KR20050083085A - 직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 이동 통신 시스템에서트래픽 데이터 스케줄링 장치 및 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 이동통신 시스템에 관한 것으로, 하나 이상의 서브캐리어들을 하나의 부채널로 설정하여 전체 주파수 대역을 복수의 부채널들로 구분하고, 상기 복수의 부채널들과 복수의 직교 주파수 분할 다중 심볼들로 구성된 소정의 프레임에 대해 상기 각각의 부채널 및 직교 주파수 분할 다중 심볼들을 하나 이상의 사용자 단말들에게 할당하는 스케줄링 방법에 있어서, 상기 각 사용자 단말들에 대해 현재까지의 채널 상태 정보들로부터 이후 프레임에 대한 예측 채널 상태값을 추정하는 과정과, 상기 이후 프레임의 시간 구간에서 상기 각 사용자 단말들로부터 채널 상태 정보를 수신하고 상기 추정된 예측 채널 상태값과 비교하는 과정과, 상기 비교 결과, 상기 예측 채널 상태값의 추정이 성공적인 것으로 판단되면, 스케줄링 구간을 증가시키고, 상기 증가된 스케줄링 구간에 대해 상기 사용자 단말들에 전송되는 데이터들을 할당하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

Description

직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 이동 통신 시스템에서 트래픽 데이터 스케줄링 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR SCHEDULING TRAFFIC DATA IN MOBILE COMMUNICATION SYSTEM USING THE ORTHOGONAL FREQUENCY DIVISION MULTIPLE ACCESS}

본 발명은 이동통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 직교 주파수 분할 다중 접속 방식을 사용하는 이동통신 시스템에서 다수의 단말들에 대한 트래픽 데이터들을 스케쥴링하는 장치 및 방법에 관한 것이다.

1970년대 말 미국에서 셀룰라(cellular) 방식의 무선 이동 통신 시스템(Mobile Telecommunication System)이 개발된 이래 국내에서는 아날로그 방식의 1세대(1G; 1st Generation) 이동 통신 시스템이라고 할 수 있는 AMPS(Advanced Mobile Phone Service) 방식으로 음성 통신 서비스를 제공하기 시작하였다. 이후, 1990년대 중반에 2세대(2G; 2nd Generation) 이동 통신 시스템이 시작되어 상용화 되었으며 1990년대 말에 향상된 무선 멀티미디어, 고속 데이터 서비스를 목표로 시작된 3세대(3G; 3rd Generation) 이동 통신 시스템인 IMT-2000(International Mobile Telecommunication-2000)이 일부 상용화되어 서비스 운영되고 있다.

한편, 현재는 3세대 이동 통신 시스템에서 4세대(4G: 4th Generation) 이동 통신 시스템으로 발전해나가고 있는 상태이다. 상기 4세대 이동 통신 시스템은 이전 세대의 이동 통신 시스템들과 같이 단순한 무선 통신 서비스에 그치지 않고 유선 통신 네트워크와 무선 통신 네트워크와의 효율적 연동 및 통합 서비스를 목표로 하며 상기 3세대 이동 통신 시스템에서보다 고속의 데이터 전송 서비스를 제공하기 위한 기술들이 표준화되고 있다.

상기 이동 통신 시스템들에서 무선 채널로 신호를 전송하는 경우 전송된 신호는 송신기와 수신기 사이에 존재하는 다양한 장애물들에 의해 다중경로 간섭을 받는다. 상기 다중경로가 존재하는 무선 채널은 채널의 최대 지연 확산과 신호의 전송 주기로 특성을 규정짓는다. 상기 최대 지연 확산보다 신호의 전송 주기가 긴 경우에는 연속된 신호 사이에 간섭이 발생하지 않으며, 채널의 주파수 특성은 비선택적 페이딩(freqency nonselective fading)으로 주어진다.

그러나, 심벌(symbol) 주기가 짧은 고속 데이터 전송시에 단일 반송파(single carrier)방식을 사용하게 되면, 심벌간 간섭(intersymbol interference)이 심해지기 때문에 왜곡이 증가하게 되며, 이에 따라 수신단의 등화기(equalizer)의 복잡도도 함께 증가된다.

따라서, 상기 단일 반송파 전송방식에서 등화 문제를 해결하기 위한 대안으로 OFDM 방식을 사용하는 시스템이 제안되었다.

상기 OFDM 방식은 멀티-캐리어(Multi-Carrier)를 사용하여 데이터를 전송하는 방식으로서, 직렬로 입력되는 심벌(Symbol)열을 병렬 변환하여 이들 각각을 상호 직교성을 갖는 다수의 서브 캐리어(sub-carrier)들, 즉 다수의 서브 캐리어 채널(sub-carrier channel)들로 변조하여 전송하는 멀티캐리어 변조(MCM : Multi Carrier Modulation) 방식의 일종이다.

이와 같은 멀티캐리어 변조 방식을 적용하는 시스템은 1950년대 후반 군용 HF radio에 처음 적용되었으며, 다수의 직교하는 서브 캐리어를 중첩시키는 OFDM 방식은 1970년대부터 발전하기 시작하였으나, 멀티 캐리어들간의 직교 변조의 구현이 난이한 문제였었기 때문에 실제 시스템 적용에 한계가 있었다. 그러나 1971년 Weinstein 등이 상기 OFDM 방식을 사용하는 변복조는 DFT(Discrete Fourier Transform)를 이용하여 효율적으로 처리가 가능함을 발표하면서 OFDM 방식에 대한 기술개발이 급속히 발전했다. 또한 보호구간(guard interval)의 사용과 시클릭 프레픽스(cyclic prefix; 이하, 'CP'라 한다) 보호구간 삽입 방식이 알려지면서 다중경로 및 지연 확산(delay spread)에 대한 시스템의 부정적 영향을 더욱 감소시키게 되었다.

따라서, 상기 OFDM 방식은 디지털 오디오 방송(Digital Audio Broadcasting: DAB)과 디지털 텔레비젼, 무선 근거리 통신망(WLAN; Wireless Local Area Network) 그리고 무선 비동기 전송 모드(WATM; Wireless Asynchronous Transfer Mode) 등의 디지털 전송 기술에 광범위하게 적용되어지고 있다. 즉, 종래에는 하드웨어적인 복잡도(Complexity)로 인하여 널리 사용되지 못하다가 최근 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform; 이하 'FFT'로 칭하기로 한다)과 역 고속 푸리에 변환(Inverse Fast Fourier Transform; 이하 'IFFT'로 칭하기로 한다)을 포함한 각종 디지털 신호 처리 기술이 발전함으로써 실현 가능해졌다.

상기 OFDM 방식은 종래의 주파수 분할 다중(FDM; Frequency Division Multiplexing) 방식과 유사하나 무엇보다도 다수개의 서브 캐리어들간의 직교성(Orthogonality)을 유지하여 전송함으로써 고속 데이터 전송시 최적의 전송 효율을 얻을 수 있는 특징을 가지며, 또한 주파수 사용 효율이 좋고 다중 경로 페이딩(multi-path fading)에 강한 특성이 있어 고속 데이터 전송시 최적의 전송 효율을 얻을수 있다는 특징을 가진다.

또한, 주파수 스펙트럼을 중첩하여 사용하므로 주파수 사용이 효율적이고, 주파수 선택적 페이딩(frequency selective fading)에 강하고, 다중경로 페이딩에 강하고, 보호구간을 이용하여 심벌간 간섭(ISI: Inter Symbol Interference) 영향을 줄일 수 있으며, 하드웨어적으로 등화기 구조를 간단하게 설계하는 것이 가능하며, 임펄스(impulse)성 잡음에 강하다는 장점을 가지고 있어서 통신시스템 구조에 적극 활용되고 있는 추세에 있다.

그러면, 여기서 도 1을 참조하여 종래의 OFDM 방식을 사용하는 통신 시스템의 구조를 설명하기로 한다.

도 1은 종래의 OFDM 이동 통신 시스템의 송신기의 구성을 도시한 도면이다. OFDM 통신 시스템은 송신기(100) 및 수신기(150)로 구성된다.

상기 송신기(100)는 부호화기(104), 심벌 매핑기(106), 직렬/병렬 변환기(serial to parallel converter; 108), 파일럿 심벌 삽입기(pilot symbol inserter; 110), IFFT기(112), 병렬/직렬 변환기(parallel to serial converter; 114), 보호 구간 삽입기(guard interval inserter; 116), 디지털/아날로그 변환기(digital to analog converter; 118) 및 무선 주파수(Radio Frequency; 이하 'RF'라 한다) 처리기(processor; 120)로 구성된다.

상기 송신기(100)상에서, 사용자 데이터(102)는 부호화기(104)로 전송하고자 하는 사용자 데이터 비트(user data bits) 및 제어 데이터 비트(control data bits)를 발생시켜 출력시킨다. 부호화기(104)에서는 상기 데이터 송신기(102)에서 출력한 신호를 입력하여 해당 코딩(coding) 방식으로 코딩한 후 상기 심벌 매핑기(106)로 출력한다. 여기서, 상기 부호화기(104)는 해당 코딩 방식은 소정의 코딩 레이트(coding rate)를 가지는 터보 코딩(turbo coding) 방식 혹은 컨벌루셔널 코딩(convolutional coding) 방식 등으로 코딩한다. 상기 심벌 매핑기(106)는 상기 부호화기(104)에서 출력한 코딩된 비트(coded bits)를 해당 변조 방식으로 변조하여 변조 심벌을 생성하여 직렬-병렬 변환기(108)로 출력한다. 여기서, 상기 변조 방식으로는 일 예로, BPSK(Binary Phase Shift Keying), QPSK(Quadrature Phase Shift Keying) 방식, 16QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 혹은 64QAM(Quadrature Amplitude Modulation) 방식 등이 사용될 수 있다.

상기 직렬-병렬 변환기(108)는 상기 심벌 매핑기(106)에서 출력하는 직렬 변조 심벌들을 입력하여 병렬 변환한 후 상기 파일럿 심벌 삽입기(110)로 출력한다. 상기 파일럿 심벌 삽입기(110)는 상기 직렬/병렬 변환기(108)에서 출력한 병렬 변환된 변조된 심벌들에 파일럿 심벌들을 삽입한 후 IFFT기(112)로 출력한다. 상기 IFFT기(112)는 상기 파일럿 심벌 삽입기(110)에서 출력한 신호를 입력하여 N-포인트(N-point) IFFT를 수행한 후 상기 병렬/직렬 변환기(114)로 출력한다.

상기 병렬/직렬 변환기(114)는 상기 IFFT기(112)에서 출력한 신호를 입력하여 직렬 변환한 후 상기 보호 구간 삽입기(116)로 출력한다. 상기 보호 구간 삽입기(116)는 상기 병렬/직렬 변환기(114)에서 출력한 신호를 입력하여 보호 구간 신호를 삽입한 후 상기 디지털/아날로그 변환기(118)로 출력한다. 여기서, 상기 보호 구간은 상기 OFDM 통신시스템에서 OFDM 심벌을 송신할 때 이전 OFDM 심벌 시간에 송신한 OFDM 심벌과 현재 OFDM 심벌 시간에 송신할 현재 OFDM 심벌간에 간섭(interference)을 간섭을 제거하기 위해서 삽입된다. 또한, 상기 보호 구간은 일정 구간의 널(null) 데이터를 삽입하는 형태로 제안되었으나, 상기 보호 구간에 널 데이터를 전송하는 형태는 수신기에서 OFDM 심벌의 시작점을 잘못 추정하는 경우 서브 캐리어들간에 간섭이 발생하여 수신 OFDM 심벌의 오판정 확률이 높아지는 단점이 존재하여 시간 영역의 OFDM 심벌의 마지막 일정 비트들을 복사하여 유효 OFDM 심벌에 삽입하는 형태의 'Cyclic Prefix' 방식이나 혹은 시간 영역의 OFDM 심벌의 처음 일정 비트들을 복사하여 유효 OFDM 심벌에 삽입하는 'Cyclic Postfix' 방식으로 사용하고 있다.

상기 디지털/아날로그 변환기(118)는 상기 보호 구간 삽입기(116)에서 출력한 신호를 입력하여 아날로그 변환한 후 상기 RF 처리기(120)로 출력한다. 여기서, 상기 RF 처리기(131)는 필터(filter)와 전처리기(front end unit) 등의 구성들을 포함하며, 상기 디지털/아날로그 변환기(118)에서 출력한 신호를 실제 에어(air)상에서 전송 가능하도록 RF 처리한 후 송신 안테나(Tx antenna)를 통해 에어(air)상으로 전송한다.

상기에서는 송신기(100)에 대해서 설명하였으며, 다음으로 수신기(150)에 대해서 설명한다. 수신기(150)는 상기 송신기(100)의 역방향 구조를 가지게 된다.

상기 수신기(150)는 RF처리기(152), 아날로그/디지털 변환기(analog to digital converter; 154), 보호구간 제거기(156), 직렬/병렬 변환기(serial to parallel converter; 158), FFT기(160), 파일럿 심벌 추출기(162), 채널 추정기(164), 등화기(equalizer; 166), 병렬/직렬 변환기(parallel to serial converter; 168), 심벌 디매핑기(170) 및 복호화기(172)로 구성된다.

상기 수신기(150)상에서, 먼저, 상기 송신기(100)에서 송신된 신호는 다중 경로 채널(multipath channel)을 겪고 잡음이 가산된 형태로 상기 단말 수신기(150)의 수신 안테나(Rx antenna)를 통해서 수신된다. 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호는 상기 RF 처리기(152)로 입력되고, 상기 RF 처리기(152)는 상기 수신 안테나를 통해 수신된 신호를 중간 주파수(IF; Intermediate Frequency) 대역으로 다운 컨버팅(down converting)한 후 상기 아날로그/디지털 변환기(154)로 출력한다. 상기 아날로그/디지털 변환기(154)는 상기 RF 처리기(152)에서 출력한 아날로그 신호를 디지털 변환한 후 상기 보호 구간 제거기(156)로 출력한다.

상기 보호 구간 제거기(156)는 상기 아날로그/디지털 변환기(154)에서 출력한 신호를 입력하여 보호 구간 신호를 제거한 후 상기 직렬/병렬 변환기(158)로 출력한다. 상기 직렬/병렬 변환기(158)는 상기 보호 구간 제거기(156)에서 출력한 직렬 신호를 입력하여 병렬 변환한 후 상기 FFT기(160)로 출력한다. 상기 FFT기(160)는 상기 직렬/병렬 변환기(158)에서 출력한 신호를 N-포인트 FFT를 수행한 후 상기 등화기(166) 및 상기 파일럿 심벌 추출기(162)로 출력한다. 상기 등화기(166)는 상기 FFT기(160)에서 출력한 신호를 입력하여 채널 등화(channel equalization)한 후 상기 병렬/직렬 변환기(168)로 출력한다. 상기 병렬/직렬 변환기(168)는 상기 등화기(166)에서 출력한 병렬 신호를 입력하여 직렬 변환한 후 상기 심벌 디매핑기(170)로 출력한다.

한편, 상기 FFT기(160)에서 출력한 신호는 상기 파일럿 심벌 추출기(162)로 입력되고, 상기 파일럿 심벌 추출기(162)는 상기 FFT기(160)에서 출력한 신호에서 파일럿 심벌들을 검출하고, 상기 검출한 파일럿 심벌들을 상기 채널 추정기(164)로 출력한다. 상기 채널 추정기(164)는 상기 파일럿 심벌 추출기(162)에서 출력한 파일럿 심벌들을 이용하여 채널 추정을 수행하고, 상기 채널 추정 결과를 상기 등화기(166)로 출력한다. 그리고, 상기 단말 수신기(150)는 상기 채널 추정기(164)의 채널 추정 결과에 상응하는 CQI(channel quality information)를 생성하고, 상기 생성된 CQI(channel quality information)를 채널 품질 정보 송신기(도시하지 않음)를 통해 상기 송신기(100)로 송신한다.

상기 심벌 디매핑기(170)는 상기 병렬/직렬 변환기(168)에서 출력한 신호를 해당하는 복조 방식으로 복조한 후 상기 복호화기(172)로 출력한다. 상기 복호화기(172)는 상기 심벌 디매핑기(170)에서 출력한 신호를 해당하는 디코딩(decoding) 방식으로 디코딩(decoding)한 후 최종 수신 데이터(174)를 출력한다. 여기서, 상기 복조 방식 및 복호 방식은 상기 송신기(100)가 적용한 변조 방식 및 코딩 방식과 대응되는 복조 방식 및 복호 방식이다.

본 발명은 상술한 광대역 무선 이동 통신망에 적용가능한 기술이다. 특히 앞으로 다가올 4세대 이동통신망에 적용할 수 있는 기술이다. 상기 4세대 이동 통신망에서는 현재 서비스되는 이동통신망(2.5세대 망)에 비해서 패킷 서비스를 보다 완벽하게 구현하여야 한다. 또한 All-IP(All-Internet Protocol)망으로 진화되어 가는 구조가 되고 멀티미디어 서비스가 현저히 증가하게 될 것이다.

그러나 현재 서비스되는 망에서 4세대 이동망으로 진화되어 가기 위해서는 종래의 무선 인터페이스를 그대로 사용하는데는 무리가 있다. 따라서, 이러한 측면에서 상술한 OFDM나 OFDMA 방식의 무선 인터페이스가 대안으로 연구되어지고 있으며 표준화 작업도 다양하게 진행되어 가고 있다. 특히 상기 OFDMA 방식은 다중 접근을 보다 효과적으로 처리할 수 있는 구조를 가지고 있으며 또한 멀티미디어 서비스를 위한 무선자원의 효과적인 사용이 가능하게 하는 구조를 가지고 있다.

현재 진행 중이거나 완료된 표준화 작업은 주로 물리계층 및 매체 접속 제어(Medium Access Control; 이하, 'MAC'이라 한다)계층, 그리고 단말의 이동성과 관련된 논리적 구조의 설계에 초점이 맞추어져 있는 실정이다. 그러나 실제적으로 멀티미디어 서비스를 위한 패킷 전송은 OFDMA 방식의 무선 자원의 할당과 관련하여 중요한 이슈임에도 불구하고, 종래 제안되어 온 효율적인 무선 자원 할당 방안은 시스템의 복잡성 및 시스템간 동기화에 따른 시스템 과부하의 요소를 포함하고 있다.

특히 트래픽 스케줄링 기술에 있어서는 아직 어떠한 유무선 패킷 망에서도 완벽하게 제공되는 기술적인 표준은 없는 상태이다. 또한, 비동기 전송 모드(ATM; Asynchronous Transfer Mode) 스위칭 방식에 따른 망은 멀티미디어 서비스를 위한 망으로의 진화를 추진하였으나 그 시스템 구현의 복잡도가 크고 또한 기존의 인터넷(TCP/IP) 망과의 연동에 있어서 문제가 있으므로 현재는 추진이 거의 되고 있지 않는 상황이다.

따라서, 본 발명의 목적은 직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 이동통신 시스템에서, 다수의 단말들에게 전송할 트래픽 데이터들을 무선 환경에 따라 효율적으로 스케쥴링하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 목적은 직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 이동통신 시스템에서, 다수의 단말들에게 전송할 트래픽 데이터들에 대해 채널 상태 추정 정보를 효과적으로 이용하여 스케쥴링하는 장치 및 방법을 제공함에 있다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 방법은; 직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 이동통신 시스템에서, 하나 이상의 서브캐리어들을 하나의 부채널로 설정하여 전체 주파수 대역을 복수의 부채널들로 구분하고, 상기 복수의 부채널들과 복수의 직교 주파수 분할 다중 심볼들로 구성된 소정의 프레임에 대해 상기 각각의 부채널 및 직교 주파수 분할 다중 심볼들을 하나 이상의 사용자 단말들에게 할당하는 스케줄링 방법에 있어서, 상기 각 사용자 단말들에 대해 현재까지의 채널 상태 정보들로부터 이후 프레임에 대한 예측 채널 상태값을 추정하는 과정과, 상기 이후 프레임의 시간 구간에서 상기 각 사용자 단말들로부터 채널 상태 정보를 수신하고 상기 추정된 예측 채널 상태값과 비교하는 과정과, 상기 비교 결과, 상기 예측 채널 상태값의 추정이 성공적인 것으로 판단되면, 스케줄링 구간을 증가시키고, 상기 증가된 스케줄링 구간에 대해 상기 사용자 단말들에 전송되는 데이터들을 할당하는 과정을 포함함을 특징으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 장치는; 직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 이동통신 시스템에서, 하나 이상의 서브캐리어들을 하나의 부채널로 설정하여 전체 주파수 대역을 복수의 부채널들로 구분하고, 상기 복수의 부채널들과 복수의 직교 주파수 분할 다중 심볼들로 구성된 소정의 프레임에 대해 상기 각각의 부채널 및 직교 주파수 분할 다중 심볼들을 하나 이상의 사용자 단말들에게 할당하는 스케줄링 장치에 있어서, 상기 각 사용자 단말들에 대해 현재까지의 채널 상태 정보들로부터 이후 프레임에 대한 예측 채널 상태값을 추정하고, 상기 이후 프레임의 시간 구간에서 상기 각 사용자 단말들로부터 채널 상태 정보를 수신하여 상기 추정된 예측 채널 상태값과 비교함으로써 스케줄링 구간을 결정하는 스케줄러와, 상기 스케줄링 구간에 따라 상기 사용자 단말들에 전송되는 데이터들을 할당하는 부채널 할당기를 포함함을 특징으로 한다.

이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명한다. 또한 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.

본 발명은 광대역 무선 이동 통신망(IEEE 802.16, IEEE 802.16a, IEEE 802.16e, IEEE 802.20 등)에서 OFDMA 기반의 무선 접속 기술을 이용하여 멀티미디어 등의 서비스를 제공하고자 할 때, 트래픽의 특성을 최대한 활용하여 무선 접속 시스템 및 이동 단말 사이의 시스템 전송률을 극대화 시킬 수 있는 트래픽 스케줄링 방법을 제안한다. 또한 그러한 스케줄링을 위한 주파수 도약-직교 주파수 분할 다중 접속(Frequency Hopping-Orthogonal Frequency Division Multiple Access; 이하, 'FH-OFDMA'라 한다) 시스템 및 동종의 물리적 구성을 갖는 시스템에서의 시스템 구조를 제안한다.

본 발명에 의해 보다 효율적인 광대역 무선 이동 통신망의 패킷 서비스가 가능해지며, 보다 다양한 멀티미디어 컨텐츠를 경제적인 가격으로 서비스 하는 것이 가능해진다. 이에 따라 궁극적으로는 기존의 이동 통신 시장의 질적 및 양적 확대를 야기할 수 있는 기반 기술을 개발하여 미래의 통신 환경에 있어서 언제 어디서나 누구나 쉽게 원하는 다양한 멀티미디어 서비스를 받도록 할 수 있는 기술의 선점이 가능하도록 한다.

보다 구체적으로 설명하면, 본 발명은 FH-OFDMA 방식을 사용하는 무선 이동 통신 시스템에서 주파수 및 심볼 구간의 블록을 각 단말들의 채널 환경에 맞게 분배하는 스케줄링 방식을 제안하는 데 있다. 상기 본 발명에 따른 스케줄링 알고리즘은 FH-OFDMA 및 무선 환경에 맞게 WFQ(Weightde Fair Queueing; 가중치 공평 큐잉) 방식의 트래픽 처리를 적용하는 방안을 기반으로 한다. 상기 WFQ 방식은 실시간 데이터 및 비실시간 데이터 등의 트래픽 특성에 따라 큐 분산 처리를 하는 방식이며, 실시간 트래픽에 대한 비실시간 데이터 트래픽의 공평한 자원 할당을 목표로 하는 패킷 처리 알고리즘이다. 또한 채널 상태 추정 정보와 연관시켜 무선 채널 상태 정보를 효과적으로 이용하여 스케줄링 하도록 한다.

상기 무선 채널 상태 정보를 이용하면 각 단말들의 페이딩 채널 환경에 의해서 다양한 형태의 무선 채널 품질이 구성된다. 따라서 본 발명에서는 무선 채널 상태 정보를 이용할 수 있는 이동망 환경에서 상기 채널 상태 정보를 이용하여 스케줄링 하는 기술을 제안하고자 한다.

또한 본 발명에서 제안하고자 하는 고정 이동 환경 및 순방향 채널에 대한 스케줄링 방식은 무선 채널의 페이딩 환경이 급격하게 변하지 않는 환경에서 보다 효과적이며, 미래의 짧은 구간의 무선 페이딩 시그널에 대한 예측이 가능한 알고리즘을 포함한다. 상기 알고리즘은 무선 채널 추정 알고리즘이라고 하며, 본 발명에서 제안하는 스케줄러는 무선 채널 추정 알고리즘에서 발생한 채널추정 정보를 이용하여 스케줄링한다. 아울러, 본 발명에서는 무선 채널 추정 알고리즘의 예측구간을 가변적으로 적용하도록 하는 기술을 포함한다.

한편 본 발명은 무선 채널 추정 알고리즘의 예측의 정확성에 따라 선택적으로 적응적 채널 추정 방식을 적용하도록 하는 방법을 포함한다. 본 발명에서 적용하는 상기 적응적 채널 추정 방법은 미래 구간에 대해 예측을 적용하지 않고 현재 채널 상태가 좋은 채널은 다음 전송 주기의 채널 상태도 좋다고 가정하는 방식이며 구현이 간단하다.

이하, 도면을 참조하여 상술한 본 발명에 따른 장치 및 방법을 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스케쥴러를 포함하는 직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 통신 시스템을 나타낸 도면이다

상기 도 2를 참조하면, 각 단말(240)은 무선 접속점(혹은 기지국)(200) 시스템에서 실시간, 비 실시간 및 긴급 트래픽에 따른 버퍼(210)를 할당 받는다. 상기 각 단말에게 할당된 버퍼(211)에는 트래픽 특성에 맞는 소스 트래픽이 유입된다. 실시간 데이터는 음성이나 스트리밍 비디오 등으로 구분할 수 있고, 비실시간 데이터는 웹 서핑, FTP, Telnet 등으로 구분할 수 있다.

상기 응용 서비스 별 버퍼의 할당은 다양한 형태로 설정할 수 있고 스케줄러 관점에서 버퍼의 개수는 중요하지 않은 변수이며 본 발명에서 제안하는 스케줄링 알고리즘은 버퍼의 개수보다는 버퍼에 유입된 트래픽의 양을 중요하게 다룬다. 또한 호 설정 요청시 시스템은 시스템 성능을 초과하지 않는 범위에서 호 설정을 할 수 있으며 이는 일반적으로 스케줄러와는 다른 모듈에서 동작한다.

유입되는 트래픽에 대해서, 스케줄러(220)는 스케줄링 알고리즘에 따라 상기 각 버퍼(210)에 저장된 전송 데이터를 전송 버퍼에 복사한다. 여기서 스케줄링 알고리즘에 의해서 전송 버퍼에 복사할 전송 데이터 량을 결정하게 된다. 상기 스케줄러(220)는 공평하게 모든 단말에게 전송 데이터 량을 할당하도록 하면서 동시에 전체적인 시스템 전송률을 고려해야 한다. 또한 상기 스케줄러(220)는 후술할 본 발명에 따른 적응적 무선 채널 추정 방안과 예측적 무선 채널 추정 방안에 의해서 추정된 채널 정보를 이용하여 스케줄링한다.

상기 전송 버퍼(210)에 저장된 전송 데이터들은 물리 계층의 주파수 도약 및 프레임을 위한 슬럿 할당 시스템 모듈(230)에 의해서 처리된다. 상기 스케줄러(220)가 결정한 부채널(subchannel) 및 슬럿 구간은 스케줄러(220)로부터 물리 계층의 주파수 도약 및 슬럿 할당 모듈(230)에게 변수로서 전달이 되며, 상기 주파수 도약 및 슬럿 할당 모듈은 상기 스케줄러(220)로부터 수신된 상기 부채널 및 슬럿 구간 정보에 따라 전송 버퍼(210)에 저장된 데이터들을 각 슬럿 및 부채널에 할당한다.

이하, 도 3 및 도 4를 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 스케줄러 및 부채널 할당 장치를 포함한 OFDMA 시스템의 송신기 및 수신기 구조를 상세히 설명한다.

먼저, 도 3을 참조하여 송신기 구조를 설명한다. 도 3은 본 발명의 실시예에 따라 스케줄링된 데이터에 대하여 부 채널을 할당하여 데이터를 송수신하는 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 송신기 구조를 나타낸 도면이다.

상기 도 3을 참조하면, 각 K개의 사용자 단말에 전송할 데이터들은 본 발명에 따라 사용자별 채널 정보를 고려한 스케줄러(316) 및 부채널 할당기(318)에 의해 각 슬럿 및 부채널에 할당되며, 부채널 매핑기(304)에 의해 IFFT기(306)의 입력 포인트에 매핑된다. 상기 IFFT기(306)의 각 입력 포인트에 매핑된 상기 각 사용자 단말에게 전송될 데이터들은 상기 IFFT기(306)에서 IFFT 변환되며, 병/직렬 변환기(308), 보호구간 삽입기(310), D/A 컨버터(312) 및 RF 처리기(314)를 거처 각 사용자 단말들로 전송된다.

한편, 상기 병/직렬 변환기(308), 보호구간 삽입기(310), D/A 컨버터(312) 및 RF 처리기(314)는 일반적인 구조이므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

본 발명은 일반적인 OFDMA 시스템의 구성에서, 적응적 및 예측적 채널 추정을 이용한 스케줄링 방법을 포함한다. 즉, 부호화기(302)를 통해 부호화된 각 사용자별 전송 데이터들은 상기 각 사용자 단말들로부터 수신된 단말별 채널 정보를 이용하여 본 발명에 따라 스케줄링하는 상기 스케줄러(316)에 의해 부채널 및 슬럿 구간 정보를 결정하게 되고, 상기 부채널 정보를 참조하여 상기 부채널 할당기(318)에서 부채널들을 할당하게 된다. 한편 상기 본 발명에 따른 스케줄러(316)의 구체적인 스케줄링 방법은 도 6 및 내지 도 8의 설명에서 후술하기로 한다.

상기 부채널 할당기(318)에서 할당된 부채널 할당 정보는 부채널 매핑기(304)로 입력되며, 부호화기(202)를 통해 부호화된 각 사용자별 전송 데이터들을 상기 입력된 부채널 할당 정보에 따라 다수(예컨대, N개)의 부채널들로 매핑된다. 상기 부채널 할당 정보는 소정의 제어 채널 등을 통해 각 단말기로 전송된다.

이때, 상기 각 사용자 단말들로부터 수신되는 단말별 채널 정보는 기지국과 각 단말들간의 채널 상태 정보이며, 상기 채널 상태 정보로는 예컨대 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio; 이하, 'SNR'이라 한다) 또는 수신 신호 전력(Signal Power) 등이 될 수 있다.

이하, 도 4를 참조하여, 상기 도 3의 송신기로부터 전송된 각 사용자 단말별 데이터들을 각 단말의 수신기에서 수신하는 방법을 설명한다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따라 할당된 부채널을 통해 데이터를 수신하는 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 수신기 구조를 나타낸 도면이다.

상기 도 4를 참조하면, 상술한 도 3에 의해 송신된 데이터는 각 사용자 단말의 안테나를 통해 수신되며, RF 처리기(402), A/D 컨버터(404), 보호구간 제거기(406), 직/병렬 변환기(408) 및 IFFT기(410)를 거쳐 다수의(예컨대, N개의) 부채널 신호로 구분된다. 상기 RF 처리기(402), A/D 컨버터(404), 보호구간 제거기(406), 직/병렬 변환기(408) 및 IFFT기(410)의 동작은 상술한 바와 같으므로 상세한 설명은 생략하기로 한다.

한편, 상기 IFFT기(410)를 통해 다수의 부채널들로 구분된 수신 데이터들은 본 발명에 따른 부채널 선택기(412)에서 송신기로부터 수신된 부채널 할당 정보를 이용하여 자신에게 해당되는 부채널을 선택한다. 상기 선택된 부채널 신호는 복호화기(414)에서 상기 송신기의 부호화기(302)에서 부호화된 방법에 맞게 복호화된다.

상기 부채널 선택기(412)로 입력되는 상기 부채널 할당 정보는 상기 도 2에서 상술한 본 발명에 따라 각 단말별 채널 정보에 의해 스케줄링하여 할당한 정보이며, 상기 송신기로부터 수신된 정보이다. 또한, 상기 부채널 할당 정보는 부채널 할당 주기(T) 또는 스케줄링 단위마다 수신하거나, 데이터 전송 단위인 프레임 단위로 전송하는 것이 바람직하며, 다른 방법으로 상기 부채널 할당 정보가 바뀔 때마다 수신하도록 구현할 수도 있다.

이하, 도 5를 참조하여, 상술한 본 발명에 따라 각 사용자 단말별로 부채널이 할당된 구조를 시간-주파수 영역의 그래프를 통해 설명한다.

도 5는 본 발명에 따른 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 부채널 할당 구조를 도시한 도면이다.

상기 도 5를 참조하면, 부채널들로 구성된 부분은 주파수 영역에서 분할된 부분을 나타낸다. 상기 부채널들은 OFDM 시스템에서 구성될 수 있는 채널들이며, 후술할 방법에 의해서 스케줄러가 할당을 하게 된다. 시그널의 시간에 의한 분배는 최소 단위가 심볼 타임으로 구분된다. 상기 도 5에서 심볼 타임은 하나의 사각형(시간축을 기준으로)의 면이 되고, 일반적인 시스템에서 상기 하나의 심볼은 0.1ms 정도의 심볼 타임을 갖는다.

한편 상기 스케줄러는 여러 개의 심볼 타임 블록과 부채널들을 조합하여 전송률을 할당할 수 있다. 상기 할당하는 블록의 크기는 가변적이며 이는 무선 채널 환경의 영향과 후술할 스케줄링 알고리즘에 의해서 결정된다. 상기 스케줄링 알고리즘은 상기 도 5에 나타난 구간 T만큼 스케줄링을 하게 된다. 상기 구간 T는 스케줄링 시 적용할 수 있는 채널 환경에 따라서 가변적인 스케줄링 구간(예컨대, 프레임 구간)을 나타낸다. 또한, 상기 구간 T는 채널 상태에 따라서 한 개에서 다수의 프레임을 포함할 수 있는 가변성을 갖는 프레임 구간으로 구성되는 변수이다.

이때 상기 하나의 프레임은 다수의 심볼 블록들을 포함하며, 일반적으로 상기 하나의 프레임은 1ms 길이를 갖고 전송 시 기본 단위가 된다. 즉, 상기 T 구간에 대해서, 스케줄러가 스케줄링할 때 한번에 처리할 수 있는 총 무선자원의 양을 나타낼 수 있다. 따라서 상기 총 무선자원의 양은 부채널과 T 구간으로 결정된다. 상기 T의 구간은 후술할 본 발명에 따른 무선 채널 추정 알고리즘의 채널 예측 성공률에 의해서 결정이 된다.

즉, 상기 채널 예측 성공률이 소정의 기준값(예컨대, 90%) 이하가 되면 상기 T=1이 되며 적응적 채널 할당 방안을 적용하게 된다. 상기와 같이 T=1인 경우는 스케줄링 단위인 T가 하나의 프레임 구간과 같다는 것을 의미한다. 한편 T≥2인 경우는 채널 예측 성공률이 상기 기준값(예컨대, 90%) 이상인 경우이다. 상기와 같이 예측 성공률이 지속적으로 상기 기준값(예컨대, 90%) 이상 유지되면 상기 T를 하나씩 증가시킨다. 따라서, 이때 상기 T는 여러 개의 프레임 구간을 포함하게 된다. 또한 T≥2인 경우는 무선 채널에 대한 예측 추정 방안을 적용한다. 그리고 상기 예측 성공률이 상기 기준값(예컨대, 90%) 이하가 되면 T의 구간은 다시 T=1로 설정된다. 상기 스케줄러는 패킷 전송이 진행 중인 서비스에 대해 상기와 같이 결정되는 T의 구간 안에서 부채널과 심볼 타임 블록만큼 전송률을 결정한다.

이하, 도 6 내지 도 7을 참조하여, 본 발명에서 제안하는 부채널 할당 알고리즘을 상세히 설명한다.

도 6은 본 발명에 따른 무선 채널 추정 방법에 의한 부채널 할당 절차를 나타낸 흐름도이다.

상기 도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 스케줄링 방법은 무선 채널 추정 알고리즘(적응적 혹은 예측적)을 참조하여 스케줄링하고 기본적으로 WFQ 방식을 적용한다. 상술한 바와 같이 상기 적응적(Adaptive) 무선 채널 추정 방식은 이전에 가장 좋은 채널 품질을 가진 채널이 다음에도 가장 좋은 채널 품질을 갖는다는 점을 이용하여 채널 추정을 수행한다. 예측적 무선 채널 추정 방식으로는 정규 최소 평균 제곱(Normalized Least Mean Square; 이하, 'NLMS'라 한다) 방식을 적용하여 채널 상태를 추정한다.

먼저, 기지국은 상기 기지국에 속한 단말기들에 대해 각 단말기별 현재 프레임에서의 채널 상태를 측정(601)하게 된다. 이때, 상기 채널 상태 정보로는 수신 전력(Power of Rx) 또는 신호대 잡음비(Signal to Noise Ratio; 이하, 'SNR'이라 한다.) 등이 될 수 있다. 그런다음, 상기 각 단말기에 대해 상기 현재 프레임에서 실제 측정된 채널 상태값과 이전 프레임에서 추정된 현재 프레임에 대한 채널 상태 추정값을 비교하게 된다.

이때, 상기 비교 결과에 따라 다음 프레임에 대한 무선 채널 추정 방법을 결정(603)하게 된다. 즉, 본 발명에 따라 추정 성공율이 소정의 임계값(예컨대, 90%) 이상이 되었을 경우에는 예측 추정 방법에 대한 신뢰도가 높기 때문에 예측적 무선 채널 추정 방식을 적용하게 된다. 반면, 상기 비교 결과 추정 성공율이 소정의 임계값(에컨대, 90%) 이하가 되었을 경우에는 상기 예측 추정 방법에 대한 정확성이 떨어지기 때문에 적응적 무선 채널 추정 방식을 적용하게 된다.

상기 결정된 무선 채널 추정 방법에 따라 채널 추정 예측값 및 스케줄링 구간을 결정(605)하게 된다. 즉, 상기 적응적 채널 추정 방법을 적용할 경우에는 스케줄링 구간 T를 1로 설정하여 다음 하나의 프레임에 대해서만 스케줄링하게 되며, 상기 예측적 무선 채널 추정 방법을 적용할 경우에는 스케줄링 구간 T를 이전 누적된 값에 1을 더한 프레임 구간에 대해서 스케줄링하게 된다. 예컨대, 이전 누적된 T 값이 5일 경우, 무선 채널 추정 성공율이 소정의 임계값 이상이 되어 상기 예측 추정 방법을 적용할 경우 상기 T 값을 1 증가시켜 이후 6개의 프레임에 대한 스케줄링을 수행하게 된다. 보다 구체적인 방법은 후술하기로 한다.

상기와 같이 스케줄링 구간이 결정되면, 각 단말별 상기 채널 추정 예측값에 따라 정렬(607)하며, 상기 채널 추정 예측값 및 각 단말별 요구되는 데이터 전송량을 고려하여 각 단말별 부채널 및 슬롯 구간을 결정(609)하게 된다. 마지막으로 상기 각 단말별로 결정된 부채널 및 슬롯 구간에 따라 부채널을 할당하여 매핑(611)한다.

이하, 상술한 예측적 채널 추정 방법으로 사용될 수 있는 NLMS 방법을 구체적으로 설명한다. 상기 NLMS는 신호 처리 및 시스템 모델 분야에서 응용하고 있는 방식으로서 본 발명에 적용함에 있어서는 무선 채널 정보(Interface, Power, Gain) 값을 이용하여 하나의 다음 프레임 간격 이후의 무선 채널 상태를 예측하는 방식이다.

상기 NLMS 방법를 설명하기 전에 NLMS에서 적용되는 변수 k와 n에 대해서 설명하고 상기 T와의 관계에 대해서 설명한다. 상기 k, n 및 T는 편의상 프레임 단위라고 가정한다. 상기 n은 단조 증가 값으로서, 즉 n= 0, 1, 2, ... , N-1 이며 하나의 프레임을 완성하여 전송하는 시간을 의미한다. 따라서 n=N-1은 서비스 종료를 의미한다. 상기 k는 NLMS에서 예측을 수행하는 미래의 구간을 의미한다. 만약 현재 n=10 이고 k=5 라고 가정하면, (n+k) 프레임 값 즉 n=15 일 때의 채널 상태를 예측한다는 것이다. 결국, 상기 n과 k는 각각 프레임 전송에 있어서 물리적인 시간의 증가와 예측범위를 나타낸다.

상기 T는 프레임 구간을 단위로 하는 스케줄링 구간을 의미한다. 상기 T는 1부터 지속적인 증가를 하는데, 예측 성공률이 소정의 임계값(예컨대, 90%) 이상이 되면 n이 증가할 때마다 하나씩 증가하고, 상기 예측 성공률이 소정의 임계값(예컨대, 90%) 이하가 되면 T를 1로 초기화 시킨다. 그런다음, 다시 상기 임계값 이상이 되면 하나씩 증가하게 된다.

따라서, 만약 T=5 이고 n=10 이면 n = 11, 12, 13, 14, 15 구간까지의 범위에 대해서 스케줄링을 하게 된다. 즉, 현재 시간이 n=10이므로 미래구간 11부터 15까지의 프레임 전송구간에 대해서 미리 스케줄링을 하게 된다. 그리고 k =1이라고 하면, NLMS은 지속적으로 n+1의 시간에 대한 채널상태 예측 추정을 하게 된다. 따라서, n=10 프레임의 전송이 완료된 후, n=11이 되었을 때 예측 성공률이 임계값 이상이 되면, T=6이 되고 n = 12,13,14,15,16,17의 미래 프레임 구간에 대한 스케줄링을 수행한다. 그러나 만일 상기 n=11에서 예측 성공율이 상기 임계값 이하가 되면 T는 1로 다시 셋팅 되고 n =12에 대해서만 적응적 방식을 사용하여 채널 상태 추정을 하게 되며 그 추정된 순서에 의해서 스케줄링을 하게 된다.

상기 NLMS 방식의 동작은 다음과 같다. 예를 들어서 채널 이득(gain) z(n)의 변화되는 값을 채널 추정 정보로 사용하는 경우, 상기 NLMS 채널 추정 방식은 상기 채널 이득(gain) 값의 변화를 NLMS 처리 과정을 통해서 모델링하고 다음 채널 이득값을 예측한다. 상기 채널 이득 값의 변화를 모델링하기 위해서는 시간 n에서 예측된 값과 실제 측정된 z(n)의 오차를 구한다. 상기 NLMS에서의 예측값 추정식은 하기 <수학식 1>과 같이 표현될 수 있다.

상기 <수학식 1>에서 는 n+k 시간에 대해 예측된 채널 이득이 되며 현재 시간 n에서 예측 구간 k를 갖는다. 상기 k의 범위는 시스템 변수로 설정할 수 있으나 기본적으로 k=1로 설정하는 것이 예측 성공률의 관점에서 바람직하다. 상기 <수학식 1>에서와 같이 예측된 값은 실제 값과 비교하여 하기<수학식 2>와 같이 오차를 계산할 수 있다. 시간 n에서 오차 e(n)은 실제 채널 이득값 z(n)과 예측값 을 비교한다.

상기 <수학식 2>에서와 같이 계산된 오차를 이용하여 상기 <수학식 1>에서 사용된 변수 를 하기 <수학식 3>에 의해 추정할 수 있다.

상기 추정된 변수 a(n)은 예측의 정확성을 높이며 적응적으로 채널 이득값을 추정할 수 있도록 해 준다. 이때, 상기 <수학식 3>을 NLMS에 의한 추정식이라고 한다.

상기 NLMS 방식을 사용하여 채널 추정을 하는 경우에 대한 예시는 다음과 같다. 우선 k=1로 고정하고 현재 시간이 n이라고 가정한다. 또한, 상기 a(n)=0.8이고 현재까지 알려진 가장 최근의 실제 채널 이득 값 z(n) = 1.0이라고 하면, 추정된 값은 상기 <수학식 1>에 의해 z(n+1) = 0.8×1.0 = 0.8이 된다. 즉, 상기 프레임 전송 시간 n에서 다음 프레임 전송 시간에 대해 하나의 단말에서 추정된 채널 이득 값이 0.8이 된 것이다. 상기와 같은 계산을 모든 단말에 적용하면, 상기 이득 값들에 의해서 채널 상태의 순위가 모든 단말과 채널에 대해서 예측될 수 있으며, 그 순위에 의해서 스케줄러가 우선순위에 의한 스케줄링을 하게 된다.

그리고, 상기 프레임 전송 시간 n+1일 때, 실제 측정된 채널 이득 값이 0.9가 된다면, 상기 <수학식 2>에 의해 오차를 구할 수 있다. 즉, 이 된다. 그러면 상기 <수학식 3>에 의해서 새로운 a(n+1)을 구할 수 있다.

이와 같이 NLMS을 적용한 후에 상기 <수학식 1>을 이용하여 계산된 값을 큰 순서대로 정렬한다. 그런다음, 상기 <수학식 1>에서 예측된 값을 이용하여 무선 접속점에서 모든 단말별 활용 가능한 모든 부채널에 대해서 정렬을 하고 가장 큰 값을 갖는 부채널 순으로 다음 주기에서의 부채널 상태가 좋다고 본다. 스케줄러는 상기와 같이 정렬된 채널 예측 정보를 이용하여 후술하는 방법에 의해 스케줄링한다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무선 채널 추정 성공율 검사에 의한 스케쥴링 절차를 나타낸 흐름도이다.

상기 도 7을 참조하면, 기지국은 먼저 상술한 바와 같이 현재 프레임에서의 단말기별 무선 채널 상태를 측정하고, 이전 프레임에서 예측한 채널 상태 값과 비교하여 무선 채널 추정 성공률(S)을 검사(701)한다. 상기 무선 채널 추정은 매 프래임 시간 n마다 실행하는 것이 바람직하며, 바로 이전 프레임 n-1에서 예측한 현재 시간 n에 대한 채널 상태 값()과 실제로 시스템에서 측정한 채널 상태 값(z(n))을 비교한다. 상기 과정은 상기 기지국 내에서 현재 서비스 중인 단말 모두에게 적용되며 그 예측 성공률 S를 계산한다.

상기 예측 성공률 S의 계산은 여러가지 방법으로 구현 가능하며 일예로 하기와 같이 산출되도록 구현할 수 있다. 예컨대, 상기 적응적 방식 및 예측적 방식에 동일하게 예측된 채널 이득 값이 인 경우는 예측 성공으로 본다. 여기서, 상기 A는 적응적 모듈레이션을 수행할 때 동일한 모듈레이션 방식을 그대로 적용할 수 있는 채널 이득의 범위이며, 시스템 구성에 따라서 달라질 수 있다.

상기 A를 이용하여 시간 n에 대해서 각 부채널의 예측 성공률을 계산할 수 있다. 만일 64개 부채널을 이용하여 전송한다면, 각 부채널에 대해서 예측을 수행하고 예측이 성공하면 +1을 한다. 따라서 만일 64개의 부채널에 대해 예측 성공한 경우가 60개의 부채널이라면, 60/64 = 0.9375가 되고 약 94%의 성공률을 갖는다. 상기의 예측 성공률은, 예측 채널상태 추정 방식에서는 T>1일 때 n+1에 대한 예측을 수행하는 경우에 발생된 성공률이고, 적응적 채널상태 추정 방식에서는 T=1인 경우에 해당한다. 그러므로 각 단말별로 계산되는 성공률은 다를 수 있고, 실제로 채널의 상태를 각 단말별로 나타내는 지표값이 된다.

상기와 같이 무선 채널 성공률(즉, 예측 성공률)을 산출하면, 상기 예측 성공률 S가 소정의 임계값(여기서는 0.9, 즉 90%로 설정한다)에 의해 예측적 채널 추정 방법에 대한 신뢰도를 판단한다. 만약, S>0.9인지 검사하여, 채널 추정을 통한 예측률이 90% 이상이 되면, 지속적으로 상술한 예측적 채널 추정 방안을 적용한다. 반면에 S가 90% 이하의 성공률을 보이면 적응적 채널 추정 방안을 적용(705)한다.

상기 판단에 따라 예측적 무선 채널 추정을 할 경우에는 상술한 바와 같이 NLMS 방식을 적용해서 예측한다. 상기 NLMS 추정 방식에 의해 예측된 결과는 [단말, 부채널 번호, 채널 상태 값]과 같이 3-tuple의 값으로 시스템에 저장된다. 상기 ‘단말’은 단말을 구분할 수 있는 번호가 되고, ‘부채널 번호’는 각 단말에 할당될 수 있는 부채널 번호이며, 마지막으로 ‘채널 상태 값’은 NLMS 추정 방식에 의해 예측된 값이다. 한편, 상기 채널 이득 값을 이용한 예측을 할 경우에는 상기 예측된 값이 가장 큰 경우가 미래에도 채널 상태가 좋다는 것을 의미한다. 따라서 모든 단말과 부채널에 대해서 위의 채널 상태 값이 큰 순서부터 작은 순서로 저장되며 상기 저장된 값을 이용하여 스케줄링하게 된다. 여기서, 채널 상태 값이 큰 경우는 적응적 모듈레이션에 의해서 보다 많은 전송 데이터를 실어서 보낼 수 있다.

상기 예측적 무선 채널 추정을 하게되면, 상술한 스케줄링 구간 T의 값을 1만큼 증가(707)시킨다. 이 때 증가된 T의 구간은 스케줄링시 사용하게 된다. 예를 들어서 한 프레임 구간을 1ms로 가정했을 때, 현재 T=10ms였다면 새로운 T 구간은 T=11ms가 된다. 이와 같이 증가된 T 구간은 스케줄링 공간을 넓히는 효과가 있다. 그러므로 효과적으로 트래픽 특성에 맞추어서 전송률을 할당할 수 있다. 또한 상기 T는 다수의 프레임 구간을 포함할 수 있으므로 프레임 내에 주파수 도약 시퀀스(FH sequence) 패턴을 다음의 연속적인 T 구간만큼 지속적으로 가져갈 수 있다.

반면, 상기 무선 채널 성공율 검사에서 상기 예측 성공률 S가 90% 이하인 경우에는 채널 추정 방식으로 적응적 채널 추정 방식을 사용하게 된다. 상기 적응적 채널 추정 방식은 이전 전송에서 채널 상태가 좋았던 채널에 우선순위를 두게 되며, 상기의 우선순위에 의한 결과는 [단말 번호, 부채널 번호, 채널 상태값]으로 저장된다. 저장 순서는 상기 예측적 채널 추정을 적용한 경우와 동일하게 채널 상태 값이 큰 순서부터 작은 순서로 저장하는 것이 바람직하다. 또한 상기 예측적 채널 추정 알고리즘과 마찬가지로, 상기와 같이 저장된 내용에서 채널 상태 값이 큰 경우부터 스케줄러에 의해서 전송 시 이용하게 되며 적응적 모듈레이션에 의해서 전송률이 결정될 수 있다.

상기 적응적 채널 방식의 동작 과정은 다음과 같다. 전송 시간 n+1에서 할당될 채널에 대한 결정요인을 바로 이전 전송시간 n에서의 각 무선 채널의 상태를 이용한다. 전송시간 n에서 채널 이득 값이 최대인 채널부터 최소값을 갖는 채널까지의 채널 정보를 저장한 후에, 스케줄러에 의한 우선순위 할당에 근거하여 부채널 할당 요청에 대해서 가장 높은 순위의 채널부터 할당을 한다. 이와 같이 스케줄러는 다음 프레임 전송 시, 즉 n+1 시간에 전송할 부채널을 결정하게 된다. 이 적응적 채널 방식에서는 T=1로 설정되어 있다. 즉, 한 프레임 구간만 가지고 스케줄링을 할 수 있게 된다.

상기 예측 성공률 S가 90% 이하인 경우, 즉 적응적 무선 채널 추정 방식을 사용할 경우에는 T의 범위가 한 프레임 구간으로 감소(즉, T=1)하게 된다. 상기와 같이 T의 범위를 감소하는 이유는 무선 채널 상태의 변화정도가 심하기 때문에 채널 예측의 정확도가 감소하게 되고, 따라서 T의 확장은 예측에 의한 스케줄링 효과를 감소시키기 때문이다. 따라서 T=1이 되고 기존의 무선 시스템에서 처리하는 적응적 채널 추정만 적용하게 되는 것이다. 이 경우 부채널의 할당 및 심볼 블록의 할당은 이미 정해진 패턴에 의해서만 처리하는 모드로 바뀌게 되다. 이는 단말과 무선 접속점(기지국 등) 사이에 부채널 할당 및 심볼 블록에 대한 동기화가 시스템 오버로드 및 시간적인 제약으로 인해 불가능하기 때문이다. 이때, 상술한 예측적 무선 채널 추정 방식에 따른 NLMS 모듈은 백그라운드 모드로서 지속적으로 채널 예측을 수행하다가 S > 90%가 되면 그 다음 전송에 있어서는 NLMS 모듈을 이용한 예측 모드를 사용하게 된다.

상기와 같이 예측적 또는 적응적 무선 채널 추정 방식에 따라 채널 추정이 완료되면, 스케줄러는 단말 j에 대한 전송 순서 및 전송률 할당을 위해 참조되는 값 w_j을 계산한다. 상기 j는 단말 번호를 나타내며 스케줄러는 프레임 구간 단위로 각 단말에 대해서 w_j를 계산(713)한다. 상기 w_j는 각 응용 서비스가 요구한 전송률에 대해서 실제 전송된 전송 데이터 량을 나눈 값으로서 하기 <수학식 4>와 같이 표현될 수 있다.

상기 <수학식 4>에서 요구하는 전송률(demanding rate)는 단말 j에서 처리하는 응용 서비스가 요구하는 전송률을 의미한다. 상기 요구하는 전송률은 실제 시스템 구성 후 각 응용 서비스 별 최대 전송률로 결정될 것이다. 그러나 패킷 서비스를 구현하는 4G 이동 망에서는 데이터 응용 서비스인 경우는 평균 전송률이 상기 요구하는 전송율(demanding rate)이 될 수 있고, 비디오 응용 서비스인 경우는 평균 전송률이나 평균 전송률보다 높고 최대 전송률보다 낮은, 중간 정도에 위치하는 효과 전송율(effective rate)를 응용할 수도 있다. 한편, 음성 응용 서비스인 경우는 전송률이 작으므로 최대 전송률을 요구하는 전송률로 할당할 수 있다. 상기 요구하는 전송률은 본 발명에서 정해진 값이 아니고 실제 시스템 구축 후 결정될 수 있는 값이다. 그러나 패킷 전송의 효과를 극대화하기 위해서 데이터 및 비디오 같은 응용 서비스는 평균 전송률 값 및 효과 전송률(effective rate)을 활용한다. 따라서, 상기 w_j값이 작은 경우는 단말이 요구하는 전송률을 만족하지 못하는 경우가 된다.

다음으로, 상기 기지국은 상기 결정된 T의 범위에 의해서 최대 스케줄링할 수 있는 전송률을 결정(715)한다. 예를 들어서 T=10ms이고 100개의 심볼 블록과 부채널 개수가 64개이면 100×64개의 심볼 블럭이 스케줄링에 이용된다. 또한 각 부채널의 채널 상태 정보에 의해서 모듈레이션 적용 범위가 결정되고 결국은 실제 T구간에서의 전송률이 결정되며 스케줄러는 이를 이용하여 스케줄링한다. 그러나 채널 추정의 결과 높은 전송률로 할당된 부채널에 대해 실제 상황에서 채널 상태의 악화가 발생되는 경우에 데이터 응용 서비스인 경우는 많은 에러를 포함하게 될 것이고 이러한 경우는 재전송 버퍼에 저장한 후 재전송 과정을 거치게 된다.

상기와 같이 최대 전송율이 산출되면, 상기 스케줄러는 상기 w_j값에 따라서 전송률을 할당하게 된다. 스케줄러는 각 단말에 대해서 측정된 w_j를 이용하여, 상기 w_j가 작은 단말에 대한 응용 서비스부터 높은 전송률을 할당(717)한다. 상기 w_j가 작은 경우는 채널의 상태 악화 혹은 다른 응용 서비스 트래픽에 점유된 결과로 인해 요구되는 전송률에 비해서 실제 전송된 전송률이 낮은 경우이다. 따라서 스케줄러는 단말 및 응용 서비스의 공평한 전송률 할당을 유지하기 위하여 w_j값이 작은 단말부터 높은 전송률을 할당하게 된다.

상기에서 만일 w_j값이 어느 정도 동일한 수준인 경우는 재전송, 실시간, 비실시간 서비스 순서로 전송률을 우선적으로 할당한다. 이때, 상기 w_j값의 수준 동일성은 반올림을 실행한 후 소수 첫 자리 부분의 동일한 값의 수준을 의미한다. 예를 들어서, w_j가 3.45와 3.54인 경우는 반올림 후 3.5가 되므로 동일한 수준으로 판단하도록 구현할 수 있다.

이하, 도 8을 참조하여 본 발명의 실시예에 따라 스케줄링하는 절차를 보다 구체적으로 설명한다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스케줄링 구간 설정 방법을 나타낸 도면이다.

상기 도 8을 참조하면, 기지국은 각 프레임 구간에서 상술한 바와 같은 무선 채널 상태 예측 성공 여부에 따라 예측적 채널 추정 방법 또는 적응적 채널 추정 방법을 적용하여 스케줄링하게 된다.

만약, n=10인 프레임 구간에서 무선 채널 예측 성공율(S)을 검사한 결과 상기 예측 성공율이 소정의 임계값(예컨대, 90%)를 넘게 될 경우, 상술한 본 발명의 실시예에 따라 예측적 채널 추정 방법에 따라 스케줄링하게 된다. 따라서, 만약 현재 설정된 T값이 5일 경우에는 이후 시작되는 5개의 프레임에 대해 스케줄링하게 되며, 상기 스케줄링 구간 T를 1만큼 증가시키게 된다. 여기서 k=1이라고 가정하면 n=11, 12, 13, 14, 15 의 프레임에 대한 스케줄링을 수행하게 된다. 한편 다른 방법으로 상기 스케줄링 구간을 먼저 증가시킨 다음 증가된 스케줄링 구간에 따라 스케줄링하도록 구현할 수도 있다.

다음으로, n=11인 프레임 구간에서 무선 채널 예측 성공율(S)을 검사한 결과 다시 상기 예측 성공율이 소정의 임계값을 넘게 될 경우, 상기와 마찬가지로 예측적 채널 추정 방법에 따라 스케줄링하게 된다. 따라서, 상기 이전 프레임에서 T값이 증가되어 T=6이 되었으므로, 이후 시작되는 6개의 프레임에 대해 스케줄링하게 되며, 상기 스케줄링 구간 T를 1만큼 증가시킨다. 이때, k=1이므로 n=12, 13, 14, 15, 16, 17의 프레임에 대한 스케줄링을 수행하게 된다. 한편, 상기 n=12, 13, 14, 15의 프레임은 이미 이전 프레임에서 스케줄링 되어 있으므로 n=16, 17에 대해서만 추가로 스케줄링 하도록 하는 것이 바람직하다. 반면 다시 상기 6개 구간 모두에 대해 스케줄링을 하도록 구현할 수도 있다.

세번째로, n=12인 프레임 구간에서 무선 채널 예측 성공율(S)을 검사한 결과 상기 예측 성공율이 소정의 임계값을 넘지 못하였을 경우, 예측된 채널 추정값이 신뢰도가 떨어지게 되므로 적응적 채널 추정 방법에 의해 스케줄링하게 된다. 따라서, 다음 한 구간의 프레임에 대해서만 현재 측정된 채널 상태값에 의해 스케줄링한다. 따라서, 다음 프레임인 n=13에 대해서 상기 새로운 채널 상태값에 의해 스케줄링하게 되며, 이전 프레임들에서 미리 스케줄링한 n=14, 15, 16, 17에 대해서는 신뢰성이 떨어지므로 이후 프레임들에서 다시 스케줄링하도록 구현함이 바람직하다. 한편, 상술한 바와 같이 상기 무선 채널 예측이 실패하였을 경우에는 상기 스케줄링 구간 T를 줄여서 다시 1로 셋팅하게 된다.

한편, 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도내에서 여러가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

본 발명은 예측적 채널 추정 방식과 적응적 채널 추정 방식을 혼용하여 스케줄링 함으로써 무선 채널 상태의 예측이 성공적이면 구간 T가 증가하게 되며, T의 증가는 스케줄링 효율을 높이고 주파수 도역 패턴의 할당에 있어서도 보다 간편하게 처리를 할 수 있다.

또한 무선 채널 추정 예측 결과에 따라 T 구간을 효율적으로 변경시킴으로써 보다 넓은 범위의 전송율 범위에서 스케줄링을 할 수 있으므로 스케줄링의 효과를 극대화 할 수 있다. 반면에 무선 채널 상태의 악화로 인하여 T의 구간이 줄어들면 기존의 방식처럼 간단한 형태의 스케줄링을 적용하게 함으로써 만일의 경우 예측의 부정확성에 의해 발생할 수 있는 문제를 제거할 수 있다.

도 1은 일반적인 직교 주파수 분할 다중 방식의 송수신기 구조를 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 스케쥴러를 포함하는 직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 통신 시스템을 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 송신기 구조를 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 수신기 구조를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 직교 주파수 분할 다중 접속 시스템의 부채널 할당 구조를 도시한 도면.

도 6은 본 발명에 따른 무선 채널 추정 방법에 의한 부채널 할당 절차를 나타낸 흐름도.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 무선 채널 추정 성공율 검사에 의한 스케쥴링 절차를 나타낸 흐름도.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 스케줄링 구간 설정 방법을 나타낸 도면.

Claims (17)

1. 직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 이동통신 시스템에서, 하나 이상의 서브캐리어들을 하나의 부채널로 설정하여 전체 주파수 대역을 복수의 부채널들로 구분하고, 상기 복수의 부채널들과 복수의 직교 주파수 분할 다중 심볼들로 구성된 소정의 프레임에 대해 상기 각각의 부채널 및 직교 주파수 분할 다중 심볼들을 하나 이상의 사용자 단말들에게 할당하는 스케줄링 방법에 있어서,

   상기 각 사용자 단말들에 대해 현재까지의 채널 상태 정보들로부터 이후 프레임에 대한 예측 채널 상태값을 추정하는 과정과,

   상기 이후 프레임의 시간 구간에서 상기 각 사용자 단말들로부터 채널 상태 정보를 수신하고 상기 추정된 예측 채널 상태값과 비교하는 과정과,

   상기 비교 결과, 상기 예측 채널 상태값의 추정이 성공적인 것으로 판단되면, 스케줄링 구간을 증가시키고, 상기 증가된 스케줄링 구간에 대해 상기 사용자 단말들에 전송되는 데이터들을 할당하는 과정을 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
2. 제1항에 있어서,

   상기 채널 상태 정보는 각 사용자 단말로부터 측정된 신호대 잡음비 값임을 특징으로 하는 상기 방법.
3. 제1항에 있어서,

   상기 채널 상태 정보는 각 사용자 단말로부터 측정된 신호 전력임을 특징으로 하는 상기 방법.
4. 제1항에 있어서,

   상기 예측 채널 상태값을 추정하는 방법은 정규 최소 평균 제곱 방법에 의해 추정함을 특징으로 하는 상기 방법.
5. 제1항에 있어서,

   상기 예측 채널 상태값의 추정이 성공적인 것으로 판단되면, 예측적 무선 채널 추정에 의해 스케줄링을 수행함을 특징으로 하는 상기 방법.
6. 제1항에 있어서,

   상기 예측 채널 상태값의 추정이 성공하지 못한 것으로 판단되면, 적응적 무선 채널 추정에 의해 스케줄링을 수행함을 특징으로 하는 상기 방법.
7. 제1항에 있어서,

   상기 각 사용자 단말들에 대한 채널 상태 정보는 각각의 부채널에 대한 채널 상태 정보를 포함함을 특징으로 하는 상기 방법.
8. 제1항에 있어서,

   상기 예측 채널 상태값의 추정이 성공하지 못한 것으로 판단되면, 스케줄링 구간을 최소 스케줄링 구간으로 설정함을 특징으로 하는 상기 방법.
9. 직교 주파수 분할 다중 접속 방식의 이동통신 시스템에서, 하나 이상의 서브캐리어들을 하나의 부채널로 설정하여 전체 주파수 대역을 복수의 부채널들로 구분하고, 상기 복수의 부채널들과 복수의 직교 주파수 분할 다중 심볼들로 구성된 소정의 프레임에 대해 상기 각각의 부채널 및 직교 주파수 분할 다중 심볼들을 하나 이상의 사용자 단말들에게 할당하는 스케줄링 장치에 있어서,

   상기 각 사용자 단말들에 대해 현재까지의 채널 상태 정보들로부터 이후 프레임에 대한 예측 채널 상태값을 추정하고, 상기 이후 프레임의 시간 구간에서 상기 각 사용자 단말들로부터 채널 상태 정보를 수신하여 상기 추정된 예측 채널 상태값과 비교함으로써 스케줄링 구간을 결정하는 스케줄러와,

   상기 스케줄링 구간에 따라 상기 사용자 단말들에 전송되는 데이터들을 할당하는 부채널 할당기를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 채널 상태 정보는 각 사용자 단말로부터 측정된 신호대 잡음비 값임을 특징으로 하는 상기 장치.
11. 제9항에 있어서,

    상기 채널 상태 정보는 각 사용자 단말로부터 측정된 신호 전력임을 특징으로 하는 상기 장치.
12. 제9항에 있어서,

    상기 장치는,

    상기 부채널 할당기에서 할당된 부채널 할당 정보에 따라 상기 사용자 단말로 전송되는 데이터들을 역고속 푸리에 변환기의 입력 포인트들에 매핑시키는 부채널 매핑기를 더 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
13. 제9항에 있어서,

    상기 예측 채널 상태값을 추정하는 방법은 정규 최소 평균 제곱 방법에 의해 추정함을 특징으로 하는 상기 장치.
14. 제9항에 있어서,

    상기 비교 결과 예측 채널 상태값의 추정이 성공적인 것으로 판단되면, 예측적 무선 채널 추정에 의해 스케줄링을 수행함을 특징으로 하는 상기 장치.
15. 제9항에 있어서,

    상기 비교 결과 예측 채널 상태값의 추정이 성공하지 못한 것으로 판단되면, 적응적 무선 채널 추정에 의해 스케줄링을 수행함을 특징으로 하는 상기 장치.
16. 제9항에 있어서,

    상기 각 사용자 단말들에 대한 채널 상태 정보는 각각의 부채널에 대한 채널 상태 정보를 포함함을 특징으로 하는 상기 장치.
17. 제9항에 있어서,

    상기 예측 채널 상태값의 추정이 성공하지 못한 것으로 판단되면, 스케줄링 구간을 최소 스케줄링 구간으로 설정함을 특징으로 하는 상기 장치.