KR20050098015A - 가입자 유닛을 위한 물리 계층 자동 재전송 요구 방법 - Google Patents

가입자 유닛을 위한 물리 계층 자동 재전송 요구 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 가입자 유닛(38)에 의한 물리적 자동 전송 요구를 위한 방법 및 장치에 관한 것이다. 송신기에서 물리 계층은 데이터를 수신하고(34a), 송신기(42)에서 수신된 데이터를 특정 부호화/데이터 변조되는 패킷으로 포맷한다. 물리 계층은 패킷을 전송하는 n 채널(41)을 포함하며 긍정응답 수신기(56)에서 소정 패킷에 대한 대응 긍정응답을 수신하지 못하는 경우 패킷을 재전송한다. 가입자 유닛(38)은 재전송 통계를 수집하고 수집된 통계를 이용하여 송신기(42)에서 특정 부호화/데이터 변조를 조정한다.

Description

가입자 유닛을 위한 물리 계층 자동 재전송 요구 방법{METHOD FOR PHYSICAL LAYER AUTOMATIC REPEAT REQUEST FOR A SUBSCRIBER UNIT}
본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로서, 특히 물리 계층(PHY)의 자동 재전송 요구(ARQ) 방법을 이용한 개선된 무선 통신 시스템에 관한 것이다.
고속 다운링크 패킷 엑세스(HSDPA) 어플리케이션을 이용한 단일 반송파 주파수 영역 등화(SC-FDE) 플랜 또는 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 플랜 중 어느 하나를 이용한 광대역 고정 무선 접속(BFWA) 통신 시스템이 제안되고 있다. 이러한 어플리케이션은 고속으로 다운링크 패킷 데이터를 전송할 것이다. BFWA에 있어서, 빌딩 또는 빌딩군은 무선 혹은 유선으로 접속되며 단일 부반송파 사이트로서 동작한다. 이러한 시스템에 있어서 데이터 요구는 넓은 대역을 요하는 단일 사이트의 복수의 최종 유저에 대해서 아주 높다.
현재 제안된 시스템은 계층 2의 자동 재전송 요구(ARQ) 시스템을 채용하고 있다. 가입자에게 전송되지 못한 데이터 블록은 버퍼링되어 계층 2로부터 재전송된다. 계층 2에 저장된 데이터 블록은 통상 큰 데이터 블록이며, 높은 신호 대 잡음비(SNR) 수신을 위해 전송되고, 낮은 블록 에러율(BLER)로 수신되며, 드물게 재전송된다. 또한 계층 2의 ARQ 신호 전송은 통상 느려 큰 버퍼와 긴 재전송 간격을 필요로 한다.
따라서, 계층 2의 ARQ 시스템 이외에 대안의 시스템이 필요하다.
물리 자동 요구 재전송 시스템은 송신기 및 수신기를 포함한다. 송신기에서 물리 계층 송신기는 데이터를 수신하여 수신된 데이터를 특정 부호화/데이터 변조 패킷으로 포맷한다. 물리 계층의 송신기는 패킷을 전송하고 소정 패킷에 대한 대응 긍정응답(ACK)의 미수신 시 이에 응답하여 패킷을 재전송하는 n 채널을 포함한다. 송신기의 적응형 변조 및 부호화 제어기는 재전송 통계를 수집하고 수집된 통계를 이용하여 특정 부호화/데이터 변조를 조정한다. 수신기는 패킷을 수신하는 물리 계층의 n 채널 수신기를 구비하고 있다. 수신기는 패킷 전송을 결합하고, 패킷을 디부호화하며, 패킷 에러를 검출하는 n 채널 하이브리드 ARQ 결합기/디코더를 포함한다. 수신기는 그 패킷이 수용 가능한 에러율을 가지면 각 패킷에 대한 긍정응답을 전송하는 긍정응답 송신기를 갖고 있다. 수신기는 수용 가능한 패킷을 상위 계층으로 전달하는 순차 전달 요소를 포함하고 있다.
도 1a 및 도 1b는 다운링크 물리 ARQ(10) 및 업링크 물리 ARQ(20)를 각각 도시하고 있다.
다운링크 물리 ARQ(10)는 네트워크(10)에 제공된 상위 계층 ARQ(14a) 송신기로부터 패킷을 수신하는 기지국(12)을 포함한다. 송신기(14a)로부터의 패킷은 기지국(12)의 물리 계층 ARQ 송신기(12a)에 인가된다. ARQ 송신기(12a)는 순방향 에러 정정 코드(FEC)로 데이터를 부호화하고, 에러 체크 시퀀스(ECS)를 붙이며, 이진 위상 시프트 키잉(BPSK), 직교 위상 시프트 키잉(QPSK), 또는 직교 진폭 변조(즉, 16-QAM 또는 64-QAM)를 이용하여 적응형 변조 및 부호화(AMC) 제어기(12c)로 지시된 데이터를 변조한다. 또한 직교 주파수 분할 다중 접속(OFDMA)을 위해 AMC 제어기(12c)는 패킷 데이터를 전달하기 위해 사용된 부채널을 가변할 수 있다. 물리 계층 ARQ 송신기(12a)는 스위치, 서큐레이터 또는 듀프렉서(12d) 및 안테나(13)를 거쳐 에어 인터페이스(14)를 통해 가입자 유닛(16)으로 패킷을 전송한다. 송신기(12a)는 또한 필요하다면 송신기(12a)에 편입된 버퍼 메모리에 재전송을 위한 메시지를 일시적으로 저장한다.
가입자 유닛(16)의 안테나(15)는 패킷을 수신한다. 그 패킷은 스위치, 서큐레이터 또는 듀플렉서(16b)를 통해 물리 계층 ARQ 수신기(16a)에 입력된다. 수신기(16a)에서, 패킷은 FEC 디코딩(복호화)되고 ECS를 이용하여 에러 체크된다. 다음에 수신기(16a)는 수용 가능한 에러율을 갖는 패킷을 긍정응답(ACK) 수신하거나 긍정응답 신호를 보류하거나 바람직하게는 부정응답(NAK) 신호를 전송하여 재전송을 요구하도록 긍정응답(ACK) 송신기(16c)를 제어한다.
ACK는 ACK 송신기(16c)에 의해 스위치(16b) 및 안테나(15)를 통해 기지국(12)으로 송신된다. ACK는 에어 인터페이스(14)를 통해 기지국(12)의 안테나(13)로 송신된다. 수신된 ACK는 기지국(12)에서 긍정응답(ACK) 수신기(12b)에 의해 처리된다. ACK 수신기(12b)는 ACK/NAK를 적응형 변조 및 부호화(AMC) 제어기(12c) 및 송신기(12a)로 전달한다. AMC 제어기(12c)는 수신된 ACK의 통계를 이용하여 가입자 유닛(16)에 대한 채널 품질을 분석하고, 이후 보다 상세히 설명하는 바와 같이 메시지를 연속해서 전송하기 위한 FEC 부호화 및 변조 기술을 가변할 수 있다. 가입자 유닛(16)이 패킷의 수신을 긍정응답하면, 기지국(12)에서의 이러한 ACK 수신에 의해 버퍼 메모리에 일시적으로 저장된 원래의 패킷은 다음 패킷을 대비하여 클리어된다.
ACK가 수신되지 않거나 혹은 NAK가 수신되면, 물리 계층 송신기(12a)는 원래의 메시지 또는 선택적으로 수정된 원래의 메시지의 변형을 가입자 유닛(16)으로 재전송한다. 가입자 유닛(16)에서, 가능하다면 재전송은 원래의 전송과 결합된다. 이러한 기술은 데이터 리던던시 또는 선택적인 반복 결합을 이용하여 정확한 메시지의 수신을 용이하게 한다. 수용 가능한 에러율을 가진 패킷은 추가 처리를 위해 상위 계층(16d)으로 전송된다. 수용 가능한 수신 패킷은 동일한 데이터 순서로 상위 계층(16d)으로 전달되며, 데이터는 기지국의 송신기(12a)에 제공된다(즉, 순차적으로 전달된다). 최대 재전송수는 1 내지 8의 범위에서와 같이 운영자 정의의 정수값으로 제한된다. 최대 재전송수가 시도된 다음에, 버퍼 메모리는 다음 패킷에 의한 사용을 위해 클리어된다. 물리 계층에서의 작은 패킷을 이용하여 ACK를 디코딩하면 전송 지연 및 메시지 취급 시간이 줄어든다.
PHY ARQ가 물리 계층에서 발생하기 때문에, 특정 채널에 대한 재전송 발생 횟수, 즉 재전송 통계는 채널 품질의 양호한 척도이다. 재전송 통계를 이용함으로써, AMC 제어기(12c)는 도 2에 도시한 바와 같이, 그 채널에 대한 변조 및 부호화 방법을 가변할 수 있다. 또한, 재전송 통계는 채널의 품질을 평가하고 변조 및 부호화 방법의 변화가 요구되는 지를 결정하기 위해 AMC 제어기(12c)에 의해 비트 에러율(BER) 및 블록 에러율(BLER) 등의 다른 링크 품질 측정과 결합될 수가 있다.
SC-FDE를 설명하기 위해, 특정 채널에 대한 재전송 발생이 측정되어 재전송 통계를 산출한다(60). 변조 방법의 변화에 관한 판단이 재전송 통계를 이용하여 행해진다(62). 재전송이 과도하면, 보다 강건한 부호화 및 변조 방법이 통상 감속된 데이터 전송율로 이용된다(64). AMC 제어기(12c)는 확산 요소를 증가할 수 있고 보다 많은 코드를 이용하여 패킷 데이터를 전송할 수가 있다. 부가적으로 또는 대안적으로, AMC 제어기는 예컨대 64-QAM에서 16-QAM 또는 QPSK로, 하이 데이터 스루풋 변조 방법에서 로우 데이터 스루풋 변조 방법으로 전환할 수 있다. 재전송율이 낮으면, 64-QAM에서 16-QAM 또는 QPSK로와 같이, 고 수용 용량(capacity)의 변조 방법으로의 전환이 행해진다. 그 판단은 BER 또는 BLER과 같이 수신기로부터 신호 전송된 재전송율과 다른 링크 품질 측정을 양호하게 이용한다(62). 그 판단 한계는 시스템 운영자에 의해서 양호하게 설정된다.
OFDMA의 경우, 재전송 발생은 각 서브채널의 채널 품질을 모니터링하기 위해 사용된다. 특정 서브채널에 대한 재전송율 또는 재전송율/링크 품질은 낮은 품질을 표시하는데, 그 서브채널은 어떤 장래의 기간 동안 이러한 낮은 품질의 서브채널의 사용을 배제하기 위해 OFDM 주파수 세트로부터 선택적으로 널링될 수 있다(64). 재전송율 또는 재전송율/링크 품질이 고품질을 나타내면, 사전에 널링된 서브채널은 다시 OFDM 주파수 세트에 부가될 수 있다(66).
AMC의 기준으로서 재전송 발생을 이용하면, 융통성을 부여하여 변조 및 부호화 방법을 각 유저의 평균 채널 조건에 부합시킬 수가 있다. 또한, 재전송율은 가입자 유닛(16)으로부터의 측정 에러 및 보고 지연에 둔감하다.
업링크 ARQ(20)는 다운링크 ARQ(10)와 특성상 유사하며, 가입자 유닛(26)으로 구성되며, 상위 계층(28)의 상위 계층 ARQ 송신기(28a)로부터의 패킷은 물리 계층 ARQ 송신기(26a)로 전달된다. 그 메시지는 스위치(26d), 가입자 안테나(25) 및 에어 인터페이스(24)를 통해 기지국 안테나에 전송된다. 이와는 달리 AMC 제어기는 채널의 재전송 통계를 이용하여 변조 및 부호화 방법을 가변할 수 있다.
도 1a의 수신기(16a)와 유사하게 물리 계층 ARQ 수신기(22a)는 메시지가 재전송을 요하는 수용 가능한 에러율을 가지는 지를 결정한다. ACK 송신기는 상태를 가입자 유닛(26)에 보고함으로써, 송신기(26a)는 상위 계층(28)으로부터 다음 메시지를 수신하기 위해 준비 중인 송신기(26a)에 일시적으로 저장된 원래의 메시지를 재전송하거나 선택적으로 클리어한다. 추가 처리를 위해 네트워크(24)로 수신 패킷이 성공적으로 송신된다.
간결성을 위해 도시되고 있지 않지만, 다른 구현예가 사용 가능할 지라도 시스템은 BFWA 시스템에서의 HSDPA 어플리케이션에 대해 양호하게 사용 가능하다. BFWA 시스템은 주파수 분할 다중화 또는 시분할 다중화 SC-FDE 또는 OFDMA를 이용 할 수 있다. 이러한 시스템에서 기지국 및 모든 가입자는 고정 위치에 있다. 시스템은 기지국 및 다수의 가입자 유닛을 포함할 수 있다. 각 가입자 유닛은 예컨대 하나의 빌딩 내 또는 수개의 인접 빌딩 내에서 복수 유저에게 서비스할 수 있다. 이러한 어플리케이션은 통상 하나의 가입자 유닛 사이트에서의 다수의 최종 유저로 인해 큰 대역폭을 필요로 한다.
이러한 시스템에 배치된 PHY ARQ는 매체 엑세스 제어기(MAC)와 같은 상위 계층에 대해 투명하다. 그결과 PHY ARQ는 계층 2와 같은 상위 계층 ARQ과 관련하여 이용 가능하다. 그 경우, PHY ARQ는 상위 계층 ARQ의 재전송 오버헤드를 감소시킨다.
도 3은 PHY ARQ(30)의 N 채널 정지 및 대기 구조의 예를 도시한다. 물리 계층 ARQ 전송 기능부(38)는 다운링크, 업링크 또는 두 PHY ARQ가 사용되는 지에 따라서 기지국, 가입자 유닛 또는 둘다에 놓여질 수가 있다. 데이터의 블록(34a)은 네트워크로부터 도달한다. 네트워크 블록은 에어 인터페이스(43)의 데이터 채널(41)을 통해 전송하기 위해 큐(대기행렬)(34)로 놓여진다. N 채널 시퀀서(36)는 블록 데이터를 순차적으로 N 송신기(40-1 내지 40-n)로 송신한다. 각 송신기(40-1 내지 4-n)는 데이터 채널(41)의 전송 시퀀스와 관련이 있다. 각 송신기(40-1 내지 40-n)는 블록 데이터에 대해 FEC 부호화하여 그 블록 데이터에 대한 ECS를 제공하고 데이터 채널(41)에서 AMC 변조 및 전송을 위한 패킷을 산출한다. FEC 부호화/ECS 데이터는 가능한 재전송을 위해 송신기(40-1 내지 40-n)의 버퍼에 저장된다. 또한, 제어 정보는 수신기(46-1 내지 46-n)에서 수신, 복조 및 디코딩을 동기화하기 위해 PHY ARQ 송신기(38)로부터 송신된다.
각각의 N 수신기(46-1 내지 46-n)는 그의 관련 타임 슬롯에서 패킷을 수신한다. 수신된 패킷은 개개의 하이브리드 ARQ 디코더(50-1 내지 50-n)로 송신된다.
하이브리드 ARQ 디코더(50)는 수신된 패킷에 대한 에러율, 예컨대 BER 또는 BLER을 결정한다. 패킷이 수용 가능한 에러율을 가지면, 패킷은 추가 처리를 위해 상위 계층으로 릴리즈되고 ACK 송신기(54)에 의해 ACK가 송신된다. 에러율이 수용 가능하지 않거나 패킷이 수신되지 않으면, ACK가 송신되지 않거나 NAK가 송신된다. 수용 불가능한 에러율을 갖는 패킷이 재전송된 패킷과 결합할 가능성이 있는 디코더(50)에서 버퍼된다.
터보 코드를 이용하여 패킷을 결합하기 위한 방법은 다음과 같다. 터보 부호화 패킷이 수용 불가능한 에러율로 수신되면, 패킷 데이터는 코드 결합을 용이하게 하기 위해 재전송된다. 동일한 데이터를 포함하는 패킷은 상이하게 부호화된다. 패킷 데이터를 디코딩하기 위해 두 패킷은 원래의 데이터를 복구하도록 터보 디코더에 의해 처리된다. 제2 패킷이 상이하게 부호화되므로, 그의 소프트 심볼은 디코딩 방법에 있어 상이한 포인트로 매핑된다. 상이하게 부호화된 2개의 패킷을 이용하면 부호화 다이버시티 및 전송 다이버시티가 부가되어 전체 BER이 개선된다. 또 다른 방법에 있어서, 동일한 신호가 전송된다. 수신된 두 패킷은 심볼의 최대 결합비를 이용하여 결합된다. 결합된 신호는 순차적으로 디코딩된다.
각 수신기(46-1 내지 46-n)에 대한 ACK는 고속 피드백 채널(FFC)(45)에서 송신된다. 고속 피드백 채널(45)은 저(low) 대기시간 채널(latency channel)이 좋다. 시분할 듀플렉스 시스템의 경우, ACK는 업스트림 전송과 다운스트림 전송간 유휴 기간에서 송신 가능하다. FFC(45)는 다른 대역내 전송과 겹치는 저속의 고대역폭 CDMA 채널이 좋다. FFC CDMA 코드 및 변조를 선택하여 다른 대역내 전송에 대한 간섭을 최소화한다. 이러한 FFC(45)의 수용용량을 증가하기 위해 다중 코드가 사용 가능하다.
ACK 수신기(56)는 ACK를 검출하고 ACK의 수신 여부를 대응 송신기(40-1 내지 40n)에 표시한다. ACK가 수신되지 않으면, 패킷은 재전송된다. 재전송된 패킷은 AMC 제어기(12c,26c)에 의해 지시된 바와 같이 상이한 변조 및 부호화 방법을 가질 수 있다.
ACK가 수신되면, 송신기(40-1 내지 40-n)는 버퍼로부터 이전 패킷을 클리어하고 전송을 위해 후속 패킷을 수용한다.
송신기 및 수신기의 수 N는 채널 수용 용량 및 ACK 응답 시간 등의 각종 설계 고려 사항에 기초한다. 전술한 양호한 시스템의 경우, 기수 및 우수 송신기 및 수신기를 가진 2 채널 구조가 양호하게 이용된다.
양호한 실시예의 PHY ARQ 기술은 상위 계층 ARQ 만을 이용하는 시스템에 견줄 때 신호 대 잡음비(SNR)에 있어 7db 이득을 제공한다. 이것은 높은 블록 에러율(BLER)(5-20% BLER)로 동작하고 상위 계층 ARQ 만을 이용할 때 보다 계층 1에서 소형의 블록 크기를 이용함으로써 발생한다. 저감된 SNR 요건은 다음을 가능하게 한다. 즉 적응형 변조 및 부호화(AMC) 기술을 채용하는 고차 변조로 전환함으로써 수용 용량을 증가시키고, 저감된 구현 성능을 보상하는 PHY ARQ를 갖는 저등급의 RF(고주파 주파수) 부품을 이용함으로써 고객 댁내 장치(CPE)를 저렴하게 구현 가능하게 하며, 셀반경을 연장하는 다운링크 범위를 증대하고, 기지국(BS)의 다운링크 전력을 저감하여 셀과 셀간의 간섭을 최소화하며, 다중 반송 기술을 이용할 때 전력 증폭기(PA)의 백오프(back-off)를 증대할 수가 있다.
본 발명은 고속 다운링크 패킷 엑세스(HSDPA) 어플리케이션을 이용한 단일 반송파 주파수 영역 등화(SC-FDE) 플랜 또는 직교 주파수 분할 다중화(OFDM) 플랜 중 어느 하나를 이용한 광대역 고정 무선 접속(BFWA) 통신 시스템에서 계층 2의 ARQ 시스템 이외에 대안의 시스템, 즉 물리 계층 ARQ 시스템을 이용한 무선 통신 시스템에 적용 가능하다.
도 1a 및 도 1b는 다운링크 및 업링크 물리 ARQ의 개략 블록도.
도 2는 적응형 변조 및 부호화를 위해 재전송 통계를 이용하는 플로우챠트.
도 3은 다채널 정지 및 대기 구조(multi-channel stop and wait architecture)를 도시하는 블록도.

Claims (9)

  1. 가입자 유닛에서 데이터 변조를 조정하기 위한 방법으로,
    전송용 송신기에서 데이터를 수신하는 단계와,
    상기 수신된 데이터를 전송용 패킷들로 포맷하기 위한 단계-상기 각각의 패킷은 특정 타입으로 부호화/데이터 변조된다-와,
    상기 패킷들을 전송하는 단계와,
    패킷을 수신한 각각의 패킷에 대한 긍정응답(ACK)의 수신을 위해 리턴 채널을 감시하는 단계와,
    상기 패킷에 대한 긍정응답을 수신하지 않으면, 상기 송신기에서 패킷을 재전송하는 단계와,
    재전송 통계를 수집하는 단계와,
    수집된 재전송 통계를 이용하여 특정 부호화/데이터 변조를 조정하는 단계
    를 포함하며,
    상기 수집된 재전송 통계가 낮은 수의 재전송을 표시하면, 높은 수용용량의 부호화/변조 방법이 특정 부호화/데이터 변조로서 선택되고, 상기 수집된 재전송 통계가 높은 수의 재전송을 표시하면, 낮은 수용용량의 부호화/데이터 변조 방법이 특정 부호화/데이터 변조로서 선택되는 것인 데이터 변조 조정 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 특정 타입의 부호화/데이터 변조는 순방향 에러 정정(FEC)인 것인 데이터 변조 조정 방법.
  3. 제2항에 있어서, 상기 패킷은 직교 주파수 분할 다중화 접속(OFDMA) 에어 인터페이스를 이용하여 전송되며 상기 FEC 부호화/데이터 변조 조정은 OFDMA 세트에서 서브채널의 선택적인 널링에 부가하여 수행되는 것인 데이터 변조 조정 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 패킷은 주파수 영역 등화(SC-FDE) 에어 인터페이스를 갖는 단일 반송파를 이용하여 전송되는 것인 데이터 변조 조정 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 리턴 채널은 상기 패킷을 코드 분할 다중화 접속(CDMA) 에어 인터페이스를 이용하여 전송하는 경우 고속 피드백 채널인 것인 데이터 변조 조정 방법.
  6. 제1항에 있어서, 패킷을 부정응답(NAK)에 응답하는 수용 불가능한 에러율을 갖는 것으로서 식별하는 단계를 더 포함하는 것인 데이터 변조 조정 방법.
  7. 가입자의 데이터 변조를 조정하기 위한 방법으로,
    데이터를 무선 에어 인터페이스를 통해 전송하기 위한 패킷들로 포맷하는 단계와,
    상기 에어 인터페이스를 통해 데이터의 패킷들을 수신하는 단계-각 패킷은 특정 타입으로 부호화되고/데이터 변조됨-와,
    각 수신 패킷에 대해 수신 패킷이 수용 가능한 에러율을 가질 때 상기 에어 인터페이스의 물리 계층에서 긍정응답을 생성하여 전송하는 단계
    를 포함하며,
    상기 패킷의 재전송 통계가 수집되고 상기 각 패킷의 특정 부호화/데이터 변조는 상기 수집된 재전송 통계를 이용하여 조정되며,
    상기 수집된 재전송 통계가 낮은 수의 재전송을 표시하면, 높은 수용용량의 부호화/변조 방법이 특정 부호화/데이터 변조로서 선택되고, 상기 수집된 재전송 통계가 높은 수의 재전송을 표시하면, 낮은 수용용량의 부호화/데이터 변조 방법이 특정 부호화/데이터 변조로서 선택되는 것인 가입자의 데이터 변조 조정 방법.
  8. 제7항에 있어서, 상기 긍정응답은 상기 에어 인터페이스가 코드 분할 다중화 접속(CDMA)을 이용하는 경우 고속 피드백 채널에서 전송되는 것인 가입자의 데이터 변조 조정 방법.
  9. 제7항에 있어서, 상기 패킷이 수용 가능한 에러율인 경우 부정응답을 전송하는 단계를 더 포함하는 것인 가입자의 데이터 변조 조정 방법.
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