KR20110057578A

KR20110057578A - 기지국에 구현되는 비대칭 통신 링크용 시간 동기화 장치 및 그 방법

Info

Publication number: KR20110057578A
Application number: KR1020090114040A
Authority: KR
Inventors: 유학; 김성창; 방학전; 이동수
Original assignee: 한국전자통신연구원
Priority date: 2009-11-24
Filing date: 2009-11-24
Publication date: 2011-06-01

Abstract

기지국에 구현되는 비대칭 통신 링크용 시간 동기화 장치가 개시된다. 비대칭 통신 링크용 시간 동기화 장치는 셀 제어기로부터 송신된 메시지를 가지고 마스터 클록과 슬레이브 클록 간의 시간 차이인 오프셋 값을 계산하는 메시지 처리부, 비대칭 링크에 대한 RTT(Round Trip Time) 값을 이용하여 오프셋 값의 유효 범위를 계산하고, 계산된 유효 범위로 오프셋 값을 필터링하는 오프셋 필터부, 및 오프셋 필터부로부터 필터링된 오프셋 값을 이용하여 기지국의 동작 기준 시간을 보정하는 시간 보정부를 포함한다. 이에 의해 비대칭 전송지연을 가지는 통신 링크에서의 시간 동기화 오류가 해결된다.

Description

기지국에 구현되는 비대칭 통신 링크용 시간 동기화 장치 및 그 방법{Time synchronization apparatus for asymmetrical communication link and method thereof}

시간 동기화 기술에 관한 것으로, 특히 비대칭 전송 지연을 가지는 통신 링크에서의 시간 동기화 기술에 관한 것이다.

무선 네트워크(2G/3G/WiMAX 등)는 사용자 단말의 기지국 간 끊김 없는 핸드오버(Handover)를 지원하기 위하여 제어기와 기지국 간 그리고 기지국과 기지국 간의 시간 동기화가 요구된다. 그리고 TDD(Time Division Duplex) 기술을 사용하는 모바일 와이맥스(Mobile WiMAX) 시스템에서는 시스템 주파수 간 간섭을 최소화하기 위하여 시간 동기화는 필수적인 요소이다. 이와 같은 무선 네트워크의 제어기와 기지국 간 시간 정보 동기화를 위해 사용되는 종래 기술로는 위성을 이용한 GPS(Global Positioning System) 방식이 있다. 이 방식은 제어기와 기지국에 옥외 GPS 안테나를 장착하고 이를 통해 동일한 시간 정보를 위성을 통해 수신받아 시간 동기화를 이루는 방식이다.

한편, 최근에는 피코셀(Pico cell)이나 펨토셀(Femto cell)을 서비스하기 위 한 소형 기지국이 보급되고 있는 추세이다. 이 소형 기지국들은 옥내에 설치되므로 기지국들 간에 동기 유지를 위해 옥내 GPS 기술을 이용한다. 하지만 소형 기지국이 건물 내부의 깊은 곳에 위치하여 GPS 신호를 수신하지 못하게 되면 인접 기지국들 간에 동기를 유지할 수 없는 문제가 발생한다. 이에 대한 대안 기술로 GPS를 사용하지 않는 시간 동기화 기법의 대표적인 방법으로 IEEE(Institute of Electrical and Electronics Engineering) 1588 PTP(Precision Time Protocol)를 꼽을 수 있다. 이는 이더넷(Ethernet) 링크와 같은 유선 망에서의 시간 동기화 기법으로서, 별도의 GPS 수신기와 같은 장비를 필요로 하지 않는다. IEEE 1588 PTP를 사용하는 경우, 기지국은 유선망을 통해 이더넷 패킷이 수신되면 이더넷 패킷에 포함된 시간 스탬프(Time Stamp)를 확인하고 클록을 복원하여 동기를 획득한다.

하지만 IEEE 1588 PTP는 양방향 전송 속도가 똑같은 대칭 구조의 링크를 전제로 하고 있다. 따라서 이더넷 링크와 같이 상/하향 동일 속도를 가지는 대칭 구조에서는 IEEE 1588 PTP를 구현할 수 있다. 그러나 GPON(Gigabit Passive Optical Network)과 같은 상/하향 전송 속도가 다르고 상/사향에서 겪는 패킷 전송 지연이 다른 비대칭 구조의 망에 IEEE 1588 PTP를 구현하는 경우, GPON 구간에서 발생하는 이더넷 패킷의 분할 및 재조립 지연, 상향 채널 접속을 위해 대기하는 채널 접속 대기 지연 등의 추가적인 지연 등이 비대칭적으로 발생한다. 이로 인해 시간 동기 오류가 발생하는 것을 피할 수 없다.

IEEE 1588 PTP를 비대칭 전송지연을 가지는 통신 링크에 적용할 경우 발생하는 시간 동기화 오류를 극복하기 위한 시간 동기화 장치 및 방법을 제공함을 목적으로 한다.

전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 기지국에 구현되는 비대칭 통신 링크용 시간 동기화 장치는 셀 제어기로부터 송신된 메시지를 가지고 마스터 클록과 슬레이브 클록 간의 시간 차이인 오프셋 값을 계산하는 메시지 처리부, 비대칭 링크에 대한 RTT(Round Trip Time) 값을 이용하여 오프셋 값의 유효 범위를 계산하고, 계산된 유효 범위로 오프셋 값을 필터링하는 오프셋 필터부, 및 오프셋 필터부로부터 필터링된 오프셋 값을 이용하여 기지국의 동작 기준 시간을 보정하는 시간 보정부를 포함한다. 여기서 오프셋 필터부는 계산된 오프셋 값이 상기 유효 범위에 속하면 계산된 오프셋 값을 시간 보정부로 전달하며, 유효 범위에 속하지 않으면 이전에 계산된 유효 오프셋 값을 시간 보정부로 전달함을 특징으로 한다.

한편, 전술한 기술적 과제를 달성하기 위한 본 발명의 일 양상에 따른 기지국에서 수행되는 비대칭 통신 링크에서의 시간 동기화 방법은 마스터 클록과의 시간 차이인 오프셋 값을 계산하는 단계, 비대칭 링크에 대한 RTT(Round Trip Time) 값을 이용하여 오프셋 값의 유효 범위를 계산하는 단계, 및 오프셋 값이 유효 범위 에 속하면 오프셋 값을 이용하여 기지국의 시간을 보정하는 단계를 포함한다. 나아가 시간 동기화 방법은 오프셋 값이 예상 범위를 벗어나면 이전에 계산된 유효 오프셋 값을 이용하여 기지국의 시간을 보정하는 단계를 더 포함한다.

본 발명에 따르면, IEEE 1588 프로토콜의 매 프로세스에서 계산된 오프셋 값의 적용 여부를 RTT 수집부로부터 계산된 오프셋 유효 범위 안에 속하는지로 판단하여 물리계층에서 발생하는 지연 이외에 비정상적인 요소(즉, GPON 프레임 처리 고정에서 발생할 수 있는 패킷 분할 및 재조립으로 인해 발생하는 처리 지연, 상향 전송 허가를 받기 위해 대기하는 데 걸리는 대기 지연 등)로 발생하는 처리 지연이 동기화 프로세스의 오프셋 계산에 반영되는 것을 방지한다. 이를 통해 고가의 GPS 수신기를 사용하지 않으면서도 비대칭 전송지연을 가지는 링크에서 생기는 시간 동기화 오류를 해결할 수 있다.

전술한, 그리고 추가적인 본 발명의 양상들은 첨부된 도면을 참조하여 설명되는 바람직한 실시예들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 이하에서는 본 발명을 이러한 실시예를 통해 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세히 설명하기로 한다.

도 1은 WiMAX 펨토셀의 배후망으로 GPON(Gigabit-capable Passive Optical Network)이 이용된 경우의 시간 동기화를 설명하기 위한 참조도이다.

OLT(100)에 연결되어 있는 펨토셀 제어기인 WiMAX ASN-GW(110)는 GPS(Global Positioning System)를 통해 자신의 클록을 동기화시킨다. 그리고 ONT(120)에 연결되어 있는 펨토셀 기지국인 WiMAX Femtocell AP(130)는 WiMAX ASN-GW(110)로부터 유선 네트워크를 통하여 클록을 동기화시킨다. 지금까지 WiMAX ASN-GW(110)와 WiMAX Femtocell AP(130)간 접속은 Point to Point 기반의 고속 이더넷(Fast Ethernet) 또는 기가비트 이더넷(Gigabit Ethernet) 기술이 사용되었으나, 향후 PON(Passive Optical Network) 기술이 필수적으로 제공되어야 할 것이다. 따라서 GPON과 같이 상/하향 전송속도가 다르고 상/하향으로 패킷의 전송 지연이 다른 비대칭 링크를 배후망으로 사용하는 경우, 비대칭 링크인 점을 고려하여 IEEE 1588을 이용한 시간 동기화 기법을 수정하는 것이 요구된다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 동기화 기법이 적용될 망 구성도로서, 비대칭 전송 지연을 가지는 GPON 링크를 배후망으로 사용하는 펨토셀 무선망 구성 예시도이다.

OLT(200) 쪽에 펨토셀 제어기(210)가 위치하고, ONT(230) 쪽에 펨토셀 기지국(240)이 위치한다. 펨토셀 제어기(210)와 펨토셀 기지국(240) 간에는 시간 동기화를 위해 IEEE 1588 PTP가 사용된다. 시간 동기화를 위해 펨토셀 제어기(210)에는 IEEE 1588 마스터 동기제어부(220)가 구현되며, 펨토셀 기지국(240)에는 IEEE 1588 슬레이브 동기제어부(250)가 구현된다. 여기서 OLT(200)와 펨토셀 제어기(210)는 GbE 링크 또는 Fast Ethernet 링크로 연결되어 있다. 마찬가지로, ONT(230)와 펨토셀 기지국(240) 간에도 GbE 링크 또는 Fast Ethernet 링크로 연결되어 있다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 GPON ONT와 펨토셀 기지국의 구성 블록도이다.

ONT(230)의 중앙 처리부(300)에는 RTT 수집부(310)가 위치한다. 일 실시예에 있어서, 중앙 처리부(300)는 GPON ONT(230)의 동작 전반을 제어하는 컨트롤러이다. 이러한 중앙 처리부(300)에는 RTT 수집부(310)가 위치한다. RTT 수집부(310)는 MAC(Media Access Control)(320)에서 계산된 RTT(Round Trip Time) 값을 수집한다. RTT 값은 ONT(230)의 초기화 과정에서 OLT(200)로부터 부여된 EQD(Equalization Delay)를 기반으로 계산된다. 여기서 EQD란 OLT(200)가 새로운 ONT(230)를 등록할 때, ONT(230)에 대한 거리 측정 프로세스를 통해 얻은 RTD(Round Trip Delay)를 OLT에서 지원하는 가장 먼 거리까지의 왕복전송지연시간(Teqd, Zero-distance EQD)에서 뺀 차이를 bit 단위로 표시한 값이다. OLT(200)는 이 값을 ONT(230)로 전달하여, ONT(230)가 상향 전송 시에 모든 패킷들이 EQD만큼의 추가적인 지연(delay)을 거치도록 한다. 즉, 레인징 프로세스(Ranging process)를 거치게 되면, 모든 ONT들은 논리적으로 OLT에서 지원하는 가장 먼 거리에 위치하게 된다. MAC(320)에서는 수학식 1과 같이 시스템에서 지원하는 가장 먼 거리에 해당하는 왕복전송지연시간(Teqd)에서 EQD 값을 감하여 RTD 정보를 구하고 시간 정보(RTT)로 변경한다. 그리고 RTT 수집부(310)에서는 MAC(320)에서 계산된 RTT 값을 수집하고, 수집된 RTT 값을 ONT(230)의 제어 채널을 통해 펨토셀 기지국(240)의 IEEE 1588 슬레이브 동기제어부(250)로 전달한다.

RTT(i)[sec] = {Teqd - EQD(i)}[bits]/상향전송속도

펨토셀 기지국(240)은 GbE 또는 Fast Ethernet으로 구성된 데이터 채널을 통해 OLT(200) 측에 위치한 펨토셀 제어기(210)로부터 송신된 IEEE 1588 메시지를 수신한다. 수신된 메시지는 IEEE 1588 슬레이브 동기제어부(250)로 전달된다. 우선 IEEE 1588 슬레이브 동기제어부(250)의 메시지 처리부(330)는 수신된 메시지를 처리하여 마스터 클록과의 시간 차이인 오프셋을 계산한다. 여기서 오프셋 계산 방법은 기존의 IEEE 1588 표준에 정의된 방식을 따른다. 메시지 처리부(330)에서 계산된 오프셋 값은 오프셋 필터부(340)로 입력된다. 오프셋 필터부(340)는 RTT 수집부(310)로부터 전달된 RTT 값을 이용하여 오프셋 값의 유효 범위를 계산한다. 일 실시예에 있어서, 오프셋 필터부(340)는 RTT 값의 1/2 값을 현재 계산된 오프셋 값의 유효 범위로 계산할 수 있다. 다른 실시예에 있어서, 오프셋 필터부(340)는 상/하향 전송 속도의 차이 및 처리 지연 시간을 고려하여 유효 범위를 계산할 수 있다. 여기서 말하는 처리 지연 시간이란 ONT(230)의 MAC(320) 계층의 상위 계층에서 발생하는 처리 지연 시간을 말한다. 그리고 예를 들어, 상/하향 전송 속도의 차이에 대한 고려는 RTT의 1/2 값을 유효 범위를 사용하지 않고 상/하향 속도차이를 비례상수로 구하여 (RTT * 비례상수)로 계산된 값을 유효 범위로 사용할 수도 있다.

오프셋 필터부(340)는 이렇게 계산된 오프셋 유효 범위를 이용하여 메시지 처리부(330)로부터 수신된 오프셋 값이 유효 범위 안에 속하는지 속하지 않는지 필터링한다. 오프셋 값이 오프셋 유효 범위에 속하는 경우, 오프셋 필터부(340)는 오프셋 값을 시간 보정부(350)로 전달한다. 그러나 오프셋 값이 오프셋 유효 범위에 속하지 않는 경우, 오프셋 필터부(340)는 펨토셀 제어기(210)로부터 송신된 IEEE 1588 메시지가 비정상적인 전송 지연을 겪은 것으로 판단하고 이전에 계산된 유효 오프셋 값을 시간 보정부(350)로 전달한다. 시간 보정부(350)는 오프셋 필터부(340)로부터 전달된 오프셋 값을 이용하여 펨토셀 기지국(240)의 시간을 보정하여 현재 클록의 동기화를 실행한다. 여기서 펨토셀 기지국(240)의 시간이라 함은 동작 기준 시간을 의미하는 것으로, 펨토셀 기지국(240)과 통신하는 통신 단말들의 동작에 기준이 되는 시간을 의미한다.

도 4는 IEEE 1588 PTP 메시지 동작 개념도이다.

먼저 마스터는 SYNC와 FOLLOW_UP 메시지를 마스터가 동기를 맞추고자 하는 슬레이브로 전달한다. 이때 FOLLOW_UP 메시지에는 SYNC 메시지를 전달한 마스터의 시간 정보가 실린다. 슬레이브는 SYNC 메시지를 수신한 자신의 시간 정보와 FOLLOW_UP 메시지에 실려있는 마스터의 전송 시간을 통해 두 시간의 오프셋을 측정한다. 이때 계산된 오프셋 값에는 마스터와 슬레이브 사이의 전송지연시간은 고려되지 않는다. 이후, 슬레이브가 마스터로 DELAY_REQ 메시지를 전송하고 마스터로부터 DELAY_RESP 메시지를 수신함으로써, 슬레이브는 수학식 2와 같이 마스터에서 슬레이브까지의 전송지연시간(Tdelay)을 계산한다.

Tdelay = (Ts.1 - Tm.1 + Tm.2 -Ts.2)/2 (상하향 전송지연이 같다고 전제함)

이후, 오프셋은 마스터에서 슬레이브까지의 하향전송시간이 고려되어 수학식 3 내지 수학식 6을 통해 계산된다. 이후 슬레이브의 시간은 계산된 오프셋 값을 통해 보정된다.

Dm2s = Ts.1 - Tm.1

Ds2m = Tm.2 - Ts.2

Dw(하향전송시간) = (Dm2s + Ds2m)/2

Offset = Dm2s -Dw = (Dm2s - Ds2m)/2

한편, 이상에서는 본 발명의 실시예에 대해 펨토셀을 가정하여 설명하였으나 이에 한정되는 것은 아니며, 피코셀 등 유사한 환경의 무선 통신시스템에도 적용 가능하다. 이제까지 본 발명에 대하여 그 바람직한 실시예들을 중심으로 살펴보았다. 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위에서 변형된 형태로 구현될 수 있음을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 개시된 실시예들은 한정적인 관점이 아니라 설명적인 관점에서 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명이 아니라 특허청구범위에 나타나 있으며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 차이점은 본 발명에 포함된 것으로 해석되어야 할 것이다.

도 1은 WiMAX 펨토셀의 배후망으로 GPON 네트워크 기술이 이용된 경우의 예시도.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 시간 동기화 기법이 적용될 망 구성도.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 GPON ONT와 펨토셀 기지국의 구성 블록도.

도 4는 IEEE 1588 PTP 메시지 동작 개념도.

Claims

셀 제어기로부터 수신된 메시지를 가지고 마스터 클록과 슬레이브 클록 간의 시간 차이인 오프셋 값을 계산하는 메시지 처리부;

비대칭 링크에 대한 RTT(Round Trip Time) 값을 이용하여 오프셋 값의 유효 범위를 계산하고, 계산된 유효 범위로 오프셋 값을 필터링하는 오프셋 필터부; 및

상기 오프셋 필터부로부터 필터링된 오프셋 값을 이용하여 기지국의 동작 기준 시간을 보정하는 시간 보정부;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국에 구현되는 비대칭 통신 링크용 시간 동기화 장치.
제1항에 있어서,

상기 오프셋 필터부는 상기 계산된 오프셋 값이 상기 유효 범위에 속하면 상기 계산된 오프셋 값을 상기 시간 보정부로 전달하며, 상기 유효 범위에 속하지 않으면 이전에 계산된 유효 오프셋 값을 상기 시간 보정부로 전달함을 특징으로 하는 기지국에 구현되는 비대칭 통신 링크용 시간 동기화 장치.
제2항에 있어서,

상기 RTT 값은 광 회선 단말로부터 제공된 값임을 특징으로 하는 기지국에 구현되는 비대칭 통신 링크용 시간 동기화 장치.
제3항에 있어서,

상기 유효 범위에는 비대칭 통신 링크의 상하향 전송 속도의 차이와 상기 광 가입자 단말의 매체접속제어(Media Access Control) 계층의 상위 계층에서 발생하는 지연 시간 중 적어도 하나의 요소가 반영음을 특징으로 하는 기지국에 구현되는 비대칭 통신 링크용 시간 동기화 장치.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 오프셋 값은 IEEE 표준에 정의된 유선망을 이용한 시간 동기화 방식에 기반하여 계산된 것임을 특징으로 하는 기지국에 구현되는 비대칭 통신 링크용 시간 동기화 장치.
마스터 클록과 슬레이크 클록 간의 시간 차이인 오프셋 값을 계산하는 단계;

비대칭 링크에 대한 RTT(Round Trip Time) 값을 이용하여 오프셋 값의 유효 범위를 계산하는 단계; 및

상기 오프셋 값이 상기 유효 범위에 속하면 상기 오프셋 값을 이용하여 기지국의 동작 기준 시간을 보정하는 단계;

를 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국에서 수행되는 비대칭 통신 링크에서의 시간 동기화 방법.
제6항에 있어서,

상기 오프셋 값이 상기 예상 범위를 벗어나면 이전에 계산된 유효 오프셋 값을 이용하여 기지국의 시간을 보정하는 단계;

를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 기지국에서 수행되는 비대칭 통신 링크에서의 시간 동기화 방법.
제6항에 있어서,

상기 RTT 값은 광 회선 단말로부터 제공된 값임을 특징으로 하는 기지국에서 수행되는 비대칭 통신 링크에서의 시간 동기화 방법.
제8항에 있어서,

상기 유효 범위에는 비대칭 통신 링크의 상하향 전송 속도의 차이와 상기 광 가입자 단말의 매체접속제어(Media Access Control) 계층의 상위 계층에서 발생하는 지연 시간 중 적어도 하나의 요소가 반영됨을 특징으로 하는 기지국에서 수행되는 비대칭 통신 링크에서의 시간 동기화 방법.
제6항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 오프셋 값은 IEEE 표준에 정의된 유선망을 이용한 시간 동기화 방식에 기반하여 계산된 것임을 특징으로 하는 기지국에서 수행되는 비대칭 통신 링크에서의 시간 동기화 방법.