KR20160094875A - 비면허대역 이동통신 시스템과 무선랜 시스템간의 채널 공유 장치 및 방법 - Google Patents

비면허대역 이동통신 시스템과 무선랜 시스템간의 채널 공유 장치 및 방법 Download PDF

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Abstract

비면허 대역 이동통신 시스템의 기지국은 WLAN 시스템과 채널을 공유하기 위해, 한 프레임의 시간 길이 내에서 WLAN 시스템의 WLAN 기기들이 송수신하는 제1 전송 구간과 비면허 대역 이동통신 시스템의 기기들이 송수신하는 제2 전송 구간을 결정하고, 제2 전송 구간이 시작되기 전의 IFS(Inter-Frame Space) 시간 동안 반송파 검출을 수행하여 채널이 유휴 상태인 것으로 판단되면, 제2 전송 구간의 시작점에서 데이터 전송을 시작한다.

Description

비면허대역 이동통신 시스템과 무선랜 시스템간의 채널 공유 장치 및 방법{METHOD AND APPARATUS FOR SHARING CHANNEL BETWEEN UNLICENSED MOBILE COMMUNICATION SYSTEM AND WIRELESS LOCAL AREA NETWORKS}
본 발명은 비면허대역 이동통신 시스템과 무선랜 시스템간의 채널 공유 장치 및 방법에 관한 것이다.
최근 다양한 형태의 스마트 단말기들이 급격히 보급되고, 3GPP LTE(Long Term Evolution) 기반의 무선 이동통신 서비스가 상용화된 이후 가입자가 급격히 증가하고 있다. 또한 주파수 결합(carrier aggregation) 기술로 대표되는 LTE-A(LTE Advanced) 시스템의 상용화에 따라 고화질의 동영상 혹은 음악 스트리밍 등과 같이 높은 전송 속도를 요구하는 서비스를 손쉽게 이용할 수 있는 환경이 조성됨에 따라 무선 이동통신 데이터가 폭발적으로 증가하고 있다. 이에 따라 통신 사업자들의 주파수 수요가 지속적으로 증가하고 있고, 방송, 공공, 재난 서비스 등 통신 이외 분야에서의 주파수 수요 또한 확대 추세에 있으므로 기존의 면허 방식에 기초한 독점적 주파수 분배 방식으로는 급격히 증가하는 주파수 자원 수요에 유연하게 대응하는 것이 힘들다.
이동통신 데이터의 급격한 증가에 대응하기 위한 방안으로 피코셀(picocell), 펨토셀(femtocell) 형태의 소형기지국을 이용하여 비면허대역에서 이동통신 신호를 전송하는 기법이 고려되고 있다. 비면허대역을 이용하여 이동통신 데이터 트래픽을 분산하는 경우 통신 사업자가 경매 등의 절차를 거쳐 독점적인 주파수 사용권을 확보할 필요가 없으므로 저렴한 비용으로 상당한 수준의 용량을 분담할 수 있는 장점이 있다. 특히 5GHz 대역의 경우 전 세계적으로 광범위한 비면허대역을 확보할 수 있는 장점이 있다. 반면, 비면허대역의 경우 다수의 통신 기기가 채널을 공유해서 사용해야 하므로 독점적 사용권이 보장된 면허대역에 비해 안정적인 통신 서비스 품질 확보가 어렵다.
비면허대역 이동통신 전송 기법의 한 예로 최근 활발히 논의되고 있는 LAA (License Assisted Access) 방식이 있다. LAA 시스템의 경우 비면허대역에서 LTE 혹은 LTE-A 신호를 주로 소형기지국을 이용하여 전송하는데, 통상적으로 통신 서비스 품질을 보장하기 위해 면허대역과 비면허대역을 동시에 이용한다. LAA 기술은 기본적으로 LTE 기술에 기반하고 있으므로 비면허대역에서 가장 널리 이용되고 있는 WLAN(Wireless Local Area Network) 시스템에 비해 단위 면적당 제공할 수 있는 네트워크 용량이 높고, 비면허대역에서도 QoS(Quality of Service)를 보장할 수 있으며, 원활한 이동성과 전력 소모 관리 등을 제공할 수 있는 장점이 있다.
비면허 이동통신 시스템은 일반적으로 타 시스템과의 간섭을 고려하여 송신 출력이 제한되므로 면허대역 LTE 시스템에 비해 커버리지가 작아진다. 또한 동일 주파수를 사용하는 타 통신 시스템과의 간섭을 최소화하고 비면허대역 내에서의 규제 사항을 준수하기 위해 QoS를 보장하지 못하는 상황이 발생할 수 있다. 따라서 이런 문제점을 보완하기 위해 면허대역과 비면허대역을 결합해서 사용하는 LAA 시스템이 널리 사용된다.
비면허대역에서는 독점적 주파수 사용권이 보장되지 않으므로 비면허대역을 사용하는 타 통신 시스템과 LAA 시스템간에 간섭 문제가 발생할 수 있다. 특히, 현재 비면허대역에서 가장 널리 사용되는 WLAN 시스템과 LAA 시스템간의 간섭 완화를 위한 공존 기술 개발이 매우 중요하다. WLAN 시스템은 기본적으로 CSMA/CA(Carrier Sensing Multiple Access with Collision Avoidance) 방식을 이용하여 다중 접속을 지원하므로 무선 채널의 사용 여부를 감지한 후 채널이 비어 있는 경우에만 신호를 전송한다. 반면에 LAA 시스템은 하향링크의 경우 OFDMA(Orthogonal Frequency Division Multiple Access), 상향링크의 경우 SC-FDMA(Single Carrier Frequency Division Multiple Access) 방식으로 다중 접속을 지원하므로 다수의 단말이 동시에 주파수 자원을 점유할 수 있다. 따라서 LAA 시스템에서 WLAN 시스템과의 공존을 고려하지 않고 기존 면허대역에서의 LTE 다중 접속 방식을 그대로 사용하는 경우 LAA 시스템과 WLAN 시스템이 공존할 때 WLAN 시스템의 용량이 급격히 저하될 수 있다.
본 발명이 해결하려는 과제는 WLAN 시스템의 데이터 전송율에 악영향을 주지 않으면서 비면허대역 이동통신 시스템과 WLAN 시스템이 채널 자원을 공유할 수 있는 비면허대역 이동통신 시스템과 무선랜 시스템간의 채널 공유 장치 및 방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 한 실시 예에 따르면, 비면허 대역 이동통신 시스템의 기지국이 WLAN 시스템과 채널을 공유하는 방법이 제공된다. 비면허 대역 이동통신 시스템과 WLAN 시스템간의 채널 공유 방법은 한 프레임의 시간 길이 내에서 WLAN 시스템의 WLAN 기기들이 송수신하는 제1 전송 구간과 비면허 대역 이동통신 시스템의 기기들이 송수신하는 제2 전송 구간을 결정하는 단계, 상기 제2 전송 구간이 시작되기 전의 IFS(Inter-Frame Space) 시간 동안 반송파 검출을 수행하는 단계, 그리고 상기 IFS 시간 동안 채널이 유휴 상태인 것으로 판단되면, 상기 제2 전송 구간의 시작점에서 데이터 전송을 시작하는 단계를 포함한다.
본 발명의 실시 예에 의하면, 비면허대역 이동통신 시스템과 WLAN 시스템간의 시분할 기법을 사용할 경우 WLAN 기기에서 비면허대역 이동통신 시스템의 동작을 모르는 상태에서 비면허대역 이동통신 시스템과 WLAN 기기간의 패킷 충돌을 방지할 수 있다. 또한 비면허대역 이동통신 시스템의 전송 구간 조절 기법을 사용할 경우 비면허대역 이동통신 시스템과 WLAN 시스템의 트래픽 부하를 고려하여 비면허대역의 채널을 비면허대역 이동통신 시스템과 WLAN 시스템간에 적절하게 시분할함으로써 비면허대역의 채널 효용성을 극대화할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 비면허대역 LAA 시스템의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2는 본 발명의 한 실시 예에 따른 LAA 시스템과 WLAN의 공존을 위한 비면허 주파수 대역 접속 방법의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 LAA 시스템과 WLAN의 공존을 위한 비면허 주파수 대역 접속 방법의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 LAA 기지국에서 비면허 주파수 대역의 시간 자원을 시분할하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 LAA 기지국에서 LAA 시스템의 채널 용량 포화 여부를 판별하는 방법을 설명한 흐름도이다.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 LAA 기지국에서 WLAN 시스템의 채널 용량 포화 여부를 판별하는 방법을 설명한 흐름도이다.
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 비면허대역 이동통신 시스템과 무선랜간의 채널 공유 장치를 나타낸 도면이다.
아래에서는 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시 예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시 예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위해서 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙였다.
명세서 및 청구범위 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
명세서 전체에서, 단말(terminal)은 이동 단말(mobile terminal, MT), 이동국(mobile station, MS), 진보된 이동국(advanced mobile station, AMS), 고신뢰성 이동국(high reliability mobile station, HR-MS), 가입자국(subscriber station, SS), 휴대 가입자국(portable subscriber station, PSS), 접근 단말(access terminal, AT), 사용자 장비(user equipment, UE) 등을 지칭할 수도 있고, MT, MS, AMS, HR-MS, SS, PSS, AT, UE 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
또한, 기지국(base station, BS)은 진보된 기지국(advanced base station, ABS), 고신뢰성 기지국(high reliability base station, HR-BS), 노드B(node B), 고도화 노드B(evolved node B, eNodeB), 접근점(access point, AP), 무선 접근국(radio access station, RAS), 송수신 기지국(base transceiver station, BTS), MMR(mobile multihop relay)-BS, 기지국 역할을 수행하는 중계기(relay station, RS), 기지국 역할을 수행하는 중계 노드(relay node, RN), 기지국 역할을 수행하는 진보된 중계기(advanced relay station, ARS), 기지국 역할을 수행하는 고신뢰성 중계기(high reliability relay station, HR-RS), 소형 기지국[펨토 기지국(femto BS), 홈 노드B(home node B, HNB), 홈 eNodeB(HeNB), 피코 기지국(pico BS), 메트로 기지국(metro BS), 마이크로 기지국(micro BS) 등] 등을 지칭할 수도 있고, ABS, 노드B, eNodeB, AP, RAS, BTS, MMR-BS, RS, RN, ARS, HR-RS, 소형 기지국 등의 전부 또는 일부의 기능을 포함할 수도 있다.
이제 본 발명의 실시 예에 따른 비면허대역 이동통신 시스템과 무선랜 시스템간의 채널 공유 장치 및 방법에 대하여 도면을 참고로 하여 상세하게 설명한다. 비면허대역 이동통신 시스템으로는 비면허대역 LAA 시스템을 예로 들어서 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 비면허대역 LAA 시스템의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 1을 참고하면, 비면허대역 LAA(License Assisted Access) 시스템(이하, "LAA 시스템"이라 함)은 LAA 기지국(100) 및 단말(200)을 포함한다. LAA 기지국(100)은 데이터 요구량을 충족시키기 위해서 면허(license) 대역과 비면허(unlicensed) 대역을 통합하여 사용한다. 즉 LAA 기지국(100)은 사용 주파수를 면허 대역에 한정하지 않고 비면허 대역을 통해 부족한 주파수를 확보하여 추가적인 용량과 더욱 빠른 데이터 속도를 제공한다.
LAA 기지국(100)은 면허 대역의 하향링크(DL)를 통해 제어 신호와 QoS가 요구되는 하향링크 데이터를 전송하고, 비면허 대역의 하향링크(DL)를 통해 제어 신호와 QoS 보장이 필요 없는 하향링크 데이터를 전송한다. 비면허 대역의 하향링크(DL)로는 데이터 송수신에 직접적으로 필요한 최소한의 제어 신호만 전송될 수 있다.
단말(200)은 면허 대역의 상향링크(UL)를 통해 면허 대역 및 비면허 대역에 대응되는 제어 신호와 상향링크 데이터를 전송한다.
비면허 대역은 누구나 무료로 사용할 수 있도록 규정한 주파수 대역으로, 독점적 주파수 사용권이 보장되지 않는다. 비면허 대역은 일반적으로 WiFi라 불리는 WLAN(Wireless Local Area Network) 시스템의 WLAN 기기들이 사용한다. 따라서 LAA 시스템에서 비면허 대역을 사용하기 위해서는 동일 주파수 대역 내에서 서비스를 제공하는 WLAN 기기와의 채널 공존 문제를 해결해야 한다.
도 2는 본 발명의 한 실시 예에 따른 LAA 시스템과 WLAN의 공존을 위한 비면허 주파수 대역 접속 방법의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 2를 참고하면, LAA 기지국(100)은 한 프레임의 시간 길이(Tframe)를 설정하고, 한 프레임의 시간 길이(Tframe) 내에서 WLAN 전송 구간(TWLAN)과 LAA 전송 구간(TLAA)을 결정한다.
WLAN 전송 구간(TWLAN)에서는 WLAN 시스템의 WLAN 기기들이 데이터 송수신 동작을 수행한다. LAA 전송 구간(TLAA)에서는 LAA 시스템의 LAA 기기들이 데이터 송수신 동작을 수행한다. LAA 시스템의 LAA 기기들은 WLAN 전송 구간(TWLAN)에서 데이터 송수신 동작을 수행하지 않는다. 여기서, 기기는 기지국을 의미할 수도 있고, 단말을 의미할 수도 있다. 이하에서는 설명의 편의를 위해 WLAN 기기들이 송수신하는 데이터를 WLAN 데이터라 하고, LAA 기기들이 송수신하는 데이터를 LAA 데이터라 명명한다.
WLAN 전송 구간(TWLAN)에서 WLAN 기기는 WLAN 데이터 전송을 시작하기 전에 CSMA/CA(Carrier Sense Multiple Access with Collision Avoidance) 동작을 수행한다. WLAN 시스템에서 MAC(Medium Access Control)의 기본 접속 메커니즘은 CSMA/CA 메커니즘이다. CSMA/CA 메커니즘은 기본적으로 LBT(listen before talk) 접속 메커니즘을 채용하고 있다. 따라서 WLAN 기기는 데이터 전송을 시작하기에 앞서, 무선 채널을 센싱(sensing)하는 CCA(Clear Channel Assessment)를 수행할 수 있다. WLAN 기기는 소정의 시간[예를 들어, DIFS(DCF Inter-Frame Space) 시간] 동안 무선 채널이 유휴 상태(idle status)인 것으로 판단 되면, 충돌을 피하기 위해 채널 접속을 위한 지연 시간[예를 들어, WLAN 임의 백오프 구간(random backoff period)]을 설정하여 더 기다린 후 전송을 시작한다. 반면, WLAN 기기는 CCA 센싱 결과, 무선 채널이 점유 상태(busy status)인 것으로 감지되면, 전송을 시작하지 않고 무선 채널이 유휴 상태가 될 때까지 대기한다. DIFS는 WLAN 시스템에서 미리 정한 시간 간격이고, WLAN 임의 백오프 구간은 무선랜 기기의 백오프 윈도우 크기를 고려하여 랜덤으로 결정된다. 이와 같이, WLAN 임의 백오프 구간의 적용으로, WLAN 기기들은 서로 다른 시간 동안 대기한 후에 프레임 전송을 시도하므로, 충돌(collision)을 최소화시킬 수 있다.
일반적으로 WLAN 기기에서 WLAN 데이터를 전송하면, WLAN 데이터를 수신한 WLAN 기기는 WLAN 데이터에 대한 응답 메시지를 전송하는데, WLAN 데이터를 정상적으로 수신한 경우 ACK(acknowledgement) 메시지를 WLAN 데이터를 전송한 WLAN 기기로 전송한다. 이때 WLAN 데이터와 ACK 메시지 사이에 SIFS(Short Inter-Frame Space) 만큼의 시간 간격이 발생된다. 한편, UDP(user datagram protocol)와 같이 수신단에서 데이터 수신 성공 여부를 송신단으로 알려줄 필요가 없는 경우에는 ACK 메시지 전송이 생략될 수 있다.
WLAN 전송 구간(TWLAN)에서 WLAN 데이터를 전송한 WLAN 기기가 WLAN 전송 구간(TWLAN) 내에 ACK 메시지를 수신하면, WLAN 전송 구간(TWLAN) 내에서 WLAN 데이터 전송이 성공적으로 완료된 것으로 본다.
그리고 LAA 기기는 LAA 전송 구간(TLAA)에서 LAA 데이터 전송을 시작하기 전에 IFS(Inter-Frame Space) 시간 동안 반송파 검출(carrier sensing, CS)를 수행한다. IFS 시간 동안 채널이 사용되고 있지 않으면, LAA 전송 구간(TLAA)의 시작점에서 LAA 데이터 전송을 시작하고, LAA 전송 구간(TLAA) 동안 연속적으로 LAA 데이터를 전송한다. 한편, IFS 시간 동안 채널이 사용되고 있는 것으로 판단되면, LAA 기기는 LAA 데이터 전송을 대기할 수 있다.
한 프레임의 시간 길이(Tframe), WLAN 전송 구간(TWLAN)의 길이, LAA 전송 구간(TLAA)의 길이는 LAA 기지국(100)에 의해 결정되므로, WLAN 기기는 한 프레임의 길이(Tframe), WLAN 전송 구간(TWLAN)의 길이, LAA 전송 구간(TLAA)의 길이에 대한 정보를 알지 못한다. 따라서 WLAN 전송 구간(TWLAN)에서 시작된 WLAN 데이터 전송이 LAA 전송 구간(TLAA)까지 계속되는 경우가 발생할 수 있다. 이 경우, WLAN 전송 구간(TWLAN)에서 LAA 기기가 CS 과정 없이 데이터 전송을 곧바로 시작하면, WLAN 데이터와 LAA 데이터간에 충돌이 발생할 수 있다. 그러나 본 발명의 실시 예에 따른 LAA 기기는 LAA 전송 구간(TLAA)이 시작되기 전에 IFS 시간 동안 CS 과정을 수행함으로써, WLAN 데이터와 LAA 데이터간의 충돌을 방지할 수 있게 된다.
프레임(F1)에서 LAA 데이터 전송이 완료되면, 프레임(F2)에서의 전송이 시작된다.
프레임(F2)의 WLAN 전송 구간(TWLAN)에서는 LAA 기기가 LAA 데이터를 송수신하지 않으므로, WLAN 기기가 CSMA/CA 동작을 수행하여 채널을 점유하게 된다. DIFS 시간과 WLAN 랜덤 백오프 시간이 지난 후 무선 채널이 유휴 상태이면 WLAN 기기가 WLAN 데이터 전송을 시작한다.
그리고 LAA 기기는 LAA 전송 구간(TLAA)에서 LAA 데이터 전송을 시작하기 전에 IFS 시간 동안 CS를 수행하여 채널이 유휴 상태인 것으로 판단되면, LAA 전송 구간(TLAA)의 시작점에서 LAA 데이터 전송을 시작한다.
이와 같은 동작을 통해 전체 비면허 주파수 대역의 자원을 설정된 WLAN 전송 구간(TWLAN)과 LAA 전송 구간(TLAA)의 비율에 따라 LAA 시스템과 WLAN 시스템이 시분할해서 사용하게 된다.
도 3은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 LAA 시스템과 WLAN의 공존을 위한 비면허 주파수 대역 접속 방법의 일 예를 나타낸 도면이다.
도 3을 참고하면, WLAN 기기는 한 프레임의 길이(Tframe), WLAN 전송 구간(TWLAN)의 길이, LAA 전송 구간(TLAA)의 길이에 대한 정보를 알 수 없다. 따라서 프레임(F1)에서 WLAN 전송 구간(TWLAN) 동안 WLAN 데이터 전송이 완료되지 않고 LAA 전송 구간(TLAA)까지 지속될 수 있다. WLAN 데이터 전송의 완료는 앞에서 설명한 바와 같이 WLAN 데이터 전송과 이에 대한 ACK 메시지 수신까지의 과정을 의미한다.
LAA 기기는 LAA 전송 구간(TLAA)에서 LAA 데이터 전송을 시작하기 전에 IFS 시간 동안 CS를 수행한다. LAA 기기는 IFS 시간 동안 채널이 점유 상태인 것으로 판단되면, LAA 기기는 LAA 데이터 전송을 대기한다. LAA 기기는 WLAN 기기의 WLAN 데이터 전송이 완료될 때까지 LAA 데이터 전송을 대기한다.
프레임(F1) 내에서 WLAN 기기의 WLAN 데이터 전송이 완료되면, LAA 기기는 CS를 통해서 채널이 유휴 상태인 것을 확인하게 된다. LAA 기기는 채널이 유휴 상태인 것이 확인되면, LAA 데이터 전송을 시작하며, LAA 전송 구간(TLAA) 동안 연속적으로 LAA 데이터를 전송한다.
이러한 경우, LAA 시스템에서 미리 정해진 LAA 전송 구간(TLAA)의 시작점은 ① 시점이지만, Ta 시간만큼 전송 지연이 발생하여 LAA 기기의 실제 데이터 전송은 ② 시점에서 시작된다. 또한 프레임(F1)을 기준으로 WLAN 기기의 WLAN 전송 구간(TWLAN)은 Ta 시간만큼 증가한다.
프레임(F1)에서 WLAN 전송 구간(TWLAN)의 증가를 보상하기 위해 이어지는 프레임(F2)에서는 WLAN 전송 구간(T'WLAN)을 Ta 시간만큼 감소시킨다. 따라서 프레임(F2)에서 WLAN 전송 구간(T'WLAN)은 (TWLAN-Ta)가 된다.
도 3에 도시한 바와 같이, 프레임(F2)에서 WLAN 기기는 CSMA/CA 동작을 수행하여 채널을 점유하여 WLAN 데이터 전송을 시작한다. 이때 WLAN 데이터 전송이 WLAN 전송 구간(T'WLAN) 내에서 정상적으로 완료되면, LAA 기기는 CS 과정을 통해서 LAA 시스템에서 미리 정해진 LAA 전송 구간(TLAA)의 시작점인 ① 시점에서 LAA 데이터를 전송하게 된다.
이와 같은 동작을 통해 LAA 시스템에서 데이터 전송을 시작할 때 LAA 데이터와 WLAN 데이터간의 충돌을 방지할 수 있다.
일반적으로 WLAN 시스템의 WLAN 전송 구간(TWLAN)에 비해 WLAN 데이터의 전송 시간이 상당히 작으므로 WLAN 기기의 WLAN 데이터 전송이 WLAN 전송 구간(TWLAN) 내에서 완료되지 않고 LAA 전송 구간(TLAA)까지 지속될 확률은 낮다. 따라서 도 3과 같이 WLAN 전송 구간(T'WLAN)을 유연하게 조절하는 동작을 통해 도 2에서와 유사하게 비면허 주파수 대역의 자원을 WLAN 전송 구간(TWLAN)과 LAA 전송 구간(TLAA)의 비율에 따라 LAA 시스템과 WLAN 시스템이 시분할해서 사용할 수 있다.
도 4는 본 발명의 실시 예에 따른 LAA 기지국에서 비면허 주파수 대역의 시간 자원을 시분할하는 방법을 설명하는 흐름도이다.
도 4를 참고하면, LAA 기지국(100)은 LAA 시스템과 WLAN 시스템의 트래픽 부하를 고려하여 WLAN 전송 구간(TWLAN)과 LAA 전송 구간(TLAA)을 결정한다.
구체적으로, LAA 기지국(100)은 시간 인덱스 n에서 LAA 전송 구간과 WLAN 전송 구간을 각각 TLAA(n)과 TWLAN(n)으로 정의한다(S402).
LAA 기지국(100)은 n=0으로 설정하고(S404), WLAN 전송 구간과 LAA 전송 구간의 초기값[TWLAN(0), TLAA(0)]을 수학식 1과 같이 설정한다(S406).
Figure pat00001
LAA 기지국(100)은 LAA 트래픽 부하를 검출한다(S408). LAA 기지국(100)은 현재 사용하고 있는 TLAA(n)과 LAA 시스템의 전송 속도를 이용하여 LAA 시스템의 수용 가능한 LAA 트래픽 부하를 계산한다.
LAA 기지국(100)은 LAA 시스템의 트래픽 요구 사항과 수용 가능한 LAA 트래픽 부하를 비교하여 LAA 시스템의 채널 용량이 포화되었는지 여부를 판별한다(S412). LAA 시스템의 채널 용량 포화 여부를 판별하기 위한 구체적인 과정은 도 5를 참고로 하여 후술한다.
다음, LAA 기지국(100)은 WLAN 트래픽 부하를 검출한다(S410). LAA 기지국(100)은 LAA 시스템에서 WLAN 신호 수신 동작을 통해 WLAN 기기의 활동성 비율(activity ratio)을 추정한다. 또한 LAA 기지국(100)은 수신된 WLAN 패킷의 전송 시간에 대한 누적분포함수(CDF; cumulative distribution function)를 추정하고, 이를 이용하여 WLAN 기기간에 패킷 충돌이 발생한 경우 평균 전송 시간을 계산한다. WLAN 기기별로 추정된 활동성비율, 정상적으로 수신된 패킷의 전송 시간 분포, 충돌이 발생한 패킷의 평균 전송 시간, 그리고 WLAN 기기의 WLAN 랜덤 백오프 동작을 고려하여 주어진 상황에서 WLAN 시스템의 이론적인 활동성 비율을 계산한다. 그리고 LAA 기지국(100)은 계산된 WLAN 시스템의 이론적인 활동성 비율과 실제 측정된 WLAN 시스템의 활동성 비율을 비교하여 WLAN 시스템의 채널 용량이 포화되었는지 여부를 판별한다(S414, S428). WLAN 시스템의 채널 용량 포화 여부를 판별하기 위한 구체적인 과정은 도 6을 참고로 하여 후술한다.
LAA 기지국(100)은 LAA 시스템과 WLAN 시스템의 채널 용량이 모두 포화된 경우, 수학식 2 내지 수학식 4와 같이 세 가지 경우로 나누어서 TWLAN(n)과 TLAA(n)이 같아지는 방향으로 TLAA(n+1)의 값을 조절한다.
LAA 기지국(100)은 TLAA(n)이 TWLAN(n)보다 크면(S416), 수학식 2와 같이 TLAA(n+1)의 값을 결정한다(S418).
LAA 기지국(100)은 TLAA(n)이 TWLAN(n)보다 작으면(S420), 수학식 3과 같이 TLAA(n+1)의 값을 결정한다(S422).
또한 LAA 기지국(100)은 TLAA(n)이 TWLAN(n)보다 크지 않고, TWLAN(n)보다 작지도 않으면, 즉, TLAA(n)= TWLAN(n)인 경우, 수학식 4와 같이 TLAA(n+1)의 값을 TLAA(n)으로 결정한다(S424).
Figure pat00002
이때 Ts는 미리 정해진 시간 조절 간격을 나타내고, 일반적으로 비면허 대역 이동통신 시스템의 전송 규격을 고려하여 결정된다. LTE 시스템의 경우 최소 전송 단위인 서브프레임(subframe)이 1ms이므로 LAA 시스템에서 Ts는 1ms로 설정될 수 있다.
Figure pat00003
Figure pat00004
한편, LAA 시스템의 채널 용량이 포화되지 않고(S412), WLAN 시스템의 채널 용량은 포화된 경우(S428), LAA 시스템은 채널 용량에 여유가 있으므로, LAA 기지국(100)은 수학식 2와 같이 TLAA(n+1)의 값을 감소시킨다(S430).
또한 LAA 시스템의 채널 용량이 포화되고(S412), WLAN 시스템의 채널 용량은 포화되지 않은 경우(S414), WLAN 시스템은 채널 용량에 여유가 있으므로, LAA 기지국(100)은 수학식 3과 같이 TLAA(n+1)의 값을 증가시킨다(S426).
그리고 LAA 시스템과 WLAN 시스템의 채널 용량이 모두 포화되지 않은 경우(S412, S428), LAA 시스템과 WLAN 시스템 모두 채널 용량에 여유가 있으므로, LAA 기지국(100)은 TLAA(n+1)과 TWLAN(n+1)의 조정이 필요 없다. 따라서 수학식 4와 같이 TLAA(n+1)과 TWLAN(n+1)은 각각 이전의 값인 TLAA(n)과 TWLAN(n)을 동일하게 유지한다(S432).
LAA 기지국(100)은 앞에서 설명한 방법에 의해서 TLAA(n+1)을 결정하고 나면, 결정된 TLAA(n+1)을 이용하여 TWLAN(n+1)을 수학식 5와 같이 계산한다(S434).
Figure pat00005
그리고 시간 인덱스 n을 1만큼 증가시킨 후(S436) 앞에서 설명한 단계(S408~S434)를 반복한다.
LAA 기지국(100)은 이러한 동작을 통해서 LAA 시스템의 트래픽 부하와 WLAN 시스템의 트래픽 부하를 고려하여 비면허 주파수 대역의 자원을 시분할해서 사용하도록 함으로써, LAA 시스템과 WLAN 시스템이 공존하는 경우 비면허 주파수 대역의 효용성을 극대화할 수 있다.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 LAA 기지국에서 LAA 시스템의 채널 용량 포화 여부를 판별하는 방법을 설명한 흐름도이다.
도 5를 참고하면, LAA 기지국(100)은 시간 인덱스 n에서 비면허 대역의 하향링크 전송 속도[R(n)]를 결정한다(S510). LAA 시스템은 도 1에서 설명한 바와 같이 면허 대역의 상향링크 및 하향링크 채널을 사용한다. LAA 기지국(100)이 비면허 대역의 하향링크로 신호를 전송하면 단말(200)에서는 비면허 대역의 하향링크 채널 상태 정보를 측정하여 면허 대역의 상향링크를 통해 LAA 기지국(100)으로 피드백한다. 그러면, LAA 기지국(100)은 비면허 대역의 하향링크 채널 상태 정보를 이용하여 시간 인덱스 n에서 비면허 대역의 하향링크 전송 속도[R(n)]를 결정할 수 있다(S510).
한편, LAA 기지국(100)은 백본 네트워크(backbone network)에서 LAA 기지국(100)으로 전달되는 트래픽의 양을 측정하여 LAA 시스템의 트래픽 요구사항[L(n)]을 추정한다(S520).
LAA 기지국(100)은 하향링크 전송 속도[R(n)]와 주어진 TLAA(n)을 고려하여 계산되는 LAA 시스템의 수용 가능한 LAA 트래픽 부하와 LAA 시스템의 트래픽 요구사항[L(n)]의 차이(dLAA)를 수학식 6과 같이 계산한다(S530).
Figure pat00006
LAA 기지국(100)은 차이(dLAA)가 0보다 큰지 판단한다(S540).
차이(dLAA)가 0보다 크면, 수용 가능한 LAA 트래픽 부하가 실제 트래픽 요구 사항보다 크다는 것을 의미하므로, LAA 기지국(100)은 LAA 시스템의 채널 용량이 포화되지 않은 것으로 판단하고(S550), 차이(dLAA)가 0 이하이면, LAA 시스템의 채널 용량이 포화된 것으로 판단한다(S560).
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 LAA 기지국에서 WLAN 시스템의 채널 용량 포화 여부를 판별하는 방법을 설명한 흐름도이다.
도 6을 참고하면, WLAN 시스템의 채널 용량 포화 여부를 LAA 시스템의 LAA 기지국(100)에서 판단해야 하므로, LAA 시스템과 달리 WLAN 시스템의 경우에는 비면허 대역의 하향링크 전송 속도와 트래픽 요구 사항을 직접적으로 측정하거나 추정하기는 어렵다. 따라서 본 발명의 실시 예에서는 WLAN 시스템의 하향링크 전송 속도와 트래픽 요구사항을 추정하지 않고, 간접적으로 WLAN 시스템의 채널 용량 포화 여부를 판별하는 방법을 사용한다.
이를 위해 우선 LAA 기지국(100)은 일정 시간 동안 WLAN 기기에서 전송하는 WLAN 패킷을 수신한다. LAA 기지국(100)은 일정 시간 동안 WLAN 기기에서 전송하는 WLAN 패킷을 통해 각 WLAN 기기의 활동성 비율(activity ratio)을 추정하고, 시간 인덱스 n에서 모든 WLAN 기기의 활동성을 더한 총 활동성 비율[Umeasured(n)]을 추정한다(S610).
또한 LAA 기지국(100)은 개별적인 WLAN 패킷의 전송 시간 측정값을 이용하여 패킷 전송 시간의 CDF를 추정하고(S620), 패킷 전송 시간의 CDF를 이용하여 WLAN 기기간에 패킷 충돌이 발생한 경우 충돌이 발생한 WLAN 패킷의 평균 전송 시간을 계산한다(S630). 이때 충돌이 발생한 2개 이상의 WLAN 패킷들의 패킷 전송 시간이 다른 경우, 충돌이 발생한 패킷의 패킷 전송 시간은 충돌이 발생한 2개 이상의 WLAN 패킷들 중에서 패킷 전송 시간이 가장 긴 WLAN 패킷의 패킷 전송 시간으로 정해진다. 패킷 전송 시간은 순시(instantaneous) 전송 시간을 의미할 수 있으며, 이러한 순시 전송 시간을 여러 개 평균해서 평균 전송 시간이 계산될 수 있다. 따라서 위에서 설명한 바와 같이 패킷 전송 시간의 CDF를 이용하면, 충돌이 발생한 WLAN 패킷의 평균 전송 시간이 이론적으로 계산될 수 있다.
다음으로, LAA 기지국(100)은 WLAN 기기에서 WLAN 랜덤 백오프를 사용하는 경우 WLAN 랜덤 백오프를 고려한 이론적인 분석 모델을 이용하여 시간 인덱스 n에서 WLAN 시스템의 이론적인 최대 활동성 비율[Umax(n)]을 계산한다(S640).
WLAN 랜덤 백오프가 적용된 WLAN 시스템의 이론적인 용량, 전송 지연, 활동성 비율을 계산하기 위한 모델로 모든 WLAN 기기가 포화 부하(saturation load) 상황에서 동작할 때를 가정한 포화 부하 모델, 모든 WLAN 기기가 포화되지 않은 상태에서 동작할 때를 가정한 불포화 부하 모델(non-saturation load model), 그리고 이를 변형한 모델이 사용될 수 있다. 본 발명의 실시 예에서는 주어진 상황에서 WLAN 시스템의 최대 활동성 비율을 구하는 것이 목적이므로 최대 활동성 비율[Umax(n)]를 계산하기 위한 방법의 한 예로 포하 부하 모델을 적용하여 설명한다. 참고로 도 4 내지 도 6에서 설명한 LAA 전송 구간 조절 기법에는 포하 부하 모델 외에 다른 WLAN 분석 모델이 적용될 수 있다.
WLAN 시스템의 특정 슬롯(slot)에서 WLAN 기기가 패킷을 전송할 확률(τ)은 수학식 7과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00007
수학식 7에서, CWmin은 WLAN 랜덤 백오프에서 최소 윈도우 크기를 나타내고,
Figure pat00008
이다. 또한 p는 WLAN 기기가 패킷을 전송할 때 충돌이 발생할 확률을 의미한다. 수학식 7을 이용하여 p는 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure pat00009
수학식 8에서, N은 WLAN 시스템에서 패킷을 전송하고 있는 전체 WLAN 기기의 수를 나타낸다.
위의 수학식 7 및 수학식 8은 τ 및 p에 대한 이원 이차 연립 방정식이므로 수적 반박(numerical iteration)을 통해 τ 및 p를 계산할 수 있다. 이를 이용하여 WLAN 시스템의 최대 활동성 비율은 수학식 9와 같이 계산될 수 있다.
Figure pat00010
수학식 9에서, Ts는 성공적으로 전송된 패킷의 평균 전송 시간을 의미하고, Tc는 충돌이 발생한 패킷의 평균 전송 시간을 나타내며, Ti는 슬롯 시간을 나타낸다. 또한 Pb는 패킷을 전송할 확률을 나타내고, Ps는 패킷을 성공적으로 전송할 확률을 나타낸다. Pb와 Ps는 수학식 10과 같이 주어진다.
Figure pat00011
여기서, N은 WLAN 기기의 수를 나타낸다.
Ts는 패킷 전송 시간에 대한 누적분포함수 추정값을 이용하여 계산될 수 있고, Tc는 단계(S630)에 의해 계산되며, N은 단계(S610)에서 추정 가능하다.
LAA 기지국(100)은 수학식 9를 이용하여 시간 인덱스 n에서 WLAN 시스템의 이론적인 최대 활동성 비율[Umax(n)]을 계산할 수 있다.
다음, LAA 기지국(100)은 이론적인 최대 활동성비율[Umax(n)]과 실제 측정된 활동성 비율[Umeasured(n)]의 차이(dWLAN)를 수학식 11과 같이 계산한다(S650).
Figure pat00012
LAA 기지국(100)은 차이(dWLAN)가 0보다 큰지 판단한다(S660).
LAA 기지국(100)은 차이(dWLAN)가 0보다 크면, WLAN 시스템의 채널 용량이 포화되지 않은 것으로 판단하고(S670), 차이(dLAA)가 0 이하이면, WLAN 시스템의 채널 용량이 포화된 것으로 판단한다(S680).
도 7은 본 발명의 실시 예에 따른 비면허대역 이동통신 시스템과 무선랜간의 채널 공유 장치를 나타낸 도면이다.
도 7을 참고하면, 채널 공유 장치(700)는 채널 접속 제어부(710), 송수신기(720) 및 메모리(730)를 포함한다. 채널 공유 장치(700)는 LAA 기지국(100) 내에 구현될 수 있다. 채널 접속 제어부(710)는 중앙 처리 유닛(central processing unit, CPU)이나 기타 칩셋, 마이크로프로세서 등으로 구현될 수 있다.
채널 접속 제어부(710)는 한 프레임의 시간 길이(Tframe) 내에서 WLAN 전송 구간(TWLAN)과 LAA 전송 구간(TLAA)을 결정한다. 채널 접속 제어부(710)는 도 4에서 설명한 바와 같이 LAA 시스템의 트래픽 부하와 WLAN 시스템의 트래픽 부하를 고려하여 WLAN 전송 구간(TWLAN)과 LAA 전송 구간(TLAA)을 결정할 수 있다.
채널 접속 제어부(710)는 WLAN 전송 구간(TWLAN)에서 LAA 데이터의 송수신 동작의 중단을 지시하고, LAA 전송 구간(TLAA)이 시작하기 전에 CS 과정을 수행하고, CS 과정을 통해 채널이 유휴 상태인 것이 확인되면 LAA 전송 구간(TLAA)의 시작점에서 LAA 데이터 전송을 송수신기(720)로 지시할 수 있다. 또한 채널 접속 제어부(710)는 CS 과정을 통해 채널이 점유 상태인 것이 확인되면 LAA 데이터 전송을 보류한다. 채널 접속 제어부(710)는 도 3에서 설명한 바와 같이 LAA 데이터 전송이 현재 프레임의 LAA 전송 구간(TLAA)의 시작점을 기준으로 지연된 경우, 다음 프레임의 WLAN 전송 구간(TWLAN)을 줄일 수 있다.
송수신기(720)는 단말(200)과 제어 신호 및 데이터를 송수신한다. 송수신기(720)는 채널 접속 제어부(710)의 지시에 따라서 비면허 대역의 채널을 통해서 LAA 데이터를 전송하고, 단말(200)로부터 면허 대역의 채널을 통해서 상향링크 데이터를 수신한다. 또한 송수신기(720)는 WLAN 기기로부터 WLAN 패킷을 수신할 수 있다.
메모리(730)는 채널 접속 제어부(710)에서 수행하기 위한 명령어(instructions)을 저장하고 있거나 저장 장치(도시하지 않음)로부터 명령어를 로드하여 일시 저장하며, 채널 접속 제어부(710)는 메모리(730)에 저장되어 있거나 로드된 명령어를 실행한다.
채널 접속 제어부(710)와 메모리(730)는 버스(도시하지 않음)를 통해 서로 연결되어 있으며, 버스에는 입출력 인터페이스(도시하지 않음)도 연결되어 있을 수 있다. 이때 입출력 인터페이스에 송수신기(720)가 연결되며, 입력 장치, 디스플레이, 스피커, 저장 장치 등의 주변 장치가 연결되어 있을 수 있다.
본 발명의 실시 예는 이상에서 설명한 장치 및/또는 방법을 통해서만 구현되는 것은 아니며, 본 발명의 실시 예의 구성에 대응하는 기능을 실현하는 프로그램 또는 그 프로그램이 기록된 기록 매체를 통해 구현될 수도 있으며, 이러한 구현은 앞서 설명한 실시 예의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술 분야의 전문가라면 쉽게 구현할 수 있는 것이다.
이상에서 본 발명의 실시 예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리 범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리 범위에 속하는 것이다.

Claims (1)

  1. 비면허 대역 이동통신 시스템의 기지국이 WLAN 시스템과 채널을 공유하는 방법으로서,
    한 프레임의 시간 길이 내에서 WLAN 시스템의 WLAN 기기들이 송수신하는 제1 전송 구간과 비면허 대역 이동통신 시스템의 기기들이 송수신하는 제2 전송 구간을 결정하는 단계,
    상기 제2 전송 구간이 시작되기 전의 IFS(Inter-Frame Space) 시간 동안 반송파 검출을 수행하는 단계, 그리고
    상기 IFS 시간 동안 채널이 유휴 상태인 것으로 판단되면, 상기 제2 전송 구간의 시작점에서 데이터 전송을 시작하는 단계
    를 포함하는 비면허 대역 이동통신 시스템과 WLAN 시스템간의 채널 공유 방법.
KR1020160011923A 2015-01-30 2016-01-29 비면허대역 이동통신 시스템과 무선랜 시스템간의 채널 공유 장치 및 방법 KR20160094875A (ko)

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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR20180036403A (ko) * 2016-09-30 2018-04-09 인천대학교 산학협력단 이기종망에서 비면허대역 주파수 공유 적응형 신호 전송 방법 및 시스템

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