므로, 수신기는 상기 패킷의 식별자에 의해 ACK 또는 NACK가 어떤 패킷에 해당하는 것인지를 판별할 수 있다.

한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되지 않으며, 후술되는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

이상에서 상세히 설명한 바와 같이 동작하는 본 발명에 있어서, 개시되는 발명중 대표적인 것에 의하여 얻어지는 효과를 간단히 설명하면 다음과 같다.

본 발명은, 유형 2의 HARQ 방식에서 매 재전송시마다 다양한 크기를 가지는 부가정보를 전송함으로써 사용자별로 요구된 서비스 품질을 만족하면서 수율을 최대로 한다. 또한 다양한 크기를 가지는 부가정보에 해당하는 ACK 또는 NACK를 효율적으로 수신할 수 있도록 한다.

도 1은 무선통신 시스템의 계층적 데이터 구조를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명에 따른 HARQ 시스템의 물리계층 송신 구조도.

도 3은 본 발명에 따른 HARQ 시스템의 물리계층 수신 구조도.

도 4는 본 발명에 따른 데이터의 전송을 시간축 상에서 보인 도면.

도 5는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 복합 자동 재전송 요구 동작을 나타낸 흐름도.

도 6은 본 발명의 바람직한 실시예에 따라 전송회수별 부가정보의 크기를 계산하는 동작을 나타낸 흐름도.

도 7a와 도 7b는 본 발명에 따라 부가정보의 크기를 통보하는 제어채널 구조의 일 예.

도 8과 도 9는 각각 TDD와 FDD의 경우에 본 발명에 따른 ACK 채널의 동기식 할당을 나타낸 도면.

도 10은 본 발명에 따라 트래픽 채널과 ACK 채널간 매핑정보를 포함하는 OFDM 프레임 구조.

Claims (22)

  1. 무선통신 시스템에서 패킷 데이터를 전송하기 위한 복합 자동 재전송요구 방법에 있어서,
    패킷 데이터의 전송 에러 정정을 위한 부가정보의 크기를 결정하는 과정과,
    상기 패킷 데이터에 대한 재전송 요구가 있을 시 상기 결정된 크기를 가지는 부가정보를 전송하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 부가정보의 크기를 결정하는 과정은,
    상기 패킷 데이터의 서비스 우선순위에 따라 요구되는 패킷 차단율을 만족하면서 데이터 수율을 최대로 하는 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 부가정보의 크기를 결정하는 과정은,
    상기 패킷 데이터의 크기와 평균 전송량을 이용하여 전송회수별 부가정보의 크기들에 따른 데이터 수율을 계산하고, 전송회수별 에러확률을 이용하여 상기 전송회수별 부가정보의 크기들에 따른 전송 실패율을 계산하는 단계와,
    상기 데이터 수율을 최대로 하면서 상기 전송 실패율이 상기 패킷 데이터의 서비스 우선순위에 따라 요구된 패킷 차단율을 초과하지 않도록 하는 상기 전송회수별 부가정보의 크기들을 계산하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 데이터 수율은 하기 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
    여기서 η는 데이터 수율이고, k는 패킷 데이터의 크기이고, Rmin은 전송 가능한 최소 데이터의 크기이고, xi(i=1, 2, ... N)는 i번째 전송되는 최소 데이터의 개수이고, N은 최대 전송회수이고, 는 n번째까지 부가정보를 전송하여 에러가 발생할 확률을 나타냄.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 전송 실패율은 최대 전송회수까지 부가정보를 전송하여 에러가 발생할 확률인 것을 특징으로 하는 상기 방법.
  6. 제 4 항 또는 제 5 항에 있어서, 상기 최대 전송회수는,
    하나의 패킷 데이터 또는 부가정보를 전송한 이후 긍정응답(ACK) 또는 부정응답(NACK)를 수신하여 다음 부가정보 또는 새로운 패킷 데이터를 전송하기까지의 응답지연(RTT)에 대한, 상기 패킷 데이터에 대해 허용 가능한 지연시간 D의 비율로서 정의되는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
  7. 제 6 항에 있어서, 상기 응답지연은,
    상기 패킷 데이터 또는 상기 부가정보의 전송과 해당하는 ACK/NACK의 수신이 시분할 다중화(TDD)로 이루어지는 경우, 하향링크의 프레임 길이와 상향링크의 프레임 길이에 하향링크와 상향링크의 처리 시간을 합한 값으로 정해지는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
  8. 제 6 항에 있어서, 상기 응답지연은,
    상기 패킷 데이터 또는 상기 부가정보의 전송과 해당하는 ACK/NACK의 수신이 주파수분할 다중화(FDD)로 이루어지는 경우, ACK/NACK의 전송간격(TTI)과 전파시간과 처리시간의 합보다 적어도 큰 값으로 정해지는 것을 특징으로 것을 특징으로 하는 상기 방법.
  9. 제 3 항에 있어서, 상기 전송회수별 에러확률은,
    상기 패킷 데이터 또는 상기 부가정보를 전송하는데 사용된 부호화 방식과 채널 상황에 따라 미리 주어지는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
  10. 제 1 항에 있어서, 상기 부가정보의 크기에 대한 정보를 제어채널을 통해 전송하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 부가정보에 대응하는 ACK/NACK의 수신을 위해 할당되는 ACK 채널의 할당정보를 상기 제어채널을 통해 전송하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
  12. 제 11 항에 있어서, 상기 ACK 채널의 할당정보는,
    상기 부가정보와 대응하는 ACK/NACK의 매핑정보를 나타내는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
  13. 제 10 항에 있어서, 상기 부가정보에 대응하는 ACK/NACK의 수신을 위해 미리 정해지는 ACK 채널을 통해 상기 부가정보에 대응하는 ACK 또는 NACK를 수신하는 과정을 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 방법.
  14. 무선통신 시스템에서 패킷 데이터를 전송하기 위해 복합 자동 재전송요구를 사용하는 송신장치에 있어서,
    패킷 데이터의 전송 에러 정정을 위한 부가정보의 크기를 결정하는 재전송 제어기와,
    상기 패킷 데이터에 대한 재전송 요구가 있을 시 상기 결정된 크기를 가지는 부가정보를 전송하는 송신기를 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
  15. 제 14 항에 있어서, 상기 재전송 제어기는,
    상기 패킷 데이터의 서비스 우선순위에 따라 요구되는 패킷 차단율을 만족하면서 데이터 수율 최대가 되도록 상기 부가정보의 크기를 결정하는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
  16. 제 15 항에 있어서, 상기 데이터 수율은 하기 수학식에 의해 계산되는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
    여기서 η는 데이터 수율이고, k는 패킷 데이터의 크기이고, Rmin은 전송 가능한 최소 데이터의 크기이고, xi(i=1, 2, ... N)는 i번째 전송되는 최소 데이터의 개수이고, N은 최대 전송회수이고, 는 n번째까지 부가정보를 전송하여 에러가 발생할 확률을 나타냄.
  17. 제 15 항에 있어서, 상기 전송 실패율은 최대 전송회수까지 부가정보를 전송하여 에러가 발생할 확률인 것을 특징으로 하는 상기 장치.
  18. 제 16 항 또는 제 17 항에 있어서, 상기 최대 전송회수는,
    하나의 패킷 데이터 또는 부가정보를 전송한 이후 긍정응답(ACK) 또는 부정응답(NACK)를 수신하여 다음 부가정보 또는 새로운 패킷 데이터를 전송하기까지의 응답지연(RTT)에 대한, 상기 패킷 데이터에 대해 허용 가능한 지연시간 D의 비율로서 정의되는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
  19. 제 14 항에 있어서, 상기 송신기는,
    상기 부가정보의 크기에 대한 정보를 제어채널을 통해 전송하는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
  20. 제 19 항에 있어서, 상기 송신기는,
    상기 부가정보에 대응하는 ACK/NACK의 수신을 위해 할당되는 ACK 채널의 할당정보를 상기 제어채널을 통해 전송하는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
  21. 제 20 항에 있어서, 상기 ACK 채널의 할당정보는,
    상기 부가정보와 대응하는 ACK/NACK의 매핑정보를 나타내는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
  22. 제 19 항에 있어서, 상기 부가정보에 대응하는 ACK/NACK의 수신을 위해 미리 정해지는 ACK 채널을 통해 상기 부가정보에 대응하는 ACK 또는 NACK를 수신하는 수신기를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 상기 장치.
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