KR20070072984A - 다중 홉 릴레이 방식의 셀룰러 네트워크에서 투명 중계하기위한 장치 및 방법 - Google Patents

다중 홉 릴레이 방식의 셀룰러 네트워크에서 투명 중계하기위한 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

다중 홉 릴레이(Multi-hop Relay) 방식의 셀룰러 네트워크(Cellular Network)에서 다수 개의 주파수 대역을 이용하여 투명(Transparent)하게 신호를 중계하기 위한 장치 및 방법에 관한 것으로서, 제 1 주파수 대역을 이용하여 기지국과 통신을 수행하는 과정과, 상기 제 1 주파수 대역과 다른 주파수 대역을 이용하여 상기 중계국의 서브 셀(Sub-cell)에 포함되는 단말들과 통신을 수행하는 과정을 포함하여, 기지국의 서비스 영역 확대 및 단말의 호완성(Backward Compatibility)을 가능하게 하고, 기지국과 중계국 링크에 방향성 안테나를 사용함으로써, 상기 중계 링크의 채널 용량을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.
투명(Transparent) 중계, 셀룰러 네트워크, 프레임 구조, 다수개의 주파수 대역, 방향성 안테나

Description

다중 홉 릴레이 방식의 셀룰러 네트워크에서 투명 중계하기 위한 장치 및 방법{APPARATUS AND METHOD FOR TRANSPARENT RELAY IN MULTI-HOP RELAY CELLULAR NETWORK}
도 1은 일반적인 다중 홉 릴레이 방식 셀룰러 네트워크의 구성을 도시하는 도면,
도 2는 일반적인 광대역 무선 접속 통신시스템의 프레임 구조를 도시하는 도면,
도 3은 본 발명에 따른 투명 중계를 수행하기 위한 다중 홉 릴레이 셀룰러 네트워크의 구성을 도시하는 도면,
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 투명 중계를 위한 프레임 구조를 도시하는 도면,
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 간섭이 발생하는 다중 홉 릴레이 방식 셀룰러 네트워크의 구성을 도시하는 도면,
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 홉 릴레이 방식 셀룰러 네트워크에서 간섭을 방지하기 위한 송신 타이밍을 도시하는 도면,
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 투명 중계를 수행하며 확장된 다중 홉 릴 레이 셀룰러 네트워크의 구성을 도시하는 도면,
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 투명 중계를 수행하기 위한 중계국의 동작 절차를 도시하는 도면,
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 투명 중계를 수행하기 위한 다중 홉 릴레이 방식의 셀룰러 네트워크의 동작 절차를 도시하는 도면,
도 10은 본 발명의 실시 예에 따른 중계국 장치의 송신 방식을 도시하는 도면,
도 11은 본 발명에 따른 투명 중계를 수행하기 위한 기지국의 블록 구성을 도시하는 도면, 및
도 12는 본 발명에 따른 투명 중계를 수행하기 위한 중계국의 블록 구성을 도시하는 도면.
본 발명은 다중홉 릴레이(Multi-hop Relay) 셀룰러 네트워크(Cellular Network)에 관한 것으로서, 특히 상기 다중홉 릴레이 셀룰러 네트워크에서 복수의 주파수 대역을 이용하여 투명 중계를 수행하기 위한 장치 및 방법에 관한 것이다.
오늘날 많은 사람들은 노트북 컴퓨터나, 핸드폰, PDA 및 MP3 등 수많은 디지털 전자기기를 휴대한다. 대부분의 상기 휴대용 디지털 전자기기들은 상호연동 없 이 독립적으로 작동하게 된다. 만일, 중앙 제어 시스템의 도움 없이 상기 휴대용 디지털 전자기기들이 스스로 무선 네트워크를 구성할 수 있다면, 각 기기들은 다양한 정보를 상호 간에 손쉽게 공유하게 되어 현재까지 경험하지 못했던 새롭고 다양한 정보통신 서비스를 제공할 수 있다. 이처럼 상기 중앙 제어시스템의 도움 없이도 언제, 어디서나 각 기기들 간에 통신을 가능하게 해주는 무선 네트워크를 Ad hoc 네트워크 또는 유비쿼터스(ubiquitous) 네트워크이라고 부른다.
최근 활발히 연구가 진행 중인 4세대 이동통신 시스템의 가장 중요한 요구 조건 중의 하나는 자율적 적응형 (Self-Configurable) 무선 네트워크의 구성이다.
상기 자율적 적응형 무선 네트워크는, 중앙 시스템의 제어 없이 무선 네트워크를 자율적으로 또한 분산적으로 구성하여 이동통신 서비스를 제공할 수 있는 무선 네트워크를 일컫는다. 또한, 상기 4세대 이동통신 시스템에서는 고속 통신을 가능하게 하고 더 많은 통화량을 수용하기 위하여 반경이 매우 작은 셀들이 설치된다. 이 경우에는 현재의 무선망 설계 방식을 그대로 사용한 중앙 집중적인 설계가 불가능해질 것이다. 이러한 무선 네트워크는 분산적으로 제어되고 구축되면서도, 새로운 기지국(Base station)의 추가와 같은 환경 변화에 능동적으로 대처할 수 있어야 한다. 상술한 이유로 4세대 이동통신 시스템에서는 자율적 적응형 무선 네트워크의 구성이 요구된다.
상기 4세대 이동통신 시스템에서 요구되는 상기 자율적 적응형 무선 네트워크를 현실적으로 구현하기 위해서는 상기 Ad hoc 네트워크에서 적용된 기술을 이동통신 시스템에 도입해야 한다. 상기의 대표적인 사례가 다중홉 릴레이 (Multi-hop relay) 셀룰러 네트워크로서, 고정 기지국으로 구성된 셀룰러 네트워크에 Ad hoc 네트워크에서 적용된 기술인 다중홉 릴레이 기법을 도입한 것이다. 상기 셀룰러 네트워크에서는 기지국과 단말기(Mobile station) 간에 하나의 직접 링크(direct link)로 통신이 이루어지므로, 상기 단말기와 기지국 간에 신뢰도가 높은 무선 통신링크를 쉽게 구성할 수 있다.
그러나, 기지국의 위치가 고정되어 있으므로 무선망 구성의 유연성(flexibility)이 낮아 트래픽 분포나 통화 요구량의 변화가 심한 무선환경에서 효율적인 서비스를 제공하기 어렵다. 이와 같은 단점을 극복하기 위해 주변의 여러 단말기 또는 고정 중계국(Relay station)들을 이용하여 다중 홉 형태로서 데이터를 전달하는 중계국법을 적용한다. 또한, 상기 다중홉 릴레이 기법은 주변 환경변화에 대해 빠르게 네트워크를 재구성할 수 있으며, 전체 무선망을 보다 효율적으로 운용할 수 있게 된다. 그러므로 4세대 이동통신 시스템에서 요구되는 자율 적응형 무선망은 상기의 다중홉 릴레이 셀룰러 네트워크를 모델로 하여 현실적으로 구현할 수 있다.
상기 다중홉 릴레이 기술이 셀룰러 네트워크에 도입되게 된 또 다른 동기는, 전계강도가 부족하여 발생하는 부분적인 음영지역을 커버하거나, 서비스 요구가 적은 초기 상황을 릴레이를 설치함으로써 초기 설치 비용에 대한 부담을 줄일 수 있어, 셀 서비스 영역을 넓히고 시스템 용량을 증대시킬 수 있는 장점을 갖고 있다는 것이다.
도 1은 일반적인 다중 홉 릴레이 방식 셀룰러 네트워크의 구성을 도시하고 있다.
상기 도 1에 도시된 바와 같이 기지국(100)의 영역(101)에 포함되는 단말 1(110)은 상기 기지국(100)과 직접 링크로 연결되고, 상기 기지국의 영역(110) 밖에 위치하여 상기 기지국(100)으로부터의 채널 상태가 열악한 단말 2(120)는 중계국(130)을 통해 중계 링크로 상기 기지국(100)에 연결된다.
즉, 상기 단말들(110, 120)이 상기 기지국(100)과 통신을 수행할 경우, 보다 우수한 무선 채널을 제공하기 위해, 상기 기지국 영역(101)의 외곽에 위치하거나, 건물 등에 의해 차폐현상이 심한 음영지역에서 상기 중계국(130)을 이용하여 링크를 연결하여 상기 기지국과 통신을 수행한다. 따라서, 상기 기지국(100)은 채널 상태가 열악한 셀 경계지역에서 다중 홉 릴레이 기법을 적용하여 고속의 데이터 채널을 제공할 수 있으며, 상기 셀 서비스 영역을 확장시킬 수 있다.
다시 말해, 상기 중계국(130)은 상기 기지국(100)으로부터 전송되는 하향링크 신호를 수신하여 상기 단말 2(120)로 상기 수신신호를 중계한다. 그리고, 상기 단말 2(120)로부터 전송되는 상향링크 신호를 수신하여 상기 기지국(100)으로 중계한다. 여기서, 상기 기지국(100)과 중계국(130) 및 단말 2(120) 사이에서 상/하향링크를 전송하기 위해서는 상기 기지국(100)과 중계국(130) 사이의 BS-RS 링크와, 상기 중계국(130)과 단말2(120) 사이의 RS-MS 링크와 상기 기지국(100)과 단말1(110) 사이의 BS-MS 링크가 형성된다. 또한, 각 링크는 데이터 전송 경로의 종단에 따라 상향링크와 하향링크로 구분된다.
상기 중계국(130)은 상기 기지국(100)의 서비스 영역 밖에 위치하는 단말 2(120)와 상기 기지국(100) 사이에 통신이 수행될 수 있도록 트래픽 전송뿐만 아니라, 초기 접속 등의 제어 정보도 중계해야 한다. 그러므로, 상기 중계국(130)은 상기 단말이 다른 추가 기능이 없이 통신을 수행하기 위해 도 2에 도시된 바와 같이 상기 기지국(100)과 동일한 프레임 구조 및 정보를 포함하여 상기 단말 2(120)에 신호를 중계해야 한다. 여기서, 상기 도 2는 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineers) 802. 16에서 제공되는 시분할 복신(Time Division Duplex) 프레임 구조를 예로서 보여주고 있다.
상술한 바와 같이 상기 중계 서비스를 제공받는 단말의 입장에서 추가기능 없이 상기 중계국을 이용한 통신을 수행하기 위한 기능이 요구되고 있다. 즉 상기 중계국에서 투명하게 신호를 중계하기 위한 기능이 요구되고 있다.
따라서, 본 발명의 목적은 다중 홉 릴레이 방식의 셀룰러 네트워크에서 신호를 투명(Transparent)하게 중계하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 다중 홉 릴레이 방식의 셀룰러 네트워크에서 중계국은 다수 개의 주파수 대역을 이용하여 투명하게 중계를 수행하기 위한 장치 및 방법을 제공함에 있다.
상기 목적들을 달성하기 위한 본 발명의 제 1 견지에 따르면, 다중 홉 릴레이(Multi-hop Relay) 방식의 셀룰러 네트워크(Cellular Network)에서 다수 개의 주 파수 대역을 이용하여 투명(Transparent)하게 신호를 중계하기 위한 중계국의 동작 방법은, 제 1 주파수 대역을 이용하여 기지국과 통신을 수행하는 과정과, 상기 제 1 주파수 대역과 다른 주파수 대역을 이용하여 상기 중계국의 서브 셀(Sub-cell)에 포함되는 단말들과 통신을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 제 2 견지에 따르면, 다중 홉 릴레이(Multi-hop Relay) 방식의 셀룰러 네트워크(Cellular Network)에서 다수 개의 주파수 대역을 이용하여 투명(Transparent)하게 신호를 중계하기 위한 중계국 장치는, 기지국과 통신을 수행하기 위한 방향성 안테나와, 서브 셀(Sub-cell) 영역에 포함된 단말들과 통신을 수행하기 위한 전방향 안테나와, 해당 링크의 사용 주파수 대역을 이용하여 신호를 송수신하기 위한 타이밍 신호를 제공하는 타이밍 제어기와, 상기 타이밍 신호에 따라 해당 주파수 대역의 신호를 송수신하는 송수신장치를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하 본 발명의 바람직한 실시 예를 첨부된 도면의 참조와 함께 상세히 설명한다. 그리고, 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단 된 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
이하 본 발명은 다중 홉 릴레이(Multi-hop Relay) 셀룰러 네트워크(Cellular Network)에서 다수 개의 주파수 대역을 이용하여 투명(Transparent)하게 중계를 수 행하기 위한 기술에 대해 설명한다. 다시 말해, 투명 중계 서비스를 제공하기 위해 다수 개의 주파수 대역을 이용하며, 상기 기지국과 중계국 링크와 중계국과 단말 링크가 서로 다른 주파수 대역을 통해 통신이 수행되는 방식에 대해 설명한다. 여기서, 상기 투명 중계 서비스는, 상기 중계 서비스를 제공받는 단말의 입장에서 중계국을 통해 제공받는 서비스를 중계 서비스로 인식하지 못하고, 기지국으로부터 직접 서비스를 제공받는 것으로 인식하여 통신을 수행하도록 하는 것을 의미한다.
이하 설명은, 시분할 복신(Time Division Duplex) 및 직교주파수 분할 다중 접속(Orthogonal Frequency Division Multiplexing Access) 방식을 사용하는 무선통신시스템을 예를 들어 설명하며, 다른 다중 접속 방식에도 동일하게 적용 가능하다. 또한, 상기 기지국과 단말 사이의 링크를 직접 링크라 칭하고, 상기 기지국과 중계국과의 링크는 중계 링크라 칭하며, 상기 중계국과 단말과의 링크는 서브-셀(Sub-Cell) 링크라 칭한다.
도 3은 본 발명에 따른 투명 중계를 수행하기 위한 다중 홉 릴레이 셀룰러 네트워크의 구성을 도시하고 있다. 이하 설명은 두 홉 중계 방식에서 두 개의 주파수 대역을 사용하여 신호를 투명하게 중계하는 것을 가정하여 설명한다.
상기 도 3에 도시된 바와 같이 기지국(300)의 서비스 영역에 포함되는 단말들(301, 303)은 상기 기지국(300)과 직접 링크로 연결되고, 상기 기지국(300)의 서비스 영역 밖에 위치하는 단말들(311, 313)은 중계국(310)을 통한 중계 링크로 상기 기지국(300)과 연결된다.
이때, 상기 기지국(300)은 두 개의 주파수 대역(F1, F2)을 이용하여 상기 기 지국(300)의 서비스 영역에 포함되는 단말들(301, 303)과 통신을 수행하고, 상기 F1 주파수 대역을 이용하여 중계국(310)과 통신을 수행한다. 여기서, 상기 기지국(300)은 상기 중계국(310)과 링크의 제어 채널을 통해 상기 중계국(310)의 동작을 제어한다.
한편, 중계국(310)은 상기 기지국(300)으로부터 F1 주파수 대역을 통해 수신되는 신호들 중 중계가 필요한 신호들만을 선택하여, 상기 선택된 신호들을 F2 주파수 대역을 이용하여 상기 기지국(300)의 서비스 영역 밖에 존재하는 단말들(311, 313)로 중계한다. 여기서, 상기 중계국(310)은 상기 기지국(300)의 제어에 따라 상기 중계가 필요한 신호들을 선택한다.
또한, 상기 중계국(310)은 기지국(300)의 서비스 영역 밖에 존재하는 단말들(311, 313)의 신호를 중계하기 위해, 상기 단말들(311, 313)이 상기 중계국(310)을 통해 상기 기지국(300)에 초기 접속(Initial Access), 즉 네트워크 진입(Network Entry)이 가능하도록, 상기 F2 주파수 대역을 이용하여 상기 단말들(311, 313)의 초기 접속에 따라 요구되는 기능들을 제공해야만 한다. 즉, 상기 중계국(310)은 상기 단말들(311, 313)에게 방송(Broadcasting) 형태로 전송되는 단방향 제어 채널신호 또는, 트래픽 채널(Traffic Channel)신호를 상기 F2 주파수 대역을 이용하여 중계하며, 또한, 상기 단말들(311, 313)이 초기 접속을 위해 전송하는 랜덤 접속 채널(Random Access Channel) 신호를 상기 F2 주파수 대역을 이용하여 상기 기지국(300)으로 중계한다.
따라서, 상기 중계국(310)은 서로 다른 주파수 대역(F1, F2)을 이용하여 두 개의 링크(기지국과 중계국 링크, 중계국과 단말 링크)의 통신을 수행한다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 투명 중계를 위한 하향링크 부프레임 구조를 도시하고 있다. 이하 설명은 도 3에서 사용되는 F1과 F2 주파수 대역을 이용한 하향링크 부프레임의 구조를 예를 들어 설명한다. 또한, 하향링크 부프레임을 예를 들어 설명하지만, 상향링크 부프레임도 동일한 형태를 갖는다.
상기 도 4에 도시된 바와 같이 도 4a는 상기 F1 주파수 대역을 이용한 하향링크 부프레임의 구조를 도시하며, 도 4b는 상기 F2 주파수 대역을 이용한 하향링크 부프레임의 구조를 도시하고 있다.
먼저 상기 도 4a에 도시된 바와 같이 상기 F1 주파수 대역은 직접 링크를 통한 상기 기지국(300)의 하향링크 신호를 전송하는데 사용되며, 상기 서비스 영역에 포함되는 단말들(301, 303) 및 중계국(310)에 기지국 서비스를 제공한다.
다음으로 상기 도 4b에 도시된 바와 같이 상기 F2 주파수 대역은 상기 기지국(300)의 직접 링크와 상기 중계국(310)을 통한 중계 링크가 동시에 사용하므로 상기 F2 주파수 대역을 상기 직접 링크와 상기 중계 링크들을 구분하기 위해 공간 다중화 형태로 다중화되어 부프레임이 구성된다. 여기서 상기 F2 주파수 대역을 통해 기지국은 직접링크를 통해 이동 단말기와 통신하고, 중계국은 자신의 서브셀 링크를 통해 이동 단말기와 통신한다.
상술한 바와 같이 다수 개의 주파수 대역을 사용하여 투명하게 신호를 중계하기 위한 다중 홉 릴레이 방식의 셀룰러 네트워크에서 TDD 시스템을 사용하는 경 우, 상기 도 4에 도시된 바와 같이 동일 주파수 대역을 공간 다중화 형태로 다중화되어 사용되므로 인접 셀의 간섭을 배제하기 위한 시간 동기화가 이루어 져야한다. 만일, 상기 시간 동기화가 이루어지지 않으면, 하기 도 5에 도시된 바와 같이 직접 링크와 서브 셀 링크 사이에 역방향 링크의 간섭이 발생한다. 여기서 역방향 링크의 간섭은, 상향링크 신호가 인접 셀의 하향링크 신호에 큰 전력 세기로의 간섭을 의미한다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 역방향 링크의 간섭이 발생하는 다중 홉 릴레이 방식 셀룰러 네트워크의 구성을 도시하고 있다.
상기 도 5에 도시된 바와 같이 상기 기지국(300)은 F2 주파수 대역을 이용하여 단말 1(301)과 직접링크를 통해 통신을 수행하고, 상기 중계국(310)도 상기 F2 주파수 대역을 이용하여 단말 2(311)와 중계링크를 통해 통신을 수행한다. 이때, 동일한 주파수 대역을 사용하는 상기 기지국과 단말 1 링크의 프레임과 상기 중계국과 단말 2 링크의 프레임의 동기가 맞지 않으면, 각 링크의 신호들이 간섭으로 작용하여 시스템 성능이 크게 열화 된다.
따라서, 상기 다중 홉 릴레이 방식의 셀룰러 네트워크에서 중계국은 역방향 링크에 의한 간섭을 배제하기 위해 하기 도 6에 도시된 바와 같이 기지국과 중계국 사이의 전송 지연을 고려하여 타이밍 전진(Timing Advance)을 수행하여 중계하는 방식을 사용한다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 다중 홉 릴레이 방식 셀룰러 네트워크에서 역방향 링크의 간섭을 방지하기 위한 송신 타이밍을 도시하고 있다.
상기 도 6에 도시된 바와 같이 도 6a는 F1 주파수 대역에서의 타이밍을 도시하고, 도 6b는 F2 주파수 대역에서의 타이밍을 도시하고 있다. 또한, 도 6c와 도 6d는 잘못된 타이밍 전진으로 인해 발생하는 역방향 링크의 간섭을 나타낸다. 여기서, 하나의 프레임은 하향링크, TTG(Transmit/Receive Transition Gap), 상향링크, RTG(Receive/Transmit Transition Gap)를 포함하여 구성된다.
먼저, 상기 도 6a에 도시된 바와 같이, 상기 기지국이 F1 주파수 대역을 통해 하향링크 부프레임을 전송하면(601), 상기 기지국으로부터 F1 주파수 대역을 통해 통신을 수행하는 단말 혹은 중계국은 전송 지연된 상기 기지국의 하향링크 부프레임을 수신한다(603). 이후, 상기 RTD(Round Trip Delay)를 고려하여 타이밍 전진하여 상기 기지국 상향링크 부프레임을 상기 기지국으로 송신한다(605).
다음으로 상기 도 6b에 도시된 바와 같이 상기 기지국이 하향링크 부프레임을 전송하면(611), 상기 중계국은 상기 기지국의 전송지연을 고려하여 0.5×RTD 만큼 타이밍 전진하여 상기 중계국 하향링크 부프레임을 단말로 전송한다(613). 여기서, 상기 0.5×RTD 만큼 타이밍 전진을 수행함으로써, 도 6c에 도시된 바와 같이 타이밍 전진을 하지 않는 경우, 상기 중계국의 하향링크 부프레임내의 신호가 경험하는 F2 주파수 대역에서 상기 기지국과 직접링크를 갖는 단말의 상향링크 부프레임내의 신호로부터의 큰 크기의 간섭을 방지할 수 있다. 또한, 도 6d에 도시된 바와 같이 중계국이 F1 주파수 대역에서의 통신 링크에서와 같이 F2 주파수 대역에서도 송신 신호를 RTD만큼 타이밍 전진하는 경우, 상기 중계국의 상향링크 부프레임내의 신호가 상기 기지국 하향링크 부프레임 신호에 간섭을 발생시킴을 보여주고 있다.
상술한 바와 같이 두 홉으로 구성된 셀룰러 네트워크에서 서로 다른 주파수 대역을 이용하여 중계링크와 서브셀 링크를 설정하는 방법은 상기 두 홉뿐만 아니라 하기 도 7에 도시된 바와 같이 다중 홉으로 확장이 가능하다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 투명 중계를 수행하며 확장된 다중 홉 릴레이 셀룰러 네트워크의 구성을 도시하고 있다.
상기 도 7에 도시된 바와 같이 기지국(700)은 서비스 영역에 포함되는 단말들(701, 703)과 두 개의 주파수 대역(F1, F2)을 이용하여 통신을 수행한다. 또한, 중계국 1(710)과는 F1 주파수 대역을 이용하여 통신을 수행한다.
상기 F1 주파수 대역을 통해 상기 기지국(700)과 통신을 수행하는 중계국 1(710)은 투명 중계를 수행하기 위해 상기 기지국(700)과 통신을 수행하는 F1 주파수 대역과 다른 F2 주파수 대역을 이용하여 상기 중계국(710)의 서브셀 영역에 포함되는 단말(711) 및 중계국 2(720)와 서브셀 링크 및 2 홉 중계링크를 형성하여 통신을 수행한다.
한편, 상기 F2 주파수 대역을 통해 상기 중계국 1(710)과 중계 링크로 연결된 중계국 2(720)는 상기 F1 주파수 대역을 이용하여 상기 중계국 2(720)의 서브셀에 포함되는 단말(721)과 서브셀 링크를 형성하여 통신을 수행한다.
이하 설명은 상기 다수 개의 주파수 대역을 사용하여 기지국과 단말의 신호 를 투명하게 중계하기 위한 중계국 및 다중 홉 릴레이 방식의 셀룰러 네트워크의 동작 절차에 대해 설명한다.
도 8은 본 발명의 실시 예에 따른 투명 중계를 수행하기 위한 중계국의 동작 절차를 도시하고 있다. 이하 설명은 두 개의 주파수 대역을 사용하여 신호를 투명하게 중계하는 것을 가정하여 설명하며, 다수 개의 주파수 대역을 사용하는 것으로 확장 가능하다. 또한, 상기 중계국은 중계링크에 사용되는 F1 주파수 대역과 서브셀 링크에 사용되는 F2 주파수 대역을 동시에 사용한다. 즉, 중계링크와 서브셀 링크는 서로 다른 주파수 대역을 사용한다.
상기 도 8을 참조하면, 상기 중계국은 F1 주파수 대역과 F2 주파수 대역이 병렬적으로 사용되어 중계 링크 및 서브셀 링크와 동시에 통신을 수행한다. 즉, F1 주파수 대역을 사용하는 중계링크를 통해 기지국으로부터 신호를 수신하며, F2 주파수 대역을 사용하는 서브셀 링크를 통해 단말로 신호를 송신한다.
먼저, 상기 중계국의 F1 주파수 대역의 동작 절차는 801단계에서 상기 기지국으로부터 프리앰블 신호를 수신하여 동기화 정보를 획득한다. 여기서, 상기 중계국은 상기 기지국에 대해 하나의 단말처럼 동작한다.
상기 기지국으로부터 동기화 정보를 획득하면, 상기 중계국은 803단계로 진행하여 상기 중계를 위한 제어 정보를 획득한다. 즉, FCH(Frame Control Header)와 DL(Down Link) MAP 및 UL(Up Link) MAP 정보를 수신하여 상기 중계국의 서브 셀에 포함되는 단말들로 신호를 중계하기 위한 제어 정보를 획득한다.
상기 중계 제어 정보를 획득한 후, 상기 중계국은 805단계로 진행하여 상기 중계 제어 정보에 따라 상기 기지국으로부터 상기 서브셀에 포함되는 단말로 중계를 수행할 트래픽 신호를 수신한다.
이후, 상기 중계국은 807단계에서 상기 기지국의 하향링크 신호를 수신하는 수신모드에서 송신모드로 제 1 동작 전환을 수행한다. 여기서, 상기 F1 주파수 대역에서 전송 모드가 수신모드에서 송신모드로 전환되는 제 1 동작 전환이 수행되면, 상기 F2 주파수 대역의 전송 모드는 송신모드에서 수신모드로 전환된다.
상기 제 1 동작전환을 수행한 후, 상기 중계국은 809단계로 진행하여 RTD 만큼 타이밍 전진을 수행하여 상기 이전 타임에 F2 주파수 대역을 통해 단말로부터 수신된 상향링크 신호를 상기 기지국으로 송신한다.
이후, 상기 중계국은 811단계로 진행하여 상기 송신 모드에서 수신모드로 제 2 동작 전환을 수행한 후, 상기 중계국은 본 알고리즘을 종료하거나 다음 프레임 수신을 위해 상기 803단계로 되돌아간다.
다음으로 중계국의 F2주파수 대역의 동작 절차는 802단계에서 상기 기지국의 하향링크 부프레임의 송신 타이밍과 동일하게 프리앰블 신호를 상기 서브셀 영역에 전송한다. 즉, 상기 기지국의 하향링크 부프레임의 송신 타이밍과 지연시간을 고려하여, 0.5×RTD 만큼 타이밍 전진하여 전송한다.
상기 프리앰블 신호를 전송한 후, 상기 중계국은 804단계와 806단계에 걸쳐 공통 제어 정보 및 상기 기지국으로부터 수신된 중계 트래픽을 상기 단말로 전송한다.
이후, 상기 중계국은 808단계로 진행하여 상기 단말로 하향링크 신호를 송신 하는 송신모드에서 수신모드로 제 1 동작 전환을 수행한다. 여기서, 상기 F2 주파수 대역에서 전송 모드가 송신모드에서 수신모드로 전환되면, 상기 F1 주파수 대역의 전송모드는 수신모드에서 송신모드로 전환된다.
상기 제 1 동작 전환을 수행한 후, 상기 중계국은 810단계로 진행하여 상기 단말로부터 상향링크 신호를 수신한다. 즉, 상기 기지국으로 중계할 상기 단말의 상향링크 신호를 수신한다.
이후, 상기 중계국은 812단계로 진행하여 상기 단말로부터 신호를 수신하는 수신모드에서 송신모드로 전환한 후, 상기 중계국은 본 알고리즘을 종료하거나 다음 프레임 수신을 위해 상기 802단계로 되돌아간다.
도 9는 본 발명의 실시 예에 따른 투명 중계를 수행하기 위한 다중 홉 릴레이 방식의 셀룰러 네트워크의 동작 절차를 도시하고 있다.
상기 도 9를 참조하면, 먼저 기지국(901)은 F1 주파수 대역을 이용하여 프리앰블 및 제어채널 특성 정보를 중계국(903)에 전송한다(911단계).
상기 중계국(903)은 상기 기지국(901)으로부터 수신된 프리앰블 및 제어채널 특성 정보를 이용하여 시스템 동기를 획득하고, 하향링크 및 상향링크 제어 채널 특성 정보를 획득한다. 이후, 상기 중계국(903)은 상기 획득한 제어 채널 특성에 따라 F1 주파수 대역을 이용하여 상기 기지국(901)으로 접속 절차를 수행한다(913단계). 여기서, 상기 중계국(903)은 자신의 중계 능력을 상기 기지국(901)과의 통신을 통해 협상할 수 있다.
이후, 상기 기지국(901)은 상기 접속된 중계국(903)으로 상기 중계국의 서브셀 영역에 포함되는 단말들에 서비스를 제공하기 위한 서브셀 링크에서 사용할 주파수 대역(F2) 정보를 포함하는 시스템 제어정보를 상기 중계국(903)으로 전송한다(915단계).
상기 중계국(903)은 상기 시스템 제어 정보가 수신되면, 상기 기지국(901)이 지정한 주파수 대역(F2)을 이용하여 상기 서브셀 영역에 포함되는 단말들을 위해 프리앰블 및 제어채널 특성 정보를 전송(방송)한다(917단계).
상기 단말(905)은 상기 중계국(903)으로부터 수신된 프리앰블 및 제어채널 특성 정보를 이용하여 시스템 동기를 획득하고, 하향링크 및 상향링크 제어 채널 특성 정보를 획득한다. 이후, 상기 단말(905)은 상기 획득한 제어 채널 특성에 따라 F2 주파수 대역을 이용하여 상기 중계국(903)으로 접속 절차를 수행한다(919단계).
상기 중계국(903)은 상기 단말(905)로부터 액세스 정보가 수신되면, 상기 단말(905)의 액세스 정보를 F1 주파수 대역을 이용하여 상기 기지국(901)으로 중계한다(921단계).
이후, 상기 기지국(901)은 F1 주파수 대역을 이용하여 상기 중계국(903)으로 중계 서비스를 제공받을 단말을 위한 하향링크 제어정보 및 트래픽을 전송한다(923단계). 여기서, 상기 하향링크 제어정보는 상기 중계국(903)이 중계가 필요한 신호들만을 선택할 수 있도록 제어하는 제어 정보를 포함한다.
상기 중계국(903)은 상기 F1 주파수 대역을 통해 상기 기지국(901)으로부터 수신된 제어정보 및 트래픽을 F2 주파수 대역을 이용하여 상기 단말(905)로 전송한다(925단계).
또한, 상기 단말(905)이 F2 주파수 대역을 통해 상기 중계국(903)으로 상향링크 신호를 전송하고(927단계), 상기 중계국(903)은 상기 F2 주파수 대역을 통해 수신된 상기 단말(905)의 상향링크 신호를 F1 주파수 대역을 통해 상기 기지국(901)으로 전송한다(929단계).
상술한 바와 같이 중계국을 이용하여 신호를 중계함으로써 기지국의 서비스 영역을 확대할 수 있다. 그러나 상기 신호의 중계는 하향링크의 경우, 상기 중계국은 기지국의 하향링크 신호를 중계링크를 통해 수신한 후, 동일 정보를 재구성하여 서브셀 링크로 서비스하므로 무선 자원 측면에서 자원 효율을 저하시키게 된다. 또한, 상기 중계국은 상기 기지국의 서비스 영역을 확장하기 위해 상기 기지국의 셀 경계에 위치하는 경우, 상기 기지국과 중계국 사이의 중계링크를 통한 채널 용량이 낮아지게 되는 문제가 발생한다.
따라서, 본 발명은 상기 중계링크의 채널 용량을 증대시키면서, 상기 기지국 서비스 영역을 확장하기 위해 도 10에 도시된 바와 같이 상기 중계국(1010)은 방향성 안테나를 사용하여 상기 기지국(1000)과 통신링크를 설정하여 상기 기지국과 중계국 사이의 중계링크의 채널 용량을 증대시킨다. 또한, 상기 중계국(1010)은 전방향 안테나를 사용하여 서브셀에 포함된 단말(1011)과 통신 링크를 설정하여 상기 기지국 서비스 영역을 확장한다. 즉, 상기 중계국은 기지국과 통신링크를 설정하기 위한 방향성 안테나와 단말과 통신링크를 설정하기 위한 전방향 안테나의 두 개의 RF(Radio Frequency) 단을 갖는다.
도 11은 본 발명에 따른 투명 중계를 수행하기 위한 기지국의 블록 구성을 도시하고 있다. 이하 설명은 두 개의 주파수 대역을 사용하는 것을 예를 들어 설명한다.
상기 도 11에 도시된 바와 같이 상기 기지국은, 두 개의 주파수 대역(F1, F2)을 이용하여 통신을 수행하기 때문에, F1 주파수 대역의 송수신 장치(1101)와 F2 주파수 대역의 송수신 장치(1103) 및 타이밍 제어기(1105)와 대역 통과 필터(Band Pass Filter)(1133, 1163)를 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 F1 주파수 대역의 송수신 장치(1101)와 상기 F2 주파수 대역의 송수신 장치(1103)는 동일한 구성을 가지므로 상기 F1 주파수 대역의 송수신 장치(1101)만을 예를 들어 설명하며 상기 F2 주파수 대역의 송수신 장치(1103)도 동일한 구조를 갖는다.
대역 통과 필터(1133, 1163)는 서로 다른 주파수 대역을 이용하는 송수신 장치(1101, 1103)의 사용주파수 대역을 분리하여 각 송수신 장치(1101, 1103)에 전송한다.
상기 F1 주파수 대역의 송수신 장치(1101)는, 상기 대역 통과 필터(1133)를 통해 상기 F1 주파수 대역의 신호를 송수신하기 위하여 송신장치(1111), 수신장치(1121) 및 RF스위치(1131)를 포함하여 구성된다.
상기 송신 장치(1111)는 프레임 구성기(1113), 자원 매핑기(1115), 변조기 (1117), 및 디지털/아날로그 변환기(Digital/Analog Converter)(1119)를 포함하여 구성된다.
프레임 구성기(1113)는 상위단으로부터 제공받은 데이터들을 목적지에 따라 각각의 부프레임을 생성한다. 예를 들어, 상기 프레임 구성기(1113)가 기지국에 포함될 경우, 상기 직접링크로 연결된 단말로 전송할 데이터를 이용하여 BS-MS 부프레임을 구성하고, 상기 중계기로 전송할 데이터를 이용하여 BS-RS 부프레임을 구성한다.
자원 매핑기(1115)는 상기 프레임 구성기(1113)로부터 제공받은 부프레임들을 각 부프레임에 할당된 각 링크의 버스트에 상기 부프레임들을 할당하여 출력한다.
변조기(1117)는 상기 자원 매핑기(1115)로부터 각 링크의 버스트에 할당된 부프레임들을 제공받아 미리 정해진 변조 방식에 따라 변조한다. 디지털/아날로그 변환기(1119)는 상기 변조기(1117)에서 변조된 디지털신호를 아날로그 신호로 변환한 후, 상기 아날로그 신호를 주파수 상향시켜 RF신호로 변환하여 상기 RF스위치(1131)의 제어에 따라 상기 RF신호를 상기 대역 통과 필터(1133)와 안테나(1107)를 통해 단말 혹은 중계국으로 전송한다.
상기 수신 장치(1121)는 아날로그/디지털 변환기(Analog/Digital Converter)(1123), 복조기(1125), 자원 디매핑기(1127) 및 프레임 추출기(1129)를 포함하여 구성된다.
아날로그/디지털 변환기(1123)는 상기 F1 주파수의 수신 대역에 대역 통과 필터(1163)와 RF스위치(1131)를 통해 수신된 신호를 주파수 하향시켜 기저대역 신호로 변환된 아날로그 신호를 디지털 신호로 변환한다.
복조기(1125)는 상기 아날로그/디지털 변환기(1123)로부터 제공받은 디지털 신호를 해당 복조 방식에 따라 복조하여 출력한다.
자원 디매핑기(1127)는 상기 복조기(1125)로부터 제공받은 각 링크의 버스트에 할당된 실제 부프레임들을 추출한다.
프레임 추출기(1129)는 상기 자원 디매핑기(1127)로부터 제공되는 부프레임 에서 상기 수신기(1121)에 해당하는 부프레임 추출한다. 예를 들어, 상기 프레임 추출기(1129)는 BS-MS 부프레임과 BS-RS 부프레임을 추출한다.
상기 RF스위치(1131)는 타이밍 제어기(1105)의 제어에 따라 상기 프레임의 송신 대역과 수신 대역에 따라 상기 송수신 장치(1111, 1121)와 상기 대역 통과 필터(1133, 1163)를 연결한다.
상기 타이밍 제어기(1105)는 상기 프레임에서 상기 F1 주파수 대역과 F2 주파수 대역의 송수신 타이밍을 제어한다.
도 12는 본 발명에 따른 투명 중계를 수행하기 위한 중계국의 블록 구성을 도시하고 있다. 이하 설명에서 상기 중계국의 송수신 장치를 구성하는 각 모듈은 상기 도 11에 도시된 기지국의 송수신 장치를 구성하는 각 모듈과 동일한 동작을 수행하므로 설명을 생략한다.
상기 도 12에 도시된 바와 같이 상기 중계국은 두 개의 주파수 대역을 이용할 뿐만 아니라 상기 기지국과 중계국 사이의 중계링크의 채널 용량을 증대시키기 위해 방향성 안테나(1207)와 상기 중계국의 서브셀에 포함되는 단말과의 통신링크를 위한 전방향 안테나(1209)를 구비한다.
상기 중계국은 RF 스위치(1231)의 동작에 따라, 두 개의 안테나와 두 개의 주파수 대역을 교체하며 동작한다. 즉, 수신장치(1221)는 상기 방향성 안테나(1207)를 이용하여 F1 주파수 대역을 통해 상기 기지국의 하향링크 신호를 수신하면, 송신장치(1201)는 전방향 안테나(1209)를 이용하여 F2 주파수 대역을 통해 상기 서브셀에 포함된 단말들로 상기 기지국의 하향링크 신호를 중계한다. 여기서, 상기 기지국의 하향링크 신호는 이전 타임에 수신된 신호를 의미한다.
반대로, 상기 수신장치(1221)가 상기 전방향 안테나(1209)를 이용하여 F2 주파수 대역을 통해 상기 단말들의 상향링크 신호를 수신하면, 상기 송신장치(1201)는 방향성 안테나(1207)를 이용하여 F1 주파수 대역을 통해 상기 기지국으로 상기 단말의 상향링크 신호를 중계한다. 여기서, 상기 단말의 상향링크 신호는 이전 타임에 수신된 신호를 의미한다.
타이밍 제어기(1233)는 상기 서로 다른 주파수 대역을 이용하여 상기 기지국과 단말로 신호를 송수신하기 위한 타이밍 신호를 발생하여 상기 RF 스위치(1231)의 동작을 제어한다. 또한, 상기 F2 주파수 대역을 동일하게 사용하는 발생하는 역방향 링크의 간섭을 방지하기 위해 상기 기지국의 전송 타이밍과 전송지연을 고려하여 0.5×RTD 만큼 타이밍 전진하여 상기 중계국 하향링크 부프레임을 전송하도록 제어한다.
한편 본 발명의 상세한 설명에서는 구체적인 실시 예에 관해 설명하였으나, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않는 한도 내에서 여러 가지 변형이 가능함은 물론이다. 그러므로 본 발명의 범위는 설명된 실시 예에 국한되어 정해져서는 아니 되며 후술하는 특허청구의 범위뿐만 아니라 이 특허청구의 범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.
상술한 바와 같이, 다중 홉 릴레이 방식의 셀룰러 네트워크에서 다수 개의 주파수 대역을 이용하여 신호를 투명하게 중계함으로써, 기지국의 서비스 영역 확대 및 단말의 호완성(Backward Compatibility)을 가능하게 하고, 기지국과 중계국 링크에 방향성 안테나를 사용함으로써, 상기 중계 링크의 채널 용량을 증대시킬 수 있는 이점이 있다.

Claims (15)

  1. 다중 홉 릴레이(Multi-hop Relay) 방식의 셀룰러 네트워크(Cellular Network)에서 다수 개의 주파수 대역을 이용하여 투명(Transparent)하게 신호를 중계하기 위한 중계국의 동작 방법에 있어서,
    제 1 주파수 대역을 이용하여 기지국과 통신을 수행하는 과정과,
    상기 제 1 주파수 대역과 다른 주파수 대역을 이용하여 상기 중계국의 서브 셀(Sub-cell)에 포함되는 단말들과 통신을 수행하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 기지국과의 통신 과정은,
    상기 제 1 주파수 대역을 통해 상기 기지국의 하향링크 신호가 수신되면, 상기 하향링크 신호에서 동기화 정보와 중계를 위한 제어 정보를 획득하는 과정과,
    상기 획득된 중계 제어 정보에 따라 상기 기지국으로부터 상기 단말들로 중계할 트래픽(Traffic)이 수신되면, 송신 모드로 동작을 전환하는 과정과,
    상기 송신 모드로 전환되면, 상기 단말들로부터 이전 타임에 수신된 신호를 상기 제 1 주파수 대역을 이용하여 상기 기지국으로 전송한 후, 수신 모드로 동작을 전환하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 중계 제어 정보는, 상기 서브 셀 영역에 포함되는 단말들과 통신을 수행하는데 사용할 주파수 대역 정보를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 기지국으로 신호를 전송하는 경우, 상기 기지국의 하향링크 신호 전송 타이밍과 지연 시간을 고려하여 RTD(Round Trip Delay)만큼 타이밍 전진(Timing Advance)하여 전송하는 것을 특징으로 하는 방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 서브 셀 영역에 포함된 단말들과의 통신 과정은,
    상기 제 1 주파수 대역과 다른 주파수 대역을 이용하여 기지국의 하향링크 신호 전송 타이밍에 맞추어 이전 타임에 기지국으로부터 수신된 신호를 상기 단말들로 전송하는 과정과,
    상기 단말들로 신호를 전송한 후, 수신모드로 동작을 전환하는 과정과,
    상기 수신 모드로 전환되면, 상기 제 1 주파수 대역과 다른 주파수 대역을 이용하여 단말들로부터 신호가 수신되면, 송신 모드로 동작을 전환하는 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 방법.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 단말들로 신호를 전송하는 경우, 상기 기지국의 하향링크 신호 전송 타이밍과 지연 시간을 고려하여 0.5×RTD(Round Trip Delay)만큼 타이밍 전진(Timing Advance)하여 전송하는 것을 특징으로 하는 방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 제 1 주파수 대역의 통신과 다른 주파수 대역의 통신은 병렬로 수행되는 것을 특징으로 하는 방법.
  8. 다중 홉 릴레이(Multi-hop Relay) 방식의 셀룰러 네트워크(Cellular Network)에서 다수 개의 주파수 대역을 이용하여 투명(Transparent)하게 신호를 중계하기 위한 중계국 장치에 있어서,
    기지국과 통신을 수행하기 위한 방향성 안테나와,
    서브 셀(Sub-cell) 영역에 포함된 단말들과 통신을 수행하기 위한 전방향 안 테나와,
    해당 링크의 사용 주파수 대역을 이용하여 신호를 송수신하기 위한 타이밍 신호를 제공하는 타이밍 제어기와,
    상기 타이밍 신호에 따라 해당 주파수 대역의 신호를 송수신하는 송수신장치를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 방향성 안테나는, 제 1 주파수 대역을 이용하여 상기 기지국과 신호를 송수신하며,
    상기 전방향 안테나는, 제 1 주파수 대역과 다른 주파수 대역을 이용하여 상기 서브 셀에 포함된 단말들과 신호를 송수신하는 것을 특징으로 하는 장치.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 타이밍 제어기는,
    상기 기지국으로 신호를 전송하는 경우, 상기 기지국의 하향링크 신호 전송 타이밍과 지연 시간을 고려하여 RTD(Round Trip Delay)만큼 타이밍 전진(Timing Advance)하여 전송하고,
    상기 단말들로 신호를 전송하는 경우, 상기 기지국의 하향링크 신호 전송 타 이밍과 지연 시간을 고려하여 0.5×RTD만큼 타이밍 전진하여 전송하는 것을 특징으로 하는 장치.
  11. 제 8 항에 있어서,
    상기 송수신 장치는,
    상기 타이밍 신호에 따라 해당 주파수 대역 신호를 송신하는 송신장치와,
    상기 타이밍 신호에 따라 해당 주파수 대역 신호를 수신하는 수신장치로 구성되는 것을 특징으로 하는 장치.
  12. 제 11 항에 있어서,
    상기 송신 장치는,
    송신할 신호들의 부프레임들을 이용하여 프레임을 구성하는 프레임 생성기와,
    상기 구성된 프레임에 포함된 각 부프레임들을 각 링크의 버스트에 할당된 자원으로 매핑하는 자원 매핑기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  13. 제 11 항에 있어서,
    상기 수신 장치는,
    수신된 신호들의 각 버스트에 할당된 부프레임을 추출하는 자원 디매핑기와,
    상기 추출된 부프레임에서 각 링크의 부프레임을 추출하는 프레임 추출기를 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  14. 제 8 항에 있어서,
    상기 타이밍 제어기의 제어에 따라 상기 두 개의 송수신 안테나와 송신 장치 및 수신 장치를 연결하는 스위치를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 장치.
  15. 제 8 항에 있어서,
    상기 송수신 장치는, 상기 타이밍 제어기의 제어에 따라 서로 다른 주파수 대역의 신호를 병렬로 송수신하는 것을 특징으로 하는 장치.
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