KR20150113073A - 무선 통신 시스템에서 고주파 대역을 위한 랜덤 액세스 시퀀스의 길이 설정 방법 및 이를 위한 장치 - Google Patents

Abstract

본 출원에서는 무선 통신 시스템에서 기지국이 랜덤 액세스 시퀀스를 수신하는 방법이 개시된다. 구체적으로, 상기 방법은, 상이한 유효 채널 길이에 대한 랜덤 액세스 포맷들 중 적어도 하나를 선택하는 단계; 상기 선택된 적어도 하나의 랜덤 액세스 포맷에 관한 정보를 상기 단말에게 송신하는 단계; 및 상기 단말로부터 상기 선택된 적어도 하나의 랜덤 액세스 포맷에 기반한 랜덤 액세스 시퀀스를 수신하는 단계를 포함하고, 상기 랜덤 액세스 포맷들은 상기 랜덤 액세스 시퀀스를 수신하기 위한 유효 채널 구간 길이가 서로 다른 것을 특징으로 한다.

Description

무선 통신 시스템에서 고주파 대역을 위한 랜덤 액세스 시퀀스의 길이 설정 방법 및 이를 위한 장치{METHOD AND APPARATUS FOR CONFIGURING RANDOM ACCESS SEQUENCE LENGTH FOR HIGH CARRIER FREQUENCY BAND IN WIRELESS COMMUNICATION SYSTEM}

본 발명은 무선 통신 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, 무선 통신 시스템에서 고주파 대역을 위한 랜덤 액세스 시퀀스의 길이 설정 방법 및 이를 위한 장치에 관한 것이다.

본 발명이 적용될 수 있는 무선 통신 시스템의 일례로서 3GPP LTE (3rd Generation Partnership Project Long Term Evolution; 이하 "LTE"라 함) 통신 시스템에 대해 개략적으로 설명한다.

도 1은 무선 통신 시스템의 일례로서 E-UMTS 망구조를 개략적으로 도시한 도면이다. E-UMTS(Evolved Universal Mobile Telecommunications System) 시스템은 기존 UMTS(Universal Mobile Telecommunications System)에서 진화한 시스템으로서, 현재 3GPP에서 기초적인 표준화 작업을 진행하고 있다. 일반적으로 E-UMTS는 LTE(Long Term Evolution) 시스템이라고 할 수도 있다. UMTS 및 E-UMTS의 기술 규격(technical specification)의 상세한 내용은 각각 "3rd Generation Partnership Project; Technical Specification 그룹 Radio Access Network"의 Release 7과 Release 8을 참조할 수 있다.

도 1을 참조하면, E-UMTS는 단말(User Equipment; UE)과 기지국(eNode B; eNB), 네트워크(E-UTRAN)의 종단에 위치하여 외부 네트워크와 연결되는 접속 게이트웨이(Access Gateway; AG)를 포함한다. 기지국은 브로드캐스트 서비스, 멀티캐스트 서비스 및/또는 유니캐스트 서비스를 위해 다중 데이터 스트림을 동시에 전송할 수 있다.

한 기지국에는 하나 이상의 셀이 존재한다. 셀은 1.44, 3, 5, 10, 15, 20Mhz 등의 대역폭 중 하나로 설정돼 여러 단말에게 하향 또는 상향 전송 서비스를 제공한다. 서로 다른 셀은 서로 다른 대역폭을 제공하도록 설정될 수 있다. 기지국은 다수의 단말에 대한 데이터 송수신을 제어한다. 하향링크(Downlink; DL) 데이터에 대해 기지국은 하향링크 스케줄링 정보를 전송하여 해당 단말에게 데이터가 전송될 시간/주파수 영역, 부호화, 데이터 크기, HARQ(Hybrid Automatic Repeat and reQuest) 관련 정보 등을 알려준다. 또한, 상향링크(Uplink; UL) 데이터에 대해 기지국은 상향링크 스케줄링 정보를 해당 단말에게 전송하여 해당 단말이 사용할 수 있는 시간/주파수 영역, 부호화, 데이터 크기, HARQ 관련 정보 등을 알려준다. 기지국간에는 사용자 트래픽 또는 제어 트래픽 전송을 위한 인터페이스가 사용될 수 있다. 핵심망(Core Network; CN)은 AG와 단말의 사용자 등록 등을 위한 네트워크 노드 등으로 구성될 수 있다. AG는 복수의 셀들로 구성되는 TA(Tracking Area) 단위로 단말의 이동성을 관리한다.

무선 통신 기술은 WCDMA를 기반으로 LTE까지 개발되어 왔지만, 사용자와 사업자의 요구와 기대는 지속적으로 증가하고 있다. 또한, 다른 무선 접속 기술이 계속 개발되고 있으므로 향후 경쟁력을 가지기 위해서는 새로운 기술 진화가 요구된다. 비트당 비용 감소, 서비스 가용성 증대, 융통성 있는 주파수 밴드의 사용, 단순구조와 개방형 인터페이스, 단말의 적절한 파워 소모 등이 요구된다.

상술한 바와 같은 논의를 바탕으로 이하에서는 무선 통신 시스템에서 고주파 대역을 위한 랜덤 액세스 시퀀스의 길이 설정 방법 및 이를 위한 장치를 제안하고자 한다.

본 발명의 일 양상인 무선 통신 시스템에서 기지국이 랜덤 액세스 시퀀스를 수신하는 방법은, 상이한 유효 채널 길이에 대한 랜덤 액세스 포맷들 중 적어도 하나를 선택하는 단계; 상기 선택된 적어도 하나의 랜덤 액세스 포맷에 관한 정보를 상기 단말에게 송신하는 단계; 및 상기 단말로부터 상기 선택된 적어도 하나의 랜덤 액세스 포맷에 기반한 랜덤 액세스 시퀀스를 수신하는 단계를 포함하고, 상기 랜덤 액세스 포맷들은 상기 랜덤 액세스 시퀀스를 수신하기 위한 유효 채널 구간 길이가 서로 다른 것을 특징으로 한다. 상기 랜덤 액세스 시퀀스는 ZC (Zadoff-Chu) 시퀀스인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 랜덤 액세스 포맷들 중 적어도 하나를 선택하는 단계는 상기 단말의 수신 지연 값이 기 설정된 값 이상인 경우 최대 유효 채널 구간 길이를 위한 랜덤 액세스 포맷을 선택하는 단계를 포함할 수 있다. 또는, 상기 단말이 최초 접속 단말인 경우, 최대 유효 채널 구간 길이를 위한 랜덤 액세스 포맷을 선택하는 단계를 포함할 수도 있다.

추가적으로, 상기 랜덤 액세스 포맷들 중 복수의 랜덤 액세스 포맷들을 선택한 경우, 상기 복수의 랜덤 액세스 포맷들 각각은 상기 랜덤 액세스 시퀀스의 서로 다른 시퀀스 영역을 위한 것을 특징으로 한다.

한편, 본 발명의 다른 양상인, 무선 통신 시스템에서 단말이 랜덤 액세스 시퀀스를 송신하는 방법은, 기지국으로부터, 상이한 유효 채널 길이에 대한 랜덤 액세스 포맷들 중 적어도 하나의 랜덤 액세스 포맷에 관한 정보를 상기 단말에게 송신하는 단계; 및 상기 기지국으로 상기 적어도 하나의 랜덤 액세스 포맷에 기반한 랜덤 액세스 시퀀스를 송신하는 단계를 포함하고, 상기 랜덤 액세스 포맷들은 상기 랜덤 액세스 시퀀스를 송신하기 위한 유효 채널 구간 길이가 서로 다른 것을 특징으로 한다. 상기 랜덤 액세스 시퀀스는 ZC (Zadoff-Chu) 시퀀스인 것을 특징으로 한다.

여기서, 상기 단말의 수신 지연 값이 기 설정된 값 이상인 경우, 상기 적어도 하나의 랜덤 액세스 포맷은 최대 유효 채널 구간 길이를 위한 랜덤 액세스 포맷일 수 있다. 또는, 상기 단말이 최초 접속 단말인 경우, 상기 적어도 하나의 랜덤 액세스 포맷은 최대 유효 채널 구간 길이를 위한 랜덤 액세스 포맷일 수도 있다.

추가적으로, 상기 기지국으로부터 복수의 랜덤 액세스 포맷들에 대한 정보를 수신한 경우, 상기 복수의 랜덤 액세스 포맷들 각각은 상기 랜덤 액세스 시퀀스의 서로 다른 시퀀스 영역을 위한 것을 특징으로 한다.

바람직하게는, 상기 상이한 유효 채널 길이에 대한 랜덤 액세스 포맷들은 지원 단말의 개수가 서로 다르고, 최대 유효 채널 구간 길이를 위한 랜덤 액세스 포맷은 상기 지원 단말의 개수가 최소인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 실시예에 따르면 무선 통신 시스템에서 단말은 고주파 대역에서 효율적으로 랜덤 액세스 시퀀스를 송신할 수 있다.

본 발명에서 얻을 수 있는 효과는 이상에서 언급한 효과들로 제한되지 않으며, 언급하지 않은 또 다른 효과들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

도 1은 무선 통신 시스템의 일례로서 E-UMTS 망구조를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 2는 3GPP 무선 접속망 규격을 기반으로 한 단말과 E-UTRAN 사이의 무선 인터페이스 프로토콜(Radio Interface Protocol)의 제어평면(Control Plane) 및 사용자평면(User Plane) 구조를 나타내는 도면이다.
도 3은 3GPP 시스템에 이용되는 물리 채널들 및 이들을 이용한 일반적인 신호 전송 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 4는 LTE 시스템에서 사용되는 하향링크 무선 프레임의 구조를 예시하는 도면이다.
도 5는 LTE 시스템에서 사용되는 상향링크 서브프레임의 구조를 도시하는 도면이다.
도 6은 향후 LTE 시스템에 도입될 것으로 예상되는 소형 셀(small-cell) 개념을 예시하는 도면이다.
도 7은 RACH 프리앰블 구조를 도시하는 도면이다.
도 8은 고주파 대역 전송을 위한 RACH 프리앰블의 CP 및 주기 설정의 예를 도시한다.
도 9는 고주파 대역 전송을 위한 RACH 프리앰블의 CP 및 주기 설정의 다른 예를 도시한다.
도 10은 LTE 시스템에서 RACH 시퀀스 길이에 따른 서비스 커버리지 도출의 예를 도시한다.
도 11은 고주파 대역 시스템에서 RACH 시퀀스 길이에 따른 서비스 커버리지 도출의 예를 도시한다.
도 12는 부분 대역에 할당되는 RACH와 가드 밴드의 설정 개념도를 도시한다.
도 13은 작은 △f_RA로 인하여 발생하는 유효 단일 경로 및 기지국의 시퀀스 수신 개념도를 도시한다.
도 14는 큰 △f_RA로 인하여 발생하는 유효 단일 경로 및 기지국의 시퀀스 수신 개념도를 도시한다.
도 15는 ZC 시퀀스를 이용한 순환 천이 원리를 도시하는 도면이다.
도 16은 순환 천이를 이용한 다중 사용자 시퀀스 할당 개념을 도시한다.
도 17은 상이한 공-상관 존(Zero Correlation Zone)에서의 사용자 검출의 예를 도시한다.
도 18은 본 발명의 실시예에 따른 유효 채널 구간 L을 고려한 공-상관 존 설정의 예를 도시한다.
도 19은 유효 채널 구간 L을 고려하지 않을 경우 발생하는 시퀀스 중첩 현상을 예시한다.
도 20은 유효 채널 구간 L을 고려하여 시퀀스 중첩 현상이 발생하지 않는 공-상관 존 설정의 예를 도시한다.
도 21은 동일한 ZC 시퀀스에 포맷#1과 포맷 #2를 설계하는 구현 예를 도시한다.
도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 장치의 블록 구성도를 예시한다.

이하에서 첨부된 도면을 참조하여 설명된 본 발명의 실시예들에 의해 본 발명의 구성, 작용 및 다른 특징들이 용이하게 이해될 수 있을 것이다. 이하에서 설명되는 실시예들은 본 발명의 기술적 특징들이 3GPP 시스템에 적용된 예들이다.

본 명세서는 LTE 시스템 및 LTE-A 시스템을 사용하여 본 발명의 실시예를 설명하지만, 이는 예시로서 본 발명의 실시예는 상기 정의에 해당되는 어떤 통신 시스템에도 적용될 수 있다. 또한, 본 명세서는 FDD 방식을 기준으로 본 발명의 실시예에 대해 설명하지만, 이는 예시로서 본 발명의 실시예는 H-FDD 방식 또는 TDD 방식에도 용이하게 변형되어 적용될 수 있다.

도 2는 3GPP 무선 접속망 규격을 기반으로 한 단말과 E-UTRAN 사이의 무선 인터페이스 프로토콜(Radio Interface Protocol)의 제어평면(Control Plane) 및 사용자평면(User Plane) 구조를 나타내는 도면이다. 제어평면은 단말(User Equipment; UE)과 네트워크가 호를 관리하기 위해서 이용하는 제어 메시지들이 전송되는 통로를 의미한다. 사용자평면은 애플리케이션 계층에서 생성된 데이터, 예를 들어, 음성 데이터 또는 인터넷 패킷 데이터 등이 전송되는 통로를 의미한다.

제1계층인 물리계층은 물리채널(Physical Channel)을 이용하여 상위 계층에게 정보 전송 서비스(Information Transfer Service)를 제공한다. 물리계층은 상위에 있는 매체접속제어(Medium Access Control) 계층과는 전송채널(Trans안테나 포트 Channel)을 통해 연결되어 있다. 상기 전송채널을 통해 매체접속제어 계층과 물리계층 사이에 데이터가 이동한다. 송신측과 수신측의 물리계층 사이는 물리채널을 통해 데이터가 이동한다. 상기 물리채널은 시간과 주파수를 무선 자원으로 활용한다. 구체적으로, 물리채널은 하향링크에서 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access) 방식으로 변조되고, 상향링크에서 SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access) 방식으로 변조된다.

제2계층의 매체접속제어(Medium Access Control; MAC) 계층은 논리채널(Logical Channel)을 통해 상위계층인 무선링크제어(Radio Link Control; RLC) 계층에 서비스를 제공한다. 제2계층의 RLC 계층은 신뢰성 있는 데이터 전송을 지원한다. RLC 계층의 기능은 MAC 내부의 기능 블록으로 구현될 수도 있다. 제2계층의 PDCP(Packet Data Convergence Protocol) 계층은 대역폭이 좁은 무선 인터페이스에서 IPv4나 IPv6와 같은 IP 패킷을 효율적으로 전송하기 위해 불필요한 제어정보를 줄여주는 헤더 압축(Header Compression) 기능을 수행한다.

제3계층의 최하부에 위치한 무선 자원제어(Radio Resource Control; RRC) 계층은 제어평면에서만 정의된다. RRC 계층은 무선베어러(Radio Bearer; RB)들의 설정(Configuration), 재설정(Re-configuration) 및 해제(Release)와 관련되어 논리채널, 전송채널 및 물리채널들의 제어를 담당한다. RB는 단말과 네트워크 간의 데이터 전달을 위해 제2계층에 의해 제공되는 서비스를 의미한다. 이를 위해, 단말과 네트워크의 RRC 계층은 서로 RRC 메시지를 교환한다. 단말과 네트워크의 RRC 계층 사이에 RRC 연결(RRC Connected)이 있을 경우, 단말은 RRC 연결 상태(Connected Mode)에 있게 되고, 그렇지 못할 경우 RRC 휴지 상태(Idle Mode)에 있게 된다. RRC 계층의 상위에 있는 NAS(Non-Access Stratum) 계층은 세션 관리(Session Management)와 이동성 관리(Mobility Management) 등의 기능을 수행한다.

기지국(eNB)을 구성하는 하나의 셀은 1.4, 3, 5, 10, 15, 20Mhz 등의 대역폭 중 하나로 설정되어 여러 단말에게 하향 또는 상향 전송 서비스를 제공한다. 서로 다른 셀은 서로 다른 대역폭을 제공하도록 설정될 수 있다.

네트워크에서 단말로 데이터를 전송하는 하향 전송채널은 시스템 정보를 전송하는 BCH(Broadcast Channel), 페이징 메시지를 전송하는 PCH(Paging Channel), 사용자 트래픽이나 제어 메시지를 전송하는 하향 SCH(Shared Channel) 등이 있다. 하향 멀티캐스트 또는 방송 서비스의 트래픽 또는 제어 메시지의 경우 하향 SCH를 통해 전송될 수도 있고, 또는 별도의 하향 MCH(Multicast Channel)을 통해 전송될 수도 있다. 한편, 단말에서 네트워크로 데이터를 전송하는 상향 전송채널로는 초기 제어 메시지를 전송하는 RACH(Random Access Channel), 사용자 트래픽이나 제어 메시지를 전송하는 상향 SCH(Shared Channel)가 있다. 전송채널의 상위에 있으며, 전송채널에 매핑되는 논리채널(Logical Channel)로는 BCCH(Broadcast Control Channel), PCCH(Paging Control Channel), CCCH(Common Control Channel), MCCH(Multicast Control Channel), MTCH(Multicast Traffic Channel) 등이 있다.

도 3은 3GPP 시스템에 이용되는 물리 채널들 및 이들을 이용한 일반적인 신호 전송 방법을 설명하기 위한 도면이다.

단말은 전원이 켜지거나 새로이 셀에 진입한 경우 기지국과 동기를 맞추는 등의 초기 셀 탐색(Initial cell search) 작업을 수행한다(S301). 이를 위해, 단말은 기지국으로부터 주 동기 채널(Primary Synchronization Channel; P-SCH) 및 부 동기 채널(Secondary Synchronization Channel; S-SCH)을 수신하여 기지국과 동기를 맞추고, 셀 ID 등의 정보를 획득할 수 있다. 그 후, 단말은 기지국으로부터 물리 방송 채널(Physical Broadcast Channel)를 수신하여 셀 내 방송 정보를 획득할 수 있다. 한편, 단말은 초기 셀 탐색 단계에서 하향링크 참조 신호(Downlink Reference Signal; DL RS)를 수신하여 하향링크 채널 상태를 확인할 수 있다.

초기 셀 탐색을 마친 단말은 물리 하향링크 제어 채널(Physical Downlink Control Channel; PDCCH) 및 상기 PDCCH에 실린 정보에 따라 물리 하향링크 공유 채널(Physical Downlink Control Channel; PDSCH)을 수신함으로써 좀더 구체적인 시스템 정보를 획득할 수 있다(S302).

한편, 기지국에 최초로 접속하거나 신호 전송을 위한 무선 자원이 없는 경우 단말은 기지국에 대해 임의 접속 과정(Random Access Procedure; RACH)을 수행할 수 있다(단계 S303 내지 단계 S306). 이를 위해, 단말은 물리 임의 접속 채널(Physical Random Access Channel; PRACH)을 통해 특정 시퀀스를 프리앰블로 전송하고(S303 및 S305), PDCCH 및 대응하는 PDSCH를 통해 프리앰블에 대한 응답 메시지를 수신할 수 있다(S304 및 S306). 경쟁 기반 RACH의 경우, 추가적으로 충돌 해결 절차(Contention Resolution Procedure)를 수행할 수 있다.

상술한 바와 같은 절차를 수행한 단말은 이후 일반적인 상/하향링크 신호 전송 절차로서 PDCCH/PDSCH 수신(S307) 및 물리 상향링크 공유 채널(Physical Uplink Shared Channel; PUSCH)/물리 상향링크 제어 채널(Physical Uplink Control Channel; PUCCH) 전송(S308)을 수행할 수 있다. 특히 단말은 PDCCH를 통하여 하향링크 제어 정보(Downlink Control Information; DCI)를 수신한다. 여기서 DCI는 단말에 대한 자원 할당 정보와 같은 제어 정보를 포함하며, 그 사용 목적에 따라 포맷이 서로 다르다.

한편, 단말이 상향링크를 통해 기지국에 전송하는 또는 단말이 기지국으로부터 수신하는 제어 정보는 하향링크/상향링크 ACK/NACK 신호, CQI(Channel Quality Indicator), PMI(Precoding Matrix 인덱스), RI(Rank Indicator) 등을 포함한다. 3GPP LTE 시스템의 경우, 단말은 상술한 CQI/PMI/RI 등의 제어 정보를 PUSCH 및/또는 PUCCH를 통해 전송할 수 있다.

도 4는 하향링크 무선 프레임에서 하나의 서브프레임의 제어 영역에 포함되는 제어 채널을 예시하는 도면이다.

도 4를 참조하면, 서브프레임은 14개의 OFDM 심볼로 구성되어 있다. 서브프레임 설정에 따라 처음 1 내지 3개의 OFDM 심볼은 제어 영역으로 사용되고 나머지 13~11개의 OFDM 심볼은 데이터 영역으로 사용된다. 도면에서 R1 내지 R4는 안테나 0 내지 3에 대한 기준 신호(Reference Signal(RS) 또는 Pilot Signal)를 나타낸다. RS는 제어 영역 및 데이터 영역과 상관없이 서브프레임 내에 일정한 패턴으로 고정된다. 제어 채널은 제어 영역 중에서 RS가 할당되지 않은 자원에 할당되고, 트래픽 채널도 데이터 영역 중에서 RS가 할당되지 않은 자원에 할당된다. 제어 영역에 할당되는 제어 채널로는 PCFICH(Physical Control Format Indicator CHannel), PHICH(Physical Hybrid-ARQ Indicator CHannel), PDCCH(Physical Downlink Control CHannel) 등이 있다.

PCFICH는 물리 제어 포맷 지시자 채널로서 매 서브프레임 마다 PDCCH에 사용되는 OFDM 심볼의 개수를 단말에게 알려준다. PCFICH는 첫 번째 OFDM 심볼에 위치하며 PHICH 및 PDCCH에 우선하여 설정된다. PCFICH는 4개의 REG(Resource Element 그룹)로 구성되고, 각각의 REG는 셀 ID(Cell IDentity)에 기초하여 제어 영역 내에 분산된다. 하나의 REG는 4개의 RE(Resource Element)로 구성된다. RE는 하나의 부반송파와 하나의 OFDM 심볼로 정의되는 최소 물리 자원을 나타낸다. PCFICH 값은 대역폭에 따라 1 내지 3 또는 2 내지 4의 값을 지시하며 QPSK(Quadrature Phase Shift Keying)로 변조된다.

PHICH는 물리 HARQ(Hybrid - Automatic Repeat and request) 지시자 채널로서 상향링크 전송에 대한 HARQ ACK/NACK을 나르는데 사용된다. 즉, PHICH는 UL HARQ를 위한 DL ACK/NACK 정보가 전송되는 채널을 나타낸다. PHICH는 1개의 REG로 구성되고, 셀 특정(cell-specific)하게 스크램블(scrambling) 된다. ACK/NACK은 1 비트로 지시되며, BPSK(Binary phase shift keying)로 변조된다. 변조된 ACK/NACK은 확산 인자(Spreading Factor; SF) = 2 또는 4로 확산된다. 동일한 자원에 매핑되는 복수의 PHICH는 PHICH 그룹을 구성한다. PHICH 그룹에 다중화되는 PHICH의 개수는 확산 코드의 개수에 따라 결정된다. PHICH (그룹)은 주파수 영역 및/또는 시간 영역에서 다이버시티 이득을 얻기 위해 3번 반복(repetition)된다.

PDCCH는 물리 하향링크 제어 채널로서 서브프레임의 처음 n개의 OFDM 심볼에 할당된다. 여기에서, n은 1 이상의 정수로서 PCFICH에 의해 지시된다. PDCCH는 하나 이상의 CCE로 구성된다. PDCCH는 전송 채널인 PCH(Paging channel) 및 DL-SCH(Downlink-shared channel)의 자원할당과 관련된 정보, 상향링크 스케줄링 그랜트(Uplink Scheduling Grant), HARQ 정보 등을 각 단말 또는 단말 그룹에게 알려준다. PCH(Paging channel) 및 DL-SCH(Downlink-shared channel)는 PDSCH를 통해 전송된다. 따라서, 기지국과 단말은 일반적으로 특정한 제어 정보 또는 특정한 서비스 데이터를 제외하고는 PDSCH를 통해서 데이터를 각각 전송 및 수신한다.

PDSCH의 데이터가 어떤 단말(하나 또는 복수의 단말)에게 전송되는 것이며, 상기 단말들이 어떻게 PDSCH 데이터를 수신하고 디코딩(decoding)을 해야하는지에 대한 정보 등은 PDCCH에 포함되어 전송된다. 예를 들어, 특정 PDCCH가 "A"라는 RNTI(Radio Network Temporary Identity)로 CRC 마스킹(masking)되어 있고, "B"라는 무선자원(예, 주파수 위치) 및 "C"라는 전송형식정보(예, 전송 블록 사이즈, 변조 방식, 코딩 정보 등)를 이용해 전송되는 데이터에 관한 정보가 특정 서브프레임을 통해 전송된다고 가정한다. 이 경우, 셀 내의 단말은 자신이 가지고 있는 RNTI 정보를 이용하여 PDCCH를 모니터링하고, "A" RNTI를 가지고 있는 하나 이상의 단말이 있다면, 상기 단말들은 PDCCH를 수신하고, 수신한 PDCCH의 정보를 통해 "B"와 "C"에 의해 지시되는 PDSCH를 수신한다.

도 5는 LTE 시스템에서 사용되는 상향링크 서브프레임의 구조를 도시하는 도면이다.

도 5를 참조하면, 상향링크 서브프레임은 제어정보를 나르는 PUCCH(Physical Uplink Control CHannel)가 할당되는 영역과 사용자 데이터를 나르는 PUSCH(Physical Uplink Shared CHannel)가 할당되는 영역으로 나눌 수 있다. 서브프레임의 중간 부분이 PUSCH에 할당되고, 주파수 영역에서 데이터 영역의 양측 부분이 PUCCH에 할당된다. PUCCH 상에 전송되는 제어정보는 HARQ에 사용되는 ACK/NACK, 하향링크 채널 상태를 나타내는 CQI(Channel Quality Indicator), MIMO를 위한 RI(Rank Indicator), 상향링크 자원 할당 요청인 SR(Scheduling Request) 등이 있다. 한 단말에 대한 PUCCH는 서브프레임 내의 각 슬롯에서 서로 다른 주파수를 차지하는 하나의 자원블록을 사용한다. 즉, PUCCH에 할당되는 2개의 자원블록은 슬롯 경계에서 주파수 호핑(frequency hopping)된다. 특히 도 6은 m=0인 PUCCH, m=1인 PUCCH, m=2인 PUCCH, m=3인 PUCCH가 서브프레임에 할당되는 것을 예시한다.

향후 LTE 시스템은 로컬 영역(Local Area)의 도입을 검토하고 있다. 즉, 사용자 별 서비스 지원을 보다 강화하기 위해서 로컬 영역 액세스(Local Area Access)라는 개념의 새로운 셀 구축(deployment)이 도입될 것으로 예상된다.

도 6은 향후 LTE 시스템에 도입될 것으로 예상되는 소형 셀(small-cell) 개념을 예시하는 도면이다.

도 6을 참조하면, 기존의 LTE 시스템에 운용되는 주파수 대역이 아닌, 보다 높은 중심 주파수를 갖는 대역에 보다 넓은 시스템 대역을 설정하여 운용하는 것을 예상할 수 있다. 또한 기존의 셀룰러 대역을 통해서는 시스템 정보(system information)과 같은 제어 신호를 기반으로 기본적인 셀 커버리지를 지원하고, 고주파의 소형 셀에서는 보다 넓은 주파수 대역을 이용하여 전송 효율을 극대화하는 데이터 전송이 이루어질 수 있다. 따라서, 로컬 영역 액세스라는 개념은 보다 좁은 지역에 위치한 저~고 이동성(low-to-medium mobility) 단말들이 그 대상이며, 단말과 기지국 사이의 거리가 기존 km 단위의 셀보다 작은 100m 단위의 작은 셀들이 될 것이다.

이러한 셀들에서는 단말과 기지국 사이의 거리가 짧아지고, 고주파 대역을 사용함에 따라 아래와 같은 채널 특성을 예상할 수 있다.

우선 지연 확산 측면에서는, 기지국과 단말 사이의 거리가 짧아짐에 따라 신호의 지연도 짧아질 수 있다. 또한, 부반송파 간격(Subcarrier spacing) 측면에서는, LTE 시스템과 동일한 OFDM기반의 프레임을 적용할 경우, 할당된 주파수 대역이 상대적으로 크기 때문에 기존의 15kHz보다 극단적으로 큰 값으로 설정될 수 있다. 마지막으로, 도플러 주파수(Doppler's frequency) 측면에서는, 고주파 대역을 사용하기 때문에, 동일한 단말 속도의 저주파 대역보다 높은 도플러 주파수가 나타나기 때문에, 코히런스 시간(coherent time)이 극단적으로 짧아질 수 있다. 여기서, 상관 시간이란, 시간적으로 채널이 정적인 특성 또는 균일한 특성을 보이는 시간 구간을 의미한다. 코히런스 대역폭(coherent bandwidth)는 시간적으로 채널이 정적인 특성 또는 균일한 특성을 보이는 대역폭을 의미한다.

한편, 단말의 상향링크 전송이 기지국과 동기화 되어 있는 경우에만 단말의 상향링크 전송이 가능하며, 데이터 전송을 위한 스케줄링을 받을 수 있다. 즉, 랜덤 액세스 채널(Random Access Channel; RACH)의 주요 역할은 동기화되지 않은 단말들이 직교하거나 또는 최대한 겹치지 않는 전송 기법을 통해서 무선 액세스(radio access)를 수행할 수 있도록 하는 것이다. 이하, RACH에 관하여 보다 상세히 설명한다.

우선, RACH의 용도와 요구 사항에 관하여 살펴본다. RACH의 주요 역할은 상향링크 초기 접속과 쇼트(short) 메시지 전송이다. 실제로, WCDMA 시스템에서는 초기 네트워크 접속과 쇼트 메시지 전송이 이루어졌지만, LTE 시스템에서는 쇼트 메시지 전송을 수행하지 않는다. 또한 LTE 시스템은 WCDMA 시스템과는 달리 기존의 상향링크 데이터 전송 채널과는 별개로 전송된다. 즉, 상향링크 데이터 채널인 PUSCH가 기본적으로 정의한 부반송파 간격(subcarrier-spacing)인 △f가 15kHz의 심볼 구조가 아닌 RACH 부반송파 간격 △f_RA가 1.25kHz의 SC-FDMA 구조를 갖는다. LTE 시스템에서는 기지국과 단말 사이에 상향링크 동기가 형성되면, 해당 단말에게는 직교 자원 할당 전송에 대한 스케줄링이 수행된다.

다음으로, RACH 프리앰블 구조에 관하여 살펴본다. 도 7은 RACH 프리앰블 구조를 도시하는 도면이다.

도 7을 참조하면, RACH 프리앰블은 순환 전치(Cyclic Prefix; CP), 프리앰블 시퀀스 및 가드 타임(Guard-time; GT)으로 구성된 것을 알 수 있다. CP는 최대 채널 지연 스프레드(Maximum channel delay spread) 및 라운드 트립 타임(Round Trip-Time; RTT)을 보상하기 위한 것이고, GT는 RTT를 보상하기 위한 것이다. CP는 기존의 OFDM 심볼의 후반부를 프리앰블의 CP 구간에 삽입하여 생성한다.

우선, 단말은 기지국과 동기화 되었있다고 가정하고 RACH 프리앰블을 전송한다. 따라서, 기지국과 가까운 단말이 송신한 RACH는 도 7과 같이 기지국에서 서브프레임 경계와 거의 일치하도록 수신되고, 기지국으로부터 멀리 떨어진 단말, 즉 셀 경계의 단말은 전파 지연(propagation delay)을 발생하여 전자의 경우보다 보다 지연되어 수신된다. 이때 기지국은 각 단말이 전송한 프리앰블 시퀀스를 알고 있기 때문에, 각 단말이 전송한 프리앰블의 검출 위치를 통해서 동기화 프로세스를 진행할 수 있다.

한편, RACH 프리앰블에는 여러 시퀀스가 사용될 수 있다. 이 중 자기 상관(autocorrelation) 기반의 ZC (Zadoff-Chu) 시퀀스와 교차 상관(cross correlation) 기반의 의사 랜덤 (Pseudo-random) 시퀀스가 가장 대표적이다. 일반적으로 인트라-셀 간섭(Intra-cell Interference)이 작은 상황에서는 자기 상관 기반의 ZC 시퀀스가, 인트라-셀 간섭이 큰 상황에서는 교차 상관 기반의 의사 랜덤 시퀀스가 선택될 수 있다.

LTE 시스템에서는 1) 같은 주파수-시간 RACH 자원을 사용하는 서로 다른 프리앰블간의 인트라-셀 간섭은 작아야 하고, 2) 직교 프리앰블 수가 많을수록 검출 성능이 향상되므로, 작은 셀일수록 더 많은 직교 프리앰블들을 정의하여 기지국의 검출 성능을 향상시켜야 하며, 3) 기지국의 검출 복잡도가 감소하여야 하고, 마지막으로 4) 고속 단말도 지원하여야 한다. 이러한 이유로, LTE 시스템에서는 아래 수학식 1과 같은 길이(Length) 839의 ZC 시퀀스가 RACH 프리앰블에 사용되었다.

다만, 인트라-셀 간섭이 큰 상황에서는 아래 수학식 2와 같은 의사 랜덤 시퀀스가 RACH 프리앰블에 사용될 수도 있다.

다음으로, RACH 프리앰블 전송 대역에 관하여 살펴본다. RACH 대역을 설정함에 있어 고려되는 두 가지 주요 인자는, 다이버시티 이득(diversity gain)과 단말의 전송 전력 제한이다. 즉, 기지국과 달리 단말은 전력 증폭기(power amplifier)의 성능이 제한되기 때문에, 넓은 주파수 대역에 RACH를 할당하여 전송하는 경우 자원 단위 당 에너지가 낮아지는 반면 주파수 다이버시티는 극대화할 수 있다. 반대로 좁은 대역에 RACH 프리앰블을 전송하는 경우에는 자원 단위 당 에너지는 높아지지만, 주파수 다이버시티는 최소가 된다.

실제로 LTE RACH 전송 대역을 결정할 때에는 1.08MHz, 2.16MHz, 4.5MHz, 50MHz (각 6RB, 12RB, 25RB, 50RB)가 대상이었지만, RACH 미검출 확률 비교로 통해서 1% 미검출 확률을 만족시킴에 있어 6RB로도 충분하였기 때문에, 1.08MHz가 최종 RACH 전송 대역으로 결정되었다.

마지막으로, RACH 프리앰블 시퀀스의 길이에 관하여 살펴본다. RACH 프리앰블 시퀀스의 길이(T_SEQ)를 설계하기 위해서는 하한값(Lower bound), 상한값(Upper bound) 및 부송파 간격에 관한 조건을 만족시켜야 한다.

우선, 시퀀스 길이(T_SEQ)의 하한값은, 검출의 모호성 방지를 위하여, 커버리지 내 셀 경계 단말의 RTT와 최대 채널 지연 스프레드의 합보다 길어야 한다. 즉, 아래 수학식 3과 같은 조건이 만족되어야 한다.

수학식 3에서 d_long는 서비스 커버리지를 지시하고, τ_max는 최대 채널 지연 스프레드를 지시한다. 예를 들어, LTE 시스템에서는 가장 넓은 셀의 반경을 100km라 가정하고, 이때의 최대 채널 지연 스프레드는 16.67us 라고 가정한다. 또한, 고주파 대역에서 서비스 커버리지를 3km로 가정하고, 이 경우 최대 채널 지연 스프레드를 0.5us라고 가정한다. 이와 같은 가정 아래, 아래의 수학식 4 및 수학식 5와 같은 결과를 얻을 수 있다.

다음으로, T_SEQ의 최대값, 즉 상한값은 일반적인 프레임 규격에 기반하여 운용 방법을 정할 경우, 정해진 TTI (Transmission Time Interval)를 넘을 수 없다. 즉, LTE 시스템과 같이 서브프레임의 길이가 1ms라면 LTE 시스템의 TTI는 1ms가 된다. 여기서, 시퀀스의 최대 주기는 단말이 기지국과 가장 가까운 서비스 커버리지를 가정하는 경우를 기준으로 하고, 최대 채널 지연 스프레드도 0us라고 가정한다. 따라서 아래 수학식 6과 같은 조건 #2가 성립해야 한다.

상기 수학식 6에서 d_short는 단말이 기지국과 가장 가까운 서비스 커버리지를 나타낸다. 예를 들어, LTE 시스템에서는 d_short를 14.4km라 가정하고, 고주파 대역에서는 d_short를 1km를 가정하며, 고주파 대역에서의 TTI를 222ms로 가정하면 아래의 수학식 7 및 수학식 8와 같은 결과를 얻을 수 있다.

마지막으로, RACH 부반송파 간격(△f_RA)과 관련된 조건에 관하여 살펴본다.

T_SEQ의 역수인 샘플링 주파수(N_DFT)는, N_DFT=f_s*T_SEQ의 관계를 갖는 경우에 기존 프레임의 상향링크 전송 부반송파와 RACH 전송 부반송파 사이의 직교성을 최대로 보장할 수 있다. 기존 프레임 부반송파 간격(△f)은 RACH 부반송파 간격(△f_RA)의 정수배가 되어야 하므로, 아래 수학식 9와 같이 조건 #3을 만족하여야 한다.

이와 같은 경우, LTE 시스템에서의 RACH 부반송파 간격(△f_RA)은 아래 수학식 10과 같이 설계되었다.

이하에서는, 상술한 조건 #1 내지 조건 #3을 만족하는 고주파 대역 전송의 RACH 프리앰블 주기의 설정을 예시한다. 서비스 커버리지는 최소 1km, 최대 3km를 가정할 때 RTT를 산출하고, 0.5us 최대 채널 지연 스프레드를 고려하였다.

이를 통해서 서비스 커버리지는 3km, TTI는 222us인 경우를 가정하면 RACH 프리앰블 주기와 CP를 결정하기 위한 계산값들을 아래 표 2와 같이 도출할 수 있다.

여기에서 도출한 T_SEQ=172.66us를 상기 조건 #1 내지 조건 #3에 적용하면 아래 표 3과 같이 모든 조건을 만족함을 알 수 있다.

따라서 최종 RACH 프리앰블 구조는 도 8과 같이 나타낼 수 있다. 도 8은 고주파 대역 전송을 위한 RACH 프리앰블의 CP 및 주기 설정의 예를 도시한다. 단. 도 8에서는 서비스 커버리지는 3km이고 TTI는 222us인 것으로 가정한다.

다른 예로서, 서비스 커버리지는 1km이고 TTI는 125us인 것으로 가정하면, 아래 표 4와 같은 계산값들을 도출할 수 있다.

여기에서 도출한 T_SEQ=100us를 상기 조건 #1 내지 조건 #3에 적용하면 아래 표 5과 같이 모든 조건을 만족함을 알 수 있다.

따라서 최종 RACH 프리앰블 구조는 도 9과 같이 나타낼 수 있다. 도 9는 고주파 대역 전송을 위한 RACH 프리앰블의 CP 및 주기 설정의 다른 예를 도시한다. 단. 도 9에서는 서비스 커버리지는 1km이고 TTI는 125us인 것으로 가정한다.

한편, 상술한 조건 #1 내지 조건 #3을 만족하는 시퀀스의 타겟 영역이 적절하게 설계 되었는지 확인하기 위하여, 아래 표 6과 같은 링크 버짓(Link budget) 파라미터들을 이용할 수 있다.

또한 아래 수학식 11을 이용하여 최종 유효성을 판단한다.

수학식 11은 거리 d에 관한 함수로 표현이 되며, 이를 통해서 적합한 유효 거리를 추정할 수 있다. 아래에서는 LTE 시스템의 경우와 서비스 커버리지가 3km이고 TTI가 222us인 고주파 전송인 경우에 대한 경우에 대한 검증 예시를 기술한다. 단, 최대 채널 지연 스프레드는 0.5us로 가정한다.

우선, 상기 수학식 11에서 경로 손실 함수 P_RA(d)는 아래 수학식 12와 같이 dB 단위로 변환하여 표현할 수 있다.

위 수학식 12에서 실질적인 경로 손실은 함수 L(d)로 표현되는데, LTE 시스템의 RACH 설계에서는 Okumura-hata 모델을 적용하였다.

도 10은 LTE 시스템에서 RACH 시퀀스 길이에 따른 서비스 커버리지 도출의 예를 도시한다. 특히, 도 10의 경우, Okumura-hata 모델 중 suburban 상황을 가정한 것이다. 도 10을 참조하면, T_SEQ가 1ms인 지점을 중심으로 기지국 높이(BS height)가 60m 일 경우 대략적으로 14km의 커버리지 임을 알 수 있다.

한편, 고주파 대역 검증을 위해서는 경로 손실은 함수 L(d)에 대해서 LMDS (Local Multipoint Distribution Services) 채널 모델을 적용한다. 도 11은 고주파 대역 시스템에서 RACH 시퀀스 길이에 따른 서비스 커버리지 도출의 예를 도시한다. 도 11을 참조하면, T_SEQ가 111.3us의 서비스 커버리지가 목표인 3km를 크게 상회하는 14km로 적절하게 설계되었음을 알 수 있다.

본 발명에서는 단말의 RACH 전송 대역이 주어졌을 때 RACH 유효 시퀀스 길이 방법에 대해서 설명한다. 단말의 증폭기(amplifier) 출력을 고려할 때 RACH는 기본적으로 전체 시스템 주파수 대역보다 작은, 일부 대역을 통한 전송이 가장 현실적인 접근 방법으로 볼 수 있다. 또한 RACH의 부반송파 간격(subcarrier-spacing)은 일반적인 데이터 채널의 부반송파 간격보다 작기 때문에 (즉, △f_RA=△f/k ), 시간 영역에서 긴 주기를 갖는 RACH 심볼이 전송되는 것이 바람직하다. 의 관계가 성립함을 알 수 있다.

본 발명에서는 단말의 RACH 대역폭이 주어졌을 때 아래의 사항들을 차례로 고려하여 최종 유효 시퀀스 길이를 도출한다. 특히 고주파 대역 전송을 위한 중심 주파수 기반 경로 손실 모델들을 고려한 예를 통해서 실질적인 고주파 전송 용 RACH 설계 방법을 상세히 기술한다.

- RACH 채널의 기준 신호 대 잡음비

- 데이터 채널의 기준 신호 대 잡음비

- 경로 손실 모델 (일반 셀룰러 대역, 고주파 대역(>10GHz))

- 기지국의 RACH 수신 요구 신호 대 잡음비

- RACH 전송 대역

- 시퀀스 종류(Poly-phase 시퀀스, m-시퀀스)

1. RACH 프리앰블 시퀀스 길이 결정 방법

기본적으로 RACH는 상향링크에 대해서 비동기(unsynchronized) 기반으로 운용되기 때문에, 채널 추정 없이 시퀀스의 상관(correlation) 특성을 이용하여 검출된다. 이러한 상관 (correlation) 기반으로 TA (timing advance) 역시 운용할 수 있다.

상관 특성으로 운영되는 RACH 시퀀스는 간섭 특성에 따라, 자기 상관(autocorrelation) 특성이 우수한 시퀀스, 또는 교차 상관(cross correlation) 특성이 좋은 시퀀스를 선택하여 적용할 수 있다. 일반적으로 인트라 셀 간섭 (Intra-cell Interference)이 낮으면, ZC (Zadoff-Chu) 시퀀스와 같이 자기 상관 특성이 우수한 폴리-페이즈(poly-phase) 계열 시퀀스를 사용하는 것이 유리하고, 인트라 셀 간섭이 높으면 의사 랜덤 (Pseudo-random) 시퀀스와 같은 m-시퀀스 계열 시퀀스를 사용하는 것이 유리하다.

일반적으로 RACH 프리앰블은 일반 데이터보다 낮은 전력을 사용하는 것을 전제로 하며, 이때 낮아진 전송 전력으로 인한 RACH 검출 정확도를 향상시키기 위하여, 시퀀스의 길이 증대를 통한 전송 전력의 합(summation)을 이용한다. 따라서 시퀀스의 길이를 통한 SNR 보상은 일반적으로 아래의 수학식 13을 통해서 이루어지며, 이 값을 조정 값(adjusting value)라고 정의한다. 예를 들어 시퀀스 길이가 1,000이라면 조정 값은 30dB가 되기 때문에, 기지국에서 실제 검출되는 단말의 RACH 신호 SNR이 약 30dB 향상되는 것으로 간주할 수 있다.

결과적으로 RACH 시퀀스 길이를 설정할 때에는 조정 값의 범위를 어느 영역으로 한정하는 요구 사항에 따라 달라지게 되는 것이다. 일반적으로 RACH의 실제 SNR인 E_p/N₀는 상대적인 값으로 주어진다. 즉, 목표 위치에 있는 단말로부터 기지국에서 검출된 데이터 전송 신호의 SNR인 E_s/N₀를 기준으로 특성 dB 이하로 단말이 RACH 신호를 전송하는 것을 가정하는데, 일반적으로 24dB가 낮은 것을 가정한다. 다시 말해, E_p/N₀=(E_s/N₀)- 24dB를 가정함을 의미한다.

이하에서는, 상술한 가정하에서, 단계적으로 RACH 시퀀스 길이를 도출하기 위한 과정을 단계적으로 설명한다.

(1) 제 1 단계 : 단말의 기준 지점을 중심으로 한 경로 손실(path-loss) 산출

우선 경로 손실을 구하기 위해서는 단말이 기지국과 특정 거리에서 최대 송신 전력으로 신호를 보냈을 때 기지국에 측정되는 경로 손실을 우선적으로 산출해야 한다. 일반적으로 경로 손실 함수 P_s(d)은 아래의 수학식 14와 같이 표현된다. 여기서 실제 경로 손실은 L(d)이고, 다른 파라미터들은 아래와 같이 주어질 수 있다.

예를 들어, LTE 시스템의 RACH는 d=0.68km를 가정하고, 경로 손실 모델로는 Okumura-hata 모델을 적용하여 경로 손실을 산출한다. 고주파 대역 전송에서는 아래 수학식 15와 같은 LDMS 모델을 가정하였고, 거리 d=0.3km를 가정하고, 두 시스템 모두에 있어, 나머지 파라미터들은 상술한 표 6의 값을 적용한다.

이 경우 기지국에 수신한 데이터 신호의 경로 감쇄는 LTE 시스템의 123.8dB이고, 고주파 시스템은 118.5dB가 되는데, 이것은 중심 주파수의 크기와 경로 손실 모델의 상이함에 기인한다.

(2) 제 2 단계 : RACH 할당 대역에 따른 노이즈 신호 크기 산출

일반적으로 노이즈는 N₀(=-174dBm/Hz)로 가정하며, RACH의 전송 대역 크기에 맞추어 최종 값을 도출할 수 있다. 예를 들어, LTE 시스템에서는 RACH가 1.08MHz에 할당되고, 고주파 시스템에서는 5MHz라고 가정한다. 이때 각 상황에 대한 노이즈 신호 크기는 아래 수학식 16와 같다.

(3) 제 3 단계 : 일반 데이터 전송을 위한 기준 E _s /N ₀ 도출

최종 E_s/N₀를 도출하기 위해서는 아래의 수학식 17을 이용한다. 이때 제 1 단계 및 제 2 단계에서 서 경로 손실, 노이즈 신호 크기를 산출하였으므로, 수신단의 노이즈 특성(Noise figure)을 최종적으로 고려한다.

예를 들어, N_f=5dB로 가정하면, LTE 시스템과 고주파 시스템 각각의 E_s/N₀는 아래 수학식 18과 같이 표현할 수 있다.

(4) 제 4 단계 : RACH의 최종 E _p /N ₀ 도출

제 4 단계에서는 RACH의 수신 신호 대 잡음비가 데이터 수신 신호 대 잡음비보다 24dB정도 낮다고 가정한다. 예를 들어, 표 6의 LTE 시스템과 고주파 시스템에서는 아래 수학식 19와 같은 값이 얻어진다.

(5) 제 5 단계 : E _p /N ₀ 를 만족시키기 위한 요구(required) RACH 시퀀스 길이 도출

앞서 설명한 것과 같이 RACH 시퀀스 길이를 통한 SNR보상이 가능하며, 이것은 상관 기반의 시퀀스 에너지 합(energy summation)을 이용하는 것이다. 따라서 최종적으로는 아래 수학식 20을 만족하는 값을 구할 수 있다. 즉, 제 4 단계에서 산출한 E_p/N₀를 만족시키기 위한 조정 RACH 시퀀스 길이를 산출할 수 있다.

실제로 LTE 시스템에서는 E_p/N₀=-11dB, required E_p/N₀=-18dB로 가정하여 RACH 시퀀스 길이를 산출하고, 고주파 시스템에서는 앞서 산출한 E_p/N₀=-10.5dB를 가정하여 RACH 시퀀스 길이를 구하면, LTE 시스템에서의 RACH 시퀀스 길이는 839, 고주파 시스템에서의 RACH 시퀀스 길이는 707.9가 된다.

(6) 제 6 단계 : 최종 시퀀스 길이 결정

기본적으로 조정 값을 만족시키기 위해서는 구한 요구되는(required) 시퀀스 길이와 같거나 긴 값을 가져야 한다. 그러나, 여기서 한 가지 고려해야 할 사항이 추가로 발생한다. RACH와 일반 데이터 채널은 서로 다른 부반송파 간격을 가지기 때문에, 둘 사이에 직교성을 확보하기 위해서 RACH 채널이 할당되는 주파수 대역 양 끝 단에 가드 밴드(guard band)가 할당되어야 한다.

도 12는 부분 대역에 할당되는 RACH와 가드 밴드의 설정 개념도를 도시한다.

도 12를 참조하면, 가드 밴드는 각각 데이터 채널의 부반송파 간격 이상으로 설정되어야 두 채널 사이의 직교성이 보장된다. 따라서, 아래 수학식 21을 만족해야 한다.

수학식 21에서 k는 가드 밴드를 의미한다. LTE 시스템에서는 RACH 설계에 ZC 시퀀스를 사용하였고, 가드 밴드가 31.25kHz > 2△f로 설정되었으며, 최종 시퀀스 길이는 소수(Prime number)인 839가 되었다.

다른 예로 고주파 대역에서 제 5 단계에서 도출한 요구(required) 시퀀스 길이는 707.9 이상이 되면 된다. 따라서 최종 값을 구하면 아래 수학식 22와 같다. 여기서 RACH 전송 대역은 5MHz로 가정하였다.

마지막으로 최종 조정 값을 결정함에 있어 마지막으로 고려할 사항이 시퀀스 종류이다. 예를 들어, RACH 시퀀스가 ZC 시퀀스라면 'Max prime number≤sequence-length'를 만족하는 최대 소수를 선택하고, PN 시퀀스라면 도출된 시퀀스 길이를 그대로 사용하면 된다.

따라서, 고주파 시스템에서는 시퀀스 길이 828을 만족하는 가장 큰 소수는 827이므로, ZC 시퀀스를 사용할 때는 시퀀스 길이가 827이 되고, PN 시퀀스는 그대로 828이 된다.

2. 고주파 대역 특성을 반영한 RACH 시퀀스의 공-상관 존 (Zero-correlation zone) 설정 방법

LTE 시스템에서는 RACH 시퀀스를 설계함에 있어 RACH의 부반송파 간격 △f_RA을 기존 데이터 채널의 부반송파 간격 △f의 약 1/12배로 작게 설정하였다. 이를 통해 최종적으로 LTE 시스템의 기본 부반송파 간격은 △f=15kHz가 되고, △f_RA=1.25kHz가 된다.

고주파 시스템에서 부반송파 간격을 기본 부반송파 간격보다 작게 설정할 경우 도플러 주파수에 대한 영향이 더욱 커져 검출 성능 저하가 발생할 수 있다. 예를 들어, 중심 주파수 2GHz를 사용할 때보다 30GHz를 사용하는 고주파 대역 전송에서는 기본적으로 동일한 이동 속도의 단말도 15배 이상의 큰 도플러를 경험하게 된다. 따라서, 고주파 대역을 위한 RACH에서는 기존 LTE 시스템과 같이 △f_RA의 크기를 낮추는 접근은 큰 성능 저하를 유발할 수 있다.

일반적으로, △f_RA의 크기를 작게 가져갈수록 유효채널에 해당하는 채널 탭(tap)이 하나로 나타나게 된다. 따라서, 기지국에서 채널의 유효 다중 경로가 하나라고 가정하고, 각 단말이 전송한 RACH 시퀀스의 상관(Correlation)을 측정하여 각 단말을 구분하거나, 타이밍 차이(Timing difference)를 추정할 수 있다.

그러나, 고주파 채널의 도플러 영향을 고려하여 RACH 부반송파 간격 역시 기본 부반송파 간격과 동일하게 가져가야 하기 때문에, 이때에는 유효 채널에 대한 수를 단일 탭이라 가정할 수 없다. 도면을 참조하여 설명한다.

도 13은 작은 △f_RA로 인하여 발생하는 유효 단일 경로 및 기지국의 시퀀스 수신 개념도를 도시한다. 또한, 도 14는 큰 △f_RA로 인하여 발생하는 유효 단일 경로 및 기지국의 시퀀스 수신 개념도를 도시한다.

도 13과 같이 상대적으로 작은 부반송파 간격 △f_RA을 갖는 RACH가 ZC 시퀀스 s₀, s₁, s₂, s₃,....., s_{N - 1}를 전송할 때에는 시간 축에서 전송 심볼의 길이가 길어져, 유효 채널 구간이 단일 탭으로 가정된다. 그러나, 도 14와 같이 상대적으로 큰 부반송파 간격 △f_RA을 갖는 RACH가 ZC 시퀀스 s₀, s₁, s₂, s₃,....., s_{N - 1}를 전송할 경우에는 시간 축에서 심볼의 길이가 짧아져, 기지국에서는 유효 채널 구간이 여러 개의 다중 경로로 보이게 된다. 따라서, RACH의 각 시퀀스 샘플 구간이 L개의 다중 경로에 겹치는 만큼 시퀀스의 상관 측정을 수행하여야 한다.

또한, 다중 경로 중 가장 앞서는 채널 탭 h₀를 선택한다고 보장할 수 있다. 즉 h₁, h₂, h₃,....., h_{L -1}을 선택할 수 있는데, 이것은 상향링크의 TA(Timing advance)를 위한 정확한 값을 추정함에 있어 성능 저하로 이어질 수 있다. 따라서, 본 발명에서는 고주파 대역을 위한 RACH 설계 시 각 단말의 공-교차 상관 존(Zero-cross correlation zone)을 설정하는 것을 제안한다.

(A) 우선, RACH의 부반송파 간격과 최대 지연 프로파일(Max. delay profile)을 고려하여 ZC 시퀀스의 공-교차 상관 존(Zero-cross correlation zone)을 설정하는 것을 고려할 수 있다.

즉, 채널의 최대 지연 시간을 τ_max라 한다면 이를 시퀀스의 샘플링 시간(Sampling time)으로 나눈 수만큼의 시간 축 샘플이 나타날 수 있으며, 이 시간 축 샘플만큼 다중 경로 채널을 거쳐 RACH의 시퀀스가 기지국에 수신되게 된다. ZC 시퀀스는 수학식 23과 같이 표현된다.

상기 수학식 23에서 u는 루트 값(root value)을, N은 시퀀스 길이를 의미한다.

이때 다중 사용자에게 시퀀스를 할당하기 위해서 특정 길이만큼 순환 천이(Cyclic shift)를 사용할 수 있으며, 이를 통하여 하나의 시퀀스를 이용하여 여러 사용자를 파악하거나 TA(Timing advance)를 수행할 때 이용할 수 있다. 도면을 참조하여 설명한다.

도 15는 ZC 시퀀스를 이용한 순환 천이 원리를 도시하는 도면이다. 도 16은 순환 천이를 이용한 다중 사용자 시퀀스 할당 개념을 도시한다. 또한, 도 17은 상이한 공-상관 존(Zero Correlation Zone)에서의 사용자 검출의 예를 도시한다.

도 15와 같이, ZC 시퀀스는 동일한 시퀀스라 할지라도 순환 천이를 한 시퀀스와 직교하는 특성이 있기 때문에, 도 16처럼 순환 천이 구간을 나누어 각 사용자에게 할당하면 기지국은 동일한 시간에 수신된 ZC 시퀀스들을 상관 측정을 수행하여 각 단말을 구분하거나, 지연 포인트(Delay point)를 추정할 수 있다. 따라서, 도 17과 같이 서로 다른 공-상관 존(Zero Correlation Zone)을 설정하여 사용자를 검출할 수 있다.

이하에서는, 상술한 이러한 ZC 시퀀스를 이용하여 공-상관 존을 설정함에 있어 고주파 특성으로 인한 RACH 부반송파 간격 △f_RA와 채널의 최대 지연 시간을 τ_max을 고려하는 것을 설명한다.

우선, 아래 수학식 아래 수학식 24를 통하여 공-상관 존 설정을 위한 유효 채널 구간의 샘플 수 L 값을 도출한다. 즉, 유효 채널 구간의 샘플 수 L 값을 도출하여, 특정 사용자의 신호가 채널 지연을 통해서 수신된 다른 사용자의 신호가 검출될 수 있는 위험을 방지한다.

수학식 24에서, 도출된 유효 채널에 대한 샘플 수 L만큼 공-상관 존이 커지게 된다. 따라서, 동일한 ZC 시퀀스를 통해 구분할 수 있는 전체 사용자 수의 감소를 유발할 수 있지만, 사용자 검출 정확도를 높일 수 있다.

전체 시퀀스 길이 N을 순환 천이 길이 N_CS로 나눌 때, 상기 과정에 의하여 도출된 L 값을 적용하면 아래 수학식 25와 같이 전체 사용자 수가 나타난다.

이와 같은 경우, 상술한 수학식 23 및 수학식 25에 의하여 최종 ZC 시퀀스의 공-상관 존은 도 18와 같이 할당된다. 도 18은 본 발명의 실시예에 따른 유효 채널 구간 L을 고려한 공-상관 존 설정의 예를 도시한다.

도 18을 참조하면, 실제 단말이 시퀀스를 보내는 시점은 전체 L+N_CS길이에서 유효 채널 구간의 샘플 수 L만 사용하게 되며, 단말의 위치에 따라 신호의 도달 시점이 상이한 범주는 N_CS로 동일한 것을 알 수 있다.

한편, 각 단말이 동시에 전송한 시퀀스라 할지라도 기지국과 단말의 위치에 따라 도착하는 시점이 상이해질 수 있다. 도면을 참조하여 설명한다.

도 19은 유효 채널 구간 L을 고려하지 않을 경우 발생하는 시퀀스 중첩 현상을 예시한다. 또한, 도 20은 유효 채널 구간 L을 고려하여 시퀀스 중첩 현상이 발생하지 않는 공-상관 존 설정의 예를 도시한다. 특히, 도 19 및 도 20에서 전체 시퀀스 길이 N을 18로, 각 사용자의 공-상관 존을 6이라 가정하며, 채널 지연에 따른 유효 채널 구간의 샘플 수 L을 3이라고 가정한다. 또한, 공-상관 존 #1을 사용하는 단말 #1은 기지국에 가까이 있어서 최초 지연 τ₀=0s에 RACH 시퀀스가 기지국에 도착한다고 가정한다.

유효 채널 구간의 샘플 수 L을 고려하지 않을 경우 공-상관 존 #2를 사용하는 단말 #2는 극단적으로 공-상관 마지막 시간에 시퀀스가 도착한다고 가정하면 기지국에 수신된 단말 #1과 단말 #2의 수신 시퀀스는 도 19과 같이 나타날 수 있다. 따라서 유효 채널 경로 지연에 따라 시퀀스의 중첩이 성능 저하를 유발하여, 시퀀스 검출 정확도를 낮추게 된다. 반대로 L+N_ZC=9로 설정한 시퀀스는 가용 순환 천이 수가 도 19의 3보다 작아진 2가 되지만, 도 20과 같이 시퀀스의 중첩 영역이 존재하지 않아 검출 정확도를 높일 수 있음을 알 수 있다.

(B) 다음으로, RACH의 부반송파 간격과 채널 지연 일부 영역만을 고려하여 ZC 시퀀스의 공-상관 존을 설정하는 방안도 고려할 수 있다.

상술한 (A)에서는 채널의 유효 지연 시간을 모두 고려한 공-상관 존 설정 방식을 설명하였으나, 이하에서는 채널 유효 지연 시간 중 일부를 반영하는 방안을 제시한다. 채널 유효 지연 시간 중 일부를 반영하는 경우, 유효 채널 구간의 샘플 수 L 만큼의 순환 천이를 사용하지 못하는 경우에 비하여 동일한 시퀀스로 지원할 있는 사용자수가 증가할 수 있는 장점이 있다.

i) 우선, 상이한 유효 채널 길이를 반영한 여러가지 RACH 포맷을 설정하고, 기지국은 시그널링을 통해서 단말이 사용할 수 있는 RACH 포맷을 지시할 수 있다.

기지국은 여러 포맷의 RACH 시퀀스를 정의하고, 셀 내 사용자의 커비리지에 기인한 사용자의 수신 RACH 지연이 극단적으로 커질 경우에는 최대 유효 채널 구간의 샘플 수 L을 모두 적용한 RACH 포맷을 단말들에게 지시하고, 기지국에 수신된 RACH의 지연이 특정 기준 이하가 되면, 유효 채널 구간의 샘플 수 L 중 일부만을 고려한 RACH 지연을 사용하게 된다.

아래 표 7은 유효 채널 구간의 샘플 수 L에 대한 RACH 포맷을 설정하는 예를 나타낸다. 구체적으로, 각 단말로부터 추정된 수신 지연 시점 또는 TA(Timing advance)가 기준 값 이상이면 포맷 #1을 사용하고, 기준 값 이하이면 포맷 #2를 사용하게 된다. 여기서 포맷 #1을 지원할 수 있는 사용자 수보다 포맷 #2가 지원할 수 있는 사용자가 수가 증가함을 알 수 있다.

ii) 또는, 최초 접속 단말에게는 가장 긴 유효 채널 길이, 즉 가장 많은 유효 채널 구간의 샘플 수 L을 반영한 RACH 포맷을 사용하도록 하고, 이후에는 유효 채널 구간의 샘플 수가 L보다 작은 포맷을 할당할 수도 있다.

구체적으로, 최초 접속 사용자는 상기 표 7의 포맷 중 포맷 #1을 사용하게 하고, 이후에는 기지국의 시그널링을 받아서 다른 포맷을 사용하게 하는 방식을 의미한다. RACH는 단말의 초기 접속 이외에도 TA와 같은 동작을 위해 항상 주기적으로 단말이 기지국에 송신하는 채널이므로, 동일한 시퀀스를 가지고 보다 많은 공-상관 존을 설정할 수 있기에 지원할 수 있는 사용자 수가 증가하는 이득을 도출할 수 있다.

물론, 공-상관 존이 겹치거나 모호해지는 부분이 있다면 동일한 시퀀스 영역 중 일부 영역을 포맷 #1의 공-상관 존으로 설정하고, 다른 부분을 포맷 #2로 설정함으로써 목적을 달성할 수 있다. 도 21은 동일한 ZC 시퀀스에 포맷 #1과 포맷 #2를 설계하는 구현 예를 도시한다.

본 발명에서는 고주파 대역을 사용하는 통신환경에 적합한 RACH을 위한 유효 시퀀스 길이 설계 방법을 제안하였다. 특히 고주파 대역은 높은 중심 주파수로 인해 발생하는 경로 손실이 크기 때문에, 소형 셀에 적용되는 것이 적합하지만, 이에 한정되는 것은 아니다.

도 22는 본 발명의 일 실시예에 따른 통신 장치의 블록 구성도를 예시한다.

도 22를 참조하면, 통신 장치(2200)는 프로세서(2210), 메모리(2220), RF 모듈(2230), 디스플레이 모듈(2240) 및 사용자 인터페이스 모듈(2250)을 포함한다.

통신 장치(2200)는 설명의 편의를 위해 도시된 것으로서 일부 모듈은 생략될 수 있다. 또한, 통신 장치(2200)는 필요한 모듈을 더 포함할 수 있다. 또한, 통신 장치(2200)에서 일부 모듈은 보다 세분화된 모듈로 구분될 수 있다. 프로세서(2210)는 도면을 참조하여 예시한 본 발명의 실시예에 따른 동작을 수행하도록 구성된다. 구체적으로, 프로세서(2210)의 자세한 동작은 도 1 내지 도 21에 기재된 내용을 참조할 수 있다.

메모리(2220)는 프로세서(2210)에 연결되며 오퍼레이팅 시스템, 어플리케이션, 프로그램 코드, 데이터 등을 저장한다. RF 모듈(2230)은 프로세서(2210)에 연결되며 기저대역 신호를 무선 신호를 변환하거나 무선신호를 기저대역 신호로 변환하는 기능을 수행한다. 이를 위해, RF 모듈(2230)은 아날로그 변환, 증폭, 필터링 및 주파수 상향 변환 또는 이들의 역과정을 수행한다. 디스플레이 모듈(2240)은 프로세서(2210)에 연결되며 다양한 정보를 디스플레이한다. 디스플레이 모듈(2240)은 이로 제한되는 것은 아니지만 LCD(Liquid Crystal Display), LED(Light Emitting Diode), OLED(Organic Light Emitting Diode)와 같은 잘 알려진 요소를 사용할 수 있다. 사용자 인터페이스 모듈(2250)은 프로세서(2210)와 연결되며 키패드, 터치 스크린 등과 같은 잘 알려진 사용자 인터페이스의 조합으로 구성될 수 있다.

이상에서 설명된 실시예들은 본 발명의 구성요소들과 특징들이 소정 형태로 결합된 것들이다. 각 구성요소 또는 특징은 별도의 명시적 언급이 없는 한 선택적인 것으로 고려되어야 한다. 각 구성요소 또는 특징은 다른 구성요소나 특징과 결합되지 않은 형태로 실시될 수 있다. 또한, 일부 구성요소들 및/또는 특징들을 결합하여 본 발명의 실시예를 구성하는 것도 가능하다. 본 발명의 실시예들에서 설명되는 동작들의 순서는 변경될 수 있다. 어느 실시예의 일부 구성이나 특징은 다른 실시예에 포함될 수 있고, 또는 다른 실시예의 대응하는 구성 또는 특징과 교체될 수 있다. 특허청구범위에서 명시적인 인용 관계가 있지 않은 청구항들을 결합하여 실시예를 구성하거나 출원 후의 보정에 의해 새로운 청구항으로 포함시킬 수 있음은 자명하다.

본 발명에 따른 실시예는 다양한 수단, 예를 들어, 하드웨어, 펌웨어(firmware), 소프트웨어 또는 그것들의 결합 등에 의해 구현될 수 있다. 하드웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시예는 하나 또는 그 이상의 ASICs(application specific integrated circuits), DSPs(digital signal processors), DSPDs(digital signal processing devices), PLDs(programmable logic devices), FPGAs(field programmable gate arrays), 프로세서, 콘트롤러, 마이크로 콘트롤러, 마이크로 프로세서 등에 의해 구현될 수 있다.

펌웨어나 소프트웨어에 의한 구현의 경우, 본 발명의 일 실시예는 이상에서 설명된 기능 또는 동작들을 수행하는 모듈, 절차, 함수 등의 형태로 구현될 수 있다. 소프트웨어 코드는 메모리 유닛에 저장되어 프로세서에 의해 구동될 수 있다. 상기 메모리 유닛은 상기 프로세서 내부 또는 외부에 위치하여, 이미 공지된 다양한 수단에 의해 상기 프로세서와 데이터를 주고 받을 수 있다.

본 발명은 본 발명의 특징을 벗어나지 않는 범위에서 다른 특정한 형태로 구체화될 수 있음은 당업자에게 자명하다. 따라서, 상기의 상세한 설명은 모든 면에서 제한적으로 해석되어서는 아니되고 예시적인 것으로 고려되어야 한다. 본 발명의 범위는 첨부된 청구항의 합리적 해석에 의해 결정되어야 하고, 본 발명의 등가적 범위 내에서의 모든 변경은 본 발명의 범위에 포함된다.

상술한 바와 같은 무선 통신 시스템에서 고주파 대역을 위한 랜덤 액세스 시퀀스의 길이 설정 방법 및 이를 위한 장치는 3GPP LTE 시스템에 적용되는 예를 중심으로 설명하였으나, 3GPP LTE 시스템 이외에도 다양한 무선 통신 시스템에 적용하는 것이 가능하다.

Claims (12)

1. 무선 통신 시스템에서 기지국이 랜덤 액세스 시퀀스를 수신하는 방법으로서,
   상이한 유효 채널 길이에 대한 랜덤 액세스 포맷들 중 적어도 하나를 선택하는 단계;
   상기 선택된 적어도 하나의 랜덤 액세스 포맷에 관한 정보를 상기 단말에게 송신하는 단계; 및
   상기 단말로부터 상기 선택된 적어도 하나의 랜덤 액세스 포맷에 기반한 랜덤 액세스 시퀀스를 수신하는 단계를 포함하고,
   상기 랜덤 액세스 포맷들은,
   상기 랜덤 액세스 시퀀스를 수신하기 위한 유효 채널 구간 길이가 서로 다른 것을 특징으로 하는,
   랜덤 액세스 시퀀스 수신 방법.
2. 제 1 항에 있어서,
   상기 랜덤 액세스 포맷들 중 적어도 하나를 선택하는 단계는,
   상기 단말의 수신 지연 값이 기 설정된 값 이상인 경우 최대 유효 채널 구간 길이를 위한 랜덤 액세스 포맷을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   랜덤 액세스 시퀀스 수신 방법.
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 랜덤 액세스 포맷들 중 적어도 하나를 선택하는 단계는,
   상기 단말이 최초 접속 단말인 경우, 최대 유효 채널 구간 길이를 위한 랜덤 액세스 포맷을 선택하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는,
   랜덤 액세스 시퀀스 수신 방법.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 상이한 유효 채널 길이에 대한 랜덤 액세스 포맷들은 지원 단말의 개수가 서로 다르고,
   최대 유효 채널 구간 길이를 위한 랜덤 액세스 포맷은 상기 지원 단말의 개수가 최소인 것을 특징으로 하는,
   랜덤 액세스 시퀀스 수신 방법.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 랜덤 액세스 포맷들 중 복수의 랜덤 액세스 포맷들을 선택한 경우, 상기 복수의 랜덤 액세스 포맷들 각각은 상기 랜덤 액세스 시퀀스의 서로 다른 시퀀스 영역을 위한 것을 특징으로 하는,
   랜덤 액세스 시퀀스 수신 방법.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 랜덤 액세스 시퀀스는,
   ZC (Zadoff-Chu) 시퀀스인 것을 특징으로 하는,
   랜덤 액세스 시퀀스 수신 방법.
7. 무선 통신 시스템에서 단말이 랜덤 액세스 시퀀스를 송신하는 방법으로서,
   기지국으로부터, 상이한 유효 채널 길이에 대한 랜덤 액세스 포맷들 중 적어도 하나의 랜덤 액세스 포맷에 관한 정보를 상기 단말에게 송신하는 단계; 및
   상기 기지국으로 상기 적어도 하나의 랜덤 액세스 포맷에 기반한 랜덤 액세스 시퀀스를 송신하는 단계를 포함하고,
   상기 랜덤 액세스 포맷들은,
   상기 랜덤 액세스 시퀀스를 수신하기 위한 유효 채널 구간 길이가 서로 다른 것을 특징으로 하는,
   랜덤 액세스 시퀀스 송신 방법.
8. 제 7 항에 있어서,
   상기 단말의 수신 지연 값이 기 설정된 값 이상인 경우, 상기 적어도 하나의 랜덤 액세스 포맷은 최대 유효 채널 구간 길이를 위한 랜덤 액세스 포맷인 것을 특징으로 하는,
   랜덤 액세스 시퀀스 송신 방법.
9. 제 7 항에 있어서,
   상기 단말이 최초 접속 단말인 경우, 상기 적어도 하나의 랜덤 액세스 포맷은 최대 유효 채널 구간 길이를 위한 랜덤 액세스 포맷인 것을 특징으로 하는,
   랜덤 액세스 시퀀스 송신 방법.
10. 제 7 항에 있어서,
    상기 상이한 유효 채널 길이에 대한 랜덤 액세스 포맷들은 지원 단말의 개수가 서로 다르고,
    최대 유효 채널 구간 길이를 위한 랜덤 액세스 포맷은 상기 지원 단말의 개수가 최소인 것을 특징으로 하는,
    랜덤 액세스 시퀀스 송신 방법.
11. 제 7 항에 있어서,
    상기 기지국으로부터 복수의 랜덤 액세스 포맷들에 대한 정보를 수신한 경우, 상기 복수의 랜덤 액세스 포맷들 각각은 상기 랜덤 액세스 시퀀스의 서로 다른 시퀀스 영역을 위한 것을 특징으로 하는,
    랜덤 액세스 시퀀스 송신 방법.
12. 제 7 항에 있어서,
    상기 랜덤 액세스 시퀀스는,
    ZC (Zadoff-Chu) 시퀀스인 것을 특징으로 하는,
    랜덤 액세스 시퀀스 송신 방법.

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